Study on the Effect of Casting Pressure on the Wear Resistance of Al-Si Alloy Prepared by Squeeze Casting

스퀴즈 캐스팅 압력 제어: Al-Si 합금의 내마모성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 Muna Khedier Abbass와 Osama Sultan Muhammed가 저술하여 [JKAU: Eng. Sci.] (2012)에 발표한 "[Study on the Effect of Casting Pressure on the Wear Resistance of Al-Si Alloy Prepared by Squeeze Casting]" 논문을 기반으로 합니다. CASTMAN이 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 스퀴즈 캐스팅
• Secondary Keywords: Al-Si 합금, 내마모성, 주조 압력, 고압 다이캐스팅, 미세구조, 경도

Executive Summary

• The Challenge: 기존의 중력 주조 방식은 Al-Si 합금의 기계적 특성, 특히 내마모성을 극대화하는 데 한계가 있습니다.
• The Method: Al-Si 합금에 다양한 스퀴즈 캐스팅 압력(최대 53 MPa)을 적용하여 미세구조, 경도, 밀도 및 내마모성의 변화를 체계적으로 분석했습니다.
• The Key Breakthrough: 스퀴즈 캐스팅 압력을 53 MPa까지 높이면 미세구조가 현저히 미세해지고, 경도가 70% 이상(69 VHN → 118 VHN) 증가하며, 마모율이 크게 감소하는 것으로 나타났습니다.
• The Bottom Line: 스퀴즈 캐스팅 공정에서 주조 압력을 정밀하게 제어하는 것은 고성능, 고내마모성 Al-Si 부품을 생산하기 위한 핵심 변수입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for HPDC Professionals

스퀴즈 캐스팅은 반세기 이상 사용되어 온 기술로, 특히 자동차 산업에서 알루미늄 합금 휠과 같은 고성능 부품 생산에 활발히 적용되고 있습니다. 이 공법은 기존의 중력 주조나 다이캐스팅에 비해 기계적 특성, 특히 연성을 크게 향상시키는 것으로 알려져 있습니다. 하지만 공정 변수, 그중에서도 가압 압력이 최종 제품의 품질, 특히 내마모성에 미치는 영향에 대한 정량적 데이터는 항상 현장의 엔지니어들에게 중요한 과제였습니다. 본 연구는 주조 압력이 Al-Si 합금의 미세구조와 내마모성에 어떤 영향을 미치는지 명확히 밝혀, 더 우수하고 신뢰성 높은 부품을 생산하기 위한 공학적 기반을 제공하고자 진행되었습니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구는 스퀴즈 캐스팅 압력의 영향을 명확히 규명하기 위해 체계적인 실험을 설계했습니다.

• 소재: 우수한 주조성과 용접성을 지닌 공정(eutectic) 조성의 Al-Si 합금(AlSi12)을 사용했습니다. 자세한 화학 성분은 논문의 Table 1에 명시되어 있습니다.
• 공정: 기준군으로 중력 다이캐스팅 샘플(A)을 제작했으며, 실험군으로 스퀴즈 캐스팅 샘플(B, C, D, E)을 각각 7.5, 23, 38, 53 MPa의 압력을 가하여 제작했습니다. 모든 주조 공정에서 용탕 주입 온도는 700°C, 금형 예열 온도는 200°C로 일정하게 유지되었습니다.
• 장비: 수직 유압 프레스(70mm 직경 램)를 사용하여 응고 과정 동안 압력을 가했습니다.
• 분석: 제작된 시편에 대해 미세구조 관찰, 비커스 경도(Vickers Hardness, VHN) 측정, 밀도 및 기공률 측정, 그리고 Pin-On-Disc 방식을 이용한 마모율 테스트를 수행하여 압력에 따른 특성 변화를 정량적으로 평가했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

연구 결과, 스퀴즈 캐스팅 압력은 Al-Si 합금의 기계적 특성을 획기적으로 향상시키는 핵심 요소임이 입증되었습니다.

Finding 1: 압력 증가에 따른 경도 및 내마모성의 비약적인 향상

가장 주목할 만한 결과는 압력과 경도, 내마모성 간의 강력한 상관관계입니다. 논문의 Table 3에 따르면, 중력 주조 샘플(A)의 경도는 69 VHN에 불과했지만, 스퀴즈 캐스팅 압력이 증가함에 따라 경도는 꾸준히 상승하여 53 MPa에서 제작된 샘플(E)은 118 VHN에 도달했습니다. 이는 약 71%의 경도 증가를 의미합니다. 이러한 경도 증가는 Figure 9에 나타난 마모율 감소 결과와 직접적으로 연결됩니다. 압력이 높을수록 마모율이 현저히 낮아져, 부품의 내구성이 크게 향상될 수 있음을 시사합니다.

