자동차 구조 부품용 As-Cast 상태에서 높은 연성을 갖는 새로운 다이캐스팅 합금

본 논문 요약은 ['Journal of the Korea Foundry Society'에서 발행한 '자동차 구조 부품용 As-Cast 상태에서 높은 연성을 갖는 새로운 다이캐스팅 합금'] 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

제목: 자동차 구조 부품용 As-Cast 상태에서 높은 연성을 갖는 새로운 다이캐스팅 합금 (New Die Casting Alloy with High Ductility in As Cast State for Automotive Structural Components)
저자: 시이치로 와타나베 (Shiichiro Watanabe), 뤼디거 프랑케 (Rüdiger Franke)
발행 연도: 2008년 1월
발행 학술지/학회: 한국주조공학회지 (Journal of the Korea Foundry Society)
키워드: 다이캐스팅 합금, 높은 연성, As-Cast 상태, 자동차 구조 부품, Al-Si-Mg 합금, 시효 거동, 자가 관통 리벳

Fig. 1. High pressure die casting plate for tensile test.
Size: 220×65 mm, wall thickness 2, 3, 4 and 6 mm — Fig. 1. High pressure die casting plate for tensile test. Size: 220×65 mm, wall thickness 2, 3, 4 and 6 mm

2. 초록 또는 서론

자동차 분야에서 지구 온난화의 원인인 이산화탄소 배출량 감소를 위한 연비 개선은 지속적인 과제입니다. 이를 위한 주요 수단 중 하나는 강철 재료를 알루미늄 재료로 대체하여 차량 경량화를 추진하는 것입니다 [1,2]. 최근 고진공 다이캐스팅을 포함한 다양한 고품질 다이캐스팅 기술 [3]과 고강도 및 고연성을 나타내는 고품질 다이캐스팅 합금의 상용화로 대형 다이캐스팅 부품이 승용차 차체의 구조 부품으로 채택되고 있습니다 [4,5]. 고품질 다이캐스팅 합금 중에서는 Al-Si-Mg 계 합금이 주로 사용됩니다. Al-Si-Mg 다이캐스팅 합금은 마그네슘 함량 조절과 열처리를 통해 광범위한 기계적 특성을 얻을 수 있어 다양한 차체 구조 부품의 요구 성능을 충족시켜 왔습니다 [6].

그러나 고품질 다이캐스팅 합금이 자동차 차체 부품으로 널리 사용됨에 따라 이러한 합금의 기존 문제점과 새로운 요구 사항이 나타났습니다. 예를 들어, 앞서 언급한 Al-Si-Mg 다이캐스팅 합금은 차체 구조 부품의 필수 조건인 10% 이상의 연신율을 얻기 위해 주조 후 용체화 처리를 포함한 열처리가 필요하며, 열처리 변형 교정과 같은 추가 작업이 필요하여 생산 공정상 큰 문제가 됩니다. 따라서 열처리 없이 고연성을 발휘할 수 있는 합금이 업계에서 요구되고 있습니다. 또한 최근 엔진의 고출력화, 디젤 엔진 채택으로 엔진으로부터의 방열로 인한 온도 상승으로 인해 Al-Si-Mg 다이캐스팅 합금 제품의 기계적 특성이 장기간 사용 중에 변화하는 문제가 지적되고 있습니다. 더욱이, 자동차 조립 공정에서는 이종 재료 접합을 포함한 접합 기술 개발이 요구되고 있습니다.

이러한 자동차 산업계의 새로운 요구와 엔진 방열로 인한 가열 환경을 배경으로, 본 연구에서는 경년 시효 경화가 없고 용체화 처리 없이, 즉 주조된 그대로(as-cast) 상태에서 매우 높은 연신율을 얻을 수 있으며 주조성이 우수한 다이캐스팅 합금 개발을 목표로 합니다. 또한 이종 재료 접합을 가능하게 하는 접합 기술로서 자가 관통 리벳 접합의 가능성을 검토했습니다.

3. 연구 배경:

연구 주제 배경:

자동차 산업은 지구 온난화 문제로 인해 연비 향상과 CO2 배출량 감소에 대한 지속적인 압력을 받고 있습니다. 차량 경량화, 특히 강철 부품을 알루미늄 합금으로 대체하는 것은 이러한 목표를 달성하는 핵심 전략입니다 [1,2].

