[학위논문]반고상 Al-Si 합금의 슬러리 제조변수에 따른 초정의 성장기구와 유동특성에 관한 연구 Effects of process parameters on microstructural evolution and fluid flow characteristics of Al-Si alloys in semi-solid state : numerical simulation and experimental verification원문보기
에너지절약과 환경문제의 해결을 위해, 주조분야에서 정형주조(net shape casting)와 경량화가 주요 이슈로 부각되면서, 철계를 대처하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 특히, 알루미늄은 철계에 비해 1/3 정도의 밀도, 내부식성, 높은 주조성에 힘입어 많은 관심을 받고 있다. 철계의 경우, 오랜 기간동안 많은 연구자들에 의하여 응고특성이 밝혀져 왔으며 산업적으로도 많이 사용되고 있으나 알루미늄의 경우, 산업적용이 130년 정도에 지나지 않으며, 주조나 단조용으로 알려져 있는 상용합금의 수도 20가지 내외로 상대적으로 적은 수이다. 현재, ...
에너지절약과 환경문제의 해결을 위해, 주조분야에서 정형주조(net shape casting)와 경량화가 주요 이슈로 부각되면서, 철계를 대처하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 특히, 알루미늄은 철계에 비해 1/3 정도의 밀도, 내부식성, 높은 주조성에 힘입어 많은 관심을 받고 있다. 철계의 경우, 오랜 기간동안 많은 연구자들에 의하여 응고특성이 밝혀져 왔으며 산업적으로도 많이 사용되고 있으나 알루미늄의 경우, 산업적용이 130년 정도에 지나지 않으며, 주조나 단조용으로 알려져 있는 상용합금의 수도 20가지 내외로 상대적으로 적은 수이다. 현재, 알루미늄합금은 인장강도, 경도든 기계적 성질에서 철계에 크게 미치지 못하고 있기 때문에 알루미늄합금에 대한 합금설계나 주조방법에 의한 기계적 성질 향상에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 합계설계에서는 입자미세화를 위한 입자미세화제 개발, Si 형상을 제어하기 위한 개량화제개발, 제 3원소나 열처리를 이용한 분산, 석출강화등의 연구가 진행되고 있으며, 주조방법에서는 용탕단조법, 반용융가공법등이 개발되고 있다. 특히 반용융가공법은 용탕단조법의 단점을 보완하며 고액공존구간에서의 가공에 의하여 치수정밀도가 우수하고, 기포의 혼입이 적으며, 용탕단조법에서 문제시되는 거시편석이 발생하지 않는 장점으로 생산 공정에 적용하기 위한 최적의 반용융가공법에 대한 연구가 진행 중이다. 지금까지 개발된 반용융가공법의 종류로는 기계적 교반법, 전자기교반법, MMC법, SIMA법, 저온주조법, NRC법등이 있다. 각각의 가공법들은 고르게 분포된 작은 초정의 입자가 구상화로 될 때 점성이 가장 저하된다는 점을 이용하고 있으나 이때 이용되는 반용융가공법들에 의한 유동의 변화나 영향, 구상화와 입자미세화를 위한 핵생성 등에 대한 연구나, 상호비교적인 연구에 대해서는 연구가 미비하다. 실제로 주조 공정에서 유동이 주물의 기계적 성질에 미치는 영향을 상당히 크며, 이것은 응고시 유동에 의한 응고천이 현상이나 기포의 혼입정도 뿐만 아니라 열적, 물질적인 대류를 포함하는 일련의 과정이 주물전체에 큰 영향을 미치고 있기 때문에 이들에 대한 정량적인 분석은 필수적이라 할 수 있다. 이번 연구에서는 첫째, 아공정 Al-Si 합금을 이용하여, 몰드를 회전하는 원심주조법과 교반자를 이용하여 bulk 용탕을 회전시키는 방법으로 각종 슬러리 제조 변수에 대한 강제유동시 응고조직의 편향현상과 조직천이현상을 살펴보았다. 