KR20140132156A

KR20140132156A - 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금

Info

Publication number: KR20140132156A
Application number: KR1020130051294A
Authority: KR
Inventors: 강희삼
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2014-11-17
Also published as: KR101526660B1; CN104141079B; US9493862B2; US20140334970A1; CN104141079A; JP6415097B2; DE102014208457A1; JP2014218744A; DE102014208457B4

Abstract

아연(Zn) 19~27wt%, 주석(Sn) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금이 소개된다.

Description

복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금 {Wear-resistant alloys having a complex microstructure}

본 발명은 내마모성 및 자기윤활성을 요구하는 자동차용 부품에 사용되는 알루미늄 합금과 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내마모성 경질입자 및 자기윤활성 연질입자로 구성된 복합 미세조직을 갖는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 부품용 내마모성 알루미늄 합금으로는 주로 실리콘(Si) 함량이 13.5~18wt%(즉, 12wt%이상), 구리(Cu) 함량이 2~4wt%인 과공정 Al-Fe합금이 사용되고 있다. 상기 과공정 Al-Fe합금은 미세조직상에 30~50㎛크기의 초정 실리콘(Si) 입자가 생성되어 있어, 일반 Al-Fe합금에 비해 우수한 내마모성을 가지게 되며, 자동차 부품중 시프트포크, 리어커버, 스와쉬 플레이트 등 내마모성을 요구하는 부품에 많이 사용되고 있다.

대표적인 상용합금으로는 일본 Ryobi사의 R14합금과 이와 유사한 국내개발 합금인 K14합금 및 모노블럭이나 알루미늄 라이너에 사용되는 A390합금 등이 있다.

그러나, 이러한 과공정 합금은 높은 Si함량으로 인해 주조성이 떨어지며, Si입자 크기 및 분포 조절에 어려움이 많으며, 내충격성이 떨어지는 단점이 있고, 또한 특수 개발된 합금으로 일반 알루미늄 합금에 비해 가격이 매우 높은 단점이 있다.

다음으로 자동차 부품용 자기윤활성 알루미늄 합금으로는 Al-Sn계 합금이 있다. 상기 합금의 경우, 주석(Sn)을 8~15wt%도 함유하고 있어 미세조직상에 자기윤활성 주석(Sn) 연질 입자를 생성시켜 마찰을 저감시켜주는 특징을 가지고 있어 주로 마찰이 심한 곳에 사용되는 금속계 베어링용 원소재로 사용되고 있다.

하지만 본 합금의 경우, 실리콘(Si)에 의한 강도 보강 효과에도 불구하고, 150MPa이하의 낮은 강도를 가지고 있어 구조용 부품에는 사용이 불가능한 단점을 가지고 있다.

KR

10-2008-0102560

A

본 발명은 과공정 Al-Fe계 합금의 내마모성과 Al-Sn계 자기윤활 특성을 동시에 갖는 신개념의 자기윤활 특성을 갖는 고강도 내마모성 합금을 얻고자 미세조직상에 경질입자 및 연질입자를 동시에 갖는 복합 미세조직 신합금을 제안하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금은, 아연(Zn) 19~27wt%, 주석(Sn) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된다.

또한, 구리(Cu) 1~3wt%을 더 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

그리고, 마그네슘(Mg) 0.3~0.8wt%을 더 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

또한, 구리(Cu) 1~3wt% 및 마그네슘(Mg) 0.3~0.8wt%을 더 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금은, 아연(Zn) 19~27wt%, 비스무트(Bi) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금에 따르면, 과공정 Al-Fe계 합금의 내마모성과 Al-Sn계 자기윤활 특성을 동시에 갖는 신개념의 자기윤활 특성을 갖는 고강도 내마모성 합금을 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금의 연질입자에 의한 저마찰 특성을 확인하기 위한 실시예 및 비교예에 관한 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금에 대하여 살펴본다.

본 발명은 알루미늄 기지조직 내에 경질입자와 연질입자를 동시에 갖는 복합미세조직을 갖는 신합금에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 합금에서 자기윤활성 입자를 생성시키는 합금원소로는 Sn, Pb, Bi, Zn등이 있다. 이들 원소들은 알루미늄과 화학적 반응성이 없어 금속간화합물을 생성하지 않으며 상분리되는 독특한 특성을 갖고 있다. 또한 상대적으로 낮은 융점을 가지고 있어 마찰이 심한 조건에서 부분적으로 용융되면서 윤활막을 형성하는 자기윤활성을 갖는 독특한 특성을 갖는다.

