전기차 대응 알루미늄 주조용 소재기술

1. 서론

2020년 COVID-19 팬데믹의 영향으로 전 세계 자동차 생산량은 전년 대비 15.8% 감소하였으나 전기차 판매는 같은 기간에 43% 이상 성장하였다 [1]. 전기차의 1회 충전 주행가능거리 향상을 위해 배터리 개발이 지속되고 있으며 모터 효율 향상 등의 시스템 개선이 진행되고 있다. 또한 전비 증가를 위해서는 배터리 중량을 상쇄할 수 있는 차체 경량화가 필수적이며 이를 위하여 알루미늄 합금을 활용한 차체 적용이 이루어지고 있다. 내연기관에서 전기차로 변환 시 실린더 블록, 실린더 헤드, 크랭크샤프트 등 파워트레인 부품용 알루미늄 합금의 사용량은 줄어들지만, 배터리 커버, 모터 하우징 등의 전기파워트레인을 비롯하여 차체, 섀시 등에서의 알루미늄 사용량은 증가한다. 그림 1과 같이 중소형급 배터리 전기 승용차의 경우 내연기관 자동차에 비하여 전체적으로는 약 38% (250.5 lbs → 345.8 lbs) 정도 알루미늄 사용량이 증가하는 것으로 보고되고 있다 [2].

그림 1. 내연기관에서 전기차로 변화 시 중소형급 승용차에서의 알루미늄 사용량 변화 [2].

한편, 차급별로 비교하면 대형 전기차일수록 알루미늄의 사용량은 증가하며 특히 섀시 및 차체용 알루미늄 사용량이 증가하여 F-150 등의 픽업트럭에서는 평균 646 lbs의 알루미늄이 사용될 것으로 조사되었다 [2]. 2030년까지 미국 내 배터리 자동차의 점유율은 14%까지 상승할 것으로 예상되며 배터리 전기차의 주요 부품에서의 알루미늄 관련 트렌드는 아래와 같이 예상된다 [2].

· 배터리 하우징: (현재) 알루미늄 하우징 적용 → (미래) 경량화를 위한 다종 소재 적용

· 모터: (현재) 전기강판 + 구리권선 + NdFeB 자석 → (미래) 경량화를 위한 알루미늄 고정자 + CFRP 회전자

· BIW 및 차체: (현재) 고급차종 위주의 알루미늄 적용 → (미래) 고장력강, 7000계 알루미늄, 대형 알루미늄 주조품 적용 확대

· 외장: (현재) 알루미늄 도어 → (미래) 차세대 알루미늄 도어, FRP 외장 패널, 바이오폴리머, 철강/플라스틱 샌드 위치 구조 등 소재 다양화 및 재활용재 적용

· 섀시: (현재) 철강 및 알루미늄 부품 → (미래) 경량 소재 (FRP, 마그네슘 등)

현재 자동차 회사들은 각자 부품 설계를 통해 소재를 선택하여 적용 중으로 폭스바겐 ID.4 배터리 전기차는 ADC1 (인버터 쿨링트레이), ADC3 (인버터 커버), ADC10 (로터 커버), ADC12 (베어링 쉴드) 등 알루미늄 다이캐스팅 합금이 적용 중이며 [3] 테슬라의 경우 인버터 커버에는 ADC2 합금을 적용하는 것은 물론 모델 Y 차종의 언더바디를 기가캐스팅을 통하여 대형 주물재로 제작하고 있으면 비열처리형 알루미늄 합금을 사용하는 것으로 여겨진다. 이와 같이 내연기관에서 전기차로 변화함에 따라 전장부품뿐만 아니라 차체/섀시 부품에서의 알루미늄 사용량이 증가하며 요구되는 특성도 경량화는 물론 열전도도, 강도, 주조성 등의 다양한 특성이 요구되어 이를 만족시킬 수 있는 신합금 및 신공정 개발이 필요한 상황이다. 또한 최근 탄소중립 이슈에 따른 저탄소 알루미늄 적용이 중요해지고 있는 시점에서 재활용을 고려한 합금 개발이 필요하다. 본 기고문에서는 전기차용 알루미늄 주조 부품 적용에 있어서 합금 설계, 열처리 공정 설계 등의 이슈 사항을 살펴보고 현재 개발 중인 주조용 소재기술에 대하여 기술하고자 한다.

