KR101738495B1 - 주조용 알루미늄-구리 합금 - Google Patents

Abstract

주조 합금에서 결정립 구조들을 미세화시킬 정도의 양으로 유리 티타늄을 갖는, 합금의 수지상정 사이의 영역을 점유하는 실질적으로 불용성인 입자를 포함하는 알루미늄-구리 합금.

Description

주조용 알루미늄-구리 합금{Aluminium-Copper Alloy For Casting}

본 발명은 주조용 알루미늄-구리 합금에 관한 것이다.

알루미늄-구리 합금은 알루미늄-실리콘 합금과 같은 다른 주조 알루미늄 합금계보다 잠재적으로 보다 높은 강도를 갖는다. 그러나, 고성능 적용을 위해 알루미늄-구리 합금을 사용하는 것은 알루미늄-실리콘 합금에 비교해서 비교적 열등한 주조성(castability)에 기인하여 제한되어 왔다.

UK 특허 출원 2334966A에는 바람직하게는 티타늄 디보라이드 또는 가능하게는 다른 재료, 예를 들어 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 디보라이드, 보론 카바이드, 또는 보론 니트라이드의 실질적으로 불용성인 입자가 합금이 주조될 때 합금의 수지상정 사이의(interdendritic) 영역을 점유하는 알루미늄-구리 합금을 개시하고 있다. 보통 경질이고 깨지기 쉬운 이러한 입자는 주조 합금의 연성(ductility)에 있어서 수용할 수 없는 감소를 초래할 것이라는 것이 예상되나, 사실은 연구에 따르면 그 입자들이 합금의 응고 특성을 변화시켜, 대-규모의 조성 불균일을 없애고, 수축 다공성을 감소시키므로, 양호한 연성이 유지된다는 것이 밝혀졌다. 합금의 응고 동안, 알루미늄 수지상정(dendrites)의 핵이 생성되어, 성장하기 시작함에 따라 TiB₂ 입자는 수지상정 사이의 공간을 채우고, TiB₂ 입자들이 존재함으로써 남아있는 액체 금속이 수지상정 사이의 통로를 통해 이동하는 것이 제한된다. 이는 질량 공급(mass feeding) 쪽으로의 이동을 촉진하고, 이는 내부 및 표면과 연결된 수축 다공성의 발생을 감소시킨다. 그러나, TiB₂가 공지된 결정 미세화제일지라도, 결정립(grain) 크기는 매우 큰 상태로(예를 들어, 대략 1 mm) 남아있다. 이 미세화되지 않은 결정립 구조는, 특히 사형 주조(sand castings)에서, 고온 변형 균열로 문제를 초래할 수 있고, 또한 인베스트 주조법 또는 사형 주조에 의해 생성된 것과 같은 대형 서냉(slow-cooled) 주조에서 수축 다공성을 형성할 수 있다.

JP 11199960은 티타늄을 함유할 수 있는 엔진 실린더 헤드 주물을 제조하기에 적절한 알루미늄 합금을 개시하고 있다. 그러나, 이 합금은 알루미늄-실리콘 합금이다: 이러한 합금은 근본적으로 실리콘을 거의 또는 전혀 함유하지 않는 합금보다 훨씬 큰 유도성 및 주조성을 갖고, 후자의 합금과 같은 수준의 고온 변형 균열 또는 수축 다공성을 겪지 않는다.

본 발명의 제 1 면에 따르면, 합금의 수지상정 사이의 영역을 점유하는 실질적으로 불용성인 입자를 포함하는 알루미늄-구리 합금에 유리(free) 티타늄이 불용성 입자와 조합하여 주조 합금의 결정립 구조를 더 미세화시키고, 그의 주조성 및 물리적 물성에 있어서, 결과적인 개선을 조장하는 정도까지 제공된다.

합금은 0.01% 이상의 티타늄을 포함할 수 있다.

합금은 1% 이하의 티타늄을 포함할 수 있다.

