KR20180126559A

KR20180126559A - 다이 캐스팅 합금

Info

Publication number: KR20180126559A
Application number: KR1020187030923A
Authority: KR
Inventors: 스튜어트 비스너
Original assignee: 라인펠덴 알로이스 게엠베하 운트 콤파니 코만디드게젤샤프트
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-05-02
Publication date: 2018-11-27
Also published as: WO2017182101A1; CA3021123A1; EP3159422A1; US10669615B2; EP3159422B1; ES2684614T3; MX2018012787A; CA3021123C; CN109072356A; US20190136350A1; CN109072356B; KR101971846B1

Abstract

본 발명은, 다음으로 구성되는, 알루미늄, 마그네슘 및 규소 기재의 다이 캐스팅 합금에 관한 것으로: 5.0 내지 7.0 중량 % 마그네슘; 1.5 내지 7.0 중량 % 규소; 0.3 내지 0.8 중량 % 망간; 0.03 내지 0.5 중량 % 철; 0.01 내지 0.4 중량 % 몰리브덴; 0.01 내지 0.3 중량 % 지르코늄; 0 내지 0.25 중량 % 티타늄; 0 내지 0.25 중량 % 스트론튬; 0 내지 250 ppm 인; 0 내지 4 중량 % 구리 및 10 % 아연; 나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다.

Description

다이 캐스팅 합금

본 발명은, 특히, 경량의 자동차 구조 컴포넌트에서 사용하기 위한, 알루미늄, 마그네슘 및 규소(silicon)를 기재로 하는 가압 다이 캐스팅 합금(pressure die-casting alloy)에 관한 것이다.

알루미늄, 마그네슘 및 규소를 기재로 하고 종래 기술로부터 알려져 있는 가압 다이 캐스팅 합금의 대표로서, 본 출원인에 의해 개발된 두 개의 합금, 즉 EP 0853133 B1에서 개시되는 것 및 DE 10352932 B4에서 개시되는 것이 언급되어야 한다.

DE 10352932 B4는 400 ℃까지 열적으로 안정한 알루미늄 합금을 설명하는데, 이것은, 공지된 합금 원소의 사용 외에, 스칸듐의 첨가를 포함한다. 합금의 고온 강도를 더 증가시키기 위해, 스칸듐과 연계하여, 티타늄 및 지르코늄과 같은 다수의 추가적인 원소가 테스트되었다.

EP 0853133 B1에서 개시되는 합금은, 예시적인 실시형태에서 언급되는 기준 합금에 상당하는, 알루미늄, 마그네슘, 규소 합금이다. 이 합금은 본 출원인에 의해 제조되었으며 자동차 업계에서 수년 동안 사용되었다.

이원 AlMg 합금에서, Mg₂Al₃ 공융점은 대략 35 % Mg에 놓여 있다. 그러나, 본 발명에 따른 합금의 경우에 그리고 또한 EP 0853133B1에 따른 합금에서는, 다이 캐스팅의 대략 50 %의 미세 구조를 구성하는 Mg₂Si 공정(eutectic)이 존재한다. 이 방식에서, 그것은 이원 AlMg 합금과는 근본적으로 상이하다.

본 발명에 따른 합금에 관련하여 종래 기술을 대표하는 추가적인 합금 조성물은 하이드로알륨(Hydroalium)이다. 이것은, 다른 애플리케이션 중에서도, 실린더 헤드에 대해 사용되는, 알루미늄과 마그네슘을 기재로 하는 합금이다.

EP 0853133 B1에서 개시되는 합금에서의 본 출원인의 경험으로부터 시작하여, 목적은, 연신 특성(elongation characteristics)을 저하시키지 않으면서, 이 합금의 강도 속성을 증가시키는 것이었다.

