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KR101434262B1 - 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR101434262B1
KR101434262B1 KR1020120041427A KR20120041427A KR101434262B1 KR 101434262 B1 KR101434262 B1 KR 101434262B1 KR 1020120041427 A KR1020120041427 A KR 1020120041427A KR 20120041427 A KR20120041427 A KR 20120041427A KR 101434262 B1 KR101434262 B1 KR 101434262B1
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Abstract

본 발명은 알루미늄에 첨가되는 칼슘 및 실리콘의 공급원으로서 종래의 금속칼슘 및 순수 실리콘을 대신하여 화학적으로 더 안정적이며 경제적인 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 이용하는 알루미늄 합금의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상의 적어도 일부를 상기 용탕 내에서 소진시키는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다.

Description

알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 {Aluminium alloy and manufacturing method thereof}
본 발명은 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
알루미늄(Al) 합금에서 실리콘(Si)은 마그네슘(Mg)에 이어서 주된 합금원소 중의 하나이다. 예를 들어, 알루미늄-실리콘(Al-Si)계 합금은 주조재로 이용되거나 또는 미국알루미늄협회가 정한 분류표상 4000계열 전신재 합금으로 이용될 수 있다. 나아가, 알루미늄-마그네슘-실리콘(Al-Mg-Si)계 합금은 주조재로 이용되거나 또는 6000계열 전신재 합금으로 이용된다.
주조재에 있어서 실리콘은 유동성과 용탕 충진이 용이한 합금이나 주조 균열이 적은 합금을 생산하는데 이용될 수 있다. 실리콘은 알루미늄 용탕에 다량 첨가되어도 용탕의 점성 증가나 산화 경향이 거의 없이 용탕을 양호한 상태로 유지 가능하게 하고, 공정 실리콘과 초정 실리콘의 개량 처리로 결정립 미세화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 알루미늄 합금들에서 실리콘은 통상적으로 순수 실리콘 형태로 첨가된다.
한편 칼슘은 알루미늄-실리콘 합금에서 실리콘의 개량처리제로서 이용되거나 알루미늄-마그네슘 합금의 용탕 표면의 산화를 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 또한 알루미늄-실리콘 합금에 칼슘을 미량 첨가하면 CaSi2 금속간화합물을 생성시켜 고용된 실리콘의 영향을 감소시켜 전기전도도를 향상시킬 수 있다. 그러나 금속칼슘은 상온에서도 물과 반응하여 수소가스를 생성시킬 정도로 화학반응력이 강하므로 산업현장에서 다루기 매우 어려우며, 알루미늄 용탕 내에서 마그네슘 이상으로 산화성이 강하므로 용탕의 품질을 열화시킨다. 따라서 칼슘의 첨가로 인해 알루미늄 특성의 향상이 기대됨에도 아직까지 좋은 결과를 얻지 못하고 있다.
일본 공개특허공보 특개2011-104655호(2011.06.02.)
본 발명은 알루미늄에 첨가되는 칼슘 및 실리콘의 공급원으로서 종래의 금속칼슘 및 순수 실리콘을 대신하여 화학적으로 더 안정적이며 경제적인 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 이용하는 알루미늄 합금의 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금의 제공을 목적으로 한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상의 적어도 일부를 상기 용탕 내에서 소진시키는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다.
상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 후에 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상의 적어도 일부를 상기 용탕에서 소진시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 칼슘계 첨가제는 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함하할 수 있다.
상기 소진시키는 단계에서의 용탕의 온도는 650℃ 내지 950℃ 범위를 유지할 수 있다.
상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 순차로 첨가되거나 혹은 서로 동시에 첨가될 수 있다.
상기 소진시키는 단계는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 실질적인 전부가 상기 용탕 내에 잔류되지 않도록 수행할 수 있다.
상기 소진시키는 단계에서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 적어도 일부는 각각 칼슘 및 실리콘으로 분해되고, 상기 칼슘 및 실리콘이 적어도 일부는 화합물의 형태로 상기 알루미늄 합금의 알루미늄 기지 내에 분포될 수 있다.
