KR102597784B1 - 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 그 제조방법, 다이캐스팅 방법 - Google Patents
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Abstract
다이캐스팅용 알루미늄 합금이 개시된다, 알루미늄합금은, 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 란탄(La) 0.01-2.0 중량%, 스트론듐(Sr) 0.01-2.0중량% 및 세륨(Ce) 0.01-2.0 중량%, 잔량의 알루미늄(Al); 및 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 우수한 내식성을 가질 뿐만 아니라 물리적 특성이 좋다.
Description
본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 그 제조방법, 다이캐스팅 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 Cu, Si, Mn, Mg, Zn 등의 첨가원소에 따라 다양한 종류의 합금화가 가능하며, 합금 종류에 따라서 특성이 변화한다. 알루미늄 합금은 제조방법에 따라 주조용 합금과 가공용 합금으로 분류할 수 있다. 주조방법은 사형주조, 금형주조, 고압주조, 다이캐스팅, 특수주조로 구분된다. 가공용 알루미늄은 압연, 압출, 단조, 프레스 등과 같이 2차 가공에 적합한 합금으로 특성을 조절할 수 있다. 주조용 알루미늄합금은 Al-Si계 합금을 기본으로 하여, 기계적 특성 향상을 위한 Al-Cu계 합금, 고내식 특성 향상을 위한 Al-Mg이 있지만 Al-Si계 합금이 대부분을 차지하고 있다.
다이캐스팅용 합금은 주물용합금의 한 종류 이지만 주조방법이 사형, 금형, 저압주조 등과는 다르기 때문에 합금조성에 있어서 일반 주조용 합금과는 차이점이 있다. 다이캐스팅용 합금에 요구되는 조건은 용탕의 흐름성, 다이스에 용융금속의 저용착성으로 이러한 특성이 우수한 Al-Si계 및 Al-Si-Cu계 합금이 주로 사용된다. 알루미늄은 합금에 의해 다양한 강도특성, 내식특성을 구현할 수 있으며, 황동 및 구리 부품의 대체 소재로 개발되고 있다.
현재 널리 사용되고 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로는 주조성이 우수한 ALDC 3종, ALDC 10종, ALDC 12종 등의 Al-Si계 합금과 ALDC 5종 혹은 ALDC 6종 등의 Al-Mg계 합금이 사용되어 왔다. 그러나 이들 알루미늄 다이캐스팅 합금은 다이캐스팅 시 공기 유입으로 내부에 기공이 발생하고, 발생된 기공으로 인하여 기계적 특성이 저하되고, 내식성이 낮은 문제점이 있다. 종래의 다이캐스팅용 합금은 스크랩의 사용량이 많아 순수알루미늄에 비해 부식성이 증가하며, 특히 ADC12 합금은 Fe, Cu, Si 함량이 높아 수분과 접촉이 많은 환경에서 부식에 취약하다.
한국공개공보 10-2018-0035390호에는 란탄(La) 및 스트론튬(Sr)을 함유한 다이캐스팅용 합금 및 그 제조 방법을 개시한 바 있다. 개시된 다이캐스팅용 합금은 3~10wt%의 마그네슘을 함유하고 있다. 이와 같이, 내식성이 높은 마그네슘을 다량 함유한 주조용 합금은 다이스 표면에 용융금속이 용착되어 금형 수명을 단축 시켜 생산성이 감소된다. 또한, 종래의 다이캐스팅 합금은 내식성 증가를 위한 마그네슘의 합금화로 Mg2Si상이 생성되어 강도가 감소된다. 따라서, 우수한 내식성을 유지하면서도 강도가 좋은 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 주조용 알루미늄 합금의 내식성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 피로, 충격, 인장 강도와 같은 기계적 특성도 향상시킬 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 및 그의 제조방법, 다이캐스팅 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 다이캐스팅용 알루미늄 합금이 제공된다. 알루미늄 합금은 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 0.01-2.0 중량%의 란탄(La), 0.01-2.0중량%의 세륨(Ce) 및 0.01-2.0 중량%의 스트론듐(Sr), 잔량의 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 Mg2Si상을 발생시켜 강도를 저하시키는 마그네슘을 감소시키는 반면에 결정립 성장을 억제하는 크롬을 추가하여 응력 부식 균열을 방지할 수 있다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 0.8~1.2중량%의 크롬(Cr)을 포함하는 것이 바람직하다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 0.1~1.0중량%의 란탄(La)을 포함하는 것이 바람직하다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 0.1~1.0중량%의 세륨(Ce)을 포함하는 것이 바람직하다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 0.1~1.0중량%의 스트론듐(Sr)을 포함하는 것이 바람직하다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 액상선 온도가 580-590℃이고, 고상선 온도가 475-485℃일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금 제조 방법이 제공된다. 알루미늄 합금 제조방법은 란탄(La), 및 스트론듐(Sr) 및 세륨(Ce)을 포함하는 모합금을 제조하는 단계, 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 잔량의 알루미늄(Al)를 도가니에서 용융하는 단계; 및 상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로, 0.01-2.0 중량%의 란탄(La), 0.01-2.0중량%의 세륨(Ce) 및 0.01-2.0 중량%의 스트론듐(Sr)를 포함하도록 상기 제조된 모합금을 상기 도가니에 추가하는 단계를 포함한다.
