Magnesium casting technology for structural applications

연구 내용

  • 연구의 핵심 목적: 마그네슘 합금의 용융 및 주조 공정을 요약하고, 자동차 산업을 중심으로 한 구조용 마그네슘 주조의 역사적 발전, 현재 및 잠재적 응용 분야를 검토하며, 관련 기술적 과제를 논의하는 것이다. 증가하는 세계적 에너지 수요, 환경 보호 및 정부 규제는 향후 수십 년 동안 경량 마그네슘 주조의 적용을 촉진할 것이다.
  • 주요 방법론: 마그네슘 합금의 용융 및 주조 공정에 대한 문헌 조사와 분석을 통해 마그네슘 주조 기술의 역사적 발전, 현재 기술, 자동차, 항공우주, 전력 공구 산업에서의 구조적 적용, 기술적 과제 및 기회를 검토한다.
  • 핵심 결과: 다양한 마그네슘 주조 공정 (고압 다이캐스팅, 저압 다이캐스팅, 압출 주조, 분실 폼 주조, 삭마 주조, 반고체 주조 등)에 대한 개요와 자동차 산업에서의 마그네슘 구조 응용 분야에 대한 심층적인 분석을 제공한다. 마그네슘 주조의 기술적 과제(다공성, 내식성, 피로강도)를 논의하고, 이러한 과제를 해결하기 위한 대안적인 주조 공정(진공 보조 다이캐스팅, 초고진공 다이캐스팅 등)을 제시한다. 통합 전산 재료 공학 (ICME) 도구의 개발을 통해 마그네슘 주조의 응용 분야가 가속화될 것으로 전망한다.

연구진 정보

  • 소속 기관: 논문에 명시된 저자의 소속기관은 명확하게 언급되지 않았다.
  • 저자명: Alan A. Luo
  • 주요 연구 분야: 마그네슘 주조 기술

연구 배경 및 목적

  • 해당 연구가 필요한 산업적 배경: 자동차, 항공우주, 전력 공구 산업 등에서 경량화 소재에 대한 수요 증가.
  • 구체적인 기술적 문제점 과제: 마그네슘 합금 주조의 기술적 어려움 (높은 다공성, 내식성, 피로강도 등). SF6와 같은 환경오염 물질 사용에 대한 규제 강화.
  • 연구 목표: 마그네슘 합금의 용융 및 주조 공정의 종합적 검토, 다양한 주조 방법 분석, 자동차 산업 중심의 구조용 마그네슘 주조의 역사적 발전 및 현황 분석, 기술적 과제 해결 방안 및 미래 전망 제시.

