알루미늄 판재와 알루미늄 주조의 복합 모래 주조 및 유도 가열을 통한 하이브리드 접합으로 경량 설계 잠재력 확장

본 소개 내용은 [Wiley-VCH GmbH]에서 발행한 ["Expanding Lightweight Design Potential by Hybrid Joining of Aluminum Sheets with Aluminum Casting Through Compound Sand Casting and Induction Heating"] 의 연구 내용입니다.

Figure 1. Setup to measure the heating behavior of inductive preheated Al sheets.
Figure 1. Setup to measure the heating behavior of inductive preheated Al sheets.

1. 개요:

  • 제목: 알루미늄 판재와 알루미늄 주조의 복합 모래 주조 및 유도 가열을 통한 하이브리드 접합으로 경량 설계 잠재력 확장 (Expanding Lightweight Design Potential by Hybrid Joining of Aluminum Sheets with Aluminum Casting Through Compound Sand Casting and Induction Heating)
  • 저자: Christopher Locke, Raffael Pichler, Martin Guggemos, Wolfram Volk, and Daniel Günther
  • 출판 연도: 2024
  • 출판 저널/학회: Advanced Engineering Materials
  • 키워드: 알루미늄, 차체, 복합 주조, 유도, 접합, 경량 (aluminum, car body, compound casting, induction, joining, lightweight)

2. 초록 / 서론

알루미늄과 같은 경금속을 결합하면 자동차 구조물의 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 복합 주조는 유망한 방법이지만, 삽입재(판재)와 주조 간의 금속 연속성을 확보하기 어렵습니다. 이 연구에서는 알루미늄-알루미늄 복합 주조에서 금속 결합을 개선하기 위해 유도 가열을 사용합니다. 압축 전단 시험과 현미경 분석을 통해 결합 특성을 평가했습니다. 연구 결과, 유도 가열과 삽입재 코팅 없이도 건전한 금속 결합을 얻을 수 있었습니다. 주요 요인은 삽입재 예열 및 온도입니다. 열처리는 결합 강도를 더욱 향상시킵니다.

3. 연구 배경:

연구 주제의 배경:

유럽 자동차 산업은 배기가스 감축 압력을 받고 있으며, 이는 경량 소재 및 설계에 대한 수요를 증가시키고 있습니다. 판재와 주조 금속을 결합하는 복합 주조는 복잡한 구조 부품 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 특히, 알루미늄-알루미늄(Al-Al) 복합재는 밀도가 낮고 순환 경제에 기여합니다.

기존 연구 현황:

Al-Al 복합 주조에 대한 기존 연구는 다음과 같은 বিষয়에 초점을 맞추었습니다.

  • 산화막 제거 및 습윤성 개선을 위한 금속 코팅(예: Zn, Ni, Cu) 사용.[16-22]
  • 산화막 제거를 위한 적절한 금형 설계 및 주조 시스템.[24]
  • 아연 코팅 강판의 유도 가열.[25]
  • 얇은 강철-Al 구조물 생산.[26]

연구의 필요성:

기존 연구들은 Al-Al 복합 주조의 어려운 점을 보여줍니다.

  • 다양한 Al-Al 복합 주조 공정으로 금속 결합을 달성할 수 있다는 연구.[16-24]
  • 아연 코팅된 강판의 유도 삽입재 예열만으로 금속 결합 생성.[25]
  • 유도 시트 예열로 복합 모래 주조 공정 개선.[26]
    이 하이브리드 접합 공정은 아직 Al 합금에 적용되지 않았습니다. 이 연구는 유도 시트 예열을 Al-Al 시스템에 적용하여 금속 연속성을 개선할 수 있는지 조사하고자 했습니다.

4. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적:

복합 모래 주조에서 유도 시트 예열을 Al-Al 시스템에 적용하여 금속 연속성을 개선하고, Al-Al 구조물의 경량 설계 잠재력을 확장하는 것입니다.

