KR20190070098A

KR20190070098A - 다이캐스팅용 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20190070098A
Application number: KR1020170170600A
Authority: KR
Inventors: 이후담; 유창열; 이종국; 김기범; 정연범
Original assignee: 현대자동차주식회사; 세종대학교산학협력단; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-12-12
Filing date: 2017-12-12
Publication date: 2019-06-20
Also published as: US20190177817A1; KR102463468B1; CN109913710A

Abstract

본 발명은 Al을 기재로 하고, 6.8~10wt%의 Mg을 포함하여 제조되는 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로서, 본 발명은 추가 공정에 의하지 않더라도 충분한 심미감을 발휘할 수 있으면서 강도 또한 개선이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이다.

Description

다이캐스팅용 알루미늄 합금{ALUMINIUM ALLOY FOR DIE CASTING}

본 발명은 자동차에 사용되는 합금으로서, 특히 다이캐스팅에 의해 제조되는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

종래의 알루미늄 합금의 경우에는 강도에 초점을 맞춰 개발되어져 있기 때문에, 눈에 보이는 부분에 사용되는 자동차용 부품의 경우에는 금속의 발광을 낮게 하고 심미적인 기능성 향상을 위해 표면에 패턴을 넣거나, 아노다이징 등의 표면 처리를 진행하여 사용하여야 하였다.

즉, 강도에만 초점을 맞춰 개발된 알루미늄 합금의 경우에는 자체적으로는 심미감에 한계가 있으며, 심미감을 위해서는 추가적인 공정을 요하였던 것이다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국 공개특허공보 제10-2014-0012034호 한국 공개특허공보 특1984-0005175호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 추가 공정에 의하지 않더라도 충분한 심미감을 발휘할 수 있으면서 강도 또한 개선이 가능한 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, Al을 기재로 하고, 6.8~10wt%의 Mg을 포함하여 제조된다.

또한, 다이캐스팅용 Al-Si-Cu계 합금에 Al 9wt% 이상을 포함하는 마그네슘 합금을 혼합하여 제조될 수 있다.

여기서, 합금 내 Mg₂Si 함량이 10wt% 이상 16wt% 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, Lab 색좌표에 의해 정의되는 L*, a*, b* 값에 의해 산출되는 색차가 ADC12 합금 대비 3 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 b* 값이 2보다 작은 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은, Mg과 Si가 첨가됨으로써 생성되는 phase에 의해 색을 제어할 수 있어 기존에 비해 심미감을 상승시킬 수가 있다.

또한, 합금의 비중을 낮출 수가 있으며, 항복강도도 기존 소재 대비 증가된 물성을 가진다.

도 1a는 pure Mg 첨가 후의 용탕 표면 산화물을 나타낸 것이고, 도 1b는 AZ91 첨가 후 용탕 표면의 산화물을 나타낸 것이다.
도 2는 색좌표 다이어그램을 나타낸 것이다.
도 3은 Al 내 첨가 강화상에 따른 색의 관찰 결과이다.
도 4는 본 발명에 의한 알루미늄 합금 및 비교예에 대한 상태도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명에 의한 알루미늄 합금 및 비교예에 대한 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 6a와 도 6b는 Zn 함량 증가에 따른 viscosity 및 응고점의 변화를 나타낸 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

본 발명은 기존의 다이캐스팅 제품에 사용되는 ADC12 합금 대비 그 사용 범위가 확대될 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 조성은 표 1과 같다.

	조성 범위(wt%)
조성	Al	Si	Cu	Mg	Fe	Zn	기타
본 발명	Bal.	10~12	1.5~2.5	6.8~10	1 이하	1 이하	1 이하
ADC12	Bal.	10~12	1.5~2.5	0.45~0.65	1 이하	1 이하	1 이하

본 발명의 특징은 기존의 다이캐스팅용 합금에 상용 마그네슘 합금인 AZ91 합금을 첨가한 합금이다.

합금의 조성을 제어하기 위해 보호가스 없이 pure Mg을 첨가하게 되면, 첨가시 표면 산화가 발생하여 수율을 제어하기 어려우나, 알루미늄이 9wt% 이상 들어가 있는 AZ91의 경우에는 알루미늄 용탕에 추가하여 용해할 때에는 표면 산화없이 용탕에 잘 녹아들어 가게 된다.

도 1a가 pure Mg 첨가 후의 용탕 표면 산화물을 나타낸 것이고, 도 1b는 AZ91 첨가 후 용탕 표면의 산화물을 나타낸 것이다.

더불어, 기존의 양산 제품을 활용하여 조성비를 맞출 수 있기 때문에 기존 공정에 적용이 가능해진다.

