KR101798064B1 - 접합특성이 우수한 아연도금강판-알루미늄의 주조 접합 방법 - Google Patents

Abstract

접합특성이 우수한 아연도금강판-알루미늄의 주조 접합방법이 제공된다.
본 발명의 주조접합방법은, 아연도금층을 접합 계면으로 하여 아연도금강판을 금형의 일측에 인써트로 삽입한 후, 그 금형 내부로 알루미늄 용탕을 주입하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합 방법에 있어서, 상기 아연도금강판이 삽입되는 측의 금형의 온도를 그에 대향하는 측의 금형의 온도보다 50~350℃ 낮게 관리하는 것을 특징으로 한다.

Description

접합특성이 우수한 아연도금강판-알루미늄의 주조 접합 방법{A Method of Cast-bonding of Galvanized steel and Aluminum Alloy for Improving Bonding-properties}

본 발명은 접합특성이 우수한 아연도금강판-알루미늄의 주조 접합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강도와 강성을 동시에 확보할 수 있는 아연도금강판과 알루미늄 하이브리드 부품의 주조 접합 방법에 관한 것이다.

기존 철계, 비철계 단일 금속을 자동차용 충돌 부품으로 사용 시 강도/강성의 동시 만족이 불가하였다. 그리고 국내에서는 SOL(Small overlap) 충돌 등 선진국을 중심으로 강화되고 있는 자동차 충돌법규에 대응하기 위해 고장력강의 사용 비율을 대폭 증가시키기도 하였으나, 부품 수 증가 및 그로 인한 중량 증가와 연비 감소, 싸이클 타임 증가, 원가 상승 등의 문제를 초래한 반면 충돌성능 향상 효과는 미미한 실정이었다.

그런데 최근에 들어, 자동차 차체부품을 경량화하면서도 강도와 강성을 동시에 확보하기 위해서 자동차용 충돌 부품으로 적용가능한 스틸(강도)+알루미늄(강성) 하이브리드 부품 제조기술이 개발되고 있다.

하지만 기존의 스팟 용접, 레이저 용접 등의 방식을 적용 스틸-알루미늄 하이브리드 차체 부품을 제조하는 경우, 복잡 형상에 대한 적용에 한계가 있거나 공정 수 증가, 제조원가 상승 등 안전성과 생산성이 저하되는 문제점들이 발생하였다.

따라서 이러한 문제점을 극복하고자 VarioStruct사, Tower사에서는 스틸 프레스 부품에 주조공정에 의해 경량소재를 하이브리드화 하려는 시도가 이루어지고 있다. 본 기술은 다중소재 융합기술로서, 값싸고 단단한 철로 제품의 모양을 제조한 후, 주조공정을 통하여 가볍고 부드러운 알루미늄 합금을 접합하는 기술로서, 철과 알루미늄의 결합을 통해 경량화와 충돌성능 만족을 동시에 실현할 수 있다는 점에서 장점이 있다.

그러나 강판을 금형에 인서트로 삽입하고 주조공정에 의해 알루미늄을 접합시켜 하이브리드화 하는 경우 일반적으로 충분한 접합특성을 얻을 수 없었다. 왜냐하면 강판과 알루미늄 계면의 금속 결합 반응을 충분히 일어나게 하면서도 취성이 큰 금속간화합물 형성 두께를 적절히 제어하지 못하는 경우, 작은 충격에도 계면 파단이 발생하는 문제점이 있기 때문이다. 또한 주조접합을 통하여 강판과 알루미늄을 접합할 경우, 강판이 인써트로 삽입된 금형측에서는 축열 등으로 인하여 강판이 삽입되지 않은 금형부에 비하여 열방출이 원활하지 않으며, 이에 따라 응고 종료 후 강판-알루미늄 계면부에 다수의 응고 수축공이 형성되어 접합강도가 떨어지는 문제점이 있기 때문이다. 나아가, 이러한 이유로 인한 낮은 계면 결합력은 충돌성능을 저하시키는 것은 물론이거니와, 계면 간 전해액 노출로 갈바닉 부식을 조장하게 되어 부품의 수명을 떨어뜨리는 문제점도 야기하게 된다.

그러므로 강판과 알루미늄 간의 주조 접합을 위한 새로운 접합 방법에 대한 개발 요구가 대두 되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 한계를 극복하기 위하여, 안출된 것으로서, 아연도금강판-알루미늄 간의 주조접합에 있어서 비대칭 금형 예열온도 제어 등을 통하여 종래 야기되던 접합 계면에 집중 발생하던 응고 수축공 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 계면 금속간 화합물 반응층 두께 및 접합 계면의 형상을 제어함으로써 접합강도를 개선할 수 있는 아연도금강판-알루미늄의 주조 접합 방법을 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

아연도금층을 접합 계면으로 하여 아연도금강판을 금형의 일측에 인써트로 삽입한 후, 그 금형 내부로 알루미늄 용탕을 주입하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합 방법에 있어서, 상기 아연도금강판이 삽입되는 측의 금형의 온도를 그에 대향하는 측의 금형의 온도보다 50~350℃ 낮게 관리하는 것을 특징으로 하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합 방법에 관한 것이다.

