A356 알루미늄 합금 주조의 허용 품질 한계 결정: 공급업체 품질 지수(SQI)

Determination of Acceptable Quality Limit for Casting of A356 Aluminium Alloy: Supplier’s Quality Index (SQI)

본 연구는 자동차 산업에서 광범위하게 사용되는 A356 알루미늄 합금의 주조 품질을 결정하는 원자재(잉곳)의 품질을 정량적으로 평가하기 위해 새로운 지표인 공급업체 품질 지수(SQI)를 제안하고, 이를 실제 제조 현장의 불량률과 비교 분석한 기술 보고서이다.

Paper Metadata

• Industry: 자동차 부품 제조 (Automotive)
• Material: A356 알루미늄 합금 (Al-7Si-0.3Mg)
• Process: 저압 금형 주조 (Low Pressure Die Casting, LPDC)

Keywords

• bifilm
• 용탕 품질 (melt quality)
• 저압 금형 주조 (low pressure die casting)
• 공급업체 품질 (supplier quality)
• A356

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 휠 제조업체에 납품하는 4개의 서로 다른 공급업체(A, B, C, D)로부터 수급한 A356 잉곳의 품질을 조사하였다. 실험을 위해 각 공급업체의 잉곳 10kg을 저항로에서 745°C로 용해하였으며, 용탕의 청정도를 정확히 비교하기 위해 가스 제거(degassing)나 개량 처리(modification) 등의 별도 처리를 수행하지 않았다. 용탕 품질은 감압 응고 시험(Reduced Pressure Test, RPT)을 통한 비필름 지수(bifilm index) 측정, 나선형 유동성 시험(spiral fluidity test), 그리고 금형에서 주조된 시편을 이용한 인장 시험을 통해 평가되었다. 모든 시험은 결과의 신뢰성을 위해 4회 반복 수행되었다.

Key Findings

실험 결과, 공급업체 B의 용탕이 26 mm로 가장 낮은 비필름 지수를 기록하여 가장 우수한 청정도를 보였으며, 유동성 또한 151 mm로 가장 높게 나타났다. 반면, 공급업체 D는 비필름 지수가 119 mm로 가장 높았고 유동성은 64 mm로 가장 낮았다. 항복 강도는 모든 공급업체에서 약 105 MPa로 일정하게 유지되었으나, 인장 강도(UTS)와 연신율은 비필름 지수가 높을수록 저하되는 경향을 보였다. 특히 비필름 지수가 50 mm를 초과하는 공급업체 A와 D는 ‘불량 품질’로 분류되었으며, 이는 실제 공정에서의 높은 제품 불량률과 직접적인 상관관계를 나타냈다.

Industrial Applications

제안된 공급업체 품질 지수(SQI)는 주물 공장에서 원자재 입고 시 품질을 정량적으로 검수하는 표준 지표로 활용될 수 있다. 이를 통해 공정 투입 전 원자재의 잠재적 결함 가능성을 예측하고, 최종 제품의 불량률을 사전에 관리함으로써 생산 효율성을 제고할 수 있다. 또한, 공급업체별 품질 데이터를 기반으로 최적의 공급망을 선정하고 관리하는 기술적 근거를 제공한다.

Theoretical Background

Bifilm 결함의 형성 기전

알루미늄 용탕이 대기 중에 노출되거나 주입 과정에서 난류가 발생하면 액체 금속 표면의 산화막이 접히면서 용탕 내부로 유입되는데, 이를 비필름(bifilm)이라고 한다. 비필름은 액체 내부에서 균열과 같은 역할을 하며, 응고 과정에서 기공의 핵 생성 부위로 작용하거나 최종 주물 내에서 구조적 불연속성을 유발한다. 이러한 결함은 특히 피로 수명과 연신율 등 기계적 성질을 심각하게 저하시키는 주요 원인이 된다.

