KR102012952B1 - 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연(Zn), 0.05 내지 5 중량부의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량부의 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 붕소(B)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 결정 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄(Al)과 기타 불가피 불순물을 포함한다.

Description

알루미늄 합금 및 그 제조방법{ALUMINIUM ALLOY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강도 및 연신율이 우수한 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 경량 합금으로 내부식성 및 열전도성이 우수하여 구조재로 사용되고 있다. 알루미늄은 기계적 성질이 낮아서 아연, 구리, 실리콘, 마그네슘, 니켈, 코발트 등과 같은 금속 중 하나 이상을 포함하는 합금의 형태로 다양한 산업 분야에 이용된다. 알루미늄 합금은 특히 자동차, 선박, 항공기 등의 내·외장재와 같은 구조재로 널리 이용되고 있다. 이중 알루미늄-아연(Al-Zn) 합금은 알루미늄 경도를 향상시키기 위해 이용되고 있으며, 보통 합금 전체 중량에 대해 10 내지 14중량%의 아연을 포함한다.
자동차, 선박, 항공기 등의 구조재로 이용되기 위해서는, 인장강도, 연신율, 충격흡수에너지 등이 중요한 기계적 특성으로 고려된다. 일반적으로 인장강도와 연신율은 어느 하나의 특성이 향상되면 다른 하나의 특성이 감쇄되는 트래이드-오프(trade-off) 관계가 있기 때문에, 인장강도와 연신율을 동시에 향상시키기 어려운 문제가 있다.
한편, 주조법은 대량생산이 가능한 이점 등으로 자동차부품 제조에 사용되고 있으며, 그 외 전기기기, 광학기기, 차량, 방적기, 건축, 계측기 등의 부품 제작 등에 사용되고 있다.
일반적으로 주조용 알루미늄 합금으로는 주조성이 우수한 알루미늄-규소(Al-Si)계 합금 및 알루미늄-마그네슘(Al-Mg)계 합금 등이 사용되어 왔으나, 이들 합금은 인장강도가 낮은 단점이 있다. 따라서, 높은 인장강도를 갖는 알루미늄 합금은 압출, 압연, 단조 등의 소성가공용 알루미늄 합금이 이용되고 있다. 이러한 소성가공용 알루미늄 합금은 소성가공성은 우수하지만, 주조 시 크랙이 발생하는 문제점이 있다.
주조용 알루미늄 합금과 관련된 선행기술로는, "석출물을 포함하는 강도와 연신율이 향상된 알루미늄 합금 및 이의 제조방법(등록번호 제10-1760076호, 이하 특허문헌1이라 한다.)", "알루미늄 합금 및 이의 제조방법(공개번호 제10-2018-0115848호, 이하 특허문헌2라 한다.)", "배향된 석출물을 가지는 금속복합재료 및 이의 제조방법(등록번호 제10-1274063호, 이하 특허문헌3이라 한다.)" 및 "배향형 석출물을 포함하는 금속복합재료 및 이의 제조 방법(공개번호 제10-2017-0014282호, 이하 특허문헌 4라 한다.)" 등이 개시되어 있다.
특허문헌1은 20 중량부 초과의 아연을 포함하는 알루미늄-아연 합금이고, 단위 면적당 5% 이상으로 강제로 생성된 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 포함하는 강도 및 연신율이 향상된 알루미늄 합금을 개시한다.
특허문헌2는 18 내지 50 중량부의 아연, 0.05 내지 5 중량부의 구리 및 잔부의 알루미늄을 포함하는 알루미늄 합금을 개시한다.
특허문헌3은 합금에 용체화 처리 또는 균질화 처리를 실시하여 고용체를 생성한 후 시효처리를 통해 단위면적당 40% 이상의 불연속 셀룰라 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 생성하며, 강제로 생성된 석출물을 소성가공을 통해 배향 하는 방법을 개시한다.
특허문헌4는 30 중량% 초과의 아연을 포함하는 알루미늄-아연(Al-Zn) 합금을 이용하여 단위 면적당 40% 이상으로 강제로 생성된 불연속 셀룰라 석출물 또는 라멜라 석출물을 소성가공으로 배향 시킨 배향형 석출물을 포함하고, 배향형 석출물들 사이의 거리를 250 nm 이하로 하여 금속복합재료의 인장강도 및 연신율을 향상시키는 방법을 개시한다.
그러나 상기와 같은 선행기술에도 불구하고, 자동차 부품 등의 용도에 보다 적합한 높은 연신율과 강도를 가지는 알루미늄 합금이 여전히 요구되고 있다.
