주물에서 다공성을 방지하는 방법

주물 내 기공은 부품 강도를 약화시키고 압력 밀폐성을 저해하며, 불량품 및 재작업 비용을 증가시킵니다. 내구성이 뛰어나고 수율이 높은 주물을 생산하는 가장 빠른 방법은 가스 함량과 응고 공급을 체계적으로 제어하는 동시에 청정 금속 공정, 잘 설계된 게이트/배기 시스템, 적절한 여과 및 탈기, 그리고 표적 검사를 병행하는 것입니다. 다층적 프로그램—금속 정제(가스 제거 그리고 플럭스), 세라믹 폼 여과, 최적화됨 게이트 및 라이저, 금형 투과성 제어 및 공정 모니터링은 일반적으로 다공성 비율을 허용 가능한 수준으로 낮추거나 압력 유지 부품의 치명적 다공성을 제거합니다. 알루미늄 주조장의 경우, 불활성 가스 회전 탈기 공정과 고품질 알루미나 세라믹 폼 필터(AdTech 제조 제품 등)를 결합하고 엄격한 온도 및 배기 규율을 준수할 때 주조품의 완전성을 가장 크게 개선할 수 있습니다.

다공성이 중요한 이유

공극은 단순한 미관상의 문제가 아닙니다. 주물 내부의 미세한 공극은 인장 강도를 저하시키고, 피로 수명을 단축시키며, 밀봉면을 손상시켜 고객 반품이나 사용 중 고장을 초래합니다. 압력을 받거나 유체를 취급하는 부품에서는 고립된 공극조차도 누출이나 균열 발생 부위를 만들 수 있습니다. 경제적 영향은 측정 가능합니다: 일차 합격률 저하, 주조 후 수리 증가, 고객 신뢰도 상실 등이 발생합니다. 따라서 공극 방지는 모든 품질 프로그램의 핵심에 자리잡아야 합니다.

공극의 종류와 이를 식별하는 방법

가스 다공성

가스 기공은 내부 표면이 매끄러운 구형에 가까운 공동 형태로 나타난다. 이는 용해되거나 유입된 가스가 기포를 형성한 후 고화 전에 배출되지 않을 때 발생한다. 알루미늄 주물에서는 수소가 주요 원인이다. 전단면 또는 X선 촬영 시 관찰되는 무작위 분포의 미세 기공이 전형적인 징후이다.

수축 다공성

수축 공극(고화 공극이라고도 함)은 상변화 과정에서 금속이 공급되지 못하는 부위에 형성된다. 이는 코어나 두꺼운 단면과 같이 가장 늦게 고화되는 영역에서 상호 연결된 각진 공극 형태로 나타나는 경향이 있다.

유동 포획 다공도

금속의 난류 흐름으로 인해 갇힌 공기는 흐름 선을 따라 또는 단면이 급격히 변화하는 부근에 불규칙한 공동을 생성한다. 이는 종종 불량한 게이트 설계나 지나치게 빠른 주입 속도와 관련된다.

반응 다공성

금속과 금형 재료, 코어 바인더 또는 코팅 사이의 화학 반응으로 인한 국소적 표면 기공. 일반적으로 국소적으로 발생하며 표면에서 육안으로 확인 가능.

키홀링 및 금속학적 다공성

특정 합금 및 공정에서는 합금 또는 공정 특유의 기공 형태가 발생하며, 이는 금속학적 분석이 필요합니다.

표 1. 신속 식별표: 공극 유형, 일반적 원인, 특징적 외관

근본 원인에 대응하는 시정 조치

기공은 다음 세 가지 중 하나가 실패했기 때문에 발생합니다: 가스가 존재했으나 제거되지 않았거나, 금속이 응고 과정에서 공급되지 못했거나, 금형이 가스나 반응을 유발한 경우입니다. 아래는 실용적인 조치 지도입니다.

표 2: 원인-행동 매핑

금속 전처리: 탈기 및 플럭스 선택

탈기가 중요한 이유

액체 알루미늄 내 수소 용해도는 높으나 고체화 과정에서 감소하여 용액 내 수소가 기포 형태로 배출된다. 주조 전 용해 수소를 저감하는 것은 기공률을 낮추는 가장 효과적인 방안 중 하나이다. 고품질의 기밀성 알루미늄 주물의 일반적인 목표 수소 함량은 0.1 ml H2/100 g Al 수준이다. 이를 달성하기 위해서는 제어된 탈기 공정, 우수한 용해로 운영 기술, 건조한 원료 사용이 필요하다.

탈기 기술 및 최적 파라미터

• 회전 불활성 가스 탈기(로터): 로터를 통해 아르곤 또는 질소 기포를 주입하여 용해 가스를 제거합니다. 합금에 권장되는 온도 범위 내에서 작동하십시오. 많은 알루미늄 합금의 경우 최적의 탈기는 약 710~750°C에서 발생합니다.

