KR930003602B1 - 피로강도를 증진시킨 알루미늄 합금 부품의 제조방법 - Google Patents

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Description

피로강도를 증진시킨 알루미늄 합금 부품의 제조방법

본 발명은 알루미늄 합금 부품들의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 장시간 고온상태에서 작용시킨 후에도 우수한 피로강도를 유지하는 알루미늄 합금으로된 부품의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄이 강(steel)에 비해 1/3 정도로 가볍고, 우수한 내식성을 갖고 있다는 것은 공지의 사실이며, 이러한 알루미늄을 구리 및 마그네슘과 같은 금속과 합금을 만들게 되면 그의 기계적 강도가 상당히 증진되어진다.

또한, 실리콘을 첨가하면 우수한 내마모성을 갖는 합금을 만들수가 있고, 상기 합금에 철, 니켈, 코발트, 크롬 및 망간과 같은 다른 성분들을 첨가하게 되면 고온에서보다 개선된 특성들을 얻을 수 있게 된다. 이와 같이 첨가성분들을 절충시킴으로써, 알루미늄은 엔진블록, 피스톤, 실린더 등의 자동차 부품 제작용으로서 매우 유익한 잇점들이 있다.

따라서, EP-A-144,898호에는 실리콘 10∼36중량%, 구리 1∼12중량%, 마그네슘 0.1∼3중량%, 및 Fe, Ni, Co, Cr 및 Mn으로 구성된 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 성분 2∼10중량%를 함유하는 알루미늄 합금이 기술되어져 있다. 상기 합금은 항공기 및 자동차 산업용으로 이용되어지는 부품들의 제작에 사용되어질 수 있으며, 상기 부품들은 압축(compacting) 및 인발(drawing)에 의해 성형되는 것과는 별도로 250∼550℃의 중간열처리 단계를 포함하는 분말야금 방법을 통해 제조된다. 이렇게 제조된 부품들은 전술한 바와같은 특성들은 만족한다 하더라도, 피로강도면에서는 신뢰성이 없게 된다.

피로(fatigue)라는 것은 불연속적인(discontinuous) 응력을 계속 가할때 물체내에서 발생하는 금속구조상의 점차적으로 생기는 지속적이고 국지적(local)인 변화에 해당하며, 이것은 상기 응력의 강도가 물체에 인장파손을 일으키기 위하여 지속적으로 물체에 가하는데 필요한 강도보다 항상 작은 경우에도 상기 응력이 주파수가 변화하면서 가해짐에 따라 부품들에 균열을 발생시킬 수 있고 결국에는 파손을 일으키게 된다. 따라서, EP-A-144,989호에서 주어진 탄성률, 인장강도 및 경도(hardness)값은 합금의 피로강도를 고려하지 않은 것이다.

그러나, 동적으로 응력을 받거나 주기적인 응력을 받는 로드(rod) 또는 피스톤 로드와 같은 부품에 있어서는 우수한 피로강도를 갖도록 하는 것이 매우 중요하다.

따라서, 이러한 피로강도의 문제를 고려하였을때, 본 출원인은 선행기술 범위내에서 만들어진 합금으로 제작된 부품들이 어떤 적용상태에 있어서 충분한 피로강도를 갖고 있다 할지라도 상기 성질이 합금의 조성을 변형시킴으로써 보다 우수하게 개선되어질 수 있음을 알게 되었다. 따라서, 본 출원인은 11∼22중량%의 실리콘, 2∼5중량%의 철, 0.5∼4중량%의 구리, 0.2∼1.5중량%의 마그네슘 및 또한 0.4∼1.5중량%의 지르코늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금으로 제작된 부품을 개발하여 프랑스공화국 특허출원 제87-17674호로 출원하였다.

그러나, 본 출원인은 지르코늄이 150℃에서 1000시간 동안 유지되어진후(이것은 대략 엔진의 수명이 반감된 후의 작동조건을 나타낸다.) 응력이 150MPa로부터 185MPa까지 상승되어지므로 20℃의 응력 한계점에서 놀랄만한 개선이 이루어진다 하더라도, 상기 응력한도점은, 143MPa까지 떨어지게 되며 즉, 22% 이상 감소되게 됨을 알게 되었다.

