KR20000022514A - 6xxx 시리즈의 알루미늄 합금 - Google Patents

6xxx 시리즈의 알루미늄 합금 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네슘과 규소를 함유한 알루미늄으로 합금된 6XXX 시리즈에 관한 것으로서 알루미늄으로 합금된 6XXX 시리즈는 마그네슘과 규소에 대하여 원자량을 기준으로 Mg:Si의 비율이 0.8:1내지 1.2:1의 양으로 존재하며 MgSi 석출물을 형성하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

Description

6ＸＸＸ시리즈의 알루미늄 합금
6XXX 시리즈 알루미늄 합금은 일반적으로 마그네슘(Mg)과 규소(Si)가 각각 0.2∼1.5 %의 범위로 함유 되어있는 알루미늄 기초 합금을 말한다.
6XXX 시리즈 알루미늄 합금은 좋은 외관, 용접성, 압출성 및 중-고(medium-high) 강도가 요구되는 응용범위에서 폭 넓게 이용되는바, 기술적/구조적/전자적인 응용의 넓은 범위를 포함한다. 일반적으로 6XXX 합금은 강편으로 주조하거나, 작은 형태의 둥근 바(bars) 또는 다른 여러 형상으로 압출되거나 다양한 성분으로 단조(압출 또는 강편)하여 사용되었다.
6XXX 시리즈 합금에서 통상의 석출 경화 이론은, 다음순서에 따라서 Mg2Si의 석출 및 성장에 의해 경화가 일어난다는 것이다.
ⅰ) 규소 원자 클러스터(cluster)는 시효(ageing) 전에 지연되는 동안 형성된다;
ⅱ) GPI 영역은 시효(ageing) 온도까지 가열되는 동안에 형성된다.
ⅲ) GPII 영역의 형성 -β" Mg2Si의 석출;
ⅳ) β"로부터 치환에 의하여 β'석출을 형성하고 온도와 시간에 따라 β'의 양이 증가한다.
ⅴ) 만일 과시효(overageing)가 발생하면 β Mg2Si 석출이 형성된다.
6XXX 합금에서 형성된 석출에서 마그네슘과 규소의 비가 대략 2(원자량을 기초로)라는 기존 이론에 따라서 마그네슘과 규소에 대해 "평형" 합금을 제조하기 위하여 표준 실행에서는 합금의 Mg:Si의 원자량 비를 2:1로 함유하도록 6XXX 합금에 첨가할 마그네슘과 규소의 상대적인 양을 계산하였다.
몇 가지 실례에서 평형 합금을 형성하는 대신, 과량의 규소를 함유하여 강도가 증가하도록 6XXX 합금을 설계하는 것이 알려졌다. 이러한 실례에서 Mg2Si로 석출되지 않거나 금속간(intermetallics)을 형성하지 않는 규소는 강화 효과가 있는 다른 원소와 석출되어 다른 상을 형성하는 것이 자유롭다. 과량의 규소값은 원하는 강화 효과를 얻기 위해 다양하게 변화시킬 수 있다. 규소 첨가의 한계는 종종 압출성에 대한 규소의 첨가 효과와 같은 요인들에 의해 결정된다.
또한 6XXX 합금에서 다른 합금 원소 첨가와 합금의 열 처리 순서는 Mg2Si의 석출에 따라서 결정되는데, 그 예로서 합금에 망간(Mn)을 첨가하여 그 망간이 이종 핵 생성 위치의 역할을 하며 β'Mg2Si 막대를 형성하는 기회를 증가시키도록 할 수 있다. 이것은 압출에 대한 유동 압력을 증가시키지만 결정(grain) 영역의 피닝 레벨 증가를 감소시키므로 재결정과 조악한 결정(grain) 띠 형성과정을 감소시키거나 심지어는 방해한다.
최종 압출 또는 단조 제품 제조에서 6XXX 합금의 강편 주조 공정에 대한 다양한 다른 방법들이 제시되어 있다.
그 예로서, 냉각되면서 금속간과 Mg2Si의 균일한 석출을 만드는 과포화 고체 용액을 만들면서, 강편 주조에서 결정 영역에서 금속간에 존재하는 마그네슘과 규소를 최대한 용해시키기 위해 6XXX 시리즈 강편을 균일화하는 기술이 알려져 있다. 이것은 주조 구조를 분해하여 AlFeSi 금속간으로 변형시키는 것으로서, 이로 인해 유동 압력과 압출의 최종 물성을 더욱 균등하게 하고 최대한의 기계적 물성 개발을 가능하게 한다. 여기서는 통상 100∼200 ℃/hr 같이 느린 냉간 속도가 적용되었다.
