KR20230171947A

KR20230171947A - 내산화성 Al-Mg 고강도 다이캐스팅 주조용 합금

Info

Publication number: KR20230171947A
Application number: KR1020237037742A
Authority: KR
Inventors: 레이 판; 프란시스 브레톤; 마틴 모렐
Original assignee: 리오 틴토 알칸 인터내셔널 리미티드
Priority date: 2021-04-14
Filing date: 2022-04-01
Publication date: 2023-12-21
Also published as: CA3215898A1; MX2023012203A; EP4323557A1; JP2024514616A; WO2022217338A1; US20240189894A1

Abstract

본 개시는 주조 작업에 적합한 베릴륨이 없는 주조용 합금에 관한 것이다. 이 주조용 합금은, 중량%로, Mg(약 1.0 내지 약 17.0), Fe(약 0.5 내지 약 1.8), Ca(약 0.003 내지 약 6.0) 또는 Sr(약 0.003 내지 약 2.5) 중 하나, 선택적으로 결정립 미세화제 및 나머지인 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함한다. 이 주조용 합금은 알루미늄 주조 제품의 제조 프로세스에서 주조 작업 중에 Mg 손실 및/또는 드로스 생성을 저감시키기 위해 사용될 수 있다.

Description

내산화성 Al-Mg 고강도 다이캐스팅 주조용 합금

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2020년 4월 14일에 출원된 미국 가출원 제63/174,796호로부터 우선권을 주장하며, 그 내용은 본 출원의 전체에 참조에 의해 통합되어 있다.

기술 분야

본 개시는 고압 진공 다이캐스팅 작업 등의 주조 작업에 적합한 Al-Mg 주조용 합금에 관한 것이다.

자동차 부문에서 구조 다이캐스팅 부품에 대한 수요는 지속적으로 증가하고 있다. 기존 합금의 대부분은 양호한 기계적 특성을 갖는 제품을 생성하기 위해 열처리를 필요로 한다. 그러므로, 구조용 다이캐스팅의 제조 비용을 절감하기 위해서는 열처리 없는 합금이 요구된다.

Al-Mg 다이캐스팅 주조용 합금은 주조 상태에서의 우수한 기계적 특성으로 인해 큰 관심을 모으고 있다. 충분한 고용경화를 얻기 위해, Al-Mg 합금을 생성하는 데 다량의 Mg(> 3%)이 첨가된다. 그러나, Mg와 산소의 친화력이 강하므로, Al-Mg 합금은 상당한 드로스의 형성 및 용융물로부터의 Mg의 손실을 초래하는 산화의 문제가 있다. 베릴륨은 공기-금속 계면에 보호 BeO 층을 형성하여 Mg의 추가의 산화를 억제하기 때문에 산호를 최소화하는 데 사용될 수 있다. 그러나, Be의 사용은 Be 먼지를 호흡하거나 접촉하는 작업자에게 건강상의 위험을 초래한다.

그러므로, 알루미늄 다이캐스팅 시장에서는 Al-Mg 합금에서 Be 대신 유사한 산화 억제 효과를 제공하면서도 건강상의 위험이 없는 대체 재료를 필요로 하고 있다. 또한 다이 납땜 저항 등 주조 작업 동안에 개선된 특성을 보여주는 합금을 제공하는 것도 추구된다. 또한, 주조 상태(F 템퍼)에서 개선된 기계적 특성을 보여주는 알루미늄 주조 제품을 제조하는 것도 추구된다.

본 개시는 베릴륨을 함유하지 않는 주조용 합금을 제공한다. 본 개시의 주조용 합금은 Ca 또는 Sr을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 이 주조용 합금은 주조 작업 중에 Mg 손실 및/또는 드로스 생성의 저감을 보인다. 몇몇 실시형태에서, 이 주조용 합금은 주조 작업 중에 다이 납땜 저항(die-soldering resistance)의 증가를 보인다. 몇몇 실시형태에서, 주조된 알루미늄 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 주조된 그대로의 상태에서도 기계적 특성의 향상을 보인다.

제1 양태에 따르면, 본 개시는 중량%로:

약 1.0 내지 약 17.0의 Mg;

약 0.5 내지 약 1.8의 Fe;

약 0.003 내지 약 6.0의 Ca 또는 약 0.003 내지 약 2.5의 Sr 중 하나; 및

나머지인 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 주조용 합금은 합금 원소로서 Be가 없는 주조용 합금을 제공한다.

일 실시형태에서, 주조용 합금은 결정립 미세화제를 더 포함한다. 다른 실시형태에서, 주조용 합금은 Ca를 더 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 주조용 합금은 약 0.01 내지 약 0.3 중량%의 Ca를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 주조용 합금은 약 3.0 내지 약 8.0 중량%의 Mg를 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 주조용 합금은 약 4.0 내지 약 6.0의 Mg를 포함한다.. 또 다른 실시형태에서, 주조용 합금은 약 0.8 내지 약 1.8 중량%의 Fe를 포함한다.

제2 양태에 따르면, 본 개시는 본 명세서에 기재된 주조용 합금으로 된 알루미늄 주조 제품을 제공한다. 몇 가지 실시형태에서, 주조된 알루미늄은 자동차의 구조 부품이다. 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 다음의 특성 중 적어도 하나를 갖는다: 적어도 약 200 MPa의 최대인장강도, 적어도 약 100 MPa의 항복강도; 적어도 약 7%의 연신율; 및/또는 적어도 약 30°의 VDA 굽힘 각도. 추가의 실시형태에서, 이 알루미늄 주조 제품은 Al₄Ca를 포함한다. 일부의 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 Al₁₃Fe₄ 상, Al₃Mg₂ 상 및 Al₄Ca를 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 Al₃Mg₂ 상과 결합된 Al₄Ca를 갖는다. 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 결정립계에 AlMgCa 상을 갖는다.

제3 양태에 따르면, 본 개시는 알루미늄 주조 제품의 제조 프로세스를 제공하며, 이 프로세스는 본 명세서에 기재된 주조용 알루미늄을 주형 내에서 주조하는 것을 포함한다. 일 실시형태에서, 프로세스는 주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅에 투입하는 것을 더 포함한다. 또 다른 실시형태에서, 프로세스는 주조 후 열처리 단계가 없다.

