Figure 2. Microstructure evolution at seven sampling locations (S1-S7) along the plate, (a) advent of segregation band at last one-third of the plate shown by red arrows, (b) comparison of α-Al particles.

이 기술 요약은 Maryam Torfeh, Zhichao Niu, Hamid Assadi가 Metals (2025)에 발표한 논문 “Phase-Field Modelling of Bimodal Dendritic Solidification During Al Alloy Die Casting”을 기반으로 하며, (주)에스티아이씨앤디의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

Keywords

  • Primary Keyword: 상평형장 모델링 (Phase-Field Modeling)
  • Secondary Keywords: 고압 다이캐스팅(HPDC), 알루미늄 합금, 응고 해석, 미세조직 예측, 이중 수지상정

Executive Summary

  • The Challenge: 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 발생하는 급격한 냉각 속도 변화와 난류로 인해 불균일한 이중(bimodal) 미세조직이 형성되어 최종 제품의 기계적 물성을 저하시키는 문제.
  • The Method: 샷 슬리브(shot sleeve)의 상대적으로 느린 냉각에서 다이 캐비티(die cavity)의 급속 냉각으로 전환되는 과정을 모사하기 위해, 고체-액체 계면의 특성(두께, 에너지, 이동도)을 체계적으로 변경하는 2차원 상평형장 모델을 사용.
  • The Key Breakthrough: 상평형장 모델의 계면 두께를 줄임으로써, 난류가 유발하는 국부적 과냉각 및 미세한 2차 수지상정 가지의 핵 생성 및 성장을 성공적으로 재현.
  • The Bottom Line: 상평형장 모델링은 HPDC 공정의 복잡한 응고 현상을 예측하고, 최종 제품의 미세조직 제어를 통해 품질을 향상시키는 데 효과적인 도구임을 입증했습니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

고압 다이캐스팅(HPDC)은 경량 알루미늄 합금 부품을 경제적으로 대량 생산하는 핵심 기술입니다. 하지만 이 공정은 샷 슬리브에서의 느린 냉각(약 100 K/s)과 다이 캐비티 주입 시의 급속 냉각(약 1000 K/s)이라는 극적인 열 조건 변화를 동반합니다. 이러한 급격한 변화와 용탕의 격렬한 난류는 최종 제품의 미세조직에 결정적인 영향을 미칩니다.

특히, 샷 슬리브에서 미리 형성된 조대한 ‘외부 응고 결정(Externally Solidified Crystals, ESCs)’이 다이 캐비티 내에서 급속 냉각된 미세한 결정들과 섞여 ‘이중 미세조직(bimodal microstructure)’을 형성하는 것이 주요 문제입니다. 이러한 불균일한 미세조직은 부품의 기계적 특성(예: 항복 강도, 연신율)을 저하시키고 예측 불가능하게 만들어 품질 관리에 심각한 어려움을 초래합니다. 기존의 수치 해석 방법들은 유동 및 열 전달에 초점을 맞추었지만, 이러한 복잡한 수지상정 구조의 진화 과정을 직접 분석하는 데는 한계가 있었습니다.

Figure 1. Sampling region on the plate manufactured by HPDC.
Figure 1. Sampling region on the plate manufactured by HPDC.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 2차원 상평형장(Phase-Field) 모델을 사용하여 아공정 Al-7% Si 합금의 응고 거동을 조사했습니다. 이 모델은 HPDC 공정을 두 단계로 나누어 시뮬레이션합니다.

  1. 1단계 (샷 슬리브 조건): 초기 온도 650K, 냉각 속도 100 K/s 조건에서 초기 수지상정의 성장을 모사합니다. 이는 다이 캐비티로 주입되기 전의 상태를 나타냅니다.
  2. 2단계 (다이 캐비티 조건): 1단계에서 성장한 수지상정을 기반으로, 초기 온도를 450K로 낮추고 냉각 속도를 1000 K/s로 높여 급속 응고를 시뮬레이션합니다.

가장 핵심적인 접근법은 샷 슬리브에서 다이 캐비티로 전환될 때 발생하는 물리적 현상(특히 난류로 인한 열 및 용질 전달 향상)을 모델링하기 위해, 고체-액체(S/L) 계면의 주요 파라미터인 두께(thickness), 에너지(energy), 이동도(mobility)를 체계적으로 변경한 것입니다. 이를 통해 모델이 실제 공정에서 관찰되는 미세조직 변화를 정확하게 예측할 수 있는지 검증했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

Finding 1: 실험적 미세조직 관찰을 통한 이중 구조 확인

실제 HPDC로 제조된 주조품의 위치별 미세조직을 분석한 결과, 명확한 이중 구조가 확인되었습니다.

