KR100291560B1

KR100291560B1 - 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 AlSi단련용 합금 및 그의 제조방법과 그 합금의 이용

Info

Publication number: KR100291560B1
Application number: KR1019980057661A
Authority: KR
Inventors: 문인기; 장준연; 고흥석
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1998-12-23
Filing date: 1998-12-23
Publication date: 2001-06-01
Also published as: KR20000041707A

Abstract

본 발명은, Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량%, Mn: 0.1 - 0.3 중량% 및 Ce: 0.3 - 0.5 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 아공정 Al-Si계 단련용 합금 및 Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량% 및 Mn: 0.1 - 0.3 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 용융 금속을 얻고, 상기 용융 금속에 주조조직 미세화재인 0.02-0.03%의 Al-Ti-B계 화합물과, 공정조직 개량화재인 0.7 - 1.0%의 희토류계 밋시메탈 (mischmetal; 주성분 Ce 및 La; Ce 50% 이상의 것)을 첨가하여 용탕을 처리한 후, DC 주조기를 이용하여 빌렛을 주조하고, 얻어진 빌렛을 500 - 520 ℃에서 2 - 5 시간 동안 균질화처리하고, 얻어진 빌렛을 460 - 480 ℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열한 후 단면적 감소율이 4 이상이 되도록 압출하는 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 제조방법을 제공하고, 아울러 상기 합금(들) (Ge 첨가 합금 포함)의 압출 환봉을 스크롤형 압축기의 스크롤과 기타 경량화가 요구되는 구동부품의 제조를 위한 열간 단조 성형용 재료로의 이용을 제공한다.

Description

내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si 단련용 합금 및 그의 제조방법과 그 합금의 이용{HYPO-EUTECTIC AL-SI WROUGHT ALLOY HAVING EXCELLENT WEAR-RESISTANCE AND LOW THERMAL EXPANSION COEFFICIENT, ITS PRODUCTION METHOD, AND ITS USE}

본 발명은, Al-Si 합금에 관한 것으로 더욱 상세하게는 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si 단련용 합금 및 그의 제조방법과 그 합금의 이용에 관한 것이다.

최근, 각종 기계부품 특히 구동부품의 경량화에 의한 구동초기의 관성모멘트(moment of inertia) 감소와 변속의 자유화를 통한 에너지 효율의 증가를 위해 종래 철강재료로 제조되어오던 구동 부품을 경량의 알루미늄 합금으로 대체하여 제조하려는 경향이 있다. 그러나 철강 재료를 알루미늄 합금으로 대체함에 있어 가장 문제가 되는 것은 내마모성과 열팽창계수의 차이 (철강재료는 17-19ppm, Al은 23-25ppm/℃임)이다. 즉, 정밀한 칫수로 가공된 철강 제품과 알루미늄 합금 제품이 서로 맞부딛치며 돌아갈 경우 알루미늄 부품의 편마모나, 사용중 온도 상승에 따른 알루미늄 부품 측의 팽창으로 칫수 변화를 초래하여 정밀 가공된 구동 부품에 구동 장애를 초래하게 된다.

따라서, 경량화를 위하여 철강재료 구동 부품을 부득이 알루미늄 합금으로 대체하여 제조할 필요가 있을 경우에는 Al 합금 중 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 과공정 (hyper-eutectic) Al-Si계 주조합금 (cast alloy)을 이용하여 주조품으로 제조하여 사용하는 사례가 있다. 즉, Si을 20% 이상 함유하는 과공정 Al-Si계 주조합금은 철강재료에 접근하는 낮은 열팽창계수 (20-21ppm/℃)를 나타낼 뿐만 아니라 경도가 높고 조대한 초정 Si 결정이 기지에 박혀 있어서 우수한 내마모성을 나타내어 철강재료 대체 합금으로서 사용되는 사례가 있다.

