WO2012161460A2 - 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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WO2012161460A2
WO2012161460A2 PCT/KR2012/003845 KR2012003845W WO2012161460A2 WO 2012161460 A2 WO2012161460 A2 WO 2012161460A2 KR 2012003845 W KR2012003845 W KR 2012003845W WO 2012161460 A2 WO2012161460 A2 WO 2012161460A2
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calcium
silicon
aluminum
compound
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Inventor
김세광
윤영옥
서정호
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한국생산기술연구원
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum alloy and a method for producing 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.
  • oxides or inclusions may be incorporated into the molten aluminum by the chemically highly oxidized magnesium. Such oxides and inclusions may cause a problem of degrading the quality of the molten aluminum as impurities.
  • a method of applying a molten surface with a protective gas such as SF 6 may be considered when magnesium is added. It is impossible to protect completely.
  • SF 6, which is used as a protective gas is not only expensive but also causes environmental problems. It is increasingly regulated worldwide.
  • the present invention can realize excellent aluminum melt quality without performing heat treatment and without using a protective gas such as SF 6, and improve mechanical properties by distributing a high-strength compound in an aluminum base even without performing heat treatment after casting.
  • a protective gas such as SF 6
  • mechanical properties by distributing a high-strength compound in an aluminum base even without performing heat treatment after casting.
  • a method of manufacturing an aluminum alloy is provided.
  • the aluminum may be pure aluminum or an aluminum alloy.
  • the magnesium master alloy may be added in the range of 0.0001 to 30wt%.
  • the magnesium mother alloy may be prepared by using pure magnesium or a magnesium alloy as a base material, and adding a calcium-based additive and a silicon-based additive to the base material.
  • the compound may be produced by reacting calcium decomposed from the calcium-based additive and silicon decomposed from the silicon-based additive with each other or with magnesium.
  • the magnesium alloy may include aluminum as an alloying element, and the compound may further include an aluminum-calcium compound produced by the reaction between the aluminum and the calcium.
  • the manufacturing method of the magnesium mother alloy the step of dissolving pure magnesium or magnesium alloy to form a magnesium molten metal; Adding the calcium-based additive and the silicon-based additive to the magnesium molten metal; And casting the magnesium molten metal.
  • the calcium-based additives and silicon-based additives may be added uniformly dispersed on the surface of the magnesium molten metal.
  • the calcium-based additives and the silicon-based additives may react with each other and may be added to a range in which the calcium-based additives and the silicon-based additives do not remain in the magnesium mother alloy.
  • the calcium-based additives and the silicon-based additives may be added in a range of 0.001 to 30 wt%, respectively.
  • the step of adding the calcium-based additives and 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 of 20% or less of the total depth of the magnesium molten metal from the surface of the magnesium molten metal.
  • the calcium-based additive may include any one or more of calcium oxide (CaO), calcium cyanide (CaCN 2 ) and calcium carbide (CaC 2 ), and the silicon-based additive may include silicon oxide (SiO 2 ).
  • the compound may include any one or more of a calcium-silicon compound, a magnesium-silicon compound, and a magnesium-calcium-silicon compound.
  • the calcium-silicon compound may include any one or more of Ca 2 Si, CaSi, and CaSi 2
  • the magnesium-silicon compound may include Mg 2 Si
  • the aluminum-calcium compound is Al It may include any one or more of 2 Ca and Al 4 Ca.
  • the aluminum base At least one of a compound containing two or more elements of magnesium, calcium, and silicon present in the matrix; wherein the compound is formed by reaction of calcium decomposed from a calcium-based additive and silicon decomposed from a silicon-based additive react with each other. Or may be produced by reaction with magnesium.
  • the compound may further include an aluminum-calcium compound produced by reacting the calcium with aluminum.
  • the aluminum base may be dissolved in magnesium.
  • the compound may include any one or more of a magnesium-silicon compound, a calcium-silicon compound, a magnesium-calcium-silicon compound, and an aluminum-calcium compound.
  • the magnesium-silicon compound may include Mg 2 Si
  • the calcium-silicon compound may include any one or more of Ca 2 Si, CaSi, and CaSi 2 .
  • the aluminum-calcium compound may include one or more of Al 2 Ca and Al 4 Ca.
  • the manufacturing method of the aluminum alloy according to the present invention in the process of adding magnesium in the aluminum molten metal, the aluminum casting process is stably performed even when the amount of protective gas, such as SF 6 , which is conventionally used is significantly reduced or not used. Can be done. Therefore, while being able to easily increase the content of magnesium added in the aluminum can have advantages in terms of environmental and cost.
  • protective gas such as SF 6
  • the molten aluminum since it is possible to prevent the incorporation of oxides or inclusions due to the high oxidizing property of magnesium in the molten aluminum during casting, it is possible to improve the cleanliness of the molten metal to improve the quality of the molten metal.
  • the aluminum alloy cast therefrom due to the improvement of the quality of the molten aluminum can significantly reduce the content of impurities as compared to the prior art can exhibit better mechanical properties.
  • the manufacturing method of the aluminum alloy according to the present invention by using a magnesium mother alloy prepared by adding calcium oxide and silicon-based additive in the molten magnesium, even if the heat treatment step is not performed separately as in the prior art, the calcium oxide in the aluminum base And a compound produced by the reaction between the calcium and silicon decomposed from the silicon-based additive or by the reaction of the Kalsum and the silicon and magnesium.
  • the mechanical properties of the aluminum alloy can be remarkably improved, thereby enabling 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.
  • FIG. 2 is a view conceptually illustrating a process of decomposing calcium oxide and silicon oxide in the upper layer of the magnesium molten metal.
  • Figures 3a to 3d are the results of analyzing the form and the components of the compound distributed on the matrix of the magnesium master alloy.
  • Figures 4a and 4b is a result of analyzing the form and the components of the compound distributed in the matrix of the magnesium master alloy by line scanning.
  • FIG. 5A illustrates the microstructure of the magnesium mother alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 5B to 5E show mapping results of the observation region of FIG. 5A with EPMA.
  • FIG. 6 is a flow chart showing an embodiment of a method of manufacturing an aluminum alloy according to the present invention.
  • 7A to 7B show the results of observing the microstructures of the experimental and comparative examples with an optical microscope.
  • FIG. 8A illustrates the microstructure of the aluminum alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 8B to 8F show the mapping of the observation area of FIG. 8A with EPMA.
  • the aluminum alloy according to the present invention is prepared by adding a calcium-based additive and 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.
  • the method of preparing a magnesium mother alloy includes a molten magnesium forming step (S1), a calcium-based additive and a silicon-based additive adding 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 used in the industry can be used.
