마그네슘 합금 전기 구동 하우징 및 경량 설계 개발 [전기 구동 시스템 컨퍼런스]

6월 21일, SMM 정보기술유한공사(SMM), 후난 훙왕 신소재 기술유한공사, 러우싱구 인민정부 및 국가급 러우디 경제기술개발구가 공동 주최한 에서, 상하이 교통대학 쉬빈 박사가 "마그네슘 합금 전기구동 하우징의 개발과 경량 설계"에 대해 상세히 설명했습니다.

마그네슘 및 전기구동 하우징의 개발 배경

마그네슘 개발 배경

• 마그네슘 소재는 신흥 산업의 핵심적인 지지 기반입니다.

• 생산 자원: 풍부한 광물 자원과 원활한 공급.

중국의 탐사 확인 백운석 매장량은 40억 톤을 초과하며, 마그네슘은 저비용으로 장기적으로 공급 조절이 가능합니다.

국가 정책 방향: 마그네슘은 과학기술부 및 공업정보화부(MIIT)가 강력히 지원하는 신흥 금속입니다.

과거 마그네슘 합금 자동차 부품의 혁신은 주로 BMW, 메르세데스-벤츠, 포드와 같은 고급 내연기관 자동차 제조사들이 주도하고 발전시켰으나, 그 적용 규모는 상대적으로 작았습니다. 현재까지도 전 세계 차량에서 가장 널리 생산되는 마그네슘 합금 부품은 여전히 주로 차량의 건식 영역에 사용되고 있습니다.

신에너지 차량(NEV)의 경우, 경량화에 대한 요구가 더욱 시급합니다.

신기술 발전 동향

마그네슘 합금 반고체 사출 성형 원리

마그네슘 합금 반고체 사출 성형 공정은 요변성 주조 기술의 범주에 속합니다. 마그네슘 입자는 중력 또는 부압의 작용으로 호퍼에서 배럴로 유입됩니다. 배럴 내부에서 스크류의 회전과 외부 히터(배럴은 일반적으로 5~7개 구역으로 나뉘며, 피드 입구에서 노즐로 갈수록 온도가 점차 상승합니다)가 제공하는 열이 결합되어, 마그네슘 합금 입자가 앞으로 이송되면서 가열 및 전단 작용을 받습니다. 배럴 중간 지점에서 마그네슘 합금은 스크류 압축부에 의해 압축되어 열가소성 변형을 일으키며 치밀화됩니다. 이후 스크류 선단의 저장부까지 계속 이송되면, 부분적으로 용융되고 구형 고체상을 포함하는 반고체 슬러리 상태로 변환됩니다. 이 슬러리는 유동성과 금형 충전성이 우수하다. 이어서 슬러리를 노즐을 통해 금형에 고속 주입하고, 고속·고압 조건에서 급속 냉각 응고시켜 특정 형상과 치수의 부품을 성형한다. 주입이 완료되면 노즐 선단이 냉각되어 자체 밀봉용 콜드 플러그를 형성하므로, 보호 가스나 완전 용해 없이 연속 성형 작업이 가능하다.

마그네슘 합금 반고체 사출 성형(Thixomolding) 기술

기존 액상 다이캐스팅 대비 마그네슘 합금 반고체 사출 성형 기술의 장점:

(1) 높은 안전성. 마그네슘 합금은 액체 상태에서 인화성이 있으나, 반고체 사출 성형 공정은 자체 밀봉 조건에서 요변성 슬러리 제조와 성형을 통합하여 고위험 마그네슘 용해로와 용탕 이송 단계를 없애므로 부품 생산이 안전하다.

(2) 친환경성. 기존 주조 공정은 마그네슘 합금 용해 시 다량의 휘발성 가스가 발생하고 SF6 보호 가스가 필요해 환경을 훼손하기 쉬우며 합금의 응용과 발전을 제한한다. 반면 반고체 사출 성형은 마그네슘 합금 부품 생산 시 완전 용해나 보호 가스가 필요 없고 용해 폐슬래그가 발생하지 않는 친환경 제조 기술이다.

