중력 다이 캐스팅 – 초음파 처리를 통한 최적화된 고형화
초음파는 중력 주조 금속의 미세 구조를 최적화할 수 있는 확장 가능하고 에너지 효율적인 경로를 제공합니다. – 주조 경제성과 고성능 요구 사이의 격차를 해소합니다. 중력 다이 주조에서는 고성능 금속 부품을 얻기 위해 응고 제어가 필수적입니다. 응고 중 용융 금속의 초음파 처리는 미세 구조 수준에서 주조 품질을 향상시키는 강력한 비화학적 정제 방법을 제공합니다. 초음파를 이용한 응고는 이질적인 핵 형성을 촉진하고 수지상 구조를 파괴하며 용융물의 온도 및 용질 분포를 균질화합니다.
초음파로 촉진되는 금속 용융물의 응고
응고 중 용융 금속의 초음파 처리는 미세 구조 수준에서 주조 품질을 향상시키는 강력한 비화학적 정제 방법을 제공합니다. 용융물에 고강도 초음파 진동을 도입하면 음향 캐비테이션과 스트리밍이 유도됩니다. 이러한 현상은 이질적인 핵 형성을 촉진하고 수지상 구조를 파괴하며 용융물의 온도와 용질 분포를 균질화합니다.
결과적으로 초음파를 이용한 응고는 훨씬 더 미세하고 균일한 입자 구조, 분리 감소, 강도, 연성 및 피로 저항과 같은 기계적 특성 개선으로 이어집니다. 특히 피더 영역에서 응고가 늦어지고 관련 결함이 발생하기 쉬운 중력 다이 주조에서는 초음파를 표적으로 적용하면 응고 동역학을 국소적으로 향상시키고 구조적으로 우수한 부품을 생산할 수 있습니다.
하이엘셔 초음파 처리기는 다이캐스팅에서 용융 금속의 응고를 개선합니다.
야금학적 과제와 해결책으로서의 초음파 응고
(2019)의 최근 연구에 따르면 알루미늄 주조의 응고 단계에서 초음파를 통합하면 입자 구조가 크게 개선되고 국부적인 기계적 특성이 향상되는 것으로 나타났습니다. 용융 금속에 담그도록 특별히 설계된 Hielscher의 초음파 프로브를 사용하면 초음파 응고는 다이 주조 개선을 위한 강력한 솔루션입니다.
알루미늄 합금의 중력 다이캐스팅 – 특히 AlSi7Mg0.3(A356) – 는 자동차 및 항공우주 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 피더 근처의 영역은 냉각 속도가 느려 미세 구조가 더 거칠어져 마지막에 응고되는 경우가 많습니다. 이로 인해 이러한 영역의 기계적 특성이 저하되어 전체 부품 무결성이 떨어지고 다운스트림 가공이 복잡해집니다.
이를 완화하는 기존의 방법 – 화학 입자 정련기(예: Al-Ti-B 마스터 합금), 향상된 냉각, 금형 설계 최적화 등 – 에는 한계가 있습니다. 주조 전체에 걸쳐 균일한 미세 구조를 얻지 못하는 경우가 많으며 불순물이 유입되거나 높은 에너지 투입이 필요할 수 있습니다.
초음파를 이용한 용융 알루미늄의 응고는 기계적 특성의 점진적인 개선과 보다 균일한 분포 및 전반적인 인장 강도 증가로 이어집니다.
초음파 응고
- 피더 인접 영역에서 수지상 암 간격(DAS)을 최대 30%까지 줄입니다.
- 특히 이전에 취약했던 부위의 경도와 인장 강도가 크게 증가합니다.
- 기계적 특성의 등방성이 개선되어 성능 저하 없이 더 얇은 벽면 설계가 가능합니다.
액체 알루미늄 가공용 Hielscher 초음파 프로브
다이캐스팅용 고성능 초음파 프로브
Hielscher는 특수 개발된 세라믹 소노트로드가 장착된 고성능 초음파 프로세서를 제공합니다. 특수 설계된 초음파 세라믹 프로브는 고온에서 연속 초음파 처리에 적합하며 냉각식 익스텐션이 트랜스듀서를 열 손상으로부터 보호합니다.
이 소노트로드는 다음과 같습니다:
- 700°C 이상에서 열 안정
- 캐비테이션 방지, 침식 및 오염 최소화
- 주조 금형의 피더 또는 코어 통합에 맞게 사용자 정의 가능
컴팩트한 디자인으로 기존 다이캐스팅 설정에 개조할 수 있어 알루미늄 주조에서 새로운 차원의 공정 제어 및 반복성을 실현할 수 있는 문을 열어줍니다.
