KR20050068439A - 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적절한 가스분사법을 이용하여 분말의 형상을 제어함으로써, 종래의 알루미늄 합금 분말에 비해 냉간 성형성이 크게 향상된 알루미늄 합금 분말을 제공하는데 목적이 있다

상기 목적 달성을 위한 본 발명에 따른 알루미늄 합금 분말의 제조방법은, wt%로, Si: 20~ 50%, Fe: 5~ 8%, Mg: 1~ 2%, Mn: 0.3~ 1% 및 나머지 Al으로 조성되는 합금잉곳(Ingot)을 용해한 후, 용해된 용탕을 10~ 30부피%의 산소를 함유한 가스와 함께 분사한다.

이러한 방법에 의해 제조된 알루미늄 합금 분말은 종래의 알루미늄 합금 분말에 비하여 성형성이 크게 향상된다.

Description

성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법{Method for Manufacturing Alumium Based Alloyed Powder Having Superior Compactability}

본 발명은 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가스분사공정을 이용하여 분말의 성형성을 크게 향상시키는 알루미늄 합금 분말의 제조방법에 관한 것이다.

지금까지 알루미늄 분말로 만든 부품은 항공기, 우주용 부품 등 극히 제한된 범위에서 응용되어 왔다. 그러나, 분말제조기술이 향상되고 분말표면의 산화피막을 제거할 수 있는 새로운 공정이 개발됨에 따라 일반 산업용 부품으로서 그 응용도 점차 확대되고 있다.

알루미늄 분말로 만든 부품은 마그네슘 등 다른 비철재료들에 비해 강도가 높고, 가스분사공정에 의해 알루미늄 분말을 대량 제조할 수 있다. 또한, 지금의 주로 분말부품으로 사용되고 있는 철계 분말에 비해 상대적으로 낮은 성형압력에서도 높은 성형밀도를 얻을 수 있고, 소결온도도 철계 분말의 소결온도에 비해 매우 낮기 때문에 부품제조를 위한 공정비용도 적게 든다.

일반적인 분말야금공정인 성형 및 소결공정을 이용해 알루미늄 분말부품을 제조하기 위한 원료분말은, 순수 알루미늄 분말에 구리분말, 마그네슘 분말 등을 혼합한 분말(이하, 단지 `혼합분말'이라 한다)을 많이 사용하고 있다. 이러한 혼합분말을 원료분말로 사용한 경우에 있어서는 분말의 성형성이 좋기 때문에 밀도가 높은 성형품을 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 혼합분말을 사용해서 성형 및 소결공정을 거쳐 제조된 알루미늄 분말 부품은 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 실리콘, 구리, 마그네슘 등 합금원소를 다량으로 첨가할 수 없기 때문에 강도나 마모특성 등 기계적 특성이 우수하지 않는 단점이 있다.

한편, 혼합분말 대신 Al-Si등 합금분말을 원료분말로 사용할 경우, 기계적 특성은 혼합분말을 원료분말로 사용한 경우에 비해 매우 높게 나타날 수 있지만, 분말의 성형성이 나쁘기 때문에 일반 냉간 프레스를 사용해서 부품으로 성형하기가 매우 힘들다. 따라서, 함금분말을 사용한 경우에 있어서는 냉간정압성형기(Cold Isostaic Press) 등의 특수 성형기를 사용해서 분말을 성형해야하며, 이로 인해 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 없고, 부품제조를 위한 공정비용도 매우 높아지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 알루미늄 합금 분말의 조성을 제어하는 동시에, 적절한 가스분사법을 이용하여 분말의 형상을 제어함으로써, 종래의 알루미늄 합금 분말에 비해 냉간 성형성이 크게 향상된 알루미늄 합금 분말을 제공하는데 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은, 알루미늄 합금 분말의 제조방법에 있어서, wt%로, Si: 20~ 50%, Fe: 5~ 8%, Mg: 1~ 2%, Mn: 0.3~ 1% 및 나머지 Al으로 조성되는 합금잉곳(Ingot)을 용해한 후, 용해된 용탕을 산소를 함유한 가스와 함께 분사하는, 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 부합되는 알루미늄 합금은, 분말야금제조에 적합한 알루미늄 합금 분말로서, 알루미늄 기지에 20-50wt% 범위의 Si 원소를 함유하고 있고, 기타 성분으로 Fe, Mg 및 Mn을 함유하는 합금이다. 바람직하게는 wt%로, Si: 20~ 50%, Fe: 5~ 8%, Mg: 1~ 2%, Mn: 0.3~ 1% 및 나머지 Al으로 조성되는 것이다.