상기 소진시키는 단계 후에, 상기 소진시키는 단계에서 소진되지 않은 칼슘계 첨가제, 실리콘계 첨가제 또는 칼슘 이외의 성분이 드로스에 포함되어 제거되는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 소진시키는 단계는 상기 용탕의 상부를 교반하는 단계를 포함할 수 있으며, 이때 상기 교반은 상기 용탕의 표면으로부터 상기 용탕의 전체 깊이의 20% 이내의 상층부에서 수행할 수 있다. 또한 상기 교반하는 단계에 의해서 상기 용탕의 표면부에서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상이 분해될 수 있다.
상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 첨가량은 상기 용탕 내에서 모두 소진되어 상기 알루미늄 합금 내에 잔류하지 않는 범위로 한정될 수 있다.
상기 모재는 알루미늄-마그네슘 합금을 포함하고, 상기 소진시키는 단계에 의해서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 각각 분해되어 칼슘 및 실리콘이 생성되고, 상기 칼슘 또는 실리콘의 적어도 일부는 상기 용탕 내 알루미늄 및 마그네슘 중 어느 하나 이상과 반응하여 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물 및 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 중에서 선택되는 하나 이상을 형성하거나, 상기 칼슘 및 실리콘이 서로 반응하여 칼슘-실리콘 화합물을 형성할 수 있다.
이때 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al4Ca 또는 Al2Ca, 마그네슘-칼슘 화합물은 Mg2Ca, 알루미늄-마그네슘-칼슘 화합물은 (Mg,Al)2Ca, 상기 마그네슘-실리콘 화합물 은 Mg2Si, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi, CaSi2, Ca2Si 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕을 형성하는 단계; 상기 용탕 내에 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 상기 용탕을 650℃ 내지 950℃ 온도범위로 제어하면서 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제의 실질적인 전부를 상기 용탕 내에서 소진시키는 단계; 및 알루미늄 기지 내에 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제로부터 각각 분해된 칼슘 및 실리콘 중 어느 하나 이상의 적어도 일부가 포함하는 화합물이 분포되고, 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제는 실질적으로 잔류하지 않도록 상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법., 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 의하면, 알루미늄 기지; 및 상기 알루미늄 기지 내에 제2상으로 존재하는 칼슘 및 실리콘 중 어느 하나 이상을 포함하는 화합물; 을 포함하고, 상기 화합물은 합금 주조 시 용탕 내에 첨가된 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제로부터 분해되어 공급된 칼슘 및 실리콘이 서로 결합하거나 혹은 다른 원소와 결합하여 형성된 것인, 알루미늄 합금이 제공된다.
상기 알루미늄 합금은 상기 알루미늄 기지 내에 고용된 칼슘 및 고용된 실리콘 중 어느 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용된 것이며, 상기 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물 및 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 및 칼슘-실리콘 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
이때 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al4Ca 또는 Al2Ca, 마그네슘-칼슘 화합물은 Mg2Ca, 알루미늄-마그네슘-칼슘 화합물은 (Mg,Al)2Ca, 상기 마그네슘-실리콘 화합물 은 Mg2Si, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi, CaSi2, Ca2Si 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
경우에 따라 상기 알루미늄 기지에는 분해되지 않은 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상을 더 포함되어 있을 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄에 첨가되는 칼슘 및 실리콘의 공급원으로서 금속칼슘 및 순수 실리콘을 대신하여 보다 경제적이면서도 화학적으로 안정한 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 이용함으로서 종래에 비해 용이하게 칼슘 및 실리콘이 첨가된 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 일 실험예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 분석 결과들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 알루미늄은 순수 알루미늄을 지칭할 수 있다. 다만 이러한 순수 알루미늄은 특별하게 언급되지 않는 경우에도, 제조과정 중에 의도적으로 첨가되지 않지만 불가피하게 함유되는 불순물(이하, 불가피 불순물)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서, 알루미늄 합금은 주원소인 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 첨가원소들을 함유하는 합금을 지칭할 수 있다. 다만, 이러한 알루미늄 합금은 특별하게 언급되지 않는 경우에도 주원소와 첨가원소들 외에 불가피 불순물을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 보여주는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕(molten metal)을 형성할 수 있다(S10). 모재는 예컨대 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 알루미늄 합금은 주원소인 알루미늄에 적어도 하나의 첨가원소가 부가된 합금을 지칭하고, 통상적으로 칼슘 외에 다른 첨가원소가 부가된 경우를 지칭할 수 있다. 하지만, 이 실시예의 범위는 모재의 알루미늄 합금에 칼슘이 첨가원소로 부가된 경우도 배제하지 않는다.
