KR101821035B1 - 고연신 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고연신률을 갖는 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄계 매트릭스; 및 상기 알루미늄계 매트릭스 내에 고용된 비금속 원소를 포함하는 알루미늄 합금으로서, 상기 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지가 순수 알루미늄의 적층 결함 에너지에 비해 감소된 알루미늄 합금을 포함한다.

Description

고연신 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법{Highly ductile aluminum alloy and method of fabricating the same}
본 발명은 금속 재료에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 고연신 알루미늄 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
알루미늄 또는 이의 일반적인 합금은 알루미늄의 가볍고 내구성이 큰 특성을 이용해 다양한 형태와 모양으로 제작이 가능하여, 산업적인 응용 범위가 매우 넓은 재료이다. 알루미늄 그 자체는 강도가 낮아 외관이 쉽게 변형되지만, 알루미늄 합금은 첨가 원소에 의해 강도가 향상되어 항공기에 적용 가능한 고강도·고신뢰성 부품에도 적용될 정도로 그 안전성이 입증되었다.
최근 자동차, 자전거, 전기전자, 또는 로봇 분야에 사용되는 부품의 개발을 위해 고강도 알루미늄 및 이의 제조 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일반적으로, 알루미늄계 매트릭스에 첨가되는 원소들의 종류가 많아질수록 강도나 내부식성의 향상은 기대할 수 있지만, 알루미늄 재료의 가공성의 향상을 위한 연신률은 개선되지 않거나 오히려 감소하는 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 0001) (특허문헌 0001) 한국 등록특허공보 제10-1030898호 " 고용 탄소/질소 복합형 소부경화 강판 및 그 제조방법"(등록일자: 2011.04.15)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강도와 같은 기계적 성질이 우수하면서도 연신률이 향상되어 가공성이 향상되고 고수율로 얻을 수 있는 고연신 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 상기 고연신 알루미늄 합금의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄계 매트릭스; 및 상기 알루미늄계 매트릭스 내에 고용된 비금속 원소를 포함하며, 적층 결함 에너지가 순수 알루미늄의 적층 결함 에너지에 비해 감소된 것이다. 상기 비금속 원소는 산소 또는 질소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 비금속 원소는 상기 알루미늄계 매트릭스의 알루미늄 대비 1 중량% 범위 내로 고용될 수 있다. 이 경우, 상기 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지는 100 mJ/m2 미만의 범위 내일 수 있다.
상기 알루미늄 합금은, 상기 알루미늄계 매트릭스의 적어도 일부에, 쌍정 계면 또는 부분 전위를 포함할 수 있다. 상기 비금속 원소는 상기 비금속 원소와 금속 이종 원소의 금속 화합물의 나노 입자를 알루미늄 용탕 내에 첨가하여 상기 나노 입자를 상기 비금속 원소와 상기 금속 이종 원소로 분해시켜, 상기 알루미늄 합금 내에 상기 비금속 원소가 고용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 알루미늄 합금은 냉간 가공에 의해 가공 경화될 수 있다. 또한, 상기 알루미늄 합금은 냉간 가공없이 시효 처리될 수도 있다.
상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조 방법은, 알루미늄계 매트릭스를 제공하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕을 제공하는 단계; 상기 용탕 내에 비금속 원소와 금속 이종 원소의 금속 화합물의 나노 입자들을 첨가하는 단계; 상기 나노 입자들이 상기 금속 이종 원소와 산소 또는 질소로 분해되어 상기 용탕 내에 상기 금속 이종 원소와 상기 비금속 원소를 균일 분산시키는 단계; 및 상기 용탕을 냉각시켜 상기 알루미늄계 매트릭스의 적어도 일부에, 상기 비금속 원소가 상기 알루미늄계 매트릭스에 고용되는 단계를 포함할 수 있다.
상기 적층 결함 에너지는 100 mJ/m2 이하일 수 있다. 상기 비금속 원소는 산소 및 질소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 또한, 상기 비금속 원소는 상기 알루미늄 대비 1 중량%의 범위 내일 수 있다. 상기 금속 이종 원소는, 구리, 철, 아연, 티타늄, 마그네슘 또는 2 이상의 조합일 수 있다.