  • a small amount of additional protective gas may be provided to prevent the ignition of the magnesium molten metal.
  • 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 calcium-based additive and the silicon-based additive are added to the molten magnesium.
  • the calcium-based additive to be added may include any one or more of calcium oxide (CaO), calcium cyanide (CaCN 2 ) and calcium carbide (CaC 2 ).
  • the silicon additive may be a compound containing silicon, for example, may be silicon oxide (SiO 2 ).
  • the manufacture of the magnesium master alloy according to the embodiment of the present invention can solve the problems caused by the use of a protective gas, such as SF 6 regulated for environmental reasons.
  • incorporation of oxides or other inclusions into the magnesium molten metal is suppressed due to the improved oxidation resistance of the molten magnesium. Therefore, the cleanliness of the molten metal is significantly improved, and the improvement of the molten metal cleanliness improves the mechanical properties of the magnesium alloy cast therefrom.
  • Both calcium-based additives and silicon-based additives can be reduced in magnesium molten metal and decomposed into calcium and silicon, respectively.
  • calcium oxide, a calcium-based additive may be decomposed into calcium and oxygen
  • silicon oxide, a silicon-based additive may be decomposed into silicon and oxygen.
  • the calcium-based additives and silicon-based additives may be added by uniformly dispersing on the surface of the magnesium molten metal.
  • FIG. 2 is a view illustrating a process of decomposing calcium oxide and silicon oxide in the upper layer of the magnesium molten metal when the calcium oxide 20 and the silicon oxide 21 are added to the molten magnesium 10 in the crucible 1 by way of example.
  • calcium oxide is decomposed into calcium (Ca) and oxygen (O 2 )
  • silicon oxide is decomposed into silicon (Si) and oxygen (O 2 ) in the upper portion of the magnesium molten metal.
  • the decomposed oxygen is discharged out of the magnesium molten metal as gas (O 2 ) or floated on the magnesium molten metal as a dross or sludge.
  • calcium and silicon react with magnesium or other elements in the melt to form various compounds. Examples of such compounds may include any one or more of a magnesium-calcium compound, a magnesium-silicon compound, and a calcium-silicon compound.
  • calcium can react with magnesium to form Mg 2 Ca, a magnesium-calcium compound.
  • calcium can also react with silicon to form any one of the calcium-silicon compounds Ca 2 Si, CaSi, and CaSi 2 .
  • Silicon may also react with magnesium to form Mg 2 Si, a magnesium-silicon compound.
  • the aluminum-calcium compound may include any one or more of Al 2 Ca and Al 4 Ca.
  • Calcium-based additives and silicone-based additives are added, the larger the surface area is to improve the reactivity, it is advantageous to be added in powder form.
  • the present invention is not limited thereto, and in order to prevent scattering of the powder, it is also possible to add the pellets in the form of pellets or in the form of agglomerates.
  • the size of the calcium-based additives and silicon-based additives added may be 0.1 to 500 ⁇ m, more strictly 0.1 to 200 ⁇ m.
  • the size of the calcium-based additives and the silicon-based additives is less than 0.1 ⁇ m, it is too fine to be scattered by the sublimated magnesium hot air, which makes it 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 calcium-based additive and the silicon-based additive exceeds 500 ⁇ m, the surface area for the reaction is reduced, and further, the reaction in the magnesium molten metal may not occur.
  • the added calcium-based additives and silicon-based additives may be added in a total of 0.001 to 30 wt%, more strictly 0.01 to 15 wt% may be added.
  • the total amount of the calcium-based additive and the silicon-based additive added is less than 0.001 wt%, the improvement of the mechanical properties of the magnesium alloy is insignificant or hardly occurs.
  • the total amount of the calcium-based additives and the silicon-based additives added exceeds 30wt%, the original magnesium may not appear.
  • Calcium-based additives and silicon-based additives may be added to the molten magnesium at the same time or at a time difference from each other.
  • the required amount may be added at a time or divided into appropriate amounts, and may be input in a plurality of steps with a certain time difference.
  • the reaction may be promoted by lowering the agglomeration potential of the powder by adding a plurality of steps with time difference.
  • a stirring step (S3) of the molten magnesium may be performed.
  • the stirring may be started at the same time as the addition of the calcium-based additive or after the added calcium-based additive is heated to a predetermined temperature in the molten metal.
  • the molten metal and the alloying element are actively stirred to cause reaction inside the molten metal through convection or stirring.
  • the reaction of the calcium-based additive is rather inefficient and the frequency of remaining in the final melt in the undissolved state increases.
  • the calcium-based additive remains in the final molten metal, it is incorporated into the cast magnesium alloy as it is, and in this case, the mechanical properties of the magnesium alloy may be deteriorated.
  • the calcium-based additive reacts on the surface of the molten metal rather than incorporated into the magnesium molten metal.
  • Table 1 shows the result of measuring the residual amount of calcium oxide according to the stirring method when calcium oxide was added to the molten magnesium alloy AM60B. At this time, the size of the added calcium oxide was 70 ⁇ m, calcium oxide was added 5, 10, 15wt%.
  • the upper layer stirring, internal stirring, and stirring of the molten magnesium were selected. From Table 1, when stirring the upper portion of magnesium, it can be seen that most of the added calcium oxide is reduced to calcium unlike the other cases.
  • Such agitation is preferably performed at an upper layer of about 20% of the total depth of the molten metal from the surface of the magnesium molten metal, and preferably at an upper layer of about 10% of the total depth of the molten metal. At a depth of 20% or more, decomposition of calcium-based additives and silicon oxides on the surface becomes difficult to occur.
  • the time for stirring may vary depending on the temperature of the molten metal and the state of the injected powder, and it is preferable to sufficiently stir until the added calcium-based additive and silicon-based additive are completely exhausted in the molten metal. Exhaustion here means that the decomposition of the calcium-based and silicon-based additives is substantially completed.
  • This agitation can further promote the decomposition of calcium-based and silicon-based additives in the magnesium molten metal and the reaction in which calcium and silicon produced by such decomposition form various compounds in the magnesium molten metal.
  • 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.
  • a compound, magnesium-calcium compound, magnesium-silicon compound, calcium-silicon compound, aluminum-calcium compound, or the like produced during the master alloy production process may exist as this separate phase.
  • 3A to 3D show the form and component analysis results of phases formed on the matrix of a magnesium mother alloy prepared by adding 0.3 wt% of calcium oxide and silicon-based additives, respectively.
  • FIG. 3C The analysis results of the phases indicated by the point 1 in FIG. 3A are shown in FIG. 3C, and the analysis results of the phases indicated by the point 3 in FIG. 3B are shown in FIG. 3D.
