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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 저압주 조기의 단점을 보완하기 위하여 개발한 장비를 이용하여 고상율과 결정립을 제어하면서 경량화 부품을 개발할 수 있는 새로운 성형방법을 제시하고자 한다.
- 본 실험에서는 전자교반하여 성형된 암부품을 T5 와 T6 열처리하여 연신율, 항복 강도 그리고 인장 강도 값을 비교하여 전자교반성형법 으로 제조한 부품에 적합한 열처리 조건을 찾고자 하였 다.
- 본 연구에서는 현재 산업용으로 많이 사용되고 있는 A356 소재를 이용하여 전자교반시 A356 합금의 초정 입자의 크기, 분포상태, 구상화 조직과 전류, 교반시간과의 관계를 규명하여 전자교반기술을 암부품 성형공정에 적용할 수 있는 실험적 데이터를 구축하고자 하였다. 전자교반에는 수직형 교반과 수평형 교반이 있으며 본 연구에서는 수평 형 전자교반기 (Electromagnetic stirrer) 를 사용하여 실험을 하였으며 Fig.
- 암금형의 부품성 형성과 기계적 물성치를 비교평가하기 위하여 Table 1의 조건으로 실험을 하였다. 일반적인 주조 공정에서의 열처리 방법과 기계적 물성치는 여러 문헌에 이미 발표되어 있으 몌9~10] 본 연구에서는 여러 문헌의 실험 결과를 바탕으로 하여 전자교반을 이용한 성형 공정의 적합한 열처리와 조업조건을 찾고자 하였다.
- 저압주조법에서 이용하고 있는 성형 압력보다 높은 압력에서 용탕에 전자교반을 가함으로써 저압주조 동안 발생하는 수지상정을 제거하며 슬리브에서 캐비티로 충전과 정 동안용탕의 층류 유동 을 유도하여 균일한 기계적 성질을 얻을 수 있는 성형 공정을 개발함을 목적으로 한다.
제안 방법
- A356 합금을 사용하여 전자교반기술을 레올로 지 성형 공정에 적용하여 암부품을 성형한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 현재 비자성체 소재로 많이 사용하고 있는 소재는 19%의 크롬(Cr)과 9%의 니켈(Ni) 을 함유하고 있는 STS 304이다. STS 304 소재의 특징은 상온에서 비자 성체 성질을 가지고 있으며 소재가공이 우수하여 전자교반용 슬리브로 설계 제작하였다. 슬리브의 내경은 전자교반 실험에서 컵의 직경과 같은 80mm이며 슬리브의 외경은 130mm로 하여 제작하였다.
- 코어 사이로 코일을 감은 후 코일에 3상 (Phase)의 전기와 코일 내부로 흐를 수 있는 냉각수를 연결시킨다. 냉각수와 전기를 연결시킨 후 전류를 가변할 수 있는 컨트롤러를 연결하여 전자교반기를 제작 하였다.
- 퀜칭 작업을 완료한 암부품의 각각의 부분의 미세조직을 관찰하기 위하여 5x5mm의 크기로 절단 후 마운팅 작업과 폴리싱 작업 후 광학현미경에 의하여 조직 관찰을 하였다. 또한, T5나 T6의 열처 리공정을 통하여 기계적인 물성치를 조사하였다. T6 열처리 방법은 510°C-540°C의 온도에서 보통 4 hr 용체화 처리와 150°C-190°C 온도에서 8hr시 효 처리 방법이며 T5 열처리는 용체화 과정 없이 150°C-190°C 온도에서 8hr시효과정을 통하여 기계적 성질을 높이는 방법이다.
- As-cast 상태의 조직에서는 용탕의 응고 과정에서 발생된 수지상 조직으로 불규칙한 방향으로 생성되었으며 초정 입 자의 크기가 조대한 반면에 전자교반된 소재의 미세조직을 관찰한 결과 미세한 구형의 초정 입자들이 공정조직 내에 균일하게 분포된 것이 관찰되었다. 미세조직 관찰 방법은 35g의 FeClj 35g(물 200ml)의 수용액과 HNS를 차례로 에칭을 하여 거시조직을 관찰하였으며 미세조직은 시편을 절단하여 마운팅과 폴리싱 공정을 거쳐 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.
