KR20010013860A - 지르코늄을 함유하는 고내식성 알루미늄 합금 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 알루미늄께 합금은 0.06-0.25중량%의 철, 0.05-0.15중량%의 규소, 0.70중량%까지의 구리, 0.10중량%까지의 망간, 0.02-0.20중량%의 지르코늄, 0.18중량%까지의 크롬, 0.70중량%까지의 아연, 0.005-0.02중량%의 티타늄(입자 미세화제로서), 0.02중량%까지의 불가피 불순물, 잔부 알루미늄을 함유하고, 높은 내식성과 높은 압출성을 나타내는 것을 특징으로 한다.
Description
자동차 산업에서, 알루미늄 합금은 합금이 가지는 저중량 고강도 특성 및 압출성 때문에 다양한 용도, 특히 배관에 사용되고 있다.
알루미늄 합금은 열교환기 또는 공기 조화용 응축기에 사용하기에 특히 유용하다. 이러한 용도에서 알루미늄 합금이 가져야 할 특성은 양호한 강도, 충분한 내식성 및 양호한 압출성이다.
이러한 용도에 사용되는 전형적인 합금은 AA 3102 합금이다. 이 합금은 전형적으로 0.43중량%의 철, 0.12중량%의 규소, 0.25중량%의 망간을 함유한다.
국제 공개 공보 WO/46726호에 설명된 알루미늄 합금은 0.03중량%까지의 구리, 0.05-0.12중량%의 규소, 0.1-0.5중량%의 망간, 0.03-0.30중량%의 티타늄, 0.06-1.0중량%의 아연, 0.01중량% 이하의 마그네슘, 0.50중량%까지의 철, 0.01중량% 이하의 니켈 및 0.50중량%까지의 크롬을 함유하고 있다.
국제 공개 공보 WO/46726호에서는 내식성에 미치는 크롬의 영향이 미미하다고 주장한다. 또한, 동일한 공보에서 망간의 최저 함량은 0.1중량%이라는 점을 알아야 한다.
압출성이 우수하고 내식성이 탁월한 알루미늄 합금에 대한 요구가 꾸준하게 있어 왔다. 우수한 압출성은 낮은 압출 압력과 높은 압출 속도를 포함하여, 압출 공장에서 생산비를 최소화하는데 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 탁월한 내식성과 향상된 압출성을 나타내면서도, 상업적 알루미늄 합금의 강도를 유지하는 조성의 알루미늄 합금을 제공하는 것이다. 이러한 이유로 본 발명의 알루미늄 합금에는 조절된 함량의 철, 규소, 망간, 지르코늄, 크롬 및 아연이 포함된다.
본 발명의 다른 목적은 열교환기 배관 또는 압출에 유용한 알루미늄계 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 해수와 같은 부식 환경에 노출되는 열교환기용 핀스톡(finstock) 또는 포일 포장 용도에 적합한 알루미늄계 합금을 제공하는 것이다.
본 발명은 개량된 알루미늄 합금, 보다 구체적으로는 조절된 양의 제한된 성분을 함유하고 높은 압출성과 높은 내식성이 조화된 알루미늄 합금에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 철 함량의 영향을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 망간 함량의 영향을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 아연 함량의 영향을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 크롬 함량의 영향을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 아연 함량의 영향을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 합금의 특성에 대한 구리 함량의 영향을 보여주는 도면.
이들 목적과 장점들은 0.06-0.25중량%의 철, 0.05-0.15중량%의 규소, 0.70중량%까지의 구리, 0.10중량%까지의 망간, 0.02-0.20중량%의 지르코늄, 0.18중량%까지의 크롬, 0.70중량%까지의 아연, 0.005-0.02중량%의 티타늄, 그리고 정련을 목적으로 0.02중량%까지 함유된 불가피 불순물 및 잔부 알루미늄으로 구성된 알루미늄계 합금에 의해 달성되며, 이 알루미늄계 합금은 높은 내식성, 우수한 압출성 및 허용 가능한 인장 강도를 나타낸다.
