KR102058819B1 - 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은 알루미늄계 매트릭스; 및 상기 알루미늄계 매트릭스 내에 분산되고, 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들을 포함한다. 상기 복수의 나노 입자들은 알루미늄 합금의 결정립(grain)의 핵생성 자리(nucleation site)로 작용함으로써 결정립의 경계(grain boundary)에 위치한다.

Description

알루미늄 합금 및 이의 제조 방법{aluminum alloy and method of fabricating the same}

본 발명은 금속 재료 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

알루미늄(Al)은 이의 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 다양한 형상으로 제작이 가능하여, 산업적인 응용 범위가 매우 넓은 재료이다. 순수한 알루미늄 자체는 강도가 낮아 쉽게 변형되지만, 비알루미늄 원소를 고용시켜 합금화하면 알루미늄 기지 내에 첨가되는 상기 비알루미늄 원소에 의한 고용 강화 효과 또는 석출 강화 효과에 의해 강도 향상이 도모될 수 있다.

자동차, 항공기, 건축, 화학, 로봇 및 전자 제품과 같은 다양한 분야에 상기 알루미늄 금속의 응용이 확대되기 위해서는 강도와 같은 기계적 특성이 향상되어야 할 뿐만 아니라 연성을 가져 성형성도 개선될 필요가 있다. 상기 알루미늄 합금의 기계적 특성 뿐만 아니라 성형성을 동시에 향상시키는 방법으로서, 상기 알루미늄 합금의 결정립을 미세화하기 위해 결정립 미세화제(Inoculant)를 첨가하는 공정이 이용되어 왔다. 대표적으로 알려져 있는 알루미늄의 결정립 미세화제는 모합금(예를 들어, Al-Ti, Al-B, Al-Zr, Al-Sc, Al-Ti-B, Al-Ti-C)으로 제공된다.

상기 결정립의 미세화는 다량의 미세화제가 첨가되었다고 더 효과적으로 이뤄지는 것은 아니며, 다량의 미세화제가 첨가된 경우 상기 다량의 미세화제가 불용성 개재물(inclusion)로도 작용할 수 있다. 상기 불용성 개재물은 재료의 가공 중에 표면 결함을 발생시키는 요인이 된다. 따라서 종래의 결정립의 미세화를 위한 접근은 전술한 것과 같이 효율이 낮고 불용성 개재물의 문제가 있기 때문에 상기 알루미늄 합금의 기계적 특성을 향상시키고 성형성을 높이는데 어려움이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 미세화제 첨가 기술이 갖는 낮은 효율과 불용성 개재물의 문제없이 기계적 특성이 향상되고 성형성이 개선된 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 이점을 갖는 알루미늄 합금의 신뢰성 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.

발명의 일 실시예에 따르면, 알루미늄계 매트릭스; 및 상기 알루미늄계 매트릭스 내에 분산되고, 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들을 포함하며, 상기 복수의 나노 입자들이 상기 알루미늄계 매트릭스를 구성하는 결정립들(grains)의 핵생성 자리(nucleation site)로 작용함으로써 상기 결정립들을 미세화하고, 결정립 경계(grain boundary)에 위치하는 알루미늄 합금이 제공될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립들의 삼중 접합 지점(triple junction)에 배치될 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들의 평균 구형도는 0.8 내지 1의 범위 내일 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립과 정합 계면을 형성할 수 있다. 상기 비알루미늄 원소는 천이 금속 원소, 마그네슘(Mg) 및 실리콘(Si) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 천이 금속 원소는 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 바나듐(V) 중 하나일 수 있다. 상기 나노 입자의 격자 상수와 상기 알루미늄의 격자 상수의 차는 3% 내지 7%의 범위 내일 수 있다. 상기 비금속 원소는 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들의 평균 직경은 10 nm 내지 30 nm 범위 내일 수 있다. 상기 알루미늄 합금의 주조재 결정립의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 40 ㎛의 범위 내일 수 있다. 상기 비금속 원소의 중량은 상기 알루미늄 합금의 중량 대비 0.01 중량% 내지 5 중량%의 범위 내일 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 주조재 또는 압연재일 수 있다. 상기 비알루미늄 원소의 일부 또는 상기 비금속 원소의 일부가 상기 알루미늄계 매트릭스계에 치환형, 침입형 또는 이의 조합으로 고용될 수 있다.

