주조 시뮬레이션으로 굴삭기 부품의 수축 결함 잡기: BS100 Grade A6 합금 해석 사례

이 기술 요약은 Pham Quang이 SCIREA Journal of Materials (2025)에 발표한 논문 “Numerical modeling and simulation of mold filling and solidification process of BS100 Grade A6 alloy in sand casting of excavator bucket coupling parts”를 기반으로 하며, 기술 전문가를 위해 STI C&D가 분석하고 요약했습니다.

Keywords

• Primary Keyword: 주조 시뮬레이션
• Secondary Keywords: 샌드 캐스팅, 금형 충전, 응고 해석, BS100 Grade A6, 굴삭기 버킷 커플링, JSCast

Executive Summary

• The Challenge: 고품질, 고강도 부품에 사용되는 탄소강의 샌드 캐스팅 공정은 응고 과정에서 발생하는 수축 결함으로 인해 품질 저하의 위험이 있습니다.
• The Method: JSCast 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 BS100 Grade A6 합금으로 제작되는 굴삭기 버킷 커플링 부품의 금형 충전 및 응고 과정을 정밀하게 분석했습니다.
• The Key Breakthrough: 시뮬레이션 결과, 설계된 게이팅 시스템을 통해 16.12초 만에 안정적인 충전이 완료되었으며, 라이저(riser)가 최대 676.17초까지 용탕을 공급하여 내부 수축 및 기공 결함을 효과적으로 방지함을 확인했습니다.
• The Bottom Line: 주조 시뮬레이션은 실제 금형 제작 및 시험 주조에 앞서 게이팅 및 라이저 시스템 설계를 최적화하여 잠재적 결함을 예측하고 방지함으로써 제품 품질과 생산 효율성을 극대화하는 핵심 도구입니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

건설 및 광산 산업에서 널리 사용되는 굴삭기 버킷 커플링과 같은 고강도 부품은 높은 품질과 내구성이 요구됩니다. 이러한 부품은 주로 샌드 캐스팅 기법으로 생산되는데, 이 공정은 용융 금속이 응고되는 과정에서 필연적으로 부피가 수축하여 발생하는 ‘수축 결함’에 매우 취약합니다. 특히 BS100 Grade A6과 같은 고강도 합금은 응고 특성이 민감하여 불완전한 충전, 탕경(cold shut), 열간 균열(hot tearing) 등의 문제가 발생할 가능성이 높습니다. 이러한 결함은 제품의 기계적 성능을 저하시키고, 심각한 경우 현장에서의 파손으로 이어질 수 있습니다. 따라서 실제 생산에 들어가기 전에 이러한 결함을 예측하고 방지할 수 있는 신뢰성 높은 방법론의 필요성이 절실합니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 JSCast 시뮬레이션 소프트웨어를 활용하여 BS100 Grade A6 합금의 샌드 캐스팅 공정에 대한 수치 모델링 및 해석을 수행했습니다.

연구진은 먼저 Solidwork 소프트웨어를 사용하여 굴삭기 버킷 커플링의 3D 지오메트리 모델을 생성했습니다. 이후 JSCast 소프트웨어에서 총 4,874,553개의 요소를 가진 메쉬를 생성하여 정밀한 해석을 준비했습니다. 초기 충전 시간은 Chvorinov’s rule을 기반으로 약 18초로 예측되었으며, 이를 바탕으로 초기 조건을 설정했습니다.

해석에는 BS100 Grade A6 합금과 샌드 몰드의 열물성 데이터(밀도, 비열, 열전도도 등)가 정확하게 입력되었습니다. 시뮬레이션은 용융 금속이 주입되어 금형 캐비티를 채우는 ‘금형 충전’ 단계와, 채워진 용탕이 열을 잃고 고체로 변하는 ‘응고’ 단계로 나누어 진행되었습니다. 이를 통해 시간에 따른 온도 분포, 유동 패턴, 응고 진행 과정을 시각적으로 분석하고 잠재적인 결함 발생 영역을 예측했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

시뮬레이션은 금형 설계의 유효성을 입증하고 결함 방지 메커니즘을 명확히 보여주는 두 가지 핵심 결과를 도출했습니다.

