AZ91 합금 스크랩 재활용: 비용 절감과 장비 수명 사이의 최적점 찾기

Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy

이 기술 요약은 [Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska]가 저술하여 [ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING] (2018)에 게재된 학술 논문 "[Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy]"를 기반으로 합니다.

키워드

• 주요 키워드: AZ91 합금 스크랩 재활용
• 보조 키워드: 고압 다이캐스팅, 마그네슘 합금, 주조 장비 수명, 내부 스크랩, 공정 최적화

Executive Summary

• 도전 과제: 내부 스크랩(Home Scrap) 재활용은 원가 절감에 필수적이지만, 고압 다이캐스팅 공정에서 주조 장비의 마모와 수명 단축에 미치는 영향이 불분명했습니다.
• 연구 방법: AZ91 마그네슘 합금의 고온 챔버 다이캐스팅 공정에서 내부 스크랩 첨가 비율(0% ~ 100%)을 5단계로 나누어, 사이펀, 플런저 등 핵심 장비 부품의 수명을 실제 생산 데이터를 통해 정량적으로 측정했습니다.
• 핵심 발견: 스크랩 첨가량이 증가할수록 경질의 비금속 개재물과 Mg17Al12상이 증가하여 장비 마모가 가속화되었으며, 100% 스크랩 사용 시 장비 수명이 평균적으로 절반 이하로 감소했습니다.
• 핵심 결론: 약 50%의 내부 스크랩 첨가율까지는 장비 수명에 큰 영향 없이 재활용의 이점을 누릴 수 있으나, 그 이상을 초과하면 장비 교체 비용이 급격히 증가하여 경제성이 악화될 수 있습니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

고압 다이캐스팅(HPDC) 현장에서 러너, 불량 주물 등에서 발생하는 내부 스크랩의 재활용은 원자재 비용을 절감하고 지속 가능성을 높이는 핵심적인 활동입니다. 특히 마그네슘 합금과 같은 고가의 재료를 다룰 때 그 중요성은 더욱 커집니다. 하지만 많은 엔지니어와 생산 관리자들은 "스크랩을 재용해하여 사용하면 주조 장비의 마모가 심해지지 않을까?"라는 의문을 품고 있습니다. 스크랩에 포함된 산화물이나 기타 오염 물질이 사이펀, 플런저, 노즐과 같은 고가의 핵심 부품 수명을 단축시켜 결국 더 큰 비용을 초래할 수 있다는 우려입니다. 이 연구는 이러한 현장의 고민을 정면으로 다루며, 비용 절감과 장비 내구성 유지 사이의 최적 균형점을 찾기 위한 과학적 데이터를 제공합니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 실제 양산 환경에서 내부 스크랩이 AZ91 합금 주조 장비에 미치는 영향을 평가하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

방법 1: 용탕 조성 통제 AZ91 합금 잉곳(pig)과 내부 스크랩의 비율을 달리하여 총 5가지 종류의 용탕(A1~A5)을 준비했습니다. * A1: 100% 잉곳 (스크랩 0%) * A2: 70% 잉곳 + 30% 스크랩 * A3: 50% 잉곳 + 50% 스크랩 * A4: 30% 잉곳 + 70% 스크랩 * A5: 100% 스크랩

방법 2: 실제 생산 조건 적용 및 수명 측정 6300kN의 형체력을 가진 고온 챔버 다이캐스팅 머신을 사용하여 펜(pen) 부품을 생산했습니다. 주입 온도(903K), 플런저 속도(1단계 0.15m/s, 2단계 2.5m/s) 등 모든 공정 변수는 동일하게 유지했습니다. 각 용탕 조건에서 사이펀, 플런저, 슬라이딩 링, 노즐 등 '캐스팅 세트'의 각 부품이 손상되어 교체가 필요할 때까지의 최대 사출 횟수를 기록하여 수명을 정량적으로 평가했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

스크랩 첨가 비율이 주조 장비의 수명에 미치는 영향은 명확하고 일관된 경향을 보였습니다.

결과 1: 스크랩 함량 증가에 따른 장비 수명의 급격한 감소

Table 1의 데이터는 스크랩 함량이 증가할수록 모든 '캐스팅 세트' 부품의 수명이 단축됨을 명확히 보여줍니다. 특히 가장 고가 부품인 사이펀(Siphon)의 경우, 스크랩을 전혀 사용하지 않은 A1 용탕에서는 120,000회의 사출 수명을 보였으나, 100% 스크랩을 사용한 A5 용탕에서는 45,000회로 수명이 62.5%나 감소했습니다. 플런저(Plunger) 역시 80,000회에서 35,000회로 수명이 절반 이하로 줄었습니다. 이는 스크랩 재활용이 장비 유지보수 비용에 직접적인 영향을 미친다는 것을 의미합니다.

