KR100268359B1 - 우수한 인장강도를 갖는 아연계합금 및 다이케스팅 주조물 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초정상(primary phase)으로서 입실론(ε)이 포함된 아연합금에 Ti을 첨가하면 합금의 인장강도와 압축강도가 증가된다는 발견을 포함하는 것이다. 상기 합금은 부품이나 공구를 성형하기 위해 중력, 영구주형 또는 다이 캐스팅공정에 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현에 있어서는 0.01-0.1중량%의 Ti이 3-12중량%의 Cu, 2-5중량%의 Al, 보조성분과 나머지 아연을 포함하는 아연합금에 첨가된다. 발견된 거동은 예측된 바 없었으며, 이전에 보고된 바가 없는 것들이다. 그리고 이러한 작용의 원인도 밝혀진 바 없다.
Description
본 발명은 아연계 합금의 개선에 관한 것이다.
아연 합금은 수세기동안 다양한 분야에 적용되고 있다. 자마크(Zamak)3와 자마크5와 같은 합금은 넷세이프(net shape) 다이캐스팅(die casting)에 대한 수요에 부응하기 위해 1920년대에 개발되었다. 계속해서 두 개의 다른 합금 즉, 다이캐스팅 주조공정에 사용되는 자마크2와 중력주조공정 및 원형공구(prototype tool)를 만들기 위해 사용되는 키르크사이트(Kirksite)가 개발되어 이러한 목적에 따라 광범위하게 사용되었다. 이들 합금은 약 4중량%의 Al와 함께 Cu가 함유되는데, 이중 자마크3은 미량의 Cu가 , 자마크5는 약 1중량%의 Cu가, 자마크2 및 키르크사이트는 약 3중량%의 Cu가 함유되어 있다. 이들 합금의 응고는 η+α공정에 의해 에워싸지는 초정η상의 수지상조직이 형성되면서 시작된다. 상기 η상은 조밀6방정 결정구조(HCP)를 가지는데 반해 상기 α상은 면심입방정(FCC)이다.
후속되는 아연합금의 중대한 발전은 약 25년전에 ZA-5, ZA-8, ZA-12와 ZA-27로 불리우는 Zn-Al계 합금이 개발되면서 시작되었으며, 상기 5, 8, 12와 27은 Al의 공칭 중량%를 나타내는 것이다. 이들 합금의 응고는 η+α공정에 의해 에워싸지는 초정α상의 수지상조직이 형성되면서 시작된다. 이상의 모든 합금에서 Al은 주요 강화제로서 생각된다. 이와 같은 합금은 정확한 치수공차를 갖고 상대적으로 비용이 저렴한 다양한 주조방법에 의해 주조되거나 제조될 수 있다. 일반적인 주조방법으로는 중력(gravity) 및 가압 다이캐스팅 공정이 있다. 용융 아연합금은 가압하지 않고(중력주조) 또는 다이캐스트 공정과 같이 가압하여 일정체적의 공동(cavity)에 주입된다.
상업적인 아연 다이캐스팅 합금 즉, 자마크와 Zn-Al(ZA)합금은 장식 또는 비구조적인 곳에 적용되는데, 이는 이들 합금이 낮은 강도 및/또는 크리프 특성을 갖고 있기 때문이다. 강과 같이 강도가 높은 재료는 높은 강도가 요구되는 것에 사용되고 있다. 강 부품은 보통 기계가공되는데 반하여 아연합금은 다이캐스팅으로 형상화될 수 있다. 반면에 키르키사이트(4중량%의 Al, 3중량%의 Cu, 나머지 Zn)와 같은 합금은 일상적으로 판상금속 스탬핑(sheet metal stamping)용 원형공구로 사용되고 있다. 그러나, 키르키사이트 공구는 상대적으로 연질이므로 일반적으로 부피가 큰 제품에는 부적합하다.