그러나, 연구를 계속함에 따라, 본 출원인은 이러한 불리한 점을 지르코늄과 망간을 결합시킴으로써 제거할 수 있음을 알게 되었다. 따라서, 본원 발명은 11∼26중량%의 실리콘, 2∼5중량%의 철, 0.5∼5중량%의 구리, 0.1∼2중량%의 마그네슘 및 소량첨가되는 니켈 및 코발트중 어느 하나를 함유하며, 또한 0.1∼0.4중량%의 지르코늄 및 0.5∼1.5중량%의 망간을 함유하고 장시간동안 고온상태에서 작용시킨 후에도 우수한 피로강도를 유지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 부품들의 제조방법에 관한 것이다.

상기에서 본원발명에 있어서, 성분 조성범위의 유효범위는 상기 수치값 이하로 함유되면 효과가 미미해지고 수치값 이상으로 함유되면 지르코늄 첨가가 더 이상의 결정적인 영향을 끼치지 않거나 망간 첨가가 부품의 메짐성(embrittlement)을 나타내고 나사, 모떼기(fillet) 등과 같이 표면 불규칙성을 갖는 부품의 응력한도를 떨어뜨리게 되는 등의 유효범위를 벗어났을 때의 불리점이 있다.

좀더 구체적으로 표를 만들어 도시해 보면 하기와 같다.

따라서, 전술한 특허출원에 기술된 조성물과 비교했을때, 망간은 지르코늄에 비해 저가이므로 한편으로는 스타이팅 물질로서 경제성이 있고, 1중량%의 지르코늄을 함유하는 이원합금이 875℃의 액상온도를 갖는데 반해 1중량%의 망간의 경우에서는 액상온도가 660℃에 가깝게 유지되므로, 다른 한편으로 합금용융 상태를 촉진시키게 되어 망간이 지르코늄 대용으로 치환되어 있다.

그러나, 사용되어진 합금의 특별한 조성과는 별개로, 본 발명은 또한 용융 상태에서 본합금으로 부품들을 제조하기 전에 응고(solidification)되어지기 쉬운 것을 특징으로 한다. 따라서, 철, 지르코늄 및 망간과 같은 성분들이 합금내에 매우 적은량이라도 용해 가능하다면, 원하는 특성들을 갖는 부품들을 제조하기 위하여, 상기 성분들의 거칠고 불균일한 침전을 방지하는 것이 필수적인데, 이는 가능한한 빨리 냉각시킴으로써 가능하다. 또한, 합금은 700℃ 이상의 온도에서 용융되어지는 것이 바람직한데, 이로서 너무 빠른 침전 현상을 방지할 수 있다.

상기와 같은 신속한 응고 상태를 얻기 위한 몇 가지 방법이 다음과 같이 기술되며, 이와같은 방법들만이 전부는 아니다.

1) 용융합금은 가스로써 용융금속을 미립자화 하거나 또는 가스(공기, 헬륨, 아르곤) 내에서 냉각시켜 행하는 기계적 미립자화 또는 원심 미립자화나 기타 관련 공정을 통해 미세한 물방울 형태가 된다. 이것은 400μm 이하의 입자 크기를 갖는 분말이 되고, 그 다음 공지된 분말야금법을 통해 단축(uniaxial) 또는 평형 프레스 내에서 고온 또는 냉각 압축과 인발 및/또는 단조를 통해 형이 만들어진다.

2) 용융합금이 즉 미합중국 특허 제4,389,258호 및 유럽특허 제136,508호에 기술된 평면 흐름 캐스팅 또는 용융 스피닝에 의하거나 또는 용융 오버 플로우 및 관련 방법에 의해 냉각된 금속표면에 대해 사출되어진다. 이로써, 100μm 이하의 두께를 갖는 스트립이 형성된후 전술한 방법을 통해 형이 만들어진다.

