KR102333996B1 - 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

알루미늄 주조-전신재 겸용 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물인, 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제공한다.

Description

알루미늄 주조-전신재 겸용 합금 및 그 제조방법{Aluminium cast-wrought alloy and method of fabricating the same}
본 발명은 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 차체의 경우 경량화를 위하여 알루미늄 소재의 적용이 확대되고 있으며, 주조재와 전신재가 동시에 적용되고 있다. 주조용 알루미늄 합금은 용질원소가 최대 30%까지 첨가가 되지만, 전신용 알루미늄 합금은 연속주조 공법으로 제조되기 때문에 용질원소가 10% 미만이므로, 주조재와 전신재 알루미늄 합금은 조성이 서로 상이하다. 자동차 차체의 경우 전신재와 주조재는 서로 용접에 의하여 결합될 수 있는데, 재활용 과정에서 서로 다른 조성으로 인하여 차체에서 차체로 재활용되지 못하고 차체에서 저급한 스크랩으로 재활용될 수밖에 없다는 문제점을 내포한다.
한편, 기존 전신재 알루미늄 합금을 이용하여 주조재에 활용되는 주조공법을 적용할 경우, 유동성 저하에 의하여 주조 제품의 미성형, 응고 수축시 핫테어링(hot tearing) 및 잔류응력 편차에 따른 치수 변형과 같은 결함이 발생될 수 있다. 또한, 기존 주조재 알루미늄 합금을 전신재로 활용할 경우에는 전신재 빌렛 제조 공정인 DC 주조시 고용질에 따른 크랙이 발생하고 열처리 불가 편석이 발생하여 주조가 불가능하다는 문제점이 있으며, 고용질 합금의 경우 초정, 중간상 및 석출상 등에 의한 성형성 저하로 소성 가공성이 상당히 열악한 문제점이 나타난다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 알루미늄 합금 중에서 차체를 성형할 수 있을 정도로 강성이 확보되면서 주조 및 전신 성형이 모두 가능한 소재 및 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의한 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제공한다. 상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물이다.
상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서, 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe와 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn 중의 적어도 일부는 FeMn 전율고용체 합금으로 존재할 수 있다.
상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은, 엄격하게는, 6.2 중량% 내지 6.8 중량%의 Mg, 1.0 중량% 내지 1.5 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만의 Si을 포함할 수 있다.
상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은, 0.1 중량% 내지 0.2 중량%의 Ti, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 B를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 의한 자동차를 제공한다. 상기 자동차는 상술한 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 주조재 및 전신재로 각각 구현하고 서로 접합함으로써 형성된 차체를 포함한다.
본 발명의 또 다른 관점에 의한 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법을 제공한다. 상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법은 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계; 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 함유하고 잔부가 Al인 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계; 및 상기 알루미늄 용탕을 주조하여 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조하는 단계;를 포함한다.
상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법에서, 상기 2차 알루미늄 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물일 수 있다.
상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법에서, 상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체는 상기 전율고용체 중에서 10 내지 90 중량%의 Mn 및 나머지의 Fe로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 알루미늄 합금 중에서 차체를 성형할 수 있을 정도로 강성이 확보되면서 주조 및 전신 성형이 모두 가능한 소재 및 이를 제조하는 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Mg 함량과 인장강도 및 연신율의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Zn 함량에 따른 물성의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Si 함량과 인장강도 및 연신율의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 고용질 합금의 유동성 평가를 위한 spiral test 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Cu 함량에 따른 고상선 온도 및 액상선 온도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 주조-전신재 대응 Al-Mg 개발합금의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 물성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 측면으로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
본 발명의 실시예들에서, 알루미늄 합금은 주원소인 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 합금 원소가 첨가된 합금을 지칭할 수 있다. 또한, 알루미늄 용탕은 순수 알루미늄으로 이루어진 용탕 또는 순수 알루미늄에 하나 또는 그 이상의 합금 원소가 첨가된 알루미늄 합금의 용탕을 포함하는 넓은 의미로 사용된다.
