KR20110056211A - 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동성, 주조성, 기계적 특성, 내식성 및 연신율과 같은 합금의 특성이 향상되는 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금 및 알루미늄을 제공하는 단계, 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계 및 용탕을 주조하는 단계를 포함하고, 이때 모합금은 모재에 칼슘을 첨가하여 제조된 것인 알루미늄 합금 제조방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 알루미늄 기지 및 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물을 포함하고, 상기 알루미늄 기지는 칼슘이 고용한도 이하의 칼슘이 고용된 알루미늄 합금이 제공된다.

Description

알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 {Aluminium alloy and manufacturing method thereof}
본 발명은 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
알루미늄(Al) 합금을 주조로 제조하는 경우, 알루미늄 합금의 기계적 특성은 알루미늄 합금 용탕의 품질에 크게 좌우된다. 특히 합금원소로 산화력이 높은 물질을 첨가하는 경우에는 이러한 첨가되는 합금원소의 산화력으로 인해 용탕의 품질이 악화될 수 있다. 일예로서 알루미늄 합금의 강도를 증가시키고 표면특성 및 내식성 향상을 위해 첨가되는 마그네슘(Mg)의 경우, 높은 산화성을 가지고 있어 알루미늄 용탕에 첨가되는 마그네슘의 함량이 증가됨에 따라 산화물이나 개재물이 알루미늄 용탕에 혼입되어 용탕품질을 저하시키는 문제점을 일으킨다. 이러한 마그네슘 첨가에 따른 산화물 및 개재물 혼입을 억제하기 위해 마그네슘의 첨가시 SF6 등의 보호가스로 용탕표면을 도포하는 방법을 고려해 볼 수 있지만 알루미늄 합금의 제조 공정상 대규모로 첨가되는 마그네슘을 보호가스로 완벽하게 보호하는 것은 불가능하다. 더 나아가 보호가스로 사용되는 SF6는 고가일 뿐 아니라 환경문제를 유발하는 가스로서 전 세계적으로 점차 그 사용이 규제되고 있다.
이에 본 발명은 유동성, 주조성, 기계적 특성, 내식성 및 연신율 등과 같은 합금의 특성이 향상되는 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법을 제공한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일측면에 따르면, 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금 및 알루미늄을 제공하는 단계, 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계 및 용탕을 주조하는 단계를 포함하고, 이때 모합금은 모재에 칼슘을 첨가하여 제조된 것인 알루미늄 합금 제조방법이 제공된다.
이때 모재는 순수 마그네슘, 마그네슘 합금, 순수 알루미늄 및 알루미늄 합금 중 어느 하나일 수 있으며, 상기 마그네슘 합금은 합금원소로 알루미늄을 포함할 수 있다.
또한 모재가 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금인 경우, 알루미늄 합금 제조방법은 철(Fe)을 1.0 중량% 이하(0 초과)로 첨가하는 단계, 더욱 엄격하게는 0.2 중량% 이하(0 초과)로 첨가되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계에서 모합금은 알루미늄 100 중량부에 대해서 0.0001 내지 30 중량부의 범위를 가질 수 있다.
또한 모재에 첨가되는 칼슘은 모재 100 중량부에 대해서 0.0001 내지 100 중량부의 범위로 첨가될 수 있으며, 보다 엄격하게는 모재의 고용한도 이상 100 중량 이하의 범위로 첨가될 수 있다.
본 발명에서 모합금은 알루미늄 용탕에 투입되어 용해되거나 혹은 알루미늄과 함께 용해될 수 있다.
구체적으로 알루미늄 및 모합금이 용해된 용탕을 형성하는 단계는 알루미늄을 용해하여 알루미늄 용탕을 형성하는 단계와 알루미늄 용탕에 모합금을 첨가하여 용해하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조될 수 있다.
또 다른 방법으로는 알루미늄 및 모합금을 용해장치 내에 장착하는 단계와 알루미늄 및 모합금을 같이 가열하여 용해시키는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 모합금의 제조방법은 모재 용탕을 형성하는 단계와 모재 용탕에 칼슘을 첨가하는 단계를 포함할 수 있다.
모합금의 또 다른 제조방법으로는 모재 및 칼슘을 용해장치 내에 같이 장착하는 단계와 모재 및 칼슘을 같이 가열하여 용해시키는 단계를 포함할 수 있다.
모재에 첨가된 칼슘은 모재 내의 다른 원소, 예를 들어 마그네슘 및/또는 알루미늄과 반응하여 모합금 내부에 칼슘계 화합물을 형성할 수 있다.
이때 칼슘계 화합물은 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로 Mg-Ca 화합물은 Mg2Ca을 포함할 수 있으며, Al-Ca 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, Mg-Al-Ca 화합물은 (Mg,Al)2Ca을 포함할 수 있다.
이와 같이 모합금 내에 생성되어 있는 칼슘계 화합물은 모합금이 알루미늄 용탕내로 제공될 때 알루미늄 용탕 내로 제공될 수 있다.
한편, 용탕을 형성하기 위한 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 칼슘 및 알루미늄을 제공하는 단계, 칼슘 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계 및 용탕을 주조하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 제조방법이며, 이때 상기 칼슘은 알루미늄 합금 내에 0.1 내지 40 중량%의 범위가 되도록 첨가되는, 알루미늄 합금 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 전술한 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 합금이 제공될 수 있다. 이때 전술한 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 합금은 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300계열, 400 계열, 500 계열 및 700 계열 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 알루미늄 기지 및 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물을 포함하고, 상기 알루미늄 기지는 칼슘이 고용한도 이하로 고용된 알루미늄 합금이 제공된다.
일예로서 상기 알루미늄 기지에는 500ppm 이하의 칼슘이 고용될 수 있다.
또한 상기 알루미늄 합금은 철(Fe)을 1.0 중량% 이하(0 초과)로 더 포함할 수 있으며, 더 엄격하게는 0.2 중량% 이하(0 초과)로 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따라 제공되는 알루미늄 합금은 알루미늄 기지는 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가지며 상기 경계 또는 상기 영역 내에는 칼슘계 화합물의 존재할 수 있다.
이때 상기 영역은 결정립이고 상기 경계는 결정립계일 수 있다.
또는 상기 영역은 서로 다른 상에 의해 한정되는 상영역이며, 상기 경계는 상경계일 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 알루미늄 기지 및 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물을 포함하고, 상기 알루미늄 기지는 고용한도 범위까지 칼슘이 고용된 알루미늄 합금이 제공된다.
이러한 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물은 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
구체적으로 Mg-Ca 화합물은 Mg2Ca을 포함할 수 있으며, Al-Ca 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, Mg-Al-Ca 화합물은 (Mg,Al)2Ca을 포함할 수 있다.