최근에 개발되어 ACuZincR(2-4중량% Al, 4-11중량% Cu, 나머지 Zn)로 알려진 아연계 합금은 크리프 저항 아연합금으로 사용될 수 있으며, 이러한 사실은 라쉬드와 하나(Rashid and Hanna)에 의해 미국특허 번호 4,990,310에 개시되었다. 이 합금은 (η+α+ε)의 3원공정에 의해 에워싸진 ε수지상정조직과 약간의 η상을 가지고 있다. 상기 ε상 수지상정조직의 체적분율과 크기는 Cu함량과 함께 증가한다. 이 합금은 기존의 상업용 합금 보다도 내구력과 강도가 더 높은 것으로 알려져 있다.
최근 이들 합금은 변형속도(strain rate)가 증가할 때 그들의 강도가 증가하고, 고온에서 보다 크게 증가하는 것으로 알려져 있다.
본 발명은 상기 ACuZincR합금을 보다 개선시키기 위한 것이다.
도 1은 10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al 및 0.05중량%의 Mg을 포함하는 아연합금에 있어 실온에서의 인장강도(UTS)와 0.2% 항복강도(0.2%YS)에 대한 Ti의 첨가효과를 나타내는 그래프
도 2는 10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al와 0.05중량%의 Mg을 포함하는 아연합금에 있어 실온에서의 신장율에 대한 Ti의 첨가효과를 나타내는 그래프
도 3(a)(b)(c)는 10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al와 0.05중량%의 Mg을 포함하는 아연합금에 있어 Ti의 농도에 따른 비례한계의 변화를 나타내는 그래프로서, 도 3(a)는 주조시편, 도 3(b)는 100℃에서 10일동안 시효처리된 시편, 도 3(c)는 200℃에서 10일동안 시효처리된 시편에 대한 것임
도 4(a)는 10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al와 0.05중량%의 Mg을 포함하는 아연합금에 있어 미세조직에 대한 Ti 농도의 영향을 나타내는 비교미세조직 사진으로서, (a1) Ti이 함유되지 않은 주조시편으로, 조대한 초정ε(Zn4Cu)상(하얀 수지상조직), 2원포정반응의 반응생성물인 η상과 3원공정 (η+α+ε)의 미세조직을 보여주고 있으며; (a2)0.015중량%의 Ti이 함유된 주조시편으로, 합금에서 경한상인 초정ε(Zn4Cu)상의 현저한 결정립의 미세화를 나타냄
도 4(b)는 본 발명에 부합되는 0.015중량%의 Ti함유 아연합금에서 Al5Ti10Zn3를 기초로한 입자의 에너지 분산 X-선 분석(energy dispersive x-ray analysis)을 나타내는 그래프와 ε상를 가진 0.015중량%의 Ti 함유 합금으로 도 4(A)의 미세조직을 확대한 것으로 X-선 그래프에서 나타낸 바와 같이 Al5Ti10Zn3로서 확인된 것임.
도 5는 본 발명에 부합되는 Zn-Al-Cu-Ti합금을 주조하기 위한 냉간 가압실식 다이캐스팅 장치의 단면도
도 6은 본 발명에 부합되는 Zn-Al-Cu-Ti합금을 주조하기 위한 열간 가압실식 다이캐스팅 장치의 단면도
본 발명은 초정상(primary phase)으로 입실론(ε)을 가지는 아연계 합금에 Ti을 첨가하면 합금의 인장강도 및 압축강도가 증가한다는 발견을 포함하고 있다. 상기 합금은 중력주조, 영구몰드(permanent mold) 또는 다이캐스트 공정에 의해 부품 또는 공구(tooling)를 만드는데 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 구현에 있어서는 약 0.01-0.1중량%의 티타늄이 약 3-12중량%의 Cu, 약 2-5중량%의 Al, 보조성분(minor constituents)과 나머지 Zn로 이루어진 아연계 합금에 첨가된다. 본 발명에 의해 발견된 거동(behavior)은 비예측성이 있고, 이전에 보고된 바가 없는 것이다. 이러한 거동의 원인은 알려져 있지 않다.
