KR100984088B1

KR100984088B1 - 단련 Al-Mg 합금 제품과 이것으로 제조된 탱커 및 용접 구조물

Info

Publication number: KR100984088B1
Application number: KR1020047014935A
Authority: KR
Inventors: 디프로낭; 에농끄리스띤느; 기유므네제롬; 리베스에르베; 삘레조르쥬
Original assignee: 알칸 레날루
Priority date: 2002-03-22
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2010-09-30
Also published as: JP2005527702A; BR0308651A; DE60323736D1; ZA200407227B; ES2311712T3; FR2837499B1; US20040003872A1; PL199108B1; AR038963A1; EP1488018B1; FR2837499A1; CN100540703C; EP1488018A2; NO340211B1; KR20040091771A; JP4431194B2; NO20044527L; PL371022A1; AU2003244695B2; US7211161B2

Abstract

용접 구조물을 위한 알루미늄-마그네슘 합금

본 발명은 Al-Zn-Mg-Cu 합금 제품에 관한 것으로서 다음의 조성을 가짐을 특징으로 한다.

Mg 4.85 - 5.35 중량% Mn 0.20 - 0.50 중량% Zn 0.20 - 0.45 중량%

Si < 0.20 중량% Fe < 0.30 중량% Cu < 0.25 중량% Cr < 0.15 중량%

Ti < 0.15 중량% Zr < 0.15 중량%

를 포함하고, 잔부는 불가피한 불순물들을 포함하는 알루미늄이다.

본 제품은 바람직하게는 적어도 24%의 파괴 신장 A(LT) 및, 적어도 8500의 Rm(LT) x A(LT) 곱을 가진다. 이는 양호한 응력 및 입자간 부식 저항성을 보여준다.

이는 용접 구조물에 사용될 수 있으며, 특히 탱커, 자동차 차체, 그리고 산업용 차량에 사용될 수 있다.

Description

단련 Al-Mg 합금 제품과 이것으로 제조된 탱커 및 용접 구조물{AL-MG ALLOY WROUGHT PRODUCTS, TANKER AND WELDED CONSTRUCTION PRODUCED WITH THE SAME}

본 발명은 높은 기계적 저항성을 가지는 Al-Mg 형 합금에 관한 것으로서, 더 상세하게는 자동차 차체, 산업용 차량, 그리고 고정식 또는 이동식 탱크와 같은 용접 구조물을 위한 합금에 관한 것이다.

용접 구조물의 무게는 줄이는 반면 기계적 저항성을 높이기 위하여, 근래 들어 사용되는 5083, 5086, 5182, 5186 또는 5383 합금들에 대하여 특히 O 상태 및 H11 상태와 같이 낮은 냉간 가공 상태에서 용접성(weldability), 내부식성 또는 성형성(formability)과 같은 사용시 필요한 성질 중 아무것도 잃지 않고 개선된 기계적 성질을 가지게 하는데 관심이 모아지고 있다. 이러한 합금들의 명칭은 알루미늄 협회의 규칙을 따르고, 야금 성질은 유럽 기준 EN 515에 정의된다.

구조물 설계를 위해서, 사용자의 선택을 좌우하는 변수들은 실질적으로 극한 인장 강도(ultimate tensile strength) R_m, 인장 항복 강도 (tensile yield strength) R_p0.2, 그리고 파괴 연신율 (elongation at fracture) A 등의 정역학적 성질들이다. 이 밖에 특정한 용례를 위해 특별히 요구됨에 따라 고려되는 이 밖의 변수들로는 용접 시임(welded seam)의 기계적 성질, 시트 및 용점 심의 내부식성, 시트 및 용접 시임의 피로 강도, 크랙 전파율, 파괴 인성(fracture toughenss), 굽힘성(bendability), 용접성(weldability), 미리 정해진 시트 제조 및 사용 조건에서의 잔류응력 형성 경향(propensity for residual stress formation), 그리고 가능한 최소의 생산 비용으로 일정한 품질의 시트를 생산할 수 있는 가능성 등이 있다.

최근 기술은 Al-Mg 형 합금의 기계적 성질을 향상시킬 수 있는 몇가지 프로세스를 제공한다.

유럽 특허 출원 EP 769 564 A1 (페쉬니 레날루)은 다음의 조성으로 이루어진 합금을 개시한다:

Mg 4.2 - 4.8 중량% Mn < 0.5 중량% Zn < 0.4 중량% Fe < 0.45 중량%

Si < 0.30 중량%, 여기서 Mn + Zn < 0.7 중량% , Fe > 0.5 Mn 중량%

이는 다른 요소들을 또한 포함할 수 있고, 이는 냉간 가공 상태에서 R_m의 값 > 275 Ma, A 의 값 > 17.5%, 그리고 R_m x A 곱 > 6500 인 시트를 제조하는 것을 가능하게 하고, 더 잘 제어된 조성물은 상기 R_m x A 곱이 7000 초과의 값을 가지도록 할 수 있고 심지어는 7500 초과의 값을 가지는 것도 가능하다.

