KR101356162B1

KR101356162B1 - 고온강도가 향상된 알루미늄합금

Info

Publication number: KR101356162B1
Application number: KR1020110104385A
Authority: KR
Inventors: 하석
Original assignee: 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-10-13
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2014-01-24
Also published as: KR20130039805A

Abstract

알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 니켈(Ni) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 납(Pb) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 고온강도가 향상된 알루미늄합금이 소개된다.

Description

고온강도가 향상된 알루미늄합금 {ALUMINUM ALLOY WITH HIGH-STRENGTH AT HIGH-TEMPERATURE}

본 발명은 차량의 실린더 헤드 등에 적용이 될 수 있으며, 강도 및 피로 특성, 그리고 고온강도가 향상된 알루미늄합금에 관한 것이다.

차량 엔진용 실린더 헤드는 엔진의 고출력화 및 콤팩트화로 인하여 점차적으로 사용 재질에 요구되는 물성치가 높아지고 있는 추세이다. 그러나, 최근 실린더 헤드의 소재로 각광 받고 있는 알루미늄 합금은 기존 주철 재질에 비해 고온강도, 강성 및 피로성질이 떨어진다.

이러한 실린더 헤드의 물성치를 높이기 위하여 종래 개발된 알루미늄 합금 재질로는 Si, Mg의 두 성분을 중점 규제한 소재(이하 "A"라 한다)가 있다. 그 조성은 하기의 표 1과 같다.

그러나, 상기 재질은 고온, 고압, 고출력 엔진의 개발에 따라 강도 및 연신률 특성의 향상을 위한 재질이 요구되어, 주요 Si, Mg 성분 및 Cu, Fe, Mn, Zn, Ni, Ti 성분을 규제하여 기존 재질에 비해 물성을 향상시킨 소재(JIS AC4CH, 이하 "B"라 한다)가 사용되고 있다.

상기와 같이 종래의 알루미늄 합금 소재는 Si, Mg 성분을 중점 규제한 "A" 재료와, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분을 규제하여 강도특성을 향상시킨 "B" 재료로 나눌 수 있다.

그러나 종래의 두 재료는 다음과 같은 문제점을 유발한다. 구체적으로, Si, Mg만을 중점적으로 규제하는 "A" 재료의 경우에는 Fe, Mn, Zn, Ni, Ti 등 타 성분첨가에 의한 물성변화를 정확히 제어할 수 없다. 예를 들어, Fe 성분의 경우 재료 내에 다량 함유 시 재질의 취성을 증가시켜 충격강도 및 강도성질을 급격히 저하시킨다.

또한, 주요 Si, Cu, Mg, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분을 규재한 "B" 재료의 경우 Si, Mg의 두 성분을 중점 규제한 알루미늄 합금 소재에 비해 강도특성이 현저히 향상된다. 그러나, 엔진 실린더 헤드의 경우 점차 고온, 고압, 고출력화 및 콤팩트화 됨에 따라 고온강도 특성의 향상이 중요시되고 있는데, "B" 재료의 경우 현재 요구되는 고온강도 및 피로물성을 만족시킬 수 없다. 이러한 이유로는, 주조성 확보를 위한 Si과 취성 원소인 Fe의 화학적 결합으로 침상모양의 화합물을 만들고, 전체적인 조직의 형태가 수지상을 형성하기 때문에 내피로 특성이 우수하지 않으며 Cu, Ti, Mn 성분의 범위 규제가 없어 Cu, Ti, Mn 성분 미첨가에 의한 피로성질의 저하가 발생할 수 있는 단점이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 주조성 확보에는 유리하나 취성을 유발할 수 있는 Si의 함량을 최소화하고, 강도 및 연신률을 대폭 향상시킬수 있는 Cu의 첨가가 이루어지며 주조성 확보도 가능한 고온강도가 향상된 알루미늄합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고온강도가 향상된 알루미늄합금은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 니켈(Ni) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 납(Pb) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

또는, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

그리고, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 알루미늄합금은 차량의 실린더 헤드용일 수 있으며, 상기 알루미늄합금은 항복강도 180 ~ 210 MPa, 인장강도 200 ~ 250 MPa, 연신률 8 ~ 12 %의 물성을 가질 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 고온강도가 향상된 알루미늄합금에 따르면, 주요 Si, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, Si의 함량을 최소화하고 Cu를 첨가함으로써 강도 및 연신률 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 재료를 제공할 수 있고, 보다 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온강도가 향상된 알루미늄합금의 조직사진.
도 2는 종래의 비교예에 따른 알루미늄합금의 조직사진.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고온강도가 향상된 알루미늄합금에 대하여 살펴본다.

