The Al die casting process has been widely used in the manufacturing of automotive parts when the process requires near-net shape casting and a high productive rate. However, porosity arises in the casting process, and this hampers the wider use of this method for the creation of high-durability aut...
The Al die casting process has been widely used in the manufacturing of automotive parts when the process requires near-net shape casting and a high productive rate. However, porosity arises in the casting process, and this hampers the wider use of this method for the creation of high-durability automotive components. The porosity can be controlled by the shot condition, but, it is critical to set the shot condition in the sleeve, and it remains difficult to optimize the shot condition to avoid air entrapment efficiently. In this study, the 4.5 mm, 2.0 mm plate die castings were fabricated under various shot conditions, such as plunger velocities of 0.7 m/s ~ 3.0 m/s and fast shot set points of the cavity of -25%, 0%, 25%, and 50%. The mold filling behavior of Al melts in the cavity was analyzed by a numerical method. Also, according to the shot conditions, the results of numerical analyses were compared to those of die-casting experiments. The porosity levels of the plate castings were analyzed by X-ray CT images and by density and microstructural analyses. The effects of the porosity on the mechanical properties were analyzed by tensile tests and hardness tests. The simulation results are in good general agreements with the die-casting experimental results. When plunger velocity and fast shot set point are 1.0 m/s and cavity 25% position, castings had optimum condition for good mechanical properties and a low level of porosity.
The Al die casting process has been widely used in the manufacturing of automotive parts when the process requires near-net shape casting and a high productive rate. However, porosity arises in the casting process, and this hampers the wider use of this method for the creation of high-durability automotive components. The porosity can be controlled by the shot condition, but, it is critical to set the shot condition in the sleeve, and it remains difficult to optimize the shot condition to avoid air entrapment efficiently. In this study, the 4.5 mm, 2.0 mm plate die castings were fabricated under various shot conditions, such as plunger velocities of 0.7 m/s ~ 3.0 m/s and fast shot set points of the cavity of -25%, 0%, 25%, and 50%. The mold filling behavior of Al melts in the cavity was analyzed by a numerical method. Also, according to the shot conditions, the results of numerical analyses were compared to those of die-casting experiments. The porosity levels of the plate castings were analyzed by X-ray CT images and by density and microstructural analyses. The effects of the porosity on the mechanical properties were analyzed by tensile tests and hardness tests. The simulation results are in good general agreements with the die-casting experimental results. When plunger velocity and fast shot set point are 1.0 m/s and cavity 25% position, castings had optimum condition for good mechanical properties and a low level of porosity.
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제안 방법
용탕이 충전되는 과정에서 캐비티 내부의 공기가 밖으로 배출되지 못할 경우 그대로 캐비티 내부에 잔존하여 기포결함의 원인이 된다. Air pressure를 이용하여 캐비티 내부의 압력을 예측하고 이를 통하여 기체에 의한 결함의 발생가능성을 분석하였다. Fig.
Al 박육 다이캐스팅 공정에서 주물두께와 플런저 속도 변화 및 고속전환위치에 따른 기포결함의 변화 및 기계적 성질 변화에 대해 시뮬레이션, 고압다이캐스팅 실제품 특성평가를 통해 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
다이캐스팅 주조를 한 주물의 기포결함을 분석하기 위해 X-ray 분석(SMX-225CTS), 밀도 측정, 미세조직 분석을 실시하였다. X-ray 분석의 경우 분석범위가 상대적으로 박육주물에 비해 작기 때문에 하나의 박육 주물을 4분할로 나누어 찍고 합친 뒤 분석하였다. 밀도 측정의 경우 시편의 위치에 따른 정확한 밀도를 측정하기 위해 Fig.
다이캐스팅 주조 시 고속사출속도 및 고속전환위치에 따른 캐비티 내의 충전 거동 및 응고 거동을 분석하기 위해 애니캐스팅 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 시뮬레이션 조건은 Table 1과 Table 3에 나타내었다. 각 사출조건에 따른 충전거동 및 응고거동해석 결과는 같은 조건에 의해 다이캐스팅 주조를 실시한 주물의 기포결함 분석 결과와 비교 분석하였으며, 플런저의 속도 및 고속전환위치에 따른 기포결함의 경향을 분석하였다.