기존의 Al 및 Mg의 경우에 모합금 제조를 통해서 신규 합금 제조시 공정온도를 낮추기 위해 제작하여 사용하고 있으나, 본 발명의 합금의 경우에는 공정온도를 낮추기보단, 기존의 ADC12 합금 내 Mg₂Si를 손쉽게 생성하기 위해서 AZ91을 비율에 맞게 첨가하였으며, 부수적으로 AZ91 합금의 경우 pure Mg 대비 산화안정성이 뛰어나기 때문에 알루미늄 주조시 Mg 첨가에 의한 보호가스가 필요 없게 된다.

즉, Mg와 Si의 함량에 의해 생성되는 MgSi계열 phase의 분율을 제어함을 통해 합금 제작을 할 수 있으며, 그에 따라 합금 제작시 기존의 ADC12 합금 및 AZ91 합금을 통해 기존과 다른 색을 갖는 고급감 구현이 가능한 합금을 제작할 수 있는 것이다.

ADC12와 AZ91의 비율은 표 2와 같다.

	합금함량(wt%)		조성 범위(wt%)
조성	ADC12	AZ91	Al	Si	Cu	Mg	Fe	Zn	기타
개발재1	93	7	Bal.	10~12	1.5~2.5	6.8	1 이하	1 이하	1 이하
개발재2	89	11	Bal.	10~12	1.5~2.5	10	1 이하	1 이하	1 이하
비교재1	100	-	Bal.	10~12	1.5~2.5	0.45~0.65	1 이하	1 이하	1 이하
비교재2	85	17	Bal.	10~12	1.5~2.5	15	1 이하	1 이하	1 이하

그리고, 합금 내 생성되는 Mg₂Si의 함량은 표 3과 같다.

	Mg₂Si 함량(wt%)
개발재 1	10.72
개발재 2	15.77
비교재 1	0.7~1.0
비교재 2	23.66

표에 정리된 바와 같이, 합금 내 생성되는 Mg₂Si의 함량은 10wt% 이상 16wt% 이하인 것이 바람직하다.

Mg₂Si의 함량은 적어도 10wt%를 초과하여야 색의 제어가 가능하고, 후술하는 바와 같이 16wt%를 초과하면 물성에 문제가 있다.

이와 같은 조성을 가지는 본 발명의 개발재 및 비교재에 관한 물성의 비교 결과는 다음 표 4와 같다.

		항복(MPa)	인장(MPa)	신율(%)	밀도	비고
비교재1	ADC12	170	310	3.3~3.8	2.74
개발재1	6.8wt% Mg 첨가	230	260	0.6~0.7	2.67	-
개발재2	10wt% Mg 첨가	235	250	0.57~0.63	2.63	-
비교재2	15wt% Mg 첨가	-	-	-	2.56	시험편 제작 불가

표에 정리한 바와 같이, ADC12 합금 대비 본 발명의 합금은 항복강도가 약 30% 정도 향상됨을 알 수 있고, 밀도도 기존 대비 2.5~4% 정도 낮아서 경량화 효과 또한 극대화할 수 있음을 알 수 있다.

나아가, 표 5와 같이 파장별 반사도를 측정하고, 표 6과 같이 색차를 비교하였다. 도 2는 색좌표를 나타낸 것이다.

색 측정장비의 조건은 다음과 같다.

기준 색 공간 : 측정된 파장을 색 공간으로 변환하기 위한 기준 파장(CIE 1976 L*a*b*)

기준 관측자 각도 : 색을 보는 각도에 따라 빛의 파장 값이 달라지기 때문에 일정 관찰자 각도 설정(10 Degree)

광원 : 입사파장의 값에 따라 반사 및 관찰되는 색 차 발생(D65)

Aperture size : 금속 측정시 표면 조도 영향에 대한 오차 최소화(6mm)

표면 조도 : 0.5 micron 폴리싱을 통한 표면 조도 균일화(조도에 따른 L,a,b 값 변화 발생)

조성	파장(nm)별 반사도(%)
조성	-400nm	450nm	500nm	550nm	600nm	650nm	700nm
비교재1	39.17	40.22	41.6	42.61	43.1	44	44.07
개발재1	38.14	37.31	38.2	39.14	39.21	39.19	39.08
개발재2	35.56	36.42	37.32	38	38.26	38.85	38.85

조성	L*	a*	b*	색차
비교재 1	71.1654	0.1045	2.5478	-
개발재 1	68.1766	-0.0089	1.9831	3.0437
개발재 2	67.9267	-0.0113	1.8265	3.3206

색 측정 결과, 기존의 ADC12 합금 대비 3 이상의 색차를 갖고 있으며,(색차가 3을 초과하여야 육안으로 구별이 가능하다) 이러한 색차의 원인은 L값인 조도 영향이 가장 크게 나타나고 있으며, b값이 2 이하의 값을 가짐으로써 보다 blue 계열로 이동되어 기존 합금 대비 푸른 빛을 나타내는 합금을 제작할 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 MgSi 계열의 상을 활용하여 합금 색이 제어된 합금으로써, 기존의 알루미늄 합금에 제일 많이 쓰이는 Si만으로 제어가 불가능한 색을 발현할 수 있게 한 것이다.

