KR102101542B1 - 다목적 열 처리가능한 알루미늄 합금들 및 관련된 프로세스들 및 사용들 - Google Patents
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Abstract
본 출원은 알루미늄 합금, 알루미늄 합금을 조제하기 위한 프로세스들, 알루미늄 합금을 포함하는 자동차 패널들과 같은 금속 부품들 및 알루미늄 합금으로 제조되는 자동차 부품들을 제조하기 위한 프로세스들을 개시한다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 2014년 11월 11일에 출원된 U.S. 가특허 출원 번호. 62/078,027의 이익을 주장하고, 이는 그 전체가 본 출원에 참조로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 재료 과학, 재료 화학, 야금학(metallurgy), 알루미늄 합금들, 알루미늄 제조의 분야들 및 관련 분야들에 관한 것이다.
다양한 애플리케이션들을 위해 사용되는 알루미늄 합금들은 소정 특성들을 달성하여야 한다. 예를 들어, 알루미늄 합금들은 운송 기계류의 내부 및 외부 패널들의 제조를 위해 사용된다. 알루미늄 합금들은 그것들의 가벼운 중량의 조합 때문에 이 애플리케이션에 유용하고, 이는 증가된 연료 효율, 강도, 및 다른 특성들로 이어진다. 무엇보다도, 운송 기계류의 내부 및 외부 패널들의 제조를 위해 사용되는 알루미늄 합금들은 양호한 성형성, 페인트 또는 다른 마감 품질, 덴트 저항(dent resistance) 및 자연 에이징에 대한 내성을 보유하여야 한다. 운송 기계류의 제조에 사용되는 합금들은 재생가능한 것이 또한 바람직하다. 운송 기계류 패널들의 제조에 적절한 바람직한 특성들을 갖는 새롭고 개선된 금속 합금들은 이들 애플리케이션들을 위해 이용 가능한 합금들의 범위를 확장하고, 재료 비용을 낮추고, 알루미늄 재사용 비율들을 증가시키고, 이런 합금들의 생산에 생산 능력(capacity) 한계들을 줄이고, 그리고 알루미늄 생산 및 사용의 환경적 영향을 줄일 수 있다.
본 출원에 사용되는 용어들 “발명,” “상기 발명,” “이 발명” 및 “본 발명은”은 이 특허 출원 및 아래의 청구항들의 내용의 전부를 광범위하게 지칭하도록 의도된다. 이들 용어들을 포함하는 서술은 본 출원에서 설명되는 내용을 제한하거나 또는 아래의 특허 청구항들의 범위 또는 의미를 제한하도록 이해되지 않아야 한다. 본 발명의 커버된 실시예들은 이 과제해결 수단이 아니라 청구항들에 의해 정의된다. 이 과제 해결 수단은 본 발명의 다양한 측면들의 하이 레벨 개요이고 이하의 상세한 설명 섹션에 추가로 설명되는 개념들의 일부를 소개한다. 이 과제해결수단은 청구된 내용의 핵심 또는 본질적인 특징들을 식별하도록 의도되지 않고, 청구된 내용의 범위를 결정하기 위한 격리에 사용되도록 의도되지 않는다. 내용은 상기 전체 명세서, 임의의 또는 모든 도면들 및 각각의 청구항의 적절한 부분들에 대한 참조에 의하여 이해되어야 한다.
본 발명은 통상적으로 열 처리에 적절하게 간주되는 것보다 더 많은 양의 Mg를 함유하고 연속적인 용체화 처리 라인들로 용체화 처리된 경우에 시효 경화(age hardening)를 보일 수 있는 개선된 열 처리가능한 알루미늄 합금들을 제공한다. 본 출원에 제공된 개선된 알루미늄 합금들은 시트 합금들로 생산될 수 있고 통상의 합금들보다 재생 프로세스들에 더 적절할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들은 자동차 및 다른 운송 기계류 패널들을 제조하기 위해 적절한 개선된 알루미늄 합금들이다. 본 발명의 일부 다른 실시예들은, 알루미늄 합금들의 혁신적인 새로운 사용들 및 애플리케이션들, 알루미늄 합금들을 만들고, 제작 또는 제조하기 위한 개선된 혁신적인 프로세스들, 알루미늄 합금 형태들, 객체들 및 부품들, 예컨대 스탬핑된 시트 폼들, 운송 기계류를 위한 패널들을 제조하기 위한 프로세스들이다. 개선된 알루미늄 합금들로 제조되고 및/또는 본 출원에서 제공된 혁신적인 프로세스들에 따른 알루미늄 합금 객체들, 부품들 및 형태들이 본 발명의 실시예들 중에서 또한 제공된다.
본 출원에 제공된 본 발명의 일 실시예는 열 처리를 포함하는 프로세스에 의해 생산되는 중량으로 ≥1.5 % Mg을 포함하는 알루미늄 합금이다. 상기 열 처리 프로세스는 T4 템퍼를 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 중량으로 0.2 내지 0.4% Si을 더 포함할 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 시효 경화를 겪을 수 있다. 상기 알루미늄 합금은 시트 알루미늄 합금일 수 있다. 본 출원에 제공된 본 발명의 다른 실시예는 상기의 시트 알루미늄 합금으로부터 제조된 스탬핑된 시트 폼이다. 상기 스탬핑된 시트 폼(sheet form)은 자동차 패널일 수 있다. 본 출원에 제공된 본 발명의 일 실시예는 열 처리를 포함하는 중량으로 ≥1.5 % Mg 및 0.2 내지 0.4% Si 을 포함하는 시트 알루미늄 합금을 제조하기 위한 프로세스이다. 상기 프로세스는 T4 템퍼를 포함할 수 있다. 상기 결과 시트 알루미늄 합금은 시효 경화를 보일 수 있다. 본 출원에서 설명된 본 발명의 하나이상의 실시예는 상기 시트 알루미늄 합금들 스탬핑을 포함하는 스탬핑된 시트 폼을 제조하기 위한 프로세스이다. 상기 스탬핑된 시트 폼은 자동차 패널일 수 있다.
