KR20080085665A - 합금의 주조법 및 다이캐스팅 부재 - Google Patents

Abstract

100Pa 이하의 진공 중 또는 불활성가스 중에 873K 이상에서 10분간 이상 유지시킨 희토류 금속을 합금 용탕 중에 0.01∼1 질량%의 농도가 되도록 첨가하며, 또한 합금 용탕 중에 Ar, He, Ne, SF₆, C0₂, S0₂ 또는 N₂가스의 버블링을 실시하는 것, 버블링을 실시한 후, 또는 실시하면서 그 처리한 합금 용탕을 다이캐스팅 주조하는 것에 의해, 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 민생전기ㆍ정보가전, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등에 있어서 우수한 내식성 등의 기능성을 가지는 마그네슘 합금제 부품, 알루미늄 합금제 부품, 아연 합금제 부품의 개발이 가능하게 된다.

합금 용탕, 다이캐스팅 주조, 진공, 불활성 가스, 가스 버블링

Description

합금의 주조법 및 다이캐스팅 부재{METHOD FOR CASTING OF ALLOY, AND DIECASTING MEMBER}

본 발명은 경량화를 필요로 하는 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 민생전기ㆍ정보가전, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등의 합금제 부품, 특히 마그네슘 합금제 부품, 알루미늄 합금제 부품, 또는 아연 합금제 부품의 다이캐스팅 주조법에 관한 것이다.

마그네슘 합금 용탕, 알루미늄 합금 용탕, 아연 합금 용탕 등의 합금 용탕에는 용존수소가 흡장되고 있다. 이것들의 용존수소는 합금 용탕의 응고 시에 기포가 되어, 주물의 내부결함의 원인의 하나가 된다. 알루미늄 합금주조에서는 가스 버블링에 의해 용존수소량을 저하시키는 것이 일반적으로 수행되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 그러나, 마그네슘 합금주조에서는 응고 시에 수소를 흡장하는 경향이 있고, 또 아연 합금주조에서는 아연 합금에 용존하는 수소량이 적기 때문에, 마그네슘 합금주조나 아연 합금주조의 경우에는 용존수소는 내부결함의 요인이 되기 어려우며, 또 각각의 합금의 다이캐스팅 주조에서는 용존수소보다 공기혼입에 의한 내부결함의 비율이 높으므로, 가스 버블링은 이루어지지 않는다.

다이캐스팅 주조에서의 공기 혼입에 의한 내부결함에 대해서는, 게이트-런너 방안의 개선이나 가스 배기의 기술에 의해 공기 혼입은 대폭 감소되게 되었으므로, 공기혼입에 의한 내부결함도 대폭 개선되었고, 더욱이, 주조방식에 있어서도 (부분)스퀴즈 다이캐스팅법, 층류 다이캐스팅법, VACURAL(진공) 다이캐스팅법에 의해 내부결함이 억제되어, 열처리나 용접마저도 가능하게 되었다.

또, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금 및 아연 합금에 있어서는 철 등의 천이금속이 불순물이고, 이것들의 불순물이 합금의 내식성이나 연성 등의 기계적 특성, 열전도성 등의 물리적 특성에 영향을 미치고 있다. 마그네슘 합금, 아연 합금의 불순물 레벨은 각각의 순금속에 있어서의 정련에 의해 기정(미리 정해짐)되어, 알루미늄 합금, 특히 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 경우에는 스크랩 재생에서 혼입되어 오는 철 등을 허용하는 레벨로 스펙이 정해진다.

특허문헌 1; 일본 공개특허공보 2003-290899호

그러나, 마그네슘 합금, 알루미늄 합금 및 아연 합금의 주물, 특히 다이캐스팅 주물에 요구되는 특성은 고도화되고 있어, 종래기술만으로는 대응할 수 없는 레벨이 되어 있다. 내부결함을 한층 더 억제하기 위해서, 가스 버블링에 의한 용존수소의 감소도 필요하게 되었지만, 다이캐스팅 주조에서는 합금 용탕을 장시간 유지한 상태에서 주조를 연속적으로 실시하기 때문에, 가스 버블링도 연속해서 또는 간헐적으로 실시해야만 한다. 또, 가스 버블링에서는 탈가스 뿐만 아니라 합금 용탕 중의 산화물 등의 이물을 부상시키는 결과로서 합금 용탕 표면에 드로스가 부상해서 주물에 혼입될 위험이 발생한다.

