KR20200072618A - 강도와 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금성분의 제어와 미세조직의 제어를 통해, 강도와 내마모성이 우수한 주조용 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 실리콘(Si) 8 ~ 12 중량%, 비스무트(Bi) 1.5 ~ 2.1 중량%, 및 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강도와 내마모성이 우수한 알루미늄 합금 {ALUMINUM ALLOY HAVING EXCELLENT STRENGTH AND WEAR RESISTANCE}

본 발명은 주조용 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분의 제어와 미세조직의 제어를 통해, 강도와 내마모성이 우수한 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 구조재료 등 각 공산품의 부속 및 소재 산업 등에 있어서 친환경성, 합리적 비용, 효율적인 에너지 절감뿐만 아니라 그에 따른 다양한 품질개선이 요구되고 있어 경량 재료로의 개발과 전환 등에 대한 개선방안이 연구되고 있다. 이에 따라 종래의 주철 또는 철강 재료로 제조되던 부품들도 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경량재료로 대체하고자 하는 시도가 행해지고 있다.

Al-Si계 합금은 실민(silmin)이라 불려지는 합금으로서 주조가 대단히 쉬우며 특히 Al-Si계의 공정점에 가까운 조성이 되면 열간 취성이 제거되고, 유동성과 용접성 및 내식성이 우수하여 주로 두꺼운 대형 주물이나 형상이 복잡한 주물에 많이 이용되는 알루미늄 합금이다.

그런데, Al-Si계 합금은 11 중량%까지 첨가할 경우 융점이 감소하여 주조성이 향상되고 경도가 높아져 내마모성이 향상되는 특성을 가지나, 특정 부품에서 요구되는 강도를 구현하기 어려운 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제1993-0008175호

본 발명의 과제는, Si를 상당량 포함하는 Al-Si계 합금이 갖는 우수한 내마모성을 유지하면서 강도를 현저하게 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 실리콘(Si) 8 ~ 12 중량%, 비스무트(Bi) 1.5 ~ 2.1 중량%, 및 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함하는, 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, Al-Si 합금이 갖는 우수한 내마모성을 실질적으로 유지하면서, 동시에 현저하게 향상된 압축 항복강도를 구현하여, 자동차 부품과 같은 분야의 경량화에 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 알루미늄 합금의 광학현미경 이미지이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 알루미늄 합금의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 1에 따라 제조한 알루미늄 합금의 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 따라 제조한 알루미늄 합금의 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 3에 따라 제조한 알루미늄 합금의 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조한 알루미늄 합금의 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 7은 비교예 4에 따라 제조한 알루미늄 합금의 SEM-EDS 분석결과를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 따라 제조한 알루미늄 합금의 경도와 항복강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예에 따라 제조한 알루미늄 합금에 대한 마모시험 결과를 나타낸 것이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 실리콘(Si) 8 ~ 12 중량%, 비스무트(Bi) 1.5 ~ 2.1 중량%, 및 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 실리콘(Si)은 알루미늄 합금의 융점을 저하시키고 용탕의 유동성을 개선하여 주조성을 향상시킴과 동시에 실리콘 상의 생성을 통해 알루미늄 합금의 강도와 내마모성을 향상시키는 원소이다. 상기 실리콘(Si)의 함량이 8 중량% 미만일 경우 본 발명에서 요구되는 용탕의 유동성, 강도 및 내마모성 중 적어도 하나 이상을 충족하기 어렵고, 실리콘(Si)의 함량이 12중량%를 초과할 경우, 후공정인 가공공정의 불리함과, 리크 불량의 요인으로 확인되기 때문에, 8 ~ 12 중량% 범위가 바람직하다.

