KR20030090782A

KR20030090782A - 기계 가공 용례에 적합한 금속 블록

Info

Publication number: KR20030090782A
Application number: KR10-2003-7013830A
Authority: KR
Inventors: 싸또프레데릭; 고다드다비드
Original assignee: 페쉬니 레날루
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-28
Also published as: CA2442769A1; US20030003281A1; SK14122003A3; CZ20033157A3; HUP0303318A2; EP1381506A1; RU2003133981A; FR2823767B1; PT1381506E; DE60203608D1; US6777106B2; IL157844A0; JP2004532143A; ES2236516T3; EP1381506B1; PL366915A1; RU2281861C2; BR0208671A; DE60203608T2; FR2823767A1

Abstract

본 발명은 기계 가공에 적합한 금속 블록에 관한 것으로, 상기 금속 블록은 적어도 2개의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 적어도 12.5 mm의 두께를 가지며, 금속 블록의 항복 강도는 최초 금속판의 항복 강도의 적어도 75%이다. 본 발명은 또한 폭발 용접 및 그외의 방법에 의해 2개 이상의 두꺼운 금속판으로부터 그러한 금속 블록을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 금속 블록은, 예컨대 항공기 구조용 구성 요소 또는 플라스틱이나 고무용 사출 금형을 제조하는 데 유용하다.

Description

기계 가공 용례에 적합한 금속 블록{METAL BLOCKS SUITABLE FOR MACHINING APPLICATIONS}

대형 부품을 기계 가공하는 데 사용되는 금속 블록은 압연된 금속판 또는 단조된 블록이 일반적이다. 그러한 두꺼운 금속판, 특히 두꺼운 알루미늄 합금판을 제조하는 경우에, 이 판의 중심에서의 정적 기계 특성은 얇은 금속판 또는 시트의 중심에서의 정적 기계 특성보다 낮은 것이 통상적이다. 보다 구체적으로, 금속판 또는 시트의 두께가 소정의 제조 공정에 의해 증대되면, 인장 강도(R_m), 항복 강도(R_p0.2) 및 극한 연신률(A)은 (흔히 만족스럽지 못한 수준으로) 감소하는 경향이 있다. 일례로, 1994년 11월 현재 유럽 표준 EN 485-2는 야금학적 상태 T651에서 EN AW-6061 알루미늄 합금의 압연된 판에 대해 다음의 최소값을 규정하고 있다. 두께가 12.5 mm 내지 100 mm인 판의 경우에 R_mmin = 290 MPa이고, 두께가 150 mm 내지 175 mm인 판의 경우에 R_mmin = 265 MPa이다. 극한 연신률 특성의 경우에는훨씬 더 현저하게 감소된다. 두께가 12.5 mm 내지 40 mm인 판의 경우에 보증 최소값은 8%이고, 두께가 150 mm 내지 175 mm인 판의 경우에는 4%이다. EN 485-1 표준에 따르면, 두께가 40 mm를 초과하는 판의 경우에, 시편의 길이 방향 축선은 롤링면 중 하나로부터 두께의 4분의 1에 해당하는 거리에 배치되고, 두께가 40 mm 미만인 판의 경우에는 두께의 2분의 1에 해당하는 거리에 배치되어야 한다.

이러한 정적 기계 특성의 저하는 기계 특성이 압연된 표면 아래의 여러 레벨에서 분석된 경우에 보다 현저하거나 두드러진다. 예컨대, 두께가 200 mm인 금속판의 경우에, 표면 아래 25 mm, 50 mm 및 100 mm에서 시편을 취함으로써, 이에 따라 특성이 저하되는 것을 알 수 있다. 이 현상은 당업자에게 널리 알려져 있으며 그 원인은 복합적이다. 압연 공정 중에 금속판의 가공 경화는 금속판의 R_m과 R_p0.2를 증가시키지만, 열간 압연기의 구성에 의해 제한된다. 두께를 절반 정도 감소시키는 압연 공정에 의해 최종 두께가 100 mm인 금속판을 얻기 위해서는, 일반적으로 두께가 적어도 200 mm인 압연 잉곳으로부터 개시하는 것이 필요하다. 동일한 방식으로 최종 두께가 400 mm인 금속판을 얻기 위해서는, 두께가 적어도 800 mm인 압연 잉곳으로부터 개시하는 것이 필요하다. 그러나, 현재 그러한 두께의 잉곳 또는 판을 압연하는 압연기는 시판되고 있지 않다. 두꺼운 판 또는 잉곳은 단조에 의해 가공 경화될 수도 있지만, 이 경우에 드문 장소에만 존재하는 매우 동력이 큰 단조 프레스를 이용해야만 하므로, 그러한 방법은 비용이 많이 든다.

