KR101580943B1 - 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 초정 규소를 미세화할 수 있는 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에 관한 것으로서, 알루미늄(Al)과 규소(Si)를 포함하는, 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계; 상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계; 및 상기 진동에너지를 인가한 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계;를 포함하는 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법을 제공한다.

Description

과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법{Method of fabrication for hyper-eutectic Al-Si casting alloy}
본 발명은 Al-Si계 주조합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 과공정 조성을 가지는 Al-Si계 주조합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
규소가 12.6중량% 이상 함유된 알루미늄 합금을 주조법으로 구현하는 과공정 Al-Si계 주조합금은 주조성이 우수하며, 기계적 특성 및 내마모 특성이 우수하여 자동차, 산업기계 등의 부품제조에 다양하게 사용되고 있다.
과공정 Al-Si계 주조합금의 미세조직은 초정 규소(primary Si) 뿐만 아니라 공정 규소(eutectic Si)가 다량 존재한다. 예를 들어 규소가 18중량% 함유된 과공정 Al-Si계 주조합금의 미세조직에서 초정 규소가 약 12 vol.% 정도 존재하며 공정 규소가 약 8 vol.% 정도 존재한다. 과공정 Al-Si계 주조합금의 특성은 초정 규소 및 공정 규소가 미세할수록 기계적 특성이 내마모성이 우수하다고 알려져 있다.
그러나, 초정 규소를 미세화하기 위하여 첨가하는 제 1 첨가제와 공정 규소를 미세화하기 위하여 첨가하는 제 2 첨가제는 서로 화학반응을 일으켜 미세화효과가 반감되는 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 화학반응을 방지하기 위하여 이중 용해 방법이 제안되고 있으나, 적어도 2 번 이상의 용해 및 주조 공정이 필요하여 제조비용이 상승하는 문제점이 수반된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 상대적으로 저비용으로 초정 규소와 공정 규소를 함께 미세화할 수 있는 과공정 조성의 알루미늄-규소 주조합금의 제조방법과 이에 의한 알루미늄-규소 주조합금을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법이 제공된다. 상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 알루미늄(Al)과 과공정(hyper-eutectic) 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소(Si)를 함유하고, 스트론튬(Sr)을 더 함유하는, 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계; 상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계; 및 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계;를 포함한다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계는, 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하는 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 단계; 및 상기 알루미늄 합금 예비용탕에 스트론튬을 첨가하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계는, 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하고, 스트론튬을 더 함유하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계; 및 상기 알루미늄 합금을 액상선 이상으로 가열, 용해하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕에서 상기 스트론튬은 30ppm 내지 160ppm 함유될 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는 상기 알루미늄 합금 용탕에 초음파 또는 펄스를 인가하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는 상기 알루미늄 합금 용탕에서 초정 규소가 최초로 정출되는 온도 이상에서 수행될 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕은 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 주석(Sn), 코발트(Co) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 함유할 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서, 상기 알루미늄 합금 용탕은 세라믹 입자를 더 함유할 수 있다.
상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계 이후에, 용체화처리를 수행하고 시효경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법이 제공된다. 상기 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하는, 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 단계; 상기 알루미늄 합금 예비용탕에 진동에너지를 인가하고 스트론튬을 첨가함으로써 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계;를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금이 제공된다. 상기 과공정 Al-Si계 주조합금은 상술한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법들에 의하여 구현된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 상대적으로 저비용으로 초정 규소와 공정 규소를 함께 미세화할 수 있는 과공정 조성의 알루미늄-규소 주조합금의 제조방법과 이에 의한 알루미늄-규소 주조합금을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법을 설명하기 위한 알루미늄-규소의 상태도를 도해하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실험예1에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 스트론튬의 첨가량에 따른 공정 규소의 양상을 나타내는 고배율 미세조직 사진들이다.
도 3은 본 발명의 실험예1에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 스트론튬의 첨가량에 따른 초정 규소의 양상을 나타내는 저배율 미세조직 사진들이다.
도 4는 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 저배율에서 관찰한 주조 상태의 미세조직 사진이다.