대한민국 등록번호 제10-1760076호 대한민국 공개번호 제10-2018-0115848호 대한민국 등록번호 제10-1274063호 대한민국 공개번호 제10-2017-0014282호
본 발명은 보다 우수한 강도 및 연신율을 가지는 알루미늄 합금을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 자동차 부품에 적용 시 소음과 진동을 저감 시킬 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적 및 이점은 하기의 발명의 상세한 설명, 청구범위 및 도면에 의해 더욱 명확하게 된다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 및 그 제조방법은 상기의 해결하고자 하는 과제를 위하여 다음과 같은 과제 해결 수단을 가진다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은, 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연(Zn), 0.05 내지 5 중량부의 구리(Cu), 0.001 내지 0.3 중량부의 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 및 붕소(B)로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 결정 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄(Al)과 기타 불가피 불순물을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은 주조상태에서 인장강도가 230 내지 450MPa이고, 연신율이 2.75 내지 20%일 수 있으며, 인장강도가 310 MPa이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은 주조상태에서 연신율이 10 % 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 미세화 원소는 전체 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.2 중량부의 티타늄과 붕소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 미세화 원소는 전체 중량부에 대해서, 0.01 내지 0.05 중량부의 지르코늄을 더 포함할 수 있다.
또한, 미세화 원소는 전체 중량부에 대해서, 0.005 내지 0.05 중량부의 바나듐을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금은 주조상태에서 항복강도가 250 MPa이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연, 0.05 내지 5 중량부의 구리, 0.001 내지 0.3 중량부의 바나듐, 지르코늄, 티타늄 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄과 기타 불가피 불순물을 포함하는 합금 용탕을 제조하는 단계 및 합금 용탕을 주조하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 주조된 합금 용탕을 150 내지 500℃에서 열처리하여 고용체를 형성시키는 단계를 더 포함하고, 고용체가 생성된 알루미늄 합금을 120 내지 200℃에서 시효 처리하여 불연속 석출물을 생성시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 알루미늄 합금 및 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 보다 높은 강도 및 연신율을 가지는 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 주조성이 개선되고, 높은 강도 및 연신율을 가지는 알루미늄 합금을 효율적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 알루미늄 합금의 기계적 물성 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 비교예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 계면을 나타내는 광학현미경(Optical Microscopy, 이하, 'OM') 이미지이다.
도 7 내지 도 15는 본 발명의 실험예들에 따라 제조된 알루미늄 합금의 계면을 나타내는 OM 이미지이다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 및 그 제조방법은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 본 발명에서 다양한 구성요소들을 구별하기 위하여 사용되는 것으로써, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 숫자상으로 한정되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연, 0.05 내지 5 중량부의 구리, 0.001 내지 0.3 중량부의 바나듐, 지르코늄, 티타늄 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 결정 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄과 기타 불가피 불순물을 포함한다.
아연(Zn)은 인장강도 및 경도를 효과적으로 증가시킨다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 합금 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연을 포함한다. 이에 한정되는 것은 아니나, 아연의 함량이 18 중량부 미만이면 인장강도 증가효과가 미미하고, 아연의 함량이 50 중량부를 초과하면 주조성이 저하되고 열간 취성의 원인이 될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 아연의 함량은 20 중량부 내지 50 중량부, 20 중량부 내지 45 중량부, 20 중량부 내지 40 중량부, 30 중량부 내지 50 중량부, 30 중량부 내지 45 중량부, 또는 30 중량부 내지 40 중량부일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 아연의 함량이 합금 전체 중량에 대해서 30 중량부 내지 45 중량부가 적합할 수 있다.
구리(Cu)는 강도 상승을 위해 첨가된다. 알루미늄 합금에 구리의 첨가는 열처리 후 냉각 시 아연 입자의 크기를 감소시켜 입자간 간격을 현저히 감소시킨다.
본 발명의 실시예에서, 구리는 아연에 고용되어 Zn 석출상/Al 기지상의 계면에너지를 낮춘다. 석출상과 기지상의 계면에너지가 감소하면 석출물의 평균 크기가 감소한다. 따라서, 구리의 첨가에 의해 석출상인 아연의 평균 크기가 감소한다. 이에 따라 아연 입자 간의 간격이 크게 감소하고 주조합금의 강도가 증가하게 된다.