발명의 다른 실시예에 따르면, 알루미늄 용탕 또는 알루미늄 합금 용탕을 준비하는 단계; 상기 용탕 내에 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물인 나노 첨가물을 첨가하는 단계; 상기 나노 첨가물이 상기 비알루미늄 원소 및 상기 비금속 원소로 화학적 분해되어, 상기 비알루미늄 원소와 상기 비금속 원소가 분리되어 상기 용탕 내에서 균일 분산하는 단계; 상기 용탕을 응고시킴으로써, 상기 응고된 결과물 내에 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들을 형성하는 단계; 및 상기 복수의 나노 입자들이 상기 응고된 결과물을 구성하는 결정립들 사이의 결정립 경계(grain boundary)에 위치하면서 상기 응고된 결과물이 재결정화되도록 상기 응고된 결과물을 열처리함으로써, 상기 응고된 결과물의 결정립들의 성장을 억제시키는 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공될 수 있다. 상기 나노 첨가물의 평균 직경은 20 nm 내지 100 nm의 범위 내일 수 있다. 상기 나노 첨가물은 천이 금속의 탄화물, 질화물, 및 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 응고된 결과물을 인공 시효 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 합금을 압연, 압출, 인발 또는 단조하여 상기 결정립들을 더 미세화시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들의 평균 구형도는 0.8 내지 1의 범위 내일 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립과 정합 계면을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄계 매트릭스 내에 분산된 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물인 복수의 나노 입자들이, 상기 알루미늄계 매트릭스를 구성하는 결정립들(grains)의 핵생성 자리(nucleation site)로 작용함으로써 상기 결정립들을 미세화하고, 결정립 경계(grain boundary)에 위치함으로써 종래의 미세화제 첨가 기술이 갖는 낮은 효율과 불용성 개재물의 문제없이 기계적 특성이 향상되고 성형성이 개선된 알루미늄 합금이 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 이점을 갖는 알루미늄 합금을 신뢰성 있게 제조할 수 있는 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알루미늄 합금 주조재의 광학 현미경 사진이다.
도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 후방산란 전자 회절기(Electron Backscatter Diffraction; EBSD) 이미지 및 상기 알루미늄 합금의 결정립 크기를 나타낸 분석 결과이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 압연재의 광학 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM) 이미지이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경 이미지 및 구형 화합물의 성분분석(Energy dispersive spectrometer; EDS) 결과이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 압연재의 기계적 특성 변화를 나타낸 응력-변형률 인장시험 결과 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 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 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

도면에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수로 기재되어 있다 하더라도, 문맥상 단수를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 명세서에서 기판 또는 다른 층 "상에(on)" 형성된 층에 대한 언급은 상기 기판 또는 다른 층의 바로 위에 형성된 층을 지칭하거나, 상기 기판 또는 다른 층 상에 형성된 중간 층 또는 중간 층들 상에 형성된 층을 지칭할 수도 있다. 또한, 당해 기술 분야에서 숙련된 자들에게 있어서, 다른 형상에 "인접하여(adjacent)" 배치된 구조 또는 형상은 상기 인접하는 형상에 중첩되거나 하부에 배치되는 부분을 가질 수도 있다.

본 명세서에서, "아래로(below)", "위로(above)", "상부의(upper)", "하부의(lower)", "수평의(horizontal)" 또는 "수직의(vertical)"와 같은 상대적 용어들은, 도면들 상에 도시된 바와 같이, 일 구성 부재, 층 또는 영역들이 다른 구성 부재, 층 또는 영역과 갖는 관계를 기술하기 위하여 사용될 수 있다. 이들 용어들은 도면들에 표시된 방향 뿐만 아니라 소자의 다른 방향들도 포괄하는 것임을 이해하여야 한다.