또한 알루미늄 기지는 순수 알루미늄, 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300계열, 400 계열, 500 계열 및 700 계열 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
한편 이와 같이 본 발명을 따르는 알루미늄 합금은 알루미늄 기지 내의 결정립 또는 상영역의 평균크기가, 동일조건으로 제조된 알루미늄 합금으로서 상기 칼슘계 화합물을 갖지 않는 알루미늄 합금에 비해 더 작은 값을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명을 따르는 알루미늄 합금은 인장강도가, 동일조건으로 제조된 알루미늄 합금으로서 상기 칼슘계 화합물을 갖지 않는 알루미늄 합금에 비해 더 큰 값을 나타낼 수 있으며, 더 나아가 더 큰 인장강도와 함께 더 크거나 동등한 수준의 연신율을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 의하면, 칼슘을 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 첨가함으로써 종래부터 사용되었던 SF6 등의 보호가스의 양을 현저하게 감소시키거나 사용하지 않는 경우에도 안정적으로 알루미늄 주조공정을 수행할 수 있다.
따라서 알루미늄 내에 첨가되는 마그네슘의 함유량에 용이하게 증가시킬 수 있으면서도 환경적인 측면 및 비용적인 측면에서 장점을 가질 수 있다.
또한 주조 중에 알루미늄의 용탕에 마그네슘의 높은 산화성에 따른 산화물 또는 개재물의 혼입을 방지할 수 있으므로 용탕의 청정도를 향상시켜 용탕의 품질을 개선시킬 수 있다.
이러한 알루미늄 용탕의 품질 개선으로 이로부터 주조되는 알루미늄 합금은 종래에 비해 불순물의 함유량이 현저하게 감소되어 강도, 연신율 등과 같은 기계적 특성이 더 우수한 값을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 모합금 내에 포함된 칼슘계 화합물이 기지 내에 분산됨에 따라 분산강화 효과 및 결정립 미세화 효과 등을 유발하여 알루미늄 합금의 기계적 특성을 현저하게 개선시킬 수 있다.
또한, 알루미늄 합금 내에 마그네슘 함유량을 용이하게 증가시킬 수 있음에 따라 철의 함유량을 감소시키는 경우에도 알루미늄 다이캐스팅 시 발생되는 소착을 방지할 수 있어, 철에 의한 내식성 및 연신율 악화를 방지할 수 있다.
또한, 모합금 내에 고용된 형태로 있는 칼슘 투입이 가능하며, 이때 모합금 내에 기 고용된 칼슘의 함유량을 알 수 있으므로 이를 바탕으로 계산된 희석화율을 활용함으로써 알루미늄 용탕에 직접 칼슘을 첨가할 때에 비해 용탕 내에서의 칼슘 함유량의 제어가 상대적 용이하다. 따라서 알루미늄 합금의 기지에 고용되는 칼슘 함유량을 500ppm 이하의 목적하는 범위로 재연성 있게 제어할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조 시 이용되는 모합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2a 내지 2d는 마그네슘 모합금 내의 칼슘계 화합물의 성분을 분석한 결과이다.
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다.
도 4a 내지 4d는 본 발명의 일실시예에 따라 칼슘이 첨가된 마그네슘 모합금을 첨가한 알루미늄 합금의 성분을 분석한 결과이다.
도 5a 및 5b는 본 발명의 일실시예에 따라 칼슘이 첨가된 마그네슘 모합금을 첨가한 알루미늄 합금과 순수 마그네슘을 첨가한 알루미늄 합금의 주조재 표면을 비교 관찰한 결과이다.
도 6a 및 6b는 6061 합금에 칼슘이 첨가된 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금 및 상용 알루미늄 합금인 6061 합금의 미세조직을 비교 관찰한 결과이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명에 따르면 모재에 소정의 첨가제로서 칼슘(Ca)을 첨가하여 모합금을 제조한 후 이 모합금을 알루미늄에 첨가함으로써 알루미늄 합금을 제조한다.
이때 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 사용하는 마그네슘 모합금과 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 모재로 사용하는 알루미늄 모합금을 포함할 수 있다.
이때 순수 마그네슘 또는 순수 알루미늄은 의도적으로 투입된 합금원소가 없는 상태로서, 마그네슘 또는 알루미늄을 제조하는 과정 중에 불가피하게 투입되는 불순물을 포함하는 실질적 의미로 정의한다.
또한 마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금은 마그네슘 또는 알루미늄에 의도적으로 다른 합금원소를 첨가하여 제조한 합금이다.
이때 마그네슘 합금은 합금원소로 알루미늄을 포함할 수 있으며, 합금원소로서 알루미늄을 포함하는 마그네슘 합금을 마그네슘-알루미늄 합금으로 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 만들기 위해 알루미늄 용탕에 첨가되는 모합금의 제조 방법을 예시한 순서도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 모합금의 제조 방법은 모재 용탕 형성 단계(S1), 첨가제 첨가 단계(S2), 교반ㆍ유지 단계(S3), 주조 단계(S4) 및 냉각 단계(S5)를 포함한다.
모재 용탕 형성 단계(S1)에서 모재를 도가니에 넣고 용융시켜 모재 용탕을 형성한다.
이때, 모재로 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 사용하는 경우 용탕의 온도를 600 내지 800℃로 유지하는 것이 바람직하다. 온도가 600℃ 미만이면 마그네슘 용탕이 형성되기 어렵고, 온도가 800℃를 초과하면 마그네슘 용탕이 발화할 위험이 있다.
모재로 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하는 경우, 용탕의 온도를 600 내지 900℃ 범위에서 가열하여 알루미늄 용탕을 형성한다.
다음, 첨가제 첨가 단계(S2)에서는 모재 용탕에 첨가제로서 칼슘을 첨가한다.
교반ㆍ유지 단계(S3)에서는 모재 용탕을 1 내지 400 분 범위 내에서 교반 하거나 및/또는 유지할 수 있다.
여기서 교반ㆍ유지 시간이 1분 미만이면 모재 용탕에 첨가제인 칼슘이 충분히 섞이지 않고, 400 분을 초과하면 모재 용탕의 교반ㆍ유지 시간이 불필요하게 길어질 수 있다.
이때 첨가되는 칼슘은 모재 100 중량부에 대해 0.0001 내지 100 중량부의 범위에서 첨가될 수 있으며, 엄격하게는 0.001 내지 30 중량부 범위에서 첨가될 수 있다. 첨가제가 0.0001 중량부 미만인 경우에는 첨가제에 의한 효과(경도 증가, 산화 감소, 발화 온도 증가 및 보호가스 감소)가 작을 수 있다. 또한 모합금을 통해 첨가되는 칼슘계 화합물의 양은 일정부분 희석화되어 첨가되게 되며, 따라서 모합금 내에 첨가되는 칼슘의 함량이 높을수록 동일한 칼슘의 총량에 대해서 첨가되는 모합금의 양은 감소될 수 있다. 다만, 칼슘이 100 중량부 이상인 경우에는 제조의 난이도가 증가될 수 있어 바람직하지 않을 수 있으며, 이러한 점에서 30 중량부 이하로 첨가하는 것이 더 바람직할 수 있다.