본 발명에 의한 주조용 알루미늄 합금에서는 구리는 합금 전체 중량에 대해서, 0.05 중량부 내지 5 중량부로 첨가된다. 이에 한정되는 것은 아니나, 구리의 함량이 0.05 중량부 미만이면 인장강도 증가효과가 미미하고, 구리의 함량이 5 중량부 초과이면 주조성이 저하되고 열간 취성의 원인이 될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 구리의 함량은 0.05 중량부 내지 5 중량부, 0.05 중량부 내지 4 중량부, 0.05 중량부 내지 3 중량부, 0.05 중량부 내지 2 중량부, 0.1 중량부 내지 5 중량부, 0.1 중량부 내지 4 중량부, 0.1 중량부 내지 3 중량부, 0.1 중량부 내지 2 중량부, 0.5 중량부 내지 5 중량부, 0.5 중량부 내지 4 중량부, 0.5 중량부 내지 3 중량부, 0.5 중량부 내지 2 중량부, 1 중량부 내지 5 중량부, 1 중량부 내지 4 중량부, 1 중량부 내지 3 중량부, 1 중량부 내지 2 중량부, 2 중량부 내지 5 중량부, 2 중량부 내지 4 중량부, 2 중량부 내지 3 중량부, 3 중량부 내지 5 중량부, 또는 3 중량부 내지 4 중량부일 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 구리의 함량이 합금 전체 중량에 대해서 1 내지 4 중량부가 적합할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 합금은 Al 기지 내의 Zn 상의 직경 및 길이 중 적어도 하나가 10 내지 100nm일 수 있다. 상술한 바와 같이, 본 발명에 의해 알루미늄 합금에 구리를 첨가하면, 석출상인 아연의 평균 크기가 감소한다. 이에 따라 아연 입자 간의 간격이 크게 감소하고 주조합금의 강도가 증가하게 된다. 이에 한정되는 것은 아니나, Al 기지 내의 Zn 상의 직경 및 길이 중 적어도 하나가 10nm 미만이거나 100nm 초과인 경우, 구리 첨가에 의한 합금의 강도 증가가 미미할 수 있다.
결정 미세화 원소는 전체 계면 면적을 확대시키고, 계면 불연속 석출물의 전체 면적을 증가시키기 위해 첨가된다. 결정 미세화 원소의 첨가를 통해 불연속 석출물이 증가되며, 알루미늄 합금의 기계적 성질이 개선되고, 연신율이 최적화되는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은 합금 전체 중량에 대해서, 0.001 내지 0.3 중량부의 결정 미세화 원소를 포함한다. 이에 한정되는 것은 아니나, 결정 미세화 원소의 함량이 0.001 중량부 미만이면 기계적 성질과 연신율의 개선효과가 미미하고, 0.3 중량부를 초과하면 기계적 성질이 오히려 저하될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 결정 미세화 원소의 함량은 0.001 중량부 내지 0.3 중량부, 0.002 중량부 내지 0.2 중량부, 0.01 중량부 내지 0.1 중량부일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 전체 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.2 중량부, 0.005 내지 0.1 중량부 또는 0.01 내지 0.02 중량부의 티타늄과 붕소 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 전체 대해서, 0.005 내지 0.3 중량부, 0.01 내지 0.2 중량부 또는 0.025 내지 0.05의 지르코늄 및 바나듐 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 전체 대해서, 0.005 내지 0.02 중량부의 티타늄, 0.001 내지 0.004 중량부의 붕소 및 0.025 내지 0.05의 바나듐을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 합금 전체 중량에 대해서, 0 중량부 초과 1 중량부 미만의 마그네슘 및 0 중량부 초과 0.5 중량부 미만의 규소 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 마그네슘(Mg)은 인장강도 및 경도를 증가시키기 위해 추가로 첨가될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금에서는 마그네슘이 합금 전체 중량에 대해서, 0 중량부 초과 1 중량부 미만으로 첨가될 수 있는데, 마그네슘의 함량이 1 중량부 이상이면 결정립계 부식과 응력 부식 등이 발생하며, 내식성 저하 및 연신율의 급격한 저하의 원인이 될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 마그네슘의 함량은 0.1 중량부 내지 0.9 중량부, 0.1 중량부 내지 0.7 중량부, 0.1 중량부 내지 0.5 중량부, 0.1 중량부 내지 0.3 중량부, 0.2 중량부 내지 0.9 중량부, 0.2 중량부 내지 0.7 중량부, 0.2 중량부 내지 0.5 중량부, 또는 0.2 중량부 내지 0.3 중량부일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 마그네슘의 함량은 합금 전체 중량에 대해서 0.1 중량부 내지 0.3 중량부가 적합할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 있어서, 규소(Si)는 주조성 개선 및 기계적 성질의 개선을 위해 첨가될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금에서는 규소가 합금 전체 중량에 대해서, 0 중량부 초과 0.5 중량부 미만으로 첨가되는데, 규소의 함량이 0.5 중량부 초과이면 강도의 증진 없이 연신율의 급격히 저하시키는 원인이 될 수 있다.
