다이캐스팅용 마그네슘 합금: 유형 및 특성

다이캐스팅에 가장 널리 사용되는 마그네슘 합금은 AZ91D, AM60B 및 AM50A입니다. — 각각은 다양한 엔지니어링 요구 사항에 적합한 강도, 연성 및 주조성의 뚜렷한 균형을 제공합니다. AZ91D는 강도와 내부식성의 최상의 조합으로 범용 응용 분야를 지배하는 반면, AM60B 및 AM50A는 경도보다 에너지 흡수 및 연신율이 더 중요한 곳에서 선호됩니다. 마그네슘 합금 다이캐스팅 마그네슘은 자동차, 전자, 항공우주 부문에서 가치가 높습니다. 가장 가벼운 구조용 금속 , 알루미늄보다 약 33% 가벼우며 강철보다 75% 가벼워 구조적 무결성을 유지하면서 무게를 크게 줄일 수 있습니다.

다이캐스팅에 마그네슘이 사용되는 이유

마그네슘 합금은 여러 가지 상호 연관된 이유로 고압 다이캐스팅(HPDC)에 매우 적합합니다. 순수한 마그네슘의 밀도는 1.74g/cm3 — 알루미늄의 경우 2.70g/cm3, 강철의 경우 7.87g/cm3에 비해 질량 감소가 설계 우선순위일 때 선택하는 것이 좋습니다.

무게 외에도 마그네슘 합금은 상업적으로 매력적인 가공상의 이점을 제공합니다.

• 주조 온도에서 우수한 유동성: 마그네슘 합금은 얇은 벽 부분으로 쉽게 흐릅니다. 0.6~1.0mm , 단일 샷으로 복잡하고 거의 그물 모양의 부품을 가능하게 합니다.
• 빠른 사이클 시간: 마그네슘은 빠르게 응고됩니다. 사이클 시간은 일반적으로 25~50% 더 빨라짐 동급의 알루미늄 다이캐스팅보다 부품당 생산 비용이 절감됩니다.
• 용융물의 낮은 열 함량: 낮은 열 질량은 다이 열 피로를 줄여 다이 수명을 최대 알루미늄 대비 2~3배 .
• 우수한 가공성: 마그네슘은 가공하기 가장 쉬운 금속 중 하나이며 절단 속도는 최대 10배 더 빨라짐 강철보다 공구 마모가 덜 필요합니다.
• 높은 강도 대 중량 비율: 마그네슘 합금은 많은 알루미늄 합금 및 일부 강철과 경쟁할 수 있는 특정 강도 값을 달성합니다.

이러한 특성으로 인해 마그네슘 합금 다이캐스팅은 자동차 계기판 구조, 스티어링 컬럼 브래킷, 시트 프레임 및 가전제품 하우징의 표준 부품이 되었습니다.

다이 캐스팅에 가장 널리 사용되는 마그네슘 합금

마그네슘 다이캐스팅 합금은 ASTM에서 정의한 문자 번호 체계로 지정됩니다. 문자는 1차 및 2차 합금 원소(A = 알루미늄, Z = 아연, M = 망간, S = 실리콘, E = 희토류)를 나타내고 숫자는 대략적인 중량 백분율을 나타냅니다.

AZ91D — 업계의 주력 제품

AZ91D에는 대략 다음이 포함됩니다. 알루미늄 9% 및 아연 1% , 내식성을 위해 망간 함량을 조절했습니다. 대략적으로 설명하면 전체 마그네슘 다이캐스팅 생산량의 90%를 차지 전 세계적으로 특별한 기능 요구 사항이 다른 합금을 선호하지 않는 경우 기본 선택입니다.

AZ91D는 철, 구리 및 니켈 불순물 제한(각각 0.005% 미만)을 엄격하게 제어하여 표준 다이캐스팅 합금 제품군에서 가장 높은 항복 강도와 최고의 인장 강도, 우수한 주조성 및 일반적인 Mg-Al 합금의 최고의 일반 내식성을 제공하기 때문에 선호됩니다.

AM60B — 연성 및 에너지 흡수

AM60B에는 다음이 포함됩니다. 알루미늄 6% 및 망간 0.3% 아연을 첨가하지 않은 것. 알루미늄을 9%에서 6%로 줄이면 강도는 약간 감소하지만 연신율은 크게 증가합니다. AM60B는 8% 신장 AZ91D의 3%와 비교됩니다. 이로 인해 충돌 에너지 흡수가 설계 요구 사항인 스티어링 휠, 시트 프레임 및 도어 내부 패널과 같은 자동차 안전에 중요한 구성 요소에 선호되는 합금입니다.

