Casting

진공 스퍼터링용 Si-Al 합금의 미세 구조 및 주조 품질에 미치는 주조 매개변수의 영향

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 Si-30wt.% Al 합금의 주조 품질을 분석함.
  • 실험 결과와 시뮬레이션을 비교하여 주조 결함(수축 기공 및 조성 편석) 발생 원인을 규명함.
  • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 등의 주조 매개변수가 주조물의 미세 구조 및 품질에 미치는 영향을 연구함.
  • Si-Al 합금의 비전도성 진공 금속화(Non-Conductive Vacuum Metallization, NCVM) 특성을 평가하여 최적 조성을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 및 시뮬레이션 설정
    • Si-Al 합금(20, 25, 30, 35wt.% Al)을 진공 유도로에서 용해한 후 얇은 금형에 주조함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 수행하여 주조 유동 및 응고 과정에서의 결함 발생 패턴을 분석함.
    • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 변화가 미세 구조 및 수축 기공 형성에 미치는 영향을 평가함.
  2. 미세 구조 및 필름 특성 분석
    • 주조 후, 광학 현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 Si-Al 합금의 미세 조직을 관찰함.
    • 반사율 측정(n&k 분석기 1280)을 통해 Si-Al 박막의 반사율 특성을 평가함.
    • Si-30wt.%Al 박막을 유리 기판에 스퍼터링하여 전도성 및 비전도성 특성을 비교 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 결과와 FLOW-3D® 시뮬레이션 비교를 통해 주조 결함 및 응고 거동을 분석함.
    • 응고 속도를 조절하여 수축 기공 및 조성 편석을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

주요 결과

  1. Si-Al 박막의 반사율 및 전도성 변화
    • Al 함량이 증가할수록 박막의 반사율이 증가하나, 전기 전도성이 향상됨.
    • 비전도성 특성을 유지하면서 반사율을 극대화하려면 Al 함량을 30wt.%로 유지하는 것이 최적.
  2. 주조 결함 분석
    • Si-Al 합금은 응고 시 심각한 조성 편석과 다량의 수축 기공(shrinkage pores)을 형성.
    • 두꺼운 금형을 사용할 경우 수축 기공이 증가하지만, 얇은 금형을 사용하면 기공 형성이 감소함.
    • 주조 온도를 1270°C, 금형 온도를 50°C로 설정하면 Al 편석이 억제되고 수축 기공이 4% 이하로 감소.
    • 반대로 주조 온도 1300°C 이상, 금형 온도 200°C 이상에서는 심각한 수축 기공과 Al 편석이 발생.
  3. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • 시뮬레이션 결과, 얇은 금형을 사용할 경우 주조물 표면에 “hot spot”이 형성되며 국부적인 과열로 인해 표면 결함 발생.
    • 용탕이 라이저(riser)에서 금형 내부로 흐를 때, 고온 영역에서 표면 기포(casting pits)가 집중적으로 형성됨.
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율이 5~8% 수준으로 확인됨.
  4. 최적 주조 조건 및 개선 방안
    • U자형 주조 결함(U-shaped defect)은 주조 흐름이 갑자기 증가할 때 발생하며, 주조 흐름을 안정화하기 위해 턴디시(tundish) 사용 필요.
    • 용탕이 금형 내부로 직접 유입되도록 개선하면 “hot spot” 발생 억제 가능.
    • 최적화된 주조 조건: 주조 온도 1270°C, 금형 온도 50°C, 얇은 금형 사용.

결론

  • Si-30wt.% Al 합금은 NCVM 박막의 최적 조성을 제공하며, 반사율과 비전도성을 동시에 만족시킴.
  • 주조 결함(수축 기공, 조성 편석)은 금형 두께 및 주조 조건을 최적화하여 크게 줄일 수 있음.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용한 주조 결함 예측이 높은 신뢰도를 보이며, 실험 데이터와 유사한 결과를 제공함.
  • 향후 연구에서는 주조 공정 최적화를 위한 추가적인 냉각 제어 및 형상 설계가 필요.

Reference

  1. J.C. Pan: Industial Materials Magazine, 253(2008) p. 189.
  2. J.C. Pan: Industial Materials Magazine, 255(2008) p. 193.
  3. S. P. Nikanorov: Material Science and Engineering A, 390(2005) p. 63.
  4. G. J. Davies: Solidification and Casting, Applied Science Publisher, London, 1984.
  5. M. C. Flemings: Solidification Processing, McgrawHill, New York, 1978.
  6. W. G. Winegard: An Introduction to The Solidification of Metals, London, 1964.
  7. B. Chalmers: Principles of Solidification, Robert E. Krieger Publishing Company, London, 1964.
  8. D. A. Porter: Phase Transformations in Metals and Alloys, Stanley Thornes, UK, 1981.
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