0 mm의 경도를 보여준다. 경도 또한 밀도와 마찬가지로 위치별로 측정한 뒤 A, B, C 그룹으로 평균을 내었다. 4.
0 mm로 설정하였으며, 9개의 오버플로우(overflow)와 벤트(bent), 7개의 러너(runner) 및 게이트(gate)로 구성되어있다. 다이캐스팅 주조 시 고속사출속도 및 고속전환위치에 따른 캐비티 내의 충전 거동 및 응고 거동을 분석하기 위해 애니캐스팅 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 시뮬레이션 조건은 Table 1과 Table 3에 나타내었다. 각 사출조건에 따른 충전거동 및 응고거동해석 결과는 같은 조건에 의해 다이캐스팅 주조를 실시한 주물의 기포결함 분석 결과와 비교 분석하였으며, 플런저의 속도 및 고속전환위치에 따른 기포결함의 경향을 분석하였다.
다이캐스팅 주조를 한 주물의 기포결함을 분석하기 위해 X-ray 분석(SMX-225CTS), 밀도 측정, 미세조직 분석을 실시하였다. X-ray 분석의 경우 분석범위가 상대적으로 박육주물에 비해 작기 때문에 하나의 박육 주물을 4분할로 나누어 찍고 합친 뒤 분석하였다.
3과 같이 캐비티를 15개의 위치로 나누어서 각각 3회씩 밀도를 측정하였으며, 광학현미경을 통해 조직 내 기포결함을 분석하였다. 또한 기포결함이 주물의 기계적 성질에 끼치는 영향을 분석하기 위해 경도 시험, 인장 시험을 실시하였으며, 인장 시험의 경우 ASTM E08 규격에 맞추어 시편의 중앙에서 인장 시편을 제작한 후 시험을 실시하였다. 경도 시험의 경우 밀도 측정과 마찬가지로 시편의 위치에 따른 정확한 경도를 측정하기 위해 Fig.
본 연구에서는 캐비티 내의 기포결함제어를 위해 주물의 두께 및 플런저의 속도, 고속전환위치 조건 변화에 따른 고압 다이캐스팅 주조와 응고해석 및 충전해석을 실시하였다. 또한 캐비티 내의 충전 및 응고해석 등의 결과를 분석하여 기포결함 제어 방안을 강구하고, 충전 및 응고해석에 대한 결과와 고압 다이캐스팅 주조를 한 실주조품과 비교분석하였으며, 조직분석 및 기계적 특성 평가를 통해 조건별 기포결함의 영향을 확인하였다.
X-ray 분석의 경우 분석범위가 상대적으로 박육주물에 비해 작기 때문에 하나의 박육 주물을 4분할로 나누어 찍고 합친 뒤 분석하였다. 밀도 측정의 경우 시편의 위치에 따른 정확한 밀도를 측정하기 위해 Fig. 3과 같이 캐비티를 15개의 위치로 나누어서 각각 3회씩 밀도를 측정하였으며, 광학현미경을 통해 조직 내 기포결함을 분석하였다. 또한 기포결함이 주물의 기계적 성질에 끼치는 영향을 분석하기 위해 경도 시험, 인장 시험을 실시하였으며, 인장 시험의 경우 ASTM E08 규격에 맞추어 시편의 중앙에서 인장 시편을 제작한 후 시험을 실시하였다.
0 mm의 밀도를 보여준다. 밀도는 총 15개의 위치를 측정한 뒤 A, B, C 그룹으로 평균을 내었다. 4.
본 연구에서는 저속 속도에서 고속 속도로 바뀌는 지점을 Table 3과 같이 두께별로 4가지 조건으로 설정하였으며, 기존 게이트부분에서 고속 속도로 바뀌는 지점을 캐비티 0%, 캐비티 내 25%지점에서 고속 속도로 바뀌는 지점을 캐비티 25%, 캐비티 내 50%지점에서 고속 속도로 바뀌는 지점을 캐비티 50%, 캐비티 아래인 러너에서 고속 속도로 바뀌는 지점을 캐비티 −25%로 나타내었다.
