Fig. 1 Sample of aluminum alloy castings with residual resin defects.

이 기술 요약은 Sadatoshi Koroyasu가 작성하여 2022년 Materials Transactions에 게재한 논문 “Effect of Melt Velocity on Density of Aluminum Alloy Castings in Expendable Pattern Casting Process”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 소모성 패턴 주조 공정 (Expendable Pattern Casting Process)
  • Secondary Keywords: 알루미늄 합금 주조, 주조 밀도, 용탕 유속, 잔류 수지 결함, 감압 주조, X-ray CT

Executive Summary

  • The Challenge: 소모성 패턴 주조(EPC) 공정에서 용탕 유속이 증가할수록 패턴 분해 과정에서 생성된 액상 수지가 용탕에 혼입되어, 최종 주물의 밀도를 저하시키고 기계적 특성에 악영향을 미치는 문제를 해결해야 합니다.
  • The Method: 알루미늄 합금(JIS AC2A)을 사용하여 평판 형상의 EPS 패턴을 상향 및 하향 주조 방식으로 주조했습니다. 용탕 유속, 주입 온도, 감압 조건을 변경하며 주물의 밀도를 측정하고 X-ray CT 촬영을 통해 내부 결함을 관찰했습니다.
  • The Key Breakthrough: 용탕 유속이 증가할수록 주물 밀도는 감소하는 경향을 보였으며, 이는 액상 수지의 혼입 증가 때문으로 분석됩니다. 특히 상향 주조 시 감압 조건을 적용하면 밀도가 향상되었으나, 고온·고속 조건에서는 ‘용탕 선행 유동’ 현상으로 인해 오히려 밀도가 감소하는 예외가 발견되었습니다.
  • The Bottom Line: EPC 공정에서 고품질의 알루미늄 주물을 생산하기 위해서는 용탕 유속, 주입 방식, 압력 조건을 정밀하게 제어하여 잔류 수지 결함을 최소화하는 것이 핵심이며, 이는 최종 제품의 신뢰성과 직결됩니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

소모성 패턴 주조(EPC) 공정은 복잡한 형상의 주물을 코어 없이 일체형으로 생산할 수 있어 자동차 엔진의 실린더 헤드와 같은 부품 제작에 널리 사용됩니다. 하지만 이 공정은 EPS(발포 폴리스티렌) 패턴이 용탕에 의해 열분해되면서 발생하는 가스와 액상 수지를 원활하게 배출해야 하는 기술적 과제를 안고 있습니다.

특히 알루미늄 합금과 같이 용융점이 낮은 금속의 경우, 패턴이 완전히 기화되지 않고 대부분 액화되어 용탕과 직접 접촉하며 충전이 이루어집니다. 이 과정에서 액상 수지가 용탕에 혼입되면 그림 1과 같은 잔류 수지 결함(residual resin defects)을 유발합니다. 이러한 결함은 주물의 기계적 특성과 기밀성에 치명적인 영향을 미치므로, 이를 정량적으로 평가하고 제어하는 기술이 매우 중요합니다. 기존에는 용탕 유속, 감압 조건, 주조 방안 등이 결함 발생에 영향을 미칠 것으로 예상되었으나, 이에 대한 체계적인 연구는 부족한 실정이었습니다. 본 연구는 이러한 산업 현장의 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.

Fig. 1 Sample of aluminum alloy castings with residual resin defects.
Fig. 1 Sample of aluminum alloy castings with residual resin defects.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 EPC 공정의 핵심 변수들이 주물 밀도에 미치는 영향을 규명하기 위해 정밀하게 통제된 실험을 설계했습니다.

  • 주조 장치 및 패턴: 내경 200mm, 깊이 300mm의 강철 주형 플라스크를 사용했으며, 감압을 위한 흡입 포트를 갖추었습니다. 폭 70mm, 높이 200mm, 두께 10mm의 평판형 EPS 패턴을 사용하여 상향(bottom pouring) 및 하향(top pouring) 주조 클러스터를 조립했습니다(그림 2, 3 참조).
  • 용탕 유속 측정: 패턴 내부에 10, 55, 100, 145, 190mm 지점에 텅스텐 와이어로 제작된 접촉 센서를 삽입하여 용탕의 도달 시간을 측정하고, 이를 통해 평균 용탕 유속을 계산했습니다.
  • 핵심 변수:
    • 용탕 유속: 투과성이 다른 3종류의 상용 코팅제(A, B, C)와 코팅 두께(0.5mm ~ 2.5mm)를 조절하여 약 10mm/s에서 100mm/s 범위의 유속을 구현했습니다.
    • 주입 온도: 약 973K와 1073K 두 가지 조건으로 설정했습니다.
    • 압력 조건: 대기압(비감압) 조건과 13.3kPa의 감압 조건을 적용했습니다.
    • 주조 방식: 상향 주조와 하향 주조 방식을 비교했습니다.
  • 결함 평가: 주조된 알루미늄 합금(JIS AC2A) 전체의 밀도를 아르키메데스법으로 측정하여 결함을 정량적으로 평가했습니다. 일부 시편은 X-ray CT(Computed Tomography)를 사용하여 내부 결함의 형상과 분포를 직접 관찰했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 용탕 유속 증가는 주물 밀도 저하의 직접적인 원인

