알루미늄 주조 결함

고품질 알루미늄 주물에는 용융 금속의 화학 성분, 유동 거동 및 응고 과정에 대한 엄격한 관리가 요구됩니다. 가장 빈번하게 발생하며 성능에 치명적인 결함들—가스 기공, 수축, 산화물 및 내포물 유입, 열 균열, 표면 결함—은 예측 가능한 단계들에서 기인합니다: 용융 금속 준비, 이송, 금형 충전 및 응고. 효과적인 완화에는 강력한 용융 금속 정화(플럭스 또는 가스 제거), 공학적 여과 (세라믹 폼 필터신중한 게이트 설계 및 열 설계, 검증된 공정 제어. 이러한 조치들을 함께 시행할 경우 파운드리 업체들은 생산 비용 효율성을 유지하면서 불량률을 줄이고, 기계적 특성을 개선하며, 더 높은 수락 기준을 충족할 수 있습니다.

1. 알루미늄 주조 결함이 중요한 이유

불량 주조 품질은 단위 비용을 증가시키고 현장 고장 위험을 초래하며, 항공우주, 자동차 또는 압력 유지 응용 분야에서 부품 사용을 금지시킬 수 있습니다. 주조 무결성을 제어하면 가공 여유량이 감소하고 수율이 증가하며 예측 가능한 기계적 특성을 확보할 수 있어 고객 신뢰도가 높아집니다. 조달 및 인증 요구 사항을 충족시키기 위해 추적 가능한 공정 제어와 문서화된 용융 처리 과정이 종종 요구됩니다.

2. 결함의 형성 과정

결함은 금속, 금형, 공구 또는 공정 조건이 상변화 과정에서 불균일한 흐름, 가스 포집 또는 불충분한 공급을 초래할 때 발생합니다. 결함을 생성하는 주요 공정:

• 고화 과정에서 가스의 용해 및 방출로 인해 둥근 기공이 생성된다.

• 충분한 피드 금속 없이 발생하는 열 수축은 수축 공동 및 내부 공극을 생성합니다.

• 혼란스러운 충전 및 표면 분해로 형성된 산화막이 유입되어 비금속 함입물과 이중막을 생성한다.

• 열 구배가 불충분하거나 수축이 억제되면 열 균열이 발생한다.

이러한 메커니즘은 문헌에서 충분히 연구되어 왔습니다. 수소 용해도 특성은 기체 다공성에 핵심적입니다. 용융 알루미늄은 고체 상태보다 훨씬 많은 수소를 함유할 수 있기 때문에, 수소는 응고 과정에서 배제되며 사전에 제거되지 않으면 기포를 형성합니다.

3. 분류: 일반적인 알루미늄 주조 결함 (요약표)

(이 요약된 분류 체계는 표준 주조 결함 도감 및 주조소 관행을 따릅니다.)

4. 기공률: 주요 성능 제한 요소

수소가 흔히 주범인 이유

수소는 액체 알루미늄에 쉽게 용해되지만 고체 상태에서는 훨씬 덜 용해된다. 냉각 과정에서 용해도는 급격히 떨어지며, 수소는 잔류 액체 상태로 배출된다. 이 액체 상태에서 수소는 기포를 핵으로 형성하며, 고체가 완전히 굳기 전에 빠져나가지 못하면 기포가 포획된다. 이러한 메커니즘은 기공이 종종 수지상 구조 사이 영역과 마지막으로 고체화되는 부위에 집중되는 이유를 설명한다. 용융 수소 함량을 모니터링하고 제어하는 것, 그리고 수소가 빠져나갈 수 있도록 하는 공정 단계가 필수적이다.

실용적 탐지 및 수용

• 공정 모니터링을 위해 실시간 용존수소 센서를 사용하십시오.

• 중요 부품에 대해 X선 촬영 또는 컴퓨터 단층촬영을 실시하십시오.

• 허용 한계를 설정하십시오(예를 들어, 많은 항공우주 부품은 내부 기공률이 거의 제로에 가까워야 하며 엄격한 X선 기준을 적용합니다).

정화 조치의 우선순위

1. 수소 침투 방지: 충전재 건조, 수분원 제거, 용로 분위기 제어.

2. 용융 처리: 용융제 첨가 및 탈기 작업을 통해 용해된 가스와 표면 오염물질을 제거합니다.

3. 여과 및 제어된 충전으로 재오염 및 유입을 방지합니다.

4. 수지상 영역 내 기체 포집 방지용 응고 관리(라이저 배치, 칠 사용).

