Foundry Technology Center, Korea Institute of Industrial Technology, Incheon 406-800, Korea
Key words : Aluminum alloy, Die casting, High strength, Automotive, Light weighting.
1. 서 론
최근 자동차 산업은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 주요 연료 인 원유 등의 화석연료 고갈, 환경보호를 위한 자동차 배기가 스 규제 등의 환경규제 심화, 안전부품 장착을 의무화하는 안 전규제 강화, 운전자 편의성 증대를 위한 자동차 지능화 요구 등 산업 환경이 변화하고 있다. 특히 세계적으로 환경오염 문 제가 대두되면서 자동차 산업분야에서는 자동차의 평균연비 및 자동차 배기가스 규제 강화에 대비한 연비개선 대책이 절실히 요구되고 있다.
자동차의 연비향상을 위한 주요 방안으로는 Fig. 2와 같이 엔진·구동계의 효율 향상, 주행저항 저감, 경량화 등이 있다.
그러나 엔진 효율 향상, 구동계 전달효율 향상, 주행저항 저감 등은 기술적으로 한계에 도달하여 대폭적인 연비향상은 기대하 기 어려운 실정이며, 구조 변경, 알루미늄, 마그네슘 등의 경량 소재로의 변경, 부품합리화 등에 의한 자동차 경량화가 연비개 선에 가장 효과가 좋은 것으로 알려져 있다.
이에 따라서 Fig. 3과 같이 알루미늄 등의 경량소재를 이용 한 자동차 부품 개발 및 적용이 크게 늘어나고 있으며, 자동차
용 알루미늄 부품소재의 세계시장규모도 빠른 속도로 성장하고 있다.
자동차용 알루미늄 부품의 생산기술은 Fig. 4와 같이 분류할 수 있으며, 주조, 압출, 압연, 단조기술 등이 주요 자동차용 알 루미늄 부품 생산기술이다. 이중에서 주조기술에 의하여 생산되
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Fig. 2. 자동차 연비향상 방안.
Fig. 3. 자동차용 알루미늄부품의 세계시장규모.
Fig. 1. 자동차 산업의 환경변화.
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는 자동차용 알루미늄 부품이 약 80%를 차지하고 있는데, 금 형주조에 의하여 생산되는 알루미늄 부품 생산량이 전체 알루 미늄 부품 생산량의 약 39%로서 가장 큰 비중을 차지하고 있 다. 다음으로는 다이캐스팅에 의하여 생산되는 알루미늄 부품 생산량이 전체 알루미늄 부품 생산량의 약 35%를 차지하고 있 으며, 세계 생산량은 1,380만톤, 생산액은 42조 2천억원에 이 르고 있다.
알루미늄 다이캐스팅 부품에 적용되고 있는 알루미늄 합금으 로는 ADC 3, ADC 10, ADC 12 등의 Al-Si 합금계와 ADC 5 혹은 ADC 6 등의 Al-Mg 합금계가 사용되고 있다. 이러한 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 수준은 300MPa 이하 이기 때문에 자동차 경량화를 위하여 300MPa 이상의 고강도를 요구하는 알루미늄 자동차 부품설계 및 적용에 한계성을 갖고 있다. 이에 따라 350MPa급 이상의 인장강도를 갖는 다이캐스 팅용 고강도 알루미늄 합금개발과 이를 적용한 자동차 부품개발 이 요구되고 있다.
또한 다이캐스팅용 Al-Si 합금계는 Si을 5~12wt% 함유하고 있기 때문에 내마모성이나 내스크레치성 등의 부품 표면특성 향상을 위하여 필요한 anodizing 처리가 어렵다. 이러한 anodizing 처리한 부품은 열전도성이 우수하지만 반면에 도장 처리한 부품은 표면특성이 낮고 열전도성이 매우 낮아 (Al2O3 열전도도: 39W/mK, 도장재 열전도도: 0.1W/mK) 방열부품용
소재로의 적용에 한계가 있다.
본 기술 자료에서는 알루미늄 등의 경량소재를 이용한 자동 차부품 경량화에 적극 대응하기 위하여, 서스펜션 모듈부품이나 스티어링 모듈부품 등의 자동차 구조용 부품에 적용할 수 있 는 350MPa 이상의 인장강도를 나타내는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금에 대하여 소개하고자 한다.
2. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 2.1 알루미늄 합금 조성
Table 1은 자동차 서스펜션 모듈부품이나 스티어링 모듈부품 중에서 고강도, 고연성의 특성을 요구하는 어퍼 암, 로어 암, 스티어링 너클, 스티어링 기어 하우징 등에 적용할 수 있는 350MPa 이상의 인장강도를 나타내는 다이캐스팅용 고강도 알 루미늄 합금의 조성을 나타낸 것이다.
