KR100426675B1 - 주조용 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조용 알루미늄 합금(Aluminum alloy for casting)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 Cu 0.1 ~ 0.2 중량%, Fe 0.5 ~ 0.7 중량%, Si 0.2 ~ 0.3 중량%, Mg 0.003 ~ 0.005 중량%, Zn 0.002 ~ 0.004 중량%, Mn 1.5 ~ 2.5 중량%, Cr 0.003 ~ 0.005 중량%, Ti 0.06 ~ 0.08 중량%, Sn 0.002 ~ 0.004 중량%, Pb 0.001 ~ 0.002 중량%, Ni 2 ~ 6 중량%의 적정배율로 배합되고 나머지 잔량은 부수적인 불순물을 제외한 Al로 이루어진 주조용 알루미늄 합금을 이용하여 복잡한 형상의 주물을 용이하게 주조할 수 있고, 고온에서의 기계적 성질 특히 고온에서의 연화저항이 양호하게 하며, 액체연료연소장치등 500℃ 이상의 내열성 제품에 용이하게 적용될 수 있도록 한 것이다.

Description

주조용 알루미늄 합금{Aluminium alloy for casting}

본 발명은 주조용 알루미늄 합금(Aluminum alloy for casting)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 주조성이 양호하여 복잡한 형상의 주물을 용이하게 주조할 수 있고, 고온에서의 기계적 성질 특히 고온에서의 연화저항이 양호하게 하며, 액체연료연소장치등 500℃ 이상의 내열성 제품에 용이하게 적용될 수 있도록 한 주조용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로 공업용으로 사용하고 있는 알루미늄 합금(Aluminum alloy)은 알루미늄을 주성분으로 하고 부가적으로 동, 마그네슘, 아연, 규소, 망간, 니켈등을 단독 또는 복합하여 첨가한 합금으로 알려져 있다. 이러한 알루미늄 합금은 양호한 소성가공성, 높은 전기 및 열전도율, 미려함의 성질에 더하여 여러 종류의 첨가 원소에 따라서 강도, 내열성, 내적성률을 향상시킨 것이고 현재에는 철강 다음으로 그 용도가 광범위 하다.

특히 주조용 알루미늄 합금은 알루미늄에 특수 원소(Cu, Si, Mg, Ni등)를 첨가하여 주조용 및 기계적 성질등을 개선한 주조용 합금을 말하는 것으로 사형(砂型), 셀, 금형 주물용과 다이개스트용이 있다.

사형, 셀, 금형 주물용에는 Al-Cu계, Al-Cu-Si계, Al-Si계, Al-Mg계, 내열합금, 베어링 합금등이 있고, 후자에는 Al-Si계, Al-Si-Mg계, Al-Mg계 및 Al-Si-Cu계가 있으며 순알루미늄도 쓰인다.

그리고 공업적으로 다이캐스트(Die-cast)에 적용되고 있는 알루미늄 합금은 Al-Si계 합금이 주류이고, 소량이기는 하나 Al-Mg계 합금도 사용되고 있다.

Al-Si계 합금은 주조성이 양호하고, 복잡한 형상의 주조에 적합하며 상온에서의 기계적 강도가 뛰어나기 때문에 많은 용도로 사용되고 있다. Al-Mn계 합금은 Mn의 첨가에 의해 금형에서의 충전성은 양호하나, 금형에서의 늘어 붙음이 발생하게 되면 Fe를 첨가하여 주조성이 양호한 알루미늄을 얻게 된다.

액체연료연소장치의 부품(석유온풍 난방기, 로터리, 스트브등의 기화기)은 Al-Si계 합금 특히 Al-Si-Cu계 합금은 공정온도가 낮고, 고온으로 유지되면 공정성분이 용해하여 고온에서의 사용이 한정된다.

또한 상기한 바와 같은 합금은 융점이 낮기 때문에 고온으로 가열되면 공정 온도 보다 상당히 낮은 온도에서도 연화가 심화되고 주조시 발생한 기포가 고온에 노출되어 팽창하거나, 주물속에 용해된 용해가스의 확산 때문에 고온 조건하에서 사용하는 것은 곤란하다.

전술한 바와 같은 다이캐스트용 내열 알루미늄 합금은 주조성을 향상시키기 위하여 Si를 10 중량% 이상 포함하고 있으며, 여기에 상온 상태하에서 강도를 향상시키는 Cu와 Mg, 그리고 다른 원소와 금속간의 화합물을 혼합시켜 고온강도를 향상시키는 Fe, Mn, Ni등으로 이루어진 기초 합금에 Ti, Zr등의 미량 원소를 첨가한 재료로 구성된다.

