Effects of Composition on the Physical Properties of Water-Soluble Salt Cores

본 논문 요약은 ['International Journal of Metalcasting'에 의해 출판된 ['EFFECTS OF COMPOSITION ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF WATER-SOLUBLE SALT CORES'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 수용성 솔트 코어의 물리적 특성에 미치는 조성의 영향 (EFFECTS OF COMPOSITION ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF WATER-SOLUBLE SALT CORES)
• 저자: 시한 칸타스 (Cihan Cantas), 베드리 박산 (Bedri Baksan)
• 출판 연도: 2020년
• 출판 저널/학술 단체: International Journal of Metalcasting
• 키워드: 솔트 코어 (salt core), 수용성 (water solubility), 굽힘 강도 (bending strength), 미세구조 특성 (microstructure characteristics), 거시구조 특성 (macrostructure characteristics)

2. 초록

필수 주조 부품 생산 및 우수한 엔지니어링 성능에 대한 설계 요구 사항이 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 기존 알루미늄 주조 부품에 사용되는 모래 코어는 환경에 유해하여 적용이 제한됩니다. 알루미늄 주조 산업에서 수용성 코어를 활용하는 것은 솔트(염)코어의 재활용성으로 인해 환경 친화적인 접근 방식이 될 것으로 예상됩니다. 본 연구에서는 다양한 양의 염화물 및/또는 탄산염 함유 염으로 수용성 솔트 코어를 제조했습니다. 염을 용융하여 강철 몰드에 주조하여 솔트 코어를 얻었습니다. 솔트 코어는 기계적 강도를 결정하기 위해 3점 굽힘 시험을 거쳤고, 용융점은 열 분석으로 결정되었으며, 수용성은 실온 및 50°C에서 측정되었습니다. 최대 굽힘 강도 17.19 MPa, 최대 용융점 776°C, 최대 수용성 89 g salt/100 ml water는 각각 75% KCl–25% K2CO3 및 25% Na2CO3-75% K2CO3 조성의 샘플에서 얻었습니다. 굽힘 시험에 사용된 샘플의 파단면 사진은 매크로 모드에서 스틸 카메라로 촬영되었으며, 이 파단면에서 주사 전자 현미경 연구를 수행했습니다. 최적의 특성을 나타내는 샘플(28.3% Na2CO3 및 71.7% K2CO3)의 X선 회절 패턴은 예상대로 구조에 K2CO3, NaKCO3 및 KNaCO3 상이 존재함을 보여주었습니다. 자동차 부품의 알루미늄 다이캐스팅을 이용한 실제 주조 공정도 수행되었습니다. 다이캐스팅된 알루미늄 부품은 누출 방지 시험을 거쳤으며, 부품의 기공률을 확인하기 위해 X선 이미지를 사용했습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

현대 제조에서 향상된 엔지니어링 성능을 갖춘 복잡한 주조 부품에 대한 요구가 중요해지고 있습니다. 기존의 모래 코어는 알루미늄 주조에 널리 사용되지만, 환경 문제로 인해 광범위한 적용에 제약이 있습니다. 수용성 솔트 코어는 재활용성으로 인해 유망한 친환경적 대안으로 부상하고 있습니다. 본 연구는 염화물 및 탄산염 기반 염에서 파생된 수용성 솔트 코어의 제조 및 특성 분석을 통해 다이캐스팅 응용 분야에서의 잠재력을 탐구합니다.

기존 연구 현황:

무기 솔트 코어의 사용은 20세기부터 시작되었으며, 1970년대에 주조 공장에서 인기를 얻기 시작하여 1990년대 알루미늄 디젤 엔진 피스톤 생산에 널리 사용되었습니다 [1, 2]. 중력 다이캐스팅, 저압 및 고압 다이캐스팅 기술의 발전과 건조 압축 염 분말의 소결 기술 발전 [2-6]은 무기 솔트 코어 개발을 촉진했습니다.

이러한 코어는 알루미늄, 저융점 마그네슘, 아연 및 기타 금속 주조에 사용되었습니다. 이전 연구에서는 알루미나, 유리 섬유 및 복합재와 같은 내화물 첨가제를 사용한 솔트 코어를 탐구하여 이러한 첨가제가 기계적 강도를 증가시키는 경향이 있음을 확인했습니다 [7].

