KR20110140060A - 과공정 Ａｌ-Ｓｉ 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 과공정 Al-Si 합금 잉곳이 용해된 용탕에 염화물계 플럭스를 첨가하여 용탕 내에 함유된 Ca을 제거하는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명에 의하면, Al-Si 합금의 용탕에서 염화물계 플럭스를 이용하여 Ca를 효율적으로 제거함으로써 AlP의 생성을 용이하게 하고, 이러한 AlP에 의한 불균일 핵생성 자리를 통해 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 과공정 Al-Si 합금을 제조할 수 있게 된다.

Description

과공정 Ａｌ-Ｓｉ 합금 및 그 제조방법{Hyper-eutectic Al-Si alloy and manufacturing method of the same}

본 발명은 과공정 Al-Si 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차 엔진블럭이나 피스톤 등에 사용되는 과공정 Al-Si 합금에서 초정 Si 입자를 미세화시키기 위해 첨가되는 성분인 P의 효율을 높이기 위해, Al 성분과 P 성분의 결합을 방해하는 Ca 성분을 염화물계 플럭스를 이용하여 효과적으로 제거할 수 있는 과공정 Al-Si 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 2종 이상의 금속으로 이루어진 합금의 경우, 용융상태 또는 고용체(固溶體) 상태에서 하나의 금속에 다른 금속이 용해되어 합치 화합물(Congruent Compound)을 이룰 수 있는 금속의 양은 일정하며, 이처럼 합치 화합물을 형성한 합금을 평형상태에 있는 합금이라고 말한다.

이러한 합치 화합물은 공정 합금(eutectic alloy)라고도 하는데, 이를 합금의 평형 상태도(eguilibrium diagram)로 표시하면, 공정 합금은 공정점(eutetic point)에 위치하는 합금이고, 합금의 평형 상태도에서 공정점 좌측에 위치하는 합금을 아공정 합금(Hypo-eutectic alloy)이라 하며, 평형 상태도에서 공정점 우측에 위치하는 합금을 과공정 합금(Hyper-eutectic alloy)이라고 한다.

따라서 Al-Si계 합금에 있어서, Si의 함량이 12.5wt%이면 합치 화합물에 해당되지만, 일반적으로는 Si의 함량이 11 ~ 13wt% 정도가 되면 공정 합금이라 하고, Si의 함량이 그보다 낮은 것을 아공정 합금이라 하며, 그보다 높은 것을 과공정 합금이라 한다

이러한 과공정 Al-Si 합금 조직은 다각형의 초정 Si이 기지 조직에 분포하여 우수한 내마모성 및 고온 강도 특성과 함께, 열팽창율이 적고 비강도가 큰 경량 주물재료로서 자동차 엔진블럭, 피스톤, 실린더, 펌프 등의 소재에 많이 사용되고 있다. 이 합금은 비금속의 초정 Si 입자가 기지 금속에 분포하는 복합재료 조직의 특성을 지니므로, 합금 개발 측면에서 초정 Si 입자를 미세하고 균일하게 분포시키는 것이 주요한 관심 사항이다.

과공정 Al-Si 합금에서의 초정 Si 미세화는 P 성분이 Al과 결합하여 AlP를 생성하고, 이 결정 구조가 Si과 유사하여 효과적인 불균일 핵생성 자리를 제공함으로써 이루어지게 된다. 하지만 과공정 Al-Si 합금 제조 시 첨가되는 Si의 불순물 성분인 Ca이 불가피하게 유입되어 용탕 중에 Ca 성분이 증가하면, 이 Ca 성분이 P성분과 결합하여 Ca-P 계열의 금속간 화합물로 존재하게 되고, 이러한 금속간 화합물이 P와 Al의 결합을 방해하게 되어, 결국 초정 Si 미세화가 이루어지지 않게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 초정 Si 입자를 미세화시키기 위해 첨가되는 P와 Al의 결합을 방해하는 Ca 성분을 효과적으로 제거할 수 있는 과공정 Al-Si 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것을 주요한 해결 과제로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금의 제조방법은, 과공정 Al-Si 합금 잉곳이 용해된 용탕에 염화물계 플럭스를 첨가하여 용탕 내에 함유된 Ca을 제거하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 용탕에 첨가되는 염화물계 플럭스는 전체 용탕량의 0.1 ~ 0.3wt%이 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한 상기 염화물계 플럭스가 첨가되기 위한 용탕은 과공정 Al-Si 합금 잉곳이 577℃ ~ 900℃의 온도 범위에서 용해되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 염화물계 플럭스는 헥시클로르에탄(C₂Cl₆)을 주요 성분으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 용탕에 첨가된 염화물계 플럭스에서 Cl₂가 분리되고, 이러한 Cl₂가 Ca와 반응하여 CaCl₂의 드로스를 형성하여 용탕 표면에 부유되도록 구성된다.

