KR101583887B1 - 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품 - Google Patents

Abstract

Mg 8.5~11.0 wt%, Si 3.5~5.8 wt%, Cu 2.0~3.0 wt% 및 잔부 Al로 구성된 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품이 소개된다.

Description

알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품 {ALUMINUM ALLOY AND VEHICLE PART USING THE SAME}

본 발명은 고출력 엔진용 부품에 적용 가능한 고내열 내마모성 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품에 관한 것이다.

본 발명은 고출력 엔진 부품에 적용 가능하면서도 무게가 가벼운 고내열 경량 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 현재의 Al-Si-Cu-Ni 합금계 대비 가벼우면서도 내열성이 향상된 신합금 적용을 통해 엔진부품의 경량화 및 고온내구성 향상을 동시에 얻고자 한 것이다.

최근 선진국을 비롯한 세계 각국은 각종 환경 규제를 강화하여 환경오염을 억제하려는 노력을 기울이고 있으며, 이렇게 점점 강화되고 있는 환경 규제에 대응하기 위하여 자동차업계는 연비 향상을 위한 지속적인 연구를 하고 있으며, 그에 따라 자동차 엔진에 대한 고출력화의 요구는 점점 더 강해지고 있다.

엔진이 고출력화됨에 따라 고내열 Al-Si-Cu-Ni계 합금 더욱 상세하게는 Al-12Si-3Cu-2Ni계 합금의 재질적 내열 한계가 110bar급으로 예상되는바 향후 추가적인 고출력화 엔진(130bar급 이상)용 피스톤 개발에 대응하기 위해서는 고온물성이 개선된 새로운 내열 알루미늄 합금의 선행개발이 필요한 상황이며, 여기에 연비 개선 및 배기 가스 저감을 위해 엔진부품의 경량화도 함께 필요한 상황이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1212314 B

본 발명은 고출력 엔진용 부품에 적용 가능한 고내열 내마모성 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄합금은, Mg 8.5~11.0 wt%, Si 3.5~5.8 wt%, Cu 2.0~3.0 wt% 및 잔부 Al로 구성된다.

Mg/Si 비율은 1.47~3.10일 수 있다.

Mn 0.3~1.0 wt% 더 포함할 수 있다.

조직상에 초정 Mg₂Si 입자를 포함할 수 있다.

조직상에 Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 입자를 포함할 수 있다.

조직상에 Al-Mn계 금속간 화합물 입자를 포함할 수 있다.

조직상에 초정 Mg₂Si 입자, Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 입자 및 Al-Mn계 금속간 화합물 입자를 함께 포함할 수 있다.

차량용 부품은 상기 조성의 알루미늄합금을 이용하여 주조 및 열처리 공정을 통해 제조된다.

열처리 조건은 200~250℃에서 1.5~4.5시간일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품에 따르면, 이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 고내열 경량 신합금은 기존 양산합금 대비 내구성을 약 10~30%향상되면서도 Mg함량 효과로 약 7~9%까지 밀도(중량)이 가벼운 것을 알 수 있으며, 이를 통해 고출력 엔진 부품 적용을 통해 내구성 및 경량화를 동시에 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄합금과 종래기술의 알루미늄합금의 조성을 비교한 도면.
도 2는 알루미늄합금에 있어 과량의 Si첨가에 따른 Si clustering을 나타낸 도면.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 살펴본다.

본 발명은 현재의 Al-Si-Cu-Ni계 합금 대비해서 가벼우면서도 내열특성을 보다 더 향상될 수 있도록 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 마그네슘(Mg) 8.5~11.0 wt% 실리콘(Si) 3.5~5.8 wt%, 구리(Cu) 2.0~3.0 wt%가 함유된 합금을 제공한다. 이때 적정량의 고내열 내마모성 초정 Mg₂Si 입자 생성을 위해 Mg/Si 비율을 1.47~3.10으로 제한한다.

