KR101756016B1

KR101756016B1 - 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법

Info

Publication number: KR101756016B1
Application number: KR1020160051200A
Authority: KR
Inventors: 윤형섭
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-04-27
Publication date: 2017-07-20
Also published as: DE102016219711B4; US20170314111A1; DE102016219711A1; US10260136B2; CN107312955A

Abstract

본 발명은 열처리를 통하여 Mg-Zn계 강화상을 석출시켜 강도를 향상시킬 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

Description

다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법{Aluminum alloy for die casting and Method for heat treatment of manufacturing aluminum alloy using thereof}

본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열처리를 통하여 Mg-Zn계 강화상을 석출시켜 강도를 향상시킬 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄(Al)은 주조가 용이하고 다른 금속과 합금이 잘되며, 대기 중에서 내식성이 강하고 전기 및 열의 전도성 등이 우수하여 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.

특히, 최근 들어 차량의 중량절감 및 연비향상 등을 위하여 알루미늄이 많이 사용되고 있으며, 알루미늄 자체는 다른 금속들에 비하여 강도가 높지 않기 때문에 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금(Aluminum alloy)이 많이 사용된다.

이와 같은 알루미늄 합금을 이용하여 제품을 생산하기 위한 방법으로 다이캐스팅(die casting)이 많이 사용되는데, 다이캐스팅은 필요한 주조형상에 맞추어 정확하게 기계가공된 캐비티가 형성된 금형에 용융금속을 주입하여 캐비티의 형상과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조방법이다.

다이캐스팅용 알루미늄 합금은 고속고압의 용융금속을 금형 내 캐비티로 급속히(0.1~0.3sec 이내) 충진하여 응고시키는 공법의 특징과 부합하는 성질을 가져야 한다. 즉, 적정 수준의 고온 점도와 잠열을 제공함으로써 고압주조에 적합한 유동성을 가져야 하고 응고 시 발생할 수 있는 수축결함을 보상해줄 수 있어야 한다.

이러한 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 알려진 합금이 ADC10계 합금 및 A380계 합금인데, 이러한 합금은 Si성분을 8~12% 확보하여 다이캐스팅 공법에 적합한 특성을 부여하고 있으며, 또한 구조재로서 요구되는 강도를 별도의 열처리 없이 확보하기 위해서 Cu를 2~4% 수준으로 함유하고 있다.

또한, ADC10계 합금 및 A380계 합금은 알루미늄 용탕과 금형과의 소착 및 침식을 최소한으로 억제하기 위해 Fe를 최대 1.3%까지 허용하는데, 일반적으로 과량의 Fe 침상조직에 의한 신율 저하 등의 부작용은 급냉에 의한 조직미세화를 통해 최소화하게 되고, 이를 통해서 합금의 재활용이 가능해짐에 따라 생산성 및 작업편의성이 향상된다.

ADC10계 합금 및 A380계 합금은 이처럼 물성/생산성 등 많은 우수한 장점으로 인해 전체 다이캐스팅용 합금의 90% 이상을 차지한다.

하지만, 일반적으로는 다이캐스팅 공법을 적용할 경우 열처리를 하지 않는 것으로 알려져 있었으나, 최근의 고진공 다이캐스팅 기술이나 용체화 시간을 단축시킨 열처리 기술을 통하여 강도향상을 꾀하고 있는 추세이다.

등록특허 10-1571665 (2015. 11. 19)

본 발명은 다이캐스팅 공정에 적합하면서도 열처리를 통한 강도향상을 위하여 종래의 Cu계 강화상을 대신하여 Zn계 강화상을 석출시킬 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 합금은 Cu: 0.3% 이하 및 Ti: 0.3% 이하 중 어느 하나 이상을 더 함유할 수 있다.

