KR101693984B1 - 자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강성 및 NVH 특성이 향상될 수 있도록, Boride 화합물의 생성을 극대화하여 탄성, 성형성 및 덴트성을 향상시킨 자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금은 Ti, B 및 Mg를 포함하고 잔부 Al으로 조성되되, 중량비로 Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0이고, 강화상으로서 AlB2상 및 TiB2상을 모두 포함한다.

Description

자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 {ALUMINUM ALLOY FOR AUTOMOBILE OUTER PANELS AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강성 및 NVH 특성이 향상될 수 있도록, Boride 화합물의 생성을 극대화하여 탄성, 성형성 및 덴트성을 향상시킨 자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 알루미늄 합금은 알루미늄의 성질을 개량하여 우수한 특성을 발휘한다.
고력(高力) 알루미늄 합금은 알루미늄에 구리를 첨가한 것으로 강도가 크며, 두랄루민이 그 대표적인 예이다. 이것에 마그네슘을 첨가하면 초(超)두랄루민, 다시 아연을 첨가한 초초두랄루민은 항공기의 재료로 사용된다.
고력 알루미늄 합금은 내식성(耐蝕性)에서 문제점이 있다. 구조용 알루미늄 합금은 마그네슘·아연을 가한 것인데 내식성이 우수하며 철도차량·교량 등에 사용된다. 주물용은 규소를 가한 합금을 사용하며, 이 밖에 내열(耐熱)·광휘(光輝) 등 목적에 따라서 다른 금속을 배합하여 사용한다.
알루미늄 합금은 크게 전신재(展伸材)용과 주조재용으로 구분되며, 전신재용 알루미늄 합금에는 Al-Cu-Mg계(두랄루민, 초두랄루민), Al-Mn계, Al-Mg-Si계, Al-Mg계, Al- Zn-Mg계(극초두랄루민) 등이 있다. 후자에는 Al-Cu계, Al-Si계(실루민) Al-Cu-Si계(라우탈), Al-Mg계(히드로날륨), Al-Cu-Mg-Si계(Y합금), Al-Si-Cu- Mg-Ni계(로ㆍ엑스합금) 등이 있다.
종래 알루미늄 합금의 탄성 향상을 위하여 금속계 화합물이나 CNT 등의 강화상을 분말형태로 성형하였으나 원가 경쟁력에 있어 한계가 있는 문제가 있었다.
또한, 주조공정에서 분말형태의 강화상 투입시, Al 용탕에서의 손실, 젖음성, 분산 문제가 발생되었고, 기지 합금의 개량 없이 강화상 만을 첨가만 할 경우에는 목표로 하는 탄성의 달성을 위한 강화상의 첨가량 증가로 인해 원가 상승 및 공정 제어 난이 등의 문제점이 발생되었다.
따라서, 탄성 향상에 가장 중요한 역할을 하는 Boride 화합물의 생성을 극대화하고, 자발 반응에 의해 생성된 Boride 화합물을 알루미늄 용탕 내부에 균일하게 분산하는 기술이 필요하였다.
종래, 탄소나노튜브(CNT) 등의 고가재료를 사용하지 않으면서도 종래의 알루미늄 합금에 비해 탄성이 뛰어나며, 고압주조를 포함하는 일반적인 주조공정에서 모두 적용이 가능한 알루미늄 합금에 대해서는 "티타늄 붕화물을 포함하는 알루미늄 주조재 및 그의 제조 방법 (한국공개특허 10-2012-0059256)" 등에서 구체적으로 공지되어 있다.
그러나, 분말형태의 강화상 투입시, 알루미늄 용탕에서의 손실, 젖음성, 분산 문제 발생 및 강화상의 첨가량 증가로 인해 제조원가가 상승되고, 공정 제어가 어려운 문제점을 해결하지 못하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0059256 A (2012. 06. 08.)
