KR20160068118A - 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

알루미늄 합금 및 이의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 일 구현예는, Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4 인 구상의 금속간화합물을 포함하는 알루미늄 합금을 제공한다.

Description

알루미늄 합금 및 이의 제조방법{ALUMINIUM ALLOY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명의 일 구현예는 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

높은 비강도 및 우수한 물성을 갖는 알루미늄의 적용분야가 확대됨에 따라 사용연한이 경과한 알루미늄 스크랩의 배출도 증가하고 있다. 알루미늄은 제련 대비 스크랩 재용해 시 에너지소모가 약 5%에 불과하므로 비용절감뿐만 아니라 에너지 효율적인 측면에서도 스크랩의 활용은 중요하다.

알루미늄 스크랩은 사용처 및 처리방법 등에 따라 그 가격도 차이가 있으며, 탈산제로 사용되는 저급 스크랩을 제외하고 대부분 사용처에 따라 구분하여 분리되고 있다. 전신재 스크랩 중 가장 많이 사용되었던 건축용 스크랩은 철계 볼트 및 너트 등으로 구조물을 체결하는 방식을 채택함에 따라 스크랩의 분리 및 처리 중에서 함께 유입되는 경우가 많다.

기존 알루미늄 스크랩 내 철계 스크랩의 분리는 파쇄 후 분리과정 중 사람이 직접 분류하거나, 자력 분리(Magnetic separation) 기술을 이용하였으나, 그 효율이 높지 않아 스크랩 재용해 시 혼입되는 경우가 많았다. 알루미늄 내 철계 성분이 일정량 이상 혼입되면 침상형태의 금속간화합물이 형성되는데, 이는 전신재의 소성가공 시 표면의 결함을 유발할 뿐만 아니라, 기계적 특성을 저하시키므로 이에 대한 Fe 성분 제어가 필요하며, 대부분의 전신재용 알루미늄 합금의 경우에는 대부분 Fe 성분을 0.2% 이하로 제어하면서 관리하고 있는 현실이다.

이렇게 혼입된 다량의 Fe를 제거하는 방법은 순수 알루미늄을 용탕에 추가 장입하여 희석하면서 함유량을 낮추는 방법이 있으며, Mn과 같은 합금을 첨가하여 알루미늄보다 무거운 금속간화합물을 형성시켜 금속 용탕 내에 침천시키는 방법 등이 제안되고 있으나, 비용 및 실용화 측면에서 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 일 구현예는, 다량의 Fe 성분을 함유하는 알루미늄 스크랩을 이용하여 원소재 비용 및 에너지 절감이 가능한 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예는, 침상 금속간화합물을 구상으로 제어함으로써 침상 금속간화합물을 무해화하고, 전신재에 요구되는 물성을 갖도록 하는 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 구현예는, Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4 인 구상의 금속간화합물을 포함하는 알루미늄 합금을 제공한다.

상기 구상의 금속간화합물은 α(alpha)-AlFeMnSi 일 수 있다.

본 발명의 다른 구현예는, 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계; 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계; 상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;를 포함하고, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계;에서, 상기 망간은 Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4가 되도록 첨가되는 것인 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.

상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량은 0.25 내지 0.5wt% 일 수 있다.

상기 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계; 이후에, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 크롬을 첨가하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘 성분의 함량은 0.3 내지 0.5wt% 일 수 있다.

상기 크롬은 Si/Cr 몰비율이 2.0 내지 3.5가 되도록 첨가되는 것일 수 있다.

상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;에서, 상기 침상의 금속간화합물은 β(beta)-AlFeSi 일 수 있다.

상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;는, 상기 용해된 망간을 탈가스(degassing) 처리하는 과정을 포함하는 것일 수 있다.

상기 탈가스 처리는 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 다량의 Fe 성분을 함유하는 알루미늄 스크랩을 이용하여 원소재 비용 및 에너지 절감이 가능한 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 침상 금속간화합물을 구상으로 제어함으로써 침상 금속간화합물을 무해화하고, 전신재에 요구되는 물성을 갖도록 하는 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따라 성분 제어된 5000계 합금의 단면 미세조직이다.
도 2는 실시예 3에 따라 성분 제어된 7000계 합금의 단면 미세조직이다.

이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 구현예는, Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4 인 구상의 금속간화합물 을 포함하는 알루미늄 합금을 제공한다.

이 때, 상기 구상의 금속간화합물은 α(alpha)-AlFeMnSi 일 수 있다.

이하에서는, 전술한 알루미늄 합금의 제조방법에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 다른 구현예는, 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계(S1); 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계(S2); 및 상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계(S3);를 포함하고, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계(S2);에서, 상기 망간은 Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4가 되도록 첨가되는 것인 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.

