KR20120007234A

KR20120007234A - 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20120007234A
Application number: KR1020100067883A
Authority: KR
Inventors: 이지용
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2010-07-14
Filing date: 2010-07-14
Publication date: 2012-01-20

Abstract

본 발명은 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 후, 연속주조 및 열처리공정을 거쳐 제조되어, 기계적 강도를 20 ~ 30% 까지 향상시켜 주철을 대체할 수 있게 함으로써 부품의 기능은 그대로 유지하면서 경량화가 가능하게 하여 상품성을 향상시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

단조용 고강도 공정 알루미늄 합금{High-strength eutectic aluminum alloy forging process}

본 발명은 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 강도가 높은 주철을 단조용 알루미늄 합금으로 대체할 수 있게 하기 위한 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로 유가상승과 환경 규제 등 외부요인에 의해 최근 자동차 업계는 연비개선에 사활을 걸고 있으며, 이를 위해 두 가지 방향이 있는데 하나는 엔진의 연소효율을 높이는 것이고, 다른 하나는 자동차의 무게를 경량화 하는 것이다.

이처럼 자동차의 무게 경량화에 중점을 두는 이유는 자동차 1kg 경량화는 연비 0.4%로 이어지기 때문이며, 일부 업계에서는 경량화 방안으로 부품을 삭제하거나, 기능을 통합하고 축소하여 추진하고 있다.

그러나, 이런 방안은 자동차의 안전문제와 직결되며 소비자에게 악영향을 주게 된다.

따라서, 경량 금속 소재 적용을 통한 경량화는 부품의 기능을 그대로 유지하면서 자동차 무게를 줄 일수 있기 때문에 자동차 경량화 방안으로 적절하며 소비자에게도 좋은 인상을 줄 수 있다.

한편, 엔진 경량화 방안 중 하나는 비중이 무거운 주철(7.2)을 가벼운 알루미늄(2.7)로 대체하는 것으로, 엔진 부품에 많이 사용되는 주철(FC25)을 대체할 단조용 알루미늄에는 A2024(Al-4.5Cu-1.5Mg), A4032(Al-12Si-1Cu-1Ni) 등이 있지만 FC25대비 기계적 강도가 낮아서 아직 주철을 대체한 단조용 알루미늄 합금이 없는 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 특히 강도가 높은 주철을 단조용 알루미늄 합금으로 대체할 수 있게 하기 위한 것을 목적으로 한다.

이러한 본 발명은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 후, 연속주조 및 열처리공정을 거쳐 제조함으로써 달성된다.

이상과 같은 본 발명은 기계적 강도를 20 ~ 30% 까지 향상시켜 주철을 대체할 수 있게 함으로써 부품의 기능은 그대로 유지하면서 경량화가 가능하게 하여 상품성을 향상시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에서 열처리 조건을 도시하는 도면,
도 2의 (a)는 종래의 A4032합금의 미세조직을 나타내는 사진,
도 2의 (b)는 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금의 미세조직을 나타내는 사진.

도 1 및 도 2는 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에서 열처리 조건을 도시하는 도면이며, 도 2는 종래의 A4032합금과 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금의 미세조직을 나타내는 사진이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금은 알루미늄(Ai)에 실리콘(Si) 및 다량의 구리(Cu)를 첨가하여 금속간 화합물(Al-Si-Cu계)을 형성을 유도하고, 티타늄(Ti)을 첨가하여 Ti 첨가로 결정립을 미세화 시켜 금속간 화합물의 조대화를 막고 구상화 된 금속간 화합물을 형성 및 화합물의 분산을 유도하게 한다.

특히, 공정 합금 내 Cu 함량을 높이고 금속간 화합물을 분산시키기 위해 연속주조 공정을 사용하며, 연속주조 공정을 통해 공정계 알루미늄 합금에 최대 고용된 구리를 빠르게 냉각시켜 금속간 화합물의 양을 늘리고, 또한 열처리공정을 적용하여 석출강화효과에 의한 기계적 강도를 기존 단조용 알루미늄 합금 대비 20~30% 향상시켜 주철(FC25)을 대체하는 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금을 개발하여 경량화가 가능하게 되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.

이하 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 대한 각 구성요소를 첨부한 도면을 참조하여 하나씩 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti)을 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 후, 연속주조 및 열처리 공정을 거쳐 제조된 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금을 제공한다.

실리콘(Si)은 Al-Si계의 공정점에 가까운 조성이 되면 열간 취성이 제거되고, 유동성과 용접성 및 내식성이 우수하게 되며, 그 양은 9~13중량%를 첨가할 수 있다.

이때, 실리콘(Si)을 9중량% 미만으로 첨가되면 유동성이 낮아지고 녹는점이 증가해 구리의 고용량이 낮아지게 되며, 13중량%를 초과하여 첨가되면 미세조직상에 조대한 초정 Si입자 생성되어 가공성이 나빠지고, 기계 강도를 저하시키게 되기 때문에 9~13중량%로 유지시키는 것이 좋다.

금속간화합물 형성을 위한 구리(Cu)는 4~5중량%까지 첨가할 수 있다.

