선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 재활용성이 높은 알루미늄 A328 주조합금 용탕에 초음파 진동을 적용하여 탈가스 효과를 통한 기계적 성질의 향상, 개선 및 용탕 내 수소가스의 용해량 감소를 통하여 유동도를 향상시켜 주조 공정에서의 문제점인 가스혼입 (Air trap)이나 주조 제품 내부의 기공의 존재에 의한 결함을 줄여 주조특성을 개선하고자 하였다.
제안 방법
- 본 실험에는 A328합금을 사용하였으며 실험에 사용된 알루미늄 합금의 조성을 Table 3에 나타내었다. A328합금 1.2 kg을 SiC 도가니에 담아 저항전기로를 이용하여 750℃에서 용해한 다음 유지로(holding furnace)로 옮겨 용탕 온도를 720℃로 유지하면서 초음파 진동을 조사하였다. 초음파의 출력은 장비의 60%출력인 1200W로 하고 Horn을 탕면으로부터 1 cm 깊이로 침적시킨 후 용탕 내 초음파 진동 조사 시간을 0초, 30초, 60 초, 180초, 300초로 각각 변화시키며 실험을 진행하였다.
- 초음파 진동을 조사한 각 조건의 용탕을 강(steel)제 컵에 주입하여 50torr의 압력에서 9분간 응고시켰으며, 응고가 완료된 시편의 중앙 단면을 절단하여 마크로 폴리싱하여 시편 내부에 존재하는 팽창된 기공의 양을 보다 명확하게 관찰하였다. 또한 감압응고시편의 겉보기밀도를 측정하여 초음파 진동 조사에 의한 탈가스 효과의 정도를 비교하였다.
- 응고 완료된 Y-block으로부터 ASTM E8M-04의 규격으로 시편을 가공하여 인장시험을 각각 4회 실시하여 평균값을 구하였고, 인장 시험 후 인장 시험편의 파단면을 FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy, Quanta 200 FEG)을 이용하여 기공 및 비금속개재물의 존재 유무 및 분포를 확인하였다.
- 초음파 진동 조사 조건에 따른 유동성의 변화를 관찰하기 위하여 Fig. 3의 스파이럴 금형을 이용하여 유동도 테스트를 실시하였고, A328 합금 용탕의 이동거리 비교하여 유동성의 차이를 관찰하였으며, 응고 선단을 수직으로 절단하여 초음파 진동 조사 조건에 따른 변화를 광학현미경으로 관찰하였다.
- 초음파 진동을 조사하는 동안 용탕 내 온도의 변화는 ± 10℃로 유지하였다. 초음파 진동 조사가 완료된 용탕을 660℃까지 냉각시킨 후 200℃로 예열되어 있는 Fig. 2의 Y-block 금형에 주입하여 응고시켰으며, 또한 각각의 용탕에 대해 감압응고시험(Reduced Pressure Test, RPT)을 실시하였다. 초음파 진동을 조사한 각 조건의 용탕을 강(steel)제 컵에 주입하여 50torr의 압력에서 9분간 응고시켰으며, 응고가 완료된 시편의 중앙 단면을 절단하여 마크로 폴리싱하여 시편 내부에 존재하는 팽창된 기공의 양을 보다 명확하게 관찰하였다.
- 2의 Y-block 금형에 주입하여 응고시켰으며, 또한 각각의 용탕에 대해 감압응고시험(Reduced Pressure Test, RPT)을 실시하였다. 초음파 진동을 조사한 각 조건의 용탕을 강(steel)제 컵에 주입하여 50torr의 압력에서 9분간 응고시켰으며, 응고가 완료된 시편의 중앙 단면을 절단하여 마크로 폴리싱하여 시편 내부에 존재하는 팽창된 기공의 양을 보다 명확하게 관찰하였다. 또한 감압응고시편의 겉보기밀도를 측정하여 초음파 진동 조사에 의한 탈가스 효과의 정도를 비교하였다.
- 2 kg을 SiC 도가니에 담아 저항전기로를 이용하여 750℃에서 용해한 다음 유지로(holding furnace)로 옮겨 용탕 온도를 720℃로 유지하면서 초음파 진동을 조사하였다. 초음파의 출력은 장비의 60%출력인 1200W로 하고 Horn을 탕면으로부터 1 cm 깊이로 침적시킨 후 용탕 내 초음파 진동 조사 시간을 0초, 30초, 60 초, 180초, 300초로 각각 변화시키며 실험을 진행하였다. 초음파 진동을 조사하는 동안 용탕 내 온도의 변화는 ± 10℃로 유지하였다.
대상 데이터
- 본 실험에는 A328합금을 사용하였으며 실험에 사용된 알루미늄 합금의 조성을 Table 3에 나타내었다. A328합금 1.
- 실험에 사용된 초음파 진동 발생장치는 최대출력 20kHz, 2kW로 PZT 압전센서인 Converter, 출력전환 Booster, 알루미늄 용탕에 직접 접촉하여 진동에너지를 전달하는 Horn으로 구성되어 있으며, 고온의 용융 알루미늄과 접촉한 상태로 유지하기 때문에 공냉 및 수냉자켓으로 보호되어 있다. 용탕에 진동을 전달하기 위한 Horn은 지름이 40 mm인 Ti-6Al-4V합금이 사용되었으며 실험에 사용된 초음파 조사 장비의 모습을 Fig.