상기 합금 중에 함유되는 Si 성분은 강도 및 내마모성을 향상시키는 원소로서, 주조를 통해 알루미늄에 Si을 함유시킬 수 있는 범위는 15% 이내이지만, 분말야금을 통해서는 적어도 20% 이상의 Si을 함유시키는 것이 가능하다. Si 성분 함량이 20% 이하이면 합금의 강도 및 내마모성이 미흡하며, 50%를 넘게 되면 입자 조대화가 발생되어 바람직하지 않다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성은 Si 성분을 20% 이상 포함하면서도 성형성 향상을 위하여 Cu 성분을 함유하지 않는데 특징이 있다.

상기 Fe 성분은 강도를 향상시키는 역할을 하지만, 5% 보다 적으면 강도 향상 효과가 미흡하다. 그러나, Fe 성분의 함량이 8% 이상이면 FeAl, Fe₃Al 등의 석출물이 발생되어 인장강도 등 기계적 성질이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

상기 Mg 성분은 기지강화원소로서, 이를 위해서는 적어도 1% 이상은 함유될 필요가 있으나, 2% 이상 함유되어도 더 이상 효과가 없다.

상기 Mn 성분은 강도 향상 및 소재의 절삭성을 부여하는 원소로서, 이를 위해 적어도 0.3% 이상은 함유되어야 하며, 1% 이상은 소재가 취약해지므로 바람직하지 않다.

상기한 조성을 갖는 합금잉곳을 용해하여, 용해된 용탕을 가스분사방법에 의해 분사하여 분말을 제조한다. 본 발명에서는 가스분사방법으로 분말을 제조할 때, 분말의 형상을 불규칙한 분말(Irregular Powder)로 만들기 위해서, 분사가스 중에 반드시 산소가 함유되어야 한다. 예컨대, 압축공기를 사용하거나, 질소, 아르곤 및 헬륨가스 등의 불활성 가스를 사용하는 경우에는 산소를 혼합한 가스를 사용할 필요가 있다. 바람직하게는 산소를 10~ 30부피% 함유하고 있는 기체를 사용하는 것이다. 이때, 가스분사압은 합금 분말의 용도나 크기 또는 형상에 따라 임의로 조절 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

알루미늄 기지에 표 1과 같이, 20wt%의 실리콘 성분과 철, 구리, 마그네슘, 망간을 함유하고 있는 합금잉곳(Ingot)을 고주파 용해장치에서 흑연도가니를 사용하여 용해, 주조하여 제조하였다. 하기 표 1에서 본 발명재는 구리 및 니켈 성분을 함유하고 있지 않고, 비교재는 종류에 따라 구리 혹은 구리+니켈, 또는 철 성분을 함유하고 있지 않다.

알루미늄 합금분말은 제조된 잉곳을 재용해한 후, 가스 분사장치를 사용하여 제조하였다. 이때, 분사가스는 압축공기를 사용하였으며, 분사압력은 20기압을 사용하였다. 제조된 분말 중 분말크기가 180㎛이상의 분말은 체질(Sieving)에 의해 제거 한 후, 나머지 분말은 분말혼합기를 이용하여 혼합한 다음, 냉간 분말성형 프레스를 이용하여 성형압력에 따른 성형밀도를 측정하여 도 1에 나타내었다.

구분	화학조성(wt%)
	Al	Si	Cu	Fe	Ni	Mg	Mn
비교재 1	나머지	20.0	3.5	5.5	-	1.2	0.5
비교재 2	나머지	20.0	3.5	-	7.5	1.2	0.5
비교재 3	나머지	20.0	3.5	5.0	2.5	1.2	0.5
발명재 1	나머지	20.0	-	5.5	-	1.2	0.5

도 1은 분말을 각각의 성형압에서 성형한 후의 상대밀도(성형밀도/진밀도× 100)를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 분말을 300MPa의 압력으로 성형할 때, 비교재 분말들은 성형상대 밀도가 약 70%로 성분에 관계없이 거의 유사한 성형밀도를 나타내지만, 본 발명재의 경우 이보다 약 10% 높은 80%의 상대성형밀도를 가짐을 나타낸다. 또한, 성형압이 증가할수록 성형상대밀도는 점차 증가하며, 발명재의 상대성형밀도가 비교재의 상대성형밀도보다 약 10% 높게 유지하고 있음을 알 수 있다. 성형압력이 600MPa인 경우에도, 발명재의 경우 상대성형밀도 90%로 성형밀도가 높게 나타난 반면, 비교재는 78%정도에 머무르고 있다. 알루미늄 분말 부품을 일반적인 분말야금공정 즉, 분말 프레스를 이용해, 냉간성형한 후 소결공정에 의해 제조할 때, 소결부품을 기계적 특성을 높게 가지기 위해서는 높은 소결밀도가 요구된다. 이를 위해서는, 알루미늄 분말의 성형밀도는 보통 85% 이상은 얻을 수 있어야 하며, 본 발명재의 경우 최대 90%의 상대성형밀도를 얻을 수 있기 때문에, 알루미늄 소결부품용 원료분말로서 적합한 반면, 비교재의 경우 성형상대밀도가 최대 78%에 이르기 때문에 적합하지 않음을 알 수 있다.

