KR100750964B1

KR100750964B1 - 알루미늄-동-아연계 혼합분말, 그것을 이용하여 소결합금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품

Info

Publication number: KR100750964B1
Application number: KR1020060010896A
Authority: KR
Inventors: 정형식; 안재환; 이성규; 김문태; 최정호
Original assignee: 아주대학교산학협력단
Priority date: 2006-02-04
Filing date: 2006-02-04
Publication date: 2007-08-22
Also published as: US20070187006A1; KR20070079868A

Abstract

알루미늄-동-아연계 혼합분말, 그것을 이용하여 소결합금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품이 개시된다. 이 방법은 5.5~9 중량%의 Cu 분말, 1~5 중량%의 Zn 분말 및 밸런스 Al 분말을 혼합하여 혼합분말을 형성하는 것을 포함한다. 이 혼합분말이 압축성형되어 성형체가 형성되고, 이 성형체가 액상 소결되어 소결체가 형성된다. 소결체는 재압축된 후 열처리 될 수 있으며, 이에 따라 강도와 내마모성이 우수한 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품이 제공될 수 있다.

소결합금, 혼합분말, 액상 소결, 알루미늄-동-아연, 강도, 내마모성

Description

알루미늄-동-아연계 혼합분말, 그것을 이용하여 소결합금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품{ELEMENTALLY MIXED ALUMINUM-COPPER-ZINC BASE POWDER, METHOD OF FABRICATING ARTICLE OF SINTERED ALLOY USING THE SAME AND ARTICLE FABRICATED USING THE SAME}

도 1은 시편(specimen)의 횡파단강도(Transverse Rupture Strength; TRS, 굽힘강도)와 굽힘 변형량을 측정하는 방법을 나타내는 개략도이다.

도 2는 알루미늄에 동 분말을 혼합한 경우 동의 양이 증가함에 따른 소결체의 횡파단강도 및 굽힘변형량을 설명하기 위한 그래프이다.

도 3은 알루미늄-동계 소결체의 SEM 사진들이다.

도 4는 Al-6Cu 혼합분말 성형체의 소결 온도에 따른 횡파단강도와 굽힘변형량을 나타내는 그래프이다.

도 5는 알루미늄-동-아연 혼합분말에서 아연 함유량에 따른 소결체의 횡파단강도 및 굽힘 변형량을 나타내는 그래프이다.

도 6은 알루미늄-동-아연 혼합분말에서 아연 함유량에 따른 소결체의 미세조직을 나타내는 광학사진들이다.

도 7은 알루미늄-동-아연계 소결체의 액상 부분(A)과 기지상 부분(B)의 조성을 설명하기 위한 SEM 사진이다.

도 8은 알루미늄-동-아연계 소결체의 열처리에 따른 경도변화를 설명하기 위한 그래프이다.

도 9는 알루미늄-동-아연계 소결체를 열처리한 소결합금을 나타내는 SEM 사진이다.

도 10은 알루미늄 소결합금의 각 제조단계에 따른 XRD 결과를 나타내는 그래프들이다.

본 발명은 알루미늄계 혼합분말, 그것을 이용하여 소결합금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 강도와 내마모성이 우수한 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품을 제조하기 위한 혼합분말, 그것을 이용하여 소결합금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품에 관한 것이다.

자동차에 있어서 분말 소결 부품은 정밀 성형에 따른 경제적 이점과 특성의 지속적 향상으로 그 적용이 꾸준히 확대되어 오고 있으며, 미국 등에서는 최근 승용차 1대당 분말 소결 부품이 차지하는 무게가 20kg중에 도달하고 있다. 최근 자동차의 경량화와 연비 제고를 위하여 많은 철계 부품들을 알루미늄계 부품으로 대체하고자 하는 노력이 경주되어 오고 있다. 그러나, 알루미늄계 부품은 주로 주조나 단조품에 국한되고 있으며 분말 야금 제품은 매우 제한적으로 적용되고 있는 실정 이다. 알루미늄계 소결 부품의 적용에 가장 큰 장애 요인은 소결성이 매우 나빠 소결체의 기계적 특성이 취약하다는 것이다.

