KR102078964B1 - 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고연신률을 갖는 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄계 기지; 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자들; 및 상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하며, 상기 알루미늄계 기지가 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 또는 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함하고, 상기 실리콘 결정 입자들이, 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함할 수 있다.

Description

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

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄 또는 이의 합금은 알루미늄의 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 다양한 형태와 모양으로 제작이 가능하여, 산업적인 응용 범위가 매우 넓은 재료이다. 알루미늄 그 자체는 강도가 낮아 쉽게 변형되지만, 알루미늄 합금은 첨가 원소에 의해 강도가 향상되어 자동차 또는 항공기 산업 분야에 적용 가능한 정도로 고강도 및 고신뢰성을 갖는다. 최근 상기 알루미늄 합금은 그 우수한 기계적 강도와 낮은 비중으로, 자동차 및 항공기 분야는 물론 건축, 화학, 로봇 및 전자 제품과 같은 다양한 분야로도 이의 응용이 확대되고 있다.

일반적으로 순수 알루미늄 자체의 강도는 낮기 때문에, 알루미늄에 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 망간(Mn), 또는 아연(Zn)과 같은 첨가 원소를 합금화하여 강도 향상을 도모한다. 상기 알루미늄 합금은, 열처리에 의해 경화될 수 있으며, 열처리 여부에 따라 비열처리 합금과 열처리 합금으로 구분할 수 있다. 상기 비열처리 합금은, 전술한 것과 같이, 실리콘, 마그네슘 또는 망간과 같은 원소에 의한 제 2 상 또는 화합물에 의한 석출 강화에 의해 그 강도가 개선된다. 상기 비열처리 합금에는, 대표적으로, Al-Si 합금, Al-Mg 합금, 그리고, Al-Mn 합금이 있다.

상기 열처리 합금은, 합금 원소의 종류에 따라 그 강도가 결정될 수 있다. 예를 들면, 구리(Cu) 또는 아연(Zn)이 첨가된 알루미늄 합금은 온도가 올라갈수록 첨가 원소의 고용도가 높아지고, 시효(Aging) 처리에 의해서 석출물의 형성에 의한 경화를 도모할 수 있다. 상기 열처리 합금에는, Al-Cu 합금, Al-Zn 합금 및 Al-Mg-Si 합금이 있다. 그러나, 상기 열처리 합금의 경우, 그 주조성이나 취성을 고려해야 하므로, 첨가하는 합금의 원소에 제약이 따른다. 알루미늄에 이종 금속 원소를 추가하여 금속간 화합물인 석출물의 형성으로 강화되는 알루미늄 합금은 종래의 열처리 합금 대비 추가적인 강도 향상을 기대할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 알루미늄 합금에서 새로운 반응 화합물을 열처리를 통하여 형성하여 알루미늄 합금의 효율적인 강화 메커니즘을 제공함으로써, 알루미늄 합금의 강도를 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 이점을 갖는 알루미늄 합금을 용이하게 제조할 수 있는 알루미늄 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄계 기지; 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자들; 및 상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하며, 상기 알루미늄계 기지는 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 또는 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함하고, 상기 실리콘 결정 입자들은, 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함하는 알루미늄 합금에 제공될 수 있다. 상기 석출 화합물의 평균 크기는 상기 실리콘 결정 입자의 평균 크기보다 작으며, 상기 석출 화합물의 평균 크기는 10 nm 내지 100 nm의 범위를 가질 수 있다. 상기 석출 화합물은 열처리에 의해 생성될 수 있다. 상기 석출 화합물은 상기 복수의 계면들 주변에 편재될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 알루미늄계 기지는 천이 금속 원소를 포함하며, 상기 천이 금속 원소는, 철(Fe), 크롬(Cr) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 비금속 원소는, 상기 알루미늄 합금 내에 과포화될 수 있다. 상기 비금속 원소는, 산소, 질소, 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기 실리콘 결정 입자들 내에 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원소의 함유량은 전체 알루미늄 함유량 중 5 내지 20 중량%이며, 상기 알루미늄 기지 내에 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 실리콘 원소의 함유량은 전체 실리콘 함유량 중 5 내지 20 중량%을 갖는다. 상기 실리콘 원자들은 상기 알루미늄 합금 전체 중량의 1 중량% 내지 12.6 중량%의 범위 내로 함유되고, 상기 비금속 원자들의 일부는, 상기 알루미늄 합금 전체 중량의 0.1 중량% 내지 5.0 중량%의 첨가된 금속산화물 나노 입자로부터 분해되어 상기 석출 화합물을 형성할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 알루미늄 및 실리콘을 포함하는 알루미늄 합금의 용탕을 제공하는 단계; 상기 용탕 내에, 금속산화물 나노 입자들을 첨가하는 단계; 상기 용탕 내에서 상기 금속산화물 나노 입자들을 분해시켜 상기 용탕 내에 비금속 원소를 과포화시키는 단계; 상기 용탕을 고화시켜, 알루미늄계 기지, 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자들 및 상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하는 주조재를 형성하는 단계; 및 상기 알루미늄계 기지는 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 또는 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함하고, 상기 실리콘 결정 입자들은 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함하도록, 상기 고화된 주조재를 열처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공될 수 있다. 상기 금속산화물 나노 입자는, 5 nm 내지 50 nm 범위 내의 평균 직경을 갖는 분말 형태로 상기 용탕 내에 첨가될 수 있다. 상기 금속산화물 나노 입자는 상기 용탕 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5.0 중량%의 범위 내로 첨가될 수 있다. 상기 고화된 주조재를 열처리하기 이전에, 상기 고화된 주조재를 소성 가공하여 가공 경화시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 열처리는 용체화 처리 및 시효 처리를 포함하며, 120 ℃ 내지 600 ℃의 범위 내에서 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 실리콘 결정 입자들을 포함하는 알루미늄 합금에서 실리콘 원소 또는 실리콘 원소와 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 열처리에 의하여 석출시키되, 상기 석출 화합물이 알루미늄 기지 내에 균일하게 형성되고, 상기 석출 화합물이 알루미늄 기지의 전위와 강하게 상호작용함으로써, 강도가 현저하게 향상된 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 1a는 본 발명의 실시예에 따른 비금속 원소가 과포화된 알루미늄 합금 주조재의 열처리 전과 열처리 후의 단면 미세 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a 및 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리에 의해 알루미늄계 기지 내의 석출 화합물을 나타내는 투과 전자현미경(transmission electron microscope: TEM) 이미지들이며, 도 3b는 상기 석출 화합물들이 전위와 강한 상호작용을 나타내는 이미지이다. 도 3d는 상기 석출 화합물이 알루미늄 기지 계면과 우호적인 정합계면을 이루고 있는 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 내 형성된 새로운 반응 화합물인 실리콘 상을 보여주는 이미지이며, 도 4b는 전자 에너지 손실 분광 분석(Electron Energy Loss Spectroscopy; EELS)에 의해 분석된 점선 원형으로 표시된 영역의 성분 분석을 도시한 그래프이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 후의 계면을 통한 상호 확산 발생을 설명하기 위한 주사전자 현미경 이미지이다. 도 5b는 도 5a의 사각형 영역을 3배 확대한 것이며, 도 5c는 도 5a의 사각형 영역을 15배 확대한 것이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 후 알루미늄 합금에서 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면을 확대하여 보여주는 이미지이고, 도 7b는 열처리 후 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면 상에 대한 성분 분석을 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 분산 분광 분석 (Energy Dispersive spectroscopy; EDS)에 의해 분석된 상기 석출 화합물의 성분을 도시하는 이미지이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금과 비교예에 따른 알루미늄 합금의 시효 열처리 시간에 따른 경도 측정 결과를 나타내는 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.

