[논문]AZ31B 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성 연구

한수식

doi:10.5228/kstp.2018.27.3.160

AZ31B 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성 연구
Study of Frictional Behavior of AZ31B Mg Alloy at Elevated Temperature 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.27 no.3, 2018년, pp.160 - 164

한수식 (금오공과대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The success of warm forming of Mg alloy sheets is very dependent on its frictional behavior at elevated temperatures. The effects of contact pressure and sliding length on the frictional characteristics of AZ31B Mg alloy sheet were investigated at elevated temperature and at room temperature. The contact pressure range for the friction test was determined through FE analysis of the roof panel which is a candidate for Mg alloy application. According to the experimental results, the frictional behavior of the Mg alloy sheet is equally highly influenced by both sliding length and contact pressure at room temperature. At elevated temperatures, however, the sliding length has a more dominant influence on the frictional characteristics of the Mg alloy sheet than the contact pressure, if the contact pressure is lower than a certain level.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 마그네슘 합금 판재의 부품 성형시 일반적으로 사용되는 온간 성형 조건에서 금형과 판재 사이에서 발생하는 접촉압력과 미끄럼 거리 등의 차이가 마그네슘 합금 판재의 마찰 특성에 미치는 영향에 대하여 실험을 통하여 분석하였다.

가설 설정

금형과의 접촉압력과 미끄럼 거리도 마찰에 영향을 미치는 인자들 중에 포함된다. 마그네슘 합금 판재 마찰 특성에 큰 영향을 주는 골링은 접촉압력과 미끄럼 거리에 영향을 많이 받는다. 따라서 마그네슘 합금 판재의 마찰 특성은 접촉압력과 미끄럼 거리에 의하여 영향을 받는 것을 예측할 수 있다.
따라서 마그네슘 합금 판재의 마찰 특성은 접촉압력과 미끄럼 거리에 의하여 영향을 받는 것을 예측할 수 있다. 판재 성형시 금형과 판재 사이의 접촉압력은 성형 제품에서의 위치에 따라 다르다. 드로우비드나 다이 곡률 부위에서 높은 접촉압력이 나타나고 평탄 부위에서는 일반적으로 접촉압력이 낮게 나타난다.

제안 방법

시험장비의 가압용량으로 요구 접촉압력을 얻기 위하여 시편의 크기는 폭 30mm 길이는 300mm 로 결정하였다. 마그네슘 합금 판재는 무윤활 조건으로 성형할 경우 골링 현상이 심하게 발생하는 것으로 알려져 있어 윤활 조건에서 마찰 시험을 행하였다. 마찰 시험에 사용된 윤활유는 마그네슘 합금 판재의 온간 성형용으로 개발된 일본공작유(주)의 MGLUX-1 이다.
마찰 특성 평가는 마그네슘 함금 판재의 일반적인 온간 성형 온도인 250℃와 이에 대한 비교를 위하여 상온 조건에서 이루어졌다. 시험에는 마그네슘 합금 판재 AZ31B 1.
이것은 시험기로의 시편 이송시 발생하는 냉각을 고려하였기 때문이다. 예열된 시편을 마찰 시험 지그에 장착하고 시편 표면에 윤활유를 붓으로 도포한 후 시편 표면 온도가 250℃에 도달한 것이 접촉식 온도계로 측정하여 확인되면 마찰 시험을 시행하였다. 전체 미끄럼 거리는 175mm로 하였다.
최대 접촉압력은 약 24MPa 로 드로우비드 부분에서 나타났으며 그 밖의 다이와 펀치의 곡률부분에서의 접촉압력 10MPa 정도로 높게 나타났다. 이상의 해석결과를 참고하여 AZ31B 마그네슘 합금 소재의 온간 마찰 시험을 진행하였다.

대상 데이터

시험을 위한 접촉압력의 범위를 결정하기 위하여 마그네슘 합금 판재를 사용하여 자동차 부품을 성형하는 공정을 유한요소법으로 해석하였다. 마그네슘 합금 판재의 적용 대상으로 검토되고 있는 자동차 지붕판(Roof Panel) 부품을 해석의 대상으로 하였다. 해당 부품에 대한 성형 해석을 수행하고 이로부터 접촉압력의 범위를 도출하여 이를 기준으로 마찰 시험을 시행하였다.
마그네슘 합금 판재는 무윤활 조건으로 성형할 경우 골링 현상이 심하게 발생하는 것으로 알려져 있어 윤활 조건에서 마찰 시험을 행하였다. 마찰 시험에 사용된 윤활유는 마그네슘 합금 판재의 온간 성형용으로 개발된 일본공작유(주)의 MGLUX-1 이다.
마찰 특성 평가는 마그네슘 함금 판재의 일반적인 온간 성형 온도인 250℃와 이에 대한 비교를 위하여 상온 조건에서 이루어졌다. 시험에는 마그네슘 합금 판재 AZ31B 1.0t 소재가 사용되었다. 마찰시험은 그림 2에 나타난 평판형 마찰 시험기를 사용하였다.

