WO2012161459A2 - 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2012161459A2
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aluminum
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윤영옥
서정호
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Korea Institute of Industrial Technology KITECH
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/02—Casting exceedingly oxidisable non-ferrous metals, e.g. in inert atmosphere
    • B22D21/04—Casting aluminium or magnesium

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum alloy and a method for manufacturing the same, and more particularly, to an aluminum alloy including magnesium and silicon as an alloying element and a method for manufacturing the same.
  • the aluminum-magnesium-silicon alloy in which magnesium (Mg) and silicon (Si) are added to aluminum (Al), corresponds to 6000 series in the classification table set by the American Aluminum Association, and maintains appropriate strength. In addition, it is used as a whole body material excellent in corrosion resistance and moldability.
  • the 6063 alloy which is a representative aluminum-magnesium-silicon alloy, is widely used as a building material because of its excellent extrudability and surface treatment properties.
  • the 6061 alloy with added magnesium and silicon has a higher mechanical strength than that of the 6063 alloy. It is used in cranes and bumpers for automobiles that require light weight and high strength.
  • the aluminum-magnesium-silicon alloy precipitates and distributes Mg 2 Si, which is an intermetallic compound, on an Al base through heat treatment, and the strength increases due to the Mg 2 Si precipitated phase.
  • FIG. 7 shows a state diagram of aluminum-Mg 2 Si.
  • the solid solubility of Mg 2 Si in aluminum reaches 1.85% at 595 ° C., but rapidly decreases with temperature drop to almost zero at room temperature. Therefore, when the temperature is lowered while Mg 2 Si is dissolved, a large amount of Mg 2 Si is precipitated at the matrix due to the difference in the solubility according to temperature, and the mechanical properties of the aluminum alloy are improved by the Mg 2 Si.
  • an alloy prepared by adding magnesium and silicon to aluminum is solution-treated at 515 to 550 ° C., followed by water cooling, and then aged at 170 to 180 ° C. to precipitate Mg 2 Si.
  • a series of heat treatment processes must be performed to precipitate Mg 2 Si.
  • an object of the present invention is to provide an aluminum alloy and a method of manufacturing the same, which improves mechanical properties by distributing an intermetallic compound (hereinafter, a magnesium-silicon compound) made of magnesium and silicon in an aluminum base without performing heat treatment.
  • an intermetallic compound hereinafter, a magnesium-silicon compound
  • a method of manufacturing an aluminum alloy is provided.
  • the aluminum may be pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the magnesium mother alloy may be prepared by using pure magnesium or a magnesium alloy as a base material, and adding the silicon-based additive to the base material.
  • the magnesium master alloy may be added in the range of 0.0001 to 30wt%.
  • the magnesium-silicon compound may be produced by reacting magnesium and silicon separated from the silicon-based additive.
  • the manufacturing method of the magnesium mother alloy the step of dissolving pure magnesium or magnesium alloy to form a magnesium molten metal; And adding a silicon-based additive to the magnesium molten metal.
  • the silicon-based additive may be added uniformly dispersed on the surface of the magnesium molten metal.
  • the silicon-based additives may be reacted with each other and added to a range in which the silicon-based additive does not remain in the magnesium mother alloy.
  • the silicon-based additive may be added in the range of 0.001 to 30wt%.
  • the step of adding the silicon-based additives may be stirred to the upper layer of the magnesium molten metal.
  • the stirring may be performed at an upper layer portion of 20% or less of the total depth of the magnesium molten metal from the surface of the magnesium molten metal.
  • Such silicon-based additives may include silicon oxide (SiO 2 ).
  • the magnesium-silicon compound may include Mg 2 Si.
  • the aluminum base And a magnesium-silicon compound present in the matrix, wherein the magnesium-silicon compound is produced by reacting silicon and magnesium decomposed from a silicon-based additive added to the magnesium molten metal.
  • the aluminum base may be a magnesium solution.
  • the silicon-based additive may include silicon oxide (SiO 2 ).
  • the magnesium-silicon compound may include Mg 2 Si.
  • the magnesium-silicon compound contained in the magnesium master alloy added in the manufacturing step of the aluminum alloy is distributed at the base of the aluminum alloy even if the heat treatment is not performed. Therefore, even if the heat treatment process is not performed separately in a subsequent process in the casting process is completed, it is possible to significantly improve the mechanical properties by distributing the magnesium-silicon compound to the base, it is possible to enable a significant improvement in economics and productivity.
  • FIG. 1 is a flow chart showing an embodiment of a method for producing a magnesium mother alloy added to the molten aluminum in the manufacture of an aluminum alloy according to the present invention.
  • Figure 4 is a flow chart showing an embodiment of a method of manufacturing an aluminum alloy according to the present invention.
  • 5a and 5b are the results of observing the microstructures of the experimental and comparative examples according to an embodiment of the present invention, respectively, under an optical microscope.
  • 6A to 6D show the results of analyzing the components and shapes of the magnesium-silicon compound of the experimental example.
  • Figure 7 shows a magnesium-silicon state diagram
  • the aluminum alloy according to the present invention is prepared by adding a silicon-based additive to pure magnesium or a magnesium alloy to prepare a mother alloy, and then adding the mother alloy to pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the mother alloy refers to an alloy prepared for addition into the molten metal provided in a subsequent step, and separately referred to as an alloy for a result prepared by adding the mother alloy.
  • magnesium mother alloy in the present specification and claims refers to both using pure magnesium or magnesium alloy as a base material.
  • a method of preparing a magnesium mother alloy includes a molten magnesium forming step (S1), a silicon-based additive addition step (S2), a stirring step (S3), and a casting step (S4).
  • the magnesium molten metal forming step (S1) pure magnesium or a magnesium alloy is put into a crucible and heated to form magnesium molten metal.
  • the heating temperature may be in the range of 400 to 800 °C as an example.
  • the molten metal is formed at 600 ° C. or higher, but in the case of magnesium alloy, molten metal may be formed at 600 ° C. or lower, for example, 400 ° C. or higher, due to the lowering of the melting point that may appear due to alloying.