도 1은 시트(sheet) 알루미늄 합금들을 생산하기 위해 사용되는 프로세스 단계들을 예시하는 개략도이다.
도 2 는 자동차 생산에 사용되는 다양한 시트 스탬핑들의 개략적인 예시이다.
도 3 은 O 템퍼(temper) 및 페인트 베이크(paint bake)에서 합금의 DIN 인장 특성(tensile property)들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 4 는 T4, 2% 신장, 및 2% 신장에 이어 185℃에서 20 분에서 합금의 인장 특성들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 5 는 T4 템퍼에서 그리고 페인트 베이크 시뮬레이션 (180℃에서 60 분) 후에 합금의 인장 특성들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 6 은 AA5251-T4 합금의 시효 경화(age hardening)을 예시하는 라인 플랏(line plot)이다.
도 2 는 자동차 생산에 사용되는 다양한 시트 스탬핑들의 개략적인 예시이다.
도 3 은 O 템퍼(temper) 및 페인트 베이크(paint bake)에서 합금의 DIN 인장 특성(tensile property)들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 4 는 T4, 2% 신장, 및 2% 신장에 이어 185℃에서 20 분에서 합금의 인장 특성들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 5 는 T4 템퍼에서 그리고 페인트 베이크 시뮬레이션 (180℃에서 60 분) 후에 합금의 인장 특성들을 보여주는 막대 그래프이다.
도 6 은 AA5251-T4 합금의 시효 경화(age hardening)을 예시하는 라인 플랏(line plot)이다.
본 설명에서, AA 숫자들 및 다른 관련 호칭들, 예컨대 “시리즈(series)”에 의해 식별되는 합금들에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 그것의 합금들을 명명하고 식별하는데 가장 흔하게 사용되는 숫자 호칭 체계의 이해를 위하여, 알루미늄 국제 협회(Aluminum Association)에 의해 공개된 "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys"를 참조하라. 6xxx 시리즈 알루미늄 합금들, 예컨대 AA6111, AA6016 및 AA6022 는 전형적으로 자동차 외부 스킨 패널들을 생산하기 위해 사용된다.
일반적 용어로, 상대적으로 Si의 하이 레벨들 및 Mg의 로우 레벨들을 함유하는 6xxx 시리즈 합금들은 열 처리가능하고, 시효 경화를 보이고, 이는 이들 합금들에 운송 기계류, 예컨대 자동차들을 위한 외부 패널들의 제조에 적절한 강도(strength) 파라미터들을 부여한다. O 템퍼에서 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들, 예컨대 AA5182-O 또는 AA5754-O은 그것들의 성형성 특성들 때문에 자동차 및 관련된 산업들에 내부 패널 제조를 위해 흔히 선호된다. 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들은 고용체(solid solution)내에 Si을 보유하는데 매우 작은 내성(tolerance)을 가진다. 만약 Si이 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들에 추가된다면, 그것은 캐스팅 동안에 굵은(coarse) Mg2Si 입자들을 형성하기 위해 Mg과 결합하는 경향이 있다. 이들 입자들은 연속적인 어닐링 라인들상에서 용체화 처리(solutionizing) 및 빠른 냉각 동안에 Mg 및 Si 의 과포화된 고용체를 생산하기 위해 용체화 처리하는 것이 어렵다. 이 이유 때문에, 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들은 상대적으로 낮은 Si 레벨들 및 상대적으로 높은 Mg 레벨들을 함유하고, 그것들의 높은 Mg 함량 때문에 열 처리가능하지 않은 것으로 간주된다. 굵은 Mg2Si의 존재는 잠재적으로 성형성에 해롭다.
현재는, 6xxx 및 5xxx 알루미늄 합금들은 자동차 및 관련 패널들의 제조를 위해 용이하게 결합되고 재생될 수 없는데, 왜냐하면 결과 재생된 알루미늄 합금들은 바람직하지않게 Si (5xxx 시리즈 알루미늄 합금들에 비하여) 및 Mg (6xxx 시리즈 합금들에 비하여)의 하이 레벨들을 함유할 수 있기 때문이고 따라서 높은 Mg 레벨들 때문에 열 처리가 적절하지 않을 수 있거나, 상대적으로 높은 Si 및 Mg 레벨들의 조합 때문에 5xxx 시리즈 합금들의 성형성을 갖추지 못할 수 있다. 추가하여, 5xxx 및 6xxx 합금들의 조합으로부터 재생된 합금들에 존재하는 다른 금속들, 예컨대 Cu, Mn, Fe 또는 Zn, 또는 그것의 조합들의 존재는 재생된 알루미늄 합금들의 바람직하지 않은 특성들로 이어질 수 있다. 예를 들어, 특성들의 바람직하지 않은 조합은 재생된 알루미늄 합금이 운송 기계류를 위한 내부 또는 외부 패널들의 제조를 위해 부적절한 것이 되게 할 수 있다.
상기 발명자들은 상대적으로 Mg의 하이 레벨들, 예컨대 ≥1.5% Mg을 함유하는 합금들이 만약 적절한 양의 Si 및/또는 Cu가 이런 합금에 존재한다면 열 처리가능하고 시효 경화를 보인다는 것을 발견했다. 이 특성은 전통적인 6xxx 합금들에 비하여 상대적으로 높은 마그네슘 함량을 갖는 알루미늄 합금들을, 예기치 않게 그리고 바람직하게 시효 경화가 바람직한 애플리케이션들에 적절하게 한다. 예를 들어, 발명자들은 통상적으로 열 처리에 적절하다고 간주되는 것보다 더 많은 양의 Mg이지만, 그러나 전통적으로 내부 자동차 패널 제조에 사용되는 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들, 예컨대 AA5754 또는 AA5182 합금들에 비교할 때 더 작은 양의 Mg 및 더 많은 양의 Si을 함유하는 일부 알루미늄 합금들이, 만약 연속적인 용체화 처리 라인(solution heat treatment line)들로 용체화 처리된다면 시효 경화를 보일 수 있다는 것을 발견했다.
