KR20040098071A

KR20040098071A - 고온에서 적용하기 위한 고강도 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20040098071A
Application number: KR10-2004-7016171A
Authority: KR
Inventors: 리조나단에이.; 첸포쇼우
Original assignee: 미합중국항공우주국(나사)
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2003-04-03
Publication date: 2004-11-18
Also published as: KR100702341B1; AU2003247334A1; MXPA04009926A; CO5611214A2; US6918970B2; CN1643171A; CA2491429A1; JP4001579B2; EP1492894A1; JP2005522583A; WO2003087417A1; EP1492894A4; AU2003247334B2; US20030192627A1

Abstract

알루미늄 합금으로부터의 주형 합금은 고온에서 향상된 기계적 특성을 가진다. 주형 아티클은 다음과 같은 중량퍼센트의 조성을 가진다. 규소 6.0-25.0, 구리 5.0-8.0, 철 0.05-1.2, 마그네슘 0.5-1.5, 니켈 0.05-0.9, 망간 0.05-1.2, 티타늄 0.05-1.2, 지르코늄 0.05-1.2, 바나듐 0.05-1.2, 아연 0.05-0.9, 스트론튬 0.001-0.1, 인 0.001-0.1, 알루미늄은 밸런스(Balance)이다. 여기서, (규소/마그네슘)의 비율은 10~25이고, (구리/마그네슘)의 비율은 4~15이다. 알루미늄 합금은 Ll₂결정 구조를 가지는 세가지 타입의 Al₃X 화합물 파티클(X=Ti, V, Zr)의 동시 분산을 포함하고, 격자 파라미터는 알루미늄 매트릭스 격자와 부착한다. 또한 본 발명에서는 상기 주형 아티클을 생산하는 방법 및 이차 충전재료의 부피 약 60%까지 함유하는 매트릭스인 알루미늄 합금을 포함하는 MMC(metal matrix composites:금속 매트릭스 복합재료)가 개시된다.

Description

고온에서 적용하기 위한 고강도 알루미늄 합금{HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS}

알루미늄-규소 합금은 대부분 자동차 산업용으로 생산되는 전체 알루미늄 주형 부품 중 85%~90%를 이루는 다용도의 재료이다. 규소의 중량 퍼센트(wt.%) 농도에 따라, 알루미늄-규소 합금 시스템은 하이포유테틱(hypoeutectic)(<12% Si), 유테틱(eutectic)(12~13% Si) 및 하이퍼유테틱(hypereutectic)(14~25% Si)의 3가지의 주요 카테고리로 분류된다. 그러나, 대개 종래의 합금은 인장강도(tensile strength), 피로강도(fatigue strength)와 같은 기계적 특성으로 인해, 고온 적용에 적합하지 않고, 500℉~700℉의 높은 온도 범위에서는 적합하지 않다. 지금까지, 많은 알루미늄-규소 주형 합금들은 약 450℉보다 높지 않은 온도에서 적용되어져 왔다. 상기 온도에서, θ'(Al₂Cu) 및 S'(Al₂CuMg)상과 같은 주 합금 강화 상(strength phase)은 불안정하게 되고, 빠르게 거칠어진 후 용해되어, 고온 적용을 위한 바람직하지 않은 미세구조를 가지는 합금을 생성할 것이다. 상기 합금은 θ' 과 S'이 불안정하게될 때, 합금이 알루미늄 고체 솔루션 격자(lattice)와 강화 파티클 격자파라미터 사이에 격자 부착력이 결여되기 때문에, 고온에서 실제 적용이 거의 되지 않거나 전혀 안되게 된다. 다량의 격자 부착력 미스매치(mismatch)는 고온에서 뛰어난 기계적인 특성을 유지할 수 없는 바람직하지 않은 미세구조의 원인이 된다.