• 진공 탈기: 공정 투자가 허용될 경우 깊은 가스 제거에 효과적이며, 진공과 교반을 결합합니다.

• 플럭스 보조 정제: 화학 플럭스(커버링 플럭스, 탈슬래깅 플럭스, 정제 플럭스)는 산화막과 중량 함입물을 제거하는 데 도움이 됩니다. 플럭스는 탈기 공정을 대체하지 않으며 이를 보완합니다. 휘발성 함량이 낮은 플럭스를 선택하고 공급업체 지침에 따라 적용하십시오.

실용적 참고 사항: 플럭스 과다 사용은 오염 물질을 유발할 수 있으므로, 사용량 지침을 준수하고 시료 채취 및 수소 측정으로 확인하십시오.

애드테크 제품의 적용 방식

애드테크의 입상 플럭스 제형은 산화막을 분해하고 스키밍을 용이하게 하면서 휘발성 잔류물을 최소화하도록 설계되었습니다. 재현 가능한 결과를 원하는 알루미늄 주조업체의 경우, 회전식 탈기기와 고순도 입상 플럭스를 결합하면 가스 관련 결함을 가장 크게 감소시킬 수 있습니다. 애드테크는 또한 탈기 효율을 확인하기 위해 정기적인 수소 측정(예: 감압 시험 또는 온라인 센서)을 권장합니다.

여과: 세라믹 폼 필터 및 배치 모범 사례

여과가 다공성을 감소시키는 이유

용융 금속을 여과하면 기공의 핵생성 부위 역할을 하거나 공급 경로를 차단하는 비금속성 내포물과 산화물을 제거합니다. 세라믹 폼 필터는 슬래그와 부서진 산화물 리본을 포집하면서 유동을 부드럽게 하여 난류를 감소시킵니다.

필터 선택 및 기공 크기

• 다공성 등급: 더 큰 유량을 위한 더 큰 기공, 중요한 용도를 위한 더 작은 기공. 여과 효율과 유량 제한 사이의 균형을 맞추십시오.

• 재료: 고순도 알루미나 세라믹 폼 필터는 알루미늄에 의한 부식을 방지하고 용융물을 오염시키지 않습니다. 알루미늄 주조용으로 인증된 필터를 사용하십시오.

올바른 위치 선정 및 충전 기술

• 용해 금속이 출구에서 위로 필터를 채우도록 하는 위치에 래들 또는 주입 시스템에 필터를 설치하십시오. 이는 난류를 줄이고 포집된 가스가 하류로 이동하는 것을 방지합니다. 필터 매트릭스에 공기가 포집되는 것을 방지하기 위해 필터를 바닥부터 천천히 채우십시오.

표 3. 필터 배치 체크리스트

애드테크의 알루미나 폼 필터 플레이트는 래들 또는 인라인 사용에 적합한 크기로 제작되며, 주입 시 필터 손상 가능성을 줄이기 위한 권장 충전 절차 및 백킹 프레임이 함께 제공됩니다.

용융물 취급, 이송 및 주입 기술

금속을 충전부터 금형까지 깨끗하게 유지하십시오

오염 물질은 충전 처리, 스크랩 첨가 및 이송 과정에서 유입됩니다. 덮개를 사용한 용융, 건조 스크랩을 사용하고, 플럭싱 및 스키밍을 엄격히 관리하십시오. 탄 플럭스 잔류물이나 슬러지를 재용융하지 마십시오.

이송 시스템

• 덮개가 있는 주걱과 주입관 공기 접촉을 줄이고 재산화를 제한하십시오.

• 제어된 주입 속도: 느림-빠름-느림 원칙을 적용하라: 액체가 안정되도록 천천히 시작하고, 난류 없이 채우기 위해 가속한 후 마무리 단계에서 속도를 줄인다. 갑작스러운 가속은 기포 유입을 유발한다.

주걱 및 주입 장비 위생

마모된 라이닝이나 스케일로 인한 오염을 방지하기 위해 주기적으로 래들 라이닝을 점검하고 알루미늄과 호환되는 알루미나 라이닝 또는 세라믹 코팅을 사용하십시오.

게이팅, 라이저 및 응고 제어

방향성 고형화를 위한 설계

라이저와 쿨러를 배치하여 금속이 수축을 보완할 수 있는 라이저 쪽으로 응고되도록 합니다. 시뮬레이션 도구를 사용하여 핫 스팟을 식별하고 중심선 수축을 방지하기 위해 형상을 수정합니다.

난류를 피하기 위한 게이트링

• 잘 형성된 주입구와 러너를 사용하여 층류 흐름을 생성하십시오.

