KR20130000341A - 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 그 주된 목적은 압출시 압출성을 떨어뜨리지 않되, 금형의 베어링을 통과하면서 마찰열로 인한 압출재의 표면 및 내부에 조대한 결정립이 발생하지 않도록 함과 동시에, 압출재 표면 및 내부에 결정립의 조대화를 방지하는 것이다.
이러한 목적을 이루기 위한 본 발명에 따른 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금은;
상기 알루미늄 합금은 0.80~0.90중량%의 Mg(마그네슘)과, 0.60~0.70중량%의 Si(규소)와, 0.15~0.25중량%의 Fe(철)과, 0.25~0.35중량%의 Cu(구리)와, 0.10~0.25중량%의 Mn(망간)과, 0.10~0.15중량%의 Cr과, 0.03이하 중량%의 Zn(아연)과, 0.01~0.02 중량%의 Ti(티타늄)과;
나머지는 알루미늄으로 조성된다.
이에 따라, 압출시 압출성을 떨어뜨리지 않되, 금형의 베어링을 통과하면서 마찰열로 인한 압출재의 표면 및 내부에 조대한 결정립이 발생하지 않도록 함과 동시에, 고강도, 고절삭성의 압출재를 얻도록 하는 이점이 있다.

Description

자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금{A HIGH STRENTH ALUMINUM ALLOY FOR USE THE AUTOMOBILE PARTS PRESSING}

본 발명은 압출용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 A6061 알루미늄 합금에 천이원소인 Mn(망간)의 함량을 증가시킴과 동시에 같은 천이원소인 Fe(철)과 Cr(크롬)을 적정량 첨가하여 압출시 결정립의 조대화를 방지하고, 압출 후 열처리를 통해 높은 인장강도 및 경도를 얻음으로써, 압출 후의 절삭가공이 원활하여 자동차의 자동 브레이크(ABS:Anti-lock Brake System) 밸브블럭 및 기타 자동차부품 및 이와 유사한 용도의 산업용재에 폭넓게 적용될 수 있는 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

본 발명은 2011년 06월 22일자로 출원된 출원번호 10-2011-0060478호에 대한 국내우선권주장 출원이다.

일반적으로, Al-Si-Mg 계인 6000번대 합금은 알루미늄계 합금중에서 우수한 압출가공 및 프레스 냉각성을 보이며, 압출 후 양호한 가공성과 인성 및 내식성, 표면처리성(양극산화)을 갖는다.

도 1에 도시한 바와 같은, 6000번 계열 합금중에서 A 6061 합금은 구조용 합금으로서, A6063에 비해서 강도, 인성등의 기계적 특성이 뛰어나다.

고강도의 특수합금으로서 A6066 및 A6070 등이 있으며, 이 고강도 합금들의 경우는 인장강도가 370-410MPa의 강도를 나타낸다.

그러나, 상기한 바와 같은 A6066 및 A6070등 고강도 합금의 경우, A6061 합금에 비해 압출성이 떨어지는 문제가 있고, A6061 합금의 경우에는 금형의 베어링면을 통과하면서 마찰열로 인한 압출재의 표면 및 내부에 조대한 결정립이 발생하는 문제가 있었다.

상기한 바와 같은, 결정립의 조대화는 선삭, 면삭, 드릴링등의 가공시 알루미늄 합금 표면의 박리, 뜯김, 가공속도 감소등의 결과를 초래하는 문제가 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위해 압출속도 및 온도 조절을 통해 결정립의 조대화를 방지하는 노력이 시도되고 있으나, 이는 생산성 감소의 결과를 초래하는 문제가 있었다.

또한, 항복점에 영향을 주는 원소인 Fe(철)(A6061은 0.7중량%)이 0.3중량% 이상의 함량일 때, 기지조직인 알루미늄과 화합물을 형성해서 압출금형의 베어링면에 소착되어 압출작업시, 이 압출금형 표면의 손상을 유발하는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은, 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 압출시 압출성을 떨어뜨리지 않되, 금형의 베어링면을 통과하면서 마찰열로 인한 압출재의 표면 및 내부에 조대한 결정립이 발생하지 않도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 압출재 표면 및 내부에 결정립의 조대화를 방지하도록 함과 동시에 압출 생산성을 향상시키는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 알루미늄 합금의 압출 시, 압출금형의 손상을 최소화하는데 있다.

