WO2012161463A2 - 합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to an alloy manufacturing method and an alloy produced thereby, and more particularly, to an alloy manufacturing method using a mother alloy during casting and an alloy produced thereby.
  • the alloy can be produced by adding a predetermined alloy element to the liquid molten metal and then casting.
  • the quality of the molten metal greatly affects the properties of the alloy.
  • impurities such as inclusions in the molten metal increase due to oxidation of the alloying element.
  • impurities can lead to degradation of the mechanical and chemical properties of the alloy. Therefore, in order to improve the properties of the alloy produced by casting, it is necessary to maintain the cleanliness in the molten metal as high as possible.
  • a molten metal may be manufactured in vacuum or a protective gas may be applied to the surface of the molten metal to protect the molten surface.
  • various types of compounds may be formed on the matrix of the alloy.
  • an intermetallic compound with high hardness when distributed at the base of the alloy, such an intermetallic compound can function as a structure that suppresses the shift of dislocation, thereby improving the strength of the alloy.
  • Such compounds may be crystallized as a thermodynamically stable phase during the solidification of the liquid metal during casting, or may be precipitated through appropriate mechanical processing or heat treatment after the solidification is completed.
  • the present invention is to provide an alloy manufacturing method and an alloy produced thereby that can easily distribute the compound in the base of the alloy while maintaining the quality of the molten metal at the time of casting. This problem has been presented by way of example, and the scope of the present invention is not limited by this problem.
  • An alloy manufacturing method is provided.
  • a molten mother alloy containing at least one first compound and a metal to be cast are formed.
  • the molten metal is cast.
  • the master alloy may be a magnesium master alloy or an aluminum master alloy.
  • the first compound may have a higher melting point than the metal to be cast.
  • the casting target metal may be any one of tin, aluminum, zinc, magnesium, copper, nickel, cobalt, iron, titanium, vanadium, molybdenum and tungsten or an alloy thereof. .
  • the first compound may be formed by exhausting at least a part of the second compound in which two or more components are combined in a magnesium molten metal or an aluminum molten metal.
  • the first compound may be a component supplied from the exhausted second compound and a metal component in the magnesium molten metal combined with each other, and the metal component may be magnesium or aluminum.
  • the first compound may be produced by combining components supplied from each of the at least two second compounds being exhausted.
  • the first compound may be formed by dissolving at least a portion of any one of calcium and strontium in magnesium molten metal or aluminum molten metal.
  • the first compound may be added to the molten metal of the master alloy.
  • the first compound may be prepared by a mechanical alloying method.
  • the first compound may include a magnesium compound.
  • the magnesium compound may include any one or more of a magnesium-calcium compound, a magnesium-aluminum-calcium compound, a magnesium-strontium compound, and a magnesium-silicon compound.
  • the first compound may comprise an aluminum compound.
  • the aluminum compound may include any one or more of an aluminum calcium compound, an aluminum strontium compound, and an aluminum cesium compound.
  • the first compound may include a calcium-silicon compound.
  • the second compound may include a calcium compound, a strontium compound, a silicon compound or a rare earth metal compound.
  • the method for producing a magnesium mother alloy may include adding at least one second compound having two or more components bonded to the molten magnesium; Exhausting at least a portion of the second compound; And casting the molten magnesium to prepare a first magnesium mother alloy.
  • the method for producing a magnesium master alloy may further include forming a second magnesium master alloy by diluting the first magnesium master alloy with a molten magnesium.
  • the method of manufacturing an aluminum mother alloy the step of adding at least one second compound in which two or more components are bonded to the molten aluminum; Exhausting at least a portion of the second compound; And casting the molten aluminum to prepare a first aluminum mother alloy.
  • the method of manufacturing an aluminum mother alloy may further include forming a second aluminum mother alloy by injecting and diluting the first aluminum mother alloy into an aluminum molten metal.
  • the second compound may be added to the surface of the upper portion of the magnesium molten metal to be added, and further, stirring may be performed on 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 method of producing a master alloy the step of adding calcium or strontium to the master alloy molten metal; And exhausting at least a portion of the calcium or strontium in the magnesium molten metal.
  • the method of manufacturing the aluminum mother alloy the step of adding calcium or strontium to the magnesium molten metal; And dissolving at least a portion of the calcium or strontium in the magnesium molten metal.
  • the magnesium alloy may be added to an aluminum molten metal.
  • the method for producing an aluminum mother alloy includes the steps of adding calcium or strontium to an aluminum molten metal; And dissolving at least a portion of the calcium or strontium in the molten aluminum.
  • the aluminum alloy may be added to the molten aluminum.
  • the method for producing a magnesium master alloy may include adding calcium or strontium to an aluminum molten metal; And dissolving at least a portion of the calcium or strontium in the aluminum molten metal.
  • the aluminum alloy may be added to the magnesium molten metal.
  • the method of producing a magnesium mother alloy the step of adding calcium or strontium to the magnesium molten metal; And dissolving at least a portion of the calcium or strontium in the magnesium molten metal may be prepared by adding a magnesium alloy prepared to the magnesium molten metal.
  • the method of manufacturing an aluminum mother alloy may include adding a magnesium alloy containing the first compound to the molten aluminum. Magnesium alloy containing the first compound, adding a second compound to the magnesium molten metal; And casting the magnesium molten metal.
  • Alloy according to another aspect of the present invention is a metal base; And a first compound present on the metal base.
  • the first compound may be contained in a magnesium mother alloy or an aluminum mother alloy and introduced into a molten metal prepared for casting the alloy.
  • the metal base may be any one of tin, aluminum, zinc, magnesium, copper, nickel, cobalt, iron, titanium, vanadium, molybdenum, and tungsten or an alloy thereof. .
  • the first compound may include a magnesium compound, an aluminum compound, or a calcium-silicon compound.
  • the alloy may further reduce the concentration of inclusions compared to the alloy prepared under the same conditions by adding a mother alloy not containing the first compound.
  • the cleanliness of the molten metal can be maintained at a high level even when an alloy element having a high oxidative property such as magnesium or aluminum is added to the molten metal, thereby remarkably maintaining the characteristics of the cast alloy. Can be improved.
  • the compound can be formed on the matrix of the alloy without any separate treatment.
  • 1 is a flow chart showing an embodiment of the alloy manufacturing method according to the present invention.
  • FIG. 2 is a flow chart showing an embodiment of a magnesium mother alloy production method according to the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a process of decomposing calcium oxide in the upper layer of the magnesium molten metal when calcium oxide is added to the molten magnesium.
  • Figure 4 is a flow chart showing an embodiment of a method for manufacturing an aluminum mother alloy according to the present invention.
  • 5A and 5D are results of composition analysis of a magnesium mother alloy prepared by adding calcium oxide (CaO) according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • 6A and 6E are results of analyzing the components of an aluminum alloy added with a magnesium mother alloy and an aluminum alloy added with pure magnesium according to an embodiment of the present invention, respectively.
  • 7A and 7B are the results of observing the state of the molten aluminum with the magnesium mother alloy prepared in accordance with an embodiment of the present invention and the molten aluminum with pure magnesium.
  • an alloy is prepared by preparing a mother alloy containing one or more predetermined compounds and then adding the mother alloy to the molten metal.
  • the compound included in the master alloy is referred to as a first compound.
  • the metal to be cast is a metal to be added to the master alloy, and includes tin (Sn), zinc (Zn), magnesium (Mg), aluminum (Al), copper (Cu), nickel (ni), cobalt (Co), It may be any one selected from iron (Fe), titanium (Ti), vanadium (V), molybdenum (Mo), and tungsten (W) or an alloy of these metals.
  • the mother alloy containing the first compound is added to the molten metal of the casting target metal (S12).
  • an alloy is manufactured by casting the molten metal in which the master alloy and the casting target metal are dissolved (S13).
  • the alloy as shown in Figure 1 in addition to the method of adding a master alloy to the molten metal of the casting target metal to manufacture the alloy as shown in Figure 1 may be prepared by dissolving the mother alloy and the casting target metal together in the melting furnace at the same time. The same applies to the addition step in the master alloy production method described later.
  • 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.
  • the master alloy may be used as a base material pure magnesium or magnesium alloy, all of which is referred to as magnesium master alloy.
  • the mother alloy may use pure aluminum or an aluminum alloy as a base material, and all of them are referred to as aluminum mother alloys.
  • the magnesium molten metal refers to both pure magnesium molten metal or magnesium alloy molten metal to which other alloying elements are added, for the sake of convenience.
  • Magnesium mother alloy molten metal and aluminum mother alloy molten metal may be collectively referred to as a mother alloy molten metal.
  • the one or more first compounds included in the mother alloy may be formed by adding at least a part of the second compounds after adding a second compound in which two or more components are combined in the magnesium molten metal.