본 발명은 강화상으로 TiB2상 및 AlB2상과 같은 Boride 화합물의 생성을 극대화될 수 있도록, 조성비를 최적화하여, 탄성, 성형성 및 덴트성이 향상된 자동차 외판용 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차 외판용 알루미늄 합금은 Ti, B 및 Mg를 포함하고 잔부 Al으로 조성되되, 중량비로 Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0이고, 강화상으로서 AlB2상 및 TiB2을 모두 포함한다.
이때, Ti는 1wt% 이하(단, 0제외), B는 1.1~2.5wt%인 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금은 Mg: 0.5~5wt%, Ti: 0.55~1.0wt%, B: 1.1~2.5wt% 및 잔부 Al으로 구성되고, Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 포함되며, 강화상으로서 AlB2상, TiB2상 및 MgB2상을 모두 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차 외판용 알루미늄 합금 제조방법은 알루미늄 합금을 제조하는 방법으로서, Mg이 0.5~5wt% 함유된 Al 용탕이 수용된 용융로에 Al-Ti 모합금, Al-B 모합금 또는 75wt% Al염 화합물을 장입시키되, Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 장입하는 장입단계; 및 자발반응으로 강화상인 AlB2상 및 TiB2상을 생성시키면서 분산될 수 있도록, 교반자를 이용하여 용탕을 교반하는 교반단계;를 포함한다.
상기 교반자의 길이는 상기 용융로 직경의 0.4배 이상의 길이를 갖도록 형성되며, 상기 교반하는 과정은, 500rpm 이상의 속도로 상기 용탕을 교반하는 것을 특징으로 할 수 있다.
Al-Ti 모합금은 Ti : 5~20wt% 및 잔부 Al로 구성된 것이 바람직하고, Al-B 모합금은 B : 3~10wt% 및 잔부 Al로 구성된 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, Ti, B, Mg의 조성비율을 최적화하여, 강화상인 TiB2상 및 AlB2상의 생성을 극대화함으로써, 소재의 탄성, 성형성 및 내 덴트성을 동시에 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 알루미늄 용탕 내에서 자발 반응에 의해 생성된 TiB2상 및 AlB2상을 최적의 조건으로 교반하여, 강화상인 Boride 화합물을 균일하게 분산시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 강화상의 종류별 특성 및 그에 따른 탄성 기여도를 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금은 강화상으로 AlB2상 및 TiB2상을 모두 포함하여 탄성, 성형성 및 덴트성을 동시에 향상시키는 것을 특징으로 한다.
도 1은 Digimat 프로그램을 이용하여 강화상의 종류별 특성 및 그에 따른 탄성 기여도를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 탄성 기여도는 단순히 강화상 자체의 탄성뿐만 아니라, 강화상의 형상, 밀도 등이 복합적으로 작용하는 것으로 강화상 자체 탄성이 크더라도 밀도 등 특성에 따라 탄성 증가율은 달라짐을 알 수 있다.
또한, 본 발명은 자동차 외판용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 강성 및 NVH 특성을 향상시키기 위해서는 탄성뿐만 아니라 성형성 및 덴트성도 우수해야 하며, 차체의 중량을 감소시키기 위해서는 그 중량도 가벼워야 한다.
따라서, 강화상의 자체 탄성뿐만 아니라, 그 형상 및 밀도 등을 복합적으로 고려되어야 하며, 그 형상이 비교적 구형상에 가까우면서, 탄성 증가율이 비교적 높은 TiB2상, AlB2상 및 MgB2상 등이 강화상으로 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차 외판용 알루미늄 합금은 Mg: 0.5~5wt%, Ti: 0.55~1.0wt%, B: 1.1~2.5wt% 및 잔부 Al으로 구성될 수 있으며, Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하는 것이 바람직하다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른, 자동차 피스톤용 알루미늄 합금은 Ti와 B의 함량을 조절한 Al-Mg계 알루미늄 합금으로서, Mg가 0.5~5wt% 함유된 상용 5000계 알루미늄 합금에 비하여, 주조온도는 유사하면서도 탄성, 성형성 및 덴트성을 동시에 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
일반적으로, 자동차 외판용으로 주로 상용 5000계 알루미늄 합금이 사용되는데, 본 발명의 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금은 자동차 외판으로 주로 사용되는 상용 5000계 알루미늄 합금의 조성 성분을 기본으로 하되, Ti, B 및 Mg을 포함하는 조성으로 구성하면서, Ti : B : Mg의 조성비는 무게비로 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0의 비율이 되도록 하는 것이 바람직하다.