급냉 경화 가능한 합금제의 두꺼운 금속판의 경우에는, 급냉 속도가 정적 기계 특성에 영향을 미친다. 소정 용적의 금속판에서 국부적인 급냉 속도는 재료의 열 전도성에 의해 결정되므로, 금속판의 두께에 종속되고, 즉 보다 정확하게는 급냉 매체와 접촉하는 표면으로부터 특정한 용적 요소의 거리에 종속된다.

급냉된 금속판의 경우, 급냉 공정은 잔류 응력을 유발시키고, 이 잔류 응력으로 인해 특히 금속판이 기계 가공될 때 금속판이 변형하게 된다. 따라서, 이 잔류 응력은 바람직스럽지 못하므로, 예컨대 급냉된 금속판을 연신시킴으로써 최소화시켜야 한다. 대부분의 공장에서 이용 가능한 연신기는 대개 두께가 100-200 mm보다 큰 금속판을 수용하지 못하고, 그 동력도 또한 흔히 제한된다. 그러한 금속판을 단조 프레스 아래에서 압착시킴으로써 금속판의 내부 응력을 경감시킬 수도 있다. 이 경우, 금속판의 두께는 보다 커질 수도 있지만, 단조 프레스가 제공할 수 있는 최대 압착 응력이 제한 인자가 된다.

두께에 대한 국부적인 정적 기계 특성의 저감은 일반적으로 바람직하지 못하다. 즉, 기계 가공된 부품이 두꺼운 금속판으로부터 제조되는 경우에, 신규한 표면 근처의 국부적인 기계 특성은 기계 가공된 부품의 특성을 결정하는 기계 가공 공정에 의해 유발된다. 예컨대, 두꺼운 강 또는 알루미늄 합금 블록을 기계 가공하여 플라스틱 부품용 사출 금형을 제조하는 경우에, 금형 설계자는 전체적인 블록의 기계 특성에 대립하는 것으로서 금속 블록의 두께를 기초로 하여 정적 기계 특성의 구배를 고려해야 한다. 즉, 블록이 형성되고 기계 가공되기 때문에, 중요하게 되는 외부면 아래의 정적 특성값과 외부면 아래 특정 깊이에서 특성의 임의의 감소를 고려해야 한다.

종래 기술 제품의 다른 단점은 기계 가공 작업 자체에 관한 것이다. 일례로, 두꺼운 알루미늄 합금의 금속판을 현저한 깊이로 기계 가공하는 경우에, 금속은 금속판의 원래 외부면에 가까운 금속에 대립하는 것으로서 깊이가 깊어질수록 연해지기 때문에, 금속판의 내측으로 천공시 금속의 기계 가공성이 감소되는 것이 관측된다. 또한, 기계 가공된 표면의 폴리싱과 화학 또는 전해 연마는 두꺼운 판의 원래 외부면 근처의 영역으로부터 얻은 표면보다 깊게 기계 가공된 표면의 품질이 더 떨어진다. 이는 두꺼운 알루미늄 판 중심의 석출물 형성과 표면에 가까운 석출물 형성이 반드시 동일하지는 않기 때문이다.

이들 단점을 극복하기 위해서, 지금까지 당업자들은 사용된 합금의 조성이나 제조 루트에 작용하는 야금학적 접근 방안을 지지하였다. 알루미늄 합금의 경우에 특히 그러하였다. 예컨대, 미국 특허 제6,077,363호(본 명세서에 참고로 인용됨)에서는, 특히 망간, 철 및 규소와 관련하여 최적화된 화학 조성을 선택하고, 여러 개의 열기계적 처리 단계를 포함하는 제조 공정을 선택함으로써 AlCuMg 함금 금속 시트의 잔류 응력이 최소화된다.

