KR101591629B1

KR101591629B1 - 마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 방법

Info

Publication number: KR101591629B1
Application number: KR1020150054706A
Authority: KR
Inventors: 김승하
Original assignee: 신성티엠 주식회사
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-02-03

Abstract

본 발명은 마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Al-Mg계 합금의 제조시 산화 방지용 합금원소를 첨가하여 마그네슘의 산화물을 억제하고, 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하여 응고시 응고 잠열을 유지하고 결정립을 미세화시켜 용탕의 유동성과 주조성을 대폭 향상시키고, 주요 합금원소인 마그네슘을 용융점 이하에서 저온 합금하여 마그네슘의 손실이나 산화를 충분히 억제할 수 있게 함으로써, 합금과정과 주조과정에서 발생하는 산화문제로 인해 정상적인 주조가 어려워 생산이 불가능했던 5wt%이상의 마그네슘이 함유된 합금제품을 보다 용이하게 생산할 수 있도록 하는 Al-Mg계 합금의 제조방법에 관한 것이다.

Description

마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 방법{Method for manufacturing Al-Mg alloy under the melting point of magnesium}

현재 알루미늄(Al) 합금은 Al-Si계, Al-Cu계, Al-Mg계, Al-Si-Cu계, Al-Zn- Mg계 등 이원(二元) 또는 삼원(三元)계로 합금되어 금속학적 특징에 따라 중력주조, 사형주조, 다이캐스팅, 단조, 스퀴즈 캐스팅 등 다양한 방법에 의해 각종 부품이나 제품의 소재로 널리 사용되고 있다.

이러한 알루미늄 합금 중에서 대표적인 비열처리계 합금인 Al-Mg계 합금은 우수한 강도, 내식성, 용접성, 성형성이 중요한 합금계로서 다양한 산업분야에서 사용범위가 확대될 것으로 기대되고 있으나, 현재까지는 압출, 압연, 가공용으로 제한되어 사용되고 있으며 일부 AC7A 등이 주조용으로 사용되고 있는 실정이다.

한편, 주조용으로 사용되는 Al-Mg계 합금의 강도는 주로 알루미늄 기지내에 고용된 마그네슘의 고용강화기구로 좌우되므로, 마그네슘의 첨가량을 증가시킴으로써 강도를 현저하게 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 유려한 표면과 함께 내식성도 대폭 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 마그네슘은 산화성이 강하여 알루미늄에 첨가되는 마그네슘의 양을 증가시킬 경우 주조 조건이 매우 까다로워질 뿐 아니라, 응력부식균열, 고온취성, 응고수축, 용탕의 유동성 및 주조성 저하 등이 발생하게 되는데, 이로 인해 마그네슘이 5wt%이상 함유된 합금제품은 정상적인 주조가 어려워 생산이 불가능한 문제점이 있었다.

아울러, 마그네슘이 5wt%이하로 함유된 합금제품도 합금과정과 주조과정에서 발생하는 산화문제로 인하여 진공용해 합금방식이나 불활성 가스 분위기 내에서만 생산이 가능한 것으로 알려져 있는데, 이러한 생산방식은 생산 원가가 높을 뿐만 아니라 이에 대한 기술들도 이론적으로만 가능한 것으로 알려져 있어 실용 합금에는 적용되지 못하고 있었다.

따라서, 합금과정 및 주조과정에서 발생하는 산화문제는 물론, 용탕의 유동성과 주조성 문제를 동시에 해결함으로써 산업 전반에 접목할 수 있는 Al-Mg계 합금을 용이하게 제조할 수 있는 기술개발이 절실히 요구되고 있는 실정이었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1272733호

