스티어링 휠 제조에 사용되는 마그네슘 합금의 미세조직 및 기계적 특성 모니터링

이 소개 자료는 "MANUFACTURING TECHNOLOGY"에 게재된 "[Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing]" 논문을 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 논문 제목: Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing (스티어링 휠 제조에 사용되는 마그네슘 합금의 미세조직 및 기계적 특성 모니터링)
• 저자: Iva Nová, Jiří Machuta
• 발행 연도: 2013
• 게재 학술지/학회: MANUFACTURING TECHNOLOGY
• 키워드: 마그네슘 합금 MgAl5Mn, 고압 다이캐스팅, 조직, 기계적 특성 (magnesium alloy MgAl5Mn, high pressure die casting, structure, mechanical properties)

2. 초록:

본 논문은 마그네슘 스티어링 휠의 미세조직과 기계적 특성을 제시합니다. 이 스티어링 휠은 고압 다이캐스팅(High-pressure die casting, HPDC)으로 제조됩니다. HPDC는 마그네슘 및 알루미늄 합금과 같은 경금속으로 복잡한 기계 부품을 만드는 데 매우 좋은 공정입니다. 그러나 최근에는 더 가벼운 차량과 향상된 연비를 추구하면서 다른 경금속이 주목받고 있습니다. 다이캐스팅 자동차 부품에 가장 일반적으로 사용되는 마그네슘 합금은 Mg-Al-Mn 계열입니다. MgAl5Mn은 우수한 내식성, 매우 우수한 기계적 특성 및 우수한 주조성을 가진 고순도 마그네슘 합금입니다. MgAl5Mn 및 MgAl6Mn과 같은 Mg-Al-Mn 기반 합금은 MgAl9Zn보다 더 나은 연신율과 충격 강도를 가지며, 주로 휠 림 및 스티어링 휠과 같은 자동차 안전 시스템에 사용됩니다. MgAl5Mn 합금은 우수한 연성 및 에너지 흡수 특성과 우수한 강도를 결합한 합금입니다. 이 합금은 고체 상태에서 고용체 α와 중간상 Mg17 Al12를 포함합니다.

3. 서론:

최근 자동차 산업에서는 낮은 밀도와 높은 연성을 가진 주조 재료에 상당한 관심이 집중되고 있으며, 이는 자동차 충돌 테스트에서 안전성을 보장하는 높은 연신율 때문입니다. 이러한 주조품에는 예를 들어 차체 등이 포함됩니다. 스티어링 휠 생산을 위한 이러한 특성은 현재 적절한 강도와 낮은 밀도를 가진 마그네슘을 사용하여 달성됩니다. 마그네슘 합금은 가장 가벼운 공업용 금속 중 하나입니다. 마그네슘 합금 주물은 항공 우주, 자동차 및 전자 제품 응용 분야에 사용됩니다. 주요 장점은 가벼운 무게입니다. 일반적인 마그네슘 합금의 밀도는 1800 kg.m⁻³로 알루미늄 합금의 2700 kg.m⁻³와 비교됩니다[1]. 알루미늄은 마그네슘 기반 주조 합금의 주요 합금 원소이며, 아연과 망간도 소량 존재합니다. 마그네슘 합금은 녹는점이 낮고 비열이 낮습니다. 압력 다이캐스팅은 마그네슘 합금에 가장 일반적으로 사용되는 주조 공정인데, 낮은 주조 온도(650~700°C) 때문에 핫챔버 다이캐스팅 기계를 사용할 수 있습니다. 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅은 알루미늄 합금보다 더 얇은 벽으로 만들 수 있습니다[2]. 자동차 회사들이 무게 감량 방법을 모색함에 따라 자동차 부품에서 마그네슘 합금 다이캐스팅의 사용이 빠르게 증가하고 있습니다. 일부 차량에는 이미 10~20kg의 Mg 합금 부품이 포함되어 있습니다[3]. 현재 생산 차량용으로 가장 인기 있는 부품은 계기판, 크로스 카 빔, 시트 프레임입니다. 휠, 기어박스 케이싱, 섬프 및 흡기 매니폴드는 포뮬러 1 및 기타 경주용 자동차에 사용됩니다. 이 합금들의 주요 구성 요소는 거의 전적으로 알루미늄입니다(즉, Mg-Al-Mn 및 Mg-Al-Zn 합금)[4]. 마그네슘 합금은 산소와의 높은 친화성 때문에 가공성이 떨어집니다. 이러한 어려움에도 불구하고 마그네슘 합금은 2mm 미만의 벽 두께를 가진 복잡한 대규모 주조품의 복잡한 생산까지 가능하게 하기 때문에 사용됩니다. 우리 학과(리베레츠 기술대학교 공학 기술과)에서는 자동차 산업에서 주조에 사용되는 마그네슘 합금의 특성을 관찰하는 데 관심을 두고 있습니다.