5. 수축 및 급여 실패

수축 결함은 용융 금속의 부피가 국부적으로 고체화되면서 발생하며, 라이저 설계 불량이나 열적 격리 때문에 공급 금속이 도달하지 못할 때 나타납니다. 수축을 방지하는 것은 열적 관리와 게이트 설계의 문제입니다:

• 방향성 응고 원리를 활용하여 용융 금속이 라이저 방향으로 공급되도록 하십시오.

• 동결 위험이 가장 낮은 구역에 라이저를 배치하고, 충분한 라이저 질량과 열적 절연을 확보하십시오.

• 라이저 크기가 제한될 경우 냉각을 이용하여 고화 전선을 이동시킵니다.

• 시뮬레이션 도구로 검증하십시오; 많은 성공적인 주조업체들은 핫 스팟을 예측하고 라이저 크기를 정확히 결정하기 위해 주조 시뮬레이션을 사용합니다.

6. 산화막, 내포물 및 이중막: 보이지 않는 살인자들

용융 알루미늄이 공기와 접촉하면 수 분의 1초 내에 산화막이 형성됩니다. 주입 과정에서 유동이 난류 상태이거나 표면이 교란될 경우, 이러한 막이 용융물 내부로 접혀 들어가 이중막(bifilm)이라 불리는 층상 결함을 생성합니다. 이 결함은 피로 강도를 급격히 저하시키고 균열 발생 부위로 작용합니다. 산화막 유입을 방지하려면 다음이 필요합니다:

• 적절한 게이트 설계 및 텅디시 관행을 통한 층류 주입.

• 이송 전 표면 세척 및 스키밍을 통한 슬래그 제거.

• 서브마이크론 크기의 불순물을 포집하고 하류에서 안정적인 유동을 생성하는 효과적인 필터 사용. 세라믹 폼 필터는 층류 유동을 생성하며 산화물 및 유입 입자를 기계적으로 포집하는 동시에 열충격 및 침식에 강해 불순물 함량을 낮추고 부품 신뢰성을 향상시킵니다.

7. 고온의 눈물과 열 응력

고온 균열은 재료가 반고체 상태이며 취성이 있어, 응고 최종 단계에서 발생하는 합금 수축을 소성 변형으로 수용할 수 없을 때 발생합니다. 주요 제어 요소:

• 급격한 단면 변화와 억제된 얇은 부분에서 두꺼운 부분으로의 전환을 피하십시오.

• 더 균일한 온도 구배를 조성하십시오; 냉각 또는 국소 가열기를 사용하여 동결 순서를 변경하십시오.

• 핫스팟 체류 시간을 줄이는 합금 및 게이팅을 선택하십시오.

• 시뮬레이션을 사용하여 열 변형을 정량화하고 공구를 조정하십시오.

8. 표면 마감 문제 및 외관상 결함

표면 결함은 모래 결함, 금형 경계면의 가스, 불량 내화물 또는 오염된 용광로로 인해 발생할 수 있습니다. 예방 조치에는 엄격한 모래 관리, 건조하고 깨끗한 충전재, 내화물 유지보수, 유동 경로 표면에 불순물이 재침착되는 것을 방지하기 위한 여과 등이 포함됩니다.

9. 용융 처리 기술(플럭스, 탈기)

플럭스 함수 및 선택

알루미늄 용융물 처리를 위한 플럭스는 슬래그 제어, 탈산, 탈석회 및 용융물 화학 성분 정제를 위해 사용되는 무기염의 공학적 혼합물입니다. 고품질 입상 플럭스는 용융물을 덮어 산화를 억제하고, 드로스를 결합 또는 부상시키며, 미세 내포물의 응집을 촉진하고, 교반과 함께 사용할 경우 용해 가스 제거를 돕습니다. 적절한 플럭스 선택은 합금 계열, 작동 온도, 그리고 처리가 탈기, 정제 또는 화학 성분 조절을 위한 것인지에 따라 달라집니다.

가스 제거 방법

일반적인 탈기 방법에는 다음이 포함됩니다:

• 퍼지 가스 버블링불활성 가스(아르곤 또는 질소)를 용융 알루미늄에 주입하여 수소를 제거한다. 효과적이고 확장 가능하며 널리 사용된다.

• 로터리 가스 제거: 로터가 가스를 미세한 기포로 분산시켜 수소 포집 효율을 높입니다. 대용량 용광로에 적합합니다.