  • Magnesium alloys used in the molten magnesium formation step (S1) are AZ91D, AM20, AM30, AM50, AM60, AZ31, AS41, AS31, AS21X, AE42, AE44, AX51, AX52, AJ50X, AJ52X, AJ62X, MRI153, MRI230, AM - May be any one selected from HP2, magnesium-Al, magnesium-Al-Re, magnesium-Al-Sn, magnesium-Zn-Sn, magnesium-Si, magnesium-Zn-Y and equivalents thereof. It is not intended to limit the invention. Typically any magnesium alloy that can be used in the industry can be used.
  • a protective gas may be additionally provided as the molten metal in order to prevent ignition of the molten magnesium.
  • the protective gas uses conventional SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec TM 612, inert gas and its equivalents, or a mixture thereof, and can suppress ignition of the molten magnesium.
  • the silicon-based additive is added to the magnesium molten metal.
  • the silicon-based additive may be uniformly dispersed on the surface of the magnesium molten metal so as not to be mixed into the magnesium molten metal.
  • the silicon-based additive thus added is sufficiently exhausted so that the silicon-based additive is substantially not remaining in the magnesium mother alloy prepared by casting magnesium molten metal in a subsequent step, and the silicon produced as a result of the exhaustion is substantially in the magnesium mother alloy.
  • the reaction may be performed so as not to remain.
  • the silicon decomposed from the added silicon-based additive may react with magnesium in the molten magnesium to form a magnesium-silicon compound (that is, a compound in which magnesium and silicon are chemically bonded to each other).
  • a magnesium-silicon compound that is, a compound in which magnesium and silicon are chemically bonded to each other.
  • Such magnesium-silicon compounds may comprise Mg 2 Si.
  • Such a silicon-based additive may be a compound in which silicon is chemically bonded to another element as a member element, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • silicon oxide When silicon oxide is added as a silicon-based additive, it is decomposed into silicon and oxygen, and oxygen is discharged from the magnesium molten metal to the atmosphere in a gaseous state or suspended above the molten metal as dross or sludge.
  • the decomposed silicon may react with magnesium to form the above-described magnesium-silicon compound.
  • the silicone-based additive to be added is advantageous as the surface area is wider to improve reactivity, and therefore, it is advantageous to be added in powder form.
  • the present invention is not limited thereto, and in order to prevent powder scattering, the powder may be added in a pellet form or in a bulk form.
  • the size of the silicon-based additives added may be 0.1-500 ⁇ m, more strictly 0.1-200 ⁇ m.
  • the size of the silicon-based additive is less than 0.1 ⁇ m is too fine to be scattered by the sublimated magnesium or hot air is difficult to enter the crucible.
  • the aggregates form aggregates, they do not easily mix with the molten metal in the liquid phase. Such agglomerates become undesirable in view of the reduced surface area for the reaction.
  • the size of the silicon-based additive exceeds 500 ⁇ m the surface area for the reaction is reduced, furthermore, the silicon-based additive may not react with the magnesium molten metal.
  • the size of the silicone additive may be adjusted to 200 ⁇ m or less.
  • all of the silicon-based additives may be added to a range not remaining as a silicon-based additive in the magnesium mother alloy.
  • the silicon-based additive may be added in an amount of 0.001 to 30 wt%, more strictly 0.01 to 15 wt%. have.
  • the silicon-based additive When the silicon-based additive is less than 0.001 wt%, the improvement of the mechanical properties of the magnesium alloy by adding the silicon-based additive is insignificant or hardly generated. In addition, when the silicon-based additive exceeds 30wt%, the original magnesium may not appear.
  • the addition of the silicone-based additives may be carried out in a plurality of steps with a certain time difference after the necessary amount is added at a time or divided into appropriate amounts.
  • the silicon additive to be added is a powder having fine particles, it is possible to promote the reaction of the silicon additive by lowering the possibility of agglomeration of the powder by adding a plurality of steps at a time difference.
  • a stirring step (S3) of the molten magnesium may be performed. Stirring may begin simultaneously with the addition of the silicone-based additive or after the added silicone-based additive is heated to a constant temperature in the melt.
  • the stirring can be further promoted by performing the reaction in the region of the upper layer of the magnesium molten metal, for example, 20% or less of the total depth of the magnesium molten metal from the surface of the magnesium molten metal.
  • the time for stirring may vary depending on the temperature of the molten metal and the state of the injected powder, and until the added silicon-based additive is completely consumed in the molten metal and further, the silicon decomposed from the silicone-based additive reacts substantially. It can be stirred sufficiently.
  • the magnesium mother alloy is produced through the casting step (S4) to put the magnesium molten metal in a mold to solidify.
  • the temperature of the mold in the casting step (S4) may have a temperature range of room temperature (for example, 25 °C) to 400 °C.
  • the mother alloy can be separated from the mold after cooling the mold to room temperature, but even when the mother alloy is solidified before the room temperature, the mother alloy can be separated from the mold.
  • the mold may use any one selected from a mold, a ceramic mold, a graphite mold, and an equivalent thereof.
  • casting methods include sand casting, die casting, gravity casting, continuous casting, low pressure casting, squeeze casting, lost wax casting, thixo casting, and the like.
  • Gravity casting may refer to a method of injecting a molten alloy into the mold using gravity
  • low pressure casting may refer to a method of injecting molten metal into the mold by applying pressure to the molten surface of the molten alloy using gas.
  • Thixocasting is a casting technique in a semi-melt state that combines the advantages of conventional casting and forging.
  • the present invention does not limit the type of mold and the manner of casting.
  • Magnesium-silicon compounds produced in the process of manufacturing the master alloy may exist at the base of the magnesium master alloy thus prepared.
  • the magnesium-silicon compound may be formed by reacting silicon decomposed from the silicon-based additive added to the magnesium molten metal as described above with magnesium.
  • FIG. 2A shows the results of observing the particulates distributed at the matrix of the magnesium mother alloy prepared by the above-described method with a scanning electron microscope
  • FIGS. 2B and 2C show the results of analyzing the components along a straight line shown in FIG. 2A.
  • the particulate form is a magnesium-silicon compound composed of magnesium and silicon from the fact that the detected concentration of magnesium (Mg1 in FIG. 2B) is different from the known magnesium (Mg2 in FIG. 2B) detection concentration.
