KR20210042639A - 알루미늄 다이캐스팅 제품의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 알루미늄 다이캐스팅 제품 - Google Patents

알루미늄 다이캐스팅 제품의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 알루미늄 다이캐스팅 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다이캐스팅 공정 중 금형 내 알루미늄 용탕의 충진방법을 기존 난류에서 층류로 변경할 수 있고, 주조조직을 미세화하며, 조직을 구성하는 입자의 형상을 제어함으로써, 고품질의 알루미늄 주조품을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 방법은, Si를 9 ~ 12중량% 포함하는 알루미늄 합금 원료를 제조하는 단계와, 상기 원료를 용해시켜 용탕을 제조하는 단계와, 상기 용탕에 Ti, B, 및 Sr을 함유하는 미세화제를 첨가하는 단계와, 상기 미세화제가 첨가된 용탕의 온도를 585 ~ 610℃가 되도록 유지하도록 주조장치에 주입하는 단계와, 상기 주조장치를 작동시켜 소정 형상의 제품으로 주조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄 주조품의 제조방법 및 이 방법에 의해 제조된 알루미늄 주조품 {MANUFACTURING METHOD OF ALUMINUM CASTING, ALUMINUM CASTING MANUFACTURED BY THE METHOD}
본 발명은 알루미늄 주조품의 제조방법과 이 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 주조품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다이캐스팅 공정 중 금형 내 알루미늄 용탕의 충진방법을 난류에서 층류로 변경할 수 있고, 주조조직을 미세화시킬 수 있으며, 미세조직을 구성하는 상(phase)의 형상을 제어함으로써, 고품질의 알루미늄 주조품을 저비용으로 효율적으로 제조할 수 있는 방법과, 이 방법에 의해 제조된 알루미늄 주조품에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄은 비중이 작고, 내식성 및 가공성이 좋으며, 전도도가 높은 장점 등 다양한 특징으로 인해 여러 용도로 사용되고 있다.
또한, 알루미늄에 여러 원소를 첨가하여 다양한 성질의 합금으로 제작할 수 있다.
상기와 같이 제작된 알루미늄 합금은 순수 알루미늄보다 강도 등 기계적 성질 및 내식성이 우수하여 다양한 산업분야에서 사용되고 있어, WO 2012/102485, WO 2014/109624 등에 개시된 것과 같이 알루미늄 합금 및 이를 이용한 다이캐스팅 제품의 개발이 활발히 이루어지고 있다.
다이캐스팅 제품 사출 시, 통상적으로 반응고 성형법(Rheocasting) 또는 반용융 성형법(Thixocasting)이 사용되고, 상기 반응고 성형법은 미처 응고되지 않아 소정의 점성을 가지는 고액공존 상태의 반응하고 반용융 상태의 금속 슬러리를 주조 또는 단조하여 최종 성형품을 제조하는 가공법을 말하며, 반용융 성형법은 반응고 성형법에 의해 제조된 성형품을 다시 반용융 상태의 슬러리로 재가열 후, 이를 주조 또는 단조시켜 최종 제품으로 제조하는 가공법을 의미한다.
그런데, 이러한 종래의 주조방법은 주조성 및 기계적 성질의 극대화를 위한 공정의 제어가 용이하지 않으며, 기존의 고압 주조품은 수축공, 기포 등과 같이 품질에 악영향을 미치는 결함을 많이 포함하는 문제점이 있었다.
