KR101757013B1 - 큰 기계적 강도 및 고온 크리프 저항을 갖는, 구리 알루미늄 합금이 몰딩된 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 다음의 화학적 조성, 즉 Si : 0.02 - 0.50%, Fe : 0.02 - 0.30%, Cu : 3.5 - 4.9%, Mn : < 0.70%, Mg : 0.05 - 0.20%, Zn : < 0.30%, Ni : < 0.30%, V : 0.05 - 0.30%, Zr : 0.05 - 0.25%, Ti : 0.01 - 0.35%, 총 0.15% 미만이고 각각 0.05% 미만인 다른 원소들, 그리고 나머지는 알루미늄인 화학적 조성의 알루미늄 합금으로 제조된, 높은 기계적 강도 및 고온 크리프 저항을 갖는 캐스팅된 부품에 관한 것이다. 본 발명은 또한 구체적으로는 과급 디젤 또는 가솔린 내연기관의 실린더 헤드와 관련된다.
Description
본 발명은, 큰 기계적 응력을 받는 부품으로서 구리 알루미늄 합금으로 캐스팅되고 적어도 이 부품의 영역들 중 일부에서는 높은 온도에서 작동하는 부품에 관한 것이며, 특히 과급 디젤 또는 가솔린 엔진의 실린더 헤드에 관한 것이다.
달리 언급되지 않는다면, 합금의 화학적 조성과 관련된 모든 값은 중량%로서 표시된다.
대량 생산되는 승용차의 실린더 헤드를 위해 보통 사용되는 합금은, 그 기계적 특성을 개선하기 위해, 특히 고온에서의 기계적 특성을 개선하기 위해 종종 구리 및 마그네슘을 함유하는 실리콘 합금(일반적으로 5 내지 10%의 Si)을 주성분으로 한다. 사용되는 주요 유형은 AlSi7Mg, AlSi7CuMg, AlSi(5 내지 8)Cu3Mg, AlSi10Mg, AlSi10CuMg이다. 이들 합금은, 때때로 처리 없이 스테이트 F(state F)에서, 때때로 간단한 시효와 함께 스테이트 T5에서, 때때로 최고 경도 또는 최고 경도에 약간 못미친 경도에서 용액 열 처리, 담금질 및 시효와 함께 스테이트 T6에서, 그리고 종종 용액 열 처리, 담금질 및 과시효 또는 안정화와 함께 T7 스테이트에서 다양한 열 처리 방법과 함께 사용된다.
알루미늄 실리콘 합금이 사용되는 이유는, 알루미늄 실리콘 합금의 우수한 캐스팅 특성, 특히 고온 인열성의 부재, 높은 유동성 및 수축 공동에 대한 양호한 급송 능력 때문이다. 단지 5% 이상의 실리콘 함량을 갖는 이들 합금만이 중력 또는 낮은 압력에 의한 쉘 몰딩(shell molding)에 적절한데, 상기 쉘 몰딩은 대량 생산되는 자동차 실린더 헤드를 위한 지배적 공정이다.
고성능 차량을 위한 실린더 헤드 또는 무기 및 우주 산업을 위해 높은 온도에서 작동하기 위한 부품과 같이, 샌드 캐스팅(sand casting)을 이용하여 보통 행해지는 제조 상의 단기 생산 운전에 있어서, AlCu5 유형의 구리 합금이 또한 때때로 사용되며, 고온 저항을 향상시키기 위해 Ni, Co, Ti, V 및 Zr과 같은 원소가 첨가되고 이러한 범주에 있어서 AlCu5NiCoZr 및 AlCu4NiTi을 주목할 만하다. 이들 합금은 열에 대해, 특히 300 ℃에서 내성이 높은데, 이들 합금은 앞서 언급된 알루미늄 실리콘보다 성능이 현저히 뛰어나지만 2가지 심각한 단점, 즉 수축 공동에 대한 불량한 급송 능력과 함께 높은 고온 인열 취약성 그리고 상온에서 그 기계적 특성이 그리 뛰어나지 않다는 단점을 가지며, 전자의 단점은 이들 합금이 대량 생산을 위해 쉘 몰딩되기가 매우 어렵게 하고, 후자의 단점과 관련하여 특히 이들 합금은 매우 작은 연신율을 가지며, 이로 인해 이들 합금은 파손되기 쉽고 기계적 피로와 관련하여 비효율적이다. 표 1은 스테이트 T7[Rp0.2(또는 0.2% TYS)]에서 샌드 캐스팅 및 열 처리된 양 합금의 상온에서의 특성을 요약한 것으로서, 항복 강도는 MPa 단위이고 Rm(또는 UTS) 인장 강도는 MPa 단위이며 A(또는 E)는 파단 시의 연신율로서 % 단위이다.
