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문제 정의
- 금형 예열온도 변화에 따른 응고균열 강도 차이를 이해하기 위해, 금형 예열온도가 응고조건에 미치는 인자들을 고찰해 보았다. 동일한 온도로 용탕을 주입하더라도 응고균열 강도 평가시험에서 시험편 파단위치의 온도가 금형 예열온도에 따라 변화되고 이로 인해 응고구간에서 고/액상 비율이 달라진다.
- 따라서 본 연구에서는 AC2B 합금을 대상으로 금형예열온도가 응고균열에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 인장형 응고균열 실험을 행하였다.
- 응고 진행 상태에서 응고균열 강도를 정량적으로 평가하기 위해 선행연구를 통해 자체 개발한 응고균열 장치를 사용하였다[11]. 본 연구에서는 실제 응고균열 강도 평가실험에서 파단위치의 온도변화를 통해 고상/액상 비율을 추정하기 위해, 예비실험에서 4군데의 일정 위치에 설치한 열전대에 의해 응고구간에서의 실제 온도변화를 우선 측정하여 Fig. 3에 나타내었다. 측정된 온도값을 컴퓨터 응고해석에 의한 동일 지점 응고구간에서의 온도변화와 비교하였다.
- 본 연구에서는 인장형 시험에서 측정되는 응력-변형곡선의 최대하중 도달시점에서 불안정한 균열이 발생되는 임계점으로 인식하고 해당 응력과 변형율을 기록하였다.
- 우선, 금형 예열온도 변화가 시료의 응고상태에서 고/액상 비율에 영향을 미치는 정도를 고찰해 보았다. 컴퓨터 응고해석에 의해 금형의 각 예열온도에서 최대응력에 도달하는 시간동안 파단지점의 온도변화를 Fig.
제안 방법
- 1) 본 연구에서 금형예열온도 변화에 따른 인장형 응고균열 특성평가는 응고해석을 통한 시험편 파단지점의 온도예측과 고상율 환산과정을 통해, 측정된 응력-변형곡선에서 응고균열 강도를 결정하였다.
- 용해 작업은 60호 흑연도가니를 사용하여 전기로에서 행하였으며 용해온도는 750℃로 하였다. 결정립미세화를 위한 목적으로 Al-5wt%Ti-1wt%B를 100ppm첨가하고, 질소가스로 30분간 G.B.F (Gas Bubbling Filtration) 탈가스 처리하였으며 탈가스 후 용탕진정을 위해 20분간 유지시켰다. 용탕내 가스농도 측정은 감압응고장치를 이용한 밀도 측정법인 D.
- 본 연구에 사용된 AC2B 알루미늄합금을 예열온도 50℃, 150℃, 250℃로 유지시킨 H형 응고균열용 금형에 주입한 시험편으로부터 광학현미경으로 덴드라이트 조직을 측정하여 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 평가하였다. 광학현미경 조직은 냉각곡선을 측정한 시험편을 절단한 후, 각 시료의 열전대 지점(hot junction) 근접 조직을 100배 배율로 관찰하였다.
- 금형 예열온도 변화에 따른 영향을 조사하기 위해 H형 응고균열용 금형 예열온도를 50℃, 150℃, 250℃로 변화시키고, Fig. 2에 나타낸 것처럼 일정 부위에 냉각곡선 측정을 위한 열전대를 장착하였다. 냉각곡선 측정은 금형에 주입온도 710℃ 용탕을 주입하고, 금형에서 정해진 일정 부위에 직경 0.
- 금형내부 응고균열 측정용 시험편에 충진된 용탕이 응고도중 가해지는 인장력에 의해 실제 응고균열이 일어나는 지점의 온도를 추정하기 위하여 컴퓨터 주조해석용 AnyCasting® 프로그램으로 응고해석을 실시하였으며, 해석조건을 Table 2에 나타내었다.
