KR102462227B1 - 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
Description
본 발명은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)으로 이루어지는 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
금속 3D 프린팅(3 dimensional printing)은 적층 공정(additive manufacturing)을 기반으로 한 가공 방식으로서, CAD (computer aided design) 모델을 이용하여 기존의 제조 기술로는 구현할 수 없는 복잡한 형태의 제품을 손쉽게 제조할 수 있는 가공 기술이다.
금속 3D 프린팅은 전통적인 가공 기술인 주조(casing), 단조(forging), 용접(welding), 압출(extruding) 등에 비해 제품 개발에 소요되는 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.
이러한 장점으로 인해 대한민국 등록특허 제10-1754523호, 대한민국 등록특허 제10-1145124호 등 여러 선행특허에서 금속 3D 프린팅 기술을 응용하여 금속 제품을 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 한국 레이저 가공 학회지 등 다수의 논문에서 관련 기술을 발표하고 있다.
하지만, 현재까지도 충분한 강도와 연신율을 동시에 확보하기 위한 Al-Mg계 알루미늄 합금의 조성을 결정하는데에 어려움이 있으며, 또한 첨가되는 원소의 종류 및 첨가량에 따라 생산성 및 품질에 현저한 차이가 발생하여 이를 적절하게 조화시키는데 많은 어려움이 있다.
레이저 분말적층 방식을 이용한 금속 3D 프린터 개발 및 티타늄 합금 부품 제조공정 최적화, (정원종 , 권영삼, 김동식, 한국 레이저 가공 학회지, 제18권 제3호, 2015년 9월)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)으로 구성하여 항복강도와 생산성을 확보한 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에 있어서, 상기 X는 상기 알루미늄(Al)과 반응하여 Al-X 금속간 화합물(Intermetallic compound)을 형성하며, 상기 Y는 상기 마그네슘(Mg)와 반응하여 Mg-Y 금속간 화합물을 형성하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에 관한 것이다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 X는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 스칸듐(Cs), 하프늄(Hf) 및 이트륨(Y) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소이며, 상기 Y는 규소(Si) 주석(Sn), 아연 (Zn), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소일 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 일 실시 예에 의하면, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 상기 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 더 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 분말 또는 와이어의 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시 예에 의하면, 본 발명은 3D 프린팅으로 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품에 있어서, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅으로 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품에 관한 것이다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 고강도 알루미늄 합금 제품의 항복강도가 400 내지 500㎫일 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 고강도 알루미늄 합금 제품의 연신율이 7% 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시 예에 의하면, 본 발명은
(a) 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어를 준비하는 단계; 및 (b) 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말을 3D 프린팅하여 제품을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품의 제조방법에 관한 것이다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어는, 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함할 수 있다.
상기 일 실시 예에 의하면, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어는, 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제조방법에 따르면, 상기 알루미늄 합금의 조성을 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 한정함으로써, 400㎫ 이상의 항복강도를 가지는 3D 프린팅용 알루미늄 합금 제품을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 레이저 출력을 170 W로 고정하였을 때, 규소 함량에 따른 빔 속도 와 최대 인장 강도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 레이저 출력을 170 W로 고정하였을 때, 규소 함량에 따른 빔 속도 와 최대 인장 강도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 및 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
일반적으로 Al-Mg계 알루미늄 합금에 있어 추가로 첨가되는 원소의 종류 및 첨가량을 조절하여 원하는 강도와 연신율 등 물리적 성질을 확보하였다. 이 과정에서 적절한 강도와 연신율을 동시에 확보하는 것에 어려움이 있으며, 또한 첨가되는 원소의 종류 및 첨가량에 따라 생산성 및 품질에 현저한 차이가 발생하여 이를 적절하게 조화시키는데 많은 어려움이 있다.
본 발명의 일 실시예는 3D 프린팅용 Al-Mg계 고강도 알루미늄 합금, 더 바람직하게는 더 바람직하게는 Al-Mg계 알루미늄 합금에 둘 이상의 원소를 포함시킨 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본 명세서에서 상기 X 및 상기 Y는 Al-Mg계 알루미늄 합금에 포함된 원소를 의미한다. 구체적으로 상기 X는 상기 Al-Mg계 알루미늄 합금 중 알루미늄(Al)과 금속간화합물(intermetallic compound)을 형성하는 원소를 의미하며, 상기 Y는 상기 Al-Mg계 알루미늄 합금 중 마그네슘(Mg)과 금속간 화합물을 형성하는 원소를 의미한다.
