Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy

AJX931: 자동차 파워트레인을 위한 내열성, 주조성, 재활용성을 모두 갖춘 차세대 마그네슘 합금

이 기술 요약은 Manabu MIZUTANI 외 저자가 SEI TECHNICAL REVIEW(2019)에 발표한 학술 논문 "[Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy]"를 기반으로 하며, 기술 전문가를 위해 CASTMAN이 분석 및 요약했습니다.

Fig. 1. Die-cast sample shape
Fig. 1. Die-cast sample shape
Fig. 2. Microstructure of AJX931 die casting
Fig. 2. Microstructure of AJX931 die casting

키워드

  • 주요 키워드: 내열 다이캐스팅 마그네슘 합금
  • 보조 키워드: AJX931, 자동차 경량화, 크리프 저항성, 마그네슘 합금, 다이캐스팅, 파워트레인 부품

Executive Summary

  • 도전 과제: 기존 마그네슘 합금은 자동차 파워트레인 부품에 요구되는 내열성이 부족하며, 기존 내열 합금은 주조성과 재활용성이 떨어지는 문제를 안고 있었습니다.
  • 연구 방법: 주조성 향상을 위해 알루미늄(Al) 9%를 유지하면서, 내열성이 낮은 β상(Mg17Al12)의 생성을 억제하기 위해 칼슘(Ca)과 스트론튬(Sr)을 첨가하여 고온에서 안정한 금속간화합물을 형성하는 새로운 Mg-Al-Ca-Sr 계열 합금(AJX931)을 개발했습니다.
  • 핵심 돌파구: 신규 개발된 AJX931 합금은 희토류(RE)를 포함하지 않음에도 불구하고, 희토류계 합금인 AE44와 동등한 수준의 내열성(볼트 축력 유지율 64%)과 월등히 높은 0.2% 항복강도(156 MPa)를 달성했으며, 뛰어난 주조성과 내식성을 입증했습니다.
  • 핵심 결론: AJX931 합금은 까다로운 자동차 응용 분야에서 기존 내열 마그네슘 합금의 단점을 극복하고, 성능과 재활용성을 모두 만족시키는 실용적인 대안을 제시합니다.

도전 과제: 이 연구가 HPDC 전문가에게 중요한 이유

마그네슘(Mg)은 실용 금속 중 가장 가벼워 자동차 경량화의 핵심 소재로 주목받아 왔습니다. 그러나 대표적인 마그네슘 합금인 AZ91이나 AM60은 150°C의 고온 환경에서 크리프 변형이 발생하여 체결 볼트가 헐거워지는 문제가 있어 오일 팬이나 트랜스미션 케이스와 같은 파워트레인 부품에는 적용하기 어려웠습니다.

이 문제를 해결하기 위해 기존에는 알루미늄 함량을 줄이고 실리콘(Si), 희토류 원소(RE), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr) 등을 첨가한 내열 마그네슘 합금이 개발되었습니다. 하지만 이러한 합금들은 내열성은 확보했지만, 주조성이 나빠지거나 고가의 특수 플럭스가 필요한 희토류 원소 사용으로 인해 재활용이 어려운 등 새로운 과제에 직면했습니다. 즉, 업계는 내열성, 주조성, 재활용성을 모두 만족시키는 실용적인 솔루션을 필요로 하고 있었습니다.

접근 방식: 연구 방법론 분석

본 연구는 기존 내열 합금의 한계를 극복하기 위해 새로운 합금 설계에 착수했습니다. 연구의 핵심 접근 방식은 다음과 같습니다.

