KR102216957B1 - 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금 - Google Patents

공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금 Download PDF

Info

Publication number
KR102216957B1
KR102216957B1 KR1020190053043A KR20190053043A KR102216957B1 KR 102216957 B1 KR102216957 B1 KR 102216957B1 KR 1020190053043 A KR1020190053043 A KR 1020190053043A KR 20190053043 A KR20190053043 A KR 20190053043A KR 102216957 B1 KR102216957 B1 KR 102216957B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
aluminum alloy
improving agent
content
magnesium
Prior art date
Application number
KR1020190053043A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102216957B9 (ko
KR20200128909A (ko
Inventor
정성수
이영철
김병주
황수빈
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020190053043A priority Critical patent/KR102216957B1/ko
Publication of KR20200128909A publication Critical patent/KR20200128909A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102216957B1 publication Critical patent/KR102216957B1/ko
Publication of KR102216957B9 publication Critical patent/KR102216957B9/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C22B21/0038—Obtaining aluminium by other processes
    • C22B21/0053—Obtaining aluminium by other processes from other aluminium compounds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C2202/00—Physical properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)

Abstract

본 발명의 일 형태인 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 제조방법은 아연(Zn) 0 ~ 10.0 wt%, 규소(Si) 4.0 ~ 8.0 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5 ~ 6.0 wt%, 구리(Cu) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에, 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계 처리된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하는 제 2 단계;를 포함하고 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이다. 별도의 후처리 공정 없이 주조단계에서 개량화제를 첨가하여 공정 Mg2Si상의 형태를 개량함을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일 형태인 상기 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 합금은 마그네슘을 저함량 첨가하면서 주조공정 중 인화 등의 문제를 해결하되, 초정 Mg2Si 강화상을 통해 확보한 강도와 상응하는 수준의 기계적 물성을 가질 수 있음을 특징으로 한다.

Description

공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금 {Method for preparing aluminium alloy by controling shape of eutectic Mg2Si and aluminium alloy by the same}
본 발명은 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공정 Mg2Si상을 미세한 구상형태로 석출해 항복강도, 인장강도 및 연신율이 향상된 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 관한 것이다.
고온에서의 기계적 특성과 크립 특성을 개선하기 위해 Al-Mg계 합금이 개발 및 사용되고, 규소(Si)의 첨가로 밀도, 탄성계수, 열팽창 계수가 낮으며 높은 융점(1085℃)을 가진 Mg2Si상을 형성하여 알루미늄 합금의 강도를 향상시키고 있다.
알루미늄 합금의 Mg2Si상은 초정(Primary) Mg2Si와 공정(eutectic) Mg2Si로 나누어진다. 알루미늄 합금 내부 마그네슘과 규소의 함량이 높을 경우 초정 Mg2Si상과 공정 Mg2Si상이 생성되며, 마그네슘과 규소의 함량이 낮을 경우 공정 Mg2Si상만 생성된다. 일반적인 주조공정으로 제조된 초정 Mg2Si상은 조대한 수지상정 형태이며, 공정 Mg2Si상은 중국 한자와 닮은 침상(Chinese scrip) 형태로 형성된다. 두 형태 모두 외부에서 작용하는 힘에 의한 파괴가 쉽게 발생하여 편석의 원인이 되므로 대한민국 공개특허 제10-2013-0012651호와 같이 마그네슘의 함량을 제한하는 문제가 있다. 나아가 마그네슘은 융점도 낮고, 고온에서 쉽게 산화되어 대형 주조생산시설에서 제조함에 한계가 있다.
마그네슘의 함량이 제한되는 문제를 해결하기 위해 Mg2Si를 구형(polygonal type)으로 개량하는 연구가 이루어지고 있다. 주조로 제조된 상의 형태를 변화시키는 방법은 크게 후처리 공정으로 급속 응고, 용탕 활성화, 소성가공 등을 이용하거나, 주조 중 합금원소 첨가하여 상의 형태 변화시키는 방법이 사용되고 있다. 초정 Mg2Si상의 형상 변화에 관한 연구는 많이 진행되었지만, 공정 Mg2Si상의 형상 변화에 대한 연구는 오직 후처리 공정을 통해서만 진행되고 있다.
따라서 고강도 알루미늄 합금을 제조하기 위해 별도의 후처리 공정과정을 거치지 않으면서 기존 생산공정에 바로 적용이 가능하도록 공정 Mg2Si상의 주조상을 변화시켜야 하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허 제10-2013-0012651호
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 TiB2가 포함된 개량화제 Al-5Ti-1B를 첨가 및 교반하여 공정 Mg2Si상을 미세한 구형태로 석출하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
본 발명은 상기 공정 Mg2Si상을 미세한 구형태로 석출하는 알루미늄 합금 제조방법으로 제조된 알루미늄 합금을 제공하는 것을 다른 기술적 해결과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은,
Zn(아연) 0 ~ 10.0 wt%, Si(규소) 4.0 ~ 8.0 wt%, Mg(마그네슘) 0.5 ~ 6.0 wt%, Cu(구리) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하는 제 1 단계; 및
상기 제 1 단계 처리된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하는 제 2 단계; 를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다. 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이다.