기존 연구 현황:

Al-Si-Mg 합금은 자동차 구조 부품의 고품질 다이캐스팅에 널리 사용되는 재료입니다 [4,5,6]. 그러나 이러한 합금은 일반적으로 구조적 무결성을 위한 요구 조건인 높은 연성(10% 초과 연신율)을 얻기 위해 용체화 처리가 필요합니다. 이 열처리 단계는 제조 공정에 복잡성, 비용 및 잠재적인 변형 문제를 추가합니다. 더욱이 엔진룸 내부의 작동 환경은 이러한 합금을 고온에 노출시켜 Al-Si-Mg 시스템의 시효화로 인한 장기적인 물성 저하에 대한 우려를 야기합니다.

연구의 필요성:

현재 Al-Si-Mg 다이캐스팅 합금의 한계를 해결하기 위해 다음과 같은 특징을 갖는 새로운 합금이 절실히 필요합니다.

비용이 많이 들고 복잡한 열처리 공정이 필요 없는 as-cast 상태에서 높은 연성.
고온 사용 환경에서 물성 변화가 없는, 즉 시효 경화에 대한 저항성.
복잡한 형상과 얇은 벽 두께를 가진 자동차 구조 부품 생산을 위한 우수한 주조성.
이종 재료 접합과 같은 첨단 접합 기술과의 호환성.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

본 연구의 주요 목적은 다음과 같은 특징을 나타내는 자동차 구조 부품용 신규 다이캐스팅 합금을 개발하는 것입니다.

As-cast 상태에서 높은 연성 (연신율 > 10%).
적절한 항복 강도 (항복 강도 > 120 MPa).
고온 노출 조건에서 장기적인 시효 경화 거동이 없을 것.
얇은 벽 두께를 가진 복잡한 설계를 위한 우수한 주조성.

더 나아가, 본 연구는 새로 개발된 합금에 대한 자가 관통 리벳 (SPR) 접합의 적용 가능성을 조사하는 것을 목표로 합니다.

핵심 연구 질문:

연구 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 핵심 연구를 수행했습니다.

마그네슘 (Mg) 함량이 시효 거동에 미치는 영향: Al-Si-Mg 합금에서 Mg 함량을 체계적으로 변화시켜 고온에서 장기 시효 및 기계적 물성 변화에 미치는 영향을 평가합니다.
전이 원소 첨가 (Mn, Mo, Zr)가 기계적 물성에 미치는 영향: 전이 원소, 특히 망간 (Mn), 몰리브덴 (Mo) 및 지르코늄 (Zr) 첨가가 as-cast 상태에서 높은 연성을 유지하면서 합금의 항복 강도를 향상시키는 효과를 탐구합니다.
As-cast 상태의 개발 합금 특성 분석: As-cast 상태에서 최적화된 합금의 기계적 물성 (인장 강도, 연신율) 및 미세 조직을 분석하고 다이캐스팅 두께 (냉각 속도)의 영향을 고려합니다.
실제 다이캐스팅에서의 주조성 평가: 복잡한 형상에서 균일한 기계적 물성을 얻는 데 초점을 맞춰 실제 다이캐스팅 환경에서 개발된 합금의 주조성을 평가합니다.
자가 관통 리벳 (SPR) 접합의 타당성 연구: 특히 알루미늄 판재와 같은 이종 재료 접합을 위해 자가 관통 리벳 기술을 사용하여 개발된 as-cast 합금을 접합하는 타당성과 최적 조건을 조사합니다.

연구 가설:

Mg 함량과 시효 경화: Al-Si-Mg 합금의 시효 경화는 주로 Mg₂Si 석출에 기인합니다. Mg 함량을 줄이면 시효 경화를 최소화하고 고온에서 물성 안정성을 향상시킬 수 있습니다.
전이 원소 강화: Mo 및 Zr과 같은 전이 원소 첨가는 석출 경화 또는 결정립 미세화와 같은 메커니즘을 통해 Al-Si-Mg 합금의 항복 강도를 향상시키면서 연성을 크게 저하시키지 않을 것입니다.
As-cast 고연성 합금 개발: 합금 조성, 특히 Mg 함량을 제한하고 Mo 및 Zr을 첨가하는 것을 신중하게 제어함으로써 용체화 처리 없이 as-cast 상태에서 높은 연성을 달성하는 다이캐스팅 합금을 개발할 수 있습니다.
SPR 접합 타당성: 최적화된 다이 및 공정 변수를 통해 자가 관통 리벳 접합은 개발된 as-cast 다이캐스팅 합금으로 만든 부품을 접합하는 데 실행 가능한 방법이며, 이종 재료 설계 솔루션을 가능하게 합니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 합금 개발 및 특성 분석에 초점을 맞춘 실험 설계를 채택했습니다. 이 연구는 조성 변화와 공정 변수가 Al-Si-Mg 다이캐스팅 합금의 기계적 물성 및 미세 조직에 미치는 영향을 체계적으로 조사했습니다.