내화 코팅으로 코팅되고 실리카가 침투된 솔트 코어에 대한 연구도 기계적 강도와 표면 품질을 평가하기 위해 수행되었으며, 높은 품질의 표면과 솔트 코어를 입증했습니다 [6, 9]. 솔트 코어의 원료는 알칼리 금속의 탄산염, 염화물, 황산염, 브롬화물 및 인산염으로 구성될 수 있으며, 이들은 수용성이기 때문에 소모성 코어 재료로 인정받고 있습니다 [10].

솔트 코어는 중력, 고압 및 저압 다이캐스팅에 사용하기에 충분한 강도, 주조 후 용이한 코어 제거, 복잡한 부품의 비용 절감, 짧은 생산 주기, 더 큰 설계 자유도, 박벽 설계를 통한 무게 감소 가능성, 주조 후 가공 최소화 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 또한 환경 친화적이며, 관련 화합물을 시스템으로 다시 공급할 수 있으므로 폐기물을 생성하지 않습니다.

생산 방법에는 압착 (squeezing), 바인더를 사용한 사출 또는 블로잉 (shooting or blowing with a binder), 용융 염 주조 (casting of molten salt)가 있습니다.

연구의 필요성:

기존의 모래 코어 기술은 특정 요구 사항을 충족하지만, 저압 및 고압 다이캐스팅 (HPDC)과 같은 압력 집약적인 공정에서는 한계에 직면합니다. 모래 코어의 기계적 제거는 노동 집약적이고 에너지 소모적이며 표면 품질을 저하시킬 수 있습니다.

또한 연소된 모래 코어에는 유해 폐기물 문제를 야기하는 유기 화합물이 포함되어 있습니다. 본 연구는 기존 모래 코어의 환경적 및 효율성 문제를 극복하기 위해 저융점 금속 및 합금 주조용 재활용 가능한 솔트 코어를 조사하여 이러한 문제점을 해결하고자 합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 연구는 다양한 염 조성물이 수용성 솔트 코어의 물리적 특성에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 합니다. 궁극적인 목표는 공정 효율성과 환경 지속 가능성을 향상시키는 다이캐스팅 응용 분야에 적합한 최적의 솔트 코어 제형을 식별하는 것입니다.

핵심 연구 질문:

본 연구의 핵심 연구 목표는 수용성 솔트 코어의 다음 특성을 특성화하고 최적화하는 것입니다.

• 기계적 강도 (Mechanical Strength): 주조 중 구조적 무결성을 보장하기 위한 굽힘 강도 정량화.
• 용융점 (Melting Point): 주조 합금 및 공정 온도와의 호환성을 보장하기 위한 용융 온도 결정.
• 수용성 (Water Solubility): 주조 후 효율적이고 잔류물이 없는 코어 제거를 위한 수용성 평가.
• 미세구조 및 거시구조 특성 (Microstructure and Macrostructure Characteristics): 물리적 특성에 미치는 영향을 이해하기 위한 내부 구조 및 표면 특징 분석.
• 알루미늄 다이캐스팅 성능 (Performance in Aluminum Die Casting): 실제 알루미늄 다이캐스팅 공정을 통한 솔트 코어의 실제 적용 가능성 검증.

연구 가설:

본 연구를 이끄는 중심 가설은 다음과 같습니다.

• 염화물 및 탄산염 기반 염의 조성 비율을 변경하면 결과적으로 생성되는 솔트 코어의 기계적 강도, 용융점 및 수용성에 상당한 영향을 미칠 것입니다.
• 염 조성의 체계적인 변화 및 분석을 통해 다이캐스팅 성능 향상을 위해 굽힘 강도, 용융점 및 수용성을 최대화하는 최적의 제형을 식별할 수 있습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계 (Research Design):

본 연구는 조성 변화에 초점을 맞춘 실험적 설계를 채택했습니다. 솔트 코어는 염화나트륨 (NaCl), 염화칼륨 (KCl), 탄산나트륨 (Na2CO3) 및 탄산칼륨 (K2CO3)의 다양한 중량 백분율을 사용하여 제형화되었습니다. 이성분, 삼성분 및 사성분 혼합물을 25% 중량 차이로 만들어 원 논문의 표 1에 자세히 설명된 대로 다양한 조성을 체계적으로 탐구했습니다.

자료 수집 방법 (Data Collection Method):

솔트 코어의 물리적 특성을 특성화하기 위해 포괄적인 실험 기술 세트가 활용되었습니다.

