KR20070022610A - 고온 알루미늄합금 - Google Patents

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    • C22F1/05Changing 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 of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions

Abstract

본 발명은 열응력과 기계적인 응력을 받는 주조물의 제조를 위한 것으로 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는 AlMgSi 형태의 알루미늄합금에 관한 것이다. 카티전 좌표계에서 % w/w의 합금원소 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [8.5; 2.7] [8.5; 4.7] [6.3; 2.7] [6.3; 3.4]의 다각형 A로 한정되고, 합금이 0.1~1% w.w의 마그네슘, 최대 1% w.w의 철, 최대 3% w.w의 구리, 최대 2% w.w의 니켈, 최대 0.5% w.w의 크롬, 최대 0.6% w.w의 코발트, 최대 0.2% w.w의 아연, 최대 0.2% w.w의 티타늄, 최대 0.5% w.w의 지르코늄, 최대 0.008% w.w의 베릴륨, 최대 0.5% w.w의 바나듐과, 나머지는 알루미늄과 각각으로는 최대 0.05% w.w 그리고 전체적으로는 최대 0.2% w.w 의 다른 원소 및 제조관련 불순물로 구성된다. 이러한 합금은 가압다이캐스트법에 의한 실린더 크랭크케이스의 제조에 특히 적합하다.
알루미늄합금, 압력주조

Description

고온 알루미늄합금 {HIGH TEMPERATURE ALUMINIUM ALLOY}
도 1은 합금원소 Mg와 Si의 함량범위를 보인 다이아그램.
본 발명은 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는 AlMgSi 형태의 알루미늄합금에 관한 것으로, 높은 열응력과 기계적인 응력을 받는 주조물의 제조를 위한 고온 알루미늄합금에 관한 것이다.
디젤연료의 개선된 연소가 이루어지고 높은 비출력을 얻기 위한 디젤엔진의 계속된 개발은 특히 보다 높은 폭발압력이 이루어지도록 하여 실린더 크랭크케이스에 작용하는 맥동성의 기계적인 부하가 높도록 하는 바, 이러한 크랭크케이스를 구성하는 재료의 요구가 매우 커지도록 한다. 높은 피로강도는 별문제로 하더라도, 재료의 고온에서 양호한 내구강도는 실린더 크랭크케이스의 제조에 이용하기 위하여서는 다른 전제조건이 된다.
AlSi 합금은 오늘날 일반적으로 큰 열응력을 받는 구성요소용으로 사용되며, 이러한 고온강도는 합금에 Cu를 첨가함으로서 얻을 수 있다. 그러나, 구리는 적열취성(赤熱脆性; hot shortness)을 증가시키고 가주성(可鑄性)에 좋지 않은 효과를 준다. 특히 고온강도가 요구되는 분야는 주로 자동차 엔진의 실린더 헤드의 영역이다. 예를 들어 F.J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen fur Zylinderkopfe" [Optimization of Aluminium-Silicon Casting alloys for Cylinder Heads], Giesserei-Praxis, 1999, Volume 2, pp.50-57 를 참조바란다.
실린더 헤드의 제조를 위한 고온 AlMgSi 합금이 특허문헌 US-A-3 868 250으로부터 알려져 있다. 이러한 합금은 통상적인 첨가물 이외에 0.6~4.5% w/w의 Si, 1~4.5% w/w 가 유리 Mg인 2.5~11% w/w의 Mg 와, 0.6~1.8% w/w의 Mn 을 함유한다.
특허문헌 WO-A-96 15281에는 3.0~6.0% w/w의 Mg, 1.4~3.5% w/w의 Si, 0.5~2.0% w/w의 Mn, 최대 0.15% w/w의 Fe, 최대 0.2% w/w의 Ti와, 나머지 알루미늄으로 이루어지고 각각으로는 0.02% w/w 그리고 전체적으로는 0.2% w/w의 불순물을 포함하는 알루미늄합금이 기술되어 있다. 이러한 합금은 기계적인 특성에 대하여 많은 요구가 이루어지는 구성요소의 제조를 위하여 적합한 것이다. 합금의 처리는 압력주조(pressure die casting), 반용융주조(thixocasting) 또는 반용융단조(thixoforging)에 의하여 이루어지는 것이 좋다.