이러한 형태의 합금들은 5186의 번호를 가지고 용접식 도로용 유조차량의 제조에 이용된다. 이러한 용도에서, R_m x A 곱은 깊은 소성 변형, 예를 들면 사고 등에 있어서 구조물의 거동을 추정하는 변수로서 이용된다. 당업자는 공지된 Al-Mg 형 합금에 있어서 위의 두 변수 R_m 및 A 중에서 하나를 증가시키는 것은 다른 나머지의 손상을 가져온다는 것을 안다. 상기 특허 출원은 시트가 매우 특별한 미세 구조를 가지고 있으면 위의 두 변수들 사이의 개선된 절충점을 가지는 시트가 얻어질 수 있음을 개시하고 있다. 5186 합금 시트는 높은 R_m x A 곱뿐만 아니라 높은 A 값을 가지는 것을 특징으로 하는데, 이러한 특징들은 상기 시트의 굽힘을 좋게 하고 기계적 구조물에 사용되는 것을 용이하게 한다.

또 다른 접근 방식이 일본 특허 출원 62-207850(스카이)에서 제안되었는데, 이는 다음의 조성을 가지는 합금을 개시하고 있다:

Mg 2 - 6 중량% Mn 0.05 - 1.0 중량% Cr 0.03 - 0.3 중량%

Zr 0.03 - 0.3 중량% V 0.03 - 0.3 중량%

또한 Cu 0.05 - 2.0 중량% 및/또는 Zn 0.1 - 2.0 중량%을 포함할 수 있다.

연속 주조법에 의하여 제조되고, 금속간 입자 크기(intermetallic particle size)는 5㎛ 이하이다. 상기 합금들은 매우 특별한 열-기계적 처리 공정에 의해 뤼더스 라인이 보이지 않는 1mm 두께의 시트를 제조하는 것을 가능하게 하기 때문에 자동차 차체를 위한 시트 제조에 사용될 수 있다.

또 다른 접근법이 유럽 특허 제0 892 858 B1 (후고벤스 알루미늄 발쯔프로덕테 게엠베하)에 제안되었는데 다음과 같은 조성의 합금을 개시하고 있다.

Mg 5 - 6 중량% Mn 0.6 - 1.2 중량% Zn 0.4 - 1.5 중량% Zr 0.05 - 0.25 중량%

또한 다른 요소들을 포함할 수 있으며, 이는 특히 0.8 중량% 정도의 아연을 포함함으로써 경도가 매우 큰 합금을 제조할 수 있다. 이러한 제조물은 H321 템퍼(temper)에서 10% 정도, 그리고 O 템퍼에서 20% 정도의 값을 넘지 않는 파괴 신장을 보여준다.

유럽 특허 제 823 489 B1 (페쉬니 레날루)는 다음의 조성을 가지는 제조물을 개시한다.

3.0 중량% < Mg < 6.5 중량% 0.2 중량% < Mn < 1.0 중량% Fe < 0.8 중량%

0.05 중량% < Si < 0.6 중량% Zn < 1.3 중량%

또한 다른 요소들을 포함할 수 있고, 매우 특별한 미세 구조를 특징으로 한다. 상기 제조물은 유조차량 제조에 사용되기 위해 안출되었다기 보다는 해수에 접촉하거나 해양 환경에서 사용되는 용접 구조물을 위해 안출되었다.

[과제]

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 도로 또는 철도용 위험 물질 운반용 탱커와 같은 용접 구조물에 사용되기 위해서, 이미 존재하는 물질들에 대해 적어도 경쟁 가능한 수준의 다른 특성들을 가지고 있도록 하면서도, 단련(wrought) Al-Mg 합금 제품의 기계적 특성을 향상시키는 것이다.

[본 발명의 요지]

본 발명은 단련 Al-Mg 합금 제품에 관한 것으로서,

Mg 4.85 - 5.35 중량% Mn 0.20 - 0.50 중량% Zn 0.20 - 0.45 중량%

Si < 0.20 중량% Fe < 0.30 중량% Cu < 0.25 중량% Cr < 0.15 중량%
Ti < 0.15 중량% Zr < 0.15 중량%

삭제

이고, 잔부는 불가피한 불순물을 포함한 알루미늄이다.

본 발명은 또한 다음의 조성비를 가지는 시트로 적어도 일부가 만들어진 도로용 또는 철도용 탱커에 관한 것이다:

Mg 4.90 - 5.35 중량% Mn 0.20 - 0.50 중량% Zn 0.25 - 0.45 중량%

Si 0.05 - 0.20 중량% Fe 0.10 - 0.30 중량% Cu < 0.25 중량% Cr < 0.15 중량%

Ti < 0.15 중량% Zr < 0.10 중량%

잔부는 불가피한 불순물을 포함한 알루미늄이고,

상기 시트는 적어도 8500, 바람직하게는 적어도 9000의 R_m(LT) x A _(LT) 곱을 가진다.

