[논문]신 반응고 슬러리의 개발과 베어링 브라켓에 대한 적용

심재기; 문준영; 김재민; 홍준표

문제 정의

그러나 베어링 브라켓과 같이 cavity 평균두께가 크고 형상이 단순한 제품에서는 Modified Carreau 모델이 유용하게 사용될 수 있다. 다만, 복잡하고 cavity 두께가 얇은 제품에 대해서는 미세조직적 차이에서 비롯되는 유동특성을 확인해야 하므로 Modified Carreau 모델에서 진보된 레오캐스팅 시뮬레이션 모듈에 대한 연구는 현재 진행중이다, 본 연구에서는 Modified Carreau 모델을 통해 레오캐스팅에서의 충진 거동예즉의 유효성을 평가하고 향후 시뮬레이션에서 보완점을 찾는 데에 의의가 있다고 사료된다.
H-NCM 은 타기술에 비해 미세하고 균일한 이상적인 반응고 슬러리를 간단하게 제조할 수 있기 때문에, 다른 방법에 의한 슬러리보다 레오캐스팅 사출거동을 분석하기가 용이하다. 본 연구에서는 H-NCM에 의한 반응고 슬러리를 이용하여 레오캐스팅시 필요한 최적의 사출조건에 대해 현재 스퀴즈 캐스팅법으로 양산 중인 제품을 이용하여 알아보고자 하였다.
본 연구에서는 현재 양산중인 제품의 금형 변형 없이 현 조건에서의 최적 사출제어방안을 찾고자 하였다. 특히 1 m/s의 고속 조건에서 확인된 원활한 층류 충진 패턴은 사출속도의 자유도를 높여주기 때문에 이와 같은 가능성을 보다 높여줄 수 있다.
즉, 슬러리의 품질, 사출조건, 금형조건 등의 3가지 기술요소가 제품 성형에 충족되었을때에, 비로소 좋은 결과를 얻을 수 있다. 본연구를 통해, H-NCM을 이용한 고품질의 슬러리를 이용하여 사출조건이 제품성형에 미치는 영향에 관하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
Table 1은 본 연구에서 사용된 다양한 사출 방안을 보여주고 있다. 이때 Modified Carreau 모델로 예측된 결함 발생 지역과 실제 제품에서의 결함을 비교해보고 평가하였다. 초기 조건 1 m/s의 속도는 기존의 스퀴즈 제품의 생산성을 크게 높여줄 수 있는 고속의 사출 조건이다.

제안 방법

08 m/s의 저속 단일사출 조건에서 양산품으로 제작되고 있다. 그러나 레오캐스팅 실험에서는 사출 조건에 따른 슬러리 고유의 충진 특성을 확인하고자 진공 설비를 배제하였으며 금형온도는 모두 20(TC로 균일하게 실시하였다.
레오 캐스팅의 경우 반응고 슬러리의 점도는 스퀴즈 주조시 용탕의 점도보다 높기 때문에 보다 빠른 속도의 충진으로 층류충진이 가능할 것으로 예상되며 특히, 일반 용탕보다 70~100。(2의 낮은 온도에서 주입하기 때문에 수축에 의한 문제가 개선될 것으로 예상된다. 그러므로 높은 사출속도에서의 제품 품질 건전성을 확인하기 위해 다양한 고속조건에 의한 제품 생산을 실시하였다. 이때, 결함발생지역을 시뮬레이션 모델로 예측하였으며, 실험적인 방법으로 검증하였다.
그리고 반응고 슬러리의 사출 거동에 대한 분석을 통해, 향후 레오캐스팅에서 필요한 금형 설계방안에 대해서도 논의 할 것이다. 또한, 레&캐스팅 충진 패턴과 결함예측은 Carreau 모델을 통해 시뮬레이션하였고, 실험적 결과와 비교하여 반응고 시뮬레이션의 가능성에 대해 검증하였다. 제작된 시편은 X-ray와 광학현미경으로 분석하여 수축공 및 미세조직 분석을 실시하였다.
200407 모델을 사용하였으며 적절한 냉각속도를 가질 수 있도록 SUS304 재질의 전용 컵을 제작하였다. 슬러리 제작시, 주입 온도와 유지 시간 등의 주조변수를 통해 슬러리입자의 크기 및 분포가 다양하게 결정될 수 있으나 본 연구에서는 주입온도를 625℃로 하고, 유지시간을 45초로 하여 슬러리를 모두 균일하게 제작하였다. 제작된 반응고 슬러리는 뷸러 630-H 다이캐스팅 머신을 통해 사출되었다.
층류 충진을 위한 저속 사출로 인해 생산성이 떨어지는 제품에 대해 레오캐스팅을 적용시킴으로써, 생산성 향상효과를 기대할 수 있다. 이는 사출속도의 변경을 통해 이루어지므로 사출속도 변화에 따른 레오캐스팅의 충진패턴에 대해서 분석하였다. 그리고 반응고 슬러리의 사출 거동에 대한 분석을 통해, 향후 레오캐스팅에서 필요한 금형 설계방안에 대해서도 논의 할 것이다.
그러므로 높은 사출속도에서의 제품 품질 건전성을 확인하기 위해 다양한 고속조건에 의한 제품 생산을 실시하였다. 이때, 결함발생지역을 시뮬레이션 모델로 예측하였으며, 실험적인 방법으로 검증하였다. 제작된 모든 시편은 X-ray 분석을 실시하였으며 미세조직은 연마후 광학현미경이 장착된 LAIKA-image analyzer로 관찰하였다.
이때, 결함발생지역을 시뮬레이션 모델로 예측하였으며, 실험적인 방법으로 검증하였다. 제작된 모든 시편은 X-ray 분석을 실시하였으며 미세조직은 연마후 광학현미경이 장착된 LAIKA-image analyzer로 관찰하였다.
또한, 레&캐스팅 충진 패턴과 결함예측은 Carreau 모델을 통해 시뮬레이션하였고, 실험적 결과와 비교하여 반응고 시뮬레이션의 가능성에 대해 검증하였다. 제작된 시편은 X-ray와 광학현미경으로 분석하여 수축공 및 미세조직 분석을 실시하였다.