Finding 2: 미세구조 미세화 및 수축 기공 감소를 통한 밀도 개선

압력은 합금의 미세구조에도 결정적인 영향을 미쳤습니다. Figure 3의 중력 주조 샘플은 비교적 조대한 초정 α-Al상과 침상(flake) 실리콘 상을 보인 반면, 압력이 증가함에 따라(Figure 4-7) 공정 조직이 전반적으로 미세해지는 것이 관찰되었습니다. 또한, Table 3의 밀도 측정 결과는 흥미로운 현상을 보여줍니다. 가장 낮은 압력(7.5 MPa)에서는 밀도가 오히려 감소했지만, 압력이 23 MPa 이상으로 증가하면서 밀도가 꾸준히 증가하여 53 MPa에서는 이론 밀도(2.68 g/cm³)에 근접한 2.674 g/cm³를 기록했습니다. 이는 높은 압력이 응고 과정에서 발생하는 수축 기공을 효과적으로 제거하여 치밀한 조직을 형성했기 때문으로 분석됩니다.

Practical Implications for R&D and Operations

본 연구 결과는 다양한 분야의 엔지니어들에게 실질적인 통찰력을 제공합니다.

• For Process Engineers: 이 연구는 스퀴즈 캐스팅 압력이 경도 및 내마모성과 같은 핵심 기계적 특성을 제어하는 직접적인 변수임을 보여줍니다. 목표 품질에 따라 압력을 정밀하게 조절함으로써 제품의 성능을 최적화할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: 논문의 Table 3에 제시된 압력-경도 데이터와 Figure 4-7의 미세구조 사진은 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 유용한 참고 자료가 될 수 있습니다. 특정 압력에서 기대되는 경도 값과 미세구조 특성을 기준으로 품질 일관성을 확보할 수 있습니다.
• For Design Engineers: 높은 압력을 가하면 수축 기공이 효과적으로 감소하여 제품의 밀도가 향상된다는 사실은 누설 방지(leak-proof)나 피로 저항성이 중요한 부품 설계 시 중요한 고려사항입니다. 스퀴즈 캐스팅을 통해 더 신뢰성 높은 부품 설계가 가능해집니다.

Paper Details

Study on the Effect of Casting Pressure on the Wear Resistance of Al-Si Alloy Prepared by Squeeze Casting

1. Overview:

• Title: Study on the Effect of Casting Pressure on the Wear Resistance of Al-Si Alloy Prepared by Squeeze Casting
• Author: Muna Khedier Abbass and Osama Sultan Muhammed
• Year of publication: 2012
• Journal/academic society of publication: JKAU: Eng. Sci., Vol. 23 No. 1
• Keywords: Squeeze casting, Wear resistance, Al-Si alloy.

2. Abstract:

본 연구에서는 일정한 주입 및 금형 예열 온도 조건에서 가해진 주조 압력이 스퀴즈 캐스팅으로 제작된 Al-Si 합금의 미세구조와 내마모성에 미치는 영향을 조사했다. 결과는 스퀴즈 압력이 증가함에 따라 미세구조가 미세해짐을 보여주었다. 또한, 7.5 MPa의 압력을 가했을 때 시편의 밀도는 감소했지만, 53 MPa까지 더 높은 압력에서는 꾸준히 증가했다. 스퀴즈 압력을 높이면 경도가 증가하고 마모율이 감소했다. 이러한 결과는 응고 중 압력 적용으로 인한 치밀화 메커니즘을 기반으로 설명되었다.

3. Introduction:

스퀴즈 캐스팅은 러시아에서 반세기 동안 사용되어 왔으며 현재 서구에서도 활용되고 있다. 예를 들어, 일본의 토요타 자동차는 1979년 승용차 제품 라인에 스퀴즈 캐스팅 알루미늄 합금 휠을 도입했다. 알루미늄 합금 357(Al-7Si-0.5Mg)을 모래, 중력 금형 및 스퀴즈 캐스팅으로 제조했을 때, 그 특성이 월등히 우수했으며, 특히 연성의 개선이 두드러졌다. 스퀴즈 캐스팅의 상업적 개발은 Dorcic과 Verma가 보고한 바와 같이 1960년 이후 유럽, 북미, 일본에서 이루어졌다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

스퀴즈 캐스팅은 주조와 단조 공정을 결합한 기술로, 액상 금속 단조라고도 알려져 있다. 이 공법은 낮은 기공률과 우수한 기계적 특성을 가진 부품을 생산하는 데 효과적이며, 특히 안전이 중요한 알루미늄 부품 생산에 널리 사용된다.

