KR102285860B1 - 고인성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

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    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent

Abstract

본 발명은 고인성 주조용 알루미늄 합금의 제조기술에 있어서 알루미늄 합금에 실리콘(Si) 및 희토류 원소 등을 첨가함으로써 주조용 합금의 유동성을 유지하면서, 강도, 인성, 내식성 및 이형성을 향상시킨 주조용 알루미늄 합금 및 그 합금의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 주물용 알루미늄인 AC4A, ALDC3 계열의 합금에 대한 개량된 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 개시한다
본 발명의 알루미늄 합금은 8.0~11.5wt%의 실리콘(Si), 0.10~0.60wt%의 마그네슘(Mg), 0.0001~0.80wt%의 망간(Mn), 0.0001~0.60wt%의 구리(Cu), 0.0001~0.50wt%의 아연(Zn), 1.3wt% 이하의 철(Fe), 0.3wt% 이하의 티타늄(Ti) 및 세륨(Ce)과 란타늄(La) 등의 희토류를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고인성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법{Aluminium casting alloy with high toughness and method of there}
본 발명은 고인성 주조용 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 주조용 합금에 실리콘(Si) 및 희토류 원소 등을 첨가함으로써 주조용 합금의 유동성을 유지하면서 강도, 인성, 내식성 및 이형성을 향상시킨 고인성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 주조용 합금은 AC(Aluminium Casting)의 부호로 표시되고 다이캐스팅용 합금은 ALDC(Aluminium Die Casting)의 부호로 표시되어 널리 사용되고 있다.
AC 계열은 주조후 시효열처리를 시행하면, 인장강도가 300MPa에서 400MPa 범위로 높은 편이나 연신율이 대부분 약 1% 범위로서 인성이 극히 부족하다. ADLC 계열은 인장강도가 200MPa에서 300MPa의 범위이고, 연신율이 대부분 약 3% 이하에 속하여 마찬가지로 인성이 부족하다.
현재 알루미늄 다이캐스팅용 합금으로 널리 사용되고 있는 Al-Si-Mg 계 합금으로는 ALDC 3종이 있으며, 실리콘과 마그네슘의 첨가로 시효경화 효과가 나타난다.
ALDC 3종과 유사한 조성인 주조용 합금 AC4A 합금도 널리 사용되고 있다.
합금의 인성이 작을 경우, 구조물에 충격이 발생할 때 쉽게 합금의 파괴가 일어나므로 충격이 발생하는 분야에서는 합금의 인성과 연신율이 중요하다. 통상적으로 인성과 연신율은 비례관계에 있는 편이므로 연신율은 인성의 간이 지표로 사용될 수 있다.
또한 알루미늄 합금에서 표면에 국부 부식이 발생하여 틈 또는 응력 부식 균열이 생길 경우, 이 틈 또는 균열에 응력이 집중되어 합금의 파괴가 쉽게 일어날 수 있으므로 알루미늄 합금은 내식성도 중요하다. 한편, 알루미늄 주물은 주조 또는 다이캐스팅 공정에서 금형과의 이형성도 중요하므로 주조용 알루미늄 합금에서 이형성도 중요한 특성 중의 하나이다.
따라서 300MPa 이상의 인장강도를 갖고, 인성, 연신율, 내식성, 주조성 및 이형성이 우수한 주조용 알루미늄 합금에 대한 필요성이 지속적으로 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공고 제10-0754039호 (2007.08.24. 등록) 대한민국 등록특허공고 제10-1205169호 (2012.11.20. 등록) 대한민국 등록특허공고 제10-1295458호 (2013.08.05. 등록)
상용합금으로는 KS 규격에 따라 아래 [표 1]에 나타난 바와 같은 합금들이 있다.
