KR20230146243A - 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일면은, 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금에 관련되며, Al-Si-Mg계 알루미늄 합금으로서 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량%를 함유하고; 잔량(殘量)으로 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Al 및 불순물;을 함유하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 다른 일면은, Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 이용하여 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하는 방법에 관련되며, 그 제조방법으로서 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량% 및 잔량(殘量)으로 Al 및 불순물을 준비하는 제1단계; 상기 제1단계에서 준비된 알루미늄 합금을 알루미늄의 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조하는 제2단계; 상기 제2단계에서 제조된 빌렛을 520℃~570℃의 온도에서 균질화열처리를 수행한 후, 압출과 스트레칭을 거친 다음 공랭 방식에서 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 진행하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 진행된 빌렛을 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는 제4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은, 전기자동차 부품 분야 중 배터리케이스 프레임을 제조하는 원소재인 알루미늄 합금의 조성성분을 개량하여 소재의 미세조직을 제어하여 균질성 확보하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시키는 동시에 기존 철강 구조부품을 알루미늄으로 대체함으로써 스틸 대비 경량성 및 내부식성이 우수한 제품 생산이 가능함은 물론 리사이클이 가능하여 폐기 처리 문제 등에 있어 친환경성 확보와 함께 부품 국산화로 전기자동차 부품 분야에 일조(一助)할 수 있는 효과가 있다.
또, 본 발명의 다른 일면은, Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 이용하여 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하는 방법에 관련되며, 그 제조방법으로서 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량% 및 잔량(殘量)으로 Al 및 불순물을 준비하는 제1단계; 상기 제1단계에서 준비된 알루미늄 합금을 알루미늄의 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조하는 제2단계; 상기 제2단계에서 제조된 빌렛을 520℃~570℃의 온도에서 균질화열처리를 수행한 후, 압출과 스트레칭을 거친 다음 공랭 방식에서 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 진행하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 진행된 빌렛을 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는 제4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
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Description
본 발명은 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기자동차 부품 분야 중 배터리케이스 프레임을 제조하는 원소재인 알루미늄 합금의 조성성분을 개량하여 소재의 미세조직을 제어하여 균질성 확보하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시키는 동시에 기존 철강 구조부품을 알루미늄으로 대체함으로써 스틸 대비 경량성 및 내부식성이 우수한 제품 생산이 가능함은 물론 리사이클이 가능하여 폐기 처리 문제 등에 있어 친환경성 확보와 함께 부품 국산화로 전기자동차 부품 분야에 일조(一助)할 수 있는 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법에 관한 것이다.
통상, 알루미늄 합금 소재는 소재의 특성상 가볍고 내식성과 가공성이 좋으며 전기 및 열전도도가 높을 뿐 아니라 Cu, Mg, Si, Zn, Mn, Ni 등의 원소와 다양한 종류의 고강도, 고내식성 합금을 만들어 항공기, 가정용품, 건축, 차량, 기계, 전기 등 가정과 산업 전 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 즉 알루미늄(Al)은 가벼우면서 압출이 용이하며 다른 금속과 잘 합금되고 상온 및 고온가공이 용이하며, 자동차 부품 및 전기자동차 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.
최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 여러 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용되는데, 특히 전기차 배터리는 셀(Cell), 모듈(Module), 팩(Pack)로 구성되며, 배터리 셀을 여러 개 묶어서 모듈을 제작하고 모듈을 여러 개 묶어서 팩을 제조하여 최종적으로 전기차 배터리케이스에 장착된다. 이러한 전기자동차의 배터리케이스는 기존 내연기관 자동차의 연료탱크 역할을 하며, 차량의 충돌, 노면 이물질에 의한 충격, 수분 침투 등 배터리 모듈의 안전성을 위협하는 요소로부터 보호하는 기능을 수행한다.
