KR20200055922A - 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법 - Google Patents

알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고진공 고압주조를 이용한 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에 관한 것으로서, 고진공 고압주조로 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품을 성형하는 단계와, 성형된 자동차 섀시부품을 열처리하는 단계와, 열처리된 자동차 섀시부품을 교정하는 단계를 포함하되, 상기 열처리하는 단계는 상기 성형된 자동차 섀시부품을 용체화하는 용체화 공정과, 상기 용체화된 자동차 섀시부품을 냉각시키는 냉각 공정과, 상기 냉각된 자동차 섀시부품에 대한 인공시효 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 알루미늄합금소재를 자동차 섀시부품으로 적용하면서도 일반적으로 섀시부품으로서 요구되는 강도 조건을 만족시킬 수 있다.

Description

알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING VEHICLE CHASSIS PART MADE OF ALUMINUM ALLOY}
본 발명은 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고진공 고압주조를 이용한 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에 관한 것이다.
최근의 소재기술의 발달과 차체 경량화의 요구에 따라 알루미늄합금소재의 자동차 차체부품이 개발되고 있으며, 특히 고진공 고압주조를 이용한 제조공법이 활발하게 개발되고 있다.
일반적으로 고압주조는 고온에서 고속, 고압으로 복잡, 정밀한 금형에 용탕을 충진시켜 고정도, 고강도의 주물을 단시간에 대량생산하는 주조방식이고, 특히 고진공 고압주조는 도 1에 도시된 바와 같이 금형을 합형하고 성형공간을 진공으로 만드는 사출준비 단계(a), 주탕 및 사출 단계(b), 응고 단계(c), 제품취출 단계(d) 및 스프레이 단계(e)로 구성된다.
문제는, 이러한 고진공 고압주조로 성형된 알루미늄합금소재는 여전히 기존의 스틸 내지 주철과 같은 강도가 달성되지 못하는 관계로 일반적으로 자동차 섀시부품으로서 요구되는 조건에 부합하지 못한다는 문제가 있었다.
[선행기술문헌] 특허등록 제10-1188450호 (등록일자: 2012.09.27.)
특허등록 제10-1359386호 (등록일자: 2014.01.29.)
특허등록 제10-1694944호 (등록일자: 2017.01.04.)
따라서, 본 발명의 목적은 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품을 개발하는 방안으로서 고진공 고압주조를 이용할 경우, 일반적으로 자동차 섀시부품으로서 요구되는 강도 조건에 부합할 수 있도록 개선된 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에 있어서, 고진공 고압주조로 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품을 성형하는 단계와, 성형된 자동차 섀시부품을 열처리하는 단계와, 열처리된 자동차 섀시부품을 교정하는 단계를 포함하되, 상기 열처리하는 단계는 상기 성형된 자동차 섀시부품을 용체화하는 용체화 공정과, 상기 용체화된 자동차 섀시부품을 냉각시키는 냉각 공정과, 상기 냉각된 자동차 섀시부품에 대한 인공시효 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법을 제공한다.
여기서, 상기 냉각 공정은 공기 담금질(air quenching) 공정일 수도 있다.
이 경우, 상기 공기 담금질 공정은 상기 용체화 공정에 의해 480~540℃로 가열된 자동차 섀시부품에 대하여 100℃에서 급속 풍랭이 수행되되, 상기 급속 풍랭은 상기 480~540℃의 자동차 섀시부품이 100℃가 될 때까지 10분 이내로 소요되도록 풍량(㎥/min)이 설정될 수도 있다.
그리고, 상기 인공시효 공정은 상기 냉각 공정을 통해 냉각된 자동차 섀시부품에 대하여 170~230℃에서 2~7시간 동안 수행되는 구성을 취할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 알루미늄합금소재 자동차 차체부품의 제조방법에 의하면, 고진공 고압주조된 알루미늄합금소재의 자동차 차체부품을 열처리를 통해 기계적 특성을 향상시킬 수 있음은 물론, 열처리 과정에서 발생하게 되는 뒤틀림 현상은 후속공정인 교정을 통해 원래의 부품 형상으로 바로잡아줄 수 있으므로, 결국 알루미늄합금소재를 자동차 섀시부품으로 적용하면서도 일반적으로 섀시부품으로서 요구되는 강도 조건을 만족시킬 수 있다.