압력주조, 스퀴즈 캐스팅, 반용융성형 또는 반용융단조에 의한 안전구성요소의 제조를 위한 유사한 알루미늄합금이 특허문헌 WO-A-0043560으로부터 알려져 있다. 이 합금은 2.5~7.0% w/w의 Mg, 1.0~3.0% w/w의 Si, 0.3~0.49% w/w의 Mn, 0.1~0.3% w/w의 Cr, 최대 0.15% w/w의 Ti, 최대 0.15% w/w의 Fe, 최대 0.00005% w/w의 Ca, 최대 0.00005% w/w의 Na, 최대 0.002% w/w의 P, 각각 최대 0.02% w/w의 불순물과, 나머지 알루미늄으로 구성된다.
특허문헌 EP-A-1 234 893으로부터 알려진 AlMgSi 형태의 주조합금은 3.0~7.0% w/w의 Mg, 1.7~3.0% w/w의 Si, 0.2~0.48% w/w의 Mn, 0.15~0.35% w/w의 Fe, 최대 0.2% w/w의 Ti, 선택적으로 또한 0.1~0.4% w/w의 Ni와 나머지 알루미늄으로 구성되고 각각으로는 최대 0.02% w/w 와 전체적으로는 최대 0.2% w/w의 제조관련 불순물을 포함하며, 다른 조건으로서 합금내의 마그네슘과 규소의 비율은 고체상 Al과 Mg2Si 를 갖는 준이원계(quasi-binary) 공융혼합물의 조성과 일치하는 1.7:1 의 중량비 비율 Mg:Si 로 본질적으로 존재한다는 것이다. 이러한 합금은 가압다이캐스트, 유동캐스팅 및 반용융캐스팅에 의한 자동차의 안전구성요소의 제조에 적합하다.
본 발명의 목적은 높은 열응력과 기계적인 응력을 받는 주조물의 제조를 위 한 것으로 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는 알루미늄합금을 제공하는데 있다. 이러한 합금은 특히 가압다이캐스트(pressure die casting)에 적합하여야 하고 또한 중력주조, 저압주조 및 샌드캐스팅에도 적합하여야 한다.
본 발명의 일 특정목적은 가압다이캐스트에 의하여 제조되는 내연기관, 특히 디젤엔진의 실린더 크랭크케이스를 위한 알루미늄합금을 제공하는데 있다.
이러한 합금으로 주조되는 구성요소는 높은 강도와 함께 높은 연성을 보여야 한다. 구성요소의 계획된 기계적인 특성은 다음과 같이 정의된다.
내력 Rp0.2 > 170 MPa
인장강도 Rm > 230 MPa
파단신장률 A5 > 6%
합금의 가주성은 현재 사용되고 있는 AlSiCu 주조합금의 가주성에 비견될 수 있어야 하며, 이러한 합금은 적열취성의 어떠한 성향도 보여서는 아니된다.
이러한 목적은 본 발명에 따라서 달성될 수 있는 바, 본 발명은 카티전 좌표계(Cartesian coordinate system)에서 % w/w의 합금원소 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [8.5; 2.7] [8.5; 4.7] [6.3; 2.7] [6.3; 3.4]의 다각형 A로 한정되고, 또한 합금이 0.1~1% w.w의 마그네슘, 최대 1% w.w의 철, 최대 3% w.w의 구리, 최대 2% w.w의 니켈, 최대 0.5% w.w의 크롬, 최대 0.6% w.w의 코발트, 최대 0.2% w.w의 아연, 최대 0.2% w.w의 티타늄, 최대 0.5% w.w의 지르코늄, 최대 0.008% w.w의 베릴륨, 최대 0.5% w.w의 바나듐과, 나머지는 알루미늄과 각각으로는 최대 0.05% w.w 그리고 전체적으로는 최대 0.2% w.w 의 다른 원소 및 제조관련 불순물로 구성됨을 특징으로 한다.
다음의 함량범위는 주요합금원소 Mg와 Si에 대한 것이다.