몰드를 회전시키는 원심주조의 경우, 회전방향의 반대방향으로 주상정이 편향하였고, 순금속의 경우에는 편향현상이 관찰되지 않았으며 CET에서 ECT로의 밴드현상이 나타났다. 또한 주괴의 중심부분은 조대한 등축정이 발견되었다. 그러나 bulk 회전의 경우에는 순금속의 경우에도 편향현상이 관찰되었고, CET만 관찰되었으며, 주괴의 중심부에 미세화된 등축정이 관찰되었다. 이것은 액상에서의 bulk 회전도 입자미세화에 영향을 미치고 있음을 뜻한다. 주물의 응고조직을 제어하기 위해서는 각종 주조변수에 따른 응고조직의 천이에 대한 제반현상과 기본 기구를 이해하고 충분히 적용할 수 있어야한다. 특히 거시편석을 방지하고 주물의 기계적 성질을 향상시키기 위해서는 균일하고 미세한 등축정의 형성이 요구된다. 따라서 두 번째로 반용융응고가공시 용탕에 회전자를 이용한 기계적 교반의 방법과 무교반법에서의 입자미세화와 구상화의 성장기구에 대하여 살펴보았다. 이 두 방법의 비교는 전자의 경우 수지상의 절단과 분리를 이용하는 방법에 의해서 입자가 미세화 되는 것으로 연구되어왔으며, 후자의 경우에는 동시유발 핵생성에 의한 것으로 주장되고 있다. 일반적으로 기계적 교반의 경우 1500 rpm 이상의 고속회전를 요하지만 이번 실험에서는 50-200 rpm으로 변화시켜 실험하였다. 이것은 강제유동이 수지상을 분리시키기에는 충분하지 않은 정도의 교반력에 해당한다. 실험의 결과는 전자와 후자가 모두 구상의 미세화된 입자를 얻었으며 지금까지 주장된 것과는 다르게 초기에 생성된 등축수지상이 분리되면서 입자가 미세화 되며 이 잘려진 입자들이 조대화되면서 구형으로 표면적을 좁히며 안정화 되고 있음을 알 수 있었다. 셋째는, 무교반법과 NRC법, 기계적 교반법을 이용하여 박육주물에 적용시 반용융가공에서 가장 문제시 되었던 유동도의 문제를 해결하기 위한 최적의 반용융가공법을 조사하고 정해진 온도에서 초정의 형상이 유동에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 끝으로 MCA(Modified Cellular Automaton) model를 이용하여 무교반에 의한 슬러리의 핵생성과 성장과정을 수치 해석적 방법으로 해석한 실험결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다.
에너지절약과 환경문제의 해결을 위해, 주조분야에서 정형주조(net shape casting)와 경량화가 주요 이슈로 부각되면서, 철계를 대처하기 위한 많은 연구들이 진행되고 있다. 특히, 알루미늄은 철계에 비해 1/3 정도의 밀도, 내부식성, 높은 주조성에 힘입어 많은 관심을 받고 있다. 철계의 경우, 오랜 기간동안 많은 연구자들에 의하여 응고특성이 밝혀져 왔으며 산업적으로도 많이 사용되고 있으나 알루미늄의 경우, 산업적용이 130년 정도에 지나지 않으며, 주조나 단조용으로 알려져 있는 상용합금의 수도 20가지 내외로 상대적으로 적은 수이다. 현재, 알루미늄합금은 인장강도, 경도든 기계적 성질에서 철계에 크게 미치지 못하고 있기 때문에 알루미늄합금에 대한 합금설계나 주조방법에 의한 기계적 성질 향상에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 합계설계에서는 입자미세화를 위한 입자미세화제 개발, Si 형상을 제어하기 위한 개량화제개발, 제 3원소나 열처리를 이용한 분산, 석출강화등의 연구가 진행되고 있으며, 주조방법에서는 용탕단조법, 반용융가공법등이 개발되고 있다. 특히 반용융가공법은 용탕단조법의 단점을 보완하며 고액공존구간에서의 가공에 의하여 치수정밀도가 우수하고, 기포의 혼입이 적으며, 용탕단조법에서 문제시되는 거시편석이 발생하지 않는 장점으로 생산 공정에 적용하기 위한 최적의 반용융가공법에 대한 연구가 진행 중이다. 지금까지 개발된 반용융가공법의 종류로는 기계적 교반법, 전자기교반법, MMC법, SIMA법, 저온주조법, NRC법등이 있다. 