Investigation of Gas Evolution in Shell Cores during Casting Processes of Aluminum Alloys

알루미늄 합금 주조공정의 쉘 코아 가스 발생 전산모사 연구

Abstract

Shell core making is an excellent process in terms of formability and desanding, but when the molten aluminum comes into con- tact with the shell core, gas generation by pyrolysis of the resin is inevitable. In addition, when the ventilation is inadequate, pores will remain inside the casting, which can directly lead to defects of the casting. While studies on the gas generation behavior of shell core making have been reported, the modeling of gas generation has not been extensively investigated. We will develop a gas evolution analysis method that considers the relationship between temperature and gas quantity for the core to be developed. We then use the developed method to analyze the flow and solidification behavior of metal molten metal during core mold design and low-pressure casting of cylinder head products, and predict the occurrence of casting defects to derive a casting method that min- imizes the occurrence of defects.

쉘 중자 공법은 성형성, 탈사성에 있어서는 뛰어난 프로세스이나, 고온의 알루미늄 용탕이 중자와 접촉할 때 수지의 열분해에 의한 가스발생이 필연적이며, 이의 배출이 원활하지 못할 때에는 주물내부에 기공 등으로 남게 되어 주조품의 내기밀성에 직접 영 향을 미친다. 쉘 중자 이용 시 가스발생거동에 대해서는 일본에서 약간의 연구가 있었으나, 직접적인 예측 결과는 발표되지 않았고, 특 히 가스발생에 대한 모델링이 성립되어 있지 않아 이의 연구는 아주 미미한 상태이다. 개발되는 코어에 대한 온도-가스량과의 관 계를 고려한 발생 가스량 시뮬레이션 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 실린더 헤드 제품의 코어 금형 설계 및 저압주조 시 금속 용탕의 유동 및 응고 거동을 해석하고 주조결함 발생을 예측하여 결함발생을 최소화 하는 주조방안 도출하고자 한다.

1. 서론

내부형상이 복잡한 산업기기 부품, 특히 자동차부품의 경우 대부분이 쉘 코어를 사용한 중력주조 혹은 저압주조 공법으로 제조되고 있으며, 이들 쉘 코어의 소재로서는 페놀계 수지를 코팅한 모래 (Resin Coated Sand)를 사용하고 있으므로 코어 제조, 주조, 탈사 과정에서 인체에 유해한 페놀가스와 같은 환경오염 물질과 분진이 다량으로 발생되고 있다.

주물의 응고 시 특수한 경우를 제외하고는 주물 내에 가스, 수축공 등의 결함이 발생한다. 수축공이란 액상과 고상의 금속의 비체적 차이에 따른 유체의 흐름에 의해서 기인된 것으로, 주조 시 용탕 주입 직후 응고가 시작될 때 응고 시 액체/고체 체적 수축을 보상하기 위해서 용탕 흐름이 발생하게 된다. 그런데, 이미 고체가 형성된 곳에서는 액상의 흐름을 방해하기 때문에 수축보상이 되지 않고 공극으로 남게 된다. 이를 일반적으로 수축공 또는 기공이라고 정의하며, 일반적으로 크기가 5mm 이상 되는 경우, 거시기공 (macro porosity) 또는 수축공 (shrinkage) 라 부르며, 이 이하인 경우 미세기공 (micro porosity) 또는 미세수축공 이라고 부른다. 거시기공의 경우 응고현상을 모델링 할 경우에는 거의 발생가스의 용해도가 변수화 되지 않고, 단지 액체와 고체의 밀도차이인 수축률과 한계고상율에 의해서 변수를 정의할 수 있다 [1]. 반면 미세기공의 경우 용탕 내에 용해되어 있는 가스의 용해도에 따라 미세수축공의 발생 위치 및 그 크기가 변하게 되므로 용탕 내 잔류하는 가스의 양을 정확하게 측정하고 모델링 하는 것이 필요하다. 따라서 쉘 중자에서 발생하는 가스의 거동도 이 미세기공 모델링의 거동과 유사하므로 이에 대한 모델링에 대한 연구를 조사하여 쉘중자 가스 거동을 예측하는 모델을 수립하는데 이용될 수 있다.

Al 합금계에 대한 미세기공을 예측하기 위한 방법은 일반적으로 다음 세가지의 접근 방법으로 설명할 수 있다.

