KR20130058997A

KR20130058997A - 알루미늄합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20130058997A
Application number: KR1020110125048A
Authority: KR
Inventors: 박훈모; 이후담
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2013-06-05
Also published as: US20130136651A1; DE102012106022A1

Abstract

주성분을 Al로 하고, Si를 5~13 wt% 포함하며, Ti를 2~7 wt%, B를 1~3 wt% 포함하는 조성으로 구성되어 TiB₂ 화합물이 형성될 수 있는 알루미늄합금 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

알루미늄합금 및 그 제조방법 {ALUMINUM ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 강성 및 NVH 특성 향상 위한 주조용 고탄성 알루미늄 소재로서의 알루미늄합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 알루미늄의 성질을 개량하여 우수한 특성을 발휘한다. 고력(高力) 알루미늄합금은 알루미늄에 구리를 첨가한 것으로 강도가 크며, 두랄루민이 그 대표적인 예이다. 이것에 마그네슘을 첨가하면 초(超)두랄루민, 다시 아연을 첨가한 초초두랄루민은 항공기의 재료로 사용된다. 고력 알루미늄합금은 내식성(耐蝕性)에서 문제점이 있다. 구조용 알루미늄합금은 마그네슘·아연을 가한 것인데 내식성이 우수하며 철도차량·교량 등에 사용된다. 주물용은 규소를 가한 합금을 사용하며, 이 밖에 내열(耐熱)·광휘(光輝) 등 목적에 따라서 다른 금속을 배합하여 사용한다.

그리고 이러한 알루미늄 합금을 크게 구별하면, 전신재(展伸材)용과 주조재용이 있다. 전자에는 Al-Cu -Mg계(두랄루민, 초두랄루민), Al-Mn계, Al-Mg-Si계, Al-Mg계, Al- Zn-Mg계(극초두랄루민) 등이 있다. 후자에는 Al-Cu계, Al-Si계(실루민) Al-Cu-Si계(라우탈), Al-Mg계(히드로날륨), Al-Cu-Mg-Si계(Y합금), Al-Si-Cu- Mg-Ni계(로ㆍ엑스합금) 등이 있다.

그리고 최근 이러한 알루미늄 합금들은 금속계 화합물이나 CNT 등의 강화상을 분말형태로 성형하기도 하였으나, 원가경쟁력에 한계가 있어 왔다.

또한, 주조공정에 분말형태로 적용할 경우에는 Al 기지와의 젖음성, 분산 문제가 발생되었다. 그리고, 과공정 알루미늄 주조재의 경우에는 저압주조공정에 국한되고 조대 Si입자에 의한 가공성이 떨어지는 문제가 있었던 것이다.

따라서, 이러한 이러한 단점을 극복할 수 있는 강성 및 NVH 특성이 향상된 주조용 고탄성 알루미늄 소재로서의 알루미늄합금 및 그 제조방법이 필요하였던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 강성 및 NVH 특성 향상 위한 주조용 고탄성 알루미늄 소재로서의 알루미늄합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄합금은, 주성분을 Al로 하고, Si를 5~13 wt% 포함하며, Ti를 2~7 wt%, B를 1~3 wt% 포함하는 조성으로 구성되어 TiB₂ 화합물이 형성될 수 있다.

상기 알루미늄합금은 Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 1.0~1.5 wt%, Cu : 1.5~3.5 wt%, Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

상기 알루미늄합금은 Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Cu : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.25~0.45 wt%, Ni : 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

상기 B : Ti의 조성 비율은 1 : 2~2.5 일 수 있다.

한편, 상기 알루미늄합금을 제조하는 방법은, Ti가 5~10 wt% 포함된 조성의 Al-Ti계 합금과 B가 2~10 wt% 포함된 조성의 Al-B계 합금을 각각 용융한 상태에서 상호 혼합하여 제조한다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄합금 및 그 제조방법에 따르면, 미세 TiB₂상의 균일 분포와 Boride 생성량 극대화에 의해 알루미늄 합금의 탄성 및 특성(강도, 내마모성, 가공성 등)이 향상된다.

그리고, 대표적인 양산소재인 과공정 알루미늄은 저압주조로 제약되나, 본 발명의 알루미늄 합금은 주조공정의 제약이 없다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄합금의 TiB₂ 분율을 비교한 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄합금 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 알루미늄합금은, 주성분을 Al로 하고, Si를 5~13 wt% 포함하며, Ti를 2~7 wt%, B를 1~3 wt% 포함하는 조성으로 구성되어 TiB₂ 화합물이 형성될 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금은 강성 및 NVH 특성 향상 위한 주조용 고탄성 알루미늄 소재를 개발하기 위한 것으로서, 종래에는 금속계 화합물이나 CNT등의 강화상을 분말형태로 성형하였으나 원가경쟁력에 한계 있어 왔고, 주조공정에 분말형태로 적용시에도 Al 기지와의 젖음성, 분산 문제가 발생되었으며, 과공정 알루미늄 주조재의 경우, 저압주조공정에 국한되고 조대 Si입자에 의한 가공성이 난이한 문제가 있었다.

따라서, 이러한 알루미늄 합금의 단점을 보와하기 위해서는 탄성 향상에 가장 중요한 역할을 하는 Boride 화합물의 생성을 극대화할 필요가 있는 것이다.

이를 통하여 고압주조를 포함한 일반 주조공정 적용가능하고 균일성을 갖는 고탄성 소재를 구현할 수 있게 되었다.

