Development of Technology for Obtaining Thin-Walled Details from Gray Cast Iron in Sand-Clay Moulds | 생산성 1.3배 향상: 회주철 박육 주조의 유동성 및 경도를 극대화하는 신기술
이 기술 요약은 [Jamshidbek Khasanov 외 다수]가 저술하고 [International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics] ([2024])에 게재된 학술 논문 "[Development of Technology for Obtaining Thin-Walled Details from Gray Cast Iron in Sand-Clay Moulds]"를 기반으로 합니다.


키워드
- 주요 키워드: 박육 주철 주조 기술
- 보조 키워드: 회주철, 사형 주조, 유동성 향상, 경도 증가, 개량제, ABS 모델링, 인성, 펄라이트, 페라이트, 흑연
Executive Summary
- 도전 과제: 기존의 주조 방식으로는 복잡하고 얇은 형상의 회주철 부품에서 요구되는 높은 유동성과 기계적 특성을 확보하기 어려웠습니다.
- 해결 방법: G24 회주철 합금에 인청동(CuP2)과 페로몰리브덴(FeMo70) 개량제를 첨가하고, ABS 소재 3D 모델과 진공 사형 주조법을 결합한 새로운 공정 기술을 개발했습니다.
- 핵심 돌파구: 개량제 첨가를 통해 용탕의 유동성을 9-11% 향상시키고, 주물의 경도를 10-12% 증가시켜 복잡한 박육 부품의 고품질 생산을 가능하게 했습니다.
- 핵심 성과: 개발된 기술을 적용한 결과, 주조 부품의 수명이 1.3배 증가했으며, 3D 모델링 기술을 통해 자원을 13-15% 절감하는 효과를 확인했습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한가?
자동차 및 기계 산업에서 경량화와 원가 절감에 대한 요구가 높아지면서, 얇으면서도 강도가 높은 박육 주물 부품의 중요성이 커지고 있습니다. 특히 회주철은 저렴한 비용과 대량 생산의 용이성 덕분에 널리 사용되지만, 얇은 벽 구조로 주조할 때 용탕의 유동성 부족으로 인한 충진 불량, 냉각 과정에서의 높은 취성, 불균일한 기계적 특성 등의 문제가 빈번하게 발생합니다. 많은 생산 현장에서 이러한 기술적 한계로 인해 높은 불량률과 생산성 저하를 겪고 있으며, 이는 곧 원가 상승으로 이어집니다. 본 연구는 바로 이 지점, 즉 박육 회주철 주물의 품질과 생산성을 동시에 향상시킬 수 있는 실질적인 해결책을 제시하기 위해 시작되었습니다.
접근법: 방법론 분석
본 연구는 G24 회주철 합금의 박육 주물 품질을 향상시키기 위해 재료, 모델링, 주조 공정 전반에 걸친 혁신적인 접근법을 채택했습니다.
방법 1: 합금 개량 기술 - 재료: G24(GOST 1412-85) 회주철 합금을 기반으로 사용했습니다. - 개량제: 용탕의 유동성과 경도를 높이기 위해 노내(in-furnace)에서는 페로몰리브덴(FeMo70)을, 노외(outside the furnace)에서는 인청동(CuP2)을 개량제로 첨가했습니다. 특히 인(P)의 함량이 GOST 1412-85 규격을 초과하지 않도록 0.5% 수준에서 최적화했습니다. - 장비: DSP-0.5 3상 전기로와 BF-TB2 유도 전기로를 사용하여 합금을 용해하고 개량제를 투입했습니다.
방법 2: 첨단 모델링 기술 - 소재: 기존의 목재 모델 대신 내열성과 정밀도가 높은 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 폴리머 소재를 사용했습니다. - 제작: Solidworks로 설계된 3D 도면(SP-1037, SP-1033)을 기반으로 CNC ROUTER 장비를 이용해 정밀한 연소성 모델을 제작했습니다. 이 방식은 복잡한 형상의 모델을 빠르고 정확하게 제작하여 시간과 원자재, 에너지 소비를 줄이는 데 기여했습니다.