또한 압출 전에 요구되는 온도로 강편을 빠르게 가열하는 유도 가열을 이용하는 방법이 알려져 있는바, 일반적으로 약 300 ℃까지 강편을 가열시키기 위해 기체 가열이 이용되고 있으며 압출 온도까지 강편을 완전히 가열하는데는 유도 가열이 이용되고 있다. 유도 가열과 빠른 가열 속도는 β'Mg2Si 석출생성을 위한 충분한 시간을 주지 않아서 압출시 미세한 분산을 제공한다. 따라서 유동 압력은 상당히 감소한다. 이와 유사하게, 대체로 낮은 강편 온도와 빠른 압출 속도를 사용하게 되면 동일한 물성을 유지하는 것이 가능하다.
그 외에도, 압출되는 합금에 의존하여 후-압출 담금질 속도(quenching rates)를 다양하게 하는 방법이 알려져 있다. 바람직한 합금의 특징은 낮은 담금질 감도를 가지고 있는 것이며, 즉 서서히 냉각하면 모든 물성을 갖출 수가 있다. 이렇게 하면 찌그러짐을 최소화 할 수 있으며 물성이 더욱 균일화되고 담금질 장비가 필요 없게 되는 이점이 있게 된다.
합금 선택, 균일화, 강편 가열 및 담금질에 대한 기존에 알려진 기술이 있는 바, 그 기술은 합금 시스템에 흔히 사용되는 범위 내에서 최대한 실험적인 최적화를 통해 얻어진 것이다. 그 예로서 균일화한 후 단계적 냉각인 느린 냉각, 빠른 냉각과 같은 절차를 거치는 것이 제안되어 있다.
6XXX 시리즈의 몇 가지 합금에 대한 일반적인 합금 조성을 다음 표 1에 나타내었다.
몇 가지 6XXX 시리즈 알루미늄 합금에 대한 합금 조성. ("Aluminum Standards, Data & Design Wrought Products", 알루미늄 호주 회의)
합금 조성(wt %)
규소 철 구리 망간 마그네슘 크롬 아연 티타늄
6060 0.3∼0.6 0.1∼0.3 0.1 0.1 0.35∼0.6 0.05 0.15 0.1
6063 0.2∼0.6 0.35 0.1 0.1 0.45∼0.9 0.1 0.1 0.1
6061 0.4∼0.8 0.7 0.15∼0.4 0.15 0.8∼1.2 0.04∼0.35 0.25 0.15
6082 0.7∼1.3 0.5 0.1 0.4∼0.1 0.6∼1.2 0.25 0.2 0.1
6101 0.3∼0.7 0.5 0.1 0.03 0.35∼0.8 0.03 0.1 -
6262 0.4∼0.8 0.7 0.15∼0.4 0.15 0.8∼1.2 0.04 ∼0.14 0.25 0.15
6351 0.7∼1.3 0.5 0.1 0.4∼0.8 0.4∼0.8 - 0.2 0.2
상기 표 1에서 범위가 지정되지 않은 경우는 그 지정된 양이 최대 농도이다.
최근에는 합금 관련 산업에서 이미 알려져 있는 바와 같이, 6XXX 시리즈 합금의 시효 경화(ageing hardening)는 Mg2Si의 석출이 일어나지 않고 오히려 MgSi 석출이 일어나는 것으로 밝혀졌다.
이렇게 밝혀진 MgSi 석출 메카니즘은 Mg:Si의 비가 이전에 알려 졌던 것처럼 2가 아니고 1이 되는 β'MgSi 석출의 생성과 성장을 포함하며 다음 순서로 구성되어 있다.
1) 마그네슘과 규소 원자의 개별적 클러스터(cluster) 형성;
2) 마그네슘과 규소 원자의 코 - 클러스터(co-cluster) 형성, Mg:Si의 비가 저온 시효(ageing) 동안 증가하고 결국 1에 도달하여,
3) Mg:Si의 비가 1에 가까운 미지 구조의 소량의 석출 형성.