추가적인 목적은, 상기 언급된 속성을 갖는 고강도 알루미늄 가압 다이 캐스팅 합금을 개발하는 것인데, 여기서 합금의 알루미늄 기재는 적어도 50 %의 이차 금속(secondary metal)(재활용 재료)을 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 합금은, 자동차 업계에서의 경량 구조에 대한 점점 더 까다로워지는 요건을 충족하도록 의도된다. 더 높은 강도를 갖는 재료의 사용은, 설계자가 더 얇은 벽을 따라서 더 가벼운 중량을 갖는 구조를 달성하는 것을 허용한다. 이것은 자동차의 연료 소비를 감소시키는 것을 향하는 추가적인 스텝을 나타낸다.

본 발명에 따른 합금은 원칙적으로 다재 다능하지만, 그러나 자동차의 구조 컴포넌트에서의 사용을 위해 구상된다. 그것은, T5 열처리의 유무에 완전히 무관하게 Cu 및 Zn이 없는 변형물(variant)이 선택될 가능성이 있는, 충돌 관련 구조 컴포넌트의 생산을 위해 사용될 수 있다.

애플리케이션의 또 다른 분야는, 전기 모터 이동 수단(E-mobility)의 분야에서의 배터리 지지 구조를 포함한다. 이 애플리케이션에서는, 중량을 절약하기 위해 고강도 재료에 대한 서치가 존재한다. 컴포넌트가 분리 가능하고 나사 체결되기 때문에, 재료의 리벳 체결(riveting) 성능은 이 사용 분야에서 덜 중요하다. 또한, 충돌 관련 컴포넌트와 비교하여, 재료의 변형 가능성은 이차 관련성을 갖는다. 따라서, 이 사용 분야에서, 주조시 조건(as-cast condition)에서 또는 열 처리를 받은 이후에 이미 적합한 구리(Cu) 또는 아연(Zn)을 갖는 합금 변형물이 사용된다.

본 발명에 따르면, 언급된 목적은, 다음의 것으로 구성되는, 알루미늄-마그네슘-규소를 기재로 하는 가압 다이 캐스팅 합금에 의해 달성된다:

마그네슘(Mg) 5.0 내지 7.0 중량 %

규소(Si) 1.5 내지 4.0 중량 %

철(Fe) 0.03 내지 0.5 중량 %

망간(Mn) 0.3 내지 0.8 중량 %

지르코늄(Zr) 0.01 내지 0.4 중량 %

몰리브덴(Mo) 0.01 내지 0.4 중량 %

바나듐(V) 0.01 내지 0.03 중량 %

베릴륨(Be) 0.001 내지 0.005 중량 %

티타늄(Ti) 0 내지 0.15 중량 %

스트론튬(Sr) 0 내지 0.1 중량 %

인(P) 0 내지 250 ppm

구리(Cu) 0 내지 4 중량 %

아연(Zn) 0 내지 10 중량 %

본 발명에 따른 합금의 바람직한 실시형태는 종속항에서 나열되어 있다.

하나의 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0.05 내지 0.20 중량 % 몰리브덴을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0.05 내지 0.20 중량 % 지르코늄을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 2.0 내지 3.0 중량 % 규소를 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 5.5 내지 6.5 중량 % 마그네슘을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0 내지 0.08 중량 % 티타늄을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0.05 내지 0.2 중량 % 철을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0 내지 0.2 중량 % 구리를 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0 내지 0.5 중량 % 아연을 포함한다.

추가적인 실시형태에서, 본 발명에 따른 합금은 0 내지 0.01 중량 % 스트론튬을 포함한다.

바람직하게는, 구조 컴포넌트는 본 발명에 따른 합금으로부터 가압 하에서 다이 캐스팅된다.

초기에는, 더욱 까다로운 요건에 적합한 MgSi 비율을 찾기 위해, Mg 및 Si 함량이 변경되었다. Mg를 증가시키는 것은 강도 증가를 제공하였지만, 그러나, 6.5 %에서 시작하여, 파단 연신에서의 현저한 감소가 고려되어야만 했다. Si에서의 추가적인 증가는, 합금의 공융 분율(eutectic fraction)의 증가로 나타났는데, 이것은 어떠한 기술적인 이점도 산출하지 않았다. 2:1의 Mg: Si 비율을 넘어서면, 파단 연신에서 상당한 손실이 존재한다.

