KR101388922B1 - 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법이 제공된다. 일 실시예에 따르면, 철-망간 합금 분말을 제공한다. 상기 철-망간 합금 분말을 알루미늄 용탕에 투입한다. 상기 알루미늄 용탕을 금형 주조하여, 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금을 제조한다.

Description

철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법{Aluminum alloys including Fe-Mn solid solution and method of manufacturing the same}
본 발명은 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 기지에 철-망간 전율고용체를 형성시킨 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금에 있어서 합금 원소들은 다양한 목적으로 첨가된다. 이러한 합금 원소들은 주조 품질에 영향을 미치거나 또는 합금 조직에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 주조 품질 향상 또는 합금 조직 제어의 목적으로 합금 원소들의 종류 및 형태를 제어할 필요가 있다.
예를 들어, 주조 품질 면에서 보면, 철은 알루미늄 합금과 철계 합금으로 제조된 금형의 소착 방지를 위해 첨가될 수 있다. 하지만, 철은 알루미늄 합금의 내식성을 취약하게 하기 때문에, 그 첨가가 또한 제한될 수 있다. 이러한 점에서, 알루미늄 합금에 철을 첨가하여 금형의 소착을 방지하면서도, 내식성의 저하를 방지할 필요가 있다.
다른 예로, 합금 조직 면에서 보면, 통상적인 내열 알루미늄 합금은 알루미늄 기지에 철 등을 첨가하여, 알루미늄과 이들 합금 원소의 금속간화합물을 분산 제어함으로써 내열특성을 구현하고 있다. 이러한 금속간화합물들은 액상에서 고상으로의 응고시 알루미늄 기지에 정출되게 하거나 또는 알루미늄 합금의 열처리를 통해 알루미늄 기지에 석출되게 할 수 있다.
하지만, 이와 같은 알루미늄 합금은 200℃이상의 환경에서 내열특성이 저하되는 문제점이 있다. 이러한 알루미늄 합금이 200℃이상에서 장시간 유지된 경우 정출 또는 석출된 금속간화합물이 열역학적 평형을 유지하기 위하여 기지인 알루미늄과 반응하여 새로운 중간상을 형성하거나, 이러한 금속간화합물이 조대화 됨에 따라 크랙(crack)의 발생 및 전이가 일어나게 된다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 알루미늄 기지 내에 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다.
이러한 본 발명의 과제는 예시적으로 제시되었고, 따라서 본 발명이 이러한 과제에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다. 철-망간 합금 분말을 제공한다. 상기 철-망간 합금 분말을 알루미늄 용탕에 투입한다. 상기 알루미늄 용탕을 금형 주조하여, 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금을 제조한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 철-망간 합금 분말은 아토마이즈(atomize)법을 이용하여 제조될 수 있다.
상기 제조방법은, 상기 투입하는 단계 후, 상기 철-망간 합금 분말의 적어도 일부를 상기 알루미늄 용탕 내에서 용해시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 나아가, 상기 용해시키는 단계는 플라즈마 아크 용해법 또는 진공 유도 용해법을 이용할 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 용탕은 모재인 알루미늄 외에 첨가원소로서 구리 및 실리콘을 포함할 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 용탕은 모재인 알루미늄 외에 첨가원소로서 실리콘 및 마그네슘을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 알루미늄 기지; 및 상기 알루미늄 기지 상에 분포된 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금으로서, 상기 알루미늄 합금은 철과 망간이 전율고용체를 형성하지 않고 알루미늄과 화합물을 형성하는 동일 조성의 다른 알루미늄 합금보다 더 높은 연신율을 갖는 알루미늄 합금이 제공된다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다. 제 1 함량의 철-망간 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공한다. 상기 1차 알루미늄 합금을 알루미늄 용탕에 용해시킨다. 상기 알루미늄 용탕을 주조하여, 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 철-망간 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계는, 제 1 알루미늄 용탕에 철 및 망간을 투입하여 용해시키는 단계; 및 상기 제 1 알루미늄 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계는, 철 분말 및 망간 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성하는 단계; 제 1 알루미늄 용탕에 상기 분말 혼합체를 투입하여 용해시키는 단계; 및 상기 제 1 알루미늄 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계는, 알루미늄-철 모합금 및 알루미늄-망간 모합금을 제공하는 단계; 제 1 알루미늄 용탕에 상기 알루미늄-철 모합금 및 알루미늄-망간 모합금을 투입하여 용해시키는 단계; 및 상기 제 1 알루미늄 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계는, 철-망간 합금을 제공하는 단계; 제 1 알루미늄 용탕에 상기 철-망간 합금을 투입하여 용해시키는 단계; 및 상기 제 1 알루미늄 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 관점에 따른 알루미늄 합금의 제조방법이 제공된다. 철 분말 및 망간 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 형성한다. 알루미늄 용탕에 상기 분말 혼합체를 투입하여 용해시킨다. 상기 알루미늄 용탕을 주조하여, 알루미늄 기지 내에 철-망간 전율고용체가 분포된 알루미늄 합금을 제조한다.
