KR20190102445A - 마그네슘 모합금 및 알루미늄 합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 관점에 따르면, 마그네슘 모합금을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법은 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 용탕에 이산화티탄(TiO₂)을 투입하는 단계; 및 상기 이산화티탄(TiO₂)이 투입된 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

마그네슘 모합금 및 알루미늄 합금의 제조방법{Manufacturing method of Magnesium mother alloy and Aluminum alloy}

본 발명은 마그네슘이 함유된 알루미늄 합금에 대한 것으로서, 더 상세하게는 마그네슘 함유 알루미늄 합금의 결정립 미세화를 위해 티타늄이 함유된 마그네슘 모합금을 사용하여 알루미늄 합금을 제조하는 기술에 대한 것이다.

알루미늄-마그네슘 합금(Al-Mg alloy)은 마그네슘 원소에 의한 고용강화와 가공경화기구를 가지고 있다. 마그네슘 원소 첨가에 의하여 합금의 고강도화 경량화가 가능하며, 안정성 및 경량화 등의 요구에 대응할 수 있는 소재이다.

알루미늄-마그네슘 합금에서 마그네슘의 증가는 연신율의 감소 없이 강도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다. 이론적으로 마그네슘의 최대고용한도인 약 15%까지 첨가 가능한 것으로 알려져 있다. 이러한 장점으로 인해, 알루미늄-마그네슘 합금은 자동차 등 수송기기, 전기, 전자, 통신 등의 부품용으로 사용되고 있다.

최근, 알루미늄-마그네슘 합금의 조직 미세화를 위하여 크롬(Cr), 규소(Si), 칼슘(Ca), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 등의 원소를 첨가하는 방법들이 연구들이 활발히 진행되고 있다. 알루미늄-마그네슘 합금의 조직 미세화로 인하여 향상되는 특성으로 사용분야는 점차 넓어지고 있기 때문에 효과적으로 조직을 미세화 시킬 수 있는 방법 개발이 필수적이다.

특허공개번호 제10-2017-0099300호

본 발명은 상기와 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 티타늄(Ti)을 포함하는 새로운 알루미늄 합금 미세화제의 제조방법 및 이를 이용하여 미세한 결정립을 가지는 알루미늄 합금, 특히 알루미늄-마그네슘 합금을 제조하는 방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 마그네슘 모합금을 제조하는 방법이 제공된다. 상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법은 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계; 상기 용탕에 이산화티탄(TiO₂)을 투입하는 단계; 및 상기 이산화티탄(TiO₂)이 투입된 용탕을 주조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법에 있어서, 상기 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계는 유도가열로를 이용하여 제조하는 것일 수 있다.

상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법에 있어서, 상기 용탕에 이산화티탄(TiO₂)을 투입하는 단계 이후에 용탕을 교반하는 단계를 더 수행할 수 있다.

상기 마그네슘 모합금을 제조하는 방법에 있어서, 상기 이산화티탄(TiO₂)은 분말입자이며, 상기 분말입자의 크기는 0.1㎛ 내지 30㎛ 범위를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공된다.

상기 알루미늄 합금의 제조 방법은, 순수 알루미늄 용탕 또는 알루미늄 합금 용탕을 준비하는 단계; 상기 용탕에 티타늄을 함유하는 마그네슘 모합금을 투입하는 단계; 및 상기 용탕을 주조하여 알루미늄 합금 주조재를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 알루미늄 합금의 제조 방법에 있어서, 상기 마그네슘 모합금은 상술한 방법에 의해 제조된 것일 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 이에 따른 결정립 미세화 효과를 얻을 수 있으며, 알루미늄 합금의 주조성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있으며, 특히, 연신율의 향상을 얻을 수 있다. 또한, 조직 미세화를 위하여 티타늄(Ti) 등의 원소를 따로 첨가하는 공정 대신 마그네슘 모합금의 내부에 이산화티탄을 첨가함으로써 공정을 단축시킬 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 모합금의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 합금의 미세조직(macrostructure) 사진이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 합금의 유동성 실험 결과를 정리한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

알루미늄 합금의 조직의 미세화제로서 사용되는 티타늄은 일반적으로 알루미늄에 티타늄(Ti) 및 붕소(B)를 투입하여 제조한 Al-Ti-B 모합금 형태로 알루미늄 용탕에 투입하거나 TiC, TiB₂와 같은 화합물 형태로 투입되고 있다.

