KR20050122485A - 고연성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주조용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 고강도, 고연성 알루미늄 합금에 비하여 그 제조 단가가 매우 저렴하고, 일반적으로 사용되고 있는 주조용 합금에 비하여 연성이 3배 정도 우수한 새로운 합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 알루미늄을 기지로 하고 합금성분을 중량%로 하여 보강재 원소를 Cu : 0.1~0.2%, Fe : 0.1%이하, Ti : 0.1~0.15%, Be : 0.04~0.08%, Sr : 0.03-0.06%의 성분으로 첨가하고, 특히 규소를 2.0~3.0% 그리고 마그네슘을 0.08~0.12% 함유한 고연성 주조용 알루미늄 합금을 제공한다.

Description

고연성 주조용 알루미늄 합금 및 그 제조방법{Aluminium alloy with high elongation for casting and manufacturing method thereof}

본 발명은 주조용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 고강도, 고연성 알루미늄 합금에 비하여 그 제조 단가가 매우 저렴하고, 일반적으로 사용되고 있는 주조용 합금에 비하여 연성이 3배정도 우수한 새로운 합금과 그 제조방법에 관한 것이다.

주조용 알루미늄합금은 각종 수송기기와 산업기계부품과 항공우주 부품 및 방산부품에 이르기까지 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다. 특히 자동차 산업의 경우 자동차의 경량화로 인한 연비향상을 기대할 수 있기 때문에 엔진부품을 중심으로 주철대체 경량소재로 많이 사용되어 오고 있다.

종래에는 복잡한 형상을 제조하는 목적으로 주조용 알루미늄 합금을 주로 사용하여 왔기 때문에 합금의 높은 주조성이 주로 요구되어 왔었다.

그러나 최근 들어 자동차 경량화를 위하여 엔진의 각종 부품은 물론 차체에까지 알루미늄 합금을 적용하고자 함에 따라 기존의 주조용 알루미늄 합금보다 우수하고 다양한 기계적 특성을 가지는 새로운 합금과 그 제조방법이 절실하게 요구되고 있다.

최근 자동차 차체의 경량화로 인해 자동차의 연비향상을 통한 에너지 절감노력이 활발한 가운데, 하이브리드 및 수소 자동차 등 차세대 자동차의 경우 차체를 기존 철강재에서 무게가 3분의 1정도에 지나지 않은 경량의 알루미늄 합금으로 개발 대체하는 것이 세계적인 추세이다. 차체용 알루미늄합금은 이미 개발된 압출 형재나 압연 판재 등의 연신재(Wrought material)가 사용되는데 이들 부품들이 연결, 조립되는 자동차 코너부위는 형상이 매우 복잡하여 압연재나 압출재로는 불가능하여 사형주조 공정에 의한 주조품으로만 제작할 수밖에 없는 실정이다. 자동차 부품소재로서 고연성의 합금 재료가 사용되지 않으면 차량이 충돌시 찌그러지거나 휘어지지 않고 절단이 되면 대형 사고를 초래하므로 10%이상의 고연성의 알루미늄 주조합금에 의한 부품 제조개발이 필수적이나 기존 알루미늄 주조합금은 연신율이 4% 정도밖에 되지 않아 이에 대한 연구개발이 시급한 실정이다.

일반적으로 주조용 알루미늄 합금은 대부분 알루미늄(Al)-규소(Si)-마그네슘(Mg)의 조성을 기본으로 하고 있는데, 합금원소로 첨가된 규소와 마그네슘은 주조 후 열처리하게 되면 Mg₂Si의 석출상을 형성하게 되어 합금에 우수한 강도를 부여하게 된다.

그러나 규소를 많이 첨가하게 되면, 경도가 높고 취약한 규소의 성질 때문에 합금의 강도는 어느 정도 높일 수 있지만 연신율은 오히려 저하시키는 결과를 가져오게 된다.

기존의 상용 알루미늄 합금 중 주조용으로 가장 널리 사용되고 있는 합금은 A356 합금으로서 그 대표적인 화학적 조성은 규소(Si)를 6.5~7.5중량%, 마그네슘(Mg)을 0.25~0.45 중량% 그리고 소량의 다른 원소들을 함유하고 있다.