3) 가스 흐름내에서 미립자화된 용융 합금이 즉 영국특허 제1,379,261호에 기술된 스프레이 캐스팅 공정 또는 스프레이 용착(deposition) 공정을 통해 기질(substrate)에 대해 사출되어져, 효과적인 가단성(malleable)을 가진 응집된 용착물이 형성되어 단조, 인발 또는 금형 방법에 의해 형이 만들어진다.

상기에서 제안된 방법을 통해 신속한 응고가 이루어진후, 침전 구조를 개선시키기 위하여 선택적으로 기계작업을 행한후, 알루미늄 합금 부품들을 490∼520℃ 사이에서, 1∼10시간동안 열처리하고, 수중담금질(water hardening)하며, 그후, 170∼210℃ 사이에서 2∼32시간동안 어니일링(annealing)을 수행하여 기계적 특성들이 개선된 알루미늄 합금 부품들을 제조할 수 있게 된다.

본 발명은 다음 적용실시예들의 결과를 통하여 보다 쉽게 이해될 것이다. 18중량%의 실리콘, 3중량%의 철, 1중량%의 구리, 1중량%의 마그네슘 및 그 나머지가 알루미늄인 성분들을 함유하고 있는 베이스 합금을 약 900℃에서 응용한후 0에서 7까지 8개의 배치(batches)들로 나눈다. 별개의 지르코늄 및 망간을 1에서 7까지의 배치들에 첨가하고, 0번배치는 조정용으로 사용한다.

배치들을 분말 야금 공정 또는 스프레이 용착 공정에서 의해 처리한다 : 분말 야금(PM)공정은 질소 분위기내에서 200μm 이하의 입자크기로의 미립자화, 평형프레스내에서 300MPa 하에서의 압축, 40mm 직경의 바아 형태로의 인발과정 등으로 이루어진다 : 스프레이 용착 공정은 영국특허 제1,379,261호에 기술된 방법을 사용하여 용착물을 원통형 빌레트(billet)의 형태로 만든다음 인발에 의해 40mm 바아 형태로 만든다.

그다음, 490∼520℃ 사이에서 2시간동안 열처리한후, 수중담금질을 행하고 170∼200℃의 온도에서 8시간동안 노출한다.

상기 부품의 각각의 시험편을 가지고 공지된 방법을 통해 다음과 같은 특성들을 측정한다 :

탄성률 : E(GPa)

탄성한도(0.2% 영구변형률) : RO, 2(MPa)

파단강도 : Rm(MPa)

a%로서의 연신율 : A,

상기 측정작업을 20℃에서 수행하고 나서 100시간 지속한후 150℃에서 실행한다.

알루미늄 관계 표준치들을 따라 회전 밴딩 작업에 의해 응력을 받은 상태 T₆에서 평탄한 시험편상에서의 10⁷사이클 후 20℃에서의 응력한도 : Lf(MPa)

시험편을 150℃에서 1000시간동안 유지시킨 후 동일한 측정을 행한다 :

20℃에서의 내구성비(endurance ratio) : Lf/Rm,

상기와 동일하지만 Kt=2.2인 노치부가 있는 시험편의 20℃에서의 응력한도 :

(상기식에서, Kf는 노치부가 있는 시험편상에서 측정한 응력한도에 대한 평탄한 시험편상에서 측정한 응력 한계의 비값이며, q값이 높을수록 노치부에 대해 보다 예민한 합금임을 나타낸다.) 상기 시험편의 측정에 대한 결과치들이 다음표에 나타내어져 있다.

상기의 측정결과로부터 분명한 것으로서, 150℃에서 1000시간동안 유지시킨후 지르코늄도 망간도 함유하지 않은 합금(번호 0)의 탄성한도는 120MPa이고, 1중량%의 지르코늄이 첨가된 합금(번호 1)은 그의 탄성한도가 상기의 탄성한계 특성을 넘어 148MPa까지 되고, 지르코늄을 첨가시킴과 동시에 감소시킨 지르코늄의 양만큼 망간을 첨가시킨 합금(번호 5)은 그의 탄성한도값으로 177MPa를 얻는 것이 가능했다.