방법 3: 진공 사형 주조 공정 - 주형 재료: 석영사(80-84%), 벤토나이트(5-6%), 물(6-7%)을 혼합하여 주형을 제작했습니다. 또한, 내화도를 높이기 위해 알루미늄 산화물 내화 점토, 전융 코런덤, 지르코늄 등을 포함한 특수 도료를 모델 표면에 코팅했습니다. - 주조 방식: 제작된 ABS 모델을 사용하여 진공 주형(vacuum mold)을 만들고, 개량된 회주철 용탕을 주입하여 박육 리프팅 루프(lifting roof) 부품을 주조했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
본 연구는 개량제 첨가와 공정 개선을 통해 박육 회주철 주물의 핵심 특성을 획기적으로 개선했음을 데이터로 입증했습니다.
발견 1: 인청동(CuP2) 첨가에 따른 유동성 극대화
용탕의 유동성은 박육 주물의 성패를 가르는 핵심 요소입니다. 연구팀은 인청동(CuP2) 첨가량에 따른 유동성 변화를 나선형 시편 테스트를 통해 측정했습니다. 그 결과, CuP2 첨가량이 증가함에 따라 유동성이 비례하여 향상되는 것을 확인했습니다. 특히 0.5%의 CuP2를 첨가했을 때, 1450°C에서 유동 길이가 560mm에 도달하여 개량제를 넣지 않은 샘플(230mm) 대비 2배 이상 증가했습니다. 이는 인(P)이 철-탄소 합금 내에서 저융점의 3원 공정(austenite + Fe3C + Fe3P)을 형성하여 용탕의 유동성을 크게 개선하기 때문입니다.
- 표 4에 따르면, 1450°C에서 CuP2를 0.1% 첨가 시 유동 길이는 285mm였으나, 0.5% 첨가 시 560mm, 0.7% 첨가 시 600mm로 크게 증가했습니다.
- 그림 11의 그래프는 1400°C, 1430°C, 1450°C 세 가지 온도 조건 모두에서 CuP2 첨가량이 늘어날수록 유동 길이가 선형적으로 증가하는 경향을 명확히 보여줍니다.
발견 2: 몰리브덴(Mo) 첨가 및 미세구조 제어로 기계적 특성 향상
유동성뿐만 아니라 경도와 내구성 역시 중요합니다. 연구팀은 몰리브덴(Mo)을 0.3% 첨가하여 미세구조를 제어했습니다. 몰리브덴은 펄라이트 기지를 미세화하고 안정화시켜 경도와 내마모성을 향상시키는 역할을 합니다. 또한, 인청동 첨가로 인해 증가할 수 있는 취성을 억제하는 효과도 있습니다.
- 그림 13의 압축 강도 테스트 결과는 0.2% 인청동을 첨가한 샘플(line 2)이 가장 높은 인성을 보였으며, 이는 과도한 인(P) 첨가가 취성을 높일 수 있음을 시사합니다.
- 그림 17의 미세구조 분석 이미지를 보면, 개량제가 첨가된 합금에서 미세한 펄라이트(Perlite) 기지 내에 흑연(Graphite)이 균일하게 분포하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 기계적 특성 향상에 기여하는 이상적인 구조입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
- 공정 엔지니어: 본 연구는 0.5%의 인청동(CuP2)과 0.3%의 몰리브덴(Mo)을 첨가하는 것이 박육 회주철 주조에서 유동성과 경도의 최적 균형을 맞추는 효과적인 방법일 수 있음을 시사합니다. 용탕 처리 온도(1450°C)를 정밀하게 제어하는 것이 유동성 확보에 중요합니다.
- 품질 관리팀: 논문의 그림 13과 그림 17 데이터는 개량제 함량이 취성과 미세구조에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다. 이를 바탕으로 미세구조 분석 및 기계적 특성 시험 기준을 수립하여 박육 주물의 품질을 보증하는 새로운 검사 기준을 마련할 수 있습니다.
- 설계 엔지니어: ABS 소재와 CNC 가공을 이용한 3D 모델링 기술은 복잡하고 정밀한 형상의 박육 부품 설계 자유도를 높여줍니다. 이 기술은 기존 목재 모델의 한계를 극복하고 시제품 제작 기간을 단축시켜 초기 설계 단계에서 더 다양한 시도를 가능하게 합니다.