주요 연구:

  • 유도 예열이 EN AW-5754 (AlMg3) 및 EN AW-6082 (AlSi1MgMn) 판재 삽입재의 가열 거동 및 기계적 특성에 미치는 영향 조사.
  • 주조 온도, 유도 전력, 코팅, 주조 벽 두께 및 삽입재 합금이 금속 결합 강도에 미치는 영향 조사.
  • EN AW-6082/EN AC-42100 조합에 대한 T6 열처리 영향 조사
  • 압축 전단 시험 및 미세 구조 분석을 사용하여 금속 결합 강도 특성화.

5. 연구 방법

연구 설계:

복합 모래 주조와 유도 가열을 결합한 하이브리드 접합 공정을 사용한 실험 연구. 겹침 접합 샘플을 사용하여 순수한 금속 결합을 확보했습니다.

데이터 수집 방법:

  • 유도 예열 중 열전대(thermocouple)를 사용한 온도 측정 (Figure 1).
  • 예열된 판재 시편의 인장 시험 (Figure 2).
  • 복합 주조 샘플의 압축 전단 시험 (Figures 3, 4).
  • 금속 조직 검사를 사용한 미세 구조 분석 (Figures 4, 11).
  • 광학 방출 분광계 (Table 1)

분석 방법:

  • 온도-시간 곡선의 정량적 분석.
  • 인장 특성(항복 강도, 인장 강도, 파단 연신율)의 정량적 분석.
  • 압축 전단 강도(comp = Fmax/A)의 정량적 분석.
  • 미세 구조(광학 현미경, 원소 매핑)의 정성적 및 정량적 분석.

연구 대상 및 범위:

  • 삽입재 재료: EN AW-5754 (AlMg3) 및 EN AW-6082 (AlSi1MgMn) 판재.
  • 주조 합금: EN AC-42100 (AlSi7Mg03).
  • 복합 영역 크기: 20 x 30 mm² 및 10 x 30 mm².
  • 인덕터-판재 간 거리: 7 mm 및 10 mm.
  • 유도 전력 레벨: 50%, 70%, 80% 및 90%.
  • 주조 온도: 720 ± 5 °C 및 760 ± 5 °C.
  • 주조 벽 두께: 10 mm, 6 mm 및 4 mm.
  • 코팅: Zn, Ni 및 코팅 없음.
  • T6 열처리 (EN AW-6082/EN AC-42100 복합재의 경우).

6. 주요 연구 결과:

주요 연구 결과:

  • 유도 예열은 삽입재 온도에 큰 영향을 미치며, 인덕터-판재 간 거리가 가장 큰 영향을 미치고, 그 다음으로 유도 전력, 복합 영역 크기, 삽입재 합금의 화학적 조성이 영향을 미칩니다 (Figures 5 and 6).
  • 유도 예열은 EN AW-5754의 인장 특성에 미미한 영향을 미치지만, 석출물 조대화로 인해 EN AW-6082의 강도를 크게 감소시킵니다 (Figures 7 and 8).
  • Zn 코팅은 블리스터링(blistering) 및 낮은 습윤성으로 인해 성능이 좋지 않았습니다 (Figure 9).
  • Ni 코팅은 습윤성을 개선했지만, 코팅되지 않은 삽입재와 유도 예열을 사용했을 때 가장 좋은 결과를 얻었습니다 (Figure 10).
  • 더 높은 주조 온도와 유도 가열은 일반적으로 금속 결합 강도를 향상시켰습니다 (Figure 10).
  • 주조 벽 두께를 4mm로 줄여도 10mm와 비슷한 강도 수준을 유지하여 경량화 가능성을 보여주었습니다.
  • T6 열처리는 EN AW-6082/EN AC-42100 복합재의 강도를 크게 향상시켰습니다 (Figure 14).

