자동차 부품 주조에 사용되는 방법 및 재료 검토

본 논문 요약은 Materials Today: Proceedings, Elsevier 에 게재된 논문 "Automobile Parts Casting-Methods and Materials Used: A Review"를 기반으로 작성되었습니다.

1. 개요:

• 제목: 자동차 부품 주조 - 방법 및 사용 재료: 리뷰 (Automobile Parts Casting-Methods and Materials Used: A Review)
• 저자: Madhav Goenka, Chico Nihal, Rahul Ramanathan, Pratyaksh Gupta, Aman Parashar, Joel J
• 출판 연도: 2020년
• 출판 저널/학술 단체: Materials Today: Proceedings, Elsevier, ICMMM 2019
• 키워드: 원심 주조 (Centrifugal Casting); 다이캐스팅 (Die Casting); 엔진 블록 (Engine Block); 피스톤 (Piston); Al-Si 합금 (Al-Si Alloys); CGI

2. 연구 배경:

현대 자동차 산업에서 제조업체의 최우선 과제는 차량 자체 중량(kerb weight)을 줄이면서 NCAP(New Car Assessment Programme)와 같은 엄격한 안전 기준을 준수하기 위해 부품 강도를 향상시키는 것입니다. 이러한 이중의 필수 요건으로 인해 자동차 부품 생산에 혁신적인 제조 방법론과 첨단 재료를 모색하고 구현해야 할 필요성이 대두되었습니다. 따라서 자동차 부문에서 사용되는 주조 공정의 스펙트럼과 부품 제작에 필수적인 재료를 검토하고 평가해야 할 시급성이 있습니다. 본 리뷰는 확립된 주조 기술과 현대적인 주조 기술, 그리고 자동차 엔지니어링에서의 재료 응용에 대한 포괄적인 개요를 제공함으로써 이러한 요구를 해결합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

• 연구 목적: 본 논문은 자동차 부품 제조에 활용되는 다양한 주조 공정을 명확히 하고, 이러한 공정에 일반적으로 사용되는 재료를 설명하는 것을 목표로 합니다. 또한 각 주조 방법의 장단점에 대한 간결한 평가와 함께 특정 자동차 부품에 가장 적합한 재료를 식별하고자 합니다.
• 주요 연구 질문:
  • 현재 자동차 부품 생산에 사용되는 주요 주조 공정은 무엇입니까?
  • 자동차 부품 제조를 위해 이러한 주조 방법론과 함께 주로 사용되는 재료는 무엇입니까?
  • 논의된 각 주조 공정과 관련된 비교 우위와 제한 사항은 무엇입니까?
  • 주조 공정 및 성능 요구 사항을 기반으로 특정 자동차 부품에 최적으로 적합한 재료는 무엇입니까?
• 연구 가설: 본 논문은 리뷰 논문이므로 명시적인 연구 가설은 공식화되지 않았습니다. 그러나 암묵적인 제안은 자동차 부품용 주조 공정 및 재료의 선택이 성능 기준, 비용 효율성 및 생산 확장성의 다각적인 평가에 달려 있다는 것입니다. 본 논문은 다이캐스팅이 널리 적용 가능한 방법이며, 다른 공정은 특정 응용 분야 또는 재료 요구 사항에 대해 특정 장점을 제공한다고 암묵적으로 가정합니다.

