KR20110050652A - 고온 내크리프성 및 내피로성이 높은 알루미늄 합금 주조 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 알루미늄 합금으로 이루어지는, 정적 기계적 강도, 피로 강도 및 고온 크리프가 높은 주조 부품으로서, 알루미늄 합금의 화학적 조성은 중량 백분율로 나타낼 때에, Si : 3% 내지 11%, 바람직하게는 5.0% 내지 9.0%; Fe : < 0.50%, 바람직하게는 < 0.30%, 더 바람직하게는 < 0.19%, 심지어 0.12%; Cu : 2.0% 내지 5.0%, 바람직하게는 2.5% 내지 4.2%, 더 바람직하게는 3.0% 내지 4.0%; Mn : 0.05% 내지 0.50%, 바람직하게는 0.08% 내지 0.20%; Mg : 0.10% 내지 0.25%, 바람직하게는 0.10% 내지 0.25%, 보다 양호하게는 0.10% 내지 0.20%; Zn : < 0.30%, 바람직하게는 < 0.10%; Ni : < 0.30%, 바람직하게는 < 0.10%; V : 0.05% 내지 0.19%, 바람직하게는 0.08 내지% 0.19%, 더 바람직하게는 0.10% 내지 0.19%; Zr : 0.05% 내지 0.25%, 바람직하게는% 0.08 내지 0.20%; Ti : 0.01% 내지 0.25%, 바람직하게는% 0.05 내지 0.20%; 각각은 < 0.05%이고 총합은 < 0.15%인 기타 원소; 그리고 잔부로서 알루미늄을 포함한다. 보다 구체적으로, 본 발명은 슈퍼차저 디젤 또는 가솔린 내연 기관용 실린더 헤드에 관한 것이다.
Description
본 발명은 높은 기계적 응력에 노출되고 적어도 일부의 구역에서 고온에서 작동하는 알루미늄 합금 주조 부품, 특히 슈퍼차저 디젤 또는 가솔린 엔진의 실린더 헤드에 관한 것이다.
달리 언급하지 않는다면, 합금들의 화학적 조성에 대한 모든 값은 중량 백분율로 나타낸 것이다.
대량 생산 자동차의 실린더 헤드에 통상 이용되는 합금은, 한편으로는 0.50% 내지 1%의 구리의 첨가에 의해 "도핑"되었을 수도 있는 AlSi7Mg 및 AlSi10Mg 타입의 합금이거나, 다른 한편으로는 AlSi5 내지 AlSi5-9Cu3Mg 계열의 합금이다.
T5 처리(단순한 안정화 처리) 및 T7 처리[완전 고용화 열처리, 급랭(quenching), 및 과시효]된 제1 타입, 즉 AlSi7(Cu)Mg 및 AlSi10(Cu)Mg 합금은 약 250℃에 이르는 고온의 경우에는 충분한 기계적 특성을 갖지만, 커먼 레일을 갖는 차세대 슈퍼차저 디젤 엔진이나 심지어 새로운 더블 슈퍼차저 가솔린 엔진의 밸브 브리지가 도달할 수 있는 온도임에도 불구하고 300℃에서는 그렇지 못하다. 300℃에서, 그 항복 강도 및 크리프 강도가 특히 낮다. 반면, 상온에서 250℃에 이르는 온도 범위에 걸쳐 우수한 연성으로 인해 열 피로에 의한 크랙 발생에 만족스럽게 견딜 수 있다.
보다 우수한 고온 강도를 갖는 AlSi5 내지 AlSi5-9Cu3Mg0.25 내지 0.5 타입의 합금은 반대로 보다 낮은 연성을 가져 그 합금들을 열 피로에 의한 크랙 발생에 매우 취약하게 한다.
이들 합금은, 통상 0.20% 미만의 낮은 철 함량을 갖는 것으로 고온에서는 양호한 연성을 갖지만 상온에서는 여전히 취성을 갖는 1차 합금(제련소로부터 얻어지는 합금)으로서 알려진 합금 계열과, 0.40% 내지 0.80%, 때로는 1%의 높은 철 함량을 갖는 것으로 고온 및 상온 모두에서 낮은 연성을 갖는 2차 합금(재생을 통해 얻어지는 합금)으로서 알려진 합금 계열로 나누어진다.
그 합금들의 문제점은 예를 들면 1990년 3월 SIA Review에 공개된 R. Chuimert 및 M. Garat의 "강한 힘을 받는 디젤 실린더 헤드를 위한 알루미늄 주조 합금의 선택(Choice of aluminum casting alloys for diesel cylinder heads subjected to strong forces)"이란 논문에 기재되어 있다. 이 논문에서는 조사한 3종의 합금의 특성을 아래와 같이 정리하였다.
- 낮은 철 함량(0.15%)을 갖고 T7 상태의 AlSi5Cu3Mg : 기계적 내성이 250℃까지 매우 양호하고 300℃에서는 평균치로 되는 한편, 연성은 상온에서는 낮고 250℃ 및 300℃에서는 양호해짐.
- 높은 철 함량(0.7%)을 갖고 F 상태(열처리하지 않음)의 AlSi5Cu3Mg : 기계적 내성이 상온에서는 평균치이고 250℃ 및 300℃에서 비교적 최고로 되는 한편, 연성은 20℃ 내지 300℃ 범위에 걸쳐 매우 낮음.
- 구리가 없고 낮은 철 함량(0.15%)을 가지며 T7 상태의 AlSi7Mg0.3 : 기계적 내성이 상온에서는 양호하고 250℃에서는 매우 낮아지는 한편, 연성은 20℃ 내지 300℃ 범위에 걸쳐 매우 낮음.