상기 개량화제 Al-xTi-yB는 TiAl3와 TiB2 입자를 포함할 수 있다.
상기 TiB2 입자의 직경은 0.1 ~ 20㎛를 가질 수 있다.
상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B, Al-5Ti-0.2B, Al-10Ti-0.4B, Al-1.6Ti-1.4B, Al-1.2Ti-0.5B, Al-3Ti-3B, Al-1Ti-3B로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Ti의 함량이 최종 합금 기준으로 0.2 ~ 2.0 wt%를 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은,
Zn(아연) 0 ~ 10.0 wt%, Si(규소) 4.0 ~ 8.0 wt%, Mg(마그네슘) 0.5 ~ 6.0 wt%, Cu(구리) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하고, 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이며, 개량화제가 첨가된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하여 제조된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 제조방법은 별도의 후처리 공정 없이 기존 공정에 개량화제를 첨가하여 구형태의 공정 Mg2Si 강화상 형성을 통해 고강도 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은 소량의 마그네슘 첨가만으로 공정 강화상 형성하여 마그네슘 첨가로 인한 생산의 어려움을 줄이면서 강화 성능을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개량화제로 사용된 Al-5Ti-1B의 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 비교예에 따른 Mg2Si 강화상의 수지상정 형태와 침상 형태의 결정 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiB2의 001면과 Mg2Si의 200면을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 공정 Mg2Si상의 미세조직 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 공정 Mg2Si상의 결정조직 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로 구현된 공정 Mg2Si상의 결정조직 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 알루미늄 합금의 Ti wt% 함량에 따른 강도와 연신율을 나타낸 그래프이다.
이하에서 본 발명의 구체적인 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 명세서에서 '개량화제'는 기지상 핵생성처를 제공하여 결정립 미세화 효과를 가지는 성분으로 원소, 분자 등의 물질 또는 미량의 화합물을 포함한다. '강화상'은 합금 내부에서 강도를 향상시키는 성분을 의미한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, Zn(아연) 0 ~ 10.0 wt%, Si(규소) 4.0 ~ 8.0 wt%, Mg(마그네슘) 0.5 ~ 6.0 wt%, Cu(구리) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에, 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하는 제 1 단계; 및 상기 제 1 단계 처리된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하는 제 2 단계; 를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다. 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이다.
먼저 개량화제를 첨가하는 제 1 단계에 대하여 설명한다.
합금원료는 아연(Zn) 0 ~ 10.0 wt%, 규소(Si) 4.0 ~ 8.0 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5 ~ 6.0 wt%, 구리(Cu) 0 ~ 4.0 wt% 를 포함하고 잔부는 알루미늄 및 기타 불순물이 포함될 수 있다.
아연은 알루미늄의 고용 범위 내에서 첨가 시 강화 효과를 나타낼 수 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에는 아연 0 ~ 10.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 6.0 ~ 8.0 wt%가 포함할 수 있다. 아연의 함량이 10.0 wt%를 초과하는 경우에는 연신율이 급격히 감소되므로 바람직하지 못하다.
규소는 용탕의 유동성을 향상시켜 주조성에 영향을 주며, 마그네슘 및 구리와의 반응으로 화합물을 형성하여 강도에 주요한 역할을 할 수 있다. 본 발명에서는 규소 4.0 ~ 8.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5.0 ~ 7.0 wt%를 포함할 수 있다. 규소의 함량이 4.0 wt% 미만인 경우에는 충분한 강화효과 및 주조성 확보가 어려우며, 8.0 wt%를 초과하는 경우에는 조대 규소 입자가 형성되어 가공성에 연신율에 문제를 발생시킬 수 있으므로 바람직하지 못하다.
마그네슘은 규소와 함께 Mg : Si = 2 : 1 비율로 정량반응 하여 Mg2Si를 생성하여 강화효과를 기대할 수 있다. 본 발명에서 마그네슘 함량은 0.5 ~ 6.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3.0 ~ 5.0 wt% 포함할 수 있다. 마그네슘 함량을 최소 0.5 wt%를 첨가하여 인성 및 강도를 확보할 수 있지만, 마그네슘 함량이 6.0 wt%를 초과하는 경우에는 마그네슘의 인화성으로 고온에서 쉽게 산화되며, 화재 발생이 쉽기에 대형 주조생산시설에서 제조하는 톤(ton) 단위의 알루미늄 용탕에 활용하기 어려워 바람직하지 못하다.