상용합금
종 류 조성 (wt%)
Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Sn Pb Ti Cr Al
ALDC3 0.6이하 9.0~
11.0		 0.4~ 0.6 0.5
이하		 1.3
이하		 0.3
이하		 0.5
이하		 0.1
이하		 0.15
이하		 0.3
이하		 - 나머지
AC4A 0.25이하 8.0~
10.0		 0.3~ 0.6 0.25
이하		 0.55
이하		 0.3~ 0.6 0.1
이하		 0.05
이하		 0.10
이하		 0.2
이하		 0.15이하 나머지
상기 특허문헌 1은 이후부터 선행기술 1이라 칭하고, 그 내용은 다음과 같다. 이 선행기술 1은 존속기간이 만료되어 권리가 소멸된 특허 문헌이다. 그 내용은 알루미늄 합금 조성은 9.5~11.5wt％의 실리콘(Si), 0.1~0.5wt％의 마그네슘(Mg), 0.5~0.8wt％의 망간(Mn), 30~300ppm의 스트론튬(Sr) 및 0.05~0.3wt%의 지르코늄(Zr)으로 이루어져 있으며, 추가적으로 철(Fe) 0.15wt％ 이하, 구리(Cu) 0.03wt％ 이하, 아연(Zn) 0.10wt％ 이하 및 티타늄(Ti) 0.15 wt％이하를 포함한다.
위 선행기술 1은 상용합금 ALDC3 과 AC4A을 개량한 합금으로 1995년도에 출원되어 비록 존속기간이 만료되었으나 주조용 알루미늄 합금 분야에서 일부 기여를 하였고, 주조성을 유지하면서 인장강도를 300MPa 이상으로 증가시켰다. 그러나 연성이 다소 희생되었고, 내식성이 향상되지 못하였다. 특히 상기 상용합금과 선행기술 1은 금형주조 후 주형과의 이형성이 많이 부족하다.
따라서 연성, 내식성 및 이형성 개선의 필요성이 크게 요구되는 상태이다. 이후 이 합금 조성을 토대로 여러 가지로 변형된 알루미늄 합금들이 나타났으나, 현재까지 강도, 연성, 내식성, 주조성 및 이형성을 동시에 만족시키는 합금에 대한 연구 개발은 지속되고 있다.
상기 특허문헌 2와 특허문헌 3 경우, 조성이 상기 상용합금 및 선행기술 1을 기본으로 지속적으로 변형되고 있는 문헌이다. 특허문헌 2는 선행기술 1을 토대로 강도를 희생하고 연성을 증가기키는 데에 그 목적이 있다. 즉 마그네슘(Mg)의 함량을 감소시켜 시효경화 효과를 포기하여 연성을 증가시키고 있다.
본 발명은 상기 상용합금 ALDC3, AC4A 및 위 선행기술 1을 토대로 하여 보다 개량된 알루미늄 합금에 관한 것으로, 세륨(Ce) 또는 란타늄(La)과 같은 희토류 금속을 첨가하여 내식성과 금형으로부터의 이형성을 크게 개선하였다는 점과 지르코늄(Zr)을 미세 나노 크기 입자의 형태로 합금에 첨가하여 강도와 인성을 개선하였다는 점에서 큰 차이가 있다.
위와 같은 문제에 대한 본 발명의 목적은, 주조용 및 다이캐스팅용 알루미늄 합금과 관련하여 상술한 제반의 문제점을 해결하려는 것이다. 본 발명의 목적은 높은 강도, 연성, 내식성, 주조성 및 이형성이 우수한 고인성을 갖는 주조 또는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성과 그 제조 방법을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성화기 위한 본 발명의 구성은,
주물용 알루미늄 합금으로서,
8.0~11.5wt%의 실리콘(Si); 0.10~0.60wt%의 마그네슘(Mg); 0.0001~0.80wt%의 망간(Mn); 0.0001~0.60wt%의 구리(Cu); 0.0001~0.50wt%의 아연(Zn); 1.3wt% 이하의 철(Fe); 0.30wt% 이하의 티타늄 (Ti); 란타늄(La)과 세륨(Ce)을 포함한 원자번호 57번(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 함량이 0.0001~3.0wt%의 범위; 나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금을 제공한다.
이와 같이 구성되는 본 발명을 알루미늄 합금을 제조하기 위해 상기 알루미늄 합금은 350~550℃에서 1시간 내지 10시간 열처리후 급속 냉각되고, 그 후 다시 100~200℃에서 1시간 내지 10시간 시효 열처리를 실시하여서 제조하는 것을 특징으로 한다.
상술한 본 발명의 구성에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 실시콘(Si)의 함량을 포괄적으로 한정하였으나, 보다 구체적으로는 8.0~10.0wt% 또는 9.0~11.0wt% 또는 9.50~11.50wt% 중에서 하나를 선택하여 조성함이 바람직할 것이다.
또, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)의 함량이 한정되어 있으나, 보다 바람직하게는 0.30~0.60wt% 또는 0.40~0.60wt% 또는 0.10~0.50wt%에서 하나를 선택하여 조성함이 바람직할 것이다.
마찬가지로, 상기 알루미늄 합금의 Mn의 함량은 0.30~0.60wt% 또는 0.0001~0.30wt% 또는 0.50~0.80wt% 중 하나를 선택하여 조성함이 바람직하다.
또, 상기 알루미늄 합금에서 Cu의 함량이 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.60wt% 또는 0.0001~0.030wt% 중 하나를 선택하여 조성함이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금에서 Zn의 함량이 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.50wt% 또는 0.0001~0.10wt% 중 하나를 선택하여 조성함이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금에서 Fe의 함량이 0.55wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위로 선택하여 조성함이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금은 Ti의 함량이 0.20wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위로 선택하여 조성함이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금은 세륨(Ce)의 함량이 0.05~1.5wt%의 범위로 됨이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금은 란타늄(La)의 함량이 0.05~1.5wt%의 범위로 됨이 바람직하다.
상기 알루미늄 합금은 총중량에 대해 0.0001~0.045wt% 또는 0.003~0.030wt% 또는 0.005~0.015wt% 범위 중에서 선택된 스트론튬(Sr)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금은 총중량에 대해 0.0001~0.30wt% 또는 0.05~0.30wt%의 범위 내에서 선택된 지르코늄(Zr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
상기 알루미늄 합금은 인(P) 성분이 0.0001~0.0250wt% 또는 0.0001~0.0030wt%의 중량비율인, 인화갈륨, 인화인듐 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 형태로 더 첨가하는 것을 특징으로 한다.
상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.50wt% 또는 0.05~0.50wt%의 몰리브데늄(Mo)을 더 포함하는 것을 특징으로 함이 바람직하다.
한편, 본 발명의 알루미늄 합금은 Cr, V, Ni, In, Pb, Bi, Ca, Na, P, B, Ag, Pd, Sb, Sc, Nb, Co, Mo, Be, Hf 또는 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하여 구성함으로써 고인성 주조용 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.
상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.50wt%의 범위로 ZrO2, SiO2, Al2O3, Y2O3 CeO2, La2O3 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 더 포함하고, 상기 산화물이 합금 내에 나노 크기 입자의 상태로 균일하게 분산되어 존재하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 있어서, ZrO2, SiO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, La2O3 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 투입은 알루미늄과 산화물의 모합금이 만들어지고 이 모합금이 용탕에 투입되는 것이 특징이다.
본 발명은 기본적으로 ALDC3, AC4A 및 선행기술 1을 개량한 것으로, 특히 세륨(Ce)과 란타늄(La) 등의 희토류 원소를 첨가하여 내식성과 이형성을 크게 개선한 것이다. 또한 지르코늄(Zr)을 미세 나노 크기 입자의 형태로 투입하여 강도와 인성을 개선할 수 있다. 이로 인해 주조 또는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 응용처를 크게 넓히는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 합금의 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도, 내식성 및 이형성을 측정한 데이터 중 기계적 성질을 측정한 특성 그래프.
이하 본 발명에 의한 알루미늄 합금 조성 및 그의 제조 공정에 관해서 설명한다. 본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명의 가장 바람직한 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. 한편 본 발명에서의 함량표시는 알루미늄 합금 전체 중량에 대한 비율이다. 본 발명의 설명 및 청구항에서의 모든 함량표시도 같다.
금속합금의 조성 개발의 경우 합금원소 조성이 0.005% 정도의 변화가 생겨도 합금기술 분야의 특수성 때문에 물성에 현저한 변화가 발생하는 것은 잘 알려진 사실이다.
합금원소의 종류도 주기율표상의 금속 종류만큼 많기 때문에 합금 조성의 개발은 수많은 조합이 발생할 수 있다. 따라서 합금원소 종류 및 조성의 미세한 변화도 신규 합금의 특성을 현저하게 개선할 수 있으므로 합금조성의 개발 분야에서 미세한 성분과 조성의 변화도 매우 중요한 의미가 있다.