알루미늄 합금 제조방법은 상기 도가니에 플럭스를 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 모합금은 Al-Sr-La-Ce 사원계 모합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅 방법이 제공된다. 다이캐스팅 방법은, 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 0.01-2.0 중량%의 란탄(La), 0.01-2.0중량%의 세륨(Ce) 및 0.01-2.0 중량%의 스트론듐(Sr), 잔량의 알루미늄(Al); 및 불가피한 불순물을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 주괴를 용해로에 넣어 용융하는 단계와, 상기 용해로의 알루미늄 합금 용탕을 슬리브에 부은 후, 플런저에 의해 소정의 속도와 압력으로 금형 내로 밀어 넣는 단계를 포함한다.
상기 용탕의 온도는 660-710℃일 수 있다.
상기 소정의 속도는 0.10-0.25m/s 속도로 이동하다가 1.95-2.5m/s의 속도로 전환할 수 있다.
상기 전환 위치는 355-375mm일 수 있다.
상기 소정의 압력은 93-110kgf일 수 있다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금은 세탁기용 알루미늄 플랜지 샤프트를 제조할 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 내식성 증가로 부품의 적용 범위를 확대할 수 있고, 다이캐스팅 부품의 후공정(전착도장, 화성코팅)이 불필요하다.
또한, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 물리적 특성 향상으로 강도를 유지하면서도 경량화가 가능하다.
또한, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 용탕의 흐름성을 개선하고, 트랩성 기공의 감소 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 알루미늄 합금 샘플의 분극시험 결과를 나타내는 도이다.
도 2는 알루미늄 합금 샘플의 반침지 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 3은 알루미늄 합금 샘플의 프로히젼(Prohesion) 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 4는 알루미늄 합금 샘플의 수산화나트륨 부식 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 5는 세륨의 함량에 따른 알루미늄 합금 샘플의 부식 특성을 나타낸 도면이다.
도 6 은 알루미늄 합금 샘플의 항복강도를 나타낸 도이다.
도 7 은 알루미늄 합금 샘플의 인장강도를 나타낸 도이다.
도 8은 알루미늄 합금 샘플의 연신율을 나타낸 도이다.
도 9는 알루미늄 합금 샘플의 표면부와 중심부 부식 상태를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 11 및 12는 본 발명의 다이캐스팅 장치를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 다이캐스팅 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 알루미늄 합금 샘플의 용탕온도와 플런저 전환위치 사이의 관계를 나타내는 도이다.
도 15는 알루미늄 합금 샘플의 다이캐스팅 시에 플런저의 고속구간과 저속구간의 관계를 나타내는 도이다.
도 2는 알루미늄 합금 샘플의 반침지 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 3은 알루미늄 합금 샘플의 프로히젼(Prohesion) 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 4는 알루미늄 합금 샘플의 수산화나트륨 부식 시험 결과를 나타내는 도이다.
도 5는 세륨의 함량에 따른 알루미늄 합금 샘플의 부식 특성을 나타낸 도면이다.