실시 예에 따르면, 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금은 X 또는 Y의 조성을 적절한 범위로 설계하여 기계적 특성을 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에서 상기 X의 조성이 증가하면 3D 프린팅용 Al-Mg의 일반적인 현상인 열간균열 (hot cracking)을 방지하고 강도를 향상시킬 수 있다. 특히 3D 프린팅 시 레이저 에너지를 흡수하여 발생된 용융과, 급냉공정(106 Co/sec)을 거치면서 상기 X는 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에서 과포화된 상태로 존재할 수 있다.
이 후 상기 X는 열처리 과정에서 내부에 석출되어 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금의 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 상기 X가 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에 지나치게 포함될 경우, 일부 X가 불포화 되어 편석의 형태로 존재할 수 있다. 이는 상기 알루미늄 합금의 연신율을 크게 감소시키며, 취성을 증가시킬 수 있다.
상기 Y는 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에서 알루미늄(Al)과 반응하지 않고 마그네슘(Mg)과 반응하는 특징이 있다. 구체적으로 상기 Y는 상기 마그네슘(Mg)과 금속간 화합물을 형성하여 고속에서 성형 시 열간 균열 (hot cracking)을 방지하여 3D 프린팅 제품의 품질을 향상 시킬 수 있으며, 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금의 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 Y 또한 상기 X와 마찬가지로 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금 내부에 석출되어 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 Y 또한 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금에 지나치게 포함될 경우 연신율을 크게 감소시키며, 취성을 증가시킬 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 X는 상기 알루미늄(Al)과 반응하여 Al-X 금속간 화합물을 생성하고, 상기 Y는 상기 마그네슘(Mg)와 반응하여 Mg-Y 금속간 화합물을 형성할 수 있다. 또한 상기 Al-Mg-X-Y계 알루미늄 합금 내 상기 Al-X 금속간 화합물과 상기 Mg-Y 금속간 화합물의 분률 및 합금의 미세 구조는 3D 프린팅 공정 조건 (예를 들면 레이저 파워, 빔 스피드, 레이저 빔 직경, 레이저 빔 스캔 pattern, 그리고 3D 프린팅 공정 시 build plate 온도, 그리고 3D 프린팅 출력 후 열처리 조건)에 따라 변화할 수 있으며, 이를 통해 사용자는 제품의 물성을 품질, 생산성을 제어 할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 X는 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti), 스칸듐(Sc), 하프늄(Hf) 및 이트륨(Y) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소이며, 상기 Y는 규소(Si) 주석(Sn), 아연 (Zn), 및 게르마늄(Ge) 중에서 선택되는 어느 하나의 원소인 것을 특징으로 하나 이에 한정되지 않으며, 상기 알루미늄(Al) 또는 상기 마그네슘(Mg)과 반응할 수 있는 소정의 성분으로 변형할 수 있음은 자명하다.
이하 본 명세서에서는 상기 X 원소로 지르코늄(Zr), 상기 Y 원소로 규소(Si) 인 것을 예를 들어 설명하도록 한다.
이에, 본 발명은 Al-Mg계 알루미늄 합금에 규소(Si) 및 지르코늄(Zr)을 첨가하되, 합금의 조성을 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 구성하여 최종적으로 400㎫ 이상의 항복강도(Yield strength; YS)를 갖는 3D 프린팅으로 제조된 알루미늄 합금의 제품을 제조할 수 있는 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시 예에 따르면, 상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 더 포함하여 합금의 제조 과정에서 마그네슘(Mg)의 산화 및 기화를 억제하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
통상적인 Al-Mg계 알루미늄 합금은 제조 과정에서 마그네슘(Mg)의 산화가 진행되어 MgO, Al2O3, Al2MgO4등과 같은 산화물이 다량 형성되고, 이로 인하여 금속 내 다양한 결함이 발생할 수 있다.
이를 방지하기 위해 본 발명은 Al-Mg계 알루미늄 합금, 더 바람직하게 Al-Mg-Zr-Si 알루미늄 합금에 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 첨가할 수 있다. 상기 칼슘(Ca)은 상기 알루미늄 합금에 포함된 마그네슘(Mg)과 반응하여 (Mg,Ca)O2 피막을 형성할 수 있다. 이를 통해 상기 마그네슘(Mg)의 산화를 방지할 수 있다.