미국 특허 제5,277,719호(미국의 알루미늄 컴퍼니)(본 명세서에 참고로 인용됨)는 열간 압연에 앞서 저감률이 적어도 30%인 제1 예단조(preforging) 단계를 사용함으로써, 7xxx 시리즈로부터 알루미늄 합금제의 낮은 기공률의 두꺼운 판을 제조하는 방법을 제시한다. 유럽 특허 출원 제EP 723 033 A1호(Hoogovens Aluminum Walzprodukte)(본 명세서에 참고로 인용됨)는 제1 열간 압연 단계 후에 하나 이상의 단조 단계를 수행함으로써, 알루미늄 합금제의 두꺼운 금속판을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이들 방법의 목적은 주로 피로 강도를 향상시키는 것이다. 그러나, 유럽 특허 출원 제EP 723 033호에 개시된 방법은 또한 두께가 8 인치(약 205 mm)를 초과하는 금속판에서 인장 강도의 저감을 약간 감소시킨다.

유럽 특허 출원 제EP 989 195호(Alusuisse Technology & Management AG)(본 명세서에 참고로 인용됨)는 금속 시트의 두께에서 Al₃Zr의 서브미크론 상의 균일한 석출을 얻는 것을 목표로 하여 AlCuMg 합금 시트의 잔류 응력을 감소시키는 방법을 제공한다. 이들 금속 시트는 압연 잉곳을 열간 압연하여 얻어지거나, 어떠한 압연 공정도 없이 주형판으로부터 직접 제조될 수 있다.

기술 상태에 의해 제공된 이들 여러 수단은 (ⅰ)합금의 선택, (ⅱ)야금학적 상태, 및 (ⅲ)금속판의 제조 방법과 금속판의 두께 관점에서 속박을 야기한다. 또한, 이들 수단은 완전히 만족스럽지 못하다. 예컨대, 열처리 가능한 합금으로 제조되어 특히 두께가 200 mm보다 큰 두꺼운 알루미늄 금속판을 제조하는 만족스러운 방법이 존재하지 않는데, 이 경우 국부적인 R_m, R_p0.2와 값들은 표면으로부터 절반 두께로 전진할 때 상당히 감소되지 않는다. 그러한 제품의 효용도는 많은 산업 분야에서 보다 가벼운 공구가 제조될 수 있게 한다. 종래 기술에 따른 금속판보다 두께가 두꺼운 그러한 제품을 제조할 수 있다면, 금형 또는 공작 기계와 같은 대형 부품을 제조할 수 있고, 그 전체 두께에 걸쳐 폴리싱 및 연마 특성이 향상될 것이다.

본 발명은 기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록에 관한 것으로, 예컨대 대형 공작 기계나 금형, 또는 대용량 항공기의 구조용 구성 요소를 제조하기 위한 금속 블록에 관한 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 전체 두께에 걸쳐 기계적 특성이 만족스럽고, 또한 비교적 낮은 수준의 잔류 응력을 보이는, 두꺼운 금속 제품(즉, 두께가 25 mm를 초과하는 블록, 예컨대 두께가 200 mm, 400 mm 또는 심지어 600 mm를 초과하는 블록)을 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적에 따르면, 기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록이 제공된다. 상기 금속 블록은 적어도 2개의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 적어도 12.5 mm의 두께를 갖고 1/4 두께에서 측정된 특정 방향의 최초 항복 강도를 갖는다. 금속판들은 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 통상 동일한 합금군의 합금(5xxx 시리즈 등에 속하는 알루미늄 합금)으로부터 선택된다. 금속판들 사이의 접착 영역을 포함하지 않는 블록의 소정 지점에서 취한 시편에 대해 측정된 금속 블록의 항복 강도는 동일한 특정 방향으로 최저의 최초 항복 강도를 갖는 개별 금속판의 항복 강도의 적어도 75%이다.

다른 본 발명에 따르면, 기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록이 제공된다. 금속 블록은 적어도 2개의 중첩된 금속판을 포함하며, 각 금속판은 적어도 12.5 mm의 두께를 갖고, 1/4 두께에서 측정된 특정 방향의 최초 항복 강도를 갖는다. 금속판들은 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 동일한 합금군의 합금이고, 금속 블록의 임의의 지점에서 특정 방향의 항복 강도는 특정 방향으로 최저의 최초 항복 강도를 갖는 금속판의 항복 강도의 적어도 75%이다.

