금속 스펀지 주물 세척의 가능성

Beyond the Acid Bath: Faster, Greener Cleaning Methods for Complex Metal Sponge Castings

이 기술 요약은 Václav MERTA가 작성하여 METAL 2019에 발표한 학술 논문 "POSSIBILITIES OF CLEANING OF METAL SPONGE CASTINGS"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 금속 스펀지 주물 세척
• 보조 키워드: 인베스트먼트 주조, 석고 주형 재료, 고압수 세척, 압축 공기 세척, 주물 후처리, 다공성 금속

Executive Summary

• 도전 과제: 인베스트먼트 주조 후, 금속 스펀지의 복잡하고 미세한 기공에 남아있는 잔류 석고 주형 재료를 제거하는 것은 매우 어렵고 시간이 많이 소요됩니다.
• 해결 방법: 기존의 유해한 질산 용액 침출 방식 대신, 고압수(10 MPa)와 압축 공기(10 bar)를 이용한 기계적 세척 방법을 테스트했습니다.
• 핵심 돌파구: 고압수와 압축 공기 세척은 기존 2시간 이상 걸리던 공정을 단 2-3분으로 단축시켰으며, 전체 잔류물의 93% 이상을 효과적으로 제거했습니다.
• 핵심 결론: 새로운 기계적 세척 방법은 금속 스펀지 주물의 후처리 공정에서 시간, 비용, 환경적 부담을 획기적으로 줄일 수 있는 매우 효과적인 대안입니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 주조 전문가에게 중요한가

금속 스펀지나 금속 폼은 완전히 상호 연결된 개방형 기공 구조 덕분에 열 교환기, 필터, 경량 구조 부품 등 다양한 첨단 산업 분야에서 주목받고 있습니다. 이러한 부품을 정밀하게 제작하는 인베스트먼트 주조 공정에서는 복잡한 기공 시스템을 완벽하게 채울 수 있는 특수 석고 화합물이 주형 재료로 사용됩니다.

하지만 문제는 주조 후에 발생합니다. 이 석고 주형 재료는 소성 후 붕괴성(collapsibility)이 매우 낮고 잔류 강도가 높아, 약 0.3mm 두께의 얇은 금속 구조물로 이루어진 미세한 기공에서 제거하기가 극도로 어렵습니다. 기존에는 질산(HNO₃) 용액에 장시간(최소 1시간 이상) 담가 화학적으로 분해하는 방식을 사용했지만, 이는 공정 시간이 길고 유해 화학물질 사용으로 인한 환경적 부담과 안전 문제가 큰 걸림돌이었습니다. 따라서 더 빠르고, 안전하며, 효율적인 세척 방법의 개발이 시급한 과제였습니다.

접근 방식: 방법론 분석

본 연구에서는 기존의 화학적 세척 방식을 대체하기 위해 두 가지 기계적 세척 방법의 효율성을 평가했습니다. 실험 샘플은 알루미늄 합금(AlSi10MgMn)과 구리 합금(CuSn12)으로 제작된 50x50x20mm 크기의 금속 스펀지 주물이 사용되었습니다.

방법 1: 고압수 세척 (Pressurized Water Cleaning) - 장비: 최대 작동 압력 10 MPa의 Patriot PW 110 고압 세척기 사용. - 프로세스: 주물에 고압의 물을 직접 분사하여 기공 내의 석고 잔류물을 물리적으로 제거. - 평가 변수: 세척 시간, 제거된 석고 잔류물의 양.

방법 2: 압축 공기 세척 (Compressed Air Cleaning) - 장비: 10 bar 압력의 압축 공기 사용. - 프로세스: 주물에 고압의 공기를 분사하여 잔류물을 털어내는 방식. - 평가 변수: 세척 시간, 제거된 석고 잔류물의 양, 작업 환경(분진 발생).

두 방법 모두 초기 기계적 세척 후, 완벽한 세척을 위해 소량의 질산 용액과 초음파 세척을 추가로 진행하여 최종 잔류물 양을 측정하고 효율성을 비교 분석했습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

실험 결과, 고압수와 압축 공기를 이용한 새로운 세척 방법은 기존 방식에 비해 압도적인 시간 효율성과 높은 세척력을 보여주었습니다.

발견 1: 세척 시간의 획기적인 단축

기존 질산 침출 및 초음파 세척에 최소 2시간이 소요되었던 반면, 새로운 방법들은 단 몇 분 만에 대부분의 잔류물을 제거했습니다. - 고압수 세척: 평균 약 3분 소요 - 압축 공기 세척: 평균 약 2분 소요

이러한 시간 단축은 후처리 공정의 생산성을 극적으로 향상시킬 수 있음을 의미합니다.

