KR101816202B1 - 아노다이징성과 내압성 및 내식성이 우수한 알루미늄합금 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 밸브류나 펌프류 및 온수분배기 등의 합금소재로 사용되는 Al-Mg계 합금에서,
Mg 7 내지 19 중량%, Cu 0.3 중량% 이하, Fe 0.5 중량% 이하, Si 0.5 중량% 이하 Mn 2 중량% 이하, Zn 3 중량% 이하, Cr 0.5 중량% 이하, Ti 0.2 중량% 이하로 하고, 잔부는 Al로 하는 합금 조성물로서,
각종 자동차부품, 항공기부품, 전자부품, 선박부품, 건축자재와 각종 유체기구에 사용되는 산업용 기구 및 기계류의 열전도가 획기적으로 향상되는 부품소재로 사용되는 알루미늄합금 소재이다.

Description

아노다이징성과 내압성 및 내식성이 우수한 알루미늄합금{ALUMINUM ALLOY FOR HIGH STRENGTH}

알루미늄은 가볍고 내식성 및 가공성이 좋으며 전기 및 열의 전도도가 높고 아노다이징 색상도 미려하여 용도가 매우 넓고, Cu, Mg, Si, Zn, Mn, Ni 등의 금속원소를 첨가하여 만든 고강도 알루미늄합금 또는 내식성 알루미늄합금은 기계적 성질이 우수하여 각종 밸브류나 펌프류 및 온수 분배기 등에 널리 사용되고 있다.

상기 각종 밸브류, 펌프류 및 온수 분배기 등에 사용되는 알루미늄합금소재는 경량이면서 고강도 및 응력부식(stress corrosion)에 강해야 하므로 초경량 고강도 Al-Mg계 합금이 주로 사용되는데 본 발명은 위와 같은 초경량 고강도 Al-Mg계 합금에 Cu, Fe, Si, Mn, Ti, Zn, Cr 등의 금속원소를 첨가하여 내압성과 내식성을 향상시킨 고강도 알루미늄합금에 관한 것이다.

대한민국 공개특허 제10-2003-0065018호(2003년 08월 06일 공개)에 체크밸브용 알루미늄합금이 소개되어 있다.

상기 체크밸브용 알루미늄합금은 Al-Mg계 합금 조성물에서 Mg의 함량을 조금 줄이는 대신 1.2 내지 1.7 중량%의 아연(Zn)과 0.1 내지 0.2 중량%의 구리(Cu)와 0.2 내지 0.3 중량%의 망간(Mn)을 첨가함으로써 응력부식균열과 인장특성의 안정화를 이루어 황동과 같은 기계적 물리적 성질을 얻는 합금에 관한 것이나,

밸브류나 펌프류 및 온수 분배기 등에서 필요로하는 내압성 및 내식성에 관한 기술은 나타나 있지 않다.

또한 일본 후지오오젝스(주)에서 신청한 대한민국 공개특허 제10-2000-0021310호인 알루미늄 또는 포핏 밸브 및 그 제조방법에서는 밸브 표면에 열경화층과 내부합금층을 형성하기 위해 강화물질로 Co 등을 첨가하는 Al-Mg계 합금이 소개되어 있는데 이 또한 내압성이나 내식성 향상에 기여하는 합금조성에 관한 기술은 나타나 있지 않다.

따라서, 본 발명은 각종 내외장용 기기나 밸브류와 펌프류 및 온수 분배기, 열량계 몸체 등의 내압성 및 내식성 향상을 꾀하고 아노다이징이 가능한 Al-Mg계 합금 조성물을 제공하는데 발명의 목적이 있다.

본 발명은 밸브류나 펌프류 및 온수 분배기 등의 합금소재로 사용되는 Al-Mg계 합금에서 Cu 0.3 중량% 이하, Fe 0.5 중량% 이하, Si 0.5 중량% 이하, Mn 2 중량% 이하, Zn 3 중량% 이하, Cr 0.5 중량% 이하, Ti 0.2 중량% 이하로 하고 Mg은 7 내지 19 중량%로 하며 잔부는 Al로 하는 알루미늄합금 조성물을 과제해결수단으로 하였다.

이와 같은 Al-Mg계 합금조성에 의한 본 발명은 종래 제품에 비해 압력(내압)에 견디는 내압특성과 내식성이 획기적으로 향상되고 경량화, 저비용 등의 원가절감 면에서 월등한 효과가 있다.

