KR20140148489A

KR20140148489A - 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20140148489A
Application number: KR1020147031983A
Authority: KR
Inventors: 슈투아르트 비스너; 라이프 슈페커트
Original assignee: 게오르크 피셔 드루크구쓰 게엠베하 운트 콤파니 카게; 게오르크 피셔 게엠베하 운트 콤파니 카게
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2013-04-03
Publication date: 2014-12-31
Also published as: EP2653579A1; US20150071815A1; CN104471090B; JP6376665B2; JP2015514871A; CN104471090A; EP2653579B1; US9663845B2; WO2013156301A1

Abstract

열처리 후의 파단 연신율 A > 6% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 200　MPa, 또는 주조 (cast) 상태에서의 높은 파단 연신율 A > 9% 또는 T6 열처리 후의 파단 연신율 > 10% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 120　MPa 로 증가된 강도를 갖는 구성부품을 위한, 특히 자동차의 구조적 및 섀시 부품을 위한 알루미늄 합금으로서, 9 내지 11.5 중량% 의 규소, 0.5 내지 0.8 중량% 의 망간, 0.2 내지 1.0 중량% 의 마그네슘, 0.1 내지 1.0 중량% 의 구리, 0.2 내지 1.5 중량% 의 아연, 0.05 내지 0.4 중량% 의 지르코늄, 0.01 내지 0.4 중량% 의 Cr, 0.2 중량% 이하의 철, 0.15 중량% 이하의 티타늄, 0.01 내지 0.02 중량% 의 스트론튬 및 잔부로서 총 0.5 중량% 이하의 알루미늄과 생산-관련 불순물을 함유하는 알루미늄 합금.

Description

알루미늄 합금{ALUMINIUM ALLOY}

본 발명은, 열처리 후의 파단 연신율 A > 6% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 200　MPa, 또는 주조 (cast) 상태에서의 높은 파단 연신율 A > 9% 또는 T6 열처리 후의 파단 연신율 > 10% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 120　MPa 로 증가된 강도를 갖는 구성부품을 위한, 특히 자동차의 구조 부품 및 섀시 부품을 위한 알루미늄 합금에 관한 것이다.

양호한 유동 및 몰드-충전 성질 및 응고 특성은 압력 주조 공정에 의해 생산되는 구조적 구성부품의 경우에, 특히 얇은 벽의 구성부품의 경우에 그리고 또한 압력 주조 공정이 섀시 부품을 위해 이용되는 때에 중요하다. 얇은 벽의 구조적 구성부품은, 더 적은 재료 사용의 결과로서 동일한 구성부품 기능에 대해 중량 이점을 제공하고 결국 작동 비용을 줄이고 환경 오염을 감소시키므로, 자동차 산업에서 특히 관심을 받고 있다.

압력 주조 기술이 더욱 발전함에 의해, 이제 높은 강도와 높은 연신율을 갖는 복잡한 구성부품을 생산할 수 있다. 칠 주조 (chill casting) 와 같은 다른 주조 공정에 의해 섀시 부품이 많은 곳에서 제조되고 있다. 그 이유는, 압력 주조 공정에서는, 신뢰할 수 있는 작동을 보장하기 위해, 요구되는 강도가 획득될 수 없거나 또는 만족스러운 연신율레서 획득될 수 없기 때문이다.

요구되는 기계적 성질, 특히 높은 연성을 획득하기 위해, AlSi10MnMg 타입의 압력 주조 합금으로 이루어진 구조적 및 섀시 부품의 경우에, 예컨대 T6 (용체화처리, 퀀칭 및 고온 시효) 또는 T7 (용체화처리, 퀀칭 및 과시효) 에 따라, 보통 열처리가 행해진다. 이는 강도 및 파단 연신율에 대한 더 요구되는 요건을 만족시키는 임의의 구성성분의 주조 미세조직으로 변화시킨다. 주조 상태에서의 이러한 타입의 합금은 4 - 5% 파단 연신율에서 약 110 MPa 의 항복점 Rp_0.2 을 갖지만, T6 열처리에 의해 7 % 이상의 연신율에서 150 MPa 초과의 증가가 획득될 수 있다. 이는 합금 원소 Mg 및 Si 가 참여하는 석출 경화의 강화 효과에 기초한다. 그리고, Si 공융물 (eutectic) 의 응집 (coalescence) 이 연성을 증가시킨다. 그러한 열처리는 예컨대 다음과 같이 행해진다: 450 내지 535℃ 의 온도 범위에서의 용체화처리 다음에, 약 100℃ 미만의 온도로 물 또는 공기 중에서의 퀀칭이 후속한다. 용체화처리의 결과로서, 합금 원소들은 확산 과정으로 인해 균질하게 미세 분포되고 퀀칭에 의해 α-Al 내에 제약된다. 그리고, Si 공융물은 구상화된다. 합금은 이제 높은 연성을 갖지만, 단지 낮은 강도를 갖는다. 150 - 250℃ 에서의 후속하는 고온 시효의 결과로서, 균일하게 분포된 미세 Mg₂Si 석출물이 형성되고, 이는 재료의 강도를 증가시킨다. T6 열처리의 온도 프로파일에 따라, 기계적 성질이 강도 또는 파단 연신율의 측면에서 최적화될 수 있고, 이로써 하나의 합금으로부터 매우 다양한 성질과 제품 폴리오가 획득될 수 있다. 생산 비용을 감소시키기 위해, T5 열처리, 즉 사전 용체화 처리없는 150 - 250℃ 에서의 고온 시효가 또한 충분할 수 있다. 여기서도, 강도 증가는 Mg₂Si 석출물의 형성에 기인하지만, 주조 툴로부터 취해지는 구성성분의 퀀칭 효과가 덜 현저하므로 정도가 덜하고, α-Al 에 강제로 용해되는 마그네슘의 비율이 또한 감소한다.

