알루미늄 다이캐스팅주조에서 용탕 청정도 평가방법

Abstract

높은 주조 품질을 요구받고 있는 대부분의 다이캐스팅업체들은 양산공정을 통해 사용되고있는 용탕의 청정도를 평가하고 모니터링을 해야만 한다. 여러 가지 평가방법들을 사용할 수 있지만 현장에서는 일부 측정방법만이 다이캐스팅에 적용되고 있으며 목적에 맞게 적절하게 사용하여야 한다. 세 가지 가능한 평가 방법인 K-Mold, 기계적물성 평가 및 PoDFA(다공성 디스크 여과 장치) 를 대상으로 소개하고자 한다. 우선, 각 방법들은 서로 사용 목적 목적에 따라 선택될 수 있으며 K-Mold는 현장에서 빠르고 간단하게 적용할 수 있는 방법으로 일정한 규격화된 시편의 파면을 만들고 파단면 관찰을 통해 일정한 크기 이상의 산화물 갯수를 확인하여 용탕의 품질을 관리하는 편리한 평가방법 중 하나다. 기계적 물성 테스트는 용탕 청결도에 대한 정성적, 정량적 정보를 모두 확인할 수 있으며 샘플링 테스트에 적합한 시험법이라 할 수 있다. 또한, PoDFA는 용탕내에 개재물의 종류별 정밀분석과 양에 대한 상대적 비교 분석으로써 현장의 많은 경험을 통하여 데이터 축적하고 분석하는 방법으로 사용방법에 대한 전문교육이 필요하다.

1. 서론

다이캐스팅 업계에서는 리턴 스크랩의 재용해공정에 대형 제품들을 혼합해서 용해하고 있으며 리턴재와 버진 잉곳에 대한 비율이 약 50/50 정도로 적용하고 있다. 대부분의 다이캐스팅 주조 분야에서 핵심 요구 사항은 치수였기 때문에 기계적 특성이 아닌 치수정밀도 및 공차 등이 주조품 관리품질로 고려되었으며 스크랩 추가 용해로 인한 개재물의 혼입에 대해서는 그다지 신경을 쓰지 않았다.

현장에서 대부분의 경우 개재물에 따른 기계적 성질 저하 보다는 기공 결함으로 인한 기계적 성질에 영향과 가공후 나타나는 기공에 의한 표면 품질을 더욱 중요하게 생각하고 있다.

그러나 최근 몇 년 동안 용탕의 청정도는 고객의 높은 품질 요구사항으로 다이캐스팅 업계가 직면하고 있는 중요한 이슈가 되고 있다 [1]. 청정한 용탕은 향상된 물리적, 기계적 특성을 제공할 뿐만 아니라 우수한 유동성, 가공성, 표면조도. 또한, 제품 이젝트 시 금형 소착성 및 금형 마모를 감소시켜 준다 [1].

이러한 이유들로 인하여 주조공장에서는 용해공정에서 용탕을 잘 관리하는 것이 무엇보다 도 중요하다.

첫 번째 단계로 품질관리를 위해 용탕청정화와 추가적인 처리 단계가 필요한가를 결정하는 것이다. 그러나 대부분의 다이 캐스팅 주조업체들을 살펴보면 용탕의 청정화에 관심이 그다지 높지 않은 것 같다. 비록 몇 가지의 방법들이 주조업체들에서 활용되고 있으며, 그들 중 LiMCA와 Prefill과 같은 방법들은 다이캐스팅공장 운영시 너무 고가이며 운영하기 복잡한 방법이라고 판단되어진다. 본 논문의 목적은 (1) 다이케스팅공장에서 적용 가능한 방법으로 평가 즉, K-Mold, 기계적 물성 평가 및 다공성 디스크 필터장치 (PoDFA)를 활용하는 것이며 (2) 다이캐스팅 산업에 이 방법들에 대한 적용성을 평가하기 위함이다.

