내열 다이캐스트 마그네슘 합금의 특징 및 자동차 응용

본 소개 자료는 SEI TECHNICAL REVIEW에서 발행한 "Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy" 논문의 연구 내용입니다.

Fig. 1. Die-cast sample shape
Fig. 1. Die-cast sample shape

1. 개요:

  • 제목: 내열 다이캐스트 마그네슘 합금의 특징 및 자동차 응용
  • 저자: Manabu MIZUTANI, Katsuhito YOSHIDA, Nozomu KAWABE, Seiji SAIKAWA
  • 발행년도: 2019
  • 발행 저널/학회: SEI TECHNICAL REVIEW
  • 키워드: 크리프 저항, 내열성, 마그네슘 합금, 다이캐스팅, 경량화

2. 초록 / 서론

마그네슘(Mg) 합금은 경량화 응용 분야, 특히 자동차 파워트레인에 사용하기 적합합니다. 그러나 AZ91 및 AM60과 같이 일반적으로 사용되는 합금은 고온(150°C)에서 크리프 저항성이 좋지 않습니다. 이 논문은 기존 내열 Mg 합금의 낮은 주조성 및 재활용성 저하와 같은 한계를 극복한 새로 개발된 고온 크리프 저항성 Mg 합금(AJX931)을 소개합니다.

3. 연구 배경:

연구 주제의 배경:

마그네슘은 가장 가벼운 구조용 금속으로 자동차 부품의 경량화에 매력적입니다.

기존 연구 현황:

AZ91D, AM60 및 AM50과 같은 기존 합금에는 한계가 있습니다.

  • AZ91 및 AM60은 120°C 이상의 온도에서 β-상 석출물(Mg17Al12)의 약화로 인해 150°C에서 불량한 크리프 저항성을 나타냅니다.
  • 기존 내열 합금은 Al 함량을 줄이고 Si, RE, Ca 및 Sr과 같은 원소를 첨가하여 고온 성능을 향상시킵니다. 그러나 이러한 첨가는 종종 주조성 및 재활용성을 저하시킵니다.

연구의 필요성:

경량화, 내열성이 중요한 자동차 파워트레인 부품에 사용하기 위해 고온 크리프 저항성과 우수한 주조성 및 재활용성을 결합한 Mg 합금이 필요합니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

기존 내열 마그네슘 합금과 관련된 문제, 특히 주조성 및 재활용성과 관련된 문제를 극복하는 내열 마그네슘 합금을 개발합니다.

주요 연구:

  • 우수한 주조성, 내식성 및 재활용성을 유지하면서 β-상 석출을 최소화하는 합금 조성을 설계하는 방법.
  • 새로 개발된 합금의 기계적 성질, 미세 구조, 내열성 및 내식성을 평가합니다.
  • 새로 개발한 합금과 기존 합금의 비교

5. 연구 방법

연구 설계:

실험적 합금 설계 및 비교 분석.

데이터 수집 방법:

  • 650t 콜드 챔버 다이캐스팅 기계를 사용한 샘플 다이캐스팅.
  • 미세 구조 분석을 위한 주사 전자 현미경(SEM) 및 전계 방출 SEM(FE-SEM).
  • 원소 분석을 위한 에너지 분산형 X선 분광법(EDX).
  • 상 식별을 위한 X선 회절(XRD).
  • 기계적 특성 평가를 위한 인장 시험.
  • 크리프 저항 평가를 위한 150°C에서 볼트 하중 유지(BLR) 시험.
  • 내식성 평가를 위한 염수 분무 시험(JIS Z 2371).
  • 재용해 및 불순물 분석을 통한 재활용성 평가.
  • 주조 균열 평가.

분석 방법:

  • 미세 구조 특징의 정량적 분석.
  • 새 합금(AJX931)과 기존 합금(AS31, AE44, MRI153M, AZ91) 간의 기계적 특성, BLR 및 내식성 비교.
  • 주조 균열 경향 평가.
  • 재활용 중 개재물 분석.

연구 대상 및 범위:

이 연구는 내열성, 주조성 및 재활용성을 최적화하도록 설계된 조성을 가진 새로운 Mg 합금(AJX931)의 개발 및 특성화에 중점을 두었습니다. 범위에는 AJX931과 상용 내열 Mg 합금의 비교가 포함되었습니다.

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

  • 공칭 조성이 약 Mg-9Al-1Ca-3Sr인 AJX931이 성공적으로 개발되었습니다.
  • AJX931은 AZ91에 비해 현저하게 향상된 볼트 하중 유지(BLR)를 나타내며 AS31 및 MRI153M과 비슷하거나 우수한 BLR을 나타냅니다.
  • AJX931은 AS31 및 MRI153M보다 균열 형성이 적어 주조성이 우수합니다.
  • AJX931은 AS31 및 AE44에 비해 우수한 0.2% 항복 강도(156 MPa)를 나타냅니다.
  • AJX931은 염수 분무 시험에서 우수한 내식성을 나타냅니다.
  • AJX931은 AE44와 같은 RE 함유 합금에 비해 재활용이 더 용이할 가능성을 보여줍니다.