데이터 수집 방법:

인장 시험: 기계적 물성, 특히 항복 강도 및 연신율은 다이캐스팅 시편에 대한 인장 시험을 사용하여 평가했습니다. 각 조건에 대해 최소 10개의 시편을 시험하고 평균값을 보고했습니다.
미세 조직 분석: 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 합금의 미세 조직을 특성화하고 공정 실리콘 및 금속간 화합물의 형태 및 분포에 초점을 맞췄습니다.
초기 버블 테스트: 용탕 품질은 다이캐스팅 전에 용융 금속의 낮은 가스 함량을 보장하기 위해 초기 버블 테스트를 사용하여 평가했습니다. 목표 가스 함량은 1 ml/100g Al 미만이었습니다.
다이캐스팅 시험: 다양한 조성 (Mg, Mn, Mo, Zr 함량)을 가진 실험 합금은 3900 kN 뷔러 B-머신 고압 다이캐스팅 기계를 사용하여 생산했습니다. 냉각 속도의 영향을 조사하기 위해 두께가 2, 3, 4 및 6 mm인 다이캐스팅 판재를 주조했습니다. 실제 다이캐스팅 시험은 주조성 평가를 위해 복잡한 형상의 부품을 생산하기 위해 20MN 고진공 다이캐스팅 기계를 사용하여 수행했습니다.
자가 관통 리벳 (SPR) 접합 시험: SPR 접합 실험은 개발된 as-cast 합금 판재와 AA5052 알루미늄 합금 판재를 사용하여 접합 타당성을 평가하고 공정 변수를 최적화하기 위해 수행했습니다.

분석 방법:

수집된 데이터는 비교 분석 방법을 사용하여 분석했습니다. 기계적 물성 데이터 (항복 강도, 연신율)를 다양한 합금 조성, 시효 조건 및 다이캐스팅 두께에 걸쳐 비교하여 이러한 변수의 영향을 결정했습니다. 미세 조직 관찰 결과를 기계적 물성 데이터와 연관시켜 합금 성능에 영향을 미치는 기본 메커니즘을 이해했습니다. 주조성은 실제 다이캐스팅 부품의 기계적 물성의 균일성과 주조 결함의 부재를 기준으로 평가했습니다. SPR 접합의 성공 여부는 결함에 대한 육안 검사 및 접합부 건전성을 기준으로 평가했습니다.

연구 대상 및 범위:

본 연구는 다음과 같은 체계적인 변화를 준 실험적인 Al-Si-Mg 기반 다이캐스팅 합금에 초점을 맞췄습니다.

마그네슘 (Mg) 함량: 시효 거동을 조사하기 위해 0.003%에서 0.1% 범위.
망간 (Mn) 함량: 기계적 물성에 미치는 영향을 평가하기 위해 0.39%에서 1.17% 범위.
몰리브덴 (Mo) 및 지르코늄 (Zr) 함량: 항복 강도에 미치는 영향을 평가하기 위해 개별적으로 그리고 조합하여 (각각 최대 0.21% 및 0.15%) 첨가.
다이캐스팅 두께: 기계적 물성에 대한 냉각 속도의 영향을 연구하기 위해 2 mm에서 6 mm로 다양하게 변화.
접합 재료: 개발된 합금 as-cast 판재를 SPR 접합 시험에서 AA5052 알루미늄 합금 판재와 접합.

6. 주요 연구 결과:

핵심 연구 결과:

마그네슘 함량 및 시효: 연구 결과 Mg 함량이 Al-Si-Mg 합금의 시효 경화 거동에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. Mg 함량을 0.1%까지 증가시키면 393K에서 1000시간 시효 후 항복 강도가 현저히 증가하여 Mg₂Si 석출로 인한 시효 경화가 나타났습니다 (그림 2). 엔진 열에 노출되는 부품의 시효 경화를 최소화하려면 Mg 함량을 0.04% 이하로 제한해야 합니다.
전이 원소 첨가 (Mo 및 Zr): Mn 단독 첨가 (최대 1.2%)는 항복 강도를 크게 향상시키지 못했습니다 (그림 3). 그러나 Al-10%Si-0.5%Mn 합금에 몰리브덴 (Mo)과 지르코늄 (Zr)을 각각 0.15%씩 복합 첨가하면 연성을 저하시키지 않으면서 항복 강도가 10% 증가했습니다 (그림 4). Mo와 Zr의 이러한 상승 효과는 개별 첨가보다 더 효과적이었습니다.
개발 합금 물성: 최적화된 합금 조성 (Al-10%Si-0.5%Mn-0.15%Mo-0.15%Zr-0.015%Sr)은 as-cast 상태에서 12-13%의 높은 연신율과 120 MPa를 초과하는 항복 강도를 달성했습니다. 이 합금 조성은 열처리 없이 높은 연성 및 적절한 강도에 대한 목표 요구 사항을 효과적으로 충족합니다.
주조성 및 연신율 분포: 실제 다이캐스팅 시험 결과 개발된 합금이 우수한 주조성을 나타내어 최종 충진 영역을 포함한 여러 위치에서 균일하고 높은 연신율 값을 가진 부품을 생산하는 것으로 나타났습니다 (표 7). 이는 기존 Al-Si-Mg 합금에 비해 주조 결함에 대한 민감도가 낮고 용융 금속 유동성이 향상되었음을 나타냅니다.
자가 관통 리벳 (SPR) 접합 타당성: 개발된 as-cast 합금과 AA5052 알루미늄 판재의 SPR 접합은 리벳 다이 설계 및 공정 변수를 최적화하여 성공적으로 달성되었습니다 (그림 8). 리벳 다이에 평평한 바닥과 원뿔 모양 측면 (테이퍼 다이)을 사용하고 상판 (다이캐스팅 재료)의 다이 깊이를 조정하여 균열 없이 SPR 접합을 성공적으로 수행할 수 있었습니다.

제시된 데이터 분석:

그림 2. Al-10%Si-0.5% Mn 합금 다이캐스팅의 장기 시효에 대한 마그네슘 함량의 영향. 이 그림은 Mg 함량이 증가함에 따라 시효 후 항복 강도가 더 크게 증가하여 시효 경화가 나타남을 보여줍니다. 그러나 연신율의 변화는 Mg 함량 변화에 따라 미미합니다.
그림 3. Al-10%Si-Mn 합금 다이캐스팅의 기계적 물성에 대한 망간 함량의 영향. 이 그림은 Mn 함량을 1.2%까지 증가시켜도 Al-10%Si-Mn 합금의 항복 강도가 크게 향상되지 않음을 보여줍니다.
그림 4. Al-10%Si-0.5%Mn 합금 다이캐스팅의 기계적 물성에 대한 몰리브덴 및 지르코늄 함량의 영향. 이 그림은 Mo와 Zr을 복합 첨가하면 Al-10%Si-0.5%Mn 합금의 항복 강도가 효과적으로 증가함을 보여줍니다.
그림 5. 스트론튬 개질 Al-Si-Mg 합금 및 개발 합금 다이캐스팅의 미세 조직. 이 그림은 기존 Sr 개질 Al-Si-Mg 합금과 개발 합금의 미세 조직을 비교합니다. 개발 합금은 Mg 함량 감소 및 Sr 개질로 인해 더 미세한 공정 실리콘 구조를 나타냅니다.
그림 6. 공정 실리콘의 주사 전자 현미경 미세 조직. SEM 이미지는 기존 Al-Si-Mg-Mg 합금에 비해 개발 합금에서 더 미세한 공정 실리콘 형태를 추가로 보여줍니다.
그림 7. As-cast 상태에서 개발 합금 다이캐스팅의 기계적 물성 대 벽 두께. 이 그림은 다이캐스팅 벽 두께 (냉각 속도)가 기계적 물성에 미치는 영향을 보여줍니다. 항복 강도는 벽 두께가 감소함에 따라 (냉각 속도 증가) 증가하는 반면, 연신율은 벽 두께가 증가함에 따라 약간 증가하는 경향을 보입니다.
그림 8. As-cast 상태에서 개발 합금 판재의 자가 관통 리벳 시험. 이 그림은 개발된 as-cast 합금 판재 (4mm)와 AA5052 알루미늄 합금 판재 (1.5mm)의 자가 관통 리벳 접합이 균열 없이 성공적으로 이루어졌음을 보여줍니다.

그림 목록:

Fig. 2. Influence of Magnesium content on long term ageing of Al-10%Si-0.5% Mn alloy die casting

Fig. 4. Effect of Molybdenum and Zirconium content on mechanical prooerty of Al-10%Si-0.5%Mn alloy die casting.

Fig. 5. Microstructure of Strontiun modified Al-Si-Mg alloy and developed alloy die casting.

Fig. 6. Scanning electron microstructure of eutectic silicon

Fig. 8. Self pierce riveting trial of developed alloy plate in as cast state.