본 발명의 실시예들에서, 전율고용체(全率 固溶體, complete solid solution)란 어느 한 합금 원소가 실질적으로 모든 조성 범위에서 다른 합금원소에 고용되는 합금을 지칭할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr, 0.1 중량% 내지 0.2 중량%의 Ti, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 B을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물인 합금이다.
구체적인 예를 들면, 상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg; 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu; 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn; 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si; 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe; 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn; 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr; 0.1 중량% 내지 0.2 중량%의 Ti; 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 B; 잔부가 Al; 및 불가피한 불순물인 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제조하는 방법은 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계(S101); 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr, 0.1 중량% 내지 0.2 중량%의 Ti, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 B를 함유하고 잔부가 Al인 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계(S102); 및 상기 알루미늄 용탕을 주조하여 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조하는 단계(S103);를 포함한다. 이 경우, 단계(S103)에서 구현된 상기 2차 알루미늄 합금은 상술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금일 수 있다.
상술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서, 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe와 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn 중의 적어도 일부는 FeMn 전율고용체 합금으로 존재할 수 있다. 단계(S101)에서 제공되는 상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체는 상기 전율고용체 중에서 10 내지 90 중량%의 Mn 및 나머지의 Fe로 이루어질 수 있으며, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 구성하는 Mn의 일부는 단계(S102) 및 단계(S103)를 거쳐 상기 2차 알루미늄 합금의 알루미늄 기지에 고용될 수 있으며, 마찬가지로, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 구성하는 Fe의 일부는 단계(S102) 및 단계(S103)를 거쳐 상기 2차 알루미늄 합금의 알루미늄 기지에 고용될 수 있다. 따라서, 단계(S103)에서 구현된 상기 2차 알루미늄 합금에 함유된 FeMn 전율고용체의 제 2 함량은 단계(S101)에서 제공되는 상기 1차 알루미늄 합금에 함유된 FeMn 전율고용체의 제 1 함량 보다 작을 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 제 1 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제조하는 변형된 방법에서는, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계(S101)가 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 제공하는 단계로 대체되며, 상기 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계(S102)가 상기 알루미늄 용탕에 상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 투입하여 용해시키는 단계로 대체될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물인 합금이다.
구체적인 예를 들면, 상기 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg; 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu; 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn; 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si; 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe; 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn; 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr; 잔부가 Al; 및 불가피한 불순물인 합금으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제조하는 방법은 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계(S201); 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr를 함유하고 잔부가 Al인 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계(S202); 및 상기 알루미늄 용탕을 주조하여 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조하는 단계(S203);를 포함한다. 이 경우, 단계(S203)에서 구현된 상기 2차 알루미늄 합금은 상술한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금일 수 있다.
상술한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서, 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe와 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn 중의 적어도 일부는 FeMn 전율고용체 합금으로 존재할 수 있다. 단계(S201)에서 제공되는 상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체는 상기 전율고용체 중에서 10 내지 90 중량%의 Mn 및 나머지의 Fe로 이루어질 수 있으며, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 구성하는 Mn의 일부는 단계(S202) 및 단계(S203)를 거쳐 상기 2차 알루미늄 합금의 알루미늄 기지에 고용될 수 있으며, 마찬가지로, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 구성하는 Fe의 일부는 단계(S202) 및 단계(S203)를 거쳐 상기 2차 알루미늄 합금의 알루미늄 기지에 고용될 수 있다. 따라서, 단계(S203)에서 구현된 상기 2차 알루미늄 합금에 함유된 FeMn 전율고용체의 제 2 함량은 단계(S201)에서 제공되는 상기 1차 알루미늄 합금에 함유된 FeMn 전율고용체의 제 1 함량 보다 작을 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 제 2 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 제조하는 변형된 방법에서는, 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계(S201)가 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 제공하는 단계로 대체되며, 상기 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계(S202)가 상기 알루미늄 용탕에 상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 투입하여 용해시키는 단계로 대체될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은, 엄격하게는, 6.2 중량% 내지 6.8 중량%의 Mg, 1.0 중량% 내지 1.5 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만의 Si을 포함할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 주조성 및 전신성을 제어하는 합금원소를 파악하고 이들의 조성범위를 한정한 이유를 본 발명의 이해를 돕기 위해서 실험예와 함께 설명한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
Al-Mg 합금의 주조재 특성
표 1은 본 발명의 다양한 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위 : 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Si Fe Mn Sr Ti B Al
실험예1-1 6.0 - 0.1 2.5 0.4 0.4 0.1 0.2 - Bal.