또한, 통상적인 Al-Mg계 알루미늄 합금은 3D 프린팅 시 레이저 빔에 의한 용융으로 발생되는 멜트 풀(melt pool)로 인하여 상기 마그네슘(Mg)일부가 기화로 손실되는 현상이 발생할 수 있다. 이 과정에서 일부 마그네슘(Mg)이 기화되어 공기중에 부유하는 흄(fume) 현상이 발생할 수 있다. 이 경우, 발생된 상기 흄(fume)은 3D 프린터의 레이저 스캔 시, 레이저 빔을 산란시켜 3D 프린팅 생산성과 제품의 품질에 악영향을 중 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 발명에서는 상기 칼슘(Ca)을 포함하여 마그네슘(Mg)의 발화 온도를 상승시킬 수 있다.
즉, 상기 칼슘(Ca)에 의해 마그네슘(Mg)의 발화 온도가 상승함으로써, 용융 부위에 과도한 흄(fume)이 발생되는 것을 방지할 수 있으며, 상기 멜트 풀(Melt pool)에서 상기 마그네슘(Mg)이 기화로 손실되는 것을 감소시킬 수 있다. 이를 통해 생산성을 향상 시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 조성범위에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
마그네슘(Mg)은 2 내지 13 중량% 포함된다.
상기 마그네슘(Mg)는 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 강도를 결정하는 역할을 수행할 수 있다. 구체적으로 상기 마그네슘(Mg)은 합금 내 상기 규소(Si)와 Mg2Si 상을 석출하여 석출 강화(Precipitation strengthening) 효과를 구현할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 강도를 확보하기 위해 상기 마그네슘(Mg)은 2 중량% 이상 포함되는 것이 바람직하다. 만약 상기 마그네슘(Mg)이 2 중량% 미만 포함되면, 충분한 강도를 확보하기 어렵게 된다.
반면에 상기 마그네슘(Mg)이 13 중량%를 초과하면, 3D 프린팅 과정에서 과도한 흄(fume)이 발생하여 양호한 제품을 출력하거나 제조하기 어렵다. 이는 상기 마그네슘(Mg) 일부가 기화하여 발생한 흄(fume)이 레이저 빔을 산란시킬 수 있기 때문이다. 이러한 이유로, 상기 마그네슘(Mg)의 함량은 2 내지 13 중량%, 더 바람직하게는 5 내지 10 중량%로 제공될 수 있으며, 더 욱 더 바람직하게는 5 내지 7 중량%일 수 있다.
규소(Si)는 1 내지 5 중량% 포함된다.
상기 규소(Si)는 앞서 설명한 바와 같이 상기 마그네슘(Mg)과 반응하여 높은 경도의 Mg2Si상을 석출시킬 수 있다. 이는 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에서 석출 경화 (Precipitation strengthening) 를 유도하여 강도를 크게 향상할 수 있다. 만약 상기 규소(Si)가 1 중량% 미만으로 포함되면, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금이 3D프린팅 과정에서 고속에서 성형 시 균열(Hot cracking)이 발생하여 3D 프린팅 출력 제품의 품질이 감소할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 알루미늄 합금의 충분한 강도 확보를 위하여 상기 규소(Si)는 1 중량% 이상 포함될 수 있다. 다만, 상기 규소가 5 중량%를 초과하면, Mg2Si상의 분율이 너무 많아 연신률이 감소 되는 단점이 있다.
한편, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에서 상기 규소(Si)와 상기 마그네슘(Mg)은 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 내 상기 마그네슘(Mg)와 상기 규소(Si)의 중량% 비율이 1.5 미만이면, 상기 규소(Si)에 비해 상기 마그네슘(Mg)의 양이 부족하여 Mg2Si상이 석출되는 정도가 감소될 수 있고 그 영향으로 인하여 강도의 향상이 미미 할 수 있다. 더욱이 3D 프린팅시 규소 중량의 비율 감소는 3D 프린팅 시 필요 에너지를 증가 시켜 생산성에 큰 영향을 줄 수 있다. 상기 규소(Si)로 인한 생산성 감소 효과는 후술할 도 2를 통해 더 구체적으로 설명하도록 한다.
반대로, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 내 상기 마그네슘(Mg)와 상기 규소(Si)의 중량% 비율이 8.5 이상이면 상대적으로 상기 규소(Si)가 감소하여 Mg2Si상이 충분히 석출되지 못할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 내 상기 마그네슘(Mg)와 상기 규소(Si)의 비는 1.5 내지 8.5일 수 있으며, 더 바람직하게는 1.5 내지 7.0일 수 있다.
지르코늄(Zr)은 0.5 내지 1.5 중량% 포함된다.
