KR102735722B1 - 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법 - Google Patents

Abstract

알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법은 알루미늄 합금 스크랩을 용융하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 제1 단계, 금형에 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)를 도포하는 제2 단계, 및 감압 조건 하에, 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고 주조하는 제3 단계를 포함할 수 있다.

Description

알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법{Method for manufacturing of aluminum foam using aluminum alloy scrap}

본 발명은 폐알루미늄 합금 스크랩을 이용하여 발포 알루미늄을 제조하는 방법에 관한 것이다.

발포 알루미늄은 알루미늄을 용해한 후 첨가제를 투입하여 일반 알루미늄의 부피를 10배 이상 증가시킨 신소재로, 한국등록특허 10-0874323는 발포제와 증점제의 균일 혼합을 위한 교반 공정을 생략하고 증점제 첨가 단계-증점된 알루미늄 발포 단계-발포 알루미늄 냉각단계를 포함하여 발포 알루미늄 제조 기술을 단축시킨 기술이다.

이 방법은 칼슘(Ca)과 수산화 티타늄(TiH₂)를 사용하여 발포 알루미늄을 제조하고, 발포제 및 증점제의 교반 공정을 생략하여 교반 공정에서 발생되었던 원료 손실을 방지하여 생산 효율을 향상시킨 기술이지만, 알루미늄 합금의 점성을 위해 부수적으로 첨가하여 발생하는 증점제 비용으로 인해 경제성의 한계를 가진다.

한편, 한국등록특허 10-0741515는 폐자원의 재활용 및 에너지 절감 측면에서 저렴한 제조 조건인 원심분무 장치를 이용해 발포 알루미늄 합금분말을 제조하는 방법을 개시한다. 하지만, 간단한 제조 조건에 반해 Al-Mg 분말, Al-Zn 분말, Al-Si 분말, Al₂O₃ 분말, SiC 분말 등과 같은 다수의 첨가제가 필수 구성으로 첨가되며 첨가제 분말과 발포제 분말의 까다로운 혼합 비율 조건으로 소재 선정의 한계가 있고, 고비용이 소요되는 문제점이 있다.

따라서, 에너지 절약 및 비용 절감이 가능하면서 높은 기공률을 갖는 발포 알루미늄을 제조하는 방법의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명의 일 목적은 저비용으로 높은 기공률을 갖는 발포 알루미늄을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

일 측면에서, 본 발명의 일 목적을 위해, 알루미늄 합금 스크랩을 용융하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 제1 단계, 금형에 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)를 도포하는 제2 단계, 및 감압 조건 하에, 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고 주조하는 제3 단계를 포함하는 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법을 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계에서, 알루미늄 합금 스크랩의 용융은 660 내지 800℃에서 2시간 이상 수행할 수 있다. 일 예로, 상기 제1 단계의 알루미늄 합금 스크랩의 용융은 상기 알루미늄 합금의 용융점을 초과하는 온도까지 가열하는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는 0.6 내지 0.8 atm 의 압력 하에 수행될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는, 감압 조건 하에 상기 금형에 주입된 알루미늄 합금 용탕을 25 내지 200℃의 온도까지 냉각시키는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)의 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분과 알루미늄 합금 용탕이 반응하여 가스공을 형성하고 인위적인 발포가 가능하도록 할 수 있다. 일 예로, 상기 제3 단계를 통해 알루미늄 합금 스크랩 내부에서 최소 28% 이상의 기공률이 발생할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 합금 스크랩은 Al-Si 합금, Al-Cu 합금 및 Al-Mg 합금 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서, 상기 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)는 상기 발포 알루미늄 총 중량 대비 1 내지 1.5 wt% 가 되도록 도포할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 합금 스크랩은 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩일 수 있다. 상기 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩을 사용하는 경우, 부피 대비 표면적이 넓은 특성으로 인해 주조 공정 중 용융금속 내부로 산화막이 다량 유입되어 기공 발생이 용이할 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법에 따르면, 알루미늄 합금 제조 시에 불가피하게 발생하는 알루미늄 합금 스크랩의 재활용을 통해 낮은 원자재 비용을 확보할 수 있다. 보크사이트에서 알루미늄을 생산 및 제조하는 과정에서 약 30,3000kJ/kg의 에너지가 소모되는데 반해 본 발명에 따르면 알루미늄 합금 스크랩의 재용해를 위해 약 960kJ/kg의 에너지가 필요하여, 약 4%까지 에너지 절약 및 비용 절감이 가능하다. 또한, 알루미늄 생산 공정 중 발생하는 환경 유해 물질 및 배기가스 배출량 감축으로 인해 친환경적인 면모를 가진다.