또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 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 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄계 기지내에 석출 화합물이 분산된 조직을 갖는다. 상기 석출 화합물은, 실리콘 원소와 비금속 원소 및 이 구성원소들이 포함되어 형성할 수 있는 화합물을 지칭한다. 상기 알루미늄계 기지는 순수 알루미늄 또는 종래의 알루미늄 합금으로 형성된 기지를 지칭한다. 상기 알루미늄 합금은, 후술하는 주조 공정을 이용하여 제조될 수 있다.

본 발명의 실시예에서 기지 내에 제 2 원자들이 고용된다는 의미는 기지 내의 제 1 원자들과 상기 제 2 원자들이 결합하여 하나의 결정 구조를 형성하는 것을 의미하고, 기지 내에 제 2 원자들이 하나의 결정체를 갖는 형성한다는 의미는 상기 제 2 원자들이 구성하는 결정 구조가 상기 기지 내에 독립적으로 형성된다는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비금속 원소가 과포화된 알루미늄 합금 주조재의 열처리 전과 열처리 후의 단면 미세 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 1를 참조하면, 알루미늄 합금은 알루미늄계(Al) 기지, 알루미늄계(Al) 기지 내에 분산된 실리콘(Si) 결정입자들 그리고 알루미늄계(Al) 기지와 상기 실리콘(Si) 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함할 수 있다. 도 1에서는 알루미늄계(Al) 기지의 일부 영역과 실리콘(Si) 결정입자의 일부 영역 사이의 계면을 나타낸 것이며, 일 실시예에서, 실리콘(Si) 결정입자가 알루미늄계(Al) 기지 내에 분산된 경우, 실리콘(Si) 결정입자의 전체 표면은 알루미늄계(Al) 기지와 계면을 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 알루미늄(Al)계 기지는 1종 이상의 천이 금속 원소를 포함할 수 있으며, 상기 천이 금속 원소는, 철(Fe), 크롬(Cr) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 비금속 원소는 상기 알루미늄 합금 내에 과포화되고, 산소, 질소, 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 1에서는 비금속 원소가 상기 비금속 원소는 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면에만 형성되는 것을 나타냈지만, 상기 비금속 원소는 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면뿐만 아니라, 알루미늄계(Al) 기지 및 실리콘(Si) 결정 입자 내에서 알루미늄 원소 또는 실리콘 원소와 반응하여 산화물 또는 질화물(O1, O2)을 형성할 수 있다. 여기서, O1은 실리콘 원소와 반응하여 구성된 결과물이며, O2는 알루미늄 원소와 반응하여 구성된 결과물일 수 있다. 바람직하게, 상기 천이 금속 원소는 철(Fe)이고 상기 비금속 원소는 산소(O)일 수 있다.

상기 비금속 원소는 후술할 알루미늄 합금의 제조 방법에서 비금속 원소 함유 전구체(예컨대, 금속 산화물 나노 입자)를 알루미늄 합금의 용탕에 투입할 경우에, 상기 전구체로부터 비금속 원소가 분해되어 화합물을 형성하지 않고, 비금속 원소 자체로 존재할 수 있다. 일반적으로, 용탕의 온도를 낮추어 응고를 진행시킬 때, 초정(primary crystal, pro-eutectic) 알루미늄의 응고가 수지상(dendritic pattern, arborescent)으로 선행되며, 이후 제2상 및 금속간 화합물들이 형성될 수 있다. 이때, 용탕 내에 존재하는 비금속 원소들은 용질 차이로 인하여 상기 제2상으로 밀려나고 응고가 완료될 시, 상기 비금속 원소들은 알루미늄-제2상(예컨대, 실리콘 입자)의 계면으로 집중될 수 있다. 이때, 알루미늄-제2상(예컨대, 실리콘 입자)의 계면에 고용되는 상기 비금속 원소들(예컨대, 산소)은 계면 결함(interface defect)으로 작용하여, 실리콘 입자에서 알루미늄 기지로 상호 확산하는 활성화 에너지를 낮추어주 촉매 역할을 수행할 수 있다.

상기 알루미늄 합금은 아공정 Al-Si 합금이며, 상기 아공정 Al-Si 합금 내의 실리콘 함유량은 대략 12.6 중량%이며, 바람직하게는, 실리콘 함유량은 1 중량% 내지 12.6 중량% 범위를 갖는다.