또, 합금 중의 불순물 원소레벨에 대해서는 용해ㆍ주조과정에서는 대책이 없다. 특히 리사이클 전제 때문에 불순물량이 높은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에서는, 고순도화하는 것만으로도 특성이 향상하지만, 고비용이 되어버린다. 또, 마그네슘-알루미늄계 합금에서는 망간첨가에 의해 불순물인 철의 양을 슬러지로서 제거함으로써 억제하고, 내식성을 개선하고 있지만, 내식성 향상이 한층 더 요구되고 있다.

본 발명은 다이캐스팅 주조법에 있어서, 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터등의 민생전기ㆍ정보가전, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등에 있어서 우수한 내식성 등의 기능성을 가지는 마그네슘 합금제 부품, 알루미늄 합금제 부품, 아연 합금제 부품의 개발이 가능하게 하는 합금의 주조법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

본 발명자들은 상기의 목적을 달성하기 위해서, 예의 검토를 거듭한 결과, 다이캐스팅 주조에 사용하는 용탕 단계에서 희토류 금속을 합금 용탕 중에 첨가하며, 또한 합금 용탕 중에서 가스 버블링을 실시하고, 버블링을 실시한 후, 또는 실시하면서 그 처리한 합금 용탕을 다이캐스팅 주조하는 것에 의해 상기의 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.

즉, 본 발명의 합금의 주조법은 100Pa 이하의 진공 중 또는 불활성 가스 중에 873K 이상에서 10분간 이상 유지시킨 희토류 금속을 합금 용탕 중에 0.01∼1 질량%의 농도가 되도록 첨가하며, 또한 합금 용탕 중에 Ar, He, Ne, SF₆, C0₂, S0₂ 또는 N₂가스의 버블링을 실시하는 것, 버블링을 실시한 후, 또는 실시하면서 그 처리한 합금 용탕을 다이캐스팅 주조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다이캐스팅 주조법에 의해, 자동차, 휴대전화, 노트북 컴퓨터 등의 민생전기ㆍ정보가전, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계 등에 있어서 우수한 내식성 등의 기능성을 가지는 마그네슘 합금제 부품, 알루미늄 합금제 부품, 아연 합금제 부품의 개발이 가능하게 되어, 자동차, 민생전기제품, 전동공구, 범용엔진 등의 산업기계의 경량화의 진전이 가능하게 된다.

본 발명의 다이캐스팅 주조법에 있어서는 합금 용탕 중의 철 등의 천이금속과 화합물을 형성하는 란탄, 세륨, 네오디뮴 혹은 그것들의 혼합물인 미슈메탈과 같은 희토류 금속을 첨가함으로써, 철 등의 불순물 원소의 량을, 정련단계에서 순금속에 불가피하게 들어 오는 불순물 원소량보다도 실질적으로 저감시킬 수 있다. 또, 그 첨가량은 극히 미량, 예를 들면 0.01 질량% 이상으로 유효하다. 그러나, 1 질량%을 넘으면 알루미늄 합금의 알루미늄, 마그네슘 합금이나 아연 합금에 함유되는 알루미늄과 금속간 화합물을 형성하게 되어, 합금의 기계적 특성, 물리특성을 크게 변화시켜버리는 경우가 있으므로, 바람직하지 못하다.

