KR101646326B1

KR101646326B1 - 고탄성 과공정 알루미늄 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101646326B1
Application number: KR1020140045062A
Authority: KR
Inventors: 박훈모; 이태규
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-04-15
Publication date: 2016-08-08
Also published as: DE102014217823B4; CN105002406A; DE102014217823A1; US20150292064A1; KR20150119584A; US9725792B2; CN105002406B

Abstract

Ti 및 B를 포함하고, Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이며 B는 0.5~2wt%로 구성되고, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 모두 포함하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

고탄성 과공정 알루미늄 합금 및 그 제조방법 {HIGH ELASTICITY HYPER EUTECTIC ALUMINUM ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 동시에 포함함으로써 과공정 알루미늄 합금의 탄성이 획기적으로 높아지며, 연속주조가 아닌 일반주조 공정으로도 주조가 가능하도록 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 강성 및 NVH 특성의 향상을 위한 주조용 고탄성 알루미늄 소재에 관한 것이다.

종래의 경우 알루미늄 합금의 탄성 향상을 위하여 금속계 화합물이나 CNT 등의 강화상을 분말형태로 성형하였으나 원가 경쟁력에 있어 한계가 있는 문제가 있었다.

또한, 합금의 주조공정에서 강화상을 분말형태로 적용할 경우에는, Al 기지와의 젖음성, 분산 문제가 발생되었다.

특히, 과공정 알루미늄 주조재의 경우, 저압주조공정에 국한되고 조대 Si입자에 의한 가공이 난이한 문제가 있었으며 이를 개선하기 위해 냉각속도를 빠르게 해서 강화상을 미세화하여 가공성과 성형성을 확보해야만 하는 어려움이 있었다.

따라서, 탄성 최대값을 달성하고 재현성을 확보하기 위해 탄성 향상에 가장 크게 기여하는 티타늄계 화합물 생성을 최적화(Al₃Ti상 및 TiB₂상 모두 강화상으로 활용)하고, 고압주조를 포함한 일반 주조공정에 적용 가능하고 균일성을 갖는 고탄성 소재를 구현할 필요가 있었던 것이다.

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 10-2013-0058997 A

본 발명은 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 동시에 포함하여 탄성이 증대되며 동시에 연속주조가 아닌 일반주조 공정으로도 주조가 가능하도록 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 과공정 알루미늄합금은 Ti 및 B를 포함하고, Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이며 B는 0.5~2wt%로 구성되고, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 모두 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예의 과공정 알루미늄합금은, 상용 알루미늄합금인 A390합금의 첨가원소의 조성 성분을 기본으로 하되, B의 조성은 0.5~2wt%이고 Ti는 Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이 되도록 포함되며 잔부는 Al으로 구성되고, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 모두 포함한다.

이러한 알루미늄 합금을 제조하는 방법은, 용융로에 Al, Al-B 모합금, Al-Ti 모합금 또는 Ti 원소재를 장입하되, Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이며 B는 0.5~2wt%로 구성되도록 장입하는 장입단계; 내부에서 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상이 모두 생성되도록 용탕을 교반하여 반응을 촉진시키는 1차 교반단계; 첨가원소를 장입하는 추가단계; 및 생성된 강화상이 용탕내에서 균일하게 분산되도록 용탕을 교반하는 2차 교반단계;를 포함한다.

Al-B 모합금은 B : 3~8wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있고, Al-Ti 모합금은 Ti : 5~10wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있다.

기존의 과공정 알루미늄은 대부분 고온 용해/빠른 냉각속도가 필요하여 연속주조공정을 적용해야 하고, 개재물 증가, 경제성 저하 등의 문제점을 가지는 반면, 본 발명에 따르면 Ti/B 조성비의 제어를 통해 상용소재보다 공정온도(용해, 초정 Si 정출온도)가 낮아지기 때문에 연속주조가 아닌 일반 주조공정도 가능하고, 연속주조 사용시에도 공정 제어의 부담을 낮출 수 있게 된다.

또한, 조성비 제어를 통한 티타늄 화합물의 최적화(미세 TiB₂상 생성 극대화 및 균일 분포, Al₃Ti 상의 생성)로 인하여 탄성 및 강도, 내마모성, 가공성 등의 특성이 향상된다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명은 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 동시에 포함하여 탄성이 증대되며 동시에 초정 Si의 정출온도인 공정온도가 낮아져 연속주조뿐만 아니라 일반 주조공정으로도 주조가 가능하도록 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고탄성 과공정 알루미늄 합금은, 알루미늄합금으로서 B : 0.5~2wt%를 포함하고, Ti:B 조성 비율이 3.5~5:1이며, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 동시에 포함한다.

본 발명의 알루미늄 합금의 경우 과공정 알루미늄 합금으로서 Si 함량을 17~19wt%로 한정하고, 탄성 향상에 가장 효과적인 티타늄 화합물(TiB₂ : 570GPa, Al₃Ti: 220GPa) 생성을 극대화하기 위해 B 함량을 0.5~2wt%로 하고 Ti:B 조성 비율을 3.5~5:1로 지정하여 기초 합금계를 구성한다.

