Use of Casting Simulation and Rapid Prototyping in an Undergraduate Course in Manufacturing Processes

30% 강도 향상: Floster S 기술을 활용한 알루미늄 어블레이션 주조의 혁신

이 기술 요약은 J. Kamińska 외 저자가 2019년 ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING에 발표한 학술 논문 "The Use of Floster S Technology in Modified Ablation Casting of Aluminum Alloys"를 기반으로 작성되었습니다.

키워드

• 주요 키워드: 알루미늄 어블레이션 주조
• 보조 키워드: Floster S 기술, 주물사 기계적 특성, AlSi7Mg 미세구조, 주조 냉각 속도, 인장 강도 향상

핵심 요약

• 도전 과제: 복잡한 형상과 얇은 벽을 가진 알루미늄 주조품에서 기존 공법의 한계를 넘어 미세구조를 개선하고 기계적 특성을 향상시키는 것입니다.
• 연구 방법: 함수 규산나트륨 기반의 Floster S 기술로 제작된 주물사를 사용하여 AlSi7Mg 합금에 대한 어블레이션 주조 공정을 수행하고, 전통적인 중력 주조 방식과 비교 분석했습니다.
• 핵심 발견: 어블레이션 주조는 냉각 속도를 극대화하여 불규칙한 라멜라 공정을 미세한 섬유상 공정으로 변태시켰고, 이로 인해 인장 강도가 약 30% 향상되었습니다.
• 결론: 어블레이션 주조 기술은 표면 품질 저하라는 단점에도 불구하고, 주조품의 미세구조를 획기적으로 개선하고 기계적 강도를 크게 높일 수 있는 잠재력을 가진 공법입니다.

도전 과제: 이 연구가 다이캐스팅 전문가에게 중요한 이유

복잡한 형상과 다양한 두께를 가진 주조품, 특히 자동차 차체 부품이나 프레임 빔 연결부와 같은 고성능 부품의 제조는 항상 어려운 과제였습니다. 전통적인 사형 주조 방식은 상대적으로 느린 냉각 속도로 인해 결정립이 조대해지고 기계적 특성이 저하될 수 있는 문제를 안고 있습니다. 특히, 주조품과 주형 사이에 발생하는 가스 갭은 열전달을 방해하여 이러한 문제를 더욱 심화시킵니다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 주조 응고 중에 주형을 냉각 매체(물)로 직접 분사하여 급속 냉각시키는 '어블레이션 주조' 기술이 주목받고 있습니다. 이 기술은 주조품 단면에 큰 온도 구배를 형성하여 수축 기공 발생을 억제하고, 매우 미세한 미세구조를 형성하여 최종 제품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다. 본 연구는 친환경적인 무기 바인더(함수 규산나트륨)를 사용하는 Floster S 기술을 어블레이션 주조에 적용하여 그 효과와 산업적 적용 가능성을 검증하고자 했습니다.

연구 접근법: 방법론 분석

본 연구는 최적의 주물사 조성 선정과 실제 주조 공정 비교라는 두 단계로 진행되었습니다.