상기 제조방법에 있어서, 상기 분말 혼합체를 형성하는 단계는, 상기 철 분말 및 상기 망간 분말을 밀링 장치에 투입하여 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 분말을 스크리닝하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은 고온에서도 알루미늄 기지와 반응하지 않는 철-망간 전율고용체를 포함하고 있어서 고온에서도 탁월한 내열특성을 갖는다. 따라서 종래 내열 알루미늄 합금의 한계로 적용할 수 없었던 디젤엔진의 피스톤 및 항공기 부품에 적용함으로써 경량화효과를 극대화 할 수 있고, 현재 사용하고 있는 자동차 엔진의 내열한계를 높여서 연비향상을 추구할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 따르면, 철-망간 합금 분말을 이용하여 알루미늄 합금을 제조함으로써, 효과적으로 철-망간 전율고용체를 알루미늄 기지 내에 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 철이 망간과 전율고용체를 형성함에 따라서, 주조 시 철의 첨가에 따른 유해 작용을 억제할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 따르면, 철-망간 전율고용체를 포함하는 모합금을 제조한 후 이를 산업현장에서 희석화하여 사용할 수 있으므로 대량생산이 용이해진다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄 합금의 안정한 고온거동을 나타낸 개념도이다.
도 2는 철-망간의 이원계 상태도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 실험예 1에 따른 시편의 미세조직을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다.
도 5는 실험예 1에 따른 시편을 EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer)로 분석한 사진들이다.
도 6은 실험예 1에 따른 시편을 300℃에서 200시간 열처리한 후, 열처리된 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 7은 실험예 1에 따른 시편을 재용융 후 주조한 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 8은 실험예 2에 따른 시편들에 대한 합금 원소의 함량에 따른 전율고용체의 평균크기를 보여주는 그래프이다.
도 9는 실험예 3에 따른 알루미늄 합금의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 10은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 합금에 대한 XRD 피크와 표준 카드 상의 XRD 피크를 비교한 것이다.
도 11a는 실험예 4에 따른 알루미늄 함금의 조직 사진을 보여주고, 도 11b는 비교예 1에 따른 알루미늄 합금의 조직 사진을 보여준다.
도 12a는 실험예 5에 따른 알루미늄 함금의 조직 사진을 보여주고, 도 12b는 비교예 2에 따른 알루미늄 합금의 조직 사진을 보여준다.
도 13은 비교예들 및 실험예들에 따른 알루미늄 합금 용탕 내 금형소재의 침지 특성을 보여주는 사진들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 측면으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 알루미늄 합금은 주원소인 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 합금 원소가 첨가된 합금을 지칭할 수 있다. 또한, 알루미늄 용탕은 순수 알루미늄으로 이루어진 용탕 또는 순수 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 합금 원소가 첨가된 알루미늄 합금의 용탕을 포함하는 넓은 의미로 사용된다.
본 발명의 실시예들에서, 전율고용체란 어느 한 합금 원소가 실질적으로 모든 조성 범위에서 다른 합금원소에 고용되는 합금을 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄 합금의 고온거동을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 알루미늄 합금(100)은 알루미늄 기지(101)에 별개의 상을 이루면서 분포된 전율고용체(102)를 포함한다. 전율고용체(102)를 이루는 합금원소들은 알루미늄에 대해 실질적으로 고용도를 갖고 있지 않다. 이러한 합금원소로서 철과 망간이 선택될 수 있다. 즉, 철 및 망간은 알루미늄에 대해 실질적으로 고용도가 존재하지 않는다. 또한 철과 망간은 서로 전율고용체를 이룰 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 철과 망간은 서로 전율고용체를 형성하며 알루미늄의 융점인 660℃보다 현저하게 높은 1800℃에서도 전율고용체가 고상으로 안정하게 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다.
즉, 철-망간 전율고용체(102)는 알루미늄의 융점 이상까지도 안정한 단상을 유지할 수 있으므로, 이러한 철-망간 전율고용체(102)가 알루미늄 기지(101)에 분포되는 경우 알루미늄의 융점 부근의 높은 온도를 나타내는 환경에서도 철-망간 전율고용체(102)가 분해되지 않고 안정한 단상을 유지하게 된다.
알루미늄 합금(100)에서 이러한 철-망간 전율고용체(102)는 알루미늄 기지(101) 상에 분포하고, 200℃이상의 고온에서도 알루미늄 기지(101)와 전혀 반응하지 않는 안정한 강화상으로 존재하기 때문에 분해되거나 조대화 되지 않는다. 또한, 알루미늄의 융점까지 가열하여도 전율고용체(102)가 안정적으로 존재하게 되므로 알루미늄 합금(100)을 재용융 후 다시 응고하더라도 기 형성된 전율고용체(102)의 강화상이 안정적으로 존재할 수 있다.
알루미늄 합금(100)에서, 철-망간 전율고용체(102)의 함량은 다양한 범위를 가질 수 있으며, 예컨대 0.5 중량% 내지 40 중량%의 범위를 가질 수 있다. 나아가, 전율고용체(102)의 함량은 후술하는 바와 같이 그 평균크기를 고려하여, 0.5 초과 10 중량% 미만의 범위를 가질 수 있다. 더 나아가, 전율고용체(102)의 함량은 알루미늄 합금(100)의 주조시 용탕의 유동성을 고려하여 2 중량% 이내, 특히 1 중량% 이내로 제한될 수 있다.