[실시예 2]

합금잉곳의 조성을 표 2와 같이 한 것을 제외하고는 실시 예1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금분말을 제조하였다. 표 2에서 비교재 4와 비교재 5는 분말압출용으로 사용되는 원료분말로서 사용되고 있는 합금분말이며, 발명재 2는 발명재 1보다 실리콘 함량을 5wt% 증가시키고 나머지 원소의 성분은 발명재 1과 동일하다.

구분	화학조성(wt%)
	Al	Si	Cu	Fe	Ni	Mg	Mn
비교재 4	나머지	24.2	-	5.2	2.0	0.1	-
비교재 5	나머지	25.0	3.5	-	7.5	1.0	0.5
발명재 2	나머지	25.0	-	5.5	-	1.2	0.5

도 2는 표 2의 각 분말에 대한 성형압력에 따른 성형 후의 상대밀도를 나타낸다. 도 2에서 나타난 바와 같이, 발명재 2는 비교재 3, 4 분말의 상대성형밀도 보다 약 10% 높은 상대성형밀도를 가지는 것을 알 수 있다. 또한, 성형압력이 500MPa 이상인 경우 발명재 2는 성형상대밀도가 85%이상으로 높아진 반면, 비교재 4와 비교재 5는 75-80% 범위인 것을 알 수 있다. 따라서, 발명재 2는 소결부품용 원소재로 사용하기에 적합함을 알 수 있다.

[실시예 3]

알루미늄 기지에 표 3과 같이, 50wt%의 실리콘 성분과 철, 구리, 마그네슘, 망간을 함유하고 있는 비교재 6, 7, 8 및 발명재 3의 합금을 실시예 1의 방법을 사용하여 분말을 제조한 후 성형성을 측정하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

구분	화학조성(wt%)
	Al	Si	Cu	Fe	Ni	Mg	Mn
비교재 6	나머지	50.0	-	-	-	-	-
비교재 7	나머지	50.0	3.5	-	7.5	1.2	0.5
비교재 8	나머지	50.0	3.5	5.0	2.5	1.2	0.5
발명재 3	나머지	50.0	-	5.5	-	1.2	0.5

도 3에 나타난 바와 같이 같은 조건 하에서 분말을 제조하여도 발명재 3의 경우에는 성형압에 따른 상대성형밀도가 다른 비교재에 비해 5% 이상 높게 나타난다.

지금까지 합금원소를 다량 함유한 알루미늄 합금분말은 분말의 성형성이 나쁘기 때문에 일반적인 분말야금공정 즉 프래스에 의해 냉간 성형을 한 후, 소결에 의해 분말부품을 제조하는 방법의 원료분말로 사용할 수 없었다. 그러나, 본 발명에 따르면, 적절한 조성을 갖는 알루미늄 합금을 산소 함유 가스를 통하여 분말의 형상을 불규칙하게 형성함으로써, 종래의 합금분말에 비해 냉간 성형성이 크게 향상된 분말을 얻을 수 있다.

도 1 내지 도 3은, 본 실시예에서의 분말을 이용하여 제조된 성형체의 성형압력에 대한 상대밀도 변화를 보이는 그래프이다.

Claims (3)

1. 알루미늄 합금 분말의 제조방법에 있어서,

   wt%로, Si: 20~ 50%, Fe: 5~ 8%, Mg: 1~ 2%, Mn: 0.3~ 1% 및 나머지 Al으로 조성되는 합금잉곳(Ingot)을 용해한 후, 용해된 용탕을 산소를 함유한 가스와 함께 분사하는 것을 특징으로 하는 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 가스는 산소를 10~ 30wt% 함유하고 있는 기체인 것을 특징으로 하는 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 가스는 압축공기인 것을 특징으로 하는 성형성이 우수한 알루미늄 합금 분말의 제조방법.