본 발명과 유사한 종래기술의 경우, Mg, Si, Cu의 첨가에도 불구하고 금속간화합물의 생성을 억제하고, 미세화된 조직을 얻기 위해 Mg/Si비를 1.98~2.5로 한정하고, 초음파 처리 등을 실시한 결과, Al-Mg₂Si의 준2원계 공정 조직을 갖는 합금을 얻었다. 하지만 위와 같은 합금의 경우, 합금 함량이 높아질수록 목표로 하는 준 2원계 공정 조직을 얻을 수 있는 공정 조건은 매우 제한적이 되고, 오히려 품질 산포가 높아질 수밖에 없다.

이에 반해 본 발명에서는 내열성 및 내마모성 향상을 목적으로 초정 Mg₂Si를 주요 강화상으로 AlMgCu계, AlMn계 금속간화합물이 다량 생성시킨 복합 미세조직을 구현하여 일반 주조공정에 사용 가능하면서도 기존 상용합금 대비 고내열, 저밀도, 고내마모성을 갖는 합금을 제공하고자 한다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 합금의 미세조직 사진과 기존 발명에서 언급된 준 2원계 공정 조직을 비교한 사진이다. 도 1에서 보는 바와 같이 Al matrix에 미세하게 공정 Mg₂Si입자가 분포된 준 2원계 공정 조직 대비해서 본 발명 합금은 주 강화상인 초정 Mg₂Si입자(검은색)가 미세조직상에 다량 분포되며, 공정상으로 AlMgCu계, AlMn계 등 다양한 금속간화합물이 함께 분포된 복합 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하게 된다. 이와 같은 복합 미세조직 확보를 위해 본 발명에서는 Mg/Si비를 1.47~3.10으로 제한한다.

본 발명에서 사용된 고내열 내마모 합금의 경우, Mg함량이 최대 11.0wt%까지 함유되므로 밀도가 기존 합금 대비 약 7~9wt%가량 낮아지게 되며, 이는 곧 부품의 경량화로 직결된다. 또한 초정 Mg₂Si입자를 주요 내열강화상으로 여기에 AlMgCu계, AlMn계 금속간 화합물들을 생성하여 200℃ 이상의 고온에서의 인장 및 피로강도 개선에 기여하여 고온 내구성 향상에 기여하게 된다.

본 발명은 상기 알루미늄(Al)을 주성분으로 하고, 여기에 마그네슘(Mg) 8.5~11.0 wt% 실리콘(Si) 3.5~5.8 wt%, 구리(Cu) 2.0~3.0 wt% 함유된 합금을 제공한다.

이때 첨가되는 Mg은 합금의 밀도를 낮추면서도 고온에서의 내열성을 증가시키는 Mg₂Si 및 AlMg계 금속간화합물 생성에 기여하게 되는데, 그 양은 8.5 wt%에서 11.0 wt%까지 첨가할 수 있다. 8.5 wt%이하로 첨가되는 경우, 충분한 양의 고내열 내마모성 Mg₂Si입자 및 AlMgCu계 금속간화합물을 얻을 수 없으며, 11.0 wt% 이상 첨가되는 경우, 합금의 산화성이 높아져 대기상태에서 용해가 어렵고, 주조성 저하로 인해 도 2의 결육과 같은 주조결함 문제가 발생할 가능성이 높아지게 된다.

Si의 경우, Mg과 반응하여 고내열 내마모 입자인 Mg₂Si 생성에 기여하는데, 3.5 wt%이하로 첨가되면, 초정 Mg₂Si 입자가 생성되지 않아 내열 및 내마모성을 향상시킬 수 없으며, 5.8 wt%이상 첨가시는 초정 Mg₂Si 입자의 조대화 및 클러스터링이 일어나 오히려 내열성 및 기계적 물성을 저하시킬 수 있다.

위와 같은 점을 고려하여, 고내열 내마모 입자 생성을 위한 Mg/Si비율은 1.47~3.10으로 제한한다.