  • 입자 크기 변화: 인게이트(in-gate) 부근(S1)에서는 평균 α-Al 입자 크기가 약 21 µm였으나, 주조품 끝단(S7)으로 갈수록 약 3 µm로 급격히 감소했습니다(Figure 3 참조).
  • 이중 미세조직: 인게이트 부근에서는 조대한 ESCs 주위로 미세하게 분산된 α-Al 입자들이 공존하는 이질적인 미세조직이 관찰되었습니다. 특히, 기존에 형성된 수지상정 파편 위에서 새로운 가지들이 핵 생성되는 모습이 뚜렷하게 나타났습니다(Figure 4b의 화살표 참조).

이는 샷 슬리브에서 형성된 결정이 다이 캐비티의 급속 냉각 환경에서 새로운 응고의 핵으로 작용했음을 시사합니다.

Finding 2: 상평형장 모델을 통한 이중 수지상정 성장 메커니즘 규명

상평형장 시뮬레이션은 실험에서 관찰된 이중 수지상정 형성 과정을 성공적으로 재현했습니다.

  • 샷 슬리브 성장 모사: 샷 슬리브 조건(계면 두께 700 nm, 에너지 0.16 J/m², 이동도 0.003 m/sK)에서 2ms 동안 성장시킨 결과, 실험에서 관찰된 것과 유사한 초기 수지상정 형태를 얻었습니다(Figure 5b,c).
  • 다이 캐비티 성장 재현: 다이 캐비티의 급속 냉각 및 난류 효과를 모사하기 위해 S/L 계면 두께를 700 nm에서 500 nm로 줄였을 때, 기존 수지상정 표면에서 더 미세하고 날카로운 3차 수지상정 가지가 형성되는 현상을 포착했습니다(Figure 6, state 01 vs state 03). 이는 계면 두께 감소가 난류로 인한 열/용질 전달 향상 효과를 효과적으로 반영하며, 이중 미세조직 형성의 핵심 메커니즘을 설명할 수 있음을 보여줍니다.
Figure 2. Microstructure evolution at seven sampling locations (S1-S7) along the plate, (a) advent of segregation band at last one-third of the plate shown by red arrows, (b) comparison of α-Al particles.
Figure 2. Microstructure evolution at seven sampling locations (S1-S7) along the plate, (a) advent of segregation band at last one-third of the plate shown by red arrows, (b) comparison of α-Al particles.

Practical Implications for R&D and Operations

  • For Process Engineers: 이 연구는 난류 및 냉각 속도와 같은 공정 조건이 고체-액체 계면 거동에 미치는 영향을 간접적으로 모델링할 수 있음을 보여줍니다. 이는 최종 미세조직 제어를 통해 기계적 물성을 최적화하는 데 중요한 단서를 제공합니다.
  • For Quality Control Teams: 논문의 Figure 3과 Figure 4에서 볼 수 있듯이, 주조품 위치에 따라 α-Al 입자 크기 분포가 크게 달라집니다. 이를 바탕으로 위치별 미세조직 분석을 통해 기계적 물성의 편차를 예측하고 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 활용할 수 있습니다.
  • For Design Engineers: 게이트 통과 시 발생하는 강한 전단력과 난류가 기존에 형성된 수지상정을 파편화시키고 새로운 핵생성 사이트로 작용한다는 점은, 게이트 시스템 설계가 최종 미세조직에 미치는 영향을 고려해야 함을 시사합니다. 이는 초기 설계 단계에서 결함을 최소화하는 데 중요한 고려사항입니다.

Paper Details

Phase-Field Modelling of Bimodal Dendritic Solidification During Al Alloy Die Casting

1. Overview:

  • Title: Phase-Field Modelling of Bimodal Dendritic Solidification During Al Alloy Die Casting
  • Author: Maryam Torfeh, Zhichao Niu and Hamid Assadi
  • Year of publication: 2025
  • Journal/academic society of publication: Metals
  • Keywords: phase-field modelling; HPDC; interface behaviour