2. 본론

2.1 재활용에서의 철 (Fe)계 금속간화합물 제어

탄소중립 시대를 준비하며 차량 경량화 소재로서 재활용성이 우수한 알루미늄은 친환경 소재로 여겨져 왔다. 하지만 최근 탄소발자국 조사를 통해 알루미늄은 다량의 탄소 발생 소재로 평가되며 탄소중립에 큰 걸림돌이 되는 상황이다. 신지금 알루미늄 1톤 제조 시, 화석연료를 사용하는 경우 20톤의 CO2를 발생시키며 CO2-free 전기를 사용할 때도 4 ~ 4.5톤의 CO2를 발생시켜 세계 평균으로 17톤의 CO2를 발생시키는 것으로 조사되었다 [4]. 반면 Blast-furnace 기반으로 철 1톤 생산 시 발생하는 CO2는 1.8 ~ 2.3톤 수준으로 알루미늄에 비하여 상대적으로 낮기 때문에 금속 분야에서는 알루미늄이 대표적인 탄소 배출 산업으로 여겨지고 있다. 알루미늄 산업에서 탈탄소화를 위해서는 재활용이 필수적인데 이는 재활용 공정에서는 탄소 배출량이 0.5톤에 그치기 때문이다. 알루미늄 주조재에 있어서 재활용은 비교적 용이한 편이며 특히 ADC12 합금을 주로 사용하는 다이캐스팅 공정에서의 재활용은 Fe 함량에 큰 영향을 받지 않아 큰 논쟁거리가 되지 않았다. 하지만 최근 전기차에 대형, 박육 다이캐스팅 부품에 적용되며 표 1과 같이 Silafont-36 등의 신합금이 개발되었는데 대부분 Fe 함량을 0.2 wt% 이하로 관리하여 재활용시 Fe 함량 제어에 어려움이 발생하고 있다.

표 1. 다이캐스팅용 알루미늄 신합금 조성 (wt%, Al balance).

대형 주물에서 Fe 함량이 증가하면 연신율의 감소를 피하기 어려우며 용체화처리없이 시효처리를 하는 T5 열처리 적용 시 일반적으로 주조 상태보다 연신율이 감소하기 때문에 Fe 함량을 제어할 필요가 있으며 Fe 관련 금속간화합물의 생성 및 형상을 제어하여 연신율을 확보하고자 하는 노력이 진행 중이다. 오하이오 주립대의 A.A. Luo 교수의 경우 Al-8%Si-0.35Mg-Fe-Mn 합금에서 Fe/Mn비와 냉각속도 (응고속도)를 제어함으로써 β-AlFeSi 상을 개량하고자 하였으며 그림 2에서와 같이 낮은 냉각속도에서는 낮은 Fe/Mn비, 높은 냉각속도에서는 높은 Fe/Mn비의 합금에서 β-AlFeSi 상생성이 억제되는 결과를 발표하였다 [5]. 스크랩 알루미늄을 사용하여 높은 Fe 함량 (0.4~1.2%)을 갖는 알루미늄 합금 주조에서도 β-AlFeSi 상 생성을 억제하는 구조용 다이캐스팅 합금 개발이 가능하다는 가능성을 보여준 결과로 낮은 비용과 탄소배출 저감에 효과적인 예시가 될 것으로 판단된다.

그림 2. 높은 Fe 함량을 갖는 Al-Si-Mg 주조합금에서의 Fe 금속간화합물 생성 지도 [5].

최근 한국재료연구원에서는 알루미늄 합금 용탕에 외부에너지를 인가하여 용탕처리하는 기술을 개발 중으로 Al-Si계 합금에서 금속간화합물, 석출상 등 생성상 제어를 통하여 강도와 전도도를 동시에 향상시키고자 하였다. 용탕처리는 초음파 처리 및 Thermal-rate처리를 실시하였으며 용탕처리 온도와 응고속도에 따른 Fe 금속간화합물 형상 지도를 그림 3과 같이 제시하였다. Al-7%Si-0.35%Mg 합금의 용탕을 800℃ 이상에서 1시간 유지하거나 800℃에서 초음파처리를 1분간 수행하면서 응고속도를 수 K/sec로 주조한 경우 Fe 금속간 화합물의 형상이 판상에서 chinese-script 형태로 변화하였으며 그 크기도 감소하였다 [6]. 다이캐스팅용 Al-10%Si계 합금의 경우에도 동일한 용탕처리를 통하여 Fe 금속간화합물의 형상 변화 및 미세화를 이루었으며 기존의 상용 주조조건으로 제조된 시편에 비하여 연신율은 4%에서 10%로 증가하였으며 동시에 T5 열처리 후 열전도도는 160 W/mK에서 180 W/mK로 향상되는 결과를 얻을 수 있었다 [7]. 상기 알루미늄 합금은 Fe를 0.2 ~ 0.6 wt% 정도 함유한 합금으로 재활용 관점에서도 중요한 소재기술로 사료된다.