발견 2: 높은 세척 효율성 및 방법 간 미미한 차이

두 가지 새로운 방법 모두 매우 높은 효율로 석고 잔류물을 제거했으며, 그 효과는 유사했습니다. Table 1의 데이터에 따르면, 초기 기계적 세척만으로 대부분의 잔류물이 제거되었습니다.

• AlSi10MgMn 주물:
  • 고압수 세척: 총 41.4g 중 40.5g (97.8%) 제거.
  • 압축 공기 세척: 총 40.6g 중 40.0g (98.5%) 제거.
• CuSn12 주물:
  • 고압수 세척: 총 35.9g 중 33.4g (93.0%) 제거.
  • 압축 공기 세척: 총 35.3g 중 33.6g (95.2%) 제거.

압축 공기 방식이 약간 더 효과적이었지만, 두 방법 모두 초기 단계에서 93% 이상의 잔류물을 성공적으로 제거했습니다. 구리 합금 주물에서 잔류물 제거가 더 어려웠던 것은 더 높은 소성 온도로 인해 주형 재료의 붕괴성이 악화되었기 때문으로 분석됩니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 고압수 또는 압축 공기 세척을 도입함으로써 주물 후처리 시간을 획기적으로 단축하고, 유해 화학물질 사용을 최소화하여 작업 환경을 개선하고 환경 규제에 대응할 수 있음을 시사합니다.
• 품질 관리팀: Table 1의 데이터는 기계적 세척만으로는 주물의 고체 벽 근처와 같은 일부 영역에 미량의 잔류물이 남을 수 있음을 보여줍니다. 따라서 100% 청정도가 요구되는 애플리케이션의 경우, '기계적 초기 세척 + 단시간 화학적 최종 세척'의 하이브리드 접근법이 새로운 품질 검사 기준으로 고려될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 비록 본 연구가 설계에 직접 초점을 맞추지는 않았지만, 잔류물이 고체 벽 근처에 축적되는 경향을 보인다는 결과는 초기 설계 단계에서부터 후처리 용이성을 고려하는 것이 중요함을 암시합니다. 예를 들어, 세척 유체의 흐름을 방해하는 내부의 급격한 코너나 막힌 부분을 최소화하는 설계가 도움이 될 수 있습니다.

논문 세부 정보

POSSIBILITIES OF CLEANING OF METAL SPONGE CASTINGS

1. 개요:

• 제목: POSSIBILITIES OF CLEANING OF METAL SPONGE CASTINGS (금속 스펀지 주물의 세척 가능성)
• 저자: Václav MERTA
• 발표 연도: 2019
• 발표 학회/저널: METAL 2019
• 키워드: Metal sponge, investment casting, gypsum moulding materials, cleaning methods

2. 초록:

본 논문은 금속 스펀지 주물의 세척 방법에 대해 다룬다. 다른 유형 중에서 완전히 상호 연결된 개방 기공을 가진 독특한 유형인 이 금속 폼 재료는 증발성 폴리우레탄 패턴을 사용하는 2단계 인베스트먼트 주조 공정으로 생산된다. 주형 제작 재료로는 특수 석고 화합물이 사용되며, 이는 주형 제작 중 복잡한 기공 시스템을 완전히 채울 수 있다. 그러나 주조 후, 이 주형 재료는 붕괴성이 낮아(잔류 강도가 높아) 개별 기공에서 주형 잔류물을 제거하는 데 문제가 있다. 따라서 이러한 유형의 주물을 세척하기 위한 다양한 대안 방법이 설계되고 실험에서 테스트되었다.

3. 서론:

금속 폼은 셀룰러 구조를 가진 다공성 금속 재료로, 현재 매우 진보적인 재료 그룹이다. 기공은 의도적으로 재료 구조 내에 생성되며, 금속 매트릭스 내 기공의 크기와 분포는 특정 제조 방법에 따라 달라진다. 이러한 다공성 구조 덕분에 높은 비강성, 높은 변형 에너지 흡수 능력과 같은 기계적 특성과 독특한 열 제어 특성, 넓은 비표면적 등 기능적 특성을 가진다. 이러한 재료를 생산하는 일반적인 방법 중 하나는 주조 기술을 사용하는 것이다. 이 생산의 기본 원리는 주형 재료 자체가 미래의 기공을 형성하는 주형에 액체 금속을 주입하여 다공성 구조를 얻는 것이다. 금속이 응고된 후에는 금속과 사용된 주형 재료로 구성된 복합 재료가 얻어지므로, 금속 폼 자체를 얻기 위해서는 기공에서 주형 재료를 제거해야 한다. 특히 석고 기반 주형 화합물이 가장 일반적으로 사용되는 금속 스펀지의 인베스트먼트 주조의 경우, 소성 온도에 따라 이 혼합물은 일반적으로 붕괴성이 매우 낮고 주조 후 잔류 강도가 높다. 상대적으로 작고 가변적인 크기, 무작위 분포, 개별 기공의 다양한 상호 연결 속도와 얇은 벽의 금속 매트릭스 구조가 결합되어 이러한 주물의 세척을 어렵게 만든다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

금속 스펀지 주물은 증발성 폴리우레탄 모델을 사용하는 2단계 인베스트먼트 주조 공정으로 생산된다. 이 공정에서 사용되는 석고 기반 주형 재료는 주조 후 붕괴성이 낮아 미세 기공에서 제거하기 어렵다는 문제를 안고 있다.

이전 연구 현황:

이전 연구에서는 불용성 황산칼슘 이수화물(CaSO₄·2H₂O)을 수용성 질산칼슘(Ca(NO₃)₂)으로 전환시키기 위해 1M 질산(HNO₃) 용액에 주물을 침출시키는 화학적 분해 방법을 사용했다. 그러나 이 공정은 최소 2시간(질산 침출 1시간, 초음파 세척 1시간)이 소요되어 매우 시간 소모적이며, 사용된 산으로 인해 상당한 환경적 부담을 수반했다.

연구 목적:

본 실험의 목적은 증발성 폴리우레탄 모델을 사용하는 2단계 인베스트먼트 주조 공정으로 생산된 금속 스펀지 주물의 세척 공정을 최적화하는 것이었다. 기존의 화학적 방법보다 더 효율적이고, 빠르며, 환경 친화적인 대체 세척 방법을 찾는 것을 목표로 했다.

핵심 연구:

알루미늄 합금(AlSi10MgMn)과 구리 합금(CuSn12)으로 제작된 금속 스펀지 주물 샘플에 대해 두 가지 대체 세척 방법, 즉 고압수 세척과 압축 공기 세척을 테스트했다. 각 방법의 효율성, 시간 요구 사항 및 기타 요인(예: 위생 조건)을 평가하고, 기존의 화학적 방법과 비교 분석했다.

5. 연구 방법론:

연구 설계:

본 연구는 기존의 화학적 세척 방법의 대안으로 고압수 세척과 압축 공기 세척의 효율성을 비교하는 실험적 설계를 채택했다. 알루미늄 합금과 구리 합금 두 종류의 주물에 대해 각 세척 방법을 적용하고 제거된 석고 잔류물의 양을 측정하여 성능을 정량적으로 평가했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 샘플 제작: 10 ppi 다공성을 가진 폴리우레탄 폼(Bulpren S 32450)을 패턴으로 사용하여 50x50x20 mm 크기의 테스트 주물을 설계했다. 주형 재료로는 특수 석고 복합재인 Eurovest를 사용했다. AlSi10MgMn 주물은 540°C, CuSn12 주물은 950°C의 주형 온도에서 주조되었다.
• 데이터 수집: 주조 후, 고압수(10 MPa) 또는 압축 공기(10 bar)로 초기 세척을 진행하고 제거된 석고 잔류물의 무게를 측정했다. 그 후, 남아있는 미량의 잔류물을 제거하기 위해 1M 질산 용액 침출 및 초음파 세척을 추가로 진행하고, 이때 제거된 잔류물의 무게를 다시 측정하여 총 잔류물 양과 각 단계별 제거 효율을 계산했다.

연구 주제 및 범위:

연구는 AlSi10MgMn 및 CuSn12 합금으로 제작된 금속 스펀지 주물의 세척에 국한된다. 세척 방법은 고압수와 압축 공기로 제한되었으며, 그 효과를 기존의 질산 기반 화학적 세척 방법과 비교하는 데 중점을 두었다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 고압수 및 압축 공기 세척 방법은 기존의 질산 세척 방법(2시간 이상 소요)에 비해 훨씬 시간 효율적이며, 주물은 2-3분 이내에 세척될 수 있다.
• 두 방법 모두 초기 세척 단계에서 대부분의 석고 잔류물을 제거하는 데 매우 효과적이었다. 압축 공기 세척은 AlSi10MgMn 주물에서 잔류물의 1.5%, CuSn12 주물에서 4.5%만 남겼다. 고압수 세척은 각각 2.2%와 7%의 잔류물을 남겼다.
• 압축 공기 세척 공정이 약간 더 효과적이었으나, 매우 먼지가 많이 발생하는 공정이므로 흡입 장치가 있는 밀폐된 캐빈에서 수행해야 하는 단점이 있다. 고압수 세척은 상대적으로 많은 양의 물을 소비하는 기술적 단점이 있다.
• 두 방법 모두 주물의 고체 벽 근처 일부 작은 영역에서는 잔류물을 완전히 제거하지 못해, 완벽한 세척을 위해서는 최종적으로 산을 사용하는 단계가 필요할 수 있다. 그러나 이때 필요한 산의 양과 침출 시간은 기존 방법에 비해 현저히 줄어든다.

Figure Name List:

• Figure 1 Principle of the two-stage investment casting process using an evaporative polyurethane (PUR) pattern [6]
• Figure 2 Prepared PUR pattern with wax solid wall
• Figure 3 AlSi10MgMn sponge casting after mould removal
• Figure 4 CuSn12 sponge casting after mould removal
• Figure 5 CuSn12 sponge casting after 3 minutes of pressurized water cleaning, 15 min of leaching in 1M HNO3 solution and 15 min of ultrasonic cleaning
• Figure 6 AlSi10MgMn sponge casting after 2 minutes of compressed air (10 bar) cleaning, 15 min of leaching in 1M HNO3 solution and 15 min of ultrasonic cleaning

7. 결론:

본 실험에서 금속 스펀지 주물을 세척하는 몇 가지 가능성이 테스트되었다. 이전에 테스트된 질산을 이용한 석고 주형 재료 잔류물의 화학적 분해 방법은 잔류 주형 재료 전체를 제거하는 데 기술적으로, 경제적으로 또는 생태학적으로 완전히 적합하지 않다. 초음파 세척은 충분히 효과적이지 않으며 보완적인 방법으로만 간주될 수 있다. 반대로, 고압수 또는 압축 공기를 이용한 테스트된 세척 방법은 매우 효과적이고 시간 효율적인 것으로 보인다. 또한, 세척 공정이 환경에 미치는 영향은 산 사용에 비해 무시할 수 있는 수준이다. 그러나 이러한 방법들조차도 세척 가능한 주물의 치수 한계나 에너지 집약도와 같은 단점을 가지고 있다. 이 문제에 대한 더 나은 지식을 얻기 위해 더 상세한 연구가 수행되어야 한다.

8. 참고 문헌:

• [1] BANHART, John. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams. Progress in Materials Science. 2001. vol. 46, no. 6, pp. 559-632.
• [2] GARCÍA-MORENO, Francisco. Commercial Applications of Metal Foams: Their Properties and Production. Materials. 2016. vol. 85, no. 9.
• [3] ASHBY, Michael F. Metal Foams: A Design Guide. Massachusetts: Butterworth-Heinemann. 2000. p. 251, ISBN: 9781493302918.
• [4] LICHÝ, Petr, ELBEL, Tomáš, KROUPOVÁ, Ivana and RADKOVSKÝ, Filip. Preparation and evaluation of properties of cast metallic foams with regular inner structure. Archives of Metallurgy and Materials. 2017. vol. 62, no. 3, pp. 1643-1646. ISSN 1733-3490.
• [5] KROUPOVÁ, Ivana, LICHÝ, Petr, LIČEV, Lačezar, HENDRYCH, Jakub and SOUČEK, Kamil. Evaluation of Properties of Cast Metal Foams with Irregular Inner Structure. Archives of Metallurgy and Materials. 2018. vol. 63, No. 4, pp. 1845-1849. ISSN 1733-3490.
• [6] KROUPOVÁ, Ivana, LICHÝ, Petr, RADKOVSKÝ, Filip, BEÑO, Jaroslav, BEDNÁŘOVÁ, Vlasta and LÁNA, Ivo. Optimization of the annealing of plaster moulds for the manufacture of metallic foams with an irregular cell structure. Materiali in Tehnologije. 2015. vol. 49, No. 4, pp. 527-530. ISSN 1580-2949.
• [7] WANG, L., LI, H., WANG, F. and REN, J. Preparation of the open pore aluminum foams using investment casting process. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 2001, vol. 14, no. 1, pp. 27-32.
• [8] MATZ, A. M., MOCKER, B. S., MÜLLER, D. W., JOST, N. and EGGELER, G. Mesostructural design and manufacturing of open-pore metal foams by investment casting. Advances in Materials Science and Engineering. 2014. pp. 1-9, 421729.