합금의 명칭은 알루미늄 협회(The Aluminum Association)의 규정에 따른다. 별도의 표시가 없을 경우에는, 화학 조성은 중량 퍼센트로 표시된다. 야금적 템퍼(metallurgical temper)는 유럽 기준 EN515에 정의되어 있다. 별도의 표시가 없을 경우에는, 극한 인장 강도 R_m, 인장 항복 강도 R_p0.2 및 파괴 연신율 A 와 같은 정역학적 특성은 LT (long traverse;긴 횡방향) 방향으로 샘플된 비례 시험편 ( S。가 초기 단면적을 나타낼 때, 기준 L。 - 5.65 √。사이의 초기 길이로 특징지워짐)에 대한 EN 10002-1 기준에 따른 인장 테스트에 의해 결정된다.

출원인은 놀랍게도 상술한 문제점을 해결하기 위해서는, Al-Mg-Mn-Zn 조성 범위가 5186 합금의 그것과는 뚜렷이 구별되는 매우 좁은 범위 가지도록 선택하는 것이 필요하다는 것을 발견하였다. 특히, 마그네슘 함량을 늘리고, 소량의 아연을 첨가하고, Fe, Si 및 Mn 과 같은 소량 첨가물의 함량을 감소시키되 최소한의 기준 이상을 유지하도록 하는 것이 필요하다.

실로, 마그네슘은 특정 알루미늄 합금의 기계적 특성(R_0.2 및 R_m)을 증대시키는 것으로 잘 알려졌다. 출원인은 적어도 4.85%, 바람직하게는 4.90% 초과, 더 바람직하게는 4.95% 또는 심지어 5.00% 초과의 마그네슘 함량이 원하는 수준의 기계적 특성을 얻는 것을 가능하게 하는 것을 관찰하였다. 그러나 마그네슘이 5.35% 이상일 때는 내부식성이 저하되기 시작하므로, 마그네슘의 최대 함량은 5.30%인 것이 바람직하다.

아연을 충분히 첨가하는 것(최소 0.20%, 바람직하게는 적어도 0.25%, 더욱 바람직하게는 적어도 0.30%)은 시트의 기계적 성질과 용섭 심(welded seam)에서의 항복 강도(yield strength)에 바람직한 영향을 미치는 것으로 드러났다. 더 나아가, 이는 내부식성을 증가시킨다. 본 발명의 범위 내에서, 함량이 0.45%를 넘지 않는 것이 바람직하다. 0.25% 내지 0.40% 사이의 함량이 바람직하다.

출원인은 과립형 구조(granular structure)를 제어하기 위해서는 망간의 최소 함량이 0.20%를 유지하도록 해야함을 관찰하였으나, 거친 금속간 상 형성(coarse intermetallic phase formation)을 방지하고 최후 템퍼링(final temper)에서 재결정화를 용이하게 하기 위해서는 0.5% 미만, 바람직하게는 0.4%미만을 유지하도록 하여야한다. 바람직한 범위는 0.25%에서 0.35%까지이다. 망간이 충분히 존재하는 것은 또한 기계적 특성들을 얻는데 기여한다.

5xxx 합금들에서, 구리는 일반적인 내부식성을 저하시키는 것으로 알려졌다. 출원인은 구리 함량을 0.25% 보다 적게, 바람직하게는 0.20%보다 적게, 더 바람직하게는 0.15%보다 적게하거나 심지어는 0.10%보다 적게 하는 것이 바람직하다는 것을 발견하였다.

철과 실리콘은 알루미늄에 통상적으로 들어 있는 불순물들이다. 본 발명의 범위 내에서, 철 함량은 0.30%를 초과하지 않아야 하고 실리콘의 함량은 0.20%를 초과하지 않아야 한다. 그러나, 본 출원인은 놀랍게도 특정 량의 철과 실리콘은 본 발명의 목적을 달성하는 것을 돕는다는 것을 발견하였는데, 예를 들면 실리콘의 함량을 적어도 0.05% 이상으로 하는 것은 미세하게 재결정화된 입상 미세 구조(finely recrystallised granular microstructure)를 이루게 한다. 철의 경우에는 그 함량이 적어도 0.10% 이상으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제품은 소량의 크롬, 티타늄, 그리고 지르코늄을 포함할 수 있다. 이러한 원소들 각각의 함량은 지나치게 높을 경우 재결정화를 제한하고 A 값을 떨어뜨리게 되므로, 0.15%를 넘지 않아야 하고 바람직하게는 0.10%를 넘지 않아야 한다.

본 발명에 따른 제품은 항상 반(半)연속 주조(semi-continuous casting)에 의해서 생산되는데, 압출되거나 인발되는 제품(바, 튜브, 프로파일, 와이어)을 위한 압출, 압연 제품(시트, 스트립, 두꺼운 시트)을 위한 압연과 같은 원하는 제품의 형상에 대응되는 처리 단계가 이어진다. 압연 제품의 경우에는, 준 연속 주조에 의해 생산되는 압연 잉곳(ingot)이 열간 압연되고, 다음으로 냉간 압연된다. 스트립들은 평탄화되고 시트로 바뀐다. 이러한 제조 방법에서, 제품의 기계적 특성에 영향을 미치는 열간 압연 장치의 출구 온도 및 코일링 온도, 그리고 냉간 가공 속도(cold working rate)를 조심스럽게 조절하는 것이 필요하다. 바람직한 최종 두께는 3mm 에서 12 mm 사이이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 시트는 열간 압연에 의해 바로 최종 두께로 얻어진다. 이러한 경우, 열간 압연 장치의 출구 온도는 유리하게는 260℃에서 330℃ 사이, 그리고 바람직하게는 290℃에서 330℃사이가 좋다. 260℃ 이하에서 얻어지는 미세 구조는 원하는 용례에 잘 맞지 않으며, 330℃ 이상에서는 소망의 기계적 특성을 저하시키는 입자의 거칠어짐이 관찰된다. 본 발명의 이러한 특정 실시예, 다시 말하자면 열간 압연에 의한 최종 두께를 가지는 시트의 직접 생산은 또한 매우 넓은 시트의 제조를 용이하게 하는데, 예를 들면 3000mm 초과, 바람직하게는 3300mm 초과, 더 바람직하게는 3500mm 초과로 만드는 것을 용이하게 한다.