예를 들어, 모재의 알루미늄 합금은 미국알루미늄협회의 분류표상 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열의 전신재용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열의 주조용 (Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
용탕 형성 단계(S10)에서, 모재는 적절한 반응로, 예컨대 도가니에서 용해될 수 있다.
도가니의 가열은 여하의 적절한 가열 수단에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 저항 가열 방식, 유도 가열 방식, 레이저 가열 방식, 플라즈마 가열 방식, 열풍 가열 방식 등이 단독 또는 복합적으로 도가니의 가열에 이용될 수 있다.
이어서, 용탕 내에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가할 수 있다(S11). 이때 칼슘계 첨가제는 칼슘을 포함하는 화합물로서 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함할 수 있다. 이러한 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 각각 용탕 내에 칼슘 및 실리콘을 공급하는 공급원으로 사용된다.
칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 반응성 향상을 위해 표면적이 넓은 분말형태로 첨가될 수 있다. 그러나 이 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 분말상의 비산을 방지하기 위해 분말을 응집시킨 팰렛(pellet) 형태 또는 덩어리 형태로 첨가될 수도 있다.
분말 형태의 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 크기는 적절하게 제어될 필요가 있다. 예를 들어, 분말 크기가 0.1㎛ 미만일 경우 너무 미세하여 열풍에 의하여 비산되거나 또는 서로 응집되어 응집체를 형성함에 따라 액상의 용융금속과 쉽게 섞이지 않게 될 수 있다. 한편, 분말 크기가 500㎛를 초과할 경우에는 용탕과 반응하는 시간이 과도하게 길어질 수 있다. 하지만, 용탕의 온도 제어 방식에 따라서 분말 크기는 달라질 수 있고, 이 실시예가 이러한 예에 제한되는 것은 아니다.
칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 함량은 제조하고자 하는 알루미늄 합금의 용도에 따라서 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의의 함량은 용탕 내에서 실질적으로 그 전부가 소진될 수 있도록 그 범위를 제한할 수 있다. 예컨대, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 각각 0.0001 중량% 내지 30 중량% 범위에서 첨가될 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.01 중량% 내지 15 중량% 범위에서 첨가될 수 있다.
칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 첨가는 필요량을 일시에 투입하거나 혹은 적정량으로 나눈 후 일정한 시간차를 두고 다단계로 첨가될 수 있다. 첨가되는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 미세한 분말일 경우에는 시간차를 두고 다단계로 투입함으로써 분말의 응집 가능성을 낮추면서 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 반응을 촉진시킬 수 있다.
또한 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 첨가 순서를 서로 다르게 하여 첨가할 수 있다. 예를 드러, 칼슘계 첨가제를 먼저 첨가하고 일정시간 경과 후 실리콘계 첨가제를 첨가하거나 혹은 그 반대의 순서로 첨가할 수 있다. 다른 예로서 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제를 동시에 첨가할 수 있다. 이때 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제를 소정의 비율로 혼합한 혼합물 형태로 첨가하는 것도 가능하다.
한편, 다른 실시예 예에서, 모재와 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 함께 용해되어 용탕을 형성할 수도 있다. 이 경우, 모재와 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 미리 도가니 내에 장착될 수 있다. 다만, 이 경우에는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 반응을 제어하기 어려울 수 있다.
이어서, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 적어도 일부를 용탕 내에서 소진시킬 수 있다(S12). 예를 들어, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 일부를 용탕 내에서 분해함으로써 실질적으로 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 소진되도록 할 수 있다. 나아가, 이러한 분해 반응을 활성화함으로써, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 실질적인 전부를 분해하여 소진시킬 수 있다. 예를 들어, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 첨가된 상태에서 용탕을 소정시간 유지하거나 또는 용탕을 교반하여 이러한 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해반응을 촉진시킬 수 있다. 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 소진이 실질적으로 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해를 수반한다는 점에서 소진 단계(S12)는 분해 단계로 불릴 수도 있다.
소진 단계에서 용탕의 온도는 650℃ 내지 950℃ 온도 범위에서 제어될 수 있다. 650℃ 미만의 온도에서는 칼슘의 공급원으로 첨가되는 칼슘계 첨가제와 실리콘의 공급원으로 첨가되는 실리콘계 첨가제의 분해량이 지나치게 적을 수 있으며, 950℃ 초과인 경우에는 불필요한 온도상승에 따른 경제적 손실 등이 문제가 될 수 있다. 이때 용탕의 온도가 증가될수록 첨가되는 칼슘계 첨가제 및 실리콘 첨가제의의 분해가 더 활발하게 일어날 수 있다.
