KR100986395B1

KR100986395B1 - 차량용 휠 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR100986395B1
Application number: KR1020080060466A
Authority: KR
Inventors: 황진하
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2010-10-08
Also published as: KR20100000829A

Abstract

중량%로, 규소 7~8%, 베릴륨 0.2~0.3%, 티타늄 0.1~0.2%, 마그네슘 0.4~0.5%, 철 0.3% 이하, 구리 0.1% 이하, 망간 0.1% 이하, 탄소나노튜브 10~15%, 나머지 알루미늄을 포함하는 조성을 가지며, 표면에 총 중량 대비 1~5%의 탄소나노튜브가 용사 코팅된 차량용 휠 및 제조방법이 소개된다. 이러한 휠은 강도가 우수하며 경량 특성을 갖는다.

휠, 탄소나노튜브

Description

차량용 휠 및 그 제조 방법{WHEEL FOR A VEHICLE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 차량용 휠 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강도가 우수하며 경량 특성을 갖는 차량용 휠 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

바퀴는 휠과 타이어로 구성되어 있다. 바퀴는 차량의 전체 중량을 분담 지지하고 제동 및 주행시의 회전력, 노면에서의 충격, 선회시의 원심력, 차량이 경사졌을 때의 옆방향 작용력 등을 충분히 지지하며, 휠은 타이어를 지지하는 림(rim)과 휠을 허브에 설치하는 디스크(disc)로 되어 있고 타이어는 림베이스(rim base)에 삽입된다.

이러한 휠의 종류에는 디스크 휠, 스포크 휠, 스파이더 휠이 있다. 디스크 휠은 연강판을 프레스 성형한 디스크를 림과 리벳이나 용접으로 접합시킨 것으로서 구조가 간단하고 대량 생산이 가능하여 널리 사용되고 있다. 스포크 휠은 림과 허브를 강철선의 스포크로 연결한 것으로서 경량이고 탄성이 있으며 브레이크 드럼의 냉각이 좋다. 또 외관도 좋으나 구조가 복잡하고 변형되면 정비가 어렵다. 스파이더 휠은 방사선 상의 림 지지대를 둔 것으로서 브레이크 드럼의 냉각이 잘되고 큰 지름의 타이어도 쉽게 끼울 수 있다.

림은 타이어를 지지해 주는 부분으로서 그 종류에는 림과 디스크를 동일 강판으로 좌우 동일 형상의 것을 프레스로 제작하여 3~4개의 볼트로 고정하는 2분할 림, 림 중앙부를 길게 하여 타이어의 탈착을 용이하게 한 드롭 센터 림, 타이어의 공기 체적을 증가시킬 수 있도록 림의 폭을 넓게 한 광폭 드롭 센터 림, 비드 시트(bead seat)를 넓게 하고 사이드 링의 형상을 변경시켜 타이어가 림에 확실하게 밀착되도록 한 인터 림(inter rim), 그리고 림의 비드부에 안전 턱을 두어 펑크시에도 비드부가 빠지는 것을 방지할 수 있는 안전 지지 림(safety ridge rim) 등이 있다. 이러한 디스크 및 림은 이형 부재의 프레스 가공 즉 성형에 의해 만들어지고 용접에 의해 조립된다.

한편, 오늘날 차량 제조업자의 중요한 관심사 중 하나는 차량 부품의 중량을 감소시키는 것이다. 주행성 또는 연비 개선을 위한 것으로, 휠 또한 차량의 중량 증가에 적지 않은 영향을 미치는 부품이므로 높은 강도를 가지면서도 경량인 휠의 제조는 모든 차량 제조업자의 관심사다. 현재 주로 사용되는 휠로는 스틸 휠과 알루미늄 휠이 있는데, 알루미늄합금 휠은 스틸 휠에 비해 중량이 1/3 정도여서 차량 경량화에 많은 기여를 하나, 가격이 높은 편이며 주조 과정의 세심한 컨트롤이 필요할 뿐만 아니라 추가적인 강도 향상 및 경량화 요구 또한 존재하고, 마그네슘합금 휠과 같은 경합금 휠은 제조비용이 스틸 휠에 비해 3~5배에 이르러 상용화가 쉽지 않다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 강도가 우수하며 경량 특성을 갖는 차량용 휠 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 차량용 휠은, 중량%로, 규소 7~8%, 베릴륨 0.2~0.3%, 티타늄 0.1~0.2%, 마그네슘 0.4~0.5%, 철 0.3% 이하, 구리 0.1% 이하, 망간 0.1% 이하, 탄소나노튜브 10~15%, 나머지 알루미늄을 포함하는 조성을 가지며, 표면에 총 중량 대비 1~5%의 탄소나노튜브가 용사 코팅된다.

