공학기초설계 레포트신소재공학과, 2016146본 실험에서 사용한 합금은 A356합금이다. A356 합금의 활용 분야에 대해 설명해라A356합금은 Al-Si계 합금으로 알려져 있다. Al-Si계 주조합금은 유동성, 충진성 및 내마모성이 우수한 장점으로 인해 우수한 기계적 성질을 가진다. 그 중 A356합금은 Cu가 0.2%, Mg 0.2%~0.4%, Si 6.5~7.5%, Ti 0.25%, Mn 0.1%, Zn 0.1%, Fe 0.2% 나머지 Al의 composition으로 이뤄지는 합금이다. A356은 주조성이 우수하고 값싸고 중량대비 높은 강도를 지니고 있어 중력주조용 합금으로 널리 사용되고 있다. 그러나 온도 상승에 따라서 고온에서 강도가 현저히 저하되는 특징을 보일 수 있다고 한다. 그것은 A356의 미세조직이 달라지는 것이 기계적 특성에 큰 영향을 미치는 데서 기인하기 때문에 주조방법 및 냉각조건, 온도 등이 A356합금의 기계적 특성에 중요한 영향을 미치는 것으로 보인다. 이런 단점에도 이 합금의 강점을 감안하여 A356은 높은 신뢰성이 요구되는 자동차, 헬리콥터, 항공기 및 기타 산업용으로 많이 사용되고 있다고 한다. [1][2]아래의 사진은 A356의 mechanical property를 room temperature에서 살펴본 paper[3]에서 나온 표이다.주조 재료의 응고과정에서 열전달 현상에 의해 열이 용탕 밖으로 방출된다. 이때, 열전달 현상에는 전도, 복사, 대류 세가지가 있다. 각각에 대해 설명해라.세 현상은 대략 중학교 과학시간부터 배우는 것으로 주로 예를 들어 전도는 금속막대에서 한쪽을 가열해도 가열하지 않은 다른 쪽까지 뜨거워지는 현상이며 그림처럼 다음과 같은 식을 만족한다.위 같은 경우는 금속 막대의 경우로 단순히 모델링하였지만 평면벽이라던가 다른 모델링으로 식을 정리할 수도 있다.대류는 물과 같은 유체가 상승과 하강을 반복하며 전체가 뜨거워지는 현상으로, 복사는 태양열이 진공에서도 열이 전달되어 지구가 뜨거워지는 현상 정도로 d에서의 경우, vibrational energy가 lattice를 통해서 전달되는 현상으로 이해될 수 있다. 이론적으로 0K보다 높은 온도를 갖는 solid의 각 원자들은 각각이 금속결합으로 완전히 고정되어 있지 않고 서로 용수철에 연결된 것처럼 bonding이 늘어났다 줄어들었다 하는 모습을 보인다. 이를 격자진동(lattice vibration)이라고 하는데 고체 물리에서는 이 격자 진동을 입자와 파동의 성격을 모두 갖고 있는 양자화된 알갱이인 phonon으로 설명하고 있다. 따라서 thermal energy conduction은phonon의 interaction으로 이해할 수 있고, solid의 phonon spectra를 분석하는 것이 중요하다.[4] 그리고 전도는 액체나 기체에서도 일어나는데 여기서는 분자들의 충돌과 확산에 의해서 전도가 이뤄진다. 대류(convention)의 경우는 유체가 열공급을 받았을 때 온도가 올라간 부분의 부피가 팽창하며 밀도가 낮아지고 팽창한 유체는 주변의 차가운 유체에 비해 가벼워졌기 때문에 상승하게 된다. 그리고 다시 차가워진 유체는 그 아래로 내려가며 위 그림처럼 과정이 반복되며 유체가 순환하는 모습을 보인다. 이 일련의 과정은 중력 등 특정 방향으로의 인력이 없으면 발생할 수 없는 현상이다. 대류현상은 지구의 기상 상태를 결정하는 중요한 요인이다. 적도에서 공기가 상승하고 극지방에서 공기가 하강하는 지구 대순환과 바다에서의 해류 등등으로 큰 규모의 에너지가 전달된다. 또한 태양에서도 핵융합 과정에서 발생한 에너지가 대류를 통해 태양 표면으로 전달된다. 이처럼 대류는 중요한 열전달 현상이다. 마지막으로 복사(radiation)은 열(heat)이 전자기파(electro-magnetic wave)로 전달되는 현상 또는 그 파동 자체를 의미한다.[5] 따라서 복사의 경우는 열이 전자기파의 속도 즉, 빛의 속도로 전달된다. 우리가 주로 접하는 thermal radiation은 적외선(infra-red)으로 인한 radiati외에도 라디오파, 마이크로파, 가시광선, 자외선, X선, 감마선이 있다. 그리고 태양을 비롯하여 여러 물질이나 물체에서 복사로 다양한 진동수, 파장의 전자기파가 방출되고 있다. 이는 흑체복사 스펙트럼을 통해서 확인할 수 있다. 복사는 전리성 복사와 비전리성 복사로 나뉘는데 전리성 복사는 X선 감마선 등 원자(atom)나 분자(molecule)의 전자(electron)을 excitation시켜서 분리시키고 ionize시킬만큼의 고에너지 복사를 얘기한다. 