KR102261678B1 - 알루미늄 합금, 알루미늄 합금으로 제조된 와이어 및 연결 부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간 성형 공정을 위한 와이어를 제작하기 위한, 특히, 연결 부재를 제작하기 위한 알루미늄 합금에 관한 것이다. 상기 합금은 주 합금 원소로서, 88% 초과의 알루미늄의 합금 함량 및 5% 이상의 구리의 합금 함량을 갖는다. 니켈 및 규소는 추가적인 합금 원소이며, 니켈의 합금 함량은 0.15% 이상이며, 규소의 합금 함량은 1.0% 이하이다.

Description

알루미늄 합금, 알루미늄 합금으로 제조된 와이어 및 연결 부재

본 발명은 청구항 제1항의 전문(preamble)에 따른, 냉간 성형을 위한 와이어(wire)를 제작하기 위한, 특히, 연결 부재(connecting element)를 제작하기 위한 알루미늄 합금에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 알루미늄 합금으로부터 제작된 와이어, 및 또한, 알루미늄 합금으로부터 제작된 연결 부재에 관한 것이다.

자동차 분야에서, 자동차의 중량이 연료 소비 및 CO₂ 배출에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 부품의 중량을 감소시키는 것이 매우 중요하다. 여기에서 하나의 집중하는 영역은 알루미늄 및 마그네슘과 같은 경금속을 사용하는 것이다. 알루미늄 스크류는 이러한 금속으로부터 제작된 부품들에 대한, 특히, 하우징 부품들을 연결시키기 위한 연결 부재로서 사용되고 있다. 동일한 부류의 연결 부재를 사용하는 것의 장점은 강철 스크류와 비교하여 중량을 줄일뿐만 아니라 작동하는 동안에 연결 부재 및 부품의 부식 가능성 및 에피택셜 확장(epitaxial extension)을 낮춘다. 알루미늄 합금 및 이의 화학적 조성은 DIN EN 573-3에 나열되어 있다.

성형성, 강도 및 내부식성 간의 절충안으로서, EN AW-6056에 따른 알루미늄 합금(AlSi1MgCuMn)은 알루미늄 스크류를 제작하기 위해 사용된다. 그러나, 이러한 알루미늄 합금의 단점은 단지 제한된 온도 저항성(temperature resistance)을 갖는다는 것이다. 이에 따라, 이러한 합금으로 제조된 연결 부재, 예를 들어, 오일 팬(oil pna) 또는 기어 하우징(gear housing)에서 스크류잉(screwing)을 위한 연결 부재는 150℃까지의 온도 범위에서만 사용될 수 있다. 이러한 합금으로부터 제작된 연결 부재는 더 높은 온도가 발생하는 영역에 대해, 특히, 180℃ 이상의 온도인 모터 영역에서 적합하지 않다. 또한, 이러한 합금의 기계적 특징은 자동차 분야에서 여러 적용에 대해 적절하지 않다. 이러한 이유로, 예를 들어, 강철 스크류는 실린더 헤드에서 스크류잉을 위해 여전히 사용되고 있지만, 엔진 블록은 통상적으로 경금속으로부터 제작된다.

항공 산업에서, EN AW-2024에 따른 알루미늄 합금(AlCu4Mg1)으로부터 제작된 연결 부재가 사용되고 있다. 이러한 것은 효과적인 침전 경화를 통해 Al2Cu 상을 침전시킴으로써, 최대 R_m = 570 MPa의 인장 강도를 가능하게 하는 고강도 합금이다. 그러나, 이러한 합금으로부터 와이어를 제작하는 것은 매우 고가이다.

상술된 종래 기술을 기초로 하여, 본 발명의 목적은 고강도 및 내부식성을 가지고, 비용-효율적인 와이어 생산을 가능하게 하고, 180℃ 이상의 온도 범위에서 사용하기 위한 연결 부재를 제작하기에 적합한, 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 목적은 청구항 제1항의 특징부를 갖는 알루미늄 합금에 의해 달성된다. 88% 초과의 알루미늄 함량 및 5% 이상의 구리 함량 이외에, 니켈 및 규소는 추가적인 합금 원소이며, 합금 중 니켈 함량은 0.15% 이상이며, 규소 함량은 1.0% 이하이며, 그럼에도 불구하고, 규소 함량은 중요하고, 적어도 0.1%이다. 모든 상술된 및 후속 보유량(shareholding)은 질량%로 기술된다. 여기에서 알루미늄 함량은 바람직하게, 89% 초과, 또는 90% 초과이다. 예를 들어, 이는 88% 내지 90% 범위이거나, 90% 초과이다.

