KR100446680B1 - 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것으로서,

분무성형법으로 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, 탄화물 형성원소(M)가 포함된 Al-M 알루미늄 합금에 탄화물 분말(RC)을 혼합하여, 분무주조장치에서 1200~1600℃의 용해온도로 용해유지시간을 5~30분으로 하여 용해하는 단계와; 상기 용융물을 불활성가스로 분무하여 분무성형체를 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조된 분무성형체를 열간 또는 냉간가공하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며,

1㎛ 이하의 미세한 탄화물과 3~7㎛ 의 조대한 탄화물 입자가 고르게 분포된 내마모 내열 알루미늄 합금을 저렴하게 제조할 수 있도록 해주고, 이렇게 제조된 내마모 특성 및 내열 특성을 겸비한 알루미늄 합금은 운송기기의 엔진소재 및 산업기기용 부품소재 등으로 다양하게 응용될 수 있으므로, 산업파급효과가 매우 큰 효과를 제공하는 장점이 있다.

Description

내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법{Manufacturing method of aluminum alloys having high wear resistance and high heat resistance}

본 발명은 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법, 보다 상세하게는 자동차를 비롯한 운송기기의 엔진재료 및 각종 산업기기 부품소재 등에 이용되는 내마모 및 내열 특성이 우수한 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로, 특히 모재 내에 내마모 특성 향상에 적합한 3~7㎛의 조대한 탄화물 입자와 내열 특성 향상에 적합한 1㎛ 이하의 미세한 탄화물 입자가 균일하게 형성되도록 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 합금의 각종 기계적 특성을 향상시키기 위해서는 각각의 기계적 특성에 부합하는 미세조직을 유지하도록 하여야 한다. 예를 들면, 인장강도가 우수한 알루미늄 합금을 제조하기 위해서는 무엇보다도 미세한 경질 입자를 미세조직 내에 고르게 분산시켜야 하는데, 특히 내열특성을 향상시키기 위해서는 이들 미세한 경질 입자의 내열특성이 우수하여야 한다. 그리고 알루미늄 합금의 내마모 특성을 향상시키기 위해서는 적당한 크기의 내마모 경질입자(예를 들면, 3~10㎛ 정도 크기의 경질 입자)를 미세조직 내에 고르게 분산시켜야 한다.

전통적으로 알루미늄 합금은 그 제조방법에 따라 주조 합금, 분말야금 합금, 그리고 분무성형 합금으로 구분될 수 있다.

먼저 주조 합금의 경우, 상온에서는 알루미늄 기지 내에 분포하는 미세한 석출상으로 인해 우수한 상온강도를 나타내는 반면, 내마모 경질입자의 결핍으로 인해 낮은 내마모 특성을 나타내며, 200℃ 이상의 고온에서는 석출상의 급격한 조대화에 의한 불균일한 분포로 인해 취약한 고온강도 및 내마모 특성을 나타낸다.

분말야금법으로 알루미늄 합금을 제조하면 합금원소를 다양하게 첨가할 수 있으므로 열적 안정성이 뛰어난 미세한 분산상을 미세조직 내에 균일하게 분포시킬 수 있고, 또한 내마모성 향상에 적합한 경질입자를 용이하게 첨가할 수 있다. 따라서 분말야금법을 이용하면 내열 특성 및 내마모 특성이 우수한 알루미늄 합금의 제조가 가능하다.

그러나 분말야금법으로 알루미늄 합금을 제조하기 위해서는 분말의 제조, 입도분류, 캐닝(canning), 탈가스처리, 성형공정, 소결공정 등 복잡한 제조공정을 거쳐야 하며, 특히, 대기나 습기에 노출된 알루미늄 분말은 표면에 알루미늄 산화물 층을 형성하기 때문에 각 제조공정과 관련된 분위기 제어도 완벽하여야 한다. 따라서 복잡한 제조공정과 까다로운 공정제어로 인해 분말야금법으로 제조된 분산강화 알루미늄 합금은 제조단가가 매우 높다는 단점을 지닌다. 더우기 인체에 유해한 10㎛ 이하의 내마모 경질입자를 첨가하기 위해서는 전술한 분말야금 공정이 더욱 까다롭고 복잡해지므로 제조단가는 더욱 상승하게 된다.

한편, 분무성형법은 분말야금법과 일반주조법의 장점을 동시에 지닌 합금제조공정으로서, 통상의 분무성형 합금의 경우 제조단가 면에서는 일반주조재와, 그리고 특성면에서는 분말야금재와 견줄 수 있다고 알려져 있다.

