KR100199362B1 - 다이 캐스팅용 알루미늄 합금 및 그를 사용한 볼 조인트 - Google Patents
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Abstract
Zn 10 ~ 25 중량 %, Si 6 ~ 10 중량 %, Cu 0.5 ~ 3.0 중량 %, Mn 0.1 ~ 0.5 중량 %, Mg 0.02 ~ 0.5 중량 %, Fe 1.3 중량 % 이하, 나머지는 AL 및 불가피한 불순물을 함유하고, 기계적 강도가 높고, 자동차등용 스태빌라이저 커넥팅 로드용 볼 조이트로 사용할 수 있는 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금.
Description
[발명의 명칭]
다이케스팅용 알루미늄 합금 및 그를 사용한 볼 조인트
[기술분야]
기계적 강도가 요구되는 부분에 사용되는 물질로서 부시(bush) 함유 철 및 다이 캐스팅(die-casting)용 아연 기재 합금, 특히 아연, 일루미늄 및 구리로 구성된 다이 캐스팅용 아연 기재 합금(예를 들면, 상품명 : BERIC)이 주로 사용되어 왔다. 이러한 합금을 기계적 강도가 요구되는 부품등의 재료로서 사용하는 경우, 인장 강도, 경도 및 강성(toughness)과 같은 기계적 특성이 우수한 합금을 제공할 수 있으나, 이들 합금은 내부식성이 불량하고, 비중이 6.8g/㎤정도로 큰 불리한 점을 갖는다.
[배경기술]
반면에 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금을 사용하는 경우, 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금의 인장 강도가 20 ~30kgf/㎟, 특히 내력(proofstress) 0.2%에서 10 ~20kgf/㎟으로 낮으므로, 다이 캐스팅된 제품의 기계적 강도가 크게 불균일해지는 경향이 있어 고품질의 다이 캐스트 제품의 수득을 기대할 수 없다. 또한, 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금의 강성이 상기한 물질 보다 불량하므로 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금의 산업상의 이용이 제한되어 왔다.
[발명의 개시]
본 발명의 목적은 다이 캐스팅용 아연 기재 합금(예를 들면, BERIC)과 유사한 신장 강도, 경도 및 강성과 같은 특성을 갖으며, 통상적으로 사용되는 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금에서 제공되는 것과 동등한 비중 및 내부식성을 갖는 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금을 제공하는 것이다.
[발명의 구성]
본 발명은 10 ~25 중량% 아연, 6 ~10 중량% 실리카, 0.5 ~3.0 중량% 구리, 0.1 ~0.5 중량% 망간, 0.02 ~0.5 중량% 마그네슘, 1.3 중량% 이하의 철 및 나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물을 함유함을 특징으로 하는, 기계적 강도가 우수한 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금 및 볼 조인트용 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금에 관한 것이다.
[발명의 상세한 설명]
본 발명의 발명자들은 알루미늄 - 실리카 기재 합금에 아연, 구리, 마그네슘, 망간 및 철을 가하므로서 종래 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금에서는 수득할 수 없었던 월등한 인장 강도, 내마모성 및 강성을 갖는 신규의 합금을 알아내었다.
특히, 인장 강도 및 내마모성은 강성에 반대되는 특성이라고 알려져 있으나, 본 발명에 따른 알루미늄 기재 합금은 이러한 특성을 양호한 균형을 이루면서 보존할 수 있으므로, 슬라이딩 베어링(sliding bearing)부품, 베어링 부품등의 재료에 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 알루미늄 기재 합금은 자동차용 스태빌리아저 커넥팅 로드(stabilizer connecting rod) 및 볼 조인트에 사용되는 월등한 특성을 갖는다. 본 발명의 알루미늄 기재 합금을 사용하여, 종래 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금에 사용되어 오지 않았던 부품용 재료로서 알루미늄 기재 합금을 사용할 수 있다.
a) 금속성 원소의 유리한 효과
아연 : (10 ~25%)
아연은 그와 혼합되는 합금의 인장 강도, 경도등을 효과적으로 개선시킬 수 있는 원소이다. 그러나, 아연 함량이 10% 미만인 경우, 이러한 아연의 효과가 감소하는 경향이 있고, 아연 함량이 25%를 초과하는 경우, 내마모성이 열화될 수 있다. 아연이 실리카와 공존하는 경우, Aℓ, Si 및 Zn 으로 구성된 공용 결정을 형성하는 경향이 있으므로, 용점을 저하시켜 주조성을 양호하게 한다.
