자동차 응용 분야에서의 신뢰성 달성을 위한 마그네슘 다이캐스팅 공정 최적화

본 소개 자료는 "SAE International"에서 발행한 논문 "[Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications]"을 기반으로 합니다.

Figure 1. Grain size and secondary dendrite arm spacing as a
function of the solidification rate for AZ91D. Operating window for
die casting indicated by dashed rectangle [1] — Figure 1. Grain size and secondary dendrite arm spacing as a function of the solidification rate for AZ91D. Operating window for die casting indicated by dashed rectangle [1]

1. 개요:

제목: 자동차 응용 분야에서의 신뢰성 달성을 위한 마그네슘 다이캐스팅 공정 최적화 (Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications)
저자: Haavard Gjestland, Stian Sannes, Jørild Svalestuen and Håkon Westengen
발행 연도: 2005
발행 학술지/학회: SAE International (SAE 기술 논문 2005-01-0333)
키워드: 마그네슘 다이캐스팅, 자동차 응용 분야, 신뢰성, 응고 속도, 미세조직, 기계적 특성, 숏 슬리브, 사전 응고, 외부 응고 결정(ESC), AZ91D, AM60B, 열 관리.

2. 초록:

고압 다이캐스팅은 금형 내 용탕의 빠른 충전과 이후의 급속 냉각을 특징으로 합니다. 이러한 특성은 마그네슘 다이캐스팅 합금에 유리합니다. 높은 냉각 속도는 미세한 수지상정 및 결정립 구조의 형성을 촉진하며, 이는 상당한 경화로 이어집니다. 이러한 미세화는 연성 또한 향상시킵니다. 금속의 냉각 속도는 공정 변수와 부품 형상 모두에 크게 의존하기 때문에, 후자 요인과 관련된 3차원적 유연성은 냉각 속도가 균일할 수 없음을 의미합니다. 이러한 냉각 속도 차이는 결과적으로 다이캐스팅 부품의 기하학적으로 다른 부분들 사이에서 기계적 특성의 일부 변화를 초래할 수 있습니다. 이러한 변화는 미세 기공, 비금속 개재물, 충전 결함 및 고온 균열 형성과 같은 주조 결함과는 대조적으로 재료의 고유한 특성입니다. 주물의 기계적 특성은 숏 슬리브 내 금속의 사전 응고에 의해서도 영향을 받습니다. 본 논문에서는 공정 중 열 조건과 그 결과로 나타나는 주물의 미세조직 및 기계적 특성 간의 상관관계를 논의합니다. 특성 예측과 관련된 핵심 요소는 용해로에서부터 계량 장치 및 숏 슬리브를 거쳐 최종적으로 금형 충전에 이르기까지 공정에서의 열 조건입니다. 이러한 모든 요소의 열 이력이 특성에 미치는 영향을 알아야만 다이캐스팅 공정을 최적화하는 것이 가능합니다. 본 연구는 첫째로 금속의 응고 속도와 그 결과로 나타나는 미세조직 및 기계적 특성 간의 몇 가지 기본적인 상관관계를 설명합니다. 이러한 일반적인 상관관계는 모든 합금에 유효합니다. 본 논문은 AZ91D 합금에 대한 조사 결과를 제시합니다. 둘째로, 이 연구는 다른 열 조건을 가진 숏 슬리브에 부어진 고온 금속의 일반적인 거동을 설명합니다. 본 논문은 AM60B 합금에 대한 조사 결과를 제시합니다.

3. 서론:

마그네슘 다이캐스팅의 적용 증가는 기술적 개선에 의해 가능해졌습니다. 여러 요인 중에서도 고순도 합금의 도입, 플럭스리스 용해, 개선된 다이캐스팅 기술 및 가상 설계가 매우 중요했습니다. 이러한 개선 사항들의 복합적인 효과는 현대 대량 생산의 요구 사항을 충족하는 복잡한 경량 부품의 고도로 자동화되고 비용 경쟁력 있는 생산 가능성을 제공합니다. 경량 구조 응용 분야의 설계 및 생산은 다이캐스터에게 어려운 과제입니다. 개선된 재료 특성과 견고한 제조 성능에 대한 지속적인 요구가 있기 때문입니다. 다이캐스팅 부품의 특성은 무엇보다도 부품 내 국소 응고 속도에 의해 제어됩니다. 둘째로, 주조 공정 중에 형성된 모든 결함은 이론적으로 최적인 특성을 감소시킬 것입니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

