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문제 정의
- 고강성이 요구되는 부품에 사용되는 고탄성 상용소재(A390) 및 SiC/Al 복합재와 성형성 비교평가를 진행하였으며, 피로 내구 및 경량화가 요구되는 현 메인베어링캡 양산소재와의 내구성 비교 평가를 실시하였다. 또한 고온 안정성이 요구되는 피스톤용 내열 소재와 열팽창계수 및 열화에 따른 강도저하를 비교 평가하여 실제 자동차용 부품으로의 적용 가능성을 검증하고자 하였다.
- 그러나 소재 제조 과정에 있어 CNT의 균일 분산 확보가 어려우며 대량제조 공정 확립이 어려워 자동차 부품으로의 적용이 요원하다. 본 연구는 CNT강화 알루미늄 나노복합재 개발에 따른 자동차 부품 관점에서의 적용가능성을 검토하였다. 소재 관점에서 기계적 특성 및 열적 특성을 분석하였으며 부품 관점에서는 현재 자동차 부품에 사용되는 소재와 그 소재가 사용되는 각 부품의 요구 특성을 상대 비교하였다.
- 본 연구에서는 CNT강화 알루미늄 나노복합재의 자동차 부품 적용가능성을 검토하였다. 평가에 사용된 소재는 20L 급 High energy milling기에서 알루미늄(Al 5083) 분말과 CNT를 혼합한 후, 소결 및 압출하여 봉상(ø80)으로 제조되었다.
- 메인베어링 캡과 엔진 블록 체결시 디지털 토크렌치를 이용하여 실제 소성 볼트의 체결 조건을 적용하여 2 KN, 90도 각조임을 실시하였다. 본 평가의 목적은 부품 상태에서 현재 사용 중인 소재와의 내구도 상대평가에 있다. 따라서 오일 조건은 구현이 어려워 건식조건에서 진행하였다.
- 8% 상승하였다. 탄성계수는 자동차용 부품의 강성과 NVH요구 특성에 매우 중요한 물성으로 CNT의 높은 탄성계수를 활용하여 고탄성 소재의 제조 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 200, 350°C에서 300시간 노출시킨 후 공냉하여 상온 인장시험을 실시하였으며 현재 고 내열성 피스톤 소재로 사용중인 DM106(Al-12Si-Cu-Ni계) 소재와 비교하였다.
- 4. 고온 부품으로의 적용가능성을 위한 열팽창 계수 및 내열성을 평가하였다. 열팽창 계수는 고온(200~450oC) 구간에서 9.
- 5. 실제 자동차 부품인 H社 소형엔진의 메인베어링캡을 선정하여 단조 가공 후 내구성 평가를 진행하였다. 가공 후 외관상 Crack 및 결함이 없음을 확인하였으며, 주응력 분포 지점에서의 파단을 확인 하였으며 현 양산 소재(steel 소결재) 대비 피로 한계 우위에 있음을 확인하였다.
- C/S분석은 ø80의 봉상 압출재의 수직방향으로 절단한 단면의 12개 부분에서 측정하였다.
- CNT분산에 의한 소재 특성향상 효과를 확인하고 자동차 구조 용 재료로서의 가능성을 판단하기 위해 인장시험을 통한 기계적 물성을 평가하였다. 인장 시험편은 ASTME8 의 봉상 시편으로 가공하여 실시하였다.
- CNT첨가에 의한 열팽창 계수 변화를 dilatometer를 이용하여 측정하였다. 온도 구간은 엔진 피스톤 구동온도(350°C)를 고려하여 30~450°C에서 실시하였으며 기지소재(Al 5083)와 비교 평가하였다.
- 복합재의 탄성계수를 측정하기 위해에 나타낸 초음파 공명 분광법(Resonant Ultrasound Spectroscopy) 장비를 이용하였다. 계산된 공진주파수와 RUS의 측정 공진주파수의 오차율을 최소화하여 정확한 탄성계수를 측정하였다. 측정된 stiffnesses로부터 공학적 탄성계수인 Youngs modulus를 측정하였다.
- 소재 관점에서 기계적 특성 및 열적 특성을 분석하였으며 부품 관점에서는 현재 자동차 부품에 사용되는 소재와 그 소재가 사용되는 각 부품의 요구 특성을 상대 비교하였다. 고강성이 요구되는 부품에 사용되는 고탄성 상용소재(A390) 및 SiC/Al 복합재와 성형성 비교평가를 진행하였으며, 피로 내구 및 경량화가 요구되는 현 메인베어링캡 양산소재와의 내구성 비교 평가를 실시하였다. 또한 고온 안정성이 요구되는 피스톤용 내열 소재와 열팽창계수 및 열화에 따른 강도저하를 비교 평가하여 실제 자동차용 부품으로의 적용 가능성을 검증하고자 하였다.