또 다른 본 발명에 따르면, 기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록이 제공되고, 상기 금속 블록은 적어도 2개의 중첩된 금속판을 포함하며, 각 금속판은 적어도 12.5 mm의 두께를 갖고, 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 상기 금속판은 동일한 합금군의 합금으로 이루어지는 군에서 선택되고, 임의의 소정 지점에서 특정 방향의 항복 강도는 평균값의 ±15% 이상 변경되지 않는다.

또 다른 본 발명에 따르면, 거의 동일한 길이와 폭의 적어도 2개의 금속판을 그 사이에 일정한 간극을 두고 중첩시켜 조립체를 형성하는 단계와, 조립체의 측면 둘레에 경계선을 제공하는 단계와, 최상층 금속 시트의 상부면을 상부면 전체에 걸쳐 폭발물로 덮는 단계와, 상기 폭발물을 폭발시켜 금속판 사이의 접착을 달성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 추가 목적, 특징 및 잇점은 이하의 설명에 기재되어 있는데, 그 일부는 설명으로부터 명백하거나 본 발명의 실시에 의해 알 수 있다. 본 발명의 목적, 특징 및 잇점은 특히 첨부된 청구 범위에 교시한 수단 및 조합에 의해 구현 및 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 금속 블록은 대형 부품을 기계 가공하는 데 사용되는 여러 금속 및 합금, 특히 강, 구리 합금 및 알루미늄 합금제의 판으로부터 얻을 수 있다. 급냉된 상태에서 기계적 강도가 높게 되는 급냉 경화 가능한 합금을 사용하는 것이 유리하다. 따라서, 2xxx, 6xxx 및 7xxx 군의 구조적으로 경화된 알루미늄 합금이 T3 상태(급냉, 시효됨)나 T6 상태(급냉, 템퍼링됨)에 사용되는 것이 바람직하다. 알루미늄 합금군과 정제한 알루미늄 합금의 합금 조성은 알루미늄 협회의 등기 기록부와 표준 EN 573에 규정되어 있고, 템퍼 명칭은 표준 EN 515에 규정되어있으며, 이들 문헌은 당업자에게 공지되어 있고 본 명세서에 그 전체가 참고로 인용된다.

조립에 사용된 방법에 상관없이, 금속판은 가능한 한 평탄하거나 편평하고, 또한 비교적 낮은 수준의 잔류 응력를 지니고 있으며, 이들 최초 상태는 임의의 공지된 방법, 예컨대 연신기의 파지부 사이에서 금속판을 연신시키거나 단조 프레스로 금속판을 압착시킴으로써 달성될 수도 있다. 상기 금속판의 표면 상태는 후술되는 바와 같이 어떠한 이유로 필요하다면 조립에 사용된 방법에 적합하게 될 수 있다. 대부분의 경우에 중첩된 각 금속판의 두께는 적어도 12.5 mm이어야 한다. 각 금속판의 두께는 동일하거나 상이할 수 있다. 중첩된 금속판의 전체 두께는 바람직하게는 적어도 25 mm, 가장 바람직하게는 적어도 40 mm이다.

두꺼운 금속판을 함께 조립하는 것은 임의의 공지된 방법에 의해 수행될 수도 있고, 이 방법에 의해 조립된 블록의 소기의 용도에 충분한 조립된 블록의 기계적 강도가 얻어질 수 있다. 본 발명에 따르면, 적어도 2개의 금속판을 중첩시킴으로써 블록을 제조할 수 있는데, 각 금속판은 적어도 12.5 mm의 두께를 갖고, 1/4 두께에서 측정된 특정 방향의 최초 항복 강도를 가지며, 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 금속판은 동일한 합금"군"(즉, 알루미늄 합금의 경우, 2xxx 시리즈, 7xxx 시리즈 등)의 합금으로부터 선택되는 것이 바람직하고, 중첩된 금속판에 의해 형성된 블록의 임의의 지점에서 특정 방향의 항복 강도는 특정 방향으로 평가된 최저의 최초 항복 강도를 갖는 금속판의 항복 강도의 적어도 75%, 바람직하게는 적어도 85% 또는 더욱 바람직하게는 90%이다.

바람직한 실시예에서, 블록의 조립 방법은 블록 전체의 기계적 내성이 접합 영역 내에조차도 최초 금속판의 기계적 내성에 가깝도록 선택된다. 여기서 사용된 접합 영역이란 블록을 형성하는 개별적인 금속판이 만나서 함께 접합되는 조립된 블록의 영역을 칭한다.

