흡입 주조 및 구리 금형 주조 공정에서의 냉각 속도 추정

본 소개 내용은 Archives of Metallurgy and Materials에서 발행한 "Estimation of Cooling Rates in Suction Casting and Copper-Mould Casting Processes" 의 연구 내용입니다.

1. 개요:

• 제목: 흡입 주조 및 구리 금형 주조 공정에서의 냉각 속도 추정 (Estimation of Cooling Rates in Suction Casting and Copper-Mould Casting Processes)
• 저자: T. Kozieł
• 출판 연도: 2015
• 출판 저널/학회: Archives of Metallurgy and Materials
• 키워드: 흡입 주조, 구리 금형 주조, 냉각 속도, 셀룰러 응고, 공정 응고 (suction casting, copper mould casting, cooling rate, cellular solidification; eutectic solidification)

2. 초록 / 서론

흡입 주조 및 구리 금형 주조에서 Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu 합금의 냉각 속도를 측정했습니다. ø2, ø3, ø5 mm의 로드를 제작했습니다. 냉각 속도는 셀룰러 및 라멜라 간격을 기반으로 추정되었습니다. 원통형 공정 합금의 온도 프로파일은 미세 구조 검사만으로는 결정할 수 없다는 것이 밝혀졌습니다. 공정 응고 시 오목한 응고 전면은 로드 중심으로 갈수록 라멜라 간격을 감소시켰습니다. Fe-25wt%Ni의 셀룰러 간격을 기반으로 한 최소 축 방향 냉각 속도는 ø2 및 ø3 mm 로드의 경우 약 200 K/s, ø5 mm 흡입 주조 로드의 경우 30 K/s였습니다. 구리 금형 주조는 약간 더 낮은 값을 나타냈습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제의 배경:

주조 중 결정화를 억제하는 데 필요한 임계 냉각 속도(R_c)는 합금 조성에 따라 크게 달라집니다. 흡입 주조 및 구리 금형 주조와 같은 급속 응고 기술은 R_c 이상의 냉각 속도를 달성하여 벌크 금속 유리(BMG)를 생산하는 데 중요합니다.

기존 연구 현황:

• 초기 금속 유리(예: Au-Si)는 매우 높은 냉각 속도(10⁶ ~ 10⁷ K/s)가 필요했습니다 [1].
• BMG는 더 낮은 냉각 속도에서 유리 형성능(GFA)을 향상시켜 개발되었습니다. Pd-Cu-Ni-P 시스템은 1 K/s 미만의 임계 냉각 속도를 가집니다 [2,3].
• R_c를 직접 측정하는 것은 어렵습니다. 열 분석을 기반으로 한 다양한 매개변수가 상대적 GFA를 추론하는 데 사용됩니다 [9].
• 미세 구조 특징을 사용하여 냉각 속도를 추정하는 기존 방법은 Fe-25Ni [14] 및 Al-33Cu [12] 합금 간에 불일치를 보였습니다.

연구의 필요성:

미세 구조 특징을 사용한 냉각 속도 추정에서 기존 불일치를 해결해야 합니다. 이 연구는 미세 구조 기반 냉각 속도 결정의 적용 가능성을 조사하고, 특히 흡입 주조와 구리 금형 주조를 비교하며, 공정 합금을 사용하는 것의 한계를 강조합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu 합금의 흡입 주조 및 구리 금형 주조 중 미세 구조를 조사하여 냉각 속도를 추정합니다. 두 주조 방법에서 얻은 냉각 속도를 비교합니다. 공융 미세 구조가 냉각 속도 추정에 적합한지 확인합니다.

핵심 연구 질문:

• 흡입 주조 및 구리 금형 주조로 생산된 Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu 로드의 표면 및 축 방향 냉각 속도는 얼마입니까?
• 이러한 냉각 속도는 두 주조 방법 간에 어떻게 비교됩니까?
• 공정 합금 샘플의 미세조직 검사를 통해 원통형 샘플의 냉각 속도를 확인할 수 있습니까?

5. 연구 방법

연구 설계:

두 가지 주조 방법(흡입 주조 및 구리 금형 주조)과 두 가지 합금 시스템(Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu)을 비교하는 실험 연구입니다. 미세 구조 분석은 냉각 속도를 추론하는 주요 방법이었습니다.

데이터 수집 방법:

• 샘플 준비: Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu 합금 잉곳은 아크 용해로 합성되었습니다. 직경 ø2, ø3, ø5 mm, 길이 55 mm의 로드는 흡입 주조(Arc Melter AM, Edmund Bühler GmbH) 및 구리 금형 주조(Melt Spinner HV, Edmund Bühler GmbH)를 사용하여 제작되었습니다.
• 미세 구조 분석: 미세 단면을 연삭, 연마 및 에칭했습니다. 광학 현미경(Leica DM LM) 및 주사 전자 현미경(FEI Nova NanoSEM 450, Al-33Cu의 경우)을 사용하여 미세 구조 특징(Fe-25Ni의 셀룰러 간격, Al-33Cu의 라멜라 간격)을 관찰하고 측정했습니다. 측정은 그림 1과 같이 세 개의 축 위치(x=5 mm, x=27.5 mm, x=50 mm)에서 로드 표면 근처와 중앙에서 수행되었습니다.

