용탕단조 시 저온염코어 적용 가압력의 영향

1. 개요:

제목: 용탕단조 시 저온염코어 적용 가압력의 영향 (Effect of Applying Pressure of High Pressure Diecasting Process Using Salt core)
저자: 이준호, 문중화, 이덕영 (Jun-Ho Lee, J. H. Moon, Dock-Young Lee)
발행 연도: 2008년
발행 학술지/학회: 한국주조공학회지 (Journal of the Korean Foundrymen's Society), 제28권 제3호
Keywords: Salt core, Squeeze casting, High pressure die casting, Net-shape forming

2. 연구 배경:

연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
- 알루미늄 및 마그네슘 주물 제조 시 다이캐스팅, 저압주조, 용탕단조 등 압력 이용 주조법 적용 증가 추세.
- 압력 주조법은 생산성 향상, 불량률 감소, 치수 정밀성 향상에 유리하여 중요성 증대.
- 저온염 용융 코어 적용 복합주조기술은 일체화성형부품 경량화 및 모듈화의 핵심 기반 기술로 부각.
기존 연구의 한계점:
- 기존 쉘(shell)코어는 강도 약화, 취급 시 파손, 레진 냄새, 재활용 어려움, 표면 미려성 부족 등의 문제점 존재.
- 쉘코어는 고압주조 시 용탕 침투 문제 발생, 다이캐스팅 및 용탕단조 제품 적용에 제한적.
- 기존 고압응고 및 용탕단조 연구는 주로 알루미늄, 동합금의 응고 조직 및 기계적 성질에 대한 가압력 및 가압조건 영향 연구에 집중.
- 응고 현상에 미치는 가압력 영향에 대한 연구는 미흡한 실정.
연구의 필요성:
- 복잡한 내부 형상 고품질 일체화 부품 제조 위한 주조 기술 개발 요구 증대.
- 쉘코어 단점 극복 및 고압 주조 공정에 적용 가능한 용융코어 기술 개발 필요.
- 용탕단조 시 가압력이 응고 현상 및 코어에 미치는 영향 심층 연구 필요.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:
- 저융점 코어를 용탕단조에 적용하여 가압력(중력, 1000 kg/cm²) 변화에 따른 용탕과 용융코어의 적합성 평가.
- 펀치 가압력 증가에 따른 열전달 계수 변화 측정.
- 가압된 용탕의 미세조직 관찰 및 분석.
- 용융코어 제조 및 특성 평가를 통해 고물성 용융코어 재료 개발 및 합금-코어 최적화 방안 모색.
핵심 연구 질문:
- 용탕단조 공정에서 가압력 변화가 저온염 용융코어와 용탕의 상호 작용에 미치는 영향은 무엇인가?
- 가압력 증가는 용탕과 코어 계면의 열전달 특성에 어떠한 변화를 가져오는가?
- 가압 조건 하에서 용융코어는 복잡한 내부 형상 구현에 적합한 코어 재료로서의 역할을 수행할 수 있는가?
연구 가설:
- 가압력 증가는 용탕과 코어 계면의 열전달을 촉진하여 코어의 용융을 가속화시키고, 주조 결함 발생 가능성을 높일 것이다.
- 저온염 용융코어는 특정 가압 조건 범위 내에서 복잡한 형상 구현이 가능하며, 최적 가압 조건은 코어 재료 및 공정 변수에 따라 달라질 것이다.

4. 연구 방법론:

연구 설계:
- 실험 연구 (Experimental Study)
- 가압력 변화에 따른 용탕 및 코어 거동 관찰 및 분석
데이터 수집 방법:
- 온도 측정: 용탕, 코어, 금형 내벽에 thermocouple 설치, Data Acquisition System 이용하여 실시간 온도 데이터 수집.
- 조직 분석: 응고 실험 후 시편 절단, 연마, 부식 후 광학현미경(Optical Microscope) 이용하여 미세조직 및 거시조직 관찰.
분석 방법:
- 냉각 곡선 분석: 온도 측정 데이터 기반 냉각 곡선 분석 통해 응고 속도, 과냉각 정도 등 응고 특성 분석.
- 미세조직 분석: 광학현미경 이미지 분석하여 결정립 크기, 상 분포, 기공 등 미세조직 특징 평가.
- 거시조직 분석: 시편 단면 육안 및 저배율 현미경 관찰하여 코어 형상 유지 여부, 용탕 침투 여부, 결함 발생 여부 등 평가.
연구 대상 및 범위:
- 합금: Al-7 wt%Si 합금 (A356 합금)
- 코어: Ceramic weight% 60% core (외경 Ø20, 높이 75mm) - 저융점 화학염(salt) 기본 소재에 세라믹 입자 첨가.
- 주조 장비: 50 ton 수직 가압식 유압 프레스 (Squeeze casting device).
- 금형: SKD61 종 금형.
- 가압 조건: 중력 응고 (Gravity casting), 가압 응고 (1000 kg/cm², 500 kg/cm²).
- 실험 변수: 가압력 (Applied pressure).

