KR101744012B1

KR101744012B1 - 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법

Info

Publication number: KR101744012B1
Application number: KR1020160078531A
Authority: KR
Inventors: 허일; 이정목; 김도균; 김성국
Original assignee: 주식회사 에스제이테크
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-06-20

Abstract

본 발명의 일면은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것으로 그 조성의 특징으로서 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 크롬(Cr)과, 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진다.
이에 따라 본 발명은, 상용합금에 비해 높은 용융점을 가짐에 따라 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하는 부품에 탁월하게 적용할 수가 있는 효과가 있다.

Description

다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법{Method of producing an aluminum alloy for die-casting and aluminum alloy castings using the same}

본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 상용합금에 비해 높은 용융점을 가지며 이를 통하여 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하는 부품에 사용할 수가 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법에 관한 것이다.

통상, 알루미늄은 가벼우면서 주조가 용이하며 다른 금속과 잘 합금되고 상온 및 고온가공이 용이하며, 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다. 특히 최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용된다.

이러한 알루미늄 합금으로 제품을 제조하는 방법은 프레스 성형에 의하여 케이스를 형성하고 케이스의 표면에 양극 산화 피막을 형성하는 것인데 이 방법에 따르면 장시간 사용하여도 손상되지 않고 미려한 색상의 표면을 갖는 케이스를 얻을 수 있으나 프레스 가공에 의해 성형할 수 없는 형상이 있기 때문에 케이스의 디자인이 제한적이라는 문제점이 있다.

따라서 알루미늄 합금으로 제품을 제조하는 방법으로서 다이캐스팅(die casting) 방법이 많이 사용되는데, 다이캐스팅은 필요한 주조형상에 맞추어 정확하게 기계가공된 금형에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이다. 이와 같은 다이캐스팅 방법에 따르면, 생산되는 제품의 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없고 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하고 생산 비용이 저렴하기 때문에 높은 양산성을 가지고 자동차부품, 전기기기, 광학기기, 계측기 등 여러 분야에서 가장 많이 이용되고 있는 실정이다.

현재 널리 사용되고 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로는 주조성이 우수한 ALDC 3종, ALDC 10종, ALDC 12종 등의 Al-Si계 합금과 ALDC 5종 혹은 ALDC 6종 등의 Al-Mg계 합금이 사용되어 왔다. 그러나 이들 알루미늄 다이캐스팅 합금은 내열성이 낮기 때문에 적용 범위의 확대에 제약이 따른다.

이러한 열악한 내열성을 개선하기 일환으로 물리적 증착법을 이용하여 합금 표면에 보호피막을 형성시키는 방법이 있으나 이 방법은 진공 장비 등의 고가의 부대장비를 필요로 하고 재활용도 어렵다는 문제가 있다.

다른 방법으로는 부식 저항성을 갖는 원소들의 이온을 합금 표면에 주입하는 이온주입법, 합금 표면에 레이저를 주사하여 표면층에 준 안정성 상태를 형성시키는 레이저 어닐링법 등이 있다. 전자는 이온주입 깊이에 제한이 있어서 사용 중에 이온 주입층이 손상되면 부식저항성이 급격히 저하되는 문제점이 있고 후자는 처리과정 중에 제품의 크기가 변하므로 별도의 기계 가공을 필요로 하는 단점이 있다.

따라서 가벼우면서 내열성이 우수한 알루미늄 합금으로 다양한 형상의 제품을 용이하게 성형할 수 있는 동시에 유해물질인 니켈과 부식을 유발하는 구리의 사용을 최소화하여 친환경 규제에 만족하는 합금의 개발이 필요한 실정이다.