합금은 0.50% 이하의 티타늄을 포함할 수 있다.

합금은 0.15% 이하의 티타늄(소포정(hypoperitectic))을 포함할 수 있다.

합금은 0.15% 초과의 티타늄(과포정(hyperperitectic))을 포함할 수 있다.

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 3.0-6.0%

Mg 0.0-1.5%

Ag 0.0-1.5%

Mn 0.0-0.8%

Fe 0.0-1.5%(최대)

Si 0.0-1.5%(최대)

Zn 0.0-4.0%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 20% 이하

Al 및 불가피한 불순물 나머지

불용성 입자는 0.5㎛ 이상의 입자 크기를 가질 수 있다. 이는 25㎛ 이하일 수 있다. 바람직하게는, 입자 크기는 15㎛이하, 또는 5㎛이하 일 수 있다. 불용성 입자는 0.5% 이상, 가능하게는 20% 이하까지 존재할 수 있다.

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.0-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.0-0.5%

Mn 0.0-0.6%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 10% 이하

Al 및 불가피한 불순물 나머지

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.0-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.4-1.0%

Mn 0.0-0.6%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 10% 이하

Al 및 불가피한 불순물 나머지

불용성 입자는 0.5% 내지 10%, 또는 1.5% 내지 9%, 또는 3% 내지 9%, 또는 4% 내지 9% 범위로 존재할 수 있다.

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.2-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.0-0.85%

Mn 0.0-0.4%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 1.5-9.0%

Al 및 불가피한 불순물 나머지

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.2-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.0-0.85%

Mn 0.0-0.4%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 4.0-9.0%

Al 및 불가피한 불순물 나머지

합금은 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.2-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.45-0.85%

Mn 0.0-0.4%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 1.5-9.0%

Al 및 불가피한 불순물 나머지

합금을 다음을 포함할 수 있다:

Cu 4.2-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.45-0.85%

Mn 0.0-0.4%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

불용성 입자 4.0-9.0%

Al 및 불가피한 불순물 나머지

불용성 입자는 적어도 고체 합금의 수지상정(dendrite) 팔(arm) 간격(spacing)/결정립 크기 보다 작은 차수의 크기의 영역에 있는 크기일 수 있으며, 합금의 수지상정 사이의/입계의 영역들을 점유할 수 있다.

입자들은 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

합금은 0.5%-20% 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

합금은 0.5%-10% 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

합금은 3%-7% 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

합금은 4% 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

합금은 7% 티타늄 디보라이드 입자를 포함할 수 있다.

알루미늄-구리계 합금에서 기계적 물성의 다양성 및 구조적 일체성에 이르는 인자들로서 특정되어 왔던 주요 면들 중의 두 개는 합금 원소들의 편석(segregation) 및 특히 표면 연결된 수지상정 사이의 다공성의 형성이다.

주조 알루미늄 구리 합금에 대한 연구는 이러한 합금의 재료 물성의 다양성에 기여하는 중요한 인자는 응고 동안 생성되는 수지상정 팔들 사이의 작은 틈을 통하여 용질 풍부 재료의 유동을 나타낸다.

이들 현상이 일어나는 것을 방지하거나 감소시키기 위하여, 본 발명에 따르면, 미세 분산된 실질적으로 불용성인 입자들을 첨가하였다. 보통 경질이고 취성의 이러한 입자들의 첨가는 합금의 연성에 있어서 허용할 수 없는 감소를 초래할 것이라는 것이 보통 예상된다. 그러나, 수행된 연구는 하기 실시예들로 부터 알 수 있는 바와 같이 양호한 연성이 유지된다는 것을 나타내었다.

분산된 수지상정 사이의 다공성은 또한 수지상정 작은 틈을 통해 응고 수축공을 공급하는 문제에 기인한 이들 합금의 특성이다. 또한, 이 타입의 다공성은 재료의 기계적 물성, 즉 인장 강도 및 신율(elongation) 및 피로 수명에서의 감소를 일으킨다.