본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금은, 전술한 제조방법에 의해 제조되고, 조직 내에 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따르면, Al-Si 합금의 용탕에서 염화물계 플럭스를 이용하여 Ca를 효율적으로 제거함으로써 AlP의 생성을 용이하게 하고, 이러한 AlP에 의한 불균일 핵생성 자리를 통해 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 과공정 Al-Si 합금을 제조할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에서 과공정 Al-Si 합금의 Ca 제거 온도 구간을 설정을 위해 적용한 Al-Si 이원계 상태도를 나타내는 그래프.
도 2는 본 발명에서 염화물계 플럭스의 첨가량에 따른 Ca 제거 및 P 성분의 첨가효율 변화를 나타내는 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금은 자동차 엔진블럭, 피스톤, 실린더 , 펌프 등의 소재로 사용되기 위한 경량 주물재료로서, 합금 조직에서 다각형의 초정 Si이 기지 조직에 분포하여 우수한 내마모성 및 고온 강도 특성과 함께, 열팽창율이 적고 비강도가 큰 성질을 갖는다. 특히 본 발명에 의하면 피스톤용 과공정 Al-Si 합금의 고부가 지금을 제조할 수 있게 된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금 조직에는 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 것이 바람직하다.

이처럼 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법은 다음과 같은 공정으로 진행된다.

우선, 과공정 Al-Si 합금 잉곳을 577℃ ~ 900℃의 온도 범위에서 용해시켜서 용탕을 형성한다. 이후, 상기 용탕에 염화물계 플럭스를 전체 용탕량의 0.1 ~ 0.3wt% 정도로 첨가한다.

이처럼 Al-Si 합금이 용해된 용탕에 염화물계 플럭스가 첨가된 이후, 염화물계 플럭스가 용탕과 균일하게 반응하도록 교반 공정을 거친 후, 일정 시간 동안 진정시켜서 염화물계 플럭스와 Al-Si 합금 용탕 사이의 반응을 완료시킨다.

그리고 염화물계 플럭스와 Al-Si 합금 용탕 사이의 반응이 완료된 후, 부유한 드로스를 제거하여 피스톤용 과공정 Al-Si합금의 고부가 지금을 제조하게 된다.

상기 Al-Si 합금 잉곳을 용해시키기 위한 온도 범위는, 과공정 Al-Si 합금의 용해 시작 온도인 577℃ 이상에서 이루어지도록 설정하는 것이 바람직하다. 577℃ 미만의 온도에서는 용탕의 액상 분율이 적어서 Ca 제거 및 용탕 처리를 수행할 수 없게 된다. 또한 상기 Al-Si 합금 잉곳의 용해 온도가 900℃를 초과하게 되면, 용탕 산화 및 합금 성분의 손실이 가속화되어 제조된 지금의 화학성분 조성이 나빠지고, 기계적 특성 역시 현저하게 낮아지게 된다. 따라서 염화물계 플럭스를 첨가하기 위한 Al-Si 합금 잉곳의 적절한 용해 온도는 577℃ ~ 900℃ 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.

그리고 염화물계 플럭스가 전체 용탕량의 0.1wt% 미만으로 첨가되면 플럭스에 의한 Ca 제거 효과가 미미하고, 염화물계 플럭스가 전체 용탕량의 0.3wt%를 초과하여 첨가되면 염화물계 플럭스로 인한 용탕 내 Sr, Mg 등의 다른 첨가 원소의 손실이 발생할 수 있다. 따라서 Al-Si 합금의 용탕에 첨가되는 염화물계 플럭스는 전체 용탕량의 0.1 ~ 0.3wt% 범위에서 설정되는 것이 바람직하다.

한편, Al-Si 합금의 용탕에 첨가된 염화물계 플럭스에 의해 용탕 내 Ca이 제거되는 메카니즘은 다음과 같다.

본 발명에서 Al-Si 합금의 용탕에 첨가되는 염화물계 플럭스의 주요 성분은 헥시클로르에탄(hexachloroethane; C₂Cl₆)으로 이루어지고, 이러한 헥시클로르에탄(C₂Cl₆)이 하기와 같이 Ca과 반응하여 용탕으로 분리될 수 있게 된다.

