수정된 CA 방법을 기반으로 한 고압 다이캐스팅 마그네슘 합금의 미세조직 시뮬레이션

이 소개 자료는 "[ACTA METALLURGICA SINICA]"에서 발행한 논문 "MICROSTRUCTURE SIMULATION OF HIGH PRESSURE DIE CAST MAGNESIUM ALLOY BASED ON MODIFIED CA METHOD"에 기반합니다.

1. 개요:

• 제목: MICROSTRUCTURE SIMULATION OF HIGH PRESSURE DIE CAST MAGNESIUM ALLOY BASED ON MODIFIED CA METHOD
• 저자: WU Mengwu, XIONG Shoumei
• 발행 연도: 2010
• 발행 학술지/학회: ACTA METALLURGICA SINICA
• 키워드: magnesium alloy, high pressure die casting, dendrite growth, nucleation model, microstructure simulation (마그네슘 합금, 고압 다이캐스팅, 덴드라이트 성장, 핵생성 모델, 미세조직 시뮬레이션)

2. 초록:

가장 가벼운 구조 재료인 마그네슘 합금은 자동차, 항공 우주 및 전자 산업에서 널리 사용되어 왔습니다. 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정은 마그네슘 합금 제품의 주요 공정입니다. 다이캐스팅된 마그네슘 합금의 미세조직은 주조품의 최종 성능에 큰 영향을 미칩니다. 수치 시뮬레이션은 응고 구조와 해당 기계적 특성을 예측하는 방법을 제공합니다. 그러나 미세조직 시뮬레이션에서 가장 널리 사용되는 방법 중 하나인 셀룰러 오토마톤(CA) 방법은, bcc 및 fcc 금속의 응고 구조 시뮬레이션은 널리 보고되었지만, hcp 결정 구조를 가진 마그네슘 합금의 응고 구조를 시뮬레이션하는 데 어려움이 있습니다. 게다가 HPDC 공정에 의한 마그네슘 합금의 미세조직 시뮬레이션을 위해서는 정확한 핵생성 모델이 고려되어야 하지만, 지금까지 이에 대한 보고는 거의 없었습니다.
본 논문에서는 역열전달 모델을 통해 얻은 다이캐스팅의 정확한 온도장을 기반으로 응고 중 온도 곡선 분석을 수행하여, HPDC 공정 중 마그네슘 합금의 냉각 속도와 핵생성 밀도를 연관시키는 핵생성 모델을 구축했습니다. 또한 마그네슘 합금의 결정 성장을 시뮬레이션하기 위해 수정된 CA 모델을 개발했습니다. 이 모델은 용질 확산, 조성 과냉각, 곡률 과냉각, 이방성 등을 고려합니다. 모델에 대한 검증이 이루어졌으며, 결과는 이 모델이 다양한 성장 방향을 가진 마그네슘 합금의 덴드라이트 성장을 시뮬레이션할 수 있는 능력을 가지고 있음을 보여줍니다. 또한, 이 모델은 2차 및 3차 덴드라이트 가지의 특징을 가진 덴드라이트 형태, 다른 온도 구배 및 응고 속도 하에서의 덴드라이트 경쟁 성장, 그리고 덴드라이트 성장의 3차원 형태를 나타낼 수 있습니다. HPDC 공정 하에서 마그네슘 합금에 대해 구축된 핵생성 및 성장 모델을 검증하기 위해, AM50 마그네슘 합금의 "계단형(step-shape)" 다이캐스팅이 다른 공정 매개변수에서 생산되었습니다. 평균 결정립 크기 예측 결과는 실험 결과와 잘 일치합니다.

