KR20060130762A

KR20060130762A - 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 상기 합금을 이용한 슬라이딩 부재

Info

Publication number: KR20060130762A
Application number: KR1020067021704A
Authority: KR
Inventors: 마사히코 시오다; 산지 키타오카; 유키오 쿠라마스
Original assignee: 니폰 라이트 메탈 컴퍼니 리미티드
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2005-03-23
Publication date: 2006-12-19
Also published as: US20070068604A1; JP2005272869A; EP1762631A1; JP4341438B2; EP1762631A4; US7695577B2; WO2005090625A1

Abstract

본 발명은 내마모성이 우수하고, 또한 상대측재의 마모를 저감할 수 있는 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명은, Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및, 상기의 조성을 가지고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지며, 입자직경 20㎛이상의 초정 Si이 20개/mm²이하인 내마모성이 우수한 알루미늄 합금제 슬라이딩 부재를 특징으로 한다. 상기 합금은 B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량% 중의 1 종 또는 2 종을 함유하여도 좋다.

Description

내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 상기 합금을 이용한 슬라이딩 부재{ALUMINUM ALLOY EXCELLENT IN WEAR RESISTANCE AND SLIDING MEMBER USING THE SAME}

본 발명은, 내모마성이 뛰어난 알루미늄 합금 및 상기 합금을 이용한 슬라이딩 부재에 관한 것으로서, 특히 컴프레서 부품(compressor parts)이나 오일 펌프 커버(oil pump covers) 등과 같은 마찰환경 하에서 사용가능한, 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 및 당해 알루미늄 합금의 슬라이딩 부재(sliding member)에 관한 것이다.

근래, 에너지 절약의 관점에서 차량의 경량화가 강하게 요구되고 있으며, 이 요구에 부응하기 위해 차량용의 컴프레서 부품이나 오일 펌프 커버에 A390으로 대표되는 주조용 알루미늄 합금이 사용되는 일이 있다. 이 알루미늄 합금은, 내마모성(wear resistance)이 우수하기 때문에, 엔진 그외의 내마모 부품(wear-resistant parts) 등으로서 널리 사용되고 있다.

A390계의 알루미늄 합금은 Si:16.0 ~ 18.0질량%, Cu:4.0 ~ 5.0질량%, Mg:0.45 ~ 0.65질량%, Fe:0.5질량% 미만, Mn:0.1질량% 미만, Ti:0.20질량% 미만의 조성을 가지며, 필요로 하는 내마모성을 확보하기 위해 다량의 Si이 첨가되어 있는 점이 특징이다.

그러나, Si 함유량의 증가에 따라서 알루미늄 합금의 액상천이온도(the liquidus temperature)가 높아지기 때문에, 통상의 합금보다도 상당히 높은 온도에서 용해, 주조하는 것이 필요로 된다. 그 결과, 라이닝 내화물(lining refractory material)로서 고가인 것이 요구되는 것은 물론, 로의 수명(furnace durability) 저하, 연료 소비량의 증가, 다이캐스트 금형 등의 수명 저하 등 여러 가지의 불이익이 생긴다. 또한, 초정 Si(primary crystal Si)의 분포가 불균일하게 되어, 보이드(voids) 등의 주조결함이 발생하기 쉽게 되는 문제도 있다.

또, 상기의 합금과 동일한 용도로, 다이캐스트(die-cast) 합금 JIS ADC14와 같은 내마모성, 내연성(burn resistance)이 우수한 과공정(hyper-eutectic) Al-Si계 합금도 이용되고 있다. 게다가, 본 출원의 출원인도 내마모성 합금으로서 일본 특개평5-78770호, 특개평7-252567호 공보에 개시된 알루미늄 합금을 개발하여, 각각 일본 특허 제2709663호 및 특허 제2709663호가 부여되어 있다.

