KR101052517B1 - 고강도 알루미늄합금 주물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄합금 주물에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 알루미늄합금에 비하여, 열처리를 하지 않고도 고강도를 갖는 알루미늄합금 주물에 관한 것이다. 본 발명은 다음 성분으로 구성되어 양호한 기계적 성질을 갖는다.

3 내지 15 중량%의 구리,

4 내지 12 중량%의 규소,

0.5 내지 2 중량%의 철,

4 중량% 이하의 망간,

4 중량% 이하의 지르코늄, 및

각각이 최대 0.05 중량% 이고, 전체가 0.4 중량% 이하인 기타 성분과 생산유발불순물, 및 나머지의 알루미늄.

주물, 주조, 단조, 고강도, 알루미늄합금, 연신율, 압축강도

Description

고강도 알루미늄합금 주물{HIGH STRENGTH CASTING OF ALUMINIUM ALLOY}

본 발명은 열처리 없이 양호한 기계적 특성을 갖는 알루미늄합금 주물에 관한 것이다. 보다 상세하게는 열처리가 어려운 박육제품용 알루미늄합금 주물에 있어서, 열처리 없이 고강도를 갖는 알루미늄합금 주물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 알루미늄합금 주물의 응용분야는 정적 및 동적하중을 받는 자동차, 전기, 전자 부품이 포함된다.

오늘날 자동차, 전기, 전자 부품에서 사용되는 구조 부품에서는 통상적으로 Al-Si 합금 주물이 사용되고 있다. 이러한 합금의 기계적 성질을 개선하기 위하여, Cu, Mg, Ni 등을 첨가하여 열처리를 하고 있다. 그러나, 박육제품의 경우 열처리를 하면 제품의 변형이 생기므로 열처리가 바람직하지 않다.

특허문헌 WO-A-0043560에는 다이캐스팅, 스퀴즈캐스팅, 틱소포밍(thixoforming), 틱소포징(thixoforging) 공정을 통해서 구조부품을 생산하기 위한 알루미늄합금을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상세히 살펴보면, 2.5 내지 7 중량%의 Mg, 1.0 내지 3.0 중량% 의 Si, 0.3 내지 0.49 중량%의 Mn, 0.1 내지 0.3 중량%의 Fe, 0.00005 중량% 이하의 Na, 0.00002 중량% 이하의 P, 및 각각이 0.02 중량% 이하를 갖는 기타 성분의 불순물과 나머지는 알루미늄으로 이루어진 합금이 기술되어 있다.

상기 다이캐스팅은 금형주조 과정으로서 녹인 금속에 압력을 가해 금형이나 주형에 주입하여 금속제품을 만드는 것이고, 상기 스퀴즈캐스팅은 용탕단조라고도 부르며, 주조와 단조를 조합한 새로운 주조법으로 1960년대에 개발되었다. 깨지기 쉬운 주조의 단점을 보완하여, 깨짐의 원인이 되는 미소한 공공을 압착하기 위해 응고 도중에 가압변형시키는 아이디어를 이용한 것이다.

또한 상기 틱소포밍은 금형 속에 반용융 상태의 금속을 넣고 고압을 가하여 응고시켜 구하고자 하는 형상을 얻는 가압응고성형법이고, 상기 틱소포징은 미세입자 구조를 가지는 구형의 금속을 단조하는 기술이다. 상기 틱소포밍을 거친 제품은 제품의 정출상이 미세하기 때문에 틱소포밍 부품의 기계적 성질(인장강도, 연신율, 경도)이 다이캐스팅 제품에 비해서 대체로 우수하다.

본 발명은 열적/기계적 응력을 받는 부품의 제조에 적합한 것으로, 양호한 기계적 특성을 갖는 알루미늄합금 주물을 제공하는데 그 목적이 있다. 이 합금은 다이캐스팅, 중력주조, 저압주조에 적합하다.

상기 합금으로 주조되는 주물은 고강도, 연성 및 양호한 주조성을 가져야 한다. 또한 이러한 기계적 특성은 상기한대로 박막 내지 박판과 같은 얇은 합금주조물의 경우 열처리하기 어렵기 때문에, 열처리를 행하지 아니하면서도 고강도를 갖도록 별도의 열처리 없이 직접적으로 주조상태에서 얻어지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 열처리를 행하지 않고 고강도를 갖는 부품의 바람직한 기계적인 특성은 다음과 같이 정의된다.

