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제안 방법
- 2) 진공 저압주조 방식을 이용하여 전자교반기의 장착이 가능한 레오로지 성형용 실험 장비를 설계 및 제작하였고, 가스압과 진공압을 이용하여 100 × 130mm(가로 × 세로), 두께 1mm 인알루미늄 박판을 제작하였다.
- 이에 슬리브를 일체형(Fig. 7(a))으로 수정하여 제작하였으며, 도가니와 슬리브의 연결부위에 카트리지 히터를 장착해 온도저감이 적도록 수정하였다.
- MAGMA soft의 A356 “틱소(thixo)” 모듈을 이용하여 박판에 대한 충전 및 응고 거동을 수행하였다.
- 또한 현재 저압주조 박판장치는 슬리브 내에서 소재가 정체하면 용탕이 응고가 될 수 있으므로 전자교반 시간을 4초로 한정하여 교반 실험을 실시하였다. 교반 시간을 짧게 하는 대신 교반력을 높여 전자교반 효과를 높일 수 있도록 실험하였다.
- 그러므로 본 연구에서는 기존의 저압주조 공법에 진공 장치를 구축하였으며, 슬리브에 전자교반기를 적용하여 레오로지 소재의 박판을 제작하였다. 제작된 박판(100 mm × 130 mm × 1 mm)은 연료전지의 핵심부품인 분리판이나 열교환기의 냉각기 부품, 그리고 전자제품의 외장 케이스 등에 사용될 수 있다.
- 금형 내 캐비티의 높이설계는 다양한 샘플의두께 실험을 위해 높이가 다른 Mold판을 이용하여 탈부착이 가능한 형태의 금형을 설계하였다. 하지만 Mold판의 설치에 1 mm의 정확한 캐비티 높이 설정은 한계가 있었다.
- 금형을 지지하는 이송플레이트(14)가 유압실린더(12)에 의하여 상하로 승강이 가능하도록 설계하여 슬리브의 단부를 금형부에보다 용이하게 체결할 수 있으며, 상부 슬리브는 하부금형의 게이트 부까지 체결되어 반응고 소재의 용융금속이 금형까지 주입될 시 가스의 유출이 없도록 하였다.
- 금형의 온도는 350°C, 진공도는 500 mbar 이며, 용탕의 온도는 670°C(Liquid), 616℃(fs = 10%), 612℃(fs = 20%)로 설정하여 해석을 수행하였다.
- 소재의 고상율이 증가하게 되면 슬리부의 벽면부에 응고쉘이 형성되며, 이 응고쉘은 용탕의 흐름을 방해하여 응고쉘의 성장을 야기시킨다. 따라서, 최대 고상율이 15%가 넘지 않도록 전자교반 실험을 실험하였다.
- 또한 전자교반기의 내경과 온도제어 시스템 및 하부 금형의 게이트 부 직경을 고려하여 설계한 슬리브 내경의 직경은 35 mm로 기존의 전자교반 조건으로 교반을 수행하기는 어려운 실정이다. 또한 현재 저압주조 박판장치는 슬리브 내에서 소재가 정체하면 용탕이 응고가 될 수 있으므로 전자교반 시간을 4초로 한정하여 교반 실험을 실시하였다. 교반 시간을 짧게 하는 대신 교반력을 높여 전자교반 효과를 높일 수 있도록 실험하였다.
- 또한, 슬리브 내의 알루미늄 소착 방지 및 온도저감을 적게 하게 위하여 슬리브 내에 실리콘 파이프를 삽입하여 단열효과 및 알루미늄 소재의 소착을 방지할 수 있도록 하였다. Fig.
- 소재가 금형의 캐비티를 채우는 양을 바탕으로 충전 현상을 표현하였다. 용탕 온도가 670℃인 완전 액상의 경우 용탕이 게이트를 지나면서 캐비티의 중앙과 좌우면이 분리되면서 난류 상태로 유입된다.
- 하지만 본 장치는 저압주조 시 도가니에서 하부금형 게이트 (Gate) 부까지 연결되어 있는 슬리브(5) 외측에 전자교반 장치(1)를 장착하여 전자교반력에 의한 구성화된 결정립이 생성되도록 설계되어 있다. 슬리브를 통과하는 반응고 소재의 온도 제어를 위하여 슬리브 외측 전체를 둘러싸는 히팅장치(3)를 설계하여 소재의 유동성을 향상시킬 수 있도록 하였다. 또한, 슬리브는 비자성체 소재인 SUS 316으로 제작하여 전자교반시 교반 효과를 받지 않도록 하였다.