  • 4A and 4B show the results of analyzing the components of the compound by line scanning along a straight line (shown in FIG. 4A) including the periphery of the compound indicated by point 1 of FIG. 3A.
  • the calcium component (Ca in FIG. 4B), silicon (Si in FIG. 4B), and magnesium (Mg1 in FIG. 4B) are simultaneously detected in the compound and oxygen (FIG. 4B). O) was not detected.
  • the detection signal of magnesium (Mg1 of FIG. 4B) is different from that of the known magnesium (Mg2 of FIG. 4B)
  • the detection signal of magnesium (Mg1 of FIG. It can be seen that it is caused by magnesium forming the compound other than Mg2) of FIG. 4b.
  • the compound of Figure 4b can be seen that the compound consisting of magnesium, silicon and calcium.
  • FIGS. 5A to 5E show the results of EPMA mapping for compounds formed at known grain boundaries of magnesium alloys.
  • FIG. 5A illustrates a microstructure of a magnesium mother alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 5B to 5E show mapping results of FIG. 5A with EPMA, respectively. The results show the distribution of calcium, silicon and oxygen.
  • magnesium detection signal in the region B of FIG. 5B may be generated from magnesium forming the compound.
  • the region A may be a compound including calcium and silicon
  • the region B may be a compound including two or more elements of magnesium, calcium, and silicon.
  • the compound including calcium and silicon can be any one or more of Ca 2 Si, CaSi, and CaSi 2 , which are intermetallic compounds.
  • the compound containing magnesium and silicon can be Mg 2 Si, which is an intermetallic compound. From the magnesium-calcium diagram, the compound containing magnesium and calcium is Mg 2 Ca Can be
  • calcium and silicon supplied from the calcium-based additive and the silicon-based additive may have various compounds formed by reacting with each other in the magnesium molten metal.
  • Magnesium mother alloys containing various compounds thus prepared are used for addition to aluminum alloys. At this time, all of these intermetallic compounds have a higher melting point than that of aluminum (658 ° C.). For example, the melting point of Mg 2 Si is 1120 ° C and the melting point of CaSi exceeds 1300 ° C.
  • Method for producing an aluminum alloy comprises the steps of providing a magnesium mother alloy and aluminum containing at least one of magnesium-siliconization and calcium-silicon compound, the molten magnesium alloy and aluminum Forming and casting the molten metal.
  • a molten magnesium alloy and aluminum melt it can be formed by first dissolving aluminum to form an aluminum molten metal, and by adding and dissolving the magnesium mother alloy prepared by the above-described method to the aluminum molten metal.
  • 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. 6 is a flowchart of a method of manufacturing an aluminum alloy using a method of forming an aluminum molten metal as an embodiment of a method of manufacturing an aluminum alloy according to the present invention, and then adding and dissolving the magnesium mother alloy prepared by the method described above. .
  • the method of manufacturing an aluminum alloy includes an aluminum molten metal forming step S11, a magnesium mother alloy addition step S12, a stirring step S13, and a 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 of the molten aluminum forming step (S11) may be any one selected from pure aluminum, aluminum alloy and its equivalents.
  • 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 aluminum alloy of the present invention is not limited thereto, and any aluminum alloy commonly used in the industry may be used.
  • the molten metal manufactured using pure aluminum and an aluminum alloy is called aluminum molten metal.
  • 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.
  • 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 compound formed in the magnesium mother alloy manufacturing process is also provided in the molten aluminum.
  • Such compounds include any one or more of magnesium-calcium compounds, magnesium-silicon compounds, calcium-silicon compounds, aluminum-calcium compounds.
  • 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.
  • such a protective gas is not necessarily required and may not be provided. That is, in the case of adding a magnesium master alloy containing a calcium-based compound as in the embodiment of the present invention, the inclusion of impurities such as oxides in the molten metal is significantly reduced due to the increased oxidation resistance of the magnesium master alloy. Therefore, according to the aluminum alloy production method of the present invention, the cleanliness of the aluminum molten metal is greatly improved even without using a protective gas can significantly improve the quality of the molten metal.
  • 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 manufacturing method according to the present invention can maintain excellent melt quality even without the use of a protective gas such as SF 6 even in the step of adding a magnesium mother alloy, and even if the heat treatment is not performed separately, Many compounds that are already contained within the magnesium master alloy can be formed. That is, after the calcium-silicon compound, the magnesium-silicon compound, the magnesium-calcium compound, the aluminum-calcium compound, the magnesium-silicon-calcium compound, etc. contained in the magnesium mother alloy added to the aluminum molten metal are maintained in the aluminum molten metal, In the casting step of the aluminum alloy is formed as a separate phase in the aluminum base.
  • a protective gas such as SF 6
  • the aluminum alloy thus produced has a base having a plurality of regions that form a boundary and are separated from each other.
  • 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 compounds may exist inside 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.
  • Magnesium can also be dissolved in aluminum at up to about 17.4 wt% at about 450 ° C, so that a certain amount of magnesium is employed in the aluminum base due to the addition of the magnesium master alloy.
  • the aluminum base may be any one of a magnesium-silicon compound Mg 2 Si or a calcium-silicon compound Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 .
  • the Mg 2 Si or Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 is a high-strength material having a higher melting point than the known aluminum, and therefore the strength of the aluminum alloy may be increased due to the dispersion distribution of the high-strength material.
  • the compounds may provide a place where nucleation occurs in the process of the aluminum alloy is phased from the liquid phase to the solid phase.
  • the compound itself functions as a heterogeneous nucleation site, nucleation occurs for transition to the solid phase at the interface of the compound, and the nucleated solid phase grows while forming around the compound. do. Therefore, the crystal grains or the phase region of the aluminum alloy by the compound functioning as a heterogeneous nucleation site may have an effect of miniaturization compared to the case where such a compound does not exist. In this case, the compound is present inside the grain or phase region.
  • the compound may be distributed in a grain boundary which is a boundary between grains or an upper boundary which is a boundary between phase regions. Since the boundary part has an open structure compared to the inside of the grain or phase region, it may be provided as a space where the compounds are easily arranged during the solidification process. As such, when the compound is distributed in the grain boundary or the boundary of the aluminum alloy, the average size of the grain or the boundary may be reduced by acting as an obstacle to suppress the movement of the grain or the boundary.
  • these compounds may have a finer and smaller grain or phase region size on average compared to an aluminum alloy that does not exist.
  • the refinement of the grain or phase region due to such a compound can bring about an effect of improving the strength and elongation of the aluminum alloy.
  • a magnesium-silicon compound is formed on the aluminum base through heat treatment to improve mechanical properties of the aluminum alloy.
  • This heat treatment includes a plurality of treatment steps, such as a solvation step, a quenching step and an aging treatment step.
