Impact of Aspect Ratio on the Mechanical Properties of Squeeze-Cast Aluminum Alloys
이 기술 요약은 S.S. Mutar와 N.S. Abtan이 작성하여 International Journal on "Technical and Physical Problems of Engineering” (IJTPE) (2023)에 게재한 학술 논문 "IMPACT ASPECT RATIO ON MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINUM ALLOY PRODUCED BY SQUEEZE CASTING PROCESS"를 기반으로 합니다.

키워드
- 주요 키워드: 스퀴즈 캐스팅
- 보조 키워드: AA6061, 형상비, 기계적 특성, 경도, 밀도, 기공률, 내마모성, 직접 스퀴즈 캐스팅
Executive Summary
- 도전 과제: 스퀴즈 캐스팅으로 생산된 알루미늄 부품의 형상(형상비)이 달라질 때 일관되고 우수한 기계적 특성을 확보하는 것입니다.
- 연구 방법: 90MPa의 일정한 가압 압력 하에서 AA6061 합금의 높이 대 직경(H/D) 형상비를 2/3, 3/3, 4/3으로 변경하며 기계적 특성에 미치는 영향을 조사했습니다.
- 핵심 발견: 더 낮은 형상비(H/D = 2/3)가 기계적 특성을 크게 향상시켜 가장 높은 밀도, 가장 높은 경도, 그리고 가장 낮은 마모율을 보였습니다.
- 핵심 결론: 스퀴즈 캐스팅으로 생산되는 AA6061 부품의 성능을 최적화하기 위해서는 높이 대 직경 형상비를 최소화하는 것이 중요한 설계 및 공정 고려사항입니다.
도전 과제: 이 연구가 고압 다이캐스팅 전문가에게 중요한 이유
자동차 및 항공우주 산업에서는 경량화와 고강도 부품에 대한 요구가 끊임없이 증가하고 있습니다. 스퀴즈 캐스팅은 용융 금속이 응고되는 동안 높은 압력을 가하여 수축 기공을 제거하고, 미세하고 치밀한 조직을 형성하여 단조품에 가까운 기계적 특성을 구현하는 혁신적인 공정입니다. 그러나 복잡한 형상의 부품을 생산할 때, 특히 부품의 높이와 직경 비율(형상비)이 달라지면 압력 전달 효율이 변하여 기계적 물성의 불균일성을 초래할 수 있습니다. 이는 최종 제품의 신뢰성과 성능에 직접적인 영향을 미치므로, 많은 엔지니어들이 직면하는 실질적인 문제입니다. 본 연구는 이 형상비가 기계적 특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 고품질 부품 생산을 위한 핵심적인 공정 변수를 규명하고자 했습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 AA6061 알루미늄 합금의 기계적 특성에 대한 형상비의 영향을 체계적으로 평가하기 위해 정밀하게 통제된 실험을 설계했습니다. 연구진은 다음과 같은 접근법을 사용했습니다.
재료 및 금형: 연구에는 자동차 및 구조용으로 널리 사용되는 AA6061 알루미늄 합금이 사용되었습니다. 주조를 위한 금형은 고정된 직경(30mm)과 각각 다른 높이(25, 35, 45mm)를 가진 중탄소강(AISI 1040)으로 제작하여 2/3, 3/3, 4/3의 형상비를 구현했습니다.
스퀴즈 캐스팅 공정: AA6061 합금을 800°C로 용해한 후, 300°C로 예열된 금형에 주입했습니다. 주입 후 7초 이내에 유압 프레스를 사용하여 90MPa의 일정한 압력을 120초 동안 가했습니다. 이 과정에서 금형 바닥에 설치된 K-타입 열전대를 통해 냉각 곡선을 실시간으로 측정했습니다.