본 발명의 다이캐스팅 주조법에 있어서는, 이 희토류 금속의 첨가효과를 증대시키기 위해서, 2가지의 방법을 조합하고 있다. 그 첫 번째는 주철의 분야에서 접종이라고 말하고 있는 방법이지만, 희토류 금속을 주조 전에 합금 용탕에 첨가하는 것이다. 그 이유는 희토류 금속은 화학적으로 활성이기 때문에 응고과정에서 여러 가지의 원소와 화합물을 형성해 버리어, 재용해 후에는 효과가 감소되기 때문이다. 두 번째는 첨가하는 희토류 금속을 사전에 100Pa 이하의 진공 중 또는 불활성가스 중에서 합금 용탕 온도 이상의 온도에서 드라이베이킹함으로써, 희토류 금속이 흡장하고 있는 수소를 방출시켜, 그 희토류 금속의 첨가가 합금 용탕 중의 용존수소의 증대에 연결되지 않도록 하는 동시에, 화학적으로 더욱 활성화시켜서 불순물 원소와의 화합물의 형성을 가속시켜, 불순물을 고정시키기 때문이다. 드라이베이킹의 유지온도는 주조시의 합금 용탕 온도이상, 바람직하게는 주조시의 합금 용탕 온도보다도 30K 이상 높은 온도이며, 예시적으로는 873K 이상이고, 유지시간은 10분 이상, 바람직하게는 희토류 금속의 형상에도 따르지만 경험상 20분 이상이다.

가스 버블링법은 다이캐스팅 주조법에 있어서도 용존수소를 저감시켜, 산화물ㆍ이물을 저감시키는데도 효과를 가지지만, 본 발명의 다이캐스팅 주조법에 있어서는 주조를 실시하고 있는 동안, 합금 용탕에 대해서 연속적으로 또는 간헐적으로 실시하는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 두 개 이상의 용해포트를 사용하거나, 또는 포트 내를 두 개 이상의 챔버가 되도록 부분적으로간 칸을 막은 하나의 용해포트를 사용하여, 두 개 이상의 용해포트의 내의 제 1의 용해포트 중 또는 두 개 이상의 챔버 내의 제 1 의 챔버 중의 합금 용탕 중에서 가스 버블링을 실시하고, 합금 중에 혼입될 우려가 있는 플럭스, 산화물, 이물 등의 드로스를 합금 용탕의 상부 또는 하부로 이동시키고, 청정화된 중간부의 합금 용탕을 제 2의 용해포트 혹은 제 2 챔버로 이동시켜 합금을 용탕상태로 유지하고, 이 용탕을 사용하여 콜드챔버형 주조기 또는 핫챔버형 주조기로 주조하는 것이 바람직하다.

그러나, 칸막이가 없는 하나의 용해포트를 사용하여, 용해포트 중에서 가스 버블링을 실시하고, 합금 중에 혼입될 우려가 있는 플럭스, 산화물, 이물 등의 드로스를 합금 용탕의 상부 또는 하부로 이동시켜, 청정화된 중간부의 합금 용탕을 조제하고, 이 합금 용탕을 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프를 사용하거나, 또는 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐식 레이들을 사용하여 콜드챔버형 주조기로 주조하거나 또는 핫챔버형 주조기로 주조하는 것도 바람직하다.

즉, 본 발명에 있어서는 다이캐스팅 주조를

(ㆍ) 핫챔버형 주조기로 실시하거나, 또는　

(ㆍ-1) 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프를 사용하거나,　

(ㆍ-2) 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐식 레이들을 사용하거나, 또는　

(ㆍ-3) 두 개 이상의 용해포트를 사용하거나, 또는 포트 내를 두 개 이상의 챔버가 되도록 부분적으로간 칸을 막은 하나의 용해포트를 사용하고, 두 개 이상의 용해포트의 내의 제 1의 용해포트 중 또는 두 개 이상의 챔버 내의 제 1의 챔버 중의 합금 용탕 중에 희토류금속을 첨가하며, 또한 가스 버블링을 실시하고, 청정화된 중간부의 합금 용탕을 제 2 용해포트 혹은 제 2챔버로 이동시켜 용탕상태로 유지하고, 이 용탕을 사용하여 콜드챔버형 주조기로 실시할 수 있다.

본 발명의 합금의 주조법에 있어서는, 상기한 바와 같이 해서 핫챔버형 주조기를 사용하여 다이캐스팅 주조하여도, 콜드챔버형 주조기를 사용하여 다이캐스팅 주조하여도 좋지만, 알루미늄 합금의 다이캐스팅 주조의 경우에는, 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프를 사용하거나, 또는 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐식 레이들을 사용하여 콜드챔버형 주조기로 주조하는 것이 바람직하고, 마그네슘 합금 및 아연 합금의 다이캐스팅 주조의 경우에는, 상기한 바와 같이 해서 핫챔버형 주조기를 사용하여 주조하는 것이 바람직하다.

