KR101637645B1 - 고탄성 알루미늄 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 고탄성 알루미늄 제조방법은 순수 알루미늄 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 1차 용탕 형성 단계, 상기 1차 용탕에 Al-7Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 2차 용탕 형성 단계, 상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 3차 용탕 형성 단계 및 상기 3차 용탕을 주조하는 주조단계를 포함한다.

Description

고탄성 알루미늄 합금의 제조방법{Method for manufacturing high elastic aluminum alloy}

본 발명은 고탄성 알루미늄 합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 티타늄(Ti), 보론(B)을 첨가한 고탄성 알루미늄 합금에서 기존의 강도를 유지하면서 연신율이 향상된 고탄성 알루미늄 합금의 제조방법에 관한 것이다.

최근에 환경 및 연비 규제가 엄격해짐에 따라 차량 경량화의 필요성이 증대되어 알루미늄 합금과 같은 경량 금속 합금이 차량에 확대 적용되고 있다.

종래 알루미늄 합금이 적용되는 차량용 부품은 파괴시점의 물성지표인 인장강도 향상에 초점을 맞춘 고강도 및 부품 생산품질의 안정화 공정 개발 위주로 진행되었기 때문에, 경량화가 진행됨에 따라 내구성과 주행 소음 및 진동(Noise Vibration Harshness, NVH)이 악화되는 문제가 있었다.

따라서, 차량의 내구성 및 NVH 향상을 위한 고탄성 알루미늄 합금의 개발이 시급하며, 최근에서 알루미늄 합금의 탄성계수를 증가시키기 위해 붕화물을 이용하는 연구가 진행 중이다.

여기서 붕화물(Boride)은 붕소(B)보다 전기 음성도가 낮은 원소가 보론(B)과 결합한 화합물인데, 알루미늄(Al) 함금 용탕에 첨가된 티타늄(Ti) 및 보론(B) 등에 의해 생성되는 TiB₂, AlB₂ 등을 의미한다.

차량의 강성 및 NVH 향상을 위해 기존 알루미늄 합금에 Ti, B 합금 원소를 첨가한 고탄성 알루미늄 합금의 개발이 이루어지고 있다. Ti, B 원소 첨가 시 TiB₂, AlB₂, Al₃Ti의 강화 입자가 생성되어 소재의 탄성계수를 기존 78 GPa(ADC 12 기준)에서 90 GPa 수준까지 향상시킬 수 있다. 이를 통하여 합금의 강성 및 NVH를 향상할 수 있지만, 침상형의 Al₃Ti 강화상으로 인하여 소재의 연신율이 저하되는 문제점이 존재하고 있다. 또한 주요 강화상인 TiB₂ 입자는 응집이 되어 생성이 되고 이로 인하여 용탕 내 강화상 침강 현상이 발생된다. 이러한 침강 현상으로 인한 알루미늄 합금의 주조 한계 시간이 단축되는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2008-0064984호 (2008.07.10)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 Al₃Ti 입자를 미세화하여 Ti, B 첨가 알루미늄 합금의 연신율 및 용탕 내의 강화상 침강 현상을 개선하기 위한 알루미늄 합금의 제조방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄의 제조방법은, 순수 알루미늄 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 1차 용탕 형성 단계, 상기 1차 용탕에 Al-7Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 2차 용탕 형성 단계, 상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 3차 용탕 형성 단계 및 상기 3차 용탕을 주조하는 주조단계를 포함한다.

상기 Al-7Ti 모합금은 순수 알루미늄, Al-10Ti 모합금을 750~800℃에서 용해시켜 준비하는 것일 수 있다.

상기 Al-7Ti 모합금 내에 형성된 Al3Ti 평균 입자 직경이 200 ㎛ 이하인 것일 수 있다.