3. 서론:

가장 가벼운 구조 재료인 마그네슘 합금은 낮은 밀도, 높은 비강도 및 비강성, 우수한 성형성 등의 장점으로 인해 자동차, 항공 우주 및 전자 산업에서 광범위하게 사용됩니다. 고압 다이캐스팅(HPDC)은 마그네슘 합금의 주요하고 가장 널리 사용되는 성형 공정으로, 고정밀, 경량, 내구성 및 에너지 효율적인 부품 생산을 가능하게 하며, 종종 얇은 벽의 복잡한 캐비티에 적합합니다. 다이캐스팅된 마그네슘 합금의 미세조직은 최종 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 따라서 HPDC 중 미세조직 형성을 이해하고 제어하는 것이 중요합니다. 수치 시뮬레이션, 특히 미세조직 시뮬레이션은 응고 거동을 예측하고 공정 매개변수를 최적화하는 데 유용한 도구가 되었습니다. 셀룰러 오토마톤(CA) 방법은 물리적 원리에 기반하여 덴드라이트 형태 및 결정립 구조를 모델링하는 능력 때문에 미세조직 시뮬레이션에 널리 적용됩니다. 그러나 마그네슘 합금의 육방정계 조밀 격자(hcp) 구조 시뮬레이션은, 보다 일반적으로 보고된 bcc 및 fcc 금속 시뮬레이션에 비해, 표준 CA 모델이 hcp 성장의 특정 이방성을 포착하기 어렵기 때문에 어려움이 있습니다. 더욱이, 마그네슘 합금의 HPDC 공정에 내재된 급속 응고 조건에 특화된 정확한 핵생성 모델은 예측 시뮬레이션에 필수적이지만 이전 연구에서는 거의 주목받지 못했습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

HPDC 마그네슘 합금 부품의 성능은 미세조직과 밀접하게 연관되어 있습니다. 시뮬레이션을 통해 이 미세조직을 예측하고 제어하는 것은 HPDC 공정을 최적화하고 원하는 부품 특성을 보장하는 데 핵심입니다.

이전 연구 현황:

CA 방법은 미세조직 시뮬레이션에 확립되어 있지만, hcp 마그네슘 합금에 적용하는 것은 이방성 덴드라이트 성장을 정확하게 표현하는 데 어려움이 있습니다. 또한, HPDC 공정의 특징인 급속 냉각 조건 하에서 마그네슘 합금에 대한 구체적이고 검증된 핵생성 모델이 부족합니다.

연구 목적:

본 연구는 HPDC 공정 중 마그네슘 합금의 미세조직 진화를 시뮬레이션하기 위한 개선된 모델을 개발하고 검증하는 것을 목표로 했습니다. 구체적으로, 냉각 속도에 기반한 정확한 핵생성 모델을 구축하고, hcp 마그네슘 합금의 이방성 덴드라이트 성장을 시뮬레이션할 수 있는 수정된 CA 성장 모델을 개발하는 데 중점을 두었습니다.

핵심 연구:

연구의 핵심 내용은 다음과 같습니다:

1. 역열전달 모델을 사용하여 HPDC 중 정확한 온도장 얻기.
2. 응고 냉각 곡선을 분석하여 핵생성 밀도와 냉각 속도를 연관시키는 핵생성 모델 개발.
3. 용질 확산, 조성 과냉각, 곡률 과냉각, 계면 이방성 등의 요인을 통합하여 hcp 마그네슘 합금 덴드라이트 성장을 위한 수정된 CA 모델 개발.
4. 개발된 핵생성 및 성장 모델을 사용하여 다른 HPDC 공정 매개변수 하에서 생산된 AM50 마그네슘 합금 "계단형" 주물의 미세조직을 시뮬레이션하고 그 결과를 실험 관찰과 비교하여 검증.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 결합했습니다. HPDC 중 열 조건을 결정하기 위해 역열전달 방법이 사용되었습니다. 이를 바탕으로 핵생성 모델이 공식화되었습니다. 덴드라이트 성장을 시뮬레이션하기 위해 수정된 CA 방법이 개발되었습니다. 결합된 핵생성 및 성장 모델은 AM50 합금 주물의 미세조직을 시뮬레이션하는 데 사용되었습니다. 마지막으로, 다양한 공정 조건 하에서 AM50 합금과 "계단형" 금형을 사용하여 HPDC 실험을 수행하여 주물을 생산했으며, 시뮬레이션 예측을 검증하기 위해 미세조직을 실험적으로 특성화했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 온도장: 금형에서 측정된 열전대 데이터를 기반으로 한 역열전달 알고리즘을 사용하여 주물 내 온도장 및 냉각 곡선을 계산했습니다.
• 핵생성 모델: 냉각 곡선을 분석하여 핵생성 온도와 냉각 속도를 결정했습니다. 실험적 금속 조직 검사(연마 및 에칭된 샘플에 대한 절편법 사용)를 사용하여 평균 결정립 크기를 결정하고 이를 핵생성 밀도로 변환했습니다. 냉각 속도, 과냉각 및 핵생성 밀도 간의 관계를 설정하고 수학 함수로 피팅했습니다.
• 성장 모델: hcp 구조에 특화된 용질 수송(확산), 계면 동역학(용질, 곡률 및 열 과냉각 고려), 이방성 성장을 통합한 수정된 CA 모델을 구현했습니다. 다른 방향으로의 성장을 시뮬레이션하기 위해 특정 이웃 정의 및 포획 규칙이 사용되었습니다.
• 시뮬레이션: 핵생성 모델 및 거시적 온도장(CA 격자로 보간)과 결합된 CA 모델을 사용하여 AM50 주물에서 덴드라이트 성장, 경쟁 성장, 3D 형태 및 최종 결정립 구조를 시뮬레이션했습니다.
• 실험적 검증: AM50 "계단형" 주물은 다른 주입 온도 및 금형 예열 온도 하에서 TOYO650t HPDC 기계에서 생산되었습니다. 샘플을 절단, 연마 및 에칭하여 금속 조직 분석(그림으로 보아 광학 현미경 사용 암시)을 수행했습니다. 평균 결정립 크기를 실험적으로 측정하고 시뮬레이션 예측과 비교했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 다음에 중점을 두었습니다:

• HPDC에서 AM50 합금에 대한 냉각 속도 의존적 핵생성 모델 개발.
• hcp 마그네슘 합금의 이방성 덴드라이트 성장(2차/3차 가지, 우선 방향 포함)을 시뮬레이션하기 위한 CA 방법 수정.
• 방향성 응고 조건 하에서의 덴드라이트 경쟁 성장 시뮬레이션.
• 3D 덴드라이트 형태 시뮬레이션.
• 다양한 HPDC 공정 조건(다른 주입 및 금형 온도) 하에서 AM50 "계단형" 주물의 미세조직(특히 평균 결정립 크기) 시뮬레이션.
• 평균 결정립 크기에 대한 실험 결과 대비 시뮬레이션 모델 검증.

6. 주요 결과:

주요 결과:

1. 역열전달 모델은 HPDC 공정에 대한 정확한 온도장 데이터를 제공했습니다.
2. HPDC 마그네슘 합금에 대한 핵생성 모델이 수립되었으며, 핵생성 밀도와 냉각 속도를 연관시켰습니다. 이 관계는 높은 냉각 속도(> 350 K/s)에서는 거의 선형적이고 낮은 냉각 속도(< 350 K/s)에서는 지수적인 것으로 나타났습니다. 핵생성 과냉각은 일반적으로 냉각 속도와 함께 증가했습니다.
3. 수정된 CA 성장 모델이 성공적으로 개발되었으며, 다른 성장 방향, 2차 및 3차 가지에 대한 특징적인 60° 분지 각도, 방향성 응고 하에서의 경쟁 성장(이론적 예측 λ₁∝G<0xE2><0x81><0xBB>⁰·⁵V<0xE2><0x81><0xBB>⁰·²⁵와 일치), 3D 덴드라이트 형태 등 hcp 마그네슘 합금 덴드라이트 성장의 주요 특징을 시뮬레이션하는 능력을 입증했습니다.
4. 개발된 핵생성 및 성장 모델을 사용한 AM50 "계단형" 주물 시뮬레이션은 HPDC 특성과 일치하는 미세조직(예: 표면/얇은 부분 근처의 미세한 결정립, 중심부로 갈수록 조대한 결정립)을 예측했습니다.
5. 검증 결과, 시뮬레이션된 평균 결정립 크기와 다른 주입 온도 및 금형 온도 하에서 생산된 AM50 주물에서 실험적으로 측정된 평균 결정립 크기 사이에 좋은 일치를 보였습니다. 모델은 더 높은 주입 온도와 더 높은 금형 온도에서 결정립 크기가 증가하는 경향을 정확하게 예측했습니다.

