[논문]소실모형주조공정으로 제조한 Al-Si-Mg계 주조합금의 기계적 성질 및 주형 충전성

김정민; 하태형; 최경환

doi:10.7777/jkfs.2016.36.5.153

[국내논문] 소실모형주조공정으로 제조한 Al-Si-Mg계 주조합금의 기계적 성질 및 주형 충전성
Mechanical Properties and Mold Filling Capability of Al-Si-Mg Casting Alloy Fabricated by Lost Foam Casting Process 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.36 no.5, 2016년, pp.153 - 158

김정민 (한밭대학교 신소재공학과) , 하태형 (한밭대학교 신소재공학과) , 최경환 (한국생산기술연구원 뿌리산업기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The lost foam casting process was used to fabricate Al-Si-Mg cast specimens, and the effects of the chemical composition and process variables on the tensile properties and the mold filling ability were investigated. Some porosity formation was observed in thick sections of the casting and better tensile properties were obtained for thin sections, presumably because of their lower porosity and the higher cooling rate. Tensile properties were not clearly enhanced by grain refining treatment with Ti; however, the elongation was significantly improved by Sr modification of the Al-Si-Mg alloy. The mold filling distance was generally proportional to the pouring temperature of the melt, and the distance was also increased by the addition of Ti.

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문제 정의

소실모형주조의 장점 중 하나가 복잡한 형상의 제조에 유리한 것을 감안하면 합금조성 및 공정변수에 따른 주형의 충전성을 파악하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 산업적으로 가장 널리 사용되는 주조용 알루미늄합금인 Al-Si-Mg의 기계적 성질 및 주형 충전성에 미치는 주입온도, 냉각속도, 결정립 미세화, Sr개량화처리 등의 영향을 파악하여 최적의 조건을 도출하고 물성의 범위를 조사하였다.

제안 방법

주형의 충전성 시험은 Fig. 2에서와 같이 두께 5와 10 mm의 판재형태 모형을 분해하면서 용탕이 얼마나 유동 및 충전하였는지를 조사하여 그 길이를 비교하는 방식으로 진행하였다.
Al-Si-Mg계 주조합금을 소실모형주조공정으로 제조하여 공정변수 및 화학조성에 따른 미세조직, 기계적 성질, 주형 충전성 등을 조사한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

Al 및 Mg 순금속(99.8%)과 Al-Si, Al-Ti 및 Al-Sr 모합금을 원재료로 사용하여 전기유도로에서 용해한 후 액상선 온도 이상 50~150℃ 과열도를 가진 상태로 준비하였다. 그 다음, 목표 온도로 유지된 용탕을 상부 주입방식으로 주형내로 주입하는 대기 소실모형주조를 수행하였다.
그 다음, 목표 온도로 유지된 용탕을 상부 주입방식으로 주형내로 주입하는 대기 소실모형주조를 수행하였다. 본 연구에서 조사한 알루미늄합금의 조성은 Table 1에 나타낸 바와 같이 Al-7%Si-0.3%Mg(wt.%)을 기본으로 하여 여기에 Ti을 단독 또는 Sr과 함께 첨가한 3가지 조건을 사용하였다. 주형용 모래는 평균입도 121 μm의 규사를 사용하였으며 모형은 코팅되지 않은 상태로 진동 없이 주형 모래 속에 매립하여 주조를 진행하였다.

이론/모형

1에서와 같이 5, 10 및 20 mm의 두께를 가지는 계단식 형태이다. 동일한 두께의 부위별로 판재형 인장시편을 준비하여 ASTM B 557M 규격에 따라 인장시험을 수행하였으며, 미세조직의 분석에는 주로 광학현미경(OM)을 사용하였다. 주형의 충전성 시험은 Fig.