  • the magnesium-silicon compound is added to the base of the aluminum alloy without the complicated heat treatment step as described above by casting after adding a magnesium mother alloy containing a magnesium-silicon compound to the molten aluminum in the manufacturing process of the aluminum alloy. It can be formed.
  • the experimental example is an aluminum alloy prepared by adding a magnesium mother alloy
  • the 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.
  • the experimental example was prepared by adding 5wt% magnesium master alloy to pure aluminum, and at this time, magnesium master alloy was prepared by adding 0.3wt% of calcium oxide and silicon-based additive to pure magnesium. Comparative Example was prepared by adding 5wt% pure magnesium to pure aluminum.
  • FIGS. 7A and 7B show the microstructures of the experimental and comparative examples, respectively, observed with an optical microscope. Referring to FIGS. 7A and 7B, unlike the comparative example, it can be seen that a large number of separate phases (arrows) are distributed in the form of fine particles in the matrix.
  • FIG. 8A to 8F show the results of specific analyzes for these compounds.
  • FIG. 8a shows the microstructure of the aluminum alloy observed using back scattering electrons
  • FIGS. 8b to 8e show the mapping of EPMA to aluminum, magnesium, silicon, calcium and oxygen, respectively. This is the result showing the distribution of.
  • the first region is a calcium-silicon compound.
  • the calcium-silicon compound may be any one of Ca 2 Si, CaSi, CaSi 2 .
  • the region indicated by 2 of FIG. 8C shows a higher detection signal than that of other peripheral regions.
  • the magnesium of FIG. It can be seen that the signals of silicon and calcium are detected in almost the same area as this detected area. In contrast, as shown in FIG. 8F, almost no oxygen was detected.
  • At least one of a magnesium-silicon compound, a magnesium-calcium compound, and a magnesium-calcium-silicon compound is formed at the base of the aluminum alloy.
  • the base of the aluminum alloy cast according to the present invention is fine even if the magnesium-silicon compound, magnesium-calcium-compound, calcium-silicon compound, magnesium-silicon-calcium compound, etc. on the base, even if heat treatment is not performed separately in the cast state. It can be seen that the distribution.

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Abstract

본 발명은 열처리를 수행하지 않고 SF6와 같은 보호가스를 사용하지 않더라도 우수한 알루미늄 용탕 품질을 구현할 수 있으며, 주조 후 따로 열처리를 수행하지 않더라도 알루미늄 기지 내에 고강도 화합물을 분포시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 제조 방법 및 알루미늄 합금을 제공하고자 한다. 본 발명의 일 관점에 의하면, 마그네슘, 칼슘, 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 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 이의 제조 방법에 관한 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.
한편, 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금을 주조하여 제조하는 경우에는 알루미늄 용탕 내에 마그네슘을 첨가하는 단계를 거치게 된다. 이러한 과정에서 화학적으로 높은 산화성을 가진 마그네슘에 의해 산화물이나 개재물이 알루미늄 용탕에 혼입될 수 있다. 이러한 산화물이나 개재물은 불순물로서 알루미늄 용탕의 품질을 저하시키는 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 마그네슘 첨가에 따른 산화물 또는 개재물 혼입을 억제하기 위해 마그네슘의 첨가 시 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 열처리를 수행하지 않고 SF6와 같은 보호가스를 사용하지 않더라도 우수한 알루미늄 용탕 품질을 구현할 수 있으며, 주조 후 따로 열처리를 수행하지 않더라도 알루미늄 기지 내에 고강도 화합물을 분포시켜 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 제조 방법 및 알루미늄 합금을 제공하고자 한다. 전술한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 마그네슘, 칼슘, 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 용해하여 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법이 제공된다.
상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금일 수 있다.
상기 마그네슘 모합금은 0.0001 내지 30wt% 범위에서 첨가될 수 있다.
상기 마그네슘 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 하고, 상기 모재에 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하여 제조한 것일 수 있다.
상기 화합물은 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘과 상기 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 서로 반응하여 생성된 것 또는 마그네슘과 반응하여 생성된 것일 수 있다.
또한 상기 마그네슘 합금은 합금원소로서 알루미늄을 포함하고, 상기 화합물은 상기 알루미늄과 상기 칼슘이 반응하여 생성된 알루미늄-칼슘 화합물을 더 포함할 수 있다.
이러한 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 용해하여 마그네슘 용탕을 형성하는 단계; 상기 마그네슘 용탕에 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕을 주조하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에,
상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제가 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 소진시키는 단계; 및 상기 소진 결과로 생성된 칼슘 및 실리콘을 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 반응시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 상기 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가할 수 있다.
또한 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 모두 반응하여 상기 마그네슘 모합금 내에 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제가 잔류하지 않은 범위까지 첨가될 수 있다. 일 예로서 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제는 각각 0.001 내지 30wt% 범위에서 첨가될 수 있다.
한편 상기 칼슘계 첨가제 및 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 이루어 질 수 있다.
상기 칼슘계 첨가제는 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함할 수 있다.
한편 상기 화합물은 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 및 마그네슘-칼슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 Ca2Si, CaSi 및 CaSi2 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있으며, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함할 수 있으며, 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 알루미늄 기지; 상기 기지에 존재하는 마그네슘, 칼슘 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 화합물 중 어느 하나 이상;을 포함하며, 상기 화합물은 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘과 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 서로 반응하여 생성된 것 또는 마그네슘과 반응하여 생성된 것일 수 있다.
상기 화합물은 상기 칼슘이 알루미늄과 반응하여 생성된 알루미늄-칼슘 화합물을 더 포함할 수 있다.
한편 상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용되어 있을 수 있다.
상기 화합물은 마그네슘-실리콘 화합물, 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-칼슘-실리콘 화합물 및 알루미늄-칼슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함할 수 있으며, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 Ca2Si, CaSi 및 CaSi2 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 의하면, 알루미늄 용탕 내에 마그네슘을 첨가하는 과정에서 종래에 사용되는 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 더 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
또한 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 의하면, 마그네슘 용탕 내에 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제를 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금을 이용함으로써, 종래와 같이 따로 열처리 단계를 수행하지 않더라도, 알루미늄 기지 내에 상기 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제로부터 분해된 칼슘 및 실리콘 간의 혹은 상기 칼숨 및 실리콘과 마그네슘과의 반응에 의해 생성된 화합물이 분포하게 된다.
이러한 화합물들이 알루미늄 기지에 분포하게 됨에 따라 알루미늄 합금의 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 2는 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘 및 산화실리콘이 분해되는 과정을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 3d는 마그네슘 모합금의 기지에 분포하는 화합물의 형태 및 그 성분을 분석한 결과이다.