제3 양태에 따르면, 본 개시는 본 명세서에 기재된 프로세스에 의해 얻어질 수 있거나 얻어지는 알루미늄 주조 제품을 제공한다. 몇 가지 실시형태에서, 주조된 알루미늄은 자동차의 구조 부품이다. 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 다음의 특성 중 적어도 하나를 갖는다: 적어도 약 200 MPa의 최대인장강도, 적어도 약 100 MPa의 항복강도; 적어도 약 7%의 연신율; 및/또는 적어도 약 30°의 VDA 굽힘 각도. 추가의 실시형태에서, 이 알루미늄 주조 제품은 Al₄Ca를 포함한다. 일부의 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 Al₁₃Fe₄ 상, Al₃Mg₂ 상 및 Al₄Ca를 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 Al₃Mg₂ 상과 결합된 Al₄Ca를 갖는다. 추가의 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 결정립계에 AlMgCa 상을 갖는다.

제4 양태에 따르면, 본 개시는 알루미늄 제품의 주조 작업 중에 대조 알루미늄 제품에 비해 Mg 손실 및 드로스 생성을 제한하는 프로세스를 제공한다. 프로세스는 약 0.003 내지 약 6.0의 Ca 또는 약 0.003 내지 약 2.5의 Sr 중 하나를 제1 알루미늄 합금에 첨가하여 주조되는 것이 목적인 주조용 합금을 얻는다. 제1 알루미늄 합금은 중량%로:

약 1.0 내지 약 17.0의 Mg;

약 0.5 내지 약 1.8의 Fe; 및

나머지인 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 제1 알루미늄 합금 및 상기 주조용 합금은 합금 원소로서 Be가 없다.

몇몇 실시형태에서, 프로세스는 주조용 합금을 용융시켜 용융된 주조용 합금을 얻는 것을 더 포함한다. 일 실시형태에서, 제1 알루미늄 합금은 결정립 미세화제를 더 포함한다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 프로세스는, 용융된 주조용 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에, Mg 손실을 약 12 중량% 미만으로 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 일부의 추가의 실시형태에서, 프로세스는, 용융된 주조용 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에, 드로스 생성을 약 7 중량% 미만으로 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프로세스는 용융된 주조용 합금을 주조하여 주조된 알루미늄 합금을 얻는 것을 더 포함한다. 추가의 실시형태에서, 프로세스는 주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅에 투입하는 것을 더 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프로세스는 주조 후 열처리 단계가 없다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 주조용 알루미늄 합금은 Ca를 포함한다. 일부의 추가의 실시형태에서, 주조용 알루미늄 합금은 약 0.01 내지 약 0.3 Ca를 포함한다. 추가의 실시형태에서, 제1 알루미늄 합금은 약 3.0 내지 약 8.0의 Mg를 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 제1 알루미늄 합금은 약 4.0 내지 약 6.0의 Mg를 포함한다.. 추가의 실시형태에서, 제1 알루미늄 합금은 약 0.8 내지 약 1.8의 Fe를 포함한다.

따라서 본 발명의 성질을 일반적으로 설명하기 위해 다음에 바람직한 실시형태를 예시적으로 도시하는 첨부 도면을 참조한다.

도 1은 실시례에서 사용되는 실험 프로시저를 제공한다.
도 2a는 실시례에서 사용되는 HPVDC 플레이트의 사진을 제공한다. 점선은 실시례에서 제시된 인장시험에 사용되는 부분을 도시한다.
도 2b는 실시례에서 사용되는 ASTM B557 인장시편의 치수를 제공한다.
도 3은 폭기 산화 시험 중의 용융물 표면의 변화 사진이다(왼쪽으로부터 오른쪽으로, 스키밍 후, 1 시간, 2 시간 또는 20 시간 유지).
도 4a는 고체 드로스 형태의 사진을 제공한다.
도 4b는 에너지 분산 X선 분광법 (EDX)-1 및 EDX-2 입자를 보여주는 드로스의 전자현미경 사진을 제공한다. 스케일 바는 20 μm이다.
도 4c는 도 4b로부터의 EDX-1 결과를 제공한다.
도 4d는 도 4b의 EDX-2 결과를 제공한다.
도 5a는 0 내지 6 시의 유지 시간 동안에 100 ppm의 Ca(■), 1000 ppm의 Ca(▲), 100 ppm의 Sr(X) 또는 1000 ppm의 Sr(●)을 포함하는 합금에서 베이스 합금(Ca, Sr 및/또는 Ca와 Sr의 조합, 스테이플 라인) 중의 Mg의 중량%를 제공한다.
도 5b는 총 6시의 유지 시간 후에 100 ppm Ca, 1000 ppm Ca, 100 ppm Sr 또는 1000 ppm Sr을 포함하는 합금에서 베이스 합금(Ca, Sr 및/또는 Ca와 Sr의 조합)에서 Mg의 손실의 백분율을 제공한다.
도 6은 770℃에서 2 시간 유지한 후에 첨가제를 함유하지 않고 Ca만, Sr만 그리고 Ca와 Sr의 조합을 함유하는 용융된 Al-1.5Fe-5Mg 베이스 합금의 전형적인 외관의 사진을 제공한다.
도 7은 총 6 시의 유지 시간 후에 Ca만, Sr만 또는 Ca와 Sr의 조합이 보충된 합금인 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 생성된 총 드로스(중량%)를 제공한다.
도 8은 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금 및 Ca(0.1)를 보충한 합금의 기계적 특성을 비교한 것이다. 결과는 비교되는 2 개의 합금의 최대인장강도(왼쪽 바, MPa 단위), 항복강도(가운데 바, MPa 단위), 연신율 지수(왼쪽 바, % 단위) 및 품질 지수(■, MPa 단위)로서 도시되어 있다.
도 9는 비교 합금 1, 비교 합금 2(이것은 Be를 포함함) 및 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 기계적 특성을 비교한 것이다. 결과는 비교되는 3 개의 합금의 최대인장강도(왼쪽 바, MPa 단위), 항복강도(가운데 바, MPa 단위), 연신율 지수(왼쪽 바, % 단위) 및 품질 지수(■, MPa 단위)로서 도시되어 있다.
도 10a는 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 대표적인 광학 이미지를 제공한다. 화살표는 재료 내의 기공을 가리킨다. 스케일 바는 100 μm이다.
도 10b는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 대표적인 광학 이미지를 제공한다. 스케일 바는 100 μm이다.
도 10c는 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 대표적인 광학 이미지를 제공한다. 스케일 바는 20 μm이다.
도 10d는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 대표적인 광학 이미지를 제공한다. 스케일 바는 20 μm이다.
도 11a는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금에서 발견되는 Al₁₃Fe₄ 상의 주사전자현미경(SEM) 이미지, EDX 및 전자 후방산란 회절(EBSD)을 제공한다.
도 11b는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금에서 발견되는 Al₃Mg₂ 상의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 EDX를 제공한다.
도 11c는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금에서 발견되는 Al₄Ca 성분의 주사전자현미경(SEM) 이미지, EDX 및 전자 후방산란 회절(EBSD)을 제공한다.
도 11d는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금에서 발견되는 Al-Mg-Ca 상의 주사전자현미경(SEM) 이미지 및 EDX 매핑을 제공한다.
도 12는 합금의 항복강도에 미치는 Mg의 영향을 보여주는 결과를 제공한다.