본 발명에 따른 합금의 철 함량은 0.06-0.15중량%인 것이 바람직하다. 이 경우, 내식성과 압출성은 철 함량이 높을수록 감소되기 때문에 양 특성 모두는 최적이다.
내식성을 최적화하기 위해서는 지르코늄 함량을 0.10-0.18중량%로 하는 것이 바람직하다. 이 범위에서 합금의 압출성은 지르코늄의 양을 어떻게 변화시키든지 실제적으로 영향을 받지 않는다.
크롬 함량도 역시 0.10-0.18중량%로 하는 것이 바람직하다. 크롬 함량이 커지면 내식성이 증가되며, 이 함량 범위에서 압출성은 다소 감소하지만 여전히 허용 가능한 범위에 있다.
아연은 비록 소량으로도 AA 6000 합금의 양극 산화 처리(anodizing) 특성에 악영향을 미치게 된다. 아연의 이러한 오염 효과에 기하여, 아연의 수준은 합금을 더 많이 재생할 수 있고 주조소에서의 비용을 절감할 수 있도록 낮게 유지되어야 한다. 반면, 아연은 적어도 0.7중량%까지는 내식성에 좋은 영향을 미치지만, 전술한 이유로 인해 아연의 양은 0.10-0.18중량%인 것이 바람직하다.
구리는 0.50중량%까지 함유할 수 있지만, 가능한 최대의 압출성을 나타내기 위해서는 0.01중량% 미만의 함량을 갖는 것이 바람직하다. 어떤 상황에서는 부식 포텐션을 조절하여 제품의 전기적 음성도를 감소시킴으로써 제품에 대한 갈바닉 부식을 방지하기 위해 합금에 구리를 첨가하는 것이 필요할 수 있다. 구리를 매 1% 첨가함에 따라 수백mV의 부식 포텐셜이 증가하지만, 그와 동시에 압출성이 상당하게 감소되는 것이 밝혀진 바 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 알루미늄 합금을 기초로 한 압출을 통해 얻어진 알루미늄 제품에 관한 것이기도 한다.
주조 후 통상적으로, 합금은 예컨대, 550-610℃의 고온에서 3-10시간 동안 열처리하는 것을 통해 균질화 처리된다. 그러한 열처리에 의해 압출성은 어느 정도 향상되지만, 내식성은 악영향을 받는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따르면, 주조후 알루미늄 제품에 행해지는 유일한 열처리는 압출 직전의 예열 처리인 것을 특징으로 한다.
그러한 예열 처리는 균질화 처리 단계 보다 저온에서 단지 수분 동안만 행해지기 때문에, 압출성과 내식성에 관련된 합금의 특성은 거의 영향을 받지 않는다.
공지된 선행 기술의 합금에 대한 본 발명의 알루미늄 합금의 개선점을 밝혀내기 위해, 기계적 성질, 내식성 및 압출성과 관련된 특성들을 조사하였다.
다음의 설명은 전술한 특성들을 조사하는데 사용된 기법과 그러한 조사에 따른 결과에 대한 논의를 담고 있다.
본 발명에 따른 다수의 합금을 마련하였다. 이들 합금은 아래의 표 1에 합금 A-E로 기재되어 있다. 표 1에서, 이들 합금의 조성은 각 합금이 약 0.02중량%까지의 불가피 불순물을 함유할 수 있다는 점을 염두에 두고 중량%로 나타내었다. 표 1은 전통적인 3102 합금의 조성도 보여주고 있다.
이들 합금 모두는 전통적인 방법으로 마련하였다. 합금을 마련한 후 빌렛으로 압출하기 전에 460-490℃의 온도로 예열을 행하였다.
합금 | 철 | 규소 | 망간 | 지르코늄 | 크롬 | 아연 |
A | 0.10 | 0.08 | 0.07 | 0.18 | 0.11 | 0.00 |
B | 0.12 | 0.07 | 0.07 | 0.12 | 0.11 | 0.10 |
C | 0.12 | 0.07 | 0.07 | 0.14 | 0.14 | 0.17 |
D | 0.13 | 0.07 | 0.07 | 0.10 | 0.13 | 0.19 |
E | 0.11 | 0.07 | 0.09 | 0.07 | 0.00 | 0.24 |
3102 | 0.43 | 0.12 | 0.25 | - | - | - |
본 발명에 따른 합금에 의해 얻어진 개선점을 평가하기 위해, 여러가지 시험을 행하였으며, 그 결과를 표 2에 나타냈다.