놀랍게도, 이러한 비율의 니켈 및 규소를 첨가하면 고강도 및 또한 개선된 가공성을 제공하는 것으로 입증되었다.

이러한 효과는 특히, 합금 중 니켈 함량이 0.15% 내지 1.0%이고/거나, 합금 중 규소 함량은 0.4% 내지 1.0%일 때 달성된다. 합금 중 바람직한 구리 함량은 5.0% 내지 6.1%이다.

본 발명의 개선에서, 마그네슘은 추가적인 합금 성분이며, 합금 중 마그네슘 함량은 1.5% 내지 2.2%이다. 이는 합금에 우수한 기본 강도를 부여하며, 이는 니켈이 추가적인 합금 성분으로서 첨가될 때 합금의 매우 우수한 강도 성질을 가능하게 한다.

본 발명의 추가적인 구성에서, 망간 및/또는 티탄은 추가적인 합금 성분이다. 망간은 합금의 내열성에 대해 긍정적인 영향을 미치며, 티탄은 과립-정제 효과(grain-refining effect)를 가지고, 이는 성형성을 개선시킨다.

본 발명의 추가적인 주제는 청구항 제9항에 따른 이러한 합금으로부터 제작된 와이어뿐만 아니라 청구항 제10항에 따른 이러한 합금으로부터 제작된 연결 부재이다.

본 발명의 추가적인 개선 및 구성은 종속항들에 기술되어 있다. 예시적인 구체예는 하기에 상세히 기술된다:

바람직한 예시적인 구체예로서 선택된 하나의 합금은 하기 조성을 포함한다:

또한, 총 0.15%를 초과하지 않고 바람직하게 개별적으로 0.05%를 초과하지 않는 다른 혼합물(admixture)이 존재할 수 있다. (나열된 Mg 및 Zn 값의 대안으로서, 이러한 값은 또한, 예를 들어, 1.83%(Mg) 및 0.19%(Zn)를 약간 벗어날 수 있다).

이러한 예시적인 구체예에 따른 합금을 기초로 한 와이어 로드(wire rod)는, 와이어가 요망되는 최종 직경으로 인출되기 때문에, 경제적인 와이어 인출 공정을 가능하게 한다. 이러한 와이어는 또한, 연결 부재, 특히, 스크류를 비용 효율적으로 제작하는 것을 가능하게 한다. 이러한 것은 당해 분야에 공지된 공정에 의해 제작된다. 상세하게, 생크(shank)를 갖는 헤드(head)는 하나 이상의 (냉간) 성형 공정에 의해 와이어로부터 형성되며, 생크의 적어도 일부분에는 특히, 쓰레드 롤링(thread rolling)에 의해 쓰레드(thread)가 제공된다. 대안적으로, 나사 볼트(threaded bolt), 또는 다른 연결 또는 고정 부재, 예를 들어, 리벳(rivet)이 제작될 수 있다.

합금의 개선된 성질로 인하여, 이러한 와이어로부터 제작된 냉간 성형된 연결 부재, 특히, 스크류는 고내열성과 높은 기계적 및 부식 안정성을 결합한다. 이의 온도 저항성으로 인하여, 이러한 연결 부재는 또한, 180℃ 이상의 온도 범위에서 사용될 수 있다.

상세하게, 이러한 알루미늄 합금으로부터 제작된 연결 부재, 특히, 스크류는 바람직하게, (실온에서) 570 MPa 초과의 인장 강도를 갖는다. EN AW-6056에 따른 통상적인 알루미늄 합금과 비교하여, 이러한 합금은 상당히 개선된 인장 강도를 나타낸다.

바람직한 개선에서, 이러한 합금으로부터 제작된 연결 부재, 특히, 스크류는 특히, 고내열성에 의해 특징된다. 이에 따라, 24시간에 걸쳐 200℃의 온도 부하 하에서, 연결 부재는 여전히, 실온에서 인장 강도보다 0.8배 더 큰 잔류 인장 강도를 나타낸다. 추가적으로 또는 대안적으로, 잔류 인장 강도는 400 MPa 초과, 및 특히, 450 MPa 초과이다. 또한, 전체 인장 강도가 낮은 구배를 갖는 대략적으로 선형 감소만을 갖는다는 것이 명백하다. 인장 강도는 대략 500 MPa의 높은 수준으로 유지된다.