도 6 은 알루미늄 합금 샘플의 항복강도를 나타낸 도이다.
도 7 은 알루미늄 합금 샘플의 인장강도를 나타낸 도이다.
도 8은 알루미늄 합금 샘플의 연신율을 나타낸 도이다.
도 9는 알루미늄 합금 샘플의 표면부와 중심부 부식 상태를 나타내는 도이다.
도 10은 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
도 11 및 12는 본 발명의 다이캐스팅 장치를 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 다이캐스팅 방법을 나타내는 순서도이다.
도 14는 알루미늄 합금 샘플의 용탕온도와 플런저 전환위치 사이의 관계를 나타내는 도이다.
도 15는 알루미늄 합금 샘플의 다이캐스팅 시에 플런저의 고속구간과 저속구간의 관계를 나타내는 도이다.
이하, 이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하도록 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 덧붙여, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 다이캐스팅 알루미늄 합금은 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 3-10 중량%의 규소(Si), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 0.01-2.0 중량%의 란탄(La), 0.01-2.0중량%의 세륨(Ce) 및 0.01-2.0 중량%의 스트론듐(Sr), 잔량의 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 합금에 포함되는 불가피한 불순물은 극미량, 예컨대 0.01 중량% 미만일 수 있다. 이와 같은 부수적인 불순물은 B, Sn, Pb, Ni, Cd, Ag, Zr, Ca, Mo, 다른 전이 금속 원소 등일 수 있으며 이에 제한되지 않는다. 부수적인 불순물은 캐스팅(casting)마다 다양하게 함유될 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 0.1 내지 2.0 중량%, 바람직하게는 0.8 내지 1.2중량%의 마그네슘(Mg)을 포함한다. 마그네슘 성분은 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라 규소(Si)보다 가벼워서 제품의 경량화에 유리한 장점이 있다. 마그네슘의 함량이 0.01중량% 미만이면 내식성, 경량화 효과를 얻을 수 없다. 마그네슘의 함량이 2.0 중량% 초과하면 규소와 결합하여 Mg2Si의 생성이 증가하여 인장강도가 떨어지고, 용탕의 달라붙는 성질의 증가로 유동성을 저하시켜 작업성이 저하되는 원인이 된다.
특히, 본 발명의 다이캐스팅용 마그네슘 합금은 내식성 및 작업성을 저하시키지 않으면서도 제품의 고강도화라는 목적을 달성할 수 있는 조성이라는 점에서 기술적 의미가 있다. 따라서, 본 발명의 다이캐스팅용 마그네슘 합금은 강도와 고내식성을 동시에 요구하는 가전 제품의 부품에 적용될 수 있다. 본 발명의 다이캐스팅용 마그네슘 합금은 예를 들면, 반복적으로 충격이 가해지고, 물 또는 습기와 접촉하는 세탁기의 드럼용 플랜지 샤프트(flange shaft)에 사용될 수 있다.
그리고, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 3 내지 10 중량%의 규소(Si)를 포함한다. 규소는 알루미늄 합금의 유동성을 향상시켜 성형성을 좋게 하고, 응고 수축율을 저하시켜 수축량을 감소시키며, 경도를 향상시키는 역할을 한다. 규소 함량이 3 중량% 미만이면 첨가의 효과가 미미하다. 규소 함량이 10 중량%를 초과하면 열팽창 계수 및 연신율이 저하되고 표면에 얼룩이 발생할 수 있다.