알루미늄 합금은 자동차 산업에서 연비 향상 및 CO₂ 배출량의 감소를 위한 경량화 목표를 달성하기 위한 매력적인 솔루션을 제공한다. 빠르고 경제성 있는 니어네트 셰이프(near-net shape) 제조방법으로서, 고압 진공 다이캐스팅(HPVDC)은 알루미늄 구조 부품의 제조에 널리 사용된다. 구조용 다이캐스팅용의 합금은 전형적으로 양호한 유동성 및 다이 납땜 저항성, 높은 기계적 특성 및 충분한 내식성을 필요로 한다. 업계에서 해결해야할 주요 과제는 다이 납땜, 용체화 처리 중의 블리스터 발생(blistering), 및 강도와 전성의 조합에 대한 요구사항이다. F 및 T5 템퍼용의 잘 설계된 알루미늄 합금은 보다 넓은 비용 및 품질의 관점에서 바람직하다.

Al-Mg 주조용 합금에서, Be는 산화를 제한 또는 억제하는 데 사용되는 경우가 많다. 그러나, 본 개시에서는 주조 작업에 사용되도록 의도된 Al-Mg 주조용 합금 중의 Be을 치환하는 것을 추구하였다. 놀랍게도 Al-Mg 주조용 합금에 Ca 또는 Sr을 첨가하면 주조 작업 중의 합금의 산화가 제한될 뿐만 아니라 기계적 특성이 향상된 주조 제품이 얻어진다는 것이 발견되었다.

본 개시의 주조용 알루미늄 합금은 Ca 또는 Sr을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 주조용 알루미늄 합금은 Ca 및 Sr의 조합을 포함하지 않는다. 전술한 바와 같이, Ca 및 Sr은 합금의 산화를 제한할 뿐만 아니라, 일부의 실시형태에서는 주조 상태를 향상시킨다. 주조용 알루미늄 합금이 주조 제품을 제조하는 데 사용되는 경우, 몇몇 실시형태에서, 이는 (일부의 실시형태에서는 주조된 그대로의 상태에서) 주조 제품의 하나 이상의 기계적 특성을 향상시킬 수도 있다.

본 개시의 주조용 알루미늄 합금은 주조 작업에 적합한 모든 Al-Mg 주조용 합금일 수 있다. 일 실시형태에서, 본 개시의 주조용 알루미늄 합금은 5xx.x 알루미늄 합금일 수 있다.

몇몇 실시형태에서, Ca는 주조용 알루미늄 합금 중에 약 0.003 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Ca는 주조용 알루미늄 합금 중에 약 0.01 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Ca는 주조용 알루미늄 합금 중에 약 0.1 중량% 이상으로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 약 0.003, 0.004, 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0 중량% 이상으로 존재한다. Ca가 합금 중에 존재할 때, 이것은 6.0 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 특정의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.01 내지 약 6.0 중량%로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 특정의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.1 내지 약 6.0 중량%로 존재한다. 또 다른 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2 중량% 이상으로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 중량% 이하로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1 또는 0.2 내지 약 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03 또는 0.02 중량%로, 예를 들면, 약 0.01 내지 약 0.3 중량%로 존재한다. 또 다른 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.1, 0.2 중량% 이상으로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.3, 0.2 중량% 이하로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Ca는 합금 중에 약 0.1 또는 0.2 내지 약 0.3 또는 0.2 중량%로, 예를 들면, 약 0.1 내지 약 0.3 중량%로 존재한다.

몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.003 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.01 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.1 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 추가의 실시형태에서, Sr은 약 0.003, 0.004, 0.005, 0.006, 0.007, 0.008, 0.009, 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2 , 2.3, 2.4 중량% 이상으로 존재한다. Sr이 합금 중에 존재할 때, 이것은 2.5 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, 0.009, 0.008, 0.007, 0.006, 0.005, 0.004 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 특정의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.003 내지 약 2.5 중량%로 존재한다. 몇몇 추가의 실시형태에서, Sr은 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2 , 2.3, 2.4 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 특정의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.01 내지 약 2.5 중량%로 존재한다. 몇몇 추가의 실시형태에서, Sr은 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.1, 2.2 , 2.3, 2.4 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 2.5, 2.4, 2.3, 2.2, 2.1, 2.0, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.2 중량% 이하로 존재한다. 몇몇 특정의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.1 내지 약 2.5 중량%로 존재한다. 또 다른 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1 또는 0.2 중량% 이상으로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03, 0.02 중량% 이하로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.01, 0.02, 0.03, 0.04, 0.05, 0.06, 0.07, 0.08, 0.09, 0.1 또는 0.2 내지 약 0.3, 0.2, 0.1, 0.09, 0.08, 0.07, 0.06, 0.05, 0.04, 0.03 또는 0.02 중량%로, 예를 들면, 약 0.01 내지 약 0.3 중량%로 존재한다. Sr은 합금 중에 약 0.1, 0.2 중량% 이상으로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 약 0.3, 0.2 중량% 이하로 존재한다. 추가의 실시형태에서, Sr은 합금 중에 0.1 또는 0.2 내지 약 0.3 또는 0.2 중량%로, 예를 들면, 약 0.1 내지 약 0.3 중량%로 존재한다.

