Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy
본 보고서는 자동차 산업의 경량화 요구에 부응하기 위해 개발된 내열 및 난연성 Mg-Al-Th-RE 합금의 고압 다이캐스팅 공정 특성을 분석합니다. 특히 사출 속도 변화가 내부 기공 형성 및 응고 미세조직에 미치는 영향을 규명하고, 이것이 최종 제품의 인장 강도와 경도에 어떠한 기술적 기여를 하는지 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 제시합니다.
Paper Metadata
Industry: 자동차 부품 제조 (Automotive Parts Manufacturing)
Material: Mg-Al-Th-RE 합금 (내열 및 난연성 마그네슘 합금)
Process: 고압 다이캐스팅 (High-Pressure Die Casting, HPDC)
Keywords
고압 다이캐스팅
마그네슘 합금
수치 시뮬레이션
X선 컴퓨터 단층촬영 (X-ray CT)
인장 시험
비커스 경도 시험
미세조직 분석
Executive Summary
Research Architecture
본 연구는 Mg-Al-Th-RE 합금의 주조 특성을 규명하기 위해 350톤 콜드 챔버 다이캐스팅 머신(Ds-350EX)을 사용하여 계단형 시험편을 제작하였습니다. 실험 설계는 2.0 m/s와 5.0 m/s의 두 가지 2차 사출 속도를 변수로 설정하였으며, 금형 재료로는 SKD61 강재를 사용하였습니다. 수치 해석을 위해 JSCAST 소프트웨어를 활용하여 유동 및 응고 시뮬레이션을 수행하였고, JMatPro를 통해 합금의 열물리적 성질을 산출하여 모델에 적용하였습니다. 제작된 시편은 X선 CT(Nikon XT H225)를 통해 내부 기공을 정량적으로 분석하였으며, 워터젯 가공을 거친 시편으로 인장 시험 및 비커스 경도 측정을 실시하여 기계적 성능을 평가하였습니다.
Figure 1. Schematic diagram of steps-type test piece
Key Findings
분석 결과, 사출 속도가 2.0 m/s에서 5.0 m/s로 증가함에 따라 기공의 총 부피가 증가하는 경향을 보였습니다. 그러나 높은 사출 속도(5.0 m/s) 조건에서는 용탕이 캐비티에 신속하게 충전되어 응고 시간이 단축됨으로써 미세조직이 더욱 치밀해지는 현상이 관찰되었습니다. 구체적으로 5.0 m/s 조건에서 제작된 시편은 2.0 m/s 조건에 비해 더 높은 인장 강도와 비커스 경도를 나타냈으며, 이는 미세한 α-Mg 상의 형성과 공정 상의 빠른 결정화에 기인한 것으로 분석되었습니다. 반면, 시뮬레이션 결과는 실제 CT 측정값보다 기공 부피를 50% 이상 낮게 예측하였는데, 이는 현재의 시뮬레이션 모델이 공기 혼입 외에 수축 기공을 충분히 반영하지 못하기 때문으로 확인되었습니다.
Industrial Applications
본 연구 결과는 복잡한 형상을 가진 자동차 엔진 부품이나 변속기 케이스 등의 마그네슘 다이캐스팅 공정 설계 시 핵심적인 가이드라인을 제공합니다. 높은 사출 속도가 기공을 유발할 수 있음에도 불구하고, 미세조직 제어를 통해 기계적 강도를 확보할 수 있다는 점은 공정 최적화의 중요한 근거가 됩니다. 또한, 내열성이 요구되는 Mg-RE 합금의 상용화 공정에서 품질 변동성을 줄이고 부품의 신뢰성을 높이는 데 직접적으로 활용될 수 있습니다.
Theoretical Background
마그네슘 합금의 다이캐스팅 특성
마그네슘 합금은 철이나 알루미늄에 비해 비강도와 비강성이 높아 자동차 경량화의 핵심 소재로 주목받고 있습니다. 그러나 낮은 비열과 빠른 응고 속도, 그리고 불량한 유동성으로 인해 고압 다이캐스팅 공정에서 결함 제어가 매우 까다롭습니다. 특히 대기 중 발화 위험이 있어 Ca나 Sr과 같은 원소를 첨가하여 난연성을 확보하며, Th 및 RE(희토류) 원소를 추가하여 고온 환경에서의 내열성을 강화합니다. 이러한 합금 설계는 복잡한 형상의 부품 주조 시 용탕의 유동 행태와 응고 수축 특성에 큰 영향을 미치므로 정밀한 공정 변수 제어가 필수적입니다.
기공 형성 메커니즘 및 사출 속도의 영향
고압 다이캐스팅 공정에서 발생하는 기공은 크게 공기 혼입(Air entrainment)과 응고 수축(Solidification shrinkage)으로 구분됩니다. 사출 속도가 증가하면 게이트를 통과하는 용탕의 속도가 빨라져 분무 유동(Spray flow)이 발생하고, 이로 인해 캐비티 내의 가스가 용탕 내부에 갇히는 현상이 심화됩니다. 반면, 사출 속도는 충전 시간을 결정하여 응고 과정에서의 온도 구배와 냉각 속도에 영향을 줍니다. 빠른 충전은 용탕의 온도 저하를 방지하고 급속 냉각을 유도하여 미세조직을 미세화함으로써 기공에 의한 강도 저하를 일정 부분 상쇄하는 효과를 가집니다.
Results and Analysis
Experimental Setup
실험은 350톤급 콜드 챔버 다이캐스팅 머신을 사용하여 수행되었습니다. 용탕 온도는 953 K, 금형 온도는 423 K로 설정되었으며, 사출 압력은 70 MPa로 일정하게 유지되었습니다. 시험편은 두께가 4, 8, 12, 16 mm로 변화하는 계단형 구조로 설계되어 두께에 따른 응고 특성을 관찰할 수 있도록 하였습니다. 게이트 두께는 6.0 mm로 설정되었으며, 각 조건당 10개의 시편을 제작하여 데이터의 통계적 신뢰성을 확보하였습니다. 내부 결함 분석을 위해 225 kV 전압 조건에서 X선 CT 촬영을 실시하였고, 0.3 mm 이상의 기공을 정밀하게 측정하였습니다.
Visual Data Summary
X선 CT 분석 결과, 2.0 m/s의 사출 속도에서는 주로 금형 벽면 근처에서 아치형의 수축 기공이 관찰되었습니다. 이는 낮은 사출 속도에서 압력 전달이 불충분하여 발생한 결과로 해석됩니다. 반면 5.0 m/s 조건에서는 캐비티 전반에 걸쳐 구형의 공기 혼입 기공이 다수 발견되었습니다. 미세조직 관찰 결과, 5.0 m/s 조건의 시편은 2.0 m/s 조건에 비해 α-Mg 상의 크기가 현저히 작고 치밀한 조직을 보였습니다. 이는 빠른 사출 속도가 용탕을 신속하게 분산시켜 냉각 속도를 높였음을 시각적으로 증명합니다.
Figure 7. Porosity distribution in 16 mm thickness
Variable Correlation Analysis
사출 속도와 기계적 특성 간의 상관관계 분석 결과, 사출 속도가 증가함에 따라 인장 강도와 비커스 경도가 모두 상승하는 양의 상관관계를 나타냈습니다. 2.0 m/s 조건에서는 조대한 α-Mg 상이 형성되어 강도가 낮고 데이터의 편차가 크게 나타난 반면, 5.0 m/s 조건에서는 미세한 조직 덕분에 강도가 향상되고 품질 안정성이 개선되었습니다. 기공 부피의 증가에도 불구하고 기계적 성능이 향상된 것은, 기공에 의한 악영향보다 미세조직 강화에 의한 이득이 더 크다는 것을 시사합니다. 또한 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 수축 기공이 전체 결함에서 차지하는 비중이 상당함을 확인하였습니다.