그러나, Si 함량이 12%를 초과하는 과공정 Al-Si 합금에서는 주조시 초정 Si (primary Si) 상이 조대한 괴상 (塊狀)으로 정출 (晶出)하기 때문에, 취성을 띤 이 초정 Si 상으로 인해 재료의 파괴인성이 낮아지는 문제가 있다. 또한 이 합금을 열간 단조와 같은 소성 가공을 할 경우 도 1에 나타낸 바와 같이 괴상 Si이 깨어지거나 기지와의 계면이 분리되어 공공 (void)과 같은 결함을 형성함으로써 재료가 조기 파단 (premature crack)되는 원인이 되며 때로는 계면 분리된 초정 Si이 떨어져 나와 금형을 손상시키거나 사용 중 내마모성이 급격히 악화되고 열팽창계수도 높아지는 등의 문제점이 있다. 따라서, 과공정 Al-Si계 합금은 단조 등 소성가공용 재료 (wrought alloy)로 사용하기 곤란하다. 즉, 과공정 Al-Si계 합금은 주조용 합금으로는 사용이 가능하나 통상적인 방법으로는 단조용 합금으로 사용하기는 곤란하다.

한편, 상기 과공정 Al-Si합금을 단련용 재료로 사용할 수 있도록 하기 위한 방법으로서 (1) CuP 또는 AlP 등의 초정 Si 미세화제 (refining agent)를 주조 직전 용탕에 투여하여 처리하는 방법과, (2) 이 합금을 용해한 후 빠른 냉각속도로 분사하여 급냉 응고 분말을 만들어 초정 Si을 미세화한 후, 이 분말을 압축하여 압분체를 만들고 이 압분체를 열간에 압출하여 빌렛을 만들고 이 빌렛을 단조용 소재로 이용하는 방법이 제안되어 왔다. 그러나, 아직까지 (1) 방법으로는 단련재로 사용할 만큼의 충분한 미세화가 달성되지 않아 실용화되지 못하고 있고, (2) 방법은 제조 코스트가 비싸지고 산화물, 기공 등의 결함 형성으로 품질이 악화되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은, 상술한 과공정 Al-Si 합금의 단점을 극복하여 내마모성과 열팽창계수가 과공정 합금에 견줄만하고 열간 단조, 압출 등의 열간 성형성이 우수한 아공정 Al-Si계 합금과 그의 제조방법 및 상기 합금의 응용을 제공함으로써, 과공정 Al-Si 합금과 같은 목적의 용도에 사용할 수 있도록 하고자 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 과공정 Al-Si 합금의 조대한 초정 실리콘(Si) 결정이 열간 성형 중 깨어지거나 기지와 계면 분리되어 재료내부에 결함을 형성하고 있는 것을 보여준다.

도 2는 본 발명에 따른 아공정 Al-Si 합금이 압출상태에서 공정 실리콘(Si) 상이 약 5㎛ 이내의 작은 크기로 구형에 가까운 형상으로 균일하게 분포되어 있음을 보여준다.

본 발명은, Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량%, Mn: 0.1 - 0.3 중량% 및 Ce: 0.3 - 0.5 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 아공정 Al-Si계 단련용 합금을 제공한다.

여기서, 상기 Si의 일부인 0.3 - 0.5 중량%를 게르마늄(Ge)으로 대체될 수 있다.

또한, 본 발명은, Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량% 및 Mn: 0.1 - 0.3 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 용융 금속을 얻고, 상기 용융 금속에 주조조직 미세화재인 0.02 - 0.03 %의 Al-Ti-B계 화합물과, 공정조직 개량화재인 0.7 - 1.0 %의 희토류계 밋시메탈 (mischmetal; 주성분 Ce 및 La; Ce 50 % 이상의 것)을 첨가하여 용탕을 처리한 후, DC 주조기를 이용하여 빌렛을 주조하고, 얻어진 빌렛을 500 - 520 ℃에서 2 - 5 시간 동안 균질화처리하고, 얻어진 빌렛을 460 - 480 ℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열한 후 단면적 감소율이 4 이상이 되도록 압출하는 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은, 상기 방법에 따라 제조된 합금의 압출환봉을 스크롤형 압축기의 선회스크롤 및 고정스크롤 제조를 위한 열간단조 성형용 재료로 이용하는 방법을 제공한다.