상기 비스무트(Bi)는 생성되는 실리콘 입자의 형상을 종횡비가 매우 큰 플레이크(flake) 형상에서 종횡비가 5 이하로 상대적으로 등축정에 가까운 입자 형상으로 제어함과 동시에, 비스무트(Bi)의 미세한 입자 생성을 통해 강도 향상 효과를 얻기 위해 첨가하는 것으로, 비스무트(Bi)의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우 실리콘 입자의 형상 개선 효과와 강도 향상 효과가 충분하지 않고, 비스무트(Bi)의 함량이 1.8 중량%를 초과할 경우 상대적으로 조대한 Bi 입자를 형성하여 내마모성 저하가 현저하므로, 1.5 ~ 1.8중량% 범위가 바람직하다.

상기 불가피한 불순물은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 비스무트(Bi)의 원료 또는 공정 과정에서 의도하지 않게 포함되는 성분으로, 예를 들어 철(Fe)와 같은 물질이 포함될 수 있다. 불순물은 알루미늄 합금의 물성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으므로, 가능한 한 적게 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 불순물 함량의 합은 1 중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 0.5 중량% 이하로 하는 것이 보다 바람직하고, 0.1 중량% 이하가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 미세조직에 있어서, 2차 수지상 길이(SDAS, Secondary Dendrite Arm Spacing)는 45㎛ 이하의 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 미세조직에 있어서, 아공정 실리콘(Si) 입자의 평균 길이는 36㎛ 이하로 유지하는 것(즉, 종횡비(aspect ratio)가 작게 유지하는 것)이 알루미늄 합금의 기계적 특성을 개선하는데 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 압축 항복강도는 110MPa 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직한 압축 항복강도는 120MPa 이상이다. 상기 압축 항복강도의 상한값은 특별히 제한하지 않으나, 합금성분의 구성 상, 주조 후 압축 항복강도는 150MPa 이상으로 구현하기는 어렵다.

또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경도(Hv)는 내마모성을 고려할 때, 50 이상인 것이 바람직하다.

[실시예]

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 다음과 같은 방법을 제조하였다.

10 중량%의 실리콘(Si)을 포함하는 Al-10Si 합금 용탕에 순 비스무트(Bi) 빌렛을 알루미늄 합금 전체 중량에 대해 1.8 중량%가 되도록 첨가한 후, 10φ×50mm의 실린더형의 주괴로 제조하였다.

[비교예 1]

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금과의 비교를 위한 것으로, 비교예 1에 따른 합금은 비스무트(Bi)를 첨가하지 않은 것으로, 실시예에서 Al-10Si 합금 용탕 제조에 사용된 것이다.

[비교예 2]

비교예 2에 따른 합금은 본 발명의 실시예와 동일한 과정을 통해 제조한 합금으로, 비스무트(Bi)를 0.22 중량% 첨가한 것이다.

[비교예 3]

비교예 3에 따른 합금은 본 발명의 실시예와 동일한 과정을 통해 제조한 합금으로, 비스무트(Bi)를 0.5 중량% 첨가한 것이다.

[비교예 4]

비교예 4에 따른 합금은 본 발명의 실시예와 동일한 과정을 통해 제조한 합금으로, 비스무트(Bi)를 3.85 중량% 첨가한 것이다.

아래 표 1은 상기 실시예 및 비교예 1 내지 4에 따라 제조된 알루미늄 합금의 성분을 ICP로 분석한 결과를 나타낸 것이다.

항목	원료 배합 조성 (wt%)
	Al	Si	Bi
비교예 1	90	10	-
비교예 2	89.85	9.98	0.22
비교예 3	89.55	9.95	0.5
실시예	88.38	9.82	1.8
비교예 4	86.54	9.62	3.85

조성 분석 결과, 실시예 및 비교예 1~4에 따른 합금 모두 약 10 중량%의 실리콘(Si)과 함께 상기한 비스무트(Bi)를 포함하는 것이 확인되었다.

