KR20200036192A

KR20200036192A - 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재 및 이를 이용한 일체형 범퍼빔 유닛의 제조방법

Info

Publication number: KR20200036192A
Application number: KR1020180115503A
Authority: KR
Inventors: 이창연
Original assignee: 대주코레스(주)
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: KR102216865B1

Abstract

본 발명은 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재에 관한 것으로, 전체 조성물 중량에 있어서, Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금재가, T6 조질 후의 기계적 물성이 압출 가공성은 물론이고 강성을 확보할 수 있는 물성을 나타냄으로써 범퍼빔과 스태이를 일체화한 일체형의 범퍼빔 유닛을 용이하게 제조할 수 있는 유용한 재료임을 확인한 발명을 개시한다.

Description

일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재 및 이를 이용한 일체형 범퍼빔 유닛의 제조방법{ALLUMINUM ALLOY MATERIAL FOR INTERGRATED BUMPER BEAM UNIT AND MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 범퍼빔과 스태이를 일체형으로 용이하게 제조할 수 있도록 하는 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재와 이로부터 제조된 일체형 범퍼빔 유닛에 관한 것이다.

자동차 연비 향상의 유력한 방안은 경량화 기술로, 이는 기타 연비 향상기술 대비 고효율, 저비용 때문이라 할 수 있다. 연비 향상 기술은 크게 엔진/구동계 효율 향상, 주행저항 감소, 경량화로 구분하며, 엔진효율 향상은 많은 연구가 이루어져 기술적인 한계에 도달하였고, 주행저항 감소 기술은 상대적으로 개선 효과가 미비한 것으로 알려져 있다.

그런데, 고급차 및 지능형 자동차 성장을 배경으로 안전ㅇ편의ㅇ감성 장비 추가에 따라 평균 차량 무게는 증가되는 추세인데, 이에 중량 증가를 상쇄시킬 획기적인 경량화 방안에 대한 관심이 증가하고 있다.

자동차 경량화 방안의 일예는 소재 및 부품의 경량화로, 이로써 엔진효율을 높여 자동차의 성능향상을 극대화시켜 연비 향상을 기대할 수 있고, 이를 통한 지구온난화 방지, 배출가스 감소에 따라 환경 개선에도 효과적인 방법이다. 10% 경량화시 약 3.8% 연비 향상 및 배기가스 CO 4.5%, NOx 8.8% 감소 효과가 있다.

또 다른, 자동차 경량화 방안은 디자인 재검토 및 부품 모듈화 등의 구조최적화 기술과 기존 소재 물성 향상 및 신소재 적용 등의 경량화 소재기술이다. 이를 위해 사용되는 재료는 철강, Al, Mg 등의 금속재료와 고분자 재료가 있으며, 이들 재료가 가지고 있는 장점을 최대화하여 적재적소의 부품에 적용함으로써 경량화 효과를 보고 있다.

자동차 중량은 연비 효율을 결정짓는 핵심 요소로, 차량 경량화는 연료소비 및 배기가스 배출 감소와 더불어 주행저항 감소, 제동성, 조종 안정성 향상 등 차량 전반의 성능을 부가적으로 향상시킬 수 있다.

자동차는 차체, 샤시, 파워트레인 등으로 구분할 수 있으며, 경량화 관련 연구 및 적용은 300여개 내외의 판재들의 결합으로 구성되어 있는 차체부품에서 활발히 수행되고 있다.

자동차 경량화는 우수한 물성을 가지는 경량 신소재의 개발과 기존 재료의 기계적 성질을 향상시키는 두 가지 방향으로 연구가 진행되고 있으며, 현재 연구되고 있는 경량 금속소재로는 탁월한 중량 감소효과를 가지는 알루미늄, 마그네슘 등의 경량금속과 기존 스틸소재의 기계적 성질을 향상시켜 높은 강도를 가지는 고강도, 초고강도강 등이 있다.

자동차 부품은 사용 부위에 따라 요구 물성이 다르기 때문에 각 부품에 따른 요구 물성에 적합한 소재를 적재적소에 적용하는 것이 매우 중요하다.