상기 지르코늄(Zr)은 통상적인 알루미늄(Al)합금에서는 결정립 미세화에 기여하여 Al-Mg계 알루미늄 합금의 3D 프린팅시 균열(Hot cracking)을 억제하는 역할을 수행할 수 있다. 또한, 상기 지르코늄(Zr)은 상기 알루미늄(Al)과 반응하여 Al3Zr상을 형성할 수 있다. 즉, 상기 지르코늄(Zr)은 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에서 결정립 미세화를 통해 연신력을 향상할 수 있으며, 동시에 Al3Zr상을 석출하여 강도를 강화할 수 있다. 이러한 효과를 구현하기 위해 상기 지르코늄(Zr)은 0.5 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다.
다만, 상기 Zr이 1.5 중량%를 초과하면 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 용해 온도가 상승하여 마그네슘(Mg)이 기화되어 손실되는 양이 증가할 수 있으며, 또한 일부 상기 지르코늄(Zr)이 불포화되어 편석으로 석출될 수 있다. 이는 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 연신율을 크게 감소시키고, 취성을 증가시킬 수 있으며, 최종적으로 상기 3D 프린팅 제품의 품질을 저하시킬 수 있다. 이러한 이유로, 상기 지르코늄(Zr)은 0.5 내지 1.5 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
칼슘(Ca)은 0.2 중량% 이하로 포함된다.
상기 칼슘(Ca)은 앞서 설명한 대로, 상기 마그네슘(Mg)의 산화를 방지할 수 있으며, 상기 마그네슘의 마그네슘(Mg)의 발화 온도를 상승시켜 흄(fume)이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
상기 칼슘(Ca)은 합금 내 상기 마그네슘(Mg)의 함량에 따라 선택적으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 내 마그네슘(Mg)이 5중량% 이하면, 상기 마그네슘(Mg)이 산화되어 알루미늄 합금에 미치는 영향이 미미하여 칼슘(Ca)이 포함되지 않을 수 있다.
하지만, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 내 마그네슘(Mg)이 5 중량%를 초과하면, 상기 마그네슘(Mg)이 산화됨에 따라 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 강도 및 생산성에 영향을 줄 수 있다. 이 경우, 상기 칼슘(Ca)은 상기 마그네슘(Mg)에 따라 가변적으로 포함될 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 마그네슘(Mg) 대 상기 칼슘(Ca)의 중량비가 1: 0.8 내지 1:1.2 로 포함될 수 있다.
상기 마그네슘(Mg) 대 상기 칼슘(Ca)의 중량비가 1: 0.8 미만이면, 상기 마그네슘(Mg)에 비해 상대적으로 칼슘(Ca)이 적게 포함되어 상기 마그네슘(Mg)의 산화 및 기화로 인하여 생산성이 감소될 수 있으며, 상기 마그네슘(Mg) 대 상기 칼슘(Ca)의 중량비가 1:1.2를 초과하면, 상기 칼슘(Ca)이 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 불순물로 작용하여 상기 알루미늄 합금의 강도가 감소될 수 있다.
이러한 이유로 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금에서 상기 마그네슘(Mg) 대 상기 칼슘(Ca)의 중량비는 1: 0.8 내지 1:1.2 인 것이 바람직하다.
실시 예에 따르면 상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 조각, 분말 또는 와이어 등의 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이상 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 조성에 대해 설명하였다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제조방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제조 방법은 (a) 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어를 준비하는 단계 및 (b) 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말을 3D 프린팅하여 제품을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어는 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 (a) 단계는 상술한 조성의 알루미늄 합금을 아토마이징(gas atomizing) 또는 압출 후 인발(extrusion after drawing) 등의 방법을 사용하여 알루미늄 합금의 분말을 제조할 수 있다.
우선, 앞서 설명한 조성의 모금속 또는 모합금의 배합물을 용해하여 용탕을 제조하고, 상기 용탕으로부터 알루미늄 합금의 잉곳(ingot)을 제조할 수 있다. 이 때, 상기 용해를 위해 진공 또는 대기의 유도용해로(induction melting furnace) 또는 전기저항로(electric resistance furnace) 등을 사용할 수 있다.
이 후, 가스 아토마이징(gas atomizing) 또는 압출 후 인발(extrusion after drawing) 등의 방법을 사용하여 알루미늄 합금의 분말을 제조할 수 있다. 용해 및 분말을 제조하는 과정은 공지된 방법을 사용하였으므로 구체적인 제조 과정은 생략하도록 한다.
상기 (b)단계에서는 상기 (a) 단계에서 생성한 알루미늄 합금의 분말을 3D 프린팅하여 원하는 제품을 제조할 수 있다. 여기서 3D 프린팅은 금속 분말을 레이저를 이용하여 용융 및 소결시키는 분말 소결 방법(Powder Bed Fusion; PBF)을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 분말 소결 방법(PBF)은 상술한 단계에서 제작된 알루미늄 합금의 분말을 적층하고, 적층된 분말에 에너지 레이저 빔을 조사하여 알루미늄 합금의 분말을 용융 결합하여 제품을 제조하는 방법을 의미한다.