4. 연구 방법론

• 연구 설계: 본 연구는 자동차 분야의 주조 방법 및 재료와 관련된 기존 문헌 및 산업 관행을 종합하는 리뷰 기반 연구 설계를 채택합니다.
• 자료 수집 방법: 방법론은 자동차 주조 공정 및 재료 응용과 관련된 학술 논문, 산업 보고서 및 기술 문헌에 대한 포괄적인 검토를 기반으로 합니다.
• 분석 방법: 분석적 접근 방식은 기술적 및 비교적이며, 그린샌드 주조 (Green sand casting), 원심 주조 (Centrifugal casting), 로스트 폼 주조 (Lost-foam casting), 다이캐스팅 (Die casting), 스퀴즈 주조 (Squeeze casting)를 포함한 다양한 주조 기술에 대한 정보를 요약하고 종합하는 것을 포함합니다. 분석은 각 방법의 장단점에 대한 비교 평가와 각 공정과 일반적으로 관련된 재료를 포함합니다.
• 연구 대상 및 범위: 본 리뷰의 범위는 엔진 블록, 피스톤, 밸브 커버, 휠 및 변속기 하우징과 같은 다양한 자동차 부품의 제조에 사용되는 주요 주조 방법론 (그린샌드 주조, 원심 주조, 로스트 폼 주조, 다이캐스팅, 스퀴즈 주조) 및 재료 (주철, Al-Si 합금, 마그네슘 합금, 티타늄 주물, 금속 매트릭스 복합재료 (MMC), 아연 합금)를 포함합니다.

5. 주요 연구 결과:

• 주요 연구 결과: 본 리뷰는 자동차 산업에서 다양한 주조 공정의 적용을 설명하며, 특히 알루미늄 및 아연 합금으로 경량, 취급 용이성 및 비용 효율적인 부품을 생산할 수 있는 능력으로 인해 다이캐스팅이 대량 생산에 널리 사용되는 방법임을 강조합니다. 그린샌드 주조는 치수 정확도 및 표면 조도 요구 사항이 덜 엄격한 부품에 대한 비용 효율적인 대안으로 제시됩니다. 원심 주조는 원통형 부품에 유리하며, 다공성이 감소하고 야금학적 청결도가 향상된 부품을 생산하는 것으로 확인되었습니다. 로스트 폼 주조는 엔진 블록 및 복잡한 형상 제조에 대한 신뢰성으로 인정받고 있습니다. 스퀴즈 주조는 주조 부품의 기계적 특성을 향상시키고 다공성을 감소시키는 능력이 있는 것으로 나타났습니다. 본 논문은 또한 각 공정 및 부품 유형에 대한 재료 선택 기준을 논의하며, 높은 강도 대 중량비 및 열전도율을 위해 Al-Si 합금의 사용을 강조합니다. CGI (Compacted Graphite Iron, 구상 흑연 주철)는 엔진 블록에 대해 우수한 기계적 특성으로 인해 회주철 (Grey cast iron)보다 선호되는 재료로 강조됩니다.
• 통계적/정성적 분석 결과:
  • Table 1. Differences in mechanical properties of CGI and Grey cast iron An example of a column heading Grey Cast Iron Compacted Graphite Cast Iron Modulus of Elasticity; GPa 98-110 170-190 Tensile Strength; Mpa 160-320 300-600
  • Table 2. Typical die temperatures and life of Al and Mg [16] Parameters Al Mg Max die life (number of cycles) 10,00,000 1,00,000 Die temperature (°C) 288 260 Casting temperature (°C) 660 760
  • 피스톤의 원심 주조는 피스톤 스커트에서 헤드까지 경도가 23.7 HRB 증가하고, 선팽창 계수가 23% 감소했으며, 중력 영구 금형 주조에 비해 내마모성이 70.4% 향상되었습니다.
  • AlSi6Cu2Mg 합금에 스트론튬 (Sb) 및 안티몬 (Sr)을 첨가하면 유동성이 각각 25% 및 15% 감소합니다.
• 데이터 해석: 제시된 데이터는 다양한 주조 공정 및 재료 간의 절충점을 강조합니다. 그린샌드 주조는 비용 이점을 제공하지만 치수 정밀도와 표면 품질이 저하됩니다. 다이캐스팅은 복잡하고 가벼운 부품의 대량 생산에 탁월하지만 금형 비용이 더 많이 들 수 있습니다. 원심 주조는 높은 무결성이 요구되는 원통형 형태에 최적입니다. 스퀴즈 주조는 기계적 특성을 향상시켜 고성능 응용 분야에 적합합니다. 엔진 블록에 회주철 대신 CGI를 선택하는 것은 표 1에 정량화된 바와 같이 우수한 기계적 강도로 정당화됩니다. 표 2에 표시된 금형 수명 및 온도 고려 사항은 다이캐스팅 공정 설계 및 재료 선택에서 중요한 매개변수입니다. 원심 주조 피스톤에서 관찰된 개선 사항은 공정의 부품 성능 향상 가능성을 강조합니다.
• Figure Name List:
  • Fig. 1. Aluminium Die Cast Parts.
  • Fig. 2. Flow chart of manufacturing of MMC pistons using squeeze casting.
  • Fig. 3. The process of squeeze casting.

