KR100444679B1 - 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브프레임의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브프레임의 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고, 여기에 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있는 규소, 마그네슘 등을 함유시켜 알루미늄 합금의 신율을 중대시키고, 이러한 알루미늄 합금의 성형시 고진공 다이캐스팅 주조공법을 적용함으로써, 알루미늄 합금의 물성을 개선하여 강성 및 신율 등의 내구성을 향상시키면서 제품의 경량화를 도모할 수 있고, 특히 주형 캐비티 내의 잔존공기를 완전히 제거할 수 있어 열처리를 가능하도록 함은 물론, 이에 따라 성형 후 열처리에 의한 기계적 성질 향상 및 정미 형상(Net shape)으로 주조하여 가공이 거의 필요없으며, 궁극적으로는 경량화 효과로 원가절감을 도모할 수 있고, 내구성 측면에서 신뢰성을 확보할 수 있으며, 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과와 샤시 경량화에 의한 조종안정성 및 승차감을 개선할 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치를 제공하고자 한 것이다.

Description

고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치{The high toughness aluminium alloys for sub frame, and process method and apparatus thereof}
본 발명은 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고, 여기에 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있는 규소, 마그네슘 등을 함유시킨 고신율 알루미늄 소재를 제공하는 한편, 상기 고신율 알루미늄 소재를 고진공 다이캐스팅 공법에 적용하여 열처리가 가능함은 물론, 신율을 향상시킬 수 있으며, 경량화 효과로 원가절감을 도모할 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 샤시부품 중 서브 프레임은 주로 여러 개의 스틸 프레스품을 용접하여 제작하고 있다.
최근에는 운전자의 조종성 및 승차감의 향상을 위해 알루미늄 소재를 이용한 서브 프레임의 개발이 가속화되고 있다.
이렇게 알루미늄 소재를 사용한 경우 제조공법은 중력주조 또는 저압주조로 양산되고 있으나, 이러한 공법의 경우 주조시 내부 결함 발생에 의해 내구성 측면에서 신뢰성이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 중력주조품은 압탕의 설치로 인해 제품의 수율이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
한편, 스틸 프레스품은 프레스 성형 후 각 부품을 용접하여 제조함으로 인해 공수가 과다함은 물론, 생산성 측면에서도 효율이 떨어지는 단점이 있다.
따라서, 기존 서브 프레임의 경우 다수의 스틸 프레스품을 용접함에 따라 공정이 복잡하고, 용접 품질 불균일발생 및 중량이 무거워 차량의 주행시 승차감 개선, 조종안정성의 효과가 미비하다.
이에 대한 개선품으로 알루미늄 합금을 사용하여 중력주조 또는 저압주조 공법을 적용하여 제조함으로써, 기존 스틸 프레스품 대비 부품수 삭감 및 공수 절감 등의 효과를 보였으나, 이러한 공법들은 주조품의 내부 결함 발생에 대한 내구신뢰성 측면에서 문제가 되고 있다.
특히, 부품의 신율을 현저히 개선해야 하는 문제점을 가지고 있다.
위와 같은 이유로 차량용 부품을 위한 보다 경제적이고 경량화된 새로운 알루미늄 합금의 개발과 이것을 이용하여 부품을 제조하는 새로운 공법의 적용이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 알루미늄 소재를 기본 성분으로 하고, 여기에 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있는 규소, 마그네슘 등을 함유시켜 알루미늄 합금의 신율을 중대시키고, 이러한 알루미늄 합금의 성형시 고진공 다이캐스팅 주조공법을 적용함으로써, 알루미늄 합금의 물성을 개선하여 강성 및 신율 등의 내구성을 향상시키면서 제품의 경량화를 도모할 수 있고, 특히 주형 캐비티 내의 잔존공기를 완전히 제거할 수 있어 열처리를 가능하도록 함은 물론, 이에 따라 성형 후 열처리에 의한 기계적 성질 향상 및 정미 형상(Net shape)으로 주조하여 가공이 거의 필요없으며, 궁극적으로는 경량화 효과로 원가절감을 도모할 수 있고, 내구성 측면에서 신뢰성을 확보할 수 있으며, 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과와 샤시 경량화에 의한 조종안정성 및 승차감을 개선할 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고인성 알루미늄 합금을 이용하여 서브 프레임을 제조하는 장치를 개략적으로 보여주는 사시도
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