기계적 특성 평가: 제작된 시편에 대해 다음과 같은 기계적 특성을 평가했습니다. - 밀도 및 기공률: 아르키메데스 원리(ASTM D3800)를 이용하여 실제 밀도를 측정하고, 이론 밀도(2.727 g/cm³)와 비교하여 기공률(ASTM C948)을 계산했습니다. - 경도: 비커스 경도 시험기를 사용하여 각 시편의 경도를 측정했습니다. - 내마모성: 핀온디스크(Pin-on-disc) 마모 시험기를 사용하여 특정 조건(하중 20N, 속도 480rpm) 하에서의 마모율을 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
본 연구는 부품의 형상비가 스퀴즈 캐스팅된 AA6061 합금의 기계적 특성에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 명확히 보여주었습니다.
결과 1: 형상비가 밀도와 기공률에 미치는 직접적인 영향
형상비가 낮을수록 밀도는 증가하고 기공률은 감소하는 뚜렷한 경향이 관찰되었습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, H/D 비율이 2/3일 때 밀도는 2.724 g/cm³로 이론 밀도에 가장 근접했으며 기공률은 0.08%로 가장 낮았습니다. 반면, H/D 비율이 4/3으로 증가하자 밀도는 2.71 g/cm³로 감소하고 기공률은 0.66%로 크게 증가했습니다. 이는 낮은 형상비에서 가압 압력이 용탕 내부에 더 효과적으로 전달되어 수지상간 응고 수축을 보상하고 내부 기공을 제거하는 데 더 효율적임을 의미합니다.
결과 2: 경도와 내마모성은 형상에 의해 결정됨
경도와 내마모성 또한 형상비에 따라 크게 달라졌습니다. H/D 비율이 증가할수록 냉각 속도가 감소(2/3 비율에서 20°C/s, 4/3 비율에서 14°C/s)했으며, 이는 더 조대한 미세조직을 형성하여 경도 저하의 원인이 되었습니다. 그림 6에 따르면, H/D 비율이 2/3일 때 경도는 69 HV로 가장 높았고, 4/3일 때는 59.5 HV까지 감소했습니다. 내마모성은 경도와 직접적인 관련이 있어, 그림 7에서와 같이 H/D 비율이 2/3일 때 마모율이 27×10⁻⁸ g/cm로 가장 낮았고, 4/3일 때는 38×10⁻⁸ g/cm로 증가했습니다. 이는 낮은 형상비가 더 빠른 냉각을 유도하여 미세하고 균일한 조직을 형성함으로써 기계적 특성을 전반적으로 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
- 공정 엔지니어: 이 연구는 부품의 부피(H/D 비율)에 따라 압력 적용의 효율성이 달라짐을 시사합니다. H/D 비율이 낮은 부품은 압력 전달이 용이하여 용탕 충진을 개선하고 결함을 줄일 수 있으므로, 공정 설계 시 이를 고려해야 합니다.
- 품질 관리팀: 논문의 그림 5와 그림 6 데이터는 H/D 비율과 경도/밀도 간의 강한 상관관계를 보여줍니다. 이는 다양한 두께나 높이를 가진 부품의 잠재적인 품질 문제를 예측하고 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
- 설계 엔지니어: 연구 결과는 가능한 한 낮은 H/D 비율로 부품을 설계하는 것이 본질적으로 우수한 기계적 특성을 확보하는 데 유리함을 나타냅니다. 이는 초기 설계 단계에서부터 결함 형성을 억제하고 후공정에서의 보완 필요성을 줄이는 중요한 고려사항입니다.
Paper Details
IMPACT ASPECT RATIO ON MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINUM ALLOY PRODUCED BY SQUEEZE CASTING PROCESS
1. 개요:
- 제목: IMPACT ASPECT RATIO ON MECHANICAL PROPERTIES OF ALUMINUM ALLOY PRODUCED BY SQUEEZE CASTING PROCESS
- 저자: S.S. Mutar, N.S. Abtan
- 발행 연도: 2023
- 학술지/학회: International Journal on "Technical and Physical Problems of Engineering” (IJTPE)
- 키워드: Aspect Ratio, 6061 Aluminum Alloy, Direct Squeeze Casting, Mechanical Properties.
