KR102585810B1 - 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금 - Google Patents
다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금 Download PDFInfo
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Abstract
기계적 강도가 우수하고 열팽창계수가 낮은 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따르면 실리콘 0 초과 2 이하 중량%; 아연 0 초과 1.5 이하 중량%; 타이타늄 0 초과 2.5 이하 중량%; 탄소나노튜브 0 초과 3 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 3 이하 중량%; 그래핀 0 초과 3 이하 중량%; 탄소나노섬유 0 초과 3 이하 중량%; 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 제공된다.
Description
본 발명은 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금에 관한 것이다.
알루미늄은 Cu, Si, Mn, Mg, Zn 등의 첨가원소에 따라 다양한 종류의 합금화가 가능하며, 합금 종류에 따라서 특성이 변화한다. 알루미늄 합금은 제조방법에 따라 주조용 합금과 가공용 합금으로 분류할 수 있다. 주조방법은 사형주조, 금형주조, 다이캐스팅 또는 특수주조로 구분된다. 가공용 알루미늄은 압연, 압출, 단조, 프레스 등과 같이 2차 가공에 적합한 합금으로 특성을 조절할 수 있다. 주조용 알루미늄합금은 Al-Si계 합금을 기본으로 하여, 기계적 특성 향상을 위한 Al-Cu계 합금, 고내식 특성 향상을 위한 Al-Mg이 있지만 Al-Si계 합금이 대부분을 차지하고 있다.
한편, 다이캐스팅(Die casting)은 금속 부품을 만드는 고급 주조 방법 중 하나이다. 이러한 방법은 금속 합금을 높은 압력 아래 용융 상태로 주형 내부로 주입하여, 고속으로 냉각하여 금속 부품을 만드는 방법이다. 다이캐스팅은 다이캐스팅 머신이라는 특수한 장비를 사용하는데, 다이캐스팅 머신은 금속 합금을 높은 압력으로 주형 내부로 주입하는데 사용되며, 일반적으로 이 과정은 고속으로 이루어질 수 있다. 예를 들어 다이캐스팅은 주로 알루미늄, 마그네슘, 아연 등의 비철금속 부품을 만들기 위해 사용될 수 있다. 다이캐스팅용 합금은 주물용 합금의 한 종류이지만 주조방법이 사형, 금형, 저압주조 등과는 다르기 때문에 합금조성에 있어서 일반 주조용 합금과는 차이점이 있다. 다이캐스팅용 합금에 요구되는 조건은 용탕의 흐름성, 다이스에 용융금속의 저용착성인데, 이러한 특성이 우수한 Al-Si계 및 Al-Si-Cu계 합금이 주로 사용된다. 알루미늄은 합금에 의해 다양한 강도특성, 내식특성을 구현할 수 있으며, 황동 및 구리 부품의 대체 소재로 개발되고 있다.
본 발명의 목적은, 기계적 강도가 우수함과 동시에 열팽창계수가 낮아 열적 안정성이 구현된 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 다이캐스팅, 중력주조, 및 사형주조가 모두 가능하며 황동을 대체할 수 있는 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 합금으로 제조된 합금제품을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 합금제품의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따르면, 실리콘 0 초과 2 이하 중량%; 아연 0 초과 1.5 이하 중량%; 타이타늄 0 초과 2.5 이하 중량%; 탄소나노튜브 0 초과 3 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 3 이하 중량%; 그래핀 0 초과 3 이하 중량%; 탄소나노섬유 0 초과 3 이하 중량%; 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 제공된다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기 제1 측면에 있어서 상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브, 다중벽 탄소나노튜브 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기 제1 또는 제2 측면에 있어서 상기 탄소나노섬유에 포함된 기공의 평균직경은 1.0 내지 3.0nm일 수 있다.
본 발명의 제4 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제3 측면 중 어느 하나에 있어서 상기 탄소나노섬유의 BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적은 300 내지 2,500m2/g일 수 있다.
본 발명의 제5 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제4 측면 중 어느 하나에 있어서, 상기 탄소나노섬유의 BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적은 2000 내지 2,500m2/g일 수 있다.