저압 금형 주조(LPDC)의 특성

저압 금형 주조는 압력을 정밀하게 제어하여 용탕을 금형 내부로 충전하는 방식으로, 임계 속도(0.5 m/s)를 초과하지 않도록 조절하여 표면 난류 발생을 억제한다. 이 공법은 층류 충전을 통해 기공 형성을 최소화하고 높은 생산성을 확보할 수 있어 자동차 휠과 같은 중요 부품 제조에 널리 사용된다. 그러나 공정 매개변수가 최적화되더라도 원자재 자체에 포함된 비필름 함량이 높으면 최종 제품의 품질 확보에 한계가 있다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 A, B, C, D 4개 사의 A356 잉곳을 사용하였다. 각 잉곳의 화학 조성은 Table 1에 명시된 바와 같이 Si 6.77~7.20 wt.%, Mg 0.284~0.389 wt.% 범위를 유지하였다. 용해는 SiC 도가니를 사용한 저항로에서 745°C로 수행되었으며, 용탕의 본래 품질을 측정하기 위해 가스 제거 처리를 배제하였다. 비필름 지수 측정을 위해 RPT 시편을 제작하고, 단면 이미지 분석을 통해 기공의 최대 길이 합계를 산출하였다. 유동성 시험은 150°C로 예열된 나선형 금형을 사용하였다.

Visual Data Summary

RPT 시편의 단면 분석 결과, 비필름 지수와 기공의 부피 사이에는 직접적인 상관관계가 부족할 수 있음이 확인되었다(Figure 9). 이는 동일한 비필름 함량을 가지더라도 수소 함량에 따라 기공의 팽창 정도가 달라질 수 있기 때문이다. 그러나 인장 시험편의 파면을 SEM으로 관찰한 결과, 기공 내부에서 접힌 형태의 산화막(bifilm)과 판상의 β-Fe 금속 간 화합물이 명확히 관찰되었으며(Figure 7), 이는 비필름 지수가 높은 시편에서 더 빈번하게 나타났다.

Variable Correlation Analysis

비필름 지수(BI)와 유동성(F) 사이에는 강한 음의 상관관계가 관찰되었다. 비필름 지수가 증가할수록 용탕의 유동 길이는 선형적으로 감소하였으며, 이는 용탕 내 산화막이 유동 저항을 높이기 때문으로 분석된다. 또한, 제안된 SQI 지수와 실제 공정의 불량률(rejection rate)을 비교했을 때, SQI가 높을수록 불량률이 낮아지는 뚜렷한 선형 관계($R^2 = 0.9689$)가 확인되어 SQI의 실무적 유효성을 입증하였다.

Paper Details

Determination of Acceptable Quality Limit for Casting of A356 Aluminium Alloy: Supplier’s Quality Index (SQI)

1. Overview

• Title: Determination of Acceptable Quality Limit for Casting of A356 Aluminium Alloy: Supplier’s Quality Index (SQI)
• Author: Eray Erzi, Özen Gürsoy, Çağlar Yüksel, Murat Colak, Derya Dispinar
• Year: 2019
• Journal: Metals

2. Abstract

알루미늄과 그 합금은 자동차 산업에서 오랫동안 널리 사용되어 왔으며, A356은 현재 이 분야에서 가장 인기 있는 알루미늄 합금 중 하나이다. 이 합금은 약 7 wt.%의 Si와 0.3 wt.%의 Mg을 함유하고 있다. 주조 부품에 존재할 수 있는 결함으로 인해 기대되는 기계적 성질에 도달하지 못할 수 있으며, 이 합금은 잠재력보다 낮은 성능을 보일 수 있다. 저압 금형 주조에서는 고품질의 결함 없는 주물을 생산하기 위해 여러 예방 조치를 취해야 한다. 주조 온도와 용탕의 화학 조성은 지속적으로 기록된다. 금형 온도, 압력 수준 및 지속 시간이 최적화되며, 가스 제거 및 플럭싱 작업이 수행된다. 그러나 이러한 예방 조치에도 불구하고 여전히 불량 부품이 발생할 수 있다. 양질의 원자재가 업계에서 가장 과소평가된 요소 중 하나이며, 시작 재료가 최종 제품에 큰 영향을 미치므로 이를 더 진지하게 고려해야 한다는 점이 명확해지고 있다. 따라서 Campbell의 주조 10계명 중 첫 번째 규칙과 관련하여, 본 연구에서는 휠 제조업체의 공급망에 대한 시작 재료의 품질을 조사하였다. 화학 조성을 비교하고, 다양한 공급원과 잉곳의 유동성 시험, 기계적 시험 및 비필름 지수를 측정하였으며, 공급업체 잉곳의 품질을 정량화하기 위한 기준으로 최종 품질 지수를 제안하였다. 이 새로운 지수는 불량률과 비교되었다.