실험예1-2 6.5 0.5 1.0 2.0 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예1-3 6.8 0.25 1.2 - 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 Bal.
표 2 내지 표 4는 각각 표 1의 조성을 가지는 실험예1-1 내지 실험예1-3의 합금을 다이캐스팅 주조한 시편의 항복강도, 인장강도 및 연신율을 측정한 결과를 나타낸 것이다. 표 1의 실험예1-1에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 주조재로서의 평균 항복강도는 153.6MPa이고, 평균 인장강도는 216.3MPa이고, 평균 연신율은 2.04%이며, 표 1의 실험예1-2에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 주조재로서의 평균 항복강도는 164.6MPa이고, 평균 인장강도는 271MPa이고, 평균 연신율은 5.6%이며, 표 1의 실험예1-3에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 주조재로서의 평균 항복강도는 168.2MPa이고, 평균 인장강도는 291.8MPa이고, 평균 연신율은 6.4%이다. 이에 따르면, Mg과 Zn 증가에 따라 항복강도, 인장강도 및 연신율은 증가하지만, Cu 첨가의 효과는 크지 않았으며, Si 감소에 따라 항복강도, 인장강도 및 연신율이 증가함을 확인할 수 있다.
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 160.85 242.1 3.07
2 156.23 228.84 2.46
3 153.18 215.34 1.85
4 151.03 204.72 1.56
5 146.72 190.67 1.26
Mean 153.6 216.3 2.04
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 132 274 8
2 186 266 4
3 186 275 4.5
4 190 297 6.5
5 129 246 5
Mean 164.6 271 5.6
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 170 295 7
2 168 299 6
3 167 273 6
4 164 270 5
5 170 297 6
6 166 289 6
7 166 286 7
8 170 301 6
9 173 316 9
Mean 168.2 291.8 6.4
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : Mg 효과
발명자는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Mg은 강도, 연신율 및 유동성 향상을 위해 6중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하지만, 8.5중량% 이상을 함유하는 경우 가공성이 저하됨을 확인하였다. 또한, 6중량% 보다 낮은 함량을 가지는 경우 고상선 부근에서 수축율이 커 응고균열의 우려가 높아짐을 확인하였다.
표 5는 본 발명의 다양한 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위 : 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Si Fe Mn Sr Ti B Al
실험예5-1 6.5 0.5 1.0 0.5 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예5-2 7.0 0.5 1.0 0.5 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예5-3 7.5 0.5 1.0 0.5 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예5-4 8.0 0.5 1.0 0.5 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
표 6 내지 표 9는 표 1의 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 항복강도, 인장강도 및 연신율을 측정한 결과를 나타낸 것으로서, Mg 조성이 각각 6.5중량%, 7.0중량%, 7.5중량%, 8.0중량%을 가지는 합금에 대응된다. 표 5의 실험예5-1에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 215.5MPa이고, 평균 인장강도는 389.6MPa이고, 평균 연신율은 25.7%이며, 표 5의 실험예5-2에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 265.4MPa이고, 평균 인장강도는 409.1MPa이고, 평균 연신율은 18.4%이며, 표 5의 실험예5-3에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 271.6MPa이고, 평균 인장강도는 422.1MPa이고, 평균 연신율은 19.6%이며, 표 5의 실험예5-4에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 252.8MPa이고, 평균 인장강도는 422.1MPa이고, 평균 연신율은 21.5%이다. 이에 따르면, Mg의 함량 증가에 따라 항복강도 및 인장강도는 증가하며, 연신율은 Mg의 함량이 7.0중량%인 경우에서 크게 감소한 후 Mg 함량의 증가에 따라 서서히 증가하는 양상이 나타난다.