그러나 분무성형법으로 내마모 내열 알루미늄 합금을 제조하는 경우에는 내마모 특성 및 내열 특성의 향상이 제한적으로 이루어지고 있는 실정인데, 그 원인은 다음과 같다. 먼저 내마모 특성이 우수한 알루미늄 합금을 제조하기 위해서는 비행하는 분무액적에 경질입자를 별도로 주입하여야 하는데, 경질입자를 주입하기 위해서는 경질입자 주입장치를 별도로 설치하여야 하며, 또한 경질입자 주입장치를 이용한 공정제어가 까다롭기 때문에 합금의 제조단가가 상승하는 단점을 초래한다.

그리고 내열 특성의 경우, 지금까지 개발된 내열 알루미늄 합금은 Al-TM(Transition Metals: 천이금속)계 합금인데, 대부분의 천이금속은 알루미늄에 대해 0(zero)에 가까울 정도로 낮은 고용도를 나타낸다. 따라서 미세한 분산상으로 구성된 우수한 내열 알루미늄 합금을 제조하기 위해서는 10⁵K/sec 이상의 빠른 냉각속도를 지닌 합금제조방법이 적용되어야 하나, 통상의 분무성형법은 냉각속도가 10^3~4K/sec이하로 제한되기 때문에 Al-TM계 분무성형 합금은 조대한 2차상으로 구성된 저급의 합금특성을 나타내게 된다(S.Hariprasad, S.M.L.Sastry, K.L.Jerina, and R.L.Lederich: Metall.Trans.A, 24A, 1993, pp.865-873 ).

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 그 목적은 종래기술과 대비하여 제조공정이 간단한 통상의 분무성형 방법에 의하여, 모재 내에 내마모 특성 향상에 적합한 3~7㎛의 조대한 탄화물 입자와 내열 특성 향상에 적합한 1㎛ 이하의 미세한 탄화물 입자가 균일하게 분포하는 조직을 유도함으로써, 내마모 특성 및 내열 특성이 우수한 알루미늄 합금을 제조할 수 있도록 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법을 제공함에 있다.

도 1은 본 발명의 제조방법에 의해 제조된 발명재의 광학조직( ×500)이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 분무성형법으로 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, 탄화물 형성원소(M)가 포함된 Al-M 알루미늄 합금에 탄화물 분말(RC)을 혼합하여, 분무주조장치에서 1200~1600℃의 용해온도로 용해유지시간을 5~30분으로 하여 용해하는 단계와; 상기 용융물을 불활성가스로 분무하여 분무성형체를 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조된 분무성형체를 열간 또는 냉간가공하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 탄화물 형성원소(M)는 Ti, Si, W, V, Nb, Ta, Hf, Zr 중의 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 Al-M 알루미늄 합금 중 탄화물 형성원소(M)의 함유량은 1~20wt% 인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 탄화물 분말(RC)은 SiC, WC, VC, TiC, NbC, TaC, HfC, ZrC 중의 하나인 것을 특징으로 하며, 상기 탄화물 분말(RC)의 크기는 20㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 구성 및 작용에 관해 상세하게 설명한다.

본 발명 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법은, 분무성형법에 의해 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 탄화물 형성원소(M)가 포함된 Al-M 알루미늄 합금에 대략 20㎛ 이하의 크기를 갖는 탄화물 분말(RC)을 혼합하여 분무주조장치에서 용해하는 단계와; 상기 용융물을 불활성가스로 분무하여 분무성형체를 제조하는 단계와; 상기 단계에서 제조된 분무성형체를 열간 또는 냉간가공하는 단계로 이루어진다.

상기와 같이 탄화물 분말(RC)과 탄화물 형성원소(M)가 포함된 알루미늄 합금을 혼합하여 분무주조장치에서 용해하는 단계에서 첨가될 수 있는 탄화물 분말(RC)로는 SiC, WC, VC, TiC, NbC, TaC, HfC, ZrC 등이 가능한데, 특히 SiC는 상업적인 측면과 기능적인 측면에서 가장 바람직한 첨가물로 사용될 수 있다.

그리고 탄화물 형성원소(M)로는 Ti, Si, W, V, Nb, Ta, Hf, Zr 등이 가능한데, 탄화물 분말(RC)로 SiC를 사용할 경우에는 Ti이 열역학적인 측면에서 가장 바람직한 탄화물 형성원소(M)로 사용될 수 있다.

탄화물 분말(RC)과 Al-M 알루미늄 합금의 혼합체를 고온 용해로에서 일정시간 동안 유지하면, 용탕 내에서는 다음의 반응식 1과 같은 반응이 진행된다.

RC + M → MC + R + RC

상기 반응식 1에서 왼편의 RC는 첨가된 탄화물 분말의 화학식을 나타내는데, 여기서 R은 분말로서 Si, W, V, Ti, Nb, Ta, Hf, Zr 등을 표시한다. 또한 왼편의 M은 탄화물 형성원소를 나타내는데, Ti, Si, W, V, Nb, Ta, Hf, Zr 등을 표시한다.

