KR101845414B1 - 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 합금 공정시, 융탕 온도 및 냉각 속도를 제어함으로써, 알루미늄 내에 티타늄, 붕소와 같은 합금 원소를 첨가하여 생성되는 강화상의 형상 및 생성 위치를 제어하고, 이를 통하여 알루미늄 합금의 탄성 계수를 최대화 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것이다.

Description

강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법 {Manufacturing Method of Aluminum Alloys Using Shape and Creation Location Control for Strengthening Phase}

본 발명은 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는, 알루미늄 합금의 탄성계수를 향상시키기 위하여 알루미늄 내 첨가하여 생성되는 강화상의 형상 및 생성 위치를 제어하여 합금의 탄성 계수를 최대화 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것이다.

최근 차량의 내구성 및 소음진동(NVH, Noise, vibration, and harshness) 향상을 위한 고탄성 알루미늄 합금의 개발이 이루어지고 있다. 즉, 고탄성 소재를 획득하기 위하여, 알루미늄에 다양한 합금 원소를 첨가하여 알루미늄이 가진 고유의 탄성 계수 이상의 탄성계수를 획득하기 위하여 개발이 이루어진다.

일반적으로, 알루미늄 합금의 탄성 계수를 증가시키기 위한 강화상(strengthening phase)으로는 티타늄(Ti, Titanium)및 붕소(B, Boron) 합금 원소 첨가시 생성되는 TiB2, AlB2 및 Al3Ti 등이 있다.

상기 강화상은 알루미늄에 합금원소를 투입한 후 열처리하면, 이로 인해 미세 금속 탄화물 등이 석출되고 석출된 탄화물에 의해 그 강재의 강도 등 물성이 강화된 것을 의미하며, 상기와 같은 TiB2, AlB2 및 Al3Ti 강화상은 알루미늄의 탄성 계수를 증가시켜 요구된 탄성 계수를 만족시키고 있었다.

일반적으로 알루미늄 합금은 약 800℃에서 용해하여 제조되고 있다. 그러나, 상기 티타늄, 붕소와 같은 합금 원소는 융점이 높은 성질을 가지고 있으며, 이러한 고융점의 합금 원소를 상기 알루미늄 합금에 사용하기 위해서는 용해 온도를 약 1000℃까지 상승시켜야 하는 단점이 있었다. 만일, 상기 티타늄, 붕소 합금 원소를 종래의 낮은 온도(약 800℃)를 이용한 공정에 사용하게 되면, 탄성 계수를 증가시키는 강화상의 생성 분율이 현저하게 낮아지게 되는 문제가 있었다. 따라서, 용해점의 온도를 올리기 위한 에너지의 소비가 증가하고, 이로 인한 비용의 증가를 발생하는 문제가 있었다.

또한, 상기와 같이 고온 (약 1000℃) 공정에서 생성되는 알루미늄 합금 내의 강화상(TiB2, AlB2, Al3Ti)은 다각형 또는 침상의 형태를 가진다. 다시말해서, 고온 알루미늄 합금 공정에서 생성되는 TiB2 및 AlB2 강화상은 다각형(Polygonal shape)의 형상을 가지고, Al3Ti 강화상은 침상(Needle shape)의 형태로 이루어진다.

그러나, 동일한 생성 분율이라고 가정할 경우, 다각형의 형태를 갖는 강화상 보다 침상의 형태를 갖는 강화상이 탄성계수를 더 크게 증가시키는 결과를 가져오며, 강기 강화상 중 탄성계수 향상 효과는 TiB2가 가장 크기(탄성계수 570Gpa) 때문에, 탄성계수 향상에 있어서, 다각형의 형태를 TiB2의 효율이 상대적으로 저하되는 단점이 있었다.

마지막으로, 종래의 알루미늄 합금 공정시 생성되는 강화상의 위치는 기지 내(Matrix) 또는 입계(grain boundary)내 중 어느 곳에나 생성될 수 있었다. 그러나, 강화상이 입계에 존재하게 되면, 입계 파괴가 발생할 수 있으며, 이 경우 기계적 특성이 현저하게 떨어지게 되는 단점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로서,

알루미늄 합금 공정시, 융탕 온도 및 냉각 속도를 제어함으로써, 알루미늄 내에 티타늄, 붕소와 같은 합금 원소를 첨가하여 생성되는 강화상의 형상 및 생성 위치를 제어하고, 이를 통하여 알루미늄 합금의 탄성 계수를 최대화 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,