발명자들의 발견들은 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들로 구체화된다. 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들은 시트(sheet)들로서 생산될 수 있고, 어떤 경우에 그것들은 “단수 또는 복수로 "시트 알루미늄 합금들(sheet aluminum alloy),” “알루미늄 시트들(aluminum sheet),” “시트 합금들(sheet alloys)”로 또는 다른 관련 용어들에 의해 지칭될 수 있다. 본 출원에 사용되는 용어 “알루미늄 합금” 및 유사한 용어들은 “시트 알루미늄 합금” 및 유사한 용어들보다 더 광범위한 범위이다. 다시 말해서, 시트 알루미늄 합금들은 알루미늄 합금들의 서브셋이다. 시트 알루미늄 합금들은 동일 또는 유사한 조성물을 소유할 수 있지만 그러나, 일부 경우들에서, 시트 폼이 아닌 동일한 합금과 다른 특성을 소유할 수 있다. 이들 특성들의 일부는 시트 알루미늄 합금들의 생산에 사용되는 제조 또는 제조 프로세스들에 의해 부여될 수 있다.
출원인들의 발명들을 구체화하는 개선된 알루미늄 합금들은 6xxx 시리즈 합금들에 유사한 시효 경화를 보인다. 그것들은 또한 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들의 특성들에 유사한 성형성 특성들을 나타낼 수 있다. 개선된 알루미늄 합금들은 열 처리가능하다. 개선된 알루미늄 합금들은 자동차 및 다른 운송 기계류 패널들을 제조하는데, 보다 일반적으로, 고-Mg 5xxx 시리즈 합금들이 전통적으로 사용되는 애플리케이션들에 적절할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들에 Si 및/또는 Cu의 증가된 함량은 시효 경화가 바람직한 애플리케이션들에 유익한데, 이는 Si 및/또는 Cu가 자연 또는 인공 시효 동안에 Mg2Si 및 Al2CuMg 입자들의 침전에 기인한 용체화 처리된 합금들상에 경화를 부여하는 것이 가능하기 때문이다. Si 및/또는 Cu에 추가하여, 일부 다른 원소들이 통상적으로 자동차 패널들의 제조에 사용되는 일부 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들에서보다 더 많은 양으로 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들에 존재할 수 있다. 이런 원소들의 존재는 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들상에 유익한 특성들을 부여할 수 있다. 예를 들어, Mn의 증가된 레벨들은 슬립(slip)을 분산시키는데 도움을 줄 수 있는 분산질의 형성을 촉진시킬 수 있고, 따라서 성형성을 개선시킨다. 발명자들은 또한 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들이 통상의 합금들보다 재생 프로세스들에 더 적절한 것을 발견하였는데, 이는 개선된 알루미늄 합금들이 통상적으로 자동차 패널 제조를 위해 사용되는 5xxx 시리즈 알루미늄 합금들, 예컨대 AA5754 및 AA5182 합금들에 비하여 상대적으로 더 많은 양의 Si, Cu, Fe 또는 Mn을 용인하기 때문이다. 따라서, 개선된 재생 프로세스들은 발명자들 발견들의 일부를 구체화한다.
개선된 알루미늄 합금들에 추가하여, 발명자들의 발견들은 알루미늄 합금들의 혁신적인 새로운 사용들 및 애플리케이션들, 알루미늄 합금들을 만들고, 제작 또는 제조하기 위한 개선된 혁신적인 프로세스들로, 알루미늄 합금 형태들, 객체들 및 부품들, 예컨대 스탬핑된 시트 폼들, 운송 기계류를 위한 패널들을 제조하기 위한 프로세스들로 구체화된다. 개선된 알루미늄 합금들로 제조되고 및/또는 본 출원에서 설명된 혁신적인 프로세스들에 따른 알루미늄 합금 객체들, 부품들 및 형태들은 또한 발명자들의 발견들을 구체화한다.
합금들
본 발명의 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들 그것들이 적어도 일부의 5xxx 시리즈 합금들보다 더 많은 레벨의 Si, Cu, Fe, Mn, 또는 Zn 중 하나 이상 및 더 적은 레벨의 Mg 및/또는 적어도 일부 6xxx 시리즈 합금들보다 더 많은 레벨의 Mg을 함유한다는 점에서 자동차 애플리케이션들에 사용되는 통상의 합금들과 다르다. 개선된 알루미늄 합금들의 조성물이 아래의 표 1에 예시된다. 열거된 원소의 함량은 표 1에 도시된 하단 범위 한계치 및 상단 범위 한계치에 의해 범위가 정해지는 범위들 내에 속할 수 있다. 하단 범위 한계치는 표현들 “같거나 또는 더 큰” (≥ 기호) 또는 “더 큰” (> 기호), 또는 다른 관련 기호들 및 표현, 예컨대 “…로부터,” “보다 더 많은” 등에 의해 서술될 수 있다. 상단 범위 한계치는 표현들 “같거나 또는 더 작은” (≤ 기호), “보다 작은” (< 기호) 또는 다른 관련 기호들 및 표현들, 예컨대 “까지,” “보다 작은,” 등에 의해 서술될 수 있다. 다른 유형들의 표현들이 범위들, 예컨대 “사이,” “의 범위내,” 등이 서술하기 위해 또한 사용될 수 있다. 범위가 단지 상단 범위 한계치에 의해 서술될 때, 일부 예제들에서, 문제의 원소가 존재하지 않을 수 있고, 검출가능한 양들로 존재하지 않을 수 있거나, 또는 너무 작은 양들이 존재하여서 그것들이 통상적으로 알루미늄 합금들의 분야에서 의미 있는 것으로 인식되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 아래의 표들에 불가피하게 열거되지 않은 일부 다른 첨가제들 및/또는 원소들이 본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들에 존재할 수 있다는 것이 또한 이해되어야 한다.