10 : 진공보온로 11 : 급탕관
12 : 사출관 13 : 사출실린더
14 : 고정금형 15,18 : 진공밸브
16 : 가동금형 17 : 캐비티
19 : 진공펌프 20 : 감압탱크
이하, 본 발명에 따른 고인성 알루미늄 합금과 이를 이용한 자동차 서브 프레임의 제조방법 및 제조장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 여러 보강용 성분을 함유하고 있는 알루미늄 합금에 있어서, 상기 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 9.5∼10.5 중량부, 마그네슘(Mg) 0.3∼0.4 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 및 구리(Cu) 0.1 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.05∼0.15 중량부가 함유되어 있는 차량의 서브 프레임용 고인성 알루미늄 합금을 그 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 9.5∼10.5 중량부, 마그네슘(Mg) 0.3∼0.4 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 및 구리(Cu) 0.1 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.05∼0.15 중량부가 함유되어 있는 고인성 알루미늄 합금을 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 성형하여 제조하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 서브 프레임의 제조방법과 이때 사용하는 제조장치를 포함한다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 일반적으로 차량에 적용되는 부품 성형시 기존의 스틸 프레스품인샤시계 서브 프레임 부품을 고신율 알루미늄 재질(Al-10wt%Si-0.35wt%Mg 계)을 이용하여 고진공 및 고압으로 성형함으로써, 약 40% 정도의 경량화, 내구성 향상, 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과, 샤시 경량화에 의한 조종안정성 및 승차감 개선 등을 도모할 수 있으며, 경량 소재인 알루미늄 합금의 신율을 증대시키기 위해 재질 성분을 새롭게 조성한 합금을 사용하여 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 일체화 제조하는 방법과 장치를 제공한다.
따라서, 본 발명에서 제공하는 고신율 알루미늄 합금(재질명:HDAS10)의 경우 각각의 성분에 대한 함유량은 아래의 표 1과 같다.
여기서, Si의 경우 함유량은 Al 100 중량부에 대해 9.5∼10.5 중량부, 바람직하게는 10 중량부를 사용한다.
이때, 그 사용함량이 9.5 중량부 미만이면 용탕의 주조성에 문제가 있고, 반면에 10.5 중량부를 초과하여 과량으로 사용하면 미세편석 등으로 가공성 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다.
이러한 Si 성분은 주조성 개선 및 강도 향상의 효과가 있다.
Mg의 경우 함유량은 Al 100 중량부에 대해 0.3∼0.4 중량부, 바람직하게는 0.35 중량부를 사용한다.
이때, 그 사용함량이 0.3 중량부 미만이면 열처리시 강도 저하의 문제가 있고, 반면에 0.4 중량부를 초과하여 과량으로 사용하면 신율 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다.
이러한 Mg 성분은 Si와 함께 열처리시 석출물을 생성시켜 강도 향상의 효과가 있다.
Fe의 경우 함유량은 Al 100 중량부에 대해 0.2 중량부 이하를 사용한다.
이때, Fe는 Al 및 Si와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키므로 가급적 억제하는 것이 바람직하다.
Mn 및 Cu의 경우 함유량은 Al 100 중량부에 대해 0.1 중량부 이하를 사용한다.
Mn 및 Cu의 경우도 Al 및 Si와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키므로 가급적 억제하는 것이 바람직하다.
Ti의 경우 함유량은 Al 100 중량부에 대해 0.05∼0.15 중량부, 바람직하게는 0.1 중량부를 사용한다.
이때, 그 사용함량이 0.05 중량부 미만이면 결정립 미세화 효과가 적어 문제가 있고, 반면에 0.15 중량부를 초과하여 과량으로 사용하면 편석에 의한 가공성 저하의 문제가 있어 바람직하지 않다.
이러한 Ti 성분은 초기에 결정립 미세화를 통해 주조성 개선 및 강도 향상의효과가 있다.
한편, 본 발명은 상기한 고신율 알루미늄 합금의 성형시 고진공 다이캐스팅 주조공법과 주조장치를 이용하는 특징이 있다.
상기 고진공 다이캐스팅 주조공법은 고진공 다이캐스팅 주조장치를 이용하여 금형을 주조장치에 장착한 후, 진공 보온로에 있는 알루미늄 용탕을 급탕관을 통해 사출관으로 이동시킨 다음, 곧바로 알루미늄 용탕을 고압으로 사출하여 캐비티를 채움과 동시에 진공펌프를 이용하여 주형 캐비티 내의 잔존공기를 완전히 제거함으로써, 열처리가 가능함은 물론 신율이 향상된 서브 프레임을 제조할 수 있는 공법이다.