본 발명의 알루미늄합금은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 니켈(Ni) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 납(Pb) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

또 다른 실시예로서의 알루미늄합금은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

그리고 또 다른 실시예로서는, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량% 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 알루미늄합금은 차량의 실린더 헤드용으로 적합하며, 물성으로는 항복강도 180 ~ 210 MPa, 인장강도 200 ~ 250 MPa, 연신률 8 ~ 12 %를 나타낼 수 있다.

구체적으로, 본 발명은 종래 합금의 문제점을 해결하고자, Si의 함량을 최소화한 알루미늄 합금재료이며, 기존의 재료 "A"와 주요 성분 규제를 통해 강도특성을 향상시킨 기존의 재료 "B" 보다 강도 피로 특성이 현저히 향상됨을 확인할 수 있다.

본 발명의 목적은 고온, 고압, 고출력의 실린더 헤드 제조시 그 재료로서 사용될 수 있는 새로운 알루미늄 합금 재료를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 주조성 확보에는 유리하나 취성을 유발할 수 있는 Si의 함량을 최소화하고 대신에 강도 및 연신률을 대폭 향상시킬수 있는 Cu의 첨가가 이루어지며 주조성 확보도 가능한 알루미늄 합금재료를 제공하는 것이다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 강도 및 연신률 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금재료는 Si 함량이 최소로 포함되고 강도를 향상시킬 수 있는 Cu를 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 강도 및 피로 특성이 향상된 실린더 헤드용 알루미늄 합금 복합재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진의 실린더 헤드 제조시 소재로 사용되는 강도 및 연신률 특성이 향상된 알루미늄 합금 재료에 관한 것이다. 본 발명에서는 실린더 헤드용 알루미늄 합금 재료의 강도 및 연신률 특성을 향상시키기 위한 알루미늄 합금재료의 함량을 다음의 표 2에 나타낸 바와 같이 규정한다.

상기 성분 범위에 대한 설명은 아래와 같다.

(1) Cu : 4.0 ∼ 6.0 중량%

Si 최소화시 알루미늄 합금재료의 주된 강화기구로 함량 과다시 열전도도가 감소되고 주조시 열간 취성이 발생되는 효과를 보이므로 4.0 ∼ 6.0 중량%로 한다.

(2) Si : 2 ∼ 3 중량%

Si 함량이 2%이하이면 실린더헤드의 복잡한 형상이 주조가 되지 않으며 3%이상이면 주조성은 증가하나 신율이 감소하는 점을 고려하여, 신율의 감소를 최소화하기 위하여 2 ∼ 3 중량%로 한다.

(3) Mg : 0.35 ∼ 0.45 중량%

함량 과다시 열전도 감소 및 주물에 산화물 형성이 많아 주조 품질의 영향과 열처리에 의해 신율 저하가 발생하고, 함량 미달시 강도가 저하되므로 강도 및 신율 확보를 위해 0.25 ∼ 0.45 중량%로 한다.

(4) Zn : 0 ∼ 0.1 중량%

함량을 과다로 첨가하는 경우 열전도 및 내식성이 감소하게 되므로 그 함량을 0.1 중량% 이하로 한다.

(5) Fe : 0 ∼ 0.2 중량%

함량 과다시 취성 화합물이 생성되므로 그 함량을 0.2 중량% 이하로 한다.

(6) Mn : 0.4 ∼ 0.6 중량%

함량 첨가시 별도의 열처리 없이 응고 중 조직 내부에 미세분산상(dispersion)이 형성되어 현저한 강도 증가를 보이며 알루미늄 기지와 알루미늄 구리 화합물간의 격자상수 불일치를 감소시키는 점을 고려하여 0.4∼ 0.6 중량%로 한다.

(7) Ni : 0 ∼ 0.05 중량%

불순물로서 첨가되며, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.05 중량% 이하로 한다.

(8) Sn : 0.1 ∼ 0.15 중량%

Si최소화시 Zr과 함께 첨가되어 주조성을 확보하는 역할을 하지만, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.1~0.15 중량% 이하로 한다.

(9) Cr : 0 ∼ 0.05 중량%

(10) Pb : 0 ∼ 0.05 중량%

(11) Ti : 0.2 ∼ 0.4 중량%

함량 과다시 취성이 증가할 수 있지만 적정량 첨가시 조직의 미세화 효과가 있어 그 함량을 0.2~0.4 중량% 이하로 한다.

(12) Zr : 0.01 ∼ 0.03 중량%

Si최소화시 Sn과 함께 첨가되어 주조성을 확보하는 역할을 하지만, 과다로 첨가되는 경우 재료의 강도성질이 저하되므로 그 함량을 0.01~0.03 중량% 이하로 한다.