Status of previous research:

이전 연구들은 스퀴즈 캐스팅이 중력 주조에 비해 우수한 기계적 특성(인장강도, 피로 저항성 등)을 제공함을 보여주었다. 예를 들어, Davidson 등은 Al-7Si-xMg 합금의 피로 특성을 연구했고, Cay와 Kurnaz는 아연-알루미늄 합금의 우수한 피로 저항성을 보고했다. 그러나 주조 압력이 Al-Si 합금의 내마모성에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구는 더 필요했다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 일정한 주입 및 금형 예열 온도에서 주조 압력 또는 가압 압력이 스퀴즈 캐스팅된 샘플의 미세구조와 내마모성에 미치는 영향을 연구하고, 이를 중력 다이캐스팅 샘플과 비교하는 것이다.

Core study:

Al-12%Si 합금을 사용하여 중력 다이캐스팅 샘플 1개와 4가지 다른 압력(7.5, 23, 38, 53 MPa) 조건에서 스퀴즈 캐스팅 샘플 4개를 제작했다. 제작된 샘플들의 미세구조, 경도, 밀도, 기공률 및 마모율을 측정하고, 압력 변화에 따른 특성 변화를 분석했다.

5. Research Methodology

Research Design:

중력 다이캐스팅을 대조군으로 설정하고, 스퀴즈 캐스팅 압력을 7.5 MPa에서 53 MPa까지 4단계로 변화시키는 것을 독립 변수로 하여 각 조건이 Al-Si 합금의 미세구조, 경도, 밀도, 내마모성에 미치는 영향을 평가하는 실험적 연구 설계를 채택했다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 미세구조 및 경도: 시편을 연마 및 에칭한 후 광학 현미경으로 미세구조를 관찰했다. 비커스 경도 시험기를 사용하여 300mg 하중으로 경도를 측정했다.
• 밀도 및 기공률: 정밀 저울로 시편의 무게를 측정하고 부피를 계산하여 실제 밀도를 구했으며, 이론 밀도와 비교하여 기공률을 계산했다.
• 마모 시험: ASTM 규격에 따라 Pin-On-Disc 마모 시험기를 사용하여 마모 시험을 수행하고, 시험 전후의 무게 변화를 측정하여 마모율을 계산했다.

Research Topics and Scope:

연구는 Al-12%Si 합금에 국한되며, 주입 온도(700°C)와 금형 온도(200°C)는 고정된 상태에서 스퀴즈 캐스팅 압력(0~53 MPa)의 영향만을 집중적으로 다루었다.

6. Key Results:

Key Results:

• 스퀴즈 캐스팅으로 제작된 샘플은 중력 다이캐스팅 샘플보다 높은 경도 값을 보였다.
• 가압 압력이 7.5 MPa에서 53 MPa로 증가함에 따라 비커스 경도는 82 VHN에서 118 VHN으로 증가했다.
• 압력이 증가함에 따라 공정 조직이 미세해지는 등 미세구조가 개선되었다.
• 밀도는 7.5 MPa의 낮은 압력에서 일시적으로 감소했으나, 압력이 더 증가함에 따라 꾸준히 증가하여 53 MPa에서 이론 밀도에 근접했다.
• 스퀴즈 캐스팅 압력이 증가할수록 마모율은 감소하여 내마모성이 향상되었다.

Figure Name List:

• Fig. 1. The hydraulic press.
• Fig. 2(a). The punch and the die on the press.
• Fig. 2 (b,c). Schematic diagrams of the squeeze punch and the die (mm).
• Fig. 3. Microstructure of gravity die cast sample A: without pressure.
• Fig. 4. Microstructure of squeeze cast sample B: at P=7.5MPa.
• Fig. 5. Microstructure of squeeze cast sample C: at P=23MPa.
• Fig. 6. Microstructure of squeeze cast sample D: at P=38MPa.
• Fig. 7. Microstructure of squeeze cast sample E: at P=53MPa.
• Fig. 8. Effect of the squeeze casting pressure on Vickers hardness number of different alloys.
• Fig. 9. Effect of the squeeze casting pressure on wear rate of alloy (Al-12%Si) at a sliding speed of 2.7 m/sec, applied load in wear test of 20 N and sliding time of 20 min.