  • FIG. 3A shows the microstructure of the magnesium mother alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 3B to 3D show the mapping of the magnesium, silicon and oxygen, respectively, as a result of mapping to EPMA. The results shown.
  • the phase is a compound consisting of magnesium and silicon. That is, it can be seen that the magnesium-silicon compound produced by the reaction of the silicon separated from the silicon-based additive of the magnesium mother alloy prepared by the above-described method with magnesium is distributed.
  • the magnesium-silicon compound may be Mg 2 Si, an intermetallic compound shown in the magnesium-silicon state diagram shown in FIG. 7.
  • the magnesium master alloy thus prepared may be added back to the molten aluminum during casting of the aluminum alloy.
  • the magnesium mother alloy includes a magnesium-silicon compound formed by reaction of the silicon supplied from the silicon-based additive added in the casting process with magnesium.
  • Such magnesium-silicon compounds can have a significantly higher melting point compared to aluminum.
  • Mg 2 Si has a melting point of 1120 ° C., which is significantly higher than that of aluminum (658 ° C.).
  • the magnesium mother alloy containing the magnesium-silicon compound having such a high melting point when added to the molten aluminum, the magnesium-silicon compound may be maintained without melting in the aluminum molten metal. Therefore, the magnesium-silicon compound may be distributed on the base of the aluminum alloy manufactured by casting the molten aluminum. In this case, even if the aluminum alloy is not heat treated separately, the effect of distributing the magnesium-silicon compound in the aluminum base can be obtained.
  • Method for producing an aluminum alloy comprises the steps of providing a magnesium mother alloy and aluminum containing a magnesium-silicon compound, forming a molten magnesium alloy and aluminum melt and casting the molten metal It includes a step.
  • the aluminum in order to form the molten magnesium alloy and the molten aluminum melted, first, the aluminum may be melted to form an aluminum molten metal, and the molten magnesium alloy may be formed by adding and dissolving a magnesium mother alloy containing a magnesium-silicon compound.
  • the aluminum and the magnesium master alloy may be formed by mounting them together in a melting apparatus such as a crucible and then melting them by heating.
  • FIG. 4 is a flowchart of a method of manufacturing an aluminum alloy using a method of forming an aluminum molten metal first and then adding and dissolving the magnesium mother alloy prepared by the method described above.
  • the aluminum alloy manufacturing method includes a molten aluminum forming step (S11), magnesium master alloy addition step (S12), stirring step (S13) and casting step (S14).
  • the aluminum is placed in a crucible and heated in a range of 600 to 900 ° C. to form aluminum molten metal.
  • Aluminum in the molten aluminum forming step (S11) means pure aluminum or aluminum alloy.
  • the aluminum alloy is, for example, 1000 series, 2000 series, 3000 series, 4000 series, 5000 series, 6000 series, 7000 series and 8000 series plastic processing aluminum or 100 series, 200 series, 300 series, 400 series, 500 series It may be any one selected from 700 series cast aluminum.
  • the magnesium master alloy addition step (S12) the magnesium master alloy prepared by the method described above is added to the aluminum molten metal.
  • the magnesium mother alloy used in the magnesium mother alloy addition step (S12) may be added in the range of 0.0001 to 30wt%. If the added magnesium master alloy is less than 0.0001wt%, the effect of adding the magnesium master alloy may be small. In addition, when the magnesium mother alloy exceeds 30wt%, the original aluminum alloy may not appear. In this case, the magnesium master alloy may be added in the form of a bulk, but the present invention is not limited thereto, and may have other forms such as powder form and granule form.
  • the magnesium-silicon compound included in the magnesium master alloy is also provided in the molten aluminum.
  • a small amount of protective gas may be additionally provided to prevent oxidation of the magnesium mother alloy.
  • the protective gas may use conventional SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec TM 612, inert gas and equivalents thereof, or a mixed gas thereof, thereby inhibiting oxidation of the magnesium master alloy.
  • the stirring step (S13) may be performed to sufficiently mix the magnesium mother alloy in the molten aluminum.
  • the aluminum molten metal is poured into the mold and then the casting step (S14) of solidification is performed.
  • the temperature of the mold in the casting step (S14) may have a temperature range of room temperature to 400 °C.
  • the aluminum alloy may be separated from the mold after cooling the mold to room temperature, but even when the aluminum alloy is solidified even before the room temperature, the aluminum alloy may be separated from the mold.
  • the aluminum alloy prepared according to the casting method according to the present invention already distributes the magnesium-silicon compound, for example, Mg 2 Si, even if the aluminum base is not heat-treated separately. That is, the magnesium-silicon compound contained in the magnesium mother alloy added to the aluminum molten metal is maintained in the molten metal and then formed as a separate phase in the aluminum base during the casting of the aluminum alloy.
  • the magnesium-silicon compound contained in the magnesium mother alloy added to the aluminum molten metal is maintained in the molten metal and then formed as a separate phase in the aluminum base during the casting of the aluminum alloy.
  • the aluminum base may have a plurality of regions that form a boundary and are separated from each other.
  • the magnesium-silicon compound may exist within the boundary or region.
  • the plurality of regions separated from each other may be a plurality of grains typically divided into grain boundaries, and as another example, the plurality of regions may be a plurality of phase regions defined by two or more different phase boundaries.
  • the magnesium-silicon compound may be distributed in the grain boundary or the phase boundary.
  • the magnesium-silicon compound acts as an obstacle of grain boundary or the boundary boundary, thereby inhibiting the movement of the grain boundary or the boundary boundary, thereby reducing the average size of the grain or the boundary boundary.
  • the magnesium-silicon compound may provide a place where nucleation takes place in the course of the aluminum alloy ascending from the liquid phase to the solid phase. That is, the magnesium-silicon compound transitions from the liquid phase to the solid phase during the solidification of the aluminum alloy is made in terms of nucleation and growth, wherein the magnesium-silicon compound itself functions as a heterogeneous nucleation site. Therefore, the nucleation for the transition of the magnesium-silicon compound and the liquid phase into the solid phase preferentially occurs. The nucleated solid phase grows around the magnesium-silicon compound.