상기 나노 입자들의 평균 크기는 20 nm 내지 100 nm의 범위 내일 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 비금속 원소가 고용된 알루미늄 합금에 대하여 냉간 가공에 의해 가공 경화시키는 단계가 더 수행될 수 있다. 다른 실시예에서, 상기 비금속 원소가 고용된 알루미늄 합금에 대하여 냉간 가공없이 인공 시효 처리시키는 단계가 더 수행될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 알루미늄계 매트릭스 내에 비금속 원소가 고용되면서 적층 결함 에너지를 감소시켜 연신률이 개선되고, 쌍정 또는 부분 전위를 포함하는 미세 조직에 의해 강도가 향상되어, 고강도의 가공성이 향상된 고연신 알루미늄 합금이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 알루미늄계 매트릭스를 제공하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕에 금속 이종 원소의 산화물 또는 질화물 입자들을 분말 형태로 첨가하여, 적층 결함 에너지가 감소시키고, 쌍정 및/또는 부분 전위를 발생시킴으로써, 전술한 이점을 갖는 고연신 알루미늄 합금을 고수율로 얻을 수 있는 고연신 알루미늄 합금의 제조 방법이 제공될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM)의 이미지들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍정 또는 부분 전위를 갖는 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지를 계산하기 위한 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 조성의 알루미늄 합금들의 연신률의 측정 결과를 나타내는 응력-변형률 선도들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 알루미늄계 매트릭스 내에 비금속 원소가 고용된 조직을 갖는다. 알루미늄계 매트릭스는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 형성된 기지를 지칭한다. 상기 알루미늄 합금에서는, 알루미늄의 결정상과 관련된 피크 이외에 알루미늄과 비금속 원소 사이의 반응에 의한 화합물에 관한 어떠한 피크도 나타나지 않는 X선 회절 분석 결과로부터 상기 알루미늄 합금은 상기 비금속 원소가 상기 알루미늄계 매트릭스에 고용된 고용체임이 뒷받침될 수 있다. 이와 관련하여서는, 제조된 알루미늄계 매트릭스에 대하여 넓은 영역에 걸쳐 X선 회절 분석(XRD) 및 X선 광전자 분광법(XPS)을 통해 확인되었으며, 이들 분석 결과를 통해서는 후술하는 도 2의 XRD 결과(곡선 As-cast 참조)에 도시된 것과 같이, 순수한 알루미늄 결정 구조만이 검출되었다.
상기 비금속 원소는 산소 및 질소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 비금속 원소는 알루미늄 대비 1 중량% 이하의 범위 내로 고용될 수 있다. 상기 비금속 원소가 알루미늄 대비 1 중량%를 초과하는 경우, 알루미늄 합금의 산화가 우선적으로 발생하여 고용이 어려워지고 그에 따라 상기 알루미늄 합금의 신장률은 감소하게 된다.
상기 알루미늄 합금에는 알루미늄 이외의 금속 이종 원소가 포함될 수 있다. 상기 금속 이종 원소는 구리, 철, 아연, 티타늄 및 마그네슘 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 금속 이종 원소는 4 중량% 이하의 범위 내로 고용될 수 있으며, 상기 금속 이종 원소는 알루미늄계 매트릭스 내에 치환형 또는 침입형의 방식으로 고용될 수 있으며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 알루미늄과 상기 금속 이종 원소 및 비금속 이종 원소의 원자 크기 및 결정 구조를 고려할 때, 상기 금속 이종 원소는 치환형 방식으로 주로 고용되고 상기 비금속 이종 원소는 침입형 방식으로 주로 고용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고용체인 알루미늄 합금은 주조 공정을 이용하여 제조될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 알루미늄 합금의 제조는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕을 제공하는 단계에 의해 개시될 수 있다. 예를 들면, 순수한 알루미늄을 전기 용해로를 이용하여 가열함으로써 상기 용탕이 제공될 수 있다.
상기 알루미늄계 매트릭스 내에 고용되는 비금속 원소를 제공하기 위해, 상기 용탕 내에 상기 금속 이종 원소의 산화물 입자들 또는 질화물 입자들을 상기 용탕 내에 첨가할 수 있다. 상기 산화물 입자들 또는 질화물 입자들은 20 nm 내지 100 nm의 평균 크기(또는 직경일 수 있음)를 가질 수 있다. 상기 입자들의 평균 크기가 100 nm를 초과하는 경우 상기 금속 이종 원소의 산화물 입자들 또는 질화물 입자들이 분해되지 않거나 알루미늄계 매트릭스 내에서 고른 분산이 어려워 제 2 상을 형성하기 용이해지며, 비금속 원소의 고용체 형성이 어려워진다. 상기 입자들의 평균 크기가 20 nm 미만인 경우, 상기 입자들 사이의 인력에 의해 알루미늄 매트릭스 내에 고른 분산이 어려워지며 그에 따라 제 2 상이 형성되거나 고용이 어렵다.