2. 실험절차

[평가방법]

접근방법으로는 3가지 활용 가능한 방법이 선택되었으며 사용하거나 관리하기 쉬운 방법들 을 선정대상 요인으로 고려하였다.

2.1. K-Mold

금형 상부에 형성되어 있는 노치형상을 Fig. 1과 같은 판상의 중력주조 시험편용 금형에 용탕이 주입된다. 노치가 형성된 부위를 클램프에 고정하고 노치 부위 쪽에서 햄머로 타격 후 만들어진 파면에 대한 매크로 결함들을 관찰하며 모든 결함들의 갯수를 확인한다. 용탕의 청정도는 K-value 사용하여 등급을 매긴다. 그 값은 아래 [2]의 수식을 따른다.

그림 1. K-Mold

\(\begin{align}K=\frac{S}{n}\end{align}\)       (1)

상기 수식에서 S는 파면에서 관찰된 개재물의 숫자이며 n은 관찰된 파면의 갯수이다.

2.2. 기계적 물성 시험

Fig. 2과 같은 약 200℃로 예열된 봉상 시험편용 중력 금형 시험편에 용탕을 주입한다.

그림 2. 봉상시험편용 중력주조금형

각 합금별로 10개의 봉상 샘플을 준비하며 인장시험을 통한 인장강도(U.T.S) 및 신율을 얻는다.

2.3. PoDFA(Porous Disk Filtration Apparatus)

Fig. 3에 보여진 바와 같이 대략 1.5 kg의 용탕이 미세한 망이 바닥에 설치되어 있는 예열 된 도가니에 주입된다. 용탕이 필터를 통해 흘러나올 수 있도록 진공이 적용되어진다. 상기에 서술한 과정을 통해서 대부분의 개재물들은 미세한 필터를 통해 걸러지게 된다.

그림 3. PoDFA장비 개략도 (ABB사 자료참조)

그림 4. 10 ton 바렐 타입 용해로

용탕의 청정도는 걸러진 개재물의 덩어리 (cake)의 조직분석을 통해서 분석하게 되며 전체 개재물은 [3]의 수식을 통해서 계산되어진다.

\(\begin{align} \begin{array}{l} \text {전체 개재물} \left(\mathrm {mm}^{2} / \mathrm{kg}\right)\\=\frac{\begin{array}{c} \text { 측정 된 } \\ \text { 잔류물면적 }\left(\mathrm{mm}^{2}\right) \\ \end{array} \times \begin{array}{r} \text { 개재물의 } \\ \text { 영역분율 } \end{array}}{\text { 걸러진 금속의 중량 }(\mathrm{kg})} \end{array} \end{align}\)       (2)

[평가 절차]

이미 청정도 상태를 알고 있는 3가지 용탕 샘플들이 용탕 청정도의 기본 수준으로 변별력 을 평가하기 위하여 선정되었다. 이 샘플들은 (1) 1차 지금, (2) Type 1 스크랩, (3) 개재물 농축 스크랩 (수차례 재사용) 평가용 샘플들로 간단한 설명들이 Table 1에 표시되어 있다. 이번 평가시험은 우선 샘플별로 약 100 kg을 유도로에서 용해 후 700℃로 유지한 후 용탕의 표면 산화물을 잘 걷어 낸 후 3가지 방법으로 평가되어진다.

표 1. 샘플들의 종류와 품질수준

평가 기준이 되는 수준을 설정한 후 다이캐스팅 양산라인에서 평가되어진다. 평가는 A380 합금으로 다이캐스팅 양산 장비에 공급되고 있는 10톤 바렐로에서 수행되어졌다.

3. 결과 및 검토

[기준 샘플을 활용한 평가방법]

3.1. K-Mold

대표적인 파면들과 품질 수준별 기준 샘플들의 K-value들이 Fig. 5에 나타나 있다. 평가 결과에 따르면 신재, Type 1. 스크랩 그리고 개재물 농축 스크랩 샘플들은 0.15, 0.20 그리고 2.0로 평가되었다. 몇몇 큰 개재물들이 농축된 스크랩 파면에서 확실하게 Fig. 5(d)에 관찰되고 있으나 다른 샘플들에서는 관찰되고 있지 않다 (Fig. 5 a-c).

