Low-Pressure Casting Technology Represents Step Change in Producing High Quality Forging Stock

Paper Title 20% 비용 절감: 저압 주조 기술(LPC)이 고품질 알루미늄 단조 스톡 생산을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 Ulf Tundal 외 저자가 Light Metal Age (2020)에 발표한 학술 논문 "Low-Pressure Casting Technology Represents Step Change in Producing High Quality Forging Stock"을 기반으로 작성되었습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 저압 주조 기술 (Low-Pressure Casting Technology)
• Secondary Keywords: 알루미늄 단조, HyForge, AA6082, 공정 최적화, 비용 절감, 표면 품질, 자동차 서스펜션 부품

Executive Summary

• The Challenge: 기존 알루미늄 단조 스톡 생산 방식은 길고 복잡한 가치 사슬로 인해 생산 비용이 매우 높습니다.
• The Method: 우수한 표면 품질을 가진 소구경 빌렛을 생산하기 위해 저압 주조(LPC) 기술을 개발하고 최적화했습니다.
• The Key Breakthrough: LPC 기술은 표면 스캘핑(scalping) 및 균질화(homogenization) 공정을 제거하여 단조 스톡의 재료비를 약 20% 절감할 수 있습니다.
• The Bottom Line: LPC 기술은 고품질 단조 알루미늄 부품 생산을 위한 훨씬 짧고 비용 효율적인 공정 경로를 제공합니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

자동차 제조업체들은 경량 설계, 고강도, 내구성 및 피로 저항성의 이점 때문에 알루미늄 휠 서스펜션 부품 제조에 폐쇄형 다이 단조(closed die forging)를 점점 더 많이 사용하고 있습니다. 그러나 단조 알루미늄 부품은 현재 생산 비용이 상대적으로 높습니다. 이는 용해, 빌렛 주조, 균질화, 초음파 처리 및 최종 압출에 이르는 길고 복잡한 가치 사슬 때문입니다. 단조 스톡의 재료비는 완제품 단조 서스펜션 부품 생산 비용의 약 50%를 차지합니다. 업계에서는 비용을 절감하고 공정을 단순화하기 위해 스캘핑이 필요 없는 대안을 모색해왔지만, 그 생산은 여전히 제한적이었습니다. 이 연구는 기존의 복잡하고 값비싼 공정을 근본적으로 바꾸어 고품질 단조 스톡을 최소한의 비용으로 생산할 수 있는 새로운 길을 제시했다는 점에서 모든 알루미늄 주조 전문가에게 중요한 의미를 가집니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

이 연구는 Hydro가 개발한 저압 주조(LPC) 기술을 중심으로 진행되었습니다. 연구팀은 소구경 단조 스톡 주조에 이 기술을 최적화하기 위해 고급 전산 유체 역학(CFD) 3D 모델을 개발했습니다. 이 모델은 다음 세 가지 핵심 요소를 고려했습니다. 1. 충전(Filling): 난류 자유 표면 유동 및 응고를 생성하는 방법을 이해합니다. 2. 열전달(Heat-Transfer): 다양한 형태의 열전달 및 자유 표면 복사를 모델링합니다. 3. 자동화(Automation): 로 경사, 댐 제어, 진공 조절 등 자동화 시스템을 수치 시뮬레이션에 통합합니다.

이 수치 모델은 노르웨이 순달(Sunndal)에 있는 Hydro의 파일럿 주조 라인에서 검증되었으며, 이를 통해 Husnes의 전체 규모 주조 라인 레이아웃 개발에 활용되었습니다. Husnes의 새로운 생산 라인은 55톤 주조로, Hycast I-60 SIR 인라인 용탕 정련기, 세라믹 폼 필터, Hycast LPC 수직 DC 주조기, 균질화, 자동 초음파 테스트 및 포장 설비로 구성됩니다. 단조 실험은 AA6082 합금으로 생산된 직경 90mm 잉곳을 사용하여 Sintef의 800톤 실험실 규모 단조 프레스에서 수행되었습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

[이 논문의 결과 섹션을 바탕으로, 구체적인 데이터와 함께 가장 중요한 2-3가지 발견을 제시합니다.]

