Gating System Design and Casting Simulation for the Submarine Mast Cover

잠수함 마스트 커버의 주조방안설계 및 주조해석

Abstract

In this study, the sand casting process was applied to design the gating system and perform casting simulation in order to domestically produce the submarine mast cover. Based on simulation results, casting experiments were conducted to produce a soundness prototype. The design concept of the mast cover's gating system was based on the design of bell casting. By arranging eight tower-type gates in a circle at 45° intervals, the flow of melt flowing into each gate was uniform and did not mix with each other, and the velocity of melt was also uniform. The mast cover made of Ni-Al-Bronze alloy has no unfilled parts. However, small porosities and flow marks occurred on the surface in several places. Yield strength and ultimate tensile strength are 279.3 MPa and 675.7 MPa, respectively, and elongation is 21.2%.

1. 서 론

디젤잠수함에는 투렛(Turret)의 상부에 위치한 마스트 세트 (Mast set)가 있으며, 마스트 세트는 스노쿨(Snorkel), 잠망경(Periscope), 레이다(Radar) 등으로 구성된다. 스노쿨 마스터로부터 엔진을 구동시키기 위해 필요한 공기가 흡입되며, 잠만경 마스터는 목표물 확인 및 해상 관측 등에 활용된 다 [1,2]. 잠수함 마다 마스트 세트의 마스트 종류, 개수, 형상이 각기 다르다. 마스트는 선체와 핵심부품을 연결하는 중간체 역할을 한다. 잠만경 마스트의 경우 GPS 안테나가 연결된 헤드센서 조립품과 요크(Yoke) 사이에 연결되는데, 잠만경의 외부 및 내부 구성품이 마스트를 통하여 기계적/ 전기적으로 연결된다 [2,3].

잠수함의 잠항깊이는 보통 300~500 m 정도이며, 600 m 이상으로 잠항하는 잠수함도 있다. 잠항의 깊이가 깊어질수록 잠수함이 받는 외압의 크기도 선형적으로 증가하게된다. 마스트 세트는 잠수함에서 외팔보 형태로 설치되어있으므로 잠항시에는 가장 취약한 상태에 놓이게 된다. 그러므 로 마스트 세트의 주요 구성품을 보호하는 마스트 커버는 구조적 안전성과 높은 기계적 물성치가 요 구된다.

마스트 커버 재질은 우수한 내식성과 기계적 물성을 가지는 니알브론즈 (Ni-Al-Cu) 합금으로 제작된다. 니알브론즈 합금은 구리가 주성분이며, 국제선급연합회에서는 7-11%의 알루미늄, 니켈, 철, 망간이 함유된 합금을 대형 선박 프로펠러의 재질 규격으로 정하였다 [4]. 현재 잠수함 마스트 커버는 수입품을 사용하고 있으며, 원가 절감 및 품질 향상을 위해 국산화가 필요한 실정이다.

본 연구에서는 마스트 커버의 국산화를 추진하 고자 마스트 커버의 역설계를 수행하였으며, 제작 을 위해 사형주조(중력주조) 공법을 적용하였다. 사형주조 공법의 주조방안설계 및 주조전용해석 프로그램을 활용한 주조해석을 수행하였다. 설계 및 해석 결과의 데이터를 바탕으로 주조 실험을 진 행하였다. 제작된 마스트 커버의 기계적 물성치를 확인하고자 인장시험 및 경도 시험을 진행하였다.

2. 설 계

2.1 마스트 커버의 역설계

디젤잠수함의 잠망경 마스트 커버에 대한 역설 계를 진행하였다. 3D 스캔 작업을 수행한 후, 스캔 데이터로 부터 3D 모델링 작업을 수행하였다. Fig. 1은 역설계된 잠만경 마스트 커버의 형상 모 델링이다. 잠수함마다 마스트 커버의 형상은 각기 다르지만, 마스트 커버는 주요 구성품을 보호하는 역할이므로 속이 비어 있는 튜브 형태를 가진다. Fig. 1의 3D view와 Section B-B에서 확인할 수 있듯이 역설계된 마스트 커버는 단면이 타원 형상 인 튜브 형태이다. 단, 마스트 커버의 하단부는 요크와 연결되는 곳으로서 원형이며, 볼트 체결을 위한 26개의 볼트 구멍이 있다. 마스트 커버의 윗 부분인 Mast collar는 헤드센서 조립품과 연결되 는 곳으로서 ∅195.3 mm 구멍이 관통되어 있다.