일반적으로 소결용 알루미늄계 혼합 분말은 가장 경제적인 압축공기 분무법(air-atomization)에 의해 제조된 알루미늄 분말에 Cu, Mg, Zn, Si 등의 분말을 혼합한 형태로 사용된다. 각각의 알루미늄 분말 표면에는 매우 안정적인 알루미늄 산화층(Al₂0₃)이 존재한다. 이 산화층은 혼합분말을 성형할 때 부분적으로 파괴되기도 하나, 소결하는 동안 거의 환원이 이루어지지 않아 알루미늄 분말들 사이에서 확산을 방해하여 고상 소결을 어렵게 한다[R.F. Smart, E.C. Ellwood, Nature, 181, p833 (1958) 및 Y. Kim et al, J. Met., 37, p27 (1985) 참조]. 따라서, 알루미늄 분말에 Cu, Mg, Zn, Si 등의 분말이 소량 혼합된 경우 알루미늄과 이들 원소들간의 합금 액상이 형성되어 소결이 촉진된다. 이를 이용하여 미국의 암팔사(Ampal, Inc.)와 알코아사(Alcoa, Inc.)가 2xxx계열, 6xxx계열, 7xxx계열의 혼합 분말을 개발하여 제품화 하였으며, 개발된 분말의 주요 성분 및 기계적 특성은 아래 표 1에 요약하였다[Antonio Romero; "Properties and design guidelines for aluminum parts" Proceeding, 2000 Int. conf. on P/M Aluminum & Light Alloys for Automotive Applications, pp 51-58 참조]. 이 혼합 분말들은 모두 액상 소결에 의하여 소결성을 향상시킨다[W.H. Hunt, The inter. J. Powder. Metall., 36 p51 (2002), 김대건 외 분말야금학회지, 9, p116 (2002) 및 G.B. Schaffer et al., Mater. Chem. Physics.,67 p85 (2001) 참조]. 이 혼합 분말들은 생성된 액상이 소 결 중 알루미늄 기지에 고용되는 전이 액상 소결 특성을 가지고 있다. 예를 들어 Alcoa사의 제품명 201AB의 경우, 알루미늄 분말에 4.5 중량% Cu, 0.8 중량% Mg, 0.84 중량% Si의 분말이 혼합된 것으로 이를 성형하여 600℃ 부근에서 소결 할 경우 450℃부근에서 알루미늄과 마그네슘 간의 반응에 의하여 액상이 형성된 후 스피넬(spinel, MgAl₂O₄)로 고상화되고, 550℃ 이상에서는 Al과 Cu의 합금화에 의해 액상이 형성되어 소결을 촉진하나 상당량의 액상이 소결 중 알루미늄 기지상에 고용되어 사라진다[G.B. Schaffer et al., Mater.Chem. Physics.,67 p85 (2001), D.H. Kim, E.P. Yoon and J.S. Kim. J. Mater. Sci. Lett., 15, p1429 (1996) 및 G.M. Scamans and E.P. Butler. Metall. Trans., A 6A, p2055 (1975) 참조].

현재까지 상용화 되어 있는 혼합 분말들의 경우 소결성을 최적화 시키기 보다는 기존의 단련재 합금의 조성에 기반을 두고 있으며 대부분 전이 액상 소결 특성을 가짐으로 소결 중에 액상이 기지상에 고용되면서 액상 부분에 기공들이 남게 되어, 소결 및 열처리 후에도 기계적 특성이 주조나 단조품에 비해 크게 떨어진다. 이와 같은 기계적 특성의 문제점을 해결하기 위하여 혼합 분말의 조성을 개선하는 노력이 경주되어 오고 있다. 우선 2xxx계열 혼합 분말의 연구를 보면, Al-2.5~5 중량% Cu의 기본 조성에 소량의 Mg와 Si을 첨가한 경우, Mg는 알루미늄의 산화 피막을 제거하여 확산을 촉진하고, Si는 작은 기공을 제거하고 큰 기공을 줄여 소결 및 치밀화에 기여하나, 다량의 Mg나 Si를 첨가한 경우에는 전이 액상의 고용에 의하여 기공을 잔류시키고 강도 및 연성을 저하시켰다[B.J. Hall, G.B. Schaffer, J. Light Metals, 2, p229 (2002) 참조]. 그리고 Al-4.4Cu-0.8Si-0.5Mg 분말에 소량의 In, Bi, Sb, Pb, Sn을 각각 첨가하였을 경우 Cu의 확산 속도를 늦춰 전이 액상의 고용을 지연시킴으로써 치밀화를 증진 시키며 이들 중 소량의 Sn을 첨가한 경우 가장 우수한 소결 특성을 얻었다[T.B. Sercome, G.B. Schaffer, Acta mater., 47, p689 (1999) 참조].