표 1. 개선된 알루미늄 합금들의 조성물 (wt%에 원소 함량)
표 2. 자동차 애플리케이션들에 사용되는 통상의 5xxx 시리즈 합금들의 대표적인 조성물 (원소 함량은 wt %로 표현된다)
특성들 및 장점들
시트 알루미늄 합금들을 포함하여 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들은 알루미늄 합금들을 자동차 애플리케이션들, 예컨대 자동차 패널들의 제조 또는, 더 일반적으로, 다양한 유형들의 운송 기계류를 위한 패널들, 또는, 훨씬 더 일반적으로, 스탬핑된(stamped) 시트 폼들의 사용에 적절하게 하는 하나 이상의 특성들을 보유한다. 이들 특성들의 일부는 성형성(formability), 항복 강도(yield strength) 및 시효 경화(age hardening)이다. 개선된 알루미늄 합금들은 6xxx 시리즈 알루미늄 합금들, 예컨대 AA6111, AA6022 또는 AA6016와 이로운 재생 호환성을 또한 보유한다. 표현 “재생 호환성(recycling compatibility)” 및 관련된 용어들이 상업적으로 및 기술적으로 유용한 알루미늄 합금들을 제조하기 위해 야금 프로세스들 동안에 본 발명의 일부 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들이 6xxx 시리즈 합금들 (및, 옵션으로, 다른 합금들 또는 원소들)과 결합될 수 있다는 개념을 설명하기 위해 본 출원에서 사용되고, 이것은 “재생되는(recycled)”것으로 특성이 기술될 수 있다.
성형성 및 페인트 베이크 응답 (formability and paint bake response)
본 출원에서 설명된 알루미늄 합금들의 성형성 특성들은 많은 변수들에 의해 영향을 받을 수 있다. 성형성 특성들은 딥 드로잉성(deep drawability) 및 신장성(stretchability)을 포함하지만, 이것에 한정되지는 않는다. 성형성 특성들에 영향을 미치는 한가지 변수는 알루미늄 합금의 조성물(composition)이다. 예를 들어, 주조성(castability)을 포함하는 성형성은 알루미늄 합금에 Mg, Cu 및 Si의 양에 의해 영향을 받는다. Mg, Si 및/또는 Cu의 많이 결합된 양은 일반적으로 알루미늄 합금을 주조 및 열간 압연(hot roll)하는 것을 더 어렵게 한다. 따라서, 이들 원소들 중 하나 이상의 함량이 희망하는 성형성 특성들에 이르기 위해 변화될 수 있다. 성형성에 영향을 미칠 수 있는 다른 변수들은 제조 프로세스 변형들 및 상태들, 예컨대, 한정되는 것은 아니지만, 알루미늄 시트 프로세싱 단계들 및 상태들, 표면 텍스쳐링 프로세스 단계들 및 상태들 및 윤활(lubrication) 프로세스 단계들 및 상태들이다. 상기의 변수들 중 하나 이상이 희망하는 성형성 특성들을 달성하기 위해 조절될 수 있다. 상기에서 논의된 하나 이상의 변수들에 의해 변화될 수 있는 다른 중요한 특성이 알루미늄 합금의 페인트 베이크 응답(paint bake response)인데, 이는 페인트 경화 프로세스 동안에 강도에서의 변화를 나타낸다. 페인트 베이크 응답은 일반적으로 높아진 온도에서 T4 템퍼내 변형되거나 또는 비변형된 재료를 에이징(ageing)함으로써 실험실에서 테스트된다. 페인트 베이크 응답을 결정하는 정확한 시뮬레이션 조건들은 자동차 회사마다 다르다. 예를 들어, 페인트 베이크 응답은 180℃ 에서 알루미늄 합금을 에이징함으로써 강도에서의 변화로서 정의될 수 있다.
강도
본 발명의 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들은 80 내지 160 MPa 항복 강도 (YS : yield strength)을 나타낼 수 있고, 이는 자동차 애플리케이션을 위해 요구되는 전형적인 마감 및 페인팅된 부분에 AA5754 또는 AA5182의 항복 강도에 유사하거나 또는 동등할 수 있다. 일부 실시예들에서, 개선된 알루미늄 합금의 강도는 통상적으로 자동차들 및 다른 운송 기계류를 위한 패널들의 제조에 사용되는 합금들의 Cu 함량에 비교하여 알루미늄 합금에 Cu의 양을 증가시킴으로써 영향을 받는다.
경도 (hardness)
본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 임의 실시예들은 열 처리가능하고 시효-관련 경화를 보이고, 동시에 통상적으로 자동차 애플리케이션들에 사용되는 전형적인 5xxx 알루미늄 합금들에 필적할만한 성형성을 나타낸다. 5xxx 알루미늄 합금들은 이전에는 열 처리가능하다거나 또는 열 처리시에 시효 관련 경화를 보이는 것으로 알려져 있지 않다. 본 발명의 일부 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들은 통상적으로 열 처리가능한 것으로 인식되는 알루미늄 합금들보다 더 많은 레벨의 Mg을 함유한다. 본 발명의 개선된 알루미늄 합금들의 일부 예들은 ≥1.5%의 Mg을 함유하고 열 처리가능하다. 적절한 양의 Si 및/또는 Cu의 존재가 ≥1.5%의 Mg을 함유하는 개선된 알루미늄 합금에 열 처리가능성(treatability) 및 시효 경화 특성들을 부여한다. 이것이 본 발명의 실시예들에 따른 일부 개선된 알루미늄 합금들이 성형성 (통상적으로 열-처리가능한 합금들에 존재하는 것보다 더 많은 Mg 레벨들에 의해 부여됨) 및 열 처리시에 시효 경화 예컨대 T4 템퍼 (통상적으로 5xxx 시리즈 합금들에 존재하는 것보다 더 많은 Si 레벨들에 의해 부여됨)의 예기치 않은 유익한 조합을 달성하는 것을 허용한다.