Mg 6.9~7.9% w.w, 특히 7.1~7.7% w.w
Si 3.0~3.7% w.w, 특히 3.1~3.6% w.w
특히, 카티전 좌표계에서 % w/w로 합금의 원소인 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [7.9; 3.0] [7.9; 3.7] [6.9; 3.0] [6.9; 3.7]의 다각형 B, 특히 [Mg; Si]좌표 [7.7; 3.1] [7.7; 3.6] [7.1; 3.1] [7.1; 3.6]의 다각형 C로 한정되는 합금이 좋다.
합금원소 Mn과 Fe는 몰드에 주조물이 달라붙는 것을 방지한다. 철의 함량이 높으면 신장률이 감소되는 대신에 높은 고온강도를 얻을 수 있다. Mn은 충분히 적열경도에 기여한다. 따라서, 응용분야에 따라 합금원소 Fe와 Mn은 다음과 같이 서로 평형이 유지되는 것이 좋다.
Fe의 함량이 0.4~1% w/w, 특히 0.5~0.7% w/w일 때, Mn의 함량은 0.1~0.5% w/w, 특히 0.3~0.5% w/w으로 설정된다.
Fe의 함량이 최대 0.2% w/w, 특히 최대 0.15% w/w일 때, Mn의 함량은 0.5~1% w/w, 특히 0.5~0.8% w/w으로 설정된다.
다른 합금원소에 대하여서는 다음의 함량범위가 좋다.
Cu 0.2~1.2% w/w, 바람직하기로는 0.3~0.8% w/w, 특히 0.4~0.6% w/w
Ni 0.8~1.2% w/w
Cr 최대 0.2% w/w, 바람직하기로는 최대 0.05% w/w
Co 0.3~0.6% w/w
Ti 0.05~0.15% w/w
Fe 최대 0.15% w/w
Zr 0.1~0.4% w/w
구리는 부가적인 강도의 증가를 가져오나, 함량이 증가하면 합금의 부식특성이 악화된다.
코발트의 첨가는 합금의 이형특성이 더욱 개선될 수 있도록 한다.
티타늄과 지르코늄은 결정립미세화를 개선한다. 양호한 결정립미세화는 주조특성과 기계적인 특성의 개선에 충분히 기여한다.
바나듐과 베릴륨의 조합은 드로스(dross)의 생성을 줄여준다. 0.02~0.15% w/w의 V, 바람직하기로는 0.02~0.05% w/w의 V, 특히 0.02~0.05% w/w의 V를 첨가할 때, Be는 60 ppm이면 충분하다.
본 발명에 따른 알루미늄합금의 바람직한 응용분야는 압력주조, 몰드주조 또는 샌드캐스팅에 의하여 높은 열응력 및 기계적인 응력을 받는 구성요소의 제조, 특히 압력주조로 제조되는 자동차 엔진용 실린더 크랭크케이스의 제조이다.
본 발명에 따른 합금은 또한 별도의 용체화 어닐링 없이 단일단계의 열처리후 자동차 구조의 구조적인 구성요소를 위하여 요구된 기계적인 특성을 만족시킨다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에서 보인 다각형 A는 합금원소 Mg와 Si의 함량범위를 한정하고 있는 바, 다각형 B와 C가 더 좋은 범위이다. 직선 E는 준이원계 공융혼합물 Al-Mg2Si의 조성에 해당한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 합금조성은 마그네슘이 많은 쪽에 놓인다.
본 발명에 따른 합금으로 상이한 벽두께를 갖는 압력주조판을 주조하였다. 가압다이캐스트판으로부터 인장강도 시편을 제작하였다. 내력(Rp0.2), 인장강도(Rm) 및 파단신장률(A)의 기계적인 특성이 다음의 조건으로 인장강도 시편에서 측정되었다.
F 주조상태
Water/F 주조상태로, 이형후 담금질(quenched)
F>24h 주조상태로, 실온에서 >24 시간 저장
Water/F>24 주조상태로, 이형후 담금질, 실온에서 >24 시간 저장
여러 단일단계 열처리후 250℃~380℃ 범위의 온도에서 처리, 이후 150℃~250℃ 범위의 온도에서 장기저장.
검사된 합금이 표 1에 요약되었다. 문자 A는 구리가 첨가된 합금을 나타내고, 문자 B는 구리가 첨가되지 않은 합금을 나타낸다.