  • 합금 설계: 우수한 주조성과 내식성을 확보하기 위해 알루미늄(Al) 함량을 약 9%로 유지했습니다. 동시에, 고온 강도를 저하시키는 주원인인 β상(Mg17Al12)의 석출을 억제하기 위해, 알루미늄과 먼저 반응하여 안정한 화합물을 형성하는 스트론튬(Sr, 약 3%)과 소량의 칼슘(Ca, 약 1%)을 조합하여 첨가했습니다. 이를 통해 Al2Sr, Al4Sr, Al2Ca와 같은 고온에서 안정한 석출물을 형성시켜 내열성을 확보하는 것을 목표로 했습니다. 이 신규 합금은 "AJX931"로 명명되었습니다.
  • 시편 제작 및 평가: 개발된 AJX931 합금과 기존 상용 합금(AS31, AE44, MRI153M)의 특성을 비교 평가하기 위해, 다이 클램핑력 650톤의 콜드 챔버 다이캐스팅 장비를 사용하여 동일한 형상의 평가용 시편(그림 1 참조)을 제작했습니다. 이 시편을 사용하여 주조성(주조 균열), 내열성(볼트 축력 유지율), 기계적 특성(0.2% 항복강도), 내식성 및 재활용성 등 실용화에 필수적인 주요 특성들을 종합적으로 평가했습니다.

돌파구: 주요 연구 결과 및 데이터

결과 1: 희토류 합금 수준의 내열성과 월등한 기계적 강도 달성

AJX931은 내열성과 기계적 강도 측면에서 획기적인 성능을 보였습니다.

  • 내열성: 실제 사용 환경을 모사한 볼트 축력 유지율(BLR) 평가에서 AJX931은 64%의 높은 유지율을 기록했습니다(그림 6). 이는 희토류를 포함한 고성능 합금 AE44(63%)와 동등한 수준이며, 기존 비희토류계 내열 합금인 AS31(28%)과 MRI153M(36%)을 크게 상회하는 결과입니다. 이는 AJX931이 고온의 파워트레인 환경에서 체결부의 안정성을 충분히 확보할 수 있음을 의미합니다.
  • 기계적 강도: 부품 설계에 중요한 0.2% 항복강도 평가에서 AJX931은 156 MPa로 측정되어, 비교 대상 합금 중 가장 높은 값을 기록했습니다(그림 10). 이는 Al 함량이 낮은 AS31(113 MPa) 및 AE44(124 MPa)보다 월등히 우수한 수치로, 더 가볍고 견고한 부품 설계가 가능함을 시사합니다.

결과 2: 뛰어난 주조성과 내식성, 그리고 재활용 용이성 확보

AJX931은 성능뿐만 아니라 생산성과 친환경성 측면에서도 우수성을 입증했습니다.

  • 주조성: 주조 균열 평가에서 AJX931은 2.0점을 기록하여, 균열에 취약한 MRI153M(11.5점)과 AS31(6.7점)에 비해 월등히 우수한 주조성을 보였습니다(그림 7). 이는 공정 안정성과 생산 수율 향상에 직접적으로 기여합니다.
  • 내식성: 200시간 염수 분무 시험 결과, AJX931은 AE44보다 공식(pitting corrosion) 발생이 적어 더 우수한 내식성을 나타냈습니다(그림 11).
  • 재활용성: AJX931은 재활용을 어렵게 만드는 희토류 원소를 포함하지 않습니다. 또한 스크랩 재용해 시 불순물(철) 농도가 낮게 유지되었고, 칼슘 첨가로 인해 보호 가스 없이도 용탕 표면이 깨끗하게 유지되어(그림 13) 취급 및 재활용이 용이함을 확인했습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 공정 엔지니어: 본 연구는 AJX931이 기존 내열 합금보다 융점이 30~40°C 낮아 최대 100~110°C의 더 높은 과열도를 확보할 수 있음을 시사합니다. 이는 용탕 유동성을 향상시켜 복잡한 형상의 부품을 안정적으로 생산하는 데 기여할 수 있습니다.
  • 품질 관리팀: 논문의 그림 2, 3, 4에 제시된 미세구조 분석 데이터는 AJX931의 품질을 결정하는 핵심 인자가 β상(Mg17Al12)의 부재와 Al-Sr 및 Al-Ca 계열 화합물의 균일한 분포임을 보여줍니다. 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 중요한 정보를 제공합니다.
  • 설계 엔지니어: AJX931의 높은 볼트 축력 유지율(그림 6, 64%)은 고온 작동 환경에서 볼트 풀림에 대한 우려를 줄여주며, 156 MPa의 높은 항복강도(그림 10)는 더 얇고 가벼우면서도 동일한 강성을 갖는 부품 설계를 가능하게 합니다. 희토류 부재는 소재 선택의 유연성을 높이고 지속가능성 요구에 부응할 수 있습니다.