3. Methodology

3.1. 원자재 선정: 휠 생산에 사용되는 4개의 서로 다른 A356 잉곳 공급업체(A, B, C, D)를 선정하고 화학 조성을 분석함.
3.2. 용해 공정: 각 공급업체의 잉곳 10kg을 저항로 내 SiC 도가니에서 745°C로 용해하였으며, 용탕 품질 비교를 위해 별도의 정련 처리를 수행하지 않음.
3.3. 품질 측정: RPT 시편을 제작하여 비필름 지수를 측정하고, 나선형 금형을 이용한 유동성 시험 및 인장 시험편 주조를 통한 기계적 성질 평가를 수행함. 모든 시험은 150°C 예열된 금형에서 4회 반복 실시함.

4. Key Results

공급업체 B는 비필름 지수 26 mm, 유동성 151 mm로 가장 우수한 품질을 나타냈으며, 제안된 SQI 값 또한 426으로 가장 높았다. 반면 공급업체 D는 비필름 지수 119 mm, 유동성 64 mm로 최저 품질을 보였으며 SQI 값은 225에 그쳤다. 항복 강도는 모든 시편에서 약 105 MPa로 일정했으나, 인장 강도와 연신율은 비필름 지수와 높은 상관관계를 보이며 품질에 따라 큰 차이를 나타냈다. SQI 지수는 실제 현장의 불량률과 선형적인 반비례 관계를 보여, 원자재 품질이 최종 제품의 합격 여부를 결정하는 핵심 요소임을 입증하였다.

5. Mathematical Models

$$SQI = (YS + UTS + \%e + F) – (BI)$$ 여기서 YS는 항복 강도(Yield Stress), UTS는 인장 강도(Ultimate Tensile Strength), %e는 파단 연신율(Elongation at fracture), F는 유동성(Fluidity), BI는 비필름 지수(Bifilm Index)를 의미한다.

Figure List

1. Figure 1. 유동성 시험 금형 (반지름 10 mm)
2. Figure 2. 인장 시험 금형 설계 및 시험편 규격
3. Figure 3. 공급원에 따른 유동 길이 변화
4. Figure 4. 공급원에 따른 항복 강도 변화
5. Figure 5. 공급원에 따른 인장 강도(UTS) 변화
6. Figure 6. 공급원에 따른 파단 연신율 변화
7. Figure 7. 인장 시험편 파면의 SEM 이미지 (산화막 및 기공 관찰)
8. Figure 8. 공급업체 D의 광학 현미경 이미지 (수지상 사이의 비필름 및 기공)
9. Figure 9. 동일한 비필름 지수를 가졌으나 기공 부피가 다른 RPT 시편 단면 모식도
10. Figure 10. 공급원별 비필름 지수 변화
11. Figure 11. 공급원별 공급업체 품질 지수(SQI)

References

1. Campbell, J. Complete Casting Handbook, 2015.
2. Dispinar, D.; Campbell, J. Int. J. Cast Met. Res. 2004, 17, 287–294.
3. Uludag, M. et al. Int. J. Met. 2018, 12, 853–860.
4. Drozy, M. et al. Int. Cast Met. J. 1980, 5, 43–50.

