KR101635793B1 - 알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법 - Google Patents

알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재인 심재; 및 상기 심재의 적어도 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재;를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재는 고강도 및 고강성을 갖는 알루미늄 합금 복합재인 심재와 내식성 및 소성가공 특성이 우수한 알루미늄 합금 피재를 포함함으로써, 고강도, 고강성, 내식성, 소성가공특성이 모두 우수하다. 나아가, 심재 내의 강화재로 인한 표면 건전성의 문제 또한 알루미늄 합금 피재를 포함함으로써 해결할 수 있는 효과가 있다.

Description

알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법{Aluminum alloy matrix composite clad and fabrication method thereof}
본 발명은 알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 구체적으로는 알루미늄 합금 복합재를 심재로 하고, 이의 적어도 일부분을 둘러싼 알루미늄 합금 피재를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 복합재료는 순수 알루미늄 또는 알루미늄합금으로 이루어진 기지 내에 산화물 또는 탄화물 등과 같은 비금속 재료를 강화재로 분포시킨 것이다. 알루미늄 복합재료는 경량이면서 강도 및 강성(탄성계수)이 높고 내마모성과 고온특성이 우수하기 때문에 수송기기용 구조재료, 기계산업소재, 전기전자재료 등으로의 사용이 기대되고 있다.
금속기지 복합재료의 기계적 특성은 첨가되는 강화상의 종류, 크기, 부피분율, 기지/강화상의 계면 특성 등에 의해 큰 영향을 받는다. 강화재의 부피분율을 증가시키면 복합재료의 강도와 강성이 향상되며, 동일한 부피분율에서는 강화재의 크기가 작을수록 강화효과가 크고 소성가공특성이 향상된다. 따라서 강도와 강성 및 가공특성이 우수한 알루미늄 복합재료를 제조하기 위해서는 강화재의 부피분율을 증가시켜야 하고 강화재의 크기를 줄여야 한다.
알루미늄 복합재료를 제조하는 방법은 액상의 기지금속에 강화재를 외부에서 주입하는 방법과 용탕에서 강화재를 자발적으로 생성시키는 방법 (반응합성법)이 있다. 외부주입방식은 강화재와 기지금속간의 낮은 젖음성으로 인하여 강화재를 용탕 내에 주입하기가 어려우며 일정 크기 이하의 강화재는 첨가가 매우 어렵지만 비교적 높은 부피분율을 갖는 강화재를 기지내에 고르게 분산시킬 수 있는 장점이 있다. 한편 반응합성법은 생성된 강화재가 열역학적으로 안정하고 강화재와 기지의 계면 결합력이 우수하고 미세한 강화재를 형성시킬 수 있는 장점이 있다.
이와 같은 방법으로 제조한 알루미늄합금 복합재료는 강화재의 부피분율이 증가할수록 강도와 강성은 증가하지만 연신율 및 소성가공 특성은 대체로 감소하는 경향이 있으므로 지금까지 대부분의 알루미늄합금 복합재료는 주조용 부품 제조에 사용되어 왔다.
또한 알루미늄합금 복합재료는 기지합금의 종류에 따라서 부식특성이 달라지게 되는데, 일반적으로 고강도를 갖는 기지합금을 사용하면 내식성은 감소한다. 한편 최근에 이르러서는 자동차, 항공, 우주, 국방 등의 분야에서 판재, 봉재 형태의 고강도 알루미늄합금 복합재료의 수요가 증가하고 있어서 압연, 압출 등 소성가공 기술을 이용한 제품의 제조가 요구되고 있다. 또한 사용 환경에서 충분한 내구성을 갖기 위해서는 기계적 특성뿐만 아니라 내식성이 우수한 재료가 사용되어야 한다.