- 실험에 사용된 초음파 진동 발생장치는 최대출력 20kHz, 2kW로 PZT 압전센서인 Converter, 출력전환 Booster, 알루미늄 용탕에 직접 접촉하여 진동에너지를 전달하는 Horn으로 구성되어 있으며, 고온의 용융 알루미늄과 접촉한 상태로 유지하기 때문에 공냉 및 수냉자켓으로 보호되어 있다. 용탕에 진동을 전달하기 위한 Horn은 지름이 40 mm인 Ti-6Al-4V합금이 사용되었으며 실험에 사용된 초음파 조사 장비의 모습을 Fig. 1에나타내었다.
성능/효과
- 초음파 진동을 조사하지 않은 (a)의 경우에는 시편의 전체적인 부분에서 많은 양의 기공이 관찰된다. 초음파 진동을 30초간 조사한 시편 (b)의 경우에는 초음파 진동을 조사하지 않은 경우의 시편에 비하여 시편 내부에 존재하는 기공의 양이 크게 감소하는 모습을 보이지 않으나 초음파 진동 조사 시간이 증가할수록 전체적인 기공의 양이 감소하며, 그 크기 또한 점점 미세하게 변하였다. 또한 감압응고시편의 상부가 초음파 진동 조사 시간이 증가할수록 볼록한 형태에서 오목한 형태로 변화하였는데, 일반적으로 RPT 시편의 상부가 버섯모양인 경우는 수소용해량이 많은 것을 나타내며 탈가스가 된 용탕의 시편은 오목한 형태를 보인다[7].
- 1) 초음파 진동을 이용한 탈가스 처리법은 매우 효율적인 공정으로 A328 용탕 1.2 kg에 3분간 초음파 진동을 조사했을 때 이론밀도의 99.4%를 가질 정도로 탈가스가 이루어졌다. 하지만, 5분 이상 초음파 진동을 조사할 경우 초음파에 의해 생성된 micro bubble이 용탕 내 잔존하여 오히려 밀도가 감소하였다.
- 2) 초음파 진동 조사 시간이 증가할수록 유동도가 감소하였는데, 이는 horn으로부터 용입된 Ti에 의한 것으로 판단된다.
- 3) 초음파 진동 조사 시간이 증가할수록 기계적 성질이 향상되었다. 이는 탈가스에 의한 porosity의 감소에 기인한 것으로 사료된다.
- 4) 초음파 진동을 300초간 조사하였을 때 가장 작은 크기의 초정상을 얻을 수 있었으나, 기계적 성질은 오히려 열화하였다. 이는 micro bubble에 의해 생성된 porosity로 인한 것으로 판단된다.
- 6에 보였다. 초음파 진동 조사 시간이 길어짐에 따라 유동성이 소폭 감소하였으며 장시간 측으로 갈수록 그 감소폭 또한 증가하였다. 용탕의 유동도에 영향을 미치는 인자로는 화학조성, 과열도, 응고잠열, 표면장력, 점성, 응고 모드와 같은 금속학적 변수와 냉각속도, 주형 물질과 그 표면상태 등의 주형/주조 변수가 있다.
- 38%로 나타났다. 초음파 진동을 30초간 조사한 경우에는 인장강도가 약 220MPa, 연신율이 2.63%로 증가하였으며, 초음파 진동의 조사 시간을 증가시킬수록 인장강도와 연신율은 증가하여 조사 시간이 180초일때 약 250MPa의 인장강도와 3.5%의 연신율을 보였다. 하지만, 초음파 진동 조사 시간을 300초로 증가시키면, 오히려 인장강도와 연신율이 모두 감소하였다.
- 9는 초음파 진동 조사 시간에 따른 인장강도-연신율의 변화를 나타낸 것이다. 초음파 진동을 조사하지 않은 경우에는 인장강도가 약 201MPa, 연신율이 2.38%로 나타났다. 초음파 진동을 30초간 조사한 경우에는 인장강도가 약 220MPa, 연신율이 2.
- 7은 초음파 진동을 300초간 조사한 경우의 인장시편의 파단면을 FE-SEM을 이용하여 관찰한 사진이다. 파단면 전반에 걸쳐 작은 크기의 검은 부분이 관찰되는데, EDX 분석결과 Ti이 다량으로 고용되어 있는 것으로 나타났다. 이것은 초음파 진동 조사 장비의 horn으로부터 Ti 성분이 용입되어 용탕 중의 Al과 반응하여 형성된 것으로 판단된다.
- Table 1은 자동차 한 대당 알루미늄 주조부품의 무게를 100 kg으로 상정하였을 때 알루미늄 주조합금의 종류와 무게를 나타낸 것이며 Table 2는 알루미늄 주조부품 전체를 같이 용해했을 때의 조성을 알기 위하여 각각의 합금조성에 중량비를 가중치로 하여 환산한 결과이다. 환산결과 Si 7.6wt%, Cu 2.1wt%, Fe 0.9wt%, Mn 0.4wt%, Mg 0.3wt%로 미국 알루미늄협회(AA) 규격의 328 합금과 유사한 조성으로 확인되었다.
후속연구
- 초정 α상의 크기는 조사 시간이 60초 이하인 경우에는 거의 유사하였는데, 그 이상인 경우에는 점점 미세해져서 300초일 때 가장 작은 크기를 나타내었다. 본 실험은 초음파 진동을 응고과정에서 조사한 것이 아니기 때문에 초음파 진동의 초정상 파괴에 의한 결정립 미세화를 기대할수 없었다. 조사 시간이 길수록 초정상이 미세해지는 것은 응고과정에서 앞서 말한 horn으로부터 혼입된 Ti이 핵으로 작용 하였기 때문으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.