KR20120094327A - 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법 - Google Patents

필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 알루미늄(Al) 소재를 기본 성분으로 하며, 실리콘(Si):14.0 ~ 16.0 중량%, 니켈(Ni):4.5 ~ 5.5 중량%, 구리(Cu):3.0 ~ 4.0 중량%, 철(Fe):최대 1.0 중량%, 망간(Mg):0.7 ~ 1.0 중량%를 포함하고, 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하는 과공정 알루미늄 합금이 구비되되; 상기 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti)을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용해 필드 제어하는 필드제어단계(S10)와; 상기 필드제어단계(S10)에서 제조된 용탕을 주조하는 주조단계(S20)로 구성되어, 저온의 주입온도로 빠른 생산이 가능하도록 하여 효율성을 향상시키는 동시에 실리콘 함유량을 증가시켜 열팽창률을 감소시키고, 필드제어를 통해 실리콘을 균일하고 미세하게 분포시킴으로써 내마모성과 내열 특성을 향상시켜 상품성을 극대화시키는데 효과가 있도록 하는 것이다.

Description

필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법{Manufacturing method of aluminum alloy}
본 발명은 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 내마모 특성 및 내열 특성을 겸비한 알루미늄 합금을 제조할 수 있게 하기 위한 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차, 구조재료 등 각 공산품의 부속 및 소재 산업 등에 있어서 친환경성, 합리적 비용, 효율적인 에너지 절감뿐만 아니라 그에 따른 다양한 품질개선이 요구되고 있어 경량 재료의 개발과 전환 등에 대한 개선방안이 연구되고 있다.
한편, 자동차 엔진의 중요한 부품 중의 하나인 피스톤 헤드는 고온, 고압 분위기에서 고속의 행정운동이 요구되는 부품이다.
이때, 실린더 라이너는 엔진블록의 보어에 삽입되어 피스톤의 왕복 운동 중 생기는 보어 면의 마모를 막아 주는 것으로, 현재 자동차와 같은 수송기기 엔진의 경량화 추세에 따라 개발된 알루미늄 실린더블록의 보어를 보강하기 위해 사용되고 있는 실린더 라이너는 대부분 주철재 라이너이다.
또한, 최근에는 엔진의 고출력화에 따른 냉각성능 향상과 경량화가 요구되어 알루미늄 압출재 라이너 등이 사용되고 있는 바, 상기 실린더 라이너에 요구되는 특성은 내마모성으로 알루미늄 합금에서 내마모성을 향상시키기 위해 많이 이용하는 방법은 합금성분인 실리콘의 양을 증가시키고, 실리콘의 크기를 미세화 시키는 것이다.
여기서, 현재까지 개발된 내열 알루미늄 합금은 알루미늄 및 알루미늄 합금 기지에 Al-Si-천이원소 금속간 화합물 또는 Al-X(Fe, Cu, Cr, Ni, Ti) 금속간 화합물을 액상에서 고상으로의 상변태인 응고 시 형성되는 정출상과 열처리를 통하여 고상에서 형성된 석출상의 형태로 분산 제어함으로써 내열특성을 구현하도록 하고 있다.
이처럼, 자동차의 엔진은 내압성, 내열성 소재가 적용되어야 하는 최정밀 보안부품이라 할 수 있으며, 피스톤 행정 시 고속운동에 의한 마찰이 크게 발생하기 때문에 내마모성이 크게 요구된다.
이에 자동차용 내열 내마모 피스톤 헤드의 소재로서, 가볍고 주조가 비교적 용이한 알루미늄계 합금이 주로 사용되고 있으며, 상기 합금계에는 기존의 알루미늄 합금과는 달리 Cu, Ni, Cr, W등 다양한 혼합원소가 포함되어 있는데 내마모성과 내열성은 상기 원소 및 금속간 화합물의 석출거동에 의해 얻어질 수 있다.
현재 이와 같은 소재의 피스톤 성형에 있어서 가장 대표적인 방법은 중력주조에 의한 제조법으로, 중력주조 방식은 공정계 Al-Si가 기본적인 조성이기 때문에 중력 주조 시 충진이 용이하고, 주조의 신뢰성이 비교적 높다는 장점이 있다.
그러나 중력 주조 방식은 복잡 성형품을 위한 코어 결합문제, 사상 및 트리밍 후처리 비용문제, 생산성과 비용효율적인 측면에서 많은 문제점을 가지고 있다.
또한, 내열 및 내마모 소재로서의 기능을 발휘하기 위해서는 석출되는 다양한 상의 분포가 균일하고 입자 크기가 미세하여야 하는데, 중력주조의 방법으로는 미세조직의 제어가 근본적으로 한계가 있다는 단점이 있다.
특히 현재의 중력 주조 방식으로는 금속의 미세입자의 수지상 성장을 억제할 수 없기 때문에 내마모성에 반드시 요구되는 석출상의 미세하고 균일한 분포가 용이하지 않다.
실리콘은 내마모성에 중요한 역할을 하는 원소로 중력주조 공법을 적용할 경우 실리콘의 함량은 11.7%의 공정량 이상을 사용하기 힘들며, 중력주조 공법에서는 과공정 이용 시 초정 실리콘(Si)이 조대화 되는 것을 막기가 힘들다.