또한, 7xxx계열의 경우 소결 특성 향상을 위해 소결시 치밀화가 좋지 않은 Al-8Zn-2.5Mg-1Cu에 소량의 Pb를 첨가하는 것이 연구되었다. 소량의 Pb를 첨가함으로써 액상의 젖음각이 작아져 표면장력이 줄기 때문에 젖음성을 향상시키고, 액상이 퍼져나가는 것이 개선되어 치밀화를 증대시켰다[G.B.Schaffer et al, Acta mater., 49, p2671 (2001) 참조].

그러나, 이상의 사례들에서와 같이 기계적 특성의 문제점을 해결하기 위해 혼합분말의 조성을 개선하려는 노력은 대부분 기존의 조성에서 첨가되는 원소의 양을 다소 가감하거나 Sn이나 Pb등을 미량 첨가하여 소결 특성을 향상시키고자 한 것으로 그 효과는 제한적이다.

일반적으로 알루미늄 합금은 융점이 낮고 경도가 낮아 내마모나 마멸 특성이 철계 등의 타 합금계에 비하여 현저히 나빠, 자동차나 가전 제품 등의 구동 부품으로 활용하는데 제약이 크며, 현재 상용화된 혼합 분말 소결품의 경우 더욱 낮은 기계적 특성과 잔류 기공의 영향으로 부품 적용에 어려움이 더 크다. 이들 알루미늄계 합금의 내마모 특성을 향상시키기 위한 방안으로 알루미늄계 기지를 Al₂0₃, SiC, TiC 등의 세라믹 분말로 강화시켜 강도, 강성 및 내마모 특성을 향상시킬 수 있다. 그러나 이 경우 연성이 저하되고 기지상과 강화상간의 계면 특성에 따라 그 효과가 일정하지 않고 매우 다양하게 나타날 수 있다[M.Izciler, M.Muratoglu, Mater. Sci. Eng., A282, p91 (2000 ) 참조]. 또한 경도가 높은 강화상들로 인해, 접촉하여 구동하는 상대 부품의 마모를 야기하고 마찰 계수를 높이는 단점이 있다[T. Miyazima, Y.Iwai, Wear, 255 (2003) 606]. 특히 혼합 분말의 경우 강화상의 성형성과 소결성이 기지상에 비하여 저하되며, 소결체 내에서 강화상 주위에 많은 기공이 존재하고 기지상과 강화상간의 계면 접합력이 매우 낮아, 강화상이 쉽게 유리되어 강도나 내마모 특성을 오히려 저하시키는 결과를 초래하기도 한다[Sang Chul et al., J. Mater. Sci., 40, p441 (2005)].

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 알루미늄계 소결합금 제품이 갖는 낮은 기계적 특성 및 내마모 특성을 동시에 향상시킨 새로운 알루미늄계 소결합금 제품을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 강도 및 내마모 특성이 우수한 알루미늄계 소결합금 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 강도 및 내마모 특성이 우수한 알루미늄계 소결합금 제품을 제조하기 위한 혼합분말을 제공하는 것이다.