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, Al-Mg계 합금의 제조시 산화 방지용 합금원소를 첨가하여 마그네슘의 산화물을 억제하고, 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하여 응고시 응고 잠열을 유지하고 결정립을 미세화시켜 용탕의 유동성과 주조성을 대폭 향상시키고, 주요 합금원소인 마그네슘을 용융점 이하에서 저온 합금하여 마그네슘의 손실이나 산화를 충분히 억제할 수 있게 함으로써, 합금과정과 주조과정에서 발생하는 산화문제로 인해 정상적인 주조가 어려워 생산이 불가능했던 5wt%이상의 마그네슘이 함유된 합금제품을 보다 용이하게 생산할 수 있도록 하는 것을 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 알루미늄을 730℃ 이상으로 가열하여 용해시키는 알루미늄 용해단계와; 상기 알루미늄 용해단계를 거쳐 형성된 용탕의 온도를 720 ~ 745℃로 유지한 상태에서 산화 방지용 합금원소와 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하되, 상기 산화 방지용 합금원소는 칼슘 0.25 ~ 0.5wt% 및 스트론튬 0.015 ~ 0.02wt%으로 구성되고, 상기 유동성 개선용 합금원소는 규소 0.8 ~ 1.2wt% 및 망간 0.4 ~0.6wt%로 구성되며, 상기 결정립 미세화용 합금원소는 티타늄 0.02 ~ 0.025wt%, 탄소 0.1 ~ 0.2wt%, 붕소 0.002 ~ 0.0025wt%로 구성되는 기타 합금원소 첨가단계와; 상기 기타 합금원소 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 650 ~ 700℃로 유지한 상태에서 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성하기 위해 상기 알루미늄 함량의 1 ~ 3wt%의 마그네슘을 첨가하는 1차 마그네슘 첨가단계와; 상기 1차 마그네슘 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 451 ~ 645℃로 유지하여 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성시킨 상태에서 상기 1차 마그네슘첨가단계에서 첨가한 마그네슘을 제외한 나머지 마그네슘을 첨가하는 2차 마그네슘 첨가단계와; 상기 2차 마그네슘 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 630 ~ 650℃로 일정 시간동안 유지시키는 확산단계와; 상기 확산단계를 거친 용탕의 온도를 660 ~ 730℃로 승온시킨 후 일정 시간 동안 유지시키는 승온단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 Al-Mg계 합금의 제조방법에 의하면, Al-Mg계 합금의 제조시 산화 방지용 합금원소를 첨가하여 마그네슘의 산화물을 억제하고, 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하여 응고시 응고 잠열을 유지하고 결정립을 미세화시켜 용탕의 유동성과 주조성을 대폭 향상시키고, 주요 합금원소인 마그네슘을 용융점 이하에서 저온 합금하여 마그네슘의 손실이나 산화를 충분히 억제할 수 있게 됨으로써, 합금과정과 주조과정에서 발생하는 산화문제로 인해 정상적인 주조가 어려워 생산이 불가능했던 5wt%이상의 마그네슘이 함유된 합금제품을 보다 용이하게 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 방법을 단계별로 나타내는 블록도.
도 2는 알루미늄-마그네슘 상태도.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 도 1과 도 2를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 Al-Mg계 합금의 제조방법은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 알루미늄 용해단계(10), 기타 합금원소 첨가단계(20), 1차 마그네슘 첨가단계(30), 2차 마그네슘 첨가단계(40), 확산단계(50), 승온단계(60)를 포함하여 구성된다.

상기 알루미늄 용해단계(10)는 알루미늄을 가열하여 용해시키는 단계로서, 순수 알루미늄은 약 661℃, 공업적 순도의 알루미늄은 약 650℃에서 용해됨에 따라 알루미늄을 용해시키기 위해서는 용해온도인 661℃ 이상으로 가열하여 용해시키는 것이 일반적이지만, 본 발명에서는 용탕 내에 기타 합금원소 첨가단계(20)에서 첨가될 산화 방지용 합금원소, 유동성 개선용 합금원소, 결정립 미세화용 합금원소들이 원활하게 반응할 수 있는 용해 잠열이 충분히 형성되도록 730℃ 이상으로 가열하여 용해시키게 된다.

이 때, 용해시간은 용해로의 크기에 따라 다르게 나타나므로 완전 용해가 이루어질 때까지 충분히 용해시키게 된다.

상기 기타 합금원소 첨가단계(20)는 알루미늄 용탕에 주요 합금원소인 마그네슘을 제외한 기타 합금원소를 첨가하는 단계로서, 상기 알루미늄 용해단계(10)를 거쳐 형성된 용탕의 온도를 720 ~ 745℃로 유지한 상태에서 산화 방지용 합금원소, 유동성 개선용 합금원소, 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하게 된다.

이 때, 상기 알루미늄 용탕의 온도를 720 ~ 745℃로 유지하는 이유는, 저온에서 반응효율이 저하되는 것으로 알려진 산화 방지용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소가 상기 온도 범위 내에서 반응성이 가장 양호할 뿐 아니라 가장 안정된 반응을 나타내는 것으로 실험 결과 확인되었기 때문이다.