이에 한정되는 것은 아니나, 규소의 함량은 0.05 중량부 내지 0.4 중량부, 0.05 중량부 내지 0.3 중량부, 0.05 중량부 내지 0.2 중량부, 0.05 중량부 내지 0.1 중량부, 0.1 중량부 내지 0.4 중량부, 0.1 중량부 내지 0.3 중량부, 또는 0.1 중량부 내지 0.2 중량부일 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 규소의 함량이 합금 전체 중량에 대해서 0.05 중량부 내지 0.2 중량부가 적합하다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 주조상태에서 인장강도가 310, 320, 340, 350 또는 360 MPa이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 주조상태에서 항복강도가 250, 260, 270 또는 290 MPa이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금은, 주조상태에서 연신율이 2.75, 5, 10, 11 또는 13% 이상일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금을 제조하는 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다. 이하에서 도 1을 참조하여 본 실시예에 따른 제조방법을 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은, 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연, 0.05 내지 5 중량부의 구리, 0.001 내지 0.2 중량부의 바나듐, 지르코늄, 티타늄 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄과 기타 불가피 불순물을 포함하는 합금 용탕을 제조하는 단계(S100), 합금 용탕을 주조하는 단계(S200), 주조된 합금 용탕을 열처리하여 고용체를 형성시키는 단계(S300) 및 고용체가 생성된 알루미늄 합금을 시효 처리하여 불연속 석출물을 생성시키는 단계(S400)를 포함한다.
먼저 주조용 합금 재료를 준비하여 합금 용탕을 제조(S100)한다. 보다 구체적으로, 전체 중량에 대해서, 18 중량부 내지 50 중량부의 아연, 0.05 내지 5 중량부의 구리, 0.001 내지 0.2 중량부의 바나듐, 지르코늄, 티타늄 및 붕소로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 하나의 미세화 원소 및 잔부의 알루미늄과 기타 불가피 불순물을 포함하는 합금 용탕을 제조합금 용탕을 제조한다. 이때, 합금 용탕을 제조하는 단계(S100)는 650 내지 750℃에서 수행되고, 합금이 완전 용융된 후 탈가스 작업을 수행할 수 있다.
다음으로, 제조된 합금 용탕을 금형 또는 사형에 주입하여 주조(S200)한다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 합금으로부터 제조되는 주조품이 제공된다. 또한, 상기한 합금으로부터 제조되는 가공 알루미늄 합금 제품이 제공된다.
다음으로, 알루미늄 합금을 열처리하여 고용체를 형성(S300)한다. 이때, 열처리는 균질화 처리 및/또는 용체화 처리일 수 있다. 고용체의 생성으로 인해, 알루미늄 합금은 고용체가 포함된 상태가 된다.
고용체를 생성하는 단계의 온도범위는 150 내지 500℃일 수 있다. 상기의 온도 범위는 알루미늄 합금의 액상이 생기지 않고, 고용체를 형성할 수 있는 최고고용한계 온도를 고려하여 정해질 수 있다. 알루미늄 합금의 경우, 500℃ 초과 범위의 온도에서는 단상을 형성하지 않고 다상을 형성하기 때문에 불연속 석출물이 생성되지 않는다. 고용체를 생성하는 단계는 30분 이상 가열하여 수행할 수 있다. 이에 한정되는 것은 아니나, 열처리는 400℃에서 120분간 수행하는 것이 고용체 형성에 적합하다.
다음으로, 고용체를 포함하는 알루미늄 합금을 이용하여 불연속 석출물을 강제로 생성한다(S400). 석출물을 강제로 생성하는 단계는 합금 내부에 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 생성시키는 공정으로, 고용체를 포함하는 알루미늄 합금을 시효 처리하여, 단위면적당 5% 이상의 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성하게 된다. 시효처리는 120 내지 200℃의 온도 범위에서 상기 고용체를 형성하는 단계보다 낮은 온도에서 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 시효 처리는 160℃에서 수행될 수 있다. 시효처리는 5분 내지 400분 동안 수행할 수 있다. 일례로 합금 재료가 석출촉진 금속을 포함하는 경우에는, 고용체를 생성한 후 수냉(water quenching) 또는 공냉(air quenching)을 실시하고 적어도 2시간 이상 시효 처리함으로써 불연속 석출물을 강제로 생성시킬 수 있다.