뿐만 아니라, 본 발명에 따르면 알루미늄 합금 용탕의 주조 시에 탈가스 처리와 염 성분을 이용한 플럭스 처리를 하지 않고 감압 조건만으로 종래의 발포 알루미늄에 비해 기공을 효과적으로 만들어낼 수 있다. 따라서, 저비용, 친환경적으로 기공률이 높은 발포 알루미늄을 제조할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명에서는 합리적인 가격으로 상용화되고 있는 붕사를 발포제로 사용하여 붕사 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분을 이용하여 알루미늄 합금 스크랩 내부에서 최소 28% 이상의 기공률을 발생시킬 수 있다. 이처럼, 본 발명은 발포제로 수산화 티타늄을 사용하는 종래의 기술들에 비해 저비용으로 우수한 효과를 얻을 수 있으므로 발포 알루미늄 제조 비용을 낮춰 경제성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 발포 알루미늄의 기공률을 각각 2회 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명은 발포 알루미늄 합금 모재와 발포제를 종래 사용되던 알루미늄 합금 원자재, 수산화티타늄(TiH₂), Al₂O₃ 을 사용하지 않고 주조 공정 중 필연적으로 발생하는 알루미늄 합금 스크랩과 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0), 감압응고장치만을 이용하여 발포 알루미늄을 제조하는 기술에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법은 알루미늄 합금 스크랩을 용융하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 제1 단계, 금형에 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)를 도포하는 제2 단계, 및 감압 조건 하에, 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고 주조하는 제3 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 단계는 알루미늄 합금 스크랩을 용융하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 단계이다.

일 실시예에 있어서, 상기 제1 단계의 알루미늄 합금 스크랩의 용융은 660 내지 800℃에서 2시간 이상 상기 스크랩을 가열하여 수행할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 알루미늄 합금 스크랩은 Al-Si 합금, Al-Cu 합금 및 Al-Mg 합금 중에서 선택된 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

일 예로, 상기 알루미늄 합금 스크랩은 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩일 수 있다. 이러한 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩은 알루미늄 합금 원자재의 주조 작업 후 이루어지는 정밀 가공 공정에서 발생되는 것으로, 불순물 함량이 적고 높은 순도를 가짐에도 불구하고 실질적으로 폐기되거나, 원자재 구매단가 대비 약 30% 가량에 판매되고 있다. 이러한 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩은 부피대비 표면적이 넓어 주조 공정에 이용할 경우 용융 금속 내부로 표면 산화막이 다량 유입되도록 하여, 기공을 효과적으로 발생시킬 수 있다.

상기 제2 단계는 금형에 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)를 도포하는 단계이다.

일 실시예에 있어서, 상기 붕사는 발포 알루미늄의 제조 시에 발포를 유도하기 위한 물질이다. 일 예로, 상기 붕사는 감압응고기에 장치한 금형에 상기 발포 알루미늄 총 중량 대비 1 내지 1.5 wt% 가 되도록 도포할 수 있다.

상기 제3 단계는 감압 조건 하에, 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고 주조하는 단계이다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는 0.6 내지 0.8 atm의 압력 하에 수행될 수 있다. 이러한 감압 조건 하에서 주조하여 제조된 발포 알루미늄은 대기압 조건 하에 주조하여 제조된 발포 알루미늄에 비해 상대적으로 높은 기공률을 나타낼 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계는 감압 조건 하에 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고, 약 25 내지 200℃의 온도까지 냉각시키는 것일 수 있다. 보다 구체적으로는, 상기 제3 단계에서 탈가스 처리와 염 성분을 이용한 플럭스 처리를 하지 않고 감압 하에서 서서히 냉각시키는 것일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3 단계에서, 상기 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)의 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분과 알루미늄 합금 용탕이 반응하여 가스공을 형성할 수 있다.

이하에서는 구체적인 실시예와 함께 상세히 설명하도록 하겠다.

<실시예>

알루미늄 합금 절삭 스크랩을 용해하여 붕사를 도포한 금형에 주입하고 저압 주조함으로써 발포 알루미늄을 제조하였다.

구체적으로, A356 절삭 스크랩을 800℃에서 2시간 이상 가열하여 용탕 상태로 제조하였다. 한편, 감압응고기에 장치한 금형에 붕사를 0.8g 도포하였다. 이는 제작된 발포 알루미늄의 약 1%에 해당하는 무게이다.

이후, 감압응고기의 압력 조건은 0.8 atm 으로 조정한 후, 알루미늄 합금 용탕을 상기 감압응고기의 금형에 부은 뒤, 설정 압력을 240초 동안 유지하여 충분히 응고될 수 있도록 하였다. 여기서, 탈가스 처리나 염 성분을 이용한 플럭스는 사용하지 않았다.

본 발명의 감압 주조 공정에서 탈가스 처리나 플럭스를 사용하지 않기 때문에, 용융 금속이 응고 과정 중에 발생하는 수소 가스가 용해도를 초과해 발생한 과포화 수소 분자(H₂)가 형성된다. 이러한 과포화 수소 분자는 성장하는 도중에 알루미늄 수지상정에 둘러싸여 성장이 멈춰 그 사이에서 가스공이 발생하게 된다.

또한, 알루미늄의 핵 생성 후 성장하는 덴드라이트가 고상과 액상이 공존하는 영역에서 고상의 분율이 높아져 덴드라이트 사이의 액상공급이 어려워지게 되며, 잔류한 액상이 응고되면서 발생한 밀도 차이로 발생한 수축공으로 자연적인 발포가 가능하게 된다.