일반적으로 알루미늄과 마그네슘은 산화성이 강한 금속으로 Al₂O₃, MgO, Al₂MgO₄ 등의 다양한 불순물을 형성하면서 용해되거나 합금됨에 따라 불순물의 영향을 많이 받게 되는데, 이로 인하여 용탕의 유동성이 현저히 감소하여 주조 불량이 심하게 발생하므로 주조가 곤란해지게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 산화 방지용 합금원소로서 칼슘(Ca)과 스트론튬(Sr)을 사용하게 되는데, 합금 총량을 기준으로 칼슘은 0.25 ~ 0.5wt%, 스트론튬 은 0.015 ~ 0.02wt%를 첨가하는 것이 바람직하다.

칼슘과 스트론튬의 첨가량을 상기 범위로 한정하는 이유는, 합금과정에서 자연 산화로 소실됨에 따라 첨가량이 하한치 미만일 경우 과량의 마그네슘 첨가시 마그네슘의 산화가 진행될 우려가 있고, 상한치를 초과할 경우 CaAl₄, CaSi₂ 등의 잔류량이 증가함에 따라 유동성을 저해하여 주조성을 저하시킬 우려가 있기 때문이다.

칼슘(Ca)은 알루미늄과 결합하여 CaAl₄로 형성되고 대기 중에서 고온 용해시 알루미늄과 마그네슘보다 먼저 산소와 반응하여 산화하게 되므로, 합금과정에서 알루미늄과 마그네슘의 산화를 억제할 수 있게 된다.

스트론튬(Sr)은 알루미늄과 마그네슘보다 산화성이 강하여 합금과정에서 알루미늄과 마그네슘의 산화를 억제할 뿐만 아니라, 유동성 개선용 합금원소로서 첨가되는 규소(Si)와 반응하여 Al₂Si₂Sr을 형성시킴으로써 규소입자를 미세한 구상으로 개량하는 역할도 하게 된다.

그리고, 본 발명에서는 유동성 개선용 합금원소로서 규소(Si)와 망간(Mn)을 사용하게 되는데, 합금 총량을 기준으로 규소는 0.8 ~ 1.2wt%, 망간은 0.4 ~ 0.6wt%를 첨가하는 것이 바람직하다.

규소와 망간의 첨가량을 상기 범위로 한정하는 이유는, 각각의 첨가량이 하한치 미만일 경우 유동성 개선효과가 떨어지고, 상한치를 초과할 경우 용탕 내에 불순물을 형성할 우려가 있기 때문이다.

아울러, 본 발명에서는 결정립 미세화용 합금원소로서 티타늄(Ti)과 탄소(C)와 붕소(B)를 사용하게 되는데, 합금 총량을 기준으로 티타늄은 0.02 ~ 0.025wt%, 탄소는 0.1 ~ 0.2wt%, 붕소는 0.002 ~ 0.0025wt%를 첨가하는 것이 바람직하다.

티타늄과 탄소와 붕소의 첨가량을 상기 범위로 한정하는 이유는, 각각의 첨가량이 하한치 미만일 경우 결정립 미세화효과가 떨어지고, 상한치를 초과할 경우 용탕 내에 불순물을 형성할 우려가 있기 때문이다.

알루미늄의 결정립은 일반적으로 1800 ~ 2200㎛로 형성되는 것으로 알려져 있는데, 마그네슘을 첨가할 경우 마그네슘은 알루미늄에 약 14.9wt%까지 고용되는 특성이 있어 결정립이 크게 형성된다.

이와 같이 크게 형성된 결정립은 용탕의 유동성과 주조성을 저하시키며, 응고시 금속간 화합물의 석출을 심화시켜 기계적 성질을 떨어뜨리고, 취성을 증가시키는 등 다양한 결함의 원인이 된다.

그러므로, 본 발명에서는 알루미늄의 용탕에 티타늄, 탄소, 붕소를 동시에 첨가하여 알루미늄 내에 TiC, AlB₂, TiB₂, Al₄C₃를 형성하게 되는데, 이렇게 형성된 물질들은 알루미늄 원자 내에 침투하여 응고시 핵으로 작용함으로써 결정립을 미세화할 수 있게 된다.

