마그네슘 합금판재 연구논문 번역(한국어 원본)최근 자동차 산업은 지구 온난화 현상과 에너지 절약 대책에 대한 관심이 높아지면서 에너지 절감 효과를 위해 경량 재료를 적용하고 있다. 경량 재료에는 알루미늄 합금, 마그네슘 합금, 티나늄 합금, 탄소섬유 강화 플라스틱 등이 있다. 특히 유럽, 일본 등 수송기기 산업분야를 선도하는 국가에서는 차체 경량화를 통한 연비 향상을 위해 마그네슘 합금에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 마그네슘 합금은 비중이 1.74g/cm3로 알루미늄 합금의 2/3, 티타늄 합금의 1/3, 철의 1/5에 해당하는 대표적인 경량재료로써 높은 비강도와 진동 흡수성, 부식저항성이 우수하다. 종래에는 주로 용융된 마그네슘을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 다이캐스팅 공법에 의해서 제품이 생산되었다. 하지만 이러한 제품은 기계적 강도 미흡, 높은 후처리 비용, 박육 제품 성형의 어려움 등의 이유로 적용 범위가 제한적이다. 따라서 최근에는 마그네슘 합금 판재를 이용한 프레스 가공의 연구가 활발하게 연구되고 있다.
마그네슘 합금 판재는 기존 금속 판재와는 다른 기계적 특성을 갖는다. 특히 상온에서 인장과 압축 시 상이한 초기 항복 응력(Yield stress)과 항복 이후 응력 비대칭 거동을 보이며 이방성이 크고 슬립, 쌍정, 역쌍정과 같은 특이 거동이 나타난다. 그리고 적정 온도 이상에서는 이러한 특이 거동이 사라진다. 일반적으로 마그네슘 합금 판재는 성형성이 증가되는 200℃ 이상의 온도에서 성형이 진행되며 펀치와 다이의 온도를 다르게 적용하여 비등온으로 이루어 진다. 하지만 아직까지 마그네슘 제품 양산 사례는 없는 상태이며, 기초연구만이 활발히 진행 중이다.
마그네슘 합금 판재를 이용하여 제품을 생산하기 위해서는 성형성 극대화 기술 확보가 매우 중요하다. 따라서 마그네슘 합금 판재의 재료 데이터를 구축하고 성형해석 기술을 개발하여 공정 중간에 발생하는 결함 및 문제점을 예측해야 한다. 또한 공정 설계 및 스프링백 감소 방안을 모색하여 공정 최적화를 진행해야 한다.
본 연구에서는 그 첫 단계의 일환으로 마그네슘 합금 판재 AZ31B의 기계적 물성 평가를 수행하였다. 온도를 고려한 단축 인장 시험을 진행하였고, 경량합금 전용 인장-압축 시험기를 개발하여 반복 하중 시험을 진행하였다. 온도를 고려하였고 하중 조건은 인장-압축-인장, 압축-인장-압축 이다. 따라서 마그네슘 합금 판재의 특이거동을 확인하고 시험기의 성능평가 및 시험 데이터의 신뢰성을 확인하였다. 그리고 재료 시험 데이터를 이용해 NUMISHEET 2011 벤치마크 모델로 제시 되었던 십자형상 금형 Cross- shaped cup 모델 성형해석(stamping analysis)을 수행하였다. 온도 조건에 따른 해석을 진행하고 시험 결과와 비교 분석하였다. 마지막으로 자동차 부품에 적용하여 온도에 따른 마그네슘 합금 판재의 성형성을 평가하였고, 성형공정 중 발생하는 오류 및 문제점을 확인하여 공정 설계를 제안하였다. 그리고 시제품을 제작하여 해석 결과와 비교 평가하였다.
현재 개발된 판재용 인장-압축 시험기는 수직형과 수평형이 각각 있으며, 본 연구에서는 오하이오 주립대의 Wagoner그룹과 동경농공대의 Kuwabara 그룹에서 설계된 시험기의 특성을 분석하여 설계 방향을 결정하였다. 시험기는 시편의 정렬 및 좌굴(Buckling)을 방지하기 위해 수평형 방식을 적용하였고 2개의 가이드 레일(Guide rail) 시스템과 일체형 지그의 가이드 홈을 사용하였다. 시험기 속도는 가이드 레일을 통해 일축방향으로 0.001mm/min부터 1,000mm/min까지 고려할 수 있도록 설계하였다. Fig. 1에 가이드 레일 시스템을 나타내었다.
온도는 상온에서 400℃ 까지 다양한 하중조건으로 시험 할 수 있도록 설계하였고 온도의 성능을 최대화 하기 위해서 상부에 Heat cartridge 2개, 하부에 Heat cartridge 3개를 장착하였다. 그리고 열변형을 최소화하기 위해 냉각채널 및 단열재를 장착하여 구조물의 열변형을 최소화 하였다.
