방향고체화

방향 고형화(DS) 및 진행 고형화는 주조물 내 고형화 유형이다. 방향 고형화는 주조물의 가장 먼 끝에서 발생하는 고형화로서 스프루를 향해 작용한다. 병렬 고형화라고도 하는 점진적 고형화는 주물의 벽에서 시작하여 그 표면으로부터 수직으로 진행되는 고형화다.^[1][2]

이론

대부분의 금속과 합금은 물질이 액체 상태에서 고체 상태로 변함에 따라 수축한다. 따라서, 이러한 수축에 대한 보상을 위해 액체 재료를 사용할 수 없는 경우 수축 결함은 형성된다.^[3] 점진적 고형화가 방향 고형화를 지배할 때 수축 결함은 형성될 것이다.^[2]

금형 공동의 기하학적 모양은 진행성 및 방향성 고체화에 직접적인 영향을 미친다. 터널형 기하학적 구조의 끝에서 분산된 열 흐름이 발생하여 주물의 해당 영역이 주변 영역보다 빠르게 냉각된다. 이를 엔드 효과라고 한다. 큰 충치는 열 흐름이 적기 때문에 주변 지역만큼 빨리 식지 않는다. 이것을 라이저 효과라고 한다. 또한 모서리가 서로 다른 열 흐름 영역 또는 수렴(핫 스폿이라고도 함)을 만들 수 있다는 점에 유의하십시오.^[4]

방향성 고체화를 유도하기 위해 라이저, 단열 슬리브, 주입률 제어, 주입 온도 조절 등을 활용할 수 있다.^[5]

방향 고형화는 정화 과정으로 사용될 수 있다. 대부분의 불순물은 고형화 과정에서 고체상보다 액체에 더 용해되기 때문에 고형화 전선에 의해 불순물이 '밀어내기' 때문에 완성된 주조물의 상당 부분이 공급원료보다 불순물 농도가 낮은 반면 마지막 고체화 금속은 불순물로 농축된다. 이 금속의 마지막 부분은 폐기하거나 재활용할 수 있다. 특정 금속에서 특정 불순물을 제거하기 위한 방향 고형화의 적합성은 Scheil 방정식으로 설명한 해당 금속의 불순물의 분할 계수에 따라 달라진다. 방향성 고체화(구역내 용해)는 태양전지용 다결정 실리콘 생산의 정화 단계로 자주 이용된다.^{[citation needed]}

미세구조적 효과

방향 고형화는 항공기의 터빈 엔진에 사용되는 고온 니켈 기반 슈퍼 알로이 주조 시 선호되는 기법이다. 거친 덴드리트 구조, 긴 덴드라이트 옆가지, 다공성 같은 일부 미세구조적 문제는 단일 결정 니 기반 합금의 전위성을 방해한다.^[6] 이러한 형태학은 고체화 전방에 앞서 녹는 용해에서 G가 온도 구배이고 V가 고체화 속도인 고체화의 G/V 비율을 보면 이해할 수 있다.^[7] 이 비율은 측면 가지가 있는 거친 덴드라이트의 정확한 미세 구조로 단일 결정 형성을 보장할 수 있는 범위 내에서 유지되어야 한다.^[8] 고체화 냉각 속도를 높이면 y 침전물의 미세화에 따른 방향 고형화에 의해 성장한 단일 결정체의 기계적 특성과 파열 수명을 더욱 향상시키는 것으로 밝혀졌다.^[9]

단일 결정의 방향성 고체화 성장에서는 녹은 금속이 금형/씨드 간격 사이의 틈새로 흘러 들어가 응고될 때 가짜 알갱이 핵이 생성된다.^[10] 이는 CMSX4와 같은 Ni 기반 슈퍼앨로이의 기계적 특성에 치명적이며, 국소 표면으로부터 <001>의 허용오차를 유지함으로써 최소화할 수 있다.^[11] 또한 방향 고체화 시작 블록에서 축방향 방향의 범위를 최소화하여 단일 결정체가 성공적으로 자라날 수 있도록 해야 한다.^[12] 이는 DS 스타터 블록의 방향 범위에 따라 어렵기 때문에 방향 제어가 큰 초점 영역을 이루게 된다.^[13]

Ti-Al 기본 합금에서, 항성 마이크로 구조는 항성 방향으로 비등방성 특성을 나타내며, 따라서 그 성장의 운동학과 방향은 그것의 기계적 특성을 최적화하는 데 필수적이다.^[14] 성층 구조가 성장 방향과 평행한 방향 고형화 성장을 선택하면 강도와 연성이 높아진다.^[15] 액체로 형성되지 않고 대신 고체상태에서 형성되기 때문에 이 국면을 촉진시키기는 더욱 어렵다.^[16] 이 난제를 극복하는 첫 번째 방법은 씨앗 재료를 사용하는 것인데, 이 재료는 원재료와 동일한 방향으로 가공하는 동안 적절한 방향을 가지고 새로운 라멜레를 만드는 것이다.^[17] 그것은 용융이 굳어지고 있을 때 올바른 방향을 따라야 하는 선례가 있도록 주요 물질 덩어리 앞에 배치된다.^[18] 종자를 사용하지 않을 경우 고강도 단일 항성 단계를 달성하는 또 다른 방법은 성장 방향을 따라 항성 구조를 지향하도록 하는 것이다.^[19] 그러나 이는 베타 단계의 주상적 성장에 이은 알파 위상의 등축 성장과 붕소와의 합금에서 냉각의 높은 열 경사로 인해 문제가 발생하기 때문에 고형화의 작은 창에서만 성공한다.^[20]

참조

참고 문헌 목록

• Chastain, Stephen (2004), Metal casting: a sand casting manual for the small foundry, Vol. II, vol. 4, Stephen Chastain, ISBN 978-0-9702203-3-2.
• Stefanescu, Doru Michael (2008), Science and Engineering of Casting Solidification (2nd ed.), Springer, ISBN 978-0-387-74609-8.

추가 읽기

• Campbell, John (12 June 2003), Castings (2nd ed.), Butterworth-Heinemann, ISBN 0-7506-4790-6.
• Wlodawer, Robert (1966), Directional solidification of steel castings, Pergamon Press.