KR101583886B1

KR101583886B1 - 알루미늄합금 및 차량용 부품

Info

Publication number: KR101583886B1
Application number: KR1020130158795A
Authority: KR
Inventors: 강희삼; 홍은지
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2016-01-08
Also published as: US10266931B2; DE102014215182A1; KR20150071590A; CN104726752A; US20150167136A1; CN104726752B

Abstract

Mg 8.0~10.5 wt%, Si 1.9~3.4 wt%, Cu 0.4~2.0 wt% 및 잔부 Al로 구성된 알루미늄합금 및 차량용 부품이 소개된다.

Description

알루미늄합금 및 차량용 부품 {ALUMINUM ALLOY AND VEHICLE PART USING THE SAME}

본 발명은 차량용 알루미늄 부품에 발생하는 백록 문제를 해결하면서도 강도가 높은 고강도 고내식성 경량 알루미늄 합금의 제조방법 관한 것으로서, 고강도 고내식성 Al-Mg-Si-Cu계인 알루미늄합금 및 차량용 부품에 관한 것이다.

본 발명은 자동차용 알루미늄 부품에 적용 가능한 고강도, 고내식성 알루미늄합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현재의 Al-Si-Cu계 다이캐스팅용 합금 (이하 ADC10/12) 대비 고강도, 고내식 특성을 가지면서도 가벼운 Al-Mg-Si-Cu계 합금을 개발하고자 한 것이다.

현재 전통적으로 자동차용 다이캐스팅 부품에 사용되는 ADC10/12합금의 경우 가격이 저렴하면서도 우수한 주조성을 가지고 있어 널리 사용되고 있다.

하지만 자동차 구동환경이 점점 가혹해짐에 따라, 그 동안 자동차용 부품에서 나타나지 않았던 내구성 부족에 의한 파손 문제나 해수의 염분 혹은 제설재에 의한 백록 발생 문제 등으로 인해, 점차 ADC10/12합금의 한계가 드러나며 이를 보완할 새로운 합금의 필요성이 대두되고 있다.

게다가 최근 선진국을 비롯한 세계 각국은 각종 환경 규제를 강화하여 환경오염을 억제하려는 노력을 기울이고 있으며, 이로 인해 환경 규제는 점점 강해지고 있다. 이와 같은 상황에 대응하기 위해 자동차업계는 연비 향상을 위한 자동차 부품 경량화를 위한 많은 연구를 지속하고 있지만, 기존 상용합금을 대체할 만한 기본 성능 및 원가 경쟁력을 갖춘 대안을 찾는데 어려움을 겪고 있는 상황이다.

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.

KR 10-1212314 B

본 발명은 차량용 알루미늄 부품에 발생하는 백록 문제를 해결하면서도 강도가 높은 고강도 고내식성 경량 알루미늄 합금의 제조방법 관한 것으로서, 고강도 고내식성 Al-Mg-Si-Cu계인 알루미늄합금 및 차량용 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄합금은, Mg 8.0wt% 초과 10.5wt%이하, Si 1.9~3.4 wt%, Cu 0.4~2.0 wt% 및 잔부 Al로 구성되고, 조직상에 초정 Mg₂Si 입자와 Al-Cu-Mg계 금속간화합물 입자를 함께 포함할 수 있다.

Mg/Si비는 3.1~4.3일 수 있다.

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초정 Mg₂Si 입자는 크기가 2~30㎛일 수 있다.

삭제

차량용 부품은 Mg 8.0wt% 초과 10.5wt%이하, Si 1.9~3.4 wt%, Cu 0.4~2.0 wt% 및 잔부 Al로 구성되는 합금을 이용하여 주조 및 열처리 공정을 통해 조직상에 초정 Mg₂Si 입자와 Al-Cu-Mg계 금속간화합물 입자를 함께 포함하도록 제조된다.

열처리 공정 조건은 200~250℃, 1.5~4.5시간일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄합금 및 차량용 부품에 따르면, 고강도/고내식성 알루미늄 신합금 개발을 통해 기존 대비 내구성을 40%이상 향상시키며, 각종 알루미늄 부품에서 나타나는 백록 문제를 해결할 수 있다. 또한 밀도를 낮춤으로 동일 형상에서 약 7%의 경량화도 달성할 수 있어, 각종 알루미늄 다이캐스팅 부품에서의 경량화, 원가절감 및 내구성 향상을 동시에 이룰 수 있게 된다.

