강화 섬유를 통한 솔트 코어의 기계적 특성 향상

본 소개 자료는 "[Journal of Sensor Science and Technology]"에 게재된 "[Improving the Mechanical Properties of Salt Core through Reinforcing Fibers]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 논문 제목: Improving the Mechanical Properties of Salt Core through Reinforcing Fibers
• 저자: Ahrom Ryu, Soyeon Yoo, Min-Seok Jeon, Dongkyun Kim, Kiwon Hong, Sahn Nahm, and Ji-Won Choi
• 발행 연도: 2023
• 학술지/학회: Journal of Sensor Science and Technology (Vol. 32, No. 3, pp. 159-163)
• 키워드: Salt core, Reinforcing fiber, Bending strength, Eco-friendly, High-pressure die casting

2. 초록:

솔트 코어는 환경 문제 해결책으로서 전기 자동차 부품의 주조 공정에 적용되어 상당한 주목을 받아왔습니다. 그러나 솔트 코어는 고압 다이캐스팅에 사용하기에는 여전히 기계적 강도가 낮습니다. 본 연구에서는 강화재 사용으로 인한 KCl 기반 솔트 코어의 휨 강도 개선을 조사했습니다. KCl 및 Na2CO3 분말을 모재로 사용했고, 유리 섬유와 탄소 섬유를 강화재로 사용했습니다. 탄소 섬유 및 유리 섬유 함량이 휨 강도 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 여기서 우리는 비교적 적은 양의 유리 섬유(0.3 wt%)를 첨가하여 고압 다이캐스팅용으로 휨 강도가 개선된 새로운 섬유 강화 솔트 코어 조성을 얻었습니다. 강화된 솔트 코어는 49.3 Mpa의 휨 강도, 1.5%의 선형 수축률, 증류수에서 16.25 g/min.m²의 수용해도, 0.058%의 흡습률을 포함한 개선된 특성을 나타냅니다.

3. 서론:

알루미늄 고압 다이캐스팅(HPDC) 합금은 높은 강도와 강성, 우수한 성형성, 유리한 중량비 및 우수한 내식성으로 인해 전자 및 자동차 산업 분야에서 널리 사용되어 왔습니다. 최근에는 복잡한 내부 형상과 고품질 요구 사항을 가진 부품 제조에 있어 기존의 모래 주조 대신 솔트 코어를 사용하는 주조 공정이 제안되었습니다. 이 공정은 금속 응고 후 쉽게 용해될 수 있는 임시 코어로 솔트 재료를 사용하여 복잡한 내부 특징을 정밀하게 만들고 더 나은 표면 조도를 제공합니다. 솔트 코어는 높은 강도, 치수 정확도, 주조 제거 용이성, 내습성 및 재활용성과 같은 장점을 제공합니다. 그러나 솔트 코어 재료의 고유한 낮은 강도, 습도에 대한 취약성, 응고 중 변형 및 코어 추출의 어려움과 같은 대량 생산에는 여전히 한계가 있습니다. 기존 솔트 코어는 무기염(예: KCl, NaCl, CaCO3, Na2CO3, Na2SO4)으로 구성되며, 이는 부서지기 쉽고 보강을 제공하지 않으며 수축 및 균열에 취약하여 강도를 저하시킵니다. 따라서 솔트 코어의 기계적 강도를 향상시키는 것이 필수적입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

솔트 코어는 특히 자동차 응용 분야에서 주조 부품의 복잡한 내부 형상을 만드는 데 있어 HPDC에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 그러나 고유의 낮은 기계적 강도는 특히 다이캐스팅의 고압 하에서 사용에 상당한 제한을 가합니다. 전통적인 솔트 재료는 부서지기 쉽고 균열이 발생하기 쉽습니다.

이전 연구 현황:

솔트 코어 강도를 개선하기 위한 이전의 노력에는 충전 밀도와 균일성을 향상시키기 위한 제조 공정 최적화 및 코어 특성을 이해하기 위한 시뮬레이션 사용이 포함되었습니다. 알루미늄 보레이트 위스커, 알루미나 분말, 실리카 분말과 같은 다양한 강화재가 연구되었지만, 이러한 재료들은 종종 제한적인 강도 향상을 가져오거나 용융염의 유동성에 부정적인 영향을 미쳤습니다. 유리 섬유와 같은 강화 섬유는 세라믹 매트릭스 복합재에서 유망한 결과를 보였으며 KNO3 기반 솔트 코어에 대해 연구되어 휨 강도 향상과 흡습률 감소를 보여주었습니다. 그러나 섬유 함량이 높으면 유동성이 감소하고 주조 결함이 발생할 수 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 저렴한 유리 섬유와 탄소 섬유를 강화재로 통합하여 KCl 기반 솔트 코어의 기계적 특성, 특히 휨 강도를 개선하는 것을 목표로 했습니다. 이 연구는 다양한 섬유 함량이 휨 강도, 선형 수축률, 수용해도 및 흡습률에 미치는 영향을 조사했습니다. 또한, 이 연구는 강화 메커니즘을 이해하고 특히 초저(0.3 wt%) 유리 섬유 함량으로 상당한 강도 향상을 달성하기 위한 최적의 조성을 식별하기 위해 주사 전자 현미경(SEM)을 사용하여 강화된 솔트 코어의 형태 및 균열 미세 구조를 분석하고자 했습니다.

핵심 연구:

본 연구의 핵심은 다양한 양의 유리 섬유 또는 탄소 섬유(0.1 wt% ~ 0.7 wt%)로 강화된 KCl 기반 솔트 코어(매트릭스: KCl-60 mol%Na2CO3와 MgCl2)를 제조하는 것이었습니다. 그런 다음 이 제조된 솔트 코어의 기계적 및 물리적 특성을 평가하기 위해 일련의 테스트를 수행했습니다. 특히 휨 강도, 선형 수축률, 수용해도 및 흡습률을 측정했습니다. 솔트 코어, 특히 강화되지 않은 샘플과 0.3 wt% 유리 섬유 강화 샘플의 파단면 미세 구조를 SEM을 사용하여 분석하여 섬유 강화 효과를 관찰했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 연구 설계를 사용했습니다. 여기에는 강화 섬유(유리 및 탄소)의 다양한 조성으로 솔트 코어 샘플을 체계적으로 준비하고, 이러한 강화 효과를 결정하기 위해 기계적 및 물리적 특성을 후속적으로 특성화하는 것이 포함되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 원료: 염화칼륨(KCl, 순도 99%)과 탄산나트륨(Na2CO3, 순도 99%)을 모재로 사용했습니다. MgCl2도 모재의 일부였습니다. 유리 섬유(평균 입자 크기 20 µm, 직경 3 µm)와 탄소 섬유(평균 입자 크기 100 µm, 직경 7.2 µm)를 강화재로 사용했습니다.
• 제조: KCl, Na2CO3, MgCl2 (몰비 각각 30:60:10) 및 강화 섬유 (0.1 wt% ~ 0.7 wt%) 혼합물을 건조시킨 후, 알루미나 도가니에서 750 °C로 용융시키고 10분간 교반한 다음, 예열된 (220 °C) SKD61 강철 금형에 부었습니다. 55초 동안 냉각 후 솔트 코어를 제거하고 실온에서 냉각했습니다.
• 휨 강도: 만능 시험기(DUT-3000CM)에서 3점 굽힘 방법을 사용하여 일정한 압력 헤드 속도 2 mm/min 및 하중 980 N으로 평가했습니다.
• 선형 수축률 (L): L = (l1-l2)/l1 × 100% 공식을 사용하여 계산했으며, 여기서 l1은 설계 길이(12 mm)이고 l2는 샘플의 실제 길이입니다.
• 수용해도 (K): 원통형 솔트 코어를 23±2 °C 증류수에 담가 결정했으며, K = m / (sxt)를 사용하여 계산했습니다. 여기서 m은 질량, s는 총 표면적, t는 용해 시간입니다.
• 흡습률 (φ): φ = (m1-m0)/m0 × 100%를 사용하여 계산했으며, 여기서 m0는 원래 질량이고 m1은 습도 및 온도 조절기에서 상대 습도 60%에 1일 노출 후 질량입니다.
• 미세 구조 분석: 백금 스퍼터링된 솔트 코어 파단면을 주사 전자 현미경(SEM, Inspect 50, FEI, USA)을 사용하여 관찰했습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 다음에 초점을 맞췄습니다:

• 유리 섬유 및 탄소 섬유의 다양한 농도(0.1 wt% ~ 0.7 wt%)가 KCl 기반 솔트 코어의 휨 강도에 미치는 영향 조사.
• 선형 수축률, 수용해도, 흡습률을 포함한 유리 섬유 강화 솔트 코어의 기타 중요한 특성 평가.
• 강화 메커니즘을 이해하기 위해 강화되지 않은 솔트 코어와 유리 섬유 강화 솔트 코어의 미세 구조 분석.
• 개선된 기계적 특성을 달성하기 위한 유리 섬유 함량 최적화, 특히 낮은 농도(0.3 wt%) 목표.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 유리 섬유와 탄소 섬유의 첨가는 강화되지 않은 코어(휨 강도 22 MPa)에 비해 KCl 기반 솔트 코어의 휨 강도를 크게 증가시켰습니다.
• 0.3 wt% 유리 섬유 첨가 시 최대 휨 강도 49.3 MPa를 달성했습니다.
• 0.3 wt% 유리 섬유로 강화된 솔트 코어의 경우 다음과 같은 특성이 관찰되었습니다:
  • 선형 수축률: 1.5%
  • 수용해도: 증류수에서 16.25 g/min·m²
  • 흡습률: 0.058%
• 솔트 코어의 선형 수축률은 유리 섬유 함량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 강화되지 않은 코어의 1.03%에서 0.7 wt% 유리 섬유를 함유한 코어의 4.08%까지 다양했습니다.
• 흡습률 또한 유리 섬유 함량에 따라 증가하여, 강화되지 않은 코어의 0.036%에서 0.7 wt% 유리 섬유를 함유한 코어의 0.122%까지 증가했습니다. 그러나 유리 섬유 함량이 최대 0.3 wt%인 경우 흡습률은 0.1% 미만으로 유지되었습니다.
• 유리 섬유 첨가는 일반적으로 용해 시간(수용해도 감소)을 증가시켰습니다. 0.7 wt% 유리 섬유를 함유한 샘플이 가장 낮은 수용해도를 보였습니다. 0.3 wt% 유리 섬유로 강화된 KCl 기반 솔트 코어는 실온의 물에서 6시간 후에 완전히 용해되어 실제 적용에 적합한 우수한 수용해도를 나타냈습니다.
• SEM 분석 결과, 강화되지 않은 솔트 코어는 상대적으로 느슨한 입자 간 접착과 작은 미세 기공을 보였습니다. 반면, 0.3 wt% 유리 섬유로 강화된 솔트 코어는 더 조밀한 미세 구조를 보였습니다. 유리 섬유는 솔트 매트릭스에 잘 매립되어 균열 전파를 방해할 수 있습니다. 또한, 이러한 섬유는 외래 결정 핵으로 작용하여 결정립의 핵 생성 속도를 증가시키고 주상 결정 성장을 방해하여 솔트 코어의 강도를 높이는 데 기여합니다.

그림 제목 목록:

• Fig. 1. SEM morphologies of the (a) glass fibers and (b) carbon fibers.
• Fig. 2. Preparation process of KCl-based salt core.
• Fig. 3. SKD61 steel salt core mold.
• Fig. 4. Effect of the content of reinforcing fibers on the bending strength of KCl-based salt cores.
• Fig. 5. Water soluble experiments of the KCl-based salt core reinforced by 0.3 wt% glass fiber in room temperature: (a) 0 h, (b) 2 h, (c) 4 h, (d) 6 h.
• Fig. 6. SEM micrographs of the fractured salt core: (a) unreinforced, (b) with 0.3 wt% glass fiber

7. 결론:

본 연구는 강화 섬유를 통합함으로써 KCl 기반 솔트 코어의 기계적 특성이 크게 향상될 수 있음을 성공적으로 입증했습니다. 유리 섬유와 탄소 섬유 모두 균열 전파를 억제하여 휨 강도를 향상시키는 데 효과적이었습니다. 특히, 매우 적은 양(0.3 wt%)의 유리 섬유를 첨가하면 휨 강도가 실질적으로 증가하여 최대 49 MPa(강화되지 않은 코어의 경우 초기 22 MPa에서)의 값을 달성했습니다. 파단면 미세 구조 조사는 강화 효과를 확인했습니다. 또한, 유리 섬유 강화 KCl 기반 솔트 코어의 수용해도, 흡습률 및 수축률과 같은 주요 특성을 특성화하여 고압 다이캐스팅에서의 적용을 위한 귀중한 데이터를 제공했습니다. 향상된 휨 강도는 이러한 강화된 솔트 코어를 까다로운 주조 공정에 더 적합하게 만듭니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Ahrom Ryu, Soyeon Yoo, Min-Seok Jeon, Dongkyun Kim, Kiwon Hong, Sahn Nahm, and Ji-Won Choi"의 논문입니다. "Improving the Mechanical Properties of Salt Core through Reinforcing Fibers"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: http://dx.doi.org/10.46670/JSST.2023.32.3.159

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