그림 3. Al-7%Si-0.35%Mg 합금의 용탕처리와 응고속도에 따른 Fe 금속간화합물의 형상 변화 지도 [6].

2.2. 전장부품용 고방열 주조합금

전장부품 적용에 있어서 알루미늄 주조재의 가장 큰 단점은 낮은 열전도도로 여겨지며 이를 극복하기 위한 기술개발이 지속되고 있다. Si 원소의 경우 알루미늄 합금 용탕의 유동성을 증가시켜 복잡한 형상의 주조품 제작이 가능하나 알루미늄 내 Si 고용에 따른 전도도 감소가 크게 발생한다. 표 2는 알루미늄에서 원소별 최대 고용도 및 첨가량에 따른 비저항 증가를 나타낸다. Ni 원소의 경우 알루미늄 내 고용도가 매우 낮으며 고용 시 비저항 증가율이 Si보다 낮아 합금 원소로 사용 시 전도도 감소를 최소화할 수 있다. 그림 4(a)의 Al-Si-Ni 삼원계 상태도를 살펴보면 Al, Al3Ni, Si 공정점이 존재하는 것을 알 수 있으며 응고구간을 고려하여 최적의 Ni 함량 도출하여 첨가할 수 있다. 이때 α-Al 정출 후 Al-Al3Ni-Si 공정 반응을 일으키는 Ni의 임계 첨가량은 약 0.47wt%로 계산된다. 이러한 계산 결과를 바탕으로 Ni, Fe, Mg 원소가 첨가된 Si 함량이 낮은 (3wt% Si 이하) 알루미늄 주조 합금을 설계하였다. 그림 4(b)는 개발 합금의 유동도와 열전도도를 나타낸 그래프로 대표적인 다이캐스팅 합금인 ADC12에 비하여 유동도는 저하되지만 약 70 ~ 85% 수준의 유동도를 나타내어 A356 합금대비 동등 이상의 유동성을 확보할 수 있으며 190 ~ 210 W/mK의 높은 열전도도를 나타내는 것으로 확인되었다 [8]. 또한 항복강도의 경우 다이캐스트 주조상태에서 120 ~ 130 MPa, T5 열처리 후 220 ~ 230 MPa을 나타내어 고강도, 고열전도도를 요구하는 전장부품의 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 적용 가능할 것으로 기대된다. 한편, 테슬라에서는 그림 5와 같이 고강도 고전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 Al-Si-Mg-Ti, Al-Ni-Fe-Ti계 합금을 특허 출원하였는데 주조 상태에서 전기전도도 47 ~ 50%IACS (약 188 ~ 200 W/mK), 항복강도 90 ~ 110 MPa를 나타내었으며 T5 열처리 후 전기전도도 50 ~ 53%IACS, 항복강도 150 ~ 160 MPa를 나타내어[9] 전도도는 높으나 항복 강도가 낮은 편으로 특허에서 제시한 모터 로터용 소재 외에 타 용도의 구조용 소재로는 다소 부적합 것으로 판단된다.

그림 4. (a) Al-Si-Ni 삼원계 상태도의 액상선 투영도, (b) 개발합금 및 상용합금의 유동도 대비 열전도도 분포 [8].

그림 5. 테슬라에서 특허 출원한 고강도 고전도도 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 물성 [9].

