KR100323300B1

KR100323300B1 - 은 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100323300B1
Application number: KR1019990042686A
Authority: KR
Inventors: 김경현; 이태호
Original assignee: 황해웅; 한국기계연구원
Priority date: 1999-10-04
Filing date: 1999-10-04
Publication date: 2002-02-06
Also published as: KR20010035907A

Abstract

본 발명은 고가의 Ag를 함유한 고강도 알루미늄 주조합금인 201 합금을 대체할 수 있는 Ag 무함유 주조용 고강도 알루미늄 합금 개발을 목적으로 기존의 주조용 합금의 단점인 낮은 연신율을 열처리 및 합금원소 조절에 의해 인장강도는 430MPa의 고강도를 유지하면서 연신율은 10%로 기존 합금 보다 2배 정도 향상시킨 고강도·고연성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 내용으로 한다.

본 발명의 고강도 주조용 알루미늄 합금은 기지 알루미늄에 중량%로, Cu:4.5∼5.0%, Mn:0.3∼0.7%,Ti:0.15∼0.45%, Zr:0.01∼0.05%을 기본조성으로 하며, 시효경화성 및 연신율 향상을 위해 Cd를 0.08∼0.2% 함유한 합금이다.

합금 제조는 상기 조성의 알루미늄 합금 용탕을 개재물 제어 및 탈가스 처리를 위하여 버블링처리하고, 이후 730∼760℃로 유지되는 용탕을 250℃로 예열한 주형에 주입하여 알루미늄 합금 주괴로 주조하며, 주조시 발생된 내부 편석과 응력을 제거하기 위하여 각각의 주괴를 535∼545℃에서 9∼14 시간 동안 용체화처리하고, 수냉한 다음에 170℃에서 시효처리를 실시하여 제조된다.

본 발명에 의해 제조된 은(Ag) 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금은 고가의 Ag을 저렴한 가격의 Cd, Ti, Zr 원소로 대체개발하여 인장강도는 430MPa를 유지하면서도 주조품의 단점인 연신율은 10%로 2배 정도 향상시킨 우수한 기계적 특성을 가진다.

Description

은 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법{ALLUMINIUM CAST ALLOY HAVING NO AG FOR HIGH STRENGTH AND LOW COST AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고강도용 알루미늄 주조합금에 관한 것으로, 특히 기존의 고강도 알루미늄 주조합금인 고가의 Ag를 함유한 201 합금을 대체할 수 있도록 가격이 저렴하면서 강도와 연성 등의 기계적 특성이 우수한 Ag 무함유 고강도용 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

현재, 고강도 알루미늄 주조합금은 항공기, 특수 방산, 자동차 및 기타 산업용 부품으로 크게 각광받고 있으며, 우주 항공기용 부품으로 하우징, 실린더 헤드 및 피스톤, 터빈 임펠러, 미사일 핀(fin), 랜딩기어 하우징, 냉각팬 등 다양한 부품의 제조에 사용되며, 그 사용 범위도 계속 증가추세에 있다.

그러나 기존의 고강도 알루미늄 주조합금인 201 합금은 고가의 Ag을 0.5∼1.0% 정도 함유하므로 생산단가가 현저히 높아 아직은 특수 방위산업에만 사용이 국한되어 있는 실정이므로 고가의 Ag을 대체할 수 있는 원소의 개발이 절실히 요구되고 있다.

이러한 면에서, 러시아에서는 중량%로서 Cu:4.8%, Mn:0.7%, Si:0.15%, Ti:0.25%, Cd:0.30% 함유하고 잔여량은 Al으로 이루어진 VAL계 알루미늄 주조합금이 개발되었으며, 이 알루미늄 주조합금은 Cd이 0.30%로서 상대적으로 높은 함유율로 포함되어 있어 환경에 유해할 수 있으며, 기계적 특성면에서도 연성(약 5% 정도)이 낮아 가공성이 저하되어 제품 회수율 및 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 종래의 고강도용 알루미늄 합금인 201합금에 첨가된 고가의 Ag를 가격이 저렴한 Cd로 대체하여 제품의 제조단가를 절반으로 크게 절감시킴과 동시에 환경에 유해한 성분인 Cd성분을 종래의 알루미늄 주조합금의 Cd성분보다 적게 첨가하고, 기타 합금원소를 첨가하여 주조용 알루미늄 합금의 단점인 연성을 2배 정도 향상시켜 종래의 단조품 및 주조품을 대체할 수 있는 회수율 및 경제성이 우수한 알루미늄-구리-망간-티타늄-카드뮴계의 Ag 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 170℃에서 시효처리한 경우 Cd 첨가량을 변화시킴에 따라 경도가 변화하는 것을 나타내는 그래프도,

도 2는 Cd 첨가에 따른 기계적 특성의 변화를 나타내는 그래프도,

도 3은 Cd를 첨가하지 않은 시험편과 0.15중량% Cd를 첨가한 발명예의 170℃에서 각각 최대경도를 나타낸 시효조건에서의 투과전자현미경 조직사진,

도 4는 170℃에서 33시간 동안 과시효처리시 얻어진 조직을 투과전자현미경을 사용하여 관찰한 결과를 비교하여 나타낸 조직사진이다.

