KR100840385B1

KR100840385B1 - 내열성 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR100840385B1
Application number: KR1020060068161A
Authority: KR
Inventors: 강원덕; 이관우; 이병근; 오국환
Original assignee: 성훈엔지니어링(주)
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2008-06-23
Also published as: KR20080008658A

Abstract

본 발명은 알루미늄 베이스에 니켈, 망간, 지르코늄, 철, 규소 그리고 크롬 을 첨가하여 내열성을 증가시킨 알루미늄 합금에 관한 것이다. 본 발명의 알루미늄 합금은 약 0.8 내지 2.8 중량%의 니켈, 약 0.5 내지 2 중량%의 망간, 약 0.35 내지 0.65 중량%의 지르코늄, 약 0.1 내지 0.8 중량%의 철, 약 0.05 내지 0.3 중량%의 규소 그리고 약 0.01 내지 0.5 중량%의 크롬을 포함한다. 이때, 부수적인 첨가물 및 불순물은 전체중량의 0.1%을 넘지 않는다. 그리고 상기 알루미늄 베이스는 a) 알루미늄 고용체로부터 형성되고 균일하게 석출된 제2상의 석출상(Al6Mn and Al3Zr)이 포함된 메트릭스와 b) 니켈과 철을 포함한 공정상입자(Al3Ni and Al9FeNi) 들을 포함한다. 그리고 이때, 고상선 온도는 630℃ 이상이다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 소입(quenching) 없이 T5 상태의 열처리 강화를 할 수 있어 주조물이나, 반가공된 제품으로 생산되는 고강도 특성을 나타내는 알루미늄 합금을 생산할 수 있다.

알루미늄, 니켈, 망간, 지르코늄, 철, 규소, 크롬

Description

내열성 알루미늄 합금{ Heat resisting aluminum alloy}

도 1 은 제 3 합금에서 니켈과 철을 포함하고있는 미세한 공정상의 모습을 주사 현미경(SEM)으로 관찰한 확대도.

도 2 는 제 3 합금에서 망간을 포함하고있는 미세한 제2상 석출물의 모습을 투과 전자 현미경(TEM) 관찰한 확대도.

도 3 은 제 3 합금에서 지르코늄을 포함하고있는 미세한 제2상 석출물 모습을 투과 전자 현미경(TEM) 관찰한 확대도.

본 발명은 알루미늄 베이스에 니켈, 망간, 지르코늄, 철, 규소 그리고 크롬 을 첨가하여 내열성을 증가시킨 알루미늄 합금에 관한 것이다.

대부분의 알루미늄 주조합금은 자동차나 항공 구조물에 적용되기 위한 충분한 특성을 얻기 위하여 용체화 열처리, 냉각, 인공시효가 필요하다. 이러한 용체화 열처리와 냉각의 과정은 제작상 중요한 비용의 증가 뿐만 아니라 부분적인 비틀림까지 야기한다. 따라서 전체적인 생산과정에 있어 추가적인 공정을 필요로 한다. 이러한 추가적인 공정은 생산 시간과 비용을 증가시키고, 이로 인하여 알루미늄 합금을 사용하는데 큰 제약이 따른다.

최근에는, 비열처리(NHT) 합금이 개발되어 생산에 제공되고 있다. 이러한 알루미늄 합금은 F상태(제조상태 그대로) 및 T5 상태에서 사용될 수 있다. 종래 기술의 Al-Ni-Mn성분을 기초로 하는 다이 캐스팅(die casting), 스퀴즈 캐스팅(squeeze casting), 샌드 캐스팅(sand casting) 및 반고체 금속의 형성을 위한 알루미늄 합금은 약 2 내지 6중량%의 니켈, 약 1 내지 3중량%의 망간, 약 1중량% 미만의 철, 약 1중량% 미만의 규소, 소정의 알루미늄, 부수적인 첨가물 그리고 불순물과 같은 첨가물을 포함한다.