실시 예에 따르면, 상기 (b) 단계는 분말 소결 방법(Powder Bed Fusion; PBF)을 이용하되, 레이저의 종류, 출력이나 레이저 빔 직영에 따라 라인 간의 간격(해치 간격)은 50 내지 1,000㎛, 두께는 10 내지 100㎛로 적층하여 제공할 수 있다. 또한 파우더나 와이어를 공급하는 DED (Direct Energy Deposition) 방식에 따른 3D 프린팅 공정에도 적용될 수 있으며, 그 외의 통상적인 Binder jet 3D 금속 프린팅 공정에도 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제품은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
상기 관계식 1에 대한 설명은 생략하도록 한다.
실시 예에 따르면, 상술한 조성 및 제조방법에 따라 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 제품은 항복강도가 400 내지 500㎫일 수 있으며, 동시에 2.7% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 및 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
가. 성분조성에 따른 항복강도 비교.
하기 표 1과 같은 조성으로 금속 원료를 준비하였으며, 상기 금속 원료를 용해 후 가스 아토마이징(gas atomizing)하여 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금의 분말을 제조하였다.
제조된 알루미늄 합금의 분말을 PBF (Powder Bed Fusion) 방식의 3D 프린팅으로 출력하였다. 금속 3D 프린터는 대건테크 社의 dpert M135를 이용하였다. 상기 금속 3D프린터를 이용하여 상기 알루미늄 합금의 분말에 170 W의 레이저를 주사하여 층 두께 30㎛ 해치 간격 150㎛로 적층한 알루미늄 합금 시편을 제작하였다.
| Mg | Si | Zr | Ca | Mn | Fe | Al | |
| 실시예 1 | 5 | 2 | 1.2 | - | - | - | bal. |
| 실시예 2 | 7 | 2 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 실시예 3 | 7 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 실시예 4 | 9 | 3 | 1.2 | 0.09 | - | - | bal. |
| 실시예 5 | 10 | 2 | 1.2 | 0.1 | - | - | bal. |
| 실시예 6 | 10 | 3 | 1.2 | 0.1 | - | - | bal. |
| 실시예 7 | 13 | 2 | 1.2 | 0.13 | - | - | bal. |
| 비교예 1 | 7 | 2 | 0 | 0.07 | - | - | bal. |
| 비교예 2 | 10 | 0 | 0.6 | 0.1 | - | - | bal. |
| 비교예 3 | 5 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 비교예 4 | 15 | 1 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 비교예 5 | 7 | 2 | 0.3 | 0.07 | - | - | bal. |
| 비교예 6 | 7 | 0.5 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 비교예 7 | 7 | 7 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
상기 실시예 1 내지 7 및 비교예 1 내지 7은 제조한 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금을 표점거리 10㎜, 직경 4㎜ 의 크기로 가공하여 인장용 시험편을 제작하였다.
제조된 시험편의 표면을 기계 가공하여 ASTM E8 금속재의 인장시험의 표준시험법(Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials)에 의거하여 상온에서 인장시험(tensile test)를 실시하였다. 측정된 항복강도 및 연신율을 하기 표 2에 기재하였다.
| 항복강도 (㎫) | 연신율 (%) | |
| 실시예 1 | 460.3 | 12.3 |
| 실시예 2 | 454 | 11 |
| 실시예 3 | 476.9 | 7.8 |
| 실시예 4 | 495.5 | 4.3 |
| 실시예 5 | 423.4 | 8.6 |
| 실시예 6 | 438.6 | 2.7 |
| 실시예 7 | 429.6 | 5.3 |
| 비교예 1 | 368.1 | 8 |
| 비교예 2 | 309.2 | 17.6 |
| 비교예 3 | 320 | 2.1 |
| 비교예 4 | 310 | 1.1 |
| 비교예 5 | 375 | 9.1 |
| 비교예 6 | 381 | 12.3 |
| 비교예 7 | 280 | 0.2 |
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 7로 제조한 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 공통적으로 400㎫ 이상의 항복강도를 가지고 있음을 확인할 수 있다.