비전리성 복사는 electron을 excitation시키기에는 부족한 에너지를 갖고 있는 저에너지 복사를 얘기한다. 보통 thermal radiation은 비전리성 복사에 속한다고 볼 수 있는데, 전달된 에너지가 전자를 excitation시키지 못하여 열에너지로 변환되기 때문이다. 물론 그렇다고 전리성 복사가 열에너지를 전달하지 않는 것은 아니다.용탕의 경우는 담겨 있는 도가니 또는 금형과 전도현상으로 열전달을 하며 용융되어 있기 때문에 내부에서 유속은 느리지만 대류가 일어날 것으로 보이며, 고온의 상태이기 때문에 비교적 고에너지의 복사열을 내뿜을 것으로 보인다. 따라서 용탕을 다루는 사람은 복사열을 방지하기 위한 방호복을 입기도 한다.본실험에서는 중력 주조를 이용해 주조품을 만들었다. 주조에는 다양한 방법이 있는데 대표적인 주조법에 대해 2가지만 설명해라주조법에는 중력 주조, 저압 주조, 진공 흡입 주조가 있다. 중력 주조는 금속 및 금속 합금을 제조하는 알려진 공정 중 가장 오래된 공정이다.[6] 중력주조법을 금형주조법이라고도 하는데 가압 가스나 진공 또는 원심력이 가해지지 않고 중력만으로 도가니에서 금형(mold)으로 용탕을 쏟아 붓는 과정을 포함하기 때문이다. 이 주조 방법은 현재 Al, Mg, Cu등의 비철합금과 주철, 강철을 소재로 한 피스톤, 슬리브, 크랭크 케이스, 실린더, 베어링 등의 제조에도 널리 사용되고 있다. 이 주조법의 장점은 생산성이 높고 작업환경이 좋으며 조형면적이 작고 설비비가 적게 화, 흡수가스의 강제고용에 의한 핀 호의 감소 및 내압성 증가, 방향성 응고에 의한 미세한 수축공 감소에서 기인한다. 한편 이 방법의 단점은 금형 제작에 시간이 걸리고 금형 완성 후에도 양질의 제품을 확실히 얻기 위해서 시간이 걸려서 time cost가 큰 편이고 제품 중량의 상한이 있다는 점이다. (대개 50kg) 위에서 볼 수 있듯이 금형은 중력 주조에서 가장 중요한 요인 중 하나이다. 일반적으로 금형재료에 요구되는 성질은 내마모성이 크고 가공성이 좋고 열팽창률이 작고 온도 확산율이 높고 고온열파로에 잘 견디는 것이다. 중력주조법의 과정은 다음과 같다. 작업 시작 전 금형을 손질하고 도장을 한다. 도장 이후에 금형을 조립하고 예열한다. 그리고 금형에 용탕을 주입한다. 주물은 금형 내에서 되도록 단시간 내에 꺼내야 한다. 주물은 건조한 모래 속에 넣어 풀림처리한다.저압주조법은 밀폐된 용기 내의 용탕면에 비교적 작은 압력을 기체로 가하여 급탕관을 통해 중력과 반대방향으로 용탕을 밀어올려서 급탕관 위쪽에 설치된 금형에 주입하는 주조법이다. 저압주조장치는 아래 그림처럼 이루어져 있다.밀폐된 도가니내에서 공기를 주입하며 용탕면에 0.2~0.9kg/cm2 정도의 압력을 서서히 가하면 용탕은 급탕관 내를 상승하여 그 위쪽에 있는 주형 내로 밀어 올려져 주형 내 공간을 채우게 된다. 시간이 지난 뒤 압력을 제거하면 주형 내의 용탕은 응고한 상태로 있지만 급탕관 내의 용탕은 용융되어 있는 상태로 있기 때문에 용탕은 다시 도가니로 되돌아간다. 주형은 그 상태대로 어느 정도 유지하며 냉각되기를 기다렸다가 열어서 제품주물을 꺼낸다. 그 다음 주형을 청소하고 다시 주형을 조립한 다음 주조작업을 반복하는 식으로 과정을 진행한다. 저압 주조에서는 주형을 금형, 쉘주형, 흑연주형 등등을 사용할 수 있다. 저압주조법의 장점은 주조회수율이 높고 깨끗하고 불량이 적은 주물이 얻어지며 치수가 정밀하고 표면이 깨끗하며 가공비가 절감되고 용탕주입 속도를 자유롭게 제어할 수 있으며 장치 및 조작의 생산성이 그다지 좋지 않다는 점, 주조할 수 있는 합금의 종류에 제약이 있다는 점, 섬세한 과정이기 때문에 엄밀한 관리가 필요하다는 점 제품의 모양상 중간에 좁은 목이 있으면 용탕이 잘 올라가지 않는다는 점이 있다.[7]Reference[1] 오민주. (2011). 절연슬리브가 A356 알루미늄 합금의 응고과정에 미치는 영향에 대한 연구, 석사학위논문, 인하대학교, 인천.[2] 산업자원부. (2007). 자동차 부품용 내열 내마모 알루미늄합금제조 기술지원, Retrieved from http://www.itfind.or.kr/Report02/201112/KIAT-0911.pdf, 15 September 2019[3] Chen, H., Zhou, J., Sheng, J., Meng, X., Huang, S., & Xie, X. (2016). Effects of Warm Laser Peening on Thermal Stability and High Temperature Mechanical Properties of A356 Alloy. Metals, 6(6), 126.