본 발명의 제6 측면에 따르면, 상기 제1 내지 제5 측면 중 어느 하나에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 용융된 용융합금을 금형 내에 주입한 후, 냉각시켜 고형화하는 단계; 및 (S2) 상기 고형화된 결과물을 상기 금형에서 분리한 후, 후처리하는 단계를 포함하는, 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품의 제조방법이 제공될 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면(Aspect)에 따르면, 합금의 기계적 강도가 우수함과 동시에 열팽창계수가 낮아 열적 안정성이 구현된 합금을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면 다이캐스팅, 중력주조, 및 사형주조가 모두 가능하며 황동을 대체할 수 있는 합금을 제공할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면서 함께 기술한다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥 상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 용어 '내지'를 사용하여 나타낸 수치의 범위는, 상기 용어의 앞과 뒤에 기재된 값을 각각 하한 값과 상한 값으로 포함하는 수치의 범위를 나타낸다. 임의의 수치범위의 상한과 하한으로의 수치 값이 각각 복수 개로 개시된 경우, 본 명세서에서 개시하는 수치의 범위는 복수의 하한 값 중 임의의 하나의 값 및 복수의 상한 값 중 임의의 하나의 값을 각각 하한 값 및 상한 값으로 하는 임의의 수치의 범위로 이해될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 0 초과 2 이하 중량%; 아연 0 초과 1.5 이하 중량%; 타이타늄 0 초과 2.5 이하 중량%; 탄소나노튜브 0 초과 3 이하 중량%; 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 3 이하 중량%; 그래핀 0 초과 3 이하 중량%; 탄소나노섬유 0 초과 3 이하 중량%; 및 잔부 알루미늄으로 이루어진 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 제공된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 탄소나노섬유와 실리콘이 유기적으로 조합됨으로써 합금의 인장강도 및 파괴강도가 현저하게 높고 열팽창계수가 현저히 낮아지는 효과를 구현할 수 있다. 구체적으로 실리콘을 포함하되 탄소나노섬유를 포함하지 않는 합금은 인장강도 및 파괴강도가 낮고 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제를 가질 수 있다. 또한, 탄소나노섬유를 포함하되 실리콘을 포함하지 않는 합금은 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제가 발생할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 구성을 보다 상세히 설명한다.
1. 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금
실리콘
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 합금의 강도를 높이며 열처리 중 합금의 유동성을 향상시켜 합금의 가공성을 개선하기 위해 실리콘을 포함한다. 구체적으로 상기 실리콘은 상기 합금의 내부에서 결정구조를 형성하여 합금의 강도를 높일 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따른 실리콘은 합금의 표면에 산화물 박막을 형성하여 합금의 부식저항성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 실리콘은 합금제품의 열팽창계수를 낮추어 합금의 열적안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 2 이하 중량%, 0.1 내지 1.8 중량%, 0.3 내지 1.5 중량%, 0.5 내지 1.4 중량%, 0.6 내지 1.3 중량%, 0.7 내지 1.2 중량%, 0.8 내지 1.1 중량%, 또는 0.9 내지 1.0 중량%일 수 있다. 구체적으로 상기 실리콘의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금 내 결정구조가 충분히 형성이 안 되어, 합금의 강도가 충분히 높아지지 못하는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금의 연성이 감소하거나 실리콘이 불순물과 결합하여 슬래그를 형성하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 실리콘 및 후술할 탄소나노섬유를 포함함으로써 합금의 인장강도 및 파괴강도가 현저하게 높고 열팽창계수가 현저히 낮아지는 효과를 구현할 수 있다. 구체적으로 실리콘을 포함하되 탄소나노섬유를 포함하지 않는 합금은 인장강도 및 파괴강도가 낮고 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제를 가질 수 있다. 또한, 탄소나노섬유를 포함하되 실리콘을 포함하지 않는 합금은 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제가 발생할 수 있다.
아연
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 합금의 인장강도, 압축강도, 충격강도 등의 강도를 높이기 위해 아연을 포함한다.
본 발명에 따른 아연의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 1.5 이하 중량%, 0.1 내지 1.5 중량%, 0.2 내지 1.4 중량%, 0.3 내지 1.3 중량%, 0.4 내지 1.2 중량%, 0.5 내지 1.1 중량%, 0.6 내지 1.0 중량%, 0.7 내지 1.0 중량%, 0.8 내지 1.0 중량% 또는 0.9 내지 1.0 중량%일 수 있다. 상기 아연의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금의 강도가 충분히 높아지지 못하여 합금의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 강도는 우수할 수 있지만 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어질 수 있다.
