불균일 냉각방식을 이용한 Surge tank의 주조결함 제어에 관한 연구

Abstract

주물 제조에서 응고수축과 용탕성분 및 금형성분의 야금학적인 표면반응에 기인하는 결함, 그리고 용탕의 충진 단계에서 발생되는 각종 주조 결함의 제어는 매우 중요하다. 특히 용탕이 금형내에서 응고하는 과정 중에 수축공, 기공 등의 주조결함이 발생하기 쉽다. 따라서 최종 주물의 품질 및 생산효율을 동시에 만족시키면서 제조하기 위해서는 응고과정을 정확하게 이해하고 이를 통하여 건전한 주조방안을 수립할 필요가 있다. 알루미늄 합금과 같이 산화막을 형성하는 경금속 합금의 경우 가벼운 비중 때문에 용탕 내부에서 난류발생에 의한 가스나 공기의 혼입 현상이 증가하며 주물내부로 산화막이 생성되는 것을 제어하는 것이 매우 어렵다. 그러나 주조 결함 제어를 위해서 대부분 경험에 의존한 시행착오에 의해서 주조방안을 최적화하고 있는 상황이다. 따라서 본 연구에서는 자동차 Surge Tank의 유동 및 응고현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서 해석함으로써 경동식중력주조의 공정조건이 주조품의 품질에 미치는 영향을 정량적으로 제시하고자 하였으며, 예상 수축결함지역의 냉각속도를 조절하여 냉각속도가 주조품의 수축결함에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 경동식중력주조의 공정변수에 있어서 금형온도 및 용탕온도가 주조품에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 각각의 조건을 금형온도 (420℃, 450℃, 470℃), 용탕온도(670℃, 700℃)로 변화시키며 용탕을 주입하여 응고 거동 및 온도분포와 수축결함을 예측하였다. 이후 예상 결함지역에 불균일 냉각방식을 적용하여 Air를 통한 냉각속도의 변화가 주조품의 품질에 미치는 영향을 살펴보았다. 도출된 공정조건을 실제 공정에 적용하여 제품을 생산한 뒤 X선 투과 시험을 통해 냉각속도에 따른 차이를 고찰 하였다. X선 투과 시험 결과 결함 예측지역에 불균일 냉각방식을 적용하였을 경우 Surge Tank의 수축 결함이 크게 개선된 것을 확인할 수 있었다.