KR20180133494A - 주조 합금 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 다음을 포함하는 주조 합금에 관한 것이다: 철 0.8 내지 3.0 중량%, 마그네슘 0.01 내지 9.0 중량%, 망간 0 내지 2.5 중량%, 베릴륨 0 내지 500 ppm, 티타늄 0 내지 0.5 중량%, 규소 0 내지 0.8 중량%, 스트론튬 0 내지 0.8 중량%, 인 0 내지 500 ppm, 구리 0 내지 4 중량%, 아연 0 내지 10 중량%, 및 니켈, 몰리브덴, 지르코늄, 바나듐, 하프늄, 칼슘, 갈륨 및 붕소로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 0 내지 0.5 중량%의 원소 또는 원소의 그룹, 및 알루미늄 및 불가피 불순물인 나머지.
Description
본 발명은, 특히 차량 구조적 컴포넌트(structural components)에서 사용하기 위한, 알루미늄, 마그네슘 및 철에 기초한 주조 합금에 관한 것이다.
타입 AlFe의 합금이 일반적으로 알려져 있으며, 몇몇 참고 문헌에 따르면, 알루미늄 단조 가능 합금(aluminium forgeable alloy)의 합금의 그룹이 소위 8000 계열 합금으로서 간주된다. 또한, 수많은 출판물은, 높은 철 함량 및 추가적인 합금 원소를 갖는 금속간(intermetallic) AlFe 재료, 소위 철 알루미나이드(iron aluminide)를 언급한다. 이들 재료는 주조 재료가 아니다. 이들은, (예를 들면, 표면 코팅을 위한) 분말 야금에서, 소결 프로세스에서, 3D 인쇄 방법에서, 또는 등등에서 사용된다. 애플리케이션에 따라, 자화가능성, 내열성 또는 높은 내식성(corrosion resistance)과 같은 속성(property)이 언급된다.
AlFe 합금의 분야에서의 특허 문헌은, 판금, 압출 제품, 코팅 기술에서의 이 합금의 사용 및 분말 제품에서의 이 합금의 사용을 시사한다. US 8 206 519 B2, US 7 462 410 B2, US 2006 0 213 590 A1 및 DE 60 320 387 T2는, 현 시점에서, 단조 가능한 합금 제품의 분야에서의 복수의 특허 문헌을 대표하는 것으로 언급될 수도 있다. AlFe 합금에 대한 또 다른 사용 분야는, 정보 저장을 위한 기능을 하는 자기 컴포넌트이다. 상기 사용 분야에서, 합금 원소의 선택적 첨가를 통해서는, 주조성에도 또는 재료 특성 값의 영향에도 일익을 담당하지 않는다.
주조 합금의 분야에서, 특히 다이 캐스트 합금의 경우에, 합금 시스템 Al-Si 및 Al-Mg-Si가 주로 사용된다. 본 출원인 자체는 자동차 엔지니어링용 다이 캐스트 합금 개발의 분야에서 수년 동안 활동하고 있다. EP 1 443 122 B1 및 EP 1 612 286 B1은, 현 시점에서, 이미 허여된 대응하는 번호의 특허를 대표하는 것으로 언급될 수도 있다. 보호 권리 둘 모두는 구조적 컴포넌트용 AlSi9Mn 합금에 관련이 있고, 심지어 주조 상태에서도 우수한 재료 특성 값을 갖는다.
자동차 산업의 경량의 구조물은, 간단하고 견고한 제조 프로세스를 필요로 한다. 구조적 컴포넌트의 경우에서, 이것은, 특히, 열처리를 필요없게 한다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 제조 프로세스 단계가 절약될 뿐만 아니라, 피할 수 없는 왜곡으로 인해 일반적으로 실행되어야 하는 정렬 작업도 또한 절약된다. 또한, 합금의 재료 특성 값에 영향을 미치지 않으면서 190 ℃ 및 그 이상의 온도에서 표면 처리 프로세스를 수행할 수 있어야 한다. 추가 요건은, 합금이 간단한 가공성을 갖는 것으로 구성되고, 이것은 간단한 용해성, 주조 동안의 낮은 접착 경향성 또는 반환 재료의 간단한 핸들링을 포함한다. 간단한 제조 프로세스 외에, 합금 비용이 상당한 역할을 한다. 여기서, 고가의 합금 원소를 함유하지 않는 합금에 대한 요건이 존재한다. 또한, 이 방식에서 리소스가 상응하게 보호될 수도 있어야 하기 때문에, 2차 원재료, 예를 들면, 2차 알루미늄을 사용하기 위한 가능성이 존재해야 한다.