바람직한 실시예에서, 본 발명에 따른 제품은 파괴 연신율 A가 24% 이상이고, 바람직하게는 27% 이상인 것을 특징으로 한다. 이러한 성질은 제품의 사용을 더 용이하게 한다. 예를 들면, 이는 압연 시트에 뛰어난 굽힘성 및 성형성을 부여한다.

또 다른 실시예에서는 R_p0.2(LT), R_m(LT), 그리고 A_(LT) 세가지 변수의 최적화를 시도하였다. "LT" 표시는 이러한 기계적 특성들이 시트의 긴 횡방향(압연 방향의 수직 방향)으로 샘플된 인장 시험편에 기초하여 측정되었음을 나타낸다. 적절한 방식으로 지정된 영역에서 화학 조성을 조절함으로서, 인장 항복 강도 R_p0.2(LT)가 적어도 145MPa, 바람직하게는 적어도 150MPa, 더욱 바람직하게는 적어도 170MPa을 가지고, 극한 인장 강도 R_m(LT)가 적어도 290MPa, 바람직하게는 적어도 300MPa을 가지며, 파괴 연신율 A_(LT)는 적어도 24%, 바람직하게는 적어도 27%인 제품을 얻을 수 있다.

예를 들면, 유리하게는 Mn 0.20 - 0.40, Zn > 0.25, 그리고 바람직하게는 Zn > 0.30, 철 함량은 적어도 0.10%, 실리콘 함량은 적어도 0.10% 이다.

또 다른 바람직한 실시예에서는, R_m(LT) x A_(LT)곱을 최적화하는 것이 시도된다. 적절한 방식에 의해 지정된 범위 내에서 화학 조성을 조절함으로써, R_m(LT)는 MPa로, A_(LT)는 퍼센티지로 표현되고 LT 방향으로 채취된 시험편에 기초하여 측정될 때, R_p0.2(LT)는 충분한 수준으로 유지하면서도 R_m(LT) x A_(LT)의 곱이 8200보다 크고, 바람직하게는 8500보다 크며, 더 바람직하게는 9000보다 큰 제품을 얻을 수 있다. 이러한 제품, 특히 시트 형태의 제품은 탱커, 특히 위험 물질의 도로 및 철도 수송 수단에 특히 적합하다.

본 발명에 따른 제품은 현저하게 높은 마그네슘 함량에도 불구하고 공지된 비교가능한 Al-Mg 만큼 좋은 내부식성을 보여주고 있다. 본 발명의 범위 내에서, 이러한 내부식성은 입자간 부식성 테스트(오피셜 저널 오브 유럽피언 코뮤니티, 19/11/1984, No. L300-35 to 43) 후의 또는 ASTM G30, G39, G44 및 G49 기준에 따라 행해지는 응력 부식 테스트(stress corrosion test)에 의한 질량 손실 및 입자간 부식성에 의한 결함을 보여주는 최대 금속 깊이에 의해 특징지워진다. 응력 부식 테스트는 ASTM G129 기준에 따라 행하여질 수 있고, 출원인은 상기 기준들과 ASTM G129(R. Dif et al., Proceedings of the 6th International Conference on Aluminum Alloys, 1998, Toyohashi, Japan, pp.1615-1620 및 R. Dif et al., Proceedings of the Eurocorr Conference 1997, Trondheil, Norway, pp. 259-264) 기준 사이의 상관성을 미리 확립하였다.

선택된 입자간 부식 테스트는 해양 환경에서 자연적으로 노출되는 것을 나타내는 것으로 간주된다.(R. Dif et al., Proceedings of the Eurocorr Conference, 1999, Aachen, Germany).

부식 거동은 초기 상태에서만 평가되는 것이 아니라, 조건들이 변화할 수 있는 인공 에이징 처리(artificial ageing treatment)를 거친 다음에도 평가된다. 약 20년간 일상 온도에서의 자연 에이징 상태를 재현하기 위해 5xxx 시리즈 합금들에는 일반적으로 100℃에서 7일간 처리되어 왔다.(E.H.Dix et al., Proceedings of the 4th annual Conference of NACE, San Francisco, USA, 1958).

