B390 알루미늄 합금의 초정Si 입자크기 및 분포 제어를 위한 원심주조 공정인자 연구

Abstract

B390 알루미늄 합금은 Al 기지에 16～18wt.% Si이 함유된 과공정 Al-Si 합금으로 합금 내의 Si은 밀도가 2.34 g/㎤으로 합금의 경량화에 이로울 뿐만 아니라 응고 과정중에 낮은 밀도의 초정Si이 우선 정출되어 원심주조시 공정인자에 따라 조직분포 제어가 용이한 합금이다. 본 연구에서는 원심주조 공정인자인 용탕 주입온도, 금형온도, 금형 회전수 변화시 응고조직에서 나타나는 초정Si 입자크기와 입자분포를 수치해석과 실제 주조실험을 통해 확인하였다. 금형회전수가 증가할수록 용탕의 냉각속도는 빨라 금형 회전수 1200, 1500, 2000, 2500 rpm에서 용탕 냉각속도는 각각 9.4, 10.6, 13.2, 14.6 ℃/sec로 예측되었으며, 실측 초정Si 입자크기는 59, 57, 40, 37 ㎛로 나타나, 금형 회전수가 증가할수록 초정Si 입자크기는 감소하였다. 금형 회전수 변화에 따라 초정Si 입자분포 제어가 용이하여, 1200 rpm의 금형 회전수에서는 시료의 두께 방향 전반에 걸쳐 입자가 분포하는 균일분포 조직이 나타났으며, 1500 rpm 이상의 조건에서는 초정Si 입자가 응고과정에서 원통 내측으로 쏠려, 경사기능조직이 나타났다. 용탕내 초정Si 입자의 이동속도를 수치해석한 결과, 금형 회전수가 1500, 2000, 2500 rpm으로 증가할수록 입자의 관성모멘트 증가 영향으로, 원통 내측까지 입자이동에 소요된 시간은 각각 4.0, 2.5, 2.0 sec로 감소하였으며, 입자 최고 이동속도는 각각 4.1, 4.6, 4.9 mm/sec로 증가하였다. 용탕 충진거동을 수치해석한 결과, 금형회전수가 1200, 1500, 2000, 2500 rpm으로 증가할수록 주입완료 시점의 금형 길이방향의 최대 유동속도는 각각 0.48, 0.62, 0.78, 0.92 m/sec로 증가하였다. 또한, 용탕간 충돌지점은 0, 1, 3, 4곳으로 증가하여, 금형 회전수가 증가할수록 난류거동이 심화되었다.

Behavior of melt flow and conditions for homogeneous distribution of primary Si particles of B390 aluminum alloy in horizontal centrifugal casting were studied by computational and experimental methods. Rotational frequence of mold has a dominant effect on the melt flow and distribution of Si particles. As a rotational frequence of mold increased, melt velocity increased loading to a turbulent flow of a melt. Computational estimation for the condition on homogeneous distribution of Si particles across wall thickness of cylinder was 1200 rpm of mold rotation and this was well coincided with the experimental result. As a rotational frequence of mold exceed 1200 rpm, the tendency of FGM structure of Si particles toward inner side of cylinder was more evident. Moving velocity of the Si particles increased as the melt pouring temperature and rotational frequency of mold increased. Therefore, segregation tendency of primary Si particles toward inner side of cylindrical sample was increased as the melt pouring temperature and rotational frequency of mold increased. Rich distribution region of particles was located at 0.9, 0.7, 0.4 mm from inner surface of cylindrical sample under the centrifugal cast condition of 750℃ melt pouring temperature and 1500, 2000 and 2500 rpm mold rotational frequencies, respectively by numerical simulation.