  • the magnesium-silicon compound When the magnesium-silicon compound is distributed in a large number, the solid phases grown at the interface of each magnesium-silicon compound meet each other to form a boundary, and the boundary thus formed may form a grain boundary or a phase boundary. Therefore, when the magnesium-silicon compound functions as a nucleation site, the magnesium-silicon compound is present inside the grains or the phase region, and the grains or the phase region are finer than in the case where the magnesium-silicon compound is not present. Will be displayed.
  • the magnesium-silicon compound may have a finer and smaller grain or phase region size on average than the aluminum alloy does not exist.
  • the miniaturization of grains or phase regions due to such magnesium-silicon compounds may bring about an effect of improving mechanical properties such as strength, toughness, and elongation of the aluminum alloy.
  • the magnesium-silicon compound when the magnesium-silicon compound is dispersed and distributed in the form of fine particles in the aluminum alloy, the magnesium-silicon compound is an intermetallic compound, which is a higher strength material than the known aluminum, and the strength of the aluminum alloy is due to the dispersion distribution of the high strength material. Can be increased.
  • Experimental Example is an aluminum alloy prepared by adding a magnesium mother alloy containing a magnesium-silicon compound according to the production method of the present invention, while a comparative example is an aluminum alloy prepared by adding only magnesium. Both experimental and comparative examples were produced by casting in a billet-shaped mold. At this time, the experimental example was prepared by adding 5wt% magnesium master alloy to pure aluminum, wherein the magnesium master alloy was prepared by adding 0.5wt% of silicon oxide as pure silicon additive. Comparative Example was prepared by adding 5wt% pure magnesium to pure aluminum.
  • 5A and 5B show microstructure results of observing experimental and comparative examples with an optical microscope, respectively. 5A and 5B, it can be seen from the experimental example that the magnesium-silicon compound particles (arrows) are distributed in the matrix.
  • FIG. 6A shows the microstructure of the aluminum alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 6B to 6D show the mapping of EPMA to the distribution of aluminum, magnesium, silicon and oxygen, respectively. Is the result.
  • FIG. 6B A portion A of FIG. 6B is a region in which a detection signal of aluminum is very low and substantially no aluminum component is present. 6C and 6D, it can be seen that the detection signals of magnesium and silicon are very high in the same region as region A of FIG. 6B, while oxygen is not detected at all, as shown in FIG. 6E.
  • magnesium-silicon compound is distributed in the matrix of the cast aluminum alloy according to the present invention even if heat treatment is not performed separately in the cast state.
  • Table 1 shows the average hardness values of the experimental and comparative examples.
  • the average hardness value was obtained by using a Rockwell hardness tester and a Brennel hardness tester to measure two to six places on the surface of the cast billet and to measure the hardness. Referring to Table 1, it can be seen that the hardness values measured using the Rockwell hardness tester and the Brennel hardness tester were all higher than those of the comparative example.

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Abstract

본 발명은 열처리를 수행하지 않고 알루미늄 기지 내에 마그네슘-실리콘 화합물 분포시켜 기계적 특성을 향상시키는 알루미늄 합금 및 그 제조방법의 제공을 과제로 한다. 본 발명의 일 관점에 의하면, 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 용해하여 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법이 제공된다.

Description

알루미늄 합금 및 그 제조방법
본 발명은 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 합금원소로 마그네슘 및 실리콘을 포함하는 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 대한 것이다.
알루미늄(Al)에 마그네슘(Mg) 및 실리콘(Si)을 첨가한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금(Mg-Al-Si alloy)은 미국알루미늄협회가 정한 분류표 상 6000계열에 해당되며, 적당한 강도를 유지하면서 동시에 내식성과 성형성이 우수한 전신재로서 이용되고 있다. 대표적인 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금인 6063 합금은 압출성 및 표면처리특성이 우수하여 건축용 자재로 많이 사용되고 있으며, 6063 합금에 비해 마그네슘과 실리콘을 추가로 첨가한 6061 합금은 기계적 강도가 6063에 비해 더 높아 경량·고강도를 요구하는 크레인, 자동차용 범퍼 등에 이용되고 있다.
이러한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금은 열처리를 통해 Al 기지에 금속간화합물인 Mg2Si를 석출시켜 분포시키며, 이러한 Mg2Si 석출상으로 인해 강도의 증가가 나타나게 된다.
도 7에는 알루미늄-Mg2Si의 상태도가 도시되어 있다. 도 7을 참조하면, 알루미늄에 대한 Mg2Si의 고용도는 595℃에서 1.85%에 이르지만, 온도강하와 함께 급격히 감소하여 실온에서 거의 0에 가까운 값을 가지게 된다. 따라서 Mg2Si가 고용된 상태에서 온도를 하강시키게 되면 온도에 따른 고용도 차이에 의해 다량의 Mg2Si가 기지에 석출되며, 이러한 Mg2Si에 의해 알루미늄 합금의 기계적 특성이 향상되게 된다. 구체적으로 알루미늄에 마그네슘과 실리콘을 첨가하여 제조한 합금을 515~550℃에서 용체화 처리한 후 이를 수냉한 다음, 170~180℃에서 시효처리함으로써 Mg2Si를 석출시키게 된다. 이와 같이 종래의 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금에서는 Mg2Si를 석출시키기 위해 일련의 열처리 과정을 반드시 수행하여야 하였다.
이에 본 발명은 열처리를 수행하지 않고 알루미늄 기지 내에 마그네슘 및 실리콘으로 이루어진 금속간화합물(이하 마그네슘-실리콘 화합물) 분포시켜 기계적 특성을 향상시키는 알루미늄 합금 및 그 제조방법의 제공을 과제로 한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법이 제공된다.
이때 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
상기 마그네슘 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 하고, 상기 모재에 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하여 제조한 것일 수 있다.
상기 마그네슘 모합금은 0.0001 내지 30wt% 범위에서 첨가될 수 있다.
상기 마그네슘-실리콘 화합물은 마그네슘과 상기 실리콘계 첨가제로부터 분리된 실리콘이 반응하여 생성된 것일 수 있다.
상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 용해하여 마그네슘 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕에 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에, 상기 실리콘계 첨가제가 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 소진시키는 단계; 및 상기 소진 결과로 생성된 실리콘이 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 반응시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 실리콘계 첨가제는 상기 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가할 수 있다.
