스퀴즈 핀 유발 재료 편석, 정말 위험할까? HPDC 부품의 기계적 강도 검증

EFFECT OF MATERIAL SEGREGATIONS DUE TO SQUEEZE PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PRESSURE DIECAST PARTS

이 기술 요약은 Ferencz PETI와 Petru SERBAN이 작성하여 2020년 [Acta Marisiensis. Seria Technologica]에 게재한 학술 논문 "[EFFECT OF MATERIAL SEGREGATIONS DUE TO SQUEEZE PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PRESSURE DIECAST PARTS]"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: 스퀴즈 핀 재료 편석
• 보조 키워드: 고압 다이캐스팅(HPDC), AlSi9Cu3(Fe), 기계적 물성, 수축 기공, 내부 건전성, 정적 파단 시험, 동적 파단 시험

Executive Summary

• 과제: HPDC에서 스퀴즈 기술 사용 시 발생하는 재료 편석(어두운 선)이 부품의 기계적 강도를 저하시키는지 여부를 확인해야 하는 과제.
• 방법: 스퀴즈 핀 파라미터를 다양하게 적용하여 제작된 AlSi9Cu3(Fe) 합금 부품 중 편석이 가장 심한 샘플을 대상으로 정적 및 동적 파단 시험을 수행.
• 핵심 발견: 재료 편석이 관찰된 스퀴즈 영역은 극한의 정적 및 동적 하중 조건에서도 파손되지 않았으며, 이는 편석이 부품의 기계적 성능에 부정적인 영향을 미치지 않음을 입증.
• 결론: 스퀴즈 기술은 2차 효과로 재료 편석을 유발할 수 있지만, 수축 기공을 제거하고 부품의 내부 건전성을 향상시키는 데 효과적이므로 기계적 강도 저하 우려 없이 적용이 권장됨.

과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡하고 정밀한 부품을 대량 생산하는 데 널리 사용되는 기술입니다. 특히 자동차 기어박스 서스펜션 브래킷이나 피니언 하우징과 같이 구조적, 기계적, 유압적 기능을 수행하는 부품의 경우, 내부 소재의 건전성과 균일성을 확보하는 것이 무엇보다 중요합니다. 두꺼운 부위(육후부)에 흔히 발생하는 수축 기공은 부품의 신뢰성을 저하시키는 고질적인 문제이며, 이를 해결하기 위해 '스퀴징(Squeezing)' 기술이 적용됩니다.

스퀴징 기술은 국부적으로 압력을 가해 용탕을 추가로 공급함으로써 수축 기공을 효과적으로 제거합니다. 하지만 이 과정에서 2차적인 효과로 X-ray 검사 시 '어두운 선(dark line)'이 나타나는 현상이 관찰되었습니다. 이는 합금 원소의 거시적 편석으로 추정되며, 품질 관리 담당자나 엔지니어에게 "이러한 편석이 부품의 기계적 강도를 약화시키는 결함이 아닐까?"라는 중요한 의문을 제기합니다. 본 연구는 바로 이 문제, 즉 스퀴징으로 인한 재료 편석이 부품의 기계적 물성에 미치는 실질적인 영향을 규명하기 위해 수행되었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 스퀴징으로 인한 재료 편석의 영향을 평가하기 위해 체계적이고 엄격한 실험 절차를 따랐습니다. 연구진은 실제 산업 현장에서 마주할 수 있는 최악의 조건을 시뮬레이션하여 신뢰도 높은 데이터를 확보했습니다.

방법 1: 샘플 제작 및 선정 * 소재 및 부품: 자동차 피니언 스티어링 하우징의 고정 브래킷 영역을 연구 대상으로 선정했으며, 소재는 SR EN 1706 표준에 따른 AlSi9Cu3(Fe) 알루미늄 합금을 사용했습니다. * 변수 설정: 스퀴즈 핀 직경(ø8, ø9, ø10 mm), 깊이(7.5, 15 mm), 지연 시간(0~2.5초) 등 다양한 파라미터 조합으로 총 360개의 샘플을 다이캐스팅했습니다. * 샘플 선정: Yxlon MU2000 X-ray 장비를 사용하여 방사선 분석을 수행하고, 재료 편석으로 인한 '어두운 선'이 가장 크고 명확하게 나타난 최악의 조건(worst case) 샘플 6개를 최종 테스트용으로 선정했습니다.