첨가물의 첨가가 다단계로 이루어지는 경우에는 첨가 단계(S11)와 소진 단계(S12)가 반복적으로 이어질 수도 있다. 소진단계는 더 세부적으로 나뉠 수 있는데, 소진단계에서 일어나는 반응에 대해 더 자세히 알아보면, 칼슘계 첨가제는 칼슘 및 칼슘 이외의 원소로 분해될 수 있으며, 실리콘계 첨가제는 실리콘과 실리콘 이외의 원소로 분해될 수 있다. 상기 칼슘 이외의 원소 및 실리콘 이외의 원소의 배출을 활성화하기 위해서 용탕의 표면은 대기 중에 노출될 수 있으며, 이러한 원소들은 용탕의 표면을 통해 외부로 빠져나갈 수 있다. 다른 예로, 상기 칼슘 이외의 원소 및 산소는 드로스(dross) 또는 슬러지(sludge)로서 용탕 상부에 부유한 후 제거될 수도 있다.
예를 들어 칼슘계 첨가제 중 하나인 산화칼슘의 경우에는 용탕 내에서 칼슘과 산소로 분해될 수 있다. 칼슘은 용탕 내에 잔류되거나 또는 다른 원소와 반응될 수 있고, 산소는 용탕으로부터 실질적으로 제거될 수 있다. 예를 들어, 산소는 대부분 대기 주에 노출된 용탕 표면을 통해서 기체 상태로 대기 중으로 배출되거나 혹은 드로스(dross) 또는 슬러지(sludge) 내에 포함되어 용탕 상부에 부유한 후 제거될 수도 있다. 이는 실리콘계 첨가제인 산화실리콘이 산소와 실리콘으로 분해되는 경우에도 마찬가지로 적용될 수 있다.
칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘은 다른 원소와 반응하여 칼슘계 화합물을 형성할 수 있다. 예를 들어 알루미늄과 반응하여 알루미늄-칼슘 화합물, 예를 들어 Al4Ca 또는 Al2Ca를 형성할 수 있다.
위 모재가 알루미늄 합금일 경우에는 알루미늄 외의 합금원소와 칼슘이 반응하여 칼슘계 화합물을 형성할 수 있다. 예를 들어 모재가 알루미늄-마그네슘 합금인 경우, 분해된 칼슘은 용탕 내 합금원소인 마그네슘과 반응하여 마그네슘-칼슘 화합물을 형성할 수 있다. 예컨대, 마그네슘-칼슘 화합물은 Mg2Ca 상을 포함할 수 있다. 이밖에, 칼슘이 알루미늄 및 마그네슘과 반응하여 (Mg,Al)2Ca 등의 알루미늄-마그네슘-칼슘 화합물을 형성할 수도 있다.
실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘은 용탕 내에서 잔존하거나 또는 다른 합금 원소와 반응하여 실리콘계 화합물을 형성할 수도 있다. 예를 들어, 상당수의 합금 내에서 분해된 실리콘은 알루미늄 기지 내에 초정 또는 공정 실리콘으로 잔존할 수 있다. 혹은 알루미늄 모재가 알루미늄-마그네슘 합금인 경우, 분해된 실리콘은 용탕 내 마그네슘과 반응하여 실리콘계 화합물로서 마그네슘-실리콘 화합물을 형성할 수 있다. 예컨대, 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si 상을 포함할 수 있다.
다른 예로서 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘과 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 서로 반응하여 칼슘-실리콘 화합물을 형성할 수 있다. 예컨대, 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi, CaSi2 및 Ca2Si 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
용탕의 교반은 다양한 방법으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 교반은 용탕 내의 기계적인 교반 장치를 통해서 제공되거나 또는 도가니 주위의 전자기장 인가 장치를 통해서 제공될 수 있다. 전자기장 인가 장치는 용탕 내에 전자기 필드를 인가함으로써 용탕의 대류를 통해서 교반을 수행할 수 있다.
