마그네슘 합금 주조용 친환경 코어 활용

본 소개 자료는 "METAL 2013"에 게재된 "[UTILIZATION OF ECOLOGICAL FRIENDLY CORES FOR MAGNESIUM ALLOYS CASTINGS]" 논문을 기반으로 합니다.

1. 개요:

• 제목: UTILIZATION OF ECOLOGICAL FRIENDLY CORES FOR MAGNESIUM ALLOYS CASTINGS (마그네슘 합금 주조용 친환경 코어 활용)
• 저자: Jaroslav BEŇOª, Petr LICHݪ, Eliška ADÁMKOVÁª, Michal CAGALAª, Petr JELÍNEKª, Marek BŘUSKAª, Karel GÁLª, Marcin MORYSᵇ
• 발행 연도: 2013
• 발행 학술지/학회: METAL 2013 (2013년 5월 15-17일, 체코 브르노)
• 키워드: inorganic salt cores, magnesium alloys, surface quality, solubility

2. 초록:

본 연구의 목표는 Mg 합금의 중력 주조 기술에서 환경에 부정적인 영향을 미치지 않는 무기 재료 기반 코어의 활용 가능성을 판단하는 것입니다. 이 기고는 이러한 코어의 준비 및 처리 분석과 주조 표면 결함과 관련하여 주조 샘플의 품질, 구조 및 특성에 미치는 영향을 포함합니다. 본 연구에서 얻은 실험 데이터는 다른 Mg 합금 주조 기술에도 활용될 수 있습니다.

3. 서론:

현재 구멍 및 캐비티 사전 주조에는 유기 수지 기반 코어 혼합물(예: PUR COLD-BOX)이 표준으로 사용되며, 빠른 준비, 우수한 shootability, 높은 초기 강도, 우수한 붕괴성 등의 특징을 가집니다. 그러나 열 분해 시 유기 화합물이 방출되어 주조 생산의 위생 및 환경 조건을 악화시키는 문제가 있습니다. 이로 인해 무기 바인더가 다시 주목받고 있으며, 이는 생활 및 작업 환경에 부정적인 영향을 미치지 않으면서 유기 바인더와 유사한 기술적 파라미터를 제공합니다.

진보적인 기술 중 하나는 무기염 기반 코어를 사용하는 것으로, 특히 Al 합금과 같은 비철 합금의 캐비티 및 구멍 사전 주조에 활용됩니다. 염 코어 사용은 1970년대로 거슬러 올라가며, 1990년대에는 중력 및 저압 주조법을 이용한 디젤 엔진 피스톤의 대량 생산에 결정질 염 코어가 널리 사용되기 시작했습니다. 제조 방법으로는 결정질 염의 고압 압축, 염 용융물의 주형 주입 또는 고압 사출, 또는 무기(유기) 바인더와 함께 염 매트릭스를 사출하는 "고전적인" 주조 기술 활용 등이 있습니다. 2003년 이후에는 염 용액 또는 고체 결정 상태 NaCl의 고압 압축을 활용하는 방향으로 코어 제조가 이루어졌으며, BEACH BOX, HYDROBOND와 같은 신기술도 등장했습니다.

염 코어의 주요 장점은 일반 코어 혼합물(PUR CB)과 비교할 만한 높은 초기 강도, 치수 정확성 및 주물 표면 평활도, 기계적으로 청소하기 어려운 구멍의 사전 주조 가능성, 습윤 없이 우수한 보관 수명 등입니다. 또한 주물 캐비티에서 제거(용출)된 염을 용액(염수)에서 결정화하여 다음 코어 제조에 재사용하는 폐쇄적인 생태학적 순환이 가능합니다. 중요한 점은 주조, 냉각, 응고 과정에서 염이 VOCs(휘발성 유기 화합물)를 배출하지 않는다는 것입니다. 코어 특성은 준비 조건(압축 압력 높이, 사출 온도 등)과 기본 매트릭스 구성(염 종류, 첨가제)을 변경하여 최적화할 수 있습니다. Al 합금 주조(중력 및 저압 주조)에 널리 적용 가능하며, 고압 주조 기술 적용에 대한 연구도 활발히 진행 중입니다.