AM50A — 최대 연성

AM50A에는 다음이 포함됩니다. 알루미늄 5% 가장 높은 신장률을 제공합니다( 최대 10% ) 표준 다이캐스팅 합금보다 인장 강도가 낮습니다. 컨버터블 차량의 계기판 크로스 카 빔 및 전복 보호 구조와 같이 파손되기 전에 최대 변형이 필요한 응용 분야에 사용됩니다.

AS41B 및 AE44 — 고온 합금

표준 AZ 및 AM 합금은 다음보다 큰 크리프 저항을 잃습니다. 120°C 결정립계에서 Mg₁₇Al₁₂ 금속간 상이 연화되기 때문입니다. 변속기 케이스, 오일 팬, 엔진 브래킷과 같은 파워트레인 애플리케이션의 경우 고온 합금이 필요합니다.

• AS41B (4% Al, 1% Si): 실리콘 첨가로 열적으로 안정한 Mg₂Si 석출물을 형성하여 크리프 저항성을 최대로 향상시킵니다. 150°C .
• AE44 (4% Al, 4% 희토류): 희토류 첨가(세륨, 란타늄)로 고온 강도와 크리프 저항이 최대 175°C , BMW 및 Porsche 엔진 크래들 및 변속기 하우징에 사용됩니다.

주요 다이캐스팅 합금의 기계적 성질 비교

아래 표는 ASTM 표준에 따라 가장 중요한 마그네슘 다이캐스팅 합금의 주요 기계적 특성을 비교하여 합금 선택을 위한 데이터 기반 기반을 제공합니다.

마그네슘 합금 다이캐스팅의 주요 응용 분야

마그네슘 합금 다이캐스팅은 다양한 산업 분야에서 사용되며 자동차가 대략적으로 가장 큰 시장을 나타냅니다. 총 소비량의 70% .

자동차 산업

차량에 절약된 1kg은 연료 소비를 대략적으로 줄여줍니다. 100km당 0.06~0.08리터 차량의 수명에 걸쳐. 일반적인 마그네슘 다이캐스트 자동차 부품은 다음과 같습니다.

• 계기판 구조 및 크로스카 빔(AM60B, AM50A)
• 스티어링 휠 뼈대 및 컬럼 브래킷(AM60B)
• 변속기 케이스 및 트랜스퍼 케이스 하우징(AZ91D, AE44)
• 시트 프레임 및 도어 내부 패널(AM60B)
• 고온 영역의 엔진 브래킷 및 오일 팬(AS41B, AE44)

가전제품

전자 산업에서는 노트북 하우징, 카메라 본체, 스마트폰 구조 프레임 및 태블릿 쉘에 AZ91D를 광범위하게 사용합니다. 마그네슘이 제공하는 것 탁월한 EMI(전자기 간섭) 차폐 - 최대 감쇠 90dB 30MHz ~ 1GHz의 주파수에서 - 플라스틱 인클로저에 비해 상당한 이점이 있습니다.

항공우주 및 국방

모든 그램이 중요한 항공우주 분야에서는 헬리콥터 기어박스 하우징, 항공기 좌석 프레임 및 항공전자 인클로저에 마그네슘 합금 다이캐스팅이 사용됩니다. 희토류가 첨가된 특수 합금은 작동 온도가 150°C를 초과하는 경우에 사용됩니다.

전동 공구 및 스포츠 장비

전동 공구 하우징, 전기톱 본체, 자전거 부품은 마그네슘의 가벼운 무게와 충분한 강성의 장점을 결합합니다. AZ91D는 이러한 응용 분야의 표준 합금으로, 완성된 부품의 무게를 다음과 같이 줄입니다. 유사한 알루미늄 주물에 비해 30-35% .

마그네슘 합금의 다이 캐스팅 공정

마그네슘 합금 다이캐스팅은 두 가지 주요 공정 변형을 사용하여 생산되며 각각 뚜렷한 장점이 있습니다.

핫 챔버 다이 캐스팅

대부분의 마그네슘 다이캐스팅은 핫 챔버(구즈넥) 공정을 사용합니다. 마그네슘의 낮은 철 용해도로 인해 주입 시스템이 심각한 침식 없이 용융물에 잠길 수 있기 때문입니다. 마그네슘 핫 챔버 주조의 주요 매개변수는 다음과 같습니다.

• 용융 온도: 합금에 따라 620~680°C
• 사출 압력: 35~105MPa
• 다이 온도: 180~260°C
• 사이클 시간 이점: 콜드 챔버 알루미늄 주조보다 40~60% 더 빠릅니다.

콜드 챔버 다이 캐스팅

콜드 챔버 주조는 핫 챔버 기계 용량이 부족한 더 크고 무거운 마그네슘 부품에 사용됩니다. 각 사이클마다 용융 금속이 샷 슬리브에 쌓입니다. 사출 압력이 더 높습니다( 70~140MPa ), 다공성이 낮고 밀도가 높은 주조물을 생산하며 자동차 구조용 응용 분야에 선호됩니다.