본 개시의 주조용 알루미늄 합금은 결과적으로 얻어지는 주조 제품에서 허용가능한 기계적 특성을 제공하기 위해 Mg를 포함한다. Mg의 주된 강화 메커니즘은 고용경화이므로, 알루미늄에서의 Mg의 용해도를 초과하여 첨가해도 대응하는 알루미늄 주조 제품의 기계적 특성을 더 이상 향상시키지 않는다. 따라서, 본 개시의 주조된 알루미늄 합금에서, Mg는 17.0 중량% 이하로 제공된다. Mg는 합금 중에 약 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0 중량% 이상으로 존재한다. Mg는 합금 중에 약 17.0, 16.0, 15.0, 14.0, 13.0, 12.0, 11.0, 10.0, 9.0, 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0 중량% 이하로 존재한다. 일 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 11.0, 12.0, 13.0, 14.0, 15.0, 16.0 내지 약 17.0, 16.0, 15.0, 14.0, 13.0, 12.0, 11.0, 10.0, 9.0, 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0, 3.0, 2.0 중량%로, 예를 들면, 약 1.0 내지 17.0 중량%로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0 중량% 이하로 존재한다. 일 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0 내지 약 8.0, 7.0, 6.0, 5.0, 4.0 중량%로, 예를 들면, 약 3.0 내지 8.0 중량%로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 4.0, 5.0 중량% 이상으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 6.0, 5.0 중량% 이하로 존재한다. 일 실시형태에서, Mg는 합금 중에 약 4.0, 5.0 내지 약 6.0, 5.0 중량%로, 예를 들면, 약 4.0 내지 6.0 중량%로 존재한다.

본 개시의 주조용 알루미늄 합금은 주조 작업 중에 다이 납땜 저항을 제공하기 위해 Fe를 포함한다. 그러나, 본 개시의 주조용 합금에 존재하는 Fe의 양은 취성이고 또한 대응하는 알루미늄 합금 제품의 기계적 특성을 저하시킬 수 있는 큰 철 상이 생성되는 것을 피하도록 제한되어야 한다. 따라서, Fe는 합금 중에 약 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 중량% 이상으로 존재한다. Fe는 합금 중에 약 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6 중량% 이하로 존재한다. 일 실시형태에서, Fe는 합금 중에 약 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 내지 약 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6 중량%로, 예를 들면, 약 0.5 내지 1.8 중량%로 존재한다. 일 실시형태에서, Fe는 합금 중에 약 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 중량% 이상으로 존재한다. Fe는 합금 중에 약 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9 중량% 이하로 존재한다. 일 실시형태에서, Fe는 합금 중에 약 0.8, 0.9, 1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7 내지 약 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.0, 0.9 중량%로, 예를 들면, 약 0.8 내지 1.8 중량%로 존재한다.

본 개시의 알루미늄 합금에는 Ti, TiB2, TiB 또는 TiC 형태로 완전히 등축화된 미세 결정립 구조를 갖는 알루미늄 합금을 응고시키기 위한 결정립 미세화제가 선택적으로 포함될 수 있다. TiB를 결정립 미세화제로서 사용하는 경우, 합금 중의 B의 함량은 최대 0.05 중량%로 될 수 있다. TiC를 결정립 미세화제로서 사용하는 경우, 합금 중의 C의 함량은 최대 0.01 중량%로 될 수 있다. 결정립 미세화제는 재용융되는 잉곳을 제조하는 동안에 첨가되거나, 재용융 후에 최종 주물을 제조하는 동안에 첨가될 수 있다.

본 개시의 주조용 합금은 의도적 첨가물로서 또는 합금 원소로서 Be는 없다. Be이 존재하는 경우에는 불가피한 불순물로 간주된다.

본 개시의 몇몇 실시형태에서, 주조용 합금은 의도적 첨가물로서 또는 합금 원소로서 Cu는 없다. 따라서, 몇몇 실시형태에서, Cu가 존재하는 경우에는 불가피한 불순물로 간주될 수 있다.

본 개시의 알루미늄 합금의 나머지는 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물이다. 일 실시형태에서, 각각의 불순물은 최대 약 0.05 중량%로 존재하고, 불가피한 불순물의 총합은 약 0.15 중량% 미만으로 존재한다.

본 개시의 주조된 알루미늄 합금은 알루미늄 주조 제품을 제공하기 위해 고압 진공 다이캐스팅(HPVDC)을 포함하지만 이것에 한정되지 않는 다양한 주조 작업에 투입될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, Ca 또는 Sr의 존재는, 용융된 알루미늄 합금을 유지하는 동안에 Mg 손실 및/또는 드로스 생성의 양을 저감시킴으로써 주조 작업을 향상시킨다. 몇몇 실시형태에서, 용융된 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에, Ca 또는 Sr의 존재는 (Ca, Sr 및/또는 Ca와 Sr의 조합의 대응하는 베이스 합금에 비교했을 때) 용융되는 동안에 Mg 손실을 약 12 중량% 미만으로 감소시킬 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 용융된 합금이 적어도 6 시간 동안 유지될 때, Ca 또는 Sr의 존재는 (Ca 및 Sr이 없는 대응하는 베이스 합금에 비교했을 때) 드로스 생성을 약 7 중량% 미만으로 저감시킬 수 있다.

따라서, 본 개시는 본 명세서에 기술된 주조용 알루미늄 합금으로 알루미늄 주조 제품을 제조하기 위한 프로세스를 제공한다. 대체로, 이 프로세스는 본 명세서에 기술된 주조용 알루미늄 합금을 주형 내에서 주조하고, 선택적으로, 주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅(HPVDC)에 투입하는 것을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 프로세스는 주조 후 열처리 단계를 사용하지 않는다. 이러한 실시형태에서, 대응하는 알루미늄 제품은 주조된 그대로의 상태로 제공된다(예를 들면, F 템퍼).

이 프로세스의 몇몇 실시형태에서, 잉곳의 형태로 제공될 수 있는 주조용 알루미늄 합금을 용융 단계에 투입하여 용융된 알루미늄 합금을 얻는다. 이 용융 단계는 알루미늄 합금을 가열 및 교반하는 것 및 선택적으로 주조 전에 용융된 알루미늄 합금을 유지(holding)하는 것을 포함한다. 용융 단계 중에 (예를 들면, 유지 단계 중에) 드로스가 생성되는 경우, 이 프로세스는 주조 전에 드로스를 제거하는 것을 포함할 수 있다. 일단 용융 알루미늄 합금이 얻어지면, 이것을 주형 내에서 주조하여 알루미늄 주조 제품을 얻는다. 주조 단계는 주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅 단계에 투입하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 프로세스는 주형으로부터 알루미늄 주조 제품을 취출하는 단계를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품을 제조하기 위한 프로세스에는 주조 후 열처리 단계가 없고, 알루미늄 주조 제품은 주조된 그대로의 상태로 제공된다(예를 들면, F 템퍼). 그러나, 몇몇 실시형태에서, 주조 알루미늄을 제조하기 위한 프로세스는 하나 이상의 주조 후 처리 단계(예를 들면, 어닐링 단계, 변형 경화 단계, 용체화 열처리 단계 및/또는 열처리 단계)를 포함할 수 있다.

