[논문]마그네슘 합금 AZ31의 온간성형과 재료특성변화에 관한 연구

서창민; 허광호; 김효민; 서민수

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.7.913

[국내논문] 마그네슘 합금 AZ31의 온간성형과 재료특성변화에 관한 연구
Variation of Material Characteristics of a Hot-formed AZ31 Magnesium Alloy 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.7, 2013년, pp.913 - 919

서창민 (경북대학교 기계공학부) , 허광호 (경북하이브리드연구원) , 김효민 (경북하이브리드연구원) , 서민수 (한국에너지기술연구원)

초록
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본 연구에서는 마그네슘 합금 AZ31을 적용한 배터리 팩 케이스를 개발하여 자체 진동 및 외부 충격으로부터 배터리를 보호하도록 하며, 기존 스틸 소재 대비 50% 이상 경량화하여 친환경 기술개발을 목적으로 한다. 또한, 제품의 복잡한 형상 및 마그네슘 소재의 특성으로 제품을 성형하기에는 힘든 측면이 많으므로 이를 해결하기 위해 마그네슘 합금소재의 온도별 최적성형조건을 제시하고자 한다. 즉 AZ31의 성형방법에 따라 상온, $230^{\circ}C$, $250^{\circ}C$ 및 $270^{\circ}C$의 4가지 조건하의 시험편으로 인장시험, 경도시험, 부식시험 및 피로시험 등을 실시하여 기계적 특성을 정량적으로 분석하였고, 또 FEM해석을 통하여 자동차 부품 배터리 팩 케이스 개발에 적용토록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Magnesium alloys are known to be hard-forming materials at room temperature owing to their material structure. This study analyzes the optimal temperature conditions of warm-forming and the forming process by using a high-pressure laminating test and FM analysis, respectively. The effect of temperature on the fatigue limit was examined from the collected specimens by analyzing the material properties after the fatigue test. The material formed at a temperature of $230^{\circ}C$ shows occasional defects, but the best forming quality was obtained at $270^{\circ}C$. The optimal temperature for the forming process was found to be $250^{\circ}C$ considering the material quality and thermal efficiency. The overall fatigue life of specimens decreases with an increase in the processing temperature. The fatigue limit of AZ31 formed at $250^{\circ}C$ was approximately 100 MPa after $10^6$ cycles.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마그네슘 합금을 적용한 배터리팩 케이스를 개발하여, 배터리의 과열을 방지하고, 진동흡수력이 강한 특성을 갖도록 한다. 즉 자체 진동 및 외부 충격으로부터 배터리를 보호하도록 하며, 기존 스틸 소재 대비 50% 이상 경량화하여 친환경 기술개발을 목적으로 한다. 또한, 제품의 복잡한 형상 및 마그네슘 소재의 특성으로 제품을 성형하기에는 힘든 측면이 많으므로 이를 해결하기 위해 마그네슘 합금소재의 온도별 성형조건을 제시하고자 한다.
즉 자체 진동 및 외부 충격으로부터 배터리를 보호하도록 하며, 기존 스틸 소재 대비 50% 이상 경량화하여 친환경 기술개발을 목적으로 한다. 또한, 제품의 복잡한 형상 및 마그네슘 소재의 특성으로 제품을 성형하기에는 힘든 측면이 많으므로 이를 해결하기 위해 마그네슘 합금소재의 온도별 성형조건을 제시하고자 한다. 최적온도 조건으로 온간금형을 제작하여 제품 생산 후의 재료특성과 피로시험을 수행하고 가공시 성형 온도가 미치는 영향을 연구하고자 한다.
또한, 제품의 복잡한 형상 및 마그네슘 소재의 특성으로 제품을 성형하기에는 힘든 측면이 많으므로 이를 해결하기 위해 마그네슘 합금소재의 온도별 성형조건을 제시하고자 한다. 최적온도 조건으로 온간금형을 제작하여 제품 생산 후의 재료특성과 피로시험을 수행하고 가공시 성형 온도가 미치는 영향을 연구하고자 한다.
본 연구에서는 마그네슘 합금을 적용한 배터리팩 케이스를 개발하여, 배터리의 과열을 방지하고, 진동흡수력이 강한 특성을 갖도록 한다. 즉 자체 진동 및 외부 충격으로부터 배터리를 보호하도록 하며, 기존 스틸 소재 대비 50% 이상 경량화하여 친환경 기술개발을 목적으로 한다.
본 연구에 사용된 실험재료는 실제 프레스 설비에 온간금형을 장착하여 제작된 배터리 팩 케이스제품에서 채취한 시편으로 온간에서 제작된 마그네슘 합금(AZ31) 제품의 성질특성 변화에 대하여 연구하였다. 즉, AZ31재의 기계적 및 화학적 특성을 얻기 위해 인장시험, 경도시험, 조직관찰, 염수분무시험, 피로시험 등을 행하여 각 온도에서 제작된 시편의 특성을 비교 검토하였다.