4) Mg:Si의 비가 1이 되는 β" MgSi 석출로 치환; 그리고
5) 마그네슘과 규소의 비가 1이 되는 시효의 다음 단계에서 β'와 B' 생성.
상기 발견의 한 결과에 따르면, 마그네슘과 규소에 대한 균형을 기초로 한 기존의 이론, 즉 Mg2Si로 석출된다는 이론에 따라 제조해 온 현재의 상업적인 6XXX 합금이 실제로는 마그네슘과 규소의 균형이 맞지 않는다.
이로부터 본 발명자들은 마그네슘과 규소에 대해 균형을 맞추게 되면 더 우수한 물성을 갖는 6XXX 합금을 얻을 수 있다는 것을 발견하고, 특히 압출성, 제철성, 전도도, 강도, 기계성을 포함한 제반 물성이 우수함을 알게 되었다.
본 발명은 6XXX 시리즈의 알루미늄 합금과 그 합금의 제조방법, 그리고 그 합금의 설계 방법에 관한 것이다.
이에 대해서는 실험을 통해 유도된 MgSi의 wt% 대 인장 강도의 그래프를 도시한 도면 1에 설명하였는바 MgSi의 산출 압력과 wt%사이의 관계는 비슷한 경향으로 나타났다.
또한, 실험 결과 최적 물성은 MgSi 석출 메카니즘에 따라 "평형"을 이루는 합금 조성을 선택할 경우에 얻어진다는 것을 확인하였다. 이에 대해서는 모두 0.48 wt% 순서의 마그네슘 농도를 갖는 상기 정의된 합금 A, C, E, I, J 및 K에 대한 실험 결과로부터 유도된 인장 물성 대 규소 농도의 그래프로서 도시한 도 2에 설명하였는바, 여기서 합금의 예들은 T4, T5, T6의 열 처리를 하였고, 합금의 인장 물성은 규소 농도에 대해서 측정하여 도시하였다.
도 2는 각 열 처리순서에 대한 것으로서, 여기서 보면 규소 농도가 0.5∼0.6 wt%의 순서로 도달할 때까지 규소의 농도가 증가하여 인장 강도가 현저하게 증가하였고(시험된 합금 성분에 대하여 MgSi 석출 메카니즘에 따른 균형 합금에 일치하였음), 규소의 농도가 과량이면 인장 물성에서는 오직 최소한의 개선이 있을 뿐이다. 다시 말해서, 평형 합금의 형성은 인장 물성에 많은 기여를 하며 인장 강도에는 만족스러운 기여를 하지만 규소가 과량이면인장 물성을 증가시키는 과정에서는 만족할 만한 효과를 갖지 못한다. 따라서 많은 적용과정에서 평형 합금이면 만족스러운 인장 물성을 얻는데 충분하기 때문에 과량의 규소는 필요하지 않으며, 높은 수준의 규소가 함유된 다른 압출 합금은 피할 수 있게 되었다.
본 발명에 따르면, 일반적으로 MgSi 석출 메카니즘은 종래의 수준으로 제조된 합금보다 합금의 물성을 저하시키지 않으면서도 합금 요소 첨가물을 감소시키는 것을 가능하게 한다. 특히, 종래의 합금은 많은 합금 첨가물을 가지면서도 압출성과 전도성은 일반적으로 낮았으므로 본 발명은 최소한의 합금 첨가물로서도 만족할 만한 효과를 나타내는 것이다.
본 발명의 또 다른 결과에 의하면 석출 메카니즘이 발견됨에 따라 평형 합금이 과량의 규소 농도를 함유한 합금들보다 평균적으로 우수한 온도내성을 갖는다는 것으로 나타났다.
이와 같은 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명하였는바, 본 발명이 이 범위에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 마그네슘과 규소를 함유하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금에 있어서 MgSi 석출을 형성할 수 있는 마그네슘과 규소가 원자량 기준으로 Mg:Si의 비가 0.8:1내지 1.2:1의 양으로 존재하는 것을 그 특징으로 한다.
주어진 6XXX시리즈 알루미늄 합금에 대하여 Mg/Si 석출을 만들 수 있는 마그네슘과 규소의 양은 이러한 원소들이 합금 조성으로 첨가되는 총량보다 적다. 그렇기 때문에 용액에 남아있는 마그네슘과 규소의 부분(통상적으로, 상대적으로 적음)과 철(Fe)과 구리(Cu)같은 합금을 첨가하여 다른 원소와 석출이 일어나는 마그네슘과 규소 부분이 항상 존재한다.