타이타늄
본 발명에 따른 타이타늄은 합금 내에 석출체를 형성하여 합금의 경화를 촉진함으로써, 합금제품의 강도와 내구성을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 타이타늄의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 2.5 이하 중량%, 0.1 내지 2.0 중량%, 0.2 내지 1.8 중량%, 0.3 내지 1.5 중량%, 0.5 내지 1.4 중량%, 0.6 내지 1.3 중량%, 0.7 내지 1.2 중량%, 0.8 내지 1.1 중량%, 또는 0.9 내지 1.0 중량%일 수 있다. 상기 타이타늄의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금의 강도가 충분히 높아지지 못하여 합금의 기계적 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금의 내부에서 불순물이 침전되어 결함을 형성하거나 타이타늄이 고온에서 산화되어 타이타늄 산화물(TiO2)을 형성함에 따라 내식성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
탄소나노튜브
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 알루미늄 합금의 강도 및 전도성을 높이기 위해 탄소나노튜브를 포함한다. 한편, 탄소나노튜브는 기계적 강도가 철보다 약 100배 뛰어나면서도 구리와 비슷한 수준의 높은 전기전도도와 높은 열전도율을 지니고 있으며, 분자 사슬이 말려 있는 구조를 가짐에 따라 금속 또는 반도체의 물리적 성질을 나타낼 수도 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%이다. 구체적으로 상기 탄소나노튜브의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3 중량%, 0.5 내지 3 중량%, 0.8 내지 3 중량%, 1 내지 2 중량%, 1 내지 1.5 중량%, 1 내지 1.4 중량%, 1 내지 1.3 중량%, 1 내지 1.2 중량%, 또는 1 내지 1.1 중량%일 수 있다. 상기 탄소나노튜브의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 전도성 및 강도가 충분히 향상되지 못할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브(Single-Walled Carbon Nano Tube; SWCNT), 다중벽 탄소나노튜브(Multi-Walled Carbon Nanotube; MWCNT) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 구체적으로 상기 단일벽 탄소나노튜브와 다중벽 탄소나노튜브가 조합될 경우 알루미늄 합금의 열전도도 및 인장강도 성능이 더욱 개선될 수 있다.
예를 들어 상기 단일벽 탄소나노튜브는 직경이 0.6 내지 2.0nm이고 길이가 1.0 내지 3.0㎛인 것일 수 있다.
예를 들어 상기 다중벽 탄소나노튜브는 직경이 30 내지 50nm이고 길이가 3 내지 5㎛인 것일 수 있다.
굴껍질에서 유래된 탄산칼슘
본 발명의 일 측면에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 합금 조성물 내 소재의 분산성을 향상시키기 위해, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 포함한다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 이용함으로써, 버려지는 굴껍질을 자원으로서 사용하여 환경오염을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%, 0.5 내지 3.0 중량%, 0.6 내지 2.5 중량%, 0.7 내지 2.2 중량%, 0.8 내지 2.0 중량%, 0.9 내지 1.8 중량%, 1.0 내지 1.5 중량%, 1.1 내지 1.5 중량%, 1.2 내지 1.5 중량%, 1.3 내지 1.5 중량%, 또는 1.4 내지 1.5 중량%일 수 있다. 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금 조성물 내 응집체 구조를 형성하여 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 상대적으로 다른 조성의 함량이 감소하여 합금의 강도가 낮아지는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로 탄소나노튜브를 포함하지만 탄산칼슘을 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 충분히 우수하지 못하여 응집체를 형성하는 문제점이 발생할 수 있고, 이에 따라 다이 캐스팅 성형 과정이 어려워져 인장강도 및 열전도도가 충분히 높아지지 못할 수 있다. 탄산칼슘을 포함하지만 탄소나노튜브를 포함하지 않는 합금은 합금 조성물 내의 분산성이 우수할 수는 있지만, 탄소나노튜브의 부재로 인해 합금의 인강강도 및 열전도도가 충분히 높아지지 못할 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따르면 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금 조성물 내 소재의 분산성을 향상시키고 불순물을 효과적으로 제거함에 따라 합금의 높은 열전도도를 구현하여 합금제품으로부터 발생되는 열을 외부로 빠르게 방출하는 효과를 구현할 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘을 사용함으로써 버려지고 있는 굴껍질을 재활용하여 환경오염을 최소화할 수 있음과 동시에 친환경적인 공정을 구현할 수 있다. 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘과 탄소나노튜브를 조합함으로써, 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비(탄소나노튜브:굴껍질에서 유래된 탄산칼슘)는 5:1 내지 2:1일 수 있다. 상기 탄소나노튜브와 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 중량비가 상기 수치 범위 내를 만족할 때 합금의 제조 과정에서 요구되는 질소나 SF6 등의 가스의 투입 없이도 합금을 용이하게 제조하여 제조비용을 절감함과 동시에 제조공정의 효율을 높일 수 있다.