- 본 연구에서는 최대 중량 3kg이 가능하도록 내경 140mm, 외경 400mm로 하여 코어를 제작하였으며 각각의상을 고정하기 위하여 240개 의 규소아연 강판을 층상으로 쌓아 총 6개의 상을 고정할 수 있는 코어를 제작하였다. 전자교반코일은 전자교반 동안용탕의 복사열로 인하여 급속히 온도가 상승하기 때문에 코일 내부에 냉각수 라인을 설치하여 코일의 손상을 방지하였다.
- 본 연구의 전자교반실험은 A356 합금을 전기로에서 용해한 후용탕을 꺼내어 전자교반 장치에 넣고 교반한다. 전자교반실험의 변수로는 교반전류(C), 교반시간(tj, 용탕온도(Tp)이며 각각의 실험조건을 변화시켜 최적의 전자교반 조건을 찾고자 하였으며 제작된 빌렛은 Fig.
- 정량급탕장치 로부터 슬리브로 용탕의 주입을 위하여 금형의 게이트홀에 용탕 공급장치를 설치하여 슬리브에용탕의 주입하였다. 용탕 공급장치에 의하여 용탕주입이 완료된 후 실험조건에 따라서 전자교반을 이용한 성형실험을 한다.
- 용탕의 산화물 제거를 위한 질소의 버블 작업은 3-4분 동안 하며 버블 작업 후 용탕표면의 산화물을 래들을 이용하여 제거하고 10분 정도의용탕 안정시간을 두어 성형작업을 한다. 제작이 완료된 암금형은 금형 이동용 대차를 이용하여 금형을 중압 주조기에 장착한다.
- 또한, 점성이 액체 상태 보다 더 높으므로 충전 시 유동형태가 난류로 발달하지 않기 때문에 용탕의 흐름에 기인하는 유동불량이 적어지는 등 여러가지 장점을 가지고 있다. 이러한 특성을 고려하여 암부품의 금형 제작은 주조 해석 전용코드인 MAGMAsoft 를 이용하여 충전 및 응고 해석을 통한 주조 결함을 미리 예측함으로써 최적화된 금형설계 방안을 마련하여 본 연구의 금형 제 작에 이용하였 다. Fig.
- 인장 시편은 ASTM E 8M 봉상 규격을 사용하였으며, 표 점거리는 20mm, 직경은 4mm 이 다. 인장실험은 25Ton MTS 장비를 사용하였고, 표 점거리 내의 변형율을 정밀하게 측정하기 위해서 변위계를 부착하여 Imm/min의 속도로 실험하였다.
- 본 연구의 전자교반실험은 A356 합금을 전기로에서 용해한 후용탕을 꺼내어 전자교반 장치에 넣고 교반한다. 전자교반실험의 변수로는 교반전류(C), 교반시간(tj, 용탕온도(Tp)이며 각각의 실험조건을 변화시켜 최적의 전자교반 조건을 찾고자 하였으며 제작된 빌렛은 Fig. 4와 같이 빌렛의 중간부분에서 중심부와 가장자리 부분의 초정입자 크 기 및 분포상태, 구형화 정도를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 현재 산업용으로 많이 사용되고 있는 A356 소재를 이용하여 전자교반시 A356 합금의 초정 입자의 크기, 분포상태, 구상화 조직과 전류, 교반시간과의 관계를 규명하여 전자교반기술을 암부품 성형공정에 적용할 수 있는 실험적 데이터를 구축하고자 하였다. 전자교반에는 수직형 교반과 수평형 교반이 있으며 본 연구에서는 수평 형 전자교반기 (Electromagnetic stirrer) 를 사용하여 실험을 하였으며 Fig. 1은 본 실험에 사용되는 수평형 전자교반기의 개략도를 나타낸 그림이 다.
- 3m/s의 사출 속도에서 가장 양호한 암부품을 얻을 수 있었다. 전자교반을 이용한 암 성형실험은 사출 압력 450bar와 사출 속 도 0.3m/s에서 전자교반시간과 전자교반전류를 변수로 하여 실험을 하였으며 전자교반된 부품의 미세조직과 기계적 물성치를 비교하여 최적의 전 자교반 성형조건을 데이터화하고자 하였다.
- 그러므로, 금형장착 시 금형의 중심과 중압주조기의 중심이 일치하도록 주의하여 암금형을 장착하여야 한다. 정량급탕장치 로부터 슬리브로 용탕의 주입을 위하여 금형의 게이트홀에 용탕 공급장치를 설치하여 슬리브에용탕의 주입하였다. 용탕 공급장치에 의하여 용탕주입이 완료된 후 실험조건에 따라서 전자교반을 이용한 성형실험을 한다.