표 2는 표 1에서 보인 합금의 인장강도 시편에서 측정된 기계적인 특성의 결과를 보이고 있다.
표 1과 2에 포함되지 않은 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는 합금은 다음의 조성을 보였다(% w/w).
3.4 Si, 0.6 Fe, 0.42 Cu, 0.32 Mn, 7.4 Mg. 0.07 Ti, 0.9 Ni, 0.024 V 및 0.004 Be
장기시험결과는 본 발명에 따른 합금이 고온에서 양호한 크리프강도를 보였다. 90분 동안 350℃와 380℃에서 단일단계 열처리후의 기계적인 특성은 본 발명에 따른 합금이 자동차 구조의 구조적인 구성요소를 위한 요구를 만족시키는 것으로 보인다.
표 1: 합금의 화학조성 % w/w
합금의 형태 평면상 시편의 벽두께 Si Fe Cu Mn Mg Ti V Be
1 3mm 3.469 0.1138 0.787 7.396 0.106 0.0221 0.0025
1A 3mm 3.4 0.117 0.527 0.781 7.151 0.119 0.0223 0.0019
2 2mm 3.366 0.0936 0.774 7.246 0.117 0.0263 0.0024
2A 2mm 3.251 0.0841 0.507 0.76 7.499 0.1 0.0246 0.0023
3 4mm 3.352 0.0917 0.774 7.221 0.118 0.026 0.0024
3A 4mm 3.198 0.0848 0.522 0.747 7.351 0.101 0.0255 0.0023
4 6mm 3.28 0.0921 0.766 7.024 0.119 0.0268 0.0024
4A 6mm 3.181 0.862 0.535 0.745 7.273 0.1 0.0257 0.0023
표 2: 합금의 기계적인 특성
합금의 형태 초기상태 열처리 Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%]
1 F 210 359 8.6
Water/F 181 347 9.6
F>24h 204 353 8.9
Water/F>24h 176 347 13.4
F>24h 250℃/10min 216 352 7.4
250℃/20min 218 352 6.8
250℃/90min 207 349 10.8
350℃/10min 154 315 12.5
350℃/20min 158 315 10.6
350℃/90min 147 306 11.4
380℃/10min 145 304 14.1
380℃/20min 139 299 13.9
380℃/90min 137 299 16.7
150℃/100h 221 365 9.4
180℃/100h 214 346 6
200℃/100h 211 354 9.4
250℃/100h 184 336 11.7
150℃/500h 223 353 6
180℃/500h 216 357 9.7
200℃/500h 202 349 9.2
250℃/500h 170 327 12.3
1A F 234 345 4.2
Water/F 170 319 4.9
F>24h 205 355 7.1
Water/F>24h 188 340 5.6
F>24h 250℃/10min 227 355 6.6
250℃/20min 217 354 7.5
250℃/90min 213 350 7.9
350℃/10min 157 328 10.4
350℃/20min 151 317 9.3
350℃/90min 142 312 12.1
380℃/10min 141 315 12.6
380℃/20min 137 312 12.4
380℃/90min 133 309 12.2
150℃/100h 248 370 5
180℃/100h 249 373 6.3
200℃/100h 215 346 6.2
250℃/100h 185 329 7.6
150℃/500h 239 368 6.5
180℃/500h 227 352 6.9
200℃/500h 215 350 7.8
250℃/500h 162 317 8.9
2 F>24h 212 364 10.7
250℃/90min 223 358 9.9
350℃/90min 152 312 13.9
380℃/90min 139 297 17.9
2A F>24h 241 394 7.8
250℃/90min 234 375 8.5
350℃/90min 163 332 9
380℃/90min 144 328 13.7
3 F>24h 158 321 9.9
250℃/90min 164 324 10.4
350℃/90min 143 307 12
380℃/90min 129 292 16.4
3A F>24h 173 326 6
250℃/90min 181 325 5.9
350℃/90min 151 315 6.9
380℃/90min 137 312 9.5
4 F>24h 138 304 8.2
250℃/90min 145 309 9
350℃/90min 133 297 8.4
380℃/90min 123 286 12.7
4A F>24h 152 284 4.3
250℃/90min 163 278 3.7
350℃/90min 139 286 5.2
380℃/90min 131 285 5.7
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄합금은 높은 열응력과 기계적인 응력을 받는 주조물의 제조를 위한 것으로 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는다.

