KR101914888B1 - 고도로 성형된 알루미늄 제품용의 합금 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents

고도로 성형된 알루미늄 제품용의 합금 및 이를 제조하는 방법 Download PDF

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Abstract

신규한 알루미늄 함유 합금이 본 명세서에 기재되어 있다. 합금은 고도로 성형성이고, 병 및 캔을 포함하는 고도로 성형된 알루미늄 제품을 제조하기 위해 사용될 수 있다.

Description

고도로 성형된 알루미늄 제품용의 합금 및 이를 제조하는 방법{ALLOYS FOR HIGHLY SHAPED ALUMINUM PRODUCTS AND METHODS OF MAKING THE SAME}
관련 출원에 대한 상호 참조
본원은 2014년 9월 12일에 출원된 미국 특허 가출원 제62/049,445호(그 전문이 본 명세서에 참고로 포함됨)의 이익을 주장한다.
기술 분야
본 발명은 신규한 합금을 제공한다. 일 실시형태에서, 합금은 고성형성의 알루미늄 합금이다. 본 발명은 추가로, 병 및 캔을 포함하는, 고도로 성형된 알루미늄 제품을 제조하기 위한 합금의 용도에 관한 것이다.
고도로 성형된 캔 및 병을 제조하는 데 사용하기 위한 성형성 합금이 요구된다. 성형된 병을 위한 제조 공정은 통상적으로 처음에 드로잉 및 월 아이어닝(drawing and wall ironing; DWI) 공정을 사용하여 실린더를 제조하는 것을 수반한다. 생성된 실린더는 이후 예를 들어 일련의 풀-바디 넥킹(full-body necking) 단계, 취입 성형 또는 다른 기계적 성형, 또는 이들 공정의 조합을 사용하여 병 형상으로 형성된다. 이러한 공정 또는 공정의 조합에 사용되는 임의의 합금에 대한 요구사항이 복잡하다. 따라서, 병 성형 공정을 위한 기계적 성형 및/또는 취입 성형 동안 높은 수준의 변형을 지속시킬 수 있고, 출발 실린더형 프리폼(preform)을 만들기 위해 사용된 DWI 공정에서 잘 기능하는, 합금에 대한 수요가 존재한다. 또한, 현재의 캔 바디 합금 AA3104에 의해 입증된 것과 같은 높은 속도 및 수준의 주행성(runnability)으로 합금으로부터 프리폼을 제조하기 위한 방법이 필요하다. AA3104는 캐스팅 동안 형성되고 균질화 및 압연 동안 변형된 큰 체적율의 조대 금속간 입자를 함유한다. 이 입자는 DWI 공정 동안 다이 세정에서 중요한 역할을 하여서, 다이에서의 임의의 알루미늄 또는 산화알루미늄 축적물의 제거를 돕고, 이것은 금속 표면 외관 및 또한 시트의 주행성 둘 다를 개선한다.
합금의 다른 요건은 이것이 알루미늄 병의 현재의 세대보다 더 낮은 중량으로 기계적 성능(예를 들어, 최종 성형 제품에서의 칼럼 강도, 강직성, 및 최소 바닥 돔 역압)에 대한 목표를 맞추는 병을 제조할 수 있어야 한다는 것이다. 설계의 상당한 변형 없이 더 낮은 중량을 달성하기 위한 유일한 방식은 병의 벽 두께를 감소시키는 것이다. 이것은 기계적 성능 요건을 만족시키는 것이 훨씬 더 도전적이게 만든다.
최종 요건은 높은 속도에서 병을 형성하는 능력이다. 상업용 제조에서 높은 처리량(예를 들어, 분당 500 내지 600개의 병)을 달성하기 위해, 병의 성형은 매우 짧은 시간에 완료되어야 한다. 따라서, 재료는 매우 높은 변형 속도를 이용하여 변형될 것이다. 알루미늄 합금이 일반적으로 실온에 민감한 변형 속도인 것으로 공지되지 않았지만, 높은 온도 성형성은 특히 Mg 함유 합금에 대해 변형 속도의 증가에 의해 상당히 감소한다. 당해 분야의 당업자에게 공지된 것처럼, 낮은 변형 속도 영역에서의 형성 온도의 증가와 연관된 파단 연신율의 증가는 변형 속도의 증가에 의해 점진적으로 감소한다.