주조용 알루미늄 합금의 주요 원소인 Si은 유동성과 주조품질에 주요한 영향을 미치고 탄성에도 기여하지만 19wt%이상 첨가될 경우 초정 Si이 정출되어 미세조직이 불균일해지고 가공성에 악영향을 미치게 된다. Si이 과량 첨가되는 합금의 경우는 이를 극복하기 위해 일반적인 주조공정이 아닌 연속주조공정과 후성형공정이 필요하게 된다. 본 특허에서는 일반적인 주조공정인 중력주조, 저압주조 공정에 대한 적용시에도 균일하고 미세한 조직 확보를 목표로 하기에 기초합금계의 Si함량을 17~19wt%로 한정하였다.

알루미늄에 Ti와 B를 첨가할 경우에는 탄성에 대한 기여가 가장 높은 TiB₂와 Al₃Ti 강화상을 형성시킬 수 있으므로 본 발명에서 가장 중요한 원소라 할 수 있다. 특히, Ti:B의 조성비가 3.5:1 이하인 경우에는 Al₃Ti상의 생성 없이 TiB₂만 생성되어 탄성의 향상에 한계가 존재하게 된다. 또한, Ti:B의 조성비가 6:1 이상인 경우에는 용융점이 800℃ 이상이 되어 실제 주조 공정 적용에서 용탕에 산화개재물이 다량 발생하고 용탕내 가스농도가 높아져서 주조품 내부품질에 악영향을 미치게 된다.

또한, B 함량은 최소한의 TiB₂생성을 위해 0.5wt% 이상이 확보되어야 하고, 용해 온도 상승, 개재물 억제, 성부 제어 용이성, 소재 원가 상승 등을 고려하여 최대 2wt%로 제한되어야 하며, Ti 함량은 Al₃Ti상과 TiB₂상의 동시 생성을 위해 Ti:B 조성 비율인 3.5~5:1에 따라 첨가된다.

본 발명은 이러한 탄성과 주조성을 모두 확보하기 위해 과공정 알루미늄 합금의 대표소재인 A390의 성분 조성을 기본으로 하되, 특히 B의 함량을 0.5~2wt%로 하고, Ti:B 조성 비율을 3.5~5:1로 지정하여 기초 합금계를 구성하도록 하는 것이다.

즉, 상기 알루미늄 합금은, 상용 알루미늄합금인 A390합금의 Al을 제외한 기타 첨가원소의 조성 성분을 기본으로 하되, 그 중 Ti 및 B의 조성은 B : 0.5~2wt%이고 Ti는 Ti:B 조성 비율이 3.5~5:1이 되도록 조정되는 것이다. 나머지 Si, Cu, Mg 등의 첨가원소는 모두 A390의 조성과 동일하게 유지되고, 잔부는 Al인 것이다. 그리고 이러한 조성을 통해 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 포함할 수 있는 것이다.

아래의 표는 이러한 종래의 A390 상용합금의 조성을 나타내고, 본 발명의 효과를 확인하기 위한 기초합금계로서의 Al-Si-Ti-B 합금계의 조성 및 이를 A390에 적용한 본 발명의 적용 가능한 조성범위를 정리한 것이다.

하기의 표는 기초 합금계로서, Al-Si-Ti-B 합금계에서 Si를 17wt%로 고정하고 Ti와 B의 함량을 조절한 결과와 Ti:B=5:1로 고정하고 Si를 변화시킨 결과를 나타낸 표이다.

상기 표에서와 같이, 과공정 알루미늄 조성에서는 Ti의 첨가 시 Al₃Ti 내에 Si가 고용되므로 초정 Si에 의한 탄성 향상 효과에 한계가 존재한다. 따라서, 탄성의 극대화를 위해서는 Ti/B조성비 제어에 의한 강화상을 극대화할 필요가 있으며, 이와 함께 Si 함량의 변화 영향을 같이 고찰해야 하는 것이다.

상기와 같은 시험 결과, Ti:B의 조성비를 3.5~5:1로 함으로써 기존 대비 용융점을 낮춰서 유동성 및 주조성에 장점을 가짐을 확인할 수 있었다.

또한, 용융점의 저하는 과공정 알루미늄에서의 Si 조직 제어에 대한 공정 윈도우 측면에서도 유리한 것이다.

한편, Ti:B 조성비 3.5~5:1, Si 함량 17~19wt%로 할 경우에는 기존 소재 대비 탄성이 11.5% 이상 향상되고, 용융점이 최대 19℃(645 -> 627) 저감하는 효과를 볼 수 있었다. 또한, 초정 Si 외에도 강화입자가 생성되어 마모성이 증가함을 알 수 있었다. 일반적인 과공정 알루미늄에서는 Si 조직 미세화와 균일 분산을 목적으로 연속주조공정(높은 용해온도, 빠른 냉각속도)을 적용 중에 있으나, 본 발명에서의 용융점 저하는 고가의 연속주조공정 대신 고효율의 일반 주조 공정 적용을 가능하게 한다는 점이다.