미세 조직 및 상(phase) 분석 결과

실시예 및 비교예 1 ~ 4에 따른 알루미늄 합금의 미세조직을 광학 현미경을 사용하여 분석하였으며, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

아래 표 2에 나타낸 바와 같이, 알루미늄 합금의 강도 특성에 영향을 준다고 알려져 있는 2차 수지상 길이(SDAS,secondary dendrite arm spacing)는 비스무트(Bi)가 첨가되지 않은 비교예 1이 가장 작고, 비스무트(Bi)의 첨가에 따라 점차 증가하다가, 비스무트(Bi) 함량이 1.5 중량%를 넘어서면서 줄어들고 3.85 중량%까지 일정하게 유지되는 경향을 나타내었다. 즉, 소량의 비스무트의 첨가는 오히려 2차 수지상 길이를 줄여 알루미늄 합금의 강도를 저하시키는 역할을 할 수 있으므로 바람직하지 않을 수 있음이 확인되었다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예와 비교예 1 ~ 4에 따라 제조한 알루미늄 합금의 XRD 분석결과를 나타낸 것이다. 도 2에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1 합금의 경우, 알루미늄(Al) 기지와 실리콘(Si) 상의 피크(peak) 만이 나타났으나, 실시예 및 비교예 2 ~ 4에 따른 알루미늄 합금의 경우, 상기 2가지 성분의 피크외에 추가로 비스무트(Bi) 피크가 검출되어 비스무트(Bi) 입자 형태로 형성되어 있음을 알 수 있다.

또한, 상기 ICP 분석에서는 철(Fe) 분석을 수행하지 않았으나, XRD 분석 결과 알루미늄 합금의 제조 과정에 첨가하지 않은 철(Fe)의 금속간화합물이 모든 합금에 존재하는 것으로 나타났으며, 상기 철(Fe)은 원료로부터 혼입된 것으로 보인다.

추가적인 상분석을 고배율 SEM-EDS 분석을 수행하였으며, 그 결과를 도 3 내지 도 7에 나타내었다. 또한, 상분석을 통해 아공정 실리콘(Si) 입자의 평균 길이 및 분율을 측정하였으며, 그 결과는 아래 표 2와 같았다.

항목	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예	비교예 4
SDAS (㎛)	40.01	45.17	45.80	43.0	43.4
Si 길이 (㎛)	44.6	56.2	42.7	35.3	37.9
Si 분율 (%)	16.6	24.35	23.85	19.85	20.75

상기 표 2에 나타난 바와 같이, Al-10Si 합금에 비스무트(Bi)를 첨가하게 되면, 초기에는 비스무트(Bi) 함량이 증가함에 따라 Si의 길이가 길이지고, 서서히 감소하게 되며, 실시예에 따른 알루미늄 합금에서 가장 작은 길이를 나타내고, 이후에는 다시 길이가 증가하는 경향을 나타낸다.

이러한 경향은 도 3 내지도 7의 EDS 맵핑 결과로부터 정성적으로도 확인되는데, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 아공정 실리콘(Si) 입자가 다른 알루미늄 합금의 아공정 실리콘(Si) 입자에 비해 길이가 짧은(즉, 종횡비가 작은) 형태의 입자 상으로 변화되고 있음을 알 수 있다. 이러한 아공정 실리콘(Si) 입자의 형상 변화는 아래 표 3에서 확인되는 바와 같이 알루미늄 합금의 물성에 긍정적인 영향을 미친다고 보여진다.

또한, 불순물인 Fe계 금속간화합물 상이 한자 형태의 형상으로 소량 생성되는 것이 관찰되는데, 이 금속간화합물 상도 비스무트(Bi) 함량이 점차 증가함에 따라 그 크기가 다소 감소하는 것으로 확인되었다.

즉, Al-10Si 합금에 본 발명의 실시예와 같은 정도의 비스무트(Bi)가 첨가될 경우, 실리콘(Si) 입자의 형상은 물론 불순물로부터 기인하는 금속간화합물의 형상 개질이 가능함을 알 수 있다.