[4] Hahn, D. W., & Özisik, M. N. (2012). Heat conduction. John Wiley & Sons.[5] Weisstein, Eric W. 11 (14 January 2014). "Radiation". Eric Weisstein's World of Physics. Wolfram Research. Retrieved from http://scienceworld.wolfram.com/physics/Radiation.html[6] Pratip Kumar Gupta; J.E. Mannar (1969). Recent Developments in Non-ferrous Metals Technology: Nickel, lead, zinc, rare earth, and nuclear metals. National Metallurgical Laboratory (India). p. 1htm
축전기와 전기용량학과 : 신소재공학부분반 : PHY1012-05작성자 : 2016146작성일자 : 2016.10.09.공동실험자 :5. 실험 결과간격 고정, 전압 변경r(mm)d(mm)V(kV)m(g)CC_theory7564-2.61-2.60-2.681.93305E-112.60777E-117566-6.56-6.55-6.532.13858E-112.60777E-117568-12.11-12.2-12.152.23318E-112.60777E-1175610-20.23-20.22-20.202.37748E-112.60777E-11전압 고정, 간격 변경r(mm)d(mm)V(kV)m(g)CC_theory7568-12.11-12.2-12.152.23318E-112.60777E-117588-7.40-7.43-7.411.81627E-111.95583E-1175108-4.85-4.83-4.831.48123E-111.56466E-1175128-3.37-3.38-3.401.24338E-111.30389E-11전압 고정, 간격 변경(극판 넓이 변경)r(mm)d(mm)V(kV)m(g)CC_theory5368-6.54-6.52-6.521.19928E-111.30226E-115388-3.82-3.84-3.829.37533E-129.76698E-1253108-2.50-2.49-2.487.62563E-127.81359E-1253128-1.78-1.78-1.776.52925E-126.51132E-12전압&간격 고정, 유전체 삽입r(mm)d(mm)V(kV)m(g)CC_theory756(6air)6-6.56-6.55-6.532.13858E-112.60777E-11756(3air+3acryl)6-20.01-19.92-19.586.47998E-113.75051E-11756(3air+3glass)6-21.76-21.77-21.827.11589E-114.42531E-116. 실험 결론위의 극판에 의해 아래 극판에 가해지는 힘의 크기를 통해 구한 평행판축전기의 전기용량은 두 극판 사이의 전압과는 무관하며 두 극판 사이의 거리에 반비례함을 알 수 있었다. 또한 두 극판 사이가 공기로 채워져 있을 때 보다 유전체를 삽입했을 때 전기용량이 증가함을 알 수 있었다.7. 토의 및 건의사항평행판 축전기의 이론적인 전기용량은 두 대전된 극판 사이의 전기장이 두 극판 사이의 공간에 균일하게 분포하는 경우에 성립하고, 또한 증명 과정에서 균일하게 분포함을 설명하기 위해 무한평면의 대칭성을 이용한다. 하지만 실제 축전기에서는 모서리에 다가갈수록 대칭성이 줄어들어 이론적인 전기용량과는 다른 모습을 띄게 되고, 이는 오차의 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 평행판 축전기의 두 극판을 전자저울보다 크게 만들고, 실험장치 최외각에 두 극판에 해당하는 부분만 뚫려있는 무한평면을 설치할 수 있다. 이렇게 하면 두 극판의 가장자리 그리고 그 밖에서도 두 극판 내부와 같은 전기장이 형성되기 때문에 실험장치의 구성 및 방전이 까다로운 대신에 가장자리에 의한 오차를 줄일 수 있다. 또한 두 극판이 완전히 평행한가, 그리고 완전히 수직선상에서 같은 위치에 위치한가도 오차의 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 원통형 강체로 두 극판을 감싸서 위치를 고정할 수 있다.
![[연세대학교 공학기초설계] 주물제작, 2019년 제출 버전](https://image4.happycampus.com/Production/thumbnail/2019/12/11/data23685322-0001.jpg)
