중자에서 발생한 가스 결함 위치 예측

Prediction of Positions of Gas Defects Generated from Core

Abstract

Hydraulic units are important components of agricultural and construction machinery, and thus require high-quality castings. However, gas defects occurring inside the sand cores of the castings due to the resin used is a problem. This study therefore aimed to develop a casting simulation method that can clarify the gas defect positions. Gas defects are thought to be caused by gas generated after the molten metal fills up the mold cavity. The gas constant is the most effective factor for simulating this gas generated from sand cores. It is calculated by gas generating temperature and analysis of composition in the inert gas atmosphere modified according to the mold filling conditions of molten metal. It is assumed that gases generated from the inside of castings remain if the following formula is established. [Time of occurrence of gas generation] + [Time of occurrence of gas floating] > [Time of occurrence of casting surface solidification] The possibility of gas defects is evaluated by the time of occurrence of gas generation and gas floating calculated using the gas constant. The residual position of generated gases is decided by the closed loops indicating the final solidification location in the casting simulation. The above procedure enables us to suggest suitable casting designs with zero gas defects, without the need to repeat casting tests.

1. 서문

유압기기는 농업 기계 및 건설 기계의 중요한 구성 요소로서, 기계 성능을 발휘하기 위해서는 고품질의 주물 부품이 요구된다.

유압기기의 주물 부품은 복잡한 기름 통로를 가지며 주조시에 중자를 이용하여 형성된다. 그러나 중자 속에 포함된 수지 바인더가 용탕에 접촉했을 때에 가스화하여, 그 발생 가스가 부품 내부에 남으면서 가스 결함이라는 문제가 발생하게 된다.

탕 흐름 및 응고 분석에서 중자에서 발생하는 가스에 대해 평가한 많은 사례가 있지만, 발생한 가스 등이 어느 위치에 도달하는지를 보고한 경우는 거의 관찰되지 않았다.

따라서 본 연구에서는 분석 프로그램에 내장된 마커 기능(용탕이 설정 위치를 통과할 때 방출되는 분석상의 입자)과 폐쇄 회로 기능에 주목하여, 중자에서 발생하는 가스의 도달 위치를 특정 가능한 분석 방법을 검토한다.

2. 실험방법

2.1. 공시체 (제공 시료)

복잡한 형상의 유로를 갖는 유압 주물 부품을 공시체로 삼아, 가스 결함 발생 유무를 확인하기 위해 주조 실험을 실시하였다. 표 1에 주조 실험 조건, 그림 1에 공시체의 주조 방안 외관을 나타낸다.

표 1. 주조 조건.

그림 1. 주조 방안의 외관.

2.2. 분석 조건

가스가 발생하는 타이밍은, 주탕 초기 단계에서 발생하는 가스 (중자 표면에 부착된 수분)와 용탕이 완전히 충진된 후에 발생하는 가스 (중자에 포함된 수지 바인더)의 2단계로 나누어 분석 프로그램 [1,2]을 사용하여 평가했다.

2.2.1. 주탕 속에서 발생하는 가스 분석 방법

탕흐름 중에 발생하는 가스에 관해서는 시뮬레이션으로 직접 평가할 수 없기 때문에 분석 프로그램 내 기능 (온도 분포, 마커)을 활용하여 간접적으로 평가할 수 있는 방법을 검토했다. 중자가 용탕에 접촉하면 모든 위치에서 가스가 발생할 가능성이 있지만 모든 위치를 평가하는 것은 어려운 일이다. 중자가 고온에 장시간 노출되면 가스가 발생하기 쉬워지고 중자 표면에 부착된 수분이 기화한다고 가정하고, 주조 시뮬레이션의 용탕 주탕 중에서 가장 고온이 된 부분을 가스 발생점으로 삼아 마커를 초기 설치하고, 주탕 충진 중에 표면에 부착된 수분이 기화되어 발생한 가스를 평가할 수 있을지 검토했다[3,4].