상기 실리콘계 첨가제는 모두 반응하여 상기 마그네슘 모합금 내에 상기 실리콘계 첨가제가 잔류하지 않은 범위까지 첨가될 수 있다. 예를 들어, 상기 실리콘계 첨가제는 0.001 내지 30wt% 범위에서 첨가될 수 있다.
상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에 상기 마그네슘 용탕의 상층부에 교반을 실시할 수 있다. 이때 상기 교반은 상기 마그네슘 용탕의 표면으로부터 상기 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하의 상층부에서 이루어질 수 있다.
이러한 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함할 수 있다.
한편 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 알루미늄 기지; 및 상기 기지에 존재하는 마그네슘-실리콘 화합물;을 포함하며, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 마그네슘 용탕에 첨가된 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘과 마그네슘이 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금이 제공된다.
상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용된 것일 수 있다.
상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함할 수 있다.
상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 의하면, 종래와 달리 열처리를 수행하지 않더라도 알루미늄 합금의 제조 단계에서 첨가되는 마그네슘 모합금 내에 포함된 마그네슘-실리콘 화합물이 알루미늄 합금의 기지에 분포하게 된다. 따라서 주조공정이 완료된 상태에서 후속공정에서 따로 열처리 과정을 거치지 않더라도 마그네슘-실리콘 화합물을 기지에 분포시켜 기계적 특성을 현저하게 향상시킬 수 있는바, 경제성 및 생산성에서의 획기적인 개선을 가능하게 할 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 알루미늄 용탕에 첨가되는 마그네슘 모합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2 및 3은 마그네슘 모합금 내의 마그네슘-실리콘 화합물의 형태 및 그 성분을 분석한 결과이다.
도 4는 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도 이다.
도 5a 및 5b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 실험예와 비교예의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
도 6a 내지 6d는 실험예의 마그네슘-실리콘 화합물의 성분 및 형상을 분석한 결과이다.
도 7은 마그네슘-실리콘 상태도를 나타낸 것이다.
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 측면으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명을 따르는 알루미늄 합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금에 실리콘계 첨가제를 첨가하여 모합금을 제조한 후, 이 모합금을 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 첨가하여 제조한다. 이때 모합금은 후속 단계에서 제공되는 용탕 내에 첨가하기 위하여 제조된 합금을 지칭하는 것이며, 이와 구분하여 모합금을 첨가하여 제조한 결과물에 대해서는 합금으로 지칭한다.
또한 본 명세서 및 특허청구범위에서의 마그네슘 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 사용한 것을 모두 지칭한다.
도 1은 마그네슘 모합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다. 도 1을 참조하면, 마그네슘 모합금의 제조 방법은 마그네슘 용탕 형성 단계(S1), 실리콘계 첨가제 첨가 단계(S2), 교반단계(S3) 및 주조 단계(S4)를 포함한다.
마그네슘 용탕 형성 단계(S1)에서는 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 도가니에 넣고 가열하여 마그네슘 용탕을 형성한다. 이때 가열온도는 일 예로서 400 내지 800℃ 범위일 수 있다.
순수 마그네슘의 경우 600℃ 이상에서 용탕을 형성하지만, 마그네슘 합금의 경우에는 합금화에 따라 나타날 수 있는 용융점의 하강으로 인해 600℃이하, 예를 들어 400℃ 이상에서도 용탕이 형성될 수 있다.
여기서, 상기 온도가 400℃ 미만이면 마그네슘 용탕이 형성되기 어렵고, 온도가 800℃를 초과하면 마그네슘 용탕에서의 승화가 발생되거나 발화할 위험이 있다.
마그네슘 용탕 형성 단계(S1)에서 이용된 마그네슘 합금은 AZ91D, AM20, AM30, AM50, AM60, AZ31, AS41, AS31, AS21X, AE42, AE44, AX51, AX52, AJ50X, AJ52X, AJ62X, MRI153, MRI230, AM-HP2, 마그네슘-Al, 마그네슘-Al-Re, 마그네슘-Al-Sn, 마그네슘-Zn-Sn, 마그네슘-Si, 마그네슘-Zn-Y 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있으나, 이러한 마그네슘 합금으로 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 통상적으로 산업계에서 사용할 수 있는 어떠한 마그네슘합금도 사용이 가능하다.
한편, 마그네슘 용탕의 발화를 방지하기 위해 부가적으로 용탕으로 보호가스가 제공될 수 있다. 보호가스는 통상의 SF6, SO2, CO2, HFC-134a, Novec™612, 비활성기체 및 그 등가물 또는 이들의 혼합 가스를 이용하며, 마그네슘 용탕의 발화를 억제할 수 있다.
실리콘계 첨가제 첨가 단계(S2)에서는 실리콘계 첨가제를 마그네슘 용탕에 첨가한다. 이때 실리콘계 첨가제가 마그네슘 용탕 내부로 혼입되지 않도록 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가할 수 있다.
이렇게 첨가된 실리콘계 첨가제는 충분히 소진되어 후속하는 단계에서 마그네슘 용탕을 주조하여 제조한 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 실리콘계 첨가제가 잔류되지 않도록 소진시키는 단계와 상기 소진 결과로 생성된 실리콘이 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 반응시키는 단계를 수행할 수 있다.
이때 첨가된 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘은 마그네슘 용탕 내에서 마그네슘과 반응하여 마그네슘-실리콘 화합물(즉, 마그네슘 및 실리콘이 서로 화학적으로 결합되어 있는 화합물)을 형성할 수 있다. 이러한 마그네슘-실리콘 화합물을 Mg2Si을 포함할 수 있다.
이러한 실리콘계 첨가제로는 구성원소로서 실리콘이 다른 원소와 화학적으로 결합된 화합물일 수 있으며, 예를 들어 산화실리콘(SiO2) 일 수 있다. 실리콘계 첨가제로서 산화실리콘을 첨가하는 경우에는 실리콘과 산소로 분해되며 이때 산소는 기체 상태로 마그네슘 용탕으로부터 대기 중으로 배출되거나 드로스(dross) 또는 슬러지(sludge)로서 용탕 상부에 부유하게 된다. 한편, 분해된 실리콘은 마그네슘과 반응하여 상술한 마그네슘-실리콘 화합물을 형성할 수 있다.