상기 강판은 그 표면조도가 4~15㎛ 범위를 만족함이 바람직하다.

상기 아연도금층의 두께는 1~20㎛ 범위인 것이 바람직하다.

상기 아연도금강판은 알루미늄 용탕의 주입 이전에 100~400℃의 온도 범위로 예열되어 있음이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 아연도금강판과 알루미늄을 주조 접합하는 방법에 있어서 비대칭 금형가열을 통하여 보다 우수한 접합강도를 가질 뿐만 아니라 강도와 강성이 우수한 아연도금강판과 알루미늄 접합 하이브리드 부품을 효과적으로 제조할 수 있다.

또한 강판의 표면 조도와 아연도금층 두께 등을 제어함으로써 아연도금강판과 알루미늄 간의 주조 접합에 따른 접합강도를 제고할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 금형 내에서 아연도금강판과 알루미늄이 주조 접합 되는 공정을 개략적으로 나타내는 그림이다.
도 2는 종래의 공정으로 아연도금강판-알루미늄 주조접합 시 계면부 수축공 이 형성됨을 보이는 사진이다.
도 3은 본 발명에서 아연도금강판-알루미늄 주주접합 시 좌/우 금형 예열 온도에 따른 응고 거동(해석식을 이용한 계산결과 그래프)을 나타내는 그래프이다.
도 4는 아연도금강판 표면조도에 따른 알루미늄 합금 용탕의 유동도 변화(유동도 평가실험 결과 그래프)를 나타내는 그래프이다.
도 5는 잔존 Zn 도금층 두께에 따른 아연도금강판-알루미늄 주주접합 계면 반응층 두께 변화를 보이는 사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은, 아연도금층을 접합 계면으로 하여 아연도금강판을 금형의 일측에 인써트로 삽입한 후, 그 금형 내부로 알루미늄 용탕을 주입하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합 방법에 있어서, 상기 아연도금강판이 삽입되는 측의 금형의 온도를 그에 대향하는 측의 금형의 온도보다 50~350℃ 낮게 관리하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에서 금형 내에서 아연도금강판(130)과 알루미늄(150)이 주조 접합 되는 공정의 일예를 개략적으로 나타내는 그림이다.

아연도금강판(130)이 인서트로 삽입된 우형 금형부(110a)의 경우, 강판(130)과 금형(110a) 사이의 계면 열저항이 존재하여 축열로 인해 강판(130)이 승온 될 수 있다. 더욱이 강판 표면에 도금된 아연층(135)이 알루미늄(150)으로 용융 혼입되면서 강판(130)에 근접한 알루미늄 용탕(150)의 융점을 저하시키는 효과가 더해져 응고시간을 지연시킨다.

한편, 강판(130)이 삽입되지 않은 좌형 금형부(110b)에 인접한 알루미늄 용탕(150)은 수냉되고 있는 차가운 금형으로 열 방출이 원활히 이루어지게 된다. 그 결과, 알루미늄 제품부의 최종응고 부위가 강판이 삽입된 금형 쪽으로 치우치게 되고, 그 결과 응고 종료 후 강판-알루미늄 계면부에 다수의 거시 및 미시 응고 수축공이 형성하게 되어 접합강도를 떨어뜨리게 된다. 도 2는 이러한 아연도금강판-알루미늄 주조접합 시 형성되는 계면부 수축공을 보이는 사진이다.

이러한 응고 수축공에 의한 접합강도 저하를 방지하기 위한 수단으로써 아연도금강판(130)이 삽입된 우형 금형부(110a)의 예열온도를 상대적으로 낮게 설정함으로써 응고를 촉진시켜 최종 응고지점이 삽입된 강판-알루미늄 계면으로부터 멀어지게 하는 것이 효과적이다. 따라서 이를 위하여, 본 발명에서는 아연도금강판-알루미늄 주조 접합 시 좌/우형의 예열 온도 차이를 50~350℃로 유지함을 특징으로 한다. 만일 예열 온도 차이가 50℃보다 작으면, 최종 응고지점의 이동 효과가 미비하여 소기의 목적을 달성할 수 없고, 반대로 350℃보다 크면 금형의 냉각 또는 예열을 과도하게 함으로써 달성될 수 있으나 생산성 저하, 금형의 뒤틀림 및 수명 저하, 제품 조직의 조대화로 인한 물성 열화 등의 문제를 야기할 수 있기 때문이다.