한국 공개특허공보 제10-2016-0027853호 "다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 그 제조 방법"

이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 알루미늄에 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 니켈, 티타늄을 최적의 조성비로 첨가시켜서 상용합금에 비해 높은 용융점을 가지며 이를 통하여 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하는 부품에 사용할 수가 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 알루미늄 합금 주조품의 제조방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일면은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서: 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 의한 상기 실리콘(Si)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 1.0~4.0 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 철(Fe)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 구리(Cu)는 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.7~2.0 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 망간(Mn)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.7~1.7 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 크롬(Cr)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.2~0.7 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 니켈(Ni)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.5~1.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 티타늄(Ti)은 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0.05~0.5 중량%로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 마그네슘(Mg)과, 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 아연(Zn) 및 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 주석(Sn)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 알루미늄 합금은 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일면은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 주조품을 제조하는 방법에 있어서: (A) 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계; (B) 상기 알루미늄 합금을 용해로에서 용융하고, 용융된 합금물을 다이캐스팅 장치에 공급하는 단계; 및 (C) 상기 합금물을 680~750℃로 가온한 상태에서 75㎫로 금형에 주입하여 주조품을 완성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 의한 상기 (A)단계의 알루미늄 합금은 1.0~4.0 중량% 실리콘(Si)과, 0.5~1.5 중량% 철(Fe)과, 0.7~2.0 중량% 구리(Cu)와, 0.7~1.7 중량% 망간(Mn)과, 0.2~0.7 중량% 크롬(Cr)과, 0.5~1.5 중량% 니켈(Ni)과, 0.05~0.5 중량% 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 (A)단계는 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 마그네슘(Mg)과, 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 아연(Zn) 및 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 주석(Sn)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 상기 (C)단계에서 완성된 주조품은 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도와, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진 것을 특징으로 한다.

한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 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 일 실시예에 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.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 주재인 알루미늄에 실리콘, 철, 구리, 망간, 크롬, 니켈, 티타늄 그리고 마그네슘, 아연, 주석을 최적의 조성비로 첨가시켜서 여타의 상용합금에 비해 높은 용융점을 가지며 이를 통하여 고온에서 장시간 균열이나 변형 없이 견뎌야 하는 부품에 사용할 수가 있는 효과를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 일면은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관련되며, 인체에 무해하면서도 우수한 내열성과 고강성을 겸비하도록 실리콘(Si), 철(Fe), 구리(Cu), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하여 이루어진 다이캐스팅용 알루미늄 합금이다. 물론, 알루미늄 합금에 대하여 마그네슘(Mg)과, 아연(Zn) 및 주석(Sn)을 더 포함하는 것이 좋다. 본 발명의 합금은 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진다. 따라서 자동차의 피스톤이나 엔진 부품, 가스레인지 화구나 냄비와 같은 가전이나 주방 항공기 전자기기 부품에 널리 적용할 수가 있다.

실리콘(Si)은 유동성과 강도를 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 1.0 내지 4.0% 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 실리콘(Si)이 4.0% 초과하면 열처리가 약하여 깨짐이 발생하고, 1.0% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 유동성과 강도 및 열처리를 모두 향상할 수 있도록 1.2%로 포함시키는 것이 가장 바람직하다.

철(Fe)은 고착성을 방지하고 강도를 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.5 내지 1.5% 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 철(Fe)이 1.5% 초과하면 내식성의 저하와 침전물을 발생시키고, 0.5% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 철(Fe)은 고착성 방지와 강도 향상 및 내식성을 지닐 수 있도록 0.7%로 포함시키는 것이 가장 바람직하다.

구리(Cu)는 경화 효과에 따른 합금의 강도를 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.7 내지 2.0% 범위 내에서 포함시키는 것이 좋다. 즉, 구리가 0.7% 미만에서는 강도 개선의 효과가 저하되고, 2.0% 초과하면 내식성이 저하된다. 따라서 강도 향상과 내식성을 지닐 수 있도록 1.2%로 포함시키는 것이 가장 바람직하다.

