본 소개 내용은 [MS&T19®]에서 발행한 ["Development of High Ductility Al-Zn-Mg Casting Alloys for Automotive Structural Components"] 의 연구 내용입니다.
1. 개요:
- 제목: 고연성 Al-Zn-Mg 다이캐스팅 합금의 자동차 구조 부품 개발
- 저자: A. Lombardi, G. Byczynski, C. Wu, X. Zeng, S. Shankar, G. Birsan, and K. Sadayappan
- 발행 연도: 2019년
- 발행 학술지/학회: Materials Science and Technology 2019 (MS&T19)
- 키워드: 고압 다이캐스팅, 자동차 구조 부품, 알루미늄 합금
2. 초록 / 서론
본 연구 논문은 자동차 산업에서 경량화에 대한 요구가 증가함에 따라 자동차 구조 부품용으로 설계된 새로운 Al-Zn-Mg 합금 개발을 다룹니다. 본 연구는 철강 부품을 대체하고 내연 기관의 연비 향상 및 전기 자동차의 주행 거리 연장에 필수적인 고연신율(EL~10%) 및 적당한 항복 강도(YS~130-200 MPa)를 요구하는 합금에 초점을 맞춥니다. 본 연구에서는 고연신율 변형 합금인 Nemalloy HE700을 소개하고, Nemalloy HS700/701 및 Silafont-36 및 Mercaloy 367과 같은 기존 구조 다이캐스팅 합금과 비교하여 주조 상태(F-템퍼) 및 용체화 열처리(T4-템퍼) 조건 모두에서 인장 특성을 비교합니다. 서론에서는 자동차 파워트레인 및 구조 부품에서 알루미늄 합금의 활용이 증가하고 있음을 강조하며, 구조 부품의 엄격한 충돌 안전 사양으로 인해 고연신율 및 항복 강도를 갖는 합금이 필요함을 강조합니다. Mercaloy 367, Silafont 36 및 Castasil 37과 같은 현재 합금은 HPDC에 사용되지만, 다이 솔더링에 대한 취약성 및 원하는 기계적 특성을 얻기 위한 열처리 필요성과 같은 제한 사항을 나타냅니다. 본 논문에서는 강도는 개선되었지만 연신율 개선이 필요했던 Nemalloy HS700 및 HS701의 개발을 소개하며, 특정 응용 분야에서 열처리 필요성을 없애고 주조 상태에서 높은 연신율을 달성하도록 설계된 Nemalloy HE700의 개발로 이어졌습니다.
3. 연구 배경:
연구 주제 배경:
자동차 산업은 내연 기관 차량의 연비 향상과 배터리 전기 자동차(BEV)의 주행 거리 확대를 위해 경량화에 점점 더 집중하고 있습니다. 알루미늄 합금은 우수한 강도 대 중량비, 강성, 연성 및 재활용성으로 인해 자동차 구조 부품에 유망한 재료로 인식되고 있습니다. 알루미늄 합금은 이미 파워트레인 부품에 사용되고 있지만, 구조 및 차체 백색 부품(예: 쇼크 타워, 종방향 부재, 측면 충격 빔) 및 배터리 트레이와 같은 전기 자동차 부품으로 적용이 확대되고 있습니다. 이러한 구조 부품은 엄격한 충돌 안전 사양을 요구하며, 높은 연신율(EL~10%)과 상대적으로 높은 항복 강도(YS ~130-200 MPa)의 조합이 필요합니다.
기존 연구 현황:
현재 주조 알루미늄 구조 부품은 주로 고압 다이캐스팅(HPDC)을 통해 가공된 Mercaloy 367, Silafont 36 / Aural 2 및 Castasil 37과 같은 Al-Si 기반 합금을 사용하여 제조됩니다. 이러한 Al-Si 합금은 HPDC에서 우수한 주조성을 제공하며 일부 구조 응용 분야에 적합한 YS 및 EL을 보유하고 있습니다. 그러나 Fe 농도가 매우 낮아 다이 솔더링에 취약하여 부품 변형, 균열 및 공구 마모 증가를 초래합니다. 또한 Silafont-36 및 Mercaloy 367과 같은 합금은 기계적 특성을 완전히 개발하기 위해 열처리(용체화 열처리 및 인공 시효)가 필요하며, 이는 생산 비용을 증가시키고 열처리로 인한 변형을 수정하기 위한 교정 작업이 필요할 수 있습니다.