첨가되는 실리콘계 첨가제는 반응성 향상을 위해 표면적이 넓을수록 유리하며, 따라서 분말형태로 첨가되는 것이 유리하다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 분말상의 비산을 방지하기 위해 분말을 응집시킨 팰렛(pellet)형태 또는 벌크(bulk)형태로 투입하는 것도 가능하다.
첨가되는 실리콘계 첨가제의 크기는 실리콘계 첨가제의 크기는 0.1 내지 500㎛일 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.1 내지 200㎛ 일 수 있다.
실리콘계 첨가제의 크기가 0.1㎛ 미만일 경우 너무 미세하여 승화되는 마그네슘이나 열풍에 의하여 비산되어 도가니에 투입되기가 어려움이 발생된다. 또한 서로 응집되어 응집체를 형성함에 따라 액상의 용융금속과 쉽게 섞이지 않게 된다. 이러한 응집체는 반응을 위한 표면적이 감소된다는 관점에서 바람직하지 않게 된다.
실리콘계 첨가제의 크기가 500㎛를 초과할 경우에는 반응을 위한 표면적이 감소되며, 더 나아가 상기 실리콘계 첨가제가 마그네슘 용탕과 반응하지 않을 수 있다. 반응성을 보다 향상시키기 위해 실리콘계 첨가제의 크기를 200㎛ 이하로 조절 할 수 있다.
이때 실리콘계 첨가제는 모두 반응하여 상기 마그네슘 모합금 내에 실리콘계 첨가제로 잔류하지 않은 범위까지 첨가될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘계 첨가제는 0.001 내지 30 wt%, 보다 엄격하게는 0.01 내지 15wt%가 첨가될 수 있다.
실리콘계 첨가제가 0.001wt% 미만인 경우에는 실리콘계 첨가제 첨가에 의한 마그네슘 합금의 기계적 특성 향상이 미미하거나 거의 발생되지 않게 된다. 또한 실리콘계 첨가제가 30wt%를 초과하게 되면 원래의 마그네슘의 특성이 나타나지 않을 수 있다.
실리콘계 첨가제의 투입은 필요량을 일시에 투입하거나 혹은 적정량으로 나눈 후 일정한 시간차를 두고 복수의 단계로 투입할 수 있다. 첨가되는 실리콘계 첨가제가 미세 입자를 가진 분말일 경우에는 시간차를 두고 복수의 단계로 투입함으로써 분말의 응집 가능성을 낮추면서 실리콘계 첨가제의 반응을 촉진시킬 수 있다.
첨가된 실리콘계 첨가제의 반응을 더욱 촉진시키기 위하여 마그네슘 용탕의 교반단계(S3)를 수행할 수 있다. 교반은 실리콘계 첨가제의 투입과 동시에 시작하거나 혹은 첨가된 실리콘계 첨가제가 용탕 내에서 일정 온도로 가열 된 후에 시작할 수 있다. 또한 교반은 마그네슘 용탕의 상층부, 예를 들어 마그네슘 용탕의 표면으로부터 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하인, 영역에서 수행함으로써 실리콘계 첨가제의 반응을 더욱 촉진시킬 수 있다.
이때 교반을 위한 시간은 용탕의 온도와 투입되는 분말의 상태에 따라 차이가 있을 수 있으며, 가능한 첨가된 실리콘계 첨가제가 용탕 내에서 완전히 소진되고 나아가 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 실질적으로 모두 반응할 때까지 충분히 교반할 수 있다.
마그네슘 용탕의 교반단계(S3)가 완료되면, 상기 마그네슘 용탕을 주형에 넣어 응고시키는 주조단계(S4)를 거쳐 마그네슘 모합금이 제작된다.
이때 주조단계(S4)에서의 주형의 온도는 상온(예를 들면, 25℃) 내지 400℃ 의 온도범위를 가질 수 있다. 또한 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 마그네슘 모합금의 기지에는 모합금 제조 과정에서 생성된 마그네슘-실리콘 화합물이 존재할 수 있다. 이때 마그네슘-실리콘 화합물은 상술한 것와 같이 마그네슘 용탕에 첨가된 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 마그네슘과 반응하여 형성된 것일 수 있다.
도 2a에는 상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금의 기지에 분포하는 입자상을 주사전자현미경으로 관찰한 결과이며, 도 2b 및 2c는 도 2a에 도시된 직선을 따라 성분을 분석한 결과이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 입자상에서 실리콘(도 b의 Si) 성분 및 마그네슘(도 2b의 Mg1)이 동시에 검출되며, 산소(도 2b의 O)는 검출되지 않았다. 이때 검출되는 마그네슘(도 2b의 Mg1)의 검출 농도가 기지의 마그네슘(도 2b의 Mg2)검출 농도와 서로 상이한 점으로부터 입자상은 마그네슘과 실리콘으로 이루어진 마그네슘-실리콘 화합물임을 알 수 있다.
도 3a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 마그네슘 모합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 3b 내지 3d는 EPMA로 매핑(mapping)한 결과로서, 각각 마그네슘, 실리콘 및 산소의 분포를 나타낸 결과이다.
도 3a를 참조하면, 마그네슘 기지의 경계면에 기지와 구분되는 상(phase)이 형성되어 있음을 알 수 있다. 이러한 상으로부터의 마그네슘의 검출 시그널이 다른 영역의 마그네슘 기지의 검출시그널에 비해 낮게 나타났으며(도 3b 화살표), 실리콘의 검출 시그널이 높게 나타났다(도 3c 백색부분). 반면 도 3d에서와 같이, 산소는 전혀 검출되지 않았다.
이로부터 상기 상은 마그네슘과 실리콘으로 이루어진 화합물임을 알 수 있다. 즉, 상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금의 실리콘계 첨가제로부터 분리된 실리콘이 마그네슘과 반응하여 생성된 마그네슘-실리콘 화합물이 분포하고 있음을 알 수 있다. 이때 마그네슘-실리콘 화합물은 도 7에 도시된 마그네슘-실리콘 상태도에 나타난 금속간화합물인 Mg2Si일 수 있다.