또한, 고온물성에 영향을 미치는 니켈 및 구리의 미세조직을 제어하는 것이 쉽지 않고 철(Fe)의 함량을 낮추기 위해 단가가 높아지고 생산성이 느린 단점이 있으며, 실린더와 같이 정밀 가공된 철강 제품과 알루미늄 합금 제품이 맞부딪치는 부품의 경우 알루미늄과 철강제품의 열팽창률의 차이로 인해 치수변화를 초래하여 구동장애를 야기하게 된다.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위한 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 내마모 특성 및 내열 특성을 겸비한 알루미늄 합금을 제조할 수 있게 하기 위한 것을 목적으로 한다.
이러한 본 발명은 알루미늄(Al) 소재를 기본 성분으로 하며, 실리콘(Si):14.0 ~ 16.0 중량%, 니켈(Ni):4.5 ~ 5.5 중량%, 구리(Cu):3.0 ~ 4.0 중량%, 철(Fe):최대 1.0 중량%, 망간(Mg):0.7 ~ 1.0 중량%를 포함하고, 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하는 과공정 알루미늄 합금이 구비되되; 상기 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti)을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용해 필드 제어하는 필드제어단계와; 상기 필드제어단계에서 제조된 용탕을 주조하는 주조단계로 구성함으로써 달성된다.
이상과 같은 본 발명은 저온의 주입온도로 빠른 생산이 가능하도록 하여 효율성을 향상시키는 동시에 실리콘 함유량을 증가시켜 열팽창률을 감소시키고, 필드제어를 통해 실리콘을 균일하고 미세하게 분포시킴으로써 내마모성과 내열 특성을 향상시켜 상품성을 극대화시키는데 효과가 있는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법을 도시하는 흐름도,
도 2는 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 의해 제조된 합금의 미세조직을 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에서 고온 다이캐스팅과 필드제어 다이캐스팅을 도시하는 도면.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것으로, 도 1은 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법을 도시하는 흐름도이며, 도 2는 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 의해 제조된 합금의 미세조직을 도시하는 도면이고, 도 3은 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에서 고온 다이캐스팅과 필드제어 다이캐스팅을 도시하는 도면이다.
본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 알루미늄, 실리콘, 니켈, 구리, 철, 망간, 크롬, 티타늄을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용하여 필드 제어하는 필드제어단계(S10) 및 상기 필드제어단계(S10)에서 제조된 용탕을 주조하는 주조단계(S20)로 이루어져 내마모 특성 및 내열 특성을 겸비한 알루미늄 합금을 제조함으로써 상품성을 향상시키게 되는 것을 그 기술상의 기본 특징으로 한다.
이하 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법에 대한 각 구성요소를 첨부한 도면을 참조하여 하나씩 살펴보면 다음과 같다.
우선 본 발명은 아래의 표 1에 기재된 바와 같이, 알루미늄(Al) 소재를 기본 성분으로 하며, 실리콘(Si):14.0 ~ 16.0 중량%, 니켈(Ni):4.5 ~ 5.5 중량%, 구리(Cu):3.0 ~ 4.0 중량%, 철(Fe):최대 1.0 중량%, 망간(Mg):0.7 ~ 1.0 중량%를 포함하고, 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하는 과공정 알루미늄 합금이 구비되는 것을 기본으로 한다.
소재 Al Si Ni Cu Fe Mg Cr, Ti
중량% 기본
성분		 14.0 ~ 16.0 4.5 ~ 5.5 3.0 ~ 4.0 최대 1.0 0.7 ~ 1.0 기타
도 1에 도시된 바와 같이, 필드제어단계(S10)는 상기 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti)을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용해 필드를 제어하는 단계이다.
또한, 주조단계(S20)는 상기 필드제어단계(S10)에서 제조된 용탕을 주조하는 단계이다.