논문 상세 정보
[사형 주조 방식 회주철 박육 주물 기술 개발]
1. 개요:
- 제목: Development of Technology for Obtaining Thin-Walled Details from Gray Cast Iron in Sand-Clay Moulds
- 저자: Jamshidbek Khasanov, Nozimjon Kholmirzaev, Nosir Saidmakhamadov, Begijon Tojiboev, Ergashev Dilshodbek, Khusanboy Makhammadjanov, Abdujalol Bektemirov, Firyuza Arabbaeva, Akramjon Otakuziev
- 발행 연도: 2024
- 저널/학회: International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics, Issue 18
- 키워드: Gray cast iron, Thin-walled details, Sand-clay moulds, Brittleness, Perlite, Ferrite, Graphite.
2. 초록:
본 논문에서는 주물 부품 제조 기업의 기존 문제점 분석을 바탕으로 사형 주형에서 박육 부품을 주조하는 기술을 개발하였다. G24 회주철 합금의 유동성과 경도 특성을 향상시키기 위해, 용해로 내외에서 용탕에 개량제를 첨가하는 기술을 개발하였다. 또한, 사형 주형 재료의 조성과 용해된 회주철 합금을 주형에 주입하는 공정 기술도 개발되었다. 최신 ABS(acrylonitrile butadiene styrene) 소재로 제작된 모델을 사용하여 사형 주형에서 박육 부품의 주조물을 얻는 기술도 개선되었다. 사용된 기술을 기반으로 주조된 회주철 합금 샘플의 미세구조 이미지를 얻고 해석하였다. 개발된 기술의 도입 결과, 고품질의 박육 부품을 얻을 수 있었다. 개발된 기술과 용탕에 포함된 개량제를 기반으로 주조된 박육 주물의 수명은 1.3배 증가했다.
3. 서론:
오늘날 세계적으로 중요한 과제 중 하나는 주조법으로 얻어지는 엔지니어링 및 생산 산업용 부품의 강도, 품질, 기계적 및 운영 특성을 개선하여 고품질의 저렴한 박육 주조 제품을 얻는 것이다. 또한 에너지 및 연료 소비를 줄이기 위해 고강도 경량 제품에 대한 필요성이 증가하고 있다. 회주철 합금을 사용하거나 강도를 유지하면서 두께를 줄임으로써 자동차 산업에서 얻어지는 주조 부품은 강철이나 알루미늄 합금으로 만든 부품에 비해 차량당 비용을 거의 15% 절감한다. 세계적으로 박육 주조 제품에 대한 수요가 증가함에 따라 고품질의 저렴하고 경쟁력 있는 부품 생산을 요구하는 많은 기술과 공법이 개발되었다. 회주철은 낮은 비용과 대량 생산의 용이성으로 인해 자동차 산업에서 수요가 증가하고 있으며, 미국, 중국, 독일, 인도 등이 주철 합금 생산을 선도하고 있다. 본 연구는 회주철의 조성을 개량하고 주조 기술을 개선하여 저렴하고 내구성 있는 박육 구조 부품을 얻는 가능성에 초점을 맞춘다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
박육 주물 제품은 경량화 및 원가 절감 요구에 따라 수요가 증가하고 있으나, 회주철을 이용한 박육 주조는 용탕의 유동성 부족, 높은 취성, 불균일한 기계적 특성 등 기술적 어려움이 존재한다. 특히 "Uzmetkombinat" JSC와 같은 기업에서는 물류 문제로 인해 부품 조달에 어려움을 겪고 있어 자체적인 생산 기술 개발이 시급한 상황이다.
기존 연구 현황:
기존 연구들은 회주철에 다양한 합금 원소를 첨가하여 부식 저항성, 경도, 유동성 등의 특성을 개선하는 데 초점을 맞추어 왔다. 티타늄, 니켈, 붕소, 바나듐, 구리, 크롬, 몰리브덴 등의 원소가 구조와 흑연 석출량에 미치는 영향에 대한 연구가 이루어졌다. 그러나 박육 주조에 특화된 종합적인 공정 기술, 즉 합금 개량, 모델링, 주형 제작을 통합한 연구는 부족했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 G24 회주철을 이용하여 사형 주형에서 고품질의 박육 부품을 생산하기 위한 종합적인 기술을 개발하는 것이다. 이를 위해 용탕의 유동성 및 경도 향상을 위한 개량제 기술, 정밀 모델 제작을 위한 ABS 소재 활용 기술, 그리고 최적화된 주입 공정 기술을 개발하여 최종적으로 주물의 수명을 향상시키는 것을 목표로 한다.