일 실시예에서, 비금속 원소 함유 전구체(예컨대, 금속 산화물 나노 입자)를 알루미늄 합금의 용탕에 투입하지 않은 경우, 즉, 상기 비금속 원소가 분해되어 알루미늄 합금에 분산되지 않는 경우, 상기 실리콘 결정 입자가 알루미늄 합금내에 석출되지 않거나, 비록 석출되더라도 상기 비금속 원소 함유 전구체를 알루미늄 합금의 용탕에 투입하는 경우와 비교하여 실리콘 결정 입자들의 수 또는 양이 제한적일 수 있다.

일 실시예에서, 비금속 원소 함유 전구체(예컨대, 금속 산화물 나노 입자)를 알루미늄 합금의 용탕에 투입한 후 열처리를 수행하게 되면, 상호 확산을 통해 알루미늄계(Al) 기지 내의 일부 알루미늄 원자들이 실리콘(Si) 결정 입자로 이동(M1)하여 실리콘(Si) 결정 입자 내에 알루미늄계(Al) 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들이 나노 결정체(K1)를 형성하거나 또는 알루미늄계(Al) 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들이 실리콘(Si) 결정 입자 내의 실리콘 원자들과 결합하여 나노 결정체를 형성할 수 있다. 또한, 실리콘(Si) 결정 입자 내의 일부 실리콘 원자들이 알루미늄계(Al) 기지로 확산 이동(M2)하여 알루미늄계(Al) 기지 내에 알루미늄 원자들과 결합하여 나노 결정체(K2)를 형성하거나 알루미늄계(Al) 기지 내에 실리콘(Si) 결정 입자로부터 확산된 실리콘 원자들이 나노 결정체를 형성할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 상대적으로 전위와 강하게 상호작용하는 알루미늄계(Al) 기지 내에 형성된 실리콘 나노 결정체(K2)가 강도 향상에 기여할 수 있으나, 실리콘 결정 입자 내에 형성된 알루미늄 나노 입자는 전위 형성되지 않기 때문에 강도 향상에 영향을 미치지 않는다.

따라서, 알루미늄계 기지(Al)는 계면(O1, O2)들을 통해 실리콘(Si) 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자(K2) 또는 상기 실리콘 원자(K2)와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함하고, 실리콘(Si) 결정 입자들은 알루미늄계(Al) 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들(K1)의 나노 결정체를 포함하거나 알루미늄계(Al) 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들(K1)이 실리콘(Si) 결정 입자 내에 고용될 수 있다.

또한, 상기 전구체로부터 분해된 적어도 하나의 비금속 원소는 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면 사이에 집중되어 고용될 수 있으며, 상기 계면에 고용된 비금속 원소의 밀도가 알루미늄계(Al) 기지 내의 고용된 비금속 원소의 밀도보다 같거나 높을 수 있다. 또는 상기 계면에 고용된 비금속 원소의 밀도가 알루미늄계(Al) 기지 내의 고용된 비금속 원소의 밀도보다 같거나 낮을 수 있다. 그러나, 실리콘 결정 입자 내에는 상기 비금속 원소가 고용되지 않는다. 구현에 있어서, 상기 전구체로부터 분해된 비금속 원소들은 90% 이상 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면 사이 고용될 수 있다.

또한, 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면 사이 고용된 비금속 원소는 결함(defect)으로 동작함으로써 상호 확산의 활성화 에너지를 낮추고, 이로써 알루미늄계(Al) 기지와 실리콘(Si) 결정 입자간 상호 확산이 원활하게 수행될 수 있다. 이러한 상기 비금속 원소(O1, O2)를 포함한 계면 내의 상호 확산을 통해서, 알루미늄계(Al) 기지 내에 고용된 실리콘 원소들은 하나의 단결정상을 갖는 실리콘이 형성되거나, 알루미늄계(Al) 기지 내 고용된 실리콘 원소들과 상기 비금속 원소들이 포함된 2원 석출 화합물이 형성될 수 있다. 더하여, 상호 확산을 통해서 실리콘(Si) 결정 입자 내에 알루미늄 원소들이 고용될 수 있다. 이때, 알루미늄계(Al) 기지로 확산된 실리콘 원소의 개수와 실리콘(Si) 결정 입자로 확산된 알루미늄 원소의 개수와 동일하거나 클 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기 단결정 실리콘 또는 실리콘 원소들과 상기 비금속 원소들이 포함된 석출 화합물이 알루미늄(Al)계 기지 내에 균일하게 형성되고, 상기 석출 화합물이 전위와 강하게 상호작용함으로써, 알루미늄 합금의 강도가 현저하게 향상될 수 있다.

다른 실시예에서, 실리콘(Si) 결정 입자를 구성하는 모든 실리콘 원소들이 분해되어 알루미늄계(Al) 기지 내로 단방향 확산될 수 있다. 이는 실리콘(Si) 결정 입자가 완전히 분해되어 미세 결정 입자 형태로 알루미늄계(Al) 기지 내에 형성될 수 있으며, 알루미늄계(Al) 기지 내에 실리콘 원소들이 고용되고 동시에 실리콘(Si) 결정 입자 내에 알루미늄 원소들이 고용되는 경우보다 알루미늄 합금의 강도를 더 향상시킬 수 있다. 과공정 Al-Si 합금의 경우 초정상이 알루미늄이 아닌 실리콘이기 때문에, 바람직하게 본 발명에서는 초정상을 알루미늄을 갖는 아공정 Al-Si 합금(대략 Si 함유량이 12.6 중량%임)의 강도 향상에 적합하다.

전술한 바와 같이, 열처리 후 상기 계면의 상호 확산을 통해서, 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘(Si) 결정 입자들은 알루미늄(Al)계 기지로부터 확산된 일부 알루미늄 원소를 포함할 수 있고, 알루미늄(Al)계 기지는 상기 실리콘(Si) 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원소 또는 상기 실리콘 원소와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 실리콘(Si) 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원소들 또는 상기 실리콘 원소와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물이 많을수록 알루미늄 합금의 강도는 커질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 석출 화합물의 평균 크기는 상기 실리콘(Si) 결정 입자의 평균 크기보다 작은 나노 크기의 결정립이며, 10 nm 내지 100 nm의 평균 크기를 가질 수 있다. 상기 석출 화합물의 크기가 10 nm 미만인 경우 알루미늄 합금 내에 형성되는 전위와 강한 상호 작용을 하지 못하여 강도 향상에 기여하지 못하며, 100 nm를 초과하는 경우에는 오히려, 취성을 가지므로 강도 향상에 기여하지 못한다.

