KR101823891B1 - 고탄성 알루미늄 합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것으로, 순수 알루미늄(Pure Al) 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 제1단계, 상기 1차 용탕에 Al-10Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 제2단계, 상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 제3단계, 상기 3차 용탕에 아르곤 가스를 투입하는 제4단계, 상기 아르곤 가스가 투입된 3차 용탕을 금형으로 출탕하는 제5단계를 포함하며, 알루미늄 합금 제조 공정 중에 알루미늄 합금 용탕 내의 붕화물을 균일하게 분산시키기 위해 종래 탈가스 처리용으로 사용되는 아르곤 가스의 유량 및 시간 등을 제어하여 용탕을 교반함으로써 공정 비용이 절감되고 붕화물의 균일 분산에 의해 탄성이 향상되는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것이다.

Description

고탄성 알루미늄 합금 제조방법{Method for manufacturing high elastic aluminum alloy}

본 발명은 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금 제조 공정 중 용탕 내의 붕화물을 분산시키기 위해 별도의 설비를 이용하여 기계적으로 교반하는 것이 아니라, 아르곤 가스를 투입하여 유량 및 투입시간을 제어하여 용탕 내에 와류를 형성함으로써 공정 비용이 절감되고 붕화물이 균일하게 분산됨에 따라 탄성이 향상되는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어, 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, 차량의 내구성 및 NVH 향상을 위한 고탄성 알루미늄 합금의 개발이시급하며, 최근에는 알루미늄 합금의 탄성계수를 증가시키기 위해 붕화물을 이용하는 연구가 진행 중이다.

여기서, 상기 붕화물(Boride)은 붕소(B)보다 전기 음성도가 낮은 원소가 붕소(B)와 결합한 화합물인데, 알루미늄(Al) 합금 용탕에 첨가된 티타늄(Ti) 및 붕소(B) 등에 의해 생성되는 TiB₂, AlB₂ 등을 의미한다.

특히, 상기 붕화물이 알루미늄 합금 기지 내에 균일하게 분산될수록 알루미늄 합금의 탄성이 증가되는데, 상기 붕화물의 밀도는 4.5 g/cm³ 로 알루미늄(Al)의 밀도인 2.7 g/cm³ 보다 크기에 상기 붕화물은 알루미늄 용탕 내에서 하단부로 가라앉게 되며, 이를 방지하여 상기 붕화물을 용탕 내에서 균일하게 분산시키기 위해서는 상기 용탕을 충분히 교반할 필요가 있다.

도 1은 종래 용해로 내의 알루미늄 합금 용탕을 기계적으로 교반하는 것을 나타내는 개략도이다.

도시된 바와 같이, 종래에는 알루미늄 합금 제조 공정 중에 모합금을 장입하고, 합금원소를 첨가한 다음, 붕화물을 분산시키기 위해서 용해로(10) 내의 알루미늄 합금 용탕(20)을 기계적으로 교반하였는데, 이는 교반기(30) 등의 추가적인 설비가 필요하여 전체 공정 비용의 상승을 초래하는 문제가 있었다.

뿐만 아니라, 교반기(30)의 성능에 따라 알루미늄 합금 용탕(20)이 교반되는 정도의 편차가 크고, 교반기(30)의 물리적 한계로 인해 알루미늄 합금 용탕(20) 내에서 붕화물이 충분히 분산되지 못하는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 알루미늄 합금 용탕 내 붕화물을 분산시키기 위해 알루미늄 합금 제조 공정 중 별도의 설비를 이용하여 기계적으로 교반하는 것이 아니라, 종래 탈가스 처리용으로 사용되는 아르곤 가스투입부를 활용하여 유량 및 투입시간 등을 제어하여 아르곤 가스를 용탕 내에 투입함으로써, 공정 비용이 절감되고 붕화물의 균일 분산에 의해 탄성이 향상되는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 고탄성 알루미늄 합금 제조방법은 순수 알루미늄(Pure Al) 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 제1단계, 상기 1차 용탕에 Al-10Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 제2단계, 상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 제3단계, 상기 3차 용탕에 아르곤 가스를 투입하는 제4단계, 상기 아르곤 가스가 투입된 3차 용탕을 금형으로 출탕하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 제4단계는 상기 3차 용탕 중량 1 kg 당 아르곤 가스의 유량이 10 l/min 인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 일실시예로 상기 제4단계는 아르곤 가스를 7분 이상 투입하는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는 알루미늄 합금 제조 공정 중에 용탕 내의 붕화물을 분산시키기 위해 추가적인 설비를 이용하여 기계적으로 교반하는 것이 아니라, 간단하게 종래 탈가스 처리용으로 사용되는 아르곤 가스 투입부를 활용함으로써 공정 비용이 절감되는 효과가 있다.