(3) 산화물 개재물이 적음. 반고체 성형 온도가 기존 주조보다 낮아 산화 위험이 크게 감소하며, 사출 성형 방식으로 인해 마그네슘 용탕이 외기와 직접 접촉하지 않아 성형 중 산화물 개재물 유입 가능성이 거의 없다.

(4) 기공 결함이 적음. 액상 마그네슘은 캐비티 충전 시 난류가 형성되기 쉬워 기공 결함을 유발하지만, 반고체 마그네슘 합금은 비뉴턴 유체 특성으로 층류 충전 경향을 보여 성형 중 가스 포집을 효과적으로 줄이고 주조품을 더 치밀하게 만든다.

(5) 탁월한 기계적 특성. 반고체 사출성형으로 제조된 마그네슘 합금은 비수지상 응고 조직을 나타낸다. 높은 냉각 속도 조건에서 평균 결정립 크기와 2차상 크기가 극히 작다. 또한, 가스 기공 및 개재물과 같은 결함이 감소하여 우수한 강도와 인성을 가진다.

(6) 높은 치수 정밀도. 반고체 마그네슘 합금은 성형성이 우수하여 복잡한 박육 구조의 니어넷 성형이 가능하다. 또한 응고 수축이 상대적으로 작고, 열간 균열 저항성이 향상되어 주조품의 치수 정밀도가 높다.

(7) 긴 금형 수명. 반고체 공정의 성형 온도는 기존 다이캐스팅 공정보다 거의 100℃ 낮아, 마그네슘 용탕의 금형에 대한 열충격을 크게 줄여 금형 수명을 연장한다. 예를 들어, 일부 박육 부품 생산 시 반고체 금형의 수명은 20만~40만 회에 달할 수 있다.

(8) 높은 재료 이용률. 다이캐스팅 공정으로 생산된 마그네슘 합금 부품은 탕구와 러너 시스템이 많이 포함되어 일반적으로 원자재 이용률이 50% 미만이다. 반면, 반고체 성형 공정은 스프루 크기를 크게 줄이고 러너 및 오버플로 슬롯 등의 구조를 단순화하여 원자재 이용률을 70% 이상으로 높일 수 있다.

(9) 높은 제품 수율. 반고체 사출성형 공정은 마그네슘 합금의 정밀한 온도 제어가 가능하여, 다이캐스팅에서 발생할 수 있는 선결정화 문제 없이 안정적인 재료 충전 품질을 보장한다. 불량률이 낮으며, 이는 제품의 내부 및 표면 품질에 직접 반영된다. 후처리 후에도 제품은 높은 수율을 유지한다.

(10) 에너지 소비 감소. 마그네슘 합금의 반고체 성형은 사이클 효율이 다이캐스팅과 동등하다. 용해로가 필요 없고 성형 온도가 더 낮기 때문에, 반고체 성형은 액상 다이캐스팅 생산 대비 전력 소비를 최소 절반 이상 절감할 수 있다.

상하이 자오퉁 대학: 다양한 고상 분율을 가진 반고체 마그네슘 합금의 미세조직 및 특성 연구

• 씩소몰딩(Thixomolding) 하에서, 마그네슘 합금은 유리한 비수지상 구조(선결정화 없음)를 나타내며, 고상 분율이 감소함에 따라 유동성이 점차 향상된다.

• 과도한 고상 분율은 기공 충전 능력을 저하시키고, 높은 사출 온도에서 제조된 시편은 결함 밴드와 액상 유동 특성을 보입니다.

박육 부품의 경우, 기공 결함을 줄이고 연신율을 향상시키려면 적절한 반응고 성형 온도를 선택해야 합니다.

후육 부품에서는 고상 분율을 높여 수축 기공 결함을 최소화할 수 있습니다.