• 굽힘 강도 (Bending Strength): 3점 굽힘 시험은 실온에서 기계적 강도를 측정하기 위해 Shimadzu AG-IS 250 만능 재료 시험기를 사용하여 수행되었습니다. 1 kN 로드 셀로 2 mm/s의 일정한 크로스헤드 속도를 유지했습니다.
• 용융점 측정 (Melting Point Determination): 열 분석은 최대 725°C의 용융점을 갖는 조성물에 대해서는 시차 주사 열량계 (DSC, PerkinElmer Diamond DSC)를, 더 높은 용융점에 대해서는 열중량 분석기 (TG/DTA, PerkinElmer TG/DTA 6300)를 사용하여 수행했습니다. 샘플은 구리 팬에서 테스트했습니다.
• 수용성 (Water Solubility): 수용성은 1500 rpm 믹서 속도로 50°C에서 가열된 자력 교반기에서 탈이온수를 사용하여 측정했습니다. 포화 한계는 용해되지 않은 염이 남을 때까지 여러 샘플을 테스트하여 결정했습니다.
• 파단면 분석 (Fractography): 굽힘 시험에서 파단된 샘플의 매크로 사진은 Canon EOS 40D 디지털 카메라를 사용하여 캡처했습니다. 주사 전자 현미경 (SEM, Jeol JSM-5600LV) 및 X선 회절 (XRD, PANalytical XRD)을 사용하여 상세한 미세 구조 분석을 수행했습니다.
• 알루미늄 다이캐스팅 (Aluminum Die Casting): 솔트 코어의 실제 적용 가능성을 검증하기 위해 자동차 부품의 알루미늄 다이캐스팅을 사용하여 실제 주조 공정을 수행했습니다. 다이캐스팅된 부품에 대해 누출 방지 및 X선 기공률 테스트를 수행했습니다.

분석 방법 (Analysis Method):

수집된 데이터는 의미 있는 결론을 도출하기 위해 엄격한 분석을 거쳤습니다.

• 통계적 최적화 (Statistical Optimization): Minitab 17 통계 소프트웨어를 사용하여 최대 용융점 및 수용성에 대한 솔트 코어 조성을 최적화했으며, 굽힘 강도를 핵심 요소로 고려했습니다.
• 분산 분석 (ANOVA): ANOVA를 사용하여 굽힘 강도 및 수용성에 대한 개별 염 성분 (NaCl, KCl, Na2CO3, K2CO3)의 영향을 평가했습니다.
• 미세 구조 분석 (Microstructural Analysis): SEM 이미지를 분석하여 파단면 및 수지상 응고 패턴을 특성화했습니다. XRD 패턴을 사용하여 솔트 코어 조성에 존재하는 결정상을 식별했습니다.

연구 대상 및 범위 (Research Subjects and Scope):

본 연구는 염화물 및 탄산염 기반 염, 특히 NaCl, KCl, Na2CO3 및 K2CO3로 구성된 수용성 솔트 코어에 초점을 맞췄습니다. 범위는 저융점 합금, 특히 자동차 부품에 사용되는 알루미늄 합금 주조에 적합한 조성으로 제한되었습니다. 본 연구에서는 다이캐스팅 응용 분야에 향상된 물리적 특성을 가진 제형을 식별하기 위해 다양한 이성분, 삼성분 및 사성분 염 혼합물을 조사했습니다.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과 (Key Research Results):

실험적 조사 결과 다양한 조성의 수용성 솔트 코어의 물리적 특성에 대한 몇 가지 주요 결과가 도출되었습니다.