연구의 필요성:
기존 상용 Al 구조 다이캐스팅 합금의 한계, 특히 다이 솔더링 취약성 및 열처리 필요성을 극복하고 자동차 구조 부품에서 높은 강도와 높은 연신율에 대한 요구 증가를 충족하기 위해 새로운 합금 시스템을 개발할 필요가 있습니다. 본 연구는 값비싸고 시간이 많이 걸리는 열처리 공정의 필요성을 잠재적으로 제거하고 주조 상태에서 높은 연신율과 적절한 항복 강도를 달성하도록 설계된 새로운 Al-Zn-Mg 합금인 Nemalloy HE700을 개발하고 특성화하는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 목적 및 연구 질문:
연구 목적:
주요 연구 목적은 자동차 구조 부품용 고연성 Al-Zn-Mg 다이캐스팅 합금인 Nemalloy HE700을 개발하고 평가하는 것입니다. 이 합금은 기존 Al-Si 합금에서 흔히 발생하는 다이 솔더링 관련 문제를 완화하고 열처리 필요성을 줄이거나 제거하여 주조 상태에서 우수한 기계적 특성 조합, 특히 높은 연신율과 적당한 항복 강도를 달성하도록 설계되었습니다.
핵심 연구:
핵심 연구는 주조 상태(F-템퍼) 및 용체화 열처리(T4-템퍼) 조건 모두에서 Nemalloy HE700의 인장 특성을 특성화하는 데 중점을 둡니다. 본 연구는 Nemalloy HE700이 자동차 구조 응용 분야에서 현재 합금을 대체할 가능성과 성능을 평가하기 위해 이러한 특성을 Nemalloy HS700/701 및 산업 표준 구조 다이캐스팅 합금인 Mercaloy 367 및 Silafont-36과 비교합니다. 산업 응용 분야를 위한 가공 매개변수를 최적화하기 위해 Nemalloy HE700에 대한 단기 T4 열처리 효과도 조사합니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 주조 시험 및 기계적 특성 평가를 포함하는 실험적 설계를 채택했습니다. Nemalloy HE700, HS700/701 및 Mercaloy 367에 대한 주조 시험은 Canmet Materials 연구 시설에서 고진공 보조 기능이 있는 1200톤 HPDC 기계를 사용하여 수행되었습니다. ASTM B557 표준 인장 바, 피로 바 및 평판을 생산하기 위해 "시험편" 다이(그림 1)를 활용했습니다. 시편은 주조 상태(F-템퍼) 및 열처리(SHT3 매개변수 및 단기 T4를 사용한 T4-템퍼) 조건으로 준비했습니다.
데이터 수집 방법:
합금의 기계적 특성을 평가하기 위해 인장 시험을 수행했습니다. 인장 시편은 상온에서 약 14일의 자연 시효 기간 후 1mm/min의 로딩 속도로 시험했습니다. 열처리된 시편의 경우, 7일의 자연 시효가 열처리 후에 이어졌습니다. 경도 측정은 시효 시간 결정이 경도 안정화를 기반으로 했기 때문에 암묵적으로 고려되었습니다.
분석 방법:
수집된 인장 데이터(항복 강도(YS), 인장 강도(UTS) 및 연신율(EL) 포함)를 분석하고 다양한 합금(Nemalloy HE700, HS700/701, Mercaloy 367, Silafont-36) 및 템퍼 조건(F 및 T4)에 걸쳐 비교했습니다. 그래픽 표현(그림 2, 3 및 4)을 사용하여 인장 특성을 시각화하고 비교했습니다.