  • a method of preparing a magnesium mother alloy including the first compound will be described in detail.
  • FIG. 2 is a flow chart showing an embodiment of a method for producing a magnesium mother alloy.
  • the method of preparing a magnesium mother alloy includes a molten magnesium forming step S21, a second compound adding step S22, a stirring step S23, and a casting step S24.
  • the heating temperature may be, for example, in a range of 400 to 800 ° C.
  • the molten metal is formed at a temperature of 600 ° C. or higher, but in the case of magnesium alloy, a molten metal may be formed even at a temperature of 600 ° C. or lower and 400 ° C. or higher due to a drop in melting point that may appear due to alloying.
  • Magnesium alloys used in the molten magnesium forming step (S21) are AZ91D, AM20, AM30, AM50, AM60, AZ31, AS141, AS131, AS121X, 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 second compound is added to the magnesium molten metal.
  • the second compound may be a compound in which two or more components are combined, and part or all of the second compound is exhausted. As a result of this exhaustion, it is possible to form a first compound in which some of the components constituting the second compound and the metal components in the magnesium molten metal are bonded to each other.
  • the first compound may be formed by combining components supplied from each of the second compounds while the second compounds are exhausted.
  • the second compound serves as a source for providing some of the components constituting the first compound after being added into the molten magnesium.
  • the second compound may be a calcium-based compound, and for example, may include any one of calcium oxide (CaO), calcium cyanide (CaCN 2 ), and calcium carbide (CaC 2 ).
  • the calcium-based compound or strontium-based compound may be decomposed in the molten magnesium melt and decompose the alkaline earth metal-based metal component and the non-metallic component bonded thereto.
  • the metal component supplied from the alkaline earth metal compound may be combined with magnesium, which is a metal component in the magnesium molten metal, to form a magnesium compound.
  • the magnesium compound may be any one of a magnesium-calcium compound, a magnesium-strontium compound, and a magnesium-aluminum-calcium compound.
  • calcium (Ca) decomposed from calcium oxide may combine with magnesium to form Mg 2 Ca as a magnesium-calcium compound
  • strontium (Sr) decomposed from strontium oxide is Mg 2 as magnesium-strontium compound.
  • Sr, Mg 23 Sr 6 , Mg 38 Sr 9 , Mg 17 Sr 2 , and the like can be formed.
  • aluminum in the molten magnesium, aluminum may be dissolved in a metal component other than magnesium, and the aluminum and the alkaline earth metal may be combined to form an aluminum compound.
  • an aluminum compound may include any one or more of an aluminum-calcium compound and an aluminum-strontium compound.
  • calcium decomposed from calcium oxide may be combined with aluminum to form Al 2 Ca, Al 4 Ca, etc. as an aluminum-calcium compound, and strontium (Sr) decomposed from strontium oxide is combined with aluminum to form aluminum- Al 4 Sr or the like can be formed as the strontium compound.
  • the magnesium component and the aluminum component in the magnesium molten metal may be combined together to form a complex oxide such as (Mg, Al) 2 Ca.
  • the second compound examples include a silicon compound.
  • the silicon-based compound may include, for example, silicon oxide (SiO 2 ).
  • silicon (Si) decomposed from silicon oxide may be combined with a magnesium component in a molten magnesium to form a magnesium-silicon compound, for example, Mg 2 Si.
  • the second compound may be a rare earth compound, and may include, for example, scandium oxide (Sc 2 O 3 ), cesium oxide (CeO 2 ), and the like.
  • the rare earth metal supplied from the rare earth compound may be combined with magnesium or aluminum.
  • cesium (Ce) may combine with aluminum to form Al 2 Ce as an aluminum-cesium compound
  • scandium (Sc) may combine with aluminum to form Al 2 Sc as an aluminum-scandium compound.
  • the second compound may be added in two or more kinds.
  • calcium oxide and silicon oxide may be added simultaneously in the molten magnesium.
  • calcium supplied from calcium oxide and silicon supplied from silicon oxide may be bonded to each other in the molten magnesium to form a calcium-silicon compound, for example, CaSi.
  • the oxidation resistance of the magnesium molten metal can be improved by the second compound introduced into the magnesium molten metal.
  • the ignition resistance is increased due to the improved oxidation resistance of the magnesium molten metal, and the incorporation of oxides or other inclusions into the magnesium molten metal is suppressed. Therefore, the amount of protective gas required for dissolving magnesium may be significantly reduced or not used.
  • the first compound included in the magnesium mother alloy may have a higher melting point than the metal to be cast.
  • Mg 2 Si, Al 2 Ca, Al 4 Sr, Al 2 Sc, Al 2 Se have melting points of 1085 ° C., 1079 ° C., 1040 ° C., 1420 ° C., and 1480 ° C., respectively.
  • Melting points for zinc, magnesium and aluminum are 231.9 °C, 419.5 °C, 649 °C and 660.1 °C, respectively.
  • the first compound when a magnesium master alloy containing a first compound having a higher melting point than that of the casting metal is added to the molten metal of the casting metal as an alloying element, the first compound may be distributed in the casting metal matrix after casting. have. That is, as the molten metal of the metal to be cast is maintained in the liquid phase at a temperature lower than the melting point of the first compound, the first compound added together with the magnesium mother alloy is present in the solid phase without melting even in the molten metal of the metal to be cast, After casting and solidification, it is distributed on the matrix of the metal to be cast.
  • the 6063 alloy which is a commercial aluminum alloy, significantly improves mechanical strength by distributing a large amount of Mg 2 Si on a matrix in aluminum. At this time, magnesium and silicon are added to aluminum to form Mg 2 Si, and heat treatment is performed to precipitate Mg 2 Si on the aluminum base.
  • an aluminum alloy with Mg 2 Si formed on the base of aluminum can be easily manufactured. can do.
  • the remaining components of the second compound added to the magnesium molten metal which are not combined with the metal components in the magnesium molten metal, are discharged to the atmosphere in a gaseous state through the surface of the magnesium molten metal, or as a dross or sludge on the upper portion of the molten metal. Can be rich.
  • the second compound to be added is advantageous as the surface area is wider for improving the reactivity, and therefore 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 second compound to be added may be 0.1 to 500 ⁇ m, more strictly 0.1 to 200 ⁇ m.
  • the size of the second compound is less than 0.1 ⁇ m is too fine to be scattered by the sublimated magnesium 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 second compound exceeds 500 ⁇ m, the surface area for the reaction is reduced, furthermore, the second compound may not react with the magnesium molten metal.
  • the second compound to be added may be added in 0.001 to 30wt%, more strictly 0.01 to 15wt% may be added.
  • the total amount of the added amounts of the second compound is less than 0.001 wt%, the effect of adding the second compound is insignificant or hardly generated.
  • the total amount of the added amount of the second compound exceeds 30wt%, the fluidity of the molten metal may be deteriorated.
  • the second compound 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 while lowering the possibility of agglomeration of the powder by adding a plurality of steps with time difference.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a process of decomposing calcium oxide 20 in the upper portion of the magnesium molten metal when the calcium oxide 20 is added to the molten magnesium 10 in the melting furnace 1.
  • calcium oxide 20 is decomposed into oxygen (O 2 ) and calcium (Ca) 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 dross or sludge.
  • the decomposed calcium reacts with other elements in the molten metal, for example, magnesium (Mg) or aluminum (Al) to form various compounds.
  • the added second compound may remain on the surface of the molten metal for as long as possible and remain exposed to the atmosphere.
  • a stirring step (S23) of the molten magnesium may be performed.
  • the stirring may be started at the same time as the addition of the second compound or after the added second compound 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 second compound is rather inefficient, and the frequency of remaining in the final melt in the undissolved state increases.
  • the second compound 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.
  • Table 1 shows the result of measuring the residual amount of calcium oxide according to the stirring method when calcium oxide (CaO) was added to the AM60B magnesium molten metal. 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 may be performed at the upper layer of not more than 20% of the total depth of the molten metal from the surface of the molten magnesium, and strictly at the upper layer of not more than 10% of the total depth of the molten metal. At a depth of 20% or more, decomposition of the second compound on the surface becomes less likely to occur.
  • the time for the stirring may be different depending on the temperature of the molten metal and the state of the powder to be added, and may sufficiently stir until the added second compound is completely exhausted in the molten metal. Exhaustion here means that the decomposition of the second compound is substantially completed.
  • the decomposition of the second compound in the magnesium molten metal and the component supplied by the decomposition can be further promoted to react with the metal component in the magnesium molten metal to generate various first compounds.
  • the magnesium mother alloy is produced through the casting step (4) to put the molten magnesium in a mold to solidify.
