KR0163994B1 - 비열처리형 고규소 Al합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비열처리형 고규소 Al 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 내연기관의 실린더블럭, 실린더라이너, 실린더슬리브, 피스톤, 자동차용 싱크로나이져링, 콤프레샤벤, VTR 실린더 등의 구동부품으로 사용되는 고규소 알루미늄 합금을 열처리하지 않고도 내마모성과 인성을 개선할 수 있는 비열처리형 Al 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 비열처리형 고규소 Al 합금 및 이의 제조방법은 중량 퍼센트로 10∼35%의 Si과, 0.3∼10%의 Fe, 0.2∼10%의 Ti, 잔부 Al로 조성된 합금분말을 제조하는 단계(1)와, 합금분말을 소정의 입도로 분급하는 분급단계(2)와; 상기 분급된 합금분말로부터 수산화물의 제거를 행하는 탈가스단계(3)와; 이 탈가스단계(3)에서 수산화물의 제거가 행해진 합금분말을 성형체로 제조하는 성형단계(4)로 구성된다.

Description

비열처리형 고규소 Al 합금 및 이의 제조방법

제1도는 본 발명의 공정 단계를 나타내는 블록도.

제2도는 금속분말의 조직을 나타내는 사진도.

제3도는 소결체의 조직을 나타내는 사진.

제4도는 마모시험 거리에 따른 시험편의 중량감소변화를 나타내는 그래프도이다.

본 발명은 비열처리형 고규소 Al 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 내연기관의 실린더 블록, 실린더 라이너, 실린더 스리브, 피스톤, 자동차용 싱크로나이져링, 콤프레샤 밴, VTR 실린더 등의 구동부품으로 사용되는 고규소 알루미늄 합금을 열처리하지 않고도 내마모성과 인성을 개선할 수 있는 비열처리형 Al 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고규소 알루미늄 합금은 내마모성이 우수하고 열팽창율이 낮으면서도 상대재에 대한 공격성이 낮아 엔진이나 콤프레샤 등과 같은 구동 기계 장치의 부품재로 널리 사용되고 있다.

상기한 바와 같은 고규소 알루미늄 합금은 일반적으로 주조재에 입자미세화제를 첨가하여 경도가 높은 초정 및 공정 Si 입자를 Al 기지조직에 미세하게 분포시킴으로써, 기계적 성질을 개선하는데 이러한 입자 미세화제에 의해 기계적 성질을 개선한 종래의 고규소 알루미늄 합금의 제조방법은 입자를 미세화하는데 한계가 있어 기계적 성질을 보다 향상시키기에는 미흡하기 때문에 근래에는 분말 야금법이 주로 채택되고 있다.

상기한 분말야금법은 중량퍼센트로 10∼35%의 Si 외에도 0.3∼10%의 Fe와, 0.5∼5%의 Cu와, 0.3∼3.5%의 Mg의 조성으로 알루미늄 합금 분말의 성형체를 제조하고, 이와같이 제조된 알루미늄 합금을 열처리하여 Al₄Si₂Fe 화합물과 Al₂Cu 화합물 및 Mg₂Si 화합물을 조직중에 정출 및 석출시킴으로써 이들의 특성에 의해 기계적 성질을 개선할 수 있게 한다.

그런데, 상기한 바와 같은 분말야금법은 열처리공정(T₆처리:용체화처리→시효처리)을 필수적으로 행하여야만 하기 때문에 열처리에 따르는 제조공정상의 어려움이 있으며, 제조비용의 상승을 초래할 뿐 아니라, 초정 Si 입자의 성장에 따른 조직의 제어가 어려워 기계적 성질을 극대화 할 수 없다는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 단점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서, 열처리공정을 수반하지 않고도 고규소 알루미늄 합금의 기계적 성질을 향상시킬 수 있게 하여 열처리에 따르는 작업상의 어려움 및 제조비용의 상승을 배제할 뿐 아니라, 초정 Si 입자의 성장을 억제하여 고규소 알루미늄 합금의 내마모성 및 인성 향상의 극대화를 기대할 수 있는 고규소 Al 합금 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이를 실현하기 위하여 본 발명은 중량%로 Si:10∼35%, Fe:0.3∼10%, Ti:0.2∼10%, 잔부 Al으로 조성되는 것을 특징으로 하는 비열처리형 고규소 알루미늄 합금을 제공한다.

