자동차 부품 제조를 위한 반고체 금속 주조 기술

TL;DR

반고체 금속(SSM) 주조는 주조와 단조의 요소를 결합한 첨단 제조 공정으로, 금속 합금을 반고체의 슬러리 형태에 가까운 상태에서 성형하는 기술입니다. 자동차 산업에서는 서스펜션 부품 및 변속기 케이싱과 같이 복잡한 형상을 가지면서도 경량화되고 높은 신뢰성을 요구하는 부품 생산에 매우 중요합니다. 이 공정은 기존 다이캐스팅 방식에 비해 기계적 강도가 우수하고 기공률이 극도로 낮은 부품을 제작할 수 있습니다.

반고체 금속(SSM) 주조 이해하기: 기본 원리 및 개념

반고체 금속(SSM) 주조는 전통적인 주조와 단조 사이의 독특한 중간 지점에서 작동하는 정밀 성형 제조 기술입니다. 이 공정은 금속 합금을 액상선(완전히 액체 상태)과 고상선(완전히 고체 상태) 사이의 온도에서 성형하는 것을 포함합니다. 이 상태는 흔히 '진흙 상태' 또는 슬러리(slurry)라고 불리며, 고체의 구상 입자가 액체 매트릭스 내에 서스펜션 형태로 존재하는 금속으로 구성됩니다. 이러한 조성은 재료에 특유의 성질인 '티크소트로피(thixotropy)'를 부여합니다. 즉, 정지 상태에서는 고체처럼 행동하지만, 금형에 주입할 때와 같이 전단력이 가해지면 액체처럼 흐릅니다.

SSM의 장점을 뒷받침하는 과학적 원리는 비수지상 미세조직에 있습니다. 일반적인 주조 공정에서 용융 금속은 냉각되면서 수지처럼 생긴 긴 결정체인 덴드라이트(dendrites)를 형성하며, 이는 기체를 포획하고 기공을 생성하여 최종 부품의 강도를 약화시킬 수 있습니다. 그러나 SSM 공정은 미세한 구형 또는 구상의 1차 고상 입자가 형성되도록 유도합니다. 이는 합금이 응고 범위를 통과하면서 교반하거나 외부 요동을 가함으로써 달성됩니다. 이렇게 만들어진 슬러리를 다이에 주입할 경우 매끄럽고 층류(laminar flow) 특성을 가지므로 고압 다이캐스팅(HPDC)에서 발생하는 난류를 최소화하여 기체 포획 및 결함을 줄일 수 있습니다.

이러한 미세조직의 근본적인 차이는 직접적으로 우수한 기계적 특성으로 이어집니다. 산업 전문가들이 상세히 설명한 바에 따르면 CEX Casting sSM을 통해 제작된 부품은 인장 강도가 높고 연신율이 개선되며 피로 저항성이 우수합니다. 조밀하고 균일한 구조 덕분에 SSM 부품은 압력 밀봉성과 높은 구조적 완전성이 요구되는 응용 분야에 이상적입니다. 주조와 유사하게 복잡한 형상을 형성할 수 있는 능력과 단조의 재료 품질을 결합함으로써 SSM은 부품 성능과 신뢰성을 최적화하려는 엔지니어에게 강력한 도구를 제공합니다.

핵심 SSM 공정: 틱소캐스팅 대 레오캐스팅

반고체 금속 주조 내 두 가지 주요 방법은 틱소캐스팅(Thixocasting)과 레오캐스팅(Rheocasting)으로, 주로 사용하는 원료와 슬러리 준비 방식에서 차이를 보입니다. 이들 간의 차이점을 이해하는 것은 특정 응용 분야에 적합한 공정을 선택하는 데 핵심입니다. 각각은 비용, 제어성 및 재료 취급 요구 사항 측면에서 고유한 균형을 제공합니다.