Finding 1: 스캘핑이 필요 없는 압도적인 표면 품질 달성

LPC 기술을 통해 생산된 AA6082 단조 잉곳은 매우 우수한 표면 품질을 보였습니다. 이는 기존 공정에서 필수적이던 표면 스캘핑 단계를 제거할 수 있음을 의미합니다. 논문의 Figure 5에 따르면, 일반적인 LPC 주조 표면의 거칠기 값은 단조 잉곳의 요구 사항(일반적으로 Rz 20µm 미만)을 충분히 만족했습니다. 측정된 값은 Ra 1.06µm, Rz 6.4µm, Rmax 15.5µm로 매우 매끄러운 표면을 나타냈습니다. 또한, Figure 6의 미세구조 분석 결과, 다른 주조 기술에서 일반적으로 발견되는 역편석(inverse segregation) 영역이 거의 존재하지 않았습니다. 이는 주조 중 잉곳 표면과 몰드 사이의 마찰이 감소하여 매우 균일한 표면을 만들기 때문입니다.

Finding 2: 균질화 공정 없이도 우수한 기계적 특성 확보

단조 실험 결과, 균질화 처리를 거치지 않은(unhomogenized) LPC 소재가 균질화 처리된 소재보다 더 높은 강도를 나타냈습니다. Figure 9의 인장 시험 결과에 따르면, 모든 위치와 방향에서 균질화되지 않은 소재(파란색 막대)의 강도(Rp0.2 및 Rm)가 균질화된 소재(빨간색 막대)보다 일관되게 높았습니다. 연구진은 이를 균질화되지 않은 소재가 단조 및 용체화 과정에서 전위(dislocation) 및 전단대(shear band)에 새로운 분산상(dispersoid)을 석출시키기 때문으로 분석했습니다. 이 분산상들은 재결정을 막는 매우 효과적인 장벽 역할을 하여 기계적 특성을 향상시킵니다. Figure 8에서 볼 수 있듯이, 두 경우 모두 재결정 양이 적어 매우 강건한 입자 구조를 유지했습니다.

Practical Implications for R&D and Operations

[논문의 토론 및 결론 섹션을 바탕으로, 다양한 직무 역할을 위한 조건부 통찰력을 제공합니다.]

• For Process Engineers: 이 연구는 균질화되지 않은 소재를 단조 전에 고온으로 예열하여 용체화 공정을 통합할 수 있음을 시사합니다. 이는 별도의 용체화 단계를 생략하여 공정을 단축하고 에너지 비용을 절감하는 데 기여할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 Figure 5에 제시된 표면 거칠기 데이터는 LPC 단조 스톡에 대한 새로운 품질 검사 기준을 설정하는 데 참고 자료가 될 수 있습니다. 또한, Figure 6에서 확인된 균일한 입자 구조는 품질 검사를 단순화할 가능성을 보여줍니다.
• For Design Engineers: 주조된 상태 그대로 스캘핑 없이 단조에 직접 사용할 수 있다는 점은 부품 설계에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 니어넷셰이프(near-net-shape) 예비 성형체(preform) 설계를 가능하게 하여 재료 낭비를 줄이고 후가공을 최소화하는 데 기여할 수 있습니다.

Paper Details

Low-Pressure Casting Technology Represents Step Change in Producing High Quality Forging Stock

1. Overview:

• Title: Low-Pressure Casting Technology Represents Step Change in Producing High Quality Forging Stock
• Author: Ulf Tundal, Knut Omdal Tveito, Sigrun Sofie Berg, Lars Moen, and Magne Boge, Hydro Aluminum Primary Metal, and Arild Håkonsen and Rune Ledal, Hycast AS
• Year of publication: 2020
• Journal/academic society of publication: Light Metal Age
• Keywords: Low-Pressure Casting (LPC), Forging Stock, Aluminum Forging, Cost Reduction, Surface Quality, AA6082

2. Abstract:

자동차 제조업체들은 알루미늄 휠 서스펜션 부품에 단조 부품을 점점 더 많이 사용하고 있지만, 기존의 단조 스톡 생산 공정은 길고 복잡하여 비용이 많이 듭니다. Hydro는 고품질 단조 스톡을 생산하기 위한 세 번째 옵션으로 저압 주조(LPC) 기술을 개발했습니다. 이 기술은 주조 중 잉곳 표면과 몰드 사이의 마찰을 줄여 역편석 영역을 거의 제거하고 매우 매끄러운 표면을 가진 로그를 생산합니다. 그 결과, 공정 단계가 줄어들고 HyForge™ 소재를 단조 공정에 직접 사용할 수 있습니다. 이 기술을 제련소의 대규모 생산과 결합하면 재료 수준에서 20%의 비용 절감을 기대할 수 있습니다. 이 글은 LPC 기술을 소개하고, 소구경 로그 주조에 어떻게 최적화되었는지, 그리고 Husnes의 대규모 빌렛 주조 공장에 어떻게 구현되어 최소 비용으로 고품질 단조 부품 생산을 가능하게 할 것인지를 논의합니다.