그림 5. 파면들과 K-value; (a) 신재, (b) Type 1 스크랩, © 다이캐스팅, (d) 개재물 농축 스크랩

현실적으로 용탕의 K-value가 0.5 이하인 경우 비교적 깨끗한 상태로 인정되며 대부분의 양산라인에서 적용되는 수준이다. K-value가 0.5 이상인 경우에는 주조 전에 용탕의 추가 청정화 처리가 요구되어지는 수준이다. 이러한 기준을 적용했을 때 신재와 Type 1. 스크 랩 샘플들이 깨끗한 수준의 용탕을 사용하였다고 판단된다. 그러나 여기서 한가지 지적하고 자 하는 점은 k-value는 육안으로 구별되는 큰 산화물들에 한해서만 구분이 되며 미세산화물 들의 용탕내 혼입 수준을 판단하는 데에는 한계가 있는 방법이라고 생각된다.

3.2. 기계적물성 평가

샘플들의 인장강도 (Ultimate tensile Strength)와 신율에 대한 평가 수준이 Fig. 6에 나타나 있다. 신재, Type 1 스크랩 및 개재물 농축 스크랩 샘플들의 인장강도가 각각 26.2, 23.0 그리고 23.5 ksi, 그리고 신율은 2.9, 2.0 그리고 1.8%로 평가되었다.

그림 6. 시험용 샘플 3종과 다이캐스팅품에 대한 인장강도 & 신율

신율의 경우 예상했던 대로 용탕의 청정도와 연계되어 결과가 나타났지만 인장강도의 경우 는 Type 1 스크랩과 산화물 농축 스크랩 샘플이 다소 역전되는 상반된 결과가 나왔다.

시험결과에 대한 분석으로는 봉상시편을 만들기 위한 금형중력주조 방법은 수축공과 응고 속도에 따른 미세조직들이 영향을 끼치기 때문에 용탕청정화의 요인만으로 평가하기에는 적절하지 않을 수도 있다. 이와 대조적으로 신율은 금속의 산화개재물과 관련된 청정도를 판단하기에 좋은 평가방법일 수 있다. 신율은 3가지 종류의 샘플들 신재, Type 1 스크랩 그리고 개재물 농축 스크랩에서 확실한 차이를 보여주고 있다.

3가지 샘플들 신재, Type 1. 스크랩 그리고 개재물 농축스크랩에 대한 전체 개재물 양은 각각 0.98, 0.85 그리고 1.66 mm²/kg이며 산화물양은 각각 116, 637 그리고 703#/kg으로 평가 되었다. 그리고 용탕에 포함되어 있는 주요 개재물에 대한 상세분석 결과로는 마그네슘 or 알루미늄 산화물, 알루미늄 산화막, 크고 작은 카바이드와 Cl성분들로 구성되어져 있다. Fig. 7은 PoDFA 샘플들로 개재물과 Cake부근의 대표적인 조직사진들을 보여 주고 있다.

그림 7. PoDFA결과 (기준 샘플들과 양산 다이캐스팅 샘플)

그림 8. PoDFA 샘플들의 개재물과 Cake 부근 대표적인 조직사진 (200×); (a) 신재, (b) Type 1. 스크랩, (c) 다이캐스팅, (d) 개재물 농축 스크랩 *Cake는 미세망에 걸러진 산화개재물 덩어리를 뜻함.

PoDFA 측정결과를 살펴보면 예상되는 바와 같이 산화물 농축 스크랩이 가장 오염되었으며 PoDFA의 결과는 더욱 더 상세한 결과들을 제공하고 있으며 개재물들의 종류들도 정량적으로 분석되어졌다. 이러한 정보들은 개재물들의 주요 원인을 추적하는데 효과적인 방법으로 문제해결 방법을 통해서 유용하게 활용될 수 있다.