상기 알루미늄 합금은 Mg와 Zn의 함량 합이 6 ~ 8%인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금은 Mg/Zn의 비율이 2.0 이상인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금은 항복강도가 300MPs 이상인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금은 인장강도가 350MPs 이상인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금은 연신율이 2% 이상인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법은 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금을 용체화 처리하는 용체화 단계와; 용체화된 알루미늄 합금에 MgZn₂가 석출되도록 시효 처리하는 1차 시효 단계와; 1차 시효 처리되어 MgZn₂가 석출된 알루미늄 합금에 Mg₂Si가 석출되도록 시효 처리하는 2차 시효단계를 포함할 수 있다.

상기 1차 시효 단계의 열처리 온도는 110 ~ 130℃이고, 열처리 시간은 10 ~ 24 시간인 것이 바람직하다.

상기 2차 시효 단계의 열처리 온도는 160 ~ 180℃이고, 열처리 시간은 3 ~ 6시간인 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, Cu 성분의 함유를 최대한 억제하면서, Mg 성분 및 Zn 성분의 함량을 최적화하고, 합금성분 조절에 맞춰 열처리 조건을 최적화함에 따라 종래의 ADC10계 합금 및 A380계 합금에 대응되는 주조성을 확보하면서 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 종래의 ADC10계 합금 및 A380계 합금과 동등 이상 수준의 주조성을 확보할 수 있어서, 종래의 금형 및 장비의 개조없이 적용할 수 있고, 수율을 동등 수준으로 유지할 수 있는 효과가 있다.

그리고 Fe 등과 같은 불순물이 물성에 미치는 영향이 적어 재활용이 가능한 합금이다.

도 1 및 도 2는 A380 합금에 Zn를 1,2,3% 추가했을 때 석출상의 형성을 DSC를 통해 분석한 결과를 보여주는 도면이고,
도 3은 A380 합금에 Zn를 1,2,3% 추가했을 때 물성을 분석한 결과를 나타내는 도면이며,
도 4 및 도 5는 ADC12 합금의 상을 분석한 결과를 나타내는 도면이고,
도 6 및 도 7은 A7075 합금의 상을 분석한 결과를 나타내는 도면이며,
도 8 및 도 9는 A380 합금에 Zn와 Mg를 추가한 합금의 상을 분석한 결과를 나타내는 도면이고,
도 10은 Al-Cu-Mg-Si-Zn의 합금에서 Si의 함량을 변화시키는 실험의 결과를 나타내는 도면이며,
도 11은 열처리 강화상(Al-Cu-Mg-Si)을 생성하기 위한 Cu-Free 합금의 상을 분석한 결과를 나타내는 도면이고,
도 12 및 도 13은 Cu의 함량에 따른 합금의 상을 분석한 결과를 나타내는 도면이며,
도 14 및 도 15는 Cu의 함량에 따라 Mg에 의한 강화상의 변화를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면 및 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 일반적인 알루미늄 고압주조 다이캐스팅용 합금인 ADC10계 합금 및 A380계 합금의 장점을 유지하면서, 열처리를 통하여 강도향상을 위한 석출 강화상을 확보하는 알루미늄 합금이다.

이에 따라 본 발명에서는 다이캐스팅 공정에서 요구되는 합금 특성을 갖추기 위하여 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 주석(Sn), 티타늄(Ti)의 성분 함량은 종래의 ADC10계 합금 또는 A380계 합금에서 해당 성분의 함량과 유사한 수준을 유지하되, 석출강화의 효과를 극대화하기 위하여 다른 합금 조성 성분의 함량을 개선하였다. 특히, 알루미늄 합금에서 규소(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn) 등은 석출 강화에 주로 사용되는 원소로서, 각각의 원소들은 Al₂Cu, Mg₂Si 및 MgZn₂ 등과 같은 석출상을 형성할 수 있다.

예를 들어 본 발명의 일실시예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 그리고 열처리 효과를 향상시키기 위하여 Ti: 0.3% 이하로 더 함유할 수 있다. 또한, 불가피하게 혼합될 수 있는 Cu의 함량은 0.3% 이하로 제한한다.

본 발명에서 합금성분 및 그 조성범위를 한정하는 이유는 아래와 같다. 이하, 특별한 언급이 없는 한 조성범위의 단위로 기재된 "%"는 "중량%"를 의미한다.