그중 보다 선호되고있는 알루미늄 합금조성으로는 약 3.5 내지 4.5중량%의 니켈, 약 1.5 내지 2.5중량%의 망간, 약 0.1중량% 미만의 철, 약 0.1중량% 미만의 규소, 약 0.15중량% 미만의 티타늄, 약 0.03중량% 미만의 붕소, 그리고 나머지의 알루미늄 과 부수물을 포함하는 조성을 갖고있다. 상기 종래 기술에 의한 알루미늄 합금은, (a)다른 비열처리 알루미늄 합금에서 발견할수 없는 장점인 높은 유동성 및 낮은 핫 크랙 경향성 을 갖고있으며 (b) 추가적인 다른 열처리 없이도 연성이 우수한 장점이 있다. 그러나 상기 합금은 최대인장강도가 208MPa를 넘지못하고, 따라서 상기 합금을 다양한 분야에 적용하지 못하였다.

또 다른 종래 기술에 나타난 알루미늄 주조 합금은 3.0 내지 6.5 중량%의 니켈, 1.4 내지 2.2 중량%의 망간, 0.4 내지 0.8 중량%의 지르코늄, 0.05 내지 0.5 중량%의 몰리브덴을 포함한다. 상기 합금은 유동성이 좋고, 주조물의 최대인장강도 가 254 내지 278 MPa이며, 브리넬 경도가 88 내지 94 HB인 특성을 갖는다.

그러나 상기 또 다른 종래기술에 개시된 알루미늄 합금은 a) 니켈 함량이 높아 제작 비용이 높고; b) 철과 실리콘의 함량이 낮으며; c) 몰리브덴이 첨가되고; d) 상기 합금은 니켈을 포함한 공정상의 높은 함유율로 인하여 반 가공된 압연판, 봉, 단조물에 적합하지 않은 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 소입(quenching) 없이 T5 상태의 열처리 강화를 할 수 있고, 기계적이고 기술적인 특성의 향상된 결합을 나타내는 알루미늄 합금을 제공하고, 이를 이용하여 주조물이나, 반가공된 제품에 적용될 수 있는 의 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 알루미늄을 기본물질로 하고, 상기 알루미늄에 니켈, 망간, 지르코늄, 철, 규소 그리고 크롬을 포함한다.

이때, 니켈은 약 0.8 내지 2.8 중량%이고, 망간은 약 0.5 내지 2 중량%이며, 지르코늄은 약 0.35 내지 0.65 중량%이고, 철은 약 0.1 내지 0.8 중량%이며, 규소는 약 0.05 내지 0.3 중량%이고, 크롬은 약 0.01 내지 0.5 중량%이다.

그리고 상기 알루미늄 합금은 전체중량의 0.1% 미만의 부수적인 첨가물 및 불순물을 더 포함할 수도 있다.

이때, 상기 알루미늄 기본물질은, a) 알루미늄 고용체로부터 형성되고 균일하게 석출된 제2상의 석출상(Al6Mn 및 Al3Zr)이 포함된 메트릭스와 b) 니켈과 철을 포함한 공정상입자(Al3Ni 및 Al9FeNi) 들을 포함한다.

또한, 상기 알루미늄 기본물질의 고상선 온도는 630℃ 이상이다. 더욱 바람직하게는 상기 알루미늄 기본물질의 고상선 온도는 600℃ 이상 1000℃ 이하이다.

한편, 상기 알루미늄 합금은 반가공 상태의 압연판, 봉 또는 단조물로 형성될 수도 있다.

이때, 상기 알루미늄 합금은 350℃에서 20 시간 동안 열처리후에도 상온에서의 인장특성을 계속유지하고있다. 이때, 비커스경도 80Hv 이상이고, 인장강도 280MPa 이상이며, 항복강도 230MPa 이상이고, 신율은 6%이다.

또한 상기 알루미늄 합금은 소입(quenching) 없이 실온에서 T5 처리된 주조물일 수도 있다.

이때, 상기 알루미늄 합금은 400℃에서 20 시간 동안 열처리후에도 상온에서의 인장특성을 계속 유지하고있다. 여기서, 인장강도는 270MPa이상 이고, 항복강도는 220MPa이상이며, 신율은 5%이상이다.

상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 소입(quenching) 없이 T5 상태의 열처리 강화를 할 수 있어 주조물이나, 반가공된 제품으로 생산되는 고강도 특성을 나타내는 알루미늄 합금을 생산할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 상기한 바와 같은 본 발명에 의한 내열성 알루미늄 합금의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 알루미늄 합금에 함유되는 니켈과 철의 함유는 주조성, 소성가공성을 향상시키고, 응고시 열간균열을 방지한다.