실험 결과, 상향 및 하향 주조 방식 모두에서 용탕 유속이 증가할수록 주물의 밀도가 감소하는 뚜렷한 경향이 나타났습니다.

그림 5(상향 주조, 비감압)와 그림 6(하향 주조, 비감압)에서 볼 수 있듯이, 용탕 유속(u)이 10mm/s 근처에서 80mm/s 이상으로 증가함에 따라 주물 밀도(ρ)는 약 2.76 x 10³ kg/m³에서 2.72 x 10³ kg/m³ 이하로 점차 감소했습니다. 이는 용탕 유속이 빠를수록 코팅 벽면에 존재하는 액상 수지가 용탕 내부로 혼입될 가능성이 커지기 때문으로 해석됩니다. 즉, 빠른 유속은 수지가 코팅층을 통해 배출될 시간을 주지 않고 용탕 흐름에 휩쓸리게 만들어 내부 결함을 형성하는 것입니다.

Fig. 7 Discharge mechanism of liquid resin.
Fig. 7 Discharge mechanism of liquid resin.

Finding 2: 감압 및 주조 방식이 결함 저감에 미치는 영향과 그 한계

감압 조건과 주조 방식은 주물 밀도에 상당한 영향을 미쳤으며, 특정 조건에서는 예상과 다른 결과가 관찰되었습니다.

  • 감압 효과: 그림 10(973K, 상향 주조)에서 감압 조건(●)은 비감압 조건(○)보다 전반적으로 높은 주물 밀도를 보였습니다. 이는 감압으로 인해 코팅층 내외부의 압력 차이가 커져 액상 수지의 배출이 촉진되었기 때문입니다.
  • 주조 방식 효과: 그림 8과 9를 보면, 동일한 온도와 유속 조건에서 하향 주조(●)가 상향 주조(○)보다 높은 밀도를 나타냈습니다. 이는 상향 주조 시 액상 수지의 부력과 용탕의 흐름 방향이 일치하여 수지 혼입이 심화되는 반면, 하향 주조에서는 두 방향이 반대여서 혼입이 억제되기 때문으로 분석됩니다.
  • 고온·고속 조건의 예외 현상: 흥미롭게도, 1073K의 고온에서 상향 주조를 할 때, 고속 영역에서는 감압 조건(●)의 밀도가 비감압 조건(○)보다 오히려 낮아지는 현상이 관찰되었습니다(그림 12, High velocity region). 이는 ‘용탕 선행 유동(forward flow of molten metal)’ 현상 때문으로, 감압 상태에서 용탕이 EPS 패턴과 코팅의 계면으로 먼저 흘러 들어가면서 EPS 패턴을 붕괴시키고 용탕 내로 혼입시켜 밀도를 저하시키는 것으로 추정됩니다. 그림 14는 이 현상이 발생한 주물의 단면을 보여줍니다.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 본 연구는 용탕 유속이 잔류 수지 결함의 핵심 제어 인자임을 시사합니다. 코팅제의 종류와 두께를 조절하여 최적의 유속을 설정하고, 감압 시스템을 도입하면 코팅층을 통한 수지 배출을 촉진하여 주물 품질을 향상시킬 수 있습니다. 단, 고온·고속 주조 시에는 ‘용탕 선행 유동’ 현상을 주의해야 합니다.
  • For Quality Control Teams: 주물 밀도 측정은 내부 잔류 수지 결함을 평가하는 효과적인 비파괴 검사 방법이 될 수 있습니다. 그림 17의 X-ray CT 데이터는 밀도 저하가 실제 내부 기공(void)의 크기 및 분포와 직접적인 관련이 있음을 보여주므로, 밀도 값을 새로운 품질 관리 기준으로 설정하는 것을 고려할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 주입 방안 설계가 결함 형성에 큰 영향을 미칩니다. 액상 수지의 부력과 용탕 흐름을 고려할 때, 수지 혼입을 최소화하기 위해 하향 주조 방식이 상향 주조 방식보다 유리할 수 있습니다. 초기 설계 단계에서 이러한 유동 특성을 고려하는 것이 중요합니다.