Paper Details
Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy
1. Overview
Title: Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy
Author: Yuki Kashiwabara, Mohd Danial Ibrahim, Lidyana Binti Roslan, Hitoshi Watanabe, Yuta Sunami
Year: 2021
Journal: MM Science Journal
2. Abstract
본 연구에서는 Mg-Al-Th-RE 합금의 미지의 물리적 특성을 규명하기 위해, 사출 조건과 내부 기공, 그리고 응고 미세조직에 의해 발휘되는 기계적 특성 간의 관계를 조사하였다. 얻어진 주조 시편은 X선 CT 내부 측정, 인장 시험, 비커스 경도 시험 및 응고 미세조직 관찰을 통해 분석되었다. 유동 시뮬레이션과 X선 CT 분석 결과, 사출 속도가 증가함에 따라 기공 부피가 증가하는 것으로 나타났다. 높은 사출 속도는 또한 금속 미세조직을 더 치밀하게 만들어 재료의 강도와 경도를 높이는 결과를 가져왔다. 충전 및 냉각 시간이 짧아짐에 따라 공정 상(eutectic phases)이 빠르게 형성되었으며, 이에 따라 일차 상인 α-Mg의 성장이 억제되었다. 반면, 조대한 일차 상에 의해 재료의 강도와 경도가 크게 감소하는 것으로 간주되었다.
3. Methodology
3.1. 수치 시뮬레이션: JMatPro 소프트웨어를 사용하여 Mg-Al-Th-RE 합금의 열역학적 특성을 계산하고, JSCAST를 이용해 VOF법 기반의 3차원 유동 및 응고 해석을 수행함. 3.2. 고압 다이캐스팅 실험: 350톤 콜드 챔버 장비를 사용하여 2.0 m/s 및 5.0 m/s의 사출 속도 조건에서 계단형 시험편을 주조함. 3.3. 내부 결함 및 미세조직 분석: Nikon XT H225 장비로 기공을 측정하고, 5% 질산 에칭액을 사용하여 부식시킨 후 광학 현미경으로 α-Mg 상과 공정 조직을 관찰함. 3.4. 기계적 특성 평가: 워터젯으로 가공된 4mm 두께 시편에 대해 1 mm/min 속도로 인장 시험을 수행하고, 5 kgf 하중으로 비커스 경도를 측정함.
4. Key Results
사출 속도가 2.0 m/s에서 5.0 m/s로 증가할 때 기공 부피는 증가하였으나, 인장 강도는 약 150 MPa에서 200 MPa 수준으로 향상되었습니다. 비커스 경도 역시 사출 속도 증가에 따라 상승하였으며, 특히 시험편의 평면부와 계단부 사이의 경도 편차가 줄어드는 경향을 보였습니다. 5.0 m/s 조건에서는 미세한 α-Mg 조직이 형성되어 강도 향상에 기여한 반면, 2.0 m/s 조건에서는 냉각 속도가 느려 조대한 수지상 조직이 발달하여 기계적 성질이 저하되었습니다. 시뮬레이션은 공기 혼입 기공의 경향성은 잘 예측하였으나, 실제 CT 결과와 비교했을 때 수축 기공의 누락으로 인해 전체 기공 부피를 과소평가하는 한계를 보였습니다.
Figure List
Fig 1. 계단형 시험편의 개략도
Fig 2. 주조 측면을 보여주는 게이트 러너 모델
Fig 3. 다이캐스팅 장비의 개략도
Fig 4. 중첩 토모그래피 분석 방식
Fig 5. X선 CT 분석 방법 (자동 분석 및 히스토그램 분석)
Fig 6. 인장 시험편 규격 및 경도 측정 지점
Fig 7. 16mm 두께에서의 기공 분포 (수축 기공 및 구형 기공)
Fig 8. 2차 사출 속도와 기공 부피의 상관관계
Fig 9. 2차 사출 속도와 기공 수의 상관관계
Fig 10. 공기 혼입 및 수축 기공이 결합된 복합 기공 형상
Fig 11. 주조 조건과 4mm 두께 시편의 인장 응력 관계
Fig 12. 주조 조건과 4mm 두께 시편의 비커스 경도 관계
Fig 13. 2.0 m/s 사출 속도에서의 표면 미세조직 (계단부 및 평면부)
Fig 14. 5.0 m/s 사출 속도에서의 표면 미세조직 (계단부 및 평면부)
References
Beals, R., et al. (2004). Fundamental Research Needs for Magnesium Powertrain Cast Components.
Cao, H., et al. (2019). Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction.
Cleary, P. W., et al. (2014). Flow analysis and validation of numerical modelling.
Ibrahim, M. D., et al. (2020). Numerical and Experimental Analysis on Runner and Gate Positioning.
Sun, Z., et al. (2020). Microstructure, Tensile Properties and Fracture Behavior of HPDC Magnesium Alloy AZ91.
Technical Q&A
Q: 사출 속도가 증가함에도 불구하고 인장 강도가 향상되는 이유는 무엇입니까?
사출 속도가 높아지면 캐비티 내부로 용탕이 유입되는 시간이 단축되어 응고가 시작되기 전 용탕의 온도 저하를 최소화할 수 있습니다. 이는 용탕이 캐비티 전체에 빠르게 퍼지게 하며, 결과적으로 냉각 속도를 높여 α-Mg 상의 성장을 억제하고 미세한 조직을 형성하게 합니다. 기공 부피가 다소 증가하더라도 이러한 미세조직 강화 효과가 재료의 전체적인 기계적 강도 향상을 주도하기 때문입니다.
Q: 시뮬레이션 결과와 실제 X선 CT 측정값 사이에 50% 이상의 오차가 발생하는 원인은 무엇입니까?
본 연구에서 사용된 시뮬레이션 모델은 주로 용탕 유동에 의한 공기 혼입(Air entrainment)을 계산하는 데 집중되어 있습니다. 그러나 실제 주조 과정에서는 용탕의 상변화에 따른 체적 감소로 발생하는 수축 기공(Solidification shrinkage)이 상당 부분 존재합니다. 시뮬레이션이 이러한 복합적인 기공 형성 메커니즘을 모두 반영하지 못했기 때문에 실제 측정된 기공 부피보다 낮게 산출된 것입니다.
Q: 2.0 m/s의 낮은 사출 속도에서 관찰된 기공의 특징은 무엇입니까?
낮은 사출 속도에서는 용탕의 충전 속도가 느려 금형 벽면에서 응고가 더 빠르게 진행됩니다. 이로 인해 용탕 내부로의 압력 전달이 효과적으로 이루어지지 않아 아치형(arch-like) 모양의 수축 기공이 주로 발생합니다. 이러한 기공은 주로 벽면 근처에 분포하며, 재료의 연속성을 해쳐 기계적 강도와 경도를 크게 저하시키는 원인이 됩니다.
Q: Mg-Al-Th-RE 합금에서 Th와 RE 원소의 역할은 무엇입니까?
Th(토륨)와 La(란타넘)과 같은 희토류(RE) 원소는 마그네슘 합금의 고온 내열성을 향상시키는 역할을 합니다. 또한 Ca(칼슘)과 Sr(스트론튬)은 합금의 발화 온도를 높여 난연성을 부여합니다. 이러한 원소들의 조합은 마그네슘 합금이 자동차 엔진 부품과 같이 고온 환경에서 작동해야 하는 부품에 적용될 수 있도록 물리적 한계를 극복하게 해줍니다.
Q: 비커스 경도 측정에서 시험편의 위치(Step side vs Flat side)에 따라 차이가 발생하는 이유는 무엇입니까?
게이트를 통해 유입된 용탕의 흐름이 평면부(Flat side)보다 계단부(Step side)에서 더 복잡하고 빠르게 진행되기 때문입니다. 특히 낮은 사출 속도에서는 평면부의 응고가 지연되면서 조대한 수지상 조직이 형성될 가능성이 높습니다. 반면 높은 사출 속도에서는 강한 유동이 양쪽 면의 냉각 속도 차이를 줄여주기 때문에 경도 값의 편차가 감소하게 됩니다.