철-망간 전율고용체(102)에 있어서, 철과 망간은 전율고용체를 형성하는 원소들이기 때문에 조성비에 대해서 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 철의 함량이 10 중량% 내지 90 중량%의 범위이고, 나머지가 망간으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 따르면, 상기 합금은 알루미늄을 용해한 알루미늄 용탕에 합금원소로서 철과 망간을 각각 첨가하여 제조할 수 있다. 이때 첨가된 철 및 망간은 알루미늄 용탕 내에서 용해되면서 서로 결합하여 전율고용체를 형성하게 된다.
첨가된 철 및 망간이 알루미늄 용탕 내에서의 용해가 완료되면 이를 주형을 이용하여 주조함으로써 철-망간 전율고용체 강화형 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 이때 첨가되는 철 및 망간은 괴상형태, 입자형태, 또는 분말형태를 가질 수 있다.
철 및 망간이 분말형태인 경우에는 각각의 분말을 혼합하여 분말 혼합체를 제조한 후, 상기 분말 혼합체를 알루미늄 용탕에 투입할 수 있다. 분말 혼합체에 있어서 철 분말과 망간 분말의 함량은 전율고용체 형성을 고려하여 다양하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 철 분말 대 망간 분말의 함량은 중량비로 1:9 내지 9:1 범위일 수 있다.
예를 들어, 철 및 망간 분말을 밀링(milling) 장치에 투입한 후 10분 내지 1시간 정도 혼합을 수행한다. 다음, 밀링장치에서 철 및 망간 분말이 서로 혼합된 분말 혼합체를 꺼낸 다음, 이를 스크리닝(screening)하여 일정한 입자크기의 범위에 포함되는 분말 혼합체를 추출한다. 다음, 스크리닝된 분말 혼합체를 첨가물로서 알루미늄 용탕에 첨가한다. 이때 분말 혼합체를 적정한 크기로 팩킹(packing)하여 사용할 수 있다.
다른 실시예로서 철과 망간을 알루미늄 용탕으로 각각 첨가하는 대신 철 및 망간을 미리 용해하여 제조된 철-망간 합금을 준비한 후, 이러한 철-망간 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하여 주조함으로써 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 이 경우, 용탕의 주조 전에 철-망간 합금의 적어도 일부를 용탕 내에 용해시킬 수도 있다. 후술하는 바와 같이, 적절한 용해 방법을 이용한 경우, 철-망간 합금의 실질적인 전부를 용탕 내에서 용해시킬 수도 있다.
한편, 철-망간 합금은 여러 가지 형태로 제조될 수 있고, 예컨대 아토마이즈(atomize)법에 의해서 철-망간 합금 분말 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 철과 망간을 녹여 철-망간 용탕을 형성한 후, 이러한 용탕에 차가운 기체 또는 물을 분무함으로써 미세 크기를 가지며 전율고용체를 이루는 철-망간 합금 분말을 형성할 수 있다. 이에 따라, 철-망간 합금 분말이 미리 제공된다면, 알루미늄 용탕 내에 이러한 합금 분말을 투입 후 이를 용해시키지 않고 알루미늄 용탕을 주조하여 철-망간 전율고용체가 알루미늄 기지에 분포된 알루미늄 합금을 경제적으로 제조할 수 있다.
다만, 이 실시예의 변형된 예에서, 철-망간 전율고용체 입자의 크기 등을 조절하기 위해서, 알루미늄 용탕의 주조 전에 철-망간 합금 분말의 적어도 일부를 알루미늄 용탕 내에서 용해시키는 단계를 부가할 수도 있다.
이러한 합금에서 알루미늄 용탕 내에는 모재인 알루미늄 외에 첨가원소로서 다양한 원소들이 함유될 수 있다. 알루미늄이 모재라는 의미는 적어도 알루미늄이 합금 내에 50% 이상 함유됨을 의미한다. 예를 들어, 알루미늄 용탕 내에는 구리, 실리콘, 마그네슘, 아연, 니켈, 주석 등의 첨가원소 중 하나 또는 그 이상이 들어갈 수 있다.
일 예에 따른 알루미늄 합금은 높은 강도 특성을 확보하기 위해서 1 내지 4 중량% 범위의 구리와 함유량은 9 내지 13 중량% 범위의 실리콘과 기타 원소를 포함할 수 있다. 다른 예에 따른 알루미늄 합금은 높은 경도와 연신율 특성을 확보하기 위해서 1 내지 3 중량% 범위의 실리콘과 4 내지 7 중량% 범위의 마그네슘과 기타 원소를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예로서 철 또는 망간을 직접 투입하는 대신에 철을 포함하는 알루미늄 합금(알루미늄-철 합금) 또는 망간을 포함하는 알루미늄 합금(알루미늄-망간 합금)을 알루미늄 용탕에 투입할 수 있다.
상술한 알루미늄 용탕을 제조하기 위한 용해법으로 다양한 용해법이 가능하며, 예를 들어 플라즈마 아크 용해법(plasma arc melting method) 또는 유도 용해법(induction melting method) 등이 가능하다. 플라즈마 아크 용해법은 열원으로 플라즈마 아크를 사용하며, 저진공에서 대기압까지 넓은 범위에 걸쳐 용해가 가능하며, 유도 용해법은 전자유도 작용에 의하여 도체에 코일의 전류와 반대 방향의 와전류(eddycurrent)가 흘러 발생하는 주울열(Joule heat)에 의하여 금속도체를 가열, 용해하는 것으로, 용탕의 강한 교반작용에 의하여 성분과 온도 제어가 용이하다.