첫째, 응고수축 및 가스발생 (gas evolution)을 고려하는 기본원리로부터 기공의 생성을 모델링하는 방법이다. 그러나 필요한 물성 및 공정변수 데이터 등이 부족하기 때문에 이러한 방법은 아직까지 상용 소프트웨어에서 활용가능한 기술로 자리매김하지 못했다.

둘째, 실험적으로 또는 수치해석 모델로부터 얻은 임계함수(criiteria function)의 값들을 실험적으로 측정한 기공양과 비교하므로서 어떤 연관성이 있는지를 결정한다. 임계함수는 간단하거나 복잡하거나 기공의 발생을 제어하는 조건들을 정의하는 파라메타이다. 간단한 파라메타로는 온도구배, 냉각속도, 국부 응고시간, 응고속도 등이 있다. 예를 들면, Bracale [2]은 Al7SiMg합금에서 응고종료단계에서의 온도구배가 중요하다고 하였다. Johnson과 Kura [3]는 0.11K/mm이상의 온도구배가 되어야 Al-7Mg 합금에서 건전 주물을 얻을 수 있다는 것을 발견하였다. Brown과 Spittle [4]은 LM25합금에서 고상율이 90%이상에서는 급탕이 곤란하다고 가정하고 수치해석을 이용하여 90%의 고상율 등고선이 대상지점에 도달하는 시점에 90% 및 100% 고상율 등고선간의 거리와 그 지점에서의 porosity양과의 관계를 얻었다. 복잡한 파라메타는 수지상정간 유동을 고려하고 있다. Lee [5]등은 수지상정간 통로의 root에서 발생하는 압력저하를 수식화하므로서 Gt^2/3/V_s 파라메타를 도출하였다. 이 파라메타는 하나의 임계 함수로서 파라메타에 포함되어 있는 각 변수보다 기공과의 관계를 보다 잘 나타내고 있음을 알게 되었다. Davies [6]는 함수를 이용하여 급탕거리를 결정하였다. Viswanathan [7]등은 결정립 미세화 처리된 Al-4.5%Cu 합금을 대상으로 온도측정과 실험적으로 결정된 기공의 분포상태로부터 임계함수가 주조공정 (응고 조건)과 합금 응고양상에 의존한다고 결론지었다. 주조 프로세스와 합금 형태를 4가지의 다른 구속조건으로 표현되는 그룹으로 구분하였다. Al7SiMg는 2번째 그룹에 해당하는데, 이는 응고구간이 넓고 열전도도가 높은 합금계이다. 이 합금계에서 나타나는 낮은 온도구배로 인해 고상 및 액상 두상이 이 응고 초기부터 주물 전체에 걸쳐 공존하므로서 압탕의 액상이 이 수지상정으로 이루어지는 고액공존구간(dendritic mush)을 통과해야 한다. 이러한 조건에서 어떤 지점의 기공이 주물에서 일반적 조건에 의해 결정되고 국부 파라메타가 아니라는 것에 대하여 논란이 있었다. 어느 위치에서의 기공과 그 연관관계가 잘 도출되는 함수는 그 곳에서의 최종 응고시 압탕의 고상율이었다. 압탕의 고상율이 80%이상이 되면 기공이 급격히 증가되는 것이 관찰되었다.

셋째, 통계학적인 데이터 축소 기술 (reduction technique)를 응용하는 방법으로서 실험 데이터로부터 다중 회귀식을 이용하여 임계함수를 얻는 것이다. A356 (Al7SiMg)에 대하여 이러한 접근방법을 통해 임계함수를 도출한 연구가 두 가지 보고 되어 있다. Laurent와 Rigaud [8]는 응고종료시의 온도구배, 응고속도 및 가스량의 Straube Pfeiffer 값 세 가지가 밀도변화의 75%를 설명할 수 있음을 알게 되었다. 밀도는 세 가지 파라메타의 선형 함수로 표현되었다. 이 함수들은 경험적인 것으로 기공생성에 대하여 물리적으로 유도되지는 않았다. 그러나 그 장점은 예를 들어 응고속도와 수소레벨, 스트론튬 량과 수소 레벨간의 상호작용을 정량화할 수 있다는 것이다.