본 연구에서는 캐비티 내의 기포결함제어를 위해 주물의 두께 및 플런저의 속도, 고속전환위치 조건 변화에 따른 고압 다이캐스팅 주조와 응고해석 및 충전해석을 실시하였다. 또한 캐비티 내의 충전 및 응고해석 등의 결과를 분석하여 기포결함 제어 방안을 강구하고, 충전 및 응고해석에 대한 결과와 고압 다이캐스팅 주조를 한 실주조품과 비교분석하였으며, 조직분석 및 기계적 특성 평가를 통해 조건별 기포결함의 영향을 확인하였다.
주물의 두께 및 고속 플런저 속도, 고속전환위치에 따른 기포결함을 분석하기 위해 고압다이캐스팅 주조를 실시하였다. Table 1은 금형 및 슬리브의 조건을 보여준다.
주물의 두께는 4.5 mm, 2.0 mm 로 설정하였으며, 플런저의 고속 속도는 0.7~3.0 m/s의 6가지 조건으로 설정하였다. 일반적으로 플런저가 저속구간을 이동할 때 용탕은 게이트 부분까지 채우고, 고속구간에서 게이트를 지나 캐비티를 채우게 된다.
대상 데이터
0 mm 시편 상단의 OM image를 보여준다. 미세조직은 Fig. 2의 A3지점에 채취하여 광학현미경을 통해 분석하였다. 고속 속도 변화에 따른 전체적인 미세조직 양상은 크게 다르지 않았으나, 2.
Table 1은 금형 및 슬리브의 조건을 보여준다. 슬리브는 직경 82 mm이며, 슬리브의 길이는 595 mm이며, 금형의 재질은 SKD61합금으로 구성되어있다. 실험에 사용된 소재는 ADC12합금이며, 조성은 Table 2에 나타나있다.
ADC12합금은 Al-Si-Cu합금으로서 일반적으로 주조성과 내식성이 우수하여 많은 분야에 사용되고 있으며, 다이캐스팅 주조시 사용되는 합금의 대부분을 차지하고 있다. 실험에 사용된 고압 다이캐스팅 장비는 650톤 콜드챔버 다이캐스팅 장비(TOYO650)로서 Al 자동차 부품을 생산하는데 사용하고 있다. 용탕의 초기 온도는 670oC로 설정하였으며, 용탕의 응고 및 소착방지를 위하여 금형의 온도는 200oC로 예열하였다.
슬리브는 직경 82 mm이며, 슬리브의 길이는 595 mm이며, 금형의 재질은 SKD61합금으로 구성되어있다. 실험에 사용된 소재는 ADC12합금이며, 조성은 Table 2에 나타나있다. ADC12합금은 Al-Si-Cu합금으로서 일반적으로 주조성과 내식성이 우수하여 많은 분야에 사용되고 있으며, 다이캐스팅 주조시 사용되는 합금의 대부분을 차지하고 있다.
1은 시뮬레이션을 실시하기 위해 모델링(modeling)한 다이캐스팅 주물의 형상이다. 캐비티의 가로, 세로는 각각 268 mm, 220 mm이며, 두께는 4.5 mm, 2.0 mm로 설정하였으며, 9개의 오버플로우(overflow)와 벤트(bent), 7개의 러너(runner) 및 게이트(gate)로 구성되어있다. 다이캐스팅 주조 시 고속사출속도 및 고속전환위치에 따른 캐비티 내의 충전 거동 및 응고 거동을 분석하기 위해 애니캐스팅 프로그램을 사용하여 시뮬레이션을 실시하였으며, 시뮬레이션 조건은 Table 1과 Table 3에 나타내었다.
데이터처리
Table 3은 두께, 플런저 속도 및 고속전환위치의 조건을 보여준다. 또한 다이캐스팅 사출공정에서 저속구간속도의 적용에는 슬리브의 직경, 용탕의 충전율, 용탕의 수위 등 여러가지 변수가 작용하므로, 이와 같은 슬리브의 직경 및 각 충전율 등의 여러 가지 변수를 가지고 와류가 발생하지 않는 저속구간에서의 사출 임계속도를 Lester W. Garber의 식을 통해 계산하고 실제 수 모델 실험과 비교하여 최적 속도를 확인하였다. 사용된 Garber의 식은 다음과 같다.