구리가 첨가된 경우, 마그네슘의 함량 wt%는 구리의 함량 wt%과 동일하거나 초과하는 함량 wt%를 첨가함이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 구리의 함량보다 초과하여 첨가할 수 있다. 마그네슘의 함량 wt%가 구리의 함량 wt% 미만으로 첨가된 경우 Mg2Si가 생성되지 않을 수 있다. 예를 들어, 2 wt%의 구리가 첨가된 경우, 2 wt% 이상의 마그네슘이 첨가되어야 Mg2Si가 생성될 수 있다.
구리(Cu)는 알루미늄, 규소, 마그네슘과 반응하여 Al5Cu2Mg8Si6 금속간 화합물을 형성하는 원소이다. 본 발명에서 구리의 함량은 0 ~ 4.0 wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 1.5 ~ 3.0 wt%를 포함할 수 있다. 구리의 함량이 4 wt%를 초과하면 Mg2Si의 생성이 저해되므로 바람직하지 못하다.
알루미늄(Al), 아연(Zn), 규소(Si), 구리(Cu), 마그네슘(Mg)에 더하여 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni), 티타늄(Ti), 주석(Sn) 등의 물질이 강도, 연신율, 피로, 내식성 등 다양한 구조재료로서의 특성 향상 목적을 위해 추가로 포함될 수 있다. 이 때 각각의 물질은 전체 알루미늄 주조재 100 wt%에 대해 0.1 ~ 5.0 wt%를 첨가될 수 있다.
합금원료 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가할 수 있다. 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0일 수 있다. 바람직하게는 x는 1.0 ~ 7.0 이고 y는 0.2 ~ 1.5일 수 있다. 더욱 바람직하게는 x는 3.0 ~ 5.0이고 y는 0.2 ~ 1.0일 수 있다.
개량화제는 TiAl3와 TiB2 입자를 포함할 수 있다. TiAl3와 TiB2 입자의 녹는점은 각각 1340℃와 3230℃로 매우 높으며, 일반적인 알루미늄 합금의 녹는점인 500 ~ 600℃에서 쉽게 용해되지 않는 특성을 가지고 있다. 개량화제는 모합금(master alloy), 봉(rod) 형태로 첨가될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
TiB2 입자는 0.1 ~ 20㎛의 직경을 가질 수 있다. 바람직하게는 0.5 ~ 10.0㎛의 직경을 가질 수 있다. 더 바람직하게는 0.5 ~ 4.0㎛의 직경을 가질 수 있다. 직경이 0.1㎛ 미만일 경우 입자와 기지상 간의 젖음성(wettability)이 낮아 기지상의 핵생성이 어려워지는 문제점을 가질 수 있으며, 작은 입자들이 서로 뭉치는 힘인 반데르발스 힘(vander waals force)에 의해 서로 응집되어 응집체를 형성함에 따라 액상의 용융금속과 쉽게 섞이지 않을 수 있다. 이러한 응집체는 반응을 위한 표면적이 감소된다는 관점에서 바람직하지 못하다. 직경이 20㎛를 초과할 경우 TiB2로부터 성장하는 공정 Mg2Si상의 크기 또한 조대하게 성장하여 바람직하지 못하다.
알루미늄 합금 내부의 공정 Mg2Si상은 TiB2의 양에 영향을 받는다. 즉, 개량화제가 많이 첨가될수록 보다 많은 공정 Mg2Si상의 형태가 개량될 수 있다.
개량화제는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B, Al-5Ti-0.2B, Al-10Ti-0.4B, Al-1.6Ti-1.4B, Al-1.2Ti-0.5B, Al-3Ti-3B, Al-1Ti-3B으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B일 수 있고, 더욱 바람직하게는 Al-5Ti-1B일 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개량화제로 사용된 Al-5Ti-1B의 미세조직 사진이다.
개량화제는 Ti의 함량이 최종합금 기준으로 0.2 ~ 2.0 wt%를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 0.8 ~ 2.0 wt%를 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는 1.0 ~ 1.5 wt%를 포함할 수 있다. Ti의 함량이 0.2 wt% 미만인 경우에는 제조된 알루미늄 합금의 항복강도, 인장강도 및 연신율 향상효과가 미미할 수 있고, Ti의 함량이 2.0 wt%를 초과하는 경우 조대한 TiAl3가 과하게 존재하게 되어 바람직하지 못하다. TiAl3 입자는 수십 ㎛의 직경을 가질 수 있으므로 과량 존재하면 알루미늄 합금의 기계적 특성이 감소될 수 있다.
다음으로 구형 공정 Mg2Si 강화상을 형성하는 제 2 단계에 대하여 설명한다.
합금 원료 혼합물에 개량화제를 넣은 후 교반하여 강화상을 형성할 수 있다. 혼합물의 교반은 개량화제 투입과 동시에 시작하거나 또는 첨가된 개량화제가 용탕 내에서 일정 온도로 가열된 후에 시작할 수 있다.