도 5는 영상입도분석기로 도 4에서 관찰한 초정 규소의 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 고배율에서 관찰한 주조 상태의 미세조직 사진이다.
도 7은 영상입도분석기로 도 6에서 관찰한 공정 규소의 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 고배율에서 관찰한 용체화처리 상태의 미세조직 사진이다.
도 9는 영상입도분석기로 도 8에서 관찰한 공정 규소의 크기를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법을 설명하기 위한 Al-Si의 상태도를 도해하는 도면이다.
도 1을 참조하면, Al-Si계 주조합금에서 공정 조성(eutectic composition)은 전체 합금의 조성 중에서 규소(Si)의 함량이 12.6 중량%인 조성(E)에 해당한다. 이를 원자%로 환산하면 규소의 함량이 12.2 원자%인 조성에 해당할 수 있다. 물론, 추가로 더 첨가되는 합금원소(예를 들어, 스트론튬, 마그네슘, 구리, 철)의 종류에 따라서 상기 공정 조성이나 온도 등은 변동될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 알루미늄(Al)과 과공정(hyper-eutectic) 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소(Si)를 함유하고, 스트론튬(Sr)을 더 함유하는, 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 제 1 단계, 상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 제 2 단계 및 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 제 3 단계를 포함한다. 이들 단계들은, 예를 들어, 도 1에서 도시된 F-G-H-I 선을 따라 수행될 수 있으며, 이하에서 이를 설명한다.
상기 제 1 단계에서 과공정 조성이라 함은 도 1에 도시된 공정 조성(E)보다 규소의 함량이 더 많은 조성을 의미한다. 따라서, 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하고, 스트론튬(Sr)을 더 함유하는 알루미늄 합금 용탕은, 전체 조성 중에서 상기 규소의 함량이 12.6 중량%를 초과하는 알루미늄 합금 용탕일 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미늄 합금 용탕에서 규소의 함량은 전체 조성 중에서 17.95 중량%일 수 있다.
용탕(molten metal)이라 함은 주조 작업에서 금속이 녹은 액체 상태(L)를 의미한다. 상기 제 1 단계에서 알루미늄 합금 용탕의 온도(F)는, 예를 들어, 650℃ 내지 850 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 상기 제 1 단계는, 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하는 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 단계 및 상기 알루미늄 합금 예비용탕에 스트론튬을 첨가하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 합금 예비용탕은 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하는 소정의 합금을 액상선 이상으로 가열, 재용해하여 구현될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 상기 제 1 단계는, 알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하고, 스트론튬을 더 함유하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계 및 상기 알루미늄 합금을 액상선 이상으로 가열, 용해하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 알루미늄 합금 용탕의 온도가 F점에서 점점 냉각되어 G점에 도달하게 되면 초정 규소(primary Si)가 최초로 정출된다. 계속하여, G점에서 H점까지, 즉, 공정 온도(예를 들어, 도 1에 도시된 577℃)까지, 점점 냉각되는 동안 초정 규소의 비율은 점점 커지고 용탕의 비율은 점점 작아진다. G점에서 H점까지 용탕의 조성은 G-E라인을 따르게 된다. 알루미늄 합금 용탕이 H점(공정 온도)에 도달하게 되면, 공정 반응(eutectic reation)이 일어나서 잔존하던 액상의 용탕에서는 규소가 알루미늄에 고용된 형태인 α-Al 고용체와 순수한 규소가 동시에 정출된다. 물론, 용탕에 추가로 더 첨가되는 합금원소(예를 들어, 마그네슘, 구리, 철)의 종류에 따라서 상기 순수한 규소는 고용체 형태를 가질 수도 있다. 여기에서 상기 순수한 규소는 공정 규소(eutectic Si)로 이해될 수 있다. H점에서 I점까지 점점 냉각되는 동안 순수한 규소의 비율은 점점 커지고 규소가 알루미늄에 고용된 형태인 α-Al 고용체의 비율은 점점 작아진다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 알루미늄 합금 용탕에 초음파 또는 펄스와 같은 진동에너지를 인가하는 제 2 단계는 용탕이 존재하는 구간에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 초음파 처리는 상기 용탕에서 초정 규소가 최초로 정출될 때까지만 수행될 수 있다(F-G 구간). 또한, 예를 들어, 상기 초음파 처리는 상기 용탕이 공정 온도에 도달할 때까지 수행될 수도 있다(F-G-H 구간). 또한, 예를 들어, 상기 초음파 처리는 상기 용탕에서 초정 규소가 최초로 정출될 때부터 상기 용탕에서 공정 규소가 나타날 때까지 수행될 수도 있다(G-H 구간).
