상변화물질(PCM)을 이용한 혁신적인 응고 제어: Al-Cu 합금 주조의 거시조직을 정밀하게 설계하는 방법

Numerical simulation of the effects of a Phase Change Material (PCM) on solidification path of gravity sand cast Al-Cu alloy

이 기술 요약은 Z. Noohi, B. Niroumand, G. Timelli가 작성하여 La Metallurgia Italiana (2021)에 발표한 학술 논문 "Numerical simulation of the effects of a Phase Change Material (PCM) on solidification path of gravity sand cast Al-Cu alloy"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 상변화물질(PCM) 응고 제어
• 보조 키워드: 알루미늄 합금 주조, 응고 조직 제어, 주상정-등축정 천이(CET), 주조 시뮬레이션, 냉각 속도 제어

핵심 요약

• 도전 과제: 알루미늄 주조품의 기계적 물성을 결정하는 응고 조직(주상정 대 등축정)을 정밀하게 제어하는 것은 기존의 방법으로는 어려운 과제였습니다.
• 연구 방법: 연구진은 Al-Cu 합금을 사형 주형에 주입하면서, 일반적인 강철 냉금(Chill)을 사용한 경우와 순수 아연을 상변화물질(PCM)로 내장한 새로운 냉금을 사용한 경우의 응고 과정을 비교 분석했습니다.
• 핵심 발견: PCM을 장착한 주형은 PCM이 녹으면서 잠열을 흡수하여 국부적인 냉각 속도를 변화시켰고, 그 결과 주상정-등축정 천이(CET)를 지연시켜 더 넓은 주상정 영역을 형성했습니다.
• 결론: 상변화물질(PCM)은 주조품의 응고 경로와 최종 결정립 구조를 정밀하게 조작할 수 있는 강력한 신기술을 제공하며, 이는 부품 성능 향상으로 이어질 수 있는 잠재력을 가집니다.

도전 과제: 이 연구가 다이캐스팅 전문가에게 중요한 이유

알루미늄 주조 합금의 최종 기계적 및 물리적 특성은 응고 과정에서 형성되는 미세조직에 의해 크게 좌우됩니다. 특히, 주조품 내에서 길게 성장하는 주상정(columnar grains)과 작고 균일한 등축정(equiaxed grains)의 분포를 제어하는 것은 강도, 연성 및 피로 수명과 같은 핵심 성능 지표를 최적화하는 데 필수적입니다.

전통적으로 업계에서는 냉각 속도 조절, 접종제 사용, 진동 및 압력 부가 등 다양한 방법을 사용하여 응고 조직을 제어해왔습니다. 그러나 이러한 방법들은 복잡한 형상의 주조품 전체에 걸쳐 균일하고 예측 가능한 조직을 구현하는 데 한계가 있었습니다. 특히 특정 부위에서 요구되는 미세조직을 정밀하게 구현하는 것은 여전히 큰 기술적 과제로 남아 있었습니다. 이 연구는 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 접근법을 제시합니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

연구진은 응고 조직 제어에 대한 상변화물질(PCM)의 효과를 평가하기 위해 실험과 수치 시뮬레이션을 병행하는 체계적인 접근법을 사용했습니다.

방법 1: 실험적 주조 및 온도 측정 - 합금 및 주형: Al-4.5wt.%Cu-0.2wt.%Fe 합금을 규산나트륨으로 경화시킨 규사 주형에 주입했습니다. - 두 가지 냉각 조건: 1. 냉금(Chill) 시편: 주형 끝에 30×30×13 mm³ 크기의 고체 저탄소강 냉금을 배치했습니다. 2. PCM 시편: 2mm 두께의 강철 용기 안에 순수 아연(PCM)을 채워 넣은 30×30×25 mm³ 크기의 냉금을 사용했습니다. PCM과 냉금의 치수는 PCM이 녹기 전까지 두 시편이 유사한 냉각 능력을 갖도록 설계되었습니다. - 데이터 수집: 주물 내 세 지점(냉금 표면에서 10, 35, 60mm)과 냉금 내부에 K-타입 열전대를 설치하여 응고 중 시간-온도(T-t) 곡선을 1초 간격으로 정밀하게 측정했습니다.

