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문제 정의
- 현재 적용되고 있는 알루미늄 합금 보다 마그네슘 합금 컨트롤암의 인장시험 결과가 낮은 인장강도를 갖는 것을 알 수 있지만 이는 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤암의 경우 높은 안전율이 포함된 인장강도를 요구하고 있다. 알루미늄 합금 보다 마그네슘 합금이 낮은 인장강도 결과를 나타내지만 적용가능성을 알아보기 위하여 내구성 평가인 정강도 시험을 진행하였다. Fig.
가설 설정
- 현재 적용되고 있는 컨트롤암의 정강도 요구특성은 약 5, 000kgf 이상의 강도를 요구하고 있다. 컨트롤암단조품의 상부는 너클(knuckle)과 연결되는 부분이며 하부는 프레임(frame)과 연결되는 부분으로 가정하고 시험을 진행하게 된다. 시험조건은 알루미늄 합금 컨트롤암 단조품과 동일한 조건으로 펀치 속도 0.
제안 방법
- 단조품의 성형성 평가는 제품 표면에 생긴 균열, 주름 등의 결함 및 플래쉬부에 발생하는 균열 형상 등을 육안으로 분석하였다. Fig.
- 성형온도는 4가지 조건에 대하여 온간단조를 수행하고 성형성(formability) 평가를 실시하였다. 마그네슘 합금 단조품의 적용 가능성을 알아보기 위하여 기계적 특성 및 정강도(static strength) 평가를 수행하였다.
- 본 연구에서 알루미늄 합금으로 적용되고 있는컨트롤암(control arm)을 경량화할 수 있는 Mg-7Sn- 1Al-1Zn(TAZ711)합금 압출재를 적용하여 온간단조를 실시하였다[12]. 성형온도는 4가지 조건에 대하여 온간단조를 수행하고 성형성(formability) 평가를 실시하였다.
- Table 2 는 온간단조 조건을 나타내고 있다. 성형온도는 200, 250, 350, 450°C에 대하여 수행하였으며 소재 사이즈는 직경 50mm, 길이 420mm(Ø50L420)으로 하였다. 소재 가열은 가열 챔버(heating chamber)를 사용하고 소재 중심부에 열전대(thermocouple)를 부착하여 소재가 목표온도에 도달하였는지 확인하였으며 금형 가열은 금형 가열 전용 장치로 상형 및 하형을 고르게 300°C 까지 승온하여 온간단조를 실시하였다.
- 성형온도는 4가지 조건에 대하여 온간단조를 수행하고 성형성(formability) 평가를 실시하였다. 마그네슘 합금 단조품의 적용 가능성을 알아보기 위하여 기계적 특성 및 정강도(static strength) 평가를 수행하였다.
- 온간단조에 적용하였다. 성형온도에 따른 성형성 평가와 가능성을 알아보기 위하여 인장 및 내구성 시험을 수행하여 분석하였다. 성형온도는 200~450°C 온도에 대하여 수행하였으며 성형온도가 증가할수록 성형성은 향상되는 것을 확인하였다.
- 성형온도는 200, 250, 350, 450°C에 대하여 수행하였으며 소재 사이즈는 직경 50mm, 길이 420mm(Ø50L420)으로 하였다. 소재 가열은 가열 챔버(heating chamber)를 사용하고 소재 중심부에 열전대(thermocouple)를 부착하여 소재가 목표온도에 도달하였는지 확인하였으며 금형 가열은 금형 가열 전용 장치로 상형 및 하형을 고르게 300°C 까지 승온하여 온간단조를 실시하였다. 성형장치는 알루미늄 합금 컨트롤암 단조를 수행하고 있는 4000ton Knuckle press 이용 하였으며 프레스 속도는 250mm/sec으로 적용하였다.
- 컨트롤암단조품의 상부는 너클(knuckle)과 연결되는 부분이며 하부는 프레임(frame)과 연결되는 부분으로 가정하고 시험을 진행하게 된다. 시험조건은 알루미늄 합금 컨트롤암 단조품과 동일한 조건으로 펀치 속도 0.3mm/sec에 대하여 정강도 시험을 수행하였다.