규소(Si)는 9.6 ~ 12.0%를 함유하는 것이 바람직하다. Si는 주조성을 확보하면서 석출상을 형성하는 주요 성분으로서, 공정점 이하로 최대한 확보하는 것이 바람직하다. 이에, Si 함량의 최소값을 9.6%로 제한하고, 최대값을 12.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

마그네슘(Mg)은 1.5 ~ 3.0%를 함유하는 것이 바람직하다. Mg는 석출상을 형성하는 주요 성분이지만, 과량으로 투입 시 산화에 의한 개재물 발생 및 물성저하와 주조성이 저하된다. 이에, Mg 함량의 최소값을 1.5%로 제한하면서, 최대값을 3.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

아연(Zn)은 3.0 ~ 6.0%를 함유하는 것이 바람직하다. Zn는 본 발명에서 Cu계 강화상을 대체하는 강화상을 석출시키는 주요 성분으로서, Zn-Mg계 강화상을 석출시킨다.

특히, 구리(Cu)는 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 일반적으로 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서 Cu는 석출강화 원소로서 알루미늄 합금의 강화효과가 주요하여 고용한계인 4.0%까지 함유가 가능하도록 합금을 설계할 수 있다. 하지만, 열처리 강화효과를 높이기 위하여 단순히 Cu 성분을 고용한계 이상 추가하는 것은, Cu 성분이 Al에 용해되지 않아 물성향상의 효과도 없을 뿐 아니라 편석으로 인한 부작용이 발생할 수 있으므로 불리하다. 또한, 본 실시예에서는 Cu계 강화상으로는 강도향상을 원하는 수준으로 높일 수 없기 때문에 Zn계 강화상을 석출시키기 위하여 Cu는 최소한으로 함유되는 것이 바람직하다. 다만, Cu는 알루미늄 합금의 조성시 불가피하게 혼입될 수 있는 원소이기 때문에 함유량을 1% 이하, 바람직하게는 0.3% 이하로 제한하는 것이 좋다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법은 상기와 같은 성분 및 함량으로 조성되는 합금을 열처리하는 방법으로서, 상기와 같은 성분 및 함량으로 조성되어 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금을 용체화 처리하는 용체화 단계와; 용체화된 알루미늄 합금에 MgZn₂가 석출되도록 시효 처리하는 1차 시효 단계와; 1차 시효 처리되어 MgZn₂가 석출된 알루미늄 합금에 Mg₂Si가 석출되도록 시효 처리하는 2차 시효단계를 포함한다.

이때 1차 시효 단계의 열처리는 110 ~ 130℃의 온도에서 10 ~ 24시간 동안 처리하는 것이 바람직하고, 2차 시효 단계의 열처리는 160 ~ 180℃의 온도에서 3 ~ 6시간 동안 처리하는 것이 바람직하다.

다음으로, 규소(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)의 함량을 제한한 이유 및 시효 단계를 제한한 이유에 대하여 설명한다.

본 실시예에서는 Cu의 함량을 ADC10계 합금 및 A380계 합금 대비 낮추면서 원하는 수준의 강도향상을 위하여 Mg-Zn계 강화상인 MgZn₂에 의한 열처리 강화를 목표로 삼고, 종래의 A380계 합금 성분에서 Mg 및 Zn의 성분 함량을 조절하였다.

<실험예 1>

먼저, A380 합금에 Zn를 1,2,3% 추가했을 때 석출상의 형성을 DSC를 통해 분석하였고, 그 결과를 도 1 및 도 2에 나타내었다.

도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, Zn를 1% 추가 시 Al₂Cu와 Mg₂Si 석출상이 형성됨을 관찰할 수 있으나 Zn상은 관찰되지 않는다. Zn을 3% 추가 시에도 여전히 Zn상은 관찰되지 않았으나 특이하게 Mg₂Si상이 감소하는 것을 알 수 있다.(A 점선부) 이러한 결과는 Zn의 과량 고용에 따른 Mg 고용량 감소 혹은 Mg₂Si가 아닌 별도의 복합상의 출현이 원인일 수 있을 것이다.