[특허 문헌 1] : 일본 특개평 5-78770호 공보

[특허 문헌 2] : 일본 특개평 7-252567호 공보

상기의 특허는 Si: 14.0 ~ 16.0중량%, Cu: 2.0 ~ 5.0중량%, Mg: 0.1 ~ 1.0중량%, Mn: 0.3 ~ 0.8중량%, Cr:0.1 ~ 0.3중량%, Ti: 0.05 ~ 0.20중량%, P:0.003 ~ 0.02중량%, Fe: 1.5중량% 이하를 함유하며, Ca 함유량이 0.005중량% 미만으로 규제되며, 또한 평균 입자 직경 10 ~ 50㎛ 의 초정 Si이 균일하게 분산한 조직을 가지고 있는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 주조 합금, 및 Si: 14.0 ~ 16.0중량%, Cu: 2.0 ~ 5.0중량%, Mg: 0.1 ~ 1.0중량%, Mn: 0.3 ~ 0.8중량%, Cr:0.1 ~ 0.3중량%, Ti: 0.01 ~ 0.20중량%, P:0.003 ~ 0.02중량% 및, Fe: 1.5중량% 이하를 함유하며, Ca 함유량이 0.005중량% 이하로 규제되고, 또한 초정 Si 및 Al-Si-Fe-Mn-Cr계 금속간 화합물이 모두 입자 직경 5 ~ 30㎛의 정출물(晶出物)로서 분산해 있는 조직을 가지는 내마모성이 우수한 알루미늄 주조 합금이다.

상술한 Al 합금은, 모두 경질(hard) 초정 Si가 분산되어 있기 때문에 내마모성이 우수한 합금이지만, 이들 과공정 Al-Si계 합금은, 슬라이딩 상대측재(counterpart)가 너무 부드러우면, 분산하여 있는 초정 Si이 상대측재를 마모시켜버리는 일이 있으며, 그와 같은 경우는 슬라이딩 상대측재의 표면을 초정 Si 보다 딱딱하게 할 필요가 있었다.

마찬가지로 과공정 Al-Si계 합금의 부드러운 α상(相)의 부분에 마모 분(粉)이 매몰하여, 그것이 상대측재를 마모시켜 버리는 일이 있으며, 그 경우도 슬라이딩 상대측재를 딱딱하게 하여 사용할 필요가 있었다. 또한, 조건에 따라서는, 가공시의 공구의 마모량이 많아져, 공구의 수명이 짧아지는 문제가 있었다.

그래서, 본 발명은 내마모성이 우수하고, 또한 상대측재의 마모를 저감할 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 내마모성이 우수한 알루미늄 합금은 Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 당해 합금은, 또한, B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량% 중의 1 종 또는 2 종을 함유하여도 좋다.

본 발명은 또한, Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지며, 입자직경 20㎛이상의 초정 Si이 20개/mm² 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금제의 슬라이딩 부재를 제공한다. 당해 알루미늄 합금제 슬라이딩 부재는, 또한, B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량% 중의 1 종 또는 2 종을 함유하여도 좋다.

본 발명의 알루미늄 합금은, 내마모성이 우수하고, 또한 상대측재의 마모를 저감시킬 수 있다. 또, 당해 알루미늄 합금제의 알루미늄 슬라이딩 부재는 상기 동일한 효과를 가진다.

본 발명의 발명자는, 알루미늄 합금에 관한 조사 및 실험을 거듭한 결과, 특히 입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si이 슬라이딩 상대측재를 마모시키고, 공구의 손모(損耗)를 증대시키고 있는 것을 발견하였다. 게다가 연구를 진행한 바, 입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si의 수를 20개/mm² 이하로 규제함으로써, 슬라이딩 상대측재의 마모나 공구의 손모를 충분하게 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 또한, 초정 Si과는 정출 개시 온도가 다른 금속간 화합물을 선택하면, 정출물이 균일하게 분산하고, 미세하게 분산한 정출물이 부드러운 α상을 미세하게 분단(分斷)하여, 내마모성의 향상에 바람직하지 않은 거칠기가 큰(bulky) α상의 발생을 방지하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.