본 발명은 알루미늄 합금, 특히 알루미늄-마그네슘 합금의 새로운 미세화제로서 티타늄을 포함하는 마그네슘 모합금 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 기술사상을 따르는 마그네슘 모합금은 첫째 알루미늄-마그네슘 합금을 제조하기 위한 합금원소로의 역할과 함께 미세화제인 티타늄을 내부에 포함하고 알루미늄에 공급하는 티타늄 공급제로서의 역할을 모두 수행하게 된다. 따라서 종래와 같이 알루미늄-마그네슘 합금의 미세화를 위하여 마그네슘과 별도로 Ti을 포함하는 미세화제를 첨가하는 공정을 단축할 수 있다.

본 발명에서는 티타늄을 포함하는 마그네슘 모합금을 제조하기 위한 방법으로서 마그네슘 용탕에 금속 티타늄(Ti) 대신 이산화티탄(TiO₂)을 투입하여 제조하는 방법을 제공한다. 상기 마그네슘 용탕은 순수한 마그네슘 용탕 및 마그네슘 합금 용탕을 모두 포함한다. 금속 티타늄의 경우 마그네슘과 서로 고용도가 거의 없으며, 융점이 650℃인 마그네슘에 비해 약 1000℃ 정도가 높은 1668℃를 가짐에 따라 마그네슘 용탕에 투입시 두 합금을 용융된 상태에서 균일하게 혼합하기가 매우 어려운 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 금속 티타늄 대신에 이산화티탄을 분말의 형태로 마그네슘 용탕에 투입한 후 교반을 통해 액상의 마그네슘과 이산화티탄 분말의 반응을 통해 상기 이산화티탄을 환원시킴으로써 마그네슘 용탕 내로 티타늄을 공급하게 된다.

이하에서, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 이산화티탄이 첨가된 마그네슘 모합금 및 그 제조방법에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네슘 모합금의 제조방법을 나타내는 공정순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 마그네슘 합금을 제조하는 방법은 순수(pure) 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 도가니에 장입하고 용해하여 마그네슘 용탕을 제조한다. 용탕의 온도는 600℃ 내지 800℃의 온도 범위를 가질 수 있다. 용해로는 유도가열을 이용한 유도가열로 또는 저항가열을 이용하는 전기로가 모두 사용될 수 있다. 마그네슘은 산화반응성이 매우 높은 금속이므로, 경우에 따라 이를 방지하기 위하여 보호가스 분위기에서 용해할 수 있다. 예컨대, 상기 보호 가스는 SF₆, SO₂, HFC-134a, CO₂, Ar 및 이들의 혼합 가스를 사용할 수 있다.

다음, 상기 마그네슘 용탕에 이산화티탄(TiO₂) 분말을 투입한다. 이산화티탄(TiO₂)은 분말의 형태가 바람직하며, 상기 분말입자의 크기가 0.1㎛ 내지 30㎛인 것이 바람직하다. 분말입자의 크기가 30㎛를 초과할 경우, 액상 마그네슘과의 반응이 원활하게 일어나지 않으며, 이 경우 미반응된 이산화티탄 입자가 마그네슘 용탕에 혼입되어 불순물로 작용하여 합금의 특성을 열화시키게 된다. 또한 분말입자의 크기가 0.1㎛ 미만일 경우, 분말의 입자가 지나치게 작아 투입시 마그네슘 용탕 내로 혼입되기 어려워 작업의 난이도가 증가되는 문제가 있다. 상기 이산화티탄 분말은 중량%로 2.0 내지 7.0중량%의 범위를 가질 수 있다.

이산화티탄(TiO₂) 분말을 투입한 이후 혹은 투입하면서 마그네슘 용탕을 교반하는 단계를 수행한다(S300). 본 발명은 액상 마그네슘과의 이산화티탄의 반응을 이용하여 이산화티탄을 환원시키는 단계를 포함하는바, 교반을 통해 용탕 내에서 액상 마그네슘과의 이산화티탄 분말의 반응을 촉진시킬 수 있다. 이산화티탄 분말은 마그네슘에 비해 비중이 더 크므로 교반이 없을 경우 중력에 의해 용탕의 하부로 침지될 가능성이 있다. 이 경우, 액상 마그네슘과의 이산화티탄 분말 간의 균일한 반응이 일어나기 어려우며, 미반응된 이산화티탄 분말이 마그네슘 용탕에 잔류하면서 추후 합금의 특성을 열화시키는 개재물이 될 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해서 이산화티탄 분말 투입 후 충분히 교반을 해주어야 한다.