2.2.2. 용탕 충진 후 발생하는 가스 분석 방법

용탕이 형 내에 완전히 충진된 후에 중자로부터 발생하는 가스는, [가스 발생 시간]+[가스 부상 시간]>[표면 응고 시간]의 조건이 성립하는 경우에 부품 내부에 남는다고 가정하여 평가했다.

(1) 가스 발생 시간

분석 프로그램에 내장된 기능을 사용하여 평가했지만 물성치가 기본값이라서 평가할 수 없었다. 따라서 분석에 필요한 각종 물성치 (가스 상수, 중자 기공률 등)을 실험을 통해 정확하게 산출한 후 결합하여 가스 발생 시간을 평가했다 [5-8].

(2) 가스 부상 시간

금형에 용탕이 완전히 충진된 후에 발생하는 가스는 층류상태의 용탕 속을 부상하는 것으로 상정된다. 그래서 Stokes의 법칙이 성립한다고 가정해 가스 부상 속도를 산출했다.

(3) 표면 응고 시간

용탕이 금형에 완전히 충진된 후, 주물 표면이 응고되어 가스가 외부로 빠져나가지 않게 되기까지의 시간을 표면 응고 시간으로 하였다. 그리고 가스가 외부로 빠져나갈 수 없게 되는 표면 응고 상태는 회주철 (이하 FC)의 유동 한계 고상률과 동일한 0.3을 적용했다.

(4) 폐쇄 회로 분석

중자에서 발생한 가스가 부품 내부에 머무를 때, 그 도달 부분은 최종 응고 위치라고 가정했다. 따라서 국소 부분의 최종 응고 위치를 나타내는 폐쇄 회로에 주목하여 평가하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1. 주조 실험

그림 2는 표 1의 조건 및 그림 1의 방안으로 실험한 결과이다. 그림 3은 주조 후 절단하여 내부 조사를 한 결과이다. 그 결과, 주물 부품의 상면부에서 가스 결함이 관찰되었다.

그림 2. 주조 후 외관.

그림 3. 단면에서 관찰된 가스 결함.

3.2. 가스 결함의 종류 확인

이번에 발생한 가스 결함이 형내에 있는 공기의 권취(widing)로 인해 발생한 결함인지, 중자로부터 발생한 가스에 의한 결함인지를 확인하기 위해, 주탕 완료시에 부품 내부의 공기 유무를 확인함으로써, 공기 권취가 있었는지를 평가했다. 그림 4는 그 분석 결과이다.

그림 4. 충진 완료시 주물의 온도 분포.

분석 결과로부터, 충진 중의 공기 권취는 발생하지 않았고, 주탕 완료시에는 형내 공기가 모두 배출되고 있음을 확인했다. 이를 통해 이번에 발생한 가스 결함은 중자로부터 발생한 가스로부터 기인했음을 추정했다.

3.3. 주탕 초기 단계에서 발생하는 가스의 분석 결과

용탕이 완전히 충진되었을 때의 온도 분포를 확인하여 중자내에서 고온이 되는 영역을 특정했다. 그림 5에 표시된 영역에 마커를 설치하고 다시 주조 시뮬레이션을 실행하여 중자에서 발생한 가스 추적을 시도했다.

그림 5. 가스 마커 초기 위치.

마커의 궤도를 추적함으로써, 주탕 초기 단계 (청색 원 입자)에서 발생한 가스의 거동을 탕흐름 완료시의 마커 위치 (동그라미 표시된 입자)에서 확인할 수 있었다 (그림 6 ). 그러나 실제 주조품에서는 도달한 마커부에서 가스 결함은 관찰되지 않았다. 이는, 방출된 마커 도달 위치가 용탕 충진 완료시에는 주형의 상면부에 접촉해 있었다. 주조 실험품 외부면에 결함이 관찰되지 않았다는 점으로부터, 초기 단계에서 발생한 모든 가스는 주형에서 빠져나갔기에 부품 내부에는 남아 있지 않은 것으로 사료된다.