본 발명의 목적은 상기에서 언급되는 요구 중 적어도 하나를 충족시키는 알루미늄-마그네슘-철에 기초한 주조 합금을 이용 가능하게 만드는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적은 다음의 주조 합금에 의해 달성된다:
철 0.8 내지 3.0 중량%
마그네슘 2.0 내지 7.0 중량%
망간 0 내지 2.5 중량%
베릴륨 0 내지 500 ppm
티타늄 0 내지 0.5 중량%
규소 0 내지 0.8 중량%
스트론튬 0 내지 0.8 중량%
인 0 내지 500 ppm
구리 0 내지 4 중량%
아연 0 내지 10 중량%
크롬, 니켈, 몰리브덴, 지르코늄, 바나듐, 하프늄, 칼슘, 갈륨 및 붕소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0 내지 0.5 중량%의 원소 또는 원소의 그룹, 및 알루미늄 및 불가피 불순물(unavoidable impurities)인 나머지(remainder).
본 발명의 바람직한 실시형태는 종속항에서 나타내어진다.
하나의 실시형태에서, 주조 합금의 철 함량은, 철 중량 기준으로 1.0 내지 2.4 % 사이에 있다.
추가적인 실시형태에서, 주조 합금의 철 함량은, 철 중량 기준으로 1.4 내지 2.2 % 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 마그네슘 함량은, 마그네슘 중량 기준으로 0.3 내지 7.0 % 사이에 있다.
추가적인 실시형태에서, 주조 합금의 마그네슘 함량은, 마그네슘 중량 기준으로 2.0 내지 7.0 % 사이에 있다.
추가적인 실시형태에서, 주조 합금의 마그네슘 함량은, 마그네슘의 중량 기준으로 3.0 내지 5.0 % 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 망간 함량은, 0 내지 0.6 중량% 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 베릴륨 함량은 0 내지 100 ppm 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 스트론튬 함량은 0 내지 0.03 중량% 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 아연 함량은 0 내지 0.5 중량% 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 인 함량은 0 내지 50 ppm 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 구리 함량은, 구리 중량 기준으로 0 내지 0.2 % 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 티타늄 함량은 0 내지 0.1 중량% 사이에 있다.
하나의 실시형태에서, 규소 함량은 0 내지 0.4 중량% 사이에 있다.
본 발명의 합금은, 바람직하게는, 다이 캐스팅을 위해, 특히 자동차 공학용 구조적 컴포넌트를 다이캐스팅하기 위해 사용된다.
하기에서 주조 합금이 언급되는 경우, 이것은, 특히 다이 캐스팅, 잉곳 캐스팅(ingot casting) 또는 샌드 캐스팅(sand casting)을 위한 합금을 포함한다.
본 발명의 합금은, 지금까지 자동차 공학용 주조 합금에서 사용되지 않은 합금 시스템 AlFe에 기초한다. 이 시스템은 마찬가지로 연성이며 삼원계 합금 상(trinary phases) AlMgFe의 생성 없이 마그네슘에 의해 응고될 수도 있다. Al-Al3Fe 공융 혼합물(eutectic)이 본 발명의 합금에 대해 사용되며, 그에 의해, 이 합금은 주조에 양호하게 된다. Al3Fe 공융 혼합물은 공지된 이상 구조를 갖는다. 그것의 응고 형태도 문헌에서 마찬가지로 설명되어 있다.
기본 원소인 알루미늄, 철 및 마그네슘을 제외하면, 추가적인 원소 없이, 90°의, 다임러 스펙(Daimler specification) DBL 4918에 따른 굽힘 각도(bending angle) 및 20°의 파단시 연신율을 갖는 70 MPa의 항복 강도가 본 발명의 합금으로 달성될 수도 있다. 그 조성은, 마찬가지로, 높은 전기적 및 열적 전도성에 의해 특성 묘사된다.