따라서, 알루미늄 복합재료를 구조용 소재로 사용하기 위해서는 가공성 및 내식성을 향상시키는 것이 필요하지만 일반적인 알루미늄합금 복합재료는 이러한 요구조건을 만족하지 못한다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0431927호에서는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조방법을 제공한다. 구체적으로는, 평균입자 크기가 0.001㎛ 내지 2㎛인 미세한 탄화붕소 분말들에 평균입자 크기가 2㎛ 내지 80㎛인 조대한 탄화붕소 분말들을 2:8 내지 8:2의 혼합비율로 혼합하고, 50㎫ 내지 500㎫의 일축압력을 사용하여 상기 혼합된 탄화붕소 분말을 일축방향으로 충진하여 탄화붕소의 기판을 성형하는 단계(a); 용침하기 전, 1000℃ 내지 1400℃의 온도에서 10분 내지 5시간 동안 탄화붕소 기판을 열처리하는 단계(b); 탄화붕소 기판의 온도를 1150℃ 내지 상온까지 내리는 단계(c); 및 탄화붕소 기판 위에 알루미늄을 올려놓은 후, 900℃ 내지 1150℃에서 용침하는 단계(d)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 용침법을 통한 고밀도 탄화붕소-알루미늄 복합재료 제조 방법을 제공한다.
그러나, 상기와 같은 탄화물을 포함하는 알루미늄 복합재료는, 가공성 및 내식성이 부족한 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 소성가공특성과 내식성이 우수한 고강도 알루미늄합금 복합재료를 제조할 수 있는 방법을 연구하던 중 고강도 알루미늄합금 복합재료의 표면에 소성가공특성과 내식성이 우수한 알루미늄합금을 접합시킨 알루미늄 복합 클래드재 및 이의 제조 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은,
알루미늄 합금 복합 클래드재를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은,
알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은,
알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재인 심재; 및
상기 심재의 적어도 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재;를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제공한다.
또한, 본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재의 적어도 일부를 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 압출 또는 압연하는 단계(단계 2);를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조되며,
알루미늄 합금 복합재에 비해 10 내지 15 % 향상된 인장강도, 15 내지 20 % 향상된 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제공한다.
더욱 나아가, 본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재의 적어도 일부를 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 압출 또는 압연하는 단계(단계 2);를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재는 고강도 및 고강성을 갖는 알루미늄 합금 복합재인 심재와 내식성 및 소성가공 특성이 우수한 알루미늄 합금 피재를 포함함으로써, 고강도, 고강성, 내식성, 소성가공특성이 모두 우수하다. 나아가, 심재 내의 강화재로 인한 표면 건전성의 문제 또한 알루미늄 합금 피재를 포함함으로써 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재인 심재 및 캔 형태의 알루미늄 합금 피재의 모식도이다.
본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재인 심재; 및
상기 심재의 적어도 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재;를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 일례를 도 1에 도시하였으며, 이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재는 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재인 심재를 포함한다.
알루미늄 합금 복합재는 강화재 입자가 분산되어 있어, 강도와 강성이 우수하며, 심재를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 알루미늄 합금 복합재인 심재의 알루미늄 합금은 2000계열 또는 7000계열을 사용할 수 있으나, 상기 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 강도 및 강성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니며, 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성을 증가시킬 수 있는 강화재 입자를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 직경이 0.01 내지 1 ㎛일 수 있다.
만약, 상기 강화재 입자의 직경이 0.01 ㎛ 미만인 경우에는 입자 뭉침의 문제점이 발생할 수 있고, 상기 강화재 입자의 직경이 1 ㎛ 초과인 경우에는 강화효과가 미미하고, 소성가공특성이 향상되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 심재 내에서 강화재 입자의 부피 분율은 5 내지 15 %일 수 있다.
만약, 상기 심재 내의 강화재 입자의 부피 분율이 5 % 미만인 경우에는 높은 강성(탄성계수)를 얻을 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 15 % 초과인 경우에는 가공성이 현저히 떨어져 압출 등의 소성가공이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재는 상기 심재의 적어도 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재를 포함한다.
최근에는 자동차, 항공, 우주, 국방 등의 분야에서 판재, 봉재 형태의 고강도 알루미늄합금 복합재료의 수요가 증가하고 있어서 압연, 압출 등 소성가공 기술을 이용한 제품의 제조가 요구되고 있다. 또한, 사용 환경에서 충분한 내구성을 갖기 위해서는 기계적 특성 뿐만 아니라 내식성이 우수한 재료가 사용되어야 한다. 따라서, 알루미늄 복합재료를 구조용 소재로 사용하기 위해서는 가공성 및 내식성을 향상시키는 것이 필요하지만 종래의 알루미늄합금 복합재료는 이러한 요구조건을 만족하지 못하였다.