예를 들어, 상기 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 제조방법은 폐기 굴껍질을 800℃의 온도에서 항량이 되도록 가열하여 산화칼슘이 주성분인 소성 굴껍질을 제조하는 단계; 소성 굴껍질 1.4 g을 질산용액(60%) 5 cm3와 반응하여 완전히 녹이고 증류수로 묽히는 단계; 증류수로 묽혀진 용액을 거름종이로 걸러 미용해 입자를 제거한 후 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 질산칼슘 수용액을 제조하는 단계; 탄산나트륨 2.65 g을 증류수에 녹여 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 제조하는 단계; 라이신 0.37 g(소성 굴껍질 몰수의 0.1배)을 증류수 100 cm3에 녹여 라이신 수용액을 만든 후 0.1 M 탄산나트륨 수용액과 혼합하는 단계; 항온조에 담겨 있는 1000 cm3 비이커에 라이신이 첨가된 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 옮기는 단계; 회전교반기를 사용하여 내부를 600 rpm으로 교반하는 단계; 용액 온도가 20℃에 도달하면 항온조에 담가 탄산나트륨 수용액과 같은 온도로 유지된 굴껍질 0.1 M 질산 용액 250 cm3을 혼합하는 단계; 탄산칼슘 입자의 생성을 확인하면서 반응을 1시간 동안 유지하는 단계; 탄산칼슘 결정이 포함된 모액을 0.2 μm 멤브레인 필터로 여과하는 단계; 및 2차례 증류수로 세척한 후 60℃ 건조로에서 48 시간 건조하여 최종적으로 탄산칼슘 결정을 제조하는 단계; 를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄산칼슘 결정은 탄산칼슘 결정의 전체 중량을 기준으로 바테라이트(Vaterite) 형 결정을 80 중량% 이상을 포함할 수 있다. 바테라이트(Vaterite) 형 결정은 크기가 가장 작고 원형이므로 분산성이 양호하며 조대 응집체를 함유하지 않기 때문에 합금 조성물 내 소재의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄산칼슘의 평균입경은 1 내지 25㎛, 2 내지 20㎛, 3 내지 15㎛, 5 내지 10㎛, 또는 6 내지 7㎛일 수 있다. 상기 탄산칼슘의 평균 입경이 상기 수치 범위 내를 만족함으로써, 합금 조성물 내 소재의 분산성을 더욱 향상시킬 수 있다.
그래핀
그래핀(Graphene)은 탄소 동소체 중 하나이며, 탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루고 있는 구조이다. 그래핀을 이루는 각 탄소 원자들은 육각형의 격자를 이루며 육각형의 꼭지점에서 탄소 원자가 위치하고 있는 모양이며, 이러한 모양을 벌집구조 또는 벌집격자라고 부르기도 한다. 그래핀은 원자 1개의 두께로 이루어진 얇은 막으로, 두께가 약 2 내지 3Å정도로 엄청나게 얇으면서 물리적, 화학적 안정성도 높은 특징을 가질 수 있다. 탄소의 다른 동소체에는 흑연, 탄소나노튜브, 플러렌, 다이아몬드 등이 있는데, 그래핀은 원자 한 층의 두께를 지니기 때문에 동일한 결합구조이지만 여러 층으로 구성되어 있는 흑연과는 확연히 다른 특성을 보인다. 예를 들어, 그래핀은 구리보다 약 100배 이상 전기가 잘 통하고, 반도체로 주로 쓰이는 실리콘보다 약 100배 이상 전자의 이동성이 빠른 특징을 갖고 있으며, 강도는 강철보다 200배 이상 강하며, 최고의 열전도성을 자랑하는 다이아몬드보다 2배 이상 열전도성이 높은 특징을 갖고 있다.