예를 들어, 교반은 첨가물이 첨가되면서부터 시작되거나 첨가물 첨가 후 일정 시간 후 진행될 수도 있다. 다른 예로, 교반은 용탕 형성 단계에서부터 시작될 수도 있다. 교반 시간은 용탕의 조건과 첨가물의 양 또는 형태에 따라서 달라질 수 있다. 예를 들어, 교반은 용탕 표면에서 첨가물이 실질적으로 보이지 않을 때까지 진행될 수 있다. 다만, 비록 용탕 표면에서 첨가물이 보이지 않더라도 용탕 속에 잔류할 가능성이 있기 때문에, 여유의 유지 시간을 두고 교반이 더 진행될 수 있다.
한편, 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해는 대기와 접하는 용탕 표면에서 일어나기 때문에, 용탕의 상부를 교반시켜 주는 것이 효과적일 수 있다. 예를 들어, 교반은 용탕 표면으로부터 용탕 전체 높이의 20%까지의 상층부에서 진행될 수 있고, 특히 표면 반응을 더욱 활성시키고자 하는 경우에는 용탕 표면으로부터 용탕 전체 높이의 10%까지의 표면부에서 진행될 수 있다.
첨가된 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 소진시키는 단계 후에 용탕의 표면에 부유하는 드로스(dross)를 제거하는 단계를 더 진행할 수 있다. 이때 상기 드로스에는 상기 소진시키는 단계에서 소진되지 않은 미반응 칼슘계 첨가제, 미반응 실리콘계 첨가제 또는 칼슘 이외의 성분이 포함될 수 있다.
이어서, 용탕을 주조하여(S13), 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 주조 단계(S13)에서, 주형의 온도는 상온(예를 들면, 25℃) 내지 400℃ 의 온도범위를 가질 수 있다. 또한, 주형을 상온까지 냉각시킨 후 합금을 주형으로부터 분리시킬 수 있으나, 상온 이전이라도 합금의 응고가 완료되는 경우에는 주형으로부터 합금을 분리시킬 수 있다.
예를 들어, 주형은 금형, 세라믹형, 그라파이트형 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 주조 방식은 사형주조, 다이캐스팅(die casting), 중력주조, 연속주조, 저압주조, 스퀴즈캐스팅, 로스트왁스주조(lost wax casting), 틱소캐스팅(thixo casting) 등을 들 수 있다.
중력주조는 용융상태의 합금을 중력을 이용하여 주형에 주입하는 방법을 지칭하고, 저압주조는 용융된 합금의 용탕면에 가스를 이용하여 압력을 가하여 주형 내에 용탕을 주입하는 방식을 지칭할 수 있다. 틱소캐스팅은 반용융 상태에서의 주조 기술로서, 통상적인 주조와 단조의 장점을 융합한 방식이다. 이 실시예의 범위는 전술한 주형의 종류 및 주조 방식에 한정되지는 않는다.
칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 실질적으로 용탕 내에서 모두 소진되는 경우에는, 주조된 알루미늄 합금 내에는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 실질적으로 존재하지 않게 된다. 그 대신, 알루미늄 기지 내에는 상술한 바와 같이 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘의 적어도 일부가 알루미늄 기지에 잔존하거나 혹은 다른 합금원소와 반응하여 화합물로서 분포할 수 있다. 또한 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘의 적어도 일부는 알루미늄에 고용되어 초정 또는 공정 실리콘으로 잔존하거나, 다른 원소와 반응하여 화합물로서 분포할 수 있다. 이러한 화합물들은 알루미늄 기지 내에 제2상으로 분포할 수 있으며, 이들에 대해서는 이미 위에서 상세히 기술하였는바, 여기서는 구체적인 언급을 생략하기로 한다.
한편 경우에 따라 상기 분해된 칼슘 및 실리콘 중 어느 하나 이상의 적어도 일부는 알루미늄 기지 내에 고용되어 있을 수 있다. 혹은 경우에 따라 첨가된 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상은 용탕에서 전부 소진되지 않을 수 있으며, 이러한 경우에는 알루미늄 기지 내에 첨가되었던 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상이 포함되어 있을 수 있다.