5xxx 알루미늄 합금들의 일부와, 예컨대 통상적으로 내부 자동차 패널들의 제조에 채용되는 것들과 비교할 때, 일부 실시예들에서 본 발명의 개선된 알루미늄 합금들은 축소된 양의 Mg을 함유한다. 축소된 레벨들의 Mg은 더 적은 Mg이 생산에 요구되기 때문에 이런 합금들로 제조된 형태들 객체들의 더 낮은 비용들 뿐만 아니라 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 더 낮은 비용으로 귀결될 수 있다. 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들에 축소된 레벨들의 Mg은 용체화 처리(solutionizing) 동안에 알루미늄내 Si의 개선된 용해도로 또한 귀결될 수 있고, 이는 합금들의 특성들에 바람직하게 영향을 미친다. Si 및 Cu 양쪽은 에이징 동안에 입자들을 함유하는 Mg2Si 및 Al2CuMg 또는 Q (AlMgSiCu)의 침전 때문에 본 출원에서 설명된 용체화 처리된 개선된 알루미늄 합금들의 경화를 개선시키는 것이 가능하다.
재생가능성(Recyclability)
본 발명의 개선된 알루미늄 합금들은 통상 자동차 패널들의 제조에 사용되는 5xxx 시리즈 합금들보다 더 많은 양의 Si에 대한 내성을 보유한다. 페인트 베이크 응답을 나타내는 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 능력 및/또는 Si의 이 더 높은 내성이 알루미늄 합금들을 재생을 위해 6xxx 합금들과 호환 가능하고 적절하게 만든다.
요약하여, 본 발명의 개선된 알루미늄 합금들은 특성들의 유익한 조합을 가져서 이들 개선된 합금들이 다양한 애플리케이션들을 위해 통상의 높은-Mg 알루미늄 합금들 대신 사용되는 것을 허용한다. 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들은 여러 가지 애플리케이션들을 위해 이용 가능한 합금들의 범위를 확장할 수 있고, 이들 중 하나는 스탬핑된 시트 폼들, 예컨대 자동차들 및 다른 운송 기계류를 위한 패널들의 제조이고, 알루미늄 재생 비율들을 증가시키고, 알루미늄 합금 제조의 비용을 낮추고, 알루미늄 생산의 환경 영향을 줄일 수 있다.
제조 프로세스들
개선된 알루미늄 합금들을 만들거나 또는 제조하는 단계를 위한 프로세스들 또한 본 발명의 범위내에 포함된다. 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄은 이하에 설명되는 기술 단계들의 적어도 일부를 포함하는 프로세스들에 의해 제조될 수 있다. 이들 기술 단계들의 적어도 일부가 개선된 알루미늄 합금들에 유익한 특성들을 부여할 수 있다. 따라서 일부 경우들에서, 개선된 알루미늄 합금들을 설명할 때 프로세스 단계들을 포함하는 것이 중요하다. 예를 들어, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금의 일 대표적인 실시예는 AA5251 합금이다. 발명자들의 발견전에, >1.5% Mg을 함유하는 AA5251 합금은, 열 처리에 적절하고 T4 템퍼에 있을 때 시효 경화를 보이는 것으로 알려지지 않았다. 따라서, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 일 대표적인 실시예는 T4 템퍼에서 AA5251 합금인데, 이는 AA5251-T4로 지칭될 수 있다.
개선된 알루미늄 합금들을 만들거나 또는 제조하는 단계의 프로세스들은 개선된 알루미늄 합금들의 물리적 및/또는 화학적 특성들을 변경하기 위해 열 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 열 처리들은 경화(hardening)와 같은 희망하는 결과를 달성하기 위해 알루미늄 합금의 가열 및/또는 냉경(chilling)의 사용을 포함한다. 본 출원에서 설명된 프로세스들의 실시예는 T4 또는 T4P 템퍼를 채용하고, 이는 실질적으로 안정한 상태에 알루미늄 합금의 자연 에이징 및 용체화 처리를 포함한다. T4P 템퍼는 이하의 용체화 처리(solutionizing)에 포함되는 특별한 열적 열 처리를 지칭한다. 이 처리는 용체화 처리의 시간내에 50 내지 110℃의 범위에 이르는 온도로 재가열되거나 또는 용체화 처리 온도로부터 제어되는 냉각에 의해 구현될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, T6 및 T8 템퍼들이 또한 사용될 수 있다.
본 출원에서 설명된 프로세스들의 설명들 및 예시들은 비 제한적인 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 설명된 프로세스 단계들은 결합되고 다양한 방식들로 변형될 수 있고 개선된 알루미늄 합금들 또는 이런 합금들로 형태들 및 객체들을 제조하기 위해 적절하게 채용될 수 있다. 본 출원에서 명백하게 설명되지 않지만, 그러나 통상 야금학 및 알루미늄 프로세싱 및 제조의 영역들에 채용되는 프로세스 단계들 및 상태들은 본 출원에서 설명된 프로세스들에 또한 통합될 수 있다.