상기의 기술적 과제들을 달성하기 위하여, 본 발명은 알루미늄-동-아연계 혼 합분말, 그것을 이용하여 소결함금 제품을 제조하는 방법 및 그것을 이용하여 제조된 소결합금 제품을 제공한다. 본 발명의 특징은, 알루미늄 분말에 5.5 중량% 이상의 동 분말이 첨가된 혼합분말을 이용하는 것이다. 이에 따라, Al-Cu의 공정(eutectic) 온도인 548 ℃ 이상에서 생성된 액상이 소결 온도(600 ℃ 부근)에서 일부만 고용되고 상당량이 액상으로 지속적으로 존재한다. 이 액상은 분말 간의 계면이나 기공을 채움으로써 고상 분말들 사이에서 소결을 촉진하고 소결에 의한 치밀화를 향상시킨다.

기지상인 알루미늄 내에서 동의 최대 고용도는 공정 온도인 548 ℃에서 약 5.5 중량% 이므로 그 이상의 동 분말이 첨가될 경우 승온 속도 등에 관계 없이 소결 중에 항상 지속적인 액상이 유지될 수 있다. 소결 중 지속된 액상은 상온으로 냉각됨에 따라 α-Al상과 상당량의 CuAl₂상(θ상)이 혼합되어 있는 혼합상으로 바뀌며, 액상의 조성은 알루미늄에 약 35 중량% 정도의 동을 함유하고 있다[Sang Chul et al., J. Mater. Sci., 40, p441, (2005) 참조]. CuAl₂상은 α-Al상에 비하여 비커스 경도값(HV) 980의 높은 경도를 갖는다[D. Moreno et al., Intermetallics, 7 p1001, (1999) 참조]. CuAl₂상은 기지상 주위에 고루 분포되어 소결체의 강도와 내마모 특성을 향상시키나 그 양이 증가하면 연성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 강도와 내마모 특성의 향상을 위해서는 동의 첨가량이 많을수록 바람직하나, 동의 양이 10 중량% 이상일 경우 소결 중 과다한 액상이 생성되어 소결체의 형상이 변하며 연성이 매우 낮아짐으로 적정한 동의 양을 9 중량% 이하로 제한함이 바람직하다.

한편, 600 ℃ 부근의 알루미늄계 분말의 소결 온도에서 동의 고용 한도가 3 중량% 이내로 매우 낮기 때문에 소결체의 고용 강화 효과가 제한된다. 이를 보완하기 위하여 고용도가 큰 아연 분말을 첨가하여 고용 강화 효과를 증진시킬 수 있다. 아연은 소결 중 승온시에 알루미늄과 반응하여 382 ℃ 이상에서 공정 액상을 형성하고 이 후 빠른 속도로 기지상에 전부 고용되어 기지상의 강도를 향상시킨다. 또한, 동과 더불어 용체화 처리 후 시효 경화 효과를 증진시켜 강도를 더욱 높이는 효과를 나타낸다. 아연의 첨가량이 증가할수록 소결체 및 열처리 후의 강도를 높일 수 있으나, 전이 액상의 생성량이 많아져 성형체의 형상을 유지하기 어려우므로 아연의 첨가량은 최대 5 중량%로 제한함이 바람직하다.

이상의 논의를 바탕으로, 본 발명의 일 태양에 따른 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품 제조방법은 5.5~9 중량%의 Cu 분말, 1~5 중량%의 Zn 분말 및 밸런스(balance) 알루미늄 분말을 혼합하여 혼합 분말을 형성하는 것을 포함한다. 상기 혼합 분말을 압축 성형하여 성형체를 형성하고, 상기 성형체를 액상 소결함으로써 알루미늄-동-아연계 소결체가 형성된다.

상기 소결체는 항복 강도가 낮아 쉽게 재압축될 수 있다. 이에 따라, 상대 밀도 95% 이상의 소결체가 얻어질 수 있으며, 밀도가 증가함에 따라 강도가 향상되고, 소성변형을 교정하여 치수 정밀도를 향상시킬 수 있다.

이에 더하여, 상기 재압축된 소결체를 열처리하여 굽힙 강도 및 내마모 특성이 우수한 소결합금 제품을 제조할 수 있다.

상기 열처리는 상기 재압축된 소결체를 용체화처리하고, 상기 용체화처리된 소결체를 시효 경화 처리하는 것을 포함할 수 있다. 상기 용체화처리에 의해 액상 내의 Cu가 Al 기지상에 고용되고, 그 후 시효 경화 처리에 의해 CuAl₂가 석출되어 소결체의 강도 및 경도가 향상된다.