알루미늄 제품이 주조 제품인 실시형태에서, 프로세스는 또한 모든 주조 후 처리를 배제할 수도 있다(예를 들면, 이것은 주조된 것으로서 또는 F 템퍼로서 제공될 수 있다). 대안적으로, 이 프로세스는, 예를 들면, T5, T6 또는 T7 처리(예를 들면, 용체화 열처리 및 인공 시효 단계) 등의 주조 후 열처리를 포함할 수 있다. 알루미늄 제품이 주조 제품인 실시형태에서, 이것은 섀시 또는 로터 등의 자동차 부품일 수 있다.

몇몇 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금은 주조 작업 중에 드로스 생성을 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금은 용융 단계 중에 (예를 들면, 유지 단계 중에), 용융된 알루미늄 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에, 생성되는 드로스의 중량%를 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1% 미만으로 저감시킨다.

몇몇 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금은 주조 작업 중에 Mg 손실을 저감시키기 위해 사용될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금은 용융 단계 중에 (예를 들면, 유지 단계 중에), 용융된 알루미늄 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에 손실되는 Mg의 중량%를 12, 11, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2% 이하로 저감시킨다.

몇몇 실시형태에서, 본 개시의 프로세스는 알루미늄 또는 제1 알루미늄 합금에 Ca 또는 Sr을 첨가하여 본 개시의 마스터 합금 또는 주조용 합금을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, Ca 또는 Sr은 마스터 합금을 제공하기 위해 순수 알루미늄에 첨가된다. 이러한 실시형태에서, 마스터 합금은 본 개시의 주조용 합금을 제조하는 데 사용될 수 있고, Mg, Fe 및 선택적으로는 결정립 미세화제를 보충할 수 있다. 이 순수 알루미늄 또는 마스터 합금에는 합금 원소로서의 Be가 없고, Be가 존재하는 경우에는 이것은 불순물로서 간주된다. 몇몇 실시형태에서, Ca 또는 Sr은 Mg 및 Fe, 선택적으로는 결정립 미세화제를 포함하는 제1 알루미늄 합금에 첨가되고, 나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다. 이 제1 알루미늄 합금에는 합금 원소로서의 Be가 없고, 이 제1 알루미늄 합금 중에 Be가 존재하는 경우에는 이것은 불순물로서 간주된다.

본 개시는 또한 본 명세서에 기술된 프로세스에 의해 얻거나 얻어질 수 있는 알루미늄 주조 제품을 제공한다. 본 개시의 문맥에서, "알루미늄 주조 제품"이라는 용어는 최종 주조 제품(예를 들면, 자동차의 구조 부품 등)을 지칭하거나 다양한 형상의 알루미늄 제품으로 더 재용융될 수 있는 중간 잉곳을 지칭하는 것일 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 알루미늄 주조 제품은 쇼크 타워, A 필라, B 필라 또는 토크 박스이다. 몇몇 실시형태에서, 본 개시의 알루미늄 주조 제품은 Ca 또는 Sr이 없는 (그리고 선택적으로는 Be를 포함하는) 대응하는 알루미늄 제품의 특성과 비교했을 때 최대인장강도, 항복강도, 품질 지수, VDA 각도 및/또는 %연신율의 향상을 보여준다. 몇몇 실시형태에서, 최대인장강도, 항복강도, 품질 지수, VDA 각도 및/또는 % 연신율의 향상은 알루미늄 제품의 주조된 그대로의 상태(예를 들면, F temper)에서 관찰된다.

몇몇 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 200, 210, 220, 230, 240, 250 MPa 이상의 최대인장강도를 갖는다. 특정의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 200 MPa 이상의 최대인장강도를 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 100, 110, 120, 130, 140, 150 MPa 이상의 항복강도를 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 100 MPa 이상의 항복강도를 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 7, 8, 9, 10% 이상의 연실율을 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 7% 이상의 연신율을 갖는다. 몇몇 추가의 실시형태에서, 본 개시의 주조용 합금으로 제조되는 알루미늄 주조 제품은 약 30° 이상의 표준 VDA (Verband der Automobilindustrie) 238-100 각도에 부합한다.

본 발명은 본 발명의 범위를 한정하지 않고 본 발명을 예시하기 위해 주어지는 이하의 실시례를 참조함으로써 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

실시례

본 실시례는 주조된 그대로의 템퍼(as cast temper) 용도의 알루미늄 HPVDC 구조 부품에 우수한 기계적 특성 및 다이 납땜 저항을 제공하는 새로운 알루미늄 합금의 개발을 제시한다. 주사전자현미경 및 인장/굽힘 시험에 의해 미세구조의 변천 및 기계적 특성을 조사하였다. 미세구조와 특성 사이의 관계를 분석하고, 연구된 합금의 강화 메커니즘에 대해 논의한다. 실험 결과에 기초하여, 새로운 합금은 주조된 그대로의 상태에 적용되는 HPVDC 컴포넌트의 유망한 해결책을 실증한다.

Be의 대체 원소로서, 산화 형태, 드로스 생성 및 마그네슘 손실의 관찰 및 측정을 통해 액체 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 산화 억제에 미치는 Ca 및 Sr의 효과에 대하여 조사하였다.

용융된 Al-5Mg 산화 시험. Al-1.5Fe-5Mg 합금에의 Ca 및 Sr의 다양한 첨가를 조사하였다. P1020 알루미늄, 순수 마그네슘 및 순수 철 분말을 사용하여 합금을 제조하였다. Sr 및 Ca 원소는 Al-10%Sr 및 Al-10%Ca 마스터 합금을 사용하여 배치(batch) 처리하였다. 이들 합금의 화학 조성을 발광 분광법(optical emission spectroscopy; OES)에 의해 분석하고, 결과는 표 1에 표시되어 있다. 합금은 실험실에서 350kg의 전기 저항 퍼니스를 사용하여 용융시켰다.