  • magnesium master alloy may be prepared by adding elemental calcium (Ca) or strontium (Sr) instead of the calcium compound or the strontium compound as the second compound.
  • the added calcium or strontium dissolves in the molten magnesium similarly to the second compound to form the first compound.
  • an aluminum master alloy may be used as another example of the master alloy.
  • 6 is a flow chart showing an embodiment of a method for producing an aluminum mother alloy. Referring to FIG. 4, the method of manufacturing an aluminum mother alloy includes an aluminum molten metal forming step S31, a magnesium alloy adding step S32, a stirring step S33, and a casting step S34.
  • the aluminum is put 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 S31 may be any one selected from pure aluminum, an aluminum alloy, and an equivalent thereof.
  • 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 alloy addition step (S32) the magnesium alloy containing the first compound, prepared by the method described above is added to the aluminum molten metal.
  • the magnesium alloy may be added 0.0001 to 30 parts by weight based on 100 parts by weight of aluminum.
  • the added magnesium alloy is less than 0.0001 parts by weight, the effect of adding magnesium alloy may be small.
  • the magnesium mother alloy exceeds 30 parts by weight, the original aluminum alloy does not appear.
  • the side of the magnesium alloy may be added to the bulk side, but the present invention is not limited thereto, and may have other side such as powder side, granule side. Also, the size of the magnesium master alloy is not limited.
  • the first compound included in the magnesium alloy is also provided in the molten aluminum as well.
  • the magnesium alloy may have a first compound having a higher melting point than aluminum, and when the magnesium mother alloy containing the first compound is added to the molten aluminum, the first compound may be contained in the aluminum alloy. May be included.
  • the aluminum alloy is manufactured through a casting step 34 to solidify the molten aluminum in a mold.
  • the manufactured aluminum alloy is 1000 series, 2000 series, 3000 series, 4000 series, 5000 series, 6000 series, 7000 series and 8000 series wrought aluminum or 100 series, 200 series, 300 series, 400 series, 500 series , 700 series casting aluminum may be any one selected from.
  • the magnesium mother alloy or aluminum mother alloy containing the first compound is added to the molten metal of the casting target metal as an alloying element, the oxidation resistance of the molten metal of the casting target metal can be improved.
  • the magnesium mother alloy to which the calcium compound is added may contain a magnesium-calcium compound, an aluminum-calcium compound, a magnesium-aluminum-calcium compound, etc. as the first compound, and the magnesium mother alloy prepared by adding such a magnesium mother alloy
  • the aluminum master alloy also contains the above first compounds.
  • the oxidation resistance of the magnesium master alloy or the aluminum master alloy including the first compound is greatly increased, impurities such as oxides in the molten metal of the metal to be cast are added as compared with the addition of magnesium or aluminum not containing the first compound.
  • the interference is significantly reduced. Therefore, when the mother alloy according to the embodiment of the present invention described above is added as an alloying element, the cleanliness of the molten metal to be cast is greatly improved even without using a protective gas, thereby remarkably improving the quality of the molten metal. Due to the improvement of the melt quality, material properties such as mechanical and chemical properties of the cast alloy are also greatly improved.
  • a magnesium mother alloy may be prepared by adding elemental calcium (Ca) or strontium (Sr) instead of adding a magnesium alloy containing the first compound.
  • Such calcium or strontium may be dissolved in aluminum molten metal and react with aluminum to form Al 2 Ca, Al 4 Ca, Al 4 Sr, etc. as the first compound.
  • the present invention is not limited thereto. It is also possible to add the first compound directly in the. In this case, the first compound may be prepared in various ways from the outside.
  • aluminum powder and calcium powder may be added to a ball mill or the like, and Al 2 Ca powder may be prepared by mechanical alloying, and then added to magnesium molten or aluminum molten as the first compound. have.
  • Al 2 Ca is included as the first compound in the cast magnesium alloy or aluminum alloy.
  • the mechanical alloying method has been proposed as a method of forming the first compound, the present invention is not limited thereto, and any method may be used as long as the method can form the first compound.
  • the mother alloy including the first compound described above may be prepared by further diluting.
  • the magnesium master alloy prepared by the above-described method (for convenience, referred to as the first magnesium master alloy) may be added to the magnesium molten metal and diluted to form a second magnesium master alloy having a reduced concentration of the first compound. have.
  • the first aluminum mother alloy may be diluted to form the second aluminum mother alloy.
  • 5A to 5D illustrate an EPMA (Electron Probe Micro) of a magnesium mother alloy prepared by adding magnesium oxide (CaO) as a second compound to a magnesium alloy including aluminum as an alloying element according to an embodiment of the present invention. Analyzer) The results of the analysis are shown.
  • EPMA Electro Probe Micro
  • Figure 5a shows the microstructure of the magnesium master alloy observed using back scattering electrons.
  • the magnesium mother alloy exhibits a microstructure having a plurality of regions surrounded by a compound (white portion), that is, grains. At this time, the compound (white part) is formed along the grain boundary.
  • 5B to 5D show mapping of components of the compound (white portion) region to EPMA, showing the distribution regions of aluminum, calcium, and oxygen, respectively. As shown in FIGS. 5B and 5C, aluminum and calcium were detected but oxygen was not detected, respectively (FIG. 5D).
  • the aluminum-calcium compound produced by the reaction of the calcium separated from the calcium oxide with the aluminum contained in the base material is distributed in the grain boundary of the magnesium mother alloy.
  • the aluminum-calcium compound may be Al 2 Ca or Al 4 Ca, which is an intermetallic compound.
  • FIG. 6A shows the results of observing the structure of the aluminum mother alloy with EPMA
  • FIGS. 6B to 6E show mapping results of aluminum, calcium, magnesium and oxygen, respectively, as component mapping results using EPMA.
  • 6b to 6d calcium and magnesium were detected at the same position on the aluminum base, and oxygen was not detected as in FIG. 6e. From this, it can be seen that the magnesium-aluminum-calcium compound, which was included as the first compound in the magnesium mother alloy, also exists as the first compound in the aluminum mother alloy.
  • FIG. 7A shows a state of the molten aluminum prepared by adding a magnesium mother alloy
  • FIG. 4B shows a state of the molten aluminum prepared by adding pure magnesium.
  • 7A and 7B when the magnesium mother alloy is added, the molten metal is in good condition even when the protective gas is not used.
  • the surface of the molten metal turns black due to oxidation of magnesium. I can see that there is. From this, it can be seen that the oxidation resistance of the molten metal is significantly increased when the magnesium mother alloy prepared according to the embodiment of the present invention is added.
  • Table 2 shows the results of observing and comparing the state of the molten magnesium according to the input amount of the protective gas SF 6 when the beryllium (Be) and the calcium oxide is added to the molten magnesium.
  • the molten magnesium was made of a magnesium-aluminum alloy (Mg-0.45Al) to which 0.45 wt% of aluminum was added.
  • FIG. 8 shows the oxidation resistance results according to the content of calcium oxide in the magnesium mother alloy. Oxidation of the magnesium master alloy was carried out in an oxygen atmosphere, and oxidation was carried out at 550 ° C. for 40 hours. Referring to FIG. 8, it can be seen that oxidation resistance is remarkably improved as the content of calcium oxide increases.
  • the x-axis represents the isothermal oxidation time (minutes) and the y-axis represents the weight increase rate (%).
  • the red solid line, the green solid line, and the blue solid line refer to aluminum alloys having a composition of magnesium of 2.5 wt%, 5 wt%, and 10 wt%, respectively.
  • the dotted lines of the same color have the same magnesium composition, but calcium oxide is added as a second compound. It means an aluminum alloy prepared by adding a magnesium mother alloy prepared by. 9, it can be seen that the oxidation resistance of the aluminum alloy according to the embodiment of the present invention is excellent.

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Abstract

본 발명은 주조 시 용탕의 품질을 높은 수준으로 유지하면서도 합금의 기지 내에 화합물을 용이하게 분포시킬 수 있는 합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금을 제공한다. 본 발명의 일 관점에 의하면, 1종 이상의 제1화합물을 포함하는 모합금 및 주조대상금속이 용해된 용탕을 형성하는 단계; 및 상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하며, 상기 모합금은 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금인, 합금제조방법이 제공된다.

Description

합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금
본 발명은 합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 주조 시 모합금을 이용하는 합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금에 대한 것이다.