본 발명의 다른 태양에 따른 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품은 5.5~9 중량%의 Cu, 1~5 중량%의 Zn 및 밸런스 Al으로 이루어진다. 상기 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품은 위에서 설명한 제조방법에 의해 제조될 수 있다.

한편, 상기 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품은 Al 기지상(α-Al상)과 CuAl₂상을 포함한다. 상기 CuAl₂상은 α-Al상의 계면 및/또는 Al 기지상 내에 존재할 수 있다. 상기 CuAl₂ 상은 강화상으로 작용하여 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품의 강도 및 내마모성을 향상시킨다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

표 1은 현재 상용되고 있는 알루미늄계 혼합분말의 일반적 조성과 인장 특성을 요약한 것이다. 2xxx계의 경우 동이 주요 첨가 원소이나 5 중량% 미만이고, 7xxx계의 경우 아연이 주요 첨가 원소이다. 상용의 알루미늄계 혼합분말은 모두 소결 중 생성된 액상이 거의 기지상에 고용되는 전이액상 소결 거동을 나타낸다. 이들 중 7xxx계가 가장 높은 인장강도를 나타내었다. 여기서, T1은 소결체의 인장강도를 나타내고, T6는 시효경화처리 후의 인장강도를 나타낸다.

	조성(중량%)					인장 특성
	Cu	Mg	Si	Zn	Al	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
6061 (Al-Mg-Si)	0.2	1.0	0.5	-	Balance		135(T1)	5
							240(T6)	3
2014 (Al-Cu-Mg)	4.4	0.5	0.7	-	Balance	180(T1)	205(T1)	5
						327(T6)	330(T6)	1
7075 (Al-Zn-Mg-Cu)	1.5	2.5	-	5.5	Balance	230(T1)	270(T1)	4
						370(T6)	413(T6)	2

도 1은 미국표준시험방법(ASTM) B312에 의거한 3점 굽힘시험을 사용하여 시편(specimen)의 횡파단강도(Transverse Rupture Strength; TRS, 굽힘강도)와 굽힘 변형량을 측정하는 방법을 보여주고 있다. 여기서, 횡파단강도는 시편의 강도를 상대적으로 나타내고 굽힘 변형량은 연성을 상대적으로 나타낸다. 시편의 두께, 길이 및 너비는 각각 6.35 mm, 31.8 mm 및 12.7mm로 고정하였다.

도 2는 알루미늄에 동 분말을 혼합한 경우 동의 양이 증가함에 따른 소결체의 횡파단강도 및 굽힘변형량을 설명하기 위한 그래프이다. 각 소결체는 알루미늄 분말과 동 분말을 혼합한 혼합분말을 600℃, 질소분위기에서 1시간 소결한 후, 상온으로 서냉한 것이다. 한편, Alcoa 사의 201AB 및 601AB를 사용한 소결체의 횡파단강도 및 굽힘변형량을 함께 도시하였다.

도 2를 참조하면, 동의 양이 증가할수록 강도가 증가하나, 굽힘 변형량 즉 연성이 저하하는 것을 알 수 있다. 특히, Cu가 6 중량% 이상 첨가된 경우, 상용의 201AB 와 601AB에 비하여 현저히 높은 강도를 나타내었으며, 거의 유사한 연성을 나타내었다.

도 3은 알루미늄-동계 소결체의 SEM 사진으로, 도 3의 (a), (b) 및 (c)는 각각 도 2에서 동의 함유량이 6 중량%, 8 중량% 및 10 중량%인 소결체의 SEM 사진을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 소결 중 생성된 액상은 응고되어 분말들 사이의 계면이나 기공들을 채우고 있으며, 동의 양이 증가할수록 액상의 양이 증가함을 알 수 있다.

도 4는 Al-6 중량% Cu(이하, Al-6Cu) 혼합분말 성형체의 소결 온도에 따른 횡파단강도와 굽힘변형량을 나타내는 그래프이다. 각 성형체는 질소 분위기에서 1시간 동안 소결된 후 상온으로 서냉되었다.

