KR101603424B1

KR101603424B1 - 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법

Info

Publication number: KR101603424B1
Application number: KR1020140088547A
Authority: KR
Inventors: 박성오; 노시준; 문중화; 조규원
Original assignee: 명화공업주식회사
Priority date: 2014-07-14
Filing date: 2014-07-14
Publication date: 2016-03-15
Also published as: KR20160008707A

Abstract

본 발명은, 알루미늄(Al) 96.28 ~ 97.22중량%, 실리콘(Si) 0.7 ~ 1.3중량%, 마그네슘(Mg) 0.7 ~ 0.8중량%, 아연(Zn) 0.7 ~ 0.8중량%, 망간(Mn) 0.07 ~ 0.1중량%, 구리(Cu) 0.25 ~ 0.3중량%, 크롬(Cr) 0.08 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.13중량%, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 0.13중량%, 철(Fe) 0.07 ~ 0.1중량% 로 구성된 주단조용 알루미늄 합금을 제공한다.
이와 같은, 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법으로 제조된 부품은, 주조열간크랙방지, 내부수축결함방지 및 결정립사이즈 150 이하로 제어 할 수 있으며, 특히, 실형상으로 부품 주조는 기존의 6000계열 열간단조용 합금 제조공정인 연속주조빌렛, 균질화처리, 절단등의 공정을 절감할 수 있어 제품의 회수율 및 제조공정 단순화로 제조원가 10% 절감을 할 수 있다. 이에 자동차 샤시구조용 부품에 실형상 주단조용 고강도 알루미늄합금을 적용하면 기계적특성이 우수하여 설계중량을 절감할 수 있으며, 기존의 열간단조공정 대비 단순 제조공정으로 원가절감 등의 효과를 제공한다.

Description

주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법{Aluminum alloy for casting and forging, casting and forged product for chassis structure and method for manufacturing the same}

본 발명은 전신재합금(Al 6000계 및 7000계)의 고강도성과 주조용합금(A300계)의 성형성을 동시에 가질 수 있는 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 샤시 구조부품은 부품의 품질 및 고강도화를 위해 기존의 중력주조(Gravity casting)에서 최근 스퀴즈캐스팅(Squeeze casting), 저압주조(Low pressure casting), 반응고주조(Semi solid casting), 주단조(Casting/forging) 및 열간단조(Hot forging)등으로 제조되고 있다.

이중 스퀴즈, 저압 및 반응고 주조는 상용소재인 A356 알루미늄재를 적용하고 있다. A356 알루미늄재의 기계적특성은 인장강도 290MPa, 항복강도 220Mpa, 연신율 7%로 기계적특성에 한계가 있어 자동차 샤시구조부품의 추가 경량화(중량절감) 및 부품구조변경에 제약이 있는 실정이다.

또한, 열간단조의 경우는 주로 6000계열의 Al-Mg-Si 합금을 적용하여 연속주조빌렛, 균질화처리, 절단, 단조(압출), 열처리 등의 복잡한 공정으로 제조부품의 원가상승은 불가피하다. 그러나 인장강도 350MPa, 항복강도 290Mpa, 연신율 10% 이상의 높은 기계적특성을 필요로하는 자동차 샤시부품, 특히 Control Arm류에 제한적으로 적용되고 있다.

기존의 6000계열 알루미늄합금은 실리콘(Si) 0.4 ~ 0.7중량%로 주조용소재인 A356재 실리콘(Si) 6 ~ 8중량%에 비해 낮은 실리콘 함량으로 고온균열(Hot tearing) 감수성이 매우 높으며, 액상에서 고상으로 전이되는 온도가 650℃로 알루미늄 용탕의 유동성이 매우 낮은 특성을 가지고 있어 열간크랙 및 내부/외부 수축결함 제어에 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 단점으로 현재까지 자동차 샤시부품의 복잡한 형상에는 적용이 제한되고 있는 실정이다.

이러한, 종래의 주단조용 알루미늄 합금은 본 출원인이 선출원한 대한민국 공개특허공보 제2011-0063214호(2011.06.10)에 제시된다.

본 발명은, 열간단조 알루미늄합금과 동등한 기계적 특성 및 제조원가절감을 얻을 수 있으며, 기존의 A356 알루미늄 소재적용 부품에 대한 설계변경 및 재료중량 절감 등을 실현할 수 있는 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 알루미늄(Al) 96.28 ~ 97.22중량%, 실리콘(Si) 0.7 ~ 1.3중량%, 마그네슘(Mg) 0.7 ~ 0.8중량%, 아연(Zn) 0.7 ~ 0.8중량%, 망간(Mn) 0.07 ~ 0.1중량%, 구리(Cu) 0.25 ~ 0.3중량%, 크롬(Cr) 0.08 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.13중량%, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 0.13중량%, 철(Fe) 0.07 ~ 0.1중량% 로 구성된 주단조용 알루미늄 합금을 제공한다.

