KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 시스템으로 구성된 솔트 코어 중자(鹽中子)의 굽힘 강도

본 논문 요약은 ['The Japan Foundry Engineering Society']에서 발행한 ['Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na2CO3-K2CO3 Systems'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 시스템으로 구성된 솔트 코어 중자(鹽中子)의 굽힘 강도 (Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ Systems)
  • 저자: 야오카와 준, 미우라 다이스케, 오이카와 카츠나리, 안자이 코이치, 야마다 요지, 요시이 히로시 (Jun Yaokawa, Daisuke Miura, Katsunari Oikawa, Koichi Anzai, Youji Yamada, and Hiroshi Yoshii)
  • 발행 연도: 2007년
  • 발행 학술지/학회: J. JFS, Vol. 79, No. 4 (2007) pp. 184~191, 일본주조공학회 (The Japan Foundry Engineering Society)
  • 키워드: 솔트 코어 중자 (salt core), 소모성 중자 (expendable core), 탄산염 (carbonate), 염화물 (chloride), 다이캐스팅 (die casting), 강도 (strength), 처짐 (deflection), 분해 (decomposition)
Figure 1 presents the calculated liquidus surface and eutectic line of the Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ system using Thermo-Calc. It shows a wide composition range with liquidus temperatures between 873~973K.
Figure 1 presents the calculated liquidus surface and eutectic line of the Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ system using Thermo-Calc. It shows a wide composition range with liquidus temperatures between 873~973K.

2. 초록 또는 서론

본 논문은 언더컷 형상 제품 제조에 필수적인 고압 다이캐스팅용 소모성 중자로서 유망한 수용성 솔트 코어 중자의 굽힘 강도를 다룹니다. 특히 NaCl-KCI-Na₂CO₃-K₂CO₃ 다성분계로 구성된 솔트 코어 중자의 강도를 연구합니다.

연구 접근 방식은 염 혼합물의 열역학적 고려 사항과 4점 굽힘 시험을 통한 실험적 검증을 결합합니다. 열역학적 데이터에서 도출된 상평형도 및 열역학 함수는 높은 강도가 예상되는 네 가지 조성 영역을 예측합니다. 굽힘 시험을 통한 실험적 강도 매핑 결과, 이론적 예측과 일치하게 20MPa를 초과하는 높은 강도를 달성하는 세 가지 조성 영역이 나타났습니다.

이러한 고강도 염 혼합물은 고압 다이캐스팅에 적합한 것으로 판단됩니다. 특정 고강도 조성물의 액상선 온도는 873K에서 973K 사이로 염 용융물로부터 솔트 코어 중자 제작을 용이하게 합니다. 또 다른 영역에서는 15MPa 이상의 높은 강도가 얻어졌지만, 고강도 조성 범위는 제한적이었습니다. SEM-EDX 분석 결과, 시편 간에 1차 염화물 상의 나트륨 함량에 차이가 있는 것으로 나타났으며, 이는 1차 상 강도 및 전체 시편 강도에 나트륨 함량이 영향을 미침을 시사합니다. 염화물 상 분해 영역에서는 1차 상이 염화물일 경우 강도가 상대적으로 낮은 것으로 나타났습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

알루미늄 합금 다이캐스팅은 경량, 고강도, 내식성 및 성형성으로 인해 자동차 부품 등에 널리 사용됩니다. 그러나 기존의 다이캐스팅 방법으로는 언더컷 형상 제품 제조가 어렵습니다. 소모성 중자는 이러한 한계를 극복하는 데 필수적이며, 그 개발은 다이캐스팅 연구에서 새로운 초점이 되고 있습니다. 언더컷 형상 다이캐스팅 제품을 위해 소모성 중자는 고속 사출 및 고주조 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도와 제품으로부터의 용이한 제거성을 갖춰야 합니다.

기존 연구 현황:

기존 연구에서는 염화물과 탄산염의 2원계 염 혼합물, 특히 NaCl-Na₂CO₃ 및 KCI-K₂CO₃ 시스템으로 만든 수용성 솔트 코어 중자를 탐구했습니다. 이러한 연구들은 이러한 2원계 시스템으로 만든 솔트 코어 중자가 보강재 없이도 높은 강도를 나타내어 다이캐스팅 응용 분야에 대한 잠재력을 보여주었습니다.