전술한 바와 같이 알루미늄 모재가 알루미늄-마그네슘 합금을 포함하는 경우, 이러한 화합물은 마그네슘-실리콘 화합물, 예컨대 Mg2Si를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 알루미늄-마그네슘-실리콘(6000계) 합금 주조 시, Si을 별도로 공급하지 않고 용탕 내에 실리콘계 첨가제를 분해하여 공급함으로써, 열처리 없이도 반응에 의하여 Mg2Si 상을 형성할 수 있다. 통상적으로, 6000계 합금에서, Mg2Si 상 형성은 주조 후 열처리에 의해서 형성되었다는 점을 감안하면, 열처리 없이도 6000계열 합금에서 Mg2Si 상을 형성할 수 있다는 것은 놀라운 일이다. 이러한 Mg2Si 상은 제 2 상 강화효과를 유발하여 강도 향상에 기여할 수 있다.
또한 금속칼슘 및 순수 실리콘 대신에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 알루미늄계 모재에 첨가함으로써 알루미늄 합금 내에 칼슘 및 실리콘 성분을 추가할 수 있다. 칼슘 및 실리콘보다 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 상업적으로 쉽고 값싸게 구할 수 있다는 점에서, 이러한 방법은 매우 경제적이다.
또한 알루미늄에 칼슘을 첨가하기 위한 공급원으로 화학적으로 안정한 칼슘계 화합물을 사용함에 따라 산소와의 반응성이 높은 금속칼슘을 사용하는 경우에 비해 경제적이고 용이하게 알루미늄 내에 칼슘을 첨가할 수 있다.
또한 상술한 화합물, 예를 칼슘계 화합물, 실리콘계 화합물, 칼슘-실리콘 화합물들은 융점이 기지인 알루미늄에 높고 경도가 높은 금속간 화합물이라는 점에서 이러한 칼슘계 화합물이 알루미늄 기지에 분포할 경우, 알루미늄 합금의 기계적 특성의 향상에 기여할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예를 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
알루미늄계 모재는 마그네슘이 10중량% 첨가된 알루미늄-마그네슘 합금(Al-10Mg)을 사용하였다. 상기 알루미늄-마그네슘 합금(Al-10Mg) 4500g을 용해하였으며, 이때 용탕의 온도는 750℃로 유지하였다. 상기 준비된 용탕에 칼슘계 첨가제로서 산화칼슘 90g과 실리콘계 첨가제 90g을 혼합한 혼합물 180g을 첨가하였다. 상기 혼합물 첨가 후에는 약 1시간 정도 교반을 수행하였으며, 교반이 완료된 후 주조하여 알루미늄-마그네슘 합금을 제조하였다.
실험예 2
실험예 2는 실험예 1과 비교시, 용탕의 온도가 900℃로 유지된다는 점과 첨가된 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제가 각각 150g으로서 혼합물의 중량이 300g이라는 점을 제외하고는 동일한 조건에서 수행되었다.
실험예 1 및 2의 알루미늄-마그네슘 합금의 조성은 ICP(Inductively coupled plasma) 분석법으로 분석하였다. 아래의 표 1은 실험예에 따른 결과를 나타낸다.
실험예 1 실험예 2
용탕온도 750℃ 900℃
칼슘성분 0.022%(220ppm) 0.21%
칼슘반응수율 약 1% 약 5%
실리콘성분 0.07%(700ppm) 0.25%
실리콘반응수율 약 3.5% 약 7%
실험예 1의 경우 육안 상 반응은 없었으나, 성분 분석결과 약 0.022%(220ppm)의 칼슘(Ca)과 0.07%(700ppm)의 실리콘(Si)이 검출되었다. 실험예 2의 경우 육안 상 반응이 관찰되었고, 성분 분석결과 약 0.21%의 칼슘과 0.25%의 실리콘이 검출되었다. 이로부터 용탕의 온도가 750℃일 경우에 산화칼슘은 칼슘 및 산소로 분해되고 실리콘계 첨가제는 실리콘과 산소로 분해되며, 용탕의 온도가 900℃로 증가됨에 따라 칼슘 및 실리콘의 분해 수율이 더 높다는 것을 알 수 있다.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 실험예 2를 따르는 알루미늄 합금의 분석 결과를 보여주는 사진들이다. 도 2a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 2b 내지 도 2f는 EDS 매핑(mapping)한 결과로서, 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 칼슘, 산소의 분포를 나타낸다.
