KR100614845B1 - 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠 제조 방법 - Google Patents

Abstract

자동차용 알루미늄 합금 휠에서 주행 중에 충격에 의하여 쉽게 변형되는 플렌지 부분을 강화하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있는 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠은 알루미늄 합금 휠에 있어서,

섬유소를 포함하는 시트 형태의 이질재가 주조에 의하여 휠 내부의 림 및 플랜지 부분에 포함된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법에 따르면 쉽게 변형되는 플렌지 부분을 포함하여 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있으며, 휠의 제조 공정이 주조를 기초로 하기 때문에 단조에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠과 동급의 강성을 유지하면서도 단조법에 비하여 제조 코스트가 낮다.

휠, 알루미늄 휠, 충격, 강성, 경량화

Description

이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠 제조 방법{THE METHOD OF MANUFACTURING ALUMINIUM ALLOY WHEEL CONTAINING HETEROGENEOUS MATERIAL}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠의 제조 방법에서 주요 공정을 나타낸 흐름도.

도 2는 도 1의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠의 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠의 제조 방법에서 주요 공정을 나타낸 흐름도.

도 4는 도 3의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠의 구조를 나타낸 단면도.

본 발명은 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 강성이 향상되고 보다 경량화하기 위하여 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로는 바퀴를 휠이라고 칭하지만, 보다 구체적으로 분류하자면 휠(Wheel)과 타이어(Tire)로 구분된다. 차량의 중량을 모두 지지하고 구동력과 제동력을 노면에 전달하는 마지막 역할을 하는 것이 휠이다.

휠은 타이어를 지지하는 림(rim)과 림을 허브에 지지하는 부분으로 구성되어 있다. 휠의 분류 기준은 재료, 제조 방식, 구조, 디자인에 따라서 구분할 수 있다. 휠을 재질에 의하여 분류하면, 철(steel)로 만들어진 스틸 휠과 알루미늄 합금으로 만들어진 알루미늄 휠, 그리고 마그네슘 합금으로 만들어진 마그네슘 휠 3가지가 있다. 근래에는 자동차에 알루미늄 휠을 많이 사용하고 있다.

또한, 휠을 제조방식에 의하여 분류하면, 주조 휠과 단조 휠로 구분할 수 있다. 주조 휠은 알루미늄 합금 재료를 녹여 몰드에 부은 다음 굳혀서 만든 휠이므로 가공이 용이하고 품질이 균일하다는 이점이 있으나 치밀성이 낮고 강성이 불충분하여 충격에 약하다는 문제점이 있다.

반면에, 단조 휠은 알루미늄 합금 재료를 높은 압력으로 몰드에 짓이겨 만드는 휠로서 중량이 가벼우면서도 치밀성이 뛰어나고 인성이 높아 충격에 강한 장점이 있으나 에너지 소모가 높아 단가가 상승한다는 문제점이 있다.

또한, 휠을 구조에 의하여 분류하면, 휠이 한덩어리로 되어 있느냐, 혹은 2-3개의 조각으로 되어있느냐에 따라 원피스(One piece), 투피스(Two piece), 쓰리피스(Three piece) 로 구분되어 있다. ONE PIECE 휠은 림(Rim)과 디스크(Disc)를 한덩어리로 몰드에서 주조해낸 휠로서 제조가 용이하고 강성을 확보하기 쉬워서 품질의 편차가 적은 반면, 기술적인 면에서 경량화를 실현하기가 어렵다. TWO PIECE 휠은 림과 디스크를 따로 만들거나, 아우터 림(Outer Rim)만을 따로 만들어 용접 또 는 볼트로 고정 결합하는 휠로서 일부를 분리하여 만들기 때문에 각각의 부분에 여러 가지 소재와 제조 방법을 적용할 수 있으므로 다양한 디자인과 경량화가 가능하다. THREE PIECE 휠은 아우터 림, 이너 림(Inner Rim), 디스크를 각각 따로 만들어서 볼트로 체결, 조립하는 휠을 말하며 조립방법에 따라 샌드위치 타입, 오버핸드 타입, 언더핸드 타입으로 나뉘어지는데, 림이나 디스크의 교체가 가능하므로 많은 차종에 장착할 수 있으며 세련되고 다양한 디자인과 경량하기 가능하다.

