KR101212314B1 - 자동차 샤시 및 차체용 알루미늄-마그네슘-규소-구리 합금 및 그 주조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 샤시 및 차체에 사용할 수 있는 Al-Mg-Si-Cu 합금을 주조하기 위한 방법으로서, 보호가스의 사용을 최소화하면서도 높은 조성의 Mg을 첨가함으로서 우수한 기계적 특성을 구현할 수 있는 주조방법 및 그 주조방법에 의해 제조된 Al-Mg-Si-Cu 합금의 제공을 목적으로 한다. 본 발명의 일 측면에 의하면, Al 용탕을 준비하는 단계; 상기 Al 용탕에 Al-Mg 모합금, Si 및 Cu를 첨가하는 단계; 및 상기 Al용탕을 주조하는 단계를 포함하는 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법이 제공된다.

Description

자동차 샤시 및 차체용 알루미늄-마그네슘-규소-구리 합금 및 그 주조방법{Al-Mg-Si-Cu alloy for automobile chassis and body and casting method of the same}

본 발명은 자동차 샤시 및 차체에 이용될 수 있는 Al-Mg-Si-Cu 합금 및 그 주조방법에 관한 것이다.

알루미늄(Al)은 철강재에 비해 가벼우면서도 내식성이 뛰어나고, 소재의 성형성도 다른 경량재료에 비해 우수하기 때문에 최근 자동차의 경량화를 위해 적용되는 분야가 점점 증가하고 있다. 자동차 샤시 및 차체에도 경량화를 위해 그 소재로서 Al을 이용하려는 노력들이 가속화 되고 있다. 예를 들어 샤시 부품 중 하나인 자동차 서브프레임은 주로 강재를 프레스 성형한 부재들을 용접하여 제조하는 것이 일반적이나 이를 Al 소재로 제조할 경우 차체의 경량화를 달성할 수 있다.

이러한 자동차 샤시 및 차체용 Al 합금으로 마그네슘(Mg)을 첨가한 Al 합금이 이용될 수 있다. Mg이 Al에 첨가되는 경우, 고용강화에 따른 강도증가를 일으킬 수 있으며 내식성이 향상된다.

도 1에 도시된 Al-Mg 상태도를 통해 알 수 있듯이, Mg은 약 450℃ 온도에서 Al에 약 17.4중량%(wt%) 까지 고용될 수 있다. 그러나 Mg을 Al 용탕 내에서 합금화 하는 과정 중에 화학적으로 높은 산화성을 가진 Mg에 의해 산화물이나 개재물이 Al 용탕에 혼입되어 용탕의 청정도를 저하시키는 문제점을 일으킬 수 있다. Al 용탕에 첨가되는 Mg의 양이 증가될수록 이러한 Mg의 산화에 따른 문제가 심각해진다. 이러한 용탕 청정도의 저하는 이를 주조한 합금의 특성에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어 높은 조성의 Mg을 첨가함으로 인해 청정도가 저하된 Al 용탕을 주조하는 경우, 주조 중에 주조균열이 발생할 수 있다. 또한 이렇게 주조된 합금은 가공성이 현저하게 감소하게 된다. 따라서 Al-Mg 합금을 제조하는 경우, 주조성과 가공성을 고려하여 Mg의 조성이 5wt%를 넘지 않게 설계하는 것이 일반적이다.

이러한 Mg 첨가에 따른 산화물 및 개재물 혼입을 억제하기 위해 Mg의 첨가 시 SF₆ 가스 등을 보호가스로서 용탕표면을 도포하는 방법을 생각해 볼 수 있으나, 이러한 SF₆ 가스는 고가에 해당되어 제조단가를 상승시킬 뿐만 아니라 환경문제를 유발하는 가스로서 전 세계적으로 점차 그 사용이 규제되고 있다.

본 발명은 자동차 샤시 및 차체에 사용할 수 있는 Al-Mg-Si-Cu 합금을 주조하기 위한 방법으로서, 보호가스의 사용을 최소화하면서도 높은 조성의 Mg을 첨가함으로서 우수한 기계적 특성을 구현할 수 있는 주조방법 및 그 주조방법에 의해 제조된 Al-Mg-Si-Cu 합금의 제공을 목적으로 한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 측면에 의하면, Al 용탕을 준비하는 단계, 상기 Al 용탕에 Al-Mg 모합금, Si 및 Cu를 첨가하는 단계 및 상기 Al용탕을 주조하는 단계를 포함하는 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법이 제공된다.

