KR20160060875A

KR20160060875A - 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20160060875A
Application number: KR1020140162860A
Authority: KR
Inventors: 김재황; 이후담; 이태규; 박훈모; 이경문
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2014-11-20
Filing date: 2014-11-20
Publication date: 2016-05-31
Also published as: KR101628537B1

Abstract

본 발명에 의한 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법은, 알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 응고시키는 단계를 포함한다.

Description

고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법{HIGH ELASTICITY AND STRENGTH ALUMINUM ALLOY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Al-Si-Ti-B계 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

Al-Si 기반의 합금, 그 중에서도 특히 Si을 12%(wt%, 이하 wt 생략) 첨가한 Al-12%Si 합금은, 융점이 낮기 때문에 주조용 합금으로 널리 사용되고 있다. 일반적으로 합금을 냉각하여 응고시킬 때, 가장 낮은 온도에서 상변화(액상 → 고상)가 일어나는 조성을 공정 조성이라 한다.

Al-12%Si 조성이 바로 공정 조성에 해당된다. Al-12%Si 기반의 ADC12 합금에 5%Ti 및 1%B을 첨가하면, Al3Ti, TiB2, AlB2 등의 강화상이 형성되어 탄성이 최대 90GPa까지 증가하게 된다. 그러나 알루미늄 합금에 Ti 및 B 등의 합금 원소가 첨가 될 경우, 합금의 응고 특성이 변화될 수 있다. 응고 특성이 변화된다는 것은, 합금의 융점과 응고 속도(합금이 냉각되는 속도)에 변화가 생기며, 이러한 변화는 합금의 조직 및 기계적 특성을 변화시키는 요인이 된다. 현재까지는 합금 원소의 첨가에 따른 합금의 응고 특성을 예측할 수 없어 Try & Error 방식으로 합금 개발을 해왔지만, 이러한 방식은 비용과 시간이 많이 소요된다는 문제가 있었다. 그러나 최근 합금의 물성 및 물리적 특성을 예측할 수 있는 기술이 발달되어 열역학 기반의 소프트웨어를 활용하여 합금의 특성을 예측하고, 이를 기반으로 합금 개발을 함으로써, 비용 및 시간을 절약할 수 있게 되었다. 이러한 시뮬레이션을 통해 평형 상태도, 합금의 물성 및 물리적 특성 예측이 가능하다. 특히, 평형 상태도 예측을 기반으로 합금의 응고 특성을 예측함으로써, 합금의 활용 방안 또한 한정할 수 있다. 특히, 냉각속도 예측 및 실험으로 신합금의 물성 향상을 기대할 수 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 냉각 속도를 제어하여 강도와 탄성을 향상시킬 수 있는 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법은, 알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 응고시키는 단계를 포함한다.

상기 응고시키는 단계 이전에, wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B가 3.5~5:1인 알루미늄 용탕을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 응고시키는 단계는, 760℃ 이하에서 응고가 시작되고, 250℃ 이상에서 응고가 종료되는 것을 특징으로 한다.

상기 응고시키는 단계는, TiB₂ 및 Al₃Ti의 탄성 강화상이 형성되는 것을 특징으로 한다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄성 고강도 알루미늄 합금은, 알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 제조된 것을 특징으로 한다.

wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B가 3.5~5:1인 것을 특징으로 한다.

분율로, TiB₂: 3% 이상, Al₃Ti: 2% 이상의 탄성 강화상이 형성된 것을 특징으로 한다.

항복강도가 200MPa 이상이고, 결정립 크기가 10㎛ 미만인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 냉각 속도의 제어를 통해 강성과 탄성을 최대화시킬 수 있다.

둘째, 특정 조성에서의 물성을 최대화시킬 수 있다.