더욱이, 금속판 사이의 접합은 만족스러운 기계적 및 열적 안정성 뿐만 아니라 그 외의 특성, 예컨대 금속판 사이의 접합부의 열 전도성 또는 조립된 블록이 목표로 하는 최종 용례에 필요한 표면 외관을 제공한다. 공작 기계 및 금형 용례에서 여러 가지 소기의 목표 용도에 필요한 그러한 기계적 및 열적 특성은 당업자에게 널리 알려져 있다.

본 발명에 따르면, 블록의 전체 두께에 의해 측정 가능한 방식으로 영향을 받지 않는 기계적 특성을 갖는 두꺼운 금속 블록(즉, 적어도 25 mm)을 제조하는 것이 가능하다. 구체적으로, 항복 강도, 인장 강도 및 극한 연신률, 즉 소위 정적 기계 특성은 종래 기술의 공정에 따라 제조된 블록에 비해 블록의 두께에 걸쳐 상당히 낮게 변동된다.

바람직한 실시예에서, 동일한 금속군의 적어도 2개의 중첩된 금속판을 조립함으로써 두꺼운 금속 블록을 얻을 수 있는데, 각 금속판의 두께는 적어도 12.5 mm이다. 금속판 사이의 접합 영역에 걸쳐 그 시편에 대해 특정 방향으로 측정된 조립된 금속 블록의 항복 강도는 동일한 특정 방향에서 최저의 최초 항복 강도를 지니고 있는 금속판의 항복 강도의 적어도 75%, 바람직하게는 적어도 80% 및 가장 바람직하게는 적어도 90%이다.

본 발명의 다른 실시예에서, 중첩된 금속판 사이의 접합 영역은 기계적 및 열적 안정성이 우수하다. 또한, 2개의 금속판 사이의 접합부의 열 전도성 및/또는 접합부 또는 접착부의 표면 외관과 같은 다른 특성도 조립된 블록이 목표로 하는 최종 용례의 요건 관점에서 만족스럽다. 즉, 조립된 블록의 많은 용례에서는 접합부가 어떠한 각도에 대해 시각적으로 명백하지 않는 것이 요구된다. 또한, 일부 용례에서는 고온에 노출된 시간과 최대 온도 관점에서 특정한 내열성을 필요로 한다. 따라서, 접합 영역에 걸쳐 짧은 횡방향으로 측정된 블록의 국부적 항복 강도 R_p0.2는 동일한 짧은 횡방향으로 최저의 최초 항복 강도를 지니고 있는 금속판의 R_p0.2의 적어도 75%, 바람직하게는 적어도 80% 및 가장 바람직하게는 적어도 90%이다.

따라서, 두꺼운 금속판은 임의의 공지된 기구, 예컨대 접착막, 플라스틱 시트 또는 액상 접착제에 의해 접합을 통해 조립될 수 있다. 예컨대, 얇은 접착제, 고온 중합화 막이 부착되고 금속판의 템퍼링 중에 중합화가 수행될 수 있다(예컨대, 합금이 구조적으로 경화된 합금인 경우). 1개 또는 2개 성분의 액상 접착제를 또한 조립될 금속판의 한쪽 또는 양쪽 표면 상에 도포하고, 조립된 블록을 충분한 시간 동안 실온에 그대로 두거나 특정한 시간 동안 충분한 온도로 가열함으로써 접착제를 경화시킬 수도 있다. 2개의 두꺼운 금속 시트 사이에 삽입된 중합화 플라스틱 시트를 또한 사용하여 적절히 가열함으로써 중합화를 달성하고 이에 따라 접합을 달성할 수도 있다. 이들 모든 경우에, 2개 이상의 금속판이 한번에 함께 조립될 수 있고, 접착제는 중합화 또는 경화하게 되는 동시에 조립체는 금속판의 자중 하에 또는 접착된 접합부 상에 압력을 가함으로써 평탄하게 된다. 접착제 접합의 잇점은 비용이 적다는 것이고 단점은 접합이 다소 약하다는 것이다. 어떠한 경우라도, 접착제의 도포 전에 적절한 표면 예처리(예컨대, 황크롬 에칭 또는 샌드블라스팅)가 흔히 바람직하거나 요망된다.