이에 따라, 플라즈마 아크 용해법 또는 유도 용해법을 이용한 경우, 국부적으로 고온 용해가 가능하여, 고융점 합금원소의 용해가 가능하다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 용탕 내에서 고융점 합금원소들간의 전율고용체 형성이 가능해진다. 한편, 철-망간 합금 분말이 아토마이즈법을 이용하여 미리 제조되고 알루미늄 용탕 내에서 용해될 필요가 없는 경우에는, 이러한 플라즈마 아크 용해법 또는 유도 용해법 대신에 통상적인 전기 용해법을 이용하여 합금 제조의 경제성을 높일 수도 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면 상술한 방법에 의해 제조된 알루미늄 합금을 모합금으로서 이용하여, 이를 다시 알루미늄 용탕에 첨가하여 희석화 함으로써 철-망간 전율고용체의 조성이 감소된 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.
이때 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금으로서, 알루미늄 용탕(제 1 알루미늄 용탕으로 불릴 수 있음)에 모합금으로서 첨가되는 것을 1차 알루미늄 합금이라 정의하고, 1차 알루미늄 합금을 알루미늄 용탕 내에서 희석한 후 주조하여 제조한 것을 2차 알루미늄 합금으로 정의한다.
1차 알루미늄 합금의 용해는 다양한 용해법을 이용할 수 있으며, 예를 들어 플라즈마 아크 용해법, 유도 용해법, 또는 전기저항 용해법을 이용할 수 있다. 특히, 전기로를 이용한 경우, 산업계 기존 시설을 이용하여 2차 알루미늄 합금을 대량으로 생산할 수 있다.
도 3을 참조하면, 제 1 함량의 철-망간 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제조한다(S1). 이때 1차 알루미늄 합금의 제조방법은 이미 위에서 상세히 설명하였으므로 생략한다.
다음, 알루미늄 용탕에 기제조한 1차 알루미늄 합금을 첨가하여 용해시킨다(S2). 알루미늄의 용탕온도는 1차 알루미늄 합금 제조 시와 유사하게 열손실을 감안하여 알루미늄의 융점인 660℃보다 높은 690℃~750℃ 범위 에서 이루어질 수 있다.
다음, 1차 알루미늄이 용해된 후 알루미늄 용탕을 주조하여 알루미늄 기지 내에 제 2 함량의 철-망간 전율고용체를 갖는 2차 알루미늄 합금을 제조한다. 2차 알루미늄 합금은 1차 알루미늄 합금을 희석한 것이기 때문에, 2차 알루미늄 합금에서 전율고용체의 함량(제 2 함량)은 1차 알루미늄 합금에서 전율고용체의 함량(제 1 함량)보다 작다. 즉, 1차 알루미늄 합금의 희석화에 따라 1차 알루미늄 합금에 비해 2차 알루미늄 합금의 철-망간 전율고용체의 함량이 희석화율에 대응하여 감소하게 된다.
예를 들어, 1차 알루미늄 합금에서 철-망간 전율고용체의 함량(제 1 함량)은 2차 알루미늄 합금에서 철-망간 전율고용체의 함량(제 2 함량)보다 큰 고농도로 선택될 수 있다. 예를 들어, 제 1 함량은 1 내지 40 중량% 범위, 나아가 0.5 초과 내지 10 중량% 미만의 범위를 가질 수 있고, 경우에 따라서 10 내지 40 중량% 범위를 가질 수도 있다. 제 2 함량은 0.5 초과 내지 10 중량% 미만 범위, 나아가 0.5 내지 2 중량% 범위를 가질 수 있다.
또한, 미세조직에 있어서 2차 알루미늄 내에 포함된 철-망간 전율고용체의 평균크기는 1차 알루미늄 내에 포함된 전율고용체의 평균크기보다 작을 수 있다.
전술한 실시예들에 있어서, 철-망간 전율고용체는 알루미늄 합금의 조직 및 주조 품질을 향상시키는 데에도 기여할 수 있다. 통상적인 알루미늄 합금의 주조 시, 철은 알루미늄과 금속간화합물을 형성하거나 또는 알루미늄 및 실리콘과 금속간화합물을 형성하여 알루미늄 합금의 기계적 성질을 저하시킨다. 나아가, 철은 알루미늄 합금의 내식성 및 연성을 취약하게 하는 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고, 철은 다이캐스팅 시 철계 합금으로 이루어진 금형과의 소착 방지 또는 결정립 미세화를 위해서 첨가된다.
하지만, 본 발명의 실시예들에 따르면, 철은 대부분 알루미늄 기지 내에 철-망간 전율고용체로 존재하게 된다. 즉, 망간이 철과 전율고용체를 형성함으로써, 철과 망간이 밀접하게 결합되어 있어서 알루미늄 합금 내에서 철의 유해 작용을 현저하게 감소시킬 수 있다. 따라서 알루미늄 용탕 내에 철과 망간을 동시에 첨가하고 이들이 전율고용체를 형성하도록 주조 조건을 제어하거나 또는 철과 망간을 철-망간 합금 형태로 알루미늄 용탕 내에 첨가함으로써, 금형의 소착을 방지하면서도 내식성 저하 및/또는 연신율 저하를 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예들에 따르면, 통상적인 알루미늄 합금에 비해서, 알루미늄 함금 내에 철의 함량을 올릴 수 있다. 예를 들어, 철-망간 전율고용체는 용탕의 유동성을 고려하여 약 2 중량% 이내로 형성될 수 있다. 하지만, 용탕의 유동성이 개선된 경우, 철-망간 전율고용체의 함량은 더 상향될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예들을 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
<실험예 1>
알루미늄을 700℃에서 용해하여 알루미늄 용탕을 형성한 후, 700℃로 유지한 상태에서 철과 망간을 각각 1.5중량%씩 용탕에 직접 첨가하였다. 첨가한 철과 망간이 모두 용해되도록 약 30분~60분간 유지한 뒤, 주조하여 알루미늄 합금의 시편을 제조하였다. 이때 용해는 유도 용해법으로 수행하였다.