종래 기술에 대한 접근은 알루미늄-규소 합금의 강도를 증가시키기 위하여 파이버(fiber)나 미립자의 보강재를 사용하는 것이었다. 이러한 접근은 알루미늄 MMC(metal matrix composite)법으로 알려져 있다. 예를 들면, 미국특허 5,620,791은 고온에서 적용을 위한 브레이크 로터(brake rotor) 형태를 위한 깊숙히 박힌 세라믹 충전 물질을 가지는 기본적인 알루미늄-규소 합금을 함유하는 MMC와 관련이 있다. 알루미늄-규소 합금의 고온에서의 강도를 향상시키기 위한 시도는 1987년 5월 "피스톤 제조를 돕는 금속 매트릭스 복합재료(Metal Matrix Composites Aid Piston Manufacture)"의 표제로 Manufacturing Engineering에 알루미늄-규소 332.0 합금의 인장강도를 향상시키기 위해 세라믹 파이버(fiber)를 사용했던 R.Bowles에 의하여 수행되었다. A. Shakesheff에 의해 제안된 또다른 시도는 "강화된 알루미늄 합금 미립자의 고온에서의 수행(Elevated Temperature Performance of Particulate Reinforced Aluminum Alloys)"의 표제로Materials Science Forum, Vol.217-222, pp.1133-1138(1996)에 서술된 것으로서 알루미늄-규소 합금을 강화하기 위한 세라믹 미립자를 사용한 것이었다. 피스톤을 위한 MMC 주형 알루미늄은 "자동차 산업의 적용을 위한 주형 알루미늄 매트릭스 복합재료(Cast Aluminum Matrix Composites for Automotive Applications)"의 표제로 1991년 4월 Journal of Metals에 P.Rohatgi에 의하여 서술되었다. 알루미늄 합금으로부터 제조된 대부분 강화된 MMC 물질의 미립자에 대한 강도는 주요 θ'와 S' 강화 상이 고온에서 불안정하고, 빠르게 거칠진 후 용해되기 때문에, 고온에서 적용하기 위해서 여전히 우수하지 못하다.

종래 기술에 따른 또 다른 접근은 CMC(Ceramic Matrix Composites)법의 사용이다. 예를 들어, W.Kowbel은 고온에서 작동하기 위한 피스톤을 만들기 위해서 비금속 탄소-탄소 물질의 사용을 "IC 엔진에서의 넷 모양으로 모듈된 CMC의적용(Application of Net-Shape Molded Carbon-Carbon Composites in IC engines)"의 표제로 1996년 7월, Journal of Advanced Materials에 서술하였다. 그러나, MMC와 CMC법을 채용하는 제조 비용은, 고온 내부 연소 엔진 파트 및 브레이크에 적용하기 위한 대량생산 알루미늄-규소 합금의 가격 경쟁력을 방해하는 종래 알루미늄-규소 주형법(casting)을 사용하는 것보다 실질적으로 높다.

따라서 종래 기술의 불이익을 제거하는 데에 본 발명의 주요 목적이 있다.

발명의 출처

이하에서 서술되는 본 발명은 NASA와의 계약하의 연구의 수행으로 미국 정부의 공무원에 의하여 제공되는 것이다. 공법 96-517(35 U.S.C. §202)의 규정에 따르고, 어떠한 로열티의 지급없이 정부의 목적에 따라 정부를 위하여 제작되고 이용될 수 있다.

발명의 분야

본 발명은 알루미늄-규소 합금(aluminum-silicon alloys)과 관한 것이다. 보다 구체적으로는 피스톤, 실린더 헤드, 실린더 라이너(cylinder liners), 연접봉(connecting rods), 터보 충전기, 임펠러, 작동기(actuator), 브레이크 캘리퍼(brake calipers) 및 브레이크 로터(brake rotors)와 같은 주형 구성요소를 위한 고온 적용에 적합한 고강도 Al-Si 기반 합금에 관한 것이다.

도 1은 주변 알루미늄 매트릭스 원자와 유사한 격자 파라미터 및 결정 구조의 관계를 가지는 부착성 파티클을 나타내는 다이어그램이다.

도 2는 주변 알루미늄 매트릭스 원자와 결정 구조관계를 가지지 않는 비부착성 파티클을 나타내는 다이어그램이다. 상기와 같은 합금은 고온에서 실제 적용을 거의 하지 않거나 전혀하지 않는다.

도 3은 상온에서 관찰된 것으로서, 종래 기술의 합금 대한 합금 θ' 및 S' 부착 상의 사이즈와 형태를 나타내는 전자 현미경사진이다.

도 4는 상온에서 관찰된 것으로서, 본 발명의 합금에 대한 합금 강화 θ' 및S' 부착 상의 사이즈, 모양 및 양을 나타내는 전자 현미경사진이다.

도 5는 도 3에서 관찰되었던 θ' 및 S' 부착 상이 600℉에서 100시간동안 노출된 후에, 종래 기술의 합금의 바람직스럽지 못한 θ 및 S 비부착 상(noncoherent phase)으로 변환되는 것을 보여주는 전자 현미경사진이다. θ 및 S 상은 불안정해지고, 급속히 거칠어진 후 용해되기 때문에 비부착성이고, 그 결과로 고온 적용을 위한 바람직하지 않은 미세구조를 가지는 합금이 된다.