3. Introduction:

점점 더 많은 자동차 제조업체들이 알루미늄 휠 서스펜션 부품을 제조하기 위해 폐쇄형 다이 단조를 사용하고 있습니다. 이는 단조 알루미늄 부품이 경량 설계, 고강도, 내구성 및 피로 저항성의 조합을 제공하기 때문입니다. 그러나 단조 알루미늄 부품은 현재 긴고 복잡한 가치 사슬로 인해 생산 비용이 상대적으로 높습니다. 전통적인 단조 스톡 생산 경로는 용해, 빌렛 주조, 균질화, 초음파 처리, 그리고 최종적으로 재료를 단조 스톡으로 압출하는 과정을 포함했습니다. 최근에는 소구경 빌렛을 주조한 후 빌렛의 편석층을 제거하기 위해 스캘핑하는 새로운 공정 경로가 개발되었습니다. 여러 단계가 포함되기 때문에 단조 스톡의 재료비는 일반적으로 완성된 단조 서스펜션 부품 생산의 50%를 차지합니다. Hydro는 고품질 단조 스톡을 생산하기 위한 세 번째 옵션인 저압 주조(LPC) 기술을 개발했습니다. 이 새로운 주조 기술은 약 80mm 이상의 직경으로 단조 스톡을 제공할 수 있으며, 주조 중 잉곳 표면과 몰드 사이의 마찰을 줄여 역편석 영역을 거의 제거합니다. 이로 인해 공정 단계가 줄어들고 HyForge™ 재료를 단조 공정에서 직접 사용할 수 있습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

알루미늄 단조 부품은 자동차 산업에서 경량화와 성능 향상을 위해 중요하지만, 생산 공정이 복잡하고 비용이 많이 드는 문제를 안고 있습니다. 특히 단조 스톡을 만드는 과정이 전체 비용의 상당 부분을 차지합니다.

Status of previous research:

기존 공정은 압출을 포함하거나, 소구경 빌렛 주조 후 스캘핑을 하는 방식이었습니다. 스캘핑이 없는 대안이 논의되었지만 생산은 제한적이었습니다.

Purpose of the study:

이 연구의 목적은 Hydro가 개발한 저압 주조(LPC) 기술을 도입하여 기존의 길고 비싼 단조 스톡 생산 공정을 단축하고, 비용을 획기적으로 절감하며, 고품질의 단조 스톡을 대량 생산할 수 있는 새로운 생산 경로를 제시하는 것입니다.

Core study:

핵심 연구는 LPC 기술을 소구경 단조 스톡 생산에 최적화하고, 이를 실제 산업 규모의 생산 라인에 적용하는 것입니다. CFD 모델링을 통해 공정 창을 최적화하고, 파일럿 및 실제 규모의 실험을 통해 기술의 우수성(표면 품질, 미세구조)을 검증했습니다. 또한, LPC로 생산된 소재(AA6082)를 사용하여 단조 실험을 수행하고, 균질화 공정 생략 가능성과 기계적 특성을 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

이 연구는 수치 모델링, 파일럿 규모 실험, 그리고 산업 규모 적용을 결합한 설계로 이루어졌습니다. 먼저, CFD 모델을 개발하여 LPC 공정의 시작 단계를 최적화했습니다. 그 후, 파일럿 주조 라인에서 모델을 검증하고, 이를 바탕으로 Husnes에 건설될 전체 규모 생산 라인의 레이아웃과 자동화 전략을 개발했습니다. 마지막으로, 생산된 잉곳을 사용하여 실험실 규모의 단조 시험을 수행하여 재료의 기계적 특성과 가공성을 평가했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

데이터는 파일럿 라인의 금속 레벨 측정을 통해 수집되었으며, 이는 CFD 시뮬레이션 결과와 비교되었습니다. 생산된 잉곳의 표면 품질은 거칠기 측정을 통해 평가되었고, 미세구조는 광학 현미경으로 분석되었습니다. 단조된 부품에서는 위치와 방향에 따라 인장 시편을 채취하여 기계적 특성(항복 강도, 인장 강도)을 측정했습니다.