• 최대 굽힘 강도 (Maximum Bending Strength): 75% KCl–25% K2CO3 조성 (샘플 1)이 표 1과 그림 4에서 볼 수 있듯이 17.19 MPa의 가장 높은 굽힘 강도를 나타냈습니다.
• 최대 용융점 (Maximum Melting Point): 표 1에 자세히 설명된 대로 776°C의 가장 높은 용융점은 25% Na2CO3-75% K2CO3 혼합물 (샘플 30)에서 달성되었습니다.
• 최대 수용성 (Maximum Water Solubility): 샘플 30 (25% Na2CO3-75% K2CO3)은 또한 표 1에서 89 g salt/100 ml water에 도달하여 가장 높은 수용성을 나타냈습니다.
• 최적 조성 (통계 분석) (Optimal Composition (Statistical Analysis)): Minitab 17을 사용한 통계적 최적화는 28.3% Na2CO3 및 71.7% K2CO3의 최적 조성을 식별했습니다. 이 제형은 계산된 용융점 756.4°C, 수용성 81.36 g/100 ml, 굽힘 강도 3.35 MPa를 산출했습니다. 이 최적 조성의 실험적 검증 결과 용융 온도 760°C, 수용성 89.5 g/100 ml, 굽힘 강도 5.26 MPa가 도출되어 계산 예측과 거의 일치했습니다.
• 상 식별 (Phase Identification): 최적 조성 (28.3% Na2CO3 및 71.7% K2CO3)의 XRD 분석 결과 예상대로 K2CO3, NaKCO3 및 KNaCO3 상이 존재함을 확인했습니다 (그림 11).
• 알루미늄 다이캐스팅 검증 (Aluminum Die Casting Validation): 개발된 솔트 코어를 사용하여 자동차 부품의 알루미늄 다이캐스팅을 성공적으로 달성하여 산업 환경에서의 실제 적용 가능성을 입증했습니다. 다이캐스팅된 알루미늄 부품은 누출 방지 테스트를 통과했으며 X선 검사 결과 허용 가능한 기공률 수준을 나타냈습니다.

제시된 데이터 분석 (Analysis of presented data):

• 표 1 (Table 1) 은 모든 테스트된 솔트 코어 샘플에 대한 조성 설계, 굽힘 강도, 최대 용해도 및 용융점을 체계적으로 제시하여 비교 분석을 위한 포괄적인 데이터 세트를 제공합니다.
• 그림 4 (Figure 4) 는 각 샘플의 굽힘 강도를 그래픽으로 보여주며, 특정 조성의 우수한 기계적 성능을 강조합니다.
• 그림 5 (Figure 5) 는 굽힘 강도에 대한 평균 효과 플롯을 표시하여 NaCl, KCl, Na2CO3 및 K2CO3가 솔트 코어의 전체 강도에 개별적으로 기여하는 정도를 보여줍니다.
• 그림 6 (Figure 6) 은 다양한 온도에서 순수한 염의 수용해도를 보여주며, 다양한 염 성분에 대한 용해도의 온도 의존성을 보여줍니다.
• 그림 7 (Figure 7) 은 NaCl-Na2CO3-K2CO3 삼성분계의 용해도-밀도 다이어그램을 제시하여 조성 변화에 따른 용해도 거동을 시각화합니다.
• 그림 8 (Figure 8) 은 용해도에 대한 평균 효과 플롯을 보여주며, 각 염 성분이 코어의 수용성에 미치는 영향을 나타냅니다.
• 그림 9 (Figure 9) 는 다양한 조성의 솔트 코어의 파단면 사진을 제공하여 파괴 거동 및 미세 구조에 대한 시각적 통찰력을 제공합니다.
• 그림 10 (Figure 10) 은 파단된 최적 조성 솔트 코어의 SEM 현미경 사진을 제시하여 상세한 미세 구조적 특징을 보여줍니다.
• 그림 11 (Figure 11) 은 이성분 K2CO3 및 Na2CO3 혼합물의 XRD 패턴을 보여주며, 최적화된 솔트 코어의 상 조성을 확인합니다.
• 그림 17 (Figure 17) 은 주조 부품의 X선 사진을 표시하여 허용 가능한 내부 품질로 복잡한 형상을 생산하는 데 솔트 코어를 성공적으로 적용했음을 보여줍니다.

그림 목록 (Figure Name List):