이때 상기 주조하는 단계는 사형주조로 수행될 수 있다.

또한 상기 Al-Mg-Si-Cu 합금은 4 내지 9wt%의 Mg, 0.5 내지 5wt%의 Si 및 0.1 내지 2wt%의 Cu를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.

또한 상기 Al-Mg 모합금, Si 및 Cu를 첨가하는 단계에서는 보호가스로서 SF₆ 가스를 사용하지 않을 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 4 내지 9wt%의 Mg, 0.5 내지 5wt%의 Si, 0.1 내지 2wt%의 Cu를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 주조합금이 제공된다.

이때 상기 Mg의 조성은 5 내지 9wt% 범위에 있을 수 있다.

본 발명에 따르는 경우, 5wt% 이상의 마그네슘을 함유하면서도 우수한 주조성 및 기계적 특성을 가지는 Al-Mg-Si-Cu 합금을 제조할 수 있다. 또한 이러한 Al-Mg-Si-Cu 합금의 제조 과정 중 Al-Mg 모합금을 첨가하는 단계에서 보호가스를 사용하지 않아도 매우 우수한 주조성을 확보할 수 있어 친환경적이면도 경제적인 합금의 제조를 가능하게 한다.

이러한 본 발명에 따른 Al-Mg-Si-Cu 합금은 자동차의 샤시, 예를 들어 서브프레임에 적용되거나 자동차 차체에 적용되거나 동시에 적용될 수 있다. 자동차 샤시나 차체를 제조할 경우, 종래의 강재로 구성된 것에 비해 현저하게 경량화된 소재를 사용할 수 있음에 따라 자동차에 경량화에 크게 기여할 수 있게 된다.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 Al-Mg 상태도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 Al-Mg-Si-Cu 합금을 제조하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.
도 3a 및 3b는 각각 Al 용탕에 6w%의 Mg을 첨가한 경우, 보호가스로 SF₆ 가스를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 잔탕의 양상을 나타낸 것이다
도 4a 내지 4c는 실시예 1 내지 3의 내부조직을 광학현미경으로 관찰한 결과이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면에서 구성 요소들은 설명의 편의를 위하여 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.

중량%(wt%)에 대한 범위는 초과 또는 미만인 경우에는 그 경계값을 포함하지 않고, 단순히 범위로 지정되거나, 이상 또는 이하로 지정된 경우에는 그 경계값을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

또한 본 발명에 따라 제조된 Al-Mg-Si-Cu 합금은 제조과정 중에 합금원소로서 의도적으로 첨가되는 Al, Mg, Si 및 Cu 이외에 상기 합금원소 자체에 포함되거나 또는 합금의 제조단계에서 의도하지 않게 인입되는 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따라 제조된 Al-Mg-Si-Cu 합금은 서브프레임과 같은 자동차용 샤시에 적용되거나, 자동차 차체에 적용되거나 동시에 적용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 Al-Mg-Si-Cu 합금을 제조하는 방법을 단계별로 나타낸 순서도이다.

우선 Al-Mg 모합금을 제조하기 Al 용탕을 제공한다(S1). 이때 상기 Al 용탕은 Al-Mg 모합금을 형성하기 위하여 제공되는 것으로서 제 1 Al 용탕으로 지칭할 수 있다. 한편, 후술하는 상기 Al-Mg-Si-Cu 모합금을 첨가하기 위하여 제공되는 Al 용탕은 상기 제 1 Al 용탕과 구분하기 위해 제 2 Al 용탕으로 지칭할 수 있다.

이때 모합금은 후속 단계에서 제공되는 용탕 내에 첨가하기 위하여 제조된 합금을 지칭하는 것이며, 이와 구분하여 모합금을 첨가하여 제조한 결과물에 대해서는 합금으로 지칭한다.

다음 제 1 Al 용탕에 Mg을 첨가한 후 상기 Mg을 용해시킨다(S2). 이때 첨가되는 Mg의 조성은 추후 제 2 Al 용탕에서 희석되는 비율을 감안하여 Al-Mg-Si-Cu 합금에서의 Mg 조성 보다 높게 설정할 수 있다.

