흑연 분산 알루미늄-실리콘 합금의 제조와 마모 성질에 관한 연구

Abstract

흑연분산 Al-Si계 합금을 제조하여 마모성질에 대하여 연구하였다. 합금의 조성은 Al-6.5\% Si- 4\% Cu-0.6Mg,Al-13 \% Si- 4 \% Cu-0.6 \% Mg,Al-17 \% - 4 \% Cu-0.6Mg인데 이중에서 과 공정 합금은 자동차 엔진의 실린더 블럭용 주조합금 (LM 30) 이다. 흑연은 -48/+100mesh의 천연흑연을 사용하였으며, cementation방법으로 구리를 피복시켰다. 0.2M/l $CuSO_{4,5}H_2O$ 용액에 초산과 아연을 섞고, $380\,^\circ\!C$에서 1시간 가열하여 활성화 시킨 흑연입자를 넣어서 반응시켰다. 피복결과 피복층의 두께는 $2 \sim 10 \mu m$ 이 되었고, 피복된 입자에서 구리성분은 $21 \sim 25wt. \%$가 되었다. 용탕중에 분산시키는 데는 vertex법을 사용하였다. paddle type impeller로서 500r.p.m. 으로 용탕을 회전시켜서 소용돌이를 생기게 한 후 흑연입자을 첨가하였다. 흑연은 균질하게 용탕속에 분산되었다. 흑연과 합금과의 계면에서는 새로운 화합물이나 구리피복층도 발견되지 않았다. 마모시험은 자체제작한 pin and disk tipe의 마모시험기에서 하였다. 윤활이 없는 조건에서 마모시험을 행하였으며, 마모시험 전후에 화학천평으로 무게감량을 측정하였다. 마모시험의 결과는 1 km 마찰이후의 마찰길이당 무게감량(mg/km)을 마모율로 하여서 처리하였다. 마찰거리는 4km로 하였고, 하중의 변화에 따른 효과 실리콘양과 흑연량의 변화에 따른 효과, 마찰속도에 따른 변화등을 시험하였다. 흑연량은 $0 \sim 10wt.\%$ 까지 변화시켰으며, 마찰속도는 $0.5 \sim 8 m/S$, 하중은 $1.9 \sim 7.6 kg/cm^2$의 압력이 나오도록 하였다. 마모시험의 결과에서 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 흑연을 첨가하면 마모율은 감소하였고, 흑연이 5wt.\% 이상 되면 그 이상 감소가 없었다. 흑연 첨가효과는 흑연을 넣는 초기단계에서 현저하였다. 2) 실리콘 함량이 커질수록 흑연이 없을 때의 마모율은 크나 흑연이 5wt. \% 이상되면 마모율은 모두 8 mg/km가 되었다. 3) 하중이 커지면 마모율은 증가하는데 하중이 클수록 흑연첨가 효과가 현저하였다. 4) 마찰속도가 7.0 m / S일 때 마모율은 최대가 되며, 이때의 마모기구는 연삭마모 (abrasive wear) 이다. 속도가 커지면 마모율은 감소하며 마모기구가 응착마모로 바뀐다고 생각된다. 5) 흑연첨가에 의한 마모율의 감소는 판상구조의 흑연이 마찰되는 표면에서 윤활작용을 하여서 마모현상을 막아 주는데 원인이 있다.