KR101565025B1

KR101565025B1 - 고내열성 저밀도 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR101565025B1
Application number: KR1020130145599A
Authority: KR
Inventors: 강희삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-11-02
Also published as: KR20150061451A; US20150144227A1; US9896747B2

Abstract

본 발명은 고내열성 저밀도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 7 내지 11 중량%, 실리콘(Si) 4 내지 8 중량%, 구리(Cu) 0.5 내지 2 중량%, 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량% 를 포함하며, 고온물성이 개선되어 고출력 엔진의 피스톤, 하우징 및 베드플레이트 등에 적용가능한 고내열성 저밀도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

Description

고내열성 저밀도 알루미늄 합금{Aluminum alloy for low density, high heat resistance}

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금의 조성비를 조절함으로써 경량화되고, 고온물성이 개선되어 고출력 엔진의 피스톤, 하우징 및 베드플레이트 등에 적용가능한 고내열성 저밀도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

최근 석유 에너지의 고갈 및 온실 가스 증대에 따른 기후 변화 문제로 각종 환경 규제가 강화됨에 따라 선진국을 비롯한 세계 각국은 환경오염을 억제하기 위한 노력을 기울이고 있으며, 자동차 업계 역시 강화되는 환경 규제에 대응하기 위해 연비향상과 이에 따른 엔진의 고출력화에 대한 연구를 지속적으로 진행하고 있다.

본 발명은 상기 고출력 엔진에 적용가능하도록 고내열성이 개선되면서 경량화된 알루미늄 합금에 관한 것이다. 일반적으로 알루미늄(Al)은 주조가 용이하며 다른 금속과 잘 합금되고 상온 및 고온가공이 용이하며, 대기 중에서 내식력이 강하고 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.

특히, 금속 중 비중이 비교적 낮은 알루미늄의 사용이 증가하고 있으며, 알루미늄 자체는 다른 금속들에 비하여 강도가 높지 않기 때문에 이를 보완하기 위한 알루미늄 합금에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

현재 일반적인 자동차 엔진에 적용되는 피스톤 역시 재질은 알루미늄 합금인데, 통상적으로 Al-Si-Cu-Ni계 합금, 보다 상세하게는 Al-12Si-4Cu-3Ni계 알루미늄 합금이 적용되고 있으며, 상기 알루미늄 합금의 재질적 내열 한계는 110 bar 급인바, 향후 고출력화 엔진에 적용되기 위한 재질적 내열 한계인 130 bar 급에 미치지 못하는 문제가 있다.

또한, 각종 부품에 대한 경량화 요구가 지속적으로 증대되고 있기에, 알루미늄(Al) 합금의 대체 경량 재료로서 마그네슘(Mg) 합금에 관한 연구가 진행되고 있으나, 마그네슘(Mg)의 높은 원가 및 낮은 내식성으로 인해 그 적용에 한계가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 종래 엔진의 피스톤에 적용되는 Al-Si-Cu-Ni계 합금 대비 가벼우면서 내열 특성을 보다 향상시킨 Al-Mg-Si-Cu-Mn계 고내열성 저밀도 알루미늄 합금을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고내열성 저밀도 알루미늄 합금은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 7 내지 11 중량%, 실리콘(Si) 4 내지 8 중량%, 구리(Cu) 0.5 내지 2 중량% 및 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알루미늄 합금은 초정 Mg₂Si 미세화 처리된 것이 바람직하며, 주조 후 T5 또는 T7 열처리된 것이 보다 바람직하다.

한편, 상기 알루미늄 합금은 엔진의 피스톤에 적용되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는 종래 피스톤에 적용되는 알루미늄 합금과 달리 마그네슘을 전체 합금 중량 대비 최대 15 중량%까지 포함하여 약 10% 까지 경량화될 수 있고, 이를 적용한 피스톤을 적용함에 따라 연비가 향상될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 주요 합금 원소들에 의해 생성되는 금속 간 화합물 입자들에 의해 고온에서의 인장 및 피로 강도 등이 개선됨에 따라 고출력 엔진에 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 조성을 가진 알루미늄 합금의 내부 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명에 의한 알루미늄 합금을 적용한 피스톤을 나타내는 사진이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

일 관점에서, 본 발명은 Al-Mg-Si-Cu-Mn계 고내열성 저밀도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

상기 알루미늄(Al) 합금은 통상의 공지된 공정 즉, 중력 주조 및 열처리(T5 또는 T7)공정 등을 거쳐 엔진의 피스톤을 제조하기 위해 사용될 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 엔진의 출력이 증가함에 따라 피스톤 등이 받는 부하가 증대되는 것에 대응하여, 본 발명은 가혹한 조건에서도 적용할 수 있도록 고온 인장강도 등 고온 물성이 우수하고, 경량화 효과를 위해 저밀도인 알루미늄 합금을 제공한다.