한편, 모재로서 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 사용하여 용탕을 형성하는 경우, 마그네슘 용탕의 발화를 방지하기 위해 부가적으로 소량의 보호가스가 제공될 수 있다. 보호가스는 통상의 SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec™612, 비활성기체 및 그 등가물, 또는 이들의 혼합 가스를 이용하여, 마그네슘 용탕의 발화를 억제할 수 있다. 그러나 본 발명에서 이러한 보호가스가 반드시 필요한 것은 아니며, 제공되지 않을 수도 있다.
즉, 상술한 바와 같이 첨가제 첨가 단계(S2)에서 칼슘을 첨가하는 경우에는 용탕 내 마그네슘의 내산화성을 증가시켜 발화 온도를 높임에 따라, 마그네슘의 용해 시 필요한 보호가스의 양을 현저히 저감시켜 사용하거나 또는 사용하지 않을 수 있다.
따라서 이러한 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 모합금의 제조는 환경상의 이유로 규제 대상인 SF6 등과 같은 보호가스 사용으로 인해 발생되는 문제점을 해결할 수 있다.
모재 용탕의 교반ㆍ유지 단계(S3)가 완료되면, 모재 용탕을 주형에 넣어 주조하고(S4), 냉각시킨 다음 주형으로부터 응고된 모합금을 분리시킨다(S5).
이때 주조단계(S4)에서의 주형의 온도는 상온(예를 들면, 25℃) 내지 400℃ 의 온도범위를 가질 수 있다.
또한 냉각단계(S5)에서는 주형을 상온까지 냉각시킨 후 모합금을 주형으로부터 분리시킬 수 있으나, 상온 이전이라도 모합금의 응고가 완료되는 경우에는 주형으로부터 모합금을 분리시킬 수 있다.
여기서, 상기 주형은 금형, 세라믹형, 그라파이트형 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다. 또한, 주조 방식은 사형주조, 다이캐스팅(die casting), 중력주조, 연속주조, 저압주조, 스퀴즈캐스팅, 로스트왁스주조(lost wax casting), 틱소캐스팅(thixo casting) 등을 들 수 있다.
중력주조는 용융상태의 합금을 중력을 이용하여 주형에 주입하는 방법을 지칭하고, 저압주조는 용융된 합금의 용탕면에 가스를 이용하여 압력을 가하여 주형 내에 용탕을 주입하는 방식을 지칭할 수 있다. 틱소캐스팅은 반용융 상태에서의 주조 기술로서, 통상적인 주조와 단조의 장점을 융합한 방식이다. 그러나 본 발명이 주형의 종류 및 주조의 방식을 한정하는 것은 아니다.
이와 같이 제조된 모합금은 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가진 기지를 가진다. 이때 서로 구분되는 복수개의 영역은 전형적으로 결정립계로 구분되는 복수의 결정립일 수 있으며, 또 다른 예로서 2 이상의 서로 다른 상의 상경계에 의해 한정되는 복수의 상영역일 수 있다.
한편, 이러한 모합금의 기지에는 모합금 제조 과정에서 생성된 칼슘계 화합물이 형성될 수 있다.
이때 칼슘계 화합물은 첨가제 첨가단계(S2)에서 모재 용탕 내에 첨가된 칼슘이 모재 내에서 모재 또는 모재 내의 다른 합금원소와 반응하여 생성된 것 일 수 있다.
예를 들어, 모재가 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금인 경우에는 칼슘과 마그네슘의 반응으로 Mg-Ca 화합물, 예를 들어 Mg2Ca이 형성될 수 있다.
또한 모재가 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금인 경우에는 칼슘이 알루미늄과 반응하여 Al-Ca 화합물, 예를 들어 Al4Ca, Al2Ca도 형성될 수 있다.
한편, 마그네슘 합금이 마그네슘-알루미늄 합금인 경우에는 칼슘이 마그네슘 및/또는 알루미늄과 반응하여 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어 Mg-Ca 화합물은 Mg2Ca 일 수 있으며, Al-Ca 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, Mg-Al-Ca 화합물은 (Mg,Al)2Ca 일 수 있다.
이때 칼슘계 화합물은 이러한 결정립간의 경계인 결정립계 또는 상영역간의 경계인 상경계에 분포될 확률이 높다. 이는 이러한 경계부분이 결정립 또는 상영역 내부에 비해 개방된 구조로서 상대적으로 높은 에너지를 가지고 있으므로 칼슘계 화합물의 핵생성 및 성장에 유리한 자리를 제공할 수 있기 때문이다.
도 2에는 본 발명에 따른 모합금의 일실시예로서 마그네슘-알루미늄 합금을 모재로 하고 이에 칼슘를 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금의 미세조직 및 성분을 TEM(transmission electron microscope)로 분석한 결과가 나타나 있다.
도 2a는 제조한 마그네슘 모합금의 미세조직을 후방 산란 전자(back scattering electron)로 관찰한 결과이며, 도 2b 내지 도 2d는 동일한 마그네슘 모합금을 EPMA로 매핑(mapping)을 수행한 결과로서, 각각 마그네슘, 알루미늄 및 칼슘에 대한 결과이다.
도 2a 및 도 2b에 나타나 있듯이, 결정립계에 막대기 형상(rod type)의 화합물(화살표)이 마그네슘 기지에 형성되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 마그네슘 기지는 경계를 가지고 구분되는 영역(결정립)이 복수로 형성되어 있으며, 화합물은 이러한 영역의 경계(결정입계)를 따라 형성되어 있음을 알 수 있다. 도 2c 및 도 2d를 참조하면, 막대기 형상의 화합물에서 알루미늄 및 칼슘의 신호강도가 높으며(도 2c의 진한 적색 부분 및 도 2d의 청색부분), 이로부터 막대기 형상의 화합물은 Al-Ca 화합물임을 알 수 있다. 이러한 Al-Ca 화합물은 Al2Ca 또는 Al4Ca 일 수 있다.
이로부터 마그네슘-알루미늄 합금에 칼슘을 첨가한 경우, 칼슘과 알루미늄의 반응으로 Al-Ca 화합물이 형성되었음을 확인할 수 있다.
한편 위 분석 결과에는 Al-Ca 화합물이 모합금 기지의 결정립계에 분포하는 것으로 분석되었으며, 이는 결정립의 경계부분으로서 개방구조를 가지는 결정립계의 특성상 결정립 내부 보다는 결정립계에서 칼슘계 화합물이 분포할 확률이 높기 때문으로 해석된다. 다만, 이러한 분석결과가 모든 칼슘계 화합물인 전적으로 결정립계에만 분포하는 것으로 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 경우에 따라 결정립 내부에도 이러한 칼슘계 화합물이 발견될 수 있다.