일반적으로 자동차 차체 경량화를 위해 사용되고 있는 고장력강, 알루미늄, 마그네슘 등의 소재들은 공통적으로 성형 한계가 낮은 난성형성 및 난접합성의 특징을 가지고 있다. 따라서 경량금속을 적용한 부품 개발 시 소재의 기계적 특성, 성형 부품의 기하학적 형상, 성형 부품의 요구 강도와 경량화 가능성 등의 품질, 성형 비용 등을 종합적으로 고려하여 선정하여야 한다. 알루미늄은 무게가 철의 약 3분의 1로 경량성이 탁월하고 비강도 및 비강성이 높고, 내식성, 가공성, 열전기전도성이 우수하고 저온 취성파괴를 일으키기 않는 여러 가지 장점을 가지고 있다. 따라서 알루미늄 소재는 대표적인 자동차의 경량소재로 사용되고 있다. 자동차 부품의 소재 선정은 단순 중량절감 뿐 아니라 시장성 측면에서 가격경쟁력이 중요하며, 알루미늄은 타 경량소재 대비 우수한 경쟁력을 가지고 있다. 또한, 알루미늄은 재활용성이 우수하여 자동차 적용 알루미늄 합금의 약 85%이상이 재활용 가능한 것으로 알려져 있다. 알루미늄 소재의 단점으로는 낮은 강성, 용접의 어려움과 스틸 비대 가격 상승의 문제점(동일한 성능을 위해 대략 철강소재 대비 1/2 사용할 경우 가격은 오히려 2 배)을 가지고 있으며, 알루미늄은 실린더 헤드, 엔진블록, 각종 케이스류 등에 주로 사용되어 왔다.

서브프레임 및 서스펜션 등 자동차 샤시 부품에도 알루미늄 적용이 점차 증가하고 있다. Mercedes Benz, BMW, Audi와 혼다 등 유럽과 일본의 글로벌 OEM은 알루미늄 서브프레임 개발을 주도하고 있으며, 알루미늄 서브프레임 제조 시 성형성 확보 및 공정 효율화를 위해 압출성형 공법, 주조법, 하이드로포밍, 열간가스 성형 등 다양한 성형 공법들이 적용되고 있다.

한편, 차량용 범퍼는 차량의 저속 및 중속 충돌 시, 탄성적으로 변형하여 차량의 물리적인 손상을 방지하기 위한 것으로, 다른 자동차나 고정체와의 충돌 시, 그 충격을 흡수하여 승차자의 안전을 도모하며, 동시에 차체의 변형을 최소화하도록 차량의 전방과 후방에 배치되는 완충장치이다.

이러한 범퍼(10)는 도 1에서 도시한 바와 같이 차량의 전, 후방에서 차폭 방향으로 배치되는 범퍼빔(21)의 후방 양측에 스태이(23)가 장착되어 차체측 사이드 멤버(31)에 고정되는 범퍼빔 유닛(25)과, 상기 범퍼빔(21)의 전방에 배치되어 충격력을 흡수하는 에너지 업소버(27), 그리고 상기 범퍼빔(21)과 에너지 업소버(27)를 감싸는 범퍼 커버(29)로 이루어진다.

여기서, 상기한 종래의 범퍼빔 유닛(25)은 도 2에 도시된 바와 같이 범퍼빔(21)의 후방 양측에 스태이(23)가 별도의 플랜지(41)를 통하여 용접되고, 스태이(23)를 통하여 차체 측의 사이드 멤버(31)에 바로 조립된다. 또한, 범퍼빔 유닛(25)에는 차량의 구난 또는 견인 시, 케이블을 차체에 연결하거나, 트레일러 혹은 캐리어 등을 연결하여 견인하기 위하여 범퍼빔(21)에 토잉 훅을 선택적으로 장착하기 위한 별도의 토잉 파이프(43)가 장착되고 있는 실정이다.

이와 같이 차체에 조립되는 범퍼빔 유닛(25)에서 상기 범퍼빔(21)은 최근 차량의 경량화 추세에 맞추어 알루미늄 소재로 압출 성형을 통하여 제작하여 적용하고 있다.

그러나 이러한 알루미늄 소재를 이용하여 범퍼빔(21)을 제조하는 것만으로는 차량의 경량화를 충분히 달성하기 어렵고, 더욱이 스태이(23)는 통상 스틸재를 사용하고 있는 상황이어서, 실질적으로 스태이(23)를 포함한 범퍼빔 유닛(25) 전체가 경량의 소재로 일체형으로 제조되는 것이 경량화에 있어서 바람직하다 할 수 있다.