연구 대상 및 범위:
주요 연구 대상은 새로 개발된 Nemalloy HE700 Al-Zn-Mg 합금이었습니다. 비교 분석에는 Nemalloy HS700/701, Mercaloy 367 및 Silafont-36이 포함되었습니다. 연구 범위는 주조 상태 및 T4-템퍼 조건에서 인장 특성 및 경도 평가로 제한되었으며, Nemalloy HE700의 자동차 구조 부품에 대한 적합성에 중점을 두었습니다.
6. 주요 연구 결과:
핵심 연구 결과:
- 주조 상태 (F-템퍼): Nemalloy HE700은 평균 YS 약 130 MPa, UTS 260 MPa 및 연신율 11.2%를 나타냈습니다. Nemalloy HS701은 더 높은 강도(YS ~190 MPa, UTS ~325 MPa)를 보였지만 연신율은 더 낮았습니다(~8%). Nemalloy HE700 및 HS701 모두 Mercaloy 367(YS ~150 MPa, UTS ~305 MPa, EL ~7.6%)에 비해 유사하거나 더 우수한 주조 상태 기계적 특성을 입증했습니다.
- SHT3 열처리 조건 (T4-템퍼): SHT3 열처리 후 Nemalloy HE700은 평균 YS 약 155 MPa, UTS 305 MPa 및 연신율 13.8%를 달성했습니다. Nemalloy HS701은 YS 205 MPa, UTS 370 MPa 및 연신율 10.5%에 도달했습니다.
- 단기 T4 열처리: Nemalloy HE700에 대한 2시간 동안 475°C에서 단기 T4 열처리는 SHT3 처리 조건과 유사하고 주조 상태에 비해 크게 개선된 YS 약 155 MPa, UTS 320 MPa 및 연신율 16.5%를 가져왔습니다.
제시된 데이터 분석:
데이터는 Nemalloy HE700이 Mercaloy 367 및 Silafont-36과 같은 기존 구조 다이캐스팅 합금에 비해 주조 상태에서 우수한 연성 및 강도 조합을 제공함을 나타냅니다. Nemalloy HE700의 주조 상태 특성은 많은 자동차 구조 부품에 대한 요구 사항을 충족하여 열처리 및 관련 비용 및 변형의 필요성을 잠재적으로 제거할 수 있습니다. Nemalloy HS701은 더 높은 강도를 제공하지만 Nemalloy HE700은 연신율이 뛰어납니다. 또한 단기 T4 열처리는 Nemalloy HE700의 기계적 특성을 효과적으로 향상시켜 보다 광범위한 SHT3 열처리와 유사한 특성을 달성하여 산업적으로 실용적입니다.
그림 목록:
- 그림 1. (a) 본 연구에 사용된 "시험편" HPDC 다이 이미지, (b) Nemalloy HE700을 사용한 "시험편" 주조 이미지.
- 그림 2. 시험편 다이에서 생산된 Nemalloy HE700, HS700/701 및 Mercaloy 367의 주조 상태 인장 특성.
- 그림 3. 시험편 다이에서 생산되고 SHT3 매개변수를 사용하여 T4 템퍼로 열처리된 Nemalloy HE700 및 HS700/701의 인장 특성.
- 그림 4. T4 템퍼에서 Nemalloy HE700의 인장 특성에 대한 용체화 열처리 시간(475 °C)의 효과.
7. 결론:
주요 결과 요약:
본 연구는 고연성 Al-Zn-Mg 다이캐스팅 합금인 Nemalloy HE700을 성공적으로 개발하고 특성화했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.
- Nemalloy HE700은 우수한 주조 상태 특성(YS ~130 MPa, UTS ~260 MPa, EL ~11.2%)을 나타내며, 열처리 없이도 많은 자동차 구조 부품에 대한 사양을 충족하거나 초과합니다.
- 고강도 변형 합금인 Nemalloy HS701은 주조 상태에서 더 높은 강도(YS ~190 MPa, UTS ~325 MPa, EL ~8%)를 제공하며, 더 높은 강도가 필요하고 더 낮은 연신율을 허용할 수 있는 부품에 적합합니다.