이에 따라, 공정의 제어가 용이하고, 고품질의 주조품을 생산할 수 있는 새로운 알루미늄 주조품 제조방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
국제공개번호 WO 2012/102485 공보 국제공개번호 WO 2014/109624 공보
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은, 알루미늄 용탕의 고액 분율의 제어와 미세화제 투입을 통한 상 형상 제어를 통해, 고압 주조품의 고질적인 문제인 수축공, 기포 등과 같은 품질에 악영향을 미치는 요소를 저감시킬 수 있고, 동시에 알루미늄 주조품 제조 시의 에너지 효율 개선, 제조비 절감, 주조 공정의 간편화, 제조시간 단축, 금형수명 연장 등의 이점을 구현할 수 있는 알루미늄 주조품 제조방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 형상이 제어된 상과 미세화한 미세조직을 가지고, 수축공, 기포와 같은 결함이 저감되어 우수한 물성을 가진 고품질의 알루미늄 주조품을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 목적을 달성하기 위해 본 발명은, Si를 9 ~ 12중량% 포함하는 알루미늄 합금 원료를 제조하는 단계와, 상기 원료를 용해시켜 용탕을 제조하는 단계와, 상기 용탕에 Ti, B, 및 Sr을 함유하는 미세화제를 첨가하는 단계와, 상기 미세화제가 첨가된 용탕의 온도를 585 ~ 610℃가 되도록 하여 주조장치에 주입하는 단계와, 상기 주조장치를 작동시켜 소정 형상의 제품으로 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 주조품 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명은, Si: 9.6 ~ 12.0중량%, Cu: 1.5 ~ 3.5중량%, Mg: 0.1 ~ 0.3중량%, Zn: 0.5 ~ 1중량%, Fe: 1 ~ 1.3중량%, Mn: 0.1 ~ 0.5중량%, Ti: 0.02 ~ 0.3중량%, B: 0.01 ~ 0.04중량%, Sr: 0.01 ~ 0.03중량%, 나머지 Al과 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 주조품으로, 상기 알루미늄 주조품의 미세조직은, 초정 알파-알루미늄과 공정 조직을 포함하고, 상기 미세조직 중에서, 5~100㎛2 의 면적을 가진 입자의 개수가 전체 미세조직에서 관찰되는 입자의 개수에서 차지하는 비율이 85% 이상이며, 상기 공정 조직을 구성하는 공정 실리콘은, 가장 길이가 긴 부분과 가장 길이가 작은 부분의 비율의 3 이하인 입자상 조직이 적어도 5% 이상 포함된 입자상과 섬유상의 혼합조직인, 알루미늄 주조품을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 주조품 제조방법은, 미세화제 투입으로 인한 조성적 과냉 및 불균일 핵성성의 활성화와 함께, 미세화 및 미세조직을 구성하는 상(phase)의 형상 제어를 통해, 종래의 주조공정에 비해 낮은 주입온도에서도 고품질의 주조품을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 주조품의 제조방법은 종래에 비해 낮은 주조온도에서 주조를 행하므로, 종래의 반응고 또는 반용융 성형용 금속재료의 제조방법과 달리 공정 제어가 용이하고, 제품 성형 시간과 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 금형의 사용기간을 늘릴 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 주조품은, 종래의 주조품에 비해 미세화되고 형상이 제어된 초정 알파-알루미늄과 공정 실리콘 조직을 가져, 향상된 기계적 물성을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 주조품의 제조공정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 실시예 1에서의 주조 시뮬레이션을 통한 제품의 충진 형상을 비교한 것을 나타낸 것이다.
도 3은 비교예 1에서의 주조 시뮬레이션을 통한 제품의 충진 형상을 비교한 것을 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1의 미세조직을 저배율로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1의 미세조직을 고배율로 관찰한 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 1의 미세조직에 대한 이미지분석 이미지 및 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 비교예 1의 미세조직에 대한 이미지분석 이미지 및 결과를 나타낸 것이다.
도 8a 및 8b는 실시예 1의 주조품의 상이한 부분에서 획득한 샘플의 미세조직에 형성된 석출상과 그 성분을 나타낸 것이다.
도 9는 실시예 1의 미세조직에 대한 TEM 분석 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1의 최대하중을 비교한 것을 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 밸브 바디 한 부분의 CT 사진을 나타낸 것이다.
도 12는 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 밸브 바디 다른 부분의 CT 사진을 나타낸 것이다.
도 13a는 직경 1mm 미만의 미세화제를 사용하였을 경우, 미세화제의 가스화를 나타내는 CT 사진이고, 도 13b는 직경 4mm 이상의 미세화제를 사용하였을 경우, 미세화제가 미용융 상태로 존재하는 CT 사진이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
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.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 주조품 제조방법은, 크게 원료 제조 단계(S100), 용해 단계(S200), 미세화제 첨가 단계(S300), 용탕 주입 단계(S400) 및 가압 주조 단계(S500)를 포함한다.
상기 원료 제조 단계(S100)는, 알루미늄 합금의 조성을 조절하는 단계로, 본 발명에 따른 주조품의 제조방법에 사용되는 알루미늄 합금으로는 Si를 9 ~ 12중량% 포함하는 아공정 Al-Si 합금이 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 아공정 Al-Si 합금에는 소정 특성의 구현을 위하여, Cu(구리), Si(실리콘), Mg(마그네슘), Zn(아연), Fe(철), Mn(망간) 등의 합금원소가 포함될 수 있다.
상기 아공정 Al-Si 합금에는, 바람직하게 Cu: 1.5 ~ 3.5중량%, Si: 9.6 ~ 12.0중량%, Mg: 0.1 ~ 0.3중량%, Zn: 0.5 ~ 1중량%, Fe: 1 ~ 1.3중량%, Mn: 0.1 ~ 0.5중량%가 포함될 수 있다.
상기 각각의 합금원소의 역할과 함량의 한정이유는 다음과 같다.
Cu(구리) : 1.5 ~ 3.5중량%
Cu는 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소로, 1.5중량% 미만으로 첨가될 경우 Cu 첨가 효과가 충분하지 않고, 3.5중량% 초과하여 첨가될 경우 내식성이 저하하므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 Cu의 함량은 2 ~ 3중량%이다.