이하에서, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들(및 중간 구조들)을 개략적으로 도시하는 단면도들을 참조하여 설명될 것이다. 이들 도면들에 있어서, 예를 들면, 부재들의 크기와 형상은 설명의 편의와 명확성을 위하여 과장될 수 있으며, 실제 구현 시, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 도면의 부재들의 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부재를 지칭한다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄 합금 기지내에 석출 화합물이 분산된 조직을 갖는다. 상기 석출 화합물은, 알루미늄, 비알루미늄 원소, 비금속 원소 및 이 구성원소들이 포함되어 형성할 수 있는 화합물을 의미한다. 상기 알루미늄계 매트릭스는 순수 알루미늄 또는 종래의 알루미늄 합금으로 형성된 매트릭스를 지칭한다. 상기 알루미늄 합금은, 후술될 주조 공정을 이용하여 제조될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 알루미늄 용탕 또는 알루미늄 합금의 용탕이 준비될 수 있다(S101). 상기 용탕은, 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 전기 용해로를 이용하여 가열함으로써 제공될 수 있다. 상기 용탕의 가열 온도는 650 ℃ 내지 850 ℃의 범위 내일 수 있다. 상기 용탕의 가열 온도는 예시적이며, 용탕 내 알루미늄 합금 또는 상기 알루미늄 합금 내 불순물의 조성에 따라 적절한 온도가 결정될 수 있는 것이어서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 용탕 내에 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물인 나노 첨가물이 첨가될 수 있다(S102). 본 발명의 일 실시예에 따르면, 첨가되는 상기 나노 첨가물의 비율은 상기 용탕에 포함된 알루미늄의 중량 대비 0.01 중량% 내지 5 중량% 의 범위일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 첨가되는 상기 나노 첨가물의 평균 직경은 20nm 내지 100nm일 수 있다. 상기 나노 첨가물의 평균 직경이 100 nm를 초과하는 경우 상기 나노 첨가물이 분해되지 않거나 알루미늄계 매트릭스 내에서 고른 분산이 어려울 수 있다. 상기 나노 첨가물의 평균 직경이 20 nm 미만인 경우, 상기 나노 첨가물 입자들 사이의 인력에 의해 알루미늄 매트릭스 내에 고른 분산이 어려울 수 있으며 그에 따라 비알루미늄계 원소 및 비금속 원소의 화합물이 형성되기 어려울 수 있다.

상기 나노 첨가물의 비알루미늄 원소는 상기 알루미늄에 고용 가능한 합금 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 비알루미늄 원소는 천이 금속, 실리콘(Si) 또는 마그네슘(Mg)일 수 있다. 예를 들면, 상기 천이 금속은, 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 이들 중 적어도 2 이상을 포함할 수 있다. 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비알루미늄 원소는 상기 용탕으로 제공되는 상기 알루미늄 합금에 포함되는 원소일 수 있다.

상기 나노 첨가물의 비금속 원소는 상기 비알루미늄 원소와 화합물을 구성할 수 있는 비금속 원소를 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 비금속 원소는 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 상기 나노 첨가물은 산화 구리 분말, 산화 철 분말, 산화 아연 분말, 신화 티타늄 분말, 산화 마그네슘 분말, 질화 구리 분말, 질화 철 분말, 질화 아연 분말, 질화 티타늄 분말, 질화 마그네슘 분말 또는 이들 중 2 이상의 혼합물 분말일 수 있다.

이후, 상기 나노 첨가물이 상기 비알루미늄 원소 및 상기 비금속 원소로 화학적 분해되어, 상기 비알루미늄 원소와 상기 비금속 원소가 분리되어 상기 용탕 내에서 균일 분산될 수 있다(S103). 상기 용탕은 첨가된 상기 나노 첨가물이 분해될 수 있는 온도로 유지될 수 있다. 예를 들면, 상기 용탕은 상기 산화물, 상기 질화물 또는 상기 탄화물 입자들이 분해될 수 있는 500 ℃ 내지 1,000 ℃의 범위로 유지될 수 있다. 상기 첨가된 입자들이 균일하게 분해될 수 있도록 상기 첨가된 입자들과 함께 교반될 수 있다. 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용탕 내에 첨가된 상기 나노 첨가물의 균일한 혼합을 위한 교반 공정이 더 수행될 수 있다.

