[논문]AC2B 알루미늄 주조합금의 정량적 응고균열 강도 평가

김헌주

doi:10.7777/jkfs.2014.34.4.136

AC2B 알루미늄 주조합금의 정량적 응고균열 강도 평가
Quantitative Evaluation of Solidification Crack Strength of AC2B Aluminum Casting Alloy 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.34 no.4, 2014년, pp.136 - 142

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Numerical solution of thermal stress by CAE analysis could be an effective method in product development stage of castings to predict and treat the problem of solidification cracking of castings. Quantitative stress-strain data are necessary, in this case. Tension type apparatus of a solidification crack test which can measure stress-strain relationship quantitatively was developed and the test procedure was established by this research. Solidification crack strength obtained from the following test procedure could be utilized to evaluate it in terms of effect factors on thermo-plastic characteristic of solidifying alloy such as grain size of solid, grain morphology, distribution of solid grain, etc. Proposed test procedure is as follow: Prediction of temperature at the failure site of solidification cracked specimen by computer simulation of solidification, Calculation of solid fraction of the failure site from thermodynamic solution of solidification under Scheil condition.

주제어

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문제 정의

이 경우, 고액공존 상태에서 합금의 역학적 특성을 나타내는 응력-변형 곡선 자료가 계산상 필요하다. 따라서 본 연구에서는 주조용 알루미늄 합금의 응고균열 민감성을 정량적으로 평가하기 위한 장치개발과 실험방법의 정립을 목표로 AC2B 합금을 대상으로 인장형 응고균열 실험을 행하고 실험 방법론적 측면에서 평가절차를 검토해 보았다.
주조합금의 응고과정에서 발생하는 응고균열 현상을 연구하기 위해 1950년대 이후부터 최근에 이르기까지 합금의 고액공존 상태 역학적 특성을 측정하기 위한 장치개발과 실험방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 미국 해군연구소(Naval Research Laboratory)의 W. S. Pellini와 H. F. Bishop은 응고과정에 있는 사형주형의 파단 소요하중을 측정하는 시도를 통해 고액공존 합금의 역학적 특성을 최초로 평가하고자 하였다[8]. 실질적인 인장형 열간균열 실험은 1966년 Novikov I.
본 연구는 주조용 알루미늄합금의 응고중 고상/액상 혼합상태에서 응고균열 강도를 정량적으로 평가하기 위한 장치개발과 실험절차를 규정하기 위한 실험을 행하였다.
본 연구에서는 응고도중 가해지는 인장력에 의해 실제 응고균열이 일어나는 지점의 온도를 추정하기 위하여, 응고균열 시험편의 파단위치에 해당하는 지점을 대상으로 컴퓨터 주조해석용 AnyCasting® 프로그램을 사용하여 응고해석을 실시하였으며, 해석조건은 Table 2에 나타내었다.
저자는 본 연구로 개발된 응고균열 강도 측정장비를 활용하여 알루미늄 주조합금을 대상으로 응고중 조직특성 변화가 응고균열 강도에 미치는 영향을 체계적으로 연구하고자 한다.

