냉각채널 최적화를 통한 열간균열 제거

열간균열 결함은 비용집약적이라 해결하는데 비용이 많이 들고 양산 시작전에 해결되지 않으면 양산에 문제가 될 수 있습니다. 주조결함은 기능적 오류를 유발하는데 개발 기간이 짧아질수록 결함에 대한 위험성은 증가하게 됩니다. 위험을 최소화하기 위해서는 가상 부품 및 공정개발에 대한 필요성이 더욱 커지고 있습니다.

수축공에 대한 신뢰성 있는 예측은 자동차 주조산업의 표준으로 자리잡았지만 열간균열은 아직 초기 단계입니다. 임계구역을 예측할 수는 있지만 실제 발생하는 열간균열보다 더 많은 열간균열이 나타나는 경향이 있습니다. 따라서 열간균열 방지 방안은 시제품 개발단계에서부터 공정개발의 한 부분으로 고려되어야 합니다.

경금속 부품의 글로벌 공급 업체이자 MAGMASOFT®의 오랜 고객인 Martinrea Honsel은 크랭크 케이스의 공정 개발을 통해 신속하게 열간균열의 발생을 억제하기 위한 시뮬레이션의 사용 방법을 명확하게 보여주었습니다.

 

주조응력은 응고 중에 냉각 속도가 균일하지 않기 때문에 발생합니다. 이러한 주조응력이 고상선 온도에 도달하기 전에 재료의 인장 강도 수준으로 높아지면 열간균열이 발생하게 됩니다.(그림1) 제품 두께가 국부적으로 차이가 많이나고 코어 또는 몰드에 의해 수축현상이 방해 받을 때 열간균열은 촉진됩니다.

합금의 응고 거동은 열간균열 형성에 특히 중요합니다. 일반적으로 미세조직은 고상선 온도 직상에서 매우 취약한 거동을 보입니다. 제품의 수축이 방해되어 발생하는 작은 기계적 변형으로도 열간균열이 발생할 수 있습니다. 합금의 응고시간이 짧은 경우 용탕보급을 통해 열간균열을 정상화 할 수 있습니다. 그러나 합금의 응고시간이 길 경우 이미 밀도가 높은 수지상의 네트워크로 인해 용탕보급은 초기 단계에서부터 방해를 받습니다. 이미 형성된 균열은 더 이상 용탕보급에 의해 정상화 될 수 없으므로 열간균열이 형성됩니다. 크랭크 케이스에 가장 일반적으로 사용되는 A226 합금은 응고 시간이 길고 열간 균열이 잘 발생하는 것으로 알려져 있습니다.

그림1: 열간균열 발생의 주요요인

그림1: 열간균열 발생의 주요요인

가능한 결함의 조기 발견

응력해석 모듈인 MAGMAstress는 열간균열의 위험구역을 분석하기 위해 응고 및 냉각 중에 열간균열의 결과를 계산합니다. 국부 변형율을 평가하는 것은 수지상을 통한 용탕보급이 불가능한 시점에서 열간균열을 계산하는데 중요한 변수가 됩니다. 응고 시간에 따라 열간균열 발생경향이 증가한다는 것도 고려해야 합니다.

열간균열의 평가기준은 테스트용 주조를 통해 조절되거나 검증할 수 있습니다. 테스트용 주조를 위해 응고하는 동안 후육부에 의해 수축이 방해를 받는 서로 다른 길이의 테스트바를 시험해보았습니다.(그림2) 이런 시험에서 후육부와 박육부 사이의 접점에서 가장 높은 변형이 나타나고 막대의 길이방향을 따라 변형이 증가했습니다. 따라서 가장 짧은 막대는 낮은 열간균열 경향을 나타내고 가장 긴 막대는 높은 열간균열 경향을 나타내게 됩니다.

테스트 주조를 통해 시뮬레이션 결과를 확인해보니, 가장 짧은 막대는 테스트 주조에서 열간균열이 나타나지 않았지만 가장 긴 막대는 균열이 나타났습니다. 시뮬레이션과는 다르게 테스트용 막대에서는 한 군데에서만 균열이 나타나는데 이는 한번 균열이 나타나면 전체 막대의 응력이 완화되기 때문입니다.