- 보통 냉각수의 온도는 15°C의 냉각수 온도가 적합하며 가능한 냉각수의 온도는 일정하게 유지하여 퀜칭 작업을 한다. 퀜칭 작업을 완료한 암부품의 각각의 부분의 미세조직을 관찰하기 위하여 5x5mm의 크기로 절단 후 마운팅 작업과 폴리싱 작업 후 광학현미경에 의하여 조직 관찰을 하였다. 또한, T5나 T6의 열처 리공정을 통하여 기계적인 물성치를 조사하였다.
대상 데이터
- 본 연구의 수평식 교반기는 3상 3극으로 제작하였으며 각각의상은 Fig. 1의 그림과 같이 원주 방 향으로 위치시켜 전류가 코일을 따라 흐르게 되면 Fig. 2의 그림과 같이 원주 방향으로 전자기력이 발생하게 된다.
- STS 304 소재의 특징은 상온에서 비자 성체 성질을 가지고 있으며 소재가공이 우수하여 전자교반용 슬리브로 설계 제작하였다. 슬리브의 내경은 전자교반 실험에서 컵의 직경과 같은 80mm이며 슬리브의 외경은 130mm로 하여 제작하였다. Fig.
- ⑴-(2)과 (5)-(6) 위치는 양쪽 부쉬부와 인접한 위치이고, (7)-(8) 위치는 후육부가 있는 부분이며, ⑶-(4) 위치는 게이트와 가까운 위치이다. 인장 시편은 ASTM E 8M 봉상 규격을 사용하였으며, 표 점거리는 20mm, 직경은 4mm 이 다. 인장실험은 25Ton MTS 장비를 사용하였고, 표 점거리 내의 변형율을 정밀하게 측정하기 위해서 변위계를 부착하여 Imm/min의 속도로 실험하였다.
- 전자교반기에 사용된 코일은 두께 1mm, 7x7mm의 도전성이 우수한 구리를 사용하였다. 코어 사이로 코일을 감은 후 코일에 3상 (Phase)의 전기와 코일 내부로 흐를 수 있는 냉각수를 연결시킨다.
이론/모형
- 전자교반기의 전자기력을 측정하기 위하여 가우스메터(Gauss-meter)를 사용하여 각 부분에 대하여 전자기력을 확인하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 교반전류가 증가함에 따라 자속밀도가 증가하여 용탕의 교반이 활발히 진행되어 초정의 구상화 정도 및 미세화가 향상되었다.
- (2) 전자교반 중에 소재의 위치에 상관없이 교반이 이루어짐을 확인할 수 있었지만 교반되는 위치가 가장 가리가 가운데 부위에 비해 전가기 교반기에 의한 영향이 적게 나타남을 알 수 있 었다.
- (3) 전자교반실험에서 655°C의 용탕 온도를 60 A 의 교반전류를 60sec 동안 교반하여 제작한 시편을 관찰한 결과 미세하고 구상화된 초정 입자를 얻을 수 있었으며 공정 내에 미세한 Si 입자들이 고루 분포하였다.
- (4) MAGMAsoft 를 사용하여 암부품의 충전 및 응고 해석을 하였으며 해석 결과를 바탕으로 주조 결함을 미리 예측함으로써 최적화된 금형설계 방안을 마련 하였다.
- (5) 미세조직과 인장 강도와의 관계를 관찰한 결과 미세한 초정 입자와 균일한 공정조직을 가진 암부품이 더 높은 기계적 물성치를 나타내었다.
- 5는 A356 합금의 용탕 상태에서 응고시킨 as- cast 와 60A의 교반전류를 60sec 동안 교반하여 제작한 빌렛의 미세조직을 관찰한 것이 다. As-cast 상태의 조직에서는 용탕의 응고 과정에서 발생된 수지상 조직으로 불규칙한 방향으로 생성되었으며 초정 입 자의 크기가 조대한 반면에 전자교반된 소재의 미세조직을 관찰한 결과 미세한 구형의 초정 입자들이 공정조직 내에 균일하게 분포된 것이 관찰되었다. 미세조직 관찰 방법은 35g의 FeClj 35g(물 200ml)의 수용액과 HNS를 차례로 에칭을 하여 거시조직을 관찰하였으며 미세조직은 시편을 절단하여 마운팅과 폴리싱 공정을 거쳐 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하였다.