도 2d 내지 2f로부터 실리콘 및 칼슘은 검출되었음에도 산소는 검출되지 않았음을 확인할 수 있으며, 이로부터 첨가된 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제가 용탕 내에서 실질적으로 거의 모두 분해되어 알루미늄 기지 내에 잔존하지 않는 것을 알 수 있다. 한편 칼슘이 검출된 위치와 실리콘이 검출된 위치가 일치하는 곳이 있다는 점에서 적어도 일부의 칼슘 및 실리콘은 서로 반응하여 칼슘-실리콘 화합물을 형성한 것으로 판단된다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (20)

  1. 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕을 형성하는 단계;
    상기 용탕에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 및
    상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 후에 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상을 상기 용탕에서 소진시키는 단계를 더 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘계 첨가제는 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함하고, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 소진시키는 단계에서의 용탕의 온도는 650℃ 내지 950℃ 범위를 유지하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 순차로 첨가되거나 혹은 서로 동시에 첨가되는, 알루미늄 합금의 제조방법
  6. 제2항에 있어서,
    상기 소진시키는 단계는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 전부가 상기 용탕 내에 잔류되지 않도록 수행하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 소진시키는 단계에서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 각각 칼슘 및 실리콘으로 분해되고,
    상기 칼슘 및 실리콘은 화합물의 형태로 상기 알루미늄 합금의 알루미늄 기지 내에 분포되는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 소진시키는 단계 후에, 상기 소진시키는 단계에서 소진되지 않은 칼슘계 첨가제, 실리콘계 첨가제 또는 칼슘 이외의 성분이 드로스에 포함되어 제거되는 단계를 더 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 소진시키는 단계는 상기 용탕의 상부를 교반하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 교반하는 단계는, 상기 용탕의 표면으로부터 상기 용탕의 전체 깊이의 20% 이내의 상층부에서 수행하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 교반하는 단계에 의해서 상기 용탕의 표면부에서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상이 분해되는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 첨가량은 상기 용탕 내에서 모두 소진되어 상기 알루미늄 합금 내에 잔류하지 않는 범위로 한정되는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 모재는 알루미늄-마그네슘 합금을 포함하고,
    상기 소진시키는 단계에 의해서 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제가 각각 분해되어 칼슘 및 실리콘이 생성되고,
    상기 칼슘 및 실리콘은 상기 용탕 내 알루미늄 및 마그네슘 중 어느 하나 이상과 반응하여 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물 및 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 중에서 선택되는 하나 이상을 형성하거나, 상기 칼슘 및 실리콘이 서로 반응하여 칼슘-실리콘 화합물을 형성하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al4Ca 또는 Al2Ca, 마그네슘-칼슘 화합물은 Mg2Ca, 알루미늄-마그네슘-칼슘 화합물은 (Mg,Al)2Ca, 상기 마그네슘-실리콘 화합물 은 Mg2Si, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi, CaSi2, Ca2Si 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  15. 알루미늄계 모재를 용해하여 용탕을 형성하는 단계;
    상기 용탕에 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계;
    상기 용탕을 650℃ 내지 950℃ 온도범위로 제어하면서 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제의 전부를 상기 용탕에서 소진시키는 단계; 및
    알루미늄 기지 내에 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제로부터 각각 분해된 칼슘 및 실리콘 중 어느 하나 이상을 포함하는 화합물이 분포되고, 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제는 잔류하지 않도록 상기 용탕을 주조하는 단계를 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  16. 알루미늄 기지; 및
    상기 알루미늄 기지 내에 제2상으로 존재하는 칼슘 및 실리콘 중 어느 하나 이상을 포함하는 화합물;을 포함하고,
    상기 화합물은 합금 주조 시 용탕 내에 첨가된 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제로부터 분해되어 공급된 칼슘 및 실리콘이 서로 결합하거나 혹은 다른 원소와 결합하여 형성된 것이고,
    상기 알루미늄 기지에는 분해되지 않은 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 중 어느 하나 이상이 더 포함되어 있는, 알루미늄 합금.
  17. 제16항에 있어서, 상기 알루미늄 기지 내에 고용된 칼슘 및 고용된 실리콘 중 어느 하나 이상을 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용된 것이며,
    상기 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물 및 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 및 칼슘-실리콘 화합물 중에서 선택되는 어느 하나 이상인, 알루미늄 합금.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al4Ca 또는 Al2Ca, 마그네슘-칼슘 화합물은 Mg2Ca, 알루미늄-마그네슘-칼슘 화합물은 (Mg,Al)2Ca, 상기 마그네슘-실리콘 화합물 은 Mg2Si, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi, CaSi2, Ca2Si 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
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