하기의 표는 본 발명의 알루미늄 합금에 관하여, Ti:B 조성 비율을 5:1로 하고, Si의 함량을 변화시키며 탄성과 용융점을 비교해본 결과이다.

본래 A390합금의 경우 Ti는 0.2wt% 이하로 제한되고 B는 첨가되지 않는 합금이다. 상기 표의 실시예들은 이러한 A390 기본 합금의 조성에서 Ti와 B의 조성을 튜닝하고, Si의 경우 13wt%, 17wt%, 19wt%로 변화시키며, 나머지 A390을 이루던 잔여 성분의 경우 종래의 A390 합금과 동일하게 유지한 것이다. 예를 들어, A390-1B-5Ti의 경우 B를 1wt%로 조정하고 Ti를 5wt%로 조정하며, 나머지 첨가원소는 기존의 A390과 동일하게 하고, Si는 13wt%, 17wt%, 19wt%로 각각 변화시키며, 잔부를 Al으로 조정한 본 발명의 실시예를 언급하는 것이다.

상기 표에서 볼 수 있듯이, Ti:B 조성비 5:1, Si 17wt%로 할 경우가 기존 소재 A390 대비 탄성이 12.2% 이상 향상되고, 용융점 및 초정 Si 정출온도가 최대 22℃(661 -> 639) 저감되는 효과가 있었다. 또한, 초정 Si 외에도 강화입자가 생성되어 마모성이 증가되었다.

일반적인 과공정 알루미늄에서는, Si 조직 미세화와 균일 분산을 목적으로 연속주조공정(높은 용해온도, 빠른 냉각 속도)을 적용하고 있으나, 본 발명에서의 용융점 저하는 고가의 연속주조공정 대신 고효율의 일반 주조 공정 적용을 가능하게 한다는 점을 알 수 있는 것이다.

이러한 본 발명의 과공정 알루미늄 합금의 제조방법은, 용융로에 Al, Al-B 모합금, Al-Ti 모합금 또는 Ti 원소재를 장입하는 장입단계; 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상이 모두 생성되도록 용탕을 교반하는 1차 교반단계; Ti와 B를 제외한 나머지 첨가원소를 장입하는 추가단계; 및 생성된 강화상이 용탕내에서 균일하게 분산되도록 용탕을 교반하는 2차 교반단계;를 포함한다.

그리고, Al-B 모합금은 B : 3~8wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있다. 또한, Al-Ti 모합금은 Ti : 5~10wt% 및 잔부 Al로 구성될 수 있다. Ti 원소재의 경우 100wt% Ti 원소재 뿐만 아니라 반응활성화제로서의 비 나트륨계 플럭스 등이 첨가된 고농도(75~95wt%)의 Ti 원소재의 사용도 가능하다. 상기 실시예의 경우에는 75wt% 농도의 Ti 원소재가 사용되었다.

한편, 공정 중 교반작업에서는 교반속도는 500rpm이상을 확보해야 한다. 교반자의 직경과 속도는 반응 촉진과 형성된 강화입자의 분산에 영향을 미치므로 직경은 40% 이상이 되어야하고, 교반속도가 500rpm이하일 경우는 조대한 Al₃Ti 잔존으로 인한 유동성 저하, TiB₂ 생성량 부족으로 인한 탄성 저하, 용탕 부위 별 편차 등의 문제를 발생시키기 때문이다.

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

과공정 알루미늄합금으로서,
Si 조성은 17~19wt%이고, B의 조성은 0.5~2wt%이며, Ti는 Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이 되도록 함유되고, 기타 불순물과 잔부 Al로 구성되며, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 모두 포함하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금.
과공정 알루미늄합금으로서,
Si: 17~19wt%, Fe: 0.5wt%, Cu: 4.0~5.0wt%, Mn:0.1wt%, Mg: 0.45~0.62wt%, Zn: 0.1wt%, B: 0.5~2wt%, Ti: Ti:B의 조성 비율이 3.5~6:1이 되도록 함유되고, 기타 불순물과 잔부 Al로 구성되며, 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상을 모두 포함하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금.
청구항 2의 알루미늄 합금을 제조하는 방법으로서,
용융로에 Al 및 Al-B 모합금과 함께 Al-Ti 모합금 또는 Ti 원소재를 장입하되, Ti:B의 조성 비율이 3.5~5:1이며 B는 0.5~2wt%로 구성되도록 장입하는 장입단계;
내부에서 강화상으로서 Al₃Ti상 및 TiB₂상이 모두 생성되도록 용탕을 500rpm 이상으로 교반하여 반응을 촉진시키는 1차 교반단계;
Si: 17~19wt%가 포함된 첨가원소를 장입하는 추가단계; 및
생성된 강화상이 용탕내에서 균일하게 분산되도록 용탕을 교반하는 2차 교반단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 3에 있어서,
Al-B 모합금은 B : 3~8wt% 및 잔부 Al로 구성된 것을 특징으로 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 3에 있어서,
Al-Ti 모합금은 Ti : 5~10wt% 및 잔부 Al로 구성된 것을 특징으로 하는 고탄성 과공정 알루미늄 합금 제조방법.