합금 원소의 첨가 영향
알루미늄 합금에서 주요 합금원소인 실리콘(Si), 망간(Mn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 아연(Zn), 철(Fe), 티타늄(Ti), 스트론튬(Sr), 지르코늄(Zr), 몰리브데늄(Mo)과 세륨(Ce), 란타늄(La) 등의 희토류가 합금의 특성에 미치는 영향은 다음과 같다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 다이캐스팅(Die Casting) 공정 도중 용융 상태에서 합금의 유동성을 증가시키는 주요 성분으로서, 적정량 첨가시 융점이 감소하여 주조성이 향상되고 유동성이 증가한다. 그러나 과다하게 첨가될 경우에는 유동성이 나빠진다. 또 Si의 함량이 많아질수록 피로강도, 경도 및 내마모성을 향상시키는 원소로 작용하나, 연성과 내충격성은 저하시킨다. 마그네슘(Mg)과 공존할 경우 Mg2Si를 형성하여 시효처리에 의해 강도가 향상될 수 있다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 8.0~11.5wt%의 범위이며, 더욱 바람직한 범위는 8.0~10.0wt% 또는 9.0~11.0wt% 또는 9.5~11.5wt%의 범위이다.
마그네슘(Mg)
마그네슘(Mg)은 고용효과에 의해 기계적 강도를 향상시키고 실리콘(Si)와 아연(Zn)의 공존 여부에 따라 시효 강화 특성이 생길 수 있다. 절삭 가공성이 우수해지며 특히 해수에 대한 내식성이 양호해지고 응고 수축율이 적어진다. 용접성 및 표면 마감 특성도 좋아진다. 그러나 용탕의 유동성이 약화되고 특히 산소와의 결합력이 강해서 산화물 유입에 주의해야 한다. 함량이 적정량 이상일 경우에는 유동성이 나빠지고, 그보다 더 많이 첨가될 경우에는 다이캐스팅이 어려워지고, 합금 표면에서 미세기포가 발생하기 쉬워진다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.1~0.5wt%의 범위이다. 더욱 바람직한 범위는 0.30~0.60wt% 또는 0.40~0.60wt% 또는 0.10~0.50wt%의 범위이다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 알루미늄 합금의 강도를 증가시킨다. 망간(Mn) 함유량이 0.5wt% 미만이면 강도가 증가하는 효과는 작고, 철(Fe) 첨가의 나쁜 효과를 제거하는 효과와 결정립 미세화 효과가 있으며, 내식성을 해치지 않는 화합물을 형성하게 된다. 따라서 내식성을 저하시키지 않고 강도향상이 가능하다. 그러나 과량의 망간(Mn)은 알루미늄 합금의 기계적 강도를 낮출 수 있으므로 주의해야 한다. 또한 주물에서는 Hot Spot의 원인이 되기도 하며, 금형으로부터의 이형성을 증가시키는 효과가 있다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.80wt%의 범위이며 더욱 바람직한 범위는 0.30~0.60wt% 또는 0.0001~0.30wt% 또는 0.50~0.80wt%의 범위이다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 기지(Matrix)에 고용하여 알루미늄 합금의 강도를 증가시키고 시효 경화효과를 일으킨다. 함량이 0.12wt% 미만일 경우 내식성 등 구리를 첨가한 효과가 나타나기 어려우며, 그 함량이 0.45wt%를 초과할 경우에는 압출성과 내식성이 동시에 저하된다. 적정량을 초과할 경우에는 유동성이 저하된다. 구리(Cu)가 적정함량 이상일 경우 입계에 석출물이 형성되는 경향이 있어 입계 부식 및 국부 부식에 대한 민감성이 높아져서 강도가 낮아지는 부작용이 발생하는 것으로 알려져 있다. 0.15wt% 이하로 소량 첨가의 경우 응력 부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 것으로 알려져 있다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.60wt%의 범위이며 더욱 바람직한 범위는 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.60wt% 또는 0.0001~0.030wt%의 범위이다.
