KR20140063024A

KR20140063024A - 알루미늄휠 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20140063024A
Application number: KR1020120129855A
Authority: KR
Inventors: 윤광민; 김민수
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-05-27
Also published as: US20140138250A1; CN103820682A; DE102013206645A1

Abstract

주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 알루미늄휠 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

알루미늄휠 및 그 제조방법 {ALUMINUM WHEEL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 단조재 대비 저가의 고강도 신합금에 다양한 컬러 구현이 가능하고 품질이 우수한 아노다이징 기술을 적용하여 알루미늄휠의 상품성을 증대시킬 뿐만 아니라 기존 알루미늄휠 대비 경량화 실현이 가능한 알루미늄휠 및 그 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄휠은 자동차 외관의 중요한 디자인 부품으로 차량의 특징을 단적으로 드러낼 수 있어서 다양한 방식의 도장 및 표면처리를 통해 외관미를 개선하는데 많은 노력을 기울이고 있다. 이중에서도 아노다이징 기술을 통한 컬러 구현은 다양한 컬러와 함께 고급스러운 외관미를 낼 수 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다.

그러나, 기존 알루미늄휠 주조재(Al7SiMg, A356)합금에는 높은 Si함량으로 인한 아노다이징 품질 미흡으로 적용하기가 곤란하여 해외 선진사의 경우 고가의 알루미늄 전신재 합금(AlMgSi, A6082)에 아노다이징을 적용하여 개발하고 있으나 생산 단가가 높아 자동차회사에서 적용이 어려운 형편이다.

본 발명은 단조재 대비 저가의 고강도 신합금에 다양한 컬러 구현이 가능하고 품질이 우수한 아노다이징 기술을 적용하여 알루미늄휠 상품성을 증대시킬 뿐만 아니라 기존 알루미늄휠 대비 경량화 실현이 가능한 경량 컬러 아노다이징 알루미늄휠 제작에 관한 것이다.

알루미늄휠 표면에 다양한 컬러를 구현하는 기술은 현재 도장기술을 중심으로 진행되고 있으며 일부 도금 기술이 적용되어 양산되고 있다. 현재 적용중인 알루미늄휠 도장, 도금 기술의 경우, 도장기술을 적용할 경우 다양한 컬러가 적용가능하나 고급감이 떨어지고, 도금 기술 경우 한정된 컬러만 가능하고 원가가 높은 단점이 있다.

현재 적용중인 알루미늄휠은 주조용합금인 Al7SiMg(A356)을 활용하여 저압주고 공정으로 제작중인데 A356합금은 다량의 Si 성분(7%)이 포함되어 있다. Si은 주조재 합금에 있어서 용탕 유동성을 확보하고 강도를 높이는 주요성분이지만, 아노다이징 공정에 있어서는 Al₂O₃층을 형성하는데 장애로 작용하여 오히려 아노다이징 두께를 불균일하게 하고 아노다이징 착색시 불균일한 색상을 나타내어 문제가 되고 있다.

따라서 일부에서는 Si성분이 미량인 A6082(Si 1%이하)합금을 이용하여 아노다이징 공정을 활용하고 있다. A6082합금은 주조가 불가능한 전신재 합금으로서 이 합금을 이용시 단조공정으로 휠을 제조한 후 아노다이징 하고 있다. 이와 같이 아노다이징 휠을 제조시 소재가 고가의 전신재 합금을 써야하며 알루미늄 성형공정 중 최고가 공정인 열간단조 공정을 적용해야 함으로 인해 기존 알루미늄휠 대비 약 300% 이상의 생산 단가 상승을 가져와 적용에 큰 장애가 되고 있다.