도 4a 및 4b는 마그네슘 모합금의 기지에 분포하는 화합물의 형태 및 그 성분을 라인 스캐닝 하여 분석한 결과이다.
도 5a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 마그네슘 모합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 5b 내지 5e는 EPMA로 도 5a의 관찰영역을 매핑(mapping)한 결과이다.
도 6은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도이다.
도 7a 내지 도 7b는 실험예 및 비교예의 미세조직을 광학현미경으로 관찰한 결과이다.
도 8a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 알루미늄 합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 8b 내지 8f는 EPMA로 도 8a의 관찰영역을 매핑(mapping)한 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 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 칼슘계 첨가제 및 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), 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 첨가 단계(S2), 교반단계(S3) 및 주조 단계(S4)를 포함한다.
마그네슘 용탕 형성 단계(S1)에서 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 사용되고 있는 어떠한 마그네슘 합금도 사용이 가능하다.
한편, 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 이용하며, 마그네슘 용탕의 발화를 억제할 수 있다.
다음 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제 첨가 단계(S2)에서는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 마그네슘의 용탕에 첨가한다. 이때 첨가되는 칼슘계 첨가제로는 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한 실리콘 첨가제로는 실리콘을 포함하는 화합물일 수 있으며, 예를 들어 산화실리콘(SiO2) 일 수 있다.
이때 투입되는 칼슘계 첨가제에 의해 마그네슘 용탕 내에 내산화성이 향상될 수 있으며, 따라서 마그네슘의 용해 시 필요한 보호가스의 양을 현저히 저감시키거나 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.
또한 마그네슘 용탕의 내산화성 향상으로 인해 마그네슘 용탕으로의 산화물 또는 기타 개재물의 혼입이 억제된다. 따라서 용탕의 청정도가 획기적으로 개선되며, 이러한 용탕 청정도 향상은 이로부터 주조되는 마그네슘 합금의 기계적 특성을 향상시키게 된다.
칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제는 모두 마그네슘 용탕 내에서 환원되어 각각 칼슘과 실리콘으로 분해될 수 있다. 일 예로서 칼슘계 첨가제인 산화칼슘은 칼슘과 산소로 분해될 수 있으며, 실리콘계 첨가제인 산화실리콘은 실리콘과 산소로 분해될 수 있다. 이때 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 상기 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가할 수 있다.
도 2는 예시적으로 도가니(1)내의 마그네슘 용탕(10)에 산화칼슘(20) 및 산화실리콘(21)을 첨가한 경우 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘 및 산화실리콘이 분해되는 과정을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘은 칼슘(Ca)과 산소(O2)로 분해되고, 산화실리콘은 실리콘(Si)과 산소(O2)로 분해된다.
이때 분해된 산소는 기체(O2)로서 마그네슘 용탕 바깥으로 배출되거나 드로스(dross) 또는 슬러지(sludge)로서 마그네슘 용탕 상부에 부유하게 된다. 한편, 칼슘 및 실리콘은 용탕 내에서 마그네슘 또는 용탕 내 다른 원소와 반응하여 다양한 화합물을 형성하게 된다. 이러한 화합물의 예로서 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물, 칼슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
예를 들어 칼슘은 마그네슘과 반응하여, 마그네슘-칼슘 화합물인 Mg2Ca를 형성할 수 있다. 또한 칼슘은 실리콘과도 반응하여 칼슘-실리콘 화합물인 Ca2Si, CaSi 및 CaSi2 중 어느 하나를 형성할 수 있다. 또한 실리콘은 마그네슘과 반응하여 마그네슘-실리콘 화합물인 Mg2Si를 형성할 수 있다.
한편 알루미늄을 합금원소로서 포함하는 마그네슘 합금을 이용하여 마그네슘 용탕을 제조한 경우에는 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘이 마그네슘 용탕 내에서 알루미늄과 반응하여 알루미늄-칼슘 화합물이 더 형성될 수 있다. 이때 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해 및 반응은 교반을 통해 더욱 활성화 될 수 있으며, 이는 다음 단계인 교반 단계(S3)에서 더욱 구체적으로 후술하도록 한다.
첨가되는 칼슘계 첨가제와 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 덩어리 형태로 투입하는 것도 가능하다.
첨가되는 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 크기는 0.1 내지 500㎛일 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.1 내지 200㎛ 일 수 있다.
칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 크기가 0.1㎛ 미만일 경우 너무 미세하여 승화되는 마그네슘 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.
칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 크기가 500㎛를 초과할 경우에는 반응을 위한 표면적이 감소되며, 더 나아가 상기 마그네슘 용탕 내에서의 반응이 일어나지 않을 수 있다.
첨가되는 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제는 총합이 0.001 내지 30 wt%가 첨가될 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.01 내지 15 wt%가 첨가될 수 있다.
칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 첨가량의 총합이 0.001 wt% 미만인 경우에는 마그네슘 합금의 기계적 특성 향상이 미미하거나 거의 발생되지 않게 된다. 또한 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제의 첨가량의 총합이 30wt%를 초과하게 되면 원래의 마그네슘의 특성이 나타나지 않을 수 있다.
칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제는 마그네슘 용탕 내에 동시에 투입하거나 혹은 서로 시간차를 두고 투입할 수 있다. 또한 필요량을 일시에 투입하거나 혹은 적정량으로 나눈 후 일정한 시간차를 두고 복수의 단계로 투입할 수 있다.
첨가되는 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제가 미세 입자를 가진 분말일 경우에는 시간차를 두고 복수의 단계로 투입함으로써 분말의 응집 가능성을 낮추면서 실리콘계 첨가제의 반응을 촉진시킬 수 있다.
첨가된 칼슘계 첨가제의 분해 및 반응을 촉진시키기 위하여 마그네슘 용탕의 교반단계(S3)를 수행할 수 있다. 이때 교반은 칼슘계 첨가제의 투입과 동시에 시작하거나 혹은 첨가된 칼슘계 첨가제가 용탕 내에서 일정 온도로 가열 된 후에 시작할 수 있다.
통상의 금속 합금화의 경우에는 용탕과 합금원소를 대류나 교반을 통해 용탕 내부에서 반응이 일어나도록 적극적으로 교반하게 된다. 그러나 본 실시예에서는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 적극적인 반응을 유도하는 경우에는 칼슘계 첨가제의 반응이 오히려 효율적이지 못하여 분해되지 않은 상태에서 최종 용탕 속에 잔류하는 빈도가 증가하였다. 이렇게 칼슘계 첨가제가 최종 용탕 속에 잔류하는 경우에는 주조된 마그네슘 합금 내에 그대로 편입되며 이 경우 마그네슘 합금의 기계적 특성을 열화시킬 수 있다.