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항:
- 가압력 증가에 따라 용탕 냉각 속도 증가 및 응고 시간 단축 확인.
- 가압 주조 시 중력 주조 대비 초기 응고 층인 chill zone 형성 관찰.
- 가압 시 열전달 증가로 코어 표면 용융 발생, 표면 거칠기 증가.
- 용융코어는 가압력 증가에 따라 불안정한 거동 보이며 형상 유지 어려움 발생.
- 중력 주조 시 저온염 코어는 형상 유지하며 양호한 주조 시편 제작 가능.
- 가압 주조 (1000 kg/cm²) 조건에서 코어 표면 용해 현상 발생.
- 가압 주조 시 용탕-코어 계면 열전달 계수가 중력 주조 대비 약 10배 증가.
- 가압 주조 시 코어 온도 급격히 상승, 용융점 이상 도달 시간 단축.
통계적/정성적 분석 결과:
- 냉각 곡선 분석 결과, 가압 주조 시 응고 시간 중력 주조 대비 현저히 감소 (구체적 수치 논문 미기재).
- 미세조직 분석 결과, 가압 주조 시편에서 결정립 미세화 경향 관찰 (정성적 분석).
- 거시조직 분석 결과, 가압력 증가에 따라 코어 표면 거칠기 증가 및 형상 불량 발생 빈도 증가 (정성적 분석).
데이터 해석:
- 가압력 증가는 용탕 냉각 속도 증가시켜 응고 시간 단축시키나, 동시에 코어-용탕 계면 열전달 촉진하여 코어 용융 야기 가능.
- 저온염 용융코어는 중력 주조 조건에서 효과적으로 복잡 형상 구현 가능하나, 고압 용탕단조 조건에서는 코어 내열성 및 강도 개선 필요.
Figure Name List:
- Fig. 1. Squeeze casting device.
- Fig. 2. Flow chart of experiment procedure.
- Fig. 3. Cooling curve of A356 alloy.
- Fig. 4. Microstructures of gravity cast specimen using fusible core added 60 wt% ceramic powder.
- Fig. 5. Microstructures of squeeze cast specimen at a pressure of 1000 kg/cm² using fusible core added wt 60 wt% ceramic powder.
- Fig. 6. Cooling curves of gravity cast specimen using fusible core added 60 wt% ceramic powder.
- Fig. 7. Cooling curves of squeeze cast specimen at a pressure of 1000 kg/cm² using fusible core added 60 wt% ceramic powder.

6. 결론 및 논의:

주요 결과 요약:
- 저온염 용융코어 이용 용탕단조 시 가압력 증가는 용탕 냉각 속도 증가시키지만, 코어 용융 유발하여 주조품 표면 품질 저하 초래 가능.
- 중력 주조 조건에서는 저온염 코어가 형상 유지하며 양호한 주조품 제작 가능하나, 가압 주조 조건에서는 코어 내열성 및 강도 한계 드러남.
- 가압 주조 시 용탕-코어 계면 열전달 급격히 증가, 코어 급격한 온도 상승 및 용융으로 이어짐.
연구의 학술적 의의:
- 용탕단조 공정에서 가압력이 저온염 용융코어에 미치는 영향 실험적으로 규명.
- 가압 조건에 따른 용탕-코어 계면 열전달 특성 변화 분석 통해 공정 변수 최적화 기초 자료 제공.
- 저온염 용융코어의 고압 주조 공정 적용 가능성 및 한계점 제시.
실무적 시사점:
- 용탕단조 공정에서 저온염 용융코어 적용 시 가압력 제어 중요성 강조.
- 고압 주조 조건에서 코어 표면 품질 유지를 위한 코팅 기술, 가압력 감소, 코어 재료 개선 등 기술 개발 필요성 제시.
- 복잡한 내부 형상 고품질 주조 부품 제조 위한 공정 설계 및 코어 재료 개발 방향 제시.
연구의 한계점:
- 특정 합금(Al-7wt%Si) 및 코어 조성(Ceramic weight% 60%)에 대한 실험 결과로 일반화에 제한적일 수 있음.
- 가압력 조건 (중력, 500 kg/cm², 1000 kg/cm²) 외 다양한 가압 조건에 대한 실험 부재.
- 코어 재료의 열적, 기계적 특성에 대한 심층적인 분석 부족.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향:
- 다양한 합금 및 코어 재료 조합에 대한 용탕단조 실험 연구 확대.
- 코어 재료 조성 및 제조 공정 변화를 통한 내열성 및 강도 향상 연구.
- 코어 표면 코팅 기술 개발 및 적용 연구를 통한 열전달 제어 효과 검증.
- 다양한 가압 조건 및 공정 변수 변화에 따른 용탕 및 코어 거동 연구.
- 용융코어의 열적, 기계적 특성 평가 및 데이터베이스 구축.
추가 탐구가 필요한 영역:
- 용탕단조 공정 시 코어-금형 사이의 열전달 메커니즘 규명.
- 코어의 용융 거동 및 주조 결함 발생 메커니즘 심층 분석.
- 시뮬레이션 기반의 용탕단조 공정 최적화 연구.
- 친환경적인 코어 재료 및 제거 기술 개발 연구.

8. 참고문헌:

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9. Copyright:

*본 자료는 [이준호, 문중화, 이덕영]의 논문: [용탕단조 시 저온염코어 적용 가압력의 영향]을 기반으로 작성되었습니다.
*논문 출처: 논문 내 DOI 정보 부재

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