자동차 Brake Disc 적용을 위한 과공정 Al-Si합금 조성 및 차압주조 공정 최적화 = Optimization of Hypereutectic Al-Si Alloy Composition and Counter Pressure Casting Process for Automotive Brake Disc Application

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 과공정 Al-Si-Cu 합금 (Al-18Si-xCu-0.55Mg-0.5Fe-0.2Ti)과 차압주조 (Counter Pressure Casting, CPC) 공정 을 적용하여 경량 , 고방열 알루미늄 brake disc를 개발하고자 하였다 . 열역학 계산 및 Scheil 응고 시뮬레이션을 통해 과공정 Al- Si-Cu 합금에서 Cu첨가량 (1~4wt.%)에 따른 상 형성 거동을 예측하였고 , 주조 시뮬레이션을 통해 금형의 주조방안과 냉각 채널을 설계하고 , 제작된 금형을 차압주조기에 장착한 후 시제품을 주조하며 주조조건을 최적화하였다 . 제조된 brake disc 시제품은 X-ray 1등급과 내부 가스 함량은 평균 3.8 cc/Al·100 g 수준이었으며 , 기계적 및 열적 특성 평가 결과 , 인장강도와 연신율은 2 wt.%Cu 합금 에서 각각 216.41 ± 3.7 MPa과 1.21±0.1%로 최고치를 나타내었고 , 경도는 3 wt.%Cu 합금에서 103.4 ± 1.2HB로 최고치를 보였으나 , 4wt.%Cu 합금에서는 다시 95.6±1.9HB로 감소하였다 . 열전도도는 4 wt.%Cu 합금의 경우 159.2 W/m·K로 측정되었는데 , 이는 기존 brake disc 소재인 회주철 (gray cast iron) 대비 약 3배 향상된 수치였다 . 이러한 결과는 Cu 첨가량 및 차압주조 공정 최적화를 통해 기존 주철제 brake disc 대비 높은 경량화 및 열적, 기계적 특성이 우수한 Al제 brake disc 제조 가능성을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, lightweight and high-thermal-conductivity aluminum brake discs were developed by applying a hypereutectic Al– Si–Cu alloy (Al–18Si–xCu–0.55Mg–0.5Fe–0.2Ti) and the counter pressure casting (CPC) process. Thermodynamic calculations and Scheil solidification simulations were conducted to predict the phase formation behavior according to the amount of Cu added (1–4 wt.%). Based on casting simulations, the mold gating and cooling channel designs were optimized, after which prototype discs were produced using the CPC process. The fabricated brake discs exhibited X-ray grade 1 quality with an average internal gas content of 3.8 cc/Al·100g. Mechanical and thermal property evaluations revealed that the 2 wt.% Cu alloy achieved the highest tensile strength and elongation of 216.41 ± 3.7 MPa and 1.21 ± 0.1%, respectively, while the 3 wt.% Cu alloy exhibited the highest hardness of 103.4 ± 1.2 HB. However, the hardness decreased to 95.6± 1.9 HB at 4 wt.% Cu. The thermal conductivity of the 4 wt.% Cu alloy reached 159.2 W/m·K, which is approximately three times higher than that of conventional gray cast iron brake discs. These results confirm that optimizing the Cu content and CPC process enables the fabrication of aluminum brake discs with superior lightweight characteristics and enhanced mechanical and thermal properties compared to those created via conventional cast-iron fabrication.