또한, 지르코늄과 망간을 동시에 첨가시킴으로써, 150℃에서 지속시킨후 발생하는 응력 한계치가 저하되는 것을 주목할만큼 감소시키는 것을 가능하게 한다. 따라서, 망간이 첨가되지 않은 번호 1의 합금에서 Lf가 185MPa 내지 143MPa로 되어, 42MPa의 Lf저하가 일어나는 반면, 1.2중량%의 망간을 함유하는 번호 5의 합금 경우에 있어서는 그의 Lf가 193MPa 내지 177MPa로 되어, 16MPa의 Lf저하를 나타냄으로써 전술한 경우의 수치보다 훨씬 Lf저하가 감소되었음을 나타낸다.

전술한 바와같은 측정을 통해 또한, 상기 성분들이 노치부가 있는 부품의 응력 한계를 개선시킨다는 것을 알 수 있지만, 또한 이들의 과다한 양의 첨가는 응력한도를 저하시키는 것이 되고, 취성을 증가시키게 된다.

따라서, 상기 한계값은 번호 0의 합금시험편에서의 100MPa로부터 번호 3의 합금(0.1%의 지르코늄∼0.6%의 망간) 시험편에서의 125MPa가 되지만 보다 많은 양의 지르코늄과 망간을 함유하는 번호 7의 합금 시험편에서는 105MPa까지 떨어진다.

따라서, 본 발명에 따른 비율로 지르코늄과 망간을 동시에 첨가시킨 것(합금 3, 4, 5 및 6)은 번호 0의 합금 이외의, 적절하지 않은 기계적 강도로 인해 유용성이 없는, 노치부 감도계수가 0.6에 가까운 종래 기술의 합금들보다 훨씬 낮은 노치부 감도계수(0.51,0.48,0.43,0.51)를 나타낸다.

또한, 본원 발명은 다음 적용 실시예들의 결과를 통하여 열처리 온도를 한정하고 수중담금질후 어니일링 조건을 제한함으로 인해 얻어지는 이점을 분명히 알 수 있다. 다음 실험은 스프레이 용착에 의해 얻어진 성분들에 관한 것으로 18중량%의 실리콘, 3중량%의 철, 1중량%의 구리, 1중량%의 마그네슘 및 0.3%의 지르코늄이 함유된 알루미늄 합금을 베이스 합금으로 하여 8 내지 17의 9개의 배치로 나누어서 실험한 결과이다.

[표 3]

열처리조건을 한정한 결과

[표 4]

어니일링 조건을 한정한 결과

* RO, 2(MPa) : 탄성한도(0.2% 영구변형율)

RM(MPa) : 파단강도

A : 연신율

따라서, 본 발명에 따라서, 제한된 양으로 동시에 첨가된 지르코늄과 망간의 조합 및 얻어진 합금의 신속한 응고는 고온 또는 냉각상태의 어느 경우에 있어서도 나사 또는 못떼기와 같이 표면 불규칙성을 갖기 쉽고, 자동차산업, 특히, 로드, 피스톤 로드 및 피스톤의 제작 생산에 있어 사용되어지는 부품들의 피로강도를 증진시키는데 기여하게 된다.

Claims (4)

1. 실리콘 11∼26중량%, 철 2∼5중량%, 구리 0.5∼5중량%, 마그네슘 0.1∼2중량%, 소량의 니켈 및 코발트로부터 선택되는 어느 하나, 지르코늄 0.1∼0.4중량%, 및 망간 0.5∼1.5중량%를 함유하는 합금으로 만들고 상기 합금을 용융상태에서 신속하게 응고시키며 이렇게 얻어진 생성물을 부품들의 형태로 제조하여 490∼520℃ 사이의 온도에서 열처리하고 수중담금질하여, 170∼210℃ 사이의 온도에서 어니일링(annealing)시키는 것을 특징으로 하는 장시간동안 고온상태에서 적용시킨 후에도 우수한 피로강도를 갖는 알루미늄 합금 부품들의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 신속한 응고 방법이 용융 합금을 미세한 물방울 형태의 입자들로 분리시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 신속한 응고 방법이 용융 합금을 냉각된 금속표면에 대하여 사출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 신속한 응고 방법이 기질(substrate)에 대해 가스 내에서 미립자화된 합금을 사출시키는 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.