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 붕괴성이 좋지 않음에도 불구하고 왜 석고 화합물을 주형 재료로 사용했나요? A1: 논문에 따르면, 특수 석고 화합물은 주형 제작 과정에서 금속 스펀지의 복잡하고 미세한 기공 시스템을 완벽하게 채울 수 있는 능력이 있기 때문에 사용되었습니다. 이는 최종 제품의 정밀한 형상을 구현하는 데 필수적이지만, 주조 후 제거가 어렵다는 단점을 감수해야 했습니다.

Q2: 고압수 및 압축 공기 세척에 사용된 구체적인 압력은 얼마였나요? A2: 연구에서는 고압수 세척을 위해 최대 작동 압력 10 MPa(메가파스칼)의 고압 세척기를 사용했으며, 압축 공기 세척에는 10 bar의 압력을 사용했습니다. 이 압력 수준은 주물의 미세 구조에 손상을 주지 않으면서 효과적으로 잔류물을 제거하기에 적합하다고 판단되었습니다.

Q3: 고압수와 압축 공기 세척 방법 간에 성능에 큰 차이가 있었나요? A3: 두 방법의 세척 효율성은 매우 유사했지만, 미세한 차이는 있었습니다. 압축 공기 방식이 평균 세척 시간(2분 vs 3분)이 더 짧고, 잔류물 제거율도 약간 더 높았습니다. 하지만 압축 공기는 다량의 미세 분진을 발생시켜 밀폐된 작업 공간과 집진 시설이 필수적인 반면, 고압수는 상대적으로 물 소비량이 많다는 단점이 있습니다.

Q4: 새로운 기계적 세척 방법 후에도 최종적인 산 세척 단계가 왜 필요했나요? A4: 고압수나 압축 공기와 같은 기계적 방법은 주물의 대부분 영역에서 매우 효과적이었지만, 주물의 고체 벽(solid wall)에 인접한 일부 미세 영역에서는 잔류물을 100% 제거하지 못했습니다. 따라서 완벽한 청정도가 요구되는 경우, 이러한 국소 부위의 미량 잔류물을 제거하기 위해 짧은 시간의 산 침출 및 초음파 세척이 보완적으로 필요했습니다.

Q5: 주물 합금의 종류(알루미늄 vs. 구리)가 세척 공정에 어떤 영향을 미쳤나요? A5: 구리 합금(CuSn12) 주물에서 제거하기 어려운 잔류물의 양이 알루미늄 합금(AlSi10MgMn) 주물보다 더 많았습니다. 논문은 이것이 구리 합금 주조 시 요구되는 더 높은 주형 소성 온도 때문일 가능성이 높다고 분석합니다. 높은 온도가 주형 재료인 황산칼슘(CaSO₄)의 상변태를 일으켜 주조 후 붕괴성을 더욱 악화시켰을 것으로 추정됩니다.

Q6: 새로운 세척 방법들의 주된 단점은 무엇이었나요? A6: 압축 공기 세척은 매우 먼지가 많이 발생하여 반드시 흡입 장치가 있는 밀폐된 캐빈에서 수행해야 하는 작업 환경의 제약이 있습니다. 고압수 세척은 상대적으로 많은 양의 물을 소비한다는 단점이 있습니다. 또한 두 방법 모두 세척 가능한 주물의 크기에 치수적 한계가 있을 수 있으며, 에너지 집약도에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 언급되었습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

복잡한 형상의 주물, 특히 금속 스펀지 주물 세척 공정은 생산성과 원가에 큰 영향을 미칩니다. 본 연구는 기존의 시간 소모적이고 환경에 부담을 주는 화학적 세척 방식에서 벗어나, 고압수와 압축 공기를 활용한 빠르고 효과적인 기계적 금속 스펀지 주물 세척 방법의 가능성을 명확히 보여주었습니다. 이 혁신적인 접근법은 후처리 시간을 95% 이상 단축하고 유해 물질 사용을 최소화하여, 주조 산업의 생산성 향상과 지속 가능성 목표 달성에 기여할 수 있는 중요한 실마리를 제공합니다.

"CASTMAN에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "Václav MERTA"가 작성한 논문 "POSSIBILITIES OF CLEANING OF METAL SPONGE CASTINGS"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://doi.org/10.37904/metal.2019.970

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