합금 | 인장 강도(MPa) | 항복 강도(MPa) | 연신율(%) | 금형력(tons) | 최대 힘(tons) | 부식시험-SWAAT(days) |
A | 87.60 | 67.60 | 38.50 | 5094 | 6319 | 35 |
B | 84.20 | 64.70 | 35.00 | 5115 | 6245 | 83 |
C | 87.60 | 68.00 | 35.50 | 5130 | 6305 | 90 |
D | 85.00 | 65.20 | 35.50 | 5078 | 6168 | 67 |
E | 80.50 | 56.00 | 36.00 | 4734 | 5078 | 35 |
3102 | 86.20 | 65.50 | 37.20 | 5008 | 6025 | 10 |
이들 합금의 특성을 조사하기 위해 일조의 빌렛을 주조하였고 그 조성을 전자 현미경으로 결정하였다. 이러한 분석을 위해 베이어드 배큠(BAIRD VACUUM)을 만드는 기구를 사용하였으며, 사용된 표준은 페쉬니(Pechiney)에 의해 제공되었다.
압출성은 금형력(die force)과 최대 힘으로 지시된 최대 압출력에 관계된다. 이들 인자들은 프레스상에 설치된 압력 변환기에 의해 기록되어 이들의 수치값이 바로 읽혀지게 된다.
이들 합금의 내식성을 결정하기 위해, 소위 SWAAT-시험이 이용된다. 시험편은 0.4mm 두께의 벽을 갖는 압출된 배관을 사용하였다. 이 시험은 30분간의 분무와 98% 습도에서의 90분간 습윤 과정을 교대로 행하는 조건으로 ASTM 표준 G85-85 부록 A3에 따라 수행하였다. 전해액은 아세트산에 의해 pH 2.8-3.0로 산성화되고 ASTM 표준 D1141에 따른 조성의 인공 해수이다. 온도는 49℃로 유지된다. 시험은 Liebisch KTS-2000 염수 분무 챔버에서 수행하였다.
부식 거동의 전개를 연구하기 위해 여러 소재의 샘플을 챔버로부터 매 3일 마다 취하였다. 그런 다음 소재는 물세척 후 10 bar의 인가 압력으로 누출을 시험하였다. 예컨대, 35일 경과후 소정 샘플에서 구멍이 뚫린 것을 발견하였다면, 비교 샘플을 챔버 내에 도입하여 35일간 유지한 후 최초 관찰함으로써 결과를 확인하였다. 칼럼 SWAAT에 구멍 뚫리기까지의 날수(day)가 지시된다.
설명된 시험은 전반적으로 자동차 산업에 이용되는 것으로, 허용 가능한 품질의 작동 성능은 20일을 상회한다.
기계적 특성의 시험은 제크 유니버설 테스팅 인스트루먼트[Zweck Universal Testing Instrument](도듈 167500)상에서 유로놈(Euronorm) 표준에 따라 수행하였다. 시험 과정 내내 E-모듈은 70000N/mm2으로 고정하였다. Rp0.2에 이르기까지 시험 속도는 10N/mm2로 일정하였고, 파괴에 이르기까지 Rp0.2로부터의 시험 속도는 40% Lo/min였으며, 이때 Lo는 최초 게이지 길이이다.