이에, 본 발명에서는 알루미늄 합금 복합재인 심재의 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재를 제공한다. 상기 알루미늄 합금 피재는 내식성 및 가공성이 우수하여, 이를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 내식성 및 가공성을 향상시킬 수 있다. 결과적으로, 강도 및 강성이 우수한 알루미늄 합금 복합재인 심재와, 내식성 및 가공성이 우수한 알루미늄 합금 피재를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재는 강도, 강성, 내식성 및 가공성이 모두 우수한 효과가 있다.
이때, 상기 알루미늄 합금 피재의 알루미늄 합금은 1000계열 또는 6000계열일 수 있으나, 상기 피재의 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 내식성 및 가공성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 심재는 판재 또는 빌렛의 형태일 수 있다. 알루미늄 합금 복합 클래드재는, 심재가 판재의 형태인 경우에는 판재의 압연면의 상부, 하부에 피재를 위치시킨 클래드재의 형태를 가질 수 있고, 심재가 빌렛의 형태인 경우에는 빌렛의 원주면을 둘러싸는 곳에 피재를 위치시킨 클래드재의 형태를 가질 수 있다.
이때, 상기 피재의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 심재의 두께 또는 직경은 피재 두께의 20 내지 30 배일 수 있다. 만약, 피재의 두께가 0.1 mm 미만인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 10 mm 초과인 경우에는 강화효과가 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만약, 심재의 두께 또는 직경이 피재 두께의 20 배 미만인 경우에는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성이 미미한 문제점이 있고, 30 배 초과인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 심재의 적어도 일부를 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 1.1 내지 3의 압연비 또는 5 내지 25의 압출비로 압연 또는 압출하여 제조할 수 있다.
상기 심재가 판재의 형태인 경우에는 판재의 압연면의 상부, 하부에 피재를 위치시킨 후, 압연하여 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제조할 수 있고, 상기 심재가 빌렛의 형태인 경우에는 빌렛의 원주면을 둘러싸는 곳에 피재를 위치시킨 후, 압출하여 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제조할 수 있다.
이때, 압연은 10 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서, 압출은 250 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 실시할 수 있다. 압연시 10 ℃ 미만에서의 압연은 접합이 이루어지지 않으며 450 ℃ 초과에서의 압연은 재료의 산화가 일어나서 심재와 피재의 접합이 이루어지지 않거나 표면 품질이 저하될 수 있다. 압출시 250 ℃ 미만에서는 높은 압출 압력으로 인하여 압출이 되지 않을 수 있으며 450 ℃ 초과에서는 가공열에 의한 온도 상승으로 표면 품질이 저하될 수 있다.
이때, 압연비는 1.1 내지 3일 수 있으며 압출비는 5 내지 25일 수 있다. 여기서, 압연비 또는 압출비는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.
압연비 = 압연 전 시료 단면적/압연 후 압연재 단면적
압출비 = 압출 전 시료 단면적/압출 후 압출재 단면적
만약, 상기 압연비가 1.1 미만 또는 압출비가 5 미만인 경우에는, 압연 및 압출 과정에서 충분한 양의 소성가공이 가해지지 못하므로, 심재와 피재의 접합이 공고히 이루어지지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 압연비가 3 초과 또는 압출비가 25 초과인 경우에는 압출 압력이 상승하여 압출이 되지 않거나, 표면 품질의 저하가 일어나며 균열이 발생하거나 심재의 강화재에 의하여 피재의 균열을 야기할 수 있다. 따라서, 피재와 심재의 접합이 원활이 이루어지면서 건전한 압연재 및 압출재를 제조하기 위해서는 압연비는 1.1 내지 3, 압출비는 5 내지 25인 것이 바람직하다.
본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재의 적어도 일부분을 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 압출 또는 압연하는 단계(단계 2);를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법을 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법의 일례를 도 2에 도시하였으며, 이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법에 있어서, 단계 1은 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 제조하는 단계이다.