그리고, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 주단조용 알루미늄 합금의 용탕을 주조하여 예비 성형체를 성형하는 단계, 상기 예비 성형체를 예열하는 단계, 예열된 상기 예비 성형체를 압하율 5 ~ 25%로 1회 열간 단조하는 단계를 포함하는 주단조용 알루미늄 합금을 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄 합금의 용탕은 주조압력 0.6 ~ 2bar, 주입속도 0.03 ~ 0.05m/s, 냉각속도 0.8 ~ 0.95℃/s에서 주조될 수 있다.

본 발명에 따른 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법으로 제조된 부품은, 주조열간크랙방지, 내부수축결함방지 및 결정립사이즈 150 이하로 제어 할 수 있으며, 특히, 실형상으로 부품 주조는 기존의 6000계열 열간단조용 합금 제조공정인 연속주조빌렛, 균질화처리, 절단등의 공정을 절감할 수 있어 제품의 회수율 및 제조공정 단순화로 제조원가 10% 절감을 할 수 있다. 이에 자동차 샤시구조용 부품에 실형상 주단조용 고강도 알루미늄합금을 적용하면 기계적특성이 우수하여 설계중량을 절감할 수 있으며, 기존의 열간단조공정 대비 단순 제조공정으로 원가절감 등의 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 주단조용 알루미늄 합금을 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법을 나타낸 순서도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

일실시예에 따른 상기 주단조용 알루미늄 합금은, 알루미늄(Al) 96.28 ~ 97.22중량%, 실리콘(Si) 0.7 ~ 1.3중량%, 마그네슘(Mg) 0.7 ~ 0.8중량%, 아연(Zn) 0.7 ~ 0.8중량%, 망간(Mn) 0.07 ~ 0.1중량%, 구리(Cu) 0.25 ~ 0.3중량%, 크롬(Cr) 0.08 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.13중량%, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 0.13중량%, 철(Fe) 0.07 ~ 0.1중량%으로 구성된다.

이때, 상기 실리콘(Si)은 일실시예에 따른 주단조용 알루미늄 합금의 중요한 특징의 하나인데, 실리콘(Si)의 함량 증가시 주조 유동성이 좋고, 박형 알루미늄 주물의 생산에 적합하며, 주조 수축 및 열간 취성(Hot tearing)을 감소시키는 역할을 한다. 또한, 마그네슘(Mg)과 합금시 열처리에 의한 Mg₂Si 석출물이 강도 개선 역할을 한다. 반면, 실리콘(Si)의 함량이 부족할 경우 열간 취성(Hot tearing) 민감도가 상승하며 주조 유동성이 현저히 떨어진다. 이때, 실리콘(Si)의 함량이 1.3%를 초과하면 열간 취성 민감도와 주조 유동성은 향상되나, 강도 및 연신율 측면에서 현저히 떨어지는 경향을 보이므로 함량을 제한할 필요가 있다. 따라서 본 발명에서는 열간취성 민감도, 주조 유동성, 강도 및 연신율 측면을 고려하여 실리콘(Si)의 함량을 0.7 ~ 1.3 중량%로 제한한다.

상기 마그네슘(Mg)은 기계적 성질을 향상시키는 역할을 한다. 즉, 마그네슘(Mg)은 실리콘(Si)과 공존하면 열처리에 의해 Mg₂Si가 석출됨으로써 강도 향상을 도모하며, Si-Zn공존시 시효강화 특성을 나타낸다. 또한, 마그네슘(Mg) 단독으로도 고용강화 효과를 발휘하여 강도, 연신율을 증가시키는 특징이 있다. 그러나, 주조시 불순물 발생이 크며 유동성이 저하되는 특성을 가지며, 산소와의 결합력이 강해서 산화물 유입의 원인이 될 수 있으므로 주조시 각별한 주위가 필요하다. 한편, 마그네슘(Mg)의 함량이 부족할 경우에는 기계적 성질이 부족하게 되며, 과잉될 경우에는 주조성, 단조성, 응력부식균열, 열간 취성(Hot tearing) 민감도가 크며 연신율이 저하된다. 따라서, 본 발명에서 기계적 성질의 측면에서 마그네슘(Mg)의 함량을 0.7 ~ 0.8 중량%로 제한한다.

