다이캐스팅 결함 완벽 분석: 미세 균열 및 금형 침식을 해결하여 생산성을 높이는 방법

이 기술 요약은 M BHASKAR 외 저자가 2021년 Research Square에 게재한 논문 “Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 다이캐스팅 결함
• Secondary Keywords: 금형 침식, 미세 균열, 금형 고착, 고압 다이캐스팅, CFD 해석

Executive Summary

• 도전 과제: 고압 다이캐스팅 공정에서 발생하는 금형 고착(Die Soldering) 현상은 금형 수명을 단축시키고 생산 비용을 증가시키는 핵심 문제입니다.
• 연구 방법: LM24 알루미늄 합금 주조에 사용된 후 폐기된 H13 강철 금형을 절단하여 주사전자현미경(SEM)으로 표면을 분석하고, 고착 메커니즘에 대한 이론적 모델을 결합했습니다.
• 핵심 발견: 금형 고착은 온도, 압력, 표면 거칠기의 상호작용에 의해 결정되며, 이 변수들은 용탕과 금형 사이의 실제 접촉 면적을 증가시켜 결함을 유발합니다.
• 핵심 결론: 계면 온도를 제어하고, 용탕에 대한 낮은 젖음성(Wetting)을 가진 보호 코팅을 사용하는 것이 금형 고착 및 침식을 완화하는 핵심 전략입니다.

도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

다이캐스팅 산업에서 생산 비용은 금형 수명에 크게 좌우됩니다. 금형은 열 균열, 화학적 부식, 기계적 침식, 그리고 특히 ‘고착(Soldering)’이라 불리는 현상으로 인해 파손됩니다. 고착은 용융된 알루미늄이 금형 표면에 달라붙는 현상으로, 생산 중단 시간을 늘리고 주조 품질을 저하시키는 주된 원인입니다. 기존 연구는 주로 열 균열에 집중되었지만, 생산 효율성과 직결되는 고착 현상에 대한 심도 있는 분석과 이론적 접근은 부족한 실정이었습니다. 이 연구는 고착 현상의 근본적인 원인을 파악하여 다이캐스팅 공정의 효율성을 극대화하기 위해 시작되었습니다.

연구 접근법: 방법론 분석

연구팀은 실제 다이캐스팅 공장에서 알루미늄 필터 커버(LM24 합금) 생산에 사용되었던 H13 강철 금형을 분석 대상으로 삼았습니다. 고착이 발생한 금형 일부를 절단한 후, 15% 가성소다 용액으로 표면에 붙은 알루미늄을 녹여냈습니다. 이후 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 금형 표면의 미세한 상태 변화와 결함의 특징을 관찰했습니다.

이 실험적 분석과 더불어, 연구팀은 맥스웰-볼츠만 분포, 다르시 방정식, 벤젤 방정식 등 물리화학적 원리를 바탕으로 한 이론적 모델을 개발했습니다. 이 모델을 통해 온도, 사출 압력, 표면 특성과 같은 공정 변수들이 어떻게 고착 현상을 유발하는지를 정량적으로 설명하고자 했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 표면 결함과 접촉 면적의 결정적 역할

SEM 분석 결과(그림 1), 고착이 발생한 금형 표면은 수많은 미세 구멍(micro holes)과 공동(micro cavities)으로 덮여 있었습니다. 논문은 고착 현상을 결정짓는 핵심 요소가 ‘외관상 접촉 면적 대비 실제 접촉 면적의 비율(Ar/Aa)’이라고 제시합니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 이 비율은 특정 임계 계면 온도(T0)에 도달하면 폭발적으로 증가하며 고착을 유발합니다. 이는 고착이 단순한 물리적 현상이 아니라, 특정 온도 조건에서 화학적 결합이 급격히 활성화되는 과정임을 시사합니다.

결과 2: 사출 압력에 의한 고착 현상 증폭

높은 사출 압력은 고착 현상을 더욱 악화시킵니다. 그림 5는 동일한 온도 조건에서 더 높은 압력(P2 > P1)이 가해질 때 Ar/Aa 값이 훨씬 더 커지는 것을 명확히 보여줍니다. 이러한 현상은 두 가지 메커니즘으로 설명됩니다. 첫째, 기계적으로 높은 압력의 용탕이 금형 표면의 보호 윤활제를 씻어내 직접적인 접촉을 유발합니다. 둘째, 화학적으로 용융 합금의 에너지를 증가시켜 금형 원자와의 결합을 촉진합니다.