본 발명에서, 미세 분산된 실질적으로 불용성인 입자들의 첨가는 합금의 응고 특성을 변화시키고, 이들은 합금에 대한 직접적인 경화(hardening) 메카니즘으로서 적용되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 다양한 량으로 티타늄을 더 첨가하면 결정립 크기가 상당히 감소되고, 하기에 기술된 방법으로 이들 응고 메카니즘을 변경시킨다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 본 발명은 다음 및 0.5-10% 불용성 입자를 포함하는 알루미늄 구리 합금을 용융시키고, 이 합금을 주형(mould)에 붓는 단계를 포함하는 주물(casting)을 제조하는 방법을 제공한다:

Cu 4.0-5.0%

Mg 0.2-0.5%

Ag 0.0-1.0%

Mn 0.0-0.6%

Fe 0.0-0.15%

Si 0.0-0.15%

Zn 0.0-1.8%

Sb 0.0-0.5%

Zr 0.0-0.5%

Co 0.0-0.5%

Ti 0.01-1.0%

Al 및 불가피한 불순물 나머지

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 본 발명은 합금으로부터, 또는 본 발명의 공정에 의해 만들어진 주물을 제공한다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서 기술된다.

도 1은 시험편(test-piece) 주조 주형의 도식도이다.
도 2는 결과적인 주물의 도식도이다.
도 3은 현미경 조사를 위해 절단되었을 때 결과적인 주물의 도식도이다.
도 4a, 4b, 및 4c는 티타늄 량을 0.02wt%*, 0.15wt%*, 0.44wt%*로 증가시킴에 따라 결정립 크기에서의 감소를 나타내는 거시(macroscopic) 영상이다.
도 5a, 5b, 및 5c는 티타늄 중량%를 0.02wt%*, 0.15wt%*, 0.44wt%*로 각각 증가시킴에 따라 미세구조에서의 변화를 보여주는 광학 현미경 영상이다.
도 6a, 6b 및 6c는 각각 티타늄 양을 증가시킴에 따라 합금의 미세 구조를 확대시킨 사진을 예시한다.
도 7a 및 7b는 주물의 냉각 속도를 조절하여 달성되는 미세 구조에 대한 효과를 예시한다.
비고* 이 부분의 모든 언급된 중량 퍼센트는 측정된 수치이고, 그래서 표준 오차 범위이다. 조성 분석은 유도 연결된 플라즈마 광학 방출 분광분석법에 의해 수행되었고, 얻어진 수치는 ±2%의 표준 오차범위를 갖는다.

본 발명에 따르면, 다음을 포함하는* 합금이 통상적인 방법으로 주조되었다:

Cu 4.35%

Mg 0.42%

Ag 0.70%

Mn 0.01%

Fe 0.01%

Si 0.07%

Zn 0.01%

Ti 0.02%

TiB₂ 4.80%

합금 A라 표시

합금을 수지 결합된 모래 주형에 캐스트 했다; 주형 구성이 도 1에 나타나 있다. 시험편이 850℃의 온도에서 도가니(crucible)로부터 직접 부어지고, 결과적인 주물이 공기 중에서 응고되게 하였다. 도 2의 결과적인 주물을 도 3에 나타난 바와 같이 절단했고, 도 3에 표시된 표면 A는 실리콘 카바이드 연마지(grinding paper) 120-1200 그리트(grit)를 이용하여 연마하고, 다이아몬드 화합물 및 콜로이드성 실리카를 이용하여 폴리싱 되었다. 이어서, 결과적인 표면을 켈러 시약(Kellers reagent)을 이용하여 에칭시키고, 광학 매크로스코프 및 현미경을 사용하여 영상화하였다.

