KR20130012651A

KR20130012651A - 반응고 성형용 고강도 및 고인성 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20130012651A
Application number: KR1020110073914A
Authority: KR
Inventors: 홍준표; 장영수; 최병희
Original assignee: 주식회사 나노캐스트코리아
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-02-05

Abstract

본 발명에 따라서 반응고 성형용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 4.0~5.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5~1.0 wt%, 구리(Cu) 0.25~0.5 wt%, 아연(Zn) 0.25~0.5 wt%, 철(Fe) 0.1~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5 wt%, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max, 기타 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반응고 성형용 고강도 및 고인성 알루미늄 합금{ALUMINUM ALLOY HAVING HIGH STRENGTH AND TOUGHNESS FOR RHEOFORMING}

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 다이캐스팅 및 단조 등 다양한 산업 환경에서 사용 가능하고, 제품 사출시, 특히 반응공 성형(rheoforming) 공법 활용시, 인장 강도 및 내충격성, 진동 특성 등 높은 기계적 성질을 요하며 사출시 형상 복잡성을 가지는 제품에 적합한 조성으로 이루어진 반응고 성형용 고강도 및 고인성 알루미늄 합금에 관한 것이다.

다이캐스팅 제품, 특히 자동차 산업에서 요구되는 서스펜션 류의 제품 사출시 외부의 높은 충격에 저항하여 본래 형상을 유지할 수 있는 물성이 필수적으로 요구된다. 이는 보통 업계에서 인장 강도 및 내충격성, 진동특성 등의 조건으로 평가되고 있으며 이를 충족하기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.

일반적으로 높은 기계적 성질을 확보하기 위하여 단조공법을 통한 제품 생산이 시도되고 있으나 이는 단가가 높다는 문제점이 있고 또 복잡한 형상을 제작하는데 한계가 있으며, 특히 보스(boss)부 등 돌출부를 가진 제품의 성형은 불가능하여 다양한 외관을 원하는 현대의 제품생산 트렌드에 부응할 수 없는 기술이다.

이와 관련하여, 업계에서는 여러 기술들을 활용하여 고강도, 고인성 제품의 생산에 적용하려는 노력들이 보고되고 있으나 제품의 높은 물성 및 균일성을 보장하고, 일정 고상율에 이르기까지 점도가 높은 액체와 비슷한 거동을 하여 우수한 유동특성을 보이는 반응고 성형 기술이 현산업의 기술 트렌드에서 최적의 효과를 구현할 수 있는 것으로 평가된다.

고액 공존 상태의 금속 슬러리, 즉 반용융 또는 반응고 금속 슬러리는 통상 반응고 성형법(rheocasting) 및 반용융 성형법(thixocasting) 등의 복합 가공법의 중간품이다. 반응고 금속 슬러리는 반응고 영역의 온도에서 액상과 고상의 결정립이 적절한 비율로 혼재한 상태로, 틱소트로픽(thixotropic)성에 의해 적은 힘으로도 변형이 가능하고, 유동성이 뛰어나 액상처럼 성형 가공이 용이한 상태의 금속 재료이다.

여기서, 반응고 성형법(rheoforming)이란 미처 응고되지 않아 소정의 점성을 갖는 고액 공존 상태의 반응고 금속 슬러리를 주조 또는 단조하여 빌렛이나 최종 성형품을 제조하는 가공법을 말한다. 이러한 반응고 성형법은 반용융 성형법(thixoforming)과 아울러 반응고/반용융 성형법으로 불리는데,여기서 반용융 성형법이란 반응고 성형법에 의해 제조된 빌렛을 다시 반용융 상태의 슬러리로 재가열한 후, 이 슬러리를 주조 또는 단조시켜 최종 제품으로 제조하는 가공법을 말한다.

이러한 반응고/반용융 성형법은 주조나 용탕 단조 등 용융 금속을 이용하는 일반적인 성형 방법에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 예를 들면, 반응고/반용융 성형법에서 사용하는 슬러리는 용융 금속보다 낮은 온도에서 유동성을 가지므로, 이 슬러리에 노출되는 다이의 온도를 용융 금속의 경우보다 더 낮출 수 있고, 이에 따라 다이의 수명이 길어질 수 있다.

