고압 다이캐스팅 공정에서 사출 속도가 Mg-RE 합금의 기계적 특성에 미치는 영향

Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy

본 보고서는 자동차 산업의 경량화 요구에 부응하기 위해 개발된 내열 및 난연성 Mg-Al-Th-RE 합금의 고압 다이캐스팅 공정 특성을 분석합니다. 특히 사출 속도 변화가 내부 기공 형성 및 응고 미세조직에 미치는 영향을 규명하고, 이것이 최종 제품의 인장 강도와 경도에 어떠한 기술적 기여를 하는지 수치 시뮬레이션과 실험적 검증을 통해 제시합니다.

Paper Metadata

• Industry: 자동차 부품 제조 (Automotive Parts Manufacturing)
• Material: Mg-Al-Th-RE 합금 (내열 및 난연성 마그네슘 합금)
• Process: 고압 다이캐스팅 (High-Pressure Die Casting, HPDC)

Keywords

• 고압 다이캐스팅
• 마그네슘 합금
• 수치 시뮬레이션
• X선 컴퓨터 단층촬영 (X-ray CT)
• 인장 시험
• 비커스 경도 시험
• 미세조직 분석

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 Mg-Al-Th-RE 합금의 주조 특성을 규명하기 위해 350톤 콜드 챔버 다이캐스팅 머신(Ds-350EX)을 사용하여 계단형 시험편을 제작하였습니다. 실험 설계는 2.0 m/s와 5.0 m/s의 두 가지 2차 사출 속도를 변수로 설정하였으며, 금형 재료로는 SKD61 강재를 사용하였습니다. 수치 해석을 위해 JSCAST 소프트웨어를 활용하여 유동 및 응고 시뮬레이션을 수행하였고, JMatPro를 통해 합금의 열물리적 성질을 산출하여 모델에 적용하였습니다. 제작된 시편은 X선 CT(Nikon XT H225)를 통해 내부 기공을 정량적으로 분석하였으며, 워터젯 가공을 거친 시편으로 인장 시험 및 비커스 경도 측정을 실시하여 기계적 성능을 평가하였습니다.

Key Findings

분석 결과, 사출 속도가 2.0 m/s에서 5.0 m/s로 증가함에 따라 기공의 총 부피가 증가하는 경향을 보였습니다. 그러나 높은 사출 속도(5.0 m/s) 조건에서는 용탕이 캐비티에 신속하게 충전되어 응고 시간이 단축됨으로써 미세조직이 더욱 치밀해지는 현상이 관찰되었습니다. 구체적으로 5.0 m/s 조건에서 제작된 시편은 2.0 m/s 조건에 비해 더 높은 인장 강도와 비커스 경도를 나타냈으며, 이는 미세한 α-Mg 상의 형성과 공정 상의 빠른 결정화에 기인한 것으로 분석되었습니다. 반면, 시뮬레이션 결과는 실제 CT 측정값보다 기공 부피를 50% 이상 낮게 예측하였는데, 이는 현재의 시뮬레이션 모델이 공기 혼입 외에 수축 기공을 충분히 반영하지 못하기 때문으로 확인되었습니다.

Industrial Applications

본 연구 결과는 복잡한 형상을 가진 자동차 엔진 부품이나 변속기 케이스 등의 마그네슘 다이캐스팅 공정 설계 시 핵심적인 가이드라인을 제공합니다. 높은 사출 속도가 기공을 유발할 수 있음에도 불구하고, 미세조직 제어를 통해 기계적 강도를 확보할 수 있다는 점은 공정 최적화의 중요한 근거가 됩니다. 또한, 내열성이 요구되는 Mg-RE 합금의 상용화 공정에서 품질 변동성을 줄이고 부품의 신뢰성을 높이는 데 직접적으로 활용될 수 있습니다.

Theoretical Background

마그네슘 합금의 다이캐스팅 특성

마그네슘 합금은 철이나 알루미늄에 비해 비강도와 비강성이 높아 자동차 경량화의 핵심 소재로 주목받고 있습니다. 그러나 낮은 비열과 빠른 응고 속도, 그리고 불량한 유동성으로 인해 고압 다이캐스팅 공정에서 결함 제어가 매우 까다롭습니다. 특히 대기 중 발화 위험이 있어 Ca나 Sr과 같은 원소를 첨가하여 난연성을 확보하며, Th 및 RE(희토류) 원소를 추가하여 고온 환경에서의 내열성을 강화합니다. 이러한 합금 설계는 복잡한 형상의 부품 주조 시 용탕의 유동 행태와 응고 수축 특성에 큰 영향을 미치므로 정밀한 공정 변수 제어가 필수적입니다.