Si(실리콘): 9 ~ 12.0중량%
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 9 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, 9 ~ 12 중량% 범위가 바람직하다. 보다 바람직한 Si의 함량은 9.6 ~ 12중량%이다.
Mg(마그네슘): 0.1 ~ 0.3중량%
Mg은 내식성 향상, 강도 및 연신율을 향상시키는 역할을 하는 원소로, 0.1중량% 미만으로 첨가될 경우 Mg 첨가의 효과가 충분하지 않고, 0.3중량% 초과하여 첨가될 경우 성형성이 저하될 수 있으므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
Zn(아연) : 0.5 ~ 1중량%
Zn은 주조성을 향상시키고, 고용, 석출 강화 효과를 통해 강도를 증가시키는 역할을 하는 원소로, 0.1중량% 미만으로 첨가될 경우 Zn 첨가의 효과가 충분하지 않고, 0.5중량% 초과하여 첨가될 경우 내식성과 인성이 저하될 수 있으므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
Fe(철) : 1 ~ 1.3중량%
Fe는 금형내 고착을 방지하고 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소로, 1중량% 미만으로 첨가될 경우 Fe 첨가의 효과가 충분하지 않고, 1.3중량% 초과하여 첨가될 경우 내식성이 저하될 수 있으므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
Mn(망간): 0.1 ~ 0.5중량%
Mn은 내식성을 향상시키는 역할을 하는 원소로, 0.1중량% 미만으로 첨가될 경우 Mn 첨가의 효과가 충분하지 않고, 0.5중량% 초과하여 첨가될 경우 주조성이 저하될 수 있으므로, 상기 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
상기 합금 성분 외에 강도 향상 등의 목적으로 선택적으로, Ti(티타늄), Zr(지르코늄), Bi(비스무트)와 같은 합금성분 1종 이상이, 각 성분의 함량이 0.1중량% 이하가 되도록 첨가될 수 있다.
상기 용해 단계(S200)는 제조된 원료를 용해로에 장입한 후 장입된 원료를 용해가 가능한 온도로 가열하여 용해시키는 단계이다.
상기 용해 단계(S200)의 가열 분위기 온도는 600 ~ 850℃인 것이 바람직한데, 600℃ 미만일 경우 상기 조성이 합금의 용해가 소정 시간 내에 충분히 일어나기 어렵고, 850℃ 초과 시에는 에너지 비용이 과다하게 발생하므로, 바람직하지 않기 때문이다.
상기 미세화제 첨가 단계(S300)는, 상기 용해 단계(S200)에서 용해된 용탕에 미세화제를 첨가하는 단계이다.
미세화제의 첨가는 용탕이 용해된 상태라면, 특별히 제한 없이 첨가될 수 있으나, 용탕의 온도가 585 ~ 610℃로 유지된 상태에서 이루어지는 것이 바람직할 수있다.
상기 미세화제는 Sr(스트론튬), Ti(티타늄) 및 B(붕소)가 사용되는 것이 바람직하며, 미세화제의 형태는 상기 성분을 갖는 단체 또는 Al과의 합금 형태로 투입될 수 있다. Al과의 합금 형태의 미세화제의 경우, 예를 들어, Al-10Sr, Al-5TiB와 같은 모합금을 최종적인 주조품에 요구되는 조성에 맞추어 투입할 수 있다.
상기한 아공정 Al-Si 합금은 585 ~ 610℃에서 조성적 과냉이 일어나고, 과냉 주기가 빨라지기 때문에 핵생성이 동시 다발적으로 폭발적으로 발생하게 된다. 이때, 상기 Sr, Ti 및 B를 포함하는 미세화제를 투입하게 되면, 공정 Si상의 성장이 억제되어 미세화제를 투입하지 않을 때 형성되는 침상형의 공정 Si의 생성이 효율적으로 억제되고, 입자 형상과 섬유 형상의 혼합상 또는 입자 형상으로 이루어진 공정 Si 상의 생성을 촉진시킬 수 있기 때문이다.
구체적으로, 미세화제에 포함된 Sr은, 공정 Si의 성장면에 Sr 원자가 접촉하여 결합함으로써 공정 Si가 특정한 결정면을 따라 성장하는 것을 억제하여 기존의 침상형에서 입자상(또는 입자상 + 섬유상)으로 형상을 변화시킬 뿐 아니라, 공정 Si 성장온도의 저하, 점성의 증가 및 Si의 확산속도를 저하의 효과를 나타낸다. 또한, 동시에 첨가되는 Ti와 B는, 핵생성의 활성화 에너지를 낮춰주는 효과를 보여 핵생성과 분해를 빠르게 일으키게 한다.