이러한 목적으로 이루어진 본 발명은,

*알루미늄 합금에 관한 것으로,

상기 알루미늄 합금은 0.80~0.90중량%의 Mg(마그네슘)과, 0.60~0.70중량%의 Si(규소), 0.15~0.25중량%의 Fe(철)과, 0.25~0.35중량%의 Cu(구리)와, 0.10~0.25중량%의 Mn(망간)과, 0.10~0.15중량%의 Cr(크롬)과, 0.03%이하 중량%의 Zn(아연)과, 0.01~0.02중량%의 Ti(티타늄)과;

나머지는 알루미늄으로 조성된다.

또한, 상기 알루미늄 합금의 인장강도는 349~423N/㎟인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알루미늄 합금의 항복강도는 326~395N/㎟인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 소재에 천이원소인 Mn(망간)의 함유량을 상향조정하고, 다른 천이원소인, Fe(철) 함량을 0.25중량%이하, Cr(크롬)함량을 0.15%이하로 첨가하여, 압출시 금형의 베어링면을 통과하는 과정에서의 마찰열로 인한 압출재의 표면 및 내부에 조대한 결정립이 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

나아가, 알루미늄 압출재 표면 및 내부에 결정립의 조대화를 방지하도록 함과 동시에 압출 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

더 나아가, 결정립의 조대화가 방지되고 높은 기계적 특성으로 인해 압출 후에 절삭성과 내구성이 향상되어 경량이되 강도를 요하는 자동차 핵심부품에 널리 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 각 실시예에 따른 화학성분표와 인장강도와 항복강도와 연신율을 종래 A6061의 데이터와 비교해서 나타낸 도면이고,
도 2는 상향조절된 Mn(망간) 함량에 따른 압출 후의 결정립 조대화 발생유무를 비교한 것이고,
도 3은 Mn(망간)의 함량이 0.15중량%로 상향조절된 압출재의 횡단면과 종단면에 대한 100배율(a,b) 및 200배율(c,d)의 미세조직을 보인 것이고,
도 4는 상향조절된 Mn(망간) 함량변화에 따른 본 발명에 따른 알루미늄 함금이 경도값에 미친 영향을 나타낸 도표이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고강도 고절삭성을 갖춘 압출용 알루미늄 합금(10)(이하, "합금"이라 칭한다.)은 0.80~0.88중량%의 Mg(마그네슘)과 0.60~0.67 중량%의 Si(규소)와 0.18~0.24 중량%의 Fe(철)과, 0.28~0.34중량%의 Cu(구리)와 0.13~0.25중량%의 Mn(망간)과 0.12~0.16중량%의 Cr(크롬)과 0.002~0.01중량%의 Zn(아연)과 0.01~0.02중량%의 Ti(티타늄)과 나머지는 알루미늄으로 이루어진다.

Mg(마그네슘)은 상술한 중강도 알루미늄 합금을 구성하는 기본 원소로서, 시효처리시 Si와 결합하여 석출상인 Mg2Si금속간 화합물을 형성하여 강도를 향상시킨다.

압출용 알루미늄 합금이 구조재로 이용되는 경우, Mg(마그네슘)조성이 0.8중량% 미만이면 Si와 결합하여 강도 향상에 필요한 금속간 화합물인 Mg2Si를 충분히 형성시키지 못하므로 효과가 낮고, 0.90중량%를 초과하게 되면, 압출성을 저하시켜 생산성을 저하시키기 때문에, 0.80~0.90중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.

Si(규소)는 Mg(마그네슘)와 함께 합금계를 구성하는 기본 원소로서, 시효처리시 Mg(마그네슘)와 결합하여 Mg2Si를 형성하며, 강도를 향상시키는 것으로서, Mg(마그네슘)와 Si(규소)의 결합비율이 1.73 : 1이 이상적이지만, 본 발명에 따른 합금(10)에서는 강도 향상과 압출성에 효과가 좋은 과잉 Si(규소)를 인위적으로 형성시키기 위하여 Si(규소)를 Mg(마그네슘)과의 결합비율에서 약간 높게 첨가하여 강도 향상과 압출성을 향상시켰다.