- 내구성 평가를 위해 자기 공명 피로시험기(Rumul 社)를 활용한 단품 피로시험을 실시하였다. 부품으로는 H사 소형엔진(1.
- 단조 조건은 19% Si이 첨가된 기존 라이너 소재의 압출비(2.7) 대비 가혹한 조건(3.77)에서 실시하였으며 성형온도는 300, 350, 400°C에서 진행하였다.
- 본 평가의 목적은 부품 상태에서 현재 사용 중인 소재와의 내구도 상대평가에 있다. 따라서 오일 조건은 구현이 어려워 건식조건에서 진행하였다.
- 제조된 복합재 내의 CNT 존재 유무 확인 및 형상 확인을 위해 Raman 분석 및 TEM 분석을 실시하였다. 또한 CNT 첨가량 확인을 위해 C/S분석(carbon/sulfur determination)을 실시하였다.
- 소재 관점에서 복합재의 미세구조 및 CNT 구조를 확인하였으며 기계적 물성 및 탄성계수를 평가하였다. 또한 부품 관점에서 성형성 및 고온 구동 부품의 요구 특성에 따른 열팽창 계수를 평가하였고 내열성 및 내구성 시험을 진행하였다. 그 결과는 아래와 같다.
- 6와 같이 부품 용으로 개조하여 평가하였다. 메인베어링 캡과 엔진 블록 체결시 디지털 토크렌치를 이용하여 실제 소성 볼트의 체결 조건을 적용하여 2 KN, 90도 각조임을 실시하였다. 본 평가의 목적은 부품 상태에서 현재 사용 중인 소재와의 내구도 상대평가에 있다.
- 복합재의 성형성을 평가하기 위해 구배가 큰 금형을 설계하여 단조 가공 후, 고탄성 상용 합금(A390 17%, 19% Si 첨가) 및 SiC 금속 복합재와 외관 crack 및 성형압을 비교하였으며, 고온 인장시험을 통해 신율을 비교하였다. 단조 조건은 19% Si이 첨가된 기존 라이너 소재의 압출비(2.
- 본 연구는 CNT강화 알루미늄 나노복합재 개발에 따른 자동차 부품 관점에서의 적용가능성을 검토하였다. 소재 관점에서 기계적 특성 및 열적 특성을 분석하였으며 부품 관점에서는 현재 자동차 부품에 사용되는 소재와 그 소재가 사용되는 각 부품의 요구 특성을 상대 비교하였다. 고강성이 요구되는 부품에 사용되는 고탄성 상용소재(A390) 및 SiC/Al 복합재와 성형성 비교평가를 진행하였으며, 피로 내구 및 경량화가 요구되는 현 메인베어링캡 양산소재와의 내구성 비교 평가를 실시하였다.
- 평가에 사용된 소재는 20L 급 High energy milling기에서 알루미늄(Al 5083) 분말과 CNT를 혼합한 후, 소결 및 압출하여 봉상(ø80)으로 제조되었다. 소재 관점에서 복합재의 미세구조 및 CNT 구조를 확인하였으며 기계적 물성 및 탄성계수를 평가하였다. 또한 부품 관점에서 성형성 및 고온 구동 부품의 요구 특성에 따른 열팽창 계수를 평가하였고 내열성 및 내구성 시험을 진행하였다.
- 13)에서 파단이 일어난 것을 확인하였다. 수직 방향의 최대 베어링 하중이 18.1 KN (안전율 1.0)인 조건을 기준으로 하여 하중 증가에 따른 피로 강도를 측정하였다. 그 결과 107cycle 기준으로 복합재의 경우 최대 안전율이 2.
- 온도 구간은 엔진 피스톤 구동온도(350°C)를 고려하여 30~450°C에서 실시하였으며 기지소재(Al 5083)와 비교 평가하였다.
- 제조된 복합재 내의 CNT 존재 유무 확인 및 형상 확인을 위해 Raman 분석 및 TEM 분석을 실시하였다. 또한 CNT 첨가량 확인을 위해 C/S분석(carbon/sulfur determination)을 실시하였다.