논문의 주요 목표와 연구 내용

  • 논문의 주요 목표와 연구 내용: 마그네슘 합금 주조 기술 전반에 대한 종합적이고 체계적인 검토, 특히 자동차 산업에서의 구조적 응용에 중점.
  • 문제점: 마그네슘 주조에서 발생하는 다공성, 내식성 저하, 피로강도 부족 등의 기술적 문제점과 SF6 사용에 따른 환경 규제 문제.
  • 문제 해결을 위한 단계적 접근:
    1. 다양한 마그네슘 주조 방법 (고압 다이캐스팅, 저압 다이캐스팅, 진공 보조 다이캐스팅, 초고진공 다이캐스팅, 압출 주조, 분실 폼 주조, 삭마 주조, 반고체 주조) 소개 및 각 방법의 장단점 분석.
    2. 각 주조 방법의 특징과 적용 분야를 자동차 산업 중심으로 설명.
    3. 마그네슘 주조의 기술적 과제 (다공성, 내식성, 피로 강도)를 심층적으로 분석.
    4. 다공성을 감소시키는 진공 보조 다이캐스팅, 초고진공 다이캐스팅 등 대안적 주조 공정과 내식성 향상을 위한 표면처리 기술 제시.
    5. 통합 전산 재료 공학 (ICME) 도구의 활용을 통한 마그네슘 주조 기술 발전 전망.
  • 주요 Figure:
    • Fig. 1: 개방형 도가니 용융을 위한 고정식 연료 가열로의 단면도.
    • Fig. 2: 강철 덮개가 있는 현대식 전기로와 주조 기계로 용융 마그네슘을 공급하는 금속 이송관.
    • Fig. 3: 고압 다이캐스팅의 고온 챔버 방식 개략도.
    • Fig. 4: 고온 챔버 다이캐스팅 공정으로 제작된 대표적인 마그네슘 부품.
    • Fig. 5: 저온 챔버 다이캐스팅 공정 개략도.
    • Fig. 6: 냉각 챔버 다이캐스팅으로 제작된 GM 마그네슘 계기판 빔.
    • Fig. 7: Gibbs Die Casting의 진공 보조 수직 다이캐스팅 공정.
    • Fig. 8: 저압 주조 기계의 개략도.
    • Fig. 9: GM에서 저압 다이캐스팅으로 제작한 마그네슘 제어 암 시제품.
    • Fig. 10: 칙소몰딩 기계의 개략도.
    • Fig. 11: 직접 압출 주조 공정 단계.
    • Fig. 12: (a) 종래 다이캐스팅과 (b) 간접 압출 주조 공정에서의 금속 흐름 개략도.
    • Fig. 13: 알루미늄 및 마그네슘 주조를 위한 삭마 주조 공정.
    • Fig. 14: Pratt & Whitney F119 보조 케이싱.
    • Fig. 15: Rolls Royce 트레이.
    • Fig. 16: Meridian Lightweight Technologies의 Lincoln MKT 리프트게이트 인너.
    • Fig. 17: Chevrolet Corvette용 LPDC 마그네슘 합금 휠.
    • Fig. 18: 마그네슘 외장 및 알루미늄 내장을 보여주는 BMW 복합 엔진 블록의 절단면.
    • Fig. 19: USCAR 마그네슘 파워트레인 주조 부품 프로젝트의 마그네슘 부품.
    • Fig. 20: Chevrolet Corvette Z06 마그네슘 크래들의 알루미늄 절연체 위치.
    • Fig. 21: USCAR 데모 구조물 제작에 사용된 (a) FSLW 및 (b) LSPR 결합 공정.
    • Fig. 22: 마그네슘 응용을 위한 통합 전산 재료 공학(ICME) 프레임워크.
Fig. 1. Cross section of a stationary fuel-fired furnace used for the open crucible melting of magnesium alloys [2].
Fig. 1. Cross section of a stationary fuel-fired furnace used for the open crucible melting of magnesium alloys [2].
Fig. 2. (a) Modern electrical furnace with a steel cover; and (b) metal transfer tube delivering molten magnesium to a die casting machine (Courtesy of Metamag, Inc., Strathroy, ON, Canada).
Fig. 2. (a) Modern electrical furnace with a steel cover; and (b) metal transfer tube delivering molten magnesium to a die casting machine (Courtesy of Metamag, Inc., Strathroy, ON, Canada).
Fig. 3. Schematics of hot chamber die casting [8].
Fig. 3. Schematics of hot chamber die casting [8].
Fig. 4. Typical magnesium parts made by hot chamber die casting process (Courtesy of Contech US, LLC and Foxconn Technology Group, China).
Fig. 4. Typical magnesium parts made by hot chamber die casting process (Courtesy of Contech US, LLC and Foxconn Technology Group, China).
Fig. 5. Schematics of cold chamber die casting [8].
Fig. 5. Schematics of cold chamber die casting [8].
Fig. 6. General Motors magnesium instrument panel beams made by cold chamber die casting.
Fig. 6. General Motors magnesium instrument panel beams made by cold chamber die casting.
Fig. 7. Gibbs vertical vacuum assisted die casting process (Courtesy of Gibbs Die Casting, Henderson, KY, USA [11]).
Fig. 7. Gibbs vertical vacuum assisted die casting process (Courtesy of Gibbs Die Casting, Henderson, KY, USA [11]).
Fig. 8. A schematic diagram of a typical low pressure casting machine [17].
Fig. 8. A schematic diagram of a typical low pressure casting machine [17].
Fig. 9. A prototype magnesium control arm made by GM using low pressure die casting process.
Fig. 9. A prototype magnesium control arm made by GM using low pressure die casting process.
Fig. 10. A schematic diagram of a Thixomolding machine [21].
Fig. 10. A schematic diagram of a Thixomolding machine [21].
Fig. 11. Schematic illustrating direct squeeze casting process operations: (a) melt into die cavity; (b) close tooling, solidify melt under pressure; and (c) eject casting [8].
Fig. 11. Schematic illustrating direct squeeze casting process operations: (a) melt into die cavity; (b) close tooling, solidify melt under pressure; and (c) eject casting [8].
Fig. 12. Schematic illustrating metal flow in (a) conventional die casting; and (b) indirect squeeze casting process [8].
Fig. 12. Schematic illustrating metal flow in (a) conventional die casting; and (b) indirect squeeze casting process [8].
Fig. 13. Ablation casting process for aluminum and magnesium casting [26].
Fig. 13. Ablation casting process for aluminum and magnesium casting [26].
Fig. 14. Pratt & Whitney F119 auxiliary casing in ELEKTRON WE43 alloy [37].
Fig. 14. Pratt & Whitney F119 auxiliary casing in ELEKTRON WE43 alloy [37].
Fig. 15. Rolls Royce tray in ELEKTRON ZRE1 alloy [37].
Fig. 15. Rolls Royce tray in ELEKTRON ZRE1 alloy [37].
Fig. 16. HPDC magnesium casting Lincoln MKT liftgate inner (photo courtesy of Meridian Lightweight Technologies) [49].
Fig. 16. HPDC magnesium casting Lincoln MKT liftgate inner (photo courtesy of Meridian Lightweight Technologies) [49].
Fig. 17. LPDC magnesium alloy wheel for Chevrolet Corvette.
Fig. 17. LPDC magnesium alloy wheel for Chevrolet Corvette.
Fig. 18. The BMW composite engine block showing a cutaway of the magnesium exterior revealing the aluminum interior [35].
Fig. 18. The BMW composite engine block showing a cutaway of the magnesium exterior revealing the aluminum interior [35].
Fig. 19. Magnesium powertrain components from the USCAR magnesium powertrain cast components project; (a) LPDC cylinder block, (b) Thixomolded front engine cover, (c) HPDC oil pan and (d) HPDC rear seal carrier [54].
Fig. 19. Magnesium powertrain components from the USCAR magnesium powertrain cast components project; (a) LPDC cylinder block, (b) Thixomolded front engine cover, (c) HPDC oil pan and (d) HPDC rear seal carrier [54].
Fig. 20. Aluminum isolator locations for Chevrolet Corvette Z06 magnesium cradle (bottom & top views) [50].
Fig. 20. Aluminum isolator locations for Chevrolet Corvette Z06 magnesium cradle (bottom & top views) [50].
Fig. 21. USCAR demo structure build using (a) FSLW (friction stir linear welding); and (b) LSPR (laser-assisted self-pierce rivet) joining processes [67].
Fig. 21. USCAR demo structure build using (a) FSLW (friction stir linear welding); and (b) LSPR (laser-assisted self-pierce rivet) joining processes [67].
Fig. 22. Integrated Computational Materials Engineering (ICME) framework for magnesium applications.
Fig. 22. Integrated Computational Materials Engineering (ICME) framework for magnesium applications.