따라서, 단순히 Zn를 추가하는 것으로는 강화효과를 얻을 수 없는 것으로 나타났다. 또한, Zn의 추가에 의해 원하는 석출상인 MgZn₂이 생성되지 않고 오히려 기존 강화상인 Mg₂Si가 감소하는 것으로 나타났다.

다음으로, A380 합금에 Zn를 1,2,3% 추가했을 때 물성을 분석하였고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 3에서 알 수 있듯이 Zn 추가 시 강도(경도) 향상은 기대만큼 높은 수준이 아니었고, 2% 초과 추가 시에는 오히려 경도가 감소하였다. 이는 Zn가 고용상으로 존재하여 고용량 증대 시 타 합금원소의 고용량 감소에 의한 효과로 판단된다.

또한, Zn이 MgZn₂ 석출상 형태로 존재하지 않는 이유는 상대적으로 소량 존재하는 Mg 성분이 Si 존재하에서는 응고 시 Mg₂Si상의 생성으로 소진되기 때문으로 추정할 수 있다. 이럴 경우 Mg 성분이 충분히 존재하면 Mg₂Si 상을 과포화시킬 수 있고, 이후 잔량을 MgZn₂상으로 형성시킬 수 있다고 가정할 수 있다.

하지만, 이런 가정을 바탕으로 Zn와 Mg 함량을 함께 높여 평가해본 결과 역시 기대한 수준의 열처리 물성향상을 얻을 수 없었다.

<실험예 2>

실험예 1에서 Zn와 Mg 함량을 높였지만 기대한 수준의 열처리 물성향상을 얻을 수 없었던 원인을 분석하기 위하여 상분석 해석프로그램을 활용하여 해결방안을 모색하기 위하여, 기존 ADC12 합금의 상을 분석하였고 그 결과를 도 4 및 도 5에 나타냈다.

도 4는 Fe가 첨가되지 않았을 때의 상분석 결과이고, 도 5는 Fe가 첨가되었을 때의 상분석 결과이다.

도 4에서 알 수 있듯이, ADC12 열처리 시 강화상은 주로 Al₂Cu로 예상된다. 또한, 460도 부근에서 석출상이 형성되기 시작되는 것을 알 수 있으며, 이는 기존에 알려진 480~520도 용체화 조건에서 Al₂Cu가 고용되는 사실과 부합한다. Mg 강화상은 Cu, Si 존재시 복합상 생성에 의해 형성이 방해를 받으며, Fe 존재 시에는 도 5와 같이 Fe와도 반응하여 복합상을 만들게 되므로, 급냉되는 다이캐스팅품이라 할지라도 열처리 효과를 기대하기 어려울 것으로 판단된다.

따라서, Zn와 Mg 함량을 함께 높일 경우에는 Al₂Cu에 의한 강도 확보 및 열처리 시 강도향상이 예상되며, 다른 강화상인 Mg₂Si의 경우에는 Si-Cu-Mg계 복합상의 형성 및 Fe 복합상에 의해 소진되어 열처리 시 강도향상에 기여하기 힘든 것으로 나타났다. 그 외에도 Fe-Mg-Si계 복합상에 의해서도 Mg이 소진되는 것으로 나타났다. 이는 실제 시효온도 최적화 평가결과와 부합하는 결과로 Cu상의 시효처리 온도인 160~180도에서 최대 강도 향상이 나타나는 것으로 확인되었다.

<실험예 3>

다음으로 대표적인 MgZn₂계 합금인 A7075 합금의 상분석 결과를 도 6 및 도 7에 나타냈다.

도 6은 A7075 합금의 상분석 결과이고, 도 7은 주조재에 적용하기 위해 Si를 과량으로 투입한 결과이다.