제안 방법

본 연구에 사용된 실험재료는 실제 프레스 설비에 온간금형을 장착하여 제작된 배터리 팩 케이스제품에서 채취한 시편으로 온간에서 제작된 마그네슘 합금(AZ31) 제품의 성질특성 변화에 대하여 연구하였다. 즉, AZ31재의 기계적 및 화학적 특성을 얻기 위해 인장시험, 경도시험, 조직관찰, 염수분무시험, 피로시험 등을 행하여 각 온도에서 제작된 시편의 특성을 비교 검토하였다.
1과 같이 금형내에 가열장치가 내장된 온간금형을 설계, 제작하였다. 온간금형을 서보프레스에 장착하여 온간 딥드로잉(Deep drawing) 을 수행하였다. 서보프레스를 사용함으로써 소재의 가열과 성형공정을 하나의 프레스 모션 사이클 내에서 연속적으로 수행할 수 있었다.
상온 및 고온인장시험은 ASTM A370-09a 규격에 만족하도록 실시하였다. 유압식 재료시험기 (MTS 100ton, Model: LC200RB)를 이용하여 5 mm/min 부하속도로 230°C, 250 °C 및 270°C 시편에 대하여 상온 및 고온(230°C, 250°C 및 270°C)에서 압연 각도별 0°, 45° 및 90°에 대하여 각각 3회 실시하여 그 값을 평균하였다.
유압식 재료시험기 (MTS 100ton, Model: LC200RB)를 이용하여 5 mm/min 부하속도로 230°C, 250 °C 및 270°C 시편에 대하여 상온 및 고온(230°C, 250°C 및 270°C)에서 압연 각도별 0°, 45° 및 90°에 대하여 각각 3회 실시하여 그 값을 평균하였다. 경도시험은 각 시험편에 대하여 표면에서 중심으로 0.1 mm의 일정한 간격으로 각 깊이에 대해서 상온에서 3번의 경도를 측정하여 평균값을 구 하였다. 이때 Micro Vickers hardness tester (Future-tech, FM 700)를 이용하였으며 압입하중 100g, 부하시간은 8초로 하였다.
2g )으로 부식하여 조직을 관찰하였다. 이때 깊이방향의 조직관찰은 광학현미경 (LEICA, DM4000M)으로 촬영하고 평균결정입계의 크기를 측정, 분석하였다.
피로수명이 1×106 이상이 되면 파단하지 않는 무한수명으로 가정하여 피로 시험을 종료하였고, 각 응력레벨에서 2회씩 실시하였으며.
유압식피로시험기(MTS100ton, Model:LC200RB) 를 사용하여 주파수 10Hz의 하중제어피로시험을 실시하였으며, 응력파형은 정현파를 사용하였다. 4가지 종류의 시험편의 인장시험 결과에서 항복 강도 기준의 95%에서 5%씩 감소시켜 상온에서 부하하였고, 각 응력레벨에서 시편이 파단 될 때의 수명을 측정하였다. 피로수명이 1×10⁶이상이 되면 파단하지 않는 무한수명으로 가정하여 피로 시험을 종료하였고, 각 응력레벨에서 2회씩 실시하였으며.
하중은 편진교번하중(응력비 R=0)을 부가하였다. 1, 2차 피로시험에 대한 실험결과를 이용하여 기울기를 도출하고 피로한도를 이용하여 최종 S-N 곡선을 작성하였다.
(a)는 세 단계의 온도조건(230°C, 250°C 및 270°C)을 설정하여 제품을 가공하였으며 온도 230°C에서 배터리 팩 케이스의 성형은 이루어졌지만 코너부에서 열전달이 미흡하여 크랙이 발생하는 경우도 발생하였다.
이상과 같이 AZ31재의 온도별 성형시험 및 해석 시뮬레이션의 특성 분석 후 배터리 팩 케이스를 가공하기 위해 온간 프레스성형을 실시하였다. Fig.
