[논문]차압주조공정에서 공정변수가 후육 주조품의 주조특성에 미치는 영향

강호정; 윤필환; 이규흔; 김억수; 박진영

doi:10.7777/jkfs.2020.40.2.34

[국내논문] 차압주조공정에서 공정변수가 후육 주조품의 주조특성에 미치는 영향
Effect of Process Parameters on Thick-wall Thickness Casting Characteristics in Counter Pressure Casting Process 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.40 no.2, 2020년, pp.34 - 42

강호정 (한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹) , 윤필환 (한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹) , 이규흔 (한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹) , 김억수 (한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹) , 박진영 (한국생산기술연구원 첨단정형공정연구그룹)

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of the initial balancing pressure, filling pressure and maximum build-up pressure on the casting characteristics of the thick-wall thickness casting during the counter-pressure casting process were investigated. Water model experiment and a computer simulation were carried out to evaluate the characteristics during the filling and solidification stages in counter-pressure casting (CPC); as a reference, the low-pressure casting (LPC) process was used. The average dendrite cell size decreased with an increase in the solidification rate and maximum build-up pressure. A turbulent flow occurred during the filling stage of the LPC process, resulting in the formation of inner gas, while a lamellar flow pattern dominated during the CPC process and was more evident with an increase in the initial balancing pressure, improving the mechanical properties of the castings.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 2. Illustration of counter pressure casting equipment.
그림 Fig. 1. (a) Casting design and (b) cooling channels of the mold.
그림 Fig. 3. Experimental casting profile of low pressure casting (a) and counter pressure casting (b).
그림 Fig. 4. Equipment for Water model experiment.
표 Table 1. Chemical composition of A356 alloy (wt.%)
그림 Fig. 5. Specimen location of the samples.
표 Table 2. Casting process parameters of the experiment.
그림 Fig. 6. Optical microstructures of Location A, B and C of L-1 and C-1 conditions.
그림 Fig. 7.Dendrite cell size measurement with increasing max.
그림 Fig. 8. Simulated solidification time of L-1 and C-1 conditions.
그림 Fig. 9. Flow behaviors of water (melt) under L-1 and C-1 conditions.
그림 Fig. 10. Flow behaviors of water (melt) under different filling conditions (d : Difference of the max. and min. height of filling melt front from the gate).
그림 Fig. 11. Change of gas content and "d" value in water model experiment with Initial balancing pressure under different conditions.
그림 Fig. 12. Changes of Tensile, yield strength and elongation under different conditions.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 후육 주조품인 건설기계 굴착기의 Main Control Body를 대상으로 차압주조 및 저압주조를 수행하면서 각종 공정변수가 차압 주조특성에 미치는 영향을 분석하였다. 굴착기의 Main control body는 작업대의 이동 및 모션제어를 위한 유압 제어장치의 몸체로 높은 내압성이 요구 되며 최근에는 경량화를 위해 기존 Cast Iron재에서 Al재로의 재질 대체 연구가 활발하다.

제안 방법

5와 같이 주조품의 3개위치(Location A/B/C)의 응고시간을 분석하였다[7-9]. 각 공정조건에 따라 주조된 시제품에 대해서는 미세조직 분석, 주조품 내에 형성된 가스량 정량분석과 기계적 특성평가를 수행하였다. 모든 분석, 평가를 위한 시험편은 Fig.
굴착기의 Main control body는 작업대의 이동 및 모션제어를 위한 유압 제어장치의 몸체로 높은 내압성이 요구 되며 최근에는 경량화를 위해 기존 Cast Iron재에서 Al재로의 재질 대체 연구가 활발하다. 주조공정 변수에 따른 용탕의 충전거동은 수모델을 구축하여 분석하고, 응고거동은 저압 주조 해석 결과와 실 주조품 분석결과와의 비교분석을 통해 주조특성을 평가하였다.

대상 데이터

각 공정조건에 따라 주조된 시제품에 대해서는 미세조직 분석, 주조품 내에 형성된 가스량 정량분석과 기계적 특성평가를 수행하였다. 모든 분석, 평가를 위한 시험편은 Fig. 5와 같이 주조품의 3개위치 (Location A/B/C)에서 채취하였으며, 인장시험편은 ASTM E08규격에 맞추어 제작하였다. 주조 시험편의 3개위치 (Location A/B/C)는 응고속도변화에 따른 위치별 특성변화를 분석하기 위해 선정하였으며, 위치에 따른 주조품(단순 직육 면체 형상)의 두께차이는 거의 존재하지 않는다.
build-up pressure maintaining time)은 50sec로 동일하게 부여하였다. 용탕의 충전 특성 분석을 위해 차압주조공정을 모사한 수모델 장치를 Fig. 4와 같이 설계하였으며, 수모델 장치의 금형은 실 제품과 동일한 형상으로 제작하였다. 상온(20^oC)의 물의 동점성 계수는 용탕(A356)의 동점성 계수와 유사하고, 또 금속의 동점성 계수는 액상선 이상에서는 거의 변화가 없기 때문에 용탕 충전거동에 국한된 수모델 결과는 실제 알루미늄 용탕의 거동과 유사할 것으로 예상된다.

성능/효과

1) 차압공정 주조품의 dendrite cell size는 상부(Location A)에서 최종 응고부(Location C)로 갈수록 증가하였으며, 최대 증압력(1,400 → 1600mbar)이 증가할수록 감소하였다.
2) 수모델을 통해 차압주조공정의 초기 충전시부터 안정한 층류충전이 이뤄져 가스 발생량이 줄어들고, 이러한 충전 안정성은 초기균형 압력이 클수록 증가함을 확인하였다.
3) 차압주조공정의 충전시 층류충전에 따른 가스량 발생 저감과 응고시간 감소에 따른 미세조직화에 따른 기계적 특성 향상(인장강도 295.26MPa, 항복강도 185.66MPa, 연신율 5.75%)으로, 후육의 Main Control Body에 대한 Al 재질 대체 적용 가능성을 확인하였다.

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