이와 같이 제조된 마그네슘 모합금은 알루미늄 합금의 주조시 알루미늄 용탕에 다시 첨가될 수 있다. 이때 상술한 바와 같이 마그네슘 모합금 내에는 주조 과정에서 첨가된 실리콘계 첨가제로부터 공급된 실리콘이 마그네슘과 반응하여 형성된 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하고 있다. 이러한 마그네슘-실리콘 화합물은 알루미늄에 비해 현저하게 높은 융점을 가질 수 있다. 예를 들어 Mg2Si은 융점이 1120℃로서 알루미늄의 융점(658℃)보다 현저하게 높은 융점을 가지고 있다.
따라서 이러한 높은 융점을 가지는 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하는 경우, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 알루미늄 용탕 내에서 용융되지 않고 유지될 수 있다. 따라서 이러한 알루미늄 용탕을 주조하여 제조한 알루미늄 합금의 기지에는 상기 마그네슘-실리콘 화합물이 분포할 수 있다. 이 경우 따로 알루미늄 합금을 열처리 하지 않더라도 알루미늄 기지 내에 마그네슘-실리콘 화합물을 분포시키는 효과를 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 제공하는 단계, 상기 마그네슘 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하는 단계 및 상기 용탕을 주조하는 단계를 포함한다.
이때 마그네슘 모합금 및 알루미늄이 용해된 용탕을 형성하기 위해 먼저 알루미늄을 용해하여 알루미늄 용탕을 형성하고, 이 알루미늄 용탕에 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 첨가하여 용해함으로써 형성할 수 있다.
또 다른 방식으로는 알루미늄과 상기 마그네슘 모합금을 도가니 등과 같은 용해용 장치 내에 같이 장착한 후 가열하여 같이 용해함으로써 형성할 수도 있다.
도 4는 알루미늄 용탕을 먼저 형성한 후, 이에 상술한 방법으로 제조한 마그네슘 모합금을 첨가하여 용해하는 방식을 이용한 알루미늄 합금 제조 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 알루미늄 합금의 제조 방법은 알루미늄 용탕 형성 단계(S11), 마그네슘 모합금 첨가 단계(S12), 교반 단계(S13) 및 주조 단계(S14)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)의 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 의미한다. 이때, 알루미늄 합금은 예를 들어, 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성가공용 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열 주조용 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
다음으로, 마그네슘 모합금 첨가 단계(S12)에서는 알루미늄 용탕에 위에서 이미 설명한 방법으로 제조한 마그네슘 모합금을 첨가한다.
이때 마그네슘 모합금 첨가 단계(S12)에서 이용된 마그네슘 모합금은 0.0001 내지 30wt% 범위에서 첨가될 수 있다. 첨가되는 마그네슘 모합금이 0.0001wt% 미만이 경우에는 마그네슘 모합금 첨가에 따른 효과가 작을 수 있다. 또한, 상기 마그네슘 모합금이 30wt%를 초과하게 되면 원래의 알루미늄 합금의 특성이 나타나지 않을 수 있다. 이때 마그네슘 모합금의 형태는 괴상의 형태로 첨가될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 분말 형태, 그래뉼 형태 등 다른 형태를 가질 수 있다.
이러한 마그네슘 모합금의 첨가시 마그네슘 모합금 내에 포함된 마그네슘-실리콘 화합물도 같이 알루미늄 용탕내로 제공되게 된다.
이때 마그네슘 모합금의 산화를 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 이용할 수 있으며, 이를 통해 마그네슘 모합금의 산화를 억제할 수 있다.
이때 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 충분히 섞이게 하기 위해 교반 단계(S13)를 수행할 수 있다.
다음으로, 마그네슘 모합금이 충분히 섞였다고 판단되면 알루미늄 용탕을 주형에 부어 넣은 후 응고하는 주조단계(S14)를 수행한다.
이때 주조단계(S14)에서의 주형의 온도는 상온 내지 400℃ 의 온도범위를 가질 수 있다. 주조단계에서는 주형을 상온까지 냉각시킨 후 알루미늄 합금을 주형으로부터 분리시킬 수 있으나, 상온 이전이라도 알루미늄 합금의 응고가 완료되는 경우에는 주형으로부터 알루미늄 합금을 분리시킬 수 있다.
주조방식에 대해서는 마그네슘 모합금 제조방법에 대해서 자세히 설명하였으므로 설명을 생략한다.
본 발명에 따르는 주조방법에 따라 제조된 알루미늄 합금은 주조된 상태에서 알루미늄 기지에 따로 열처리를 하지 않더라도 이미 마그네슘-실리콘 화합물, 예를 들어 Mg2Si이 분포하게 된다. 즉, 알루미늄 용탕에 첨가된 마그네슘 모합금에 포함되어 있던 마그네슘-실리콘 화합물이 상기 용탕 내에서 유지된 후 알루미늄 합금의 주조단계에서 알루미늄 기지 내에 별개의 상으로 형성되게 된다.
이때 알루미늄 기지는 경계를 이루며 서로 구분되는 복수개의 영역을 가질 수 있으며, 이때 상기 경계 또는 영역 내부에 상기 마그네슘-실리콘 화합물이 존재할 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.
결정립계 또는 상경계는 결정립 또는 상영역 내부에 비해 개방된 구조로서 상대적으로 높은 에너지를 가지고 있으므로 마그네슘-실리콘 화합물은 이러한 결정립계 또는 상경계에 분포할 수 있다.
마그네슘-실리콘 화합물이 알루미늄 합금의 결정립계 또는 상경계에 분포되는 경우에는, 이러한 마그네슘-실리콘 화합물이 결정립계 또는 상경계 이동의 장애물로 작용하여 결정립계 또는 상경계의 이동을 억제하여 결정립 또는 상경계의 평균크기를 감소시킬 수 있다.
또는 마그네슘-실리콘 화합물은 알루미늄 합금이 액상에서 고상으로 상천이 되는 과정에서 핵생성이 일어나는 장소를 제공할 수 있다. 즉, 마그네슘-실리콘 화합물은 알루미늄 합금의 응고시 액상에서 고상으로의 상천이는 핵생성 및 성장의 측면으로 이루어지게 되며, 이때 마그네슘-실리콘 화합물 자체가 불균일 핵성성 자리(heterogeneous nucleation site)로 기능함에 따라 마그네슘-실리콘 화합물과 액상이 계면에서 우선적으로 고상으로의 상천이를 위한 핵생성이 일어나게 된다. 이렇게 핵생성된 고상은 마그네슘-실리콘 화합물 주변으로 형성하면서 성장하게 된다.