그러나 중요 구조 부품인 범퍼빔에 새로운 소재를 적용하기 위해서는 설계초기단계에서 전산구조해석을 통해 우수한 구조적 성능을 갖도록 적절한 형상과 치수를 결정하고 이에 대한 분석과 이해가 필요하며, 더욱이 일체형으로 범퍼빔을 제조하기 위해서는 이와 같이 결정된 형상과 치수를 용이한 방법을 통해 구현하여 제조할 수 있어야 할 뿐만 아니라 본래의 기계적 성능 또한 유지되어야 한다는 복합적인 난제를 갖고 있다.

범퍼빔 유닛의 경량화와 관련된 종래 기술로는, 국내특허 공개 제 2015-0141454호에 기재된 기술을 들 수 있는데, 여기에는 범퍼 스태이와 플랜지 플레이트를 알루미늄 압출 성형으로 성형하여 밴딩과 컷팅을 통해 설정형상을 갖도록 일체형으로 제작함으로써, 구성요소를 줄여 원가를 절감하고 경량화를 구현하는 차량용 범퍼 스테이 유닛 및 그 제작방법에 대해 기재하고 있다.

본 발명은 범퍼빔과 스태이를 일체형으로 압출성형을 통해 용이하게 압출성형할 수 있으면서, 강성의 확보가 가능한 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재를 제공하고자 한다.

본 발명은 또한 종래 범퍼빔 유닛에 비하여 경량이면서도 충돌강성을 확보할 수 있는 일체형 범퍼빔 유닛과 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예는, 전체 조성물 중량에 있어서, Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진, 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재를 제공한다.

바람직한 일 구현예에 의한 본 발명의 알루미늄 합금재는 T6 조질 후의 기계적 성질로서, 인장강도가 410MPa 이상, 항복강도가 360MPa 이상, 및 연신율이 12% 이상인 것일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에서는 상기 일 구현예들에 의한 알루미늄 합금재로 제조된 일체형 범퍼빔 유닛을 제공한다.

본 발명의 다른 일 구현예에서는, (a) 알루미늄 합금을 600 내지 710℃에서 주조(casting)하는 단계(S1); (b) 주조된 알루미늄 합금을 500 내지 600℃에서 3 내지 10시간 동안 균질화(homogenization)시키는 단계(S2); (c) 균질화된 알루미늄 합금을 480 내지 510℃에서 예열시키고, 압출(extrusion)시킨 후, 프레스 퀀칭(press quenching)시키는 단계(S3); (d) 압출된 알루미늄 합금을 90 내지 110℃에서 30 내지 120분 동안 T1 열처리하는 단계(S4); (e) 상기 T1 열처리된 알루미늄 합금을 프레스 벤딩하는 단계(S5); 및 (f) 상기 프레스 벤딩된 알루미늄 합금을 170 내지 200℃에서 5 내지 7시간동안 T6 열처리하는 단계(S6)를 포함하고, 상기 알루미늄 합금으로는 전체 조성물 중량에 있어서, Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 사용하는, 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔 유닛의 제조방법을 제공한다.

바람직한 일 구현예에 의한 제조방법에 있어서, 상기 T1 열처리하는 단계(S4)는 0.1℃/s의 승온속도로 90 내지 110℃의 온도까지 승온한 후, 30 내지 120분 동안 항온을 유지한 후, 상온에서 공냉실시하는 방법으로 수행될 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금재는 T6 조질 후의 기계적 물성에 있어서 종래 고강도 알루미늄 합금재로 알려진 7000계 합금과 대비하여 대등한 정도의 강성을 나타내면서 압출성은 현저히 향상됨으로써 종래 범퍼빔과 스태이가 별도로 제작되어 조립되던 것을 대체하여 단일의 알루미늄 합금재를 이용하여 일체형으로 압출 가공을 통해 범퍼빔 유닛을 용이하게 제조할 수 있게 되어, 궁극적으로 차량의 경량화에 기여할 수 있고 연비개선의 효과를 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 2는 종래 차량용 범퍼빔을 포함한 범퍼 부재들의 분해도와 조립도의 일예를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔의 제조공정에서 열처리 공정을 대략적으로 도시한 것이다.
도 4는 종래의 범퍼빔을 가공 및 조립하는 공정을 개략적으로 나타낸 공정흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 일체형 범퍼빔의 가공 및 조립 공정을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.
도 6은 본 발명에서 제조된 일체형 범퍼빔 유닛의 제품 사진이고, 도 7은 화살표로 표시된 부분의 종단면도이다.

