KR20150071511A - 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법 - Google Patents

초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20150071511A
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Abstract

합금 성분 조절과 결정화 거동의 제어에 따른 나노상 금속간화합물 석출 및 분산 강화를 유도하여 우수한 항복강도 및 연신율을 확보할 수 있는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법은 (a) 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되는 Al 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계; (b) 대기압 하에서, 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 상기 용탕을 급냉 및 분사하여 Al 비정질 합금 분말을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 Al 비정질 합금 분말을 결정화 온도 영역에서 열처리한 후, 성형하여 나노금속간화합물이 석출된 Al 합금 성형체을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법{EXTREMELY HIGH STRENGTH ALUMINIUM ALLOY FORM AND METHOD OF MANUFACURING THE SAME}
본 발명은 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 조절과 결정화 거동의 제어에 따른 나노상 금속간화합물 석출 및 분산 강화를 유도하여 우수한 항복강도 및 연신율을 확보할 수 있는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
알루미늄(Al)을 주성분으로 하는 합금은 경량 소재로서 비강도가 높고 가공성이 우수하기 때문에, 항공기，차량 등에 많이 사용되고 있다.
최근, 지구 환경오염이 심각한 문제로 대두됨에 따라 수송기관의 경량화에 대한 연구가 더욱 활발하게 진행되어 현재 실용되고 있는 초듀랄루민 보다도 비강도가 높은 재료의 개발이 요구되고 있다. 고강도 알루미늄 합금을 개발하기 위해서 열처리 또는 응고법을 이용한 균일분산 및 미세화 등이 행하여져 왔으나, 이 방법들은 거의 한계에 도달한 감이 있고 근래에는 급냉응고 및 기계적합금화 등을 이용하여 기계적 물성을 향상시키려는 방법이 시도되고 있다.
그러나, 이러한 방법들은 용질원소의 조절 및 결정조직의 제어를 중심으로 한 방법이므로 비약적인 특성의 향상은 기대하기 힘들다. 또한, 이런 비약적인 고강도화는 내부에 전위 등의 결함이 존재하지 않는 이상결정을 제조하는 것에 의해 해결할 수 있으나, 현재의 기술로는 이상결정을 만드는 것이 용이하지 않은 상황이다.
따라서, 이러한 고강도화를 실현하기 위해서는 결정면이 존재하지 않기 때문에 전위를 매개로 하지 않고 원자들의 협동운동에 의해서 변형을 하는 비정질화에 의해 가능한 것으로 보고되어 왔으며, 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
관련 선행문헌으로는 공개특허공보 제10-2001-0058922호(2001.07.06. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 디젤 엔진용 알루미늄 합금강이 기재되어 있다.
본 발명의 목적은 합금 성분 조절과 결정화 거동의 제어에 따른 나노상 금속간화합물 석출 및 분산 강화를 유도하여 우수한 항복강도 및 연신율을 확보할 수 있는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법은 (a) 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되는 Al 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계; (b) 대기압 하에서, 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 상기 용탕을 급냉 및 분사하여 Al 비정질 합금 분말을 수득하는 단계; 및 (c) 상기 Al 비정질 합금 분말을 결정화 온도 영역에서 열처리한 후, 성형하여 나노금속간화합물이 석출된 Al 합금 성형체을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되며, 항복강도(YS) : 1000MPa 이상 및 연신율(EL) : 5% 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법은Al-TM(천이금속; Ni, Co, Fe)-RM(희토류; Gd, Dy, Nd, Y, La, Ce, Pr, Sm, Er)계 비정질 소재의 결정화 거동 제어에 의한 나노상 금속간화합물 석출 및 분산 강화형 합금 설계로 항복강도: 1000 MPa 이상, 탄성계수: 90 GPa 이상, 밀도: 98% 이상 및 연신율: 5% 이상을 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
초고강도 알루미늄 합금 성형체
본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성된다.
이때, 천이금속으로는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
또한, 희토류 금속으로는 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd), 이트륨(Y), 란탄족 원소 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 이때, 란탄족 원소로는 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 에르븀(Er) 등에서 선택된1종 이상이 이용될 수 있다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 원자량%로, 니켈(Ni) : 6 ~ 8%, 코발트(Co) : 2 ~ 4%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 8% 및 나머지 Al로 조성되는 것이 보다 바람직하다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 액상에서 정출되는 금속간화합물상이 나노결정립의 크기의 오쏘롬빅 구조를 갖는 3원계 이상의 금속간화합물을 형성하도록 유도함으로써, 금속간화합물의 나노쌍정을 이용하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 알루미늄-천이금속-희토류금속의 3원계 이상의 합금으로 조성되며, 비정질모상 중에 20nm 이하의 평균 직경을 갖는 알루미늄 초미립자가 균일하게 분포되도록 제어함으로써, 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 항복강도(YS) : 1000MPa 이상, 연신율(EL) : 5% 이상, 탄성계수 : 90GPa 이상 및 밀도 98% 이상을 나타낼 수 있다.
