KR20040078219A - 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄에 규소, 주석, 티타늄, 지르코늄, 망간, 카드뮴 등을 미량 첨가하여 소재를 제조하고 열처리하여 시효 경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 중량%로서, 구리(Cu) 4.0~5.0%, 망간(Mn) 0.3~0.7%, 티타늄(Ti) 0.15~0.45%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.05%, 카드늄(Cd) 0.08~0.2%, 규소(Si) 0.1~1.0%를 함유하고, 잔여량은 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금을 제공한다.

이와 같이, 본 발명에 따라 제조된 규소가 첨가된 고강도 알루미늄 주조합금은 우수한 시효경화 특성을 나타내며, 종래에 비하여 열처리 시간을 대폭 줄일 수 있어 제조 단가를 절감할 수 있다.

Description

시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금{HIGH STRENGTH ALUMINUM CASTING ALLOY WITH IMPROVED AGE-HARDENABILITY}

본 발명은 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄에 규소, 주석, 티타늄, 지르코늄, 망간, 카드뮴 등을 미량 첨가하여 소재를 제조하고 열처리하여 시효 경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄 주조합금은 자동차 및 산업용 부품으로 널리 사용되고있으며, 이러한 알루미늄 주조합금 중에서 강도가 400MPa 이상인 고강도 주조용 합금은 특수 방산 부품, 우주 항공기용 부품으로 하우징, 실린더 헤드 및 피스톤, 터빈 임펠러, 미사일 핀(Fin), 랜딩기어 하우징, 냉각팬 등에 사용되고 있다.

그러나, 종래의 고강도 알루미늄 주조합금인 A201 합금은 고가의 Ag을 0.5~1.0% 정도 함유하여 생산단가가 현저히 높아 특수한 용도의 방위산업에만 국한되어 사용된다.

이를 해결하기 위하여, 고가의 Ag을 대체할 수 있는 합금의 개발이 이루어지고 있는데, 대한민국 특허출원 제2001-0035907호에 개시된 알루미늄합금은 Cd을 첨가하여 강도와 연성을 향상시킨 주조용 고강도 알루미늄 합금의 제조 기술을 제시하고 있으나, 이 방법은 고강도를 얻기 위하여 장시간의 열처리가 필요하다는 단점이 있다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래의 주조용 고강도 알루미늄 합금인 알루미늄-구리-망간-티타늄-지르코늄-카드뮴계 합금에 규소를 첨가하여 시효경화성을 향상시켜 열처리 시간을 단축시켜 제조단가를 절감하는 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금의 규소의 첨가량을 변화시킴에 따라 시효 열처리시 경도변화를 도시한 그래프도;

도 2는 본 발명에 따른 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금의 규소 첨가량을 변화에 따른 주사전자현미경 조직 사진도;

도 3은 본 발명에 따른 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금의 규소 첨가량 변화에 따라 주강화상 생성에 필요한 활성화에너지 값을 비교한 그래프도이다.

상기한 목적을 위하여, 본 발명은 중량%로서, 구리(Cu) 4.0~5.0%, 망간(Mn) 0.3~0.7%, 티타늄(Ti) 0.15~0.45%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.05%, 카드늄(Cd) 0.08~0.2%, 규소(Si) 0.1~1.0%를 함유하고, 잔여량은 알루미늄으로 구성되는 것을특징으로 하는 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금의 수치한정이유에 대하여 상세하게 설명한다.

(1) 구리(Cu) 4.0~5.0 중량%

Cu는 알루미늄합금의 강도향상을 위하여 조성되는 주요한 첨가 원소로써, 본 발명에서는 4.0% 미만으로 첨가 조성되는 경우에는 합금의 강도를 현저히 저하시키며, 5%를 초과하여 조성되는 경우에는 용탕의 유동성이 저하되어 주조성을 급격히 저하시키므로 4~5%로 조성범위를 제한하였다.

(2) 망간(Mn) 0.3~0.7 중량%

Mn은 알루미늄합금 중에 Fe 불순물이 존재하면 침상 형태의 Al3Fe 화합물이 형성되며, 이것은 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치므로 Mn을 첨가하여 침상의 화합물을 구상 형태로 만들어 기계적 성질을 향상시킨다.