아연(Zn)
아연(Zn)은 마그네슘(Mg)과 공존하여 기계적 성질을 향상시키며, 주조성을 크게 개선시킬 수 있다. 시효경화에도 어느 정도 효과를 나타낸다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.50wt%의 범위이며 더욱 바람직한 범위는 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.50wt% 또는 0.0001-0.10wt%의 범위이다.
철(Fe)
철(Fe)은 알루미늄 합금에서 금속간 화합물로서 석출되고 내마모성을 향상시키는 원소이다. 그 함량이 0.1wt% 미만에는 내마모 효과가 거의 없고 0.3wt%를 초과하면 입자가 조대화 되어 가공성이 떨어진다.
또한 극히 소량으로도 Al3Fe 화합물을 형성하며, 실리콘(Si)과 결합하여 Al-Fe-Si금속간 화합물을 형성하므로 기계적 성질의 저하 요인이 된다. 소량으로도 표면 광택이 나빠지며, 내식성 및 연성을 취약하게 한다.
철(Fe)은 다이캐스팅 공정 중에 금형에 소착되는 것을 방지하며, 이때 첨가되는 양은 0.5wt% 내지 1.0wt% 이하이면 충분하고, 0.5wt%를 초과하면 합금의 연성을 감소시키는 경향이 있다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 1.30wt% 이하의 범위이다. 더욱 바람직한 범위는 0.55wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위이다.
티타늄(Ti)
티타늄(Ti)은 입자 미세화 원소로서 기계적 성질을 향상시키며, 크랙 방지 효과가 있다. 0.05wt% 미만에서는 효과가 없고, 0.2wt% 이상에서는 연신율의 저하가 생길 수 있다. 과다하게 첨가될 경우에는 취성을 유발하는 문제가 있으므로 적정한 범위내에서 첨가되는 것이 바람직하다. 0.25wt%를 초과하면 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성(가공성)을 감소시킨다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.30wt% 이하의 범위이다. 더욱 바람직한 범위는 0.20wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위이다.
스트론튬(Sr)
스트론튬(Sr)은 조정제로서, 합금 조직, 특히 AlSi 조직의 형태를 침상에서 미세한 구형으로 변형시켜서 흐름성을 좋게 해준다. 기존에는 나트륨(Na)이 이와 같은 역할을 하였으나, 나트륨(Na)은 산화성이 높고, 합금의 녹는점을 낮추는 작용을 하여 근래에는 스트론튬(Sr)으로 대체되고 있다. 그러나, 과다하게 투입될 경우에는 기계적 강도가 낮아지는 단점이 있으므로 주의하여야 한다. 또 금형에서의 이형성을 좋게 한다.
80ppm 첨가부터 효과가 나타나며 350ppm 이상에서는 용접시 기포 형성을 일으킬 수 있으므로 주의해야 한다. 450ppm 이상에서는 연신율이 감소한다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.045wt% 또는 0.003~0.030 또는 0.005~0.015wt%의 범위이다.
지르코늄(Zr)
지르코늄(Zr)은 석출경화와 결정립 미세화 효과를 나타낸다. 0.05wt% 이하이면 결정립 미세화 효과가 약하며, 0.2wt% 이상이면 신율 저하에 영향을 미친다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.30wt% 또는 0.05~0.30wt%의 범위이다.
몰리브데늄(Mo)
몰리브데늄(Mo)은 알루미늄 결정립에 용해되어 0.05wt% 첨가부터 강도를 증가시킨다. 이때 다른 기계적 성질의 감소 없이 연신율이 증가되는 것이 특징이다. 그러나 Mo의 첨가는 합금의 융점을 증가시키므로 주의하여야 한다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001~0.50wt%의 범위이다. 더욱 바람직한 범위는 0.05~0.50wt%의 범위이다.
희토류 금속
본 발명의 가장 큰 특징은 세륨(Ce) 및 란타늄(La)을 포함하는 원자번호 57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류 금속(RE : Rare Earth metal)을 알루미늄 합금에 적정량 첨가하여 강도 및 연성의 증가와 내식성과 이형성을 크게 향상 시킨 것이다.
세륨(Ce) 및 란타늄(La)을 포함하는 원자번호 57(La) 내지 71번(Lu)의 희토류 금속은 기지(matrix) 내에 석출된 석출물로 인한 국부부식을 감소시키는 작용을 한다. 또한 알루미늄 제조시 용탕내에 존재하는 내식성 취약 원소인 철(Fe), 니켈(Ni) 등의 성분을 감소시켜 내식성을 강화한다.