또한, 휠을 디자인에 의하여 분류하면, 스포크(Spoke)타입 휠과 메쉬(Mesh)타입 휠, 그리고 핀(Fin)타입, 디쉬(Dish)타입, 에어로(Aero)타입 휠 등으로 구분할 수 있다. 스포크 타입휠은 마차의 수레바퀴를 본따서 발전된 모델로서 스포크의 개수는 십자형(2개)에서부터 6, 12, 16 다수의 형태가 있으나 통상적으로 12개 까지를 스포크 타입으로 칭하고 있다. 매쉬 타입 휠은 그물형상을 본따서 발전된 형태로 힘의 분산이 잘 되며 높은 강도를 지닌 특징이 있다. 스포크 타입과 함께 가장 대중적인 모델이다. 핀타입 휠은 스포크 타입의 일종이지만 13이상의 스포크(Spoke)를 가지면 통상적으로 핀 타입으로 분류된다. 핀타입은 물고기 지느러미에서 볼 수 있는 빗살무늬 모양에서 유래되었다. 디쉬 타입 휠은 접시 모양을 따서 만들었는데 높은 강도를 지니지만 휠의 전면이 막혀 있어 환풍성이 떨어진다. 이의 보완을 위해 구멍을 내거나 핀을 조합한 복합 디자인이 나오고 있다. 에어로 타입 휠은 스포크의 각도를 일정 방향으로 주어서 만드는 형태로서 높은 강도를 지닌 장점이 있다. 최근에는 스포크, 디쉬타입을 혼합하여 에어로 스포크 (Aero-spoke), 에어로 디쉬(Aero-Dish)타입 등으로 디자인하는 경향이 있다.

가장 일반적으로 사용되는 알루미늄 휠에 대하여 설명한다. 알루미늄 휠은 주철 휠에 비교해서 가볍고, 또 열을 쉽게 발산시켜 브레이크 성능을 아주 좋게 한다는 사실이 높이 평가 되었다. 알루미늄 휠의 주 성분인 알루미늄은 그 비중이 철의 3분의 1밖에 안되기 때문에 주철 휠보다 안전도를 고려하여 훨씬 가볍게 만들 수 있다. 또한, 주철에 비해 충격흡수 능력이 3배나 강하다. 완전한 원을 유지하여 바퀴의 밸런스가 좋아지고, 승차감을 향상시키며, 기름값도 덜어줌으로써, 안정성, 경제성, 및 패션성이 향상되어 고급승용차, 전시용 차 뿐 아니라 소형차에서도 각광을 받고 있다.

하지만, 알루미늄 휠은 주철 휠에 비하여 충격에 약하여, 특히, 주차할 때나 좁은 통로를 이동할 때 도로의 턱 부분이나 부설물에 닿으면 휠의 플렌지 부분이 쉽게 변형되거나 깨져버리는 문제점이 있다. 이를 보강하기 위하여 알루미늄의 비율을 줄이면 무게가 무거워짐으로써 알루미늄 휠 본래의 장점을 잃어버린다는 문제점이 있다.

따라서, 쉽게 변형되는 플렌지 부분을 포함하여 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있는 알루미늄 휠 및 그 제조 방법에 대한 요구가 여전히 존재한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 쉽게 변형되는 플렌지 부분을 포함하여 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 알루미늄 합금 휠의 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일측면에 따른 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠은 섬유소를 포함하는 시트 형태의 이질재가 주조에 의하여 휠 내부의 림 및 플랜지 부분에 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주조는 가압 주조 또는 진공 주조 중에서 선택될 수 있다.

또한, 상기 섬유소는 세라믹 섬유, 카본 섬유, 또는 이들의 조합중에서 선택된 것이 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄 합금 휠은 적어도 림 부분 및 플렌지 부분에는 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재를 포함하고 휠 중심부에는 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세라믹 섬유소 및 탄소 섬유소는, 세라믹 섬유에 카본 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합되고 카본 섬유에 세라믹 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합된 것이 바람직하다.