승온에서 높은 변형 속도 성형성을 나타내는 신규한 합금이 본 명세서에 제공된다. 합금은 병 및 캔을 포함하는 고도로 성형된 알루미늄 제품을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 본 명세서에 기재된 알루미늄 합금은 약 0.25 내지 0.35%의 Si, 0.40 내지 0.60%의 Fe, 0 내지 0.40%의 Cu, 1.10 내지 1.50%의 Mn, 0 내지 0.76%의 Mg, 0.001 내지 0.05%의 Cr, 0 내지 0.3%의 Zn, 0.15% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함한다(모두 중량 백분율(중량%)). 몇몇 실시형태에서, 알루미늄 합금은 약 0.25 내지 0.35%의 Si, 0.40 내지 0.50%의 Fe, 0.08 내지 0.22%의 Cu, 1.10 내지 1.30%의 Mn, 0 내지 0.5%의 Mg, 0.001 내지 0.03%의 Cr, 0.07 내지 0.13%의 Zn, 0.15% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함한다(모두 중량 백분율(중량%)). 몇몇 실시형태에서, 알루미늄 합금은 약 0.25 내지 0.30%의 Si, 0.40 내지 0.45%의 Fe, 0.10 내지 0.20%의 Cu, 1.15 내지 1.25%의 Mn, 0 내지 0.25%의 Mg, 0.003 내지 0.02%의 Cr, 0.07 내지 0.10%의 Zn, 0.15% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함한다(모두 중량 백분율 (중량%)). 임의로, 합금은 0.10중량% 이하의 양으로 Mg를 포함한다. 합금은 Mn 함유 분산질(dispersoid)을 포함할 수 있고, 이것은 각각 1㎛ 이하의 직경을 가질 수 있다. 합금은 직접 냉경 캐스팅(direct chill casting), 균질화, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 제조될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 균질화 단계는 2단계 균질화 공정이다. 임의로, 상기 방법은 배취 어닐링 단계(batch annealing step)를 포함할 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 알루미늄 합금을 포함하는 제품(예를 들어, 병 및 캔)이 본 명세서에 또한 제공된다.
금속 시트를 제조하는 방법이 본 명세서에 추가로 제공된다. 상기 방법은 본 명세서에 기재된 바와 같은 알루미늄 합금을 직접 냉경 캐스팅(direct chill casting)하여 잉곳을 형성하는 단계, 잉곳을 균질화하여 복수의 Mn 함유 분산질을 함유하는 잉곳을 형성하는 단계, 복수의 Mn 함유 분산질을 함유하는 잉곳을 열간 압연하여 금속 시트를 제조하는 단계 및 금속 시트를 냉간 압연하는 단계를 포함한다. 임의로, 복수의 Mn 함유 분산질은 1㎛ 이하의 직경을 가지는 Mn 함유 분산질을 포함한다. 몇몇 실시형태에서, 균질화 단계는 2단계 균질화 공정이다. 2단계 균질화 공정은 잉곳을 적어도 600℃의 피크 금속 온도로 가열하는 단계, 잉곳이 4시간 이상 동안 피크 금속 온도에서 정치되도록 하는 단계, 잉곳을 550℃ 이하의 온도로 냉각시키는 단계 및 최종 잉곳이 20시간 이하 동안 정치되도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 임의로, 상기 방법은 배취 어닐링 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법에 따라 얻어진 제품(예를 들어, 병 또는 캔)은 또한 본 명세서에 의해 제공된다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 본 발명의 실시형태의 이하의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
도 1a는 대략 540℃에서 종래의 낮은 온도 사이클을 이용하여 균질화된 Mn 함유 분산질 샘플의 재결정화된 결정립(grain) 구조를 보여주는 사진이다.
도 1b는 8시간 동안 600℃에서 균질화된 Mn 함유 분산질 샘플의 재결정화된 결정립 구조를 보여주는 사진이다.
도 2a는 본 명세서에 기재된 프로토타입 합금 및 비교용 합금에 대한 0.58초-1의 변형 속도에서의 전체 인장 연신율을 보여주는 그래프이다. 도 2a에서, "3104"는 비교 합금 AA3104를 나타내고, "LC," "H2," "0.2Mg" 및 "0.5Mg"는 프로토타입 합금을 나타낸다.
도 2b는 본 명세서에 기재된 프로토타입 합금 및 비교용 합금에 대한 0.058초-1의 변형 속도에서의 전체 인장 연신율을 보여주는 그래프이다. 도 2b에서, "3104"는 비교 합금 AA3104를 나타내고, "LC," "H2," "0.2Mg" 및 "0.5Mg"는 프로토타입 합금을 나타낸다.
알루미늄 캔 및 병의 상업용 제조에서, 재료의 성형 공정은 공정을 경제적으로 실행 가능하게 만들기 위해 필요한 처리량을 달성하기 위해 높은 속도에서 수행되어야 한다. 더구나, 형성 동안 승온의 적용은 브랜드 소유자 및 소비자가 원하는 바대로 더 복잡한 형상 및 더 큰 팽창된 직경을 가지는 용기를 형성하는 데 필요할 수 있다. 그러므로, 이러한 적용에 사용된 재료가 높은 변형 속도 및 승온에서 변형될 때 높은 성형성을 성취할 수 있다는 것이 필요하다.
가온 형성 동안, 두 가지 중요한 마이크로구조 공정, 즉, 회복(recovery) 공정 및 가공 경화(work hardening) 공정이 동시에 일어난다. 그러나, 상기 두 가지 공정은 재료의 전체 전위 밀도에 반대 효과를 부여한다. 회복 공정이 전위 구성을 재구성함으로써 매트릭스에서의 전위 밀도를 감소시키지만, 가공 경화는 새로운 전위를 생성함으로써 전위 밀도를 증가시킨다. 상기 두 가지 공정의 속도가 동일한 크기에 도달할 때, 재료의 연신율은 크게 증대된다.