이러한 전기차 배터리 배터리케이스 프레임의 경우 알루미늄 소재를 압출한 후 제품 형상에 맞게 벤딩 성형하게 되는데, 이때 제품 표면에 오렌지 필(Orange Peel) 결함 및 터짐 현상이 발생하여 부품 불량률이 심각하게 증가하는 문제점이 있다. 여기서 오렌지 필(Orange Peel)이라 함은 제품 가공 시 받는 소성가공 구간에 따라 발생하는 표면 결함으로 성형 후 표면에 오렌지 껍질과 같은 요철이 발생하는 현상이다.
이는 금속 내부의 결정립 크기가 조대해지는 경우 주로 발생되는 현상으로 결정립 크기가 크고 입도가 일정하지 않을 때 변형을 받으면 발생하고 이를 해결하기 위해 종래에는 소둔 온도를 낮게 제어하거나 소둔 시간을 줄여 결정립의 조대화를 방지하였으나, 이러한 방식으로 오렌지 필 결함을 최소화하더라도 최종 제품화하기 위한 이후의 제조(또는 가공)공정에서 열 또는 소성가공에 의해결정립이 조대해지기 때문에 근본적인 해결방안이 될 수 없었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 알루미늄 합금의 조절을 통한 합금화 기술을 통하여 이를 모색하여 왔는데, 이와 관련되는 선행기술로서는 대한민국 등록특허공보 제10-0732195호(선행문헌 1), 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0030871호(선행문헌 2), 대한민국 등록특허공보 제10-2154132호(선행문헌 3) 등과 같은 기술들이 개발되어 왔다.
선행문헌 1은 Si 0.95∼1.05wt%, Mg 0.5∼0.6wt%, Mn 0.5∼0.6wt%, Fe 0.15∼0.25wt%, Cr 0.13∼0.18wt%, Cu 0.05wt% 이하, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하 및 기타 불가피한 성분 각 0.02wt% 이하이되 그 합이 0.10wt% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 조성되는 성형성이 우수한 압출용 고강도 알루미늄 합금을 제시하고 있다. 이에 따라, 규소(Si)와 마그네슘(Mg)의 결합에 따른 Mg2Si의 석출을 통해 기계적 성질을 향상시키고, 망간(Mn)의 첨가로 침상의 β-AlFeSi가 입상의 α-AlFeSi로 변태하는 것을 촉진시켜 압출성을 향상시킨 특징을 갖고 있다.
선행문헌 2는 Al-Mg-Si계 합금에 있어서, Si 0.95~1.05wt%, Mg 0.5~0.6wt%, Mn 0.5~0.6wt%, Cu0.2wt% 이하, Fe 0.15~0.25wt%, Cr 0.13~0.18wt%, Ti 0.03wt% 이하, Zn 0.05wt% 이하 및 기타 불가피한 성분 각0.02wt% 이하이되 그 합이 0.10wt%이하, 그리고 잔부의 Al으로 조성되는 성형성이 우수한 고강도 알루미늄 합금을 제시하고 있다. 이에 따라 개량 6082 알루미늄의 Cu 함량을 0.2wt%이하로 증가시킴으로써 Mg 첨가시와 유사한 고용강화 효과를 얻어 기계적 특성을 향상시킬 뿐만 아니라, Mg에 비해 압출 압력의 감소효과를 얻을 수 있으므로 다양한 형태의 제품으로 압출이 가능한 장점이 있다.
선행문헌 3은 강도, 내식성, 압괴 특성 및 온도 안정성이 개선되고 특히 차량의 전방 구조에 유용한 압출 가능한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금에 관한 것이다. 합금의 조성은 Mg-Si 다이어그램의 다음의 좌표점 내에 규정된다: a1-a2-a3-a4, 여기서 wt%로 a1=0.60 Mg, 0.65 Si, a2=0.90 Mg, 1.0 Si, a3=1.05 Mg, 0.75 Si, a4=0.70 Mg, 0.50 Si이며, 상기 합금은 wt%로 다음의 합금 성분을 추가로 함유하는, 압출된 프로파일에서의 미재결정 입자 조직을 가진다: Fe: 0.30까지; Cu: 0.1-0.4; Mn: 0.4-1.0; Cr: 0.25까지; Zr: 0.25까지; Ti: 0.005-0.15; 및 최대 0.5의 Zn, 각각 0.1까지의 불가피 불순물 및 Al 잔부.