본 발명의 발명자들은, Al 합금에 있어서 Si 상이 내마모성을 향상시키고 열팽창계수를 낮추는데 중요한 인자가 되는 점을 그대로 유지하기 위해 Al-Si계 합금을 기본합금으로 유지하되 소성가공성에 문제가 되는 조대한 초정 Si의 형성을 억제하기 위하여 Si의 함량을 아공정 조성으로 낮추면서, 그 대신, 비록 Si 상의 전체적인 체적율은 과공정 합금보다 적지만 아공정 합금의 공정 Si 상을 잘게 깨뜨려 기지에 고르게 분산시키는 경우, 과공정합금에 상응하는 우수한 내마모성을 갖고, 과공정 합금에 상응하며 통상의 아공정 합금에서는 얻기 어려운 낮은 수준의 열팽창계수를 갖는 Al-Si 합금을 얻을 수 있다는 것을 밝혀냈다.

이하에서, 합금의 조성과 각 합금 원소의 작용 및 제조 공정의 기술적인 내용을 상세하게 설명한다.

본 발명이 주 대상으로 하는 재료는 Si 함량이 평형공정조성인 11.7%보다 낮은 아공정 Al-Si 합금이다. 본 발명에서 Si 함량을 평형공정조성 이하로 제한하는 이유는 Si 함량이 이 공정조성을 초과하면 주조 상태에서 조대한 초정 Si 상이 정출하여 앞에서 이미 지적된 바와 같이 단조합금으로 사용할 수 없기 때문이다. 그러나 이 합금계는 Si 함량이 높아질수록 열팽창계수가 낮아지기 때문에 열팽창계수가 낮은 합금을 만들기 위해서는, 초정 Si상이 형성되지 않는 범위에서, Si 함량을 최대한 높일 필요가 있다.

그러나, 본 발명에 따른 합금은 합금의 강도와 내마모성을 높이기 위하여 소량의 Cu, Mg 및 Mn 등을 강화원소로 첨가하여야 되는데 이 원소들의 첨가는 합금의 평형공정조성을 변화시킬 (낮아질) 수 있기 때문에 안전성을 고려하여 본 발명에서는 Si 함량을 9-11%범위로 제한하였다.

한편, 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 합금의 강도와 내마모성을 향상시키기 위하여 Cu, Mg, Mn 및 Ce 등의 합금원소를 소량씩 첨가하였는데 그 첨가량은 다음과 같이 결정하였다. 즉, Al 중의 Cu의 용해도는 5.65%가 한계이기 때문에 Cu는 5 또는 6%이하까지 첨가할 수 있으나, Cu와 Mg은 모두 합금의 열팽창계수를 높이기 때문에 Cu 첨가량을 1.5 - 2.0% 범위로 제한하였다. 또한, Mg의 첨가량은 평형 석출상 CuMgAl₂를 형성하도록 Cu/Mg의 중량비가 4:1 이하 및 1.5:1 이상이 되도록 0.5 - 1.3% 범위로 하였다. Mn은 합금의 상온연성을 향상시키고 Mn₆Al 등의 분산상 (dispersoids) 형성에 의한 결정립 성장 억제 목적에서 약 0.1 - 0.3 % 첨가하였다. 또한, 상기 합금의 공정조직을 개량하기 위하여 용융금속에 0.7 - 1.0 %의 희토류계 밋시메탈 (mischmetal; 주성분 Ce 및 La; Ce 함량 50% 이상인 것)을 개량화재로 첨가시켜야 되는 바, 이 결과로 0.3 - 0.5 중량%의 Ce이 합금중에 포함되어 이들이 AlCe 또는 AlSiCe 형태의 화합물상을 형성하여 합금의 열팽창계수를 낮추고, 내마모성을 향상시키는 효과를 기대할 수 있다. 이상을 종합하여 본 발명에 따른 제 1 합금 (합금 1)의 기본 조성은 다음과 같이 정하였다.