반면 지르코늄(Zr)을 포함하지 않은 비교예 1은 항복강도가 328.1㎫, 연신율이 8%로 동일한 조성에서 지르코늄을 1.2 중량% 포함한 실시예 2에 비해 항복강도가 85.9㎫ 연신율이 3% 감소한 것을 알 수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 지르코늄(Zr)이 포함되지 않아 결정립 미세화 및 Al3Zr상이 형성되는 효과가 구현되지 않았기 때문이다. 이로 인하여 비교예 1은 실시예 2에 비해 항복강도와 연신율 모두 감소하였다.
규소(Si)을 0 중량% 포함하는 비교예 2는 항복강도가 309.2㎫, 연신율이 17.6%로 상기 규소(Si)를 제외한 나머지 조성이 유사한 실시예 5, 실시예 6에 비해 항복강도가 114.2 내지 129.4㎫ 감소한 것을 알 수 있다.
이는 상기 비교예 2는 규소(Si)가 포함되지 않아 Mg2Si상이 형성되지 않으며, 상대적으로 Al3Zr상의 분율이 증가하였기 때문으로 해석된다. 즉, 상기Al3Zr 상이 증가하여 연신율은 향상되었으나, 상기 Mg2Si상이 형성되지 않아 강도가 감소하였다. 이로 인하여 상기 비교예 2는 실시예 5 내지 6에 비해 항복강도가 감소한 것을 확인할 수 있다.
마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 중량비가 1.25인 비교예 3과 와 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 중량비가 15인 비교예 4는 항복강도가 320㎫, 310㎫이다. 반면에 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 중량비가 1.5 내지 8.5인 실시예 1 내지 7은 항복강도가 400㎫인 것을 알 수 있다. 이는 상기 마그네슘(Mg)과 규소(Si)가 적절히 포함되지 못하여 적정량의 Mg2Si상이 석출되지 못하였기 때문이다. 구체적으로 상기 비교예 3은 상기 Mg2Si상이 과도하게 형성되어 연신율이 크게 감소하였으며, 항복강도 이전에 파단하는 시험편이 다수 발생하였다. 상기 비교예 4는 상기 Mg2Si상이 부족하여 항복강도가 감소하였다. 이러한 이유로, 상기 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 중량%는 하기 관계식 1을 만족하는 범위로 포함되는 것이 바람직하다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
특히, 상기 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 중량%가 상기 관계식 1를 만족하는 상태에서, 상기 마그네슘(Mg)이 5 내지 7 중량% 포함된 실시예 1 내지 3은 460㎫ 이상의 항복강도를 가지는 동시에 연신율도 7.8% 이상인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해, 상기 마그네슘(Mg)은, 상기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 5 내지 7 중량% 포함되는 것이 항복강도와 연신율을 동시에 확보할 수 있는 조성인 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 비교예 4는 과도하게 포함된 마그네슘(Mg)으로 인해 제조 과정에서 과도한 흄(fume)이 발생하였으며, 이 과정에서 레이저가 산란하여 인장용 시험편의 품질이 저하되는 것을 확인하였다. 이러한 이유로, 상기 마그네슘(Mg)은 2 내지 13 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더욱 더 바람직하게는 상기 관계식 1을 만족하는 범위 내에서 5 내지 7 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
지르코늄(Zr)이 0.3 중량% 포함된 비교예 5는 동일한 조성에서 지르코늄을 1.2 중량% 포함한 실시예 2에 비해 항복강도가 79㎫ 감소한 것을 알 수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 상기 지르코늄(Zr)이 0.5 중량% 미만으로 포함되어 Al3Zr상으로 인해 강화되는 정도가 매우 미미하였기 때문이다. 이로 인하여 비교예 5는 실시예 2에 비해 항복강도가 감소하였다.
규소(Si)가 0.5 중량% 포함된 비교예 6 및 규소(Si)가 7 중량% 포함된 비교예 7은 항복강도가 각각 381㎫, 280㎫로 동일한 조성에서 규소(Si)를 2 중량% 포함한 실시예 2, 4 중량% 포함한 실시예 3에 비해 항복강도가 감소한 것을 알 수 있다. 아울러, 비교예 7은 연신율이 0.2%로 급감한 것을 알 수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이, 비교예 6은 상기 규소(Si)가 1중량 % 미만 포함되어 Mg2Si상으로 인한 석출 강화 효과가 충분히 구현되지 않았으며, 비교예 7은 상기 규소(Si)가 5 중량%를 초과하였기 때문에 Mg2Si상의 분율이 너무 많아 취성이 증가하여 연신율이 급감하였기 때문이다. 실제로 상기 비교예 7에 따라 제조한 인장 시험편은 항복강도 이전에 파단되는 것을 확인하였다.
나. 성분조성에 따른 생산성 비교.
