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문제 정의
- 본 연구에서는 너클 부품의 기계적 향상을 위해 베어링과 연결되는 부위는 단조공법을 적용하고 다른 부분은 설계자유도를 높일 수 있는 주조공법을 적용하는 단조형 인서트 타입의 주물 너클을 개발하고자유한차분법을 이용한 주조전용 해석 code인 MAGMAsoft* 이용하여 용탕의 충진 및 응고해석을 통하여 실제 주조된 제품과 비교 분석 하고자 한다.
- 본 연구에서는 단조품을 인서트로 삽입하여 사형주조 하는 원가절감형 인서트 타입의 주물재를 제작하고자 사형주조를 이용한 시편을 제작하여 특성을 분석한 후 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- Fig. 1의 인서트 타입의 단조품을 삽입 한 후 주조 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 부품은 자동차에서 구동과 조향을 동시에 수행하는 너클 부품의 외륜과 볼 베어링이 구동하는 부분에 단 조형 인서트를 이용하여 주조 해석을 수행하였다.
- 게이트 개수별로 MAGMAsoft 주조해석을 이용하여 용탕의 충진거동과 온도 분포를 분석하였다. 용 탕의 충진거동은 게이트에 가까운 부분부터 충진되어단조품의 표면을 따라 게이트의 반대 방향까지 용 탕이 차 들어가는 형태이고 용탕의 온도분포도 마찬가지로 충진되어 들어가는 순으로 게이트 부분이 가장 높고 게이트의 반대방향이 온도가 낮게 나타났다.
- 관찰하였다. 게이트 수에 따라 측정부위를 선정하여 각 주조부와 단조부의 경계면으로부터 3 mm 간격 로 로크웰 경도 B스케일과 비커스 경도기를 사용하여 경도를 측정하였다. 또한 단조부와 주조부 경계부의 간격을 마이크로 현미경으로 측정한 후 분석하였다.
- 단조용 인서트는 SM45C* 사용하여 열간 단조로 1, 000 ton 유압프레스에서 실시하였고, 단조 시 소재 온도는 1, 1OO℃, 금형의 온도는 220℃로 가열하여 실험하였다. Table 1은 SM45C의 화학성분을 나타낸다.
- 단조품과 주물품의 경계면을 분석하기 위해 Fig. 4 와 같이 시편의 중심부를 수평으로 커팅한 후 간격을 측정하였다. 커팅 후 단면을 살펴보면 육안으로볼 때 게이트가 위치하는 방향에서는 주조부와 단조부의 경계면이 뚜렷하지 않고 게이트가 위치하지 않은 곳에서는 경계면에 간격이 발생 되어있는 것을 관찰할 수 있었다.
- 단조형 인서트를 삽입한 주물재 샘플의 기계적 강도 측면에서 절단된 단면의 경계누를 중심으로 3mm 간격으로 주물의 경도를 측정하였다.
- 단조형 인서트를 삽입한 주물재를 와이어 커팅 기를 이용해서 단면을 절단하여 주조부와 단조부의 경계부를 관찰하였다. 게이트 수에 따라 측정부위를 선정하여 각 주조부와 단조부의 경계면으로부터 3 mm 간격 로 로크웰 경도 B스케일과 비커스 경도기를 사용하여 경도를 측정하였다.
- 게이트 수에 따라 측정부위를 선정하여 각 주조부와 단조부의 경계면으로부터 3 mm 간격 로 로크웰 경도 B스케일과 비커스 경도기를 사용하여 경도를 측정하였다. 또한 단조부와 주조부 경계부의 간격을 마이크로 현미경으로 측정한 후 분석하였다.
- 본 연구에서는 구상흑연주철 (FCD50)을 이용한 사형 주조법으로 주물재를 제작하였다. Table 2는 구상흑연주철의 화학성분을 나타내었다.
- 본 연구에서 사용된 부품은 자동차에서 구동과 조향을 동시에 수행하는 너클 부품의 외륜과 볼 베어링이 구동하는 부분에 단 조형 인서트를 이용하여 주조 해석을 수행하였다. 적절한 주조방안을 도출하기 위하여 게이트 형상을 Fig. 2 에 나타낸 것과 같이 게이트가 1개 일때와 게이트가 2개일 때 그리고 90° 방향2로 위치한 4개의 게이트에서 용탕이 주입되도록 세가지 형상에 대하여 설계흐}고 게이트 수에 따라 비교 분석하였다[2-6].
대상 데이터
- 1의 인서트 타입의 단조품을 삽입 한 후 주조 유동해석을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 부품은 자동차에서 구동과 조향을 동시에 수행하는 너클 부품의 외륜과 볼 베어링이 구동하는 부분에 단 조형 인서트를 이용하여 주조 해석을 수행하였다. 적절한 주조방안을 도출하기 위하여 게이트 형상을 Fig.