대상 데이터

하였다. 반응고 슬러리를 제작하기 위해 H-NCM Up-Down Serial No. 200407 모델을 사용하였으며 적절한 냉각속도를 가질 수 있도록 SUS304 재질의 전용 컵을 제작하였다. 슬러리 제작시, 주입 온도와 유지 시간 등의 주조변수를 통해 슬러리입자의 크기 및 분포가 다양하게 결정될 수 있으나 본 연구에서는 주입온도를 625℃로 하고, 유지시간을 45초로 하여 슬러리를 모두 균일하게 제작하였다.
실험에 사용된 합금은 A356 합금이며, 현재 스퀴즈 캐스팅으로 사용되는 합금과 동등한 조건을 위해 Sr계열 개량화제로 용탕처리를 하였다. 반응고 슬러리를 제작하기 위해 H-NCM Up-Down Serial No.

데이터처리

제어함으로써 얻었다. 이때의 슬러리 주입중량과 주입속도는 모두 일정하게 제어하였으며 Carreau 모델에 의한 시뮬레이션 결과와 비교하였다.

이론/모형

[] 지금까지 Power-law 모델을 이용한 방법 중 미세조직적인 특성을 적용한 사례는 드물다. 따라서 본 연구에서는 레오캐스팅에서의 시뮬레이션 적용 가능성을 평가하기 위해 Power-law를 기반으로 하고 실험적으로 반응고 슬러리를 검증한 Carreau 모델을 채택하였고 이를 통해 제품 불량을 예측하였다. 본 연구에서 활용된 Carreau 모델은 Anycastin以주)에서 개발한 Modified Carreau 모델로써, 아직반응고 슬러리의 미세조직적 특성을 완벽하게 구현할 수는 없다[10].
따라서 본 연구에서는 레오캐스팅에서의 시뮬레이션 적용 가능성을 평가하기 위해 Power-law를 기반으로 하고 실험적으로 반응고 슬러리를 검증한 Carreau 모델을 채택하였고 이를 통해 제품 불량을 예측하였다. 본 연구에서 활용된 Carreau 모델은 Anycastin以주)에서 개발한 Modified Carreau 모델로써, 아직반응고 슬러리의 미세조직적 특성을 완벽하게 구현할 수는 없다[10]. 그러나 베어링 브라켓과 같이 cavity 평균두께가 크고 형상이 단순한 제품에서는 Modified Carreau 모델이 유용하게 사용될 수 있다.