도 6는 본 발명의 합금이 600℉에서 100시간동안 노출된 후에 매우 안정적인 θ' 및 S' 부착 상인 것을 나타내는 전자 현미경사진이다. 종래 기술과 달리, 본 발명의 합금은 여전히 고온 적용에 대해 바람직한 미세구조인 θ' 및 S' 부착 상을 유지한다.

도 7은 주지의 종래 기술 합금 3가지(332,390,413)와 본 발명에 따른 합금을 비교하는 차트이다. 차트는 각각 500℉, 600℉, 700℉의 온도에서 100시간동안 모든 테스트 견본의 노출후에, 500℉, 600℉, 700℉에서 테스트한 최대 인장강도를 비교하는 것이다.

본 발명에서는 알루미늄 매트릭스에서 Ll₂결정 구조를 가지는 파티클의 분산을 함유하는 Al-Si 합금이 제공된다. 상기 합금은 영구적인 몰드, 모래 캐스팅(sand casting) 또는 다이 캐스팅(die casting)과 같은 저비용의 캐스팅 기술을 사용하여 조작된다.

본 발명의 합금은 독특한 화학성 및 미세구조 조성으로 인해 종래 기술의 합금보다 고온(500℉보다 높은)에서 훨씬 고강도를 유지한다.

본 발명에서 합금의 강도를 강화시키는 방법은 다음을 포함한다:

1) 각각 Al₂Cu, Al₂CuMg와 같은 화학적 조성을 가지는 합금에서 주요 강화 θ'와 S'상의 구성을 최대화하는 단계.

2) Cu/Mg 비율의 조절 및 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 요소들을 동시 첨가에 의해 고온에서 강화 상(strengthening phase)을 안정시키는 단계.

3) 고온에서 추가적인 강화 메커니즘에 대한 Ll₂결정 구조를 가지는 Al₃X(X= Ti,V, Zr) 화합물을 형성하는 단계.

본 발명에서, Ti, V 및 Zr의 핵심 합금 요소는 Ll₂결정 구조를 가지는 Al₃X(X= Ti,V 및 Zr)형의 화합물 형성에 의해 알루미늄 매트릭스의 격자 파라미터를 변형하기 위해 Al-Si 합금에 첨가되었다. 고온에서 고강도를 유지하기 위하여, 알루미늄 고체 솔루션 매트릭스 및 Al₃X 화합물은 모두 FCC(face-centered-cubic) 결정 구조를 가져야 하고, 그 각각의 격자 파라미터 및 차원(dimension)이 가깝게 매치되기 때문에 부착성이 있게 될 것이다. 격자에 대한 실제적인 부착도(coherency)가 얻어질 때, 상기 분산 파티클은 매우 안정하다. 이는 결과적으로 고온에서 오래 노출되는 동안 합금에 대한 높은 기계적 특성이 있을 때 나타난다.

합금의 조성과 미세구조에 부가하여, 합금 내의 합금 강화하는 매커니즘 및 상 구조에 대한 수행 최적화를 위하여, 독특한 열처리 스케줄이 제공된다. 본 발명의 장점은 하기의 상세한 설명에 의해서 명백하게 될 것이다.

본 발명은 종래 주형법에 따른 구체적인 조성, 미세구조 및 공정 특징들을 포함한다. 본 발명의 알루미늄-규소 합금은 고온 적용에 적합한 주형의 형성을 수행하는 정도에 따라 표시되고, 하기와 같은 중량 퍼센트의 구성요소를 포함하여 이루어진다:

규소 6.0-25.0

구리 5.0-8.0

철 0.05-1.2

마그네슘 0.5-1.5

니켈 0.05-0.9

망간 0.05-1.2

티타늄 0.05-1.2

지르코늄 0.05-1.2

바나듐 0.05-1.2

아연 0.05-0.9

스트론튬 0.001-0.1

인 0.001-0.1

알루미늄 밸런스(Balance)

규소는 높은 탄성계수와 저온의 팽창계수를 가지는 합금에 제공되는 비금속이다. 규소의 첨가는 본 발명에 따른 알루미늄-규소 합금의 주조성(castability) 향상을 위한 용융 알루미늄의 유동성을 증진시키기 위하여 필수적이다. 규소량이 많을 때, 합금은 우수한 표면 강도와 내마모성(wear resistance properties)을 나타낸다.