Fig. 1 Shape modeling of mast cover

마스트 커버 길이는 1073.3 mm이며, 타원의 장축 및 단축 길이는 각각 334.7 mm, 259.7 mm 이다. 커버의 단면 두께는 단축 방향으로 24.1 mm이다. 그리고 장축 방향은 양쪽의 두께가 다 른데 한쪽은 23.1 mm이며, 반대쪽은 20.0 mm로 서 두께가 가장 얇은 부분이다. Mast collar는 헤 드센서 조립품과 연결하고자 단면의 두께가 다른 위치보다 조금 더 두껍다. Mast collar의 단면 두 께는 장축 및 방향으로 각각 32.2 mm, 30.2 mm 이며, 상단부는 41.4 mm이다. 마스트 커버의 체 적은 24,148,804.3 mm3이며, 니알브론즈 합금의 밀도 (7.58 g/cm3)를 적용한 무게는 183.0 kg이다.

2.2 마스트 커버의 주조 방안 설계

마스트 커버의 형상은 튜브이며, 크기가 대형이 므로 주조공법을 적용하여 제작해야한다. 그리고 니알브론즈 합금은 융점(Melting point)이 1000 ℃ 이상이므로 주조공법 중에서 사형주조공법을 선택해야한다. 역설계된 마스트 커버를 주조공법 으로 제작하기 위해서는 주조공정과 후처리공정으 로 제작공정을 나누어야 한다. 주조공정으로 기본 적인 형상을 제작하며, 후처리 공정으로는 볼트 구멍 등을 가공하는 방법으로 제작공정을 설계하 였다. 원활한 주물의 유입을 위해 마스트 커버의 하단부에 있는 볼트 구멍을 제거하였으며, 장축의 두께가 20.0 mm인 부분은 형상을 보강하였다.

사형(Sand mold)에는 주물이 흘러가는 경로로 서 주입컵(Pouring cup), 탕구계(Gating system), 제품(Casting), 압탕(Riser)으로 이루어지는 공동부 (Cavity)가 있다. 주물이 주입컵으로 부터 주입되 어 탕구(Sprue)를 통하여 하강하면 탕도(Runner) 를 지나고 주입구(Gate)를 통과하면서 제품부로 유입된다. 주물이 최종적으로 도착하는 곳은 압탕 의 상부이며, 작업자는 압탕 구멍으로 주물이 올

라오면 주물의 주입을 멈춘다. 사형의 공동부에서 주물이 원활하게 유동하기 위해서는 탕구계의 설 계가 중요하며, 방향성 응고를 위해서는 압탕의 설계가 중요하다 [5-7].

Fig. 2는 마스트 커버를 사형주조공법으로 제작 하기 위한 주조방안설계 모델링을 나타낸다. 니알 브론즈 합금은 비중이 상대적으로 높은 재질이므 로 주입구에서 유속이 증가하게 되는 가압식 탕구 계를 적용하였다. 설계안에 적용한 탕구계 단면적 비(S:R:G)는 1.00:2.88:4.80이다. 탕구계의 컨셉은 대 종(Bell)을 주조할 때 적용되는 설계안을 활용 하였다. 주입컵 직경은 ∅100 mm 이며, 탕구 직 경은 ∅40 mm이다. 탕구의 길이는 주입컵을 포 함하여 1428.3 mm이다. 탕도는 후라이팬 형상과 유사하게 설계하였다. 탕구와 연결된 부분은 원기 둥 형태로서 직경이 ∅32 mm, 길이가 187.5 mm 이다. 주입구와 연결된 부분은 둥근 띠 형태로서 section view에서 볼 수 있듯이 단면의 형상은 사다리꼴이다. 주입구는 단면이 사각형인 타워 형 상이며, 길이는 100 mm이다. 

Fig. 2 Gating system in casting for the mast cover

Top view에서 확인 할 수 있듯이 탕도와 연결되는 곳은 면적이 18.5 mm x 20.0 mm이며, 마스트 커버와 연결되는 곳 은 면적이 15.5 mm x 14.0 mm이다.mm x 20.0 mm이며, 마스트 커버와 연결되는 곳 은 면적이 15.5 mm x 14.0 mm이다. 주입구의 개수는 8개이며, 45° 간격으로 둥글게 배열되어 있 다. 설계된 탕구계 단면적비는 1.00:1.22:1.35이다.

