KR100353415B1

KR100353415B1 - 자동차 추진축용 알루미늄-규소 합금의 제조방법

Info

Publication number: KR100353415B1
Application number: KR1020000004730A
Authority: KR
Inventors: 신돈수; 김병조; 김봉길; 석현광; 이재철; 이호인
Original assignee: (주) 두레에어메탈; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2000-01-31
Publication date: 2002-09-18
Also published as: US6223415B1; KR20010077145A

Abstract

본 발명은 자동차 추진축 재료로 사용할 수 있는 Al-Si계 합금의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, Al- 13~40중량%Si 합금을 가열, 용융하여 용탕을 준비하는 단계, 상기 용탕을 700~1000℃로 유지한 후 불활성의 고압가스로 분무, 10³~10⁵K/sec로 급속 응고시켜 성형체를 얻는 단계, 및 상기 분무 성형체를 400~550℃ 온도에서 압출하여 압출재를 얻는 단계를 포함하는 자동차 추진축용 Al-Si 합금의 제조방법이 제공된다.

이러한 본 발명에 따른 Al-Si계 합금은 지금까지 상용화되고 있는 금속기 복합재료등의 물리적 특성에 필적할만한 결과를 나타내어 향후 종래의 재료를 대체할 수 있는 새로운 합금조성으로 각광을 받을 수 있을 것이다.

Description

자동차 추진축용 알루미늄-규소 합금의 제조방법{Process for Making Al-Si Alloys for Vehicle Propeller Shaft}

본 발명은 자동차의 추진축(propeller shaft)으로 사용 가능한 Al-Si합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분무성형법에 의해 다량으로 첨가되는 Si이 Al기지조직내에 미세하게 분포되도록 함으로써 강도와 영률(young modulus)이 우수하고 가공성이 향상되어 자동차의 추진축재료로 사용할 수 있는 Al-Si합금의 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 추진축은 자동차의 변속기와 구동축사이에 설치되어 동력을 전달하는 기계부품으로 그 용도에 따라 다양한 형태로 제조되고 있다.

차량의 운전시 추진축의 회전속도가 일정한 값에 도달하면 소음 및 추진축의파괴가 초래되는데, 이는 추진축의 진동과 축의 고유 진동 사이의 공명에 의한 것이다. 즉, 추진축은 기관의 회전 토오크에 의해 회전하므로 비틀림 진동이 발생하며, 동시에 축의 중심이 회전축과 일치하지 않을 때 원심력에 의한 축의 굽힘으로 굽힘 진동이 생긴다. 추진축의 회전에 의해 발생하는 이들 진동이 추진축의 고유진동과 공명할 때, 축은 소음과 파괴현상을 수반하는데, 이 때의 추진축의 회전속도를 위험회전속도(Nc)라고 하며, 위험회전속도(Nc)는 다음과 같은 식으로 표현된다.

여기서, E: 축재료의 영률(㎏/㎟), τ: 비중량(㎏/㎣), ℓ : 축길이(㎜), A: 단면적(㎟), I : 단면 2차 모멘트(㎜⁴), g : 중력 가속도 9800㎜/s², A : 재료의 단면적,d ₀ : 추진축의 외경,d _i : 추진축의 내경을 각각 나타낸다.

식(1)과 식(2)에서 위험회전속도(Nc)는 추진축의 길이(ℓ), 비영률(E/τ), 그리고 축의 내경 및 외경의 함수로 나타낼 수 있다.

따라서, 축의 내경과 외경은 주로 재료의 강도에 의해 결정되므로 상기 식으로부터 자동차의 추진축은 높은 비영률(specific modulus)과 기계적 강도가 요구된다고 할 수 있다. 강도가 높은 재료를 사용하게 되면 추진축 재료의 직경과 두께를 감소시켜 차량의 경량화가 가능하며 차량의 설계가 용이한 이점이 있다.

종래 추진축으로 사용되고 있는 재료의 종류와 물성을 나타낸 표 1에서 보는 바와 같이, S45C 강, 6061 알루미늄 합금, 그리고 알루미늄기지 복합재(Duralcan 소재)의 비영률은 각각 2.73, 2.65, 3.38(x10⁹㎜)이다. 그리고 현재 많이 생산되는 S45C 강, 6061 알루미늄 합금, 그리고 알루미늄기지 복합재(Duralcan 소재)로 제조된 추진축의 사양(직경(ψ) × 두께(t))은 각각 ψ80㎜×t2㎜, ψ120㎜×t2㎜, ψ90㎜×t2㎜이며, 길이는 1264㎜이다. 추진축의 길이를 1264㎜로 고정할 때, 식(1)과 식(2)에 의해 계산된 추진축의 지름 및 두께, 그리고 비영률에 따른 위험회전속도값의 변화를 계산해 보면, 대략 8500~12500rpm의 값을 나타낸다.