또, 가스 버블링은 상기에서 설명한 바와 같이 용존수소의 감소를 위해서이지만, 금속적으로 활성 순서인 마그네슘>알루미늄>아연의 차례로 산화물이나 이물이 합금 용탕 중에 생성되기 쉽고, 가스 버블링은 이것들의 산화물이나 이물을 부상시켜, 주물으로의 혼입을 없애는 효과가 있어, 불순물 삭감과 마찬가지로 내식성이나 기계적 강도의 향상에도 효과적이다.

본 발명의 다이캐스팅 주조법에 의해 수득된 주물은 내식성이 우수하고, 연성이 10%이상 향상되고, 가스기공이 10% 이상 감소하고 있다. 또, 본 발명의 다이캐스팅 주조법에 의해 수득된 주물은 압출, 인발(드로잉), 압연, 단조, 프레스의 소성가공이 가능하다.

이하에 실시예 및 비교예에 의거하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

실시예 1∼5 및 비교예 1∼4

실시예 1∼5 및 비교예 1∼4에 있어서는 표 1에 나타내는 조성의 합금을 사용하였다. 또, 희토류 금속으로서 미슈메탈을 5㎜×5㎜×100㎜의 봉상(棒狀)으로 하여 973K, 10Pa의 진공 중에 30분간 유지시킨 것을 사용하였다.

마그네슘 합금에 대해서는, 상기의 마그네슘 합금 원료를 용해시키고, 합금의 내식성을 개선하기 위해서 그 합금 용탕에 표 2에 나타내는 량(질량%)의 상기의 미슈메탈을 첨가(비교예에서는 첨가하지 않음)하고, (표 2 중의 「유, 10분, 10분 정치」는 버블링을 10분간 실시하고, 그 후 10분간 정치한 것을 의미한다.), 또 표 2에 나타내는 조건하에서 Ar가스를 버블링시키고(비교예에서는 버블링 없음), 또 그 합금 용탕의 표면에 희석 SF₆을 유동시켰다. 합금 용탕 온도를 953K로 유지하고, 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프 및 콜드챔버형 주조기를 사용하여, 금형온도 473K, 사출속도 4m/초의 조건하에서 다이캐스팅 JIS 인장시험편 (ASTM E8-61T) 및 □100㎜×100㎜, 두께 2㎜의 판재를 제작하였다. 또, 미슈메탈의 첨가량을 표 2에 나타낸 바와 같이 변경한 이외는 상기와 같은 방법으로 합금 용탕을 조제하고, 합금 용탕 온도를 923K로 유지하고, 핫챔버형 다이캐스팅 머신을 사용하여, 금형온도 473K, 사출속도 2m/초(PH오픈, 1회전)의 조건하에서 □100㎜×100㎜, 두께 2㎜의 판재를 제작하였다.

알루미늄 합금에 대해서는, 두 개의 용해포트를 사용하고, 제 1의 용해포트 중에서 상기의 알루미늄 합금 원료를 용해시키고, 합금의 내식성을 개선하기 위해서 그 합금 용탕에 표 2에 나타내는 양의 상기의 미슈메탈을 첨가(비교예에서는 첨가하지 않음)하고, 또 표 2에 나타내는 조건하에서 Ar가스를 버블링하고(비교예에서는 버블링 없음), 합금 중에 혼입될 우려가 있는 플럭스, 산화물, 이물 등의 드로스를 합금 용탕의 상부 또는 하부로 이동시켰다. 청정화된 중간부의 합금 용탕을 제 2의 용해포트로 이동시키고, 합금 용탕 온도를 953K로 유지하고, 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐형 레이들 및 콜드챔버형 주조기를 사용하여, 금형온도 473K, 사출속도 3m/초의 조건하에서 다이캐스팅 JIS 인장시험편(ASTM E8-61T) 및 □100㎜×100㎜, 두께 2㎜의 판재를 제작하였다.