마그네슘과 공존하는 구리와 알루미늄 매트릭스에서 고체 솔루션 형태는 합금 시효경화(age-hardening) 특성을 주기 위하여, 고온에서 강도를 향상시킨다. 구리는 또한 θ'상 화합물(Al₂Cu)을 형성하고, 새로운 합금에서 가장 중요한 강도 성분이다. 고온에서 향상된 높은 강도는 구리의 중량 퍼센트 레벨이 관여하지 않는다면 영향을 받는다. 더욱이, 합금 강도는 구리와 규소의 성분 비율에 따른 합금속에 마그네슘을 적절히 첨가함으로써, θ'(Al₂Cu)와 S'(Al₂CuMg) 금속 화합물을 위한 동시에 존재하는 구성물에 의해 효과적으로 최대화될 수 있다. 실험적으로, 상당히 높은 마그네슘 농도를 가진 합금은 θ'상의 불충분한 양을 가지고 대부분 S'상을 형성할 것이다. 반면에 마그네슘의 농도가 낮은 합금은 S'상의 불충분한 양을 가지고 대부분 θ'상을 함유할 것이다.

θ'상과 S'상의 구성을 최대화 하기 위한, 합금 조성은 특별하게 구리/마그네슘비율(Cu/Mg)은 4~15의 범위를 가지고, 최소의 마그네슘 농도가 0.5 중량 퍼센트를 가지는 것으로 공식화되었다. 구리/마그네슘(Cu/Mg)의 비율외에, 1차 θ'와 S'상 외에 부수적인 강화 상(strengthening phase)으로서 Mg₂Si 금속 화합물을 적절히 형성하기 위한, 규소/마그네슘(Si/Mg)의 비율은 10~25의 범위 내, 바람직하게는 14~20의 범위로 유지된다. 게다가, 독특한 구리/마그네슘(Cu/Mg) 비율은 알루미늄(Al), 구리(Cu), 및 마그네슘(Mg) 사이의 화학적 반응을 크게 향상시킨다. 그러한 화학적 반응은 합금에서 θ'와 S' 강도 상의 높은 부피분획의 감소를 가져온다. 도 4는 실내온도에서 관찰된 것으로, 본 발명의 θ'와 S' 부착 상을 강화하는 합금의 구성, 모양, 사이즈 및 양을 보여주는 전자현미경 사진이다. 도 4에서 보여주는 것처럼, 본 발명의 높은 부피분획과 부착 θ'의 결합은 고온에서 뛰어난인장 강도와 미세구조 안정성을 이끈다.

티타늄(Titanium), 바나듐(Vanadium) 및 지르코늄(Zirconium)은 Ll₂결정 구조(X=Ti, V, Zr)를 가진 Al₃X 타입의 화합물을 형성함에 따른 알루미늄 매트릭스의 격자 파라미터 수정하기 위하여 알루미늄-규소 합금에 첨가되었다. 합금의 녹는점 아주 가까이의 온도에서 고강도를 유지하기 위해서는 알루미늄 고체 솔루션(solution) 매트릭스와 Al₃X 결과물의 파티클이 유사한 FCC(face-centered-cubic) 결정 구조를 가져야 하고, 그들 개개의 격자 파라미터와 차원이 밀접하게 매치되기 때문에 부착하게 된다. 예를 들어, 도 1은 유사한 격자 파라미터와 알루미늄 매트릭스 원자 주변에 관계한 결정 구조를 가지는 부착성 있는 파티클을 나타낸 다이어그램이다. Al₃X(X=Ti, V, Zr)형 파티클의 화합물은 또한, 주형공정으로부터 고체화되는 용융 알루미늄 합금을 작은 사이즈로 정제하기 위한 핵으로서의 역할을 한다. 티타늄과 바나듐 또한 분산 강화제로서 기능을 하고, 알루미늄 고체 솔루션과 유사한 Ll₂격자 구조를 가지도록 하며, 고온에서 기계적 특성을 향상시키기 위한 역할을 한다. 지르코늄은 또한, 작은 양을 위한 매트릭스에서 고체 솔루션을 형성하고, (구리-마그네슘)(Cu/Mg)이 많은 지역인 GP(Guinier-Preston) 지역의 구성을 향상시키며, 시효경화 특성을 향상시키기 위하여 알루미늄-구리-마그네슘(Al-Cu-Mg) 시스템의 θ'상을 형성한다. 안정한 θ'(Al₂Cu)은 고온에서 일차 강도 상이지만, 합금의 티타늄(Ti), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr) 성분들을 가지는 중요성은간과될 수 없다. 주형공정으로부터 용융 합금이 고체화되면, 상기 성분들은 알루미늄과 반응하여 효과적인 그레인(grain) 사이즈로 정제하기 위한 핵 자리로 침전되는 Al₃X(X=Ti, V, Zr) 화합물을 형성한다. 더욱이, Al₃X(X=Ti, V, Zr) 침전물은 또한 분산 강화제로서 역할을 하고, 전위의 움직임을 효과적으로 차단하며, 고온에서 기계적 특성을 향상시킨다. 본 발명에 따른 합금의 고온에서 강도 특성은 Al₃X(X=Ti, V, Zr) 침전물을 형성하기 위한 적절한 양에서 티타늄, 바나듐 및 지르코늄이 동시적으로 사용되지 않는다면 좋지않은 영향을 받는다.

