마그네슘 합금 번역(한국어 원본)오늘날 자동차의 연비 향상과 배출가스 감소, 휴대전자기기 등의 휴대성을 높이기 위해 경량합금소재(lightweight metals)를 이용한 고강성 및 경량화 제품 설계에 연구가 집중되고 있다[1-2]. 특히 마그네슘 합금은 기존의 경량화 재료인 알루미늄 합금과 비교하여 더 우수한 경량성을 지닐 뿐만 아니라 높은 비강도와 용접성 그리고 부식저항성이 우수하다. 또한 플라스틱 재질과 다르게 친환경적이며 금속특유의 고급스러운 표면을 가지고 있어 경량 소재로 각광 받고 있다.
마그네슘 합금은 그동안 주로 다이캐스트(die-casting)를 사용하여 제품이 제작되었으나 최근 마그네슘 합금 판재를 사용한 성형공법(stamping)이 활발하게 연구되고 있다. 권기태 외 2명[1]은 마그네슘 판재를 이용해 원형 및 사각 딥드로잉 성형성 평가를 진행하였고, 고온일수록 성형성이 좋아짐을 확인하였다. 김형종 외 1명[2]은 마그네슘 합금판재의 광범위한 시험을 진행하여 데이터 베이스를 구축하고 온간 성형특성을 평가하기 위한 실험적 기반을 제공하였다. 위의 연구에서는 제한적인 모델과 판재 성형 기술 연구에만 적용하고 있다. 이것은 마그네슘 합금 판재가 다른 금속판재와 다르게 상온에서 슬립(slip), 쌍정(twin), 역쌍정(untwin)과 같은 특이 거동에 의한 비대칭 응력-변형률 거동이 나타나고, 적정 온도 이상에서는 특이 거동이 사라지는 특징을 가지고 있기 때문이다(Fig. 1). 이러한 특이 거동은 인장 및 압축의 반복하중 시험에 의해 구현이 되며 미국[3]과 일본[4]에서는 이러한 시험을 진행하며 마그네슘 합금 판재에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 본 연구에서는 특이거동을 보이는 마그네슘 합금 판재의 기계적 거동을 확보하기 위해 온도를 고려할 수 있고, 반복 하중(인장-압축, 압축-인장)이 가능한 시험기 개발에 대해 서술하였다. 그리고 개발된 시험기에 대해 성능 평가를 실시하였고, 시험기를 통해 마그네슘 합금 판재의 인장 및 압축의 반복 하중 데이터를 얻었다.
현재 개발된 판재용 인장-압축 시험기는 수직형과 수평형이 각각 있으며, 본 연구에서는 오하이오 주립대의 Wagoner그룹3)과 동경농공대의 Kuwabara 그룹4)에서 설계된 시험기의 특성을 분석하여 기본적인 설계 방향을 결정하였다. 시험기는 시편의 정렬(align) 및 좌굴(Buckling)을 방지하기 위해 수평형 방식을 적용하였으며 2개의 가이드 레일(Guide rail) 시스템과 일체형 지그의 가이드 홈을 이용하였다. 그리고 가이드 레일을 통해 일축방향으로 시험 속도를 0.001mm/min부터 1,000mm/min까지 다양한 속도를 고려할 수 있도록 설계하였다. Fig. 1에 가이드 레일 시스템을 나타내었다. 또한 400℃ 이상의 온도에서 다양한 하중조건으로 시험 할 수 있도록 설계되었으며 온도의 성능을 최대화 하기 위해서 상부에 열전대(Heat cartridge) 2개, 하부에 열전대 3개를 장착하였다. 그리고 열변형을 최소화하기 위해 냉각채널 및 단열재를 장착하여 구조물의 열변형을 최소화 하였다.
변형률 측정 장비로서는 레이저 신장계(Laser extensometer)를 이용하였다. 여러 변형률에 따른 거동 분석을 위해 변위제어와 변형률 제어가 가능하도록 설계하였고, 추가적으로 하중제어까지 가능하도록 설계하였다. Fig. 2에 온도 시스템 및 변형률 측정 시스템을 나타내었다.
압축시험 시 발생할 수 있는 좌굴 현상을 제어하기 위해서 수직하중(Side force)으로 최대 1ton까지의 압력을 발생시킬 수 있는 유압 실린더를 상부에 설치하였다. 그리고 인장 및 압축시에 나타나는 수직하중의 이력을 실시간으로 확인 가능하도록 지시계(Indicator)를 설치하였으며 데이터로 얻을 수 있도록 구성하였다. Fig. 3에 수직하중 시스템을 나타내었다.
Fig. 4는 개발된 시험기의 형상이다. 시험기의 용량은 3ton으로 경량합금 소재의 시험을 진행하기에 충분한 용량을 확보하였다.
개발된 인장-압축 시험기의 신뢰성을 검증하기 위해 시험 데이터와 만능재료시험기를(Universal Testing Machine) 통해 얻은 시험 데이터를 비교하였다. 시험 조건은 상온이며 인장시험 속도는 2mm/min이고, 시험에 사용된 시편은 ASTM E8 규격을 사용하였다. 변형률 측정은 간접방식의 laser extensometer를 사용하였다. 데이터는 각각 3회 이상씩 수행하여 같은 경향을 보이는 데이터의 평균 값을 사용하였으며, 비교 결과 일치함을 확인할 수 있었다. Fig. 5에 비교한 그래프를 나타내었다.