교반단계는 용융로 직경의 40% 이상의 길이를 갖는 교반자를 이용하여 용탕을 50rpm 이상의 속도로 50 ~ 100분 교반하는 것이 바람직하다. 교반자의 길이와 교반속도, 교반시간은 개량화제의 반응 속도 및 분산에 영향을 줄 수 있다. 교반자의 길이와 교반속도, 교반시간을 조절하여 개량화제 첨가에 따라 생성된 강화상이 용탕 내에 고르게 분산하여 용탕 부위에 따라 물성 특성편차가 발생함을 방지할 수 있다.
Mg2Si상은 합금 내부에서 강도를 향상시키는 강화상으로 작용한다. 마그네슘은 규소와 함께 Mg : Si = 2 : 1 비율로 정량반응하여 Mg2Si를 생성할 수 있다. 알루미늄 합금 내부에 존재하는 Mg2Si 상(phase)은 낮은 밀도, 높은 경도를 보유하고 있어 알루미늄 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. Mg2Si의 기계적 물성은 밀도 1.99×103kg/m3, 경도 4500M/Nm, 탄성 계수 120Gpa, 융점 1102℃를 가져 강화상으로 적합할 수 있다.
알루미늄 합금의 Mg2Si상은 초정 Mg2Si상과 공정 Mg2Si상으로 나누어지며, 알루미늄 합금 내부 마그네슘과 규소의 함량이 높을 경우 초정 Mg2Si상과 공정 Mg2Si상이 생성될 수 있고, 마그네슘과 규소의 함량이 낮을 경우는 공정 Mg2Si상만 생성될 수 있다.
강화상의 형태와 크기는 합금의 기계적 특성을 결정하는 중요한 요소가 될 수 있다. 일반적인 알루미늄 합금의 주조방식에서 Mg2Si의 결정구조로 인한 결정 성장 방향 때문에 초정 Mg2Si상은 수지상정 형태로, 공정 Mg2Si상은 침상(chinese script)형태로 성장한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예 및 비교예에 따른 Mg2Si 강화상의 수지상정 형태와 침상 형태의 결정 사진이다. 도 2를 참고하면, 형태가 길고 뾰족한 돌기들이 많은 수지상정 형태 또는 크기가 조대한 침상 형태는 외부에서 작용하는 힘이 뾰족한 부위에 집중되어 파괴가 쉽게 발생할 수 있다.
공정 Mg2Si상의 형태를 결정하는 결정(crystal) 성장방향에 대하여 설명한다. 결정 성장방향을 바꾸면 최종적인 상의 형태 또한 달라지는데, 결정 성장 방향을 바꾸기 위해 일반적으로 이용되는 비균질 핵화(Heterogeneous nucleation) 방법을 사용할 수 있다. 미량의 물질 또는 관련 화합물들이 Mg2Si의 핵생성처로 작용해 개량에 기여할 수 있다.
TiB2 입자가 Mg2Si의 핵생성처(heterogeneous nucleation site)로 작용해 개량에 영향을 줄 수 있는지는 Turnbull-Vonegut equation(수학식 1)의 오차율을 기준으로 판단한다. Turnbull-Vonegut equation은 인접한 두 결정면의 오차율(disregistry)을 계산하는 식으로 오차율이 6% 미만일 경우 두 결정은 서로의 결정에서부터 성장할 수 있다.
Figure 112019046379272-pat00001
상기 식에서, (hkl)s은 기질(substrate)의 low index plane의 밀러지수, (hkl)n은 핵생성처(nucleated)의 low index plane의 밀러지수, [uvw]s는 기질의 low index direction의 밀러지수, [uvw]n은 핵생성처의 결정방향의 밀러지수, θ는 [uvw]s와 [uvw]n의 사이각을 의미한다. 여기서 low index plane은 밀러지수(miller index)의 숫자가 가장 낮은 결정면을 의미하고, low index direction은 밀러지수가 가장 낮은 결정면의 방향을 의미한다.
밀러지수란 브라베 격자(주기성과 규칙성과 반복성을 가진 격자)의 결정 구조의 결정면을 나타내는 지수를 의미한다. 결정면의 밀러지수는 결정면의 x, y, z 축과 만나는 교차점의 길이 a, b, c를 격자상수에 대한 비로 구한 뒤 역수를 취하고, 이를 정수의 비로 표시하고 차례대로 h, k, l에 대응하여 (hkl)로 나타낼 수 있다. 결정방향의 밀러지수는 원점을 지나도록 방향 벡터의 위치를 조정하여 x, y, z축 방향에 투영된 길이를 단위정 크기 a, b, c로 나타낸 뒤, 이를 정수의 비로 표시하고 차례대로 u, v, w에 대응하여 (uvw)로 나타낼 수 있다.