7. Conclusion:

• 미세구조 분석 결과, 스퀴즈 캐스팅은 중력 다이캐스팅에 비해 작은 결정립 크기와 미세한 공정 조직 형태를 보였다.
• 스퀴즈 캐스팅으로 생산된 샘플은 중력 다이캐스팅 기술보다 높은 비커스 경도 값과 내마모성을 가졌다.
• 스퀴즈 캐스팅 샘플에 가해지는 압력이 증가함에 따라 경도 값은 53 MPa에서 최대 118 VHN까지 증가했으며, 이는 중력 주조 샘플의 69 VHN과 비교된다.
• 스퀴즈 캐스팅 샘플의 실제 밀도는 개선되어 2.67 g/cm³에 도달했으며, 이는 응고 중 가해진 압력 증가로 인한 수축 기공 감소 덕분에 이론 밀도인 2.68 g/cm³에 근접했다.
• 마모된 표면의 미끄럼 방향으로 나타난 희미한 마모선은 더 높은 압력에서 생산된 스퀴즈 캐스트 샘플에서 경미한 마모 모드가 나타남을 시사하며, 이는 더 높은 내마모성을 의미한다.

8. References:

• [1] Polmear, I.J., "Light Alloys, Metallurgy of the Light Metals", 2nd Edition, Edward Arnold, Great Britain (1989).
• [2] Lavington, M.H., "Mechanical Properties of 357 Aluminum Alloy produced By Different Casting Processes", Metals and Materials, 2: 713 (1986).
• [3] Chadwick, G.A., "Tensile Properties of Squeeze Cast Alloy 7010 as a Function Squeezing Pressure", Metals and Materials, 2: 693(1986).
• [4] Dorcic, J.L. and Verma, S.K., "Squeeze Casting", Metals Handbook, 9th Edition (1990).
• [5] Bonollo, F., "Squeeze Casting, An Advanced Process", Aluplanet Daily, www.aluplanet.com.
• [6] Davidson, C.J., Griffiths and J.R., Zanada, A., "Fatigue Properties of Squeeze, Semisolid and Gravity Die Cast Al-Si-Mg Alloy", SIF2004, Structural Integrity and Fracture. http:// eprint.uq.edu.au./archive/0000836.
• [7] Cay, F. and Kurnaz, S.C., "Hot Tensile and Fatigue Behavior of Zinc-Aluminum Alloys Produced by Gravity and Squeeze casting", Materials and Design, 26: 479-485 (2005).
• [8] Davis, J.R., "Casting", Metals Handbook, Second Edition, part 3 (1998).
• [9] Vijian, P. and Arunachalam, V.P., "Modelling and multi objective optimization of LM24 aluminum alloy squeeze cast process parameters using genetic algorithm", J. Mat. Proc. Tech., 186: 82-86 (2007).
• [10] Renyi Casting Machinery, "Sand Casting", Sand Castings Journal, 27:Nov. (2007).
• [11] Yue, T.M., "Squeeze casting of high-strength aluminum wrought alloy AA7010", J. Mat. Proc. Tech., 66: 179-185 (1997).
• [12] The Aluminum Association, Inc., Washington, D.C., 900 19th Street, N.W. (2006) www.aluminum.org
• [13] Al-Khazraji, K.K., Moosa, A.A. and Muhammed, O.S., "Microstructure, Density, Hardness and Wear Resistance of Squeeze Cast Graphite Particles Reinforced Aluminum-Silicon Composites", Proceeding of the first scientific conference on nanotechnology,
• [14] ASTM, "Metals Test Method and Analytical Procedure", Vol. 05.02 (1989).
• [15] U. N. I. D. O., "Advances in Material Tech.", Monitor Vienna International Center, Austria, pp: 9-11 (1990).
• [16] Maleki, A., Niroumand, B. and Shafyei, A., "Effects of squeeze casting parameters on density, macrostructure and hardness of LM13 alloy", Mat. Sci. Eng., A428: 135-140 (2006).
• [17] Raji A. and Khan R.H., "Effects of pouring temperature and squeeze pressure on Al-8 % Si alloy squeeze cast parts", AU J. T., 9(4): 229-237 (2006).
• [18] Sukumaran, K., Ravikumar, K.K., Pillai, S.G.K., Rajan, T.P.D., Ravi, M., Pillai, R.M. and Pai, B.C., "Studies on squeeze casting of Al 2124 alloy and 2124 -10% SiCp metal matrix composite", Materials Science and Engineering A, 490: 235-241(2008).
• [19] Franklin, J.R. and Das, A.A., "Squeeze Casting – A Review of the Status", British Foundryman Journal, 77: 150-158 (1984).