그러나 상기의 선행문헌들에 의하면, 이들 알루미늄 압출재는 인장성이 열악하기 때문에 적용 범위의 확대에 제약이 따른다. 특히 6xxx계열의 Al-Mg-Si계 합금은 시효경화성을 가질 뿐 아니라, 인성이 좋고 심가공에 적합하여 압출재로서 널리 사용되고 있는 합금이나, 기술 발전과 함께 각종 압출 제품들에 대한 요구 품질이 높아지고, 제품 구조가 복잡해지면서 종래의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금들 중 6082계 알루미늄 합금은 자동차 부품용 소재로 널리 사용되고 있으나, 더욱더 고품질이 요구되는 부품 특성에 적합한 성형성 및 강도를 충족시켜 주지 못하게 되었다. 또한, 자동차 부품과 같은 고품질 제품에 대한 압출성이 떨어질 뿐 아니라, 압출재를 절단한 후 최종 제품으로 가공시 물성 부족에 따른 크랙 발생이 빈번히 발생하여 부품 제조 원가가 높아지는 문제를 가지고 있다.
이와 같이, 전기자동차의 추가적인 연비 개선을 위해 추가적인 경량화가 요구되고 있으며, 동시에 소재의 고강도화 및 충격흡수성 향상을 위한 고인성화도 요구되고 있어 더 높은 연신율을 가질 필요가 대두되었다. 이에, 압출성도 우수하여 생산성이 높은 압출재의 제조가 가능하고, 연신율도 증대시키면서 인장강도와 항복강도도 높일 수 있는 신소재의 개발이 시급히 요구되고 있는 실정이다.
상기와 같은 종래의 문제점들을 근본적으로 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 전기자동차 부품 분야 중 배터리케이스 프레임을 제조하는 원소재인 알루미늄 합금의 조성성분을 개량하여 소재의 미세조직을 제어하여 균질성 확보하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시키는 동시에 기존 철강 구조부품을 알루미늄으로 대체함으로써 스틸 대비 경량성 및 내부식성이 우수한 제품 생산이 가능함은 물론 리사이클이 가능하여 폐기 처리 문제 등에 있어 친환경성 확보와 함께 부품 국산화로 전기자동차 부품 분야에 일조(一助)할 수 있는 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 제공하려는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면은, 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금에 있어서: Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량%를 함유하고; 잔량(殘量)으로 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Al 및 불순물;을 함유하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따르면 상기 알루미늄 합금은 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 다른 일면은, 상기의 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 이용하여 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하는 방법에 있어서: 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량% 및 잔량(殘量)으로 Al 및 불순물을 준비하는 제1단계; 상기 제1단계에서 준비된 알루미늄 합금을 알루미늄의 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조하는 제2단계; 상기 제2단계에서 제조된 빌렛을 520℃~570℃의 온도에서 균질화열처리를 수행한 후, 압출과 스트레칭을 거친 다음 공랭 방식에서 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 진행하는 제3단계; 및 상기 제3단계에서 진행된 빌렛을 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는 제4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명에 따르면 상기 제1단계의 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 제4단계의 압출공정은 압출금형으로부터 빌렛의 온도 490℃와, 컨테이너 및 다이의 온도 480℃와, 램 속도(Ram Speed) 2.8mm/sec의 압출 조건 하에서 수행하고, 열처리공정은 190℃의 온도에서 4시간동안 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면 상기 제4단계를 거쳐 완성된 전기차 배터리케이스 프레임은 330N/㎟ 이상의 인장강도와 11% 이상의 연신율, 90HB 이상의 경도 및 Ra 4.0㎛ 이하의 표면거칠기를 나타내는 것을 특징으로 한다.
