마그네슘 합금 레오다이캐스팅 공정 개발

본 게시물은 Z. Fan, S. Ji, G. Liu가 Materials Science Forum Vols. 488-489 (2005), 405-412페이지에 발표한 연구 논문 "마그네슘 합금 레오다이캐스팅 공정 개발 (Development of the Rheo-Diecasting Process for Mg-Alloys)"을 기반으로 요약 작성되었습니다.

1. 개요:

  • 제목: 마그네슘 합금 레오다이캐스팅 공정 개발 (Development of the Rheo-Diecasting Process for Mg-Alloys)
  • 저자: Z. Fan, S. Ji, G. Liu
  • 발행 연도: 2005년
  • 발행 학술지/학회: Materials Science Forum Vols. 488-489
  • 키워드: 반용융 (Semisolid), 레오다이캐스팅 (Rheo-diecasting), 미세구조 (Microstructure), 기계적 성질 (Mechanical properties).
Figure 1. Schematic illustration of the rheodiecasting (RDC) process.
Figure 1. Schematic illustration of the rheodiecasting (RDC) process.

2. 연구 배경:

  • 연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
    • 환경 문제에 대한 관심 증가와 CO2 배출에 대한 정부 규제 강화로 인해 자동차 산업에서 차량 경량화 및 연비 향상이 점점 더 중요해지고 있습니다.
    • 마그네슘 합금은 가장 가벼운 구조 재료로서 이러한 목표 달성을 지원하기 위해 자동차 산업 응용 분야에 매우 적합합니다.
    • 최근 몇 년 동안 자동차 산업에서 마그네슘 사용량이 크게 증가했으며, 이러한 추세는 항공우주, 전자, 의료 등 다른 분야로 확대되어 지속될 것으로 예상됩니다.
    • 현재 거의 모든 응용 분야는 고압 다이캐스팅 (HPDC)으로 달성되고 있으며, 주로 AZ91 및 AM60과 같은 일부 합금으로 제한됩니다.
  • 기존 연구의 한계:
    • 마그네슘 응용 분야의 추가 성장은 기존 가공 기술, 특히 HPDC의 한계로 인해 고품질, 저비용 부품 생산 및 더 높은 작동 온도를 갖는 새로운 합금 사용을 가능하게 하는 데 어려움을 겪고 있습니다.
    • 기존의 HPDC 공정은 고급 마그네슘 합금 응용 분야에 필요한 바람직한 미세 구조 및 기계적 성질을 달성하는 데 최적이지 않을 수 있습니다.
  • 연구의 필요성:
    • HPDC의 한계를 극복할 수 있는 마그네슘 합금용 새로운 가공 기술 개발이 필요합니다.
    • 특히, 고품질, 비용 효율적인 마그네슘 부품을 향상된 성능 특성으로 생산하기 위한 새로운 반용융 가공 기술이 요구됩니다.
    • 이러한 기술 개발은 다양한 산업, 특히 높은 안전성과 구조적 무결성이 요구되는 까다로운 응용 분야에서 마그네슘 합금의 광범위한 채택을 촉진할 것입니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

  • 연구 목적:
    • 마그네슘 합금용 레오다이캐스팅 (RDC)이라는 새로운 반용융 가공 기술을 개발합니다.
    • AZ91D 마그네슘 합금을 사용하여 레오다이캐스팅 공정을 최적화합니다.
    • 레오다이캐스트 AZ91D 마그네슘 합금의 미세 구조 및 기계적 성질을 평가하고 다른 가공 방법으로 생산된 것과 비교합니다.
  • 주요 연구 질문:
    • 층류 금형 충진 및 미세하고 균일한 미세 구조를 달성하기 위한 반용융 금속 (SSM) 가공에 이상적인 반용융 슬러리의 특징은 무엇입니까?
    • 반용융 가공 중 응고 과정에서 효과적인 핵생성 및 구형 성장을 촉진하는 데 필요한 조건은 무엇입니까?
    • 트윈 스크류 슬러리 제조기를 활용한 레오다이캐스팅 (RDC) 공정은 기존 HPDC 및 기타 반용융 가공 기술과 비교하여 AZ91D 마그네슘 합금의 미세 구조에 어떤 영향을 미칩니까?
    • 레오다이캐스트 AZ91D 마그네슘 합금의 기계적 성질은 무엇이며, 다른 가공 방법으로 달성된 것과 어떻게 비교됩니까?
  • 연구 가설:
    • 응고 과정에서 균일한 온도 및 화학 조성, 높은 전단 속도 및 높은 난류 강도를 통해 핵생성 및 성장 과정을 제어함으로써 이상적인 반용융 슬러리를 생산할 수 있습니다.
    • 트윈 스크류 슬러리 제조기를 기반으로 하는 레오다이캐스팅 (RDC) 공정은 기공률이 거의 0에 가깝고 미세하고 균일한 미세 구조를 갖는 AZ91D 마그네슘 합금 부품을 생산할 것입니다.
    • 레오다이캐스트 AZ91D 마그네슘 합금 부품은 기존 HPDC 및 기타 반용융 가공 기술로 생산된 부품에 비해 향상된 기계적 성질, 특히 연성을 나타낼 것입니다.