본 발명에 의한 고탄성 알루미늄의 제조방법에 따르면 Al3Ti 입자 미세화를 통하여 ADC12-5Ti-1B 알루미늄 합금의 연신율을 약 40% 이상 향상할 수 있으며, 용탕 내 강화상 침강 현상도 기존 대비 약 10배 정도 개선할 수 있어 이를 통하여 ADC12-5Ti-1B 알루미늄 합금의 주조 한계시간을 증가할 수 있다. 또한, Al₃Ti 입자 미세화를 통한 TiB₂ 강화상의 개별 분산이 가능하여 탄성계수가 향상되면서도 기존의 신율을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도2는 종래 사용되는 Al-Ti 모함금 내의 Al₃Ti 상의 크기는 나타낸 조직 사진이다.
도3은 종래 사용되는 Al-Ti 모합금을 사용하여 제조한 알루미늄 함금(ADC12-5Ti-1B)의 조직을 나타낸 사진이다.
도4은 본 발명에 따른 Al-Ti 모합금에서 Al₃Ti 상의 크기를 나타낸 조직 사진이다.
도 5는 본 발명에 따른 Al-Ti 모합금을 사용하여 제조한 알루미늄 합금(ADC12-5Ti-1B) 조직을 나타낸 사진이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 알루미늄 합금의 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.

알루미늄 합금은 상용 소재에 석출강화 원소를 첨가함으로써 탄성계수를 향상시킬 수 있다. 석출강화 원소로 티타늄(Ti), 보론(B) 합금 원소를 첨가하게 되면 알루미늄 합금 내에 TiB₂, AlB₂, Al₃Ti 강화상이 형성되고, 이 때, TiB₂, Al₃Ti 강화상이 알루미늄 합금의 탄성계수를 향상시키는 주요 강화상이다. 특히 TiB₂ 강화상은 Al-10Ti 모합금 내 존재하는 Al₃Ti 강화상과 Al-5B 모합금 내 존재하는 AlB₂ 강화상이 상호 작용에 의해 생성된다. 일반적으로 합금 내 강화상의 침강 현상은 스토크(Stoke) 이론으로 예측할 수 있으며, 이 이론은 강화상의 입자 크기와 침강 시간이 직접적인 관계를 가지고 있다.

조대한 Al₃Ti 입자와 B 원자와의 반응으로 생성된 TiB₂는 200㎛ 수준으로 응집이 되어 생성된다. 따라서 TiB₂ 강화상의 크기가 5 ~ 10 ㎛ 수준으로 분산되어 있는 경우에 비하여 침강 현상이 10배 정도 가속된다. 또한 조대한 침상 형상의 Al₃Ti 존재함으로 인하여 합금의 연신율이 상용 알루미늄 소재 (예를 들어 ADC12) 에 비하여 떨어지게 된다.

따라서, 본 발명은 이러한 점을 착안하여 제조공정을 개선하여 알루미늄 합금 내에서의 Al₃Ti의 상의 크기를 미세하게 조절하여 알루미늄 합금 제조 중에 발생할 수 있는 침강현상을 줄이고 연신율을 상용 알루미늄 합금 대비 동등 수준으로 유지할 수 있게 되었다.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금의 제조방법의 공정도이다.

도시된 바와 같이, 먼저 순수 알루미늄 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성한다.(S10) 1차 용탕을 본 발명에 알루미늄 합금을 제조하기 위한 보론(B)을 첨가하기 위한 단계에 해당한다. 이 때 온도는 알루미늄 함금이 액상으로 유지하기 위한 온도이면 충분하며 특별히 한정되지 않는다. 바람직하게 1차 용탕은 약 800℃의 온도에서 형성될 수 있다.

1차 용탕을 형성한 후에 Al-7Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성한다.(S20) 이때 사용되는 Al-7Ti 모합금은 합금에 Ti를 첨가하기 위한 것으로서 별도의 준비단계를 거쳐 제조하는 것이 바람직하다.