사용될 수 있는 다른 조립 방법으로는, 예컨대 압연 또는 단조에 의해 2개의 중첩된 두꺼운 금속판의 열간 변형이 있다. 이는 금속 시트를 도금하는 공지의 방법에서 달성되는 야금학적 접합과 동일한 유형이다. 이 방법은 어떠한 열처리 없이 알루미늄 합금, 예컨대 5xxx 시리즈 합금의 두꺼운 금속 시트 또는 금속판을 조립하는 데 사용될 수 있다는 잇점이 있다. 대체로 금속판의 예열을 필요로 하는 구조적으로 경화된 합금에는 바람직하지 못한 방식으로 금속판의 야금학적 상태를 잠재적으로 변경시킬 수 있어 덜 적합하다. 이 방법의 사용은 매우 두꺼운 금속판을 수용하는 압연기 또는 단조 프레스의 용량이나 사용되는 압연기 또는 단조 프레스가 제공할 수 있는 최대 응력에 의해 제한될 수 있다.

금속판은 또한 용접, 특히 금속판의 기계적 특성을 비교적 열화시키지 않는 방법인 전자빔 용접에 의해 조립될 수도 있다. 그러나, 전자빔 용접은 대형 금속판에는 적절하지 않을 수도 있다.

본 발명과 함께 바람직하게 사용되는 다른 유리한 조립 방법으로는 폭발 용접이 있다. 폭발 용접은 수년간 알려져 왔으며, 대부분 상이한 금속의 두꺼운 금속 시트 상에 얇은 금속 시트를 도금하는 데 사용되고, 특히 원래 강제의 두꺼운금속 시트 상에 신규한 금속층을 얻는 데 사용된다. Asahi Kasei의 프랑스 특허 제FR 1381594호, 제FR 1397963호 및 제FR 1458506호(이들 특허들은 모두 그 전체가 본 명세서에 참고로 인용됨)에는 이 기법이 개시되어 있다. 이들 특허에 개시된 많은 예들 중 대부분은 강 금속 시트 상에 얇은 금속 시트를 도금하는 것에 관한 것이고, 그들 중 일부는 동일한 금속(스테인레스강 또는 알루미늄)으로 제조되어 두께가 1 mm 정도인 2개의 얇은 금속 시트의 조립을 개시하고 있다. 또한, 미국 특허 제3,024,526호(Atlantic Richfield사)["'526 특허"](그 내용은 본 명세서에 참고로 인용됨)에는 두께가 0.062 인치(즉, 약 1.6 mm)인 2개의 알루미늄 시트의 폭발 용접이 개시되어 있다. 상기 '526 특허의 방법에는 동일한 금속, 특히 알루미늄 합금제의 2개 이상의 두꺼운 금속판으로 구성되는 두꺼운 블록을 형성하는 데 사용되는 폭발 용접이 개시되어 있지 않다.

본 발명에 따르면, 금속 블록은 적어도 2개의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 적어도 12.5 mm, 바람직하게는 적어도 25 mm, 가장 바람직하게는 적어도 40 mm의 두께를 갖는다. 그러나, 개별적인 금속판이 매우 두꺼우면, 금속판들은 롤링면으로부터의 거리 함수로서 정적 기계 특성의 구배를 보일 수도 있다.

바람직한 실시예에서, 조립될 금속판은 동일한 기본 금속으로 이루어지고, 이 개념이 소정의 기본 금속에 대해 존재하는 경우에, 동일한 합금군으로 이루어진다. 여기서, "기본 금속"이라는 용어는 예컨대 알루미늄, 강, 구리, 황동 등을 의미한다. "합금군" 및 "합금"이라는 용어는 전술한 표준 EN 573과 알루미늄 협회의 등록 기록부(그 내용은 본 명세서에 참고로 인용됨)에 따른 알루미늄 합금에 대해규정되어 있다. 이들 문헌에 따르면, 알루미늄 합금은 주요 합금 원소에 따라 다음의 군으로 분할된다. 1xxx(최소 99.00 알루미늄), 2xxx(Al-Cu), 3xxx(Al-Mn), 4xxx(Al-Si), 5xxx(Al-Mg), 6xxx(Al-Mg-Si), 7xxx(Al-Zn), 8xxx(다른 합금 원소). 본 발명은 기술적 한계나 경제적인 이유로 또는 두꺼운 판으로서 제조되는 경우에 두께에 걸쳐 정적 기계 특성이 심하게 변경되어 매우 두꺼운 두께로 제조될 수 없는 기본 금속, 합금군 및 합금에 특히 관심을 둔다. 이는 특히 군 2xxx, 6xxx 및 7xxx에 속하는 열처리 가능한 알루미늄 합금의 경우이다.