Conclusion
본 연구는 고압 다이캐스팅 공정에서 사출 속도가 Mg-Al-Th-RE 합금의 품질에 미치는 복합적인 영향을 규명하였습니다. 실험 결과, 사출 속도의 증가는 공기 혼입에 의한 기공 부피를 증가시키지만, 동시에 급속 냉각을 유도하여 미세조직을 치밀하게 만듦으로써 최종적인 기계적 성능을 향상시킨다는 결론을 얻었습니다. 특히 5.0 m/s의 사출 속도에서 가장 우수한 인장 강도와 경도 특성을 보였으며, 이는 조대한 α-Mg 상의 성장을 억제한 결과입니다.
또한, 현재의 주조 시뮬레이션 기술이 수축 기공을 예측하는 데 한계가 있음을 확인하였으며, 향후 더욱 정밀한 품질 예측을 위해서는 공기 혼입과 응고 수축을 동시에 고려한 통합 모델의 개발이 필요함을 시사합니다. 본 연구 데이터는 고성능 마그네슘 합금 부품의 제조 공정 최적화를 위한 중요한 기술적 자산이 될 것입니다.
Source Information
Citation: Yuki Kashiwabara, Mohd Danial Ibrahim, Lidyana Binti Roslan, Hitoshi Watanabe, Yuta Sunami (2021). Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy. MM Science Journal.
이 기술 요약은 Youwei Zhang 외 저자가 2025년 Metals에 발표한 논문 “Casting Process and Quality Control Analysis of Zr705C Zirconium Alloy”를 바탕으로 STI C&D 기술 전문가를 위해 분석 및 요약한 내용입니다.
키워드
Primary Keyword: 지르코늄 합금 주조
Secondary Keywords: Zr705C, 주조 공정 최적화, ProCAST 시뮬레이션, 수축 결함, 표면 오염층, 용접 품질 관리
Executive Summary
도전 과제: 대형 지르코늄 합금 주조품은 국내 생산 경험이 부족하여 심각한 품질 관리 문제에 직면해 있습니다.
해결 방법: ProCAST 시뮬레이션을 활용하여 대형 고압 Zr705C 밸브 바디의 로스트폼 정밀 주조 공정을 설계하고 최적화했습니다.
핵심 돌파구: 시뮬레이션을 통해 재설계된 주조 방안(YH-2 공정)은 두꺼운 부분에서 발생하는 수축 기공을 효과적으로 해결하여 안정적인 충전과 엄격한 품질 요구사항을 만족시켰습니다.
핵심 결론: 주조 시뮬레이션과 후처리 공정을 통합하는 것은 고품질 지르코늄 합금 부품의 국산화와 생산성 향상을 위해 필수적입니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
지르코늄 및 그 합금은 낮은 열중성자 흡수 단면적, 우수한 기계적 특성, 고온 고압 환경에서의 뛰어난 내식성 덕분에 원자력 및 화학 산업에서 널리 사용됩니다. 특히 Zr705C 합금은 높은 구조 강도가 요구되는 환경에 적합합니다. 하지만 중국 내 지르코늄 합금 주조에 대한 기초 연구 및 산업 발전은 비교적 늦게 시작되어, 특히 대형 주조품에 대한 생산 경험이 부족하고 품질 관리에 상당한 어려움을 겪고 있습니다. 이로 인해 화학 산업에서 사용되는 중요한 지르코늄 합금 주조품은 여전히 수입에 의존하고 있는 실정입니다. 따라서 대형 고압 지르코늄 합금 주조품의 국산화와 안정적인 품질 확보를 위한 공정 기술 개발이 시급한 과제입니다.
본 연구에서는 화학 산업용 대형 고압 Zr705C 지르코늄 합금 밸브 바디 주조품(전체 치수 580 × 605 × 750 mm, 최소 두께 22mm, 최대 두께 70mm)을 대상으로 로스트폼 정밀 주조 공정을 개발했습니다.
연구진은 공정 설계의 합리성을 직관적으로 분석하기 위해 ProCAST 2018.0 소프트웨어를 사용했습니다. 초기 주조 공정 설계 후 시뮬레이션을 통해 충전 및 응고 과정에서의 문제점을 파악했습니다. 초기 조건으로 1920°C의 주입 온도, 93 kg/s의 주입 속도, 4.9초의 충전 시간을 설정했습니다. 시뮬레이션 결과, 특히 두꺼운 플랜지 영역에서 발생하는 수축 결함을 해결하기 위해 두 가지 최적화된 주조 방안(YH-1, YH-2)을 추가로 설계하고 시뮬레이션을 통해 비교 분석했습니다. YH-2 방안은 맞대기 플랜지와 플러그 플랜지에 새로운 탕구를 추가하고 플러그 측 플랜지의 여유를 늘리는 방식으로 최적화되었습니다. 최종적으로 시뮬레이션을 통해 최적화된 YH-2 공정을 실제 제작에 적용하고, 주조품의 미세조직, 표면 오염층, 기계적 특성을 분석하여 공정의 유효성을 검증했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
결과 1: 시뮬레이션을 통한 초기 주조 공정의 한계점 발견
초기 주조 공정 시뮬레이션 결과, 용탕 충전 과정은 비교적 안정적이었으나(그림 6-9), 응고가 진행됨에 따라 플랜지와 밸브 바디의 두꺼운 부분에서 상당한 크기의 수축 기공이 발생하는 것으로 예측되었습니다(그림 10). 이러한 결함은 후속 열간 등방압 가압(HIP) 처리만으로는 완전히 제거하기 어려워, 주조품의 전체 품질을 보장할 수 없었습니다. 이는 초기 설계가 주조품의 수축을 보상하기에 불충분하며 공정 최적화가 필수적임을 시사했습니다.
결과 2: 최적화된 YH-2 공정을 통한 수축 결함의 획기적 개선
두 가지 최적화 방안(YH-1, YH-2)에 대한 시뮬레이션 결과, 두 방안 모두 안정적인 충전이 가능했습니다. 하지만 YH-1 공정은 여전히 비교적 큰 수축 결함이 예측된 반면, YH-2 공정은 결함의 크기와 수가 현저히 감소했으며 특히 플랜지 부위의 품질이 크게 향상되었습니다(그림 16). YH-2 공정은 밸브 바디의 두꺼운 영역에 대한 보상을 효과적으로 수행하여 구배 응고 조건을 만족시킴으로써 설계 요구사항을 충족시켰습니다. 이는 시뮬레이션을 통한 압탕 및 탕구 시스템의 최적화가 결함 제어에 매우 효과적임을 입증합니다.
결과 3: 표면 오염층의 특성 규명 및 품질 관리의 중요성 확인
실제 주조품 샘플 분석 결과, 주형과의 반응으로 인해 주조품 표면에 20–30 µm 두께의 균일한 오염층이 형성된 것을 확인했습니다(그림 18). EDS 라인 스캔 분석 결과, 이 층에는 주형에서 기인한 다량의 산소(O)가 존재했습니다(그림 28). 또한, 표면으로부터의 거리에 따른 경도 측정 결과, 약 30 µm 깊이까지 높은 경도 값을 보이다가 점차 안정화되었습니다(그림 29). 이 산소 농도가 높은 취성의 오염층은 후속 용접 공정에서 균열의 주요 원인이 되므로, 용접 전 반드시 기계적 가공을 통해 완전히 제거해야 함을 시사합니다.
Figure 18. Macrostructure organization: 100×.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어: 본 연구는 특정 부위에 탕구를 추가하고 가공 여유를 늘리는 YH-2 공정의 성공을 통해, 시뮬레이션이 두꺼운 단면의 수축을 보상하기 위한 압탕 및 탕구 시스템 설계에 어떻게 기여할 수 있는지 보여줍니다. 이는 복잡한 형상의 지르코늄 합금 주조 공정 개발 시 시행착오를 줄이는 데 기여할 수 있습니다.