그리고 오른편의 MC는 반응에 의해 형성된 미세 탄화물로서 1㎛ 이하의 크기를 갖는 것을 나타내고, 오른편의 RC는 반응 후 잔류하는 탄화물 분말로서 3~7㎛ 범위의 크기를 갖는 것을 나타내며, 오른편의 R은 MC 형성반응 후 여분의 R원소에 의해 형성된 입자로서 3~7㎛ 범위의 크기를 갖는 것을 나타낸다. 여기서 오른편의 R은 첨가원소에 따라 단독 혹은 반응생성물로 존재할 수 있다.

상기 반응에 의해 탄화물 분말(RC)과 Al-M 알루미늄 합금의 혼합체를 고온 용해로에서 일정시간 동안 유지하면, 개개의 탄화물 분말(예를 들면, SiC 등)이 용탕 중의 탄화물 형성원소(예를 들면, Ti 원소 등)와 반응하여 1㎛ 이하의 미세한 탄화물을 형성하고, 미용해된 탄화물 분말은 조대한 탄화물 입자로 잔류하게 된다.

또한 탄화물 형성원소(M)와 탄화물 분말(RC)의 첨가비를 고려할 때에, 탄화물 분말(RC)의 첨가량이 과다할 경우에는 반응 부산물인 Si입자가 기지조직 내에 형성될 수 있는데, Si 입자도 내마모 특성 향상에 매우 적합하다.

이렇게 미세한 탄화물과 조대한 탄화물, 그리고 Si 입자를 함유한 용융체를 불활성가스로 분무하여 분무성형체를 제조하게 되면, 본 발명의 분무성형체 내에는 미세한 탄화물과 조대한 탄화물이 공존하는 미세조직이 형성되는데, 이를 정확히 제어하기 위해서는 이에 적합한 용해조건이 설정되어야 한다. 이러한 점을 고려하여 본 발명에서는 용해조건으로서, 용해온도 및 용해유지시간을 각각 1200~1600℃, 5~30분의 범위가 되는 것이 바람직한 것으로 제시한다.

본 발명에서는 Al-M 알루미늄 합금 중 탄화물 형성원소(M)의 함유량을 1~20wt%의 범위로 하는 것을 바람직한 것으로 제시하는데, 그 이유는 탄화물 형성원소(M)가 1%wt 미만인 경우에는 형성되는 탄화물의 부피 분율이 낮기 때문에 내열, 내마모 특성이 좋지 않게 되고, 탄화물 형성원소(M)가 20%wt를 초과하는 경우에는 탄화물 형성 전에 Al-금속간의 화합물이 먼저 형성될 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 탄화물 분말(RC)의 크기가 20㎛ 이하인 것을 바람직한 것으로 제시하는데, 그 이유는 용탕 중에서 탄화물이 형성될 때에 탄화물 분말의 크기가 너무 크면 반응시간이 너무 길어지고, 이로 인해 반응온도도 높아지기 때문으로서, 이렇게 되면 형성된 탄화물이 너무 조대해져서 내열 특성이 좋지 않게 되기 때문이다.

상기와 같은 단계를 통해 형성되는 탄화물의 크기는, 미세한 탄화물의 경우에는 1㎛ 이하, 조대한 탄화물의 경우에는 3~7㎛ 이며, 이 탄화물들은 알루미늄 기지조직 내에 균일하게 분포된다.

일반적으로 탄화물은 공유결합적 성격이 강하기 때문에 내마모성 및 내열성이 우수한데, 특히 본 발명재에 분포하는 탄화물은 미세한 탄화물과 조대한 탄화물이 기지조직 내에 공존하기 때문에 내마모 및 내열 효과에 대한 기여도가 매우 뛰어나다. 따라서 본 발명을 통해 제조되는 알루미늄 합금은 종래의 분무성형법으로 제조된 Al-TM계 알루미늄 합금과 비교하여 우수한 내마모 특성 및 내열 특성을 지닌다.

상기한 바와 같이, 미세한 탄화물과 조대한 탄화물을 함유한 탄화물 분말과 Al-M 알루미늄 합금의 혼합체는 용해로에서 용해된 후, 상기 용해온도에서 분무성형과정을 통해 원기둥형태의 성형체로 제조된다. 이 분무성형체의 특징은 용융상태에서 형성된 각 탄화물을 그대로 함유하므로 1㎛ 이하의 미세한 탄화물과 3~7㎛의조대한 탄화물을 모두 포함하는 구성을 갖고 있다는 것이다.

그 다음 단계로서, 상기와 같이 제조된 분무성형체는 고온 및 상온특성을 향상시키기 위해 열간 또는 냉간가공을 통해 최종제품으로 제조되게 된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다.