- 16의 각각의 위치에서 관찰한 조직 사진과 초정 입 자의 등가지름 및 구상화 정도를 나타낸 것 이 다. 각각의 위치 에서 등가 지름 및 구상화 정도를 측정한 결과 초정 입 자의 크기는 40|im-80nm의 미세한 초정 입자를 얻을 수 있었으며 교반전류에 대한 등가지름의 차이는 크게 나타나지 않았다. 그리고, 교반전류에 따라 성형된 암부품은 1.
- 10는 암부품의 열점 (Hot spot) 의 분포를 나타낸 것이다. 게이트부로의 방향성 응고로 인하여 대부분의 열점 분포가 게이트 및 오버플로우에 발생되었으며, 열점이 발생한 부위는 수축공의 발생할 가능성이 높으므로 Fig. 11과 같은 위치에 히팅 라인(Heating line)을 설치하여 금형의 온도 강하를 막음과 동시에 부품의 응고 양상의 제어와 금형의 열적 안정화를 도모하였 다.
- 교반전류에 대한 미세조직을 비교 관찰하기 위하여 슬리브에용탕을 충전한 뒤 전자교반하지 않고 15sec 동안 유지한 후 성형한 암부품의 미세조직 은 초정 입 자들이 구상화는 되었으나 초정 입자들이 공정조직 내에 균일하게 분포되지 않고 액상 편석이 발생함을 관찰할 수 있었다.
- 15는 교반시간에 따른 암부품의 미세조직을 관찰하기 위해서 교반전류를 100A로 하고, 교반시간을 5sec, lOsec, 15sec , 20sec의 시간으로 교반하여 성형한 부품의 미세조직으로 전자교반시간이 증가할수록 초정 입자의 크기가 미세화되고 구상화됨을 관찰할 수 있었다. 그러나, 교반시간이 15sec 이상의 시간에서는 슬리브 내에서 용탕의 응고로 인한 부품의 미성형 때문에 15sec 내에서 강력하게 교반한 뒤 성형하는 것이 미세하고 구상화된 조직을 얻을 수 있다는 결론을 얻을 수 있 었다.
- 각각의 위치 에서 등가 지름 및 구상화 정도를 측정한 결과 초정 입 자의 크기는 40|im-80nm의 미세한 초정 입자를 얻을 수 있었으며 교반전류에 대한 등가지름의 차이는 크게 나타나지 않았다. 그리고, 교반전류에 따라 성형된 암부품은 1.4-1.8 범위의 구상화된 초정 입자를 관찰할 수 있었으며 교반전류가 구상화 정도에 큰 영향을 주지 못함을 알 수 있었다. 이것은 교반전류가 40A에서 이미 전자교반력에 의하여 수지상 조직이 파쇄되었으며 교반전류를 점점 더 증가할수록 이미 파쇄된 수지상 조직들이 재결합되는 현상으로 사료된다.
- 기계적 물성치를 측정한 결과 40A의 교반전류를 lOsec 동안 교반하여 성형한 부품에서 연신율 8.1%, 항복강도 300MPa, 인장 강도 332MPa의 높은 기계적 물성치를 얻을 수 있었으며 전자교반을 하지 않고 성형한 암부품과 전자교반공정을 거쳐 성형한 부품의 기계적 물성치값을 비교한 결과 연신율은 6.9%에서 8.1%, 인장강도 215MPa에서 332MPa의 더 높은 기계적 물성치값을 얻을 수 있었다. 그러나 전자교반시 성형 중에 주의할 점은 전자교반시 강력한 교반력에 의하여 용탕의 회전이 발생이 되며 용탕의 회전 동안 용탕 내부로 공기가 유입이 되어 부품의 기계적 성질을 저하시키는 요인이 되었다.
- 16)에서 5mm x5mm 크기의 시편을 제작하여 미세조직을 관찰한 사진이다. 미세조직을 관찰한 결과 부품의 전체 부분에 대하여 초정 입자들이 고루 분포하는 것을 관찰하였으며 분포된 초정 입자들은 전자교반에 의해서 미세하고 구상화되어 있음을 알 수 있 었다.
- 2m/s의 사출 속도로 성 형 한 경우 저속의 충전 속도로 인하여 슬리브에서 금형으로 충전되는 동안용탕의 응고로 인하 여 부품부에 미성형이 발생하고 충전압력이 전달되지 않았기 때문에 표면이 양호하지 않았다. 부품의 사출 속도를 0.2m/s에서 0.3m/s로 증가시켜 실험한 결과 미성형이 발생되지 않았으며 부품의 표면 상태도 양호한 것으로 관찰되었다.
