1. 개요:

제목: Characterization of Magnesium Automotive Components Produced by Super-Vacuum Die Casting Process
저자: K. Sadayappan, W. Kasprzak, Z. Brown, L. Ouimet, and A.A. Luo
발행 연도: 2009
발행 학술지/학회: Materials Science Forum Vols 618-619
Keywords: high pressure die casting, heat treatment, high vacuum, material characterisation

2. 연구 배경:

연구 주제의 사회적/학문적 맥락: 마그네슘 자동차 부품은 현재 고압 다이캐스팅으로 생산되지만, 주조 결함(기공, 개재물)으로 인해 강도와 연성을 향상시키기 위한 열처리가 어렵고, 고응력 부품에 적용이 제한적입니다. 알루미늄 다이캐스팅의 High-Q 공정 개발과 같은 최근 발전은 고강도 알루미늄 다이캐스팅을 자동차 차체 구조에 적용할 수 있게 했습니다.
기존 연구의 한계점: 기존 마그네슘 다이캐스팅 공정은 열처리나 용접이 가능한 주조품 생산에 어려움이 있었습니다.
연구의 필요성: 열처리, 용접이 가능하고 경제적인 마그네슘 합금 주조 공정 개발의 필요성이 대두되었습니다. USAMP (United States Automotive Materials Partnership) 주조 팀은 Super-Vacuum Die Casting (SVDC) 공정을 개발했으며, 본 연구는 Canada-China-USA 협력 프로젝트 'Magnesium Front End Research and Development'의 일환으로 SVDC 공정으로 제작된 자동차 쇼크 타워 주조물의 특성을 평가합니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적: Super-Vacuum Die Casting (SVDC) 공정으로 생산된 AZ91D 마그네슘 자동차 쇼크 타워 주조물의 특성을 평가하고, SVDC 공정의 고품질 마그네슘 주조 부품 생산 가능성을 입증하고자 합니다.
핵심 연구 질문: SVDC 공정은 기존 고압 다이캐스팅 대비 기공이 적고 열처리가 가능한 고품질 마그네슘 주조품을 생산할 수 있는가? SVDC AZ91D 주조물의 열처리 조건에 따른 기계적 특성 변화는 어떠한가?
연구 가설: SVDC 공정은 공기 혼입을 최소화하여 마그네슘 주조품의 기공을 감소시키고, 이를 통해 열처리 및 기계적 특성 향상이 가능할 것이다.

4. 연구 방법론:

연구 설계: 실험 연구
데이터 수집 방법:
- 방사선 투과 검사 (Radiography): ASTM standard E505에 따라 주조 결함 및 기공 평가
- 인장 시험 (Tensile Testing): ASTM Standard B557에 따라 인장 강도, 항복 강도, 연신율 측정
- 열 분석 (Thermal Analysis): Universal Metallurgical Simulator and Analyzer (UMSA)를 사용하여 응고 과정 분석
분석 방법:
- 방사선 투과 사진 분석을 통한 주조 결함 및 기공 평가
- 인장 시험 결과의 통계적 분석 (평균값 및 표준편차)
- 열 분석 곡선 (first derivative, fraction liquid, fraction solid curves) 분석을 통한 상변태 온도 및 액상률 변화 분석
연구 대상 및 범위: Contech US LLC에서 SVDC 공정으로 생산된 AZ91D 쇼크 타워 주조물. 각 쇼크 타워 주조물에서 인장 시험편 10개 추출. 열처리 조건: T4, T5, T6, fluidized bed treatment.