Research Topics and Scope:

연구 범위는 LPC 기술을 이용한 소구경(90mm) AA6082 합금 단조 스톡 생산에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 (1) LPC 공정의 시작 단계 최적화, (2) LPC로 주조된 잉곳의 표면 품질 및 미세구조 분석, (3) 균질화 공정 유무에 따른 단조 후 기계적 특성 비교, (4) 다른 합금(AA7075)에 대한 기술 적용 가능성 탐색을 포함합니다.

6. Key Results:

Key Results:

• LPC 기술은 역편석이 거의 없고 표면이 매우 매끄러운 단조 스톡을 생산하여 스캘핑 공정을 제거할 수 있습니다.
• LPC로 주조된 AA6082 잉곳의 표면 거칠기(Rz)는 6.4µm로, 일반적인 단조 요구 사항인 20µm보다 훨씬 우수합니다.
• 균질화 처리를 하지 않은 LPC 소재는 단조 및 용체화 후 균질화 처리된 소재보다 더 높은 인장 강도를 보였습니다. 이는 새로운 분산상이 재결정을 효과적으로 억제하기 때문입니다.
• LPC 기술은 AA6082뿐만 아니라 AA7075와 같은 다른 합금에도 적용 가능하며, 우수한 표면 품질을 제공합니다.
• 이 기술을 통해 단조 부품의 재료비를 약 20% 절감할 수 있을 것으로 예상됩니다.

Figure Name List:

• Figure 1. Alternatives for producing forging stock.
• Figure 2. The LPC vertical DC casting machine.
• Figure 3. Measured and predicted metal level during filling.
• Figure 4. Detail view of predicted filling of the molds (a) and temperature distribution in LPC casting mold during start-up (b).
• Figure 5. AA6082 cast forging ingots in 90 mm diameter (left) and a close-up of a typical surface with corresponding results from roughness measurements (right).
• Figure 6. Micrograph of a typical surface region of the LPC 90 mm diameter cast forging ingots in alloy AA6082 (left). Macro grain structure of an as-cast AA6082 forging ingot (right).
• Figure 7. Forging die used on the laboratory-scale forging press (left) and detailed pictures of a forged piece (right).
• Figure 8. Light optical micrographs showing the grain structures in forged and solutionized samples (560°C/20 min). Unhomogenized material (left) and homogenized material (right).
• Figure 9. Tensile results from samples taken from different positions and directions of forged pieces. Results from unhomogenized material is represented by the blue bars and homogenized by the red bars.
• Figure 10. Billet surface and sub-surface structure of an AA7075 alloy cast with the LPC technology in 152 mm diameter.

7. Conclusion:

LPC 기술은 우수한 표면 품질을 가진 소구경 빌렛을 주조할 수 있습니다. 이는 실험실 및 산업 규모 시험을 통해 입증되었으며, 휠 서스펜션 부품 제조 공정에서 표면 스캘핑과 단조 전 균질화의 필요성을 모두 제거하여 공정을 단축할 수 있음을 보여주었습니다. Husnes에서 HyForge 잉곳의 대규모 생산이 시작되면, 단조 부품의 재료비가 약 20% 절감될 것으로 예상되며, 이는 단조 알루미늄 서스펜션 부품의 경쟁력을 훨씬 더 높일 것입니다.

8. References:

1. Jensrud, Ola and Ketill Pedersen, “Castforge: The synthesis for development of new technologies for manufacturing of aluminum automotive parts," 2nd International Conference & Exhibition on New Developments in Metallurgical Process Technology, September 2004.
2. Forged Components, 2nd edition, Hirschvogel Automotive Group, 2014, p. 39.
3. Wiel, Robert and Dr. Michael Muckelbauer, “Potentials in Aluminum Forging for Passenger Car Chassis Parts by Using Alternative Prematerial, or: Forging without Scrap," NEMU 2019, pp. 55-64.
4. Håkonsen, A., J.E. Hafsås, and R. Ledal, “A New DC Casting Technology for Extrusion Billets with Improved Surface Quality,” Light Metals 2014, pp. 873-878.
5. "SIR Inline Melt Refining," Hycast, www.hycast.no/products/sir.
6. Mortensen, D., "A mathematical model of the heat and fluid flows in direct-chill casting of aluminum sheet ingots and billets,” Metallurgical and Materials Trans., Vol. 30B, 1999, pp. 119-133.
7. Sintef, www.sintef.no.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 소구경 빌렛 주조의 시작 단계에서 CFD 모델이 필수적이었던 이유는 무엇입니까?