Paper Details

Effect of Melt Velocity on Density of Aluminum Alloy Castings in Expendable Pattern Casting Process

1. Overview:

  • Title: Effect of Melt Velocity on Density of Aluminum Alloy Castings in Expendable Pattern Casting Process
  • Author: Sadatoshi Koroyasu
  • Year of publication: 2022
  • Journal/academic society of publication: Materials Transactions, Vol. 63, No. 4 (2022) pp. 629 to 635, ©2022 Japan Foundry Engineering Society
  • Keywords: expendable pattern casting process, aluminum alloy, casting density, melt velocity, casting design, reduced pressure, X-ray CT

2. Abstract:

The casting defects inside the aluminum alloy castings in the expendable pattern casting (EPC) process were evaluated by measuring the density of castings. The effect of melt velocity on the density of plate aluminum alloy castings was investigated experimentally. There was the tendency for the casting density to decrease with increasing melt velocity. This result seemed to be due to the increased entrainment of pattern decomposed liquid resin into the molten metal. In the case of bottom pouring, the casting density with reduced pressure is larger than that with non-reduced pressure. The result seems to be due to the increase in the discharge of the liquid resin at the coat surface through the coat layer. However, when the pouring temperature was high, in the high melt velocity region, there was the tendency for the casting density to be lower than that with non-reduced pressure. This phenomenon seemed to be caused by the forward flow of molten metal. In the case of top pouring, the casting density was higher than that in bottom pouring, and the effect of the reduced pressure was not significant. From the result of observing the castings by an X-ray computed tomography (CT) imaging, it was predicted that the density decrease of the castings might be due to voids by the residual resin defects.

3. Introduction:

The expendable pattern casting (EPC) process is very attractive for complex-shaped castings as it allows for near-net-shape products without parting lines or cores. It has been applied to parts like aluminum alloy cylinder heads. In the EPC process, molten metal replaces an expendable polystyrene (EPS) pattern, and the resulting decomposition gas and liquid resin are discharged through a coat layer into dry sand. For aluminum alloys, which have a lower melt temperature, the pattern mostly liquefies rather than gasifies. This can lead to the entrainment of liquid resin into the molten metal, causing internal residual resin defects, as shown in Fig. 1. These defects significantly affect mechanical properties and airtightness. Therefore, it is important to quantitatively estimate these defects. This study investigates the effects of melt velocity, reduced pressure, and casting design on residual resin defects by measuring the casting density and using X-ray CT imaging.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

The EPC process is advantageous for complex aluminum alloy castings but is prone to internal residual resin defects due to the liquefaction of the EPS pattern. These defects degrade the casting’s mechanical properties and airtightness.

Status of previous research:

While the generation of residual resin defects is known to be influenced by melt velocity, reduced pressure, and casting design, few recent studies have quantitatively investigated these relationships. Existing mold-filling analysis systems for the EPC process also rarely simulate liquid resin entrainment.

Purpose of the study:

This study aims to experimentally examine the effects of melt velocity, reduced pressure, and casting design (bottom vs. top pouring) on the residual resin defects in aluminum alloy plate castings. Casting density measurement is used as the primary method for evaluating these defects, supplemented by X-ray CT imaging.

Core study:

The core of the study involves casting aluminum alloy plates under various conditions of melt velocity, pouring temperature, pressure (atmospheric vs. reduced), and pouring design (bottom vs. top). The density of the resulting castings is measured and analyzed as a function of these variables to quantify the extent of internal defects.

5. Research Methodology

Research Design:

An experimental study was designed to investigate the causal relationship between process parameters (melt velocity, pressure, pouring design, temperature) and the outcome (casting density). A cylindrical steel molding flask with a suction port for pressure reduction was used.

Data Collection and Analysis Methods:

  • Casting: JIS AC2A (A319 equivalent) aluminum alloy was melted and cast into plate-shaped EPS patterns.
  • Variable Control: Melt velocity was controlled by using three different commercial coats with varying permeabilities and by adjusting the coat thickness. Pressure was controlled at atmospheric and a reduced pressure of 13.3 kPa. Pouring temperatures were set to 973 K and 1073 K.
  • Data Collection: Melt arrival times were measured using touch sensors to calculate average melt velocity. The density of the whole casting was measured using the Archimedean method. Select castings were observed using X-ray CT imaging to visualize internal defects.
  • Analysis: The collected casting density data was plotted against melt velocity for different experimental conditions to identify trends and relationships.