사용 중 매우 특별한 경우, 구조물이 비교적 높은 온도(60℃ 이상)에 놓여지게 된다. 당업자는 이러한 환경에서, 일부 5xxx 시리즈 합금들은 특정 노출 시간을 넘어서면 어느 정도의 부식 경향을 일으키는 것을 알고 있다. 소위 이러한 민감화 현상(sensitisation phenomenon)을 연구하기 위해, 100℃에서 10일간 열처리 하는 것보다는 더 강하게 열처리하는 것이 바람직하다. 등가 시간 개념(equivalent time concept)은 수행되어야할 처리의 회수 및 지속시간을 제한하는데 일반적으로 이용된다. 더 상세하게는, 온도 T₁에서 지속시간 t₁ 동안 이루어지는 열처리는 온도 T₂에서 지속시간 t₂ 동안 이루어지는 열처리와 다음 등식에 의해 등가가 된다.(R. Dif et al., Proceedings of the 6th International Conference on Aluminum Alloys, 1998, Toyohashi, Japan, pp. 1489 - 1494):

여기서 온도는 켈빈 온도이다. Q는 마그네슘 확산의 열 활성화 에너지(thermal activation energy)를 나타낸다(J/mol 로 표시). R은 기체상수이다. Q/R 비의 값은 10,000 K 에서 13,500 K 정도이다.

본 발명의 특정 실시예에서는, 본 발명에 따른 제품은 입자간 테스트에 있어서, 100℃에서 7일간의 에이징 후 20mg/㎠보다 작은 질량 손실 및 130㎛ 보다 작고, 바람직하게는 70㎛ 보다 작은 최대 부식 깊이로 특징지워지는 입자간 내부식성을 보여준다.

바람직하게는, 상기 제품은 또한 100℃에서 20일간의 에이징을 거친 후 50 mg/㎠ 보다 작고 바람직하게는 30 mg/㎠ 보다 작은 질량 손실 및 250㎛ 보다 작고 바람직하게는 100㎛ 보다 작은 최대 부식 깊이로 특징지워지는 입자간 내부식성을 또한 보여준다. 본 발명의 범위내에서 가장 바람직한 제품은 120℃에서 20일간의 에이징을 거친 후, 95 mg/㎠ 보다 작고 바람직하게는 80 mg/㎠ 보다 작은 질량 손실 및 450㎛ 보다 작고 바람직하게는 400㎛ 보다 작은 최대 부식 깊이로 특징지워지는 입자간 내부식성을 또한 보여주는데, 이러한 특성이 위에서 언급되었던 특성들, 즉 100℃에서 20일간 또는 120℃에서 20일간의 에이징 후 특성들 중 적어도 하나에 추가됨이 이해될 것이다. 이러한 제품은 우수한 기계적 특성들(예를 들면 적어도 8500 또는 9000의 R_m x A 곱)을 가지면서, 아래에 설명되는 것과 같이 도로 또는 철도용 탱커와 같은 용접 구조물을 제조하는데 특히 적당하다.

응력을 받는 상태에서의 내부식성을 연구하는데 있어서, 출원인은 ASTM G129 기준에서의 예로 개시된 슬로우 변형율 속도 테스트 방법(slow strain rate testing method)을 선택하였다. 이러한 테스트는, 실험 조건이 잘 제어되기만 하면 응력 부식 내에서의 비파괴 한계 응력(non-fracture threshold stress)을 결정하는 것으로 이루어진 종래의 방법보다 더 빠르고 변별력 있다.

슬로우 변형율 속도 테스트 방법은 불활성 매체(실험실 공기) 및 부식성 매체 내에서의 인장 성질을 비교하는 것으로 구성된다. 부식성 매체 내에서의 정역학정 특의 감소는 응력 부식 경향에 대응한다. 가장 민감한 인장 테스트 특성은 파괴 연신율 A 및 최대 응력 (수축) R_m이다. 출원인은 파괴 연신율이 최대 응력보다 더 변별력있는 변수임을 발견하였다.

정역학적 기계 특성들이 감소하는 것은 기계적 응력과 환경이 공동으로 동시에 작용하는 것으로 정의되는 응력 부식에 상응하는 것을 확인하는 것이 필요하다. 그러므로, 출원인은 응력을 가하지 않은 상태로 시험편을 사전 노출 시킨 다음 불활성 매체(실험실 공기) 내에서 인장 테스트를 수행하였으며, 위의 매체 내에서 수행된 인장 테스트와 동일한 시간 동안 부식성 매체 내에서도 인장 테스트를 수행하였다. 만일 얻어진 인장 특성들이 불활성 매체 내에서 얻어진 인장 특성들과 다르지 않다면, 응력 부식은 다음과 같이 정의된 "SC 감수성(susceptiblity)" 지표를 사용하여 정의될 수 있다.

슬로우 변형율 속도 테스트에 있어서 중요한 것은 인장 시험편, 변형 속도(deformation rate), 그리고 부식 용액의 선택에 대한 것이다. 출원인은 100mm의 곡률 반지름을 가지는 부채꼴의 시험편(긴 횡방향으로 채취됨)을 사용하였는데, 이는 변형 위치를 정하고 테스트를 보다 더 가혹하게 하는 것을 가능하게 한다.