결과 2: 미세조직 변화가 마모의 근본 원인

장비 마모가 가속화된 원인은 용탕 내 경질 입자의 증가 때문입니다. Figure 1(0% 스크랩)과 Figure 2(100% 스크랩)의 미세조직 사진을 비교하면, 스크랩 함량이 높은 A5 용탕으로 제작된 주물에서 단단한 Mg17Al12 상(phase)의 비율이 눈에 띄게 증가한 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 경질의 금속간 화합물과 재용해 과정에서 생성된 산화물(알루미늄 및 마그네슘 산화물)이 용탕과 함께 고속으로 흐르면서 플런저, 사이펀 채널, 노즐 등을 마모시키는 연마재 역할을 한 것입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 내부 스크랩 비율이 50%를 초과할 경우 장비 마모가 급격히 증가함을 시사합니다. 생산 원가 절감 목표와 장비 유지보수 비용 사이의 균형을 맞추기 위해 내부 스크랩 사용률을 50% 이하로 관리하는 것을 고려할 수 있습니다.
• 품질 관리팀: Figure 3과 Figure 4의 데이터는 스크랩 함량이 증가함에 따라 인장 강도(tensile strength)는 특정 지점까지 증가하지만 연신율(elongation)은 감소하는 경향을 보여줍니다. 이는 스크랩 재활용이 최종 제품의 기계적 물성에 영향을 미친다는 것을 의미하므로, 스크랩 사용 시 제품의 기계적 특성 검사 기준을 강화할 필요가 있습니다.
• 설계 엔지니어: 이 연구 결과는 용탕의 청정도가 장비 수명에 지대한 영향을 미친다는 점을 상기시킵니다. 비록 직접적인 설계 지침은 아니지만, 재활용재 사용을 전제로 하는 부품의 경우, 재료 특성의 변화 가능성을 설계 단계에서부터 고려하는 것이 중요합니다.

논문 상세 정보

Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy

1. 개요:

• 제목: Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy
• 저자: Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska
• 발행 연도: 2018
• 게재 학술지/학회: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
• 키워드: Innovative materials and casting technologies, Mechanization and automation of casting processes, Guard of environment, Casthouse Rigging, Magnesium alloys

2. 초록:

본 연구는 AZ91 합금의 고온 챔버 고압 주조 기술에서 내부 스크랩 첨가가 주조 장비의 내구성과 마모 수명에 미치는 영향을 평가한 결과를 제시한다. 소위 "캐스팅 세트"로 불리는 사이펀, 플런저, 슬라이딩 링, 노즐 및 사출 성형 노즐과 같은 주조 장비 요소들의 마모를 평가했다. 마모는 각기 다른 장입 조건에서 장비 요소의 손상이 관찰되는 순간까지의 금형 사출 횟수를 기록하여 정량적으로 평가되었다. 손상은 해당 요소를 더 이상 사용할 수 없게 만들어 신품으로 교체하거나 재생이 필요할 정도의 수준이어야 했다. 최종 결과는 적용된 용탕 유형에 따라 사용된 장비 요소의 내구성을 상세하게 결정할 수 있게 해주었다. 장입물에서 내부 스크랩의 비율이 증가함에 따라 압력 주조기 장비 요소의 마모가 증가하는 것이 관찰되었다.

3. 서론:

마그네슘 합금으로 만든 압력 주조품은 낮은 밀도와 결합된 유리한 특성 덕분에 매번 더 넓은 적용 분야를 찾고 있다. 마그네슘 합금 주물은 높은 내식성과 고온에서의 우수한 기계적 특성과 같은 매우 좋은 성질을 가지고 있다. 압력 주조품의 대량 생산은 금속이 주요 위치를 차지하는 많은 재료의 재순환과 관련이 있다. 오염도에 따라 내부 스크랩은 두 가지 범주로 구분할 수 있다. 본 연구에서는 주조 공정에서 발생하는 덜 오염되고 화학 성분이 확인된 내부 스크랩(러너 및 불량 주물)의 재활용이 장비 마모 및 수명에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

마그네슘 합금의 압력 주조 공정에서 발생하는 내부 스크랩(home scrap)의 재활용은 비용 절감과 자원 효율성 측면에서 중요하지만, 재용해된 스크랩이 주조 장비, 특히 고온·고압에 노출되는 '캐스팅 세트'의 수명에 미치는 영향에 대한 정량적 데이터가 부족했다.