본 발명의 특정 실시예에서, 조립될 두꺼운 금속판(적어도 12.5 mm)은 동일한 합금을 포함하고, 동일한 야금학적 상태에서 균일한 특성을 얻기 위해 유사한 제조 루트에 따라 제조된다.

금속판은 동일한 두께나 상이한 두께로 이루어지고, 2개의 금속판 또는 여러 개의 금속판은 하나 이상의 작업으로 조립될 수도 있다. 폭발 용접에 의한 조립 방법은 임의의 바람직한 방식, 예컨대 전술한 프랑스 특허들 및 '526 특허에 개시된 방식으로 수행될 수 있다. 본 발명의 만족스럽고도 유리한 폭발 용접 방법은, (ⅰ)브러싱 또는 연마에 의해 금속판의 표면을 마련하고 필요한 정도까지 신중하게 세척하는 단계와, (ⅱ)금속 시트 상에 마련된 인서트를 사용하여 그 사이에 간극을 제공함으로써 동일한 형태(즉, 길이와 폭)의 금속 시트를 중첩시키는 단계와, (ⅲ)예컨대, 접착 테이프를 사용하여 금속판 사이의 틈새를 폐쇄하는 단계와, (ⅳ)최상층 금속판의 전체 표면에 걸쳐 폭발물, 예컨대 분말을 배치하는 단계와, (ⅴ)이 폭발물의 폭발을 최종적으로 진행시켜 금속판을 그 표면의 전체에 걸쳐 용접시키는단계를 포함한다.

폭발 용접의 사용을 기초로 하는 바람직한 실시예에서는, 길이 방향의 파열부 A에서 13%, 바람직하게는 15%를 초과하는 연신률을 갖고, 적어도 30 주울의 샤르피 충격 에너지를 갖는 판이 사용된다.

본 발명에 따른 방법은 블록이 제조될 수 있게 하고, 이 블록의 두께는 금속판을 제조하는 데 사용된 공구(압연기 또는 단조 프레스)의 용량에 의해 제한되지 않는다. 블록의 두께는 바람직하게는 적어도 200 mm, 보다 바람직하게는 적어도 400 mm, 가장 바람직하게는 적어도 600 mm이다. 이들 블록의 경우, 대용량 항공기의 구조용 구성 요소로서 사용될 수 있는 부품, 구조적으로 경화된 알루미늄 합금, 강제의 플라스틱용 사출 금형 또는 공장 기계 및/또는 구리와 알루미늄 합금과 같이 치수가 매우 큰 기계 가공된 부품을 쉽게 제조할 수 있다.

기계 가공된 부품의 제조는 당업계에 일반적으로 사용되는 바와 같이 선삭, 밀링, 드릴링, 보링, 탭핑, 방전 가공, 정제, 폴리싱 등과 같은 하나 이상의 공정을 포함할 수 있다. 특정한 경우에, 또한 생성된 표면의 적어도 일부 상에 유럽 특허 출원 제EP 997 253 A1호(Werkzeugbau Leiss Gmb)(본 명세서에 참고로 인용됨)에 개시된 방법과 같은 임의의 공지된 방법에 의해 또는 물리적 기상 증착법과 같은 공지된 공정에 의해 세라믹 코팅을 제공함으로써 경질의 금속층을 증착할 수 있다. 출원인은 깊은 기계 가공이 접착된 접합부를 가로지를 때 그러한 금속 코팅이 접착제 접합을 통해 조립된 블록의 경우에 특히 유용하다는 것을 발견하였다. 따라서, 임의의 이유로 필요하다면 알루미늄층 또는 다른 금속층이 증착될 수도 있다.