압축강도 Rm > 380MPa

연신율 A5 > 5%

본 발명의 실시예에 따라 제조된 "주물" 이라 함은 주조로서만 제조되는 순수주물과, 예비성형된 주물, 냉간이나 열간성형으로 최종 치수로 성형된 제품 및 압출용 빌렛을 포함한다. 순수 주물의 예로서는 사형주조, 다이캐스팅, 중력금형주조, 저압금형주조, 스퀴즈 캐스팅, 및 고체 상태에서 가열하여 고체액체 공존 상태 에 도달시켜 성형하는 방법인 틱소캐스팅으로 제조되는 것이 있다. 상기 나열된 순수 주물의 예 중에서 다이캐스팅 및 스퀴즈 캐스팅은 앞서 설명한 바 있다. 세이핑(shaping)에 의하여 예비성형된 주물에서 수행되는 작업으로는 단조와 반용융단조가 있다.

대부분의 금속 부품들이 완전 고체상태(단조) 또는 완전 액체상태(주조)에서 제조되지만, 상기 반용융단조는 주조와 단조의 장점을 융합시켜 부품을 제조하는 기술이다. 비교적 최근의 것으로서 폭넓은 산업적 응용을 위해, 맞춤 합금(tailored alloy)의 개발, 재료 물성 및 적정한 공정 모델의 개발이 진행중인 기술이다.

상기 중력금형주조는 녹인 알루미늄 합금을 자연 중력을 이용하여 주형에 주입하는 방법으로 일반적으로 보급되어 있는 제조 방법이고, 저압주조법은 알루미늄 합금을 용탕에 넣어 용해시킨 뒤, 밀폐된 금형에 일정한 압력을 이용하여 주입하는 방식으로 용탕이 굳는 시간이 일정하여 품질 및 생산성이 우수한 공법이다.

본 발명의 알루미늄합금은 상기한 모든 공정을 통해서 제조가 가능하고, 특히 다이캐스팅, 중력주조, 저압주조 및 틱소캐스팅 공정에 의해서 제조된 다음의 화학조성을 갖는 알루미늄합금에 의하여, 본 발명의 실시예에 따른 목적인 열처리를 하지 않고 고강도를 갖는 부품 제작이 달성된다.

3 내지 15 중량%의 구리,

4 내지 12 중량%의 규소,

0.5 내지 2 중량%의 철,

4 중량% 이하의 망간,

4 중량% 이하의 지르코늄, 및

각각이 최대 0.05 중량% 이고, 전체가 0.4 중량% 이하인 기타 성분과 생산유발불순물, 및 나머지의 알루미늄.

상기 기타 성분 및 상기 생산유발불순물은 상기 알루미늄합금을 제조시에 공정 중에서 의도하지 않게 유입될 수 있는 불순물을 나타낸다. 상기 불순물은 상기한 구리, 규소, 철, 망간, 지르코늄 및 알루미늄을 제외한 나머지 모든 성분이 이에 해당될 수 있다.

각 합금원소는 다음의 화학조성범위을 갖는 것이 바람직하다.

구리 4 내지 12 중량%,

규소 5 내지 10 중량%,

철 1 내지 2 중량%,

망간 1 내지 4 중량%,

지르코늄 1 내지 4 중량%, 및

잔부의 알루미늄.

상기 화학조성범위를 갖는 합금원소의 효과는 다음과 같다.

상기 구리는 알루미늄 중에 일부 고용되어 고용강화 효과를 나타내며, 나머지는 Cu₂Al 의 형태로 기지상에 석출된다. 상기 규소는 주조성을 양호하게 하며 알루미늄과 결합하여 강도를 높이는데 기여한다. 상기 망간은 연성을 개선하는 효과가 있으며, 상기 지르코늄은 입자 미세화 효과에 기여한다. 양호한 입자미세화는 주조성 및 강도 및 연성을 높이는 효과가 있다. 상기 철은 강도 개선에 효과가 있다.

본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금 주물의 다양한 화학조성을 중량%로 나타낸 도표이다. 합금재1 내지 합금재9 각각은 서로 다른 화학조성을 가지며, 본 발명에 따른 제1 내지 제9 실시예를 나타낸다.

제1 내지 제9 실시예에 공통된 과정으로써, 도1의 화학조성을 갖도록 한 본 발명의 실시예에 따른 각각의 원소를 전자저울에서 평양한 후, 흑연도가니에 넣어 고주파유도가열장치로 아르곤 가스 분위기에서 용해하여 합금을 만든 후, 구리 몰드를 사용하여 직경 5 mm의 환봉으로 주조하였다. 주조제로부터 직경 5mm, 길이 12mm의 압축시험편을 선반에서 가공한 후, 만능시험기에서 0.2mm/분의 크로스헤드 속도로 압축시험을 행하여 압축강도(Rm) 및 연신율(A5)을 측정하였다. 상기 결과는 아래 설명할 도2에 기재되어 있다.