정의 및 설명:
본 명세서에서 사용된 용어 "발명", "본 발명", "이 발명" 및 "해당 발명"은 본 특허 출원 및 하기 청구항의 주제의 모두를 광범위하게 의미하도록 의도된다. 이러한 용어를 포함하는 서술은 본 명세서에 기재된 주제를 제한하지 않거나 하기 특허 청구항의 의미 또는 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, AA 번호 및 다른 관련 지칭, 예컨대 "시리즈"에 의해 확인된 합금이 언급된다. 알루미늄 및 이의 합금의 명명 및 식별에서 가장 흔히 사용된 숫자 지칭 시스템의 이해를 위해, 문헌["International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys" 또는 "Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot"](둘 다 알루미늄 협회에 의해 공개됨)을 참조한다.
본 명세서에 사용된 바대로, 단수 표현의 의미는, 달리 명확히 표시하지 않은 한, 단수 및 복수의 언급 대상을 포함한다.
하기 실시형태에서, 알루미늄 합금은 중량 백분율(중량%)로 이의 원소 조성의 면으로 기재되어 있다. 각각의 합금에서, 잔부는 모든 불순물의 합에 대해 0.15%의 최대 중량%로 알루미늄이다.
합금 조성물
승온(예를 들어, 250℃ 이하의 온도)에서 우수한 높은 변형 속도 성형성을 나타내는 새로운 알루미늄 합금이 본 명세서에 기재되어 있다. 본 명세서에 사용된 바대로, "높은 변형 속도"는 적어도 0.5초-1의 변형 속도를 의미한다. 예를 들어, 높은 변형 속도는 적어도 0.5초-1, 적어도 0.6초-1, 적어도 0.7초-1, 적어도 0.8초-1, 또는 적어도 0.9초-1의 변형 속도일 수 있다.
본 명세서에 기재된 합금 조성물은 알루미늄 함유 합금 조성물이다. 합금 조성물은 승온에서 우수한 높은 변형 속도 성형성을 나타낸다. 높은 변형 속도 성형성은 합금의 원소 조성으로 인해 달성된다. 구체적으로, 본 명세서에 기재된 바와 같은 합금은 표 1에 제공된 바와 같은 하기 원소 조성을 가질 수 있다. 조성물의 성분은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 중량 백분율(중량%)의 형태로 제공된다.
Figure 112017031115755-pct00001
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 합금은 표 2에 제공된 바와 같은 하기 원소 조성을 가질 수 있다. 조성물의 성분은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 중량 백분율(중량%)의 형태로 제공된다.
Figure 112017031115755-pct00002
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 합금은 표 3에 제공된 바와 같은 하기 원소 조성을 가질 수 있다. 조성물의 성분은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 중량 백분율(중량%)의 형태로 제공된다.
Figure 112017031115755-pct00003
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.25% 내지 0.35%(예를 들어, 0.25% 내지 0.30% 또는 0.27% 내지 0.30%)의 양으로 규소(Si)를 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.25%, 0.26%, 0.27%, 0.28%, 0.29%, 0.30%, 0.31%, 0.32%, 0.33%, 0.34% 또는 0.35%의 Si를 포함할 수 있다. 모두 중량%로 표현된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은 또한, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.40% 내지 0.60%(예를 들어, 0.40% 내지 0.5% 또는 0.40% 내지 0.45%)의 양으로 철(Fe)을 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.40%, 0.41%, 0.42%, 0.43%, 0.44%, 0.45%, 0.46%, 0.47%, 0.48%, 0.49%, 0.50%, 0.51%, 0.52%, 0.53%, 0.54%, 0.55%, 0.56%, 0.57%, 0.58%, 0.59% 또는 0.60%의 Fe를 포함할 수 있다. 모두 중량%로 표현된다.
몇몇 실시형태에서, 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.40% 이하(예를 들어, 0.08% 내지 0.22% 또는 0.10% 내지 0.20%)의 양으로 구리(Cu)를 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.10%, 0.11%, 0.12%, 0.13%, 0.14%, 0.15%, 0.16%, 0.17%, 0.18%, 0.19%, 0.20%, 0.21%, 0.22%, 0.23%, 0.24%, 0.25%, 0.26%, 0.27%, 0.28%, 0.29%, 0.30%, 0.31%, 0.32%, 0.33%, 0.34%, 0.35%, 0.36%, 0.37%, 0.38%, 0.39% 또는 0.40%의 Cu를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, Cu는 합금에 존재하지 않는다(즉, 0%). 모두 중량%로 표현된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 1.10% 내지 1.50%(예를 들어, 1.10% 내지 1.30% 또는 1.15% 내지 1.25%)의 양으로 망간(Mn)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 합금은 1.10%, 1.11%, 1.12%, 1.13%, 1.14%, 1.15%, 1.16%, 1.17%, 1.18%, 1.19%, 1.20%, 1.21%, 1.22%, 1.23%, 1.24%, 1.25%, 1.26%, 1.27%, 1.28%, 1.29%, 1.30%, 1.31%, 1.32%, 1.33%, 1.34%, 1.35%, 1.36%, 1.37%, 1.38%, 1.39%, 1.40%, 1.41%, 1.42%, 1.43%, 1.44%, 1.45%, 1.46%, 1.47%, 1.48%, 1.49% 또는 1.50%의 Mn을 포함할 수 있다. 모두 중량%로 표현된다. 1.10% 내지 1.50%의 양의 본 명세서에 기재된 합금 내의 Mn의 포함은 "높은 Mn 함량"이라 칭해진다. 하기 추가로 기재된 바대로 그리고 실시예에 입증된 바대로, 높은 Mn 함량은 균질화 사이클 동안 미세한 Mn 함유 분산질의 원하는 침전을 발생시킨다.