한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법은 전기자동차 부품 분야 중 배터리케이스 프레임을 제조하는 원소재인 알루미늄 합금의 조성성분을 개량하여 소재의 미세조직을 제어하여 균질성 확보하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시키는 동시에 기존 철강 구조부품을 알루미늄으로 대체함으로써 스틸 대비 경량성 및 내부식성이 우수한 제품 생산이 가능함은 물론 리사이클이 가능하여 폐기 처리 문제 등에 있어 친환경성 확보와 함께 부품 국산화로 전기자동차 부품 분야에 일조(一助)할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 순차적으로 나타내는 공정도.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 순차적으로 나타내는 공정 사진.
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 통해 생산된 프레임을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 통해 생산된 배터리케이스 프레임에 대한 시험 성적서.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 순차적으로 나타내는 공정 사진.
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 통해 생산된 프레임을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법을 통해 생산된 배터리케이스 프레임에 대한 시험 성적서.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기(下記)의 정의를 가지며, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 의미로 사용된다. 또 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사 내지 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 또, 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
본 발명은 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금, 즉 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하기 위한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금에 관련되며, 특히 오렌지 필 현상을 근본적으로 제거하기 위해서 원소재인 알루미늄의 합금성분을 개량하여 미세조직을 제어하면서 압출 후 벤딩 성형 등의 후 공정을 고려한 최적 압출 조건의 도출하고자 하는 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법에 관하여 제안한다.
본 발명의 일면에 따르면, 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금에 있어서, Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량%를 함유하고, 잔량(殘量)으로 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Al 및 불순물;을 함유하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 알루미늄 합금은 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다.
한편, 본 발명의 Si 및 Mg는 각각 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%가 사용되는데, 이러한 Si 및 Mg가 서로 결합하여 시효에 의해 Mg2Si 형태로 석출되어 기계적 성질을 좌우하는 효과를 가진다. 즉 Mg가 결합하고 잔류하는 Si는 강도 및 연신율과 같은 기계적 특성을 향상시키는 효과를 가지는 것으로서, Mg의 함량이 0.6중량% 미만인 경우에는 전체 조성에서 불충분한 절대량이 되며, 0.65중량%를 초과하면 Mg 대비 Si량이 너무 많아져 연신율이 저하되기 때문이다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여 Si 0.98~1.05중량%로, 보다 바람직하게는 Si 1.00332중량%를 사용하고, Mg 0.60~0.65중량%로, 보다 바람직하게는 Mg 0.62312중량%의 함량 범위를 사용하여 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있도록 한정한다.
다음으로, Zr은 재결정 억제 효과를 발휘하는 효과를 가지는 것으로서, 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, Zr 0.145~0.16중량%가 사용되고, Zr 0.145중량% 이상으로 첨가되었을 때 재결정 효과를 기대할 수 있으나, Zr이 0.16중량%를 초과할 경우에도 분산상에 의한 재결정 억제 효과가 감소하여 강도 저하의 원인이 된다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여 Zr 0.145~0.16중량%로, 보다 바람직하게는 Zr 0.15315중량%의 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Fe은 재결정립의 조대화를 억제하는 주조시 결정립을 미세화하는 효과를 가지는 것으로서, 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, Fe 0.17~0.20중량%가 사용되고, Fe 0.20중량%를 초과하면 연성을 저하시켜 생산성을 떨어뜨리는 원인이 된다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, 보다 바람직하게는 Fe 0.17~0.20중량%의 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Cu는 비교적 짧은 기간 동안 알루미늄 합금 미세조직의 결정립에서 시효 석출물의 형성을 촉진하는 효과를 가지는 것으로서, 알루미늄 합금에서 열처리 효과를 극대화하는 원소인데, 첨가량이 증가함에 따라 미세한 등축정의 결정립을 형성하여 결정립계에 존재하는 공정상이 증가함으로써 강도를 향상시키고, 고용된 구리는 성형성을 개선한다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, 보다 바람직하게는 Cu 0.07~0.10중량%의 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Mn은 균질화 공정 동안 분산 입자들을 형성하기 때문에 미세 결정립을 형성하며, 이들 분산 입자들은 결정립계가 재결정 이후 이동하지 않도록 억제하는 효과를 가지는 것으로서, 재결정 억제에 따라 표면부의 조대화 조직을 억제하고, 표면처리 후 광택도를 향상시킬 수 있게 된다. Mn은 0.3wt% 이상 첨가시 항복강도 및 인장강도를 향상시키게 되는데, 첨가량 증가에 따라 강도는 향상될 수 있으나 연신율이 저하의 원인이 된다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, Mn 0.43~0.46중량%로, 보다 바람직하게는 Mn 0.43809중량%의 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Cr은 주조 또는 열처리시 미세한 화합물로서 석출되어 결정립 성장을 억제하는 효과를 가지는 것으로서, Cr의 함유량이 0.15 ~ 0.17중량%를 초과하면 Al-Cr계 금속간 화합물이 발생하고, 알루미늄 합금판 표면의 평활성을 떨어뜨리게 된다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, Cr 0.15~0.17중량%로, 보다 바람직하게는 Cr 0.16467중량%의 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Zn은 강도를 향상시키는 효과를 가지는 것으로서, Zn의 함유량이 0.16~0.20중량%에서 사용되는 것이 바람직하고, 상기 범위를 초과하면 다른 금속 간에 화합물을 형성하여 압출성이 저하될 수 있다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, 보다 바람직하게는 Zn 0.16~0.20중량%로 함량 범위를 제한하도록 한다.