티타늄의 첨가는 아연계 합금(zinc based alloy)의 인성을 향상시킨다. 새로운 Al-Zn-Ti(Al5Ti10Zn3)상이 형성되고 이 상은 티타늄이 함유되지 않은 Zn-Cu-Al에 비해 큰 표면적을 가진 보다 많은 보다 미세한 ε상(Zn4Cu)형성을 위한 핵으로 작용한다. 상기한 보다 많은 수와 경한 ε상의 표면적이 증가는 합금의 인성을 향상시킨다. 티타늄의 첨가에 의한 압축강도와 인성증가의 결과, 상기 아연합금은 이러한 거동이 유익한 자동(automotive)와 비자동(nonautomotive)의 부품 또는 공구(tools)에 신뢰성 있게 적용될 수 있다. 본 발명의 합금은 판상금속 성형을 위한 캐스트-투-사이즈 다이(cast-to-size dies), 다양한 성형과 충격도구, 압축강도를 받는 부품 및 고하중에 견디어야 하는 기타 다른 부품에 적용될 수 있다.
본발명의 합금성분은 다이캐스트 또는 중력주조에 의해 일정한 형체 또는 니어 넷 세이프(near-net shape) 형으로 제조될 수 있다.
본 발명의 여러가지 목적, 특징과 잇점은 이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항과 도면에서 명확해질 것이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 실시에 적합한 아연합금은 0.01-0.1중량%의 Ti, 3-12중량%의 Cu, 2-5중량%의 Al와 0-0.5중량%의 Mg 및 나머지 실질적으로 Zn을 함유하고 기타 Fe와 다른 전형적인 불순물이 함유된다. 열간 가압실식 다이캐스팅(hot chamber die casting)의 적용을 위한 보다 바람직한 Cu의 함량은 4-7중량%이다. 합금중 Cu의 함량이 4%미만의 경우 중요한 ε상을 형성할 수 없으며, 8%를 초과하는 경우 합금의 융점이 상승하여 일반적인 열간 가압실식 다이캐스팅에 적용할 수 없게 된다. 반면에 냉간 가압실식 다이캐스팅(cold chamber die casting)적용을 위한 보다 바람직한 Cu의 함량은 9-11중량%이다. 합금중 Cu의 함량이 약 12%이상의 경우 추가적으로 형성되는 상들이 얻고자 하는 ε(epsilon)-η(eta)-공정(eutectic)의 미세조직을 방해한다.
본 발명의 실시에 있어 합금에 대한 바람직한 Al의 조성범위는 약 2-5중량%이다. 통상의 다이캐스팅 온도에서 손쉽게 다룰 수 있는 충분한 유동성을 제공하기 위해 서는 최소한 약 2%의 Al이 요구된다. Al이 합금에 실질적으로 5%를 초과하여 함유되는 경우 바라지 않는 α(alpha)상이 형성된다.
수치정밀도의 향상과 응력부식균열의 감소를 위해 Mg을 미량함유시키는 것이 바람직하다. 바람직한 Mg의 함량은 0.025-0.05중량%이다.
이하, 본 발명에 부합되는 합금에 대한 작업예 및 그 결과에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 모재금속(base metal)으로 10.4%의 Cu, 4.1%의 Al, 0.05%의 Mg를 포함하는 상업적인 순수 Zn합금을 이용하였다. 상기 합금은 코어레스 유도 가열로(coreless induction furnace)에서 용융시킨 후 인장적용용 샌드 인장 몰드(sand tensile mold)에서 주조하였다. 적당한 량의 Al-5%의 Ti-1%의 B이 주요합금인 용융금속에 첨가되었고, 650℃ 바꿔말하면, 액상선온도 보다 100℃ 높은 온도에서 30분간 유지한 다음, 몰드에서 인장 및 압축시편으로 주조하였다.