단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재는 강화재 입자가 분산되어 있어, 강도와 강성이 우수하며, 후속공정을 통해 심재를 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
알루미늄 합금 복합재를 제조하는 방법은 외부로부터 기지 내에 강화재를 주입하는 방법과, 반응합성을 이용하여 강화재를 기지 내에서 생성시키는 방법이 있다. 고강도를 갖는 가공용 알루미늄 합금 기지를 사용하기 위해서는 복합재료의 강화재의 크기가 미세하게 제조되므로 외부주입법에 비해 기계적 성질이 우수한 반응합성법으로 제조하는 것이 바람직하나, 상기 알루미늄 합금 복합재의 제조방법이 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 상기 알루미늄 합금 복합재인 심재의 알루미늄 합금은 2000계열 또는 7000계열을 사용할 수 있으나, 상기 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 강도 및 강성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니며, 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성을 증가시킬 수 있는 강화재 입자를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 직경이 0.01 내지 1 ㎛일 수 있다. 만약, 상기 강화재 입자의 직경이 0.01 ㎛ 미만인 경우에는 입자 뭉침한 문제점이 발생할 수 있고, 상기 강화재 입자의 직경이 1 ㎛ 초과인 경우에는 강화효과가 미미하고, 소성가공특성이 향상되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 심재 내에서 강화재 입자의 부피 분율은 5 내지 15 %일 수 있다. 만약, 상기 심재 내의 강화재 입자의 부피 분율이 5 % 미만인 경우에는 높은 강성(탄성계수)를 얻을 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 15 % 초과인 경우에는 가공성이 현저히 떨어져 압출 등의 소성가공이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재의 적어도 일부분을 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 압출 또는 압연하는 단계이다.
단계 2에서는, 알루미늄 합금 복합재의 취약한 소성가공특성과 내식성을 보완하기 위하여 심재 표면에 알루미늄 합금 피재를 접합시키는 단계이다.
이때, 상기 알루미늄 합금 피재의 알루미늄 합금은 1000계열 또는 6000계열일 수 있으나, 상기 피재의 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 압출특성 및 내식성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 단계 2의 피재의 두께는 0.5 mm 내지 50 mm이고, 복합재의 직경 또는 두께는 피재 두께의 20 내지 30 배일 수 있다. 만약, 피재의 두께가 0.5 mm 미만인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 50 mm 초과인 경우에는 강화효과가 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만약, 복합재의 두께 또는 직경이 피재 두께의 20 배 미만인 경우에는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성이 미미한 문제점이 있고, 30 배 초과인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 압출 또는 압연시, 압연비는 1.1 내지 3일 수 있으며 압출비는 5 내지 25일 수 있다. 이때, 압연비, 압출비는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.
압연비 = 압연 전 시료 단면적/압연 후 압연재 단면적
압출비 = 압출 전 시료 단면적/압출 후 압출재 단면적
만약, 상기 압연비가 1.1 미만 또는 압출비가 5 미만인 경우에는, 압연 및 압출 과정에서 충분한 양의 소성가공이 가해지지 못하므로, 심재와 피재의 접합이 공고히 이루어지지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 압연비가 3 초과 또는 압출비가 25 초과인 경우에는 압출 압력이 상승하여 압출이 되지 않거나, 표면 품질의 저하가 일어나며 균열이 발생하거나 심재의 강화재에 의하여 피재의 균열을 야기할 수 있다. 따라서, 피재와 심재의 접합이 원활이 이루어지면서 건전한 압연재 및 압출재를 제조하기 위해서는 압연비는 1.1 내지 3, 압출비는 5 내지 25인 것이 바람직하다.
심재가 빌렛의 형태인 경우에는, 캔 형태의 피재 내에 심재를 삽입한 후, 압출하여 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제조한다. 이때, 압출 전 캔의 두께 (tcan) 및 압출 전 빌렛의 직경(dbillet)은 피재 두께, 심재 직경 및 압출비에 의해서 다음과 같은 식에 의거하여 정할 수 있다(이때, 알루미늄 합금 복합 클래드재가 기계적 성질 및 내식성, 가공특성을 모두 만족시키기 위해서는, 피재의 두께는 0.1 mm 이상, 심재 직경(dcore)의 5 % 이하인 것이 바람직하다. 역으로 심재의 직경은 피재 두께의 20 배 이상이 되는 것이 바람직하므로, 피재의 최소두께인 0.1 mm의 20 배인 2 mm 이상이 되는 것이 바람직하다.). 도 3을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
캔의 두께(tcan) = 압출후 압출재 피재 두께(tclad) * SQRT(압출비).......(1)
빌렛의 직경(dbillet) = 압출후 압출재 심재 직경(dcore) * SQRT(압출비)...(2)
피재의 두께는 0.1 mm 이상이 되는 것이 바람직하므로, 캔의 최소 두께는 다음과 같이 결정된다.
