자동차 알루미늄 합금 - jadongcha alluminyum habgeum

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Abstract

본 발명은 자동차 차체용 소재에 적용할 수 있는 알루미늄 합금 소재로 중량으로 Si 0.2% 이하, Fe 0.3% 이하, Cu 0.3% 이하, Mn 0.3 이하, Zn 0.3 내지 1.5%, Mg 4.0 내지 6.0%, 기타 미량 원소 0.1% 이하를 함유하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에서는 TRC 공법을 이용한 고 Mg함량 5000계 알루미늄 합금의 제조를 최초로 성공함으로써 종래의 DC주조 공법 대비 저비용생산이 가능하게 되었으며, 종래의 상용합금보다 기계적 특성이 보다 우수한 합금을 제조할 수 있다.

Description

자동차 차체용 알루미늄 합금 조성물 및 주조 방법{ALUMINIUM ALLOY COMPOSITION FOR CAR BODY AND METHOD OF CASTING}

본 발명은 자동차 차체용 알루미늄 합금의 용해 주조 기술 및 자동차 차체용 합금 조성물에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차의 차체용 소재에 적용하는 고강도의 고 Mg함량 5000계 알루미늄 합금 조성물 및 쌍롤연속주조 공법을 이용하여 양호한 주조판재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

자동차 산업 분야에서 대기오염 방지 및 이산화탄소 배출량 저감을 위하여 차량 경량화에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 그 경량화 방법 중 하나의 방법으로 철강소재를 대체하여 5000계, 6000계, 7000계의 고강도 알루미늄 합금 소재를 채택하고 있다. 이들 고강도 알루미늄 합금 소재들은 용질원소의 함유량이 많고 강도가 강하기 때문에 모두 반연속주조(DC : Direct Chill Casting) 공법으로 만들어지고 있으며 연속주조(CC : Continuous Cylinder Casting 또는 TRC) 공법으로 제작된 판재는 아직 없는 실정이다.

종래의 DC주조 공법의 경우 두꺼운 Slab를 주조하여 열간압연을 거치기 때문에 비용 증가의 원인이 된다. TRC 공법의 경우, DC주조 공법과 달리 용탕을 코일로 생산하기 때문에 열간압연 공정을 생략함으로써 생산비용이 저렴하고, 급속냉각에 따른 과포화고용 및 미세석출물의 생성을 통한 보다 우수한 기계적 특성이 가능하다. 하지만 지금까지 전세계적으로 TRC 공법에 의한 고 Mg함량 5000계 알루미늄 합금 판재는 제작되지 않고 있다. 이는 역편석, 기포, 용탕 산화 등의 여러 문제점이 있기 때문이다.

최근 들어 심각한 환경 문제로 대두된 CO2 가스 발생량의 저감과 에너지 사용량 절감을 위하여 자동차 산업 분야에서는 그 방법 중 하나로 차량 경량화 연구에 집중을 하고 있다. 현재 자동차에 대부분의 부품은 철강소재로 구성되어 있어 연비향상 및 CO2 배출량 저감을 위하여 보다 가벼운 경량화 소재의 적용이 급격히 증가하는 추세이다.

완성차 업체들은 현실적으로 적용이 용이한 차량 경량화를 주목하고 있으며, 그 중에서도 더 가볍고 강도가 우수한 알루미늄소재, 마그네슘 소재, 플라스틱 소재를 적용해 차량의 무게를 줄여 연비를 개선시키는 데 노력을 집중하고 있다. 고장력 강판의 경우 현재 많이 적용되고 있는 추세이나 최대 경량화 가능 비율이 11%밖에 되지 않는다. 따라서 경량 소재가 관심을 받고 있으며 그 중 알루미늄 소재의 경우 최대 40%까지 경량화가 가능하고 이미 선진국에서는 적용한 사례들이 많이 있어 이미 검증된 기술이므로 국내에서도 우선적으로 검토되고 있다.