종래의 KR 10-1999-0041520 A "자동차용 알루미늄휠 표면처리 방법 및 이에 의해 제조되는 자동차용 알루미늄휠"은 "본 발명은 자동차용 알루미늄휠(Aluminum wheel) 표면처리 방법 및 이에 의해 제조되는 자동차용 알루미늄휠에 관한 것이다. 일반적으로 제작되는 자동차용 알루미늄휠에는 도장을 한 알루미늄휠과 도금을 한 알루미늄휠 두 종류가 있는바, 도금한 것이 도장한 것에 비하여 외관 및 품질에 있어서 모두 뛰어나나 다만, 제작과정에 있어서 도금에 꼭 필요한 연마과정이 알루미늄 특성상 아주 어렵기 때문에 전체 제작비용이 비싼 것이 흠이었다. 따라서, 본발명은 이를 해결한 것으로 도금에 꼭 필요한 연마과정을 도장으로 대체하여 연마한 것 만큼 고운 표면을 얻을 수 있도록 함으로서 아주 손쉽고도 적은 비용으로 도금된 알루미늄휠을 제작할 수 있도록 한 것이다."를 제시하고 있다.

그러나 이러한 기술에 의하더라도 단가가 높은 도금기술을 사용할 것을 제시하고 있는바, 이러한 복잡한 과정없이도 미관이 수려하고 강도가 확보된 알루미늄휠 및 그 제조방법이 필요하였던 것이다.

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

10-1999-0041520

A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 단조재 대비 저가의 고강도 신합금에 다양한 컬러 구현이 가능하고 품질이 우수한 아노다이징 기술을 적용하여 알루미늄휠의 상품성을 증대시킬 뿐만 아니라 기존 알루미늄휠 대비 경량화 실현이 가능한 알루미늄휠 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄휠은, 주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함한다.

상기 알루미늄휠은 경동식 중력주조를 통해 림부위에서부터 용탕이 주입되어 제조될 수 있다.

상기 알루미늄휠은 아노다이징 처리 후 컬러 도장될 수 있다.

상기 알루미늄휠은 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면이 아노다이징 처리 후 컬러 도장될 수 있다.

상기 알루미늄휠은 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면의 도장이 제거되고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장될 수 있다.

상기 알루미늄휠의 제조방법은, 주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 알루미늄합금 용탕을 준비하는 준비단계; 및 주조금형을 통해 알루미늄휠을 제조하는 주조단계;를 포함한다.

상기 주조단계는 경동식 중력주조기를 통해 주조하며, 알루미늄휠 금형 중 림부위에서부터 용탕을 주입할 수 있다.

상기 주조단계는, 제조된 알루미늄휠을 아노다이징 처리하고 컬러 도장하는 도장단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 주조단계는, 제조된 알루미늄휠을 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면의 도장을 제거하고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장하는 도장단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 주조단계는, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면을 아노다이징 처리한 후 컬러 도장하는 도장단계;를 더 포함할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄휠 및 그 제조방법에 따르면, Si의 성분을 최소화하여 기존 아노다이징 방식과 동일하게 적용해서도 아노다이징층이나 칼라 색감이 우수하여 상품성이 우수한 아노다이징 휠을 만들 수 있다.

또한, 경동식 주조를 이용함으로써 허브부위의 강도를 높일 수 있으며 경량화가 가능해진다.

즉, 단조재 대비 저가의 고강도 신합금에 다양한 컬러 구현이 가능하고 품질이 우수한 아노다이징 기술을 적용하여 알루미늄휠의 상품성을 증대시킬 뿐만 아니라 기존 알루미늄휠 대비 경량화 실현이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠의 주조과정을 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠을 절개한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠 제조방법의 순서도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄휠 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠의 주조과정을 나타낸 도면이다. 본 발명의 알루미늄휠은, 주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

따라서 본 발명의 알루미늄휠은 Si 함량이 2 wt% 이하이면서도 주조가 가능한 신 합금을 적용하여 주조공정을 이용한 알루미늄휠이다. 이렇게 제조된 알루미늄휠은 아노다이징 특성도 좋아서 아노다이징 이후 광택이 미려하고 상품성이 높은 휠을 제조하여 기존 제품 대비 원가가 1/3 이하로 제조될 수 있다.

구체적으로, 아노다이징 특성 확보를 위해 일반 주조용 알루미늄합금의 경우 7wt% 정도 Si가 들어가지만, 그럴 경우 표면에 생성되는 Si석출물로 인한 아노다이징 균일성 및 컬러구현이 불량이 될 확률이 매우 높다. 따라서, 본 발명의 경우에는 Si 성분을 2wt%로 제한하여 아노다이징 균일성 및 컬러 명확성을 확보하였다.