이후, 상기 용탕을 응고시킴으로써 상기 응고된 결과물 내에 상기 비알루미늄 원소와 상기 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들이 형성될 수 있다(S104). 복수의 상기 나노 입자들은 상기 용탕으로 제공된 모재 알루미늄 합금으로부터 제공되는 기타 원소들을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 기타 원소는 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn) 또는 이들 중 적어도 2 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물 형성은 후속 공정 없이 완전히 수행될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물 형성은 후술될 열처리 공정(S105)을 거침으로써 완전히 수행될 수 있다. 상기 화합물은 상기 알루미늄계 매트릭스의 결정립(grain)을 위한 핵생성 자리(nucleation site)로 작용하여 결정립을 효과적으로 미세화시킬 수 있다.

또한, 상기 복수의 나노 입자들은 상기 알루미늄 합금을 구성하는 결정립의 핵생성 자리로 작용함으로써 결정립 경계(grain boundary)에 위치할 수 있다. 상기 결정립 경계가 이동할 때, 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립 경계의 이동을 방해함으로써 결정립 성장을 억제할 수 있다. 상기 결정립 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립들의 삼중 접합(triple junction)에 배치될 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들은 구형(spherical)의 나노 입자일 수 있다. 바람직하게는 상기 복수의 나노 입자의 평균 구형도는 0.8 내지 1의 범위 내일 수 있다. 상기 복수의 나노 입자의 평균 구형도가 0.8 미만일 경우, 상기 복수의 나노 입자를 포함하는 상기 알루미늄 합금의 성형성이 약화될 수 있다. 반면 상기 복수의 나노 입자의 평균 구형도가 0.8 이상인 경우, 성형성에 악영향을 미치지 않는다. 상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립과 정합 계면을 형성할 수 있으며, 상기 정합 계면을 형성함으로써 상기 복수의 나노 입자들은 이웃하는 상기 결정립과 강한 상호 작용을 하여 강도 및 연성을 더 향상시킬 수 있다. 상기 복수의 나노 입자들이 상기 결정립과 정합 계면을 형성하기 위해서는 상기 나노 입자의 격자 상수와 상기 알루미늄의 격자 상수의 차는 3 % 내지 7 % 의 범위일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 복수의 나노 입자들의 평균 직경은 10 nm 내지 30 nm 범위 내일 수 있다.

상기 비금속 원소의 일부 또는 상기 비알루미늄 원소의 일부는 상기 알루미늄계 매트릭스에 치환형, 침입형 또는 이들의 조합으로 고용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비알루미늄 원소는 전체 알루미늄 합금 전체 중량 대비 4 중량% 내로 고용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비금속 원소는 전체 알루미늄 합금 전체 중량 대비 2 중량% 내로 고용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용탕이 응고됨으로써 생성된 알루미늄 합금 주조재의 결정립의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 40 ㎛일 수 있다. 종래의 결정립 미세화제를 사용할 경우 아무리 많은 양의 결정립 미세화제를 첨가하더라도 상기 알루미늄 합금 주조재의 결정립의 평균 직경의 최소 한계값은 70 ㎛ 내지 80 ㎛ 인 것에 대비하여 볼 때, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법을 사용할 경우 상기 알루미늄 합금의 상기 결정립이 미세화되는 효과가 종래 기술에 비해 현저한 것이 확인될 수 있다.

열처리(S105)하기 이전에 상기 알루미늄 합금 주조재를 소성 가공할 수 있다. 상기 소성 가공은, 압연, 압출, 인발 또는 단조와 같은 소성 변형을 통해 수행될 수 있다. 상기 소성 가공은, 열간 공정 또는 냉간 공정일 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 소성 가공된 알루미늄 합금은 냉간 가공 없이 인공 시효 처리될 수 있다. 상기 인공 시효 처리는 알루미늄 합금의 강도를 더 증가시킬 수 있다. 인공 시효 처리는 120 ℃ 내지 180 ℃의 범위 내에서 6 시간 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다. 다만, 이러한 실시예는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

주조 단계에서 형성된 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물은 상기 소성 가공 후의 열처리 시에 활용될 수 있다. 또한, 상기 소성 가공을 통하여 상기 나노 입자가 상기 알루미늄계 매트릭스 내에서 추가 형성될 수 있다. 상기 나노 입자가 상기 소성 변형에 의해 생성된 전위와 강한 상호 작용을 함으로써 알루미늄 합금의 강도가 더욱 향상될 수 있다. 상기 소성 가공 및 후술될 재결정화를 위한 열처리를 통하여 상기 알루미늄 합금의 결정립이 더 미세화될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 더 미세화된 상기 결정립들의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 30 ㎛의 범위 내일 수 있다.

