Materials in Automotive Engineering

1. 개요:

• 제목: Materials in Automotive Engineering
• 저자:
  • Jeremija JEVTIC
  • Radinko GLIGORIJEVIC
  • Djuro BORAK
• 발행 연도: 2007년 5월 18일
• 발행 학술지/학회: MACHINE DESIGN, Faculty of Technical Sciences, Novi Sad, 47th Anniversary of the Faculty
• Keywords:
  • automotive materials
  • CGI
  • Al
  • Mg-alloys
  • plastic

2. 연구 배경:

• 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
  • 전 세계적으로 자동차 산업은 엄격한 배기가스 규제를 준수해야 하는 압박에 직면해 있습니다.
  • 자동차 산업의 주요 과제는 성능과 연비 향상을 동시에 달성하면서 강화되는 배기가스 배출 기준을 충족하는 것입니다.
  • 운송 부문은 NOx 및 미립자 물질 배출과 CO2 배출의 주요 원인 중 하나입니다.
  • 차량의 무게를 줄이는 것은 배기가스 감소 목표 달성에 필수적입니다.
  • 디젤 엔진의 가장 큰 문제점은 NOx 및 미립자 물질 배출이며, 이를 줄이기 위한 방법 중 하나는 실린더 최고 연소 압력을 높이는 것입니다.
  • 이러한 목표를 달성하기 위해서는 크랭크케이스에 더 강력한 신소재가 필요합니다.
  • 현대 HSDI 엔진을 지지하면서 크기나 무게를 늘리지 않고 내구성이 뛰어난 재료 중 하나가 구상 흑연 주철(CGI)입니다.
• 기존 연구의 한계점:
  • 논문에서 기존 연구의 명확한 한계점을 언급하지는 않지만, 새로운 배기가스 규제와 성능 요구 사항을 충족하기 위해 기존 재료의 대안으로 CGI, 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 및 플라스틱과 같은 신소재에 대한 연구 필요성을 강조합니다.
• 연구의 필요성:
  • 자동차 부품의 무게를 줄이고 더 강력하고 가벼운 재료를 개발 및 적용해야 할 필요성이 증가하고 있습니다.
  • 특히 중부하 디젤 엔진의 경우 NOx 및 미립자 물질 배출 감소가 중요하며, 이를 위해 실린더 최고 연소 압력을 높여야 합니다.
  • 크랭크케이스와 같은 엔진 부품에 적합한 새로운 재료를 탐색하고 특성을 평가하는 연구가 필요합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적:
  • 실린더 블록에 사용되는 재료인 구상 흑연 주철의 특성을 일반 편상 흑연 주철 및 알루미늄 합금과 비교하여 검토합니다.
  • 새로운 알루미늄 및 마그네슘 합금과 플라스틱에 대한 검토를 제공합니다.
• 핵심 연구 질문:
  • 구상 흑연 주철(CGI)은 실린더 블록 재료로서 기존의 편상 흑연 주철 및 알루미늄 합금과 비교하여 어떤 특징을 가지는가?
  • 자동차 산업에서 경량화를 위해 새롭게 개발되고 있는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 및 플라스틱의 특징과 적용 가능성은 무엇인가?
• 연구 가설:
  • 논문에 명시적인 연구 가설은 제시되지 않았지만, 구상 흑연 주철(CGI)은 강도, 강성 및 피로 강도 측면에서 편상 흑연 주철 및 알루미늄 합금보다 우수한 특성을 나타내어 고성능 디젤 엔진의 실린더 블록 재료로 적합할 것이라는 점을 암시합니다.