앞서 말한 4개의 화학원소 중 자기윤활성 및 원가 측면에서 보면 Pb이 가장 좋은 자기윤활성 입자 생성원소이긴 하나, 유해금속 원소로 분류되어 자동차 분야에서는 사용이 불가한 상황이다. 따라서 Sn이 Pb의 대체 원소로서 가장 널리 사용되고 있으며, 일부에서는 Bi를 동일 용도로 사용하고 있는 사례도 있다. 이에 반해 Zn의 경우, Sn과 Bi에 비해 융점이 높아 자기윤활특성이 많이 떨어지는 단점을 갖고 있어 상대적으로 많은 양을 첨가해야 하는 단점을 갖고 있지만, 가격이 매우 저렴한 장점을 갖고 있어 소재의 원가경쟁력 확보를 위해 값비싼 Sn 또는 Bi의 함량을 일부 대체하는 연질입자 생성원소로 사용한다.

다음으로 경질 입자 생성을 위한 합금 원소로는 Si과 Fe가 있다. Si과 Fe는 Al과 공정계 반응(Eutectic reaction) 특성을 가지며, 특정 함량 이상 첨가시 각 진 모양의 경질입자를 생성하는 특성을 갖고 있다. Si은 가장 알루미늄 합금에서 가장 대표적인 경질 입자 생성원소로 Al-Fe 2원계 합금에서 12.6wt% 이상 첨가시 초정 Si입자를 생성하며 내마모성을 갖는 특성을 갖고 있다. 그러나 연질입자 생성원소인 Zn와 함께 첨가될 경우에는 경질입자 생성을 위해서는 Zn함량에 따라 Si함량이 달라지게 되는데, 예를 들어 Zn함량이 10wt%내외일 경우, 최소 7wt%에서 최대 14wt% 들어가게 된다. 이때 최소량 미만으로 Si이 첨가되는 경우에는 경질입자가 생성되지 않게 되고, 최대량 이상 첨가되는 경우에는 경질입자가 너무 커져서 기계적 물성 및 내마모성에 악영향을 미치는 문제가 발생한다.

Fe의 경우, 일반적으로 Al-Fe계 합금에서는 불순물로 알려져 있으나, Si이 없는 Al-Fe 2원계 합금에서는 역시 0.5wt%이상 첨가시 내마모성을 갖는 Al-Fe계 금속간화합물 입자를 형성하며 내마모성을 가질 수 있게 되는 반면에 3wt%이상 첨가되는 경우, 금속간화화물이 과도하게 생겨 기계적 성질이 저하되고, 용융점이 상승되는 문제가 있다.

알루미늄 합금의 기본 강도 보강을 위한 합금원소로 Cu와 Mg이 있다. Cu의 경우, Al과의 화학적 반응을 통해 금속간화합물을 형성하며 강도를 높여주는 효과를 갖는데, Cu의 함량, 합금의 주조/냉각조건 및 열처리 조건에 따라 그 효과가 차이가 나게 된다. Mg의 경우, Si 혹은 Zn와 화학적 반응을 통해 금속간화합물을 형성하며 강도를 높여주는 효과를 갖는데, Cu와 마찬가지로 함량, 합금의 주조/냉각조건 및 열처리 조건에 따라 그 효과가 차이가 나게 된다.

이하, 본 발명을 보다 상세하세 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은 이를 위해, 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, , 여기에 아연(Zn) 19~27wt%, 주석(Sn) 3~5wt%, 구리(Cu) 1~3wt%, 마그네슘(Mg) 0.3~0.8wt% 그리고 경질입자를 생성하는 철(Fe)을 0.6~2.0wt%를 첨가한 것으로서, 상기 아연(Zn)의 경우, 19wt%이하 첨가시는 연질입자인 Zn상의 생성량이 적어 충분한 자기윤활성을 얻기 어려우며 27wt%이상 첨가되는 경우에는 합금의 고상선이 너무 낮아져서 주조 조건상 불리하게 된다.