Al-Mg 모합금을 제조하는 단계에서는 Mg이 첨가된 제 1 Al 용탕의 상부를 보호가스로 보호할 수 있다. 보호가스는 SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec™612, 비활성기체 및 그 등가물, 또는 이들의 혼합 가스를 이용할 수 있다. 이러한 보호가스는 Al 용탕 내에 높은 조성의 Mg이 첨가되는 경우, 용탕 내의 Mg이 대기 중의 산소와 반응하여 발화되는 현상에 기인하여 용탕 내에 산화물 기타 불순물들이 개재되는 것을 방지할 수 있다.

도 3a 및 3b에는 Al 용탕에 6w%의 Mg을 첨가한 경우, 보호가스로 SF₆ 가스를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 잔탕의 양상이 나타나 있다. 도 3a를 참조하면, SF₆ 가스를 사용하지 않은 경우에는 잔탕이 Mg의 산화로 인해 흑색으로 변화된 것을 알 수 있다. 이에 비해 도 3b를 참조하면, SF₆가스를 사용한 경우 잔탕의 산화가 거의 일어나지 않은 것을 알 수 있다.

Mg을 첨가한 제 1 Al 용탕은 적절한 수단으로 교반될 수 있다. 예를 들어 용해로 하부에 설치된 교반수단을 이용하여 기계적으로 교반하거나 또는 용해로 외부에 설치된 전자기 교반수단을 이용하여 교반할 수 있다.

Mg이 충분히 용해된 후 제 1 Al 용탕을 주형에 주조하여 Al-Mg 모합금을 제조한다(S3). 이때 상기 주형은 금형, 사형, 세라믹형, 그라파이트형 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 주조 방식은 사형주조, 다이캐스팅(die casting), 중력주조, 연속주조, 저압주조, 스퀴즈캐스팅, 로스트왁스주조(lost wax casting), 틱소캐스팅(thixo casting) 등을 들 수 있다. 그러나 본 발명이 주형의 종류 및 주조의 방식을 한정하는 것은 아니다.

이와 같이 제조된 Al-Mg 모합금은 제 2 Al 용탕에 Mg의 공급원으로서 다시 첨가된다.

구체적으로 제 2 Al 용탕을 준비한다(S4). 다음, Si 및 Cu와 함께 Mg의 공급원으로서 상술한 방법에 의해 제조된 Al-Mg 모합금을 상기 제 2 Al 용탕에 투입한다(S5).

이때 Al-Mg 모합금은 도 1의 Al-Mg 상태도를 통해 알 수 있듯이, 순수한 Mg에 비해 용융점이 감소하게 된다. 예를 들어 Al-Mg 모합금 중 Mg의 조성이 약 38 wt%에 이를 경우 용융점은 순수한 Mg의 용융점(651℃)에 비해 약 200℃ 정도 감소하게 된다.

따라서 제 2 Al 용탕에 첨가된 Al-Mg 모합금은 제 1 Al 용탕에 첨가된 Mg 보다 상대적으로 더 낮은 온도에서 용해가 이루어 질 수 있다. 이러한 용융점의 강하로 인해 실질적으로 제 2 Al 용탕 내에서의 Mg의 용해가 보다 빠른 시간 내에 용이하게 이루어 질 수 있게 된다.

또한 제 2 Al 용탕에 Al-Mg 모합금을 첨가하는 경우에는 Al 내에 Mg이 이미 합금화가 완료된 상태에서 첨가되는 것임에 따라 SF₆ 등과 같은 보호가스를 사용하지 않는 경우에도 Al 용탕 내에서 발생하는 Mg의 발화에 따른 문제가 현저하게 감소되게 된다. 따라서 SF₆ 가스와 같은 환경문제를 유발하는 고가의 보호가스를 사용하지 않더라도 Mg을 포함하는 Al 용탕을 청정하게 유지할 수 있다. 이와 같이 Al 용탕 내에 Mg이 Al-Mg 모합금 형태로 첨가됨에 따라 Al 용탕에 직접 Mg을 첨가할 때 발생되는 문제없이 Mg을 안정적으로 높은 조성까지 첨가할 수 있게 된다.

제 2 Al 용탕 내에 첨가된 Al-Mg 모합금의 충분한 용해를 위해 교반을 수행할 수 있다. 교반에 관해서는 위에서 이미 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.