4. 연구 방법론

• 연구 설계:
  • 본 연구는 다양한 자동차 재료의 특성을 비교 분석하는 리뷰 논문 입니다.
  • 기존 연구 문헌 및 자료를 바탕으로 다양한 재료의 특성을 비교하고, 자동차 산업에서의 적용 동향을 분석합니다.
• 데이터 수집 방법:
  • 기존 연구 문헌, 기술 보고서, 산업 자료 등 문헌 조사 를 통해 데이터를 수집합니다.
  • 다양한 재료의 물성치, 성능 데이터, 적용 사례 등을 수집하여 비교 분석합니다.
• 분석 방법:
  • 수집된 데이터를 바탕으로 재료별 특성을 비교 분석 합니다.
  • 표 (Table 1) 와 그림 (Fig. 1, 2, 3) 을 활용하여 재료의 물성치 및 성능을 시각적으로 비교합니다.
  • 각 재료의 장단점 및 적용 분야를 분석하고, 자동차 산업에서의 활용 가능성을 평가합니다.
• 연구 대상 및 범위:
  • 자동차 엔진 실린더 블록 재료 에 초점을 맞추어 연구를 진행합니다.
  • 주요 연구 대상 재료는 다음과 같습니다:
    • 편상 흑연 주철 (Gray cast iron, CI)
    • 구상 흑연 주철 (Compacted graphite iron, CGI)
    • 알루미늄 합금 (Al-alloy)
    • 구상 흑연 주철 (Spheroidal graphite iron, SGI)
  • 추가적으로 자동차 산업에서 경량화를 위해 사용되는 마그네슘 합금 (Mg-alloys) 및 플라스틱 (plastics) 에 대한 동향을 간략하게 다룹니다.

5. 주요 연구 결과:

• 핵심 연구 결과:
  • 구상 흑연 주철 (CGI) 의 특성:
    • CGI는 편상 흑연 주철 (CI) 에 비해 "약 75% 더 높은 강도, 40% 더 높은 강성, 거의 두 배의 피로 강도" 를 가집니다 (Fig. 1, Table 1).
    • 알루미늄 합금 (Al-alloy) 과 비교하여 CGI는 "세 배의 피로 강도" 를 가집니다.
    • CGI는 높은 강도와 강성으로 인해 더 높은 실린더 압력 (최대 200 bar) 을 견딜 수 있어 고성능 디젤 엔진에 적합합니다 (Fig. 2).
    • CGI 부품을 사용한 디젤 엔진은 알루미늄 디젤 엔진만큼 가벼울 수 있으며, 더 작고 연비가 좋으며 배기가스 배출량이 적습니다.
    • CGI는 치수 안정성이 우수하여 실린더 라이너 변형을 줄이고 오일 소비를 감소시킬 수 있습니다.
    • CGI는 V형 엔진에서 실린더 블록 벌크헤드 사이의 Z자형 단면에서 추가적인 강점을 제공합니다 (Fig. 4).
    • CGI의 가공성은 편상 흑연 주철보다 나쁘지만, 새로운 연구에 따르면 낮은 티타늄 황화물 함량은 가공성을 향상시킬 수 있습니다 (Fig. 3).
  • 알루미늄 합금 (Al-alloy) 의 특성:
    • 알루미늄 합금은 경량화에 효과적이며, 차체의 무게를 "40~50%" 까지 줄일 수 있습니다.
    • Audi A2 및 A8 모델은 알루미늄 차체를 사용하여 동급의 강철 차체 차량보다 "약 40% 더 가볍습니다".
    • 알루미늄 차체는 강성, 충돌 안전성, 강도 및 내구성을 제공합니다.
    • 알루미늄 합금은 재활용성이 우수합니다.
    • 다이캐스팅 공법을 통해 알루미늄 실린더 라이너를 제작하는 새로운 기술이 개발되고 있습니다 (Fig. 7, 8).
  • 고강도 강철 (High Strength Steels) 의 특성:
    • 고강도 강철은 자동차 부품 경량화에 기여할 수 있으며, Mercedes-Benz E-Class 모델에서 "37%" 의 비중을 차지합니다 (Fig. 9).
    • CLK Cabriolet 모델의 차체 쉘은 고강도 강철 합금으로 "약 40%" 제작되었습니다.
    • VW Golf 연결봉은 재료 최적화 및 고강도 강철 적용을 통해 무게를 줄였습니다.
    • Porsche 모델은 도어 구조에 고강도 강철을 사용하여 무게를 "42% 더 가볍게" 만들었습니다.
    • 새로운 강종 (42CrMoS4, 45A) 은 높은 강도와 가공성을 동시에 제공합니다.
  • 마그네슘 합금 (Magnesium Alloys) 및 플라스틱 (Plastics) 의 특성:
    • 마그네슘 합금은 자동차 내장재에서 엔진 부품 및 외장 패널로 적용 범위가 확대되고 있습니다.
    • 마그네슘 합금은 알루미늄 합금 버전보다 크랭크케이스 무게를 "25%" 줄일 수 있습니다.
    • Opel Vectra 모델은 마그네슘 크로스 멤버를 사용하여 강철 부품보다 "4.3 kg 더 가볍습니다".
    • 플라스틱, 특히 섬유 강화 플라스틱은 자동차 산업에서 잠재력이 높으며, 비용 절감 및 경량화에 기여할 수 있습니다.
    • 나노 복합 재료 및 천연 유기 섬유 재료 (flax, willow, hemp) 와 같은 새로운 플라스틱 재료가 개발되고 있습니다.
    • 탄소 섬유는 미래 자동차 부품의 핵심 재료가 될 것으로 예상됩니다.
• 통계적/정성적 분석 결과:
  • Table 1: 실린더 블록 재료의 특성 비교 (회주철, CGI, SGI, 알루미늄 합금)
    • 펄라이트 함량, 인장 강도, 탄성 계수, 피로 강도, 경도, 열전도율 등 다양한 물성치 비교
  • Fig. 1: 주철의 기계적 특성 (인장 강도 vs 피로 강도)
    • CGI가 편상 흑연 주철 (CI) 보다 우수한 기계적 특성을 나타냄
  • Fig. 2: 실린더 블록 재료별 최대 연소 압력 한계
    • CGI가 편상 흑연 주철 및 알루미늄 합금보다 높은 연소 압력 한계를 가짐
  • Fig. 3: 재료별 상대적 가공성
    • CGI의 가공성이 편상 흑연 주철보다 떨어지지만, 새로운 기술 개발로 개선 가능성 제시
  • Fig. 6: 1988년 (a) 과 1999년 (b) 자동차의 재료 비중 변화
    • 경금속 (Light metals, Castings and Forgings) 의 비중이 증가하는 추세 확인
  • Fig. 9: Mercedes-Benz E-Class 자동차의 재료 비중
    • 고강도 강철 (High strength steel) 과 경금속 (Light metals, Aluminium) 의 높은 비중 확인
• 데이터 해석:
  • CGI는 고성능 디젤 엔진 실린더 블록에 적합한 우수한 재료이며, 경량화 및 배기가스 저감에 기여할 수 있습니다.
  • 알루미늄 합금은 차체 경량화에 중요한 역할을 하며, 마그네슘 합금 및 플라스틱은 자동차 부품 경량화에 대한 잠재력이 높습니다.
  • 고강도 강철은 기존 강철 부품을 대체하여 경량화에 기여할 수 있습니다.
  • 자동차 산업은 경량화, 고성능, 친환경성을 동시에 추구하기 위해 다양한 신소재를 적극적으로 활용하고 있습니다.
• Figure Name List:
  • Fig. 1. Mechanical characteristics of cast iron
  • Fig. 2. Peak firing pressure limits of various material for cylinder blocks
  • Fig. 3. Relative machining of various materials
  • Fig. 4. Z-shaped section of the cylinder block
  • Fig. 5. Size and shape of graphite in CI, CGI and SGI under light (x 100) and SEL microscope
  • Fig. 6. Materials share in an automobile made in 1988 (a) and 1999 (b)
  • Fig. 7. Aluminium cylinder liner in conventional die-casting
  • Fig. 8. Microstructure (100:1) of SAE 390 alloy
  • Fig. 9. Materials share in E-class of Mercedes-Benc automobile

6. 결론 및 논의:

• 주요 결과 요약:
  • 자동차 산업의 새로운 재료는 새로운 가능성을 제시합니다.
  • 편상 흑연 대신 구상 흑연을 사용하면 치수 변경 없이 고강도 경량 엔진 제품군용 실린더 블록을 주조할 수 있습니다.
  • CGI는 매력적인 특성으로 인해 발칸 지역의 주조 공장에서 CGI 주조 기술을 개발하고 조직해야 합니다.
  • 경승용차에서는 Al-합금이 널리 사용되며 Mg-합금, 플라스틱 및 복합재도 점점 더 많이 사용될 것으로 예상됩니다.
  • 회주철과 알루미늄은 앞으로도 오랫동안 사용될 것입니다.
  • 고강도 및 초고강도 강철을 사용하면 무게를 줄이고 성능을 향상시킬 수 있습니다.
  • 무게 감량은 성능에 도움이 되고 배기가스 배출을 용이하게 하여 연비를 향상시킵니다.
• 연구의 학술적 의의:
  • 본 연구는 자동차 산업에서 경량화 및 고성능화를 위한 재료 개발 동향을 종합적으로 제시합니다.
  • 특히 구상 흑연 주철 (CGI) 의 우수성을 강조하고, 알루미늄 합금, 고강도 강철, 마그네슘 합금, 플라스틱 등 다양한 신소재의 적용 가능성을 분석하여 학술적 가치를 높입니다.
  • 자동차 재료 분야 연구자들에게 유용한 정보를 제공하고, 향후 연구 방향 설정에 기여할 수 있습니다.
• 실무적 시사점:
  • 자동차 제조업체는 CGI, 알루미늄 합금, 고강도 강철, 마그네슘 합금, 플라스틱 등 다양한 신소재를 적극적으로 활용하여 차량의 경량화 및 성능 향상을 추구해야 합니다.
  • 특히 CGI는 고성능 디젤 엔진 실린더 블록에 매우 적합한 재료이며, 생산 기술 개발 및 적용 확대를 고려할 필요가 있습니다.
  • 경량화는 연비 향상 및 배기가스 저감 효과를 가져오므로, 환경 규제 강화에 대응하기 위한 중요한 전략입니다.
• 연구의 한계점:
  • 본 연구는 리뷰 논문으로, 새로운 실험 데이터나 독창적인 분석 결과를 제시하지 않습니다.
  • 특정 재료의 심층적인 분석보다는 다양한 재료의 특성을 개괄적으로 비교하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
  • 인용된 참고 문헌의 범위 및 최신성이 제한적일 수 있습니다 (2007년 논문 기준).

7. 향후 후속 연구:

• 후속 연구 방향:
  • CGI 주조 기술 최적화 및 대량 생산 기술 개발 연구
  • 새로운 알루미늄 합금, 마그네슘 합금 및 복합 재료 개발 연구
  • 자동차 부품에 대한 다양한 신소재의 적용 가능성 및 성능 평가 연구
  • 경량 재료의 내구성, 신뢰성 및 경제성 평가 연구
  • 자동차 재료의 환경 영향 평가 및 재활용 기술 연구
• 추가 탐구가 필요한 영역:
  • CGI 가공성 향상 기술 개발
  • 경량 재료의 비용 효율성 분석
  • 자동차 재료의 전 과정 평가 (LCA)
  • 미래 자동차 (전기차, 수소차 등) 에 적합한 경량 재료 연구

8. 참고문헌:

1. Engine Technology Intern. 1/99, p.62
2. Engine Technology Intern. 1/02,p.54
3. Gligorijevic, R., Jevtic, J., Material development trends in automotive industry, Proceeding-YUDEKO 2002
4. Engine Technology Intern. Sept 2001, p.12
5. Sahm, A., New Aspects in CGI machining, Engine Expo 2002, Stuttgart 2002
6. Slavnich, D., Lightweights punch in out, Automobile Engineer, March 2002, p.52
7. MTZ 61 (2000) 4,p.244
8. Stocker, P. et. al. The New Al-Si Cylinder Liner Technology for Die-Cast Aluminium Crankcases, MTZ 58,1997, 9,
9. Auto Technology Intern. May 2001, p. 86
10. Auto Technology Intern. 3(2003), p. 22
11. Auto Technology Intern. Jun 2000, p.44
12. Auto Technology Intern. 1/2001, p.40
13. Gligorijevic, R.: Gray iron aluminium alloying as the method of improving damping properties and oxidation resistance at elevated temperatures, Foundry XXIX, 1982, No. 1-4, p. 15

9. Copyright:

본 자료는 Jeremija JEVTIC, Radinko GLIGORIJEVIC, Djuro BORAK의 논문: Materials in Automotive Engineering을 기반으로 작성되었습니다.

본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용이 금지됩니다.
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