Cu는 Mg과 반응하여 또 다른 내열입자인 AlCuMg계 화합물 형성에 기여하게 되는데, 2.0 wt%이하 첨가시는 물성 개선효과가 미약하며 3.0 wt%이상 첨가시는 추가적인 강화효과가 미미하므로 그 양을 제한한다.

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 더욱 상세하게 설명하는바, 본 발명이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.

실시예 및 비교예로서 본 발명에서의 Al-Mg-Si-Cu-Mn계 합금에 고내열 특성을 부여하기 위한 적정 수준의 내열 Mg₂Si 입자 생성과 관련하여 Mg함량에 따른 Si함량의 가용 범위를 확인하였다.

Mg이 8.0 wt%일 때는 적정 수준의 Mg₂Si를 생성가능한 Si범위가 확보되지 못하며, 8.5 wt%이상 되어야 양산가능 수준의 Si함량 가용 범위를 확보할 수 있다. Mg의 경우 11 wt%이상 첨가되는 경우, 용탕의 유동성이 떨어져서 도 2와 같은 주조결함인 결육이 다수 발생하여 양산성이 저하되게 되어 그 양의 제한이 필요하다.

Si의 경우 Mg함량과 연계하여 적정 수준의 Mg₂Si 생성을 위해 최소 3.4 wt%에서 최대 5.8 wt%범위로 한정하게 되는데, 5.8 wt%이상 함유시는 Mg₂Si 클러스터링 문제로 원하는 수준의 물성을 얻기가 어렵고, 제품 생산시 불량률이 높아질 수 있다.

또 다른 실시예 및 비교예로서 본 발명에서의 Al-Mg-Si-Cu-Mn계 합금의 기계적 성질 확인을 위해 확인하기 위해 Al-10Mg-5Si-0.5Mn계 합금에서 Cu함량을 변화시키며 아래의 표 1(Cu함량에 따른 Al-10Mg-5Si-0.5Mn계 합금의 기계적 성질 변화)과 같이 기계적 성질을 확인하였다.

상기 표에서 보는 바와 같이 Cu 함량이 2 wt% 이상 첨가되어야 기계적 성질의 향상 효과를 얻을 수 있으며, 3 wt% 까지 유사한 수준의 기계적 성질을 유지하는 것으로 확인되며, 추가적인 Cu함량 증가로 얻을 수 있는 효과는 미비한 것으로 판단된다.

또 다른 조성의 합금으로 각각 피스톤을 제작하여 상온 및 고온강도 비교 평가를 실시하였으며, 그 결과는 아래의 표2(본 발명 및 종래기술의 상온 및 고온 특성 비교 평가 결과)와 같다.

위의 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서의 고내열 경량 신합금이 기존 양산합금 대비 고온 영역에서 약 10~30% 내구성이 향상됨을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄합금 및 이를 이용한 차량용 부품에 따르면, 이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 고내열 경량 신합금은 기존 양산합금 대비 내구성을 약 10~30%향상되면서도 Mg함량 효과로 약 7~9%까지 밀도(중량)이 가벼운 것을 알 수 있으며, 이를 통해 고출력 엔진 부품 적용을 통해 내구성 및 경량화를 동시에 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (9)

1. Mg 8.5~11.0 wt%, Si 3.5~5.8 wt%, Cu 2.0~3.0 wt%, Mn 0.3~1.0 wt% 및 잔부 Al로 구성되고, Mg/Si 비율이 1.47~3.10이며, 조직상에 초정 Mg₂Si 입자, Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 입자 및 Al-Mn계 금속간 화합물 입자를 함께 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
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8. 청구항 1 조성의 알루미늄합금을 이용하여 주조 및 열처리 공정을 통해 조직상에 초정 Mg₂Si 입자, Al-Mg-Cu계 금속간 화합물 입자 및 Al-Mn계 금속간 화합물 입자를 함께 포함하도록 제조된 차량용 부품.
9. 청구항 8에 있어서,
   열처리 조건은 200~250℃에서 1.5~4.5시간인 것을 특징으로 하는 차량용 부품.

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