합금은 금속을 액상의 용탕에 소정의 합금원소를 첨가한 후 주조하여 제조할 수 있다. 이러한 주조기술에 의해 합금을 제조함에 있어서, 용탕의 품질은 합금의 특성에 큰 영향을 미친다. 특히, 용탕 내에 합금원소로서 높은 산화성을 가지는 마그네슘 또는 알루미늄 등을 첨가하는 경우에는 합금원소의 산화에 의해 용탕 내 개재물과 같은 불순물이 증가하는 경향을 보이게 된다. 이러한 불순물은 합금의 기계적, 화학적 특성의 열화를 초래할 수 있다. 따라서 주조에 의해 제조된 합금의 특성을 향상시키기 위해서는 용탕 내의 청정도를 가능한 높은 수준으로 유지할 필요가 있다. 이러한 고품질의 용탕을 얻기 위해 진공 중에서 용탕을 제조하거나 혹은 용탕의 표면에 보호가스를 도포하여 용탕표면을 보호하는 방법을 사용할 수 있다.
한편, 합금의 기계적, 화학적 특성 등을 향상시키기 위하여 합금의 기지 상에 여러 형태의 화합물을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 합금의 기지에 경도가 높은 금속간화합물을 분포시키는 경우, 이러한 금속간화합물이 전위의 이동을 억제하는 구조물로서 기능하여 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 화합물은 주조 시 액상의 금속이 응고되는 과정에서 열역학적으로 안정한 상으로서 정출(晶出)되거나, 응고가 완료된 후 적절한 기계적 가공 또는 열처리를 통해 석출(析出)되게 할 수 있다.
그러나 진공 중에서 용탕을 제조하기 위해서는 진공을 유지하기 위한 추가적인 장치를 요구하며, 용탕의 표면에 도포되는 보호가스는 고가이거나 혹은 환경문제를 유발하는 등의 문제점이 있다. 또한 주조 시 정출되는 상은 그 양이나 분포를 제어하기가 힘들며, 석출상을 형성하기 위해서는 기계적 가공 또는 열처리를 수반해야 하는 문제점이 있다.
본 발명은 주조 시 용탕의 품질을 높은 수준으로 유지하면서도 합금의 기지 내에 화합물을 용이하게 분포시킬 수 있는 합금제조방법 및 이에 의해 제조된 합금을 제공하고자 한다. 이러한 과제는 예시적으로 제시되었고, 본 발명의 범위가 이러한 과제에 의해서 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 합금제조방법이 제공된다. 1종 이상의 제1화합물을 포함하는 모합금 및 주조대상금속이 용해된 용탕을 형성한다. 상기 용탕을 주조한다. 상기 모합금은 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금일 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 주조대상금속에 비해 더 높은 융점을 가질 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 주조대상금속은 주석, 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 니켈, 코발트, 철, 티타늄, 바나듐, 몰리브데늄 및 텅스텐 중 어느 하나 또는 이들의 합금 중 어느 하나일 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕 내에서 2종 이상의 성분이 결합된 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시켜 형성한 것일 수 있다. 상기 제1화합물은 상기 소진된 제2화합물로부터 공급된 성분과 상기 마그네슘 용탕 내의 금속성분이 서로 결합된 것일 수 있고, 나아가 상기 금속성분은 마그네슘 또는 알루미늄일 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은, 상기 소진되는 2종 이상의 제2화합물로부터 각각 공급되는 성분이 결합되어 생성된 것일 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕 내에서 칼슘 또는 스트론튬 중 어느 하나의 적어도 일부를 용해시켜 형성한 것일 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 상기 모합금의 용탕에 첨가된 것일 수 있다. 상기 제1화합물은 기계적 합금화 방법에 의해 제조될 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 화합물을 포함할 수 있다. 상기 마그네슘 화합물은 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-스트론튬 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 알루미늄 화합물을 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 알루미늄-스트론튬 화합물, 알루미늄-세슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제1화합물은 칼슘-실리콘 화합물을 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제2화합물은 칼슘계 화합물, 스트론튬계 화합물, 실리콘계 화합물 또는 희토류금속계 화합물을 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 마그네슘 용탕에 2 이상의 성분이 결합된 제2화합물을 1종 이상 첨가하는 단계; 상기 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시키는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕을 주조하여 제1마그네슘 모합금을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 상기 제1마그네슘 모합금을 마그네슘 용탕에 투입하여 희석시켜 제2마그네슘 모합금을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은, 알루미늄 용탕에 2 이상의 성분이 결합된 제2화합물을 1종 이상 첨가하는 단계; 상기 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시키는 단계; 및 상기 알루미늄 용탕을 주조하여 제1알루미늄 모합금을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은, 상기 제1알루미늄 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하여 희석시켜 제2알루미늄 모합금을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 제2화합물은 상기 마그네슘 용탕 상층부의 표면에 분산시켜 첨가할 수 있고, 나아가 상기 마그네슘 용탕의 상층부에 교반을 실시할 수 있다. 상기 교반은 상기 마그네슘 용탕의 표면으로부터 상기 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하의 상층부에서 이루어질 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 모합금의 제조방법은, 모합금 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 소진시키는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은, 마그네슘 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 마그네슘 합금을 알루미늄 용탕에 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은, 알루미늄 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및 상기 알루미늄 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 알루미늄 합금을 알루미늄 용탕에 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 알루미늄 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및 상기 알루미늄 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 알루미늄 합금을 마그네슘 용탕에 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은, 마그네슘 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 마그네슘 합금을 마그네슘 용탕에 첨가하여 제조할 수 있다.
상기 합금제조방법에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은, 상기 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금을 상기 알루미늄 용탕에 첨가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금은, 마그네슘 용탕에 제2화합물을 첨가하는 단계; 및 상기 마그네슘 용탕을 주조하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 함금은 금속기지; 및 상기 금속기지에 존재하는 제1화합물;을 포함한다. 상기 제1화합물은 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금 내에 포함되어 상기 합금을 주조하기 위해 제조된 용탕 내에 투입된 것일 수 있다.
상기 합금에 있어서, 상기 금속기지는 주석, 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 니켈, 코발트, 철, 티타늄, 바나듐, 몰리브데늄 및 텅스텐 중 어느 하나이거나 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 합금에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 화합물, 알루미늄 화합물, 또는 칼슘-실리콘 화합물을 포함할 수 있다.
상기 합금에 있어서, 상기 합금은 상기 제1화합물을 포함하지 않은 모합금을 첨가하여 동일조건으로 제조된 합금에 비해 개재물의 농도가 더 감소할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 합금의 제조방법에 의하면, 용탕에 마그네슘 또는 알루미늄과 같은 높은 산화성을 가지는 합금원소를 첨가함에도 용탕의 청정도를 높은 수준에서 유지할 수 있으며, 이로 인해 주조된 합금의 특성을 현저하게 개선할 수 있다. 또한 소정의 화합물을 포함하는 모합금을 합금원소로서 첨가함으로써 별도의 처리를 거치지 않아도 합금의 기지에 화합물을 형성시킬 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 합금제조방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 마그네슘 모합금 제조방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 3은 마그네슘 용탕에 산화칼슘을 첨가한 경우 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘이 분해되는 과정을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 알루미늄 모합금 제조방법의 일 실시예를 나타낸 순서도이다.
도 5a 및 5d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 산화칼슘(CaO)을 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금의 조성분석 결과이다.
도 6a 및 6e는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 마그네슘 모합금을 첨가한 알루미늄 합금과 순수 마그네슘을 첨가한 알루미늄 합금의 성분을 분석한 결과이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 의해 제조된 마그네슘 모합금을 첨가한 알루미늄 용탕 및 순수 마그네슘을 첨가한 알루미늄 용탕의 상태를 관찰한 결과이다.
도 8은 본 발명의 실시예를 따르는 알루미늄 합금의 내산화성 시험 결과이다.
도 9는 본 발명의 실시예를 따르는 알루미늄-마그네슘 합금과 동일 조성을 가지는 종래의 알루미늄-마그네슘 합금의 내산화성을 비교한 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 발명의 실시예에 의하면, 소정의 화합물을 1종 이상 포함하는 모합금을 제조한 후 이 모합금을 용탕에 첨가함으로써 합금을 제조한다. 이때 모합금 내에 포함되어 있는 화합물을 제1화합물로 지칭한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 합금제조방법의 순서도가 나타나 있다. 도 1을 참조하면, 주조대상금속이 용해된 용탕을 형성한다(S11). 이때 주조대상금속은 모합금 첨가의 대상이 되는 금속으로서, 주석(Sn), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 니켈(ni), 코발트(Co), 철(Fe), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 몰리브데늄(Mo) 및 텅스텐(W) 중에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 금속의 합금일 수 있다.
다음, 제1화합물을 포함하는 모합금을 주조대상금속의 용탕에 첨가한다(S12). 다음, 모합금 및 주조대상금속이 용해된 용탕을 주조하여 합금을 제조한다(S13).
