KR20170019860A

KR20170019860A - 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금

Info

Publication number: KR20170019860A
Application number: KR1020150114284A
Authority: KR
Inventors: 이태규; 김재황; 박훈모
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2015-08-13
Filing date: 2015-08-13
Publication date: 2017-02-22
Also published as: CN106435290A; CN106435290B; KR101738038B1; US20170096961A1; US10190535B2

Abstract

본 발명은 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 과공정 Al-Si계 합금 중량에 대하여, 실리콘(Si) 약 13 ~ 21 중량%, 니켈(Ni) 약 1 ~ 5 중량%, 타이타늄(Ti) 약 4 ~ 5 중량%, 붕소(B) 약 0.7 ~ 1 중량%, 잔부의 Al 및 불가피한 불순물을 포함함으로써, TiAlSi와 같은 삼원상 등에 의해 저감되는 물성을 보강 및 향상시킬 수 있는 니켈(Ni) 등에 의해 생성되는 Al3Ni 생성상과 같은 추가 강화상을 통해, 과공정 Al-Si계 합금의 탄성 한계를 극복하고 마모 특성 등을 향상할 수 있는 효과가 있는 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금에 관한 것이다.

Description

탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금{EXCELLENT HIGH ELASTICITY AND WEAR RESISTANCE HYPER-EUTECTIC AL-SI ALLOY}

본 발명은 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이타늄(Ti), 붕소(B) 및 니켈(Ni) 등을 포함함으로써, 초정 Si 상이 Al3Ti내로 고용되어 생성된 TiAlSi 상 등에 의한 물성 저하를 극복하고 향상시킨 과공정 Al-Si계 합금에 관한 것이다.

최근 선진국을 비롯한 세계 각국은 각종 환경 규제를 강화하여 환경오염을 억제하려는 노력을 기울이고 있으며, 이렇게 점점 강화되고 있는 환경 규제에 대응하기 위하여 자동차업계는 경량화 등을 통한 연비 향상을 위한 지속적인 연구를 하고 있으며, 그에 따라 자동차에 대한 경량화 및 고출력화의 요구는 점점 더 강해지고 있다.

이러한 요구를 충족시키기 위하여 기존의 철강재의 밀도의 약 1/3 수준인 알루미늄 합금으로 대체하기 위한 경량화 연구가 진행되고 있으며, 이러한 연구로 과공정 Al-Si계 합금 등이 개발되었다.

상기 과공정 Al-Si계 합금은 다른 Al계 합금에 비하여 내마모성이 우수하며, 내식성이 양호하고 열팽창계수가 낮으므로 자동차의 내연기관에서 실린더 블록이나 피스톤 등 내마모 부품(wear-resistant parts) 등에 널리 사용되고 있다.

일반적으로 과공정 Al-Si계 합금은 실리콘(Si) 16 ~ 18 중량%, 철(Fe) 0.5 중량% 이하, 구리(Cu) 4 ~ 5 중량%, 망가니즘(Mn) 0.1 중량% 이하, 마그네슘(Mg) 0.45 ~ 0.65 중량%, 아연(Zn) 0.1 중량% 이하, 타이타늄(Ti) 0.2 중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함하는 조성을 가지며, 내마모성을 확보하기 위해 ADC12계 알루미늄 합금보다 많은 양의 실리콘(Si)이 첨가되어 있는 점이 특징이다. 이 분야에서는 상기와 같은 조성으로 이루어진 합금을 A390계 알루미늄 합금이라고 부르기도 한다.

상기 A390계 알루미늄 합금과 유사하게 ADC12계 알루미늄 합금이 있으며, 구성 성분에서 상기 ADC12계 알루미늄 합금은 A390계 알루미늄 합금과 달리 실리콘(Si)을 9.6 ~ 12.0 중량%만을 포함한다는 차이 등이 있다. 이러한 실리콘 함량 등의 차이 때문에, 상기 ADC12계 알루미늄 합금의 탄성계수는 약 71 GPa로 자동차의 부품 등으로 사용하기에 다소 낮은 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 ADC12계 알루미늄 합금에 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)를 첨가하여 형성되는 Al3Ti의 석출경화 효과를 이용하여, 상기 ADC12계 알루미늄 합금의 탄성계수와 내마모성을 향상시키는 기술이 개발되었다.

