내열 마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정 연구

1. 개요:

  • 제목: 내열마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정 연구 / A Study on Die Casting Process of the Automobile Oil Pan Using the Heat Resistant Magnesium Alloy
  • 저자: 신현우, 정연준, 강승구 / Hyunwoo Shin, Yeonjun Chung, Seunggoo Kang
  • 발행 연도: 2009
  • 발행 학술지/학회: 한국자동차공학회논문집 / Transactions of KSAE
  • Keywords: Oil pan(오일팬), Heat resistant magnesium alloy(내열마그네슘합금), Aluminium alloy(알루미늄 합금), Die casting(다이캐스팅), Flow simulation(유동해석)

2. 연구 배경:

크랭크케이스 하부에 부착되는 오일팬은 오일 펌프로 펌핑된 윤활유가 모이는 부품으로, 고온의 오일에 노출되므로 기존 마그네슘 합금(AZ, AM 계열)은 사용 불가능하고 내열 소재가 필요합니다. 현재 알루미늄 합금(ADC12) 오일팬이 사용되지만, 마그네슘 합금으로 대체하면 알루미늄(2.8g/cm³) 대비 마그네슘(1.8g/cm³)의 밀도가 약 35% 낮아 경량화가 가능합니다.

하지만 마그네슘 합금의 탄성계수(45GPa)가 알루미늄(73GPa)보다 낮으므로 단순한 재질 변경만으로는 동일한 강성을 확보할 수 없어 형상 최적화가 필요합니다. 마그네슘 합금은 우수한 비강도와 비탄성 계수를 가지지만, 절대 강도와 인성이 낮고 고온에서 인장강도가 감소하며 내식성이 떨어지는 단점이 있습니다. 현재 마그네슘 합금은 내열성이 크게 요구되지 않는 자동차 부품(실린더 헤드 커버, 스티어링 휠, 계기판, 시트 프레임 등)에만 제한적으로 사용되고 있습니다.

국내 자동차 산업의 경쟁력 강화를 위해서는 내열 마그네슘 합금 부품 제조 기술의 조기 개발이 시급합니다. 본 연구는 내열 마그네슘 합금을 이용하여 알루미늄 오일팬을 대체할 수 있는 새로운 오일팬 개발을 위한 다이캐스팅 공정 방안을 제시하고자 합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적: 내열 마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정을 연구하여 최적화된 공정 방안을 제시하는 것
  • 핵심 연구 질문: 내열 마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정에서 금형 설계, 주조 조건, 소재 특성 등이 제품의 품질에 미치는 영향은 무엇인가? 어떻게 하면 결함 없는 고품질의 마그네슘 오일팬을 생산할 수 있는가?
  • 연구 가설: 내열 마그네슘 합금의 특성을 고려한 최적화된 금형 설계와 주조 조건을 적용하면 결함 없는 고품질의 마그네슘 오일팬 생산이 가능하다.

4. 연구 방법론:

  • 연구 설계: 알루미늄 오일팬의 다이캐스팅 공정 분석 및 내열 마그네슘 합금 적용을 위한 공정 최적화 연구
  • 데이터 수집 방법: 유동 해석 소프트웨어(FLOW-3D)를 이용한 시뮬레이션, 시험 생산 및 제품 분석(X-Ray 촬영, 소재 절단 검사)
  • 분석 방법: 유동 해석, 금형 온도 분포 해석, 시험 생산 결과 분석 및 비교
  • 연구 대상 및 범위: AE44 및 MRI153M 마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정. 알루미늄 오일팬과 마그네슘 오일팬의 비교 분석.

5. 주요 연구 결과:

  • 핵심 발견사항: 마그네슘 합금의 열용량 및 응고잠열이 알루미늄 합금보다 낮아 금형 온도 저하가 심하게 발생하며, 이는 미충진 및 성형 불량으로 이어질 수 있다는 점을 밝혔습니다. 또한, 런너, 게이트, 벤트홀, 오버플로우의 형상 및 위치를 변경하여 공기 배출을 원활히 하고 온도 저하를 최소화하는 최적화된 주조 방안을 제시했습니다. AE44와 MRI153M 합금을 이용한 시험 생산 결과, MRI153M 합금의 경우 응고 시간이 길어 내부 수축 기포 발생 가능성이 높았으나, 최적화된 주조 조건을 적용하여 결함 없는 제품 생산에 성공했습니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과: 알루미늄과 마그네슘 합금의 단위 부피당 열용량 비교 (알루미늄: 3,066,252 J/m³/K, 마그네슘: 2,384,760 J/m³/K, 마그네슘이 77.8% 수준), 금형 온도 분포 해석 결과 (Fig. 2, Fig. 4), 충진 패턴 해석 결과 (Fig. 5, Fig. 7, Fig. 10), 시험 생산 결과 (Fig. 13, Fig. 14), 최적 주조 조건 (Table 2).
  • 데이터 해석: 마그네슘 합금의 경우, 알루미늄 합금과 동일한 주조 조건에서는 금형 온도 저하가 심해 미충진 또는 성형 불량이 발생할 수 있습니다. 따라서 마그네슘 합금의 특성을 고려하여 금형 설계, 주조 속도, 냉각 방식 등을 최적화해야 합니다. 시험 생산 결과, 최적화된 주조 조건을 적용하면 AE44 및 MRI153M 합금으로 결함 없는 오일팬을 생산할 수 있음을 확인했습니다.
  • Figure List:
    • Figure 1: Current Al oil pan and cooling lines.
    • Figure 2: Temperature distributions of oil pans (Cycling).
    • Figure 3: Developed Mg oil pan and cooling lines.
    • Figure 4: Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling).
    • Figure 5: Filling pattern of current Al oil pan.
    • Figure 6: Changes of runner and gate.
    • Figure 7: Filling pattern of 1-st die casting process.
    • Figure 8: Temperature distribution at t=1.825sec.
    • Figure 9: 2-nd die shape for Mg oil pan.
    • Figure 10: Filling pattern of 2-nd die casting process.
    • Figure 11: Temperature distribution at t=1.825sec.
    • Figure 12: Cutting position.
    • Figure 13: Photos of A-A' section.
    • Figure 14: Photos of B-B' section.
Figure 3: Developed Mg oil pan and cooling lines.
Figure 3: Developed Mg oil pan and cooling lines.

6. 결론 및 논의:

본 연구는 내열 마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정을 최적화하기 위해 유동 해석 및 시험 생산을 수행했습니다. 마그네슘 합금의 열적 특성을 고려한 금형 설계 변경 및 최적 주조 조건 확립을 통해 결함 없는 고품질의 마그네슘 오일팬 생산이 가능함을 확인했습니다.

AE44 합금과 MRI153M 합금 모두 양호한 결과를 보였으나, MRI153M 합금은 응고 시간이 길어 내부 수축 기포 발생 가능성이 높으므로 주조 조건의 세밀한 조절이 필요합니다.

본 연구 결과는 경량화 및 고성능 자동차 부품 개발에 기여할 수 있습니다. 특히 슬리브 충진율 증대, 게이트 통과 속도 증대, 충진 시간 단축이 수축 기포 제거에 효과적임을 밝혔습니다.

7. 향후 후속 연구:

본 연구에서는 AE44와 MRI153M 합금을 사용했지만, 다른 종류의 내열 마그네슘 합금을 적용한 연구가 필요합니다. 또한, 장기간 사용 환경에서의 내구성 평가 및 다양한 자동차 부품에 대한 적용 연구가 추가적으로 필요합니다. 더욱 정교한 유동 해석 및 실제 생산 환경을 고려한 추가적인 연구가 필요합니다.

8. 참고문헌:

  1. D. M. Kim, H. S. Kim, and S. I. Park, "Magnesium for Automotive Application," Journal of KSAE, vol. 18, no. 5, pp. 53-67, 1996.
  2. J. Hwang and D. Kang, "FE Analysis on the press forging of AZ31 Magnesium alloys,” Transactions of KSAE, vol. 14, no. 1, pp. 86-91, 2006.
  3. P. Lyon, J. F. King, and K. Nuttal, "A New Magnesium HPDC Alloy for Elevated Temperature Use," Proceedings of the 3rd International Magnesium Conference, ed. G. W. Lorimer, Manchester, UK, pp. 10-12, 1996.
  4. F. von Buch, S. Schumann, H. Friedrich, E. Aghion, B. Bronfin, B. L. Mordike, M. Bamberger, and D. Eliezer, "New Die Casting Alloy MRI 153 for Power Train Applications," Magnesium Technology 2002, pp. 61-68, 2002.
  5. M. C. Kang and K. Y. Sohn, "The Trend and Prospects of Magnesium Alloys Consumption for Automotive Parts in Europe," Proceedings of KSAE Autumn Conference, pp. 1569-1576, 2003.
  6. S. Schumann and H. Friedrich, "The Use of Mg in Cars Today and in Future," Conference Paper at Mg Alloys and Their Applications, Wolfsburg, Germany, 1998.
  7. W. Sebastian, K. Droder, and S. Schumann, "Properties and Processing of Magnesium Wrought Products for Automotive Applications," Conference Paper at Magnesium Alloys and Their Applications, Munich, Germany, 2000.
  8. S. Koike, K. Washizu, S. Tanaka, K. Kikawa, and T. Baba, "Development of Lightweight Oil Pans Made of a Heat-Resistant Magnesium Alloy for Hybrid Engines," SAE 2000-01-1117, 2000.

저작권

본 자료는 신현우, 정연준, 강승구 저, "내열마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정 연구" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

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