KR20040001581A - 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄스페이스 프레임의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차체 프레임으로 이용되는 알루미늄 스페이스 프레임의 인성(신율)을 향상시킬 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법에 관한 것이다.

좀 더 상세하게는, 본 발명은 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있고, 알루미늄 합금의 물성을 개선하여 강성 및 신율 등의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로는 경량화 효과로 원가절감을 도모할 수 있고, 내구성 측면에서 신뢰성을 확보할 수 있으며, 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과와 차체 경량화에 의한 연비 개선 효과를 얻을 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

Description

고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법{The high toughness aluminium alloy amd manufacturing method of aluminium space frame using the same}

본 발명은 고인성 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 차체 프레임으로 이용되는 알루미늄 스페이스 프레임의 인성(신율)을 향상시킬 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법에 관한 것이다.

기존의 차체부품은 일반적으로 여러 종류의 스틸 판재를 이용, 프레스 성형 한 다음, 이를 용접에 의해 제작하고 있으나, 최근 알루미늄 압출재 및 주조연결부재를 이용하여 프레임 골격을 만들고, 외/내판을 알루미늄 프레스 판재로 개발하고 있다.

알루미늄 스페이스 프레임 주조연결부재의 제조공법은 현재 중력금형주조로 일부 제조되고 있으나, 이러한 공법의 경우 주조시 내부결함 발생에 의해 내구신뢰성면에 있어서 문제가 될 수 있고, 또한 중력주조부품은 압탕의 설치로 인해 제품의 수율이 현저히 떨어지는 문제가 있다.

또한, 중력금형주조로 연결부재를 제조시 신율이 작아서 충돌시 신뢰성면에서 취약할 수 있으며, 생산성측면에서도 효율이 떨어지는 단점이 있다.

현재 모노코크 스틸 차체의 경우 다수의 스틸 프레스품을 용접함으로써 공정이 복잡하고, 용접 품질 불균일발생 및 중량이 무거워 차량의 주행시 승차감 개선, 조종안정성의 효과가 미비하다.

따라서, 최근 알루미늄 스페이스 프레임 차체를 사용하여 기존 차체보다 가벼운 차체를 개발 중에 있고, 이때 프레임 연결부재를 중력금형주조로 제작할 경우, 기존 스틸부품 대비 부품 절감 효과를 보였으나, 이 공법은 금형주조품의 제조시 내부 결함 발생에 의한 내구 신뢰성면에서 문제가 되고 있다.

특히, 부품의 인성(신율)을 현저히 개선해야하는 문제점을 가지고 있고, 따라서 상기 알루미늄 스페이스 프레임의 주조연결부재 제조시 문제가 되고 있는 신뢰성을 현저히 개선시킬 수 있는 고인성소재 개발이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명한 것으로서, 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있고, 알루미늄 합금의 물성을 개선하여 강성 및 신율 등의 내구성을 향상시킬 수 있으며, 궁극적으로는 경량화 효과로 원가절감을 도모할 수 있고, 내구성 측면에서 신뢰성을 확보할 수 있으며, 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과와 차체 경량화에 의한 연비 개선 효과를 얻을 수 있도록 한 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 고인성 알루미늄 합금을 이용하여 알루미늄 스페이스 프레임을 제조하는 장치를 나타내는 개략도,

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 진공보온로 11 : 급탕관

12 : 사출관 13 : 사출실린더

14 : 고정금형 15,18 : 진공밸브

16 : 가동금형 17 : 캐비티

19 : 진공펌프 20 : 감압탱크

이하, 본 발명에 따른 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 여러 보강용 성분을 함유하고 있는 알루미늄 합금에 있어서, 상기 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 2.0∼2.5 중량부, 마그네슘(Mg) 4.5∼5.5 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 0.05∼0.1 중량부, 구리(Cu) 0.05 중량부 이하,티타늄(Ti) 0.15 중량부이하, 아연(Zn) 0.1 중량부 이하를 함유시킨 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금을 제공한다.

또한, 본 발명은 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 2.0∼2.5 중량부, 마그네슘(Mg) 4.5∼5.5 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 0.05∼0.1 중량부, 구리(Cu) 0.05 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.15 중량부이하, 아연(Zn) 0.1 중량부 이하가 함유된 고인성 알루미늄 합금을 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 경량 소재인 알루미늄 합금의 신율을 증대시키기 위하여 재질 성분을 새롭게 조성한 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 차체용 알루미늄 스페이스 프레임을 도 1에 도시한 장치에 의한 고진공 다이캐스팅 주조로 일체화 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 고인성(신율) 알루미늄 합금의 각각의 성분에 대한 함유량은 다음의 표 1과 같다.

위의 표에서 보는 바와 같이, Mg의 경우 함유량은 4.5 - 5.5Wt% 로 한다.

Mg은 Si과 함께 주조시 석출물을 생성시켜 강도 향상 효과가 있다. 이때, Mg 함량이 4.5Wt%이하인 경우 주조시 석출물 생성이 적어 강도 향상 효과가 적고, 5.5Wt%이상시에는 주조시 일부 취약한 금속간화합물의 형성에 의한 인성 저하의 원인이 된다.

Si의 경우 함유량은 2.0 -2.5Wt% 로 한다. Si는 주조성 개선 및 강도 향상 효과가 있는 바, Si 함량이 2.0Wt% 이하이면 주조시 Mg과의 반응에 의한 강도 향상 효과가 있는 석출물의 생성이 적어 효과가 적고, 반면 Si 함량이 2.5Wt%이상이면 주조시 Mg과의 반응으로 취약한 금속간 화합물의 형성 원인이 된다.

Fe의 경우 함유량은 0.2Wt% 이하로 한다. Fe는 Al,Si와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키므로 가급적 억제하는 것이 바람직하다.