방법 2: 수치 시뮬레이션 - 소프트웨어: ProCast 2018 소프트웨어를 사용하여 주조 공정을 시뮬레이션했습니다. - 목적: 실험 전 최적의 주형 설계를 확보하고, 실험적으로 측정이 어려운 열전달 계수, 냉각 속도, 온도 구배(G) 및 고액계면 이동 속도(R)와 같은 중요한 파라미터를 계산했습니다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확성을 검증하는 데 사용되었습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

발견 1: PCM이 주상정-등축정 천이(CET)를 지연시킴

논문의 Fig. 3에 제시된 두 시편의 거시조직은 명확한 차이를 보였습니다. 두 시편 모두 냉금 표면에서 성장한 주상정 영역과 이후에 형성된 등축정 영역을 가졌지만, 그 경계인 주상정-등축정 천이(CET)의 위치가 달랐습니다.

• 냉금 시편의 주상정 영역 길이는 약 38 mm였습니다.
• PCM 시편의 주상정 영역 길이는 약 41 mm로, 냉금 시편보다 더 길게 성장했습니다.

이는 PCM이 응고 초기에 녹으면서 알루미늄 합금으로부터 잠열을 흡수하여 국부적인 열 흐름을 바꾸고, 결과적으로 주상정 성장에 유리한 조건을 더 오래 유지시켰음을 의미합니다. 즉, PCM을 사용하여 주상정 영역의 크기를 의도적으로 확장할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

발견 2: PCM이 응고 중 특정 구간의 냉각 속도를 증가시킴

시뮬레이션 결과(Fig. 4)는 PCM의 독특한 열적 거동을 명확히 보여주었습니다. 특히, 고상선 온도에 가까운 머시 존(mushy zone)에서의 냉각 속도에서 중요한 차이가 관찰되었습니다.

• 냉금 표면에서 10mm 떨어진 지점에서, 냉금 시편의 냉각 속도는 약 4.6 °C/s였던 반면, PCM 시편의 냉각 속도는 약 7.7 °C/s로 훨씬 더 높았습니다.
• 더 먼 거리(x=35, x=60 mm)에서도 PCM 시편의 냉각 속도가 냉금 시편보다 높게 나타났습니다.

이러한 결과는 PCM이 녹은 후에 주물과의 열전달 효율이 크게 향상되었기 때문입니다. PCM의 잠열 흡수 효과는 응고 시간을 단축시키고 냉각 속도를 높여, 결과적으로 더 긴 주상정 영역을 형성하는 데 기여했습니다. 이는 PCM이 단순히 열을 흡수하는 것을 넘어, 응고 과정의 동역학을 능동적으로 제어하는 도구로 사용될 수 있음을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 다이캐스팅 금형의 특정 부위에 PCM을 통합하여 주조품의 핵심 부위에서 결정립 구조를 국부적으로 제어할 수 있는 가능성을 제시합니다. 이를 통해 특정 부위의 강도나 내피로성을 향상시키는 맞춤형 공정 설계가 가능해질 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문에서 계산된 G/R 비율(냉금 시편 14.9, PCM 시편 0.05 °C·s/cm²)은 CET 발생을 예측하는 핵심 지표입니다. 시뮬레이션을 통해 이 값을 예측하고 관리함으로써, 최종 제품의 미세조직을 사전에 예측하고 새로운 품질 검사 기준으로 활용할 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 이번 연구 결과는 초기 부품 설계 단계에서부터 PCM의 전략적 배치를 고려할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 높은 강도가 요구되는 부위에는 주상정 성장을 촉진하고, 다른 부위에는 등축정 성장을 유도하여 부품 전체의 성능을 최적화하는 기능성 설계가 가능해집니다.

논문 상세 정보

Numerical simulation of the effects of a Phase Change Material (PCM) on solidification path of gravity sand cast Al-Cu alloy

1. 개요:

• 제목: Numerical simulation of the effects of a Phase Change Material (PCM) on solidification path of gravity sand cast Al-Cu alloy
• 저자: Z. Noohi, B. Niroumand, G. Timelli
• 발행 연도: 2021
• 저널/학회: La Metallurgia Italiana - International Journal of the Italian Association for Metallurgy
• 키워드: MACROSTRUCTURE CONTROL, GRAVITY SAND CASTING, PHASE CHANGE MATERIALS (PCMS), COLUMNAR TO EQUIAXED TRANSITION (CET)

2. 초록:

응고 구조는 금속 재료의 기계적 및 물리적 특성에 상당한 영향을 미치며, 그 제어는 재료 성능 향상을 위한 연구의 주요 방향이다. 냉각 속도 제어, 접종, 진동 및 압력 부가와 같은 다양한 방법들이 전통적으로 주조 및 응고 공정 중 응고 구조를 제어하는 데 사용된다. 본 논문에서는 상변화물질(PCM)을 사용하여 주조 중 응고 구조를 제어하는 새로운 방법의 예비 결과를 제시한다. 순수 아연을 PCM으로 사용한 경우와 사용하지 않은 경우, 실리카 사형 주형에 주입된 방향성 냉각 Al-Cu 합금의 응고 구조 변화를 실험 및 시뮬레이션 방법을 사용하여 조사했다. 알루미늄 합금의 응고 중에 PCM 온도가 약 510 °C에 도달할 수 있음이 나타났으며, 따라서 응고하는 알루미늄 합금 용탕으로부터 용융 잠열을 흡수하여 국부적인 응고 냉각 속도에 영향을 미친다. 따라서 PCM이 장착된 주형에서 주조된 시편의 응고 구조는 PCM이 없는 시편과 달랐다. 두 시편의 거시조직 모두 주상정에서 등축정으로의 전이를 보였지만, PCM 시편의 주상정 영역은 PCM이 없는 시편보다 더 컸다. 즉, PCM이 없는 시편의 주상정-등축정 천이(CET)는 PCM이 있는 시편보다 더 빨리 일어났다. 또한, 냉금 시편의 등축정 평균 크기는 PCM 시편보다 작다.

3. 서론:

알루미늄 주조 합금은 우수한 열 및 전기 전도성, 적절한 주조성, 합리적인 용접성, 경량 및 우수한 내식성과 같은 특성 때문에 자동차, 스포츠 및 항공우주 산업에서 광범위하게 적용된다. 냉각 속도, 전기 및 자기장 적용, 방향성 응고를 포함한 다양한 공정 변수들이 주조 거시 및 미세조직뿐만 아니라 응고 경로에도 영향을 미칠 수 있다는 것이 확립되었다. 금속 또는 흑연 냉금을 사용하는 것은 최소한의 수축 결함으로 주물을 생산하고 최종 주조 구조를 제어하는 또 다른 방법이다. 구리, 철, 알루미늄 기반 합금 및 흑연과 같은 다양한 유형의 냉금 재료는 열용량과 확산도에 따라 사용될 수 있다. 이러한 각 재료는 열에 의해 포화되기 전에 특정 양의 열을 흡수하고 전달할 수 있다는 것은 명백하다. 따라서 냉금의 종류와 치수 모두 열전달, 냉각 속도 및 주물의 응고 미세조직에 중요한 역할을 한다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

금속 재료의 기계적, 물리적 특성은 응고 시 형성되는 조직에 크게 의존한다. 따라서 재료의 성능을 향상시키기 위해 응고 조직을 제어하는 기술은 매우 중요하다.

기존 연구 현황:

전통적으로 냉각 속도 제어, 접종, 진동 및 압력 부가, 금속 냉금 사용 등의 방법이 응고 조직을 제어하기 위해 사용되어 왔다. 냉금은 재료의 종류(구리, 철 등)와 크기에 따라 열 흡수 및 전달 능력이 달라지며, 이는 최종 주조 조직에 영향을 미친다.

연구 목적:

본 연구는 상변화물질(Phase Change Materials, PCMs)을 금속 냉금에 통합하여 주조 중 응고 거시조직을 제어하는 새로운 방법을 제안하고, 그 효과를 실험과 시뮬레이션을 통해 검증하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, PCM(순수 아연)의 사용이 방향성 응고된 Al-Cu 합금의 주상정-등축정 천이(CET)에 미치는 영향을 규명하고자 한다.

핵심 연구:

Al-Cu 합금을 두 가지 조건의 사형 주형에 주입하여 응고 거동을 비교했다. 첫 번째는 일반 강철 냉금을 사용한 '냉금(Chill) 시편'이고, 두 번째는 순수 아연(PCM)을 내장한 강철 용기를 냉금으로 사용한 'PCM 시편'이다. 주조 과정 중 주물과 냉금 내부의 온도를 열전대로 측정하고, 응고 후 시편의 거시조직을 분석했다. 또한, ProCast 소프트웨어를 이용한 수치 시뮬레이션을 통해 실험 결과를 보완하고 열적 파라미터(냉각 속도, G/R 비율 등)를 계산하여 PCM의 영향을 정량적으로 분석했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 PCM의 유무에 따른 Al-Cu 합금의 응고 거동 차이를 비교하는 실험적 설계(experimental design)를 채택했다. 비교 그룹은 '냉금(Chill) 시편'과 'PCM 시편'으로 구성되었다. 실험 결과의 타당성을 높이고 심층적인 분석을 위해 수치 시뮬레이션 결과를 병행하여 활용했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 데이터 수집: 데이터 수집 시스템과 K-타입 열전대를 사용하여 응고 중 시간-온도(T-t) 데이터를 1초 간격으로 수집했다. 주조 후, 시편의 종단면을 연마하고 켈러 시약으로 에칭하여 거시조직을 관찰했다.
• 데이터 분석: ImageJ 소프트웨어를 사용하여 거시조직 사진에서 주상정 영역의 길이를 측정했다. 수집된 T-t 곡선과 ProCast 시뮬레이션 결과를 비교 분석하여 냉각 속도, 온도 구배(G), 계면 이동 속도(R) 등을 계산하고, 이를 통해 주상정-등축정 천이(CET) 메커니즘을 분석했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 중력 사형 주조 공정에서 Al-4.5wt.%Cu 합금의 응고 조직 제어에 초점을 맞춘다. 핵심 연구 주제는 상변화물질(PCM)로 순수 아연을 사용했을 때, 응고 경로, 특히 주상정-등축정 천이(CET)에 미치는 영향을 규명하는 것이다. 연구 범위는 실험적 거시조직 분석과 온도 측정, 그리고 이를 뒷받침하는 열전달 수치 시뮬레이션으로 한정된다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• PCM 시편의 주상정 영역(약 41 mm)은 냉금 시편(약 38 mm)보다 더 길게 형성되어, PCM이 주상정-등축정 천이(CET)를 지연시키는 효과가 있음을 확인했다.
• PCM(순수 아연)은 응고 과정 중 약 419.5 °C에서 녹기 시작하여 최대 510 °C까지 온도가 상승했으며, 이 과정에서 용융 잠열을 흡수하여 주물의 냉각 속도에 영향을 미쳤다.
• 시뮬레이션 결과, 냉금 표면에서 10mm 떨어진 지점의 머시 존 냉각 속도는 PCM 시편(7.7 °C/s)이 냉금 시편(4.6 °C/s)보다 더 빨랐다. 이는 PCM이 녹은 후 열전달이 향상되었기 때문이다.
• CET 발생 시점의 G/R 값은 냉금 시편이 약 14.9 °C·s/cm², PCM 시편이 약 0.05 °C·s/cm²로, PCM 시편에서 훨씬 낮은 G/R 값에서 천이가 발생했다. 이는 PCM이 주상정 성장에 유리한 조건을 더 오래 유지했음을 시사한다.
• 실험과 시뮬레이션으로 얻은 시간-온도 곡선은 잘 일치하여 시뮬레이션 모델의 신뢰성을 입증했다.

Figure Name List:

• Fig.1 - Schematics of the casting moulds: (a) Chill sample and (b) PCM sample.
• Fig.2 - (a) Experimental T-t curves for both PCM and Chill samples and (b) Location of three thermocouples at 10, 35, and 60 mm from the chiller surface in both PCM and Chill samples, one thermocouple in the chiller (Chill sample) and two thermocouples, i.e. Zn1 and Zn2, in the PCM (PCM sample).
• Fig.3 - Macrostructure of (a) Chill and (b) PCM samples.
• Fig.4 - Experimental and numerical cooling curves for (a) Chill and (b) PCM samples.

7. 결론:

본 논문에서는 상변화물질(PCM)을 사용하여 Al-Cu 합금의 응고 거시조직을 제어하는 새로운 방법을 실험 및 시뮬레이션 접근법을 통해 연구했다. 연구 결과, 아연 PCM을 금속 냉금에 통합하는 것이 방향성 응고된 Al-Cu 합금의 냉각 및 응고 조건에 영향을 미친다는 것을 보여주었다. 두 시편 모두에서 주상정-등축정 천이(CET)가 관찰되었으나, 아연 PCM이 장착된 시편에서 더 늦게 발생했다. 이러한 효과는 응고 초기 단계에서 PCM의 용융 잠열 흡수와 더불어 PCM과 냉금 재료의 서로 다른 열물리적 특성 때문인 것으로 보인다. 결과를 바탕으로, 제안된 방법은 주물의 응고 거시조직을 제어하는 혁신적인 냉각 시스템으로 사용될 수 있다.