• 정제/고체 탈기제수소 응집을 돕는 가스를 방출하도록 반응하는 화학 정제. 소규모 작업장에 유용하지만 잔류물을 남길 수 있음.

• 진공 가스 제거: 수소 발생 촉진을 위해 압력을 감소시킵니다; 극히 낮은 수소 농도가 필요한 경우에 사용됩니다.

• 초음파 가스 제거음향 캐비테이션은 용해된 기체와 일부 내포물을 제거할 수 있으며, 틈새 응용 분야로 부상하고 있다.

각 공정은 장비 비용, 처리량, 작업자 숙련도 및 잔류물 측면에서 장단점이 존재합니다. 기계적 탈기, 가스 퍼징, 플럭싱 및 여과를 결합한 복합 프로그램은 대부분의 알루미늄 주조 공장에서 결함률을 실질적으로 가장 효과적으로 감소시킵니다.

10. 여과 기술 및 배치

세라믹 폼 필터가 널리 사용되는 이유

알루미나 기반 세라믹 폼 필터는 높은 다공성과 복잡한 경로를 제공하여 마이크론 크기의 입자까지 포집하고 난류를 층류로 전환합니다. 열적 안정성과 내식성을 갖추어 알루미늄 합금 주조 공정에서 신뢰할 수 있는 선택지입니다. 이 공정에서는 불순물 제거와 유동 안정화가 산화물 유입 방지 및 하류에서의 난류 재산화 감소에 핵심적입니다. 적절히 사양된 세라믹 폼 필터는 불순물 발생량을 획기적으로 감소시키고 하류 기계적 성능을 향상시킵니다.

실용적 고려 사항

• 처리량과 포집 효율 사이의 균형을 이루는 기공 크기와 다공성 등급을 선택하십시오.

• 필터를 게이트 시스템 상류에 배치하고, 잘 설계된 주형 또는 텅디시 내부에 위치시켜 표면만 걸러내는 것이 아니라 용융 금속의 대량 흐름을 직접 감지하도록 하십시오.

• 안전한 장착을 보장하고 예열 충격이 최소화되도록 하여 조기 파손을 방지하십시오.

• 정해진 일정에 따라 교체하고, 추적성 문서의 일환으로 필터 사용량을 기록하십시오.

11. 공정 설계: 게이트, 배기, 냉각부, 시뮬레이션

우수한 열 및 유동 설계는 용융 처리가 결정적 요인이 되기 전에 많은 결함을 방지합니다. 핵심 기술:

• 유동성을 원활하게 제어하고, 테이퍼 처리된 주입구를 사용하며, 적절한 크기의 러너를 적용하여 난류와 접힘 현상을 방지하십시오.

• 금형 캐비티에서 공기와 가스가 배출될 수 있도록 통풍구와 배출 경로를 마련하십시오.

• 냉각 및 방향성 응고를 적용하여 라이저로의 수지 공급을 촉진한다.

• 주조 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 핫 스팟, 난류 및 충전 거동을 예측한 후, 금형 설계를 반복적으로 개선합니다.

시뮬레이션과 파일럿 시험을 병행하면 위험한 형상 문제를 신속하게 발견할 수 있으며, 이를 통해 높은 불량률을 초래하는 형상 문제를 사전에 방지할 수 있습니다.

12. 검사, 측정 및 제어

현대 주조 공장은 계층적 제어 방식을 사용합니다:

• 인라인 모니터링수소 측정, 온도 기록, 및 플럭스 적용 기록.

• 비파괴 검사X선 방사선 촬영, 초음파 검사, 균열 검사를 위한 염색 침투 검사, 그리고 중요 부품을 위한 CT 스캐닝.

• 파괴적 시료 채취공정 심사 시 금속 조직 절단 및 내포물 분석.

• SPC주요 매개변수(수소 ppm, 용융 온도, 여과 주기, 탈기 시간)에 통계적 공정 관리를 적용한 후 지속적인 개선을 추진한다.

13. 문제 해결 매트릭스 (실행 가능한 표)

표: 일반적 결함의 근본 원인 점검표

표: 여과 및 탈기 선택 빠른 참조

(이 표들을 시작 체크리스트로 사용하십시오; 합금 및 부품 크기에 맞게 조정하십시오.)

14. 실무 실행 계획 및 애드테크의 적용 범위

AdTech는 각 제어 계층에 부합하는 장비 및 소모품을 제조합니다:

• 탈기 스테이션로터리 탈기 장치 및 퍼지 시스템은 용해 수소를 감소시키고 일관성을 향상시키도록 용해로 처리량에 맞춰 설계됩니다. 제어된 불활성 가스 주입 및 자동 교반과 결합할 경우, 무작위 기공을 유발하는 변동성을 낮춥니다.