Finding 1: 16.12초 만에 완료된 안정적이고 균일한 금형 충전

금형 충전 시뮬레이션 결과, 설계된 게이팅 시스템이 용융 금속을 매우 안정적이고 효율적으로 캐비티 내부로 유도하는 것으로 나타났습니다. Figure 2에서 볼 수 있듯이, 충전은 총 16.12초 만에 완료되었습니다. 충전 과정 동안 온도 분포는 1584.8 °C에서 1600.0 °C 사이로 거의 균일하게 유지되었으며, 얇은 벽이나 말단부에서만 약간의 냉각이 관찰되었습니다. 특히 에어록(airlock), 동결(freeze-up), 미성형(misrun)과 같은 주요 유동 결함이 발생하지 않았는데, 이는 러너 시스템이 부드럽고 완전한 충전을 촉진하도록 잘 설계되었음을 의미합니다.

Finding 2: 라이저를 통한 효과적인 수축 보상 및 응고 제어

응고 시뮬레이션은 결함 방지의 핵심인 응고 패턴을 명확하게 보여주었습니다. Figure 3에 나타난 바와 같이, 응고는 금형 벽에서 시작하여 제품 중심부로 점진적으로 진행되었습니다. 얇은 부분들이 먼저 응고되었고, 두꺼운 부분과 라이저는 오랫동안 용융 상태를 유지했습니다. 특히 라이저는 최대 676.17초까지 용융 금속을 머금고 있으면서, 주조품 본체가 응고하며 수축하는 동안 지속적으로 용탕을 공급하는 ‘압탕(feeding)’ 역할을 효과적으로 수행했습니다. Figure 3의 응고 분율 곡선은 주조품(Casting)이 라이저(Riser)보다 훨씬 빨리 응고됨을 명확히 보여주며, 이는 내부 수축 및 기공 결함의 위험을 크게 줄이는 이상적인 응고 거동입니다.

Practical Implications for R&D and Operations

본 연구 결과는 주조 공정 관련 엔지니어들에게 다음과 같은 실질적인 시사점을 제공합니다.

• For Process Engineers: 이 연구는 잘 설계된 게이팅 및 러너 시스템이 균일한 충전과 결함 최소화에 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 시뮬레이션 결과는 현재의 설계가 유효함을 입증하며, 유사한 부품 설계 시 이 시스템을 벤치마킹할 수 있습니다.
• For Quality Control Teams: Figure 3의 응고 순서 데이터는 잠재적인 핫스팟, 즉 가장 마지막에 응고되어 내부 기공이 발생할 가능성이 가장 높은 영역을 정확히 알려줍니다. 이는 비파괴 검사(NDT) 시 집중적으로 검사해야 할 부위를 특정하여 품질 관리의 효율성을 높이는 데 활용될 수 있습니다.
• For Design Engineers: 라이저의 위치와 크기가 수축 결함 보상에 결정적인 역할을 한다는 점이 시뮬레이션을 통해 입증되었습니다. 이는 설계 초기 단계에서 주조 시뮬레이션을 활용하여 라이저 시스템을 최적화하는 것이 물리적 테스트를 줄이고 개발 기간을 단축하는 가장 효과적인 방법임을 시사합니다.

Paper Details

Numerical modeling and simulation of mold filling and solidification process of BS100 Grade A6 alloy in sand casting of excavator bucket coupling parts

1. Overview:

• Title: Numerical modeling and simulation of mold filling and solidification process of BS100 Grade A6 alloy in sand casting of excavator bucket coupling parts
• Author: Pham Quang
• Year of publication: 2025
• Journal/academic society of publication: SCIREA Journal of Materials
• Keywords: Numerical modeling, Jscast, sand casting, mold filling, solidification, excavator bucket coupling, BS100 Grade A6.

2. Abstract:

Carbon steel bucket couplings are widely used in the construction and mining industries due to their quality and versatility. These couplings are manufactured using sand casting techniques to meet international standards. This casting technique has significant shrinkage defects during solidification and needs to be improved. In this study, JSCast simulation software was used to analyze the mold filling and solidification process of BS100 Grade A6 alloy during sand casting of excavator bucket couplings. The simulation provides important insights into the thermal and flow dynamics, allowing prediction and prevention of potential casting defects. The mold filling simulation demonstrated a steady and efficient flow of molten metal into the mold cavity, achieving full filling within 16.12 seconds. The temperature distribution throughout the filling process remained almost uniform, with minor cooling observed in the thinner and peripheral regions. There were no major flow defects such as airlocks, freeze-ups, or misruns, indicating that the runner system was well designed to promote smooth and complete filling. Solidification simulations showed a solidification pattern that progressed inward from the mold wall toward the core. The thinner sections solidified earlier, while the risers held the molten metal for a longer time—up to 676.17 seconds—allowing for effective shrinkage zones. The delayed solidification of the shrinkage beans relative to the casting was confirmed by the solidification fraction curve, confirming their role in reducing the risk of internal shrinkage and porosity.