금속학적으로 볼 때 Al기지조직에 예를들어 실리콘, 알루미나 또는 탄화규소 등과 같은 영률이 높은 입자가 첨가될 경우 재료의 영률이 높아지며, 기지조직내에 분포하는 입자의 크기가 미세할 수록 기계적 강도가 증가한다.

그러나, Al-Si계 합금은 상태도상에서도 알 수 있는 바와같이, Al기지조직에 다량의 Si이 첨가될 경우, 즉 과공정 Al-Si계 합금을 제조할 때에는 일반주조법(casting process)에 의할 경우에는 응고시 초정의 Si입자가 조대하게 정출되어 재료의 가공성이 극히 불량하여 자동차의 추진축 재료로 사용하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 발명자들은 Al기지조직내에 다량의 Si입자를 미세하게 분산시킬 수 있는 방법에 관하여 예의연구를 한 결과, 질소 등의 불활성 고압가스에 의해 분무된 액적(droplet)들이 완전히 응고되지 않은 상태로 비행하다가 기판에 도달하여 응고완료되어 성형체를 이루는 이른바 분무성형법에 의해 용융금속을 10³~10⁵K/sec 정도의 냉각속도로 급속응고시킴으로써 Al기지내에 다량의 Si이 미세하게 분산된 금속조직을 얻을 수 있다는 사실을 발견하여 본 발명을 완성하게 되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 과공정조성으로 다량으로 첨가되는 Si이 Al기지조직내에 미세하게 분산되도록 함으로써 자동차 추진축의 재료로 사용될 수 있을 정도로 기계적 강도와 영률이 우수하고 가공성이 향상된 Al-Si합금의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 제조된 Al-25중량%Si 합금의 광학현미경 미세조직 사진,

도 2는 종래의 일반주조법으로 제조된 Al-17중량%Si 합금의 광학현미경 미세조직 사진이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, Al- 13~40중량% Si합금을 가열, 용융하여 용탕을 준비하는 단계, 상기 용탕을 700~1000℃로 유지한 후 불활성의 고압가스로 분무, 10³~10⁵K/sec로 급속응고시켜 성형체를 얻는 단계 및 상기 분무성형체를 400~550℃의 온도에서 압출하는 단계를 포함하는 자동차 추진축용 Al-Si합금의 제조방법이 제공된다.

본 발명에서 Al에 첨가되는 Si의 함량은 13~40중량%, 바람직하기로는 22~28중량%가 적당한데, Si의 함량이 13중량% 미만이면 충분한 영률의 상승을 기대하기 어렵고, 40중량%를 초과할 경우에는 Si입자의 조대화가 급속히 진행되어 바람직스럽지 못하다.

또한, 본 발명에 의한 Al합금용탕의 분무온도는 Si의 첨가량에 따라 700~1000℃ 정도에서 수행하는데 전체용탕이 균일한 온도가 될 때까지 수 분정도 유지한 다음 분무한다.

분무성형체를 압출할 때의 압출온도는 Si함량에 따라 400~550℃가 적당한데 압출온도가 400℃ 미만일 경우에는 온도가 너무낮아 압출작업이 곤란하며, 550℃를 초과하면 압출도중에 열간균열이 발생하여 양호한 압출재를 얻는 것이 곤란하다.

한편, 본 발명에서는 Si이외에 합금원소로서 Mg, Cu등을 첨가할 수 있는데, 이들 원소를 첨가하게 되면 급속응고에 따라 과잉으로 고용된 이들 첨가원소들이 미세한 석출물의 형태로 Al기지조직내에 분포하게 됨으로써 석출경화에 의한 합금의 강도증가의 이점을 얻을 수 있다. 이들 합금원소의 첨가량은 전체 합금조성물 중량의 약5%이하로 첨가되는 것이 바람직한데 5중량%를 초과할 경우에는 석출물의 조대화로 인하여 강도증가에 한계가 있다.

