KR20140015932A

KR20140015932A - 주조용 합금 조성물

Info

Publication number: KR20140015932A
Application number: KR1020120082241A
Authority: KR
Inventors: 서호성; 강기동
Original assignee: (주)상문
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-02-07

Abstract

본 발명은 주조용 합금 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 없이 고 강도를 구현할 수 있는 알루미늄-아연계 주조용 합금 조성물에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 구리(Cu) 0.44~0.50wt%, 실리콘(Si) 0.42~0.49wt%, 마그네슘(Mg) 0.90~1.14wt%, 철(Fe) 0.40~0.51wt%, 망간(Mn) 0.15~0.18wt%, 아연(Zn) 61.60~68.70wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물을 제공한다.

Description

주조용 합금 조성물{ALLOY COMPOSITION FOR CASTING}

본 발명은 주조용 합금 조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 없이 고 중량 및 고 강도를 구현할 수 있는 주조용 합금 조성물에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄-아연(Al-Zn) 합금은 주조성(castability)이 나쁘고, 고압 주조 시 hot crack의 발생 문제, 금속 소착 등의 문제 때문에, 주로 고체 상태에서의 압연, 압출 등에 의한 판재로 이용되며, 주조재로의 사용이 극히 제한적이다. 이러한 문제를 극복하고 주조재로의 활용을 위해 실험실 등에서 많은 연구가 시도되고 있으나, 아직 효과적인 방법을 찾지 못하고 있다.

보통, 고력 알루미늄 합금에는 Al-Cu, Al-Si-Mg, Al-Zn계 등의 합금군이 사용되고 있으며, 이중 초 두랄루민 합금이라 불리며 매우 높은 기계적 성질을 갖고 있는 Al-Zn 합금은 자동차 및 항공소재 분야에서 많이 이용되고 있다. Al-Zn 합금은 크게 Zn을 2~4% 함유시키는 합금군과 이보다 응력부식균열 특성(SCC) 및 연신특성은 떨어지나 더 높은 강도를 갖기 위해 Zn을 5~7% 정도 함유시키는 합금군으로 구분할 수 있다. 이들 합금은 Zn의 함량이 증가할수록 hot crack의 발생 빈도가 줄어들며, 2단 열처리 등의 열처리 방법에 의해 강도를 증가시킬 수 있으나, 열처리를 실시하지 않을 경우 as cast 상태에서 공전 내 존재하는 Zn이 입계파괴의 주원인이 되어 매우 낮은 기계적 특성을 갖게 되므로, 열처리가 필수적으로 요구된다.

한편, 기계적 성질의 향상을 위하여, 스칸듐(Sc) 등과 같은 합금 첨가 원소를 이용하여 입자를 미세하게 만드는 방법이 이용되고 있는데, 이는 결정 미세화와 더불어 석출 미세 조직의 변화가 원인인 것으로 알려져 있다. 그러나 이들 합금 원소에 따른 초소성, 재결정 거동, 결정립 미세화, 석출 등과 관련된 기계적 특성과 석출 조직적인 측면에서의 연구는 Al-Zn계 합금에서는 판재에 국한되어 사용될 수밖에 없는 실정이다. 이는 도 1의 Al-Zn 합금의 상태도를 보면 쉽게 이해할 수 있다. 구체적으로, Al-Zn 합금의 주 범위인 Zn 2~7 wt%의 구역은 실질상 알루미늄 합금의 단상 구역이다. 따라서, 공정(eutectic) 조직에 의한 액상 분율이 거의 없고 또 고액 공존 구간이 매우 좁아 유동성이 떨어지며, Zn 합금의 잠열량이 그다지 많지 않아서, 오랫동안 액상을 유지할 수 없기 때문에, 주조재로의 사용이 어려워 판재를 딥 드로잉(deep drawing)이나 압연 등에 의한 방법으로 사용하여야 한다.