일례로, ADC12계 알루미늄 합금에 타이타늄(Ti) 5 중량% 및 붕소(B) 1 중량%를 첨가한 ADC12-5Ti-1B의 탄성계수는 약 89 GPa로서, 상기 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)를 첨가하지 않은 경우보다 탄성계수가 약 25% 상승하였다.

그러나 상기 ADC12계 알루미늄 합금의 최대 실리콘(Si) 함량이 12 중량%로서, 실리콘(Si)의 증가에 의한 물성 향상에 한계가 있기 때문에, ADC12계 알루미늄 합금보다 높은 실리콘(Si) 함량을 갖는 A390계 알루미늄 합금에 상기 ADC12계 알루미늄 합금의 경우와 동일하게 타이타늄(Ti) 5 중량% 및 붕소(B) 1 중량%를 첨가하여, A390-5Ti-1B 합금을 제조하였으며, 상기 A390-5Ti-1B 합금의 탄성계수는 약 90 GPa이다.

그러나 상기 A390-5Ti-1B 합금 내의 초정 Si상이 타이타늄(Ti)과 붕소(B)의 첨가에 의해 형성되는 Al3Ti에 고용되어 TiAlSi의 삼원상을 형성시킴으로써, 알루미늄 합금의 탄성 효과 등을 저하시키는 문제가 있었다.

이에, 본 발명자는 알루미늄 합금에 타이타늄(Ti), 붕소(B) 및 니켈(Ni) 등을 포함함으로써, 탄성 효과뿐만 아니라 내마모성 등의 물성을 향상시킬 수 있는 과공정 Al-Si계 합금을 개발하고자 하였다.

등록특허공보 제10-0448536호 (2004.09.03. 등록) 공개특허공보 제10-2006-0130762호 (2006.12.19. 공개)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 타이타늄(Ti) 및 붕소(B) 이외에 니켈(Ni)을 더 포함함으로써, Al3Ti 및 Al3Ni 생성상 등을 생성하여 탄성 및 내마모성 등이 향상된 과공정 Al-Si계 합금을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금은 전체 과공정 Al-Si계 합금 중량에 대하여, 실리콘(Si) 약 13 ~ 21 중량%, 니켈(Ni) 약 1 ~ 5 중량%, 타이타늄(Ti) 약 4 ~ 5 중량%, 붕소(B) 약 0.7 ~ 1 중량%, 잔부의 Al 및 불가피한 불순물 등을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 타이타늄(Ti)은 4 중량%이고, 붕소(B)는 1 중량%인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명은 구리(Cu) 약 4 ~ 5 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.45~0.65 중량%, 철(Fe) 약 1.3 중량% 이하, 망가니즈(Mn) 약 0.1 중량% 이하 및 아연(Zn) 약 0.1 중량% 이하 등을 더 포함하는 것이 바람직하며, 여기서, 상기 니켈(Ni)은 약 2.3 ~ 5 중량%인 것이 보다 바람직하고, 5 중량%인 것이 가장 바람직하다.

상술한 바와 같이, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명은 타이타늄(Ti), 붕소(B) 및 니켈(Ni) 등을 포함함으로써, TiAlSi와 같은 삼원상 등에 의해 저감되는 물성을 보강 및 향상시킬 수 있는 니켈(Ni) 등에 의해 생성되는 Al3Ni 생성상과 같은 추가 강화상을 통해, 과공정 Al-Si계 합금의 탄성 한계를 극복하고 마모 특성 등을 향상할 수 있는 효과가 있습니다.

도 1 내지 도 3은 과공정 Al-Si계 합금 내의 생성상을 보여주는 사진이다.
도 4는 라인 스케닝 영역(10)에서의 구성원소의 함량을 보여주는 사진이다.
도 5 및 도 6은 알루미늄 내에 생성된 Al3Ni 생성상의 전자현미경 사진이다.
도 7은 A390-4Ti-1B-χNi에서 Ni의 함량 χ 및 온도에 따른 생성상을 보여주는 그래프이다.
도 8은 약 800℃에서 제조한 합금과 약 750℃에서 잉곳(ingot)을 재용해 후 제조한 주조품의 타이타늄(Ti)의 함량에 따른 탄성계수의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 9는 약 800℃에서 제조한 합금과 약 750℃에서 잉곳(ingot)을 재용해 후 제조한 주조품의 실리콘(Si)의 함량에 따른 탄성계수의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 트랙터 기어박스의 사진이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하에서 도면 등을 참고하여 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 탄성 및 내마모성이 우수한 과공정 Al-Si계 합금에 관한 것이다.