한편, 용탕에는 알루미늄뿐만 아니라 합금성분이 다양하게 포함되어 있으며, 제품특성 열등 및 편석 감소 시 용탕을 전자교반 시키는데, 이는 자기장을 발생하는 코어와 전류가 흐르는 코일을 이용하면 힘이 발생하여 액체금속 즉 용탕이 교반되는 원리이다.
이때, 700 ~ 640℃까지의 온도구간에서 15 ~ 30A 세기의 전자기력을 인가하여 용탕을 교반하는 필드제어단계(S10)를 통해 초정 실리콘의 크기가 20마이크로미터 이하로 미세하며 초정 실리콘이 제품 내에 균일한 분포를 이루고 니켈과 구리 원소가 균일하게 분포되는 반응고 상태의 슬러리를 제조하게 된다.
상기 슬러리를 금형에 주입하고 다이캐스팅 공정을 거쳐 최종 응고시키면 도 2에 도시된 바와 같은 미세조직을 형성하게 되는 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금의 제조가 완료된다.
한편, 전자교반 공정을 다이캐스팅 전에 도입하게 되면, 초정의 구상화를 통해 석출되는 용질이 균일해 질 수 있으며, 특히 일반 중력주조보다 저온의 주입온도로 빠른 생산이 가능하기 때문에 에너지 효율적인 측면에서도 유리하다.
또한, 소재의 조직 개량화는 필연적으로 다이캐스팅에 의한 near net shape 성형을 가능하게 하므로 재료의 생산성 또한 높아져 가격 효율성이 크게 향상될 수 있고, 실리콘 함유량을 증가시켜 열팽창률을 감소시키는 효과와 함께 필드제어를 통해 초정실리콘을 균일하고 미세하게 분포시켜 내마모성을 증가시키고 초정 실리콘과 공정 알루미늄의 균일 분포에 의한 2차 효과로 니켈과 구리원소 화합물의 미세화와 균일 분포를 통해 고온물성을 증가시킬 수 있게 한다.
구분
합금조성(wt%)		 고온인장강도
(Mpa)		 내마모특성
(하중감량)(mg/hr)		 열팽창률
10-6/K
300℃ 300℃ 20-100℃ 20-300℃
발명재
(Al, Si:15wt%, Ni:5%, Cu:4%)		 110 93.6mg/hr 17 20
비교재
(AC8A)		 65 115.2mg/hr 20 22
한편, 전자기력을 인가하여 용탕을 교반하는 필드제어단계(S10)를 거치면서 낮아진 용탕의 온도는 일반적인 다이캐스팅 공법 제품에 비해 낮은 주입온도를 형성함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 제품 상태에서 수축 및 기공 결함의 발생을 억제하고 금형 수명을 증가시킬 수 있게 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법은 알루미늄(Al) 소재를 기본 성분으로 하며, 실리콘(Si):14.0 ~ 16.0 중량%, 니켈(Ni):4.5 ~ 5.5 중량%, 구리(Cu):3.0 ~ 4.0 중량%, 철(Fe):최대 1.0 중량%, 망간(Mg):0.7 ~ 1.0 중량%를 포함하고, 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하는 과공정 알루미늄 합금이 구비되되; 상기 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti)을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용해 필드 제어하는 필드제어단계와; 상기 필드제어단계에서 제조된 용탕을 주조하는 주조단계로 구성되어 저온의 주입온도로 빠른 생산이 가능하도록 하여 효율성을 향상시키는 동시에 실리콘 함유량을 증가시켜 열팽창률을 감소시키고, 필드제어를 통해 실리콘을 균일하고 미세하게 분포시킴으로써 내마모성과 내열 특성을 향상시켜 상품성을 극대화시키는데 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.
S10 : 필드제어단계 S20 : 주조단계

Claims (2)

  1. 알루미늄(Al) 소재를 기본 성분으로 하며, 실리콘(Si):14.0 ~ 16.0 중량%, 니켈(Ni):4.5 ~ 5.5 중량%, 구리(Cu):3.0 ~ 4.0 중량%, 철(Fe):최대 1.0 중량%, 망간(Mg):0.7 ~ 1.0 중량%를 포함하고, 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)등 불가피하게 수반되는 불순물 원소를 포함하는 과공정 알루미늄 합금이 구비되되;
    상기 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mg), 크롬(Cr), 티타늄(Ti)을 640 ~ 700℃의 용해온도에서 전자교반을 이용해 필드 제어하는 필드제어단계와;
    상기 필드제어단계에서 제조된 용탕을 주조하는 주조단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    용탕을 교반하는 상기 필드제어단계를 통해 초정 실리콘의 크기가 20마이크로미터 이하로 미세하게 형성되는 것을 특징으로 하는 필드 제어를 통한 내마모 내열성 과공정 알루미늄 합금 제조 방법.
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