아연(Zn)보다 더 강력한 자기윤활성을 갖지만 가격이 비싼 주석(Sn)의 경우에는 3wt%이하 첨가시 연질입자인 Sn상의 생성량이 적어 Zn상의 부족한 자기윤활성을 보완해 주기 어려우며, 5wt%이상 첨가시 얻을 수 있는 마찰 저감효과는 구동 조건상에서 큰 의미가 없어 효율성 관점에서 그 양을 최소화한다.

경질입자를 생성하기 위한 철(Fe)의 경우, 0.6wt%이하 첨가시는 경질입자인 Al-Fe계 금속간화합물이 충분히 생성(0.5%미만)되지 않아 내마모성을 확보하기 어려우며, 2.0wt%이상 첨가시는 Al-Fe계 경질 입자가 생성되는 액상선 온도가 과도하게 높아져(750도 초과) 주조성도 저하되고 금속간화합물 조대화에 의한 역효과가 우려된다.

기계적 성질 향상을 위해 첨가되는 구리(Cu)의 경우, 적정한 기계적 성질을 확보하기 위해 1wt%이상 첨가해야 하지만 3wt%가 넘는 경우에는 여타 원소와 금속간화합물이 생성하며 기계적 성질을 저하시킬 수 있어 그 양을 제한하며, 대신 마그네슘(Mg)을 0.3wt%이상 첨가하여 추가적인 기계적 성질의 향상을 얻을 수 있다. 대신 마그네슘(Mg) 역시도 0.8wt% 첨가시 기계적 성질에 불리한 화합물을 형성할 수 있어 그 양을 제한하게 된다.

본 발명에 따른 Al-Zn-Sn계 합금에서의 연질입자에 의한 저마찰 특성을 확인하기 위한 실시예 및 비교예로서, 그림 2에서 보는 바와 같이 Zn와 Sn함량을 변화시키며 합금을 제조하고, 합금별 마찰계수의 변화를 관찰하였다. 그 결과 3wt%Sn 조건에서 실시예인 3Sn-19Zn합금에서 요구하는 저마찰 특성(마찰계수 0.150이하)을 얻을 수 있었고, 비교예인 3Sn-17Zn에서는 불만족하는 결과를 얻었다. 이를 통해 최소 Sn함량 3wt%에서 Zn가 최소 19wt%이상 추가되어야 원하는 저마찰 특성을 얻을 수 있음을 확인하였고, 추가적으로 Sn, Zn의 함량을 높일 경우에도 모두 만족할만한 저마찰 특성을 얻을 수 있었다.

다음으로 내마모성 및 기계적 성질 평가를 위한 비교예와 실시예로서 아래 표 1과 같은 Al-25Zn-4Sn-yFe계 합금을 제조하여 평가를 진행하였다.

표 2에서의 Al-25Zn-4Sn-yFe합금계를 보면 Fe함량이 0.4wt%인 비교예의 경우, 경질입자인 Al-Fe계 입자가 소량 생성(0.5%미만)되지 않아 충분한 마모성을 얻기 어려운 것을 알 수 있으며, 반대로 2.2wt%로 너무 많이 들어갈 경우 Al-Fe계 경질 입자가 생성되는 액상선 온도가 과도하게 높아져(750도 초과) 주조성도 저하되고 금속간화합물 조대화에 의한 역효과가 우려된다.

반면에 실시예인 Fe함량이 0.6~2.0wt%의 경우 적정 수준의 경질입자가 생성되고, 강도도 320~360MPa까지 갖는 것으로 볼 때 필요로 하는 내마모성 및 기계적 성질을 동시에 확보할 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금은, 아연(Zn) 19~27wt%, 비스무트(Bi) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성될 수 있다. 주석(Sn)과 마찬가지로, 비스무트(Bi)의 경우에도 강력한 자기윤활성 재료로써, 주석(Sn)의 대용으로 사용될 수 있는 것이다.

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

아연(Zn) 19~27wt%, 주석(Sn) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금.
청구항 1에 있어서,
구리(Cu) 1~3wt%을 더 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금.
청구항 1에 있어서,
마그네슘(Mg) 0.3~0.8wt%을 더 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금.
청구항 1에 있어서,
구리(Cu) 1~3wt% 및 마그네슘(Mg) 0.3~0.8wt%을 더 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금.
아연(Zn) 19~27wt%, 비스무트(Bi) 3~5wt%, 철(Fe) 0.6~2.0wt% 및 잔부 알루미늄(Al)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성으로 구성된 복합 미세조직을 갖는 내마모성 합금.