예를 들어, 상기 초음파 처리는 상기 알루미늄 합금 용탕의 온도가 650 내지 850℃인 범위에서 수행할 수 있다. 또한, 예를 들어, 상기 초음파 처리는 18.5 내지 19.5 kHz 범위의 주파수, 0.8 내지 1.0 kW 범위의 출력을 가지는 초음파를 이용할 수 있으며, 1 분 내지 5분 동안 수행할 수 있다.
상기 초음파 처리를 수행한 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 제 3 단계는 H-I 구간을 포함하며, 초정 규소를 둘러싸는 공정 조직으로 구성되는 알루미늄-규소 주조합금이 구현될 수 있다. 상기 공정 조직은 규소가 알루미늄에 고용된 형태인 α-Al 고용체;와 순수한 규소;가 동시에 정출되고 성장된 조직이다.
본 발명자는 상기 초음파 처리를 수행함으로써 상기 주조합금에서 구현되는 초정 규소를 더 미세화할 수 있음을 확인하였다. 초정 규소가 조대화되면 알루미늄-규소 주조합금이 취화되고 입계에서 매우 취약한 여러 문제점들이 발생하게 되는데, 상기 초음파 처리를 수행함으로써 효과적으로 초정 규소를 미세화할 수 있다.
한편, 상기 주조합금에서 구현되는 공정 규소를 더 미세화하기 위하여, 상기 알루미늄 합금 용탕은 스트론튬(Sr)을 더 함유하도록 구성할 수 있다. 만약, 초정 규소를 미세화하기 위하여 알루미늄 합금 용탕에 인(P)을 첨가할 경우, 인과 스트론튬의 반응으로 미세화 효과가 서로 상쇄되는 문제점이 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 과공정 Al-Si계 합금을 용해하고 인을 첨가하여 제 1 차 주조함으로써 초정 규소를 미세화시킨 후에, 다시 재용해하고 스트론튬을 첨가하여 제 2 차 주조함으로써 공정 규소를 미세화시키는 이중 용해 방법을 고안할 수 있으나, 이 경우, 초정 규소와 공정 규소를 제어하기 위하여 두 번의 용해/주조 공정이 필요하므로 제조비용이 상승하며, 재용해시 인과 스트론튬의 화학반응을 완전히 억제할 수 없으므로 미세조직 제어의 효과가 완전하지 않다는 문제점을 여전히 수반할 수 있다.
본 발명에서는, 초정 규소를 미세화하기 위하여 알루미늄 합금 용탕에 인을 첨가하지 않고 초음파 처리를 수행하고, 공정 규소를 미세화하기 위하여 알루미늄 합금 용탕에 스트론튬을 첨가함으로써, 인과 스트론튬의 반응을 원천적으로 방지하고 초정 규소와 공정 규소를 동시에 효과적으로 미세화할 수 있는 효과와 더불어 용해/주조 공정을 한 번으로 줄일 수 있어 제조비용이 낮아지는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 실시예들에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 알루미늄(Al)과 과공정(hyper-eutectic) 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소(Si)를 함유하는 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 제 1 단계, 상기 알루미늄 합금 예비용탕에 진동에너지를 인가하고 스트론튬을 첨가함으로써 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 제 2 단계 및 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 제 3 단계를 포함할 수 있다. 여기에서 진동에너지를 인가하는 단계와 스트론튬을 첨가하는 단계는 순차적으로 수행되거나, 역순으로 수행되거나, 동시에 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법은 상기 진동에너지를 인가한 상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계 이후에, 용체화처리를 수행하고 시효경화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 용체화처리를 수행하고 시효경화하는 단계는 상기 Al-Si계 주조용 알루미늄 합금의 알루미늄 기지 내에 형성된 구리를 포함하는 석출물에 의하여 석출경화하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 변형된 다른 실시예에 의하면, 과공정 Al-Si계 주조합금에서 요구되는 특성에 따라 용탕에 세라믹 입자를 첨가하여 과공정 Al-Si계 주조합금의 특성을 변화시킬 수 있다. 이 경우, 세라믹 입자가 첨가된 과공정 Al-Si계 주조합금은 알루미늄 합금 복합재료로 이해될 수 있다. 예를 들어, 상기 알루미늄 합금 용탕에 SiC, Al2O3 및/또는 B4C 등의 세라믹 입자를 첨가할 수 있다.