방법 2: 기계적 강도 평가 시험 * 정적 파단 시험(Static Breakage Test): 하우징을 시험대에 고정하고 랙 및 피니언을 통해 토크를 가하여 파손 시점의 최대 토크와 파손 각도를 측정했습니다. 일부 샘플은 3주간의 염수 분무 시험(부식 환경 모사)을 거친 후 테스트를 진행했습니다. 합격 기준은 150Nm 이하에서 파손이 발생하지 않는 것이었습니다. * 동적 파단 시험(Bracket Stress Test): 염수 분무 시험을 거친 샘플을 유압식 시험기에 고정하고, 두 단계에 걸쳐 반복적인 하중을 가했습니다. (1단계: 571 daN에서 25,000 사이클, 2단계: 1178 daN에서 100 사이클) 합격 기준은 시험 후 파손이나 균열이 없는 것이었습니다. 시험 전후 X-ray 분석을 통해 편석 영역의 변화를 비교했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

엄격한 기계적 시험 결과, 스퀴징으로 인한 재료 편석은 부품의 성능에 부정적인 영향을 미치지 않는다는 놀랍고도 중요한 사실이 밝혀졌습니다.

결과 1: 정적 하중 하에서 편석 영역의 뛰어난 건전성

정적 파단 시험 결과, 모든 샘플은 합격 기준인 150Nm을 훨씬 초과하는 387Nm에서 456Nm 사이의 높은 토크 값에서 파손되었습니다. 가장 중요한 발견은 파손이 재료 편석이 발생한 스퀴즈 브래킷 영역에서 일어나지 않았다는 점입니다. 대신, 피니언, 하우징의 다른 부위, 또는 기계적 스토퍼와 같은 조립체의 다른 부분이 파손되었습니다. 논문의 Figure 6, 8, 10, 12에서 볼 수 있듯이, 다른 부분이 파손된 후에도 편석이 있는 브래킷 영역은 온전한 상태를 유지했습니다. 이는 편석 영역이 부품의 다른 부위보다 약하지 않다는 것을 명확히 보여줍니다.

결과 2: 동적 하중 하에서도 안정적인 편석 영역

가혹한 동적 내구 시험을 통과한 샘플들 역시 어떠한 파손이나 균열도 보이지 않았습니다. 더욱 주목할 점은 시험 전후에 촬영한 X-ray 이미지를 비교 분석한 결과입니다. Figure 14와 16에서 명확히 확인할 수 있듯이, 수만 번의 반복적인 하중을 가한 후에도 편석으로 인한 '어두운 선'의 형태나 크기에는 어떠한 변화도 관찰되지 않았습니다. 이는 동적 하중이 편석 영역에서 균열을 유발하거나 성장시키지 않았음을 의미하며, 해당 부위가 피로 파괴의 시작점이 되지 않음을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

본 연구 결과는 HPDC 공정, 품질 관리, 부품 설계 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 통찰을 제공합니다.

• 공정 엔지니어: 이 연구는 스퀴즈 파라미터(지연 시간, 깊이 등)를 조정하여 수축 기공을 효과적으로 제어할 수 있으며, 이 과정에서 발생하는 재료 편석이 기계적 강도 저하를 유발하지 않음을 시사합니다. 따라서 내부 건전성 확보를 위해 스퀴징 기술을 더욱 적극적으로 활용할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 논문의 Figure 14와 16 데이터는 스퀴즈 영역에서 X-ray 상 '어두운 선'이 관찰되더라도 이를 기계적 강도와 직결되는 결함으로 판단하여 불량 처리할 필요가 없음을 보여줍니다. 이는 불필요한 폐기율을 줄이고 생산성을 높이는 데 기여할 수 있는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 참고 자료가 될 수 있습니다.
• 설계 엔지니어: 연구 결과는 두꺼운 육후부와 같이 수축이 발생하기 쉬운 부위에 스퀴즈 핀 적용을 고려하는 것이 효과적인 설계 전략임을 나타냅니다. 2차적으로 발생하는 편석 현상이 기계적 관점에서 문제가 되지 않으므로, 초기 설계 단계부터 내부 품질 확보를 위해 스퀴징을 염두에 둔 설계를 할 수 있습니다.

