KR101755947B1 - 고탄성 알루미늄 합금 제조방법 - Google Patents

고탄성 알루미늄 합금 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, 가열로에 알루미늄 스크랩(Aluminum Scrap)을 투입하는 준비 과정; 상기 가열로를 가열하여 상기 알루미늄 스크랩을 용융시켜 용탕을 마련하는 용융 과정; 상기 용탕에 Al-B 모합금을 투입하는 제1 성분조절 과정; 강화상으로 붕소화물(Boride)을 형성될 수 있도록, 상기 용탕에 티타늄(Ti) 염을 투입하는 제2 성분조절 과정; 교반자(stirring bar)를 이용하여 상기 용탕을 교반시키는 교반 과정; 및 상기 용탕 내 기공발생을 최소화하도록 탈가스 처리하여 잉곳(ingot)을 제조하는 마무리 과정;을 포함한다.

Description

고탄성 알루미늄 합금 제조방법{Method for manufacturing high elastic aluminum alloy}
본 발명은 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용탕 내 침전현상이 발생되는 것을 방지하여 잉곳(Ingot) 제조시 조직 균일성 확보가 용이한 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것이다.
최근에 환경 및 연비 규제가 엄격해짐에 따라 차량 경량화의 필요성이 증대되어 알루미늄 합금과 같은 경량 금속 합금이 차량에 확대 적용되고 있다.
그러나 종래 알루미늄 합금이 적용되는 차량용 부품은 파괴시점의 물성지표인 인장강도 향상에 초점을 맞춘 고강도 및 부품 생산품질의 안정화 공정 개발 위주로 진행되었기 때문에, 경량화가 진행됨에 따라 내구성과 주행 소음 및 진동(Noise Vibration Harshness, NVH)이 악화되는 문제가 있었다.
따라서, 차량의 내구성 및 NVH 향상을 위한 고탄성 알루미늄 합금의 개발이 시급하며, 최근에서 알루미늄 합금의 탄성계수를 증가시키기 위해 붕화물을 이용하는 연구가 진행 중이다.
여기서 붕화물(Boride)은 붕소(B)보다 전기 음성도가 낮은 원소가 붕소(B)과 결합한 화합물인데, 알루미늄(Al) 함금 용탕에 첨가된 티타늄(Ti) 및 붕소(B) 등에 의해 생성되는 TiB2, AlB2 등을 의미한다.
Ti, B 원소 첨가 시 TiB2, AlB2, Al3Ti의 강화 입자가 생성되어 소재의 탄성계수를 기존 78 GPa(ADC 12 기준)에서 90 GPa 수준까지 향상시킬 수 있다. 이를 통하여 합금의 강성 및 NVH를 향상할 수 있다.
그러나 주요 강화상인 TiB2 입자는 응집이 되어 생성이 되고 이로 인하여 용탕 내 강화상 침강 현상이 발생된다. 이러한 침강 현상으로 인한 알루미늄 합금 잉곳(ingot) 제조시 조직 균일성을 확보하기 쉽지 않은 문제점을 가지고 있었다.
특히 대용량 양산공정에 적용시 조직 균일성 화보가 어려워 생산되는 알루미늄 합금의 품질이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
공개특허공보 제10-2012-0059256호(2012. 06. 08.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 알루미늄 합금 잉곳 제조시 조직 균일성 확보가 용이하여 균일한 품질의 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.
특히, 대용량 알루미늄 합금 잉곳을 생산하는 양산공정 적용하더라도 조직 균일성을 확보할 수 있는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, 가열로에 알루미늄 스크랩(Aluminum Scrap)을 투입하는 준비 과정; 상기 가열로를 가열하여 상기 알루미늄 스크랩을 용융시켜 용탕을 마련하는 용융 과정; 상기 용탕에 Al-B 모합금을 투입하는 제1 성분조절 과정; 강화상으로 붕소화물(Boride)을 형성될 수 있도록, 상기 용탕에 티타늄(Ti) 염을 투입하는 제2 성분조절 과정; 교반자(stirring bar)를 이용하여 상기 용탕을 교반시키는 교반 과정; 및 상기 용탕 내 기공발생을 최소화하도록 탈가스 처리하여 잉곳(ingot)을 제조하는 마무리 과정;을 포함한다.