표 2. 원소별 순 알루미늄 내 최대 고용도 및 첨가량에 따른 비 저항 증가

2.3 비열처리형 주조합금과 주조 후 응고속도 제어

A356으로 대표되는 Al-Si-Mg계 주조 합금은 대표적인 열처리 합금으로 우수한 주조성과 강도, 연신율로 인하여 다양한 분야에 사용되고 있다. 이 합금계는 용체화처리 후 시효처리에 의하여 최대 강도를 확보할 수 있는데 용체화처리는 용질의 과포화 및 균질화뿐만 아니라 Si 구상화에 의한 연신율 증가를 얻을 수 있다. 하지만 대형박육 제품의 경우 주물의 뒤틀림이 발생하여 용체화처리가 어렵게 되는데 이를 극복하기 위하여 용체화처리를 생략하고 시효처리만 수행하는 T5 열처리가 적용되고 있다. T5 열처리는 용체화처리 생략에 따른 에너지 저감, 뒤틀림 문제 해결 등의 장점이 있지만 용질과포화 및 Si 구상화가 불가능하여 석출경화능 및 연신율 감소를 피하기 어렵다는 단점이 있다. 자동차 사이드멤버, 쇼크업소버하우징 등의 대형 부품에서 중자 사용에 따른 취출 문제로 주조 응고 후 냉각속도 저하, 냉각속도가 상대적으로 빠른 박육 부위에서의 경화능 감소 등의 이슈가 발생하고 있는데 이는 취출까지의 시간은 동일하지만 부위별로 제품의 두께가 달라서 주조 후 열이력이 상이하기 때문으로 예상된다. A356 합금을 이용하여 구리 몰드에 금형주조한 후 취출 조건을 고려한 극단적인 열이력을 모사하여 실험하였다. 구리몰드는 250℃로 예열하여 사용하였으며 720℃에서 용해한 후 700℃에서 주조하였다. 그림 6과 같이 응고가 종료된 온도인 350℃에서 취출하여 수냉한 시편 (WC)과 200℃까지 몰드에서 유지한 후 취출하여 수냉한 시편 (MC)의 주조조직을 비교하면 응고속도에 영향을 받는 SDAS 크기는 유사한 것으로 측정된다. 하지만 그림 7에서와 같이 200℃에서 취출한 시편의 경우 주조조직 상태에서 이미 석출물 및 중간 석출상이 생성되어 있는 것을 확인할 수 있으며 이로 인하여 석출경화능이 감소하여 T5 열처리 시 350℃ 취출 시편에 비하여 강도 증가가 크지 않은 것을 알 수 있다. 주조 제품에서는 박육부위는 후육부위가 응고되는 시간동안 고온의 몰드와 접촉하고 있는 상태로 응고 후 열노출이 지속되는 200℃ 취출 시편과 유사한 열이력을 갖게 되며 후육부위는 상대적으로 응고 후 냉각속도가 빠른 350℃ 취출 시편과 유사한 열이력을 갖는다고 할 수 있다. 따라서 박육 부위의 경화능 감소가 발생하는 것으로 유추할 수 있으며 용체화처리를 생략한 T5 열처리에 있어서는 응고 후 취출 시점을 적절히 선택하여 최적의 경화능을 얻는 공정 조건을 도출해야 할 것으로 판단된다.

그림 6. 주조 후 취출온도 차이에 따른 주조조직. (a) 취출온도 350℃, (b) 취출온도 200℃, (c) 열이력을 나타내는 냉각곡선 [10].

그림 7. 주조 후 취출온도 차이에 따른 석출상 생성 및 T5 열처리 후 인장특성 [10].

3. 결론

본 주조아카데미 기고문에서는 전기차 대응 알루미늄 주조재에서 논쟁거리가 되고 있는 재활용 시 Fe계 금속간화합물 제어, 전장부품용 고방열 주조합금 개발, 비열처리형 주조합금과 주조 후 응고속도 제어 방안에 대하여 살펴보았다. 알루미늄 합금에 있어서 주조용 소재기술은 합금설계, 주조공정 설계, 열처리 공정설계가 동시에 고려되어야 한다. 합금설계에서는 주조성, 강도, 전도도를 고려한 합금설계는 물론 응고 정출상 제어를 위한 Sr, Ti 등의 미량원소 첨가가 필수적이다. 공정설계에 있어서는 액상 공정에서 외부에너지 인가를 통하여 생성상 제어 및 미세화가 가능함을 확인하였으며 이로 인하여 Fe 가용범위를 증가시켜 재활용성을 극대화할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 응고속도, 응고 후 냉각속도 제어를 통하여 생성상 미세화, 용질원소 고용도 증가 등을 이루어 낼 수 있는 것을 확인하였다. 열처리공정설계에 있어서는 시효석출상과 강도, 연성, 전도도 상관관계 규명이 우선되어야 하며 이를 통하여 제품에서 요구되는 특성을 만족시키는 소재 제공이 가능할 것으로 판단된다.