1990년 이래로 이루어진 발전이 2008년 2월 "Hommes et Fonderie"란 문헌에 공개된 M. Garat 및 G. Laslaz의 "디젤 실린더 헤드를 위한 개선된 알루미늄 합금(Improved aluminum alloys for diesel cylinder heads)"라는 최신 논문에 기재되어 있다. 그 논문의 서론에서는 현재 사용되고 있는 다양한 합금 계열, 및 이들이 겪게 되는 힘 및 현대의 실린더 헤드의 구조와의 관계에 대한 검토를 개략적으로 서술하고 있다. 합금 분야에서의 최근의 개선점을 아래와 같이 제시하고 있다.
- 오늘날 당업계에서 널리 이용되고는 해법으로서 0.50%의 구리를 첨가한 T7 상태의 합금 AlSi7Mg0.3은 연신율의 손실 없이 250℃의 항복 강도에서 매우 현저한 이득(+20%)을 제공한다. 그러나, 그러한 소량의 구리 첨가에 의해 제공되는 이득은 300℃에서는 완전히 잃게 된다.
- 동종의 합금에 0.15%의 지르코늄을 첨가하면, 300℃에서의 항복 강도를 약간(+10%) 개선할 수 있고, 특히 동일 온도에서 220 ㎫의 응력 하에서 3차 크리프(tertiary creep)를 지연시킬 수 있다.
- 마그네슘이 없는 새로운 타입의 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금을 조사하여 그 특성을 밝혔다. 그 합금은 300℃에서 우수한 고온 기계적 내성을 갖고 20℃ 내지 300℃ 범위에 걸쳐 꽤 양호한 연성을 갖지만, 상온에서 낮은 항복 강도를 갖는다(정확한 구리 함량에 따라 약 190 내지 235 ㎫). 이 합금은 본 출원인의 특허 문헌 FR 2 857 378 및 EP 1 651 787에 부합하는 것이다.
최근의 발전의 결과가 아래의 표 1에 정리되어 있다(표 1에서 인장 강도 Rm은 ㎫로, 항복 강도 Rp0 .2는 ㎫로, 파단 연신율 A는 백분율로, 그리고 동일한 온도에서 100시간 동안 유지 후에 0.1%의 변형을 초래하는 응력을 나타내는 σ는 ㎫로 나타낸 것이다).
표 1 :
아직 공개되지 않은 본 출원인이 행한 보다 최근의 연구에서는 마그네슘이 없는 타입의 합금의 저사이클 피로 강도(높은 응력 및 이에 따른 낮은 사이클 횟수)가 AlSi7Cu0.5Mg0.3 합금보다 확실히 낮은 것으로 드러났는데, 이는 실린더 헤드가 특히 엔진이 작동하는 방식과 관련된 열 사이클로 인해 항복 강도에 근접한 매우 높은 응력의 교번 하중을 받는다는 점으로 인해 주요한 장애가 되고 있다. 도 1, 도 2, 및 도 3에 도시한 Wohler 곡선에서는 사이클 횟수에 따른 인장 하중에서의 피로 강도를 도시하고 있다(파괴 확률은 순차적으로 좌측의 밝은 선이 5%, 중간의 어두운 선이 50%, 그리고 우측의 밝은 선이 95%이다).
약 250 ㎫의 응력 수준에서 파괴에 이르는 사이클 횟수가 AlSi7Cu0.5Mg0.3 합금(도 1)의 경우에 적어도 20,000 사이클인 것에 비해 마그네슘이 없는 신규의 합금(도 2 및 도 3)은 구리 함량이 3.3%인지 3.8인지에 따라 약 1000 내지 2000 사이클로 제한된다는 점이 명백하게 드러난다. 약 150 ㎫의 낮은 응력 하에서의 고사이클 피로에서, 2가지 계열의 강도가 유사하게 되는데, 2008년 2월 "Hommes et Fonderie" 문헌의 논문에 공개된 연구에서는 쉘 테스트 시편(shell test specimen)에서 천만 사이클에서의 응력 한계가 AlSi7Cu0.5Mg0.3 합금의 경우에 115 ㎫인 것에 비해 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금의 경우에 123 ㎫ 내지 138 ㎫로 훨씬 더 높다는 점을 보이고 있다.
이러한 점을 고려할 때에, 피로와 관련하여 고사이클 피로 강도를 저하시키지 않고 저사이클 피로 강도를 상당히 개선시킬 명백한 필요성이 절실하다는 점은 명백한 것으로 여겨진다. 게다가, 커먼 레일을 갖는 최신 디젤 엔진이나 슈퍼차저 가솔린 엔진에서 실린더 헤드의 연소실, 특히 밸브 브리지가 300℃, 심지어는 그 이상의 온도에 도달하여, 이전 세대의 엔진보다 높은 압력을 받게 된다고 하면, 공지의 타입의 합금 중 어느 것도 아래의 같은 원하는 특성의 조합을 만족스럽게 제공하지 못하고 있다는 점은 명백한 것으로 여겨진다.
- 상온에서부터 300℃에 이르는 범위에서 높은 항복 강도,
- 높은 저사이클 피로 강도,
- 높은 고사이클 피로 강도,
- 300℃에서 높은 크리프 강도,
- 상온에서부터 300℃에 이르는 온도 범위에 걸쳐 양호한 연성(최소 연신율이 상온에서 3%, 250℃에서 20%, 그리고 300℃에서 25%).