압탕은 마스트 커버의 상단에 위치하며, 직경 및 길이는 각각 ∅30 mm, 200 mm이다. 압탕의 개수는 9개이며, 마스트 커버의 사이드에 8개를 배치하였으며, 중심에 1개를 배치하였다. 마스트 커버는 튜브 형상이므로 마스트 커버의 공동부 내 부로 core 몰드를 삽입한다. 탕구계의 무게는 26.0 kg이며, 압탕의 무게는 10.1 kg이다. 마스트 커버의 무게는 198.7 kg이 며, 주물품의 총 무게는 234.8 kg이다. 그러므로 주물품 총 무게 대비 제품만의 무게비인 회수율은 84.6 %이다.

3. 주조 해석

3.1 주조 해석 조건

Fig. 2의 마스트 커버 주조방안설계에 대한 주 조해석을 수행하고자 주조전용해석 프로그램인 MAGMA SW V5.4를 활용하였다. 영역별 모델링 파일을 STL 파일로 변환한 다음 MAGMA SW로 불러와서 Material을 지정하였다. 탕구와 탕도는 Runner, 주입구는 Gate, 마스트 커버는 Casting, 압탕은 Feeder, Core 몰드는 Core 그리고 주입컵 의 윗부분을 Inlet으로 지정하였다. 주입구의 Material 지정은 총 8개를 한 개의 객체로 지정하 지 않고, 개별로 지정하여 8개의 Gate가 되도록 하였다. Gate를 개별로 지정하면 각 Gate로 유입 되는 주물의 속도를 확인할 수 있다.

해석용 주물 소재는 MAGMA SW의 DB에 있는 CuAl10Ni를 사용하였으며, 주물의 주입 온도는 1300 ℃로 설정하였다. CuAl10Ni 소재의 고상선 온도는 1108 ℃이다. 사형 및 Core의 재질은 MAGMA SW의 DB에 있는 Furan을 적용하였으 며, 초기온도를 20 ℃로 설정하였다. 주물의 중량 과 밀접한 관계가 있는 주물의 주입시간은 Kotschi RM [8]의 식을 적용하여 대략 22 s로 계산되었으며, 해석 조건에 적용하였다. 열전달 계 수는 Casting과 Mold는 8,000 W/m2K, Mold와 Mold는 1,000 W/m2K 값을 적용하였다.

3.2 주조 해석 결과

Fig. 3은 주물이 사형의 공동부로 유입되는 양 상을 나타내는 것으로 주물의 온도 변화를 색깔로 표현한 것이다.

Fig. 3 Casting simulation result - temperature

 Fig. 3에서 %는 공동부에 채워진 주물의 양이며, s는 주물 유입 후 경과된 시간이 다. 주물은 2.2 s에 주입구를 통과하며, 마스트 커 버의 하단부가 채워질 때(14%)까지 난류 유동이 발생된다. 가압식 탕구계로서 초기 유입된 주물이 단면적이 작은 주입구를 통과하면서 속도가 증가 하기 때문에 난류 흐름이 발생된다. 마스트 커버 의 하단부가 채워진 후(26%)부터는 주물의 흐름이 안정화되어 층류 흐름이 된다. Mast collar의 상 단부가 주물로 채워질 때(90%)는, 역류가 발생하 기 때문에 온도의 손실이 발생된다. 온도의 하강 영역이 증가하지 않은 상태로 압탕이 채워져서 충 진이 완료된다. 충진이 완료된 상태의 온도는 Mast collar 영역은 대략 1197~1214 ℃이며, 압탕은 1169~1186 ℃이다. 그리고 온도 하강이 이루어진 영역(파랑색)은 1176~1130 ℃이다. 해석에 사용 된 CuAl10Ni 소재의 고상선 온도가 1108 ℃ 이 므로 모든 영역이 액체 상태로 유입이 이루어졌 다. Fig. 3의 해석결과로부터 주물의 유입이 상당 히 원활하게 이루어진다고 할 수 있다.

Fig. 4는 주물이 각 주입구를 통과하는 속도를 나타내는 그래프이다. 초기 유입된 주물이 주입구 를 통과할 때(2.2 s)의 속도는 1.60~2.25 m/s로서 상대적으로 빠르며, 마스트 커버의 하단부가 채워 지면서(3.8 s)부터 속도가 감소(1.25 m/s 이하)되고 안정화가 이루어진다.