품질 관리팀: 논문의 그림 28과 29 데이터는 용탕-주형 반응으로 인한 표면 오염층의 존재와 특성을 명확히 보여줍니다. 이는 용접 전 표면 가공 깊이(최소 30 µm 이상)에 대한 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 중요한 근거가 될 수 있습니다.
설계 엔지니어: 이 연구 결과는 부품의 두께 변화가 응고 중 결함 형성에 미치는 영향을 보여주며, 초기 설계 단계에서부터 구배 응고 조건을 고려하는 것이 중요함을 시사합니다. 이는 주조성을 고려한 설계를 통해 잠재적인 품질 문제를 사전에 예방하는 데 도움이 됩니다.
논문 상세 정보
Casting Process and Quality Control Analysis of Zr705C Zirconium Alloy
1. 개요:
제목: Casting Process and Quality Control Analysis of Zr705C Zirconium Alloy
저자: Youwei Zhang, Zhongde Shan, Yong Zang, Dehua Jin, Chunling Bao, Xiao Liang and Qian Yao
발행 연도: 2025
발행 학술지/학회: Metals
키워드: zirconium alloy; casting process; contamination layer; welding quality control
2. 초록:
중국에서 지르코늄 합금에 대한 기초 연구 및 산업 발전은 비교적 늦게 시작되었으며, 지르코늄 합금 주조품의 국내 생산 능력은 부족합니다. 특히 대형 지르코늄 합금 주조품의 경우 생산 경험이 거의 없고 품질 관리에 상당한 어려움이 있습니다. 따라서 지르코늄 합금 주조품의 생산 및 연구 개발은 학계와 산업계로부터 폭넓은 주목을 받아왔습니다. 이 논문은 국내 지르코늄 합금 주조품의 생산 현황을 분석하고, 밸브 바디 주조품의 주조 공정 특성을 검토하며, ProCAST 시뮬레이션 분석 결과를 바탕으로 주조 공정을 최적화합니다. 로스트폼 정밀 주조 공정을 사용하여 화학용 대형 고압 지르코늄 합금 주조품을 제작했습니다. 상 조성 및 미세조직을 시험하고 분석한 결과, 주조품 표면에 특정 두께의 확산 오염층이 존재함을 확인했습니다. 마지막으로, 지르코늄 합금 주조품의 표면 품질 관리 및 용접 품질 관리에 관한 핵심 사항을 제안하여 주조품의 품질을 효과적으로 개선했습니다.
3. 서론:
지르코늄 및 지르코늄 합금은 낮은 열중성자 흡수 단면적, 작은 밀도 및 열팽창 계수, 고온 고압의 혹독한 환경에서의 우수한 기계적 특성 및 내식성으로 인해 원자력 및 화학 산업에서 널리 사용됩니다. 두 산업 간의 주요 차이점은 Hf 함량에 있습니다. Hf 함량이 0.01% 미만인 지르코늄은 원자력 등급으로, 약 4.5%인 것은 산업 등급으로 분류됩니다. 산업 등급 지르코늄 합금은 주로 석유화학 및 제약 분야에서 내식성 구조 재료 및 부품으로 사용됩니다. ASTM B752 및 YS/T 853 표준에 따르면, 주요 산업용 지르코늄 재료 등급은 Zr702C(Zr-3) 및 Zr705C(Zr-5)입니다. Zr702C는 비합금 산업용 순수 지르코늄이며, Zr705C는 Zr702C에 2.0~3.0%의 Nb를 추가한 Zr-Nb 합금입니다. 따라서 Zr705C는 Zr702C보다 더 나은 내식성과 기계적 강도를 가집니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
중국 내 대형 지르코늄 합금 주조품 생산 경험 부족 및 품질 관리의 어려움으로 인해, 중요 부품은 수입에 의존하고 있습니다. 이에 따라 국산화 및 대규모 적용을 위한 기술 지원이 필요합니다.
이전 연구 현황:
지르코늄 합금 주조에 대한 국내외 보고서는 적으며, 주조 공정에 대한 연구도 제한적입니다. 실제 생산에서는 주로 티타늄 합금과 유사한 공정 방법이 선택됩니다.
연구 목적:
화학 산업용 일반 지르코늄 합금 밸브 바디 주조품을 예로 들어, 시뮬레이션 분석을 통해 주조 공정을 설계 및 최적화하고, 실제 생산 과정과 결합하여 주조 생산의 중요 공정에 대한 품질 관리 핵심 사항을 분석함으로써 지르코늄 합금 주조품의 국산화 및 대규모 적용을 위한 기술 지원을 제공하는 것을 목적으로 합니다.
핵심 연구 내용:
ProCAST 소프트웨어를 사용하여 Zr705C 밸브 바디의 주조 공정을 시뮬레이션하고, 수축 결함을 최소화하기 위해 주조 방안을 최적화했습니다. 최적화된 공정으로 실제 주조품을 제작한 후, 미세조직, 표면 오염층, 기계적 특성을 분석하고, 용접 품질 관리 방안을 제시했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
초기 주조 공정 설계, ProCAST를 이용한 시뮬레이션 분석, 결함 예측에 기반한 두 가지 공정 최적화(YH-1, YH-2), 최적 공정(YH-2)을 적용한 실제 주조품 제작, 그리고 제작된 주조품의 재료 특성 분석 순서로 진행되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
시뮬레이션: ProCAST 2018.0 소프트웨어를 사용하여 충전 속도장 및 응고 후 수축 기공률을 분석했습니다.
미세조직 분석: 금속 현미경(ZEISS Axio Vert.A1) 및 EBSD(NordlysMax2)를 사용하여 상 분포 및 결정 방향성을 분석했습니다.
기계적 특성 시험: ASTM B752 표준에 따라 인장 강도, 항복 강도, 연신율, 브리넬 경도를 측정했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 대형(580 × 605 × 750 mm) 고압 Zr705C 지르코늄 합금 밸브 바디 주조품의 로스트폼 정밀 주조 공정 최적화 및 품질 관리에 초점을 맞춥니다. 시뮬레이션을 통한 결함 예측, 미세조직 및 표면 오염층 분석, 용접 품질 관리 방안 제시를 포함합니다.
Figure 26. α-Zr pole figure and inverse pole figure (The crystallographic orientation of the different grains is distinguished by color).
6. 주요 결과:
주요 결과:
ProCAST 시뮬레이션을 통해 초기 주조 공정의 수축 결함 문제를 예측하고, 탕구 시스템을 개선한 YH-2 공정이 결함을 효과적으로 제어함을 확인했습니다.
주조품의 미세조직은 표면 미세립층, 전이 영역의 주상정, 내부 등축정의 세 영역으로 구성되며, 층상 α상과 입상 β상으로 이루어져 있음을 EBSD 분석으로 확인했습니다.
주조품 표면에 용탕과 주형의 반응으로 인해 산소가 풍부한 20–30 µm 두께의 확산 오염층이 형성되었으며, 이는 높은 경도와 취성을 나타냅니다.
최적화된 공정으로 제작된 주조품의 기계적 특성(인장강도 499-509 MPa, 항복강도 380-392 MPa)은 ASTM B752 표준을 만족했습니다.
표면 오염층은 용접 시 균열 발생의 주요 원인이므로, 용접 전 철저한 표면 처리 및 제거가 필수적임을 확인했습니다.
그림 목록:
Figure 1. A flowchart of the casting production process for zirconium alloy castings.
Figure 2. Three-dimensional schematic diagram of zirconium alloy valve body and wall thickness analysis.
Figure 3. Schematic diagram of zirconium alloy valve body casting system.
Figure 17. The position of the specimen sample relative to the casting.