Al	Si	Cu	Mg	Mn	Ce
나머지	9.0 - 11.0	1.5 - 2.0	0.5 - 1.3	0.1 - 0.3%	0.3 - 0.5

그밖에도 Al 합금에서 흔히 불가피하게 수반되는 불순물 원소로서 Fe, Zn, Ti, Zr, Cr 등이 소량 수반된다.

또한, 본 발명에 따른 제 2 합금 (합금 2)의 조성은 다음과 같이 결정하였다. 즉, 합금 1의 조성과 같은 조성을 갖도록 하되 합금 1의 Si의 일부(0.3-0.5%)를 게르마늄 (Ge)으로 대체하였다. 그 이유는 Ge은 Si과 결정구조가 같고 (diamond cubic), 기지 금속인 Al 중의 고용도가 Si이나 Ge이 모두 0에 가까우면서도 열팽창계수가 Si보다 작기 때문에 (Ge은 5.75ppm/℃, Si은 6.3ppm/℃), 동일한 Si 당량 (Si+Ge함량)에서 더 낮은 열팽창계수를 기대할 수 있기 때문이다. 그러나, Ge은 Si보다 고가이기 때문에 첨가량은 열팽창계수를 낮추는 효과를 나타내는 범위에서 최소량으로 제한하였다.

용해, 개량처리, 주조, 균질화 열처리 및 압출

상술한 조성의 합금으로부터 열간 단조가 가능하고 내마모성이 우수하며 열팽창 계수가 낮은 특징을 갖는 본 발명에 따른 합금을 제조하는 방법은 다음과 같다. 즉, 위 조성의 합금을 용해한 후 등축정의 형성과 주조조직의 입경 미세화를 위해 0.02-0.03%의 Al-Ti-B계 화합물을 첨가하고, 또한 공정조직을 개량하기 위해 희토류계의 밋시메탈(mischmetal)을 0.7 - 1.0 % 첨가한 후, DC 주조기 (Direct Chill Caster)를 이용해 직경 180 - 190 mm (7 - 7.5 inch)의 원형 주괴 (billet)로 주조한다. 이와 같이 제조된 주괴는 주조 편석을 줄이고 후속 압출 공정에서 균열없이 압출할 수 있도록 하기 위하여 500 - 520℃에서 2 - 5 시간 동안 균질화 처리를 행한다. 균질화 처리한 주괴는 460 - 480 ℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열한 후 적절한 직경의 환봉으로 압출한다. 그런데, 이 때 압출비는 매우 중요하다. 왜냐하면 주조상태에서 상호 연결되어 있는 (interconnected) 판상의 공정 Si 상을 깨트려 작은 입상의 Si 상으로 분산시키기 위해서는 적어도 단면적 감소율이 4 이상이 되도록 압출비를 조정하여야 하기 때문이다. 즉, 이 Si상의 분포 상태는 이 합금의 열팽창 계수와 내마모성에 중요한 영향을 미치기 때문이다.

본 발명의 방법에 따라 제조된 Al-Si계 합금을 보여주는 도 2에서 압출상태의 공정 Si 상이 5㎛ 이내의 작은 크기로 구형에 가까운 형상으로 균일하게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.

응용예: 스크롤의 제조

다음으로, 상술한 바와 같이 제조된 본 발명에 따른 합금의 응용으로 스크롤의 제조에 관하여 설명한다.

본 발명의 합금은 경량성, 우수한 내마모성과 함께 낮은 열팽창계수를 가지며 열간 단조 등 소성가공에 의한 성형성이 좋기 때문에 내마모성과 경량성을 필요로 하는 각종 구동부품의 제조에 적합하며 특별히 기존의 철계 부품을 대체하는데 가장 적합한 합금이다. 따라서, 이 특허합금은 그 동안 철강재료로 제조되어온 각종 구동부품을 경량화하는 용도에 다양하게 응용될 수 있으며 여러 가지 용도가 가능하겠으나, 가장 유용하게 사용할 수 있는 대표적인 응용예는 다음의 에어콘 부품이다.