먼저, 본 발명의 다른 구현예에서, 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계(S1);는, 일정성분의 알루미늄 용탕에 알루미늄 스크랩을 첨가하거나, 알루미늄 스크랩 만을 도가니에 장입하여 용해시키는 과정일 수 있다.

알루미늄 스크랩을 이용하는 경우, 알루미늄을 제련 시에 비해 에너지 소모가 약 5%에 불과하므로 비용절감뿐만 아니라 에너지효율적인 측면에서도 스크랩의 활용은 중요하다. 다만, 스크랩의 함량이 커지면 용탕 내 철 성분이 함량이 높아질 수 있으므로, 성분 및 함량을 제어하는 것이 중요하다.

이 때, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량은 대략 0.25 내지 0.5wt% 정도일 수 있는데, 일반적으로 요구되는 알루미늄 합금 전신재 내 철 성분의 함량은 0.2wt% 이하인 것이 바람직하다.

이에 따라, 본 발명에서는 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가(S2)함으로써, 상기 철 성분을 제어하도록 한다.

이 때, 상기 망간은 Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4가 되도록 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 망간은 상대적으로 고가이면서 고용점으로 용해에 어려움이 있어 최소한으로 첨가되는 것이 바람직하므로, 상기 범위로 한정하도록 한다.

한편, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘이 침상의 금속간화합물로 변태할 수 있으므로, 상기 실리콘의 함량 또한 제어할 필요가 있다.

이 때, 상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘 성분의 함량은 0.3 내지 0.5wt% 일 수 있는데, 이는 Si/Cr 몰비율이 2.0 내지 3.5가 되도록 크롬을 첨가함으로써 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 크롬은 0초과 및 0.2wt% 이하로 첨가될 수 있다. 여기에서, Si의 경우는 실제 불순물 원소로 유입되는 양을 계산한 것이며, Cr은 Si과 결합하여 금속간화합물이 생기는 임계치를 의미한다.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계(S3);는, 상기 용해된 망간을 탈가스(degassing) 처리하는 과정을 포함하는 것일 수 있다.

이 때, 상기 탈가스 처리는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것이 바람직하다.

여기에서, 상기 침상의 금속간화합물은 β(beta)-AlFeSi 일 수 있다.

이하 본 발명의 실시예 및 실험예를 기재한다. 그러나 하기의 실시예 및 실험예는 본 발명의 일 실시예 및 실험예 일 뿐 본 발명이 하기한 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1: 5000계 합금

스크랩을 함유한 5000계 합금에서는 철 성분이 약 0.25~0.50wt%, 실리콘이 약 0.35wt% 수준으로 일반적인 알루미늄 합금 전신재에 요구되는 철 성분의 함량인 0.2wt%, 실리콘 성분의 함량인 0.2wt% 보다 많다.

철 성분을 제어하기 위해 우선 망간을 0.2~0.6wt%를 첨가한다. 일반적으로 망간에 대한 철의 몰비율이 1.2 일 경우, 침상의 β(beta)-AlFeSi이 구상의 α(alpha)-AlFeMnSi로 변화될 수 있다.

또한, 실리콘 성분이 침상 구조로 변태하는 현상을 제어하기 위해, 크롬을 약 0.15wt% 이내로 첨가한다.

실시예 2: 6000계 합금

스크랩을 함유한 6000계 합금에서는 철 성분이 약 0.25~0.50wt% 수준이다.

철 성분을 제어하기 위해 망간을 0.3~0.6wt%를 첨가한다. 일반적으로 망간에 대한 철의 몰비율이 1.2 일 경우, 침상의 β(beta)-AlFeSi이 구상의 α(alpha)-AlFeMnSi로 변화될 수 있다.

실시예 3: 7000계 합금

스크랩을 함유한 7000계 합금에서는 철 성분이 약 0.25~0.50wt%, 실리콘이 약 0.5wt% 수준으로 일반적인 알루미늄 합금 전신재에 요구되는 철 성분의 함량인 0.2wt%, 실리콘 성분의 함량인 0.2wt% 보다 많다.

철 성분을 제어하기 위해 우선 망간을 0.2~0.6wt%를 첨가한다. 일반적으로 망간에 대한 철의 몰비율이 1.2 일 경우, 침상의 β(beta)-AlFeSi이 구상의 α(alpha)-AlFeMnSi로 변화될 수 있다.

또한, 실리콘 성분이 침상 구조로 변태하는 현상을 제어하기 위해, 크롬을 약 0.15wt% 이내로 첨가한다.