본 발명은 Mg 7 내지 19 중량%, Cu 0.3 중량% 이하, Fe 0.5 중량% 이하, Si 0.5 중량% 이하, Mn 2 중량% 이하, Zn 3 중량% 이하, Cr 0.5% 중량 이하, Ti 0.2 중량% 이하이고, 잔부는 Al의 조성을 갖는 Al-Mg계 합금으로써 내압성과 내식성을 크게 향상시킨 고강도 알루미늄합금에 관한 것이다.

이하 실시예를 기초로 하여 본 발명 고강도 알루미늄합금에 대해 설명하겠다.

(실시예)

알루미늄(Al) 84.9kg, Cu 0.2kg, Fe 0.3kg, Si 0.3kg, Mn 1kg, Zn 2kg, Cr 0.2kg, Ti 0.1kg을 흑연 도가니에 넣고 700 내지 800℃의 온도로 가열하여 용융시킨 뒤 플럭스(FLUX)를 도가니 내에 투입하여 용탕 표면에 산화 방지용인 FLUX층을 형성하였다.

상기 플럭스는 비철금속의 용해시 자주 사용되는 제품을 사용하였다.

이후 산화 방지층이 형성된 용탕속으로 긴 파이프를 통해 분말 처리된 Mg 11kg을 투입하한 후 700 내지 800℃에서 30 내지 60분 동안 유지하고 주조한다음 내압성과 내식성 정도를 알기 위한 시험편 2개를 각각 만들어 내압시험과 염수분무시험을 실시하였다.

두께 2.3mm, 직경28cm의 원형시편 2개(1개는 기존 Al-Mg 합금)를 염수의 농도 5±1%wt로 유지된 염수저장조 위에 장착하고 120시간 염수분무에 노출시킨 후 48시간 건조를 수행하였다.

분무되는 염수량은 위치 및 시간에 따라 편차 없이 균일한 양으로 분무되었으며, 염수분무시 챔버 내의 온도는 35±2℃를 유지하여 시험편의 실제 사용환경과 유사한 조건을 유지하였다.

이와 같은 염수분무시험 결과는,

본 발명 기존 Al-Mg 합금

위와 같이 본 발명에서는 부식이 전혀 없었으나 기존 Al-Mg 합금에서는 가장자리 쪽에 약간의 부식이 진행되어있음을 확인할 수 있었다.

또한 본 발명의 내압성 정도를 알아보기 위해 두께 2.3mm 직경28cm의 원형 시편 2개(1개는 기존 Al-Mg 합금)로 에릭슨시험(Erichsen Cupping Test)을 실시하였다.

시험장치는 KS B 5529에서 규정한 에릭슨시험기를 사용하였으며, 누르개의 힘은 1000kgf로 하였고, 누르개(펀치)의 누르는 속도는 5-20mm/min의 범위로 하였으며, 시험 종료에 가까워짐에 따라 그 속도를 점차 감소시켰다.

시험온도는 상온(5~35℃)에서 실시하였으며, 측정값은 본 발명은 펀치의 깊이가 10.2mm 정도에서 파공되었으나, 기존 Al-Mg 합금은 8.6mm정도에서 파공되었으므로, 본 발명의 내압성이 기존 Al-Mg 합금에 비해 획기적으로 향상되었음을 확인할 수 있다.

또한 Zn 함량에 따른 강도변화의 추이를 살펴보기 위해 인장강도, 항복강도, 전단강도, 연신율 등을 시험한 실측치는 아래와 같다.

기존(종래) 실시예의 합금의 조성과 본 발명의 실시예 1,2,3을 대비해보면,

인장강도(MPa)는 기존 실시예는 310인데 반해 본 발명의 실시예 1은 330, 실시예 2는 373, 실시예 3은 388로써 Zn의 함량이 높을 수록 인장강도가 상승되는 것을 알 수 있고 항복강도(MPa)에 있어서도 기존 실시예에서는 171인데 반해 본 발명의 실시예 1은 179, 실시예 2는 196, 실시예 3은 203으로써 Zn 함량이 높아질수록 항복강도도 상승하는 것을 알 수 있으며, 전단강도(Set,0.2%)에 있어서는 기존 실시예는 200인데 반해 본 발명의 실시예 1은 240, 실시예 2는 300, 실시예 3은 260으로 Zn 함량의 증가에 따라 전단강도가 상승되는 것을 알 수 있습니다.

연신율(%)에 있어서는 기존 실시예는 7인데 반해 본 발명의 실시예 1은 10, 실시예 2는 20, 실시예 3은 10으로 Zn 함량의 증가에 따라 연신율도 기존 실시예에 비해 증가하고 있음을 나타내고 있음을 알 수 있습니다.