4. 연구 요약:

연구 주제 배경:

MgAl5Mn과 같은 Mg-Al-Mn 계열 마그네슘 합금은 낮은 밀도, 우수한 기계적 특성(특히 연성), 고압 다이캐스팅(HPDC) 적합성 때문에 자동차 부품에서의 사용이 증가하고 있습니다. 스티어링 휠은 이러한 특성이 차량 경량화 및 안전에 기여하는 주요 응용 분야입니다. 주조된 상태의 합금 미세조직과 기계적 특성을 모니터링하는 것은 부품 품질과 성능을 보장하는 데 중요합니다.

기존 연구 현황:

기존 지식에는 일반적인 마그네슘 주조 합금(예: AZ91, AM 시리즈인 AM50, AM60)의 특성, 상태도(Mg-Al, Mg-Al-Mn), 표준 명칭(ASTM, EN)이 포함됩니다. 알루미늄과 아연 함량이 낮고 망간 함량이 높은 합금(연구된 MgAl5Mn에 해당하는 AM50 등)은 더 높은 연성을 나타내어 안전이 중요한 부품에 적합한 것으로 알려져 있습니다. HPDC는 이러한 부품의 주요 제조 방법으로 확립되어 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 고압 다이캐스팅 공정을 통해 자동차 스티어링 휠 제조에 사용되는 특정 마그네슘 합금인 MgAl5Mn(VDA 260 - MgAl, ASTM AM50과 유사)의 미세조직과 기계적 특성을 모니터링하고 특성화하는 것을 목표로 했습니다.

핵심 연구 내용:

연구의 핵심은 MgAl5Mn 합금을 사용하여 HPDC로 스티어링 휠을 생산하는 것이었습니다. 그런 다음 생성된 주조품에 대해 다음을 포함한 상세한 분석을 수행했습니다:

1. 화학 성분 검증.
2. 광학(공초점 레이저) 및 전자 현미경(SEM)과 EDX 분석을 결합하여 상과 구조를 식별하는 미세조직 검사.
3. 인장 시험(강도, 항복점, 연신율) 및 경도 측정을 통한 기계적 특성 평가.
4. 관찰된 미세조직 및 특성을 HPDC 공정 변수와 연관시키기.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 실험적 접근 방식을 사용했습니다. 산업용 HPDC 장비와 특정 마그네슘 합금(MgAl5Mn)을 사용하여 스티어링 휠을 제조했습니다. 이 주조품에서 샘플을 추출하여 후속 재료 특성화를 수행하여 제조 공정이 최종 특성에 미치는 영향을 평가했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 재료: 마그네슘 합금 MgAl5Mn (VDA 260 - MgAl), 화학 성분은 표 3에 명시됨.
• 주조: 400톤 기계에서 고압 다이캐스팅(HPDC) 수행, 표 5에 상세히 기술된 주조 변수 사용 (예: 플런저 속도, 주조 온도 660 °C, 압력 60 MPa, 금형 온도 200 °C).
• 화학 분석: 용탕 성분은 Q4 TASMAN 분석기로 모니터링됨. 응고된 샘플 성분은 EDX(에너지 분산형 X선 분광법)로 분석됨 - 결과는 표 6, 예시 스펙트럼 그림 3a, 점 분석 그림 7.
• 미세조직 분석: 종단면 및 횡단면에서 샘플 준비. 공초점 레이저 현미경(그림 6) 및 주사 전자 현미경(SEM)(그림 5, 그림 8)을 사용하여 분석됨.
• 기계적 시험:
  • TIRA test 2300 장비를 사용하여 EN ISO 6892-1에 따라 인장 시험 수행 (시험편 그림 2, 결과 그림 3b, 표 4).
  • CSM 장비를 사용하여 비커스 경도 시험(HV 0.5) 수행, 측정 간격 200 마이크론 (결과 표 7).