인장시편(50.8mm게이지 길이와 12.9mm의 지름)과 압축시편(50mm게이지 길이와 18mm의 지름)은 박스 로(box furnace)가 구비된 인스트론 유니버셜 테스트 장치(Instron Universial test machine)에서 시험되었다. 인장시험은 주조상태의 시편에 대해서 실온에서 행하였다. 압축시험은 주조상태의 시편과 100℃ 또는 200℃의 일정한 온도의 오일욕에서 10일간 시효처리된 시편을 가지고 행하였다. 상기 시험은 실온, 93℃(200°F), 150℃(300°F)와 177℃(350°F)에서 행해졌다. 시편온도는 연속적으로 시편의 표면에 부착된 써머커플로 모니터링되었다. 상기 시편들은 2.5mm/min의 크로스 헤드속도로 압축되었다. 하중-연신율의 데이터는 시험중에서 자동적으로 기록되었다. 비례한계 또는 측정가능한 소성유동이 일어나는 응력, 그리고, 0.5%와 1%의 항복응력값은 상기 자동으로 기록된 데이터로 부터 결정되었다.
10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al와 0.05중량%의 Mg를 포함하여 이루어지는 아연합금에 Ti이 첨가됨에 따라 인장특성의 증가가 관측되었다. Ti이 첨가되지 않은 아연합금의 인장강도(UTS)는 301Mpa이었다. Ti이 0.01%에서 0.1%의 범위로 첨가된 아연합금의 인장강도는 342Mpa에서 353Mpa의 범위로 나타났으며, 이는 13-17%로 증가한 것이다. 항복강도의 변화는 매우 경미하였다. 상기 증가의 대부분이 0.01%의 Ti이 함유되면 일어나는 것이었다. 통념과는 반대로, 연성은 인장강도와 함께 증가하였다. 소성변형은 Ti이 첨가되지 않을 때 0.22%에서 Ti이 0.01-0.1%로 첨가될 때 0.5%로 증가되었다.
비례한계(prpportional limit)는 변형의 초기에 측정되며, 재료강도의 값을 제공한다. 압축응력중의 비례한계가 티타늄 함량의 함수로 도 3에 나타나 있다. 실온에서 , 두가지 형태의 시편(주조시편과 시효처리된 시편) 모두 Ti함량이 0.015%로 늘어나면 비례한계는 대략 20MPa 증가한다. 티타늄의 함량이 더욱 증가하면 상기 경향은 반대로 되어 비례한계는 감소하는 경향을 나타낸다. 이와같은 감소는 고온에서 시효처리된 시편보다는 주조시편에서 더욱 뚜렷히 나타난다. 도 3(b)는 10일간 100℃에서 시효처리된 시편의 비례한계 변화를 나타내는 것이고, 도 3(c)는 10일간 200℃에서 시효처리된 시편의 비례한계변화를 나타내는 것이다.
93℃, 150℃, 177℃의 열간압축시험에서 티타늄의 첨가효과는 실온과는 다르다. Ti이 0.015중량% 함유된 아연합금에서의 비례한계는 그 시편의 처리이력(시효온도와 시간)에 따라 20-25Mpa정도 감소한다. 상기 시편의 두가지 모두 티타늄 함량이 0.015중량%이상으로 증가하면 강도가 다시 증가하는 경향을 나타내며, 티타늄의 함유되지 않을때의 강도와 거의 같은 수준을 나타낸다.
10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al, 0.05중량%의 Mg을 포함하여 이루어지는 아연합금 주조시편의 미세조직(도 4(a))은 조대한 초정ε(Zn4Cu)상(하얀 수지상조직), 2원포정반응의 생성물인 미량의 η상과 3원공정 (η+α+ε)으로 구성되는데, 이는 378℃의 마지막 응고단계에서 석출된 것이다.
현저한 결정립 미세화가 티타늄의 첨가에 의해 조직에서 관찰되었다. Ti이 첨가되면 도 4(a)에서 보다시피, 합금에서 경한상인 초정 ε상은 더욱 미세해지고 비수지상조직(non-dendritic)으로 나타난다. 도 4(b)에서 ε상은 금속간화합물을 중심으로 한 것을 보이며, 이 금속간화합물은 에너지 분산 X-선 분석에 의해 Al5Ti10Zn3입자을 기초로 하는 것으로 확인되었으며, 이 금속간화합물은 불균일 결정화 핵으로서 작용하는 Al3Ti로 부터 아마도 형성된 것 같다.