- 이는 고온 부품 적용시 치수 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 추가로 고온 노출에 의한 열화 평가를 실시하였다. 200, 350°C에서 300시간 노출시킨 후 공냉하여 상온 인장시험을 실시하였으며 현재 고 내열성 피스톤 소재로 사용중인 DM106(Al-12Si-Cu-Ni계) 소재와 비교하였다.
- 계산된 공진주파수와 RUS의 측정 공진주파수의 오차율을 최소화하여 정확한 탄성계수를 측정하였다. 측정된 stiffnesses로부터 공학적 탄성계수인 Youngs modulus를 측정하였다. 측정 결과, 78 GPa로 CNT 첨가에 의해 기지(71 GPa) 대비 9.
- 피로 시험의 하중 조건은 κ엔진 (1.2 l) 실린더 블록 하부 구조 해석 결과를 참고하여 설정하였다.
대상 데이터
- 기지 합금은 100 µm 크기의 Al 5083 분말을 동일 조건에서 압출하여 제조하였다.
- 본 연구에 사용된 소재는 50L급 high energy milling기에서 알루미늄 합금(Al 5083) 분말과 CNT를 혼합하여 나노 복합 분말을 제조하고, 소결 후 압출하여 봉상(ø80)으로 제조되었다.
- 내구성 평가를 위해 자기 공명 피로시험기(Rumul 社)를 활용한 단품 피로시험을 실시하였다. 부품으로는 H사 소형엔진(1.2 l)의 메인베어링 캡으로 선정하여 단조 가공하였다. 현재 양산 소재인 steel 소결재와 CNT 강화 알루미늄 복합재 단조 가공 부품의 비교 결과 Fig.
- CNT분산에 의한 소재 특성향상 효과를 확인하고 자동차 구조 용 재료로서의 가능성을 판단하기 위해 인장시험을 통한 기계적 물성을 평가하였다. 인장 시험편은 ASTME8 의 봉상 시편으로 가공하여 실시하였다.
- 평가에 사용된 소재는 20L 급 High energy milling기에서 알루미늄(Al 5083) 분말과 CNT를 혼합한 후, 소결 및 압출하여 봉상(ø80)으로 제조되었다.
이론/모형
- 복합재의 탄성계수를 측정하기 위해에 나타낸 초음파 공명 분광법(Resonant Ultrasound Spectroscopy) 장비를 이용하였다. 계산된 공진주파수와 RUS의 측정 공진주파수의 오차율을 최소화하여 정확한 탄성계수를 측정하였다.
- 특히 복합재의 탄성계수를 측정하기 위해 Fig. 4에 나타낸 초음파공명 분광법장비(resonant ultrasound spectroscopy, Magnaflux 社)를 이용하여 탄성측정을 실시하였다. 이 방법은 금속의 공진 주파수를 측정하여 탄성계수, 전단계수, 체적탄성율, 프와송비와 같은 탄성 물성치를 계산할 수 있어 금속이나 금속복합재의 평가에 적합하다.
성능/효과
- 함량 증가에 따라 강도가 증가하나 2 wt.% 이상 첨가 시 오히려 강도가 감소함을 확인할 수 있었다. 이는 일정 부피 이상의 CNT가 첨가되었을 때 균일 분산이 어려워 오히려 물성 저하를 야기시키는 원인으로 작용하였다고 판단하였다.
- 1. 기계적 합금화 방법 (HEM)을 통해 제조된 CNT강화 알루미늄 나노 복합재의 기지 내에 분산된 CNT구조와 계면 관측 결과 단단한 결합을 이루고 있음을 확인하였다.
- 2. 소재 평가 결과, CNT분산에 의해 기지합금 대비 인장 강도 80%, 항복강도 216% 상승함을 확인했고, 탄성계수 또한 9.8% 상승하였음을 확인하였다.
- 3. 구배가 큰 형상을 설계하여 양산 온도 조건(400oC)에서 단조 성형하여 성형성을 평가한 결과, 외관 부 crack이 없으며 성형 시 필요한 압력 또한 현 양산소재(A390) 대비 낮아 우수한 성형성을 확인할 수 있었다.
- CNT강화 알루미늄 나노 복합재는 우수한 기계적 특성을 보이며 부품의 고온 요구 특성에서도 현재 양산 소재 대비 동등 이상의 특성을 보이는 것을 확인하였다. 추후 균일 분산 및 대량 생산 공정이 보완되고 CNT소재 및 공정 비용이 감소된다면 고탄성, 고강도 경량재료로 자동차 부품에 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 실제 자동차 부품인 H社 소형엔진의 메인베어링캡을 선정하여 단조 가공 후 내구성 평가를 진행하였다. 가공 후 외관상 Crack 및 결함이 없음을 확인하였으며, 주응력 분포 지점에서의 파단을 확인 하였으며 현 양산 소재(steel 소결재) 대비 피로 한계 우위에 있음을 확인하였다.