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항: SVDC 공정으로 생산된 AZ91D 주조물은 기공이 매우 적고, 블리스터 없이 열처리가 가능합니다. 주조물의 인장 특성은 만족스러운 수준이며, 기존 열처리 공정은 미세 구조가 매우 미세한 박판 및 급속 응고 주조물에 최적화될 필요가 있습니다. Fluidized bed treatment는 열처리 사이클 시간을 단축할 수 있습니다.
통계적/정성적 분석 결과:
- 품질 검사 (Quality Testing): 모든 쿠폰은 ASTM standard E155의 방사선 투과 검사 Level 1을 통과했습니다. 일부 쿠폰에서 미세한 균열 및 개재물과 같은 결함이 발견되었지만, 이는 기공보다는 금속 흐름과 관련된 결함입니다 (Figure 2). 열처리된 쿠폰에서는 16시간 용체화 처리 후에도 블리스터가 발생하지 않았습니다.
- 인장 특성 (Tensile Properties):
  - As-cast 시편의 연신율은 2%에서 5% 범위이며 평균 3.5%입니다. 항복 강도는 높고 인장 강도는 중간 정도입니다.
  - T4 열처리 후 연신율은 평균 6% 이상으로 크게 향상되었으며, 일부 시편은 12%까지 연신율이 증가했습니다. 하지만 항복 강도는 110MPa 이하로 감소했습니다.
  - T5 열처리는 항복 강도에 큰 개선을 보이지 않았으며, 연신율과 인장 강도는 오히려 감소했습니다.
  - T6 열처리 후 연신율과 인장 강도 경향은 T5와 유사합니다. T6 열처리 후 항복 강도는 T5 조건보다 낮지만 T4 쿠폰보다는 높습니다.
  - 대부분의 경우, sub-size 쿠폰이 full size 쿠폰보다 더 나은 연신율과 인장 강도를 보였습니다.
  - Fluidized bed treatment는 유사한 기계적 특성을 나타냈지만, 더 짧은 열처리 시간으로 달성되었습니다 (Table 2).
- 미세 구조 (Microstructure): As-cast 조직은 미세한 결정립 구조와 divorced eutectic을 나타냅니다 (Figure 3a). T4 열처리 후 B-Mg17Al12 석출물이 기지 내에 용해되었지만, 결정립 성장이 관찰되었습니다 (Figure 3b). T6 열처리 후 결정립 성장과 석출물이 관찰되었습니다 (Figure 3d).
- 열 분석 (Thermal Analysis): AZ91D 합금의 용융은 422.8±1.5°C (#1 in Figure 4)에서 시작하여 615.2±0.9°C (#3)에서 완료되었습니다. a(Mg)-β(Mg17Al12) eutectic의 용해는 446.6±0.3°C (#2 in Figure 4)에서 완료되었으며, 이때 약 8%의 액상률을 나타냈습니다. 액상선 온도는 606.6±0.8°C (#4 in Figure 4), 고상선 온도는 404.2±0.6°C (#6 in Figure 4)로 측정되었습니다.
데이터 해석: SVDC 공정은 고품질의 마그네슘 주조품 생산에 효과적이며, 열처리를 통해 기계적 특성 제어가 가능합니다. T4 열처리는 연신율 향상에 효과적이지만 항복 강도 감소를 동반합니다. Fluidized bed treatment는 열처리 시간 및 비용 절감에 기여할 수 있습니다.
Figure Name List:
- Figure 1. Shock Tower Casting.
- Figure 2. Radiographs showing inclusions and flow marks in the casting.
- Figure 3. Microstructures of Super Vacuum Die Cast AZ91D castings
- Figure 4. First Derivative vs. Temperature curves of the AZ91D alloy test samples recorded during melting and solidification at~1°C/s.
- Figure 5. Fraction Solid and Fraction Liquid vs. Temperature curves of the AZ91D alloy test samples.