상기 응고된 결과물을 소성 가공 후 열처리함으로써 가공재(예를 들어, 압연재, 압출재, 인발재 또는 단조재)인 상기 알루미늄 합금이 형성될 수 있다(S105). 상기 열처리 시에 상기 알루미늄 합금은 기존의 주조 조직이 사라지고 재결정화될 수 있으며, 상기 재결정화 시에 상기 나노 입자들이 결정립 경계에 위치함으로써 상기 알루미늄계 매트릭스의 결정립들의 성장이 억제될 수 있다. 상기 재결정화를 거친, 상기 알루미늄 합금 가공재의 결정립과 정합관계를 갖는 상기 복수의 나노 입자는 핵생성 자리로 작용함과 동시에 상기 결정립 경계에 위치할 확률이 상기 재결정화 전보다 더 커질 수 있다. 따라서 상기 열처리를 거친 후 결정립 미세화의 효과는 그 전보다 더 증가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열처리가 수행된 후에도 상기 알루미늄 합금은 상기 열처리되기 전에 형성된 미세 구조(예를 들어, 상기 알루미늄계 매트릭스 내의 비알루미늄 원소와 비금속 원소의 화합물인 복수의 나노 입자들이 분산된 정도), 강도 및 연성을 유지할 수 있다.

상기 열처리는 그 목적에 따라 온도 범위가 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 비금속 원소를 상기 알루미늄계 매트릭스에 고용시키거나, 상기 비금속 원소 및 상기 비알루미늄 원소의 화합물을 형성시키기 위한 열처리는 400 ℃ 내지 500 ℃ 범위일 수 있다. 상기 인공 시효를 위한 열처리에 대해서는 전술하였다.

도 2는 본 발명의 다양한 실시예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금 주조재의 광학 현미경 사진들이다. 본 발명의 실시예에 대한 일 비교예로서, 첨가물을 첨가하지 않고 상기 알루미늄 합금 주조재를 제조하였다(11, 21). 다른 비교예로서, 본 발명의 천이금속 원소인 티타늄(Ti)을 포함하는 모합금(Al-Ti)을 첨가하여 상기 알루미늄 합금 주조재(12, 22)를 제조하였다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기 모합금(Al-Ti)을 첨가한 다음 산화아연(ZnO)의 형태로 비금속 원소인 산소(O)를 더 첨가하여 화합물인 나노 입자를 갖는 상기 알루미늄 합금 주조재(13, 23)를 제조하였다. 상부의 사진들(11, 12, 13)은 6000계 알루미늄 합금 모재를 사용한 것이며, 하부의 사진들(21, 22, 23)은 7000계 알루미늄 합금 모재를 사용한 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 6000계 알루미늄 합금과 상기 7000계 알루미늄 합금에서, 천이 금속 원소 또는 천이 금속 원소 및 비금속 원소를 첨가하였을 때 상기 알루미늄 합금의 결정립이 더 작아진 것이 확인될 수 있다. 특히, 모합금 형태로 천이 금속 원소만 첨가하였을 때보다 상기 모합금을 첨가한 뒤 비금속 원소를 더 첨가하였을 때에 상기 알루미늄 합금의 결정립의 미세화 효율이 더 높아진 것이 확인될 수 있다.