각각 다음을 포함하는* 유사한 조성의 합금 B 및 합금 C를 유사한 방법으로 및 본 발명에 따라 제조하였다:

Cu 4.29%

Mg 0.49%

Ag 0.75%

Mn 0.0%

Fe 0.01%

Si 0.05%

Zn 0.01%

Ti 0.15%

TiB₂ 4.89%

합금 B라 표시

Cu 4.42%

Mg 0.26%

Ag 0.78%

Mn 0.01%

Fe 0.01%

Si 0.04%

Zn 0.01%

Ti 0.44%

TiB₂ 4.58%

합금 C라 표시

상기 조성으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이들 합금은 1 내지 9% 사이의 티타늄 디보라이드 입자를 함유했다. 이들 입자는 0.5 내지 15 마이크론 범위의 크기를 가졌다. 상기 실시예에서, 합금의 결정립 크기는 40 내지 200㎛ 사이인 것으로 발견되었고, 티타늄 디보라이드 입자 크기는 0.5 내지 15㎛ 범위이었다; 따라서, 입자들은 대략 결정립 크기 보다 작은 차수의 크기이었다. 세 개의 주물을 거대 규모 및 미세 규모로 비교했을 때, 티타늄 량이 증가함에 따라 결정립 크기에서 상대적인 감소가 분명히 관찰된다.

도 4a는 합금 A의 주조시 거시 스케일의 결정립 구조를 보여준다. 도 4b는 같은 스케일의 합금 B의 주물의 결정립 구조를 보여주고, 도 4c는 합금 C의 주물에서의 결정립 구조를 보여준다. 티타늄 량이 증가함에 따라 결정립 크기에서의 상대적인 감소는 분명히 뚜렷하다. 도 5a, 5b 및 5c는 이들 세 개의 합금에서 얻어진 결정립 구조를 미세 규모로 예시한다.

0.02%* 티타늄을 함유하는 합금 A는 비교적 등방상(equiaxed) 조(coarse) 결정화된 수지상(dendritic) 구조를 나타낸다. 도 5a 참조할 것.

0.15%* 티타늄을 함유하는 합금 B는 여전히 뚜렷한 일부 1차(primary) 수지상정 팔들을 갖는 결정립 미세 구조를 나타낸다. 도 5b 참조할 것.

0.44%* 티타늄을 함유하는 합금 C는 완전히 결정 미세화된 균일한 구조를 나타낸다. 도 5c 참조.

티타늄 중량%를 증가시키는 이 효과는 합금의 응고 메카니즘 및 응고된 구조에 효과를 갖는다. 이 변형된 응고 메카니즘은 향상된 결정 미세화(활성화된 TiB₂ 및/또는 TiAl₃의 결과)와 불활성 '밀쳐진(pushed)' TiB₂ 입자의 상호 작용에 기인하여 일어난다. 이 상호 작용은 합금이 고온 인열(tear) 균열 되는 것의 매우 감소된 경향, 결정립 크기에 미치는 최소화된 냉각-속도 영향 및 결과적으로 다양한 두께의 단면을 따라 보다 일치하는 기계적 물성, 개선된 표면 피니쉬(finish)를 초래하고, 이는 또한 정상적인(sound) 주물을 얻기 위하여 요구되는 공급 금속의 량에 있어서 상당한 감소를 가능하게 한다.

유리 티타늄의 첨가는 첨가된 티타늄의 양에 따라 두 가지 방법으로 합금에 영향을 준다.

먼저, 0.15 wt% 아래의 티타늄 첨가는 소포정(hypoperitectic) 영역에서이다; 이는 이 수준 아래에서 TiAl₃ 입자가 알루미늄 용융물 안에 형성되지 않는다는 것을 의미한다. 그러나, 결정립 핵생성 이론은 소포정 수준에서, 구조에서 TiAl₃에 유사한 원자적으로 얇은 층이 TiB₂ 입자의 표면에 형성되고, 이는 α-알루미늄의 핵생성을 촉진한다는 것을 제시한다. 이 메카니즘에 의해, 알루미늄 용융물에 TiB₂의 첨가는, TiB₂ 입자가 α-알루미늄 결정립을 위한 대한 이종 핵생성 부위로서 작용함에 따라, 결정립 미세화를 초래한다는 것이다. 이들 입자의 효율은 1 내지 2%의 영역내에 있다고 생각되고, 따라서, 오직 비교적 작은 수의 입자가 실제적으로 결정립(grain)을 처음으로 생성한다; 나머지 입자들은 성장하는 알루미늄 결정립에 의해 결정립 경계로 밀려난다(pushed).