이하, 본 발명을 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.

범퍼빔은 제조의 용이성과, 고강성 확보를 위해 주로 고강도 6000계 알루미늄 합금이나 혹은 7000계 알루미늄 합금이 사용되고 있는데, 6000계 알루미늄 합금의 경우 마그네실리케이트(Mg₂Si) 석출상 제어에 의한 시효경화 효과를 통해 평균 인장강도 334MPa, 항복강도 298MPa 수준의 고강도 물성을 얻고 있으나, 제품의 강성확보를 위해 소재의 두께를 키움으로써 전체적으로 합금의 중량이 많이 나가기 때문에 원가증대는 물론, 특히 자동차용 부품으로 사용될 경우에는 연비저하를 초래하므로 최근에는 인장강도 400MPa, 항복강도 350MPa, 연신율 10% 수준의 물성을 갖는 7000계 알루미늄 합금이 주로 사용되고 있다.

그런데, 자동차의 연비 개선을 위해 추가적인 경량화가 요구되고 있으며, 동시에 범퍼빔 소재의 고강도화 및 충격흡수성 향상을 위한 고인성화도 요구되고 있어 더 높은 연신율을 가질 필요가 대두되었다.

하지만, 주로 사용되고 있는 7000계 알루미늄 합금은 400MPa 이상의 고강도를 확보하기 위해서는 연신율이 10% 이내로 저하되어 추가적인 경량화와 고강도화 및 고연신율을 동시에 추구할 수 없다는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 고강도를 위해서는 Mn과 Zn의 함량을 늘려야 하는데 그렇게 되면 압출성이 저하되어 압출 형재의 제조가 힘들뿐만 아니라, 생산성이 저하되어 제조원가도 상승되는 문제도 파생된다.

이에, 압출성도 우수하여 생산성이 높은 압출 형재의 제조가 가능하고, 연신율도 10% 이상 증대시키면서 인장강도와 항복강도도 높일 수 있어 고강도, 고내충격성 및 경량화를 가능케 할 수 있는 합금재에 대해 연구하여 왔고, 이에 대하여 본 발명자들은 기 출원한 바 있다(국내특허 출원 10-2017-0110368호).

여기서는 알루미늄 범퍼빔과 스태이가 일체화된 일체형 범퍼빔 유닛을 제조하는 데 있어서, A6000계 소재를 이용하되 이를 범퍼빔 벤딩 전 시효경화 억제 열처리(T1)를 통해 균질한 물성(경도, 강도) 산포를 갖도록 하는 제조방법에 대해 기재하고 있다.

그러나 여기서 논의된 A6061 또는 A6063 알루미늄 합금의 경우는 궁극적으로 T5 또는 T6 조질 후의 기계적 성질에 있어서도 충분한 고강도를 구현하였다고 보기에는 미흡하였다.

이에 본 발명자들은 범퍼빔과 스태이가 일체화된 일체형의 범퍼빔 유닛을 제조하는 데 있어서 강도를 확보할 수 있으면서도 압출성을 향상시킬 수 있는 합금 원소의 영향에 대해 각고의 연구를 진행하였다.

그 결과, 6000계 알루미늄 합금에 있어서 Mg, Si 성분의 함량비가 증가하면 강도를 향상시킬 수 있고, Mn과 Cr의 성분은 재결정 성장 억제 주요 원소로 기능하고, Cu 성분은 경도를 향상시켜 β상 석출을 가속화함을 확인하였다.

이러한 합금성분에 따른 물성의 영향을 파악하고 다음 조성의 알루미늄 합금재인 경우 일체형 범퍼빔 유닛을 압출성형하는 데 있어서 고강도와 성형성을 확보할 수 있고, 박막으로도 고강도를 구현해낼 수 있는 기계적 특성을 발현함을 확인하였다;

전체 조성물 중량에 있어서, Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금재.

본 발명의 일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재에 있어서 기계적 특성에 영향을 미치는 주요한 원소 성분에 대해 그 영향을 살펴보면 다음과 같다.