기공 형성 메커니즘 및 사출 속도의 영향

고압 다이캐스팅 공정에서 발생하는 기공은 크게 공기 혼입(Air entrainment)과 응고 수축(Solidification shrinkage)으로 구분됩니다. 사출 속도가 증가하면 게이트를 통과하는 용탕의 속도가 빨라져 분무 유동(Spray flow)이 발생하고, 이로 인해 캐비티 내의 가스가 용탕 내부에 갇히는 현상이 심화됩니다. 반면, 사출 속도는 충전 시간을 결정하여 응고 과정에서의 온도 구배와 냉각 속도에 영향을 줍니다. 빠른 충전은 용탕의 온도 저하를 방지하고 급속 냉각을 유도하여 미세조직을 미세화함으로써 기공에 의한 강도 저하를 일정 부분 상쇄하는 효과를 가집니다.

Results and Analysis

Experimental Setup

실험은 350톤급 콜드 챔버 다이캐스팅 머신을 사용하여 수행되었습니다. 용탕 온도는 953 K, 금형 온도는 423 K로 설정되었으며, 사출 압력은 70 MPa로 일정하게 유지되었습니다. 시험편은 두께가 4, 8, 12, 16 mm로 변화하는 계단형 구조로 설계되어 두께에 따른 응고 특성을 관찰할 수 있도록 하였습니다. 게이트 두께는 6.0 mm로 설정되었으며, 각 조건당 10개의 시편을 제작하여 데이터의 통계적 신뢰성을 확보하였습니다. 내부 결함 분석을 위해 225 kV 전압 조건에서 X선 CT 촬영을 실시하였고, 0.3 mm 이상의 기공을 정밀하게 측정하였습니다.

Visual Data Summary

X선 CT 분석 결과, 2.0 m/s의 사출 속도에서는 주로 금형 벽면 근처에서 아치형의 수축 기공이 관찰되었습니다. 이는 낮은 사출 속도에서 압력 전달이 불충분하여 발생한 결과로 해석됩니다. 반면 5.0 m/s 조건에서는 캐비티 전반에 걸쳐 구형의 공기 혼입 기공이 다수 발견되었습니다. 미세조직 관찰 결과, 5.0 m/s 조건의 시편은 2.0 m/s 조건에 비해 α-Mg 상의 크기가 현저히 작고 치밀한 조직을 보였습니다. 이는 빠른 사출 속도가 용탕을 신속하게 분산시켜 냉각 속도를 높였음을 시각적으로 증명합니다.

Variable Correlation Analysis

사출 속도와 기계적 특성 간의 상관관계 분석 결과, 사출 속도가 증가함에 따라 인장 강도와 비커스 경도가 모두 상승하는 양의 상관관계를 나타냈습니다. 2.0 m/s 조건에서는 조대한 α-Mg 상이 형성되어 강도가 낮고 데이터의 편차가 크게 나타난 반면, 5.0 m/s 조건에서는 미세한 조직 덕분에 강도가 향상되고 품질 안정성이 개선되었습니다. 기공 부피의 증가에도 불구하고 기계적 성능이 향상된 것은, 기공에 의한 악영향보다 미세조직 강화에 의한 이득이 더 크다는 것을 시사합니다. 또한 시뮬레이션 결과와의 비교를 통해 수축 기공이 전체 결함에서 차지하는 비중이 상당함을 확인하였습니다.

Paper Details

Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy

1. Overview

• Title: Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy
• Author: Yuki Kashiwabara, Mohd Danial Ibrahim, Lidyana Binti Roslan, Hitoshi Watanabe, Yuta Sunami
• Year: 2021
• Journal: MM Science Journal

2. Abstract

본 연구에서는 Mg-Al-Th-RE 합금의 미지의 물리적 특성을 규명하기 위해, 사출 조건과 내부 기공, 그리고 응고 미세조직에 의해 발휘되는 기계적 특성 간의 관계를 조사하였다. 얻어진 주조 시편은 X선 CT 내부 측정, 인장 시험, 비커스 경도 시험 및 응고 미세조직 관찰을 통해 분석되었다. 유동 시뮬레이션과 X선 CT 분석 결과, 사출 속도가 증가함에 따라 기공 부피가 증가하는 것으로 나타났다. 높은 사출 속도는 또한 금속 미세조직을 더 치밀하게 만들어 재료의 강도와 경도를 높이는 결과를 가져왔다. 충전 및 냉각 시간이 짧아짐에 따라 공정 상(eutectic phases)이 빠르게 형성되었으며, 이에 따라 일차 상인 α-Mg의 성장이 억제되었다. 반면, 조대한 일차 상에 의해 재료의 강도와 경도가 크게 감소하는 것으로 간주되었다.