[실시예]

탄화물 형성원소인 Ti 원소와 크기가 20㎛ 이하의 탄화물 분말인 SiC가 혼합된 두 종류의 혼합체, (Al-5wt%Ti)+(5wt%SiC)와 (Al-15wt%Ti)+(15wt%SiC)를 분무성형장치에 장착된 용해장치에서 1500℃에서 10분간 용해한 후 불활성가스를 이용하여 분무하여 분무성형체를 제조하였으며, 이 분무성형체를 375℃에서 25:1의 압출비로 압출하였다.

도 1은 상기 분무성형법으로 제조된 알루미늄 합금의 대표적인 열간압출 미세조직을 보여주고 있다. 본 발명의 제조방법으로 제조된 알루미늄 합금에는 다음의 반응식 2에 제시된 반응에 의해 형성된 탄화물 및 Si 입자가 고르게 분포된다.

SiC(첨가된 탄화물 분말) + Ti → TiC + Si + SiC(반응 후 잔류하는 탄화물 분말)

상기 반응식 2에서 왼편의 SiC는 첨가된 탄화물 분말로서 20㎛ 이하의 크기를 가지며, 왼편의 Ti도 TiC 반응을 유도하기 위해 첨가된 탄화물 형성원소이다.

그리고 오른편의 SiC는 반응후 잔류하는 탄화물 분말로서 3~7㎛ 범위의 크기를 나타내고, 오른편의 TiC는 반응에 의해 형성된 미세 탄화물로서 1㎛ 이하의 크기를 나타내며, 오른편의 Si는 TiC 반응후 여분의 Si원소에 의해 형성된 Si입자로서 3~7㎛ 범위의 크기를 나타낸다.

하기 표 1은 기존의 통상적인 분무성형법으로 제조된 알루미늄 합금 중에서 가장 대표적인 내열 알루미늄 합금으로 알려진 Al-Fe계 합금(비교재)과 본 발명의 방법으로 제조된 알루미늄 합금(발명재)의 상온 및 고온인장특성과 내마모성을 비교한 것이다.

구분	합금조성 (wt%)	상온 및 고온인장강도(MPa)	내마모특성(하중감량)(mg/km)
		R.T.		300℃	400℃
발명재	(Al-5wt%Ti)+(5wt%SiC)	394	229	149	52
	(Al-15wt%Ti)+(15wt%SiC)	483	267	161	33
비교재	Al-8Fe-1V-2Si	265	130	110	98

상기 표 1에 나타낸 바와 같이 기존의 비교재의 경우에는 상온인장강도가 265MPa인 반면에 본 발명재의 인장강도는 394~483MPa로 50~70% 가량 우수한 특성을 보이며, 또한 고온인장강도의 경우에도 발명재의 값이 50% 이상 증가되었다. 그리고 내마모특성에 있어서도 비교재에 비해 2배 이상 증가하였다.

이상의 결과로부터 본 발명의 방법으로 제조된 알루미늄 합금이 기존의 분무성형법으로 제조된 알루미늄 합금에 비해 월등히 우수한 내마모 특성 및 내열 특성을 나타냄을 알 수 있었다.

이와 같은 본 발명 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법은, 1㎛ 이하의 미세한 탄화물과 3~7㎛ 의 조대한 탄화물 입자가 고르게 분포된 내마모 내열 알루미늄합금을 저렴하게 제조할 수 있도록 해주며, 이렇게 제조된 내마모 특성 및 내열 특성을 겸비한 알루미늄 합금은 운송기기의 엔진소재 및 산업기기용 부품소재 등으로 다양하게 응용될 수 있으므로 산업파급효과가 매우 큰 효과를 제공하는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 분무성형법으로 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서,

   탄화물 형성원소(M)가 포함된 Al-M 알루미늄 합금에 탄화물 분말(RC)을 혼합하여, 분무주조장치에서 1200~1600℃의 용해온도로 용해유지시간을 5~30분으로 하여 용해하여 하기 반응식 1과 같은 반응을 진행하는 단계와;

   [반응식 1]

   RC + M → MC + R + RC

   상기 용융물을 불활성가스로 분무하여 분무성형체를 제조하는 단계와;

   상기 단계에서 제조된 분무성형체를 열간 또는 냉간가공하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄화물 형성원소(M)는 Ti, Si, W, V, Nb, Ta, Hf, Zr 중의 하나인 것을 특징으로 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 Al-M 알루미늄 합금 중 탄화물 형성원소(M)의 함유량은 1~20wt% 인 것을 특징으로 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 탄화물 분말(RC)은 SiC, WC, VC, TiC, NbC, TaC, HfC, ZrC 중의 하나인 것을 특징으로 하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 탄화물 분말(RC)의 크기는 20㎛ 이하인 것을 특징으로하는 내마모 내열 알루미늄 합금 제조방법.