[논문]저압주조방식에 의한 AZ91D 마그네슘 휠 특성

김광희

doi:10.5762/kais.2012.13.11.4963

저압주조방식에 의한 AZ91D 마그네슘 휠 특성
The characteristic of low pressure casting AZ91D Magnesium alloy wheel 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.11, 2012년, pp.4963 - 4967

초록
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본 연구에서는 마그네슘 합금 AZ91D를 소재로 18인치 휠을 개발하고 동일사양의 알루미늄 휠과 해외 시판중인 마그네슘 휠과 기계적인 성질을 비교하였다. 저압주조 방식에 의해 18인치 마그네슘 휠 시제품을 제작하여 동일 사양의 알루미늄 휠 대비 26% 의 경량화를 이룩하였고, 신판 마그네슘 휠 대비 동등 수준의 연신율, 인장강도, 경도를 달성하였다. 향 후 주조와 열처리 공정 개선을 통해 항복강도 향상이 필요한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, 18-inch wheels, magnesium alloy AZ91D was developed and we compared overseas go on sale magnesium wheels and same specifications of the aluminum wheels mechanical properties. Prototype 18-inch magnesium wheels by a low-pressure casting method to achieve the same specifications of aluminum wheels and reduced 26% of the weight, the new edition of magnesium wheels compared to the same level of elongation, tensile strength, hardness. Casting and heat treatment process to improve future need to improve the yield strength is expected.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 저압주조방식에 의한 마그네슘 주조 휠을 개발하고 객관적 성능평가를 위하여 기존 동일사양의 알루미늄 휠과 선진회사의 마그네슘 휠의 물성과 기계적 성질을 비교하였다.

제안 방법

2) 해외 시판 마그네슘 휠 대비 동등 수준의 기계적 성질을 갖는 마그네슘 휠 시제품을 개발하였다.
비교 대상선정은 양산중인 동일사양의 알루미늄 휠과 외국에서 에프터마켓용으로 판매되는 제품을 입수하여 비교 하였다. 기존의 알루미늄 휠은 설계데이터와 실물을 확보하였으며, 외국의 벤치마크용 휠은 역설계를 통해 3차원 데이터를 확보하고, 시편을 제작하여 기계적인 물성을 측정하였다.
2 - T6)의 인장강도 280 Mpa 이며, 마그네슘 휠(AZ91D - T4)의 인장강도 220 Mpa 정도로 알루미늄 휠과 동등한 내구성능을 만족시키기 위하여 체적을 늘리는 설계가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 알루미늄 휠 설계에서 스포크부와 림부에 체적을 늘려 보강하는 설계를 하였다. 또한, 개발 마그네슘 휠은 알루미늄 휠과 동일디자인으로 하여 향 후 실차 시험이 가능하도록 Size, Off Set, Hub Dia, P.
본 연구에서는 18인치 마그네슘 휠을 개발하고 동일 사양의 알루미늄 휠과 해외 시판 마그네슘 휠과 기계적인 성질을 비교 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
알루미늄 휠과 마그네슘 휠 시제품에 대한 시편을 가공하여 확대 조직을 비교하였다.
알루미늄 휠과 마그네슘 휠, 해외시판 마그네슘 휠의 주요 부위 기계적인 성질을 비교하였다.
주조 공법의 검증과 성능시험을 위하여 시제품을 제작하였다. 시제품은 마그네슘 합금 AZ91D를 대상으로 다음과 같은 공정에 따랐다.

대상 데이터

본 연구의 마그네슘 주조용 휠 설계는 기존 양산 중인 18인치 알루미늄 휠을 기준으로 하였다. 표 1에 알루미늄 휠과 본 연구의 마그네슘 휠의 사양을 나타내었다.
비교 대상선정은 양산중인 동일사양의 알루미늄 휠과 외국에서 에프터마켓용으로 판매되는 제품을 입수하여 비교 하였다. 기존의 알루미늄 휠은 설계데이터와 실물을 확보하였으며, 외국의 벤치마크용 휠은 역설계를 통해 3차원 데이터를 확보하고, 시편을 제작하여 기계적인 물성을 측정하였다.
주조 공법의 검증과 성능시험을 위하여 시제품을 제작하였다. 시제품은 마그네슘 합금 AZ91D를 대상으로 다음과 같은 공정에 따랐다. 제작 공정 중 주조와 열처리는 공정조건에 따라 시제품 품질에 직접적 영향을 줄 것으로 판단된다.