즉, 최근 냉장고나 에어컨에 사용되는 압축기 중에 에너지효율이 높고 소음이 작은 스크롤형 압축기(scroll type compressor)가 있는데 이 압축기에는 냉매 압축을 위해 고정 스크롤(fixed scroll)과 선회 스크롤(orbiting scroll)이 서로 맞물려 돌아가면서 냉매를 압축하여 토출하도록 설계된다.

이들 스크롤들은 주철로 제조될 수도 있으나 선회스크롤은 회전 초기의 관성모멘트를 줄여 에너지 효율을 높이고 회전 속도 변화를 원할하게 하기 위하여 경량의 알루미늄 합금으로 제조하는 것이 바람직하다. 또한 그 상대가 되는 고정스크롤을 주철이나 철강재로 제조할 경우, 선회스크롤의 재료인 알루미늄 합금의 열팽창계수가 고정스크롤의 재료인 철강재의 열팽창계수에 접근하는 것이 바람직하다. 또한 이 스크롤은 그 소용돌이 모양의 형상이 성형하기에 매우 어렵기 때문에 재료의 우수한 성형성이 요구된다. 또한, 선회스크롤은 고정스크롤과 맞물고 돌아가기 때문에 내마모성이 요구된다. 또한, 선회스크롤을 알루미늄 합금으로 제조할 경우 열팽창계수와 내마모성면에서 그 상대가 되는 고정스크롤도 같은 알루미늄 합금으로 제조하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 Al-Si 합금은 상술한 요구 특성들을 고루 갖추고 있어서 선회 스크롤과 고정 스크롤 제조에 응용하는데 매우 적합한 합금이다.

다음으로, 본 발명에 따른 합금을 이용하여 선회스크롤을 제조하는 방법에 대하여 설명한다. 즉, 본 발명에 따른 합금을 DC 주조기로 약 180 - 190 mm (7 - 7.5 inch) 원형 주괴 (billet)로 주조한 다음 500 - 520℃에서 2 -5 시간 동안 균질화 처리를 한 주괴를 460 -480 ℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열한 후 직경 80 - 85 mm의 환봉으로 압출한다. 압출 환봉을 적당한 길이로 절단하여 단조용 소재로 사용한다. 이 절단한 소재를 460 - 500℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열하고 금형을 200 - 250℃로 예열한 후 금형과 소재에 윤활재를 바른 다음 단조 금형에 소재를 장입한 후 유압프레스를 이용하여 1회 열간 단조로 성형을 완료한 후 단조품을 취출함으로써 성형 공정을 끝낸다. 성형을 끝낸 단조품은 가능한 한 공냉 등에 의해 빠른 속도로 냉각시킨 후 적절한 온도에서 시효처리를 하거나 필요에 따라서는 단조품을 용체화 처리 및 시효 처리하는 열처리 공정을 거친 후 최종제품 칫수에 맞게 기계 가공함으로써 제품을 완성시킨다.

본 발명의 제조공정과 특성은 다음 실시예를 통하여 더욱 명확하게 이해될 것이다.

실시예 1

아래 표 2는 Si 함량이 평형 공정 조성보다 약간 낮은 11 %이고 Cu가 2%, Mg이 0.8 %, Mn이 0.2% 첨가된 합금을 전기 저항로에서 용해하고 주조조직 미세화재 TiB₂와 공정조직 미세화재인 밋시메탈 또는 비교목적에서 스트론튬 (Sr)을 첨가한 후 DC 주조기에서 주조한 7 인치 크기의 주괴에서 채취한 주조상태 시편과 이를 520℃에서 4 시간 동안 균질화 처리하고 480℃에서 0.5 시간동안 가열한 후 직경 80mm로 압출한 환봉에서 채취한 시편, 그리고, 이 압출 환봉을 500℃에서 열간 단조한 후 공냉한 스크롤에서 채취한 시편의 30-300℃ 사이의 열팽창 계수를 조사한 것을 나타낸 것이다. 또한, 표 2에는 비교목적에서 참고로 현재 시판되고 있는 실용 에어컨의 스크롤형 압축기에서 분해한 알루미늄제 선회스크롤 현품에서 채취한 시편의 열팽창계수를 측정한 것과 일본의 표준 Al 주조합금 중 Si 함량이 본 발명 합금과 비슷한 AC8B 합금의 열팽창 계수도 함께 나타내었다.