이 합금은 대표적인 알루미늄-규소계 합금으로서 응고잠열이 높은 규소로 인하여 그 주조성이 우수한 합금이다. 이 합금을 인공시효처리하게 되면 Mg₂Si상이 석출되어 합금의 주강화상으로 존재하기 때문에 강도가 우수하고 주조성이 우수하여 지금까지 주조용 알루미늄 합금으로 가장 많이 사용되어 왔다. 그러나 액상에서 고상으로 응고할 때 정출하게 되는 공정 규소상은 경도가 매우 높으며, 판상의 형상을 하고 있기 때문에 연성이 좋지 않은 단점이 있는데, 이것을 해소하기 위해 나트륨(Na)이나 스트론튬(Sr)으로 판상의 공정 실리콘을 개량처리를 하지만 통상 개량처리할 때 개량처리의 효과보다 산화물이 혼입되어 오히려 강도 및 연성에 악영향이 되는 경우가 많았다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 기존의 주조용 합금을 사용하여 여러 용탕처리를 통한 연신율의 향상에 한계가 있다고 판단하여 본 발명자들의 각고의 노력 끝에 창안된 것으로서, 본 발명에서는 기존의 주조용 알루미늄 합금으로 가장 널리 사용되고 있는 알루미늄-규소계 주조용 알루미늄 합금인 A356 합금의 화학조성을 바탕으로 규소와 마그네슘의 함유량을 적절하게 조절하여 주조성이 우수하면서 기존 알루미늄 주조합금보다 3배나 우수한 고연성을 갖는 합금을 제공하고, 또한 최적의 열처리 조건을 도출하여 고연성 주조용 알루미늄 합금을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 알루미늄을 기지로 하고 합금성분을 중량%로 하여 보강재 원소를 Cu : 0.1~0.2%, Fe : 0.1%이하, Ti : 0.1~0.15%, Be : 0.04~0.08%, Sr : 0.03-0.06%의 성분으로 첨가하고, 특히 규소를 2.0~3.0% 그리고 마그네슘을 0.08~0.12% 함유한 고연성 주조용 알루미늄 합금을 제공한다(청구항 1).

본 발명 합금의 제조를 위하여 알루미늄을 기지로 하고 합금성분을 중량%로 하여 보강재 원소를 Cu : 0.1~0.2%, Fe : 0.1%이하, Ti : 0.1~0.15%, Be : 0.04~0.08%, Sr : 0.03-0.06%의 성분으로 첨가하고, 특히 규소를 2.0~3.0% 그리고 마그네슘을 0.08~0.12% 함유한 주조용 알루미늄 합금의 용탕을 제조하여 사형에 주입하여 주조한 다음, 제조된 합금을 520~540℃에서 10시간 이상 유지한 후 수냉하여 용체화 처리를 하고 160℃에서 8~10시간동안 시효처리하여 고연성 주조용 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다(청구항 2).

또한, 이 때 정해진 중량비로 알루미늄 합금 용탕을 제조한 후 720~730℃에서 아르곤 가스 버블링을 통한 탈가스 처리를 하여 용탕 중 수소가스와 불순물을 제거한 다음 예열된 사형에 주입하는 고연성 주조용 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다(청구항 3).

이하에서 본 발명에 대하여 합금원소의 영향과 범위의 한정 그리고 열처리 시간 및 온도의 설정에 대하여 자세하게 설명하면 다음과 같다.

규소(Si)는 응고잠열이 높으며 규소 고유의 경도가 매우 높기 때문에 주조용 알루미늄 합금으로 가장 널리 사용되는 합금원소로써 그 첨가량이 중량비 12.6%이하에서 공정 규소조직을 나타내게 되며 그 첨가량의 결정에 있어서 주조성 및 강도의 측면과 연신율의 측면을 고려해야 되며, 본 발명에서는 주조성을 유지하면서 연신율을 극대화할 수 있도록 2.0~3.0중량%로 하였다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금원소로 첨가되면 내식성과 기계적 성질의 향상을 가져오게 되는 장점을 가지지만 0.12중량%이상 너무 많이 첨가하게 되면 용탕의 유동성을 해치게 되어 주조성이 나빠지게 되고 인성과 신율의 저하를 가져올 우려가 있고, 0.08중량% 이하에서는 첨가의 효과가 나타나지 않는다. 따라서 본 발명에서는 강도와 합금의 주조성 등을 감안하여 그 첨가량을 0.08~0.12중량%로 하였다.