그림 이름 목록:

• Fig.1 Thermal analysis of the temperature profile obtained by the inverse heat transfer model
• Fig.2 Relationships of nucleation density (a) and undercooling (b) with cooling rate
• Fig.3 Fitting between cooling rate with nucleation density at the lower cooling rate part (a) and the higher cooling rate part (b)
• Fig.4 Dendrite growth of magnesium alloy with different growth orientations (WAl—mass fraction of Al) (a) simulated result in a cooling rate of 10 K/s (b) OM photograph of casting of AZ91D with sand mould by using polarized light [15]
• Fig.5 Dendrite competition growth of magnesium alloy in direct solidification with different temperature gradients and solidification rates (a) GL=10 K/mm, V=2.5×10⁻⁵ m/s (b) GL=10 K/mm, V=2.5×10⁻⁴ m/s (c) GL=50 K/mm, V=2.5×10⁻⁴ m/s
• Fig.6 3D simulated results and SEM image [15] of casting of magnesium alloy (a) simulated result of single crystal dendrite growth with a cooling rate of 10 K/s (b) simulated result of columnar dendrite growth with a temperature gradient of 10 K/mm and a cooling rate of 1 K/s (c) SEM image of casting of AZ91D with permanent mould [15]
• Fig.7 Dimensions of the “step shape” casting [25]
• Fig.8 Comparison between simulated results (a—c) and metallographs (d—f) of the “step shape” castings (located at center of the Step 4 in Fig.7) of magnesium alloy AM50 with different pouring temperatures of 933 K (a, d), 953 K (b, e) and 983 K (c, f)
• Fig.9 Comparison between simulated results (a—c) and metallographs (d—f) of the “step shape” casting (located at surface of the Step 2 in Fig.7) of magnesium alloy AM50 with different mould preheating temperatures of 453 K (a, d), 423 K (b, e) and 393 K (c, f)
• Fig.10 Comparison between measured and simulated average grain size of the “step shape” casting of magnesium alloy AM50 with different mould preheating temperatures (located at surface of Step 2 in Fig.7) and pouring temperatures (located at center of Step 4 in Fig.7)

7. 결론:

1. 역열전달 방법으로 얻은 온도장을 기반으로 응고 냉각 곡선을 분석하여 HPDC에 대한 핵생성 모델을 수립했으며, 이는 핵생성 밀도를 냉각 속도와 연관시킵니다. 냉각 속도가 높은 주물 표면 근처 및 얇은 부분에서는 급랭이 발생하며, 핵생성 밀도는 냉각 속도와 거의 선형적인 관계를 가집니다. 열 전달이 감소하고 잠열이 방출되는 중심부 근처의 두꺼운 부분에서는 전체 냉각 속도가 낮습니다. 또한, 샷 슬리브에서 이송된 외부 응고 결정(ESC)이 중심부의 결정립 밀도를 증가시키는 잠재적 영향을 고려할 때, 이 영역에서는 핵생성 밀도가 냉각 속도와 거의 지수적인 관계를 따릅니다.
2. 개발된 성장 모델은 다양한 방향을 가진 마그네슘 합금 덴드라이트의 성장을 성공적으로 시뮬레이션합니다. 시뮬레이션된 형태는 실험적 관찰과 유사하며, 기저면에서 육방정계 대칭을 보여줍니다. 이 모델은 방향성 응고 중 주상정 덴드라이트의 경쟁 성장을 포착하며, 1차 가지 간격은 이론적 경향(온도 구배 및 응고 속도 증가에 따라 감소)을 따릅니다. 또한 3D 덴드라이트 성장도 시뮬레이션합니다.
3. 개발된 핵생성 및 성장 모델은 다른 주입 및 금형 온도 하에서 AM50 "계단형" 주물의 미세조직을 시뮬레이션하는 데 적용되었습니다. 예측된 평균 결정립 크기는 실험 측정값과 좋은 일치를 보여, 제안된 모델이 실제 HPDC 공정에서 미세조직 진화를 시뮬레이션하는 데 적용 가능함을 검증했습니다.

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9. 저작권:

• 이 자료는 "WU Mengwu, XIONG Shoumei"의 논문입니다. "MICROSTRUCTURE SIMULATION OF HIGH PRESSURE DIE CAST MAGNESIUM ALLOY BASED ON MODIFIED CA METHOD" 논문을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.3724/SP.J.1037.2010.00279

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