3. Introduction:

Sand casting is a widely used manufacturing process for producing metal components, suitable for both ferrous and non-ferrous materials [1,2]. This method offers several advantages, including excellent dimensional accuracy, ease of pattern development, faster production rates, and reduced solidification time compared to die casting. Key process parameters in sand casting include venting, gating system design, nozzle and riser configuration, and the specification of dimensional and pattern tolerances. These parameters play a crucial role in determining the quality of the final casting. Additionally, the bonding mechanism of the mold material is influenced by several factors such as physical and mechanical properties, crystal structure, and bonding compounds [2-6]. The quality and mechanical performance of the cast specimen are heavily dependent on the proper selection of both process parameters and input materials. In this context, a comprehensive literature review is essential to evaluate and predict the hardness of the specimen. This is particularly important for analyzing the mold filling behavior of BS100 Grade A6 alloy in the sand casting of excavator bucket coupling parts, with the ultimate goal of enhancing product quality [7]. Modeling and simulation have become indispensable tools in modern sand casting, allowing engineers and designers to analyze and optimize the casting process before experimental production.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

굴삭기 버킷 커플링과 같은 탄소강 부품은 건설 및 광산 산업에서 널리 사용되며 샌드 캐스팅으로 제조됩니다. 이 공정은 응고 중 발생하는 수축 결함 문제를 개선해야 할 필요가 있습니다.

Status of previous research:

ProCAST, ANSYS Fluent, MAGMASOFT와 같은 시뮬레이션 소프트웨어는 유동, 열전달, 응고를 시뮬레이션하여 금형 충전, 냉각 속도, 수축 기공 등 결함 관련 현상을 예측하는 데 사용되어 왔습니다. 이전 연구들은 스프루 시스템 최적화, 곡선 게이트 사용 등을 통해 주조 품질을 향상시키는 데 시뮬레이션이 효과적임을 보여주었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 JSCast 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 굴삭기 버킷 커플링의 샌드 캐스팅 공정에서 BS100 Grade A6 합금의 금형 충전 및 응고 과정을 분석하는 것입니다. 이를 통해 잠재적인 주조 결함을 예측 및 방지하고, 열 및 유동 역학에 대한 중요한 통찰력을 얻고자 합니다.

Core study:

BS100 Grade A6 합금으로 만들어지는 굴삭기 버킷 커플링의 샌드 캐스팅 공정을 대상으로 금형 충전 및 응고 과정을 수치적으로 모델링하고 시뮬레이션했습니다. 시뮬레이션을 통해 충전 시간, 온도 분포, 유동 패턴, 응고 순서 등을 분석하여 설계된 게이팅 및 라이저 시스템의 유효성을 평가했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

3D 지오메트리 모델(Solidworks)과 유한 요소 메쉬(JSCast)를 기반으로 한 수치 시뮬레이션 접근법을 사용했습니다. BS100 Grade A6 합금의 금형 충전 및 응고 거동을 예측하기 위해 열-유동 연성 해석을 수행했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

BS100 Grade A6 합금과 샌드 몰드의 열물성 데이터(Table 3, 4)를 입력값으로 사용했습니다. JSCast 소프트웨어를 통해 시간에 따른 온도 분포, 충전율, 응고 분율 등의 데이터를 계산하고 시각화하여 분석했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 BS100 Grade A6 합금을 사용한 굴삭기 버킷 커플링의 샌드 캐스팅 공정에 국한됩니다. 주요 분석 대상은 금형 충전 거동과 응고 패턴이며, 이를 통해 주조 결함 발생 가능성을 예측하고 방지하는 데 중점을 둡니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 금형 충전: 용융 금속은 16.12초 내에 안정적이고 효율적으로 금형 캐비티를 완전히 채웠습니다. 충전 과정 동안 온도 분포는 거의 균일하게 유지되었으며, 에어록이나 미성형과 같은 주요 유동 결함은 관찰되지 않았습니다.
• 응고 과정: 응고는 금형 벽에서 시작하여 중심부로 진행되는 방향성 응고 패턴을 보였습니다. 얇은 부분이 먼저 응고되었고, 라이저는 최대 676.17초까지 용융 상태를 유지하며 주조품의 수축을 효과적으로 보상했습니다.
• 결함 방지: 응고 분율 곡선은 라이저가 주조품보다 훨씬 늦게 응고됨을 확인시켜 주었으며, 이는 내부 수축 및 기공 결함의 위험을 줄이는 데 라이저 시스템이 효과적으로 기능했음을 입증합니다.