• 공기 유입을 줄이기 위해 가능한 경우 바닥 또는 수중 게이트 방식을 고려하십시오.

• 필터를 추가하고 모서리에 부드러운 전환을 적용하여 와류를 제한하십시오.

라이저 크기 및 배치

라이저는 적정 용적과 열용량을 갖춰야 고형화를 촉진할 수 있다. 발열형 라이저나 단열 슬리브는 주조물이 고형화될 때까지 라이저 온도를 유지하는 데 도움이 된다. 적절한 라이저 설계는 고가의 후가공 없이도 고형화 기공을 제거하는 경우가 많다.

금형 재료, 투과성 및 코어 준비

모래의 수분 함량과 투수성을 조절한다

모래의 높은 수분 함량은 용융 금속과 접촉 시 증기로 변환되어 기공을 유발하는 가스를 생성합니다. 모래 수분, 바인더 수준 및 투과성을 지정된 범위 내에서 유지하고, 필요 시 코어를 공기 건조하거나 굽습니다.

코팅 및 코어 바인더

가스 발생을 최소화하고 사용 금속과 호환되는 코팅 및 코어 바인더 시스템을 선택하십시오. 신규 재료는 샘플 런에서 테스트하고 반응 다공성을 검사하십시오.

환기구 위치 및 설계

두꺼운 부분이나 밀폐된 영역에 배기구를 전략적으로 배치하여 갇힌 가스가 빠져나갈 수 있도록 하십시오. 영구 금형 공정에서는 배기구 드릴이나 메쉬 배기구를 사용하여 배출 경로를 개선하십시오.

공정 모니터링 및 비파괴 검사

공정 중 측정

• 수소 측정: 감압 시험, 고온 추출 또는 온라인 센서를 통해 탈기 목표를 확인합니다.

• 온도 기록: 주조 및 용융 온도를 합금별 범위에 맞춰 엄격한 범위 내에서 유지하십시오.

비파괴 검사 및 검사 전략

• X선 / CT 촬영: 중요 부품의 내부 다공성 매핑에 최적입니다.

• 초음파 검사: 더 큰 공극이나 박리 현상을 감지하는 데 유용합니다.

• 압력/누설 시험: 유체 또는 압력 유지 부품의 경우, 모든 부품에 대한 압력 시험이 필요할 수 있습니다.

통계적 공정 관리를 도입하여 불량 추세가 발생하면 폐기 수준이 증가하기 전에 조사가 이루어지도록 하십시오.

일반 공정 제어 체크리스트

표 4. 기공 방지를 위한 주조 일일 점검표

파운드리 구현 로드맵

1. 기준선 측정 주: 수소 수준, X선 불량률, 불량률 및 공정 매개변수를 수집합니다.

2. 빠른 성과 (2~4주): 탈기 프로토콜을 도입하거나 강화하십시오; 래들(용해로)에 세라믹 폼 필터를 설치하십시오; 명백한 배기 및 게이트 결함을 수정하십시오. 적절한 경우 AdTech 여과 및 플럭스를 사용하십시오.

3. 중기(1~3개월): 중요 부품에 대한 고체화 시뮬레이션을 실행하고, 라이저를 재설계하며, 주입 프로파일을 표준화하십시오.

4. 장기(3~12개월): 고급 부품의 경우 진공 탈기 공정을 고려하고, 수소 자동 모니터링을 실시하며, 필요 시 무공극 인증을 위한 HIP(고온 등방성 압력 처리) 도입을 검토하십시오.

열 가지 실용적인 사례

1. 자동차 휠 허브: 하향식 여과 및 로터 탈기 공정을 추가하여 다공성 관련 불량률을 65% 감소시켰다.

2. 압력 하우징: 진공 탈기 및 HIP 후공정을 적용하여 누출 방지 인증을 위한 거의 제로에 가까운 기공률을 달성했습니다.

3. 방열판 생산: 게이트를 하단 충전 방식으로 재설계하고 거친 필터를 적용; 유동 유입 다공성을 제거했습니다.

4. 시제품 모래 주물: 모래 수분 조절 및 통풍구 개선; 중요 표면의 반응 다공성 제거.

5. 대량 다이캐스팅: 진공 보조 적용 및 윤활제 관리 최적화; 두꺼운 보스 내부의 공극 감소.

6. 유압 밸브 본체: AdTech 알루미나 필터 및 정제된 플럭스를 채택; 첫 가동 시 압력 테스트 통과.

7. 휠 림 (LPDC): 시뮬레이션 기반 라이저 재설계와 향상된 용융물 청정도가 중심선 기공률을 감소시켰다.

8. 정밀 주조 부품: 공정 제어, 쉘 투과성 조정 및 진공 보조 충전으로 미세 다공성을 최소화하였다.