도 4는 실험예 1에 따른 시편의 미세조직을 광학 현미경으로 관찰한 결과이다. 이때 시편은 SiC 연마지 #200, 400, 600, 800, 1000, 1500, 2400로 순차적으로 연마하고, 최종적으로 1㎛ 크기의 Al2O3 분말을 이용하여 미세연마 하였다.
도 4를 참조하면, 실험예 1에 따른 알루미늄 합금은 알루미늄 기지에 30-50 ㎛ 정도 크기의 각진(facet) 형상의 강화상(화살표)이 존재함을 알 수 있다.
도 5는 실험예 1에서 제조된 시편을 EPMA(Electron Probe Micro-Analyzer)를 이용하여 관찰한 미세조직 및 성분분석의 결과를 보여준다. 도 5에서, (d)는 미세조직을 관찰한 결과이며, (a), (b) 및 (c)는 각각 철, 알루미늄, 망간의 성분을 맵핑(mapping)한 결과이다. 도 5의 (a), (b) 및 (c)로부터 알루미늄 기지 내에 존재하는 각진 형상의 강화상에서 철 및 망간이 동시에 검출되는 것을 알 수 있으며, 이로부터 각진 형상의 강화상은 철-망간 전율고용체임을 확인할 수 있다. 한편, 합금원소들을 통상적인 전기저항로를 이용하여 용해한 경우에는, 이러한 전율고용체가 형성되지 않았다.
도 10에는 실험예 1에서 제조된 시편의 XRD(X-ray Diffraction) 분석결과가 도시되어 있다. 도 10의 (a)는 실험예 1의 피크이며, (b)는 철-망간 매스터 합금(master alloy)의 피크이며, (c1) 내지 (c9)는 각각 표준 카드 상의 Al, Fe, Mn, AlFe, AlFe3, Al2Fe, Al2Mn3 Al6Mn, AlMn의 피크이다.
도 10의 XRD(X-ray Diffraction) 결과를 참조하면, 실험예 1의 시편에서 대부분의 피크(a 참조)는 표준 카드 상의 알루미늄 피크(c1 참조)에 해당하고, 그 외의 피크는 마스터 합금의 철-망간 전율고용체 피크(b 참조)에 해당함을 알 수 있다. 즉, 실험예 1의 시편에서 알루미늄을 제외한 피크는 철의 피크(c2 참조) 또는 알루미늄-철 화합물의 피크(c4 내지 c6 참조)와도 겹치지 않고, 망간 피크(c3 참조) 또는 알루미늄-망간 화합물의 피크(c7 내지 c9)와도 겹치지 않고, 철-망간 전율고용체의 주요 피크(b 참조)와 겹치는 것을 알 수 있다. 이로부터, 알루미늄 합금 내에 철-망간 전율고용체가 형성된 것을 한번 더 확인할 수 있다.
도 6은 실험예 1에 따른 시편을 300℃에서 200시간 열처리한 후, 열처리된 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 6을 참조하면, 철-망간 전율고용체로 이루어진 강화상은 고온에서 알루미늄 기지 내에서 조대화 되거나 상분해가 발생되는 기존의 금속간화합물과 달리 도 4에 나타난 미세조직과 동일한 각진 형상의 강화상을 그대로 유지하고 있음을 알 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 철-망간 전율고용체 강화상을 이용하여 300℃에서도 매우 안정한 내열 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
이로부터 상술한 철-망간 전율고용체로 이루어진 강화상은 알루미늄 합금의 내열특성을 강화시키는 강화상이며, 이러한 강화상이 형성된 알루미늄 합금은 내열합금으로서 탁월한 특성을 보임을 알 수 있다.
도 7은 실험예 1에서 제조된 시편을 다시 재용융한 후 이를 주조하여 제작한 시편의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 사진이다. 여기서 재용융후 주조한 시편은 실험예 1에서 제조된 시편을 알루미늄의 융점까지 재용융시킨 후 주조한 것이다.
도 7을 참조하면, 실험예 1에 따른 알루미늄 합금에서 철-망간 전율고용체는 재용융시에도 전혀 조대화 되거나 분해되지 않고, 재용융전의 형태를 거의 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 철-망간 전율고용체 강화상을 이용하여 탁월한 내열특성을 가질 뿐만 아니라 알루미늄 합금의 재활용시에도 기지금속인 알루미늄과 합금원소인 철(Fe)과 망간(Mn)을 친환경의 원재의 수준으로 능동적으로 재활용하는데 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
<실험예 2>
실험예 1과 동일하게 유도 용해로에서 알루미늄을 700℃에서 용해하여 알루미늄 용탕을 형성한 후, 700℃로 유지한 상태에서 플라즈마 아크 용해법을 이용하여 철 및 망간의 조성이 각각 50중량%가 되도록 제조한 철-망간 모합금을 알루미늄 합금 내에서의 철-망간 전율고용체의 조성이 0.5중량%, 1중량%, 3중량%, 5중량%, 7중량%, 9중량%, 10중량%, 11중량%가 되도록 용탕에 첨가하였다. 첨가한 철-망간 합금이 완전히 용해될 때 까지 약 30분~60분 정도 유지한 후, 주조하여 알루미늄 합금의 시편을 제조하였다.