높은 Mn 함량은 재료의 특성에 2배 효과를 가진다. 첫째, 높은 Mn 함량은 높은 강도 합금을 생성시킨다. Mn은 알루미늄 중의 고체 용액 또는 침전 경화 원소이다. 고체 용액 중의 더 높은 Mn 함량은 최종 합금의 더 높은 강도를 발생시킨다. 둘째로, 높은 Mn 함량은 높은 성형성 특성을 가지는 합금을 생성시킨다. 구체적으로, Mn 원자는 Al 및 Fe 원자와 결합되어 균질화 사이클 동안 분산질(즉, Mn 함유 분산질)을 형성한다. 이론에 구속되는 일 없이, 이들 미세하고 균질하게 분포된 분산질은 재결정화 동안 결정립계(grain boundary)를 고정시키고, 이것은 결정립 크기의 개선 및 더 균일한 마이크로구조의 형성을 허용하다. 재결정화 동안, 결정립계는 이 미세한 Mn 함유 분산질에 끌리는데, 왜냐하면 결정립계가 입자와 교차할 때, 교차 구역과 동일한 경계의 구역이 효과적으로 제거되기 때문이다. 결국, 전체 시스템의 자유 에너지 감소가 달성된다. 결정립 크기의 개선 이외에, 미세한 Mn 함유 분산질은 전위 슬립 밴드 간격을 감소시킴으로써 결정립계 실패에 대한 재료의 저항을 개선한다. 미세한 Mn 함유 분산질은 또한 변형 동안 강한 전단 밴드를 형성하는 경향을 감소시킨다. Mn 함유 분산질의 이 긍정적 효과의 결과로서, 재료의 전체 성형성이 개선된다.
마그네슘(Mg)은 원하는 강도 요건을 얻도록 본 명세서에 기재된 합금에 포함될 수 있다. 그러나, 본 명세서에 기재된 합금에서, 재료의 전체 연신율은 Mg 함량을 허용 가능한 범위로 제어함으로써 상당히 개선된다. 임의로, 본 명세서에 기재된 합금은 0.76% 이하(예를 들어, 0.5% 이하 또는 0.25% 이하)의 양으로 Mg를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 합금은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.1%, 0.11%, 0.12%, 0.13%, 0.14%, 0.15%, 0.16%, 0.17%, 0.18%, 0.19%, 0.2%, 0.21%, 0.22%, 0.23%, 0.24%, 0.25%, 0.26%, 0.27%, 0.28%, 0.29%, 0.3%, 0.31%, 0.32%, 0.33%, 0.34%, 0.35%, 0.36%, 0.37%, 0.38%, 0.39%, 0.4%, 0.41%, 0.42%, 0.43%, 0.44%, 0.45%, 0.46%, 0.47%, 0.48%, 0.49%, 0.5%, 0.51%, 0.52%, 0.53%, 0.54%, 0.55%, 0.56%, 0.57%, 0.58%, 0.59%, 0.6%, 0.61%, 0.62%, 0.63%, 0.64%, 0.65%, 0.66%, 0.67%, 0.68%, 0.69%, 0.7%, 0.71%, 0.72%, 0.73%, 0.74%, 0.75% 또는 0.76%의 Mg를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은 0.76% 미만의 Mg를 포함할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시형태에서, Mg는 0.5% 이하의 Mg의 양으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 0.25% 이하, 0.20% 이하, 0.15% 이하, 0.10% 이하, 0.05% 이하 또는 0.01% 이하의 양으로 존재한다. 몇몇 실시형태에서, Mg는 합금에 존재하지 않는다(즉, 0%). 모두 중량%로 표현된다.
0.50% 이하(예를 들어, 0.25% 이하)의 양의 본 명세서에 기재된 합금 내의 Mg의 포함은 "낮은 Mg 함량"이라 칭해진다. 하기 추가로 기재된 바대로 그리고 실시예에 입증된 바대로, 낮은 Mg 함량은 승온(예를 들어, 250℃ 이하의 온도)에서 원하는 높은 변형 속도 성형성 및 재료의 향상된 연신율을 발생시킨다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.001% 내지 0.05%(예를 들어, 0.001% 내지 0.03% 또는 0.003% 내지 0.02%)의 양으로 크롬(Cr)을 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.001%, 0.002%, 0.003%, 0.004%, 0.005%, 0.006%, 0.007%, 0.008%, 0.009%, 0.01%, 0.011%, 0.012%, 0.013%, 0.014%, 0.015%, 0.016%, 0.017%, 0.018%, 0.019%, 0.02%, 0.021%, 0.022%, 0.023%, 0.024%, 0.025%, 0.026%, 0.027%, 0.028%, 0.029%, 0.03%, 0.031%, 0.032%, 0.033%, 0.034%, 0.035%, 0.036%, 0.037%, 0.038%, 0.039%, 0.04%, 0.041%, 0.042%, 0.043%, 0.044%, 0.045%, 0.046%, 0.047%, 0.048%, 0.049% 또는 0.05%의 Cr을 포함할 수 있다. 모두 중량%로 표현된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.30% 이하(예를 들어, 0.07% 내지 0.30%, 0.05% 내지 0.13% 또는 0.07% 내지 0.10%)의 양으로 아연(Zn)을 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09%, 0.10%, 0.11%, 0.12%, 0.13%, 0.14%, 0.15%, 0.16%, 0.17%, 0.18%, 0.19%, 0.2%, 0.21%, 0.22%, 0.23%, 0.24%, 0.25%, 0.26%, 0.27%, 0.28%, 0.29% 또는 0.3%의 Zn을 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, Zn은 합금에 존재하지 않는다(즉, 0%). 모두 중량%로 표현된다.