이와 같이 조절된 용탕은, 주조장치에 주입되었을 때, 예를 들어 다이캐스팅 장치의 슬리브에 주입되었을 때, 슬리브 내에서 구형화되고 미세화된 초정 알파상 및 공정 Si 상이 다수 형성된 반응고 상태의 슬러리를 쉽게 형성하며, 이러한 슬러리에 포함된 미세화되고 구형화된 초정 알파상과 공정 Si 상은 주조 시 용탕의 충진성을 증가시켜 종래의 주조방법에 비해 향상된 주조성을 나타내도록 하여, 상기와 같이 낮은 주입온도에서도 고품질의 주조품을 얻을 수 있도록 한다.
또한, 본 발명에 따른 미세화제 첨가 단계는, 슬리브에 주입되었을 때의 고액 분율 상태와 핵생성후 성장하는 고상(solid phase)의 형상 및 크기 조절을 위한, Sr, Ti 및 B를 포함하는 미세화제 투입을 통해, 주조품의 고질적인 문제인 수축공, 기포 등과 같은 품질에 악영향을 미치는 문제점을 해결한다.
한편, 상기 미세화제는 평균 입경이 1 ~ 3mm인 입자로 이루어진 것이 바람직하며, 상기 미세화제가 구형의 입자로 이루어진 것이 보다 바람직하다. 평균 입경이 1mm 미만일 경우 미세화제의 투입 시 증발되어 소모되는 양이 많아져 주조품 내에 기포 형태로 존재하거나, 투입량 대비 실제 용탕에서 활용되는 비율이 적어지고, 3mm 초과일 경우 미세화제가 제대로 녹지 않아 제품 성형 시 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 미세화제는 쇼트 블라스트(shot blast) 방법을 통해 구형의 미세화제를 용탕을 주입하기 전의 래들(laddle)에 투입하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 쇼트 블라스트(shot blast)란 입자를 고압으로 투사하는 방식을 의미한다. 본 발명에 따른 주조방법에 있어서는, 쇼트 블라스트 방법을 이용하여 래들에서 직접 투입함으로써, 불균일 핵생성을 유도할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 주조방법에 있어서, 상기 미세화제의 투입은 알루미늄 용탕의 액상선의 범위를 조절하여, 핵생성 온도와 과냉의 관계를 제어한다. 여기서, 알루미늄 합금의 성장 과냉이 기존 1 ~ 2℃임에 비해, 본 발명에 따른 미세화제 투입에 의하여 과냉온도가 0.5℃ 이하에서도 활성화된다. 이를 통해, 핵생성 시 넘어야 할 활성화 에너지가 낮아짐으로써 핵생성과 핵성장이 빠르게 일어나도록 하여, 전술한 슬러리 형성을 용이하게 한다.
또한, 본 발명에 따른 주조방법에 의하면, 주조장치에 주입되는 용탕의 주입 온도를 585 ~ 610℃로 낮게 유지하므로, 기존의 높은 주입온도로 주조하는 공정에 비하여 주조 온도를 상당히 낮춤에 따라, 금형의 내구성을 향상시킬 수 있고, 금형의 수명을 연장시킬 뿐만 아니라, 수축공과 기포를 억제할 수 있어 제품의 주조품질도 향상시킬 수 있다.
또한, 미세화제 첨가에 따른 공정(eutectic) 온도 변화에 의해, 고액공존영역의 경계에서 고압주조가 실시되며 알루미늄 용탕이 금형 내로 장입 시 동시다발적으로 불균일 핵성장이 급속하게 일어나고, 동시에 주조품의 전 범위에 걸쳐 균일하게 생성됨으로써, 종래 미세화제의 첨가로 보고된 미세화 효과보다, 더 미세하고 균일한 조직을 가진 고품질의 알루미늄 주조품을 제조할 수 있다.
상기 주입 단계(S500)는 미세화제가 투입된 래들(laddle)의 용탕을 주조장치에 주입하는 단계이다.