쉘 중자 공법은 성형성, 탈사성에 있어서는 뛰어난 공정이나, 고온의 알루미늄 용탕이 중자와 접촉할 때 수지의 열분해에 의한 가스발생이 필연적이며, 이의 배출이 원활하지 못할 때에는 주물내부에 기공 등으로 남게 되어 주조품의 내기밀성에 직접 영향을 미친다. 따라서 주조 시 고온의 알루미늄 용탕이 쉘 중자와의 접촉으로 발생하는 가스 발생은 최소화되어야 하며, 이의 정량적인 측정은 알루미늄 합금의 금형 주조품의 품질 관리를 위해서도 매우 중요하다. 쉘 중자 이용 시 가스발생거동에 대해서는 일본과 독일에서 약간의 연구 [9-11]가 진행되었으나, 응고과정의 가스발생에 대한 모델링이 성립되어 있지 않은 상황이다.

쉘중자 주조 응고 시 발생하는 가스의 거동을 예측하고 이해하려면, 다음의 5가지 현상을 고려해야 한다.

(1) 쉘 중자내 점결제가 용탕에 의한 쉘 중자 온도 상승시 가스 발생 속도

(2) 쉘 중자 내 가스 확산

(3) 쉘 중자 표면으로부터 용탕으로의 가스 확산

(4) 용탕 내 가스 확산

(5) 용탕의 응고에 따른 확산 거동의 변화

따라서 본 연구에서는 개발되는 코어에 대한 온도-가스량과의 관계를 고려한 발생 가스량 시뮬레이션 프로그램을 개발하고, 이를 이용하여 실린더 헤드 제품의 코어 금형 설계 및 저압주조 시 금속 용탕의 유동 및 응고 거동을 해석하고 주조결함 발생을 예측하고자 하였다.

2. 실험 및 해석방법

기초 시험을 통해 확보된 자료를 기초로 하여 주조 시에 중자의 온도분포를 구한 후 중자 수지 분해온도 이상의 요소의 중량을 온도구역별로 구하고, 이를 실험적으로 구한 온도-가스량 관계식과 연결시켜 얻은 중자의 발생가스량을 해석적으로 계산하는 알고리즘을 개발하였다.

2.1 쉘중자 가스 발생속도의 모델링

본 연구에서는 쉘 중자에서 발생하는 가스 발생 속도에 대하여는 김기영 [12]등의 실험발표 결과를 적용하였다. 가스발생량은 석영도가니내의 주물사 시료를 진공이 밀폐된 공간내 장착하고, 내부 온도를 증가시켜 가스를 발생하고, 공간내의 압력 가스를 압력계로 측정하여 기록한다. 이때 체적은 가스압-체적의 보정곡선을 이용하여 구한다. 이를 이용하여 Fig. 1과 같은 온도와 단위 가스 발생량의 그래프를 얻을 수 있다. 그러나 본 연구에서 필요한 데이터는 시간당 발생하는 가스의 발생속도이므로 이를 위해서 다음 식을 이용 가스 발생속도를 적용하고자 하였다.

Fig. 1. Relationship between sheel core gas temperature and evolution of gas [10].

dV/dT = V(T(t+Δt)) − V(T(t))       (1)

또한 가스의 발생 조건은 Fig. 2에 의해 항상 쉘 온도가 증가할 경우 발생하도록 하였다.

Fig. 2. Gas evolution condition.

2.2 쉘 중자내 가스 확산 및 쉘 중자 표면으로부터 용탕으로의 가스 확산

쉘중자 및 중자표면으로부터의 가스 확산을 고려하기 위하여 그림 2와 3의 조건을 이용하여 식(2)을 적용하였다.

\(\begin{aligned} \frac{V_{i}^{t+\Delta t}-V_{i}^{t}}{\Delta t} & =\sum D_{c o r e-i j} S_{i j} \frac{V_{j}^{t}-V_{i}^{t}}{l_{i j}}+\frac{d V}{d T} \frac{d T}{d t} \\ & +\sum h_{c c-i j} S_{i j}\left(V_{j}^{t}-V_{i}^{t}\right)+\text { Buou. }\end{aligned}\)       (2)

여기서 V는 가스의 질량, D는 쉘 코어내의 기체의 확산계수, S는 mesh 표면적, l은 mesh 사이의 간격, h는 코어-금속간 가스 전달 계수, Buou는 가스가 쉘 중자내에서 상부로 이동하는 양을 모사한 것으로 다음 식으로 표현될 수 있다.