예를 들어, 전기로에서 용탕을 용해한 경우, 용탕이 자발적으로 유동되지 않음으로 교반기구나 교반장치를 이용하여 교반을 수행하여야 한다. 교반은 예를 들어, 10분 내지 300분 동안 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 예로서, 용탕 교반을 별도의 기계적 구성을 이용하는 대신 유도가열로에서 용해를 수행 중에 발생되는 용탕의 유동을 이용하여 자연스럽게 이산화티탄 분말을 교반시키는 효과를 얻을 수 있다. 이러한 유도가열로에서 용탕을 제조하고 유지함으로써 별도의 교반장치를 이용한 교반을 수행하는 단계가 없더라도 용탕에 투입된 이산화티탄 분말을 효과적으로 교반하여 반응을 촉진할 수 있는 효과가 있다.

교반이 완료된 마그네슘 용탕은 주형에 투입하여 주조공정을 통하여 빌렛 또는 주조블럭 형태의 마그네슘 모합금을 제조하는 단계(S400)를 수행하게 된다. 상기 주형은 예를 들어, 금형, 세라믹형 및 그라파이트형 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 또한 주조공정은, 예를 들어, 중력주조 또는 연속주조 방법을 이용할 수 있다.

이렇게 제조된 마그네슘 모합금은 0.9 중량% 내지 4.2 중량%의 티타늄(Ti)을 함유할 수 있다. 만약, 이산화티탄의 함량이 2 중량% 미만에서는 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금에 첨가되어도 조직 미세화 효과가 나타나지 않으며, 반면에 이산화티탄의 함량이 7 중량%를 초과하면 모합금 내에 반응하지 않은 이산화티탄이 존재하여, 마그네슘을 함유하는 알루미늄 합금 내에서 개재물로 작용하여 특성 저하의 원인이 될 수 있다.

상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금을 이용하여 알루미늄-마그네슘 합금을 제조한다. 알루미늄 용탕에 상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 투입한 후 최종적으로 주형에 주조하여 알루미늄 합금 주조재를 제조할 수 있다.

본 발명의 기술사상에 따라 제조된 알루미늄 합금은 주조과정에서 마그네슘 모합금에 의해 알루미늄 용탕에 공급된 티타늄에 의해 결정립 미세화가 이루어져 기계적 특성이 우수한 알루미늄-마그네슘 합금을 제조할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 실시예들을 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실시예들만으로 한정되는 것은 아니다.

유도가열로를 이용하여 도가니에 알루미늄 및 칼슘을 합금원소로 포함하는 마그네슘 합금 용탕을 제조한 후, 상기 마그네슘 용탕에 6 중량%에 해당되는 이산화티탄(TiO₂) 분말을 투입한 후 20분간 유지하였다.

다음 이산화티탄이 투입된 마그네슘 합금 용탕을 주형에 투입하여 마그네슘 모합금 주조블럭을 제조하였다.

유도가열형 용해로를 이용하여 700℃에서 알루미늄 합금 용탕을 제조한 후, 상기 알루미늄 합금 용탕에 상술한 방법으로 제조한 마그네슘 모합금을 9 중량% 투입한 후 교반하였다. 교반이 완료된 후 상기 알루미늄 합금 용탕을 200℃로 예열된 금형에 주조하여 알루미늄 합금 주조 블럭 및 빌렛을 제조하였다. 이하 이를 실시예 1이라 한다.

한편, 실시예 1를 따르는 마그네슘 모합금의 효과를 비교하기 위한 비교예 1로서, 알루미늄 합금 용탕에 상술한 마그네슘 모합금 대신 순수한 마그네슘을 첨가하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금 주조 블럭 및 빌렛을 제조하였다.

실시예 1 및 비교예 1의 유동성을 확인하기 위해 용탕 온도 700℃에서 250℃로 예열된 스파이럴(spiral) 금형에 용탕을 부어 유동길이를 측정하였다.

또한, 주조재의 조직 미세화 정도를 관찰하기 위해 실시예 1 및 비교예 2를 연마한 후 폴튼(poulton) 에칭액을 사용하여 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다. 또한 실시예 1 및 비교예 2를 표점 거리 30㎜의 인장 시험편으로 가공하여 인장 시험기에서 분당 1㎜의 크로스-헤드 스피드(cross-head speed)로 인장 시험을 행하였다.