논문 상세 정보


[Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy]

1. 개요:

  • 제목: Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy
  • 저자: Manabu MIZUTANI*, Katsuhito YOSHIDA, Nozomu KAWABE, and Seiji SAIKAWA
  • 발행 연도: 2019
  • 발행 학술지/학회: SEI TECHNICAL REVIEW NUMBER 88
  • 키워드: creep-resistant, heat-resistant, magnesium alloy, die casting, weight reduction

2. 초록:

세계 최초로 고강도와 우수한 내식성을 가진 AZ91 합금 판재 개발에 성공한 이래, 우리는 모바일 전자기기 케이스 본체에 사용되는 AZ91 합금 판재로 마그네슘 합금 사업을 시작했다. 그러나 운송 차량 부품에 적용하기에는 AZ91의 특성이 충분하지 않아 새로운 Mg 합금 개발에 착수했다. 최근 우리는 도야마 대학과의 공동 연구를 통해 자동차 파워트레인 부품에 적용할 수 있는 고온 크리프 저항성 Mg 합금을 성공적으로 개발했다. 이 새로운 합금은 낮은 주조성 및 열등한 재활용성과 같은 기존 크리프 저항성 Mg 합금의 단점을 극복했다. 본 논문은 개발된 합금의 주요 특성을 소개하며, 이는 운송 차량 부품의 실제 적용에 필요하다.

3. 서론:

마그네슘(Mg)은 모든 실용 구조용 금속 중 가장 가볍다. 비중은 1.8로 알루미늄(Al)의 2/3, 철(Fe)의 1/4이다. 특정 목적을 위해 다양한 원소가 첨가된 마그네슘 합금이 개발되었다. 대표적인 마그네슘 합금으로는 높은 내식성의 AZ91D와 고강도의 AM60 및 AM50이 있다. 자동차 분야에서는 높은 비강도와 강성을 활용하여 스티어링 휠 코어와 이그니션 록을 형성하는 데 사용된다. 마그네슘 합금의 낮은 가공성 때문에 이러한 제품은 거의 대부분 주물이다. 다이캐스팅은 대량 생산에 적합하고 빠른 냉각에 비교적 효과적인 기술이기 때문에 이들을 제조하는 데 사용되는 방법이다. 오일 팬 및 트랜스미션 케이스와 같은 무거운 파워트레인 부품의 무게를 상당량 줄이기 위해 마그네슘 합금 사용이 기대된다. 이러한 부품은 내열성이 요구되지만, AZ91 및 AM60의 내열성은 열악하다. 150°C의 온도에서 이들 합금은 크리프 변형이 발생하여 체결 볼트가 헐거워진다. 이 문제로 인해 AZ91 및 AM60은 파워트레인 부품에 부적합하다. AZ91 및 AM60의 내열성이 낮은 이유는 상온에서는 강도가 높지만 120°C 이상의 온도에서는 강도가 현저히 감소하는 β상 석출물(Mg17Al12) 때문이다. 이 문제에 대한 해결책으로, β상의 석출을 제한하기 위해 알루미늄 첨가를 줄이고, 고온에서 안정한 석출물을 형성하기 위해 실리콘(Si), 희토류 원소(REs), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr)을 개별적으로 또는 조합하여 첨가한다. 따라서 내열 마그네슘 합금이 개발되어 실용화되었다. 그러나 이러한 합금들은 낮은 주조성과 재활용 어려움과 같은 몇 가지 극복해야 할 과제가 있었다. 스미토모 전기 공업(주)은 도야마 대학과 공동으로 최근 내열 마그네슘 합금 사용과 관련된 문제들을 극복한 내열 마그네슘 합금을 성공적으로 개발했다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

자동차 경량화를 위해 마그네슘 합금의 파워트레인 부품 적용이 요구되나, 기존 AZ91, AM60 합금은 내열성이 부족하다. 이를 개선한 기존 내열 합금들은 주조성, 내식성, 재활용성 등에서 한계를 보였다.