4. 연구 방법론

  • 연구 설계:
    • 본 연구는 강제 대류 하에서 응고에 대한 이론적 분석과 결합된 실험적 조사 접근 방식을 채택했습니다.
    • 레오다이캐스팅 (RDC) 공정의 개발 및 구현이 포함되었습니다.
    • 미세 구조 특성 분석 및 기계적 성질 평가는 레오다이캐스트 AZ91D 마그네슘 합금 샘플에 대해 수행되었습니다.
    • 문헌에 보고된 다른 가공 기술로 생산된 샘플과 비교 분석을 수행했습니다.
  • 데이터 수집 방법:
    • 재료: MEL (Manchester, UK)에서 공급한 AZ91D (Mg-8.8Al-0.67Zn-0.22Mn-0.03Si, wt.%) 마그네슘 합금.
    • 레오다이캐스팅 공정: 트윈 스크류 슬러리 제조기와 기존 HPDC 기계를 결합한 새로운 레오다이캐스팅 (RDC) 공정이 개발되었습니다.
      • AZ91D 합금 잉곳을 N2+0.5vol.% SF6 가스 혼합물 보호 하에 675°C에서 용융하고 630°C에서 슬러리 제조기에 공급했습니다.
      • 슬러리 제조기 온도 범위는 0-0.5의 고상 분율 범위에 해당합니다.
      • 280톤 냉간 챔버 다이캐스팅 기계를 사용하여 주조했습니다.
    • 미세 구조 검사: 광학 현미경 및 주사 전자 현미경 (SEM)을 사용하여 레오다이캐스트 샘플의 미세 구조를 특성화했습니다. EDX 분석도 상세한 미세 구조 검사에 사용되었습니다.
    • 기계적 성질 시험: 특수 제작된 다이를 사용하여 주조된 표준 인장 시험 샘플에 대해 인장 시험을 수행하여 레오다이캐스트 AZ91D 합금의 기계적 성질을 평가했습니다.
  • 분석 방법:
    • 미세 구조 분석: 기공률, 결정립 크기, 1차 입자 및 공정상의 형태, 미세 구조의 균일성을 평가하기 위한 현미경 사진의 정성적 및 정량적 분석.
    • 기계적 성질 분석: 인장 시험 데이터로부터 항복 강도, 인장 강도 및 연신율 결정.
    • 비교 분석: HPDC, 틱소캐스팅, 틱소몰딩 및 신규 레오캐스팅 (NRC)으로 가공된 AZ91D 합금에 대해 문헌에 보고된 레오다이캐스트 AZ91D의 미세 구조 및 기계적 성질 비교.
  • 연구 대상 및 범위:
    • 본 연구는 마그네슘 합금, 특히 AZ91D 합금에 대한 레오다이캐스팅 (RDC) 공정의 개발 및 최적화에 중점을 두었습니다.
    • 범위에는 AZ91D 합금의 미세 구조 및 기계적 성질에 대한 RDC 공정 매개변수의 영향 조사가 포함되었습니다.
    • RDC 공정의 신뢰성과 일관성을 평가하기 위해 부품 생산 시험을 수행했습니다.

