KR101776508B1

KR101776508B1 - 고탄성 알루미늄 합금 제조방법

Info

Publication number: KR101776508B1
Application number: KR1020160074748A
Authority: KR
Inventors: 이후담; 이종국
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2016-06-15
Filing date: 2016-06-15
Publication date: 2017-09-20

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서, 알루미늄 용탕을 마련하는 용융 과정; 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여, 티타늄(Ti) 염화물 0.76 ~ 2.28 중량부 및 페로보론(Ferro Boron) 1 ~ 3 중량부가 혼합된 성분조절 혼합물을 투입하는 제1 성분조절 과정; 교반자(stirring bar)를 이용하여 상기 알루미늄 용탕을 교반하는 제1 교반 과정; 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여, 망간(Mn) 염화물 1 ~ 3 중량부를 투입하는 제2 성분조절 과정; 상기 알루미늄 용탕을 교반하는 제2 교반 과정; 및 상기 알루미늄 용탕 내 염성분을 제저하도록 탈가스 처리하는 마무리 과정;을 포함한다.

Description

고탄성 알루미늄 합금 제조방법{METHOD FOR MANUFACTYRING HIGH ELASTIC ALUMINUM ALLOY}

본 발명은 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 티타늄(Ti) 및 망간(Mn) 염화물과 페로보론(ferro-boron)을 첨가하여 우수한 강성을 유지하면서 탄성을 증가시킨 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.

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, 알루미늄 합금을 차량의 부품으로 사용하기 위해서는 알루미늄 합금의 강도와 강성 및 탄성이 고루 향상되0어야 한다.

강도와 강성은 기본적인 부품의 내구성 및 수명을 향상시키는데 필수적인 요소이며, 탄성은 차체의 경량화에 직접적인 영향을 주는 특성으로 부품에서 발생되는 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.

이에, 차량의 내구성 및 NVH 향상을 위하여 다방면에서 알루미늄 합금의 탄성을 향상시키기 위한 연구가 진행되고 있으며, 그 중 하나로 종래 알루미늄 합금 제조시 탄성계수가 높은 상, 예를 들어 금속계 화합물이나 CNT 등의 강화상을 분말형태로 성형하여 알루미늄 합금 용탕에 투입하여 알루미늄 합금의 탄성을 향상시키는 방법 등을 사용하였다.

그러나 상기와 같은 방법은 제조 원가가 비싸 원가 경쟁력에 있어 한계가 있는 문제가 있었다. 특히, 주조 공정에서 분말형태의 강화상 투입시 Al 용탕에서 손실, 젖음 및 분산 문제가 발생되었으며, 공정 제어가 어려운 문제점 등을 가지고 있었다.

이에, 최근에는 알루미늄 합금의 탄성계수를 증가시키기 위해 붕화물을 이용하는 연구가 진행 중이며, 붕화물(Boride)은 붕소(B)보다 전기 음성도가 낮은 원소가 붕소(B)와 결합한 화합물인데, 알루미늄(Al) 함금 용탕에 첨가된 티타늄(Ti) 및 붕소(B) 등에 의해 생성되는 TiB₂, AlB₂ 등을 의미한다.

종래 이러한 붕화물을 제조하기 위해, 알루미늄 용탕에 고순도의 붕소(B)를 첨가하여 알루미늄 합금내 붕화물을 형성하였다. 그러나 붕화물을 형성하기 위해 투입되는 고순도의 붕소(B)는 그 가격이 비싸 제조원가를 상승시키는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

공개특허공보 제10-2014-0077061호(2014.06.23)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 알루미늄 합금 내 강화상으로 붕화물(Boride)을 생성하여 탄성을 향상시키면서, 제조원가를 절감시킬 수 있는 고탄성 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다.

또한, 티타늄(Ti)과 붕소(B)의 조성비를 최적화하여 TiB₂상의 생성을 극대화하여 탄성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.

