KR101620204B1

KR101620204B1 - 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101620204B1
Application number: KR1020140138797A
Authority: KR
Inventors: 강희삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-10-15
Filing date: 2014-10-15
Publication date: 2016-05-13
Also published as: CN105986154A; DE102015203759A1; KR20160044617A; US20160108500A1

Abstract

다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법이 소개된다.
본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5 중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4 중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mg/Si는 3.1 ~ 4.3인 용탕을 670 ~ 730℃로 가열하여, 3.0m/s 이상의 속도로 금형에 주입하는 것을 특징으로 한다.

Description

다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법{Alloy for die-casted automotive parts and manufacturing method thereof}

본 발명은 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고내식성의 경량 알루미늄 합금이 적용되는 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

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

그러나, 자동차 구동 환경이 점점 가혹해짐에 따라, 그 동안 자동차용 부품에서 나타나지 않았던 내구성 부족에 의한 파손. 해수의 염분 혹은 제설재에 의한 백록이 발생하는 등 점차 ADC10/12 합금이 그 한계를 드러내고 있는바, 이를 보완할 새로운 합금의 필요성이 대두되고 있다.

게다가 최근 세계 각국은 각종 환경 규제를 강화하여 환경 오염을 억제하려는 노력을 기울이고 있으며, 이로 인해 환경 규제는 점점 심화되고 있는데, 이러한 상황에 대응하기 위해 자동차업계에서는 연비 향상을 위한 자동차 부품 경량화를 위하여 많은 연구를 지속하고 수행하고 있지만, 기존 상용 합금을 대체할 만한 기본 성능 및 원가 경쟁력을 갖춘 대안을 찾는데 어려움을 겪고 있는 상황이다.

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

일본공개특허 제2007-100205호(2007.04.19.) 한국공개특허 제10-2012-0057402호(2012.06.05.)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 고강도, 고내식성 알루미늄 신합금을 적용한 다이캐스팅 부품 개발을 통해 기존 대비 내구성을 40% 이상 개선할 수 있는 것은 물론, 각종 알루미늄 부품에서 나타나는 백록 문제를 해결하며, 밀도를 낮춤으로 동일 형상에서 약 7%의 경량화도 달성할 수 있어, 각종 알루미늄 다이캐스팅 부품에서의 경량화, 원가절감, 내구성을 개선할 수 있는 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이캐스팅 부품용 합금은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5 중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4 중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mg/Si는 3.1 ~ 4.3인 것을 특징한다.

Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 생성량은 7.0% 이상인 것을 특징으로 한다.

인장강도 300MPa 이상이면서 항복강도 170MPa 이상인 것을 특징으로 한다.

알루미늄 매트릭스 내에 주강화 상인 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물이 분산되어 분포하되, Mg₂Si 입자가 함께 분포하는 것을 특징으로 한다.

상기 Mg₂Si 입자 크기는 10~30㎛ 인 것을 특징으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법은, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5 중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4 중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mg/Si는 3.1 ~ 4.3인 용탕을 670 ~ 730℃로 가열하여, 3.0m/s 이상의 속도로 금형에 주입하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 이점이 있다.

본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법에 따르면, 고강도, 고내식성 알루미늄 신합금을 적용한 다이캐스팅 부품 개발을 통해 기존 대비 내구성을 40% 이상 개선할 수 있는 것은 물론, 각종 알루미늄 부품에서 나타나는 백록 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

또한 밀도를 낮춤으로 동일 형상에서 약 7%의 경량화도 달성할 수 있어, 각종 알루미늄 다이캐스팅 부품에서의 경량화, 원가절감은 물론, 내구성을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명 대비 종래기술의 미세조직을 비교한 도면,
도 2는 고속 사출 속도에 따른 핫크랙 발생 여부를 나타낸 도면,
도 3은 용탕 온도에 따른 유동성 평가 결과를 나타낸 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법을 설명한다.