마그네슘 합금은 모든 구조 재료 중 가장 낮은 밀도, 높은 비강도, 우수한 주조성 등을 가지지만, 고온에서의 급격한 강도 저하, 낮은 크리프 저항성, 낮은 탄성 계수, 높은 응고 수축률, 일부 응용 분야에서의 낮은 내식성 등의 단점도 있습니다. 특히 마그네슘의 높은 산소 친화성 때문에 용탕 흐름을 산화로부터 보호하기 위해 특수 첨가제(억제제) 사용이 필수적입니다. 가장 흔히 사용되는 억제제로는 황 또는 그 화합물, 붕산, 요소 기반 첨가제 등이 있습니다. 이러한 억제제는 주형 분위기의 산소 포텐셜을 낮추고 주물 표면에 보호 분위기를 형성하여 추가 산화를 방지합니다.

그러나 황 기반 억제제는 보호 분위기를 형성하는 동시에 주조 중 용탕을 통해 침투하여 레이들 바닥에 침전되면서 정련제 역할을 하기도 합니다. 이러한 억제제의 화학적 특성상, 마그네슘 합금 주조는 용탕-억제제 시스템과 산화 분위기 간의 상호작용 중 방출되는 화합물(SO₂, NH₃ 등)로 인해 작업 및 생활 환경의 질을 저하시킬 수 있습니다.

마그네슘 합금 주조의 주된 기술은 금형 주조(압력 주조, 저압 주조, 일부 중력 주조)입니다. 최근에는 더 높은 내부 품질을 얻기 위한 방법들이 적용되고 있으며, 반용융 상태에서의 재료 처리(Thixocasting)가 주를 이룹니다. 덜 복잡한 구멍의 사전 주조에는 금속 코어를 활용할 수 있습니다. 단일 부품 생산에는 소모성 주형(주물사 혼합물)이나 세라믹 또는 석고 주형 주조가 가장 빈번하게 사용될 것입니다. 마그네슘 합금 주조용 주형 또는 코어 혼합물로는 다양한 바인더 시스템과 벤토나이트 주물사를 사용할 수 있습니다. 마그네슘 합금의 높은 반응성과 혼합물 내 수분 존재로 인해 주물사 혼합물 자체에도 억제제를 첨가해야 합니다. 주조, 냉각, 응고 중 주형 내에서 복잡한 물리화학적 과정이 진행되면서 다양한 산화 상태의 화합물(예: 황)이 형성되고, 이로 인해 벤토나이트 바인더의 비활성화가 예상되며, 이는 특히 수분 응축 영역에서의 인장 강도 감소 및 기타 혼합물 파라미터(예: pH) 변화를 초래할 수 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

환경 친화적인 주조 공정에 대한 요구는 코어용 유기 바인더의 대안에 대한 관심을 높이고 있습니다. 무기염 코어는 생태학적 이점을 제공하며 알루미늄 합금에 대해 확립되어 있습니다. 마그네슘 합금 주조는 산소와의 높은 반응성으로 인해 독특한 과제를 안고 있으며, 이는 억제제 사용을 필요로 하지만, 억제제는 벤토나이트와 같은 전통적인 주형 재료와 부정적으로 상호작용할 수 있습니다.

기존 연구 현황:

염 코어 기술은 1970년대부터 개발되어 왔으며, 고압 압축 및 용융 주입/사출과 같은 확립된 방법들이 주로 알루미늄 합금에 사용되었습니다. 연구 결과 높은 강도, 우수한 표면 조도, 재활용 가능성이 나타났습니다. 산화 및 억제제가 주형 특성(특히 황 기반 억제제에 의한 벤토나이트 바인더 비활성화)에 미치는 영향을 포함한 마그네슘 합금 주조의 과제는 알려져 있었습니다.

