KR20010015595A

KR20010015595A - 알루미늄 기초 합금과 열처리 방법

Info

Publication number: KR20010015595A
Application number: KR1020007003017A
Authority: KR
Inventors: 토마스 판넨뮐러; 에르빈 뤠첼트; 페터-유르겐 빈클러; 세르게이미카엘로비치 모짜로브스키; 트미트리세르게이비치 갈킨; 에레나글레보브나 폴첸티코바; 블라드미르미카엘로비치 체르토비코프; 발렌틴조지에비치 다비도프; 에프게니니콜라에비치 카브로프; 라리사바그라토브나 코크흐라토바; 요시프나우모비치 프리들리얀데르
Original assignee: 다임러크라이슬러 아크티엔게젤샤프트; 비암(올-러시안 인스티튜트 오브 아비에이션 머티어리얼스)
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-09-21
Publication date: 2001-02-26
Also published as: KR100540234B1; US20020056493A1; US6395111B1; CN1084799C; CN1271393A; WO1999015708B1; US6461566B2; EP1017867B1; ES2445745T3; EP1017867A1; JP2001517735A; WO1999015708A1; BR9812377B1; JP4185247B2; BR9812377A; AU759402B2; AU1025099A; CA2303595C; UA66367C2; CA2303595A1

Abstract

본 발명은 화학조성이 다음과 같은 중량%로 표현된 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 관계한다: 4.1 내지 6.0 마그네슘, 0.1 내지 1.5 아연, 0.05 내지 0.3 지르코늄, 0.01 내지 0.8 망간, 0.9 × 10^-5내지 4.5 ×10^-5수소. 상기 합금은 다음에서 선택된 원소를 포함한다: 0.001 내지 0.2 베릴륨, 0.01 내지 0.5 이티륨, 0.01 내지 0.3 스칸듐, 나머지 알루미늄. 본 발명은 다음 단계를 포함한 합금처리방법에 관계한다: 수중 또는 공기중에서 400 내지 500℃에서 경화; 0 내지 2%의 변형도로 신장; 80 내지 90℃에서 3 내지 12시간동안 제 1 열처리, 110 내지 185℃에서 10 내지 48시간동안 제 2 열처리. 제 2 단계 종료후 시효경화라 불리는 제 3 단계 처리가 수행된다. 제 3 단계는 90 내지 110℃에서 14시간 가열하거나 2 내지 8℃/h의 냉각속도로 느리게 냉각하는 것이다.

Description

알루미늄 기초 합금과 열처리 방법{ALUMINIUM BASED ALLOY AND METHOD FOR SUBJECTING IT TO HEAT TREATMENT}

감소된 밀도와 비교적 고강도를 가지지만 연성이 낮고 파괴인성이 낮은 Al-Li-Mg 합금은 당해 분야에서 공지이다. 미국특허 4,584,173 (4/22/86)에 따른 합금은 %w/w으로 다음 화학 조성을 가진다:

알루미늄 베이스

리튬 2.1-2.9

마그네슘 3.0-5.5

구리 0.2-0.7

또한 다음에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유한다:

지르코늄 0.05-0.25

하프늄 0.10-0.50

니오븀 0.05-0.30

아연 0-2.0

티타늄 0-0.5

망간 0-0.5

니켈 0-0.5

크롬 0-0.5

게르마늄 0-0.2

이 합금이 530℃의 온도에서 담금질되고 2% 연성도로 신장이 조절되고 4-16시간동안 190℃에서 노화되면 합금이 열처리된 상태에서 낮은 연성도를 보이며 (상대적 신장률 3.1-4.5%) 내식성이 낮다.

국제 특허출원 WO 92/03583 에 따른 합금은 %w/w으로 다음 화학조성을 가진다:

알루미늄 베이스

리튬 0.5-3.0

마그네슘 0.5-10.0

구리 0.1-5.0

은 0.1-2.0

이들 원소의 합이 7.0-10.0%이고 최대 총함량이 12%일 경우에 리튬은 2.5%를 초과할 수 없고 아연은 2.0%를 초과할 수 없고 합금은 최대 1.0% 지르코늄을 함유할 수 있다.