- 알루미늄 합금을 대신하여 마그네슘 합금을 적용 가능성을 알아보기 위하여 기존 컨트롤암 단조 품과 성형 형상 및 성형공정을 동일하게 수행하였다. Table 2 는 온간단조 조건을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 본 연구는 자동차 현가장치 부품 알루미늄 합금컨트롤 암을 경량 마그네슘 합금 TAZ711압출재를 이용하여 온간단조에 적용하였다. 성형온도에 따른 성형성 평가와 가능성을 알아보기 위하여 인장 및 내구성 시험을 수행하여 분석하였다.
- 본 연구에서 자동차 현가장치 부품인 알루미늄합금 컨트롤암을 경량화 할 수 있는 압출비 9.3:1을 갖는 마그네슘 합금 TAZ711 압출재를 적용하였다 (Table 1). Mg-Sn 합금계는 Mg2Sn 이차상을 형성하여 열적으로 안정하다고 알려져 있으며 TAZ711 합금의 경우 합금 첨가량이 ~9wt%로 상용 마그네슘 합금 AZ31과 AZ80 합금보다 높아 고용강화 및 석출 강화 등의 효과가 향상되어 높은 강도를 가질 것으로 예상된다[12].
이론/모형
- 2 인장시편 채취 위치를 나타내고 있다. 인장시편 채취 위치는 기존 Al합금컨트롤암 시편 채취 위치와 동일하게 수행하고 시편 규격은 ASTM E8M 으로 기계 가공하여 수행하였다. 기계적 특성 분석 후 적용가능성을 알아보기 위하여 정강도 평가 수행하게 된다.
성능/효과
- 성형온도가 증가함에 따라 인장시험 결과는 감소 경향으로 나타났다. 내구성 평가인 정강도 시험을 수행하였으며 정강도 특성은 요구특성 보다 444Kgf 높은 강도로 정강도 평가는 만족하는 것으로 나타났다. 이는 현재 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤 암의 인장강도 보다 낮은 강도에서도 정강도 평가의 만족으로 적용 가능성을 검증하였으며 적용되고 있는 알루미늄 합금의 컨트롤암 보다 낮은 안전율을 부과해도 될 것으로 나타난다.
- 하지만 성형온도 200°C에서 단조품의 플래쉬부에서 크랙이 발생하였으며 성형온도가 증가 될수록 크랙은 감소하는 것으로 나타났다. 마그네슘 합금은 낮은 성형온도에서 성형성이 떨어지는 것을 알 수 있으며 성형온도가 증가할수록 소성변형이 많은 플래쉬부의 성형 성이 향상되는 것으로 나타났다. Fig.
- 성형온도 200°C에서 가장 높은 강도를 나타내었으며 450°C로 성형온도가 증가할수록 강도는 점차적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 성형온도 200°C 단조 후 최대인장강도는 272MPa, 항복강도는 220MPa 과 연신율은 19%로 나타났으며 초기 압출재에 비하여 기계적 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다. 하지만 성형온도 250°C에서 항복강도, 최대 인장강도와 연신율은 감소한 것으로 나타난다.
- 001/sec)으로 인장시험 결과를 나타내고 있다. 성형온도 200°C에서 가장 높은 강도를 나타내었으며 450°C로 성형온도가 증가할수록 강도는 점차적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 성형온도 200°C 단조 후 최대인장강도는 272MPa, 항복강도는 220MPa 과 연신율은 19%로 나타났으며 초기 압출재에 비하여 기계적 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.
- 성형온도에 따른 성형성 평가와 가능성을 알아보기 위하여 인장 및 내구성 시험을 수행하여 분석하였다. 성형온도는 200~450°C 온도에 대하여 수행하였으며 성형온도가 증가할수록 성형성은 향상되는 것을 확인하였다. 성형온도가 증가함에 따라 인장시험 결과는 감소 경향으로 나타났다.