일 실시예에서, 상기 석출 화합물들은 알루미늄 합금 내에 균일하게 분포하거나, 상기 계면들을 따라 분포하거나 또는 상기 알루미늄(Al)계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자의 주변에 편재되어 분포할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 실리콘 결정 입자들 내에 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원소의 함유량은 전체 알루미늄 함유량 중 5 내지 20% 범위를 갖는다. 상기 알루미늄(Al)계 기지 내에 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 실리콘 원소의 함유량은 전체 실리콘 원소의 함유량 중 5 내지 20% 범위를 갖는다. 알루미늄 원소의 함유량 또는 실리콘 원소의 함유량이 5% 이하인 경우 알루미늄 합금 내에 형성되는 전위와 강한 상호 작용을 하지 못하여 강도 향상에 기여하지 못하며, 알루미늄 원소의 함유량 또는 실리콘 원소의 함유량이 20%를 초과하는 경우에는 오히려, 취성을 가지므로 강도 향상에 기여하지 못한다.

일 실시예에서, 상기 알루미늄 합금은 총 중량대비 실리콘 1 중량% 내지 12.6 중량%를 포함하며, 0.1 중량% 내지 5.0 중량%이 되도록 금속산화물(예: ZnO) 나노 입자를 첨가하여 상기 실리콘 원소와 상기 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물이 형성되도록 처리된다. 바람직하게, 상기 금속산화물 나노 입자는 아연산화물 나노 입자일 수 있다. 상기 실리콘 함유량이 1 중량% 미만에서는, 실리콘(Si) 결정 입자에서 알루미늄(Al)계 기지로 확산되는 실리콘 원자의 개수가 적어서 알루미늄 합금 강도 향상이 미미하며, 반대로 상기 실리콘 함유량이 12.6 중량%을 초과하는 알루미늄 합금의 연성이 저하되는 문제점이 있다. 상기 금속산화물 나노 입자가 0.1 중량% 미만에서는, 알루미늄 합금의 용탕 내에서 비금속 원소가 과포화되기 어려우며, 반대로 5.0 중량%를 초과하는 경우에는, 알루미늄계 기지 전체에 걸쳐 실리콘-비금속 원소 사이의 균일한 조성을 갖는 석출 화합물의 형성이 어려워지고, 오히려 과량의 금속산화물 나노 입자가 용탕 내에 존재하는 경우, 천이 금속과 비금속 원소 사이의 반응 화합물 또는 알루미늄과 비금속 원소 사이의 반응 화합물과 같은 제 2 상의 생성이 촉진될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 알루미늄 합금은 0.1 내지 0.5 중량% 범위를 갖는 천이 금속 원소를 더 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서, 알루미늄 합금의 용탕이 제공될 수 있다(S10). 상기 용탕은, 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 및/또는 상기 알루미늄 합금 내 불순물의 조성에 따라 적절한 온도가 결정될 수 있는 것이어서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 알루미늄 합금은 알루미늄에 고용 가능한 여하의 합금 원소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 합금 원소는 천이 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 천이 금속은, 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. 일 실시예에서, 상기 천이 금속은, 바람직하게는, 주기율표 상 4 주기의 6족 내지 8족 원소인, 크롬(Cr), 철(Fe), 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 상기 합금 원소는, 전술한 상기 천이 금속과 함께, 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 텅스텐(W), 칼슘(Ca), 스트론튬(Sr), 베릴륨(Be)과 같은 비천이 금속 원소를 더 포함일 수 있다. 또한, 상기 알루미늄 합금은, 상기 천이 금속을 함유하는 기성 합금일 수 있다. 예를 들면, 상기 기성 합금으로서, 아공정 또는 과공정의 Al-Si계 합금, Fe가 0.2~0.3 중량비로 포함된 A356 합금 또는 Fe가 0.5~0.7 중량비로 포함된 A6061 합금이 있다.

본 명세서에서는, 전술한 천이 금속들 중 용탕 형태로 제공되는 출발 물질로서 알루미늄 합금 내에 실제로 포함된 종류의 천이 금속을 제 1 천이 금속이라 하며, 상기 알루미늄 합금 내에 포함되지 않은 천이 금속이면서 상기 제 1 천이 금속과 다른 종류의 천이 금속을 제 2 천이 금속이라 지칭하기도 한다. 예를 들면, 출발 물질인 상기 알루미늄 용탕 내에 합금 원소로서 천이 금속인 크롬(Cr), 철(Fe) 및 망간(Mn)이 함유되어 있다면, 본 명세서에서 상기 알루미늄 용탕 자체에 미리 함유된 상기 크롬(Cr), 철(Fe) 및 망간(Mn)은 제 1 천이 금속들이라고 지칭될 수 있다. 일 실시예에서, 제 1 천이 금속들을 미리 포함하는 알루미늄 용탕 내에, 제 1 천이 금속들 중 적어도 어느 하나와 비금속 원소의 화합물의 나노 입자를 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가하여, 이로부터 주조재를 형성한 후, 열처리를 통해 상기 실리콘 단일상 및 비금속원소가 포함된 실리콘 석출 화합물을 형성할 수 있다.

다른 실시예에서는, 상기 알루미늄 용탕 내에 상기 제 1 천이 금속이 미리 포함되어 있으므로, 비천이 금속과 비금속 원소의 화합물의 나노 입자를 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가하고, 주조재를 형성한 후, 열처리를 통해 알루미늄계 기지 내에 실리콘 단일상과 비금속 원소를 포함하는 실리콘 석출 화합물을 형성할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 알루미늄 용탕 내에 크롬(Cr) 및 철(Fe)만이 함유되고 망간(Mn)이 존재하지 않는 경우라면, 상기 제 1 천이 금속은 크롬(Cr)과 철(Fe)이고, 상기 알루미늄 용탕에 함유되지 않은 망간(Mn)은 제 2 천이 금속이라 지칭될 수 있다. 제 2 천이 금속은 후술하는 것과 같이, 상기 알루미늄 용탕 내에 상기 제 2 천이 금속과 비금속 원소의 화합물의 분말을 첨가하고 주조재를 형성한 후, 열처리를 통해 알루미늄계 기지 내에 상기 제 1 천이 금속 및 제 2 천이 금속 중 적어도 어느 하나를 포함하는 3원 석출 화합물을 형성할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 상기 알루미늄 용탕 내에는 어떠한 천이 금속도 존재하지 않는 경우로서, 이때 상기 제 2 천이 금속과 비금속 원소의 화합물의 분말을 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가하고, 주조재를 형성한 후, 열처리를 통해 알루미늄 기지 내에 상기 제 2 천이 금속을 포함하는 3원 석출 화합물을 형성할 수도 있다.