또한, 본 발명에 따른 MgSi의 비가 0.8:1내지 1.2:1이며 MgSi 형태로 석출 가능한 마그네슘과 규소를 갖는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금은 마그네슘과 규소에 대해 평형 합금이 되며 공지된 MgSi 석출 메카니즘을 따른다는 것이 밝혀졌다. 그 중에서도 Mg:Si의 비가 0.9:1내지 1.1:1인 것이 바람직하며, Mg:Si의 비가 1:1이 되는 것이 더욱 바람직하다.
또한 본 발명은 다음 단계를 포함하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금으로부터의 압출 제품을 제조하는 방법을 제공한다.
ⅰ) 상기한 바와 같이 마그네슘과 규소를 함유하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 강편을 주조하는 단계;
ⅱ) 강편으로부터 최종 제품 형상을 압출하는 단계; 그리고
ⅲ) 상기 압출 제품 형상을 열 처리하여 MgSi를 석출하는 단계.
상기에서, 열 처리 단계는 어떤 적합한 열처리도 가능하다.
본 발명은 다음 단계를 포함하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금으로부터 단조 제품을 제조하는 방법을 제공한다.
ⅰ) 상기한 바와 같이 마그네슘과 규소를 함유하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 강편을 주조하는 단계;
ⅱ) 강편으로부터 최종 제품을 단조 하는 단계; 및
ⅲ) 합금에 열을 가하여 MgSi를 석출하는 단계.
상기에서, 열 처리 단계는 어떤 적합한 열처리도 가능하다.
상기 설명된 방법은 강편으로부터 중간 제품의 형상을 압출하고 그후에 최종 제품 형상으로 단조 하는 것을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 8개의 6XXX 시리즈 알루미늄 합금에 대하여 일련의 실험과 컴퓨터로 모델링을 하여 표 2와 표 3에 그 합금의 조성을 제시하였으며, 다른 6XXX 알루미늄 합금인 I, J, K는 0.48 wt%의 근소한 양의 마그네슘과 각각 0.8, 1.0, 1.2 wt%의 규소를 함유하며, 기타 원소는 다음 표 2에 제시한 것과 같다.
합금 조성 : wt%
구분 A B C D E F G H
알루미늄 적량 적량 적량 적량 적량 적량 적량 적량
규소 0.39 0.53 0.27 0.4 0.49 0.77 0.62 0.84
마그네슘 0.48 0.70 0.49 0.72 0.47 0.74 0.48 0.67
티타늄 0.016 0.02 0.009 0.012 0.014 0.02 0.015 0.028
철 0.12 0.15 0.1 0.12 0.13 0.22 0.12 0.12
기타원소 최대0.05 최대0.05 최대0.05 최대0.05 최대0.05 최대0.05 최대0.05 최대0.05
다음은 합금에 대한 제조공정 조건과 열처리 결과를 요약한 것이다.
공정 조건
공정 단계 설 명
주조 ·VDC(vertical direct chill) 강편 주조·φ178 ㎜강편
균일화 ·570 ℃에서 2시간 동안 균일화·강편 직경은 균일화 한 후에 기계에 의해 φ127 ㎜로 감소
예열 ·450 ℃온도에서 강편 예열
압출 가공 ·Cheng Hua 프레스 880 US t를 사용하여 압출·압출 가공 비율 : (1 : 56)횡단면의 측면 직경 : 40 ㎜ × 6 ㎜·다이(거푸집)와 용기온도 : 430 ℃·압출 속도 : 20∼40 m/min
열 처리 ·T4,·T5,·T6
상기 실험 결과 MgSi의 양을 증가시킴으로서 일반적인 물성이 개선된다는 것을 확인하였다.
1) 일반적인 목표 합금
본 발명에 따른 일반적인 목표 합금으로써, 발견된 MgSi 석출 메카니즘을 기초로 한 6XXX 시리즈 알루미늄 합금을 제조하였는바, 표 4에 이에 대한 마그네슘과 규소의 함량을 나타내었다.