그러나, Si(규소)는 이러한 특성 이외에 지나치게 많은 경우에는 압출재표면에 나쁜영향을 끼치게 되어 Si(규소)의 양을 0.60중량% 이상으로 하한치를 설정하여 강도를 향상시키고, 상한치를 0.70중량% 이하로 설정하여 압출성과 압출재표면에 악영향을 끼치는 것을 방지하였다.

또한, Mn(망간)은 필수적으로 첨가되는 원소중 본원발명에 있어서 가장 중요한 원소로서 Al과 결합하여 Al6Mn, Al12Mn등과 같은 분산상을 만들며, Al, Fe, Si 등과 결합하여 Al Fe Mn Si의 4원계 화합물로 형성된 천이원소로 알루미늄에 합금원소로 첨가되면 결정립이 조대화되는 것을 막아주는 배리어(Barrier) 역할을 한다.

이러한 분산상들은 압출후 시효처리전 기지( Matrix ) 안에 0.05~0.5㎛크기의 미세한 상으로 균일하게 분산되어 중강도 압출제품에 요구되는 기계적 특성을 나타내게 된다.

또한, 시효처리를 실시하면 Mn(망간)계 분산상들은 합금조직내에 미세하고 균일한 Mg2Si를 안정상인α-Al(Fe,Mn)Si화합물의 위치에 석출 분산시켜 고속압출시 3원 공정 융해에 의한 Pick up(압출재의 파단현상)을 억제시키고 불안정상태의 β-AlFeSi상을 안정상인 α상으로의 변태를 촉진시켜 crack tip에 집중되는 응력을 완화시켜 주는 역할을 한다

또한 시효처리를 실시하면 Mn(망간)계 분산상들은 합금조직내에 미세하고 균일한 Mg2Si를 안정상인(αAl FeMn)Si 화합물의 위치에 석출 분산시켜 고속압출시 3원 공정 융해에 의한 Pick up(압출재의 파단현상)을 억제시키고 불안정상태의 βAl Fe Si상을 안정상인 α상으로의 변태를 촉진시켜 모서리에 집중되는 응력을 완화시키는 역할을 한다.

통상 Mn의 양은 0.1중량% 미만일 경우 합금조직의 미세화효과가 낮아 강도향상의 효과가 낮고, 0.25중량%를 초과할 경우에는 강도향상의 효과가 나타나지 않고 오히려 강도를 저하시키는 작용을 하므로 Mn원소의 첨가량은 0.10~0.25중량%로 제한한다.

Fe(철)는 Al 합금의 불순물로 함유되어, 재결정입자의 조대화를 막아주고, 소량 첨가될 때, 다시 말해서, 0.17중량% 이상으로 첨가될 때에는 결정립 크기를 감소시켜 약간의 강도증가와 온도의 증가에 따른 더 좋은 크립(Creep) 특성을 제공하지만 0.25중량% 이상 첨가될 때는 연성의 감소 및 압출생산성을 떨어뜨리므로 상한치를 0.25중량%로 관리하는 것이 바람직하다.

Zn(아연)은 Fe(철)과 같이 강도 향상에 기여하지만, 열처리 공정 특성상 0.03 이하의 중량%로 첨가함으로서, 열처리 공정을 간소화 함과 동시에 압출성을 좋게한다.

나아가, Cu(구리)는 강도 및 절삭가공성을 향상시키는 원소로서, 강도는 향상시키되, 압출성을 저하시키지 않는 한도인 0.25~0.35중량%로 첨가하는게 바람직하다.

더 나아가, Cr은 결정립을 미세화시켜 강도 향상시키는 작용을 수행하는 중요요소인데, 지나치게 많은 양을 첨가하면 압출성을 저하시키기 때문에, 본 발명에 따른 합금(10)에 있어서는 0.10~0.15중량% 첨가하는 것이 바람직하다.

더 나아가, 입자미세화제인 Ti(티타늄)은 비중 4.5, 융점 1800℃, 상자성체(常磁性體)로서 매우 경도(硬度)가 높으며, 강도는 거의 탄소강과 같고, 비강도(非强度)는 비중이 철보다 작으므로 철의 약 2배가 되고 열전도도와 열팽창률도 작고 내식성이 뛰어나다.

따라서, 이와 같은, Ti(티타늄)은 압출성에 해가 되지 않는 범위내에서 최소화하여 0.01~0.02중량%로 관리한다.

상술한 바와 같이, Mn(망간) 첨가량에 따른 합금조성은 표 1에 표시하였으며, 각 성분 및 압출조건에 따른 조대화 시험 결과는 표 2에 나타난 바와 같다.