상기 알루미늄 용탕 내에, 산소(O), 질소(N) 및 탄소(C) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 비금속 원소 함유 전구체(예컨대, 금속산화물 나노 입자 분말)가 첨가되어 혼합될 수 있다(S20). 이후, 상기 첨가된 비금속 원소 함유 전구체는, 상기 용탕 내에서 분해되어, 상기 용탕 내에 상기 비금속 원소가 과포화될 수 있다(S30). 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 상기 제 1 천이 금속과 상기 비금속 원소 사이의 화합물인 제 1 반응 화합물, 상기 제 1 천이 금속과 다른 종류의 천이 금속인 상기 제 2 천이 금속과 상기 비금속 원소 사이의 화합물인 제 2 반응 화합물일 수 있다. 또 다른 실시예에서는, 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 비천이 금속 원소와 상기 비금속 원소 사이의 화합물인 제 3 반응 화합물일 수도 있다.

일 실시예에서, 상기 알루미늄 용탕 내에 알루미늄 합금 원소로서 제 1 천이 금속인 아연(Zn)이 존재하는 경우, 상기 제 1 반응 화합물은, 예를 들면, 제 2 천이 금속인, 예를 들면, 크롬을 포함하는 산화물(CrO2)일 수 있으며, 상기 제 1 반응 화합물을 포함하는 비금속 함유 전구체가 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가될 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 비천이 금속 원소인 예를 들면 실리콘을 함유하는 실리콘 산화물(SiO2)과 같은 제 3 반응 화합물을 포함할 수도 있다. 알루미늄 용탕 내에 이미 제 1 천이 금속이 존재하는 경우에는, 상기 비금속 원소 함유 전구체로서 상기 제 3 반응 화합물을 사용하여, 주조화된 알루미늄계 기지 내에 알루미늄, 제 1 천이 금속 및 비금속 원소의 3원 석출 화합물을 형성할 수도 있다.

또한, 상기 용탕 내에 합금 원소로서 아연, 타이타늄, 구리, 및 철과 같은 천이 금속이 포함되지 않은 경우, 상기 비금속 함유 전구체는 제 2 천이 금속과 비금속 원소의 화합물인 제 2 반응 화합물로서, 아연 산화물(ZnO), 타이타늄 산화물(TiO2), 구리 산화물(CuO2), 철 산화물(Fe2O3), 구리 질화물(CuN), 철 질화물(FeN), 아연 질화물(ZnN), 타이타늄 질화물(TiN), 마그네슘 질화물(MgN) 또는 이의 혼합물을 포함하는 비금속 함유 전구체가 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가될 수 있다. 이들은, 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

또 다른 실시예에서, 상기 비금속 원소 함유 전구체는 천이 금속이 아닌 비천이 금속 원소와 비금속 원소 사이의 제 3 반응 화합물일 수 있다. 예를 들면, 상기 제 3 반응 화합물은, 비천이 금속 원소인, 알루미늄(Al), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 또는 텅스텐(W)과 상기 비금속 원소 사이의 반응 화합물인, 알루미늄 산화물(Al2O3), 알루미늄 질화물(AlN), 마그네슘 산화물(MgO2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 탄화물(SiC), 실리콘 질화물(Si3N4), 텅스텐 산화물(WO), 텅스텐 산화물(WN) 또는 이의 혼합물일 수 있으며, 이는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 상기 비금속 원소 함유 전구체인, 상기 제 1 내지 제 3 반응 화합물은, 단독으로 또는 적어도 2 종 이상이 서로 혼합되어 상기 용탕 내에 첨가될 수도 있다.

일 실시예에서, 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 비표면적이 크고 쉽게 고온 분해가 가능하도록 분말 형태로 제공될 수 있다. 예를 들면, 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 5 nm 내지 50 nm 범위 내의 평균 직경을 가질 수 있다. 50 nm 이상의 경우에는, 비금속 원소 함유 전구체의 분해가 어려워 후술하는 석출 화합물의 형성이 어려울 수 있다. 전술한 제 1 반응 화합물과 제 2 반응 화합물은 단독으로 또는 서로 혼합되어 용탕 내에 첨가될 수도 있다.

일 실시예에서, 상기 비금속 원소 함유 전구체는, 용탕 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5.0 중량%의 범위 내로 혼합될 수 있다. 상기 비금속 원소 함유 전구체의 혼합량이 0.1 중량% 미만에서는, 알루미늄 합금의 용탕 내에서 비금속 원소가 과포화되기 어려우며, 반대로 5.0 중량%를 초과하는 경우에는, 알루미늄 기지 전체에 걸쳐 3 개 성분인 알루미늄-천이 금속-비금속 원소 사이의 균일한 조성을 갖는 석출 화합물의 형성이 어려워지고, 오히려 과량의 비금속 원소 함유 전구체가 용탕 내에 존재하는 경우, 천이 금속과 비금속 원소 사이의 반응 화합물 또는 알루미늄과 비금속 원소 사이의 반응 화합물과 같은 제 2 상의 생성이 촉진될 수 있다. 상기 비금속 원소는, 상기 비금속 원소 함유 전구체의 조성 범위 내에서, 상온 기준에서 알루미늄계 기지의 알루미늄 대비 과포화가 가능하도록 고용 한계치를 넘어 혼합될 수 있다.