도 4를 참조하면, 소결 온도가 높을수록 소결체의 강도와 변형량이 증가하였으며, 특히 소결 온도 590℃와 600℃ 사이에서 소결체의 강도 및 변형량 모두에 큰 차이를 나타내었다. 이는 소결 온도 600℃ 이상에서 충분한 액상이 형성되어 소결성이 크게 향상된 결과이다.

도 5는 알루미늄-동-아연 혼합분말에서 아연 함유량에 따른 소결체의 횡파단강도 및 굽힘 변형량을 나타내는 그래프이다. 여기서, Cu는 6 중량%로 고정하였으며, 각 조성의 혼합분말을 성형한 성형체를 625 ℃, 질소 분위기에서 1시간 동안 소결하였다.

도 5를 참조하면, Zn을 전혀 첨가하지 않은 소결체와 대비하여 1 중량%의 Zn 첨가에 의해서도 소결체의 강도가 상당히 증가하였으며, Zn양이 증가할수록 소결체의 강도가 증가하였다. 굽힘변형량은 Zn양이 증가할수록 다소 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 Zn이 Al 기지상에 고용되어 고용강화효과를 나타낸 결과이다.

도 6은 알루미늄-동-아연 혼합분말에서 아연 함유량에 따른 소결체의 미세조직을 나타내는 광학사진들이다. 도 6의 (a), (b) 및 (c)는 각각 Al-6Cu에 Zn을 1 중량%, 3 중량% 및 5 중량% 혼합한 혼합분말 성형체를 625℃, 질소 분위기에서 1시간 소결한 후의 미세 조직을 보여주고 있다.

도 6을 참조하면, Zn양이 증가할수록 결정립 크기가 조대화 되고 기공이 감소함을 알 수 있다.

도 7은 알루미늄-동-아연계 소결체의 액상 부분(A)과 기지상 부분(B)의 조성을 설명하기 위한 SEM 사진이다. 액상 부분(A)과 기지상 부분을 에너지분산 분광기인 EDAX로 분석하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 여기서, 소결체는 Al-6Cu-3Zn 혼합분말 성형체를 625℃, 질소분위기에서 1시간 소결하여 형성되었다.

원소	A		B
원소	중량%	원자량%	중량%	원자량%
O	1.05	2.36	1.3	2.28
Al	54	72.14	90.46	94.12
Cu	44.95	25.5	4.49	1.98
Zn	0	0	3.75	1.61
전체	100	100	100	100

표 2를 참조하면, 응고된 액상은 Al과 Cu로 구성되어 있으며 Zn을 함유하지 않는다. Al-Cu의 평형 상태도에서 지렛대 법칙(Lever rule)을 이용하여 계산하면, 응고된 액상은 무게 비로 약 15%의 α-Al상과 85%의 CuAl₂(θ)상으로 구성되어 있다. 기지상에는 첨가된 3중량% Zn 전체와 상당량의 Cu가 고용되어 고용 강화 효과를 나타낸다. 따라서, 이 소결체의 조직은 Al-Cu-Zn의 기지상이 CuAl₂(θ)상으로 강화된 일종의 복합 재료로 생각할 수 있으며 강화상에 의해 강도 향상과 내마모성 향상을 동시에 얻을 수 있다.

도 8은 알루미늄-동-아연계 소결체의 열처리에 따른 경도변화를 설명하기 위한 그래프이다. 여기서, Al-6Cu-3Zn 소결체를 사용하였으며, 이 소결체를 재압축하여 540℃에서 용체화처리한 후, 시효온도 및 시효시간을 달리하여 시효처리하였다. 경도는 비커스 경도값(HV)을 측정하였으며, 이를 환산한 로크웰 경도값(HRB)을 함께 나타내었다.

도 8을 참조하면, 용체화처리 후, 시효시간이 증가함에 따라 대체로 경도가 증가하였으며, 시효온도가 높을수록 경도가 더욱 증가하였다. 이는 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄-동-아연계 소결 합금이 용체화처리 및 시효처리 등의 열처리에 의해 강화될 수 있음을 나타낸다.