3. Methodology

3.1. 수치 시뮬레이션: JMatPro 소프트웨어를 사용하여 Mg-Al-Th-RE 합금의 열역학적 특성을 계산하고, JSCAST를 이용해 VOF법 기반의 3차원 유동 및 응고 해석을 수행함.
3.2. 고압 다이캐스팅 실험: 350톤 콜드 챔버 장비를 사용하여 2.0 m/s 및 5.0 m/s의 사출 속도 조건에서 계단형 시험편을 주조함.
3.3. 내부 결함 및 미세조직 분석: Nikon XT H225 장비로 기공을 측정하고, 5% 질산 에칭액을 사용하여 부식시킨 후 광학 현미경으로 α-Mg 상과 공정 조직을 관찰함.
3.4. 기계적 특성 평가: 워터젯으로 가공된 4mm 두께 시편에 대해 1 mm/min 속도로 인장 시험을 수행하고, 5 kgf 하중으로 비커스 경도를 측정함.

4. Key Results

사출 속도가 2.0 m/s에서 5.0 m/s로 증가할 때 기공 부피는 증가하였으나, 인장 강도는 약 150 MPa에서 200 MPa 수준으로 향상되었습니다. 비커스 경도 역시 사출 속도 증가에 따라 상승하였으며, 특히 시험편의 평면부와 계단부 사이의 경도 편차가 줄어드는 경향을 보였습니다. 5.0 m/s 조건에서는 미세한 α-Mg 조직이 형성되어 강도 향상에 기여한 반면, 2.0 m/s 조건에서는 냉각 속도가 느려 조대한 수지상 조직이 발달하여 기계적 성질이 저하되었습니다. 시뮬레이션은 공기 혼입 기공의 경향성은 잘 예측하였으나, 실제 CT 결과와 비교했을 때 수축 기공의 누락으로 인해 전체 기공 부피를 과소평가하는 한계를 보였습니다.

Figure List

1. Fig 1. 계단형 시험편의 개략도
2. Fig 2. 주조 측면을 보여주는 게이트 러너 모델
3. Fig 3. 다이캐스팅 장비의 개략도
4. Fig 4. 중첩 토모그래피 분석 방식
5. Fig 5. X선 CT 분석 방법 (자동 분석 및 히스토그램 분석)
6. Fig 6. 인장 시험편 규격 및 경도 측정 지점
7. Fig 7. 16mm 두께에서의 기공 분포 (수축 기공 및 구형 기공)
8. Fig 8. 2차 사출 속도와 기공 부피의 상관관계
9. Fig 9. 2차 사출 속도와 기공 수의 상관관계
10. Fig 10. 공기 혼입 및 수축 기공이 결합된 복합 기공 형상
11. Fig 11. 주조 조건과 4mm 두께 시편의 인장 응력 관계
12. Fig 12. 주조 조건과 4mm 두께 시편의 비커스 경도 관계
13. Fig 13. 2.0 m/s 사출 속도에서의 표면 미세조직 (계단부 및 평면부)
14. Fig 14. 5.0 m/s 사출 속도에서의 표면 미세조직 (계단부 및 평면부)

References

1. Beals, R., et al. (2004). Fundamental Research Needs for Magnesium Powertrain Cast Components.
2. Cao, H., et al. (2019). Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction.
3. Cleary, P. W., et al. (2014). Flow analysis and validation of numerical modelling.
4. Ibrahim, M. D., et al. (2020). Numerical and Experimental Analysis on Runner and Gate Positioning.
5. Sun, Z., et al. (2020). Microstructure, Tensile Properties and Fracture Behavior of HPDC Magnesium Alloy AZ91.

Technical Q&A

Q: 사출 속도가 증가함에도 불구하고 인장 강도가 향상되는 이유는 무엇입니까?