상기 금속 이종 원소는, 구리, 철, 아연, 티타늄, 마그네슘 또는 2 이상의 혼합물일 수 있으며, 상기 산화물 입자들 또는 질화물 입자들은, 예를 들면, 산화 구리 분말, 산화 철 분말, 산화 아연 분말, 신화 티타늄 분말, 산화 마그네슘 분말, 질화 구리 분말, 질화 철 분말, 질화 아연 분말, 질화 티타늄 분말, 질화 마그네슘 분말 자체이거나 이들 중 2 이상의 혼합물 분말일 수 있다. 이들 중 선택된 분말을 상기 비금속 원소의 고용률인 알루미늄 대비 1 중량% 이하의 범위가 되도록 상기 용탕 내에 첨가할 수 있다. 상기 용탕 내에 첨가된 상기 분말의 균일한 혼합을 위한 교반 공정이 수행될 수 있다.
상기 용탕은 상기 첨가된 산화물 입자들 또는 질화물 입자들이 분해될 수 있는 온도로 유지될 수 있다. 예를 들면, 상기 용탕은 500 ℃ 내지 1,000 ℃의 범위로 유지되면서, 상기 첨가된 입자들이 균일하게 분해될 수 있도록 상기 첨가된 입자들과 함께 교반될 수 있다. 이 과정에서, 상기 입자들은 상기 금속 이종 원소와 비금속 원소로 분해되어 상기 용탕 내에 균일 분산되며, 이로써 알루미늄계 매트릭스 내에 상기 금속 이종 원소와 상기 비금속 원소가 고용될 수 있다. 일 실시예에서, 이 단계에서, 상기 금속 이종 원소와 상기 비금속 원소의 고용이 완전히 이루어질 수도 있다. 또는, 다른 실시예에서, 상기 비금속 원소의 고용은 후속하는 추가적인 열처리 공정에 의해 완전히 달성될 수도 있다.
상기 금속 이종 원소와 상기 비금속 이종 원소가 용탕 내에 균일 분산된 후 냉각시켜, 알루미늄 주조재를 형성한다. 다른 실시예에서, 상기 주조재에 대해 고온에서 인공 시효 처리하는 단계가 더 수행되어 알루미늄 주조재가 형성될 수도 있다. 상기 인공 시효 처리는 알루미늄 합금의 강도를 증가시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 알루미늄 주조재에 대하여 소성 변형 공정을 수행하여 알루미늄 가공재를 형성할 수 있다. 상기 소성 변형 공정은 냉간 가공일 수 있으며, 상기 소성 변형 공정을 통해 상기 알루미늄 주조재의 가공 경화가 일어날 수 있다. 상기 소성 변형 공정은 압연 또는 압출에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 이러한 공정은 예시적일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 변형을 초래하는 적합한 압축 또는 전단 응력을 제공할 수 있는 여하의 공정이 수행될 수 있다. 상기 소성 변형 공정을 통해 후술하는 쌍정 계면 또는 부분 전위가 유도될 수도 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 알루미늄 주조재에 대하여, 또는 상기 알루미늄 가공재에 대하여 열처리가 수행될 수 있다. 상기 열처리는 목적에 따라 온도 범위가 나뉠 수 있는데, 고용을 위한 열처리는 400 ℃ 내지 500 ℃, 인공 시효를 위한 열처리는, 비제한적 예로서, 120 ℃ 내지 180 ℃의 범위 내에서, 예를 들면, 6 시간 내지 24 시간 동안 수행될 수 있다. 열처리를 겪은 알루미늄 열처리재는 열처리 후에도 상기와 같은 미세 구조와 강도 및 연신률을 모두 유지하는 특성을 가질 수 있다.