Si는, Mg과 함께, 일부가 알루미늄 합금 매트릭스에 고용되고, 고용 강화된다. 또한, 상기 비교적 고온에서의 인공 시효 처리 시에 강도 향상에 기여하는 시효 석출물 등을 형성하는 시효 경화능을 발휘하여, 차량용 범퍼빔 유닛으로서 필요한 기계적 성질을 만족시키는 데 필요한, 고강도, 고내력을 얻기 위한 필수적인 원소이다. Si 함유량이 지나치게 적으면, 절대량이 부족하기 때문에, 상기 고용 강화나 시효 경화능이 부족하게 된다. 이 결과, 요구하는 고강도, 고내력을 얻을 수 없다. 한편으로, Si의 함유량이 지나치게 많으면, 매트릭스에 고용될 수 없기 때문에, 조잡한 정출물 및 석출물을 형성하여, 강도, 신도 등의 저하의 원인이 되고, 또한 압출 가공성도 저하된다. 따라서, Si의 함유량은, 0.9 내지 1.8중량%인 것이 바람직하다.

Mn은, 균질화 열처리시에 Al-(Fe, Mn, Cr)계의 나노 차원의 미세한 분산 입자를 형성하여 재결정의 억제 및 결정립을 미세화시키는 효과가 있고, Mn의 일부가 알루미늄 합금판 매트릭스에 고용되어 고용 강화를 발생시킬 수 있다. 따라서, Mn의 함유량은 0.60 내지 1.11중량%으로 한다.

Mg은 Si와 같이 고용 강화와, 상기 인공 시효 처리 시에 Si와 함께 강도 향상에 기여하는 시효 석출물을 형성하여, 시효 경화능을 발휘하고, 차량용 범퍼빔 유닛으로서 필요한 기계적 특성을 만족시키는 데 필요한, 고강도, 고내력을 얻기 위한 필수적인 원소이다. Mg 함유량이 지나치게 적으면, 절대량이 부족하기 때문에, 상기 고용 강화나 시효 경화능이 부족하게 된다. 이 결과, 요구하는 고강도, 고내력을 얻을 수 없다. 한편, Mg 함유량이 지나치게 많으면, 강도가 지나치게 높아져, 매트릭스에 고용될 수 없기 때문에, 조잡한 정출물 및 석출물을 형성하여, 강도, 신도 등의 저하의 원인이 되고, 또한 압출 가공성도 저하된다. 따라서, Mg의 함유량은, 0.8 내지 1.4중량%의 범위로 한다.

Cr은 통상 불순물로서 규제되는 원소이지만, 이는 Mn과 마찬가지로 재결정 성장 억제 주요 원소로 작용하는바, 그 함량을 0.03 내지 0.05중량% 범위로 한다.

Cu는, Mg, Si와 같이 강도, 내력의 향상에 기여한다. Cu 함유량이 지나치게 적으면, 그 효과가 충분히 얻어지지 않아, 일체형 범퍼빔 유닛으로서 필요한 기계적 특성을 만족시키는 데 필요한 고강도, 고내력을 얻을 수 없다. 한편, Cu 함유량이 지나치게 많으면, 도리어 강도, 내력이 저하된다. 또한, 압출 가공성이 크게 저하된다. 따라서, Cu의 함유량은 0.7 내지 1.2%의 범위로 한다.

이와 같은 알루미늄 합금재인 경우 T6 조질 후의 기계적 성질로서, 인장강도가 410MPa 이상, 항복강도가 360Pa 이상, 연신율이 12% 이상을 만족할 수 있다.

상기 및 이하의 기재에서 T6 조질이란, 알루미늄 합금재를 용체화 처리 및 담금질 처리 후에 피크 시효 처리를 실시하는 것을 의미한다.

