KR20090063518A

KR20090063518A - 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20090063518A
Application number: KR1020070130903A
Authority: KR
Inventors: 장계원; 김대업; 이우식; 박상우; 오개희; 이광식
Original assignee: 현대모비스 주식회사; 주식회사동양강철
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2007-12-14
Publication date: 2009-06-18

Abstract

본 발명은 자동차 범퍼백빔용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 7000계 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금에 있어서; 중량%로, Si:0.15% 이하, Fe:0.15% 이하, Cu:0.05% 이하, Mg:1.2-1.5%, Zn:5.2-5.7%, Ti:0.05% 이하, Zr:0.1-0.2% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명에 따르면, 종래 7003 알루미늄 합금의 성분조성을 재조정함으로써 기존 범퍼백빔에 비해 추가 경량화가 가능하고, 인장강도 항복강도를 높여 고강도 확보와 동시에 기존 소재 대비 연신율을 높임으로써 내구성도 향상시켜 자동차에 적용시 연비를 개선하고, 압출성도 우수하여 생산성을 향상시켜 제조원가도 절감시키는 효과를 얻을 수 있다.

고강도, 고인성, 알루미늄 합금, 범퍼백빔, 7000계, 인장강도, 항복강도

Description

자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금{HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY FOR AUTOMOBILE BUMPER BACK BEAM}

본 발명은 자동차 범퍼백빔용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가변곡률 압출성이 우수하고 고강도, 고인성을 가지며 경량화가 가능한 자동차 범퍼백빔용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차에는 주행중에 충돌이나 추돌사고시에 탑승자를 보다 안전하게 보호하기 위해 차체의 전방 및 후방에 범퍼가 장착된다.

이러한 범퍼는 외면을 이루는 범퍼커버와, 충격이 가해질 때에 충격을 적절히 흡수하면서 충격저항기능을 하는 범퍼백빔 및 이 범퍼백빔을 차체에 체결시키는 범퍼스테이 등으로 구성된다.

이와 같은 범퍼백빔은 제조의 용이성과, 고강성 확보를 위해 주로 고강도 6000계 알루미늄 합금이나 혹은 7000계 알루미늄 합금이 사용되고 있는데, 6000계 알루미늄 합금의 경우 마그네실리케이트(Mg2Si) 석츌상 제어에 의한 시효경화 효과를 통해 평균 인장강도 334MPa, 항복강도 298MPa 수준의 고강도 물성을 얻고 있으나, 제품의 강성확보를 위해 소재의 두께를 키움으로써 전체적으로 합금의 중량이 많이 나가기 때문에 원가증대는 물론, 특히 자동차용 부품으로 사용될 경우에는 연비저하를 초래하므로 최근에는 인장강도 400MPa, 항복강도 350MPa, 연신율 10% 수준의 물성을 갖는 7003 알루미늄 합금이 주로 사용되고 있다.

그런데, 자동차의 연비 개선을 위해 추가적인 경량화가 요구되고 있으며, 동시에 범퍼백빔 소재의 고강도화 및 충격흡수성 향상을 위한 고인성화도 요구되고 있어 더 높은 연신율을 가질 필요가 대두되었다.

하지만, 주로 사용되고 있는 7003 알루미늄 합금은 400MPa 이상의 고강도를 확보하기 위해서는 연신율이 10% 이내로 저하되어 추가적인 경량화와 고강도화 및 고연신율을 동시에 추구할 수 없다는 문제가 있다.

뿐만 아니라, 고강도를 위해서는 Mn과 Zn의 함량을 늘려야 하는데 그렇게 되면 압출성이 저하되어 압출 형재의 제조가 힘들뿐만 아니라, 생산성이 저하되어 제조원가도 상승되는 문제도 파생된다.