따라서, 본 발명의 대상은, 상온에서의 높은 항복 강도, 높은 저사이클 및 고사이클 기계적 피로 강도와 함께, 특히 약 300℃ 또는 심지어 그 이상의 온도에서 높은 기계적 내성 및 고온 크리프 강도와 상온에서부터 300℃에 이르는 범위에 걸쳐 양호한 연성을 갖는 것으로, 알루미늄 합금으로 이루어진 주조 부품으로서, 그 알루미늄 합금의 화학적 조성은 중량 백분율로 나타낼 때에,
Si : 3% 내지 11%, 바람직하게는 5.0% 내지 9.0%;
Fe : < 0.50%, 바람직하게는 < 0.30%, 더 바람직하게는 < 0.19%, 심지어 0.12%;
Cu : 2.0% 내지 5.0%, 바람직하게는 2.5% 내지 4.2%, 더 바람직하게는 3.0% 내지 4.0%;
Mn : 0.05% 내지 0.50%, 바람직하게는 0.08% 내지 0.20%;
Mg : 0.10% 내지 0.45%, 바람직하게는 0.10% 내지 0.25%, 보다 양호하게는 0.10% 내지 0.20%;
Zn : < 0.30%, 바람직하게는 < 0.10%;
Ni : < 0.30%, 바람직하게는 < 0.10%;
V : 0.05% 내지 0.30%, 바람직하게는 0.08% 내지 0.20%, 더 바람직하게는 0.10% 내지 0.19%;
Zr : 0.05% 내지 0.25%, 바람직하게는 0.08% 내지 0.20%;
Ti : 0.01% 내지 0.25%, 바람직하게는 0.05% 내지 0.20%;
어쩌면, Sr(30ppm 내지 500ppm), Na(20ppm 내지 100ppm) 및 Ca(30ppm 내지 120ppm)으로부터 선택되는 공정 조직을 개질(modifying)하기 위한 원소, 또는 공정 조직을 미세화(refining)하기 위한 원소로서 Sb(0.05% 내지 0.25%);
각각은 < 0.05%이고 총합은 < 0.15%인 기타 원소; 그리고
잔부로서 알루미늄을 포함한다.
도 1은 AlSi7Cu0.5Mg0.3 합금에 대한 Wohler 곡선, 즉 사이클 횟수에 따른 인장 하중에서의 피로 강도를 도시하며(파괴 확률은 순차적으로 좌측의 밝은 선이 5%, 중간의 어두운 선이 50%, 그리고 우측의 밝은 선이 95%임),
도 2는 마그네슘이 없고 3.3%의 구리를 함유한 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금에 대한 동일한 곡선을 도시하고,
도 3은 마그네슘이 없고 3.8%의 구리를 함유한 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금에 대한 동일한 곡선을 도시하며,
도 4는 가공성에 대한 특성을 밝히기 위해 "실시예" 부분에서 실행된 드릴링 테스트 중에 칩 파쇄의 표기에 고려되는 유럽 표준 NFE66-520-8의 발췌부를 도시한다. 본 명세서에서 이용된 표기는 1.1: "휘슬 형상의 기본적 파쇄(whistle-shaped elementary-fragmented", 6.2 : "짧은 나선형(short helical)", 및 6.3 : "절반 길이 나선형(half-length helical)".
도 2는 마그네슘이 없고 3.3%의 구리를 함유한 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금에 대한 동일한 곡선을 도시하고,
도 3은 마그네슘이 없고 3.8%의 구리를 함유한 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금에 대한 동일한 곡선을 도시하며,
도 4는 가공성에 대한 특성을 밝히기 위해 "실시예" 부분에서 실행된 드릴링 테스트 중에 칩 파쇄의 표기에 고려되는 유럽 표준 NFE66-520-8의 발췌부를 도시한다. 본 명세서에서 이용된 표기는 1.1: "휘슬 형상의 기본적 파쇄(whistle-shaped elementary-fragmented", 6.2 : "짧은 나선형(short helical)", 및 6.3 : "절반 길이 나선형(half-length helical)".
본 발명은, 2가지의 상호 보완적인 방식으로, 즉 소량의 마그네슘의 첨가와, 바나듐과 마그네슘을 함께 첨가함으로 인해 본 출원인 명의의 특허 문헌 FR 2 857 378 및 EP 1 651 787에 부합하는 AlSi7Cu3.5MnVZrTi 합금의 전술한 특성에 대한 주요한 개선을 제공하여, 전술한 기술적 과제를 해결할 수 있다는 본 출원인의 견지에 기초한 것이다.
0.10% 내지 0.20%의 소량의 마그네슘 첨가는 상온에서의 항복 강도뿐만 아니라 저사이클 피로 강도를 현저히 증가시키는 한편, 만족스런 정도의 연신율을 보존할 수 있다. 본 출원인은, 마그네슘을 소량 첨가하면 마그네슘이 없을 시에 형성되는 Al2Cu 상보다 저온 강도에 보다 효과적인 소정 비율의 경화 상(hardening phase) Q-Al5Mg8Si6Cu2가 형성될 수 있지만, 마그네슘에 비해 구리(통상, 3.5%)의 확실한 우세한 양으로 인해 그와는 반대로 고온 강도에 대해 보다 효과적인 Al2Cu 상의 양이 마그네슘의 첨가로 인해 현저하게 감소하지 않아 고온(통상 250℃ 및 300℃)에서의 특성이 저하되지 않는다는 가설을 세웠다.