Paper Details

EFFECT OF MATERIAL SEGREGATIONS DUE TO SQUEEZE PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PRESSURE DIECAST PARTS

1. 개요:

• 제목: EFFECT OF MATERIAL SEGREGATIONS DUE TO SQUEEZE PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PRESSURE DIECAST PARTS
• 저자: Ferencz PETI, Petru SERBAN
• 발행 연도: 2020
• 학술지/학회: Acta Marisiensis. Seria Technologica, Vol. 17 (XXXIV) no. 1
• 키워드: HPDC, AlSi9Cu3(Fe), squeeze pin, internal material health, shrinkage, segregation

2. 초록:

이 논문은 고압 다이캐스트 부품의 기계적 물성에 대한 스퀴즈 파라미터로 인한 재료 편석의 영향에 관한 연구이다. 스퀴징 기술은 AlSi9Cu3(Fe)와 같은 알루미늄 합금 주물의 내부 재료 건전성을 개선할 목적으로 고압 다이캐스팅 기술에 적용되며, 이러한 부품들은 기계 및 유압 부품으로 조립체에 통합된다. 이 논문의 목적은 HPDC 기술로 생산된 AlSi9Cu3(Fe) 합금 부품의 기계적 물성에 대한 스퀴즈 기술의 2차 효과의 영향을 규명하는 것이다.

3. 서론:

고압 다이캐스팅 기술을 이용한 부품 생산은 주로 정밀하고 복잡하며 기능성이 높은 부품에 널리 퍼져 있다. 이 기술의 지속적인 과제는 속도, 전환점, 온도, 압력, 다이, 벤팅 시스템 및 게이팅 구성과 같은 변수에 따라 달라지는 주물 재료의 내부 건전성, 즉 균일성을 개선하고 제어하기 위해 적용되는 솔루션들이다. 이전 연구에서는 스퀴즈 파라미터가 구조적, 기계적, 유압적 부품으로 작동하는 다이캐스트 부품의 두꺼운 벽 두께의 재료 내부 건전성 최적화에 미치는 영향을 확인하고 연관시켰다. 2차 효과로 스퀴즈 영역에 어두운 선이 나타나는 것이 확인되었으며, 이 선의 모양과 크기는 스퀴즈 시간과 같은 스퀴즈 파라미터와 상관관계가 있으며, 스퀴즈 진입 지연이 증가하면 어두운 선의 크기가 더 커진다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

고압 다이캐스팅으로 생산되는 복잡하고 두꺼운 벽을 가진 알루미늄 합금 주물의 내부 재료 건전성을 개선할 필요성. 특히 수축 기공은 기계적 특성을 저해하는 주요 요인이며, 이를 해결하기 위해 스퀴징 기술이 사용된다.

이전 연구 현황:

저자들의 이전 연구에서는 스퀴즈 파라미터가 내부 건전성에 미치는 영향을 확인했으며, 스퀴즈 시간 및 지연 시간과 같은 파라미터와 상관관계가 있는 '어두운 선'(재료 편석)이 2차 효과로 나타남을 발견했다.

연구 목적:

HPDC 기술로 생산된 AlSi9Cu3(Fe) 합금 부품의 기계적 물성에 대해 스퀴징 기술의 2차 효과인 재료 편석이 미치는 영향을 정량적으로 평가하고 규명하는 것을 목적으로 한다.

핵심 연구:

본 연구는 재료 편석이 가장 심하게 나타난 부품을 대상으로 정적 파단 시험과 동적 응력 시험을 수행하여, 편석 영역이 실제 기계적 하중 조건에서 파손의 원인이 되는지를 실험적으로 검증하는 데 중점을 두었다. 염수 분무 시험을 통해 부식 환경의 영향도 함께 평가했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

스퀴즈 파라미터에 의해 유도된 재료 편석을 가진 HPDC 부품의 기계적 저항성을 분석하는 실험적 연구. X-ray 분석을 통해 최악의 편석 조건을 가진 샘플을 선별하고, 이들을 대상으로 정적 및 동적 기계 시험을 수행하여 편석의 영향을 평가하는 방식으로 설계되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

AlSi9Cu3(Fe) 합금으로 제작된 피니언 스티어링 하우징 360개를 다양한 스퀴즈 파라미터(핀 직경, 깊이, 지연 시간)로 다이캐스팅했다. Yxlon MU2000 X-ray 장비로 비파괴 검사를 수행하여 가장 큰 '어두운 선'을 가진 샘플을 선별했다. 선별된 샘플은 정적 파단 시험기(토크 및 파손 각도 측정)와 유압식 동적 응력 시험기(반복 하중 인가)를 사용하여 테스트했다. 일부 샘플은 시험 전 3주간 염수 분무 시험에 노출되었다. 시험 전후의 X-ray 이미지와 육안 검사를 통해 데이터를 수집하고 분석했다.