상기 목적을 위하여 본 발명에서는 기지인 알루미늄(Al)에 중량%로, Cu:4.5∼5.0%, Mn:0.3∼0.7%,Ti:0.15∼0.45%, Zr:0.01∼0.05%, Cd:0.08∼0.2%를 함유한 알루미늄 주조합금을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 상기 조성의 알루미늄 합금 용탕을 얻은후, 주조시 발생되는 비금속 개재물 제어 및 탈가스 처리를 위해 버블링처리하며, 이후 730∼760℃로 유지되는 용탕을 250℃로 예열한 주형에 주입하여 알루미늄 합금 주괴로 주조하고, 주조시 발생된 내부 편석과 응력을 제거하기 위하여 각각의 주괴를 535∼545℃에서 9∼14 시간 동안 용체화처리하고, 수냉한 다음에 170℃에서 시효처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 Ag 무함유 저가의 고강도 알루미늄 주조합금의 제조방법을 제공한다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 기존의 201 알루미늄 주조합금을 대체한 Ag 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금을 개발하기 위하여 Al-Cu-Mn-Ti계 합금에 저가의 Cd를 첨가하여 제조단가를 절반 정도로 낮추었으며, 또한 Cd 첨가에 의한 시효경화 현상을 이용하여 인장강도 430 MPa의 고강도와 동시에 연신율 10% 정도의 우수한 연성을 가지는 고강도용 알루미늄 주조합금을 제공하고 있다.

본 발명의 알루미늄 주조합금은,중량%로, Cu:4.5∼5.0%, Mn:0.3∼0.7%,Ti:

0.15∼0.45%, Zr:0.01∼0.05%, Cd:0.08∼0.2%를 함유하고 잔여량은 알루미늄(Al) 원소로 이루어지는데, 각각의 성분의 작용 및 조성 범위 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

(1) Cu : 4.5∼5.0 중량%구리(Cu)는 본 발명의 합금조성에서 강도상승에 가장 큰 기여를 하는 합금원소이다. Cu의 함량이 4.5 중량%보다 낮으면 강도상승의 기여를 기대하기 어려우며, 5.0 중량%보다 높으면 이론적으로는 가도가 상승하지만 합금 주조시 주조결함의 발생으로 인하여 기계적 특성이 저하된다.(2) Mn : 0.3∼0.7 중량%알루미늄 합금 중에 Fe 불순물이 존재하면 침상 형태의 Al₃Fe 화합물이 형성되며, 이것은 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치므로 Mn을 첨가하여 상기 침상의 화합물(Al₃Fe)을 구상 형태로 만들어 기계적 성질을 향상시킨다. Mn을 0.3 중량% 미만으로 첨가될 경우 그 효과는 미미하며, 0.7 중량% 이상 과다 첨가될 경우 입계에 Al₁₂Mn₂Cu와 같은 화합물이 형성되어 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치며, Mn을 0.5 중량% 이하로 첨가시는 Al₁₂Mn₂Cu화합물의 형성이 기계적 성질에 미치는 악영향은 없다. 또한, Mn은 Al합금에 불순물로서 포함되는 Fe성분을 제어하는 원소로서, 이상적으로 알루미늄 합금에 Fe 불순물이 전혀 없을 경우에는 Mn의 허용량이 0.5 중량%이지만, Fe가 존재하는 경우(통상의 알루미늄합금의 경우 약 0.1 중량%의 Fe가 존재) Mn이 Fe와 반응하여 알루미늄합금에 고용될 수 있는 Mn의 함량이 줄어들기 때문에 이를 고려하여 Mn의 고용한을 0.7 중량%로 한정하였다.