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전문가 Q&A: 주요 질문에 대한 답변

Q1: 이 연구에서 상변화물질(PCM)로 순수 아연을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 논문에서 명시적으로 밝히지는 않았지만, 아연의 물리적 특성을 통해 그 이유를 추론할 수 있습니다. 순수 아연의 녹는점은 419.5 °C로, 응고 중인 Al-Cu 합금(액상선/고상선 온도가 약 640 °C 근처)으로부터 효과적으로 열을 흡수하기에 적합한 온도 범위에 있습니다. Fig. 2의 온도-시간 곡선에서 볼 수 있듯이, 아연은 이 녹는점에 도달하여 잠열을 흡수하는 고원 구간을 형성하며, 이는 PCM으로서의 역할을 성공적으로 수행했음을 보여줍니다.

Q2: 논문에서 언급된 PCM과 강철 용기 사이의 '공극(air gap)'은 결과에 어떤 영향을 미쳤나요?

A2: 이 공극은 연구 결과에 중요한 영향을 미쳤습니다. 응고 초기, 이 공극은 PCM과 주물 사이의 열전달을 방해하는 단열층 역할을 했습니다. 이로 인해 PCM 시편은 일반 냉금 시편처럼 용탕이 처음 닿는 지점에서 국부적인 급랭이 일어나는 것을 방지하고, 냉금 표면 전체에 걸쳐 더 균일한 열전달을 유도했습니다. 이후 아연이 녹으면서 액체 상태가 되어 공극이 사라지자, 열전달 효율이 급격히 증가하며 PCM의 잠열 흡수 효과가 지배적으로 작용하게 되었습니다.

Q3: G/R 비율(냉금 시편 14.9 vs. PCM 시편 0.05)의 차이가 주상정 영역 길이에 미치는 영향을 어떻게 설명할 수 있나요?

A3: 일반적으로 높은 G/R(온도 구배/계면 이동 속도) 비율은 주상정 성장을 촉진하고, 이 값이 특정 임계치 이하로 떨어지면 등축정이 형성됩니다. 논문에 따르면, 냉금 시편은 G/R 값이 14.9로 비교적 높은 상태에서 CET가 발생했습니다. 반면 PCM 시편은 G/R 값이 0.05까지 매우 낮아진 후에야 CET가 발생했습니다. 이는 PCM이 응고 과정 동안 높은 온도 구배(G)를 더 오래 유지시켜 주상정 성장에 유리한 조건을 지속시켰음을 의미하며, 그 결과 더 긴 주상정 영역이 형성된 것입니다.

Q4: 이 연구에서 ProCast 시뮬레이션의 역할은 무엇이었나요?

A4: ProCast 시뮬레이션은 두 가지 중요한 역할을 수행했습니다. 첫째, 실제 주조 실험을 수행하기 전에 최적의 주형 및 탕구계 설계를 찾는 데 사용되었습니다. 둘째, 실험적으로 직접 측정하기 어려운 중요한 물리량, 예를 들어 주물-냉금 계면(x=0 mm)에서의 정확한 냉각 속도나 CET를 분석하는 데 필요한 온도 구배(G)와 계면 이동 속도(R)를 계산하는 데 활용되었습니다. Fig. 4에서 보듯이 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 잘 일치하여, 연구 분석의 신뢰도를 높이는 데 결정적인 기여를 했습니다.

Q5: 이 PCM 기술을 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에도 적용할 수 있을까요?

A5: 본 연구는 중력 사형 주조를 대상으로 했지만, PCM의 잠열을 이용해 국부적인 냉각 속도와 응고 경로를 제어한다는 기본 원리는 다른 주조 공정에도 충분히 적용 가능합니다. HPDC의 경우, 금형의 특정 부위에 PCM을 내장하여 복잡한 형상 부위의 열 구배를 관리하고, 이를 통해 기공과 같은 결함을 줄이거나 특정 부위의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 물론 고압 및 빠른 사이클 타임과 같은 HPDC의 가혹한 환경에 맞춰 PCM 재료 선택 및 금형 설계에 대한 추가적인 엔지니어링 연구가 필요할 것입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

주조품의 최종 품질을 결정하는 응고 조직을 정밀하게 제어하는 것은 오랜 난제였습니다. 이 연구는 상변화물질(PCM) 응고 제어라는 혁신적인 접근법을 통해, PCM의 잠열 흡수 특성을 이용하여 주조품의 주상정 영역 성장을 의도적으로 조절할 수 있음을 입증했습니다. 이는 단순히 결함을 제어하는 수준을 넘어, 부품의 특정 위치에 요구되는 미세조직을 설계하여 기계적 성능을 극대화하는 '미세조직 엔지니어링'의 새로운 가능성을 열어줍니다.

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출처: [La Metallurgia Italiana, November/December 2021, pagina 25-30]

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