온간 시험 시 가장 중요한 요소는 가열 성능이다. 가열성능을 최대화 하기 위해서 Fig. 6와 같이 상부와 하부 다이에 직접방식의 가열 카트리지를 각각 2개, 3개를 설치하여 성능을 평가하였다. 시편의 온도 분포를 측정하기 위해 시편의 길이 방향으로 Fig. 7과 같이 5개의 지점에서 온도를 측정하였으며 폭 방향으로의 온도분포는 동일할 것으로 판단하여 무시하였다. 시험기의 각 온도 구간(100, 150, 200, 250, 300℃)까지 도달하는 시간은 약 10분 이내로 측정되었으며, 시편이 목표 온도까지 도달하는 시간도 10분 이내임을 확인 할 수 있었다. 그러나 그립부의 열 전달 손실과 시편 표면의 대류 손실등으로 인하여 시험기의 세팅 온도는 시편의 목표 온도와 차이가 약 5:4임을 확인 할 수 있었다. Table 1에 히트 카드리지의 세팅 온도에 따른 시편의 최종 온도를 나타내었다. 온도를 고려한 시험 시 중요한 자료가 될 수 있다.
시편의 온도 분포 측정 결과 시편의 중심으로부터 좌우 15mm구간에서는 균일한 온도 분포를 확인 할 수 있으며 25mm구간에서는 약 30℃의 차이를 보였다. Fig.8에 결과를 나타내었다. |
마그네슘 합금 번역(영어 번역본)These days, research is being focused on rigid and lightweight product design using lightweight alloy materials (lightweight metals) to enhance fuel efficiency and reduce emission gas in cars, and increase the mobility of mobile electronic devices [1-2]. Especially, Mg alloy not only has superior lightness compared to Al alloy, an existing lightweight material, but also has high specific strength and weldability, as well as excellent corrosion resistance. It is also receiving much interest as a lightweight material because, unlike plastic materials, it is environment friendly and possesses a classy surface unique to metals.
Mg alloy has been manufactured mainly using die-casting, but recently, a stamping method that uses Mg alloy sheets is being actively studied. Kwon K.T. et al.[1] conducted a formability evaluation of circle and rectangle deep drawing process using Mg sheet, and confirmed that the formability is better at high temperature. Kim H.J. et al.[2] conducted a wide scale test on Mg alloy sheets, established a database, and provided an experimental base to evaluate warm compaction characteristics. The above research, however, only applies it to a limited model and sheet forming technology research. This is because, unlike other metal sheets, a Mg alloy sheet shows asymmetric stress-strain behavior due to singular behavior such as slip, twin, and untwin at room temperature, and such singular behavior disappears at above a certain temperature (Fig. 1). Such singular behavior is materialized by a tension-compression cyclic loading test, and research on Mg alloy sheets is being actively done in the US[3] and Japan[4] by conducting such test. Therefore, this research describes the development of a tester that considers temperature and can perform cyclic loading(tension-compression, compression-tension) to obtain the mechanical behavior of a Mg alloy sheet, which shows singular behavior. A performance evaluation of the developed tester was also conducted, and tension-compression cyclic loading data of Mg alloy sheet was obtained through the tester.
There is a vertical type and horizontal type for currently developed sheet tension-compression testers. In this research, basic design principles were decided by analyzing the characteristics of testers designed by Wagoner’s team at Ohio State University3) and Kuwabara’s team at Tokyo University of Agriculture and Technology4). The horizontal type was applied to prevent aligning and buckling, and two guide rail systems and a comprehensive jig guideway were used. It was designed to consider various test speeds in the uniaxial direction, from 0.001mm/min to 1,000mm/min, with the guide rails. The guide rail system is shown in Fig. 1. The tester was also designed to test various load conditions at 400℃ or above, and heat cartridges were installed, 2 on the top and 3 on the bottom respectively, to maximize temperature performance. In addition, a cooling channel and heat insulators were installed to minimize heat deformation of the structure.
A laser extensometer was used as a strain measurement device. It was designed to be able to control displacement and strain when analyzing behavior based on various strains, as well as to conduct load control. The temperature system and strain measurement system are shown in Fig. 2.
To control buckling that can occur during compression testing, a hydraulic cylinder that can create pressure of up to 1 ton with vertical load(side force) was installed on the top. Also, an indicator was installed so that the vertical load’s hysteresis, which appears under tension and compression, can be checked in real-time and retrieved as data. The vertical load system is shown in Fig. 3.
Fig. 4 displays the shape of the developed tester. The tester’s capacity is 3 tons, which is enough to conduct a lightweight alloy test.
The test data and data obtained through a universal testing machine were compared to verify the reliability of the developed tension-compression tester. The test was conducted in room temperature, the tension testing speed was 2mm/min, and the ASTM E8 standard was used for the test sample. A non-contact laser extensometer was used to measure strain. The average values of data showing the same tendency were used after conducting the tests more than 3 times respectively, and comparing the results verified that the two matched each other. A comparative graph is shown in Fig. 5.
The most important factor in warm testing is heating performance. To maximize heating performance, direct contact heat cartridges were installed, 2 on the upper die and 3 on the lower die as shown in Fig. 6, and the performance was evaluated. To measure the temperature distribution of the sample, the temperature was measured at 5 points in the longitudinal direction of the sample, as shown in Fig. 7, while the temperature distribution in the width direction was ignored because it was evaluated to be even. The time to reach each temperature section of the tester (100, 150, 200, 250, 300℃) was measured to be within approximately 10 minutes, and the time for the sample to reach the targeted temperature was also within 10 minutes. However, the difference between the set temperature of the tester and the sample’s target temperature was approximately 5:4, due to heat transmission loss in the grip region and convection loss at the sample surface. In Table 1, the sample’s final temperatures based on the setting temperature of the heat cartridge are listed. This can be an important reference when conducting a test that considers temperature.
Measuring the temperature distribution of the sample, even temperature distribution was verified on both sides of the 15mm section from the sample’s center, while there was approximately 30℃ difference at the 25mm section. The results are shown in Fig.8. |