다음, 제 2 Al 용탕 내에서 Al-Mg 모합금, Si 및 Cu를 충분히 용해한 후 주조하여Al-Mg-Si-Cu합금을 제조한다(S6). 주조방법 관련해서는 위에서 이미 설명하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.

이러한 본 발명에 의할 시 Al-Mg 모합금이 첨가되지 전의 제 2 Al 용탕의 Al 양과 Al-Mg 모합금에서의 Al 및 Mg의 조성을 이용하여 제 2 Al 용탕 내에 첨가되는 Mg의 조성을 계산할 수 있다.

즉, Al-Mg 모합금을 제 2 Al 용탕에 첨가함으로써 상기 Al-Mg 모합금 내의 Mg의 희석화가 일어나게 되며, 희석화된 Mg의 조성은 아래의 식과 같이 표현할 수 있다.

여기서 W_Mg 및 W_Al1은 각각 Al-Mg 모합금 내 Mg 및 Al의 중량이며, W_Al2은 제 2 Al 용탕 형성에 이용된 Al의 중량이다.

이러한 수학식을 이용함으로써 목적하는 제 2 Al 용탕 내에서의 Mg의 조성을 설계할 수 있다.

본 발명에 있어서 Al-Mg 모합금 내의 Mg의 조성은 상대적으로Al-Mg-Si-Cu 합금에 비해 높은 값을 가지게 되며,Al-Mg-Si-Cu합금은 위 수학식에 따라 희석된 만큼의 상대적으로 낮은 Mg 조성을 가지게 된다.

예를 들어 Al-Mg 모합금 내의 Mg 조성은 10 내지 40wt% 범위를 가질 수 있으며, 이로부터 제조된Al-Mg-Si-Cu합금 내의 Mg 조성은 일반적인 Al 사용 주조합금에 비해 고함량을 가질 수 있다. 예를 들어, Mg의 조성은 4 내지 9wt%의 범위를 가질 수 있으며, 더 엄격하게는 5 내지 7wt%, 더욱 엄격하게는 7 내지 9wt% 범위를 가질 수 있다.

Si은 용탕의 유동을 향상시켜 주조성을 개선하기 위하여 첨가될 수 있다. 또한 주조된 합금을 열처리하는 경우, Mg와 반응하여 Mg₂Si 금속간화합물을 형성할 수 있다. 이러한 Mg₂Si 금속간 화합물은 Al 기지 내에 분포하며 합금의 강도를 향상시킬 수 있다.

이러한 Si의 조성은 합금 내에서 0.5 내지 5wt%의 범위를 가질 수 있다. Si의 조성이 0.5wt% 미만인 경우에는 용탕의 유동성 개선에 영향을 주지 못하며, 5wt% 초과일 경우에는 주조된 합금 내 초정 Si의 조대화에 의해 연신율이 저하될 수 있다.

Cu는 주조된 Al 합금의 강도향상을 위해 첨가될 수 있다. 또한 주조된 합금의 열처리 과정에서 시효경화를 일으켜 합금의 강도를 일으킬 수 있다.

이러한 Cu는 합금 내에서 0.1 내지 2 wt% 범위에 있을 수 있다. Cu의 조성이 0.1wt% 미만일 경우에는 인성 향상에 영향을 주지 못하며, 2wt% 초과일 경우에는 기계적 특성에는 유리할 수 있으나 내식성 문제를 초래할 수 있다.

본 발명에 의할 시, 일단 높은 Mg 조성을 가지는 Al- Mg 모합금을 제조한 후, 이를 희석하는 과정에서 희석비의 역수비 만큼의 Al-Mg-Si-Cu 합금을 제조할 수 있다. 예를 들어 마그네슘의 조성이 20wt%의 모합금을 제조한 경우, 희석율을 0.25로 하면, 5wt%의 마그네슘 조성을 가지는 Al-Mg-Si-Cu 합금을 중량비로 약 4배 정도 제조할 수 있다.

이때 Al-Mg 모합금을 제조하는 단계에서만 보호가스를 사용하고 일단 모합금이 제조되고 나면 후속의 희석을 통해 Al-Mg-Si-Cu합금을 제조하는 단계에서는 보호가스를 사용할 필요가 없다. 따라서 SF₆ 가스와 같은 고가이면서 환경문제를 일으키는 보호가스의 사용을 최소화 하면서도 높은 Mg 조성을 가지는 Al-Mg-Si-Cu 합금을 경제적으로 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예들을 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.