또한, 본 발명은 불활성가스 또는 공기를 사용하는 가스 아토마이저를 이용하여 중량%로 Si:10∼35%, Fe:0.3∼10%, Ti:0.2∼10%, 잔부 Al으로 조성된 합금분말을 제조하는 단계와; 상기 합금분말을 소정입도의 구형분말로 분급하는 단계와; 상기 분급된 합금분말을 350∼500℃의 온도에서 0.5∼3시간 동안 진공펌핑을 함으로써 수산화물의 제거를 행하는 탈가스단계와; 상기 탈가스된 합금분말을 캔에 장입하고 350∼550℃의 온도에서 5∼10ton/㎠의 압력으로 프레싱하여 성형하는 1차 성형단계와; 상기 1차 성형된 성형체의 캔을 제거한 후 350∼450℃의 온도하에서 재차 압출하는 2차 성형단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비열처리형 고규소 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에서 사용된 합금분말은 용해한 금속에 공기 또는 불활성가스를 분사하여 분말을 제조하는 가스 아토마이저(Gas Atomizer)법에 의해 제조하며, 이러한 합금분말의 성분조성은 중량%로 Si:10∼35%, Fe:0.3∼10%, Ti:0.2∼10%, 잔부 Al으로 조성되어 있다.

상기의 합금분말을 소정의 입도로 분급한 후 성형용 캔에 충진한다.

여기서 본 발명에 의한 합금성분의 수치한정 이유를 살펴보면, 일반적으로 Al 중에 Si을 첨가하면 기지조직에 정출하는 초정 및 공정 Si에 의한 내마모성을 향상시킬 수가 있는데, 그 함량이 중량%로 10%이하일 때 충분한 내마모성을 확보할 수가 없고, 35%를 초과하여 함유할 때에는 초정 Si의 조대화에 의해 내마모성과 인성의 저하를 초래하기 때문에 Si의 함량을 중량%로 10∼35%로 제한한다.

또한, 알루미늄 실리콘 합금에 함유되는 Fe와 Ti은 중량%로 각각 0.3% 또는 0.2% 이하로 함유될 때 합금의 열팽창계수와 화합물의 형성에 의한 고온특성의 향상을 기대할 수 없고, 10%를 초과하여 함유되면 취성을 강하게 하기 때문에 Fe의 함량을 0.3∼10%의 범위로 하고, Ti의 함량은 0.2∼10%의 범위로 한정한다.

한편, 성형용 캔은 장입된 합금분말은 350∼500℃의 온도에서 진공펌핑하여 기계적 특성에 나쁜 영향을 미치는 분말표면의 수산화물을 제거하는 탈가스단계로 이어진다.

상기의 탈가스 단계를 350∼500℃ 범위에서 행하는 이유는 350℃ 미만에서는 수산화물의 제거가 미흡하기 때문이고, 500℃ 이상에서는 소결반응이 진행되기 때문이고, 상기의 탈가스 단계를 0.5∼3시간 동안 행하여야 하는 이유는 0.5시간 이하로 처리할 경우 충분한 수산화물의 제거가 이루어지지 않기 때문이고, 3시간 이상에서는 완전한 수분의 제거되어 소결반응이 진행되기 때문이다.

이와 같은 탈가스단계에서 수산화물의 제거가 행해진 합금분말은 350∼550℃의 온도에서 5∼10ton/㎠의 압력으로 프레싱하여 1차 성형하고, 상기 1차 성형된 성형체의 캔을 제거한 뒤 350∼450℃의 온도에서 성형체의 밀도를 높이기 위해 재차 압출하는 2차 성형이 행해진다.

상기에서 1차 성형의 온도를 350∼550℃로 유지하여야 하는 이유는 350℃ 이하에서는 분말간의 소성변형이 불충분하기 때문이고, 550℃ 이상에서는 1차 성형에서 요구되는 밀도를 초과하기 때문이다.

그리고 프레싱 압력을 5∼10ton/㎠으로 한정하는 이유는 5ton/㎠ 이하에서는 혼합분말간에 충분한 고밀도를 형성시켜 주지 못하기 때문이고, 10ton/㎠ 이상에서는 성형체를 제작하기 위한 캔을 지지해주는 다이에 손상을 주기 때문이다.

또한, 상기의 2차 성형에서 그 온도를 350∼450℃로 한정하는 이유는 350℃ 이하에서는 1차 성형된 성형체의 압출시 충분한 변형을 주지 못하기 때문이고, 450℃ 이상에서는 압출시 발생하는 치밀화 효과가 더 이상 증가하지 않기 때문이다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

표1에는 N₂가스를 사용하는 가스 아토마이저(Gas Atomizer)를 이용하여 제조한 합금분말(ASFT)과, 성형체의 내마모 특성이나 인장강도의 평가를 위해 비교용 합금으로 선택한 ASF와, 종래 합금인 주조재 A390과 일본 쇼와에서 생산중인 분말제품 ASCM16Ce 합금의 조성이 표시되어 있다.