또한, 알루미늄 협회(이하에서는 편의를 위해 "AA"로 나타냄)에 의해 넘버 224로 이미 표준화된 합금이 존재하는데, 이는 AlCu5MnVZr 유형이다. 이는 이 협회에 의해 "비활성(inactive)이다"라고 선언되었는데, 이 협회는 정기적으로 업데이트되는 이 협회의 문헌인 "캐스팅 및 잉곳의 형태인 알루미늄 합금에 대한 지정 및 화학적 조성 한계(Designations and Chemical Composition Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot)"에서 수년 전에 이를 철회하였다. 이러한 합금 224는 마그네슘을 함유하지 않고(이 원소는, 각각 최대 0.03%로 설정되고 총 0.10%로 설정되는 불순물의 범주에 속하게 됨), 샌드 캐스트 플레이트 상에서의 오랜 특성화 결과는 표 2에 설명된 T7 스테이트 물성을 나타내었다.
문제점
미래 커먼레일 디젤 및 터보과급 가솔린 엔진의 경우, 실린더 헤드의 연소실 및 특히 밸브 브릿지는 300 ℃ 또는 심지어 이를 초과하는 온도에 도달하며, 오늘날 사용되는 이전 세대의 엔진보다 높은 압력을 겪게 되는데, 알루미늄 구리 합금의 사용은 알루미늄 실리콘 합금을 최적화함으로써 이루어지는 미미한 개선에 대해 "획기적인" 해법이다.
그러나, 여전히 이러한 화학족(family)에서 다음을 충족하는 합금을 발견해야 한다.
- 상온에서의 높은 기계적 특성;
- 250-300 ℃의 범위에서의 높은 기계적 특성;
- 300 ℃에서의 높은 크리프 강도(이때 상기 온도는 특히 열기계적 응력을 받는 부품인 밸브 브릿지의 구체적인 특징임).
상온 또는 무난한 온도에서 작동하는 부품을 위한, AlCu5MgTi(AA에 의해 204로 명명됨) 및 A206 및 B206(AA에 따름)과 같은 통상적인 AlCu5Mg 합금은, 특히 300 ℃에서 이러한 요건을 충족하지 못한다.
앞서 언급된 합금 AlCu4NiTi 및 AlCu5NiCoZr(AA에 따르면 203)은 상온에서 자체로 너무 연약하고 취성이 있다.
높은 온도에서 작동하는 부품을 위한 AlCu5MnVZr(AA에 따르면 이전의 224)은 이들 특성의 더욱 흥미로운 조합을 갖지만, 바람직한 개선된 특성과 비교할 때 상온에서 여전히 항복 강도 면에서 부족하다. 즉, 스테이트 T7에서, 항복 강도는, 각각 AlSi7Cu0.5Mg0.3 T7에 대한 275 MPa 및 AlSi5Cu3Mg T7에 대한 311 MPa에 비해 Rp0.2 = 280 MPa이다[이 값들은 출원인에 의해 측정되고 문헌 "Alliages d'aluminium ameliores pour culasses Diesel" (Hommes et fonderie- February 2008- N°382) 및 "Aluminium Casting Alloys for Highly Stressed Diesel Cylinder Heads", (3. internationales Symposium Aluminium + Automobil); Dusseldorf; FRG; 3-4 Feb.1988, pp. 154 - 159, 1988에서 공개된 것임].
본 출원인은 이에 따라 상온으로부터 250 내지 300 ℃까지 항복 강도 및 극한 강도 면에서 기존의 224에 비해 현저한 개선을 달성하고자 하였다. 본 출원인은 또한 이러한 기존 합금의 300 ℃에서의 크리프 강도를 개선하고자 하였다.