성능/효과

주입온도가 665℃인 경우 합금의 액상선 온도가 약 615℃이므로 과열도가 50℃에 불과하여 용탕온도가 지나치게 낮았으며, 이로 인하여 시편두께 5 mm의 경우 건전한 충전이 불가능하였고, 따라서 인장성질도 상대적으로 낮았던 것으로 사료된다. 주형의 충전에 어려움이 없는 충분한 과열도의 용탕온도라면 온도가 낮을수록 냉각속도가 빠르므로 응고조직의 미세화로 인한 인장성질의 개선이 기대되며, 실제로 충전이 용이한 20 mm의 경우에서는 주입온도가 낮을수록 강도가 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 또한, 주입온도가 665℃로 비교적 낮았던 경우를 제외하고는 시편의 두께가 감소할수록 강도와 연신율이 모두 향상되었고, 이것도 마찬가지로 냉각속도의 증가로 인한 조직미세화의 효과로 볼 수 있다[10].
합금조성의 차이도 5 mm에서의 충전 길이에 영향을 미치는 것으로 조사되었는데, Ti의 단독 및 Sr과 동시에 첨가하면 용탕의 충전 길이가 크게 향상되는 것을 알 수 있다. Ti을 단독으로 첨가한 것에 비해 Sr과 Ti을 동시에 첨가한 경우가 약간 더 유동도가 높지만 사실상 두 가지 조건에서의 큰 차이는 없는 것으로 판단되며, Ti의 첨가로 인한 결정립미세화효과가 용탕 유동도를 높인 주요 원인으로 생각된다.
1) 주조합금의 미세조직은 냉각속도의 증가에 따라 미세해지는 경향을 나타내었으며, 즉 모형의 두께가 감소할수록, 주입온도가 감소할수록 수지상 간격 및 공정실리콘의 크기가 감소하는 경향을 나타내었다.
2) 아주 얇은 두께를 제외하면, 주조합금의 인장특성 즉, 강도와 연신율은 주조조직이 미세해지면 전반적으로 향상되는 추세를 나타내었다.
3) Al-Si-Mg합금에 Ti을 첨가한 경우 인장특성의 개선효과는 관찰되지 않았으나 Sr을 함께 첨가하면 공정 실리콘의 개량화 효과로 인해 연신율이 크게 증가하였다.
4) 다른 주조방식과 마찬가지로 소실모형주조에서도 주형충전 성은 주입온도에 비례하는 경향을 보였으며, Ti을 첨가하면 결정립미세화 효과로 인해 충전성이 증가하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소실모형주조공정이 일반적인 중력 주조공정에 비해 충전성이 저하되는 이유는?	한편, 소실모형주조공정은 주입된 용탕이 모형을 분해하면서 주형을 충전하는 방법이기 때문에 일반적인 중력 주조에 비해 충전성이 저하될 소지가 있다. 모형의 분해과정에서 발생하는 용탕의 열 손실과 더불어 가스의 방출로 인한 역압력(back pressure)이 용탕의 유동을 방해할 것이기 때문이다[8,9]. 소실모형주조의 장점 중 하나가 복잡한 형상의 제조에 유리한 것을 감안하면 합금조성 및 공정변수에 따른 주형의 충전성을 파악하는 것은 중요하다.
	소실모형주조(Lost foam casting)공정의 장점은?	소실모형주조(Lost foam casting)공정은 복잡한 형상의 주조제품을 최소한의 후 가공으로 완성하는데 유리하고 주형모래의 재활용이 용이한 점 등 많은 장점이 있기 때문에 미래지향적 주조방법으로서 많은 관심을 받고 있다[1]. 특히, 최근에는 독일을 중심으로 자동차용 알루미늄 주조부품을 제조하는데 소실모형주조공정을 적용하게 되면서 국내에서도 이에 대한 연구개발의 필요성이 높아지고 있는 상황이다.
	주조용 알루미늄합금을 소실모형주조공정으로 제조하는 경우 주조제품의 기계적 성질은 무엇에 영향을 받는가?	특히, 최근에는 독일을 중심으로 자동차용 알루미늄 주조부품을 제조하는데 소실모형주조공정을 적용하게 되면서 국내에서도 이에 대한 연구개발의 필요성이 높아지고 있는 상황이다. 주조용 알루미늄합금을 소실모형주조공정으로 제조하는 경우 주조제품의 기계적 성질은 주조 미세조직, 주입온도, 모래의 종류 등 여러 변수들의 영향을 받으며, 또한 다른 주조공정에 비해 단점인 기공의 발생도 이러한 변수들과 밀접하게 연관되어 있는 것으로 보고되어 있다[2-6]. 소실모형주조의 특성상 기공이 두꺼운 제품부위에 쉽게 발생할 수 있어 실제 기계적 성질에 미치는 변수의 영향을 명확하게 파악하기 어려운데, 예를 들어 Sr을 사용한 Al-Si계 합금의 개량화처리를 한 경우 공정 Si의 형상 개선으로 인해 기계적 성질이 향상될 수 있는 반면에 두꺼운 부위에서는 기공형성이 많아지면 심각한 특성저하가 유발된다[7].

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