또한 희토류 금속은 부식전위를 상승시키는 효과가 있으므로, 구리(Cu)의 첨가를 최소화시키거나 구리(Cu)를 대체하는 것도 가능하다. 따라서 부식전위의 상승을 위해 구리(Cu) 함량이 높아질 경우 이러한 부작용을 최소화하는 효과가 있으므로 내식성을 개선하게 된다.
이외에, 입계 또는 표면에서 형성된 산화막의 연성과 밀착성을 개선함으로써 산화막의 수명을 연장하여 내식성을 개선한다. 또한 알루미늄 합금의 강도와 연성을 증가시켜 금속의 소성 가공성을 개선하며, 브레이징 특성을 개선하는 효과도 있다. 또한 희토류 금속은 합금 표면특성을 변화시켜 표면 광택을 증가시키고, 금형과의 이형성을 증가시킨다.
희토류 금속은 그 유익한 성질 때문에 많은 연구개발이 진행되고 있으나, 개발활동이 주로 마그네슘(합금)의 내식성 증가 분야와 알루미늄 합금 표면에 화성코팅(conversion coating)에 의한 내식성 증가 분야에 집중되어 왔다.
그러나 본 발명에서는 고강도 고인성 주조용 알루미늄 합금의 단점인 내식성 및 이형성의 향상을 위하여 희토류 금속을 첨가함으로서 알루미늄 합금의 적용 분야를 확장 가능하게 하였다.
본 발명에서의 바람직한 범위는 0.0001 내지 3.0wt%의 범위이며, 더욱 바람직하게는 세륨(Ce), 란타늄(La), 그 외 희토류 또는 이들의 조합의 함량 범위는 0.05~1.5wt%이다.
기타 원소
전술한 모든 경우에서 알루미늄 합금은 알루미늄 산업에서 널리 이용되고 있는 합금원소(Cr, V, Ni, In, Pb, Bi, Ca, Na, P, B, Ag, Pd, Sb, Sc, Nb, Co, Mo, Be, Hf 또는 Y)와 불가피한 불순물을 추가적으로 더 포함할 수 있다. 특히 인(P)의 경우 인화갈륨 또는 인화인듐의 형태로 이 중 인 성분이 1~250ppm 또는 1~30ppm의 범위로 첨가될 경우, 결정립 미세화 효과가 있으며, 붕소(B)의 경우도 결정립 미세화 효과가 있다.
본 발명에서는 합금원소 지르코늄(Zr)을 금속의 형태로 첨가할 수도 있지만, 첨가효과를 더욱 강화하기 위해 나노입자 크기의 산화물 형태로 합금 내에 존재시킬 수 있다. 이는 본 발명의 큰 특징 중에 하나이다.
나노 크기 입자 지르코늄 산화물이 알루미늄 합금 내에 미세하게 분포되면, 미세 입자 분산강화의 원리에 의하여 결정립 내에서 합금의 변형과정에서 나타나는 전위(dislocation)의 이동을 방해하여 연성의 감소없이 강도를 개선할 수 있다. 또한 지르코늄(Zr)을 금속성분으로 합금에 첨가할 경우 일정 농도 이상에서는 연성이 감소되나 나노 입자 산화물의 형태로 결정립 내에 미세하게 분산되어 분포할 경우 금속 성분과는 달리 일정 함량 이상에서도 연성이 감소되지 않는 특징이 있다.
지르코늄(Zr)은 녹는 점이 1,855℃로서 일반적인 알루미늄 합금 제조 공정에서는 용해되기 어려워, 지르코늄(Zr)은 Al-Zr 모합금(master alloy) 형태로 알루미늄 용탕에 투입된다. 이때 지르코늄은 합금 내에 금속성분으로 존재하게 된다.