한편, Si의 저하로 인한 용탕 유동성 부족의 문제는 주조공법을 기존 센터게이트 저압주조에서 경동식 중력주조로 변경함으로써 중력방향으로의 유동성을 확보할 수 있었다. 그리고, 알루미늄휠의 림 끝단부에서 센터로 주입함으로써 박육부에서 후육부로 주입되도록 하여 유동성을 확보할 수 있었다.

한편, 고강도화를 위하여, Si 성분감소로 인한 Mg₂Si 석출량 감소로 인한 강도 저하는 Mg 함량증대를 통한 excess Mg 확보 및 고용강화 효과 증대를 수행하였다. 또한, Cu 함량 증대로 인하여 석출강화 효과를 증대하고, Mn, Zn 함량 증대를 통하여 고용강화 효과를 증대하도록 하였다. 그리고, 열간크랙의 방지의 측면에서는, Si 함량 부족으로 인한 열간크랙 방지를 위해 Cr을 0.05~0.35 wt% 첨가하여 열간크랙을 방지할 수 있었다.

한편, 본 발명의 알루미늄휠은 경동식 중력주조 장치(100)를 통해 림부위(180)에서부터 용탕(200)이 주입되어 제조될 수 있다. 현재 알루미늄휠은 대부분 저압주조를 이용하여 제조되고 있다. 하지만 본 발명에 사용되는 합금은 기존 주조재 합금에 비해 Si 함량이 낮아 유동성이 떨어져 저압주조로서는 성형이 어려운 단점이 있다. 이에 경동식 중력주조를 활용하여 떨어지는 유동성을 중력주조로 보완하여 알루미늄휠을 제조하였다.

더욱이, 일반적으로 저압주조는 용탕주입구가 있는 허브 주변의 온도가 높아 다른 부위에 비해 기계적 물성이 떨어지는 단점이 있는데, 경동식 중력주조는 림부위(180)로 용탕주입구를 설계할 수 있어 상대적 후육부인 허브에 냉각(160)을 추가하여 DAS(Dendrite Arm Spacing)를 작게 함으로써 기계적 물성을 높일 수 있었다. 또한, 냉각은 상형과 하형에 골고루 위치시킬 수 있어 기계적인 물성을 충분히 확보할 수 있게 된다. 이는 종래의 경우 허브 부분에 주입구가 위치됨으로써 그 부위에는 냉각을 수행할 공간이 없었던 문제로부터 쉽게 벗어날 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 쓰인 합금은 고강도 330Mpa급 합금으로써 기존 주조재 합금의 250~280Mpa에 비해 강도가 높아 도 2에서 볼 수 있듯이, 휠 스포크 뒷부분(320)의 두께를 줄여 추가 경량화가 가능하였다. 실제 기존의 동일한 알루미늄휠 대비 스포크 부분의 두께를 줄임으로써 5% (2.5kg/대) 경량화가 가능하였다.

한편, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠 제조방법의 순서도로서, 본 발명의 알루미늄휠(300)은 아노다이징 처리 후 컬러 도장을 통해 수려한 외관을 얻을 수 있게 되었다.

구체적으로, 본 발명의 알루미늄휠(300)은 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면(340)이 아노다이징 처리 후 컬러 도장됨으로써 해당 부분의 도장 퀄리티를 상승시킬 수 있었다. 이는 앞서 설명한 것과 같이, Si은 주조재 합금에 있어서 용탕 유동성을 확보하고 강도를 높이는 주요성분이지만, 아노다이징 공정에 있어서는 Al₂O₃층을 형성하는데 장애로 작용하여 오히려 아노다이징 두께를 불균일하게 하고 아노다이징 착색시 불균일한 색상을 나타내어 문제가 되었는바, Si를 2 wt% 이하로 제한함으로써 얻어질 수 있는 효과인 것이다.

또한, 상기 알루미늄휠(300)은 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면(340)의 도장이 제거되고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장하도록 하는 것도 가능할 것이다.

즉, 일반적인 도장 알루미늄휠은 가공 후 하도(분체 or 액체 프라이머)→ 중도(액상 칼라)→ 상도(분체 or 액체 클리어) 도장을 하여 알루미늄휠을 제조한다. 아노다이징의 경우 휠 전체에 가공 후 상태에서 아노다이징을 할 수도 있지만 일반적으로는 디자인에 따라 적용부위에만 아노다이징을 하여 컬러를 구현하게 된다. 따라서 하도, 중도 처리 후 아노다이징 디자인면을 재가공하여 하도와 중도를 제거한 후 아노다이징을 실시한다.