본 발명에서는 상기 알루미늄의 용탕에 합금 총량을 기준으로 0.02 ~ 0.025wt%의 티타늄, 0.1 ~ 0.2wt%의 탄소, 0.002 ~ 0.0025wt%의 붕소를 첨가할 경우, 기존에 1800 ~ 2200㎛로 형성되던 결정입자를 100㎛±10 정도로 미세하게 형성할 수 있게 된다.

상기 1차 마그네슘 첨가단계(30)는 기타 합금원소가 첨가된 알루미늄 용탕에 1차적으로 마그네슘을 첨가하는 단계로서, 상기 기타 합금원소 첨가단계(20)를 거친 용탕의 온도를 650 ~ 700℃로 유지한 상태에서 도 2의 알루미늄-마그네슘 상태도에 도시되어 있는 바와 같이 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성하기 위해 마그네슘을 첨가하게 된다.

이 때, 상기 마그네슘으로는 순수 마그네슘 또는 Al-Mg 모합금을 사용할 수 있는데, 순수 마그네슘을 사용할 경우에는 용탕 온도를 650 ~ 660℃에서 유지하고, 용탕보다 비중이 높은 Al-Mg 모합금을 사용할 경우에는 용탕 온도를 660 ~ 700℃에서 유지하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 알루미늄 용탕에 1차적으로 첨가되는 마그네슘의 양은 알루미늄 함량의 1 ~ 3wt%로 하는 것이 바람직하다.

1차적으로 첨가되는 마그네슘의 양을 1 ~ 3wt%로 한정하는 이유는, 마그네슘의 양이 1wt% 미만일 경우에는 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존영역이 너무 좁게 형성됨에 따라 2차 마그네슘 첨가단계에서 마그네슘을 첨가할 수 있는 온도영역이 좁아져 마그네슘 첨가시 금속이 응고하여 첨가할 수 없게 되고, 3wt%를 초과할 경우에는 산화 방지용 합금원소의 첨가량에 비해 마그네슘의 함량이 높아 마그네슘의 산화가 발생할 우려가 있기 때문이다.

즉, 상기 1차 마그네슘 첨가단계(30)에서 첨가되는 마그네슘의 산화는 상기 기타 합금원소 첨가단계(20)에서 첨가된 산화 방지용 합금원소에 의해 대부분 억제될 수 있는데, 마그네슘의 첨가량이 3wt%를 초과할 경우에는 산화 방지용 합금원소에 의해 충분히 억제될 수 없기 때문이다.

알루미늄만 용융시 용융점이 650 ~ 660℃이상이므로 이 온도에서 과량의 마그네슘를 첨가할 경우 마그네슘의 산화가 극심해져 용탕에 산화물이 증가하여 결함이 발생하고 주조성이 현저히 감소하게 되는데, 2차 마그네슘 첨가단계에서 과량의 마그네슘을 첨가하기 전에 미리 마그네슘을 첨가하게 되면, 2차 마그네슘 첨가단계에서 마그네슘 첨가시 마그네슘의 용융점 이하로 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성시킨 상태에서 과량의 마그네슘을 용해시킬 수 있는 용탕 분위기를 조성할 수 있게 되는 것이다.

상기 2차 마그네슘 첨가단계(40)는 알루미늄 용탕에 1차 마그네슘 첨가단계에서 첨가한 마그네슘을 제외한 나머지 마그네슘을 첨가하는 단계로서, 상기 1차 마그네슘 첨가단계(30)를 거친 용탕의 온도를 451 ~ 645℃로 유지하여 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성시킨 상태에서 합금하고자 하는 비율에 따라 원하는 양의 마그네슘을 첨가하게 된다.

이 때, 상기 용탕의 온도를 451 ~ 645℃로 유지하는 이유는, 용탕의 온도를 마그네슘의 용융점(651℃)보다 낮게 하여 2차 마그네슘 첨가단계에서 첨가되는 마그네슘의 활성을 저하시킴으로써 산화를 억제할 수 있도록 하기 위함이다.