자동차 차체용 판재의 경우 유럽, 미국 등의 선진국에서는 알루미늄 판재를 적용하는 사례가 많으며 심지어 아우디, 재규어 등은 차체의 100%를 알루미늄 소재로 대체한 차종을 개발하였다. 이에 비해 국내는 2016년 현재 차체용 판재는 트렁크와 뒷좌석을 분리하는 파티션 판넬과 후드에만 사용되고 있는 실정이다. 따라서 국내 차체용 알루미늄 판재 시장은 유럽과 같이 급격하게 증가되리라고 예상된다.

자동차 차제용 판재의 경우 전량 수입되고 있는 실정이며, 그 규모는 2015년 기준 약 2,000억 원 이상 규모가 될 것으로 판단된다. 따라서 국내에서 현 소재의 저비용, 고품질 생산을 통한 국산화가 당장 시급한 상황이다. 현재 수입되고 있는 소재의 국산화를 성공할 경우 대일 무역적자를 줄이는 효과가 있을 뿐만 아니라, 국내에 미치는 경제적 효과도 크질 것이다. 더 나아가 현재 사용되는 양산용 판재보다 강도 및 성형성이 더 우수한 소재를 개발하여 국산화함으로써 역수출을 통한 시장 선점의 효과를 얻을 수 있으며, 자동차 산업의 발전에 기여할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 고 Mg함량 5000계 알루미늄 합금의 경우 마그네슘 성분의 비중이 1.7g/cm3으로 알루미늄의 2.7g/cm3보다 가볍기 때문에 쌍롤연속주조 시 상면으로 편석되는 경향이 발생한다. 일반적으로 쌍롤연속주조 공법의 경우, 용탕이 롤(Roll)과 접촉하면 표면부터 응고가 시작되기 때문에 마그네슘(Mg) 성분과 같은 용질원소가 판재의 중심부 쪽으로 확산되어 몰리게 된다. 이는 고상에서보다 액상에서의 확산속도가 매우 빠르고 용탕의 온도가 낮아지면 기지에 대한 용질원소의 고용량이 줄어들기 때문이다. 그러나 본 발명과 같이 마그네슘이 많이 첨가된 합금의 경우 도 1과 같이 고상과 액상의 공존 온도범위가 넓기 때문에 롤과 용탕의 접촉부에 액상이 잔존하여 판재의 표면 쪽으로 마그네슘 원소의 역편석결함이 발생된다.

또한 마그네슘 성분의 경우 산화력이 매우 강하고 수소친화성이 아주 높아 마그네슘 첨가량이 증가할수록 도 2와 같이 용탕 내에 수소 가스의 함량이 증가되며, 증가된 수소 가스는 냉간압연 후 열처리 시 압연판재 표면에 기포결함을 발생시킨다.

따라서 본 발명은 고 Mg함량 알루미늄 합금의 주조 시 주조판재 표면의 역편석 결함과 냉간압연 후 열처리시 기포결함을 해결함으로써, 기존 DC주조 공법으로만 생산되고 쌍롤연속주조 공법으로 제조할 수 없었던 현재의 기술을 극복하고, 또한 TRC 공법에 적합한 차체용 알루미늄 합금 조성물을 발명함에 그 목적이 있다.

또한 근본적으로 상온에서의 고강도 및 고연신율의 합금을 발명함으로써 자동차 차체용뿐만 아니라 여러 종류의 성형용 알루미늄 소재에 적용할 수 있는 알루미늄 합금 조성물 및 제조 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성물은 중량으로 Si 0.2% 이하, Fe 0.3% 이하, Cu 0.3% 이하, Mn 0.3 이하, Zn 0.3 내지 1.5%, Mg 4.0 ~ 6.0%, 기타 미량 원소 0.1% 이하를 함유하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다. 즉, 조대 정출물을 생성시켜 연신율을 떨어뜨리는 Si, Fe 성분과 석출물을 생성하여 연신율을 떨어뜨리는 Cu, Mn 성분의 함량을 조정하고 주요 성분인 Mg, Zn 성분을 최적화함으로써 본 발명의 합금은 종래 합금에 비해 인장강도 및 연신율이 우수한 특성을 가진다. 상기 합금 조성물에서 연신율이 떨어지는 것을 방지하기 위하여 상기 미량원소는 전제 조성물에서 0.05 중량% 이하인 것이 더욱 바람직하다.