• 입상 플럭스 제품 라인단시간 처리 조건에서 비금속성 물질의 응집 및 수소 제거를 돕고, 피복 및 슬래그 결합을 위한 특수 설계된 플럭스 혼합물. 적절한 첨가 기술과 레시피 선택은 산화 및 드로스 형성을 줄입니다.

• 세라믹 폼 필터 플레이트애드테크의 발포 필터는 산화물과 입자를 포집하는 동시에 층류 흐름을 생성하여 이중막 접힘을 방지합니다. 올바른 필터 선택과 안전한 설치로 주물 내 불순물 함유량이 현저히 감소하고 인장/피로 특성이 개선됩니다.

구현을 위한 제안 프로그램

1. 감사: 기준 수소 ppm 측정, 포함률, 불량 사유.

2. 파일럿: 튠디쉬에 세라믹 폼 필터를 추가 설치하고, 기존 공정과 병행하여 50~200회 주조 시 운영한다. 내포물 발생 횟수와 기계적 시험 결과를 기록한다.

3. 검증: 회전식 탈기 및 표준화된 플럭스 첨가 도입; 수소 추이 모니터링.

4. 제어: 센서, SPC 및 작업자 교육을 통합하고, 각 열처리 공정별로 추적 가능한 로그를 유지 관리합니다.

이 체계적인 접근 방식은 변동성을 줄이고 문제 해결을 훨씬 용이하게 합니다.

15. 수리, 유지보수 및 운전자 교육

• 플럭스는 건조한 상태로 밀폐 용기에 보관하십시오. 덩어리지거나 변색된 제품은 사용하지 마십시오.

• 필요한 경우 필터를 예열하고 균열 여부를 점검하십시오. 절대 차가운 필터를 강한 유량에 강제로 장착하지 마십시오.

• 수소 분석기를 교정하고 결과를 기록하십시오.

• 조종사들에게 부드러운 주입, 국자 취급 방법 및 계기값이 편차 발생 시 신속한 시정 조치에 대해 교육하십시오.

16. 규제, 사양 및 조달 관련 참고 사항

• 하류 고객사가 기공률 감소 또는 추적성을 요구하는 경우, 구매 주문서에 여과 및 탈기 요구사항을 명시하십시오.

• 비파괴검사 수준(예: 방사선 촬영 품질 수준)과 연계된 합격 기준을 포함하고, 용융 처리 기록을 문서화하여 제출하도록 요구한다.

• 항공우주 또는 중요 응용 분야에서는 플럭스 배치 및 필터에 대한 분석 증명서를 유지하십시오.

17. 각 생산 교대 전 신속 결정 체크리스트

1. 용광로 및 래들 내화물 상태를 확인하십시오.

2. 충전 상태를 확인하고 재료 건조 상태를 점검하십시오.

3. 용융 온도를 확인하고 기록하십시오.

4. 기준 수소 ppm 기록; 임계값 초과 시, 탈기 처리.

5. 필터 및 탈기 장비가 설치되어 있고 정상 작동하는지 확인하십시오.

6. 게이팅 공구 및 라이저 패턴이 검증된 도면과 일치하는지 확인하십시오.

7. 모든 편차를 문서화하십시오.

18. 자주 묻는 질문

Q1: 내부 다공성을 줄이는 데 가장 효과적인 단일 조치는 무엇입니까?
A1: 용융물 내 수소 제어는 탈기(회전식 또는 퍼지 가스)와 함께 습기 유입을 체계적으로 방지함으로써 다공성 위험을 가장 크게 단일 감소시킵니다. 효과 확인을 위해 수소 측정기를 사용하십시오.

Q2: 우수한 필터가 모든 다공성을 제거할 수 있습니까?
A2: 필터는 불순물을 제거하고 층류 흐름을 촉진하여 산화물 포집을 방지합니다. 필터는 용해된 수소를 직접 제거하지 않으므로, 가스 다공성을 제거하기 위해서는 여과가 필요하지만 단독으로는 충분하지 않습니다. 필터는 탈기 및 적절한 금형 설계와 함께 사용해야 합니다.