한편 지르코늄(Zr)을 합금내에 미세 산화물 형태로 존재시키기 위해서는 나노미터 크기의 ZrO2 등의 지르코늄 산화물 미세 분말을 알루미늄 용탕에 첨가하거나, 또는 ZrH, ZrH2, ZrH4 등의 지르코늄 수소화물 분말의 형태로 알루미늄 용탕에 투입할 수 있다. 그러나 용탕에 직접 투입하는 방법은 균일한 분산 상태를 얻기 어려우므로, Al-ZrO2 의 모합금을 만든 후 이 모합금을 용탕에 투입하는 것이 더욱 효율적이다. 모합금 제조시 입자의 투입은 여러 번으로 나누어서 소량씩 투입하여 모합금에 균일하게 분산될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 마찬가지로 SiO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, La2O3 와 같은 나노 크기 입자의 첨가도 ZrO2와 유사한 효과를 낼 수 있다. 이때 산화물(ZrO2, SiO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, La2O3)의 바람직한 범위는 0.0001~0.50wt% 범위이다.
몰리브데늄(Mo)의 경우도 융점이 높아 용탕에 첨가시 Al-Mo 모합금을 활용하는 것이 바람직하다.
한편 본 발명에서, 알루미늄 합금을 350~550℃에서 1시간 내지 10시간 용체화 열처리 후 급속 냉각하고, 그 후 다시 100~200℃에서 1시간 내지 10시간 시효 열처리를 실시하면 합금의 특성을 더욱 강화시킬 수 있다.
(실시예)
본 발명에 따른 합금의 제조는 도가니 전기로를 사용하여 합금 용탕의 온도를 670 내지 850℃의 온도범위에서 제어하고 주조를 통하여 잉곳(ingot)으로 제조하였다. 이 잉곳을 다이캐스팅 장치를 통해 금형 주조하였으며, 이때의 공정변수는 알루미늄 다이캐스팅에서 사용되는 통상적인 범위를 사용하였다. T6 열처리는 통상적인 열처리 조건에서 실시되었다. 본 발명의 비교예와 실시예의 합금조성과 열처리 조건을 표 2에 표기하였다.
구 분 조 성 (wt%) 열처리
Si Mg Mn Cu Zn Fe Ti Sr Zr/ZrO 2 Re Al
비교예 　　
AC4A 9.5 0.50 0.50 0.10 0.10 0.10 0.05 - -　 -　 나머지 T6
실시예 　
1 9.5 0.50 0.50 0.10 0.10 0.10 0.05 0.01 0.15 -　 나머지 -　
2 9.5 0.50 0.50 0.10 0.10 0.10 0.05 0.01 0.15 Ce 0.15
La 0.15 		나머지 -　
3 9.5 0.50 0.50 0.10 0.10 0.10 0.05 0.01 0.15 Ce 0.15
La 0.15 		나머지 T6
4 9.5 0.50 0.50 0.10 0.10 0.10 0.05 0.01 (ZrO2)
0.15 		Ce 0.15
La 0.15 		나머지 T6
※ RE(Rare Earth Element) : 희토류 원소, Ce 및 La 등
이와 같이 제조된 합금의 인장강도, 항복강도, 연신율, 경도, 내식성 및 이형성을 측정하여 표 3에 표기하였으며, 그 중 기계적 성질에 대한 측정 결과를 도 1에 나타내었다.
인장강도, 항복강도 및 연신율을 평가하기 위하여 KS 규격에 따른 인장시험을 실시하였다.(KS B 0801 금속 재료 인장 규격 및 KS B 0802 금속 재료 인장 시험 방법) 경도시험은 KS B 0805 금속 재료의 브리넬 경도 시험 방법에 따라 수행하였다. 내식 특성을 평가하기 위해 ASTM 규격에 따른 SWAAT 평가를 실시하였으며 그 결과를 표 3에 함께 나타내었다. SWAAT 평가는 ASTM 표준 G85에 따라 시험을 수행하였다. 다이캐스팅 후 이형성의 평가는 주조 후 주물을 금형에서 떼어낸 후 기포 형성 정도, 핀홀 형성 정도 및 주름 발생 정도를 육안으로 확인하여 5단계로 A(최상) 내지 E(최하) 단계로 평가하였다.