초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법은 용탕 형성 단계(S110), Al 비정질 합금 분말 수득 단계(S120) 및 나노크기의 금속간화합물을 포함하는 고강도 Al 합금 성형체 형성 단계(S130)를 포함한다.
용탕 형성
용탕 형성 단계(S110)에서는 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되는 Al 합금 조성물을 불활성가스분위기에서 용융시켜 용탕을 형성한다.
이러한 용탕 형성은 Al 합금 조성물을 용융 도가니 내부로 장입시키고, 용융 도가니 내부의 온도를 약 1500℃ 이상으로 가열하는 방식으로 실시될 수 있다.
이때, 천이금속으로는 니켈(Ni), 코발트(Co), 철(Fe) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
또한, 희토류 금속으로는 가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd), 이트륨(Y), 란탄족 원소 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다. 이때, 란탄족 원소로는 세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm), 에르븀(Er) 등에서 선택된 1종 이상이 이용될 수 있다.
Al 비정질 합금 분말 수득
Al비정질 합금 분말 수득 단계(S120)에서는 대기압 하에서, 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 용탕을 급냉 및 분사하여 Al 비정질 합금 분말을 수득한다.
고압가스 분사시, 고압가스는 2 ~ 10기압의 분사 압력을 갖는 불활성 가스가 이용될 수 있으며, 불활성 가스로는 질소, 아르곤, 헬륨 등을 제시할 수 있다. 이때, 용탕의 급냉시, 냉각 속도는 고압가스의 분사 압력 등에 따라 달라질 수 있다. 이때, 고압가스를 분사하여 용탕이 급냉되므로, 용탕이 결정화되는 것을 억제할 수 있고, 이를 통하여 비정질 합금을 형성하게 된다.
또한, Al 합금 분말 수득은 포집기를 이용하여 고압가스 분사에 의하여 분쇄된 결과물, 즉 Al 합금 분말을 포집한다. 포집기에는 대략 10 ~ 100㎛의 평균 입경을 갖는 분말이 포집될 수 있도록 1장 이상의 포집망이 구비될 수 있으며, 이 외에도 분말의 사용 목적에 따라 다른 입경 범위를 갖는 분말이 포집될 수 있는 포집망이 구비될 수도 있다.
이때, 본 발명에서는 Al 합금 조성물을 용융 도가니 내부로 장입시켜 용융시킨 후, 고압가스 분사를 이용하는 가스아토마이징법에 의해 Al 비정질 합금 분말을 수득하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다. 즉, 본 발명에서는 Al 합금 조성물을 Al 비정질 리본 형태로 제조한 후, 제조된 Al 비정질 리본을 파쇄(pulverizing)하는 것에 의해서도 Al 비정질 합금 분말을 수득할 수도 있다.
고강도 Al 합금 성형체 형성
고강도 Al 합금 성형체 형성 단계(S130)에서는 Al 비정질 합금 분말을 결정화 온도 영역에서 열처리한 후, 성형하여 나노금속간화합물이 석출된 Al 합금 성형체을 형성한다. 이때, Al 합금 성형체는 비정질, 비정질 혼합 결정질 및 결정질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
Al 합금 성형체 형성 단계(S130)에서 열간성형을 위한 방법으로는 열간압출, 방전플라즈마소결, 열간압연, 열간단조, 열원분말적층법(3D 프린팅, 레이져증착) 등에서 선택된 어느 하나의 방법이 활용될 수 있다.
본 단계에서, 액상에서 정출되는 금속간화합물상이 나노결정립의 크기의 오쏘롬빅 구조를 갖는 3원계 이상의 금속간화합물을 형성하도록 유도함으로써, 금속간화합물의 나노쌍정을 이용하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다. 이러한 나노크기의 3원계 금속간화합물을 결정화시키기 위한 열간성형는 250 ~ 400℃에서 10 ~ 1800초간 실시하는 것이 바람직하다. 결정화 열처리 온도가 250℃ 미만이거나, 결정화 열처리 시간이 10초 미만일 경우에는 그 온도가 낮은 관계로 금속간화합물의 생성이 충분히 일어나지 못하는 문제를 유발할 수 있다. 반대로, 결정화 열처리 온도가 400℃를 초과하여 높아지고, 열처리 시간이 1800초 초과하여 장시간 동안 수행될 경우에는 강도는 낮아지고 연신율이 증가하는 경향을 보인다. 이때, 최적구간의 경우 300 ~ 360℃의 결정화 유도를 위한 열간 성형 온도 구간에서 60 ~ 600초 구간을 나타낸다.
상기의 과정(S110 ~ S130)으로 제조되는 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 Al-TM(천이금속; Ni, Co, Fe)-RM(희토류; Gd, Dy, Nd, Y, La, Ce, Pr, Sm, Er)계 비정질 소재의 결정화 거동 제어에 의한 나노상 금속간화합물 석출 및 분산 강화형 합금 설계로 항복강도: 1000 MPa 이상, 탄성계수: 90 GPa 이상, 밀도: 98% 이상 및 연신율: 5% 이상을 나타낼 수 있다.
즉, 본 발명의 방법으로 제조되는 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 액상에서 정출되는 금속간화합물상이 나노결정립의 크기의 오쏘롬빅 구조를 갖는 3원계 이상의 금속간화합물을 형성하도록 유도함으로써, 금속간화합물의 나노쌍정을 이용하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 초고강도 알루미늄 합금 성형체는 알루미늄-천이금속-희토류금속의 3원계 이상의 합금으로 조성되며, 비정질모상 중에 20nm 이하의 평균 직경을 갖는 알루미늄 초미립자가 균일하게 분포되도록 제어함으로써, 우수한 기계적 물성을 나타낼 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
표 1에 기재된 합금 성분비를 갖는 Al 합금 조성물을 1540℃에서 용융시켜 용탕을 형성한 후, 대기압 하에서, 용탕에 4 기압의 분사 압력을 갖는 질소 가스를 분사하여 용탕을 급냉 및 분사하여 25㎛의 평균 입경을 갖는 Al 합금 분말을 수득하였다. 이후, Al 합금 분말을 320℃에서 90초간 열간성형(방전플라즈마소결)을 실시하여 실시예 1 ~ 10에 따른 Al 합금 성형체를 제조하였다.
[표 1] (단위 : 원자량%)
Figure pat00001