- 2에 나타낸 것처럼 일정 부위에 냉각곡선 측정을 위한 열전대를 장착하였다. 냉각곡선 측정은 금형에 주입온도 710℃ 용탕을 주입하고, 금형에서 정해진 일정 부위에 직경 0.3 mm K-Type CA 열전대를 장착하여 냉각시 응고균열용 시험편의 중심부 온도변화를 측정하였다. 측정된 온도로부터 냉각곡선을 구성하여 초정 및 공정온도를 결정하였으며, 응고 구간에서의 냉각속도를 계산하고 이를 통해 시험편 냉각시의 응고거동을 예측하고자 하였다.
- 본 연구에 사용된 AC2B 알루미늄합금을 예열온도 50℃, 150℃, 250℃로 유지시킨 H형 응고균열용 금형에 주입한 시험편으로부터 광학현미경으로 덴드라이트 조직을 측정하여 SDAS (Secondary Dendrite Arm Spacing)를 평가하였다. 광학현미경 조직은 냉각곡선을 측정한 시험편을 절단한 후, 각 시료의 열전대 지점(hot junction) 근접 조직을 100배 배율로 관찰하였다.
- 이때 열간균열 발생부위는 구속부 사이의 열점에 해당하고 열간균열 발생부에는 인장응력이 작용된다. 시험편에 인장변형을 가하기 위해, 주조기에 장착된 응고균열 시험용 금형에 미리 볼트를 장착시키고 각각 50℃, 150℃, 250℃ 예열온도로 유지된 금형에 용탕을 주입하였다. 일정량 응고가 진행된 시험편을 대상으로 일정 시점에서 시험편과 일체화가 된 볼트를 시험조건의 변형속도로 인장시켜 응고균열을 유도하였다.
- 58℃/s로 다소 크게 발생하였으나, 실제 주조조건에서 많이 사용되는 200℃ 부근의 금형 예열온도에서는 차이가 크지 않았다. 시험편의 열분석은 상기 4군데 위치에서만 측정되었으므로, 실제 실험에서 파단위치의 고상/액상 비율을 추정하기 위해 필요한 시험편 파단지점의 온도를 컴퓨터 응고해석의 온도 계산결과로 대체하는 방법을 채택하였다.
- 응고 진행 상태에서 응고균열 강도를 정량적으로 평가하기 위해 선행연구를 통해 자체 개발한 응고균열 장치를 사용하였다[11]. 본 연구에서는 실제 응고균열 강도 평가실험에서 파단위치의 온도변화를 통해 고상/액상 비율을 추정하기 위해, 예비실험에서 4군데의 일정 위치에 설치한 열전대에 의해 응고구간에서의 실제 온도변화를 우선 측정하여 Fig.
- 75 KW 용량의 전기모터를 회전시키고 감속기어를 통해 인장력으로 변환시켰다. 응고균열 시험편에 가해지는 실시간 응력과 변형량을 측정하기 위해 로드쉘(용량 150 Kgf)과 LVDT를 장착시켰다. 이와 같이 실시간으로 측정된 응력과 변형량은 데이터 로그를 통해 컴퓨터 모니터에 나타내었다.
- 본 연구에 적용된 응고균열 실험조건을 Table 3에 나타내었다. 응고균열 평가 장치의 로드쉘(용량 150 Kgf)과 LVDT 를 통해 시험편에 가해지는 실시간 응력과 변위량을 측정하고 이를 조합한 응력/변형곡선 결과로부터 시험재료의 응고균열 강도특성을 평가하였다.
- 응고해석에 의한 파단지점의 온도변화 추정 유효성을 판단하기 위해서는 파단지점의 실제 온도변화를 측정해야하나, 파단위치가 특정되지 않은 상태이므로, 차선책으로 특정 T/C1, T/C2, T/C3, T/C4의 4군데 위치에서 측정된 열분석 곡선들과 Table 2의 해석조건으로 동일 지점의 컴퓨터 응고해석에 의한 열분석 결과 중 응고구간(초정정출 - 공정응고 완료)에서의 냉각속도를 비교하는 것으로 하였다.
- 컴퓨터 응고해석의 유효성을 평가하기 위하여, 시험편의 열전대 위치에서 실제 측정된 냉각곡선의 응고속도와 동일지점의 컴퓨터 응고해석으로 계산된 응고속도를 비교하였다. 응고해석에서는 실제 열전대 설치위치와 동일한 지점의 온도변화뿐 아니라 실제 파단위치의 응고구간 온도변화를 예측하기 위해 1 mm 간격으로 가상의 열전대를 설치하여 실제 파단위치의 응고구간 온도변화가 예측되도록 하였다.