Fig. 4 Velocity of melt through each gates

 마스트 커버에 주물이 50% 정도 채워진(13 s) 후부터는 속도(0.9 m/s 이하)가 일정해 진다. 탕구와 가까운 위치에 있는 주입구 1번 및 8번의 속도가 상대적으로 낮으며, 탕구에서 먼 쪽에 위치한 주입구 3번, 4번, 5번, 6번이 상대적으로 속도가 높다. 주입구의 위치에 따라 약간의 속도 차이가 있지만, 차이의 폭이 0.35~0.2 m/s로서 작기 때문에 안정적인 흐름이 라 할 수 있다.

Fig. 5는 주물이 각 주입구로 통과하여 마스트 커버로 유입되는 동안 주물이 혼합되는 양상을 나 타내는 결과이다. 주물이 각 주입구를 통과할 때 (12%) 색깔이 8가지로 표현된 것을 확인할 수 있 다. 각 주입구로부터 거의 동일한 시점에 마스트 커버의 하단부로 주물이 유입되기 때문에 주물의 색이 여전히 8가지로 표현되어있다(14%). 마스트 커버의 하단부가 채워진(18%) 후에는 인접한 주입 구의 주물만이 섞이기 시작한다. 공동부가 26% 채워진 결과에서도 4가지 색깔을 나타내고 있다. 만약 주입구의 속도 차이가 크고, 난류 흐름이 심 한 경우에는 제품부에서 유입 초기부터 주물의 색 이 한가지로 표현된다. Fig. 5의 해석결과로부터 마스트 커버에 적합한 주조방안으로 주입구의 형 상 설계가 이루어졌으며. 주입구의 개수와 배치가 적절하다고 판단할 수 있다.

Fig. 5 Casting simulation result - material trace

Fig. 6은 사형의 공동부로 주물의 유입이 완료 된 후, 주물이 응고되는 양상을 나타낸 결과이다. 응고과정 동안 액체로 남아있는 영역은 색깔로 표 현되며, 고체가 된 부분은 투명으로 표현된다. 압 탕, 주입구, 탕도에서 고상화가 빠르게 진행되는 것을 확인할 수 있다. 가장 먼저 압탕과 주입구가 고상으로 변화되며(60%), 이때 마스트 커버는 고 상 및 액상이 공존하고 있다. 공동부 내에 액상이 40% 남아있는 시점에는 압탕, 주입구, 탕도가 완 전히 고체로 변화되었다. 마스트 커버는 중앙부분 에서부터 고상화가 먼저 진행된다. 상부와 하부는 액상으로 남아 있지만, 중앙부분에는 고체 상태로 변화가 이루어졌다. 최종적으로 마스트 커버의 상 단부와 하단부가 가장 늦게 고체로 변화된다. 가 장 이상적인 응고 양상은 방향성 응고로서 한쪽에서부터 고체화되면서 반대쪽이 마지막으로 응고되 는 것이다.

Fig. 6 Casting simulation result - fraction liquid

 Fig. 6의 해석결과로부터 마스트 커버 는 중앙부분이 먼저 응고되면서 상하 단절이 되기 때문에 방향성 응고는 아니다. 방향성 응고를 유 도하기 위해서는 압탕의 직경을 좀 더 크게 설정 하고, 마스트 커버의 하단부에는 칠을 결합하여 응고 속도를 좀 더 증가시킬 필요가 있다. 그럴 경우 마스트 커버의 하단부에서 먼저 응고가 진행 되면서 압탕이 최종적으로 고체화 되는 방향성 응 고가 이루어 질것이라 판단된다.

Fig. 7은 사형 내에서 주물의 응고가 이루어지는 동안 발생되는 열점(Hot spot) 및 기공(Porosity)에 대한 해석결과이다. Fig. 6에서 처럼 응고가 가장 늦게 이루어진 마스트 커버의 상단부 및 하단부에 서 열점이 발생된다. 기공 또한 거의 동일한 위치 에서 발생되며, 상단부에서는 기공 발생 확률이 좀 더 높을 것으로 판단된다. 그러나 마스트 커버 에서 기공이 예측되는 부분은 원활한 주물 유입을 위해 형상을 보강한 부분이다. 즉, 후처리 공정의 가공을 통하여 제거되는 부분이다.