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 216.8 389.11 25.71
2 215.72 393.15 25.65
3 213.84 386.47 25.85
Mean 215.5 389.6 25.7
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 269.82 410.66 18.21
2 266.8 410.23 17.72
3 259.54 406.52 19.37
Mean 265.4 409.1 18.4
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 268.22 418.75 20.21
2 274.28 425.69 18.43
3 272.23 421.84 20.03
Mean 271.6 422.1 19.6
시편 Yield Strength
(MPa)		 Tensile Strength
(MPa)		 Elongation
(%)
1 247.75 420.59 23.64
2 252.7 421.87 19.74
3 257.87 423.97 21.12
Mean 252.8 422.1 21.5
도 1은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Mg 함량과 인장강도 및 연신율의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 본 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성은 6.0 중량% 내지 8.0 중량%의 Mg, 0.5 중량% 의 Cu, 1.0 중량%의 Zn, 0.4 중량%의 Fe, 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량%의 Sr, 0.1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 B 및 잔부가 Al으로 이루어진 조성이다. 도 1을 참조하면, 6 중량% 내지 8 중량%의 범위에서 Mg의 함량이 증가함에 따라 인장강도는 증가하지만, 연신율은 6.2 중량% 내지 6.8 중량%의 범위에서 크게 증가하나 7 중량%을 초과하는 영역에서 크게 감소함을 확인할 수 있다.
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : Zn 효과
발명자는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Zn은 SCC 내성을 확보하고 고용강화 효과를 얻기 위하여 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 범위를 가지고, 더욱 엄격하게는, 1.0 중량% 내지 1.5 중량%의 범위를 가지는 것이 바람직하다는 것을 확인하였다. 2.0 중량% 이상의 Zn을 첨가하는 경우 저온 입자 파괴를 유발하는 것으로 나타났다.
도 2는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Zn 함량에 따른 물성의 변화를 나타낸 그래프이다. 본 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성은 6.5 중량%의 Mg, 0.5 중량% 의 Cu, 0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0.4 중량%의 Fe, 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량%의 Sr, 0.1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 B 및 잔부가 Al으로 이루어진 조성이다. 도 2를 참조하면, Zn 첨가시 고용강화로 인한 항복강도 및 인장강도 향상의 효과가 있으며, Zn 첨가에 따라 유동성이 향상되나 1.5 중량% 이상에서 효과는 미비하며, 1.0 중량% 내지 1.5 중량%의 범위가 적정범위인 것을 확인할 수 있다.
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : Si 효과
발명자는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Si은 고용강화 및 내식성 향상에 효과가 있으나, 0.5 중량% 보다 많이 함유할 경우 조대한 Mg2Si상을 형성하여 성형성 및 연신율이 저하됨을 확인하였다.
표 10은 본 발명의 다양한 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위 : 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Si Fe Mn Sr Ti B Al
실험예10-1 6.0 - 0.1 2.5 0.4 0.4 0.1 0.2 - Bal.
실험예10-2 6.5 0.5 1.0 2.0 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예10-3 6.5 0.5 1.0 0.8 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예10-4 6.5 0.5 1.0 0.5 0.4 0.4 0.1 0.2 0.1 Bal.
실험예10-5 6.5 0.1 1.5 0.1 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 Bal.
