In the search for improved alloy properties, several solidification processing techniques have been developed. Among them, the squeeze casting process, combining advantages of the casting and forging processes, has been widely used to produce quality castings and offers high productivity and excellent near-net-shape formability. Because of the high pressure applied during solidification, porosities caused by both gas and shrinkage can be prevented or eliminated. The cooling rate of the casting can be increased by applying high pressure during solidification, since thermal contact between the casting and the mould is improved by pressurization, which results in the formation of fine-grained structures.
However, due to the macro-segregation formed in the squeeze castings, both macro-structures and mechanical properties are become nonuniformed. Mechanical properties is easily changed by even small manufacturing deflection and it cost high to determine proper manufacture processing variables by using try-error method, but it can not control manufacture processing variables precisely yet.
In this study, we developed the numerical model of solidification in direct squeeze casting. The proposed model is able to consider the relationships not only between the pressure and heat transfer coefficient of metal-mould interface, but also between the solid fraction and maximum resistance stress. We solved numerically one-dimensional and two-dimensional model and found a critical pressure to disappear shrinkage defects. Additionally, we explained a cause of macro-segregation. We proposed this model to design a permanent mould in direct squeeze casting.
합금의 물리적, 기계적 성질을 개선하기 위해 여러 응고 기술이 개발되었고, 그 중에서 단조와 주조의 장점을 합친 용탕단조 기술이 높은 생산성과 near-net shape 형태로 생산할 수 있어 널리 사용되고 있다. 또한, 높은 압력이 가해짐으로써 기공이나 수축 결함이 응고되는 동안 제거되거나 방지될 수 있고, 금형과 용탕사이의 접촉이 개선되어 빠른 냉각속도를 가지게 되어 매우 작은 결정립계를 가지게 된다.
위와 같은 장점에도 불구하고 용탕 단조 중에 발생하는 거시 편석으로 인해 거시 조직과 기계적 성질이 불균일하게 된다. 작은 제조 편차에도 기계적 성질이 크게 바뀌게 되고, try-error 방식으로 제조 공정 변수를 찾게 되어 생산 비용이 증가하게 된다. 하지만 아직까지 제조 공정 변수의 효과를 명확하게 이해하지 못하여 확실한 방향으로 제어할 수 없었다.
따라서 본 연구에서는 위와 같은 단점들을 개선하고 이해하기 위해 직접가압방식 용탕단조 응고에 대한 수치해석 모델을 개발하였다. 제안된 모델은 금형과 용탕사이의 열전달 계수와 압력과의 상관관계 모델, 고상의 체적 분율과 최대 저항응력과의 상관관계 모델을 포함하고 있다. 1차원, 2차원 모델을 구성하여 수치해석을 하였고 수축 결함이 사라지는 임계 압력을 구할 수 있었으며, 거시 편석 원인에 대해 이해할 수 있었고, 앞의 결과를 토대로 직접가압방식 용탕단조의 금형 설계에 대한 모델을 제안하였다.
