2022년 알루미늄 다이캐스팅 첨단 혁신 기술

최근 자동차, 항공우주, 컴퓨터 산업 급속 발전에 따라 경량, 고인성, 내식성 주물에 대한 요구가 높아졌습니다. 알루미늄 합금 부품의 고강도·고인성·내식성 합금, 변형 합금, 대형 복합 합금 부품 성형 공정이 경량 합금 연구 핫스팟이 되었습니다. 하지만 다이캐스팅 상태에서 주조 알루미늄 합금 기계적 물성은 대부분 인장 강도와 신율이 낮습니다.

왜 새로운 알루미늄 다이캐스팅을 논의해야 하는가?

기술 발전으로 고강도·경량 주물 수요 증가, 다이캐스팅 공정으로 알루미늄 합금 부품 제조 시 장점 부각. 다이캐스팅 공정(다이캐스팅)은 가공 업계 흔한 특수 주조 공정. 유동 금속 또는 반유동 금속을 고압·고속으로 다이캐스팅 금형에 충전, 압력 하에서 응고·성형해 최종 주물 획득.

다이캐스팅 공정 주물은 고치수 정밀도, 고강도, 고소재 이용률 장점 있어 다이캐스팅과 고강도 다이캐스팅이 복잡 형상·중간 하중 부품 제조에 널리 쓰임.

알루미늄 밀도는 철, 구리, 아연 등 합금의 약 1/3로 경량화 요건 충족 다이캐스팅 합금 소재 중 하나. 또한 알루미늄은 높은 비강도·비강성, 양호한 소성 유변 특성, 좁은 결정 온도 범위, 낮은 선수축률 등 장점, 성형·절삭 용이, 고기계적 성질·내식성 보유. 위 장점 바탕으로 알루미늄 합금은 고강도·인성 다이캐스팅 합금 소재 중 하나.

알루미늄 합금 다이캐스팅은 자동차, 항공우주 등 산업에서 탁월한 경량화 효과. 1980년대 이후 자동차 산업 급속 발전이 관련 산업 견인, 자동차 산업 발전은 지능화·경량화·모듈화 중심. 주철 주물 대신 알루미늄 합금 주물, 엔지니어링 플라스틱, 탄소섬유 기술 급속 발전. 자동차 열교환기, 엔진 실린더, 워터펌프, 휠 허브 등 40종 이상 부품이 알루미늄 합금으로 제작.

신형 다이캐스팅 알루미늄 합금

자동차 산업은 에너지, 안전, 쾌적성 등 수요 기반으로 지속 발전. 자동차 산업 소재 발전 수요는 강철, 주철 등 에너지 과다·고중량 소재 대체하는 알루미늄-마그네슘 합금 적용 시대.

전통 차체 부품은 주로 강판 프레스, 유압 불거링, 테일러드 블랭크 용접. 알루미늄 합금 적용 시 고강도·고인성 필요. 알루미늄 합금 적용 장점은 부품 고집적화. 부품별 성능 요구 다름: 신율 향상 필요 부품, 내식성 향상 필요 부품. 고진공 다이캐스팅 공정 발전으로 다이캐스팅 부품 성능 처리 위해 다양한 우수 물성 알루미늄 합금 필요.

고소성 알루미늄 합금 수요 충족 위해 독일·일본 학자들이 1990년대부터 고진공 기술 기반 고소성 Al-Si-Mg 합금 연구. 독일 라인란트 알루미늄사(Rheinland Aluminum) 신형 다이캐스팅 알루미늄 합금: Maximal-59, Sila-font-36, Castasil-37에서 Fe 원소 함량 0.2% 미만 제어로 주물 인성·강도 보장, 스티킹 현상 방지, 0.5~0.8% Mn 원소 동시 첨가. 테스트 결과 Maximal-59 합금 표준 원봉 시편 신율 주조 상태 17% 도달, 자동차 도어 제조 적용.

콘도 카일리(Kondo Kaili)는 Silafont-36 베이스 합금으로 Mg 함량 제어해 다양한 기계적 물성 확보. 연구 결과 Mg 질량분율 0.33~0.40% 시 알루미늄 합금이 더 나은 신율과 압축 강도 나타냄.

독일 학자들은 Aural-2, Aural-3 합금 개발. Aural-3 합금 유동성·충진 성능 양호, Mg 원소 첨가로 Aural-3 합금 용체화 처리 가능, 신형 고강도·인성 합금 획득. 신율 5~12%, 항복 강도 σ0.2 250MPa.

현재 중국 다수 기업·연구소에서 자동차 차체 구조용 고강도·인성 알루미늄 합금 개발 중. 협력 과정에서 고신율 내열 주조 알루미늄 합금과 그 압력 주조 제조법 개발.

이 합금은 Al-Si-Mg계로 Si, Cu, Mg 함량 규정, 미량 원소 Sc와 M(Ti, Zr, V 중 최소 1개) 지정. 항복 강도 169MPa, 신율 10.0%, 200℃ 고온 인장 강도 190MPa, 고온 신율 14.0% 도달. 상온·고온 우수 물성으로 용체화 열처리 없이 자동차 부품 적용 가능. 개발 수요 정량화.

요약하면 현재 신형 고강도·인성 다이캐스팅 알루미늄 합금 연구는 주로 Al-Si-Mg계 중심. Al-Si계 합금에 Mg 첨가 시 Mg2Si 형성, 용체화 처리 중 고용체 형성 가능. Mg 원소는 합금액 표면에 고내식 스피넬 막 형성해 주물 내식성 향상.

이론적으로 Cu 원소의 Al-Si 합금 종합 강화 효과 더 현저. Mg 대비 Cu 원소는 알루미늄 합금서 핵 형성 용이, 열처리 후 성능 향상. 하지만 Cu 원소 알루미늄 합금 내 용해율 Mg보다 낮아 Al-Si 합금 내 적용 제한적. 신형 고강도·인성 Al-Si-Cu 합금 연구 추가 논의 필요, 신형 고강도·인성 알루미늄 합금 연구개발에 큰 의의.