일반적으로, 알루미늄에 Ti와 B를 첨가할 경우에는 탄성에 대한 기여가 가장 높은 TiB2와 Al3Ti 강화상을 형성시킬 수 있는데, Ti : B : Mg의 조성비는 무게비로 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하는 경우, 그 형상이 장축과 단축의 차가 큰 타원구 형상으로 형성되어 소재의 성형성을 저하시키는 Al3Ti상의 생성을 최소화하면서, AlB2상 및 TiB2상이 생성되도록 하면서, 남은 B는 Mg와 반응하여 강화상으로 MgB2상을 추가 생성함으로써, 탄성, 성형성 및 덴트성을 동시에 향상시킬 수 있기 때문이다.
Ti:B:Mg Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti B Al 탄성 계수 Gpa DAS ㎛ 잠열 J/g 인장 강도 ㎫ 항복 강도 ㎫ 항복/
인장 비율		 인장/
항복 차		 융점 ℃
1:1.1:2 0.25 0.4 0.1 0.1 2 0.1 0.1 1 1.1 Bal. 70 23 380 409 289 71 120 640
1:1.1:3 0.25 0.4 0.1 0.1 3 0.1 0.1 1 1.1 Bal. 71 23 381 403 283 70 120 642
1:1.1:4 0.25 0.4 0.1 0.1 4 0.1 0.1 1 1.1 Bal. 70 18 371 424 304 72 120 630
1:1.1:5 0.25 0.4 0.1 0.1 5 0.1 0.1 1 1.1 Bal. 73 18 372 424 304 72 120 635
1:2.3:2 0.25 0.4 0.1 0.1 2 0.1 0.1 1 2.3 Bal. 73 25 373 488 369 76 119 648
1:2.3:3 0.25 0.4 0.1 0.1 3 0.1 0.1 1 2.3 Bal. 72 20 327 680 583 86 97 642
1:3:3 0.25 0.4 0.1 0.1 3 0.1 0.1 1 3 Bal. 75 23 363 533 418 78 115 641
1:2.3:4 0.25 0.4 0.1 0.1 4 0.1 0.1 1 2.3 Bal. 72 18 361 515 398 77 117 630
1:2:5 0.25 0.4 0.1 0.1 5 0.1 0.1 1 2 Bal. 74 18 362 490 372 76 120 630
1:2.3:5 0.25 0.4 0.1 0.1 5 0.1 0.1 1 2.3 Bal. 73 19 355 497 378 76 119 630
1:2.5:5 0.25 0.4 0.1 0.1 5 0.1 0.1 1 2.5 Bal. 74 19 353 510 392 77 118 630
1:2.3:6 0.25 0.4 0.1 0.1 6 0.1 0.1 1 2.3 Bal. 74 17 352 523 393 75 130 625
2.3:1.1:2 0.25 0.4 0.1 0.1 2 0.1 0.1 2.3 1.1 Bal. 71 22 378 411 291 71 120 640
2.3:1.1:3 0.25 0.4 0.1 0.1 3 0.1 0.1 2.3 1.1 Bal. 72 22 378 406 286 70 120 642
강화상 분율
Ti:B:Mg TiB2
MgB2 		AlB2 Al3Ti Al3Mg2 Al3Fe Mg2Si Al6Mn AlCr
Mg
Mn		 AlCu
MgZn
1:1:1 1.45 1.46 - - - 0.68 2.18 0.67 -
1:2.5:2.5 1.45 4.6 - - 0.83 0.68 0.51 0.82 0.53
1:2:4 1.45 3.48 - 10.1 0.96 0.68 0.14 1.07 0.53
1:2.5:5 1.45 4.6 - 4.1 0.96 0.68 0.14 1.07 0.53
1:2.5:7 1.45 4.6 - 10.2 0.96 0.68 0.14 1.07 0.53
표 1은 Ti : B : Mg의 조성비에 따른 5000계 알루미늄 합금의 물성변화를 나타낸 표이고(초기 냉각 속도 50℃/s), 표 2는 Ti : B : Mg의 조성비에 따른 강화상의 분율을 나타낸 표이다.