상기 제2 성분조절 과정 및 상기 교반 과정은 교번적으로 복수 회 반복 실시되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제2 성분조절 과정은, 상기 티타늄 염을 750℃ 이하의 온도에서 10분간 분산 투입하는 것이 바람직하다.
상기 마무리 과정은, 페이딩(Fading) 원소로 마그네슘(Mg)을 투입하면서 800℃ 이하의 온도에서 5분간 교반하는 것이 바람직하며, 제조된 상기 잉곳은 탄성계수가 85GPa 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 교반자는, 사다리꼴 형상을 같는 판 형상으로 형성되고, 와류 형성이 용이하도록 장변에 복수의 노치(notch)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 강화상으로 TiB2상을 형성시킴으로써 성형성 및 주조성에 불리한 강화상 생성을 최소화하여 생산되는 고탄성 알루미늄 합금의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 이용하여 용탕을 교반시킴으로써, 대량 생산을 위한 대용량 잉곳 제조시에도 조직의 균일성을 확보함으로써, 균일한 품질의 고탄성 알루미늄 합금을 제조할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 개재물 생성을 최소화함으로써, 개재물 제거작업을 생략할 수 있어 작업부하를 감소시키고 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 나타낸 순서도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 3은 일반적인 교반자를 이용하여 교반하면서, 시간에 따른 용탕 내부 열유동 해석 결과를 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 이용하여 교반하면서, 시간에 따른 용탕 내부 열유동 해석 결과를 나타낸 도면이며,
도 5는 750℃의 온도에서 교반시 용탕을 보여주는 도면이고,
도 6은 850℃의 온도에서 교반시 용탕을 보여주는 도면이며,
도 7은 종래 일반적인 양산 방식으로 제조된 알루미늄 합금의 미세 조직을 보여주는 사진이며,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된, 고탄성 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 도면이다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 알루미늄 합금 제조방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 가열로에 알루미늄 스크랩을 투입하는 준비 과정과 용탕을 마련하는 용융 과정과 용탕의 성분을 조절하는 제1, 2 성분조절 과정과 용탕의 성분이 균일하도록 교반하는 교반 과정 및 탈가스 처리하여 잉곳(ingot)을 제조하는 마무리 과정을 포함한다.
준비과정은 가열로에 알루미늄 스크랩을 투입하는 과정으로 고가의 고순도 알루미늄 대신 알루미늄 스크랩을 재활용하는 것이 바람직하며, 이에 한정하지 않고 알루미늄 폐칩 및 폐알루미늄 등을 사용하여 제조원가를 절감시킬 수 있다.
본 발명에서 가열로는 반사로를 사용하였으나, 이외에 전기로 등을 선택적으로 적용할 수 있다.
용융 과정은 용탕을 마련하는 과정으로 약 750 ~ 800℃의 온도로 가열하여 알루미늄 스크랩을 용융시킨다.
알루미늄 합금 용탕이 마련되면, 제1, 2 성분조절 과정에서 용탕의 성분을 조절하되 생산되는 알루미늄 합금 내 강화상으로 붕소화물(Boride)을 형성시킬 수 있도록, Al-B 모합금과 티타늄(Ti) 염을 투입한다.
제1 성분조절 과정은 용탕 내 720 ~ 770℃의 온도에서 Al-B 모합금을 투입하는 과정으로, 용탕 중의 티타늄(Ti)과 Al-B 모합금 중 붕소(B)가 반응하여 붕소화물인 TiB2상 생성을 위한 시간을 최소화함으로써, Al3Ti상 및 Al3Ti5Si9상과 같이 TiB2상에 비하여 밀도가 크고 형상이 타원구 형상으로 조대하게 형성되어 알루미늄 합금의 하중을 증가시키거나 성형성 또는 주조성에 악영향을 주는 강화상 생성을 최소화함으로써, 생산되는 고탄성 알루미늄 합금의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 Al3Ti상 및 Al3Ti5Si9상은 알루미늄에 비하여 그 비중이 높아 강화상 침전속도를 증가시키는 등 문제점을 가지고 있기 때문에, 티타늄 염 투입 전에 Al-B 모합금을 투입하는 것이 바람직하다.
