진공 및 산소치환 다이캐스팅에서 공정변수에 따른 주조품 기포 거동 연구 = A Study on the Porosity Behavior inside Castings with Process Parameters in Vacuum and Oxygen Replacing Diecasting Process

국문 초록 (Abstract)

최근 경량화 극대화를 위해 Al을 적용한 자동차 차체부품의 일체화, 대형화 추세가 강화되고 있으며, 이러한 대면적 주조성형은 주로 대형 다이캐스팅 성형법에 기반하고 있다. 특히 대형 차체 부품의 성형성 향상과 성형 후 열처리를 통한 강도 향상을 위해 고압 다이캐스팅 공법(HPDC)의 단점인 기포결함을 제어해야 한다.
본 연구에서는 기존 다이캐스팅 공법의 단점인 기포결함을 제어하기 위해 CT분석을 통해 porosity의 유형을 판별하고자 하였으며, 이를 바탕으로 산소치환 다이캐스팅 공 법(ORDC) 및 진공 다이캐스팅 공법(VDC)을 적용하여 주조품 내부의 기포결함을 줄여 기계적 특성을 증가시키고자 하였다.
첫 번째 연구에서는 주조품 내부의 porosity를 CT분석의 sphericity을 통해 blow hole과 shrinkage를 분리할 수 있는 기준을 제안하였으며, 이를 바탕으로 기존 공정인 HPDC 공법 뿐만 아니라 3가지 공법(VDC, ORDC, V/ORDC) 공법을 적용하여 시제품을 제조하고, 이를 비교하여 기존 공법 대비 결함이 감소하는 것을 확인하였다. 특히, V/ORDC 공법이 가장 결함이 적었으며, 기계적 특성이 우수하였다.
두 번째 연구에서는 ORDC 공정에서 산소주입량과 게이트 형상에 따른 기포 거동을 연구하였다. 산소 주입량을 10~40 L/min으로 설정하여 시험을 진행하였으며, 산소 주 입량이 증가할수록 기포결함이 감소하였다. 특히, 30 L/min 에서 가장 기포결함이 적 었으며, 기계적 특성이 증가하였다. 하지만, 40 L/min 에서는 기포결함이 소량 증가하 였다. ORDC 공정에서 gate 형상에 따른 기포 결함과 기계적 특성의 비교 결과, ORDC 공정에서는 Comb gate가 Integrated gate보다 가스 함유량이 낮고 기계적 특성이 훨 씬 높았다. 반면, 기존 HPDC 공정에서는 Comb gate가 가스 함유량을 증가시키고 기 계적 특성을 감소시켰다.
세 번째 연구에서는 VDC 공정에서 진공 칠벤트의 벤트 갭의 크기와 사출 팁 및 슬 리브 간의 공차에 따른 기포 거동을 연구하였다. 벤트 갭의 두께가 1.50 mm까지 증가 하면 캐비티 진공도가 향상되고 기포 결함이 감소하여 기계적 특성이 향상되었다. 사 출 팁과 슬리브간의 공차가 증가하면 캐비티 진공도가 반비례하여 감소하고, 기포 결 함이 증가하여 기계적 특성이 감소하였다. 특히, 공차가 0.20 mm에서 0.25 mm로 증 가할 때 슬리브에 외부 공기가 급격히 유입되며, 공차가 0.30 mm일 때 T6 열처리된 시험편의 인장강도와 신율이 가장 낮았다.
본 연구를 통해 CT분석을 통해 porosity의 유형을 판별하였으며, 다양한 다이캐스팅 공법을 적용하여 기포 결함을 효과적으로 제어 할 수 있음을 확인하였다. 특히, VDC와 ORDC 공정의 주요 공정 변수(산소 주입량, gate 형상, 칠벤트 사양, 사출팁과 슬리브 간 공차)에 따라 주조품의 기포결함과 기계적 특성에 중요한 영향을 미친다는 것을 확 인하였다. 이러한 결과는 초대형 차체 부품의 성형성 향상 및 기계적 특성 개선에 기 여 할 수 있을 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 차 례 ⅰ
• List of Tables ⅳ
• List of Figures ⅵ
• 초 록
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 연구의 목적 및 내용 5
• 제 2 장 이론적 배경 6
• 2.1 고압 다이캐스팅 공법(HPDC) 6
• 2.2 고압 다이캐스팅 공법의 이론 및 원리 8
• 2.3 다이캐스팅 결함의 종류 및 분석 방법 10
• 2.3.1 기포결함(Porosity) 10
• 2.3.2 수축결함(Shrinkage) 13
• 2.3.3 개재물(Inclusion) 15
• 2.3.4 결함 분석 방법 17
• 2.4 고압 다이캐스팅 공법의 종류 19
• 2.4.1 진공 다이캐스팅 공법(VDC) 19
• 2.4.2 산소 치환 다이캐스팅 공법(ORDC) 22
• 2.5 다이캐스팅 연구 동향 25
• 제 3 장 실험방법 27
• 3.1 시험 준비 27
• 3.2 시험 주조 31
• 3.3 결함 분석 36
• 3.3.1 X-ray CT분석 36
• 3.3.2 Density 측정 36
• 3.3.3 내부 가스량 및 가스 성분 측정 38
• 3.4 조직 분석 40
• 3.5 주조공정해석 41
• 3.6 기계적 특성 평가 42
• 3.6.1 인장 시험 42
• 제 4 장 Porosity 유형 판별 및 다이캐스팅 공정별 거동 연구 44
• 4.1 공정 변수 44
• 4.1.1 CT 분석을 통한 Porosity 유형 판별 44
• 4.1.2 다이캐스팅 공정별 기포 거동 분석 49
• 4.2 결과 및 토의 51
• 4.2.1 CT 분석을 통한 Porosity 유형 판별 51
• 4.2.2 다이캐스팅 공정별 기포 거동 분석 64
• 4.3 결론 75
• 제 5 장 ORDC 공정에서 산소주입량 및 Gate형상에 따른 기포 거동 연구 76
• 5.1 공정 변수 76
• 5.1.1 ORDC 공정에서 산소주입량에 따른 기포 거동 연구 76
• 5.1.2 ORDC 공정에서 Gate형상에 따른 기포 거동 연구 78
• 5.2 결과 및 토의 81
• 5.2.1 ORDC 공정에서 산소주입량에 따른 기포 거동 연구 81
• 5.2.2 ORDC 공정에서 Gate형상에 따른 기포 거동 연구 101
• 5.3 결론 119
• 제 6 장 VDC 공정에서 chill vent gap 및 clearence에 따른 기포 거동 연구 120
• 6.1 공정 변수 120
• 6.1.1 VDC 공정에서 진공밸브(chill vent) 사양에 따른 cavity 진공 특성 연구 120
• 6.1.2 VDC 공정에서 사출 Tip / Sleeve의 clearance 에 따른 cavity 진공 특성 연구 123
• 6.2 결과 및 토의 125
• 6.2.1 VDC 공정에서 진공밸브(chill vent) 사양에 따른 cavity 진공 특성 연구 125
• 6.2.2 VDC 공정에서 사출 Tip / Sleeve의 clearance 에 따른 cavity 진공 특성 연구 135
• 6.3 결론 145
• 제 7 장 총 결론 146
• 참고문헌 148
• Abstract 153