도 3을 통해 Al 내 첨가 강화상에 따른 색의 차이를 알 수 있다.

Mg과 Si 첨가에 의해 생성된 상은 알루미늄을 푸른색 계열 합금으로 바꾸기 위해 가장 중요한 phase임을 사전에 확인할 수 있다.

하지만, 기존의 Al 합금에서는 Si 혹은 Mg를 같이 쓰는 경우는 거의 없으며, 6000계열 합금인 Al-Mg-Si 합금계에서도 Mg₂Si를 활용하여 강도를 향상하지만, 그 함량이 최대 3wt%가 넘지 못하기 때문에 색차에는 거의 영향이 없다.

기존의 알루미늄 합금에서의 소량의 Mg₂Si의 활용은 석출경화 효과를 얻기 위해서만 사용하였기 때문에 그 양을 최소화하는 것이다.

그리고, 본 발명의 범위인 ADC12 합금 내 Mg 함량을 6.8wt%~10wt%(Mg₂Si 함량 10wt%~16wt% 이내)로 제한하는 이유는 ADC12와 색이 달라지는 범위를 육안으로 확인할 수 있는 범위를 수치적으로 산정한 결과, 6.8wt%로 확인되었으며, 10wt% 초과 첨가시(Mg₂Si 함량이 16wt% 초과)에는 비교재2에서 살펴본 바와 같이 물성 평가가 불가능할 정도로 내부 유동성이 급감하여 시험편 제작이 불가함을 확인할 수 있었다.

나아가, Mg 첨가에 영향이 없는 원소를 제외하고 계산한 도 4의 상태도를 통해서 Mg 첨가에 대한 영향을 상태도 계산을 통해 검토하였다.

Mg의 함량이 6.8wt% 이상에서 도 5와 같이 Mg₂Si가 생성됨을 확인하였으며, Mg₂Si가 6.8wt% 이상 생성될 경우 기존 ADC12 대비 색차가 변화함을 실험을 통해 검증하였다.

Mg₂Si의 함량이 많아질수록 L과 b 값이 감소하여 합금의 색이 blue 계열로 변화하게 되며, Mg₂Si 함량은 10wt% 이상부터 육안으로 변화하는 색차 3 이상을 확보할 수 있는 것이다.

추가적으로, 도 6a는 본 발명의 경우 viscosity 및 응고점 변화이며, 도 6b는 Zn 함량이 많은 기존의 경우 viscosity 및 응고점 변화이다.

본 발명에서의 Zn은 ADC12의 특성상 불순물로 남아 있으며, 주조를 용이하게 하기 위해 넣는 AZ91에 함유되어 있는 잔유분이다.

[선행기술문헌]에 기재된 특허문헌 2와 같은 기존의 Al-Zn-Mg-Si 합금의 경우는 낮은 융점을 제어하기 위해 제작된 도금용 합금으로서, Zn양이 Al 대비 1~1.5의 비중으로 함유된다.

그 결과, Zn 함량이 많이 있기 때문에 비중이 최소 3g/cm³로 높으며, 높은 viscosity 때문에 고압주조용 합금으로 제작이 불가하다.

도 6b의 넓은 액상 고상 구간이 의미하는 건 굳지 않고 slurry 상태로 있는 걸 의미하며, 고압주조시 굳는 온도 대역이 넓어 소재 제작이 불가한 것이다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims

Al을 기재로 하고, 6.8~10wt%의 Mg을 포함하여 제조되는,
다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
다이캐스팅용 Al-Si-Cu계 합금에 Al 9wt% 이상을 포함하는 마그네슘 합금을 혼합하여 제조되는,
다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
합금 내 Mg₂Si 함량이 10wt% 이상 16wt% 이하인 것을 특징으로 하는,
다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서,
Lab 색좌표에 의해 정의되는 L*, a*, b* 값에 의해 산출되는 색차가 ADC12 합금 대비 3 이상인 것을 특징으로 하는,
다이캐스팅용 알루미늄 합금.
청구항 4에 있어서,
상기 b* 값이 2보다 작은 것을 특징으로 하는,
다이캐스팅용 알루미늄 합금.