표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, B의 함량이 AlB2상 및 TiB2상이 동시에 생성 가능한 임계치인 1.1wt% 이상이면서, 본 발명의 실시예에 따른 Ti : B : Mg의 조성비를 만족하는 경우 탄성계수는 73GPa 이상이면서 성형성을 나타내는 DAS는 19㎛ 이하이며, 항복/인장 강도의 비율이 75이상이고, 인장/항복 차가 110이상으로 탄성, 성형성 및 덴트성이 비교예에 비하여 향상됨을 알 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금은 Ti의 함량은 1.0wt% 이하이고, B의 함량이 1.1~2.5wt%인 것이 바람직하다.
그 이유는, B의 함량이 1.1wt% 미만인 경우 AlB2상의 생성량이 적어지고, TiB2상만 생성되기 때문에 탄성 향상에 한계가 있으며, B의 함량이 1.1wt%를 초과하면서 Mg의 함량이 5wt% 미만인 경우 강도가 증가되어 덴트성은 향상되나 탄성 및 성형성이 저하되는 문제점을 가지고 있었으며, Mg 함량이 6wt%를 초과하는 경우 용융점이 800℃ 이상이 되어 실제 주조 공정 적용에서 용탕에 산화개재물이 다량 발생하고 용탕내 가스농도가 높아져서 주조품 내부품질에 악영향을 미치게 되기 때문이다.
한편, Ti의 함량은 1wt% 이하로 첨가되는 것이 바람직한데, 그 이유는 Ti의 함량이 1wt%를 초과하는 경우, 강화상으로 장축과 단축의 차가 큰 타원구 형상을 갖는 Al3Ti상이 생성되어 인장/항복 차를 제외한 물성이 기준값을 만족하지 못함에 따라, 탄성, 성형성 및 덴트성이 기준값을 만족시키지 못하기 때문이다.
또한, Mg의 함량은 Ti : B : Mg의 조성비는 무게비로 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 첨가되는 것이 바람직한데, 그 이유는 Mg의 함량이 상기 조성비를 초과하는 경우 그 형상이 장축과 단축의 차가 큰 타원구 형상으로 성형성을 저하시키는 강화상인 Al3Mg2상이 생성되기 때문이다.
탄성 계수 Gpa DAS
㎛		 잠열
J/g		 인장 강도
Mpa		 항복 강도
Mpa		 항복/인장 비율 인장/항복 차 융점
℃
5023 69.4 17.3 338 322 210 65 112 632
5052 68 24.5 393 291 184 63 107 646
5083 70 19 387 315 204 65 111 633
표 3은 종래 5000계 알루미늄의 물성을 나타낸 표이다.
표 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0인 경우, 비교재와 유사한 성형성을 보이면서, 탄성은 약 6% 이상 증가되고, 덴트성(항복/인장 비율)은 약 15% 증가됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 자동차 외관용 알루미늄 합금은 종래 5000계 알루미늄에 비해 부품의 강성 및 NVH 특성을 향상시킬 수 있으며, 자동차 제조시 보강설계를 최소화할 수 있어 차체를 경량화시킴과 동시에 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자동차 외판용 알루미늄 합금 제조방법은 Mg가 0.5~5wt% 함유된 상용 5000계 알루미늄 용탕이 수용된 용융로에 Al-Ti 모합금, Al-B 모합금 또는 75wt% Al염 화합물을 장입하는 장입단계와 강화상으로 AlB2상 및 TiB2상을 생성되면서 분산될 수 있도록, 교반하는 교반단계을 포함한다.