한편, 차량용 휠 제조방법은, 중량%로, 규소 7~8%, 베릴륨 0.2~0.3%, 티타늄 0.1~0.2%, 마그네슘 0.4~0.5%, 철 0.3% 이하, 구리 0.1% 이하, 망간 0.1% 이하, 탄소나노튜브 10~15%, 나머지 알루미늄을 포함하는 분말 혼합물을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 열성형하는 단계;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제조방법은, 상기 혼합물의 총 중량 대비 1~5%의 탄소 나노튜브를 용매에 분산시켜, 상기 열성형에 의해 제조된 성형품에 용사 코팅하는 단계; 및 용사 코팅된 성형품을 열처리하는 단계;를 더 포함한다.

상기 용사 코팅에 사용되는 용매로는 에탄올이 사용될 수 있다.

상술한 바와 같은 차량용 휠 및 그 제조 방법에 따르면, 탄소나노튜브를 휠 재료에 첨가됨에 따라 기존 알루미늄합금 휠에 비해 10% 이상의 경량화와 함께 강도 향상이 가능해진다.

또한, 탄소나노튜브를 디스크 표면에 용사 코팅함으로서 장기 주행 후에도 높은 강도를 유지하게 된다.

상기 차량용 휠 및 그 제조 방법에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

먼저 차량용 휠에 대하여 살펴본다.

규소(Si)는 7~8중량% 포함된다. 규소가 7중량% 미만으로 포함된 경우 강도 향상에 미흡하며, 8중량%를 초과할 경우에는 일부 규소가 편석을 발생시켜 휠 강도의 저하를 야기한다.

베릴륨(Be)은 0.2~0.3중량% 포함된다. 0.2 중량% 미만인 경우 기지조직 강화 효과가 미흡하며, 0.3 중량%를 초과하여 첨가하는 경우 강도는 향상되나 신율이 저하된다.

티타늄(Ti)은 0.1~0.2중량% 포함된다. 0.1 중량% 미만인 경우 결정립 미세화 효과가 적어 강도 개선 효과가 미흡하며, 0.2 중량%를 초과하는 경우 과도한 금속간 화합물의 형성으로 가공성을 저하시킨다.

마그네슘(Mg)은 0.4~0.5 중량% 포함된다. 마그네슘은 이러한 조성 범위에서 열처리시 규소와 함께 석출물을 생성시켜 강도를 향상시킨다. 마그네슘의 첨가량이 0.4 중량% 미만으로 하는 경우에는 열처리시 규소와 반응하여 형성되는 금속간 화 합물(Mg₂Si)이 미흡하여 요구 강도를 충족시키기 못하며, 0.5 중량%를 초과하여 첨가하는 경우에는 열처리시 과도한 금속간 화합물(Mg₂Si)의 형성으로 신율이 저하된다.

철(Fe)은 0.3 중량% 이하로 억제, 즉 0~0.3 중량%로 관리된다. 이는 철이 알루미늄 및 규소와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키기 때문이다.

또한, 구리(Cu) 및 망간(Mn)의 경우에도, 알루미늄 및 규소와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키므로 그 함량을 0.1중량% 이하로 제한, 즉 0~0.1중량%로 관리한다.

탄소나노튜브는 10~15중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 나머지 성분은 알루미늄이다.

위와 같은 브레이크 드럼의 조성범위를 정리하면 아래의 표 1과 같다.

구성 성분	중량 %
규소	7~8
베릴륨	0.2~0.3
티타늄	0.1~0.2
마그네슘	0.4~0.5
철	0.3 이하
구리	0.1 이하
망간	0.1 이하
탄소나노튜브	10~15
알루미늄	나머지

한편 하기 차량용 휠 제조방법에서 확인할 수 있듯이, 위 범위 내의 조성을 갖도록 제조된 브레이크 드럼 성형물의 표면에는 성형물의 총 중량 대비 1~5%의 탄소나노튜브가 용사코팅될 수 있다.
다음으로 상기된 바와 같은 조성을 갖는 차량용 휠의 제조방법에 대하여 살펴본다.

차량용 휠은 분말 제조법에 의해 제조된다. 즉, 상기된 조성을 갖는 구성성분들의 분말을 균일하게 혼합한 다음, 유압실린더를 이용하여 150~200㎏/㎠의 압력으로 열성형시킴에 의해 제조된다.