2. 초록:
수축 기공의 발생을 방지하기 위해 사용되는 기술인 스퀴즈 캐스팅은 합금 용탕이 응고되는 동안 외부 압력을 가하는 것을 포함합니다. 스퀴즈 캐스팅 방법은 스퀴즈 캐스트 부품이 더 나은 기계적 품질을 갖기 때문에 자동차 및 항공우주와 같은 분야를 염두에 두고 만들어졌습니다. (6xxx) 계열 합금은 규소와 마그네슘을 기본 원소로 포함하는 가장 중요한 알루미늄 합금 체인 중 하나이며 다양한 엔지니어링 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 이 합금들은 높은 강도 대 중량비, 성형성 및 적당한 내식성과 같은 특성을 가지고 있습니다. 90MPa의 적용 압력에서 2/3, 3/3, 4/3의 H/D 비율이 AA6061 알루미늄 잉곳의 기계적 특성(경도-밀도-기공률-마모율)에 미치는 영향을 조사한 결과, H/D 비율이 증가함에 따라 경도, 밀도는 감소한 반면, 기공률과 마모율 값은 적용 압력 값에서 증가했습니다.
3. 서론:
직접 스퀴즈 캐스팅은 가압된 용융 금속이 프레스 실린더 사이에 위치한 닫힌 금형 내부에서 형성되는 기술입니다. 가해진 압력과 금속이 다이 표면과 빠르게 접촉함으로써 미세한 결정립을 가진 주물이 생성되며, 이는 단조품과 유사한 기계적 특성을 가집니다. 스퀴즈 캐스팅 방법은 거의 최종 형상에 가까운 고품질 부품을 쉽게 기계화하여 만들 수 있습니다. 이 방법으로 구리, 마그네슘, 알루미늄 합금으로 만든 부품을 쉽게 생산할 수 있습니다. 응고 중 고압으로 인해 내부 금형과 용융 금속이 직접 접촉하는 표면이 계속 유지되므로 열전달률이 증가합니다. 주물과 내부 금형 표면 사이의 긴밀한 접촉은 주물이 빠르게 응고되도록 하여 미세한 2차 수지상 간격을 초래하며, 이 긴밀한 접촉은 주물이 적절한 수준의 강도와 연성을 얻는 데 필요합니다. 스퀴즈 캐스팅의 도입은 재료 및 공정 엔지니어에게 기존의 주조 및 단조 방법에 대한 새로운 대안을 제공했으며, 특히 거의 최종 형상 가공을 통한 재료 소비 감소와 경량화를 위한 고강도 부품 수요에 대한 현재의 강조에 비추어 볼 때 더욱 그렇습니다. 고밀도 주물에서 액체 금속이 응고될 때 압력을 가하여 거의 최종 형상을 생산할 수 있습니다. 이 제조 공정의 거의 최종 및 최종 형상 능력은 주요 이점 중 하나입니다. 스퀴즈 캐스트 부품은 기계적 특성도 향상되었습니다. 또한, 다양한 재료 및 합금에 대한 스퀴즈 캐스팅 공정의 다양한 공정 매개변수를 개선하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
스퀴즈 캐스팅은 응고 중 압력을 가하여 수축 기공을 제거하고 기계적 특성을 향상시키는 공정으로, 자동차 및 항공우주 산업에서 요구되는 고성능 부품 생산에 적합합니다. AA6061은 우수한 강도 대 중량비와 성형성으로 널리 사용되는 알루미늄 합금입니다.
이전 연구 현황:
다양한 재료 및 합금에 대한 스퀴즈 캐스팅 공정의 여러 매개변수를 개선하기 위한 다수의 연구가 수행된 바 있습니다 [6-11].
연구 목적:
본 연구의 목적은 90MPa의 일정한 적용 압력 하에서 스퀴즈 캐스팅으로 생산된 AA6061 알루미늄 합금의 높이 대 직경(H/D) 형상비(2/3, 3/3, 4/3)가 기계적 특성(경도, 밀도, 기공률, 마모율)에 미치는 영향을 연구하는 것입니다.