이렇게 되면 하도와 중도를 제거한 부위에만 아노다이징이 되고 나머지 부분(하도, 중도 도장면)은 자연적으로 아노다이징이 방지된다. 이와 같이 알루미늄휠을 제조할 경우 하도, 중도(칼라)면은 도장을 활용한 다양한 컬러를 입히고 아노다징부위는 다른 컬러를 착색하여 멀티 컬러 휠을 제조하여 더욱더 상품성을 높일 수 있다.

아노다이징은 일반적으로 알루미늄 전신재 합금에 적용하고 있는 방식과 동일하게 적용한다. 주조휠의 경우 아노다이징시 Si 성분에 의해 아노다이징층이 균일하지 않고 컬러 착색시 얼룩이 지거나 이색감이 들어 상품성이 떨어지나 본 발명에서 적용한 합금은 기존 아노다이징 방식과 동일하게 적용해서도 아노다이징층이나 컬러 색감이 우수하여 상품성이 우수한 아노다이징 휠을 만들 수 있는 것이다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄휠 제조방법의 순서도로서, 본 발명의 알루미늄휠 제조방법은, 주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 알루미늄합금 용탕을 준비하는 준비단계(S100); 및 주조금형을 통해 알루미늄휠을 제조하는 주조단계(S200);를 포함한다.

또한, 상기 주조단계(S200)는 경동식 중력주조기를 통해 주조하며, 알루미늄휠 금형 중 림부위에서부터 용탕을 주입할 수 있다. 그리고, 상기 주조단계(S200)는, 제조된 알루미늄휠을 아노다이징 처리하고 컬러 도장하는 도장단계(S300);를 더 포함할 수 있다.

도장단계(S300)는, 제조된 알루미늄휠을 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면의 도장을 제거하고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장할 수도 있으며, 또는 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면을 아노다이징 처리한 후 컬러 도장할 수도 있음은 앞서 살핀 바와 같다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 경동식 중력주조 장치 160 : 냉각채널
180 : 림부위 300 : 알루미늄휠
S100 : 준비단계 S200 : 주조단계
S300 : 도장단계

Claims

주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 알루미늄휠.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄휠은 경동식 중력주조를 통해 림부위(180)에서부터 용탕(200)이 주입되어 제조된 것을 특징으로 하는 알루미늄휠.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄휠은 아노다이징 처리 후 컬러 도장된 것을 특징으로 하는 알루미늄휠.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄휠은 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면(340)이 아노다이징 처리 후 컬러 도장된 것을 특징으로 하는 알루미늄휠.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄휠은 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면(340)의 도장이 제거되고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장된 것을 특징으로 하는 알루미늄휠.
주성분을 Al로 하며, Si : 0~2wt%(0은 제외), Fe : 0~0.15wt%(0은 제외), Cu : 0.5~1wt%, Mn : 0.03~0.2wt%, Mg : 0.8~1.2wt%, Cr : 0.05~0.35wt%, Zn : 0.2~0.6wt%, Ti : 0.01~0.1wt%, Sr : 0.001~0.05wt%, P : 0~0.001wt%(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성의 알루미늄합금 용탕을 준비하는 준비단계(S100); 및
주조금형을 통해 알루미늄휠을 제조하는 주조단계(S200);를 포함하는 알루미늄휠 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 주조단계(S200)는 경동식 중력주조기를 통해 주조하며, 알루미늄휠 금형 중 림부위에서부터 용탕을 주입하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 주조단계(S200)는, 제조된 알루미늄휠을 아노다이징 처리하고 컬러 도장하는 도장단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 주조단계(S200)는, 제조된 알루미늄휠을 컬러 도장된 후, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면의 도장을 제거하고 아노다이징 처리 후 다시 컬러 도장하는 도장단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 주조단계(S200)는, 외부로 노출되는 최외곽의 디자인면을 아노다이징 처리한 후 컬러 도장하는 도장단계(S300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄휠 제조방법.