각각의 가공법들은 고르게 분포된 작은 초정의 입자가 구상화로 될 때 점성이 가장 저하된다는 점을 이용하고 있으나 이때 이용되는 반용융가공법들에 의한 유동의 변화나 영향, 구상화와 입자미세화를 위한 핵생성 등에 대한 연구나, 상호비교적인 연구에 대해서는 연구가 미비하다. 실제로 주조 공정에서 유동이 주물의 기계적 성질에 미치는 영향을 상당히 크며, 이것은 응고시 유동에 의한 응고천이 현상이나 기포의 혼입정도 뿐만 아니라 열적, 물질적인 대류를 포함하는 일련의 과정이 주물전체에 큰 영향을 미치고 있기 때문에 이들에 대한 정량적인 분석은 필수적이라 할 수 있다. 이번 연구에서는 첫째, 아공정 Al-Si 합금을 이용하여, 몰드를 회전하는 원심주조법과 교반자를 이용하여 bulk 용탕을 회전시키는 방법으로 각종 슬러리 제조 변수에 대한 강제유동시 응고조직의 편향현상과 조직천이현상을 살펴보았다. 몰드를 회전시키는 원심주조의 경우, 회전방향의 반대방향으로 주상정이 편향하였고, 순금속의 경우에는 편향현상이 관찰되지 않았으며 CET에서 ECT로의 밴드현상이 나타났다. 또한 주괴의 중심부분은 조대한 등축정이 발견되었다. 그러나 bulk 회전의 경우에는 순금속의 경우에도 편향현상이 관찰되었고, CET만 관찰되었으며, 주괴의 중심부에 미세화된 등축정이 관찰되었다. 이것은 액상에서의 bulk 회전도 입자미세화에 영향을 미치고 있음을 뜻한다. 주물의 응고조직을 제어하기 위해서는 각종 주조변수에 따른 응고조직의 천이에 대한 제반현상과 기본 기구를 이해하고 충분히 적용할 수 있어야한다. 특히 거시편석을 방지하고 주물의 기계적 성질을 향상시키기 위해서는 균일하고 미세한 등축정의 형성이 요구된다. 따라서 두 번째로 반용융응고가공시 용탕에 회전자를 이용한 기계적 교반의 방법과 무교반법에서의 입자미세화와 구상화의 성장기구에 대하여 살펴보았다. 이 두 방법의 비교는 전자의 경우 수지상의 절단과 분리를 이용하는 방법에 의해서 입자가 미세화 되는 것으로 연구되어왔으며, 후자의 경우에는 동시유발 핵생성에 의한 것으로 주장되고 있다. 일반적으로 기계적 교반의 경우 1500 rpm 이상의 고속회전를 요하지만 이번 실험에서는 50-200 rpm으로 변화시켜 실험하였다. 이것은 강제유동이 수지상을 분리시키기에는 충분하지 않은 정도의 교반력에 해당한다. 실험의 결과는 전자와 후자가 모두 구상의 미세화된 입자를 얻었으며 지금까지 주장된 것과는 다르게 초기에 생성된 등축수지상이 분리되면서 입자가 미세화 되며 이 잘려진 입자들이 조대화되면서 구형으로 표면적을 좁히며 안정화 되고 있음을 알 수 있었다. 셋째는, 무교반법과 NRC법, 기계적 교반법을 이용하여 박육주물에 적용시 반용융가공에서 가장 문제시 되었던 유동도의 문제를 해결하기 위한 최적의 반용융가공법을 조사하고 정해진 온도에서 초정의 형상이 유동에 어떠한 영향을 미치는지 조사하였다. 끝으로 MCA(Modified Cellular Automaton) model를 이용하여 무교반에 의한 슬러리의 핵생성과 성장과정을 수치 해석적 방법으로 해석한 실험결과와 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다.
The advantages of the semi-solid processing has been studied since 1971 in MIT, by Flemings et. al. are a successful production of high quality without the inside defects, a suitable net shapes for less machining and an energy and cost saving system without conventional melting process. Semi-solid p...