구리(Cu)는 기지의 0.1% 이상에서는 강도와 고온강도를 향상시키고 절삭가공성을 향상시키는 원소이지만, 0.2% 이상 너무 많이 첨가하게 되면 연성과 내식성을 악화시키므로, 본 발명에서는 연신율 향상을 위하여 첨가범위를 0.1~0.2중량%로 하였다.

철(Fe)은 다이캐스팅 시 다이의 소착을 방지하기 위해 소량 첨가되는 경우가 있긴 하지만 그 외의 합금에서는 연성과 인성을 저하시키고 금속간화합물을 형성하여 매우 취약한 성질을 유발할 수 있으므로 가능한 그 첨가를 억제하여야 하는 것이 바람직하여 본 발명에서는 철의 첨가량을 0.1%중량 이하로 억제하였다.

티타늄(Ti)은 주조용 알루미늄 합금에서 합금의 응고시 초정 알루미늄의 결정립을 미세화하는 역할을 하는 원소로서 이는 TiAl₃의 화합물을 형성하여 합금의 응고시 초정 알루미늄의 핵생성 자리로 작용하여 결정을 미세화 시킴으로써 재료의 강도를 향상시키는 동시에 연성을 향상시키는 원소이다. 그러나 0.2 중량% 이상 그 첨가량이 과다할 경우 오히려 결정립을 조대하게 형성하여 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치게 되므로 본 발명에서는 0.1~0.15중량%로 한정하였다.

베릴륨(Be)은 알루미늄 합금에서 강도향상을 목적으로 석출물 생성을 위해 첨가되는 Mg의 산화를 방지하고 개재물을 제어하기 위해 소량을 첨가하는데 베릴륨(Be) 원소는 매우 고가이므로 소량만 첨가하여도 그 역할을 발휘할 수가 있으므로 0.04~0.08중량%로 하였다.

스트론튬(Sr)은 알루미늄합금에서 0.03중량%이하에서는 그 첨가효과가 나타나지 아니하고, 0.03~0.06중량% 첨가하면 조대한 판상의 초정 Si을 미세하고 입상으로 균일하게 분포시켜 주조합금의 취약한 연성을 향상시키게 된다.

이상에서 본 발명의 합금의 조성을 살펴보면 상용 주조용 알루미늄 합금으로 널리 사용되고 있는 A356 합금에 비하여 규소와 마그네슘의 함유량이 낮은 것을 알 수 있는데 이는 기존의 주조용 알루미늄 합금에 사용되고 있는 규소와 마그네슘의 함유량을 줄여 강도를 크게 저하시키지 않으면서, 합금의 연신율을 크게 향상시키기 위함이다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

표 1과 같이 본 발명의 조성을 갖는 여러 종의 합금과 비교재를 준비하여전기저항로를 이용하여 730℃∼750℃의 온도를 유지하면서 조성에 맞게 용해하고 아르곤가스 버블링 처리하여 탈가스 처리한 다음 사형주조로써 시험편을 제조하였다. 사형주조로 제조된 시험편을 520~540℃에서 10시간 이상 유지하였다가 수냉하여 용체화 처리하고 160℃에서 9시간동안 유지하는 열처리를 실시하였다.

그 결과, 발명재의 경우는 적절한 인장강도를 유지하면서 연신율이 11.3% 이상되는 우수한 결과가 얻어졌다.

또한, 발명재 1의 화학성분을 가지는 알루미늄합금을 시효온도와 시효시간을 변화시켜 인장특성을 측정하였다.

그 결과는 표 2에 나타나 있으며, 비교재들은 발명재1에 비하여 연신율이 크게 떨어짐을 알 수 있다.

이하, 발명재1의 조직에 대한 결과를 도면으로 나타낸다.

도 1은 본 발명에서 개발한 합금의 미세조직 사진으로서, (a)는 주조상태, (b)는 용체화처리 후 (c)는 시효처리 후의 조직사진이다.

(a)의 주조상태에서 공정상으로 존재하고 있는 규소(Si)의 상을 관찰할 수 있고, (b)의 용체화처리 후 공정상으로 존재하던 규소(Si)가 고용되고, (c) 시효 처리 후 석출된 모습을 보여 주고 있으며 또한 스트론튬(Sr)에 의한 초정규소가 미세하고 균일하게 분산된 것을 관찰할 수 있다.