상기한 바와 같은 표1에서의 본 발명재와 비교재를 평균입도 55㎛의 구형 분말로 제조하고 150㎛ 이하의 크기로 분급하였다.

성형체 제조를 위해 분급한 분말을 캔에 장입하고 400℃에서 탈가스한 후 7ton/㎠의 압력으로 핫 프레싱하고, 핫 프레싱에 의해 고밀도화 된 캔내부의 분말성형체를 보다 치밀화하기 위해 캔을 벗겨낸 다음 성형체를 400℃에서 12:1의 비율로 압출하여 바(Bar)를 제조하였다.

이렇게 제조된 본 발명재와 비교재 그리고 종래재를 핀온 디스크(Pin on Disk)형의 마모 시험기를 사용하여 마모시험 거리에 따른 핀의 중량감소량 변화를 시험하였다.

시험조건은 디스크는 S45C의 재질로 고정하였고, 5×5×15㎜ 크기의 핀재질을 변화시키면서 하중은 100N, 상대재에 대한 시험편의 주행속도는 10m/sec로 하여 상온 무윤활상태에서 마모시험을 행하였다.

하기 표2에는 마모시험 거리에 따른 핀의 중량 감소량 변화가 나타나 있다.

상기 표2에 나타난 바와 같이 ASFT 합금의 마모량은 Ti이 첨가되지 않은 ASF 합금이나 주조재인 A390에 비해 적으며 Sic 세라믹이 첨가된 ASCM16Ce 합금과 거의 동일하다.

따라서, ASFT 합금의 내마모특성은 주조재인 A390이나 ASF 합금에 비해 우수하다고 할 수 있다.

또한 세라믹이 첨가된 재료(ASCM16Ce)와는 비슷한 특성을 보이지만 세라믹분말의 높은 단가로 인한 경제성이나 금속분말과의 혼합공정 등의 추가공정이 필요한 것을 고려할 때 본 발명의 ASFT 합금은 높은 마모특성을 가지는 순수 금속분말재료이기 때문에 미세조직이 균일하고 낮은 원재료 가격 및 단축된 공정으로 제조할 수 있는 새로운 합금임을 알 수 있다.

또, 상기 발명재와 비교재의 경도시험과 인장시험을 실시하여 그 기계적 성질을 하기 표3에 비교 표시하였다.

상기 표3에 나타난 바와 같이 ASFT 합금의 인장강도는 Ti이 첨가되지 않은 ASF 합금에 비해 높을 뿐 아니라 세라믹이 첨가된 ASCM16Ce 합금을 능가하는 극히 높은 값을 나타냈다.

또한, 경도값에 있어서도 ASFT 합금이 가장 높은 것으로 나타났다.

이와 같은 마모특성 및 인장특성을 고려할 때 본 발명에 의한 ASFT 합금은 우수한 내마모성 및 기계적 성질을 보유한 재료로서 마모특성이 요구되는 마찰부위나 구동부품으로 사용될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의한 비열처리형 고규소 알루미늄 합금 및 이의 제조방법은 열처리 공정을 거치지 않고도 기계적 성질을 향상시킬 수 있어 열처리에 따른 작업상의 어려움 및 제조 비용을 배제할 수 있을 뿐만 아니라 초정 Si 입자의 성장을 억제하여 고규소 알루미늄 합금의 기계적 성질 향상의 극대화를 기할 수 있다.

Claims (2)

1. 불활성가스 또는 공기를 사용하는 가스 아토마이저를 이용하여 중량%로 Si:10∼35%, Fe:0.3∼10%, Ti:0.2∼10%, 잔부 Al으로 조성된 합금 분말을 제조하는 단계와; 상기 합금분말을 소정입도의 구형분말로 분급하는 단계와; 상기 분급된 합금분말을 350∼500℃의 온도에서 0.5∼3시간 동안 진공펌핑함으로써 수산화물의 제거를 행하는 탈가스단계와; 상기 탈가스된 합금분말을 캔에 장입하고 350∼550℃의 온도에서 5∼10ton/㎠의 압력으로 프레싱하여 성형하는 1차 성형단계와; 상기 1차 성형된 성형체의 캔을 제거한 후 350∼450℃의 온도하에서 재차 압출하는 2차 성형단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비열처리형 고규소 알루미늄 합금의 제조방법.
2. 중량%로 Si:10∼35%, Fe:0.3∼10%, Ti:0.2∼10%, 잔부 Al으로 조성되는 것을 특징으로 하는 비열처리형 고규소 알루미늄 합금.