본 발명은 큰 기계적 강도 및 고온 크리프 저항을 갖는, 구리 알루미늄 합금이 몰딩된 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 이에 따라 상온 및 높은 온도에서 높은 정적 기계적 강도 그리고 높은 온도, 특히 300 ℃ 이상에서의 높은 크리프 강도를 갖는 캐스팅된 부품으로서, 중량%로서 표현된 다음의 화학적 조성, 즉
Si : 0.02 - 0.50%, 바람직하게는 0.02 - 0.20%, 더욱 바람직하게는 0.02 - 0.06%;
Fe : 0.02 - 0.30%, 바람직하게는 0.02 - 0.20%, 더욱 바람직하게는 0.02 - 0.12% 그리고 더욱 양호하게는 0.02 - 0.06%;
Cu : 3.5 - 4.9%, 바람직하게는 3.8 - 4.9%, 더욱 바람직하게는 4.0 - 4.8%;
Mn : < 0.70%, 그리고 바람직하게는 0.20 - 0.50%;
Mg : 0.05 - 0.20%, 바람직하게는 0.07 - 0.20%, 더욱 바람직하게는 0.08 - 0.20% 그리고 최종적으로 매우 바람직하게는 0.09 - 0.13%;
Zn : <0.30%, 바람직하게는 <0.10% 그리고 더욱 바람직하게는 <0.03%;
Ni : <0.30%, 바람직하게는 <0.10% 그리고 더욱 바람직하게는 <0.03%;
V : 0.05 - 0.30%, 바람직하게는 0.08 - 0.25%, 그리고 더욱 바람직하게는 0.10 - 0.20%;
Zr : 0.05 - 0.25%, 바람직하게는 0.08 - 0.20%;
Ti : 0.01 - 0.35%, 바람직하게는 0.05 - 0.25%, 그리고 더욱 바람직하게는 0.10 - 0.20%;
총 0.15% 미만이고 각각은 0.05 % 미만인 다른 원소;
나머지는 알루미늄
인 화학적 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 캐스팅된 부품에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 큰 기계적 강도 및 고온 크리프 저항을 갖는, 구리 알루미늄 합금이 몰딩된 부품을 얻을 수 있다.
도 1은 직경이 1/4"(6.35 mm)이며 리오 틴토 알칸에 의해 제조되는 4개의 쉘 몰드(shell-mold) 시험 시편의 클러스터를 도시한 것이다.
도 2는 마그네슘 함량이 0%, 0.09% 및 0.13%인 합금 AlCu4.7MnVZrTi에 대한 차동 엔탈피 분석 곡선을 도시한 것이다.
도 3은 마그네슘 함량이 각각 0%에서 0.13%로 그리고 0.1%에서 0.15%로 변할 때 T7 처리된 합금 AlCu4.7MnVZrTi 및 또한 T7 처리된 AlSi7Cu3.5MnVZrTi에 대해 300 ℃에서 크리프 시험을 행한 결과를 도시한 것이다.
도 2는 마그네슘 함량이 0%, 0.09% 및 0.13%인 합금 AlCu4.7MnVZrTi에 대한 차동 엔탈피 분석 곡선을 도시한 것이다.
도 3은 마그네슘 함량이 각각 0%에서 0.13%로 그리고 0.1%에서 0.15%로 변할 때 T7 처리된 합금 AlCu4.7MnVZrTi 및 또한 T7 처리된 AlSi7Cu3.5MnVZrTi에 대해 300 ℃에서 크리프 시험을 행한 결과를 도시한 것이다.
본 발명은, 기존의 합금 224(AA에 따름)의 앞서 언급된 특성에 대한 매우 현저한 개선을 이룰 수 있다는 본 출원인의 발견에 기초하며, 이에 따라 특히 한정된 양의 마그네슘을 첨가함으로써 문제를 해결한다.
0.10 내지 0.15% 정도의 소량의 마그네슘을 첨가하면 상온에서 뿐만 아니라 높은 온도에서, 특히 250 내지 300 ℃ 그리고 그 이상에서도 합금의 항복 강도 및 내성이 현저하게 향상된다.
상온에서 상대적인 이익이 가장 큰데, 이하의 예 및 표 6, 표 7, 및 표 8에서 설명되는 바와 같이, 항복 강도는 마그네슘이 없을 때의 약 190 MPa에서 겨우 0.09%의 마그네슘이 있을 때의 약 340 MPa 그리고 0.13%의 마그네슘이 있을 때의 390 MPa 초과까지 향상된다. 0.09% 내지 0.13%의 마그네슘을 이용하는 경우 달성되는 결과의 평균을 고려하면, 상온에서의 항복 강도 및 내성에 있어서의 이득은 주목할 만하다. 즉, 각각의 항목에 대해서 각각 +96% 및 29%만큼 향상된다. 연신율은 절반만큼 실질적으로 감소되지만, 여전히 적절한 수준인 6 내지 8%를 유지한다.