특히, 본 발명은 알루미늄합금소재의 특성상 열처리로 인한 급격한 온도변화로 제품에 응력이 발생되어 크랙(crack)을 일으키는 원인이 되는 현상을 해소하기 위해, 용체화 공정에 이어 수행되는 냉각 공정에 공기 담금질(air quenching) 공정을 적용하여 냉각된 제품의 잔류응력을 크게 감소시켜 줌으로써 크랙 발생을 예방할 수 있다.
도 1은 종래의 고진공 고압주조를 설명한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법을 도시한 순서도,
도 3은 도 2의 제조방법 중 열처리 단계가 수행되는 설비의 레이아웃을 도시한 평면도,
도 4는 도 3의 레이아웃에서 공기 담금질(air quenching) 공정이 수행되는 "B" 영역을 확대하여 도시한 측면도,
도 5는 도 3의 레이아웃을 통해 수행되는 열처리 과정을 도시한 그래프,
도 6은 도 3의 레이아웃에서 공기 담금질 공정을 물 담금질(water quenching) 공정으로 대체할 경우의 열처리 과정을 도시한 그래프,
도 7은 도 5와 도 6의 각 그래프로부터 공기 담금질 공정과 물 담금질 공정만을 추출하여 비교한 그래프,
도 8은 도 5와 도 6의 각 그래프와 같이 열처리된 제품의 잔류응력을 비교하여 도시한 해석 데이터이다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법은 도 2에 나타난 바와 같이 알루미늄합금소재를 자동차 섀시부품의 형상으로 성형하는 고진공 고압주조 단계(S1), 주조된 성형품으로부터 탕도(runner), 게이트(gate), 오버플로우(overflow) 등의 주조방안을 절단하고 버(burr)를 제거하는 주조방안 절단 및 사상 단계(S2), 정리된 자동차 섀시부품을 열처리하는 단계(S3), 열처리된 자동차 섀시부품을 교정하는 단계(S4), 교정된 자동차 섀시부품을 접합, 절단 및 홀 가공 등을 하는 가공 단계(S5), 마지막으로 가공된 자동차 섀시부품을 조립하는 단계(S6)를 포함하여 구성된다.
특히, 상기 열처리 단계는 고진공 고압주조로 성형된 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 기계적 특성을 향상시키기 위해 수행하는 단계로서, 기존의 일반적인 알루미늄합금소재의 성형품에 대하여는 열처리 공정이 불가하였던 것을, 본 발명과 같이 고진공 고압주조로 성형한 경우에는 열처리 공정의 적용이 가능한 것을 실험을 통해 확인하고, 비로소 본 발명의 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에 적용하기에 이르렀다. 본 발명에 적용가능한 열처리 방법으로는 T6 열처리, T7 열처리가 존재함을 확인하였다.
이와 같이 열처리 단계(S3)를 거친 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품은 기계적 강도 및 강성이 향상되는 하나, 열처리 후 변형(뒤틀림)이 발생하게 되었으며, 따라서 열처리 다음 단계로서 교정(straightening) 단계가 필수적으로 따르게 된다.
한편, 상기와 같은 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에서 열처리 단계는 도 3에 도시된 바와 같이 용체화 라인(10)에서의 용체화 공정, 냉각부(20)에서의 냉각 공정, 그리고 인공시효 라인(30)에서의 인공시효 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 자동차 섀시부품은 용체화 라인(10)을 통과한 P 지점에서 로더(22)에 의해 일측의 냉각부(20) 내 S 지점으로 이송되어 냉각이 수행된 후(도 4 참조), 다시 P 지점으로 복귀한 다음 이송라인을 따라 인공시효 라인(30) 앞으로 이송되어 인공시효 라인(30)을 통과하게 된다.
본 실시예에서 상기 용체화 공정은 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품에 대하여 535℃의 일정한 온도로 6시간 동안 가열하는 공정(도 5의 ①)으로 구현되고, 상기 냉각 공정은 팬(fan, 21) 구동에 의한 급속 풍랭, 즉 공기 담금질(air quenching) 공정(도 5의 ②)으로 구현되며, 상기 인공시효 공정은 180℃의 일정한 온도로 5시간 동안 가열하는 공정(도 5의 ④)으로 구현된다.
특히, 상기 공기 담금질 공정은 앞선 용체화 공정에 의해 535℃로 가열된 자동차 섀시부품에 대하여 100℃의 환경에서 급속 풍랭이 수행되되, 이 급속 풍랭은 상기 535℃의 자동차 섀시부품이 100℃가 될 때까지 10분 소요되도록 풍량(㎥/min)이 설정된다. 바꾸어 말하면, 공기 담금질 공정은 10분 동안 수행되며 이에 의해 535℃의 자동차 섀시부품은 100℃로 냉각된다(도 7의 Ⅰ). 상기 풍량은 일 실험례에 따르면 840㎥/min으로서 7.5kW 용량의 팬(fan) 1개로 구현될 수 있다.