결과 3: 표면 거칠기와 재료 선택이 젖음성에 미치는 영향

본 연구는 표면 거칠기와 고착 경향성 사이에 직접적인 연관성이 있음을 접촉각(contact angle)을 통해 증명했습니다. 그림 6은 일반적인 강철 금형의 경우, 표면 거칠기가 증가할수록 접촉각이 감소하여 젖음성(wetting)이 좋아지고 고착이 촉진됨을 보여줍니다. 반면, WC-Co 코팅된 금형에서는 거칠기가 증가할수록 접촉각이 오히려 커져 젖음성이 나빠지므로 고착에 대한 저항성이 향상되는 결과를 보였습니다. 이는 금형 재료 및 코팅 선택이 고착 방지에 얼마나 중요한지를 보여주는 데이터입니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 공정 엔지니어: 본 연구는 그림 4에 제시된 임계 온도 이하로 금형 및 용탕 온도를 유지하는 것이 매우 중요함을 시사합니다. 또한 사출 압력을 제어하는 것만으로도 고착 위험을 크게 줄일 수 있습니다.
• 품질 관리팀: 그림 1과 그림 7에 나타난 매끄러운 표면에서 미세 공동이 형성되는 진행 과정은 금형의 파손 시점을 예측하는 육안 검사 기준으로 활용될 수 있습니다. 이를 통해 심각한 결함이 발생하기 전에 선제적으로 조치할 수 있습니다.
• 설계 및 재료 엔지니어: 그림 6의 결과는 용융 알루미늄에 대해 높은 접촉각(낮은 젖음성)을 보이는 WC-Co와 같은 금형 코팅을 선택하는 것이 금형 수명을 연장하고 고착을 방지하는 핵심 전략임을 강력하게 뒷받침합니다.

논문 상세 정보

Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting

1. 개요:

• 제목: Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting
• 저자: M BHASKAR, Tamil selvam nalluswamy
• 발표 연도: 2021
• 게재 학술지/학회: Research Square (Preprint)
• 키워드: chemistry, die casting, die surface roughness, erosion, injection pressure, soldering, temperature

2. 초록:

고압 다이캐스팅(HPDC) 산업에서 금형 고착(Die soldering)은 금형 수명과 주조 품질에 영향을 미치는 어려운 문제입니다. 이는 금형의 가동 중단 시간을 늘려 개당 생산 비용을 증가시킵니다. 금형 고착은 가스 질화 처리나 다른 PVD 코팅과 같은 표면 열처리 작업을 통해 해결할 수 있습니다. 본 연구에서는 고착 문제를 조사하기 위해 다이캐스팅 산업에서 사용되고 폐기된 금형을 선택했습니다. 고착이 발생한 금형 영역의 원소 화학적 분포와 표면 상태를 조사했습니다. 연구 결과, 고착 부위에는 다수의 미세 균열, 미세 구멍 및 미세 공동이 존재함이 밝혀졌습니다. 미세 구멍의 반경은 약 0.25 µm, 거대 구멍의 반경은 약 8µm입니다. 금형 인서트는 H13 다이 강으로 제작되었으며, 주조 작업에는 LM24 알루미늄 합금이 사용되었습니다. 금형 고착 단면 영역에서 알루미늄의 분포와 금형 고착 메커니즘 및 그 원인을 연구했습니다. 금형 고착 메커니즘은 화학적, 물리적, 기계적 및 혼합 고착으로 분류됩니다. 고착 현상은 금형 온도와 그 화학적 성질, 용탕 온도와 그 화학적 성질, 사출 압력과 그 속도, 그리고 금형 표면 거칠기를 기반으로 연구되었습니다. 사용 및 폐기된 금형에서의 금형 고착 확산 및 형성 과정 또한 본 논문에서 논의됩니다.

3. 서론:

개당 생산 비용은 금형 수명에 따라 달라집니다. 연구에 따르면 일반적인 금형 수명은 금형의 설계와 복잡성에 따라 25,000 사이클에서 250,000 사이클까지 다양합니다. 금형 수명을 늘리면 개당 생산 비용을 줄일 수 있습니다. 금형 수명은 파손 전까지 생산된 총 주조품 수로 간주됩니다. 금형은 열 균열, 화학적 부식, 고착, 기계적 침식, 열 피로 및 기계적 응력과 같은 원인 중 하나 또는 그 조합으로 인해 파손될 수 있습니다. 열 균열과 금형 고착은 금형 파손을 초래하는 두 가지 주요 요인입니다. 과거의 수많은 연구는 주로 열 균열에 초점을 맞추었습니다. 그러나 다이캐스팅 산업의 발전과 함께, 금형 고착은 공정의 효율성과 생산성을 현저히 감소시키는 요인으로 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다. 최근 일부 연구자들은 실험적 연구를 통해 고착 메커니즘을 검토하기 시작했습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

고압 다이캐스팅 공정의 생산성과 비용 효율성은 금형의 수명에 직접적으로 의존합니다. 금형의 조기 파손은 생산 비용 증가의 주요 원인이며, 그중에서도 금형 고착(soldering)은 해결해야 할 중요한 기술적 과제입니다.