이에, 압출성도 우수하여 생산성이 높은 압출 형재의 제조가 가능하고, 연신율도 10% 이상 증대시키면서 인장강도와 항복강도도 높일 수 있어 고강도, 고내충격성 및 경량화를 가능케 한 신소재의 개발이 시급히 요청되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 문제점들을 고려하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 마그네슘과 아연의 적정 첨가비율과, 나머지 성분원소들의 함량 조절을 통해 중량을 감소시킴으로써 경량화가 가능하고, 동시에 원가도 절감 시킬 수 있으면서 연신율과 인장강도 및 항복강도를 기존재 보다 더 높일 수 있는 기계적 특성을 갖는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금을 제공함에 그 주된 해결 과제가 있다.

본 발명은 상기한 해결 과제를 달성하기 위한 수단으로, 7000계 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금에 있어서; 중량%로, Si:0.15% 이하, Fe:0.15% 이하, Cu:0.05% 이하, Mg:1.2-1.5%, Zn:5.2-5.7%, Ti:0.05% 이하, Zr:0.1-0.2% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금을 제공한다.

이때, 상기 성분조성중 Mg:Zn의 비율은 1:4로 유지되는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금의 제공에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 종래 7003 알루미늄 합금의 성분조성을 재조정함으로써 기존 범퍼백빔에 비해 경량화가 가능하고, 내충격성은 향상되며, 압출성도 우수하여 가변곡률 성형이 용이하고, 인장강도 항복강도를 높여 고강도를 확보함으로써 내구성도 향상시켜 자동차에 적용시 연비를 개선하고 제조원가도 절감시키는 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금에 대하여 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 7000계 알루미늄 합금중 특히, 7003 알루미늄 합금을 구성하는 성분중 Cr을 배제하고, Mg와 Zn의 성분비를 적절히 조절함으로써 400MPa 이상의 고강도를 유지하면서 연신율도 15% 이상 향상시키고, 압출성도 나빠지지 않도록 한 것이다.

또한, 결정립의 미세화와 재결정 억제를 위해 Zr의 함량도 조절된다.

이러한 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 성분조성을 알기 쉽게 표로 정리하면 하기한 표 1과 같다.

성분	Si	Fe	Cu	Mg	Zn	Ti	Zr	Al
조성비	0.15 이하	0.15 이하	0.05 이하	1.2 - 1.5	5.2 - 5.7	0.05 이하	0.1 - 0.2	Bal.

(상기 표 1에서 조성비는 모두 중량%이다.)

이때, 본 발명은 Mg의 함량이 1.2~1.5중량%의 범위와, Zn의 함량 5.2~5.7중량%의 범위 내에서 이들 Mg:Zn의 비율이 대략 1:4의 범위를 만족하도록 제한된다.

이는 Mg의 함량을 상기 범위값중 어느 하나로 고정시킨 상태에서 Zn의 함량 변화시켜 가면서 2단 시효열처리에 따른 합금의 미세조직 및 기계적 특성을 평가한 결과 도출된 것으로, 기존 7000계(특히 7108) 알루미늄 합금 대비 강도 향상을 위해 Mg함량은 증대되었고, 압출성 저하를 막기 위해 Zn함량은 7003 알루미늄 합금 대비 거의 하한치로 관리되었다.

그러면, 상기의 성분과 조성비를 갖는 본 발명 알루미늄 합금의 수치한정 사유에 대하여 설명한다.

[Si:0.15중량% 이하, Fe:0.15중량% 이하]

Si와 Fe는 7000계 알루미늄 합금에서 불순물로 관리되는 대표적인 불순물 원소로서, 0.15중량% 이상 함유시 금속간 화합물을 형성하여 고온성형성을 저하시키므로 0.15중량% 이하로 첨가됨이 바람직하다.

[Cu:0.05중량% 이하]

Cu는 강도 및 굽힘성을 향상시키며 소부처리시 시효경화로 강도를 증가시키는 주요한 첨가원소이기는 하지만 상기 Si, Fe 등의 불순물과 특정 화합물(Al₇Cu₂Fe, Al₁₂(Fe,Cr)₃Si 등)을 생성시켜 인성을 저하시키므로 0.05중량% 이하로 관리함이 바람직하다.