아래의 표 2는 고용화 열처리 다음에 급랭시킨 후에 200℃의 평형 상태에서 첨가된 마그네슘의 양에 따른 AlSi7Cu3.5MnVZrTi에 형성되는 Al2Cu 및 Q-Al5Mg8Si6Cu2 경화 상의 양을 나타낸다. 그 값(이 경우 원자 백분율로 나타냄)은 본 출원인이 개발한 열역학 시뮬레이션 소프트웨어 "Prophase"를 이용하여 계산하였다.
표 2 :
이하의 실시예 및 그 결과를 나타내는 도면, 특히 도 4에서 드러나는 바와 같이, 20℃에서 항복 강도에서의 이득은 겨우 0.10%의 첨가에 의해 실질적으로 100 ㎫(200㎫에서 대략 300㎫로 이동)이다. 정말로, 아주 예상치 못하게도, 마그네슘의 효과는 0 내지 0.20% 범위에서 절대로 선형적이지 않은데, 0과 0.05% 사이에서는 무시할 수 있고, 0.05%와 0.10% 사이에서는 강하며, 이어서 실질적으로 0.20%의 함량에 이르기까지는 정체 현상이 관찰된다. 한편, 놀랍게도 마그네슘의 함량의 그러한 증가에 의해 연신율은 겨우 9% 내지 6%만 감소한다(3.5%의 구리 함량에 대해 HIP 및 T7 처리가 행해진 합금 A 내지 K의 기준 조건에서). 동일하게 선형성의 결여와 0.10% 내지 거의 0.20% 범위에서의 정체 현상이 역시 관찰되었다(역시 도 4 참조). 0.10%와 거의 0.20% 범위 사이에서 마그네슘 함량에 따른 동일한 정체 현상은 또한 도 5에 도시한 바와 같이는 4.0%의 구리 함량의 경우에도 관찰되었다.
동시에, 저사이클 피로 강도에서의 이득도 도 6에 도시한 바와 같이 아주 상당하다. 220 ㎫ 및 270 ㎫의 응력의 경우, 교번 인장 하중(즉, 최소 응력/최대 응력의 비 R이 -1)을 받는 테스트 시편의 수명은 0.10%의 마그네슘 첨가에 의해 실질적으로 10배로 되었다. 이 경우도, 그 효과는 절대적으로 선형적이지 않은데, 0.05%의 마그네슘 함량에 대한 결과는 정확하게 전무한 함량의 경우에 얻어지는 결과와 별반 차이가 없다. 고사이클 피로 강도(약 120 ㎫ 내지 140㎫의 낮은 응력)에 관해 살펴보면, 마그네슘은 내구성 한계에 더 이상 현저한 영향을 미치지 않는데, 역시 도 6에 따르면 약 130 ㎫에서 107 사이클이다.
250℃ 및 300℃에서의 정적 기계적 특성에 대해 살펴보면, 300℃에서의 기계적 특성에 관해 특히 도 7에 도시한 바와 같이 그 특성들은 마그네슘 첨가에 의해 단지 약간의 변화만 있고 우수한 채로 유지된다. 어떠한 연신율 손실 없이 300℃에서 항복 강도 Rp0 .2에서 소정 이득을 고르게 보이고 있다. 저온 연신율이 중요하지 않는 부품의 경우에, 0.45%에 이르는 함량이 허용될 수 있지만, 소정의 저온 연성을 보존하기 위해서는 0.25% 이하, 보다 바람직하게는 0.20%가 허용될 수 있다.
마지막으로, 비교적 낮은 마그네슘 함량, 즉 거의 0.20% 이하의 마그네슘 함량을 갖는 본 발명에 따른 AlSi5Cu3 및 AlSi7Cu3 타입의 합금은 통상 0.25% 내지 0.45%의 보다 높은 마그네슘 함량을 갖는 합금과는 달리, H.W.L. Philips["알루미늄 합금계의 평형 상태도(Equilibrium Diagrams of Aluminium Alloy Systems)". The Aluminium Development Association. Information Bulletin 25. 런던. 1961년]의 상태도에 따라서는 507℃에, 다른 저서에 따라서는 508℃에 용융되는 최종 4차 공정 조직(quaternary eutectic) Al-Si-Al2Cu-Al5Mg8Si6Cu2를 갖지 않는다. 시차 엔탈피 분석(differential enthalpic analysis : DEA)에 의해 결정되는 그들의 용융 개시점은 도 9에 도시한 바와 같이 거의 513℃이다. 이는 연소의 위험 없이 표준 열처리 장비를 갖고 505℃, 통상은 500℃ 내지 513℃에서 고용화 열처리를 적용할 수 있게 하는 반면, 종래 기술의 합금은 대개는 500℃, 일반적으로는 495℃에서 처리되었다.
그러나, 본 발명의 제2 구성은 전술한 마그네슘의 첨가와 바나듐의 첨가를 조합하는 데에 있다. 아주 놀랍게도, 본 출원인은 마그네슘과 바나듐 간에 항복 강도에 대해 강력한 상호 작용이 존재하고, 또한 300℃에서의 크리프 강도에 대해서는 훨씬 더 강한 상호 작용이 존재한다는 점을 확인하였다. 실제로, 공지된 바와 같이, 그러한 두 원소는 완전히 동일한 야금적 메커니즘에 의해 작용하는 것이 아니라, 그 메커니즘들은 사실상 정반대의 방식으로 작용한다. 한편, 마그네슘은 강력한 확산 계수를 갖는 공정 원소(eutectic element)로서, 시효 후에 알루미늄 매트릭스와 응집성 금속간 상의 형성을 통해, 실제로 전술한 Q상을 통해 구조적 경화에 가담하지만, 300℃ 또는 그 이상에서 그 상의 융합에 의해 경화 효과를 점점 잃게 된다.