그림2: 열간균열 시험편에서의 크랙 민감도 해석

그림2: 열간균열 시험편에서의 크랙 민감도 해석

열간균열 평가기준(criteria)을 사용하면 조기에 위험구역을 확인할 수 있습니다. 해석은 주물과 몰드를 모두 고려한 응력해석을 기반으로 합니다. 따라서 컴퓨터 사양이 높더라도 상당한 시간이 소요됩니다. 주조공정 최적화를 위한 해석시간을 줄이기 위해 Martinrea Honsel은 단순화된 모델을 사용하여 열간균열이 발생하기 쉬운 영역에 대한 위험을 정성적으로 평가하는 방법론을 개발하였습니다. 이러한 최적화 결과는 전형적인 열간균열 예측(응력해석에 기초함)에 사용됩니다. 

이러한 최적화 해석은 저압다이캐스팅 공법으로 생산하는 크랭크케이스의 프로토타입 제품 생산시에 발생하는 열간균열을 예측하는 것부터 진행되었습니다. MAGMASOFT® stress 응력해석을 활용하여 예측한 열간균열의 위치는 (그림3)에 나타나있습니다.

Martinrea Honsel은 열간균열이 발생하는 영역의 응고 시간과 냉각의 영향을 받는 영역의 응고 시간의 차이를 평가하여 기존보다 단순화된 열간균열의 기준(SHC)을 제안하였습니다. MAGMASOFT®의 evaluation area옵션과 "user-result" 옵션을 사용함으로써 새로운 기준을 생성하고 평가할 수 있습니다. 

냉각이 활성화되는 시간을 변수로 선택하였습니다. 최적화 목표는 SHC와 수축공을 최소화하는 것입니다.

그림3: MAGMAstress를 활용한 크랭크 케이스의 열간균열 예측

그림3: MAGMAstress를 활용한 크랭크 케이스의 열간균열 예측

최적화 평가결과 중 하나인 “main effect diagram”은 냉각이 153초 동안 작동하는 동안 SHC가 감소하고 있는 것을 보여줍니다.(그림4) 이 시간 이후로는 냉각이 지속되어도 크게 개선되지는 않습니다. 이와 반대로 관심 부위의 수축공의 위험성은 이미 예상한 바와 같이 냉각 시작시간이 증가함에 따라 증가합니다. 냉각 시작시간이 133초이거나 그 이상일때에는 더 이상의 눈에 띌만한 증가는 없습니다. 따라서 열간균열 경향과 용탕보급의 두가지 목표사이에는 항상 있어왔던 “목표 충돌”이 발생합니다. 이러한 목표 충돌을 모두 만족시킬 수 있는 최적 솔루션을 위한 시간범위는 93초에서 113초 사이가 유일합니다.

그림4: 냉각시작시간에 따른 열간균열 경향성(SHC)와 수축공 위험도의 변화

그림4: 냉각시작시간에 따른 열간균열 경향성(SHC)와 수축공 위험도의 변화

결과 확인

최적화 결과를 확인하기 위해 최적시간구역의 중간부근에서 시작시간을 선택하고 일반적인 응력해석을 실시하였습니다. 관심 부위에서의 수축공 결과는 아직 위험범위에 도달하지 않았지만 기존의 열간균열 평가지수 결과는 최초 조건에 비해 상당히 줄어들었습니다. 냉각시간을 최적화한 후 수행된 주조해석 결과에서는 열간균열과 수축공이 나타나지 않았습니다.

이 예시는 다양한 변수를 효율적으로 분석하기 위해 응력 기반의 열간균열 예측과 단순화된 모델의 효율적인 조합이 결함의 위험성이 있는 주조 영역을 사전에 확인하고 중요한 영향을 미치는 공정 변수를 확인할 수 있다는 것을 명확하게 보여주고 있습니다. 이러한 방식으로 신뢰성 있는 주조 품질을 빠르게 확보할 수 있습니다.(그림5)

Courtesy of Martinrea Honsel

그림5: 다양한 냉각시간이 열간균열에 미치는 영향평가 및 실제사례

그림5: 다양한 냉각시간이 열간균열에 미치는 영향평가 및 실제사례

Martinrea Honsel

회사 설립자인 Fritz Honsel이 100년 전에 처음 설립한 Martinrea Honsel은 지속성과 혁신성을 강점으로 하는 기업입니다. 수년에 걸쳐 고객의 요청와 요구 사항을 혁신적인 프로세스와 제품에 반영하는데 성공했으며, 오늘날 Martinrea Honsel은 자동차 산업에서 인정받는 개발 및 양산 파트너입니다. 이 그룹은 독일, 스페인, 브라질, 멕시코 및 중국에 있는 공장에서 승용차 및 상용차의 엔진, 변속기, 서스펜션 및 섀시, 알루미늄 부품과 기계 및 응용 분야의 부품을 제조하고 있습니다.

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