A7075 합금은 Mg₂Si → Al₂Cu → MgZn₂ → Al-Cu-Mg-Si 복합상 순으로 생성되는 것을 알 수 있으며, MgZn₂상이 가장 많이 생성됨을 알 수 있다. Si을 과량 첨가 시 Al₂Cu 외의 모든 강화상들이 나타나지 않는 것으로 나타났으며, Zn는 고용상으로만 존재하였다. 이는 Si 과량 첨가 시 Si-Cu-Mg 복합상의 출현 때문인 것으로 판단된다.

<실험예 4>

다음으로 기존 A380 합금에 Zn와 Mg를 추가한 개발합금 방안에 대한 상분석 결과를 도 8 및 도 9에 나타냈다.

도 8은 Zn의 함량이 4.5%인 경우이고, 도 9는 Zn의 함량이 6.0%인 경우의 결과이다.

<실험예 2>와 마찬가지로 Mg₂Si가 복합상(Al₅Cu₂Mg₈Si₆) 출현 이후 소진되는 것으로 나타나며, Al₂Cu은 400도 이하에서 생성 시작하는 것으로 나타난다. 결과의 Zn_HCP는 고용상으로 추정되며 MgZn₂ 미형성되는 것으로 나타난다.

따라서, Zn와 Mg을 과량 투입했을 때 의도한 강화상인 MgZn₂상은 형성되지 않고, 고용상만 형성되는 결과는 앞서 DSC를 통한 석출상 검출 평가와 부합하는 결과로, A380합금에 Zn를 추가하는 것만으로는 강도향상에 부적합하다는 것을 알 수 있다. 이는 A7075 합금의 상분석 결과에서 나타났듯이 Si 존재 시 Si-Cu-Mg 복합상(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)의 출현 때문인 것으로 판단할 수 있었다.

상기와 같은 실험예를 통하여 Zn계 열처리형 다이캐스팅 합금을 개발하기 위해서는 복합상인 Al₅Cu₂Mg₈Si₆의 생성을 억제하는 것이 필수적임을 알 수 있다. 이 복합상은 대략 500℃ 부근에서 생성되며 Al₂Cu상과 함께 생성된다고 알려져 있는데, 이 때문에 열처리 조건보다는 합금의 성분 조정을 통해서 직접적으로 복합상의 생성을 억제하는 것이 주효하다는 것을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명에서는 복합상의 원소 중 하나를 제거함으로써 그 생성을 억제하고자 하였다.

<실험예 5>

Si 함량 변화 시 타 화합물 변화를 예측하기 위하여 Al-2.5Cu-2.0Mg-(Si)-5.0Zn의 합금에서 Si의 함량을 변화시키는 실험을 실시하였고, 상분석 결과를 도 10에 나타내었다.

도 10에서 알 수 있듯이, Si 1% 이상시 복합상(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)이 출현하고, Si 1.85% 이상이면 Mg₂Si, Al₂Cu보다 복합상(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)으로 Mg과 Cu가 소모되는 것을 확인하였다. 따라서, 상기와 같은 결과와 Si는 주조재 합금에서는 필수적으로 일정 함량이 확보되어야 하는 원소이기 때문에 Si의 성분 조정으로는 복합상의 생성을 억제하는 것이 불가능하다는 것을 확인하였다.

그리고 Mg는 본 개발의 주요강화상의 성분이므로 나머지 성분인 Cu의 함량을 최소화하여 복합상의 생성을 억제하는 것이 타당하다는 결론을 내릴 수 있다.

<실험예 6>

ADC12 합금 수준의 Si 성분을 포함한 상태에서 Zn, Mg가 각각 4.5, 2.0wt% 첨가되고 이때 열처리 강화상(Al-Cu-Mg-Si)을 생성하기 위해 Cu를 첨가하지 않은 합금(Cu-Free)에서의 상분석 결과를 도 11에 나타내었다.

도 11에서 알 수 있듯이 MgZn₂ 및 Mg₂Si이 다량으로 생성되는 것을 확인할 수 있었고, 특히 Zn 성분이 고용되지 않고 석출강화상으로만 존재하는 것을 확인하였다. 또한, MgZn₂는 130도 부근에서부터 안정상으로 존재하는 것을 확인하였다.