솔트 코어 중자 용융 성형(溶融成形, melting and forming)을 위해서는 873~973K 정도의 낮은 액상선 온도가 바람직합니다. 이러한 액상선 온도를 갖는 적합한 혼합염으로는 NaCl-K₂CO₃ 및 KCI-Na₂CO₃ 시스템과 MgCl₂, CaCl₂, Na₂SO₄, CaCO₃ 등이 있습니다. KCI-NaCl-K₂CO₃-Na₂CO₃ 4원계는 상평형도에서 873~973K 사이의 액상선 온도를 갖는 넓은 조성 범위를 나타내지만, 강도에 대한 체계적인 연구는 부족합니다.

연구의 필요성:

KCI-NaCl-K₂CO₃-Na₂CO₃ 4원계의 유망한 액상선 온도 범위에도 불구하고, 그 강도 특성에 대한 체계적인 연구는 부재합니다. 따라서 본 연구는 다이캐스팅용 소모성 중자로서의 잠재성을 평가하기 위해 이 4원계 염 시스템의 강도를 종합적으로 조사하는 것을 목표로 합니다. 특히 높은 강도와 중자 제작에 적합한 액상선 온도를 동시에 달성하는 데 중점을 둡니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 4원계 염 시스템의 강도를 상세히 조사하는 것입니다. 이 연구는 특히 높은 강도와 중자 제작에 적합한 액상선 온도를 동시에 달성하는 데 초점을 맞춰 다이캐스팅 응용 분야의 소모성 중자에 사용될 수 있는 이 염 시스템의 잠재력을 평가하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구 질문:

  • KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 4원계 염 시스템의 조성과 굽힘 강도 간의 관계를 명확히 한다.
  • 고압 다이캐스팅에 적합한 높은 굽힘 강도를 나타내는 4원계 내의 조성 범위를 식별한다.
  • 고강도 조성물의 액상선 온도를 평가하여 용융 공정을 통한 염중자 생산의 타당성을 확보한다.
  • 염중자의 미세 구조 및 상 조성을 분석하여 굽힘 강도에 영향을 미치는 요인을 이해한다.

연구 가설:

  • 2원계 염 시스템에서 관찰된 바와 같이, 1차상과 공정 조직의 공존과 같은 바람직한 미세 구조 형성으로 인해 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 4원계 내의 특정 조성 영역이 높은 굽힘 강도를 나타낼 것이다.
  • 염중자의 강도는 1차상 조성, 특히 염화물 1차상의 나트륨 함량에 영향을 받는다.
  • KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 시스템의 고강도 영역 내에서 873~973K 범위의 액상선 온도를 갖는 조성을 식별할 수 있으며, 이는 소모성 중자 제작에 적합하게 만들 것이다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 열역학적 계산과 실험적 검증을 결합한 접근 방식을 채택합니다. Thermo-Calc를 사용하여 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템의 상평형도 및 액상선 온도를 계산하여 원하는 특성을 갖는 조성 영역을 예측했습니다. 실험적으로는 4점 굽힘 시험을 사용하여 4원계 내에서 조성이 다른 염중자의 굽힘 강도를 측정했습니다.

데이터 수집 방법:

  • 재료 준비: 99.5% 순도의 KCl, NaCl, K₂CO₃, Na₂CO₃를 사용하여 시험편을 제작했습니다. 염 혼합물은 양이온 비 X<0xE2><0x82><0x93> 및 음이온 비 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> 를 10 mol% 간격으로 체계적으로 변경하여 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템 전체를 포괄하도록 준비했습니다.
  • 4점 굽힘 시험: 염중자의 굽힘 강도는 4점 굽힘 시험을 사용하여 평가했습니다.
  • 미세 구조 분석: 굽힘 시험 후 파단면을 SEM을 사용하여 관찰하여 미세 구조를 확인했습니다.
  • 조성 분석: 에너지 분산형 X선 분광법(EDX)을 사용하여 응고 조직의 국소 조성 분석을 수행했습니다.