캔의 최소 두께 = 0.1 mm * SQRT(압출비)..............................(3)
심재의 직경은 최소 2mm가 되는 것이 바람직하므로, 빌렛의 최소 직경은 다음과 같이 결정된다.
빌렛의 최소 직경 = 2mm * SQRT(압출비)...............................(4)
또한, 캔의 최대 두께는 다음과 같이 결정된다.
캔의 최대 두께 = 압출후 압출재 피재 최대 두께 * SQRT(압출비)
= 압출후 압출재 심재 직경(dcore) * 5% * SQRT(압출비)
= 빌렛의 직경(dbillet)/ SQRT(압출비) * 5% * SQRT(압출비)
= 빌렛의 직경 (dbillet) * 5%..........................(5)
식 (3), (4), (5)를 종합하면 캔의 두께와 빌렛의 직경은 다음과 같이 정할 수 있다.
0.1mm * SQRT (압출비) < 캔의 두께 < 빌렛의 직경 (dbillet) * 5%........(6)
2mm * SQRT (압출비) < 빌렛의 직경...................................(7)
한편, 상기 단계 2의 복합재 외부표면 및 피재 내부표면은 탈지 및 연마된 것을 사용할 수 있고, 이로써 압출 또는 압연 후에 심재와 피재의 접합이 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 단계 2의 수행 후, 단계 2에서 제조된 클래드재를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
압출한 알루미늄 복합재료 클래드 압출재의 강도를 향상시키기 위해서는 열처리를 행할 수 있다. 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도는 주로 심재의 강도에 의해서 결정되는데, 열처리에 의한 강도의 향상은 심재의 알루미늄 합금 기지의 강도 향상에 기인한다. 따라서, 알루미늄 합금 복합 클래드재의 열처리는 심재 기지합금의 열처리 조건에 준하여 실시할 수 있다.
상기 열처리는 100 내지 600 ℃의 온도에서 30분 내지 15시간 동안 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명은,
상기 제조방법에 따라 제조되며,
알루미늄 합금 복합재에 비해 10 내지 15 % 향상된 인장강도, 15 내지 20 % 향상된 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재는 고강도 및 고강성을 갖는 알루미늄 합금 복합재인 심재와 내식성 및 소성가공 특성이 우수한 알루미늄 합금 피재를 포함함으로써, 고강도, 고강성, 내식성, 소성가공특성이 모두 우수하다. 특히, 알루미늄 합금 복합재가 단독으로 있는 것에 비해 10 내지 15 % 향상된 인장강도, 15 내지 20 % 향상된 항복강도를 가질 수 있다.
본 발명은,
강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 빌렛 형태로 제조하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1에서 제조된 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재를 캔 형태의 알루미늄 합금 피재에 삽입하여 압출하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 제조된 압출재를 열처리하는 단계(단계 3);을 포함하는 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법에 있어서, 단계 1은 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 제조하는 단계이다.
이때, 상기 알루미늄 합금 복합재인 심재의 알루미늄 합금은 2000계열 또는 7000계열을 사용할 수 있으나, 상기 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 강도 및 강성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것을 아니며, 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성을 증가시킬 수 있는 강화재 입자를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 강화재 입자는 직경이 0.01 내지 1 ㎛일 수 있다. 만약, 상기 강화재 입자의 직경이 0.01 ㎛ 미만인 경우에는 입자 뭉침의 문제점이 발생할 수 있고, 상기 강화재 입자의 직경이 1 ㎛ 초과인 경우에는 강화효과가 미미하고, 소성가공특성이 향상되지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 심재 내에서 강화재 입자의 부피 분율은 5 내지 15 %일 수 있다. 만약, 상기 심재 내의 강화재 입자의 부피 분율이 5 % 미만인 경우에는 높은 강성(탄성계수)를 얻을 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 15 % 초과인 경우에는 가공성이 현저히 떨어져 압출 등의 소성가공이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 복합재의 적어도 일부분을 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 압출 또는 압연하는 단계이다.
단계 2는, 알루미늄 합금 심재 내의 강화재 입자로 인해, 소성 가공시 크랙이 발생하는 문제점을 해결하기 위해 심재 표면에 알루미늄 합금 피재를 접합시키는 단계이다.