상기 주조 단계(S600)는 고압주조 공정을 수행하여 소정 형상의 제품으로 주조하는 단계이다. 상기 고압주조 공정으로는 바람직하게 다이캐스팅법이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 주조품은, Si: 9.6 ~ 12.0중량%, Cu: 1.5 ~ 3.5중량%, Mg: 0.1 ~ 0.3중량%, Zn: 0.5 ~ 1중량%, Fe: 1 ~ 1.3중량%, Mn: 0.1 ~ 0.5중량%, Ti: 0.02 ~ 0.3중량%, B: 0.01 ~ 0.04중량%, Sr: 0.01 ~ 0.03중량%, 나머지 Al과 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 주조품으로, 상기 알루미늄 주조품의 미세조직은, 초정 알파-알루미늄과 공정 조직을 포함하고, 상기 미세조직 중에서, 5~100㎛2 의 면적을 가진 입자의 개수가 전체 미세조직에서 관찰되는 입자의 개수에서 차지하는 비율이 85% 이상이며, 상기 공정 조직을 구성하는 공정 실리콘은, 가장 길이가 긴 부분과 가장 길이가 작은 부분의 비율의 3 이하인 입자상 조직이 적어도 5% 이상 포함된 입자상과 섬유상의 혼합조직으로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 Ti, B 및 Sr의 함량은 각각 상기 하한치 미만으로 첨가되면 충분한 미세화 효과 및 주조조직의 형상 변화 효과를 얻을 수 없고, 상기 상한치를 초과하여 첨가되면 미세화 효과 및 주조조직의 형상 변화 효과는 포화되는 반면, 합금 자체의 물성을 저하시킬 수 있으므로, 상기 범위 내로 첨가되는 것이 바람직하다.
상기 불가피한 불순물은 합금의 원료나 제조과정에 의도하지 않게 포함되는 성분으로, 불순물은 알루미늄 합금의 물성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있으므로, 가능한 한 적게 포함하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라 불순물로 포함되는 성분은 0.05중량% 이하가 되도록 하는 것이 바람직하고, 0.01중량% 이하가 되도록 하는 것이 보다 바람직하고, 0.005중량% 이하가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다.
상기 미세조직 중에서, 5~100㎛2 의 면적을 가진 입자의 개수가 전체 미세조직에서 관찰되는 입자의 개수에서 차지하는 비율이 85% 이상인 것이, 입자 미세화에 따른 기계적 특성 향상에 바람직하다.
상기 공정 조직을 구성하는 공정 실리콘은, 가장 길이가 긴 부분과 가장 길이가 작은 부분의 비율의 3 이하인 입자상 조직이 적어도 5% 이상 포함된 입자상과 섬유상의 혼합조직으로 이루어지는 것이, 슬러리 상태에서 주조성을 향상시키고 기계적 특성도 함께 향상시킬 수 있으므로 바람직하며, 보다 바람직한 입자상 조직의 면적 비율은 10% 이상이다.
또한, 상기 Ti와 Sr의 합계 함량은, 초정 알파-알루미늄과 공정 Si의 미세화 및 구형화를 위하여, 적어도 0.07 중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게 상기 실리콘 공정 실리콘의 내부에는 폭이 3nm 이하의 나노 쌍정을 다수 포함할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 주조품의 인장강도는 바람직하게 250MPa 이상일 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
[실시예]
주조 공정
먼저, Al 합금 원료를 준비하여 혼합한 후, 성분을 분석한 결과, 아래 표 1과 같은 결과를 얻었다. 이중 Bi 및 Sr은 의도적으로 포함된 것이 아닌 원료에 포함된 불순물에서 기인되는 성분이다.
성분 Al Si Cu Ti B Sr Fe Mg Bi
함량
(중량%)		 85.3 9.95 2.64 0.0615 0.0017 0.0016 0.745 0.226 0.0043
이와 같이, 준비된 원료를 630℃로 가열하여 용해하였다. 용해된 알루미늄 합금 용탕의 보온로에서 주조를 위해 래들(laddle)로 알루미늄 합금을 소정량 떠 낸 후, 래들(laddle)에 직접 쇼트 블라스트 장치를 사용하여 미세화제(Al-10Sr, Al-5TiB, 평균 직경 3mm의 구형)를 기계적으로 분사하여 래들 내의 용탕 내로 첨가하였다. 이때 래들 내부에는 버블링 파이프를 통해 교반이 이루어지도록 하였으며, 동시에 버블링에 의해 동시다발적인 핵생성을 일으킨다. 이때 용탕의 온도는 600 ~ 610℃였다.
래들을 이송하여 다이캐스팅 장치의 슬리브 내에 585 ~ 610℃의 온도를 갖는 상태에서 용탕을 주입하여, 밸브 바디(Valve Body)를 제조하였다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 주조방법과의 비교를 위하여, 상기 표 1의 함량을 갖는 알루미늄 합금에 대하여, 아래 표 2와 같이 주조 조건만을 달리하여 주조품을 제조하였다.
여기서 '주입온도'는 주조장치에 주입될 때의 용탕의 온도이고, '저속'은 저속 사출속도 구간의 속도이고, '고속'은 고속 사출속도 구간의 속도이며, '스프레이 시간'은 이형제 및 에어를 분출하는 시간이고, 'S/Q 시간'은 제품의 소정 면적에 제품 외부에서 내부 방향으로 가압하는 시간이고, '형개시간'은 다이캐스팅 중 금형이 개방된 시간을 의미한다.