응력 속도와 관련하여, 과도하게 빠른 속도는 응력 부식 현상이 발생하는 것을 허용하지 않을 수 있으나, 과도하게 느린 속도는 응력 부식 현상을 가리게(mask) 된다. 출원인은 응력 부식 효과를 극대화하는 것이 가능한 변형율 5.10^-5s^-1 (황방향 이동 속도 4.5.10^-2 mm/min에 대응)의 변형 속도를 사용하였다 (R. Dif. et al., Proceedings of 6th International Conference on Alluminum Alloys, 1998, Toyohashi, Japan, pp. 1615-1620).

사용될 부식 환경과 관련하여, 과도한 부식 매체가 응력 부식을 가리는 것과 동일한 형태의 문제가 주어질 수 있으나, 불충분하게 가혹한 환경은 부식 현상을 보여주는 것을 가능하게 만들지 않는다. 3% NaCl + 0.3% H₂O₂ 본 발명의 범위 내에서 성공적으로 사용되었다.

본 발명에 따른 제품은 도로용 또는 철도용 탱커나 산업용 차량의 제조에 사용되는 용접 구조물에 유익하게 이용될 수 있다. 또한 자동차의 차체, 특히 강화부(reinforcement part)의 제조에 사용될 수 있다. 이들은 양호한 성형성을 보여준다.

바람직한 이용에 있어서, 본 발명에 따른 제품은 도로용 또는 철도용 탱커의 제조에 사용되기 위해서 3mm와 12mm의 사이, 바람직하게는 4.5mm와 10mm 사이의 두께를 가지며, O 템퍼 또는 H111 템퍼와 같은 저 냉간 가공의 야금적 템퍼(low cold worked metallurgical temper)에서의 압연 시트의 형태로 이용되는데, 상기 시트는 8200 초과, 바람직하게는 8500 초과, 더욱 바람직하게는 9000 초과의 R_m(LT) x A_(LT)의 곱과 양호한 내부식성을 특징으로 한다. 이러한 이용을 위해, 바람직한 방식으로는 100℃에서 20일간의 에이징을 거친 후 입자간 내부식 테스트(intergranular resistance test) 내에서 질량 손실이 30mg/㎠ 미만이고, 100℃에서 20일간의 에이징을 거친 후 SC 슬로우 변형율 속도 테스트 지수가 50% 미만이다.

본 발명에 따른 제품은 MIG 또는 TIG 용접, 마찰 용접, 레이저 용접, 전자빔 용접과 같이 Al-Mg 형 합금을 위해 이용될 수 있는 용접 방법에 의해 용접될 수 있다. 더 상세하게는, 출원인은 본 발명에 따른 제품을 MIG 용접하는 것은 파괴 한계가 적어도 5186과 같이 공지된 합금만큼 높은 것을 특징으로 하는 용접 시임을 만들어 낸다는 것을 발견하였다. 이러한 용접 테스트는 5183 합금 용가재 와이어를 이용한 스무드 스트림 반자동 MIG 용접(smooth stream semi-automatic MIG welding)에 의하여, H111 템퍼에서 V 형 챔퍼(chamfer)를 형성하여 긴 횡방향으로 버트 용접(butt-welded) 시트 상에서 이루어진다. 기계적 테스트는 대칭적으로 플러시 심(flush seam) 및 논-플러시 심(non-flush seam)을 가지고 종방향(용접 시임에 수직인 방향)으로 행해지거나, 또는 LT 방향으로 행해진다. 종방향으로 채취된 시험편 상에, 적어도 275MPa의 R_m값이 나오는데, 이는 물질이 용접 구조물에 사용되기에 뛰어난 적합성을 강조하는 것이다.

본 발명은 예들을 사용함으로써 더 명확하게 이해될 것이지만, 본질적으로 이에 제한되지는 않는다.

[실시예 1]

압연 잉곳은 반연속 주조에 의해 다양한 합금들로부터 만들어졌다. 이들의 조성이 표 1으로 주어진다. 원소들에 대한 화학적 분석은 주조 채널 내에서 채취된 유체 금속으로부터 얻어진 스펙트로메트리 슬러그(spectrometry slug)에 대한 방전 스펙트로스코피(spark spectroscopy)에 의해 수행된다.

압연 잉곳은 가열된 후 열간 압연된다. 예를 들면, 예 H1에 해당하는 잉곳은 3 단계로 가열되는데, 490℃에서 10시간, 510℃에서 10시간, 490℃에서 3시간 45분, 그런 다음 도입(entry) 온도 490℃, 와인딩(winding) 온도 310℃ 에서 열간 압연된다. 예 H2, I1, I2, I3, 그리고 I4 에 해당하는 잉곳에 있어서, 가열은 두 단계로 이루어지고(510℃에서 21시간 + 490℃에서 2시간), 압연 도입 온도는 각각 477℃, 480℃, 479℃, 474℃, 그리고 478℃이고, 코일링 온도(coiling temperature)는 각각 290℃, 300℃, 270℃, 310℃, 그리고 300℃이다. 코일링 이후에, 모든 시트는 평탄화 되고 생산된다.