이때, 상기 알루미늄 합금 피재의 알루미늄 합금은 1000계열 또는 6000계열일 수 있으나, 상기 피재의 알루미늄 합금이 이에 제한되는 것은 아니며, 압출특성 및 내식성이 우수한 알루미늄 합금을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 단계 2의 피재의 두께는 0.5 mm 내지 50 mm이고, 복합재의 직경 또는 두께는 피재 두께의 20 내지 30 배일 수 있다. 만약, 피재의 두께가 0.5 mm 미만인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있고, 50 mm 초과인 경우에는 강화효과가 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만약, 복합재의 두께 또는 직경이 피재 두께의 20 배 미만인 경우에는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도 및 강성이 미미한 문제점이 있고, 30 배 초과인 경우에는 압출 시 가공성이 불량해지고, 부식환경에서 충분한 내식성을 확보할 수 없는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 압출 또는 압연시, 압연비는 1.1 내지 3, 압출비는 5 내지 25일 수 있다. 이때, 압연비, 압출비는 하기의 식으로 나타낼 수 있다.
압연비 = 압연 전 시료 단면적/압연 후 압연재 단면적
압출비 = 압출 전 시료 단면적/압출 후 압출재 단면적
만약, 상기 압연비가 1.1 미만 또는 압출비가 5 미만인 경우에는, 압연 및 압출 과정에서 충분한 양의 소성가공이 가해지지 못하므로, 심재와 피재의 접합이 공고히 이루어지지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 압연비가 3 초과 또는 압출비가 25 초과인 경우에는 압출 압력이 상승하여 압출이 되지 않거나, 표면 품질의 저하가 일어나며 균열이 발생하거나 심재의 강화재에 의하여 피재의 균열을 야기할 수 있다. 따라서, 피재와 심재의 접합이 원활이 이루어지면서 건전한 압연재 및 압출재를 제조하기 위해서는 압연비는 1.1 내지 3, 압출비는 5 내지 25인 것이 바람직하다.
심재가 빌렛의 형태인 경우에는, 캔 형태의 피재 내에 심재를 삽입한 후, 압출하여 알루미늄 합금 복합 클래드재를 제조한다. 이때, 압출 전 캔의 두께 (tcan) 및 압출 전 빌렛의 직경(dbillet)은 피재 두께, 심재 직경 및 압출비에 의해서 다음과 같은 식에 의거하여 정할 수 있다(이때, 알루미늄 합금 복합 클래드재가 기계적 성질 및 내식성, 가공특성을 모두 만족시키기 위해서는, 피재의 두께는 0.1 mm 이상, 심재 직경(dcore)의 5% 이하인 것이 바람직하다. 역으로 심재의 직경은 피재 두께의 20 배 이상이 되는 것이 바람직하므로, 피재의 최소두께인 0.1 mm의 20 배인 2 mm 이상이 되는 것이 바람직하다.).
캔의 두께(tcan) = 압출후 압출재 피재 두께(tclad) * SQRT(압출비).......(1)
빌렛의 직경(dbillet) = 압출후 압출재 심재 직경(dcore) * SQRT(압출비)...(2)
피재의 두께는 0.1 mm 이상이 되는 것이 바람직하므로, 캔의 최소 두께는 다음과 같이 결정된다.
캔의 최소 두께 = 0.1 mm * SQRT(압출비)..............................(3)
심재의 직경은 최소 2mm가 되는 것이 바람직하므로, 빌렛의 최소 직경은 다음과 같이 결정된다.
빌렛의 최소 직경 = 2mm * SQRT(압출비)...............................(4)
또한, 캔의 최대 두께는 다음과 같이 결정된다.
캔의 최대 두께 = 압출후 압출재 피재 최대 두께 * SQRT(압출비)
= 압출후 압출재 심재 직경(dcore) * 5% * SQRT(압출비)
= 빌렛의 직경(dbillet)/ SQRT(압출비) * 5% * SQRT(압출비)
= 빌렛의 직경 (dbillet) * 5%..........................(5)
식 (3), (4), (5)를 종합하면 캔의 두께와 빌렛의 직경은 다음과 같이 정할 수 있다.
0.1mm * SQRT (압출비) < 캔의 두께 < 빌렛의 직경 (dbillet) * 5%........(6)
2mm * SQRT (압출비) < 빌렛의 직경...................................(7)
한편, 상기 단계 2의 복합재 외부표면 및 피재 내부표면은 탈지 및 연마된 것을 사용할 수 있고, 이로써 압출 또는 압연 후에 심재와 피재의 접합이 용이하게 이루어질 수 있다.