따라서, 본 발명에 따른 합금에서, 용융물에 소포정 수준의 티타늄 첨가는 합금안에 존재하는 TiB₂ 입자를 본질적으로 활성화시킨다. TiB₂ 입자들이 액체 금속 유동에 영향을 주는데 전적으로 사용되기 보다는, 이들이 액체 금속 유동 및 피딩(feeding) 메카니즘에 또한 영향을 주면서, 합금의 결정립 구조를 미세화하는 이중 목적으로 기능을 한다. TiB₂가 순수하게 결정 미세화제로 첨가되는 경우, 첨가 수준은 0.004wt%로 낮고, 이들 수준에서조차, 핵생성의 효율은 1 내지 2% 이다. 본 발명에 따른 합금에서, TiB₂ 수준이 보다 높을 수 있어, 불활성으로 남아있는 많은 양의 TiB₂ 입자가 있고, 이들 입자는 응고 동안 성장하는 결정립에 의해 입계 영역으로 밀쳐진다. 소포늄 수준의 티타늄의 첨가로부터 관찰되는 결정립 미세화와 연결된 이 입자 밀침은 다음과 같은 상당한 이 점을 초래한다:

보다 미세한 결정립 크기는 보다 작은 보다 균일한 개개 셀 유니트를 초래하고, 이는 응고시 합금에서 관찰되는 질량 공급(mass feeding)으로의 이동을 촉진한다. 알루미늄 합금은 응고시 수축한다; 이는 보통 수지상정 사이의 영역을 통한 액체 금속 유동에 의해 조장되고, 수축시 액체 금속에 의해 공급될 수 없는 구역은 수축 공(shrinkage pores)이라 알려진 보이드(voids)를 형성한다. 질량 공급 원리는 수지상정 사이의 영역에서의 TiB₂ 입자의 존재때문에, 합금이 액체/고체/입자 덩어리의 벌크 이동에 의해 강제 공급되는 액체 금속 유동에 대해 충분한 저항이 있다는 기초에 의해 작용한다. 이는, 입자의 분포가 결정립 크기가 작고 균일한 경우에만 보장되는 매우 균일한 경우라면, 지속된 기간에 걸쳐 일어날 수 있다.

결정립 미세화제 및 응고/공급 개질제로서 TiB₂ 입자의 이 이중 사용은 수축 다공성 및 고온 인열에 대한 저항성을 상당히 개선시키고, 또한, 주물 구조로서 보다 균일한 것을 제공한다.

응고된 구조 전체에 걸친 TiB₂ 입자의 균일한 분포는 또한 보다 일정한 기계적 물성 및 신율의 유지를 가능하게 한다. 미세 결정립 구조는 TiB₂가 응고된 구조 전체에 걸쳐서 넓게 그리고 골고루 분포되는 것을 가능하게 하고, 이 경우가 아니면, TiB₂ 입자는 함께 덩어리지고, 취성의 세라믹으로서 연성을 상당히 감소시키는 합금을 통해 균열(crack) 성장을 촉진할 것이다.