도 8은 실험예 2에 따른 시편들에 대한 합금 원소의 함량에 따른 전율고용체의 평균크기를 보여주는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 0.5중량%의 철-망간 합금을 첨가한 경우, 전율고용체의 양이 너무 작았고, 그 크기는 10㎛ 이하로 작음을 알 수 있었다. 반면, 10중량% 이상의 철-망간 합금을 첨가한 경우, 전율고용체의 크기가 약 250㎛ 이상으로 조대화됨을 알 수 있다. 1 내지 9 중량%의 철-망간 합금을 첨가한 경우, 전율고용체의 크기는 200㎛ 이하로 유지될 수 있었다.
도 8을 참조하면, 철-망간 전율고용체의 조성이 0.5중량%일 경우, 전율고용체의 양이 너무 작았고, 그 크기는 10㎛ 이하로 작음을 알 수 있었다. 반면, 10중량% 이상일 경우, 전율고용체의 크기가 약 250㎛ 이상으로 조대화됨을 알 수 있다. 특히, 철-망간 전율고용체의 조성이 9 중량% 이내인 경우, 전율고용체의 크기는 200㎛ 이하로 유지될 수 있었다.
이에 따라, 철-망간 합금의 함량은 전율고용체의 크기를 고려하여 10 중량% 미만의 범위로 선택하거나 또는 전율고용체의 양을 고려하여 0.5 중량% 초과의 범위로 선택할 수 있다. 하지만, 주조 품질 향상을 위해서 전율고용체의 양이 상대적으로 적어도 되는 경우, 철-망간 합금의 함량은 0.5 중량% 이내로 유지될 수도 있다. 아울러, 전율고용체의 크기에 크게 구애받지 않는 경우, 철-망간 합금의 함량을 10중량% 이상으로 선택할 수도 있다. 여기에서, 철-망간 합금의 함량은 실질적으로 철-망간 전율고용체의 함량을 의미할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 철-망간 전율고용체의 함량은 그 크기를 고려하여 위의 철-망간 함량과 같이 제어될 수 있다.
<실험예 3>
실험예 1의 알루미늄 합금을 1차 알루미늄 합금으로 사용하여 이를 다시 전기로를 이용하여 용해한 알루미늄 용탕에 투입하여 희석하여 2차 알루미늄 시편을 제조하였다. 제조된 2차 알루미늄의 철-망간 전율고용체의 조성은 0.8 중량%였다.
도 9는 실험예 4의 알루미늄 합금을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다. 도 9를 참조하면, 희석 후 알루미늄 합금은 알루미늄 기지에 분산된 미세한 크기의 철-망간 전율고용체를 갖는 것을 알 수 있다. 희석 전 알루미늄 함금 내에서 전율고용체의 크기(도 4 참조)에 비하면, 희석 후 알루미늄 합금 내에서 전율고용체의 크기는 크게 감소된 것을 알 수 있다.
<실험예 4>
표 1은 실험예 4에 따른 알루미늄 합금의 조성(모두 중량% 단위임)을 나타내고, 표 2는 비교예 1에 따른 알루미늄 합금의 조성(모두 중량% 단위임)을 나타낸다. 표 1 및 표 2에서 알 수 있듯이, 실험예 4의 알루미늄 합금은 비교예 1의 알루미늄 합금(소위 ALDC 12종 합금으로 지칭됨)에서 철 및 망간이 철-망간 합금으로 대체된 것에 해당된다. 이러한 합금들은 용탕 상태에서 금형을 이용하여 주조한 것으로서, 통상적으로 다이캐스팅 합금으로도 불린다.
실험예 4에 따른 알루미늄 합금은 아토마이즈법을 이용하여 미리 제조된 철-망간 합금 분말을 미리 준비한 후, 이를 다른 합금 원소들이 용해된 알루미늄 용탕 내에 투입하고 이러한 용탕을 금형 주조하여 제조하였다. 비교예 1에 따른 알루미늄 합금은 알루미늄 용탕 내에 해당 합금 원소들을 용해한 후 이를 주조하여 제조하였다. 실험예 4 및 비교예 1에 따른 알루미늄 합금들의 주조 시 용탕은 통상적인 전기 용해법을 이용하여 제조되었다.
합금 Cu Si Mg Zn FeMn Ni Sn Al
실험예 4 1.5-3.5 9.6-12.0 0.3< 1.0< 0.8 0.5< 0.2< bal.
합금 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ni Sn Al
비교예 1 1.5-3.5 9.6-12.0 0.3< 1.0< 1.3< 0.5< 0.5< 0.2< bal.