가공 중 용융 방지

용융된 마그네슘은 빠르게 산화되며 공기나 습기에 노출되면 발화될 수 있습니다. 현대식 다이캐스팅 시설은 용융물 표면을 보호합니다. SF₆와 CO2 또는 SO2의 덮개 가스 혼합물 또는 독점 억제제가 포함된 건조한 공기. SF₆ 농도는 다음과 같습니다. 부피 기준 0.2% 커버 가스의 산화를 억제하기에 충분합니다. 이 안전 요구 사항은 프로세스 복잡성을 추가하지만 상업 운영에서는 잘 확립되어 있습니다.

마그네슘 다이 캐스팅의 내식성

내식성은 마그네슘 합금의 가장 자주 언급되는 한계입니다. 보호되지 않은 마그네슘의 표준 전극 전위는 다음과 같습니다. -2.37V , 이는 양극성이 매우 높고 대부분의 다른 구조용 금속과 접촉할 때 갈바니 부식에 취약합니다.

그러나 현대 합금(AZ91D, AM60B)의 고순도 지정은 주요 부식 메커니즘을 다룹니다. 연구에 따르면 철분 함량을 임계 비율 이하로 제한하는 것으로 나타났습니다. 철/Mn ≤ 0.032 부식 속도를 다음 요소로 감소시킵니다. 10~100× 오래된 저순도 합금에 비해. 염수 분무 테스트(ASTM B117)에서 AZ91D는 이제 다이캐스트 알루미늄 합금 380에 필적하는 부식 속도를 달성합니다.

부식 방지를 위해 마그네슘 다이캐스팅에 적용되는 표면 처리는 다음과 같습니다.

• 마이크로 아크 산화(MAO/PEO): 10~30μm 두께의 단단한 세라믹 산화물 층을 생성합니다. 우수한 내식성과 내마모성을 제공합니다.
• 크롬이 없는 변환 코팅: 자동차 응용 분야에서 페인트 접착 베이스로 사용되는 인산염-과망간산염 또는 티타늄/지르코늄 기반 프라이머입니다.
• E-코트(전기코팅) 탑코트: 표준 자동차 도장 공정; 적절한 전처리를 거친 AZ91D 부품은 500시간 ASTM B117 염수 분무에서.
• 폴리머 파우더 코팅: 미적 특성과 내식성이 모두 요구되는 전자 하우징 및 소비재에 사용됩니다.

다이 캐스팅 프로젝트에 적합한 마그네슘 합금을 선택하는 방법

마그네슘 다이캐스팅을 위한 합금 선택은 기능적 요구 사항에 대한 구조화된 평가를 통해 이루어져야 합니다. 다음 의사결정 프레임워크를 사용하세요.

1. 작동 온도를 정의합니다. 부품의 온도가 120°C(엔진 베이, 변속기) 이상으로 지속되면 표준 AZ/AM 합금은 적합하지 않습니다. AS41B(최대 150°C) 또는 AE44(최대 175°C)를 지정하십시오.
2. 주요 기계적 요구 사항을 결정합니다. 최대 강도와 경도가 필요한 경우(하우징, 브래킷, 구조 패널) AZ91D를 선택하십시오. 연성 및 충돌 에너지 흡수가 중요한 경우(안전 부품, 시트 구조) AM60B 또는 AM50A를 선택하십시오.
3. 벽 두께와 기하학적 복잡성을 평가합니다. 매우 얇은 벽(1.5mm 미만)과 복잡한 게이팅은 AZ91D의 뛰어난 유동성으로 인해 이점을 얻습니다. AM 시리즈 합금은 유동성이 약간 낮으며 복잡한 형상의 경우 게이트 재설계가 필요할 수 있습니다.
4. 부식 환경을 평가합니다. 실외 또는 고습 노출의 경우 고순도 등급(AZ91D의 "D", AM60B의 "B"는 고순도 버전을 나타냄)을 지정하고 처음부터 적절한 표면 처리를 계획합니다.
5. 후처리 요구 사항을 고려하십시오. 부품을 용접할 경우 AM 시리즈 합금은 아연 함량이 낮기 때문에 AZ91D보다 용접성이 뛰어나 열간 균열 경향이 줄어듭니다.

대부분의 상업용 다이캐스팅 프로젝트(인클로저, 브래킷, 구조 프레임) AZ91D는 기본 시작점으로 유지됩니다. 특정 테스트나 기능 분석을 통해 AM60B, AM50A 또는 내열합금으로 전환 시 확실한 이점이 입증되는 경우에만 대체해야 합니다.