한편, 본 발명의 알루미늄 합금 절삭 스크랩은 부피 대비 표면적비가 커 주조 공정 중 용융 금속 내부로 산화막을 다량 유입하도록 하며, 이에 의한 기공 발생이 용이하다.

또한, 발포제인 붕사 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분은 알루미늄 합금 용탕과 아래 반응식과 같이 반응하여 가스공을 형성하고 인위적인 발포가 가능하도록 할 수 있다.

<반응식>

Na₂B₄O₇(s) + 14/3Al(l) + 8Fe(l) = 7/3Al₂O₃(s) + 4Fe₂B(s) + 2Na(l)

뿐만 아니라, 본 발명의 실시예에 따르면 감압응고기를 이용해 저압에서 주조함으로써 발포 알루미늄의 기공 크기를 극대화할 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법에 따르면, 알루미늄 합금 제조 시에 불가피하게 발생하는 알루미늄 합금 스크랩의 재활용을 통해 낮은 원자재 비용을 확보할 수 있고, 에너지 절약과 배가가스 배출량 감축이 가능하다. 또한, 본 발명에 따르면 알루미늄 합금 용탕의 주조 시에 탈가스 처리와 염 성분을 이용한 플럭스 처리를 하지 않고 감압 조건만으로 종래의 발포 알루미늄에 비해 기공을 효과적으로 만들어낼 수 있다. 따라서, 저비용, 친환경적으로 기공률이 높은 발포 알루미늄을 제조할 수 있는 장점이 있다.

아울러, 본 발명에서는 합리적인 가격으로 상용화되고 있는 붕사를 발포제로 사용하여 붕사 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분을 이용하여 알루미늄 합금 스크랩 내부에서 최소 28% 이상의 기공률을 발생시킬 수 있다. 이처럼, 본 발명은 수산화 티타늄을 사용하는 종래의 기술들에 비해 저비용으로 우수한 효과를 얻을 수 있으므로 기존 발포 알루미늄 제조 비용을 낮춰 경제성을 높일 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 발포 알루미늄은 붕사로 인해 발생한 내부 기공을 포함하여 경량화, 불연성, 방음효과로 기존에 사용되고 있던 충격흡수재, 흡음재, 복합 판넬, 건축자재 등부터 저밀도와 부력을 통해 친환경 알루미늄 부표까지 새로운 분야에 적용될 수 있다.

<실험예>

감압응고주조의 효과를 확인하기 위해, 대기압 하에서 주조 공정을 수행한 것을 제외하고는 실시예와 동일한 조건으로 발포 알루미늄을 제조(이하, 비교예라 명명)한 후, 실시예 및 비교예에 따라 제조한 발포 알루미늄의 기공률을 각각 2회 측정하고, 하기 표 1 및 도 2에 나타냈다. 여기서, 발포 알루미늄의 기공률은 아르키메데스 밀도 측정법을 이용하여 발포 알루미늄의 밀도를 측정한 뒤, A356 합금의 밀도인 2.67g/cc 로 나누어 기공률을 측정하였다.

구분	조건	기공률 (1차)	기공률 (2차)
비교예(1)	붕사 첨가/ 대기압 주조	0.3101	0.2831
실시예(2)	붕사 첨가/ 감압응고 주조	0.8550	0.7985

그 결과를 보면, 실시예 및 비교예 모두 붕사를 첨가하였으나, 감압(0.8 atm) 하에서 주조한 실시예에 따른 발포 알루미늄이 비교예에 따라 제조된 발포 알루미늄에 비해 상대적으로 높은 기공률을 가지는 것으로 측정되었다. 즉, 기압 조건을 제외한 동일 조건에서 발포 알루미늄을 제조하였을 때, 감압 응고 시 발포량이 증가함을 확인하였다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

1. 알루미늄 합금 스크랩을 용융하여 알루미늄 합금 용탕을 제조하는 제1 단계;
   금형에 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)를 도포하는 제2 단계; 및
   감압 조건 하에, 붕사가 도포된 금형에 상기 알루미늄 합금 용탕을 주입하고 주조하는 제3 단계;를 포함하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 단계에서, 알루미늄 합금 스크랩의 용융은 660 내지 800℃에서 2시간 이상 수행하는 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계는 0.6 내지 0.8 atm 의 압력 하에 수행되는 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계는, 감압 조건 하에 상기 금형에 주입된 알루미늄 합금 용탕을 25 내지 200℃의 온도까지 냉각시키는 것인,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제3 단계에서, 상기 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)의 내부에 포함된 수소(H) 및 산소(O) 성분과 알루미늄 합금 용탕이 반응하여 가스공을 형성하는 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금 스크랩은 Al-Si 합금, Al-Cu 합금 및 Al-Mg 합금 중에서 선택된 물질을 포함하는 것인,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2 단계에서, 상기 붕사(Na₂B₄O₇·10H₂0)는 상기 발포 알루미늄 총 중량 대비 1 내지 1.5 wt% 가 되도록 도포하는 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금 스크랩은 폐알루미늄 합금 절삭 스크랩인 것을 특징으로 하는,
   알루미늄 합금 스크랩을 이용한 발포 알루미늄 제조 방법.