2. 기계적 물성 평가
표 2는 실시예 1 ~ 10에 따른 시편들에 대한 기계적 물성을 평가한 결과를 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure pat00002
표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 10에 따른 시편들의 경우, 목표값에 해당하는 항복강도(YS) : 1000MPa 이상, 연신율(EL) : 5% 이상, 탄성계수 : 90GPa 이상 및 밀도 98% 이상을 모두 만족하는 것을 확인하였다.
특히, Ni-Co-Gd-Y-Al의 5원계의 합금 조성을 갖는 실시예 6에 따른 시편이 항복강도 및 탄성계수에서 가장 우수한 특성을 나타내는 것을 확인하였다.
이때, 미세조직을 관찰한 결과, 실시예 1 ~ 10에 따른 시편들의 경우, 전형적인 비정질상을 나타내는 확산 광륜 링(diffuse halo ring)만이 관찰되는 비정질단상을 갖는 것을 확인하였다.
특히, 실시예 1 ~ 10에 따른 시편들의 경우, 알루미늄상의 석출이 비정질모상을 열적으로 매우 안정하게 한다는 것을 알 수 있었다. 이때, 알루미늄상의 석출에 의해 상대적으로 잔류 비정질모상의 용질농도가 증가하여 구성원자간에 강한 결합을 나타내는데, 이는 금속간화합물상이 나노결정의 오쏘롬빅 구조를 갖는데 기인한 것으로 파악된다.
또한, 실시예 1 ~ 10에 따른 시편들의 경우, 승온 중에 알루미늄입자들의 석출에 의해 연신율이 향상됨과 동시에 우수한 항복강도를 나타내었는데, 이는 알루미늄계 비정질 함금의 경우 고온에서 커다란 변형능을 이용하여 분말상 시료를 이용한 벌크화가 가능할 뿐만 아니라, 높은 내열성을 갖게 할 것으로 판단된다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 용탕 형성 단계
S120 : Al 비정질 분말 수득 단계
S130 : Al 합금 성형체 형성 단계

Claims (12)

  1. (a) 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되는 Al 합금 조성물을 용융시켜 용탕을 형성하는 단계;
    (b) 대기압 하에서, 상기 용탕에 고압가스를 분사하여, 상기 용탕을 급냉 및 분사하여 Al 비정질 합금 분말을 수득하는 단계; 및
    (c) 상기 Al 비정질 합금 분말을 결정화 온도 영역에서 열처리한 후, 성형하여 나노금속간화합물이 석출된 Al 합금 성형체을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 천이금속은
    니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 희토류 금속은
    가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd), 이트륨(Y) 및 란탄족 원소 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 란탄족 원소는
    세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm) 및 에르븀(Er) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고압 가스는
    2 ~ 10 기압의 분사 압력을 갖는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 Al 합금 성형체 형성은
    열간압출, 방전플라즈마소결, 열간압연, 열간단조 및 열원분말적층법 중 어느 하나의 방법으로 실시하는 것을 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 결정화 열처리는
    250 ~ 400℃에서 10 ~ 1800초간 실시하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체 제조 방법.
  8. 원자량%로, 천이금속(TM) : 8 ~ 15%, 희토류 금속(RM) : 4 ~ 10% 및 나머지 Al로 조성되며,
    항복강도(YS) : 1000MPa 이상 및 연신율(EL) : 5% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 천이금속은
    니켈(Ni), 코발트(Co) 및 철(Fe) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 희토류 금속은
    가돌리늄(Gd), 디스프로슘(Dy), 네오디뮴(Nd), 이트륨(Y) 및 란탄족 원소 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 란탄족 원소는
    세륨(Ce), 프라세오디뮴(Pr), 사마륨(Sm) 및 에르븀(Er) 중 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 성형체는
    탄성계수 : 90GPa 이상 및 밀도 98% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 초고강도 알루미늄 합금 성형체.
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