The advantages of the semi-solid processing has been studied since 1971 in MIT, by Flemings et. al. are a successful production of high quality without the inside defects, a suitable net shapes for less machining and an energy and cost saving system without conventional melting process. Semi-solid processing requires a fine structure with a uniformly distributed equiaxed microstructure especially globular one without dendrite for these merits. For a fine and a globular structure, various methods have been used to produce the globular structures, such as mechanical(rheo-casting and thixo-casting), electro-magnetic stirring (magneto-hydrodynamic casting), strain induced melt activation (SIMA) and ultra sonic vibration (USV) etc. But there are some disadvantages in these methods. For example, In elector-magnetic casting, the controlling of uniform globular structure is difficult and in SIMA, there is a maximum billet size that can be processed imposed by requirement to impart the necessary level of deformation in the billet before reheating processing. In addition, until recently, the study of semi-solid process has been focused on solving the problems such as crack extrusion, shrinkage and hot tears etc. using the phenomena which it retards continuous dendrite networks to the high solid fraction by mechanical, electrical stirring or thermal treatment. Because in the stirred melt, the primary crystal has a non-dendritic globular structure and this structure has been proved low viscosity and uniform deformation give higher hardness than an usual alloys which has an equiaxed structure. But present casting methods in semi-solid process require collateral devices for a globular structure and have some difficulties in controlling the microstructures due to the stirring. To investigate the mechanism of the globular structure formation of Al-Si alloys, the effects of pouring temperature, cooling rate, and inoculation on the morphology of primary phase were studied by simulation and experiment. To simulate the evolution of primary phase during the solidification, a modified cellular automaton (MCA) model was applied. With the low pouring temperature of near liquidus line and slow cooling rate of below 0.3C/sec, uniform and small globular microstructures of 50 ㎛ can be obtained. As the pouring temperature and the cooling rate increase, the morphology of the primary phase transfers from globular to dendritic structure. The inoculation also has a strong effect on the formation of globular structure. The results show that theincrease of the nucleation density can make small and uniform globular microstructure in the case of the same diffusion time. The simulation results were also a good agreement with the experimental results.
The advantages of the semi-solid processing has been studied since 1971 in MIT, by Flemings et. al. are a successful production of high quality without the inside defects, a suitable net shapes for less machining and an energy and cost saving system without conventional melting process. Semi-solid processing requires a fine structure with a uniformly distributed equiaxed microstructure especially globular one without dendrite for these merits. For a fine and a globular structure, various methods have been used to produce the globular structures, such as mechanical(rheo-casting and thixo-casting), electro-magnetic stirring (magneto-hydrodynamic casting), strain induced melt activation (SIMA) and ultra sonic vibration (USV) etc. But there are some disadvantages in these methods. For example, In elector-magnetic casting, the controlling of uniform globular structure is difficult and in SIMA, there is a maximum billet size that can be processed imposed by requirement to impart the necessary level of deformation in the billet before reheating processing. In addition, until recently, the study of semi-solid process has been focused on solving the problems such as crack extrusion, shrinkage and hot tears etc. using the phenomena which it retards continuous dendrite networks to the high solid fraction by mechanical, electrical stirring or thermal treatment. Because in the stirred melt, the primary crystal has a non-dendritic globular structure and this structure has been proved low viscosity and uniform deformation give higher hardness than an usual alloys which has an equiaxed structure. But present casting methods in semi-solid process require collateral devices for a globular structure and have some difficulties in controlling the microstructures due to the stirring. To investigate the mechanism of the globular structure formation of Al-Si alloys, the effects of pouring temperature, cooling rate, and inoculation on the morphology of primary phase were studied by simulation and experiment. To simulate the evolution of primary phase during the solidification, a modified cellular automaton (MCA) model was applied. With the low pouring temperature of near liquidus line and slow cooling rate of below 0.3C/sec, uniform and small globular microstructures of 50 ㎛ can be obtained. As the pouring temperature and the cooling rate increase, the morphology of the primary phase transfers from globular to dendritic structure. The inoculation also has a strong effect on the formation of globular structure. The results show that theincrease of the nucleation density can make small and uniform globular microstructure in the case of the same diffusion time. The simulation results were also a good agreement with the experimental results.
주제어
#경사평판법 원심주조법 반응고 응고가공법 전가기 교반법 연속핵생성모델 온도회복법 유동성 자유칠정설 KGT 모델 Primary phase Globular structure Dendritic structure Pouring temperature Cooling rate Inoculation Semi-solid process Fluid flow Centrifugal casting Slip casting Heterogeneous nucleation model KGT model MCA (Modified Cellular Automaton)
학위논문 정보
저자
김재민
학위수여기관
연세대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
금속시스템공학과
지도교수
홍준표
발행연도
2003
총페이지
xvi, 143p.
키워드
경사평판법 원심주조법 반응고 응고가공법 전가기 교반법 연속핵생성모델 온도회복법 유동성 자유칠정설 KGT 모델 Primary phase Globular structure Dendritic structure Pouring temperature Cooling rate Inoculation Semi-solid process Fluid flow Centrifugal casting Slip casting Heterogeneous nucleation model KGT model MCA (Modified Cellular Automaton)
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