반면, 그와는 달리, 바나듐은 매우 낮은 확산 계수를 갖는 포정 원소(peritectic element)로서, 수지상 코어 내에 농축된 고용체로 존재하고, 어쩌면 400℃보다 높은 온도에서 안정되게 유지되는 단지 반응집성 분산상의 Al-V-Si 형태로 석출될 수 있다.
그러나, 실시예의 결과에서는 0.10% 내지 0.19%의 마그네슘의 함량과 0.17%, 0.19%, 또는 0.21%의 바나듐 함량을 조합한 합금은 단지 바나듐만 함유하거나 단지 마그네슘만 함유하는 합금보다 상당히 우수한 저항성을 갖는다는 점을 보여준다. 이는 정적 기계적 특성에 관해서는 도 7에, 크리프 강도에 대해서는 도 8에 구체적으로 도시되어 있다.
바나듐을 0.21%보다 많이 첨가할 수도 있지만 단지 크리프 강도에 대해서만 유익하고, 액상 합금 내의 바나듐의 용해도는 한계가 있다. 본 출원인은 본 발명에 따른 합금에서 용융 금속 배스의 온도에 따른 바나듐의 용해도를 결정하기 위해 심층 테스트를 수행하였는데, 처음에 0.28%의 바나듐을 함유한 AlSi7Cu3.5MgMn0.30Zr0.20Ti0.20 타입의 합금을 도입하여 780℃에서 용해시켰다. 배스의 유지 온도에 따른 평형 상태에서의 용해도가 도 10에 도시되어 있다. 이로부터, 0.25% 수준의 바나듐을 용해 상태로 유지하게 위해서는 배스가 적어도 745℃의 온도, 즉 중력 또는 저압에 의한 실린더 헤드의 쉘 주형(영구 금속 주형) 주조에 있어서 비교적 높은 값으로 유지되어야 함을 알았다. 0.21%의 수준, 바람직하게는 0.17%의 수준은 그러한 주조 공정에 훨씬더 적합한 730℃ 또는 720℃로 배스를 유지할 수 있게 한다. 바나듐 함량이 0.21%에서 0.17%로 감소되는 경우에 크리프 강도에서 어떠한 감소도 관찰되지 않았기 때문에, 바나듐 함량을 추가적으로 감소시킬 가능성은 매우 많은데, 배스의 온도가 겨우 680℃일 수 있는 "저압" 공정을 이용하여 고려 중인 부품을 주조하기 위해서는 바나듐 함량은 0.08% 내지 0.10%가 채택되어야 할 것이다(도 10 참조). 예를 들면 진공에서 열처리되는 "가압" 주조 부품의 경우에, 그 공정의 통상의 유지 온도는 680℃보다 훨씬 낮아, 0.05%의 바나듐 함량이 고려될 수 있다.
본 발명에 따른 합금 타입을 구성하는 기타 원소들에 관하여, 그 함량들에 대해 이하의 고려 사항들을 근거로 제시할 것이다.
규소 : 이는, 유동성, 열간 균열의 발생 방지, 및 수축 공동에 대한 적절한 공급과 같은 양호한 주조 특성을 얻는 데에 필수적이다. 3%보다 낮은 함량의 경우에, 그 특성은 쉘 몰드 주조에 불충분한 반면, 11%보다 높은 함량의 경우에 수축 파이프가 너무 집중되고 연신율이 너무 낮아진다. 게다가, 그러한 특성과 연성 간에 통상 최적으로 고려되는 절충안은 5% 내지 9% 범위이다. 이 범위는 내연 기관의 실린더 헤드 형태의 용례 대부분에 상응한다.
철 : 이 원소는 Al-Si 타입의 합금의 연신율을 상당히 감소시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 점은 본 발명의 경우에 아래에서 설명하는 예들에서 확인할 수 있다. 특히 철과 관련하여 "높은 순도"가 비용에 영향을 미치는 인자라는 점을 알고 있다면, 철의 허용 범위의 적절한 수준을 각각의 특정 부품 모델이 겪고 있는 열-기계적 응력의 형태에 따라 선택할 수 있다. 연신율이 중요하지 않은 부품의 경우에, 0.50%에 이르는 함량이 허용될 수 있는 반면, 특정 저온 연성을 간직하기 위해서는 0.30% 이하의 함량이 허용될 수 있으며, 냉간 가공의 경우를 비롯하여 상당히 큰 응력을 겪는 부품의 경우에는 높은 특성을 갖는 EN AC-21100, 42100, 42200 및 44000 합금에 대해 프랑스 표준 EN 1706에 규정된 수준인 최대 0.19%가 바람직하고, 0.12%가 더 바람직하다.
구리 : 그러한 내열 합금의 구리 함량은 통상 2% 내지 5% 범위이다. 바람직하게는 충분히 높은 항복 강도와 고온 강도를 보장하도록 2.5% 이상, 그리고 4.5% 내지 10%의 규소와 0.25% 이하의 마그네슘을 함유한 기재에서의 구리의 적절한 용해도 한계를 고려한 4.2% 이하의 범위가 선택되어, 513℃ 이하의 온도에서 고용화 열처리되게 할 수 있다. 아래에서 설명하는 예에서는 구리 함량을 3.5%에서 4.0%로 증가시키는 경우에 도 4와 도 5 간의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 항복 강도에서 약 30㎫, 극한 인장 강도에서 15㎫의 이득을 갖지만 연신율에서는 1%의 손실도 초래될 수 있음을 확인할 수 있다. 상당히 큰 응력을 겪게 되는 실린더 헤드의 경우에 있어서 그러한 결과는 물론 필요성을 고려하면, 강도와 연성 간의 양호한 절충안으로 3% 내지 4%가 구리에 대해 가장 적합한 범위인 것으로 여겨진다.