상술한 방법으로 제조된 모합금은 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 제조하기 위한 합금화 단계에 알루미늄 용탕에 제공되기 위한 용도로 이용될 수 있으나, 이에 반드시 한정되는 것으로 아니며 경우에 따라 모합금 자체가 특정용도를 위한 합금으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 상술한 방법으로 제작한 알루미늄 모합금의 경우에는 알루미늄-칼슘 합금으로서 활용될 수 있다. 상술한 바와 같이 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 칼슘을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금에는 기지 상에 칼슘계 화합물이 형성될 수 있다. 이때 알루미늄 기지에는 칼슘이 고용한도까지 고용되어 있을 수 있다.
즉, 알루미늄에 칼슘을 첨가하는 경우 알루미늄에 고용되며, 만약 고용한도를 초과하여 칼슘을 첨가하는 경우에는 잉여의 칼슘이 상술한 바와 같이 알루미늄과 반응하여 Al-Ca 화합물을 형성할 수 있다. 이때 알루미늄이 마그네슘을 포함하는 알루미늄 합금일 경우에는 칼슘계 화합물로서 Al-Ca 화합물 외에 Mg-Ca 화합물, Mg-Al-Ca 화합물 등이 형성될 수 있다.
이러한 칼슘계 화합물이 기지의 결정립계 또는 상경계에 미세하게 존재하는 경우 결정립계 또는 상경계의 이동을 방해하는 요소로서 작용함에 따라 조직 미세화에 기여함으로써 인장강도, 연신율 등과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
경우에 따라, 이러한 칼슘계 화합물은 불균일 핵생성 자리를 제공하여 알루미늄-칼슘 합금의 응고시 결정립을 미세화하는 역할을 수행할 수 있다.
또한 칼슘계 화합물은 금속간화합물로서 기지에 비해 높은 강도를 나타내게 되며, 이러한 칼슘계 화합물이 기지에 미세하게 분산되는 경우 전위의 이동을 억제하는 요소로 작용하여 알루미늄 합금의 강도 증가에 기여할 수 있다.
이때 칼슘은 알루미늄 합금 내에 0.1 내지 40 중량% 범위 있도록 첨가될 수 있다. 0.1 중량% 이하에서는 상술한 Al-Ca 화합물에 의한 효과가 나타나지 않을 수 있으며, 40 중량% 이상에서는 취성이 증가됨에 따라 기계적 특성이 악화되게 된다. 상술한 목적을 위해 바람직하게는 10 내지 30 중량%의 범위, 더욱 바람직하게는 15 내지 30 중량%, 더더욱 바람직하게는 15 내지 25 중량%의 범위를 가질 수 있다.
다만, 경우에 따라 알루미늄 기지에 고용되는 칼슘의 양을 가능한 작게 하는 것이 유리할 때가 있다. 일예로서 알루미늄 기지에 고용되는 칼슘의 고용양이 500ppm 이하로 조절되지 못하는 경우, 칼슘이 첨가되는 알루미늄 용탕 내 기포가 발생하는 등 알루미늄 용탕 품질을 저하시킬 수 있으며, 이러한 용탕으로 주조된 주조재의 경우에도 이러한 기포에 기인한 다수의 미세기공을 내부에 보유하게 되어 주조재의 강도 및 연신율에 악역향을 줄 수 있다.
또한 일반적으로 칼슘이 Al-Mg-Si 합금에 첨가되는 경우에 합금의 강도 향상에 중요한 역할을 하는 Mg2Si 상의 생성을 억제하여 기계적 특성을 저하 시킬 수도 있다.
이러한 경우들은 알루미늄 합금에 있어 알루미늄 기지에 고용되는 칼슘의 함유량을 고용한도 이하, 일예로서 500ppm 이하로 되도록 조절하는 것이 필요하다.
알루미늄 용탕에 직접 칼슘을 첨가하는 경우에는 용탕 내에서 소실되는 칼슘의 양을 정확하게 제어하기 어려우므로 알루미늄 내에 고용되는 칼슘의 양을 500ppm 이하로 재연성 있게 제어하기 힘들다.
따라서 이러한 경우에는 알루미늄에 직접 칼슘을 첨가하는 대신 칼슘을 첨가하여 제조한 모합금을 첨가함으로써 상술한 문제를 해결할 수 있다.
즉, 알루미늄 또는 마그네슘에 칼슘을 직접 첨가하여 제조한 모합금에는 첨가된 칼슘의 소량이 알루미늄 또는 마그네슘에 고용되고 대부분은 칼슘계 화합물 형태로 존재하게 된다. 이러한 칼슘계 화합물들은 금속간화합물로서 알루미늄의 융점(658℃)보다 더 높은 융점을 가지고 있다. 일예로서 Al-Ca 화합물인 Al2Ca 또는 Al4Ca의 융점은 각각 1079℃ 및 700℃ 로서 알루미늄의 융점에 비해 높다.
따라서 이러한 소량 고용된 순수 칼슘과 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하는 경우, 극히 소량의 순수한 칼슘만이 희석화되어 알루미늄 내에 공급되며 칼슘의 대부분은 칼슘계 화합물 형태로 제공됨에 따라 제조된 알루미늄 합금은 500ppm 이하의 소량의 칼슘이 고용된 알루미늄 기지 상에 고용되지 않은 칼슘계 화합물이 분산되어 분포되는 조직을 가지게 된다.
이로부터 칼슘이 500ppm을 초과하여 고용되는 경우의 문제점을 해결함과 동시에 칼슘계 화합물의 분포에 따른 기계적 특성 향상의 효과를 동시에 얻을 수 있게 된다.
이때 상술한 바와 같이 칼슘계 화합물은 알루미늄 합금 내에서 미세한 입자 형태로 분산되어 분포할 수 있으며, 칼슘계 화합물의 분산분포로 인하여 알루미늄 합금의 강도가 증가될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우, 칼슘계 화합물이 존재하지 않은 알루미늄 합금에 비해 더 미세하고 작은 결정립 또는 상영역 평균크기를 가질 수 있다. 이러한 결정립 또는 상영역이 미세화는 강도, 연신율 등과 같은 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
이하 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금 및 알루미늄을 제공하는 단계, 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계 및 용탕을 주조하는 단계를 포함한다.
이때 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하기 위해 먼저 알루미늄을 용해하여 용탕을 형성하고, 이 알루미늄 용탕에 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금을 첨가하여 용해함으로써 형성할 수 있다.
또 다른 방식으로는 알루미늄과 모합금을 도가니 등과 같은 용해용 장치 내에 같이 장착한 후 가열하여 같이 용해함으로써 형성할 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법의 일실시예로서 알루미늄 용탕을 먼저 형성한 후, 이에 상술한 방법으로 제조한 모합금을 첨가하여 용해하는 방식을 이용한 알루미늄 합금 제조 방법의 순서도이다.
이하 알루미늄 모합금 제조방법 중 상술한 모합금 제조방법과 중첩되는 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법은 알루미늄 용탕 형성 단계(S11), 모합금 첨가 단계(S12), 교반ㆍ유지 단계(S13), 주조 단계(S14) 및 냉각 단계(S15)를 포함한다.