수지상정 공급(feeding)으로부터 질량 공급으로의 변화는 성분 러닝(running) 시스템 설계 및 공급의 면에서 매우 중요한 영향을 갖는다. 앞서 알려진 알루미늄-구리 합금 경우 가장 큰 문제의 하나는 정상적인 주물을 얻기 위하여, 주물은 많은 양의 액체 공급 금속과 함께 공급되어야 하며, 결과로서 재료 수율이 매우 낮다는 것이다. 이는, 많은 양의 정련한(virgin) 금속이 비교적 작은 성분들을 얻기 위하여 용융되면서, 합금의 비용 효과에 상당히 영향을 끼친다. 질량 공급으로의 이동은 공급 요구에서 큰 감소를 가능케 하고, 이는 주조당 재료 사용 및 에너지 주입 면에서 효율을 개선 시킨다.

그러나, 티타늄의 이 농도에서, 결정립 미세화는 고 냉각 속도 종속성이라는 것이 발견되었다. 결정립 조대화가 셀 구조가 보다 공 모양 및 수지상정-유사 모양으로 되면서 서냉 영역에서 일어날 수 있다. 이는 합금에 부정적으로 영향을 끼칠 수 있어, 합금이 고온 인열과 같은 문제점을 보다 받기 쉬우며, 또한 감소된 공급 금속 요구를 효과가 없게 한다. 그러므로, 이 Ti 범위를 갖는 본 발명에 따른 합금이 급속 냉각 시스템; 예를 들어 다이 주조에 가장 적절하다.

유리 티타늄이 0.15 wt% 초과인 경우, 합금은 티타늄 함량과 관련하여 과포정이 된다. 이 수준 이상에서, TiAl₃ 입자가 알루미늄 용융물에서 형성될 수 있다. 합금에 과포정 수준의 티타늄의 첨가는 결정립 크기에 있어서 추가로 예상되지 않은 감소를 초래하고, 추가로 재료 응고 거동에 매우 중요한 변형을 초래한다. 전형적으로, 이미 4 내지 5 wt% TiB₂를 함유하는 합금에 과포정 수준의 티타늄 첨가는 결정립 미세화에 더이상의 효과가 거의 없는 것으로 예측되었지만, 본 발명에 따르면, TiB₂ 및 TiAl₃의 조합된 효과가 결정립 크기를 감소시킬 뿐만 아니라, 이는 결과적으로 주조성을 개선시키면서, 응고 및 공급 메카니즘에 중요한 영향을 갖는 것으로 발견되었다.

이 과포정 영역에 티타늄을 첨가하는 것은 TiAl₃ 입자의 형성을 가능하게 하고, 이는 액상선 훨씬 위에서 알루미늄 용융물 안에 형성된다. TiAl₃는 TiB₂ 보다 효능있는 결정립 미세화제로 나타났다. 따라서, 응고 전 액체 금속에는 TiB₂ 입자와 함께 현탁된 다수의 TiAl₃ 입자가 있다. 응고시, TiAl₃ 입자는 빠르게 매우 다수의 알루미늄 결정립을 핵생성 시키고, 결정립 성장은 TiB₂ 입자가 결정립계로 밀쳐짐에 따라 이 입자에 의해 억제된다. TiB₂ 경우처럼, 모든 TiAl₃ 입자가 결정립을 핵생성 시키는 것은 아니다. 그러나, TiB₂ 와 달리, TiAl₃ 입자는 밀쳐지기 보다는 전진하는 성장 프론트(advancing growth front)에 의해 휩슬려 들어간다(engulfed). 이는 합금 연성을 유지하는데에 중요하다. 용융물 내에 TiAl₃의 형성은 소포정 티타늄 첨가에 비교했을 때, 결정립 크기에 있어 추가의 감소를 초래하고, 매우 미세한 결정립이 고 냉각 속도로 형성되는 것을 가능하게 한다. 그러나, 보다 중요하게는, 이는 서냉 단면에서 조차도 높은 결정립 미세화 구조의 형성을 가능하게 한다. 결정립 미세화는 여전히 냉각 속도의 함수이나, 높은 수준의 결정 미세화는 서냉 속도에서도 결정립 크기가 질량 공급이 일어날 수 있을 정도로 미세하다는 것을 의미한다. 따라서, 과포정 티타늄의 첨가로, 소포정 합금에서 앞서 관찰된 결정립이 사형 및 인베스트먼트 주조 기법에 의해 수행될 뿐만 아니라, 이들은 실제적으로 공급 금속 면에서 추가의 절약을 촉진하여, 재료 수율에서 증가를 초래하고, 재료 및 에너지 효율에서 증가를 초래한다.

