KR101550995B1

KR101550995B1 - 알루미늄합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101550995B1
Application number: KR1020130151885A
Authority: KR
Inventors: 이후담; 이태규; 이종국; 박훈모; 박현달; 이경문
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-09-07
Also published as: KR20150066396A

Abstract

Si 10~12wt%, Cu 1.5~3.5wt%, Fe 1.2wt%이하(0은 불포함), Mn 0.5wt%이하(0은 불포함), Ni 0.3wt%이하(0은 불포함), Zn 1wt%이하(0은 불포함), Sn 0.3wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성되는 알루미늄합금 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

알루미늄합금 및 그 제조방법 {ALUMINIUM ALLOY AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 기존 알루미늄합금 대비 비중도 낮고 탄성계수도 높은 새로운 알루미늄합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금은 알루미늄의 성질을 개량하여 우수한 특성을 발휘한다. 고력(高力) 알루미늄합금은 알루미늄에 구리를 첨가한 것으로 강도가 크며, 두랄루민이 그 대표적인 예이다. 이것에 마그네슘을 첨가하면 초(超)두랄루민, 다시 아연을 첨가한 초초두랄루민은 항공기의 재료로 사용된다. 고력 알루미늄합금은 내식성(耐蝕性)에서 문제점이 있다. 구조용 알루미늄합금은 마그네슘-아연을 가한 것인데 내식성이 우수하며 철도차량/교량 등에 사용된다. 주물용은 규소를 가한 합금을 사용하며, 이 밖에 내열(耐熱)/광휘(光輝) 등 목적에 따라서 다른 금속을 배합하여 사용한다.

그리고 이러한 알루미늄 합금을 크게 구별하면, 전신재(展伸材)용과 주조재용이 있다. 전자에는 Al-Cu -Mg계(두랄루민, 초두랄루민), Al-Mn계, Al-Mg-Si계, Al-Mg계, Al- Zn-Mg계(극초두랄루민) 등이 있다. 후자에는 Al-Cu계, Al-Si계(실루민) Al-Cu-Si계(라우탈), Al-Mg계(히드로날륨), Al-Cu-Mg-Si계(Y합금), Al-Si-Cu- Mg-Ni계(로ㆍ엑스합금) 등이 있다.

그리고 최근 이러한 알루미늄 합금들은 금속계 화합물이나 CNT 등의 강화상을 분말형태로 성형하기도 하였으나, 원가경쟁력에 한계가 있어 왔다.

또한, 주조공정에 분말형태로 적용할 경우에는 Al 기지와의 젖음성, 분산 문제가 발생되었다. 그리고, 과공정 알루미늄 주조재의 경우에는 저압주조공정에 국한되고 조대 Si입자에 의한 가공성이 떨어지는 문제가 있었던 것이다.

고탄성화를 위해 Si만을 이용할 경우에는 탄성 향상 한계 및 조대 Si입자에 의한 가공 난이의 문제가 있고, 금속계 화합물이나 CNT등의 강화상을 분말형태로 성형하였으나 원가경쟁력에 한계가 있으며, 특히 연속주조공정에서 분말형태로 적용시에는 Al 기지와의 젖음성, 분산 문제가 발생하는 것이다.

한편, 종래와 같이 밀도가 무거운 강화상을 in-situ(용탕에 직접 원소를 넣어 용탕내에서 강화상이 자발반응을 통해 생성되도록 함) 또는 ex-situ(외부에서 제조된 강화상을 용탕에 첨가함) 방법을 통해 알루미늄 합금에 첨가하도록 하였는데, 이는 알루미늄 합금의 탄성계수가 증가되나, 알루미늄의 밀도가 더불어 증가되는 문제가 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2013-0058998 A

본 발명은 기존 알루미늄합금 대비 비중도 낮고 탄성계수도 높은 새로운 알루미늄합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알루미늄합금은, Si 10~12wt%, Cu 1.5~3.5wt%, Fe 1.2wt%이하(0은 불포함), Mn 0.5wt%이하(0은 불포함), Ni 0.3wt%이하(0은 불포함), Zn 1wt%이하(0은 불포함), Sn 0.3wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성될 수 있다.

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또 다른 알루미늄합금은, Si 16~18wt%, Cu 4~5wt%, Ti 0.2wt%이하(0은 불포함), Zn 0.1wt%이하(0은 불포함), Mn 0.1wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성될 수 있다.

이러한 알루미늄합금을 제조하는 방법은, Al 및 Al-B모합금을 장입하고, Mg를 산화되지 않도록 불활성가스분위기에서 장입하며, 기타원소를 장입하여 제조하되, Al-B모합금과 Mg는 최종합금에서 Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%를 포함하되 Mg:B=1~2:1의 비율로 조성되도록 장입한다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 알루미늄합금 및 그 제조방법에 따르면, 기존 알루미늄합금 대비 비중도 낮고 탄성계수도 높은 새로운 알루미늄합금을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄합금 및 그 제조방법에 따라 제조된 알루미늄 합금의 MgB₂의 함량에 따른 물성을 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄합금 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 알루미늄합금은, Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%를 포함하되, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성된다.

구체적으로, 알루미늄합금은, Si 6.5~7.5wt%, Mn 0.1wt%이하(0은 불포함), Fe 0.2wt%이하(0은 불포함), Cu 0.2wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성될 수 있다.