Mn의 경우 함유량은 0.05-0.1 Wt%로 한다. Mn은 Mg,Si,Al와 반응하여 강도 향상 효과를 갖는다. 그러나 Mn의 함유량이 0.1Wt% 이상인 경우 반응 화합물이 고강도로 되어 인성 저하의 가능성이 될 수 있고, 반면 0.05Wt% 이하 일 경우, Al, Si, Fe와 결합된 취약한 화합물의 생성이 증가된다.

Cu의 경우 함유량은 0.05 Wt% 이하로 한다. Cu는 Al,Mg,Si와 결합하여 취약한 석출물을 생성시키므로 가급적 억제하는 것이 좋다.

Ti의 경우 함유량은 0.15 Wt% 이하로 한다. Ti은 초기에 결정립미세화을 통해 주조성 개선 및 강도 향상에 효과가 있다. 그러나 0.15Wt%이상 함유시 취약한 금속간 화합물의 생성 원인이 된다.

Zn의 경우 함유량은 0.1 Wt% 이하로 한다. Zn은 주조시에 Al,Si와 반응하여 주조성 개선 및 강도 향상에 효과가 있다. 그러나 0.1Wt% 이상 함유시 주조 산화물의 생성이 촉진되어 바람직하지 못하다.

이와 같은 알루미늄 합금을 이용하여 알루미늄 스페이스 프레임을 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 제조하게 된다.

본 발명의 고진공 다이캐스팅 주조공법은 고진공 다이캐스팅 주조장치를 이용하여 금형을 주조장치에 장착한 후, 진공 보온로에 있는 알루미늄 용탕을 급탕관을 통해 사출관으로 이동시킨 다음, 곧바로 알루미늄 용탕을 고압으로 사출하여 캐비티를 채움과 동시에 진공펌프를 이용하여 주형 캐비티 내의 잔존공기를 완전히 제거함으로써, 열처리가 가능함은 물론 신율이 향상된 서브 프레임을 제조할 수 있는 공법이다.

위와 같은 공법으로 제조한 제품의 경우 성형한 후 열처리에 의한 기계적 성질 향상 및 정미 형상(Net shape)으로 주조하여 가공이 거의 필요없는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고진공 다이캐스팅 주조장치의 일 구현예를 보여주고 있다.

상기 고진공 다이캐스팅 주조장치는 알루미늄 용탕을 700℃ 정도로 유지하면서 저장하고 있는 진공보온로(10)와, 상기 진공보온로(10)와 급탕관(11)으로 연결되어 금형의 캐비티 내까지 알루미늄 용탕의 사출진행을 유도하는 사출관(12)과, 상기 사출관(12) 내의 알루미늄 용탕을 800MPa 정도의 압력으로 사출하는 사출실린더(13)와, 본체상에 지지되어 합형 및 이형되면서 제품의 성형공간인 캐비티(17)를 조성하는 고정금형(14) 및 가동금형(16)과, 캐비티(17) 내에 알루미늄 용탕이 채워짐과 동시에 그 내부의 공기를 제거하는 2개의 진공밸브(15),(18)와 진공펌프(19) 및 감압탱크(20)를 포함하는 구조로 이루어져 있다.

따라서, 고신율 알루미늄 재료를 700℃ 정도 진공보온로(10)에 용해한 후, 급탕관(11)을 통하여 사출관(12)으로 이동시킨다.

사출관(12) 내의 용탕을 사출실린더(13)를 이용하여 고압으로 사출하여 캐비티(17) 내에 채우고, 이와 동시에 진공밸브(15),(18)를 작동시켜 캐비티(17) 내의 공기를 진공펌프(19)를 통해 뽑아낸다.

이때의 사출온도는 640∼650℃이고, 사출압력은 80MPa이다.

사출완료 후 캐비티(17)를 열어 부품을 취출한 다음 부품의 육안검사를 실시한다. 부품의 외관에 대한 검사를 수행한 후에는 서브 프레임의 특성에 맞는 열처리를 실시한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 고인성 알루미늄 합금 및 이를 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법에 의하면,

1) 주조성 개선 및 강도 향상의 효과를 얻을 수 있고,

2) 알루미늄 합금의 물성을 개선하여 강성 및 신율 등의 내구성을 향상시킬 수 있으며,

3) 궁극적으로는 경량화 효과로 원가절감을 도모함과 함께 내구성 측면에서 신뢰성을 확보할 수 있으며,

4) 부품 일체화 성형을 통한 생산성 향상 및 공정수 절감의 효과와 차체 경량화에 의한 연비 개선 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 여러 보강용 성분을 함유하고 있는 알루미늄 합금에 있어서,

   상기 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 2.0∼2.5 중량부, 마그네슘(Mg) 4.5∼5.5 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 0.05∼0.1 중량부, 구리(Cu) 0.05 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.15 중량부이하, 아연(Zn) 0.1 중량부 이하를 함유시킨 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금.
2. 알루미늄 소재를 기본성분으로 하고, 여기에 보강용 성분으로 알루미늄 기본성분 100 중량부에 대해 규소(Si) 2.0∼2.5 중량부, 마그네슘(Mg) 4.5∼5.5 중량부, 철(Fe) 0.2 중량부 이하, 망간(Mn) 0.05∼0.1 중량부, 구리(Cu) 0.05 중량부 이하, 티타늄(Ti) 0.15 중량부이하, 아연(Zn) 0.1 중량부 이하가 함유된 고인성 알루미늄 합금을 고진공 다이캐스팅 주조공법으로 성형하여 제조하는 것을 특징으로 하는 고인성 알루미늄 합금을 이용한 차체용 알루미늄 스페이스 프레임의 제조 방법.