도 1 내지 도 3은 과공정 Al-Si계 합금 내의 생성상을 보여주는 사진이며, 도 4는 라인 스케닝 영역(10)에서의 구성원소의 함량을 보여주는 사진이다. 본원발명은 과공정 Al-Si계 합금의 탄성 및 내마모성 등의 물성을 향상시키기 위하여, 상기 도면에 도시한 바와 같은 초정 Si 및 금속간 화합물 등을 형성함으로써, 마모를 억제하고 응력과 마찰열 등을 분산시켜 산화물의 생성을 지연시킨다.

본원발명의 보다 구체적인 기재는 이하와 같다. 본 발명에 따른 과공정 Al-Si계 합금은 실리콘(Si), 니켈(Ni), 타이타늄(Ti), 붕소(B), 잔부의 Al 및 불가피한 불순물 등을 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 전체 Al-Si계 합금 중량에 대하여, 상기 실리콘(Si)은 약 13 ~ 21 중량%, 니켈(Ni)은 약 1 ~ 5 중량%, 타이타늄(Ti)은 약 4 ~ 5 중량%, 붕소(B)는 약 0.7 ~ 1 중량%인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 니켈(Ni)의 함량이 약 2.3 ~ 5 중량%인 것이 더욱 바람직하고, 약 5 중량%인 것이 가장 바람직하다. 또한, 상기 타이타늄(Ti)의 함량이 약 4 중량%이고, 상기 붕소(B)의 함량이 약 1 중량%인 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 과공정 Al-Si계 합금은 상기 기재한 실리콘(Si) 약 13 ~ 21 중량%, 니켈(Ni) 약 1 ~ 5 중량%, 타이타늄(Ti) 약 4 ~ 5 중량% 및 붕소(B) 약 0.7 ~ 1 중량% 이외에 구리(Cu) 약 4 ~ 5 중량% 및 마그네슘(Mg) 약 0.45 ~ 0.65 중량% 그리고 선택성분인 철(Fe) 약 1.3 중량% 이하 및 망가니즈(Mn) 약 0.1 중량% 이하 및 아연(Zn) 약 0.1 중량% 이하 등을 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서 각 구성성분을 보다 상세하게 기재한다. 상기 실리콘(Si)은 초정 Si상 등을 형성하여, 알루미늄 합금의 탄성과 내마모성을 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 오히려 Al3Ti 등에 고용되어 삼원상인 TiAlSi를 형성함으로써, 알루미늄 합금의 탄성효과 등을 감소시키고, 내충격성 등을 저하시킬 가능성이 있으므로, 상기 실리콘(Si)의 함량을 약 13 ~ 21 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 니켈(Ni)은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 알루미늄(Al)과 반응하여 생성된 탄성계수가 약 179 GPa인 Al3Ni 생성상으로 인한 석출경화 효과 등으로 알루미늄 합금의 탄성계수 및 내마모성 등을 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 고가의 원소이므로 제조비용이 증가할 수 있을 뿐만 아니라, 거칠기가 큰 화합물 등을 형성하여 알루미늄 합금의 인성 및 탄성 등의 물성을 저하시킬 가능성이 있으므로, 상기 니켈(Ni)의 함량을 약 1 ~ 5 중량%로 한정하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 니켈(Ni)의 함량이 약 2.3 ~ 5 중량%인 것이 더욱 바람직하고, 약 5 중량%인 것이 가장 바람직하다.