망간(Mn)은 내식성을 증진하고 고온에서 연화 저항을 크게 하며 표면처리 특성을 개선하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.7 내지 1.7% 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 망간(Mn)이 1.7% 초과하면 주조성이 저하되고, 0.7% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 망간(Mn)은 내식성과 연화저항 및 표면처리 그리고 주조성을 모두 향상할 수 있도록 1.0%로 포함시키는 것이 가장 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 치밀한 표면 산화층(MgO)을 급격하게 성장시켜 내부 부식을 방지하고 강도를 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 마그네슘(Mg)이 0.2% 초과하면 유동성이 저하되어 복잡한 형상의 제조가 어렵고, 미 포함시키면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 마그네슘(Mg)은 내부식성과 강도향상 및 적절한 유동성을 위해서 0.1%를 포함시키는 것이 가장 적절하다.

크롬(Cr)은 내식성을 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.2 내지 0.7% 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 크롬(Cr)이 0.7% 초과하면 강도가 저하되고, 0.2% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 크롬(Cr)을 0.3%로 포함해 주면, 내식성과 강도를 모두 만족할 수가 있다.

니켈(Ni)은 합금의 내식성을 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.5 내지 1.5%로 포함하는 것이 좋다. 즉, 니켈을 1.5% 초과 포함시키더라도 내식성이 두드러지게 향상되지 않고, 0.5% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 니켈(Ni)을 0.7%로 포함해 주면, 내식성과 유해성을 적절하게 만족시킬 수가 있다.

아연(Zn)은 주조성과 강도의 향상을 극대화 하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 아연(Zn)이 0.05% 초과하면 내식성과 인성이 저하되고, 미 포함시키면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 아연(Zn)은 주조성과 강도향상 및 내식성과 인성을 충족시킬 수가 있도록 0.01%를 포함시키는 것이 가장 적절하다.

티타늄(Ti)은 결정립의 미세화를 통하여 성형성과 강도를 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0.05 내지 0.5% 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 티타늄(Ti)이 0.5% 초과하면 용탕의 흐름을 저하시켜 불량을 촉진하고, 0.05% 미만이면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 티타늄(Ti)은 성형성과 강도향상 및 불량을 방지할 수 있도록 0.25%로 포함시키는 것이 가장 적절하다.

주석(Sn)은 성형성과 절삭가공성을 향상하는 것으로, 합금의 총중량 대비 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 범위 내에서 포함하는 것이 좋다. 즉, 주석(Sn)이 0.05% 초과하면 내식성이 저하되고, 미 포함시키면 본래의 목적을 달성할 수가 없다. 따라서 주석(Sn)을 0.01%로 포함해 주면, 성형성과 절삭가공성 및 내식성을 모두 겸비할 수가 있다.

본 발명의 다른 일면은 전술한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 이용하여 주조품을 제조하는 방법이다. 먼저, 1.0~4.0 중량% 실리콘(Si)과, 0.5~1.5 중량% 철(Fe)과, 0.7~2.0 중량% 구리(Cu)와, 0.7~1.7 중량% 망간(Mn)과, 0.2~0.7 중량% 크롬(Cr)과, 0.5~1.5 중량% 니켈(Ni)과, 0.05~0.5 중량% 티타늄(Ti) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 준비하는 (A)단계를 거친다.

이때, 다이캐스팅용 알루미늄 합금 총 중량%에 대하여 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 마그네슘(Mg)과, 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 아연(Zn) 및 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 주석(Sn)을 더 포함하는 것이 좋다.

이어서 알루미늄 합금을 용해로에서 용융하고, 용융된 합금물을 다이캐스팅 장치에 공급하는 (B)단계를 거친다. 마지막으로 (B)단계의 합금물을 680~750℃로 가온한 상태에서 75㎫로 금형에 주입하여 주조품을 완성하는 (C)단계를 거친다. 완성된 주조품은 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도와, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴보고 합금이 가진 실질적인 효과가 유효함을 알아보고자 한다.