먼저, 상기 알루미늄 용탕 형성 단계(S11)에서는 알루미늄을 도가니에 넣고 600 내지 900℃ 범위에서 가열하여 알루미늄 용탕을 형성한다.
상기 알루미늄 용탕 형성 단계(S11)에서 이용된 알루미늄은 순수 알루미늄, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 알루미늄 합금은 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열 주조용 (Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
여기서, 알루미늄 합금에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다. 알루미늄 합금은 그 사용 용도에 따라 종류도 다양하게 개발되었으며, 알루미늄 합금의 종류는 오늘날 거의 모든 나라에서 미국알루미늄협회(Aluminum Association of America)의 규격을 채택하여 분류하고 있다. 표 1은 합금 계열별로 주요 합금 원소의 구성을 천단위로 보이고 있으며, 각 합금 계열에 다른 개량 원소를 추가로 첨가하여 4자리 숫자를 더 세분화하여 합금명을 붙인다.
Figure pat00001
첫 번째 숫자는 상기와 같이 주요합금원소를 나타내는 합금계열을 표시하고,두번째 숫자는 기본합금을 0으로 표시하고 개량한 합금을 1~9라는 숫자로 표시하며 독자적으로 개발한 새로운 합금은 N자를 붙인다. 예로서 2xxx는 Al-Cu계열 알루미늄의 기본 합금이고 21xx~29xx는 Al-Cu계열 기본 합금을 개량한 합금이며 2Nxx는협회 규격 이외로 개발한 새로운 합금인 경우이다. 세번째와 네번째 숫자는 순수한 알루미늄의 경우 알루미늄의 순도를 표시하며, 합금일 경우 과거에 사용하던 알코아 회사의 합금 이름이다. 예로서 순수 알루미늄의 경우 1080은 알루미늄이 99.80%Al 이상이고 1100은 99.00%Al을 나타낸다. 이러한 알루미늄 합금의 주요 구성은 아래 표 2와 같다.
Figure pat00002
다음으로, 모합금 첨가 단계(S12)에서는 상기 알루미늄 용탕에 위에서 설명한 방법으로 제조한 모합금을 첨가한다.
이때 모합금 첨가 단계(S12)에서 이용된 모합금은 알루미늄 100 중량부에 대하여 0.0001 내지 30 중량부가 첨가될 수 있다.
이때 모합금의 형태는 괴상의 형태로 첨가될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 분말 형태, 그래뉼 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다. 또한 모합금의 크기도 제한하는 것은 아니다.
이러한 모합금의 첨가시 모합금에 고용된 소량의 순수 칼슘과 기지 상에 정출되어 존재하는 칼슘계 화합물도 같이 알루미늄 용탕내로 제공되게 된다. 상술한 바와 같이 알루미늄 용탕 내로 제공되는 칼슘계 화합물은 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이때 모합금이 마그네슘 모합금인 경우 산화를 방지하기 위해 부가적으로 소량의 보호가스가 제공될 수 있다. 보호가스는 통상의 SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec™612, 비활성기체 및 그 등가물과, 또한 이들의 혼합 가스를 이용하여, 마그네슘 모합금의 산화를 억제할 수 있다.
그러나 본 발명에서 이러한 보호가스가 반드시 필요한 것은 아니며, 제공되지 않을 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예와 같이 칼슘계 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 첨가하는 경우에는 마그네슘 모합금의 내산화성의 증가로 내발화 저항성이 증가되며 종래와 같은 칼슘계 화합물을 포함하지 않는 마그네슘을 첨가하는 경우에 비해 용탕에 산화물 등의 불순물의 개재가 현저하게 감소하게 된다. 따라서 본 발명에 의할 시, 보호가스를 사용하지 않더라도 알루미늄 용탕의 청정도가 크게 향상되어 용탕의 품질을 현저하게 개선할 수 있다.
다음으로, 교반ㆍ유지단계(S13)에서는 상기 알루미늄 용탕을 1 내지 400분 동안 교반 및/또는 유지한다.
여기서, 교반ㆍ유지시간이 1분 미만이면 알루미늄 용탕에 마그네슘 모합금이 충분히 섞이지 않고, 교반ㆍ유지시간이 400분을 초과하면 알루미늄 용탕의 교반ㆍ유지 시간이 불필요하게 길어지게 된다 .
다음으로, 알루미늄 용탕의 교반ㆍ유지 단계(S13)가 완료되면, 상기 마그네슘 용탕을 주형에 넣어 주조하고(S14), 냉각시킨 다음 주형으로부터 응고된 모합금을 분리시킨다(S15).
이때 주조단계(S14)에서의 주형의 온도는 상온(예를 들면, 25℃) 내지 400℃ 의 온도범위를 가질 수 있다.
또한 냉각단계(S15)에서는 주형을 상온까지 냉각시킨 후 모합금을 주형으로부터 분리시킬 수 있으나, 상온 이전이라도 모합금의 응고가 완료되는 경우에는 주형으로부터 모합금을 분리시킬 수 있다.
이때 제조된 알루미늄 합금은 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열 주조용 (Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
주조방식에 대해서는 모합금 제조방법에 대해서 자세히 설명하였으므로 설명을 생략한다.
이러한 본 발명에 따른 방법으로서, 모합금을 마그네슘 모합금을 이용하는 경우에 알루미늄 용탕의 청정도 향상으로 인하여 주조되는 알루미늄 합금의 기계적 성질이 현저하게 향상된다. 즉, 마그네슘 모합금의 내발화성에 대한 저항의 증가에 기인한 용탕의 청정도 향상으로 인해 이로부터 주조되는 알루미늄 합금 내에도 기계적 특성을 열화시키는 산화물이나 개재물과 같은 불순물이 없으며, 주조된 알루미늄 합금 내부의 기포발생도 현저하게 감소된다. 이렇게 주조된 알루미늄 합금의 내부가 종래의 것에 비해 더 청정한 상태를 가지게 됨에 따라 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 종래의 것에 비해 우수한 항복강도 및 인장강도를 가진다. 또한 강도의 증가됨에도 연신율을 동등하거나 더 우수하게 되는 이상적인 기계적 특성을 가지게 된다.
따라서 동일한 마그네슘 함유량을 가지는 알루미늄 합금을 제조하더라도 본 발명에 의할 시 용탕의 품질을 청정하게 하는 효과로 인해 주조된 알루미늄 합금의 특성이 양호하게 될 수 있다.
또한 알루미늄에 첨가되는 마그네슘의 용탕 내에서의 손실이 감소하게 되어 실제 종래에 비해 더 작은 양의 마그네슘을 첨가하더라도 알루미늄 합금 내에 포함되는 마그네슘의 함유량을 실질적으로 동일하게 제조할 수 있음에 따라 경제적인 알루미늄 합금의 제조가 가능하게 된다.
또한 본 발명에 따른 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 첨가하는 경우, 종래에 비해 알루미늄 용탕 내에서의 마그네슘 불안정성이 현저하게 개선되므로 마그네슘의 함량을 종래에 비해 용이하게 증가시킬 수 있다.