하나의 단점은, AlSi10MnMg 타입의 통상적인 압력 주조 합금의 경우, 합금 조성 때문에, 경화 포텐셜에 대해 그리고 일정한 연신율에서의 강도 증가에 대해 제한이 있다는 것이다.

항복점 Rp_0.2 에 대해 600 MPa 까지의 훨씬 더 높은 강도는 기계적으로 합금화된 AlZnMg 와 AlMgCu 합금에 의해 더 큰 경화 포텐셜 때문에 달성된다. 이런 타입의 합금에서, 강화 효과는 합금 원소 Mg, Cu 및 Zn 의 석출 경화에 기초한다 (W.　Hufnagel 등, "Aluminium-Taschenbuch 14th editon", Aluminium-Verlag 뒤셀도르프, 1988, p.46ff). 그러나, 이 합금은, 고온 크랙에의 민감도 및 주조 몰드에서의 들러붙는 경향으로 인해, 압력 주조에 적합하지 않다.

압력 주조 공정에 의해 생산되는 구조적 또는 섀시 부품의 다른 요구로서, 강도 및 연신율의 측면에서 요구되는 요건 외에, 내식성, 용접 적합성 및 주조 몰드의 수명을 언급할 수 있다. 다른 요건은 차량 보디의 문제없는 조립을 보장하기 위해 열처리 후의 구성성분의 치수 안정성이다.

복잡한 용체화처리는, 열처리 자체에 대한 추가적인 경제적 비용 외에도, 급격한 퀀칭의 결과로서 구성성분이 비틀리는 경향이 있으며, 이는 추가 기계가공 작업 및 증가된 불량 비율로 이어질 수 있다는 단점을 갖는다.

본 발명의 목적은, 높은 연신율과 조합된 증가된 강도로 인해, 압력 주조 공정으로 구조적 및 섀시 구성성분을 만들 수 있게 하는 알루미늄 압력 주조 합금을 제공하는 것이다. 이는 바람직하게는, 요구되는 기계적 요건 (예컨대, 항복점 Rp_0.2 > 200　MPa 및 파단 연신율 > 6%) 및 구성성분의 기하학적 형상으로 인해, 압력 주조 공정 이외의 공정에 의해 생산되는 경향이 있는 섀시 부품을 포함한다. 그리고, 본 발명의 목적은 양호한 주조성 및 몰드 충전을 보장하는 것이다. 더욱이, 합금은 매우 많은 접합 기술을 허용해야 하고, 높은 치수 안정성 및 양호한 내식성을 가져야 한다.

상기 목적은, 9 내지 11.5 중량% 의 규소, 0.5 내지 0.8 중량% 의 망간, 0.2 내지 1.0 중량% 의 마그네슘, 0.1 내지 1.0 중량% 의 구리, 0.2 내지 1.5 중량% 의 아연, 0.05 내지 0.4 중량% 의 지르코늄, 0.01 내지 0.4 중량% 의 Cr, 0.2 중량% 이하의 철, 0.15 중량% 이하의 티타늄, 0.01 내지 0.02 중량% 의 스트론튬 및 잔부로서 총 0.5 중량% 이하의 알루미늄과 생산-관련 불순물로 이루어진 알루미늄 합금에 의해 달성되고, 상기한 것처럼 이루어진 결과, 주조 상태에서 그리고 열처리 후에, 예컨대 T5, T6, T7 열처리 또는 다른 공지의 열처리 후에, 높은 연신율과 조합된 증가된 강도가 보장된다. 추가 공정 단계, 예컨대 표면 코팅 작업에서, 구성성분에 고온 시효가 또한 행해질 수 있다.