5. 주요 연구 결과:

  • 주요 연구 결과:
    • 레오다이캐스팅 (RDC) 공정은 기존 HPDC 및 기타 반용융 가공 기술에 비해 상당히 향상된 미세 구조 및 기계적 성질을 갖는 AZ91D 마그네슘 합금 샘플을 성공적으로 생산했습니다.
    • 레오다이캐스트 샘플은 기공률이 거의 0에 가까웠습니다 (0.5 vol.% 미만).
    • 미세 구조는 샘플 전체에 걸쳐 미세하고 균일했으며, 편석은 관찰되지 않았습니다.
    • 1차 입자는 미세 (약 50µm), 구형이며 균일하게 분포되었습니다.
    • 산화물 입자는 미세 (수 µm), 구형, 잘 분산되어 있으며 균일하게 분포되었습니다.
    • 기계적 성질, 특히 연성이 크게 향상되었으며, 이는 HPDC 가공 샘플의 약 2배였습니다.
  • 통계적/정성적 분석 결과:
    • 기공률: 레오다이캐스트 샘플의 기공률은 일관되게 0.5 vol.% 미만이었으며, 기공은 거의 관찰되지 않았고 때로는 크기가 작았습니다 (µm 수준). 응고 수축으로 인한 미세 기공률이 크게 감소하거나 제거되었습니다.
    • 미세 구조:
      • 1차 입자는 샘플 전체에 걸쳐 균일하게 분포되었습니다.
      • 주조 전체에 걸쳐 화학적 편석이 관찰되지 않았습니다.
      • SSM 슬러리의 잔류 액체는 높은 냉각 속도에서 응고되어 매우 미세한 α상 (<10µm)을 생성했습니다.
      • 공정 응고를 통해 형성된 Mg17Al12 β상은 불규칙한 형태를 나타내었고 결정립계에 위치했으며, 결합된 공정 성장의 증거는 없었으며, 이는 분리된 공정 응고를 시사합니다.
    • 기계적 성질: 표 1은 기계적 성질의 비교를 나타냅니다. 표 1. 다양한 가공 기술로 생산된 AZ91D 합금의 기계적 성질. 공정 항복 강도 (MPa) 인장 강도 (MPa) 연신율 (%) 참고 문헌 HPDC 146 212 3.3 [10] 틱소캐스팅 134 223 3.6 [11] 틱소몰딩 -- 150-241 3-5 [12] 신규 레오캐스팅 (NRC) -- 230 5.5 [13] 레오다이캐스팅 (RDC) 145 248 8.9 본 연구
      • 레오다이캐스팅 (RDC)은 HPDC (3.3%), 틱소캐스팅 (3.6%) 및 틱소몰딩 (3-5%)에 비해 현저히 높은 연신율 (8.9%)을 나타냅니다. 인장 강도 또한 HPDC 및 틱소캐스팅에 비해 향상되었습니다.
  • 데이터 해석:
    • 미세하고 균일한 결정립, 감소된 기공률 및 잘 분산된 산화물 입자를 특징으로 하는 RDC 공정으로 달성된 향상된 미세 구조는 향상된 기계적 성질, 특히 연성의 상당한 증가에 직접적인 원인입니다.
    • 트윈 스크류 슬러리 제조기는 높은 전단 속도와 난류를 통해 핵생성 및 구형 성장을 효과적으로 촉진하여 레오다이캐스트 부품에서 바람직한 반용융 슬러리 특성 및 후속 미세 구조 개선을 유도합니다.
    • RDC의 층류 금형 충진은 가스 포집을 최소화하여 낮은 기공률 수준에 기여합니다.
  • 그림 목록:
    • 그림 1. 레오다이캐스팅 (RDC) 공정의 개략도.
    • 그림 2. 금형 충진 중 층류 유동 전면을 보여주는 사진 및 현미경 사진.
    • 그림 3. φ6 인장 시험봉의 전체 단면을 통한 레오다이캐스트 AZ91D 합금의 미세 구조.
    • 그림 4. 다양한 가공 온도에서 생산된 레오다이캐스트 AZ91D 합금의 미세 구조. (a) 585°C; (b) 589°C; (c) 593°C; (d) 600°C.
    • 그림 5. 잔류 액체의 2차 응고를 통해 형성된 1차 입자의 형태 및 공정 응고를 통해 형성된 Mg17Al12 β상의 상세한 형태를 보여주는 레오다이캐스트 AZ91D 합금의 SEM 현미경 사진.
    • 그림 6. 서로 다른 위치에서 레오다이캐스트 LM24 부품의 미세 구조를 보여주는 광학 현미경 사진.
Figure 2. Photograph and micrographs showing the laminar flow front during mould filling.
Figure 2. Photograph and micrographs showing the laminar flow front during mould filling.
Figure 3. Microstructure of the rheo-diecast AZ91D alloy through the entire cross-section of the Ф6 tensile test bar.
Figure 3. Microstructure of the rheo-diecast AZ91D alloy through the entire cross-section of the Ф6 tensile test bar.
Figure 4. Microstructures of rheo-diecast AZ91D alloy produced at different processing temperatures. (a) 585oC; (b) 589oC; (c) 593oC; (d) 600oC.
Figure 4. Microstructures of rheo-diecast AZ91D alloy produced at different processing temperatures. (a) 585oC; (b) 589oC; (c) 593oC; (d) 600oC.
Figure 5. SEM micrographs of rheo-diecast AZ91D alloy showing the morphology of primary particles formed through the secondary solidification of the remaining liquid and the detailed morphology of the Mg17Al12 β-phase formed through eutectic solidification.
Figure 5. SEM micrographs of rheo-diecast AZ91D alloy showing the morphology of primary particles formed through the secondary solidification of the remaining liquid and the detailed morphology of the Mg17Al12 β-phase formed through eutectic solidification.
Figure 6. Optical micrographs showing the microstructure of rheo-diecast LM24 components at different locations.
Figure 6. Optical micrographs showing the microstructure of rheo-diecast LM24 components at different locations.