- 시험편에 인장변형을 가하기 위해, 주조기에 장착된 응고균열 시험용 금형에 미리 볼트를 장착시키고 각각 50℃, 150℃, 250℃ 예열온도로 유지된 금형에 용탕을 주입하였다. 일정량 응고가 진행된 시험편을 대상으로 일정 시점에서 시험편과 일체화가 된 볼트를 시험조건의 변형속도로 인장시켜 응고균열을 유도하였다.
- 3 mm K-Type CA 열전대를 장착하여 냉각시 응고균열용 시험편의 중심부 온도변화를 측정하였다. 측정된 온도로부터 냉각곡선을 구성하여 초정 및 공정온도를 결정하였으며, 응고 구간에서의 냉각속도를 계산하고 이를 통해 시험편 냉각시의 응고거동을 예측하고자 하였다. Fig.
- 프로그램으로 응고해석을 실시하였으며, 해석조건을 Table 2에 나타내었다. 컴퓨터 응고해석의 유효성을 평가하기 위하여, 시험편의 열전대 위치에서 실제 측정된 냉각곡선의 응고속도와 동일지점의 컴퓨터 응고해석으로 계산된 응고속도를 비교하였다. 응고해석에서는 실제 열전대 설치위치와 동일한 지점의 온도변화뿐 아니라 실제 파단위치의 응고구간 온도변화를 예측하기 위해 1 mm 간격으로 가상의 열전대를 설치하여 실제 파단위치의 응고구간 온도변화가 예측되도록 하였다.
대상 데이터
- Instone 등의 연구자들에 의해 H형상의 인장형 응고균열 평가 장치[10]가 고안되었다. 본 실험에 사용된 응고균열 평가 장치는 선행연구를 통해 자체 개발한 응고균열 장치이며, 기본 구성은 Fig. 1과 같다[11].
- 실험에 사용된 합금은 상용 AC2B 알루미늄합금으로 기본 잉고트의 조성은 Table 1과 같다. 용해 작업은 60호 흑연도가니를 사용하여 전기로에서 행하였으며 용해온도는 750℃로 하였다.
데이터처리
- SDAS측정은 Image Pro® 4.1 화상분석 프로그램을 사용하였으며, 각 시료 당 다섯부위를 측정 후 산술평균하여 나타내었다.
- 응고균열 시험편의 실제 파단위치에 해당하는 온도는 응고 해석 결과로부터 추정하였으며, 파단위치에서 응고중 고상율을 계산하기 위해 ThermoCalc® 해석프로그램을 사용하여 Scheil 응고조건을 적용하였다[13].
- 3에 나타내었다. 측정된 온도값을 컴퓨터 응고해석에 의한 동일 지점 응고구간에서의 온도변화와 비교하였다.
이론/모형
- F (Gas Bubbling Filtration) 탈가스 처리하였으며 탈가스 후 용탕진정을 위해 20분간 유지시켰다. 용탕내 가스농도 측정은 감압응고장치를 이용한 밀도 측정법인 D.I (Density Index)법[12]을 적용하였고 목표 D.I값은 0.3이하로 설정하였다. 용탕처리가 완료된 주입온도 710℃의 AC2B 조성의 용탕을 응고균열용 시험편 금형에 주입하였다.
성능/효과
- 2) AC2B 알루미늄 합금의 응고균열 강도 평가시험에서 금형예열온도가 각각 250℃, 150℃, 50℃일 때, 시험편 파 단시 파단지점의 온도는 610℃, 600℃, 571℃로 예측되었으며, 고상율은 각각 14.6%, 29.3%, 52.5%로 계산되었다. 금형예열온도가 각각 250℃, 150℃, 50℃일 때, 열간 균열강도는 7.