성능/효과
1) 캐비티 내에서의 충전 해석 결과와 X-ray에 나타난 기포결함의 분포가 유사하게 나타났다.
5 mm에 비해 박판이기 때문에 냉각속도가 빨라 상대적으로 조직이 미세하게 형성되었기 때문이다. 1.0 m/s에 비해 속도가 증가한 3.0 m/s에서 기포결함이 증가하였으며, 2.0 mm의 경우 X-ray에서 확인하기 힘든 미세한 기포결함을 확인하였다.
2) 플런저의 고속 속도의 경우 4.5 mm와 2.0 mm에서 각각 1.0 m/s 및 1.5 m/s일 때 최고의 건전성을 보였으며, 플런저의 고속 속도가 증가함에 따라 기포결함이 증가하였다.
0 mm의 밀도를 보여준다. 2.0 mm 및 4.5 mm 모두 캐비티 25%일 때 밀도가 가장 높은 것을 통해 주물 내의 기포결함이 가장 적은 것으로 판단되지만 캐비티 0%와 큰 차이를 보이지 않았다. 하지만 사전 충전율이 증가한 캐비티 50%의 경우 오히려 기계적 성질이 크게 감소하는 것을 통해, 높은 사전 충전율은 오히려 기포결함의 양을 증가 시키는 것을 알 수 있다.
3) 고속전환위치의 경우 4.5 mm와 2.0 mm에서 캐비티가 25% 사전 충전되었을 때 최고의 건전성을 보였으나, 기계적 성질은 캐비티의 0%지점에서 고속으로 전환될 때 가장 우수하였다. 이는 캐비티 25% 경우는 슬리브 내에서 형성된 용탕의 파단칠(chill layer)의 영향으로 판단되었다.
4) 4.5 mm와 2.0 mm에서 기포결함은 4.5 mm는 고속사출속도와 고속전환위치에 영향을 받는 반면, 2.0 mm에서는 고속전환위치에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
0 mm의 경도를 보여준다. 4.5 mm 및 2.0 mm의 경도는 각각 캐비티 0%, 캐비티 25%일 때 가장 높은 경도값을 보였으며, 사전 충전율이 50%인 경우 경도가 감소하는 것을 통해 밀도의 경향과 유사하였다.
경도 또한 밀도와 마찬가지로 위치별로 측정한 뒤 A, B, C 그룹으로 평균을 내었다. 4.5 mm 및 2.0mm의 경도는 각각 1.0 m/s, 1.5 m/s 일 때 가장 높은 경도값을 보였으며, 속도가 증가함에 따라 경도값이 감소하는 것을 통해 밀도의 경향과 유사함을 확인할 수 있었다.
캐비티 내 용탕의 충전이 진행됨에 따라 앞면에서 충전되는 속도보다 뒷면에서 충전되는 속도가 더 빠른 것을 확인 할 수 있으며, 캐비티 내의 충전율이 증가할수록 앞면과 뒷면의 충전율의 차이가 커지며, 점선 부위의 단면의 충전해석 결과에서 뚜렷하게 확인할 수 있다. 뒷면에서 충전된 용탕이 오버플로우로 빠져나가지 않고 오버플로우를 막는 것을 확인할 수 있으며, 점선 부위 단면의 충전해석 결과에서 뒷면의 용탕이 오버플로우를 막아 내부의 공기가 갇혀있는 것을 확인 할 수 있다. 이는 오버플로우로 용탕이 빠져나가지 못하고 앞으로 용탕이 흘러내릴 때 내부의 공기는 오버플로우로 빠져나가지 못하고 캐비티 내에 갇혀 기포 결함을 형성할 것으로 사료된다.
0 mm의 인장강도 및 연신율을 보여준다. 전체적으로 2.0 mm가 4.5 mm보다 높은 인장강도 및 연신율을 보여주는 것을 확인할 수 있었으며, 4.5 mm의 경우 1.0 m/s일 때 264.4 MPa, 1.9%의 가장 높은 값을 보여주었으며, 속도가 증가할수록 인장강도 및 연신율이 감소하였다. 반면에 2.