이때 합금 분석 시 Fe 성분을 포함시켰는데 이전 분석 시 또 다른 복합상인 Al-Fe-Si-Mg 상의 생성이 예상되었기 때문이다. 분석 결과 우려와는 달리 400℃ 이상에서만 안정상이므로 실제 다이캐스팅 시 Mg 소진량은 크지 않는 것으로 나타났다.

<실험예 7>

Cu 함량이 1%, 2%인 경우를 분석하고, 상분석 결과를 도 12 및 도 13에 나타내었다.

도 12는 Cu 함량이 1%인 경우이고, 도 12는 Cu 함량이 2%인 경우이다.

도 12에서 확인할 수 있듯이, Cu 함량이 1%에서는 Al₅Cu₂Mg₈Si₆ 복합상이 일부 출현(5%미만)하지만, MgZn₂ 상이 안정상으로 존재하며 일부 고용상도 예상되는 것으로 나타났다.

하지만, 도 13에서 확인할 수 있듯이 Cu 함량이 2%에는 Al₅Cu₂Mg₈Si₆ 복합상이 6%이상 생성되고, MgZn₂ 상이 생성되지 않는 것으로 나타나 개발합금의 Cu 함량은 1%까지가 한계인 것으로 나타났다.

<실험예 8>

각 합금상 별로 Mg이 분포하는 양을 비교하여 Mg이 어떤 상을 만드는 데 소모되는지를 분석하였고, 그 결과를 도 14 및 도 15에 나타내었다.

도 14에서 확인할 수 있듯이 Cu가 2.0 wt%이상 존재 시에는 Mg은 Al-Cu-Mg-Si 복합상의 생성에만 소모되고 강화상들은 존재하지 않게 되며, Zn은 고용상으로 존재하였다.

그리고, 도 15에서 확인할 수 있듯이 Cu 1% 존재 시 Mg은 Al-Cu-Mg-Si 복합상의 생성에 일부 소모되지만 강화상들의 형성에 기여하게 되며, Zn 고용상은 거의 존재하지 않았다.

한편, 종래의 대표적인 다이캐스팅용 합금과 본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅용 합금의 성분 및 그 함량을 비교하여 표 1에 나타내었다.

[표 1]

실시예는 강도향상을 위해 Zn, Mg을 각각 3.0~6.0%, 1.5~3.0%로 조성되며, 이때 주요 강화상인 MgZn₂와 Mg₂Si상의 생성을 방해하는 복합상의 형성을 억제하기 위해서 Cu 함량은 0.3 이하로 제한하였다. 또한, 열처리 효과를 극대화하기 위하여 미세화제인 Ti을 0.1~0.5%로 첨가한 합금이다.

이때 다이캐스팅을 위한 주조성을 확보하기 위해서 Si 함량은 공정점 이하로 최대한 확보하면서, Fe 함량은 기존 합금들과 동등 수준을 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 합금의 물성을 좌우하는 것은 Zn+Mg 양으로서 9% 이상에서 강도 및 열처리 효과가 극대화되지만, 응력부식이 심해지며 주조 성형성이 감소한다. 반면에 Zn+Mg 양이 6~8%에서는 강도 수준이 우수하면서 부식, 성형성 등의 부작용 효과가 완화되므로 해당 수준에서 관리한다. 단, Zn/Mg 비율이 2.0 이상일 경우 MgZn₂ 가 형성되며 이보다 낮을 경우 Mg₃Zn₃Al₂가 형성되므로 개발합금에서는 Zn/Mg 비율이 2.0 이상이 되도록 유지한다.

Fe는 일반적인 재활용 합금 수준인 1.3% 이하에서 의미있는 물성저하를 일으키지 않으므로 Mn, Sn와 함께 일반 다이캐스팅 합금의 불순물 수준으로 관리하는 것이 바람직하다.