또한, 제조되는 알루미늄 합금의 품질이 균일할 수 있도록 강화상 침전을 최소화하는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.

상기 제1 성분조절 과정에서, 상기 성분조절 혼합물은 티타늄 염화물 : 성분조절 혼합물 = 1 : 0.58 ~ 5.28을 만족하도록 혼합될 수 있다.

또한, 상기 제1 성분조절 과정에서, 상기 성분조절 혼합물은 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 1 중량부 단위로 복수 회에 걸쳐 분산 투입되는 것이 바람직하다.

상기 제2 성분조절 과정에서, 상기 망간 염화물은 상기 성분조절 혼합물와의 무게비가 망간 염화물 : 성분조절 혼합물 = 1 : 0.58 ~ 5.28을 만족하도록 투입하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2 성분조절 과정에서, 상기 망간 염화물은 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 1 중량부 단위로 복수 회에 걸쳐 분산 투입되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 제2 성분조절 과정은,상기 알루미늄 용탕의 온도를 700 ~ 750℃로 제어하면서, 상기 망간 염화물을 투입하는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 티타늄(Ti)과 붕소(B)의 조성비를 최적화하여 강화상으로 TiB₂상의 생성을 극대화하여 가벼우면서도 탄성이 우수한 알루미늄 합금을 제조할 수 있는 효과가 있다.

또한, 고순도의 붕소(B)를 대체하여 페로보론(Ferro Boron)을 사용함으로써, 제조원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 용탕 내 강화상 침전을 최소화함으로써, 제조되는 알루미늄 합금의 조직 균일성을 확보할 수 있으며 생산성을 향상시킬 수 잇는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 나타낸 순서도이고,
도 2는 스토크 법칙(Stoke's law)에 따른 Al₃Ti상 및 TiB₂상의 침전속도를 도시한 그래프이며,
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고탄성 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 사진이다.

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 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 보여주는 순서도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 알루미늄 용탕을 마련하는 용융과정과 알루미늄 용탕의 성분을 조절하는 제1, 2 성분조절 과정과 알루미늄 용탕을 교반하는 교반 과정 및 마무리 과정을 포함한다.

용융과정은 가열로에 장입된 알루미늄을 가열하여 알루미늄 용탕을 제조하는 과정으로 이때, 제조원가를 절감하기 위해 알루미늄 스크랩, 폐 알루미늄 또는 알루미늄 폐칩 등을 사용하여 제조될 수 있다.

또한, 가열로는 조업 환경에 따라 반사로, 전기로 등을 선택하여 사용될 수 있다.

제1 성분조절 과정은 생산되는 알루미늄 합금의 탄성을 향상시키기 위한 강화상으로 TiB₂상의 생성이 극대화 될 수 있도록, 700 ~ 750℃의 온도조건에서 알루미늄 용탕에 티타늄(Ti) 염화물과 페로보론(Ferro Boron)이 혼합된 성분조절 혼합물을 투입한다.

이때, 성분조절 혼합물은 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여, 티타늄 염화물 0.76 ~ 2.28 중량부 및 페로보론 1 ~ 3 중량부가 혼합되는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 티타늄 염화물이 0.76 중량부 미만이거나 페로보론이 1 중량부 미만으로 투입되는 경우, 강화상 생성량이 적어 탄성 증가효과가 낮으며, 티타늄 염화물이 2.28 중량부를 초과하거나, 페로보론이 3 중량부를 초과하는 경우, 알루미늄의 조성을 과도하게 변화시켜 알루미늄 합금의 특성을 변화시키는 등 문제점을 유발할 수 있어 상기 범위로 제한한다.

도 2는 스토크 법칙(Stoke's law)에 따른 Al₃Ti상 및 TiB₂상의 침전속도를 도시한 그래프이다.

하기 식 (1)에 의해 정의 되는 스토크 법칙은 유체 중 입자가 받는 저항을 나타내는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 Al₃Ti상의 침전속도가 TiB₂상의 침전속도에 비하여 빠르다는 것을 알 수 있다.