MgSi 석출 메카니즘을 기초로 하여, 일반적 용도의 알루미늄 합금 주조를 위해 제시된 마그네슘과 규소의 함유량
균형
마그네슘 규소
0.37 ∼ 0.44 0.56 ∼ 0.63
0.53 ∼ 0.64 0.75 ∼ 0.84
0.70 ∼ 0.83 0.92 ∼ 1.07
0.86 ∼ 1.00 1.10 ∼ 1.29
더 상세히 설명하면, 다음과 같이 구성된 합금을 제조하였다.
Mg : 0.37 ∼ 0.44
Si : 0.56 ∼ 0.63
Fe : 최대 0.2
Cu : 최대 0.1
Mn : 최대 0.1
Cr : 최대 0.05
Zn : 최대 0.15
Ti : 최대 0.1
균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물
또 다른 면에서, 다음과 같은 조성을 갖는 합금을 제조하였다.
Mg : 0.53 ∼ 0.64
Si : 0.75 ∼ 0.84
Fe : 최대 0.2
Cu : 최대 0.1
Mn : 최대 0.1
Cr : 최대 0.05
Zn : 최대 0.15
Ti : 최대 0.1
균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물
또 다른 면에서, 다음과 같은 조성을 갖는 합금을 제조하였다.
Mg : 0.70 ∼ 0.83
Si : 0.92 ∼ 1.07
Fe : 최대 0.2
Cu : 최대 0.1
Mn : 최대 0.1
Cr : 최대 0.05
Zn : 최대 0.15
Ti : 최대 0.1
균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물
또 다른 면에서, 다음과 같은 조성을 갖는 합금을 제조하였다.
Mg : 0.86 ∼ 1.00
Si : 1.10 ∼ 1.20
Fe : 최대 0.2
Cu : 최대 0.1
Mn : 최대 0.1
Cr : 최대 0.05
Zn : 최대 0.15
Ti : 최대 0.1
균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물
2) 전기 전도 합금
통상적으로 전기 전도 합금은 모든 마그네슘과 규소가 매트릭스로부터 β Mg2Si로 석출이 되도록 과시효 시킨다. 이렇게 하면 매트릭스를 통해 전도성을 최대화할 수 있다. 그러나 이러한 과시효에 의한 물성의 손실을 보정하기 위해서는 강도 유지를 위한 더 넓은 범위가 요구되었다.
시효 경화 과정의 이해를 기초로 하면, 반 간섭성 β'(비 간섭성 β와 비슷한 부피를 차지하는)의 피크 시효 조건이 과시효 조건만큼 낮은 저항을 보이지 않는 이유를 설명하기 어렵다. 그러나 본 발명에 따른 MgSi 메카니즘을 이용하면 Mg2Si "평형" 합금은 피크 시효 상태에서 매트릭스에 남아있는 과량의 마그네슘을 가지며, 전도성을 감소시킨다는 것이 분명해진다.
MgSi 석출 메카니즘이 발견됨에 따라 적당히 균형 잡힌 합금은 마그네슘과 규소가 용액으로부터 모두 석출되도록 과시효시킬 필요가 없으며(피크 시효 상태가 이러한 요구를 만족시킨다). 이러한 조건으로 제공된 강한 강도는 더욱 작은 부품에 사용될 수 있는바, 예를 들면, 더 적은 말뚝과 더 작은 지하 매설을 필요로 하는 더욱 가벼운 케이블과 같은 부품에 사용 가능하다.
이와 같이, 또 다른 면에 따라 다음과 같은 구성을 갖는 합금을 제조하였다.
ⅰ) Mg/Si 좌표 다이어그램 위에 다음 좌표를 직선으로 연결했을 때 면적 내의 마그네슘과 규소 농도.
Mg Si
0.35 0.48
0.35 0.58
0.44 0.7
0.58 0.7
ⅱ) 다음 원소 :
Fe : 0.1 ∼ 0.2
Cu : 최대 0.1
Mn : 최대 0.03
Cr : 최대 0.03
Zn : 최대 0.10
B : 최대 0.06
균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물(각각 최대0.05,합은 최대 0.1임).
3) 자유 기계 가공 합금
합금 6262를 기계 가공성을 향상시키기 위해 납과 비스무쓰를 첨가하여 Mg2Si "평형" 합금으로 설계하였다. 이러한 첨가의 효과는 단단한 Bi2Mg3입자에서 Bi를 상실함으로서 감소된다. 합금이 평형 Mg2Si로 생각되므로, 해로운 Bi2Mg3의 형성은 피할 수 없다고 여겨진다.