이때 상기 합금을 제조하기 위해서 도 1과 같이 주조대상금속의 용탕에 모합금을 첨가하는 방법 외에 모합금과 주조대상금속을 용해로에 같이 장착한 후 동시에 용해시켜 제조할 수 있다. 이는 후술하는 모합금 제조 방법에서의 첨가단계에서도 동일하게 적용된다.
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.
본 발명의 실시예에서 상기 모합금은 순수 마그네슘 또는 마그네슘 합금을 모재로 사용할 수 있으며, 이를 모두 마그네슘 모합금으로 지칭한다. 혹은 상기 모합금은 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 모재로 사용할 수 있으며, 이를 모두 알루미늄 모합금으로 지칭한다. 또한 마그네슘 용탕은 편의상 순수 마그네슘 용탕 또는 이에 다른 합금원소가 첨가된 마그네슘 합금 용탕을 모두 지칭하는 것으로 하며, 이는 알루미늄 용탕도 마찬가지 이다. 또한 마그네슘 모합금 용탕 및 알루미늄 모합금 용탕을 통칭하여 모합금 용탕으로 지칭할 수 있다.
이때 모합금 내의 포함된 1종 이상의 제1화합물은 마그네슘 용탕 내에서 2 이상 성분이 결합된 제2화합물을 첨가한 후, 상기 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시켜 형성한 것일 수 있다. 이하에서는 제1화합물을 포함하는 마그네슘 모합금의 제조방법을 구체적으로 기술한다.
도 2에는 마그네슘 모합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도가 나타나 있다. 도 2를 참조하면, 마그네슘 모합금의 제조 방법은 마그네슘 용탕 형성 단계(S21), 제2화합물 첨가 단계(S22), 교반단계(S23) 및 주조 단계(S24)를 포함한다.
마그네슘 용탕 형성 단계(S21)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 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(S21)에서 이용된 마그네슘 합금은 AZ91D, AM20, AM30, AM50, AM60, AZ31, AS141, AS131, AS121X, 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 제2화합물 첨가 단계(S22)에서는 제2화합물을 마그네슘 용탕에 첨가한다. 이때 상기 제2화합물은 2종 이상의 성분이 결합된 화합물일 수 있으며, 마그네슘 용탕 내에서 일부 또는 전부가 소진된다. 이러한 소진의 결과로서, 제2화합물을 구성하는 성분 중 일부와 마그네슘 용탕 내의 금속성분이 서로 결합된 제1화합물을 형성할 수 있다.
혹은 서로 다른 제2화합물을 2종 이상 첨가하는 경우에는, 제2화합물들이 소진되면서 상기 제2화합물들 각각으로부터 공급되는 성분들이 결합된 제1화합물이 형성될 수 있다.
즉, 제2화합물은 마그네슘 용탕 내로 첨가된 후 제1화합물을 구성하는 일부 성분을 제공하는 공급원으로서의 역할을 수행한다.
이때 제2화합물은 칼슘계 화합물일 수 있으며, 예를 들어, 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2), 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
이러한 칼슘계 화합물 또는 스트론튬계 화합물은 마그네슘 용탕 내에서 소진되면서 알칼리토금속계열의 금속성분과 이에 결합되어 있는 비금속 성분이 서로 분해될 수 있다. 이와 같이 알칼리토금속계 화합물로부터 공급되는 금속성분은 마그네슘 용탕 내의 금속성분인 마그네슘과 결합되어 마그네슘 화합물을 형성할 수 있다.
이러한 마그네슘 화합물은 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-스트론튬 화합물 ,마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 산화칼슘으로부터 분해된 칼슘(Ca)은 마그네슘과 결합하여 마그네슘-칼슘 화합물로서 Mg2Ca 등을 형성할 수 있으며, 산화스트론튬으로부터 분해된 스트론튬(Sr)은 마그네슘-스트론튬 화합물로서 Mg2Sr, Mg23Sr6, Mg38Sr9, Mg17Sr2 등을 형성할 수 있다.
다른 예로서 마그네슘 용탕에는 마그네슘 외의 금속성분으로 알루미늄이 용해되어 있을 수 있으며, 이러한 알루미늄과 알칼리토금속이 결합하여 알루미늄 화합물을 형성할 수 있다. 이러한 알루미늄 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 알루미늄-스트론튬 화합물 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 산화칼슘으로부터 분해된 칼슘은 알루미늄과 결합하여 알루미늄-칼슘 화합물로서 Al2Ca, Al4Ca 등을 형성할 수 있으며, 산화스트론튬으로부터 분해된 스트론튬(Sr)은 알루미늄과 결합하여 알루미늄-스트론튬 화합물로서 Al4Sr 등을 형성할 수 있다.
경우에 따라 마그네슘 용탕 내의 마그네슘 성분 및 알루미늄 성분이 같이 결합하여 (Mg,Al)2Ca 등과 같은 복합산화물을 형성할 수 있다.
제2화합물의 다른 예로서 실리콘계 화합물을 들 수 있다. 이때 실리콘계 화합물은, 예를 들어, 산화실리콘(SiO2) 등을 포함할 수 있다. 상술한 것과 마찬가지로 산화실리콘으로부터 분해된 실리콘(Si)은 마그네슘 용탕 내에서 마그네슘 성분과 결합하여 마그네슘-실리콘 화합물, 예를 들어 Mg2Si 등을 형성할 수 있다.
또 다른 예로서 제2화합물은 희토류계 화합물일 수 있으며, 예를 들어, 산화스칸듐(Sc2O3), 산화세슘(CeO2) 등을 포함할 수 있다. 상술한 것과 마찬가지로 희토류계 화합물로부터 공급되는 희토류계 금속은 마그네슘 또는 알루미늄과 결합할 수 있다. 예를 들어 세슘(Ce)은 알루미늄과 결합하여 알루미늄-세슘 화합물으로서 Al2Ce 등을 형성할 수 있으며, 스칸듐(Sc)은 알루미늄과 결합하여 알루미늄-스칸듐 화합물로서 Al2Sc을 형성할 수 있다.
또한 이러한 제2화합물은 2종 이상 복수로 첨가될 수 있다. 예를 들어 마그네슘 용탕 내에 산화칼슘과 산화실리콘을 동시에 첨가할 수 있다. 이때 마그네슘 용탕 내에서 산화칼슘으로부터 공급되는 칼슘과 산화실리콘으로부터 공급되는 실리콘이 서로 결합되어 칼슘-실리콘 화합물, 예를 들어 CaSi 등이 형성될 수 있다.
한편, 마그네슘 용탕 내로 투입되는 제2화합물에 의해 마그네슘 용탕의 내산화성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 칼슘계 화합물을 마그네슘 용탕에 첨가되는 경우, 마그네슘 용탕의 내산화성 향상으로 인해 내발화성이 증가되어 마그네슘 용탕으로의 산화물 또는 기타 개재물의 혼입이 억제된다. 따라서 마그네슘의 용해 시 필요한 보호가스의 양을 현저히 저감시키거나 사용하지 않을 수 있다.
마그네슘 모합금에 포함된 제1화합물은 주조대상금속에 비해 융점이 높은 것일 수 있다. 예를 들어, Mg2Si, Al2Ca, Al4Sr, Al2Sc, Al2Se은 융점이 각각, 1085℃, 1079℃, 1040℃, 1420℃, 1480℃이며, 주조대상금속이 주석, 아연, 마그네슘, 알루미늄 일 경우 융점은 각각 231.9℃, 419.5℃, 649℃, 660.1℃ 이다.
따라서 이러한 주조대상금속에 비해 더 높은 융점을 가지는 제1화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 합금원소로서 주조대상금속의 용탕에 첨가하는 경우, 주조된 후의 주조대상금속 기지에는 제1화합물이 분포될 수 있다. 즉, 주조대상금속의 용탕은 제1화합물의 융점보다 더 낮은 온도에서 액상으로 유지됨에 따라, 마그네슘 모합금과 함께 첨가되는 제1화합물은 상기 주조대상금속의 용탕 내에서도 용융되지 않고 고상으로 존재하며, 주조 후 응고된 후에는 주조대상금속의 기지 상에 분포하게 된다.
따라서 주조대상금속에 비해 더 높은 융점을 가지는 제1화합물을 함유한 모합금을 첨가함으로써 열처리나 기계적 가공 같은 별도의 처리를 수행하지 않더라도 상기 금속의 기지 상에 화합물을 형성시킬 수 있다.
예를 들어, 상용 알루미늄 합금인 6063합금은 알루미늄에 기지 상에 Mg2Si을 다량 분포시켜 기계적 강도를 대폭 향상시킨 것이다. 이때 Mg2Si를 형성하기 위하여 알루미늄에 마그네슘과 실리콘을 첨가한 후 열처리를 수행하여 알루미늄 기지에 Mg2Si을 석출시키게 된다.