----------(1)

(단, g:중력가속도, △ρ:입자와 알루미늄 용탕의 밀도차, d:입자직경, t:시간을 의미함)

이때, Al₃Ti상의 밀도는 3.3g/㎤이고, TiB₂상의 밀도는 4.5g/㎤으로 △ρ는 Al₃Ti상이 낮지만, TiB₂상의 입자직경이 1 ~ 3㎛인데 반해 Al₃Ti상의 입자직경은 10 ~ 30㎛으로 약 10배 가량 차이가 나기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, Al₃Ti상의 침전속도가 TiB₂상에 비하여 빠르다는 것을 알 수 있다.

따라서, 침전속도가 빠른 Al₃Ti상의 생성을 억제하면서 TiB₂상의 생성을 극대화 함으로써, 제조되는 알루미늄 합금의 생성을 극대화하면서 강화상 침전을 최소화하여 전체적으로 균일한 품질의 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.

이때, 성분조절 혼합물은 티타늄 염화물 : 페로보론 = 1 : 0.58 ~ 5.28을 만족하도록 혼합되는 것이 바람직하다.

그 이유는 탄성 및 기계적 특성 향상을 극대화하면서 침전속도가 느린 TiB₂상의 생성을 극대화하면서, 동시에 탄성을 향상시킬 수 있으나 Al₃Ti상, Al₃Ti₅Si₉상 등과 같이 TiB₂상에 비하여 침전속도가 빠르거나, 밀도가 크면서 그 형상이 타원구 형상으로 조대하게 형성되어 제조되는 알루미늄 합금의 성형성 및 주조성 등 기계적 특성을 저하시키는 등 악영향을 주는 강화상의 생성을 최소화해야 하기 때문이다.

상기와 같이 성분조절 혼합물이 마련되면 700 ~ 750℃ 온도의 알루미늄 용탕에 성분조절 혼합물을 투입한다.

알루미늄 용탕이 700℃ 미만인 경우, 투입되는 염의 반응성이 낮아져서 수율이 낮게 나오게 되는 문제점을 유발하며, 750℃를 초과하는 경우,기존 공정에 적용하기 곤란할 뿐만 아니라 급격한 산화반응으로 인하여 염의 수율이 낮아 지는 문제점을 유발할 수 있어, 제1 성분조절 과정에서 알루미늄 용탕의 온도는 상기와 같이 제한하는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게, 제1 성분조절 과정은 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 성분조절 혼합물을 10분 간격으로 1 중량부씩 복수 회로 분할하여 투입하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 티타늄 염화물은 페로보론과 반응하여 TiB₂상을 생성시키면서 동시에, 페로보론이 알루미늄 용탕에 용융될 수 있도록 발열재 역활을 하는 것으로, 알루미늄 용탕에 다량의 티타늄 염화물이 동시에 투입되는 경우 급격한 온도 상승을 유발하여 알루미늄 용탕이 개재물을 증가시키는 문제점을 가지고 있기 때문이다.

제2 성분조절 과정은 성분조절 혼합물이 투입된 알루미늄 용탕에 망간 염화물을 투입한다.

일반적으로 페로보론은 철(Fe)의 함량이 약 75wt%로, 페로보론에 함유된 철은 조대하고 날카로운 형상으로 알루미늄 용탕 내에 존재하기 때문에 알루미늄 합금 내에서 균열(fracture)을 유발할 수 있기 때문에 이를 완화시키기 위해 알루미늄 용탕내 철 1 중량부에 대하여 망간을 0.5 중량부 이상 첨가시켜주는 것이 바람직하다.

본 발명에서 페로보론은 티타늄 염화물 및 망간 염화물과 염반응을 통해 투입되기 때문에 염반응 활성화를 위해 망간 염화물 : 페로보론 = 1 : 1을 만족하도록 투입하여 최적화하였다.