그러나, 본 발명에 따른 MgSi 석출 메카니즘에 기초 하면, 사실상 이 합금에는 과량의 마그네슘이 있다. 그러므로 마그네슘의 양을 줄임으로써 Bi2Mg3의 형성을 피할 수 있고 기계 가공성을 향상시킬 수 있다. 더욱이 같은 기계 공정성을 위해 더 적은 Pb/Si를 첨가하는 것이 가능하며 따라서 환경 친화적이고 재활용을 더욱 쉽게 만든다.
4) 구리 첨가물을 포함하는 고강도 합금.
구리의 첨가는 6XXX 합금의 강도를 증가시킨다고 알려져 있다.
구리는 부식 문제 때문에 Mg2Si 과량 규소 합금(6351, 6082)에 0.1 % 이상 첨가되지 않는다. 그러나, 이 합금은 사실상 균형이 맞는 MgSi와 유사하므로 AlCuMg의 강화 효과는 실현되지 않고 있다. 대신에, 구리는 부식에 대한 저항을 약화시키는 조악한 석출물을 형성하는 것 같다. 따라서 더 많은 마그네슘의 첨가에 의해 해로운 부식 효과 없이 강도를 증가시키기 위하여 구리를 더 많이 첨가시킬 수 있다.
구리 첨가물을 포함하는 고 강도 합금까지 본 발명의 응용범위를 더 넓게 적용할 수 있는지 확인하기 위해서 본 발명에서는 다음 표 5에 제시된 대로 세 가지 6061 합금 성분에 대해 실험을 수행하였다.
6061 합금
원소 B A C
알루미늄 Bal Bal Bal
규소 0.70 0.62 0.80
철 0.19 0.20 0.20
구리 0.35 0.25 0.30
망간 0.01 0.13 0.01
마그네슘 1.06 0.87 0.80
크롬 0.05 0.11 0.05
티타늄 0.02 0.02 0.015
합금은 원자량을 기초로 하여 합금 A부터 합금 C까지 감소하는 MgSi에 따라 석출에 적합한 마그네슘과 규소의 비를 갖는다.
합금 A와 B는 상업적으로 유용한 합금이다. 합금 C는 본 발명에 따른 MgSi 메카니즘을 기초로 하여 평형 합금으로 선택된 것이다.
6061 합금은 균일화된 후 단조시키고 세 개의 부분으로 나누어지며 T6 열 처리를 행하였다.
합금의 인장 강도와 경도 물성은 T6 처리 후에 측정되었으며, 그 결과는 표 6에 요약하였다.
6061 합금의 물성
A B C
부분 1 - 118 비커(Vickers)(동량 HRH 110)UTS 325 MPa 126 비커(Vickers)(동량 HRH > 110)UTS 352 MPa
부분 2 109 비커(Vickers)(동량 HRH 108)US 306 MPa 120 비커(Vickers)(동량 HRH 110)UTS 345 MPa -
부분 3 - 113 비커(Vickers)(동량 HRH 109)
상기 표 6의 결과는 발견된 MgSi 메카니즘에 따른 균형 합금 C의 인장 강도와 경도성이 기존 합금인 A와 B의 값보다 더 높다는 것을 보여 주고 있다.
상기한 바와 같이 본 발명은 6XXX 알루미늄 합금 시리즈의 제조 방법을 제공하는바 이러한 제조 방법에서는 적절한 Mg:Si 비를 선택하면서 연속되는 공정에 가장 민감하지 않은 조건에서 원료를 공급함으로써 변화성을 최소화시킬 수 있다.
이러한 MgSi 석출 메카니즘의 장점과 또 다른 장점을 잘 실현하기 위해서는 다음 합금 과정 중 적어도 하나가 사용되어야 한다.
1. 후 균일화 억제 속도.
MgSi 석출물이 너무 커지는 것을 막기 위한 빠른 시효 속도(즉 > 400 ℃/hr)가 필요하다. 이것은 압출 전에 강편을 예열하는 동안과 압출 중에 MgSi를 완전히 재용해 시키는데 필수적이다. 완전한 재용해가 일어나지 않으면 시효에 따라 강화 MgSi 석출물의 형성을 위해 마그네슘과 규소의 최대 가능량을 사용하는 것이 불가능하며 MgSi 평형이 바뀌므로 이 평형의 장점을 충분히 살릴 수 없다.