결과 및 성과:

  • 정량적 결과: 다양한 마그네슘 주조 공정 (고압 다이캐스팅, 저압 다이캐스팅, 진공 보조 다이캐스팅, 초고진공 다이캐스팅, 압출 주조 등)에 대한 인장 강도, 항복 강도, 연신율 등의 기계적 특성 값 제시. (Table 1, Table 3, Table 4, Table 5 참조)
  • 정성적 결과: 마그네슘 주조 기술의 발전 과정, 자동차 산업에서의 적용 사례, 기술적 과제, 대안적 주조 공정 제시, 미래 전망 제시.
  • 기술적 성과: 마그네슘 주조의 다공성 감소, 내식성 향상, 피로 강도 개선을 위한 기술적 해결 방안 제시. 통합 전산 재료 공학 (ICME) 도구의 개발을 통한 마그네슘 주조 기술 발전 전망 제시.

저작권 및 참고 자료

본 자료는 Alan A. Luo의 논문 "Magnesium casting technology for structural applications"을 기반으로 작성되었습니다.
논문 출처: https://doi.org/10.1016/j.jma.2013.02.002
본 자료는 위 논문을 바탕으로 요약 작성되었으며, 상업적 목적으로 무단 사용이 금지됩니다.

References

PDF View

Tags: aluminum alloy; ,AZ91D; ,CAD; ,Die casting; ,Die Casting Congress; ,High pressure die casting; ,Magnesium alloys; ,Microstructure; ,Permanent mold casting; ,자동차 산업; ,주조 기술