(3) Ti : 0.15∼0.45 중량%티타늄(Ti)은 주조용 알루미늄 합금에서 응고시 생성되는 초정 알루미늄의 결정립을 미세화시키고 재결정을 억제하도록 작용하는데, Ti 첨가시 TiAl₃와 같은 금속간 화합물을 형성하여 응고시 초정 알루미늄의 불균일 핵생성 위치로 작용하므로 결정립을 미세화시켜 강도 및 연성을 증가시킨다. 그러나 0.45 중량% 이상 과다 첨가하는 경우 입계편석에 의한 개재물 형성에 의해 알루미늄 합금의 기계적 특성, 특히 연성에 나쁜 영향을 미치며, 0.15 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 입자 미세화 효과가 극히 미약하기 때문에 하한선으로 한정하였다.(4) Zr : 0.01∼0.05 중량%지르코늄(Zr)은 주조용 알루미늄 합금에서 응고시 생성되는 초정 알루미늄의 결정립을 미세화시키고 재결정을 억제하도록 작용하는데, Zr 첨가시 ZrAl₃와 같은 금속간화합물을 형성하여 응고시 초정 알루미늄의 불균일 핵생성 위치로 작용하므로 결정립을 미세화시켜 강도 및 연성을 증가시킨다. 그러나 과다 첨가하는 경우 입계편석에 의한 개재물 형성에 의해 알루미늄 합금의 기계적 특성, 특히 연성에 나쁜 영향을 미치며, 0.01 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 입자 미세화 효과가 극히 미약하기 때문에 하한선으로 한정하였다.

(5) Cd : 0.08∼0.2 중량%카드늄(Cd)은 기존의 고강도 알루미늄 합금에서 고가의 Ag 대신에 보다 경제성이 우수하고 주조용 합금에서 얻을 수 없었던 우수한 연신율을 지니는 알루미늄 합금을 개발하기 위하여 첨가되는 것으로, 알루미늄 합금에서 강화상(θ')의 석출을 촉진시키며 조대화를 지연시키기 때문에 기계적 특성을 크게 향상시키고 있다. 실제로 Cd 함량에 따른 인장시험을 수행한 결과 첨가량이 0.08 중량% 미만으로 첨가될 경우 그 첨가효과가 극히 미약하기 때문에 그 이상으로 첨가하였으며, 0.2 중량%까지 증가할수록 강도값은 증가하였다. 반면 0.3% 이상 첨가시는 오히려 강도값은 감소하였으며, 연신율의 경우 0.15 중량% 첨가시까지 약 12%로 유지되었으나 그 이상 첨가시는 감소하였으므로 연신율 및 강도를 동시에 고려시 적정 Cd 첨가량은 0.08∼0.2 중량%인 것을 알게 되었다. 이러한 연구 결과는 Al 내에 Cd의 고용한(限)이 용체화 처리 온도인 543℃에서 약 0.17% 전후라는 보고와 일치하며, 0.2% 이상 첨가시 Cd이 알루미늄 내에 고용되지 못하고 미세편석되어 기계적 성질이 감소하는 것으로 판단된다.

이와 같이, 본 발명의 알루미늄 주조합금은 Al-Cu 합금에 초정 알루미늄의 미세화제로 Ti과 Zr을 각각 첨가하고, 알루미늄 합금의 비금속 개재물을 제어하기 위하여 Mn을 첨가하였으며, 특히, 시효경화성(Age Hardenability)을 향상시키기 위하여 고가의 Ag 대신에 가격이 100분의 1에 지나지 않는 Cd를 첨가하여 초저가의 합금을 제조하였다.

다음에 본 발명의 알루미늄 주조합금의 제조방법을 설명한다.

본 발명에서는 알루미늄 주조합금을 제조하기 위하여 전기로에서 순수 알루미늄(Al)에 Al-Cu, Al-Mn, Al-Ti, Al-Zr 및 Al-Cd 모합금을 첨가하여 용해시키며, 개재물을 제어하고 탈가스 처리를 위하여 제조된 알루미늄 합금용탕에 약 10 분 동안 Ar가스를 취입하면서 버블링(Bubbling)처리하였으며, 드로스(Dross)를 제거후 주형(Mold)에 주입하여 주조하였다.

주형은 용탕을 주입하기 앞서 약 250℃로 예열하였으며, 주입시 용탕 온도는 약 730∼760℃로 유지하였다. 주형을 상기와 같이 예열하고 주입시 용탕 온도를 상기 범위로 유지하는 것은 합금 주조시 응고 균열이나 수축공 등의 결함을 제어하고 적당한 냉각 속도에 따른 결정립 미세화 효과를 얻기 위해서이다. 실제로 주형의 예열 온도를 변화시키고 용탕 주입 온도를 변화시켜 실험을 수행한 결과 주형의 예열 온도가 너무 높으면 응고후 결정립이 매우 조대하며, 반면 예열 온도가 너무 낮으면 균열과 주조 결함이 많이 관찰되었음을 확인하였다.