망간 : 2008년 2월 "Hommes et Fonderie"에 공개된 전술한 논문에 개시된 종래의 연구로부터, 본 출원인은 이미 0.08% 내지 0.20%의 망간 함량이 300℃에서의 크리프 강도에 대한 지르코늄의 효과를 향상시킨다는 점을 확인하였다. 게다가, 약 0.30%, 보다 양호하게는 0.50%의 꽤 높은 철 함량을 가정할 때에, 0.50% 이하의 마그네슘을 첨가하게 되면 침상 조직으로 취성을 갖는 Al5FeSi 상을 소위 "차이니즈 스트립트(Chinese script)"로 불리는 취성이 덜한 4차의 Al5(Fe,Mn)Si2 상으로 전환할 수 있다.
아연 : 0.50%에 이르는 높은 철 함량을 갖는 변종을 이용하는 것을 선택한 경우에, 이러한 선택을 기회로 삼기 위해서는 0.30% 이하의 아연 함량을 허용하는 것도 필요하다. 철의 순도가 높은 1차 합금이 이용되는 바람직한 경우에, 아연 함량은 유리하게는 0.10%까지로 제한될 수 있다.
니켈 : 아연과 마찬가지로, 이 원소는 연신율을 아주 상당히 감소시키는 것으로서, 0.50% 이하의 철 함량을 갖는 합금에서는 0.30% 이하의 함량이 허용될 수 있지만, 높은 연성이 요구되는 경우에는 바람직하게는 0.10%까지로 제한될 것이다.
지르코늄 : 이전의 연구 중에, 본 출원인은 고온에서 AlSiZrTi 타입의 안정한 분산상의 형성을 통한 크리프 강도에 대한 지르코늄의 긍정적인 효과를 이미 확인하였다. 이 효과가 본 출원인의 특허 문헌 FR 2 841 164 및 FR 2 857 378에 특히 강조되어 있는데, 그 문헌들에서는 0.05% 내지 0.25% 범위, 두 번째 문헌에서는 바람직하게는 0.12% 내지 0.20%를 개시하고 있다. 약 0.25%의 너무 높은 함량은 조대하고 취성을 갖는 1차상을 초래하는 한편, 너무 낮은 함량은 크리프 강도와 관련하여 불충분한 것으로 드러났다는 점에서 0.08% 내지 0.20% 범위의 함량이 균형잡힌 절충안이다.
티타늄 : 이 원소는 2가지 복합적 모드에 따라 작용하는 데, 1차 알루미늄 결정립을 미세하게는 데에 도움을 주고 또한 특허 문헌 FR 2 841 164에 개시된 바와 같이 AlSiZrTi 분산상의 형성에 가담하여 크리프 강도에도 기여한다. 이러한 2가지 목표는 0.01% 내지 0.25% 범위, 바람직하게는 0.05% 내지 0.20% 범위의 함량에서 동시에 달성된다.
알루미늄-규소 공정 조직을 개질 또는 미세화하는 원소 : 공정 조직의 개질은 일반적으로 Al-Si 합금의 연신율을 개선시키기 위해 바람직하다. 그 개질은 스트론튬(30ppm 내지 500ppm), 나트륨(20ppm 내지 100ppm), 및 칼슘(30ppm 내지 120ppm) 원소 중 1종 이상의 첨가에 의해 달성된다. AlSi 공정 조직을 미세화하는 다른 방법은 안티몬(0.05 내지 0.25%)의 첨가하는 것이다.
열 처리 : 본 발명에 따른 주조 부품은 일반적으로 고용화 열처리, 급랭(quenching), 및 시효 처리를 포함하는 열처리를 받는다. 내연 기관의 실린더 헤드의 경우에, 부품의 안정화의 이점을 갖는 과시효를 포함하는 T7 타입의 처리가 일반적으로 이용된다. 그러나, 기타 용례의 경우, 특히 주조 부품의 고온 부분을 위한 인서트의 경우, T6 타입의 처리도 가능하다.
본 발명의 세부 사항은 이하의 예들에 의해 보다 잘 이해될 것이며, 하지만 그 예들이 본 발명의 범위를 제한하진 않는다.
실시예
탄화규소 도가니를 갖는 120㎏급 전기로에서 일련의 알루미늄 합금을 제조하여 테스트 시편[프랑스 표준 AFNOR NF-A57702에 따른 18㎜의 러프 쉘 몰드(rough shell-mold) 테스트 시편] 형태로 주조하였다. 이들 합금은 다음과 같은 조성을 갖는다.
Si : 7%
Fe : 0.19%인 합금 T 외에는 0.10%
Cu : 3.5%와 4%의 2가지 수준(이하의 표 3 참조)
Mn : 0.15%
Mg : 0에서 0.19%까지 변화(표 3 참조)
Zn : < 0.05%
Ti : 0.14%
V : 0.00%, 0.17%, 0.19% 및 0.21%의 4가지 수준(표 3 참조)
Zr : 0.14%
Sr : 50ppm 내지 100ppm.
주조된 테스트 시편의 일부는 485℃(±10℃) 및 1000 bar에서 2시간 동안 고온 등압 성형(당업자들에는 "HIP"로 알려짐)을 거쳤다. 그 후에, 이들 테스트 시편 전부는 아래와 같이 그 조성에 적합한 T7 열처리를 받았다.