상술한 결과는 새로운 상에 관한 최초의 보고라고 생각된다. 작은 결정립 크기의 존재 그 자체는 특성을 향상시키는 유일한 원인일 수는 없다. 이러한 증거는 강도가 증가하고 향상되는 부가적인 원인이 포정반응(peritectic reaction)이라는 것을 의미한다. 처음에 핵생성되는 ε상은 액상과 반응하고, 고체 η상(회색)에 덮힌다. 미세한 합금에서 관측된η상의 보다 높은 체적분율은 포정변태(peritectic transformation)가 일어나는데 유효한 ε상의 표면적의 체적분율에 기인한다. ε상 결정립 미세화의 증거는 밝혀진 반면 실질적인 강화기구의 상세한 해석은 불명확하다.
10.4중량%의 Cu, 4.1중량%의 Al와 0.05중량%의 Mg을 포함하는 아연합금의 기계적성질에 대한 Ti의 첨가 효과는 0.015중량%의 Ti이 함유될 때 실온에서 기계적성질이 인장강도(UTS) 350MPa, 압축응력에 대한 비례한계 255MPa로서 최고치에 달하는 것으로 나타났다. 시효처리된 Ti함유 아연합금은 비슷한 거동을 갖는 것으로 나타났다. 이러한 거동은 ACuZinc5R와 ACuZinc10R및 중력주조, 영구몰드 또는 다이캐스트 공정에 의해 제조되는 것으로 언급된 초정상으로 ε를 포함한 모든 아연합금
에서 유사한 효과를 갖을 것으로 기대되었다. 다른온도에서 시효처리동안 0.1중량%까지의 범위로 함유된 티타늄 함유 재료가 티타늄이 함유되지 않는 재료보다 더욱 수치적으로 안정화된다는 사실은 티타늄 함유 합금은 실온에서 가동되는 캐스트-투-사이즈 다이에 보다 적합하다는 정보를 알려주는 것이다.
본 발명에 부합되는 다이 캐스팅 주조물(die casting)은 도 5에 도식적으로 나타낸 통상적인 냉간 가압실식 다이 캐스팅 장치를 사용하여 Zn계, Cu-Al-Ti합금이 제조된다. 상기 냉간 가압실식 다이 캐스팅 장치(10)에는 가동플래튼(movable platen)(11)과 고정플래튼(13)이 포함될 수 있다. 다이(die halves) (12)와 (14)는 각각 플래튼(11)와 (13)에 고정되며, 상기 다이는 그것의 통로(도시 안됨)을 따라 순환하는 물에 의해 냉각된다. 도면에 나타난 밀폐위치(closed position)에는 다이 (12)와 (14)가 상호작용하여 적절히 크기화와 형상화된 일정체적의 다이 공동(cavity)(16)이 형성되어 , 얻고자 하는 주조품이 제조된다. 주조하는 동안의 적당한 시점에서 상기 가동플래튼(11)이 고정플래튼(13)과 상대적으로 움직여 다이(12)와 (14)가 선(18)에 의해 표시된 면을 따라 분리되므로서 주조품이 방출된다. 상기 냉간 가압실식 다이 캐스팅 장치(10)에는 또한 샷장치(shot apparatus)(20) 이 포함되어 있는데, 이 샷장치(20)은 일반적인 상기 공동(16)과 소통되어 있는 실린더형의 샷슬리브(shot sleeve)(22)가 구비되어 있다. 상기 슬리브(22)에는 예를들면 적절한 레이들(28)의 용융금속챠지(charge)를 인입하기 위한 주입구(24)를 포함하고 있다. 유압(hydraulically)구동 샷플런저(shot plunger)(30)가 슬리이딩 가능하게 슬리브(22)안에 수용되어 있고, 이 샷플런저가 다이 단면을 향하여 전진하여 용융금속을 슬리브(22)로부터 공동(16)으로 밀어 넣는다.