도 1은 본 발명과 준2원계 공정 합금(종래기술)의 미세조직을 비교한 도면.
도 2는 핫크랙이 발생된 사례를 나타낸 도면.
도 3은 Cu의 함량 변화에 따른 전위차 부식에 의한 내식성 저하를 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명은 자동차용 알루미늄 부품에 발생하는 백록 문제를 해결하면서도 강도가 높은 고강도 고내식성 경량 알루미늄 합금의 제조방법 관한 것으로서, 고강도 고내식성 Al-Mg-Si-Cu계 합금에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 상기 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 마그네슘(Mg) 8.0~10.5 wt%, 실리콘(Si) 1.9~3.4 wt%, 구리(Cu) 0.4~2.0 wt% 함유된 합금으로 고강도/고내식성 확보를 위한 Al-Mg-Cu계 금속간화합물의 생성 및 적절한 분포를 위해 Mg/Si비를 3.1~4.3로 한정한 합금이다.

본 발명에 따른 알루미늄합금은, Mg 8.0~10.5 wt%, Si 1.9~3.4 wt%, Cu 0.4~2.0 wt% 및 잔부 Al로 구성된다. Mg/Si비는 3.1~4.3일 수 있다. 조직상에 초정 Mg₂Si 입자를 포함할 수 있다. 초정 Mg₂Si 입자는 크기가 2~30㎛일 수 있다.

차량용 부품은 청구항 1 조성의 합금을 이용하여 주조 및 열처리 공정을 통해 제조된다. 열처리 공정 조건은 200~250℃, 1.5~4.5시간일 수 있다.

본 발명은 현재의 다이캐스팅용 ADC10/12합금에 대비해서 가벼우면서도 고강도, 고내식 특성을 가질 수 있도록 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 마그네슘(Mg) 8.0~10.5 wt%, 실리콘(Si) 1.9~3.4 wt%, 구리(Cu) 0.4~2.0 wt% 함유된 합금으로 고강도/고내식성 확보를 위한 Al-Mg-Cu계 금속간화합물의 생성 및 적절한 분포를 위해 Mg/Si비를 3.1~4.3로 한정한 합금을 제공한다.

일부 종래기술의 경우, Mg, Si, Cu의 첨가에도 불구하고 금속간화합물의 생성을 억제하고, 미세화된 조직을 얻기 위해 Mg/Si비를 1.98~2.5로 한정하고, 초음파 처리 등을 실시한 결과, Al-Mg₂Si의 준2원계 공정 조직을 갖는 합금을 얻는 방안을 제시한다. 하지만 위와 같은 합금의 경우, 합금 함량이 높아질수록 목표로 하는 준 2원계 공정 조직을 얻을 수 있는 공정 조건은 매우 제한적이 되고, 오히려 품질 산포가 높아질 수밖에 없다.

따라서 본 발명에서는 Mg/Si비율을 다량으로 높여서 오히려 미세조직상에 Al-Mg-Cu계 금속간화합물 및 초정 Mg₂Si를 다량 생성시킨 복합 미세조직을 구현하여 일반 주조공정에 사용 가능하면서도 기존 상용합금 대비 고강도, 저밀도, 고내식성을 갖는 합금을 제공하고자 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 의해 제조된 합금의 미세조직 사진과 기존 발명에서 언급된 준 2원계 공정 조직을 비교한 사진이다. 도 1에서 보는 바와 같이 Al matrix에 미세하게 공정 Mg₂Si입자가 분포된 준 2원계 공정 조직 대비해서 본 발명 합금은 주 강화상인 Al-Mg-Cu계(흰색) 금속간 화합물과 2~30㎛크기의 초정 Mg₂Si 입자(검은색)가 함께 분포된 복합 미세조직을 갖는 것을 알 수 있다.

본 발명은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 마그네슘(Mg) 8.0~10.5 wt%, 실리콘(Si) 1.9~3.4 wt%, 구리(Cu) 0.4~2.0 wt% 함유된 합금을 제공한다.