다만 본 발명의 실시예 3에서는 Zn 함량이 실시예 2와 비슷한데도 전단강도와 연신율이 감소되는 경향을 보이고 있는데 이는 Mn 함량이 실시예 2 보다 실시예 3이 2배정도 더 첨가되어 Mn의 영향에 따른 전단강도와 연신율이 감소되는 원인으로 보여진다.

한편 본 발명에서 합금 조성비에 따른 수치 한정 이유를 설명하며,

① Mg : 7 내지 19 중량%

Mg는 Al 합금에서 내식성, 강도, 연성증가 원소로 첨가되는데 Al과 결합하여 Al₂Mg₂상(相)을 생성하여 Al 합금의 강도를 증가시킨다.

또한 응고과정에서 치수 변화를 적게하고 주조성 및 기계가공성을 향상시킨다.

Mg 7 중량% 미만에서는 강도가 현저히 낮아지고, Mg 19 중량%를 초과하면 압연 또는 압출시 파괴되기 쉬워 가공성이 떨어지고, 적층 결합에너지가 감소하여 합금기지 조직의 적측 결합 영역이 넓어져 합금 표면에 미세기포가 발생되는 문제점을 안고 있어 19 중량% 이하로 한정하였다.

② Cu : 0.3중량% 이하

Cu는 Al 합금의 응력 부식 균열에 대한 저항을 증가시키는 원소로 첨가되는데 Cu 0.3 중량%을 초과하면 인장 특성과 응력 부식에 대한 저항성을 방해하기 때문에 0.3 중량% 이하로 한정하였다.

③ Fe : 0.5 중량% 이하

Fe는 Al 합금의 용해 및 열처리 과정 중에 Al₃Fe로 석출되어 미세입자를 형성하여 Al의 합금의 강도 및 내마모성을 향상시키나 0.5 중량 이상 첨가하면 Al₃Fe 석출물이 조대화 되어 인성이 크게 감소하는 문제점이 있어 0.5 중량% 이하로 한정하였다.

④ Si : 0.5 중량% 이하

Si는 Al 메트릭스에 고용되어 Al 합금의 피로강도와 내압성을 향상시키는 원소로 첨가되는데, Si 0.5 중량을 초과하면 Si 입자가 Al 합금으로부터 석출되어 조대화 되어 가공성을 해치므로 0.5 중량% 이하로 한정하였다.

⑤ Mn : 2 중량% 이하

Mn은 Mg과 화합물을 형성하여 미세한 석출물을 생성시키고 성형 후 열처리하면 강도가 증가시키는 원소로 첨가되는데 2 중량%를 초과하면 조대한 금속간 화합물이 형성되어 인성이 낮아지는 문제점을 안고 있어 2 중량% 이하로 한정하였다.

⑥ Zn : 3 중량% 이하

Zn은 Mg와 결합하여 MgZn₂화합물을 생성하여 시효경화성능을 크게 향상시키는 원소로 첨가되어 내압성능을 증가하는 효과는 있으나 3 중량% 이상 첨가하면 자연균열을 일으키는 문제점이 있어 3 중량% 이하로 한정하였다.

⑦ Cr : 0.5 중량% 이하

Cr은 Al 합금에서 응력부식균열을 방지하는 원소로 첨가되어 내식성을 크게 향상시키거나 Cr 0.5 중량%를 초과하면 초과한 만큼 내식성이 크게 향상되지 않아 0.5 중량% 이하로 한정하였다.

⑧ Ti : 0.2 중량% 이하

Ti는 결정입자 미세화원소로 첨가되어 내압성능을 크게 향상시키는 원소로 첨가되는데 그 함량이 0.2 중량%를 초과하면 조대한 금속간 화합물을 형성하여 성형성(가공성)이 낮아지므로 0.2 중량% 이하로 한정하였다.

이와 같은 합금조성비를 갖는 본 발명은 각종 자동차부품 항공기부품, 전자부품, 선박부품, 건축자재와 각종 유체기구에 사용되는 산업용 기구 및 기계류의 열전도가 획기적으로 향상되는 부품소재로 널리 사용되는 알루미늄합금 소재이다.

Claims (1)

1. Al-Mg 합금에 있어서,
   Mg 7 내지 19 중량%, Cu 0 초과 0.3 중량% 이하, Fe 0 초과 0.5 중량% 이하, Si 0 초과 0.5 중량% 이하, Mn 0 초과 2 중량% 이하, Zn 1.5 내지 3 중량%, Cr 0 초과 0.5 중량% 이하, Ti 0 초과 0.2 중량% 이하이고, 잔부는 Al의 조성을 갖는 아노다이징성과 내압성 및 내식성이 우수한 알루미늄합금.