합금 A, B, C, D, E, 그리고 F는 현재 기술에 따른 합금들이다. 합금 G, H, 그리고 I는 본 발명에 따른 합금들이다.

이러한 합금들로부터 생산되는 시트들의 성질은 표 2에 주어졌다. 시트들은 이들이 제조되는 합금과 같은 참조 부호를 가진다.

시트성질

[실시예 2]

예 H1에 대응되고 H111 템퍼 내에서 5.0mm 두께를 가지는 두 개의 시트들은 매끄러운 스트림 반자동 MIG 용접에 의해 V형 챔퍼(45°각도)를 가지도록 긴 횡방향으로 버트 용접된다. Soudure Autogene Francaise로부터 제공되는 1.2mm 두께의 5183 합금(Mg 4.81%, Mn 0.651%, Ti 0.120%, Si 0.035%, Fe 0.130%, Zn 0.001%, Cu 0.001%, Cr 0.075%) 용가재 와이어가 사용되었다.

심(seam)이 시험편의 가운데 위치할 수 있도록, 용접 시임을 가로지르는 종방향으로 시험편이 채취되었다. 대칭적인 플러시 심(flush seam)에 있어서, 285MPa의 R_m 값이, 그리고 논-플러시 심(non-flush seam)에 있어서는 311MPa의 R_m 값이 나왔다.

H2 시트에 대응되는 두 개의 시트에 동일한 테스트가 행하여졌다. 대칭적인 플러시 용접 시임에 있어서, 290MPa의 R_m값이 나왔다. 논-플러시 심에 있어서는 318MPa의 R_m값이 나왔다. 비교예로서, 종래 기술에 따라 비교될 수 있는 두께를 가지는 시트에 형성된 플러시 심에 있어서는 283 MPa이 얻어졌다.(L. Cottignies et al., "AA 5186: 용접 구조물을 위한 새로운 알루미늄 합금", Journal of Light Metal Welding and Construction, 1999).

시트 I2 및 I4에 대응하는 두 개의 시트들에 동일한 테스트가 행하여졌다. 이 테스트를 위해, 시험편이 용접 시임을 통과하여 LT 방향으로 채취되었다. 다음의 결과가 나왔다.:

[실시예 3]

실시예 1에 개시된 것에 따라 제조된 시트들에, LDH(Limit Dome Hgieth; 한계 돔 높이) 테스트들이 행하여졌다. LDH는 주변 차단 블랭크 드로잉 테스트(peripheral blocked blank drawing test)이다. (R. Thomson, "시트 금속 성형성을 평가하기 위한 LDH 테스트 - 북미 딥 드로잉 리서치 그룹(Deep Drawing Research Group LDH 위원회의 최종 보고서", SAE Conference, 디트로이트, 1993, SAE Paper No. 93-0815). 490mm x 490mm의 블랭크에 등축 측방 팽창 응력(equiaxed bi-expansion stress)이 가해졌다. 플라스틱 필름과 그리스(grease)에 의해 펀치 구멍(250mm)과 시트 사이의 윤활성이 제공된다. LDH 값은 파괴 상태의 펀치 구멍, 다시말하면 한계 드로잉 깊이(limit drawing depth)를 대신하는 값이다.

H1 시트에 대해서는 101mm라는 값이 얻어졌고, H2 시트에 대해서는 94.1mm가 얻어졌다. 비교예로서, 비교 가능한 두께를 가지는 종래 기술에 따른 합금으로부터 얻어진 LDH 값은 94.3mm이다.(L. Cottignies et al., "AA 5186: 용접 구조물을 위한 새로운 알루미늄 합금", Journal of Light Metal Welding and Construction, 1999).

[실시예 4]

종래 기술에 따른 시트 및 예 H1에 따른 시트에 대하여, 발명의 상세한 설명에 부분에서 설명된 변수들과 관련하여, 슬로우 변형율 속도 테스트를 수행하였다. 두 가지 합금 및 다른 에이징 조건으로부터 얻어진 연신율 값(elongation value)이 표 3으로 주어졌다.

슬로우 변형율 속도 테스트 결과

본 발명에 따른 합금은 에이징 후에, 특히 중간 단계의 에이징에서 높은 마그네슘 함량에도 불구하고 개선된 응력 부식 저항성을 보여주었다.

19/11/84, No. L300, 35~43, 용액 B(30g/l NaCl + 5g/l HCl) 사용, 30mm x 30mm x 5mm 규격의 시험편을 내용으로 하는 오피셜 저널 오브 유러피언 코뮤니티의 권장에 따라, 입자간 부식성 테스트가 본 발명에 대응되는 H1, H2, I2, 그리고 I4 시트에 대해 실시되었으며, 현재 기술에 따른 5186 합금 시트에 대해서도 실시되었다.

본 발명에 따른 합금은 경쟁력 있는 수준의 입자간 내부식성을 보여주고 있고, 이는 종래 기술에 비해 개선된 것이다.

[실시예 5]

다음의 조성을 갖는 압연 잉곳이 반연속 주조법에 의해 생산되었다.