[Mg:1.2-1.5중량%, Zn:5.2~5.7중량%]

Mg는 고용체 경화를 위해 첨가되는 원소이고, Zn은 부식저항성의 손실없이 강도를 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서, 앞서 설명한 바와 같이 Mg:Zn의 비율이 대략 1:4의 범위를 만족시켜야 본 발명에서 목적하는 바를 달성할 수 있다.

이때, Mg를 1.2중량% 이하로 첨가하게 되면 시효경화 효과가 급격히 저하되며, 1.5중량% 이상으로 첨가되면 조대한 석출상이 생성되어 물성이 저하됨은 물론 압출시 압력이 증가하여 압출성의 급격한 저하를 초래하므로 이 Mg의 관리범위내에서 상기 Zn을 관리하여야 한다.

특히, Zn의 경우 그 함량이 5.7중량%를 넘어서게 되면 압출생산성의 저하는 물론 응력부식균열성이 악하되므로 상기 범위로 제한함이 바람직하다.

[Ti:0.05중량% 이하]

Ti는 거대 금속간 화합물의 크기를 감소시키기 위해, 즉 결정립을 미세화시키기 위해 첨가되는 원소로서, 0.05중량% 이상 첨가되게 되면 압출성이 떨어지고 조대한 화합물을 생성시켜 인성을 저하시키므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

[Zr:0.1~0.2중량%]

Zr은 결정립 미세화와 재결정층 억제를 위해 첨가되는 원소로서, Al과 함께 석출상을 형성시켜 기지조직과 정합을 이루어 아결정 형성을 촉진시킴으로써 결정립을 미세화하게 된다.

그러나, 이러한 Zr이 0.1중량% 미만으로 첨가되게 되면 결정립 미세화와 재결정층 억제 효과가 거의 없고, 0.2중량%를 초과하게 되면 역효과를 유발하여 불필요한 분산상이 입계내에 석출하여 물성저하를 초래하므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

이와 같은 성분조성으로 이루어진 본 발명 알루미늄 합금은 공지의 연주공정을 거쳐 빌렛으로 제조된 후 균질화열처리, 압출, 스트래치 벤딩, 시효열처리를 거쳐 제품화되게 된다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

본 발명에 따른 알루미늄 합금의 특성(인장강도, 항복강도, 연신율) 확인을 위해 본 발명의 범주내에서 하기한 표 2와 같은 성분조성으로 이루어진 발명재 시험편을 만들었다.

성분	Si	Fe	Cu	Mg	Zn	Ti	Zr	Cr	Al
기존재	0.06	0.15	0.17	0.8	6.0	0.03	-	0.07	Bal.
발명재	0.14	0.14	0.02	1.31	5.55	0.01	0.13	-	Bal.

(이때, 상기 표 2에서 조성비는 모두 중량%이다.)

상기 조성비로 이루어진 기존재와, 발명재의 특성 비교를 위해 이들 시험편을 각각 인장시험기로 인장강도와 항복강도를 계측하였으며, 이러한 계측을 통해 얻어지는 값을 연산하여 연신율[연신율=(늘어난길이-원래의 길이/원래의 길이)*100]을 산출하였고, 이들 값을 하기한 표 3에 나타내었다.

구분	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
기존재	409	370	10.00
발명재	451	414	16.50

상기 표 3의 결과에서와 같이, 본 발명에 따른 조성비를 갖는 발명재는 기존재에 비해 인장강도, 항복강도가 모두 우수하였으며, 특히 표 2와 같은 조성을 통해 7000계 알루미늄 합금임에도 불구하고 연신율을 급격히 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

뿐만 아니라, 압출성도 우수하여 범퍼백빔과 같은 압출 형재로 이루어진 부품의 압출시에도 매우 용이하게 활용될 수 있음도 확인하였다.

Claims

7000계 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금에 있어서;

중량%로,

Si:0.15% 이하, Fe:0.15% 이하, Cu:0.05% 이하, Mg:1.2-1.5%, Zn:5.2-5.7%, Ti:0.05% 이하, Zr:0.1-0.2% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서;

상기 성분조성중 Mg:Zn의 비율은 1:4로 유지되는 것을 특징으로 하는 자동차 범퍼백빔용 고강성 알루미늄 합금.