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 AlSi12 합금을 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 네, 논문에 따르면 AlSi12 합금은 공정(eutectic) 조성으로 인해 매우 우수한 주조성과 용접성을 가지고 있으며, 570°C의 낮은 용융점을 가집니다. 이러한 특성 덕분에 복잡하고 얇은 벽을 가진 부품이나 누설 방지, 피로 저항성이 요구되는 주물에 특히 적합하여 실험 재료로 선정되었습니다.

Q2: 가장 낮은 압력인 7.5 MPa에서 밀도가 오히려 감소한 이유는 무엇인가요?

A2: 논문에서는 이 현상을 수축 기공의 거동으로 설명합니다. 압력이 없는 상태에서는 수축이 주물 상단에 큰 수축관(shrinkage pipe) 형태로 집중됩니다. 하지만 7.5 MPa 정도의 불충분한 압력은 이 수축관과 기공들을 완전히 제거하지 못하고 오히려 주물 내부(bulk)로 밀어 넣는 역할을 하게 됩니다. 결과적으로 시편 중앙부에 기공이 분산되어 전체 밀도가 일시적으로 감소할 수 있습니다.

Q3: 압력이 증가함에 따라 구체적으로 어떤 미세구조 변화가 관찰되었나요?

A3: 압력이 증가할수록 공정 조직(eutectic phase)이 미세해지는 것이 가장 큰 특징입니다. 중력 주조 샘플(Figure 3)과 비교했을 때, 스퀴즈 캐스팅 샘플(Figure 4-7)은 α-알루미늄 수지상(dendrite)의 크기가 훨씬 작고 덜 발달한 형태를 보였습니다. 이는 높은 압력 하에서 빠른 응고와 냉각이 일어나 결정 성장이 억제되었기 때문입니다.

Q4: 경도 개선 효과는 정량적으로 어느 정도였나요?

A4: 개선 효과는 매우 컸습니다. Table 3에 따르면, 중력 다이캐스팅 샘플의 경도는 69 VHN이었던 반면, 53 MPa의 압력으로 제작된 스퀴즈 캐스팅 샘플의 경도는 118 VHN으로 측정되었습니다. 이는 약 71%의 경도 증가에 해당하며, 압력이 기계적 특성 향상에 얼마나 효과적인지를 명확히 보여주는 수치입니다.

Q5: 고압으로 제작된 샘플에서 관찰된 마모 메커니즘은 무엇이었나요?

A5: 논문의 Figure 10(e)에서 볼 수 있듯이, 53 MPa의 고압으로 제작된 샘플의 마모 표면은 매끄럽고 유리 같은 마감과 함께 미끄럼 방향으로 희미한 마모선만 관찰되었습니다. 이는 마모가 심하게 일어나는 대신, 표면이 부드럽게 마모되는 '경미한 마모(mild abrasion wear)' 모드가 지배적임을 나타냅니다. 이는 높은 경도와 치밀한 조직 덕분에 우수한 내마모성을 갖게 되었음을 의미합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 스퀴즈 캐스팅 공정에서 주조 압력이 Al-Si 합금의 품질을 결정하는 핵심적인 역할을 한다는 것을 명확하게 보여주었습니다. 압력을 높임으로써 미세구조를 제어하고, 경도와 밀도를 향상시키며, 궁극적으로 내마모성을 극대화할 수 있습니다. 이러한 결과는 고성능, 고내구성이 요구되는 자동차 및 항공우주 부품 생산에 있어 중요한 공학적 지침을 제공합니다.

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

Copyright Information

• 이 콘텐츠는 "[Muna Khedier Abbass, Osama Sultan Muhammed]"의 논문 "[Study on the Effect of Casting Pressure on the Wear Resistance of Al-Si Alloy Prepared by Squeeze Casting]"을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• Source: [https://doi.org/10.4197/Eng.23-1.1]

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