1. 개요:

제목: Thin-walled and large-sized magnesium alloy die castings for passenger car cockpit: Application, materials, and manufacture
저자: Lei Zhan, Yu-meng Sun, Yang Song, Chun-hua Kong, **Kai Ma, Bai-xin Dong, Hong-yu Yang, Shi-li Shu, and *Feng Qiu
발행 연도: 2024
발행 학술지/학회: CHINA FOUNDRY Vol. 21 No. 5 September 2024
Keywords: Mg alloys; thin wall; large size; automotive part; die casting

2. 연구 배경:

연구 주제의 사회적/학문적 맥락:
에너지 소비를 효과적으로 줄이고 주행 거리를 늘리기 위해 Tesla로 대표되는 신에너지 자동차는 자동차에 통합 마그네슘(Mg) 합금 다이캐스팅 기술의 적용을 크게 촉진했습니다.
과거 자동차, 특히 자동차 콕핏 부품에서 Mg 합금의 적용은 광범위했지만, 상대적으로 높은 비용으로 인해 한동안 거의 사라졌으며, 자동차 Mg 합금 부품의 응용 기술에 대한 정보 손실을 야기했습니다. 자동차 기술의 급속한 발전은 기존의 자동차 부품에 비해 더 높은 요구 사항을 가져왔습니다.
따라서 부품 자체든 Mg 합금 재료 및 다이캐스팅 공정이든 점점 더 큰 도전에 직면하여 업그레이드가 필요합니다.
또한 높은 통합 특성으로 인해 대형 및 박형 자동차 부품에 Mg 합금 다이캐스팅 기술을 적용하는 것은 고유한 장점이 있으며 긴급히 확장해야 합니다. 실제로 첨단 Mg 합금과 새로운 제품 구조를 탐색하고 다이캐스팅 공정을 최적화해야 합니다.
기존 연구의 한계점:
논문에서 기존 연구의 명확한 한계점을 직접적으로 언급하고 있지는 않지만, 서론에서 "causing a certain degree of information loss in the application technology of Mg alloy parts in automobiles" 라고 언급하며, 마그네슘 합금 부품 적용 기술 정보의 부족을 간접적으로 시사합니다.
연구의 필요성:
이 논문은 승용차 콕핏의 박형 및 대형 다이캐스팅 Mg 합금 부품의 개발 현황과 해당 재료 선택 방법, 다이캐스팅 공정 및 금형 설계 기술을 요약하고 분석합니다.
또한 이 연구는 연구자들이 자동차 콕핏의 박형 및 대형 다이캐스팅 Mg 합금 부품 제조에 대한 포괄적인 이해를 확립하는 데 도움이 될 것입니다.
또한 자동차 부품 다이캐스팅의 높은 요구 사항을 충족하기 위해 개선된 포괄적인 성능과 새로운 공정을 갖춘 새로운 Mg 합금을 개발하는 데 도움이 될 것입니다.

3. 연구 목적 및 연구 질문:

연구 목적: 승용차 콕핏에 사용되는 박형 및 대형 다이캐스팅 Mg 합금 부품의 개발 현황, 재료 선택 방법, 다이캐스팅 공정 및 금형 설계 기술을 분석하고 요약하는 것을 목표로 합니다. 궁극적으로 연구자들에게 해당 분야에 대한 종합적인 이해를 제공하고, 향후 자동차 부품의 고성능 다이캐스팅 요구사항을 충족하는 새로운 Mg 합금 및 공정 개발을 지원하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구 질문: 논문에 명시적인 연구 질문은 제시되지 않았지만, 연구 목적을 바탕으로 다음과 같은 핵심 질문을 도출할 수 있습니다.
- 승용차 콕핏 부품 중 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅에 적합한 부품은 무엇이며, 각 부품의 적용 현황은 어떠한가?
- 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품에 요구되는 재료 특성은 무엇이며, 상용 Mg 합금 중 적합한 재료는 무엇인가?
- 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 제조에 적합한 다이캐스팅 공정 및 조건은 무엇인가?
- 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 품질을 확보하기 위한 금형 설계 고려 사항은 무엇인가?
연구 가설: 논문에 명시적인 연구 가설은 없습니다.

4. 연구 방법론

연구 설계: 본 연구는 특정 연구 설계보다는 리뷰 논문(Review article)의 형태를 취하고 있습니다. 기존 문헌 및 연구 자료를 종합적으로 분석하여 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 기술 동향과 주요 이슈를 분석합니다.
데이터 수집 방법: 주로 학술 논문, 기술 보고서, 산업 자료 등 공개된 문헌 정보를 수집하여 분석합니다. 특정 실험 데이터 수집이나 설문 조사 등은 수행하지 않았습니다.
분석 방법: 수집된 문헌 정보를 바탕으로 기술 동향 분석, 재료 특성 비교 분석, 공정 기술 분석, 금형 설계 기술 분석 등을 수행합니다. 정량적 데이터 분석보다는 기술적 내용 분석 및 비교, 요약에 중점을 둡니다.
연구 대상 및 범위: 연구 대상은 승용차 콕핏 부품 중에서도 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품에 초점을 맞춥니다. 구체적으로 seat frame, CCB (cross car beam), center console frame, door inner 등의 부품을 포함합니다. 연구 범위는 재료 선정, 다이캐스팅 공정, 금형 설계 및 표면 처리 기술을 포괄합니다.