또한 중량으로 Si 0.2% 이하, Fe 0.3% 이하, Cu 0.3% 이하, Mn 0.3 이하, Zn 0.3 내지 1.5%, Mg 4.0 내지 6.0%, 기타 미량 원소 0.1% 이하를 함유하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물인 고상의 알루미늄 합금을 가열하여 액상으로 용해하는 단계: 및 상기 용해된 용탕을 회전하는 2개의 상하 롤 사이로 연속주입하여 응고시켜 두께 4 ~ 8mm의 코일 형태로 주조하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 판재의 제조 방법을 제공한다. 상기 알루미늄 합금 조성물은 TRC 공법(도 3 참조)을 이용하여 주조를 하였으며, 주조판재 상면의 Mg 역편석 결함은 냉각능을 향상시킴으로써 해결을 하였다. 또한 상기 냉각능의 향상을 위하여 판재의 두께를 줄였으며 능각능이 우수한 Cu Shell을 사용하기도 하였다.

또한 제조시 용탕의 온도는 700 ~ 760℃의 온도 범위에서 행해지는 것이 바람직하고, 롤 회전속도는 600 ~ 1,500mm/min 으로 행해지는 것이 바람직하다.

그리고 상기의 주조조건과 동시에 수소가스의 제거를 위하여 일반적으로 실시하는 용탕의 탈가스 작업 외에 염소 가스를 이용한 탈가스 작업을 실시하는 것을 특징으로 한다. 즉 기포발생을 해결하기 위하여 수소 가스 제거에 효과가 큰 염소 가스를 투입함으로써 기포발생 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에서는 TRC 공법을 이용한 고 Mg함량 5000계 알루미늄 합금의 제조를 최초로 성공함으로써 종래의 DC주조 공법 대비 저비용생산이 가능하게 되었으며, 종래의 상용합금보다 기계적 특성이 보다 우수한 합금을 제조할 수 있다.

또한 Mg 등의 용질원소의 판재표면으로의 역편석을 방지하기 위하여 주조판재 두께, 주조속도, 용탕온도를 조정하여 냉각능을 향상시키고 기포발생 방지를 위하여 염소가스를 사용하여 코일형태로 판재를 제조할 수 있다.

도 1은 A8079, 시험10 합금의 고상분율 분포 모델링 결과를 나타낸 그래프,
도 2는 Mg 첨가에 따른 수소함량 변화를 나타낸 그래프,
도 3은 DC 및 TRC(Twin Roll Casting) 공법 개념도,
도 4는 주조판재의 조대정출물 및 SEM 분석결과를 나타낸 개념도,
도 5는 고 Mg함량 알루미늄합금에서의 Mg 함량에 따른 물성변화를 나타낸 그래프,
도 6은 주조판재 표면의 Mg 역편석 결함을 나타낸 사진이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금 조성물은 중량으로 Si 0.05 ~ 0.2%, Fe 0.1 ~ 0.3%, Cu 0.1 ~ 0.3%, Mn 0.1 ~ 0.3%, Zn 0.3 내지 1.5%, Mg 4.0 내지 6.0%, 기타 불순물 0.05% 이하를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명에 따른 알루미늄 판재 제조 방법은 고상의 알루미늄 괴(Ingot)와 각종 모합금을 이용하여, 중량으로 Si 0.05 ~ 0.2%, Fe 0.1 ~ 0.3%, Cu 0.1 ~ 0.3%, Mn 0.1 ~ 0.3%, Zn 0.3 내지 1.5%, Mg 4.0 내지 6.0%, 기타 불순물 0.05% 이하를 함유한 액상으로 용해하여 용해된 알루미늄 용탕을 쌍롤연속주조(TRC) 공법으로 주조한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금의 합금 원소 함유량 제한에 대한 이유는 하기에 설명된다.

규소(Si) 및 철(Fe)을 0.05 ~ 0.2 중량%와 0.1 ~ 0.3 중량%로 한정하는 이유는, 본 합금에서 과하게 첨가되면 도 4와 같이 편석이 발생되어 조대한 정출물을 형성시킨다. 이러한 주조판재 표면의 조대 정출물은 뒤이은 압연공정 시 균열(Crack)을 발생시켜 판재의 강도 및 연신율을 떨어뜨려 성형성을 저하시킨다.