표 1. 산화 시험에서 사용된 화학 조성(중량%)

기호	Fe	Mg	Ca	Sr	Al	장입량 kg
베이스 Al-1.5Fe-5Mg	1.53	5.0	-	-	나머지	290
100 ppm Ca	1.78	4.9	0.0087	-	나머지	290
200 ppm Ca	1.70	4.9	0.0232		나머지	287
1000 ppm Ca	1.80	5.1	0.0650	-	나머지	298
0.13% Ca	1.70	5.2	0.0865	-	나머지	293
0.3% Ca*	1.80	5.1	0.3		나머지	297
100 ppm Sr	1.79	5.0	-	0.0233	나머지	294
1000 ppm Sr	1.81	5.1	-	0.1380	나머지	298
100 ppm Ca +100 ppm Sr*	1.50	5.0	0.01	0.01	나머지	290

* 표시의 합금은 공칭 조성임

실험 프로시저는 도 1에 도시되어 있다. 프로시저는 2 개의 단계를 포함한다: 합금 배칭 및 유지 프로세스. 전형적인 합금 배칭 프로세스를 사용하였다. 더 구체적으로는, P1020를 퍼니스 내에 장입하고, Fe 및 Mg로 배치처리하였다. 다음에, 용융된 금속을 교반하고, 아르곤을 사용하여 탈기시켰다. 탈기 중에 플럭싱 염(fluxing salt)을 사용하여 용융물을 세정하였다. 탈기 후, 표 1의 화학 설계에 따라 Ca의 경우 100 ppm 내지 0.3%, Sr의 경우 100 내지 1000 ppm의 비율로 Ca 및 Sr을 첨가하였다. 주조 중에 산화 생성을 조사하기 위해 중단식 열 유지 프로세스를 사용하였다. 금속의 유지 온도는 전형적인 주조의 상한인 770℃로 설정하였다. 액체 금속 상에 형성된 산화물의 질량은 온도와 함께 증가하므로 이 시험에서는 가장 가혹한 산화 조건 하에서 Al-Mg 산화에 대한 Ca 및 Sr의 영향을 실증한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 합금화 후에 각각 2 시간의 유지를 3회 실시하였다. 각각의 기간 후에 용융 금속 표면의 외관을 촬영하였다. 드로스 생성을 정량화하기 위해 금속 표면의 완전한 스키밍(skimming)을 실시하였다. 마그네슘의 손실을 평가하기 위해 6 개의 OES 샘플을 취하였다. 각각의 시험 후, 도가니를 완전히 세정하였다. 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 경우, 산화 변천을 조사하기 위해 최대 20 시간의 장시간의 열 유지 시간을 수행하였다.

Al-Mg 합금의 특성 및 미세구조의 분석. Al-1.5Fe-5Mg 합금의 기계적 특성 및 굽힘 전성에 미치는 소량의 Ca의 영향을 조사하였다. 고압 진공 다이캐스팅(HPVDC)에 의해 얻어지는 3 mm 두께의 플레이트를 260 t Buhler 머신으로 제조하였다. Al-1.5Fe-5Mg 베이스 합금 및 새로운 Al-1.5Fe-5Fe0.1Ca 합금을 주조하였다. 연구된 합금의 화학 조성을 발광 분광법(OES)을 사용하여 결정하였고, 결과는 표 2에 표시되어 있다.

표 2. 조사된 합금의 화학 조성

합금	Si	Fe	Mg	Cu	Ca	Mn	Ti	Be
Al-1.5Fe-5Mg	0.05	1.46	4.9	0.001	0	0.01	0.002	0
Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca	0.05	1.47	5.1	0.001	0.07	0.01	0.002	0
비교 합금 1	7.5	0.17	0.35	0.02	0	0.5	0.1	0
비교 합금 2	0.05	1.6	4.3	0.05	0	0.15	0.2	0.001

인장 시험의 샘플을 주조 블랭크로부터 절단하였다(도 2에 도시된 샘플의 중간의 직사각형 부분). 다음에 이 플레이트를 ASTM B557 표준에 부합하는 정확한 치수를 갖는 시험 샘플의 형태로 기계가공하였다. 각각의 합금에 대하여 주조된 그대로의 상태에서 10 개의 인장 샘플을 취하였다. 굽힘 시험용으로 3 mm HPVDC 플레이트로 60 x 60 mm의 정사각형 샘플을 기계가공하였다. VDA 238-100 규범에 따라 각각의 합금의 6 개의 샘플을 시험하였다.금속조직학적 샘플은 주조된 그대로의 HPVDC 플레이트로부터 취하였다. 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 주조된 그대로의 미세구조를 분석하여 금속간화합물의 상을 확인하였다.

용융된 Al-Mg 합금의 산화 억제에 미치는 Ca 및 Sr의 효과. 산화 메커니즘을 이해하기 위해 Al-Mg의 산화 현상을 조사하였다. Al-Mg 합금 산화 억제 효과에 미치는 Ca 및 Sr의 영향을 조사하였다.

베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 산화 특성. 도 3은 대기 중에서 770℃에서의 열 유지 중에 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 용융물 표면을 보여준다. 용융물의 표면은 철저한 스키밍 후에 매우 깨끗하다. 1 시간 폭기 후, 표면은 도가니 연부 부근에서 부분적으로 팝콘 형상의 산화를 보인다. 2 시간 폭기 후, 용융물의 표면은 팝콘 형상의 산화물로 완전히 피복된다. 금속의 온도는 알루미늄과 마그네슘의 발열성 산화 반응으로 인해 800℃까지 상승하였다. 20 시간 폭기 후, 산화물의 색은 부분적으로 검은 색은 변한다. 고체 팝콘 형상의 산화물은 도 4a에 도시된 바와 같이 다수의 세공과 산화물 클러스터를 구성하는 다공질 형태를 갖는다(도 4b 참조). EDX 분석은 드로스가 주로 마그네슘 산화물(MgO) 및 스피넬(MgAl₂O₄)로 구성된 것임을 보여준다.

도 5a 및 도 5b는 0 내지 6 시간의 유지 시간 동안에 Mg 농도 변화 및 총 6 시간의 유지 시간 후의 Mg의 손실 백분율을 보여준다. 베이스 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 Mg 손실이 가장 높다는 것을 관찰할 수 있다. 6 시간의 유지 시간 후의 Mg 손실의 총합은 0.63 중량%, 또는 12.6% 손실이다. Ca 또는 Sr을 첨가하면 용융 중의 Mg 손실이 효과적으로 감소되었다. Mg 손실은 Ca를 함유하는 합금의 경우에는 손실이.1 중량% 미만, 또는 2% 미만이었고, Sr을 함유하는 합금의 경우에는 손실이 0.3 중량% 미만 또는 6% 미만이었다.

Ca 및 Sr의 조합. 도 6은 첨가제가 없는 베이스 합금, Ca만, Sr만, 그리고 Ca와 Sr의 조합을 함유하는 용융된 Al-1.5Fe-5Mg의 시각적 외관을 도시한다. Ca 및 Sr의 둘 모두를 함유하는 합금은 작은 파형을 갖는다. 이 특성은 Sr을 함유하는 합금의 특성과 유사하다. 산화 층은 두꺼워 보인다. 다공질 드로스는 없다. 이 결과는 Ca 및 Sr의 조합이 Al-1.5Fe-5Mg 산화에 견디는 것을 효과적으로 도울 수 있다는 것을 보여준다.