상기 단계 2의 수행 후, 단계 2에서 제조된 클래드재를 열처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
압출한 알루미늄 복합재료 클래드 압출재의 강도를 향상시키기 위해서는 열처리를 행할 수 있다. 알루미늄 합금 복합 클래드재의 강도는 주로 심재의 강도에 의해서 결정되는데, 열처리에 의한 강도의 향상은 심재의 알루미늄 합금 기지의 강도 향상에 기인한다. 따라서, 알루미늄 합금 복합 클래드재의 열처리는 심재 기지합금의 열처리 조건에 준하여 실시할 수 있다.
상기 열처리는 100 내지 600 ℃의 온도에서 30분 내지 15시간 동안 수행하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1> 알루미늄 합금 복합 클래드 압출재 제조 1
단계 1: 2XXX계열 2024 알루미늄합금 기지에 6 %의 부피분율을 가지며 직경이 0.7 ㎛인 TiC 강화재가 분산된 지름 73 mm의 알루미늄 합금 복합재를 반응합성법으로 제조하였다.
단계 2: 6XXX계열 6061 알루미늄 합금으로 이루어진 두께 3 mm, 외경 79 mm, 내경 73 mm인 캔 내부에 상기 단계 1에서 제조한 빌렛을 삽입한 후 350 ℃에서 압출비 20으로 압출하여 알루미늄 합금 복합 압출재를 제조하였다.
단계 3: 단계 2에서 제조한 알루미늄 합금 복합 압출재를 400 ℃에서 2시간 유지 후 500℃로 승온 후 1시간 유지 후 수랭한 후 190 ℃에서 12시간 열처리하였다.
<실시예 2> 알루미늄 합금 복합 클래드 압출재 제조 2
단계 1: 7XXX계열 7075 알루미늄합금 기지에 6%의 부피분율을 가지며 크기가 0.7 ㎛인 TiC 강화재가 분산된 지름 79mm의 알루미늄 합금 복합재를 반응합성법으로 제조하였다.
단계 2: 6XXX계열 6061 알루미늄 합금으로 이루어진 두께 3 mm, 외경 79 mm, 내경 73 mm인 캔 내부에 상기 단계 1에서 제조한 빌렛을 삽입한 후 350 ℃에서 압출비 20으로 압출하여 알루미늄 합금 복합 압출재를 제조하였다.
단계 3: 단계 2에서 제조한 알루미늄 합금 복합 압출재를 480 ℃에서 1시간 유지 후 수랭한 후 120 ℃에서 20시간 열처리하였다.
<비교예 1> 알루미늄 합금 복합 압출재 제조
단계 1: 2XXX계열 2024 알루미늄합금 기지에 부피분율 6%의 TiC 강화재가 분산된 지름 79 mm의 알루미늄 합금 복합재를 반응합성법으로 제조하였다.
단계 2: 상기 단계 1에서 제조한 빌렛을 350 ℃에서 압출비 20으로 압출하여 알루미늄 합금 복합 압출재를 제조하였다.
단계 3: 단계 2에서 제조한 알루미늄 합금 복합 압출재를 400 ℃에서 2시간 유지후 500 ℃로 승온 후 1시간 유지 후 수랭한 후 190 ℃에서 12시간 열처리하였다.
<비교예 2> 알루미늄 합금 압출재 제조
단계 1: 지름 79mm의 2XXX계열 2024 알루미늄합금 빌렛을 350 ℃에서 압출비 11로 압출하여 알루미늄 합금 압출재를 제조하였다.
단계 2: 단계 1에서 제조한 알루미늄 합금 압출재를 400 ℃에서 2시간 유지후 500 ℃로 승온 후 1시간 유지 후 수랭한 후 190 ℃에서 12시간 열처리하였다.
심재
기지합금		 심재
강화재		 심재
강화재 분율		 심재
강화재 크기		 피재
합금		 심재 지름 대비 피재 두께비율 압출비
실시예 1 2024 TiC 6vol% 0.7um 6061 4% 20
실시예 2 7075 TiC 6vol% 0.7um 6061 4% 20
비교예 1 2024 TiC 6vol% 없음 없음 0 20
비교예 2 2024 없음 없음 없음 없음 0 20
<실험예 1>
상기 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2에서 제조된 알루미늄 합금 압출재의 기계적 성질을 인장시험기로 상온에서 측정하고, 압출 후의 표면 건전성을 광학현미경으로 관찰한 후 그 결과를 표 2에 도시하였다.