따라서 본 실시예에서는 칼슘계 첨가제가 마그네슘 용탕의 내부로 혼입되게 하기 보다는 용탕의 표면에서 반응하도록 반응환경을 조성하는 것이 중요하다. 이를 위해 첨가된 칼슘계 첨가제가 용탕의 표면에 가능한 장시간 체류하며 대기 중에 노출되도록 유지하도록 마그네슘 용탕의 상층부에 대한 교반을 실시하는 것이 바람직하다.
표 1에는 마그네슘 합금인 AM60B의 용탕에 산화칼슘을 첨가한 경우 교반 방법에 따른 잔류 산화칼슘의 잔량을 측정한 결과이다. 이때 첨가된 산화칼슘의 크기는 70㎛ 였으며, 산화칼슘은 5, 10, 15wt%가 첨가되었다. 교반 방법으로는 마그네슘 용탕의 상층부 교반, 내부교반 및 교반을 하지 않은 방법이 선택되었다. 표 1로부터 마그네슘 상층부의 교반을 수행하는 경우에 그 외의 경우와 달리 첨가된 산화칼슘의 대부분이 칼슘으로 환원됨을 알 수 있다.
표 1
5wt%CaO 첨가 10wt%CaO 첨가 15wt%CaO 첨가
합금내 CaO잔량 교반하지 않음 4.5wt%CaO 8.7wt%CaO 13.5wt%CaO
용탕 내부 교반 1.2wt%CaO 3.1wt%CaO 5.8wt%CaO
용탕 상층부 교반(본 발명) 0.001wt%CaO 0.002wt%CaO 0.005wt%CaO
이러한 교반은 마그네슘 용탕 표면으로부터 용탕 전체 깊이의 20% 내외의 상층부에서 이루어지는 것이 좋으며, 바람직하게는 용탕 전체 깊이의 10% 내외의 상층부에서 이루어지는 것이다. 20% 이상의 깊이에서는 표면에서의 칼슘계 첨가제 및 실리콘 산화물의 분해가 일어나기 어렵게 된다.
이때 교반을 위한 시간은 용탕의 온도와 투입되는 분말의 상태에 따라 차이가 있을 수 있으며, 가능한 첨가된 칼슘계 첨가제와 실리콘계 첨가제가 용탕 내에서 완전히 소진될 때까지 충분히 교반하는 것이 바람직하다. 여기서 소진은 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해가 실질적으로 완료되는 것을 의미한다.
이러한 교반에 의해 마그네슘 용탕에서 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제의 분해 및 이러한 분해에 의해 생성된 칼슘 및 실리콘이 마그네슘 용탕 내에서 다양한 화합물을 형성하는 반응을 더욱 촉진시킬 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.
한편, 이러한 마그네슘 모합금의 기지에는 모합금 제조 과정에서 생성된 화합물서, 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물, 칼슘-실리콘 화합물, 알루미늄-칼슘 화합물 등이 이 별개의 상으로서 존재할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d에는 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제를 각각 0.3wt% 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금의 기지에 형성된 상(phase)의 형태 및 성분분석 결과가 나타나 있다.
도 3a에 포인트 1로 표시된 상의 성분분석 결과는 도 3c에 나타나 있으며, 도 3b에 포인트 3로 표시된 상의 분석결과는 도 3d에 나타나 있다.
도 3c의 성분분석 결과로부터 도 3a에 포인트 1로 표시된 상에서는 마그네슘, 칼슘 및 실리콘이 동시에 검출되었음을 알 수 있으며, 이때 산소는 검출되지 않음을 알 수 있다. 또한 도 3b에 포인트 3으로 표시된 상에서는 도 3d의 성분분석 결과로부터 마그네슘 및 실리콘이 검출되었으며, 칼슘 및 산소는 검출되지 않음을 알 수 있다.
도 4a 및 4b에는 도 3a의 포인트 1로 표시된 화합물에 대해서 그 주변부를 포함하는 직선(도 4a에 표시됨)을 따라 라인 스캐닝(line scanning)하여 상기 화합물의 성분을 분석한 결과이다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 화합물에서 도 3b와 마찬가지로 칼슘 성분(도 4b의 Ca), 실리콘(도 4b의 Si) 성분 및 마그네슘(도 4b의 Mg1)이 동시에 검출되며, 산소(도 4b의 O)는 검출되지 않았다. 이때 상기 마그네슘(도 4b의 Mg1)의 검출신호가 화합물 주변 기지의 마그네슘(도 4b의 Mg2)의 검출신호와 서로 상이한 점으로부터, 상기 마그네슘(도 4b의 Mg1)의 검출신호는 주변 기지의 마그네슘(도 4b의 Mg2)이 아닌 화합물을 이루는 마그네슘에 의해 발생된 것임을 알 수 있다.
따라서 도 4b의 화합물은 마그네슘, 실리콘 및 칼슘으로 이루어진 화합물임을 알 수 있다.
상기 화합물의 보다 정확한 분석을 위해 EPMA 매핑 검사를 수행하였는바, 도 5a 내지 도 5e에는 마그네슘 합금의 기지의 결정립계에 형성된 화합물에 대한 EPMA 매핑결과가 도시되어 있다.
도 5a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 마그네슘 모합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 5b 내지 5e는 EPMA로 도 5a의 관찰영역을 매핑(mapping)한 결과로서, 각각 마그네슘, 칼슘, 실리콘 및 산소의 분포를 나타낸 결과이다.
도 5a 내지 도 5e를 참조하면, 관찰된 상에서 마그네슘, 칼슘 및 실리콘이 검출되나(도 5b 내지 5d) 역시 산소는 검출되지 않았다(도 5e).
보다 구체적으로 도 5b의 A 영역에서 마그네슘은 검출되지 않았으나 도 5c 및 도 5d의 동일한 영역에서 칼슘과 실리콘이 높은 검출신호를 보이고 있음을 알 수 있다. 반면 상기 A 영역을 감싸고 있는 B 영역(도 5b 참조)에서는 마그네슘의 검출되며, 도 5c 및 도 5d의 동일영역에서 칼슘과 실리콘이 역시 검출됨을 알 수 있다. 도 5b의 경우 B 영역에서의 마그네슘 검출신호는 주변의 기지에 비해 낮은 값을 가지고 있으며, 따라서 도 5b의 B 영역에서의 마그네슘 검출신호는 화합물을 이루는 마그네슘으로부터 발생된 것임을 알 수 있다.
이로부터 A 영역은 칼슘과 실리콘을 포함하는 화합물이며, B 영역은 마그네슘, 칼슘 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 화합물일 수 있다 .