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 합금의 전기전도성 및 열전도성을 높임과 동시에 강도를 향상시키기 위해 그래핀을 포함한다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 그래핀은 상기 탄소나노튜브와 조합됨으로써, 알루미늄 합금의 강도와 열전도도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀은 기계적 박리법, 화학적 박리법, 에피텍셜 합성법, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나의 방법으로 제조된 것일 수 있고, 구체적으로 화학적 박리법에 의해 제조된 그래핀 플레이크일 수 있다. 상기 그래핀 플레이크를 이용할 경우 알루미늄 합금의 강도와 열전도도를 더욱 향상시킬 수 있다. 한편 기계적 박리법은 다층으로 구성된 흑연 결정에서 기계적인 힘으로 한 층을 벗겨내어 그래핀을 만드는 방법이다. 화학적 박리법은 흑연을 강산과 산화제 등의 용매를 기반으로 산화시켜 산화흑연(Graphite Oxide)을 제조하는 단계; 상기 산화흑연을 물과 닿게 하여 산화흑연의 강한 친수성으로 물 분자가 면과 면 사이에 침투되어, 물 분자에 의해 산화 흑연의 면간 간격이 벌어지는 단계; 및 초음파 분쇄기 등을 통해 쉽게 산화 그래핀 시트를 제조한 후, 상기 산화그래핀 시트를 환원(Reduction)시켜 그래핀을 제조하는 단계를 포함하는 방법일 수 있다. 그리고 에피텍셜 합성법은 실리콘 카바이드(SiC)와 같이 탄소가 결정에 흡착되거나 포함되어 있는 재료를 약1,500℃의 고온 분위기에서 열처리하여 그래핀을 형성하는 방법일 수 있다.
본 발명에 따른 그래핀의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%이다. 구체적으로 상기 그래핀의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3 중량%, 0.5 내지 3 중량%, 0.8 내지 3 중량%, 0.9 내지 2 중량% 또는 0.9 내지 1 중량%; 또는 1 내지 3 중량%, 1 내지 2 중량%, 1 내지 1.5 중량% 또는 1 내지 1.2 중량%일 수 있다. 상기 그래핀의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 알루미늄 합금의 열전도성과 전기전도성 및 강도가 충분히 향상되지 못할 수 있고, 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 조성물 내 소재의 분산성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
탄소나노섬유
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 탄소나노섬유(Carbon nanofiber; CNF)를 포함한다. 본 발명의 일 측면에 따른 탄소나노섬유는 합금의 열전도성과 열팽창계수를 조절하여 합금의 열적 물성을 향상시킬 수 있다. 본 발명의 다른 측면에 따른 탄소나노섬유는 높은 인장강도 및 탄성률을 갖고 있는 특성을 이용하여 합금의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다
본 발명에 따른 탄소나노섬유는 상술한 실리콘과 조합되어 합금의 인장강도 및 파괴강도가 현저하게 높고 열팽창계수가 현저히 낮아지는 효과를 구현할 수 있다. 구체적으로 실리콘을 포함하되 탄소나노섬유를 포함하지 않는 합금은 인장강도 및 파괴강도가 낮고 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제를 가질 수 있다. 또한, 탄소나노섬유를 포함하되 실리콘을 포함하지 않는 합금은 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노섬유의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0 초과 3 이하 중량%이다. 구체적으로 상기 탄소나노섬유의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 0.1 내지 3 중량%, 0.5 내지 3 중량%, 0.8 내지 3 중량%, 0.9 내지 2 중량%, 0.9 내지 1.5 중량%, 1.0 내지 1.5 중량%, 1.2 내지 1.5 중량%, 1.3 내지 1.5 중량% 또는 1.4 내지 1.5 중량%; 또는 1 내지 3 중량%, 1 내지 2 중량%, 또는 1 내지 1.5 중량%일 수 있다. 상기 탄소나노섬유의 함량이 상기 수치 범위 미만일 경우 합금의 열적안정성 및 강도가 충분히 개선되지 못하는 문제가 발생할 수 있고 상기 수치 범위를 초과할 경우 합금 내부에 결함을 형성하거나 합금의 연성 및 가공성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 본 발명에 따른 탄소나노섬유에 포함된 기공의 평균직경은 1.0 내지 3.0nm일 수 있다. 여기서 탄소나노섬유에 포함된 기공은 개별 기공을 의미할 수 있다.
본 발명에 따른 탄소나노섬유의 BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적은 300 내지 2,500m2/g, 400 내지 2,500m2/g, 500 내지 2,500m2/g, 600 내지 2,500m2/g, 700 내지 2,500m2/g, 800 내지 2,500m2/g, 900 내지 2,500m2/g, 1,000 내지 2,500m2/g, 1,100 내지 2,500m2/g, 1,200 내지 2,500m2/g, 1,300 내지 2,500m2/g, 1,400 내지 2,500m2/g, 1,500 내지 2,500m2/g, 1,600 내지 2,500m2/g, 1,700 내지 2,500m2/g, 1,800 내지 2,500m2/g, 1,900 내지 2,500m2/g, 또는 2,000 내지 2,500m2/g일 수 있다. 상기 탄소나노섬유의 BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 합금의 열팽창계수를 더욱 낮추어 합금제품의 열적 안정성을 향상시킬 수 있다. 구체적으로 열팽창계수가 낮아진 합금제품은 온도가 급격히 변화하여도 금속 구성물이 팽창하거나 수축하지 않음으로써 적용 범위가 다양한 이점이 제공될 수 있다.