Figure 18. Macrostructure organization: 100×.
Figure 19. Amplified surface contamination and diffusion layer: 500×.
Figure 20. Amplified surface contamination and diffusion layer: 1000×.
Figure 21. Matrix tissue structure: 200× and 500×.
Figure 22. EBSD image of Zr705C alloy base material (distribution of α and β phases).
Figure 23. Inverse pole figure of Zr705C alloy base material (IPF map).
Figure 24. Crystal Euler angle orientation map of Zr705C alloy base material.
Figure 25. Polar figure of α-Zr phase and β-Zr phase in Zr702C alloy base material: (a) α-Zr; (b) β-Zr.
Figure 26. α-Zr pole figure and inverse pole figure (The crystallographic orientation of the different grains is distinguished by color).
Figure 27. Microstructural characteristics of valve body casting surface: (a) magnified 100 times; (b) magnified 200 times.
Figure 28. EDS element detection results of valve body casting. Yellow line- it is the position selected by the EDS line scan.
Figure 29. Hardness gradient testing of valve body castings.
Figure 30. Casting system riser sampling site.
Figure 31. Location of casting cracks.
7. 결론:
공정 최적화: 수치 시뮬레이션을 통해 유도된 주조 시스템 및 압탕 구성의 재설계(YH-2 공정)는 두꺼운 벽 영역의 수축 기공을 효과적으로 해결했으며, 안정적인 금형 충전과 고압 Zr705C 밸브 바디에 대한 엄격한 품질 요구사항을 충족시켰습니다.
미세조직 통찰: Zr705C 주조품의 미세조직은 표면 미세립층, 전이 주상정 영역, 내부 등축정 구조의 세 가지 뚜렷한 영역을 나타냅니다. 야금학적 구성은 층상 α상과 입상 β상으로 이루어져 있으며, 상 간의 결정학적 배향 관계는 EBSD 분석을 통해 확인되었습니다.
표면 오염 제어: 주조 중 용탕-주형 상호작용으로 인해 형성된 확산 반응층(20–30 µm 두께)은 산소가 풍부하며, 오염으로 인한 결함을 제거하기 위해 엄격한 표면 가공 및 사전 용접 처리가 필요합니다.
용접 품질 보증: 기계적 디스케일링, 산세척, 오염층 제거를 포함한 포괄적인 표면 준비는 용접 균열을 방지하는 데 중요합니다. 아르곤 순도(>99.999%) 및 용접 와이어 청결도와 같은 공정 매개변수는 무결함 용접의 핵심 요소로 확인되었습니다.
실용적 시사점: 시뮬레이션, 최적화된 주조 매개변수, 후처리 프로토콜의 통합은 고품질 지르코늄 합금 부품의 국내 생산을 위한 견고한 기반을 제공하며, 수입 주조품에 대한 의존도를 효과적으로 줄일 수 있습니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문에 대한 답변
Q1: 최적화 방안 중 YH-2 공정이 YH-1보다 우수했던 구체적인 이유는 무엇입니까?
A1: YH-2 공정은 맞대기 플랜지와 플러그 밸브 플랜지 양쪽에 새로운 탕구를 추가하고 플러그 측 플랜지의 여유를 늘렸습니다. 이는 주조품에서 가장 두껍고 수축이 집중되는 두 영역에 대해 보다 효과적인 용탕 보급을 가능하게 했습니다. 시뮬레이션 결과(그림 16)에서 볼 수 있듯이, 이 접근법은 YH-1에 비해 수축 결함을 현저히 줄여, 구배 응고 조건을 더 잘 만족시켰습니다.
Q2: 주조품 표면 오염층의 주된 형성 원인은 무엇인가요?
A2: 표면 오염층은 주조 과정 중 고온의 지르코늄 용탕과 주형 재료 사이의 계면 반응으로 인해 형성된 확산 반응층입니다. EDS 분석 결과(그림 28)에서 확인된 바와 같이, 주형 재료에 포함된 산소(O)가 지르코늄 용탕으로 확산되어 표면에 산소가 풍부한 층을 형성한 것입니다. 전체 공정이 진공 상태에서 이루어지므로, 이 산소는 주형에서 유래한 것으로 확신할 수 있습니다.
Q3: 표면 오염층이 용접성에 구체적으로 어떤 영향을 미치나요?
A3: 이 산소가 풍부한 오염층은 경도가 높고 매우 취약합니다. 용접 시 발생하는 높은 열응력 하에서 이 취성층은 균열의 시작점이 되기 쉽습니다. 논문의 그림 31에서 볼 수 있듯이, 용접 후 발생한 균열은 잔류 오염층 근처에 집중되어 있습니다. 따라서 고품질의 용접부를 얻기 위해서는 용접 전에 이 오염층을 기계적 가공으로 완벽하게 제거하는 것이 매우 중요합니다.
Q4: 연구에서 열간 등방압 가압(HIP) 처리를 언급했는데, 그럼에도 불구하고 수축 결함에 대한 시뮬레이션 최적화가 필요했던 이유는 무엇인가요?
A4: HIP 처리는 미세한 내부 기공을 제거하는 데 효과적이지만, 그 능력에는 한계가 있습니다. 초기 공정 시뮬레이션 결과(그림 10)에서 예측된 수축 결함은 크기가 매우 커서 HIP 처리만으로는 완전히 제거할 수 없었습니다. 따라서 주조 단계에서부터 결함을 최소화하는 공정 최적화를 먼저 수행하고, 그 후에 HIP 처리를 보조적으로 사용하여 최종 품질을 확보하는 것이 더 효과적이고 신뢰성 있는 접근법입니다.
Q5: 지르코늄 합금 용접 시 품질 관리를 위한 핵심적인 준비 사항은 무엇입니까?
A5: 논문에서는 세 가지 핵심 사항을 강조합니다. 첫째, 99.999% 이상의 고순도 아르곤 가스를 보호 가스로 사용해야 합니다. 둘째, 질소(N), 수소(H), 산소(O) 함량이 낮은 용접 와이어를 사용하고, 사용 전 반드시 청결을 유지해야 합니다. 셋째, 용접할 모재 표면 또한 오염 물질이 없도록 깨끗하고 건조하게 유지해야 합니다. 이는 지르코늄이 고온에서 가스와 쉽게 반응하여 취성을 유발하기 때문입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 ProCAST 시뮬레이션을 활용하여 복잡한 지르코늄 합금 주조 공정의 문제를 사전에 예측하고 해결하는 것이 얼마나 중요한지를 명확히 보여줍니다. 시뮬레이션 기반의 공정 최적화는 단순히 결함을 줄이는 것을 넘어, 수입에 의존하던 고부가가치 부품의 국산화를 가능하게 하고 생산성을 향상시키는 핵심 기술입니다. 특히, 용탕-주형 반응으로 인한 표면 오염층의 특성을 규명하고, 이것이 후속 용접 공정에 미치는 영향을 분석한 것은 실제 현장에서의 품질 관리에 매우 중요한 실용적 지침을 제공합니다.
“STI C&D에서는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보시기 바랍니다.”
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Youwei Zhang” 외 저자의 논문 “Casting Process and Quality Control Analysis of Zr705C Zirconium Alloy”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
Thermo-fluid modeling of influence of attenuated laser beam intensity profile on melt pool behavior in laser-assisted powder-based direct energy deposition
Mohammad Sattari, Amin Ebrahimi, Martin Luckabauer, Gert-willem R.B.E. Römer
A numerical framework based on computational fluid dynamics (CFD), using the finite volume method (FVM) and volume of fluid (VOF) technique is presented to investigate the effect of the laser beam intensity profile on melt pool behavior in laser-assisted powder-based directed energy deposition (L-DED). L-DED is an additive manufacturing (AM) process that utilizes a laser beam to fuse metal powder particles. To assure high-fidelity modeling, it was found that it is crucial to accurately model the interaction between the powder stream and the laser beam in the gas region above the substrate. The proposed model considers various phenomena including laser energy attenuation and absorption, multiple reflections of the laser rays, powder particle stream, particle-fluid interaction, temperature-dependent properties, buoyancy effects, thermal expansion, solidification shrinkage and drag, and Marangoni flow. The latter is induced by temperature and element-dependent surface tension. The model is validated using experimental results and highlights the importance of considering laser energy attenuation. Furthermore, the study investigates how the laser beam intensity profile affects melt pool size and shape, influencing the solidification microstructure and mechanical properties of the deposited material. The proposed model has the potential to optimize the L-DED process for a variety of materials and provides insights into the capability of numerical modeling for additive manufacturing optimization.