본 발명은 상기의 기술적 발견에 근거하여 합금설계로서 완성한 것으로서, 슬라이딩면에 분산하는 Si을 종래의 과공정 Al-Si계 합금보다 크기를 작게 하는 동시에, 부드러운 α상을 미세하게 한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

연구를 더욱 거듭한 결과, 알루미늄 합금의 조성을, Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분을 Al 및 불가피적인 불순물로 하는 것으로 상술한 특성을 가지는 알루미늄 합금이 얻어진다는 것을 발견하였다.

이하에서, 각 조성의 작용을 구체적으로 기재한다.

(Si:12.0 ~ 14.0 질량%)

Si은, 알루미늄 합금의 내마모성을 향상시키는 원소이다. Si의 양이 12.0질량% 미만에서는 초정 Si이 적으며, 내마모성이 불충분하고, 14.0질량%를 초과하면 거칠기가 큰(coarse) 초정 Si이 많게 분산하게 되어, 그것이 상대측 슬라이딩 부재를 과도하게 마모시킨다. 또한, 이 조대화(coarsening)에 따라서 초정 Si의 분포가 불균일하게 되며, α상을 미세하게 분단할 수 없어, 부드러운 α상도 거칠기가 커져 내마모성이 저하하여 버리므로 바람직하지 않다. 또한, 초정 Si의 양이, 14.0질량%를 초과하면, 초정 Si의 정출 개시 온도(crystallization initiation temperature)와 이후에 설명하는 금속간 화합물의 정출 개시 온도가 근접하게 되기 때문에, 이들의 경질층(hard layers)이 동일한 위치로 정출하여, 그 결과 경질층이 균일하게 분산하지 않으며, α상도 거칠기가 커지므로 바람직하지 않다. 또, Si에는 기계적 강도(mechanical strength), 주조성(casting ability), 방진성(vibration prevention), 저열팽창성(low-temperature expansion)을 향상시키는 작용도 있다.

(Cu: 2.0 ~ 5.0질량%)

Cu는 알루미늄 합금의 매트릭스(matrix)를 강화하는 작용을 가지며, 이것에 의해 내마모성이 향상한다. 이 작용을 얻기 위해서는 2.0질량% 이상의 Cu를 함유시키는 것이 필요하지만, Cu의 함유량이 5.0질량%를 초과하면, 보이드(voids)의 발생이 많아져, 내식성도 저하하므로 바람직하지 않다.

(Mg: 0.1 ~ 1.0질량%)

Mg은 알루미늄 합금의 내마모성, 강도를 상승시키기 위해 유용한 합금 원소이다. Mg을 0.1질량% 이상 첨가하는 것으로 상기의 효과가 얻어지지만, 1.0질량%를 초과하면 거칠기가 큰 화합물이 형성되어, 인성(toughness)이 저하하므로 바람직하지 않다.

(Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr: 0.10 ~ 0.5질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%)

Mn, Cr, Fe은, Al-Si-Fe-Mn-Cr계 금속간 화합물로서 분산하고, 경질상(硬質相)으로서 내마모성을 향상시킨다. 또한, 이 금속간 화합물의 정출 온도는 초정 Si의 정출 온도와 떨어져 있으므로, 조직중에 미세하고 균일하게 분산한다. 미세하고 균일하게 분산하는 것으로, 부드러운 α상을 미세하게 분단하여 조대화를 방지하는 효과가 있다. 게다가 당해 화합물은 초정 Si정도로 딱딱하지는 않으므로, 슬라이딩 상대측재의 마모를 저감할 수 있다.

그러나, Mn, Cr, Fe의 양이 상기의 범위를 초과하면 주조성의 저하가 발견된다. 동시에 금속간 화합물이 조대화하고, 인성(靭性)이 저하한다. 한편, 상기의 범위보다도 적은 경우는 내마모성의 향상이 불충분하다. 또한, Fe, Mn은 합금 용탕(alloy melt)이 금형에 대하여 눌러 붙는 것(burning)을 방지하는 효과가 있다.

