주조 알루미늄, 단조 알루미늄, 판재 알루미늄: 차이점은 무엇인가요?

알루미늄 합금은 높은 비강도, 뛰어난 내식성, 우수한 가공성을 겸비하고 있습니다. 이는 자동차 산업에서 강철에 이어 두 번째로 널리 사용되는 소재입니다. 차량 경량화 요구가 증가함에 따라 알루미늄 사용량도 계속 늘어나고 있습니다. 자동차 부품에는 주조 알루미늄 합금, 단조 알루미늄 합금, 알루미늄 판재가 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

주조 알루미늄 합금은 변속기 하우징, 엔진 블록, 실린더 헤드, 스티어링 너클 브래킷 등을 포함한 지지대 및 하우징에 널리 사용됩니다. 생산 공정으로는 진공 다이캐스팅, 산소 세정 다이캐스팅, 스퀴즈 캐스팅 등이 있습니다.

주조 알루미늄 합금

고진공 다이캐스팅에서는 주입 전에 금속 금형을 진공 상태로 만들어, 이론적으로 가스가 용융 금속과 혼합되는 것을 방지합니다. 그 결과, 가스 함량이 낮고 밀도가 높으며 기계적 특성이 현저히 향상된 주조품이 얻어집니다. 후속 열처리 및 용접을 원활하게 진행하기 위해서는 다이 캐비티 내의 유효 진공 압력이 5 kPa 미만이어야 합니다. 다음 그림은 고진공 다이캐스팅과 기존 진공 다이캐스팅을 비교한 것입니다.

산소 주입 다이캐스팅은 기공을 줄여줍니다. 먼저 금형 내부를 산소로 채웁니다. 용융 알루미늄이 유입되면 산소와 반응하여 균일하게 분포된 알루미나 입자를 형성합니다. 이 입자들은 1 μm보다 작으며 전체 중량의 0.1%~0.2%에 불과하므로 후속 가공 과정에 거의 영향을 미치지 않습니다. 다음 도표는 그 원리를 보여줍니다.

스퀴즈 주조에서는 용융 금속을 개방형 주형에 직접 주입합니다. 그런 다음 주형을 닫고 정압을 가함으로써 유변학적 성형, 고압 응고 및 소량의 소성 변형을 유발하여 고품질의 금속 부품을 제작합니다. 이 공정은 주로 직접 스퀴즈 주조와 간접 스퀴즈 주조로 나뉩니다. 직접 스퀴즈 주조에서는 압력이 용융 금속에 직접 작용하여 뚜렷한 고압 응고 효과를 나타내며, 일반적으로 형상이 단순한 주물에 적합합니다. 간접 스퀴즈 주조에서는 펀치 압력이 샷 슬리브와 비스킷을 통해 주조품으로 전달됩니다. 가해지는 압력이 제한적이고 공정이 비교적 느리기 때문에 복잡한 부품의 대량 생산에 적합합니다. 다음 그림은 두 공정을 비교한 것입니다.

단조 알루미늄 합금

단조 알루미늄 합금은 일반적으로 서스펜션 컨트롤 암이나 스티어링 너클과 같은 중요한 차체 부품을 포함하여, 우수한 기계적 성능이 요구되는 부품에 사용됩니다. 현재 사용되는 단조 방법으로는 액상 금형 단조, 반고체 금형 단조, 등온 단조, 분말 단조 등이 있습니다.

일체형 휠을 생산할 때는 액체 다이 단조 공법이 자주 사용됩니다. 완제품은 우수한 기계적 특성과 표면 품질을 갖추고 있지만, 고가의 장비와 복잡한 공정으로 인해 제조 비용이 높게 유지됩니다.

반고체 다이 단조는 액체 다이 단조와 유사합니다. 빌렛을 반고체 상태로 가열한 후 금형에 빠르게 주입하고 정압을 가하여, 액체의 흐름과 소성 변형을 통해 부품을 성형합니다. 액체 다이 단조에 비해 성형 온도가 낮고 체적 수축이 적습니다. 수축 공극 및 붕괴 발생 가능성이 줄어들고, 다이 수명이 연장되며, 기체 혼입이 감소하고, 완제품의 품질이 크게 향상됩니다.

등온 단조에서는 가열된 빌렛을 온도 조절이 가능한 금형에 넣고 일정한 온도에서 천천히 단조합니다. 일정한 온도와 낮은 단조 속도는 더 완전한 동적 재결정, 더 균일한 미세구조, 그리고 향상된 연성을 가능하게 합니다. 최근 연구된 6082 알루미늄 합금을 위한 첨단 공정은 반고체 단조와 등온 단조를 결합한 것으로, 빌렛을 용체화 처리 온도에서 예비 단조한 후, 예비 노화 처리를 거치고, 마지막으로 200°C에서 등온 단조를 실시한다. 이 공정은 석출 강화 및 전위 강화를 향상시킴으로써 더 높은 경도와 강도를 지닌 만족스러운 부품을 생산해 냈습니다.

알루미늄 시트

2012년 이후, 유럽과 북미에서 보행자 보호 규제가 강화되면서 자동차 외장 패널에 알루미늄 시트가 광범위하게 사용되기 시작했습니다. 2020년까지 북미 시장에서 알루미늄은 후드 적용 분야에서 75%를 차지했으며, 도어, 트렁크, 루프 분야의 점유율도 25%를 넘어섰다. 아우디, 재규어, 포드, 테슬라의 일부 모델은 주로 알루미늄 차체 구조를 사용하고 있다. 기존의 스탬핑 및 드로잉 공법 외에도 알루미늄 시트의 열간 성형 기술이 크게 발전하여, 현재는 중요한 고성능 성형 기술로 자리 잡았습니다.

고강도 알루미늄 합금의 낮은 연성과 변형 난이도를 해결하기 위해 열간 성형 기술이 개발되었으며, 열간 스탬핑이 그 주요 방법이다. 최근 한 연구에서는 역전파 신경망과 다목적 유전 알고리즘을 결합하여 블랭크 온도, 스탬핑 속도, 다이 클리어런스 등의 주요 변수를 최적화했다. 그 결과로 생산된 부품의 인장 강도는 300~320 MPa로, 6061-T6 알루미늄 합금의 극한 강도와 일치했다. 최적화된 매개변수를 적용하여 제작된 부품은 만족스러운 성능, 우수한 기계적 특성, 높은 성형 정밀도를 보였다.

알루미늄 시트의 냉간 성형은 주로 자동차 차체 패널에 사용됩니다. 복잡한 형상, 얇은 두께, 높은 표면 품질 요구 사항으로 인해 일부 패널은 주름, 균열, 스프링백이 발생하기 쉽습니다. 냉간 스탬핑 과정에서 연구진은 공정 매개변수가 두께 감소와 스프링백에 미치는 영향을 분석한 후, 금형 표면을 보정하고 매개변수를 조정했습니다. 이러한 조치로 스프링백, 주름, 균열을 효과적으로 억제할 수 있었습니다.