도2는 각기 다른 화학조성을 가진 상기 제1 내지 제9 실시예에 따른 알루미 늄합금의 기계적 성질을 나타낸다. 상기 기계적 성질은 압축강도(MPa) 및 연신율(%)을 측정한 값이다. 비교재의 기계적 성질의 수치는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금과 종래의 대표적인 주조용 합금 AC4A와 다이캐스팅용 합금 ADC12의 기계적 성질을 비교하기 위한 참고 데이터이다. 비교합금에 대한 기계적 성질은 "알루미늄 조직과 성질, 일본경금속학회편(1991)"을 참조하였다.

제1 실시예의 조성은 4.4 중량%의 구리, 10 중량%의 규소, 1.9 중량%의 철, 3.8 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 420MPa 이고, 연신율은 6.5%이다.

제2 실시예의 조성은 6.5 중량%의 구리, 4.9 중량%의 규소, 1.9 중량%의 철, 3.8 중량%의 망간, 1.6 중량%의 지르코늄, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 450MPa 이고, 연신율은 6.4%이다.

제3 실시예의 조성은 6.6 중량%의 구리, 8.9 중량%의 규소, 1.9 중량%의 철, 3.8 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 520MPa 이고, 연신율은 8%이다.

제4 실시예의 조성은 7.6 중량%의 구리, 7.9 중량%의 규소, 1.9 중량%의 철, 3.7 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 400MPa 이고, 연신율은 5%이다.

제5 실시예의 조성은 10.7 중량%의 구리, 6.8 중량%의 규소, 1.8 중량%의 철, 3.7 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 510MPa 이고, 연신율은 6%이다.

제6 실시예의 조성은 14.57 중량%의 구리, 7.6 중량%의 규소, 1.8 중량%의 철, 3.6 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 550MPa 이고, 연신율은 5.2%이다.

제7 실시예의 조성은 12.7 중량%의 구리, 5.8 중량%의 규소, 1.9 중량%의 철, 2.7 중량%의 망간, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 500MPa 이고, 연신율은 5.2%이다.

제8 실시예의 조성은 8.7 중량%의 구리, 3.9 중량%의 규소, 0.9 중량%의 철, 3.1 중량%의 지르코늄, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 480MPa 이고, 연신율은 5.1%이다.

제9 실시예의 조성은 3.1 중량%의 구리, 12 중량%의 규소, 0.5 중량%의 철, 3.8 중량%의 지르코늄, 및 나머지 중량%의 알루미늄을 포함한다. 상기 조성에 따른 합금의 압축강도는 420MPa 이고, 연신율은 6.1%이다.

상기 제1 내지 제9 실시예의 조성은 3 내지 15 중량%의 구리, 4 내지 12 중량%의 규소, 0.5 내지 2 중량%의 철, 4 중량% 이하의 망간, 4 중량% 이하의 지르코늄의 범위 내에 포함되며 예외적으로, 망간이나 지르코늄은 필요에 따라 포함하지 않을 수 있다.

비교재와 비교해 볼 때, 압축강도는 200MPa 내지 250MPa의 차이를 보이므로 대략 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금이 압축강도가 2배 이상 높다. 또한, 연신율에 있어서도 합금재3과 비교재(ADC12)와 비교시에 최대 4배의 차이를 보이는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금의 바람직한 조성 을 선택하여 압축강도 또는 연신율을 보다 강화하여 원하는 부품을 제조할 수 있다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예 1 내지 9에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 조성 범위 내에서 서로 다른 다양한 조성의 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것인바, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정된 형태에 국한되는 것은 아니다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금 주물의 다양한 화학조성을 중량%로 나타낸 도표이고, 합금재1 내지 합금재9 각각은 서로 다른 화학조성을 가지며, 본 발명에 따른 제1 내지 제9 실시예를 나타낸다.

도2는 각기 다른 화학조성을 가진 상기 제1 내지 제9 실시예에 따른 알루미늄합금의 기계적 성질을 나타내고, 상기 기계적 성질은 압축강도(MPa) 및 연신율(%)을 측정한 값이다.

Claims (10)

1. 3 내지 15 중량%의 구리,

   4 내지 12 중량%의 규소,

   0.5 내지 2 중량%의 철,

   0 초과 4 중량% 이하의 망간 및

   0 초과 0.4 중량% 이하의 불가피한 불순물을 함유하고, 잔부가 알루미늄인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
2. 제1항에 있어서, 상기 주물은 다이캐스팅, 중력주조, 저압주조 내지 틱소캐스팅 공정을 거쳐 제조된 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구리 함유량이 4 내지 12 중량% 인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 규소 함유량이 5 내지 10 중량% 인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 철 함유량이 1 내지 2 중량% 인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 망간 함유량이 1 내지 4 중량% 인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄합금 주물.
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