본 발명자들은 위와 같이 제조된 알루미늄 주조재, 가공재 또는 열처리재에 대하여 구조 분석과 연신률에 대한 평가를 수행하였으며, 그 결과 알루미늄 주조재, 가공재 또는 열처리재 모두에서 쌍정 계면 및 부분 전위의 존재를 확인하였으며, 산소 또는 질소의 고용에 따른 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지의 현저한 감소와 그에 따른 연신률의 향상이라는 주목할만한 특성을 얻었다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 미세 구조를 나타내는 투과 전자 현미경(transmission electron microscope; TEM) 분석의 이미지들이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 상기 알루미늄 합금은 금속 이종 원소로서 아연과 비금속 원소로서 산소가 고용된 알루미늄 주조재이다. 상기 아연과 산소는, 전술한 것과 같이, 알루미늄 대비 1 중량% 이하의 범위 내인 약 0.5 중량%의 산소가 알루미늄계 매트릭스 내에 고용되었다. 상기 산소의 고용을 위해 산화 아연 분말을 상기 알루미늄 용탕 내에 첨가하고, 상기 아연 분말을 용탕 내에서 분해 혼련시켰다.
상기 알루미늄 합금은 양측의 격자가 대칭을 이루는 쌍정 계면(twin boundary, 도 1a의 황색 화살표로 가리킴) 또는 부분 전위(도 1b의 황색 화살표로 가리킴)을 갖는 것이 확인된다. 상기 쌍정 계면은, 양측 결정립 사이에 계면을 사이에 두고, 어느 일측의 원자가 반대편의 원자와 거울면과 같은 대칭적인 배열을 갖는 구조이다. 상기 쌍정 계면은 전술한 기계적인 소성 과정 또는 소성 변형 후의 시효 처리를 통해서 생성될 수 있다.
상기 산소의 고용에 의한 적층 결함 에너지의 감소로 알루미늄 합금의 연신률이 향상되면서, 동시에 상기 쌍정 계면은, 감소된 적층 결함 에너지와 함께 전위가 전파하는 슬립 작용을 효과적으로 방해하여 재료의 강도를 높이는 기전을 제공한다. 그에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 연신률의 향상으로 가공성이 향상되면서 동시에 기계적 강도가 향상된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 쌍정 또는 부분 전위를 갖는 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지(SFE)를 측정하기 위한 X선 회절 분석 결과를 나타내는 그래프이다. 적층 결함 에너지를 계산하는 방법으로서, X선 회절 분석 결과로부터 적층 결함 에너지를 계산하는 방법을 택하여 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지를 측정하였다.
도 2를 참조하면, 주조 상태 그대로의(As-cast) 주조재 알루미늄 합금 대비 약 5 %의 미소 변형을 유도하여, 피크의 이동 및/또는 피크의 크기의 변화로부터 적층 결함 에너지(SFE)를 평가하였다. 하기 식 1 내지 식 4에서 요구되는 각각의 상수를 문헌(2014년판 Scripta Materialia 지의 볼륨 92, 23 쪽 내지 26 쪽의 저자 Lee등의 "The effect of nitrogen on the stacking fault energy in Fe-15Mn-2Cr-0.6C-xN twinning-induced plasticity steels" 제하의 논문, 및 2012년판 Physica B. 볼륨 407, 4530쪽 내지 4536쪽의 저자 Ouyang등의 "Thermodynamic and physical properties of FeAl and Fe3Al: anatomistic study by EAM simulation"란 제하의 논문 참조), 그리고, 1974년판 J. Appl. Phys. 볼륨 45, 4705쪽의 저자 R.P. Reed 및 R.E. Schramm의 "Relationship between stacking-fault energy and x-ray measurements of stacking-fault probability and microstrain" 제하의 논문의 개시 사항과 실험적으로 얻어진 결과로부터 계산될 수 있다.
[식 1]
Figure 112016017913552-pat00001
여기서,
Figure 112016017913552-pat00002
는 알루미늄 결정 면 (200)의 브래그(Bragg) 각도이고,
Figure 112016017913552-pat00003
은 알루미늄 결정 면 (111)의 브래그 각도이며, P sf 는 적층 결함 확률이다. 상기
Figure 112016017913552-pat00004
은 식 2에 의해 결정되고, 상기
Figure 112016017913552-pat00005
은 식 3에 의해 결정될 수 있다.
[식 2]
Figure 112016017913552-pat00006
여기서,
Figure 112016017913552-pat00007
은 5 % 변형이 유도된 샘플의 결정 면 (200)의 브래그 각도이고,
Figure 112016017913552-pat00008
은 어닐링된 샘플의 결정 면 (200)의 브래그 각도이다.