본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금은, 현재의 다이캐스팅 부품용 합금 대비, 경량이면서도 고강도, 고내식 특성이 구현될 수 있도록 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물이 함유된 합금으로, 고강도/고내식성 확보를 위해 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물의 생성 및 적절한 분포를 위한 Mg/Si비를 3.1 ~ 4.3로 한정한 것을 특징으로 한다.

이와 관련하여, 본 발명자는 다양한 연구, 실험을 위해 Mg, Si, Cu를 첨가하면서, 금속간 화합물 생성을 억제하고, 미세화된 조직을 얻기 위해 Mg/Si비를 1.98~2.5로 한정한 후, 초음파 처리 등을 실시한 바, Al-Mg₂Si의 준2원계 공정 조직을 갖는 합금을 얻을 수 있었다.

그러나, 이러한 합금은 합금 함량이 높아질수록 목표로 하는 준2원계 공정 조직을 얻을 수 있는 공정 조건이 매우 제한적이고, 오히려 품질 산포가 높아질 수 밖에 없는 문제점이 존재함을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명에서는 Mg/Si비율을 개선하여 오히려 미세조직 상에 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 및 초정 Mg₂Si를 다량 생성시킨 복합 미세조직을 구현함으로써, 일반 주조공정에 사용 가능하면서도 기존 상용 합금 대비 고강도, 저밀도, 고내식성을 갖는 합금을 제공할 수 있게 되었다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 합금의 미세조직 사진과 기존 발명에서 언급된 준2원계 공정 조직을 비교한 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 알루미늄 매트릭스(Al matrix)에 미세하게 공정 Mg₂Si 입자가 분포된 준2원계 공정 조직에 비하여, 본 발명의 합금은 주강화상인 Al-Mg-Cu계(흰색) 금속간 화합물이 골고루 분산되며, 여기에 10 ~ 30㎛ 크기의 초정 Mg₂Si 입자(검은색)가 함께 분포하는 것을 확인할 수 있다.

Mg₂Si 입자가 30㎛를 초과하면 본 발명에서 목표로 하는 인장강도 300MPa, 항복강도 170MPa 이상을 갖는 합금을 제조하기 어렵고, Mg₂Si 입자가 10㎛ 미만이면 도 1에 개시된 종래기술과 유사한 조직을 갖는 합금이 제조되는 문제가 있다.

이는 Mg 이외에 다른 합금 원소의 비율을 낮게 관리하며, 초정 알루미늄 수지상 위주의 미세조직을 확보해서 연신율을 극대화하는 기존 합금들과 차별화되는 부분이기도 하다.

이하에서는 본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 조성물의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다.

Mg은 본 합금의 주요 특성인 고강도, 고내식, 저밀도 특성을 구현하는 가장 중요한 원소로서, 그 양은 8.5 ~ 10.5중량%까지로 제한한다.

Mg이 8.5중량% 미만으로 첨가되는 경우, 생성 가능한 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물의 양이 부족하여 Si 첨가시 원하는 수준의 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물을 얻을 수 없으며, 그에 따라 고강도, 고내식 특성을 구현할 금속간 화합물의 양이 감소하게 되므로 목적하는 물성을 얻을 수 없다.

10.5중량%를 초과하여 첨가하는 경우에는 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물의 조대화 및 핫크랙 생성 문제가 발생하여 주조성 및 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생한다.

Si는 합금의 주조성을 개선하기 위한 조성으로, 그 양은 1.9 ~ 3.4중량%로 제한한다.

Si이 1.9% 미만으로 첨가되면, 주조성 개선 효과가 미미하며, 3.4% 초과하여 첨가되면 주 강화 입자인 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 대신 Mg₂Si 입자가 과량 생성되는바, 오히려 내식성 및 강도가 저하되는 문제가 있다.

또한, 최적화된 고강도, 고내식 특성을 얻기 위해는 Mg/Si의 비율은 3.1 ~ 4.3 범위에서 조절되어야 한다.