규소 : (6 ~10%)
실리카는 그와 혼합되는 물질의 강도 및 내마모성을 효과적으로 개선시킬 수 있는 원소이고, 물질의 융점을 저하시키므로서 혼합시에 물질의 주조성을 개선시키는 효과가 있다. 그러나, 물질중의 실리카의 함량이 6% 미만인 경우, 물질의 내마모성이 열화되고, 실리카의 함량이 10%를 초과하는 경우, 물질의 신장 강도가 저하된다.
구리 : (0.5 ~3.0%)
구리는 물질의 초기 결정에 고체 형태로 용해하여, 물질의 강도 및 경도를 효과적으로 개선시킬 수 있는 원소이다. 그러나, 물질중의 구리의 함량이 0.5% 미만인 경우, 개선 효과가 감소되며, 물질중의 구리의 함량이 3%를 초과하는 경우, 물질의 내부식성 및 강성이 열화된다.
망간 : (0.1 ~0.5%)
망간은 철 함유 침상 금속간 화합물을 과립형으로 개질시키므로서 그와 혼합되는 물질의 강성을 개선시킬 수 있는 원소이다. 그러나, 물질중의 망간의 함량이 0.1% 미만인 경우, 이러한 효과가 발휘될 수 없으며, 물질중의 망간의 함량이 0.5%를 초과하는 경우, 혼합되는 물질의 강성이 감소되고, 융점의 상승 및 물질의 주조성 열화의 야기를 보다 감소시킨다.
마그네슘 : (0.02 ~0.5%)
마그네슘은 흔적량으로 물질의 결정화의 초기 결정중에 고체 형태로 용해 하여, Mg2Si 형성을 용이하게 할 수 있으므로 물질의 석출 경화를 야기시키는 원소이고, 물질의 강도를 개선시키는 데 특히 효과적이다. 그러나, 물질중의 마그네숨의 함량이 0.02%미만인 경우, 이러한 효과를 발휘할 수 없고, 물질중의 마그네슘 함량이 0.5%를 초과하는 경우, 물질이 부스러지기 쉬워진다.
철 : (1.3 중량%)
철은 금형에 대한 물질의 부착을 효과적으로 방지할 수 있는 원소이다. 그러나, 물질 중의 철의 함량이 1.3%를 초과하는 경우, AL, Si 및 Fe 간의 금속간 화합물이 제조되므로서 물질의 강성 및 내부식성이 저하된다.
상기한 범위의 합금 성분을 함유하고, 알루미늄 및 불가피한 불순물로 구성되는 합금은 월등한 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금이며, 통상적으로 사용되는 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금 및 다이 캐스팅용 아연 기재 합금의 불리함을 해결함을 확인하였다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 샤프트(1)의 밑단에 각각 위치한 한쌍의 볼(2)이 본 발명에 따른 합금으로 주조한 홀더(3)에 의해 자유롭게 조여져, 볼 조인트를 구성함을 특징으로 하는, 자동차용 스태빌라이저 커넥팅 로드 일부의 절단된 단면도이다.
제2도는 통상적 볼 조인트로 구성된 볼 조인트 일부의 절단된 단면도이다. 볼 조이트는 본 발명에 따른 합금으로 주조한 홀더(3)가 볼(강 볼(2))을 지지하는 구조를 갖는다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
제1도 및 제2도는 본 발명에 따른 합금을 사용하는 실시예를 나타내며, 도면내의 각 숫자는 하기 부품을 나타낸다.
1 : 샤프트(shaft) 2 : 볼(Ball)
3 : 홀더(Holder) 4 : 캡(Cap)
5 : 부츠(Boots) 6 : 글리스(Glees)
[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]
본 발명을 하기 실시예를 참고로 보다 상세히 기술한다. 그러나, 본 발명은 하기한 실시예로 정의된 범위에 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
통상적으로 사용되는 용해법에 따라 각각 표 1에 나타낸 화학 조성물로 구성된 다수의 알루미늄 기재 합금을 제조할 수 있다.
이때, 용해된 Al에 소정량의 성분을 한꺼번에 첨가하거나, 혹은 성분의 함유량이 많은 것부터 소정량을 순차적으로 용해시켜 제조할 수 있으나, Zn 및 Mg는 산화되기 쉬우므로 가능한 한 나중에 첨가하는 것이 바람직하다.
통상적으로 사용되는 용해법을 사용하여 본 발명의 합금을 제조하는 방법은 다음과 같다:
Al을 700℃이상으로 가열하여 용해시키고, 이어서 700 내지 750℃로 유지하여, Si는 순금속 혹은 Al-Si의 모합금(Si를 10 내지 30% 함유하는 Al 합금이 시판되고 있음)으로, Cu 및 Mn은 순금속으로, Fe는 용해되기 어려우므로 Al-Fe 모합금으로서, Zn은 순금속으로 사용하여 이들을 순차적으로 첨가하여 용해시킨다. Mg는 특히 산화되기 쉬우므로, 온도를 650 내지 700℃로 유지하고, 마지막에 Al-Mg 모합금으로서 첨가 용해시킨다. 모든 성분 조정을 완료한 것을 650 내지 700℃에서 금형으로 주조하고 응고시켜 잉곳을 제공한다. 잉곳은 필요에 따라서, 재용해되고, 주조되어 금속 가공품이 제조된다.