Buou = C_bgl³(T_i - T_j)/k       (3)

여기서 g는 중력가속도, k 는 core의 permeability, C_b는 보정계수이다.

2.3 용탕 내 가스 확산 및 용탕의 응고에 따른 확산 거동의 변화

용탕내의 가스 확산을 고려하기 위하여 다음 식을 적용하였다.

\(\begin{aligned}\frac{V_{j}^{t+\Delta t}-V_{j}^{t}}{\Delta t}=D_{\text {cast }} \sum S_{i j} \frac{V_{j}^{t}-V_{i}^{t}}{l_{i j}} \cdot\left(1-f_{s}\right)\end{aligned}\)       (4)

여기서 fs는 고상율이다. 그러나 용탕의 응고 시, 수지상 네트워크의 방해로 인하여 가스의 이동이 용이하지 않게 된다. 이때 응고의 효과를 고려하기 위하여 고상율 변화에 따라서 가스가 이동되는 양을 제어하도록 계산한다.

2.4 용탕 및 core내 가스량 계산방법

쉘코어에서 발생하는 가스량 및 용탕내 가스 확산량을 계산하기 위하여 다음과 같은 순서로 계산한다.

(1) 중자 내 1 time step당 발생하는 가스의 양 계산

(2) 발생가스 이동량 계산

(3) core내 가스 이동량 계산

(4) core에서 주물내로 이동하는 양 계산

(5) 주물 내 가스 확산량 계산

2.5 실험방법

쉘 코어 가스 발생량의 효과 및 정량화 계산을 위하여 Fig. 4와 같은 금형을 제작하여 실험하였다. 금형의 재질로는 SKD61을 사용하였다. Fig. 4는 주조 후 주물의 사진이다. 이때 사용된 주물의 재료는 공히 모두 AC4CH 이었고 주입온도는 모두 720ºC 이었다.

Fig. 3. Schematic diagram for gas distribution and its movement.

Fig. 4. Photographs (a) during and (b) after casting of test specimen.

3. 결과 및 고찰

3.1 실험방법 및 결과

Fig. 5는 일반 쉘 코어 주조 시 쉘 코어의 성형온도에 따른 가스량 변화를 나타내고 있다. 사진은 쉘 코어를 제거하였을 때의 사진이다. 모든 주조품에서 쉘 상부에 공간이 형성되는 것을 볼 수 있다. 이는 생성 가스가 일반 공기보다 밀도가 낮으며, 이 가스가 위쪽으로 올라가려는 성향을 가져서 생기는 것으로 판단된다. 또한 쉘 성형온도가 높을수록 공간의 높이는 점점 작아지는 것을 볼 수 있는데, 이는 쉘성형온도가 낮을수록 미산화된 바인더의 양이 상대적으로 많아 주조 시 바인더가 산화되어 가스량이 더 증가하게 되는 경향이며, 이를 실험으로 알 수 있다.

Fig. 5. Photographs of Cross-section photographs of test specimen with various shell core forming temperature.

좀더 정확한 측정을 위하여 현미경 사진 관측 및 밀도측정을 하였다. Fig. 6은 일반 쉘 core를 사용한 주물의 시편을 채취부분의 모식도 및 쉘 가스 온도의 변화에 따른 현미경 사진 및 측정된 밀도값을 나타내고 있다. 똑같은 경향으로 성형온도가 낮은 쉘 core를 사용할 경우 밀도 값이 낮았으며, 성형온도가 증가함에 따라 밀도치가 정상치로 근접하고 있음을 알 수 있었다.

Fig. 6. Micrographs and density measurements in the selected parts of the specimen with various shell core forming temperature. Diagram at the right side indicates the position of the specimens, U (Upper), S (Side) and D (Down).

수치해석 계산은 Fig. 7과 같이 실험과 동일한 조건에서 실시하였으며, Fig. 8은 응고가 완료된 후의 온도의 분포를 나타내고 있다. Fig. 8에서 보다시피 주물 중심쪽 그리고 쉘코어 부분의 온도가 제일 높은 것으로 나타났으며, 또한 코어의 온도도 주물과 근접한 부분에 있어서는 응고 완료시의 주물의 온도와도 비슷하게 올라가는 것으로 예측되었다. Fig. 9에서 보이는 응고시간 분포에서도 마찬가지로 상이한 부분에서 응고가 제일 늦게 일어나는 것으로 계산되었다.