알루미늄 합금 제조 방법에 있어서, 순수한 알루미늄을 제1온도로 용해하여 알루미늄 용해물을 형성하고 붕소 모합금을 장입하는 단계; 붕소 모합금이 장입된 상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하는 단계; 상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하는 단계; 상기 알루미늄 용해물의 온도를 상기 제1온도보다 높은 제2온도로 상승시키는 단계; 및 상기 알루미늄 용해물을 금형내에 출탕하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 금형내에 출탕된 알루미늄 용해물을 냉각시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알루미늄 용해물을 교반하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 순수한 알루미늄을 제1온도로 용해하여 알루미늄 용해물을 형성하고 붕소 모합금을 장입하는 단계는, 상기 알루미늄 용해물에 붕소 모합금을 장입하고 30분간 온도를 유지하며 대기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 붕소 모합금이 장입된 상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하는 단계는, 상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하고 20분간 온도를 유지하며 대기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하는 단계; 및 상기 알루미늄 용해물의 온도를 상기 제1온도보다 높은 제2온도로 상승시키는 단계는, 상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하고, 상기 알루미늄 용해물의 온도를 제2온도로 상승시킨 후 온도를 유지하며 30분간 대기하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1온도는 850℃이고, 상기 제2온도는 1000℃인 것을 특징으로 한다.

또한, 금형내에 출탕된 상기 알루미늄 용해물을 냉각시키는 단계는, 2℃/sec 보다 빠른 속도로 냉각하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은,

알루미늄 합금 공정에 있어서, 융탕 온도 및 냉각 속도의 제어를 통하여 알루미늄 합금 내의 강화상의 형상 및 위치를 제어함으로써, 알루미늄 합금의 탄성 계수를 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기와 같이 형성돤 알루미늄 합금은 종래의 공정에 의하여 생성된 알루미늄 합금(75Gpa)에 비해 높은 탄성계수(90Gpa)를 갖는 효과가 있으며, 따라서, 상기 알루미늄 합금이 사용되는 차량 구동부과 같은 곳에서, 동일한 부품을 적용시 보강재의 사용을 종래의 알루미늄 합금 보다 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 더욱이, 상기와 같이 보강재의 사용을 감소시킬 수 있으므로, 차량 경량화를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금을 제조하는 제조공정을 간략하게 나타내는 플로우차트이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금을 제조하는 제조공정을 간략하게 나타내는 블럭도이다.
도 3 내지 도 6은 상기 도 2의 각 단계를 각각 나타낸다.
도 7a은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기와 같이 온도를 조절함으로써, 강화상이 침상형으로 생성된 실시예를 나타내는 사진이며, 도 7b는 종래의 알루미늄 합금 공정을 통하여 형성된 다각형 형상으로 형성된 강화상을 나타내는 사진이다.
도 8은 붕소화물(borides) 화합물을 생성하기 위한 티타늄, 붕소, 규소의 화학 조성을 나타내는 표이다.
도 9a 및 도 9b는 상기 티타늄와 붕소의 비율이 1:1 내지 2:1보다 큰 경우의 초과 B(Excess B)가 합금 내에 형성된 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 10은 강화상 형상에 다른 탄성계수를 나타내는 그래프이다.
도 11은 강화상 형상에 따른 기계적 특성 향상 효과를 나타내는 그래프이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 합금을 제조하는 제조공정을 간략하게 나타내는 플로우차트이며, 도 2는 제조공정을 간략하게 나타내는 블럭도로, 알루미늄 합금 공정에 있어서, 알루미늄에 합금 원소들을 첨가하고, 각 단계별로 시간 및 온도를 제어함으로써, 강화상 형성을 제어하는 과정을 나타낸다. 또한, 도 3 내지 도 6는 상기 도 2의 각 단계를 각각 나타낸다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금 공정의 최초 단계에 있어서, 용해 온도 850℃ 하에서 순수한 알루미늄(Pure Al)에 Al-5B 모합금을 장입하고(S001), 온도를 유지하며 30분을 대기한다(S002).

모합금이란 합금을 만들 때 첨가하려는 합금원소를 정량만큼 균일하게 첨가하기 위해서는 원소 단체를 단번에 첨가하면 목적한 대로 섞여지지 않을 때가 있으므로 첨가원소를 다량으로 함유한 합금을 별도로 융제로 만들어 놓고, 이것의 작은 조각을 바라는 합금의 기초가 되는 금속의 융액에 가하여 희석하는 방법을 취하는데, 이를 위하여 만든 합금원소의 농도가 높은 합금을 모합금이라고 한다.

따라서, 본 발명의 알루미늄 합금 공정의 최초단계에서는, 상기 AL-5B 모합금을 첨가함으로써, 순수한 알루미늄에 붕소를 첨가한다.