- 마그네슘이 없는 합금(합금 A, D 및 G)에 대해서는 515℃에서 10시간 동안 고용화 열처리하였고, 마그네슘을 0.05% 내지 0.19% 함유한 합금(합금 B, C, E, F, H, K, 및 L 내지 T)에 대해서는 505℃에서 10시간 동안 고용화 열처리하였다.
- 20℃ 물에서 급랭.
- 시효 처리는 마그네슘이 없는 합금(합금 A, D 및 G)에 대해서는 220℃에서 5시간 동안, 합금 B, C, E, F, H, K에 대해서는 210℃에서 4시간 동안, 그리고 합금 L 내지 T에 대해서는 200℃에서 5시간 동안 실시하였다.
합금 D, G, F 및 K는 단지 마그네슘이 없는 합금 D 및 G의 경우에는 515℃에서 10시간 동안 열처리하고 0.10%의 마그네슘을 갖는 합금 F 및 K의 경우에는 505℃에서 10시간 동안 열처리 한 후에 이들 4종의 합금을 20℃의 물에서 급랭하고 200℃에서 5시간 동안 시효 처리하는 것만에 의해 상온에서 다른 특성을 갖게 하여 합금 L 내지 T와 보다 직접적으로 비교될 수 있게 하였다. 다른 열처리 예에서는 합금 L 내지 T의 고용화 열처리를 10시간 대신에 5시간으로 단축시켰다.
이들의 정적 기계적 특성을 아래의 조건에서 측정하였다.
- 상온, 상기한 AFNOR 테스트 시편의 경우 13.8㎜로 가공하였고 연신율 측정을 위한 표점 거리를 69㎜로 하여 프랑스 표준 EN 10002-1에 기재된 조건에서 측정하였다.
- 250℃ 및 300℃, 테스트 시편은 직경 18㎜의 동일한 AFNOR 쉘 블랭크로부터 취하여 8㎜의 직경으로 가공한 후에, 고려 중인 온도로 100시간 동안 사전에 예열하여 상당한 조직적 변경이 이루어지게 한 후에 프랑스 표준 EN 10002-5에 기재된 조건에서 250℃ 또는 300℃에서 연신시켰다.
상온에서의 기계적 피로 강도는, 역시 AFNOR 쉘 블랭크로부터 가공된 직경 5㎜의 봉형 테스트 시편에 대해 -1의 비 R(최소 응력/최대 응력)을 갖고 인장 및 압축시켜 측정하였다.
300℃에서의 크리프 테스트는 동일한 AFNOR 블랭크로부터 4㎜의 직경으로 가공한 후에 테스트 전에 100 시간 동안 300℃로 예열한 테스트 시편에 대해 수행하였다. 이 테스트는 300시간에 이르는 시간 동안 30㎫에 상응하는 일정한 응력을 테스트 시편에 가하여, 그 테스트 시편의 굽힘 A를 백분율로서 기록하는 것을 수반하였다. 그 굽힘이 작을수록 합금의 크리프 강도가 보다 양호하다는 점은 명백하다. 가장 낮은 크리프 결과를 보이는 합금, 즉 바나듐이 없는 조성의 합금 C로부터 주조된 테스트 시편은 300 시간 전에 파괴되었는데, 파괴시의 굽힘은 도 8의 직사각형 R로 나타낸 바와 같이 2.4% 내지 4% 범위였다.
표 3에 나타낸 조성을 갖는 합금들에 대한 20℃, 250℃ 및 300℃에서의 인장 테스트 결과가 역시 표 3(인장 강도 Rm은 ㎫로, 항복 강도 Rp0 .2는 ㎫로, 파단 연신율 A는 백분율로 나타냄)에 기재되어 있으며, 상온에서의 피로 테스트는 표 4(응력 F는 ㎫)에, 그리고 크리프 테스트는 표 5(30㎫, 300℃에서 0 내지 300 시간의 유지 시간 H에 따른 백분율 연신율 A로 나타냄)에 기재되어 있다. 그러한 결과는 도 4 내지 도 8의 그래프로부터 보다 용이하게 이해할 수 있다.
정적 기계적 특성(도 4 참조) 및 상온에서의 기계적 피로 강도(도 6 참조)와 관련하여, 3.5%의 구리 함량을 갖는 합금의 경우에 마그네슘의 강력하고 비선형적인 효과를 매우 명확하게 확인할 수 있다. 0 내지 0.05%에서는 실질적으로 무의미하지만, 0.05% 내지 0.10%에서는 매우 강력하다. 그 경우, 항복 강도는 거의 100㎫만큼 증가하는 한편, 220㎫ 내지 270㎫ 범위에서의 저사이클 피로 수명은 거의 10배 증가한다. 0.10% 내지 0.19% 범위에서는 상온 정적 기계적 특성에서의 완전히 예상하지 못한 정체 현상이 관찰된다. 예상할 수 있는 바와 같이, 바나듐은 그와 달리 상온에서 측정된 그러한 2가지 특성에 대해 어떠한 현저한 효과도 갖지 않는다. 구리 함량이 3.5%에서 4.0%로 증가하면, 도 4와 도 5 간의 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 항복 강도에서 약 30㎫, 극한 인장 강도에서 15㎫의 이득을 갖지만 연신율에서는 1%의 손실을 초래한다.
300℃에서의 기계적 특성, 즉 본 발명에 따른 신규의 타입의 합금의 특별한 목표와 관련하여, 표 3으로부터 연성이 매우 높다는 점을 알 수 있다(10시간 동안 고용화 열처리를 한 모든 경우에 25%보다 높음).