C₂Cl₆ → C₂Cl₄ + Cl₂↑

Cl₂ + Ca → CaCl₂(s)

즉, 염화물계 플럭스를 구성하는 헥시클로르에탄(C₂Cl₆)에서 Cl₂가 분리되고, 이러한 Cl₂가 Ca와 반응하여 CaCl₂의 드로스를 형성하여 용탕 표면에 부유하게 된다. 이처럼 용탕 표면에 부유하는 드로스 형태의 CaCl₂를 제거함으로써, 용탕 내에서 Ca이 제거될 수 있게 된다.

이와 같이 Al-Si 합금 용탕에서 염화물계 플럭스에 의해 Ca이 제거되면, 용탕 내의 P 성분이 Ca와 결합하지 못하고 Al과 결합하여 AlP를 형성하게 된다. 이러한 AlP는 그 구조가 Si과 유사하기 때문에, Al-Si 합금의 응고 과정에서 효과적인 불균일 핵생성 자리를 제공하게 되고, 그로 인해 초정 Si의 미세화가 이루어질 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명에 따른 과공정 Al-Si 합금의 제조방법에 대한 이해를 돕기 위한 실험예를 설명한다.

표 1에는 본 실험에서 사용한 피스톤용 과공정 Al-Si 합금의 조성이 기재되어 있다.

AC8A

Si

Fe

Cu

Mg

Ni

Ti

Ca

P

Pb

V

Zr

Cr

Al

12.67

0.132

0.009

0.830

0.008

0.14

0.0018

<0.0005

<0.001

0.0034

<0.001

0.0031

잔부

그리고 도 1에는 본 실험에서 과공정 Al-Si 합금의 Ca 제거 온도 구간을 설정을 위해 적용한 Al-Si 이원계 상태도가 도시되어 있다.

상기 표 1에 따른 조성을 가지는 과공정 Al-Si 합금에 대해 염화물계 플럭스를 첨가에 따른 Ca 제거 및 P 성분의 첨가효율 변화가 표 2에 기재되어 있다.

구분	Si	Fe	Cu	Mg	Ni	Ti	Ca	P	Pb	V	Zr	Cr	Al
잉곳	12.67	0.132	0.009	0.830	0.008	0.14	0.0018	<0.0005	<0.001	0.0034	<0.001	0.0031	잔부
플럭스 0.05wt% 첨가	12.62	0.139	0.012	0.814	0.008	0.141	0.0019	<0.0006	<0.001	0.0036	<0.001	0.0032	잔부
플럭스 0.15wt% 첨가	12.58	0.139	0.012	0.787	0.008	0.145	0.001	<0.0009	<0.001	0.0033	<0.0011	0.0031	잔부

그리고 도 2에는 본 실험에서 염화물계 플럭스의 첨가량에 따른 Ca 제거 및 P 성분의 첨가효율 변화가 도시되어 있다.

상기 표 2 및 도 2를 통해 알 수 있듯이, 염화물계 플럭스의 첨가량이 증가할수록 용탕 내에서의 Ca 성분은 줄어들고, 반면 P 성분은 증가한다는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 Ca 성분의 감소와 P 성분의 증가에 따라 불균일 핵생성 자리를 제공할 수 있는 AlP가 증가하게 되어, 결국 초정 Si 입자가 미세해지면서 골고루 분포할 수 있게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 과공정 Al-Si 합금 잉곳이 용해된 용탕에 염화물계 플럭스를 첨가하여 용탕 내에 함유된 Ca을 제거하는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용탕에 첨가되는 염화물계 플럭스는 전체 용탕량의 0.1 ~ 0.3wt%인 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 염화물계 플럭스가 첨가되기 위한 용탕은 과공정 Al-Si 합금 잉곳이 577℃ ~ 900℃의 온도 범위에서 용해된 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 염화물계 플럭스는 헥시클로르에탄(C₂Cl₆)을 주요 성분으로 하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 용탕에 첨가된 염화물계 플럭스에서 Cl₂가 분리되고, 이러한 Cl₂가 Ca와 반응하여 CaCl₂의 드로스를 형성하여 용탕 표면에 부유하는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금의 제조방법.
6. 제1항에 있어서,
   제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되고, 조직 내에 초정 Si 입자가 미세하고 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 과공정 Al-Si 합금.
   

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