도 7은 6 시간의 총 유지 시간 후에 생성되는 총 드로스(장입량의 중량%)를 보여준다. Ca 및 Sr의 조합이 드로스 생성을 효과적으로 감소시킨다는 것을 알 수 있다. Ca 및 Sr의 둘 모두를 함유하는 합금은 2.1 중량%의 드로스 생성을 보여주며, 이는 베이스 합금의 드로스 생성(6.9 중량%) 및 Sr을 함유하는 합금의 드로스 생성(2.9 중량%)보다 낮다. 그러나, 생성되는 드로스의 양은 Ca를 함유하는 합금의 드로스의 양(1.0 중량%)보다 많다.

요약하면, Al-1.5Fe-5Mg 중의 Mg은 산소에 대해 강력한 친화력을 갖는다. 무거운 산화물이 베이스 합금의 용융물 표면에서 발견되었다. Ca 및 Sr은 Al-1.5Fe-5Mg 산화를 억제하는 긍정적인 효과를 보였다.

기계적 특성. Al-1.5Fe-5Mg 및 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca의 특성을 시험하였다. 표 3은 연구된 합금과 참조 합금의 주조된 그대로의 상태에서 인장 특성 및 VDA 굽힘 결과를 요약한 것이다. 도 8은 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 기계적 특성에 미치는 Ca의 영향을 보여준다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca는 Al-1.5Fe-5Mg 합금에 비해 우수한 인장 특성을 보인다는 것을 알았다. 인장강도 및 전성은 둘 모두가 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 경우보다 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 경우에 더 높다. 식 QI = UTS +150 * log(El%)를 사용하여 계산되는 합금 품질 지수(QI)는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca의 경우에 459 MPa이며, 이는 Al-1.5Fe-5Mg보다 81 MPa 또는 21% 더 높다. 한편, 표 3에서 보이는 바와 같이, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 Al-1.5Fe-5Mg 합금보다 양호한 굽힘 전성을 제공한다(Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca의 경우의 37.7°의 굽힘 각도 대 Al-1.5Fe-5Mg 합금의 경우의 29.0°). 이 결과는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 기계적 성능에 미치는 Ca의 유리한 영향을 강조한다.

표 3. HPVDC 합금의 특성 비교

합금	UTS (MPa)	YS (MPa)	El (%)	QI (MPa)	VDA 굽힘 각도 (°)
Al-1.5Fe-5Mg F	261±16	136±3	6±1	378	29.0±0.8
Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca F	309±12	147±3	10±2	459	37.7±2.2
비교 합금 1	250	115	11.5	409	32.4±1.9
비교 합금 2	254±5.1	123±4.1	14±1	427

도 9는 새로운 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금과 다른 상업적인 다이캐스팅 합금(예를 들면, 비교 합금 1 및 2)의 기계적 특성의 비교를 보여준다. 새로운 합금은 비교 합금 1 및 2보다 높은 품질 지수 값을 보였다. 이것은 전체적인 최고의 인장강도 및 항복강도를 가졌다. 7.5 중량% Si 및 0.17 중량% Fe를 함유하는 비교 합금 1과 비교하여, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 더 높은 인장강도 및 더 낮은 연신율을 갖는다. 연신율은 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금이 10%이고 비교 합금 1이 11.5%였다. 흥미롭게도, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 비교 합금 1보다 우수한 굽힘 점성을 보여주었으며, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 굽힘 각도는 37.7°이고 비교 합금 1은 32.4°였다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 비교 합금 1과 유사하거나 더 우수한 전성을 가질 것으로 예상된다. 다이 납땜 저항의 관점에서, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 1.5 중량% Fe를 함유하며, 이것은 비교 합금 1에 비해 점착의 경향을 감소시키고 다이 수명을 크게 향상시킬 것으로 예상된다. Al-1.6Fe-4.2Mg-Be 합금인 비교 합금 2에 비해, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 전성은 더 낮지만 강도는 더 높다. 이론에 얽매이지 않고, 이는 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금(5.1 중량% Mg) 중의 Mg 함량이 비교 합금 2(4.3 중량% Mg) 중의 Mg 함량보다 많기 때문일 수 있으며, 이는 고용경화 효과를 더 높인다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 전성은 더 높은 연신율이 필요한 경우에 Mg의 양을 감소시킴으로써 개선될 수 있다. 합금 품질 지수의 관점에서, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 비교 합금 2(427 MPa)보다 더 높은 품질 지수 값(459 MPa)을 보여주었다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 비교 합금 2보다 전체적으로 더 우수한 기계적 특성을 가졌다. 다이 납땜 저항에 관련하여, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금 및 비교 합금 2는 1.5 대 1.6 중량%로 유사한 Fe 함량을 포함하였다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금은 다이 수명의 관점에서 비교 합금과 유사한 성능을 발휘할 것으로 예상된다.

주조된 그대로의 상태의 미세구조 분석. Al-1.5Fe-5Mg 합금에서 Ca의 강화 메커니즘을 이해하기 위해 주조된 그대로의 플레이트에 대해 미세구조 분석을 실시하였다. 결과는 도 10에 도시되어 있다. Al-1.5Fe-5Mg는 수축 다공성을 보이는 반면에 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca는 다공성이 없는 미세구조를 보여준다. Ca는 Al-Mg 산화를 감소시키는 데 매우 효율적이므로 Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca는 산화물이 적고 다공성이 낮다는 것은 논리적이다.

상 형태 및 화학적 식별은 SEM/EDX 및 EBSD 분석을 사용하여 수행되었다. 결과는 도 11에 도시되어 있다. 표 4는 연구의 2 개의 합금에서 확인된 다양한 안정 상을 요약한 것이다. 합금 매트릭스는 주로 Al-1.5Fe-5Mg 합금에서는 Al₁₃Fe₄로 구성되었고, Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금에서는 Al₁₃Fe₄ 및 Al₃Mg₂/Al₄Ca 상으로 구성되었다. Al-5Mg-1.5Fe 합금에 Ca를 첨가하면 매트릭스의 결정립계에서 Al₃Mg₂ 상 또는 AlMgCa 상과 결합된 Al₄Ca 상이 형성될 수 있다. 또한, Ca는 철이 풍부한 상들의 형태를 약간 변형시키는 것으로 보인다. Al-1.5Fe-5Mg0.1Ca 합금의 미세구조에는 매우 불균일하게 분포된 부분적으로 깨진 글자 형태의 Fe 상이 더 많이 존재하는 것으로 관찰되었다. 작은 입자는 인장시험에서 균일한 변형을 촉진하고 더 높은 연신율을 유발한다.