성능/효과

1. H-NCM에 의해 평균입자크기 60 呻, 구상화율 0.8 이상의 4 kg급 반응고 슬러리를 얻었으며 현장 환경에서도 균일한 품질 상태를 유지할 수 있었다.
2. 레오캐스팅시, lm/s의 고속 플런저 속도에서도 층류충진을 유지 하였으며, 미충진 실험을 통해 충진의 직진성을 확인할 수 있었다.
3. 레오캐스팅의 충진 패턴과 결함예측은 Modified Carreau 모델을 통해 수행하였으며, 비교적 충진 패턴과 결함예측이 실험 결과와 일치하였다.
4. 금형수정없이, 레오캐스팅에서의 사출조건 변경으로 기존의 스퀴즈 캐스팅제품을 생산할 수 있었으며, 생산성이 20%가량 증가할 것으로 기대된다.
그러나 시뮬레이션 분석을 통해 베어링 브라켓의 온도 분포에 의한 수축공 예상 지역을 확인해 본 결과 Fig. 6과 같이후육부에 지속적인 수축공 발생이 예상되었다. 특히 4번 조건에서의 제품에서는 이와 동일한 위치에서 수축공이 존재함이 실험적으로도 확인 되었다(Fig.
08 m/s 의 단일충진을 하는 경우보다 생산성이 높으며 더욱이 제품의 금형 내 보존 시간(curing time)이 단축되는 레오캐스팅 공정을 통해 전체생산성을 약 20%향상시키는 결과를 나타낼 것으로 기대된다. 그리고 반응고 슬러리의 충진 특성을 고려한 금형 디자인과 에어벤트 설치 등의 구조적 변경이 가능하다면, 5번 조건보다 빠른 충진 속도로 제품 양산이 가능할 것이 충분히 기대되는바, 레오캐스팅 공법의 우수성을 확인할 수 있었다.
따라서 본 베어링 브라켓의 레오캐스팅 사출의 경우 충진패턴은 lm/s의 고속 주입에서도 층류 흐름은 유지되지만, 미충진, mis-run 등과 같은 충진 결함 및 수축 결함의 발생을 줄이기 위해 일정한 저속 충진이 필요함을 확인할 수 있었다. 그러므로 제품 생산성을 향상시키며 동시에 결함이 없도록 하기 위한 최적의 사출조건은 5번 조건으로서, 양품의 사진을 Fig.
또한, 레오캐스팅은 틱소캐스팅보다 유동성이 뛰어나므로 실험적인 데이터를 응용하여 유동성을 간단하게 표현할 수 있는 Power-law에 미세조직적 특성을 접목시키는 방법이 보다 효율적인 것으로 사료된다.[] 지금까지 Power-law 모델을 이용한 방법 중 미세조직적인 특성을 적용한 사례는 드물다.
시뮬레이션 상에서도 난류 거동이 나타나지 않으며 충진 패턴이 균일하게 유지되고 있다. 반응고 슬러리는 일반 스퀴즈 캐스팅에 비해 보다 빠른 속도 조건에서도 층류충진이 가능하다는 것이 확인되었다. 그러나 건전한 제품의 양산을 위해서는 층류충진 만으로 해결할 수 없는 문제들이 항상 존재한다.
H-NCMe 기존의 수지상 절단에 의한 구형 입자 생성의 방법과는 달리, 응고 초기 핵생성을 극대화 시키는 기술을 적용, 초기에 핵생성된 입자를 소멸시키지 않고 반응고상태까지 이르게 하는 방법으로써, 기존의 다른 레오캐스팅 방법에 비해 입자의 크기가 작고 장치가 간단하다는 장점이 있다[6]. 이 기술은 기존의 NRC로 대표되는 레오캐스팅용 슬러리 제작기술보다 공정이 간단하고 미세조직 제어가 용이하며, 초기 장치 투자비가 매우 저렴하다는 장점이 있다. 일본 유럽 등에 소개된 H-NCM기법은 이미 몇 가지 양산제품 생산에 적용되고 있다.
더욱이, 레오캐스팅의 경우 고상율이 높은 반응고 슬러리를 이용하기 때문에 기존의 다이캐스팅 제작방법과는 다른 접근이 필요하다. 즉, 슬러리의 품질, 사출조건, 금형조건 등의 3가지 기술요소가 제품 성형에 충족되었을때에, 비로소 좋은 결과를 얻을 수 있다. 본연구를 통해, H-NCM을 이용한 고품질의 슬러리를 이용하여 사출조건이 제품성형에 미치는 영향에 관하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

후속연구

이는 사출속도의 변경을 통해 이루어지므로 사출속도 변화에 따른 레오캐스팅의 충진패턴에 대해서 분석하였다. 그리고 반응고 슬러리의 사출 거동에 대한 분석을 통해, 향후 레오캐스팅에서 필요한 금형 설계방안에 대해서도 논의 할 것이다. 또한, 레&캐스팅 충진 패턴과 결함예측은 Carreau 모델을 통해 시뮬레이션하였고, 실험적 결과와 비교하여 반응고 시뮬레이션의 가능성에 대해 검증하였다.
있다. 또한, 5번 사출조건은 0.08 m/s 의 단일충진을 하는 경우보다 생산성이 높으며 더욱이 제품의 금형 내 보존 시간(curing time)이 단축되는 레오캐스팅 공정을 통해 전체생산성을 약 20%향상시키는 결과를 나타낼 것으로 기대된다. 그리고 반응고 슬러리의 충진 특성을 고려한 금형 디자인과 에어벤트 설치 등의 구조적 변경이 가능하다면, 5번 조건보다 빠른 충진 속도로 제품 양산이 가능할 것이 충분히 기대되는바, 레오캐스팅 공법의 우수성을 확인할 수 있었다.
9의 X-ray 분석은 외관결함과 미세한 수축공 이외에 내부가 치밀한 조직을 나타내주고 있다. 이와 같은 결과는 H-NCM을 이용한 슬러리가 현장 조업에 적합한 넓은 프로세싱 윈도우를 가진다는 것을 보여주는 것으로써 , 사출제어기술과 금형제어기술이 슬러리의 물리적 특성에 맞게 최적화 된다면, 레오캐스팅제품의 양산화가 가능할 것이라는 사실을 의미하고 있다.
양산되는 제품이다. 층류 충진을 위한 저속 사출로 인해 생산성이 떨어지는 제품에 대해 레오캐스팅을 적용시킴으로써, 생산성 향상효과를 기대할 수 있다. 이는 사출속도의 변경을 통해 이루어지므로 사출속도 변화에 따른 레오캐스팅의 충진패턴에 대해서 분석하였다.

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