도 6은 100시간동안 600℉에서 노출된 후, 본 발명의 합금을 위한 고도의 안정한 θ'와 S' 부착 상을 보여주는 전자현미경 사진이다. 종래 기술의 합금과는 달리, 본 발명의 합금은 여전히 θ'와 S' 부착 상을 유지하고, 고온에서 적용을 위한 바람직한 미세구조이다. 본 발명의 합금을 위한 독특한 구리/마그네슘(Cu/Mg)비율 때문에, θ'는 여전히 600℉에서 100시간동안 담금된 후에도 매트릭스를 위한 그것의 부착성을 유지한다. 600℉에서 담금과정 동안에, 두께는 얇아지나 거칠어지지는 않고, 작은 직경과 부착성은 여전히 유지되며, 고온에서 고강도를 얻기 위하여 결정적이다. 알루미늄 매트릭스과 θ'상 사이의 부착성은 θ'침전물의 결정구조와 매트릭스의 결정 구조 사이의 명확한 관계를 만든다. 그 결과, 전위의 움직임은 θ'상과 매트릭스의 공유영역에서 저해되고, 상당한 강화가 일어난다. 도 5는 도 3에서 관찰되었던 θ' 및 S' 부착 상이 600℉에서 100시간동안 노출된 후에, 종래 기술의 합금의 바람직스럽지 못한 θ 및 S 비부착 상(noncoherent phase)으로 변환되는 것을 보여주는 전자 현미경사진이다. 도 5에서, 다른 종래 기술로부터의 θ'은 상당히 거칠어지고, 고온에서 그것의 부착성은 잃게 되며, 고온에서 적용을 위한 강도는 매우 낮아지는 결과를 가져오는 것을 볼 수 있다. 도 2는 알루미늄 매트릭스 원자 주변에 관계하는 비결정구조를 가지는 비부착성의 파티클을 나타낸 다이어그램이다. 그러한 합금은 고온에서 실제적인 적용이 적거나 없다.

니켈은 고온에서, 고온 환경에서 장시간 노출로부터의 열화효과를 억제하기 위한 안정된 야금의 상인 Al₃Ni₂와 Al₃Ni 화합물 형성을 위한 알루미늄과 반응함에 따라 합금의 신장강도를 향상시킨다.

스트론튬은 알루미늄-규소 공정상을 수정하기 위하여 사용되었다. 규소 12 wt%보다 적거나 동등하게 가지는 알루미늄-규소 합금의 강도와 연성은 알루미늄-규소 개질제(modifier)로 스트론튬을 사용하여 더 미세한 그레인(grain)으로 되면서 실질적으로 향상되었다. 인은 규소 농도의 12wt%보다 더 높을 때, 바람직하게 14~20wt%일 때, 규소의 주된 파티클 사이즈를 수정하기 위하여 사용되었다. 효과적인 변형은 매우 낮은 부가적인 수준에서 이루어진다. 그러나, 0.001~0.1 wt%를 가지는 복구된 스트론튬과 인의 범위가 통상 사용된다.

합금에서 적절히 기능하기 위해 강화하는 메커니즘을 위해서, 주형 아티클은 화학 조성과 열처리 이력을 독특한 방법으로 결합해야 한다. 열처리는 독특한 화학적 합성의 수행을 최대화하기 위하여 특이적으로 디자인되었다. 위에서 언급한 것처럼, 본 발명에서 합금의 예외적인 수행은 독특한 열처리 스케쥴을 통한 따라오는강화 메커니즘의 조화에 의해서 이루어졌다. 본 발명의 합금을 위한 열처리는 합금(고 부피 분획)에서 θ'상과 S'상의 형성을 최대화하고, 구리/마그네슘비율을 통제함에 따라 고온에서 θ'상을 안정시키며, 티타늄, 바나듐 및 지르코늄의 동시 추가 메커니즘을 가지는 추가적인 강화를 위한 Al₃(티타늄, 바나듐, 지르코늄)화합물의 형성을 최대화하기 위하여 발달되었다.

