[논문]전자교반에 의한 Rheocasting 기술 개발

임성철; 이흥복; 권혁천

문제 정의

본 연구에서는 기계적 특성과 주조특성이 우수하며 가장 널리 사용되어지고 있는 AZ91D마그네슘합금으로 Rheocasting을 위한 Slurry를 제조하기위해 전자교반시 미세조직에 미치는 냉각속도의 영향과 교반속도, 교반유지시간에 따른 미세조직의 변화를 관찰하여 Semi-Solid 온도 구역에서의 다양한 교반의 변화를 통해 초정입자크기 및 분포상태, 구형화정도를 고찰하였다.

제안 방법

3은 교반유지시간에 따른 반응고 Slurry 미세조직의 변화를 나타낸 것이다. 교반유지시간을 1, 3, 5 min으로 변화시켰다. 교반유지시간이 길어질수록(1^5 min)으로 반응고 Slurry의 고상입자의 크기는 조대화되고 구형화정도는 향상되어 구형에 가까운 입자 형태를 나타내었다.
온도에서 교반을 실시하였다. 교반조건으로는 냉각속도를 달리하기 위하여 로냉, 공기에 의한 강제냉각, 수냉 등으로 나누어 실험을 행하고, 일정한 고상율, Hz의 세기로 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 고상율(fs)은 다음과 같이 Scheil equation에 의해 예측을 하였다.
또한, 각 교반조건에 따른 조직에서의 고상율과 고상입자의 크기, 구상화 정도를 알아보기 위하여 화상분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였다. 단축과 장축의 길이를 측정한 다음, (장축/단축)값을 구하여 구상화 정도(degree of sphericity)를 알아보았다.
초정고상입자를 관찰하기 위해 Nital 시약을 사용하여 부식 (etching)한 후 광학현미경을 사용하여 조직변화 과정을 관찰하였다. 또한, 각 교반조건에 따른 조직에서의 고상율과 고상입자의 크기, 구상화 정도를 알아보기 위하여 화상분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였다. 단축과 장축의 길이를 측정한 다음, (장축/단축)값을 구하여 구상화 정도(degree of sphericity)를 알아보았다.
미세조직의 변화를 관찰하기 위하여 교반에 의해 제조된 시편을 하단부로부터 25 mm 되는 높이에서 횡단방향으로 절단한 후 mounting하여 미세연마 하였으며, 지름이 76 mm의 크기를 갖는 교반응고 된 빌렛을 절단하여 거시조직(macrostructure) 을 관찰하였다. 초정고상입자를 관찰하기 위해 Nital 시약을 사용하여 부식 (etching)한 후 광학현미경을 사용하여 조직변화 과정을 관찰하였다.
6은 냉각속도의 변화에 따른 이미지분석기 결과를 이용하여 국부응고시간(local solidification time)에 따른 전자교반된 반응고 Shiny 고상입자의 크기 변화를 나타낸 그래프이다. 본 연구에서는 응고개시에서부터 수조에 수냉하는 고상율 온도까지를 국부응고시간으로 간주하였다. 냉각속도가 증가하여 국부응고시간이 짧아지면 전자교반된 반응고 Sluury 고상입자는 미세화됨을 알 수 있었다.
k는 평형분배계수이다. 용탕을 계속 교반을 하면서 냉각시키고 Scheil equation으로 얻은 고상율에 해당흐]는 온도에 이르렀을 때, 수조에 급랭 후 조직을 관찰하였다.
1은 교반세기에 따른 마그네슘합금의 반응고 Slurry 미세조직의 변화를 나타낸 것이다. 전자교반에 의해 수지상조직이 파괴되고 구상의 미세한 조직, 혹은 장미꽃 형상의 비수지상으로 변화하였다. 또한, 고상율 0.
을 관찰하였다. 초정고상입자를 관찰하기 위해 Nital 시약을 사용하여 부식 (etching)한 후 광학현미경을 사용하여 조직변화 과정을 관찰하였다. 또한, 각 교반조건에 따른 조직에서의 고상율과 고상입자의 크기, 구상화 정도를 알아보기 위하여 화상분석기(image analyzer)를 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용한 전자기 교반장치는 회전자계를 발생시키는 교반자와 스테인리스(Stainless) 도가니로 이루어져 있으며, 교반자로의 열흐름을 방지하기 위해 교반자 안쪽게 수냉장치를 설치하였고 공기, 수냉에 의한 강제냉각은 직접 제작한 스테인레스 Cooling System를 사용하였다. 또한, 용융상태에서 산화, 발화 방지를 위해 약 350。(2에서 CO₂:SF6= 125:15] 비율로 보호가스를 주입하였다.

이론/모형

교반조건으로는 냉각속도를 달리하기 위하여 로냉, 공기에 의한 강제냉각, 수냉 등으로 나누어 실험을 행하고, 일정한 고상율, Hz의 세기로 실험을 실시하였다. 실험에 사용한 고상율(fs)은 다음과 같이 Scheil equation에 의해 예측을 하였다.

성능/효과

4는 이미지분석의 결과이다. 교반세기 10 Hz, 냉각속도 0.12K/S, 고상율 0.5 되는온도에서 전자교반한 결과, 교반유지시간을 1 min에서 5 min으로 증가함에 따라 반응고 Slurry 고상입자의 구형화정도는 2.2 에서 1.6으로 향상되었다.
교반유지시간을 1, 3, 5 min으로 변화시켰다. 교반유지시간이 길어질수록(1^5 min)으로 반응고 Slurry의 고상입자의 크기는 조대화되고 구형화정도는 향상되어 구형에 가까운 입자 형태를 나타내었다. Fig.
본 연구에서는 응고개시에서부터 수조에 수냉하는 고상율 온도까지를 국부응고시간으로 간주하였다. 냉각속도가 증가하여 국부응고시간이 짧아지면 전자교반된 반응고 Sluury 고상입자는 미세화됨을 알 수 있었다. 즉 Fig.
전자교반에 의해 수지상조직이 파괴되고 구상의 미세한 조직, 혹은 장미꽃 형상의 비수지상으로 변화하였다. 또한, 고상율 0.4에서 교반세기가 증가 (10^14 Hz)할수록 더욱더 미세하고 구상의 초정입자를 얻을수 있었다. AZ91D 마그네슘합금의 교반세기에 의한 반응고 Sluny의 미세조직을 이미지분석한 결과를 Fig.
냉각속도가 증가하여 국부응고시간이 짧아지면 전자교반된 반응고 Sluury 고상입자는 미세화됨을 알 수 있었다. 즉 Fig. 7에서 나타낸 것과 같이 Rheocasting을 위한 전자교반응고시 반응고 Slurry 고상 입자의 크기는 냉각속도 -1/3승에 비례하여 작아진다는 보고와 일치하는 경향을 나타냄을 확인할 수 있었다. Fig.

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