도 3a 및 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 후방산란 전자 회절기(Electron Backscatter Diffraction; EBSD) 이미지 및 상기 알루미늄 합금의 결정립 크기를 나타낸 분석 결과이다. 상기 알루미늄 합금으로는 7000계 알루미늄 합금 주조재가 사용되었으며, 상기 나노 첨가물이 첨가되어 개질된 후 EBSD를 이용하여 이미지가 얻어졌다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 상기 나노 첨가물이 첨가되어 제조된 상기 7000계 알루미늄 합금 주조재의 결정립의 평균 결정립 직경은 18.4μm이고, 표준 편차는 9μm 인 바, 상기 나노 첨가물에 의해서 평균 결정립 직경이 20μm 이하로 감소되었음이 확인될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 압연재의 광학 현미경 사진들이다. 상부의 사진들(41, 42)은 6000계 알루미늄 합금 압연재를 촬영한 것이며, 하부의 사진들(51, 52)은 7000계 알루미늄 합금 압연재를 촬영한 것이다. 좌측의 사진들(41, 51)은 첨가물이 첨가되지 않고 제조된 상기 알루미늄 합금 압연재를 촬영한 것이며, 우측의 사진들(42, 52)은 상기 나노 첨가물이 첨가되어 제조된 상기 알루미늄 합금 압연재를 촬영한 것이다. 상기 나노 첨가물이 첨가되는 상기 알루미늄 합금 압연재를 제조하기 위해, 상기 나노 첨가물을 첨가하여 제조된 상기 알루미늄 합금 주조재를 형성한 다음, 상기 알루미늄 합금 주조재를 압연하였다.

도 4를 참조하면, 상기 6000계 알루미늄 합금 압연재 및 상기 7000계 알루미늄 합금 압연재에서, 상기 나노 첨가물의 첨가 없이 제조된 때보다 상기 나노 첨가물을 첨가하여 제조하였을 때 상기 알루미늄 합금의 결정립이 더 작아진 것이 확인될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM) 이미지이다.

도 5를 참조하면, 발명의 일 실시예에 따른 결정립 계면의 삼중 접합(triple junction) 상에 약 15 nm의 직경을 갖는, 천이 금속 및 비금속 원소를 포함하는 구형(spherical) 화합물이 배치된 것이 확인될 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경 이미지 및 구형 화합물의 성분분석(Energy dispersive spectrometer; EDS) 결과이다.

도 6b의 성분 분석 결과를 참조하면, 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 구형 화합물(도 6a에 복수 개의 흰 점들로 도시된 영역)에 실리콘, 크롬, 망간, 철 및 산소가 포함됨을 확인할 수 있다(도 4b의 분석 결과에 나타내어진 피크 중 알루미늄은 백그라운드 성분임). 상기 구형 화합물에 포함된 실리콘, 크롬, 망간 및 철은 모재 합금으로부터 유래한 것이다.

도 7a 내지 도 7c는 각각 본 발명의 다양한 실시예에 따른 알루미늄 합금 압연재의 기계적 특성 변화를 나타낸 응력-변형률 인장시험 결과 그래프이다.

도 7a를 참조하면, 상기 알루미늄 6000계 합금 압연재에 상기 나노 첨가제가 첨가되어 제조되었을 때, 상기 나노 첨가제가 첨가되지 않고 제조되었을 때보다 상기 6000계 알루미늄 합금 압연재의 강도와 연성이 동시에 향상됨이 확인될 수 있다. 도 7b를 참조하면, 상기 7000계 알루미늄 합금 압연재에 상기 나노 첨가제가 첨가되어 제조되었을 때, 상기 나노 첨가제가 첨가되지 않고 제조되었을 때보다 상기 알루미늄 7000계 합금 압연재의 강도 및 연성이 동시에 향상됨이 확인될 수 있다. 특히, 상기 알루미늄 합금 압연재 제조를 위해 상기 천이 금속 원소가 첨가되었을 때보다 상기 천이 금속 원소와 상기 비금속 원소의 화합물이 첨가되었을 때 상기 7000계 알루미늄 합금 압연재의 강도 및 연성이 더 많이 향상된 것이 확인될 수 있다. 도 7c를 참조하면, 인공 시효 처리를 거친 경우에 상기 인공 시효 처리를 거치지 않은 경우와 마찬가지로 상기 7000계 알루미늄 합금 압연재의 강도와 연성이 향상된 것이 확인될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