실험예

알루미늄 합금에서 제거해야 할 불순물로 거론되는 합금원소는 5000계인 경우 Si, Fe이며, 6000계인 경우 Fe, 7000계인 경우는 Si, Fe이다.

실험실 분위기 내에서 알루미늄 합금을 용해 및 주조하였다.

먼저, 저항가열방식 전기로에서, 약 2kg의 알루미늄 스크랩을 그라파이트(graphite) 도가니 내에 장입하고, 합금원소는 모합금(master alloy)를 이용하였다.

완전히 합금화된 알루미늄 용탕은 약 30분에 걸쳐 Ar bubbling 방법으로 탈가스 처리한 후, 알루미늄 합금별 주조온도에 따라 금형에서 주조하였다.

평가

평가 1: 5000계 합금

실시예 1에서와 같이, 철 성분과 실리콘 성분이 제어된 5000계 합금을 전술한 실험예에 따라 주조한 후, 상 분석을 실시한 결과, 침상의 금속간화합물인 β(beta)-AlFeSi의 상 분율은 0이고, 구상의 금속간화합물인 α(alpha)-AlFeMnSi의 상 분율은 0.002 인 것으로 나타났다. 이를 통해, 침상의 금속간화합물이 망간의 첨가로 인해 더 이상 생성되지 않았음을 알 수 있다. beta 상이 더 이상 생성되지 않고, alpha 상은 망간의 첨가로 일부 생성되는데 이는 어느 정도 있더라도 문제가 없으며, 0.002는 거의 없는 수준으로 판단된다.

또한, 실시예 1에 따라 성분 제어된 5000계 합금의 미세조직(OM)을 도 1에 나타내었다.

평가 2: 6000계 합금

실시예 2에서와 같이, 철 성분이 제어된 6000계 합금을 전술한 실험예에 따라 주조한 후, 상 분석을 실시한 결과, 침상의 금속간화합물인 β(beta)-AlFeSi의 상 분율은 0.002이고, Mg₂Si의 상 분율이 0.02이며, 구상의 금속간화합물인 α(alpha)-AlFeMnSi의 상 분율은 0.007 인 것으로 나타났다. 이를 통해, 침상의 금속간화합물이 망간의 첨가로 0.002 수준으로 감소되어 조직 상에서 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.

6000계 합금에서는 실리콘이 불순물이 아닌 합금원소로 작용을 하고 있으므로, Mg₂Si이 금속을 강화시키는 석출상으로 매우 중요하다.

평가 3: 7000계 합금

실시예 3에서와 같이, 철 성분과 실리콘 성분이 제어된 7000계 합금을 전술한 실험예에 따라 주조한 후, 상 분석을 실시한 결과, 침상의 금속간화합물인 β(beta)-AlFeSi의 상 분율은 0이고, 구상의 금속간화합물인 α(alpha)-AlFeMnSi의 상 분율은 0.006 인 것으로 나타났다. 이를 통해, beta 상 금속간화합물이 망간의 첨가로 인해 더 이상 생성되지 않았음을 알 수 있다. 또한, alpha 상 금속간화합물도 0.006 수준으로 감소되어 조직 상에서 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.또한, 실시예 3에 따라 성분 제어된 7000계 합금의 미세조직(OM)을 도 2에 나타내었다.

본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

1. Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4 인 구상의 금속간화합물을 포함하는 알루미늄 합금.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 구상의 금속간화합물은 α(alpha)-AlFeMnSi 인 알루미늄 합금.
   
3. 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계;
   상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계; 및
   상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;를 포함하고,
   상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 망간을 첨가하는 단계;에서,
   상기 망간은 Fe/Mn 몰비율이 1.0 내지 1.4가 되도록 첨가되는 것인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 용해된 알루미늄 용탕 내 철 성분의 함량은 0.25 내지 0.5wt% 인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 알루미늄 스크랩을 용해시키는 단계; 이후에,
   상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘 성분의 함량에 따라, 상기 용탕에 크롬을 첨가하는 단계;를 더 포함하는 알루미늄 합금의 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 용해된 알루미늄 용탕 내 실리콘 성분의 함량은 0.3 내지 0.5wt% 인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 크롬은 Si/Cr 몰비율이 2.0 내지 3.5가 되도록 첨가되는 것인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;에서,
   상기 침상의 금속간화합물은 β(beta)-AlFeSi 인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 망간을 용해한 후 침상의 금속간화합물이 제어된 알루미늄 합금을 수득하는 단계;는,
   상기 용해된 망간을 탈가스(degassing) 처리하는 과정을 포함하는 것인 알루미늄 합금의 제조방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탈가스 처리는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 알루미늄 합금의 제조방법.

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