Q3: 세라믹 폼 필터는 얼마나 자주 교체해야 하나요?
A3: 제조업체 지침 및 생산 기록에 따라 필터를 교체하십시오. 연속 주조 라인의 경우, 주조 횟수와 관측된 차압을 기준으로 교체 일정을 수립하십시오. 시험 가동 중 필터 수명을 추적하여 맞춤형 교체 주기를 설정하십시오.

Q4: 플럭스는 사용하기에 안전한가요? 그리고 어떻게 취급해야 하나요?
A4: 고품질 플럭스는 주조용으로 제조되었으나 개인 보호 장비(PPE)를 착용하고 취급해야 합니다. 건조한 환경에 보관하고, 적용 비율을 준수하며, 잔류물을 남길 수 있는 과다 첨가를 피하십시오. 공급업체는 사용 지침을 위한 안전 데이터 시트(SDS)를 제공합니다.

Q5: 대량 자동차 주조에는 어떤 탈기 방법이 가장 적합합니까?
A5: 제어된 퍼지 가스와 결합된 회전식 탈기 시스템은 효율성, 속도 및 연속 가동 사이의 균형을 이루기 때문에 대량 작업에 대한 업계 표준입니다.

Q6: 다공성이 수축으로 인한 것인지 가스로 인한 것인지 어떻게 알 수 있나요?
A6: 기공은 일반적으로 구형이며 고르게 분포하는 반면, 수축공은 불규칙한 형태로 응고 열점 부위에 위치한다. 금속 조직학, X선 분석 및 절편 분석을 통해 이를 구분할 수 있다. 수소 측정도 기공 발생 원인을 명확히 하는 데 도움이 된다.

Q7: 세라믹 필터가 용융물의 화학적 성질에 영향을 미치나요?
A7: 고품질 세라믹 필터는 알루미늄 합금에 대해 화학적 비활성을 가지며 용융물 성분을 실질적으로 변화시키지 않습니다. 해당 합금 계열에 대한 호환성이 입증된 필터를 선택하십시오.

Q8: 플럭싱이 탈기를 대체할 수 있습니까?
A8: 플럭싱과 탈기는 서로 다른 메커니즘을 다룹니다. 플럭스는 슬래그 제거를 돕고 기포 응집을 촉진할 수 있으나, 기계적 탈기 방법으로 달성되는 낮은 수소 수준을 거의 구현하지 못합니다. 품질이 요구될 경우 양쪽 방법을 모두 사용하십시오.

Q9: 주조 알루미늄에서 수소의 실용적 한계치는 무엇인가요?
A9: 목표 수치는 합금과 용도에 따라 달라집니다. 많은 업체들은 일반 산업용 주물에 대해 용융 상태에서 수소 함량을 0.2–0.3 ml/100 g 미만으로 유지하는 것을 목표로 하며, 중요 부품의 경우 훨씬 더 낮은 수치를 요구합니다. 최종 합격/불합격 기준은 고객이 정의한 사양을 따르십시오.

Q10: 추적성을 위해 어떤 측정 및 기록 관리가 유지되어야 합니까?
A10: 용광로 ID, 투입 재료, 플럭스 배치, 수소 측정값, 탈기 사이클 파라미터, 필터 유형 및 일련번호 또는 배치 번호, 주입 시간, 비파괴 검사 결과를 기록합니다. 이러한 기록은 근본 원인 분석 작업 및 고객 감사에 활용됩니다.

19. 실행 사례 연구

중형 주조 공장은 세 가지 개선 사항을 도입한 후 내부 기공 불만 건수를 70% 감소시켰다: 모든 용해 공정에서 자동 회전식 탈기 장치 적용, 각 합금 계열별 표준화된 입상 플럭스 투입, 주입 스테이션에 세라믹 폼 필터 개조 설치. 해당 공장은 수소 모니터링을 추가하고 3개월간 수소 ppm에 대한 SPC 차트를 작성했으며, 데이터는 지속적인 감소와 X선 검사 불합격률 감소를 보여주었다.

20. 최종 권고사항 및 체크리스트

• 용융물 청결을 최우선 방어선으로 삼으십시오: 건식 충전, 용로 분위기 제어.

• 복합적 전략을 활용하라: 탈기 + 플럭스 + 여과는 품질 향상에 시너지 효과를 발휘한다.

• 중요 제어 장치(수소 계량기, 온도 기록기)에 계측 장비를 설치하십시오.

• 공구 설계 초기 단계에서 시뮬레이션을 적용하여 열적 핫스팟을 제거하십시오.

• 각 열처리 공정별로 추적성 기록을 유지하여 신속한 근본 원인 해결을 가능하게 하십시오.