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주조휠(鑄造 wheel, Casting wheel)은 금속을 녹인 후 틀에 넣어 분리하는 과정을 통해 만들어지는 알로이 휠이다. 다양한 디자인과 저렴한 가격이 장점이다.
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개요[편집]
주조휠은 휠의 주 성분을 구성하는 재료들이 합금된 쇳물을 형틀에 부어서 성형하는 방식의 휠이다. 공정이 빠르고 품질을 일정하게 유지하는 데 유리하여 대량 생산에 적합하며, 제작 단가도 상대적으로 낮출 수 있기 때문에 대부분의 양산차에 널리 사용되고 있다. 다양한 디자인도 가능하다. 그러나 단조휠에 비해 상대적으로 조직이 치밀하지 못한 게 흠이다. 현재 가장 많이 쓰이는 제조 방식으로, 대부분의 완성차에 장착돼 있는 순정 휠이 주조 방식이다.[1][2] 하지만 최근에는 기술의 발전으로 주조휠이라고 해서 무조건 단조휠보다 강성이 떨어진다고 하기는 어렵다. 실제로 모터스포츠에서도 반드시 단조휠을 고집하지 않고, 주조휠을 사용해서 우승하는 사례도 나오고 있다. 그 이유는 다양한 주조휠에 미세한 구멍을 뚫어서 무게를 줄이거나 각종 공법을 이용해 강도가 요구되는 림 부분을 보강하는 형태로 단조 못지 않은 감량과 강성을 얻어내기 때문이다. 이처럼 단조와 주조의 장단점 격차가 점점 줄어들고 있기 때문에 반드시 어떤 공법으로 만들어졌는지를 고집할 필요는 없다.[3]
관련 기술[편집]
응고 관리 기술[편집]
주조휠의 가장 큰 경쟁력은 효과적인 설계와 용탕 응고 관리 기술의 싸움이라고 할 수 있다. 형에 용탕을 넣고 이를 응고시켜 제작하는 주조 특성상 용탕이 응고되는 순서와 과정이 제품 완성도에 큰 영향을 끼친다. 용해된 알루미늄 용탕은 금형에 주입됨과 동시에 빠르게 응고되는데, 응고의 지향성이 유지되지 않는다면 응고 상황에서 림과 디스크의 경계 부근이나 스포크와 아우터 플랜지 경계 등 면적 차이가 큰 부근에서의 응고 방향이 불규칙하게 일어난다. 지향성 응고 대신 응고 방향이 불규칙한 비지향성 응고가 일어나게 되면 용탕이 응고되며 수축되면서 주변의 용탕을 끌어당기고, 이로 인해 응고 되는 용탕 내에 기공이 발생할 위험이 생긴다. 이때 발생한 기공이 제품 품질 검사에서 발견되지 않는다면 그대로 소비자에게 전달되고, 휠의 다른 곳보다 강도가 떨어져 규격 기준 이하의 충격에도 파손이 일어나고 유사 시 인사 사고까지 이어질 수 있는 위험이 있다. 이를 위해 휠 제조 업체들은 응고 관리 기술에 관한 설비와 관리 기술에 투자한다. 휠 제조 업체들은 휠 금형을 제조할 때부터 지향성 응고에 대한 고민을 담는다. 대한민국의 알루미늄 휠 전문 제조기업인 핸즈코퍼레이션㈜의 경우 유체 이동과 유체역학에 대한 시뮬레이션이 가능한 마그마 소프트웨어를 통해 휠 설계자들이 설계한 휠 금형의 응고 성질이나 특성을 분석하고 오류가 있는 경우 이를 개선한다. 이후 금형 목업을 제작하여 다시 한 번 시뮬레이션을 통해 설계를 검증하고 시제품 제작에 착수한다. 마지막으로 실 제품을 제작해 핸즈코퍼레이션과 ISO 규격, 각 자동차 제조사 기준에 부합하는 품질 검사를 진행한다. 또 다른 방법은 휠이 주조되는 상황에서 강제적인 냉각을 가해 설계상 제조사가 추구하는 지향성 응고를 가능케 하는 방법이 있다. 이를 위해 주조기 안쪽과 금형 주변에 냉각 라인을 설치해 물을 투과시켜 이상적인 지향성 응고를 이뤄낸다. 이를 통해 저압주조의 경우에는 림 부위부터 스포크, 허브 방향으로 중력주조는 허브와 스포크 그리고 림의 순서로 응고되도록 유도한다.[4]