도 11a는 실험예 4에 따른 알루미늄 함금의 조직 사진을 보여주고, 도 11b는 비교예 1에 따른 알루미늄 합금의 조직 사진을 보여준다. 도 11a 및 도 11b를 참조하면, 두 합금의 미세조직 면에서 큰 차이는 없는 것으로 보이며, 이는 철-망간 합금의 함유량이 낮기 때문으로 판단된다. 다만, 실험예 4의 경우, 철-망간 전율고용체가 알루미늄 기지 내에 분포되어 있지만, 비교예 1의 경우 통상적인 전기 용해법으로는 철-망간 전율고용체가 형성되지 못하여 알루미늄과 철 또는 알루미늄과 망간의 화합물이 알루미늄 기지 내에 분포된 것으로 판단된다.
표 3은 실험예 4에 따른 알루미늄 합금과 비교예 1에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성을 보여준다.
합금 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)
실험예 4 148 241 3.2
비교예 1 154 228 1.2
표 3을 참조하면, 비교예 1과 실험예 4의 강도 차이는 그리 크지 않지만, 연신율 차이는 상당히 큼을 알 수 있다. 이와 관련해서, 비교예 1의 경우, 금형과의 소착 방지를 위해 철이 소정 함량만큼 첨가되고, 더불어 망간이 동시에 첨가되었으나 철의 유해 작용이 충분히 억제되지 못해서 알루미늄 합금의 연신율이 약 1.2%로 낮은 것으로 이해된다. 반면, 실험예 4의 경우 철과 망간이 철-망간 합금으로 첨가됨에 따라서 알루미늄 합금 내에서 이들이 철-망간 전율고용체로 존재함에 따라서 철의 유해 작용이 효과적으로 억제되어 합금의 품질이 높아진 것으로 이해된다. 한편, 실험예 4의 경우, 용탕 처리가 부가되지 않았다는 점에서, 버블링 및/또는 고압 고진공과 같은 용탕 처리를 통해서 기포 결함을 제어할 경우, 보다 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
<실험예 5>
표 4는 실험예 5에 따른 알루미늄 합금의 조성(Be은 ppm 단위이고, 그 외는 중량% 단위임)을 나타내고, 표 5는 비교예 2에 따른 알루미늄 합금의 조성(Be은 ppm 단위이고, 그 외는 중량% 단위임)을 나타낸다. 표 4 및 표 5에서 알 수 있듯이, 실험예 5의 알루미늄 합금은 비교예 2의 알루미늄 합금에서 철 및 망간이 철-망간 합금으로 대체된 것에 대응된다. 실험예 5 및 비교예 2에 따른 합금들은 실험예 4의 합금들과 유사한 방식으로 제조되었다.
합금 Cu Si Mg Zn FeMn Ti Be Al
실험예 5 0.05 1.8-2.6 5.0-6.0 0.07< 0.8 0.2< 40ppm< bal.
합금 Cu Si Mg Zn Fe Mn Ti Be Al
비교예 2 0.05 1.8-2.6 5.0-6.0 0.07< 0.2< 0.5-0.8 0.2< 40ppm< bal.
도 12a는 실험예 5에 따른 알루미늄 함금의 조직 사진을 보여주고, 도 12b는 비교예 2에 따른 알루미늄 합금의 조직 사진을 보여준다. 도 12a 및 도 12b를 참조하면, 두 합금의 미세조직 면에서 큰 차이는 없는 것으로 보이며, 이는 철-망간 합금의 함유량이 비교적 낮기 때문으로 판단된다. 다만, 실험예 5의 경우, 철-망간 전율고용체가 알루미늄 기지 내에 분포되어 있지만, 비교예 2의 경우 통상적인 전기 용해법으로는 철-망간 전율고용체가 형성되지 못하여 알루미늄과 철 또는 알루미늄과 망간의 화합물이 알루미늄 기지 내에 분포된 것으로 판단된다.
표 6은 실험예 5에 따른 알루미늄 합금과 비교예 2에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성을 보여준다.
합금 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)
실험예 5 150 245 6.1
비교예 2 151 243 6.2
표 6을 참조하면, 실험예 5와 비교예 2의 경우 강도나 연신율 면에서 모두 거의 유사한 특성을 보이는 것을 알 수 있다. 이러한 합금들은 기계적 강도가 높으면서도 연신율이 매우 높은 특성을 보인다. 비교예 2의 경우 비교예 1에 비해서 5배 이상 높은 연신율을 보인다. 이와 같이, 비교예 2의 알루미늄 합금이 높은 연신율을 보이는 이유 중의 하나는 철의 함유량이 매우 낮기 때문으로 이해된다. 하지만, 이 경우 금형과의 소착 특성이 문제될 수 있다.
도 13은 비교예 1, 실험예 4, 비교예 2 및 실험예 5에 따른 알루미늄 합금 의 용탕 내에 금형 소재인 시편을 소정의 시간 동안 침지시킨 후 그 표면을 관찰한 결과이다. 금형 소재로는 STD 61종 시편들이 이용되었고, 이러한 시편들은 비교예 1, 실험예 4, 비교예 2 및 실험예 5에 따른 알루미늄 합금의 용탕 내에서 120분간 유지 후 꺼내어 분석되었다.
표 7은 금형 소재의 각 용탕 내 침지 전후 두께 변화를 보여준다.