도 2는 레이저 출력을 170 W로 고정하였을 때, 규소 함량에 따른 빔 속도 와 최대 인장 강도의 상관관계를 설명하기 위한 그래프이다.
일반적으로 3D 프린팅에서 레이저 출력, 해치 간격(=빔 스캔 간격, Hatching space), 적층 두께를 고정하면 레이저 빔 속도와 제품의 출력속도가 비례한다. 즉, 상술한 조건을 고정한다면, 빔 속도가 제품의 출력속도의 증가를 의미한다. 이 상태에서 적절한 항복 강도를 유지하는지 확인함으로써, 생산성을 비교할 수 있다.
이러한 이유로, 상술한 실시예 1, 2, 3, 비교예 2 및 조성이 하기 표 3과 같은 알루미늄 합금 시편(실시예 8, 실시예 9 및 비교예 8)을 추가적으로 제작하였다.
| Mg | Si | Zr | Ca | Mn | Fe | Al | |
| 실시예 1 | 5 | 2 | 1.2 | - | - | - | bal. |
| 실시예 2 | 7 | 2 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 실시예 3 | 7 | 4 | 1.2 | 0.07 | - | - | bal. |
| 실시예 8 | 7 | 1.5 | 0.9 | 0.07 | - | - | bal. |
| 실시예 9 | 8 | 1 | 0.9 | 0.08 | - | - | bal. |
| 비교예 2 | 10 | 0 | 0.6 | 0.1 | - | - | bal. |
| 비교예 8 | 10 | 0 | 1.2 | 0.1 | - | - | bal. |
이 후, 상기 표 3과 같은 조성으로 제조된 알루미늄 합금 시험편을 대상으로 레이저 출력을 170W, 3D 프린팅의 적층 두께 30㎛, 해치 간격 150㎛로 고정한 후 빔 속도를 200 내지 450㎜/s로 변화하였을 때 최대 인장강도(UTS) 측정값을 하기 표 4에, 일부 시험편에 대해 200 내지 600㎜/s로 변화하였을 때 최대 인장강도(UTS) 측정값을 도 2에 개시한다.
| 빔 속도 (㎜/s) |
200 | 225 | 250 | 275 | 300 | 325 | 350 | 375 | 400 | 425 | 450 |
| 실시예 1 | 454.1 | 451.8 | 457.7 | 457.4 | 461.0 | 457.3 | 462.7 | 461.8 | 464.3 | 465.7 | 465.7 |
| 실시예 2 | 487.3 | 492.7 | 494.7 | 497.6 | 493.0 | 488.0 | 497.6 | 483.8 | 486.4 | 487.7 | 486.5 |
| 실시예 3 | 496.2 | 507.3 | 498.8 | 515.8 | 514.8 | 509.5 | 508.6 | 507.5 | 506.3 | 509.7 | 513.0 |
| 실시예 8 | 447.0 | 448.4 | 449.7 | 455.8 | 461.9 | 457.8 | 453.7 | 455.4 | 457.1 | 459.2 | 461.3 |
| 실시예 9 | 452.8 | 453.5 | 454.1 | 457.8 | 461.5 | 458.9 | 456.2 | 419.3 | 382.3 | 375.4 | 368.4 |
| 비교예 2 | 448.4 | 462.8 | 460.1 | 450.7 | 338.4 | 357.2 | - | - | - | - | - |
| 비교예 8 | 509.4 | 489.9 | 503.1 | 497.6 | 364.7 | 381.1 | - | - | - | - | - |
표 4를 참조하면, 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 7중량%, 상기 규소(Si)를 1 내지 5중량% 첨가한 실시예 1 내지 3 및 실시예 8은 빔 속도가 200 내지 450mm/sec 범위에서 최대 인장강도(UTS)가 450㎫ 이상, 더 바람직하게는 450 내지 550㎫를 유지한다.
반면에, 상기 규소(Si)가 1 중량% 미만 포함된 비교예 2 및 비교예 8은 빔 속도가 300㎜/s 이상이면, 최대 인장강도(UTS)가 400㎫ 이하로 급격히 하락하며, 빔 속도가 350㎜/s 이상에서는 시험편이 형성되지 않는 것을 알 수 있다. 실제로, 상기 규소(Si)가 포함되지 않은 시험편은 빔 속도가 350㎜/s 이상으로 증가하면 열간균열 (hot cracking)로 인해 3D 프린팅이 불가능 하였다.