1. 주물사 조성 최적화:
   • 재료: Grudzeń Las 광산의 규사, 바인더로는 R145 등급의 물유리(함수 규산나트륨), 경화제로는 Flodur 3(에틸렌글리콜 디아세테이트 에스테르)를 사용했습니다.
   • 변수: 바인더 함량(중량 대비 2.0, 2.5, 3.0 파트)과 경화제 함량(바인더 양 대비 8, 10, 12%)을 달리하여 시편을 제작했습니다.
   • 평가: 24시간 상온 경화 후 굽힘 강도와 인장 강도를 측정하여, 어블레이션 공정에 필요한 강도(금속 용탕의 압력을 견디면서도 물 분사에 의해 쉽게 파괴될 수 있는 수준)를 가진 최적의 조성을 선택했습니다. 최종적으로 규사 100 파트, 물유리 R145 2.5 파트, Flodur 3 10% 조성이 선정되었습니다.
2. 주조 공정 및 비교 분석:
   • 합금: AlSi7Mg (AK7) 알루미늄 합금을 사용했습니다.
   • 어블레이션 주조: 특수 설계된 장치(폴란드 특허 No.P.404518)를 사용했습니다. 720°C의 용탕을 주입하고 15초 후, 주형을 분당 40회전시키면서 11 MPa 압력의 물(24°C)을 분사했습니다. 5분 후 주형이 완전히 붕괴되고 냉각된 주조품을 얻었습니다.
   • 전통적 주조: 비교를 위해 동일한 주형에 용탕을 주입한 후 상온에서 자연 냉각 및 응고시켰습니다.
   • 분석: 두 방식으로 제작된 주조품에 대해 표면 품질(Ra, Rmax), 미세구조(광학 현미경, 100x 및 500x 배율), 기계적 특성(인장 시험)을 평가했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 미세구조 개선 및 섬유상 공정으로의 변태

어블레이션 주조의 가장 두드러진 효과는 미세구조의 극적인 개선이었습니다. 급격한 냉각 속도로 인해 덴드라이트 간 간격이 감소했으며, 매우 미세하고 균일한 미세구조가 형성되었습니다.

특히, 물 분사가 가장 집중적으로 이루어지는 주조품 중앙부(Area No. 2)에서는 전통적 방식에서 관찰되는 불규칙한 라멜라(층상) 공정이 미세한 섬유상 공정으로 변태하는 현상이 관찰되었습니다(그림 8 및 9 참조). 이는 마치 Na 또는 Sr을 첨가하여 개량 처리를 한 것과 유사한 효과로, 기계적 특성 향상에 직접적으로 기여하는 핵심적인 변화입니다.

결과 2: 인장 강도 30% 향상, 단 표면 거칠기 저하

기계적 특성 시험 결과, 어블레이션 주조의 우수성이 명확히 드러났습니다.

• 표 1에 따르면, 전통적 방식으로 제작된 주조품의 인장 강도(Rm)는 101 MPa였던 반면, 어블레이션 주조품은 129 MPa로 약 30% 가까이 향상되었습니다.
• 하지만 이러한 강도 향상에는 대가가 따랐습니다. 평균 표면 거칠기(Ra)는 전통적 방식의 8.41 µm에서 어블레이션 방식의 12.11 µm로 증가하여 표면 품질이 저하되었습니다. 최대 표면 프로파일 편차(Rmax) 역시 74.47 µm에서 153.46 µm로 크게 증가했습니다.

이는 어블레이션 공정이 내부 품질을 극대화하는 대신 외부 표면의 정밀도는 희생하는 특성을 가짐을 시사합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 이 연구는 냉각 매체(물 분사 압력, 온도, 분사 시작 시간 등)의 정밀한 제어가 최종 제품의 미세구조와 기계적 특성을 결정하는 핵심 변수임을 시사합니다. 특히, 특정 부위의 강도 향상을 위해 국소적인 냉각 제어 전략을 고려해볼 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 표 1의 데이터는 어블레이션 공법으로 달성 가능한 기계적 물성의 기준점을 제공합니다. 동시에, 표면 거칠기 증가는 후가공 공정의 필요성을 암시하므로, 최종 제품의 요구 사양에 따라 공법 적용 여부를 신중히 결정해야 합니다.
• 설계 엔지니어: 어블레이션 주조는 복잡하고 얇은 벽 구조에서 기존 공법으로는 달성하기 어려운 높은 강도를 구현할 수 있음을 보여줍니다. 이는 부품 경량화와 성능 향상을 동시에 추구하는 초기 설계 단계에서 중요한 고려사항이 될 수 있습니다.