위와 같은 공법으로 제조한 제품의 경우 성형한 후 열처리에 의한 기계적 성질 향상 및 정미 형상(Net shape)으로 주조하여 가공이 거의 필요없는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고진공 다이캐스팅 주조장치의 일 구현예를 보여주고 있다.
상기 고진공 다이캐스팅 주조장치는 알루미늄 용탕을 700℃ 정도로 유지하면서 저장하고 있는 진공보온로(10)와, 상기 진공보온로(10)와 급탕관(11)으로 연결되어 금형의 캐비티 내까지 알루미늄 용탕의 사출진행을 유도하는 사출관(12)과, 상기 사출관(12) 내의 알루미늄 용탕을 800MPa 정도의 압력으로 사출하는 사출실린더(13)와, 본체상에 지지되어 합형 및 이형되면서 제품의 성형공간인 캐비티(17)를 조성하는 고정금형(14) 및 가동금형(16)과, 캐비티(17) 내에 알루미늄 용탕이 채워짐과 동시에 그 내부의 공기를 제거하는 2개의 진공밸브(15),(18)와 진공펌프(19) 및 감압탱크(20)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.
따라서, 고신율 알루미늄 재료를 700℃ 정도 진공보온로(10)에 용해한 후, 급탕관(11)을 통하여 사출관(12)으로 이동시킨다.
사출관(12) 내의 용탕을 사출실린더(13)를 이용하여 고압으로 사출하여 캐비티(17) 내에 채우고, 이와 동시에 진공밸브(15),(18)를 작동시켜 캐비티(17) 내의 공기를 진공펌프(19)를 통해 뽑아낸다.
이때의 사출온도는 640∼650℃이고, 사출압력은 80MPa이다.
사출완료 후 캐비티(17)를 열어 부품을 취출한 다음 부품의 육안검사를 실시한다.
부품의 외관에 대한 검사를 수행한 후에는 서브 프레임의 특성에 맞는 열처리를 실시한다.
이상에서 설명한 바와 같이 고신율 알루미늄 합금과 이것을 이용하여 고진공 다이캐스팅 주조공법 및 주조장치로 서브 프레임을 제조하는 방법을 제공하는 본 발명은 다음과 같은 장점이 있다.
1) 부품 일체화 주조로 기존 프레스 성형, 용접, 가공 공정의 생략이 가능하므로, 전체적인 공정을 단순화할 수 있는 장점이 있다.
2) 샤시계 경량화에 의한 운전자의 조종안정성 및 승차감 개선의 효과가 있다.
3) 부품수가 1개의 주조품으로 제조되므로, 프레스 성형품 16개에 비해 부품수의 삭감효과가 있다.
4) 기존 스틸재 대비 약 40% 정도 중량감소의 효과와 이에 따른 원가절감의 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 9.5∼10.5 중량부, 마그네슘(Mg) 0.3∼0.4 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 및 구리(Cu) 0.1 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.05∼0.15 중량부가 함유되어 있는 고인성 알루미늄 합금을 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 성형하여 제조하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 서브 프레임의 제조방법에 있어서,
    상기 고진공 다이캐스팅 주조공법은 고진공 다이캐스팅 주조장치를 이용하여 금형을 주조장치에 장착한 후, 진공 보온로에 있는 알루미늄 용탕을 급탕관을 통해 사출관으로 이동시키고, 곧바로 알루미늄 용탕을 사출온도 640∼650℃, 사출압력 80MPa으로 사출하여 캐비티를 채움과 동시에 진공펌프로 주형 캐비티 내의 잔존공기를 완전히 제거하여 부품을 사출한 후, 취출하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 서브 프레임의 제조방법.
  4. 알루미늄 용탕을 700℃ 정도로 유지하면서 저장하고 있는 진공보온로(10)와, 상기 진공보온로(10)와 급탕관(11)으로 연결되어 금형의 캐비티 내까지 알루미늄 용탕의 사출진행을 유도하는 사출관(12)과, 상기 사출관(12) 내의 알루미늄 용탕을 800MPa 정도의 압력으로 사출하는 사출실린더(13)와, 본체상에 지지되어 합형 및 이형되면서 제품의 성형공간인 캐비티(17)를 조성하는 고정금형(14) 및 가동금형(16)과, 캐비티(17) 내에 알루미늄 용탕이 채워짐과 동시에 그 내부의 공기를 제거하는 2개의 진공밸브(15),(18)와 진공펌프(19) 및 감압탱크(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 서브 프레임의 제조장치.
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