상기 탄소나노튜브가 기저재의 알루미늄에 고착될 때 휠에 부가적인 기계적 강도를 제공하는데, 탄소나노튜브 입자는 상당히 작고 이에 비하여 알루미늄은 상대적으로 큰 표면적을 가지기 때문에 탄소나노튜브 입자는 기저재에 잘 부착된다. 이때, 기저재의 알루미늄에 비하여 탄소나노튜브 입자의 크기는 상당히 작아서 탄소나노튜브 입자 크기의 물질은 기저재 전체에 상당히 고르게 분산된다. 그리고, 부가적으로 탄소나노튜브 입자들은 높은 투과성을 가지는 오픈된, 또는 실질적으로 다공성인 기저재를 형성할 수 있게 한다.

한편, 추가적으로 상기된 바와 같이 열성된 혼합물, 즉, 성형품의 표면은 용사 코팅된다. 구체적으로, 열성형된 혼합물 총 중량 대비 탄소나노튜브를 1~5% 용매에 분산시켜 성형품의 표면에 용사 코팅하며, 용사 코팅후에는 150℃의 온도로 열처리함으로써, 휠 제조가 완료된다.

용사(Thermal Spray)는 분말 혹은, 선형 재료를 고온열원을 이용하여 용융(용융액적으로 변화됨)시켜 고속으로 기재에 충돌시킨 다음, 급속 응고된 적층 피막을 형성하는 기술로서, 재료의 가열, 용융을 위해 에너지 밀도가 높은 연소화염, Arc 및 플라즈마 등의 열원을 필요로 한다. 이러한 용사 코팅에 의해 휠의 표면에 두꺼운 탄소나노튜브 피막을 형성시킬 수 있으며, 이렇게 형성된 피막은 휠의 변형, 재질변화를 저감시키며, 장기 주행 후에도 높은 강도를 유지할 수 있도록 한다.

실험예로서, 상기된 제조방법에 따라 아래 표 2의 조성(실시예 1~2, 비교예 1~2: 중량%로 기재됨)을 갖는 시편을 만든 후, 각각에 대하여 인장강도, 경도, 신율 측정 시험을 실시하였다.

구성 성분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
규소	7.0	8.0	7.0	8.0
베릴륨	0.2	0.3	0.2	0.3
티타늄	0.1	0.2	0.1	0.2
마그네슘	0.4	0.5	0.4	0.5
철	0.2	0.2	0.2	0.2
구리	0.1	0.1	0.1	0.1
망간	0.1	0.1	0.1	0.1
탄소나노튜브	10	15	-	-
알루미늄	나머지	나머지	나머지	나머지

실시예 1~2, 비교예 1~2에 대한 인장강도, 경도, 신율 측정 시험 결과는 아래의 표 3에 기재하였다.

구분	실시예 1	실시예 2	비교예 1	비교예 2
인장강도 (kgf/㎟)	31.2	32.9	25.8	28.4
경도(Hv)	111	117	82	89
신율(%)	9.2	9.4	7.6	7.5

위 표 3에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1,2에 따라 제조된 휠은 비교예1,2에 비해 인장강도, 경도, 신율 모든 측면에서 우수함을 알 수 있었다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

Claims

중량%로, 규소 7~8%, 베릴륨 0.2~0.3%, 티타늄 0.1~0.2%, 마그네슘 0.4~0.5%, 철 0~0.3%, 구리 0~0.1%, 망간 0~0.1%, 탄소나노튜브 10~15%, 나머지 알루미늄을 포함하는 조성을 가지며, 이 조성을 갖는 성형물의 표면에 성형물의 총 중량 대비 1~5%의 탄소나노튜브가 용사 코팅된 것을 특징으로 하는 차량용 휠.
중량%로, 규소 7~8%, 베릴륨 0.2~0.3%, 티타늄 0.1~0.2%, 마그네슘 0.4~0.5%, 철 0~0.3%, 구리 0~0.1%, 망간 0~0.1%, 탄소나노튜브 10~15%, 나머지 알루미늄을 포함하는 분말 혼합물을 혼합하는 단계; 및

상기 혼합물을 열성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 제조방법.
청구항 2에 있어서,

상기 혼합물의 총 중량 대비 1~5%의 탄소 나노튜브를 용매에 분산시켜, 상기 열성형에 의해 제조된 성형품에 용사 코팅하는 단계; 및

용사 코팅된 성형품을 열처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 휠 제조방법.
청구항 3에 있어서, 상기 용매로 에탄올이 사용되는 것을 특징으로 하는 차 량용 휠 제조방법.