Claims (17)

  1. 열응력과 기계적인 응력을 받는 주조물의 제조를 위한 것으로 고온에서 양호한 크리프강도를 갖는 AlMgSi 형태의 알루미늄합금에 있어서, 카티전 좌표계에서 % w/w로 합금의 원소인 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [8.5; 2.7] [8.5; 4.7] [6.3; 2.7] [6.3; 3.4]의 다각형 A로 한정되고, 합금이 0.1~1% w.w의 마그네슘, 최대 1% w.w의 철, 최대 3% w.w의 구리, 최대 2% w.w의 니켈, 최대 0.5% w.w의 크롬, 최대 0.6% w.w의 코발트, 최대 0.2% w.w의 아연, 최대 0.2% w.w의 티타늄, 최대 0.5% w.w의 지르코늄, 최대 0.008% w.w의 베릴륨, 최대 0.5% w.w의 바나듐과, 나머지는 알루미늄과 각각으로는 최대 0.05% w.w 그리고 전체적으로는 최대 0.2% w.w 의 다른 원소 및 제조관련 불순물을 포함함을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  2. 제1항에 있어서, Mg의 함량이 6.9~7.9% w.w, 바람직하기로는 7.1~7.7% w.w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Si의 함량이 3.0~3.7% w.w, 바람직하기로는 3.1~3.6% w.w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  4. 제1항에 있어서, 카티전 좌표계에서 % w/w로 합금의 원소인 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [7.9; 3.0] [7.9; 3.7] [6.9; 3.0] [6.9; 3.7]의 다각형 B 로 한정됨을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  5. 제4항에 있어서, 카티전 좌표계에서 % w/w로 합금의 원소인 마그네슘과 규소의 함량이 [Mg; Si]좌표 [7.7; 3.1] [7.7; 3.6] [7.1; 3.1] [7.1; 3.6]의 다각형 C로 한정됨을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  6. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, Fe의 함량이 0.4~1% w/w, 바람직하기로는 0.5~0.7% w/w이고, Mn의 함량은 0.1~0.5% w/w, 바람직하기로는 0.3~0.5% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  7. 제1항 내지 제5항의 어느 한 항에 있어서, Fe의 함량이 최대 0.2% w/w, 바람직하기로는 최대 0.15% w/w이고, Mn의 함량은 0.5~1% w/w, 바람직하기로는 0.5~0.8% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  8. 제1항 내지 제7항의 어느 한 항에 있어서, Cu의 함량이 0.2~1.2% w/w, 바람직하기로는 0.3~0.8% w/w, 특히 0.4~0.6% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  9. 제1항 내지 제8항의 어느 한 항에 있어서, Ni의 함량이 0.8~1.2% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  10. 제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 있어서, Cr의 함량이 최대 0.2% w/w, 바람직하기로는 최대 0.05% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  11. 제1항 내지 제10항의 어느 한 항에 있어서, Co의 함량이 0.3~0.6% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  12. 제1항 내지 제11항의 어느 한 항에 있어서, Ti의 함량이 0.05~0.15% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  13. 제1항 내지 제12항의 어느 한 항에 있어서, Zr의 함량이 0.1~0.4% w/w임을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  14. 제1항 내지 제13항의 어느 한 항에 있어서, V의 함량이 0.02~0.15% w/w, 바람직하기로는 0.02~0.08% w/w, 특히 0.02~0.05% w/w이고 Be가 60 ppm보다 적음을 특징으로 하는 알루미늄합금.
  15. 가압다이캐스트, 몰드주조 또는 샌드캐스팅에 의하여 제조되고 높은 열응력과 기계적인 응력을 받는 구성요소에 대한 청구항 제1항 내지 제14항의 어느 한 항에 따른 알루미늄합금의 이용.
  16. 제15항에 있어서, 가압다이캐스트법(pressure die casting method)으로 제조되는 자동차 엔진구조물의 실린더 크랭크케이스에 대한 이용.
  17. 가압다이캐스트법으로 제조되는 자동차 구조물의 안전구성요소에 대한 청구항 제1항 내지 제14항의 어느 한 항에 따른 알루미늄합금의 이용.
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