상기와 같이 시효처리 전의 수냉 또는 공냉은, 온도 하강 속도를 매우 빠르게 함으로써 배향형 석출물을 형성할 수 있도록 한다. 온도 하강 속도를 느리게 하여 서서히 냉각시키는 경우, 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성하더라도 이 석출물들이 배향되지 않을 수 있다.
상기와 같이 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 강제로 형성한 후, 석출물을 포함하는 알루미늄 합금을 소성 가공하여 배향성 석출물을 형성한다 (S500).
배향성 석출물을 형성하는 배향단계는 강제로 형성된 불연속 석출물을 인위적으로 배향 시키는 공정으로, 압연, 인발 및/또는 압출을 통해서 수행될 수 있다.
단면적 감소율인 인발율(drawing ratio)은 50% 이상일 수 있다. 인발율이 증가할수록 배향성 석출물 그 자체의 두께와 배향성 석출물 사이의 거리가 감소할 수 있고, 인장강도 특성이 향상될 수 있다.
배향단계(S500)는 액체 질소 분위기에서 수행될 수 있다. 액체 질소 분위기에서 배향되는 경우, 배향단계에서 발생하는 열을 최소화하여 불연속 석출물의 정렬을 원활히 하여 인장강도가 높아질 수 있다.
상기에서 설명한 바에 따르면, 본 발명의 알루미늄 합금은 제조공정 중에 강제로 불연속 석출물 또는 라멜라 석출물을 형성하고 이를 이용하여 형성된 배향형 석출물을 포함함으로써, 인장강도, 연신율 및 전도도를 동시에 향상된 물리적 특성이 우수한 금속 재료로서 제공될 수 있다.
따라서, 본 발명의 알루미늄 합금은 주조만으로 인장강도 및 연신율을 동시에 개선하고, 가공 시 강도 및 연신율을 더욱 개선할 수 있어, 주조재 및 가공재 제조에 유용하게 활용될 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 자동차 소재로 적용 시 소음과 진동이 저감되는 효과를 기대할 수 있어, 차량의 쇽업쇼버 커버, B 필러, 조인트 노드 및 구동계 각종 브라켓, 마운트 및 서포트 소재로 유용하게 사용될 수 있다.
실험예
이하에서는 본 발명의 구체적인 제조예 및 비교예, 이들의 특성 평가 결과를 통해서 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
표 1에 본 발명의 알루미늄 합금의 실험예 및 비교예의 함량을 나타내 었다.
표 1의 함량의 알루미늄 합금을 50 Kg 소형 전기로를 사용하여 용해 및 고주파 유도 용해로 주조하였다. 모든 합금은 99.9% 순도의 원소재 및 모합금을 사용하여 주조하였다. 전기로를 이용하여 각 시편 당 5kg씩 용융 시켰으며, 700℃의 온도를 유지하였다. 완전 용융 후 Ar 가스로 10분 동안 탈가스 작업을 수행하였고, 그 후 10분간 용융상태를 유지한 후 사형에 주입하였다.
주입 후 5분 뒤 잉곳을 몰드에서 꺼내었다. 주조 시 생성된 불순물을 제거하기 위해 450℃ 120분 동안 균질화 처리를 실시하였다. 이어서, 압하율 20% 마다 400℃에서 15분 마다 어닐링을 수행하여 총 냉간 가공 면적 감소율 75%로 단조(swaging)를 수행하였다. 1시간이 경과한 후 스웨이징된 결과물에 400℃에서 3시간 동안 용체화 처리한 후 수냉처리 하였다. 다만, 실험예 2와 3에서는 380℃ 및 390℃의 온도에서 각각 1.5 시간동안 용체화 처리한 후 수냉처리 하였다. 다음으로, 160℃에서 360분 동안 불연속 석출물 생성을 위한 석출처리를 하였다.