9. 항공우주용 알루미늄 주조: 복합 공정: 탈기, 여과, 정밀 열처리 및 비파괴 검사(NDT)를 거쳐 규격 충족.

10. 사후 수리: 비중요 부품의 불가피한 기공을 밀봉하기 위해 진공 함침을 사용함; 재설계가 불가능한 경우에만 적용함.

자주 묻는 질문

1. Q: 알루미늄 주물의 다공성을 줄이는 데 가장 효과적인 단일 조치는 무엇입니까?
   A: 주조 전 용존 수소 농도를 낮추기 위한 일관되고 조절된 탈기(회전식 또는 진공식).

2. Q: 세라믹 폼 필터가 정말로 다공성을 줄여주나요?
   A: 예. 산화물과 내포물을 포집하고 유동을 정돈함으로써, 핵생성 부위와 난류 관련 유입을 감소시킵니다. 필터를 올바르게 배치하고 채우십시오.

3. Q: 압력 밀봉 부품의 수소 함량은 얼마나 낮아야 합니까?
   A: 중요 부품의 경우 목표 수치는 대개 <0.1 ml H2/100 g Al이지만, 합금 및 고객 사양에 따라 확인해야 합니다.

4. Q: 주조 후 기공을 제거할 수 있나요?
   A: 일부 다공성은 진공 함침으로 밀봉하거나 HIP 처리로 제거할 수 있지만, 일반적으로 예방이 더 저렴하고 신뢰할 수 있습니다.

5. Q: 주조 온도를 높이는 것이 항상 도움이 될까요?
   A: 아니오. 과도한 온도는 가스 용해도와 산화물 형성을 증가시킵니다; 불필요한 과열 없이 합금의 유동성을 최적화하십시오.

6. Q: 특정 합금들은 기공이 더 잘 생기나요?
   A: 예. 알루미늄 합금은 수소 용해도와 고화 범위가 다양합니다. LPDC 및 특정 주철은 특정한 기공 위험이 있습니다. 합금별 제어 방법을 사용하십시오.

7. Q: 샘플 부품을 얼마나 자주 X-레이 촬영해야 하나요?
   A: 중요도, 고장 이력 및 통계적 공정 관리 요구사항을 기반으로 샘플링 빈도를 설정하고, 공정 변경 시 증가시킵니다.

8. Q: 플럭스만 사용해도 기공 문제를 해결할 수 있나요?
   A: 아니오. 플럭스는 산화물과 슬래그를 제거하는 데 도움이 되지만, 탈기 및 여과를 대체하지는 않습니다. 플럭스는 복합 프로그램의 일부로 사용하십시오.

9. Q: 기공 제어에서 게이팅 설계의 역할은 무엇인가요?
   A: 매우 중요합니다. 적절한 게이트 설계는 난류와 유입을 줄이고 방향성 응고를 지원하여 가스 공극과 수축 공극을 직접적으로 감소시킵니다.

10. Q: 다공성에 대해 HIP(열간 등방성 압축)을 고려해야 하는 시기는 언제인가요?
    A: 중요한 압력 부재 부품에 무공극성이 요구되고 재설계나 공정 변경으로 내부 공극을 제거할 수 없는 경우, HIP는 후처리 고밀도화 방법입니다.

공극 제거 최종 점검 목록

1. 기준선 수소, 스크랩 및 X선 불량률을 측정하십시오.

2. 탈기 레시피를 표준화하고 수소 측정값을 기록하십시오.

3. 세라믹 폼 여과 방식을 채택하고 하향식 충전 방식을 시행하십시오.

4. 시뮬레이션을 활용한 중요 부품의 리워크 게팅 및 라이저 전략 재설계.

5. 코어와 모래를 건조 및 시험하고, 결합제와 수분을 관리한다.

6. 커버가 있는 이송 장비를 사용하고 제어된 속도로 주입하십시오.

7. 비파괴 검사(NDT) 샘플링, 통계적 공정 관리(SPC) 및 시정 조치 트리거를 구현하십시오.

8. 용융물 주입량, 로터 타이밍 및 래들 위생에 관한 열차 운전사 교육.

9. 중요 부품의 경우 필요 시 진공 탈기 또는 고온 등방성 압축(HIP)을 평가하십시오.

10. 다공성 급증 발생 시 지속적으로 데이터를 검토하고 근본 원인을 분석하십시오.

마무리 사항: 실질적 우선순위

오늘 단 세 가지 변화만 시작할 수 있다면, 다음 순서대로 실행하세요:

1. 탈기 공정수소를 측정하고 제어한다.

2. 필터링금속 경로에 알루미나 세라믹 폼 필터를 설치하고 올바르게 사용하십시오.

3. 게이팅 및 라이징시뮬레이션을 활용하여 고온 지점을 해결하고 응고 과정 중 급여를 개선한다.