틱소캐스팅 이미 필요한 구상의 비수지상 미세구조를 갖춘 특수 제작된 빌릿 형태의 원자재로부터 시작된다. 이 빌릿은 자기유체역학(MHD) 교반 또는 결정립 정제와 같은 공정을 통해 생산된다. Thixocasting 공정에서 이 미리 조건화된 빌릿을 특정 슬러그 크기로 절단한 후 유도 가열로를 사용하여 반고체 온도 범위까지 재가열한다. 소정의 고체-액체 비율에 도달하면 로봇이 슬러그를 샷 슬리브로 옮기고 다이에 주입한다. 초기 미세구조가 정밀하게 설계되기 때문에 이 방법은 우수한 공정 제어성과 일관성을 제공한다.

Rheocasting , 반면에 표준 용융 금속으로부터 직접 반고체 슬러리를 생성하므로 더 비용 효율적일 수 있다. 이 공정에서는 용융 합금을 반고체 영역까지 냉각시키면서 강하게 교반하거나 저어주는 방식으로 진행된다. 이러한 기계적 또는 전자기적 교반은 형성 중인 수지상 결정(dendrites)을 분산시키고 원하는 구상(globular) 구조의 형성을 촉진한다. 일단 슬러리가 준비되면 다이로 옮겨 주입된다. 리오캐스팅(Rheocasting)은 고가의 사전 처리된 빌릿(billets)이 필요 없다는 장점이 있지만, 슬러리의 일관성과 품질을 보장하기 위해 정교한 실시간 모니터링 및 제어가 요구된다.

관련 공정인 Thixomolding®은 SSM의 맥락에서 자주 언급되며, 마그네슘 합금에 특히 두드러집니다. 이 공정은 마그네슘 합금 칩을 가열된 배럴에 공급하고 나사에 의해 전단하여 써마트로픽 슬러리를 생성한 후 주입하는 플라스틱 사출 성형과 유사하게 작동합니다. 이러한 공정 간의 선택은 생산량, 부품 복잡성 및 원가 목표에 따라 달라집니다. Thixocasting은 가장 높은 완전성을 요구하는 핵심 부품에 자주 사용되는 반면, Rheocasting은 낮은 소재 비용 가능성 덕분에 대량 생산 자동차 제조 분야에서 점점 더 주목받고 있습니다.

SSM 주조의 주요 장점 및 자동차 응용 분야

자동차 산업 분야에서의 반고체 금속 주조 도입은 경량화, 성능 및 비용 효율성이라는 산업의 핵심 과제를 직접 해결하는 매력적인 일련의 장점에 의해 추진되고 있습니다. 다음 보고서에서 지적했듯이 U.S. Department of Energy , SSM는 복잡한 기하학으로 가볍고 고강도 부품의 생산에 이상적으로 적합하며 연료 경제와 차량 역학을 개선하는 중추 기술입니다.

자동차 애플리케이션에 대한 SSM 가 casting의 주요 이점은 다음과 같습니다:

• 저해된 포러스성: 반고체 매료의 laminar, 덜 격동적인 흐름은 가스의 포착을 크게 줄여서 거의 부지런한 구성 요소로 이어집니다. 이것은 액체와 진공 시스템과 같은 압력 밀착 애플리케이션에 적합하게 만듭니다.
• 우수한 기계적 특성: 얇고 구형의 미세 구조로 인해 기존의 가루로 만든 부품에 비해 강도, 유연성, 피로 저항성이 높아진다. 이것은 성능을 희생하지 않고 더 얇은 벽을 가진 가벼운 부품의 설계를 가능하게 합니다.
• 거의 직선형 생산: SSM 가루는 고 차원 정확성과 우수한 표면 완공을 가진 부품을 생산하여 비용과 시간이 많이 소요되는 2차 가공 작업의 필요성을 크게 줄입니다.
• 열처리 가능: SSM 부품의 낮은 부도성이 기계적 특성을 더욱 향상시키기 위해 열처리를 할 수 있습니다. (예를 들어, 알루미늄 합금의 T5 또는 T6 조건) 함락된 가스로부터 분포의 위험이 있기 때문에 HPDC 부품에 대해 종종 실행 불가능한 옵션입니다.