높은 온도에서, 즉 250 ℃와 300 ℃에서, 마그네슘의 첨가로부터 얻는 이득은 그 이득이 감소하는 경우에도 여전히 남아있다. 항복 강도 및 내성에 있어서 관찰되는 이득은 각각 250 ℃에서 각각의 항목에 대해 35 및 13%이고, 300 ℃에서 각각의 항목에 대해 27 및 8%이다. 생각하는 것처럼 경화 단계의 고온 안정성을 손상시키기는 커녕, 마그네슘의 첨가는 적어도 최대 300 ℃까지는 유익한데, 왜냐하면 특히 이들 높은 온도에서 연신율의 손실이 미미해지기 때문이다.
더욱이, 마그네슘의 첨가는 높은 온도에서의 크리프 저항을 현저하게 개선시키는데, 이에 따라 30 MPa의 응력이 작용하는 경우 300 ℃에서 300 시간 경과 후에 관찰되는 변형이 대략 절반으로 감소한다. 마그네슘의 첨가는, 마그네슘이 전혀 없는 통상적인 합금 AlCu5NiCoZr (AA에 따르면 203) 및 AlCu5MnVZr(AA에 따르면 224)의 정의를 유도하는 사상과는 반대로, 고온 안정성을 저해하지 않는다.
알루미늄 실리콘에 기초한 일부 실린더 헤드 합금과 비교할 때, 본 발명에 따른 합금의 평균 성능을 확인하는 것은 흥미로운 일이다(단순화를 위해 본 출원인은 0.09% 및 0.13%의 마그네슘을 포함하는 합금의 평균 특성을 "AlCu4.7MnMgmoyVZrTi"로 명명된 합금에 할당하였음). 표 3은 기계적 특성을 요약한 것이다.
300 ℃에서의 크리프 저항과 관련하여, 본 발명에 따른 T7 처리된 합금은 역시 T7 처리된 AlSi7Cu3.5Mg0.15MnVZrTi에 비교될 수 있는데, 후자는 또한 본 출원인에 의해 개발된 것이며 본 출원인이 아는 바로는 앞서의 표에서 고려된 알루미늄 실리콘 합금의 시리즈 중에서 크리프 저항이 가장 크다. 도 3에서의 곡선은 AlCu4.7MnMgVZrTi의 큰 우수성을 보이고 있는데, 이는 동일한 조건에서 변형이 실질적으로 4배나 적다.
따라서, AlCu5MnVZrTi 유형의 베이스(base)에 마그네슘을 첨가함으로써 기존의 합금에 대해 "혁신적인" 개선 목표가 달성되는 것으로 보인다.
마그네슘의 추가는 점진적으로 평형으로부터의 초기 용융 온도를 낮추지만, 합금 A206 및 B206을 이용하여 상당히 통상적으로 행해지는 바와 같이 525 ℃ 또는 528 ℃에서 합금을 용액 열처리하는 것은 여전히 가능하다. 단계적 처리는 긍극적으로 약간 더 높은 최종 온도에서 합금을 처리할 수 있도록 하지만, 이러한 단계적 처리는 초기 용융 온도 미만에서의 등온 처리를 이용하여 매우 양호한 결과가 달성되는 경우에는 반드시 필요한 것은 아니다.
마그네슘 함량은 예에서 이미 시험된 영역을 벗어나 증가될 수 있다. 낮은 연성 요건과 함께 단지 매우 높은 강도 및 경도만을 원하는 경우, 초기 용융 온도가 저하되고 이에 따라 적절하게 열 처리가 행해져야 한다면, 0.38%인 최대 수준이 고려될 수 있다. 현저한 경화 효과를 위한 최소값은 0.05% 정도이다. 더욱 제한된 범위는 0.07% 내지 0.30%이며, 예에서 정량화된 강도-연성-크리프 절충에 대응하면서도 산업적으로 허용 가능한 폭을 갖는 바람직한 범위는 0.08 - 0.20% 또는 심지어 0.09 내지 0.13%이다.
본 발명에 따른 합금의 유형을 구성하는 다른 원소와 관련하여, 이들 원소의 함량은 다음의 고려사항에 의해 정당화된다.