다음으로, 캐스팅 압축력 135톤의 냉각 챔버형 다이 캐스팅 장치를 사용하여 주조 온도 750℃에서 합금의 다이 캐스팅을 수행한다. 다이 캐스팅용 금속 주형으로는 ASTM 규격(B8-66)에 준하는 인장 시험편(평행부의 직경 : 6.35㎜, 게이지 길이 : 50㎜, 길이 : 230㎜) 및 충격 시험편(치수 : 6.35 ×6.35 ×230㎜)의 2개를 취하는 형을 사용한다. 이어서, 상기한 시험편을 사용하여 기계적 시험을 수행한다. 경도 시험은 충격 시험편을 에머리지(Emery papers)(#1000)를 사용하여 연마하여 비커(Vickers) 경도 시험기로 측정한다.
시험한 합금은 본 발명에 따라 제조한 합금 1 ~4 , 비교예 합금 5 ~ 14, 종래 합금(다이 캐스팅용 아연 기재 합금 : BERIC)15, 및 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금(AD 12)16을 포함한다. 비교예 합금 5 ~ 14 각각은 본 발명의 합금에 특정된 해당 성분의 범위이외의 임의의 성분인 화학적 조성을 갖는다.
각 합금에서 수득한 다수의 기계적 특성을 표 2에 나타낸다. 표 2에 나타낸 결과에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 합금은 비교예 합금 또는 종래 합금의 어떠한 특성 보다 우수한 기계적 특성을 가짐을 나타낸다.
[실시예 2]
표 1에 나타낸 합금 이외에 본 발명의 합금 1 ~ 4, 비교예 합금 6, 10, 12 및 14, 종래 합금 16을 선택하고, 상기한 주조 조건에 따라 치수 30㎜(폭) ×5㎜(두께) ×150㎜(길이)의 각 합금의 주조편을 제조한다. 각 주조편을 염문부 시험(SST)하고, 300시간 후 각 주조편에 대한 부식 손실을 측정하여 각 주조편의 내부식성을 비교한다.
결과를 표 3에 나타낸다.
염 분무 시험에서 수득된 편의 부식 손실에 대한 결과에 따르면, 합금 1 ~ 4는 종래 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금 16의 내부식성과 비교하여 월등한 내부식성을 갖음을 나타낸다. 반면에, 비교예 합금 6, 10, 12, 14 및 종래 다이 캐스팅용 아연 기재 합금 15의 내부식성이 본 발명의 합금의 내부식성 보다 현저하게 불량함을 알아내었다.
[실시예 3]
표 1에 나타낸 합금 이외에 본 발명의 합금 1 ~ 3, 비교예 합금 5 및 7, 종래 합금 15 및 16을 선택한 후, 상기한 주조편의 치수10㎜(폭)×3mm(두께)×36mm(길이)으로 절단가공한 것을 사용하여 마찰 시험 계수기(Amslerfriction test counter)로 상기한 주조편의 각 합금에 대해 마찰양을 측정한다. 비윤활 조건에서 회전 마찰법을 사용하여 시험을 수행한다. 반대물질로서, SKD 11을 사용하고, 마찰 거리가 3,000 미터에 도달하는 지점에서 마찰양을 측정한다.
결과를 표 4에 나타낸다.
표 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 각 합금은 비교예 합금 및 종래 합금 보다 내마모성이 월등하다.
표 1 ~ 4의 모든 결과를 고려하면, 본 발명의 합금은 알루미늄 기재 합금에 특정적인 월등한 내부식성을 유지함과 동시에 종래 합금의 특성보다 월등한 기계적 특성, 특히, 월등한 인장 강도, 내력, 경도 및 강성을 갖는다.
Claims (2)
- Zn : 10 ~ 25 중량 %, Si : 6 ~ 10 중량 %, Cu : 0.5 ~ 3.0 중량 %, Mn : 0.1 ~ 0.5 중량 %, Mg : 0.02 ~ 0.5 중량 %, Fe : 1.3 중량 % 이하, 나머지는 AL 및 불가피한 불순물로 구성된 기계적 강도가 우수한 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금.
- 제2항의 다이 캐스팅용 알루미늄 기재 합금으로 제조된 볼 조인트 장치.
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