결정립 구조에 대한 상기 효과는 도 5a, 5b 및 5c 및 도 6에 예시되어 있다. 도 6a는 구조가 등축정이지만, 매우 낮은 wt%의 유리 티타늄에서이 합금의 미세구조를 예시하며, 미세화의 수준이 매우 낮은 결정립 미세화의 일부 증거를 보여준다. 도 6b는 0.15 wt% 이하의 유리 티타늄을 갖는 소포정 미세-구조를 나타낸다. 도 6b에서, TiB₂는 알루미늄 결정립의 중심에서 관찰될 수 있고, 합금이 포정 기준점 아래에 있다는 것을 나타내는 존재하는 알루미나이드 입자가 없다. 도 6c는 0.15 wt% 티타늄 내지 1.0 wt% 이하의 티타늄에서, 티타늄 량이 포정 기준치 이상이고 알루미나이드가 핵생성 입자로 작용하는 것을 나타내는 알루미늄 결정립의 중심에서 TiAl₃가 관찰될 수 있다는 것을 보여준다.

티타늄의 첨가는 냉각 속도에 종속하며 넓은 범위의 주조 상태 그대로의(as-cast) 결정립 크기를 가능하게 한다. 도 7a 및 도 7b는 각각 7a에서 냉각 속도가 매우 높을 때 달성될 수 있는 예외적으로 미세-결정립 구조를 예시하고, 한편 도 7b는 냉각 속도가 보다 낮을 때, 보다 거친(coarser) 결정립 구조를 예시한다: 이들 합금은 과포정 수준의 티타늄을 함유한다.

일반적으로 상기 설명된 바와 같이 주물 합금에서 결정립 구조를 미세화하기 위하여 및 질량 공급으로의 이동을 촉진하는데에 필요한 유리 티타늄의 양은 합금으로부터 만들어진 주물의 냉각 속도에 관련된다. 일반적으로 서로에 대해 비교할만한 크기의 주물 경우, 통상적인 사형 주물 및 인베스트먼트 주조가 고유적으로 낮은 냉각 속도에 기인하여 포정(peritectic) 기준점 위의 티타늄 수준을 요구한다. 그러나 다이 주조 및 심냉경(heavily chilled) 사형 주조와 같은 고 냉각 속도 주조 공정은 소포정 수준의 유리 티타늄을 사용하여 결정이 미세화 될 수 있다.

과포정 티타늄 범위에서 관찰되는 질량 공급 현상의 확대는 정상적인 주물을 얻기 위하여 요구되는 공급 금속에서 상당한 감소를 가능하게 한다. 전형적인 알루미늄 합금은 응고 및 수축 주물을 공급하기 위하여 액체 금속의 대형 저장소를 요구한다; 한 지역이 액체 금속의 공급으로부터 격리된 경우, 주물이 응고하고, 수축함에 따라 부피 변화를 보상하기 위하여 다공성이 형성된다. 조직이 질량 공급이고, 주물이 응고 공정에서 아주 초기 단계에서 정합(coherent) 구조가 되는 경우, 및 응고를 통해, 액체 금속의 수지상정 사이의 이동이 없는 경우, 수축 다공성이 일어날 가능성은 거의 없다.

주물의 제조에서 이의 실제적인 결과는 소정의 양의 금속으로부터 주물 또는 주물들의 수율이 크게 개선된다. 즉, 특별한 양의 금속으로부터 주조될 수 있는 소정의 성분들의 수는 증가 된다. 이는 주물의 생산 및 성분의 주조-후 처리에서 비용 및 에너지 절감을 가져온다.