보다 구체적으로, 도 7은 A390-4Ti-1B-χNi에서 Ni의 함량 χ 및 온도에 따른 생성상을 보여주는 도면이다. 여기서 상기 니켈(Ni)의 함량이 2.3 중량% 미만일 경우, Al3Ni2 상 등이 생성되고, 상기 니켈(Ni)의 함량이 2.3 중량% 이상일 경우, Al3Ni, Al7Cu4Ni 및 Al6Ni3Si 상 등이 생성되고, 상기 니켈(Ni)의 함량이 5 중량% 초과일 경우, 상기 니켈(Ni)의 함량이 4 중량%인 타이타늄(Ti)의 함량과 1 중량%인 붕소(B)의 함량의 합보다 큰 값이 되어 타이타늄(Ti)과 붕소(B)에 의한 탄성계수에 영향을 줄 수 있으므로, 상기 니켈(Ni)의 함량을 5 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 타이타늄(Ti)은 알루미늄 합금의 결정입자를 미세하게 하여, 기계적 특성 등을 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 그 함량이 과도할 경우 오히려 기계적 특성을 저감시킬 가능성이 있으므로, 상기 타이타늄(Ti)의 함량을 약 4 ~ 5 중량%로 한정하는 것이 바람직하며, 약 4 중량%로 한정하는 것이 보다 바람직하다.

상기 붕소(B)는 상기 타이타늄(Ti)과 같이 알루미늄 합금의 결정입자를 미세화하여, 알루미늄 합금의 기계적 성질을 더욱 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 거칠기가 큰 화합물을 형성하여 알루미늄 합금의 인성 및 탄성 등의 물성을 저하시킬 가능성이 있으므로, 상기 붕소(B)의 함량의 함량을 약 0.7 ~ 1 중량%로 한정하는 것이 바람직하며, 약 1 중량%로 한정하는 것이 보다 바람직하다.

상기 구리(Cu)는 알루미늄 합금의 기지(matrix)를 강화하여, 내마모성 등의 물성을 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 보이드(void)가 발생하여 내식성 등의 물성을 저하시킬 가능성이 있으므로, 상기 구리(Cu)의 함량을 약 4 ~ 5 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금의 내마모성 및 강도 등의 물성을 향상시키는 역할을 하는 원소이지만, 거칠기가 큰 화합물이 형성되어 알루미늄 합금의 인성 및 탄성 등의 물성을 저하시킬 가능성이 있으므로, 상기 마그네슘(Mg)의 함량을 약 0.45~0.65 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 철(Fe)은 선택성분이며, 경질상의 금속간 화합물의 형태 등으로 알루미늄 합금 내에서 미세하고 균일하게 분산함으로써, 알루미늄 합금의 내마모성 등의 물성을 향상시키는 역할을 하지만, 주조성 등을 저하시키고 금속간 화합물을 조대화 시킬 수 있으므로, 상기 철(Fe)의 함량을 약 1.3 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 망가니즈(Mn)는 선택성분이며, 상기 철(Fe)과 마찬가지로 경질상의 금속간 화합물의 형태 등으로 알루미늄 합금 내에서 미세하고 균일하게 분산함으로써, 알루미늄 합금의 내마모성 등의 물성을 향상시키는 역할을 하지만, 주조성 등을 저하시키고 금속간 화합물을 조대화 시킬 수 있으므로, 상기 망가니즈(Mn)의 함량을 약 0.1 중량% 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 아연(Zn)은 선택성분이며, 결정립을 미세화하여 알루미늄 합금의 내식성, 강도 및 경도 등의 물성을 향상시키는 역할을 하지만, 내마모성 등의 물성을 저하시킬 수 있으므로, 상기 아연(Zn)의 함량을 약 0.1 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 과공정 Al-Si계 합금을 하기 표 1의 구성성분 및 함량을 기준으로 제조하여, 알루미늄 합금의 구성성분 및 그 함량에 따른 탄성계수, 밀도, 경도 및 마모면적을 비교하였다.

구분	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ni	Ti	B	Al
비교예1	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	-	-	-	잔부
비교예2	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	5	-	-	잔부
비교예3	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	-	4	1	잔부
비교예4	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	5	2	1	잔부
실시예1	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	2	4	1	잔부
실시예2	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	3	4	1	잔부
실시예3	17	1.0	4	0.05	0.50	0.5	5	4	1	잔부
단위: 중량%

상기 표 1은 비교예 1 내지 4 및 실시예 1 내지 3의 구성성분 및 함량을 비교한 표이다. A390계 알루미늄 합금에 기반한 과공정 Al-Si계 합금에서 니켈(Ni), 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)의 유무 및 함량에 따른 물성의 차이를 확인하기 위해, 구성성분 및 그 함량에 차이가 있는 비교예 및 실시예를 제조하였다.

