KR20080041364A

KR20080041364A - 알루미늄 라이너용 Ａｌ－Ｓｉ 과공정 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20080041364A
Application number: KR1020060109386A
Authority: KR
Inventors: 강희삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-07
Filing date: 2006-11-07
Publication date: 2008-05-13

Abstract

본 발명은 P-Sr-TiB₂ 용탕처리 및 T6열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 이용하여, Si입자의 분포와 크기(5~30㎛수준)를 최적화함으로서, 기존의 알루미늄 라이너 소재(전술한 알루실, 스프레이포밍으로 제조된 Al-25Si소재) 대비 동등 수준 이상의 내마모성 및 치수안정성, 가공성 및 열전도도를 갖는 P-Sr-TiB₂ 용탕처리와 T6열처리를 이용한 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적 달성으로, 본 발명은 기존의 주철재 라이너를 대체함으로서 파워트레인계의 경량화를 실현할 수 있으며, 또한 고가의 외국산 알루미늄 라이너 소재와 경쟁할 수 있는 주조용 알루미늄 라이너 소재를 제공할 수 있다.

Sr, 주조용 알루미늄 라이너 소재, 과공정 Al-Si합금, 구상 Si, 내마모성

Description

알루미늄 라이너용 Ａｌ－Ｓｉ 과공정 합금 및 그 제조 방법{Development of Casted aluminum liner for engine block by using P-Sr- TiB2 treatment}

도 1은 기존의 알루미늄 라이너 소재의 미세조직을 나타내는 전자 현미경 사진,

도 2은 P-Sr-TiB₂ 처리 및 T6열처리(520℃~540℃, 2~5hr)에 의한 A390 소재의 미세조직 변화를 나타내는 현미경 사진.

본 발명은 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 P-Sr-TiB₂ 용탕처리와 T6열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 통해 내마모성을 갖는 구상 Si입자가 골고루 분포되어 주조용 알루미늄 실린더 라이너 소재로 적합한 P-Sr-TiB₂ 용탕처리와 T6열처리를 이용한 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 선진국을 비롯한 세계 각국은 각종 환경 규제를 강화하여 환경오염을 억제하려는 노력을 기울이고 있으며, 이렇게 점점 강화되고 있는 환경 규제에 대응하기 위하여 자동차업계는 연비 향상을 위한 지속적인 연구를 하고 있으며, 그에 따라 자동차에 대한 경량화 및 고출력화의 요구는 점점 더 강해지고 있다.

따라서, 기존의 철강재를 그 밀도가 1/3수준인 알루미늄 합금으로 대체하기 위한 경량화 연구가 많이 진행되어 왔다.

실제로 기존의 주철재 라이너를 과공정 알루미늄 합금 소재로 대체하거나, 주철 라이너가 없는 알루미늄 모노 블록을 개발하는 사례가 보고되고 있다.

일례로, 자동차 제조업체중 외국의 A(아우디)사 및 B(BMW)사의 경우, 인처리가 된 알루실(도 1의 (a)사진 참조) 소재를 저압주조 방식으로 주조하여 주철 라이너가 없는 알루미늄 모노 블록을 제조하고 있다.

이 기술에서의 핵심은 인처리를 통해 초정 Si 입자를 20~30㎛대로 미세화시켜 골고루 분산시키는데 있는데, 주조 공정 조건의 조절을 통해, 미세조직의 호모지니어티(homogeneity)를 유지하는 것이 그리 쉽지는 않다.

또한, 알루미늄 라이너 소재 전문업체인 C(독일의 PEAK사)사의 경우, 스프레이 포밍이라는 급속 응고 기술을 이용하여 실리콘을 과량(25%) 함유한 알루미늄 라이너 소재(도 1의 (b)사진 참조)를 개발하여 출시하고 있다.

스프레이 포밍이라는 급속 응고 기술을 이용하기 때문에 기존 주조 기술로서는 만들어 내기 어려운 10㎛이하의 Si입자를 미세조직 상에 균일하게 분포시켜 내마모 특성 및 가공성을 극도로 향상시킨 것이 이 기술의 특징이다.

그러나, 소재 제조 및 가공 공정이 복잡하고 까다로워, 기존 주조 공정에 비해 가격이 상당히 비싼 것이 단점이다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구된 결과물로서, P-Sr-TiB₂ 용탕처리 및 T6열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 이용하여, Si입자의 분포와 크기(5~30㎛수준)를 최적화함으로서, 기존의 알루미늄 라이너 소재(전술한 알루실, 스프레이포밍으로 제조된 Al-25Si소재) 대비 동등 수준 이상의 내마모성 및 치수안정성, 가공성 및 열전도도를 갖는 P-Sr-TiB₂ 용탕처리와 T6열처리를 이용한 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 Al-Si 과공정 합금에 있어서,