변형률 측정은 Laser extensometer를 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 buckling을 방지하기 위해서 시편의 두께방향으로 수직하중(Side force)이 작용하도록 설계하였다. 추를 이용한 Dead weight 방식을 적용하여 인장 및 압축 시 균일한 힘을 유지할 수 있도록 하였다. 하중 비율은 1:10으로 10Kgf의 추를 사용하면 100kgf의 힘을 가할 수 있도록 설계하였다. 그리고 인장 및 압축 시에 나타나는 수직하중의 이력을 실시간으로 확인할 수 있게 Indicator를 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 기존의 인장시험기(INSTRON5882)를 통해 얻은 시험 데이터를 비교하였다. 시험에 사용된 시편은 ASTM E8 규격이고 온도 조건은 상온이다. 변형률 속도는 0.001/s이고, 변형률 측정은 Laser extensometer를 사용하였다. 데이터는 각각 3회 이상씩 수행하여 같은 경향을 보이는 데이터의 평균값을 사용하였다. 비교 결과 일치함을 확인하였다. Fig. 5에 비교한 그래프를 나타내었다. |
마그네슘 합금판재 연구논문 번역(영어 번역본)With increasing awareness of global warming and energy saving policies, the automotive industry has begun to use lightweight material to reduce energy consumption. Examples of lightweight materials include aluminum alloy, magnesium alloy, titanium alloy, and carbon fiber reinforced plastic. Notably, European countries and Japan are leaders in the transportation vehicle industry, and they are actively conducting research on magnesium alloy to improve fuel economy through weight reduction. Magnesium alloy is a representative lightweight material that has density of 1.74 g/cm3, which is 2/3 of aluminum alloy, 1/3 of titanium alloy, and 1/5 of iron. It has high specific strength and vibration damping properties, and also has excellent resistance to corrosion. In the past, products were mainly manufactured by die casting, which involves injecting molten magnesium to obtain a cast that has the same shape as the mold. However, such products have inadequate mechanical strength, high cost of post-processing, and difficulty in thin wall molding, which limit their usefulness. Recent research trend has focused on press forming using magnesium alloy plate.
Magnesium alloy plate has different mechanical properties from conventional metal plates. It has asymmetry between the initial yield stress and stress after yielding when extended or compressed at room temperature, has high anisotropy, and exhibits unusual behaviors such as slip, twinning, and detwinning. Also, these behaviors disappear above certain temperature. Magnesium alloy plate is generally formed above 200 ℃ at which its formability increases, and under non-isothermal conditions using different temperatures for the punch and the die. Currently, magnesium products are only being researched and they are yet to be mass produced.
For commercial production of products using magnesium alloy plates, it is necessary to develop technology to maximize their formability. Toward this goal, material database of magnesium alloy plate must be constructed and forming analysis technique must be developed to predict defects and problems that arise during processing. Also, process design and spring back reduction methods are required for process optimization.
As a first step toward commercial application of magnesium alloy plates, we evaluated mechanical properties of magnesium alloy plate AZ31B. We conducted uniaxial tensile test at various temperatures, and developed a tensile-compression tester for lightweight alloys for repeated load tests. Temperature was varied, and loading conditions were tension-compression-tension and compression-tension-compression. Through these experiments, we observed the unusual behavior of magnesium alloy plates, evaluated the performance of the tester, and confirmed the reliability of the test data. Also, material test data was used for stamping analysis of cross-shaped cup model that was proposed as the NUMISHEET 2011 benchmark model. Analysis was performed for each temperature and compared to the experimental results. Finally, the analysis was applied to automotive parts to evaluate the formability of magnesium alloy plate at different temperatures, and errors and problems that occurred during forming process were identified. From these results, we propose a process design, and manufactured a prototype to compare with the analysis results.
There are vertical and horizontal tensile-compression testers developed thus far. In this research, we analyzed characteristics of testers designed by the Wagoner group at the Ohio State University and the Kuwabara group at Tokyo University of Agriculture and Technology as references for the tester design. The tester was designed as a horizontal type for alignment of specimen and to prevent buckling, and used two guide rails and integrated jig guide groove. Tester speed was designed to vary from 0.001 mm/min to 1,000 mm/min uniaxially through the guide rails. The guide rail system is shown in Fig. 1.
Tester was designed to allow testing from room temperature to 400 ℃, and under various loading conditions. To maximize thermal performance, two heat cartridges were attached to the upper part and three heat cartridges were attached to the lower part. To minimize thermal deformation of the structure, cooling channels and insulators were attached.
Strain measurement was performed using laser extensometer. It was designed to allow displacement and strain control for analysis of various strains, and also to allow load control. Fig. 2 shows temperature control system and strain measurement system.
The tester was designed such that the side force is applied in the direction of specimen’s width in order to prevent potential buckling during compression. Dead weight method was used to maintain constant force during tension or compression. Design load ratio was 1:10 such that 10 kgf weight would produce 100 kgf of force. Also, indicator was installed to check the profile of vertical load during tension and compression in real-time and to record the measurement data. Fig. 3 shows the vertical load system.
Fig. 4 shows the tester. Tester capacity was designed as 3 tons, which was sufficient for testing lightweight alloy materials.
To validate the reliability of the tensile-compression tester, data from the tester and conventional tensile tester (INSTRON 5882) were compared. Specimen was machined according to ASTM E8 specifications, and tests were conducted at room temperature. Strain rate was 0.001/s, and strain was measured using laser extensometer. Measurements were conducted three or more times, and average of data with similar trends were used. Data from the two testers were shown to match. Fig. 5 shows the graph of data from the testers. |