한편, 종래의 Al-Zn계 합금은 경량으로 스마트폰과 같은 휴대용 기기에 적합할 수 있으나 고종량이 요구되는 제품에는 적합하지 않기 때문에, 고중량을 요구하는 제품에 적합한 주조용 합금 조성물을 제작하기 위한 설계안이 필요한 시점에 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 열처리 없이 고 중량 및 고 강도를 구현할 수 있는 주조용 합금 조성물의 제공을 그 목적으로 한다.

이를 위해, 본 발명은 구리(Cu) 0.44~0.50wt%, 실리콘(Si) 0.42~0.49wt%, 마그네슘(Mg) 0.90~1.14wt%, 철(Fe) 0.40~0.51wt%, 망간(Mn) 0.15~0.18wt%, 아연(Zn) 61.60~68.70wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물을 제공한다.

여기서, 상기 주조용 합금 조성물은 기타 불순물을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 기타 불순물은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 은(Ag), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 카드뮴(Cd) 및 안티몬(Sb) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 상기 기타 불순물의 함량은 0.19~0.22wt%일 수 있다.

아울러, 상기 주조용 합금 조성물은, 최대 인장강도가 500 ㎫일 수 있다.

본 발명에 의하면, 열처리 없이 고 중량 및 고 강도를 구현할 수 있으며, 특히, 다이캐스팅시 주조성 향상의 효과를 기대할 수 있으므로, 기존의 Zn-Al 합금 및 Al-Si-Mg 합금을 대체하여 적용할 수 있다.

도 1은 Al-Zn 합금의 상태도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금의 시편을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금과 비교 예에 따른 주조용 합금에 대한 인장시험 결과를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

그러면, 본 발명에 따른 주조용 합금 조성물에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 주조용 합금 조성물은 고 중량 및 고 강도를 갖게 되며, 특히, 고중량을 요구하는 제품의 재료로 사용되는 조성물로, 구리(Cu) 0.44~0.50wt%, 실리콘(Si) 0.42~0.49wt%, 마그네슘(Mg) 0.90~1.14wt%, 철(Fe) 0.40~0.51wt%, 망간(Mn) 0.15~0.18wt%, 아연(Zn) 61.60~68.70wt% 및 잔부 알루미늄을 포함한다.

이러한 합금 조성물은 원자량이 큰 아연(Zn)의 함량비를 높여 고 중량을 구현함과 아울러, 고액 공존 구간의 범위를 넓혀 유동성을 확보함으로써, 주조를 가능하게 하고, Al 합금의 격자 분리 현상을 이용하여 응고 시 초정 내에서 Al-Me(1)과 Al-Me(2)의 분리 및 정출을 통해 강화 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 다이캐스팅과 같은 급속한 냉각 도중에 열처리 없이도 Zn의 경화능을 향상시킬 수 있으며, 분리 현상 시 나타나게 될 미시메탈(me)은 추가적인 미시원소들을 이용하여 적절하게 기계적 성질을 향상시키도록 하고 있다.

이하에서는, 본 발명의 주조용 합금 조성물에 첨가되는 각 합금 원소의 함량을 한정한 본 발명의 기술적 의미를 설명한다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의한 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 원소로서, 석출 변태의 속도를 조절하여, 임계 주변의 고용된 Zn, Mg의 급격한 감소를 방지하여, 즉, 무석출물대(PEZ)의 생성을 방해하여, 응력부식균열(SCC) 특성을 개선한다. 본 발명의 실시 예에서는 구리가 0.44~0.50wt% 첨가되는데, 구리의 함량이 0.44wt% 미만이면, 강도 개선의 효과가 떨어지고, 0.50wt%를 초과하면, 내부식특성 및 고용특성이 감소된다.

실리콘(Si)은 초정 고용 시 마그네슘(Mg)과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여, 강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명의 실시 예에서는 실리콘이 0.42~0.49wt% 첨가되는데, 실리콘의 함량이 0.42wt% 미만이면, 열간 크랙 예방 및 최소 유동성 확보 효과를 얻을 수 없고, 실리콘 함량이 0.49wt%를 넘게 되면, 임계에서 Mg₂Si가 과다 생성되어 입계 취성이 심해지게 된다.