한편, 지르코늄, 마그네슘 그리고 크롬은 실온과 고온 모두에서 요구되는 강도 레벨을 얻을 수 있게 한다. 이때, 상술한 지르코늄, 마그네슘 그리고 크롬 농도가 요구된 양보다 적으면, T5의 열처리 이후에 요구되는 강도 레벨을 얻을 수 없다. 반대로 상기 성분들의 농도가 요구된 양보다 많다면, 물질의 연성이 떨어진다.

또한, 상기 지르코늄, 마그네슘 그리고 크롬의 부가로부터 얻는 효과는 이들이 분산질의 석출물 형태(바람직하게는 Al₃Zr, Al₆Mn 또는 Al₁₂MnCr)로 존재하는 경우에 극대화된다. 반가공된 압연판, 봉, 단조물 등에 있어서, 이들 석출물들은, 적어도 350℃ 까지, 재결정화되지 않은 구조를 안정화시킨다.

그리고 규소의 첨가는, 알루미늄 고용체로부터 Al₃Zr 석출물의 형성을 가속화 하여 열처리시간을 감소시킨다.

또한, 고상선을 위해 규정된 온도 제한은 좁은 결정화 범위를 갖도록 하고, 이는 주조 특성에 있어 유리한 효과를 나타낸다.

- 제 1 실시예

표1은 6개의 실험예를 나타낸다.

이들 실험 합금은 전기로에서 99.9%의 순도를 갖는 알루미늄, 마그네슘, 아연, 실리콘 그리고 모합금으로 Al-Ni(Ni함량15%), Al-Fe(Fe함량8%), Al-Zr(Zr함량 3%), Al-Mo(Mo함량 3%)을 포함하여 만들어진다.

이때, 칠 캐스팅(Chill casting)된 주조재는 소입(quenching)없이 열처리된다(T5 처리).

고상선온도는 1시간 동안 630℃의 노(爐)에서 가열하는 시차 열분석(DTA)의 방법을 통해 측정된다. 구조 특성은 주사 현미경(SEM), 투과 전자 현미경(TEM), 전자마이크로 프로브 분석 그리고 X-ray 분석을 통하여 결정된다.

표1에서는 오직 청구범위에 포함된 물질(제2번 내지 제4번)만이 요구되는 고상선온도와 비이커 경도를 만족하는 것을 나타낸다. 제 1 번 합금은 비이커 경도가 낮고, 제 5 번 합금은 고상선온도가 낮다.

시험합금의 조성과 특성

No.	구성 물질의 함유량(중량 %)							HV	Ts(℃)
No.	Ni	Mn	Zr	Fe	Si	Cr	Al	HV	Ts(℃)
1	0.5	0.2	0.2	0.05	0.02	0.005	balance	35	640
2	0.8	2	0.35	0.8	0.3	0.2	balance	86	632
3	1.5	1.4	0.65	0.4	0.15	0.01	balance	90	635
4	2.8	0.5	0.5	0.1	0.05	0.5	balance	92	638
5	4	2.5	0.8	1.0	0.6	0.7	balance	85	610
6	5	1.8	0.6	<0.01	<0.01	0.3Mo	balance	-	-

(여기서, HV는 비이커 경도, Ts는 고상선온도 이다.)

도 1에는 제 3 합금에서 니켈과 철을 포함한 미세한 공정상의 모습을 주사 현미경(SEM)으로 관찰한 모습이 도시되어 있고, 도 2에는 제 3 합금에서 망간을 포함하는 미세한 석출물의 모습을 투과 전자 현미경(TEM)으로 관찰한 모습이 도시되어 있으며, 도 3에는 제 3 합금에서 지르코늄을 포함하는 미세한 석출물 모습을 투과 전자 현미경(TEM) 관찰한 모습이 도시되어 있다.

여기서, 알루미늄 합금의 기계적인 특성은 직경5mm의 원통형 샘플을 표준 절차에 의해 시험함으로써 결정된다.