표 2의 결과는 기계적 특성과, 금형력 및 최대 힘의 항목의 압출성과, 내식성 모두가 합금에 의존함을 보여주고 있다. 무엇보다도, 합금 A-E의 내식성은 3102 합금에 비해 우수하다. 압출성은 전반적으로 3102 합금에 견줄만하고 기계적 특성에 적용된다. 합금 C,D,E의 SWAAT 데이타를 분석해보면, 크롬, 지르코늄 및 아연 모두를 함유하고 있는 경우(합금 C)에 가장 조화가 잘 이루어진 것임을 알 수 있다. 크롬을 함유하지 않은 합금 E와, 아연을 함유하고 있지 않은 합금 A는 허용 가능한 한계 날수인 20일 보다 훨씬 많은 날수를 유지하는 결과를 가져오지만, 내식성은 합금 B,C,D에 비해 상당히 낮은 결과를 나타낸다. 이것은 내식성의 최적화를 위해 긴 수명의 합금에 크롬 및 아연의 존재가 필수적이라는 것을 분명하게 보여주는 것이다. 또한, 합금 C,D로부터의 결과를 비교해 보면, 지르코늄의 중요성을 보여준다. 지르코늄 함량의 증가는 내식 거동을 중대한 방식으로 증진시킨다.
그러므로, 최적 조건, 특히 내식성은 크롬, 지르코늄, 망간 및 아연의 적정 조합의 결과라는 점이 강조된다.
압출성은 상이한 합금 원소를 소량 첨가하는 것으로 영향을 받는다. 크롬과 지르코늄의 도입에 의해 금형력과 최대 힘이 증가(즉, 압출성이 감소)됨을 볼 수 있다. 한편, 아연은 널리 알려진 어떠한 중대한 방식으로도 압출성에 영향을 미치지 않는다.
인장 강도와 항복 강도로 나타내지는 기계적 특성은 크롬을 첨가하는 경우 상당히 증가됨을 볼 수 있다. 그 경우, 형성된 새로운 합금은 3102 합금의 특성과 대등하다.
부식 시험은 코일의 다른 위치에서 취한 샘플에 대해 행하였다. 코일 시작부(빌렛 전방부)에서 약 10개의 샘플을, 코일 중간부(빌렛 중간부)에서 10개의 샘플을, 코일 끝부분(빌렛 끝부분)에서 10개의 샘플을 취하였다. 각 샘플의 길이는 약 50cm였다. 시험 결과는 매우 일관적이었는데, 이는 이용된 압출 인자에 대해 하나의 빌렛을 압출하는 동안 압출 속도와 재료의 유동과 관계된 내식성에 영향을 미치지 않음을 의미한다.
상이한 합금 원소의 영향을 평가하기 위해 추가의 작업을 행하였다. 그러한 영향은 첨부된 도면의 도 1-6에도 나타내고 있다.
도 1-5에서, x-축은 중량%로 표현된 합금화 작용제의 함량을 나타내고, y-축은 상이한 특성에 대한 상대적 표시이며, 사각형 점은 MPa 단위의 인장 강도, 블랙 삼각형 점은 표시의 척도로서 금형력을 이용하는 ton 단위의 압출성을 나타내는데 사용되며, 백색 삼각형 점은 날수(day)로 표현된 SWAAT-시험 결과를 나타내는데 사용된다.
도 1에 보여지는 바와 같이, 내식성은 철 함량이 증가(규소 함량은 0.08중량%로 동일하게 유지함)에 따라 중대한 방식으로 감소된다. 이러한 현상은 특히 철 함량이 0.2-0.3중량%에서 발생한다. 동시에, 압출성은 철 함량의 증가에 따라 상당히 감소된다. 압출성이 2-3% 감소되면[2-3%의 파과(破過) 압력(break through pressure)의 증가로 표현됨] 압출 공장의 증설을 의미하고 이는 허용되지 않는다는 것을 알아야 한다. 그렇지 않다면, 철 함량의 증가는 인장 강도의 증가로 귀결된다.
도 2에서 분명하듯이, 0.30중량% 미만의 망간 함량에서 망간 함량의 어떠한 변화도 실제적으로 내식성에 영향을 미치지 않는다(철 함량을 0.15중량%로, 규소 함량을 0.08중량%로 유지). 망간 함량의 증가는 압출성의 감소를 가져와 결국 허용되지 않는 압출성을 갖게 된다. 그렇지 않으면, 기계적 특성은 망간 함량의 증가에 따라 향상된다.