- 사출 속도를 0.3m/s에서 0.5m/s로 증가시켜 실험한 결과 고속 충전으로 인하여 금형파팅 부분으로 용탕의 비산이 발생되었으며 부품 표면 또한 양호하지 못한 결과를 얻었다.
- 성형 압력의 영향을 관찰하기 위하여성형압력 을 450bar로 증압한 결과 사출 압력이 높을수록 표면 상태는 양호해지는 결과를 얻을 수 있었다.
- 9는 암 부품의 응고시간의 분포를 나타낸 것이다. 암부품의 최종 응고 시간은 66.9sec이며 제품부는 최종 중 전 후 16.37sec 후 모든 응고가 완료되었으며, 제품부에서 게이트부로의 방향성 응고를 보임을 알 수 있다. 이를 통해, 실제 제 품성형에서 의 충전 후 가압시간의 조건을 확보할 수 있었다.
- 전자교반기의 상, 중, 흐} 위 치 에서 가우스메 터 를 이용하여 교반전류에 따른 자속밀도를 측정한 결과 교반전류에 따라 자속밀도가 비례적으로 증가하는 것이 관찰되었으며 최고 전류인 100A일 때 1500Gauss값이 측정되었다.이 결과는 B=|HR (#: 유도자 자기계수, R: 전자교반반경거 리, I: 교반전류) 와 일치하는 결과이며 1500Gauss보다 더 높은 자속밀도를 얻기 위해서는 현재 상용주파수 값 인 60Hz 에 서 저주파대역 으로 변조시켜 교반한다면 더 높은 자속밀도 값을 얻을 수 있다.
- 전자교반기의상, 중, 흐} 위치에서가우스메터를 이용하여 교반기 내부의 위치에 따라서 입력전류 에 따른 자속밀도의 관계를 나타낸 결과값이다. 전자교반기의 상, 중, 흐} 위 치 에서 가우스메 터 를 이용하여 교반전류에 따른 자속밀도를 측정한 결과 교반전류에 따라 자속밀도가 비례적으로 증가하는 것이 관찰되었으며 최고 전류인 100A일 때 1500Gauss값이 측정되었다.이 결과는 B=|HR (#: 유도자 자기계수, R: 전자교반반경거 리, I: 교반전류) 와 일치하는 결과이며 1500Gauss보다 더 높은 자속밀도를 얻기 위해서는 현재 상용주파수 값 인 60Hz 에 서 저주파대역 으로 변조시켜 교반한다면 더 높은 자속밀도 값을 얻을 수 있다.
- 전자교반을 하지 않고 성형한 암부품의 결과 성 형압력이 450bar에서, 0.3m/s의 사출 속도에서 가장 양호한 암부품을 얻을 수 있었다. 전자교반을 이용한 암 성형실험은 사출 압력 450bar와 사출 속 도 0.
- 교반전류가 60A에서 미세하고 구상화된 초정 입자를 얻을 수 있었나 교반전류가 80A 이상일 경우에는 초정 입 자 들이 다시 조대화되는 것을 관찰할 수 있었으며 이것은 전자교반력에 의해서 파쇄된 초정 입자들 이 재결합되어 조 대화되는 것으로 판단이 된다. 초기용탕온도가 미세조직에 미치는 영향을 '관찰 한 결과 675°C 이상의 용탕 온도에서는 액상 상태에 서의 교반으로 인하여 조대한 조직을 관찰하였으나 655°C의 용탕 온도에서 교반한 결과 미세하고 구상화된 초정 입자을 관찰할 수 있었다. 교반시간에 따른 미세조직의 변화를 관찰한 결과 교반시간이 길수록 조직이 미세화됨을 알 수 있으나 60 sec 이상으로 교반한 경우 파쇄된 조직들이 결합하여 조직이 점점 조대화됨을 알 수 있었다 [7~8].
- 0327 sec 이다. 충전시간에 따른 캐비티 내부의 용탕의 유동변화는 오버플로우가 최종 충전되는 양호한 충전 양상을 보이고 있으며, 짧은 충전시간으로 캐비티내부의 용탕의 온도 편차가 약 3°C 이내의 양호한 결과로 나타났으며, 최종 충전시 금형 내 소재온도가 최저 609 °C로 액상률 75% 이하에서 충전이 완료되고 있다.
후속연구
- 그 결과 전자교반을 이용한 암부품성형의 교반조건은 용탕의 온도가 655°C 범위에서 응고 과정에 서 교반하여 성형하는 것이 기계적 물성치가 우수한 암부품을 성형할 수 있을 것으로 판단이 된다.
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