또한, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1.3 중량%의 철(Fe)을 포함한다. 철은 다이캐스팅용 금형에서의 점착성을 감소시켜 주조성을 좋게 하고 금형의 침식을 저하시키는 역할을 한다. 철의 함량이 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만이면 주조품의 탈형성이 어렵다. 반면에 철의 함량이 1.3 중량%를 초과하면 알루미늄, 규소와 결합하여 취약한 석출물을 생성시켜, 알루미늄 합금의 내식성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2.0 중량%의 아연(Zn)을 포함한다. 아연은 합금에서 강도 및 주조성을 향상시키는 효과가 있다. 아연 함량이 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만이면 상기 기계적 성질, 즉 강도 및 주조성을 향상시키는 효과를 얻을 없다. 반면에, 아연 함량이 2.0 중량%를 초과하면 합금의 밀도를 감소시켜 균열을 유발할 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 0.5 중량%의 망간(Mn)을 포함한다. 망간은 합금에서 Mn-Al6상을 석출시켜 고용강화현상과 미세석출물의 분산을 통해 합금의 기계적 성질을 향상시키는 역할을 한다. 망간 함량이 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만이면 상기 기계적 성질의 향상 효과를 얻을 수 없다. 반면에, 망간 함량이 0.5 중량%를 초과하면, 점착성으로 인해 마그네슘과 더불어 작업성을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 1.5 중량%의 구리(Cu)를 포함한다. 구리는 합금에서 강도 및 경도를 향상시키는 역할을 한다. 구리 함량이 합금 총 중량을 기준으로 0.01 중량% 미만이면 기계적 성질의 향상 효과를 얻을 수 없다. 반면에, 1.5 중량%를 초과하면, 내식성 및 연신율을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 0.5 중량%의 크롬(Cr)을 포함한다. 크롬은 알루미늄 합금에 첨가되어 결정립 성장을 억제하여 응력부식과 균열을 방지하는 역할을 한다. 크롬 함량이 0.01 중량% 미만이면 응력부식과 균열 방지 효과를 얻을 수 없다. 크롬 함량이 0.5 중량%를 초과하면, 크롬산 석출에 따라 내식성이 저하된다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 희토류 원소로서, 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2.0 중량%, 바람직하게 0.01 내지 0.5 중량%의 란탄(La)을 포함한다. 란탄은 알루미늄 합금에 첨가되어 알루미늄 합금의 유동성을 향상시켜 성형성을 좋게 하고 용융된 합금이 금형에 용착되는 특성을 개선하며, 내식성을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다. 구체적으로는, 란탄은 Cu, Fe와 같은 합금 원소와 금속간 화합물을 형성하여 알루미늄 매트릭스 내에서 미세 결정상을 안정화시키는 효과가 있다. 한편, 란탄 함량이 0.01 중량% 미만이면 유동성 향상, 내식성 향상 효과를 얻을 수 없다. 란탄 함량이 2.0중량%를 초과하면, 합금표면에서의 기포 발생의 원인이 된다.
또한, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 희토류 원소로서 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2.0 중량%, 바람직하게 0.01 내지 0.5 중량%의 세륨(Ce)을 포함한다. 세륨은 알루미늄 합금에 첨가되어 알루미늄 합금의 내식성을 좋게 한다. 구체적으로는, 세륨은 Cu, Fe와 같은 합금 원소와 금속간 화합물을 형성하여 알루미늄 매트릭스 내에서 미세 결정상을 안정화시키는 효과가 있다. 한편, 세륨 함량이 0.01 중량% 미만이면 내식성 향상 효과를 얻을 수 없다. 세륨 함량이 2.0중량%를 초과하면, 합금표면에서의 산화에 의한 기포 발생의 원인이 된다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 전체 합금의 총 중량을 기준으로 0.01 내지 2.0 중량%, 바람직하게 0.05 내지 1.0 중량%, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 0.5중량%의 스트론듐(Sr)을 포함한다. 스트론듐은 다이캐스팅 과정에서 공기 유입으로 인해 발생되는 기공을 감소시켜, 합금의 강도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있으며, 스트론듐 함량이 0.01 중량% 미만이면, 상기 기계적 성질의 향상 효과를 얻을 수 없다. 반면에, 스트론듐 함량이 2.0 중량%를 초과하면 기공의 분포는 감소하나, 기공의 크기가 증가하는 문제가 있다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 총 중량을 기준으로 전술한 마그네슘, 규소, 철, 아연, 구리, 망간, 크롬, 란탄, 세륨, 스트론듐의 함량이 결정되면 잔량의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함한다.