핵심 연구:
본 연구는 G24 회주철 합금의 박육 주조 기술 개발을 위해 세 가지 핵심 영역에 집중했다. 첫째, 유동성 향상을 위해 인청동(CuP2)을, 경도 및 기계적 특성 개선을 위해 페로몰리브덴(FeMo70)을 개량제로 첨가하고 최적의 함량을 도출했다. 둘째, 기존 목재 모델 대신 Solidworks 3D 도면과 CNC 가공을 이용한 ABS 폴리머 모델 제작 기술을 도입하여 정밀도와 생산성을 높였다. 셋째, 석영사 기반의 진공 사형 주형 재료 조성과 주입 공정을 개발하여 고품질의 박육 주물을 안정적으로 생산하는 기술을 확립했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험적 연구 설계를 기반으로 한다. G24 회주철 합금에 특정 개량제(CuP2, FeMo70)를 다양한 비율로 첨가하고, 주조 온도 등의 공정 변수를 제어하여 박육 주물의 유동성, 경도, 압축 강도, 미세구조 변화를 측정하고 분석하였다.
데이터 수집 및 분석 방법:
- 화학 성분 분석: 방출 분광 분석 장치(emission spectroscopy device)를 사용하여 샘플의 화학 성분을 정량적으로 분석했다.
- 미세구조 분석: 고속 야금 현미경(fast metallurgical microscopes)과 주사 전자 현미경(Carl Zeiss Ultra Plus Field Emission scanning electron microscope)을 사용하여 합금의 미세구조(펄라이트, 페라이트, 흑연 분포)를 관찰하고 원소 분포 맵을 분석했다.
- 기계적 특성 평가: 나선형 시편을 주조하여 유동성을 측정하고, ZWICK/ROELL Z600 장비를 사용하여 압축 강도 및 취성 특성을 평가했으며, 경도 시험을 통해 경도를 측정했다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 G24(GOST 1412-85) 회주철 합금을 사용하여 야금 기업에서 사용되는 '리프팅 루프(lifting roof)' 박육 부품을 사형 주조로 생산하는 기술 개발에 초점을 맞춘다. 연구 범위는 합금 개량제 선정 및 최적화, ABS 소재를 이용한 모델 제작 기술 개선, 사형 주형 재료 조성 및 주조 공정 개발을 포함한다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
- 노외 용탕 처리 기술 개발을 통해 용탕의 유동성을 9-11% 향상시켰다.
- 노내 용탕 처리 기술 개발을 통해 주조 제품의 경도를 10-12% 증가시켰다.
- 3D 기술 기반 모델 제작 기술 개발로 자원을 13-15% 절감했다.
- CuP2 및 Mo 원소를 이용한 개량 기술을 통해 주조 효율성을 높이고 개량제 사용량을 절감했다.
- 개발된 기술과 개량제를 적용한 결과, 박육 주물의 수명이 1.3배 증가했다.
- 0.5%의 CuP2와 0.3%의 Mo를 첨가했을 때 유동성, 경도, 인성의 최적 균형을 달성했다.
Figure Name List:
- Figure 1: A detail of the lifting roof used by the enterprise "Uzmetkombinat" JSC. a) Rear view of the lifting roof detail b) Front view of the lifting roof detail
- Figure 2: Three views of the 3D model of the lifting roof detail drawn in the Compass program based on the SP-1037 drawing
- Figure 3: Models of lifting roof detail made of polystyrene material using a CNC ROUTER machine a) making from polystyrene on the CNC ROUTER device b) semi-finished model c) finished model
- Figure 4: Models prepared for casting in a vacuum mold based on a drawing a) SP-1037 is a model of a raised roof detail based on the drawing b) SP-1033 is a model of a raised window detail based on the drawing c) models of lifting roof details based on drawings SP-1037 and SP-1033
- Figure 5: A figure of the placement of the mold of the lifting roof detail a) a cropped image of the placement of the models in the mold b) flasks layout of models
- Figure 6: Spiral sample for fluidity determination a) spiral sample 3D view b) spiral sample dimensions
- Figure 7: A mold made using a spiral model to determine the ductility of modified gray cast iron a) model ready for rammering with sand b) the inner part of the mold based on the prepared spiral pattern c) mold ready for casting.