상기 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 13∼25중량%가 함유된 Al-Si 합금에 스트론튬(Sr) 0.01∼0.2중량%, TiB₂ 0.01~0.2중량% 및 인(P) 50~200ppm을 마스터 알로이(master alloy) 형태로 첨가한 것을 특징으로 하는 알루 미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금을 제공한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금의 제조 방법은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 13∼25중량%가 함유된 Al-Si 합금에 스트론튬(Sr) 0.01∼0.2중량%, TiB₂ 0.01~0.2중량% 및 인(P) 50~200ppm을 마스터 알로이(master alloy) 형태로 첨가한 소재를 용탕으로 처리한 다음, 이 용탕을 금형에 부어 응고시킨 후, T6 열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 통해 피브로우스(Fibrous) 상태의 공정 Si을 구상화시킨 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 주조 공정의 가격적인 장점을 최대한 살리면서도, 기존의 스프레이 포밍 기술에 의해 제조된 알루미늄 라이너와 동등 수준의 물성을 갖도록 알루미늄 라이너의 미세조직을 컨트롤하여, 고가의 외국산 알루미늄 라이너에 비하여 동등 이상의 내마모성 및 치수안정성, 가공성 및 열전도도를 갖도록 P-Sr-TiB₂ 용탕처리와 T6열처리를 이용한 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금을 제공하고자 한 것이다.

기존 라이너 소재 개발의 경우, 초정 Si 입자의 컨트롤에 초점이 맞추어진 반면에, 본 발명은 초정 Si 입자 조대화 억제뿐만 아니라, 공정 Si 입자를 구상화하는데 초점을 맞춘 점에 그 차이가 있다.

공정 Si 입자의 경우, 초정 Si에 비해 분포가 균일하며, 크기가 작고, 화학적 혹은 열처리에 의한 형상 변화가 용이한 바, 본 발명은 이러한 공정 Si의 장점 을 이용하기 위해, Al-Si 과공정 모합금을 용해시킨 후, Sr을 첨가하여, 침상 형태를 피브로우스(Fibrous) 형태로 변화시켰다.

여기서, 본 발명에 따른 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금의 각 성분에 대한 첨가이유 및 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 13∼25중량%가 함유된 Al-Si 합금에 스트론튬(Sr) 0.01∼0.2중량%, TiB₂ 0.01~0.2중량% 및 인(P) 50~200ppm을 마스터 알로이(master alloy) 형태로 첨가된 것이다.

상기 Sr의 첨가량은 과공정 Al-Si합금의 Si함량에 따라 0.01~0.2중량% 영역에서 조절이 필요한데, 0.01%이하에서는 개량화 처리 효과가 없는 것으로, 그리고 0.2중량%이상에서는 추가적인 개량화 효과가 더이상 없는 것으로 확인되었는 바, 이에 스트론튬(Sr)은 0.01∼0.2중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

이러한 Sr개량화와 함께, 초정 Si의 조대화를 방지하기 위해 P처리를 동시에 진행하였으며, 매트릭스(Matrix)상인 Al의 미세화 및 P처리 효율 향상을 위해 TiB₂도 함께 첨가하였다.

상기 P처리는 50~200ppm 수준이 적당하며, 과량 첨가시는 소재의 기계적 물성 저하의 우려가 있는 것으로 알려져 있다.

상기 TiB₂의 경우, 소재의 기계적 물성 최적화를 위해, Sr과 동일 함량은 첨가하는 것이 좋은 것으로 알려져 있으나, Si, Sr, P함량을 고려하여 경우에 따른 최적화가 필요하다.

이러한 본 발명의 과공정 합금용 소재를 용탕으로 처리한 다음, 이렇게 처리된 용탕을 금형에 부어 응고시킨 후, T6 열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 통해 피브로우스(Fibrous) 상태의 공정 Si을 구상화시킴으로써, 첨부한 도 2와 같이 5~30㎛수준의 Si 입자들이 골고루 분포된 주조용 알루미늄 라이너 소재를 제조할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 라이너용 Ａｌ－Ｓｉ 과공정 합금 및 그 제조 방법에 의하면, P-Sr-TiB₂ 용탕 처리 및 T6열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 통해, 일반 주조 공정을 통해서 5~30㎛의 미세한 Si입자가 미세조직 전반에 걸쳐 골고루 분포된 알루미늄 라이너 소재의 제조가 가능해짐으로서, 기존 외국산 라이너 소재 대비 가격 경쟁력이 높으며, 기존 A390소재 대비 내마모성 및 가공성 향상의 장점을 제공한다.

Claims

Al-Si 과공정 합금에 있어서,

상기 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 13∼25중량%가 함유된 Al-Si 합금에 스트론튬(Sr) 0.01∼0.2중량%, TiB2 0.01~0.2중량% 및 인(P) 50~200ppm을 master alloy형태로 첨가한 것을 특징으로 하는 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금.
알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금의 제조 방법은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 13∼25중량%가 함유된 Al-Si 합금에 스트론튬(Sr) 0.01∼0.2중량%, TiB₂ 0.01~0.2중량% 및 인(P) 50~200ppm을 마스터 알로이(master alloy) 형태로 첨가한 소재를 용탕으로 처리한 다음, 이 용탕을 금형에 부어 응고시킨 후, T6 열처리(520℃~540℃, 2~5hr)를 통해 피브로우스(Fibrous) 상태의 공정 Si을 구상화시킨 것을 특징으로 하는 알루미늄 라이너용 Al-Si 과공정 합금의 제조 방법.