- 알루미늄 용탕의 온도는 가압되는 아르곤의 온도가 낮고, 슬리브를 이동하며 소재의 온도가 약 5~7℃ 이내로 온도 강하가 일어남으로 액상선 온도 615℃에서 2℃ 높은 온도로 설정하여 박판 성형 실험을 수행하였다. 용탕의 온도가 낮으면 슬리브 내에서 용탕의 응고가 일어남으로 전자교반이 이루어지는 슬리브 부분에서 고상율이 10% 이하가 되도록 용탕 온도를 설정하였다.
- 알루미늄 용탕의 온도는 가압되는 아르곤의 온도가 낮고, 슬리브를 이동하며 소재의 온도가 약 5~7℃ 이내로 온도 강하가 일어남으로 액상선 온도 615℃에서 2℃ 높은 온도로 설정하여 박판 성형 실험을 수행하였다. 용탕의 온도가 낮으면 슬리브 내에서 용탕의 응고가 일어남으로 전자교반이 이루어지는 슬리브 부분에서 고상율이 10% 이하가 되도록 용탕 온도를 설정하였다.
- 용탕의 온도는 컵에 용탕을 부었을 때 액상선 온도 근처가 되도록 하였다. 이는 예비 성형 실험을 통하여 고상율(Solid fraction)이 10% 이내에서 슬리브 내에 소재의 응고가 일어나지 않았기 때문이다.
- 용탕의 주입온도는 고상율이 10%인 616°C, 진공도는 500 mbar로 설정하여 유동 특성을 확인하였다.
- 금형의 온도가 높으면 금형과 성형된 제품의 소착현상으로 탈형(demolding)이 힘들며 표면거칠기가 좋지 않게 된다. 이러한 조건들을 바탕으로 용탕 온도와 아르곤 가스압에 따라 박판 성형 실험을 수행하였다. 용탕 온도가 670℃인 조건은 전자교반기를 작동시키지 않았으며, 615℃인 조건은 전자교반기를 작동시켰다.
- 저압주조기에 의한 성형 공정의 실험결과와 함께 주조 전용 해석 프로그램인 MAGMA soft를 이용하여 충전 시 용탕 주입 온도, 금형 온도, 진공도 조건에 따른 용탕의 충전거동을 분석하였으며, 응고 시 용탕의 응고 거동을 분석하여 실험 결과와 비교하였다.
- 전자교반 실험시 슬리브 온도 상태와 동일하게 실험하기 위하여 슬리브 내경(35 mm) 및 두께(12.5 mm)가 동일한 컵을 제작하였으며, Fig. 4에서 보여지는 가열로를 통하여 컵을 가열하여 슬리브의 최대 온도와 동일하게 설정하고 전자교반을 수행하였다. 슬리브의 최대 온도는 교반기와 슬리브의 크기에 따른 사이즈의 제약으로 560 ℃이며, 히팅 장치를 Fig.
- 조직 관찰은 용탕 유동 방향과 수직방향인 박판의 단면부를 선정하여 수행하였으며, 중심부와 외곽부 그리고 인렛부분과 박판의 중심부, 끝단부로 나누어 소재의 특성을 파악하였다.
- 진공도에 따른 유동 특성을 파악하기 위하여 용탕 온도는 616°C, 금형 온도 350°C로 하였으며, 진공도는 500 mbar(375 mmHg)와 100 mbar(75 mmHg) 두 가지로 설정하였다.
대상 데이터
- 전자교반를 적용한 진공 저압주조 공법으로 두께가 1 mm의레오로지 박판을 용탕 온도 615°C, 진공도 60 mmHg 및 가스압 15 bar 조건으로 제작할 수 있었다.
- 전자교반을 이용한 레오로지 저압주조 성형 공정 실험의 소재는 주조용 소재인 A356 알루미늄 합금을 사용하였다. DSC 분석을 통한 A356 합금의 성분 분석표를 Table 1에 도표하였다.
- 8에 나타내었다. 캐비티 사이즈는 충전 방향으로 130 mm, 세로방향으로 110 mm 이며, 두께는 1 mm이다. 게이트의 두께는 0.
- 해석에 사용된 캐스트 재질은 실험과 동일한 A356의 소재를 이용하여 성형해석을 수행하였으며, 성형 변수로는 금형 온도, 용탕 온도, 진공도 3가지 조건이다. MAGMA soft의 A356 “틱소(thixo)” 모듈을 이용하여 박판에 대한 충전 및 응고 거동을 수행하였다.
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