그림 6. 가스 마커를 이용한 충진 중 가스 결함 분석 결과.

3.4. 용탕 충진 후에 발생하는 가스 분석 결과

3.4.1 중자에서 발생한 가스의 물성치 결합

중자에서 발생하는 가스의 대부분은 중자 모래를 연결하는데 사용되는 수지 바인더가 고온에서 기화된 것으로 상정한다. 그리고 중자에 포함된 수지 바인더의 가스화 온도, 종류를 분석해 [가스 발생 시간], [가스 부상 시간]에 큰 영향을 미치는 가스 상수를 정확하게 계산하였다.

(1) 중자의 가스화 온도 측정

형내가 완전히 용탕으로 채워진 상태에 있어 중자로부터 발생하는 가스의 분위기는 무산소 상태라고 상정한다. 그리고 열중량시차열분석기 (이하, TG-DTA)를 사용해 중자에 포함된 수지 바인더의 가스화 온도를 구할 때, 분석 분위기를 불활성 분위기 (질소 분위기)로 하고, 무산소 상태를 모의하여 분석하였다.

분석 결과를 그림 7에 기재한다. 둥근 원 안의 부분에서 급격한 중량 감소가 관찰된 점으로부터, 이번에 사용한 수지 바인더의 가스화 온도는 800℃였다.

그림 7. TG-DTA 분석 결과.​​​​​​​

(2) 발생 가스의 성분 분석.

TG-DTA로 구한 온도 (800ºC)에서 발생하는 가스의 종류, 비율을 특정하기 위해 기체 크로마토그래프 질량 분석기 (이하 GCMS)를 사용하여 불활성 분위기 (고순도 헬륨 분위기)로 만들고, 무산소 상태를 모의하여 분석하였다. 검출된 각 성분의 피크 면적을 함유된 모든 성분의 피크 총 면적으로 나누어 각 성분 비율을 구했다. 각 성분의 비율과 분자량으로부터 발생 가스의 가스 상수를 계산하였다.

분석 결과를 표 2에 기재한다. 분석 결과로부터 구한 가스 상수를 토대로 가스 발생 시간과 가스 부상 시간을 구했다.

표 2. GCMS 분석결과​​​​​​​

3.4.2. 가스 발생 시간

산출된 가스 상수 및 물성치 (표 3)를 사용하여 가스 발생 시간을 얻은 결과를 그림 8에 기재한다. 평가 구분은 탕흐름으로 용탕이 전부 충진된 후의 결과이다. 분석 결과로부터 가스 발생 시간, 기포 크기를 확인할 수 있었지만 가스 발생 총량은 확인할 수 없기 때문에 가스 발생 시간으로 평가를 실시했다. 가스 발생 시간은 응고 시간의 경과와 함께 방출되는 가스 마커가 방출되지 않게 되는 시간을 프레임 단위로 확인했다. 그 결과, 용탕이 완전히 충진된 후의 가스 발생 시간은 25s로 완료되었다.

표 3. 가스 발생 분석 조건.

그림 8. 중자 가스 마커의 계산 결과.​​​​​​​

3.4.3. 가스 부상 시간 산출

Stokes의 공식을 통해 가스 부상 속도를 산출했다. 계산식은 다음과 같다. 계산 결과는 표 4에 기재한다.

표 4. 계산 조건.​​​​​​​

\(\begin{aligned}기포부상속도: u_{t}=\frac{g D_{\bar{p}}^{2}}{18 \mu}\left(\rho_{F}-\rho_{g}\right)\end{aligned}\)

\(\begin{aligned}기포밀도추정:\rho_{g}=\frac{P_{g}}{R T} \quad P_{g}=P_{m}+\frac{2 \sigma}{r_{g}}\end{aligned}\)

g : 중력가속도, Dp : 기포직경, μ : 동점성계수, ρ_F : 유체밀도, ρ_g : 기포밀도, P_g : 가스압력, R : 가스상수, T : 가스화온도, P_m : 정압, r_g : 기포반경, σ : 용탕표면장력