중력주조[편집]
중력주조는 중력 방향으로 용탕을 충진하는 기술이다. 그동안 주조휠의 제작 방식은 림부터 응고되는 저압주조 방식을 주로 사용해 왔기 때문에 지난 수십년 간 저압주조가 주조휠 제작의 전부라는 인식이 있었다. 중력주조는 휠을 주조하는 주조 기기의 설계부터 다시 고려되었다. 용탕이 주조기의 상단에서 충진되어야 하며 역시 응고 순서도 허브-스포크-림의 순서로 기존의 저압주조와는 반대의 지향성을 갖춰야 했다. 게다가 응고 시 수축을 고려해 지속적인 압탕을 진행해야 하는데 이를 위해 추가 적인 압탕 구를 새롭게 마련해야 하는 부담이 있었다. 하지만 휠의 허브와 스포크가 먼저 응고되며 기존 저압주조 휠보다 향상된 강도를 가질 수 있게 되었다. 이를 구현하기 위해 주조기의 형상과 제작 공정을 새롭게 구성했고, 이 때문에 중력주조의 금형은 지면과 수직으로 서 있는 모습이다. 용탕이 투입됨과 동시에 금형은 90도 기울어지며 지면과 평행을 이룬다. 이때 액체 상태의 용탕은 중력의 힘을 받아 그대로 금형 안으로 밀려 들어가고, 금형 상단부의 추가적인 압탕 구를 통해 응고 수축 시 용탕 부족에 대비해 용탕을 추가적으로 충진한다.
금형에 용탕이 자리를 잡은 이후는 기존 주조 공법인 저압주조와 같이 지향성 응고를 유도한다. 물론 저압주조와 응고 방향이 다르기 때문에 림부터 응고되는 저압주조의 반대로 허브부터 응고를 시작해 스포크를 거쳐 림 순서로 응고가 진행된다. 저압주조와 마찬가지로 중력주조도 주조기 내 냉각관을 통해 공기와 물을 분사해 혹시 모를 비지향 응고를 방지하여 휠 내에 기공과 미세 크랙이 발생할 위험을 사전에 방지한다. 중력주조는 허브와 스포크를 거쳐 림 쪽으로 응고되기 때문에 저압주조 휠과 반대 성향을 가지고 있다. 저압주조 휠은 림부터 응고되기 때문에 조직 분석표를 확인했을 때 조직 크기가 제일 작다. 핸즈코퍼레이션의 저압주조 휠은 림 부위의 수지상 거리(Dendrite Arm Spacing)를 분석하면 약 DAS 30~40 수준이며, 스포크는 또한 40대 중후반 그리고 허브 부위가 약 56 DAS 수준이다. DAS 수치가 작을수록 형상을 기억하는 성질이 강하며 항복강도와 인장강도 그리고 인장 강도 테스트 중 유연성을 판단하는 연신율도 우수하다. 저압주조와 반대 순서로 응고되는 중력주조는 저압주조의 단점인 허브와 스포크의 DAS 수치를 작게 할 수 있다. 이를 통해 허브와 스포크의 강성을 끌어올릴 수 있다. 실제 중력주조 공정을 거친 휠은 허브와 스포크의 DAS 수치가 36과 23 수준에 지나지 않아 단조휠과 유사한 DAS 수치를 자랑한다. 하지만 상대적으로 림 부위의 응고가 늦어 림의 조직의 DAS 수치는 다소 큰 것이 특징이다.[4]
플로우 포밍[편집]
플로우 포밍은 고속으로 회전하는 롤러를 통해 알루미늄 휠의 림 부분을 성형하는 기법이다. 중력주조를 통해 저압주조의 단점인 허브와 스포크의 강도를 개선했지만, 림 부위의 DAS 수치가 큰 단점을 해결하기 위해 적용한다. 이를 통해 휠의 형태를 다듬고 림 부위의 강성을 확보할 수 있게 되었다. 플로우 포밍의 기술적인 원리는 간단하다. 주조기에서 분출된 알루미늄 휠을 플로우 포밍 공정 직전 350도까지 가열한 후 플로우 포밍 공정에 돌입한다. 플로우 포밍이 이뤄지는 자동화 기계는 기계 중앙에 알루미늄 휠은 림의 형상을 다듬은 멘드렐을 두고 이를 3개의 롤러가 둘러싼 모습이다. 멘드렐에 플로우 포밍 공정 이후 수월한 탈착을 위해 이형제를 분사하고 알루미늄 휠을 올려 놓는다. 플로우 포밍으로 림 부위가 늘어날 것을 감안하여 플로우 포밍을 공정을 거칠 휠은 미리 주조 금형의 림 부위를 짧고 두껍게 만들어 둔다.