핵심 연구:
핵심 연구는 세 가지 다른 H/D 형상비를 가진 원통형 시편을 주조하고, 이들의 기계적 특성을 체계적으로 측정하여 형상비가 냉각 속도, 밀도, 기공률, 경도 및 마모율에 미치는 영향을 정량적으로 비교 분석하는 것입니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
주조 시편의 H/D 형상비를 독립 변수로, 그에 따른 기계적 특성을 종속 변수로 설정한 실험적 연구를 수행했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
- 재료: AA6061 알루미늄 합금 (화학 성분은 표 1 참조).
- 주조: 유압 프레스와 AISI 1040 강철 금형을 이용한 직접 스퀴즈 캐스팅.
- 공정 변수: 용탕 온도 800°C, 금형 예열 300°C, 적용 압력 90MPa, 압력 유지 시간 120초.
- 측정: 냉각 곡선(K-타입 열전대), 밀도(ASTM D3800, 아르키메데스 원리), 기공률(ASTM C948), 경도(비커스 경도 시험), 마모율(핀온디스크 시험).
연구 주제 및 범위:
본 연구는 AA6061 합금, 90MPa의 단일 적용 압력, 그리고 세 가지 특정 H/D 비율(2/3, 3/3, 4/3)에 국한됩니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- H/D 비율이 증가함에 따라 냉각 속도는 감소했습니다 (각각 2/3, 3/3, 4/3 비율에 대해 20, 15.5, 14 °C/Sec).
- H/D 비율이 증가함에 따라 밀도는 감소(2.724, 2.718, 2.71 g/cm³)하고 기공률은 증가(0.08, 0.32, 0.66 %)했습니다.
- H/D 비율이 증가함에 따라 비커스 경도는 감소했습니다 (69, 65, 59.5 HV).
- H/D 비율이 증가함에 따라 마모율은 증가했습니다 (27×10⁻⁸, 33×10⁻⁸, 38×10⁻⁸ g/cm).
- 최적의 기계적 특성은 가장 낮은 H/D 비율인 2/3에서 달성되었습니다.
Figure Name List:


- Figure 1. Used molds and presses
- Figure 2. Data logger thermometer
- Figure 3. Hardness tester
- Figure 4. Cooling curves of samples with aspect ratio H/D
- Figure 5. Porosity level and density at pressure (90Mpa)
- Figure 6. Hardness and aspect ratio H/D at pressure (90Mpa)
- Figure 7. Wear rate and aspect ratio H/D at pressure 90 MPa
7. 결론:
1) H/D 비율의 증가는 스퀴즈 캐스팅 기술에서 냉각 속도의 감소를 유발했습니다. 2) H/D 비율의 증가는 밀도의 감소를 유발했으며, H/D 비율 2/3의 밀도 값은 다른 비율 3/3, 4/3에 비해 이론적 밀도 값에 더 가깝습니다. 그 이유는 압력을 가하는 동안 냉각 속도보다 용융 금속의 압축성 계수 효과가 더 크기 때문입니다. 3) H/D 비율이 감소함에 따라 기공률이 감소하는 것이 관찰되었으며, 이는 밀도를 증가시키고 수지상 간의 공급 메커니즘을 증가시키는 압력 증가 때문입니다. 4) 가장 우수한 기계적 특성은 H/D 비율 2/3에서 얻어졌으며, 가장 높은 밀도 값, 가장 낮은 기공률 값, 가장 높은 경도 값, 그리고 가장 낮은 마모율을 보였습니다.
8. 참고 문헌:
- [1] P. Vijian, V. Arunachalam, “Optimization of Squeeze Casting Process Parameters Using Taguchi Analysis", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Issue 83, Vol. 33, pp. 1122-1127, August 2007.
- [2] P. Vijian, V. Arunachalam, “Modelling and Multi Objective Optimization of LM24 Aluminum Alloy squeeze Cast Process Parameters Using Genetic Algorithm", Journal of Materials Processing Technology, Issue 1-3, Vol. 186, pp. 82-86, May 2007.