Research Topics and Scope:

The research focuses on plate-shaped aluminum alloy castings produced by the EPC process. The scope is limited to the experimental conditions defined: two pouring temperatures, two pressure levels, two casting designs (bottom and top pouring), and a melt velocity range of approximately 10 to 100 mm·s⁻¹.

6. Key Results:

Key Results:

  • There was a tendency for casting density to decrease with increasing melt velocity for both bottom and top pouring.
  • In bottom pouring, applying reduced pressure resulted in a higher casting density compared to non-reduced pressure, except at high pouring temperatures and high melt velocities.
  • At high pouring temperature (1073 K) and high melt velocity, the casting density under reduced pressure was conversely lower than that under non-reduced pressure for bottom pouring, likely due to the “forward flow of molten metal”.
  • Top pouring resulted in higher casting density than bottom pouring, and the effect of reduced pressure was not significant in this case.
  • X-ray CT imaging confirmed that the decrease in casting density was caused by voids resulting from residual resin defects.
Fig. 14 Casting view of final melt flow section for bottom pouring, pouring temperature of 1073 K, and reduced pressure condition.
Fig. 14 Casting view of final melt flow section for bottom pouring, pouring temperature of 1073 K, and reduced pressure condition.

Figure List:

  • Fig. 1 Sample of aluminum alloy castings with residual resin defects.
  • Fig. 2 Schematic diagram of casting apparatus for bottom pouring.
  • Fig. 3 Schematic diagram of casting apparatus for top pouring.
  • Fig. 4 Schematic diagram of casting apparatus for top pouring.
  • Fig. 5 Effects of melt velocity and pouring temperature on casting density for bottom pouring and non-reduced pressure.
  • Fig. 6 Effects of melt velocity and pouring temperature on casting density for top pouring and non-reduced pressure.
  • Fig. 7 Discharge mechanism of liquid resin.
  • Fig. 8 Effects of melt velocity and casting design on casting density for pouring temperature of 973 K and non-reduced pressure.
  • Fig. 9 Effects of melt velocity and casting design on casting density for pouring temperature of 1073 K and non-reduced pressure.
  • Fig. 10 Effects of melt velocity and reduced pressure on casting density for bottom pouring at pouring temperature of 973 K.
  • Fig. 11 Effects of melt velocity and reduced pressure on casting density for top pouring at pouring temperature of 973 K.
  • Fig. 12 Effects of melt velocity and reduced pressure on casting density for bottom pouring at pouring temperature of 1073 K.
  • Fig. 13 Effects of melt velocity and reduced pressure on casting density for top pouring at pouring temperature of 1073 K.
  • Fig. 14 Casting view of final melt flow section for bottom pouring, pouring temperature of 1073 K, and reduced pressure condition.
  • Fig. 15 Effects of melt velocity and casting design on casting density for pouring temperature of 973 K and reduced pressure.
  • Fig. 16 Effects of melt velocity and casting design on casting density for pouring temperature of 1073 K and reduced pressure.
  • Fig. 17 Sectional views of castings in Fig. 5 by X-ray CT imaging.

7. Conclusion:

The study successfully evaluated residual resin defects in EPC aluminum alloy castings by measuring their density. The key conclusions are: 1. Casting density decreased with increasing melt velocity, attributed to increased entrainment of decomposed liquid resin. 2. For bottom pouring, reduced pressure generally increased casting density by enhancing resin discharge. However, at high temperature and high velocity, a “forward flow” phenomenon caused a density decrease. 3. Top pouring yielded higher density than bottom pouring, and the effect of reduced pressure was not significant. 4. X-ray CT images confirmed that the density decrease was due to voids from residual resin defects.

8. References:

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  15. S. Koroyasu and A. Ikenaga: Mater. Trans. 53 (2012) 224–228.
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 연구에서 투과성이 다른 세 종류의 코팅제를 사용한 이유는 무엇인가요?

