ADI란

서론

ADI(Austempered Ductile Iron)는 구상흑연주철을 Austempering이라는 열처리를 통하여 기지조직을 개선하여 구상흑연주철의 성질을 강인화 시킨 조직이다.

이 재료에 대한 연구는 1930年代 부터 시작되었으나 실질적인 제품의 성공은 1972년 미국 GM사의 폰티악 사업본부에서 Ring and Pinion Gear Set를 적용함으로써 차량부품의 시작이 되었다.

참고로 1999년 미국 시장의 연간 생산량이 3만Ton 이었으나 2004년에는 100만TON을 초과 하고 있으므로 시장은 급 팽창하고 있다.

이러한 급진적인 성장은 ADI 재료가 생산단가의 감소와 설계의 유연성, 우수한 가공특성, 높은 강도,향상된 인성, 피로강도 및 내마모성의 향상 등을 부합적으로 제시할 수 있는 장점이 있기 때문이다.

자동차 부품 등에 주로 사용되고 있으나 단조강 및 용접 재, 침탄강 그리고 Al 부품 등에 필적할 만 하며, 한편으로는 경제적인 측면과 공업적 측면을 동시에 고려할 때 이들 재료보다 더 우수하다고 할 수 있다.

ADI 의 조직 특성

구상흑연주철과 ADI의 기계적 특성은 주로 기지조직에 의해 결정된다.
구상흑연주철의 기지는 Ferrite 와 Pearlite의 혼합 조직으로 이루어져 있다.

이러한 조직은 가열 및 고온 유지과정에서 완전히 Austenite로 변태하게 되고 항온냉각(Austempering)과정에서 오스페라이트(Ausferrite)라 불리는 침상의 Ferrite 와 고 탄소 안정화된 Austenite로 변태하게 된다.

이러한 오스페라이트 조직은 고강도, 고인성의 구상흑연주철이 되는 것이다.

ADI 의 기계적 특성

ADI와 타 강종 및 알루미늄합금과의 특성 비교

구분	GCD900A	GCD500	SCM4	AI합금	비고
인장강도 kg.f/㎟	92↑	50↑	100↑	35↑
항복강도 kg.f/㎟	61↑	34↑	70↑	-
신율%	8↑	7↑	12↑	8↑
충격치 kg.f.m	10.2↑	13↑	4↑	-	주철:무노치 강:V노치
경도HB	260↑	170↑	280↑	100↑
비중	7.25	7.25	7.85	3

기계적 성질

ADI는 열처리의 적절한 선택에 의해서 광범위 하게 변할 수 있는 장점이 있다.
예를 들어 인장강도는 90 kg.f/㎟ ~ 180 kg.f/㎟까지 만들 수 있고 경도는 HB 260 ~ 500까지 가능하다.

인장특성

KS 나 ASTM 은 여러 종류의 ADI 등급에 따른 인장특성을 정의하고 있다.
예(KS) : GCD900A, GCD1000A, GCD1200A

파괴특성

ADI의 파괴 인성은 오스템퍼링 온도의 조건에 따라 변한다.
고강도의 ADI는 높은 충격 치를 가지며 이것은 Ferrite 또는 Pearlite 기지의 구상흑연주철 보다 훨씬 크다.
또한 Pearlite 구상흑연주철 보다 두 배만큼 질기다.

피로특성

ADI는 단조강 보다 더 뛰어난 피로특성을 가진다.
압연피닝 또는 열처리 후의 가공과 같은 표면처리에 영향을 받을 때 ADI의 피로강도는 뚜렷하게 증가한다.
ADI는 상대적으로 Steel 보다 Stress 를 덜 받기 때문에 매우 높은 피로특성을 가진다고 볼 수 있다.

마모특성

ADI는 표면탄소(3%이상)의 윤활작용으로 우수한 내 마모 특성을 가진다.
같은 강도의 단조강 보다 약 5배의 내마모성을 가지고 있으며 열처리 후의 조직 변화로 인하여 구상흑연주철보다 약 2배 이상의 내마모성이 있다.

가공특성

단조강 보다 절삭 량의 감소로 가공비용 절감이 우수하며 연한 등급의 ADI는 같은 강도를 가지는 강의 가공성과 비교할 때 비슷하거나 더 뛰어나다. 이것은 열처리 방법에 의해서 결정되며 재료의 특성에 맞는 열처리 방법이 요구된다.

ADI 의 적용현황

대형 트럭과 버스 부품: Brackets, Pad Spring, Ring Gear, Spindle, Knuckle, Hooks, Yoke, Cam & Crank Shaft, Con-Rod, Landing Gear, Control Arm등
경자동차 및 트럭 부품: 현가장치부품, Knuckle, Spindle, Hub, Hooks, Gear & Case, Cam Shaft, Crank Shaft, Con-Rod, Control Arm등
철도부품: Suspension housing, Top caps & Friction wedges, Track plates, Wheels, Hooks, Bogie parts등에 대해 ADI를 적용한다.
기타: 그 외에 각종 산업 및 농업용 부품 또는 건설 광산용 부품에 적용환경을 늘려가고 있으며 특히 고강도 단조강 및 주강품에 대하여는 거의 80% 이상 대체 가능하다고 판단되고 있다.

자동차용 부품 현황

GEAR류: Gear는 가장 잘 알려지고 대부분 널리 퍼져있으며, ADI의 높은 잠재적인 사용을 나타낸다.
특히 General Motors 에서는 단조 및 표면경화 강의 링 기어와 피니언기어를 ADI로 전환하면서 아주 큰 발전을 하였으며 약 20%의 원가 절감 효과를 얻고 있다.
CRANK $ CAM SHAFT: 초기 생산된 ADI 부품은 냉각기 콤프레샤에 의한 작은 크랭크샤프트 였으나 자동차 부품에의 적용은 1980년대 GM이 처음으로 L-4 엔진의 캠샤프트에 적용 하였다.
이 캠샤프트는 1,000만 회의 시험 사이클에서 250ksi의 요구 범위를 초과 하였으며 L-4엔진의 수명향상 측면에서 사용되고 있다.
샤시류: GM은 ADI 서스펜션 컨트롤 암을 Cadillac Limousine에 성공적으로 탑재함으로써 그 사용 가능성을 보여주었다.
또한 트럭용 Control Arm은 현재 광범위 하게 적용되고 있으며 당사에서 수출하고 있는 미 해군용 트럭 부품으로 4종류와 미군JLTV 7종류, 공항특수차량 5종류 등 ADI부품을 공급하고있다
결론: ADI가 개발된 지는 벌써 수십 년이 지났지만 이 재료에 대한 정확한 이해와 여러 공정 특성을 정확히 이해하고 이를 적용하려는 시도는 국내에서는 아직 미흡하다.
특히 설계자들이 ADI의 강도, 인성, 마모저항 등의 특성들에 대해 좀더 잘 알게 되면 주강, 용접, 단조 그리고 알루미늄 주단조 품을 ADI로 교체함으로써 얻을 수 있는 가격절감과 경량화에 대한 매력을 절실히 인식하게 될 것이며, 이로 인하여 ADI는 괄목할 만한 성장을 계속 할 것이다.