분석 방법:

  • 열역학 계산: Thermo-Calc 소프트웨어를 사용하여 열역학 데이터를 기반으로 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템의 상평형도, 액상선 표면 및 공정선을 계산했습니다.
  • 강도 매핑: 실험적 굽힘 강도 데이터를 조성에 따라 매핑하여 고강도 영역을 식별했습니다.
  • 미세 구조-강도 상관 관계: SEM 및 EDX 분석을 사용하여 관찰된 미세 구조 및 상 조성과 측정된 굽힘 강도 간의 상관 관계를 분석했습니다.

연구 대상 및 범위:

본 연구는 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 4원계 염 시스템으로 만든 염중자에 초점을 맞추고 있으며, 이온 비 X<0xE2><0x82><0x93> (K⁺의 양이온 비) 및 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> (CO₃²⁻의 음이온 비)를 사용하여 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템으로 나타냅니다. 조성 범위는 X<0xE2><0x82><0x93> 및 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> 를 10 mol% 간격으로 체계적으로 변경하여 4원계를 포괄합니다.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

  • 고강도 영역: 굽힘 강도 매핑 결과 20MPa를 초과하는 높은 강도를 나타내는 세 가지 조성 영역(그림 5의 영역 A, B, C)과 15MPa 이상의 강도를 갖는 영역 D의 일부가 확인되었습니다. 이러한 영역은 열역학적 계산에서 예측된 고강도 조성 영역과 대체로 일치합니다.
  • 액상선 온도: 영역 A는 높은 강도(20MPa 이상)와 낮은 액상선 온도(873~973K)를 동시에 나타냈습니다. 영역 B와 C도 20MPa 이상의 강도를 보였지만, 액상선 온도는 973K 이상으로 약간 높았습니다.
  • 미세 구조: 고강도 영역 A와 C(그림 8)의 SEM 관찰 결과, 상평형도에서 예측된 바와 같이 1차상과 공정 조직으로 구성된 미세 구조가 나타났습니다.
  • 나트륨 함량 영향: SEM-EDX 분석 결과, 시편 간에 1차 염화물 상의 나트륨 함량이 다양하며, 이는 1차상 강도 및 전체 굽힘 강도에 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 1차 염화물 상에 나트륨이 존재할 때 더 높은 강도가 관찰되었지만, 특정 조성에서 1차 염화물 상의 과도한 나트륨 함량은 상 분해 및 강도 감소를 초래했습니다.
  • 상 분해 및 강도 감소: 염화물 상 분해가 일어나기 쉬운 조성(그림 3)에서는 특히 1차 상이 염화물일 경우 굽힘 강도가 낮은 것으로 관찰되었습니다.

제시된 데이터 분석:

  • 그림 1은 Thermo-Calc를 사용하여 계산한 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템의 액상선 표면 및 공정선을 나타냅니다. 873~973K 사이의 액상선 온도를 갖는 넓은 조성 범위를 보여줍니다.
  • 그림 2는 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol% 및 20 mol%에서의 수직 단면 상평형도를 보여주며, 저온에서 염화물 상 분해 영역을 보여줍니다.
  • 그림 3은 Thermo-Calc로 계산한 염화물 상의 분해 영역을 나타내며, NaCl 및 KCl 고용체 분해의 조성 범위를 보여줍니다.
  • 그림 4는 923K에서의 타이 라인 및 액상선을 보여주며, 1차상 조성 및 상평형을 나타냅니다.
  • 그림 5는 처짐 메커니즘 및 강도 감소 요인을 고려하여 예측된 고강도 예상 4개 조성 영역(A, B, C, D)을 매핑합니다.
  • 그림 6은 주조 시편 단면의 결함 사진을 보여주며, 내부 수축(a) 및 표면 불규칙성 및 균열(b)을 포함합니다.
  • 그림 7은 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 염 혼합물의 굽힘 강도 맵으로, 평균 굽힘 강도 값과 액상선/공정선을 보여줍니다.
  • 그림 8은 영역 A 및 C의 고강도 시편의 응고 조직을 보여주며, 1차상 및 공정상을 보여줍니다.
  • 그림 9는 파단면의 SEM 현미경 사진 및 EDX 분석 결과를 포함하며, 1차 염화물 및 공정 조직과 조성 변화를 보여줍니다.
  • 그림 10은 다양한 초기 염 혼합물 조성에 대해 온도 함수로 플롯된 1차 및 공정 염화물에 대한 양이온 X<0xE2><0x82><0x93>⁺ 조성을 보여줍니다.
  • 그림 11은 초기 CO₃²⁻ 조성 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=20mol%에서 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 염 혼합물의 비커스 경도 측정을 보여주며, 경도와 조성 및 상 분해를 연관시킵니다.