칼슘-실리콘 상태도로부터 칼슘 및 실리콘을 포함하는 화합물은 금속간화합물인 Ca2Si, CaSi, CaSi2 중 어느 하나 이상이 될 수 있음을 알 수 있다. 또한 마그네슘-실리콘 상태도로부터 마그네슘 및 실리콘을 포함하는 화합물은 금속간화합물인 Mg2Si가 될 수 있음을 알 수 있으며, 마그네슘-칼슘 상태도로부터 마그네슘 및 칼슘을 포함하는 화합물은 금속간화합물은 Mg2Ca가 될 수 있다.
이러한 성분분석 결과로부터 마그네슘 모합금의 기지에는 마그네슘 용탕 내에서 산화칼슘으로부터 분해된 칼슘과 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 마그네슘과 반응하거나 또는 서로 반응하여 새로운 화합물을 형성하였음을 알 수 있다.
이로부터 상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금 내에서는 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제로부터 공급되는 칼슘 및 실리콘이 마그네슘 용탕 내에서 서로 반응하여 형성된 다양한 화합물을 가질 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 제조된 다양한 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금은 알루미늄 합금에 첨가되는 용도로 이용된다. 이때 이러한 금속간화합물들은 모두 알루미늄의 융점(658℃)에 비해 더 높은 융점을 가진다. 예를 들어, Mg2Si의 융점은 1120℃이며, CaSi의 융점은 1300℃를 초과한다.
따라서 이러한 금속간화합물을 포함하는 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하는 경우, 이러한 금속간화합물은 용탕 내에서 용융되지 않고 유지될 수 있으며, 이러한 용탕을 주조하여 알루미늄 합금을 제조하는 경우, 알루미늄 합금 내에 상기 금속간화합물이 포함될 수 있다.
이하 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 마그네슘-실리콘 화 및 칼슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 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 상술한 방법에 의해 제조된 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 6은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법의 일실시예로서 알루미늄 용탕을 먼저 형성한 후, 이에 상술한 방법으로 제조한 마그네슘 모합금을 첨가하여 용해하는 방식을 이용한 알루미늄 합금 제조 방법의 순서도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 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, 알루미늄 합금 및 그 등가물 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 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. 그러나 본 발명의 이러한 알루미늄 합금에 한정되는 것은 아니며 통상적으로 산업계에서 사용되고 있는 어떠한 알루미늄 합금도 사용이 가능하다. 이하 순수 알루미늄 및 알루미늄 합금을 이용하여 제조한 용탕을 알루미늄 용탕으로 통칭한다.
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 제조 과정에서 형성된 화합물 등도 같이 알루미늄 용탕내로 제공되게 된다. 이러한 화합물은 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물, 칼슘-실리콘 화합물, 알루미늄-칼슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함한다.
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.
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 용탕에 산화물 등의 불순물의 개재가 현저하게 감소하게 된다. 따라서 본 발명의 알루미늄 합금 제조방법에 의할 시, 보호가스를 사용하지 않더라도 알루미늄 용탕의 청정도가 크게 향상되어 용탕의 품질을 현저하게 개선할 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 제조방법에 따라 제조된 알루미늄 합금은 마그네슘 모합금의 첨가 단계에서도 SF6와 같은 보호가스를 사용하지 않더라도 우수한 용탕품질을 유지할 수 있으며, 주조가 완료된 상태에서는 따로 열처리를 수행하지 않더라도 알루미늄 기지에 이미 마그네슘 모합금 내부에 포함되어 있던 화합물들이 다수 형성될 수 있다. 즉, 알루미늄 용탕에 첨가된 마그네슘 모합금에 포함되어 있던 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물, 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-실리콘-칼슘 복합화합물 등이 알루미늄 용탕 내에서 유지된 후 알루미늄 합금의 주조단계에서 알루미늄 기지 내에 별개의 상으로 형성되게 되는 것이다.
이와 같이 제조된 알루미늄 합금은 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. 이때 상기 경계 또는 영역 내부에 상기 화합물들이 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.
또한 마그네슘은 약 450℃ 온도에서 알루미늄에 약 17.4wt% 까지 고용될 수 있으므로, 알루미늄 기지에는 마그네슘 모합금의 첨가로 인해 일정량의 마그네슘이 고용되어 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우 그 기지에 분포되는 화합물로부터 기인하는 기계적 특성의 향상효과가 나타날 수 있다.
예를 들어 이미 상술한 바와 같이 알루미늄 기지에는 마그네슘-실리콘 화합물인 Mg2Si 또는 칼슘-실리콘 화합물인 Ca2Si, CaSi, CaSi2 중 어느 하나 일 수 있다. 이러한 Mg2Si 또는 Ca2Si, CaSi, CaSi2는 기지인 알루미늄에 비해 융점이 높은 고강도 물질이며, 따라서 이러한 고강도 물질의 분산분포로 인하여 알루미늄 합금의 강도가 증가될 수 있다.
한편, 상기 화합물들은 알루미늄 합금이 액상에서 고상으로 상천이 되는 과정에서 핵생성이 일어나는 장소를 제공할 수 있다. 즉 상기 화합물 자체가 불균일 핵성성 자리(heterogeneous nucleation site)로 기능함에 따라 화합물의 계면에서 우선적으로 고상으로의 상천이를 위한 핵생성이 일어나게 되고 이렇게 핵생성된 고상은 이러한 화합물 주변으로 형성하면서 성장하게 된다. 따라서 이와 같이 불균일 핵생성 자리로 기능하는 화합물에 의해 알루미늄 합금의 결정립 또는 상영역은 이러한 화합물이 존재하지 않는 경우에 비해 미세화 되는 효과를 나타낼 수 있다. 이러한 경우 상기 화합물은 결정립 또는 상영역의 내부에 존재하게 된다.
또한 상기 화합물은 결정립간의 경계인 결정립계 또는 상영역간의 경계인 상경계에 분포될 수 있다. 이러한 경계부분은 결정립 또는 상영역 내부에 비해 개방된 구조이므로 응고 과정에서 상기 화합물들이 배열되기 용이한 공간으로 제공될 수 있다. 이와 같이 상기 화합물이 알루미늄 합금의 결정립계 또는 상경계에 분포되는 경우에는, 장애물로 작용하여 결정립계 또는 상경계의 이동을 억제함에 따라 결정립 또는 상경계의 평균크기를 감소시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 경우, 이러한 화합물들이 존재하지 않은 알루미늄 합금에 비해 평균적으로 더 미세하고 작은 결정립 또는 상영역 크기를 가질 수 있다. 이러한 화합물에 기인한 결정립 또는 상영역의 미세화는 알루미늄 합금의 강도 및 연신율의 향상 효과를 동시에 가져올 수 있다.