몇몇 실시형태에서, 본 명세서에 기재된 합금은, 합금의 전체 중량을 기준으로, 0.10% 이하(예를 들어, 0% 내지 0.10%, 0.01% 내지 0.09% 또는 0.03% 내지 0.07%)의 양으로 티탄(Ti)을 포함한다. 예를 들어, 합금은 0.01%, 0.02%, 0.03%, 0.04%, 0.05%, 0.06%, 0.07%, 0.08%, 0.09% 또는 0.10%의 Ti를 포함할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, Ti는 합금에 존재하지 않는다(즉, 0%). 모두 중량%로 표현된다.
임의로, 본 명세서에 기재된 합금 조성물은 각각 0.03% 이하, 0.02% 이하, 또는 0.01% 이하의 양으로, 때때로 불순물이라 칭하는, 다른 소량의 원소를 추가로 포함할 수 있다. 이 불순물은 V, Zr, Ni, Sn, Ga, Ca, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 따라서, V, Zr, Ni, Sn, Ga 또는 Ca는 각각 0.03% 이하, 0.02% 이하, 또는 0.01% 이하의 양으로 합금에 존재할 수 있다. 일반적으로, 불순물 수준은 V에 대해 0.03% 미만 및 Zr에 대해 0.01% 미만이다. 몇몇 실시형태에서, 모든 불순물의 합계는 0.15%를 초과하지 않는다(예를 들어, 0.10%). 모두 중량%로 표현된다. 합금의 남은 백분율은 알루미늄이다.
제조 방법
본 명세서에 기재된 합금은 직접 냉경(DC) 공정을 사용하여 잉곳으로 캐스팅될 수 있다. DC 캐스팅 공정은 당해 분야의 당업자에게 공지된 바대로 알루미늄 산업에 보통 사용되는 표준에 따라 수행된다. 몇몇 실시형태에서, 제품의 원하는 마이크로구조, 기계적 특성(예를 들어, 높은 성형성) 및 물리적 특성을 달성하기 위해, 합금은 연속 캐스팅 방법을 사용하여 가공되지 않는다. 이후, 캐스트 잉곳은 추가의 가공 단계로 처리되어 금속 시트를 형성할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 가공 단계는 금속 잉곳을 2단계 균질화 사이클, 열간 압연 단계, 어닐링 단계 및 냉간 압연 단계를 거치게 하는 것을 포함한다.
균질화는 Mn 함유 분산질을 침전시키기 위해 2개의 단계로 수행된다. 제1 단계에서, 본 명세서에 기재된 합금 조성물로부터 제조된 잉곳은 적어도 575℃(예를 들어, 적어도 600℃, 적어도 625℃, 적어도 650℃, 또는 적어도 675℃)의 피크 금속 온도를 달성하도록 가열된다. 이후, 잉곳은 제1 단계 동안의 기간 동안 침지되도록 허용된다(즉, 표시된 온도에서 유지). 몇몇 실시형태에서, 잉곳은 10시간 이하 동안(예를 들어, 30분 내지 10시간(포함)의 기간 동안) 침지에 허용된다. 예를 들어, 잉곳은 30분, 1시간, 2시간, 3시간, 4시간, 5시간, 6시간, 7시간, 8시간, 9시간 또는 10시간 동안 적어도 575℃의 온도에서 침지될 수 있다.
제2 단계에서, 잉곳은 제1 단계에서 사용된 온도보다 더 낮은 온도로 냉각될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 잉곳은 550℃ 이하의 온도로 냉각될 수 있다. 예를 들어, 잉곳은 400℃ 내지 550℃ 또는 450℃ 내지 500℃의 온도로 냉각될 수 있다. 이후, 잉곳은 제2 단계 동안의 기간 동안 침지될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 잉곳은 20시간 이하(예를 들어, 1시간 이하, 2시간 이하, 3시간 이하, 4시간 이하, 5시간 이하, 6시간 이하, 7시간 이하, 8시간 이하, 9시간 이하, 10시간 이하, 11시간 이하, 12시간 이하, 13시간 이하, 14시간 이하, 15시간 이하, 16시간 이하, 17시간 이하, 18시간 이하, 19시간 이하, 또는 20시간 이하) 동안 침지되도록 허용된다.
