[논문]유기용제 함침법을 통한 알루미늄 다이캐스팅의 미세결함 및 기밀성 평가

이진욱; 조창현; 김성계; 고영건; 김동주

doi:10.7777/jkfs.2022.42.4.218

유기용제 함침법을 통한 알루미늄 다이캐스팅의 미세결함 및 기밀성 평가
Evaluation of Micro-defects and Air Tightness of Al Die-casting by Impregnation of Organic Solvent 원문보기

한국주조공학회지 = Journal of Korea Foundry Society, v.42 no.4, 2022년, pp.218 - 225

이진욱 ((주)세아메카닉스) , 조창현 ((주)세아메카닉스) , 김성계 (이노에프앤씨(주)) , 고영건 (영남대학교) , 김동주 ((주)세아메카닉스)

초록
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본 연구에서는 고압 다이캐스팅 (High pressure die-casting, HPDC)을 통해 알루미늄 합금 (상업코드: ALDC12종)으로 수소 자동차용 부품 (Air pressure control valve housing, APCVH)을 제조하였으며 주조품의 기밀성을 향상시키기 위해 유기 함침액을 개발하였다. 개발된 2종류의 유기 함침액 (INNO-series, 한국)과 상용 합침액 (P601, 일본)을 사용하여 함침공정 조건 및 후 처리에 따른 미세결함과 기밀성을 비교 평가하였다. 컴퓨터 단층촬영 및 3차원 X-선 현미경 분석을 통해 함침된 알루미늄 주조품의 결함제어 및 성능 개선을 확인하였다. 또한, 함침 공정 후 기밀성 시험에서 INNO-01이 함침된 시료의 경우 성능 개선율이 70%인 것으로 확인하였다. 따라서, 개발된 유기 함침액은 상용 가능하며 다이캐스팅 제품의 기밀성 향상에 도움이 될 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

For hydrogen-vehicle applications (air pressure control valve housing, APCVH), an investigation was conducted to determine how micro-defects in a high- pressure die-casted Al alloy (industrial code: ALDC12) could be controlled by means of a post-treatment using an organic-based impregnation solution in order to improve the air- tightness of the die-casted Al sample. Two different impregnation solutions were proposed and its test results were compared to a imported product from Japan with respect to the processing variables used. A structural investigation of the components under study was conducted by means of computer tomography and 3D X-ray micro-CT. These observations revealed that the use of the impregnation treatment to seal micro-defects led to highly significant and beneficial changes which were attributed mainly to interconnections among inherent micro-pores. A leak test after impregnation revealed that the performance improvement rate of the die-casted Al sample was ~70% for INNO-01. Therefore, the developed impregnation solutions offer an effective strategy to control the micro-defects found in various vehicle parts via die-casting.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. A series of the entire impregnation processing consisting of ① vacuum, ② supply impregnant, ③ pressure, ④ remove impregnant, ⑤ washing and ⑥ thermosetting.
그림 Fig. 2. A machine framework for the present impregnation processing installed at SeA Mechanics: (a) impregnation process chamber, (b) impregnation storage chamber, (c) washing bucket and (d) thermosetting process chamber.
표 Table 1. The chemical molecular structure and initiator of the organic impregnant solutions used for the present impregnation testing
그림 Fig. 3. A machine framework for leakage testing equipment installed at SeA Mechanics and the related die-casted sample with near-net shape.
표 Table 2. The details of the impregnation test conditions
그림 Fig. 4. The overall macro-image showing the spatial distribution of the micro-defects found in the real components measured through X-ray CT.
그림 Fig. 5. The XRM images showing the structural characteristics of the micro-defects: (a) whole tomography of the product and (b) leak risk area with magnification.
그림 Fig. 6. The XRM image of the die-casted sample impregnated by INNO-01 solution: (a) whole appearance and along with (b) X-axis, (c) Y-axis and (d) Z-axis.
그림 Fig. 7. The SEM images of the present sample after impregnation treatment by INNO-01.
표 Table 3. The elemental analysis using EDS on the surface- and pore-area of the die-casted samples after impregnation treatment by INNO-01 solution, taken from Fig. 7.
표 Table 4. The leak test result of the die-casted samples prior to impregnation treatment (Unit : kPa/min)
표 Table 5. The leak test result of the die-casted samples subsequent to impregnation treatment (Unit : kPa/min)
그림 Fig. 8. A leakage comparison of the die-casted samples with respect to impregnation treatment.

