The application of Lost Foam Casting(LFC or EPC(Evaporative Pattern Casting)) is increasing worldwide as it can make complex shaped casting in one step and requires no sand binders resulting in cost savings and less environmental problems. Although LFC has a high production cost per kg casting it can save cores, finishing and assembly costs.
As Al-melt has a high solubility of hydrogen the hydrogen atoms in the gas or liquid phase of decomposed polymers can diffuse into Al melt, which can cause hydrogen gas pores in castings. However there seems to be no systematic work on this hydrogen pick-up during Lost Foam Casting of Al alloys.
This thesis deals with two materials, A356 Al alloy and AZ91H Mg alloy, and is composed of three parts for Al alloy and one part for Mg alloy. In studies for Al alloy, the main topics are about the pore formation characteristics, the melt flow behavior (containing the fluidity) and the derivation of flow length equation, which last two topics were dealt in one chapter in the terms of melt filling. The pore formation characteristics and fluidity of Mg alloy will be represented in the final chapter.
1) In the first part of this thesis, the hydrogen gas pore formation behavior during LFC of Al alloy was investigated by Reduced Pressure Test and real casting in which parameters were casting thickness, pouring temperature and mold-flask evacuation pressure, etc. Also, the effects of pouring direction and coating thickness were investigated and the results are following.
The initial hydrogen concentration of the melt and the contact time between melt and polystyrene had a main effect on the hydrogen gas pick-up of Al melt. The hydrogen gas pick-up of Al alloy depended also on pouring temperature and a proper metal front temperature gave the minimum hydrogen pick-up. At a low pouring temperature, the hydrogen went into the melt mainly from entrapped liquid product of polystyrene but at high pouring temperature it was caused by the entrapments of gas as well as the liquid product, assisted by the turbulent motion of the melt and slow cooling. The mold-flask evacuation down to 710 torr decreased the gas porosity down by around 0.4vol%. The coating thickness had a great effect because it affects the filling time and the easiness for the removal of liquid polystyrene. Also, the downward filling gave the lower porosity due to more rapid filling comparing with that of upward filling.
2) In the second part of this thesis, the effects of casting condition and hot melt glue during LFC were investigated on the fluidity of Al alloy melt. Parameters were similar with those of the study for the pore formation characteristics. The characteristics of Al melt flow and kinetic zone(gas+liquid product) were investigated by methods of the temperature measurement and the visualization of the melt flow using the quartz window and high speed camera. Also, the effect of hot melt glue was investigated by increasing the hot melt barrier thickness on fluidity and the results are following.
The fluidity increased linearly with increasing pouring temperature in thick castings but non-linearly in thin castings due to the difference in main heat flow direction. The metal flow velocity was in a range of 5~27mm/s in no evacuation condition and the minimum value of it was measured after the melt flow through the hot melt barrier. The mold evacuation improved the metal flow velocity by around 5~10mm/s. And the kinetic zone layer thickness was about 10mm in no evacuation condition but about 6mm in mold evacuation condition of 710torr due to the easier removal of pyrolysis products of EPS. And the hot melt barrier thickness of 0.6mm increased the kinetic zone layer thickness up to about 25mm. The fluidity decreased remarkably with an enlarged thickness of hot melt due to the formation of a lot of pyrolysis products.
3) In third part of this thesis, the modified flow length equation from Pan's equation was derived. Pan's equation only considers the back pressure term in the calculation of melt flow velocity, but our flow length equation considers both of the evacuation pressure term and the coating property in addition to back pressure term. It gave somewhat more exact calculated values of flow lengths compared with those of Pan's results. Also. it demonstrated that the heat transfer coefficient between the melt and mold increased as the evacuation pressure increased, as mentioned by Z. Liu. Most of all, the important thing is that the new melt flow velocity equation considers the evacuation pressure although the flow velocity in the Pan's equation has a constant value regardless of evacuation pressure and coating property.
4) The pore formation characteristics and fluidities of Mg alloy were investigated during Lost Foam Casting. In LFC of Mg alloy, there were much lower porosities in comparison with those of Al alloy, Also, the proper pouring temperature gave the minimum porosity like Al alloy. But it was higher than that of Al alloy due to the poorer fluidity of Mg alloy. And the pore formation mechanism of Mg alloy in LFC was similar with that of Al alloy but the critical temperature showing the different mechanism increased by around 30-50℃ from that of Al alloy. The mold evacuation gave the lower porosity due to the reduction of polystyrene pyrolysis products, shrinkage defects. Also, there was a proper evacuation pressure. But much higher vacuum degree gave the severe entrapment of polymer pyrolysis products. The reason that Mg alloy in LFC had the lower porosity compared with that of Al alloy was primarily thought to be resulted from the unique solubility characteristics such as the extra solubility.