Mg/Si 비율이 3.1 미만이면, Si 사이즈가 조대해지고, Mg/Si 비율이 4.3을 초과하면 Mg₂Si 입자가 생성되지 않는 문제점이 존재한다.

Cu의 경우, Mg과 함께 강화상인 Al-Mg-Cu계 금속간화합물을 형성하게 되는데, 0.4% 미만으로 첨가되면 강화 효과가 미미하고, 2.0%을 초과하면 Al matrix와 전위차 부식을 일으키는 금속간 화합물을 생성시켜 내식성을 저하시키는 문제점을 가지고 있다.

Mn의 경우, 다이캐스팅 공정 중에 발생하는 금형 소착 문제를 개선하기 위해 첨가하는데, 0.3% 미만으로 첨가되면 소착 개선 효과가 미미하고, 1%를 초과하여 첨가하는 경우에는 조대한 막대 형상의 금속간 화합물을 생성시켜 강도를 저하시키는 문제점을 가지고 있다.

미소원소인 Be의 경우, Mg을 많이 함유한 본 합금의 용융 시 표면의 산화를 억제함으로서 제품 내부에 산화 개재물이 발생하는 것을 억제해 주는 역할을 하는 원소인바, 다이캐스팅 공정 조건에 따라 최대 50ppm까지 첨가할 수 있다.

본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법은, 상술한 다이캐스팅용 부품용 합금을 제조하기 위한 방법으로, 기존 다이캐스팅용 제품에 사용되던 합금(ACD10/12) 제조 시 발생하던 주조성 저하에 의한 충진 불량 문제, 핫크랙 발생 및 수축공에 의한 주조불량 발생 문제를 개선하였다. 즉, 본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법은, 기존의 다이캐스팅 공정 조건과 차별화되는 주조 공정 조건(용탕온도, 주입속도, 냉각시간 등)을 적용하여 핫크랙, 미충진, 수축 결함 등을 방지함으로서 양산성을 확보할 수 있는바, 이를 통해 기존 다이캐스팅 부품이 갖고 있던 내구성 부족 및 백록 발생 문제를 해결하고, 여기에 경량화 효과까지 함께 얻을 수 있는 이점이 있다.

본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법은, ADC10/12 합금 대비 유동성이 열위에 있으므로, 용탕의 온도가 최소 670℃ 이상 확보되어야 하며, Mg 함량이 상대적으로 높은 것을 고려하면, 용탕 산화 문제 방지를 위해 최대 730℃로 제한하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 합금은 ADC10/12 합금 대비 고액 공존 구간이 크기 때문에 최대한 충진 시간을 단축해야 하는데, 이에 고속 주입 속도를 최소 3.0m/s 이상 확보해야 하며, 절환 위치는 슬리브 길이의 최대 8/10지점까지로 제한하여야 한다.

본 발명자는 Al-Mg-Si계 합금에서 고강도/고내식 특성에 영향을 미치는 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물의 생성량을 확인하기 위해 Mg함량을 변화시키며 하기의 표 1과 같이 금속간화합물의 생성량을 확인하였다.

구분	Al	Mg(wt%)	Si(wt%)	Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 생성량(%)
비교예 1	나머지	7.5	3.0	4.0
비교예 2	나머지	8.0	3.0	5.0
실시예 1	나머지	8.5	3.0	7.0
실시예 2	나머지	9.0	3.0	8.0
실시예 3	나머지	9.5	3.0	9.5
실시예 4	나머지	10.0	3.0	10.5
실시예 5	나머지	10.5	3.0	12.0

표 1에 나타난 바와 같이, Mg이 8.5% 이상 첨가되어야 충분한 양의 금속간 화합물이 생성됨을 알 수 있다. Mg 함량에 따라 금속간 화합물의 양은 비례해서 늘어나지만 10.5%을 초과하여 Mg이 첨가되는 경우에는 핫크랙이 발생하여 주조 공정상의 불량률이 높아지는 문제를 일으킬 가능성이 높아진다.