상기 내용에 따라 산화피막은 Type 1. 스크랩과 산화물 농축 스크랩의 용탕에서 인장강도와 신율을 떨어뜨리는 주요 원인이 된다는 것으로 분석결과를 통해서 이해될 수 있다.

[다이캐스팅공장에서 적용하는 방법]

Fig. 5, 6에 따르면 양산 다이캐스팅 샘플에 대한 K-value, 인장강도 및 신율 값은 각각 0.20, 24 ksi 그리고 2.1%로 나타났다. K-value을 보면 신재와 Type 1. 스크랩 샘플들의 값들이 유사하게 나타났다. 이러한 결과에 따르면 다이캐스팅 공장에서 사용하고 있는 용탕의 수준은 받아들일 수 있을 정도의 레벨이라고 판단된다. 또한, 인장강도와 신율은 우리들이 예상했던 수준으로 평가 결과가 나왔다. 다이캐스팅 현장에서는 스크랩과 신재가 일정 분율 로 혼합하여 용해되고 있기 때문에 다이캐스팅 양산품의 경우 인장강도와 신율값이 신재와 Type 1. 스크랩과의 사이에 놓여 있다.

Fig. 7. 그래프에 소개하고 있는 PoDFA 분석 결과들은 용탕은 개재물의 농도가 낮을수록 그리고 알루미늄의 산화막의 농도가 낮을수록 깨끗해진다는 것으로 이해되고 있다. 그러나 양산하고 있는 다이캐스팅 샘플에 대한 PoDFA 결과들은 평가 절차의 차이로 인하여 기본적 인 실험실 평가와 직접적으로 연계하기는 어렵다고 할 수 있겠다. 이러한 차이점에 영향을 미치는 몇가지 요인들을 살펴보면 한가지는 양산 다이캐스팅 샘플들은 실험적으로 100 kg 용해하는 실험법과는 다르게 10톤 용해로를 통해서 샘플들이 얻어진다는 규모 차이가 크며 기초적인 시험 샘플들의 표면 산화물 양이 더 높게 예측된다. 따라서 직접적인 비교를 하기 전에 PoDFA의 실험실적인 평가에 대한 다소 수정이 필요하다고 판단된다 [4].

4. 결론

일반적으로 모든 평가방법들은 기본적인 평가 샘플들과 다이캐스팅 양산라인으로 부터의 샘플들과 용탕청정도를 비교할 때 예상하고있는 대로 경향들이 나타나고 있다. 각 방법들은 각 공정에 따라 적합한 용도로 활용 되어질 수 있다.

다음 결론들은 이러한 기준에 따라서 정리 되어졌다.

(1) K-Mold법은 육안으로 확인 가능한 수준의 macro 크기의 개재물에 대한 정보를 제공하는 빠르고 단순한 측정 방법이라고 할 수 있다.

기계적물성이 높게 요구되지 않은 공장에 적합한 좋은 품질 관리 도구이다.

(2) 기계적물성 평가는 용탕의 청정도에 대한 정성적인, 정량적인 정보들은 제공해 준다.

평가결과에 따르면 용탕별 신율값에서 변별력이 있는 것으로 확인되었다. 기계적물성에 영향을 주는 수축공, 응고조직영향 및 기타요인들을 최소화하기 위하여 봉상 샘플용 금형에 대한 최적화가 요구되어진다.

(3) PoDFA는 개재물에 대한 주요 요인을 분석하는데 좋은 분석방법이라고 할 수 있겠다.

만일, 상이한 샘플사이즈가 적용 되어질 때 시험절차에 대한 최적화는 고려되어야 한다.

감사의글

본 논문은 ATI coodination의 SMARRT 프로그램과 함께 US DOE 스폰서쉽에 의한 지원 으로 수행되었으나 여기에서 표현된 어떤 의견, 결과물, 결론 및 추천사항들은 저자에 의해서 반영되었으며 DOE의 입장들이 반드시 반영되어진 것은 아님.