2. 강편 예열 기술.
나중에 얻어지는 균일화 Mg2Si 석출물이 압출 중에 재용해될 수 없을 정도까지 거칠어지는 것을 막기 위해 빠른(즉 인위적)가열이 요구된다.
3. 압출성과 압출 속도를 향상시키는 또 다른 장점과 함께 또 하나의 가능한 기술로서 강편을 Mg2Si와 MgSi 솔버스(solvus) 온도 이상(즉 500 ℃ 이상)으로 가열하면 그것에 의하여 MgSi 잔류물이 완전히 녹으면서 요구되는 압출 온도까지 강편을 냉각시키도록 하는 것이다.
위의 과정들은 본 발명에 관련되는 모든 6XXX 시리즈의 합금에 적용 가능하다.
그러므로 본 발명은 다음과 같은 사항들을 제공한다.
a) 균일화된 열 처리, 균일화된 온도로부터 빠른 담금질(담금질 속도는 400 ℃/hr 이상의 냉간 속도가 선호됨)를 포함하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 처리 방법.
b) 공급 원료에서 후 균일화 Mg2Si 석출물이 거칠어지는 것을 막기 위한 공급원료의 빠른 가열과 공급원료의 압출을 포함하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금 압출 원료의 압출 방법.
c) Mg2Si와 MgSi를 솔버스 온도 이상으로 합금의 가열과 공급원료를 압출 온도까지 냉각하고 공급원료의 압출로 이루어지는 마그네슘과 규석을 포함하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금 압출 원료의 압출 방법.
상기의 (b)와 (c)에서 공급원료는 강편이 바람직하다.
본 발명은 또한 다음 단계로 구성되는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 마그네슘과 규소의 최적량을 결정하는 방법을 제공한다.
a) 다양한 양의 마그네슘과 규소를 함유하는 합금의 여러 시험 시편을 준비하는 단계.
b) 최종 사용자의 열처리 계획에 따른 시험 시편의 열처리 단계.
c) 여기서 Mg2Si와 MgSi의 값을 결정하기 위한 시험 시편의 분석.
d) 시험 시편의 하나 또는 그 이상의 기계적 물성을 결정하기 위한 시편에 대한 전도 시험단계.
e) 열처리 공정으로 처리되면서 갖게 되는 6XXX 합금의 미세구조를 예측하기 위한 상기의 (c)와 (d) 단계로부터 얻어지는 결과 분석과 (c)와 (d) 단계의 결과 분석을 기초로 한 6XXX 합금의 마그네슘과 규소의 함량 및 열처리 인자에 대한 모델과 MgSi의 석출을 포함한 석출순서의 정립 단계.
위와 같은 방법은 합금에 요구되는 마그네슘과 규소의 평형 모델로부터 결정되는 특별한 응용의 기계적 물성 요구조건을 사용하는 모델 개발을 선택적으로 포함한다.
특별한 합금을 위한 마그네슘과 규소의 최적값을 계산하기 위한 과정은 석출물 강화를 위한 마그네슘과 규소의 효용값을 결정하는데 적용할 수 있는 여러 가지 기술들, 즉 TEM 현미경법, DSC 또는 DTA 분석, 전도성 또는 경도 분석을 포함한다. 이러한 정보는 적당한 합금 조성을 선택함으로써 물성과 압출성을 최대화하는데 이용될 수 있다.
또한, 압출 시편의 분석과 그와 관련된 열적 내력에 기초하여 합금을 설계하는 것이 가능하며, TEM 분석(원자 시험 영상 이온 현광법(APFIM) 결과와 연관시켜서)은 Mg2Si와 MgSi의 균형을 결정하는데 사용될 수 있다. DSC/DTA는 이러한 석출을 구별하는 것을 도와줄 수 있으며 매트릭스에서 마그네슘(또는 규소)의 값은 전도성 시험을 통해서 확인될 수 있을 것이다. 이런 정보는 석출물을 만들고 합금과 공정을 위한 미세구조 "청사진"을 만드는데 사용될 수 있는바, 합금 청사진은 합금과 공정의 다양성을 고려하여 최종 구조의 예측에 사용됨과 함께 압출성과 작동을 위한 합금의 기계적 물성을 최적화하기 위해 제조될 수 있다.