0 내지 9 중량%의 마그네슘 함량 및 0 내지 3 중량%의 철 함량에서, Al3Fe 상(phase)이 생성된다는 것이, AlMgFe 상태도(phase diagram)로부터 유도될 수 있다. 게다가, 주로 Al3Mg2로 표시되는 Mg5Al8 상이 또한 형성된다는 것이 공지되어 있다. 이 상은 더 높은 Mg 함량으로부터 발생한다. 327 ℃로부터의 알루미늄에서의 마그네슘의 용해도는 마그네슘을 중량 기준으로 7 % 넘게 용해시킬 만큼 충분히 높다. 따라서, 본 발명의 합금에 대해서는 마그네슘 함유 상의 제조가 기대될 수 없다. 이원(binary) AlMg 합금의 경우, 7 % Mg의 함량까지는, 현저한 퇴적 경화가 달성되지 않는데, 이것은, 마찬가지로, 본 연구에서 확인될 수 있었다. AlMg 공융 혼합물은 약 35 %의 Mg 비율로 존재하며, 본 발명의 합금에서는 일익을 담당하지 않는다. 삼원 상 AlMgFe는 기대할 수 없다.
철의 비율은, 충분한 공융 혼합물 Al-Al3Fe가 존재하고 미세한 금속간 상이 형성되도록 선택된다. 필요로 되는 강도를 설정하기 위해 마그네슘이 추가된다.
문헌에서는 철의 수축 감소 효과에 대한 참조가 이루어진다. 또한, 규소가 없는 Al3Fe 공융 혼합물은 0.4 중량%의 Si 함유 합금에서 생성된다. 규소가 Al 상에서 발견될 수 있고 AlFeSi 상은 형성되지 않는다. 이러한 상관 관계는 본 연구에서 확인할 수 있었다. 따라서, 규소 함량을 충분히 낮게, 즉 약 0.2 중량%로 유지하도록 주의해야 하는데, 그 이유는, 그렇지 않으면, AlFeSi 상이 형성되고 재료의 취화(embrittlement)가 예상될 수 있기 때문이다. 또한, 잘못된, 즉 너무 높게 설정된 규소 함량은 가열로에서의 슬러지의 형성으로, 따라서, 합금의 제조에서 문제로 이어진다. 불순물로 인해, 이러한 상의 발생은, 비록 안정한 상으로서의 Mg2Si가 규소를 결합하더라도, 근본적으로는 제한된 정도까지 가능하다.
본 발명의 합금은 근본적으로 다양하게 사용될 수 있지만, 그러나 자동차 공학의 구조적 컴포넌트에서의 사용을 목적으로 한다. 따라서, 충돌 관련된 구조적 컴포넌트에 대한 요구는, 심지어 주조 상태에서도 달성될 수도 있다. 그것은 일련의 점에서 지금까지 사용된 합금과는 크게 상이하다. 본 발명의 합금의 높은 시간 안정성 및 열적 안정성은 유리하다. 발생하는 상태 F에서 달성되는 재료 특성 값에 유의미한 영향을 주지 않으면서 400 ℃에서 최대 한 시간(1 시간)의 열처리가 사용될 수 있었다. 단지 500 ℃의 온도에서만 제1 편차가 검출될 수 있었다. 타입 AlSi10MnMg 또는 AlMg5Si2Mn의 공지의 합금은 일반적으로 400 ℃에서 1 시간 동안의 열 응력 이후에 그들의 특성 값이 상당히 변한다.
또한, 본 발명의 합금은 주조 상태에서 우수한 리벳 체결 성능(riveting capability)에 의해 특성 묘사되는데, 이것도, 마찬가지로, 지금까지 시장에 나와 있는 어떠한 합금에 의해서도 달성되지 않는다.
0.5 중량% 미만의 낮은 마그네슘 함량을 갖는 합금 조성은 25 m/(Ω mm2) [옴 평방 밀리미터당 미터]보다 더 높은 전기 전도도를 갖는다는 것이 확인될 수 있었다. 이들 값은 열처리를 사용하여 더 증가될 수 있었다.