<<실험방법>>

본 발명의 물질로 조성된 합금과 종래의 물질로 조성된 합금을 각각 ASTM Subsize 규격의 시편을 실시예1 내지 실시예3과 비교예1과 비교예2로 각각 제작하여 만능재료시험기(Instron 5982)를 사용해서 인장시험을 측정해 보고, 열분석기(Pyris Diamond TG/DTA)를 사용해서 용융점을 측정해 보았다.

<시료제작>

구분	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti	Sn	Al
실시예1	1.2	0.7	1.2	1.0	0.1	0.3	0.7	0.01	0.25	0.01	잔부
실시예2	1.3	0.7	1.5	1.2	0.07	0.25	0.5	0.01	0.25	0.008	잔부
실시예3	3.0	0.5	2.0	0.7	0.05	0.2	1.5	0.01	0.25	0.01	잔부
비교예1	9.5	1.3	4.0	0.35	0.3	0.1	0.5	3.0	0.1	0.35	잔부
비교예2	12.0	2.0	3.5	0.5	0.1	0.1	0.5	3.0	0.1	0.35	잔부

단위: 중량%

<시편규격>

구분	표점 거리 (G)	너비 (w)	두께 (T)	어깨부 반지름 (R)	시험편 종길이 (L)	평행부 길이 (A)	물림부 너비 (C)
Subsize(Plate)	25	6.25	3.05	6	100 이상	32	10

단위: mm

<인장시험 결과>

	인장강도(㎫)	항복강도(㎫)	연실율(%)
실시예1	217	124	14
실시예2	220	126	12
실시예3	256	134	11
비교예1	275	150	2.5
비교예2	270	145	2.5

<용융점시험 결과>

	용융점(℃)	비중(g/㎤)
실시예1	642	2.68
실시예2	655	2.69
실시예3	656	2.70
비교예1	590	2.71
비교예2	580	2.70

<실험결과>

실험결과 인장시험에서는 비교예가 실시예에 비해서 인장강도와 항복강도는 높고 연신율은 낮은 것으로 확인할 수가 있다. 반대로 용융점시험에서는 실시예가 비교예에 비해서 비중은 낮으면서도 용융점은 높은 것으로 확인되었다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims

다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서:
1.0~4.0 중량% 실리콘(Si), 0.5~1.5 중량% 철(Fe), 0.7~2.0 중량% 구리(Cu), 0.7~1.7 중량% 망간(Mn), 0.2~0.7 중량% 크롬(Cr), 0.5~1.5 중량% 니켈(Ni), 0.05~0.5 중량% 티타늄(Ti), 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 마그네슘(Mg), 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 아연(Zn), 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 주석(Sn) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하여 이루어져, 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
다이캐스팅용 알루미늄 합금 주조품을 제조하는 방법에 있어서:
(A) 1.0~4.0 중량% 실리콘(Si)과, 0.5~1.5 중량% 철(Fe)과, 0.7~2.0 중량% 구리(Cu)와, 0.7~1.7 중량% 망간(Mn)과, 0.2~0.7 중량% 크롬(Cr)과, 0.5~1.5 중량% 니켈(Ni)과, 0.05~0.5 중량% 티타늄(Ti), 0 중량% 초과 0.2 중량% 미만의 마그네슘(Mg), 0 중량% 초과 0.05 중량% 미만의 아연(Zn), 0 중량% 초과 0.05 중량 미만의 주석(Sn) 및 잔부인 알루미늄(Al)과 나머지 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계;
(B) 상기 알루미늄 합금을 용해로에서 용융하고, 용융된 합금물을 다이캐스팅 장치에 공급하는 단계; 및
(C) 상기 합금물을 680~750℃로 가온한 상태에서 75㎫로 금형에 주입하여 217~230㎫ 인장강도와, 124~130㎫ 항복강도와, 11~15% 연신율 및 642~670℃의 용융점을 가진 주조품을 완성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 주조품의 제조방법.
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