AI 본문요약
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문제 정의

친환경 및 경량화 수소자동차 산업의 확대에 따라 자유 형상 제어가 가능한 다이캐스팅된 알루미늄 합금 소재부품에 있어 산업적인 기술 개발이 필요한 상황이다. 특히 다이캐스팅된 소재가 내재적으로 포함하고 있는 미세결함 및 기밀성 난제에 봉착하였기에, 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 화공기반 함침 시스템 (함침액+공정)을 개발하고자 하였다. 다이캐스팅 후 함침 공정을 통해 미세결함 내 함침액 침입 유무와 이를 통한 기밀성을 향상시키는 연구를 진행하였으며, leak 불량이 발생하였던 수소자동차용 APCVH 제품에 함침 공정을 적용하여 미세결함 및 제품 불량률 (수율 개선)을 획기적으로 개선하였다.

제안 방법

주조품 내부의 기공을 분석하기 위해 Sec 社의 CT장비 (computer tomography, X-eye 7000B)를 사용하여 누설 발생이 의심되는 기공을 분석하였으며 또한, Fig. 2와 같은 자체 함침 장비를 통하여 1시간 이내 1회 함침을 실시하였으며 함침 전, 후로 Leak test를 통하여 함침공정으로 인한 누설 발생의 영향을 분석하였다. 함침 공정의 구체적인 실험 조건은 Table 2과 같이 함침제와 개시제를 30분 동안 교반 후, Fig.
Leak test는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 자체 설비를 통해 진행하였으며 시료를 leak test 장비의 jig에 안착시켜 300 kPa의 압력을 가한 후, 1분간 감소하는 압력의 수치를 측정하여 주조품에서 누설이 얼마 정도 발생하는지 분석하였다. 0.
특히 다이캐스팅된 소재가 내재적으로 포함하고 있는 미세결함 및 기밀성 난제에 봉착하였기에, 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 화공기반 함침 시스템 (함침액+공정)을 개발하고자 하였다. 다이캐스팅 후 함침 공정을 통해 미세결함 내 함침액 침입 유무와 이를 통한 기밀성을 향상시키는 연구를 진행하였으며, leak 불량이 발생하였던 수소자동차용 APCVH 제품에 함침 공정을 적용하여 미세결함 및 제품 불량률 (수율 개선)을 획기적으로 개선하였다. 무엇보다도 상용 일본제 함침액과 본 연구팀에서 개발한 함침액을 통한 leak 실험 결과에 따르면, 종래 함침액보다 동등 우위의 성능을 갖는 것으로 확인되어 일본에 전적으로 의존하던 함침액 기술의 국산화 달성에 기여하였다고 판단된다.
이를 해결하기 위해 함침법을 통해 기공결함을 밀봉시켜 고압에 견딜 수 있는 부품을 생산하고자 한다 [11]. 따라서 본 연구에서는 종래 전량 수입에 의존하던 상용 함침제에 대해 국산화를 달성하고 이를 통해 개발된 함침제와 수입 함침제를 동일 함침 공정에 적용하여 수소자동차에 사용되는 APCVH 제품의 함침 전/후 누설 특성을 비교 평가하였다.
또한, SEM과 EDS 분석을 통해 표면 기공에 대하여 함침제가 세척공정에서 씻겨나가지 않고 기공을 메워 함침된 것을 확인하고자 하였다. Fig.
7과 같이 시료에 형성된 15~20 ㎛ 크기의 기공 부위를 SEM으로 분석하였고, EDS 결과를 Table 3에 나타내었다. 시료의 경우 알루미늄 주조품으로 주성분이 Al이고, 함침제의 경우는 탄소화합물이므로 Al과 C의 양을 비교하여 함침이 되었을 것으로 예상되는 기공 부위와 세척 공정으로 함침액이 비교적 적게 잔존하는 시료표면을 분석하였다. 그 결과, 시료의 표면에서는 Al 성분이 70% 이상으로 분석되었고, 기공이 있는 부위에선 C의 성분이 60~76%인 것으로 분석되어 함침 시험 결과, 기공을 함침액이 메우고 있는 것으로 확인할 수 있었다.
이와 같이 기밀성을 요구하는 다이캐스팅 제품은 기공결함들로 인해 사용 중 오일이나 냉각수 등의 누설이 발생할 수 있으며 이 경우 불량으로 분류되어 산업적으로는 제품의 가치를 제고할 수 없게 된다. 이를 해결하기 위해 함침법을 통해 기공결함을 밀봉시켜 고압에 견딜 수 있는 부품을 생산하고자 한다 [11]. 따라서 본 연구에서는 종래 전량 수입에 의존하던 상용 함침제에 대해 국산화를 달성하고 이를 통해 개발된 함침제와 수입 함침제를 동일 함침 공정에 적용하여 수소자동차에 사용되는 APCVH 제품의 함침 전/후 누설 특성을 비교 평가하였다.