중자로부터 발생하는 가스 기포의 최소 직경에 대해서는, 세공 분포 측정기 (포로시미터)로 측정한 공극률을 측정하고, 공공부 평균 직경 (0.055mm)을 배출되는 최소기포직경으로 삼았다. 최소기포직경을 통해 부상 속도를 산출한 결과, 0.13cm/s였다. 가스 발생점으로부터 주물 직상부까지의 거리가 8cm (그림 9)이기 때문에 최대 가스 부상 시간은 6 1.5초였다.

그림 9. 중자에서 주물 상부까지의 거리.​​​​​​​

3.4.4. 표면 응고 시간

발생한 가스가 외부로 빠져나가지 않게 된다고 가정한 고상률 0.3에 도달할 때까지의 시간을 분석하여 평가하였다. 그림 10는 그 분석 결과이다. 이를 통해 가스 발생 지점 바로 상부의 고상률이 0.3이 되는 시간은 용탕이 완전히 충진 된 후 80초였다.

그림 10. 80초에서의 고상률 분포.​​​​​​​

3.4.5. 폐쇄 회로에 의한 평가

이러한 결과로부터 [가스 발생 시간 25s] + [가스 부상 시간 61.5s] > [표면 응고 시간 80s]가 성립하기 때문에 중자로부터 발생한 가스가 부품 내부에 머무르는 것을 알았다.

응고 중에 발생하는 가스를 평가하기 위해, 발생한 가스는 발생점에서 바로 위로 부상한다고 가정하여, 발생점 바로 상부 근방에서의 최종 응고 위치를 평가했다. 평가 지표로는 국소 부분의 최종 응고 위치를 나타내는 폐쇄 회로 분석을 사용했다. 분석 결과를 그림 11에 기재한다. 분석 결과로부터 주조 실험으로 발생한 가스 결함 위치에 폐쇄 회로가 관찰되었다. 이를 통해 국소적으로 응고 시간이 느려져 수축공의 발생이 예측되는 위치, 이를 응고 시간의 폐쇄 회로 기능을 사용해 확인함으로써 가스 결함 발생 위치를 분석을 통해 평가할 수 있음을 알게 되었다.

Fig. 11. 응고 시간 분포.​​​​​​​

가스 결함 대책으로서 가스 발생점 바로 상부에 가스 배출구를 설치하고 최종 응고 위치를 가스 배출구로 밀어 올려 부품 내부에 폐쇄 회로가 발생하지 않는 방안 (그림 12)를 검토한 후 분석을 실시했다. 분석 결과를 그림 13에 기재한다. 그 결과, 폐쇄 회로가 가스 배출구 측으로 끌려올라감으로써 부품 내부에서 폐쇄 회로가 소멸했다. 이 조치를 취한 방안으로 주조 실험을 실시한 결과, 가스 결함의 발생은 관찰되지 않았다.

그림 12. 가스 배출구 설치 조치 후 주조 방안.

Fig. 13. 조치 후 주조방안에서의 응고 시간 분포.​​​​​​​

4. 결론

가스 결함 평가와 관련하여 분석을 활용함으로 써 다음 사항을 알게 되었다.

(1) 마커 분석에서는 가스 발생 초기 단계에서의 가스 도달 위치를 확인할 수 있지만, 부품 내 가스 잔존 여부는 표면 응고 시간과 함께 평가할 필요가 있다.

(2) TG-DTA, GCMS를 사용하여 중자를 분석함으로써, 응고 과정에서 중자에서 발생하는 가스 종류를 특정하고, 가스 상수를 정확하게 산출할 수 있었다.

(3) [가스 발생 분석] + [가스 부상 시간] > [표면 응고 시간]의 조건이 만족되었을 때, 가스가 부품 내부에 머물며, 그 도달 부분은 폐쇄 회로 분석을 통해 특정할 수 있었다.