2.2 다이캐스팅 시험
다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 금형 충전성 및 주조 크랙성 등의 주조성 평가와 인장강도, 항복강도 및 연신율 등 의 인장특성 평가를 위하여 Fig. 7과 같은 폭 10 mm, 길이 100 mm, 두께는 각각 1, 1.5 및 2 mm 크기의 ASTM B 557M 규격에 따른 시험편을 다이캐스팅에 의하여 20개씩 주 조하였다. 알루미늄 합금의 금형 충전성은 20개의 시편이 전부 충전되었으면 완전충전으로 평가하였고, 20개의 시편중에서 1개 의 시편이라도 충전이 이루어지지 않았으면 부분충전으로 평가하 였다. 그리고 알루미늄 합금의 주조 크랙성은 20개의 시편중에 서 시편 표면부에서 발생된 길이 0.1 mm 이상의 크랙이 발생된 시편수에 따라서 각각 주조 크랙 발생률 10% 이하, 11%~
49%, 50% 이상으로 평가하였다.
Fig. 4. 자동차용 알루미늄 부품의 생산기술 비율.
Fig. 5. 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도.
Fig. 6. 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열전도도.
Table 1. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 조성 (단위: wt%).
alloys Cu Mg Zn Zr Ti Cr Fe Al
1 2.07 2.93 5.98 0.08 0.04 0.03 0.35 88.43 2 2.24 3.0 6.2 0.08 0.04 0.03 0.39 87.93 3 2.36 3.07 6.3 0.08 0.04 0.03 0.41 87.70
2.3 금형 충전성
Fig. 8은 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 금형 충전성을 나타낸 것이다. Zn 함량이 약 3.5wt.%인 알루미늄 합금은 두께 1 mm 크기의 시험편에 충전이 이루어지지 못하였으나, Zn 함량 이 약 6wt.%인 알루미늄 합금은 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에 모두 완전 충전된 것을 알 수 있다.
2.4 주조 크랙성
Fig. 9는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 주조 크랙성 을 나타낸 것이다. Zn 함량이 약 3.5wt.%인 알루미늄 합금은 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 주조 크랙이 10%
이상 발생하였으나, Zn 함량이 약 6wt.%인 알루미늄 합금은 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 모두 주조 크랙이 거 의 발생되지 않은 것을 알 수 있다.
2.5 인장 특성
Fig. 10은 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 인장강도를 나타낸 것이다. 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 알루 미늄 합금의 인장강도는 350~450MPa 범위에 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 11은 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금과 고강도 알루미
늄 합금의 인장강도를 비교한 것이다. 다이캐스팅용 일반 알루 미늄 합금의 인장강도는 약 300MPa이나 고강도 알루미늄 합 금의 인장강도는 약 380MPa로 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금에 비하여 약 30% 정도 인장강도가 높다.
Fig. 12는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 항복강도를
Fig. 9. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 주조 크랙성.
Fig. 11. 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 비교.
Fig. 10. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 인장강도.
Fig. 8. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 금형 충전성.
Fig. 7. 다이캐스팅 시험 금형.
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나타낸 것이다. 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 알루 미늄 합금의 항복강도는 250~400MPa 범위에 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 13은 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금과 고강도 알루미 늄 합금의 항복강도를 비교한 것이다. 다이캐스팅용 일반 알루 미늄 합금의 항복강도는 약 170MPa이지만 고강도 알루미늄
합금의 항복강도는 약 300MPa로 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금에 비하여 약 80% 정도 항복강도가 높다.
Fig. 14는 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 연신율을 나 타낸 것이다. 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 알루미 늄 합금의 연신율은 2~16% 범위에 있는 것을 알 수 있다.
Fig. 15는 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금과 고강도 알루미
Fig. 12. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 항복강도.
Fig. 13. 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 항복강도 비교. Fig. 15. 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 연신율 비교.
Fig. 14. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 연신율.
Fig. 16. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 미세조직.
늄 합금의 연신율을 비교한 것이다. 다이캐스팅용 일반 알루미 늄 합금의 연신율은 약 3%이지만 고강도 알루미늄 합금의 연 신율은 약 9%로 다이캐스팅용 일반 알루미늄 합금에 비하여 약 3배 정도 연신율이 높다.
2.6 미세조직 및 결정립도
Fig. 16 및 17은 각각 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 미세조직 및 결정립 크기를 나타낸 것이다. 두께 1, 1.5 및 2 mm 크기의 시험편에서 고강도 알루미늄 합금의 결정립 크기 는 12~25 µm 범위에 있는 것을 알 수 있다.
3. 결 론
알루미늄 다이캐스팅 부품에 적용되고 있는 알루미늄 합금으 로는 ADC 3, ADC 10, ADC 12등의 Al-Si 합금계와 ADC 5 혹은 ADC 6 등의 Al-Mg 합금계가 사용되고 있다. 이러한 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 인장강도 수준은 300MPa 이하 이기 때문에 자동차 경량화를 위하여 300MPa 이상의 고강도를 요구하는 알루미늄 자동차 부품설계 및 적용에 한계성을 갖고 있다. 이에 따라 본 기술 자료에서는 알루미늄 등의 경량소재를 이용한 자동차 부품 경량화에 적극 대응하기 위하여, 서스펜션
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Fig. 17. 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 결정립 크기.