응고 모델은 열전달이 활성화되고(Physics → Heat Transfer → Fluid internal energy advection) 유체비열(Fluids → Fluid 1 → Thermal Properties → Specific heat)과 전도도(Fluids → Fluid 1 → Thermal Properties → Thermal Conductivity) 이 지정될 때 사용될 수 있다. 단지 유체 1만 상 변화를 겪을 수 있다.
응고모델을 활성화하기 위해 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model 을 체크하고 물성 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model 가지에서 Liquidus temperature, Solidus temperature, 그리고 Latent heat of fusion 를 지정한다. 가장 간단한 모델(Latent Heat Release Definition 에 펼쳐지는 메뉴에서 Linearly with constant 를 선택)에서, 잠열은 물체가 Liquidus 에서 Solidus 온도로 냉각될 때 선형적으로 방출된다. 고상에서의 상변화열을 포함하는, 잠열 방출의 더 자세한 모델을 위해 온도의 함수로 잠열방출을 정의하기 위해 Specific energy vs. temperature 또는 Solid fraction vs. temperature 선택을 사용한다. 이 지정에 대한 더 자세한 내용은 이론 매뉴얼의 Heat of Transformation 를 참조한다.
응고는 유체의 강직성 및 유동저항을 뜻한다. 이 강직성은 두 가지로 모델링 된다. 낮은 고상율에 대해 즉 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Coherent Solid Fraction 의 coherency 점 밑에서는 점도는 고상율의 함수이다. 간섭 고상율보다 큰 고상율에 대해서는 고상율의 함수에 비례하는 항력계수를 갖는 Darcy 형태의 항력이 이용된다. 이 항력은 모멘텀 방정식에 (bx,by,bz) 로써 추가된다- Momentum Equations 를 보라. 이 항력의 계산은 Solidification Drag Model 에서 기술된다. 항력계수는 사용자가 유동저항에 양을 조절할 수 있는 Coefficient of Solidification Drag 인자를 포함한다. 항력계수는 FLOW-3D 출력에서 기록된 속도에 상응하는 지역 상 평균 속도에 의해 곱해진다.
Fluid 1 Properties)을 지나면 항력은 무한대가 되고 계산격자 관련하여 유동이 있을 수 없다(단 예외로 Moving Solid Phase를 참조).
Note
모든 유체가 완전히 응고하면 모사를 정지시키기 위해 General → Finish condition → Solidified fluid fraction 를 이용한다. General → Finish condition → Finish fraction 은 모사를 중지하기 위한 고상율 값을 정한다.
주조 시 mushy zone 은 액상과 고상이 혼합물로 존재하는 지역이다. 이 지역 혼합점도는 동축의 수지상 조직(과냉각된 액체 안에서 방사상으로 자라는 결정으로 된 구조) 이 액체 안에서 자유롭게 부유할 때 영향을 미친다.
일단 수지상 조직의 간섭성이 발생하여 고정된 고상 망이 형성되면 액상이 고정된 다공 수지상 구조를 통과해야 하므로 추가의 유동손실이 발생한다. 다른 방법으로는 간섭점을 지난 액/고상 혼합물은 다공물질을 통한 유동 대신에 고점도의 유체로 간주될 수 있다. 점성유체로 간주하는 접근은 예를 들면 연속 이중 롤 주조 과정같이 고상이 계속 이동 및 변형할 때 유용하다.
Solidification Drag Models in FLOW-3D, FLOW-3D 내 응고 항력모델
응고에 의한 항력계수를 정의하기 위해 사용자는 우선 열전달 및 응고모델을 활성화 해야 한다. 이들은 Model Setup → Physics 탭 에서 활성화될 수 있다. 수축모델 또한 응고모델 창에서 활성화될 수 있다.
일단 Solidification 모델이 활성화되면 항력의 공식이 지정될 필요가 있다. Solidification대화의 밑 좌측 모퉁이에서 Porous media drag-based 와 Viscosity-based 의 항력공식 중의 선택을 한다.
Viscosity-based 공식은 점성 유체로 취급하며 Viscosity 영역 내Flow model for solidified metal 입력 밑에서 지정되는 순수 고상 점성을 갖는 고상화된 유체로 간주된다. 이 접근법은 경직성의 항력모델(즉, 응고 금속이 롤러 사이로 압착될 때)을 사용할 수 없는 경우의 모사에 이용된다. 이 점성은 고상율에 따라 선형으로 변한다.고상율이0일 때 점도는 유체1의 점도이다.고상율이1이면 점도는 Solidification 패널에서 지정된 값과 같다.
Porous media drag-based 공식은 응고상태를 결정하기 위해 고상율을 사용한다. 고상율이 Critical Solid Fraction 이거나 초과하면 이때 항력은 무한대가 된다-즉, 액상/고상 혼합물은 고체같이 거동한다. 고상율이 Coherent Solid Fraction 보다 작으면 항력은 0이다. 이 두 값 사이에서 유동은 mushy 지역에 있고 이를 통한 유동은 마치 다공질 내에서의 유동같이 처리된다. 또한 모델은 고상율이 Coherent Solid Fraction 보다 작을 때 자동적으로 용융 금속의 점도를 조절한다. 이 상태에서 고상결정은 점도를 올리지만 결합하지는 않는다(즉, 간섭 없음). 일단 유체가 Coherent Solid Fraction 에 도달하면 항력방정식이 고려되고 점도는 간섭성에 도달하기 전의 값으로 일정하게 된다. 임계 및 간섭 고상율은 사용자가 정의하며 논문이나 책 등에서 찾을 수 있다. 이 식에서는 Coefficient of Solidification Drag 가 정의되어야 한다. 이는 Solidification 창 또는 Fluid 1 → Solidification Model→Solidified Fluid 1 Properties tree → Other 트리를열어 Model Setup →Fluids 탭에서 될 수 있다.
How to Calculate Permeability 투과성 계산법
밑에 주어진 Darcy법칙은 수지상 구조를 위한 다공매질내의 수학적 유동기술이다.[Poi87].
(19)
여기서 u 는 수지상 구조 내 유동의 속도이고 ∇P 는 지역 압력구배, 그리고 K 는 mushy 구역의 특정 투수성이다. 이 방정식은 단지 유동이 거의 정상 상태이고, 관성효과가 없으며 유체의 체적율이 일정하고 균일하며 액체-액체의 상호작용 힘이 없을 때 유효하다. 투수성을 정의하는데 이용될 수 있는 대 여섯 개의 모델이 있으나 FLOW-3D 는 밑에 보여주는 Blake-Kozeny 을 이용한다. 다른 모델들은 코드와 함께 제공되는 소스코드를 사용자 사양에 맞게 수정하여 추가할 수 있다.
(20)
여기서
C2 는 전형적으로 와 같은 비틀림
fs 는 고상율이고
λ1는 유동을 위한 특정 치수
이 응용에서 수지상 가지 간격(DAS)이 이용된다.
식 (11.19) 을 식(11.20) 에 적용하면 투수성을 위한 다음 식을 얻는다.
(21)
수지상 가지 간격(DAS)에 대한 일반적인 값들은 밑에 주어져 있다.