Figure 3. Microstructures of Super Vacuum Die Cast AZ91D castings

Figure 4. First Derivative vs. Temperature
curves of the AZ91D alloy test samples
recorded during melting and solidification
at ~1◦C/s — Figure 4. First Derivative vs. Temperature curves of the AZ91D alloy test samples
recorded during melting and solidification
at ~1◦C/s

Figure 5. Fraction Solid and Fraction
Liquid vs. Temperature curves of the
AZ91D alloy test samples — Figure 5. Fraction Solid and Fraction Liquid vs. Temperature curves of the AZ91D alloy test samples

6. 결론 및 논의:

주요 결과 요약: Super-Vacuum Die Casting (SVDC) 공정은 기공이 거의 없고 블리스터 없이 열처리 가능한 고품질 마그네슘 주조품 생산에 성공적으로 적용되었습니다. SVDC AZ91D 주조물의 기계적 특성은 편차가 적고 일관성이 높았습니다. 용체화 처리 후 높은 연신율을 얻을 수 있지만, 강도 개선은 미미했습니다. 이는 결정립 성장에 기인할 수 있습니다. 급속 응고된 마그네슘 주조물의 열처리 공정 최적화가 필요하며, fluidized bed treatment는 열처리 사이클 시간을 단축시키는 데 효과적입니다.
연구의 학술적 의의: SVDC 공정의 고품질 마그네슘 주조품 생산 가능성을 입증하고, AZ91D 합금의 열처리 특성 및 열적 거동에 대한 데이터를 제공합니다.
실무적 시사점: SVDC 공정은 마그네슘 자동차 부품 생산에 유망한 기술이며, fluidized bed 열처리는 생산 효율성을 향상시킬 수 있습니다. 최적화된 열처리 공정은 요구되는 기계적 특성을 얻는 데 중요합니다.
연구의 한계점: 본 연구는 AZ91D 합금 및 쇼크 타워 주조물에 한정되어 있으며, 다른 합금 및 부품 형상에 대한 일반화에는 한계가 있을 수 있습니다. 열처리 중 결정립 성장이 강도 개선을 제한하는 요인으로 지적되었으며, 미세 구조 제어에 대한 추가 연구가 필요합니다.

7. 향후 후속 연구:

후속 연구 방향: 급속 응고된 마그네슘 주조물의 열처리 공정 최적화, 특히 박판 부품에 대한 연구. Fluidized bed treatment의 추가 연구. 열처리 중 결정립 성장을 억제하기 위한 미세 구조 제어 연구.
추가 탐구가 필요한 영역: 미세 구조 미세화가 용체화 처리 온도에 미치는 영향, 금속간 화합물의 용해 속도론, 다양한 SVDC 마그네슘 합금 및 부품 설계에 대한 열처리 최적화 연구.

8. 참고문헌:

[1] Brown, Z., Szymanowski, B., Musser, M., Saha, D. and Seaver, S. “Manufacturing of Thin Wall Structural Automotive Components Through High Vacuum Die Casting Technology”, Casting Congress, St Louis, 2007.
[2] Brown, Z., Musser, M., Luo, A.A, Sadayappan, K., Zindel, J. and Beals, R. “Development of Super High Vacuum die Casting Process for Magnesium Alloys", 2009 Metal Casting Congress, Las Vegas, 2009 (in press).
[3] Luo, A.A., Nyberg, E.A., Sadayappan, K. and Shi, W. “Magnesium Front End Research and Development: A Canada-China-USA Collaboration,” in Magnesium Technology 2008, eds., M.O. Pekguleryuz, N.R. Neelameggham, R.S. Beals and E.A. Nyberg, TMS Annual Meeting, New Orleans, LA, USA, March 9-13, 2008, pp. 3-10.
[4] Kasprzak, M., Kasprzak, W., Sokolowski, J.H. and Kierkus, W. US Patent No. 7,354,491 B2, 2008.
[5] Kasprzak, W., Sokolowski, J.H., Sahoo, M. and Dobrzanski, L.A. “Thermal and Structural Characteristics of the AM50 Magnesium Alloy”, Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering, vol. 28 (2), pp. 131-138, 2008.

Super-Vacuum Die Casting 공정으로 생산된 마그네슘 자동차 부품의 특성 평가