바람직하게는, 상기 단계에서는 알루미늄에 Al-5B를 첨가한 후, 850℃ 용해 온도에서 30분간 유지한 후에 다음 공정을 진행한다.

상기와 같이, 용해온도 850℃ 하에서 붕소를 첨가하는 1단계 공정을 거친 알루미늄에 도 4에 도시된 바와 같이, Al-10Ti 모합금을 첨가한다(S003). 본 2단계 공정에서의 용해 온도는 상기 1단계 공정과 마찬가지로 850℃로 유지되며, 이러한 상태에서 상기 Al-10Ti모합금이 첨가된다.

이러한 2단계 공정을 통하여 상기 1단계 공정에서 합금원소 붕소가 첨가된 알루미늄에 티타늄를 첨가할 수 있다.

바람직하게는, 상기 2단계 공정에서는 알루미늄에 Al-10Ti를 첨가한 후, 상기 1단계와 마찬가지로 850℃ 온도를 유지하는 상태로 20분간 대기(S004)한 후에 다음 공정을 진행한다.

용해온도 850℃ 하에서 티타늄을 첨가하는 2단계 공정을 거친 알루미늄에 도 5에 도시된 바와 같이, 규소(Si, Silicon) 원소를 첨가한다(S005). 본 3단계 공정 역시 용해 온도를 상기 1단계 및 2단계 공정과 마찬가지로 850℃로 유지하는 것이 바람직하며, 이 상태에서 상기 규소 원소가 첨가된다.

이러한 3단계 공정을 통하여 상기 1단계 및 2단계 공정을 통하여 합금원소 붕소 및 티타늄이 첨가된 알루미늄에 규소를 첨가할 수 있다.

상기 규소는 석출에 의한 강화를 유발해서 강도를 향상시키기 위하여 첨가하는 합금 원소로, 상기 1단계 공정 및 상기 2단계 공정을 통하여 붕소 및 티타늄을 첨가함으로써 탄성력을 향상시킨 알루미늄의 강성을 향상시키기 위하여 첨가된다.

바람직하게는, 상기 3단계 공정에서는 알루미늄에 규소를 첨가한 후, 온도를 1000℃로 상승시키고, 이후 30분간 온도를 유지시키며 대기한다(S006).

상기와 같은 온도의 상승은 강화상의 형상을 제어하기 위한 것으로, 상기와 같이 온도를 850℃ 에서 1000℃로 상승시킴으로써, 상기 티타늄 및 붕소를 첨가함으로써 형성되는 강화상, TiB2 및 AlB2의 형상이 다각형의 형상이 아닌 침상형으로 형성할 수 있다. 상기와 같은 공정은 본 발명의 특징적인 기술로, 알루미늄 용해물의 용해 온도를 제어함으로써, 강화상의 형상을 제어하여 탄성계수를 증가시킬 수 있는 장점을 제공한다.

도 7a은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기와 같이 온도를 조절함으로써, 강화상이 침상형으로 생성된 실시예를 나타낸 사진이며, 도 7b는 종래의 알루미늄 합금 공정을 통하여 형성된 다각형 형상으로 형성된 강화상을 나타내고 있다.

한편, 상기 3단계 공정 후 1000℃ 온도에서 30분간 유지된 알루미늄 용해물은 도 6에 도시된 바와 같이 금형을 위하여 출탕하는 4단계 공정을 진행한다(S007). 금형 내에 출탕된 알루미늄 합금 용해물은 냉각되어 금형을 완성하는데, 이때, 냉각속도를 종래의 알루미늄 합금의 냉각속도보다 빠르게 함으로써, 알루미늄 합금 내의 강화상의 성장을 제한하도록 하는 것이 바람직하다.

다시말해서, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 금형내에 출탕된 알루미늄 합금의 냉각은 종래의 알루미늄 합금의 냉각속도 2℃/sec 보다 빠르게 이루어지도록 하고, 이는 상기 알루미늄 합금 내에서 강화상의 성장을 제한함으로써, 종래의 알루미늄 합금 공정에서 생성된 다각형 형상의 강화상 대신 침상 또는 판상의 강화상을 형성할 수 있다.

또한, 바람직하게는, 상기 4단계 공정시 1000℃온도로 유지된 알루미늄 합금은 금형에 출탕하기 전 기계적 교반이 실시된다. 상기 교반은 상기 알루미늄 합금의 강화상이 입계(grain boundary) 내에 생성되는 것을 지연함으로써, 강화상이 기지 내(matrix)에 존재하도록 하는 기능을 한다.

바람직하게는 1000℃로 유지되는 상기 알루미늄 합금 용해물은 금형에 출탕하기 전에 500rpm으로 기계적 교반을 실시한다.