용탕 원소재 두께(mm) 침지 후 두께(mm) 침식두께 (㎛)
비교예 1(a) 10.37 10.03 340
실험예 4(b) 10.26 9.89 370
비교예 2(c) 10.42 9.73 690
실험예 5(d) 10.31 10.11 200
표 7을 참조하면, 비교예 1 및 실험예 4에서 침지된 시편들(a, b)의 경우 침식 두께가 비슷한 반면, 비교예 2 및 실험예 5에서 침지된 시편들(c, d)의 경우 침식 두께가 약 3.4 배 이상 차이가 남을 알 수 있다. 이로부터, 철이 어느 정도 함유된 비교예 1 및 실험예 4의 경우 금형의 소착 특성에서는 큰 차이가 없지만, 철이 철-망간 합금으로 첨가된 실험예 5의 경우 철이 거의 함유되지 않은 비교예 2에 비해서 금형의 소착을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다.
이러한 결과를 종합하면, 철 성분이 원소 형태로 알루미늄 합금에 첨가된 경우나 철-망간 합금 형태로 알루미늄 합금에 첨가된 경우나, 서로 유사한 정도의 금형 소착 특성을 기본적으로 보인다는 것을 알 수 있다. 하지만, 철이 원소 형태로 알루미늄 용탕 내에 투입된 경우에는 철의 유해 작용이 충분히 억제되지 못한 반면, 망간이 철과 합금을 이루어 철-망간 합금 형태로 알루미늄 용탕에 첨가되면 철의 유해 작용이 충분히 억제되어 우수한 연신율 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 다이캐스팅 알루미늄 합금계에서, 철을 원소로 넣기 보다는 철-망간 합금 형태로 알루미늄 용탕에 투입함으로써, 기존에는 동시에 얻을 수 없었던 금형의 소착 특성 방지와 철의 유해 작용 억제라는 두 가지 효과를 모두 얻을 수 있음을 알 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (24)

  1. 철-망간 전율 고용체를 포함하는 철-망간 합금 분말을 제공하는 단계;
    상기 철-망간 합금 분말을 알루미늄 용탕에 투입하는 단계; 및
    상기 알루미늄 용탕을 금형 주조하여, 상기 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 철-망간 합금 분말은 상기 알루미늄 용탕 내에서 2중량% 이내(0중량% 초과)로 첨가되고,
    상기 철-망간 전율고용체는 상기 전율고용체 내에서 철을 10 중량% 내지 90 중량% 범위로 포함하고 나머지는 망간으로 구성된, 알루미늄 합금의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 철-망간 합금 분말은 아토마이즈(atomize)법을 이용하여 제조된, 알루미늄 합금의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 투입하는 단계 후, 상기 철-망간 합금 분말의 적어도 일부를 상기 알루미늄 용탕 내에서 용해시키는 단계를 더 포함하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 용해시키는 단계는 플라즈마 아크 용해법 또는 진공 유도 용해법을 이용하여 상기 철-망간 합금 분말의 전부를 용해하도록 수행하는, 알루미늄 합금의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 용탕은 모재인 알루미늄 외에 첨가원소로서 구리 및 실리콘을 포함하고,
    상기 알루미늄 용탕 내, 상기 구리의 함유량은 1 내지 4 중량% 범위이고, 상기 실리콘의 함유량은 9 내지 13 중량% 범위인, 알루미늄 합금의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 용탕은 모재인 알루미늄 외에 첨가원소로서 실리콘 및 마그네슘을 포함하고, 상기 알루미늄 용탕 내, 상기 실리콘의 함유량은 1 내지 3 중량% 범위이고, 상기 마그네슘의 함유량은 4 내지 7 중량% 범위인, 알루미늄 합금의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 알루미늄 기지; 및
    상기 알루미늄 기지 상에 분포된 철-망간 전율고용체를 포함하는 알루미늄 합금으로서,
    상기 알루미늄 합금은 철과 망간이 전율고용체를 형성하지 않고 알루미늄과 화합물을 형성하는 동일 조성의 다른 알루미늄 합금보다 더 높은 연신율을 갖고,
    상기 철-망간 전율고용체의 함량은 상기 알루미늄 합금 내에서 2중량% 이내(0중량% 초과)이고,
    상기 철-망간 전율고용체는 상기 전율고용체 내에서 철을 10 중량% 내지 90 중량% 범위로 포함하고 나머지는 망간으로 구성된, 알루미늄 합금.
  11. 삭제
  12. 제 1 함량의 철-망간 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계;
    상기 1차 알루미늄 합금을 알루미늄 용탕에 용해시키는 단계; 및
    상기 알루미늄 용탕을 주조하여, 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 철-망간 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 함량은 상기 1차 알루미늄 합금 내에서 0.5 중량% 초과 내지 10 중량% 미만이고, 상기 제 2 함량은 상기 2차 알루미늄 합금 내에서 2 중량% 이내(0중량% 초과)이고
    상기 제1 함량의 철-망간 전율고용체는 상기 전율고용체 내에서 철을 10 중량% 내지 90 중량% 범위로 포함하고 나머지는 망간으로 구성되고,
    상기 제2 함량의 철-망간 전율고용체는 상기 전율고용체 내에서 철을 10 중량% 내지 90 중량% 범위로 포함하고 나머지는 망간으로 구성된, 알루미늄 합금의 제조방법.
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  18. 제 12 항에 있어서, 상기 제 2 함량의 철-망간 전율고용체의 평균 크기는 상기 제 1 함량의 철-망간 전율고용체의 평균 크기보다 작은, 알루미늄 합금의 제조방법.
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