전술한 알루미늄, 규소, 철, 구리 및 크롬 등 각 성분은 순도가 99%인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 비해 강도 향상을 위해 Mg(마그네슘)의 함량을 적게 첨가하였음에도 불구하고 내식성이 향상되는 효과가 있다. 그리고, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 금형에 용착되지 않아 작업이 용이하고, 금형의 수명을 증가시킬 수 있으며, 다이캐스팅 과정에서 발생되는 기공이 감소되어 강도, 내력 및 충격치 등의 기계적 특성이 향상된다. 이에 따라, 종래 알루미늄 합금의 가공 시 발생되었던 칩 말림으로 인한 가공시간 증가 및 가공 공구 손상의 문제점을 해결할 수 있다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금의 물성시험
물성시험을 위해, 마그네슘, 규소, 철, 아연, 구리, 망간, 크롬, 란탄, 세륨, 스트론튬 및 알루미늄을 아래 표 1과 같은 조성을 갖는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 제조하였고, 비교를 위한 종래의 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 준비하였다.
| 합금(wt%) | Mg | Si | Fe | Zn | Cu | Mn | Cr | La | Ce | Sr | Al |
| 비교예 | 6.0 | 6.5 | 0.8 | 0.8 | 1.0 | 0.1 | - | 0.3 | - | 0.15 | 잔량 |
| 실시예 | 1.0 | 6.5 | 0.65 | 1.0 | 0.75 | 0.25 | 0.25 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 잔량 |
표 1에 따른 조성으로 제조한 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금 및 비교예의 종래 알루미늄 합금을 용해하여 600 내지 700℃로 유지한 후, 공지의 방법에 따라 금형에 투입, 사출 및 냉각하여 시험편을 각각 제조하였다.도 1 내지 도 4는 실시예와 비교예에 대한 각각 분극시험, 반침지시험, 프로히젼(Prohesion) 싸이클 시험, 수산화나트륨 용액 평가 결과를 나타낸 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 30분간 분극시험을 수행한 결과, 본 발명의 실시예는 비교예에 비해 부식속도가 63㎛/year 에서 0.76㎛/year로 감소하였다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 50℃, 5% 염화나트륨(NaCl) 용액에 96시간 반침지 시험을 수행한 결과, 피팅(Pitting) 깊이가 20㎛에서 1㎛로 감소하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 0.05% 염화나트륨(NaCl) 및 0.35% 황산암모늄((NH4)2SO4) 용액에 1000시간 Prohesion cycle 시험을 수행한 결과, 본 발명의 실시예는 비교예에 비해 피팅(Pitting) 깊이가 335㎛에서 75㎛로 감소하였다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 수산화나트륨(pH10-11)용액에 1000 싸이클 부식 시험을 수행한 결과, 본 발명의 실시예는 비교예에 비해 피팅(Pitting) 깊이가 50㎛에서 20㎛로 감소하였다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금(실시예)은 종래의 알루미늄 합금(비교예)보다 부식속도가 감소하였으며, 피팅(Pitting) 부식 깊이도 크게 감소하였다.
도 5는 다이캐스팅용 알루미늄 합금을 반침지 시험으로 세륨 첨가에 따른 부식특성을 측정한 도면이다. 부식 측정은 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 세륨을 제외한 비교예 샘플과 0.1중량%를 첨가한 실시예 샘플에 대해 수행하였다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 세륨을 첨가하지 않은 비교예 샘플은 반침지부에서 20㎛의 부식 깊이를 나타냈고 표면 결함에 의한 입계부식(intergranular corrosion)이 진행되었다. 반면에, 세륨을 0.1중량%를 첨가한 실시예 샘플은 반침지부에서 부식발생이 없고, 침지부 및 공기 노출부에서도 부식이 진행되지 않았다.
다이캐스팅용 알루미늄 합금의 기계적 특성 시험
표 1에 나타낸 본 발명의 알루미늄 합금에서 마그네슘 함량(0.1중량%-2.0중량%)의 실시예 샘플(1-7), 한국공개공보 10-2018-0035390호에 개시된 알루미늄 합금(Mg 3중량%, 4중량%, 5중량%)의 비교예 샘플 (1-3)과 종래 ADC12 합금의 비교예 샘플4에 대해 항복강도(N/mm2), 인장강도(N/mm2), 연신율(%)을 측정하였다.