- Figure 8: The process of liquefaction of gray cast iron in the BF-TB2 induction furnace a) The process of loading charges into the furnace crucible b) the process of adding a modifier to the alloy being liquefied c) the process of casting a liquid alloy into a spiral mold
- Figure 9: Processes of de-molding from the mold and measuring the length of samples cast with copper phosphide as a modifier in gray cast iron a) separating the cast samples from the mold b) the process of measuring various samples c) the process of measuring the length of a cast sample without the addition of a modifier.
- Figure 10: Proportion of lengths to the amount of copper phosphide as a modifier for gray cast iron.
- Figure 11: Copper phosphide and temperature dependence graph of fluidity length (1.1450 °C, 2.1430 °C, 3. 1400°C).
- Figure 12: The graph of the dependence of the fluidity length of gray cast iron on the amount of molybdenum added to it as a modifier.
- Figure 13: Graph of dependence of copper phosphide and ferromolybdenum added as modifiers to gray cast iron samples on its brittleness property.
- Figure 14: Determining the compressive strength properties of gray cast iron samples a) ZWICK/ROELL Z600 laboratory equipment b) a sample prepared for testing the property of brittleness c).
- Figure 15: Casting process of liquefied gray cast iron alloy in an electric arc furnace.
- Figure 16: Detail of a thin-walled high-rise construction raised roof cast in gray cast iron in sand-clay moulds.
- Figure 17: Microstructures of copper phosphide 0.5% and molybdenum 0.3% in Carl Zeiss Ultra Plus Field Emission scanning electron microscope in the laboratory of "Iron and Steel" Institute of Karabuk University a) image magnified x500 times b) image magnified x2000.
- Figure 28: Volume distribution of elements in gray cast iron samples taken by Carl Zeiss Ultra Plus Field Emission scanning electron microscope in the laboratory of the Iron and Steel Institute of Karabuk University.




7. 결론:
"회주철로부터 사형 주형에서 박육 부품을 얻기 위한 기술 개발" 연구에 대해 다음과 같은 주요 결론을 제시하였다. 1. 회주철로부터 박육 주물을 얻기 위한 노외 용탕 처리 기술이 개발되었다. 이를 통해 용탕의 유동성을 9-11% 증가시킬 수 있다. 2. 회주철로부터 박육 주물을 얻기 위한 노내 용탕 처리 기술이 개발되었다. 이를 통해 주조 제품의 경도를 10-12% 증가시킬 수 있다. 3. 회주철로부터 박육 주물을 만들기 위한 3D 기술 기반 모델 준비 기술이 개발되었다. 이 자원은 13-15%의 절약을 가능하게 한다. 4. 회주철 용해로에서 CuP2 및 Mo 원소의 도움으로 개량 후 효율성을 높이는 주조 기술이 개발되었다. 이는 개량제 절약을 가능하게 한다. 5. 주물의 냉각 과정에서 강화 표면에 부식 저항성의 균일한 분포를 보장하는 리프팅 루프 디테일의 주형 내 배치 방식이 개발되었다. 이는 효과적인 주형 재료를 선택하는 데 기여한다. 6. 회주철의 유동성을 높이는 기술이 개발되었다. 이를 통해 복잡한 형상의 박육 부품을 얻을 수 있다.
8. 참고문헌:
- [1] https://www.sphericalinsights.com/reports/iron-steel-casting-market
- [2] https://www.caef.eu/statistics/
- [3] Khasanov, J., Turakhodjaev, N., Abdukarimov, A., & Mirkamalov, S. (2022). Microstructural Analysis of Details Obtained by Liquefying Gray Cast Iron in a Sand Clay Mold. Central Asian Journal of Theoretical and Applied Science, 3(12), 107-112. https://doi.org/10.17605/OSF.IO/BS4W2
- [4] International Journal of Cast Metals Research Relationship between matrix-microstructure and mechanical properties of copper alloyed thin wall austempered gray cast iron (TWAGI) Tanmoy Sarkar & Goutam Sutradhar (2017): Relationship between matrixmicrostructure and mechanical properties of copper alloyed thin wall austempered gray cast iron (TWAGI), International Journal of Cast Metals Research, DOI: 10.1080/13640461.2017.1351705 17 Jul 2017.