본 발명에 의한 최대 고온 강도는 400℉~500℉에서 4시간~12시간동안 에이징(aging)하는 방법으로 구성되는 T5 열처리를 사용할 때 달성되었다. 그 열처리 스케쥴은 균일한 분포와 최적의 파티클 사이즈를 가지는 최대 양의 침전물을 형성하기 위한 독특한 합금 조성을 보완한다. 그러므로, 본 합금은 화학적 구성과 열처리 공정의 독특한 결합때문에 종래 기술의 합금보다 월등한 특성들을 가진다.

본 발명의 합금은 500℉ 내지 700℉에서 신장강도의 거대한 향상을 얻기위하여, 외부압력의 도움없이 약 1325℉ 내지 1450℉의 온도에서 종래의 중력 캐스팅(gravity casting)을 사용함으로써 수행되었다. 그러나, 더욱 향상된 신장 강도는 본 발명의 합금이 압착 캐스팅(squeeze casting)과 같은 압력 캐스팅 기술을 사용한 주형일 때 얻어질 수 있다.

실린더 헤드(cylinder head), 엔진 블럭(engine block), 피스톤(piston)과 같은 아티클(article)은 합금으로부터 주조되었다. 그리고 주형 아티클은 900~1000℉의 온도에서 15분~4시간동안 용해되었다. 용해단계의 목적은 원하지 않는 침전물을 용해하고, 합금에서 어떤 분리가 일어나는 것을 줄이기 위해서이다. 500℉~700℉의 온도에서 적용을 위한 용해 처리는 요구되지 않을 수 있다.

용해 후, 주형 아티클은 120℉~300℉의 온도에서, 가장 바람직하게는 170℉~250℉ 온도에서, 퀀칭 미디움(quenching medium)에 유리하게 퀀칭되었다. 가장 우선의 퀀칭(quenching) 미디움은 물이다. 퀀칭 후에, 주형 아티클은 425℉~485℉에서 6시간~12시간동안 에이징(aging)되었다.

도 7은 본 발명에 따라 생산된 주형 아티클을 위한 고온에서 최대인장강도(UTS: ultimate tensile strength)의 거대한 향상을 나타내는 차트이다. 이는 세개의 주지 종래 합금(332, 390 및 413)과 본 발명에 따른 합금의 비교를 보여주는 차트이다. 차트는 각각 100시간동안 500℉, 600℉, 700℉의 온도에서 모든 테스트 견본의 노출후에 (500℉, 600℉ 및 700℉에서 테스트 함) 최대인장강도를 비교한다. 본 발명에 따라 준비된 주형 아티클의 인장강도는 700℉에서 테스트하였을 때, 종래의 유테틱(eutectic) 공정 413.0 합금으로부터 준비된 것보다 3배이상 더 강하고, 하이포유테틱 공정(hypo-eutectic) 332.0 합금과 하이퍼유테틱 공정(hyper-eutectic) 390.0 합금으로부터 준비된 것보다는 4배이상 더 강한 것으로 알려져 있다.

본 발명의 합금은 벌크(bulk) 합금 형태로 사용될 수도 있다. 또한 알루미늄 MMC(metal matrix composites:금속 매트릭스 복합재료)를 만들기 위한 합금 매트릭스로서 사용되기도 한다. 그러한 복합재료(composites)는 파티클(particles), 위스커(whiskers), 잘게된 파이버(chopped fibers), 마디없는 파이버(continuous fibers)의 형태인 필러 재료(filler material)를 포함하는 매트릭스인 본 발명의알루미늄 합금을 포함한다. MMC 생산을 위한 가장 대중적인 방법중의 하나는 용융된 알루미늄 합금으로 작은 파티클 또는 위스커 형태의 다양한 세라믹 재료를 기계적으로 혼합하고 교반하는 것이다. 이 방법은 금속 복합재료(metal composites)의 콤포-캐스팅(compo-casting) 또는 교반-캐스팅(stir-casting)이라 불리어지고 있다. 교반-캐스팅법에서, 접근은 녹은 금속 배스(bath)속으로 필러 재료의 기계적인 혼합과 교반(stirring)을 포함한다. 그 장비는 주로 녹은 알루미늄 합금을 포함하는 가열된 도가니(crucible)로 구성되어 있고, 녹은 금속에 함몰된 페달-모양의 믹싱 임펠러(paddle-style mixing impeller)를 구동하는 전기 모터를 가진다. 필러 재료는 통제된 속도에서 매끄럽고 연속적인 공급을 확실히 하기 위해, 용융 표면 위의 도가니속에 천천히 붓는다. 온도는 주로 필러 재료의 균일한 혼합을 향상시키기 위하여, 알루미늄 합금이 반고체 상태로 유지할 수 있는 액화 온도이하로 유지된다.