2. Abstract:

Al-Si 합금의 고압 다이캐스팅(HPDC) 중 미세조직 진화를 추적하는 것은 급속한 응고, 변화하는 열 조건, 그리고 심한 난류 때문에 어려운 과제입니다. 이 공정은 샷 슬리브에서의 느린 냉각에서 다이 캐비티에서의 급속 냉각으로 전환되며, 이는 이중 수지상정 미세조직과 기존에 외부에서 응고된 결정 위에 새로운 미세한 수지상정 가지가 핵 생성되는 결과를 낳습니다. 본 연구에서는 2차원 상평형장 모델을 사용하여 아공정 Al-7% Si 합금의 HPDC 중 응고 거동을 조사했습니다. 이 모델은 상변태열, 열 경계 조건, 그리고 액상 및 고상에서의 용질 확산으로 인한 온도 변화를 설명하는 열역학적 공식에 기반합니다. 관찰된 이중 미세조직을 재현하기 위해, 고체-액체 계면의 특성(두께, 에너지, 이동도 등)을 체계적으로 변경하여 샷 슬리브에서 다이 캐비티로의 전환을 반영했습니다. 결과는 모델이 샷 슬리브 조건 하에서의 수지상정 성장과 다이 캐비티의 급속 냉각 조건 하에서의 새로운 수지상정 가지의 핵 생성 및 발달을 포착할 수 있는 능력을 보여주었습니다.

3. Introduction:

고압 다이캐스팅(HPDC)은 거의 최종 형상에 가까운 경량 알루미늄 합금을 제조하는 경제적인 방법입니다. HPDC 공정 중 여러 요인들이 제품의 최종 품질에 근본적인 영향을 미칠 수 있습니다. 가압 압력, 플런저 속도, 다이 온도와 같은 공정 요인들은 많은 연구자들에 의해 연구되었습니다. HPDC에서 샷 슬리브의 냉각 속도는 약 100 K/s인 반면, 다이에서는 약 1000 K/s입니다. 최종 부품의 미세조직은 단지 냉각 속도에만 의존하지 않습니다. 주입 단계에서의 심한 전단 및 난류는 미세조직에 현저한 영향을 미칩니다. 샷 슬리브에서의 응고 조건은 단순 중력 주조와 매우 유사합니다. Al-7% Si 용탕의 온도는 약 620°C로 보고되었으며, 이는 합금의 액상선 온도와 매우 가깝습니다. HPDC에서는 금속 유동 속도가 고체-액체 계면 속도를 초과합니다. 1차 수지상정은 샷 슬리브에서 형성을 시작하며, 급속한 응고와 높은 금속 속도 때문에 얇은 채널 내에서 주상 수지상정이 발달할 수 없어 비수지상정 구조를 형성합니다. 이러한 미세조직적 특징은 주조품의 최종 특성에 상당한 영향을 미칩니다. 알루미늄 합금의 HPDC에서 가장 빈번하게 보고되는 미세조직 문제 중 하나는 최종 제품에 외부 응고 결정(ESCs)이 존재하는 것입니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

HPDC 공정은 샷 슬리브와 다이 캐비티 간의 극심한 냉각 속도 차이와 난류로 인해 복잡한 응고 현상을 보입니다. 이로 인해 형성되는 이중 미세조직은 제품의 기계적 물성을 저하시키는 주요 원인이 됩니다.

Status of previous research:

이전 연구들은 주로 유한요소법(FEM)을 사용하여 유체 역학 및 열 전달 모델링에 집중했으며, 일부는 셀룰러 오토마타(CA)와 결합하여 최종 주조품의 결정립 크기를 예측하려 시도했습니다. 그러나 수지상정 구조의 진화와 이중 가지 형성 과정을 미시적으로 분석하기 위해 상평형장 모델을 HPDC에 적용한 사례는 드물었습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 상평형장 모델을 사용하여 HPDC 공정 중 수지상정 구조의 진화를 분석하고, 급속 응고가 어떻게 이중 수지상정 가지의 형성으로 이어지는지에 대한 통찰력을 제공하는 것입니다.

Core study:

연구의 핵심은 2단계 시뮬레이션 접근법입니다. 첫째, 샷 슬리브의 느린 냉각 조건을 모사하여 초기 수지상정을 성장시킵니다. 둘째, 이 결과를 초기 조건으로 사용하여 다이 캐비티의 급속 냉각 조건을 적용합니다. 이 과정에서 고체-액체 계면의 물리적 특성(두께, 에너지, 이동도)을 체계적으로 변경하여, 난류와 급랭이 미세조직에 미치는 영향을 간접적으로 모델링하고 실험 결과와 비교 검증했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

실험적 미세조직 분석과 수치적 상평형장 모델링을 결합한 연구 설계를 채택했습니다. 실제 HPDC 공정으로 제작된 시편의 미세조직을 관찰하여 모델 검증을 위한 기준 데이터를 확보하고, 이를 바탕으로 2단계 상평형장 시뮬레이션을 수행하여 이중 미세조직 형성 메커니즘을 규명했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