이에 비해 본 발명의 실시예에 의할 시, 제1화합물로서 Mg2Si가 포함된 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 첨가한 후 이를 주조함으로써 알루미늄의 기지에 Mg2Si이 형성된 알루미늄 합금을 용이하게 제조할 수 있다.
마그네슘 용탕에 첨가된 제2화합물의 성분 중 마그네슘 용탕 내의 금속성분과 결합되지 않은 나머지 성분은 마그네슘 용탕 표면 위를 통해 기체 상태로 대기 중으로 배출되거나 드로스(dross) 또는 슬러지(sludge)로서 용탕 상부에 부유할 수 있다.
첨가되는 제2화합물은 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 제2화합물의 크기는 0.1 내지 500㎛일 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.1 내지 200㎛ 일 수 있다.
제2화합물의 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.
제2화합물의 크기가 500㎛를 초과할 경우에는 반응을 위한 표면적이 감소되며, 더 나아가 제2화합물이 마그네슘 용탕과 반응하지 않을 수 있다.
첨가되는 제2화합물은 0.001 내지 30wt%가 첨가될 수 있으며, 보다 엄격하게는 0.01 내지 15wt%가 첨가될 수 있다. 제2화합물의 첨가량의 총합이 0.001wt% 미만인 경우에는 제2화합물 첨가의 효과가 미미하거나 거의 발생되지 않게 된다. 또한 제2화합물의 첨가량의 총합이 30wt%를 초과하게 되면 용탕의 유동성이 열화될 수 있다.
제2화합물은 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 제2화합물이 미세 입자를 가진 분말일 경우에는 시간차를 두고 복수의 단계로 투입함으로써 분말의 응집 가능성을 낮추면서 반응을 촉진시킬 수 있다.
제2화합물의 분해 및 반응을 촉진하기 위하여 마그네슘 용탕의 상층부의 표면에 분산시켜 첨가할 수 있다. 도 3은 예시적으로 용해로(1) 내의 마그네슘 용탕(10)에 산화칼슘(20)을 첨가한 경우 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘(20)이 분해되는 과정을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 마그네슘 용탕의 상층부에서 산화칼슘(20)은 산소(O2)와 칼슘(Ca)으로 분해된다. 이때 분해된 산소는 기체(O2)로서 마그네슘 용탕 바깥으로 배출되거나 드로스 또는 슬러지로서 마그네슘 용탕 상부에 부유하게 된다. 한편, 분해된 칼슘은 용탕 내에서 다른 원소, 예를 들어 마그네슘(Mg) 또는 알루미늄(Al) 반응하여 다양한 화합물을 형성하게 된다.
따라서 본 실시예에서는 제2화합물이 마그네슘 용탕의 내부로 혼입되게 하기 보다는 용탕의 표면에서 반응하도록 반응환경을 조성하는 것이 중요하다. 이를 위해 첨가된 제2화합물이 용탕의 표면에 가능한 장시간 체류하며 대기 중에 노출되도록 유지할 수 있다.
첨가된 제2화합물의 분해 및 반응을 더욱 촉진시키기 위하여 마그네슘 용탕의 교반단계(S23)를 수행할 수 있다. 이때 교반은 제2화합물의 투입과 동시에 시작하거나 혹은 첨가된 제2화합물이 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 제2화합물의 적극적인 반응을 유도하는 경우에는 제2화합물의 반응이 오히려 효율적이지 못하여 분해되지 않은 상태에서 최종 용탕 속에 잔류하는 빈도가 증가하였다. 이렇게 제2화합물이 최종 용탕 속에 잔류하는 경우에는 주조된 마그네슘 합금 내에 그대로 편입되며 이 경우 마그네슘 합금의 기계적 특성을 열화시킬 수 있다.
표 1에는 AM60B 마그네슘 용탕에 산화칼슘(CaO)을 첨가한 경우 교반 방법에 따른 잔류 산화칼슘의 잔량을 측정한 결과이다. 이때 첨가된 산화칼슘의 크기는 70㎛ 이었으며, 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% 이하의 상층부에서 이루어질 수 있으며, 엄격하게는 용탕 전체 깊이의 10% 이하의 상층부에서 이루어질 수 있다. 20% 이상의 깊이에서는 표면에서의 제2화합물의 분해가 일어나기 어렵게 된다.
이때 교반을 위한 시간은 용탕의 온도와 투입되는 분말의 상태에 따라 차이가 있을 수 있으며, 첨가된 제2화합물이 용탕 내에서 완전히 소진될 때까지 충분히 교반할 수 있다. 여기서 소진은 제2화합물의 분해가 실질적으로 완료되는 것을 의미한다.
이러한 교반에 의해 마그네슘 용탕에서 제2화합물의 분해 및 이러한 분해에 의해 공급되는 성분이 마그네슘 용탕 내에서 금속성분과 반응하여 다양한 제1화합물을 생성하는 과정을 더욱 촉진시킬 수 있다.
마그네슘 용탕의 교반단계(S23)가 완료되면, 상기 마그네슘 용탕을 주형에 넣어 응고시키는 주조단계(4)를 거쳐 마그네슘 모합금이 제작된다.
한편 마그네슘 용탕에 제2화합물을 첨가하는 단계(S22)에서 제2화합물로서 칼슘계 화합물 또는 스트론튬계 화합물 대신에 원소상태의 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)의 첨가하여 마그네슘 모합금을 제조할 수 있다. 이 경우 첨가된 칼슘 또는 스트론튬은 제2화합물과 유사하게 마그네슘 용탕 내에서 용해되면서 제1화합물을 형성하게 된다.
모합금의 다른 예로서 알루미늄 모합금을 이용할 수 있다. 도 6에는 알루미늄 모합금의 제조방법의 일실시예를 나타낸 순서도가 나타나 있다. 도 4를 참조하면, 알루미늄 모합금의 제조 방법은 알루미늄 용탕 형성 단계(S31), 마그네슘 합금 첨가 단계(S32), 교반단계(S33) 및 주조 단계(S34)를 포함한다.
알루미늄 용탕 형성 단계(S31)에서는 알루미늄을 도가니에 넣고 600 내지 900℃ 범위에서 가열하여 알루미늄 용탕을 형성한다.
알루미늄 용탕 형성 단계(S31)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.
다음으로, 마그네슘 합금 첨가 단계(S32)에서는 알루미늄 용탕에 위에서 설명한 방법으로 제조된, 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금을 첨가한다.
이때 마그네슘 합금 첨가 단계(S32)에서 마그네슘 합금은 알루미늄 100 중량부에 대하여 0.0001 내지 30 중량부가 첨가될 수 있다. 첨가되는 마그네슘 합금이 0.0001 중량부 미만이 경우에는 마그네슘 합금 첨가에 따른 효과가 작을 수 있다. 또한, 상기 마그네슘 모합금이 30 중량부를 초과하게 되면 원래의 알루미늄 합금의 특성이 나타나지 않는다.
이때 마그네슘 합금의 측면은 괴상의 측면으로 첨가될 수 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 분말 측면, 그래뉼 측면 등 다른 측면을 가질 수 있다. 또한 마그네슘 모합금의 크기도 제한하는 것은 아니다.
이러한 마그네슘 합금 첨가 단계(S32)에서 마그네슘 합금 내에 포함된 제1화합물도 같이 알루미늄 용탕내로 제공되게 된다. 상술한 바와 같이 상기 마그네슘 합금 내에는 알루미늄 보다 더 높은 융점을 가지는 제1화합물을 가질 수 있으며, 이러한 제1화합물을 포함하는 마그네슘 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하는 경우, 알루미늄 합금 내에 상기 제1화합물이 포함될 수 있다.
다음으로, 알루미늄 용탕을 소정 시간 교반한 후(S33), 상기 알루미늄 용탕을 주형에 넣어 응고시키는 주조단계(34)를 거쳐 알루미늄 합금을 제조한다.
이때 제조된 알루미늄 합금은 1000 계열, 2000 계열, 3000 계열, 4000 계열, 5000 계열, 6000 계열, 7000 계열 및 8000 계열 소성가공용(Wrought) 알루미늄 또는 100 계열, 200계열, 300 계열, 400 계열, 500 계열, 700 계열 주조용 (Casting) 알루미늄 중에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
이와 같이 제1화합물을 포함한 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금을 다시 합금원소로서 주조대상금속의 용탕에 첨가하는 경우에 상기 주조대상금속의 용탕의 내산화성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 칼슘계 화합물을 첨가한 마그네슘 모합금에는 제1화합물로서 마그네슘-칼슘 화합물, 알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물 등을 함유할 수 있으며, 이러한 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 모합금에도 위의 제1화합물들이 포함되어 있다.