이와 같은 알루미늄 합금재를 이용하여 압출을 통해 일체형 범퍼빔 유닛을 제조하는 방법의 바람직한 일예는, (a) 알루미늄 합금을 600 내지 710℃에서 주조(casting)하는 단계(S1); (b) 주조된 알루미늄 합금을 500 내지 600℃에서 3 내지 10시간 동안 균질화(homogenization)시키는 단계(S2); (c) 균질화된 알루미늄 합금을 480 내지 510℃에서 예열시키고, 압출(extrusion)시킨 후, 프레스 퀀칭(press quenching)시키는 단계(S3); (d) 압출된 알루미늄 합금을 90 내지 110℃에서 30 내지 120분 동안 T1 열처리하는 단계(S4); (e) 상기 T1 열처리된 알루미늄 합금을 프레스 벤딩하는 단계(S5); 및 (f) 상기 프레스 벤딩된 알루미늄 합금을 170 내지 200℃에서 5 내지 7시간동안 T6 열처리하는 단계(S6)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔의 제조공정에서 열처리 공정을 대략적으로 도시한 것이다. 이를 참조로 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔의 제조공정을 설명한다.

먼저, 상기한 조성을 갖는 알루미늄 합금을 600 내지 710℃에서 주조(casting)한다(S1).

일반적으로 6000계인 알루미늄 합금은 Mg 와 Si를 주 첨가 성분으로 한 열처리 합금이다. 본 발명에서 일체형 알루미늄 범퍼빔 유닛 재질로 사용되는 상술한 알루미늄 합금은 다른 합금 재질과 마찬가지로 압출 후 자연시효에 따라 재료의 기계적 물성 치의 산포가 존재함에 따라 후 공정인 프레스 벤딩 작업 시 벤딩 치수 편차가 발생하는 원인이 될 수 있고 프레스 압하 조건의 변경 등 설비 생산성 저하를 가져올 수 있다. 따라서 본 발명에서는 후술되는 특정의 조건으로 실시되는 T1 열처리 공정에 의하여 이러한 문제점을 해결하고, 이를 일체형의 범퍼빔 유닛 제조에 적용하여 소재 물성 산포를 최소화 하고 균질한 제품을 얻을 수 있다.

다음으로, 주조된 알루미늄 합금을 500 내지 600℃에서 3 내지 10시간 동안 균질화(homogenization) 시킨다(S2).

상기 균질화된 알루미늄 합금을 480 내지 510℃에서 예열시키고, 압출(extrusion)시킨 후, 프레스 퀀칭(press quenching)시킨다(S3).

압출된 알루미늄 합금을 90 내지 110℃에서 30 내지 120분 동안 T1 열처리한다(S4). 이를 구체적으로 설명하면, 상기 자연시효 경화 후 0.1℃/s의 승온속도로 90 내지 110℃의 온도까지 승온한 후, 30 내지 120분 동안 항온을 유지한 후, 상온에서 공냉 실시하여 1차 열처리시킨다.

일반적으로 열처리형 합금(A6000, 7000계)의 경우 보통 용체화 처리(500℃ 내외)를 통해 알루미늄 합금 내부의 Mg, Si 등의 성분을 완전 고용체로 용해시키기 위해 약 500 내지 550℃에서 3 내지 5 시간동안 등온 열처리를 진행한다. 이러한 공정은 대부분 압출 직후 추가 대형 열처리 로에 열처리를 하는 추가의 공정을 필요로 한다.

하지만 본 발명에 따른 열처리는 용체화 처리 공정을 생략하고, 압출 직후 출구온도(550℃ 내외)에서 급냉하여 용체화 처리 공정과도 유사한 프레스 열처리의 공정을 따르고 있다. 하지만 제품의 압출 시 출구온도, 압출속도 등의 조건에 따라 제품의 물성에 영향을 받기 때문에 다량의 제품 생산 시 품질 기준에 만족하기 위해서는 품질 산포를 줄이고 균일한 제품을 제조하여 불량을 감소하는 것이 중요하다.

따라서 본 발명에서는 프레스 열처리 직후 제품의 품질 산포를 균일하게 하기 위해 T1 열처리를 도입하였다. 알루미늄 벤딩 성형 시 소재의 재료 물성 값에 따라 프레스 벤딩 후 제품 형상 및 치수에 편차를 갖기 때문에 이를 최소화 하기 위한 T1 열처리 조건을 도입한 것이다.

일반적으로 T1 열처리는 고온 가공에서 냉각 후 자연시효 시킨 것을 말하나, 담금질에 의한 잔류 응력은 소재의 냉각속도의 편차로 인해 내부에 존재함으로 이를 제거하기 위해 시효처리 온도보다 낮은 100℃, 0.5 내지 1.5시간의 조건에서 실시예를 진행하였고 이들의 인장강도, 항복강도, 연신율을 비교한 결과 100℃, 1.5시간의 조건이 최적임을 확인하였다.