표 4. 연구된 합금 내의 상

Al-1.5Fe-5Mg	Al-1.5Fe-5Mg+Ca	형태
Al₁₃Fe₄	Al₁₃Fe₄ (불균일하게 분포된 중국 글자 형태)	침상 (3 내지 30 μm)
Mg₂Si (--)	Mg₂Si (+++)	미립자 (<300 nm)
Al₃Mg₂	Al₃Mg₂/Al₄Ca	결정립계에서 "공융" (1 내지 20 μm)

또한, 시험된 합금의 기계적 특성에 미치는 Mg 첨가의 영향 기본적으로, 아래의 표 5 및 도 12에서 보이는 바와 같이, 최대인장강도(UTS) 및 항복강도(YS)는 Mg 함량의 증가에 따라 증가한다.

표 5. 기계적 특성에 미치는 Mg 첨가의 효과

합금	Mg의 양(%)	UTS (MPa)	YS (MPa)
Al-1.6Fe-4Mg	4.47	218.2	110.8
Al-1.6Fe-5Mg	5.43	231.8	125.4
Al-1.6Fe-6Mg	6.5	249.8	141.7

본 발명은 특정 실시형태와 관련하여 설명되었으나, 청구범위는 실시례에 설명된 바람직한 실시형태에 의해 제한되어서는 안되며, 전체적으로 설명과 일치하는 가장 넓은 의미로 해석되어야 한다는 것이 이해될 것이다.

Claims

주조용 합금(foundry alloy)으로서,
중량%로:
약 1.0 내지 약 17.0의 Mg;
약 0.5 내지 약 1.8의 Fe;
약 0.003 내지 약 6.0의 Ca 또는 약 0.003 내지 약 2.5의 Sr 중 하나; 및
나머지인 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 주조용 합금은 합금 원소로서 Be가 없는, 주조용 합금.
제1항에 있어서,
결정립 미세화제를 더 포함하는, 주조용 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
Ca를 포함하는, 주조용 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
약 0.01 내지 약 0.3의 Ca를 포함하는, 주조용 합금.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
약 3.0 내지 약 8.0의 Mg를 포함하는, 주조용 합금.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
약 4.0 내지 약 6.0의 Mg를 포함하는, 주조용 합금.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
약 0.8 내지 약 1.8의 Fe를 포함하는, 주조용 합금.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 주조용 합금을 포함하는 알루미늄 주조 제품.
알루미늄 주조 제품을 제조하기 위한 프로세스로서,
상기 프로세스는 주형 내에서 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 주조용 알루미늄 합금을 주조하는 것을 포함하는, 프로세스.
제9항에 있어서,
주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅에 투입하는 것을 더 포함하는, 프로세스.
제9항 또는 제10항에 있어서,
주조 후 열처리 단계가 없는, 프로세스.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항의 프로세스에 의해 얻어질 수 있거나 얻어지는 알루미늄 주조 제품.
제8항 또는 제12항에 있어서,
자동차의 구조 부품인, 알루미늄 주조 제품.
제8항, 제12항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
- 적어도 약 200 MPa의 최대인장강도,
- 적어도 약 100 MPa의 항복강도;
- 적어도 약 7%의 연신율; 및
- 적어도 약 30°의 VDA 굽힘 각도
중 적어도 하나의 특성을 갖는, 알루미늄 주조 제품.
제8항, 제12항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
Al₄Ca를 포함하는, 알루미늄 주조 제품.
제8항, 제12항 및 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
Al₁₃Fe₄상, Al₃Mg₂ 상 및 Al₄Ca 상을 갖는, 알루미늄 주조 제품.
제16항에 있어서,
상기 Al₃Mg₂ 상과 결합된 Al₄Ca를 갖는, 알루미늄 주조 제품.
제8항, 제12항 및 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
결정립계에 AlMgCa 상을 갖는, 알루미늄 주조 제품.
대조 알루미늄 제품과 비교하여 알루미늄 제품의 주조 작업 중에 Mg 손실 및 드로스 생성을 제한하기 위한 프로세스로서,
상기 프로세스는 약 0.003 내지 약 6.0의 Ca 또는 약 0.003 내지 약 2.5의 Sr 중 하나를 제1 알루미늄 합금에 첨가하여 주조될 주조용 합금을 얻는 것을 포함하고, 상기 제1 알루미늄 합금은 중량%로:
약 1.0 내지 약 17.0의 Mg;
약 0.5 내지 약 1.8의 Fe; 및
나머지인 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 제1 알루미늄 합금 및 상기 주조용 합금은 합금 원소로서 Be가 없는, 프로세스.
제19항에 있어서,
상기 제1 알루미늄 합금은 결정립 미세화제를 더 포함하는, 프로세스.
제19항 또는 제20항에 있어서,
상기 주조용 합금을 용융시켜 용융된 주조용 합금을 얻는 것을 더 포함하는, 프로세스.
제21항에 있어서,
상기 용융된 주조용 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에 Mg 손실을 약 12 중량% 미만으로 저감시키기 위한, 프로세스.
제21항에 있어서,
상기 용융된 주조용 합금이 적어도 6 시간 동안 유지되는 경우에 드로스 생성을 약 7 중량% 미만으로 저감시키기 위한, 프로세스.
제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용융된 주조용 합금을 주조하여 주조된 알루미늄 합금을 얻는 것을 더 포함하는, 프로세스.
제24항에 있어서,
상기 주조된 알루미늄 합금을 고압 진공 다이캐스팅에 투입하는 것을 더 포함하는, 프로세스.
제19항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
주조 후 열처리 단계가 없는, 프로세스.
제19항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주조용 알루미늄 합금은 Ca를 포함하는, 프로세스.
제27항에 있어서,
상기 주조용 알루미늄 합금은 약 0.01 내지 약 0.3 Ca를 포함하는, 프로세스.
제19항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 알루미늄 합금은 약 3.0 내지 약 8.0의 Mg를 포함하는, 프로세스.
제19항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 알루미늄 합금은 약 4.0 내지 약 6.0의 Mg를 포함하는, 프로세스.
제19항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 알루미늄 합금은 약 0.8 내지 약 1.8의 Fe를 포함하는, 프로세스.