또 다른 알루미늄합금은, Si 10~12wt%, Cu 1.5~3.5wt%, Fe 1.2wt%이하(0은 불포함), Mn 0.5wt%이하(0은 불포함), Ni 0.3wt%이하(0은 불포함), Zn 1wt%이하(0은 불포함), Sn 0.3wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성될 수 있다.

Mg과 B의 반응으로 생성되는 MgB₂는 밀도가 2.64 g/cm³ 으로 Al 합금과 유사하며, 탄성계수가 303 GPa로 높은 탄성계수를 지니고 있다. 본 발명은 MgB₂ 강화상을 이용하여 알루미늄 합금의 탄성을 향상시키며, 추가적으로 알루미늄의 밀도 또한 저감 시키는 새로운 합금에 관한 것이다. 도 1은 이러한 MgB₂의 효과를 나타낸 것으로서, MgB₂ 1wt% 당 탄성계수 0.8GPa 상승하며, 0.05g/cm³ 의 밀도를 저감 시킴을 알 수 있다.

이를 통해 알루미늄 합금의 탄성을 최대 25%(16GPa) 향상시키며, 기존 알루미늄 대비 경량화 효과가 최대 4% 이상 확보되도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 IN-SITU공법을 통해 강화상을 별도로 장입하는 것이 아니라 용탕내에서 자발적으로 형성되도록 함으로써 기재내에 고르게 분포되도록 할 수 있다.

한편, Mg:B의 비율이 2:1을 초과하여 증가하게 되면, MgB₂로 생성되고 남는 Mg이 Al 기지내 고용이 되기 때문에, 고용에 의한 탄성계수 저하가 발생되며, 더불어 B 함량이 1:1를 초과하여 증가하게 되면, 탄성은 올라가나 경량화 효과가 감소된다. 따라서, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성됨이 가장 바람직하다.

원소별로 첨가량이 제한되도록 한다. 구체적으로, Mg이 0.5wt% 미만 첨가시 MgB₂ 생성량이 적어 탄성 향상 효과가 미비하며, 10wt% 초과 첨가시 AlMg_BETA phase 생성으로 인하여 연신율 저하 효과가 발생되는 문제가 있다.

B을 0.5wt% 미만 첨가시 MgB₂ 생성량이 적어 탄성 향상 효과 미비하며, 5wt% 초과 첨가시 합금 Melting point가 상승되고 Boride 계열 산화물이 다량 생성되는 문제가 있다. 따라서, 합금내에서의 Mg은 0.5~10wt%, B는 0.5~5wt%를 포함하도록 함이 가장 바람직하다.

상기 표에서 볼 수 있듯이, pure Al 에 2wt% Mg와 1wt% B을 첨가할 때 탄성계수가 약 3% 증가하고, 밀도는 1% 이상 감소하는 것을 확인하였다.

주조용 상용 알루미늄 합금인 AC4CH ,ADC12,A390 합금에서도 같은 현상이 관찰되었다. 즉, 주조용 알루미늄 합금 내에서 MgB₂를 활용하여 탄성 향상이 가능하도록 한 것이다.

B을 제한하고 Mg만 늘릴 경우에는 탄성 저하 효과 발생하기 때문에 Mg 대 B 비율 2:1 이 넘지않아야 되고, MgB₂ 활용 기존 소재 대비 탄성이 향상되고, 밀도 또한 낮은 합금 개발이 가능한 장점이 있다.

상기 표에서 볼 수 있는 AC4CH에 2wt% Mg, 1wt% B가 함유되도록 조절한 실시예의 경우에는 최종 합금의 성분이 Si 7wt%, Mn 0.1wt%, Fe 0.2wt%, Cu 0.2wt%, Mg 2wt%, B 1wt%, 잔부 Al로 조성된 것이다.

ADC12에 2wt% Mg, 1wt% B가 함유되도록 조절한 실시예의 경우에는 최종 합금의 성분이 Si 11wt%, Cu 2.5wt%, Fe 1.2wt%, Mn 0.5wt%, Ni 0.3wt%, Zn 1wt%, Sn 0.3wt%, Mg 2wt%, B 1wt%, 잔부 Al로 조성된 것이다.

A390에 2wt% Mg, 1wt% B가 함유되도록 조절한 실시예의 경우에는 최종 합금의 성분이 Si 17wt%, Cu 4.5wt%, Ti 0.2wt%, Zn 0.1wt%, Mn 0.1wt%, Mg 2wt%, B 1wt%, 잔부 Al로 조성된 것이다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims

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Si 10~12wt%, Cu 1.5~3.5wt%, Fe 1.2wt%이하(0은 불포함), Mn 0.5wt%이하(0은 불포함), Ni 0.3wt%이하(0은 불포함), Zn 1wt%이하(0은 불포함), Sn 0.3wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
Si 16~18wt%, Cu 4~5wt%, Ti 0.2wt%이하(0은 불포함), Zn 0.1wt%이하(0은 불포함), Mn 0.1wt%이하(0은 불포함), Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, Mg:B=1~2:1의 비율로 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄합금.
Al 및 Al-B모합금을 장입하고, Mg를 산화되지 않도록 불활성가스분위기에서 장입하며, 기타원소를 장입하여 제조하되,
Al-B모합금과 Mg는 최종합금에서 Mg 0.5~10wt%, B 0.5~5wt%를 포함하되 Mg:B=1~2:1의 비율로 조성되도록 장입하는 것을 특징으로 하는 알루미늄합금 제조방법.