아래 표 2와 같이, 용탕 주입온도를 제외한, 저속, 고속, 스프레이 시간, S/Q 시간 및 형개 시간은 모두 동일한 조건으로 수행되었다.
구분 주입온도
(℃)		 저속
(m/s)		 고속
(m/s)		 에어/스프레이
시간(s)		 S/Q 시간(s) 형개 시간(s)
In Out
비교예1 660 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
비교예2 640 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
비교예3 620 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
비교예4 584 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
실시예1 590 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
실시예2 610 0.22 2.0 15.3 4.5 8.5 13
상기 표 2와 같이, 용탕 주입온도를 비교예 1의 경우에는 660℃, 비교예 2의 경우에는 640℃, 비교예 3은 620℃, 비교예 4는 584℃, 실시예 1은 590℃, 실시예 2는 610℃의 온도로 유지하였다.
이상과 같은 조건으로 주조공정을 수행한 결과, 비교예 4의 경우 정상적인 성형이 이루어지지 않았으며, 나머지 조건에서는 정상적인 성형이 이루어졌다. 즉, 584℃ 이하의 주입온도에서는 제품 성형이 불가하였다.
본 발명의 실시예 1 및 2와 같이 주입온도를 낮출 경우, 금형의 내구성에도 큰 영향을 줄 수 있는데, 실시예 1 및 2의 온도 범위로 주조되는 금형의 경우, 기존의 고온에서 주조되는 금형에 비하여 내구성이 향상되어 수명이 연장되는 효과가 있는 것으로 나타났다.
주조 공정의 시뮬레이션 결과
도 2는 본 발명의 실시예 1에서의 주조 시뮬레이션을 통한 제품의 충진 형상을 비교한 것을 나타낸 것이고, 도 3은 비교예 1에서의 주조 시뮬레이션을 통한 제품의 충진 형상을 비교한 것을 나타낸 것이다.
도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 주조조건으로 주조될 경우, 알루미늄 용탕이 슬리브 내에서 반용융 상태의 슬러리가 되어 충진되기 때문에, 금형의 캐비티 내에 난류가 아닌 층류로 충진되며, 충진 중 발생할 수 있는 기포 고립현상을 최소화하여, 기포발생으로 인한 품질 저하를 미연에 방지할 수 있게 된다.
이에 비해, 도 3에서 확인되는 바와 같이, 비교예 1에 따른 주조조건으로 주조될 경우, 알루미늄 용탕이 액상으로 금형에 주입되기 때문에 난류로 충진이 됨에 따라 기포의 고립현상이 발생할 뿐 아니라, 부분별로 응고시간 차이에 의한 응고반응 지연에 의해 수축공 발생 가능성이 높아진다. 또한, 공정이 진행됨에 따라 고립된 기체가 제품에 잔존하거나 수축공에 의해 내부 품질 불량 현상이 나타날 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예 1 및 2에 따른 조건으로 주조를 할 경우, 금형의 내구성 향상 뿐만 아니라, 층류 충진이 가능하게 되어 기포 고립현상을 줄이고 수축공 발생도 줄일 수 있음을 알 수 있다.
주조품의 미세 조직
용탕의 주입온도 변화가 주조품의 미세조직에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 현미경과 이미지 분석기를 사용하여 분석하였다.
도 4는 본 발명에 따른 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1의 미세조직을 저배율로 관찰한 결과를 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명에 따른 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1의 미세조직을 고배율로 관찰한 나타낸 것이다. 도 4 및 5에 있어서, 'A'는 비교예 1, 'B'는 비교예 2, 'C'는 비교예 3 및 'D'는 실시예 1을 의미한다.
도 4 및 도 5에서 확인되는 바와 같이, 주조온도가 낮아질 수록 초정 알파상의 형상이 구형으로 변화하면서 미세화되며, 동시에 공정 Si상이 침상에서 종횡비가 작은 입자상과 섬유상의 혼합조직으로 변하는 것을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1의 온도범위에서 발생되는 재휘 현상에 의하여 알파상의 크기를 제어하며, 합금성분 중 Sr, Ti 및 B에 의하여 공정 Si상이 침상형으로 형성되는 것을 억제하기 때문이다.
또한, 도 4에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 알루미늄 주조품에서 공정 조직을 구성하는 공정 Si은 가장 길이가 긴 부분과 가장 길이가 작은 부분의 비율의 3 이하인 입자상 조직이 10% 이상 포함되는 입자상과 섬유상의 혼합조직을 이루는 것으로 관찰되었다.
도 6은 실시예 1의 미세조직에 대한 이미지분석 이미지 및 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 비교예 1의 미세조직에 대한 이미지분석 이미지 및 결과를 나타낸 것이다.