- Nemalloy HE700은 Silafont-36 및 Mercaloy 367과 같이 널리 사용되는 구조 Al 다이캐스팅 합금에 비해 주조 상태에서 훨씬 더 높은 연신율과 유사한 항복 강도를 나타냅니다.
- SHT3 매개변수와 475°C에서 2시간의 단기 처리 모두를 사용하여 Nemalloy HE700을 T4 템퍼로 열처리하면 연신율을 유지하거나 향상시키면서 YS 및 UTS가 효과적으로 증가하여 훨씬 더 높은 기계적 특성이 필요한 응용 분야에 적합합니다.
연구의 학문적 의의:
본 연구는 구조 응용 분야에서 높은 연성을 위해 특별히 설계된 새로운 Al-Zn-Mg 합금 시스템인 Nemalloy HE700을 도입하여 다이캐스팅 야금 분야에 기여합니다. 본 연구는 주조 상태 및 열처리 조건에서 이 합금의 기계적 특성에 대한 귀중한 데이터를 제공하여 HPDC용 Al-Zn-Mg 합금에 대한 이해를 넓히고 기존 Al-Si 합금에 대한 잠재적인 대안을 제공합니다.
실용적 의미:
Nemalloy HE700의 개발은 자동차 산업에 중요한 실용적 의미를 갖습니다. 우수한 주조 상태 특성은 많은 구조 부품에 대한 열처리 필요성을 잠재적으로 제거하여 제조 비용과 사이클 시간을 줄일 수 있습니다. 합금의 높은 연성 및 적절한 강도는 자동차 구조 응용 분야에서 철강 부품 및 기존 알루미늄 합금을 대체할 수 있는 유망한 후보로 만들어 차량 경량화 및 연비 향상 또는 전기 자동차의 주행 거리 연장에 기여합니다. 산업적으로 실용적인 단기 T4 열처리는 더 높은 기계적 특성이 필요한 부품에 대한 적용 가능성을 더욱 향상시킵니다.
연구의 한계 및 향후 연구 분야:
본 논문에서는 연구의 한계나 향후 연구 분야에 대해 명시적으로 논의하지 않습니다. 그러나 암묵적으로 향후 연구에서는 다음을 탐구할 수 있습니다.
- 합금 조성 및 열처리 매개변수를 더욱 최적화하기 위해 다양한 가공 조건에서 Nemalloy HE700의 상세한 미세 구조 특성 분석.
- 구조 자동차 응용 분야에 대한 적합성을 검증하기 위한 충돌 및 피로 하중 조건에서의 성능 평가.
- 다이 솔더링 문제 감소에 대한 이점을 정량화하기 위해 Al-Si 합금과 비교한 Nemalloy HE700의 다이 솔더링 거동.
- 재료 비용, 가공 비용(열처리 포함) 및 성능 이점을 고려하여 기존 합금과 비교한 Nemalloy HE700 사용의 비용-편익 분석.
8. 참고 문헌:
- 1. https://www.mercalloy.com/mercalloy-family/high-strength/
- 2. http://rheinfelden-alloys.eu/wp-content/uploads/2015/07/05-Silafont-Processing.pdf.
- 3. S. Shankar, D. Apelian, “Mechanism and Preventative Measures for Die Soldering during Al Casting in a Ferrous Mold”, JOM, 54 (8) (2002), 47-54.
- 4. C. Wu, X. Zeng, S. Shankar, G. Birsan, K. Sadayappan, A. Lombardi and G. Byczynski, “Microstructure and Uniaxial Tensile Properties of Heat Treatable Al-Zn Alloy for Structural HPDC Components” (Paper presented at NADCA Die Casting Congress, Indianapolis, Indiana, 15-17 October 2018, 7.
9. 저작권:
- 본 자료는 "[A. Lombardi, G. Byczynski, C. Wu, X. Zeng, S. Shankar, G. Birsan, and K. Sadayappan]"의 논문: "[고연성 Al-Zn-Mg 다이캐스팅 합금의 자동차 구조 부품 개발]"을 기반으로 합니다.
- 논문 출처: DOI 10.7449/2019/MST_2019_1049_1056
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