KR20170132196A - 주조 알루미늄 합금, 엔진 부품을 제조하기 위한 방법, 엔진 부품, 그리고 엔진 부품을 제조하기 위한 주조 알루미늄 합금의 용도 - Google Patents

Abstract

본 출원은 금형 주조 방법으로 주조되는 주조 알루미늄 합금에 관한 것이고, 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤의 제조 방법에 관한 것이고, 적어도 부분적으로 주조 알루미늄 합금으로 구성되는 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤에 관한 것이고, 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤을 제조하기 위한 주조 알루미늄 합금의 용도에 관한 것이다. 주조 알루미늄 합금은 아래의 합금 요소들을 포함한다: 9.0 중량%부터 10.5 중량% 미만의 실리콘, 0.8 중량%부터 1.9 중량% 미만의 니켈, 1.8 중량%부터 3.6 중량% 미만의 구리, 0.5 중량%부터 1.8 중량% 이하의 마그네슘, 0.9 중량%부터 1.4 중량% 미만의 철, 각각 0.05 내지 0.3 중량% 또는 0.2 중량%인 지르코늄 및/또는 바나듐, 0.4 중량% 이하의 망간, 0.15 중량% 이하의 티타늄, 0.05 중량% 이하의 인, 알루미늄 및 나머지를 이루는 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

주조 알루미늄 합금, 엔진 부품을 제조하기 위한 방법, 엔진 부품, 그리고 엔진 부품을 제조하기 위한 주조 알루미늄 합금의 용도

본 발명은 주조 알루미늄 합금, 엔진 부품, 특히 내연 기관의 피스톤을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 여기에서 주조 알루미늄 합금은 금형 주조 방법을 사용하여 주조되고, 적어도 부분적으로 주조 알루미늄 합금으로 이루어지는 엔진 부품이며, 주조 알루미늄 합금의 용도는 그러한 엔진 부품을 제조하는 것이다.

최근, 특히 경제적이고 생태적인 운송 수단에 대한 요구가 커져 왔고, 높은 소모와 배출 요건을 충족시켜야 했다. 또한 가능한 한 높은 성능 및 낮은 소모로 엔진을 설계할 필요가 있었다. 본질적으로 점점 더 높은 성능의 피스톤 재료들에 의해 만들어질 수 있는 점차 더 높은 연소 온도와 연소 압력에서 사용될 수 있는 피스톤들은 고성능 및 저배출 내연기관의 개발을 위해 결정적인 요소이다.

내연기관용 피스톤은 기본적으로 높은 내열성을 가져야 하고, 동시에 가능한 한 가볍고 강해야 한다. 따라서 특히 중요한 것은 미세 구조적 분포, 형태, 조성 및 높은 내열성 단계가 얼마나 구성되는지이다. 이와 관련된 최적화는 통상 기공과 산화 개재물의 최소 함량을 고려한다.

수요가 많은 재료는 등온 피로 강도(HCF, isothermal fatigue strength) 및 기계적 피로 강도(TMF, mechanical fatigue strength)와 관련하여 최적화되어야 한다. 상기 TMF를 최적으로 구성하기 위해, 항상 재료의 가능한 가장 미세한 구조가 목표가 되어야 한다. 미세한 구조는 상대적으로 큰 주요 상에서 (특히 주요 실리콘 침전물에서) 미세 가소성 또는 미세 크랙의 발생 위험을 줄이므로 크랙 발생 및 크랙 성장 위험도 줄인다.

TMF 응력 하에서, 피스톤 재료의 수명을 상당히 감소시킬 수 있는 미세 가소성 및/또는 미세 크랙은 상대적으로 큰 주요 상들, 특히 주요 실리콘 침전물에서 발생하며, 이는 합금의 개별 성분들, 즉 매트릭스(matrix) 및 주요 상들의 다양한 팽창 계수들 때문이다. 수명을 증가시키기 위해서, 주요 상들을 가능한 한 작게 유지해야하는 것이 알려져 있다.