AZ31의 온간성형 전후에 대한 결정립 크기 (GS, grain size)변화를 측정 분석하였다. Fig.
이때 230 °C, 250°C 및 270°C의 3가지 온도조건에서 각 케이스별 8종의 돔 장출시편 (8)에 대한 성형시험(Fig. 3 참조)을 수행하였으며 온도는 장비 내부 제어판에 부착된 센서를 통하여 측정하였다.
본 연구에서는 마그네슘 합금 AZ31의 성형방법에 따라 상온, 230°C, 250°C 및 270°C의 4가지 조건하의 시험편으로 인장시험, 경도시험, 부식시험 및 피로시험을 실시하여 기계적 특성을 정량적으로 분석하였고, 또 FEM해석을 통하여 자동차 부품 배터리 팩 케이스 개발에 적용토록 하였고, 다음 결과를 얻었다.
부식시험은 4가지 종류(상온, 230°C, 250°C 및 270°C)의 제품에서 시편을 KS D 9502 규격 (70mm×150mm)으로 채취하여 상온에서 염수 5%에서 실시하였다.
각 시편은 연마지로 경면연마한 후 애칭용액 (알콜 70ml + 증류수 10ml + acetic acid 10ml + picric acid 4.2g )으로 부식하여 조직을 관찰하였다.
유압식 재료시험기 (MTS 100ton, Model: LC200RB)를 이용하여 5 mm/min 부하속도로 230°C, 250 °C 및 270°C 시편에 대하여 상온 및 고온(230°C, 250°C 및 270°C)에서 압연 각도별 0°, 45° 및 90°에 대하여 각각 3회 실시하여 그 값을 평균하였다.
별도 열처리는 하지 않은 상태에서, 두께 1 mm인 시편을 시험 후 FLD(Forming limit diagram, 성형 한계곡선) 도출을 위해 표면에 그리드(2.0×2.0 mm) 에칭하였다.
성형시험기는 온간시험용 금형의 펀치(Punch) 내부에 가열을 위한 가열봉(Heating core)을 내장하고 있는 형태로서 성형시험편으로의 충분한 열전도를 위해 상, 하형 금형이 닫힌 상태에서 20초 이상 유지하였으며 최대 500°C까지 가열 가능 하다. 이때 블랭크 홀더력(Blank holder force)는 100 kN으로 설정하였으며 펀치를 10 mm/min으로돔 장출시험(Dome stretching test)을 실시하였다.
이때 성형 중의 소재 열손실과 공정의 연속성을 고려하면 금형내에서 소재를 가열하고 바로 성형을 수행하는 것이 효과적이다. 이러한 이유로 Fig. 1과 같이 금형내에 가열장치가 내장된 온간금형을 설계, 제작하였다. 온간금형을 서보프레스에 장착하여 온간 딥드로잉(Deep drawing) 을 수행하였다.
1 mm의 일정한 간격으로 각 깊이에 대해서 상온에서 3번의 경도를 측정하여 평균값을 구 하였다. 이때 Micro Vickers hardness tester (Future-tech, FM 700)를 이용하였으며 압입하중 100g, 부하시간은 8초로 하였다.
부식시험은 4가지 종류(상온, 230°C, 250°C 및 270°C)의 제품에서 시편을 KS D 9502 규격 (70mm×150mm)으로 채취하여 상온에서 염수 5%에서 실시하였다. 이때 염수분무시험기(UAGs, SQ-1000-CA)를 사용하여 시간에 따른 시편 중량의 감소량을 측정하였다.