또한, 결정립 크기에서의 감소 및 수지상정으로부터 셀 구조로의 변태는 표면-관련된 및 중요한 내부 수축 다공성의 감소를 가져온다. 이는 다공성의 피로 수명에 가장 치명적인 인자의 하나이므로, 합금으로부터 주조된 부품들의 피로 성능에 직접적으로 영향을 끼친다. 다공(porosity)은 피로-부하된 시편들(specimens)에서 개시점으로 작용하고, 스트레스 응축자로서 작용하고, 부하-지지 지역을 감소시켜 또한 균열 전파 및 최종 파손에 영향을 끼친다.

본 명세서에서:

모든 조성은 중량 퍼센트로 표현되고:“불용성 입자”에서, “불용성”은 합금에서 적어도 실질적으로 불용성인 입자를 의미하고; “입자”는 금속, 또는 금속간 화합물 또는 세라믹 재료의 입자를 의미한다. 입자는 예를 들어 티타늄 디보라이드 또는 실리콘 카바이드, 알루미늄 옥사이드, 지르코늄 디보라이드, 보론 카바이드 또는 보론 니트라이드를 포함할 수 있다: 본 발명을 구현하는 오직 하나의 특정 합금 조성이 예로서 상기에 기술되었지만, 다른 합금 조성도 본 명세서에서 언급되고 청구되며, 본 발명을 구현하는 합금은 본 명세서의 임의의 부분에서 기술되는 바와 같이 합금 조성, 입자 조성, 입자 크기, 입자 함량 등을 가질 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용될 때, 용어 “포함(comprises) 및 ”포함하는(comprising)" 및 그의 변형은 특정된 특징, 단계 또는 다른 정수(integers) 가 포함되는 것을 의미한다. 용어들은 다른 특징, 단계 또는 성분들의 존재를 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

특정 형태 또는 개시된 기능을 수행하기 위한 수단, 또는 개시된 결과를 얻기 위한 방법 또는 공정 면에서 표현된, 상기 기술, 또는 하기 청구 범위, 또는 첨부된 도면에서 개시된 특징들은 별개로, 또는 이들 특징들의 임의의 조합에서 그의 다양한 형태로 본 발명을 실현하기 위하여 사용될 수 있다.

Claims (31)

1. 주조용 알루미늄-구리 합금으로서,
   Cu : 3.0 ~ 6.0 중량%, 유리 티타늄: 0.15 중량% 초과 ~ 1.0 중량%, 불용성 입자: 0.5 ~ 20 중량%; 및 Al 및 불가피한 불순물: 잔량을 포함하고,
   상기 불용성 입자는 합금의 수지상정 사이의 영역을 점유하고 티타늄 디보라이드 입자를 포함하고, 상기 알루미늄-구리 합금은 주조 합금에서 결정립 구조의 미세화를 초래하기 위하여 0.15 중량% 초과의 유리 티타늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 불용성 입자가 적어도 고체 합금의 결정립 크기보다 작은 차수(order)의 크기이고, 합금의 수지상정 사이의 영역을 점유하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 불용성 입자가 0.5 내지 25 ㎛ 범위의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 불용성 입자 크기가 0.5 내지 15 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 불용성 입자 크기가 0.5 내지 5 ㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
6. 제 1 항에 있어서, 0.5 중량% 내지 10 중량%의 티타늄 디보라이드 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
7. 제 1 항에 있어서, 3 중량% 내지 7 중량%의 티타늄 디보라이드 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
8. 제 1 항에 있어서, 4 중량%의 티타늄 디보라이드 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
9. 제 1 항에 있어서, 7 중량%의 티타늄 디보라이드 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 알루미늄-구리 합금.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 구리 합금을 용융시키는 단계 및, 상기 합금을 주형에 도입하는 단계를 포함하는, 알루미늄-구리 합금의 주물 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 주형 안의 합금의 냉각 속도를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄-구리 합금의 주물 제조 방법.
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