이전 연구 현황:

과거 연구들은 주로 금형의 열 피로 및 열 균열(heat checks)에 집중해왔습니다. 최근 들어 금형 고착에 대한 실험적 연구가 시작되었으나, 공정 변수들이 고착에 미치는 영향을 설명하는 통합적인 이론적 접근은 미비한 상태였습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 고착이 발생한 금형 영역의 표면 상태와 화학적 원소 분포를 면밀히 조사하여 고착 메커니즘을 분석하는 것입니다. 또한, 온도, 압력, 표면 거칠기 등 주요 공정 변수들이 고착 현상에 미치는 영향을 이론적으로 규명하고자 합니다.

핵심 연구:

실제 사용된 H13 강철 금형의 고착 부위를 SEM으로 분석하여 미세 균열, 구멍, 공동 등 표면 결함의 형태와 역할을 확인했습니다. 이를 바탕으로, 고착 현상을 기계적, 물리-화학적, 혼합 고착으로 분류하고, 열역학 및 유체역학 이론을 적용하여 각 공정 변수가 고착에 미치는 영향을 설명하는 이론적 모델을 제시했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실제 산업 현장에서 폐기된 다이캐스팅 금형을 분석하는 사례 연구와, 관찰된 현상을 설명하기 위한 이론적 모델링을 결합한 방식으로 설계되었습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

H13 강철 금형과 LM24 알루미늄 합금을 사용한 실제 공정에서 발생한 고착 샘플을 채취했습니다. 주사전자현미경(SEM)과 X선 매핑(X-ray mapping)을 사용하여 고착 부위의 미세 구조와 알루미늄(Al)의 분포를 분석했습니다. 수집된 데이터는 맥스웰-볼츠만 법칙(원자 활성화), 다르시 방정식(사출 압력과 속도 관계), 벤젤 방정식(표면 거칠기와 접촉각)을 포함한 이론적 프레임워크를 통해 해석되었습니다.

연구 주제 및 범위:

연구는 알루미늄 고압 다이캐스팅에서 발생하는 금형 고착 현상에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 (1) 고착 부위의 표면 미세 구조 분석, (2) 고착 메커니즘의 분류(기계적, 물리-화학적), (3) 계면 온도, 사출 압력, 표면 거칠기 등 공정 변수가 고착에 미치는 영향 분석입니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 고착이 발생한 금형 표면에는 기계적 및 화학적 고착을 유발하는 다수의 미세 공동, 미세 구멍, 미세 균열이 관찰되었습니다.
• 고착 메커니즘에 따라 기계적, 물리-화학적, 혼합 고착의 세 가지 유형으로 분류됩니다.
• 금형과 주물 사이의 상호작용 활성화 에너지와 계면 온도는 고착을 결정하는 실제 접촉 면적 비율(Ar/Aa) 값에 큰 영향을 미칩니다.
• 특수 보호 코팅이 적용된 금형은 고착 현상에 대한 친화도가 낮습니다.
• 금형 표면의 거칠기 계수는 주조 사이클이 증가함에 따라 증가하며, 이는 금형과 용탕 사이의 외관상 접촉각을 감소시켜 고착을 촉진합니다.

Figure List:

• Figure 1. The surface condition of the soldered die: (a) general position in the die: (b) position near to gate location.
• Figure 2. SEM analysis of physico- chemical soldering: (a) back scattered electron image (b) X-ray mapping of Al.
• Figure 3. SEM analysis of Mechanical soldering: (a) back-scattered electron image: (b) X-ray mapping of Al.
• Figure 4. Effect of temperature (T) and activation energy (AU) on Ar /Aa.
• Figure 5. depicts effect of injection pressure on the value of Ar/Aa.
• Figure 6. Apparent contact angle between solid surface and aluminum melt vs. surface roughness coefficient: (a) f1 = 1; (b) f2 = 0.8.
• Figure 7. Shows the surface state change of the die without die coatings (PVD) in die casting process.
• Figure 8. Shows the die surface state with coatings (PVD) in die casting process.

7. 결론:

• 다수의 미세 공동, 미세 구멍, 미세 균열이 금형 강철 표면의 고착 부위에서 관찰됩니다. 이러한 표면 불완전성은 용탕과 금형 사이의 기계적 작용을 유발하고, 주어진 외관상 접촉 면적에서 화학 반응을 일으키는 원인이 됩니다.
• 고착은 고착 메커니즘에 따라 기계적, 물리-기계적(physico-mechanical), 혼합 고착의 세 가지 유형으로 분류됩니다.
• 금형과 주물 사이의 상호작용 활성화 에너지와 계면 온도는 Ar/Aa 값에 강하게 영향을 미칩니다.
• 특수 보호 코팅이 된 금형은 고착 형성에 대한 친화도가 낮습니다.
• 금형 표면의 거칠기 계수는 주조 사이클 수의 증가에 따라 증가합니다. 이는 금형과 액체 금속 사이의 외관상 접촉각을 감소시키는 결과를 낳습니다.