마그네슘 다이캐스팅은 경량성으로 인해 자동차 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 그러나 복잡한 대량 생산 부품에서 신뢰할 수 있는 기계적 특성을 보장하는 것이 중요합니다. 고압 다이캐스팅은 급속 응고를 포함하며, 이는 미세조직과 특성에 영향을 미칩니다. 부품 형상 및 공정 변수로 인한 냉각 속도의 변화는 불균일한 특성을 초래할 수 있습니다. 더욱이, 숏 슬리브에서의 사전 응고와 같이 금형 충전 전에 발생하는 현상은 최종 주조 품질과 신뢰성에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다.

이전 연구 현황:

AZ91D와 같은 마그네슘 합금에서 응고 속도가 결정립 크기(GS) 및 2차 수지상정 간격(DAS)과 같은 미세조직 특징을 결정한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 더 빠른 응고는 더 미세한 구조를 만듭니다(그림 1). 기계적 특성은 미세조직과 밀접하게 연관되어 있습니다. 인장 항복 강도는 결정립 크기와 홀-페치(Hall-Petch) 관계를 따르며(그림 2), 연성(연신율)은 일반적으로 더 미세한 결정립 크기에서 향상됩니다(그림 3). 주입 전 숏 슬리브 내 금속의 사전 응고가 발생하여 외부 응고 결정(Externally Solidified Crystals, ESCs)이라고 하는 파편을 형성하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 ESC는 주입 중에 주물에 혼입되며 기계적 특성에 잠재적으로 영향을 미치는 것으로 알려져 있습니다.

연구 목적:

본 연구는 다이캐스팅 공정 전반, 특히 숏 슬리브 내의 열 조건과 그 결과로 나타나는 미세조직(특히 ESC의 존재 및 분포) 및 마그네슘 합금 주물의 기계적 특성 간의 상관관계를 명확히 하고 정량화하는 것을 목표로 합니다. 궁극적인 목표는 자동차 부품에서 특히 연신율과 관련하여 신뢰성을 향상시키기 위해 다이캐스팅 공정을 최적화하는 전략을 식별하는 것입니다.

핵심 연구:

본 연구는 두 가지 주요 측면을 조사합니다.

AZ91D 합금 데이터를 사용하여 응고 속도, 미세조직(GS, DAS) 및 기계적 특성(항복 강도, 연신율) 간의 기본 관계.
숏 슬리브에서의 사전 응고가 ESC 형성에 미치는 영향과 이것이 AM60B 합금 주물의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 후속 효과. 이는 다음을 포함합니다:
- 다양한 숏 슬리브 열 조건 하에서 사전 응고된 금속의 체적 분율을 추정하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션(표 1).
- 네 가지 다른 숏 슬리브 구성(표준 H13 강, 질화붕소 코팅된 H13, 금속기 복합재료(MMC) 라이너가 있는 H13, 카트리지로 가열된 H13)을 사용하여 AM60B 인장 시편의 실험적 고압 다이캐스팅.
- 주조된 시편의 기계적 시험 및 미세조직 분석을 통해 숏 슬리브 조건과 ESC 존재 및 특성 변화, 특히 연신율 및 그 통계적 분포를 연관시킵니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 다음을 결합한 다각적인 접근 방식을 사용했습니다:

AZ91D의 응고 매개변수와 미세조직/특성 간의 관계에 대한 기존 데이터 검토 및 분석.
다양한 열 경계 조건 하에서 숏 슬리브 내 열 전달 및 사전 응고를 모델링하기 위한 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션.
산업용 다이캐스팅 기계(420톤 Bühler Evolution)를 사용한 제어된 실험적 고압 다이캐스팅 시험.
기계적 시험 및 금속 조직 검사를 통한 결과 주물의 체계적인 특성 평가.
공정 수정이 특성 분포 및 신뢰성에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험 데이터의 통계 분석.