마그네슘은 알루미늄에 최대 15 중량% 까지 고용될 수 있으며, 고용시 알루미늄 합금의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 300 계열 또는 6000 계열 알루미늄 합금에 마그네슘을 첨가하면 알루미늄 합금의 강도 및 연신율이 향상될 수 있다.
그러나 종래에는 상술한 마그네슘의 높은 산화성으로 인해 알루미늄 용탕에 첨가되는 마그네슘의 함유량을 안정적으로 증가시키기 매우 어려운 문제가 있었다.
즉, 첨가되는 마그네슘의 함유량이 증가될수록 보호가스를 사용하더라도 마그네슘의 산화를 방지하기가 더욱 어려워짐에 따라 용탕의 품질을 양호하게 유지할 수 없게 된다.
이에 비해 본 발명에 의할 시 알루미늄 용탕 내에 마그네슘 모합금을 안정적으로 첨가할 수 있으므로 알루미늄 합금 내에 마그네슘의 함유량을 종래에 비해 용이하게 증가시켜 마그네슘의 비율을 증가시키면서도 주조성을 확보할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 마그네슘 모합금을 300 계열 또는 6000 계열 알루미늄 합금에 첨가함으로써 산화물이나 개재물의 혼입을 억제하여 주조성뿐 만 아니라 강도 및 연신율도 향상시킬 수 있게 되며, 더 나아가 현재 실질적으로 사용되지 못하고 있는 500 계열 또는 5000 계열 알루미늄 합금을 사용가능하게 할 수 있다.
일예로서 본 발명을 따르는 알루미늄 합금은 마그네슘의 고용량이 0.1 중량% 이상은 물론, 5 중량% 이상, 나아가 6 중량% 이상, 더 나아가 10 중량% 이상으로부터 고용한인 15% 까지도 용이하게 증가시킬 수 있다.
이러한 알루미늄 합금 내에서의 마그네슘의 안정성은 알루미늄 합금의 폐기물 재활용시에도 유리하게 작용할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄 합금 제조를 위한 폐기물을 재활용하는 과정에서 마그네슘의 함유량이 높은 상태일 경우, 이를 요구되는 비율로 감소시키는 공정(이하 디메깅 공정이라 함)을 거치게 된다. 이때 요구되는 마그네슘 함유량의 비율이 낮을수록 디메깅 공정의 난이도 및 소요되는 비용이 증가하게 된다.
예를 들어 383 알루미늄 합금의 경우 마그네슘을 0.3%까지 낮추는 것은 기술적으로 용이하지만 0.1%까지 낮추는 것은 매우 힘들다. 또한 마그네슘의 비율을 낮추기 위해서 염소가스(Cl2)를 사용하게 되는데, 이러한 염소가스의 사용은 환경에 유해하며 추가로 비용이 발생하게 되는 문제점이 있다
그러나 본 발명에 따라 칼슘계 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 이용하여 제조된 알루미늄 합금은 마그네슘의 비율을 0.3%이상으로 유지하는 것이 가능하므로 기술적, 환경적, 비용적 이점이 있다.
또한 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 상술한 제조과정 중, 예를 들어 알루미늄 용탕 형성단계(S11) 또는 모합금 첨가 단계(S12) 이후에 철(Fe)을 소량 첨가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이때 첨가되는 철의 양은 종래에 비해 더 작은 값을 가질 수 있다. 즉, 종래부터 알루미늄 합금을 주조, 예를 들어 다이캐스팅 하는 경우에 철계 금속으로 이루어진 금형과 알루미늄 주조재 간의 소착발생으로 인해 금형이 손상되는 문제가 발생했으며, 이를 해결하기 위해 종래부터 알루미늄 합금의 다이캐스팅 시에 1.0 내지 1.5 중량%의 철을 알루미늄 합금 내에 첨가하여 왔다. 그러나 이러한 철의 첨가로 인하여 알루미늄 합금의 내식성 및 연신률이 감소하는 또 다른 문제가 발생할 수 있다.
그러나 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 마그네슘의 함유량을 높은 비율로 가질 수 있으며, 마그네슘을 고함량으로 첨가시 종래에 비해 현저하게 적은 비율의 철을 첨가하더라도 종래에 나타났던 금형과의 소착문제를 크게 개선할 수 있다. 따라서 종래에 다이캐스팅된 알루미늄 합금 주조재에 나타났던 내식성 및 연신률 감소의 문제를 해결할 수 있게 된다.
이때 상술한 알루미늄 합금을 제조하는 과정에서 첨가되는 철(Fe)의 함유량은 알루미늄 합금에 대해 1.0 중량% 이하(0 초과)로 할 수 있으며, 더욱 엄격하게는 0.2중량% 이하(0 초과)로 할 수 있으며, 이에 따라 알루미늄 합금의 기지에는 해당되는 조성범위의 철이 포함될 수 있다.
이하 본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금의 특성에 대해 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은 알루미늄 기지 및 상기 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물을 포함한다.
이때 알루미늄 기지에는 칼슘이 고용한도 이하로 고용되어 있을 수 있으며, 일예로서 500 ppm 이하로 고용되어 있을 수 있다.
또한 알루미늄 기지는 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가질 수 있으며, 이때 상기 경계 또는 영역 내부에 상기 칼슘계 화합물이 존재할 수 있다.
이때 알루미늄 기지는 알루미늄을 주된 성분으로 하되, 다른 합금원소가 고용되어 있거나 또는 칼슘계 화합물 외의 다른 합금원소 또는 합금원소를 포함하는 화합물이 별개의 상으로서 형성되어 있는 금속 조직체를 말하는 것으로 정의될 수 있다.
이때 서로 구분되는 복수개의 영역은 전형적으로 결정립계로 구분되는 복수의 결정립일 수 있으며, 또 다른 예로서 2 이상의 서로 다른 상의 상경계에 의해 한정되는 복수의 상영역일 수 있다.
이때 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우 모합금 내에 형성된 칼슘계 화합물로부터 기인하는 기계적 특성의 향상효과를 가질 수 있다. 이미 상술한 바와 같이, 모합금이 알루미늄 용탕에 첨가되는 경우, 모합금에 포함되는 칼슘계 화합물도 같이 용탕에 첨가되게 되며 칼슘계 화합물은 칼슘과 다른 금속원소가 반응하여 형성된 금속간화합물로서 모두 알루미늄의 융점보다 더 높은 융점을 가지고 있다.
따라서 이러한 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하는 경우, 칼슘계 화합물은 용탕 내부에서 용융되지 않고 유지될 수 있으며, 이러한 용탕을 주조하여 알루미늄 합금을 제조하는 경우, 알루미늄 합금 내에 상기 칼슘계 화합물이 포함될 수 있다.