표 1은 알루미늄 용탕 내 염 잔류량에 따른 페로보론 잔류 여부를 보여주는 표이다.

페로보론:망간 염화물 중량비	1 : 0.63	1 : 0.89	1 : 1	1 : 1.16
30분 용해 후 페로보론 잔류여부	○	△	×	×

표 1에 나타난 바와 같이, 페로보론 1중량부에 대하여 망간 염화물이 1 중량부 미만으로 첨가되는 경우, 페로보론이 충분히 용해되지 못한 반면 페로보론 1중량부에 대하여 망간 염화물이 1 중량부 이상으로 첨가된느 경우, 페로보론 잔류되지 않고 모두 용해됨을 알 수 있다.

즉, 페로보론 1 중량부에 대하여 1 중량부 이상의 망간 염화물이 첨가되는 것이 바람직하며, 제조되는 알루미늄 합금의 성분 및 물성조정이 용이하도록 1:1의 중량비로 첨가되는 것이 바람직하다.

이때, 망간 염화물은 성분조절 혼합물과 마찬가지로 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 성분조절 혼합물을 10분 간격으로 1 중량부씩 복수 회로 분할하여 투입하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 알루미늄 용탕에 다량의 망간 염화물이 동시에 투입되는 경우 급격한 온도 상승을 유발하여 알루미늄 용탕이 개재물을 증가시키는 문제점을 가지고 있기 때문이다.

상기와 같이, 제2 성분조절 과정이 완료되면, 제2 교반 과정에서 페로보론과 망간 염화물이 충분히 반응할 수 있도록 교반자를 이용하여 약 5 ~ 10분간 교반하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 제2 교반 과정이 완료되면, 마무리 과정에서 알루미늄 용탕 내 염성분을 제거하도록 탈가스 처리하여 고탄성 알루미늄 합금을 제조한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고탄성 알루미늄 합금의 미세조직을 보여주는 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따라 제조된 고탄성 알루미늄 합금은 내부에 강화상으로 붕화물이 형성되어 있어 탄성이 향상되었음을 알 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

알루미늄 합금을 제조하는 방법에 있어서,
알루미늄 용탕을 마련하는 용융 과정;
상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여, 티타늄(Ti) 염화물 0.76 ~ 2.28 중량부 및 페로보론(Ferro Boron) 1 ~ 3 중량부가 혼합된 성분조절 혼합물을 투입하는 제1 성분조절 과정;
교반자(stirring bar)를 이용하여 상기 알루미늄 용탕을 교반하는 제1 교반 과정;
상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여, 망간(Mn) 염화물 1 ~ 3 중량부를 투입하는 제2 성분조절 과정;
상기 알루미늄 용탕을 교반하는 제2 교반 과정; 및
상기 알루미늄 용탕 내 염성분을 제거하도록 탈가스 처리하는 마무리 과정;을 포함하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 성분조절 과정에서,
상기 성분조절 혼합물은 티타늄 염화물 : 성분조절 혼합물 = 1 : 0.58 ~ 5.28을 만족하도록 혼합된 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 성분조절 과정에서,
상기 성분조절 혼합물은 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 1 중량부 단위로 복수 회에 걸쳐 분산 투입되는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 성분조절 과정에서,
상기 망간 염화물은 상기 성분조절 혼합물와의 무게비가 망간 염화물 : 성분조절 혼합물 = 1 : 0.58 ~ 5.28을 만족하도록 투입하는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 성분조절 과정에서,
상기 망간 염화물은 상기 알루미늄 용탕 100 중량부에 대하여 1 중량부 단위로 복수 회에 걸쳐 분산 투입되는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제2 성분조절 과정은,
상기 알루미늄 용탕의 온도를 700 ~ 750℃로 제어하면서, 상기 망간 염화물을 투입하는 것을 특징으로 하는, 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.