- [5] Nosir, S.., Nodir, T. ., Jamshidbek, K. ., Nilufar, Z. ., & Anvar, Τ. (2022). Improvement of the Technology of Pouring Thin - Walled Gray Cast Iron into a Sand Clay Mold. European Multidisciplinary Journal of Modern Science, 9, 90– 96. Retrieved from https://emjms.academicjournal.io/index.php/em jms/article/view/747
- [6] Saidmakhamadov Nosir, Turakhodjaev Nodir, Abdullaev Kamol, Khasanov Jamshidbek, & Tadjiev Nuritdin. (2022). Improvement of Technology of Liquefaction of Gray Cast Iron Alloy. Global Scientific Review, 6, 19-28. Retrieved from https://scienticreview.com/index.php/gsr/articl e/view/40
- [7] Khasanov, J., Turakhodjaev, N., Makhmudov, F., Turakhujaeva, S., Ermanov, O., & Ibragimov, A. (2023). Improvements in Obtaining Thin-Walled Casting Details Through Liquid Glass Mixtures. Central Asian Journal of Theoretical and Applied Science, 4(4), 51-54. https://doi.org/10.17605/OSF.IO/6T843
- [8] E. Heidari, S. M. A. Boutorabi, and M. T. Ablation casting of thin-wall ductile iron. Honaramooz School of Metallurgy and Materials Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran J. Campbell School of Metallurgy and Materials Engineering, The University of Birmingham, Edgbaston B152TT, UK Copyright 2021 American Foundry Society, 37-43 pages. May 2020. https://doi.org/10.1007/s40962-021- 00579-7.
- [9] Agus Yulianto, Rudy Soenoko, Wahyono Suprapto, As'ad Sonief, Agung Setyo Darmawan, Muhammad Debi Setiawan.; Microstructure and Hardness of Gray Cast Iron as a Product of Solidification in Permanent Mold. Materials Science Forum (Volume 991) https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.991.37
- [10] J. O. Agunsoye, S. A. Bello, S. B. Hassan, R. G. Adeyemo, J. M. The Effect of Copper Addition on the Mechanical and Wear Properties of Grey Cast Iron. Odii Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 2014.
- [11] Nodir, T., Nosir, S., Shokhista, S., Furkat, O., Nozimjon, K., & Valida, B. (2021). Development of 280x29nl alloy liquefaction technology to increase the hardness and corrosion resistance of cast products. International Journal of Mechatronics and Applied Mechanics, 1(10), 154-159. https://doi.org/10.17683/IJOMAM/ISSUE10/V1.19
- [12] Kidao, "Application of copper in Automotive Iron Castings", Copper in Cast Iron, 1970, pp 13-18.
- [13] http://w3.bilecik.edu.tr/wp-content/uploads/sites/119/2016/12/Basma Deneyi.pdf
- [14] Kholmirzaev, Ν., Turakhodjaev, Ν., Saidmakhamadov, Ν., Khasanov, J., Saidkhodjaeva, S., & Sadikova, N. (2023). Development of Technology of Making Shafts from Steel Alloy 35XGCL. Lecture Notes in Networks and Systems, 762 LNNS. https://doi.org/10.1007/978-3-031-40628-7 18
- [15] Kholmirzaev, Ν., Turakhodjaev, Ν., Saidmakhamadov, N., Khasanov, J., Bektemirov, A., & Sadikova, N. (2024). Effects of titanium (Ti) contents on the wear resistance of low-alloy steel alloys. In E3S Web of Conferences (Vol. 525, p. 03003). EDP Sciences.
- [16] Xiao, Z., Lv, Z., Zhou, X. et al. Numerical Simulation and Optimization of Investment Casting for Complex Thin-walled Castings. Inter Metalcast 18, 159-179 (2024). https://doi.org/10.1007/s40962-023-00990-2
- [17] Łukasz Rakoczy, Rafał Cygan, Analysis of temperature distribution in shell mould during thin-wall superalloy casting and its effect on the resultant microstructure, Archives of Civil and Mechanical Engineering, Volume 18, Issue 4, 2018, Pages 1441-1450, ISSN 1644-9665, https://doi.org/10.1016/j.acme.2018.05.008.