6. 결론 및 논의:

  • 주요 결과 요약:
    • 본 연구는 고무결성 마그네슘 합금 부품 생산을 위한 새로운 반용융 금속 가공 기술인 레오다이캐스팅 (RDC)을 성공적으로 개발했습니다.
    • RDC 공정은 반용융 슬러리 유변학 및 이상적인 반용융 슬러리 달성 조건, 즉 응고 중 균일한 온도 및 화학 조성, 높은 전단 속도 및 높은 난류 강도에 대한 이해를 기반으로 합니다.
    • AZ91D 마그네슘 합금을 사용한 실험 결과는 RDC가 기공률이 거의 0에 가깝고 미세하고 균일한 미세 구조 및 특히 연성이 크게 향상된 기계적 성질을 갖는 샘플을 생산한다는 것을 입증했습니다.
    • 부품 생산 시험은 RDC 공정의 신뢰성과 일관성을 더욱 확인했습니다.
  • 연구의 학문적 중요성:
    • 본 연구는 향상된 핵생성 및 구형 성장을 위한 임계 조건을 식별하여 SSM 가공을 위한 이상적인 반용융 슬러리 개발에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다.
    • 트윈 스크류 슬러리 제조기가 이러한 조건을 달성하고 레오다이캐스팅 (RDC) 공정의 성공적인 구현을 가능하게 하는 데 효과적임을 입증합니다.
    • 본 연구는 반용융 응고 및 고급 금속 가공에서의 응용에 대한 기본적인 이해에 기여합니다.
  • 실용적 의미:
    • 레오다이캐스팅 (RDC) 공정은 고성능 마그네슘 합금 부품 생산을 위한 기존 HPDC 및 기타 반용융 가공 기술에 대한 실행 가능하고 유리한 대안을 제공합니다.
    • RDC는 특히 경량화 및 구조적 무결성이 중요한 자동차 산업에서 높은 안전성, 기밀성 및 높은 응력을 받는 부품 생산에 특히 적합합니다.
    • 이 공정은 생산성 향상 및 결함 감소로 인해 낮은 스크랩률, 높은 재료 수율 및 낮은 전체 부품 생산 비용과 같은 잠재적 이점을 제공합니다.
    • 슬러리 제조기를 냉간 챔버 HPDC 기계에 부착하여 RDC를 쉽게 구현할 수 있다는 점은 산업적 채택에 실질적인 매력을 제공합니다.
  • 연구의 한계:
    • 본 연구는 주로 AZ91D 마그네슘 합금에 초점을 맞추었습니다. 다른 마그네슘 합금 및 다양한 부품 형상 및 복잡성에 대한 RDC 공정의 적용 가능성을 평가하고 최적화하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
    • 부품 생산 시험이 수행되었지만, 대량 생산 환경에서 RDC 공정의 실질적인 타당성을 완전히 평가하려면 추가적인 산업 규모 검증 및 비용 효율성 분석이 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