강도와 연신율에 대한 것을 포함하는 요구되는 성질의 획득은 합금 선택에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. 여기서, 증가된 강도라는 목적으로 본 발명에 따른 합금 조성은 파단 연신율 A > 10% 및 항복점 Rp_0.2 > 200　MPa 을 위한 타겟 코리더 (target corridor) 를 갖는다.

본 발명에 따르면, 합금은 높은 경화 포텐셜을 갖고, 이 경화 포텐셜은 150 내지 250℃ 의 온도에서 고온 시효에서 활용된다. 개발의 결과로서, 소량의 구리 또는 아연의 첨가에 의해, 만족스러운 내식성과 조합된 연신율의 감소없이 중요한 강도-증가 효과가 획득된다는 것이 밝혀졌다. 원하는 효과는 0.1 내지 1.0 중량% 의 구리, 바람직하게는 0.15 내지 0.5 중량% 의 구리 (더 바람직하게는 0.3 내지 0.5 중량% 의구리) 및 0.2 내지 1.5 중량% 의 아연, 바람직하게는 0.4 내지 1.5 중량% 의 아연의 첨가에 의해 획득된다. 아연의 첨가는 주조 거동 및 몰드 충전을 또한 향상시킨다.

상기한 비율 내에서 유리한 비로 구리와 아연을 조합 첨가하면, 만족스러운 내식성과 함께 강도를 더 증가시킬 수 있다.

합금 내에서의 규소의 비율은 9 내지 11.5 중량% 이다. 규소의 합금화는 응고시에 수축을 감소시켜서, 양호한 주조 거동 및 양호한 주형 충전을 돕는다.

0.2 내지 1.0 중량% 의 마그네슘, 바람직하게는 0.2 내지 0.8 중량% 의 마그네슘의 첨가는 전술한 석출 경화에 의해 야기되는 강도-증가 효과가 있다. 그리고, 구리와 아연에 대한 유리한 비의 첨가는 본 발명의 알루미늄 압력 주조 합금의 부식에 대한 민감도를 감소시킨다.

지르코늄의 첨가는, 결과적으로 더 미세한 공융 미세조직이 존재하므로, 강도 감소의 동반 없이 연신율을 증가시킨다. 본 발명의 압력 주조 합금의 지르코늄 함량은 0.05 내지 0.4 중량% 이다.

스트론튬의 첨가에 의해, 조대한 (coarse) 침상 AlSi 공융물의 형성이 회피된다. 0.01 내지 0.02 중량% 의 스트론튬의 첨가는, 미세하고 더 층상 (lamellar) 인 조직을 형성하도록 공융물을 개질시키고, 업그레이딩 및 오버업그레이딩을 절대 회피하지 않게 하는데 또한 기여한다.

크롬의 첨가는 기계적 성질을 더 증가시키고; 크롬의 함량은 0.01 내지 0.4 중량% 이고, 바람직하게는 0.01 내지 0.3 중량% 이다.

망간과 철의 조합 함량은 주조 몰드의 수명 및 이형성 (demouldability) 에 크게 영향을 미친다. 0.2 중량% 이하의 철 및 0.5 내지 0.8 중량% 의 망간 함량의 첨가에 의해, 원하는 효과가 달성된다. 미세조직에서의 침상 AlFeSi 상의 형성에 의한 재료의 취화를 회피하기 위해 철 함량을 낮게 유지하는 것이 유리하다. 망간의 동시 첨가는 주조 몰드에의 낮은-철 멜트에 의한 과잉 공격에 대응하고, 들러붙는 경향을 낮춤으로써, 이형성을 향상시키고 따라서 치수 안정성을 향상시킨다. 그렇지만, 철, 망간 및 크롬이 동시 첨가의 경우에는, 중력 침전물이 유동성 및 들러붙는 경향 모두에 악영향을 미치므로, 중력 침전물을 회피하기 위해, 유리한 비를 설정하는 것이 필요하다.

티타늄의 첨가는, 알루미늄 덴드라이트의 형성 동안에 핵을 제공함으로써, α-Al 그레인 크기를 감소시킨다. 티타늄 함량은 0.15 중량% 이하이다.

신규한 알루미늄 합금의 다른 이점 및 특징은 이하의 예에서 드러나지만, 본 발명은 단지 이 예로만 국한되지 않는다.

하기의 표 1 과 같은 합금 조성을 갖는 2 개의 알루미늄 합금에서 압력 주조 공정으로, 2 개의 구형 검체 및 압력-주조된 구성성분 형태의 다수의 검체 구성성분을 제조하였다.