믹싱 임펠러가 적정 속도에서 작동될 때, 표면으로부터 용융부로 강화 파티클을 끌어들이는 볼텍스(vortex)를 생성한다. 그 임펠러는 그 파티클의 표면으로부터 흡수된 가스들을 제거하는 것을 돕는 높은 전단력을 만들기 위하여 설계되었다. 높은 전단력은 또한 용융 알루미늄 합금에 있는 파티클을 빨아들이는데, MMC 내 필러 재료의 균일한 분포를 향상시키기 위한 파티클의 웨팅(wetting)을 향상시킨다.

금속 복합재료의 필러(fller) 재료는 사이즈에서 전형적으로 100nm보다 작은 직경을 가지는 θ'와 S' 파티클 또는 Al₃X(X=티타늄, 바나듐, 지르코늄)파티클과 혼동되지 않아야 한다. 알루미늄 MMC로 첨가되는 필러 재료 또는 강화 재료는 500nm보다 훨씬 큰, 전형적으로 1 내지 20 미크론(micron)의 최소의 직경을 가진다.

알루미늄 MMC를 만들기 위한 적합한 강화 재료는 흔히 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(A1₂0₃), 탄화붕소(B₄C), 질화붕소 (CN), 탄화티타늄 (TiC), 산화이트륨 (Y₂0₃), 흑연, 다이아몬드 파티클 및 그 혼합물을 포함한다. 이 강화 재료는 부피로 약 60%까지, 더 바람직하게는 5~35% 부피 분획을 나타내었다.

이상과 같이 본 발명을 구체적으로 서술하였으나, 다양한 변형, 치환 및 변경이 첨부되는 특허청구범위에 의해 기술되는 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 가능한 것은 자명하다 할 것이다.

Claims

다음과 같은 중량 퍼센트의 조성을 함유하고, 고온에서 향상된 기계적 특성을 가지는, 알루미늄 합금으로부터의 주형 아티클:

규소 6.0-25.0

구리 5.0-8.0

철 0.05-1.2

마그네슘 0.5-1.5

니켈 0.05-0.9

망간 0.05-1.2

티타늄 0.05-1.2

지르코늄 0.05-1.2

바나듐 0.05-1.2

아연 0.05-0.9

스트론튬 0.001-0.1

인 0.001-0.1

알루미늄 밸런스(Balance)

(여기서, 상기 규소/마그네슘(Si/Mg) 비율은 10~25이고, 구리/마그네슘 (Cu/Mg) 비율은 4~15이다).
제1항에 있어서, 알루미늄 매트릭스 격자에 부착되는 격자 파라미터와 Ll₂결정 구조를 가지는 Al₃X화합물 파티클 세 종류(X=티타늄, 바나듐, 지르코늄)의 동시적인 분산을 함유하는 알루미늄 고체 솔루션 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 주형 아티클.
제2항에 있어서, 상기 알루미늄 고체 솔루션 매트릭스는 직경의 평균 사이즈가 약 100nm보다 작은 Al₃X 화합물 파티클 세 종류(X=티타늄, 바나듐, 지르코늄)의 동시적인 분산을 함유하는 것을 특징으로 하는 주형 아티클.
제2항에 있어서, 상기 알루미늄 고체 솔루션 매트릭스는 θ'상과 S'상으로부터 두 종류 파티클의 동시적인 분산을 함유하며, 상기 θ'상의 평균 파티클 사이즈는 상온에서 직경이 300nm보다 작은 것을 특징으로 하는 주형 아티클.
제4항에 있어서, 600℉에서 100시간동안 소킹(soaking)후에 θ' 파티클 상의 평균 사이즈는 250nm보다 작은 것을 특징으로 하는 주형 아티클.
제4항에 있어서, 상기 θ'상은 600℉~700℉에서 100시간동안 소킹(soaking)한 후에 매트릭스에 반 부착성을 유지하는 것을 특징으로 하는 주형 아티클.
하기의 단계를 포함하고, 고온에서 향상된 기계적 특성을 가지는 알루미늄 합금으로부터 주형 아티클을 제조하는 방법:

a. 다음과 같은 중량 퍼센트의 조성을 가지는 알루미늄 합금으로부터 아티클을 주조하는 단계;