  • 후속 연구 방향:
    • 미세 구조 및 기계적 성질을 더욱 향상시키기 위한 레오다이캐스팅 (RDC) 공정 매개변수의 추가 최적화.
    • 고성능 합금 및 향상된 고온 성질을 갖는 합금을 포함한 더 넓은 범위의 마그네슘 합금에 대한 RDC 공정 조사.
    • 다양한 산업 분야의 더 크고 복잡한 마그네슘 합금 부품 생산에 RDC 적용 탐색.
    • 표면 품질 및 치수 제어를 손상시키지 않고 기계적 성능을 최대화하기 위해 레오다이캐스트 마그네슘 합금 부품의 열처리 반응에 대한 상세한 조사 및 열처리 절차 최적화.
  • 추가 탐구가 필요한 영역:
    • 다양한 사용 조건에서 레오다이캐스트 마그네슘 합금 부품의 장기 성능 및 신뢰성 평가.
    • 생산량, 재료비 및 에너지 소비와 같은 요소를 고려하여 기존 HPDC 및 기타 경쟁 제조 기술과 비교한 RDC 공정의 포괄적인 비용 효율성 분석.
    • 산업 환경에서 일관되고 고품질의 부품 생산을 보장하기 위한 RDC 공정의 고급 제어 시스템 및 자동화 개발.

8. 참고 문헌:

[1] H. Fridrich, and S. Schumann: in Proc. 2nd Israeli Inter. Conf. Mg Science and Technology, Dead Sea, Israel, (2000), 9.
[2] H. Fridrich and S. Schumann: in Proc. IMA 2001 Magnesium Conf., Brussels, Belgium, (2001), 8.
[3] S. Ji, Z. Fan, G. Liu, X. Fang and S.H. Song, in in “Proc. 7th Inter. Conf. Semisolid Metal Processing", Tsukuba, Japan, Sept. 25-27, 2002, eds. Y Tsutsui et al, pp683-688
[4] J.Y. Chen and Z. Fan: Mater. Sci. Tech., 18 (2002), 237, 243, 250, 258.
[5] P.D. Lee, Private communication, Department of Materials, Imperial College, London, 2003.
[6] A Das and Z Fan, Mat. Sci. Tech., 19 (2003) 573-580.
[7] A. Das, S. Ji and Z. Fan, Acta Materialia, 50 (2002), 4571-4585.
[8] S. Ji and Z. Fan, Met. Mater. Trans. 33A (2002), 3511-3520.
[9] S. Ji, Z. Fan and M. J. Bevis: Mater. Sci. Eng., A299 (2001), 210-217
[10]C. Pitsaris, T.Abbott, C.H.J. Davies and G. Savage, in Magnesium: Proc. 6th Inter. Conf. Magnesium Alloy and Their Application, ed. By K.U. Kainer, (Weinheim, Wiley-VCH, Verlay GmbH & Co. KGaA, 2003), 694.
[11]J. Aguilar, T. Grimming and A. Bührig-Polaczek, in Magnesium: Proc. 6th Inter. Conf. Magnesium Alloy and Their Application, ed. By K.U. Kainer, (Weinheim, Wiley-VCH, Verlay GmbH & Co. KGaA, 2003), 767.
[12]F. Czerwinski, et al., Acta Materialia, 49 (2001), 1225-1235
[13]H. Kaufmann and P.J. Uggowitzer, in Magnesium Alloy and Their Application, ed. By K.U. Kainer, (Weinheim, Wiley-VCH, Verlay GmbH & Co. KGaA, 2000), 533.

9. 저작권:

*본 자료는 Z. Fan, S. Ji, G. Liu의 논문: 마그네슘 합금 레오다이캐스팅 공정 개발 (Development of the Rheo-Diecasting Process for Mg-Alloys)을 기반으로 합니다.
*논문 출처: http://dx.doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.488-489.405

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