도 9는 알루미늄-동-아연계 소결체를 열처리한 소결합금을 나타내는 SEM 사진이다. 여기서, Al-6Cu-3Zn 소결체를 사용하였으며, 이 소결체를 재압축한 후 열처리하였다. 열처리한 시편의 액상 부분(A) 및 기지상 부분(B)의 조성을, 도 7에서 설명한 바와 같이, EDAX로 분석하였으며, 이를 표 3에 요약하였다.

원소	A		B
원소	중량%	원자량%	중량%	원자량%
Al	65.97	82.03	89.99	95.53
Cu	34.03	17.97	7.01	3.16
Zn	0	0	3	1.31
전체	100	100	100	100

표 3을 참조하면, 열처리에 의해 기지상(B)의 Cu양은 증가하였고 Zn양은 거의 변하지 않았으며, 응고된 액상의 경우 Cu를 약 34 중량% 포함하고 있다. 따라서, 최대 경도를 가지는 열처리 조건에서 기지상은 대부분의 α-Al 상에 CuAl₂(θ') 상이 석출되어 강화된 상태이며, 응고상은 약 40%의 α-Al 상과 60%의 CuAl₂(θ)상으로 구성되어 강화상으로서의 역할을 한다.

도 10은 알루미늄 소결합금 제품의 각 제조단계에 따른 XRD 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10 (a)는 상용의 7xxx계의 XRD 그래프를 나타내고, 도 10 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Al-6Cu-3Zn 소결합금 제품의 제조단계에 따른 XRD 그래프를 나타낸다. XRD는 혼합분말 성형체의 소결후, 용체화처리후, 시효 처리후에 각각 분석되었다. 용체화처리 후의 XRD는 540℃에서 1시간 용체화 처리한 소결체를 급냉하여 바로 분석된 것이고, 시효 처리후의 XRD는 540℃에서 1시간 용체화 처리한 소결체를 급냉한 후 시효처리하여 분석된 것이다..

도 10을 참조하면, Al-6Cu-3Zn 소결체의 경우 α-Al 상과 CuAl₂(θ) 상으로 구성되어 있으나 용체화 처리 후에는 CuAl₂(θ)상이 거의 나타나지 않는다. 이는 용체화 처리 온도 540℃에서 급냉에 의해 모든 Cu가 Al 기지상에 과포화된 고용 상태로 존재하기 때문이다. 이를 상온, 혹은 시효 온도에서 시효 할 경우 기지상에 CuAl₂(θ') 상이 석출되고 응고상에는 CuAl₂(θ) 상이 석출되어 강도와 내마모 특성을 향상시킨다. 한편, 상용의 7xxx계는 시효 처리 후에도 CuAl₂ 상이 나타나지 않았다.

아래의 표 4는 Al-6Cu-3Zn와 Al-6Cu-5Zn 혼합 분말을 상대 밀도 90%로 성형하여 성형체를 형성한 후 610℃ 질소 분위기에서 1시간 소결하여 상대 밀도 약 96%인 소결체를 얻고, 이들을 상대 밀도 약 98%로 재 압축한 후 열처리 한 시편들의 경도, 굽힘 및 인장 특성을 요약한 것이다. 모든 시편들은 540℃에서 1 시간 유지한 후 수냉으로 급냉하였으며, 시효조건을 달리하여 시효처리하였다.

합금종류	시효조건	경도 (HV)	굽힘 특성		인장 특성
합금종류	시효조건	경도 (HV)	강도 (MPa)	변형량 (mm)	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
Al-6Cu-3Zn	소결체	64	371	1.9	60	197	10.9
	150℃/ 19시간	152	673	0.69	287	410	6.9
	170℃/ 13시간	152	667	0.54	317	419	5.1
Al-6Cu-5Zn	소결체	65	374	1.7	75	204	10.2
	150℃/ 22시간	152	636	0.64	314	396	4.0
	170℃/ 10시간	154	642	0.55	320	399	4.1