대상 데이터

다이캐스팅 시료의 경우 각 시료별 leak test 결과 값이 다르기 때문에 함침의 영향을 정확하게 조사하기 위해 사전 leak test를 통하여 비슷한 누설 성능을 가지는 시료를 선별하였다. 이후, 함침전 Al 다이캐스팅 시료에 대하여 각 3회씩 leak test를 진행하였으며, 결과를 Table 4에 나타내었다.
본 연구에 사용한 다이캐스팅 시료는 수소자동차용 APCVH로서 용해, 탈가스 처리, GBF (Gas Bubbling Filtration), 슬러지 제거를 한 다음 주조를 하였으며 제조된 주조품은 가공 등의 후처리 과정을 거쳐 준비되었다. 주조품 내부의 기공을 분석하기 위해 Sec 社의 CT장비 (computer tomography, X-eye 7000B)를 사용하여 누설 발생이 의심되는 기공을 분석하였으며 또한, Fig.

데이터처리

3에 나타낸 것과 같이 자체 설비를 통해 진행하였으며 시료를 leak test 장비의 jig에 안착시켜 300 kPa의 압력을 가한 후, 1분간 감소하는 압력의 수치를 측정하여 주조품에서 누설이 얼마 정도 발생하는지 분석하였다. 0.3 kPa/min 이하가 적정 수준의 누설 발생량을 기준으로 평가하였으며, 함침 공정 전/후 leak test 결과를 비교하여 누설 발생량이 개선되는지 분석하였다.
이는 2021년 N atsuto Soga et. al., 연구에서 사용한 함침용액 (P601)의 XRM분석 내용을 참고하여 [13] 본 XRM 분석을 진행하였다. Fig.
실험방법 2.3과 같이 함침을 진행한 시료에 대하여 미세기공에 함침액이 침투하여 경화되었는지 XRM 분석을 통해 함침시험 결과를 확인하였다. 이는 2021년 N atsuto Soga et.
다이캐스팅 시료의 경우 각 시료별 leak test 결과 값이 다르기 때문에 함침의 영향을 정확하게 조사하기 위해 사전 leak test를 통하여 비슷한 누설 성능을 가지는 시료를 선별하였다. 이후, 함침전 Al 다이캐스팅 시료에 대하여 각 3회씩 leak test를 진행하였으며, 결과를 Table 4에 나타내었다. 그 결과, 각 시료별 0.
본 연구에 사용한 다이캐스팅 시료는 수소자동차용 APCVH로서 용해, 탈가스 처리, GBF (Gas Bubbling Filtration), 슬러지 제거를 한 다음 주조를 하였으며 제조된 주조품은 가공 등의 후처리 과정을 거쳐 준비되었다. 주조품 내부의 기공을 분석하기 위해 Sec 社의 CT장비 (computer tomography, X-eye 7000B)를 사용하여 누설 발생이 의심되는 기공을 분석하였으며 또한, Fig. 2와 같은 자체 함침 장비를 통하여 1시간 이내 1회 함침을 실시하였으며 함침 전, 후로 Leak test를 통하여 함침공정으로 인한 누설 발생의 영향을 분석하였다.

이론/모형

57 kPa/min 사이의 누설이 발생하는 것을 확인하였다. 기밀성이 요구되는 Al 다이캐스팅 부품들은 Leak test를 실시하게 되고 결과값이 요구 수치 이상일 경우 그 시료는 불량으로 처리되기때문에, 이를 방지하기 위한 방법으로 함침을 실시할 수 있다.