이전 연구 현황:

내열성 향상을 위해 Al 함량을 줄이고 Si, RE, Ca, Sr 등을 첨가하는 방식이 연구되었으나, 이는 주조성 저하(RE, Sr, Ca), 재활용 비용 증가(RE), 산화물 결함(Ca) 등의 부작용을 동반했다.

연구 목적:

기존 내열 마그네슘 합금의 단점인 주조성, 내식성, 재활용성 문제를 해결하면서도 우수한 내열성을 갖는 혁신적인 다이캐스팅용 마그네슘 합금을 개발하는 것을 목표로 한다.

핵심 연구:

주조성 확보를 위해 Al을 9% 수준으로 유지하면서, β상(Mg17Al12) 생성을 억제하고 고온 강도를 확보하기 위해 Sr과 Ca를 조합 첨가하는 새로운 합금(AJX931)을 설계했다. 이후 기존 상용 합금(AS31, AE44, MRI153M)과 비교하여 주조성, 내열성, 기계적 특성, 내식성, 재활용성 등 전반적인 특성을 종합적으로 평가했다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

새로운 합금 AJX931(Mg-9Al-1Ca-3Sr)을 설계하고, 이를 기존 상용 내열 합금인 AS31(Mg-Al-Si), AE44(Mg-Al-RE), MRI153M(Mg-Al-Ca-Sr)과 비교 평가하는 실험적 연구 설계를 채택했다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 시편 제작: 650톤 콜드 챔버 다이캐스팅 머신을 사용하여 모든 평가용 합금 시편을 동일한 금형으로 제작했다.
  • 미세구조 분석: 주사전자현미경(SEM), 에너지 분산형 X선 분광법(EDX), X선 회절(XRD)을 사용하여 합금의 상(phase)과 석출물을 분석했다.
  • 특성 평가:
    • 내열성: 150°C에서 300시간 동안 유지 후 볼트 축력 유지율(BLR)을 측정했다.
    • 주조성: 10개의 주물에서 발생한 균열의 정도를 점수화하여 평균값을 산출했다.
    • 기계적 특성: 시편에서 인장 시험편을 절삭 가공하여 0.2% 항복강도를 측정했다.
    • 내식성: 200시간 염수 분무 시험(JIS Z 2371) 후 외관을 평가했다.
    • 재활용성: 스크랩을 재용해한 후 불순물 및 개재물(inclusion)의 양을 평가했다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 자동차 파워트레인 부품 적용을 목표로 하는 새로운 내열 다이캐스팅 마그네슘 합금(AJX931)의 개발과 그 실용적 특성 평가에 초점을 맞춘다. 범위는 합금 설계부터 미세구조 분석, 기계적/물리적 특성 평가 및 재활용성 기초 평가까지 포함한다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • AJX931 합금의 미세구조 분석 결과, 내열성을 저해하는 β상(Mg17Al12)은 관찰되지 않았으며, 의도한 대로 내열성이 우수한 Al-Sr 및 Al-Ca 화합물이 주 석출물로 형성되었음을 확인했다.
  • 내열성 평가에서 AJX931의 볼트 축력 유지율(BLR)은 64%로, 희토류계 합금인 AE44(63%)와 동등한 최고 수준의 성능을 보였다.
  • 주조 균열 평가에서 AJX931은 2.0점으로, AS31(6.7점) 및 MRI153M(11.5점)보다 월등히 우수한 결과를 나타냈다.
  • 0.2% 항복강도는 156 MPa로, 비교 합금 중 가장 높은 값을 기록하여 우수한 기계적 특성을 입증했다.
  • 200시간 염수 분무 시험에서 AE44보다 우수한 내식성을 보였으며, 재활용성 평가에서도 희토류 부재와 용탕 청정성 유지 능력으로 인해 높은 잠재력을 확인했다.