실리콘 : 일반적으로 연성에 이롭지 않고 초기 용융 온도를 낮출 수 있다. 그러나, 실리콘은 주조 특성을 개선시키며, ASM 핸드북 권 15, 2008년판에 설명된 바와 같이, 심지어 낮은 레벨에서도 특히 고온 인열 취약성을 저하시킬 가능성이 있다. 최소한의 수준인 0.02%가 필요하다. 0.50%의 최대 수준은 거의 또는 전혀 신장을 요하지 않으면서 매우 신속하게 응고되는 부품을 위해 가능하지만, 일반적으로 0.20% 미만이거나 또는 0.06%가 바람직하다.
철 : 연성에 이롭지 않지만, 역시 ASM 핸드북 권 15, 2008년판에 설명된 바와 같이 고온 인열 취약성을 감소시킨다. 더욱이, 매우 낮은 수준으로 이를 한정하면 부품의 비용을 분명히 상승시킨다. 이에 따라 최소 수준인 0.02%가 유리하다. 0.30%인 최대 수준은 거의 또는 전혀 신장을 요하지 않으면서 매우 신속하게 응고되는 부품을 위해 가능하지만, 자동차 산업을 위한 대량 생산 작업에서는 대체로 0.20% 미만인 것이 일반적으로 바람직하거나, 또는 현저한 응력 하에 놓이는 부품에 대해서는 심지어 0.12% 또는 0.06%가 일반적으로 바람직하다.
구리 : 합금을 단단하게 하며, 항복 강도 및 내성을 향상시키지만 연신율을 저하시킨다. 이전의 합금 224의 범위는 4.5 내지 5.5 %이었다. B206을 이용하여 본 출원인이 얻은 경험으로부터, 구리를 최대 4.9%로 제한하는 것은 좋은 방안이라는 것이 확인되는데, 왜냐하면 이보다 함량이 높을 경우 모든 구리를 용해시키기가 매우 곤란하기 때문이다. 4.7 내지 4.8%의 구리를 이용하여 획득된 이러한 결과는, 마그네슘의 첨가를 이용하여 얻은 상온에서의 강도가 매우 높지만 연신율은 마그네슘이 없는 종래의 224 합금에 비해 저하된다는 것을 나타내기 때문에, 구리 함량을 4.5% 미만으로 그리고 특히 3.5%까지 작게 낮추도록 허용하는 것이 논리상 타당할 수 있다. 본 출원인은 B206 합금에 대한 작업을 수행하였는데, 그 결과는 본 발명의 합금에 적용될 수 있으며, 5.0% 내지 4.0%로 구리 함량을 낮추면 강도를 희생하여 연신율에 있어서 상당히 도움을 받는다는 것을 나타내지만, 강도는 400 MPa보다 크게 유지된다. 일부 실린더 헤드의 관점으로부터, 심지어 연신율에 유리하도록 강도를 어느 정도 더 많이 낮추는 것을 허용하고 구리를 3.5%까지 감소시키는 것도 역시 구상 가능하다. 특정 부품에 대해 목표하는 특성의 절충안에 따라 3.5% 내지 4.9% 사이에서 부분 범위를 선택할 수 있다. 일반적으로 3.8 내지 4.9% 그리고 양호하게는 4.0 내지 4.8 %와 같이 4.3% 또는 4.4%가 중심이 되는 부분 범위는 매우 균형잡힌 절충을 달성하게 된다.
망간 : 이 원소는 굵은 금속간 상(intermetallic phases)을 형성할 위험으로 인해 0.70%를 초과해서는 안 된다. 망간은 특히 고온에서 보통 기계적 특성을 개선하기 때문에, 206 유형인 합금의 범위와 유사한 0.20 내지 0.50%의 범위가 바람직하다.
아연 : 아연은, 높은 레벨에서 기계적 특성을 저하시킬 수 있고 액체 욕이 더욱 산화 가능하게 할 수 있는 불순물이다. 재활용된 금속의 사용을 용이하게 하기 위해 최대 0.30%까지 허용하는 것을 구상할 수 있지만, 0.10% 미만이 바람직하며, 더욱 양호하게는 고성능 부품에 대해 0.03% 미만이 바람직하다.
니켈 : 니켈은 일반적으로 고온에서 기계적 강도에 기여하지만 연신율을 현저하게 저하시킨다. 본 발명에서 다른 원소 - 구리, 마그네슘, 지르코늄 및 바나듐 - 의 첨가에 의해 고온 강도가 달성되기 때문에, 여기서 니켈은 불순물로서 간주되는데, 니켈은 재활용된 금속의 사용을 용이하게 하기 위해 최대 0.30%까지 낮게 유지되며, 바람직하게는 0.10% 그리고 고성능 부품에 대해 가장 바람직하게는 0.03%이다.