상술한 과공정 Al-Si계 주조합금이나 알루미늄 합금 복합재료는 금형, 사형, 다이캐스팅, 원심주조 등의 임의의 모든 주조방법으로 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실시예들을 제공한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
실험예1
실험예1는 본 발명에서 스트론튬의 첨가함량을 결정하기 위한 실험예로서, 구체적으로, 과공정 Al-Si합금인 상용 A390합금(Al-17.95%Si-4.22%Cu)에 적용하였다.
1. 제조 방법
소재는 17.95wt%의 Si과 4.2wt%의 Cu를 함유한 상용 A390 합금(과공정 합금)을 사용하였다. 구체적으로, 상기 과공정 합금의 조성은 표 1에 표시하였다.
A390 합금의 조성 (wt.%)
Si Fe Cu Mn Mg Ti
17.95 0.25 4.22 0.02 0.50 0.093
실험방법은 A390합금 1kg를 전기저항로에서 완전히 용해한 후에(용해온도는 약 750℃임), 스트론튬을 함유하는 합금(Al-10wt% Sr 모합금)을 용탕에 투입하여 스트론튬이 완전히 용해되도록 20분 이상 유지하였다. 투입함량은 스트론튬을 기준으로 50ppm, 100ppm, 150ppm, 200ppm이 되도록 하였다. 계속하여, 스트론튬이 첨가된 용탕을 200℃로 가열된 금형 몰드에 주입하였다.
2. 미세조직 분석
도 2는 본 발명의 실험예1에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 스트론튬의 첨가량에 따른 공정 규소의 양상을 나타내는 고배율 미세조직 사진들이고, 도 3은 본 발명의 실험예1에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 스트론튬의 첨가량에 따른 초정 규소의 양상을 나타내는 저배율 미세조직 사진들이다.
도 2를 참조하면, 과공정 Al-Si 합금(A390합금)에 스트론튬이 첨가되면 공정 규소가 섬유상 형태로 존재하는 것을 알 수 있으며, 스트론튬의 첨가량이 많아질수록 공정 규소가 더 미세해지는 것을 알 수 있다. 반면, 도 3을 참조하면, 과공정 Al-Si 합금(A390합금)에 스트론튬의 함량이 증가할 경우 초정 규소의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있는데, 특히, 200ppm의 스트론튬이 첨가된 경우 초정 규소의 크기가 조대해진 것을 알 수 있다. 상기의 결과로부터 스트론튬의 첨가함량 범위는 30ppm 내지 160ppm이 바람직한 것으로 판단되며, 엄격하게는, 50ppm 내지 100ppm의 스트론튬의 첨가가 더욱 바람직한 것으로 판단된다.
실험예2
실험예2는 상기 실험예1과 동일한 과공정 Al-Si합금인 상용 A390합금(Al-17.95%Si-4.22%Cu)에 대하여 다음의 4가지 방법으로 스플릿하여 제조하였다.
1. 제조 방법
(1) 무처리 소재(통상적인 주조 방법; A390)
A390합금 5kg을 전기저항로에서 완전히 용해한 후(용해온도 약 720℃), 탈가스 처리를 실시하고, 이 합금 용탕을 200℃로 가열된 금형 몰드에 주입하였다.
(2) 초음파 처리 소재 (A390 UST)
A390합금 1kg을 전기저항로에서 완전히 용해한 후(용해온도 약 790℃)에, 초음파 장치를 이용하여 1 분간 초음파 처리 실시하였다. 초음파 처리후 200℃로 가열된 금형 몰드에 주입하였다(용탕의 주입온도는 750℃).