상기 과정을 통해 알루미늄 주괴를 주조후, 주조시 발생된 내부 편석과 응력을 제거하기 위하여 각각의 주괴를 535∼545℃에서 9∼14 시간 동안 용체화처리하는데, 이러한 용체화처리 온도 및 시간은 기존의 알려진 Al-Cu계 합금에 대한 기초 자료를 바탕으로 많은 연구를 수행한 결과 얻어진 결론이며, 상기 온도 범위 및 시간에서 용체화처리시 기지 조직이 균일하고 각종 개재물의 제어에 효과적이었다.

용체화처리된 시편을 170℃에서 시효처리를 실시하는데, 이는 150∼200℃ 범위의 온도에서 많은 기초 실험을 수행한 결과 시효경도가 가장 높고 최대 경도에 도달하는 시간이 짧은 온도가 170℃로 규명되었으며, 이는 이온도에서 강화상인θ' 상의 석출이 가장 활발하게 발생하기 때문이다.

이하에서는 실시예와 관련하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실시예

기존의 Ag을 함유한 201 알루미늄 주조합금은 고가이므로 Ag 원소를 배제하고 타원소 첨가량을 변화시키면서 Cd를 첨가하여 본 발명의 알루미늄 주조합금을 제조하였다(발명예1,2). 얻어진 알루미늄 주조합금 시편(발명예1)은 각각 중량%로, Cu:5.0%, Mn:0.7%, Ti:0.45%, Zr:0.05%, Cd:0.1%를 함유하고 잔여량은 알루미늄(Al)원소로 제조된 합금이고, 발명예2는 Cu:5.0%, Mn:0.7%, Ti:0.45%, Zr:0.05%, Cd:0.2%를 함유하고 잔여량은 알루미늄 원소로 이루어지는 합금조성이다. 비교예는 Cd 성분을 0.3 중량% 함유하는 외에는 상기 발명예1,2와 동일한 조성이고, 종래 기존 합금예에서는 고가의 Ag원소와 Mg원소가 첨가되며 또한 Cd, Zr 원소를 함유하지 않은 조성이다.

상기와 같은 조성의 발명예와 종래예 및 비교예의 시편들은 본 발명의 알루미늄 주조합금의 제조방법에 따라 상기 조성의 알루미늄 합금 용탕을 얻은후, Ar 가스를 주입하면서 버블링처리한 다음 드로스를 제거하고 760℃로 유지되는 용탕을 약 250℃로 예열한 주형에 주입하여 알루미늄 합금 주괴로 주조하였다. 이어서 각각의 주괴를 545℃에서 10 시간 동안 용체화처리하고, 수냉한 다음에 170℃에서 시효처리를 실시하여 제조하였다. 얻어진 각각의 시편에 대한 경도 및 강도와 연신율을 측정한 결과를 도 1 내지 도 2에 나타내고 있으며, 도 3 및 도 4에서는 얻어진 시편의 조직사진을 나타내고 있다.

도 1은 170℃에서 시효처리한 경우 Cd 첨가량을 변화시킴에 따라 경도가 변화하는 것을 나타내고 있는데, Cd를 첨가하지 않은 종래예의 경우 약 15시간 전후 시효처리시 최대 경도가 나타났으며 최대경도값은 139Hv이었다. 그러나 Cd를 첨가한 발명예1,2 및 비교예의 경우 약 3시간 전후 시효처리시 최대경도가 얻어지며, 최대경도값은 160∼170Hv로 Cd를 첨가하지 않은 종래예에 비해 20∼30Hv 정도 높게 나타났다.

도 2는 최대경도 열처리 조건으로 시효처리시 Cd 첨가에 따른 상온 인장특성을 나타내고 있는데, Cd 첨가량이 0.2%까지 증가할수록 강도값은 증가하였으며 Cd를 첨가하지 않은 종래예의 인장강도가 390MPa인 반면에, 0.2% Cd를 첨가한 발명예2의 경우는 440MPa의 인장강도를 나타내므로 50MPa 정도의 강도값 증가를 나타내었다. 그러나 0.3%Cd를 첨가한 비교예의 경우는 오히려 강도값이 감소하였다. 또한, 연신율은 0.15%Cd를 첨가할 때까지 약 12%로 유지되었으나 그 이상 첨가시 급격히 감소하였으므로 연신율 및 강도를 동시에 고려시 적정 Cd 첨가량은 0.15%인 것으로 판단된다.