보다 구체적으로, 상기 비교예 1은 실리콘(Si) 약 17 중량%, 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량% 및 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량% 등을 포함하여 구성된다. 상기 비교예 2는 Al3Ni의 석출경화 효과를 위하여 상기 비교예 1의 구성성분 및 함량에 니켈(Ni) 약 5 중량%를 더 포함하여 구성된다. 상기 비교예 3은 Al3Ti 석출경화 효과를 위하여, 상기 비교예 1의 구성성분 및 함량에 타이타늄(Ti) 약 4 중량% 및 붕소(B) 약 1 중량%를 더 포함하여 구성된다. 상기 비교예 4는 상기 비교예 5는 Al3Ni 및 Al3Ti 석출경화 효과를 위하여, 상기 비교예 1의 구성성분 및 함량에 니켈(Ni) 약 5 중량%, 타이타늄(Ti) 약 2 중량% 및 붕소(B) 약 1 중량%를 더 포함하여 구성된다.

반면, 상기 실시예 1은 니켈(Ni)에 의한 Al3Ni의 석출경화 효과와, 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)에 의한 Al3Ti의 석출경화 효과를 위하여, 상기 비교예 1의 구성성분 및 함량에 니켈(Ni) 약 2 중량%, 타이타늄(Ti) 약 4 중량% 및 붕소(B) 약 1 중량%를 더 포함하여 구성된다.

또한, 상기 실시예 2는 니켈(Ni)에 의한 Al3Ni의 석출경화 효과와, 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)에 의한 Al3Ti의 석출경화 효과를 위하여, 상기 비교예 1의 구성성분 및 함량에 니켈(Ni) 약 3 중량% 타이타늄(Ti) 약 4 중량% 및 붕소(B) 약 1중량%를 더 포함하여 구성되며, 상기 실시예 3은 니켈(Ni)의 함량이 5 중량%인 것만 제외하면, 상기 실시예 2와 동일한 구성성분 함량을 포함한다.

구분	탄성계수(GPa) / 밀도(g/㎤)	경도(HRR)	마모면적 (㎛²)
비교예1	84.0 / 2.72	92.88	10104.1
비교예2	91.3 / 2.80	104.54	10149.2
비교예3	89.1 / 2.77	105.81	8737.8
비교예4	98.13 / 2.84	105.21	9523.4
실시예1	94.84 / 2.84	106.75	7552.4
실시예2	97.54 / 2.86	107.82	5785.3
실시예3	98.9 / 2.88	109.57	5490.3

상기 표 2는 상기 표 1에 따른 구성성분 및 함량을 포함하는 1kg 급의 비교예 1 내지 4와 실시예 1 내지 3의 탄성계수, 밀도, 경도 및 마모면적을 비교한 표이다.

보다 구체적으로, 비교예 1은 Al3Ni의 석출경화 효과와 Al3Ti의 석출경화 효과가 없으므로, Al3Ni의 석출경화 효과가 있는 비교예 2보다 탄성계수 및 경도가 낮았다. 또한, 비교예 3은 Al3Ti의 석출경화 효과가 있으므로 상기 비교예 1보다 탄성계수 및 경도가 높고, 마모면적이 작았다. 그러나 비교예 4는 Al3Ni의 석출경화 효과와 Al3Ti의 석출경화 효과를 위한 니켈(Ni), 타이타늄(Ti) 및 붕소(B)를 포함하지만, 타이타늄(Ti)의 함량이 부족하여, 부족한 Al3Ti의 석출경화 효과로 인해, 마모면적이 비교예 3에 비하여 증가하였다.

한편, Al3Ti의 석출경화 효과와 Al3Ni의 석출경화 효과가 있는 실시예 1 내지 3은 전반적으로 비교예 1 내지 4보다 탄성계수 및 경도가 우수하고, 마모면적은 작았다.