Now, the study on LFC of Mg alloy has began worldwide, especially in the automotive and aerospace industry parts. From our results that Mg alloys can have the much lower pore defects compared with Al alloy, the worldwide application of LFC for Mg alloys is expected by applying the proper evacuation pressure to improve the fluidity.
소실모형주조 법은 복잡한 모양의 제품을 한번에 주조할 수 있는 방법으로서 전세계적으로 그 응용이 증가하고 있고, 비점결사를 쓴다는 점이나 비용을 줄일 수 있는 등의 장점이 있다. 그러나 소실모형주조에서 주형재료로 사용되는 발포 폴리머는 대개 탄소와 수소로 구성되어 있고, 특히 알루미늄합금과 같은 수소가스에 취약한 재료에서는 발포 폴리머로부터 분해된 수소가스에 의한 수소기포의 형성이 우려된다. 그러므로 본 연구는 소실모형주조공정에서 발생하는 기포형성특성을 조사하였다. 이 논문에서는 A356 Al합금과 AZ91H Mg합금 두 가지를 다루고 있으며 각각의 합금에 대해서 소실모형주조 시 기공형성특성과 유동특성을 조사하였다. 특히 알루미늄합금의 경우에 소실모형주조에 적합한 유동도식의 유도를 다루었다. 1) 알루미늄합금의 소실모형주조 시 기공형성특성이 조사되었고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 알루미늄합금의 기포형성은 초기 용탕의 수소농도와 접촉시간에 의존하였다. 또한 주입온도에도 영향을 받았으며 최소 기공도를 보이는 적정주입온도가 존재하였다. 기공형성기구특성으로서 낮은 주입온도에서는 수소가스 기공은 주로 폴리머의 액체분해물의 포획에 의해 생성되었다. 그러나 높은 주입온도에서는 가스분해물과 소량의 액체 분해물의 포획에 의해서 생성되었고 느린 응고속도와 용탕의 와류거동도 영향을 주었을 것으로 판단되었다. 주형 내 감압은 기공도를 감소시켰고 이는 용탕선단에 형성된 분해물층의 신속한 제거에 기인한 것으로 사료되었다. 두꺼운 단열재의 코팅은 주입속도를 느리게 하고 반응시간을 증가시켜 기공도를 증가시켰으며 분해물의 코팅을 통한 제거에도 나쁜 영향을 미쳤다. 그리고 하주방식보다는 상주방식에서 더 작은 기공도를 보였으며 이는 상주방식의 경우에 하주방식보다 주입속도가 컸기 때문이다. 2) 알루미늄합금의 소실모형주조 시 유동도 특성은 다음과 같았다. 두꺼운 주조체에서는 주입온도가 증가함에 따라 선형적으로 증가하였으며 얇은 주조체에서는 비선형적 특성을 나타내었다. 용탕의 유동속도는 5~27mm/s정도였으며 hot melt로 접착한 부위에서 최소유동속도를 나타내었다. 주형 내 감압은 유도속도를 증가시켰으며 용탕선단의 반응층(Kinetic Zone)두께도 감소시켰다. Hot melt를 두껍게 하여 접착할수록 반응층의 두께가 증가하였고 이로 인해 급격한 유동도의 감소를 나타내었다. 3) 알루미늄 합금의 소실모형주조에 적합한 유동도 식이 Pan의 식을 개선하여 유도되었다. Pan의 식이 주조체의 형상과 back pressure만을 고려한 식이라면 개선된 식에서는 이들 조건은 물론 감압압력도 고려되었다. 실제 주조 예를 개선된 식에 적용한 결과 특히 주형 내 감압이 있는 경우에 Pan의 식보다 좀더 정확한 결과를 얻을 수 있었다. 또한 주형 내 감압이 코팅과 금속사이의 열전달계수 값을 증가시키는 Z. Liu의 이론을 개선된 식으로부터 증명할 수 있었다. 4) 마그네슘합금의 소실모형주조 시 기공형성특성과 유동특성이 조사되었고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다. 알루미늄합금과 비슷하게 최소기공도를 보이는 주입온도가 존재하였으나 알루미늄합금에 비해 더 높은 온도를 가졌다. 또한 기공형성기구특성에 있어서 액체분해물과 기체분해물의 영향을 구분하는 임계온도가 알루미늄합금에 비해 $30-50 ^{o}C$정도 더 높았다. 이러한 차이는 마그네슘합금의 나쁜 유동특성에 기인한 것으로 판단되었다. 주형 내 감압에 있어서도 최소기공도를 보이는 감압압력이 존재하였으며 너무 심한 감압은 오히려 큰 패턴분해물의 포획을 초래하였다. 현재 마그네슘합금에 대한 연구는 전세계적으로 시작단계에 있으며 본 연구가 마그네슘합금의 소실모형주조에 대한 연구에 도움을 줄 것으로 기대된다.