Mg₂Si의 용해도는 Mg 함량의 증가에 따라 감소한다는 것이 알려져 있다. 또한, 느린 응고 동안, 기계적 속성에 악영향을 끼치는 거친 입자의 Mg₂Si 입자가 형성된다. 이들 관계는 본 연구에서 확인되었다.

2.5 %의 규소 함량까지 공융 상 함수(eutectic phase function)에서 변화가 있지만, 그러나 응고 온도에서는 어떠한 변화도 없다는 것이 또한 알려져 있다. 이 관계는 본 발명에 따른 합금에서 사용된다.

결정 입계에서 축적되는 Mg₂Si는 부식 거동을 악화시킨다는 것이 알려져 있다. 본 발명에 따른 합금이 가압 다이 캐스팅에서 사용되기 때문에, 급속 응고가 발생하는데, 이것은 결정 입계 분리(grain boundary segregation)를 대응하는 정도까지 크게 감소시키며 이러한 방식으로 이러한 역효과를 보상한다.

최적화된 MgSi 비율에서 시작하여, Cu, Zn, Mo, Zr, V 및 Ti 중에서 일련의 추가적인 원소가 추가되었다.

티타늄 및 지르코늄은 결정 미세화제(grain refiner)로서 알려져 있다. 전체적으로, 언급되는 원소의 상호 작용은 본 발명에 따른 합금에 대한 중요한 기초를 나타낸다.

Zn 및 Cu 원소의 첨가시, 특히 열처리 이후에, 그러나 4-5 %의 매우 낮은 연신율 값에서, 400 MPa을 초과하는 높은 항복 강도가 달성될 수 있다.

EP 0 853 133B1로부터의 비교 합금과 비교하여, 강도 증가 효과는, V 및 Ti와 연계하여 Mo 및 Zr 원소에 의해 형성되는 고 융점 상(high-melting-point phase)으로부터 특히 유래하였다는 것이 결정되었다. 한편으로, 합금의 생성 동안뿐만 아니라, 주조 프로세스 동안, 용융물로부터의 이들 상의 분리는 방지되어야 한다. 다른 한편으로, 이러한 방식으로 미세한 미세 구조 및 결과적으로 우수한 기계적 속성을 달성하기 위해서는 그들은 주조 동안 먼저 응고되어야 한다. 바람직하게는, 티타늄 함량은 0과 0.08 중량 % 사이에서 유지되어야 한다.

본 발명에 따른 합금은 주로 가압 다이 캐스팅 및 가압 다이 캐스팅에서 조우되는 통상적인 응고 조건을 위해 개발되었다. 고 융점 상의 사이즈와 정도는 항상 응고 조건에 의존한다. 가압 다이 캐스팅 동안, 종종 부품의 제거 이후에만, 응고는 일반적으로 이미 샷 챔버(shot chamber)에서 시작하고, 다이의 충전 동안 계속되고 두꺼운 벽 영역에서 종료한다.

연신 값에서 큰 손실 없이 본 발명에 따른 합금의 강도를 추가로 증가시키기 위해, T5 열처리가 포함된다.

Cu 및 Zn가 본 발명에 따른 합금에 또한 첨가되는 경우, T6 또는 T7 열처리가 포함된다. EP 0 853 133B1으로부터의 기준 합금과 비교하여, 이 경우, 강도 및 항복점에서의 명확한 증가가 달성될 수 있을 것이지만, 그러나, 파단 연신에서 현전한 감소를 갖는다.

본 발명에 따른 합금의 하나의 실시형태는 재활용 재료의 형태의 이차 알루미늄의 첨가를 포함한다. 바람직하게는, 이차 알루미늄의 양은, 합금의 생성에 필요한 알루미늄 기재 합금의 50 %를 차지해야 한다. 용어 재활용 재료는, 예를 들면, 다음을 의미하는 것으로 이해되어야 한다: 알루미늄 합금의 휠, 압출 형재(extruded profile), 시트 및 금속 칩. 본 발명에 따른 합금 조성물을 통해, 0.20 중량 %의 철 함량까지, 충돌 관련 구조 컴포넌트에 대한 요건을 충족시키는 것이 가능하고; 0.20 중량 %를 초과하는 철은, 강도 관련 구조 컴포넌트의 분야에서의 사용을 허용한다.