- [3] K. Sukumaran, et al., “Studies on Squeeze Casting of Al 2124 Alloy and 2124-10% SiCp Metal Matrix Composite", Materials Science and Engineering, Issue 1, Vol. 490, pp. 235-241, 25 August 2008.
- [4] L. Yang, "The Effect of Solidification Time in Squeeze Casting of Aluminum and Zinc Alloys", Journal of Materials Processing Technology, Issue 1, Vol. 192, pp. 114-120, October 2007.
- [5] P. Vijian, V. Arunachalam, Optimization of Squeeze Cast Parameters of LM6 Aluminum Alloy for Surface Roughness Using Taguchi Method”, Journal of Materials Processing Technology, Issue 1-3, Vol. 180, pp. 161-166, 1 December 2006.
- [6] N.S. Abtan, K.H. Ghlaim, L.A. Proff, “Comparisons of Applied Pressure Effect on Improving Density, Hardness, and Microstructure by both Squeeze Casting Process and Pressure Die Casting Process for 380-Al Alloy", The Iraqi Journal for Mechanical and Material Engineering, Issue 2, Vol. 12, pp. 334-343, 2012.
- [7] M.T. Azhagan, et al., “Influence of Squeeze Pressure on the Mechanical Properties of Squeeze Cast Aluminum Alloy AA6061", Advanced Materials Research, Issue 13, Vol. 984-985, pp. 350-354, July 2014.
- [8] J. Hao, et al., “The Effect of Squeeze Casting Process on the Microstructure, Mechanical Properties and Wear Properties of Hypereutectic Al-Si-Cu-Mg Alloy", International Journal of Metalcasting, Issue 4, Vol. 16, pp. 153-165, February 2021.
- [9] A. Raji, R. Khan, "Effects of Section Thickness on the Optimum Properties OF Al-8% Si Alloy Squeeze Cast Components", Global Journal of Engineering Research, Vol. 4, No. 1, pp. 13-16, January 2005.
- [10] R. Tamuly, A. Behl, H. Borkar, "Effect of Squeeze Casting on Microstructure and Wear Properties of Aluminum Al-Si Alloy", Advances in Lightweight Materials and Structures, Springer, Vol. 8, pp. 705-714, 14 October 2020.
- [11] M.M. Saeed, M. Najeeb Abdullah, A.D. Younis, "Effect of Change in Dies Shape and Metals on Extrusion Force-Numerical Analysis and Experimental Study", International Journal on Technical and Physical Problems of Engineering (IJTPE), Issue 53, Vol. 14, No. 4, pp. 86-91, December 2022.
- [12] A. Bouayad, M. Alami, "The Effect of Mold and Pouring Temperature on Hardness and Microstructure of a HPDC Hyper- Eutectic Aluminum Alloy”, International Journal of Engineering Research and Technology, Issue 8, Vol. 4, pp. 1162-1165, February 2015.
- [13] B. Amar, et al., “Pressure and Die Temperature Effects on Microstructure and Mechanical Properties of Squeeze Casting 2017A Wrought Al Alloy", International Journal of Microstructure and Materials Properties, Issue 4, Vol. 7, No. 6, pp. 491-501, 2 January 2013.
- [14] M.K. Abbass, "Study of Dry Sliding Wear Behavior of Al-12% Si Alloy Produced by Squeeze Casting", The Iraqi Journal for Mechanical and Material Engineering, Issue 3, Vol. 9, pp. 369-382, 3 December 2009.
- [15] A. Jahangiri, et al., “The Effect of Pressure and Pouring Temperature on the Porosity, Microstructure, Hardness and Yield Stress of AA2024 Aluminum Alloy During the Squeeze Casting Process", Journal of Materials Processing Technology, Issue 76, Vol. 245, pp. 1-6, July 2017.