이러한 제1화합물을 포함하는 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금의 내산화성이 크게 증가함에 따라, 상기 제1화합물을 포함하지 않은 마그네슘 또는 알루미늄을 첨가할 때에 비해 주조대상금속의 용탕 내의 산화물 등의 불순물의 개재가 현저하게 감소하게 된다. 따라서 상술한 본 발명의 실시예를 따르는 모합금을 합금원소로 첨가하는 경우에는 보호가스를 사용하지 않더라도 주조대상금속 용탕의 청정도가 크게 향상되어 상기 용탕의 품질을 현저하게 개선할 수 있다. 이러한 용탕품질의 개선으로 인하여 주조된 합금의 기계적, 화학적 특성과 같은 재료물성도 크게 개선되게 된다.
알루미늄 용탕에 마그네슘 합금을 첨가하는 단계(S22)에서 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금을 첨가하는 대신에 원소상태의 칼슘(Ca) 또는 스트론튬(Sr)의 첨가하여 마그네슘 모합금을 제조할 수 있다. 이러한 칼슘 또는 스트론튬은 알루미늄 용탕 내에서 용해되면서 알루미늄과 반응하여 제1화합물로서 Al2Ca, Al4Ca, Al4Sr 등을 형성할 수 있다.
한편 위에서 제시된 모합금 제조방법은 모두 제2화합물 또는 순수 원소를 모합금 용탕에 첨가한 후 모합금 용탕 내에서 반응시켜 제1화합물을 형성하는 것 이었으나, 이에 한정되지 않으며 다른 실시예로서 모합금 용탕 내에 제1화합물을 직접 첨가하는 것도 가능하다. 이때 제1화합물은 외부에서 다양한 방식으로 제조된 것일 수 있다.
예를 들어 알루미늄 분말과 칼슘 분말을 볼-밀 등과 장치에 투입하고, 기계적 합금화법(mechanical alloying)을 통해 Al2Ca 분말을 제조한 후, 이를 제1화합물로서 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕에 투입할 수 있다. 이 경우에 Al2Ca는 주조된 마그네슘 합금 또는 알루미늄 합금 내에 제1화합물로서 포함되게 된다.
다른 예로서 위와 같이 제조한 Al2Ca 분말을 마그네슘 용탕에 첨가하여 Al2Ca를 함유하는 마그네슘 합금을 제조한 후, 이를 알루미늄 용탕에 다시 첨가함으로써 Al2Ca를 함유하는 알루미늄 모합금을 제조하는 것이 가능하다.
위에서는 제1화합물을 형성하는 방법으로서 기계적 합금화법을 제시하였으나, 이에 한정되지 않으며 제1화합물을 형성할 수 있는 방법이면 어떠한 방법을 사용하더라도 무방한다.
한편 상술한 제1화합물을 포함하는 모합금은 희석하는 단계를 더 거쳐 제조될 수 있다. 예를 들어 상술한 방법에 의해 제조된 마그네슘 모합금(편의상 이를 제1마그네슘 모합금으로 칭한다)을 다시 마그네슘 용탕에 투입하여 희석시켜 제1화합물의 농도를 감소시킨 제2마그네슘 모합금을 형성할 수 있다. 마찬가지로 제1알루미늄 모합금을 희석하여 제2알루미늄 모합금을 형성할 수 있음은 물론이다.
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.
도 5a 내지 5d에는 본 발명의 실시예에 따른 마그네슘 모합금으로서, 합금원소로서 알루미늄을 포함하는 마그네슘 합금에 제2화합물로서 산화칼슘(CaO)을 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금의 EPMA(Electron Probe Micro Analyzer) 분석 결과가 나타나 있다.
도 5a는 후방 산란 전자(back scattering electron)를 이용하여 관찰한 마그네슘 모합금의 미세조직을 나타낸 것이다. 도 5a에 나타나 있듯이, 마그네슘 모합금은 화합물(백색부분)로 둘러싸인 영역, 즉 결정립을 복수로 가지는 미세조직을 나타낸다. 이때 화합물(백색부분)은 결정립계를 따라 형성되어 있다.
도 5b 내지 5d는 화합물(백색부분) 영역의 성분을 EPMA로 매핑(mapping)한 결과로서, 각각 알루미늄, 칼슘 및 산소의 분포영역을 나타내는 결과이다. 도 5b 및 도 5c에 나타낸 것과 같이 화합물(도 5a의 백색부분)은 각각 알루미늄과 칼슘이 검출되었으나 산소는 검출되지 않았다(도 5d).
이로부터 마그네슘 모합금의 결정립계에는 산화칼슘으로부터 분리된 칼슘이 모재에 포함된 알루미늄과 반응하여 생성된 알루미늄-칼슘 화합물이 분포하고 있음을 알 수 있다. 이러한 알루미늄-칼슘 화합물은 금속간화합물인 Al2Ca 또는 Al4Ca 일 수 있다.
도 6a 내지 6e는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 모합금의 EPMA 분석 결과이다. 이때 알루미늄 용탕에 첨가된 마그네슘 모합금은 알루미늄을 포함하는 마그네슘 용탕에 산화칼슘을 첨가하여 제조한 것이었다.
도 6a에는 알루미늄 모합금의 조직을 EPMA로 관찰한 결과가 나타나 있으며, 도 6b 내지 6e에는 EPMA를 이용한 성분 매핑 결과로서 각각 알루미늄, 칼슘, 마그네슘 및 산소의 매핑결과가 나타나 있다. 도 6b 내지 6d를 통해 알 수 있듯이 알루미늄 기지 상에 칼슘과 마그네슘이 동일위치에서 검출되었으며, 도 6e에서와 같이 산소는 검출되지 않았다. 이로부터 알루미늄 모합금에는 마그네슘 모합금 내에 제1화합물로서 포함되었던 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물이 알루미늄 모합금에서도 제1화합물로서 존재함을 알 수 있다.
한편, 도 7a에는 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 용탕의 상태가 나타나 있으며, 도 4b에는 순수한 마그네슘을 첨가하여 제조한 알루미늄 용탕의 상태가 나타나 있다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 마그네슘 모합금을 첨가한 경우에는 보호가스를 사용하지 않음에도 용탕의 상태가 양호함에 비해 순수한 마그네슘을 첨가한 경우에는 마그네슘의 산화로 인해 용탕의 표면이 흑색으로 변해있는 것을 알 수 있다. 이로부터 본 발명의 실시예에 따라 제조된 마그네슘 모합금을 첨가하는 경우 용탕의 내산화성이 현저하게 증가됨을 확인할 수 있다.
표 2에는 마그네슘 용탕에 베릴륨(Be)을 첨가하는 경우와 산화칼슘을 첨가하는 경우에 보호가스인 SF6의 투입양에 따른 마그네슘 용탕의 상태를 관찰하여 비교한 결과가 나타나 있다. 이때 마그네슘 용탕은 알루미늄이 0.45wt% 첨가된 마그네슘-알루미늄 합금(Mg-0.45Al)으로 제조한 것이었다.
표 2
SF6 (%) Be 첨가량(wt%) CaO 첨가량(wt%)
0 5 10 20 0.01 0.05 0.1 0.3
0(CO2 100%) XX X X X X X ○ ◎
0.05 X X X △ △ ○ ◎ ◎
0.1 X △ △ ○ ○ ○ ◎ ◎
0.2 △ ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎
0.5 ○ ○ ○ ○ ◎ ◎ ◎ ◎
◎:매우양호, ○:양호, △:보통, X:불량, XX:매우불량
베릴륨의 경우에는 20wt%을 투입하여도 SF6 가스가 없는 경우에는 용탕이 발화되는 등 불량한 특성을 보인 반면, 산화칼슘의 경우에는 0.1wt% 이상에서는 양호한 용탕 상태를 나타내었다. 동일한 SF6 가스 투입량에 있어서도 베릴륨보다 더 작은 양의 산화칼슘을 투입한 경우에 더 우수한 용탕 상태를 나타내었다. 이로부터 베릴륨을 첨가하는 경우에 비해 산화칼슘을 첨가하는 경우가 더 작은 양을 첨가하는 경우에도 더 우수함을 알 수 있었다.
도 8에는 마그네슘 모합금의 산화칼슘의 함유량에 따른 내산화성 결과가 나타나 있다. 마그네슘 모합금의 산화는 산소분위기에서 수행되었으며, 산화는 550℃에서 40시간 동안 수행되었다. 도 8을 참조하면, 산화칼슘의 함량이 증가할수록 내산화성이 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.
