[논문]자동차차체용 고연성 알루미늄다이캐스팅합금 개발

도변수일낭

문제 정의

SPR접합에서는 리벳이 상판을 관통하고 하판에서는 넓어져서 상판과 하판이 접합된다. SPR접합의 가부는 상판의 두께 및 다이(die)의 형상이 중요하므로 이런 요인을 검토하였다.
그래서 본 연구에서는 자동차공업계로부터의 새로운 요구를 배경으로 엔진으로부터의 방열에 의한 가열이 있어도 경년시효경화를 하지 않고, 또한 용체화 처리를 하지 않아도 즉, 주조한 그대로(이후 as-cast라 칭함)의 상태로 아주 높은 연신율을 얻을 수 있고 동시에 주조성이 우수한 다이캐스팅합금을 개발하고자 하였다. 또한 이종재료와의 접합을 가능하게 하는 접합기술로써 self piercing rivet접합의 가능성을 검토하였다.
그래서 본 연구에서는 자동차공업계로부터의 새로운 요구를 배경으로 엔진으로부터의 방열에 의한 가열이 있어도 경년시효경화를 하지 않고, 또한 용체화 처리를 하지 않아도 즉, 주조한 그대로(이후 as-cast라 칭함)의 상태로 아주 높은 연신율을 얻을 수 있고 동시에 주조성이 우수한 다이캐스팅합금을 개발하고자 하였다. 또한 이종재료와의 접합을 가능하게 하는 접합기술로써 self piercing rivet접합의 가능성을 검토하였다.

가설 설정

(7) 기계적 특성(내력)의 향상에 대한 천이원소의 첨가효과는 생성된 화합물의 크기가 관계하고 있다고 생각된다. 2~3 μm 크기의 Al-Si-Mn 화합물로써 정출하는 Mn의 첨가효과는 없었지만, 보다 더 미세하게 정출하고 있다고 추정되는 Mo과 Zr의 복합첨가에서는 내력이 약 10% 향상하였다.

제안 방법

먼저 경년시효에 의한 특성변화의 방지에 관해서 검토하였다. Al-Si-Mg계 다이캐스팅부품의 사용 환경 하에서의 온도상승에 의한 특성변화는 Mg₂Si의 석출에 기인한 결과라고 추정하고 Table 2에 나타낸바와 같이 Mg 함유량을 0.003%~0.1%까지 변화시킨 Al-Si-Mg계 다이캐스팅재를 제조하여 경년시효변화에 대한 Mg함유량의 영향을 조사하였다.
강제 탈가스 장치를 부착한 형체력 3900 kN의 뷸러사제 다이캐스팅장비를 사용하여 Fig. 1에 나타낸바와 같은 형태의 다이캐스팅재(치수:220°X65 mm, 두께: 2,3,4,6 mm)를 주조하고 장방향의 시험편을 채취하여 기계적 특성을 측정하였다.
그래서 다이캐스팅재에 적합한 SPR접합조건을 검토하였다. SPR접합에서는 리벳이 상판을 관통하고 하판에서는 넓어져서 상판과 하판이 접합된다.
다음으로 as-cast상태에서의 합금의 기계적 특성(내력)향상을 목적으로 천이원소 즉 Mn, Mo, Zr 첨가의 효과를 검토하였다. Mo 및 Zr을 첨가원소로 채택한 것은 예비실험에서 내력 향상효과가 우수하였기 때문이다.
다음으로, 예비실험 결과로부터 내력 향상에 효과가 컸던 Mo과 Zr을 선택하여 Al-10%Si-0.5%Mn합금 다이캐스팅재의 기계적 특성에의 이들 원소들의 첨가효과를 측정하였다. Fig.
다이캐스팅재의 기계적 특성은 주조직후에는 오차가 크므로 주조 후 2일 이후에 안정하였으므로 2일 후에 측정하였다. 기계적 특성 측정에는 10개 이상의 시험편을 사용하여 그 평균치를 결과로 나타내었다.
또한 범용실용형 다이캐스팅을 실시하여 다이캐스팅중의 연신율분포를 조사함으로써 합금의 주조성을 조사하였다.
마지막으로 개발합금의 as-diecast재를 이용하여 시행착오(try and error)적으로 각종 조건에서 기계적 접합기술중 가광을 받고 있는 “self piercing rivet 접합”의 가능성을 검토하였다.
먼저 경년시효에 의한 특성변화의 방지에 관해서 검토하였다. Al-Si-Mg계 다이캐스팅부품의 사용 환경 하에서의 온도상승에 의한 특성변화는 Mg₂Si의 석출에 기인한 결과라고 추정하고 Table 2에 나타낸바와 같이 Mg 함유량을 0.
자동차공업계로부터의 요구를 기초로 하여 Table 1에 나타낸 개발목표를 설정하고 실험을 진행하였다. 실험은 순차 해결하는 형태로 진행하였다.
엔진주변부품이 받는 열이력(373K정도로 승온)을 고려한 촉진조건으로써 393 K에서 1000 hr 시효처리 조건을 선택하고, 시효처리 후와 as-cast재에 대한 기계적 특성 차이를 측정하여 경년시효성을 평가하였다. 두께 3 mm 다이캐스팅재를 시험하였다.
용탕은 고순도 지금(地金)을 배합하여 가스 가열식 도가니로를 사용하여 용해하였으며, 임펠러식 탈가스장치로 Ar가스를 취입하여 탈가스 및 탈재처리를 한 후 Sr은 Al-10%Sr 모합금을 첨가하여 20분 후에 Table 5에 나타낸 조건으로 주조하였다. 용탕품질은 initial bubble test를 실시하여 주조개시직전에 평가하여 가스함유량(목표: 1 ml/100 gAl 이하)을 확인한 후 주조하였다.
용탕은 고순도 지금(地金)을 배합하여 가스 가열식 도가니로를 사용하여 용해하였으며, 임펠러식 탈가스장치로 Ar가스를 취입하여 탈가스 및 탈재처리를 한 후 Sr은 Al-10%Sr 모합금을 첨가하여 20분 후에 Table 5에 나타낸 조건으로 주조하였다. 용탕품질은 initial bubble test를 실시하여 주조개시직전에 평가하여 가스함유량(목표: 1 ml/100 gAl 이하)을 확인한 후 주조하였다. 주조온도는 983~993K, 금형온도는 고정형과 가동형 모두 473 K로 조정하였다.
우선 Al-10%Si 다이캐스팅합금의 기계적 특성에의 Mn첨가효과를 측정하였다. 그 결과를 Fig.
위 두가지 실험을 통해서 기계적 특성에 대한 개발목표를 달성하는 것이 확인되어 최적으로 판단되는 조성을 가진 합금(후술, Table 6참조, 이하 개발합금이라 함)에 대해서 as cast 상태에서의 기계적 특성에 대한 다이캐스팅두께(냉각속도)의 영향 및 미세조직을 조사하여 합금조성과의 관계를 고찰하였다.