(3) 스트론튬 첨가 소재 (A390 + Sr)
A390합금 5kg을 전기저항로에서 완전히 용해한 후(용해온도 약 720℃)에, 용탕에 Al-10wt%Sr 모합금을 투입하여(Sr 기준으로 100ppm) 스트론튬이 완전히 용해되도록 20분 이상 유지한 후, 탈가스 처리를 실시하고, 이 합금 용탕을 200℃로 가열된 금형 몰드에 주입하였다.
(4) 스트론튬 첨가후 초음파 처리 소재 (A390 + Sr UST)
A390합금 1kg을 전기저항로에서 완전히 용해(용해온도 약 790℃)한 후에, Al-10wt%Sr 모합금을 투입하여(Sr 기준으로 100ppm) 스트론튬이 완전히 용해되도록 20분 이상 유지한 후, 초음파 장치를 이용하여 1분간 초음파 처리를 실시하였다. 초음파 처리후 200℃로 가열된 금형 몰드에 주입하였다(용탕의 주입온도는 750℃임).
(5) 시편 분류
상술한 처리 조건을 표 2에서 정리하였다.
비고 제조 조건 약칭
비교예1 무처리(통상적인 주조방법) A390
비교예2 초음파 처리 A390 UST
비교예3 스트론튬 첨가 A390 Sr
발명예 스트론튬 첨가 및 초음파 처리 A390 Sr UST
2. 열처리
표 3에 나타낸 열처리 조건에서 열처리를 실시한 후 미세조직을 비교하였다.
열처리 종류 열처리 조건
주조 상태 주조상태 그대로
용체화처리 용체화처리 495℃/8hrs → 수냉 quenching(to 60-80℃)
3. 미세조직 분석
(1) 초정 규소의 크기 변화
도 4는 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 관찰한 주조 상태의 미세조직 사진으로 주로 초정 규소의 크기를 관찰한 것이며, 도 5는 영상입도분석기로 도 4에서 관찰한 초정 규소의 크기를 측정한 결과이며, 이를 표 4에 요약하여 나타내었다.
도 4, 도 5 및 표 4에서 볼 수 있듯이, A390합금에 초음파 처리를 하면 초정 규소는 현저히 미세해지고 분포도 균일해지는 것을 알 수 있다. 반면, 스트론튬이 첨가되면 초정 규소는 그 크기가 무처리재와 유사하며 크기 분포가 불균일한데, 스트론튬을 첨가하고 초음파처리를 실시하면 초정 규소의 크기가 다시 미세해지고 크기 분포도 비교적 균일해지는 것을 알 수 있다.
시편 초정 규소 크기(㎛)
A390 51.58
A390 UST 15.42
A390 Sr 44.63
A390 Sr UST 29.97
(2) 공정 규소의 변화
도 6은 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 고배율에서 관찰한 주조 상태의 미세조직 사진으로 주로 공정 규소의 크기 및 형상 변화를 관찰한 것이며, 도 7은 영상입도분석기로 도 6에서 관찰한 공정 규소의 크기를 측정한 결과이며, 이를 표 5에 요약하여 나타내었다. 도 6, 도 7 및 표 5에서 볼 수 있듯이, A390합금에 초음파 처리를 하면 공정 규소는 다소 조대해지며 침상으로 존재하는 것을 알 수 있다. 반면, 스트론튬이 첨가되면 공정 규소는 섬유상으로 변화하며 그 크기가 상당히 미세해지는 것을 알 수 있다. 스트론튬을 첨가하고 초음파처리를 실시하면 공정 규소가 침상과 섬유상의 중간 형태를 가지며 크기가 미세해지는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실험예2에 의한 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법에서 고배율에서 관찰한 용체화처리 상태의 미세조직 사진으로 주로 공정 규소의 크기 및 형상 변화를 관찰한 것이며, 도 9는 영상입도분석기로 도 8에서 관찰한 공정 규소의 크기를 측정한 결과이며, 이를 표 5에 요약하여 나타내었다.