광학 현미경으로 관찰되는 미세조직을 이미지분석기를 사용하여 미세조직상을 구성하는 입자의 면적과 개수를 분석한 결과, 본 발명의 실시예 1에 따른 주조품의 경우, 5~100㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 87%, 100~200㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 12%, 200~300㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 1%로 나타났다. 이에 비해, 비교예 1에 따른 주조품의 경우, 5~100㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 73%, 100~200㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 12%, 200~300㎛2의 면적을 갖는 입자의 개수 비율이 7%로 나타나, 본 발명의 실시예 1에 비해 전체적으로 조대한 입자가 차지하는 비율이 높으며, 미세한 입자가 차지하는 비율이 상대적으로 낮은 것으로 나타났다.
이와 같은 미세조직 상의 차이는 주조성에 영향을 미치며, 본 발명의 실시예 1과 같이 매우 낮은 주조온도에서 주조하더라도, 양호한 주조품을 제조할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명의 실시예 1에 따른 주조품의 미세조직에서 관찰되는 석출상의 분석을 위하여, FE-SEM과 EDS 분석을 수행하였다.
도 8a 및 8b는 실시예 1의 주조품의 상이한 부분에서 획득한 샘플의 미세조직에 형성된 석출상과 그 성분을 나타낸 것이다. 도 8a 및 8b에서 확인되는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1에는 미세화제와의 화합물인 Al2Si2M(M은 Sr로 파악됨) 상, 또는 Al 합금 성분에 기인하는 Al5Cu2Mg8Si6 상, Al2Cu 상, β-AlFeSi 상과 같은 석출물이 일부 존재하는 것으로 확인된다.
그러나, X선 회절 분석 결과에 의하면, XRD 피크에서는 기지인 Al, Si상, Al2Cu상이 관찰되었다. 즉, 다른 석출상의 피크는 거의 나타나지 않았는데, 이는 존재하는 상기 석출상이 극히 미량이기 때문에 XRD로 검출되지 않은 것으로 보인다.
또한, 본 발명의 실시예 1에 따른 주조품의 미세조직을 TEM으로 분석한 결과, 도 9에서 확인되는 바와 같이, 폭 3nm 이하의 나노 쌍정이 공정 Si 상의 내부에 다수 형성되어 있음이 관찰된다. 이러한 나노 쌍정은 공정 Si 상이 침상으로 형성되는 것을 억제하는 역할을 한다.
주조품의 물성
아래 표 3은 주조조건의 변화에 따른 주조품의 물성 변화를 나타낸 것이다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예1 실시예2
경도 시험 HB 75 HB 71.5 HB 71.5 HB 70.1 HB 70.7
표면 조도 Ra 0.721㎛ Ra 0.725㎛ Ra 0.684㎛ Ra 0.598㎛ Ra 0.600㎛
평면도 0.029 0.026 0.023 0.025 0.024
상기 표 3은 비교예 1 ~ 3 및 실시예 1 및 2의 경도, 표면조도 및 평면도를 비교한 것으로서, 실시예 1 및 2의 경우 비교예 1 ~ 3에 비하여 낮은 경도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같이 표면 경도가 낮아지면, 가공성 및 박리관련 성질이 양호해진다. 또한, 표면 조도 및 평면도의 경우, 제품 추출 시 온도를 낮춰 생산한 실시예 1의 표면 조도와 평면도가 가장 안정된 것을 확인할 수 있었으며, 실시예 1 및 2는 비교예 1 ~ 3에 비해 우수한 결과를 나타내었다.
아래 표 4는 주조조건의 변화에 따른 주조품의 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
구분 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 1 실시예 2
인장강도
(Mpa)		 179.34 196.96 198.44 255.58 254.89
상기 표 4에서 확인되는 바와 같이, 실시예 1 및 2의 인장강도는 비교예 1 ~ 3에 비하여 현저하게 높은 인장강도를 가지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 10은 최대하중을 비교한 것을 나타낸 것으로, 실시예 1의 경우, 비교예 1 ~ 3의 경우보다 높은 하중을 보이는 것을 확인할 수 있다. 도 10에서 'A'는 비교예 1, 'B'는 비교예 2, 'C'는 비교예 3 및 'D'는 실시예 1을 의미한다.
주조품 불량률
아래 표 5는 비교예 1로 제조된 주조품과 본 발명에 따른 실시예 1로 제조된 주조품의 불량률 및 불량내용을 나타낸 것이다.
구분 투입수량
(EA)		 불량수량
(EA)		 불량률
(%)		 세부불량내용
기포 박리 기타
제품 1
 비교예 1 7035 636 9.04 417 69 150
실시예 1 50 2 4 - 2 -
도 11은 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 밸브 바디 한 부분의 CT 사진을 나타낸 것이고, 도 12는 실시예 1과 비교예 1에 따라 제조된 밸브 바디 다른 부분의 CT 사진을 나타낸 것이다.