Fig. 7. Mesh diagram used in the gas pore simulation.

Fig. 8. Temperature distribution of the shell core and specimen casting. Unit in the scale bar indicates temperature (celcius).

Fig. 9. Solidification time in the specimen casting. Unit in the scale bar indicates temperature (celcius).

Fig. 10는 쉘중자 성형온도 변화에 따른 가스의 분포 변화를 계산한 것으로 가스는 코어를 중심으로 하여 분포되고 있으며, 밀도차를 고려한 영향으로 코어의 상부쪽에 가스의 양이 더 많은 것으로 예측되었다. 성형온도가 증가 할수록 쉘상부 측의 가스의 분포량이 감소하는 경향을 보이고 있다. 이는 실험결과의 경향과도 잘 일치하고 있다.

Fig. 10. DIstirbution of gas evolution during casting with various shell core forming temperature. Unit in the scale bar indicates temperature (celcius).

3.2 실제 주물에의 적용

위에서 해석한 단순형상 제품의 결과를 기초로 현재 자동차에 사용되고 있는 Cylinder head 제품에 대한 3차원 가스량 발생 예측 해석을 수행하였다.

Fig. 11은 Cyliner head 3차원 솔리드 모델 형상을 보여주고 있다. 그림에서 볼 수 있듯이 제품 자체의 형상이 매우 복잡하고, 내부에 사용되는 코어의 형상도 상당히 복잡함을 알 수 있다. 내부 코어 형상을 Fig. 11(b)에 자세히 보여주고 있다. Fig. 11(b)에서 볼 수 있듯이 Cylinder head 내부에는 2개의 코어가 사용되고 있어 내부 코어의 형상이 매우 복잡하고 고립되는 부위에 설치되는 관계로 발생하는 가스에 대한 거동을 파악하는 것이 필수적이라 할 수 있다. 해석을 진행하기 위한 3차원 요소분할한 결과를 Fig. 12에서 보여주고 있다. X, Y, Z 방향으로 300, 200, 120개로 분할하여 총 요소수는 7,200,000개로 하였다.

Fig. 11. 3D modeling of cylinderhead and the shell core.

Fig. 12. Mesh of the cylinder head and schematics of cross-section.

각 부위에 대한 해석 결과는 Fig. 13와 같다. Fig. 13에서 볼 수 있듯이 발생하는 가스는 코어의 복잡한 형상으로 인하여 상부로 이동하면서 주물에 의해 차단되므로 더 이상 배출되지 못하고 주물에 잔존하는 것으로 예측되고 있다. 또한 Fig. 13에서 볼 수 있듯이 코어의 중심부에 가스의 농도가 높은 것으로 예측되고 있다.

Fig. 13. Distribution of evolved gas in the cylinderhead casting.

4. 결론

본 연구에서는 내부에 코어를 사용하는 제품에 대하여 코어에 의한 발생 가스량을 예측하는 프로그램을 개발하고, 이를 기본 형상에 대한 실험 및 단순 형상 제품에 적용하여 발생 거동을 확인하였다. 최종적으로 내부 형상이 복잡한 자동차용 Cylinder head에 대하여 적용하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 쉘 중자내 점결제가 용탕에 의한 쉘 중자 온도 상승시 가스 발생 속도고려 및 쉘과 금속용탕에서의 가스확산 현상을 예측할 수 있는 수치해석기술을 개발하였다.

2) 통상의 응고 및 유동해석 프로그램을 개량하여 금형주조 시에 발생하는 가스량의 계산결과 정성적으로 잘 일치함을 알 수 있었다.

3) 복잡형상 제품인 자동차용 Cylinder head에 대한 가스량 분포 해석을 통하여 사용되는 코어가 복잡하고, 내부에 많은 유기 점결제가 존재하면 제품의 형상에 기인하여 발생하는 가스를 원활하게 배출시키는데 문제가 있고, 이러한 이유로 제품에 많은 가스 결함이 존재할 가능성이 증대함을 알 수 있다.

4) 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 활용하여 코어 사용 제품의 생산에 적용할 수 있으며, 공정의 안정성 확보에 의한 제품의 균일화 및 고급화가 가능할 것으로 사료된다.