- Table 3과 같이 상용 소재는 강도가 25% 감소한 반면 복합재의 강도는 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 각 소재의 초기 강도 차이가 존재하나 복합재의 경우 열화에 의한 강도 저하가 거의 없거나 오히려 상온 인장 강도 보다 일부 상승한 결과를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 고온에 장시간 노출되는 부품의 적용이 가능함을 확인할 수 있다. 강도 상승의 원인은 열처리에 의한 matrix의 변화에 기인한 것이라고 판단되지만, 향 후 정확한 상세 분석을 통해 추가 확인이 필요할 것이다.
- 고온 인장 시험 결과(Table 2), CNT 복합재의 고온 신율이 타 소재 대비 매우 우수하였으며 이를 통해 고온 성형 공정에서도 유리할 것으로 판단하였다.
- 0)인 조건을 기준으로 하여 하중 증가에 따른 피로 강도를 측정하였다. 그 결과 107cycle 기준으로 복합재의 경우 최대 안전율이 2.4 이상으로 양산 소재 대비 피로 내구 한계 우위에 있음을 확인하였다(Table 4).
- 그 결과 기지합금(Al 5083) 대비 인장강도 80%, 항복강도 216% 증가, 연신율 66% 감소됨을 확인하였다. 기지 합금은 100 µm 크기의 Al 5083 분말을 동일 조건에서 압출하여 제조하였다.
- 단조 성형 결과(Fig. 11), 복합재 단조품의 외관 부 crack이 전혀 없었으며 성형 시 필요한 압력 또한 현 양산소재 및 SiC복합재 대비 가장 낮았다. 특히 양산 적용 온도인 400°C에서는 성형압이 17% 감소하였다.
- 고온 부품으로의 적용가능성을 위한 열팽창 계수 및 내열성을 평가하였다. 열팽창 계수는 고온(200~450oC) 구간에서 9.2%의 감소되고, 고온 노출에 의한 강도 감소가 거의 없음을 확인하였다.
- 측정된 stiffnesses로부터 공학적 탄성계수인 Youngs modulus를 측정하였다. 측정 결과, 78 GPa로 CNT 첨가에 의해 기지(71 GPa) 대비 9.8% 상승하였다. 탄성계수는 자동차용 부품의 강성과 NVH요구 특성에 매우 중요한 물성으로 CNT의 높은 탄성계수를 활용하여 고탄성 소재의 제조 가능성을 확인하였다.
- 특히 저온(30~150°C) 6.3%, 고온(200~450°C) 9.2%의 감소효과를 볼 때 고온 구간에서 더욱 안정적인 거동을 보임을 확인할 수 있다.
- 2 l)의 메인베어링 캡으로 선정하여 단조 가공하였다. 현재 양산 소재인 steel 소결재와 CNT 강화 알루미늄 복합재 단조 가공 부품의 비교 결과 Fig. 5와 같이 복합재의 외관 crack 및 미성형 부분은 보이지 않아 부품 형상 구현에 문제가 없음을 확인하였다.
후속연구
- 각 소재의 초기 강도 차이가 존재하나 복합재의 경우 열화에 의한 강도 저하가 거의 없거나 오히려 상온 인장 강도 보다 일부 상승한 결과를 확인할 수 있었으며, 이를 통해 고온에 장시간 노출되는 부품의 적용이 가능함을 확인할 수 있다. 강도 상승의 원인은 열처리에 의한 matrix의 변화에 기인한 것이라고 판단되지만, 향 후 정확한 상세 분석을 통해 추가 확인이 필요할 것이다.
- 약 3~4 vol%가 첨가 된 것을 고려할 때 CNT에 의한 강도 향상 효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다. 균일 분산 공정이 확보되고 CNT 첨가량을 증가시킨다면 그 한계가 존재하더라도 보다 더 높은 강도를 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
- CNT강화 알루미늄 나노 복합재는 우수한 기계적 특성을 보이며 부품의 고온 요구 특성에서도 현재 양산 소재 대비 동등 이상의 특성을 보이는 것을 확인하였다. 추후 균일 분산 및 대량 생산 공정이 보완되고 CNT소재 및 공정 비용이 감소된다면 고탄성, 고강도 경량재료로 자동차 부품에 적용 가능할 것으로 판단된다.
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