일 대표적인 프로세스가 도 1에 개략적으로 예시된다. 도 1에 예시된 하나 이상의 프로세스 단계들이 개선된 알루미늄 합금들을 만들기 위한 프로세스들에 통합될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
개선된 알루미늄 합금들을 제조하기 위해 적절하게 채용되고 다양한 방식들로 결합될 수 있는 하나 이상의 단계들을 통합하는 프로세스의 다른 예가 이 문단에서 설명된다. 개선된 시트 알루미늄 합금은 직접 냉경된 (DC : direct chilled) 잉곳으로부터 생산된다. 그러나, 열간 압연 스톡(stock)이 연속적인 주조 슬랩(cast slab)으로부터 또한 생산될 수 있다. DC 주조 잉곳들은 잉곳의 양쪽 측면들상에 표면 분리 계층 근처를 제거하기 위해 표면이 깍이게 되고(scalp) 최종 게이지로 열간 및 냉간 압연을 겪게 되기 전에 1 내지 48 시간 사이의 시간 기간들 동안에 500과 575℃사이의 온도에서 균질화된다(homogenize). 개선된 시트 알루미늄 합금은 또한 최종 시트의 성형성을 개선하기 위해 특별한 표면 텍스쳐링, 예컨대, 한정되는 것은 아니지만, 전자 방전 텍스쳐링(texturing)을 겪게될 수 있다. 냉간 압연된 스트립(strip)은 500와 575℃ 사이의 온도에서 연속적인 어닐링 라인으로 >3℃/s에서 가열함으로써 용체화 처리되고, 뒤이어 빠른 냉각 및 자연 에이징으로 T4 템퍼에 시트를 생산한다. 용체화 처리는 합금 조성물에 의존하여 매트릭스(matrix)로 다시 가용성 입자들, 예컨대 Mg2Si 또는 다른 입자들을 재용해시킬 수 있다. 빠른 담금질은 용질들 및 초과 공공(vacancy)들에 면에서 과포화된 고용체를 생산하기 위해 사용된다. 용체화 처리 온도로부터 빠른 냉각은 강제 대류(forced air), 물 분무(water mist), 또는 물 분무 및 강제 대류의 조합으로 수행될 수 있다. 코일링(Coiling)이 50 내지 110℃온도에서 수행되고, 뒤이어 ≤10℃/시간 비율에서 코일 냉각이 따른다. 코일은 50 내지 110℃ 사이의 코일링 온도를 보장하기 위해 스트립 형태로 재가열될 수 있다. 용체화 처리된 시트 합금을 산성 또는 알카라인 세정을 겪게하고, 뒤이어 50 와 110℃사이의 온도에서 코일링(coiling) 하기전에 특별한 화학 재료 및 윤활유들, 오일들 또는 왁스들로 사전처리하는 것이 가능하다. 코일은 도 2에 예시된 것들과 같은 내부 패널들을 스탬핑하기 위해 블랭킹(blank)되고 사용될 수 있다.
개선된 알루미늄 합금들을 제조하기 위해 적절하게 채용되고 다양한 방식들로 결합될 수 있는 하나 이상의 단계들을 통합하는 프로세스의 또 다른 예가 이 문단에서 설명된다. 직접 냉연된 주조 합금 잉곳은 ≥2 시간동안 500℃ 초과하여 균질화되고, 280 내지 400℃사이의 코일링 온도로 중간 게이지로 열간 압연되고, 밀(mill) 또는 최적화 마감된 텍스쳐를 갖는 하나 이상의 경로들에 최종 게이지로 냉간 압연되고 그리고 연속적인 어닐링 라인에 480℃ 초과의 온도에서 스트립 형성에 용체화처리되고 50℃ 와 120℃사이에서 빠른 냉각 및 코일링된다. 열 코일링 단계는 옵션이고 합금의 페인트 베이크 응답을 개선하기 위해 사용된다. 일부 상황들에서, 용체화 처리된 코일은 또한 스탬핑 전에 세정되고, 사전처리되고 윤활유를 바를 수 있다.
이하의 논의는 제조 프로세스 단계들이 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들상에 부여할 수 있는 유익한 특성들을 예시하기 위해 포함된다. 전통적으로, AA5754 또는 AA5182 합금들은 연질 O 템퍼에서 자동차 패널들의 제조를 위해 공급되어서 부품은 이들 합금들로 형성될 수 있고 페인트 경화 동작을 겪을 수 있다. O 템퍼에서 AA5754 또는 AA5182는 페인트 베이크 동안에 복원 때문에 연화(softening)를 보인다. 본 발명의 일부 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들은 O 템퍼에서 이런 연화를 겪지 않거나 또는 AA5754 또는 AA5182와 동일한 크기로 연화를 겪지 않는다. 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들은 형성 및 페인트 경화 후에 AA5754 및 AA5182 에 보다 근접한 강도를 유지할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 개선된 알루미늄 합금들로부터 제조된 최종 부품상에서의 강도 특성들은 AA5754 합금에 유사하거나 또는 동등할 수 있다.
사용들 및 애플리케이션들
본 출원에서 설명된 개선된 합금들을 포함하거나 또는 개선된 합금들로부터 제조된 객체들, 형태들, 장치들 및 유사한 것들로서 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 사용들 및 애플리케이션들은 본 발명의 범위내에 포함된다. 이런 객체들, 형태들, 장치들 및 유사한 것들을 제작, 생산 또는 제조하기 위한 프로세스들 또한 본 발명의 범위내에 포함된다. 예를 들어, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 일부 실시예들은 자동차 패널들의 제조에 적절하다. 내부 및 외부 자동차 패널들을 포함하는 다양한 자동차 패널들이 따라서 본 발명의 범위내에 포함된다. 그것들은 예를 들어, U.S. 특허 공개 번호. 2010/0279143에서 설명되고, 또한 도 2에 예시된다.
그러나, 이런 합금들로 제조된 개선된 알루미늄 합금들 및 객체들의 사용들 및 애플리케이션들은 자동차 패널들에 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다른 객체들이 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들로 적절하게 제조될 수 있다. 일 예는 일반적으로 “운송 패널들(transportation panel)” 또는 “기계류 패널(machinery panel)들”로 칭해질 수 있는 다양한 운송 차량들 및 다른 움직이는 기계류에 통합되는 패널들이다. 예를 들어, 운송 트럭들을 위해 사용되는 패널들이 바람직하게는 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들로 제조될 수 있다. 알루미늄 캡(cab)들은 갖는 운송 트럭들은 전통적으로 AA5052 합금로 생산된다. 이 합금은 형성동안에 항복점 연신율(yield point elongation) 또는 신장 밴드(stretch band)들을 보이는 경향이 있어서, 좋지 않은(objectionable) 표면 외관을 야기한다. 본 발명의 일부 실시예들에 따른 개선된 알루미늄 합금들은 항복점 연신율을 보이지 않고 바람직하게는 운송 트럭들에 사용되는 패널들의 제조를 위해 AA5052 합금을 대체하도록 사용될 수 있다.