- [16] T. Reguła, et al., “Effect of Applied Pressure on the Quality of Squeeze Cast Parts Made from AlSi9Mg Alloy", Archives of Foundry Engineering, Issue 3, Vol. 11, pp. 55-60, 18 April 2011.
전문가 Q&A: 주요 질문과 답변
Q1: 모든 실험에서 90MPa라는 일정한 압력을 선택한 이유는 무엇입니까? A1: 본 논문은 90MPa라는 특정 압력 조건 하에서 H/D 형상비의 영향을 규명하는 데 초점을 맞추었습니다. 논문에서는 90MPa를 실험의 적용 압력으로 명시했으나, 이 값을 선택한 구체적인 이유는 기술하지 않았습니다. 이 연구는 압력 변화보다는 형상 변화가 기계적 특성에 미치는 영향을 분리하여 분석하기 위해 압력 변수를 고정한 것으로 보입니다.
Q2: 냉각 속도는 어떻게 측정되었으며, 그 중요성은 무엇이었습니까? A2: 냉각 속도는 데이터 로거에 연결된 K-타입 열전대를 금형 바닥 중앙에 설치하여 측정했습니다. H/D 비율이 2/3에서 4/3으로 증가함에 따라 냉각 속도는 20°C/s에서 14°C/s로 감소했습니다. 이 냉각 속도의 차이는 응고 조직의 미세함에 직접적인 영향을 미쳤으며, 더 빠른 냉각 속도(낮은 H/D 비율)가 더 높은 경도와 우수한 기계적 특성으로 이어진 핵심적인 원인이었습니다.
Q3: 논문에서 "수지상 간의 공급 메커니즘"을 언급했는데, H/D 비율이 여기에 어떻게 영향을 미칩니까? A3: H/D 비율이 낮을수록(부품이 더 납작할수록) 가해진 압력이 용탕 전체에 더 균일하고 효과적으로 전달됩니다. 이 강력한 압력은 응고가 진행되면서 형성되는 수지상(dendritic arms) 사이의 미세한 틈으로 남은 용탕을 밀어 넣는 '공급(feeding)'을 촉진합니다. 이로 인해 응고 수축으로 인한 미세 기공 발생이 억제되어 최종적으로 더 높은 밀도와 낮은 기공률을 갖는 부품이 만들어집니다.
Q4: 기공률 계산에 사용된 AA6061의 이론적 밀도는 얼마였으며, 가장 좋은 시편은 얼마나 근접했습니까? A4: 기공률 계산에 사용된 AA6061의 이론적 밀도는 2.727 g/cm³였습니다. 실험 결과, H/D 비율이 2/3인 시편이 2.724 g/cm³의 실제 밀도를 기록하여 이론 값에 가장 근접했습니다. 이는 0.08%라는 매우 낮은 기공률에 해당하며, 스퀴즈 캐스팅 공정이 매우 효과적으로 내부 결함을 제어했음을 보여줍니다.
Q5: 마모 시험은 구체적으로 어떤 조건에서 수행되었습니까? A5: 마모 시험은 핀온디스크(Pin-on-disc) 유형의 시험기를 사용하여 수행되었습니다. 시험 조건은 속도 480rpm, 수직 하중 20N, 시험 시간 20초였으며, 직경 60mm의 디스크 위에서 진행되었습니다. 이 조건 하에서 시편의 무게 감소량을 측정하여 마모율을 계산했습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 스퀴즈 캐스팅 공정에서 부품의 형상, 특히 높이 대 직경 비율이 최종 제품의 기계적 품질을 결정하는 핵심 변수임을 명확하게 입증했습니다. H/D 비율이 낮은 부품이 더 빠른 냉각 속도와 효과적인 압력 전달을 통해 월등히 높은 밀도, 경도, 내마모성을 달성한다는 사실은 R&D 및 생산 현장에 중요한 시사점을 제공합니다. 이 결과는 부품 설계 단계에서부터 제조 공정 최적화에 이르기까지 전 과정에 걸쳐 고려되어야 할 핵심적인 지침이 될 것입니다.
"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."
저작권 정보
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