도 5에서, 인공시효 공정(④)의 전,후 단계로 자연냉각, 즉 서냉 공정이 추가된다. 전 단계의 서냉 공정(③)은 25℃의 환경에서 1시간 동안 수행되며 후 단계의 서냉 공정(⑤)은 2시간 동안 수행된다.
한편, 상기 용체화 공정, 냉각 공정 및 인공시효 공정은 알루미늄합금의 종류(즉, AC2B, AC4B, AC4CH, ADC12, 고인성 합금 등)에 따라, 그리고 원하는 최종제품의 물성(ex. 강도 300MPa 이상, 연신율 10% 이상 등)에 따라 해당 열처리 온도 및 시간을 조절할 수 있다.
이와 같은 합금의 종류 및 물성 조건에 따라, 상기 용체화 공정은 480~540℃, 0.5~8시간의 범위에서 설정될 수 있으며, 상기 급속 풍랭은 10분 이내의 시간동안 100℃가 될 때까지 수행 수 있으며, 상기 인공시효 공정은 170~230℃, 2~7시간의 범위에서 설정될 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기한 공기 담금질 공정을 물 담금질(water quenching) 공정으로 대체하여 수행할 수도 있는바, 이에 의할 경우 물 담금질 공정은 앞선 용체화 공정에 의해 535℃로 가열된 자동차 섀시부품에 대하여 85℃의 수중 환경에서 급속 냉각이 수행된다. 이 급속 냉각에 의해 535℃의 자동차 섀시부품은 도 7의 Ⅱ에 도시된 바와 같이 3.5분 만에 85℃로 급랭하므로 시간상으로는 공기 담금질 공정에 비해 월등히 빠르나 이러한 급격한 온도변화로 인해 제품 내 큰 잔류응력이 생기게 됨에 따라 크랙(crack) 발생의 원인이 될 수 있다는 단점이 있다. 또한, 도 6의 ②를 참조하면 물 담금질 공정은 30분 동안 수행되므로 3.5분만에 끝나지 않고 비교적 오랫동안 제품이 물속에서 대기하게 되며, 물 담금질을 위해서는 상기한 공기 담금질을 위한 냉각부(도 3, 4의 20)과 비교하여 월등히 큰 규모의 수조가 필요하다는 단점도 있다.
도 8은 상기와 같은 열처리 단계를 거친 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품(1)의 잔류응력 분포를 도시한 해석자료로서, 냉각 공정으로서 공기 담금질 공정을 수행한 경우(a)와 물 담금질 공정을 수행한 경우(b)를 각각 나타낸 것이다.
좌,우의 각 온도분포로부터 알 수 있듯이 공기 담금질 공정을 수행한 제품의 잔류응력이 물 담금질 공정을 수행한 제품의 잔류응력보다 전체적으로 낮은 값으로 분포되고 있음을 확인할 수 있다.
한편, 이상에서 설명된 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법은 본 발명의 이해를 돕기 위한 일 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위가 상기에서 설명된 바에 한정되는 것으로 이해되어서는 안 되며, 본 발명의 권리범위 내지 기술적 범위는 후술하는 특허청구범위 및 그 균등범위에 의해 정하여진다.
1: 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품
10: 용체화 라인
20: 냉각부
21: 팬(fan)
22: 로더(loader)
30: 인공시효 라인

Claims (4)

  1. 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법에 있어서,
    고진공 고압주조로 알루미늄합금소재의 자동차 섀시부품을 성형하는 단계와, 성형된 자동차 섀시부품을 열처리하는 단계와, 열처리된 자동차 섀시부품을 교정하는 단계를 포함하되,
    상기 열처리하는 단계는,
    상기 성형된 자동차 섀시부품을 용체화하는 용체화 공정과, 상기 용체화된 자동차 섀시부품을 냉각시키는 냉각 공정과, 상기 냉각된 자동차 섀시부품에 대한 인공시효 공정을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 공정은 공기 담금질(air quenching) 공정인 것을 특징으로 하는 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 공기 담금질 공정은 상기 용체화 공정에 의해 480~540℃로 가열된 자동차 섀시부품에 대하여 100℃에서 급속 풍랭이 수행되되,
    상기 급속 풍랭은 상기 480~540℃의 자동차 섀시부품이 100℃가 될 때까지 10분 이내로 소요되도록 풍량(㎥/min)이 설정되는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 인공시효 공정은 상기 냉각 공정을 통해 냉각된 자동차 섀시부품에 대하여 170~230℃에서 2~7시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금소재 자동차 섀시부품의 제조방법.
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