즉, 초기 알루미늄 합금 용탕 내부에 B를 조기 투입함으로써, 탄성 향상에 유리한 TiB2상의 생성을 촉진함으로써, 성형성 및 주조성에 악영향을 주는 강화상의 생성을 억제시킴으로써, 생산되는 고탄성 알루미늄 합금의 품질을 향상시킬 수 있게 된다.
한편, 제2 성분조절 과정은 알루미늄 합금 용탕에 티타늄 염을 투입하는 과정으로, 알루미늄 합금 내에 티타늄 염을 투입하는 경우 발열반응으로 인한 온도 상승을 유발한다.
특히 용탕에 한번에 다량의 티타늄 염을 투입하는 경우, 급격한 온도 상승을 유발하게되어 개재물을 증가되는 문제점을 가지고 있다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 성분조절 과정은 티타늄염을 0.5wt%씩, 10분 간격으로 6 ~ 8회에 걸쳐 서서히 투입한 후 일정 시간 간격을 두고 복수 회 투입하는 것이 바람직하며, 그 온도는 700 ~ 750℃로 제한하는 것이 바람직하다.
티타늄 염 투입 이후 교반 과정에서, 교반자를 이용하여 용탕을 교반시키는데, 이때 온도는 700 ~ 750℃의 온도로 관리되는 것이 바람직하며, 그 이유는 제2 성분조절 과정에서 설명한 바와 같이 개재물을 최소화하기 위함이다.
또한, 교반 시간은 약 5분간 교반시키는 것이 바람직한데 그 이유는 5분 미만으로 교반하는 경우 충분한 교반력을 제공하지 못하여 알루미늄 합금의 조직 균일성 확보가 어려우며 5분을 초과하는 경우 교반에 장시간이 소요되어 생산성이 저하될 수 있기 때문이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 일반적인 교반자를 이용하여 교반하면서, 시간에 따른 용탕 내부 열유동 해석 결과를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 이용하여 교반하면서, 시간에 따른 용탕 내부 열유동 해석 결과를 나타낸 도면이다.
도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자는 사다리꼴 판재 형상으로 형성되되, 장변측에 복수의 노치(notch)가 형성되는 것이 바람직하다.
왜냐하면, 용탕 교반시 와류 발생을 용이하게 함으로써, 대량 생산시 생산되는 알루미늄 합금의 조직 균일성을 확보하기 위함으로, 도 3 및 도 4에서 알 수 있듯 일반 교반자를 이용하는 경우 와류 형성이 약하기 때문에 용탕의 교반력을 충분히 확보하기 어려워 가열로 내 용탕의 위치별 온도 편차가 큰 반면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 이용하는 경우 용탕의 위치별 온도 편차가 거의 없음을 알 수 있다.
이에, 대량 생산을 하는 양산 공정에 적용하더라도 균일한 품질의 고탄성 알루미늄 합금을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 5는 750℃의 온도에서 교반시 용탕을 보여주는 도면이고, 도 6은 850℃의 온도에서 교반시 용탕을 보여주는 도면이다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 티타늄 염을 투입하면 용탕의 온도가 상승하게 되는데, 용탕의 온도가 750℃를 초과하게 되면 개재물이 급격히 증가되어 생산되는 고탄성 알루미늄 합금의 품질을 저하됨을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 성분조절 과정 및 교반 과정은 700 ~ 750℃의 온도로 관리하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 성분조절 과정 및 교반과정은 교번적으로 복수 회 반복 실시하는 것이 바람직하다.
이는 용탕에 한번에 다량의 티타늄 염이 투입되는 것을 방지하여 용탕의 온도를 700 ~ 750℃로 관리하기 위한 것이다.
상기와 같이, 제2 성분조절 과정 및 교반 과정을 교대로 복수 회 반복하여 성분 조절 및 강화상 형성이 완료되면, 마무리 과정에서 용탕내 탈가스 처리하여 잉곳을 제조한다.