Fig. 1. 인장 시험용 고압 다이캐스팅 판재.
Fig. 2. Al-10%Si-0.5% Mn 합금 다이캐스팅의 장기 시효에 대한 마그네슘 함량의 영향.
Fig. 3. Al-10%Si-Mn 합금 다이캐스팅의 기계적 물성에 대한 망간 함량의 영향.
Fig. 4. Al-10%Si-0.5%Mn 합금 다이캐스팅의 기계적 물성에 대한 몰리브덴 및 지르코늄 함량의 영향.
Fig. 5. 스트론튬 개질 Al-Si-Mg 합금 및 개발 합금 다이캐스팅의 미세 조직.
Fig. 6. 공정 실리콘의 주사 전자 현미경 미세 조직.
Fig. 7. As-cast 상태에서 개발 합금 다이캐스팅의 기계적 물성 대 벽 두께.
Fig. 8. As-cast 상태에서 개발 합금 판재의 자가 관통 리벳 시험.

7. 결론:

주요 연구 결과 요약:

본 연구는 자동차 구조 부품용 신규 고연성 다이캐스팅 합금을 성공적으로 개발했습니다. 이 합금의 주요 특징은 다음과 같습니다.

조성: Al-10%Si-0.5%Mn-0.15%Mo-0.15%Zr-0.015%Sr, 제한된 Mg 함량 (<0.04%) 및 Mo 및 Zr 첨가가 특징입니다.
기계적 물성: 용체화 처리 없이 as-cast 상태에서 높은 연신율 (>10%) 및 적절한 항복 강도 (>120 MPa)를 달성합니다.
시효 저항성: 고온 노출 조건에서 최소한의 시효 경화 및 안정적인 기계적 물성을 나타내어 엔진룸 내부 적용 분야에 적합합니다.
주조성: 우수한 주조성을 입증하여 복잡한 형상과 얇은 벽을 가진 균일하고 고품질의 다이캐스팅 부품을 생산합니다.
접합성: 이종 재료와의 자가 관통 리벳 접합을 가능하게 하여 이종 재료 자동차 설계를 용이하게 합니다.

연구의 학문적 의의:

본 연구는 전략적인 조성 설계를 통해 고연성 as-cast 알루미늄 합금 개발의 타당성을 입증함으로써 다이캐스팅 야금 분야에 기여합니다. 본 연구는 다음 사항에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.

Al-Si-Mg 합금의 시효 경화를 제어하는 데 있어 Mg 함량의 중요한 역할.
연성을 희생시키지 않으면서 항복 강도를 향상시키는 Mo 및 Zr 첨가의 상승적 강화 효과.
as-cast 다이캐스팅 합금의 미세 조직-물성 관계, 특히 공정 실리콘 형태의 영향.

실용적 의미:

개발된 다이캐스팅 합금은 자동차 산업에 상당한 실용적 이점을 제공합니다.

제조 비용 절감: 용체화 처리 공정을 제거하면 생산이 단순화되고 에너지 소비가 줄어들며 제조 비용이 절감됩니다.
부품 성능 향상: 높은 as-cast 연성은 구조 부품의 에너지 흡수 및 충돌 안전성을 향상시킵니다. 시효 저항성은 까다로운 열 환경에서 장기적인 신뢰성을 보장합니다.
경량화 및 이종 재료 설계 가능: 이 합금은 경량 자동차 구조 생산을 용이하게 하고 이종 재료 부품의 효율적인 조립을 위해 자가 관통 리벳 접합 사용을 가능하게 합니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

본 연구는 유망한 신규 합금 개발에 성공했지만 몇 가지 한계와 향후 연구 분야가 존재합니다.

Mo 및 Zr 상의 미세 조직 특성 분석: 미세 조직에서 Mo 및 Zr 함유상의 정확한 특성 및 분포는 강화 메커니즘을 완전히 이해하기 위해 추가 조사가 필요합니다. TEM 분석과 같은 고급 기술을 사용할 수 있습니다.
SPR 접합 공정 최적화: 더 넓은 범위의 접합 구성 및 재료 두께에 대해 SPR 접합 공정 변수를 최적화하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
기타 접합 기술 탐색: 접착 접합 또는 마찰 교반 용접과 같은 기타 첨단 접합 기술에 대한 개발 합금의 적합성을 조사하면 응용 잠재력이 확대될 것입니다.
장기 성능 평가: 합금의 내구성과 신뢰성을 완전히 검증하려면 실제 자동차 작동 조건에서 장기 성능 평가를 확장해야 합니다.

8. 참고 문헌:

9. 저작권:

본 자료는 "뤼디거 프랑케"의 논문: "자동차 구조 부품용 As-Cast 상태에서 높은 연성을 갖는 새로운 다이캐스팅 합금"을 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: https://www.researchgate.net/publication/264061492

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