전신재로 응용하기 위한 표 10의 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 항복강도, 인장강도 및 연신율을 측정한 결과, 표 10의 실험예10-1에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 144.8MPa이고, 평균 인장강도는 249.0MPa이고, 평균 연신율은 11.9%이며, 표 10의 실험예10-2에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 183.5MPa이고, 평균 인장강도는 322.7MPa이고, 평균 연신율은 17.1%이며, 표 10의 실험예10-3에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 242.1MPa이고, 평균 인장강도는 378.2MPa이고, 평균 연신율은 17.8%이며, 표 10의 실험예10-4에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 215.5MPa이고, 평균 인장강도는 389.6MPa이고, 평균 연신율은 25.7%이고, 표 10의 실험예10-5에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 221.8MPa이고, 평균 인장강도는 382.2MPa이고, 평균 연신율은 35.4%이다. 이에 따르면, Si 함량 감소에 따라 연신율 및 인장강도가 증가하며, Zn 함량 증가에 따라 연신율, 항복강도 및 인장강도가 증가하며, Cu 함량 증가에 따라 인장강도가 증가함을 확인할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Si 함량과 인장강도 및 연신율의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 본 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성은 6.0 중량% 내지 6.5 중량%의 Mg, 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량%의 Zn, 0 중량% 내지 2.0 중량%의 Si, 0.4 중량%의 Fe, 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량%의 Sr, 0.1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 B 및 잔부가 Al으로 이루어진 조성이다. 도 3을 참조하면, Si 함량 증가에 따라 연신율 및 인장강도가 감소하므로, 0.5 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 0.1 중량% 내지 0.3 중량% 범위의 미량의 Si 첨가로도 내식성 향상이 가능하므로 특성 저하를 감안하여 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만의 Si을 함유할 수도 있다.
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : FeMn 효과
발명자는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 0.7 중량% 이하의 Fe를 함유할 경우 결정립이 미세화되고 금형소착성 측면에서 유리하지만, 0.4 중량%를 초과하는 Fe를 함유할 경우 성형성이 내식성이 저하됨을 확인하였다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Mn은 재결정 미세화 효과를 유발하며 연성과 인성이 향상되며 Al6Mn으로 석출되어 강화상 역할을 수행하지만, 1.5 중량% 이상의 Mn을 함유하는 경우 조대 석출상으로 인해 성형성이 저하됨을 확인하였다. 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Al-Fe 금속간화합물 형성을 최소화하기 위해 FeMn 전율고용체로 사전 개질화 후 첨가하는 것이 바람직하며, FeMn 함량이 0.8 중량%에서 강도와 유동성이 최대이며, FeMn 함량이 0.5 중량%인 경우 연신율이 최대이며, FeMn 함량이 0.4 중량% 보다 작은 경우 강화 효과가 미미함을 확인할 수 있었다.
표 11은 본 발명의 다양한 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위 : 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Fe Mn Sr Ti B Al
실험예11-1 6.8 0.25 1.2 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 Bal.
실험예11-2 6.8 0.25 1.2 0.3 0.3 0.1 0.1 0.1 Bal.
실험예11-3 6.8 0.25 1.2 0.25 0.25 0.1 0.1 0.1 Bal.
실험예11-4 6.5 0.1 1.5 0.2 0.2 0.1 0.1 0.1 Bal.
압출을 실시한 표 11의 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 항복강도, 인장강도 및 연신율을 측정한 결과, 표 11의 실험예11-1에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 238.68Pa이고, 평균 인장강도는 413.91Pa이고, 평균 연신율은 32.02%이고, 평균 강도연성지수는 13.25GPa%이며, 표 11의 실험예11-2에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 232.07MPa이고, 평균 인장강도는 404.43MPa이고, 평균 연신율은 34.36%이고, 평균 강도연성지수는 13.90GPa%이며, 표 11의 실험예11-3에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 235.19MPa이고, 평균 인장강도는 407.71MPa이고, 평균 연신율은 36.80%이고, 평균 강도연성지수는 15.01GPa%이며, 표 11의 실험예11-4에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 221.79MPa이고, 평균 인장강도는 382.18MPa이고, 평균 연신율은 35.39%이고, 평균 강도연성지수는 13.53GPa%이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 고용질 합금의 유동성 평가를 위한 spiral test 결과를 나타낸 사진이다. 유동성 평가를 위한 spiral mold 온도는 200℃이며, 주조 온도는 700℃이다. 표 12는 도 4의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위: 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Fe Mn Sr Ti B Al
실험예12-1 6 0.05 0.07 0.2 0.8 - 0.02 0.004 Bal.