열을 받아 표면이 물러진 알루미늄 휠에 3개의 롤러가 부착되어 상하로 움직이며 림 부위를 성형하며 아래로 늘린다. 플로우 포밍 시 롤러의 개수는 1개에서 최대 3개 정도를 사용하는데 핸즈 코러레이션이 3개의 롤러를 사용하는 이유는 하나의 롤러로 일정 이상의 변형을 가하게 되면 림 부위에 충격이 강도 이상으로 전해질 수 있기 때문에 분할하여 성형을 하며, 3개의 롤러로 림의 형상을 빠르게 다듬어 제작 사이클을 끌어 올리기 위함이다. 플로우 포밍을 거치며 휠 본연의 형태를 갖춘 알루미늄 휠은 저압주조로 제작된 알루미늄 휠과는 차별화된 강점을 가지게 된다. 우선 응고 순서에서 허브와 스포크 부분의 DAS 수치가 낮고 상대적으로 DAS 수치가 높은 림 부위는 플로우 포밍으로 전혀 다른 조직 형상을 띠게 된다. 플로우 포밍을 거친 림의 알루미늄 수지의 형상은 마치 각 수지들이 늘어나 서로 엉켜 있는 형상을 띠게 된다. 이 형상은 단조 제품의 조직면과 유사한 모습인데 실제 플로우 포밍이 단조 기법의 범주에 속하기 때문에 이같은 형상을 띠는 것이다. 이를 통해 허브와 스포크의 강성은 물론 림 부위의 강성까지 확보하면서 알루미늄 주조 휠에서 쉽게 찾아볼 수 없는, 단조휠에 버금가는 강도를 갖출 수 있다. 플로우 포밍을 마친 휠은 이후 열처리 과정을 거치며 기존 휠과 같은 마무리 작업을 거친다.[4]
각주[편집]
- ↑ 김성윤 기자, 〈자동차 휠, 주조와 단조의 차이는?〉, 《한국경제TV》, 2014-08-15
- ↑ 박병하 기자, 〈(자동차 상식)자동차의 발, 휠〉, 《모토야》, 2017-11-08
- ↑ ABC타이어, 〈휠 고를 때, 주조와 단조의 차이는 무엇일까?〉, 《네이버 포스트》, 2020-03-20
- ↑ 4.0 4.1 4.2 카앤드라이빙, 〈알루미늄 휠의 모든 것 - 알루미늄 휠, 이제는 기술의 싸움이다〉, 《티스토리》, 2015-12-02
참고자료[편집]
- 김성윤 기자, 〈자동차 휠, 주조와 단조의 차이는?〉, 《한국경제TV》, 2014-08-15
- 박병하 기자, 〈(자동차 상식)자동차의 발, 휠〉, 《모토야》, 2017-11-08
- 카앤드라이빙, 〈알루미늄 휠의 모든 것 - 알루미늄 휠, 이제는 기술의 싸움이다〉, 《티스토리》, 2015-12-02
- ABC타이어, 〈휠 고를 때, 주조와 단조의 차이는 무엇일까?〉, 《네이버 포스트》, 2020-03-20
같이 보기[편집]