이러한 칼슘계 화합물은 알루미늄 합금 내에서 미세한 입자 형태로 분산되어 분포할 수 있다. 이때 칼슘계 화합물은 금속간 화합물로서 기지인 알루미늄에 비해 고강도 물질이며, 따라서 이러한 고강도 물질의 분산분포로 인하여 알루미늄 합금의 강도가 증가될 수 있다.
한편, 칼슘계 화합물은 알루미늄 합금이 액상에서 고상으로 상천이 되는 과정에서 핵생성이 일어나는 장소를 제공할 수 있다. 즉, 알루미늄 합금의 응고시 액상에서 고상으로의 상천이는 핵생성 및 성장의 형태로 이루어지게 되며, 이때 칼슘계 화합물 자체가 불균일 핵성성 자리(heterogeneous nucleation site)로 기능함에 따라 칼슘계 화합물과 액상이 계면에서 우선적으로 고상으로의 상천이를 위한 핵생성이 일어나게 된다. 이렇게 핵생성된 고상은 칼슘계 화합물 주변으로 형성하면서 성장하게 된다.
이러한 칼슘계 화합물이 복수개로 분산되게 분포하는 경우, 각각의 칼슘계 화합물의 계면에서 성장된 고상들이 서로 만나 경계를 이루게 되며, 이렇게 형성된 경계는 결정립계 또는 상경계를 이룰 수 있다. 따라서 칼슘계 화합물이 핵생성 자리로 기능하게 되면, 칼슘계 화합물은 결정립 또는 상영역의 내부에 존재하게 되며, 상기 결정립 또는 상영역은 칼슘계 화합물이 존재하지 않는 경우에 비해 미세화되는 효과를 나타낼 수 있게 된다.
또한 칼슘계 화합물은 결정립간의 경계인 결정립계 또는 상영역간의 경계인 상경계에 존재할 수 있다. 이러한 경계부분은 결정립 또는 상영역 내부에 비해 개방된 구조로서 상대적으로 높은 에너지를 가지고 있으므로 칼슘계 화합물의 핵생성 및 성장에 유리한 자리를 제공할 수 있기 때문이다.
이와 같이 칼슘계 화합물이 알루미늄 합금의 결정립계 또는 상경계에 분포되는 경우에는, 이러한 칼슘계 화합물이 결정립계 또는 상경계 이동의 장애물로 작용하여 결정립계 또는 상경계의 이동이 억제하여 결정립 또는 상경계의 평균크기를 감소시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우, 이러한 칼슘계 화합물이 존재하지 않은 알루미늄 합금에 비해 평균적으로 더 미세하고 작은 결정립 또는 상영역 크기를 가질 수 있다.
이러한 칼슘계 화합물에 기인한 결정립 또는 상영역의 미세화는 알루미늄 합금의 강도 및 연신율의 향상 효과를 동시에 가져올 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 알루미늄 기지는 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나 일 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금은 종래의 상용 합금에 비해 월등히 주조성 및 우수한 기계적 특성을 나타낸다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예들을 제공한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들에 의해서 한정되는 것은 아니다.
표 3에는 칼슘 첨가하여 제조한 모합금을 이용하여 제조한 알루미늄 합금(실험예 1)과 칼슘을 첨가하지 않은 순수한 마그네슘을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금(비교예1)의 주조특성을 비교한 표이다. 이때 실험예 1에 사용된 모합금은 마그네슘 모합금으로서, 구체적으로 모재로서 알루미늄을 포함하는 마그네슘 합금에 모재에 대해 0.3의 중량비로 칼슘을 첨가하여 제조한 것이다.
실험예 1은 알루미늄에 2750g에 상기 마그네슘 모합금 305g을 첨가하여 제조한 것이었으며, 이에 대해 비교예 1은 알루미늄 2750g에 순수 마그네슘 305g을 첨가하여 제조한 것이었다.
실험예1 비교예1
Dross양
(용탕표면에 뜨는 불순물)		 253g 510g
Al 합금 내의 Mg 함량 4.02% 2.65%
용탕 유동성 좋음 나쁨
경도
(HR하중 60kg, 1/16"강구)		 92.2 92
표 3을 참조하면, 용탕표면에 뜨는 불순물의 양(Dross 양)이 순수 마그네슘을 첨가했을 때(비교예 1)보다 마그네슘 모합금(실험예 1)을 첨가했을 때에 적게 생기는 것을 알 수 있다. 또한, 알루미늄 합금 내의 마그네슘 함유량은 순수 마그네슘을 첨가했을 때(비교예 1)보다 마그네슘 모합금을 첨가했을 때(실험예 1) 더 높은 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 제조방법에 의할 경우, 순수 마그네슘을 첨가하는 방법에 비해 마그네슘의 손실이 현저하게 감소됨을 알 수 있다.
또한 용탕의 유동성 및 알루미늄 합금의 경도도 순수 마그네슘을 첨가했을 때(비교예 1)보다 마그네슘 모합금을 첨가했을 때(실험예 1) 더 우수한 것을 알 수 있다.
도 4a에는 실험예 1의 알루미늄 합금의 조직을 EPMA로 관찰한 결과가 나타나 있으며, 도 4b 내지 4d에는 EPMA를 이용한 성분 매핑 결과로서 각각 알루미늄, 칼슘, 마그네슘의 매핑결과가 나타나 있다.
도 4b 내지 4d를 통해 알 수 있듯이 알루미늄 기지상에 칼슘, 마그네슘 및 알루미늄이 동일위치에서 검출되었으며, 이로부터 칼슘은 마그네슘 및/또는 알루미늄과 반응하여 칼슘계 화합물로 존재함을 알 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실험예 1 및 비교예 1에 따른 알루미늄 합금의 주조재 표면을 비교한 결과이다.
도 5a 및 5b를 참조하면, 비교예 1(도 5b)의 순수 마그네슘을 첨가한 알루미늄 합금의 주조재 보다 실험예1(도 5a)의 마그네슘 모합금을 첨가한 알루미늄 합금의 주조재(도 5a)가 더 깨끗한 표면을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이는 마그네슘 모합금에 첨가된 칼슘에 의해 주조성이 향상됐기 때문이다. 즉, 순수 마그네슘이 첨가된 알루미늄 합금(비교예 1)은 주조시 순수 마그네슘의 산화로 인하여 표면에 발화된 흔적이 보이는 반면, 칼슘이 첨가된 마그네슘 모합금을 사용하여 주조된 알루미늄 합금(실험예1)의 경우에는 발화현상이 억제되어 깨끗한 표면을 얻을 수 있다.
이로부터 마그네슘 모합금을 첨가하는 경우에는 순수 마그네슘을 첨가할 때에 비해 용탕의 품질이 현저하게 향상되어 주조성이 개선되었음을 알 수 있다.
표 4에는 상용 알루미늄 합금인 6061 합금에 칼슘을 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금(실험예 2)의 기계적 특성을 6061 합금(비교예 2)과 비교한 표이다.
실험예 2에 따른 시편은 주조 후 압출하여 T6 열처리를 수행하였으며, 비교예 2의 데이타는 ASM 규격에 있는 값(T6 열처리 데이타)을 참조하였다.