표 1에서 알 수 있듯이 종래의 알루미늄 합금A와 본원발명에 따른 알루미늄 합금B 두 합금 조성간의 뚜렷한 차이는 Mn(망간) 첨가량이 0.16중량% 차이로 크게 나고 있다.

Billet Lot No.별 화학성분

항목		Si	Fe	Cu	Mn(망간)	Mg(마그네슘)	Cr	Zn	Ti
Billet Lot No.	A	0.62	0.17	0.20	0.01	0.89	0.08	0.001	0.01
	B	0.65	0.20	0.28	0.17	0.87	0.12	0.002	0.011

표 1의 Mn(망간) 함유량 차이에 따라 도 2에 나타난 바와 같이, 조대화 유무가 뚜렷이 구별되고 있다.

도 2를 참조하면, Mn(망간) 함유량에 따른 종래의 알루미늄 합금(1)으로 이루어진 압출재와 본 발명에 따른 알루미늄 합금(10) 압출재의 알칼리 에칭 후의 사진을 비교해 보면 Mn(망간) 함유량에 따른 결정립 조대화의 양상이 뚜렷이 구분된다.

Mn(망간) 함유량이 0.01중량%인 종래 알루미늄 합금(10)으로 이루어진 압출재 단면은 다이스와의 마찰이 일어나는 표면 부위뿐만이 아닌 압출재 중앙부위까지도 결정립 성장이 일어난 것을 관찰할 수 있다.

그에 비해 Mn(망간) 함유량을 0.17중량%까지 증가시킨 본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금(10)으로 이루어진 압출재는 결정립 성장이 거의 발생되지 않은 것을 알 수 있다.

도 3을 참조하면, 결정립 성장 및 조대화가 발생하지 않은 본 발명에 따른 합금(10)인 성분B(Mn 0.17중량%)의 광학현미경 사진상으로 나타난 모양을 보였다.

도시한 바와 같이, a,b는 압출방향에 수직인 횡단면을 나타낸 것이고, c,d는 압출방향에 평행인 종단면을 나타낸 것으로서, 각각의 사진을 통해 결정립성장이 일어나지 않은 미세한 결정립을 관찰할 수 있다.

도 4에 도시한 것은, 상기한 Mn(망간) 첨가 유무에 따른 압출재에 대한 경도시험결과로서, 이 경도시험의 결과에서는 종래의 알루미늄 합금(1)과 본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금(10)의 경도 값은 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.

상기와 같은 결과를 통하여 본 발명에 따른 알루미늄 합금(10)은 Mn(망간)의 함량을 0.25중량%까지 확대함으로써 결정립의 조대화를 획기적으로 줄일 수 있었다.

이와 같은, 비율로 이루어진 본 발명에 따른 합금(10)은 기존의 A6061합금에서 Mn(망간)함량을 증가시킴과 동시에 천이원소인 Fe(철), Mn(망간), Cr(크롬)성분의 총합을 0.45~0.65중량%가 되도록 함으로서, 압출시 결정립의 조대화를 방지하고, 압출 후 본 출원인에 의해 10-0604592호로 등록된 열처리방법을 통해 도 1에 나타난 바와 같이 높은 인장강도 및 경도를 얻음으로써 압출후의 기계가공이 용이하여 자동차 ABS 밸브 블록 및 기타 자동차 부품 및 산업용재에 폭넓게 적용할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 용이하게 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구항 기재의 범위내에 있게 된다.

10; 압출용 알루미늄 합금

Claims (3)

1. 알루미늄 합금에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은 0.80~0.90중량%의 Mg(마그네슘)과, 0.60~0.70중량%의 Si(규소)와, 0.15~0.25중량%의 Fe(철)과, 0.25~0.35중량%의 Cu(구리)와, 0.10~0.25중량%의 Mn(망간)과, 0.10~0.15중량%의 Cr과, 0.03이하 중량%의 Zn(아연)과, 0.01~0.02 중량%의 Ti(티타늄)과;
   나머지는 알루미늄으로 조성된 것을 특징으로 하는 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 인장강도는 349~423N/㎟인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 항복강도는 326~395N/㎟인 것을 특징으로 하는 자동차 부품 압출용 고강도 알루미늄 합금.

Images