  • 미세조직 분석: HPDC로 제작된 Al-Si 합금 평판의 여러 위치(S1-S7)에서 시편을 채취하여 연마 및 아노다이징 처리 후, 광학 현미경(Zeiss Axio-Vision)을 사용하여 α-Al 입자의 크기, 분포, 형태를 관찰하고 정량적으로 분석했습니다.
  • 상평형장 모델링: 2차원 상평형장 모델을 사용하여 500×500 셀 그리드에서 시뮬레이션을 수행했습니다. 샷 슬리브(냉각속도 100 K/s)와 다이 캐비티(냉각속도 1000 K/s)의 열 조건을 각각 적용하고, 고체-액체 계면의 두께, 에너지, 이동도를 변화시키며 수지상정 성장을 계산했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 아공정 Al-7% Si 합금의 HPDC 공정에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 샷 슬리브에서 다이 캐비티로의 전환 과정에서 발생하는 이중 수지상정 응고 현상입니다. 연구 범위는 상평형장 모델을 이용한 미세조직 진화의 수치적 재현과, 고체-액체 계면 특성 변화가 수지상정 형태에 미치는 영향 분석에 한정됩니다.

6. Key Results:

Key Results:

  • 주조품의 인게이트에서 끝단으로 갈수록 평균 α-Al 입자 크기가 21 µm에서 3 µm로 현저히 감소했습니다.
  • 인게이트 부근에서 조대한 ESCs와 미세한 α-Al 입자가 공존하는 이중 미세조직이 관찰되었으며, 파편화된 수지상정 위에서 새로운 가지가 핵 생성되는 현상이 확인되었습니다.
  • 상평형장 모델은 샷 슬리브 조건에서의 초기 수지상정 성장을 성공적으로 모사했습니다.
  • 다이 캐비티 조건을 모사하기 위해 고체-액체 계면 두께를 700 nm에서 500 nm로 줄였을 때, 실험에서 관찰된 것과 유사한 미세한 3차 수지상정 가지의 형성을 재현할 수 있었습니다. 이는 난류 효과를 모델에 효과적으로 반영한 결과입니다.
Figure 3. Size distribution of α-Al particles along the plate.
Figure 3. Size distribution of α-Al particles along the plate.

Figure List:

  • Figure 1. Sampling region on the plate manufactured by HPDC.
  • Figure 2. Microstructure evolution at seven sampling locations (S1-S7) along the plate, (a) advent of segregation band at last one-third of the plate shown by red arrows, (b) comparison of a-Al particles.
  • Figure 3. Size distribution of a-Al particles along the plate.
  • Figure 4. Comparison of a-Al particles along the plate, (a) and (b) near the in-gate, (c) at the end of the plate (the arrows show the new arms nucleated on fragmented dendrites).
  • Figure 5. (a) Externally solidified crystals at the in-gate, (b,c) phase-field and Si concentration of dendrites at shot sleeve after 2 ms, (d,e) after 15 ms.
  • Figure 6. Comparison of secondary nucleation on a dendrite grew in the shot sleeve for 2 ms and transferred to die cavity (states 1-3 show interface thicknesses of 700–500 nm).

7. Conclusion:

난류에 의한 파편화는 Al-Si 합금의 HPDC 공정 중 수지상정 형태를 변형시키는 중요한 요인입니다. 샷 슬리브에서 다이 캐비티로의 고속 용탕 이송은 2차 수지상정 가지의 파편화를 촉진하며, 이 파편들은 이후 새로운 가지 성장의 핵으로 작용합니다. 이러한 현상은 용질 및 열 구배가 높은 영역에서 특히 두드러지며, 난류는 국부적 과냉각과 용질 재분배를 강화합니다.

상평형장 모델링 접근법은 고체-액체 계면 특성을 체계적으로 변경함으로써 새로운 수지상정 가지의 시작과 성장을 성공적으로 포착했습니다. 선택된 파라미터 세트(특히 계면 두께 감소)는 난류와 급속 냉각에 의해 유도된 형태학적 변화를 효과적으로 나타냈습니다. 이는 HPDC 조건 하에서 수지상정 진화에 있어 동역학적 및 열역학적 요인 간의 상호작용을 강조합니다.