Figure List:

• Figure 1. Geometry, element of the Casting and Sand Mold.
• Figure 2. Mold Filling Behavior Using JSCast
• Figure 3. The solidification simulation of the BS100 Grade A6 alloy casting

7. Conclusion:

The simulation results confirm that the mold design, gating system, and and riser placement are effective for casting a BS100 Grade A6 alloy bucket coupling. The pouring phase of the liquid metal into the mold shows smooth, uninterrupted metal flow with favorable heat distribution, while the solidification sequence confirms successful solidification promotion with proper direction and feed of the risers. These findings highlight the importance of integrated simulation in optimizing casting quality, reducing defects, and improving process efficiency prior to physical testing. Further refinement could focus on minimizing cooling temperature differences in thin-walled regions and validating the simulation results through experimental casting tests.

8. References:

• [1] Monroe, R. Porosity in Castings, AFS Transactions. 2005, 4, 05-245.
• [2] R.W. Monroe, “Use of Iron Oxide in Mold and Core Mixes for Ferrous Castings,” AFS Transactions, vol. 93, pp.355-364, 1985.
• [3] Gunasegaram, D.R. Farnsworth, D.J. Nguyena, T.T. Identification of critical factors affecting shrinkage porosity in permanent mould casting using numerical simulations based on design of experiments, Journal of materials processing technology, 2009, 209, 1209–1219. DOI:10.1016/j.jmatprotec.2008.03.044
• [4] Reis, A. Houbaert, Y. Zhian Xu, Rob Van Tol, Santosa, A.D. Duartea, J.F. Magalhaes, A.B. Modeling of shrinkage defects during solidification of long and short freezing materials, Journal of materials processing technology.2008, 202, 428–434. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.10.030
• [5] Grozdanić, V. Modelling of the directional solidification of a leaded red brass flange, Materials and technology, 2011, 45, 47-53. http://www.dlib.si/?URN=URN:NBN:SI:doc-LSRDY63C
• [6] Carlson, K.D. Lin, Z. Hardin, R.A. and Beckermann, C. Modeling of Porosity Formation and Feeding Flow in Steel Casting, SFSA 56th Technical and Operating Conference, November 2002.
• [7] https://castingquality.com/
• [8] Kumar, R., & Rao, T. S. Optimization of gating system for steel castings using simulation. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2017, 90(1–4), 543–550. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9373-3
• [9] Liu, Y., Wang, H., & Chen, M. Gating system design and defect analysis in aluminum alloy casting using ProCAST simulation. Journal of Materials Processing Technology, 2019, 271, 228–236. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.03.020
• [10] Zhang, J., Li, W., & Sun, X. Simulation-based prediction of hardness distribution in cast steel using thermal and microstructure modeling. Materials Science and Engineering: A, 2021, 799, 140164. https://doi.org/10.1016/j.msea.2020.140164.
• [11] Singh, R., Sharma, V., & Pathak, S. Optimization of mold filling parameters in sand casting using JSCast simulation. Procedia Manufacturing, 2020, 48, 372–378. https://doi.org/10.1016/j.promfg.2020.05.050
• [12] Chvorinov, N. “Theorie der Erstarrung von Gussstücken” [Theory of the Solidification of Castings]. Giesserei (in German), 1940,. 27 (10–12): 177–186, 201–208, 222–225.
• [13] JSCAST Ver.20@, QUALICA Inc.

Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 JSCast 소프트웨어를 선택한 특별한 이유가 있나요?

A1: 논문에 따르면, JSCast는 사용자가 주입 온도, 게이트 형상, 몰드 벤팅과 같은 파라미터를 조정하여 균일하고 완전한 금형 충전을 보장할 수 있게 해줍니다. 이는 복잡한 형상의 주조품에서 충전 균일성을 개선하는 데 시뮬레이션이 얼마나 효과적인지를 보여준 Singh 등의 연구(2020) 사례에서도 알 수 있습니다. 따라서 복잡한 형상의 굴삭기 부품에 대한 유동 및 응고를 최적화하는 본 연구의 목적에 JSCast가 적합한 도구로 선택되었습니다.