5 mm에 비해 감소폭이 크지 않았다. 전체적으로 2.0 mm가 4.5 mm에 비교하여 높은 밀도를 보였으며, 두께와 상관없이 속도가 느릴 경우 주물의 하단인 C 그룹의 밀도가 낮았으며, 이를 통해 상대적으로 하단부에 더 많은 기포결함이 형성된 것을 예측할 수 있다. 하지만 2.
0 mm의 인장강도 및 연신율을 보여준다. 전체적으로 2.0 mm가 4.5mm보다 높은 인장강도 및 연신율을 보여주는 것을 확인할 수 있었으며, 4.5 mm의 경우 캐비티 0%일 때 264.4 MPa, 1.9%의 가장 높은 값을 보여주었으며, 사전충전율이 증가할수록 인장강도 및 연신율이 감소하였다. 캐비티 내의 사전 충전율이 증가할수록 인장강도 및 연신율이 대체적으로 감소하는 것을 알 수 있다.
각 조건에 따른 캐비티 전면부의 충전해석 결과를 나타내었으며, 점선 부위의 단면의 충전해석 결과도 나타내었다. 캐비티 내 용탕의 충전이 진행됨에 따라 앞면에서 충전되는 속도보다 뒷면에서 충전되는 속도가 더 빠른 것을 확인 할 수 있으며, 캐비티 내의 충전율이 증가할수록 앞면과 뒷면의 충전율의 차이가 커지며, 점선 부위의 단면의 충전해석 결과에서 뚜렷하게 확인할 수 있다. 뒷면에서 충전된 용탕이 오버플로우로 빠져나가지 않고 오버플로우를 막는 것을 확인할 수 있으며, 점선 부위 단면의 충전해석 결과에서 뒷면의 용탕이 오버플로우를 막아 내부의 공기가 갇혀있는 것을 확인 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Al 다이캐스팅 공정이란?
Al 다이캐스팅 공정은 치수정밀도가 뛰어나고 주조성이 우수하여 복잡한 모양의 부품을 제조할 뿐만 아니라 높은 생산성을 가진 경제적인 주조방법 중의 하나로서, 자동차 관련 부품을 시작으로 전기 관련 부품, 일반기계 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[1,2]. 그러나 기존의 다이캐스팅 공정 시 캐비티 내부에 형성되는 주조 결함은 내구재와 같은 고강도가 요구되는 부품에 대한 적용을 제한했으며, 이러한 내부 결함은 대부분은 사출시 혼입되는 공기에 의해 다이캐스팅 주물내 10~40cc / 100gAl의 많은 가스기포결함을 형성한다[3-5].
다이캐스팅 공정 시 공기혼입을 최소화하는 방법은?
다이캐스팅 공정 시 금형에 갇힌 가스는 용탕이 충전되고 응고된 후에 기포결함의 원인이 되며, 캐비티 및 슬리브 내에서 충전되는 동안 공기가 혼입되기 쉬우므로 이를 최소화 시킬 필요가 있다[6,7]. 다이캐스팅 공정에서 공기 혼입을 최소화하기 위한 방편의 하나로 플런저를 두 단계(저속구간, 고속구간)로 이동시키는 방법이 적용되고 있다. 먼저 슬리브에용탕을 주입하고, 슬리브 내의 공기혼입을 최소화하기 위해 플런저를 느리게 이동하여 용탕이 게이트 부분까지 충전하여 슬리브 내의 용탕을 완전히 충전시킨다.
기존의 다이캐스팅 공정 시 캐비티 내부에 형성되는 내부 결함이 생성하는 문제는?
Al 다이캐스팅 공정은 치수정밀도가 뛰어나고 주조성이 우수하여 복잡한 모양의 부품을 제조할 뿐만 아니라 높은 생산성을 가진 경제적인 주조방법 중의 하나로서, 자동차 관련 부품을 시작으로 전기 관련 부품, 일반기계 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[1,2]. 그러나 기존의 다이캐스팅 공정 시 캐비티 내부에 형성되는 주조 결함은 내구재와 같은 고강도가 요구되는 부품에 대한 적용을 제한했으며, 이러한 내부 결함은 대부분은 사출시 혼입되는 공기에 의해 다이캐스팅 주물내 10~40cc / 100gAl의 많은 가스기포결함을 형성한다[3-5].
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