도 1은 ADC12 합금의 상태도 시뮬레이션,
도 2는 ADC12-5Ti-1B 합금의 상태도 시뮬레이션,
도 3은 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 공정 조성을 비교한 상태도,
도 4는 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 냉각속도에 따른 온도 변화를 비교한 그래프,
도 5는 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 응고 과정의 액상 분율을 비교한 그래프,
도 6은 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 냉각속도 변환점에서의 액상 분율을 비교한 그래프,
도 7은 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 냉각속도에 따른 물성 변화를 나타낸 표,
도 8은 Ti:B 비율이 6 이상일 경우 유동성이 부족하여 제대로 주조되지 않는 상태를 나타낸 사진,
도 9는 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 주조성이 동등한 것을 나타낸 사진,
도 10은 Ti의 함량에 따른 강화상의 생성량과 탄성계수, 융점을 비교한 표이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 고탄성 고강도 알루미늄 합금 및 그 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 상태도에서 볼 수 있는 공정조성, 즉 융점이 가장 낮은 조성은 각각 ADC12이 약 12%Si이고, ADC12-5Ti-1B이 약 14%Si이다. 따라서 ADC12 합금이 공정조성인 12%Si에서 ADC12-5Ti-1B 합금은 아공정 조성이 된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 3℃/s 이하의 냉각속도일 때에는 ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 응고 시작 시점과 종료 시점이 유사하지만, 5℃/s 이상의 냉각속도일 때에는 ADC12 합금에 비해 ADC12-5Ti-1B 합금의 응고 시작 시점과 종료 시점이 빠른 것을 알 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, ADC12 합금과 ADC12-5Ti-1B 합금의 응고 중 온도 변화가 크지 않은 구간에서, ADC12 합금에 비해 ADC12-5Ti-1B 합금의 응고중 액상의 분율이 낮아지는 것을 알 수 있는데, 이는 ADC12-5Ti-1B 합금이 아공정 조성에서 응고되는 것을 뜻하며, 이렇게 응고되는 과정 중에 강화상이 많이 생성되는 것을 나타내는 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 기존의 ADC12 합금에 비해 ADC12-5Ti-1B 합금의 경우 냉각속도에 따른 물성의 차이가 보다 커지는 것을 알 수 있다. ADC12-5Ti-1B는 냉각 속도가 빨라짐에 따라 항복강도가 높아지고, 결정립이 미세화되는 것을 알 수 있다. 즉, 물성의 냉각속도에 대한 의존도가 높으며, 물성을 향상시키기 위해서는 빠른 냉각 속도가 요구되는 것이다.

도 8은 Ti:B의 비율이 6:1인 ADC12-6Ti-1B 합금의 알루미늄 용탕을 이용하여 주조시, 금형에 제대로 충진되지 못하는 문제를 나타내는 사진이고, 도 9는 ADC12-5Ti-1B 합금이 ADC12 합금과 동등한 수준의 주조성, 즉 유동성을 가지는 것을 나타내는 사진이다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, Ti:B의 비율이 5:1을 초과할 경우 주조성의 문제가 발생하기 때문에 Ti의 과량 함유는 바람직하지 않은 것이다.

도 10에 도시된 바와 같이, Ti의 함량은 탄성계수에 직접적인 영향을 미치지만, 과량 함유될 경우 융점이 지나치게 상승하여 상술한 주조성 문제가 발생하게 되는 것이다.

고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법은, 알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 응고시키는 단계를 포함한다.

순물질의 융점은 일정하여 특정 온도에서 응고가 시작되고 종료되지만, 합금과 같은 혼합물의 융점은 그 조성에 따라 달라지고, 응고의 시작 온도와 종료 온도 역시 일정 범위를 가지게 된다.

냉각 속도를 5℃/s 이상으로 할 경우, 냉각 속도가 3℃/s 이하로 느릴 때에 비해 강화상의 생성량이 늘어나고, 같은 온도에서도 응고되는 양이 더 많아지게 된다. 이는 후술할 항복강도 및 결정립의 크기에 영향을 미치게 되는데, 소규모의 결정핵이 대량으로 발생하면서 각각의 결정립의 성장을 억제하고, 미세화된 결정립을 기반으로 항복강도가 높아지는 것이다. 또한, 역시 후술할 조성에 의해, 탄성을 향상시킬 수 있는 탄성 강화상인 TiB₂ 및 Al₃Ti이 형성되어 탄성계수가 높아지게 된다.