바나듐 : 이러한 공융 원소는 특히 높은 온도에서의 크리프 강도를 개선시킨다. 본 출원인은, 실리콘을 함유하는 다른 합금 베이스에서 0 내지 0.05%일 때 크리프 강도가 현저하게 개선되고, 0.05% 내지 0.17%일 때 더욱 점진적으로 크리프 강도가 개선되며, 0.17% 초과에서도 우수한 수준으로 안정하다는 것을 관찰하였다. 이에 따르면, 기존의 224에서와 같이 바나듐의 최대 수준을 0.15%로 한정하는 것은 바람직한 것으로 보이지 않는다. 본 발명에 따른 합금에 있어서는, 0.05 내지 0.30% 수준이 고려되는데, 이는 0.08 - 0.25%, 바람직하게는 0.10 - 0.20%에 더욱 근접하는 부분 범위로 한정될 수 있다.
지르코늄 : 이러한 공융 원소는 또한 특히 높은 온도에서의 크리프 강도를 개선하며, 그 효과는 바나듐의 효과에 추가된다. 0.05 - 0.25%의 함량 및 바람직하게는 0.08 - 0.20%의 함량이 선택된다.
티타늄 : 이러한 공융 원소는 2가지 상이한 효과를 갖는다. 즉 첫째로 이 원소는 흔히 마스터 합금 또는 염이 추가된 티타늄 및 붕소의 추가와 함께 종종 입자 조질용 원소로서 사용된다. 그러나, 단지 티타늄 및 붕소 또는 심지어 붕소만을 도입하는 생성물을 추가하는 것을 포함하는 다른 조질 실시예가 존재하며, 붕소만을 도입하는 경우에는 티타늄의 존재가 도움이 되지 않는다. 둘째로, 티타늄은 높은 온도에서의 양호한 크리프 강도에 기여하지만, 본 출원인이 주목하는 바와 같이 바나듐 및 지르코늄보다 덜 강력하게 기여한다. 본 출원인은 이에 따라 0.35%의 최대 함량을 선택하였지만, 일반적으로 0.05 내지 0.25%를 추가하는 것을 선호하며, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 0.20%를 추가한다.
다른 원소는 불순물로서 간주된다. 재활용을 용이하게 하기 위해, 일부 부품에 대해서 0.50%인 총 최대 수준이 용인될 수 있지만, 바람직하게는 응력을 받는 부품에 있어서 전체로 최대 0.15%이며, 각각은 최대 0.05%로 선택된다.
예
35kg 전기로에 있어서, 표 4에 설명된 일련의 3가지 합금 조성이 제조되었다. 모든 원소는 중량%로 표시된다.
이들 합금은 AlTi5B(30 ppm의 티타늄이 첨가됨)의 첨가에 의해 정련되었으며 300 r.p.m.으로 회전하는 흑연 임펠러를 이용하는 10분간의 처리에 의해 가스가 제거되었고, 이때 아르곤 유동은 5 리터/분이었고 전체는 MgCl2 60% - 40% KCl인 세척 유동에 의해 덮이게 되었다.
직경이 1/4"(6.5 mm)인 쉘 몰드 시험 시편은 이제 인장 시험을 위해 구성되는 도 1에 도시된 리오 틴토 알칸 유형으로 캐스팅되었으며, 직경이 1/2"(12.7 mm)인 쉘 몰드 시험 시편 ASTM B108은 직경이 4 mm인 크리프 시편을 위한 블랭크(blank)로서의 역할을 하도록 구성되었다. 도 1은 특히 스템 직경이 1/4"(6.35 mm)인 경우 리오 틴토 알칸에 의한 4개의 쉘 몰드 시편(11)의 클러스터(10)를 도시한 것이다. 이러한 클러스터(10)는, 1/2의 스케일에서, ASTM B108 시험 시편의 구성을 사용한다.
본 출원인은 우선 캐스팅된 시험 시편으로부터 기계가공된 펠릿에 대해 DEA(Differential Enthalpic Analysis)를 행함으로써 다양한 조성의 초기 용융 온도를 결정하였다. 온도의 기울기는 20℃/분이었다. DEA 곡선은 도 2에 도시되어 있다. 용융 정점에 대응하여 관찰되는 초기 용융 온도는 분명히 표 5에 나타낸 바와 같은 마그네슘 함량에 따라 좌우된다.