TEM 자체는 Mg2Si와 MgSi를 구별할 수 없으므로 APFIM과 연관시는 것이 필요하다. 즉, TEM 결과 분석은 APFIM의 결과를 기초로 해석하는 것이 필요하다.
또한, TEM, DSC/DTA, 전도성 및 경도 시험의 결과 해석은 간단하지 않다. MgSi 석출 메카니즘과 공정이 메카니즘에 미치는 영향에 대한 지식을 근거로 압출의 분석을 합금 설계에 "전환"시키는 것이 가능하다.
이런 선택으로부터, 단조 공정에 가장 적합하도록 알루미늄의 열 내력과 미세구조를 설계함으로써 단조 공정에 응용할 수 있는 다른 적합한 합금을 만드는 것이 기대된다.
본 발명은 본 발명에서 특별히 설명된 사항 외에 다양화와 변경이 가능하다고 여겨진다. 본 발명은 본 발명의 사상과 범위 안에 포함되는 그러한 다양성과 변경을 포함한다.

Claims (9)

  1. 마그네슘과 규소를 함유하는 6XXX 시리즈는 알루미늄 합금에 있어서, 마그네슘과 규소에 대하여 원자량을 기준으로 하여 Mg:Si의 비가 0.8:1내지 1.2:1의 양으로 존재하며 MgSi형태로 석출물을 형성하는 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금 .
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 Mg:Si의 비가 0.9:1내지 1.1:1인 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 Mg:Si의 비가 1:1인 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 합금은 다음 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금.
    Mg : 0.37∼0.44
    Si : 0.56∼0.63
    Fe : 최대 0.2
    Cu : 최대 0.1
    Mn : 최대 0.1
    Cr : 최대 0.05
    Zn : 최대 0.15
    Ti : 최대 0.1
    균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 합금은 다음 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금.
    Mg : 0.53∼0.64
    Si : 0.75∼0.84
    Fe : 최대 0.2
    Cu : 최대 0.1
    Mn : 최대 0.1
    Cr : 최대 0.05
    Zn : 최대 0.15
    Ti : 최대 0.1
    균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 합금은 다음 성분으로 구성되는 것을 특징으로 하는 6XXX 시리즈 알루미늄 합금.
    i) Mg/Si 좌표 다이아그램 위에 다음 좌표를 직선으로 연결했을 때 면적 내의 마그네슘과 규소 농도.
    Mg Si
    0.35 0.48
    0.35 0.58
    0.44 0.7
    0.58 0.7이며;
    ⅱ) 다음 원소의 구성으로 이루어진 것
    Fe : 최대 0.1∼0.2
    Cu : 최대 0.1
    Mn : 최대 0.03
    Cr : 최대 0.03
    Zn : 최대 0.1
    B : 최대 0.06
    균형 적량(Balance) : 알루미늄과 부수적 불순물(각각 최대 0.05, 합이 최대 0.1임)
  7. 다음 단계를 포함한 6XXX 시리즈 알루미늄 합금으로부터의 압출 제품의 제조방법.
    ⅰ) 상기 청구항의 어느 하나로 정의한 마그네슘과 규소를 함유한 6XXX 시리즈 알루미늄 합금의 강편을 주조하는 단계;
    ⅱ) 강편으로부터 최종 제품 형상을 압출하는 단계; 및
    ⅲ) 압출 제품 형상을 열 처리하여 MgSi를 석출하는 단계.
  8. 다음 단계로 이루어진 6XXX 시리즈 알루미늄 합금으로부터의 단조 제품의 제조 방법.
    ⅰ) 상기 청구항 1에서 6항까지 어느 하나로 정의한 마그네슘과 규소를 함유한 6XXX 시리즈 알루미늄 합금을 강편으로 주조하는 단계;
    ⅱ) 강편 으로부터 최종 제품 형상을 단조하는 단계; 및
    ⅲ) 합금을 열 처리하여 MgSi를 석출하는 단계.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 강편에서 중간 제품 형상으로 압출하고 그후에 최종 제품 형상으로 단조하는 단계를 추가로 시행하는 것을 특징으로 하는 단조 제품의 제조 방법.
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