즉, 상기 규소(Si)가 1 중량% 미만 포함되면, 생산성을 향상하는데에 한계가 있음을 확인할 수 있다. 구체적으로 상기 규소(Si)를 1 내지 5중량% 첨가한 실시예 1 내지 3 및 실시예 8은 상기 규소(Si)가 1 중량% 미만 포함된 비교예 2 및 비교에 8에 비해 생산성은 약 2배 이상 상승하였음을 확인하였다.
한편, 상기 마그네슘(Mg)을 8 중량%, 상기 규소(Si)를 1 중량% 포함하는 실시예 9는 상기 빔 속도가 200 내지 450㎜/s 인 상태에서도 3D 프린팅을 통해, 알루미늄 합금을 제조할 수 있음을 확인할 수 있다. 다만, 상기 실시예 9는 상기 규소(Si)의 함량이 상기 마그네슘(Mg)에 비해 상대적으로 적기 때문에, 빔 속도가 350㎜/s를 초과하면 최대 인장강도(UTS)가 급격이 약해지는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 실시예 9가 충분한 강도를 확보하기 위해서는 일정 수준의 빔 속도가 유지해야 된다는 것을 의미하며, 이는, 상기 실시예에 비해 생산성이 감소할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2를 참조하면, 빔 속도가 350 내지 450㎜/s 인 상태에서 최대 인장강도(UTS)가 400㎫ 이하로 감소되며, 빔 속도가 500㎜/s을 초과하면 다시 최대 인장강도(UTS)가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 실제로 실시예 9로 제조된 시험편은 상기 규소(Si)가 2 내지 4중량% 첨가한 실시예 1 내지 3 및 실시예 8 보다 약 0.6배 감소한 것을 확인할 수 있다.
상기 실시예 9를 통해, 상기 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품의 생산성을 유지하기 위해서는, 다시 말해 레이저 출력을 170 W로 고정하였을 때, 상기 마그네슘(Mg)과 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 2를 만족시키는 것이 더욱 더 바람직하다는 것을 확인할 수 있다.
[관계식 2]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 7.0
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
이상 본 발명의 실시 예에 따른 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
아울러, 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품을 제조하기 위해서는 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 범위로 조성이 구성될 수 있다.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
더욱 바람직하게, 상기 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품이 일정한 수준의 생산성을 확보하기 위해서는, 다시 말해 빔 속도가 200 내지 450mm/sec 범위에서 최대 인장강도(UTS)가 450㎫ 이상을 유지하기 위해서는 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 2를 만족시키는 것이 더욱 바람직하다.
[관계식 2]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 7.0
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.)
마지막으로, 상기 관계식 1 내지 2를 동시에 만족하면서 450㎫ 이상의 항복강도 및 7% 이상의 연신율을 가지는 알루미늄 합금 제품을 제조하기 위해서는, 마그네슘(Mg)의 중량%가 5 내지 7 중량% 인 것이 바람직하다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (13)
- 삭제
- 삭제
- 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.) - 제 3항에 있어서,
3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금. - 제 3항에 있어서,
상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 상기 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금. - 제 3항에 있어서,
상기 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은 분말 또는 와이어의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅용 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금. - 3D 프린팅으로 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품에 있어서,
상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅으로 제조된 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.) - 제 7항에 있어서,
상기 고강도 알루미늄 합금 제품의 항복강도가 400 내지 500㎫인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅으로 제조된, Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품. - 제 7항에 있어서,
상기 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금은, 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅으로 제조된, Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품. - 제 7항에 있어서,
상기 고강도 알루미늄 합금 제품의 연신율이 7% 이상인 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅으로 제조된, Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품. - (a) 중량%로, 마그네슘(Mg) 2 내지 13, 규소(Si) 1 내지 5, 지르코늄(Zr) 0.5 내지 1.5, 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 마그네슘(Mg) 및 상기 규소(Si)의 중량%가 하기 관계식 1을 만족하는 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어를 준비하는 단계; 및
(b) 상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말을 3D 프린팅하여 제품을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품의 제조방법.
[관계식 1]
1.5 ≤ [Mg] / [Si] ≤ 8.5
(상기 관계식 1에서 [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%를 의미하며, [Si]는 규소(Si)의 중량%를 의미한다.) - 제 11항에 있어서,
상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어는, 상기 마그네슘(Mg)을 5 내지 10 중량% 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품의 제조방법. - 제 11항에 있어서,
상기 Al-Mg-Zr-Si계 알루미늄 합금 분말 또는 알루미늄 합금 와이어는, 칼슘(Ca)을 0.01 내지 0.2 중량% 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 3D 프린팅을 이용한 Al-Mg-Zr-Si계 고강도 알루미늄 합금 제품의 제조방법.
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