2단계 균질화 사이클은 Mn 함유 분산질을 침전시킨다. 임의로, Mn 함유 분산질은 1㎛ 이하의 직경을 가진다. 예를 들어, Mn 함유 분산질의 직경은 1㎛ 이하, 0.9㎛ 이하, 0.8㎛ 이하, 0.7㎛ 이하, 0.6㎛ 이하, 0.5㎛ 이하, 0.4㎛ 이하, 0.3㎛ 이하, 0.2㎛ 이하, 또는 0.1㎛ 이하일 수 있다. 임의로, Mn 함유 분산질은 알루미늄 매트릭스에 걸쳐 균질하게 분산된다. 본 명세서에 기재된 크기 및 분포에 따라 침전된 Mn 함유 분산질은 후속하는 단계 동안, 예컨대 재결정화 어닐링 동안 결정립 크기를 제어할 수 있다.
2단계 균질화 사이클 이후, 열간 압연 단계를 수행할 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 잉곳은 5㎜ 두께 이하의 게이지로 열간 압연될 수 있다. 예를 들어, 잉곳은 4㎜ 두께 이하의 게이지, 3㎜ 두께 이하의 게이지, 2㎜ 두께 이하의 게이지, 또는 1㎜ 두께 이하의 게이지로 열간 압연될 수 있다. 최종 재료의 질감의 적절한 균형을 얻기 위해, 열간 압연 속도 및 온도는 열간 압연된 재료의 완전 재결정화(즉, 자가 어닐링)가 탠덤 밀의 출구에서 코일링(coiling) 동안 달성되도록 제어될 수 있다. 자가 어닐링이 발생하도록, 출구 온도는 적어도 300℃로 제어된다. 대안적으로, 열간 압연된 코일의 배취 어닐링이 어느 기간 동안 350℃ 내지 450℃의 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 배취 어닐링은 1시간 이하의 침지 시간 동안 수행될 수 있다. 이 공정에서, 열간 압연 속도 및 온도는 핫 탠덤 밀의 출구에서 코일링 동안 제어된다. 몇몇 실시형태에서, 자가 어닐링이 발생하지 않는다. 몇몇 실시형태에서, 이후 열간 압연된 코일은 0.1㎜ 내지 1.0㎜(예를 들어, 0.2㎜ 내지 0.9㎜ 또는 0.3㎜ 내지 0.8㎜)의 최종 게이지 두께로 냉간 압연될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 냉간 압연 단계는 최소 수의 냉간 압연 패스(pass)를 사용하여 수행될 수 있다. 예를 들어, 냉간 압연 단계는 원하는 최종 게이지를 달성하기 위해 2회의 냉간 압연 패스를 사용하여 수행될 수 있다. 몇몇 실시형태에서, 열 처리 단계는 냉간 압연 공정 전에 또는 후에 수행되지 않는다.
본 명세서에 기재된 방법은 고도로 성형된 캔 및 병을 제조하기 위해 사용될 수 있다. 상기 기재된 냉간 압연된 시트는 프리폼을 제조하기 위해 일련의 종래의 캔 및 병 제조 공정으로 처리될 수 있다. 프리폼은 이후 어닐링되어 어닐링된 프리폼을 형성할 수 있다. 임의로, 프리폼은 드로잉 및 월 아이어닝(DWI) 공정을 사용하여 알루미늄 합금으로부터 제조되고, 캔 및 병은 당해 분야의 당업자에게 공지된 바와 같은 다른 성형 공정에 따라 제조된다.
하기 실시예는 동시에 그러나 이의 임의의 제한을 구성하지 않으면서 본 발명을 추가로 예시하도록 제공될 것이다. 반대로, 본 명세서에서의 설명을 읽은 후 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않으면서 당해 분야의 당업자에게 그 자체를 제안할 수 있는, 다양한 실시형태, 이의 변형 및 등가물에 대한 참조가 있을 수도 있다는 점이 명확히 이해되어야 한다.
실시예
실시예 1
합금을 본 발명에 따라 제조하고, 본 명세서에 기재된 2단계 균질화 사이클 또는 종래의 낮은 온도(즉, 대략 540℃에서) 사이클을 사용하여 균질화하였다. 재결정화된 결정립 구조를 각각의 샘플에서 재결정화 어닐링 공정을 사용하여 확립하였다. 상기 기재된 2단계 균질화 사이클에 따라 균질화된 샘플의 재결정화된 결정립 구조가 도 1b에 도시되어 있다. 종래의 낮은 온도(즉, 대략 540℃에서) 사이클을 사용하여 균질화된 샘플의 재결정화된 결정립 크기가 도 1a에 도시되어 있다. 비교하면, 결정립 크기는 본 발명에 따라(즉, 2단계 균질화 사이클에 따라) 균질화 사이클을 사용하여 더 미세하다. 따라서, Mn 함유 분산질은 후속하는 재결정화 어닐링 동안 샘플에서 결정립 크기를 제어하였다. 더 미세한 결정립 크기는 드로잉 및 월 아이어닝(DWI) 후 및 후속하는 팽창 공정, 예컨대 취입 성형 동안 오렌지 필을 형성하는 재료의 경향을 지연시켰다. 오렌지 필 형성은 당해 분야의 당업자에게 공지된 원치 않는 표면 결함이다.