대상 데이터

Size: 220X65 mm, wall thickness 2, 3, 4 and 6 mm.
본 시험에 사용한 다이캐스팅은 주조온도 963~973K, 금형온도 467~473K 조건에서 형체력 20MN의 고진공다이캐스팅장비를 사용하여 주조한 제품질량 6kg, 평균두께 3mm의 실용다이캐스팅이다. 결과데이터는 10개 시편의 평균치이다.
2%까지 첨가하였는데, Mn첨가량에 따른 내력의 향상은 인정되지 않았다. 그래서 Mn함유량에 관해서는 다이캐스팅시의 금형에의 소착방지의 관점으로부터 표준치로써 0.5%를 선택하기로 하였다.
엔진주변부품이 받는 열이력(373K정도로 승온)을 고려한 촉진조건으로써 393 K에서 1000 hr 시효처리 조건을 선택하고, 시효처리 후와 as-cast재에 대한 기계적 특성 차이를 측정하여 경년시효성을 평가하였다. 두께 3 mm 다이캐스팅재를 시험하였다.
실용다이캐스팅중의 연신율분포에 대해서는 다이캐스팅 게이트로부터의 거리차이에 따라 3곳으로부터 채취한 시험편의 인장시험결과로터 얻었다. 본 시험에 사용한 다이캐스팅은 주조온도 963~973K, 금형온도 467~473K 조건에서 형체력 20MN의 고진공다이캐스팅장비를 사용하여 주조한 제품질량 6kg, 평균두께 3mm의 실용다이캐스팅이다. 결과데이터는 10개 시편의 평균치이다.
한편, Al-Si-Mg계 합금에 있어서 T4재 및 T7재에서는 접합이 가능하였으나 as-cast재에서는 균열이 발생하여 SPR접합은불가능하였다. 실시 예로써 Fig. 8에 개발합금 as-cast재(4 mm 판)와 알루미늄합금판(AA5052, 1.5 mm)의 SPR 접합 예를 나타내었다. 균열발생도 없고 양호하게 접합되어 있다.