합금 조성 중 구리(Cu)는 고용 강화 효과가 있고, 내식성도 향상시키며, 연성에 해로운 β상(Al3Mg2)이 입계에 Film 형태로 석출되는 것을 억제하는 효과도 있지만, 본 합금에서는 첨가량을 0.3 중량%로 한정하는 이유는, Cu 첨가 시 강도는 향상되지만 거와 반비례하여 연신율이 떨어지기 때문이다.

망간(Mn)은 알루미늄 합금에 첨가하게 되면 기지상에 고용되어 고용강화 효과를 일으키며 미세한 분산상들이 기지상에 고르게 분산되어 전위(Dislocation)의 이동을 억제하여 강도를 향상시키는 분산강화 효과도 있다. 또한 분산상들이 결정입계(Grain Boundary)의 이동을 억제하여 결정립 성장(Grain Growth)을 방해함으로써 조직 미세화에도 매우 효과적인 원소이며, 내식성 향상에도 도움을 주는 첨가원소이다. 하지만 첨가량을 0.3 중량% 이하로 한정하는 이유는 망간 첨가 시 강도의 증가 및 결정립미세화 효과는 현저하였으나 연신율의 저하가 심하였기 때문이다.

아연(Zn)은 Cu 원소와 함께 알루미늄 합금에 첨가되면 기지상 내에 고용되어 고용강화를 일으키며, 연성에 해로운 β상 생성을 억제하는 고용형 원소이므로 합금의 기계적 특성 향상을 위하여 첨가한다. 그 함량을 0.3 내지 1.5 중량%로 한정하는 이유는, 0.3 중량% 미만에서는 강화효과가 아주 작으며 1.5% 중량%를 초과할 경우 용탕의 유동도가 떨어져서 주조성이 떨어지기 때문이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 0.3 내지 1.5 중량%의 Zn이 첨가되는 것이 가장 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 주요 합금성분으로써 고 Mg함량 알루미늄 합금에서, 다른 원소와는 달리 첨가량이 증가하면 도 5와 같이 강도와 연신율이 동시에 증가하는 특성을 가진다. Mg 함량이 2% 이상일 경우 최대 9% 함량까지 강도와 함께 연신율이 증가한다. 하지만 Mg 함량 조절을 통한 연신율의 향상은 그 증가량이 매우 적기 때문에 크게 기대하기는 어렵다. 단지 Mg 함량을 증가시키면 강도 향상 효과는 비교적 크기 때문에 연신율을 떨어뜨리지 않고 강도를 향상시키는데 매우 효과적이라고 할 수 있다. 중량을 4.0 내지 6.0 중량%로 한정하는 이유는 마그네슘 함량이 4.0 중량% 미만일 경우 일반적으로 자동차 차체용으로 요구되는 강도 및 연신율(250Mpa-25%)을 만족시키지 못하고, 6.0 중량%를 초과할 경우 역편석 및 산화 등의 결함으로 인하여 쌍롤연속주조 공법으로는 제조가 어렵기 때문이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 4.0 내지 6.0 중량%의 Mg이 첨가되는 것이 가장 바람직하다.

이외 다른 미량 원소는 각각 0.1% 이하로 제한한다. 경우에 따라 본 합금에서 불순물로 작용할 수 있으며 일반적으로 첨가원소가 첨가되면 강도는 상승할 수 있을지 모르나 연신율이 떨어지는 결과가 나타나기 때문이다. 본 발명의 실시예에 의하면, 미량 원소들은 각각 0.05 중량% 이하로 관리되는 것이 바람직하다.

본 발명에서 합금으로 주조된 알루미늄 합금소재에 대하여 주요 물성인 인장 강도 및 연신율 시험결과는 표 1과 같다. 표 1의 물성은 완전풀림 처리된 압연판재의 물성이다.