이러한 마그네슘-실리콘 화합물이 다수 분산되게 분포하는 경우, 각각의 마그네슘-실리콘 화합물의 계면에서 성장된 고상들이 서로 만나 경계를 이루게 되며, 이렇게 형성된 경계는 결정립계 또는 상경계를 이룰 수 있다. 따라서 마그네슘-실리콘 화합물이 핵생성 자리로 기능하게 되면, 마그네슘-실리콘 화합물은 결정립 또는 상영역의 내부에 존재하게 되며, 상기 결정립 또는 상영역은 마그네슘-실리콘 화합물이 존재하지 않는 경우에 비해 미세화되는 효과를 나타낼 수 있게 된다.
따라서 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우, 이러한 마그네슘-실리콘 화합물이 존재하지 않은 알루미늄 합금에 비해 평균적으로 더 미세하고 작은 결정립 또는 상영역 크기를 가질 수 있다. 이러한 마그네슘-실리콘 화합물에 기인한 결정립 또는 상영역의 미세화는 알루미늄 합금의 강도, 인성, 연신율과 같은 기계적 특성의 향상 효과를 가져 올 수 있다.
한편 마그네슘-실리콘 화합물은 알루미늄 합금 내에서 미세한 입자 형태로 분산되어 분포될 경우, 마그네슘-실리콘 화합물은 금속간 화합물로서 기지인 알루미늄에 비해 고강도 물질인바, 이러한 고강도 물질의 분산분포로 인하여 알루미늄 합금의 강도가 증가될 수 있다.
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.
실험예는 본 발명의 제조방법에 따라 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금이며, 이에 대해 비교예는 마그네슘만을 첨가하게 제조한 알루미늄 합금이다. 실험예 및 비교예 모두 빌렛 형태의 주형에 주조하여 제작한 것이었다. 이때 실험예는 순수 알루미늄에 5wt%의 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조하였으며, 이때 마그네슘 모합금은 순수 마그네슘에 실리콘계 첨가제로서 산화실리콘을 0.5wt% 첨가하여 제조한 것이었다. 비교예는 순수 알루미늄에 순수 마그네슘을 5wt% 첨가하여 제조하였다.
도 5a 및 5b에는 각각 실험예 및 비교예를 광학현미경으로 관찰한 미세조직 결과가 나타나 있다. 도 5a 및 5b를 참조하면, 실험예에서는 기지에 마그네슘-실리콘 화합물 입자상(화살표)이 분포하고 있음을 알 수 있다.
도 6a 내지 6e에는 이러한 마그네슘-실리콘 화합물에 대한 구체적인 분석결과가 나타나 있다. 도 6a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 알루미늄 합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 6b 내지 6d는 EPMA로 매핑(mapping)한 결과로서, 각각 알루미늄, 마그네슘, 실리콘 및 산소의 분포를 나타낸 결과이다.
도 6b의 A 부분은 알루미늄의 검출 시그널이 매우 낮은 영역으로서 실질적으로 알루미늄 성분이 존재하지 않는 영역이다. 도 6c 및 도 6d를 참조하면, 도 6b의 A 영역과 동일한 영역에서 마그네슘 및 실리콘의 검출 시그널이 매우 높으며, 반면 도 6e에서와 같이 산소는 전혀 검출되지 않음을 알 수 있다.
이로부터 본 발명에 따라 주조된 알루미늄 합금의 기지에는 주조된 상태에서 따로 열처리를 수행하지 않더라도 기지에 마그네슘-실리콘 화합물이 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
표 1에는 실험예 및 비교예의 평균 경도값이 나타나 있다. 평균 경도값은 록웰 경도계 및 브렌넬 경도계를 이용하여, 주조된 빌렛의 표면 중 2 내지 6 군데를 선택하여 경도를 측정한 후 이를 평균한 것이었다. 표 1을 참조하면, 실험예가 비교예에 비해 록웰 경도계 및 브렌넬 경도계를 이용하여 측정한 경도값이 모두 높게 나타났음을 알 수 있다.
표 1
경도계 실험예 비교예
록웰 64 62.1
브렌넬 58.65 56.83
이로부터 기지에 마그네슘-실리콘 화합물이 분포하는 실험예가 비교예에 비해 더 우수한 경도를 나타냄을 확인할 수 있다.
발명의 특정 실시예들에 대한 이상의 설명은 예시 및 설명을 목적으로 제공되었다. 따라서 본 발명은 상기 실시예들에 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 (18)

  1. 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 용해하여 용탕을 제조하는 단계; 및
    상기 용탕을 주조하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금은 0.0001 내지 30wt% 범위에서 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 하고, 상기 모재에 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하여 제조한 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 마그네슘과 상기 실리콘계 첨가제로부터 분리된 실리콘이 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은
    순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 용해하여 마그네슘 용탕을 형성하는 단계; 및
    상기 마그네슘 용탕에 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에,
    상기 실리콘계 첨가제가 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 소진시키는 단계; 및
    상기 소진 결과로 생성된 실리콘이 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 반응시키는 단계;
    를 더 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 상기 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 모두 반응하여 상기 마그네슘 모합금 내에 상기 실리콘계 첨가제가 잔류하지 않은 범위까지 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 0.001 내지 30wt% 범위에서 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에 상기 마그네슘 용탕의 상층부에 교반을 실시하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 교반은 상기 마그네슘 용탕의 표면으로부터 상기 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하의 상층부에서 이루어지는, 알루미늄 합금 제조방법.
  12. 제3항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금인, 알루미늄 합금 제조방법.
  15. 알루미늄 기지; 및
    상기 기지에 존재하는 마그네슘-실리콘 화합물;
    을 포함하며, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 마그네슘 용탕에 첨가된 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘과 마그네슘이 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금.
  16. 제15항에 있어서, 상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용된, 알루미늄 합금.
  17. 제15항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함하는, 알루미늄 합금.
  18. 제15항에 있어서, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함하는, 알루미늄 합금.
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