이어서, 상기 T1 열처리된 알루미늄 합금을 프레스 벤딩한다(S5).

상기 프레스 벤딩된 알루미늄 합금을 170~200℃에서 5~7시간동안 T6 열처리한다(S6). 이러한 T6 열처리 공정은 인공시효 조건동안 용질원자 석출에 의한 경화로 최대 인장강도 360MPa급의 소재 강도 성능을 갖는다.

상술한 범퍼빔의 제조공정은 종래의 양산 범퍼빔의 공정에서 공정단계를 효과적으로 단축하는 효과를 얻을 수 있는 일체형 범퍼빔의 제조공정이다.

이를 도 4 및 5을 참고로 설명하면, 도 4는 종래의 범퍼빔을 가공 및 조립하는 공정을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 일체형 범퍼빔의 가공 및 조립 공정을 개략적으로 나타낸 공정 흐름도이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 종래의 범퍼빔 공정은 가공 및 용접/조립 공정단계까지 총 23단계의 공정을 거쳐야만 한다.

그러나 도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 일체형 범퍼빔의 제조공정은 총 5단계로 부품 수는 1개로 제작되며 상대 부품과 가공, 용접 등의 공정이 불필요하므로 공정 수의 절감 및 원가 절감 등의 현저한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 일 양태에 따르면 상술한 제조방법으로 제조된 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔 유닛을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 상세히 설명하는바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것이 아님은 물론이다.

<실시예>

다음 표 1과 같은 조성의 알루미늄 합금을 700℃에서 주조(casting)한 후, 상기 주조된 알루미늄 합금을 540℃에서 10시간 동안 균질화(homogenization)시켰다. 상기 균질화된 알루미늄 합금을 500℃에서 예열시키고, 압출(extrusion)시킨 후, 프레스 퀀칭(press quenching)시켰다. 그 다음 압출된 알루미늄 합금을 25℃의 온도로 5일 동안 자연시효 시킨 후, 0.1℃/s의 승온속도로 100℃까지 승온한 후 1.5시간 동안 T1 열처리를 실시하였다. 상기 T1 열처리된 알루미늄 합금을 프레스 벤딩시킨 후, 175℃에서 4시간동안(승온 1시간 포함 총 5시간) T6 열처리를 실시하여 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔을 제조하였다.

다음 표 1의 합금 성분에는 불가피한 미량의 불순물이 포함되어 있음은 물론이다.

	합금 성분(중량%)
	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Al
실시예 1	0.65	0.20	0.34	0.14	0.87	0.18	0.02	0.01	잔부
실시예 2	1.12	0.13	0.86	0.86	1.01	0.04	0.03	0.02	잔부

T6 조질 후의 기계적 특성, 즉 인장강도, 항복강도 및 연신율을 평가하여 그 결과를 다음 표 2로 나타내었다.

	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
실시예 1	322	292	9
실시예 2	411	361	15

상기 표 2의 결과로부터, 실시예 2의 알루미늄 합금의 경우 항복강도 361MPa, 인장강도 411MPa, 및 연신율 15%의 물성을 확보하여, 일체형 범퍼빔 유닛을 제조하는 데 있어서 실시예 1의 알루미늄 합금 대비하여 고강도를 달성하면서 압출 가공성 또한 우수할 것임을 확인할 수 있다.

한편, 알루미늄 합금재 중 강도가 우수한 A7000계의 합금과 대비하여 상기 실시예 2에 따른 합금이 갖는 기계적 특성을 확인하기 위해, 다음 표 3과 같은 조성의 합금으로 T7 조질을 거쳐 합금재를 얻었다.

통상, 7000계 알루미늄 합금의 열처리는 보통 T7(과시효) 안정화 처리로 장시간 유지를 필요로 하는바, 여기서의 T7 조질은 100℃에서 6시간(승온 1시간 포함) 열처리에 더하여 144℃에서 6시간(승온 1시간 포함)의 열처리 조건을 통해 최대 강도 특성을 확보할 수 있다.

	합금 성분(중량%)
	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Al
실시예 3	0.04	0.11	0.48	0.14	1.30	0.01	4.83	0.03	잔부

T7 조질 후의 기계적 특성, 즉 인장강도, 항복강도 및 연신율을 평가하여 그 결과를 다음 표 4로 나타내었다.