그림 이름 목록:

  • Fig. 1. Die-cast sample shape
  • Fig. 2. Microstructure of AJX931 die casting
  • Fig. 3. FE-SEM-based EDX analysis of AJX931 die casting
  • Fig. 4. XRD measurement of AJX931 die casting
  • Fig. 5. Measurement method for remaining axial force
  • Fig. 6. BLR of conventional heat-resistant alloys and newly developed alloy
  • Fig. 7. Evaluation of castability for die casting (casting cracks)
  • Fig. 8. Microstructures of die-cast alloys
  • Fig. 9. Test specimen cut-out area and shape of tensile test specimen
  • Fig. 10. 0.2% yield strength comparison of existing heat-resistant alloys and newly developed alloy
  • Fig. 11. Exterior of samples subjected to 200 h salt spray testing
  • Fig. 12. Evaluation results for amount of inclusions
  • Fig. 13. Exterior of ingots cast from smelted molten metal
Fig. 3. FE-SEM-based EDX analysis of AJX931 die casting
Fig. 3. FE-SEM-based EDX analysis of AJX931 die casting
Fig. 4. XRD measurement of AJX931 die casting
Fig. 4. XRD measurement of AJX931 die casting
Fig. 5. Measurement method for remaining axial force
Fig. 6. BLR of conventional heat-resistant alloys and newly developed alloy
Fig. 6. BLR of conventional heat-resistant alloys and newly developed alloy

7. 결론:

스미토모 전기는 혁신적인 내열 마그네슘 합금 AJX931을 성공적으로 개발했다. 기존 내열 마그네슘 합금과 비교하여 AJX931은 매우 높은 내열 특성, 우수한 주조성, 내식성 및 재료 강도를 가지고 있다. 또한, 이 신규 개발 합금은 구성 원소로 희토류(RE)를 포함하지 않으므로 재활용을 용이하게 할 것으로 간주된다. 우리는 AJX931을 기존 내열 마그네슘 합금에 대한 우려를 해결하는 솔루션으로 보고 있다. 이 합금은 운송 차량 부품에 사용될 것으로 기대되며, 향후 과제는 이 신규 개발 합금을 차량에 실제로 사용하기 위한 응용 분야를 탐색하는 것을 포함한다.

8. 참고 문헌:

  • (1) S. Kamado, Y. Kojima, Materia Japan, 38 (1999) 4
  • (2) S. Saikawa, Journal of Japan Institute of Light Metals, 60 (2010) 11
  • (3) S. Takeda, Materia Japan, 53 (2014) 12
  • (4) I. Nakatsugawa, Materia Japan, 38 (1999) 4
  • (5) H. Kawabata, N. Nishino, T. Aikawa, K. Otake, Y. Genma, Journal of Japan, 60 (2010) 11
  • (6) The Japan Magnesium Association web site (2013)

전문가 Q&A: 핵심 질문에 대한 답변

Q1: 높은 알루미늄(Al) 함량이 일반적으로 내열성을 저하시키는데, AJX931에서 9%의 Al을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 9%의 Al 함량을 선택한 것은 주조성, 내식성, 상온 강도 측면에서 이점을 극대화하기 위함이었습니다. 본 연구의 혁신은 높은 Al 함량을 유지하면서도, 내열성을 저하시키는 β상(Mg17Al12)의 형성을 억제한 데 있습니다. 3%의 스트론튬(Sr)과 1%의 칼슘(Ca)을 첨가하여 Al이 Mg과 반응하기 전에 먼저 이들과 반응해 Al2Sr, Al4Sr, Al2Ca와 같은 고온에서 안정한 화합물을 형성하도록 유도함으로써 이 문제를 해결했습니다.