TiB2 입자는 Mg2Si와 결정학적으로 유사한 결정면을 가져 TiB2 입자는 강화상으로 작용하는 공정 Mg2Si상의 형성방향에 영향을 줄 수 있다. 본 발명에서 결정면의 밀러지수가 가장 낮은 두 면은 TiB2의 001면과 Mg2Si의 200면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 TiB2의 001면과 Mg2Si의 200면을 도시한 도면이다. TiB2의 001면과 Mg2Si의 200면은 상기 식(Turnbull vonegut equation)에 의할 때 약 4.64%의 오차율을 가진다. 일반적인 Mg2Si상의 결정 성장방향은 100면 방향인데, TiB2 입자가 Mg2Si상의 핵생성처로 작용하면서 Mg2Si는 200면부터 성장하여 기존의 결정 성장방향과 다른 방향으로 성장할 수 있다. 즉, Mg2Si의 200면이 TiB2의 001면부터 성장할 수 있다.
본 발명의 제조방법은 개량화제를 첨가하여 구형태의 공정 Mg2Si 강화상을 형성함에 특징이 있다. 개량화제에 포함된 TiB2 입자가 Mg2Si의 결정 성장방향을 바꿀 수 있다. 결과적으로 침상 형태가 아닌 미세한 구 형태의 공정 Mg2Si상을 형성하여 고강도를 확보하면서 취성을 낮출 수 있다.
기존에는 공정 강화상을 이용한 고강도 알루미늄 합금을 제조하기 위해 별도의 후처리 공정과정을 거쳐 주조상을 변화시켜야 하는 문제점이 있었다. 반면 본 발명의 제조방법은 후처리 공정 없이 기존 공정에 개량화제를 첨가하여 후처리 공정에 의한 합금과 동일한 수준의 강도 및 연신도를 확보할 수 있다는 점에서 매우 우수하다. 즉, 결정의 미세화 효과를 증진시키면서 외부 충격에도 안정적으로 강도가 확보되는 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 있어서, 아연(Zn) 0 ~ 10.0 wt%, 규소(Si) 4.0 ~ 8.0 wt%, 마그네슘(Mg) 0.5 ~ 6.0 wt%, 구리(Cu) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하고, 개량화제가 첨가된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하여 제조된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금을 제공한다. 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0일 수 있다. 바람직하게는 x는 1.0 ~ 7.0 이고 y는 0.2 ~ 1.5일 수 있다. 더욱 바람직하게는 x는 3.0 ~ 5.0이고 y는 0.2 ~ 1.0일 수 있다.
개량화제는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B, Al-5Ti-0.2B, Al-10Ti-0.4B, Al-1.6Ti-1.4B, Al-1.2Ti-0.5B, Al-3Ti-3B, Al-1Ti-3B으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다. 바람직하게는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B일 수 있고, 더욱 바람직하게는 Al-5Ti-1B일 수 있다.
일반적으로 강도 향상을 위해 초정 Mg2Si 강화상을 형성하는데 이 경우 마그네슘의 유실을 고려하여 마그네슘의 함량을 20 wt% 이상으로 첨가하여야 한다. 알루미늄 합금의 일반적인 주조 온도는 500 ~ 600℃인데 마그네슘은 인화성을 가지며 융점도 낮고, 고온에서 쉽게 산화되므로 녹아있는 알루미늄 합금 용탕에 마그네슘을 첨가할 경우 쉽게 불이 붙게 된다. 특히 대형 주조생산시설에서 제조하는 톤(ton) 단위의 알루미늄 용탕에 10 wt% 이상의 마그네슘을 첨가하기는 어려워 강화상 형성을 통한 고강도 확보에 한계가 있다.
반면 본 발명의 알루미늄 합금은 0.5 ~ 6.0 wt%의 마그네슘을 함유하면서 공정 Mg2Si상을 형성하되, 구 형태 강화상을 형성한다. 이는 초정 Mg2Si상을 가진 알루미늄 합금과 기계적 물성의 차이가 없으면서 마그네슘 첨가로 인한 생산의 어려움을 극복할 수 있다는 점에서 매우 우수하다.
이하 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
<실시예>
실시예 1
Al-5Ti-1B를 첨가하여(Ti 함량 1.0 wt%) 제조된 알루미늄 합금
Al을 주성분으로 하고 Zn 8.0 wt%, Si 6.0 wt%, Mg 4.0 wt%, Cu 2.0 wt% 잉곳을 도가니에 넣어 710℃에서 용해하였다. 잉곳의 용해가 완료된 용탕에 Al-5Ti-1B 모합금을 첨가한 후 용탕을 교반(고주파 유도 용해 및 교반기 이용)하였다. 모합금 Al-5Ti-1B의 Ti 함량은 최종 합금을 기준으로 1.0 wt% 였고, 20kHz의 교반속도로 교반하였고, 교반시간은 50분이였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 실시예 1의 알루미늄 합금을 얻었다.