합금의 상태	열팽창계수×10^-6/⁰C30 - 300℃	비고(참고문헌)
실시예	주조상태	24.0	스트론튬 첨가합금
	주조상태	22.6	밋시메탈 첨가합금
	압출상태	21.0
	단조후	21.0
비교예	실용품	22.4
비교예	AC8B	22.3	Al의 조직과 성질, 일본 경금속학회발행(91,11)p.520

위 표 2로부터 주조상태에서 24 ppm이던 열팽창계수가 압출 상태 및 단조 후에 21 ppm으로 감소되어 주조상태에서 보다 압출 상태나 단조 후 열팽창계수가 훨씬 낮은 것을 알 수 있으며 이는 곧 Si이 주조 상태에서와 같이 연결된 상 (interconnected phase)으로 존재하는 것보다 압출 또는 단조를 통해 주조 상태의 큰 Si상을 깨뜨려 미세하게 분산시키는 것이 열팽창계수를 낮추는데 효과를 나타낸 것으로 생각할 수 있다. 이 결과는 또한 다음과 같은 추리를 가능케 한다. 즉, 합금의 열팽창계수는 주조 상태의 판상 Si 상을 밋시메탈 또는 Sr 등의 개량화 처리재를 첨가하여 섬유상의 Si상으로 바꾸어 주는 것만으로는 열팽창계수를 낮추는데 큰 효과가 없고 이 주조상태의 Si 상을 압출 등의 소성 가공을 통해 잘게 깨뜨려 분산시킴으로써 열팽창계수가 낮아지는 효과를 발휘한다는 것을 알 수 있다. 표 2로부터 알 수 있는 또 한가지 특징은 주조상태의 열팽창계수를 볼 때 스트론튬으로 처리한 것보다 밋시메탈로 처리한 합금의 열팽창계수가 더 낮다는 것이다.

실시예 2

아래 표 3은 실시예 1에서와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 따른 합금을 Dow Corning사제 LFW-1 마모측정기를 사용하여 ASTM G977-93방법에 따라 블록 온 링 (Block on ring) 마모시험을 한 결과를 나타낸 것이다. 시험 합금과 상대하는 링 재료는 JIS SCM4에 상응하는 Cr-Mo 강제의 반경 8.8mm 길이 6.35mm의 연마 환봉이고 윤활유는 쌍용 드래곤 API SH급 엔진오일을 사용하였다. 하중과 회전수 시험시간은 표 3에 나타낸 바와 같이 고하중 저속 및 저하중 고속 회전의 두가지 조건으로 구별하여 시험하였으며 비교 목적에서 Si함량이 21%인 과공정 Al-Si 2원계 합금의 내마모 특성을 조사하여 비교하였다. 내마모성은 마모시험을 했을 때의 시험편의 마모된 체적으로 나타내었다. 그러므로 마모된 체적이 적은 경우가 내마모성이 더 우수한 경우에 해당한다.

구분 합금종류 및 상태	마모된 체적 (mm³)	비고
구분 합금종류 및 상태	고하중 저속회전시210kg, 72rpm, 1시간	비고	저하중 고속회전시135kg, 197rpm, 2시간
실시예	주조상태	0.7785	1.9589	스트론튬 첨가합금
	주조상태		0.6727	밋시메탈 첨가합금
	압출후	2.5024	1.5630
비교예21%Si과공정합금	주조상태	0.7627	1.5757