Mg 5.0%, Zn 0.30%, Mn 0.35%, Si 0.01%, Fe 0.15%, Cu 0.03%, Zr 0.02%, Cr 0.03%, Ni < 0.01%, Ti 0.02%

505℃에서 19시간의 균질화(homogenisation) 과정 후, 잉곳은 7mm 두께로 열간 압연된다. 가벼운 평탄화 과정(light planning) 후, 시트는 378℃까지 8시간 동안 어닐링되고, 378℃와 390℃ 사이의 온도에서 30분간 유지된다.

이러한 방식으로 얻어진 시트는 다음의 평균적인 기계적 특성(LT 방향)을 가 지게 된다.

R_m=297 MPa, R_p0.2 =139 MPa, A=28.9%

Claims

단련(wrought) Al-Mg 합금 제품으로서,

Mg 4.85 - 5.35 중량% Mn 0.20 - 0.50 중량% Zn 0.20 - 0.45 중량%

Si < 0.20 중량% Fe < 0.30 중량% Cu < 0.25 Cr < 0.15 중량%

Ti < 0.15 중량% Zr < 0.15 중량%

를 포함하고, 잔부는 불가피한 불순물들과 함께 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항에 있어서, Mg는 4.90 - 5.30 중량% 인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, Mn은 0.20 - 0.40 중량%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, Zn은 0.25 - 0.40 중량%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, Cu는 < 0.20 중량%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 0.10 중량%의 철을 포함하는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 0.05 중량%의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 4.95 중량%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 5.0 중량%의 마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 파괴 연신율 A가 적어도 24%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 인장 항복 강도 R_p0.2(LT)가 적어도 145 MPa, 극한 인장 강도 R_m(LT)가 적어도 290 MPa, 그리고 파괴 연신율 A_(LT)가 적어도 24%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제11항에 있어서, 인장 항복 강도 R_p0.2(LT)가 적어도 150 MPa인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제11항에 있어서, 파괴 연신율 A_(LT)가 적어도 27%인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 14은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제10항에 있어서, 극한 인장 강도 R_m(LT)가 적어도 300 MPa인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, R_m(LT)는 MPa로 A_(LT)는 퍼센트로 표시될 때, R_m(LT) x A_(LT)이 8200보다 큰 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품
제1항 또는 제2항에 있어서, 100℃에서 7일간의 에이징을 거친 다음, 입자간 부식성 테스트 후의 질량 손실이 20mg/㎠보다 작은 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 17은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 100℃에서 20일간의 에이징을 거친 다음, 입자간 부식성 테스트 후의 질량 손실이 50mg/㎠보다 작은 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 18은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제1항 또는 제2항에 있어서, 120℃에서 20일간의 에이징을 거친 다음, 입자간 부식성 테스트 후의 질량 손실이 95mg/㎠보다 작은 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 압연 시트인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제19항에 있어서, 시트의 두께가 3mm에서 12mm 사이인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 21은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제20항에 있어서, 시트의 두께가 4.5mm에서 10mm 사이인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
청구항 22은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제19항에 있어서, 시트는 반연속 주조법에 의하여 얻어진 잉곳으로부터 열간 압연에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
제22항에 있어서, 열간 압연 장치의 출구 온도는 260℃에서 330℃ 사이인 것을 특징으로 하는 단련 Al-Mg 합금 제품.
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적어도 일부가 다음의 조성을 가지는 시트로 만들어진 도로용 또는 철도용 탱커(tanker)로서,

Mg 4.95 - 5.35 중량% Mn 0.20 - 0.50 중량% Zn 0.25 - 0.45 중량%

Si 0.05 - 0.20 중량% Fe 0.10 - 0.30 중량% Cu < 0.25 중량%

Cr < 0.15 중량% Ti < 0.15 중량% Zr < 0.10 중량%

잔부는 불가피한 불순물들과 함께 알루미늄으로 이루어지며,

상기 시트는 R_m(LT) x A_(LT)가 적어도 8500인 것을 특징으로 하는 탱커.
제28항에 있어서, 상기 시트는 100℃에서 20일간의 에이징 후 입자간 부식 테스트에서 질량 손실이 50mg/㎠ 보다 작은 것으로 특징지워지는 내부식성을 보여주는 것을 특징으로 하는 탱커.
제28항 또는 제29항에 있어서, 상기 시트는 100℃에서 20일간의 에이징 후의 SC 지수가 50% 보다 작은 것으로 특징지워지는 내 응력부식성을 보여주는 것을 특징으로 하는 탱커.
제1항 또는 제2항에 따른 단련 Al-Mg 합금 제품으로 제조되는 것을 특징으로 하는 용접 구조물.
제31항에 있어서, 5183 합금 용가재 와이어를 사용한 MIG 용접에 의해 V형 챔퍼(45°각도)를 형성하여 긴 횡방향으로 맞대기 용접함으로써 얻어지는 용접 시임(weld seam)은, 상기 용접 시임을 가로지르는 종방향으로 채취한 시험편을 용접 시임의 대칭적 레벨링(symmetric levelling) 후에 용접 시임이 가운데 위치하도록 배치하여 측정하였을 때에 적어도 275 MPa의 R_m 값을 보이는 것을 특징으로 하는 용접 구조물.