Range of Cooling Rates in Solidification Processes¶
COOLING RATE, K/s
PRODUCTION PROCESSES
DENDRITE ARM SPACING,
to
large castings
5000 to 200
to
small castings, continuous castings, die castings, strip castings, coarse powder atomization
200 to 5
to
fine powder atomization, melt spinning, spray deposition, electron beam or laser surface melting
5 to 0.05
Range of cooling rates in solidification processes [CF85]
How FLOW-3D Defines the Coefficient of Solidification Drag FLOW-3D 가 응고 항력계수를 결정하는법
FLOW-3D 는 액고상 변화를 모델링하기 위해 다공매질항력을 이용한다. 항력은 고상율의 함수이다. 사용자에게 두 수축모델이 이용 가능하다; 급속 수축 모델 과 완전 유동모델. 급속 수축 모델은 상변화와 연관된 체적변화를 고려하지 않으며 유체는 정지해 있다고 가정한다. 완전 유동모델은 상변화가 관련된 체적변화를 고려한다. 항력은 투수성에 역으로 비례하므로 다음과 같이 표현될 수 있다.
(22)
여기서, Fd 는 FLOW-3D 에서 사용된 항력계수이다. 이 항력계수는 지역 속도에 의해 곱해지고 모멘텀 방정식의 오른쪽에서 차감된다 (Momentum Equations 참조). 식 (11.22) 를 재정리하고 식 (11.21) 로부터의 투수성에 치환하면 다음을 얻는다.
Macro-Segregation during Alloy Solidification 합금응고시 거시적 편절
편절 모델은 대류와 확산에 의한 용질 이동에 따른 이원합금 요소에서의 변화를 모델링 하도록 되어 있다. 이 모델링은 Physics → Solidification 로 부터 될 수 있다.
Activate binary alloy segregation model 을 체크하고 편절 모델을 활성화한다.
여러 온도에서 평형에 있는2원합금 요소농도를 정의하는 상태도는 직선의 고상선 및 액상선을 가진다고 가정된다. 상태도는 입력데이터에 의해 구성되고 전처리 그림파일 prpplt 에 포함된다. Analyze → Existing 에서 이용 가능하다
Macro-Segregation Model (under Fluids → Fluid 1 → Solidification Model)에 관련된 일부 유체물성 트리가 밑에 보여진다. 상태도는 Reference Solute Concentration 에서의 the Solidus 와 Liquidus Temperatures 값들에 의해 정의된다. 추가로 Concentration Variables 밑의 Partition coefficient 도 정의되어야 한다. 그렇지 않으면 Pure Solvent Melting Temperature 가 정의될 수 있다. Partition coefficient 와 Pure Solvent Melting Temperature 둘 다가 지정되면 용매 용융 온도는 상태도로부터 재 정의된다.
Eutectic Temperature 또는 Eutectic Concentration 는 융해작용을 정의하기 위해 지정될 수 있다. 또 이 두 변수가 다 지정되면 Eutectic Concentration 은 상태도에서 재 정의된다.
Diffusion Coefficients 는 고상과 액상 사이의 용질의 확산계수 비율을 정의한다. 액체 내의 용질의 분자 확산계수는 Physics → Solidification 에서 specifying Solute diffusion coefficient 를 지정함으로써 정해진다. RMSEG 는 용질의 난류 확산계수 승수를 정의한다; 이는 입력파일에서 직접 지정된다.
용질 재 분배에 의한 농도변화가 중요하면 Physics → Density evaluation → Density evaluated as a function of other quantities를 정하고 용질농도의 선형함수로써 금속농도를 정의하기 위해 Fluids → Segregation model 밑의 Solutal Expansion Coefficient 를 용질 확장계수로 지정한다. 이 경우 Reference Solute Concentration 이 기준농도로 사용될 것이다. 추가로 Fluids → Fluid 1 → Density Properties → Volumetric Thermal Expansion 은 액체 내 열부력 효과를 참작하기 위해 지정될 수 있다(또한 Buoyant Flow참조).
초기 용질농도는 Meshing & Geometry → Initial → Global → Uniform alloy solute concentration 에서 지정될 수 있다. 불 균일한 초기 분포는 Alloy solute concentration 밑의 초기유체 구역 안에서 정의될 수 있다. 추가로 농도는 Initial Conditions: Region Values 에서 기술된 바와 같이 2차함수를 사용하는 부분을 편집하여 공간상의2차함수로 변화할 수 있다. 압력과속도 경계에서 용질 경계조건을 정하기 위해 Boundaries → Boundary face → Solute concentration 를 이용한다.
액상 및 고상 구성은 후처리에서 데이터 변환을 이용하여 그려질 수 있다. 용융 응고금속은 금속 내 용융의 질량 분율을 저장하는 SLDEUT 를 그림으로써 가시화될 수 있다.
액상 내 열구배가 크면 Physics → Heat Transfer → Second order monotonicity preserving 를 지정함으로써 더 나은 정확성을 위해 고차원 이류법을 사용한다.
mushy 지역에서의 유동손실은 수지상 가지 간격(DAS)의 함수인 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Coefficient of Solidification Drag 에 의해 조절된다. 후자는 이 모델에 의해 계산되지 않으므로 사용자는 Coefficient of Solidification Drag 를 지정해야 한다
Note
표준 응고모델 과는 달리 상태도상의 용융점을 지나 고상선을 외삽하여 정의되므로 여기서 응고선의 값은 음수일 수 있다.
Microporosity Formation 미세다공형성
미세다공모델은 단지 응고(Solidification참조)를 모델링할 때 사용될 수 있고 Physics → Solidification → Activate micro-porosity model 에서 활성화된다. 필요한 입력은 Fluids → Densities → Fluid 1 and Fluids → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Density 에서 정의되는 액체와 고상 유체밀도이며 고상유체밀도는 액체밀도보다 크다. 또한 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties 안에 있는 Critical Solid Fraction 은 1.0보다작게 설정되어야 한다.
Square of the speed of sound at critical solid fraction 값이 정의될 수 있다. 이는 수축에 의해 mushy 지역에서 전개되는 커다란 음압에서의 응고유체의 압축성을 기술한다. Critical pressure at which gas pores can form 값은 모델이 Initial tab 탭에서 또는 재 시작 데이터에서 정의되는 유체내의 초기 압력과 결합되도록 한다.
Intensification pressure 또한 다공 생성을 지연시키기 위해 응고 시 shot sleeve plunger 에 의해 형성되는 추가압력을 고려하기 위한 고압 주조모사를 위해 정의될 수 있다. Intensification pressure 가 클수록 더 적은 양의 다공이 주조 시 응고 과정에서 발생할 것이다.
미세 다공 모델은 응고 모델의 활성화 이외의 어떤 다른 설정을 필요로 하지 않는다. 이는 완전 유동방정식이나 속도장이 0인 경우, 즉 순수한 열 문제에서도 함께 사용될 수 있다.
이 모델은 후처리 과정의 공간 및 이력에서 사용 가능한 Percent micro-porosity 라고 불리는 추가 출력 양을 생성한다.
이동고상 선택은 연속주조 모델링을 가능하게 한다. Continuous Casting Phantom 요소는 응고된 이동 유체가 있는 지역에서 정의된다. 이는 지정된 영역을 차지하지만 정의에만 존재하므로 환영요소라고 한다. 이는 실제로 면적이나 체적을 차지하지 않으므로 체적이 없고 결과에서도 고체요소로 보이지 않는다. 이는 Meshing & Geometry → Geometry → Component → Component Type 옆 펼쳐지는 메뉴에서 정의된다.
다른 방법으로는 입력파일(prepin.*)에서 IFOB(N) 변수가 4로 지정되고 N 은 요소 번호이다. 이 파일은 File → Edit Simulation…. 을 선택하여 이용될 수 있다. 또한 입력파일에서 시간의 함수(TOBS(t) 에 의해 지정되는)일 수 있는 가상 요소의 속도성분 UTOBS(t,N), VTOBS(t,N) 그리고 WTOBS(t,N) 이 지정된다.