A1: 논문에 따르면 소구경 빌렛을 산업적 규모로 주조하는 것은 주조 시작 단계의 공정 창이 매우 좁기 때문에 까다롭습니다. 다수의 몰드를 균일하게 채워야 하므로 세심한 균형이 필요합니다. CFD 모델은 이 좁은 시간 창 내에서 용탕의 흐름, 응고, 열전달을 정밀하게 시뮬레이션하여 몰드가 완전히 얼어붙기 전에 고화된 쉘을 형성할 수 있도록 최적의 공정 변수를 찾는 데 결정적인 역할을 했습니다.

Q2: Figure 9에서 균질화되지 않은 소재가 균질화된 소재보다 더 강하게 나타나는 이유는 무엇입니까?

A2: 논문은 이 현상에 대해, 균질화되지 않은 소재는 단조 및 후속 용체화 공정 중에 Mn과 Cr 같은 원소들이 고용체 상태로 있다가 전위 및 전단대에서 새로운 분산상으로 석출되기 때문이라고 설명합니다. 이 새롭게 형성된 분산상들은 전위를 고정시켜 재결정에 대한 매우 효과적인 장벽 역할을 합니다. 반면, 이미 균질화 공정에서 분산상이 석출된 소재는 변형된 재료 내에서 더 무작위로 분포되어 재결정 방지 효과가 상대적으로 떨어질 수 있습니다.

Q3: LPC 기술이 역편석 영역을 거의 제거할 수 있는 핵심 원리는 무엇입니까?

A3: 논문의 서론에 따르면 LPC 기술의 주요 이점 중 하나는 "주조 중 잉곳 표면과 몰드 사이의 마찰이 감소하여 역편석 영역을 거의 제거한다"는 것입니다. 감소된 마찰은 응고 과정에서 용질이 풍부한 액체가 표면으로 밀려 나오는 현상을 최소화하여, 표면 근처의 합금 원소 농도가 벌크 재료와 거의 동일하게 유지되도록 합니다.

Q4: 이 LPC 공정은 AA6082 합금 외에 다른 합금에도 적용할 수 있습니까?

A4: 네, 가능합니다. 논문은 "LPC 기술을 사용하면 거의 모든 합금을 표면 스캘핑 없이 단조할 수 있는 품질로 주조하는 것이 가능하다"고 명시적으로 언급합니다. 이를 뒷받침하기 위해 Figure 10에서는 LPC 기술로 주조된 직경 152mm의 AA7075 합금 빌렛의 우수한 표면 및 표면 하부 구조를 예시로 보여줍니다.

Q5: 단조 후 별도의 용체화 단계를 생략하는 것의 주된 이점은 무엇입니까?

A5: 논문에 따르면, 단조 전에 잉곳을 비교적 높은 온도로 예열하여 용체화 단계를 통합하는 것이 더 일반화되고 있습니다. 주된 이유는 전통적인 소재인 압출 단조 바가 단조 및 후속 용체화 시 재결정에 훨씬 덜 저항적이기 때문입니다. 용체화 단계를 단조 전에 수행함으로써, 해로운 재결정이 발생할 가능성을 상당히 줄일 수 있어 공정 안정성과 최종 제품의 품질을 높이는 이점이 있습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 알루미늄 단조 스톡 생산의 고질적인 문제였던 높은 비용과 복잡한 공정을 저압 주조 기술(LPC) 이라는 혁신적인 접근법으로 해결할 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 스캘핑과 균질화 공정을 제거함으로써 약 20%의 재료비 절감과 공정 단순화를 동시에 달성한 것은 매우 중요한 성과입니다. 이는 R&D 및 운영팀에게 공정 최적화와 원가 절감에 대한 새로운 통찰력을 제공하며, 고품질 알루미늄 부품의 경쟁력을 한 단계 끌어올릴 것입니다.

CASTMAN은 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

Copyright Information

• 이 콘텐츠는 "Ulf Tundal" 외 저자의 논문 "Low-Pressure Casting Technology Represents Step Change in Producing High Quality Forging Stock"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• Source: Reprinted for Hycast AS with permission, ©2020 Light Metal Age

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