실시예 2
Al-5Ti-1B를 첨가하여(Ti 함량 0.2 wt%) 제조된 알루미늄 합금
실시예 1과 동일하되, 모합금 Al-5Ti-1B의 Ti 함량은 최종 합금을 기준으로 0.5 wt% 였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 실시예 2의 알루미늄 합금을 얻었다.
실시예 3
Al-5Ti-1B를 첨가하여(Ti 함량 0.5 wt%) 제조된 알루미늄 합금
실시예 1과 동일하되, 모합금 Al-5Ti-1B의 Ti 함량은 최종 합금을 기준으로 0.5 wt% 였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 실시예 3의 알루미늄 합금을 얻었다.
실시예 4
Al-5Ti-1B를 첨가하여(Ti 함량 2.0 wt%) 제조된 알루미늄 합금
실시예 1과 동일하되, 모합금 Al-5Ti-1B의 Ti의 함량은 최종 합금을 기준으로 2.0 wt% 였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 실시예 4의 알루미늄 합금을 얻었다.
비교예 1
Al-5Ti-1B를 첨가하지 않고(Ti 함량 0 wt%) 제조된 알루미늄 합금
Al을 주성분으로 하고 Zn 8.0 wt%, Si 6.0 wt%, Mg 4.0 wt%, Cu 2.0 wt% 잉곳을 도가니에 넣어 710℃에서 용해하였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 비교예 1의 알루미늄 합금을 얻었다.
비교예 2
Al-5Ti-1B의 첨가량을 줄여(Ti 함량 0.1 wt%) 제조된 알루미늄 합금
실시예 1과 동일하되, 모합금 Al-5Ti-1B의 Ti 함량은 최종 합금을 기준으로 0.1 wt% 였다. 이 후 금형 출탕 및 응고하여 비교예 2의 알루미늄 합금을 얻었다.
실시예 1 내지 4, 비교예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 알루미늄 합금의 Ti 함량 wt%를 정리하면 하기 표 1과 같다.
Figure 112019046379272-pat00002
<평가 및 결과>
공정 Mg 2 Si 상의 결정조직
(1) 공정 상의 미세조직
공정 상의 미세조직을 관찰하기 위해 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용해 결정조직을 관찰하였다. 도 4는 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 공정 Mg2Si상의 미세조직 사진이다.
도 4를 참고하면, 개량화제 첨가단계 없이 비교예 1로 구현된 알루미늄 합금은 공정 Mg2Si상이 침상 형태를 가지는 반면, TiB2가 포함된 개량화제 Al-5Ti-1B를 첨가하여 각 실시예로 구현된 알루미늄 합금은 공정 Mg2Si상이 구 형태를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 침상 형태의 강화상은 50㎛ 이상의 크기를 갖는 반면 구 형태의 강화상은 크기 5 ~ 10㎛ 정도의 미세결정으로 형성됨을 확인하였다.
Mg2Si 강화상의 기계적 특성에 따라 알루미늄 합금의 강도와 연신율을 증가시키면서, 결정립의 미세화 및 구형화로 외부 충격 또는 하중에 의한 파괴 위험도가 낮아질 수 있음을 확인할 수 있었다.
(2) Ti의 wt% 함량에 따른 미세조직 변화
Ti의 wt% 함량에 따른 미세조직 변화를 관찰하기 위해 광학현미경(OM)과 주사전자현미경(SEM)을 이용해 결정조직을 관찰하였다. 도 5는 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 공정 Mg2Si상의 결정조직 사진이다. 도 5의 a)는 비교예 1로 구현된 Ti의 함량이 0 wt%인 알루미늄 합금, b)는 비교예 2로 구현된 Ti의 함량이 0.1 wt%인 알루미늄 합금, c)는 실시예 2로 구현된 Ti의 함량이 0.2 wt%인 알루미늄 합금, d)는 실시예 3으로 구현된 Ti의 함량이 0.5 wt%인 알루미늄 합금, e)는 실시예 1로 구현된 Ti의 함량이 1.0 wt%인 알루미늄 합금의 공정 Mg2Si상의 결정조직 사진이다. 도 6은 본 발명의 실시예 4로 구현된 Ti의 함량이 2.0 wt%인 알루미늄 합금의 공정 Mg2Si상의 결정조직 사진이다.
실시예 1, 2, 3과 비교예 2 및 도 5a, 도 5b를 참고하면, Ti의 함량이 1.0 wt%에 가까워질수록 대부분의 공정 Mg2Si상의 형상이 미세한 구 형태로 변하는 것을 확인할 수 있었고 실시예 4 및 도 6을 참고하면, Ti의 함량이 2.0 wt%가 되면서 구형태 공정 Mg2Si상 외 조대한 TiAl3가 나타나기 시작함을 확인할 수 있었다. 한편 비교예 1 및 도 5a를 참고하면 Ti의 함량이 0 wt%인 경우 공정 Mg2Si의 형상은 조대한 침상형태로 나타남을 확인할 수 있었다.