규소 6.0-25.0

구리 5.0-8.0

철 0.05-1.2

마그네슘 0.5-1.5

니켈 0.05-0.9

망간 0.05-1.2

티타늄 0.05-1.2

지르코늄 0.05-1.2

바나듐 0.05-1.2

아연 0.05-0.9

스트론튬 0.001-0.1

인 0.001-0.1

알루미늄 밸런스(Balance);

(여기서, 규소/알루미늄의 비율은 10~25이고, 구리/마그네슘의 비율은 4~15이다);

b. 900~1000℉에서 15분~4시간 동안 주형 아티클을 노출하여 용해 단계로 주형 아티클을 노출시키는 단계; 및

c. 400~500℉에서 4~16시간 동안 주형 아티클을 에이징(aging)시키는 단계.
제7항에 있어서, 상기 주형 아티클은 425~485℉에서 6시간~12시간동안 에이징(aging)되는 것을 특징으로 하는 방법.
제7항에 있어서, 상기 용해 단계 이후에 120~300℉에서 미디움(medium)에 퀀칭(quenching)을 하는 것을 특징으로 하는 방법.
제9항에 있어서, 상기 퀀칭(quenching) 미디움 온도는 170~250℉인 것을 특징으로 하는 방법.
다음과 같은 중량퍼센트의 조성을 가지는 알루미늄 합금을 포함하는 MMC(metal matrix composite:금속 매트릭스 복합재료).

규소 6.0-25.0

구리 5.0-8.0

철 0.05-1.2

마그네슘 0.5-1.5

니켈 0.05-0.9

망간 0.05-1.2

티타늄 0.05-1.2

지르코늄 0.05-1.2

바나듐 0.05-1.2

아연 0.05-0.9

스트론튬 0.001-0.1

인 0.001-0.1

알루미늄 밸런스(Balance);

(여기서, 규소/마그네슘(Si/Mg)의 비율은 10~25이고, 구리/마그네슘(Cu/Mg)의 비율은 4~15이다);

알루미늄 고체 솔루션에서 Ll₂결정 구조를 가진 Al₃X(X=티타늄, 바나듐, 지르코늄) 화합물 파티클을 포함하는 알루미늄 합금; 및

파티클, 위스커(whiskers), 잘게 잘라진 파이버(chopped fiber) 및 마디없는 파이버(continuous fiber)로 구성된 그룹으로부터 선택된 지오메트리(geometry)를 가지는 이차 필러(filler) 물질을 약 60% 부피까지 함유하는 매트릭스인 알루미늄 합금.
제 11항에 있어서, 상기 이차 충전 물질은 탄화규소(SiC), 산화알루미늄(Al₂O₃), 탄화붕소(B₄C), 질화붕소(Boron Nitride, CN), 탄화티타늄(TiC), 산화이트륨(Y₂O₃), 흑연 및 다이아몬드 파티클로 구성된 그룹으로부터 선택되고, 5%~35%의 부피 분획(volume fraction)으로 존재하는 것을 특징으로 하는 MMC.
다음과 같은 중량퍼센트의 조성을 함유하는 알루미늄 합금:

규소 6.0-25.0

구리 5.0-8.0

철 0.05-1.2

마그네슘 0.5-1.5

니켈 0.05-0.9

망간 0.05-1.2

티타늄 0.05-1.2

지르코늄 0.05-1.2

바나듐 0.05-1.2

아연 0.05-0.9

스트론튬 0.001-0.1

인 0.001-0.1

알루미늄 밸런스(Balance)

(여기서, 규소/마그네슘의 비율은 10~25이고, 구리/마그네슘의 비율은 4~15이다).
제13항에 있어서, Ll₂결정 구조 및 알루미늄 매트릭스 격자와 부착하는 격자 파라미터를 가지는 Al₃X 화합물 파티클 세 종류(X=티타늄, 바나듐, 지르코늄)의 동시적인 분산을 함유하는 알루미늄 고체 솔루션 매트릭스를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.