실험예12-2 6.8 0.25 1.2 0.25 0.25 0.1 0.1 0.1 90.95
실험예12-3 6.8 0.25 1.2 0.3 0.3 0.1 0.1 0.1 90.85
실험예12-4 6.8 0.25 1.2 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 90.65
도 4의 (a)는 표 12의 실험예12-1의 조성을 가지는 합금의 유동성을 평가한 결과로서 용탕의 이동거리는 113.3mm로 나타났으며, 도 4의 (b)는 표 12의 실험예12-2의 조성을 가지는 합금의 유동성을 평가한 결과로서 용탕의 이동거리는 220mm로 나타났으며, 도 4의 (c)는 표 12의 실험예12-3의 조성을 가지는 합금의 유동성을 평가한 결과로서 용탕의 이동거리는 202mm로 나타났으며, 도 4의 (d)는 표 12의 실험예12-4의 조성을 가지는 합금의 유동성을 평가한 결과로서 용탕의 이동거리는 276mm로 나타났다.
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : Cu 효과
발명자는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Cu는 강도를 향상시키지만, 0.5 중량% 이상의 함량을 가질 경우 내식석, 용접성, 압연성이 저하되는 것을 확인하였다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 Cu 함량에 따른 고상선 온도 및 액상선 온도를 나타낸 그래프이다. 본 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성은 6.8 중량%의 Mg, 0 중량% 내지 1.0 중량%의 Cu, 1.2 중량%의 Zn, 0.4 중량%의 Fe, 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량%의 Sr, 0.1 중량%의 Ti, 0.1 중량%의 B 및 잔부가 Al으로 이루어진 조성이다. 도 5를 참조하면, Cu 첨가시 고상선 온도 상승과 액상선 온도 하강 효과로 고액공존영역이 좁아져 주조작업에 유리함을 확인할 수 있다. 다만, 이러한 효과는 0.5 중량%을 초과하는 범위에서는 미미한 것으로 나타났다.
Al-Mg 합금의 전신재 특성 : Sr 효과
표 13은 본 발명의 다양한 실험예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 조성(단위 : 중량%)을 나타낸 것이다.
Mg Cu Zn Fe Mn Sr Ti B Al
실험예13-1 6.8 0.25 1.2 0.4 0.4 0.1 0.1 0.1 Bal.
실험예13-2 6.8 0.25 1.2 0.4 0.4 - 0.1 0.1 Bal.
압출을 실시한 표 13의 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금에서 항복강도, 인장강도, 연신율 및 강도연성지수를 측정한 결과, 표 13의 실험예13-1에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 238.68Pa이고, 평균 인장강도는 413.91Pa이고, 평균 연신율은 32.02%이고, 평균 강도연성지수는 13.25GPa%이며, 표 13의 실험예13-2에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 평균 항복강도는 231.2MPa이고, 평균 인장강도는 409.1MPa이고, 평균 연신율은 31.4%이고, 평균 강도연성지수는 12.9GPa%이다. 이에 따르면, Sr의 첨가에 따라 항복강도, 인장강도가 향상되며 연신율 편차가 감소함을 확인할 수 있으나, 미세조직 개선을 위해 0.1 중량% 이하의 미량을 첨가하는 것이 바람직하다.