실시예 2
합금 H2, 합금 LC, 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg를 포함하는 5개의 합금을 인장 연신 시험을 위해 제조하고 얻었다(표 4 참조). 합금 AA3104는 종래에 사용된 캔 바디 스톡 합금, 예컨대 노벨리스사(Novelis, Inc.)(조지아주 아틀란타시에 소재)로부터 상업적으로 이용 가능한 캔 바디 스톡이다. 합금 H2, 합금 LC, 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg는 인장 시험을 위해 제조된 프로토타입 합금이다. 합금 H2, 합금 LC, 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg를 본 명세서에 기재된 바와 같은 2단계 균질화 사이클을 사용하여 제조하였다. 구체적으로, 하기 표 4에 도시된 합금 조성을 가지는 잉곳을 615℃로 가열하고 4시간 동안 침지시켰다. 이후, 잉곳을 480℃로 냉각시키고, 그 온도에서 14시간 동안 침지시켜 Mn 함유 분산질을 생성시켰다. 이후, 잉곳을 2㎜ 두께의 게이지로 열간 압연한 후, 415℃에서 1시간 동안 배취 어닐링 사이클로 처리하였다. 이후, 냉간 압연을 대략 0.45㎜의 최종 게이지 두께(78.8%만큼 전체 게이지 감소)로 2회의 냉간 압연 패스를 사용하여 실시하였다. 테스트된 합금의 원소 조성이 표 4에 기재되어 있고, 잔량은 알루미늄이다. 원소 조성은 중량 백분율로 제공된다.
Figure 112017031115755-pct00004
표 4로부터 각각의 합금에 대해 인장 연신율 데이터를 얻었다. 높은 온도 인장 시험을 가열 오븐이 장착된 인스트론(Instron) 인장 기계(매사추세츠주 노우드시에 소재)에서 수행하였다. 3개의 프로토타입 합금 및 AA3104로부터 얻은 인장 연신율 데이터를 도 2a 및 도 2b에 도시된 바대로 비교하였다. 종래의 캔 바디 스톡 3104로부터 얻은 데이터는 기준 비교로서 포함되었다. 모든 합금은 인장 시험 전에 이의 O 탬퍼링 조건에 있었다. 도 2a 및 도 2b는 각각 0.58초-1 및 0.058초-1의 변형 속도를 사용한 시험으로부터의 연신 데이터를 보여준다.
대략 1.13중량%의 Mg를 함유하는 합금 AA3104는, 3개의 프로토타입 합금과 비교하여, 상온 및 200℃ 둘 다에서 더 높은 변형 속도에서 변형될 때 불량한 성형성을 나타냈다. 0.58초-1의 더 높은 변형 속도에서, 각각 0.01중량%의 Mg를 함유하는 합금 LC 및 합금 H2의 연신은 상온으로부터 200℃로 온도를 증가시킴으로써 증가하였다. 도 2a를 참조한다. 그러나, 연신 증가는 더 높은 양의 Mg를 함유하는 3개의 합금(즉, 합금 AA3104, 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg)에서 관찰되지 않았다.
합금 H2와 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg의 비교는 0.2중량%의 및 0.5중량%의 Mg의 첨가가 성형 온도의 증가와 연관된 성형성의 증가를 지연시킨다는 것을 보여준다(도 2a 참조). 모든 4개의 프로토타입 합금, 즉 합금 LC, 합금 H2, 합금 0.2Mg 및 합금 0.5Mg는 낮은 및 높은 변형 속도 둘 다에서 AA3104 합금보다 더 높은 전체 연신율을 나타내는 경향이 있다. Mg의 첨가는 성형 조작이 더 높은 변형 속도에서 수행될 때 합금의 높은 온도 성형성을 상당히 감소시켰고, 이것은 Mg 첨가로부터 생긴 예상치 못한 결과이다.
실시예 3
승온에서의 H2 및 LC 합금의 더 우수한 높은 변형 속도 성형성을 예시하기 위해, 상기 실시예 2로부터의 합금 H2, 합금 LC 및 합금 0.2Mg를 사용하여 취입 성형 실험을 수행하였다. 냉간 압연된 그대로의(as-cold rolled) 시트를 커퍼(cupper) 및 바디 메이커를 사용하여 일련의 종래의 캔 제조 공정으로 처리하여, 프리폼을 제조하였다. 이후, 프리폼을 어닐링 조작으로 처리하였다. 어닐링된 프리폼을 취입 성형 장치에서 시험하여 승온에서의 재료의 높은 변형 속도 성형성을 평가하였다. 취입 성형 실험을 250℃에서 수행하였다. 재료가 성형 공정 동안 처리되는 변형 속도는 대략 80초-1이었다. 결과가 표 5에 요약되어 있고, 최대 백분율 팽창의 면에서 제공되고, 이것은 취입 성형 후 프리폼의 원래 직경과 용기의 최종 직경 사이의 비율이다.
Figure 112017031115755-pct00005
(낮은 Mg 함량을 가지는) LC 및 H2 합금의 더 우수한 성형성은 표 5에 기재된 결과를 비교함으로써 관찰되었다. 구체적으로, 합금 둘 다는 조기 파괴 없이 40% 팽창을 달성하였다. 반대로, 0.2Mg 합금의 최대 팽창 비율은 오직 30%였다.