보다 구체적으로, 실시예 1의 경우, 비교예 4보다 니켈(Ni)의 함량은 감소하였지만, 타이타늄(Ti)의 함량이 증가하여, 마모면적이 급속히 감소하였고 경도는 증가하였으므로, 상기 비교예 4보다 실시예 1의 경도 및 내마모성이 향상되었다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 실시예 1 내지 3의 경우, 니켈(Ni)의 함량이 각각 2, 3 및 5 중량%로 증가하는데, 상기 니켈(Ni)의 함량이 증가할 수록 경도가 향상되고, 마모면적이 감소하였다. 따라서, 니켈(Ni)의 함량이 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하지만, 2.3 내지 5 중량%인 것이 보다 바람직하고, 5 중량%인 것이 가장 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

한편, 도 8은 약 800℃에서 제조한 합금과 약 750℃에서 잉곳(ingot)을 재용해 후 제조한 주조품의 타이타늄(Ti)의 함량에 따른 탄성계수의 변화를 보여주는 그래프이다.

보다 구체적으로, 실리콘(Si) 약 17 중량%, 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량% 및 아연(Zn) 약 0.5 중량% 등을 포함하는 A390계 알루미늄 합금의 탄성계수는 약 85 GPa 미만이고, 타이타늄(Ti) 약 2.3 중량%과 붕소(B) 약 1 중량%를 더 포함하는 A390계 알루미늄 합금은 Al3Ti 석출경화 효과 등으로 인하여 탄성계수가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.

그러나 타이타늄(Ti) 약 4 중량%와 붕소(B) 약 1 중량%를 포함하는 A390계 알루미늄 합금과 타이타늄(Ti) 약 5 중량%와 붕소(B) 약 1 중량%를 포함하는 A390계 알루미늄 합금의 탄성계수가 가장 높으며, 그 중에서 고가의 타이타늄(Ti) 원소를 약 5 중량%를 사용하는 것보다, 약 4 중량% 사용하는 것이 제조원가 대비 탄성계수가 양호하다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 도 9는 약 800℃에서 제조한 합금과 약 750℃에서 잉곳(ingot)을 재용해 후 제조한 주조품의 실리콘(Si)의 함량에 따른 탄성계수의 변화를 보여주는 그래프이다. 보다 구체적으로, 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량% 및 아연(Zn) 약 0.5 중량% 등을 포함하는 알루미늄 합금의 탄성계수는 약 80 GPa 근처의 값을 가지지만, 상기 알루미늄 합금에 실리콘(Si) 약 12 중량%를 더 포함하는 ADC12계 알루미늄 합금은 초정 Si로 인하여 탄성계수가 급격히 증가한다.

또한, 상기 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량% 및 아연(Zn) 약 0.5 중량% 등을 포함하는 알루미늄 합금에 실리콘(Si) 약 17 중량%를 포함하는 A390계 알루미늄 합금은 실리콘(Si)을 약 12 중량% 포함하는 ADC12계 알루미늄 합금보다 탄성계수가 더 높다는 것을 확인할 수 있었다.

여기서, 실리콘(Si)의 함량을 약 21 중량%로 높이면 탄성계수는 약 95 GPa에 근접한다는 시험 결과를 확인할 수 있었으므로, 효과적인 탄성계수를 획득하기 위하여 실리콘(Si)의 함량을 약 13 중량% 내지 약 21 중량%로 한정하는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다.

구분	탄성계수(GPa)	비고
비교예5	97.45	A390-1Ti-1B-5Ni
비교예4	98.13	A390-2Ti-1B-5Ni
비교예6	100.54	A390-3Ti-1B-5Ni
실시예3	103.25	A390-4Ti-1B-5Ni
실시예4	105.94	A390-5Ti-1B-5Ni
비교예7	108.71	A390-6Ti-1B-5Ni

상기 표 3은 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량%, 아연(Zn) 약 0.5 중량% 및 실리콘(Si) 약 17 중량% 등을 포함하는 A390계 알루미늄 합금에, 붕소(B) 1 중량%와 니켈(Ni) 5중량%를 더 포함하며, 타이타늄(Ti)을 각각 1, 2, 3, 4, 5 및 6 중량% 포함하는 25 kg 급 비교예 및 실시예의 탄성계수를 비교한 표이다.