기계적 특성 분석 결과

본 발명의 실시예 및 비교예 1 ~ 4에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성을 평가하기 위하여, 상온 압축 시험, 경도 시험 및 마모 시험을 수행하였다.

상온 압축 시험은 3Φ×6mm 실린더 형상의 시편을 사용하고, 변형률 속도(strain rate) = 1×10^-3/s의 조건으로 3번씩 시험을 수행하였다. 또한, 경도 시험은 비커스 경도기를 사용하여 수행하였다. 또한, 마모 시험은 핀온디스크(pin-on-disk) 시험으로 수행하였으며, 건식 조건, 속도 150mm/s, 하중 3kgf, 시간 1시간, 거리 5400m의 조건으로 수행하였다.

아래 표 3은 본 발명의 실시예와 비교예 1 ~ 4에 따른 알루미늄 함금에 대한 상온 압축 시험, 경도 시험 및 마모 시험의 결과를 나타낸 것이다.

항목	비교예 1	비교예 2	비교예 3	실시예	비교예 4
경도(Hv)	59.9	54	51.6	55.1	54
항복강도(MPa)	97.1	91.6	96.3	127.2	121.8
마모량(g)	0.063	0.072	0.079	0.069	0.107

상기 표 3에서 확인되는 바와 같이, 압축 항복강도(Yield Strength)는 비스무트(Bi)를 첨가하지 않은 비교예 1이 97.1MPa이고, 비스무트(Bi)가 소량 첨가된 비교예 1에서는 항복강도가 91.6MPa로 감소하다가, 비교예 3에서는 96.3MPa로 비교예 1과 유사한 수준을 회복하였고, 실시예에서는 127.2MPa로 현저하게 향상되었으며, 비스무트(Bi)가 3.85 중량%로 상당량 포함되는 비교예 4의 경우 실시예에 비해 오히려 약간 감소하는 경향을 나타내었다.

또한, 경도의 경우, 비교예 1에 비스무트(Bi)를 첨가하면 초기에는 경도가 감소하고, 실시예에서 어느 정도 회복하였다고 비스무트(Bi) 함량이 추가로 증가함에 따라 경도가 다시 감소하는 경향을 나타내었다.

또한, 마모량의 경우, 도 9에서 확인되는 바와 같이, 비스무트(Bi)가 첨가됨에 따라 마모량이 점차 증가하다가, 실시예에서는 비교예 1과 유사한 수준으로 감소하였다가, 비스무트(Bi)의 함량이 더 증가하게 되면 마모량이 현저하게 증가하는 경향을 나타낸다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 내마모성은 비스무트를 첨가하지 않은 비교예 1에 따른 알루미늄 합금과 유사한 수준이나, 나머지 비교예 2, 3, 4에 따른 알루미늄 합금의 경우, 비스무트(Bi)를 첨가하지 않은 비교예 1에 비해서 내마모성이 떨어지고, 특히 비교예 4에 따른 알루미늄 합금은 현저하게 저하하는 것을 알 수 있다.

이상과 같은 내용을 종합하면, 본 발명의 실시예에 따른 합금은, 적절한 비스무트(Bi)의 첨가에 의해 전술한 바와 같이 미세조직이 개질됨으로써, Al-Si 합금이 갖는 내마모성을 양호하게 유지하면서 강도를 현저하게 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

1. 실리콘(Si) 8 ~ 12 중량%, 비스무트(Bi) 1.5 ~ 2.1 중량%, 및 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함하는, 알루미늄 합금.
2. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 미세조직에 있어서, 2차 수지상 길이(SDAS, Secondary Dendrite Arm Spacing)가 45㎛ 이하인, 알루미늄 합금.
3. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 미세조직에 있어서, 실리콘(Si) 입자의 평균 길이는 36㎛ 이하인, 알루미늄 합금.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 압축 항복강도는 110MPa 이상인, 알루미늄 합금.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금의 경도(Hv)는 50 이상인, 알루미늄 합금.

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