또한, 본 발명의 아연 다이캐스팅주조물(die casting)은 도 6에 도시된 열간 가압실식 다이캐스팅장치(50)을 사용하여 제조될 수 있다. 이 장치(50)는 고정 플래튼(53)과 가동플래튼(55)에 각각 고정되는 수냉 다이(52)와 (54)를 포함하며, 도 6에 도시된 밀폐위치(closed position)와 개방위치(open position) 사이에서 다이(52)와 (54)가 적절히 움직이도록 이루어진다. 상기 밀폐위치는 다이 (52)와 (54)가 상호작용하여 주조공동(casting cavity)(56)을 형성하고, 상기 개방위치는 다이(52)와 (54)가 선(58)에 의해 표시된 면을 따라 분리되어 주조품을 방출한다. 통상의 열간 가압실식 다이 캐스팅공정과 마찬가지로 상기 다이캐스팅장치(50)은 용융도가니(63)내의 융융금속욕(64)에 일부가 침적된 구스 넥 슬리브(goose neck sleeve)(62)가 형성된 샷 장치(60)를 포함한다. 또한, 샷 장치(60)은 구스 넥 슬브(62) 안에 슬라이딩 가능하게 수용되는 유압(hydraulically)구동 플런저(68)를 포함하여 구성된다. 플런저(68)가 도면에 나타난 바와 같이 후퇴부에 위치하면 욕으로 부터 용융금속(챠지)(charge)이 주입구(66)를 통해 구스넥(62)에 채운다. 주조를 위해 플런저(68)가 아랫방향으로 구동되어 용융금속을 슬리브(62)를 통해 다이 공동(56)으로 밀어넣는다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 압축강도와 인성이 개선된 아연합금을 얻을 수 있으며, 이 아연합금은 자동과 비자동의 부품 또는 공구에 신뢰성 있게 적용될 수 있다. 또한, 다양한 성형과 충격도구, 압축강도를 받는 부품 및 고하중에 견디어야 하는 기타 다른 부품에 적용될 수 있다. 본발명의 합금성분은 다이캐스트 또는 중력주조에 의해 일정한 형체 또는 니어 넷 세이프(near-net shape) 형으로 제조될 수 있다.
Claims (13)
- (정정) Ti:0.01-0.1중량%, Cu:3-12중량%, Al:2-5중량%, 및 Zn:81-95중량%를 포함하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) 제1항에 있어서, 상기 합금이 초정ε상, η상과 η+α+ε 3원공정(ternary eutectic)을 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) 제1항에 있어서, 상기 합금이 4-7중량%의 Cu를 포함하고, 그리고 열간 가압실식 다이 캐스팅공정(hot chamber die casting process)에 적용되는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) 제1항에 있어서, 상기 합금이 7-11중량%의 Cu를 포함하고, 그리고 열간 가압실식 다이캐스팅 공정(cold chamber die casting process)에 적용되는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) 제1항에 있어서, 상기 Ti은 0.01-0.015중량%임을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) 제1항에 있어서, 상기 합금은 보조성분(minor constituents)을 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) Zn, Cu, Al 및 Ti을 함유하고, 그리고 Al5Ti10Zn3입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (정정) Ti:0.01-0.1중량%, Cu:3-12중량%, Al:2-5중량%, 및 Zn:81-95중량%을 포함하는 다이캐스팅 주조물(die casting)
- (정정) 제8항에 있어서, 상기 주조물이 초정ε상, η상과 η+α+ε 3원공정(ternary eutectic)을 포함하는 하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 주조물
- (정정) 제1항에 있어서, Ti이 합금의 인장강도를 개선시키기는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (삭제)
- (정정) 제1항에 있어서, Ti이 ε상의 표면적을 증가시키는 작용을 하는 것을 특징으로 하는 우수한 인장강도를 갖는 아연계 합금
- (삭제)
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