상기 표 3에서 타이타늄(Ti)의 함량이 각각 4 및 5 중량%인 실시예 3 및 4의 경우, 탄성계수의 증가율이 다른 비교예보다 높았으므로, 상기 타이타늄(Ti)의 함량은 4 내지 5 중량%인 것이 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

하지만, 타이타늄(Ti)의 함량이 비교예 7과 같이 지나치게 높을 경우, 제조비용이 급격히 상승할 수 있는 문제가 있기 때문에, 상기 타이타늄(Ti)의 함량은 6 중량% 미만인 것이 바람직하다.

구분	탄성계수(GPa)	비고
실시예5	93.13	A390-4Ti-1B-1Ni
실시예1	94.84	A390-4Ti-1B-2Ni
실시예2	97.54	A390-4Ti-1B-3Ni
실시예6	100.37	A390-4Ti-1B-4Ni
실시예3	103.25	A390-4Ti-1B-5Ni

상기 표 4는 철(Fe) 약 1.0 중량%, 구리(Cu) 약 4 중량%, 망가니즈(Mn) 약 0.05 중량%, 마그네슘(Mg) 약 0.50 중량%, 아연(Zn) 약 0.5 중량% 및 실리콘(Si) 약 17 중량% 등을 포함하는 A390계 알루미늄 합금에, 타이타늄(Ti) 4 중량%와 붕소(B) 1중량%를 더 포함하며, 니켈(Ni)을 각각 1, 2, 3, 4 및 5 중량% 포함하는 실시예의 탄성계수를 비교한 표이다.

상기 표 4에서 니켈(Ni)의 함량이 3 중량%인 실시예 2의 탄성계수 증가율이 니켈(Ni)의 함량이 2 중량%인 실시예 1보다 높으며, 특히 니켈(Ni)의 함량이 5 중량%인 실시예 3의 탄성계수가 가장 높았다. 따라서, 니켈(Ni)의 함량은 1 내지 5 중량%인 것이 바람직하지만, 2.3 내지 5 중량%인 것이 보다 바람직하고, 5 중량%인 것이 가장 바람직하다는 것을 확인할 수 있었다.

구분		비교예3 탄성계수(GPa)/밀도(g/㎤)	실시예1 탄성계수(GPa)/밀도(g/㎤)
25 kg급		89.5 / 2.77	95.3 / 2.82
300 kg급	부분1(100)	91.6 / 2.78	95.4 / 2.83
	부분2(110)	92.7 / 2.79	95.1 / 2.83
	부분3(120)	95.7 / 2.82	97.7 / 2.84
평균		93.3 / 2.80	96.1 / 2.84

상기 표 5는 25 kg급 및 300 kg급의 비교예 3과 실시예 1에 대한 탄성계수와 밀도를 비교한 표이다. 상기 300 kg급의 비교예 3과 실시예 1의 경우, 도 10과 같이 트랙터 기어박스를 세 부분으로 나누어 각 부분에서 탄성계수와 밀도를 측정하였다.

비교 결과, 비교예 3과 실시예 1 모두 25 kg급 보다 300 kg급에서 탄성계수와 밀도가 높았으며, 비교예 3보다 실시예 1의 탄성계수와 밀도가 전반적으로 더 높다는 것을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명을 산업현장에서 사용할 수 있는 크기의 제품에 적용할 경우에도 종래 기술보다 탄성계수와 밀도가 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

10 : 라인 스케닝 영역
100 : 부분 1
110 : 부분 2
120 : 부분 3

Claims

전체 과공정 Al-Si계 합금 중량에 대하여,
실리콘(Si) 13 ~ 21 중량%, 니켈(Ni) 1 ~ 5 중량%, 타이타늄(Ti) 4 ~ 5 중량%, 붕소(B) 0.7 ~ 1 중량%, 잔부의 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si계 합금.
제1항에 있어서,
상기 타이타늄(Ti)은 4 중량%이고, 붕소(B)는 1 중량%인 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si계 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
구리(Cu) 4 ~ 5 중량%, 마그네슘(Mg) 0.45~0.65 중량%, 철(Fe) 1.3 중량% 이하, 망가니즈(Mn) 0.1 중량% 이하 및 아연(Zn) 0.1 중량% 이하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si계 합금.
제1항에 있어서,
상기 니켈(Ni)은 2.3 ~ 5 중량%인 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si계 합금.
제4항에 있어서,
상기 니켈(Ni)은 5 중량%인 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si계 합금.