Mg 함량이 0%에서 0.09%로, 그리고 나서 0.13%로 증가할 때 초기 용융 온도는 점진적으로 더 낮은 온도로 변한다.
이들 3가지 합금은 이때 용액 열 처리를 적용함으로써 열처리되었는데, 상기 용액 열처리는 495 ℃에서 2시간 동안의 예비 단계, 및 이후 528 ℃에서 12 시간 동안의 메인 단계, 그리고 후속하는 65 ℃에서의 물 담금질 및 200 ℃에서 4시간 동안의 시효를 포함한다. 이에 의해 스테이트 T7 합금이 생산된다.
이러한 열처리 이전에, 크리프 시험을 위한 블랭크는 1000 바아, 485 ℃에서 2 시간 동안 고온 등압 프레싱을 겪게 되어, 시편의 직경이 작은 경우 시험에 심각한 영향을 줄 수 있는 임의의 미세공극을 제거한다.
정적인 기계적 특성은 상온 및 250 ℃ 그리고 300 ℃에서 측정되었다. 후자의 2가지 경우, 시편은 신장되기 이전에 해당 온도에서 100 시간 동안 예열되었다.
그 결과가 표 6, 표 7 및 표 8에 제시되어 있다.
크리프 시험은 다음의 조건 하에서 300 ℃에서 이루어졌다.
활성 영역에서 직경이 4 mm이고 직경이 12.7 mm인 블랭크로부터 기계가공된 시험 시편은, 별도의 노에서 300 ℃로 100 시간 동안 우선 예열되었으며, 이후 크리프 시험 장치 상에 배치되었고 30 MPa의 일정한 로드 하에 배치되기에 앞서 1/2 시간 동안 300 ℃에서 다시 안정화되었다. 백분율로 나타낸 변형은 이때 300 ℃에서 300 시간 동안 연속적으로 기록되었다. 변형 시험의 해석을 위해 사용되는 주요 기준은 300 시간 이후에 얻어졌다.
표 9는 결과를 요약한 것이다.
이러한 결과는 도 3에 그래프로 제시되어 있는데, 이는 또한 본원 출원인이 다양한 Mg 함량을 이용하여 일련의 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 유형 합금을 통해 얻은 결과를 기준으로서 제시한다.
이제 일 부품이 앞서 형성된 유리한 합금으로부터 캐스팅될 수 있는데, 이러한 부품은 구체적으로 실린더 헤드 또는 실린더 헤드의 인서트 혹은 상온 및 고온에서의 높은 정적 기계적 강도 그리고 높은 온도, 특히 300 ℃에서 높은 크리프 저항을 필요로 하는 다른 부품일 수 있다.
상기 부품은 유리하게는 T7 처리되지만, T6 처리도 또한 가능하다.
"용융 캐스팅(Ablation Casting)"이라 불리는 신규의 주조 프로세스가 최근에 북미에서 도입되고 있다. 이러한 프로세스는 TMS 2008에서 제이. 그래시(J.Grassi), 제이. 캠벨(J.Campbell), 엠. 하트리브(M.Hartlieb) 및 에프. 메이저(F. Major)에 의해 제시된 문헌 "용융 캐스팅"에서 설명된 바 있다. 이러한 프로세스는, 우선 모래 + 바인더의 양호하게 단열되는 몰드에서 부품을 캐스팅하고, 이후 부품이 적어도 국지적으로 충분한 고체 비율에 도달하면 모래 바인더를 즉시 해체시키는 하나의 (또는 그 이상의) 물 제트를 몰드에 분사하는 것을 포함하며, 이로 인해 몰드가 붕괴된다. 응고된 부품은 이후 물로 인한 충격에 직접 노출되는데, 이는 매우 신속하게 열을 빼앗는다[예컨대 알루미늄 빌릿(aluminum billets)의 연속 수직 캐스팅 동안 관찰되는 바와 유사한 방식임]. 이는 합금의 매우 신속한 응고를 초래하며, 금속 몰드를 이용한 쉘 몰딩에 의해 획득되는 것과 동등한 또는 그보다 훨씬 더 큰, 높은 기계적 특성을 갖는 양호한 구조를 제공한다.