제시된 데이터 분석:

  • 복합 영역, 인덕터-판재 거리 및 유도 전력의 영향. (Figures 5 and 6).
  • 유도 예열은 EN AW-5754의 인장 강도 특성에 거의 영향을 미치지 않습니다. (Figure 7).
  • 유도 예열은 EN AW-6082 삽입재의 인장 강도에 부정적인 영향을 미칩니다. (Figure 8).
  • Al 판재 및 코팅에 대한 유도 예열의 영향에 대한 정성적 비교. (Figure 9).
  • 코팅 유형 및 유도 가열이 금속 결합 강도에 미치는 영향 (Figure 10).
  • EN AW-5754/EN AC-42100을 사용한 파라미터 연구의 미세 구조 분석. (Figure 11).
  • Mg-P-rich 상의 매핑 (Figure 12).
  • 주조와 코팅되지 않은 삽입재 사이의 온도 입력 증가에 따른 용해 증가. (Figure 13).
  • EN AW-6082/EN AC-42100의 금속 결합 강도 및 미세 구조는 구성에 따라 달라집니다. (Figure 14, 15)
  • EN AW-6082/EN AC-42100의 SEM-EDX 이미지 (Figure 16).
  • 주조 전 도가니에서 측정한 용융 온도: 760 ± 5 °C. (Figure 17).
Figure 3. Setup for hybrid joining through compound sand casting and induction heating
Figure 3. Setup for hybrid joining through compound sand casting and induction heating
Figure 4. Sampling and experimental overview for Al–Al compound characterization.
Figure 4. Sampling and experimental overview for Al–Al compound characterization.
Figure 5. Temperature curves of EN AW-5754 with changes in the parameters of compound zone size, inductor to sheet distance, and induction power.
Figure 5. Temperature curves of EN AW-5754 with changes in the parameters of compound zone size, inductor to sheet distance, and induction power.
Figure 6. Temperature curves of EN AW-6082 with changes in the parameters of compound zone size, inductor to sheet distance, and induction power
imageFigure 6. Temperature curves of EN AW-6082 with changes in the parameters of compound zone size, inductor to sheet distance, and induction power.
Figure 7. EN AW-5754 tensile properties are influenced by induction heating.
Figure 7. EN AW-5754 tensile properties are influenced by induction heating.
Figure 8. EN AW-6082 tensile properties are influenced by induction heating.
Figure 8. EN AW-6082 tensile properties are influenced by induction heating.
Figure 9. Qualitative comparison of the influence of induction preheating on the Al sheet metal and coating.
Figure 9. Qualitative comparison of the influence of induction preheating on the Al sheet metal and coating.
Figure 16. SEM–EDX images of EN AW-6082/EN AC-42100 (x4T6) in areas A and E of the microscopic sample after T6 heat treatment.
Figure 16. SEM–EDX images of EN AW-6082/EN AC-42100 (x4T6) in areas A and E of the microscopic sample after T6 heat treatment.

그림 목록:

  • 그림 1. 유도 예열된 Al 판재의 가열 거동 측정 설정.
  • 그림 2. 인장 시험을 위한 Al 판재 예열 설정.
  • 그림 3. 복합 모래 주조 및 유도 가열을 통한 하이브리드 접합 설정.
  • 그림 4. Al-Al 복합 특성화를 위한 샘플링 및 실험 개요.
  • 그림 5. 복합 영역 크기, 인덕터-판재 거리 및 유도 전력 파라미터 변화에 따른 EN AW-5754의 온도 곡선.
  • 그림 6. 복합 영역 크기, 인덕터-판재 거리 및 유도 전력 파라미터 변화에 따른 EN AW-6082의 온도 곡선.
  • 그림 7. 유도 가열에 영향을 받는 EN AW-5754 인장 특성.
  • 그림 8. 유도 가열에 영향을 받는 EN AW-6082 인장 특성.
  • 그림 9. Al 판재 및 코팅에 대한 유도 예열의 영향에 대한 정성적 비교.
  • 그림 10. 금속 결합 강도 EN AW-5754/EN AC-42100은 구성에 따라 달라집니다.
  • 그림 11. 두 합금 사이의 복합 영역 이전 영역에서 EN AW-5754/EN AC-42100을 사용한 파라미터 연구의 미세 구조 분석. 500배 배율로 촬영한 이미지.
  • 그림 12. EN AW-5754/EN AC-42100 복합재의 Ni1 구성에서 Mg-P-rich 상의 원소 매핑.
  • 그림 13. EN AW-5754/EN AC-42100 복합재. a) 현미경 개요 이미지는 Ni 코팅의 변위를 보여줍니다. b) 주조와 코팅되지 않은 삽입재 사이의 온도 입력 증가에 따른 용해 증가.
  • 그림 14. EN AW-6082/EN AC-42100의 금속 결합 강도는 구성에 따라 달라집니다.
  • 그림 15. 두 합금 사이의 복합 영역 이전 영역에서 EN AW-6082/EN AC-42100을 사용한 파라미터 연구의 미세 구조 분석. 500배 배율로 촬영한 이미지.
  • 그림 16. T6 열처리 후 현미경 샘플의 A 및 E 영역에서 EN AW-6082/EN AC-42100 (x4T6)의 SEM-EDX 이미지.
  • 그림 17. 다양한 주조 벽 두께에 따른 복합 영역의 용융 온도 및 냉각 곡선. 주조 전 도가니에서 측정한 용융 온도: 760 ± 5 °C.