상기 비금속 원소가 균일하게 혼합되어 과포화된 상기 용탕이 고화되어 알루미늄계 기지, 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자들 및 상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하는 주조재를 형성할 수 있다(S40). 상기 용탕의 고화는, 상기 용탕을 냉각시킴으로서 달성될 수 있다.

이후, 상기 알루미늄계 기지는 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 또는 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물을 포함하고, 상기 실리콘 결정 입자들은 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함하도록, 상기 고화된 주조재를 열처리하는 단계를 수행할 수 있다. 상기 실리콘-비금속 원소 반응 화합물의 비금속 원소도 적어도 1 종 이상의 비금속 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 실리콘-산소간 2원 반응 화합물이거나, 비금속 원소인 상기 산소 이외에 또는 상기 산소를 대체하여 다른 비금속 원소인 질소, 탄소 또는 이들 모두를 포함할 수도 있다.

상기 석출 화합물은, 후술하는 것과 같이 고화를 위한 냉각 과정에서 형성되기 보다는 열처리를 통해서 상기 알루미늄계 기지 내에서 안정적으로 형성된다. 그 결과, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 석출 화합물은, 비열처리 합금에 비하여 편석이나 응집 현상 없이 알루미늄계 기지 내에서 균일하게 형성될 수 있다.

상기 열처리는, 120 ℃ 내지 600 ℃의 범위 내에서 수행될 수 있다. 상기 120 ℃ 미만에서는 반응 화합물의 석출이 일어나지 않을 수 있으며, 600 ℃ 를 초과하는 경우에는 알루미늄계 기지가 용융되고, 석출 화합물 생성된다 하더라도 이들이 서로 응집되어 균일하게 분산된 알루미늄 합금 조직을 얻을 수 없다.

일 실시예에서, 상기 열처리는 단일 또는 적어도 2 이상의 가열 단계들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 고화된 결과물을 540 ℃ 에서 12 시간, 그리고, 160 ℃에서 8 시간 동안 열처리를 수행할 수 있다. 상기 온도 범위와 시간은 예시적이며, 상기 석출 화합물의 응집과 편석이 일어나지 않는 조건에서 적절히 선택될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열처리하기 이전에 주조재를 소성 가공하여 가공 경화시키는 단계가 더 수행될 수도 있다(S45). 상기 소송 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 가공은 용체화 처리 후 냉간 가공 없이 인공 시효 처리될 수도 있다. 상기 소성 가공을 통하여 전술한 석출 화합물이 상기 알루미늄계 기지 내에서 추가 형성되거나, 상기 석출 화합물이 변형에 의해 생성된 전위와 강한 상호 작용을 함으로써 알루미늄 합금의 강도가 더욱 향상될 수 있다.

하기의 실시예들은 특정 실험예에 관한 것이지만, 이는 본 발명을 한정하기 위함이 아니라, 예시를 위한 대표적 실시예이며, 천이 금속들이 공통적으로 갖는 전기적, 화학적 및 물리적 특성으로부터 실험예 이외의 실시예들에서도 본 발명에 포함된다.

실험예

알루미늄 합금과 제 1 천이 금속으로서 철과 비천이 금속인 실리콘을 포함하는 알루미늄 합금(예, Al-6.5Si-0.2Fe 합금)을 전기 가열로를 이용하여 용해시켜 용탕을 형성한다. 이후, 비금속 원소 함유 전구체로서, 평균 크기가 5 nm 내지 50 nm의 범위 내인 30 nm인 아연 산화물 입자들 또는 분말을 상기 용탕 내에 첨가하여 분해시켰다. 상기 아연 산화물 입자들은, 상기 용탕의 전체 중량% 대비 0.01 중량% 내지 5.0 중량%의 범위 내인 약 1 중량% 또는 1.5 중량% 만큼 투입 및 교반하였다. 상기 알루미늄 합금의 용탕 내에 비금속 원소를 과포화시키고, 이를 그대로 고화시켜, 비금속 원소인 산소가 과포화된 알루미늄 합금의 주조재를 형성하였다. 이후, 상기 주조재에 대해 T6 열처리를 수행하였다.

이하 도 3a 내지 도 3d, 도 4a 내지 도 4b, 도 5a 내지 도 5c, 도 6a 내지 도 6b 및 도 7a 내지 도 7b에 도시된 알루미늄 합금은, 본 발명의 실시예에 따라 약 1.0 wt.% 만큼 ZnO 전구체가 첨가되어 형성된 알루미늄 합금 주조재에 대하여, 540 ℃에서 12 시간, 160 ℃에서 8 시간 T6 열처리를 한 후의 석출 화합물이 형성된 알루미늄 합금이다.

도 3a 및 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리에 의해 알루미늄계 기지 내의 석출 화합물을 나타내는 투과전자현미경 이미지이다.

도 3a를 참조하면, 검은 점들은 알루미늄 원자들을 나타내며 밝은 영역은 실리콘 결정 입자를 나타내는 것으로서, 실리콘 결정 입자 내에 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들이 고용되거나 알루미늄 미세 결정체로 형성되는 것을 알 수 있다.

도 3b는 상기 석출 화합물을 포함하는 알루미늄 합금의 변형 거동을 관찰하기 위하여, 상기 알루미늄 합금을 약 15 % 정도로 인장 변형시킨 후에 투과전자현미경으로 관찰하였다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄계 기지 내에 형성된 실리콘 나노 입자로서 정의되는 석출 화합물(NP)이 전위(DL)와 강한 상호 작용을 하는 것을 확인할 수 있다.

도 3c를 참조하면, 알루미늄(Al)계 기지 내에 실리콘 결정 입자로부터 확산된 실리콘 원자들이 고용되거나 실리콘 미세 결정체로 형성되는 것을 알 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 실시예에서는 알루미늄(Al)계 기지 내에 실리콘 결정 입자로부터 확산된 실리콘 원자들은 적어도 하나의 미세 결정체를 포함할 수 있다. 상기 미세 결정체는 다이아몬드 결정구조 FCC(면심입방구조)가 아니라 비금속 원소와 결합하거나 비금속 원소의 영향으로 인해 변형된 다이아몬드 결정구조 FCC를 갖는다.

도 3d를 참조하면, 상기 석출 화합물이 알루미늄 기지 계면과 우호적인 정합계면을 이루고 있는 이미지이다.