다음으로, Ti은 알루미늄 합금간에 결정립미세화 처리 효과를 가지는 것으로서, Ti의 함유량이 0.06~0.1중량%에서 사용되는 것이 바람직하고, 상기 범위를 초과하면 결정립계 균열 및 결정립 탈락 현상이 관찰된다. 이에 알루미늄 합금의 총 중량에 대하여, 보다 바람직하게는 Ti 0.06~0.1중량%로 함량 범위를 제한하도록 한다.
이러한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금은 알루미늄 전신재의 가공 특성을 개선하기 위해, Zr을 추가하고, 상기 Zr의 추가에 따른 소재의 물성저하방지 및 물성향상을 위해 Si 및 Mg 함량을 최적화한 것이다.
또, 본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기의 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 이용하여 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하는 방법에 관하여 제안한다. 이러한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금은 알루미늄 전신재의 가공 특성을 개선하기 위해 Zr을 추가하고, 상기 Zr의 추가에 따른 소재의 물성저하방지 및 물성향상을 위해 Si 및 Mg 함량을 최적화하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일면에 따르면, 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량% 및 잔량(殘量)으로 Al 및 불순물을 준비하는 제1단계를 진행한다. 이때, 본 발명의 세부 구성으로서, 제1단계의 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함한다.
또, 본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 제1단계에서 준비된 알루미늄 합금을 알루미늄의 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조하는 제2단계를 진행한다. 이는 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량%, Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량% 및 잔량(殘量)으로 Al, 불순물로 이루어진 알루미늄 합금을 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조한다.
또, 본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 제2단계에서 제조된 빌렛을 520℃~570℃의 온도에서 균질화열처리를 수행한 후, 압출과 스트레칭을 거친 다음 공랭 방식에서 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 진행하는 제3단계를 진행한다. 이러한 주조공정과 연주공정을 통한 빌렛(billet)은 다시 520~570℃에서 균질화열처리를 수행한 다음 압출과 스트레칭을 거친 후 공랭 방식에서 빌렛(billet) 온도를 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 거쳐 빌렛을 완성한다. 이와 같은 단계를 적용하여 알루미늄 합금으로 이루어진 빌렛(billet)을 완성한다.
또, 본 발명의 다른 일면에 따르면, 상기 제3단계에서 진행된 빌렛을 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는 제4단계를 진행한다. 이러한 균질화열처리를 수행한 다음 압출과 스트레칭을 거쳐 냉각공정을 통한 빌렛은 재차 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는데, 이때 압출공정은 압출금형으로부터 빌렛의 온도 490℃와, 컨테이너 및 다이의 온도 480℃와, 램 속도(Ram Speed) 2.8mm/sec의 압출 조건 하에서 수행하고, 열처리공정은 190℃의 온도에서 4시간동안 수행한 다음, 절단, 열처리, 피막, 가공공정을 거쳐 배터리케이스 프레임의 Front, Side을 완성한다.