기존 연구 현황:

기존 연구들은 주로 스크랩 재활용이 최종 주조품의 기계적 특성(인장강도, 연신율)이나 미세조직, 기공률에 미치는 영향에 초점을 맞추어 왔다. 그러나 스크랩 사용이 장비 마모 및 내구성에 미치는 직접적인 영향을 장기간에 걸쳐 체계적으로 분석한 연구는 드물었다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 AZ91 합금의 고온 챔버 고압 다이캐스팅 공정에서 내부 스크랩의 첨가 비율이 사이펀, 플런저, 노즐 등 핵심 주조 장비의 수명에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 그 원인을 규명하여 최적의 스크랩 활용 방안을 모색하는 데 있다.

핵심 연구:

연구의 핵심은 내부 스크랩 비율을 0%에서 100%까지 5단계로 나누어 실제 생산 조건에서 각 조건별로 주조 장비 부품들의 수명(최대 사출 횟수)을 측정하는 것이다. 또한, 마모된 부품의 상태를 분석하고 주조품의 미세조직 변화를 관찰하여 스크랩 첨가가 마모를 가속화하는 메커니즘을 파악했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 3년간의 실제 주조 생산 기간 동안 수행된 실험적 연구이다. 내부 스크랩의 비율을 독립 변수로 설정하고, 주조 장비 부품의 수명(사출 횟수)을 종속 변수로 설정하여 인과 관계를 분석했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

데이터는 각기 다른 용탕 조건(A1-A5)에서 '캐스팅 세트'의 각 부품이 손상되어 교체될 때까지의 누적 사출 횟수를 기록하는 방식으로 수집되었다. 수집된 데이터는 표로 정리하여 스크랩 비율에 따른 수명 변화를 비교 분석했다. 또한, 주조품의 미세조직은 광학 현미경을 통해 관찰되었고, 기계적 특성은 인장 시험을 통해 측정되었다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 AZ91 마그네슘 합금을 사용하는 고온 챔버 고압 다이캐스팅 공정에 국한된다. 연구 대상 장비는 사이펀, 플런저, 슬라이딩 링, 노즐, 사출 성형 노즐로 구성된 '캐스팅 세트'이다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 장입물 내 내부 스크랩의 비율이 증가할수록 모든 주조 장비 요소의 마모가 증가했다.
• 100% 내부 스크랩으로 생산할 경우, 모든 장비 요소의 수명이 평균적으로 두 배 감소했다.
• 마모의 주된 이유는 용탕 내 알루미늄 및 마그네슘 산화물과 같은 경질 비금속 개재물의 함량 증가와, 경질 상인 Mg17Al12의 비율 증가 때문이다.
• 스크랩 함량 증가는 주조품의 기계적 특성을 변화시켰다. 인장 강도는 특정 수준까지 증가했으나 연신율은 지속적으로 감소했다.

Figure Name List:

• Fig. 1 Microstructure of casting obtained from a pig, but after previous melted (A1)
• Fig. 2 Microstructure of casting obtained from 100% home scrap in charge (A5)
• Fig. 3. The tensile strength of AZ91 alloy castings with the home scrap in the charge
• Fig. 4. The elongation of AZ91 alloy castings with the home scrap in the charge.

7. 결론:

일반적으로, 장입물 내 내부 스크랩 비율의 증가는 주조 장비의 마모에 부정적인 영향을 미친다. 장입물 내 약 50%까지의 내부 스크랩을 적용하는 조건에서 사용된 모든 장비 요소의 수명은 내부 스크랩 참여 없이 금속을 주조하는 데 적용된 장비의 수명과 비슷하다. 재활용 재료의 함량이 높을수록 "캐스팅 세트"의 현저한 마모를 유발한다. 얻어진 결과는 AZ91 합금의 고압 주조에서 장입물 내 내부 스크랩의 최적 참여 수준을 결정한다. 이 분야의 연구는 마그네슘의 다른 합금에 대해서도 이 주조 방법의 적용 가능성을 나타내는 신호이다.

8. 참고 문헌:

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• [10] Konopka, Z., Chojnacki, A., Lagiewka, M. & Zyska, A. (2017). The Influence of Home Scrap on Mechanical Properties of MgAl9Zn1 Alloy Castings. Archives of Foundry Engineering. 17(2), 39-42.
• [11] Konopka, Z., Chojnacki, A., Lagiewka, M. & Zyska, A. (2017). The Influence of Home Scrap on Porosity of MgAl9Zn1 Alloy Pressure Castings. Archives of Foundry Engineering. 17(1), 99-102.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문에 대한 답변

Q1: 내부 스크랩을 사용하면 왜 장비 마모가 더 심해지나요?