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 내 형성된 새로운 반응 화합물인 실리콘 상을 보여주는 이미지이며, 도 4b는 전자 에너지 손실 분광 분석(Electron Energy Loss Spectroscopy; EELS)에 의해 분석된 점선 원형으로 표시된 영역의 성분 분석을 도시한 그래프이다.

도 4a을 참조하면, 알루미늄 합금 내 형성된 새로운 반응 화합물인 실리콘 상들이 분산되어 있는 것을 알 수 있다. 여기서, 새로운 반응 화합물은 실리콘 단결정 상이거나, 산소 원소들과 실리콘 원소들을 포함하는 석출화합물의 상일 수 있다. 상기 석출화합물의 상은 변형된 실리콘 단결정 상으로써, 이는 산소 원소와 반응하여 산소 원소에 영향을 받아, 실리콘 단결정 상이 변형된 것으로 사료된다.

도 4b를 참조하면, 실리콘 상을 포함하는 점선 원형 내의 성분은 80 % 정도의 실리콘 원소들, 15% 정도이 알루미늄 원소 그리고 5% 정도의 산소 원소들을 포함한다. 이때, 알루미늄 성분은 용탕 내에 존재하는 알루미늄 합금으로부터 유래하는 성분이며, 상기 석출 화합물의 조성과 무관하다. 상기 실리콘 상을 포함하는 점선 원형 내의 성분 결과로부터 순수한 실리콘 단결정이 아닌 산소와 결합하거나 산소로부터 영향을 받아 변형된 실리콘 결정이 존재하는 것을 유추할 수 있다. 또한, 상기 석출 화합물은 종래의 알루미늄 합금에서 석출되지 않는 실리콘-비금속 원소간 새로운 반응 화합물로서, 알루미늄 기지와 매우 우호적인 계면을 형성하며 알루미늄 기지내 전위와 강한 상호 작용을 하여 강도를 향상시키는 것으로 판단된다.

도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 열처리 후의 계면을 통한 상호 확산 발생을 설명하기 위한 주사전자 현미경 이미지이다. 도 5b는 도 5a의 사각형 영역을 3배 확대한 것이며, 도 5c는 도 5a의 사각형 영역을 15배 확대한 것이다.

도 5a 내지 도 5c를 참조하면, 밝은 영역은 알루미늄 합금 내 실리콘(Si) 결정 입자를 나타내며, 어두운 영역은 알루미늄(Al)계 기지를 나타내며, 알루미늄(Al)계 기지와 실리콘(Si) 결정 입자 사이의 계면에 분포된 검은 점들은 알루미늄(Al)계 기지에서 실리콘(Si) 결정 입자로 확산된 알루미늄(Al)계 기지 내의 일부 알루미늄 원자들을 나타낸다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 전 알루미늄 합금에서 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면을 확대하여 보여주는 이미지이고, 도 6b는 열처리 전 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면 상에 대한 성분 분석을 도시한 그래프이다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 알루미늄 합금 내의 실리콘 결정 입자는 실리콘 원자들이 알루미늄 원자들 및 산소 원자들보다 상대적은 많은 영역을 지칭하며 알루미늄계 기지는 알루미늄 원자들이 실리콘 원자들 및 산소 원자들보다 상대적은 많은 영역을 지칭한다. 산소 같은 비금속 원소들은 전반적으로 알루미늄 합금 내에 고용되거나 결정체로 존재할 수 있다. 이때. 알루미늄계 기지 내의 산소 원소의 밀도가 실리콘 결정 입자 내의 산소 원소의 밀도보다 높을 수 있다. 이는 실리콘 원소가 산소 같은 비금속 원소보다 알루미늄 원소와 반응성이 우수하고 반면 알루미늄 원소는 실리콘 원소보다는 산소 같은 비금속 원소보다 알루미늄 원소와 반응성이 우수하기 때문인 것으로 사료된다. 또한, 열처리 전 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면 상에는 존재하는 산소 원소들이 알루미늄 원소들 또는 실리콘 원소들보다 상대적으로 적다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 후 알루미늄 합금에서 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면을 확대하여 보여주는 이미지이고, 도 7b는 열처리 후 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면 상에 대한 성분 분석을 도시한 그래프이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 알루미늄 합금 내의 실리콘 결정 입자는 실리콘 원자들이 알루미늄 원자들 및 산소 원자들보다 상대적은 많은 영역을 지칭하며 알루미늄계 기지는 알루미늄 원자들이 실리콘 원자들 및 산소 원자들보다 상대적은 많은 영역을 지칭한다. 산소 같은 비금속 원소들은 전반적으로 알루미늄 합금 내에 고용되거나 결정체로 존재할 수 있다. 그러나, 열처리 전과 다르게, 열처리 후에는 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 계면 상에는 존재하는 산소 원소의 밀도가 알루미늄계 기지 내의 산소 원소의 밀도 또는 실리콘 결정 입자 내의 산소 원소의 밀도보다 높을 수 있다. 이는 열처리가 진행되면 산화물 또는 질화물이 형성되지 않기 때문에 열적으로 불안정한 비금속 원소들이 계면으로 집중되는 것으로 보인다. 이로 인해, 실리콘 결정 입자 내에 존재하는 적어도 일부 알루미늄 원소들이 계면을 통해 알루미늄계 기지로 확산되고, 반면 알루미늄계 기지 내에 존재하는 적어도 일부 실리콘 원소들이 계면을 통해 실리콘 결정 입자로 확산됨으로써, 이는 실리콘 결정 입자 내에 알루미늄 원소들이 줄어들고, 알루미늄계 기지 내에 실리콘 원소들이 줄어들기 때문인 것으로 사료된다.

열처리 후 계면에 증가된 산소 원소들로 인해, 알루미늄계 기지와 실리콘 결정 입자 사이의 상호 확산의 활성화 에너지가 낮아지며, 이로 인해 열처리 전보다 열처리 후 상호 확산이 쉽게 발생되어 계면 주변에 실리콘 단일상 또는 실리콘 원자들과 산소 원자들을 포함하는 이원 석출화합물이 더 많이 생성될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 분산 분광 분석 (Energy Dispersive spectroscopy; EDS)에 의해 분석된 상기 석출 화합물의 성분을 도시하는 이미지이다.