데이터 수집 및 분석 방법:

시뮬레이션: 네 가지 정의된 열 시나리오(다른 슬리브 재료, 코팅 및 온도) 하에서 숏 슬리브(직경 60mm, 길이 365mm, 충전율 50%) 내 사전 응고된 AM60B 합금의 체적 분율을 계산하기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 사용했습니다(표 1).
실험: 네 가지 시뮬레이션된 숏 슬리브 조건 하에서 AM60B 합금을 사용하여 표준 ASTM 인장 시편(게이지 길이 75mm, 직경 6mm)을 다이캐스팅했습니다.
기계적 시험: ASTM 557B 표준에 따라 인장 시험을 수행하여 항복 강도(Rp0.2), 극한 인장 강도(Rm) 및 연신율(A)을 결정했습니다. 통계적 관련성을 위해 상당한 수의 샘플을 테스트했습니다(예: 조건 1의 경우 200개, 조건 3의 경우 93개).
금속 조직 검사: 인장 시편의 단면을 준비하고 광학 현미경을 사용하여 미세조직, 특히 다른 주조 조건 하에서의 ESC의 존재, 분포 및 형태를 관찰했습니다.
통계 분석: 평균 기계적 특성 및 표준 편차를 계산했습니다. 빈도 분포(막대 그래프) 및 2-모수 와이블 분석을 사용하여 다른 숏 슬리브 조건에 대한 연신율 값의 산포 및 신뢰성을 평가했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 자동차 응용 분야에 사용되는 일반적인 마그네슘 합금(AZ91D 및 AM60B)의 고압 다이캐스팅에 중점을 둡니다. 특히 다음의 영향을 조사합니다:

미세조직(결정립 크기, DAS) 및 기계적 특성(항복 강도, 연신율)에 대한 응고 속도.
숏 슬리브 내 열 조건(열 전달 계수, 전도율, 온도)이 사전 응고 정도 및 외부 응고 결정(ESC) 형성에 미치는 영향.
ESC의 존재 및 분포가 다이캐스팅 부품의 기계적 특성(특히 연신율) 및 그 통계적 변동(산포/신뢰성)에 미치는 영향.
범위에는 시뮬레이션, 제어된 조건 하에서의 실험적 주조 시험, 재료 특성 평가 및 통계적 평가가 포함되며, 공정 최적화를 위한 실용적인 지침을 제공하는 것을 목표로 합니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

AZ91D의 미세조직(결정립 크기 GS, 2차 수지상정 간격 DAS)은 응고 속도에 크게 의존하며, 더 빠른 냉각은 더 미세한 구조를 생성합니다(그림 1). 일반적인 다이캐스팅 냉각 속도(10 - 1000 °C/s)는 5 ~ 100 µm 범위의 결정립 크기를 초래합니다.
AZ91D의 인장 항복 강도(TYS)는 홀-페치 관계를 나타내며, 결정립 크기가 감소함에 따라 증가합니다(그림 2).
파단 연신율은 AZ91D와 순수 Mg 모두에서 결정립 크기가 감소함에 따라 일반적으로 증가하여, 연성을 위한 미세 미세조직의 중요성을 강조합니다(그림 3).
주입 전에 상대적으로 차가운 숏 슬리브에서 사전 응고가 발생하여 외부 응고 결정(ESC)으로 알려진 α-마그네슘 수지상정 파편을 형성합니다(그림 4).
ESC는 용탕 흐름에 혼입되어 최종 주물 내에서 발견되며, 종종 게이트 근처와 게이트에서 멀리 떨어진 코어 영역에 집중됩니다(그림 5a, 5b). ESC는 더 크고 뚜렷한 미세조직 특징으로 나타납니다.
ESC 및 관련 기공 밴드(그림 6)는 인장 하중 하에서 파괴 개시 지점으로 작용하여 재료의 전체 연성 및 강도를 제한합니다(그림 7).
시뮬레이션 결과, 표준 H13 공구강 숏 슬리브(200°C)는 약 14%의 사전 응고된 AM60B 분율을 초래하는 것으로 예측되었습니다. 열 조건을 수정하면 이 비율이 크게 감소합니다: 질화붕소 코팅(600 W/m²K 열 전달 계수)은 0%, MMC 라이너(7.4 W/m°C 전도율)는 5%, H13 슬리브를 440°C로 가열한 경우는 2.5%를 산출했습니다(표 1).
실험적 주조는 미세조직에 미치는 영향을 확인했습니다: 표준 H13 슬리브는 단면에 걸쳐 분포된 눈에 띄는 ESC 존재를 가진 주물을 초래했습니다(그림 9a). 수정된 슬리브는 가시적인 사전 응고가 현저히 감소하거나 거의 제거된 것을 보여주었습니다(그림 9b, 9c, 9d).
수정된 숏 슬리브를 통해 사전 응고를 줄이면 표준 H13 슬리브에 비해 평균 기계적 특성, 특히 연신율이 개선되었습니다(그림 8).
결정적으로, ESC를 줄이면 연신율 값의 산포가 크게 감소했습니다. 표준 H13 슬리브는 낮은 연신율 값 쪽으로 치우친 분포를 생성한 반면, MMC 라이너 및 가열된 슬리브는 산포가 적고 최소값이 더 높은 분포를 초래했습니다(그림 10a, 10b, 10c).
와이블 분석은 표준 H13 슬리브에 비해 MMC 라이너 및 가열된 슬리브의 신뢰성 향상(산포 감소)을 확인했으며, 이는 더 높은 와이블 계수(그림 11의 Beta 값)로 나타났습니다.