또한, 압출재의 특성 변화를 평가하기 위해서 상기 실시예 1 및 비교예 1를 400℃에서 압출비 25:1의 조건에서 간접 압출을 실시하여 압출재를 제조하였으며, 이를 각각 실시예 2 및 비교예 2라 한다. 실시예 2 및 비교예 2도 표점 거리 30㎜의 인장 시험편으로 가공하여 인장 시험기에서 분당 1.8㎜의 크로스-헤드 스피드(cross-head speed)로 인장 시험을 행하였다.

도 2는 비교예 1의 미세조직이며, 도 3은 실시예 1의 미세조직이다. 도 2 및 도 3을 비교하면, 비교예 1에 비해 실시예 1의 결정립 크기가 현저하게 더 작은 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 실시예 1의 알루미늄 합금이 주조과정에서 비교예에 비해 효과적으로 결정립 미세화가 수행되었음을 확인할 수 있다. 실시예 1의 경우, 마그네슘 모합금 제조단계에서, 액상의 마그네슘과 이산화티탄간의 반응으로 인해 환원된 티타늄을 포함하고 있으며, 이러한 마그네슘 모합금이 알루미늄 합금 용탕에 투입될 때 같이 티타늄도 같이 알루미늄 합금 용탕에 투입되게 된다. 이렇게 투입된 티타늄에 의해 알루미늄 합금의 주조시 결정립 미세화가 일어나게 된다.

도 4는 실시예 1 및 비교예 1을 따르는 알루미늄 합금의 유동성 실험 결과를 정리한 것이다.

도 4를 참조하면, 실시예 1의 유동길이는 55㎝로 비교예 1의 유동길이인 46㎝보다 약 20% 정도 향상되었다.

일반적으로, 합금의 유동길이는 합금의 청정도 및 결정립 크기에 영향을 받는다. 이때, 합금의 청정도가 낮아지면, 즉 산화물 및 개재물의 함량이 증가하면 유동길이가 짧아지고, 합금의 청정도가 높아지면 유동길이가 증가한다. 또, 결정립의 크기가 작아지면 유동 길이도 증가하는 것으로 알려져 있다.

따라서, 본 발명의 기술사상을 따르는 실시예 1이 비교예 1에 비해 결정립이 미세화 되었을 뿐만 아니라 합금의 청정도 또한 낮아지지 않았다는 것을 의미한다.

표 1에는 실시예 1 및 2, 비교예 1 및 2의 상온 기계적 특성이 나타나 있다.

구분	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)
실시예 1	136.9	269.8	12.89
비교예 1	140.3	246.6	7.75
실시예 2	175.1	352.0	32.1
비교예 2	179.4	356.8	26.2

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 비교예 1에 비해 약간 낮은 항복강도를 나타내었으나, 더 우수한 인장강도 및 연신율을 나타내었다. 특히 연신율은 비교예 1 대비 66% 이상 향상되었음을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1의 경우 비교예 1에 비해 더 미세한 결정립을 가지고 있기 때문으로 판단된다.

한편, 압출재의 경우, 실시예 2 가 비교예 2에 비해 거의 유사한 수준의 항복강도 및 인장강도를 나타내었으나 약 22% 정도 향상된 연신율을 나타내었다. 이러한 압출재의 기계적 특성도 압출의 대상이 되었던 알루미늄 합금 주조재의 결정립 크기의 차이에 기인한 것으로 판단된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

1. 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계;
   상기 용탕에 이산화티탄(TiO₂)을 투입하는 단계; 및
   상기 이산화티탄(TiO₂)이 투입된 용탕을 주조하는 단계를 포함하는,
   마그네슘 모합금을 제조하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 순수 마그네슘 용탕 또는 마그네슘 합금 용탕을 제조하는 단계는 유도가열로를 이용하여 제조하는 단계인,
   마그네슘 모합금을 제조하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 용탕에 이산화티탄(TiO₂)을 투입하는 단계 이후에 용탕을 교반하는 단계를 더 수행하는,
   마그네슘 모합금을 제조하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 이산화티탄(TiO₂)은 분말입자로서,
   상기 분말입자의 크기가 0.1㎛ 내지 30㎛인,
   마그네슘 모합금을 제조하는 방법.
5. 순수 알루미늄 용탕 또는 알루미늄 합금 용탕을 준비하는 단계;
   상기 용탕에 티타늄을 함유하는 마그네슘 모합금을 투입하는 단계; 및
   상기 용탕을 주조하여 알루미늄 합금 주조재를 제조하는 단계를 포함하는,
   알루미늄 합금의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 마그네슘 모합금은 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 마그네슘 모합금 제조방법에 의해 제조된 것인,
   알루미늄 합금의 제조 방법.

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