이 합금은 476-497MPa의 강도, 368-455MPa의 겉보기 항복점, 7-9%의 상대적 신장률 및 2.46-2.63g/㎤의 밀도를 가진다. 이 합금은 항공공학 제품용 구조재로서 추천된다. 이러한 합금의 단점은 다음과 같다:

- 리튬 고함량에 의해 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 합금의 연성 및 파괴인성을 감소시키며 냉간 성형성을 저하시키고 비행 장치에서 요구되는 박판 제조가 곤란하다.

- 아연 고함량에 의해 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 합금밀도를 2.60-2.73g/㎠까지 증가시켜서 제품당 무게 절감을 감소시킨다.

- 인위적인 노화에 앞서 담금질된 재료는 5-6%의 연성도로 신장함으로써 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 파괴인성을 감소시킨다.

합금에 은이 첨가되면 반완성품 내지 완성품에서 제품단가를 증가시킨다.

아연 고함량 및 구리 추가 합금은 용융 용접동안 내식성이 감소되며 결함 형성 및 응집성 손실을 보인다.

본 출원에 비견할만한 합금이 미국특허 4,636,357에 발표된다. 이 합금은 다음 조성을 가진다(%w/w로):

알루미늄 베이스

리튬 2.0-3.0

마그네슘 0.5-4.0

아연 2.0-5.0

구리 0-2.0

지르코늄 0-0.2

망간 0-0.5

니켈 0-0.5

크롬 0-0.4

이 합금은 다음 열처리에 의해 경화된다:

460℃에서 담금질, 0-3% 신장도로 신장, 및 단계 1에서 90℃로 16시간 처리, 단계 2에서 150℃로 24시간 처리로 구성된 2단계 열처리.

이 합금은 440-550MPa의 충분히 높은 수준의 강도와 350-410MPa의 겉보기 항복점을 보인다.

이 합금의 단점은 베이스 재료의 강도에 비해서 낮은 수준의 상대적 신장성(1.0-7.0%), 낮은 파괴인성, 부적절한 내식성 및 제한된 용접 강도이다.

본 발명은 리튬, 마그네슘, 아연, 지르코늄 및 망간을 함유한 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 관계하며 항공 공학, 조선 및 용접 구조물을 포함한 지상 운송 수단의 기계 공학에서 구조재로서 사용되는 합금의 야금 방법에 관계한다.

그러므로 본 발명의 목적은 고강도를 유지하고 고내식성 및 용접성을 보장하며 동시에 1000시간동안 85℃에서 데워진 후 충분히 높은 파괴 인성 및 열안정성을 보이면서 합금의 연성을 증가시키는 것이다.

이러한 목적은 다음 화학 조성(%w/w으로)을 갖는 Al-Li-Mg 합금에 의해 달성된다.

리튬 1.5-1.9

마그네슘 4.1-6.0

아연 0.1-1.5

지르코늄 0.05-0.3

망간 0.01-0.8

수소 0.9 ×10^-5-4.5 ×10^-5

또한 상기 합금은 다음에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유한다:

베릴륨 1.5-1.9

이티륨 0.01-0.5

스칸듐 0.01-0.3

알루미늄 나머지

미세 분포된 리튬 수소화물 고체 입자가 형성됨에 따라 고형화동안 수소는 수축을 감소시키고 재료내 다공성 형성을 방지한다.

마그네슘은 필요한 수준의 강도와 용접성을 보장한다. 마그네슘 함량이 4.1% 미만으로 떨어지면 강도가 감소하고 주조 및 용접동안 고온 균열 형성 경향이 증가된다. 6.0% 이상으로 합금내 마그네슘 함량을 증가시키면 주조, 열간 및 냉간 압연동안 가공성을 감소시키고 이 합금으로 제조된 반완성품 및 물품의 소성을 감소시킨다.

리튬함량 유지는 특히 박판제조동안 필요한 가공성, 필요한 수준의 기계적 특성 및 부식성, 충분한 파괴인성 및 용접성 달성에 중요하다. 1.5% 미만으로 리튬함량이 감소되면 합금 밀도가 증가되고 강도와 탄성 모듈러스 수준이 감소된다. 1.9%를 초과하는 리튬함량은 냉간 성형시 가공성을 감소시키고 용접성, 소성 및 파괴인성을 저하시킨다.