상기 아연(Zn)은 기계적 성질의 향상에 유효하나, 주조 단조용 합금에 적용할 경우, 열간 취성(Hot tearing)의 민감도가 매우 높으며, 주조 예비 성형체의 수축을 크게 하므로 아연(Zn)의 함량이 제한되어야 한다. 아연(Zn)이 부족할 경우에는 기계적 성질이 저하되며, 과잉될 경우에는 주조성, 단조성, 응력부식균열, 연신율이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 아연(Zn)의 함량을 0.7 ~ 0.8 중량%로 제한한다.

여기서, 본 발명의 일실시예에서는 실형상 주조균열(hot tearing) 최소화 및 단조성 향상, Excess Si 최소화, 응력부식균열 방지 및 Mg₂Si 및 MgZn₂ 시효석출강화 등을 향상시키기 위해 실리콘(Si), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)의 중량비를 고려하여 합금설계를 수행한다.

이때, 상기 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si)중량비 1.73(Mg₂Si 최대고용도)을 기준으로 중량비가 낮을 경우 실리콘(Si)함량의 과잉첨가로 인해 Excess Si이 결정립계에 존재하여 입계균열성(입계부식)이 증가하며, 또한 결정립계 약화로 인성 및 피로특성이 저하되는 특성을 보인다. 반면 중량비가 1.73보다 높을 경우 기계적 특성은 저하되지만, 인성 및 피로특성은 증가되며, 입계균열성은 감소된다. 본 발명에서는 높은 기계적특성과 낮은 입계균열성, 피로특성을 향상시키고자, 실리콘 함량변화 0.4 ~ 3.8중량%, 마그네슘 0.7중량%로 ㅁ마그네슘(Mg)과 실리콘(Si) 중량비 1.75, 0.74, 0.29 및 0.18로 합금설계하여 HTS(열간크랙민감도), Excess Si, 조직변화(Dendrite->Cell조직) 및 입계부식특성을 관찰하여 가장 양호한 특성을 보인 마그네슘(Mg)과 실리콘(Si) 중량비 0.7, 즉 실리콘 0.7 ~ 1.3중량% 범위를 선정한다. 실리콘(Si) 0.7 ~ 1.3중량%와 마그네슘(Mg) 0.7 ~ 0.8중량% 함량은 Excess Si 최소화, 셀(Cell) 조직화로 결정립계 강화 및 입계균열성 최소화로 인장강도 360MPa, 항복강도 310MPa, 연신율 8%의 높은 기계적특성과 입계부식균열 등의 저감 효과를 보였다.

더불어, 기존의 6000계열 알루미늄 합금에서의 아연(Zn)함량은 주로 0.1 ~ 0.25중량%, 아연(Zn)과 마그네슘(Mg) 중량비를 0.1 ~ 0.25범위로 그에 대한 인장강도는 320MPa 범위의 기계적특성을 가지고 있다. 이에 아연(Zn)첨가에 의한 시효경화성으로 고강도화를 얻을 수 있으나, 첨가량이 많으면 내응력부식균열성이 저하되는 특징이 있다.

이에 본 발명에서는 아연(Zn)함량 0.7 ~ 0.8중량%, 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 중량비를 1.0 ~ 1.14범위로 상당량 첨가하여 MgZn₂ 석출상에 의한 시효경화성 향상 및 내응력부식균열성이 크게 저하되지 않는 범위로 한다. 아연(Zn)함량 0.2중량%(중량비 0.28), 0.7중량%(중량비 1.0). 1.0중량%(중량비 1.42) 첨가 시 0.2중량%(중량비 0.28)에서는 기존의 6000계열 알루미늄 합금보다는 다소 높은 인장특성을 보이나, 높은 고강도화에는 다소 부족하였으며, 1.0중량%(중량비 1.42) 첨가 시에는 인장강도 380MPa의 높은 고강도화를 보인 반면, 내응력부식균열이 크게 증가된다. 이에 인장강도 360MPa의 고강도화 및 내응력부식균열의 변화가 없는 0.7 ~ 0.8중량%로 합금을 설계한다. 아래의 표 1은 아연(Zn) 함량별 인장특성을 나타낸다.