그리고 도 3은 Cd를 첨가하지 않은 합금과 0.15% Cd를 첨가한 합금의 170℃에서 각각 최대경도를 나타내는 시효조건에서 미세조직을 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다. Cd를 첨가하지 않은 시편(a∼c)의 경우, 최대경도를 나타낸 시효조건에서 대부분의 석출물이 G.P.(2) zone(θ')으로 확인되었으나 Cd가 첨가된 시편(d∼f)의 경우, Cd를 첨가하지 않은 시편에서 관찰되지 않는 다른 형태의 반점과 줄무늬가 관찰되는데, 이는 조직사진(f)의 제한시야회절상을 분석한 결과, 일반적인Al-Cu 합금에서 주 강화상으로 알려진 θ'(CuAl₂)상으로 확인되었다. 따라서, Cd를 첨가할 경우 주강화상인 θ'(CuAl₂)상의 석출을 촉진하며, 석출물의 밀도를 높이고, 균일하게 분포시킴을 관찰할 수 있었다. 이러한 미세조직의 변화는 도 1에서와 같이, 합금의 경도를 높이고 최대경도가 나타나는 시효시간을 단축시키는 효과가 현저함을 확인하였다.

한편, 도 4는 170℃에서 33시간 동안 과시효처리시 얻어진 조직을 투과전자현미경을 사용하여 관찰한 결과를 비교하여 나타낸 조직사진으로 좌측 사진은 명시야상(bright field image)이고 우측 사진은 암시야상(dark field image)인데, Cd를 첨가하지 않은 시험편예(a)의 경우 석출물의 조대화가 상당히 발생하였으나 Cd를 첨가한 발명예(b,c)의 경우는 석출물의 조대화가 일어나지 않아 강도를 그대로 유지하고 있음을 관찰하였다.

이와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 알루미늄 주조합금은 고강도 알루미늄 합금에 사용되는 고가의 Ag을 가격이 저렴한 Cd로 대체함으로써 제조단가를 기존의 201합금의 1/2 가격으로 절감할 수 있으며(Ag: 400,000원/, Cd: 4,000/), 소재가격이 절반 정도로 저렴함에 불구하고 인장강도는 430MPa급으로 유사하고, 주조제품의 단점인 연신율은 10% 정도로 기존 소재 보다 약 2배 정도 크게 향상되었다.

그리고, 주조 공정에서의 제품 회수율은 60∼80%로서, 단조 공정의 20∼30% 보다 3배 정도 높아서 제조단가를 크게 낮추는 동시에 복잡 형상의 부품도 제조할수 있으며, 생산 공정을 단축할 수 있어서 생산성 향상이 크게 기대된다.

따라서, 지금까지 알루미늄합금을 단조공정을 거쳐 제조했던 함정용 기어박스, 전차용 허브, 105㎜대전차용 연습탄용 스파이크, 조명탄용 콘테일(Contail), 자주포의 파이날 구동 하우징(Final Drive Housing) 및 케이싱 부품, 선박용 기어케이스 등 특수 방산 부품을 주조에 의하여 제조할 수 있어서 제조단가를 크게 저하시킬 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존의 철강재에 의해 제조하던 특수방산 및 자동차 부품을 알루미늄 주조합금 부품으로 대체가능하므로 경량화에 의한 연비 향상 및 기동성 향상에 크게 기대된다.

Claims

중량%로, Cu:4.5∼5.0%, Mn:0.3∼0.7%, Ti:0.15∼0.45%, Zr:0.01∼0.05%, Cd:0.08∼0.2%를 함유하고 잔여량은 알루미늄(Al) 원소로 이루어진 Ag 무함유 저가의 고강도용 알루미늄 주조합금.
중량%로, Cu:4.5∼5.0%, Mn:0.3∼0.7%, Ti:0.15∼0.45%, Zr:0.01∼0.05%, Cd:0.08∼0.2%를 함유하고 잔여량은 알루미늄(Al) 원소로 이루어진 알루미늄 합금 용탕을 얻은후, 개재물 제어 및 탈가스 처리를 위하여 버블링처리하며, 이후 730∼760℃로 유지되는 용탕을 250℃로 예열한 주형에 주입하여 알루미늄 합금 주괴로 주조하며, 또한 주조시 발생된 내부 편석과 응력을 제거하기 위하여 각각의 주괴를 535∼545℃에서 9∼14 시간 동안 용체화처리하고, 수냉한 다음에 170℃에서 시효처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 Ag 무함유 저가의 고강도 알루미늄 주조합금의 제조방법.
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