결과로서, 이러한 연결 부재는 열적으로 고도로 응력을 받은 영역에서 사용하기에 특히 적합하고, 편의상 이러한 열적으로 고도로 응력을 받은 영역에서 사용된다. "열적으로 고도로 응력을 받은 영역(thermally highly stressed area)"은 적어도 간헐적으로 150°초과, 바람직하게, 180°초과, 및 바람직하게, 200°초과의 온도를 갖는 영역이다. 이러한 온도는 예를 들어, 0.5시간 초과 또는 1 내지 3시간 초과의 기간 동안 반복적으로 도달된다. 이러한 열적으로 반복하는 응력은 예를 들어, 차량 엔진에서 일어난다.

상세하게, 연결부재는 자동차 내측에서, 특히, 엔진 영역에서, 그리고, 특히, 엔진 자체에서 사용되고 설치된다. 엔진은 특히, 내연 엔진이다. 이에 따라, 스크류는 특히, 엔진 스크류로서, 예를 들어, 실린더 헤드 스크류로서 사용된다.

대안적으로, 연결 부재는 바람직하게, 전기적 접촉 부재로서, 특히, 자동차 배터리의 배터리 연결의 영역에서 사용된다. 연결 부재는 예를 들어, 극 단자(pole terminal) 또는 이러한 극 단자용 스크류이다. 특히, 전기 구동 모터를 갖는 전기 차량에서, 짧은 충전 시간 동안 매우 높은 충전 전류에서 충전되는 고용량 축전지 배터리는 차량에 설치된다. 이러한 축전지는 또한, 종종 100 KW 초과의 전기 출력을 갖는 전기 구동 모터로 높은 전력 출력(power output)을 위해 설계된다. 이에 따라 높은 전류로 인하여, 전기 케이블 및 특히, 배터리 극(battery pole)은 높은 열 응력을 받는다.

본원에서 알루미늄 합금으로부터 제작된 와이어 또는 연결 부재가 언급될 때, 이는 전체적으로 합금으로 이루어지고, 임의적으로, 또한, 코팅, 예를 들어, 윤활제 코팅을 갖는 와이어 또는 연결 부재를 지칭한다. 또한, 이는 또한, 와이어 또는 연결 부재가 제1 물질의 코어 및 제2 물질의 자켓을 갖는 2개의 상이한 물질로 이루어진 부재를 포함한다. 코어(바람직하게) 또는 자켓 중 어느 하나는 본 발명에 따른 알루미늄 합금으로 이루어진다. 이러한 스크류는 DE 10 2014 220 337 A1호에 제시되어 있다. 그러한 스크류에서, 알루미늄 코어는 티탄 자켓에 의해 둘러싸여 있다. DE 10 2014 220 338 A1호는 이러한 부류의 스크류를 위한 특수한 제작 공정을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금을 구성하고 정제하기 위한 많은 가능성이 존재한다. 이 점에서, 다른 것들 중에서, 청구항 제1항을 인용하는 청구항들, 및 하기 표 1에 제공된 범위를 갖는 합금 조성이 언급된다:

다른 혼합물은 전체적으로 0.15%를 초과하지 않고, 바람직하게, 개별적으로, 0.05%를 초과하지 않을 수 있다. 잔부는 알루미늄이다. 알루미늄의 비율은 88%를 초과하고, 바람직하게, 90%를 초과한다. 그러나, 알루미늄의 비율은 바람직하게, 93% 미만이다.

본 발명의 예시적인 구체예는 도면을 참조하여, 하기에서 더 상세히 기술되어 있다. 도면은 하기에 나타낸다:

도 1은 상이한 알루미늄 합금의 내열성을 비교한 단순화된 비교 다이아그램을 도시한 것이며,

도 2는 스크류의 측면도를 도시한 것이다.

도 1은 상이한 합금으로 제조된 부재(스크류)에 대한 시간(에이징 시간)에 따른 인장 강도(MPa로 제공됨)를 도시한 것이다. 이러한 부재는 200℃까지 가열되었고, 총 24시간 동안 이러한 온도에서 유지되었다.

상이한 합금은 2개의 비교 합금 V1, V2 및 본 발명에 따른 합금 L(파선(dashed line))이다. 비교 합금 V1은 EN AW-6056에 따른 합금이며(실선), 비교 합금 V2는 7xxx 합금이다(점선(dotted line)).

다이아그램으로부터, 본 발명에 따른 합금 L이 비교 합금 V1보다 상당히 더 높은 인장 강도를 갖는다는 것이 명백하다. 전체 에이징 시간에 걸쳐, 이는 비교 합금 V1의 인장 강도보다 100 MPa 이상 더 높다.