연구 주제 및 범위:

연구는 HPDC 공정으로 생산된 AlSi9Cu3(Fe) 합금 소재의 자동차 피니언 스티어링 하우징의 고정 브래킷 영역에 국한되었다. 연구 주제는 스퀴징으로 인해 발생하는 재료 편석이 해당 부품의 정적 및 동적 기계적 물성에 미치는 영향이다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 정적 파단 시험: 시험된 모든 샘플(염수 분무 시험 여부 무관)은 합격 기준(150Nm 이하에서 파손 없음)을 충족했다. 실제 파손은 387.4Nm에서 456.1Nm 사이의 훨씬 높은 토크에서 발생했다. 결정적으로, 파손은 재료 편석이 있는 스퀴즈 브래킷 영역에서 발생하지 않았고, 조립체의 다른 부품(피니언, 하우징 다른 부위 등)에서 발생했다.
• 동적 파단 시험(브래킷 응력 시험): 염수 분무 시험 후 2단계 동적 하중 프로토콜(571 daN에서 25,000 사이클 및 1178 daN에서 100 사이클)을 거친 샘플들은 파손이나 균열 없이 시험을 통과했다.
• X-ray 분석: 동적 응력 시험 전후에 촬영된 X-ray 이미지를 비교한 결과, 재료 편석 영역에서 어떠한 변화(evolution)도 관찰되지 않았다.

Figure Name List:

• Fig. 1: Identification of the secondary squeeze effect (dark lines) during X-Ray analyze
• Fig. 2: Optical micrograph of dark area on microscope on a cut sample
• Fig. 3: Scheme of the static breakage test
• Fig.4: Workbench with the sample for the bracket stress test
• Fig. 5: Diagram of the static breakage test Sample 1 without salt spray test
• Fig.6: Pictures of the sample 1 without salt spray test after the static breakage test
• Fig.7: Diagram of the static breakage test Sample 2 without salt spray test
• Fig. 8: Pictures of the sample 2 without salt spray test after the static breakage test
• Fig. 9: Diagram of the static breakage test Sample 3 with salt spray test
• Fig. 10: Pictures of the sample 3 with salt spray test after the static breakage test
• Fig. 11: Diagram of the static breakage test Sample 4 with salt spray test
• Fig. 12: Pictures of the sample 4 with salt spray test after the static breakage test
• Fig. 13: X-ray analysis of the sample 5 with salt spray before the bracket stress test
• Fig. 14: X-ray analysis of the sample 5with salt spray after the bracket stress test
• Fig. 15: X-ray analysis of the sample 6 with salt spray before the bracket stress test
• Fig. 16: X-ray analysis of the sample 6 with salt spray after the bracket stress test
• Fig. 17: Sample 5 with salt spray after the bracket stress test
• Fig. 18: Sample 6 with salt spray after the bracket stress test

7. 결론:

정적 파단 시험과 브래킷 응력 시험 모두 결과가 양호하다. 모든 시험 결과는 기준을 충족했다. 시험된 모든 부품에서 파손은 150Nm 이후에 관찰되었으며, 어떠한 파손도 편석 문제와 관련이 없었다. 브래킷 응력 시험 후 X-ray 분석에서 시험 전후 변화가 관찰되지 않았으며, 편석에 대한 변화도 없었다. 일반적인 결론으로, 재료 편석처럼 보이는 어두운 선이 나타남에도 불구하고 브래킷 영역은 모든 검증 시험을 통과했다. 따라서, 이 연구에서 결정된 파라미터와 함께 스퀴즈를 사용하는 것이 권장된다. 향후 연구 방향으로는 편석이 있는 브래킷 영역의 합금 밀도, 경도/미세 경도 및 화학 성분에 대한 조사가 제안된다.

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• [26] Norma Ingenieria NCV21007B–Velocidad en el ataque, CIE C. Vilanova, Spain, 2006

전문가 Q&A: 주요 질문과 답변

Q1: 이 연구에서 AlSi9Cu3(Fe) 합금을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 이 합금은 본 연구에서 다룬 피니언 하우징과 같은 자동차 부품에 일반적으로 사용되는 소재이기 때문입니다. 이러한 부품은 기계적 및 유압적 기능을 수행해야 하므로, 높은 수준의 내부 재료 건전성이 요구됩니다. 따라서 산업 현장에서 실제로 발생하는 문제를 해결하기 위해 해당 합금을 연구 대상으로 선정했습니다.