제안 방법

AC2B계 알루미늄합금의 응고균열 강도 평가를 위해 금형을 150℃로 유지한 시험편금형에 주입온도 710℃의 용탕을 주입하였다. Fig.
9는 응고해석에 의해 파단지점의 온도측정 유효성을 판단하기 위해 실제 측정된 열분석 곡선들과 컴퓨터 응고해석으로 동일 지점의 열분석 자료중 응고구간(초정정출 - 공정응고 완료)에서의 냉각속도를 비교한 자료이다. Fig. 9의 비교 결과로부터, 실제 실험시 파단위치의 고상/액상 비율을 추정하기 위해 시험편 파단지점의 온도예측을 컴퓨터 응고해석방법으로 대체하였다.
용해 작업은 60호 흑연도가니를 사용하여 전기로에서 행하였으며 용해온도는 750℃로 하였다. 결정립미세화를 위한 목적으로 Al-5wt%Ti1wt%B를 100ppm첨가하였으며 질소가스로 30분간 G.B.F처리를 하였다. 탈가스 후 용탕진정을 위해 20분간 유지시켰다.
고상율을 계산하기 위해 ThermoCalc® 해석프로그램을 사용하여 Scheil 응고조건을 적용하였다.
냉각곡선 측정을 위해 주입온도 710℃ 용탕을 예열온도 150℃로 유지된 H형 금형에 주입하였다. 금형의 일정 부위에 직경 0.3 mm K-Type CA 열전대를 부착하여 냉각 시 응고균열용 시험편의 중심부 온도변화를 측정하였다. 측정된 온도로부터 냉각곡선을 구성하여 초정 및 공정온도를 결정하였으며, 응고구간에서의 냉각속도를 계산하여 실험용 합금의 응고 특성을 평가하였다.
주조조건에 영향을 받는 시험편 파단지점의 고상/액상 비율이외에도 응고구간에서 형성되는 고상의 결정립의 크기와 결정립의 형상 차이에 따라서도 응고균열 강도는 영향을 받을 수있다. 또한 H자형 시험편으로 인장형 응고균열 강도를 평가한 본 실험방법은 시험편내 파단지점의 위치와 시점에 따라 고상율 변화로 인한 영향과 함께 당시 형성된 고상의 결정립 크기, 결정립 형상, 결정립 분포 등 금속 조직특성 변화가 열간 균열강도에 미치는 영향을 평가할 수 있다.
6에 나타내었다. 먼저 시료인 주조용 알루미늄합금을 본 연구에서 자체 개발한 인장형 응고균열 장치의 금형에 주입한다. 용탕성분, 용탕처리 조건, 주입온도, 금형 예열온도 등의 주조조건은 실제 주조공정에서 평가하고자하는 조건과 동일한 조건을 적용하여 응고균열 강도 시험편을 주조한다.
본 실험에서 행한 응고균열 실험에서 인장응력을 가하는 시험편의 경우에는 열전대가 응력시발점 위치로 작용하는 것을 우려하여 열전대를 설치하지 않았으며, 동일 응고조건에서 별도로 시험편 일정 부위에 열전대를 설치하여 온도변화를 측정하였다.
본 연구에서 개발한 응고균열 강도 평가 장치는 C. Davidson 등[14]이 개발한 장치를 참고하고 부분적으로 보완을 가하였다.
본 연구에서 개발한 응고균열 강도 평가 장치는 응고가 진행되는 도중에 인장응력을 가하는 장치의 특성상 인장시 시험 편금형의 형상을 Fig. 2와 같이 원형으로 설계하여 시험편 응고수축에 의한 금형과의 마찰문제를 보완하였다.
즉, 응고균열 시험용 금형에 미리 볼트를 장착시키고 150℃ 예열온도로 유지된 금형에 용탕을 주입하였다. 시험조건의 고상/액상 비율을 제어하기 위해 일정량 응고를 진행시킨 후 응고가 진행중인 시험편과 일체화가 된 볼트를 60 mm/min의 변형속도로 인장시켜 응고도중의 시험편에 응고균열을 유도하였다.
열간균열 시험편에 가해지는 실시간 응력과 변형량을 측정하기 위해 로드쉘(용량 150 Kgf)과 LVDT를 장착시켰다. 실시간으로 측정된 응력과 변형량은 데이터 로그를 통해 컴퓨터에 저장하거나, 측정값을 처리하여 응력-변형곡선의 형태로 가공하였다. 응고진행중인 상태에서 실시간으로 측정된 응력-변형곡선은 실험대상인 알루미늄 합금의 응고균열 특성을 평가하는 기본 자료로 활용하였다.