도 3은 본 발명의 아연도금강판-알루미늄 주조 접합 시 좌/우 금형 예열 온도에 따른 응고 거동 (해석식을 이용한 계산결과 그래프)을 나타내는 그래프이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 비대칭 금형 예열을 이용한 본 발명의 방법의 경우 주조부 중심부로부터 최종 응고부까지의 편심 거리가 대칭 금형 예열을 이용한 비교예의 경우보다 작은 것을 알 수 있다. 즉, 비대칭으로 금형을 예열하는 경우, 다시 말해 좌측 금형의 예열온도를 우측 금형의 예열온도보다 낮게 하여 주조접합 하는 경우, 응고 수축공이 알루미늄 주조부의 중심 부근에 형성되고 있음을 알 수 있으며, 이는 상기 편심 거리가 커서 주조 접합 계면 가까이에 응고 수축공이 형성될 개연성이 높은 좌/우 금형의 대칭적 예열 공정에 비하여 우수한 접합강도를 담보할 수 있음을 알 수 있다.

한편 하기 표 1은 아연도금강판-알루미늄 주조접합 시 좌/우 금형 예열 온도 차이에 따른 최종 응고지점 치우침 정도를 정리하여 나타낸 표이다.

	강판 미삽입부 금형온도(℃)	강판 삽입부 금형온도(℃)	좌/우 금형 예열온도 차이(℃)	최종 응고지점 편심거리(㎛)
비교예	200	200	0	707
발명예1	225	175	50	595
발명예2	250	150	100	494
발명예3	300	100	200	256
발명예4	350	50	300	0
발명예5	375	25	350	-135

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 비대칭 금형 예열을 이용한 본 발명예 1-5가 비교예에 비하여 최종 응고지점 편심 거리가 짧음을 알 수 있다. 보다 바람직하게는, 최종 응고지점을 접합 계면으로 멀리 떨어뜨리고 알루미늄 주조부 중심에 형성시키기 위해서 상기 좌/우 금형 예열온도 차이를 250~350℃ 범위로 유지하는 것이 효과적이다.

한편, 본 발명에서는 아연도금강판-알루미늄 간의 주조 접합강도가 우수하기 위해서는 강판-알루미늄 접합 계면의 형상은 적절한 요철 형상으로 되어 있어야 함이 바람직하며, 구체적으로, 상기 강판은 그 표면 조도(Ra)가 4~15 ㎛ 범위를 만족함이 바람직하다. 만일 표면 조도가 4 ㎛ 미만이면, 강판과 알루미늄 간의 기계적 결속효과가 미비할 뿐만 아니라 알루미늄 용탕이 강판의 요철을 채우지 못해 강판-알루미늄간 금속결합 반응이 원활히 진행될 수 없다. 반대로 강판의 표면 조도가 15 ㎛를 초과하면 용탕의 유동성과 금형 충진성을 저해하여 실제 대면적의 박육 부품 제조시에 미충진 결함이 발생하게 되는 문제점이 있을 수 있다.

도 4는 아연도금강판 표면 조도에 따른 알루미늄 합금 용탕의 박육 유동도 변화를 나타내는 그래프로서, 표면 조도(Ra)가 증가함에 따라 유동성이 저하되고 있음을 알 수 있다.

또한 본 발명에서는 주조 접합 전 상기 아연도금강판의 아연도금층(135) 두께를 일정 수준으로 유지함으로써 강판-알루미늄의 주조 접합 특성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 상기 아연도금층(135)은 첫째로, 강판-알루미늄 계면에서의 접합 반응 속도를 제어하는 인자로서 중요하며, 둘째로 박육 주조성을 결정하는 인자로서 중요하다.

상세하게 설명하면, 아연도금층(135)은 기존의 용접기술 분야에서 잘 밝혀진 바와 같이 강판 표면의 산화 피막 형성을 방지하여 강판-알루미늄의 금속결합을 가능하게 하는 역할을 하는 것은 물론이거니와, 강판과 알루미늄 간의 반응생성물인 Fe₂Al₅, FeAl₃와 같은 Fe-Al계 금속간 화합물의 형성을 지연시키는 역할을 한다. 즉, 용접 공정의 경우 좁은 면적에 높은 에너지가 가해지며, 또한 아크 발생시 생성되는 압력으로 인해 용융 아연이 용접 비드 가장자리로 밀려난 상황에서 강판-알루미늄 접합 반응이 일어나게 되지만, 주조접합 공정의 경우에는 넓은 면적에 상대적으로 낮은 에너지가 가해지는 공정으로서 용융된 아연도금층이 강판-알루미늄 계면에 상대적으로 긴 시간 존재하게 되는 상황에서 접합반응이 일어나게 되므로 취성이 큰 Fe-Al계 금속간 화합물의 형성을 어느 정도 지연시키는 역할을 하게 된다. 따라서 아연도금층이 과하게 두꺼울 경우, 계면접합반응이 느리게 일어나 바람직하지 않다. 반면에 아연도금층이 너무 얇을 경우, 접합 반응 시 곧바로 아연도금층이 용해되고 알루미늄 내부로 확산해 사라지게 되므로 전술한 취성이 큰 금속간화합물이 과도하게 형성되어 접합 후 작은 충격에도 균열이 쉽게 발생하여 접합강도를 떨어뜨리게 된다.