Q2: 염수 분무 시험을 수행한 목적은 무엇입니까?

A2: 염수 분무 시험은 부품이 실제 사용 환경에서 겪을 수 있는 부식 조건을 모사하기 위해 수행되었습니다. 연구의 목적은 부식 환경이 재료 편석과 결합되었을 때 파손을 가속화하는지를 평가하는 것이었습니다. 시험 결과, 부식 환경에 노출된 샘플에서도 편석 영역은 파손되지 않아, 부식과 편석의 복합적인 영향이 기계적 강도에 미미함을 확인했습니다.

Q3: 논문에서 언급된 X-ray 상의 '어두운 선'의 원인은 무엇으로 추정됩니까?

A3: 논문에서는 이 현상이 스퀴징 공정에서 발생하는 압력과 온도의 결과로 나타나는 합금 원소의 거시적 편석(macro segregation)일 수 있다고 제안합니다. 이는 용탕이 응고되는 과정에서 특정 합금 원소가 국부적으로 집중되면서 주변부와 밀도 차이를 보여 X-ray 상에서 어둡게 나타나는 것입니다.

Q4: 정적 파단 시험에서, 편석 영역이 아닌 다른 곳에서 파손이 발생한 이유는 무엇입니까?

A4: 파손이 편석 영역이 아닌 피니언, 하우징의 다른 부위, 기계적 스토퍼 등에서 발생했다는 것은, 해당 부품 조립체에서 편석 영역이 가장 약한 지점(weakest point)이 아니라는 것을 의미합니다. 즉, 스퀴징을 통해 오히려 해당 영역의 밀도가 높아져 기계적 강도가 다른 부위보다 더 강하거나 최소한 동등한 수준임을 시사합니다.

Q5: 동적 응력 시험이 편석 영역에서 균열을 발생시키거나 성장시켰습니까?

A5: 아니요, 그렇지 않았습니다. 논문의 Figure 13부터 16까지 제시된 바와 같이, 동적 시험 전후에 촬영된 X-ray 이미지를 비교했을 때 편석 영역에 어떠한 변화도 관찰되지 않았습니다. 이는 반복적인 하중이 편석 영역에서 균열을 시작시키거나 기존의 미세 결함을 성장시키는 원인이 되지 않았음을 명확하게 보여줍니다.

Q6: 이 연구가 스퀴즈 처리된 HPDC 부품의 품질 관리에 주는 가장 큰 시사점은 무엇입니까?

A6: 가장 큰 시사점은 X-ray 검사에서 스퀴즈 영역에 재료 편석으로 인한 '어두운 선'이 발견되더라도, 이를 자동으로 불량으로 판정해서는 안 된다는 것입니다. 본 연구는 이러한 특징이 상당한 정적 및 동적 하중 하에서도 부품의 기계적 무결성을 손상시키지 않음을 입증했습니다. 따라서 보다 합리적인 품질 기준을 수립하여 불필요한 폐기율을 줄일 수 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 고압 다이캐스팅 공정에서 내부 건전성을 높이기 위해 사용되는 스퀴징 기술의 2차 효과인 스퀴즈 핀 재료 편석이 부품의 기계적 강도에 실질적인 위협이 되지 않는다는 중요한 결론을 제시합니다. X-ray 상에서 결함처럼 보일 수 있는 '어두운 선'이 실제로는 극한의 정적 및 동적 하중 조건에서도 파손의 원인이 되지 않음을 실험적으로 증명했습니다. 이는 R&D 및 현장 엔지니어들이 수축 기공 문제를 해결하기 위해 스퀴징 기술을 더욱 자신감 있게 적용할 수 있는 강력한 근거가 됩니다.

CASTMAN은 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 보시기 바랍니다.

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[Ferencz PETI, Petru SERBAN]"이 작성한 논문 "[EFFECT OF MATERIAL SEGREGATIONS DUE TO SQUEEZE PARAMETERS ON MECHANICAL PROPERTIES OF HIGH PRESSURE DIECAST PARTS]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://doi.org/10.2478/amset-2020-0002

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