성능/효과
- 1. 게이트가 위치하는 곳과 게이트가 위치하지 않은 곳에서 냉각속도의 차이가 증가함에 따라 단조품과 주물재 사이의 간격도 증가 하였다.
- 2. 주물의 냉각속도 차이에 따라 펄라이트와 구상흑연의 양이 차이를 보였으며 게이트 수가 많아 냉각속도가 느릴수록 펄라이트 양은 증가하고 구상흑연의 양은 감소하였다.
- 3. 게이트 수에 따라 주물재를 제조하 단조품과 주물 재의 단면 경도를 비교해 본 결과 주물재에서는게이트의 수가 늘어날수록 펄라이트 양의 증가로 평균 경도값이 크게 나타났으며, 단조부의 경우는 게이트의 수와 관계없이 유사한 경도값을 나타내었다.
- 게이트가 2개일 경우에는 게이트가 1개일 때 보다 충진이 안정적으로 이루어졌으며 게이트가 위치한 양쪽에서는 높은 온도 분포를 나타내었다. 게이트 4개가 위치하는 경우에는 4개의 게이트에서 압탕 역할을 하고 있으며 용탕의 주입이 게이트가 위치하는 90° 방향으로 안정적으로 주입되어 4개의 게이트 쪽에서는 유사한 온도분포를 나타니고 있는 것을 확인하였다.
- 7에서와 같이 게이트가 1개일 때는 게이트가 위치하고 있는 A에서 평균 경도값이 HRB = 85이였고 게이트에서 가장 먼 곳에 위치하고 있는 E에서는 HRB = 74로 게이트가 위치하고 있는 A 보다 상대적으로 경도값이 낮게 측정 되었다. 게이트7 2 개 일 경우에는 게이트가 위치하는 A와 E에서 HRB = 87로 게이트가 위치하지 않는 곳의 평균 경도값 HRB = 81 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 게이트가 4개일 경우에도 마찬가지로 게이트가 위치하는 곳이 상대적으로 경도가 높은 것을 확인하였고 게이트 수가 증가할수록 평균 경도값이 증가함 올 알 수 있었다.
- 게이트7 2 개 일 경우에는 게이트가 위치하는 A와 E에서 HRB = 87로 게이트가 위치하지 않는 곳의 평균 경도값 HRB = 81 보다 높은 것을 확인할 수 있었다. 게이트가 4개일 경우에도 마찬가지로 게이트가 위치하는 곳이 상대적으로 경도가 높은 것을 확인하였고 게이트 수가 증가할수록 평균 경도값이 증가함 올 알 수 있었다. 경도차이의 원인을 파악하기 위해 경도 차이가 많이 나는 게이트가 1개일 경우의 A 와 E 위치를 절단하여 2% 나이탈 에칭 후 미세조직을괸찰하였다.
- 6%였고 게이트와 먼곳에 위치하는 E에서의 .구상흑연의 양은 23%, 펄라이트는 0.2% 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 Fig.
- 냉각속도 차이는 게이트가 1개 일 때 가장 크고 게이트 4개 일 때가 가장 작게 나타났다. 냉각속도가 클수록 단조품과 주물과의 간격은 늘어났으며, 냉각 속도가 느리면 간격이 줄어드는 것을 확인하였다.
- 용 탕의 충진거동은 게이트에 가까운 부분부터 충진되어단조품의 표면을 따라 게이트의 반대 방향까지 용 탕이 차 들어가는 형태이고 용탕의 온도분포도 마찬가지로 충진되어 들어가는 순으로 게이트 부분이 가장 높고 게이트의 반대방향이 온도가 낮게 나타났다. 게이트가 1개일 경우에는 게이트에서 가까운 부분은계속적인 용탕의 주입이 일어나고 있기 때문에 온도가 상대적으로 높고 게이트의 반대편에서의 온도는 상대적으로 낮았다.
- 3은 구상흑연주철의 응고가 시작되는 온도인1166℃ 부터 300초 동안의 온도 이력을 나타내고 있다. 전체적으로 게이트가 위치한 곳이 게이트가 위치하지 않는 곳보다 냉각속도가 느리게 나타났다. 게이트의 반대편에서는 압탕이 없기 때문에 주입 시간은 느리고 냉각속도는 빨라서 응고 수죽으로 인한 주조 /단조부 경계부의 접합 치밀도가 저하될 것으로 예상된다.
- 4 와 같이 시편의 중심부를 수평으로 커팅한 후 간격을 측정하였다. 커팅 후 단면을 살펴보면 육안으로볼 때 게이트가 위치하는 방향에서는 주조부와 단조부의 경계면이 뚜렷하지 않고 게이트가 위치하지 않은 곳에서는 경계면에 간격이 발생 되어있는 것을 관찰할 수 있었다.
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