마그네슘(Mg)은 실리콘과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여 강도를 증가시킬 수 있는 원소이며, 이때, Mg:Si의 비율이 3:2에서 정량반응하여 최대 Mg₂Si를 생성할 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 마그네슘이 0.90~1.14wt% 첨가되는데, 마그네슘이 0.90wt% 미만이면, Mg₂Si의 양이 충분하지 못해 필요한 강도를 얻을 수 없으며, 마그네슘의 함량이 1.14wt%를 넘으면, Mg₂Si가 과도하게 생성되어, 인성이 떨어지고, 이에 따라 성형 시 균형이 발생하기 쉽다.

철(Fe)은 β-Al₅FeSi 상에 의해 연신을 저하시키는 원소이지만, 소착 개선을 위해 0.40~0.51wt% 첨가된다.

망간(Mn)은 β-Al₅FeSi 상을 α-Al(FeMn)Si 상으로 변화시키는 연신 능력을 향상시키고, 소착을 개선시킨다. 본 발명의 실시 예에서는 소착 개선을 위해, 망간이 0.15~0.18wt% 첨가된다. 만약, 망간의 함량이 0.18wt%를 넘게 되면, 연성 저하의 원인이 되는 석출상을 형성하게 된다.

아연(Zn)은 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금에서 강화 증대 주 원소로서, α 초정 내의 최대 고용 범위 내에서 첨가 시 강화 효과를 나타낸다. 본 발명의 실시 예에서 아연은 61.60~68.70wt%로 첨가된다. 여기서, 아연의 첨가량이 61.60wt% 미만인 경우에도 소정의 첨가량까지 충분한 강도를 확보할 수 있지만, 주조용 함금의 중량 증가를 어렵게 한다. 또한, 아연의 첨가량이 68.70wt%를 초과하면, 중량 증대의 효과는 있으나 초정 내 고용량 증가에 비해 공정 내에서 상이 발생되는 정출이 일어나 강도 향상 기여 효과가 없다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금은 열처리 없이 제조되는데, 상기한 바와 같이, 마그네슘 함량이 1.14wt% 미만이어서, 비열처리 시 Mg₂Si 효과는 크지 않으므로, 열처리 없이 주조용 합금을 제조할 수 있다.

또한, 상기와 같이 본 발명의 실시 예에서 아연의 함량은 종래의 함량 범위를 벗어나는 큰 함량이다. 즉, 본 발명의 실시 예에서는 61.60~68.70wt%의 높은 함량으로 아연을 첨가하고 있는데, 이를 통해, 고 중량을 구현할 수 있고, 아연의 경화능을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금 조성물은 기타 불순물을 포함할 수 있다. 여기서, 니켈(Ni), 크롬(Cr), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 은(Ag), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 카드뮴(Cd) 및 안티몬(Sb) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 이때, 기타 불순물의 함량은 0.19~0.22wt%일 수 있다.

실시 예1

구리(Cu) 0.4703wt%, 실리콘(Si) 0.4572wt%, 마그네슘(Mg) 1.0345wt%, 철(Fe) 0.4742wt%, 망간(Mn) 0.1637wt%, 아연(Zn) 65.1088wt%, 기타 불순물 0.2039wt% 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 주조용 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. 다이캐스터를 이용하여 도 2와 같은 형태의 시편을 제작하였다. 시편 제작 시 길이 135㎜, 가로 20㎜, 두께 2~10㎜인 계단형 금형을 이용하였다. 이때, 금형의 온도는 온도 조절 장치를 이용하여 150℃로 예열하였다. 한편, 사출 온도는 각 합금의 액상선 70~90℃ 직상으로 설정하였으며, 시편의 10㎜부에서 인장 시편을 취출하여 ASTM E8M 규격에 따라 인장 시편을 가공하였으며, 이에 대한 인장 강도를 측정하였다.