이때, 구리(Cu)를 4% 미만으로 첨가되면 Cu계 정출상이 충분히 형성되지 않고, 석출상만 형성되며, 5중량%를 초과하여 첨가하게 되면 금속간화합물의 입자가 커지게 되는 조대화 문제가 발생한다.

마그네슘(Mg)은 0.4~0.8중량% 첨가되어 Mg₂Si의 석출경화에 의해서 강도를 향상시키는 효과가 있으며, 상기 마그네슘(Mg)을 0.8중량%를 초과하여 첨가하게 되면 연신률 감소 및 용탕이 쉽게 산화되게 된다.

티타늄(Ti)은 0.1~0.3중량%가 첨가되는데, Ti 첨가로 결정립을 미세화 시켜 금속간 화합물의 조대화를 막고 구상화 된 금속간 화합물을 형성 및 화합물의 분산을 유도하게 된다.

이때, 티타늄(Ti)을 0.3중량%를 초과하여 첨가하게 되면 결정립 강화(Grain Refinement)가 발생해 주조가 어렵게 될 수 있다.

이처럼, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하여 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti)을 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 다음에는, 연속주조 및 열처리공정을 거치게 된다.

여기서, 도 1은 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에서 열처리공정을 도시하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 용체화 처리 단계를 통해 충분히 열을 가한 다음 ??칭(Quenching, 수냉) 단계를 통해 저온으로 급랭시키고, 최종적으로 시효 처리 단계를 통해 재료를 균질하게 만들게 되는 것이다.

이때, 도 2의 (a)는 종래의 A4032합금의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 2의 (b)는 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금의 미세조직을 나타내는 사진으로, 도 2를 상호 비교하여 살펴보면 종래의 합금에 비해 본 발명의 합금이 미세한 금속화합물이 고르게 생성됨을 확인할 수 있으며, 금속간 화합물의 크기뿐만 아니라 형상 측면에서도 침상에서 구상화되어 기계물성 향상에 도움이 됨을 알 수 있다.

한편, 종래의 알루미늄 단조합금인 A4032합금과 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금을 이용하여 화학성분 분석 및 기계강도 평가 결과는 다음 표 1에 나타낸 바와 같다.

합금비교	화학성분						기계강도
합금비교	Si	Cu	Mg	Ti	Cr	Ni	항복강도	인장강도
비교예 (A4032합금)	9.2	1.1	1.5	0.01	-	1.7	320Mpa	350Mpa
실시예 (본 발명)	12.6	4.7	0.6	0.24	0.04	0.01	381Mpa	440Mpa

종래에는 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 9.2중량%, 구리(Cu) 1.1중량%, 마그네슘(Mg) 1.5중량%, 티타늄(Ti) 0.01중량%, 니켈(Ni) 1.7중량%가 첨가되어 합금함으로써, 항복강도는 320Mpa, 인장강도는 350Mpa의 평가 결과를 나타냄을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 실리콘(Si) 12.6중량%, 구리(Cu) 4.7중량%, 마그네슘(Mg) 0.6중량%, 티타늄(Ti) 0.24중량%, 크롬(Cr) 0.04중량%, 니켈(Ni) 0.01중량%가 첨가되어, 연속주조 후 열처리한 결과의 합금을 제조하여 항복강도는 381Mpa, 인장강도는 440Mpa의 평가 결과를 나타내어 종래보다 기계강도가 우수해졌음을 알 수 있다.

또한, 종래의 알루미늄 단조합금인 A4032합금과 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금에 열처리가공을 적용한 다음 기계강도 변화를 장비로 측정하였으며, 그 결과는 표 2에 나타낸 바와 같다.

합금	기계강도
합금	항복강도	인장강도
비교예(A4032)	312Mpa	346Mpa
실시예(개발합금)	381Mpa	440Mpa

표 2에서 볼 수 있듯이, 미세조직의 변화에 의해, 종래의 알루미늄 단조합금인 A4032합금에 비해 본 발명의 실시예에 따른 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금의 항복강도가 22%, 인장강도가 27% 향상된 것을 확인할 수 있었으며, 따라서 종래 보다 합금 대비 고강도 소재를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 후, 연속주조 및 열처리공정을 거쳐 제조되어 기계적 강도를 20 ~ 30% 까지 향상시켜 주철을 대체할 수 있게 함으로써 부품의 기능은 그대로 유지하면서 경량화가 가능하게 하여 상품성을 향상시키는데 탁월한 이점을 가진 발명인 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims

알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 실리콘(Si) 9~13중량%, 구리(Cu) 4~5중량%, 마그네슘(Mg) 0.4~0.8중량%, 티타늄(Ti) 0.1~0.3중량% 및 기타 합금원소인 크롬(Cr)과 니켈(Ni)을 첨가하여 합금한 후, 연속주조 및 열처리공정을 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금.
제 1항에 있어서,
상기 열처리공정은 용체화 처리 단계, 수냉 단계 및 시효 처리 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단조용 고강도 공정 알루미늄 합금.