그러나, 반응고 성형 기술의 고강도, 고연신 특성을 요하는 제품에의 응용시 일반적으로 사용되는 A356 등의 중력 주조용 합금은 강도 특성, 특히 항복강도가 충분치 못하여 내충격 환경에서 문제점을 보이며, 다이캐스팅 합금으로 개발된 ADC 계열의 합금은 높은 Si 함유량으로 인하여 경질의 공정 영역에 의해 연신 특성이 부족하다. 한편, 높은 강도를 가지는 60 계열의 단조용 합금은 유동 거리가 짧고 고액 공존 구간이 매우 작아 반응고 적용이 불가능한 실정으로 새로운 합금의 개발의 필요성이 대두되고 있다. 이와 같이, 반응고 성형 공법에서의 물성치 및 유동 특성에 최적화된 합금은 아직 존재하지 않는 실정이다. 예컨대, 등록특허 10-554093호에 기재된 바와 같이, 반응고 성형 장치 등만이 개시되어 있고, 그 반응고 성형에 이용 가능한 최적화된 합금 개발은 이루어지지 않고 있다.

즉 기존 상용화된 일반 주조합금으로는 반응고 성형 공법 적용시 그 공법 특유의 주조성 및 기계적 성질 극대화가 어려우며, 특히 높은 Si을 함유하는 주조합금의 특성상 낮은 항복강도를 가지게 되어 내충격성을 요하는 자동차 서스펜션 류의 적용에 한계가 있다. 또한 6061로 대표되는 Al-Si계의 단조합금은 충분한 강도 확보가 가능하나 합금의 유동특성이 매우 떨어지고 반응고 가능 영역이 매우 짧아 반응고 성형 공법 적용에 큰 어려움을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 반응고 성형 기술의 적용성이 크며, 성형 제품에 대해 충분한 강도 및 복잡한 형상의 제품 사출에 적합한 유동 특성을 얻을 수 있으며, 금형 내소착성이 우수한 고강도 알루미늄 합금을 제조하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따라서 반응고 성형용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 4.0~5.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5~1.0 wt%, 구리(Cu) 0.25~0.5 wt%, 아연(Zn) 0.25~0.5 wt%, 철(Fe) 0.1~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5 wt%, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max, 기타 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 5.3 wt%, 마그네슘(Mg) 0.65 wt%, 구리(Cu) 0.35, 아연(Zn) 0.27 wt%, 철(Fe) 0.13 wt%, 망간(Mn) 0.1 wt%, 티타늄(Ti) 0.04 wt%를 포함할 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 자동차용 서스펜션에 적용되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 알루미늄 합금.

본 발명에 따른 반응고 성형용 알루미늄 합금은 종래의 합금과 달리, 반응고 성형에 적용 가능한 충분한 기계적 성질을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 반응고 성형용 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 반응고 성형용 알루미늄 합금과 비교예의 경도 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 반응고 성형용 알루미늄 합금과 비교예의 인장 평가 실험 결과를 보여주는 도면이다.

이하에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 사항에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따라서 반응고 성형(rheoforming)용 알루미늄 합금이 제공되는데, 상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 4.0~5.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5~1.0 wt%, 구리(Cu) 0.25~0.5 wt%, 아연(Zn) 0.25~0.5 wt%, 철(Fe) 0.1~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5 wt%, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max, 기타 불순물을 포함한다.

이하에서는, 본 발명의 알루미늄 합금에 첨가되는 상기 각 합금 원소의 함량을 한정한 본 발명의 기술적 의미를 설명한다.

실리콘(Si)은 초정 고용시 마그네슘(Mg)과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여, 강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 실리콘이 4.0~5.5 wt% 첨가되는데, 최소 4.0 wt%의 첨가로 열간 크랙 예방과 동시에 최소 유동성을 확보할 수 있다. 그러나, 실리콘 함량이 5.5 wt%를 넘게 되면, 공정상에서의 편석 및 석출물 발생으로 항복 강도 등의 물성이 저하되므로, 상기 범위에서 첨가한다.