도 6은 주조-전신재 대응 Al-Mg 개발합금의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 1000계열 내지 7000계열의 알루미늄 합금의 연신율과 인장강도의 상관관계가 도시되며, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금이 주조재로 구현된 경우(A)의 연신율과 인장강도가 도시되며, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금이 전신재로 구현된 경우(B)의 연신율과 인장강도가 도시되었다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 하나의 목적은 주조와 전신성형이 모두 가능한 알루미늄 합금을 설계하고, 주조재에서 최소화할 경우 연신율이 향상되지만 금형의 수명은 단축시키는 Fe를 FeMn 전율 고용체로 첨가하여, 주조재와 전신재 모두 연신율을 향상시키면서 금형의 수명도 연장시킬 수 있는 Al-Mg 합금을 제공하는 것이다. 이를 구현하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 고용강화와 가공경화의 효과를 높일 수 있도록 Mg 함량을 7중량% 내외로 한정하고, Cu 함량은 0.5중량% 이하로 제한하며, 응고시 고상선 근처에서의 급격한 수축을 방지하기 위하여 Si 및 Zn를 각각 2중량% 정도로 첨가하여 주조와 전신재로 적용가능한 고강도 합금이면서, 연신율을 향상시키면서 금형의 수명까지도 동시에 향상시키기 위하여 Fe를 FeMn 전율고용체로 개질화 처리한 합금을 포함한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 물성을 나타낸 그래프이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금은 우수한 기계적 강도를 바탕으로 전신재로 적용이 가능하며, 주조성의 경우에는 점도 1,000 mPa.S 정도의 점도를 585℃까지 유지하기 때문에 주조성도 우수하며 수축에 의한 크랙이 거의 발생하지 않기 때문에 차체에 주조재 및 전신재로 모두 적용 가능함을 알 수 있다. 따라서, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금을 주조재 및 전신재로 각각 구현하고 이를 서로 접합함으로써 형성된 차체를 포함하는 자동차를 구현할 수 있으며, 이 경우, 자동차를 재활용할 경우 차체에서 저급한 스크랩으로 재활용하는 것이 아니라 차체에서 차체로 경제적으로 재활용할 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물이며,
    상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe와 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn 중의 적어도 일부는 FeMn 전율고용체 합금으로 존재하는,
    알루미늄 주조-전신재 겸용 합금.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    6.2 중량% 내지 6.8 중량%의 Mg, 1.0 중량% 내지 1.5 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.3 중량% 미만의 Si을 포함하는, 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    0.1 중량% 내지 0.2 중량%의 Ti, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 B를 더 포함하는, 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금.
  5. 제 1 항, 제 3 항 또는 제 4 항에 따른 상기 합금을 주조재 및 전신재로 각각 구현하고 서로 접합함으로써 형성된 차체를 포함하는, 자동차.
  6. 제 1 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 1차 알루미늄 합금을 제공하는 단계;
    6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 함유하고 잔부가 Al인 알루미늄 용탕에 상기 1차 알루미늄 합금을 투입하여 용해시키는 단계; 및
    상기 알루미늄 용탕을 주조하여 상기 제 1 함량보다 작은 제 2 함량의 FeMn 전율고용체를 포함하는 2차 알루미늄 합금을 제조하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 2차 알루미늄 합금은 6.0 중량% 내지 7.0 중량%의 Mg, 0.1 중량% 내지 0.5 중량%의 Cu, 1.0 중량% 내지 2.0 중량%의 Zn, 0 중량% 초과 0.5 중량% 미만의 Si, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe, 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn, 0.1 중량% 이하(0 중량% 초과)의 Sr을 포함하고 잔부가 Al 및 불가피한 불순물이며,
    상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Fe와 상기 0.2 중량% 내지 0.4 중량%의 Mn 중의 적어도 일부는 상기 제 2 함량의 FeMn 전율고용체 합금으로 존재하는,
    알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 함량의 FeMn 전율고용체는 상기 전율고용체 중에서 10 내지 90 중량%의 Mn 및 나머지의 Fe로 이루어진, 알루미늄 주조-전신재 겸용 합금의 제조방법.

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