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문제 정의
- 도형재의 평가방법은 도형재의 고유물성시험과 주형적용성시험으로 나눌 수 있는데, 본 연구에서는 한국생산기술연구원에서 개발한 주철 금형주조용 도형재의 금형적용성시험을 위하여 내구성 및 전열성 평가방법 및 장치를 고안 및 제작하여 도형층의 마모시험 및 전열시험을 실시하였다.
- 본 연구에서도 도형층의 내구성 및 전열성을 평가하기 위하여 40 × 130 × 5 mm의 주철 판상 시편에 도형재를 도포한 시편에 대해서 다음과 같은 방법으로 실험하였다.
제안 방법
- 도형재의 도포 조건은 Table 1에 나타내었다. 시편은 도형 전에 시편 표면을 금강사로 샌드블래스팅하고 나서 200~250℃로 예열한 후 스프레이 도형을 실시하고, 300℃에서 약 1시간 동안 안정화처리를 하였다. 시편 1번에서 5번은 #60 금강사로, 6번에서 8번은 #120 금강사로 블래스팅 처리한 후 도형을 실시하였다.
- 시편 1번에서 5번은 #60 금강사로, 6번에서 8번은 #120 금강사로 블래스팅 처리한 후 도형을 실시하였다. 도형은 기초도형 1~3회를 하거나, 기초도형 후 작업도형을 실시하는 등 8가지로 변화를 주어 제작하였다. Table 1은 시편 별 도형두께를 나타낸다.
- 주조가 1회 끝난 후 주물을 금형으로부터 방출시킬 때 도형 층에는 전단력이 가해져서, 도형층이 떨어져 나가기 쉬운데, 이를 평가하기 위하여 Fig. 1과 같은 장치를 고안하였다. 실제로 주물을 금형으로부터 방출시킬 때의 온도를 실현하기 위하여 가열로를 부착하여 시편을 가열한 후 왕복마모시험을 하였다.
- 실제로 주물을 금형으로부터 방출시킬 때의 온도를 실현하기 위하여 가열로를 부착하여 시편을 가열한 후 왕복마모시험을 하였다. 내구성은 도형층 상부를 구형(직경 10 mm) 또는 쐐기형(폭 5 mm)의 압자로 하중을 가하여 왕복시키면서 도형층의 마모양상을 관찰하여 평가하였다. 하중은 800~1,500 g, 시험온도는 상온과 350℃이었다.
- 하중은 800~1,500 g, 시험온도는 상온과 350℃이었다. 일정 하중에서 일정 회수를 왕복마모 시킨 후 도형층 표면의 마모 폭 등을 관찰하는 방법과, 일정 하중에서 도형재 아래의 금속 면이 노출될 때까지의 회수를 측정하는 방법으로 하였다. 일정회수 마모는 상온에서는 25회 연속 실시하였고, 350℃에서는 가열시간을 10분, 냉각시간을 30초로 하여 4회로 마모를 시키는 것을 한 사이클로 해서 총 6회를 실시하였다.
- 일정 하중에서 일정 회수를 왕복마모 시킨 후 도형층 표면의 마모 폭 등을 관찰하는 방법과, 일정 하중에서 도형재 아래의 금속 면이 노출될 때까지의 회수를 측정하는 방법으로 하였다. 일정회수 마모는 상온에서는 25회 연속 실시하였고, 350℃에서는 가열시간을 10분, 냉각시간을 30초로 하여 4회로 마모를 시키는 것을 한 사이클로 해서 총 6회를 실시하였다.
- 전열성 시험은 Fig. 2와 같이 로를 1000℃로 유지한 후 도형층이 있는 면을 하부의 로쪽으로 10분 동안 노출시키면서 도형층 반대쪽의 금속면의 온도를 측정, 기록하여 도형층의 전열성을 평가하였다. 온도의 측정은 900℃까지 측정이 가능한 비접촉식 적외선 온도계를 사용하였다.
- 전열성은 시편의 도형한 쪽을 1000℃에 10분간 노출시키면서 시편의 금속 쪽 뒷면의 온도상승 추이로 평가하였다. 도형재에 따른 가열 시의 온도 상승은 1번 시편이 가장 크고, 3번 시편이 가장 작았는데, 상승온도는 550~600℃의 범위에 있었다.