표 3으로부터 주조상태를 비교할 때 고하중 저속회전시에는 과공정 Al-Si합금의 내마모성이 본 발명에 따른 합금보다 우수하지만 저하중 고속회전시에는 본 발명에 따른 압출 합금이 과공정 Al-Si 주조 합금보다 내마모성이 더 우수하다는 것을 알 수 있다. 이 결과는 매우 중요한 의미를 갖는다. 왜냐하면, 이 합금이 사용될 많은 구동부품 특히 스크롤형 압축기의 선회스크롤은 저하중에서 고속으로 회전되는 조건에서 사용되기 때문에 저하중 고속회전시의 내마모 특성이 더 중요한 의미를 갖기 때문이다. 또한, 표 3으로부터 주조상태에서 밋시메탈 처리한 합금의 내마모성이 스트론튬 처리한 합금보다 월등하게 우수함을 알 수 있으며, 저하중 고속 회전시의 내마모성은 압출 후가 주조상태보다 우수할 뿐만 아니라 과공정 합금의 주조상태보다 우수함을 알 수 있다. 표 2와 표 3을 종합할 때 본 발명이 처음으로 시도한 밋시메탈 처리가 내마모성 뿐만 아니라 열팽창계수면에서도 스트론튬으로 처리한 것 보다 훨씬 우수하다는 것을 알 수 있다.

본 발명으로 제조된 합금은 그동안 Si 함량이 낮은 아공정합금으로는 기대하지 못했던 낮은 수준의 열팽창계수(21ppm/℃:보통은 23-24ppm/℃)를 갖을 뿐만 아니라 저하중 고속회전 조건에서는 과공정 Al-Si합금보다 우수한 내마모성을 갖으면서도 과공정 Al-Si합금으로는 불가능한 소성가공성을 갖추어서 그동안 철강재료로 사용되어온 구동부품을 경량의 Al 합금으로 대체할 수 있게 되었다.

Claims

Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량%, Mn: 0.1 - 0.3 중량% 및 Ce: 0.3 - 0.5 중량%를 포함하고,

각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si계 단련용 합금.
제 1 항에 있어서, 상기 Si의 일부인 0.3 - 0.5 중량%를 게르마늄(Ge)으로 대체한 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si계 단련용 합금.
Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량% 및 Mn: 0.1 - 0.3 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 용융 금속을 얻고, 상기 용융 금속에 주조조직 미세화재인 0.02 - 0.03%의 Al-Ti-B계 화합물과, 공정조직 개량화재인 0.7 - 1.0%의 희토류계 밋시메탈 (mischmetal; 주성분 Ce이 50% 이상인 것)을 첨가하여 용탕을 처리한 후, DC 주조기를 이용하여 빌렛을 주조하고, 얻어진 빌렛을 500 - 520 ℃에서 2 - 5 시간 동안 균질화처리하고, 얻어진 빌렛을 460 - 480 ℃에서 0.5 - 2 시간 동안 가열한 후 단면적 감소율이 4 이상이 되도록 압출하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 제조방법.
제 3 항에 있어서, 상기 Si의 일부인 0.3 - 0.5 중량%를 게르마늄(Ge)으로 대체한 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수하고 열팽창계수가 낮은 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 제조방법.
Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량%, Mn: 0.1 - 0.3 중량% 및 Ce: 0.3 - 0.5 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 선택적으로 상기 Si의 일부인 0.3 - 0.5 중량%를 게르마늄(Ge)으로 대체하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 압출환봉을 열간단조 성형용 재료로 사용한 스크롤형 압축기의 선회스크롤 및 고정스크롤.
Si: 9.0 - 11.0 중량%, Cu: 1.5 - 2.0 중량%, Mg: 0.5 - 1.3 중량%, Mn: 0.1 - 0.3 중량% 및 Ce: 0.3 - 0.5 중량%를 포함하고, 각각 0.3 중량% 이하의 Zn 및 Fe와, 0.2 중량% 이하의 Cr, Zr 및 Ti 등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하고, 선택적으로 상기 Si의 일부인 0.3 - 0.5 중량%를 게르마늄(Ge)으로 대체하고, 그 나머지가 알루미늄으로 구성되는 아공정 Al-Si계 단련용 합금의 압출환봉을 열간단조 성형용 재료로 사용한 구동부품.