응고시키는 단계 이전에, wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B가 3.5~5:1인 알루미늄 용탕을 제조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

Ti:B 조성비가 5:1 초과이거나 Ti의 함량이 5% 초과일 경우, 합금의 용융 온도가 상승되어 실제 주조에 적용할 때 유동성의 문제가 발생한다. 이는 용탕이 형틀 내부를 완전히 채우지 못 한 상태로 굳어버리는 문제를 일으키는 원인이 된다. 반면 Ti:B의 조성비가 3.5 미만이거나 Ti의 함량이 3.5% 미만일 경우, 합금 내부에 탄성 강화상인 Al₃Ti이 형성되지 않기 때문에 탄성의 향상이 미미해지게 된다. B은 탄성 강화상인 TiB₂의 형성을 위해 필요하나, 과량 함유될 경우 상술한 주조시의 유동성 문제가 발생하기 때문에 상한을 1.4%로 제한한다.

Si가 공정 조성보다 낮은 함량을 가질 때 Si의 함량이 높아질수록 응고하는데 필요한 시간이 증가한다. 이때 공정 조성이란 Si가 12% 포함된 알루미늄 합금으로, 융점이 가장 낮은 조성을 뜻한다. 이를 기준으로 하여, 공정 조성보다 Si 함량이 낮은 합금 중에서 Si의 함량이 높아질수록 응고가 종료되기까지 더 많은 온도 하강과 이에 필요한 시간이 소모된다. 이는 즉 응고가 종료되는 온도가 낮아진다는 것을 뜻한다.

응고시키는 단계는, 760℃ 이하에서 응고가 시작되고, 250℃ 이상에서 응고가 종료되는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 사용하는 주조용 알루미늄 용탕의 온도는 약 800℃ 정도이다. 따라서 760℃ 이하에서 응고가 시작하는 것은 주조에 사용하기 적합한 물성인 것을 나타낸다. 또한 250℃ 이상에서 응고가 종료되는 것은, 5℃/s의 속도로 냉각할 때 응고 시작에서 종료까지 약 102초 소요되어 2분 이내에 형상 주조를 완료할 수 있어 대량생산에 적합하다.

응고시키는 단계는, TiB₂ 및 Al₃Ti의 탄성 강화상이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상술한대로, Ti와 B의 함량에 따라 TiB₂와 Al₃Ti의 형성 유무가 결정된다. 이들은 탄성을 향상시키는 주요 강화상이기 때문에 반드시 형성되어야 한다.

고탄성 고강도 알루미늄 합금은, 알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 제조된다. 그 조성은, wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B의 비율이 3.5~5:1이다.

이에 대한 상세한 설명은 상술한 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법의 설명으로 갈음한다.

분율로, TiB₂: 3% 이상, Al₃Ti: 2% 이상의 탄성 강화상이 형성되고, 항복강도가 200MPa 이상이며, 결정립 크기가 10㎛ 미만인 것이 바람직하다.

냉각 속도가 빠르기 때문에 결정립이 성장하기 전에 응고가 종료된다. 따라서 결정립의 크기가 10㎛ 미만이 되고, 이렇게 미세화된 결정립에 의해 항복강도가 200MPa 이상으로 강화된다. 또한 탄성계수가 80GPa 이상이 되기 위해서는 TiB₂의 분율이 3% 이상, Al₃Ti의 분율이 2% 이상이 되어야 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 응고시키는 단계를 포함하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 응고시키는 단계 이전에, wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B가 3.5~5:1인 알루미늄 용탕을 제조하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 응고시키는 단계는, 760℃도 이하에서 응고가 시작되고, 250℃도 이상에서 응고가 종료되는 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 응고시키는 단계는, TiB₂ 및 Al₃Ti의 탄성 강화상이 형성되는 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금 제조 방법.
알루미늄 용탕을 5℃/s 이상으로 냉각하여 제조된 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금
청구항 5에 있어서,
wt%로, Si: 5~13%, Ti: 3.5~5%, B: 1~1.4%, 잔부 Al 및 불가피한 불순물을 포함하고, Ti:B가 3.5~5:1인 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금.
청구항 6에 있어서,
분율로, TiB₂: 3% 이상, Al₃Ti: 2% 이상의 탄성 강화상이 형성된 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금.
청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
항복강도가 200MPa 이상이고, 결정립 크기가 10㎛ 미만인 것을 특징으로 하는, 고탄성 고강도 알루미늄 합금.