그림 목록:

Figure 2 shows vertical section phase diagrams at Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol% and 20 mol%, illustrating the chloride phase decomposition area at lower temperatures.
Figure 2 shows vertical section phase diagrams at Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>=0 mol% and 20 mol%, illustrating the chloride phase decomposition area at lower temperatures.
Figure 5 maps the four composition areas (A, B, C, D) predicted to have high strength based on deflection mechanism and factors reducing strength.
Figure 5 maps the four composition areas (A, B, C, D) predicted to have high strength based on deflection mechanism and factors reducing strength.
Fig. 7 Bending strength map of Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ salt mixture with liquidus lines and eutectic line calculated with Thermo-Calc¹⁵).
Fig. 7 Bending strength map of Na+-K+-Cl--CO₃²⁻ salt mixture with liquidus lines and eutectic line calculated with Thermo-Calc¹⁵).
Fig. 9 SEM micrographs of broken surface (a)-(c), and results of EDX chemical analysis for selected area (d)-(f). (a) and (d): K⁺ composition in cation X<0xE2><0x82><0x93> =60 mol%, CO₃²⁻ composition in anion Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (b) and (e): X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (c) and (f): X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%.
Fig. 9 SEM micrographs of broken surface (a)-(c), and results of EDX chemical analysis for selected area (d)-(f). (a) and (d): K⁺ composition in cation X<0xE2><0x82><0x93> =60 mol%, CO₃²⁻ composition in anion Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (b) and (e): X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (c) and (f): X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%.
  • 그림 1. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 시스템의 액상선 표면 및 공정선.
  • 그림 2. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 수직 단면 상평형도. (a) 음이온 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 0 mol% (NaCl-KCl 2원계). (b) Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 20 mol%.
  • 그림 3. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 염화물의 분해 영역. 용융염으로부터 응고된 염화물 상은 이 영역 내부에 초기 조성을 가지며, KCl 고용체 및 NaCl 고용체로 분해됩니다.
  • 그림 4. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 공정선과 함께 923K에서의 타이 라인 및 액상선.
  • 그림 5. 처짐 메커니즘 및 강도 감소에 영향을 미치는 기타 요인을 고려하여 예상되는 4개의 고강도 조성 영역.
  • 그림 6. 주조 시편 단면의 일부 결함 사진. (a) 양이온 X<0xE2><0x82><0x93> 에서의 K⁺ 조성 = 10 mol%, 음이온 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 60 mol%. (b) X<0xE2><0x82><0x93>=60 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 20 mol%.
  • 그림 7. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 액상선 및 공정선이 있는 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 염 혼합물의 굽힘 강도 맵.
  • 그림 8. 고강도 시편의 응고 조직. (a) 양이온 X<0xE2><0x82><0x93> 에서의 K⁺ 조성 = 10 mol%, 음이온 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93> 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 60mol% (영역 A). (b) X<0xE2><0x82><0x93>=0mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>-=20mol% (영역 C).
  • 그림 9. 파단면의 SEM 현미경 사진 (a)-(c) 및 선택 영역 (d)-(f)에 대한 EDX 화학 분석 결과. (a) 및 (d): 양이온 X<0xE2><0x82><0x93> 에서의 K⁺ 조성 = 60 mol%, 음이온 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- 에서의 CO₃²⁻ 조성 = 20 mol%. (b) 및 (e): X<0xE2><0x82><0x93> = 80 mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%. (c) 및 (f): X<0xE2><0x82><0x93>=90mol%, Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- = 20 mol%.
  • 그림 10. Thermo-Calc¹⁵)로 계산한 온도 함수로 플롯된 1차 및 공정 염화물에 대한 양이온 X<0xE2><0x82><0x93>⁺ 조성. 염 혼합물의 초기 양이온 조성 X<0xE2><0x82><0x93> 는 (a) 90 mol%, (b) 80 mol%, (c) 70 mol% 및 (d) 60 mol%이고, 음이온 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- 에서의 초기 CO₃²⁻ 조성은 모두 20 mol%입니다.
  • 그림 11. 초기 CO₃²⁻ 조성 Y<0x43><0x6f><0x33><0x32><0xE2><0x82><0x93>- 가 20 mol%인 Na⁺-K⁺-Cl⁻-CO₃²⁻ 염 혼합물의 비커스 경도.