철 함량에서의 약간의 증가는, 망간 분율을 감소시키는 것에 의해 해결된다. 주조기(casting machine)의 유지 로(holding furnace)에서의 슬러지 형성의 위험성은 이러한 방식으로 완화될 수 있다.

그럼에도 불구하고, 철 및 망간 둘 모두가 이와 관련하여 유익하게 작용하고 Mn에서의 감소가 Fe 함량에 의해 보상되는 것보다 더 많기 때문에, 주조 다이에서 고착되는 합금의 경향은 떨어진다. 더구나, MnFe 비율은 소위 베타 상(beta phase), 즉 재료의 연성을 결정적으로 감소시키는 소판 형상의(platelet-shaped) AlMnFeSi 침전물의 형성을 방지한다. 이러한 침전물은 현미경 하에서 소위 철 바늘로서 관찰될 수 있다.

부식 경향을 체크하기 위해, 순환 염수 분무 테스트(ISO 9227) 및 입자간 부식 테스트(ASTM G110-92)가 사용되었다. 본 발명에 따른 합금의 조성은, 낮은 Cu 및 낮은 Zn 변형물의 경우에 매우 우수한 내부식성이 검출될 수 있도록 선택되었다.

펀치 리벳 체결 테스트에서, 본 발명에 따른 합금은 그것의 높은 강도에도 불구하고 균열 없이 리벳 체결될 수 있을 것이다.

비교예

EP 0 853 133 B1에서 개시되는 비교 합금(합금 1) 및 본 발명에 따른 합금의 3개의 예시적인 실시형태(합금 A, B 및 C)의 조성이 하기에서 비교된다. 데이터는 중량 %로서 제시된다. 이들 세 가지 합금을 사용하여, 가압 다이 캐스팅된 3 mm 플레이트에 대해 기계적 특성(R_m, Rp_0.2 및 A₅)이 측정되었다. 8 가지 인장 테스트로부터의 평균 값이 제시된다. 결과는 주조 상태(상태 F)에서, T5 상태(후속하는 인공적인 에이징을 통한 제어된 냉각)에서 그리고 T6 상태(완전히 인공적인 에이징을 통한 용액 어닐링)에서 결정되었다.

달성되는 결과

F 상태

T5 상태

T6 상태

Claims

다음으로 구성되는, 가압 다이 캐스팅(pressure die casting)용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금으로서,
마그네슘 5.0 내지 7.0 중량 %
규소 1.5 내지 4.0 중량 %
철 0.03 내지 0.5 중량 %
망간 0.3 내지 0.8 중량 %
지르코늄 0.01 내지 0.4 중량 %
몰리브덴 0.01 내지 0.4 중량 %
바나듐 0.01 내지 0.03 중량 %
베릴륨 0.001 내지 0.005 중량 %
티탄 0 내지 0.15 중량 %
스트론튬 0 내지 0.1 중량 %
인 0 내지 250 ppm
구리 0 내지 4 중량 %
아연 0 내지 10 중량 %
나머지는 알루미늄 및 불가피한 불순물(unavoidable impurities)인, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항에 있어서,
0.05 내지 0.20 중량 % 몰리브덴을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 또는 제2항에 있어서,
0.05 내지 0.20 중량 % 지르코늄을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
2.0 내지 3.0 중량 % 규소를 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
5.5 내지 6.5 중량 % 마그네슘을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
0 내지 0.08 중량 % 티타늄을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
0.05 내지 0.2 중량 % 철을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
0 내지 0.2 중량 % 구리를 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
0 내지 0.5 중량 % 아연을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
0 내지 0.01 중량 % 스트론튬을 특징으로 하는, 가압 다이 캐스팅용 알루미늄-마그네슘-규소 기재의 합금.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 가압 다이 캐스팅용 합금으로부터 제조되는 구조 컴포넌트(a structural component).