- 본 발명의 합금 실시예 -

표 1에 의하면, 본 발명의 합금은 종래 합금에 비해 인장강도 및 연신율이 우수함을 알 수 있다. 마그네슘을 제외한 첨가원소를 첨가하면 강도는 증가하나 연신율이 떨어지는 결과를 보이므로 과도한 첨가는 바람직하지 않다. 하지만 아연의 경우 첨가에 의한 강도의 증가폭은 적지만 연신율의 저하가 없다는 특징이 있음을 알 수 있다.

본 발명의 합금의 제조 방법으로는 도 3과 같은 쌍롤연속주조 공법이다. 상기의 용해된 용탕을 회전하는 2개의 냉각 롤 사이로 연속 주입하여 응고시킴으로써 코일 형태로 주조한다.

쌍롤연속주조 공법은 DC주조 공법 대비 빠른 냉각속도, 좁은 간격의 Dendrite arm, 미세한 석출물과 작은 결정립 크기 등으로 인하여, 성분이 동일한 합금일지라도 DC주조 공법 대비 강도가 강하며 조직제어를 통한 연신율을 강도와 동시에 향상시킬 수 있는 방법 중의 한 방법이다. 그러나 판재 표면으로의 역편석 결함이나 기포 결함의 경우 후 공정인 압연공정 시 Crack을 유발하여 기계적 특성을 크게 떨어뜨리므로 이러한 결함의 방지를 위하여 무엇보다 주조공정에서 주조속도, 용탕온도, Set Back, 주조두께 등의 주조조건 제어를 통한 최적의 주조조건 확립이 중요하다.

- 본 발명의 주조 실시예 -

상기 용해된 알루미늄 용탕을 700 ~ 760℃ 온도에서, 600 내지 1,500 mm/min 의 속도로 회전하는 2개의 롤 사이로 연속적으로 주입하여 응고시킴으로써, 4 내지 8mm 두께의 코일 형태로 판재를 주조한다. 주조판재 두께를 4 내지 8mm로 한정하는 이유는, 4mm 미만에서는 좌굴이 발생할 우려가 있고, 8mm를 초과하는 경우는 판 두께 중앙 부근에 편석이 심하여 성형성을 떨어뜨리고 냉각능이 떨어져서 표면에 도 6과 같은 역편석이 발생하기 때문이다.

용탕온도를 700 ~ 760℃로 한정하는 이유는 700℃ 미만의 온도에서는 용탕이 롤과 접촉하기 전에 응고가 일어나고, 760℃를 초과하면 용탕이 응고되지 않고 흘러내리는 현상이 발생하기 때문이다. 또한 주조속도를 600 내지 1,500mm/min 로 한정을 한 이유는, 600mm/min 미만에서는 고상과 액상 계면이 롤 중심에서 너무 뒤로 이동되어 노즐이 파손되거나 압하량이 과도하게 증가되어 주조작업이 불가능하며 1,500mm/min 을 초과하면 용탕이 미쳐 응고되지 않기 때문에 흘러내리거나 고상과 액상의 공존 영역이 길어지게 되어 역편석이 발생되기 때문이다. 그리고 상기의 주조조건과 동시에 수소가스의 제거를 위하여 일반적으로 실시하는 용탕의 탈가스 작업 외에 염소 가스를 이용한 탈가스 작업을 실시하는 것을 특징으로 한다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

Claims (6)

3. 중량으로 Si 0.05 ~ 0.2%, Fe 0.1 ~ 0.3%, Cu 0.1~0.3%, Mn 0.1 ~ 0.3 %, Zn 0.3 ~ 1.5%, Mg 4.0 ~ 6.0%, 불순물 0.05% 이하를 함유하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물인 고상의 알루미늄 합금을 가열하여 700 ~ 760℃의 온도 범위에서 액상으로 용해하는 단계: 및
   상기 용해된 용탕을 회전속도는 600 ~ 1,500mm/min 로 회전하는 2개의 상하 롤 사이로 연속주입하여 응고시켜 두께 4 ~ 8mm의 코일 형태로 주조하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 판재의 제조 방법.

6. 제 3항에 있어서, 수소 가스에 의한 기포발생 억제를 위하여 염소 가스를 용탕에 투입하는 탈가스 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금 판재 제조 방법.

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