구체적으로 본 발명에 의한 알루미늄(Al) 합금은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 7 내지 11 중량%, 실리콘(Si) 4 내지 8 중량%, 구리(Cu) 0.5 내지 2 중량% 및 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는바, 각 원소 첨가 및 함량에 대해 이하에서 상세히 설명한다.

한편, 본 발명에서 사용되는 용어인 금속간화합물(intermetallic compound)은 두 가지 이상의 금속 원소가 간단한 정수비로 결합된 화합물을 의미하는데, 보통 합금인 고용체와는 달리 결정구조나 물리적 화학적 성질이 그 성분 원소와 명확히 다른 것을 특징으로 하며, Mg₂Si계, AlMg계, AlMn계 및 AlCuMg계들이 있다.

먼저 상기 마그네슘(Mg)은 합금의 밀도를 낮추면서 고온에서의 내열성을 증가시키는 Mg₂Si계 및 AlMg계 금속간화합물 생성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 7 내지 11 중량% 포함하는 것이 바람직한데, 7 중량% 미만인 경우에는 경량화 효과 및 금속간화합물 생성이 충분하지 않으며, 11 중량% 초과인 경우에는 합금의 산화성이 높아져 대기 상태에서 용해가 어렵고, 중력주조 공정상의 생산성이 떨어지기에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

즉, 알루미늄 합금이 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg)을 10 중량% 까지 포함하는 경우, 상기 알루미늄 합금의 밀도는 2.59g/cm³ 로 종래 알루미늄 합금의 밀도인 2.75 g/cm³ 보다 낮기에 저밀도로 인한 경량화가 달성될 수 있는 것이다.

마그네슘(Mg) 중량	비중
5%	2.66 (2.9%↓)
10%	2.59 (5.8%↓)
15%	2.52 (8.7%↓)
20%	2.45 (10.9%↓)

상기 표 1은 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 중량에 따른 합금의 비중을 비교한 표인데, 마그네슘(Mg)의 함량이 증가함에 따라 전체 알루미늄(Al) 합금의 비중이 감소되는 것을 알 수 있으며, 상기 범위 즉, 최대 10 중량% 를 포함함에 따라 종래 알루미늄(Al) 합금 중량과 대비하여 5.8% 까지 감소될 수 있다.

또한, 상기 실리콘(Si)은 상기 마그네슘(Mg)과 반응하여 Mg₂Si계 금속간화합물 생성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 4 내지 8 중량% 포함하는 것이 바람직한데, 4 중량% 미만인 경우에는 초정 Mg₂Si 입자가 생성되지 않아 내열성이 향상되지 않으며, 8 중량% 초과인 경우에는 초정 Mg₂Si 입자의 조대화 및 클러스터링이 일어나 오히려 내열성 및 기계적 물성이 저하되기에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 망간(Mn)은 AlMn계 및 AlCuMg계 금속간화합물 생성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 0.3 내지 0.7 중량% 포함하는 것이 바람직한데, 0.3 중량% 미만인 경우에는 상기 금속간화합물이 생성되지 않아 고온 내열성 및 강성 향상 효과가 미약하며, 0.7 중량% 초과인 경우에는 상기 금속간화합물의 조대화 및 밀도 증가 문제가 발생할 수 있기에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 구리(Cu)는 상기 마그네슘(Mg) 및 알루미늄(Al)과 반응하여 AlCuMg계 화합물 형성에 기여하는 원소로서 전체 합금 중량 대비 0.5 내지 2 중량% 포함하는 것이 바람직한데, 0.5 중량% 미만인 경우에는 상기 금속간화합물이 생성되지 않아 고온 내열성 등 물성 개선 효과가 미미하며, 2 중량% 초과인 경우에는 상기 금속간화합물의 조대화 및 밀도 증가 문제가 발생할 수 있기에 상기 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 조성을 가진 알루미늄 합금의 내부 미세조직 사진이고, 도 2는 본 발명에 의한 알루미늄 합금을 적용한 피스톤을 나타내는 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 알루미늄 합금은 2 내지 30 μm 수준의 초정 Mg₂Si(100) 및 섬유상의 공정 Mg₂Si(200) 뿐만 아니라, AlCuMg계(300) 및 AlMn계(400) 등의 다양한 종류의 금속간화합물이 생성되었음을 확인할 수 있었다.