- 도형층과와 시편사이의 열전달계수는 1,500 W/m2·K로 하였고, 도형재 상단부는 Fig. 8과 같이 시간에 따른 열전달계수의 변화를 고려하여 계산하였다.
- 도형층의 주된 역할 중의 하나가 주입 직후 용탕과의 열전달을 조절하는 것이므로, 도형층과 주물 간의 열전달계수가 매우 중요하다 [6-9]. 열전달계수는 전열시험 시 얻은 온도측정치를 기준으로 역문제 기법으로 구하였다. 도형층과와 시편사이의 열전달계수는 1,500 W/m2·K로 하였고, 도형재 상단부는 Fig.
대상 데이터
- 인산염을 기본으로 한 도형재로, 도형기재는 알파 크리스토발라이트(α-cristobalite)와 쿼츠(quartz)의 혼합분말이며, 점결제로 85% 인산을 사용하였고, 첨가제로 질산알루미늄과 희석재로는 증류수를 사용하였다.
데이터처리
- 도형층 온도는 상용 전열계산 프로그램을 이용하여 계산하고 측정치와 비교하였다. Fig.
- 3은 전열계산 모델인데, 실험에서도 측면은 단열이 되게 하였으므로 4절점 사각형 요소를 이용, 2차원으로 계산하였다. 계산에 이용한 코드는 범용 구조해석코드인 MSC-MARC이었으며, Table 2와 같은 물성치를 사용하여 계산하였다.
이론/모형
- 도형재의 박리를 확인하기 위해 범용구조해석코드인 MSCMARC를 이용하여 박리 계산을 하였다. 경계조건은 Fig.
성능/효과
- 4 및 5번 시편을 제외하고는 2회 이하의 마모에서 금속부가 노출되었는데, 4 및 5번 시편은 기초 도형 위에 작업도형을 실시한 것으로 이에 의한 효과로 보인다. 기초도형만 실시한 3 및 8번 시편은 작업도형을 실시한 4 및 5번 시편보다 도형층의 두께는 두꺼웠으나, 시편이 노출되는 회수는 2회로 짧게 나타났는데, 이로부터 도형층의 두께를 두껍게 하는 것보다는 작업도형을 실시하는 것이 고온에서의 마모에 더욱 효과가 있음을 알 수 있다.
- 8℃/sec·mm의 범위에 있으며, 3, 5 및 8번 도형재의 온도 상승속도가 가장 작게 나타났다. 이들 시편의 도형층 두께는 각각 0.17, 0.15 및 0.22 mm로 단열성이 좋은 도형층의 두께가 두꺼울수록 전열속도는 작음을 알 수 있다. 한편 시편 가열 후에 도형층을 관찰한 결과, Fig.
- 11의 ▲표시선)이 생성됨을 알 수 있다. 따라서 급열에 의하여 도형층이 금형으로부터 박리될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
- 4) 온도 상승속도는 14.5~75.8℃/sec·mm의 범위에 있었으며, 도형두께가 두꺼운 시편의 온도상승속도가 느린 것으로 나타났다.
- 1) 도형층의 마모 폭은 상온보다 350℃에서 증가하였는데, 도형층의 두께를 두껍게 하는 것보다는 작업도형을 실시하는 것이 고온에서의 마모에 더욱 효과가 있음을 알 수 있었다.
- 2) 상온에서 하중을 0.8, 1.3 및 1.5 kg으로 하였을 때와 350℃에서 하중을 0.8 kg으로 하였을 때 왕복 마모 후 도형재별로 금속부가 노출되는 회수는 작업도형까지 실시한 시편이 도형두께가 두꺼운 시편보다 많게 나타났다.
- 3) 시편의 도형한 쪽을 1000℃에 10분 간 노출시킨 결과, 시편의 금속 쪽 뒷면의 상승온도는 550~600℃의 범위에 있었다.
- 5) 시편 가열 후에 일부 시편에서는 도형층의 박리가 심하게 일어났는데, 상용 소프트웨어를 이용한 계산을 통하여 도형층이 금형으로부터 박리될 수 있다는 것을 확인하였다.
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