추가로, 도 7에서는 0.07% 내지 0.19%의 비율의 마그네슘과 0.17% 내지 0.21% 비율의 바나듐을 함께 첨가하면 거의 8%만큼 항복 강도를 개선할 수 있음을 보여주고 있다.
300℃에서의 크리프 강도와 관련하여, 표 5의 결과는 훨씬 더 상이하다.
- 합금 C는 마그네슘을 0.10% 함유하지만 바나듐은 없는 것으로, 300℃ 및 30㎫에서 300 시간 동안 견디지 못하고, 2.4% 내지 4% 범위의 굽힘에 의해 150 내지 200 시간에서 파괴되었다.
- 합금 G는 마그네슘이 없지만 바나듐을 0.21% 함유한 것으로, 300 시간 동안 견뎠으나 2.83%의 최종 평균 굽힘을 보였다.
- 합금 F 및 K는 0.10%의 마그네슘을 모두 함유하지만 첫 번째 합금은 바나듐을 0.17% 두 번째 합금은 0.21% 함유하는 것으로, 실질적으로 동일한 거동을 보였으며 합금 G 및 C에 비해 훨씬 양호한 성능을 보였는데, 어떠한 파괴도 보이지 않았고 평균 굽힘도 겨우 0.60% 및 0.54%이었으며, 이는 시편들 간의 편차를 고려한다면 현저하게 상이한 것은 아니다.
도 8은 300℃에서 크리프 강도에 대한 바나듐과 마그네슘 간의 상호 작용 정도를 보다 시각적으로 나타낼 수 있다.
그 테스트의 결과들은 또한, 미세 공극률을 감소 또는 저하시키는 "HIP" 처리에 의해 상온에서는 약 1%의 연신율을 확실히 향상시키지만, 그 합금들을 다소 "연화"시킨다는 점을 보여주는데, 다시 말해 도 4 및 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 특히 그 곡선의 굴곡부 부근의 0.07%의 마그네슘 함량을 갖는 경우에 항복 강도들이 규칙적으로 낮아진다.
0.10%에서 0.19%로의 철 함량의 증가는 "HIP" 처리의 여부에 관계없이 상대적인 값으로서 약 30%만큼 상온에서의 연신율을 감소시키는데, 이는 표 3에서 0.11% 내지 0.19%의 마그네슘 함량을 갖는 합금 Q, R, S에서의 정체 수준과 합금 T를 비교함으로써 명백히 드러난다. 그러나, 250℃ 및 300℃에서는 동일한 증가의 효과가 무시할 수준으로 된다.
10시간에서 5시간으로 고용화 열처리 시간의 감소는 합금 M, N, 및 O의 특성에 현저하게 영향을 미치지 않으며, 구리 함량이 보다 높은 경우더라도 도 5의 정체 수준에 상응하는 특성을 갖는다. 반시간에 이를 정도까지의 보다 현저한 감소도, 특히 유동화 베드에서 고용화 열처리에 제공될 가능성으로 인해 고려될 수 있다.
표 3 :
표 4 :
표 5 :
Claims (23)
- 알루미늄 합금으로 이루어지는, 정적 기계적 강도, 피로 강도 및 고온 크리프, 특히 300℃에서의 크리프 강도가 높은 주조 부품으로서,
알루미늄 합금의 화학적 조성은 중량 백분율로 나타낼 때에,
Si : 3% 내지 11%;
Fe : < 0.50%;
Cu : 2.0% 내지 5.0%;
Mn : 0.05% 내지 0.50%;
Mg : 0.10% 내지 0.25%;
Zn : < 0.30%;
Ni : < 0.30%;
V : 0.05% 내지 0.21%;
Zr : 0.05% 내지 0.25%;
Ti : 0.01% 내지 0.25%;
어쩌면, Sr(30ppm 내지 500ppm), Na(20ppm 내지 100ppm) 및 Ca(30ppm 내지 120ppm)으로부터 선택되는 공정 조직을 개질(modifying)하기 위한 원소 또는 공정 조직을 미세화(refining)하기 위한 원소로서 Sb(0.05% 내지 0.25%);
각각은 < 0.05%이고 총합은 < 0.15%인 기타 원소; 및
잔부로서 알루미늄
을 포함하는 알루미늄 합금 주조 부품. - 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금의 규소 함량은 5.0% 내지 9.0%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 마그네슘 함량은 0.10% 내지 0.25%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 바나듐의 함량은 0.08% 내지 0.20%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 철의 함량은 0.30% 미만인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 구리의 함량은 2.5% 내지 4.2%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 망간의 함량은 0.08% 내지 0.20%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 아연의 함량은 0.10%미만인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 니켈의 함량은 0.10%미만인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 지르코늄의 함량은 0.08% 내지 0.20%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 티타늄의 함량은 0.05% 내지 0.20%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 철의 함량은 0.19%미만인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 철의 함량은 0.12%미만인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 구리의 함량은 3.0% 내지 4.0%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 바나듐의 함량은 0.10% 내지 0.19%인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, T7 또는 T6 타입의 열처리를 받는 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 500℃ 내지 513℃ 범위의 온도에서 적어도 30분 동안의 고용화 열처리를 포함하는 T7 또는 T6 타입의 열처리를 받는 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 합금 주조 부품은 내연 기관용 실린더 헤드인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 알루미늄 주조 부품은 소정 주조 부품의 고온 부분의 인서트인 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, T7 또는 T6 타입의 열처리를 받는 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
- 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 500℃ 내지 513℃ 범위의 온도에서 적어도 30분 동안의 고용화 열처리를 포함하는 T7 또는 T6 타입의 열처리를 받는 것인 알루미늄 합금 주조 부품.
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