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 연구에서는 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 시스템 내에서 소모성 다이캐스팅 중자에 적합한 높은 굽힘 강도를 나타내는 네 가지 조성 영역(영역 A, B, C 및 D의 일부)을 확인했습니다. 영역 A, B, C는 20MPa를 초과하는 강도를 달성했습니다. 영역 A는 특히 높은 강도와 낮은 액상선 온도(873~973K)의 조합으로 인해 유망합니다. 높은 강도는 1차상과 공정상의 공존에 기인하며, 이는 강도 향상을 위한 처짐 메커니즘을 뒷받침합니다. 1차 염화물 상의 나트륨 함량은 강도에 영향을 미치는 중요한 요인으로 밝혀졌습니다. 염화물 상의 상 분해는 강도 감소를 초래할 수 있습니다.

연구의 학술적 의의:

본 연구는 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 4원계 염 시스템의 굽힘 강도 거동에 대한 종합적인 이해를 제공합니다. 열역학적 계산과 실험적 검증을 성공적으로 통합하여 고강도 조성 영역을 식별했습니다. 본 연구는 염중자에서 고강도를 달성하기 위한 미세 구조 제어, 특히 1차상과 공정상의 공존 및 1차 염화물 상의 나트륨 함량의 역할의 중요성을 강조합니다. 본 연구 결과는 다이캐스팅 응용 분야를 위한 염 재료 특성에 대한 기본적인 이해에 기여합니다.

실용적 의미:

특히 영역 A에서 낮은 액상선 온도를 갖는 고강도 염 조성물의 식별은 다이캐스팅에 중요한 실용적 의미를 갖습니다. 이러한 조성물로 만든 염중자는 고압 다이캐스팅 조건을 견딜 수 있으며, 적절한 액상선 온도로 인해 용융 공정을 사용하여 제작할 수 있습니다. 이는 KCI-NaCl-Na₂CO₃-K₂CO₃ 시스템을 기반으로 한 소모성 염중자를 사용하여 복잡한 언더컷 형상 다이캐스팅 제품을 제조할 수 있는 가능성을 열어줍니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구는 주로 굽힘 강도에 초점을 맞추었습니다. 이러한 고강도 염중자의 내열 충격성, 붕괴성 및 제거 특성과 같은 다른 중요한 특성을 평가하기 위한 추가 연구가 필요합니다. 냉각 속도 및 기타 응고 매개변수가 미세 구조 및 강도에 미치는 영향도 추가 연구가 필요합니다. 특히 영역 D의 경우, 염화물 상 분해 영역 내에서 더 높은 강도를 나타내는 좁은 조성 범위를 완전히 이해하고 상 분해로 인한 약화를 피하면서 일관되게 높은 강도를 달성하도록 조성을 최적화하기 위한 추가 연구가 필요합니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "야오카와 준, 미우라 다이스케, 오이카와 카츠나리, 안자이 코이치, 야마다 요지, 요시이 히로시"의 논문: "Bending Strength of Salt Core Comprised of KCI-NaCl-Na2CO3-K2CO3 Systems"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: [https://doi.org/](DOI URL) (DOI URL은 텍스트에 제공되지 않았습니다. 가능한 경우 추가하십시오)

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