표 4를 참조하면, 각 소결체의 경우 매우 낮은 경도와 항복 강도를 보여 주고 또한 상당한 연신율을 가지고 있어, 재압축을 포함한 냉간에서의 소성 가공이 용이하다. 열처리 후의 경도 및 강도는 소결체에 비하여 현저히 증가하고 연신율은 매우 낮아짐을 보이고 있다. 이는, 도 8 및 9에서 설명한 바와 같이, α-Al 기지상 내에 미세한 θ' 상이 석출되었기 때문이다. Zn의 함량을 3%에서 5%로 증가시킴에 따라 강도 및 연성이 약간 감소하는 경향을 보였다. 따라서 Zn의 함량을 5 중량%이내로 제한함이 바람직하다.

아래의 표 5는 모든 시편을 동일 밀도로 냉간 성형한 후 610℃ 질소 분위기에서 1시간 소결하고, 이를 약 98%의 상대밀도로 재압축한 후 540℃에서 1시간 용체화 처리하여 수냉하고, 150℃에서 22시간 동안 시효처리한 시편들의 내마모 특성을 요약한 것이다. 내마모 특성은 자동차용 엔진 오일을 윤활제로 하여 동일 재료로 구성된 핀(pin)과 디스크(disk) 사이에 500 뉴튼(N)의 하중을 주어 100℃에서 2000m를 슬라이딩(sliding) 시킨 후 무게 감소량을 산출하여 나타내었다.

조성	Disk 변화량(g)	Pin 변화량(g)	총 변화량(g)	마찰계수
AMB 7775	0.220	0.1595	0.1815	0.6601
AMB 7775- 10v/oSiC	0.0580	0.2590	0.3170	1.2515
Al-4Cu-5Zn	0.1145	0.1685	0.2830	0.1289
Al-4Cu-7Zn	0.0420	0.1013	0.1433	0.1442
Al-6Cu-5Zn	0.0254	0.0325	0.0579	0.1425
Al-8Cu-5Zn	0.0365	0.0205	0.0570	0.0994

표 5를 참조하면, 상용 AMB 7775 및 강화상으로 SiC를 첨가한 소결합금의 경우 마찰 계수가 매우 높고 마모량이 상대적으로 컸다. 한편, Cu가 4 중량%인 경우 마찰 계수는 상용 AMB 7775계 분말에 비해 현저히 낮아지나 상당한 마모를 나타내었다. 이와 달리, Cu양이 6 중량% 이상인 경우에는 마찰 계수가 낮을 뿐만 아니라 마모량이 대폭 감소하였다. 이는, 도 9에서 설명한 바와 같이, 응고된 액상이 강화상으로서 내마모성을 증진시킨 결과이다. Cu가 4 중량%인 경우에는 응고된 액상이 존재하여 마찰 계수를 낮추기는 하나 그 양이 소량이어서 마모량을 감소시키는데 크게 기여하지 못하나 Cu가 6 중량% 이상의 경우에는 내마모성을 크게 향상시켰다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 5.5~9 중량%의 Cu와 1~5 중량%의 Zn을 알루미늄과 혼합한 혼합분말을 사용함으로써, 알루미늄계 소결합금 제품이 갖는 낮은 기계적 특성 및 내마모 특성을 동시에 향상시킨 새로운 알루미늄계 소결합금 제품 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, Cu 분말을 9 중량% 이하로 제한함으로써 알루미늄-동-아연계 소결체의 충분한 연성을 확보할 수 있어 재압축에 의하여 알루미늄 소결합금 제품의 밀도와 치수 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims

6~9 중량%의 Cu;

1~5 중량%의 Zn; 및

밸런스 Al을 포함하고,

6~9 중량%의 Cu 분말, 1~5 중량%의 Zn 분말 및 밸런스 Al 분말의 혼합분말을 600~625℃의 온도범위에서 액상 소결하여 제조된 것을 특징으로 하는 자동차 또는 가전제품의 구동부품용 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품.
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6~9 중량%의 Cu 분말;

1~5 중량%의 Zn 분말; 및

밸런스 Al 분말을 포함하는 알루미늄-동-아연계 소결합금 제품 제조용 혼합분말.