초록 ▼

주조과정은 열적거동과 유동현상이 상호 연관되어 복잡한 물리적현상을 수반하며 수치적으로 이러한 주조과정을 모델링하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 특히 자동차, 항공우주 등 강하고 결함이 없는 주조제품에 대한 수요가 증가함에 따라고품질의 주조제품을 생산하기 위한 노력이 많이 이루어 지고 있으며 이 분야에 대한 연구도 활발하다. 주조제품의 품질에 영향을 주는 많은 요소들 중에서 주조금속의 응고속도가매우 중요한데 이는 특히 영구 주형에 의한 주조나 다이 캐스팅, 칠(chill)을 포함한 샌드 캐스팅의 경우에 두드러진다.

주조과정은 열적거동과 유동현상이 상호 연관되어 복잡한 물리적현상을 수반하며 수치적으로 이러한 주조과정을 모델링하고자 하는 노력이 이루어지고 있다. 특히 자동차, 항공우주 등 강하고 결함이 없는 주조제품에 대한 수요가 증가함에 따라고품질의 주조제품을 생산하기 위한 노력이 많이 이루어 지고 있으며 이 분야에 대한 연구도 활발하다. 주조제품의 품질에 영향을 주는 많은 요소들 중에서 주조금속의 응고속도가매우 중요한데 이는 특히 영구 주형에 의한 주조나 다이 캐스팅, 칠(chill)을 포함한 샌드 캐스팅의 경우에 두드러진다. 금속의 응고과정 동안에 주형이나 칠과 주물의 접촉면에 미세한 공기틈이 형성되어 이 틈이 접촉 열저항으로 작용하여 열전달률을 떨어뜨리게 된다.이러한 접촉면을 통한 열전달 현상의 규명을 위한 실험과 이론적 노력이 이루어져 왔다.주형내부의 액체금속의 유동현상은 열전달율에 영향을 주어 응고속도를 변화 시키며 응고되는 고상의 미세구조에 영향을 주어 최종적 용질분포에 관여한다. 따라서 합금의 주조과정을 해석하는 경우에는 대류현상이 열전달 특성에 미치는 영향을 포함하여야 한다. 본 연구에서는 합금의 응고과정에 대해 액상과 머시영역의 자연대류 현상을 포함하고 불완전 접촉 열전달계수가 상수인 경우와 시간에따라 변화하는 경우에 대해 해석하였다.강철 주형 내부에 Al-4.5%Cu 합금이 응고하는 경우에 대해 해석을 수행하였으며 해석을 수행함에 있어서 다음사항을 고려하였다. 먼저 주형과 주물사이의 불완전 접촉에 대한 고려로서 완전 접촉으로 가정한 경우와 응고기간에 걸쳐 일정한 값의 접촉 열전달계수를사용한 경우, 그리고 시간에 대해 변화하는 접촉 열전달계수를 사용한 경우에 대해 연구하였다. 그 결과 시간에 대해 변화하는 접촉 열전달계수의 사용이 필요함을 확인할 수 있었다. 두번째 고려사항은 상변화에 따른 응고잠열의 방출에 대한 모델링으로 잠열의 방출이온도에따라 선형적으로 이루어 진다고 가정하여 잠열처리법을 사용하였으며 고상화에따라유체속도를 처리하기 위하여 Darcy 법칙을 사용하였다. 이러한 물리적 현상에 대한 고려를 토대로 유한차분법을 이용하여 수치적으로 해석하였다. 접촉열저항이 존재하는 경우에는완전접촉인 경우에 비해 머시영역의 구간이 넓어지며 액상선의 형태와 위치가 주로 영향을받았다. 또한 접촉 열전달계수가 시간에따라 변화하는 경우에는 고상분율의 형성이 영향을 받아서 응고 금속의 조성변화나 수축공등에 영향을 미칠것으로 예상된다.이와 같이 본 연구에서는 합금주조시에 유동현상과 열전달 현상을 동시에 고려하였으며 특히 시간에따라 변화하는 접촉 열전달계수를 사용하여 주형과 주물사이의 불완전 접촉현상을 고려하였다. 이에따라 주조과정에 대한 모델링시 접촉 열전달계수에 대한 적절한모델링이 선행되어야 할 것이며 본 연구의 결과가 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

Abstract ▼

Great efforts have been devoted on computational models forcasting process that has complex physical aspects such as coupling effects of thermalbehavior and fluid flow. The increase of demands for strong and defectless castingproducts, especially in the car and aero-industry, has emphasi

Great efforts have been devoted on computational models forcasting process that has complex physical aspects such as coupling effects of thermalbehavior and fluid flow. The increase of demands for strong and defectless castingproducts, especially in the car and aero-industry, has emphasized the studies on thecasting process and production system. Among the elements affecting the castingquality, the solidification rate plays an important role, particularly in the permanent moldcastings, die casting, and sand casting with chills. During the solidification process, anair gap forms between mold and cast materials. The air gap decreases heat transferrate because it plays like a thermal resistance. Experimental and theoretical studieshave been made to exploit the heat transfer phenomena through the contact surfaces.The fluid flow of liquid metal in a mold is coupled to the heat transfer rate and hencechanges the solidification rate and microstructure of the solid that controls the finaldistribution of the micro and macrosegregation. To analyze the alloy casting process,fluid flow has to be included in the analysis. In this study, the solidification processof alloy has been studied by including natural convection in the mushy and liquid poolwith constant and timewise varying contact resistance.Al-4.5%cu alloy is used to cast metal in a steel mold. The characteristics ofcontact heat transfer between the mold and cast materials are studied in the cases ofperfect contact case, constant contact heat transfer coefficients, and timewise varyingcontact heat transfer coefficients. The results show that it is more realistic to use avariable contact heat transfer coefficients. The latent heat method is used and linearvariation of latent heat release on temperature is assumed. The velocity in the solid isset to zero using the Darcy source appproach. Based on the considerations of thephysical phenomena, the finite difference method is employed to solve the equationsnumerically. The results also show that a wider mushy region exists in the case witha thermal contact resistance compared to the perfect contact condition, and the shapeand position of liquidus line are more sensitive than solidus line. The solid fraction isaffected by the timewise varying contact heat transfer coefficient and hence the soluteredistribution may also be affected.Thermal behavior and fluid flow are considered simultaneously in this study, andthe timewise varying contact heat transfer coefficient is used to model heat transferthrough mold and cast materials. It is shown that an appropriate modeling of acontact heat transfer coefficient is very important in modeling a casting process.

목차 Contents

• 목차...6
• 1. 서론...7
• 2. 해석...9
• 2.1 문제의 설정...9
• 2.2 지배방정식 및 경계조건...9
• 2.3 수치해석...12
• 3. 결과 및 토의...12
• 3.1 수치해법의 타당성 검토...12
• 3.2 완전접촉...13
• 3.3 접촉 열저항의 변화에 따른 응고과정...17
• 3.4 접촉 열저항이 시간의 함수인 경우...20
• 4. 결론...23
• 5. 참고문헌...23
• 기호설명...26
• 연구수행관련 논문발표목록서...27
• 자체평가서...28