아연 합금에 대해서는 상기의 아연 합금원료를 용해시키고, 합금의 내식성을 개선하기 위해서 그 합금 용탕에 표 2에 나타내는 량의 상기의 미슈메탈을 첨가(비교예에서는 첨가하지 않음)하고, 또, 표 2에 나타내는 조건하에서 Ar가스를 버블링시켰다(비교예에서는 버블링 없음). 합금 용탕 온도를 703K로 유지하고, 핫챔버형 다이캐스팅 머신을 사용하여 금형온도 423K, 사출속도 2m/초(PH오픈, 1회전)의 조건하에서 □100㎜×100㎜, 두께 2㎜의 판재를 제작하였다.

상기한 바와 같이 해서 제작한 각각의 판재를 연마하여 시험편으로 하고, JIS Z 2371 에 준거해서 염수분무시험을 실시하였다. 폭로시간은 마그네슘 합금과 알루미늄 합금에 대해서는 96시간으로 하고, 아연 합금에 대해서는 168시간으로 하였다. 시험편의 발청(녹 발생) 면적화율로 내식성을 평가하였다. 그 결과는 표 2에 나타내는 바와 같았다.

상기한 바와 같이 해서 제작한 각각의 JIS 인장시험편에 대해서, 298K, 크로스헤드 속도 0.17㎜/초, N=5로 인장시험을 실시하였다. 그 결과는 표 3에 나타내는 바와 같았다.

Claims (5)

100Pa 이하의 진공 중 또는 불활성가스 중에 873K 이상에서 10분간 이상 유지시킨 희토류 금속을 합금용탕 중에 0.01∼1 질량%의 농도가 되도록 첨가하며, 또한 합금 용탕 중에 Ar, He, Ne, SF₆, C0₂, S0₂ 또는 N₂가스의 버블링을 실시하는 것, 버블링을 실시한 후, 또는 실시하면서 그 처리한 합금 용탕을 다이캐스팅 주조하는 것을 특징으로 하는 합금의 주조법.

제 1 항에 있어서,

합금 용탕이 마그네슘 합금 용탕, 알루미늄 합금 용탕 또는 아연 합금 용탕인 것을 특징으로 하는 합금의 주조법.

제 1 항에 있어서,

다이캐스팅 주조를

(ㆍ) 핫챔버형 주조기로 실시하거나, 또는

(ㆍ-1) 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프를 사용하거나,

(ㆍ-2) 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐식 레이들을 사용하거나, 또는

(ㆍ-3) 두 개 이상의 용해포트를 사용하거나, 또는 포트 내를 두 개 이상의 챔버가 되도록 부분적으로 칸을 막은 하나의 용해포트를 사용하고, 두 개 이상의 용해 포트의 내의 제 1의 용해 포트 중 또는 두 개 이상의 챔버의 내의 제 1의 챔버 중의 합금 용탕 중에 희토류 금속을 첨가하며, 또한 가스 버블링을 실시하고, 청정화된 중간부의 합금 용탕을 제 2의 용해 포트 혹은 제 2 챔버로 이동시켜 용탕상태로 유지하고, 이 용탕을 사용하여 콜드챔버형 주조기로 실시하는 것을 특징으로 하는 합금의 주조법.

제 2 항에 있어서,

다이캐스팅 주조를

(ㆍ) 핫챔버형 주조기로 실시하거나, 또는

(ㆍ-1) 드로스가 유입되지 않도록 배치된 용탕펌프를 사용하거나,

(ㆍ-2) 표면 드로스가 혼입되지 않는 밀폐식 레이들을 사용하하거나, 또는

(ㆍ-3) 두 개 이상의 용해포트를 사용하하거나, 또는 포트 내를 두 개 이상의 챔버가 되도록 부분적으로간 칸을 막은 하나의 용해포트를 사용하고, 두 개 이상의 용해포트의 내의 제 1의 용해 포트 중 또는 두 개 이상의 챔버 내의 제 1의 챔버 중의 합금 용탕 중에 희토류 금속을 첨가하며, 또한 가스 버블링을 실시하고, 청정화된 중간부의 합금 용탕을 제 2의 용해포트 혹은 제 2 챔버로 이동시켜 용탕 상태로 유지하고, 이 용탕을 사용하여 콜드챔버형 주조기로 실시하는 것을 특징으로 하는 합금의 주조법.

제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 기재된 다이캐스팅 주조법에 의해 제조한 다이캐스팅 부재.