잔부 알루미늄
본 발명에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금은 합금의 충격인성과 내식성을 향상시키기 위해 잔부 알루미늄을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 알루미늄의 함량은 상술한 조성을 제외한 나머지일 수 있다. 일 구체예에 따르면, 상기 알루미늄의 함량은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금의 전체 중량을 기준으로 70 내지 99 중량%, 75 내지 98 중량%, 77 내지 97 중량%, 79 내지 96 중량%, 80 내지 95 중량%, 82 내지 94 중량%, 85 내지 93 중량%, 88 내지 92 중량% 또는 89 내지 92 중량%, 90 내지 92 중량%, 또는 91 내지 92 중량%일 수 있다. 상기 알루미늄의 함량이 상기 수치 범위 내를 만족할 때 합금의 충격인성과 내식성이 충분히 향상될 수 있다.
2. 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품 및 그의 제조방법
본 발명의 다른 측면에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품은 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금으로 제조된 것이다.
합금제품의 물성
본 발명의 일 실시예에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품은 열팽창계수가 5 x10-6/℃ 내지 20 x 10-6/℃일 수 있다. 예를 들어 상기 합금의 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion; CTE)를 측정하기 위한 방법으로 TMA(Thermo-mechanical analysis) 분석법을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품은 인장강도(Tensile strength)가 250 내지 270Mpa일 수 있다. 인장강도는 재료가 인장 하중에 의해 파단할 때까지의 최대 응력으로, 최대 인장 하중(Wmax)을 시편의 원래의 단면적(A0)으로 나눈 값을 의미한다. 예를 들어 상기 인장강도를 측정하기 위한 방법으로 만능재료시험기(Instron 5985)를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품은 인장강도(Tensile strength)가 250 내지 270Mpa일 수 있다. 인장강도는 재료가 인장 하중에 의해 파단할 때까지의 최대 응력으로, 최대 인장 하중(Wmax)을 시편의 원래의 단면적(A0)으로 나눈 값을 의미한다. 예를 들어 상기 인장강도를 측정하기 위한 방법으로 만능재료시험기(Instron 5985)를 이용할 수 있다.
합금제품의 제조방법
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, (S1) 상기 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 용융된 용융합금을 금형 내에 주입한 후, 냉각시켜 고형화하는 단계; 및 (S2) 상기 고형화된 결과물을 상기 금형에서 분리한 후, 후처리하는 단계를 포함하는, 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품의 제조방법이 제공될 수 있다.
예를 들어 상기 (S1) 단계는 해당 기술분야의 통상적인 다이캐스팅 공정일 수 있다. 구체적으로 상기 다이캐스팅 공정 조건은 다이캐스팅 머신의 종류에 따라 달라질 수 있다. 일 예시에 따르면 상기 (S1) 단계에서 상기 용융합금을 금형 내에 주입할 때 사용되는 압력은 1,380 내지 1,725bar이며, 상기 (S1) 단계는 사형주조 방법으로 수행될 수 있다. 다른 예시에 따르면, 상기 용융합금에 인가되는 압력이 필요하지 않고 용융합금 자체의 중력에 의해 금형으로 주입되는 중력주조 방법으로 상기 (S1) 단계가 수행될 수 있다.
예를 들어 상기 (S2) 단계는 디밍(Deming), 열처리(Heat treatment), 가공(Machining), 애노다이징(Anodizing), 연마(Polishing), 및 도금(Plating) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 여기서 디밍(Deming)은 다이캐스팅 부품의 부식방지를 위해 수행되는 표면처리 공정을 의미하고, 열처리(Heat treatment)는 다이캐스팅 부품의 내구성과 기계적 성질을 향상시키기 위해 수행되는 공정이며, 가공(Machining)은 다이캐스팅 부품의 정확한 크기와 모양을 얻기 위해 수행되는 공정이고, 애노다이징(Anodizing)은 다이캐스팅 부품의 표면에 산화막을 형성하여 내식성을 향상시키는 표면처리 공정이며, 연마(Polishing)는 다이캐스팅 부품의 표면을 부드럽게 만들기 위해 수행되는 공정이며, 도금(Plating)은 다이캐스팅 부품의 내식성을 향상시키거나, 미관을 개선하기 위해 수행되는 공정을 의미한다. 상술한 후처리 공정은 해당 기술분야의 일반적인 방법으로 수행될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.