Al Zn Cu Ti B Zr V 용체화
(℃)		 시효처리 (℃) 인장강도(Mpa) 항복강도(Mpa) 연신율(%)
비교예 1 Bal. 33 0.8 _ _ _ _ 400 160 342.5 283.5 11.05
비교예 2 Bal. 33 2 _ _ _ _ 400 160 368.5 301 8.5
비교예 3 Bal. 33 1 _ _ _ _ 400 160 349.5 294.6 8.7
실험예 1 Bal. 33 1 0.01 0.002 _ _ 400 160 361.7 292.4 13.1
실험예 2 Bal. 33.3 1 0.01 0.002 _ 0.01 380/390 160 351 277 13.5
실험예 3 Bal. 33.3 1 0.01 0.002 0.025 _ 380/390 160 362.3 291.7 11.8
실험예 4 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ _ 400 160 346.3 281 11.3
실험예 5 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.01 400 160 358.3 290 15.6
실험예
6		 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.005 400 160 351.3 284.3 12.4
실험예 7 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.01 400 160 353.3 292.9 12.9
실험예 8 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.025 400 160 355.3 293 13.8
실험예 9 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.05 400 160 350.7 284 13.2
실험예 10 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.075 400 160 358.7 286.3 11.8
실험예 11 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.1 400 160 363.3 295.3 11.8
실험예 12 Bal. 33.1 1 0.01 0.002 _ 0.15 400 160 362.3 296.7 11.3
주조상태의 기계적 특성 평가
KS B 0801에 따라 시편을 제조하고, KS B 0802 금속 재료 인장 시험 방법에 따라 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하였다. 도 2및 도 3은 실험예와 비교예에서 제조된 합금의 주조상태에서의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다. 도 2 및 도 3에서 보여주는 바와 같이, 결정 미세화 원소를 포함하는 본 발명의 실험예들은 비교예에 비하여 동등한 수준의 인장강도 및 항복강도를 가지면서도 우수한 연신율을 갖는다.
합금의 미세조직 분석
도 4 내지 도 6은 비교예 3의 합금 시편을, 도 7 내지 도 9는 실험예 1의 합금 시편을, 도 10 내지 도 12는 실험예 4의 합금 시편을, 도 13 내지 도 15는 실험예 5의 합금 시편을, 각각 50배, 200배 및 500 배로 확대한 OM 이미지이다.
도 7 내지 도 15에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실험예들의 결정립이 도 4 내지 도 6의 비교예에 비하여 미세화된 결정립을 갖는 것을 확인할 수 있다. 특히, 도 13 내지 도 15에 나타난 바와 같이, 바나듐의 첨가에 의해 결정립의 미세화 효과가 커진 것을 알 수 있다.
도 7 내지 도 15의 이미지로부터, 시편 전체에 작고 균일하게 분포하는 연속 석출물(continuous precipitation, CP)과, 그레인 경계 확산(grain boundary diffusion) 및 입계의 이동에 의해 석출이 불규칙적으로 일어남에 따라 입계를 경계로 조성과 결정방위가 불연속적으로 변화하는 불연속 석출물(discontinuous precipitation, DP)이 생성되었음을 알 수 있다.
이와 같이 형성된 불연속 석출물은 계면에 형성되는 개재물을 저감하고, 안정된 결정립 계면을 형성하도록 하여, 알루미늄 합금의 연신율을 향상시키게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 해결 과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 결정되며, 특허 청구범위에 사용된 괄호는 선택적 한정을 위해 기재된 것이 아니라, 명확한 구성요소를 위해 사용되었으며, 괄호 내의 기재도 필수적 구성요소로 해석되어야 한다.

Claims (12)

  1. 전체 중량에 대해서,
    18 중량부 내지 50 중량부의 아연(Zn);
    0.05 내지 5 중량부의 구리(Cu);
    전체 중량부에 대해서, 0.001 내지 0.2 중량부의 티타늄과 붕소 중 적어도 하나 및 0.005 내지 0.3 중량부의 지르코늄 및 바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 미세화 원소; 및
    잔부의 알루미늄(Al)과 기타 불가피 불순물을 포함하는 알루미늄 합금.
  2. 제1 항에 있어서,
    주조상태에서 인장강도가 340 내지 450MPa이고, 연신율이 10 내지 20%인 알루미늄 합금.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 주조상태에서 항복강도가 250 MPa이상 인 알루미늄 합금.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 주조상태의 합금 용탕은 150 내지 500℃에서 열처리되어 고용체가 형성되는 알루미늄 합금.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 고용체가 생성된 알루미늄 합금은 120 내지 200℃에서 시효 처리되어 불연속 석출물이 생성된 알루미늄 합금.
  12. 삭제
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