(Ti: 0.05 ~ 0.20질량%)

Ti은 알루미늄 합금의 결정입자를 미세화하는 원소이며, 기계적 성질을 향상시키는 효과를 가진다. 당해 효과는, Ti이 0.05질량%를 초과하면 명확하게 되지만, 0.20질량%를 초과하면 역으로 기계적 성질의 저하가 발생한다.

(P: 0.003 ~ 0.02질량%)

P은 초정 Si의 핵(核)으로 되며, 초정을 미세하고 균일하게 분산시키는데 기여한다. 이 효과는 P을 0.003질량% 이상 첨가하는 것으로 얻어지지만, P이 0.02질량%를 초과하면 용탕의 유동성, 주조성이 저하하므로 바람직하지 않다.

(Ca: 0.005질량% 미만)

Ca을 0.005질량% 이상 포함하면, 주조시에 내부 보이드가 커져, 주조성이 저하한다. 또, P에 의한 초정 Si 미세화 효과가 저해된다.

(B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량%)

임의 성분으로서 첨가되는 B 및 Ni은, 알루미늄 합금의 기계적 성질을 보다 한층 향상시키는 작용을 가진다. 특히, B와 Ti는 모두 결정입자를 미세화하여 강도 및 인성의 향상에 기여한다. 이와 같은 효과는, B가 0.0001질량% 이상 포함됨으로써 명확하게 되지만, B가 0.01질량%를 초과하면 인성의 저하를 발생시킨다. Ni은 고온 강도를 향상시키지만, 3.0질량%를 초과하면 거칠기가 큰 화합물을 형성하여 늘림성(ductility)의 저하를 발생시킨다.

(입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si의 수를 20개/mm² 이하로 규제한다)

집계(集計) 20㎛ 이상의 초정 Si의 수가 20개/mm² 보다 많으면, 공구나 슬라이딩 상대측재를 마모시키는 경향이 생긴다. 또한, 다이캐스트법(die-casting process)과 같이 고속으로 주조하는 것이, 초정 Si을 미세하고 균일하게 분산시키는데 적합하다.

실시예

표 1에 나타내는 실시예 1 ~ 3, 비교예 1 ~ 5의 성분 조성의 합금 잉곳(alloy ingot)을 용해 후, 실시예 1 ~ 3과 비교예 1, 4, 5는 720℃(첨가한 P의 응집을 방지하기 위해 고온으로), 비교예 2, 3은 680℃에서, 금형 클램핑력(clamping force) 약 3.5 x 10⁶ N의 다이캐스트 머신으로 다이캐스트하고, 두께 12mm의 판재를 얻었다.

알루미늄 합금의 화학 조성 (질량%)
성 분		Si	Cu	Mg	Mn	Cr	Ti	Fe	P	Ni	B	Al
실시예	1	13.7	2.9	0.8	1.1	0.20	0.11	0.8	0.0075	-	-	나머지
	2	12.6	3.0	0.8	1.2	0.20	0.12	0.9	0.0060	0.4	-	나머지
	3	13.7	2.5	0.6	0.9	0.30	0.11	0.8	0.0075	-	0.002	나머지
비교예	1	18.0	3.0	0.6	0.8	0.30	0.06	0.5	0.0080	-	0	나머지
	2	10.5	3.2	0.3	0.4	-	0.01	0.8	-	-	0	나머지
	3	13.7	2.9	0.8	1.4	0.20	0.10	0.8	0.0010	-	0	나머지
	4	13.4	2.9	0.7	0.4	0.20	0.10	0.3	0.0075	-	0	나머지
	5	12.6	3.0	0.8	0.8	0.05	0.10	0.1	0.0075	-	0	나머지

다음으로, 각 다이캐스트재로부터 35 x 35 x 6 mm의 마모시험편을 절단해내었다. 어느 시험편도 주조표면(casting surface)으로부터 1.5mm의 면이 마모시험면이 되도록 가공하였다.

표 2에는, 각 시험편의 마모시험면에서의 초정 Si의 평균 입자 직경, 입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si의 개수를 나타내었다. 입자 직경은 배율 1000배로 관찰한 광학 현미경 사진(optical microscope photographs)을 이용하여 화상 해석 장치(an image analysis device)에 의해 측정하였다.