이때 첨가되는 Mg은 본 합금에서의 주요특성인 고강도, 고내식, 저밀도 특성을 구현하는 가장 중요한 원소로서, 그 양은 8.0 wt%에서 10.5 wt%까지로 제한한다. Mg이 8.0 wt%이하로 첨가되는 경우, 생성가능한 Al-Mg-Cu계 금속간화합물의 양이 부족하여 Si 첨가시 원하는 수준의 Al-Mg-Cu계 금속간화합물을 얻을 수 없으며, 그에 따라 고강도, 고내식 특성을 구현할 금속간화합물의 양이 감소하게 되므로 목적하는 물성을 얻을 수 없다. 10.5 wt%이상 첨가시는 Al-Mg-Cu계 금속간화합물의 조대화 및 핫크랙 생성 문제가 발생하여 주조성 및 기계적 성잘이 떨어지는 경향이 있어 그 양을 제한한다.

Si의 경우, 1.9 wt%이하 첨가시는 주조성 개선 효과가 미미하며, 3.4 wt% 이상 첨가되면 주 강화입자인 Al-Mg-Cu계 금속간화합물 대신 Mg₂Si 입자가 과량 생성되며 오히려 내식성 및 강도가 저하되는 문제가 있다. 따라서 최적화된 고강도, 고내식 특성을 얻기 위해서는 Mg의 함량에 맞춰 Si의 양을 조정해야 하며 그 비율(Mg/Si비)을 3.1~4.3로 한정해 주는 것이 중요하다.

Cu의 경우, Mg과 함께 강화상인 Al-Mg-Cu계 금속간화합물을 형성하게 되는데, 0.4 wt% 이하 적용시엔 강화 효과가 미비하며, 2.0 wt% 이상 적용시엔 Al matrix와 전위차 부식을 일으키는 금속간화합물을 생성시켜 내식성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다.

본 발명에 대한 실시예 및 비교예로서 본 발명에서의 Al-Mg-Si계 합금의 고강도/고내식 특성에 영향을 미치는 Al-Mg-Cu계 금속간화합물의 생성량을 확인하기 위해 Mg함량을 변화시키며 표 1과 같이 금속간화합물의 생성량을 확인하였다.

표 1은 Mg함량에 따른 Al-Mg-Si계 합금에서의 금속간화합물 생성량 변화로서, 표 1에서 보는 바와 같이 Mg이 8.0 wt% 이상 첨가되어야 충분한 양의 금속간화합물이 생성됨을 알 수 있다. Mg함량에 따라 금속간화합물의 양은 비례해서 늘어나지만 10.5 wt% 이상으로 많은 양의 Mg이 첨가되는 경우, 도 2에서 보는 바와 같은 핫크랙이 발생하여 주조 공정상의 불량률이 높아지는 문제를 일으킬 가능성이 높아진다.

또 다른 실시예 및 비교예로서 본 발명에서의 Al-Mg-Si-Cu계 합금의 고강도 특성을 확인하기 위해 Al-10Mg-3Si계 합금에 Cu함량을 변화시키며 표 2와 같이 기계적 성질을 확인하였다.

표 2는 Cu함량에 따른 Al-10Mg-3Si계 합금의 기계적 성질 변화로서, 표 2에서 보는 바와 같이 Cu 함량이 증가함에 따라 Al-Mg-Si계 합금의 기계적 성질이 향상됨을 볼 수 있는데, 목표로 하는 300MPa 이상의 고강도를 얻기 위해서는 0.4 wt% 이상 Cu함량이 추가되어야 함을 알 수 있다. Mg과 마찬가지로 Cu도 함량 증가에 비례해서 기계적 성질이 향상되는 효과를 가지고 있으나, 2.0 wt% 이상 과량 첨가시는 도 3에서 보는 바와 같이 전위차 부식에 의한 내식성 저하를 일으킬 수 있어 그 양을 제한한다.

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

Mg 8.0wt% 초과 10.5wt%이하, Si 1.9~3.4 wt%, Cu 0.4~2.0 wt% 및 잔부 Al로 구성되고, 조직상에 초정 Mg₂Si 입자와 Al-Cu-Mg계 금속간화합물 입자를 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
청구항 1에 있어서,
Mg/Si비는 3.1~4.3인 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
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청구항 1에 있어서,
초정 Mg₂Si 입자는 크기가 2~30㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
삭제
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청구항 1 조성의 합금을 이용하여 주조 및 열처리 공정을 통해 조직상에 초정 Mg₂Si 입자와 Al-Cu-Mg계 금속간화합물 입자를 함께 포함하도록 제조된 차량용 부품.
청구항 7에 있어서,
열처리 공정 조건은 200~250℃, 1.5~4.5시간인 것을 특징으로 하는 차량용 부품.