아연(Zn)함량	인장강도	항복강도	연신율
0.2중량%~0.3중량%	332	285	8.5%
0.7중량%~0.8중량%	367	314	7.6%
1.0중량%~1.2중량%	384	332	7.3%

상기 망간(Mn)은 Al₆Mn의 고용강화 현상과 미세석출물 분산효과에 의해 알루미늄(Al)의 기계적 특성을 높이는 역할을 한다. 그리고, 크롬(Cr)은 결정립 미세화, 재결정 온도상승, 내응력부식 개선을 목적으로 첨가된다.

이때, 상기 망간(Mn)의 함량을 0.1중량%가 초과하거나, 상기 크롬(Cr)의 함량을 0.1중량% 초과하게 될 경우, Al-Si-Fe-Mn-Cr화합물이 다량 발생되어 피로특성 및 인장특성이 낮아지게 하는 바, 상기 망간(Mn)은 0.07 ~ 0.1중량%, 크롬(Cr)은 0.08 ~ 0.1중량%로 제한한다.

상기 지르코늄(Zr)은 결정립 조대화 방지 및 빠른 냉각속도를 구현하여 이후 제조될 자동차 샤시구조 부품 외부의 수축결함을 제거하는 목적으로 첨가된다. 여기서, 상기 지르코늄(Zr)은 0.1 ~ 0.13중량% 첨가되며, 지르코늄(Zr)을 미첨가시 자동차 샤시구조 부품의 단면변화율이 큰 부위에서는 외부수축결함이 발생되나, 0.1 ~ 0.13중량% 첨가시에는 외부 수축결함이 발생되지 않았으며, 인장특성 중 연신율이 다소 상승하는 특성을 보이게 된다.

상기 구리(Cu)는 알루미늄합금에서 석출경화에 의해 강도, 경도 향상에 기여하며, 일정량 첨가시 부식특성 향상에 기여한다. 여기서, 상기 구리(Cu)의 함량은 강도향상과 부식특성을 고려하여 0.25 ~ 0.3중량%범위로 한정된다. 이때, 상기 구리(Cu)의 함량이 0.25중량%미만일 경우 강도향상과 부식특성에 대한 효과가 적으며, 0.3중량%를 초과하여 첨가시 잔류응력 및 입계부식의 민감도가 높아진다.

상기 철(Fe)은 앞서 설명한 실리콘(Si), 망간(Mn), 크롬(Cr)과 화합물을 형성하며, Al-Fe-Si-Mn-Cr 금속간화합물은 분산강화 효과로 재결정 억제 및 결정립성장을 방해하는 효과가 있다. 이때, 상기 철(Fe) 함량이 0.07중량% 미만에서는 분산강화 효과로 재결정 억제 및 결정립성장을 방해하는 효과가 작게 되며, 철(Fe)의 함량이 0.1중량%를 초과할 경우 결정립계에 조대한 Al-Fe-Mn-Cr화합물로 인해 낮은 기계적특성, 특히 낮은 연신율을 보이며, 또한 피로특성을 저하시킨다. 따라서, 상기 철(Fe)의 함유량은 0.07 ~ 0.1중량%의 범위로 한정된다.

상기 티타늄(Ti)은 결정립미세화 효과로 첨가되며, 0.1중량% 미만으로 첨가될 경우 미세화 효과가 작으며, 0.13중량%를 초과하여 첨가시 조대한 Al₃Ti 금속간화합물의 정출로 결정립계를 약화시키며, 그로 인해 기계적특성을 저하시킨다. 따라서, 상기 철(Fe) 함유량은 0.1 ~ 0.13중량%의 범위로 한정된다.

이와 같이 구성된 주단조용 알루미늄 합금을 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법을 도 1을 참조하여 설명하면, 먼저, 앞서 설명한 성분으로 혼합 구성된 주단조용 알루미늄 합금을 용해시킨다. 이렇게, 용해시킨 용탕을 탈가스 처리 후, 금형의 공동부(Cavity)에 충진하게 된다. 이때, 낮은 유동성 및 응고수축률 보상을 위해 용탕 주입시 인위적인 유동성을 갖기 위해 주조압력은 0.6 ~ 2bar이며, 최소 응고수축을 갖도록 주입속도는 0.03 ~ 0.05m/s, 냉각속도는 0.8 ~ 0.95℃/s로 주조한다.

이후, 물이나 에어, 또는 물과 에어를 혼합된 냉각방식 중에서 선택된 냉각방식을 통해 용탕으로 응고시키면 최종 부품과 유사한 주조 예비 성형체가 성형 완료된다.