Q2: AJX931의 주조성(내균열성)은 희토류를 포함한 AE44와 비교했을 때 어느 정도 수준입니까?

A2: 그림 7의 주조 균열 평가 결과를 보면, AJX931(2.0점)은 AE44(0.3점)보다는 약간 균열 발생 경향이 있지만, 다른 비희토류 합금인 AS31(6.7점)이나 MRI153M(11.5점)에 비해서는 월등히 우수합니다. 논문은 AJX931이 AE44와 유사하게 더 많은 양의 공정(eutectic) 석출물을 형성하여 응고 수축을 보상하는 능력이 향상되었기 때문이라고 추론합니다. 이는 복잡한 형상의 부품을 생산할 때 높은 수율을 기대할 수 있음을 의미합니다.

Q3: AJX931이 AE44보다 재활용성이 우수하다고 보는 구체적인 이유는 무엇입니까?

A3: 가장 큰 이유는 희토류 원소(RE)를 포함하지 않는다는 점입니다. 논문에 따르면 희토류 함유 합금을 재활용하기 위해서는 "고가의 특수 목적용 플럭스"가 필요합니다. 반면 AJX931의 구성 원소(Mg, Al, Sr, Ca)는 주조용 알루미늄 합금에도 포함되는 원소들이므로, 알루미늄 합금의 합금 원료로 재사용될 가능성도 있습니다. 이는 재활용 공정을 단순화하고 비용을 절감하는 데 큰 이점입니다.

Q4: 논문에서 AJX931이 용융 상태에서 다루기 더 쉽다고 언급했는데, 이에 대한 근거는 무엇입니까?

A4: 그림 13은 그 증거를 명확히 보여줍니다. AJX931은 보호 가스 없이 대기 중에서 주조했음에도 불구하고 깨끗한 은백색의 금속 광택을 유지했습니다. 반면, AE44는 보호 가스를 사용했음에도 불구하고 표면이 갈색으로 변하고 연소 흔적이 나타났습니다. 이는 AJX931에 포함된 1%의 칼슘이 효과적인 연소 방지제 역할을 하여 용탕의 청정성을 유지하고 취급을 용이하게 만들기 때문입니다.

Q5: 볼트 축력 유지율(BLR) 테스트의 중요성은 무엇입니까?

A5: BLR 테스트(그림 5 및 6)는 파워트레인 부품이 실제 작동 환경인 고온(150°C에서 300시간)에 노출되었을 때의 성능을 직접적으로 시뮬레이션합니다. 높은 BLR 값(AJX931은 64% 달성)은 크리프 변형이 적다는 것을 의미하며, 이는 부품의 수명 동안 체결 볼트가 헐거워지지 않고 단단히 고정됨을 보장합니다. 이는 BLR이 3%에 불과한 AZ91과 같은 합금의 치명적인 약점을 극복했음을 보여주는 핵심 지표입니다.


결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길

본 연구는 기존 내열 다이캐스팅 마그네슘 합금의 한계를 뛰어넘는 혁신적인 솔루션, AJX931을 제시했습니다. 이 신소재는 희토류 원소 없이도 희토류계 합금과 동등하거나 그 이상의 내열성, 강도, 주조성을 달성했으며, 동시에 우수한 내식성과 재활용 용이성까지 확보했습니다. 이는 자동차 산업이 추구하는 경량화를 통한 연비 향상과 지속가능성 목표를 동시에 만족시킬 수 있는 실용적인 대안이 될 것입니다.

"CASTMAN은 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 본 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, CASTMAN 엔지니어링팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오."

저작권 정보

  • 이 콘텐츠는 "[Manabu MIZUTANI]" 외 저자의 논문 "[Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy]"를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
  • 출처: [SEI TECHNICAL REVIEW NUMBER 88, APRIL 2019]

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