	합금 1	합금 2
Si (중량%)	10.8	11.4
Fe (중량%)	0.15	0.16
Mn (중량%)	0.56	0.57
Cu (중량%)	0.3	0.38
Zn (중량%)	0.56	0.25
Mg (중량%)	0.49	0.58
Ti (중량%)	0.13	0.08
Cr (중량%)	0.01	0.05
Sr (중량%)	0.017	0.017
Zr (중량%)	0.1	0.07

압력 주조 후에, 2 개의 상이한 T6 열처리를 행하였고, 압력-주조된 구성성분으로부터 인장 검체를 취하였다. 이러한 열처리 후의 그리고 주조된 상태의 기계적 성질에 대한 측정된 값을 하기의 표 2 에 나타낸다.

	Rp_0.2 [MPa]	R_m [MPa]	A [%]
주조된 상태의 합금 1	138	300	9.2
T6 합금 1	273	366	9.1
개질된 T6 합금 1	146	241	12.8
주조된 상태의 합금 2	142	300	9.0
T6 합금 2	280	371	9.4
개질된 T6 합금 2	143	242	12.1

상기 표로부터, 합금 1 및 합금 2 로 이루어진 검체가 열처리의 실행에 따라 상기 열처리 후에 12% 초과의 증가된 파단 연신율에서 항복점 Rp_0.2 > 140　MPa 을 갖거나 또는 A > 9% 의 높은 파단 연신율과 조합된 항복점 Rp_0.2 > 270　MPa 을 갖는다는 것을 알 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 알루미늄 합금이 열처리 후 각 경우에, 압력 주조 공정에 의한 자동차의 충돌- 및 강도-관련 섀시 및 구조적 부품의 생산에 특히 적합하다는 것이 명백하다. 6% 초과의 파단 연신율과 조합된 200　MPa 초과의 항복점 Rp_0.2 가 압력 주조 공정에 의해 자동차의 섀시 구성성분의 생산에서 획득되어야 한다. 상기한 알루미늄 합금은, 동일한 높은 연신율을 유지하면서 본 발명에 따른 강도 증가 때문에, 그러한 부품을 위해 관례적으로 이용되는 칠 주조 및 샌드 주조와 같은 다른 공정 대신에 압력 주조 공정에 의해 그러한 섀시 구성성분을 생산하는 것을 가능하게 한다.

상기 표로부터 유사하게 알 수 있는 것처럼, 특히 에너지의 높은 흡수 및 변형성을 보장하기 위해, 10% 초과의 파단 연신율과 조합된 120 MPa 초과의 항복점 Rp_0.2 가 달성되므로, 본 발명의 알루미늄 합금은 주조 압력 공정에 의해 자동차의 충돌- 및 강도-관련 구조적 및 섀시 구성성분을 생산하기에 또한 적합하다. 알루미늄 합금은 유사하게, 9% 초과의 파단율과 함께 주조 상태에서 요구되는 요구되는 강도 성질을 획득한다.

추가 연구가 그러한 합금의 양호한 내식성 및 용접성을 또한 보여주었다.

본 발명의 알루미늄 합금은 자동차의 강도- 및 충돌-관련 구성성분을 생산하기에 특히 적합하다.

Claims

열처리 후의 파단 연신율 A > 6% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 200　MPa, 또는 주조 (cast) 상태에서의 높은 파단 연신율 A > 9% 또는 T6 열처리 후의 파단 연신율 > 10% 과 동시에 항복점 Rp_0.2 > 120　MPa 로 증가된 강도를 갖는 구성부품을 위한, 특히 자동차의 구조적 및 섀시 부품을 위한 알루미늄 합금으로서,
9 내지 11.5 중량% 의 규소, 0.5 내지 0.8 중량% 의 망간, 0.2 내지 1.0 중량% 의 마그네슘, 0.1 내지 1.0 중량% 의 구리, 0.2 내지 1.5 중량% 의 아연, 0.05 내지 0.4 중량% 의 지르코늄, 0.01 내지 0.4 중량% 의 Cr, 0.2 중량% 이하의 철, 0.15 중량% 이하의 티타늄, 0.01 내지 0.02 중량% 의 스트론튬 및 잔부로서 총 0.5 중량% 이하의 알루미늄과 생산-관련 불순물을 함유하는 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 0.4 내지 1.5중량% 의 아연을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 0.15 내지 0.5 중량% 의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 0.3 내지 0.5 중량% 의 구리를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 0.2 내지 0.8 중량% 의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금은 0.01 내지 0.3 중량% 의 크롬을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
자동차의 충돌- 및 강도-관련 구조적 및 섀시 구성부품을 압력 주조하기 위한, 제 1 항에 따른 알루미늄 합금의 용도.