종래의 ADC12 합금 비교예 샘플4의 조성비(wt%)는 아래의 표 2와 같다.
| 구분 | Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Sr | La | Ce | Zn |
| ADC12 | 9.63-12.0 | ~1.3 | ~0.6 | ~0.3 | 0.4-0.6 | - | - | - | ~0.5 |
실시예 및 비교예 샘플들에 대한 항복강도(N/mm2), 인장강도(N/mm2), 연신율(%)은 다음 표 3에 나타낸 바와 같다.
| 구분 | 항복강도[N/㎟] | 인장강도[N/㎟] | 연신율[%} |
| 실시예1(0.1wt% Mg) | 95 | 251 | 20.1 |
| 실시예2(0.3wt% Mg) | 111 | 261 | 18.4 |
| 실시예3(0.5wt% Mg) | 132 | 270 | 15.0 |
| 실시예4(0.8wt% Mg) | 157 | 280 | 10.5 |
| 실시예5(1.0wt% Mg) | 170 | 285 | 8.0 |
| 실시예6(1.2wt% Mg) | 188 | 290 | 7.5 |
| 실시예7(2.0wt% Mg) | 187 | 298 | 6.1 |
| 비교예1(3.0wt% Mg) | 210 | 245 | 1.7 |
| 비교예2(4.0wt% Mg) | 220 | 235 | 0.2 |
| 비교예3(5.0wt% Mg) | 153 | 153 | 0.0 |
| 비교예4(ADC12) | 150 | 285 | 6.5 |
도 6 내지 8은 본 발명의 알루미늄 합금의 실시예 샘플5(Mg 1중량%), 비교예 샘플1(Mg 3중량%) 및 비교예 샘플4(ADC12)에 대한 항복강도(N/mm2), 인장강도(N/mm2), 연신율(%)을 각각 나타낸 그래프이다.도시된 바와 같이, Mg 1중량% 실시예 샘플5는 비교예 샘플4(ADC12) 대비 항복강도 13% 증가, 인장강도 동등수준, 연신율 23% 증가하였다. 또한, Mg 1중량% 실시예 샘플5는 비교예 샘플1(Mg 3중량%) 대비 항복강도 20% 감소, 인장강도 16% 증가, 연신율 470% 증가하였다.
도 9는 본 발명의 실시예 샘플5(Mg 1중량%), 비교예 샘플1(Mg 3중량%) 및 비교예 샘플4(ADC12)의 표면부와 중심부의 상태를 나타낸 도면이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예 샘플5(Mg 1중량%)는 중심부와 표면부에 기공 분포도가 낮고 초정상의 크기가 10㎛ 미만으로 나타났다. 반면에, 비교예 샘플4(ADC12)는 표면부에 초정상이 발달하여 중심부에 구형상으로 초정상의 크기가 30㎛로 성장하였고, 10-50㎛의 기공이 다수 분포하였다. 또한, 비교예 샘플1(Mg 3중량%)은 표면부에 미세 기공이 분포되고, 중심부에 초정상의 크기가 50㎛까지 성장하였다. 비교예 샘플1(Mg 3중량%)은 합금 시에 Mg2Si 발달로 인해 내식성이 저하됨을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조방법을 나타내는 순서도이다.
우선, 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 포함하는 모합금을 제조한다(S12). 구체적으로, 알루미늄(Al)에 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 조성에 맞게 투입하고 600 내지 700℃로 함께 용융하여 Al-La-Ce-Sr 사원계 모합금을 제조할 수 있다. 이때, 스트론듐(Sr)을 제외하고 Al-Ce-La 삼원계 모합금으로 제조할 수도 있다.
그 다음, 본 발명의 알루미늄 합금에서 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 제외한 성분들을 조성에 맞게 도가니에 투입한 후 600 내지 700℃로 용융할 수 있다(S14). 구체적으로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로, 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 잔량의 알루미늄(Al)를 도가니에 투입하여 용융한다.
이때, 도가니는 흑연 도가니일 수 있다. 한편, 용융이 완료된 후 플럭스를 투입하여 용탕 표면에 산화방지막을 형성하는 과정이 더 수행될 수 있다.