상기한 조성의 알루미늄 합금 재료는 이 분야의 통상적인 주조방식 모두에 적용이 가능할 것이며, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합재료로 제조된 시편을 이용하여 물성평가를 실시해 본 결과, 본 발명의 알루미늄 합금 복합재료는 종래의 알루미늄 합금 조성물에 비하여 강도 및 연신률 특성이 모두 현저히 향상되었음을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 알루미늄 합금 복합재료는 실린더 헤드에 적합하게 사용될 수 있으며, 특히 고압 고출력 직분식 디젤 및 가솔린 엔진 알루미늄 실린더 헤드의 소재로 사용되면 엔진의 고온강도특성을 현저히 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 다음의 실시 예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

실시 예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 2에 제시한 본 발명에 따른 조성성분의 범위 중 다음의 함량으로 합금 조성물을 제조하였다. 알루미늄을 기재로 하고 여기에 규소(Si) 2.7 중량%, 구리(Cu) 4.8 중량%, 마그네슘(Mg) 0.4 중량%, 철(Fe) 0.14 중량%, 망간(Mn) 0.5 중량%, 아연(Zn) 0.03중량%, 니켈(Ni) 0.02 중량%, 주석(Sn) 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.02 중량%, 납(Pb) 0.01 중량%, 티타늄(Ti) 0.3 중량%, 지르코늄(Zr) 0.03 중량% 가 포함되어 있는 것을 특징으로 한다.

얻어진 합금 조성물의 물성(고온 강도, 신율, 등)을 측정하기 위하여, 이 합금 조성물을 780℃에서 용융한 후 180℃로 예열시킨 금형에 주입하여 실린더헤드를 제조하였다.

비교예

통상적인 합금 제조방법을 이용하여, 상기 표 1에 나타낸 재료 "B"의 조성성분 범위 중 다음의 함량으로 합금 조성물을 제조하였다. 이 함량은 Si 6.9 중량%, Cu 0.04 중량%, Mg 0.35 중량%, Fe 0.2 중량%, Mn 0.02 중량%, Zn 0.02 중량%, Ni 0.03 중량%, Ti 0.02 중량%, Pb 0.02 중량%, Sn 0.01 중량%, Cr 0.03 중량%, Al 92.36 중량%이었다. 얻어진 합금 조성물의 물성을 측정하기 위하여, 이 합금 조성물을 750℃로 용융한 후 180℃로 예열시킨 금형에 주입하여 실시예와 동일한 기종의 실린더헤드를 제조하였다.

그리고, 상기 실시예와 비교예에서 제조된 실린더헤드에서 시편을 채취하여 이용하여 고온(250℃)에서의 인장시험을 실시한 후 비교하였다. 인장 시험은 기계식 인장시험기를 이용하였고 그 결과를 아래의 표 3에 나타낸다.

상기 표 3에 나타낸 바와 같이, 실시예에 따라 얻어진 본 발명의 재료와 비교예에 따라 얻어진 종래의 재료를 비교하여 본 결과, 강도는 30%, 연신률은 66% 이상 크게 향상되었다.

한편, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온강도가 향상된 알루미늄합금의 조직사진이고, 도 2는 종래의 비교예에 따른 알루미늄합금의 조직사진이다.

미세조직에서 볼 수 있듯이, 종래의 합금의 경우 나뭇잎의 모형과 같이 덴드라이트의 수지상결정이 형성됨을 알 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예의 경우 도시된 바와 같이 Al과 Cu을 주 원소로 하여 그레인(grain)이 성장한 것을 알 수 있다. 이와 같은 구조에 따라, 상술한 바와 같은 구조로 이루어진 고온강도가 향상된 알루미늄합금에 따르면, 주요 Si, Mg, Cu, Fe, Mn, Zn 성분 및 Ni, Ti 성분 규제에 의해 강도특성을 향상시킨 종래의 알루미늄 합금 재료에 비해, Si의 함량을 최소화하고 Cu를 첨가함으로써 강도 및 연신률 특성을 현저히 향상시킨 실린더 헤드 제조용 알루미늄 합금 재료를 제공할 수 있고, 보다 고온, 고압, 고출력에 견딜 수 있는 실린더 헤드의 제조가 가능해지는 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

규소(Si) 2 ∼ 3 중량%, 구리(Cu) 4.0 ∼ 6.0 중량%, 마그네슘(Mg) 0.35 ∼ 0.45 중량%, 철(Fe) 0.2 중량% 이하(0은 불포함), 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.6 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하(0은 불포함), 니켈(Ni) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 주석(Sn) 0.1 ∼ 0.15 중량%, 크롬(Cr) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 납(Pb) 0.05 중량% 이하(0은 불포함), 티타늄(Ti) 0.2 ∼ 0.4 중량%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.03 중량%, 잔부 알루미늄(Al) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하고
항복강도 180 ~ 210 MPa, 인장강도 200 ~ 250 MPa, 연신률 8 ~ 12 %인 것을 특징으로 하는 고온강도가 향상된 알루미늄합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄합금은 차량의 실린더 헤드용인 것을 특징으로 하는 고온강도가 향상된 알루미늄합금.
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