특히 고합금, 준 공정(near eutectic) 또는 과정정 알루미늄/실리콘 합금은 높은 작업 온도에서 우수한 기계적 특성을 갖는다. 주요 실리콘 및 초래된 2종 이상의 금속으로 이루어진 상들에 관하여 상의 크기는 제한되어야 한다.

이와 관련하여 DE 10 2011 083 969 A1은 알루미늄 합금이 금형 주조 방법을 사용하여 주조되는 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤을 개시한다. 알루미늄 합금은 다음의 합금 요소들을 포함한다: 실리콘 6 중량% 내지 10 중량%, 니켈 1.2 중량% 내지 2 중량%, 구리 8 중량% 내지 10 중량%, 마그네슘 0.5 중량% 내지 1.5 중량%, 철 0.1 중량% 내지 0.7 중량%, 망간 0.1 중량% 내지 0.4 중량%, 지르코늄 0.2 중량% 내지 0.4 중량%, 바나듐 0.1 중량% 내지 0.3 중량%, 티타늄 0.1 중량% 내지 0.5 중량%. 그러나, 높은 내열성 합금을 제조하기 위해서는 비싼 요소인 구리의 고농도가 요구된다.

유사하게, 높은 열응력을 견딜 수 있는 엔진 부품들을 위해, 통상 종래의 주조 알루미늄 합금들은 합금 요소들 구리와 니켈의 합으로 5 내지 7 중량% 사이 그리고 실리콘 11 내지 13 중량% 사이를 요구한다. 높은 실리콘 함유량은 크고 많은 주요 실리콘 침전물의 위험을 증가시킨다.

본 발명의 목적은 비용 효율적 방법으로 제조될 수 있는 높은 내열성 주조 알루미늄 합금을 제공하는 것에 있다.

이 목적은 청구항 1에 따른 합금에 의해 해결된다. 발명의 바람직한 실시예들은 그에 대한 종속항에서 알 수 있다.

실리콘: 9.0 중량%부터 10.5 중량% 미만,

니켈: 0.8 중량%부터 1.9 중량% 미만,

구리: 1.8 중량%부터 3.6 중량% 미만,

마그네슘: 0.5 중량%부터 1.8 중량% 이하,

철: 0.9 중량%부터 1.4 중량% 미만,

지르코늄 및/또는 바나듐: 각각 0.05 내지 0.3 중량%, 0.2 중량%,

망간: 0.4 중량% 이하,

티타늄: 0.15 중량% 이하,

인: 0.05 중량% 이하,

알루미늄 및 나머지를 구성하는 불가피한 불순물을 갖는 주조 알루미늄 합금을 이루는 합금 요소들은 내열성에 관하여 특히 우수한 특성을 가진다. 지르코늄 및 바나듐 요소들 중 적어도 하나가 있고, 즉, 지르코늄의 경우에 0.3 중량% 그리고 바나듐의 경우에는 0.2 중량%까지의 농도로 존재하고, 이들은 상기 리스트 및 특허 청구항 1에서 "지르코늄 0.3 중량%까지, 바나듐 0.2 중량%까지"로 대체될 수도 있다.

본 발명에 따른 합금 요소 철의 농도는 2종 이상의 금속으로 이루어진 상들의 높은 비율로 이어진다. 그러나, 추가 합금 요소들, 특히 구리 및 니켈에 대한 미세 조정에 의해, 큰 플레이트형 2종 이상의 금속으로 이루어진 상들의 형성이 방지된다. 상기 추가 합금 요소들은 이 재료로부터 생성된 성분의 강도 뿐 아니라 주조성 및 내구성도 제한한다. 형성된 2종 이상의 금속으로 이루어진 상들은 대신에 미세하게 분포되고, 열적으로 안정할 뿐 아니라 내열성이 높고 따라서 강화 침전물처럼 작용한다. 이는 등온 피로 강도 및 열기계적 피로 강도와 관련하여 우수한 특성을 야기한다.