이와 같이, 상기 조성을 가진 본 발명의 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 첨가로 인해 합금이 저밀도화됨에 따라 경량화 효과가 달성되고, 동시에 다양한 종류의 금속간화합물이 생성되어 고온 물성 등이 향상됨을 특징으로 한다.

상기 표 2는 알루미늄 합금에 관한 일반적인 열처리 공정의 종류와 방법을 나타낸 표이다.

특히, 상기 알루미늄 합금은 초정 Mg₂Si 미세화 처리(AlP처리)를 하고, 중력주조나 연속 주조 후 T5 또는 T7 열처리 공정을 거쳐 고출력 엔진의 피스톤 등에 이용될 수 있다.

이 때, 상기 AlP 처리는 용탕에 미세화제로 인(P)을 첨가하여 초정 Si 등을 미세화시키는 것으로, 용탕에 첨가된 인(P)은 일례로서 알루미늄(Al)과 반응하여 AlP 등을 생성하고, 상기 AlP 등이 초정 Si의 핵생성 자리로 작용하여 초정 Mg₂Si 등의 초정 Si를 미세화시킨다. 경우에 따라 충분한 미세화 효과를 위해 미세화제 첨가 후 고온에서 일정 시간 이상의 용탕 처리시간을 필요로 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

	실시예 1	비교예 1
보어경	φ84	φ84
적용소재	Al-10Mg-4.8Si-0.6Mn-1.8Cu	Al-12Si-3.2Cu-2.1Ni
소재밀도	2.59	2.78
피스톤 중량	301g	320g

상기 표 3은 본 발명에 의한 알루미늄 합금을 적용한 피스톤과 종래의 알루미늄 합금을 적용한 피스톤을 비교한 표이다.

상기 실시예 1에 따른 피스톤은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 10 중량%, 실리콘(Si) 4.8 중량%, 구리(Cu) 1.8 중량%, 망간(Mn) 0.6 중량% 를 포함하는 알루미늄 합금이 첨가된 합금 용탕에 AlP 처리를 한 후 중력주조 및 T5 열처리를 통해 제조되었다.

한편, 상기 비교예 1에 따른 피스톤은 알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 실리콘(Si) 12.2 중량%, 구리(Cu) 3.2 중량%, 니켈(Ni) 2.1 중량% 를 포함하는 알루미늄 합금이 첨가된 합금 용탕에 초정 Mg₂Si 미세화 처리를 한 후 중력주조 후 T5 열처리를 통해 제조되었다.

상기 표에서 나타난 바와 같이, 본 발명에 의한 알루미늄 합금을 적용한 피스톤의 밀도는 기존 대비 약 6% 정도 낮으며, 따라서 본 발명이 의도하고자 하는 경량화 효과를 확인할 수 있었다.

		실시예 1	비교예 1
상온 인장강도		270 MPa	250 MPa
피로강도	상온	115 MPa	110 MPa
	150 ℃	100 MPa	86 MPa
	250 ℃	65 MPa	50 MPa
단품 내구성(유압)		220 bar	205 bar

상기 표 4는 상기 표 2의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 피스톤의 물성을 비교한 표인데, 상온 인장강도는 실시예 1이 270 MPa 로 비교예 1보다 우수한 값을 나타내었으며, 피로강도는 상온에서는 비슷한 수준이나 고온으로 갈수록 약 20 내지 30 % 정도 향상된 것을 확인할 수 있었으며, 내구성 측면에서도 약 10 % 정도 향상된 것을 알 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

100 : 초정 Mg₂Si
200 : 공정 Mg₂Si
300 : AlCuMg계
400 : AlMn계

Claims

알루미늄을 기재로 하고, 전체 합금 중량 대비 마그네슘(Mg) 7 내지 11 중량%, 실리콘(Si) 4 내지 8 중량%, 구리(Cu) 0.5 내지 2 중량% 및 망간(Mn) 0.3 내지 0.7 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 고내열성 저밀도 알루미늄 합금.
제1항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 초정 Mg₂Si 미세화 처리된 것을 특징으로 하는 고내열성 저밀도 알루미늄 합금.
제2항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 주조 후 T5 또는 T7 열처리된 것을 특징으로 하는 고내열성 저밀도 알루미늄 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 합금은 엔진의 피스톤에 적용되는 것을 특징으로 하는 고내열성 저밀도 알루미늄 합금.