실제 응고균열 강도 시험에서 균열발생 지점의 온도를 추정하기 위하여, 시험편의 열전대 위치와 파단위치에 해당하는 지점들을 대상으로 컴퓨터 응고해석을 실시하였다. Fig.
알루미늄 합금의 응고중인 상태에서 내균열 특성인 응고균열을 정량적으로 평가하기 위하여 인장형 응고균열 강도 평가 장치를 제작하였다. 본 실험에서 제작한 응고균열 평가 장치의 기본 구성은 Fig.
75 KW 용량의 전기 모터를 회전시키고 감속기어를 통해 인장력으로 변환시켰다. 열간균열 시험편에 가해지는 실시간 응력과 변형량을 측정하기 위해 로드쉘(용량 150 Kgf)과 LVDT를 장착시켰다. 실시간으로 측정된 응력과 변형량은 데이터 로그를 통해 컴퓨터에 저장하거나, 측정값을 처리하여 응력-변형곡선의 형태로 가공하였다.
2에 나타낸 것처럼 H형상의 시험편 중앙에 주입구겸 압탕 역할을 하는 부분에 실험용 용탕을 주입하여 제작한다. 응고과정에서 용융금속의 수축에 의해 구속부 인근에서 발생되는 일반적인 열간균열현상을 재현하였다. H형상의 시험편에서 압탕 인근부의 시험편 구속부와는 달리 반대편 가장자리 한부분에 인장변형을 가하여 열간균열을 유도하였다.
본 연구에 적용된 응고균열 실험조건을 Table 3에 나타내었다. 응고균열 강도 평가 장치의 로드쉘(용량 150 Kgf)과 LVDT를 통해 시험편에 가해지는 실시간 응력과 변형량을 측정하고 조합한 하중/변위곡선 결과로부터 시험재료의 응고균열 특성을 나타내는 응력값과 변형값을 평가하였다.
응고균열 강도 평가실험에서 파단위치의 온도변화를 측정하고 이를 통해 고상/액상 비율을 추정하기 위해, 시험편에 4군데의 일정 위치에 설치한 열전대를 설치하여 응고구간에서의 온도변화를 측정하여 Fig. 4의 냉각곡선을 만들었다.
실시간으로 측정된 응력과 변형량은 데이터 로그를 통해 컴퓨터에 저장하거나, 측정값을 처리하여 응력-변형곡선의 형태로 가공하였다. 응고진행중인 상태에서 실시간으로 측정된 응력-변형곡선은 실험대상인 알루미늄 합금의 응고균열 특성을 평가하는 기본 자료로 활용하였다. Fig.
응고해석시에는 실제 열전대 설치위치와 동일한 지점의 온도 변화뿐 아니라 실제 파단위치의 응고구간 온도변화를 예측하기 위해 1 mm 간격으로 가상의 열전대를 설치하여 실제 파단위치에서 온도변화가 예측되도록 하였다.
H형상의 시험편에서 압탕 인근부의 시험편 구속부와는 달리 반대편 가장자리 한부분에 인장변형을 가하여 열간균열을 유도하였다. 즉, 응고균열 시험용 금형에 미리 볼트를 장착시키고 150℃ 예열온도로 유지된 금형에 용탕을 주입하였다. 시험조건의 고상/액상 비율을 제어하기 위해 일정량 응고를 진행시킨 후 응고가 진행중인 시험편과 일체화가 된 볼트를 60 mm/min의 변형속도로 인장시켜 응고도중의 시험편에 응고균열을 유도하였다.
3 mm K-Type CA 열전대를 부착하여 냉각 시 응고균열용 시험편의 중심부 온도변화를 측정하였다. 측정된 온도로부터 냉각곡선을 구성하여 초정 및 공정온도를 결정하였으며, 응고구간에서의 냉각속도를 계산하여 실험용 합금의 응고 특성을 평가하였다. Fig.
컴퓨터 응고해석의 유효성을 평가하기 위하여, 2.3절에서 시험편의 열전대 위치에서 실제 측정된 냉각곡선의 응고속도와 동일지점의 컴퓨터 응고해석으로 계산된 응고속도를 비교하였다.
컴퓨터 응고해석의 유효성을 평가하기 위하여, 시험편의 열전대 위치에서 실제 측정된 냉각곡선과 동일지점에서 컴퓨터 응고해석으로 예측된 냉각곡선을 비교하였다. Fig.