그러나, 본 발명에서는 0.3% 미만으로 Mn이 조성되는 경우 그 효과는 미미하고, 0.7%를 초과하여 과다하게 첨가될 경우 입계에 Cu₂Mn₃Al₂₀와 같은 화합물이 형성되어 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치며, Mn을 0.7% 이하로 첨가시키면 Cu₂Mn₃Al₂₀화합물이 생성되지 않고 알루미늄 기지 내에 고용되므로 기계적 성질에 미치는 악영향은 없다.

따라서 침상의 Fe 금속간 화합물을 구상화시켜 기계적 특성을 향상시키고 과량 첨가에 따른 Cu₂Mn₃Al₂₀화합물의 형성을 억제하기 위하여 Mn의 첨가량을 상기 범위로 한정하였다.

(3) 티타늄(Ti) 0.15~0.45 중량%

Ti은 주조용 알루미늄 합금에서 응고시 생성되는 초정 알루미늄의 결정립을 미세화시키는 역할을 하는데, TiAl₃의 금속간 화합물을 형성하여 응고시 초정 알루미늄의 불균일 핵생성 위치로 작용하므로 결정립을 미세화시켜 강도 및 연성을 증가시킨다.

그러나, 0.45%를 초과하여 과다하게 조성되는 경우 입계편석에 의한 개재물 형성에 의해 기계적 특성, 특히 연성에 나쁜 영향을 미치며, 0.15% 미만으로 첨가되는 경우에는 그 효과가 미미하여 상기 조성범위로 한정하였다.

(3) 지르코늄(Zr) 0.01~0.05 중량%

Zr은, 주조시에 ZrAl₃금속간 화합물을 형성하여 응고시 초정 알루미늄의 불균일 핵생성 위치로 작용하므로, 주조용 알루미늄 합금에서 응고시 생성되는 초정 알루미늄의 결정립을 미세화시키는 역할을 함과 동시에, 재결정을 억제하는 역할을 하지만, 본 발명에서는 0.05%를 초과하여 첨가 조성되는 경우에는 입계편석에 의한 개재물 형성에 의해 연성에 나쁜 영향을 미친다.

(4) 카드늄(Cd) 0.08~0.2 중량%

Cd은 강화상의 석출을 촉진시키며 조대화를 지연시키기 때문에 기계적 특성을 크게 향상시키지만, 0.2%를 초과하여 과다하게 조성되는 경우에는 기계적 특성이 현저히 저하되므로, 0.2% 이하로 제한한다.

(5) 실리콘(Si) 0.1~1.0 중량%

Si은 강화상의 석출을 보다 촉진시키는 동시에 경도를 향상시키기 위하여 본 발명에서 특징적으로 첨가 조성되는 원소성분으로서, 0.1% 미만으로 첨가 조성되는 경우에는 그 효과가 나타나지 않으며, 1%를 초과하여 과량 첨가 조성되는 경우에는 Al₅FeSi의 침상 석출물이 생성되어 오히려 특성이 저하된다.

이하에서는 본 발명을 실시예에 의하여 구체적으로 설명한다.

다만, 실시예는 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 실시예의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상 전문가라면 용이하게 알 수 있을 것이다.

[실시예]

기존의 고강도 알루미늄 주조합금에 Si을 첨가량을 달리하여 본 발명의 알루미늄 주조합금(발명재 4~12, 비교재2,3,13,14)을 제조하였으며, 제조된 알루미늄합금의 성분조성을 분석하여 표 1에 나타내었다.

표 1에 분석된 조성의 발명재와 종래재 및 비교예의 시편들은 통상적인 알루미늄 주조합금의 제조방법에 따라 상기 조성의 알루미늄 합금용탕을 얻은 후, Ar 가스를 주입하면서 버블링(Bubbling) 처리한 다음, 드로스(Dross)를 제거하고 760℃로 유지되는 용탕을 약 250℃로 예열한 주형에 주입하여 알루미늄 합금 주괴로 주조하였다.

그런 다음, 상기 각각의 알루미늄합금 주괴를 530℃에서 10시간 동안 용체화처리하여 수냉한 다음에 170℃에서 5시간 동안 시효처리를 실시하여 제조하였다.

용체화 처리(Solid-Solution Treatment)란 Al합금을 시효처리하는 경우 맨처음 실시하는 열처리 공정으로서, 합금 속의 용질(溶質)원자를 완전히 기지(Matrix) 속에 고용시키기 위하여 균일 고용체 범위의 온도로 가열하는 열처리 방법이다.