그러나 전술한 액체연료연소장치의 부품은 500℃ 이상에서 내구성을 유지해야 하는 제품으로 일반적인 Al-Si계 합금으로 제조된 알루미늄 합금은 고온 조건하에서 사용하면 녹아 버린다. 또한, 철판의 프레스 가공후 용접 방식으로 제조된 액체연료연소장치의 부품 역시 고온 조건하에서 사용하는 것은 곤란하는 제반 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 주조성이 양호하여 복잡한 형상의 주물을 용이하게 주조할 수 있고, 고온에서의 기계적 성질 특히 고온에서의 연화저항이 양호하게 하며, 액체연료연소장치등 500℃ 이상의 내열성 제품에 용이하게 적용될 수 있도록 한 주조용 알루미늄 합금을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 액체연료연소장치의 부품을 제조시 종래 철판의 프레스 가공후 용접방식에서 탈피하여 알루미늄 합금의 다이캐스트법으로 변경 가능하게 하므로써 생산원가를 크게 절감할 수 있도록 한 주조용 알루미늄 합금을 제공하는데 있다.

도1은 일반적인 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금의 용융 분석 데이터를 나타낸 그래프,

도2는 본 발명에 따른 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금에 Ni를 일정 중량%첨가한 알루미늄 합금의 용융 분석 데이터를 나타낸 그래프.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로 본 발명의 주조용 알루미늄 합금은 Cu 0.1 ~ 0.2 중량%, Fe 0.5 ~ 0.7 중량%, Si 0.2 ~ 0.3 중량%, Mg 0.003 ~ 0.005 중량%, Zn 0.002 ~ 0.004 중량%, Mn 1.5 ~ 2.5 중량%, Cr 0.003 ~ 0.005 중량%, Ti 0.06 ~ 0.08 중량%, Sn 0.002 ~ 0.004 중량%, Pb 0.001 ~ 0.002 중량%, Ni 2 ~ 6 중량%의 적정배율로 배합되고 나머지 잔량은 부수적인 불순물을 제외한 Al로 이루어진 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 주조용 알루미늄 합금을 조성하기 위해서는 먼저 Cu, Fe, Si, Mg, Zn, Mn, Cr, Ti, Sn, Pb, Ni와 불순물이 제거된 Al으로 이루어진 12종 원소가 기본적으로 동원된다.

이러한 12종 원소의 일정 중량% 배합된 주조용 알루미늄 합금의 비율은 여러 실험을 통해 얻어진 내용을 종합하여 결정된 결과로서 배합비는 다음과 같다.

Cu 0.1 ~ 0.2 중량%, Fe 0.5 ~ 0.7 중량%, Si 0.2 ~ 0.3 중량%, Mg 0.003 ~ 0.005 중량%, Zn 0.002 ~ 0.004 중량%, Mn 1.5 ~ 2.5 중량%, Cr 0.003 ~ 0.005 중량%, Ti 0.06 ~ 0.08 중량%, Sn 0.002 ~ 0.004 중량%, Pb 0.001 ~ 0.002 중량%, Ni 2 ~ 6 중량%의 일정 배율로 배합되고 나머지 잔량은 부수적인 불순물을 제외한 Al로 이루어진다.

Cu 및 Mg는 알루미늄 합금의 상온 및 고온에서의 강도향상, 절삭성의 향상 및 내식성의 향상에 효과가 있다. 이때 Cu는 0.1 ~ 0.2 중량%가 바람직하나 적정하게는 0.15 ~0.17 중량% 이고, Mg는 0.003 ~ 0.005 중량%가 바람직하나 적정하게는 0.0035 ~ 0.0045 중량% 이다.

Fe는 다이캐스트 주조시 금형에서 눌어 붙음과 주조시의 수축균열(Shrinkage crack)을 방지함은 물론 고온에서의 기계적 성질향상에 유효하다.

이때 Fe는 0.5 ~ 0.7 중량%가 바람직하나 적정하게는 0.55 ~ 0.65 중량% 이다.

Si는 용탕의 유동성을 개선하고 또한 알루미늄 합금의 융점을 저하시키는 역활을 수행한다. 즉 Mn의 적량첨가에 의해 양호한 고온에서의 기계적 강도를 가진 합금의 용탕의 유동성을 높이고, 융점을 저하시키므로써 가스흡수를 감소시켜 부푸름의 발생을 어렵게 함은 물론 열간 균열을 방지하고 복잡한 주물의 제조를 가능하게 한다.

이때 Si는 0.2 ~ 03 중량%가 바람직하나 적정하게는 0.2 ~ 0.25 중량% 이다.

Mn은 알루미늄 합금의 융점을 저하시키지 않고 고온에서의 기계적 강도 특히 연화저항을 크게 하고, 표면처리를 양호하게 한다. 이때 Mn은 1.5 ~ 2.5 중량%가 바람직하나 적정하게는 1.5 ~ 2 중량%이다.

Cr은 알루미늄 합금의 내열성 향상 및 결정입자 미세화에 효과가 있다. 이때 Cr은 0.003 ~ 0.005 중량% 이다.