이러한 발견은 수지상정 응고에서 난류의 역할에 대한 중요한 통찰력을 제공하며, 복잡한 미세조직 현상을 재현하는 데 있어 상평형장 모델링의 유용성을 보여줍니다. 또한 결과는 공정별 조건에 맞춰 계면 특성을 조정하는 것의 중요성을 강조하며, Al-Si 합금의 HPDC 공정 최적화 및 미세조직 제어를 위한 경로를 제공합니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 왜 상평형장 모델에서 고체-액체(S/L) 계면 특성(두께, 에너지, 이동도)을 주요 변수로 선택했습니까?

A1: 이들 계면 특성은 수지상정의 형태(morphology), 성장 속도, 가지 안정성을 직접적으로 결정하는 핵심 물리량이기 때문입니다. HPDC 공정은 샷 슬리브에서 다이 캐비티로 넘어가면서 열 및 유동 조건이 극적으로 변합니다. 모델이 유체 역학적 난류를 직접 계산하지 않는 대신, 난류가 야기하는 물리적 효과(예: 더 가파른 열 및 용질 구배)를 이러한 계면 파라미터를 조정함으로써 간접적으로, 그러나 효과적으로 모사할 수 있었습니다.

Q2: 시뮬레이션에서 계면 두께를 700nm에서 500nm로 줄인 것이 물리적으로 어떤 의미를 가집니까?

A2: 계면 두께 감소는 액상에서 고상으로의 상변태가 더 ‘날카로운’ 또는 급격한 구배를 통해 일어남을 의미합니다. 물리적으로 이는 다이 캐비티 내의 격렬한 난류가 열 추출을 가속화하여 계면에서의 온도 및 용질 구배를 더 가파르게 만드는 현상을 반영합니다. 이처럼 더 얇아진 계면은 모델이 실험에서 관찰된 것과 같이 더 미세하고 날카로운 수지상정 구조의 형성을 재현할 수 있게 하는 핵심적인 조정이었습니다.

Q3: 이 연구는 실제 HPDC 공정의 3차원적이고 복잡한 유동을 2차원 모델로 단순화했는데, 그 한계와 타당성은 무엇입니까?

A3: 본 연구의 주된 목적은 거시적인 유동 패턴이 아닌, 기존 결정 위에서 새로운 수지상정 가지가 핵 생성되고 성장하는 미시적 ‘응고 물리’ 현상을 포착하는 것이었습니다. 이러한 메커니즘을 규명하는 데는 2차원 모델로도 충분한 타당성을 가집니다. 물론 3차원 효과를 완전히 반영하지 못하는 한계는 있지만, 열 조건 변화에 따른 수지상정 형태 변화라는 핵심 현상을 성공적으로 재현함으로써 연구 목적을 달성했습니다.

Q4: 논문에서 언급된 ‘분리대(segregation band)’의 형성을 이 시뮬레이션이 재현할 수 있습니까?

A4: 본 연구에서 사용된 상평형장 모델은 수지상정 성장과 같은 미세조직 스케일의 응고 현상에 초점을 맞추고 있습니다. 논의(Discussion) 섹션에서 언급된 분리대는 유동이 난류에서 층류로 바뀌거나 ESCs의 분율이 낮아지는 등 주조품 전체에 걸친 거시적인 현상과 관련이 있습니다. 따라서 이 모델의 범위에서는 분리대 형성을 직접 재현하지는 않았습니다.

Q5: 샷 슬리브와 다이 캐비티의 냉각 속도를 각각 100 K/s와 1000 K/s로 설정한 근거는 무엇입니까?

A5: 이 값들은 실제 HPDC 공정에서 일반적으로 보고되는 대표적인 냉각 속도입니다. 논문의 서론 부분에서 “The cooling rate in HPDC in the shot sleeve is about 100 K/s, while in the die is about 1000 K/s [4,5]”라고 명시하고 있습니다. 이는 시뮬레이션이 산업적으로 유의미한 실제 공정 조건을 기반으로 수행되었음을 보여줍니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

이 연구는 상평형장 모델링이 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 발생하는 복잡한 이중 미세조직 형성 메커니즘을 얼마나 정밀하게 예측할 수 있는지를 명확히 보여주었습니다. 샷 슬리브에서 다이 캐비티로의 급격한 환경 변화, 특히 난류의 영향을 고체-액체 계면 특성 조정을 통해 성공적으로 모델링함으로써, 최종 제품의 품질을 좌우하는 미세조직 제어에 대한 중요한 통찰력을 제공합니다.

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  • This content is a summary and analysis based on the paper “Phase-Field Modelling of Bimodal Dendritic Solidification During Al Alloy Die Casting” by “Maryam Torfeh, Zhichao Niu and Hamid Assadi”.
  • Source: https://doi.org/10.3390/met15010066

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