이때, 페이딩(Fading) 원소로 마그네슘(Mg)을 투입하면서 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자를 이용하여 5분간 교반하는 것이 바람직한데, 그 이유는 강화상으로 생성된 TiB2상의 침전을 최소화하여 생산되는 고탄성 알루미늄 합금의 조직 균일성을 확보해야 하기 때문이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예와 이에 대비되는 비교예를 통하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
구 분 Al Si Cu Mg Mn Ni Zn Sn Fe Ti B 기 타
비교예 Bal. 12 3 0.3↓ 0.5↓ 0.5↓ 1.0↓ 0.7 0.3↓ - - 0.5↓
실시예 Bal. 12 3 0.3↓ 0.5↓ 0.5↓ 1.0↓ 0.7 0.3↓ 4 0.5 0.5↓
표 1은 비교예로 종래 일반적인 고탄성 알루미늄 합금으로 사용되는 ADC12 합금의 조성과 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금의 조성을 나타낸 표이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금은 종래 ADC12 합금에 티타늄(Ti)와 붕소(B)를 더 포함함으로써, 강화상으로 TiB2상을 형성시켜 탄성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이 성분조절이 완료된 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금 용탕을 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 교반자 및 종래 일반적인 교반자를 이용하여 약 5분간 교반하면서 탄성계수를 측정하여 아래 표 2에 나타내었으고, 도 7은 종래 일반적인 양산 방식으로 제조된 알루미늄 합금의 미세 조직을 보여주는 사진이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된, 고탄성 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 도면이다.
초기 (1 min) 중기 (3 min) 말기 (5 min)
비교예(GPa) 82.90 87.98 80.20
실시예(GPa) 87.30 87.98 88.50
표 2 및 도 7, 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 교반자를 이용하여 교반하는 경우, 종래 일반적인 교반자를 이용하여 이용하여 교반하는 경우 각 시기별로 탄성계수의 편차가 큰 반면, 본 발명의 실시예에 따르면 그 편차가 작아 균일한 품질의 고탄성 알루미늄 합금을 생산할 수 있음을 알 수 있다.
상기와 같이 교반이 완료된 실시예와 비교예에 따른 용탕을 탈가스 처리하여 잉곳을 제조한 후 각각의 물성을 측정하여 아래 표 3에 나타내었다.
주조 방식 구 분 탄성
(GPa)		 밀도
(g/㎤)		 항복강도
(MPa)		 인장강도
(MPa)		 신율
(%)
중력주조 비교예 78 2.72 130 150 0.9
실시예 88 2.80 149 208 0.8
고압주조 비교예 73 2.67 150.3 321.2 3.8
실시예 85 2.79 177.0 306.0 1.9
표 3에서 알 수 있듯, 본 발명의 실시예에 따르면 종래 일반적으로 제조되는 비교예에 비하여, 중력주조 방식을 채택하는 경우 밀도와 신율은 대등하나 탄성은 약 12% 향상되고 항복강도 및 인장 강도는 각각 14%, 38% 향상되는 효과가 있으며, 고압주조 방식을 채택하는 경우 밀도, 신율 및 인장강도는 대등하고 탄성 및 항복강도는 비교예에 바하여 각각 약 16%, 18% 향상됨을 알 수 있다.
설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 물리적 특성이 우수하면서도 대량 생산시 조직의 균일성을 확보하여 균일한 품질을 갖는 고탄성 알루미늄 합금을 생산할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (6)

  1. 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서,
    가열로에 알루미늄 스크랩(Aluminum Scrap)을 투입하는 준비 과정;
    상기 가열로를 가열하여 상기 알루미늄 스크랩을 용융시켜 용탕을 마련하는 용융 과정;
    상기 용탕에 Al-B 모합금을 투입하는 제1 성분조절 과정;
    강화상으로 붕소화물(Boride)을 형성될 수 있도록, 상기 용탕에 티타늄(Ti) 염을 750℃ 이하의 온도에서 10분 간격으로, 복수 회에 걸쳐 분산 투입하는 제2 성분조절 과정;
    교반자(stirring bar)를 이용하여 상기 용탕을 교반시키는 교반 과정; 및
    상기 용탕 내 기공발생을 최소화하도록 탈가스 처리하여 잉곳(ingot)을 제조하는 마무리 과정;을 포함하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 성분조절 과정 및 상기 교반 과정은 교번적으로 복수 회 반복 실시되는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 마무리 과정은,
    페이딩(Fading) 원소로 마그네슘(Mg)을 투입하면서 800℃ 이하의 온도에서 5분간 교반하는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 마무리 과정에서,
    제조된 상기 잉곳은 탄성계수가 85GPa 이상인 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 교반자는,
    사다리꼴 형상을 같는 판 형상으로 형성되고, 와류 형성이 용이하도록 장변에 복수의 노치(notch)가 형성된 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
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