도 11에서 확인되는 바와 같이 실시예 1의 경우 불량 없이 건전한 주조품이 제조되었으나, 비교예 1의 경우 내부에 기포과 관찰되는 불량이 발생하였다.
전체적으로, 상기 표 5와 같이, 실시예 1의 경우, 불량률은 4%로 비교예 1에 비해, 2배 이상 낮은 불량률을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 또한, 불량의 내용에 있어서도, 실시예 1의 경우 기포 및 기타 불량은 확인되지 않았고 박리의 경우에만 소량 불량이 있는 것으로 확인되어, 비교예 1의 경우보다 현저히 낮은 불량을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터, 본 발명에 따른 방법을 통해, 불량률을 낮출 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명에 따른 주조방법에서는, 미세화제로 입도가 1 ~ 3mm인 구형의 입자를 사용하는데, 상기 미세화제의 입도가 4mm 이상일 경우에 불량품이 발생할 수 있다.
도 13a는 직경 1mm 미만의 미세화제를 사용하였을 경우, 알루미늄 용탕의 표면장력에 의해 용탕으로 용융되지 못하고 가스화되는 사진이고, 도 13b는 직경 4mm 이상의 미세화제를 사용하였을 경우, 미세화제가 미용융 상태로 존재하는 CT 사진이다.
도 13a에서 확인되는 바와 같이, 상기 미세화제의 입도가 1mm 미만일 경우에 미세화제의 가스화에 의한 불량이 발생할 수 있고, 도 13b에서 확인되는 바와 같이, 입도가 4mm 초과인 경우에는 미세화제가 제대로 용해되지 않아 잔여물 상태로 잔존하여 불량이 발생할 수 있다. 따라서, 미세화제는 입도가 1 ~ 3mm 범위의 것을 사용하는 것이 바람직하다.

Claims (10)

  1. Si를 9 ~ 12중량% 포함하는 알루미늄 합금 원료를 제조하는 단계와,
    상기 원료를 용해시켜 용탕을 제조하는 단계와,
    상기 용탕에 Ti, B, 및 Sr을 함유하는 미세화제를 첨가하는 단계와,
    상기 미세화제가 첨가된 용탕의 온도를 585 ~ 610℃가 되도록 유지하도록 주조장치에 주입하는 단계와,
    상기 주조장치를 작동시켜 소정 형상의 제품으로 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 주조품 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은, Cu: 1.5 ~ 3.5중량%, Si: 9.6 ~ 12.0중량%, Mg: 0.1 ~ 0.3중량%, Zn: 0.5 ~ 1중량%, Fe: 1 ~ 1.3중량%, Mn: 0.1 ~ 0.5중량%를 포함할 수 있다.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 미세화제는 상기 원료 100중량%를 기준으로, Ti: 0.02 ~ 0.3중량%, B: 0.01 ~ 0.04중량%, Sr: 0.01 ~ 0.03중량%가 포함되도록 첨가되는, 알루미늄 주조품 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 미세화제는 평균 직경 1 ~ 3mm의 구형으로 형성되는, 알루미늄 주조품 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 미세화제는 레들(ladle)의 용탕에 투입되는, 알루미늄 주조품 제조방법.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 미세화제는 쇼트 블라스트(shot blast) 방법으로 투입되는, 알루미늄 주조품 제조방법.
  7. Si: 9.6 ~ 12.0중량%, Cu: 1.5 ~ 3.5중량%, Mg: 0.1 ~ 0.3중량%, Zn: 0.5 ~ 1중량%, Fe: 1 ~ 1.3중량%, Mn: 0.1 ~ 0.5중량%, Ti: 0.02 ~ 0.3중량%, B: 0.01 ~ 0.04중량%, Sr: 0.01 ~ 0.03중량%, 나머지 Al과 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 주조품으로,
    상기 알루미늄 주조품의 미세조직은, 초정 알파-알루미늄과 공정 조직을 포함하고,
    상기 미세조직 중에서, 5~100㎛2 의 면적을 가진 입자의 개수가 전체 미세조직에서 관찰되는 입자의 개수에서 차지하는 비율이 85% 이상이며,
    상기 공정 조직을 구성하는 공정 실리콘은, 가장 길이가 긴 부분과 가장 길이가 작은 부분의 비율의 3 이하인 입자상 조직이 적어도 5% 이상 포함된 입자상과 섬유상의 혼합조직인, 알루미늄 주조품.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 Ti와 Sr의 합계 함량은 적어도 0.07 중량% 이상인, 알루미늄 주조품.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 실리콘 공정 실리콘의 내부에는 폭이 3nm 이하의 나노 쌍정을 다수 포함하는, 알루미늄 주조품.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 알루미늄 주조품의 인장강도는 250MPa 이상인, 알루미늄 주조품.
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