반응고 마그네슘 합금 응용의 발전 단계

약 30년간의 발전을 거쳐, 반응고 마그네슘 합금 장비의 설계는 주로 소비자 전자 시장의 급성장에 맞춰 박육 부품 성형에 초점을 맞춰 왔습니다. 2020년경, NEV 시장의 급부상으로 다시 한번 반응고 마그네슘 합금 장비의 업그레이드가 촉진되었습니다. 업계는 마그네슘 합금으로 더 큰 일체형 자동차 구조 부품을 제조하는 데 주력하기 시작했습니다. 하지만 기존 1300T급 반응고 마그네슘 합금 사출 성형 장비의 이론적 최대 사출 용량은 5kg 미만으로, 센터 스크린 백플레이트, 스티어링 휠, 암레스트 브래킷 등 작은 부품 생산에만 충분할 뿐 자동차 경량화 요구를 충족하기에는 턱없이 부족했습니다.

대형화 시대에 접어든 반응고 마그네슘 합금

► 대형 장비 개발

최근 국내 장비 제조사들이 이 분야에 진출하여 대형 장비 연구개발(R&D)에 착수했습니다. 이들은 기존 사출 용량 한계를 깨는 초대형 3,000~4,000T 반응고 마그네슘 합금 장비를 잇달아 선보였습니다. 이 시스템은 멀티 스크린 백플레이트, 내장 도어 패널, 인스트루먼트 패널 프레임, 3전기 시스템(배터리, 모터, 전장 제어)용 구조 부품 등 대형 마그네슘 합금 제품에 이상적인 솔루션을 제공합니다.

2024년 4월 상하이 자오퉁 대학-보레 장비 공동 연구 센터가 출시한 4000T 장비 사례가 인용되었습니다.

반응고 마그네슘 합금의 신기술도 지속적으로 탐구되고 있으며

, 듀얼 샷 기술과 TPI 기술 소개가 포함됩니다.

신형 반고체 마그네슘 합금 소재 및 구조 부품 연구 개발

반고체 공정에 적합한 마그네슘 합금의 특성

반고체 성형 공정에 적합한 소재: (1) 특정 응고 범위를 가지며, 슬러리가 가능한 한 온도에 민감하지 않은 합금계; (2) 마그네슘 합금의 액상선 온도는 과도한 가열로 인한 스크류 수명 단축을 방지하기 위해 가능한 한 낮아야 함.

신형 반고체 마그네슘 합금 소재 개발

특성: 우수한 반고체 가공성, 다이캐스트 알루미늄 합금에 필적하는 기계적 특성 및 내식성 달성.

중성 염수 분무 환경에서 신형 반고체 마그네슘 합금 소재의 내식성은 다이캐스트 ADC12 알루미늄 합금보다 우수함.

고성능 반고체 마그네슘 합금 구조 부품 개발.

SAIC 혁신개발연구원과 상하이 자오퉁 대학은 마그네슘 합금 전기 구동 하우징의 반고체 공정 기술 업그레이드를 공동 개발 및 추진하기 위한 전략적 파트너십을 구축함.

기타 진행 중인 개발로는 고성능 반고체 마그네슘 합금 전기 구동 하우징이 있음.

상하이 자오퉁 대학이 반고체 사출 성형 공정을 기반으로 내식성, 강도 및 내열성을 향상시키기 위한 신소재 개발을 목표로 함.

또한 성형 사이클의 개발 및 응용과 세계 최초의 20인치 대형 마그네슘 합금 휠 허브 개발을 소개함.

요약 및 전망

• 부식은 마그네슘의 대규모 응용을 제한하는 가장 큰 과제임. 재료 게놈 공학 방법에 기반한 스테인리스 마그네슘 연구는 마그네슘 합금의 부식 문제 해결에 대한 희망을 제시할 뿐만 아니라, 신소재를 신속하고 효율적으로 설계하는 데 있어 AI For Science의 유효성을 입증함.

• 마그네슘 합금용 초대형 반고체 사출 성형 장비의 연구 및 응용은 더 큰 크기의 안전하고 환경친화적인 마그네슘 합금 부품 제조를 가능하게 하여, 마그네슘 합금의 응용 범위를 더욱 확대하고 신에너지 차량 등의 분야에서 경량화 목표 달성을 지원함.

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