Figure 112016017913552-pat00009
은 결정 면 (200)에서 나타나는 상대적인 x선 피크의 이동 값이 된다.
[식 3]
Figure 112016017913552-pat00010
여기서,
Figure 112016017913552-pat00011
은 5 % 변형이 유도된 샘플의 결정 면 (111)의 브래그 각도이고,
Figure 112016017913552-pat00012
은 어닐링 된 샘플의 결정 면 (111)의 브래그 각도이다.
Figure 112016017913552-pat00013
은 결정 면 (111)에서 나타나는 상대적인 x선 피크의 이동 값이 된다.
[식 4]
Figure 112016017913552-pat00014
[식 5]
Figure 112016017913552-pat00015
식 4에서,
Figure 112016017913552-pat00016
은 5.4(위 "Thermodynamic and physical properties of FeAl and Fe3Al: anatomistic study by EAM simulation"란 제하의 논문 참조),
Figure 112016017913552-pat00017
은 전단 응력으로서 알루미늄의 경우 약 24.3667 GPa이고,
Figure 112016017913552-pat00018
은 격자 상수로서, 약 0.40495 nm이며,
Figure 112016017913552-pat00019
는 벡터 상수로서 알루미늄의 경우 2.8571 이다.
Figure 112016017913552-pat00020
는 마이크로 변형(micro strain)으로서 X 선 회절 분석에서 해당 면에 대한 세기로 그 값이 결정되는 값이다. 식 5의
Figure 112016017913552-pat00021
는 재료의 elastic constant 로서, 아래 첨자의 숫자는 각 주어지는 응력 방향을 나타낸다.
순수 알루미늄의 적층 결함 에너지는 약 162 mJ/m2 이지만 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 경우에는 상기 적층 결함 에너지가 약 1/3배 정도로 감소된 것을 알 수 있다. 상기 적층 결함 에너지는 그 첨가되는 금속 이종 원소 및 비금속 이종 원소의 종류 또는 첨가량에 따라 100 mJ/m2 미만의 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다. 특이적으로, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금에서는 쌍정 계면 및 부분 전위 중 적어도 어느 한 종류의 결함이 나타난다. 전술한 주조재뿐만 아니라 산소 또는 질소가 제한적으로 고용된 본 발명의 실리예에 따른 알루미늄 합금의 가공재와 열처리재의 경우에도 상기 적층 결함 에너지가 100 mJ/m2의 범위 내에서 적절히 조절될 수 있다.
표 1은 순수한 알루미늄의 적층 결함 에너지 대비 본 발명의 실시예에 따른 주조재, 가공재 및 열처리재인 알루미늄 합금의 측정된 적층 결함 에너지를 나타낸다. 순수 알루미늄뿐만 아니라 Al6061 합금 및 A356 합금에서도, 본 발명의 실시예에 따르면, 적층 결함 에너지의 주목할 만한 감소가 나타난다. 상기 Al6061 합금 및 A356 합금은 예시적이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, AL1050, AL1060, AL1070, AL2011, AL2024, AL3003, AL4032, AL5052, AL5052, AL6063, 또는 AL7075와 같은 AL1xxxx ~ AL7xxx 계열의 다른 알루미늄 합금에서도 산소 또는 질소의 고용을 통해 알루미늄 합금의 연신률 향상이 가능하다.
재료 조성 적층 결함 에너지
(mJ/m2)
순수 알루미늄 100 % AL 162
주조재 100 % AL-O 48.65
가공재 AL6061 - O 60.55
열처리재 AL6061 - O 82.4
상기 적층 결함 에너지의 감소는 상기 쌍정과 부분 전위의 생성을 용이하게 하여 강도를 확보하면서도 연신률을 향상시킬 수 있도록 한다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 조성의 알루미늄 합금들의 연신률의 측정 결과를 나타내는 응력-변형률 선도들이다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 주조재인 산소가 고용된 알루미늄 합금(곡선 As-cast A356-O 참조)의 연신률은 비교 실시예인 주조재(곡선 As-cast A356 참조)의 연신률에 비하여 100 %까지 증가한다. 이러한 연신률의 증가는 본 발명의 실시예에 따른 적층 결함 에너지의 감소에 기인한다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열처리재인 산소가 고용된 알루미늄 합금(곡선 Treated A356-O 참조)의 연신률은 비교예인 열처리된 알루미늄 합금(곡선 Treated A356 참조)의 연신률에 비하여, 100 %까지 증가한다. 또한, 이러한 연신률의 향상과 함께 비교예에 비하여 인장 강도(M)가 30 % 이상 향상된다. 이러한 인장 강도의 향상은 적층 결함 에너지의 감소와 함께 이에 수반하는 쌍정 계면 및/또는 부분 전위에 의한 것으로 추측된다.