장입단계는 Al-Ti 모합금, Al-B 모합금 또는 75wt% Al염 화합물 중 어느 하나 이상을 장입하여 용탕의 조성비가 Ti : B : Mg = 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 하는 것이 바람직하며, 용탕에 장입되는 Al-Ti 모합금은 Ti : 5~20wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있으며, Al-B 모합금은 B : 3~10wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있다.
상기와 같은 비율을 유지하도록 함으로써, 탄성 향상에 효과적이면서도 성형성 및 덴트성을 동시에 향상시킬 수 있는 TiB2상, AlB2상을 동시에 생성시키면서, 성형성과 충격특성에 불리한 Al3Ti상의 생성은 최소화할 수 있다.
이때, 잉여 B은 Mg와 반응하여 강화상으로 MgB2를 추가로 생성하여 성형성, 탄성 및 덴트성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
교반단계는 강화상으로 TiB2상, AlB2상을 동시에 생성시키면서 분산되도록, 용융로 직경의 0.4배 이상의 길이를 갖는 교반자를 이용하여 용탕을 500rpm 이상의 속도로 용탕을 교반시키는 것이 바람직하다.
교반자의 길이와 교반속도는 강화상의 반응 속도 및 분산에 영향을 주는 것으로 교반자의 길이는 용융로의 40% 이상이 되는 것을 사용하여야 하며, 교반속도가 500rpm 미만인 경우, 성형성과 충격특성에 불리한 Al3Ti상이 생성되면서 TiB2상의 생성량이 부족하게 되어 성형성 및 충격특성이 저하되기 때문이다.
또한, 생성된 강화상이 용탕 내에 고르게 분산되지 못하여 용탕 부위에 따라 물성 특성편차가 발생되는 문제점을 유발할 수 있기 때문이다.
종래 알루미늄 제조방법은 대부분 탄성을 향상시키기 위해 탄소나노튜브 또는 분말형태의 강화입자를 투입하였으나, 용탕에서 손실, 젖음성, 분산 등의 문제가 있으며, 제조원가가 상승되는 문제점이 있는 반면, 본 발명은 조성비 제어를 통하여 성형성과 충격특성에 불리한 Al3Ti상의 생성은 억제하면서, TiB2상, AlB2상을 동시에 생성시키면서 용탕 내에 고루 분산되도록 함으로써, 탄성, 성형성 및 덴트성 등의 특성이 향상된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. Mg: 0.5~5wt%, Ti: 0.55~1.0wt%, B: 1.1~2.5wt% 및 잔부 Al으로 구성되고, Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 포함되며, 강화상으로서 AlB2상, TiB2상 및 MgB2상을 모두 포함하는 자동차 외판용 알루미늄 합금.
  2. 삭제
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  4. 알루미늄 합금을 제조하는 방법으로서,
    Mg이 0.5~5wt% 함유된 Al 용탕이 수용된 용융로에 Al-Ti 모합금, Al-B 모합금 및 75wt% Al염 화합물을 장입시키되, Ti : B : Mg의 조성비가 1 : 2.0~2.5 : 5.0~6.0를 만족하도록 장입하는 장입단계; 및
    자발반응으로 강화상인 AlB2상 및 TiB2상을 생성시키면서 분산될 수 있도록, 교반자를 이용하여 용탕을 교반하는 교반단계;를 포함하고,
    Al-Ti 모합금은 Ti : 5~20wt% 및 잔부 Al로 구성되고, Al-B 모합금은 B : 3~10wt% 및 잔부 Al로 구성된 것을 특징으로 하는, 자동차 외판용 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 교반자의 길이는 상기 용융로 직경의 0.4배 이상의 길이를 갖도록 형성되며,
    상기 교반하는 과정은, 500rpm 이상의 속도로 상기 용탕을 교반하는 것을 특징으로 하는, 자동차 외판용 알루미늄 합금 제조방법.
  6. 삭제
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