구분 인장강도
(MPa) 		항복강도
(MPa) 		연신율
(%) 		경도
(HB) 		내식성
SWAAT
Leak time (hr.) 		이형성
비교예 　　
AC4A 240 220 2.5 90 440 D
실시예
1 294 137 7.9 96 480 C
2 306 153 8.5 105 730 B
3 348 284 7.1 117 850 A
4 340 275 10.0 113 870 A
※ 이형성 : A(최상), B(상), C(중), D(하), E(최하)
표 3에 따르면, 비교예와 본 발명의 실시예 3은 조건이 유사한 경우이나, 본 발명의 경우가 우수하다는 것을 보여준다. 또한 본 발명의 실시예 1로부터 4까지를 살펴보면, Sr과 Zr의 첨가는 인장강도를 증가시키는 효과를 나타내며, 희토류의 첨가는 연성, 내식성 및 이형성의 개선을 나타낸다. T6 열처리는 잘 알려진 바와 같이 인장강도, 항복강도를 증가시키나 연성을 다소 저하시킨다. 금속 지르코늄을 지르코늄 산화물로 대체하였을 경우는 강도의 저하를 최소화하면서 연성을 개선시키는 것을 알 수 있다. 이러한 추세는 도 1 에서도 확인할 수 있다.

Claims (18)

  1. 주조용 알루미늄 합금에 있어서,
    8.0~11.5wt%의 실리콘(Si);
    0.10~0.60wt%의 마그네슘(Mg);
    0.0001~0.80wt%의 망간(Mn);
    0.0001~0.60wt%의 구리(Cu);
    0.0001~0.50wt%의 아연(Zn);
    1.3wt% 이하의 철(Fe);
    0.30wt% 이하의 티타늄 (Ti);
    란타늄(La)과 세륨(Ce)을 포함하는 원자번호 57번(La) 내지 71번(Lu)의 희토류금속 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 함량이 0.0001~3.0wt%의 범위;
    나머지는 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물;을 포함하며,
    상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.50wt%의 범위로 ZrO2, SiO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, La2O3 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 더 포함하고, 이들 산화물이 합금 내에 나노 크기 입자의 상태로 균일하게 분산되어 존재하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si)의 함량이 8.0~10.0wt% 또는 9.0~11.0wt% 또는 9.50~11.50wt%인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)의 함량이 0.30~0.60wt% 또는 0.40~0.60wt% 또는 0.10~0.50wt%인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 망간(Mn)의 함량이 0.30~0.60wt% 또는 0.0001~0.30wt% 또는 0.50~0.80wt%인 것을 특징으로 하는, 고인성 주물용 알루미늄 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 구리(Cu)의 함량이 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.60wt% 또는 0.0001~0.030wt%인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 아연(Zn)의 함량이 0.0001~0.25wt% 또는 0.0001~0.50wt% 또는 0.0001~0.10wt%인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 철(Fe)의 함량이 0.55wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 티타늄(Ti)의 함량이 0.20wt% 이하 또는 0.15wt% 이하의 범위인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 세륨(Ce)의 함량이 0.05~1.5wt%의 범위인 것을 특징으로 하는, 고내식 주조용 알루미늄 합금.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 란타늄(La)의 함량이 0.05~1.5wt%의 범위인 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.

  11. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.045wt% 또는 0.003~0.030wt% 또는 0.005~0.015wt%의 스트론튬(Sr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.30wt% 또는 0.05~0.30wt%의 지르코늄(Zr)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 인(P) 성분이 0.0001~0.0250wt% 또는 0.0001~0.0030wt%에 상당하는 양으로, 인화갈륨(InP), 인화인듐(GaP) 또는 이들의 조합 중 어느 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 0.0001~0.50wt% 또는 0.05~0.50wt%의 몰리브데늄(Mo)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 Cr, V, Ni, In, Pb, Bi, Ca, Na, P, B, Ag, Pd, Sb, Sc, Nb, Co, Mo, Be, Hf 또는 Y 중 선택된 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  16. 삭제
  17. 제1항 있어서,
    ZrO2, SiO2, Al2O3, Y2O3, CeO2, La2O3 또는 이들의 조합 중 어느 하나의 투입은 알루미늄과 이들의 산화물의 모합금이 만들어지고 이 모합금이 용탕에 투입되는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 350~550℃에서 1시간 내지 10시간 열처리후 급속 냉각되고, 그 후 다시 100~200℃에서 1시간 내지 10시간 시효 열처리가 실시되는 것을 특징으로 하는, 고인성 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
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