Optimization of Salt Core Composition

• Figure 1. 코어 주조 몰드 설계 (모든 치수는 mm 단위)¹⁶.
• Figure 2. SAE 1040 강철 코어 몰드.
• Figure 3. 염화물 함유 샘플의 기공률 (샘플 #29).
• Figure 4. 샘플의 굽힘 강도.
• Figure 5. 굽힘 강도에 대한 평균 효과 플롯.
• Figure 6. 다양한 온도에서 순수한 염의 수용해도 (g/100 ml water).
• Figure 7. NaCI-Na2CO3-K2CO3 삼성분계의 용해도-밀도 다이어그램.
• Figure 8. 염의 용해도에 대한 평균 효과 플롯.
• Figure 9. 다양한 조성의 솔트 코어의 파단면 사진.
• Figure 9. 계속
• Figure 10. 파단된 최적 조성 솔트 코어의 SEM 현미경 사진 (28.3% Na2CO3 및 71.7% K2CO3).
• Figure 11. 이성분 K2CO3 및 Na2CO3 혼합물의 XRD 패턴.
• Figure 12. 실험실 조건에서 솔트 코어 및 알루미늄 주조 부품.
• Figure 13. 강철 다이에 주조된 솔트 코어 및 몰드 내 주조된 솔트 코어의 사진.
• Figure 14. 주조된 솔트 코어.
• Figure 15. 솔트 코어를 사용한 알루미늄 중력 다이캐스팅.
• Figure 16. 솔트 코어가 있는 주조 부품의 단면도.
• Figure 17. 주조 부품의 다른 부분에서 촬영한 X선 사진.

7. 결론:

주요 결과 요약 (Summary of Key Findings):

본 연구는 수용성 솔트 코어의 조성이 물리적 특성에 상당한 영향을 미친다는 결론을 내렸습니다. 염화물 함량이 높은 코어 (KCl, NaCl)는 탄산염 함유 코어 (K2CO3, Na2CO3)보다 응고 후 더 취약한 것으로 나타났으며, 이는 균열 전파를 촉진하는 더 큰 수지상 구조 때문일 수 있습니다.

견고한 솔트 코어가 필요한 응용 분야의 경우 탄산염 기반 제형이 더 좋습니다. 염화물 함유 코어는 또한 탄산염 코어 (0.3-0.5%)보다 더 높은 수축률 (1-3%)을 나타냅니다. 또한 탄산염 코어는 염화물 코어보다 더 흡습성이므로 생산 직후 즉시 사용하거나 생산 후 습기로부터 보호해야 합니다.

이러한 고려 사항에도 불구하고 본 연구는 솔트 코어, 특히 탄산염 기반 조성이 사출 성형 공정에 충분한 강도를 가지고 있어 복잡한 부품 형상에 강철 코어보다 유리한 이점을 제공함을 입증합니다.

다이캐스팅 응용 분야를 위한 최적의 솔트 코어 제형은 높은 강도, 수용성 및 용융점의 균형을 달성하기 위해 탄산염 성분을 우선시해야 합니다.

연구의 학문적 의의 (Academic Significance of the Study):

본 연구는 광범위한 조성에 걸쳐 수용성 솔트 코어의 물리적 특성에 대한 포괄적인 데이터 세트와 분석을 제공합니다. 이는 염 조성이 다이캐스팅에서 코어 성능에 미치는 영향에 대한 기본적인 이해에 크게 기여합니다. 연구 결과는 고급 수용성 코어 개발에서 재료 선택 및 제형 전략에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

연구의 실제적 의미 (Practical Implications):

최적의 염 코어 조성, 특히 28.3% Na2CO3 및 71.7% K2CO3 혼합물의 식별은 다이캐스팅 산업에 즉각적인 실질적인 이점을 제공합니다. 이러한 제형은 재활용 가능하고 수용성 코어를 사용하여 복잡한 알루미늄 부품을 향상된 효율성과 감소된 환경 영향으로 생산할 수 있도록 합니다. 본 연구는 이러한 염 코어를 산업용 알루미늄 다이캐스팅 응용 분야에 사용하는 것이 타당함을 입증하여 보다 지속 가능한 코어 기술을 채택할 수 있는 길을 제공합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야 (Limitations of the Study and Areas for Future Research):

본 연구는 귀중한 통찰력을 제공하지만, 주로 저융점 알루미늄 합금에 초점을 맞추었습니다. 고융점 합금 및 금속 주조에 대한 수용성 솔트 코어의 적용 가능성을 탐구하기 위한 추가 연구가 권장됩니다. 솔트 코어 제형에 내화물 및/또는 바인더를 통합하는 것을 조사하면 적용 범위를 확장하고 더 까다로운 주조 조건을 위한 특성을 향상시킬 수도 있습니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "시한 칸타스, 베드리 박산"의 논문: "수용성 솔트 코어의 물리적 특성에 미치는 조성의 영향 (EFFECTS OF COMPOSITION ON THE PHYSICAL PROPERTIES OF WATER-SOLUBLE SALT CORES)"을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.1007/s40962-020-00511-5

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