도 9는 동일한 마그네슘 조성을 가진 알루미늄 합금으로서, 본 발명의 실시예를 따라 제조된 알루미늄 합금과 그렇지 않은 알루미늄 합금의 내산화성을 비교할 것이다. 이때 x축은 등온산화시간(분)을 나타내며 y축은 무게증가율(%)을 나타낸다. 또한 적색실선, 녹색실선, 청색실선은 각각 마그네슘의 조성이 2.5wt%, 5wt%, 10wt%인 알루미늄 합금을 의미하며, 동일한 색상의 점선은 동일한 마그네슘 조성을 가지되, 제2화합물로서 산화칼슘을 첨가하여 제조한 마그네슘 모합금을 첨가하여 제조한 알루미늄 합금을 의미한다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예를 따르는 알루미늄 합금의 내산화성이 우수함을 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 (50)

1종 이상의 제1화합물을 포함하는 모합금 및 주조대상금속이 용해된 용탕을 형성하는 단계; 및
상기 용탕을 주조하는 단계;를 포함하며,
상기 모합금은 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금인, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 주조대상금속에 비해 더 높은 융점을 가지는 것인, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 주조대상금속은 주석, 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 니켈, 코발트, 철, 티타늄, 바나듐, 몰리브데늄 및 텅스텐 중 어느 하나 또는 이들의 합금 중 어느 하나인, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕 내에서 2종 이상의 성분이 결합된 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시켜 형성한 것인, 합금제조방법.
제4항에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕 내에서 상기 제2화합물을 실질적으로 모두 소진시켜 형성한 것인, 합금제조방법.
제4항에 있어서, 상기 제1화합물은 상기 소진된 제2화합물로부터 공급된 성분과 상기 마그네슘 용탕 내의 금속성분이 서로 결합된 것인, 합금제조방법.
제6항에 있어서, 상기 금속성분은 마그네슘 또는 알루미늄인, 합금제조방법.
제4항에 있어서, 상기 제1화합물은, 상기 소진되는 2종 이상의 제2화합물로부터 각각 공급되는 성분이 결합되어 생성된 것인, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 용탕 또는 알루미늄 용탕 내에서 칼슘 또는 스트론튬 중 어느 하나의 적어도 일부를 용해시켜 형성한 것인, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 상기 모합금의 용탕에 첨가된 것인, 합금제조방법.
제10항에 있어서, 상기 제1화합물은 기계적 합금화 방법에 의해 제조된, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 화합물을 포함하는, 합금제조방법.
제12항에 있어서, 상기 마그네슘 화합물은 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-스트론튬 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제12항에 있어서, 상기 마그네슘 화합물은 Mg2Ca, (Mg,Al)2Ca, Mg2Sr, Mg23Sr6, Mg38Sr9, Mg17Sr2 및 Mg2Si 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 알루미늄 화합물을 포함하는, 합금제조방법.
제15항에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 알루미늄-스트론튬 화합물, 알루미늄-세슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제15항에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 Al2Ca, Al4Ca, Al4Sr, Al2Sc 및 Al2Ce 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 제1화합물은 칼슘-실리콘 화합물을 포함하는, 합금제조방법.
제18항에 있어서, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi를 포함하는, 합금제조방법.
제4항에 있어서, 상기 제2화합물은 칼슘계 화합물, 스트론튬계 화합물, 실리콘계 화합물 또는 희토류금속계 화합물을 포함하는, 합금제조방법.
제20항에 있어서, 상기 칼슘계 화합물은 산화칼슘(CaO), 시안화칼슘(CaCN2), 탄화칼슘(CaC2) 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제20항에 있어서, 상기 스트론튬계 화합물은 산화스트론튬(SrO)을 포함하는, 합금제조방법.
제20항에 있어서, 상기 실리콘계 화합물은 산화실리콘(SiO2)을 포함하는, 합금제조방법, 합금제조방법.
제20항에 있어서, 상기 희토류금속계 화합물은 산화스칸듐(Sc2O3) 및 산화세슘(CeO2) 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은,
마그네슘 용탕에 2 이상의 성분이 결합된 제2화합물을 1종 이상 첨가하는 단계;
상기 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시키는 단계; 및
상기 마그네슘 용탕을 주조하여 제1마그네슘 모합금을 제조하는 단계;
를 포함하는, 합금제조방법.
제25항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은,
상기 제1마그네슘 모합금을 마그네슘 용탕에 투입하여 희석시켜 제2마그네슘 모합금을 형성하는 단계를 더 포함하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은,
알루미늄 용탕에 2 이상의 성분이 결합된 제2화합물을 1종 이상 첨가하는 단계;
상기 제2화합물 중 적어도 일부를 소진시키는 단계; 및
상기 알루미늄 용탕을 주조하여 제1알루미늄 모합금을 제조하는 단계;
를 포함하는, 합금제조방법.
제27항에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은,
상기 제1알루미늄 모합금을 알루미늄 용탕에 투입하여 희석시켜 제2알루미늄 모합금을 형성하는 단계를 더 포함하는, 합금제조방법.
제25항에 있어서, 상기 제2화합물은 상기 마그네슘 용탕 상층부의 표면에 분산시켜 첨가하는, 합금제조방법.
제29항에 있어서, 상기 마그네슘 용탕의 상층부에 교반을 실시하는, 합금제조방법.
제30항에 있어서, 상기 교반은 상기 마그네슘 용탕의 표면으로부터 상기 마그네슘 용탕 전체 깊이의 20% 이하의 상층부에서 이루어지는, 합금제조방법.
제25항에 있어서, 상기 제2화합물 중 어느 하나의 성분은 상기 마그네슘 용탕 표면 위로 제거되는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 모합금의 제조방법은,
모합금 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및
상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 소진시키는 단계;
를 포함하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은,
마그네슘 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및
상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 마그네슘 합금을 알루미늄 용탕에 첨가하여 제조하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은,
알루미늄 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및
상기 알루미늄 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 알루미늄 합금을 알루미늄 용탕에 첨가하여 제조하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은,
알루미늄 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및
상기 알루미늄 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 알루미늄 합금을 마그네슘 용탕에 첨가하여 제조하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 마그네슘 모합금의 제조방법은,
마그네슘 용탕에 칼슘 또는 스트론튬을 첨가하는 단계; 및
상기 마그네슘 용탕 내에서 상기 칼슘 또는 스트론튬의 적어도 일부를 용해시키는 단계;를 포함하여 제조한 마그네슘 합금을 마그네슘 용탕에 첨가하여 제조하는, 합금제조방법.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 모합금의 제조방법은,
상기 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금을 상기 알루미늄 용탕에 첨가하는 단계를 포함하는, 합금제조방법.
제38항에 있어서, 상기 제1화합물을 포함하는 마그네슘 합금은,
마그네슘 용탕에 제2화합물을 첨가하는 단계; 및
상기 마그네슘 용탕을 주조하는 단계;
를 포함하여 제조되는, 합금제조방법.
금속기지; 및
상기 금속기지에 존재하는 제1화합물;을 포함하는 합금이며,
상기 제1화합물은 마그네슘 모합금 또는 알루미늄 모합금 내에 포함되어 상기 합금을 주조하기 위해 제조된 용탕 내에 투입된 것인, 합금.
제40항에 있어서, 상기 금속기지는 주석, 알루미늄, 아연, 마그네슘, 구리, 니켈, 코발트, 철, 티타늄, 바나듐, 몰리브데늄 및 텅스텐 중 어느 하나이거나 또는 이들의 합금 중 어느 하나를 포함하는, 합금.
제40항에 있어서, 상기 제1화합물은 마그네슘 화합물을 포함하는, 합금제조방법.
제42항에 있어서, 상기 마그네슘 화합물은 마그네슘-칼슘 화합물, 마그네슘-알루미늄-칼슘 화합물, 마그네슘-스트론튬 화합물, 마그네슘-실리콘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금제조방법.
제42항에 있어서, 상기 마그네슘 화합물은 Mg2Ca, (Mg,Al)2Ca, Mg2Sr, Mg23Sr6, Mg38Sr9, Mg17Sr2 및 Mg2Si 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금.
제40항에 있어서, 상기 제1화합물은 알루미늄 화합물을 포함하는, 합금.
제45항에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 알루미늄-칼슘 화합물, 알루미늄-스트론튬 화합물, 알루미늄-세슘 화합물 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금.
제45항에 있어서, 상기 알루미늄 화합물은 Al2Ca, Al4Ca, Al4Sr, Al2Sc 및 Al2Ce 중 어느 하나 이상을 포함하는, 합금.
제45항에 있어서, 상기 제1화합물은 칼슘-실리콘 화합물을 포함하는, 합금.
제48항에 있어서, 상기 칼슘-실리콘 화합물은 CaSi를 포함하는, 합금.
제40항에 있어서, 상기 합금은 상기 제1화합물을 포함하지 않은 모합금을 첨가하여 동일조건으로 제조된 합금에 비해 개재물의 농도가 더 감소한, 합금.
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