1. 알루미늄 및 상기 알루미늄에 고용된 비알루미늄 원소를 필수 성분으로 포함하는 알루미늄계 매트릭스; 및
   상기 알루미늄계 매트릭스 내에 분산되고, 상기 비알루미늄 원소와 나노 첨가물로부터 분해된 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들을 포함하며,
   상기 나노 첨가물의 평균 직경보다 작은 상기 복수의 나노 입자들의 격자 상수와 상기 알루미늄계 매트릭스의 격자 상수의 차가 7 % 이하이며, 상기 복수의 나노 입자들과 상기 알루미늄계 매트릭스 사이에 정합 계면이 형성되고,
   상기 복수의 나노 입자들이 상기 알루미늄계 매트릭스를 구성하는 결정립들(grains)의 핵생성 자리(nucleation site)로 작용함으로써 상기 결정립들을 미세화하고, 결정립 경계(grain boundary)에 위치하는 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 나노 입자들은 상기 결정립들의 삼중 접합 지점(triple junction)에 배치되는 알루미늄 합금.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 나노 입자들의 평균 구형도는 0.8 내지 1의 범위 내인 알루미늄 합금.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 비알루미늄 원소는 천이 금속 원소, 마그네슘(Mg) 및 실리콘(Si) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알루미늄 합금.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 천이 금속 원소는 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 니켈(Ni), 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 스칸듐(Sc), 이트륨(Y), 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 또는 바나듐(V) 중 하나인 알루미늄 합금.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 나노 입자의 격자 상수와 상기 알루미늄의 격자 상수의 차는 3% 내지 7%의 범위 내인 알루미늄 합금.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 비금속 원소는 탄소(C), 질소(N) 및 산소(O) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알루미늄 합금.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 나노 입자들의 평균 직경은 10 nm 내지 30 nm 범위 내인 알루미늄 합금.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 주조재 결정립의 평균 직경은 10 ㎛ 내지 40 ㎛의 범위 내인 알루미늄 합금.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 비금속 원소의 중량은 상기 알루미늄 합금의 중량 대비 0.01 중량% 내지 5 중량%의 범위 내인 알루미늄 합금.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 주조재 또는 압연재인 알루미늄 합금.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 비알루미늄 원소의 일부 또는 상기 비금속 원소의 일부가 상기 알루미늄계 매트릭스에 치환형, 침입형 또는 이의 조합으로 고용된 알루미늄 합금.
14. 알루미늄 및 상기 알루미늄에 고용된 비알루미늄 원소를 필수 성분으로 포함하는 알루미늄 합금의 용탕을 준비하는 단계;
    상기 용탕 내에 비금속 원소를 포함하는 나노 첨가물을 첨가하는 단계;
    상기 나노 첨가물로부터 상기 비금속 원소를 화학적 분해하여, 상기 비금속 원소를 상기 용탕 내에서 균일 분산하는 단계;
    상기 용탕을 응고시킴으로써, 상기 응고된 결과물 내에 상기 비알루미늄 원소와 상기 비금속 원소의 화합물을 포함하는 복수의 나노 입자들을 형성하는 단계; 및
    상기 복수의 나노 입자들이 상기 응고된 결과물을 구성하는 결정립들 사이의 결정립 경계(grain boundary)에 위치하면서 상기 응고된 결과물이 재결정화되도록 상기 응고된 결과물을 열처리함으로써, 상기 응고된 결과물의 결정립들의 성장을 억제시키는 단계를 포함하며,
    상기 나노 첨가물의 평균 직경보다 작은 상기 복수의 나노 입자들의 격자 상수와 상기 알루미늄계 매트릭스의 격자 상수의 차가 7 % 이하이며, 상기 복수의 나노 입자들과 상기 알루미늄계 매트릭스 사이에 정합 계면이 형성되는 알루미늄 합금의 제조 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 나노 첨가물의 평균 직경은 20 nm 내지 100 nm의 범위 내인 알루미늄 합금의 제조 방법.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 나노 첨가물은 천이 금속의 탄화물, 질화물, 및 산화물 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 응고된 결과물을 인공 시효 처리하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
18. 제 14 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금을 압연, 압출, 인발 또는 단조하여 상기 결정립들을 더 미세화시키는 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
19. 제 14 항에 있어서,
    상기 복수의 나노 입자들의 평균 구형도는 0.8 내지 1의 범위 내인 알루미늄 합금의 제조 방법.
20. 삭제

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