탈가스 처리를 하고 열처리 후 압연공정을 하면 경도 값이 더 높아질 거라 생각했었다.
기포 결함이 나타나는 이유는 대기 중에 존재하는 산소, 질소, 수소 가스중 수소가스는 알루미늄 합금에 대하여 높은 용해도를 갖고 있기 때문에 용해시 주물 내에 다량 함유되어 있다가, 응고 시 알루미늄 합금에서의 수소 용해도가 급격히 감소함에 따라 가스가 주물 중에 그대로 갇히게 되어 기포결함으로 나타나게 된다.
이러한 결함은 주물의 기계적 성질, 내식성과 크랙의 전파 등에 악영향을 미친다.
만약 기포결함을 해결 한다면 시편의 경도 값이 더 높게 나올 것이다.
탈가스 공정의 가장 주된 메커니즘은 가스정화에 의한 것이다.
수소는 용탕 내에서 원자형태로 분해되어 있으므로, 결합하여 수소가스 분자를 형성해야 용탕 밖으로 유출될 수 있다. 그러나 액상 내에서 가스기포를 형성하는 것은 매우 어려우므로 수소를 함유하지 않는 가스기포를 용탕에 공급하여 이 문제를 해결 할 수 있다.
이렇게 가스기포를 용탕에 공급 할 경우 수소원자는 용탕에 공급된 기포로 확산해 갈 것이며 가스상이 이미 존재하기 때문에 쉽게 진행되며 (gas)반응에
의해 기포가 용탕 표면으로 올라감에 따라 수소는 용탕 밖으로 밀려나게 된다.
이러한 원리를 사용하여 용탕에 탈가스제인 Flux를 장입하여 인위적으로 기포를 만들어 탈가스를 실행하는 것이다.
하지만 탈가스 후 압연공정을 거친 시편의 경도 값은 터무니없게 낮게 나왔다.
그 이유를 알아본 결과 용탕 비 Flux가 적정비율보다 많이 첨가되어 오히려 역효과를 나타낸 걸로 사료된다.
적정 사용량이 용탕 100Kg당 150~200g을 사용했어야 했는데 우리는 이보다 많은 탈가스제를 사용하여 탈가스의 주성분인 이 오히려 역효과를 발생한 것으로 보인다.
또 Flux는 흡습성 염이기 때문에 대기 중에서 자연스럽게 수분을 유입할 수 있다.
만약 이러한 Flux가 용탕에 첨가된다면 용탕내 잔류 수소 량이 크게 증가할 것이다.
이러한 반응으로 인해 용탕 내에 함유되는 대부분의 수소는 얻어지기 때문에 도가니나 플럭스, 또 공기 중의 수분을 차단하는 게 수소를 없애는 가장 좋은 방법일 것이다.
또 압연에 의한 경도증가도 확인 할 수 있었다.
압연전의 시편의 경도는 HB47.5이였지만 압연후의 시편의 경도값은 HB62.6로 측정되었다.
이는 압연을 하게 되면 표면 부는 길게 늘어지는 조직들이 쪼개져서 작은 입자 크기를 가지는 조직이 나타나게 되고, 시편 내부에서는 기다란 조직이 나타난다.
또 시편 외부일수록 조직이 미세하게 된다.
경도증가 부분은 가공경화, 입자강화로 말 할 수 있다.
가공경화 : 전위밀도 증가
입자강화 : 입자 크기 감소 (홀페치식)
이러한 원리로 인해 압연을 통해 경도를 증가 시킬 수 있었다.
만약 탈가스처리가 제대로 된 용탕을 금형주형에 부어 얻은 시편을 열처리하고 압연까지 했다면 최종 경도 값이 더 높은 결과를 얻을 수 있을 것이다.
8. 총 원가 계획표( 1Ton 생산 )
내역
금액
구성비(%)
제
조
원
가
직접 재료비
재료(A356 1000kg)
3200000원
39%
주형비용
2800000원
34%
기계적 성질 검사
40000원
0.5%
조직 검사
40000원
0.5%
탈가스제(Flux)
1000원
0.01%
외주공임
0
0
에너지
비
코크스
0
0
전력(기본료 포함)
660690원
8%
중유(석유등 포함)
0
0
가스
6000원
0.07%
기타(구체적으로: )
0
0
노무비(재료검색비용 포함)
1500000원
18%
복리후생비
0
0
기타(구체적으로: )
0
0
판매비 · 관리비
판매비
판매원 급료 및 수당
0
0
지불운임
0
0
기타(구체적으로: )
0
0
관
리
비
임원급료 및 수당
0
0
사무원 급료 및 수당
0
0
여비, 교통비, 통신비
0
0
복리후생비
0
0
종업원교육비
0
0
연구개발비
0
0
기타(구체적으로: )
0
0
금융비
0
0
합계
8247690원
100%
* 임금은 시간당 3500원 기준
* 전력 기본료 4090원, KWh =46.90원
→ #30 도가니에 1회 용해 할 수 있는 Al=10kg
→ 전기로(시간당 10KW)
→ Al 10kg 용해 시 소요되는 전력량 = (10KW*14시간) → 140KW
→ Al 1ton 용해 시 쇼요되는 전력량 = (10KW*14시간*100) → 14000KW
* 탈산제(flux) = 1Kg 당 2000원
* 기계적 성질 검사 및 조직검사등 장비사용비는 감가상각비 포함
* 참고 : 생산기술연구원 김가희 연구원
A356 합금의 단가 : 약 8250원(Kg)
원가 계획표를 참고하여 제품의 단가는 약 8250원 정도가 나왔다.
이 단가로는 경쟁력이 전혀 없다.
학교 실험 장비로 양산에 대한 개념으로 접근하기는 어렵다.
주형도 1회용 주형이고, 설비 또한 양산에 적합하지 않기 때문이다.
실제 기업에서는 생산성을 낮추려는 노력이 많이 행해지고 있다.
가격 경쟁력을 갖춘 기업만이 경쟁에서 살아남을 수 있기 때문이다.
주형과 인건비, 그리고 전기로 등 제조원가에서 원가를 낮춘다면 단가는 많이 떨어질 것이다.
또 판매비와 관리비등도 포함 되어야 하는데 이는 기업에서 양산시에 포함 되는 부수적인 요인으로 이번 설계에서는 적용하지 않았다.
경쟁력 있는 생산원가와 기술개발로 인해 기업은 경쟁에서 우위에 설 수 있을 것이다.
9. 참고자료
** 논문
A356-0.2wt.%Fe 합금의 미세 조직과 인장 특성에 미치는 Mn ,Cr 의 영향
(박태영, 한국과학기술원,2004)
알루미늄 합금의 용탕제어 기술-수소가스거동 및 탈가스 기술
(이태호 외 2명, KIMM 재료 기술 연구부)
Al 합금 용탕 중 가스량 측정법
(김기영, 이민수, 생산기술연구원 주조기술연구실)
A356 알루미늄 합금의 조직 및 기계적 특성에 미치는 마찰교반프로세스의 영향.
(송건 외 4명, 성균관대학교 신소재공학과)
** 참고서적
금속조직학(김정근 외 3명, 학문사, 1996)
비철금속재료학(이지환 외 3명, 원창, 1993)
최신재료학(김정근 외 2명, 골드, 2001)
주물과 비철금속재료의 열처리(박상준 외 1명, 원창출판사, 1991)