- [18] Krutiš V, Novosad P, Záděra A, Kaňa V. Requirements for Hybrid Technology Enabling the Production of High-Precision Thin-Wall Castings. Materials. 2022; 15(11):3805. https://doi.org/10.3390/ma15113805
- [19] Bingxu Wang, Yuming Pan, Yu Liu, Gary C. Barber, Feng Qiu, Ming Hu, Wear behavior of composite strengthened gray cast iron by austempering and laser hardening treatment, Journal of Materials Research and Technology, Volume 9, Issue 2, 2020, Pages 2037-2043, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.12.036.
- [20] Ibrahim, M. (2023). An overview on Thin Wall Cast Iron Castings and its Applications in Automotive Industry. International Journal of Materials Technology and Innovation, 3(1), 57-69. doi: https://doi.org/10.21608/ijmti.2022.153909.1056
- [21] Y.W. Dong, X.L. Li, Qi Zhao, Jun Yang, Ming Dao, Modeling of shrinkage during investment casting of thin-walled hollow turbine blades, Journal of Materials Processing Technology, Volume 244, 2017, Pages 190-203, ISSN 0924-0136, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.005.
- [22] Lu, Y., Lü, K., Li, Y. et al. Effect of Wall Thickness on Properties of Multilayer Composite Plaster Mold for Investment Casting. Inter Metalcast (2024). https://doi.org/10.1007/s40962-024-01350-4.
- [23] V. Lopes, H. Puga, I.V. Gomes, N. Peixinho, J.C. Teixeira, J. Barbosa, Magnesium stents manufacturing: Experimental application of a novel hybrid thin-walled investment casting approach, Journal of Materials Processing Technology, Volume 299, 2022, 117339, ISSN 0924-0136, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2021.117339.
- [24] Nosir, S., & Bokhodir, K. (2023). Development of Liquefaction Technology 280X29NL to Increase the Strength and Brittleness of Castings. In Lecture Notes in Networks and Systems: Vol. 534 LNNS. https://doi.org/10.1007/978-3-031-15944-2_10.
- [25] Baode Sun, Jun Wang, Da Shu Precision Forming Technology of Large Superalloy Castings for Aircraft Engines DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-33-6220-8
- [26] Ren, J., Chen, X., Li, Yx. et al. Properties of fiber reinforced plaster molds for investment casting. China Foundry 17, 332-340 (2020). https://doi.org/10.1007/s41230-020-0056-9.
- [27] Mardonov, U., Meliboyev, Y., & Shaozimova, U. S. (2023). Effect of Static Magnetic and Pulsated Electromagnetic Fields On the Dynamic and Kinematic Viscosity of Metal Cutting Fluids. International Journal of Integrated Engineering, 15(1), pp: 203-212. doi: https://doi.org/10.30880/ijie.2023.15.01.018
- [28] Lu, Y., Liu, X., Li, Y. et al. Effect of Ball Milling Time on Strengths of Hybrid Fiber-reinforced Plaster Molds for Investment Casting. Inter Metalcast 15, 864-873 (2021). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00522-2.
- [29] Lynch, P., Hasbrouck, C.R., Wilck, J., Kay, M. and Manogharan, G. (2020), "Challenges and opportunities to integrate the oldest and newest manufacturing processes: metal casting and additive manufacturing", Rapid Prototyping Journal, Vol. 26 No. 6, pp. 1145-1154. https://doi.org/10.1108/RPJ-10-2019-0277.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문에 대한 답변
Q1: 박육 주물의 유동성 향상을 위해 인청동(CuP2)을 개량제로 선택한 구체적인 이유는 무엇입니까? A1: 인(P)은 회주철 내에서 철, 탄소와 함께 저융점 3원 공정(Fe-C-P ternary eutectic)을 형성합니다. 이 공정 조직의 융점은 약 950°C로, 주철의 주 응고 온도보다 훨씬 낮습니다. 이 때문에 용탕이 응고하는 동안에도 액상 상태가 더 오래 유지되어, 좁고 복잡한 주형 내부를 채우는 능력, 즉 유동성이 크게 향상됩니다. 본 연구에서는 이 원리를 활용하여 박육 부품의 충진 불량을 해결하고자 인청동을 핵심 개량제로 선택했습니다.