마그네슘(Mg)은 알루미늄 초정 내에 고용되어 경화효과에 의해 강도를 증가시킬 수 있는 원소이며, 실리콘과 함께 초정 내 Mg₂Si 생성시 Mg:Si의 비율이 3:2에서 정량반응, 즉 초정내 최대 고용 수준의 Mg₂Si를 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 마그네슘이 0.5~1.0 wt% 첨가되는데, 최소 0.5 wt%를 첨가하여 인성 및 강도 확보가 가능하지만, 마그네슘 함량이 1.0 wt%를 초과하면, Mg₂Si가 과도하게 생성되어, 편석의 원인이 되고, 이에 따라 인성이 떨어지고, 성형시 균열이 발생하기 쉬우므로, 상기 함량 범위에서 첨가한다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의한 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 원소로서, 석출 변태의 속도를 조절하여, 입계 주변의 고용된 Zn, Mg의 급격한 감소를 방지하여(즉, 무석출물대(PFZ)의 생성을 방해), 응력부식균열(SCC) 특성을 개선한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 구리가 0.25~0.5 wt% 첨가되는데, 구리의 함량이 0.25 wt% 미만이면, 강도 개선의 효과가 떨어지고, 0.5 wt%를 초과하면, 내부식 특성이 감소하고 공정내 금속간 화합물 발생으로 편석이 발생하므로, 상기 범위에서 첨가한다.

아연(Zn)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 강화 원소로 작용하는데, α 초정 내의 고용 범위 내에서 첨가시 강화 효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 아연이 0.25~0.5 wt% 첨가되는데, 아연의 함량이 0.25 wt% 미만이면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 0.5 wt%를 초과하면, 응력부식균열(SCC)로 인한 물성 저하가 발생되므로, 상기 범위에서 첨가한다.

철(Fe)은 β-Al₅FeSi 상에 의해 연신을 저하시키는 원소이지만, 금형 소착 개선을 위해 첨가한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 0.1~0.5 wt% 범위에서 첨가하는데, 최소 0.1 wt%의 첨가를 통해 금형 소착 개선 효과를 얻을 수 있지만, 0.5 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 과다한 β-Al₅FeSi 상이 생성되어, 기계적 물성이 감소하므로, 상기 범위에서 첨가한다.

망간(Mn)은 α 초정 내에 고용되어, 강화 효과를 통히 기계적 성질을 개선한다. 즉 β-Al₅FeSi 상을 α-Al(FeMn)Si 상으로 변화시켜 연신 능력을 향상시키고, 소착을 개선시킨다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 망간이 0.1~0.5 wt% 범위에서 첨가되는데, 최소 0.1 wt%의 첨가를 통해 금형 소착 개선 효과를 얻을 수 있지만, 0.5 wt%를 초과하여 첨가하는 경우, 편석이 발생되어, 물성의 균일성이 저하되므로, 상기 범위에서 첨가한다.

티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에 첨가되어, 결정립을 미세화하여 열간 크랙을 방지해주는 원소로서, 입계 강화에 효과적인 원소이다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 티타늄이 최대 0.05 wt% 첨가되는데, 0.05 wt%를 초과하여 과량 첨가되더라도, 추가적인 결정립 미세화 효과가 일어나지 않으므로, 최대 0.05 wt% 첨가한다.

실시예

본 발명에 따른 주조용 알루미늄 합금에 대하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명자는 본 발명에 따라서, 표 1에 나타낸 조성을 갖는 알루미늄 합금을 제조하였다.

	Al	Si	Mg	Cu	Zn	Fe	Mn	Ti
실시예	Bal.	5.3	0.65	0.35	0.27	0.13	0.10	0.04
비교예1	Bal.	3.9	0.64	0.28	0.31	0.10	0.10	0.04
비교예2	Bal.	5.0	0.3	0.27	0.4	0.10	0.10	0.04
비교예3	Bal.	5.1	1.2	0.28	0.41	0.10	0.13	0.03
비교예4	Bal.	5.2	0.64	0.11	0.27	0.11	0.15	0.03
비교예5	Bal.	5.0	0.70	0.25	0.01	0.11	0.13	0.03
비교예6	Bal.	6.5	0.45	0.2	0.1	0.5	0.3	0.04

구체적으로, 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금을 흑연 도가니에서 700℃로 설정된 전기 저항로 내에서 용해시켰다. 용해 후, 용탕 내 기공 함유량을 낮추기 위한 용탕 청정화를 실시하였다. 즉 용탕 온도를 720℃로 유지한 후, Cl 계열 탈가스 처리제를 이용하여 탈가스 처리를 수행한 후 30분간의 안정화 과정을 거친 후 사출하였다. 상기 조성에 대하여 Electromagnetic stirring을 활용한 반응고 공정을 통하여 슬러리를 제작하였으며, 85 ton 다이캐스터 KDK85CT-10을 이용하여 시편을 제작하였다. 이때, 금형의 온도는 온도 조절 장치를 이용하여 200℃로 예열하였다. 한편, 사출 온도는 각 합금의 고상률 0.3~0.4에 해당하는 온도로 설정하였다. 각각의 시편에 대하여, T6 열처리를 실시한 후, 재료의 물성을 평가하기 위하여 계단형 시편의 두께 10 mm부에서 경도시편을 취출, Rockwell hardness(HRB)으로 경도를 평가하였다. 또한, 인장 평가를 실시하여 제품의 물성치를 확인하였다. 인장시편은 ASTM E8M의 scale로 제적하여, 1 mm/min.의 cross velocity로 표준 인장 시험기에서 평가를 실시하였다.