대상 데이터

시험편은 230°C, 250°C 및 270°C 각 온도별 온간성형으로 제작된 배터리 팩 케이스에서 각각 시편을 채취하였다.
유압식피로시험기(MTS100ton, Model:LC200RB) 를 사용하여 주파수 10Hz의 하중제어피로시험을 실시하였으며, 응력파형은 정현파를 사용하였다. 4가지 종류의 시험편의 인장시험 결과에서 항복 강도 기준의 95%에서 5%씩 감소시켜 상온에서 부하하였고, 각 응력레벨에서 시편이 파단 될 때의 수명을 측정하였다.
Fig. 12(a)는 250°C에서 프레스 성형한 제품에서 채취한 피로시험편은 240MPa 응력레벨에서 1,923 사이클에서 파단이 일어났으며, 본 연구에서는 106 사이클까지 파단되지 않는 경우는 피로시험을 종료하였다.
이때 LS-DYNA 970/971 MPP를 사용하였으며 예로서 Fig.6은 온도 250°C 에서 펀치변위는 36 mm, 1초에서 메시 크기 2 mm로 해석하였다.
본 연구에 사용된 AZ31 소재의 적용부품 개발시 최적의 성형조건을 찾기 위한 온도별 성형시험에 Fig. 1과 같은 박판성형시험기(USTM-150T, 영진기계)를 사용하였다. 이때 230 °C, 250°C 및 270°C의 3가지 온도조건에서 각 케이스별 8종의 돔 장출시편 ⁽⁸⁾에 대한 성형시험(Fig.
시험편은 배터리 팩 케이스의 평탄구간을 와이어 절단기를 이용하여 채취하였으며 피로시험편은 Fig. 2와 같은 형상으로 두께 이외에는 ASTM E647-05에 제시되어 있는 규격에 만족하도록 제작하였다. 시험편은 230°C, 250°C 및 270°C 각 온도별 온간성형으로 제작된 배터리 팩 케이스에서 각각 시편을 채취하였다.
시험편은 230°C, 250°C 및 270°C 각 온도별 온간성형으로 제작된 배터리 팩 케이스에서 각각 시편을 채취하였다. 그 화학조성은 Table 2와 같이 Al 3.29%, Zn 0.95%인 AZ31 마그네슘합금이다. Table 3은 온간성형 전 AZ31 시험편의 기계적 성질을 시편의 압연방향(RD)에 대한 3가지 방향( 0°, 45°, 90°)에 따른 결과를 정리하였다.