5. 주요 연구 결과:

핵심 발견사항:
- 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품은 자동차 콕핏 경량화에 효과적인 솔루션이며, 특히 신에너지 자동차 분야에서 중요성이 더욱 커지고 있습니다.
- 자동차 콕핏 부품 중 seat frame, CCB, center console frame은 Mg 합금 다이캐스팅 기술 적용이 비교적 성숙 단계에 있으며, door inner 및 rear tailgate 부품으로 적용 범위가 확대되고 있습니다.
- AM series alloys (AM50, AM60)는 현재 자동차 콕핏 다이캐스팅 부품에 가장 널리 사용되는 재료이지만, 더 높은 기계적 물성을 가진 Mg 합금에 대한 요구가 증가하고 있습니다. Mg-RE series alloys는 우수한 고온 특성을 가지지만, 높은 비용이 단점입니다.
- 다이캐스팅 공정 조건 및 금형 설계는 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 품질에 큰 영향을 미치며, 최적화된 설계 및 공정 제어가 중요합니다. 특히, 박형 부품의 경우 불량 발생 가능성이 높으므로 세심한 공정 관리가 필요합니다.
- 진공 다이캐스팅(Vacuum-assisted HPDC)은 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 기공(Porosity)을 줄이고 기계적 물성을 향상시키는 효과적인 방법입니다.
- 표면 처리는 Mg 합금 부품의 내식성 확보에 필수적이며, 다양한 표면 처리 기술(화학적 피막 처리, 아노다이징 등)이 적용될 수 있습니다.
통계적/정성적 분석 결과:
- 다양한 상용 Mg 합금(AZ91, AM50, AM60, WE43, WE54)의 재료 특성(YS, UTS, Elongation)을 비교 분석하여 각 합금의 장단점 및 적용 분야를 제시합니다 (Table 1, 2, 3).
- 다이캐스팅 공정 변수(주입 속도, 금형 온도, 압력 등)가 부품 품질에 미치는 영향을 분석하고, 최적 공정 조건 설정의 중요성을 강조합니다.
- 금형 설계 요소(die cavity, gating system, runner, gate, rib 등)가 부품 성형성 및 품질에 미치는 영향을 분석하고, 최적 금형 설계 방안을 제시합니다.
- 진공 다이캐스팅과 일반 HPDC의 LA42 합금 주조 시 기공 분포 및 기계적 물성을 비교 분석하여 진공 다이캐스팅의 효과를 입증합니다 (Fig. 11).
데이터 해석:
- Mg 합금은 경량성, 강성, 강도 등 우수한 특성을 가지고 있어 자동차 부품 경량화에 기여할 수 있지만, 낮은 연신율, 내식성, 높은 비용 등의 단점도 가지고 있습니다.
- 박형 및 대형 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 성공적인 제조를 위해서는 재료 선택, 공정 최적화, 금형 설계, 표면 처리 등 모든 요소들을 종합적으로 고려해야 합니다.
- 기술 개발 및 비용 절감을 통해 Mg 합금 다이캐스팅 부품의 자동차 적용 범위를 더욱 확대할 수 있을 것으로 기대됩니다.
Figure Name List:
- Fig. 1: First high-volume one-piece die cast Mg alloy CCB
- Fig. 2: Exploded view of the center console with conventional structure
- Fig. 3: Application of Mg alloys center console frame in automobile
- Fig. 4: Traditional seat back frame structure
- Fig. 5: Traditional seat cushion frame structure
- Fig. 6: Seat frame consisting of 5 Mg die casting parts
- Fig. 7: Images showing Mg alloy seat frame applications in 2015 Mercedes-Benz SLK seat
- Fig. 8: Typical Mg alloy seat back frame
- Fig. 9: Prototype of Mg alloy door inner die casting
- Fig. 10: Schematic of a cold chamber die-casting machine
- Fig. 11: Comparison of the LA42 alloy casting of HPDC and vacuum-assisted HPDC
- Fig. 12: Typical redundant materials on the part of Mg alloy die casting
- Fig. 13: Surface treatment process flow for Mg alloy die casting parts
- Fig. 14: Surface morphologies of AZ31 Mg alloy after anodizing at 3 V (a), 10 V (b), 20 V (c), 70 V (d), 80 V (e), and 100 V (f)
- Fig. 15: Typical surface defects of thin wall Mg alloy parts
- Fig. 16: Suggestions for the design of the die casting parts with uniform wall thickness
- Fig. 17: Some suggestions about how to layout the ribs on the die casting parts
- Fig. 18: Gating system of Mg alloy die castings
- Fig. 19: Different runner designs of Mg alloy die casting dies and their impact on filling process
- Fig. 20: Different gate system designs of Mg alloy die casting seat frame

Fig. 1: First high-volume one-piece die cast Mg alloy CCB: (a) 3D data [18]; (b) CCB for GMC Savana
and Chevrolet Express; (c) CCB for Buick LaCrosse [19] — Fig. 1: First high-volume one-piece die cast Mg alloy CCB: (a) 3D data [18]; (b) CCB for GMC Savana and Chevrolet Express; (c) CCB for Buick LaCrosse [19]

Fig. 2: Exploded view of the center console with conventional structure: (a) the shell itself is outer skin;
(b) with a structural component inside [21] — Fig. 2: Exploded view of the center console with conventional structure: (a) the shell itself is outer skin; (b) with a structural component inside [21]

Fig. 4: Traditional seat back frame structure: (a) main material;
(b) corresponding weight for each part — Fig. 4: Traditional seat back frame structure: (a) main material; (b) corresponding weight for each part

Fig. 5: Traditional seat cushion frame structure: (a) main material; (b) corresponding weight for each part

Fig. 6: Seat frame consisting of 5 Mg die casting parts: (a) backrest; (b) cushion; (c) assembly [11]

Fig. 10: Schematic of a cold chamber die-casting machine (a), and stages of the shot profile for die casting process showing changes of melt pressure and plunger displacement versus time (b) [91]