논문 상세 정보

The Use of Floster S Technology in Modified Ablation Casting of Aluminum Alloys

1. 개요:

• Title: The Use of Floster S Technology in Modified Ablation Casting of Aluminum Alloys
• Author: J. Kamińska, M. Angrecki, S. Puzio, M. Hosadyna-Kondracka, K. Major-Gabryś
• Year of publication: 2019
• Journal/academic society of publication: ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING
• Keywords: Moulding sands, Ablation casting, Water glass, Floster S, Mechanical properties of casting, Surface quality

2. 초록:

Ablation casting is a technological process in which the increased cooling rate causes microstructure refinement, resulting in improved mechanical properties of the final product. This technology is particularly suitable for the manufacture of castings with intricate shapes and thin walls. Currently, the ablation casting process is not used in the Polish industry. This article presents the results of strength tests carried out on moulding sands based on hydrated sodium silicate hardened in the Floster S technology, intended for ablation casting of the AlSi7Mg (AK7) aluminium alloy. When testing the bending and tensile strengths of sands, parameters such as binder and hardener content were taken into account. The sand mixtures were tested after 24h hardening at room temperature. The next stage of the study describes the course of the ablation casting process, starting with the manufacture of foundry mould from the selected moulding mixture and ending in tests carried out on the ready casting to check the surface quality, structure and mechanical properties. The results were compared with the parallel results obtained on a casting gravity poured into the sand mould and solidifying in a traditional way at ambient temperature.

3. 서론:

Ablation casting is a modern technology of casting into foundry moulds that are intensively cooled during casting solidification. The process was patented by Alotech in 2006 and its essence consists in this that the alloy is cast into a sand mould and when it is still in a liquid state, the mould is being washed from a certain distance with jets of the cooling medium until full desintegration of the moulding material takes place. Castings made by this technology are used in the automotive industry as parts of the bodywork, in the crushing zone, or as connecting links of the frame beams. Their use reduces vehicle weight and improves anti-collision protection. A characteristic feature of this process is the direct contact of water with the surface of the casting, eliminating the occurrence of a gas gap typical of all other casting methods and reducing heat transfer from the casting to the outside. A large temperature gradient on the casting cross-section allows avoiding the occurrence of shrinkage porosity, while the solidification process under the conditions of rapid heat removal produces casting with a very fine microstructure. Therefore, this technology is mainly applicable to castings with intricate shapes and diversified wall thicknesses made in sand moulds, in which a lower cooling rate may cause unfavourable grain growth. Nowadays, in the foundry industry, more and more attention is paid to the process ecology, and for this reason, inorganic binders are enjoying increasing popularity.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

어블레이션 주조는 주조 응고 중 주형을 냉각 매체로 제거하여 냉각 속도를 높여 미세구조를 미세화하고 기계적 특성을 향상시키는 공정입니다. 특히 복잡한 형상과 얇은 벽을 가진 주조품에 적합합니다.

이전 연구 현황:

함수 규산나트륨(물유리)과 같은 무기 바인더는 친환경성으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 1968년 액상 경화제가 개발되면서 바인더 첨가량을 줄여 주형의 붕괴성을 개선하면서도 높은 강도를 유지할 수 있게 되었습니다.

연구 목적:

본 연구는 함수 규산나트륨을 기반으로 하는 Floster S 기술로 제작된 주물사가 AlSi7Mg(AK7) 알루미늄 합금의 어블레이션 주조에 적합한지 평가하는 것을 목표로 합니다. 또한, 어블레이션 주조로 제작된 주조품의 표면 품질, 미세구조, 기계적 특성을 전통적인 중력 주조 방식과 비교 분석하고자 합니다.

핵심 연구:

• 다양한 바인더 및 경화제 함량을 가진 주물사의 굽힘 및 인장 강도 시험을 통해 최적의 주물사 조성을 선정.
• 선정된 주물사로 주형을 제작하여 어블레이션 주조 및 전통적 중력 주조 공정 수행.
• 두 공정으로 제작된 주조품의 표면 품질, 미세구조, 기계적 특성을 비교 평가.