0.05-0.3%의 지르코늄은 잉곳 주조동안 변성제로서 망간(0.01-0.8%)과 함께 다각형 구조나 미세 그레인 구조의 형성으로 인해 반완성품의 구조적 응고를 보장한다.

베릴륨, 이티륨 및 스칸듐중 하나 이상의 원소를 첨가하면 반완성품내 균질적이고 미세한 그레인 구조를 형성시키며 냉간 압연동안 연성을 증가시킨다.

본 발명은 또한 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Mg-Li 시스템을 열처리하는 방법에 관계한다.

이러한 열처리의 목적은 고강도를 유지시키고 동시에 고내식성 및 파괴인성을 달성시키면서 합금의 연성을 증가시키지만 재료가 장기간 승온에 노출될 때 이러한 성질을 보존시키는 것이다.

미국특허 명세서 4,861,391 에 신속한 냉각을 수반한 담금질, 조절 및 다음과 같은 2단계 노화처리를 포함한 열처리 방법이 발표된다:

단계 1: 93℃ 미만, 수시간 내지 수개월, 특히 66-85℃, 24시간 이상에서 처리,

단계 2: 최대 219℃의 온도, 30분 내지 수시간, 특히 154-199℃, 최대 8시간 처리.

이 방법은 강도와 파괴인성을 증가시키지만 1000 시간에 걸쳐 85℃로 저온으로 데운 후 리튬함유 알루미늄 합금의 특성 측면에서 안정성을 보장하지 못하는데, 이것은 비행장치의 지속된 작동동안 태양에 의한 가열을 촉진시킨다. 1000시간에 걸쳐 85℃까지 데워진 후 이 방법에 따라 처리된 리튬함유 합금의 상대적 신장성 및 파괴인성은 25-30% 정도 떨어진다.

본 발명에 따르면 다음 단계로 구성된 방법이 발표된다:

- 400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;

- 수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지 연성도를 조절하고;

- 3단계에 걸쳐서 인위적 노화 처리하며 3번째 노화단계는 8 내지 14시간에 걸쳐 90 내지 110℃에서 이루어진다.

혹은 일정한 온도에서 3번째 노화단계가 10 내지 30시간동안 시간당 2 내지 8℃의 냉각속도로 냉각이 이루어지도록 수행될 수 있다.

청구항 1의 특징에 따른 합금은 상기 방법으로 처리될 경우 특히 유리한 특성을 보인다.

3번째 노화단계가 사용되므로 매트릭스에 균일하게 분포된 분산상 δ'-(Al₃Li)의 추가 분리에 의해 이러한 열처리는 저온에서 오랜 저장후 합금의 열 안정성을 보장해준다. 많은 부피의 미세 분포된 δ'상은 혼합결정이 Li 포화를 감소시키고 1000시간동안 85℃에서 저장동안 δ' 분리를 방지한다.

청구항 2 또는 청구항 3에 따르면 제 1 노화단계는 3-12시간동안 80-90℃에서, 제 2 노화단계는 10-48시간동안 110-185℃에서 수행된다.

이러한 한계내에서 인위적 노화처리를 위해 특히 호의적인 사전조건이 생성되며 결과는 신뢰성이 있다.

마지막으로 제 2 단계 노화는 110 내지 125℃에서 5 내지 12시간동안 이루어지는데 이 변수는 청구항 3에 따른 3번째 노화단계 수행시 적용된다.

직경 70㎜의 잉곳이 표 1 에 제시된 화학 조성을 갖는 합금을 써서 주조된다. 금속은 저장로에서 용융된다. 균질화(500℃, 10시간) 이후에 잉곳을 15 ×65㎜의 스트립으로 압축한다. 압축 이전에 잉곳을 380-450℃로 가열한다. 스트립으로 부터 제조된 강편을 360-420℃까지 가열하고 4㎜ 두께의 쉬이트로 열간 압연되고 이후에 2.2㎜ 두께까지 냉간 압연된다. 냉간 압연된 쉬이트는 400-500℃에서 수중 또는 공기중에서 담금질되고 최대 2%까지의 연성도로 조절되고 표 2 에 지정된 열처리를 받는다. 베이스 재료와 용접물의 성질이 이들 쉬이트를 절단하여 형성된 샘플에 결정된다(표 3 비교).