Ti는 알루미늄 합금의 결정입자 미세화, 내열성 및 주조성 향상에 효과가 있다. 이때 Ti는 0.06 ~ 0.08 중량%가 바람직하나 적정하게는 0.07 중량% 이다.

Ni는 알루미늄 합금의 고온강도 및 내열성 향상에 효과가 있다. 이때 Ni는 2 ~ 6 중량%가 바람직하나 적정하게는 3 ~ 5 중량%이다.여기서, Cu는 0.1% 이하일때는 상온상태에서 강도가 저하되고, 0.2% 이상일때는 원가가 상승되는 단점이 있으며, Fe는 0.5% 이하일때는 수축균열이 심하고 생산성이 저하되고, 0.7% 이상일때는 강도가 강해져 깨짐현상이 발생된다.Si는 0.2% 이하일때는 생산성이 저하되면서 원가가 상승되고, 0.3% 이상일때는 가공성이 떨어지는 단점이 있으며, Mg는 0.003% 이하일수록 바람직하나 0.005% 이상이면 중금속이 다량 함유되는 단점이 있다.Zn 0.002%, Cr 0.003%, Ti 0.06%, Sn 0.002%, Pb 0.001%는 하한치일수록 바람직하고, Zn 0.004%, Cr 0.005%, Sn 0.004%, Pb 0.002% 이상일때는 중금속이 다량 함유되는 단점이 있다.Mn은 1.5% 이하일때는 열간균열방지가 어렵고, 2.5% 이상이면 원가가 상승되는 단점이 있으며, Ni는 2% 이하일때는 내열성이 저하되고, 6% 이상이면 생산성이 저하되는 단점이 있다.

상기와 같은 12종 원소의 일정 중량%로 이루어진 주조용 알루미늄 합금은 700 ~ 800℃의 주조온도에서 금형, 모래주형에의 중력구조, 다이캐스트, 스퀴즈캐스팅(Squize casting)등의 방범에 의해 주조된다. 여기서 이용되는 주조방법은 통상 사용되는 기술내용이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 주조용 알루미늄 합금과 일반 알루미늄 합금의 내열성을 그래프로 비교하면 다음과 같다.

도1은 일반적인 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금의 용융 분석 데이터를 나타낸 그래프로서, 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금의 녹는 점이 540℃임을 알수 있다. 즉 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금은 540℃ 이하에서는 녹지 않으나 540℃ 정도의 온도에 근접하면 서서히 녹는걸 알수 있다.

도2는 본 발명에 따른 12종 원소로 이루어진 알루미늄 합금에 Ni를 일정 중량%첨가한 알루미늄 합금의 용융 분석 데이터를 나타낸 그래프로서, 도1의 그래프에서와 같이 Ni가 일정 중량% 첨가된 알루미늄 합금의 녹는 점은 620℃ ~ 680℃ 정도임이 확인됨에 따라 Ni가 일정 중량% 첨가된 알루미늄 합금은 620℃ ~ 680℃에서 녹기 시작함을 알수 있다.

따라서 일반 기초 알루미늄 합금에 Ni가 첨가되면 내열성 및 강도가 향상됨을 알수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, Cu 0.1 ~ 0.2 중량%, Fe 0.5 ~ 0.7 중량%, Si 0.2 ~ 0.3 중량%, Mg 0.003 ~ 0.005 중량%, Zn 0.002 ~ 0.004 중량%, Mn 1.5 ~ 2.5 중량%, Cr 0.003 ~ 0.005 중량%, Ti 0.06 ~ 0.08 중량%, Sn 0.002 ~ 0.004 중량%, Pb 0.001 ~ 0.002 중량%, Ni 2 ~ 6 중량%의 적정배율로 배합되고 나머지 잔량은 부수적인 불순물을 제외한 Al로 이루어진 주조용 알루미늄 합금은 복잡한 형상의 주물을 용이하게 주조할 수 있을 뿐 아니라, 고온에서의 기계적 성질 특히 고온에서의 연화저항이 양호한 주조용 알루미늄 합금으로 제조할 수 있으며, 액체연료연소장치 등 500℃ 이상에서도 견딜수 있는 내열성 합금을 주조할 수 있는 등의 효과가 있는 것이다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 참고하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 이루어질 수 있는 것임을 밝혀둔다.

Claims (1)

1. Cu 0.1 ~ 0.2 중량%, Fe 0.5 ~ 0.7 중량%, Si 0.2 ~ 0.3 중량%, Mg 0.003 ~ 0.005 중량%, Zn 0.002 ~ 0.004 중량%, Mn 1.5 ~ 2.5 중량%, Cr 0.003 ~ 0.005 중량%, Ti 0.06 ~ 0.08 중량%, Sn 0.002 ~ 0.004 중량%, Pb 0.001 ~ 0.002 중량%, Ni 2 ~ 6 중량%의 적정배율로 배합되고 나머지 잔량은 부수적인 불순물을 제외한 Al로 이루어진 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄 합금.