[제조준비예 1: 굴껍질에서 유래된 탄산칼슘의 제조]
굴껍질은 고성 지역의 굴 양식장에서 수집한 폐기 굴껍질이 사용되었다. 폐기 굴껍질의 화학성분은 Al2O3 0.26%, CaO 50.93%, MgO 1.13%, Na2O 0.15%, 강열 감량(Loss of ignition)은 47.53%이다. 상기 폐기 굴껍질을 800℃의 온도에서 항량이 되도록 가열하여 산화칼슘이 주성분인 소성 굴껍질을 제조하였다. 소성 굴껍질 1.4 g을 질산용액(60%) 5 cm3와 반응하여 완전히 녹이고 증류수로 묽혔다. 증류수로 묽혀진 용액을 거름종이로 걸러 미용해 입자를 제거한 후 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 질산칼슘 수용액을 제조하였다. 탄산나트륨 2.65 g을 증류수에 녹여 전체 용액이 250 cm3 되도록 희석하여 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 제조하였다. 라이신 0.37 g(소성 굴껍질 몰수의 0.1배)을 증류수 100 cm3에 녹여 라이신 수용액을 만든 후 0.1 M 탄산나트륨 수용액과 혼합하였다. 항온조에 담겨 있는 1000 cm3 비이커에 라이신이 첨가된 0.1 M 탄산나트륨 수용액을 옮긴다. 회전교반기를 사용하여 내부를 600 rpm으로 교반하였다. 용액 온도가 20℃에 도달하면 항온조에 담가 탄산나트륨 수용액과 같은 온도로 유지된 굴껍질 0.1 M 질산 용액 250 cm3을 혼합하였다. 탄산칼슘 입자의 생성을 확인하면서 반응을 1시간 동안 유지하였다. 탄산칼슘 결정이 포함된 모액을 0.2 μm 멤브레인 필터로 여과하였다. 2차례 증류수로 세척한 후 60℃ 건조로에서 48 시간 건조하여 최종적으로 평균입경이 6.8 μm인 탄산칼슘 결정을 제조하였다.
[제조예 1: 합금제품의 제조]
하기 표 1에 따른 조성을 용해하여 용융금속을 형성한 후, 다이 캐스팅(Die casting) 방법으로 상기 용탕을 금형에 고압으로 강제 주입하여 합금제품을 주조하였다.
| 구분 (단위: 중량%) |
비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| Al | 92 | 92 | 92 | 92 | 92 |
| Si | 2.5 | - | 1 | 1 | 1 |
| Zn | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| Ti | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| SWCNT1) | 1 | 1 | 1 | 0.5 | 1 |
| MWCNT2) | - | - | - | 0.5 | - |
| 굴껍질 유래 CaCO3 3) | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 그래핀4) | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 제1 탄소나노섬유5) | - | 2.5 | 1.5 | 1.5 | - |
| 제2 탄소나노섬유6) | - | - | - | - | 1.5 |
| 전체 합 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 1) 직경이 0.6 내지 2.0nm이고 길이가 2.0㎛인 단일벽 탄소나노튜브 2) 직경이 30 내지 50nm이고 길이가 4.3㎛인 다중벽 탄소나노튜브 3) 제조준비예 1 4) 흑연을 산화시킨 다음 박리하여 수득된 산화 그래핀을 환원시켜 제조된 그래핀 플레이크(두께: 0.2nm) 5) 기공의 평균직경이 2.1nm이며, BET 비표면적이 2,000 내지 2,500m2/g인, 탄소나노섬유(Carbon nanofiber; CNF) 6) 기공의 평균직경이 2.1nm이며, BET 비표면적이 300 내지 500m2/g인, 탄소나노섬유(Carbon nanofiber; CNF) |
|||||
[실험예: 합금제품 시편의 물성 평가]
상기 실시예 및 비교예에 따른 방법으로 제조된 알루미늄 합금제품에 대하여 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타냈다.