Fluids → Fluid 1 → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Coherent Solid Fraction 에 의해 정의된 간섭 고상율 보다 큰 고상율에 대해서는 Darcy 형태의 항력 이 유체를 가상 요소의 속도로 움직이게 하는데 사용된다. 고상율이 Fluids → Fluid 1 → Solidification Properties → Solidified Fluid 1 Properties → Critical Solid Fraction 에서 지정된 경직점을 능가하게 되면 가상 요소의 속도를 따라 움직일 것이다.
Note
가상 요소는 요소 그림에 안 나타나나 Component number 를 그릴 때는 보여진다.가상 요소는 균일속도가 요소의 전체에 적용되므로 평평해야 한다.
Solidification Shrinkage 응고수축
체적 수축은 소재가 응고하고 응고소재의 밀도가 액체소재의 밀도보다 클 때 나타난다(즉, Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Density > Fluids → Fluid 1 → Density Properties → Density). 수축모델은 그러므로 Solidification 모델이 활성화되어야 하고 고상/액상의 두 밀도가 정의되어야 한다. 수축은 단지 1유체의 뚜렷한 경계면 문제에서만 모델링 될 수 있다.
두 가지 수축모델이 있다. Shrinkage model with flow effects 를 선택하면 완전 열 유체방정식을 해석한다(이론 매뉴얼의Solidification Shrinkage and Porosity Models 참조). 그러나 이 모델은 특히 장시간의 응고가 고려되면 컴퓨터 계산시간이 많이 소요된다. 다른 방법으로 사용자 Interface 에 Shrinkage model 이라고 불리는 단순모델이 있다.
이 모델은 단지 열전달 방정식의 해석에 의존하며 특히 내재적 열전달 모델 (Numerics → Explicit/implicit options → Heat transfer → Implicit –Thermal solution 참조)과 사용시에 빨리 해석할 수 있다. 액체 체적 내로의 유동 통로가 없을 때 내부공동이 발생한다.
이 두 모델에서 유입은 mushy 지역 유동에 대한 항력계수를 계산함으로써 정의된다. 격자 내 모든 점에서의 항력함수는 상수승수 Fluids → Solidification properties → Other → Coefficient of Solidification Drag (Solidification Drag Model 참조)를 가지는 지역 고상율의 함수로 계산된다. 항력함수의 역의 값은 공간 그림에서 가시화 될 수 있다: 이 그림을 위한 변수이름은 ‘drag coefficient’ 이다.
Mushy 지역에서의 커다란 유동 손실에 따른 부분적 유입이 Shrinkage model with flow effects 에서 발생할 수 있지만 단순화된 Shrinkage model 은 완전 유입이 아니면 유입이 없게 된다. 후자는 유입 통로를 따라 지역 고상율이 Fluids → Fluid 1 → Solidification Model → Solidified Fluid 1 Properties → Critical Solid Fraction (디폴트는1.0)에서 정의된 임계값보다 커질 때 발생한다. 추가로 고립된 액체 내의 금속의 고상율이 Coherent Solid Fraction 에 도달할 때까지 단순모델에서의 유입은 고립부 상부로부터 발생한다. 그 후로는 유입이 고립부의 가장 뜨거운 부분에서부터 발생한다.
모든 유체가 완전히 응고되면 모사가 정지하도록 General → Additional finish condition → Solidified fluid fraction 를 사용한다. 변수 Finish fraction 는 유체가 지정된 고상율에 도달할 때 모사가 정지하도록 하는데 사용될 수 있다.
Note
이송 방향을 결정하기 위해 단순 수축 모델에서 중력이 필요하며 좌표축 중 하나를 따라야합니다. 둘 이상의 중력 구성 요소가 0이 아닌 경우, 가장 큰 중력 구성 요소가 공급 방향을 결정하는 데 사용됩니다.
FLOW-3D/MP v6.1 은 FLOW-3D v11.1 솔버에 기초하여 물리 모델, 특징 및 그래픽 사용자 인터페이스가 동일합니다. FLOW-3D v11.1의 새로운 기능은 아래 파란색으로 표시되어 있으며 FLOW-3D/MP v6.1 에서 사용할 수 있습니다. 새로운 개발 기능에 대한 자세한 설명은 FLOW-3D v11.1에서 새로운 기능을 참조하십시오.
Meshing & Geometry
Structured finite difference/control volume meshes for fluid and thermal solutions
Finite element meshes in Cartesian and cylindrical coordinates for structural analysis
Multi-Block gridding with nested, linked, partially overlapping and conforming mesh blocks
Fractional areas/volumes (FAVOR™) for efficient & accurate geometry definition
Mesh quality checking
Basic Solids Modeler
Import CAD data
Import/export finite element meshes via Exodus-II file format
Grid & geometry independence
Cartesian or cylindrical coordinates
Flow Type Options
Internal, external & free-surface flows
3D, 2D & 1D problems
Transient flows
Inviscid, viscous laminar & turbulent flows
Hybrid shallow water/3D flows
Non-inertial reference frame motion
Multiple scalar species
Two-phase flows
Heat transfer with phase change
Saturated & unsaturated porous media
Physical Modeling Options
Fluid structure interaction
Thermally-induced stresses
Plastic deformation of solids
Granular flow
Moisture drying
Solid solute dissolution
Sediment transport and scour
Cavitation (potential, passive tracking, active tracking)
Phase change (liquid-vapor, liquid-solid)
Surface tension
Thermocapillary effects
Wall adhesion
Wall roughness
Vapor & gas bubbles
Solidification & melting
Mass/momentum/energy sources
Shear, density & temperature-dependent viscosity
Thixotropic viscosity
Visco-elastic-plastic fluids
Elastic membranes & walls
Evaporation residue
Electro-mechanical effects
Dielectric phenomena
Electro-osmosis
Electrostatic particles
Joule heating
Air entrainment
Molecular & turbulent diffusion
Temperature-dependent material properties
Spray cooling
Flow Definition Options
General boundary conditions
Symmetry
Rigid and flexible walls
Continuative
Periodic
Specified pressure
Specified velocity
Outflow
Grid overlay
Hydrostatic pressure
Volume flow rate
Non-linear periodic and solitary surface waves
Rating curve and natural hydraulics
Wave absorbing layer
Restart from previous simulation
Continuation of a simulation
Overlay boundary conditions
Change mesh and modeling options
Change model parameters
Thermal Modeling Options
Natural convection
Forced convection
Conduction in fluid & solid
Fluid-solid heat transfer
Distributed energy sources/sinks in fluids and solids
Radiation
Viscous heating
Orthotropic thermal conductivity
Thermally-induced stresses
Turbulence Models
RNG model
Two-equation k-epsilon model
Two-equation k-omega model
Large eddy simulation
Metal Casting Models
Thermal stress & deformations
Iron solidification
Sand core blowing
Sand core drying
Permeable molds
Solidification & melting
Solidification shrinkage with interdendritic feeding
Micro & macro porosity
Binary alloy segregation
Thermal die cycling
Surface oxide defects
Cavitation potential
Lost-foam casting
Semi-solid material
Core gas generation
Back pressure & vents
Shot sleeves
PQ2 diagram
Squeeze pins
Filters
Air entrainment
Temperature-dependent material properties
Cooling channels
Fluid/wall contact time
Numerical Modeling Options
TruVOF Volume-of-Fluid (VOF) method for fluid interfaces
First and second order advection
Sharp and diffuse interface tracking
Implicit & explicit numerical methods
GMRES, point and line relaxation pressure solvers
User-defined variables, subroutines & output
Utilities for runtime interaction during execution
Fluid Modeling Options
One incompressible fluid – confined or with free surfaces
Two incompressible fluids – miscible or with sharp interfaces
to 
,
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