추가적인 원소도 가능하다.
망간은 강도를 증가시키는 것에 대해 제한된 정도까지 기여하고, 취약한 AlFeSi 베타 상을, 덜 불리한 AlMn-FeSi 알파 상으로 변환할 수도 있다. 베릴륨은 용융물의 산화 경향성을 감소시킨다. 두꺼운 벽이 있는 컴포넌트를 주조하는 동안, 주로 티타늄-붕소 결정 미세화제가 사용된다. 본 발명의 합금의 하나의 실시형태에서, 구리 및/또는 아연이 첨가되는데, 이것은 합금의 강도에 상당한 영향을 미친다. 경화가 발생하면, 구리 및/또는 아연의 첨가로 인해 재료가 열처리에 대해 반응한다. 시간 강도 및 내열성이 영향을 받는다. 구리 및/또는 아연 원소는, 150 MPa 이상의 항복 강도가 필요로 되는 경우에만 선택되어야 한다. 높은 아연 비율에서, T6 열처리 이후에, 400 MPa를 초과하는 항복 강도가 달성될 수도 있다.
염수 분무 교번 테스트(ISO 9227) 및 입자간 부식 테스트(ASTM G110-92)가 부식에 대한 경향성을 조사하는 역할을 하였다. 본 발명의 합금의 조성은, 구리가 없는 그리고 아연이 없는 변이체에서 양호한 내식성이 달성될 수 있도록 선택된다. 구리 및 아연은 내식성을 저하시킬 수도 있다.
비교예
본 발명의 합금의 예시적인 실시형태(합금 변이체 A, B, C 및 D)의 조성이 하기에서 비교된다. 세부 사항은 중량% 단위이다. 이들 네 개의 합금을 사용하여, 기계적 특성 값(Rm, Rp0.2, A5 및 굽힘 각도)이 다이 캐스팅된 3 mm 플레이트에 대해 측정되었다. 각각의 경우에, 8 번의 인장 테스트의 평균 값이 나타내어진다.
달성되는 결과
상태 F(주조 상태)
굽힘 각도는 다임러 스펙 DBL 4918에 따라 결정되었으며, 재료의 리벳 체결 성능의 척도이다.
합금 변이체 B는 주조 상태에서 26.1 m/(Ω mm2)의 전기 전도도를 달성하였다. 500 ℃에서 1 시간 열처리 이후에, 29.2 m/(Ω mm2)가 측정될 수 있었다.
Claims (14)
- 다음으로 구성되는 주조 합금:
철 0.8 내지 3.0 중량%
마그네슘 0.01 내지 9.0 %
망간 0 내지 2.5 중량%
베릴륨 0 내지 500 ppm
티타늄 0 내지 0.5 중량%
규소 0 내지 0.8 중량%
스트론튬 0 내지 0.8 중량%
인 0 내지 500 ppm
구리 0 내지 4 중량%
아연 0 내지 10 중량%
크롬, 니켈, 몰리브덴, 지르코늄, 바나듐, 하프늄, 칼슘, 갈륨 및 붕소로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 0 내지 0.5 중량%의 원소 또는 원소의 그룹, 및 알루미늄 및 불가피 불순물(unavoidable impurities)인 나머지(remainder). - 제1항에 있어서,
상기 철은 0.1 내지 2.4 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 철은 1.4 내지 2.2 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네슘은 0.3 내지 7.0 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네슘은 2.0 내지 7.0 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 마그네슘은 3.0 내지 5.0 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 망간은 0 내지 0.6 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 베릴륨은 0 내지 100 ppm인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스트론튬은 0 내지 0.03 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 아연은 0. 내지 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 인은 0 내지 50 ppm인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구리는 0 내지 0.2 중량%인 것을 특징으로 하는, 주조 합금. - 다이 캐스팅을 위한, 바람직하게는, 자동차 공학용 구조적 컴포넌트(structural components)의 다이 캐스팅을 위한, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 주조 합금의 용도.
- 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 주조 합금으로 제조되는, 자동차 공학용의 다이 캐스팅된 충돌 관련 구조적 컴포넌트.
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