분석되는 조성물의 화학조성

합금번호	Li	Mg	Zn	Zr	Mn	H ×10⁵	Be	Y	Sc	Cr	Cu	Ni
1	2.2	1.2	5.0	-	-	-	-	-	-	0.4	-	-
2	2.4	3.8	3.9	0.18	0.50	-	-	-	-	-	0.96	0.2
3	1.5	6.0	0.1	0.15	0.60	0.9	0.2	-	-	0.12	-	-
4	1.9	5.2	0.8	0.10	0.01	4.5	0.001	-	0.01	-	-	-
5	1.7	4.1	1.5	0.30	0.05	2.5	-	0.25	-	-	-	-
6	1.6	5.2	0.6	0.05	0.80	2.5	-	0.01	-	0.15	-	-
7	1.85	4.8	0.5	0.09	0.20	3.5	-	0.50	-	0.50	-	-
8	1.55	4.2	0.1	0.05	0.10	2.5	-	-	0.30	-	-	-
9	1.9	4.7	0.1	0.15	0.35	2.5	0.1	-	-	0.01	-	-
10	1.5	4.3	0.3	0.1	0.40	3.5	0.1	-	-	0	-	-

비고: 합금 1 및 2는 비교 재료이다.

합금 3-10은 본 발명에 따른 재료이다.

분석되는 합금의 열처리 절차

합금번호	열처리 번호	열처리 절차
3,5,9	3	80℃, 4h + 185℃, 10h + 110℃, 8h
8,10	4	90℃, 3h + 110℃, 48h + 90℃, 14h
4,7	5	85℃, 5h + 145℃, 25h + 110℃, 10h
6	6	85℃, 12h + 120℃, 12h + 90℃, 12h

분석된 합금의 성질

합금 번호	열처리번호	σ_B,MPa	σ_0.2,MPa	δ,%	K_co,MPa(w_o=200㎜)
합금 번호	열처리번호	σ_B,MPa	σ_0.2,MPa	δ,%	85℃, 1000시간에서 노화처리전	85℃, 1000시간에서 노화처리후
1	1	460	345	3.5	59.5	46.0
2	2	470	355	2.5	58.7	44.8
3	3	475	358	9.0	69.5	67.0
4,7	5	473	347	8.0	68.3	66.8
5	3	458	345	8.5	67.8	66.7
6	6	450	338	10.0	68.0	67.8
8,10	4	452	340	9.5	66.8	65.9
9	3	460	345	9.0	65.5	63.3

비고 : 합금 및 절차 1과 2는 2단계 열처리 절차에 따른 비교 재료이다.

합금 및 절차 3-10은 본 발명에 따른 것이다.

Claims

리튬, 마그네슘, 아연, 지르코늄 및 망간을 함유한 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 있어서, 합금이 다음 조성 비율(%w/w)로 베릴륨, 이타늄 및 스칸듐에서 선택된 원소와 수소를 추가로 포함함을 특징으로 하는 알루미늄 기초합금.

리튬 1.5-1.9

마그네슘 4.1-6.0

아연 0.1-1.5

지르코늄 0.05-0.3

망간 0.01-0.8

수소 0.9 ×10^-5-4.5 ×10^-5

베릴늄 0.001-0.2

이티륨 0.01-0.5

스칸듐 0.01-0.3

알루미늄 나머지
400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;

수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지의 연성도로 조절하고;

노화 처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템의 열처리 방법에 있어서,

상기 노화처리가 3단계로 수행되고 제 2 단계가 제 1 단계보다 높은 온도에서 수행되고 3번째 단계는 8 내지 14시간동안 90 내지 110℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.
400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;

수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지의 연성도로 조절하고;

노화 처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템의 열처리 방법에 있어서,

상기 노화처리가 3단계로 수행되고 제 3 단계에서 시간당 2 내지 8℃의 냉각속도로 10 내지 30시간 동안 냉각하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 열처리 방법.
제 2 항 또는 3 항에 있어서, 제 1 단계가 3-12시간동안 80 내지 90℃의 온도에서 수행되고 제 2 단계가 10-48시간동안 110-185℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.
제 2 항 또는 3 항에 있어서, 제 1 단계가 3-12시간동안 80 내지 90℃의 온도에서 수행되고 제 2 단계가 5-12시간동안 110-125℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.