인장강도 (MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%)
실험예 2 361 347 18
비교예 2 310 276 17
표 4에 나타나 있듯이, 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 합금이 인장강도 및 항복강도에서 더 높은 값을 나타냄에도 연신율은 상용 알루미늄 합금에 비해 우수한 특성을 나타냈었음을 알 수 있다.
도 6a 및 6b에는 실험예 2 및 비교예 2의 미세조직을 관찰한 결과가 나타나 있다. 도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 합금의 결정립이 상용 알루미늄 합금에 비해 미세하게 되었음을 알 수 있다.
실험예 2의 알루미늄 합금에서의 결정립 미세화는 결정립계에 분포하는 칼슘계 화합물에 의해 결정립계의 성장이 억제되었거나 또는 칼슘계 화합물이 응고시 핵성성 자리로서 기능했기 때문으로 판단된다.
이러한 결정립 미세화에 의해 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 기계적 특성이 우수하게 나타난 것으로 판단된다.
발명의 특정 실시예 및 실험예에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예 및 실험예들에 의해 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 상기 실시예들을 조합하여 실시하는 등 여러 가지 많은 수정 및 변경이 가능함은 명백하다.

Claims (39)

  1. 칼슘계 화합물을 포함하는 모합금 및 알루미늄을 제공하는 단계;
    상기 모합금 및 상기 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하고,
    상기 모합금은 모재에 칼슘을 첨가하여 제조된 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금인, 알루미늄 합금 제조방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 알루미늄을 포함하는 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금인, 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 철(Fe)을 1.0 중량% 이하(0 초과)로 첨가하는 단계를 더 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 철(Fe)을 0.2 중량% 이하로 첨가하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 모합금은 알루미늄 100 중량부에 대해서 0.0001 내지 30 중량부의 범위인, 알루미늄 합금 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 칼슘은 상기 모재 100 중량부에 대해 0.0001 내지 100 중량부의 범위에서 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 칼슘은 상기 모재 100 중량부에 대해 고용한도 이상 100 중량부 이하의 범위에서 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 용탕을 형성하는 단계는
    상기 알루미늄을 용해하여 알루미늄 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 알루미늄 용탕에 상기 모합금을 첨가하여 용해하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 용탕을 형성하는 단계는
    상기 알루미늄 및 상기 모합금을 장착하는 단계; 및
    상기 알루미늄 및 상기 모합금을 같이 용해하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 모합금의 제조방법은
    상기 모재를 용해하여 모재 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 모재 용탕에 칼슘을 첨가하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 모합금의 제조방법은
    상기 모재 및 상기 칼슘을 장착하는 단계; 및
    상기 모재 및 상기 칼슘을 같이 용해시키는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조 방법.
  14. 제 1 항에 있어서, 상기 모재는 마그네슘 및 알루미늄 중 어느 하나 이상을 포함하며, 상기 칼슘계 화합물은 상기 칼슘과 상기 모재의 마그네슘 또는 알루미늄이 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 칼슘계 화합물은 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 Mg-Ca 화합물은 Mg2Ca을 포함하는, 알루미늄 합금.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 Al-Ca 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  18. 제 15 항에 있어서, 상기 Mg-Al-Ca 화합물은 (Mg,Al)2Ca을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  19. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금인, 알루미늄 합금 제조방법.
  20. 칼슘 및 알루미늄을 제공하는 단계;
    상기 칼슘 및 상기 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하는 알루미늄 합금의 제조방법이며,
    상기 칼슘은 알루미늄 합금 내에 0.1 내지 40 중량%의 범위가 되도록 첨가되는, 알루미늄 합금 제조 방법.
  21. 제 1 내지 20 항 중 어느 하나의 항에 따른 알루미늄 합금 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 합금.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300계열, 400 계열, 500 계열 및 700 계열 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는, 알루미늄 합금.
  23. 알루미늄 기지; 및
    상기 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물;
    을 포함하고, 상기 알루미늄 기지는 칼슘이 고용한도 이하로 고용된, 알루미늄 합금.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 칼슘은 500 ppm 이하로 고용된, 알루미늄 합금.
  25. 제 23 항에 있어서, 철(Fe)을 1.0 중량% 이하(0 초과)로 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  26. 제 25 항에 있어서, 철(Fe)을 0.2 중량% 이하로 더 포함하는, 알루미늄 합금.
  27. 제 22 항에 있어서, 상기 알루미늄 기지는 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가지며 상기 경계에는 상기 칼슘계 화합물이 존재하는, 알루미늄 합금.
  28. 제 22 항에 있어서, 상기 알루미늄 기지는 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가지며 상기 영역 내에 상기 칼슘계 화합물이 존재하는, 알루미늄 합금.
  29. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서, 상기 영역은 결정립이고, 상기 경계는 결정립계인, 알루미늄 합금.
  30. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서, 상기 영역은 서로 다른 상에 의해 한정되는 상영역이며, 상기 경계는 상경계인, 알루미늄 합금.
  31. 칼슘이 고용한도까지 고용된 알루미늄 기지; 및
    상기 알루미늄 기지에 존재하는 칼슘계 화합물;
    을 포함하는 알루미늄 합금이고, 상기 알루미늄 합금 내 칼슘의 함유량은 0.1 내지 40 중량% 범위인, 알루미늄 합금.
  32. 제 22 항 또는 제 31 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 칼슘계 화합물은 Mg-Ca 화합물, Al-Ca 화합물 및 Mg-Al-Ca 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
  33. 제 32 항에 있어서, 상기 Mg-Ca 화합물은 Mg2Ca을 포함하는, 알루미늄 합금.
  34. 제 32 항에 있어서, 상기 Al-Ca 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
  35. 제 32 항에 있어서, 상기 Mg-Al-Ca 화합물은 (Mg,Al)2Ca을 포함하는, 알루미늄 합금.
  36. 제 22 항 또는 제 31 항에 있어서, 상기 알루미늄 기지는 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000계열 및 8000 계열 소성 가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200 계열, 300계열, 400 계열, 500 계열 및 700 계열 주조용(Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나를 포함하는, 알루미늄 합금.
  37. 제 27 항 또는 제 28 항에 있어서, 상기 영역의 평균크기가, 동일조건으로 제조된 알루미늄 합금으로서 상기 칼슘계 화합물을 갖지 않는 알루미늄 합금에 비해 더 작은, 알루미늄 합금.
  38. 제 22 항에 있어서, 인장강도가 동일조건으로 제조된 알루미늄 합금으로서 상기 칼슘계 화합물을 갖지 않는 알루미늄 합금에 비해 더 큰, 알루미늄 합금.
  39. 제 22 항에 있어서, 인장강도는 동일조건으로 제조된 알루미늄 합금으로서 상기 칼슘계 화합물을 갖지 않는 알루미늄 합금에 비해 더 크고 연신율은 더 크거나 동등한, 알루미늄 합금.
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