실시예 및 비교예를 종합하여 볼 때, 본 발명의 개량화제 Al-5Ti-1B에 포함된 TiB2가 공정 Mg2Si 강화상 미세조직 개량에 영향을 주는 구성이 되고, 특히 Ti의 함량 wt%가 본 발명의 주요 구성임을 확인할 수 있었다. 즉, Ti의 함량이 0.2 wt% 미만인 경우 결정립 구형화 효과가 미미하고, 2.0 wt%를 초과하는 경우 조대한 TiAl3가 나타나기 시작해 강화상의 미세화 및 구형화 효과를 저해할 수 있음을 확인할 수 있었다.
강도 및 연신율
인장강도, 항복강도 및 연신율의 증가를 확인하기 위해 ASTM E8 규격에 따라 강도 및 연신도를 측정하였다. 도 7은 본 발명의 일 실시예 및 비교예로 구현된 알루미늄 합금의 Ti의 함량 wt%에 따른 강도와 연신율을 나타낸 그래프이다.
도 7을 참고하면, Ti의 함량 0.5 wt%를 기준으로 항복강도, 인장강도 및 연신율이 급격히 증가함을 확인할 수 있다. 특히 실시예 1로 구현된 알루미늄 합금(Ti의 함량 1.0 wt%)은 비교예 1로 구현된 알루미늄 합금(Ti의 함량 0 wt%)과 비교하여 인장강도는 195MPa에서 253MPa로(30% 상승), 항복강도는 175MPa에서 206MPa로(18% 상승), 연신율은 0.63%에서 1.05%로(66% 상승) 증가함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 실시예 1로 구현된 알루미늄 합금은 마그네슘 함량이 4.0 wt% 임에도 강도의 현저한 상승효과를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 공정 Mg2Si상은 3.0 ~ 4.0 wt%의 마그네슘만 첨가하여도 생성되며, 초정 Mg2Si상의 기계적 물성과 차이가 없으나 기존의 공정에 의할 경우에는 알루미늄 합금 내부에서 침상 형태로 성장하여 기계적 특성이 나빠지는 문제가 있다. 본 발명은 4.0 wt% 마그네슘만 첨가하여 공정 강화상을 형성하되, 그 공정 Mg2Si상의 형상을 변화시켜 기존의 20 wt% 이상의 마그네슘 첨가로 형성한 초정 Mg2Si상 만큼의 강화성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.
한편, 강화상이 합금 내부에 많이 존재할수록(조성이 높을수록) 합금의 강도는 상승하나, 그만큼 취성을 가지며 연신율이 감소할 수 있다. 일반적으로 강도가 높아지면 연신율은 감소하나, 도 7을 참고하면 본 발명의 제조방법으로 제조된 알루미늄 합금은 공정 Mg2Si 강화상의 형태 개량의 효과로 연신율 역시 상승함을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 및 비교예의 결과를 종합하면, 본 발명 알루미늄 합금 제조 방법은 별도의 후처리 공정 없이 주조단계에서 공정 Mg2Si상의 형태를 개량하여 강도와 연신도를 확보할 수 있음을 확인하였다. 기존 공정에 개량화제를 첨가할 뿐이므로 별도 장치나 환경의 구현이 필요 없다는 점에서 본 발명은 우수하다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은 기존의 초정 Mg2Si 강화상 형성으로 강도를 확보한 기존의 합금과 상응하는 효과를 가지는 한편 강화상 형태의 변화로 취성의 위험을 줄일 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 강화상 형성을 위해 마그네슘을 고함량 첨가하여 나타나는 기존 공정의 문제점을 줄이고 강화성능을 확보할 수 있다는 점에서 본 발명은 매우 우수하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 통상의 기술자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경하여 이해할 수도 있을 것이다.

Claims (10)

  1. Zn(아연) 0 ~ 10.0 wt%, Si(규소) 4.0 ~ 8.0 wt%, Mg(마그네슘) 1.0 ~ 6.0 wt%, Cu(구리) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하는 제 1 단계; 및
    상기 제 1 단계 처리된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하는 제 2 단계;를 포함하고 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이며, 상기 Mg2Si 강화상 내부에 상기 개량화제가 핵생성처로 삽입된 알루미늄 합금 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 TiAl3와 TiB2 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 TiB2 입자의 직경은 0.1 ~ 20.0㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B, Al-5Ti-0.2B, Al-10Ti-0.4B, Al-1.6Ti-1.4B, Al-1.2Ti-0.5B, Al-3Ti-3B, Al-1Ti-3B로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Ti의 함량이 최종 합금 기준으로 0.2 ~ 2.0 wt%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 제조방법.