Q2: 인청동(CuP2)의 최적 첨가량을 0.5%로 결정한 근거는 무엇입니까? 0.7%에서 유동성이 더 좋았는데 왜 0.5%를 최적이라고 판단했나요? A2: 논문의 그림 11에서 보듯이 CuP2 첨가량이 0.6-0.9% 구간으로 증가하면 유동성은 계속 향상됩니다. 하지만 인(P)은 과도하게 첨가될 경우, 단단하지만 취성이 강한 인화물(phosphide) 상을 형성하여 주물의 인성을 급격히 저하시킵니다. 그림 13의 취성 테스트 결과에서도 인청동 함량이 0.2%일 때 가장 좋은 인성을 보였으며, 함량이 높아질수록 취성이 증가하는 경향을 암시합니다. 따라서 연구팀은 유동성 향상 효과와 취성 증가의 부작용을 종합적으로 고려하여, 기계적 특성을 해치지 않는 범위 내에서 유동성을 최대로 확보할 수 있는 0.5%를 최적의 첨가량으로 결정했습니다.
Q3: 기존의 목재 모델 대신 ABS 소재 3D 모델을 사용함으로써 얻는 구체적인 이점은 무엇입니까? A3: ABS 모델 사용은 크게 세 가지 이점을 제공합니다. 첫째, CNC 가공을 통해 제작되므로 수작업에 의존하는 목재 모델보다 훨씬 높은 치수 정밀도를 가집니다. 이는 특히 복잡한 형상의 박육 부품에서 최종 제품의 품질을 보장하는 데 결정적입니다. 둘째, 제작 시간이 짧고 자동화가 가능하여 생산성이 높습니다. 셋째, 논문에서 언급했듯이 시간, 원자재, 에너지 소비를 줄여 13-15%의 자원 절감 효과를 가져옵니다.
Q4: 몰리브덴(Mo)을 첨가한 역할은 무엇이며, 왜 0.3%를 사용했습니까? A4: 몰리브덴은 회주철의 기계적 특성을 강화하는 중요한 역할을 합니다. 주된 기능은 오스테나이트가 펄라이트로 변태하는 것을 촉진하고, 형성된 펄라이트 조직을 더 미세하고 균일하게 만드는 것입니다. 이는 주물의 경도와 내마모성을 직접적으로 향상시킵니다. 본 연구에서는 0.3%의 몰리브덴을 첨가하여 펄라이트 기지를 강화하고, 인(P) 첨가로 인해 발생할 수 있는 취성을 일부 보완하며, 전반적인 기계적 강도를 높이는 효과를 얻었습니다.
Q5: 본 연구에서 개발된 기술이 실제 산업 현장에 적용될 때 가장 큰 기대 효과는 무엇입니까? A5: 가장 큰 기대 효과는 고품질의 복잡한 박육 주철 부품을 더 높은 수율과 낮은 비용으로 생산할 수 있다는 점입니다. 개량제를 통한 유동성 및 경도 향상은 충진 불량 및 기계적 강도 부족 문제를 해결하여 불량률을 낮춥니다. 또한, 3D 모델링 기술은 개발 기간을 단축시키고 원가를 절감합니다. 최종적으로 논문에서 언급된 바와 같이, 부품의 서비스 수명이 1.3배 증가하여 제품의 신뢰성과 내구성을 높이는 데 직접적으로 기여할 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 박육 주철 주조 기술의 오랜 난제였던 유동성 부족과 기계적 특성 저하 문제를 해결할 수 있는 구체적이고 실용적인 방법을 제시했습니다. 인청동과 몰리브덴을 활용한 합금 개량, 그리고 ABS 소재 3D 모델링 기술의 결합은 복잡한 형상의 박육 부품을 높은 품질과 경제성으로 생산할 수 있는 새로운 가능성을 열었습니다. 이 혁신적인 박육 주철 주조 기술은 자동차, 기계 부품 산업의 경량화 및 원가 절감 목표 달성에 핵심적인 역할을 할 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, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."
저작권 정보
이 콘텐츠는 "[Jamshidbek Khasanov 외 다수]"가 저술한 논문 "[Development of Technology for Obtaining Thin-Walled Details from Gray Cast Iron in Sand-Clay Moulds]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
출처: https://doi.org/10.17683/IJOMAM/ISSUE18/V1.31 (논문 DOI가 없어 저널 링크로 대체)
이 자료는 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용을 금합니다. Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.