: Figure 2. Tensile yield strength as a function of grain size in an AZ91D alloy [1]

: Figure 1. Grain size and secondary dendrite arm spacing as a function of the solidification rate for AZ91D. Operating window for die casting indicated by dashed rectangle [1]

$Figure 3. Elongation to fracture as a function of grain size in an AZ91D alloy and in pure-Mg [1]$: Figure 3. Elongation to fracture as a function of grain size in an AZ91D alloy and in pure-Mg [1]

: Figure 4. Illustration of computer simulation of pre-solidification in the shot sleeve

: Figure 5b. ESCs in AM60B (large grains with bright contrast) in a U-profile type of casting. A) Close to the gate, B) Far from the gate. Arrows indicate flow direction [3]

: Figure 6. The dark ‘lines’ are the pore bands, alloy AM690B

: Figure 7. Cracks initiated in the pore bands of a tensile bar during tension, alloy AM60B.

: Figure 5a. Locations (A and B) for the micrographs in Figure 5b

: Figure 9b. Micrograph of tensile bar in AM60B cast with a H13 shot sleeve coated with boron nitride. The ‘white particles’ are the ESCs

: Figure 11. 2-dimensional Weibull analysis of the elongation in tensile bars cast with different shot sleeve conditions

그림 이름 목록:

그림 1. AZ91D의 응고 속도에 따른 결정립 크기 및 2차 수지상정 간격. 다이캐스팅의 작동 창은 파선 사각형으로 표시됨 [1]
그림 2. AZ91D 합금의 결정립 크기에 따른 인장 항복 강도 [1]
그림 3. AZ91D 합금 및 순수 Mg의 결정립 크기에 따른 파단 연신율 [1]
그림 4. 숏 슬리브 내 사전 응고의 컴퓨터 시뮬레이션 그림
그림 5a. 그림 5b의 미세사진 위치 (A 및 B)
그림 5b. U-프로파일 형태 주물의 AM60B 내 ESC (밝은 대비의 큰 결정립). A) 게이트 근처, B) 게이트에서 먼 곳. 화살표는 유동 방향을 나타냄 [3]
그림 6. 어두운 '선'은 기공 밴드임, 합금 AM690B.
그림 7. 인장 중 인장 시편의 기공 밴드에서 시작된 균열, 합금 AM60B.
그림 8. 다른 열 조건의 숏 슬리브로 주조된 인장 시편의 평균 기계적 특성 및 표준 편차를 보여주는 막대 그래프, 합금 AM60B
그림 9a. H13 숏 슬리브로 주조된 AM60B 인장 시편의 미세사진. '흰색 입자'는 ESC임
그림 9b. 질화붕소로 코팅된 H13 숏 슬리브로 주조된 AM60B 인장 시편의 미세사진. '흰색 입자'는 ESC임
그림 9c. MMC 라이너가 있는 숏 슬리브로 주조된 AM60B 인장 시편의 미세사진. '흰색 입자'는 ESC임
그림 9d. 가열된 H13 숏 슬리브로 주조된 AM60B 인장 시편의 미세사진. '흰색 입자'는 ESC임
그림 10a. H13 숏 슬리브로 주조된 인장 시편의 연신율에 대한 빈도 막대 그래프 (AM60B 200개 시편)
그림 10b. MMC 라이너가 있는 숏 슬리브로 주조된 인장 시편의 연신율에 대한 빈도 막대 그래프 (AM60B 93개 시편)
그림 10c. 가열된 H13 숏 슬리브로 주조된 인장 시편의 연신율에 대한 빈도 막대 그래프 (AM60B 34개 시편)
그림 11. 다른 숏 슬리브 조건으로 주조된 인장 시편의 연신율에 대한 2차원 와이블 분석
표 1. 숏 슬리브의 열 조건 함수로서 사전 응고된 AM60B 분율의 컴퓨터 계산