이렇게, 완성된 상기 예비 성형체는 최종적으로 제작하고자 하는 자동차 샤시구조 부품과 유사하나, 용탕이 주입되는 압탕부(도면미도시)가 형성되는데, 이때, 상기 압탕부는 기계가공 또는 단조공정에 의해 제거된다.

주조된 상기 예비 성형체에는 용탕을 주입하는 용탕의 응고 후 상기 예비성형체를 금형으로부터 이형시킨다.

이렇게, 주조된 상기 예비 성형체는 530 ~ 550℃에서 40 ~ 60분으로 단조예열후 1회 단조하게 된다. 즉, 예열된 상기 예비 성형체를 압하율 5 ~ 25% 단조비로 1회 단조공정을 거쳐 열처리를 행하면, 인장강도 360MPa, 항복강도 310MPa, 연신율 8% 이상의 기계적특성으로 기존의 주조용 A356 소재 대비 기계적특성 20 ~ 30% 향상된 자동차 샤시구조 부품을 얻게 된다.

이러한, 결과는 아래의 표 2의 본 발명에 따른 주단조용 알루미늄 합금 조성 및 비교 합금의 조성과, 표 3 및 표 4는 각각 표 2의 각 합금을 이용하여 주조 및 단조한 후 시험결과를 통해 알 수 있다.

	성분함량(중량%)
	실리콘(Si)	마그네슘(Mg)	아연(Zn)	망간(Mn)	구리(Cu)	크롬(Cr)	철(Fe)	티타늄(Ti)	지르코늄(Zr)	알루미늄(Al)
비교재1(A356)	7.0	0.3	0.003	0.002	0.0009	0.0007	0.1	0.15	-	Bal.
비교재2(전신재)	2.0	0.7	0.4	0.1	0.3	0.13	0.15	0.04	-	Bal.
비교재3(전신재)	0.5	0.7	0.7	0.1	0.3	0.13	0.1	0.11	-	Bal.
본발명의합금제품	1.0	0.7	0.7	0.07	0.3	0.08	0.1	0.13	0.12	Bal.

	비교재1	비교재2	비교재3	본발명의 합금제품
주조공법	중력주조	중력주조	가압주조	가압주조
주조결함	미세수축결함	거대수축결함	거대수축결함	미세수축결함

	기계적특성			비고
	인장강도	항복강도	연신율	비고
비교재1	290	220	7	중력주조 후 단조
비교재2	307	251	5.1	중력주조 후 단조
비교재3	314	280	10.6	가압주조 후 단조
본발명의 합금제품	371	314	8.2	가압주조 후 단조

이와 같은, 일실시예의 주단조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법으로 제조된 부품은, 주조열간크랙방지, 내부수축결함방지 및 결정립사이즈 150 이하로 제어 할 수 있으며, 특히, 실형상으로 부품 주조는 기존의 6000계열 열간단조용 합금 제조공정인 연속주조빌렛, 균질화처리, 절단등의 공정을 절감할 수 있어 제품의 회수율 및 제조공정 단순화로 제조원가 10% 절감을 할 수 있다. 이에 자동차 샤시구조용 부품에 실형상 주단조용 고강도 알루미늄합금을 적용하면 기계적특성이 우수하여 설계중량을 절감할 수 있으며, 기존의 열간단조공정 대비 단순 제조공정으로 원가절감 등에 효과가 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

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알루미늄(Al) 96.28 ~ 97.22중량%, 실리콘(Si) 0.7 ~ 1.3중량%, 마그네슘(Mg) 0.7 ~ 0.8중량%, 아연(Zn) 0.7 ~ 0.8중량%, 망간(Mn) 0.07 ~ 0.1중량%, 구리(Cu) 0.25 ~ 0.3중량%, 크롬(Cr) 0.08 ~ 0.1중량%, 티타늄(Ti) 0.1 ~ 0.13중량%, 지르코늄(Zr) 0.1 ~ 0.13중량%, 철(Fe) 0.07 ~ 0.1중량% 로 구성된 주단조용 알루미늄 합금의 용탕을 주조하여 예비 성형체를 성형하는 단계와;
상기 예비 성형체를 예열하는 단계; 및
예열된 상기 예비 성형체를 압하율 5 ~ 25%로 1회 열간 단조하는 단계를 포함하며,
상기 알루미늄 합금의 용탕은 주조압력 0.6 ~ 2bar, 주입속도 0.03 ~ 0.05m/s, 냉각속도 0.8 ~ 0.95℃/s에서 주조되는 주단조용 알루미늄 합금을 이용한 자동차 샤시구조 부품의 제조방법.
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