(실시예)

이하에서는, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

Al에 Si를 각각 13중량%, 25중량% 및 40중량%로 첨가하여 유도로에 장입하여 Al-Si합금의 액상선보다 충분히 높은 온도로 가열 유지하여 균일한 조성의 Al-Si합금용탕을 제조한 다음, Si함량에 따라 턴디쉬에서의 용탕을 700~1000℃에서 약 2분정도 유지한 다음, 초기분무속도 200m/sec, 기판하강속도 0.8㎜/sec, 분무각도 30°에서 분무거리를 250~450㎜로 변화시켜 가면서 분무성형하여 지름 250~300㎜, 높이 500~1200㎜의 봉상의 성형체를 얻었으며, 이렇게 제조된 Al-Si합금의 성형체의 광학현미경 미세조직 사진을 종래의 일반주조법으로 제조한 Al-Si합금과 비교하여 도1 및 도2에 각각 도시하였다.

한편, 위에서 얻은 봉상의 성형체를 외경 230㎜, 높이 500㎜로 가공한 후 외경 97㎜, 내경 77㎜ 및 외경 130㎜, 내경 124㎜을 갖는 압출다이 및 만드렐을 이용하여 2200톤의 압출기에서 압출온도 400~550℃의 조건으로 관상압출하여 얻은 압출재의 물리적 특성을 측정하였으며, 그 결과를 종래의 자동차 추진축으로 널리 상용화되고 있는 재료들의 물리적 특성과 함께 표1에 도시하였다.

	연신율(%)	영률(GPa)	인장강도(MPa)	비영률(x10⁹㎜)
종래예	S45C	20	210	850	2.73
	6061알루미늄합금	12	70	310	2.65
	Duralcan 복합재(20%Al₂0₃/6061 Al)	2	100	390	3.38
본발명	Al-13중량%Si	5	75	320	2.8
	Al-25중량%Si	10	88	420	3.4
	Al-40중량%Si	0.5	105	300	4.0

표 1에서 보는 바와같이, 본 발명에 따라 분무성형법으로 제조된 과공정의 Al-25Si합금의 인장강도는 420MPa로 종래의 알루미늄 복합재보다 높게 나타났으며 비영률(E/τ)값도 약 3.4x10⁹㎜로 크게 나타났다. Si의 함량이 13%, 40%로 변화함에따라 인장강도값이 각각 320MPa, 300MPa정도로 다소 감소하기는 하나 여전히 종래의 재료들의 물성치에 필적할만한 결과를 나타내었다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 Al-25Si합금의 경우에 지름 약 90㎜, 두께 약 2㎜로 추진축을 제조할 수 있으며 주어진 조건하에서 측정된 위험회전속도(Nc)는 약 10800rpm정도로서 종래의 금속기 복합재료로 제조한 추진축의 위험회전속도값보다 높은 우수한 특성을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 또한, 본 발명의 Al-13Si 및 Al-40Si합금조성 역시 지름 약 120㎜, 두께 약 2㎜로 추진축을 제조할 경우 위험회전속도는 각각 12800rpm, 15400rpm으로 종래의 6061합금으로 제조한 추진축의 위험회전속도값보다 높게 나타났다.

이상으로부터, 본 발명의 방법에 따라 분무성형법으로 제조된 Al-Si계 합금은 지금까지 알려진 자동차의 추진축 재료의 물리적 특성치와 비교하여 전혀 손색이 없을 뿐 아니라 오히려 우수한 결과를 나타내는 것으로 밝혀져 종래의 추진축 재료를 대체할 수 있는 새로운 합금조성으로 각광을 받을 수 있을 것으로 기대된다.

Claims

Al- 13~40 중량% Si 합금을 가열, 용융하여 용탕을 준비하는 단계,

상기 용탕을 700~1000℃로 유지한 후 불활성의 고압가스로 분무, 10³~10⁵K/sec로 급속 응고시켜 성형체를 얻는 단계, 및

상기 분무 성형체를 400~550℃ 온도에서 압출하여 압출재를 얻는 단계를 포함하는 자동차 추진축용 Al-Si 합금의 제조방법.
삭제
제1항에 있어서, 상기 Al-Si합금에 합금원소로서 Cu와 Mg중 1종 이상이 전체중량의 5%이하로 첨가되는 것을 특징으로 하는 자동차 추진축용 Al-Si 합금의 제조방법.