또한, 투입되는 아르곤 가스의 유량 및 시간 등을 제어하여 붕화물을 용탕 내에서 균일하게 분산시킴으로써 높은 탄성계수 및 인장강도를 가진 고탄성 알루미늄 합금을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 용해로 내의 알루미늄 합금 용탕을 기계적으로 교반하는 것을 나타내는 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 고탄성 알루미늄 합금 제조의 일부 공정을 나타낸 흐름도.
도 3은 종래 탈가스 처리를 위해 용탕 내에 아르곤 가스를 투입하는 공정을 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명에 의해 생성된 붕화물을 용탕 내에서 균일하게 분산시키기 위해 와류 형성을 목적으로 아르곤 가스를 투입하는 공정을 나타낸 개략도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 일실시예로 중량이 15 kg 인 알루미늄 합금 용탕(3차 용탕)에서 아르곤 가스의 유량이 각각 25 l/min, 50 l/min, 100 l/min 및 150 l/min 일 때 알루미늄 합금 기지 내 분산되는 붕화물을 나타낸 사진.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예로 아르곤 가스를 최적 유량으로 용탕 내에 각각 0분, 3분, 7분 동안 투입한 경우, 알루미늄 합금 기지 내에 붕화물이 분산되는 정도를 나타낸 사진.
도 12는 종래 기계적으로 용탕을 교반한 경우 알루미늄 합금 기지 내에 붕화물이 분산되는 정도를 나타낸 사진.
도 13은 아르곤 가스를 최적 유량으로 투입 시 투입 시간(0분/3분/7분)에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성을 나타낸 응력 변형곡선.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 고탄성 알루미늄 합금 제조의 일부 공정을 나타낸 흐름도이다.

도시된 바와 같이, 먼저 약 1000 ℃에서 순수 알루미늄(Pure Al) 및 Al-5B 모합금을 용해로에 장입하여 1차 용탕을 형성한다.(제1단계, S100)

그 다음, 동일 온도에서 상기 1차 용탕에 Al-10Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성한다.(제2단계, S200)

이 때, 상기 약 1000 ℃는 순수 알루미늄(Pure Al), Al-5B 및 Al-10Ti 모합금의 녹는점 이상의 온도로 용탕을 형성하기에 충분한 온도이다.

그 후 충분한 혼합을 위해 상기 2차 용탕을 20분 동안 유지한 후 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성한다.(제3단계, S300)

즉, 합금 원소를 동시에 첨가하면 의도대로 혼합되지 않는 경우가 있기 때문에 합금 원소를 정량만큼 균일하게 첨가하기 위해서는 본 발명과 같이 단계별로 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 3차 용탕 내에서 붕소(B), 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti) 등이 반응하여 붕화물이 생성되는데, 충분한 붕화물의 생성을 위해 상기 3차 용탕을 30분 동안 유지한 다음, 생성된 붕화물을 용탕 내에서 균일하게 분산시키기 위해 상기 3차 용탕에 아르곤 가스를 투입한다.(제4단계, S400)

본 발명은 이와 같이 알루미늄 합금 용탕에 소정의 유량으로 아르곤 가스를 투입함으로써 알루미늄 합금 용탕 내부에 잔존하는 가스를 제거함과 동시에, 혼합되어 있는 붕화물의 효과적인 분산을 가능하도록 함에 특징이 있으며, 종래 사용되던 아르곤 가스의 투입 과정과의 보다 구체적인 비교는 후술한다.