대상 데이터

본 실험에 사용된 합금은 상용 AC2B 알루미늄 합금으로 기본 잉고트의 조성은 Table 1과 같다. 용해 작업은 60호 흑연도가니를 사용하여 전기로에서 행하였으며 용해온도는 750℃로 하였다.

이론/모형

탈가스 후 용탕진정을 위해 20분간 유지시켰다. 용탕내 가스농도 측정은 감압응고장치를 이용한 밀도 측정법인 D.I(Density Index)법[6]을 적용하였고 목표 D.I값은 0.3이하로 설정하였다. 용탕처리가 종료된 AC2B 조성의 용탕을 H형 응고 균열 측정용 시험편 금형에 주입하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 개발한 H자형 시험편을 사용한 인장형 응고균열 강도 실험방법으로 응고중인 합금의 응고균열 강도를 정량적으로 측정할 수 있었다.
2) 자체 개발한 인장형 응고균열 장치는 마찰문제를 보완한 H자형 시험편 금형과 시험편에 인장응력을 가하는 전기 모터 및 모터 제어부, 시험편으로부터 발생한 응력과 변형을 측정하는 로드쉘과 LVDT 및 획득 신호증폭을 담당하는 데이터획득 장치부와 데이터 저장, 출력 및 모니터링 역할의 데이터 출력부로 구성되어 있다.
3) 응고해석에 의한 시험편 균열지점의 온도예측과, 열역학 계산 프로그램을 통해 사용합금의 해당온도에 상당하는 고상율 환산과정을 통해, 실제 실험으로 측정된 응고균열 강도값에 해당하는 응고 합금의 고상율을 유추 가능하였다.
4) H자형 시험편으로 인장형 응고균열 강도를 평가한 본 실험방법은 응고과정에서 형성된 고상의 결정립 크기, 결정립 형상, 결정립 분포 등 금속 조직특성 변화가 응고균열 강도에 미치는 영향을 평가할 수 있다.
응고균열 시험편의 실제 파단위치에 해당하는 온도를 응고해석으로 계산한 결과 600℃였으며, 고상율은 29.3%로 해석되었다. 고상율을 계산하기 위해 ThermoCalc^® 해석프로그램을 사용하여 Scheil 응고조건을 적용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보편적으로 많이 사용되는 응고균열 평가방법은 무엇인가?	주조성 평가방법의 일환으로 일반적으로 널리 사용되는 응고 균열 평가방법은 일명 열간균열 시험법(Hot Tearing Test)으로 알려져 있으며, 실험방법과 장치/금형이 간단한 방법이 널리 사용되고 있다. 보편적으로 많이 사용되는 응고균열 평가방법은 CRC몰드[5]와 같은 형상으로, 금형에 길이와 두께가 다른 막대들의 가지런히 배열하고 막대끝 부분을 쐐기형태로 금형에 구속되도록 하여 용탕이 응고될 때 발생되는 수축응력으로 막대부분에 균열이 발생하게 만든 시험금형을 사용하는 방법이다.
	막대의 길이와 직경에 따라 수축응력이 다르므로 균열이 발생된 특정 막대를 비교하여 상대적인 응고균열 민감성을 평가하는 방법이 가지고 있는 한계는 무엇인가?	막대의 길이와 직경에 따라 수축응력이 다르므로 균열이 발생된 특정 막대를 비교하여 상대적인 응고균열 민감성을 평가하는 방법이다. 그러나 이 방법은 비교대상 합금들의 응고균열 민감성을 상대적으로 평가하는 것으로 합금의 응고도중인 고액 공존 상태에서 응고균열이 발생되는 한계 응력에 대한 정량적인 자료를 제공하지 못한다.
	일반적으로 주조용 합금으로 요구되는 주요 특성 및 평가항목은 무엇인가?	일반적으로 주조용 합금으로 요구되는 주요 특성 및 평가항 목으로 수축성, 유동성, 응고균열 민감성이 거론된다. 복잡한 형상의 제품을 생산효율이 높은 금형주조, 고압금형주조법 (HPDC)으로 개발할 때에는 사용합금의 응고균열 특성에 대한 검토가 반드시 요구된다.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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