2 내지 4 번 합금이 1 번, 5번 합금에 비해 현저히 뛰어난 강도와 연성을 갖음을 표2로부터 알 수 있다. 그리고 400℃에서 20시간동안 가열한 이후에도 2번 내지 4번 합금의 기계적 특성은 감소하지 않는다.

열처리 완료후에, 실험합금 주조재의 특성

No.	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	신률(%)
1	120	60	20
2	290	210	6
3	280	200	7
4	275	195	8
5	180	180	0
6	259	-	11.9

- 제 2 실시예

2mm 두께의 압연판은 다음과 같은 공정에 의해 제조되는 시험합금으로부터 얻어진다.

* 흑연-샤모트(chamotte) 도가니에 합금을 녹이는 단계

* 강철 몰드에서 칠 캐스팅(Chill casting)으로 20mm 두께의 평평한 빌레트(billet)을 제작하는 단계

* 빌레트를 압연하여 압연판을 제작하는 단계

* 압연판을 소둔열처리 하는 단계

여기서 압연판의 기계적 특성은 표준시험방법에 의하여 종축 방향으로 커팅한 원통형의 시험편으로부터 결정된다.

표 3은 2번 내지 4번 합금이 1번 합금에 비해 높은 강도를 나타내는 것을 보이고 있다. 또한 5번 합금은 압연공정 중에 균열이 발생하므로 강도를 얻을 수 없다. 350℃로 20시간동안 가열한 후에 표2에 주어진 2번 내지 4번 합금의 상기 기계적 특성은 감소하지 않는다. 또한 2번 내지 4번 압연판의 구조에서 재결정화된 입자는 관찰되지 않는다.

압연판의 강도특성(열처리후)

No.	인장강도(MPa)	항복강도*0.2(MPa)	신율(%)
1	150	90	25
2	290	215	8
3	300	210	9
4	310	205	8
5	압연 공정시 균열발생
6	압연 공정시 균열발생

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 내열성 알루미늄 합금에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

a) 비이커 경도가 80 이상이다.

b) 소입(quenching)없이 T5 처리한 경우 ,최대인장강도가 280MPa 이상이고, 항복강도가 230MPa 이상이며, 신률이 6% 이상이고, 실온에서의 이러한 특성은 350℃ 의 온도로 20 시간 가열한 이후에도 상온인장특성이 감소되지 않는 강도 특성을 갖는 반가공된 압연판, 봉, 단조물을 얻을 수 있다.

c) 소입(quenching)없이 T5 처리한 경우, 최대 인장 강도가 270 MPa이상이고, 항복 강도가 220 MPa이상이며, 신률이 5% 이상이고, 이러한 특성은 400℃ 에서 20시간 동안 가열한 이후에도 상온인장특성이 감소 되지 않는 강도 특성을 갖는 주조물을 얻을 수 있다.

Claims

알루미늄 기본물질과;

0.8 내지 2.8 중량%의 니켈과;

0.5 내지 2 중량%의 망간과;

0.35 내지 0.65 중량%의 지르코늄과;

0.1 내지 0.8 중량%의 철과;

0.05 내지 0.3 중량%의 규소와;

0.01 내지 0.5 중량%의 크롬; 그리고

상기 알루미늄 기본 물질을 형성하지 못한 잔 부 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고:

상기 알루미늄 기본물질은,

a) 알루미늄 고용체로부터 형성되고 균일하게 석출된 제2상의 석출상이 포함된 메트릭스와;

b) 니켈과 철을 포함한 공정상을 포함하는 구조임을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
삭제
제 1 항에 있어서,

전체중량의 0.1% 미만의 부수적인 첨가물 및 불순물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 제2상의 석출상은 Al₆Mn 또는 Al₃Zr임을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 공정상은 Al₃Ni 또는 Al₉FeNi임을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 알루미늄 기본물질의 고상선 온도는 630℃ 이상 임을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금은,

반가공 상태의 압연판, 봉 또는 단조물로 형성됨을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 8 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금은,

350℃에서 20 시간 동안 가열된후에도 상온인장특성을 유지하는 것을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 1 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금은,

소입(quenching)없이 T5 처리된 주조물임을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.
제 10 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금은 400℃에서 20 시간 동안 가열된후에도 상온인장특성을 유지한는것을 특징으로 하는 내열성 알루미늄 합금.