도 8, 도 9 및 표 5에서 볼 수 있듯이, A390합금에 스트론튬이 첨가된 경우 공정 규소가 가장 미세하고 형상이 원모양에 가까웠다. 반대로, 초음파처리만 실시한 경우 공정 규소가 가장 조대하며 각형의 형상에 가까움을 알 수 있었다. 스트론튬을 첨가하고 초음파 처리한 경우 공정 규소의 크기가 미세하고 원모양에 가까워짐을 알 수 있다. 여기에서, 원모양정도(R; roundness)를 나타내는 R 값은 0 < R < 1의 값을 가지며, R 값이 1에 가까울수록 원모양이고, 0에 가까울수록 각형임을 나타낸다.
주조상태 주조상태 용체화처리후 용체화처리후
시편 크기 (㎛) 원모양정도 크기 (㎛) 원모양정도
A390 4.49 0.39 4.26 0.62
A390-UST 4.74 0.4 6.43 0.56
A390Sr 3.59 0.62 3.75 0.74
A390Sr-UST 4.49 0.4 3.84 0.66
(3) 결과 정리
상기의 결과를 요약하면, 초정 규소의 관점에서 양호한 정도는 비교예2( A390 UST)가 가장 양호하였으며, 그 다음으로 발명예(A390 Sr UST)가 양호하였고, 그 다음으로 비교예3(A390 Sr)과 비교예1(A390)이 비슷한 정도로 양호하였다.
공정 규소의 관점에서 양호한 정도는 비교예3(A390Sr)이 가장 양호하였으며, 그 다음으로 발명예(A390 Sr UST)가 양호하였고, 비교예2(A390 UST)가 가장 열악하였다.
즉, 스트론튬을 첨가하고 초음파 처리를 실시하면, 과공정 Al-Si합금에 존재하는 초정 규소 및 공정 규소의 적절한 조합을 얻을 수 있음을 실험예2를 통하여 확인하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 알루미늄(Al)과 과공정(hyper-eutectic) 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소(Si)를 함유하고, 스트론튬(Sr)을 더 함유하는, 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는, 상기 알루미늄 합금 용탕에 초음파 또는 펄스를 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는, 초정 규소가 미세화되도록, 상기 알루미늄 합금 용탕에서 상기 초정 규소가 최초로 정출되는 온도 이상에서 수행되는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계는,
    알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하는 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금 예비용탕에 스트론튬을 첨가하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕을 제공하는 단계는,
    알루미늄과 과공정 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소를 함유하고, 스트론튬을 더 함유하는 알루미늄 합금을 준비하는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금을 액상선 이상으로 가열, 용해하여 상기 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계;
    를 포함하는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕에서 상기 스트론튬은 30ppm 내지 160ppm 함유된, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕은 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 망간(Mn), 크롬(Cr), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 철(Fe), 주석(Sn), 코발트(Co) 및 리튬(Li)으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 어느 하나 이상을 더 함유하는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕은 세라믹 입자를 더 함유하는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계; 이후에,
    용체화처리를 수행하고 시효경화하는 단계;
    를 더 포함하는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  10. 알루미늄(Al)과 과공정(hyper-eutectic) 조성을 형성할 수 있는 함량의 규소(Si)를 함유하는 알루미늄 합금 예비용탕을 제공하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 예비용탕에 진동에너지를 인가하고 스트론튬을 첨가함으로써 알루미늄 합금 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금 용탕을 응고시키는 단계;
    를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 예비용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는, 상기 알루미늄 합금 예비용탕에 초음파 또는 펄스를 인가하는 단계를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 예비용탕에 진동에너지를 인가하는 단계는, 초정 규소가 미세화되도록, 상기 알루미늄 합금 예비용탕에서 상기 초정 규소가 최초로 정출되는 온도 이상에서 수행되는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 진동에너지의 인가 및 상기 스트론튬의 첨가는 순차적으로 수행되거나, 역순으로 수행되거나, 동시에 수행되는, 과공정 Al-Si계 주조합금의 제조방법.
  12. 제 1 항 내지 제 4 항 및 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 상기 제조방법에 의하여 형성된, 과공정 Al-Si계 주조합금.
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