그 다음, 제조된 모합금을 조성에 맞게 용탕에 투입하여 함께 용융할 수 있다(S16). 구체적으로, 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로, 중량 퍼센트로, 란탄(La) 0.01-2.0 중량%, 스트론듐(Sr) 0.01-2.0중량% 및 세륨(Ce) 0.01-2.0 중량%를 포함하도록 상기 모합금을 상기 도가니에 투입한다. 이때, 용탕에 모합금을 투입한 후 600 내지 700℃로 30 내지 60분 동안 가열하여 투입된 모합금을 완전히 용해할 수 있다.
이와 같이, 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 포함하는 모합금을 이용하여 알루미늄 합금을 제조함으로써, 성분의 손실 없이 보다 안정적으로 합금 제조가 가능하게 된다.
한편, 이상에서는 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 포함하는 모합금을 제조한 후 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 제외한 알루미늄 합금을 용융하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 제외한 알루미늄 합금을 용융한 후 란탄(La), 세륨(Ce) 및 스트론듐(Sr)을 포함하는 모합금을 제조하거나, 동시에 각각 수행될 수도 있다.
이상에 기재한 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 유동성이 좋아 주조가 쉽고 금형 표면에 용착이 적으며, 기계적 특성 및 내식성이 향상되는 장점을 가진다.
도 11 및 12는 다이캐스팅 장치(1)를 나타내는 개략도이다. 다이캐스팅 장치(1)는 상금형(12)과 하금형(14)으로 구성된 금형(10), 금형(10)에 투입하는 용탕(LA)을 수용하는 슬리브(20), 슬리브(20)의 용탕을 금형에 밀어 넣는 플런저(30)를 포함한다. 상금형(12)과 하금형(14)의 사이에는 주조하고자 하는 물품의 형상에 해당하는, 즉 용탕이 주입되는 공간(16)이 마련되어 있다.
다이캐스팅 시에 플런저(30)는 슬리브(20) 내에서 소정의 속도와 압력으로 용탕(LA)을 밀어 넣는다. 이때, 플런저(30)의 속도는 초기에 저속으로 이동하다가 전환위치(SW)에서 고속이동으로 전환한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 다이캐스팅 방법을 나타내는 순서도이다.
먼저, 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금, 구체적으로는 3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 0.01~2.0 중량%의 란탄(La), 0.01~2.0 중량%의 세륨(Ce), 0.01~2.0 중량%의 스트론듐(Sr), 잔량의 알루미늄(Al); 및 불가피한 불순물을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 주괴를 용해로(미도시)에 넣어 용융한다(S22). 본 발명의 다이캐스팅용 알루미늄 합금은 액상선 온도가 585.8 [℃]이고, 고상선 온도가 479.8 [℃]이다. 용탕 온도는 알루미늄 합금의 액상선 온도(585.8℃) 및 고상선 온도(479.8℃)를 고려하여 660-710℃로 설정한다. 본 발명의 액상선 온도가 종래의 알루미늄 합금의 액상선 온도 577.9℃보다 높기 때문에 용탕온도는 종래의 용탕온도보다 높게 설정하였다.
다음에, 용해로의 알루미늄 합금 용탕(LA)을 슬리브(20)에 부은 후, 플런저(30)에 의해 소정의 속도와 압력으로 금형(10) 내로 밀어 넣는다(S24).
도 14는 용탕온도와 플런저(30) 전환위치의 상관관계를 나타내는 도면이고, 도 15는 플런저의 고속속도와 저속속도의 상관관계를 나타내는 도면이다. 도시한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄합금은 용탕온도가 종래의 알루미늄 합금보다 높기 때문에 전환위치를 감소시킬 수 있다.
플런저(30)의 속도 전환위치(SW)는 355~375mm로 종래 알루미늄 합금을 사용할 때의 전환위치(377.5mm)보다 감소하였다. 이러한 전환위치의 감소는 고속구간의 증가 및 저속구간의 감소를 의미한다.