7. 결론:

H13 공구강으로 제조된 기존 숏 슬리브의 사용은 주입 전 금속의 열 손실로 인해 슬리브 내 사전 응고된 재료의 상당한 체적 분율을 초래합니다.
외부 응고 결정(ESC)은 α-마그네슘 수지상정 파편입니다. 액체 금속에 분산되어 금형 캐비티로 주입될 때, 이러한 ESC는 주조 부품의 기계적 특성 감소를 초래합니다.
숏 슬리브에서의 사전 응고는 a) 내부 슬리브 벽을 단열하여 금속에서 슬리브 벽으로의 열 전달을 줄이거나, b) 슬리브 벽의 열전도율을 줄이거나, c) 슬리브 벽의 더 높은 온도를 유지하여 열 전달을 줄임으로써 감소될 수 있습니다. 이러한 노력은 결과적으로 주물의 기계적 특성 향상으로 이어질 것입니다.
열 손실 감소는 캐비티로 주입되는 용탕의 더 높은 온도를 초래합니다. 이는 주어진 금형의 충전을 위한 유동성을 향상시키고, 잠재적으로 더 복잡한 금형의 더 나은 충전으로 이어질 수 있습니다. 유동성 향상의 부정적인 효과는 주어진 금형의 플래싱 경향이 커지는 것입니다.
부품에서 가장 신뢰할 수 있는 특성을 얻기 위한 마그네슘 다이캐스팅의 모범 사례(Best Practice)는 다음을 포함해야 합니다:
- 부품의 모든 섹션에서 가능한 가장 높은 응고 속도를 위한 부품 및 금형 설계.
- 주입 전 금속의 낮은 열 손실을 유발하는 숏 슬리브 및 공정 변수의 사용.

8. 참고 문헌:

[1] H. Gjestland, S. Sannes, H. Westengen and D. Albright, Effects of Casting Temperature, Section Thickness, and Die Filling Sequence Concerning Microstructure and Mechanical Properties of High Pressure Die castings, NADCA conference, Indianapolis, September 2003.
[2] H. I. Laukli, High Pressure Die Casting of Aluminium and Magnesium Alloys – Grain Structure and Segregation Characteristics, Doctoral Theses, Norwegian University of Science and Technology, 2004.
[3] H. I. Laukli, O. Lohne, S. Sannes, H. Gjestland and L. Arnberg, Grain Size Distribution in a Complex AM60B Magnesium Alloy Die Casting, Int. J. of Cast Metals Research, 2003, vol. 16, no. 6, pp. 515-521.
[4] Crack initiation and crack propagation in HPDC tensile bars, Hydro Magnesium Competence Centre, Internal report, August 2003.

9. 저작권:

본 자료는 "Haavard Gjestland, Stian Sannes, Jørild Svalestuen and Håkon Westengen"의 논문입니다. "Optimizing the Magnesium Die Casting Process to Achieve Reliability in Automotive Applications"을 기반으로 합니다.
논문 출처: https://doi.org/10.4271/2005-01-0333

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Tags: AZ91D; , CAD; , CFD; , Computational fluid dynamics (CFD); , Computer simulation; , Die casting; , High pressure die casting; , Microstructure; , Review; , secondary dendrite arm spacing; , 금형