도 8를 참조하면, (a)는 실리콘 단일상 또는 실리콘-비금속원소를 포함하는 석출 화합물의 성분을 이미지이며, (b)는 석출 화합물의 성분 중 알루미늄 성분만을 보여주는 이미지이고, (c)는 석출 화합물의 성분 중 실리콘 성분만을 보여주는 이미지이고, (d)는 석출 화합물의 성분 중 비금속 원소인 산소 성분만을 보여주는 이미지이다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금과 비교예에 따른 알루미늄 합금의 시효 열처리 시간에 따른 경도 측정 결과를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, Al-6.5Si-0.2Fe 합금의 용탕에 ZnO의 전구체 분말을 첨가하여 주조재를 형성하고, 이를 열처리하여 제조된 것이다. 비교예의 알루미늄 합금은 상기 알루미늄 용탕에 전구체 분말을 첨가하지 않고 주조재를 형성하고 동일 조건으로 열처리하여 제조된 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금(점선 곡선)은 비교예에 따른 알루미늄 합금에 비하여 약 15 % 이상으로 경도가 향상됨을 알 수 있다.

전술한 것과 같이 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-천이 금속-비금속 원소 사이의 석출 화합물을 포함하는 알루미늄 합금은 주조 공정과 열처리 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 전술한 실험예는 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들면, 비금속 원소인 상기 산소와 유사한 정도의 안정된 3 성분계 반응 화합물을 형성할 수 있는 비금속 원소인 질소 및 탄소의 경우에도 알루미늄계 기지 내에서 균일하게 석출 화합물을 형성하여 알루미늄 합금의 강도를 향상시킬 수 있음을 이해하여야 한다.

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 (15)

1. 천이 금속 원소를 포함하는 알루미늄계 기지;
   상기 알루미늄계 기지 내에 분산되며, 아공정 Al-Si 합금 형성을 위한 12.6 중량% 이하의 함유량을 갖는 실리콘 결정 입자들; 및
   상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하며,
   상기 알루미늄계 기지는 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 및 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 석출 화합물 중 적어도 상기 석출 화합물을 포함하되, 상기 석출 화합물은 상기 실리콘 원자와 상기 비금속 원소의 2원 석출 화합물이고,
   상기 실리콘 결정 입자들은, 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함하고,
   상기 천이 금속 원소는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 천이 금속 원소의 함유량은 0.1 내지 0.5 중량% 범위이며, 상기 비금속 원소는 산소, 질소, 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 석출 화합물의 평균 크기는 상기 실리콘 결정 입자의 평균 크기보다 작은 알루미늄 합금.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 석출 화합물의 평균 크기는 10 nm 내지 100 nm의 범위 내의 알루미늄 합금.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 비금속 원소는, 상기 알루미늄 합금 내에 과포화된 알루미늄 합금.
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 석출 화합물은 열처리에 의해 생성된 것인 알루미늄 합금.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 석출 화합물은 상기 복수의 계면들 주변에 편재되는 알루미늄 합금.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 실리콘 결정 입자들 내에 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원소의 함유량은 전체 알루미늄 함유량 중 5 내지 20 중량%이며,
   상기 알루미늄 기지 내에 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 실리콘 원소의 함유량은 전체 실리콘 함유량 중 5 내지 20 중량%을 갖는 알루미늄 합금.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 비금속 원자들의 일부는, 상기 알루미늄 합금 전체 중량의 0.1 중량% 내지 5.0 중량%의 첨가된 금속산화물 나노 입자로부터 분해되어 상기 석출 화합물을 형성하는 알루미늄 합금.
11. 알루미늄, 아공정 Al-Si 합금 형성을 위한 12.6 중량% 이하의 함유량을 갖는 실리콘 및 천이 금속 원소를 포함하는 알루미늄 합금의 용탕을 제공하는 단계;
    상기 용탕 내에, 금속산화물 나노 입자들을 첨가하는 단계;
    상기 용탕 내에서 상기 금속산화물 나노 입자들을 분해시켜 상기 용탕 내에 비금속 원소를 과포화시키는 단계;
    상기 용탕을 고화시켜, 알루미늄계 기지, 상기 알루미늄계 기지 내에 분산된 실리콘 결정 입자들 및 상기 알루미늄계 기지와 상기 실리콘 결정 입자들 사이에 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 복수의 계면들을 포함하는 주조재를 형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄계 기지는 상기 계면들을 통해 상기 실리콘 결정 입자들로부터 확산된 적어도 하나의 실리콘 원자 및 상기 실리콘 원자와 상기 1 종 이상의 비금속 원소를 포함하는 2원 석출 화합물 중 적어도 상기 2원 석출 화합물을 포함하고, 상기 실리콘 결정 입자들은 상기 알루미늄계 기지로부터 확산된 알루미늄 원자들의 나노 결정체를 포함하도록, 상기 고화된 주조재를 열처리하는 단계를 포함하고,
    상기 천이 금속 원소는 철(Fe), 크롬(Cr) 및 망간(Mn) 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 상기 천이 금속 원소의 함유량은 0.1 내지 0.5 중량% 범위이며, 상기 비금속 원소는 산소, 질소, 및 탄소 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    알루미늄 합금의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노 입자는, 5 nm 내지 50 nm 범위 내의 평균 직경을 갖는 분말 형태로 상기 용탕 내에 첨가되는 알루미늄 합금의 제조 방법.
13. 제 11 항에 있어서,
    상기 금속산화물 나노 입자는 상기 용탕 전체 중량 대비 0.1 중량% 내지 5.0 중량%의 범위 내로 첨가되는 알루미늄 합금의 제조 방법.
14. 제 11 항에 있어서,
    상기 고화된 주조재를 열처리하기 이전에, 상기 고화된 주조재를 소성 가공하여 가공 경화시키는 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
15. 제 11 항에 있어서,
    상기 열처리는 용체화 처리 및 시효 처리를 포함하며, 120 ℃ 내지 600 ℃의 범위 내에서 수행되는 알루미늄 합금의 제조 방법.
    

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