도 3c를 참조하면, 본 발명의 실시예에 다른 가공재인 A356 합금(곡선 Treated A356-O 참조)합금 역시 산소가 고용됨으로써, 첨가되지 않은 합금에 비하여, 이의 인장 강도가 30 % 만큼 증가하고, 연신률도 100% 이상 증가되었다.
이와 같이 감소된 적층 결함 에너지는 알루미늄 합금의 연신성을 향상시켜 알루미늄 합금의 가공성을 향상시킬 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 주조재에 한정되지 않으며, 전술한 가공재 또는 열처리재 모두에서 동일하게 연신률의 향상이라는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 알루미늄계 매트릭스; 및
    상기 알루미늄계 매트릭스 내에 균일하게 분산되며, 산화물을 형성하지 않도록 고용된 산소를 포함하며,
    적층 결함 에너지가 순수 알루미늄의 적층 결함 에너지에 비해 감소되며,
    연신률은 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 연신률에 비해 증가하고,
    인장 강도는 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 인장 강도에 비해 증가한 알루미늄 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연신률은 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 연신률에 비해 100% 증가하고,
    상기 인장 강도는 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 인장 강도에 비해 30 % 증가하는 알루미늄 합금.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소는 상기 알루미늄계 매트릭스의 알루미늄 대비 1 중량% 범위 내로 고용되는 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 적층 결함 에너지는 100 mJ/m2 미만의 범위 내인 알루미늄 합금.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄계 매트릭스의 적어도 일부에, 쌍정 계면 또는 부분 전위를 포함하는 알루미늄 합금.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소는 상기 산소와 금속 이종 원소의 금속 화합물의 나노 입자를 알루미늄 용탕 내에 첨가하여 상기 나노 입자를 상기 산소와 상기 금속 이종 원소로 분해시켜, 상기 알루미늄 합금 내에 상기 산소가 고용되는 알루미늄 합금.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 냉간 가공에 의해 가공 경화되는 알루미늄 합금.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 냉간 가공없이 시효 처리된 알루미늄 합금.
  9. 알루미늄계 매트릭스를 제공하는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용탕을 제공하는 단계;
    적층 결함 에너지가 순수 알루미늄의 적층 결함 에너지에 비해 감소하도록, 상기 용탕 내에 산소와 금속 이종 원소의 금속 화합물의 나노 입자들을 첨가하는 단계;
    상기 나노 입자들이 상기 금속 이종 원소와 상기 산소로 분해되어 상기 용탕 내에 상기 금속 이종 원소와 상기 산소를 균일 분산시키는 단계; 및
    상기 용탕을 냉각시켜 상기 알루미늄계 매트릭스의 적어도 일부에, 상기 산소가 산화물을 형성하지 않으며 상기 알루미늄계 매트릭스에 고용되는 단계를 포함하며,
    연신률은 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 연신률에 비해 증가하고,
    인장 강도는 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 인장 강도에 비해 증가한 알루미늄 합금의 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적층 결함 에너지는 100 mJ/m2 이하인 알루미늄 합금의 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 이종 원소는 구리, 철, 아연, 티타늄, 마그네슘 또는 이들 중 2 이상의 혼합물을 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 연신률은 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 연신률에 비해 100% 증가하고,
    상기 인장 강도는 산소를 고용하지 않은 알루미늄 합금의 인장 강도에 비해 30 % 증가하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소는 상기 알루미늄 대비 1 중량%의 범위 내인 알루미늄 합금의 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 나노 입자들의 평균 크기는 20 nm 내지 100 nm의 범위 내인 알루미늄 합금의 제조 방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소가 고용된 알루미늄 합금에 대하여 냉간 가공에 의해 가공 경화시키는 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 산소가 고용된 알루미늄 합금에 대하여 냉간 가공없이 인공 시효 처리시키는 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금의 제조 방법.
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