성 분		초정 Si의 평균 입자 직경(㎛)	입자 직경 20㎛이상의 초정 Si의 개수(개/mm²)
실시예	1	6.1	12
	2	5.8	0
	3	6	7
비교예	1	9.7	112
	2	초정 Si 없음	0
	3	6.4	62
	4	7.1	34
	5	6.9	26

(마모시험)

상기의 수순으로 얻어진 마모시험편을 이용하여, 링온플레이트형(ring-on-plate type)의 마모시험기에 의해, 마모시험을 행하였다. 그때의 조건을 표 3에, 그결과를 표 4에 나타낸다.

주변 속도	4.0 m/s
접촉 면압	22 MPa
윤활유	SAE 7.5W-30 (평균입경 0.8 ㎛의 알루미나 입자를 1체적% 함유함)
윤활유 온도	80 ℃
알루미늄 합금 시험편 형상	35 x 35 x 6 mm
알루미늄 합금 시험편 표면 거칠기	Ra 2.5
상대측재	S45C의 크롬 도금재
상대측재 형상	외부지름φ 내부지름φ 높이	25.6 mm 20.0 mm 25.0 mm
상대측재 표면 거칠기	Ra 0.8
시험 시간	40 시간

성분		알루미늄 합금의 마모량(㎛)	Cr 도금의 마모량(㎛)
실시예	1	7	3.0
	2	9	2.4
	3	5	3.4
비교예	1	5	18.0
	2	121	6.4
	3	22	13.1
	4	45	7.8
	5	57	5.1

표 4에 나타내는 결과로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 기초하는 알루미늄 합금인 실시예 1 ~ 3은, 비교예 1 ~ 5와 비교하면, 알루미늄 합금 자체의 마모량과 상대측재의 마모량이 모두 저감되어 있음을 알 수 있다.

이것에 대하여, 입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si을 많이 포함하는 비교예 1과 3은(비교예 1은 Si 양이 많기 때문에 초정 Si이 많으며, 비교예 3은 P의 첨가량이 적고 Mn의 양이 많기 때문에 초정 Si이 많음) 상대측재의 마모량이 크다. 또한, 비교예 2는, 초정 Si을 가지고 있지 않기 때문에, 알루미늄 합금의 마모량이 많다. 게다가, 비교예 4, 5에 대해서는 Al-Si-Fe-Mn-Cr계 화합물로서 소비되는 Si의 양이 적고, 초정 Si으로 되는 Si이 증가하기 때문에 입자 직경 20㎛ 이상의 초정 Si을 많이 포함하지만, 경질상(hard phase) 전체의 양은 본 발명 합금보다 적으며, 분산 상태도 균일하지 않으므로, 알루미늄 합금의 마모량 및 상대측재의 마모량이 모두 본 발명의 경우보다 크다.

본 발명은 내마모성이 우수하고, 또한 상대측재의 마모를 저감할 수 있는 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.

Claims

Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금.
Si: 12.0 ~ 14.0질량%, Cu: 2.0 ~ 5.0질량%, Mg: 0.1 ~ 1.0질량%, Mn: 0.8 ~ 1.3질량%, Cr:0.10 ~ 0.5질량%, Ti: 0.05 ~ 0.20질량%, Fe: 0.5 ~ 1.3질량%, P:0.003 ~ 0.02질량%를 함유하는 동시에, Ca 함유량을 0.005질량% 미만으로 규제하고, 나머지 부분이 Al 및 불가피적인 불순물로 이루어지며, 입자직경 20㎛이상의 초정 Si이 20개/mm² 이하인 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금제 슬라이딩 부재.
제1항에 있어서,

B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량% 중의 1 종 또는 2 종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금.
제2항에 있어서,

B: 0.0001 ~ 0.01질량% 및 Ni: 0.3 ~ 3.0질량% 중의 1 종 또는 2 종을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 내마모성이 우수한 알루미늄 합금제 슬라이딩 부재.