	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
실시예 3	460	371	15

상기 표 4의 결과로부터, 실시예 2의 합금의 경우 실시예 3의 합금과 대비하여 강도가 대등한 정도의 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.

이로써 실시예 2의 합금은 7000계 알루미늄이 갖는 고강도의 특성을 달성할 수 있으면서 압출성에 있어서 영향을 미칠 수 있는 기계적 물성들에 있어서도 우수하여 일체형 범퍼빔 유닛 제조에 유용할 것임을 확인할 수 있다.

한편, 실시예 2의 합금재를 이용하여 T4 열처리까지(프레스 성형 전)를 완료한 각각의 시료에 대하여 인장강도, 항복강도 및 연신율을 평가한 결과는 다음 표 5와 같다.

	열처리	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
실시예 2	T4	349.7	192.3	18.3

상기 표 5의 결과로부터, 실시예 2의 합금재의 경우 T4 열처리 후 연신율이 우수함을 확인할 수 있다.

실시예 2의 합금재의 경우 T4 열처리 후의 기계적 특성이 상기 표 5와 같은 결과를 나타냄에 따라 프레스 성형 후 연신이 유리하며, 또한 프레스 성형 후에 플랜지를 성형하는데 있어서 크랙 발생 등 문제의 발생이 없었음을 육안으로 확인하였다.

한편, 간이적인 압출성의 평가를 위해 도 6으로 도시한 형태의 일체형 범퍼빔 유닛을 제조하였다. 도 7은 도 6의 화살표 부분의 종단면을 도시한 것으로 압출된 단면의 치수 편차를 확인함으로써 압출성을 평가하였다.

그 결과, 실시예 2의 합금재를 사용한 경우 다이 온도 430℃에서 압출속도 1.0 내지 2.0mm/s 정도로 압출시 그 단면의 치수에 있어서 곡률치수(상단)의 편차가 1t 이하로 얻어져 일체형 범퍼빔 유닛을 제조하는 데 있어서 바람직한 압출성을 발현함을 확인할 수 있었다.

Claims

전체 조성물 중량에 있어서,
Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진,
일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재.
제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금재는 T6 조질 후의 기계적 성질로서, 인장강도가 410MPa 이상, 항복강도가 360MPa 이상, 및 연신율이 12% 이상인 것을 특징으로 하는,
일체형 범퍼빔 유닛용 알루미늄 합금재.
제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항의 합금재로 제조된 일체형 범퍼빔 유닛.
(a) 알루미늄 합금을 600 내지 710℃에서 주조(casting)하는 단계(S1);
(b) 주조된 알루미늄 합금을 500 내지 600℃에서 3 내지 10시간 동안 균질화(homogenization)시키는 단계(S2);
(c) 균질화된 알루미늄 합금을 480 내지 510℃에서 예열시키고, 압출(extrusion)시킨 후, 프레스 퀀칭(press quenching)시키는 단계(S3);
(d) 압출된 알루미늄 합금을 90 내지 110℃에서 30 내지 120분 동안 T1 열처리하는 단계(S4);
(e) 상기 T1 열처리된 알루미늄 합금을 프레스 벤딩하는 단계(S5); 및
(f) 상기 프레스 벤딩된 알루미늄 합금을 170 내지 200℃에서 5 내지 7시간동안 T6 열처리하는 단계(S6)를 포함하고,
상기 알루미늄 합금으로는 전체 조성물 중량에 있어서, Si 0.9 내지 1.8중량%, Fe 0.10 내지 0.16중량%, Cu 0.70 내지 1.20중량%, Mn 0.60 내지 1.11중량%, Mg 0.80 내지 1.40중량%, Cr 0.03 내지 0.05중량%, Zn 0.02 내지 0.04중량%, 티타늄 0.01 내지 0.03중량%를 포함하고, 잔부가 Al 및 불가피한 불순물로 이루어진 것을 사용하는,
알루미늄 합금 일체형 범퍼빔 유닛의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 T1 열처리하는 단계(S4)는 0.1℃/s의 승온속도로 90 내지 110℃의 온도까지 승온한 후, 30 내지 120분 동안 항온을 유지한 후, 상온에서 공냉실시하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 일체형 범퍼빔 유닛의 제조방법.