이와 같은 단계를 적용하여 알루미늄 합금으로 이루어진 배터리케이스 프레임을 완성한 결과, 도 4처럼 330N/㎟ 이상의 인장강도와 11% 이상의 연신율, 90HB 이상의 경도 및 Ra 4.0㎛ 이하의 표면거칠기가 나타났다.
이와 같이, 본 발명은 전기자동차 부품 분야 중 배터리케이스 프레임을 제조하는 원소재인 알루미늄 합금의 조성성분을 개량하여 소재의 미세조직을 제어하여 균질성 확보하면서 압출 제조기술의 고도화를 통해 소재의 강도 및 신율을 향상시켜 압출 후 벤딩 공정에서의 오렌지 필(Orange peel) 손상 등의 결함을 방지할 수 있고, 가공시 변형이나 흠집이 쉽게 발생하지 않아 불량률을 현저히 감소시키는 동시에 기존 철강 구조부품을 알루미늄으로 대체함으로써 스틸 대비 경량성 및 내부식성이 우수한 제품 생산이 가능함은 물론 리사이클이 가능하여 폐기 처리 문제 등에 있어 친환경성 확보와 함께 부품 국산화로 전기자동차 부품 분야에 일조(一助)할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
Claims (6)
- 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금에 있어서:
Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량%를 함유하고;
잔량(殘量)으로 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Al 및 불순물;을 함유하는 것을 특징으로 하는 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금. - 제1항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기차 배터리케이스 프레임 제조용 알루미늄 합금. - 청구항1의 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 이용하여 전기차 배터리케이스 프레임을 제조하는 방법에 있어서:
알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Si 0.98~1.05중량%, Mg 0.60~0.65중량%, Zr 0.145~0.16중량% 및 잔량(殘量)으로 Al 및 불순물을 준비하는 제1단계;
상기 제1단계에서 준비된 알루미늄 합금을 알루미늄의 용융점인 730~745℃로 용해한 후, 670~720℃의 온도와 80~115mm/min 조건 하에서 주조공정을 거친 다음 연주공정을 통해 빌렛(billet)으로 제조하는 제2단계;
상기 제2단계에서 제조된 빌렛을 520℃~570℃의 온도에서 균질화열처리를 수행한 후, 압출과 스트레칭을 거친 다음 공랭 방식에서 100℃이하로 내려 4시간동안 냉각공정을 진행하는 제3단계; 및
상기 제3단계에서 진행된 빌렛을 예열, 압출, 절단, 열처리, 피막, 가공공정으로 진행하여 배터리케이스 프레임을 완성하는 제4단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제1단계의 알루미늄 합금은 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로 하여 Fe 0.17~0.20중량%, Cu 0.07~0.10중량%, Mn 0.43~0.46중량%, Cr 0.15~0.17중량%, Zn 0.16~0.20중량%, Ti 0.06~0.1중량%로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제4단계의 압출공정은 압출금형으로부터 빌렛의 온도 490℃와, 컨테이너 및 다이의 온도 480℃와, 램 속도(Ram Speed) 2.8mm/sec의 압출 조건 하에서 수행하고, 열처리공정은 190℃의 온도에서 4시간동안 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법. - 제3항에 있어서,
상기 제4단계를 거쳐 완성된 전기차 배터리케이스 프레임은 330N/㎟ 이상의 인장강도와 11% 이상의 연신율, 90HB 이상의 경도 및 Ra 4.0㎛ 이하의 표면거칠기를 나타내는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 이용한 전기차 배터리케이스 프레임의 제조방법.
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| KR100732195B1 (ko) | 2005-02-15 | 2007-06-27 | 주식회사동양강철 | 성형성이 우수한 압출용 고강도 알루미늄 합금 |
| KR20090030871A (ko) | 2007-09-21 | 2009-03-25 | 주식회사동양강철 | 성형성이 우수한 고강도 알루미늄 합금 |
| KR102154132B1 (ko) | 2012-04-25 | 2020-09-10 | 노르스크 히드로 아에스아 | 특성이 향상된 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 |
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