또한 아연도금층(135)은 박육 주조성을 결정하는 인자로서의 역할을 한다. 즉, 아연도금층은 강판에 대한 알루미늄 용탕의 젖음성을 향상시켜 유동성을 개선하며, 이에 의해 알루미늄 용탕의 충진성을 개선함으로써 박육 대면적 부품의 주조를 가능하게 한다.

본 발명에서는 이러한 아연(Zn) 도금층(135) 두께를 1~20 ㎛ 범위로 유지함이 바람직하다. 만일 아연(Zn) 도금층 두께가 20 ㎛를 초과하여 너무 두껍게 되면, 강판-알루미늄 간 접합반응이 충분히 일어날 수 없다. 반대로 아연(Zn) 도금층 두께가 1 ㎛ 미만으로 너무 얇아지게 되면, 금속간 화합물 반응층 두께가 과도하게 커져 취성 파괴가 일어나는 문제가 있다. 또한 강판-알루미늄 용탕간 젖음성이 나빠져 실제 박육 대면적의 부품 제조시에 미충진 결함이 발생하게 되는 문제점도 있다.

도 5는 잔존 Zn 도금층 두께에 따른 아연도금강판-알루미늄 주주접합 계면 반응층 두께 변화를 보이는 사진으로서, (a)는 잔존 Zn 도금층 두께가 8 ㎛인 경우를, 그리고 (b)는 잔존 Zn 도금층 두께가 3 ㎛인 경우를 나타낸다. 도 5에 나타난 바와 같이, Zn 도금층의 두께가 보다 얇은 도 5(b)가 도 5(a)에 비하여 강판과 알루미늄 용탕간의 활발한 금속간화합물 형성반응을 보임을 알 수 있다.

또한 아연도금강판을 금형에 삽입하기 전에 아연도금층의 두께를 조절하기 위한 표면 개질 공정은 강판 표면의 이물질, 산화 피막 등을 제거하게 되므로 주조접합 특성을 더욱 향상시키는 효과를 얻게 해준다.

한편 금형 내에 아연도금강판(130)을 삽입한 후, 알루미늄 용탕(150)을 주입하면 상기 강판(130)의 온도는 급격히 상승하는 반면에 알루미늄 측의 온도는 하강하게 된다. 따라서 이러한 열이력에 따라 알루미늄 주조 접합 부재에 잔류 열응력이 발생하게 되고, 이에 의해 접합강도가 떨어지거나 심지어 접합부가 탈착되는 경우도 발생하게 된다.

본 발명에서는 이러한 강판-알루미늄 접합 부재에 발생하는 잔류 열응력을 해소하고, 또한 강판 표면에 존재하여 주조시 가스결함 발생을 야기하는 수분을 제거하기 위하여 알루미늄 용탕(150) 주입 이전에 강판(130)의 온도를 100~400℃의 온도범위로 예열하여 줌이 바람직하다. 만일 상기 예열온도가 100℃ 미만이면, 잔류 열응력 저감 효과를 보기 힘들뿐만 아니라 강판 표면에 존재하는 수분을 짧은 시간에 제거하는 것이 힘들게 되고, 반대로 상기 예열온도가 400℃를 초과하면 잔류 열응력 저감 및 강판 표면 수분 제거에는 효과적이나 아연도금강판 표면에 존재하는 아연층이 용융되어 균일한 분포를 얻기 힘들기 때문이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (4)

1. 아연도금층을 접합 계면으로 하여 아연도금강판을 금형의 일측에 인써트로 삽입한 후, 그 금형 내부로 알루미늄 용탕을 주입하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합 방법에 있어서,
   상기 아연도금강판이 삽입되는 측의 금형의 온도를 그에 대향하는 측의 금형의 온도보다 50~350℃ 낮게 관리하는 것을 특징으로 하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 강판은 그 표면조도가 4~15㎛ 범위를 만족함을 특징으로 하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 아연도금층의 두께는 1~20㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 아연도금강판과 알루미늄의 주조 접합방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 아연도금강판은 알루미늄 용탕의 주입 이전에 100~400℃의 온도 범위로 예열되어 있음을 특징으로 하는 아연도금강판과 알루미늄의주조 접합방법.
   

Images