상기 인용된 모든 특허, 특허 출원, 공보 및 요약서는 본 명세서에 그 전문이 참고로 포함되다. 본 발명의 다양한 실시형태는 본 발명의 다양한 목적의 충족에서 기재되어 있다. 이들 실시형태가 단지 본 발명의 원리를 예시하는 것으로 인식되어야 한다. 이의 다양한 변형 및 적응이 하기 청구범위에 정의된 바대로 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 당해 분야의 당업자에게 용이하게 명확할 것이다.

Claims (20)

  1. 알루미늄 합금으로서, 0.25 내지 0.35중량%의 Si, 0.40 내지 0.60중량%의 Fe, 0 내지 0.40중량%의 Cu, 1.10 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.56중량%의 Mg, 0.001 내지 0.05중량%의 Cr, 0 내지 0.3중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하고,
    상기 알루미늄 합금은 Mn 함유 분산질을 포함하고,
    250℃ 이하의 온도에서 적어도 0.5초-1의 변형 속도일 때 상기 알루미늄 합금은 AA3104 합금과 비교하여 증가된 연신율을 보이는,
    알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 0.25 내지 0.35중량%의 Si, 0.40 내지 0.50중량%의 Fe, 0.08 내지 0.22중량%의 Cu, 1.10 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.5중량%의 Mg, 0.001 내지 0.03중량%의 Cr, 0.07 내지 0.13중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하는, 알루미늄 합금.
  3. 제1항에 있어서, 0.25 내지 0.30중량%의 Si, 0.40 내지 0.45중량%의 Fe, 0.10 내지 0.20중량%의 Cu, 1.15 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.25중량%의 Mg, 0.003 내지 0.02중량%의 Cr, 0.07 내지 0.10중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하는, 알루미늄 합금.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 0.10중량% 이하의 양으로 Mg를 포함하는, 알루미늄 합금.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 Mn 함유 분산질은 각각 1㎛ 이하의 직경을 가지는, 알루미늄 합금.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 직접 냉경 캐스팅(direct chill casting)에 의해 제조된, 알루미늄 합금.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 균질화, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 제조된, 알루미늄 합금.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 2단계 균질화 사이클에 의해 제조된, 알루미늄 합금.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 알루미늄 합금을 포함하는 병.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 알루미늄 합금을 포함하는 캔.
  12. 금속 시트를 제조하는 방법으로서,
    알루미늄 합금을 직접 냉경 캐스팅하여 잉곳(ingot)을 형성하는 단계로서, 상기 알루미늄 합금은 0.25 내지 0.35중량%의 Si, 0.40 내지 0.60중량%의 Fe, 0 내지 0.40중량%의 Cu, 1.10 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.56중량%의 Mg, 0.001 내지 0.05중량%의 Cr, 0 내지 0.3중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하는, 상기 잉곳을 형성하는 단계;
    상기 잉곳을 균질화하여 복수의 Mn 함유 분산질을 함유하는 잉곳을 형성하는 단계;
    상기 복수의 Mn 함유 분산질을 함유하는 잉곳을 열간 압연하여 금속 시트를 제조하는 단계; 및
    상기 금속 시트를 냉간 압연하는 단계를 포함하고,
    상기 금속 시트에 250℃ 이하의 온도에서 적어도 0.5초-1의 변형 속도가 적용될 때 상기 금속 시트는 AA3104 합금과 비교하여 증가된 연신율을 보이는,
    금속 시트를 제조하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 균질화 단계는 2단계 균질화 사이클인, 금속 시트를 제조하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 2단계 균질화 사이클은
    상기 잉곳을 적어도 600℃의 피크 금속 온도로 가열하는 단계;
    상기 잉곳이 4시간 이상 동안 피크 금속 온도에서 정치되도록 하는 단계;
    상기 잉곳을 550℃ 이하의 온도로 냉각시키는 단계; 및
    상기 잉곳이 20시간 이하 동안 정치되도록 하는 단계를 포함하는, 금속 시트를 제조하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 복수의 Mn 함유 분산질은 1㎛ 이하의 직경을 가지는 Mn 함유 분산질을 포함하는, 금속 시트를 제조하는 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 0.25 내지 0.35중량%의 Si, 0.40 내지 0.50중량%의 Fe, 0.08 내지 0.22중량%의 Cu, 1.10 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.5중량%의 Mg, 0.001 내지 0.03중량%의 Cr, 0.07 내지 0.13중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하는, 금속 시트를 제조하는 방법.
  17. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 0.25 내지 0.30중량%의 Si, 0.40 내지 0.45중량%의 Fe, 0.10 내지 0.20중량%의 Cu, 1.15 내지 1.20중량%의 Mn, 0 내지 0.25중량%의 Mg, 0.003 내지 0.02중량%의 Cr, 0.07 내지 0.10중량%의 Zn, 0 내지 0.10중량%의 Ti, 0.15중량% 이하의 불순물, 그리고 잔부의 Al을 포함하는, 금속 시트를 제조하는 방법.
  18. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의해 얻어진 제품.
  19. 제18항에 있어서, 상기 제품은 병인, 제품.
  20. 제18항에 있어서, 상기 제품은 캔인, 제품.
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