도 3은 종래 탈가스 처리를 위해 용탕 내에 아르곤 가스를 투입하는 공정을 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명에 의해 생성된 붕화물을 용탕 내에서 균일하게 분산시키기 위해 와류 형성을 목적으로 아르곤 가스를 투입하는 공정을 나타낸 개략도이다.

도시된 바와 같이, 종래 알루미늄 합금 제조방법에서 용탕 내 탈가스 처리를 위해 아르곤 가스 투입부(50)를 이용하여 용해로(10) 내의 알루미늄 합금 용탕(20)에 아르곤 가스를 투입하였는데, 상기 알루미늄 합금 용탕(20)의 1 kg 당 투입되는 아르곤 가스 유량은 약 0.6 ~ 1.7 l/min 이었다.

일실시예로 상기 3차 용탕의 중량이 15 kg 인 경우 용탕 내 탈가스 처리를 위해 투입되는 아르곤 가스의 유량은 약 10 ~ 25 l/min 이다.

상기와 같은 종래 사용되던 알루미늄 합금 제조방법에서는, 용탕 내 가스를 제거하기 위하여 불활성 가스인 아르곤 가스를 투입하기는 하였으나, 투입되는 아르곤 가스는 탈가스 처리를 목적으로 하여 적은 유량이 투입되었기 때문에, 붕화물의 균일한 분산을 위해서는 반드시 교반기를 이용한 기계적 교반을 수반하여야만 하였으며, 이에 따라 생산 공정이 복잡해지고 생산 비용이 증가된다는 문제가 있었다.

즉, 상기 용탕 내 탈가스 처리와 별도로, 생성된 붕화물을 균일 분산시키기 위해 교반기 등의 추가 설비를 이용하여 기계적으로 교반하여야 하는바 공정 비용이 상승되는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에 의한 알루미늄 합금 제조방법의 제4단계(S400)는 생성된 붕화물을 균일하게 분산시키기 위해 종래 탈가스 처리용으로 이용되는 아르곤 가스 투입부(50)를 활용하여 용해로(10) 내의 알루미늄 합금 용탕(20), 즉 3차 용탕에 높은 유량으로 아르곤 가스를 투입함으로써 용탕을 교반하는바, 아르곤 가스 자체가 높은 유량으로 알루미늄 합금 용탕에 투입되기 때문에 아르곤 가스를 공급하여 탈가스 공정을 진행하는 동시에 알루미늄 합금 용탕을 혼합하는 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 종래 교반기(30) 등의 추가 설비를 이용하여 기계적으로 교반하는 공정이 생략가능함에 따라 전체 공정 비용이 절감되는 장점이 있다.

도 5 내지 도 8은 본 발명의 일실시예로 중량이 15 kg 인 알루미늄 합금 용탕(3차 용탕)에서 아르곤 가스의 유량이 각각 25 l/min, 50 l/min, 100 l/min 및 150 l/min 일 때 알루미늄 합금 기지 내 분산되는 붕화물을 나타낸 사진인데, 알루미늄 합금 기지 내에서 붕화물의 최대 균일 분산을 위해 요구되는 용탕 중량 1 kg 당 아르곤 가스의 최적 유량(l/m)을 찾기 위해 실시하였다.

도시된 바와 같이, 아르곤 가스의 유량이 증가할수록 붕화물(100)이 알루미늄 합금 기지 내에서 균일 분산되는 정도가 증가하는데, 아르곤 가스의 유량이 150 l/min 일 때 알루미늄 합금 기지 내에서 붕화물(100)이 가장 균일하게 분산된다.

뿐만 아니라, 아르곤 가스의 유량이 150 l/min 에 도달하면 붕화물(100)의 균일 분산 효과가 포화되는바, 따라서 알루미늄 합금의 중량이 15 kg 인 알루미늄 합금 용탕(3차 용탕)에서 투입되는 아르곤 가스의 최적 유량은 150 l/min 이다.