A1: 용탕 유속을 효과적으로 제어하기 위해서입니다. 코팅층은 EPS 패턴 분해 시 발생하는 가스와 액상 수지의 배출 통로 역할을 하며, 코팅의 투과성은 이 배출 속도에 영향을 주어 결과적으로 용탕의 충전 속도, 즉 유속을 결정합니다. 투과성이 낮은 코팅(Coat A)부터 높은 코팅(Coat C)까지 사용하여 광범위한 용탕 유속(약 10~100 mm/s)을 구현하고, 유속이 주물 밀도에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있었습니다.

Q2: 주입 온도가 973K일 때보다 1073K로 높을 때 전반적으로 주물 밀도가 더 높은 경향을 보이는 이유는 무엇인가요?

A2: 이는 용탕 내로 혼입된 액상 수지의 부상(buoyancy)과 관련이 있습니다. 주입 온도가 높으면(1073K) 용탕의 응고 완료까지 걸리는 시간이 길어집니다. 이 시간 동안, 용탕보다 가벼운 액상 수지 방울이 부력에 의해 용탕 표면으로 상승하여 제거될 기회가 더 많아집니다. 반면, 온도가 낮으면(973K) 용탕이 빠르게 응고되어 수지가 미처 떠오르지 못하고 주물 내부에 갇히게 되어 밀도를 저하시키는 것입니다.

Q3: 그림 12에서, 고온(1073K) 및 고속 조건의 상향 주조 시 감압을 적용했을 때 오히려 밀도가 더 낮아지는 이유는 무엇인가요?

A3: 이 현상은 “용탕 선행 유동(forward flow of molten metal)” 때문으로 설명됩니다. 일반적인 상황에서는 용탕이 패턴을 녹이며 전진하지만, 고온·고속·감압 조건에서는 용탕이 EPS 패턴과 코팅 사이의 미세한 틈으로 먼저 빠르게 스며들어갑니다. 이 선행 유동이 EPS 패턴을 불안정하게 붕괴시키고, 그 조각들을 용탕 흐름에 직접 혼입시켜 더 심각한 내부 결함을 유발하고 결과적으로 주물 밀도를 저하시키는 것입니다.

Q4: 상향 주조(bottom pouring)가 하향 주조(top pouring)보다 주물 밀도가 낮은 경향을 보이는 이유는 무엇인가요?

A4: 액상 수지의 부력과 용탕의 흐름 방향 사이의 상호작용 때문입니다. 상향 주조에서는 용탕이 아래에서 위로 흐르는데, 액상 수지 역시 가볍기 때문에 부력에 의해 위로 떠오르려는 힘을 받습니다. 두 힘의 방향이 일치하여 수지가 용탕 흐름에 쉽게 휩쓸리고 혼입이 촉진됩니다. 반면, 하향 주조에서는 용탕이 위에서 아래로 흐르지만 수지의 부력은 여전히 위를 향하므로, 두 힘이 상쇄되어 수지 혼입이 상대적으로 억제되는 효과가 있습니다.

Q5: X-ray CT 분석(그림 17)을 통해 밀도 감소의 근본 원인이 무엇이라고 결론 내릴 수 있나요?

A5: X-ray CT 이미지는 밀도 감소가 잔류 수지 결함으로 인해 생성된 내부 기공(voids) 때문임을 명확히 보여줍니다. 그림 17(a)와 (b)를 비교하면, 밀도가 상대적으로 낮은 시편(a)에서 더 크고 명확한 기공이 관찰됩니다. 이는 측정된 거시적 밀도 차이가 주물 내부에 존재하는 수 mm 크기의 미세 기공들의 총 부피 차이에서 비롯됨을 의미하며, 밀도 측정이 내부 결함을 평가하는 유효한 지표임을 입증합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 소모성 패턴 주조 공정(Expendable Pattern Casting Process)에서 용탕 유속, 압력, 주조 방식과 같은 핵심 공정 변수들이 어떻게 내부 결함 형성과 주물 밀도에 영향을 미치는지 실험적으로 규명했습니다. 용탕 유속이 증가할수록 수지 혼입이 증가하여 밀도가 감소하며, 감압 조건과 하향 주조 방식이 결함 저감에 유리하다는 사실을 데이터로 입증했습니다. 특히 고온·고속 조건에서 발생하는 ‘용탕 선행 유동’이라는 예외 현상을 발견한 것은 공정 최적화에 중요한 시사점을 제공합니다.

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.

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Copyright Information

  • This content is a summary and analysis based on the paper “Effect of Melt Velocity on Density of Aluminum Alloy Castings in Expendable Pattern Casting Process” by “Sadatoshi Koroyasu”.
  • Source: https://doi.org/10.2320/matertrans.F-M2021857

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