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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 고착 현상 분석의 핵심 지표로 ‘실제 접촉 면적 대 외관상 접촉 면적의 비율(Ar/Aa)’을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 논문은 고착 현상을 근본적으로 원자 수준의 접착 과정으로 보고 있습니다. 방정식 (3)에서 맥스웰-볼츠만 법칙으로부터 유도된 Ar/Aa 비율은 계면에서 금속 결합을 형성할 만큼 충분한 활성화 에너지를 가진 원자의 비율을 직접적으로 나타냅니다. 이는 온도나 압력과 같은 공정 변수와 고착이라는 미시적 현상을 정량적으로 연결하는 중요한 다리 역할을 하기 때문에 핵심 지표로 사용되었습니다.

Q2: 그림 6에서 강철과 WC-Co 코팅 금형이 표면 거칠기에 따라 정반대의 접촉각 경향을 보이는 이유는 무엇입니까?

A2: 이는 표면의 젖음성(wetting)에 대한 벤젤(Wenzel) 모델과 캐시-백스터(Cassie-Baxter) 모델로 설명할 수 있습니다. 알루미늄 용탕에 의해 자연적으로 잘 젖는 재료(강철, 접촉각 < 90°)의 경우, 표면 거칠기가 증가하면 전체 표면적이 넓어져 젖음성이 향상되고 외관상 접촉각은 감소합니다. 반면, 젖음성이 나쁜 재료(WC-Co, 접촉각 > 90°)의 경우, 거친 표면의 골짜기에 공기가 갇히게 되어 액체와 고체의 실제 접촉 면적을 줄이고 외관상 접촉각을 증가시켜 고착에 대한 저항성을 높입니다.

Q3: 논문에서는 알루미늄 합금에 철(Fe)을 첨가하면 고착이 줄어든다고 언급합니다. 금형이 철 기반인데 이는 직관에 반하는 것 같습니다. 설명해주실 수 있나요?

A3: 논문은 이를 활성화 에너지 관점에서 설명합니다. Fe-Fe 결합의 활성화 에너지는 Al-Fe 결합보다 높습니다. 알루미늄 합금에 철을 첨가하면 용탕 표면의 철 원자 농도가 높아집니다. 이는 금형의 철 원자가 용탕으로 용해되는 것을 더 어렵게 만들고, 결과적으로 Al-Fe 결합 형성을 억제하여 고착 경향을 줄이는 장벽 역할을 하게 됩니다.

Q4: 이론 모델인 방정식 (8)은 사출 속도의 영향을 어떻게 반영하고 있습니까?

A4: 방정식 (8)은 사출 압력(p)을 포함하며, 이는 다르시 방정식(방정식 5)을 통해 속도(u)와 직접적으로 연관됩니다. 또한, 방정식 (4)는 사출된 금속의 운동 에너지(u²에 비례)가 열에너지(ΔT)로 변환되어 국부적인 온도를 상승시키는 것을 보여줍니다. 이 온도 상승분은 방정식 (8)의 분모에 있는 전체 계면 온도(Tᵢ)에 반영되어, 최종적으로 Ar/Aa 비율과 고착에 직접적인 영향을 미칩니다.

Q5: ‘물리-화학적 고착'(그림 2)과 ‘기계적 고착'(그림 3)의 실질적인 차이점은 무엇입니까?

A5: 그림 2에서 보이는 물리-화학적 고착은 비교적 직선적인 계면을 특징으로 하며, 이는 화학 반응 및 확산을 통해 금속간 화합물을 형성하여 주조물을 금형에 ‘접착’시키는 것을 의미합니다. 반면, 그림 3의 기계적 고착은 용탕이 금형 표면의 균열이나 언더컷과 같은 물리적 결함 속으로 흘러 들어가 굳으면서 강력한 기계적 맞물림을 형성하는 것입니다. 논문은 실제 현장에서는 이 두 가지 메커니즘이 복합적으로 작용하는 경우가 대부분이라고 결론짓습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 다이캐스팅 결함 중 가장 까다로운 문제인 금형 고착이 온도, 압력, 표면 특성의 복잡한 상호작용의 결과임을 명확히 보여주었습니다. 특히 실제 접촉 면적이라는 개념을 도입하여 고착 메커니즘을 정량적으로 분석한 것은 R&D 및 현장 운영에 중요한 시사점을 제공합니다. 계면 온도를 임계점 이하로 관리하고, WC-Co와 같이 젖음성이 낮은 코팅을 전략적으로 사용하는 것은 금형 수명을 연장하고 생산성을 극대화하는 효과적인 방법이 될 수 있습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “M BHASKAR” 외 저자의 논문 “Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-495892/v1

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