- 3) AC2B 알루미늄 합금의 응고균열 강도평가 시험에서 금형 예열온도가 각각 250℃, 150℃, 50℃로 낮아질 때 시험편 파단지점의 냉각속도는 4.34℃/s, 6.0℃/s, 7.39℃/s로 빨라지는 것으로 예측되었으며, 응고균열 강도는 7.8 Kgf/ cm2, 12.9 Kgf/cm2, 28.6 Kgf/cm2로 증가하는 것으로 측정되었다. 냉각속도에 반비례하는 고상의 결정립의 크기가 미세해질수록 응고균열 강도는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 4) 금형 예열온도를 변화시키면서 AC2B 알루미늄 합금의 응고균열 특성을 평가한 본 실험의 결과에는 응고균열 실험조건인 응고구간내의 위치와 시점에 따라 고상율 변화로 인한 영향과 함께 당시 형성된 고상의 결정립 크기 영향이 복합적으로 해당 합금의 응고균열 강도에 반영된 것으로 추정된다.
- 6은 금형 예열온도를 50℃, 150℃, 250℃로 변화시킨 실험조건에서 응고균열 실험을 통해 얻어진 응력-변형곡선이다. 금형 예열온도가 50℃에서 250℃로 증가됨에 따라 응고균열이 발생된 최대 응력은 감소하였으며, 또한 최대 응력에 해당하는 변형도 감소하였다.
- 4에 나타내었다. 금형 예열온도가 낮아 소요시간 경과에 따라 온도변화가 클 것으로 예상되었던 50℃ 금형 예열온도 조건에서의 온도변화가 28℃였으며, 250℃ 금형 예열온도의 경우에는 온도변화가 7℃, 250℃ 금형 예열온도의 경우에는 온도변화가 2℃로 예측되었다. Fig.
- 7은 금형 예열온도 변화에 따른 각 응고균열 강도 시료의 파단지점 광학현미경 미세조직 사진이다. 금형 예열온도가 낮아질수록 합금의 응고구간에서 냉각속도는 빨라져 형성되는 고상의 결정립의 크기는 미세해지고 SDAS값은 감소되었다.
- 9에 나타내었다. 금형 예열온도가 낮을수록 응고금속의 냉각속도는 빨라지므로 형성되는 덴드라이트 조직의 SDAS값이 감소되었다.
- 금형 예열온도를 변화시키면서 AC2B 알루미늄 합금의 응고균열 강도를 평가한 본 실험의 결과, 응고균열 실험조건인 응고구간내의 위치와 시점에 따라 고상율 변화와 함께 당시 형성된 고상의 결정립 크기 영향이 해당 합금의 응고균열 강도에 복합적으로 반영된 것으로 추정된다.
- 5%로 계산되었다. 금형예열온도가 각각 250℃, 150℃, 50℃일 때, 열간 균열강도는 7.8 Kgf/cm2, 12.9 Kgf/cm2, 28.6 Kgf/cm2로 측정되어, 응고균열 강도는 시험편 파단시 파단부위의 고상비율에 비례하여 증가하는 경향을 나타내었다.
- 6 Kgf/cm2로 증가하는 것으로 측정되었다. 냉각속도에 반비례하는 고상의 결정립의 크기가 미세해질수록 응고균열 강도는 증가하는 경향을 나타내었다.
- 본 실험에서 응고균열 실험의 시험편 파단시 파단지점의 응고구간 냉각속도가 빨라짐에 따라 측정한 응고균열 강도는 각각 7.8 Kgf/cm2, 12.9 Kgf/cm2, 28.6 Kgf/cm2로 고상의 결정립의 크기가 미세해질수록 응고균열 강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 결정립이 미세해질수록 결정입계 면적은 증가한다.
- 금형 예열온도 50℃인 경우 파단지점의 고상율은 금형 예열온도 150℃와 250℃의 파단지점 고상율 보다 높으며 측정된 최대 응고균열 강도도 가장 높은 값을 나타내었다. 즉, 용탕의 고/액상 비율이 각각 다른 시료를 대상으로 응고도중 측정된 응고균열 강도값을 고찰해 보면, 응고 균열강도는 고상의 비율에 비례하여 증가하는 경향을 나타낸 것으로 사료된다.
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