성능/효과

(2) 개발합금은 as-cast 상태에서 연신율 10%이상의 고연성과 내력 120 MPa 이상의 중간 정도의 강도를 발휘한다.
(3) 개발합금은 엔진주변의 부품에서 문제시 되고 있는 즉, 엔진으로부터의 방열로 발생하는 온도 상승에 의한 기계적 특성변화가 없다.
(4) 개발합금의 다이캐스팅에서는 Al-Si-Mg계 합금과 비교하여 응고수축에 의한 cavity생성이 적고 주물전체가 균일한 고연성을 가짐으로써 고품질의 다이캐스팅부품이 얻어진다.
(5) 개발합금 as-cast재에서 self piercing rivet접합이 가능하다. 저면 플랫(plat)의 taper die의 개발로 가능하게 되었다.
(6) 개발합금의 최대 특징은 Mg함유량을 제한하는 것으로 Al-Si-Mg계 다이캐스팅합금과 비교하여 공정Si이 더욱 미세화 된다. 그러므로 비열처리재로 고연성을 얻을 수 있다고 생각된다.
2~3 μm 크기의 Al-Si-Mn 화합물로써 정출하는 Mn의 첨가효과는 없었지만, 보다 더 미세하게 정출하고 있다고 추정되는 Mo과 Zr의 복합첨가에서는 내력이 약 10% 향상하였다.
4에 다이캐스팅재의 내력에 대한 Mo 및 Zr의 단독첨가효과 그리고 복합첨가효과에 대해서 나타낸다. Fig. 4에 나타낸 것처럼 Mo과 Zr의 단독첨가, Mo과 Zr의 복합첨가에 의해서 내력이 10% 향상되었으며, 내력의 목표치인 120 MPa 이상을 달성함이 인정되었다. 특히 복합첨가가 첨가량에 대한 내력의 향상정도로부터 알 수 있듯이 단독첨가보다 더욱 효과적임이 확인되었다.
개발합금의 연신율은 as-cast상태에서 Fig. 4에 나타낸 것처럼 12~13%이며, Al-Si-Mg합금이 10%이하임에 비하여 우수함이 인정되었다. 이처럼 개발합금의 연신율향상은 Mg함유량을 억제함으로써 얻어지는 Sr의 개량효과에 의한 공정Si의 미세화로부터 발생된 결과라고 생각된다.
본 실험에서 얻어진 결과로부터 개발합금의 다이캐스팅 용이성이 종래의 Al-Si-Mg계 다이캐스팅합금보다 우수하다는 것이 확인되었다. 다시 말해서, 본 개발합금을 사용함으로써 종래의 Al-Si-Mg계 합금에서는 필수적으로 요구되어진 대책을 강구하지 않아도 다이캐스팅 부품 전체에 균일한 연신율을 가진, 보다 고품질의 다이캐스팅 제품이 제조가능하다고 생각된다.
이상의 결과로부터, 사용 중에 엔진으로부터의 방열에 의한 가열의 영향을 받는 것이 걱정되는 부품에 대응하기 위해서는 Mg함유량을 0.04%이하로 제한할 필요가 있음이 확인되었다.
A5052판재 및 개발합금 다이캐스팅판재를 사용하여 각종 검토를 한 결과 다음과 같은 조건에서 개발합금 다이캐스팅재의 SPR접합이 가능하였다. 즉, 다이캐스팅재의 변형을 극히 작게하기 위하여 리벳다이(rivet die)의 형상은 표준의 곡면다이가 아닌, 저면은 편평하고(plat shape) 측면은 콘상(cone shape)인 테이퍼다이(taper die)의 채용과 다이캐스팅재가 상판의 경우에는 다이 깊이를 얇게 함으로써 가능하였다. 상판과 하판의 조합에서는 판 두께의 관리가 중요하며 다이캐스팅재가 상하 어느 경우에도 하판을 상판보다 두껍게 할 필요가 있다.
4에 나타낸 것처럼 Mo과 Zr의 단독첨가, Mo과 Zr의 복합첨가에 의해서 내력이 10% 향상되었으며, 내력의 목표치인 120 MPa 이상을 달성함이 인정되었다. 특히 복합첨가가 첨가량에 대한 내력의 향상정도로부터 알 수 있듯이 단독첨가보다 더욱 효과적임이 확인되었다. 한편, 연신율은 Mo, Zr 첨가에 의해 거의 변화가 없으며 목표치인 10%를 넘는 12~13%를 나타내었다.

후속연구

본 실험에서 얻어진 결과로부터 개발합금의 다이캐스팅 용이성이 종래의 Al-Si-Mg계 다이캐스팅합금보다 우수하다는 것이 확인되었다. 다시 말해서, 본 개발합금을 사용함으로써 종래의 Al-Si-Mg계 합금에서는 필수적으로 요구되어진 대책을 강구하지 않아도 다이캐스팅 부품 전체에 균일한 연신율을 가진, 보다 고품질의 다이캐스팅 제품이 제조가능하다고 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대형다이캐스팅부품이 승용차차체의 구조부품으로써 채용될 수 있게 하는 원인은 무엇인가?	최근 고진공다이캐스팅을 비롯하여 각종 고품질다이캐스팅 기술[3] 및 고강도 고연성을 발휘하는 고품질다이캐스팅합금의 실용화에 의해서 대형다이캐스팅부품이 승용차차체의 구조부품으로써 채용되고 있다[4,5]. 고품질다이캐스팅합금으로써는 Al-Si-Mg계 합금이 주로 이용되고 있다.
	다이캐스팅재의 기계적 특성을 2일 후에 측정한 이유는 무엇인가?	다이캐스팅재의 기계적 특성은 주조직후에는 오차가 크므로 주조 후 2일 이후에 안정하였으므로 2일 후에 측정하였다. 기계적 특성 측정에는 10개 이상의 시험편을 사용하여 그 평균치를 결과로 나타내었다.
	철강재로부터 알루미늄재료로의 대체에 의한 차체경량화가 진행되는 이유는 무엇인가?	자동차에 있어서 지구온난화의 원인이 되는 이산화탄소 배출량의 삭감을 위한 연비개선은 지속적인 과제이다. 그러기 위한 하나의 수단으로써 철강재로부터 알루미늄재료로의 대체에 의한 차체경량화가 진행되고 있다[1,2].

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