이론/모형

마그네슘 합금 판재의 온간 마찰 시험을 수행하기 위하여 우선적으로 시험을 위한 접촉압력 범위를 결정하는 것이 필요하다. 시험을 위한 접촉압력의 범위를 결정하기 위하여 마그네슘 합금 판재를 사용하여 자동차 부품을 성형하는 공정을 유한요소법으로 해석하였다. 마그네슘 합금 판재의 적용 대상으로 검토되고 있는 자동차 지붕판(Roof Panel) 부품을 해석의 대상으로 하였다.

성능/효과

1) 마그네슘 판재의 상온 마찰 특성에는 접촉압력과 미끄럼 거리가 중요한 영향인자로서의 역할을 하였으나 온간 마찰 특성에는 특정 접촉압력 이하에서는 미끄럼 거리가 중요한 영향인자로서의 역할을 하는 것을 알 수 있다.
2) 미끄럼 거리가 증가할수록 마찰 계수는 증가하여 특정 값으로 수렴하였다. 마찰계수 증가속도는 시험온도와 접촉압력에 따라 다르게 나타났다.
3) 마그네슘 합금 판재와 금형 사이의 미끄럼 운동은 골링 현상을 발생시키고 이것이 마찰 특성에 영향을 주는 것으로 판단된다. 상온에 비하여 온간에서 골링 현상이 더 잘 발생하였으며 이것은 마찰계수의 특정 값으로의 빠른 수렴에 영향을 주는 것으로 판단된다.
4) 온간 성형에서는 접촉압력이 너무 높으면 시편과 금형면 사이에 응착에의한 스틱슬립, 고착 현상이 발생하는 것이 관찰되어 마그네슘 합금 판재의 성형 공정 설계시 접촉압력의 크기에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.
이상의 마찰 시험 결과를 분석하면 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성은 미끄럼 거리에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. 만약 금형과 소재 사이의 고착을 발생시킬 정도로 높지 않은 경우에는 접촉압력이 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성에 미치는 영향의 정도는 상온 마찰 특성에서 보다는 작은 것으로 나타났다. 마그네슘 판재의 온간 성형 공정 설계시 접촉압력을 너무 높지 않게 관리하는 것이 필요하며 온간 성형 공정 해석시 미끄럼 거리에 의한 마찰 계수의 변화를 고려하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
35 사이 값으로 수렴하는 것으로 나타났다. 미끄럼 거리의 증가에 따라 마찰 계수가 증가하여 특정 값으로 수렴해 가는 속도는 접촉압력이 클수록 빠른 것으로 나타났다. 특히 접촉압력이 12MPa 이상인 경우에는 빠르게 특정 값으로 수렴하였다.
이상의 마찰 시험 결과를 분석하면 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성은 미끄럼 거리에 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. 만약 금형과 소재 사이의 고착을 발생시킬 정도로 높지 않은 경우에는 접촉압력이 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성에 미치는 영향의 정도는 상온 마찰 특성에서 보다는 작은 것으로 나타났다.
접촉 압력이 12MPa 인 경우를 살펴보면 약 80mm의 미끄럼 거리부터 그림 7에 나타낸 것처럼 시편폭 전부에 걸쳐서 골링이 발생하는 것이 관찰되는데 마찰계수도 약 80mm의 미끄럼 거리에서 특정 값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 골링의 발생과 이것이 접촉면에서 차지하는 비율이 마그네슘 합금 판재의 상온 마찰 특성에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
마찰시험시 미끄럼 거리가 증가할수록 골링 발생 부위가 차지하는 비율이 점차 증가하는 것이 관찰되는데 마찰 계수도 미끄럼 거리에 따라 점차 증가한다. 접촉 압력이 12MPa 인 경우를 살펴보면 약 80mm의 미끄럼 거리부터 그림 7에 나타낸 것처럼 시편폭 전부에 걸쳐서 골링이 발생하는 것이 관찰되는데 마찰계수도 약 80mm의 미끄럼 거리에서 특정 값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 골링의 발생과 이것이 접촉면에서 차지하는 비율이 마그네슘 합금 판재의 상온 마찰 특성에 큰 영향을 주는 것을 알 수 있다.
판재의 마찰 특성은 판재 성형 공정의 성패에 큰 영향을 준다. 마찰 특성이 우수할수록 변형이 균일하게 발생하여 국부적인 변형으로 인한 성형 불량 발생이 감소하게 되기 때문이다.