  6. Zn(아연) 0 ~ 10.0 wt%, Si(규소) 4.0 ~ 8.0 wt%, Mg(마그네슘) 1.0 ~ 6.0 wt%, Cu(구리) 0 ~ 4.0 wt% 및 잔부 알루미늄을 포함하는 혼합물에 개량화제 Al-xTi-yB를 첨가하고, 상기 개량화제의 x는 1.0 ~ 10.0이고 y는 0.2 ~ 3.0이며, 개량화제가 첨가된 혼합물에 구형(polygonal) 공정(eutectic) Mg2Si 강화상을 형성하고, 상기 Mg2Si 강화상 내부에 상기 개량화제를 핵생성처로 삽입하여 제조된 알루미늄 합금.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 TiAl3와 TiB2 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 TiB2 입자의 직경은 0.1 ~ 20.0㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Al-3Ti-1B, Al-5Ti-1B, Al-5Ti-0.6B, Al-3Ti-0.2B, Al-5Ti-0.2B, Al-10Ti-0.4B, Al-1.6Ti-1.4B, Al-1.2Ti-0.5B, Al-3Ti-3B, Al-1Ti-3B로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 개량화제 Al-xTi-yB는 Ti의 함량이 최종 합금 기준으로 0.2 ~ 2.0 wt%인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
KR1020190053043A 2019-05-07 2019-05-07 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금 KR102216957B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053043A KR102216957B1 (ko) 2019-05-07 2019-05-07 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190053043A KR102216957B1 (ko) 2019-05-07 2019-05-07 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20200128909A KR20200128909A (ko) 2020-11-17
KR102216957B1 true KR102216957B1 (ko) 2021-02-18
KR102216957B9 KR102216957B9 (ko) 2022-04-11

Family

ID=73642372

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190053043A KR102216957B1 (ko) 2019-05-07 2019-05-07 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102216957B1 (ko)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010104046A (ko) * 2000-05-12 2001-11-24 광 섭 정 캐스터용 알루미늄 합금 및 그 제조방법
KR20130012651A (ko) 2011-07-26 2013-02-05 주식회사 나노캐스트코리아 반응고 성형용 고강도 및 고인성 알루미늄 합금
KR101637639B1 (ko) * 2014-02-27 2016-07-07 현대자동차주식회사 티타늄화합물을 포함하는 고탄성 알루미늄 합금 및 그 제조방법
KR101757733B1 (ko) * 2016-01-08 2017-07-17 한국기계연구원 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR102216957B9 (ko) 2022-04-11
KR20200128909A (ko) 2020-11-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Qin et al. Effect of phosphorus on microstructure and growth manner of primary Mg2Si crystal in Mg2Si/Al composite
US20190390301A1 (en) Methods and process to improve mechanical properties of cast aluminum alloys at ambient temperature and at elevated temperatures
CN103370429B (zh) 细化金属合金的方法
JP5582982B2 (ja) アルミニウム合金及びその製造方法
US20090320967A1 (en) High strength magnesium alloy and method of production of the same
JP2013529255A (ja) アルミニウム合金およびアルミニウム合金鋳造
WO2007091690A1 (ja) 半融合金鋳造用原料黄銅合金
EP3293278B1 (en) Hypereutectic high pressure die cast aluminum-silicon cast alloy
JP2010018875A (ja) 高強度アルミニウム合金、高強度アルミニウム合金鋳物の製造方法および高強度アルミニウム合金部材の製造方法
Xue et al. Study on the effect of CeO2 for fabricating in-situ TiB2/A356 composites with improved mechanical properties
US6395224B1 (en) Magnesium alloy and method of producing the same
CN112391562A (zh) 一种铝合金及其制备方法
Sunitha et al. Study of Al-Si alloys grain refinement by inoculation
JP2011144443A (ja) セミソリッド鋳造用アルミニウム合金
JP3737803B2 (ja) 球状バナジウム炭化物含有高マンガン鋳鉄材料及びその製造方法
WO2011011383A1 (en) High strength, creep resistant zinc alloy
JPH0920940A (ja) 不溶相を含む合金およびその製造方法
JP4093221B2 (ja) 鋳物用アルミニウム合金、アルミニウム合金鋳物およびその製造方法
WO2023241681A1 (zh) 一种铝合金添加剂及其制备方法和应用
KR102216957B1 (ko) 공정 Mg2Si상의 형상 제어를 통한 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 의해 제조된 알루미늄 합금
Qasim et al. Enhancement the mechanical properties of aluminum casting alloys (A356) by adding nanorods structures from zinc oxide
Yao et al. Role of in-situ nanocrystalline in solidification behaviors manipulation, microstructure refinement, and mechanical properties enhancement of Al-Cu4/Al-Mg1 alloys
Ahmad et al. Effect of erbium addition on the microstructure and mechanical properties of aluminium alloy
CN111411270B (zh) 一种改变铝合金中硅铁相形貌的方法
Zhao et al. Effects of Sb and heat treatment on the microstructure of Al-15.5 wt% Mg 2 Si alloy

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]