보다 일반적으로, 통상의 5xxx 합금들에 비교하여, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들의 일부 실시예들은, 인장 응력들을 경험하는 금속들에 플라스틱 변형의 국부적인 밴드들인 또한 "슬립 밴드들(slip bands)" 또는 "스트레처-스트레인(stretcher-strain) 마크들"로서 알려진 뤼데스 밴드들(Luders bands)을 디스플레이하는 경향성을 더 적게 보인다. 따라서, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들은 바람직하게는 자동차들 및 다른 운송 차량들 및 움직이는 기계류에 대한 외부 패널들과 같은 뤼데스 밴드들이 좋지 않은 부품들 또는 객체들의 제조에 채용될 수 있다.
본 출원에서 설명된 합금들의 일부 실시예들은 복잡한 전자 애플리케이션들에 적절하다. 이런 애플리케이션의 일 예는 알루미늄 TV 프레임들이다. 보다 일반적으로, 본 출원에서 설명된 개선된 알루미늄 합금들로 제조된 다양한 시트 스탬핑, 스탬핑된 시트 폼들, 스탬핑된 패널들, 또는 관련된 객체들이 본 발명의 실시예들의 범위내에 포함된다.
이하의 예들은 동시에, 그러나 본 발명의 임의의 한정을 구성하지 않고 본 발명을 추가로 예시하는 역할을 할 것이다. 그와는 반대로, 수단들은 본 출원에 설명 판독 후에, 발명의 취지에서 벗어나지 않고 당해 기술분야의 통상의 기술자들이 제안할 수 있는 다양한 실시예들, 수정예들 및 그것의 등가물들을 가질 수 있다는 것이 분명히 이해될 것이다. 이하의 예들에 설명된 연구들 동안에, 다른 식으로 언급되지 않으면 통상의 절차들이 뒤따른다. 일부 절차들은 예시적인 목적을 위해 이하에 설명된다.
예 1
O 템퍼에서 AA5251 합금의 인장 특성들의 테스팅
1.85% Mg, 0.3% Fe, 0.28% Mn 및 0.29% Si을 함유하는 알루미늄 잉곳은 O 템퍼를 획득하기 위해 >5 시간 동안 540℃에서 균질화되고, 3.2 mm 게이지로 열간 압연되고, 최종 1.3 mm 게이지로 냉간 압연되고 그리고 340℃에서 1 시간동안 배치(batch) 어닐링(anneal)되었다. 어닐링된 시트들의 횡방향의 인장 특성들은 DIN 검체들을 이용하여 결정되었다. 도 3 은 O 및 페인트 베이크 (5% 신장 더하기 185℃에서 20분) 양쪽에서 합금의 DIN 인장 특성들을 도시한다. 합금은 O 템퍼에서 70 MPa 항복 강도 (YS), 164 MPa 극한 인장 강도 (UTS : Ultimate Tensile Strength) 및 23% 총 연신율(total elongation)를 보이고 그리고 185℃에서 20분 동안 에이징 후에 어떤 경화도 보이지 않았다. 페인트 베이크 템퍼 (5% 신장 더하기 185℃에서 20분)에서 더 큰 YS는 신장으로 인한 가공 경화 및 에이징으로 인한 복원의 순 결과이다.
예 2
AA5251 알루미늄 합금의 인장 특성들에 용체화 처리의 영향
이 예는 알루미늄 합금의 인장 특성들에 용체화 처리의 영향들을 보여준다. 1.85% Mg, 0.3% Fe, 0.28% Mn 및 0.29% Si을 함유하는 알루미늄 잉곳은 >5 시간 동안 540℃에서 균질화되고, 3.2 mm 게이지로 열간 압연되고, 최종 1.3 mm 게이지로 냉간 압연되었다. 냉간 압연된 1.3 mm 게이지 시트들은 560℃에서 2분동안 용체화 처리되고, 냉각되고 및 즉각적으로 85℃에서 8 h 동안 사전-에이징되었다. 용체화 처리된 합금 횡방향의 ASTM 특성들은 자연 에이징의 24시간 후에 결정되었다. 도 4 는 T4 템퍼, 2% 신장, 및 2% 신장 더하기 185℃에서 20 분 템퍼들에서 합금의 비교 인장 특성들을 보여준다. T4 템퍼에 알루미늄 합금은 도면들 3 및 4의 비교에 의해 예시된 바와 같이 그것의 O 템퍼 대응부에 비교하여 더 강하였다. T4 템퍼에 알루미늄 합금은 2% 신장에 기인하여 그리고 신장 샘플을 20 분 동안 185℃에서 에이징을 겪게 한 후에 YS 에서의 상당한 증가를 보였다. T4 템퍼에 알루미늄 합금의 인장 특성들은 통상의 AA5754 합금에 가까웠다. 알루미늄 합금의 항복 강도는 AA5182 또는 AA5754 합금을 유사한 페인트 베이크 처리를 겪게 한 후에 AA5182 또는 AA5754 합금의 예상 강도에 가까웠다.
예 3
합금에 Cu 추가의 역할
1.75% Mg, 0.78% Cu, 0.23% Fe, 0.11% Mn 및 0.38% Si 을 함유하는 알루미늄 잉곳은 >18 시간동안 560℃에서 균질화(homogenize)되었고, 그런 다음 열간 압연되었고 최종 1.6 mm 게이지로 냉간 압연되었고 540℃에서 연속적인 어닐링 라인으로 용체화 처리되고 냉각되고 사전-에이징(pre-age)되었다. 1.6 mm 게이지 시트들의 횡방향의 인장 특성들은 ASTM 검체들을 이용하여 결정되었다.
도 5 는 T4 템퍼 및 페인트 베이크 (180℃에서 60 분)에서 합금의 인장 특성들을 보여준다. 예들 1 및 2에 논의된 AA5251 합금보다 더 많은 레벨의 구리를 함유하는 이 합금은, AA5251 합금에 비교하여 상당히 더 강하였다. 이 예에서 테스트된 합금은 T4 템퍼에서 143 MPa YS, 284 MPa UTS 및 28% 총 연신율을 보였고, CuMgAl2 및 Mg2Si 입자들의 침전 때문에 180℃에서 60분 동안 에이징 후에 상당한 경화를 보였다.