본 발명자는 Al-Mg-Si-Cu계 합금의 고강도 특성을 확인하기 위해 Al-10Mg-3Si계 합금에 Cu함량을 변화시키며 기계적 성질을 확인하였는바, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	Al	Mg(wt%)	Si(wt%)	Cu(wt%)	인장강도 (MPa)	항복강도 (MPa)
비교예 3	나머지	10.0	3.0	0.3	280	160
실시예 6	나머지	10.0	3.0	0.4	310	175
실시예 7	나머지	10.0	3.0	0.5	325	185
실시예 8	나머지	10.0	3.0	0.7	325	210
실시예 9	나머지	10.0	3.0	0.9	335	220

표 2에 나타낸 바와 같이, Cu 함량이 증가함에 따라 Al-Mg-Si계 합금의 기계적 성질이 향상됨을 볼 수 있었다.

목표로 하는 300MPa 이상의 고강도를 얻기 위해서는 Cu는 0.4% 이상 첨가되어야 함을 알 수 있다.

Mg과 마찬가지로 Cu도 함량 증가에 비례해서 기계적 성질이 향상되는 효과를 가지고 있으나, 2.0%를 초과하여 과량으로 첨가하는 경우에는 전위차 부식에 의한 내식성이 저하되는바, 그 양을 제한하여야 한다.

도 2는 용탕 고속 주입 속도 변화에 따른 핫 크랙 발생 여부를 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 합금 조성을 만족하는 동일한 용탕을 이용하여 고속 주입 속도를 달리하여 실험한 결과, 고속 주입 속도가 2.4, 2.6, 2.8m/s 조건에서는 핫 크랙들이 발생하였으며, 고속 주입 속도가 3.0m/s인 경우에는 핫크랙이 사라지고 양질의 제품을 얻을 수 있었다.

도 3은 용탕의 유동성 평가를 실험한 결과를 나타낸 것으로, 본 발명의 합금 조성을 만족하는 동일한 용탕을 이용하여 실험한 결과, 용탕은 670℃ 이상 온도에서 충분한 용탕 유동성을 확보할 수 있음을 알 수 있었다.

이와 같이, 본 발명의 다이캐스팅 부품용 합금 및 그 제조방법에 따르면, 고강도, 고내식성 알루미늄 신합금을 적용한 다이캐스팅 부품 개발을 통해 기존 대비 내구성을 40% 이상 개선할 수 있는 것은 물론, 각종 알루미늄 부품에서 나타나는 백록 문제를 해결할 수 있는 이점이 있다.

Claims

알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5 중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4 중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mg/Si는 3.1 ~ 4.3인 것을 특징으로 하는,다이캐스팅 부품용 합금.
청구항 1에 있어서,
Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 생성량은 7.0% 이상인 것을 특징으로 하는, 다이캐스팅 부품용 합금.
청구항 1에 있어서,
인장강도 300MPa 이상이면서 항복강도 170MPa 이상인 것을 특징으로 하는, 다이캐스팅 부품용 합금.
청구항 1에 있어서,
알루미늄 매트릭스 내에 주강화 상인 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물이 분산되어 분포하되, Mg₂Si 입자가 함께 분포하는 것을 특징으로 하는, 다이캐스팅 부품용 합금.
청구항 4에 있어서,
상기 Mg₂Si 입자 크기는 10~30㎛ 인 것을 특징으로 하는, 다이캐스팅 부품용 합금.
알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 마그네슘(Mg) 8.5 ~ 10.5 중량%, 실리콘(Si) 1.9 ~ 3.4 중량%, 구리(Cu) 0.4 ~ 2.0중량%, 망간(Mn) 0.3 ~ 1.0중량%, 베릴륨(Be)이 최대 50ppm, 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Mg/Si는 3.1 ~ 4.3인 용탕을 670 ~ 730℃로 가열하여, 3.0m/s 이상의 속도로 금형에 주입하는 것을 특징으로 하는, 다이캐스팅 부품용 합금 제조방법.