5. 연구 방법론

연구 설계:

실험적 연구 설계로서, 독립 변수(주조 방식: 어블레이션 vs. 전통적)가 종속 변수(표면 품질, 미세구조, 기계적 특성)에 미치는 영향을 비교 분석했습니다. 주물사 조성 선정을 위한 예비 실험도 포함되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 주물사 강도: 표준 시편을 제작하여 굽힘 강도(Rgu) 및 인장 강도(Rmu)를 측정했습니다.
• 미세구조 분석: 주조품의 세 부위에서 시편을 채취하여 1% HF 용액으로 에칭한 후, AxioObserver Zmo10 광학 현미경과 SCIOS FEI 주사전자현미경(SEM)으로 관찰했습니다.
• 표면 품질: 표면 거칠기 측정기를 사용하여 평균 표면 거칠기(Ra)와 최대 표면 프로파일 편차(Rmax)를 측정했습니다.
• 기계적 특성: 표준 인장 시험편을 제작하여 항복 강도(Rp0,2), 인장 강도(Rm), 연신율(A), 단면 수축률(Z)을 측정했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 AlSi7Mg 알루미늄 합금을 대상으로 Floster S 기술을 적용한 어블레이션 주조 공법의 효과를 검증하는 데 초점을 맞춥니다. 연구 범위는 주물사 특성 평가, 주조 공정 수행, 그리고 최종 주조품의 물리적 및 기계적 특성 분석을 포함합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 어블레이션 주조에 적합한 최적의 주물사 조성은 규사 100 중량부, 물유리 R145 2.5 중량부, Flodur 3 경화제 10%(바인더 대비)로 결정되었습니다.
• 어블레이션 주조품의 표면 거칠기(Ra=12.11 µm)는 전통적 주조품(Ra=8.41 µm)보다 약 30% 더 높게 나타나 표면 품질이 저하되었습니다.
• 어블레이션 주조는 급속 냉각을 통해 덴드라이트 간 간격을 줄이고 미세하고 균일한 미세구조를 형성했습니다. 특히, 주조품 중앙부에서는 불규칙한 라멜라 공정이 섬유상 공정으로 변태되었습니다.
• 어블레이션 주조품의 인장 강도(129 MPa)는 전통적 주조품(101 MPa)에 비해 약 30% 향상되었습니다.

Figure Name List:

• Fig. 1. Bending strength Rg" after 24h hardening using various contents of water glass and hardener
• Fig. 2. Tensile strength Rm" after 24h hardening using various contents of water glass and hardener
• Fig. 3. Scanning images of the sand mixture samples containing 2.5 parts by weight of binder and hardener in an amount of 10% relative to the amount of binder: a, b - 500x, c - 800x
• Fig. 4. Scheme of the device for moulding sand removal from casting and casting cooling
• Fig. 5. Scheme of wooden flask for mould making
• Fig. 6. Individual stages of mould making for ablation casting: a - wooden flask, b – mould resting in the flask, c – mould ready for pouring
• Fig. 7. The course of the modified ablation casting process, a - mould placed on the work table, b - mould cooled with water, c - view of the ready casting removed from the mould by ablation process.
• Fig. 8. Sampling sites and as-cast microstructures at 100x magnification; a - casting made by the traditional process, b - casting made by the modified ablation technology
• Fig. 9. Sampling sites and as-cast microstructures at 500x magnification: a - casting made by the traditional process, b - casting made by the modified ablation technology

7. 결론:

• 낮은 바인더 함량에도 불구하고 Floster S 기술은 어블레이션 주조 공정에 필요한 최적의 강도를 가진 주물사를 얻는 것을 가능하게 합니다.
• 어블레이션 기술로 제작된 주조품은 전통적인 공정으로 제작된 주조품보다 표면 품질이 좋지 않으며, 표면 거칠기가 30% 더 높습니다.
• 주조 냉각 속도의 증가는 덴드라이트 간 간격을 줄여 미세하고 균일한 미세구조를 얻게 합니다. 가장 강하게 냉각된 영역에서는 불규칙한 라멜라 공정이 섬유상 공정으로 변태됩니다.
• 어블레이션 주조 기술은 주조품의 기계적 특성을 향상시킵니다. 인장 강도는 101 MPa에서 129 MPa로 약 30% 증가합니다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 주물사의 굽힘 강도를 약 1.5 MPa로 설정한 이유는 무엇인가요?