한편, 생성되는 2개의 강화상은 각각 석출상이 생성되는 온도가 상이하여 동일조건에서 열처리 시 최대 강도를 가지기 어렵다. 그래서 본 실시예에서는 먼저 석출온도가 낮은 MgZn₂를 석출시키고, 이후에 Mg₂Si를 형성시켜 각각의 석출상을 최대한 정합상으로 석출시켜 강도향상을 도모하였다.

따라서 1차 시효 단계에서 온도는 일반적인 7천계 합금 조건인 110~130도에서 10~24시간을 유지하고, 2차 시효 단계는 160~180도에서 3~6시간을 실시한다. 1차 시효 시 석출되는 MgZn₂은 2차 시효온도 조건에서 안정상인 부정합상으로 변하므로 2차 시효 시간이 과다하게 증가할 경우 물성저하의 효과가 있다. 또한, 1차 시효 중에 일부 Mg₂Si가 석출되므로 2차 시효의 시간은 일반적인 수준보다 줄여서 관리하는 것이 바람직하다.

다음으로 본 실시예에 따른 합금의 물성을 평가하였다.

표 2와 같은 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 고진공 다이캐스팅 장비에서 인장시편을 제작하고, 시효처리 온도를 극대화하기 위해서 500도 이상에서 6시간 이상 용체화 처리를 한 후 시효처리는 MgZn₂상의 석출을 위해 120℃에서 12시간 처리 후, Mg₂Si상의 석출을 위해 175℃에서 3시간으로 2차에 걸쳐 실시하였다. 그리고 제작된 시편의 물성을 평가하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

[표 2]

[표 3]

표 3에서 알 수 있듯이 항복강도는 기존 ADC12에 비해 약 2배 수준으로 증가하였고, 인장강도는 ADC12에 비해 약 1.6배 수준으로 증가하였다. 또한, 연신율도 ADC12에 비해 약 2.5배 수준으로 증가하였다.

다음으로 시편 #1을 사용하여 열처리 조건별 합금의 물성에 대한 실험을 실시하였고, 열처리 조건 및 그 결과를 표 4에 나타내었다.

[표 4]

표 4에서 알 수 있듯이 1차 시효가 길어질수록 2차시효의 효과가 감소하였으며 시효조건 110도 10시간 + 180도 3시간 조건에서 최대 물성이 나오는 것을 확인하였다. 따라서, 본 실시예에 따른 1차 시효 단계 및 2차 시효 단계의 온도 및 시간 범위 내에서 사용 목적에 따라 적절한 열처리 조건을 적용하는 것이 타당할 것이다.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.

Claims

중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 Cu: 0.3% 이하 및 Ti: 0.3% 이하 중 어느 하나 이상을 더 함유하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 Mg와 Zn의 함량 합이 6 ~ 8%인 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 Mg/Zn의 비율이 2.0 이상인 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 항복강도가 300MPs 이상인 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 인장강도가 350MPs 이상인 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 연신율이 2% 이상인 다이캐스팅용 알루미늄 합금.
중량%로, Si: 9.6 ~ 12.0%, Mg: 1.5 ~ 3.0%, Zn: 3.0 ~ 6.0%, Fe: 1.3% 이하(0% 제외), Mn: 0.5% 이하(0% 제외), Ni: 0.5% 이하(0% 제외), Sn: 0.2% 이하(0% 제외), 나머지 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금을 용체화 처리하는 용체화 단계와;
용체화된 알루미늄 합금에 MgZn₂가 석출되도록 시효 처리하는 1차 시효 단계와;
1차 시효 처리되어 MgZn₂가 석출된 알루미늄 합금에 Mg₂Si가 석출되도록 시효 처리하는 2차 시효단계를 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 1차 시효 단계의 열처리 온도는 110 ~ 130℃이고, 열처리 시간은 10 ~ 24 시간인 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 2차 시효 단계의 열처리 온도는 160 ~ 180℃이고, 열처리 시간은 3 ~ 6시간인 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법.
삭제
청구항 8에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 Cu: 0.3% 이하 및 Ti: 0.3% 이하 중 어느 하나 이상을 더 함유하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열처리 방법.