제시된 데이터 분석:

  • 표 1: Mg 합금의 특성에 대한 다양한 합금 원소의 영향을 요약합니다.
  • 표 2: 평가된 합금(AJX931, AS31, AE44, MRI153M)의 화학 조성을 나타냅니다.
  • 그림 2: AJX931의 미세 구조를 보여주며, α-Mg 1차 상, 석출물 및 공융 구조를 나타냅니다.
  • 그림 3: FE-SEM 및 EDX 분석을 제시하여 Al2Sr, Al4Sr 및 C15-Al2Ca 또는 C36-(Mg, Al)2Ca 화합물을 식별합니다.
  • 그림 4: XRD 결과를 보여주며, Al-Sr 및 Al-Ca 화합물의 존재와 β-상의 부재를 확인합니다.
  • 그림 6: AJX931의 BLR을 기존 내열 합금과 비교하여 우수한 성능을 보여줍니다.
  • 그림 7: 주조성 평가 결과를 보여주며, AS31 및 MRI153M에 비해 AJX931에서 균열 형성이 적음을 나타냅니다.
  • 그림 10: 0.2% 항복 강도를 비교하여 AJX931의 우수한 강도를 강조합니다.
Table 1. Effects of added elements on characteristics
Table 1. Effects of added elements on characteristics
Table 2. Chemical compositions of evaluated alloys
Table 2. Chemical compositions of evaluated alloys
Fig. 2. Microstructure of AJX931 die casting
Fig. 2. Microstructure of AJX931 die casting
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. 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.
Fig. 7. Evaluation of castability for die casting (casting cracks)
Fig. 7. Evaluation of castability for die casting (casting cracks)
Fig. 9. Test specimen cut-out area and shape of tensile test specimen
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. 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. 11. Exterior of samples subjected to 200 h salt spray testing
Fig. 12. Evaluation results for amount of inclusions
Fig. 12. Evaluation results for amount of inclusions
Fig. 13. Exterior of ingots cast from smelted molten metal
Fig. 13. Exterior of ingots cast from smelted molten metal

그림 목록:

  • 그림 1. 다이캐스트 샘플 형상
  • 그림 2. AJX931 다이캐스팅 미세구조
  • 그림 3. AJX931 다이캐스팅의 FE-SEM 기반 EDX 분석
  • 그림 4. AJX931 다이캐스팅의 XRD 측정
  • 그림 5. 잔류 축력 측정 방법
  • 그림 6. 기존 내열 합금 및 새로 개발된 합금의 BLR
  • 그림 7. 다이캐스팅 주조성 평가(주조 균열)
  • 그림 8. 다이캐스트 합금의 미세구조
  • 그림 9. 인장 시험편 절단 영역 및 형상
  • 그림 10. 기존 내열 합금 및 새로 개발된 합금의 0.2% 항복 강도 비교
  • 그림 11. 200시간 염수 분무 시험에 노출된 시편 외관
  • 그림 12. 개재물 양에 대한 평가 결과
  • 그림 13. 용융 금속에서 주조된 잉곳 외관

7. 결론:

주요 결과 요약:

새로 개발된 AJX931 합금은 기존 내열 Mg 합금에 비해 내열성, 주조성, 기계적 강도, 내식성 및 재활용성이 우수하게 조합되어 있습니다.

연구의 학문적 의의:

이 연구는 향상된 주조성 및 재활용성을 위해 비교적 높은 Al 함량을 유지하면서 Sr 및 Ca의 제어된 첨가를 통해 β-상 석출을 최소화하는 내열 Mg 합금에 대한 새로운 합금 설계 접근 방식을 보여줍니다.

실제적 의미:

AJX931은 자동차 파워트레인 부품의 경량화 응용 분야에 유망한 후보이며, 중량 감소 및 고온에서 향상된 성능을 제공할 수 있습니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

이 논문은 AJX931 용융 중 드로스 형성이 추가 조사가 필요하지만 AE44보다 취급하기 쉽다고 언급합니다. 향후 연구는 운송 차량 부품에서 AJX931의 실제 적용을 탐구하는 데 중점을 둘 것입니다.

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)

9. 저작권:

  • 본 자료는 "Features and Vehicle Application of Heat Resistant Die Cast Magnesium Alloy"를 기반으로 한 MIZUTANI의 논문입니다.
  • 논문 출처: 텍스트에 제공되지 않았습니다. (제공된 OCR 텍스트에 DOI가 포함되지 않았습니다.)

본 자료는 위 논문을 소개하기 위해 작성되었으며, 상업적 목적으로의 무단 사용을 금합니다.
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Tags: Alloying elements; ,Applications; ,AZ91D; ,CAD; ,Die casting; ,Magnesium alloys; ,Mechanical Property; ,Microstructure; ,Review; ,자동차