상기 실시예의 합금을 반응고 성형하여 그 미세 조직을 현미경을 통해 관찰하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다. 반응고 성형법은 미세하고 구상화된 미세 조직적인 특성에 의해 응고시 층류 충진 및 유동 길이의 증가 효과를 나타내며, hall-petch식에 따른 연구 결과는 우수한 강도특성을 가진다고 보고되고 있다. 본 발명에 따른 합금을 반응고 성형에 적용시, 50~60㎛의 구상화된 미세한 조직을 확인할 수 있으며, 열처리시 공정 영역에서의 금속간 화합물 및 편석대가 존재하지 않고 공정 Si이 구상화되어, 인장 특성을 저해하지 않는 우수한 미세 조직적 특성이 관찰되었다.

상기 각 합금에 대해 경도와 인장 평가를 수행하였으며, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.

먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, Si 첨가량이 4 wt% 미만일 경우, 물성이 저하되는 것을 확인할 수 있으며, 사출시 유동 특성도 현저하게 저하된다(비교예 1). 또 Mg 첨가량이 0.5 wt% 미만일 경우(비교예 2 및 비교예 6), 물성 저하가 크게 발생하였으며, 이는 Mg₂Si의 석출이 충분히 이루어지지 않았기 때문인 것으로 보인다. 또 Mg의 양이 1 wt%를 초과한 경우, 물성 증가의 폭은 크지 않지만 초과 Mg₂Si 상이 열처리시 초정 고용한 이상으로 석출되어, 조직 불안정 및 국부적인 경도차를 일으킬 수 있어, 합금의 기계적 물성치의 불균일성을 유발할 것으로 보인다(비교예 3). 또한 Cu, Zn이 각각 0.25 wt% 미만일 경우, 물성 감소가 발생함을 확인할 수 있다(비교예 4 및 비교예 6).

본 발명자는 또한 실시예, 비교예 3 및 6을 대상으로 기계적 물성치인 인장 강도 평가를 수행하였으며, 그 결과가 도 3에 도시되어 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, Mg 첨가량이 과다한 비교예 3의 경우, 실시예와 비교하여 인장강도 측정시 낮은 연신값을 가지고 있으며, 이는 초정 고용량을 초과한 Mg2Si이 공정 영역에서 석출하여 하중 적용시 미세 조직적 편석 및 경화된 기지 조직에 의해 충분한 연신값을 가지지 못한 데에서 비롯된 것으로 보인다. 비교예 6의 경우, 일반적으로 중력 주조에서 활용되는 A356 합금의 반응고 적용 결과로 중력 주조에 비해 인장강도 및 연신의 증가가 발생하였으나, 항복 강도는 크게 증가하지 않았다. 이와 같은 연신 및 항복 강도의 부족은 내충격성 및 고인성의 조건으로 평가되는 서스펜션 제품의 조건을 충족시키지 못하는 것으로 평가된다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims

반응고 성형용 알루미늄 합금으로서,
상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 4.0~5.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5~1.0 wt%, 구리(Cu) 0.25~0.5 wt%, 아연(Zn) 0.25~0.5 wt%, 철(Fe) 0.1~0.5 wt%, 망간(Mn) 0.1~0.5 wt%, 티타늄(Ti) 0.05 wt% max, 기타 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 실리콘(Si) 5.3 wt%, 마그네슘(Mg) 0.65 wt%, 구리(Cu) 0.35, 아연(Zn) 0.27 wt%, 철(Fe) 0.13 wt%, 망간(Mn) 0.1 wt%, 티타늄(Ti) 0.04 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 알루미늄 합금.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 자동차용 서스펜션에 적용되는 것을 특징으로 하는 반응고 성형용 알루미늄 합금.