6. 결론 및 논의:

• 주요 결과 요약: 본 리뷰는 다이캐스팅이 비교적 높은 비용에도 불구하고 광범위한 자동차 부품 생산에 광범위하게 사용된다는 결론을 내립니다. 그린샌드 주조는 치수 정확도와 표면 조도가 덜 중요한 부품에 대해 보다 경제적인 대안으로 사용됩니다. 원심 주조, 로스트 폼 주조 및 스퀴즈 주조와 같은 특수 주조 공정은 특정 부품 요구 사항 및 재료 특성에 따라 배포됩니다. 본 논문은 각 주조 방법의 중요한 공정 매개변수 및 재료 고려 사항을 설명하여 자동차 부품 제조를 위한 포괄적인 가이드를 제공합니다.
• 연구의 학문적 중요성: 본 리뷰는 자동차 부문에 관련된 주조 공정 및 재료에 대한 정보를 통합하여 학문적 지식 체계에 기여합니다. 자동차 엔지니어링에서 확립된 주조 기술과 현대적인 주조 기술 및 응용 분야에 대한 포괄적인 개요를 찾는 연구원 및 엔지니어에게 귀중한 자료가 됩니다.
• 실용적 의미: 본 리뷰의 결과는 자동차 엔지니어 및 제조 전문가가 특정 자동차 부품에 가장 적합한 주조 방법 및 재료를 선택하는 데 실용적인 지침을 제공합니다. 공정 장단점에 대한 비교 분석은 재료 권장 사항과 함께 부품 설계, 제조 효율성 및 비용 효율성을 최적화하는 데 도움이 됩니다.
• 연구의 제한 사항: 리뷰 논문으로서 본 연구는 본질적으로 기존 문헌에 의존하며 특정 주조 공정에 대한 새로운 실험 데이터 또는 심층 분석을 제시하지 않습니다. 각 주조 방법 및 재료에 대한 분석 깊이는 검토된 문헌의 범위에 의해 제한됩니다.

7. 향후 후속 연구:

• 후속 연구 방향: 향후 연구 노력은 특정 자동차 재료 및 부품에 대한 개별 주조 공정의 최적화에 초점을 맞출 수 있습니다. 자동차 응용 분야에서 향상된 성능과 경량화를 위해 맞춤화된 새로운 주조 기술과 첨단 재료 개발에 대한 추가 탐구가 필요합니다.
• 추가 탐구가 필요한 영역: 향후 조사에 대한 특정 영역에는 각 주조 방법에 대한 공정 매개변수 최적화, 향상된 주조성 및 성능 특성을 가진 새로운 합금 조성 개발, 공정 설계 및 최적화를 위한 전산 시뮬레이션 및 모델링 도구 적용, 자동차 대량 생산 시나리오에서 다양한 주조 방법론의 포괄적인 비용-편익 분석이 포함됩니다.

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9. 저작권:

• 본 자료는 "Madhav Goenka et al."의 논문 "Automobile Parts Casting-Methods and Materials Used: A Review"를 기반으로 합니다.
• 논문 출처: https://www.sciencedirect.com/journal/materials-today-proceedings/vol/22/suppl/C

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