비교 합금 V2와 비교하여, 본 발명에 따른 합금 L은 에이징 시기의 시작에서 더 낮은 인장 강도를 가지지만, 특히 더 양호한 내열성에 의해 특징되며, 이에 따라, 인장 강도는 더 긴 에이징 시간에서도 높게 유지되며, 추가적으로, 이미 단 몇 시간 후에, 이는 비교 합금 V2보다 더 높은 인장 강도를 갖는다.

이러한 성질로 인하여, 본 발명에 따른 합금 L은 특히, 높은 열 응력을 갖는 분야의 적용에 적합하고 실제로, 이러한 적용에서 사용된다. 특히, 합금은 스크류와 같은 연결 부재를 제작하기 위해 사용된다.

도 2는 이러한 스크류(2)의 예시적인 측면도를 도시한 것이다. 스크류(2)는 생크(6)가 부착된 헤드(4)로부터 시작하여, 중심 종축(central longitudinal axis)을 따라 연장한다. 생크(6)의 한 부분에는 쓰레드(8)가 제공된다. 도면에 도시된 스크류(2)는 엔진 스크류, 상세하게, 실린더 헤드 스크류이다. 이러한 스크류는 통상적으로, 최대 10 또는 15 cm의 수 센티미터 범위의 길이를 가지고, 예를 들어, M8, M10, M11 또는 M12 스크류로서 설계된다.

Claims (15)

1. 주 합금 원소(main alloy element)로서 88중량% 초과의 알루미늄 함량 및 5중량% 이상의 구리 함량을 갖는, 냉간 성형(cold forming)을 위한 와이어(wire)를 제작하기 위한, 알루미늄 합금으로서, 니켈 및 규소가 추가적인 합금 원소이며, 상기 합금이 0.15중량% 이상의 니켈 함량 및 1.0중량% 이하의 규소 함량을 갖는 것을 특징으로 하고,
   상기 합금의 니켈 함량이 0.15중량% 내지 1.0중량%이고,
   상기 합금의 규소 함량이 0.4중량% 내지 1.0중량%이고,
   상기 합금의 구리 함량이 5.0중량% 내지 6.1중량%이고,
   마그네슘이 추가적인 합금 성분이며, 상기 합금의 마그네슘 함량이 1.5중량% 내지 2.2중량%인, 알루미늄 합금.
2. 제 1항에 있어서, 상기 합금의 알루미늄 함량이 88중량% 내지 90중량%, 또는 90중량% 초과인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 망간 및/또는 티탄이 추가적인 합금 성분인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   - 5.0 내지 6.1중량%의 구리
   - 0.15 내지 1.0중량%의 니켈,
   - 0.4 내지 1.0중량%의 규소,
   - 0 내지 0.2중량%의 철,
   - 0 내지 0.2중량%의 망간,
   - 1.5 내지 2.2중량%의 마그네슘,
   - 0 내지 0.2중량%의 크롬,
   - 0 내지 0.3중량%의 아연,
   - 0 내지 0.25중량%의 티탄,
   - 0 내지 0.15중량%의 불가피한 불순물, 및
   - 잔부의 알루미늄으로 이루어진, 알루미늄 합금.
5. 연결 부재를 제작하기 위한 와이어로서, 이러한 와이어가 제 1항 또는 제 2항에 따른 알루미늄 합금으로부터 제작된 것을 특징으로 하는 와이어.
6. 제 1항 또는 제 2항에 따른 알루미늄 합금으로부터 제작된 것을 특징으로 하는, 연결 부재.
7. 제 6항에 있어서, 실온에서 570 MPa보다 큰 인장 강도를 갖는, 연결 부재.
8. 제 6항에 따른 고내열성(high heat resistance)을 갖는 연결 부재로서, 상기 연결 부재가 24시간 동안 200℃의 온도 부하(temperature load)를 겪은 후 실온에서의 인장 강도보다 0.8배 초과의 잔류 인장 강도(remaining tensile strength), 및/또는 400 MPa 초과의 잔류 인장 강도를 갖는, 연결 부재.
9. 제 6항에 있어서, 열 응력 구역(thermally stressed area)에서 사용되며, 여기서, 상기 열 응력 구역의 온도가 적어도 간헐적으로 180℃ 초과인, 연결 부재.
10. 제 6항에 있어서, 내연 엔진의 엔진 스크류로서 사용되는, 연결 부재.
11. 제 6항에 있어서, 접촉 부재(contact element)로서 사용되는, 연결 부재.
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