표 1에는 본 발명에 따라 보호가스인 SF₆를 사용하지 않고 사형주조로 주조된 Al-Mg-Si-Cu합금으로서, Mg의 조성이 5wt%, Si의 조성이 2wt%, Cu의 조성이 0.5wt%인 Al-5Mg-2Si-0.5Cu 합금(실시예 1)과, Si 및 Cu의 조성은 동일하고 Mg의 조성이 각각 7wt%인 Al-7Mg-2Si-0.5Cu(실시예 2) 및 9wt%인 Al-9Mg-2Si-0.5Cu(실시예 3)의 기계적 특성이 나타나 있다. 한편 비교예로서 상용 Al-Mg 주조합금인 AC7A-F 합금의 KS D 6008 규격 상의 기계적 특성이 나타나 있다.

	인장강도(MPa)	연신율(%)
실시예 1	242.4	16.5
실시예 2	302.9	22.2
실시예 3	326.1	21.6
AC7A-F	210	12

표 1로부터 알 수 있듯이 본 발명의 실시예에 따른 합금(실시예 1 내지 3)이 상용 Al 주조합금인 AC7A-F에 비해 월등하게 높은 인장강도값을 나타냄과 동시에 더 우수한 연신율을 나타냄을 알 수 있다.

종래의 방법으로 제조된 Al-Mg 합금의 경우 Mg이 고함량으로 증가되는 경우 주조균열이 발생되며, 이에 따라 열악한 연신율은 나타내게 된다. 따라서 일반적으로 Al 내에 첨가되는 Mg의 함량을 약 5% 이하로 조절하며, 상용 Al 주조합금 중 다른 Al 주조합금에 비해 Mg이 고함량이 AC7A-F의 경우에도 Mg의 조성이 3.5 내지 5.5wt% 범위를 가지고 있다.

이에 비해 실시예 1 내지 3는 모두 Mg의 조성이 5wt% 내지 9wt%로서 높은 Mg 조성을 가지고 있음에도, 주조 시 주조균열이 발생되지 않았으며 주조된 합금의 기계적 성질도 AC7A-F에 비해 월등하게 우수한 특성을 나타내었다.

또한 본 실시예들은 모두 SF₆ 가스와 같은 보호가스의 사용 없이 5wt% 이상의 높은 Mg 조성을 가지도록 제조되었다는 점을 감안할 때 본 발명에 따른 주조방법이 매우 경제적이면서도 효과적이라는 것을 알 수 있다.

도 4a 내지 도4c에는 실시예 1 내지 3의 내부조직을 광학현미경으로 관찰한 결과가 나타나 있다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 실시예 1 내지 3의 내부는 용탕 중 Mg의 산화로 인하여 생성된 산화물 기타 개재물과 같은 불순물이 발견되지 않은 매우 양호한 조직을 나타내었다.

이러한 본 발명에 따른 Al-Mg-Si-Cu 합금을 이용하여 자동차용 서브프레임을 제조할 경우, 종래의 강재로 구성된 서브프레임에 비해 현저하게 경량화된 소재를 적용함에 따라 자동차에 경량화에 크게 기여할 수 있게 된다.

발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (6)

1. Al 용탕을 준비하는 단계;
   상기 Al 용탕에 Al-Mg 모합금, Si 및 Cu를 첨가하는 단계; 및
   상기 Al용탕을 주조하는 단계;
   를 포함하는 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법이며,
   상기 Al-Si-Mg-Cu 합금은 4 내지 9wt%의 Mg, 0.5 내지 5wt%의 Si 및 0.1 내지 2wt%의 Cu를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는, 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 주조하는 단계는 사형주조로 수행되는, 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 첨가하는 단계는 보호가스로서 SF₆ 가스를 사용하지 않는, 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금 주조방법.
5. 4 내지 9wt%의 Mg, 0.5 내지 5wt%의 Si, 0.1 내지 2wt%의 Cu를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어지는 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 Mg은 5 내지 9wt% 범위인, 자동차 샤시 및 차체용 Al-Mg-Si-Cu 합금.

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