성능/효과

1) 저압주조 방식에 의해 18인치 마그네슘 휠을 개발하여 동일 사양의 알루미늄 휠대비 26% 의 경량화를 달성하였다.
항복강도와 인장강도를 보면 알루미늄 휠이 플랜지부위에서 벤치마크용 마그네슘 휠보다 35~50% 정도 높게 나타났다. 마그네슘 휠 시제품은 스포크나 허브 부분에서 벤치마크 휠보다 7~11% 정도 항복강도가 적게 나타났으며, 알루미늄 휠 보다는 20% 정도 낮았다. 인장강도는 스포크와 허브 부분에서 시제품이 마그네슘 벤치마크 휠보다 12~19% 높았는데, 이는 알루미늄 휠과 동등한 수준이었다.
그림 3은 시제품제작을 위한 마그네슘 휠의 제작도면을 나타낸다. 마그네슘 휠과 알루미늄 휠의 3차원 모델에서 체적을 기준으로 중량을 비교한 결과, 알루미늄 휠은 11.26kg, 마그네슘 휠은 8.56kg 으로 계산되어 기존 알루미늄 휠 대비 24% 경량화 되는 것으로 나타났다.
연신율은 플랜지부위에서 알루미늄 휠이 8.9%를 나타내어 벤치마크 휠보다 약 2배를 보였으며, 알루미늄 휠과 벤치마크 휠이 플랜지와 스포크, 허브 순으로 낮아지는데 비해 마그네슘 휠 시제품은 부위와 무관하게 일정한 수치를 보였다. 경도는 알루미늄 휠이 83.
항복강도와 인장강도를 보면 알루미늄 휠이 플랜지부위에서 벤치마크용 마그네슘 휠보다 35~50% 정도 높게 나타났다. 마그네슘 휠 시제품은 스포크나 허브 부분에서 벤치마크 휠보다 7~11% 정도 항복강도가 적게 나타났으며, 알루미늄 휠 보다는 20% 정도 낮았다.

후속연구

3) 향 후 마그네슘 주조휠 품질향상을 위해 주조방법과 열처리 개선이 필요한 것으로 판단된다.
표 1에 알루미늄 휠과 본 연구의 마그네슘 휠의 사양을 나타내었다. 양산 중인 알루미늄 휠(A356.2 - T6)의 인장강도 280 Mpa 이며, 마그네슘 휠(AZ91D - T4)의 인장강도 220 Mpa 정도로 알루미늄 휠과 동등한 내구성능을 만족시키기 위하여 체적을 늘리는 설계가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 알루미늄 휠 설계에서 스포크부와 림부에 체적을 늘려 보강하는 설계를 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘의 특징은 무엇인가	경량 자동차부품의 소재도 기존 알루미늄에서 마그네슘으로 수요가 점차 증가하고 있다. 마그네슘은 알루미늄에 비해 경량이며, 비강도가 우수하며, 성형성도 좋지만, 가격면에서 불리하다.
	휠 성능에 영향을 미치는 주요 설계 인자는 무엇인가	그림 1은 휠의 부분 명칭을 나타내는데, 플랜지, 스포크, 림, 허브 등은 휠 성능에 영향을 미치는 주요 설계 인자라고 할 수 있다.
	자동차의 경량화는 어떠한 효과를 거둘 수 있는가	최근 자동차 환경규제가 강화되면서 연비개선을 위한 유력한 방안으로 차량 경량화에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 차량 경량화가 실현되면 제동거리단축, 주행 성능 향상, 연소가스 감소 등의 효과도 거둘 수 있다. 경량 자동차부품의 소재도 기존 알루미늄에서 마그네슘으로 수요가 점차 증가하고 있다.

참고문헌 (8)

A consortium of the United States Council for Automotive Research, "Magnesium Vision 2020 : A North American Automotive Strategic Vision for Magnesium", pp. 3-7, USAMP, 2006.
RIST, "Great-sphere Economy Collaboration Annual Report: Development of low pressure casting Mg wheel", The Ministry of Knowledge Economy, 2012.
Lee Won-sik, "Machinery Industry : Technical trend of Magnesium part manufacture", pp.104-109, KISTI, 2006.
Young-Chul Lee, Jeong-Gil Choi, "Study on the improvement of productivity and quality on the Aluminum wheel by low pressure die casting", Proceedings of KAIS Spring Conference, pp.224-228, 2001.
Seon Soon CHOI, "Estimation of Empirical Fatigue Crack Propagation Model of AZ31 Magnesium Alloys under Different Maximum Loads", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 2, pp. 552-528, 2012.

원문보기 상세보기
Seon Soon CHOI, "Effect of Boundary Conditions on Reliability and Cumulative Distribution Characteristics of Fatigue Failure Life in Magnesium Alloy", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 2, pp. 594-599, 2011.

원문보기 상세보기
Choi, Byung-Ho You, Bong-Sun Park, Won-Wook Huang, Yan-Bin Park, Ik-Min, "Effect of Ca Addition on the Oxidation Resistance of AZ91 Magnesium Alloys at Elevated Temperatures", METALS AND MATERIALS International, Vol.9 No.4, pp. 295-398, 2003.

상세보기
Se-Kwang Kim, Young-Jik Kim, "Evaluation of Thixoformability and Mechanical Properties of AZ91D Mg alloy", Journal of the Korean institute of metals and materials, Vol.38 No.12, pp. 1626-1630, 2000.

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