7. 결론:

주요 결과 요약:

  • 유도 가열을 사용한 복합 모래 주조는 Al-Al 하이브리드 구조물을 생산하는 실행 가능한 방법입니다.
  • 충분한 유도 예열이 적용되면 삽입재 코팅이 불필요합니다.
  • 복합 영역에서 삽입재 온도는 건전한 금속 결합을 달성하기 위한 중요한 요소입니다.
  • EN AW-5754/EN AC-42100 복합재는 50-60 MPa의 강도를 달성했습니다 (코팅 없음, 760 °C, 70% 유도).
  • EN AW-6082/EN AC-42100 복합재는 60-70 MPa의 강도를 달성했습니다 (코팅 없음, 760 °C, 70% 유도, T6 열처리).
  • 하이브리드 접합 공정은 높은 공정 안정성을 보여줍니다.

연구의 학문적 의의:

  • Al-Al 복합 주조에서 삽입재 코팅의 필요성을 강조하는 기존 연구에 도전합니다.
  • 복합 주조에서 금속 결합을 강화하는 수단으로서 유도 가열의 효과를 입증합니다.
  • Al-Al 복합 주조에 영향을 미치는 공정 변수에 대한 더 깊은 이해를 제공합니다.

실제적 의미:

  • 자동차 응용 분야를 위한 경량 Al-Al 구조물을 생산하는 잠재적인 방법을 제공합니다.
  • 삽입재 코팅 및 관련 공정의 필요성을 제거하여 생산 비용을 절감할 수 있습니다.
  • 더 얇은 주조 벽을 사용할 수 있는 가능성을 보여주어 경량화 잠재력을 더욱 향상시킵니다.

연구의 한계 및 향후 연구 분야:

  • 평평한 판재 삽입재만 조사했습니다. 다른 형상(튜브, 프로파일)에 대한 연구가 필요합니다.
  • 다양한 하중 유형 및 샘플 형상에 대한 추가 조사가 필요합니다.
  • 전체 복합 강도에 대한 강제 끼워 맞춤 및 형상 잠금의 기여도를 탐구해야 합니다.
  • 복잡한 삽입재 형상에 맞는 인덕터 헤드 형상 조정이 필요합니다.
  • 저압 모래 주조로 공정을 전환하면 성능을 향상시킬 수 있습니다.
  • 공정 시뮬레이션은 추가적인 통찰력을 제공할 것입니다.

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9. 저작권:

  • 본 자료는 "Christopher Locke, Raffael Pichler, Martin Guggemos, Wolfram Volk, and Daniel Günther"의 논문: "Expanding Lightweight Design Potential by Hybrid Joining of Aluminum Sheets with Aluminum Casting Through Compound Sand Casting and Induction Heating"을 기반으로 합니다.
  • 논문 출처: https://doi.org/10.1002/adem.202400549

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