도 2는 본 발명의 합금의 인장파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진으로서, 미세한 딤플이 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있으며, 시편 전체에 걸쳐 입계파괴 또는 취성파괴의 흔적이 보이지 않으며 주조합금이지만 연성이 우수함을 알 수 있다.

도 3은 본 발명 합금에 대하여 160℃에서 시효처리시간에 따른 경도 변화를 나타내는 그래프도로서, 시험결과 시효처리 시간이 8-10시간일 경우 가장 우수한 경도를 보여주고 있다.

고연성 주조용 알루미늄 합금을 개발하고 합금이 가장 높은 연신율을 가질 수 있는 열처리 조건을 제시하여 고연성의 새로운 합금을 개발함으로써 본 발명은 다음과 같은 장점을 가지게 된다.

1) 자동차 차체를 기존의 철강재에서 알루미늄합금으로 대체할 경우 동급 차종의 무게를 약 40% 이상의 중량감소 효과가 발생하며 이에 따른 자동차의 연비향상과 순발성을 크게 향상 기대할 수 있으며 향후 차세대 하이브리드 자동차 개발에 직접적으로 활용 가능하다. 실제로 국내 연구기관에서 자동차 차체를 기존 철강재에서 알루미늄합금으로 대체하는 연구에 본 발명 알루미늄 주조합금을 적용하여 차체 충돌시험하였는데 전혀 문제없이 매우 만족하는 결과를 얻었다.

2) 고연성의 알루미늄 합금개발로 인하여 주로 사용되던 하우징 종류에서 각종 구조용 부품으로 그리고 자동차뿐만 아니라 기타 수송기기로의 적용이 확대된다

3) 개발한 합금을 이용할 경우 고연성을 요구하면서 복잡한 형상의 제품을 주조공정으로 제조하는 것이 가능해 지기 때문에 복잡한 단조공정 및 기계가공 공정이 생략되므로 제품 원가 절감에 크게 기여 할 수 있다.

4) 자동차는 물론 다양한 수송기기의 몸체부품에 적용을 확대하여 제품의 경량화를 통한 연비를 향상시킬 수 있고, 기존 합금보다 3배나 우수한 11%대의 고연성 알루미늄 주조합금의 부품을 사용함으로써 자동차의 추돌시 취성파괴가 일어나지 않고 연성파괴를 유도함으로써 내부의 승객을 위험으로부터 보호할 수 있다.

도 1은 본 발명에서 개발한 합금의 미세조직 사진,

도 2는 본 발명의 합금의 인장파단면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진,

도 3은 본 발명 합금에 대하여 160℃에서 시효처리시간에 따른 경도 변화를 나타내는 그래프도.

Claims (3)

1. 중량%로 규소(Si) 2.0~3.0%, 마그네슘(Mg) 0.08~0.12%, 구리(Cu) 0.1~0.2%, 철(Fe) 0.1%이하, 티타늄(Ti) 0.1~0.15%, 베릴륨(Be) 0.04~0.08%, 스트론튬(Sr) 0.03-0.06%를 함유하고 잔부는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 고연성 주조용 알루미늄 합금.
2. 중량%로 규소(Si) 2.0~3.0%, 마그네슘(Mg) 0.08~0.12%, 구리(Cu) 0.1~0.2%, 철(Fe) 0.1%이하, 티타늄(Ti) 0.1~0.15%, 베릴륨(Be) 0.04~0.08%, 스트론튬(Sr) 0.03-0.06%를 함유하고 잔부는 알루미늄(Al)으로 이루어지는 용탕을 사형에 주입하여 주조한 다음, 합금소재를 520~540℃에서 10시간 이상 유지한 후 수냉하여 용체화처리하고, 160℃에서 8~10시간동안 시효처리하는 고연성 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 주입은 알루미늄 합금 용탕을 740~760℃에서 아르곤 가스 버블링으로 6-10분동안 탈가스 처리를 하여 용탕 중 수소가스와 불순물을 제거한 다음 예열된 사형에 주입하는 고연성 주조용 알루미늄 합금의 제조방법.