연구 주제 및 범위:

본 연구는 HPDC를 통해 스티어링 휠 본체로 주조된 MgAl5Mn 합금(ASTM AM50과 동등)에 구체적으로 초점을 맞췄습니다. 범위는 다음을 포함합니다:

• 최종 화학 성분 결정.
• 주조 상태의 미세조직 특성화, 결정립 구조, 상 식별(α 고용체, β상 Mg17Al12 공정, 금속간 화합물 Mg8Al2Mn 등) 및 형태 포함.
• 주요 기계적 특성 측정: 인장 강도(Rm), 항복 강도(Rp0.2), 연신율(A 50 mm), 영률(E), 비커스 경도(HV 0.5).

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 연구된 합금은 MgAl5Mn(구체적으로 5.2% Al, 0.30% Mn, 표 3)으로 확인되었으며, 이는 VDA 260 - MgAl 및 ASTM AM50에 해당합니다.
• HPDC는 우수한 기계적 특성을 가진 주조품을 생산했습니다: Rp0.2 = 127 MPa, Rm = 226 MPa, 연신율 A 50 mm = 13.9%, E = 44700 MPa (표 4). 평균 경도 HV 0.5는 55.3이었습니다 (표 7).
• 미세조직은 α 고용체(마그네슘 기지)의 미세한 결정립으로 구성되었습니다. α 결정립 주위에는 덜 중요한 분리된 공정(divorced eutectic) α + β (여기서 β는 금속간 화합물상 Mg17Al12)의 망상 구조가 관찰되었습니다 (그림 5, 그림 6).
• EDX 분석은 α 상과 공정 조직의 조성을 확인했습니다. 또한 Mn의 존재를 확인했는데, 부분적으로는 금속간 화합물상 Mg17Al12(Mn)에 존재하고 잠재적으로 Mg8Al2Mn으로 존재할 수 있습니다 (그림 7, 표 6). 금속간 화합물상 Mg17Al12(Mn) 내 Mn 함량은 0.2 ~ 0.6% 범위였습니다 (표 6).
• HPDC 공정, 특히 고압(60 MPa, 표 5)은 미세한 결정립의 치밀한 구조를 형성하여 관찰된 연성과 강도에 기여했으며, 내부 결함이나 기공을 최소화했습니다.
• SEM으로 관찰된 파단면은 합금 구조의 전형적인 특징을 보여주었습니다 (그림 8).

그림 목록:

• Fig. 1 Mg-Al 평형 상태도 (Mg17 Al12 공정상 포함) 및 400 °C 등온 단면에서의 Mg-Al-Mn 3원계 상태도 [4]
• Fig. 2 인장 시험용 시험편 및 시험편 자체의 도면
• Fig. 3 MgAl5Mn 합금 주조 샘플 시험 a) MgAl5Mn 합금의 ADX 분석 b) MgAl5Mn 시험편의 정적 인장 시험
• Fig. 4 EN - MB MgAl5Mn 합금 스티어링 휠 본체
• Fig. 5 미세하게 분지된 어두운 상이 나타나는 MgAl5Mn 합금 (x 500)
• Fig. 6 공초점 레이저 모드에서 관찰된 MgAl5Mn 합금의 구조
• Fig. 7 MgAl5Mn 합금 샘플의 a) 종단면 및 b) 횡단면 EDX 점 분석
• Fig. 8 MgAl5Mn 합금 파단면 구조 - SEM (x50, x100)

7. 결론:

Mg 합금의 고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 형상을 높은 치수 정확도, 미세한 결정립 구조 및 우수한 기계적 특성으로 생산할 수 있는 상당한 이점을 제공합니다. MgAl5Mn 합금은 스티어링 휠용으로 HPDC 공정을 거칠 때 이러한 이점을 보여줍니다. 결과적인 구조는 α + β(금속간 화합물상 Mg17Al12)의 완전히 분리된 공정 망상 구조를 가진 미세한 α 고용체 결정립으로 특징지어집니다. HPDC에 내재된 높은 응고 속도와 압력(약 60 MPa)은 이러한 미세 구조에 기여하고 재료의 치밀성을 보장하여 결함과 기공을 최소화합니다. MgAl5Mn 합금으로 만든 주조품은 매우 우수한 기계적 특성, 특히 스티어링 휠과 같은 안전 중요 부품에 필요한 연성(14% 연신율)과 함께 226 MPa의 인장 강도 및 127 MPa의 항복 강도를 나타냅니다.

8. 참고 문헌:

• [1] FRIDRICH, E. H., MORDIKE, L.B.: Magnesium Technology. Springer-Verlag Berlin - Heidelberg 2006, ISBN-10 3-540-20599-3.
• [2] AVEDSIAN, M., IAKER, H.: Magnesium and Magnesium Alloys, ASM Specialty Handbook. ISBN 0-87170-657-1.
• [3] FRIDRICH, H., SCHUMANN, S.: Research for a "new age of magnesium" in the automotive industry, Journal of Material Processing Technology, 117, (2001), p. 276-281.
• [4] RAGHAVAN, V.: Al-Mg-Mn (Aluminum-Magnesium-Manganese) Journal of Phase Equilibrium and Diffusion Vol. 31 No. 1, 2010, p. 46.
• [5] BROWN, J.R.: Foseco Non - Ferrous. Foundryman's Handbook. 11th Butterword, Oxford.
• [6] GUPTA, M., SHARON, N.M.L. Magnesium, Magnesium Alloys, Magnesium Composities. Published by John Wiley in Canada, 2011.
• [7] ŻYDEK, A., KAMIENIAK, J., BRASZCYŇSKA, K.N.: Evolution of Mg-5Al-0.4Mn microstructure after rare earth elements addition. Archives of Foundry Engineering. ISSN (1897-3310), Volume 11, Issue 2/2011 pp. 157 – 160.
• [8] KIELBUS, A., RZYCHOŇ, T., CIBIS, R.: Microstructure of AM50 die casting magnesium alloy. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. Volume 18, Issue 1-2, September-October 2006.
• [9] ASM Handbooks Online, Volume 2, Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special Purpose Materials.
• [10] MICHNA, Š. Strukturní analýza a vlastnosti předslitiny AlCa10. (Structural analysis and properties pre-alloy AlCa10), Strojírenská technologie, 2010, s. 175-176. (in Czech).
• [11] VOJTĚCH, D., KUBÁSEK, J., VODĚROVÁ, M. Structural, mechanical and in vitro corrosion characterization of as cast magnesium based alloy for temporary biodegradable medicial implants. Manufacturing Technology. Vol. 12, No 13 p. 285-292. ISSN 1213-2489.
• [12] Promotional Materials Comparation training documents. ANDREAS STIHL AG & Company, Germany.
• [13] SLÁDEK, A, FABIAN, P., PASTIRČÁK, R., BREZNIČAN, M.: The Roundness and Microstructure of Thin-wall Bearing Rings. Manufacturing Technology. Vol. 12, No 13 p. 237-241. ISSN 1213-2489.

9. 저작권:

• 이 자료는 "Iva Nová, Jiří Machuta"의 논문입니다. "[Monitoring of the microstructure and mechanical properties of the magnesium alloy used for steering wheel manufacturing]" 논문을 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://doi.org/10.21062/ujep/x.2013/a/1213-2489/MT/13/3/385

이 자료는 상기 논문을 바탕으로 요약되었으며, 상업적 목적의 무단 사용을 금지합니다.
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.