예 4
O 템퍼에서 AA5754 및 O 및 T 템퍼들에서 AA5251의 비교 테스팅
표 3에 도시된 조성물을 갖는 AA5754 및 AA5251 합금의 알루미늄 잉곳들은 >5 시간동안 540℃에서 균질화되었고, 열간 압연되었고 그리고 개별적으로, 별개의 시험들로 최종 1 및 1.3 mm 게이지들로 냉간 압연되었다. AA5754 및 AA5251의 코일들은 개별적으로 500 및 560℃에서 연속적인 어닐링 라인상에서 용체화 처리되었다.
시험 코일들로부터 기인한 인장 테스트가 표 4에 도시된다. 압연 방향에 관련하여 0°, 45° 및 90°에 O템퍼에서 통상의 AA5754 시트의 항복 강도 및 극한 인장 강도가 개별적으로 100 MPa 및 219 내지 231 MPa 범위에 근사한다는 것을 알 수 있다. O 템퍼에서 AA5251 합금은 스트레인 경화 지수(exponent) (n) 값을 제외하고 AA5754에 비교하여 더 작은 값들을 보인다. T 템퍼에서 AA5251 합금은 AA5251 O 템퍼 합금에 비교하여 강도 특성들, 예컨대 항복 강도 및 극한 인장 강도에서 상당한 개선을 보인다. 강도의 면에서, AA5251 T 템퍼 합금은 AA5754과 AA5251-O 템퍼 사이에 해당한다. AA5251 T 템퍼 합금은 전형적으로 AA5251 및 AA5754-O 템퍼 합금들에서 관측되지 않은 페인트 베이크 응답을 보인다. AA5251 T 템퍼 합금에서 감지된 개선들은 AA5754 및 어쩌면 AA5182 합금들에 대한 대체물로서 그것을 사용하는 것의 가능성을 제공한다. 더 낮은 연신율, UTS 및 n 값들에 의해 표시된 AA5251 T 템퍼 합금의 특성들을 아주 조금 열악하게 형성한 것은 형성동안에 선호되는 시트 표면 텍스쳐, 또는 윤활유의 선택을 이용하여 합금 및 프로세스 조성물을 최적화 하는 것을 포함한 다양한 기술들에 의해 보상될 수 있다.
표 3. 알루미늄 합금 조성물
표 4. O 템퍼에서 AA5754 및 O 및 T 템퍼들에서 AA5251의 비교 테스팅 결과들
예 5
185℃에서 AA5251 T4 템퍼 합금의 시효 경화
AA5251 T4 템퍼 합금의 시효 경화 연구들은 180℃에서 퍼니스 셋(furnace set)에 합금의 인장 샘플들을 놓음으로써 수행되었다. 샘플들은 상이한 에이징 시간들 후에 퍼니스로부터 취해졌다. 도 6 은 180℃에서 합금의 에이징 경화 행동을 도시한다. 합금은 약 8 h의 에이징 후에 개별적으로 YS 및 UTS에서 약 70% 및 20% 증가를 보였다. 도 6에 예시된 결과들은 합금이 시효 경화를 겪었다는 결론을 지지한다.
상기에서 인용된 모든 특허들, 간행물들 및 요약들은 그것들의 전체가 참조로서 본 출원에 통합된다. 본 출원에서 설명된 엘리먼트들 및 특징부들의 상이한 배열들 및 조합들이 가능하다. 유사하게, 일부 특징부들 및 서브조합들이 이용가능하고 다른 특징부들 및 서브조합들에 대한 참조 없이 채용될 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들이 발명의 다양한 목적들의 실현으로 설명되었다. 이들 실시예들은 본 발명의 원리들의 단지 예시이다는 것이 인식되어야 한다. 많은 수정예들 및 그것의 적응예들은 본 발명의 범위 및 취지를 벗어남이 없이 당해 기술분야의 통상의 기술자들에 쉽게 명확해질 것이다.
Claims (12)
- 열 처리를 포함하는 프로세스에 의해 생산되는, 중량으로 1.5%≤Mg≤2%, 중량으로 0<Zn≤0.5%, 중량으로 0.2 내지 0.4% Si 및 중량으로 0.01%≤Cu＜0.3%를 포함하고,
상기 프로세스는 용체화 처리에 뒤이은 자연 에이징을 포함하는 T4 템퍼를 포함하는, 알루미늄 합금. - 삭제
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 시효 경화(age hardening)를 보이는, 알루미늄 합금.
- 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 시트 알루미늄 합금(sheet aluminum alloy)인, 알루미늄 합금.
- 청구항 5의 상기 시트 알루미늄 합금으로 제조된 스탬핑된 시트 폼.
- 청구항 6에 있어서, 상기 스탬핑된 시트 폼(sheet form)은 자동차 패널인, 스탬핑된 시트 폼.
- 중량으로 1.5%≤Mg≤2%, 중량으로 0<Zn≤0.5%, 0.2 내지 0.4% Si 및 0.01%≤Cu＜0.3%을 포함하는 시트 알루미늄 합금을 제조하기 위한 프로세스이며, 열 처리를 포함하고,
상기 프로세스는 용체화 처리에 뒤이은 자연 에이징을 포함하는 T4 템퍼를 포함하는, 프로세스. - 삭제
- 청구항 8에 있어서, 상기 시트 알루미늄 합금은 시효 경화(age hardening)를 보이는, 프로세스.
- 청구항 5의 상기 시트 알루미늄 합금을 스탬핑하는 단계를 포함하는 스탬핑된 시트 폼을 제조하기 위한 프로세스.
- 청구항 11에 있어서, 상기 스탬핑된 시트 폼은 자동차 패널인, 프로세스.
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