또한, 도 15에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금을 이용한 다이캐스팅 실시예는 0.10-0.25m/s의 저속구간 속도와 1.95-2.5m/s의 고속구간 속도를 나타낸다. 또한, 종래의 알루미늄 합금(ALDC12)을 이용한 다이캐스팅 비교예는 0.20m/s 저속구간 속도와 1.8-2.0m/s의 고속구간 속도를 나타낸다. 이와 같은 고속구간의 속도증가는 용탕의 흐름성을 개선하고, 저속구간의 속도감소는 트랩성 기공의 감소 효과를 얻을 수 있다.
마지막으로, 금형(10)에 투입된 용탕을 냉각하여 제품을 생성한다(S26).
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.
1: 다이캐스팅 장치
10: 금형
20: 슬리브
30: 플런저
10: 금형
20: 슬리브
30: 플런저
Claims (15)
- 다이캐스팅용 알루미늄 합금에 있어서,
3-10 중량%의 규소(Si);
0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg);
0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe);
0.01-2.0 중량%의 아연(Zn);
0.01-1.5 중량%의 구리(Cu);
0.01-0.5 중량%의 망간(Mn);
0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr);
0.01~2.0 중량%의 란탄(La);
0.01~2.0 중량%의 세륨(Ce);
0.01~2.0 중량%의 스트론듐(Sr);
잔량의 알루미늄(Al); 및
0.01 중량% 이하의 불가피한 불순물로 구성된 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제 1항에 있어서,
0.8~1.2 중량%의 마그네슘(Mg)을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제 1항에 있어서,
0.1~1.0 중량%의 란탄(La)을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제 1항에 있어서,
0.1~1.0 중량%의 세륨(Ce)를 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제 1항에 있어서,
0.1~1.0 중량%의 스트론듐(Sr)를 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제 1항에 있어서,
액상선 온도가 580-590℃이고, 고상선 온도가 475-485℃인 다이캐스팅용 알루미늄 합금. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 제조 방법에 있어서,
란탄(La), 및 스트론듐(Sr) 및 세륨(Ce)을 포함하는 모합금을 제조하는 단계;
3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 잔량의 알루미늄(Al)를 도가니에서 용융하는 단계; 및
상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 총 중량을 기준으로, 중량 퍼센트로, 란탄(La) 0.01-2.0 중량%, 스트론듐(Sr) 0.01-2.0중량% 및 세륨(Ce) 0.01-2.0 중량%를 포함하도록 상기 모합금을 상기 도가니에 추가하는 단계를 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 도가니에 플럭스를 추가하는 단계를 더 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 제조방법. - 제7에 있어서,
상기 모합금은 Al-Sr-La-Ce 사원계 모합금을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 제조방법. - 다이캐스팅 방법에 있어서,
3-10 중량%의 규소(Si), 0.1-2.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.01 - 1.3 중량%의 철(Fe), 0.01-2.0 중량%의 아연(Zn), 0.01-1.5 중량%의 구리(Cu), 0.01-0.5 중량%의 망간(Mn), 0.01-0.5 중량%의 크롬(Cr), 0.01~2.0 중량%의 란탄(La), 0.01~2.0 중량%의 세륨(Ce), 0.01~2.0 중량%의 스트론듐(Sr), 잔량의 알루미늄(Al); 및 0.01 중량% 이하의 불가피한 불순물로 구성된 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 주괴를 용해로에 넣어 용융하는 단계와;
상기 용해로의 알루미늄 합금 용탕을 슬리브에 부은 후, 플런저에 의해 소정의 속도와 압력으로 금형 내로 밀어 넣는 단계를 포함하는 다이캐스팅 방법. - 제10항에 있어서,
상기 용탕의 온도는 660-710℃인 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 방법. - 제10항에 있어서,
상기 소정의 속도는 0.10-0.25m/s 속도에서 1.95-2.5m/s의 속도로 전환하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 방법. - 제12항에 있어서,
상기 소정의 속도의 전환 위치는 상기 슬리브의 주입구를 기준으로 355-375mm 거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅 방법. - 제10항에 있어서,
상기 소정의 압력은 93-110kgf인 특징으로 하는 다이캐스팅 방법. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금으로 제조되는 세탁기용 알루미늄 플랜지 샤프트.
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