Technical Q&A

Q: 비필름 지수(Bifilm Index)는 어떻게 측정하며 그 의미는 무엇인가?

비필름 지수는 감압 응고 시험(RPT)을 통해 제작된 시편의 단면을 이미지 분석하여 측정한다. 단면에서 관찰되는 모든 기공의 최대 길이(pore length)를 합산한 수치이며, 이 값이 높을수록 용탕 내에 포함된 산화막 결함이 많음을 의미한다. 본 연구에서는 이 지수가 50 mm를 초과할 경우 주조 품질이 낮은 것으로 간주하였다.

Q: 공급업체 품질 지수(SQI) 공식에서 비필름 지수를 뺀 이유는 무엇인가?

SQI 공식에서 항복 강도, 인장 강도, 연신율, 유동성은 값이 높을수록 품질이 우수함을 나타내지만, 비필름 지수는 값이 낮을수록 용탕이 깨끗함을 의미한다. 따라서 전체 품질 지수를 산출할 때 결함 지표인 비필름 지수를 차감함으로써, 용탕 청정도가 낮을수록 SQI 점수가 낮아지도록 설계한 것이다.

Q: 실험 결과에서 항복 강도가 공급업체별로 차이가 없는 이유는 무엇인가?

항복 강도는 재료의 본질적인 특성으로, 결함의 존재보다는 합금의 조성과 미세구조에 의해 주로 결정된다. 비필름과 같은 결함은 재료가 항복점에 도달하기 전에 조기 파단을 일으켜 인장 강도와 연신율에는 큰 영향을 미치지만, 항복 현상 자체에는 유의미한 변화를 주지 않기 때문에 모든 공급업체에서 유사한 수치를 나타냈다.

Q: 수소 함량 측정을 위한 밀도 지수(Density Index)보다 비필름 지수가 더 중요한 이유는?

밀도 지수는 기공의 전체 부피를 측정하지만, 기공의 부피는 수소 함량에 따라 달라질 수 있어 실제 결함인 산화막의 양을 정확히 반영하지 못할 수 있다. 반면 비필름 지수는 기공의 길이를 측정하여 결함의 기점이 되는 산화막의 크기를 직접적으로 나타내므로, 기계적 성질 저하와 더 밀접한 상관관계를 갖는다.

Q: SQI 지수와 실제 공정 불량률 사이의 상관관계는 어느 정도인가?

본 연구에서 제안된 SQI 지수는 실제 휠 제조 공정의 불량률과 매우 높은 상관관계를 보였다. 결정계수($R^2$) 값이 0.9689로 나타나 선형성이 매우 뚜렷했으며, 이는 SQI 지수를 통해 원자재 입고 단계에서 최종 제품의 불량 발생 가능성을 매우 높은 신뢰도로 예측할 수 있음을 시사한다.

Conclusion

본 연구는 A356 알루미늄 합금 주조에서 원자재의 품질이 최종 제품의 품질과 불량률에 결정적인 영향을 미친다는 것을 정량적으로 입증하였다. 특히 Campbell의 주조 10계명 중 제1법칙인 ‘양질의 용탕 사용’의 중요성을 재확인하였으며, 이를 평가하기 위한 새로운 지표로 SQI를 제안하였다. SQI는 비필름 지수, 유동성, 기계적 성질을 통합하여 공급업체의 품질을 단일 수치로 나타낼 수 있어 현장 관리 효율성을 크게 높일 수 있다. 향후 주물 공장에서는 수소 함량 중심의 관리에서 벗어나 비필름 함량을 포함한 종합적인 용탕 청정도 관리가 필요하다.

Source Information

Citation: Eray Erzi, Özen Gürsoy, Çağlar Yüksel, Murat Colak and Derya Dispinar (2019). Determination of Acceptable Quality Limit for Casting of A356 Aluminium Alloy: Supplier’s Quality Index (SQI). Metals.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/met9090957

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