연구 목적:

본 연구는 벤토나이트 결합 주물사 혼합물에서 마그네슘 합금(특히 AZ91)의 중력 주조에 무기염 코어를 사용하는 것의 타당성을 조사하는 것을 목표로 했습니다. 연구는 염 코어의 기술적 특성(기계적 강도, 치수 정확성, 용해도, 결과적인 주물 표면 품질)을 평가하고, 황 기반 억제제가 벤토나이트 주물사 혼합물의 특성에 미치는 영향을 평가하는 데 중점을 두었습니다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 순수 화학 KCl(N) 및 두 가지 다른 첨가제(A, B)가 포함된 KCl 기반 염 코어를 두 가지 다른 힘(100 kN 및 200 kN)을 사용하는 고압 압축 방법으로 준비하는 것이었습니다. 이 코어들은 황 기반 억제제를 포함하는 벤토나이트 주형에 AZ91 마그네슘 합금을 중력 주조하는 데 사용되었습니다. 주조는 두 가지 온도(700°C 및 800°C)에서 수행되었습니다. 연구에서는 염 코어의 굽힘 강도 및 용해도, 생성된 주물의 표면 거칠기(Ra), 그리고 주조 전후 벤토나이트 주물사 혼합물의 기계적 특성(압축 강도, 분할 강도, 습태 인장 강도) 및 pH를 측정하여 열 분해 및 억제제 효과를 평가했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다양한 염 코어 제형(순수 KCl 대 첨가제 A 또는 B가 포함된 KCl)을 다양한 압축 압력(100 kN 대 200 kN) 하에서 준비하여 비교하는 실험 설계를 사용했습니다. 이 코어들은 황 기반 억제제를 포함하는 표준 벤토나이트 주물사 혼합물에 AZ91 마그네슘 합금을 중력 주조하는 실제 응용 분야에서 테스트되었습니다. 효과는 코어 특성, 주조 품질, 그리고 두 가지 다른 주조 온도에서의 열 노출 후 주형 특성 변화를 측정하여 평가되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 염 코어 준비: 순수 KCl 및 15% 농도의 첨가제(A, B)가 포함된 KCl을 고압 압축(100 kN, 200 kN).
• 염 코어 특성:
  • 굽힘 강도: 다기능 시험기(LFV 100, Walter + Bai ag)를 사용하여 측정.
  • 용해도: 물 흐름(22–27 °C, 2.5 l/min) 하에서 코어를 용해시키고 코어가 손실될 때까지의 시간("decoring" 시간)을 측정하여 테스트.
• 주조: AZ91 합금을 벤토나이트 주형(실리카 샌드 91%, 벤토나이트 4.5%, 황 억제제 5%, 46±2% 압축성을 위한 물)에 700°C 및 800°C에서 중력 주조 (주형/금속 비율 9.3:1).
• 주조 품질:
  • 평균 산술 표면 거칠기(Ra): Mitutoyo SurfTest SJ-301을 사용하여 측정.
  • 표면 세부 사항: 실체 현미경(Olympus SZX12)을 사용하여 평가.
• 벤토나이트 주물사 혼합물 특성: 원료 혼합물(STANDARD) 및 주조 후 샘플(BMM700, BMM800)에서 측정.
  • 압축 및 분할 강도 (WADAP LRU-1).
  • 습태 인장 강도 (+GF+ SPNF 타입).
  • 콘 졸트 인성 (계산된 비율).
  • 수분 함량 (105°C에서 건조).
  • pH (1:10 물 현탁액).
• 분석: 코어 유형(N, A, B), 압축력(1, 2), 주형 상태(STANDARD, BMM700, BMM800)에 따른 특성 비교.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 AZ91 마그네슘 합금의 중력 주조에서 고압 압축된 KCl 기반 염 코어의 적용에 구체적으로 초점을 맞췄습니다. 범위는 다음과 같습니다:

• 염 코어의 기계적 특성(굽힘 강도) 및 용해도 평가.
• 이 코어를 사용하여 생산된 Mg 합금 주물의 표면 품질 평가.
• 황 기반 억제제가 벤토나이트 주물사 혼합물의 특성(기계적 강도, pH, 습태 인장 강도)에 미치는 영향 조사, 특히 주조 중 열 노출 후.
• 본 연구는 다른 Mg 합금, 주조 방법(예: 압력 주조), 또는 다른 유형의 무기 코어 또는 억제제는 탐구하지 않았습니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 염 코어 강도: 염 코어는 일반적으로 사용되는 PUR COLD-BOX 코어보다 약 2-3배 높은 초기 굽힘 강도를 보였습니다. 강도는 더 높은 압축 압력(100 kN 대비 200 kN)과 첨가제(A, B) 첨가 시 증가했습니다. 최대 강도는 첨가제 A와 B를 200 kN 압축력으로 압축했을 때 달성되었습니다 (KA2: 11.164 MPa, KB2: 11.410 MPa). (Table 1)
• 코어 용해도/제거성: 염 코어는 주물에서 쉽게 제거되었습니다. "Decoring" 시간은 1분 0초(K1B1)에서 1분 58초(K2A1) 범위였습니다. 용해도 시간과 염 조성, 주조 온도 또는 압축력 사이에는 직접적인 관계가 발견되지 않았습니다.
• 주물 표면 품질: 테스트 주물의 표면 품질은 일반적으로 높았으며, 평균 산술 거칠기(Ra)는 5.91 µm에서 25.63 µm 범위였습니다. 첨가제는 표면 평활도를 향상시켰습니다. 가장 좋은 표면 조도(가장 낮은 Ra = 5.91 µm)는 첨가제 A와 최대 압축력(200 kN)으로 얻어졌으며, 이는 코어 다공성 감소 및 금속 침투 감소 때문일 가능성이 높습니다. (Table 4)
• 주물사 혼합물 특성:
  • 황 기반 억제제는 특히 열 노출 후 벤토나이트 주물사 혼합물 특성에 상당한 영향을 미쳤습니다.
  • 표준 기계적 강도(압축, 분할)는 주조 후 크게 변하지 않았지만(Table 3), 습태 인장 강도와 pH는 열 노출(주조 온도) 증가에 따라 상당히 감소했습니다. (Fig. 1)
  • pH와 습태 인장 강도는 STANDARD(pH ~10, WTS 4.4 kPa)에서 BMM800(pH ~9.6, WTS 3.3 kPa)으로 감소했으며, 이는 억제제의 산성 특성과 열 효과로 인한 바인더 비활성화를 나타냅니다. (Fig. 1)
• 공정 고려 사항: 염 코어와 마그네슘 합금의 조합은 주조 중 특히 심한 가스 발생으로 인해 주형 캐비티의 효율적인 가스 배출/통기가 필요하며, 그렇지 않으면 주물 표면 결함이 발생할 수 있습니다.

그림 및 표 목록:

• Table 1 Bending strength of tested salt cores
• Table 3 Main technological parameters of bentonite molding mixtures
• Fig. 1 Wet tensile strength and pH of bentonite molding mixture samples
• Table 4 Surface quality of testing castings

7. 결론:

본 연구는 마그네슘 합금 주조에 무기염 코어를 사용할 가능성을 확인했으며, 높은 초기 강도(PUR COLD-BOX 혼합물보다 2-3배 높음), 쉬운 제거성(최대 2분의 디코어링 시간), 충분한 주물 표면 품질을 제공함을 보여주었습니다.

그러나 연구는 또한 Mg 합금에 일반적인 황 기반 억제제를 포함하는 벤토나이트 주물사 혼합물과 함께 이 코어를 사용할 때 발생하는 중요한 부정적 상호작용을 강조했습니다. 특히 주조 중 열 노출 후 산성 억제제의 존재는 수분 응축 영역에서의 인장 강도 감소와 혼합물 pH 감소를 초래합니다. 이러한 주형 특성 저하는 주물 결함(예: 랫테일)을 유발할 수 있으며 주물사 혼합물의 최적 제어를 복잡하게 만듭니다.

따라서 염 코어는 Mg 합금에 적용 가능하지만, 주형 시스템(코어, 주형 바인더, 억제제) 내의 화학적 상호작용을 신중하게 고려해야 합니다. 관련된 재료의 화학적 특성으로 인해 높은 주조 품질을 보장하기 위해서는 주입 및 냉각 중 주형 캐비티에서 가스를 충분히 배출하는 것이 중요합니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Jaroslav BEŇO, Petr LICHÝ, Eliška ADÁMKOVÁ, Michal CAGALA, Petr JELÍNEK, Marek BŘUSKA, Karel GÁL, Marcin MORYS"의 논문입니다. "[UTILIZATION OF ECOLOGICAL FRIENDLY CORES FOR MAGNESIUM ALLOYS CASTINGS]" 논문을 기반으로 합니다.
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