또한, 상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠은, 주조에 의하여 휠을 제조할 때 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형한 이질재가 휠 내부에 포함된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 일측면에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법은 (a) 섬유소를 포함하는 시트 형태의 이질재를 제조하는 단계; (b) 주물내의 림 및 플렌지 부분에 시트 형태의 이질재를 설치하는 단계; (c) 용융된 알루미늄을 투입하여 가압 주조하는 단계; 및 (d) 가압 주조된 휠을 가공 및 디버링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다른 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법은 (a) 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계; (b) 섬유소를 포함하는 이질재와 함께 용융된 알루미늄 합금을 금형에 투입후 가압 주조하는 단계; 및 (c) 가압 주조된 휠을 가공 및 디버링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 (b) 단계는, (b-1) 섬유소를 포함하는 이질재를 알루미늄 합금의 용융점보다 -5℃ 내지 상기 알루미늄 합금의 용융점 이내의 온도에서 예열하는 단계; 및 (b-2) 예열된 이질재와 함께 용융된 알루미늄 합금을 금형에 투입후 가압 주조하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (a) 단계는, (a-1) 세라믹 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계; 및 (a-2) 탄소 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 (b-1) 단계는, 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재와 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 알루미늄 합금의 용융점보다 -5℃ 내지 상기 알루미늄 합금의 용융점 이내의 온도에서 각각 예열하는 단계;를 포함하며, 상기 (b-2) 단계는, (b-2-1) 적어도 림 및 플렌지 부분에는 용융된 알루미늄과 함께 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재를 투입하면서 휠 중심부에는 용융된 알루미늄과 함께 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 포함하는 이질재를 투입하는 단계; 및 (b-2-2) 용융된 알루미늄과 함께 투입된 이질재를 가압 주조하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 세라믹 섬유소 및 탄소 섬유소는, 세라믹 섬유에 카본 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합되고 카본 섬유에 세라믹 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합된 것이 바람직하다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본원 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠의 제조 방법에서 주요 공정을 흐름도로써 나타내었다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법은 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 섬유소를 포함하는 이질재를 제조한다. 본 실시예에서는, 세라믹 섬유소를 성형한 이질재 및 탄소 섬유소를 성형한 이질재를 제조한다(단계 S102). 상기 세라믹 섬유소 및 탄소 섬유소는, 세라믹 섬유에 카본 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합되고 카본 섬유에 세라믹 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합된 것이 바람직하다.

다음으로, 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재와 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 알루미늄 합금의 용융점보다 -5℃ 내지 상기 알루미늄 합금의 용융점 이내의 온도에서 각각 예열한다(단계 S104).

다음으로, 주형 내에 세라믹 섬유소를 성형한 이질재와 탄소 섬유소를 성형한 이질재를 설치한다(단계 S106). 이때, 세라믹 섬유소는 플랜지 부분에 탄소 섬 유소는 휠 중심 부분에 설치되는 것이 바람직하다. 이질재를 투입하는 과정에서는 금형이나 이질재 투입 수단을 회전시키면서 투입함으로써 이질재가 휠의 회전 방향으로 고르게 분포되도록 하며, 용융된 알루미늄 내에 포함될 수 있는 탈가스 과정이 삽입되는 것이 보다 바람직하다.

다음으로, 각 이질재가 설치된 주형에 용융된 알루미늄을 가압 또는 진공 주조한다(단계 S108). 투입되는 이질재는 단계(104)에 의하여 예열되어 있어, 용융된 알루미늄과의 온도 차이가 거의 없다. 이로써, 이질재의 표면과 용융된 알루미늄 표면사이의 반발력이 없이 잘 혼합된다.

이제, 가압 주조된 휠을 가공 및 디버링한다(단계 S110). 열처리, 공기 누출 테스트(Air Leak test), 볼트 홀 및 밸브 홀 가공, 쇼트 피닝(Shot Peening), 전처리, 파우더 페인팅(Powder Painting), 웨트 페인팅(Wet Painting), 다이어 커팅(Dia-Cutting) 등을 포함한 기타 가공 과정을 일반적인 휠의 제조 공정과 동일하므로 설명을 생략한다. 이로써, 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠이 완성된다(단계 S112).

만일, 일반적인 주조 방법에 의하면 섬유를 용융된 알루미늄 합금과 함께 금형내에 투입하려고 한다면, 용융된 알루미늄 위로 부유되어 휠 내부에 포함시킬 수 없다. 하지만, 상기 실시예에 따르면, 알루미늄 합금을 침투시켜 섬유소를 포함하는 이질재를 주조에 의하여 휠 내부에 포함시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 휠은 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형된 이질재가 가압 주조에 의하여 휠 내부 에 함유된다. 도 2에는 도 1의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 2를 참조하면, 도 1의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠(20)의 내부에는 림 및 플랜지 부분에 세라믹 섬유(202)가 함유되고, 중심 부분에는 탄소 섬유(204)가 함유된다.

상기와 같은 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠은 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있다. 특히, 상기 실시예에 따른 알루미늄 휠 제조 방법로 제조된 알루미늄 휠에서 플렌지 부분에 포함된 세라믹 섬유는 플랜지 부분이 깨지는 현상을 대폭 감소시키며, 휠의 중심 부분에 함유된 탄소 섬유는 단조로 제조되는 휠과 동급의 강성을 유지하면서 휠의 무게를 대폭 감소시킨다.

또한, 상기와 같은 알루미늄 합금 휠 제조 방법은 제조 공정이 주조를 기초로 하기 때문에 단조에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠과 동급의 강성을 유지하면서도 많은 에너지 사용을 요하는 단조법에 비하여 제조 코스트가 낮다.