따라서, 용체화 처리온도가 높으면 좋지만 너무 높으면 국부적인 용해가 일어나기 때문에 주의하여야 하여, 본 발명의 Al합금의 경우 500~550℃가 최적의 범위이며, 실시예에서는 530℃에서 10시간 동안 용체화처리를 다음 수냉(Quenching)을 실시하였다.

또한, Al합금의 시효처리(Aging Treatment)는 시효경화(Age Hardening) 또는 석출경화(Precipitation Hardening)로서, 용체화처리 후 급냉한 다음, 일정온도로 승온시켜 일정시간 유지하면 합금의 중간상(中間相)이 합금내 균일 미세하게 다량 석출됨으로써 경화되는 Al합금의 열처리방법이다.

본 발명에서는 용체화처리된 각각의 합금재를 170℃의 온도에서 여러시간 동안 시효처리하여 시편을 채취한 다음, 경도를 측정하여 유지시간에 따른 경도값을 비교분석하였다.

상기와 같은 각각의 시편에 대하여, 가장 대표적인 시편의 경도, 미세조직 및 시차열분석에 의한 활성화 에너지값의 측정결과를 도 1, 도 2 및 도 3에 도시하였다.

도 1은 시효 열처리에 따른 경도값의 변화를 도시한 것으로서, Si의 첨가량을 변화시킴에 따라 시효경도가 변화하는 것을 보이고 있는데, Si를 첨가하지 않은종래재 및 비교재 2와, Si의 첨가량이 적은 비교재 3 및 14의 경우 경도값이 낮으며, 최대경도가 나타나는 안정화 되는 시간이 10시간 이상으로 길다.

그러나, 본 발명에 따라 규소를 첨가한 발명재 4 내지 12의 경우 시효처리 1시간 전후에서 최대경도가 나타나며 3~5시간에서 안정화된다.

또한, 발명재 경우 최대 경도값이 종래재에 비해 약 10Hv 정도 높은 것으로 조사된 반면, Si의 첨가량이 많은 비교재 14의 경우 최대경도의 발현은 빠르나, 최대 경도값은 현저히 낮은 것을 확인할 수 있었으며, 각각의 시편에 대한 최대경도 및 열처리조건(용체화 및 시효처리조건), 경도치를 기재하였다.

도 2는 규소를 첨가하지 않은 합금(종래재, 도2의 A)과 Si를 0.7% 첨가한 합금(발명재 5, 도2의 B)을 최대경도가 나타내는 시효조건에서 열처리하여 미세조직을 투과전자현미경으로 관찰한 결과이다.

Si를 첨가하지 않은 합금과 Si를 0.7% 첨가한 합금의 제한시야회절상을 분석한 결과, Al-Cu 합금의 주 강화상인 중간상 θ′(CuAl₂)상이 생성된 것을 확인할 수 있으며, 규소의 첨가로 인해 중간상 θ′(CuAl₂)상의 석출이 촉진된 것을 관찰할 수 있다.

도 3은 시차열분석 곡선을 이용하여 중간상 θ′(CuAl₂)상의 생성에 필요한 활성화 에너지를 구한 것으로, Si를 첨가한 발명재 6, 7의 활성화 에너지가 Si를 첨가하지 않은 합금(종래재)의 활성화 에너지보다 낮은 것을 보이고 있는데, 이는 주강화상인 θ′(CuAl₂)상의 생성이 보다 용이하다는 증거이다.

반면에, 비교재 14의 경우와 같이 과다한 규소 첨가로 주강화상인 θ′(CuAl₂)상의 생성은 용이하나 과시효에 따라 경도를 감소시키는 나쁜 효과를 가지는 것으로 조사되었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 규소가 첨가된 고강도 알루미늄 주조합금은 우수한 시효경화 특성을 나타내며, 종래에 비하여 열처리 시간을 대폭 줄일 수 있어 제조 단가를 절감할 수 있다.

Claims (1)

1. 중량%로서, 구리(Cu) 4.0~5.0%, 망간(Mn) 0.3~0.7%, 티타늄(Ti) 0.15~0.45%, 지르코늄(Zr) 0.01~0.05%, 카드늄(Cd) 0.08~0.2%, 규소(Si) 0.1~1.0%를 함유하고, 잔여량은 알루미늄으로 구성되는 것을 특징으로 하는 시효경화성이 향상된 고강도 알루미늄 주조합금.