분석 방법:

• Fe-25Ni의 냉각 속도 추정: 냉각 속도(ε)는 다음 관계를 사용하여 추정되었습니다: ε = (B₆ / λ)ⁿ, 여기서 λ는 덴드라이트 암 간격, B₆ = 60 µm(K/s)ⁿ, n = 0.32 [14, 15].
• Al-33Cu의 냉각 속도 추정: 냉각 속도(ε)는 다음 관계를 사용하여 추정되었습니다: v = K / λ² (여기서 v는 응고 전면 속도, K = 27.5 · 10^-12 cm³s^-1, λ는 라멜라 간격) [12] 및 ε = (Δh_f / c_p) · (2v / R) (여기서 Δh_f는 잠열, c_p는 비열, R은 실린더 반경) [12].

연구 대상 및 범위:

흡입 주조 및 구리 금형 주조를 사용하여 2, 3, 5 mm 직경의 로드로 주조된 Fe-25wt%Ni 및 Al-33wt%Cu 합금.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

• Fe-25Ni: 셀룰러 형태가 관찰되어 방사형 열 흐름을 나타냅니다. 표면 냉각 속도는 1000 K/s보다 높았습니다. 축 방향 냉각 속도는 ø2 및 ø3 mm 흡입 주조 로드의 경우 ~200 K/s, ø5 mm 로드의 경우 ~30 K/s였습니다. 구리 금형 주조는 약간 더 낮은 축 방향 냉각 속도를 보였습니다.
• Al-33Cu: 라멜라 공정 형태가 관찰되었습니다. 예상과 달리, 라멜라 간격은 로드 축에서 표면에 비해 더 작았으며, 이는 더 높은 축 방향 냉각 속도를 나타냅니다.

제시된 데이터 분석:

• 표 1: 흡입 주조된 Fe-25Ni 로드의 다양한 직경과 위치에 대한 셀룰러 간격 측정을 제공합니다.
• 표 2: 구리 금형 주조된 Fe-25Ni 로드에 대한 셀룰러 간격 측정을 제공합니다.
• 그림 4: 흡입 주조와 구리 금형 주조를 비교하여 Fe-25Ni의 추정 표면(a) 및 축 방향(b) 냉각 속도를 보여줍니다.
• Al-33Cu 합금의 층간 간격은 공융 시스템에서 응고 전면의 오목한 모양으로 인해 예상되는 냉각 속도 추세와 직접적으로 관련되지 않았습니다.

그림 목록:

• Fig. 1. A suction-cast ø3×55 mm Fe-25Ni rod
• Fig. 2. Cross-sectional microstructure of the suction cast ø3 mm Fe-25Ni alloy at x=5 mm: a) near the rod surface, b) in the rod axis (light microscopy, 1000x)
• Fig. 3. Cross-sectional microstructure of the copper-mould cast ø3 mm Fe-25Ni alloy at x=5 mm: a) near the rod surface, b) in the rod axis (light microscopy, 1000x)
• Fig. 4. Estimated a) superficial and b) axial cooling rates based on observed cellular spacing in Fe-25Ni alloy
• Fig. 5. Microstructures of ø3 mm Al-33Cu rod suction-cast at x = 27.5 mm: a) close to the rod surface, b) in the rod axis (SEM, 30000x). Inset shows a schematic illustration of lamellar elimination caused by a concave perturbation of the eutectic front [17]
• Fig. 6. Estimated superficial and axial cooling rates in Al-33wt%Cu (ø3×55 mm) suction cast alloy

7. 결론:

주요 결과 요약:

• Fe-25Ni에서 표면 냉각 속도는 축 방향 냉각 속도보다 훨씬 높아 지배적인 방사형 열 전달을 확인합니다.
• 흡입 주조는 일반적으로 Fe-25Ni에서 구리 금형 주조보다 약간 더 높은 냉각 속도를 나타냈습니다.
• 공정 합금(Al-33Cu와 같은)은 라멜라 간격에 대한 오목한 응고 전면의 영향으로 인해 원통형 샘플의 냉각 속도 또는 온도 프로파일을 추정하는 데 적합하지 않습니다.

연구의 학술적 의의:

이 연구는 주조 공정에서 냉각 속도를 추론하기 위해 공정 미세 구조를 사용하는 것의 한계를 강조합니다. 이전 연구에서 관찰된 불일치를 명확히 하고 원통형 샘플의 냉각 속도 변화에 대한 보다 정확한 이해를 제공합니다.

실제적 의미:

• BMG 합성을 위해서는 샘플 전체의 최소 냉각 속도를 이해하는 것이 중요합니다. 이 연구는 필요한 냉각 속도를 달성하는 방법에 대한 통찰력을 제공합니다.
• 이 결과는 미세 구조를 기반으로 냉각 속도를 추정할 때 합금 시스템과 분석 방법을 신중하게 선택해야 함을 강조합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

• 냉각 속도 추정에 사용된 방정식은 실제 주조 공정과 다른 단방향 응고 실험에서 파생되었습니다.
• 이 연구는 두 가지 합금 시스템만 고려했습니다. 추가 연구에서는 다른 합금 조성을 조사할 수 있습니다.
• 금형-금속 계면 저항의 영향은 정량화되지 않았습니다.

8. 참고 문헌:

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9. 저작권:

• 이 자료는 "T. Kozieł"의 논문: "Estimation of Cooling Rates in Suction Casting and Copper-Mould Casting Processes"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: DOI: 10.1515/amm-2015-0204

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