이러한 장점들은 SSM를 점점 더 많은 중요한 자동차 부품에 대한 선호되는 방법으로 만듭니다. 특정 응용 분야는 서스펜션 관절, 변속기 껍질, 엔진 마운트, 스티어링 크, 브레이크 부품 및 통합 차체 부품입니다. 예를 들어 SSM와 함께 서스펜션 관절을 만드는 것은 수백만 회의 도로 스트레스에 견딜 수 있는 높은 피로 저항을 보장합니다. SSM는 주름과 조형 원리를 혼합함으로써 독특한 이점을 제공하지만 다른 전문 프로세스는 여전히 중요합니다. 예를 들어, 일부 고스트레스 부품은 여전히 전용 형성 기술에 의존합니다. 자동차 단조 부품은 가공된 미세 구조의 최대 강도가 가장 중요한 솔루션을 제공합니다. 자동차 제조업체에 사용할 수있는 다양한 엔지니어링 도구 세트를 보여줍니다.

SSM 기술에 대한 도전과 미래 전망

상당한 장점에도 불구하고 반탄소 금속 주름의 광범위한 채택은 역사적으로 응용을 제한 한 여러 가지 과제와 직면합니다. 주요 장애물은 과정의 복잡성과 비용과 관련이 있습니다. SSM 생산 라인을 구현하려면 인덕션 난방 시스템, 매립용 기계 및 정교한 프로세스 모니터링 도구 등 전문 장비에 대한 높은 초기 자본 투자가 필요합니다. 이 과정 자체는 부품 품질에 매우 중요한 고체-액성 비율을 유지하기 위해 온도 (일반적으로 몇도) 를 극도로 정확하게 조절해야 합니다.

또한 SSM 주름에 사용되는 과 도형의 설계는 전통적인 주름에 비해 더 복잡합니다. 반고체 매일류의 흐름 특성은 완전히 액체 금속과 다르므로 결함없이 완전한 매일 채식을 보장하는 게이트와 러너를 설계하기 위해 전문 시뮬레이션 소프트웨어와 엔지니어링 전문 지식이 필요합니다. 원료, 특히 툴루 casting에 사용되는 사전 조건화된 릴렛의 비용은 다른 공정에서 사용되는 표준 릴릿보다 더 높을 수 있으며, 전체 부품 비용에 영향을 미칩니다.

그러나 자동차 산업에서 SSM 기술의 미래 전망은 밝습니다. 이 연구결과가 자동차 엔지니어 협회 (SAE) , 이 과정은 경쟁력 있고 실행 가능한 제조 기술로 확고히 자리 잡았습니다. 센서 기술, 프로세스 자동화, 컴퓨터 모델링의 지속적인 발전은 SSM을 더 신뢰할 수 있고 반복 가능하며 비용 효율적으로 만듭니다. 표준 합금 을 이용 하는 보다 효율적 인 재출연 방법 의 개발 은 특히 비용 감축 과 보다 넓은 범위 의 부품 의 대량 생산 에 대한 문을 열기 위해 유망 합니다. 자동차 제조업체가 가벼운 무게와 차량 전기화의 경계를 계속 확장함에 따라 고성능, 결함 없는 부품에 대한 수요는 계속 증가할 것이며, 반탄소 금속 가빙은 미래 이동을 가능하게 하는 핵심 기술로 자리 잡을 것입니다.

자주 묻는 질문

1. 반체형 가루 가루 는 어떻게 만들어지는가?

반고체 주름은 금속 합금이 완전히 고체와 완전히 액체 사이의 상태로 가열되어 매립물을 만드는 제조 기술입니다. 이 덩어리 구조를 가진 이 매물은 그 다음 덩어리 모양의 조각을 만들기 위해 곰팡이에 주입됩니다. 이 과정은 주입 중에 난류를 최소화하여 높은 기계적 강도와 매우 낮은 부지성을 가진 밀도가 높은 구성 요소를 생성합니다.

2. HPDC의 단점은 무엇입니까?

고압 다이?? (HPDC) 의 주요 단점은 높은 포러스성 잠재력입니다. 완전히 녹은 금속을 빠르게 투여하면 공기와 기체가 도형 안에 갇혀 최종 부분에서 공허함을 만들 수 있습니다. 이 엽기성은 부품의 기계적 특성을 손상시킬 수 있으며 특히 강도와 압력 밀착성을 손상시킬 수 있으며 일반적으로 부품이 효과적으로 열처리를 받지 못하게합니다.