- 컨트롤암 정강도 요구 특성을 만족하는 것으로 보아 높은 안전율이 부과 된 것을 알 수 있다. 알루미늄 합금에 보다 TAZ711합금의컨트롤암이 낮은 인장강도 나타내었지만 요구되는 정강도 평가는 만족하는 것으로 나타났다. 현재 적용되고 있는 컨트롤암 보다 낮은 안전율을 부과하여도 요구되는 정강도 특성은 만족하겠지만 승객의 안전을 위해 보다 높은 강도가 필요할 것으로 판단된다.
- 하지만 알루미늄 합금을 대체 적용을 위한 마그네슘의 합금 설계 및 성형 공정변수(변형률속도, 성형온도, 마찰, 압출 조건, 열처리 등) 관한 연구가 필요할 것으로 나타난다. 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤암을 경량 마그네슘 합금으로 대제 적용 시 30%이상 경량화를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.
- 6은 정강도 시험 후 단조품을 나타내고 있다. 정강도 시험 후 하중이 작용하는 부위에서는 파단 및 균열이 없이 시험이 진행되었으나 너클과 연결되는 부위에서 파단이 일어난 것으로 나타났다. Fig.
- 하지만 성형온도 250°C에서 항복강도, 최대 인장강도와 연신율은 감소한 것으로 나타난다. 초기 압출재보다 단조 후 인장시험 결과는 상승 하였으나 가장 높은 성형온도 450°C 는 초기 압출재보다 항복강도는 12MPa, 최대인장강도는 11MPa 와 연신율은 2% 정도 감소한 것으로 나타났다. 마그네슘 합금은 성형온도에 따라 기계적 특성이 민감하게 반응하기 때문에 성형온도 고려가 중요한 것으로 나타났다.
- 각 성형온도 별 단조품에 대하여 성형평가인 제품표면에 대한 균열, 주름, 단조결함 등 없이 성형을 완료 하였으며 성형성이 일반적인 상용 마그네슘 합금에 비하여 성형성은 좋은 것으로 나타났다[7]. 하지만 성형온도 200°C에서 단조품의 플래쉬부에서 크랙이 발생하였으며 성형온도가 증가 될수록 크랙은 감소하는 것으로 나타났다. 마그네슘 합금은 낮은 성형온도에서 성형성이 떨어지는 것을 알 수 있으며 성형온도가 증가할수록 소성변형이 많은 플래쉬부의 성형 성이 향상되는 것으로 나타났다.
후속연구
- 내구성 평가인 정강도 시험을 수행하였으며 정강도 특성은 요구특성 보다 444Kgf 높은 강도로 정강도 평가는 만족하는 것으로 나타났다. 이는 현재 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤 암의 인장강도 보다 낮은 강도에서도 정강도 평가의 만족으로 적용 가능성을 검증하였으며 적용되고 있는 알루미늄 합금의 컨트롤암 보다 낮은 안전율을 부과해도 될 것으로 나타난다. 하지만 알루미늄 합금을 대체 적용을 위한 마그네슘의 합금 설계 및 성형 공정변수(변형률속도, 성형온도, 마찰, 압출 조건, 열처리 등) 관한 연구가 필요할 것으로 나타난다.
- 이는 현재 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤 암의 인장강도 보다 낮은 강도에서도 정강도 평가의 만족으로 적용 가능성을 검증하였으며 적용되고 있는 알루미늄 합금의 컨트롤암 보다 낮은 안전율을 부과해도 될 것으로 나타난다. 하지만 알루미늄 합금을 대체 적용을 위한 마그네슘의 합금 설계 및 성형 공정변수(변형률속도, 성형온도, 마찰, 압출 조건, 열처리 등) 관한 연구가 필요할 것으로 나타난다. 적용되고 있는 알루미늄 합금 컨트롤암을 경량 마그네슘 합금으로 대제 적용 시 30%이상 경량화를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.
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