철 함량을 0.15중량%, 규소 함량을 0.08중량%, 망간 함량을 0.08중량로 유지하는 경우, 지르코늄 함량이 0.07중량%에서 0.15중량%로 증가되면, 도 3에 보여지는 바와 같이 내식성이 향상되는 결과를 가져온다. 동시에, 압출성은 단지 미미하게 감소되는 반면 인장 강도는 증가한다.
크롬 함량이 0.08중량%에서 0.12중량%로 변화되고, 철, 규소 및 망간은 도 4에 도시돤 바와 같은 수준으로 유지되면, 내식성은 증가하고, 압출성은 다소 감소하며, 기계적 특성은 어느 정도 증가하게 된다. 이것이 도 4에서 보여지고 있다.
철 함량을 0.15중량%, 규소 함량을 0.08중량%, 망간 함량을 0.08중량로 유지한 상태에서의 아연 함량에 따른 영향이 도 5에 보여진다. 이 도면에서, 티타늄도 역시 0.15중량%의 일정 수준으로 존재한다(티타늄과 지르코늄은 상기 표 2에서 지지되듯이 같은 방식으로 내식성에 영향을 미치는 것으로 믿어진다.).
아연은 실제적으로 압출성과 기계적 특성에 영향을 미치지 않지만, 아연 함량이 증가하면 내식성이 향상된다.
구리의 사용은 합금의 실제 쓰임에 적합하고 영향을 받는다. 도 6에서, 압출성과 부식 포텐셜에 미치는 구리 함량의 영향을 보여주는 다이어그램이 제시되고 있다. x-축은 중량% 단위의 구리 함량, y-축은 kN 단위의 압출력, 우측 y-축은 ASTM G69에 따라 mV로 표현된 부식 포텐셜을 나타낸다. 그래프의 상부 라인은 부식 포텐셜의 전개를, 하부 라인은 압출력의 전개를 나타낸다.
이 그래프로부터, 구리 함량의 감소는 압출성의 향상을 가져오는 반면, 1중량%의 구리 함량 증가는 부식 포텐셜을 -100mV 미만으로 한다는 점이 분명하다. 구리는 무처리된 노출 튜브(bare tube)의 고유 내식성에 좋지 않은 영향이 있고 또 반대적 의미에서 압출성에 영향을 미치는 바가 크므로, 정상적으로는 가능한 한 소량의 구리를 함유한 합금을 사용하는 것이 바람직할 것이다.
그러나, 열 교환기 배관과 같은 압출 제품을 아연을 함유하지 않은 피복(clad)을 갖는 헤더와 같은 다른 제품에 접속하여야 하는 경우, 구리의 첨가로써 튜브를 헤더 재료에 비해 보다 귀(貴)(낮은 음성도)하게 하여 압출 제품의 부식 포텐셜을 변경하는 것이 가능하다.
Claims (8)
- 0.06-0.25중량%의 철, 0.05-0.15중량%의 규소, 0.70중량%까지의 구리, 0.10중량%까지의 망간, 0.02-0.20중량%의 지르코늄, 0.18중량%까지의 크롬, 0.70중량%까지의 아연, 0.005-0.02중량%의 티타늄[입자 조질제(refiner)로서], 0.02중량%까지의 불가피 불순물, 잔부 알루미늄을 함유하고, 높은 내식성과 높은 압출성을 나타내는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제1항에 있어서, 상기 철 함량은 0.06-0.15중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제2항에 있어서, 망간의 함량은 0.03-0.08중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제3항에 있어서, 지르코늄 함량은 0.10-0.18중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제4항에 있어서, 크롬 함량은 0.10-0.18중량%인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제5항에 있어서, 아연 함량은 0.10-0.18중량%인 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제1항 내지 제6항중 어느 한 항에 있어서, 구리 함량은 0.01중량% 보다 작은 것을 특징으로 하는 알루미늄계 합금.
- 제1항 내지 제7항중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금을 압출하여 획득한 알루미늄 제품으로서, 주조 후에 행하는 유일한 열처리는 압출 직전의 예열인 것을 특징으로 하는 알루미늄 제품.
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