후속연구

5) 마그네슘 합금 판재의 온간 성형 해석에서 소재의 마찰 계수를 반영할 때 온간 마찰 시험 결과에서 나타난 미끄럼 거리에 대한 마찰 특성의 변화를 고려하는 연구가 필요하다.
6) 시험전 매번 금형 표면의 골링을 제거하였으나 실제 성형 공정에서는 일정 수준 이상의 골링이 발생하여야 금형 탈거 및 표면 청소를 수행하기 때문에 골링에의해 누적 표면 손상을 입은 금형을 사용할 경우의 마찰 계수 변화에 대한 추가적인 연구도 필요하다.
마찰 특성이 우수할수록 변형이 균일하게 발생하여 국부적인 변형으로 인한 성형 불량 발생이 감소하게 되기 때문이다. 따라서 마그네슘 합금 판재의 차체 부품 적용을 위하여서는 마그네슘 판재의 온간 마찰 특성에 대한 연구도 필요하다. 고온 상태에서의 마그네슘 합금 판재와 금형 사이의 접촉에 의한 마찰은 철강 소재를 사용하는 경우에 비하여 골링(Galling), 파우더링(Powdering)등이 더 잘 발생하고 있으며 이것이 마찰 특성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다[6~7].
만약 금형과 소재 사이의 고착을 발생시킬 정도로 높지 않은 경우에는 접촉압력이 마그네슘 합금의 온간 마찰 특성에 미치는 영향의 정도는 상온 마찰 특성에서 보다는 작은 것으로 나타났다. 마그네슘 판재의 온간 성형 공정 설계시 접촉압력을 너무 높지 않게 관리하는 것이 필요하며 온간 성형 공정 해석시 미끄럼 거리에 의한 마찰 계수의 변화를 고려하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판재의 마찰 특성이 판재 성형공정에 영향을 주는 이유는?	판재의 마찰 특성은 판재 성형 공정의 성패에 큰 영향을 준다. 마찰 특성이 우수할수록 변형이 균일하게 발생하여 국부적인 변형으로 인한 성형 불량 발생이 감소하게 되기 때문이다. 따라서 마그네슘 합금 판재의 차체 부품 적용을 위하여서는 마그네슘 판재의 온간 마찰 특성에 대한 연구도 필요하다.
	마그네슘 합금이 차체 경량화를 위해여 대안 소재로 주목받는 이유는?	최근 자동차 배기 가스 규제 강화와 연비 향상에 대한 요구 증가로 인하여 자동차 차체 경량화에 대한 중요성은 더욱 증가하고 있다. 마그네슘 합금은 상용 금속중 가장 높은 비강도와 우수한 충격 흡수능 등을 나타내고 있어 차체 경량화를 위한 대안 소재로서 주목받고 있다[1]. 마그네슘 합금은 상온에서 매우 낮은 성형성을 나타내고 있으나 250℃ 전후의 온도에서 높은 성형성을 나타낸다.
	철강소재를 사용할 경우 고온에서 마그네슘 합금 판재와 금형 사이의 접촉에 의한 마찰로 인하여 더 잘 발생하는 것은?	따라서 마그네슘 합금 판재의 차체 부품 적용을 위하여서는 마그네슘 판재의 온간 마찰 특성에 대한 연구도 필요하다. 고온 상태에서의 마그네슘 합금 판재와 금형 사이의 접촉에 의한 마찰은 철강 소재를 사용하는 경우에 비하여 골링(Galling), 파우더링(Powdering)등이 더 잘 발생하고 있으며 이것이 마찰 특성에 영향을 주는 것으로 알려져 있다[6~7].

참고문헌 (7)

D. H. Park, Y. H. Tak, S. H. Um, J. J. Yun, C. W. Lee, 2013, Car Body Forming Technology using Magnesium Alloy Sheet, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., pp.239-240.
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원문보기 상세보기
S. H. Kim, K. D. Park, J. H. Jang, K. T. Kim, H. W. Lee, G. A. Lee, K. P. Kim, Y. S. Lee, 2008, Experimental and Analytical Researches on Mechanical Properties Related to Formability of AZ31B Alloy Sheet, Trans. Mater. Process., 17(7), pp.466-472.

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H. Y. Kim, S. C. Choi, H. S. Lee, H. J. Kim, K. T. Lee, 2007, Experiments for Forming Limit Diagram and Springback Characteristics of AZ31B Magnesium Alloy Sheet at Elevated Temperature, Trans. Mater. Process., 16(5), pp.364-369.

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Y. S. Lee, Y. N. Kwon, S. H. Kang, S. W. Kim, J. H. Lee, 2008, Forming Limit of AZ31 Alloy Sheet and Strain Rate on Warm Sheet Metal Forming, J. Mater. Process. Technol., Vol. 201, No. 1, pp. 431-435.

상세보기
H. W. Kwon, N. Yoon, J. C. Kim, Y.-J. Jeong, Y.-S. Kim, 2011, Tribological Characteristics during Sheet Forming of the AZ31B Mg alloy, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., 10, pp.88-91.
H. Gwon, M. G. Kim, H. L. Hur, Y.-S. Kim, 2014, Correlation between galling and friction coefficient measured during sheet forming of Mg alloy using a steel die, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., 10, pp.174-177.

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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