이를 통해 알루미늄 합금 기지 내 붕화물의 최대 균일 분산효과를 위해 알루미늄 합금 용탕(3차 용탕) 중량 1 kg 당 요구되는 아르곤 가스의 최적 유량은 10 l/min 임을 알 수 있다.

최종적으로, 상기 아르곤 가스가 투입된 3차 용탕을 주조 등의 공법으로 최종 부품을 생산하기 위해 금형으로 출탕한다.(제5단계, S500)

한편, 도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예로 붕화물의 균일 분산을 위해 아르곤 가스를 최적 유량(일례로 알루미늄 합금 용탕의 중량이 15 kg 일 때, 최적 유량은 15 X 10 = 150 l/min)으로 용탕 내에 각각 0분, 3분, 7분 동안 투입한 경우, 알루미늄 합금 기지 내에 붕화물이 분산되는 정도를 나타낸 사진이며, 도 12는 종래 기계적으로 용탕을 교반한 경우 알루미늄 합금 기지 내에 붕화물이 분산되는 정도를 나타낸 사진이다.

도시된 바와 같이, 투입 시간이 증가함에 따라 알루미늄 합금 기지 내에 붕화물(100)이 균일하게 분산되며, 고탄성을 위해 요구되는 붕화물의 균일 분산을 위해서는 최적 유량으로 적어도 7분 이상 투입하여야 한다.

상기 표 1은 아르곤 가스를 최적 유량으로 투입 시 투입 시간에 따른 강화상 형성 분율 및 탄성계수를 나타낸 표이다.

표시된 바와 같이, 아르곤 가스를 최적 유량으로 투입하는 경우, 투입 시간이 증가함에 따라 용탕 내 교반이 활발히 이루어져 TiB₂, AlB₂ 등의 강화상 분율이 증가하며, 붕화물의 균일 분산되는 정도가 증대됨에 따라 알루미늄 합금의 탄성계수가 약 6 % 정도 향상된다.

도 13은 아르곤 가스를 최적 유량으로 투입 시 투입 시간(0분/3분/7분)에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성을 나타낸 응력 변형곡선이다.

도시된 바와 같이, 아르곤 가스의 투입 시간이 증가함에 따라 붕화물의 균일 분산 효과 역시 증대되어 인장강도가 향상되는데, 아르곤 가스 투입 시간이 0분 인 경우에 대비하여 7분인 경우 알루미늄 합금의 인장강도는 약 4 % 향상된다.

이와 같이, 알루미늄 합금 제조 공정 중 별도의 설비를 이용하여 용탕을 기계적으로 교반하는 것이 아니라, 종래 탈가스 처리용으로 사용되는 아르곤 가스 투입부(50)를 활용함으로써 비용이 절감되고, 알루미늄 합금 기지 내 붕화물(100)이 균일하게 분산됨에 따라 탄성 계수 및 인장강도가 향상된다.

10 : 용해로 20 : 알루미늄 합금 용탕
30 : 교반기 50 : 아르곤 가스 투입부
100 : 붕화물
S100 : 제1단계 S200 : 제2단계
S300 : 제3단계 S400 : 제4단계
S500 : 제5단계

Claims (3)

1. 순수 알루미늄(Pure Al) 및 Al-5B 모합금을 용해로(10)에 장입하여 1차 용탕을 형성하는 제1단계(S100);
   상기 1차 용탕에 Al-10Ti 모합금을 장입하여 2차 용탕을 형성하는 제2단계(S200);
   상기 2차 용탕에 실리콘(Si) 원소를 장입하여 3차 용탕을 형성하는 제3단계(S300);
   상기 3차 용탕에 아르곤 가스를 투입하는 제4단계(S400);
   상기 아르곤 가스가 투입된 3차 용탕을 금형으로 출탕하는 제5단계(S500);
   를 포함하는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계(S400)는 상기 3차 용탕 중량 1 kg 당 아르곤 가스의 유량이 10 l/min 인 것을 특징으로 하는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 제4단계(S400)는 아르곤 가스를 7분 이상 투입하는 것을 특징으로 하는 고탄성 알루미늄 합금 제조방법.

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