또한, 종래의 알루미늄/실리콘 합금에 비해 증가된 철의 허용 문턱값(tolerance threshold)은 사용 가능한 원자재에 대한 가요성(flexibility)을 이끈다: 예를 들면, 지금까지 그들의 철 함량 때문에 재생될 수 없었던 저렴한 고철이 본 발명에 따른 합금을 생산하는데 사용될 수 있다.

구리 및 니켈의 상대적으로 낮은 함량은 또한 합금 생산의 전체 비용을 유리하게 감소시킬 수 있는데 이는 그들이 가장 비싼 합금 요소들이고 따라서 임의의 이 두가지 요소들의 임의의 (부분적) 대체재가 상당한 비용 절감을 가져올 수 있기 때문이다.

종래의 알루미늄/실리콘 합금에 비해 실리콘 농도의 감소는 유리하게는 더 적고 작은 주요 실리콘 상들을 갖는 합금을 추가로 야기하고, 따라서 특히 TMF 응력 하에서 크랙 발생 및 크랙 성장에 대한 민감도는 크게 감소된다.

발견된 주조 알루미늄 합금은 금형 주조 방법을 사용하는 본 발명에 따라 유리하게 제조된다.

엔진 부품, 특히 내연 기관용 피스톤은 바람직하게는 본 발명에 따른 주조 알루미늄 합금들 중 하나로 적어도 부분적으로 이루어진다. 본 발명에 따른 이러한 엔진 부품은 높은 내열성을 가진다. 본 발명에 따라 제조된 피스톤에서, 열적으로 높은 응력을 받는 보울 림(bowl) 가장자리 영역에 매우 적은 양의 주요 실리콘이 있고, 따라서 합금은 특히 본 발명에 따라 제조된 피스톤의 매우 높은 내열성을 야기한다.

본 발명의 다른 면은 엔진 부품, 특히 내연기관의 피스톤의 제조를 위해 위에 기재된 것과 같은 주조 알루미늄 합금의 바람직한 용도이다.

Claims (10)

1. 아래의 합금 요소들로 구성되는 것을 특징으로 하는 주조 알루미늄 합금으로서,
   실리콘: 9.0 중량%부터 10.5 중량% 미만,
   니켈: 0.8 중량%부터 1.9 중량% 미만,
   구리: 1.8 중량%부터 3.6 중량% 미만,
   마그네슘: 0.5 중량%부터 1.8 중량% 이하,
   철: 0.9 중량%부터 1.4 중량% 미만,
   지르코늄 및/또는 바나듐: 각각 0.05 내지 0.3 중량%, 0.2 중량%,
   망간: 0.4 중량% 이하,
   티타늄: 0.15 중량% 이하,
   인: 0.05 중량% 이하,
   알루미늄 및 나머지를 이루는 불가피한 불순물을 포함하는, 주조 알루미늄 합금.
   
2. 제1항에 있어서,
   9.0 중량%부터 9.5 중량%까지 또는 9.5 중량%부터 10.5 중량% 미만의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   1.0 중량%부터 1.5 중량% 미만의 니켈을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   3.0 중량% 초과 3.6 중량% 미만의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   0.5 중량% 초과 0.9 중량% 미만의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   0.9 중량%부터 1.1 중량%까지의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   0.2 중량%부터 0.4 중량%까지의 망간을 포함하는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금.
   
8. 금형 주조 방법을 사용하여 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤을 제조하는 방법으로서,
   주조 알루미늄 합금은 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의해 주조된 것을 특징으로 하는, 엔진 부품 제조 방법.
   
9. 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤으로서,
   적어도 부분 적으로 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 주조 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 엔진 부품.
   
10. 엔진 부품, 특히 내연기관용 피스톤을 제조하기 위한 주조 알루미늄 합금의 용도로서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 주조 알루미늄 합금이 사용되는 것을 특징으로 하는, 주조 알루미늄 합금의 용도.