1) 인장강도(Tensile strength)
인장강도는 재료가 인장 하중에 의해 파단할 때까지의 최대 응력으로, 최대 인장 하중(Wmax)을 시편의 원래의 단면적(A0)으로 나눈 값을 의미한다. 상기 인장강도를 측정하기 위한 방법으로 만능재료시험기(Instron 5985)를 이용하였다. 상기 인장강도는 1 x 10-3/s의 변형률 속도 조건에서 측정되었다.
2) 파괴강도(Breaking strength)
파괴강도는 재료가 외력에 의해 파괴할 때의 최대하중을 최초의 단면적으로 나눈 값을 의미한다. 상기 파괴강도를 측정하기 위한 방법으로 상기 인장강도를 측정하기 위한 방법과 동일한 방법을 사용하였다.
3) 열팽창계수
합금의 열팽창계수(Coefficient of thermal expansion; CTE)를 측정하기 위한 방법으로 TMA(Thermo-mechanical analysis) 분석법을 사용하였다.
| 구분 | 비교예 1 | 비교예 2 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 |
| 인장강도(Mpa) | 200 | 240 | 260 | 268 | 250 |
| 파괴강도(N/mm2) | 198 | 230 | 246 | 250 | 232 |
| 열팽창계수(10-6/℃) | 42 | 40 | 5 | 15 | 20 |
상기 표 2에서 탄소나노섬유와 실리콘의 조합 관점에서 비교예 1, 2 및 실시예 1 내지 3을 비교하면 탄소나노섬유와 실리콘이 유기적으로 조합되는 실시예 1 내지 3은 비교예 1 및 2 대비 인장강도 및 파괴강도가 현저하게 높고 열팽창계수가 현저히 낮아짐을 확인할 수 있다. 구체적으로 실리콘을 포함하되 탄소나노섬유를 포함하지 않는 비교예 1은 인장강도 및 파괴강도가 낮고 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 탄소나노섬유를 포함하되 실리콘을 포함하지 않는 비교예 2는 열팽창계수가 높아 금속 구성물이 팽창하거나 수축하는 문제가 발생할 수 있다.
상기 표 2에서 탄소나노섬유의 비표면적 관점에서 실시예 1 및 3을 비교하면, 비표면적이 2,000 내지 2,500m2/g인 탄소나노섬유를 사용한 실시예 1은, 비표면적이 300 내지 500m2/g인 탄소나노섬유를 사용한 실시예 3 대비 열팽창계수가 더욱 낮은 효과를 나타냈다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
Claims (6)
- 실리콘 0 초과 2 이하 중량%;
아연 0 초과 1.5 이하 중량%;
타이타늄 0 초과 2.5 이하 중량%;
탄소나노튜브 0 초과 3 이하 중량%;
굴껍질에서 유래된 탄산칼슘 0 초과 3 이하 중량%;
그래핀 0 초과 3 이하 중량%;
탄소나노섬유 0 초과 3 이하 중량%; 및
잔부 알루미늄; 으로 이루어지고,
상기 탄소나노튜브는, 단일벽 탄소나노튜브 및 다중벽 탄소나노튜브를 포함하고,
상기 탄소나노섬유의 BET(Brunauer, Emmett and Teller) 비표면적은 2,000 내지 2,500m2/g인,
다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄소나노섬유에 포함된 기공의 평균직경은 1.0 내지 3.0nm인,
다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금.
- 삭제
- 삭제
- (S1) 제1항 또는 제3항에 따른 다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금이 용융된 용융합금을 금형 내에 주입한 후, 냉각시켜 고형화하는 단계; 및
(S2) 상기 고형화된 결과물을 상기 금형에서 분리한 후, 후처리하는 단계; 를 포함하는,
다이캐스팅용 고강도-저팽창 합금제품의 제조방법.
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|---|---|---|---|---|
| JP2011104655A (ja) * | 2009-11-20 | 2011-06-02 | Korea Inst Of Industrial Technology | アルミニウム合金及びその製造方法 |
| KR20120074166A (ko) * | 2010-12-27 | 2012-07-05 | 재단법인 포항산업과학연구원 | 탄소나노튜브가 분산된 경량 금속 합금의 제조방법 |
| JP2013056349A (ja) * | 2011-09-07 | 2013-03-28 | Furukawa-Sky Aluminum Corp | アルミニウム板材の接合方法 |
| KR20220133732A (ko) * | 2021-03-25 | 2022-10-05 | 국민대학교산학협력단 | 금속 원자 및 탄소 원자 간 비화학양론상 구조를 갖는 금속-탄소 복합재 및 이의 제조 방법 |
-
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