도 8은 붕소화물(borides) 화합물을 생성하기 위한 티타늄, 붕소, 규소의 화학 조성을 나타내는 표이다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 붕소화물 화합물 생성을 위한 합금 조성비는 상기 도 8에 도시된 바와 같이, 티타늄와 붕소의 비율이 1:1 내지 2:1 사이가 바람직하다.

상기 비율은 알루미늄 합금의 탄성계수를 증가하기 위하여 TiB2 (570GPa), AlB2 (277GPa), Al3Ti (220GPa)과 같은 강화상이 최대한 생성되도록 하기 위한 것이다.

도 9a 및 도 9b는 상기 티타늄와 붕소의 비율이 1:1 내지 2:1보다 큰 경우의 초과 붕소(Excess B)가 합금 내에 형성된 미세조직을 나타내는 사진이다.

도시된 바와 같이, 상기 티타늄와 붕소의 비율이 1:1 내지 2:1보다 큰 경우, 즉, 티타늄:붕소 >= 2:1일 때, 초과 붕소가 합금 내에 용해되지 못하여 알루미늄 합금의 인장 강도 등의 특성을 저하시킬 수 있다.

다라서, 상기 도 8에 도시된 표에서와 같이, 상기 상기 티타늄와 붕소의 비율은 1:1 내지 2:1 내에서 결정되는 것이 바람직하다.

도 10은 강화상 형상에 다른 탄성계수를 나타내는 그래프이다.

도시된 바와 같이, 강화상의 가로세로 비율(Aspect ratio, 이하 '종횡비'라 함)은 탄성계수에 큰 영향을 미치는데, 종횡비가 0에 가까울 수록, 즉, 침상 형상을 가질 수록 탄성계수가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 강화상의 종횡비가 1일 경우, 즉 가로와 세로의 길이가 같을 경우에는 탄성 계수가 제일 낮으며, 그 이후 종횡비의 증가에 따라 탄성 계수가 증가하는 것을 볼 수 있다.

따라서, 강화상 형상은 침상 형상을 하는 것이 탄성계수의 증가를 위하여 바람직하다는 것을 알 수 있다.

도 11은 강화상 형상에 따른 기계적 특성 향상 효과를 나타내는 그래프이다.

도시된 바와 같이, TiB2 강화상이 다각형인 경우, 상기 TiB2 강화상이 침상일 경우보다 더 낮은 스트레스에서 더욱 변형이 많이 되는 것을 알 수 있다.

또한, TiB2 강화상이 침상일 경우에도, 종횡비가 더 클수록 더 큰 스트레스를 견딜 수 있는 것을 알 수 있으며, 이는 강화상 형상에 따라 알루미늄 합금의 기계적 특성이 향상되고 있음을 나타낸다.

이상으로 본 발명의 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 특정한 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도, 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (8)

1. 알루미늄 합금 제조 방법에 있어서,
   순수한 알루미늄을 제1온도로 용해하여 알루미늄 용해물을 형성하고 붕소 모합금을 장입하는 단계;
   붕소 모합금이 장입된 상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하는 단계;
   상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하는 단계;
   상기 알루미늄 용해물의 온도를 상기 제1온도보다 높은 제2온도로 상승시키는 단계;
   상기 알루미늄 용해물을 금형내에 출탕하는 단계; 및
   상기 금형내에 출탕된 알루미늄 용해물을 냉각시키는 단계;
   를 포함하며,
   상기 제1온도는 850℃이고, 상기 제2온도는 1000℃이며,
   상기 금형내에 출탕된 상기 알루미늄 용해물을 냉각시키는 단계는 2℃/sec 보다 빠른 속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법.
   
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 알루미늄 용해물을 교반하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   순수한 알루미늄을 제1온도로 용해하여 알루미늄 용해물을 형성하고 붕소 모합금을 장입하는 단계는,
   상기 알루미늄 용해물에 붕소 모합금을 장입하고 30분간 온도를 유지하며 대기하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   붕소 모합금이 장입된 상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하는 단계는,
   상기 알루미늄 용해물에 티타늄 모합금을 장입하고 20분간 온도를 유지하며 대기하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하는 단계; 및
   상기 알루미늄 용해물의 온도를 상기 제1온도보다 높은 제2온도로 상승시키는 단계는,
   상기 알루미늄 용해물에 규소 원소를 장입하고, 상기 알루미늄 용해물의 온도를 제2온도로 상승시킨 후 온도를 유지하며 30분간 대기하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강화상의 형상 및 생성 위치 제어를 이용한 알루미늄 합금 제조 방법.
   
7. 삭제
8. 삭제

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