용융 캐스팅은 특히 고온 인열 취약성이 있는 합금의 캐스팅에 적합하다. 초기에, 이는 수축에 악영향이 거의 없는 샌드 캐스팅(sand casting)이고, 다음으로 몰드의 용융 이후에, 응고 프로세스의 종료는, 임의의 강성 몰드가 전혀 없이 이루어진다. 빠른 응고 속도를 제공하는 것 이외에도, 이러한 프로세스는 또한 큰 온도 구배를 초래하는데, 이는 분사가 보통 점진적이기 때문이며, 선택된 영역에서 시작하여 급송 장치를 부착할 수 있는 응고 종료 지점을 향해 나아가기 때문이다. 이는 또한 유리하게는 수축 공동에 대한 급송 능력이 적은 합금, 즉 본 발명에 따른 합금을 비롯하여 예컨대 알루미늄 구리 합금과 같은 합금의 사용을 촉진한다.
본 발명은 또한 이에 따라 본 발명에 따른 합금으로부터 부품, 특히 인서트 혹은 실린더 헤드를 몰딩하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은,
- 집합체(aggregate) 및 수용성 바인더로부터 형성되는 몰드를 제공하는 단계,
- 상기 몰드에서 합금을 캐스팅하는 단계,
- 상기 몰드를 파괴하기 위해 그리고 인서트 또는 실린더 헤드를 냉각시키기 위해 상기 몰드 상에 물을 분무하여 합금의 응고를 가속화하는 단계
를 포함한다.
이러한 방법의 실시에 의해 유리하게는 알루미늄 실리콘 합금보다 훨씬 더 높은 고온 기계적 특성을 갖는, 본 발명에 따른 합금으로 캐스팅된 부품을 대량 생산하는 것이 가능해진다.
그러나, 높은 온도에서 높은 강도를 갖는 구리 알루미늄 합금을 이용하는 것에 대한 전망은, 용융 프로세스로 한정되지 않으며, 가능하다면 금속 냉각기와 조합되는 통상적인 샌드 캐스팅 그리고 가능하다면 부품의 구조에 대한 변형을 수반하는 금속 몰드를 이용한 쉘 몰딩에 의해 이러한 합금 족의 열등한 주조 특성을 허용하는 것이 가능하도록 하는 다른 방식이 존재한다.
10 : 클러스터 11 : 쉘 몰드 시편
Claims (17)
- 캐스팅된 부품으로서, 중량%로서 표현된 다음의 화학적 조성, 즉
Si : 0.02 - 0.50%;
Fe : 0.02 - 0.30%;
Cu : 3.5 - 4.9%;
Mn : <0.70%;
Mg : 0.05 - 0.20%;
Zn : <0.30%;
Ni : <0.30%;
V : 0.05 - 0.30%;
Zr : 0.05 - 0.25%;
Ti : 0.01 - 0.35%;
총 0.15% 미만이고 각각은 0.05 % 미만인 다른 원소; 그리고
나머지가 알루미늄
인 화학적 조성을 갖는 알루미늄 합금으로 캐스팅되는 것인 캐스팅된 부품. - 제1항에 있어서, 상기 합금의 마그네슘 함량은 0.07 내지 0.20%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제2항에 있어서, 마그네슘 함량은 0.08 내지 0.20%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 구리 함량은 3.8 내지 4.9%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 바나듐 함량은 0.08 내지 0.25%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 지르코늄 함량은 0.08 내지 0.20%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 티타늄 함량은 0.05 내지 0.25%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 실리콘 함량은 0.02 내지 0.20%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 철 함량은 0.02 내지 0.20%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 망간 함량은 0.20 내지 0.50%인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 아연 함량은 0.10% 미만인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 니켈 함량은 0.10% 미만인 것을 특징으로 하는 캐스팅된 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서 T7 또는 T6 유형의 열 처리를 거치는 것인 캐스팅된 부품.
- 제1항에 따른 캐스팅된 부품을 포함하는 인서트(insert).
- 제14항에 있어서, 상기 인서트는 캐스팅된 부품을 주요 구성으로 하는 것인 인서트.
- 제1항에 따른 캐스팅된 부품 또는 제14항에 따른 인서트를 포함하는 실린더 헤드.
- 제14항에 따른 인서트를 캐스팅하는 방법으로서,
- 집합체(aggregate) 및 수용성 바인더로부터 형성되는 몰드를 제공하는 단계,
- 상기 몰드에서 합금을 캐스팅하는 단계,
- 상기 몰드를 파괴하기 위해 그리고 인서트 또는 실린더 헤드를 냉각시키기 위해 상기 몰드 상에 물을 분무하는 단계
를 포함하는 방법.
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