인장강도 항복강도 탄성계수 표면건전성
실시예 1 452 383 77.6 우수
실시예 2 543 481 78.3 우수
비교예 1 481 408 80.7 다소 불량
비교예 2 431 336 71.8 우수
표 2에 도시한 바와 같이, 실시예 1, 2에서 제조된 알루미늄 합금 복합 압출재는, 강화재 입자가 포함된 알루미늄 합금 복합재가 단독인 비교예 1의 경우보다 우수하거나 유사한 강도 및 강성을 유지하면서도, 피재를 포함함으로써 강화재 입자로 인한 표면건전성이 불량한 문제를 해결하여 우수한 표면 건전성을 나타냄을 알 수 있다. 비교예 2는 강화재 입자를 포함하지 않는 알루미늄 합금으로써, 강도 및 강성이 비교예 1에 비해 떨어지나, 강화재 입자를 불포함함으로써 표면건전성은 우수함을 알 수 있다.

Claims (23)

  1. 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재인 심재; 및
    상기 심재의 적어도 일부를 둘러싸는 알루미늄 합금 피재;를 포함하며,
    상기 피재의 두께는 0.1 내지 10 mm이고, 심재의 두께 또는 직경은 피재 두께의 20 내지 30 배인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강화재 입자는 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강화재 입자는 직경이 0.01 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 심재 내에서 강화재 입자의 부피 분율은 5 내지 15 %인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 복합재인 심재의 알루미늄 합금은 2000계열 또는 7000계열인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 피재의 알루미늄 합금은 1000계열 또는 6000계열인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 심재는 판재 또는 빌렛의 형태인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    심재의 적어도 일부를 알루미늄 합금 피재로 둘러싸도록 1.1 내지 3의 압연비 또는 5 내지 25의 압출비로 압연 또는 압출하여 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  10. 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 빌렛 형태로 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재를 캔 형태의 알루미늄 합금 피재에 삽입하여 5 내지 25의 압출비로 압출하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 제조된 압출재를 열처리하는 단계(단계 3);을 포함하며,
    상기 단계 2의 캔 형태의 알루미늄 합금 피재의 두께는 0.5 mm 내지 50 mm이고, 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재의 직경은 상기 피재 두께의 20 내지 30 배인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 1의 강화재 입자는 산화물, 탄화물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 단계 1의 강화재 입자는 직경이 0.01 내지 1 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 단계 1의 알루미늄 합금 복합재 내에서 강화재 입자의 부피 분율은 5 내지 15 %인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 단계 1의 알루미늄 합금 복합재의 알루미늄 합금은 2000계열 또는 7000계열인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 단계 2의 알루미늄 합금 피재의 알루미늄 합금은 1000계열 또는 6000계열인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제10항에 있어서,
    상기 단계 2의 압출은 250 ℃ 내지 450 ℃의 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 단계 2의 복합재 외부표면 및 피재 내부표면은 탈지 및 연마된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  20. 삭제
  21. 제10항에 있어서,
    상기 열처리는 100 내지 600 ℃의 온도에서 30분 내지 15시간 동안 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재의 제조방법.
  22. 제10항의 제조방법에 따라 제조되며,
    알루미늄 합금 복합재에 비해 10 내지 15 % 향상된 인장강도, 15 내지 20 % 향상된 항복강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재.
  23. 강화재 입자가 분산된 알루미늄 합금 복합재를 빌렛 형태로 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재를 캔 형태의 알루미늄 합금 피재에 삽입하여 5 내지 25의 압출비로 압출하는 단계(단계 2); 및
    상기 단계 2에서 제조된 압출재를 열처리하는 단계(단계 3);을 포함하며,
    상기 단계 2의 캔 형태의 알루미늄 합금 피재의 두께는 0.5 mm 내지 50 mm이고, 빌렛 형태의 알루미늄 합금 복합재의 직경은 상기 피재 두께의 20 내지 30 배인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 복합 클래드재 표면 건전성 향상방법.






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