이와 같이 상기 1차 마그네슘 첨가단계(30)를 거쳐 마그네슘이 첨가된 용탕의 온도를 451 ~ 645℃로 유지하게 되면, 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면이 형성되면서 슬러리(Slurry)상태로 변하게 되는데, 이렇게 슬러리상태로 변화된 용탕에는 상태도 상에서 고용되는 양보다 많은 마그네슘을 자유롭게 투입하여 용해시킬 수 있게 될 뿐만 아니라, 과량의 마그네슘을 투입하더라도 마그네슘이 용탕 위로 부상하지 않고 마그네슘의 용융점(651℃)보다 낮은 645℃이하에서 공정반응에 의해 용탕 내의 알루미늄과 반응하여 Al₃Mg₂, Al₈Mg₅ 등의 안정된 금속간 화합물을 형성하게 되므로 산화가 진행되지 않고 안정적으로 용해시킬 수 있게 되는 것이다.

상기 확산단계(50)는 알루미늄 용탕에 첨가된 마그네슘이 충분히 확산되어 고용될 수 있도록 하는 단계로서, 상기 2차 마그네슘 첨가단계(40)를 거친 용탕의 온도를 630 ~ 650℃로 일정 시간동안 유지하게 된다.

이 때, 상기 확산단계(50)는 1 ~ 3시간 정도 유지하되, 용탕의 균질화를 위해서 필요에 따라 교반을 해주는 것이 바람직하다.

상기 승온단계(60)는 합금제품의 주조하거나 잉곳을 제조하기 위하여 용탕의 온도를 승온하는 단계로서, 상기 확산단계(50)를 거친 용탕의 온도를 660 ~ 730℃로 승온시킨 후 일정 시간동안 유지하게 된다.

이 때, 상기 승온단계(60)는 용탕 내에 포함된 합금원소의 완전 용해될 수 있도록 1 ~ 2시간 정도 유지하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 의한 Al-Mg계 합금의 제조방법에 의하면, Al-Mg계 합금의 제조시 산화 방지용 합금원소를 첨가하여 마그네슘의 산화물을 억제하고, 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하여 응고시 응고 잠열을 유지하고 결정립을 미세화시켜 용탕의 유동성과 주조성을 대폭 향상시키고, 주요 합금원소인 마그네슘을 용융점 이하에서 저온 합금하여 마그네슘의 손실이나 산화를 충분히 억제할 수 있게 됨으로써, 합금과정과 주조과정에서 발생하는 산화문제로 인해 정상적인 주조가 어려워 생산이 불가능했던 5wt%이상의 마그네슘이 함유된 합금제품을 보다 용이하게 생산할 수 있게 된다.

10 : 알루미늄 용해단계
20 : 기타 합금원소 첨가단계
30 : 1차 마그네슘 첨가단계
40 : 2차 마그네슘 첨가단계
50 : 확산단계
60 : 승온단계

Claims

알루미늄을 730℃ 이상으로 가열하여 용해시키는 알루미늄 용해단계와;
상기 알루미늄 용해단계를 거쳐 형성된 용탕의 온도를 720 ~ 745℃로 유지한 상태에서 산화 방지용 합금원소와 유동성 개선용 합금원소와 결정립 미세화용 합금원소를 첨가하되, 상기 산화 방지용 합금원소는 칼슘 0.25 ~ 0.5wt% 및 스트론튬 0.015 ~ 0.02wt%으로 구성되고, 상기 유동성 개선용 합금원소는 규소 0.8 ~ 1.2wt% 및 망간 0.4 ~0.6wt%로 구성되며, 상기 결정립 미세화용 합금원소는 티타늄 0.02 ~ 0.025wt%, 탄소 0.1 ~ 0.2wt%, 붕소 0.002 ~ 0.0025wt%로 구성되는 기타 합금원소 첨가단계와;
상기 기타 합금원소 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 650 ~ 700℃로 유지한 상태에서 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성하기 위해 상기 알루미늄 함량의 1 ~ 3wt%의 마그네슘을 첨가하는 1차 마그네슘 첨가단계와;
상기 1차 마그네슘 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 451 ~ 645℃로 유지하여 알루미늄과 마그네슘 간의 고-액 공존계면을 형성시킨 상태에서 상기 1차 마그네슘첨가단계에서 첨가한 마그네슘을 제외한 나머지 마그네슘을 첨가하는 2차 마그네슘 첨가단계와;
상기 2차 마그네슘 첨가단계를 거친 용탕의 온도를 630 ~ 650℃로 일정 시간동안 유지시키는 확산단계와;
상기 확산단계를 거친 용탕의 온도를 660 ~ 730℃로 승온시킨 후 일정 시간 동안 유지시키는 승온단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네슘의 용융점 이하에서 Al-Mg계 합금을 제조하는 방법.
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