본 발명의 알루미늄 합금은, 주조성과 탄성 향상 모두를 구현하기 위하여, Si함량을 5~13 wt%로 제한하고, 탄성의 향상에 가장 효과적인 Boride화합물(TiB₂ : 541GPa)의 형성을 위해 Ti 함량을 2~7 wt%, B 함량을 1~3 wt%로 하여 기본 합금계를 구성하는 것이다.

그리고, 상기 알루미늄 합금 외에도 고압주조와 중력/저압주조의 가장 대표 합금계인 종래의 ADC12, AC4CH, AC2B에 Ti함량을 2~7 wt%, B 함량을 1~3 wt%로 하여 첨가한 합금구조로서 본 발명에 유사한 결과를 얻을 수 있게 된다.

또한, Boride 생성을 최대로 하기 위해, Ti과 B의 조성비를 2~2.5로 제어하도록 한다. Ti과 B 조성비 제어를 위해, Al-(5~10wt%)Ti, Al-(2~10wt%)B의 알루미늄 모합금 이용하여, 분말 형태의 투입이 아닌, 용탕내 자연적 형성을 유도함으로서 소재 균일성을 확보하도록 하였다.

이러한 알루미늄 합금을 통하여, 미세 TiB₂상 균일 분포와 Boride 생성량 극대화에 의해 탄성 및 특성(강도, 내마모성, 가공성 등)이 향상된다.

종래의 일반적인 알루미늄 합금의 탄성계수는 75GPa임에 반해, 1Ti-1B (미세 TiB₂ 1.45%)의 본 발명의 알루미늄 합금의 경우 탄성계수가 92.8GPa로 현저히 상승되었음을 알 수 있다. 또한, 2.3Ti- 1B (미세 TiB₂ 3.34%)의 경우는 탄성계수가 103.8GPa에 달한다.

그리고, 대표적인 양산소재인 과공정 알루미늄은 저압주조로 제약되나, 본 발명은 주조공정의 제약이 없는 것이다.

한편, 일 실시예로서의 본 발명의 알루미늄합금은, Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 1.0~1.5 wt%, Cu : 1.5~3.5 wt%, Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

또한, 또 다른 실시예로서의 알루미늄합금은 Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Cu : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.25~0.45 wt%, Ni : 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

하기의 표는 종래의 알루미늄합금인 비교예와 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 성분조성을 비교한 것이다.

상기 표에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 알루미늄 합금은 주성분을 Al로 하고, Si를 5~13 wt% 포함하며, Ti를 2~7 wt%, B를 1~3 wt% 포함하는 조성으로 구성되어 TiB₂ 화합물이 형성되도록 하는 것이며, 그 결과 일반적인 알루미늄 합금의 탄성계수는 75GPa임에 반해, 1Ti-1B (미세 TiB₂ 1.45%)의 본 발명의 알루미늄 합금의 경우 탄성계수가 92.8GPa로 현저히 상승된다.

한편, 상기 B : Ti의 조성 비율은 1 : 2~2.5 일 수 있는데, 이는 Ti / B 비율이 증가할수록 TiB₂ 생성량이 증가되기 때문이다.

한편, 상기 알루미늄합금을 제조하는 방법은, Ti가 5~10 wt% 포함된 조성의 Al-Ti계 합금과 B가 2~10 wt% 포함된 조성의 Al-B계 합금을 각각 용융한 상태에서 상호 혼합하여 제조할 수 있다. 이는 Ti과 B 조성비 제어를 위해, Al-(5~10wt%)Ti, Al-(2~10wt%)B의 알루미늄 모합금 이용하여, 분말 형태의 투입이 아닌 용탕내 자연적 형성을 유도함으로써 소재 균일성을 확보할 수 있게 때문이다.

하기의 표는 다원계 상평형 계산에 의한 상 분율 비교를 나타낸 것이다.

상기 표에서 볼 수 있듯이, B 함량이 증가할수록 TiB₂ 단상이 존재하는 조성이 변화되고, Ti / B 비율이 증가할수록 TiB₂ 생성량이 증가함을 알 수 있다. 이러한 TiB₂의 증대에 의해 탄성특성이 현저히 개선되는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄합금의 TiB₂ 분율을 비교한 그래프로서, B의 함량이 증가하고 Ti의 함량이 증가할수록 TiB₂의 상분율이 증대됨을 알 수 있다(TiB₂는 그래프에서 MB2로 표시된 부분임).

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

주성분을 Al로 하고, Si를 5~13 wt% 포함하며, Ti를 2~7 wt%, B를 1~3 wt% 포함하는 조성으로 구성되어 TiB₂ 화합물이 형성된 알루미늄합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄합금은 Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 1.0~1.5 wt%, Cu : 1.5~3.5 wt%, Mn : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.5 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄합금은 Al을 주성분으로 하고, Si : 5~13 wt%, Ti : 2~7 wt%, B : 1~3 wt%, Fe : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Cu : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Mn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함), Mg : 0.25~0.45 wt%, Ni : 0.05 wt% 이하(0은 불포함), Zn : 0.1 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가결한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
청구항 1에 있어서,
상기 B : Ti의 조성 비율은 1 : 2~2.5인 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
Ti가 5~10 wt% 포함된 조성의 Al-Ti계 합금과 B가 2~10 wt% 포함된 조성의 Al-B계 합금을 각각 용융한 상태에서 상호 혼합하여 제조하는 알루미늄합금 제조방법.