Hielscher 산업 등급 장비를 사용한 초음파 응고 처리는 이 방법을 강력한 도구로 자리매김하고 있습니다:
- 주조 결함 감소
- 기계적 신뢰성 향상
- 후처리 비용 절감
아래 표에는 중력 다이캐스팅에 적합한 초음파 프로세서가 나열되어 있습니다:
| 소닉레이터 모델 | 전력 등급 | 초음파 주파수 |
|---|---|---|
| UIP1000hdt | 10000 와트 | 20 킬로헤르츠 |
| UIP1500hdT 님 | 1500 와트 | 20 킬로헤르츠 |
| UIP2000hdT 님 | 2000 와츠 | 20 킬로헤르츠 |
| UIP4000hdt 님 | 4000 와트 | 20 킬로헤르츠 |
설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질
Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.
초음파 설정: 초음파 네이터 UIP1000hdT 금속 용융물의 응고 개선
연구 및 이미지: ©Riedel 외. 2019
문헌 / 참고문헌
- E. Riedel, I. Horn, N. Stein, H. Stein, R. Bähr, S. Scharf (2019): Ultrasonic treatment: a clean technology that supports sustainability in casting processes. Procedia CIRP, Volume 80, 2019. 101-107.
- E. Riedel, P. Köhler, M. Ahmed, B. Hellmann, I. Horn, S. Scharf (2021): Industrial suitable and digitally recordable application of ultrasound for the enviromentally friendly degassing of aluminium melts before tilt casting. Procedia CIRP, Volume 98, 2021. 589-594.
- Riedel, Eric (2020): Numerisch gestützte Untersuchung einer erstarrungsbegleitenden Ultraschallbehandlung der Legierung AlSi7Mg0,3. PhDThesis Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau 2020.
- Ruirun, C. et al. (2017): Effects of ultrasonic vibration on the microstructure and mechanical properties of high alloying TiAl. Sci. Rep. 7, 2017.
자주 묻는 질문
다이 캐스팅이란 무엇인가요?
다이캐스팅은 일반적으로 중력 또는 고압 하에서 강철로 만든 금형(다이)에 용융 금속을 주입하거나 붓는 금속 성형 공정입니다. 중력 다이캐스팅에서는 중력만으로 용융물이 금형 캐비티로 흘러 들어갑니다. 이 공정을 통해 높은 치수 정확도, 우수한 표면 마감, 일관된 기계적 특성을 갖춘 그물 모양에 가까운 부품을 생산할 수 있습니다. – 특히 알루미늄과 같은 비철 합금의 경우 더욱 그렇습니다.
알루미늄 용융물은 어떤 용도로 사용되나요?
알루미늄 용융물은 일반적으로 합금의 경우 ~660°C(순수 알루미늄) 이상의 온도에서 액체 상태의 알루미늄 합금을 말합니다. 주조에서 알루미늄 용융물은 저밀도, 내식성, 열전도도, 기계적 강도의 유리한 조합이 요구되는 부품을 제조하는 데 사용됩니다. 일반적인 응용 분야로는 자동차 부품(예: 엔진 블록, 휠), 항공우주 구조물, 기계 및 소비재의 구조 부품 등이 있습니다.
수상 돌기란 무엇인가요?
수상돌기는 금속 합금이 응고되는 동안 형성되는 나무와 같은 결정 구조입니다. 수상돌기는 초기 핵 형성 부위에서 발생하여 원하는 결정학적 방향으로 용융물로 성장합니다. 수지상 형태는 열 구배와 응고 속도에 의해 영향을 받습니다. 거친 덴드리트 구조는 일반적으로 열악한 기계적 특성과 관련이 있으므로 고성능 주조에는 바람직하지 않습니다. 초음파 처리와 같은 입자 정제 기술은 과도한 수지상 성장을 억제하는 것을 목표로 합니다.
고형화란 무엇인가요?
응고는 액체 금속이 액상 온도 이하로 냉각되면서 고체로 변하는 상전이 현상입니다. 이 과정에서 원자는 결정 격자로 조직화되어 입자를 형성합니다. 응고의 동역학 및 열역학은 입자 크기, 형태 및 분리와 같은 결과 미세 구조를 결정하며, 이는 최종 주조의 기계적 및 물리적 특성을 결정합니다. 제어된 응고는 주조 재료의 결함을 최소화하고 미세 구조를 최적화하는 데 매우 중요합니다.