A1: 논문에 따르면 두 가지 주된 이유가 있습니다. 첫째, 재용해 과정에서 생성되는 알루미늄 및 마그네슘 산화물과 같은 단단한 비금속 개재물이 용탕 내에 증가합니다. 둘째, 스크랩 함량이 높을수록 미세조직 내에서 경질상인 Mg17Al12의 비율이 높아집니다. 이 두 가지 경질 입자들이 고속으로 흐르는 용탕과 함께 사이펀, 플런저, 노즐 등의 내부 표면을 긁고 마모시키는 연마재 역할을 하기 때문입니다.

Q2: 이 연구에서 '최적의' 스크랩 첨가 비율은 얼마로 제시되었나요?

A2: 연구 결과에 따르면, 약 50%의 내부 스크랩을 첨가했을 때의 장비 수명은 스크랩을 전혀 사용하지 않았을 때와 비슷한 수준이었습니다. 하지만 50%를 초과하면서부터 마모가 급격히 심해지는 '현저한 마모(expressive wear)'가 관찰되었습니다. 따라서 경제성과 장비 내구성을 모두 고려할 때, 50%가 상한선에 가까운 최적의 참여 수준이라고 볼 수 있습니다.

Q3: 스크랩 사용이 최종 제품의 품질에는 어떤 영향을 미치나요?

A3: 스크랩 사용은 제품 품질에 긍정적 및 부정적 영향을 모두 미칩니다. 논문의 Figure 3에 따르면, 스크랩 함량이 증가할수록 인장 강도는 향상되는 경향을 보였습니다. 이는 경질상인 Mg17Al12의 증가 때문으로 분석됩니다. 반면, Figure 4에서는 연신율이 지속적으로 감소하여 재료가 더 취성적으로 변함을 보여줍니다. 따라서 스크랩을 사용할 때는 목표하는 제품의 요구 물성에 따라 첨가 비율을 신중하게 결정해야 합니다.

Q4: 마모에 가장 취약한 장비 부품은 무엇이며, 그 이유는 무엇인가요?

A4: Table 1의 데이터에 따르면 모든 부품의 수명이 감소했지만, 특히 사이펀(syphon)과 플런저(plunger)의 수명 감소율이 두드러졌습니다. 이 부품들은 용탕을 고압으로 이송하는 핵심적인 역할을 하므로 용탕과의 직접적인 접촉 면적이 넓고 마찰이 가장 심하게 일어나는 부위입니다. 논문에서는 이 두 부품이 가장 고가이기도 하므로, 이들의 수명 단축이 생산 비용 증가에 가장 큰 영향을 미친다고 언급합니다.

Q5: 이 연구 결과는 다른 마그네슘 합금이나 콜드 챔버 방식에도 적용될 수 있나요?

A5: 본 연구는 AZ91 합금과 고온 챔버(hot chamber) 방식에 초점을 맞추었습니다. 하지만 결론 부분에서 저자들은 이 연구가 '다른 마그네슘 합금에 대해서도 이 주조 방법의 적용 가능성을 나타내는 신호'라고 언급합니다. 즉, 스크랩 내 산화물 및 경질상 증가로 인한 마모 메커니즘은 다른 합금이나 콜드 챔버 방식에서도 유사하게 작용할 가능성이 높으므로, 이 연구 결과를 참고하여 각 공정에 맞는 최적의 스크랩 사용률을 검증해 볼 가치가 있습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

내부 스크랩 재활용은 다이캐스팅 산업에서 피할 수 없는 과제이자 기회입니다. 본 연구는 AZ91 합금 스크랩 재활용이 가져오는 원가 절감의 이면에는 장비 수명 단축이라는 비용이 존재하며, 그 변곡점이 약 50%의 첨가율에 있음을 명확한 데이터로 보여주었습니다. 이 연구는 생산 현장의 엔지니어와 관리자가 막연한 경험이 아닌, 과학적 근거에 기반하여 스크랩 재활용 전략을 수립하고 공정 최적화를 이룰 수 있도록 돕는 귀중한 통찰을 제공합니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

이 콘텐츠는 "[Z. Konopka, M. Łągiewka, A. Zyska]"가 저술한 논문 "[Influence of the Home Scrap Content on the Service Life of Equipment Used in High Pressure Die Casting of AZ91 Alloy]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

출처: https://doi.org/10.24425/122523

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