한편, 휠에서 가장 손상이 많이 되는 부분은 림 및 플랜지 부분이다. 다음의 실시예에서는 림 및 플랜지 부분을 집중적으로 강화하기 위한 방법을 개시한다. 도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠의 제조 방법에서 주요 공정을 흐름도로써 나타내었다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에서는, 섬유소를 포함하는 시트(sheet) 형태의 이질재를 제조한다(단계 S302). 상기 섬유소는 세라믹 섬유, 카본 섬유, 또 는 이들의 조합중에서 선택될 수 있다.

다음으로, 주물내의 림 및 플렌지 부분에 시트 형태의 이질재를 설치한다(단계 S304). 다음으로, 용융된 알루미늄을 투입하여 진공 또는 가압 주조한다(단계 S306).

다음으로, 진공 또는 가압 주조된 휠을 가공 및 디버링한다(단계 S308). 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이 열처리, 공기 누출 테스트(Air Leak test), 볼트 홀 및 밸브 홀 가공, 쇼트 피닝(Shot Peening), 전처리, 파우더 페인팅(Powder Painting), 웨트 페인팅(Wet Painting), 다이어 커팅(Dia-Cutting) 등을 포함한 기타 가공 과정을 일반적인 휠의 제조 공정과 동일하다. 이로써, 이질재를 함유한 알루미늄 합금 휠이 완성된다(단계 S310).

상기와 같은 본 발명의 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 휠은 섬유소가 포함된 시트 형태의 이질재가 가압 주조에 의하여 휠 내부의 플랜지 부분에 함유된다. 도 4에는 도 3의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠의 구조를 단면도로써 나타내었다. 도 4를 참조하면, 도 3의 실시예에 따른 알루미늄 합금 휠 제조 방법에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠(40)의 내부에서 림 및 플랜지 부분에 섬유소를 포함하는 시트 형태의 이질재(402)가 삽입된다.

상기와 같은 알루미늄 휠 제조 방법에 따르면, 림 및 플랜지 부분을 집중적으로 강화할 수 있으며, 정밀하게 제작할 수 있는 시트 형태의 이질재를 삽입함으로써 휠이 고속 회전할 때 무게 중심이 맞지 않음으로 발생할 수 있는 문제를 원천 적으로 해소할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법에 따르면 쉽게 변형되는 림 및 플렌지 부분을 포함하여 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있으며, 제조 공정이 주조를 기초로 하기 때문에 단조에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠과 동급의 강성을 유지하면서도 단조법에 비하여 제조 코스트가 낮다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금 휠 및 그 제조 방법에 따르면 쉽게 변형되는 플렌지 부분을 포함하여 충격에 강하고 보다 경량이면서도 제조시 필요한 에너지 소모를 낮출 수 있으며, 제조 공정이 주조를 기초로 하기 때문에 단조에 의하여 제조된 알루미늄 합금 휠과 동급의 강성을 유지하면서도 단조법에 비하여 제조 코스트가 낮다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. (a) 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계;

   (b) 섬유소를 포함하는 이질재와 함께 용융된 알루미늄 합금을 금형에 투입후 가압 주조하는 단계; 및

   (c) 가압 주조된 휠을 가공 및 디버링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 (b) 단계는,

   (b-1) 섬유소를 포함하는 이질재를 알루미늄 합금의 용융점보다 -5℃ 내지 상기 알루미늄 합금의 용융점 이내의 온도에서 예열하는 단계; 및

   (b-2) 예열된 이질재와 함께 용융된 알루미늄 합금을 금형에 투입후 가압 주조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 제조 방법.
10. 제8항에 있어서,

    상기 (a) 단계는,

    (a-1) 세라믹 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계; 및

    (a-2) 탄소 섬유소에 알루미늄 합금을 침투시켜 성형함으로써 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 제조 방법.
11. 제9항에 있어서,

    상기 (b-1) 단계는,

    세라믹 섬유소를 포함하는 이질재와 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 알루미늄 합금의 용융점보다 -5℃ 내지 상기 알루미늄 합금의 용융점 이내의 온도에서 각각 예열하는 단계;를 포함하며,

    상기 (b-2) 단계는,

    (b-2-1) 적어도 림 및 플렌지 부분에 용융된 알루미늄과 함께 세라믹 섬유소를 포함하는 이질재를 투입하면서 휠 중심부에는 용융된 알루미늄과 함께 탄소 섬유소를 포함하는 이질재를 포함하는 이질재를 투입하는 단계; 및

    (b-2-2) 용융된 알루미늄과 함께 투입된 이질재를 가압 주조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 제조 방법.
12. 제10항 또는 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 세라믹 섬유소 및 탄소 섬유소는,

    세라믹 섬유에 카본 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합되고 카본 섬유에 세라믹 섬유가 50 wt% 미만으로 혼합된 것을 특징으로 하는 이질재가 함유된 알루미늄 합금 휠 제조 방법.

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