성능/효과

온간금형을 서보프레스에 장착하여 온간 딥드로잉(Deep drawing) 을 수행하였다. 서보프레스를 사용함으로써 소재의 가열과 성형공정을 하나의 프레스 모션 사이클 내에서 연속적으로 수행할 수 있었다.
이상과 같은 인장시험의 결과를 정리하면 상온에서 230°C로 온도가 올라감에 따라 항복강도 (YS)와 인장강도(TS)는 감소하는 경향이다.
1㎛로 되었다. 즉 온도가 상승할수록 결정립 크기가 점차 증가함을 알 수 있었다.
이와같이 표면보다 중심부의 경도가 13.3%가량 감소하였으며 온간성형된 시험편은 상온성형 보다 약 10.8% 가량 경도가 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 경도감소는 다른 연구보고와 유사하였다.
특히 250°C에서 제작된 피로시편은 상온의 경우에 비해 140MPa 응력레벨에서 약 10%정도 피로수명이 저하되었다.
(3) 피로시험 결과 높은 온도에서 제작된 시편일수록 피로수명이 조금씩 저하되는 경향을 나타내었다. 특히 250°C에서 제작된 피로시편은 상온의 일반 시편에 비해 10⁶ 사이클 기준수명에서 약 10% 정도 피로수명이 저하되었다.
(1) 온간성형시 230°C에서 성형이 이루어졌고 250°C에서 가공불량이 거의 발생하지 않았으며 270°C에서 성형이 가장 좋았다.
250°C일 때도 성형이 이루어졌고 불량이 거의 발생하지 않았으며, 270°C 일 때 성형성이 가장 좋은 것이 확인되었다.
또 270°C에서의 인장강도는 0°일 때 44.8MPa에서 90°일 때 46.0MPa도 90°에서로 약 2.5% 증가하여 모든 시험편에서 시편각에서 약 2% 가량 증가하여 가장 높은 것으로 나타났다.
230°C에서 0°일 때 69.6MPa에서 90°일 때 70.8 MPa 로 약 1.7% 증가하였으며, 250°C에서는 0°일 때 59.7MPa에서 90°일 때 60.6MPa 로 약 1.5% 증가하였다.
AZ31재의 상온인장시험에서의 하중-변형 (P-δ)선도에서 압연각도 0°의 인장강도(TS)는 259MPa, 45° 는 262MPa, 90°는 264MPa로 0°보다 90°는 1.9%증가하였으며 90°에서 인장강도가 가장 높았다.
Fig. 5는 이와같은 방법으로 3가지 온도(230°C, 250°C, 270°C) 에서의 성형한계를 서로 비교 정리한 것으로 최소 스트레인(Minor strain)과 최대 스트레인(Major strain)의 안전영역이 높은 온도에서 성형할수록 점점 높아진다는 것을 확인할 수 있었다.
270°C의 온간성형 결과, 펀치 높이가 약 38 mm부근에서 파단이 일어났으며, 돔 장출 성형성은 270°C에서 가장 좋았다.
65가 된다.⁽⁶⁾ 즉 Table 1과 같이 마그네슘 합금의 탄성률, 밀도는 알루미늄 합금이나 철강과 유사하지만, 부품 설계시 사용되는 지수인 EBS를 계산해보면, 알루미늄 합금이나 플라스틱에 비해 중량감소 효과가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다.⁽⁷⁾
(2) 일반시편의 염수 부식시험결과 480시간 경과 후약 1.6% 무게 감량되었으며, 250°C에서 제작된 배터리 팩 케이스의 채취된 시편은 약 2.3% 감량되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마그네슘의 특징은?	마그네슘은 실용되고 있는 구조용 금속재료 중에서 비강도 (단위중량 강도)가 가장 크기 때문에 경량화를 목적으로 하는 구조설계용에는 적합한 재료이다.따라서 자동차 부품에서도 CO2 배출 저감과연비절감 차원에서 마그네슘의 경량성을 활용하는 용도가 증가되고 있다.
	마그네슘 합금을 적용한 배터리팩 케이스의 목적은?	본 연구에서는 마그네슘 합금을 적용한 배터리팩 케이스를 개발하여, 배터리의 과열을 방지하고, 진동흡수력이 강한 특성을 갖도록 한다. 즉 자체 진동 및 외부 충격으로부터 배터리를 보호하도록 하며, 기존 스틸 소재 대비 50% 이상 경량화하여 친환경 기술개발을 목적으로 한다. 또한, 제품의 복잡한 형상 및 마그네슘 소재의특성으로 제품을 성형하기에는 힘든 측면이 많으므로 이를 해결하기 위해 마그네슘 합금소재의 온도별 성형조건을 제시하고자 한다.
	마그네슘의 비중은 몇인가?	마그네슘은 비중 1.74로 알루미늄 합금의 2/3, 티타늄 합금의 1/3, 철의 1/4에 해당하며 상용 금속재료 중에서 가장 가벼운 재료이다. 따라서 제품적용시 에너지를 절감할 수 있고 진동 감쇠 능력이 뛰어나다.

참고문헌 (8)

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상세보기
Mordike, B.L. and Ebert, T., 2001, "Magnesium Properties-Application-Potential" Materials Science & Engineering, Vol. 302, pp. 37-45

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Yin, S.M., Yang, H.J., Li, S.X., Wu, S.D. and Yang, F., 2008, "Cyclic Deformation Behavior of as-Extrude Mg-3%Al-1%Zn," Script Material, Vol. 58, pp. 751-754.

상세보기
Choi, S.S., 2009, "Estimation of Probability Distribution Fit for Fatigue Crack Propagation Life of AZ31 Magnesium Alloy," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 33. No. 8, pp. 707-719.

원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
Chung, C.S., Chun, D.K. and Kim, H.K., 2005, "Fatigue Properties of Fine Grained Magnesium Alloys After Sever Plastic Deformation," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 19. No. 7, pp. 1441-1448.
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상세보기
Ishihara, S., Nan, Z. and Goshima, T., 2007, "Effect of Microstructure on Fatigue Behavior of AZ31 Magnesium Alloy," Materials Science & Engineering, Vol. 468-470, pp. 214-222.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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