비교 예1

구리(Cu) 2.0~2.1wt%, 실리콘(Si) 0.45~0.5wt%, 마그네슘(Mg) 0.7~0.8wt%, 철(Fe) 0.5~0.6wt%, 망간(Mn) 0.1~0.2wt%, 아연(Zn) 19.5~20.5wt%, 기타 불순물 0.05wt% 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 주조용 합금을 실시 예1과 동일한 공정을 통해 인장 시편으로 가공하였으며, 이에 대한 인장 강도를 측정하였다.

비교 예2

구리(Cu) 2.0~2.1wt%, 실리콘(Si) 0.4~0.45wt%, 마그네슘(Mg) 0.6~0.65wt%, 철(Fe) 0.5~0.6wt%, 망간(Mn) 0.1~0.2wt%, 아연(Zn) 29.5~30.5wt%, 기타 불순물 0.05wt% 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 주조용 합금을 실시 예1과 동일한 공정을 통해 인장 시편으로 가공하였으며, 이에 대한 인장 강도를 측정하였다.

비교 예3

구리(Cu) 2.0~2.1wt%, 실리콘(Si) 0.35~0.4wt%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.6wt%, 철(Fe) 0.5~0.6wt%, 망간(Mn) 0.1~0.2wt%, 아연(Zn) 39.5~40.5wt%, 기타 불순물 0.05wt% 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 주조용 합금을 실시 예1과 동일한 공정을 통해 인장 시편으로 가공하였으며, 이에 대한 인장 강도를 측정하였다.

실시 예1,2와 비교 예1,2,3에 따른 주조용 합금에 대한 인장시험 결과를 그래프화하여 도 3에 나타내었다. 도 3의 그래프에서, SK-1은 비교 예1, SK-2는 비교 예2, Q22는 비교 예3, SK-3는 실시 예1에 따른 주조용 합금 시편에 대한 인장 강도 및 연신율 측정 결과로, 도 3의 (a)는 각 시편 당 총 6회 측정한 결과에 대한 평균 값을 그래프화한 것이고, 도 3의 (b)는 6회 측정 시 각 시편의 최대값을 그래프화한 것이다.

도 3의 그래프에서 보여지는 바와 같이, 실시 예1의 합금 시편은 비교 예1,2,3보다 평균 인장 강도 및 최대 인장 강도가 모두 높게 나타났다. 즉, 실시 예1의 합금의 평균 인장 강도는 448.4 ㎫로 측정되었고, 이때, 연신율은 6.54%로 측정되었다. 또한, 실시 예1의 합금의 최대 인장 강도는 491.0 ㎫로 측정되었고, 이때, 연신율은 9.33%로 측정되었다.

본 발명의 실시 예에 따른 주조용 합금 조성물은 상기와 같이 고 강도를 구현할 수 있고, 아연의 과 함량에 따라 고중량 또한 구현할 수 있으며, 특히, 고중량을 요구하는 제품에 적합하기 때문에 기존의 저중량인 Zn-Al 합금 및 Al-Si-Mg 합금을 대체하여 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

구리(Cu) 0.44~0.50wt%, 실리콘(Si) 0.42~0.49wt%, 마그네슘(Mg) 0.90~1.14wt%, 철(Fe) 0.40~0.51wt%, 망간(Mn) 0.15~0.18wt%, 아연(Zn) 61.60~68.70wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물.
제1항에 있어서,
기타 불순물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물.
제2항에 있어서,
상기 기타 불순물은 니켈(Ni), 크롬(Cr), 납(Pb), 스트론튬(Sr), 은(Ag), 붕소(B), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 칼슘(Ca), 베릴륨(Be), 카드뮴(Cd) 및 안티몬(Sb) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물.
제3항에 있어서,
상기 기타 불순물의 함량은 0.01~1wt%인 것을 특징으로 하는 주조용 합금 조성물.