성능/효과

이후, 함침전 Al 다이캐스팅 시료에 대하여 각 3회씩 leak test를 진행하였으며, 결과를 Table 4에 나타내었다. 그 결과, 각 시료별 0.3~0.57 kPa/min 사이의 누설이 발생하는 것을 확인하였다. 기밀성이 요구되는 Al 다이캐스팅 부품들은 Leak test를 실시하게 되고 결과값이 요구 수치 이상일 경우 그 시료는 불량으로 처리되기때문에, 이를 방지하기 위한 방법으로 함침을 실시할 수 있다.
8에 나타내었다. 그 결과, 상용 일본 함침액인 P601의 경우 함침후 leak 개선율이 66.82%, 국산화 함침액인 INNO-01, INNO-02의 경우 70.20%, 61.43%로 함침 성능은 IN N O-01이 가장 우수한 것으로 나타났다.
시료의 경우 알루미늄 주조품으로 주성분이 Al이고, 함침제의 경우는 탄소화합물이므로 Al과 C의 양을 비교하여 함침이 되었을 것으로 예상되는 기공 부위와 세척 공정으로 함침액이 비교적 적게 잔존하는 시료표면을 분석하였다. 그 결과, 시료의 표면에서는 Al 성분이 70% 이상으로 분석되었고, 기공이 있는 부위에선 C의 성분이 60~76%인 것으로 분석되어 함침 시험 결과, 기공을 함침액이 메우고 있는 것으로 확인할 수 있었다.
X선 감쇠가 거의 없는 Air의 경우 검은색으로 나타나며, 경화된 함침제의 경우 공기보다 X선을 더 많이 감쇠하지만, Al 합금보다 덜 감쇠하기 때문에 색상에 음영이 나타난다. 따라서 형성된 기공이 함침제로 채워진 부분은 주변보다 어두운색으로 나타났고, 붉은색으로 표시한 부분은 Air가 존재하는 검은색 부분으로 함침된 기공과 그렇지 않은 기공을 구분하여 정석적으로 인식할 수 있었다. 직경 100 ㎛ 이상의 비교적 큰 기공에서는 함침액이 전체적으로 침투되지 못해 일부 Air가 남았지만 Fig.
다이캐스팅 후 함침 공정을 통해 미세결함 내 함침액 침입 유무와 이를 통한 기밀성을 향상시키는 연구를 진행하였으며, leak 불량이 발생하였던 수소자동차용 APCVH 제품에 함침 공정을 적용하여 미세결함 및 제품 불량률 (수율 개선)을 획기적으로 개선하였다. 무엇보다도 상용 일본제 함침액과 본 연구팀에서 개발한 함침액을 통한 leak 실험 결과에 따르면, 종래 함침액보다 동등 우위의 성능을 갖는 것으로 확인되어 일본에 전적으로 의존하던 함침액 기술의 국산화 달성에 기여하였다고 판단된다.
함침 후 leak test 결과값을 Table 5에 나타내었다. 함침 후 함침액이 시료의 기공 결함으로 침투하여 기공 내부에 충진되어 누설 결함을 개선한 것으로 보여지며, P601로 함침했을 경우 leak test 결과는 평균 0.12 kPa/min, INNO-01의 경우 평균 0.12 kPa/min, INNO-02는 평균 0.15 kPa/min로 측정되었으며, 함침 후 모두 양품으로 판정된 것을 확인하였다. 함침전, 후의 leak test 결과를 Fig.

후속연구

또한, 추후 다양한 복잡 형상 및 박육 (경량화)의 다이캐스팅 부품의 기밀성 향상을 위한 추가적인 함침 적용 및 성능평가를 통해서 적용 범위를 확장하고자 한다.
이를 해결하기 위해서는 함침 공정에서 적절한 시간 동안 진공을 유지해야 하며, 이런 공정 조건 관리로 공기가 제거되고 함침제가 주조물 깊숙이 침투하도록 할 수 있다. 추후 함침 공정 조건에 따른 함침 성능 변화에대한 추가 연구도 필요하다고 판단된다.

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상세보기
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상세보기

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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