Fig. 7 Casting simulation result – Hot spot and porosity

4. 실 험

4.1 실험 조건

주조 실험에 사용된 니알브론즈 합금의 성분은 Table 1과 같다. 주요 성분인 알루미늄이 8.91%, 니켈이 4.45%, 구리는 81.3%이다. 니알브론즈 합 금의 액상선 온도는 대략 1070 ℃이며, 고상선 온도는 대략 1020 ℃이다.

Fig. 2의 주조방안설계안으로 목형을 제작하였 으며, 목형을 활용하여 사형을 제작하였다. 사형으 로 주입되는 주물의 초기 온도를 해석 조건과 동 일하게 1300 ℃ 되도록 하였으며, 주입시간 22 s 가 되도록 하였다. 응고가 완전히 이루어진 후, 주물품을 탈취하여 숏피닝 처리를 하였다. Mast collar의 윗부분은 후처리 공정을 통하여 ∅195.3 mm 구멍으로 가공된다. 가공된 조각에서 인장시 험 및 비커스 경도 시편을 제작하였다. 인장시편 은 JIS Z 2241 기준 [9]으로 제작하였으며, 시편 의 직경 및 게이지 길이는 각각 ∅12.5 mm, 50 mm이다. 인장시험 및 경도 측정은 동일 조건으 로 3회 수행하였다.

4.2 실험 결과

Fig. 8은 사형주조공법으로 니알브론즈 합금을 사용하여 제작된 후, 후처리 가공공정이 이루어진 마스트 커버이다. 응고해석결과를 바탕으로 Fig. 2 의 주조방안설계안에서 압탕의 직경을 ∅60 mm로 변경하여 사형을 제작하였으며, 마스트 커버 하단 부에 칠을 부착하여 주조 작업을 하였다. Fig. 1의 역설계된 마스트 커버 형상과 동일하게 제작이 이 루어졌다. 주물이 미충전 부분은 없으나 표면에 작 은 기공들과 탕무늬 결함이 몇 군데에서 관찰된다.

Table 2는 제작된 니알브론즈 합금 마스트 커버에 대한 기계적 물성치를 나타낸다. 0.2% offset 조건으로 계산한 항복강도는 279.3 ± 10 MPa이 며, 최대인장강도는 675.7 ± 15 MPa이다. 연신 율은 21.2 ± 3%이며, 비커스 경도는 213 ± 17 HV이다.

Table 1. Chemical composition of Ni-Al-Bronze alloy

Fig. 8 Mast cover fabricated by sand casting with Ni-Al-Bronze alloy

Table 2. Mechanical properties of the mast cover with Ni-Al-Bronze alloy

5. 결 론

본 연구에서는 수입에 의존하고 있는 잠수함 마스트 커버를 국산화 하고자 사형주조공법을 적용하여 주조방안설계 및 주조해석을 수행하였으 며, 해석결과를 바탕으로 주조 실험을 진행하여 견고한 시제품을 제작하였다. 해석 및 실험을 통 하여 얻어진 결론은 다음과 같다.

 1) 마스트 커버의 주조방안설계 컨셉은 대 종을 주조하는 설계안을 적용하였다. 8개의 타워 형 주입구를 45° 간격으로 둥글게 배열함 으로써 각 주입구로 유입되는 주물의 유동도 서로 섞이지 않는 균일한 양상을 가졌으며, 주물의 속도도 균일하였다.

2) 압탕의 직경 및 길이를 ∅30 mm, 200 mm 로 적용하면 압탕과 연결된 마스트 커버의 상 부 및 주입구와 연결된 마스트 커버의 하부가 가장 늦게 응고되어 방향성 응고가 아닌 양방 향 응고 양상이 나타난다. 압탕의 직경을 두 배로 증가시키고, 마스트 커버의 하단부에 칠 을 부착하여 방향성 응고를 유도해야 한다.

3) 니알브론즈 합금으로 제작된 마스트 커버는 미 충전된 부분 없이 제작되었다. 다만, 표면에 작 은 기공들과 탕무늬 결함이 몇 군데에서 발생되 었다. 항복강도 및 최대인장강도는 각각 279.3 MPa, 675.7 MPa이며, 연신율은 21.2%이다.

감사의 글

본 논문은 국방기술품질원의 방산혁신클러스터 지원사업의 지원을 받아 수행된 연구임(DCL2020L).