상기 준비단계는 Al-10Ti 모함금을 순수 알루미늄과 함께 750~800℃에서 용해시키는 것이 바람직하다. Ti를 첨가 시에 Al-10Ti 모합금을 바로 첨가하는 것이 아니라 준비단계를 거쳐 알루미늄 합금 용탕을 제조함으로써, Al₃Ti의 평균 입경을 미세화하여 최종 합금의 연신율을 향상시키고, 강화성의 침강현상 및 주조성을 개선하는 것이 가능하다.

Al-7Ti 모함금을 제조하는 준비단계에서 온도를 기존의 약 1000℃에서 보다 온도를 낮춰 750~800℃의 온도범위에서 합금 용탕을 형성함으로써 생성되는 강화상이 Al₃Ti 상의 평균 입경을 약 200㎛ 이하로 조절할 수 있게 된다. 온도가 750℃ 보다 낮은 경우 용탕을 형성하는데 시간이 과도하게 소모될 수 있으며, 온도가 800℃ 보다 높은 경우 Al₃Ti 상의 평균입경이 커져 최종합금이 연신율이 낮아지며 합금 제조 시 강화상이 침강 현상이 발생할 수 있다.

상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성한다. (S30) 이후에 기타 필요한 원소를 추가적으로 용탕에 장입하는 것도 가능하다. 각각의 합금원소는 동시에 첨가하게 되면 의도대로 혼합되지 않는 경우가 있기 때문에 합금 원소를 정량만큼 균일하게 첨가하기 위해서는 본 발명과 같이 단계별로 첨가하는 것이 바람직하다.

이와 같이 혼합하기 위한 합금 원소를 모두 첨가한 후에 원하는 금형에 넣어 주조단계를 거쳐 성형한다.(S40)

도2는 종래 사용되는 Al-Ti 모합금 내의 Al₃Ti 상의 크기를 나타낸 조직 사진이다. 도3은 종래 사용되는 Al-Ti 모합금을 사용하여 제조한 알루미늄 함금(ADC12-5Ti-1B)의 조직을 나타낸 사진이다. 도2와 도3에 도시한 바와 같이 Al3Ti 상은 침상 형태를 띠며 그 크기가 약 500㎛에 해당하게 된다. 이렇게 종래 알루미늄 합금의 물성을 평가한 결과 항복강도는 180MPa, 인장 강도는 210MPa, 연신율은 약 0.4~0.5% 정도로 나타났다.

도4은 본 발명에 따른 Al-Ti 모합금에서 Al₃Ti 상의 크기를 나타낸 조직 사진이다. 도 5는 본 발명에 따른 Al-Ti 모합금을 사용하여 제조한 알루미늄 합금(ADC12-5Ti-1B) 조직을 나타낸 사진이다. 도4 및 도5에 도시된 바와 같이 각 조직 내에 나타난 Al₃Ti 상은 종래보다 종횡비(aspect ratio)가 줄어든 형태로서 그 크기가 200㎛ 이하로 구성되어 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 물성을 평가한 결과 항복강도는 약 178MPa, 인장 강도는 약 208MPa 로 종래의 알루미늄 합금과 거의 비슷한 반면에 연신율은 약 0.73~0.8%정도로 향상되었다. 따라서 Al₃Ti 상의 미세화에 따라 기존의 항복강도, 인장강도는 유지하면서 연신율을 향상시켜 알루미늄 합금의 가공성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있었다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 순수 알루미늄 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 1차 용탕 형성 단계;
   Al-10Ti 모합금을 750~800℃에서 용해시켜 Al-7Ti 모합금을 준비하는 Al-7Ti 모합금 준비단계;
   상기 1차 용탕에 상기 Al-7Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 2차 용탕 형성 단계:
   상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 3차 용탕 형성 단계; 및
   상기 3차 용탕을 주조하는 주조단계;를 포함하고,
   상기 Al-7Ti 모합금 내에 형성된 Al3Ti 평균 입자 직경이 200 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
   
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