Q2: Chvorinov’s rule에 따른 예비 충전 시간(18초)과 시뮬레이션 결과(16.12초) 사이에 차이가 있는데, 이 차이는 무엇을 의미하나요?

A2: Chvorinov’s rule은 부피와 표면적을 기반으로 한 이론적인 응고 시간 예측 공식으로, 초기 설계의 타당성을 검토하는 데 유용합니다. 반면, 시뮬레이션은 실제 유체의 역학과 열전달을 고려한 훨씬 정밀한 예측입니다. 두 값(18초와 16.12초)이 근사하다는 것은 초기 설계 가정이 합리적이었음을 보여주며, 시뮬레이션 결과가 더 짧게 나온 것은 설계된 게이팅 시스템이 이론적 계산보다 더 효율적으로 충전을 완료시켰음을 의미합니다.

Q3: Figure 2의 금형 충전 단계에서 발생할 수 있는 가장 큰 잠재적 위험은 무엇이었나요?

A3: 논문에 따르면, 충전이 6.23초(39% 충전) 진행되었을 때 복잡한 유동 경로가 나타나고, 내부 모서리나 얇은 벽 영역이 더 빨리 냉각되기 시작했습니다. 또한, 잠재적인 난류 및 유동 선단의 불안정성도 언급되었습니다. 이는 제대로 관리되지 않을 경우, 이러한 복잡하고 빠르게 냉각되는 영역에서 조기 응고나 공기 혼입(air entrapment)이 발생할 수 있었음을 시사합니다.

Q4: Figure 3은 라이저의 효과를 어떻게 정량적으로 보여주나요?

A4: Figure 3의 응고 분율 곡선 그래프는 ‘Casting(주조품)’과 ‘Riser(라이저)’의 응고 진행을 두 개의 개별 선으로 명확히 보여줍니다. 주조품의 곡선이 100%에 도달하여 응고가 완료된 후에도 라이저의 곡선은 한참 동안 낮은 분율에 머물러 있습니다. 논문에서 최종 응고 시간이 최대 676.17초라고 언급했는데, 이는 라이저가 이 시간 동안 용융 상태를 유지하며 주조품에 용탕을 공급했음을 의미합니다. 이 시간 차이가 바로 수축을 보상하는 라이저의 효과를 정량적으로 입증하는 데이터입니다.

Q5: 이 연구가 구체적으로 방지하고자 했던 결함은 무엇이며, 시뮬레이션은 이를 어떻게 확인시켜 주었나요?

A5: 초록과 서론에서 명확히 밝히듯, 이 연구의 주요 목표는 ‘수축 결함(shrinkage defects)’과 ‘내부 수축 및 기공(internal shrinkage and porosity)’을 개선하는 것이었습니다. 응고 시뮬레이션(Figure 3)은 금형 벽에서 중심으로 향하는 방향성 응고를 보여주었고, 라이저가 가장 마지막에 응고됨으로써 주조품의 체적 감소를 효과적으로 보상했음을 입증했습니다. 이를 통해 수축 결함이 성공적으로 방지되었음을 확인시켜 주었습니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

결론적으로, 본 연구는 고강도 굴삭기 부품의 샌드 캐스팅 공정에서 발생하는 고질적인 수축 결함 문제를 주조 시뮬레이션을 통해 어떻게 해결할 수 있는지를 명확히 보여줍니다. JSCast를 활용한 정밀한 해석은 금형 충전이 16.12초 내에 안정적으로 완료되고, 라이저 시스템이 676초 이상 용탕을 공급하여 내부 결함을 효과적으로 억제함을 입증했습니다. 이는 시뮬레이션이 단순한 예측 도구를 넘어, 실제 생산 전에 설계를 최적화하고 품질을 확보하며 개발 기간과 비용을 절감하는 필수적인 엔지니어링 솔루션임을 의미합니다.

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Numerical modeling and simulation of mold filling and solidification process of BS100 Grade A6 alloy in sand casting of excavator bucket coupling parts” by “Pham Quang”.
• Source: https://doi.org/10.54647/materials430289

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