종래의 알루미늄 합금에서는 알루미늄에 마그네슘 및 실리콘을 첨가한 후 열처리를 통해 알루미늄 기지에 마그네슘-실리콘 화합물을 형성시켜 알루미늄 합금의 기계적 특성을 향상시켰다. 이러한 열처리는 용체화 단계, 급냉 단계 및 시효처리 단계 등 복수의 처리 단계를 포함한다.
이에 비해 본 발명에서는 알루미늄 합금의 제조과정에서 알루미늄 용탕에 마그네슘-실리콘 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 첨가한 후 주조함으로써 상술한 것과 같은 복잡한 열처리 단계를 거치지 않고도 알루미늄 합금의 기지에 마그네슘-실리콘 화합물을 형성할 수 있게 된다.
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 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 산화칼슘 및 실리콘계 첨가제를 각각 0.3wt% 첨가하여 제조하였다. 비교예는 순수 알루미늄에 순수 마그네슘을 5wt% 첨가하여 제조하였다.
도 7a 및 7b에는 각각 실험예 및 비교예를 광학현미경으로 관찰한 미세조직 결과가 나타나 있다. 도 7a 및 7b를 참조하면, 실험예에서는 비교예와 달리 기지에 별도의 상(화살표)이 미세한 입자 형태로 다수 분포하고 있음을 알 수 있다.
도 8a 내지 8f에는 이러한 화합물에 대한 구체적인 분석결과가 나타나 있다. 도 8a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 알루미늄 합금의 미세조직을 나타낸 것이며, 도 8b 내지 8e는 EPMA로 매핑(mapping)한 결과로서, 각각 알루미늄, 마그네슘, 실리콘, 칼슘 및 산소의 분포를 나타낸 결과이다.
도 8d 및 도 8e의 1로 표시되는 영역(이하 제 1 영역이라 함)에서 실리콘과 칼슘이 동일한 위치에서 검출되며, 이에 비해 도 8f와 같이 산소는 전혀 검출되지 않았다. 이로부터 상기 제 1 영역은 칼슘-실리콘 화합물임을 알 수 있다. 이러한 칼슘-실리콘 화합물은 Ca2Si, CaSi, CaSi2 중 어느 하나일 수 있다.
한편, 도 8c의 2로 표시되는 영역(이하 제 1 영역이라 함)은 마그네슘의 농도가 다른 주변 영역에 비해 높은 검출 신호를 나타냄을 알 수 있으며, 도 8d 및 도 8e를 참조하면 도 8c의 마그네슘이 검출되는 영역과 거의 동일한 영역에서 실리콘 및 칼슘의 신호가 검출되는 것을 알 수 있다. 이에 반해 도 8f와 같이 산소는 거의 검출되지 않았다.
따라서 알루미늄 합금의 기지에는 마그네슘-실리콘 화합물, 마그네슘-칼슘 화합물 및 마그네슘-칼슘-실리콘 복합화합물 중 어느 하나 이상이 형성되어 있음을 알 수 있다.
이로부터 본 발명에 따라 주조된 알루미늄 합금의 기지에는 주조된 상태에서 따로 열처리를 수행하지 않더라도 기지에 마그네슘-실리콘 화합물, 마그네슘-칼슘-화합물, 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-실리콘-칼슘 화합물 등이 미세하게 분포하고 있음을 알 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 (26)

  1. 마그네슘, 칼슘, 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 및 알루미늄을 용해하여 용탕을 형성하는 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 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제를 첨가하여 제조한 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 화합물은 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘과 상기 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 서로 반응하여 생성된 것 또는 마그네슘과 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마그네슘 합금은 합금원소로서 알루미늄을 포함하고, 상기 화합물은 상기 알루미늄과 상기 칼슘이 반응하여 생성된 알루미늄-칼슘 화합물을 더 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은
    순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 용해하여 마그네슘 용탕을 형성하는 단계;
    상기 마그네슘 용탕에 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계; 및
    상기 마그네슘 용탕을 주조하는 단계;
    를 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에,
    상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제가 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 소진시키는 단계; 및
    상기 소진 결과로 생성된 칼슘 및 실리콘을 상기 마그네슘 모합금 내에 실질적으로 잔류되지 않도록 반응시키는 단계;
    를 더 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 상기 마그네슘 용탕의 표면에 균일하게 분산시켜 첨가하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제 및 실리콘계 첨가제는 모두 반응하여 상기 마그네슘 모합금 내에 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제가 잔류하지 않은 범위까지 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제는 각각 0.001 내지 30wt% 범위에서 첨가되는, 알루미늄 합금 제조방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제 및 상기 실리콘계 첨가제를 첨가하는 단계 이후에 상기 마그네슘 용탕의 상층부에 교반을 실시하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 교반은 상기 마그네슘 용탕의 표면으로부터 상기 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하의 상층부에서 이루어지는, 알루미늄 합금 제조방법.
  13. 제3항에 있어서, 상기 칼슘계 첨가제는 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2) 및 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  14. 제3항에 있어서, 상기 실리콘계 첨가제는 산화실리콘(SiO2)을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  15. 제4항에 있어서, 상기 화합물은 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 및 마그네슘-칼슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 Ca2Si, CaSi 및 CaSi2 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  17. 제15에 있어서, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  18. 제5항에 있어서, 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  19. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금인, 알루미늄 합금 제조방법.
  20. 알루미늄 기지;
    상기 기지에 존재하는 마그네슘, 칼슘 및 실리콘 중 2 이상의 원소를 포함하는 화합물 중 어느 하나 이상;
    을 포함하며, 상기 화합물은 칼슘계 첨가제로부터 분해된 칼슘과 실리콘계 첨가제로부터 분해된 실리콘이 서로 반응하여 생성된 것 또는 마그네슘과 반응하여 생성된 것인, 알루미늄 합금 제조방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 화합물은 상기 칼슘이 알루미늄과 반응하여 생성된 알루미늄-칼슘 화합물을 더 포함하는, 알루미늄 합금 제조방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 알루미늄 기지는 마그네슘이 고용된, 알루미늄 합금.
  23. 제20항에 있어서, 상기 화합물은 마그네슘-실리콘 화합물, 칼슘-실리콘 화합물, 마그네슘-칼슘-실리콘 화합물 및 알루미늄-칼슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
  24. 제23항에 있어서, 상기 마그네슘-실리콘 화합물은 Mg2Si을 포함하는, 알루미늄 합금.
  25. 제24항에 있어서, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 Ca2Si, CaSi 및 CaSi2 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
  26. 제21항에 있어서, 상기 알루미늄-칼슘 화합물은 Al2Ca 및 Al4Ca 중 어느 하나 이상을 포함하는, 알루미늄 합금.
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