사출 속도가 높아지면 캐비티 내부로 용탕이 유입되는 시간이 단축되어 응고가 시작되기 전 용탕의 온도 저하를 최소화할 수 있습니다. 이는 용탕이 캐비티 전체에 빠르게 퍼지게 하며, 결과적으로 냉각 속도를 높여 α-Mg 상의 성장을 억제하고 미세한 조직을 형성하게 합니다. 기공 부피가 다소 증가하더라도 이러한 미세조직 강화 효과가 재료의 전체적인 기계적 강도 향상을 주도하기 때문입니다.

Q: 시뮬레이션 결과와 실제 X선 CT 측정값 사이에 50% 이상의 오차가 발생하는 원인은 무엇입니까?

본 연구에서 사용된 시뮬레이션 모델은 주로 용탕 유동에 의한 공기 혼입(Air entrainment)을 계산하는 데 집중되어 있습니다. 그러나 실제 주조 과정에서는 용탕의 상변화에 따른 체적 감소로 발생하는 수축 기공(Solidification shrinkage)이 상당 부분 존재합니다. 시뮬레이션이 이러한 복합적인 기공 형성 메커니즘을 모두 반영하지 못했기 때문에 실제 측정된 기공 부피보다 낮게 산출된 것입니다.

Q: 2.0 m/s의 낮은 사출 속도에서 관찰된 기공의 특징은 무엇입니까?

낮은 사출 속도에서는 용탕의 충전 속도가 느려 금형 벽면에서 응고가 더 빠르게 진행됩니다. 이로 인해 용탕 내부로의 압력 전달이 효과적으로 이루어지지 않아 아치형(arch-like) 모양의 수축 기공이 주로 발생합니다. 이러한 기공은 주로 벽면 근처에 분포하며, 재료의 연속성을 해쳐 기계적 강도와 경도를 크게 저하시키는 원인이 됩니다.

Q: Mg-Al-Th-RE 합금에서 Th와 RE 원소의 역할은 무엇입니까?

Th(토륨)와 La(란타넘)과 같은 희토류(RE) 원소는 마그네슘 합금의 고온 내열성을 향상시키는 역할을 합니다. 또한 Ca(칼슘)과 Sr(스트론튬)은 합금의 발화 온도를 높여 난연성을 부여합니다. 이러한 원소들의 조합은 마그네슘 합금이 자동차 엔진 부품과 같이 고온 환경에서 작동해야 하는 부품에 적용될 수 있도록 물리적 한계를 극복하게 해줍니다.

Q: 비커스 경도 측정에서 시험편의 위치(Step side vs Flat side)에 따라 차이가 발생하는 이유는 무엇입니까?

게이트를 통해 유입된 용탕의 흐름이 평면부(Flat side)보다 계단부(Step side)에서 더 복잡하고 빠르게 진행되기 때문입니다. 특히 낮은 사출 속도에서는 평면부의 응고가 지연되면서 조대한 수지상 조직이 형성될 가능성이 높습니다. 반면 높은 사출 속도에서는 강한 유동이 양쪽 면의 냉각 속도 차이를 줄여주기 때문에 경도 값의 편차가 감소하게 됩니다.

Conclusion

본 연구는 고압 다이캐스팅 공정에서 사출 속도가 Mg-Al-Th-RE 합금의 품질에 미치는 복합적인 영향을 규명하였습니다. 실험 결과, 사출 속도의 증가는 공기 혼입에 의한 기공 부피를 증가시키지만, 동시에 급속 냉각을 유도하여 미세조직을 치밀하게 만듦으로써 최종적인 기계적 성능을 향상시킨다는 결론을 얻었습니다. 특히 5.0 m/s의 사출 속도에서 가장 우수한 인장 강도와 경도 특성을 보였으며, 이는 조대한 α-Mg 상의 성장을 억제한 결과입니다.

또한, 현재의 주조 시뮬레이션 기술이 수축 기공을 예측하는 데 한계가 있음을 확인하였으며, 향후 더욱 정밀한 품질 예측을 위해서는 공기 혼입과 응고 수축을 동시에 고려한 통합 모델의 개발이 필요함을 시사합니다. 본 연구 데이터는 고성능 마그네슘 합금 부품의 제조 공정 최적화를 위한 중요한 기술적 자산이 될 것입니다.

Source Information

Citation: Yuki Kashiwabara, Mohd Danial Ibrahim, Lidyana Binti Roslan, Hitoshi Watanabe, Yuta Sunami (2021). Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure Die Casting of Mg-RE Alloy. MM Science Journal.

DOI/Link: 10.17973/MMSJ.2021_10_2021085

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