A1: 논문에 따르면, 어블레이션 주조용 주물사는 두 가지 상반된 요구조건을 만족해야 합니다. 첫째, 용탕의 정압을 견딜 수 있을 만큼 충분히 강해야 합니다. 둘째, 냉각 매체인 물 분사에 의해 완전히 붕괴될 수 있을 만큼 충분히 약해야 합니다. 실험 결과, 굽힘 강도 약 1.5 MPa가 이 두 조건을 모두 만족시키는 최적의 값으로 간주되었습니다.

Q2: 가장 강하게 냉각된 부위에서 관찰된 구체적인 미세구조 변화는 무엇이었나요?

A2: 가장 강하게 냉각된 주조품 중앙부(Area No. 2)에서는 불규칙한 라멜라(층상) 공정이 섬유상 공정으로 변태하는 현상이 뚜렷하게 관찰되었습니다. 이는 그림 8과 9의 b 이미지를 전통적 방식의 a 이미지와 비교하면 명확히 확인할 수 있습니다. 이러한 구조적 변화는 기계적 특성, 특히 인장 강도와 연성을 향상시키는 데 결정적인 역할을 합니다.

Q3: 연구에 사용된 어블레이션 공정의 정확한 파라미터는 무엇이었나요?

A3: 연구에 사용된 공정 파라미터는 다음과 같습니다. AlSi7Mg 합금을 720°C에서 주입하고, 15초의 지연 시간 후 주형을 분당 40회(40 rpm)로 회전시켰습니다. 동시에 24°C의 물을 11 MPa의 압력으로 분사했으며, 주형이 완전히 붕괴되는 데는 5분이 소요되었습니다.

Q4: 어블레이션 주조를 사용했을 때 나타난 가장 큰 장단점(trade-off)은 무엇이었나요?

A4: 가장 큰 장단점은 기계적 강도와 표면 품질 사이의 관계였습니다. 어블레이션 주조는 인장 강도를 약 30%나 크게 향상시키는 명백한 장점을 보였습니다. 하지만 그 대가로 평균 표면 거칠기(Ra)가 30% 이상 증가하여 표면 품질이 저하되는 단점을 보였습니다. 따라서 이 기술은 내부 강도가 매우 중요하고 후가공이 예정된 부품에 더 적합할 수 있습니다.

Q5: 이 연구에서 사용된 바인더 시스템은 무엇이며, 왜 주목할 만한가요?

A5: 이 연구에서는 함수 규산나트륨(물유리)을 바인더로, Flodur 3를 경화제로 사용하는 Floster S 기술을 사용했습니다. 이 시스템은 유기 용제를 사용하지 않는 무기질, 수성 바인더라는 점에서 주목할 만합니다. 이는 주조 산업의 친환경 트렌드에 부합하며, 주형이 물(어블레이션 매체)에 의해 쉽게 침출되고 붕괴되도록 보장하는 역할을 합니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 Floster S 기술을 활용한 알루미늄 어블레이션 주조가 AlSi7Mg 합금의 기계적 특성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 강력한 대안임을 입증했습니다. 급속 냉각을 통해 미세구조를 제어하고 인장 강도를 30%나 높인 결과는 고성능 경량 부품 생산에 새로운 가능성을 제시합니다. 비록 표면 품질 저하라는 과제가 남아있지만, 이는 어플리케이션의 요구사항과 후가공 전략을 통해 충분히 관리될 수 있습니다.

"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, CASTMAN의 엔지니어링 팀에 문의하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오."

저작권 정보

• 이 콘텐츠는 "J. Kamińska" 외 저자의 논문 "The Use of Floster S Technology in Modified Ablation Casting of Aluminum Alloys"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://doi.org/10.24425/afe.2019.129634

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