구조적으로 경화된 알루미늄 합금으로 블록을 제조하는 경우에, 출원인은 제조 방법이 특히 우수한 결과를 제공한다는 것을 발견하였다. 즉, 두꺼운 금속판이 응력 경감 상태, 예컨대 T351 상태(EN 515 표준에 따른 명칭)로 제공되고, 폭발에 의해 조립된다. 이어서, 두꺼운 블록은 템퍼링 처리를 받는다. 응력이 경감된 두꺼운 금속판(즉, 적어도 12.5 mm)을 사용하는 경우에, 잔류 응력이 매우 낮은 수준이고 특히 기계 가공에 적합한 블록을 얻을 수 있다. 또한, T351 상태의 금속 시트는 기타 유사한 시트 또는 판에 비해 연성이 우수하고, 이 연성의 증가는 그들의 조립이나 취급 중에 우연한 파괴를 최소화하거나 오히려 방지한다.

본 발명에 따른 구조적으로 경화된 알루미늄 합금의 두꺼운 블록은 플라스틱 또는 고무 부품용 사출 금형의 (기계 가공에 의한) 제조에 사용될 수 있다. 또한, 상기 두꺼운 블록은 항공기, 특히 대용량 항공기의 구조용 요소의 (특히 기계 가공에 의한) 제조에 사용될 수 있다. 후자의 용례에는 AA7040 또는 AA7075와 같은 합금이 특히 적합하다.

일례

예 1: (종래 기술)

7449 알루미늄 합금의 두꺼운 금속 시트를 당업자에게 공지된 기법에 따라 T651 상태로 제조하였다. 이들 금속 시트의 두께는 50 mm 내지 150 mm이었다. 1/4 두께에서 TL 방향으로 항복 강도 R_p0.2를 측정하였다. 그 결과를 표 1에 요약하였다. 금속 시트의 두께 e가 증가하는 경우에, R_p0.2의 매우 심한 감소가 관측되었다.

e(mm)	50	75	100	150
R_p0.2(MPa)	584	575	564	508

예 2: (본 발명)

동일한 형태(즉, 길이와 폭)를 갖고 25 mm와 70 mm의 두께를 갖는 2개의 7075 알루미늄 합금 금속판을 각각 마련하였다. 합금의 조성은 중량%로, Si=0.08, Fe=0.15, Cu=1.56, Mn=0.03, Mg=2.30, Cr=0.19, Zn=5.92, Ti=0.03이었다.

이들 금속판을 465℃의 온도로 용체 열처리한 다음, 냉각수로 급냉시키고, 자연적으로 시효시킨 후에 1.5%의 영구적인 세트로 연신시켰는데, 이는 T351 상태에 대응한다. 이어서, 상기 금속판을 리베솔테스(프랑스) 소재의 NobelClad Europe의 사이트 상의 폭발 용접에 의해 조립하였다. 그후, 폭발 용접된 블록을 120℃에서 48h 동안 템퍼링 처리를 받게 하여 T651 상태가 되게 하였다. 가공하지 않은 연마 상태에서 접합 영역의 조사로는 어떠한 가시 계면도 드러나지 않았다. 크롬 에칭 후에, 충격파 전파 방향으로 편향된 경사진 슬립 밴드를 비롯한 양 용접면 상에 0.3 mm의 영역을 갖는 최초 금속판 사이의 계면이 보이게 되는데, 이는 상당한 가공 경화를 보여준다.

70 mm의 금속판으로부터 그리고 2개의 금속판 사이의 계면 영역으로부터 1/4 두께에서 원통형 인장 시험 시료를 취하고, L, TL 및 TC 방향에서 정적 기계 특성,즉 극한 강도 R_m(MPa), 항복 강도 R_p0.2(MPa) 및 극한 연신률 A(%)를 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.

시료	방향	R_p0.2(MPa)	R_m(MPa)	A(%)
금속판	L	464	528	13.3
계면	L	501	553	11.6
금속판	TL	450	548	10.3
계면	Tl	495	555	8.7
금속판	TC	456	532	5.5
계면	TC	478	540	4.5

측정 방향에 상관없이, 극한 강도와 항복 강도는 최초 금속 시트의 값과 비교하여 접합 영역에서 증가되었고, 연신률은 약간 감소하였다는 것을 알 수 있다.

ASTM E466 표준에 따라 응력 집중 인자 Kt=1을 갖는 TC 방향의 매끄럽고 둥근 시료에 대해 50 Hz의 주파수에서 200 MPa의 응력 하에 R=0.1 상태에서 주기적인 피로 수명을 또한 측정하였는데, 하나의 시료는 70 mm 금속판에서 취하고, 다른 하나는 2개의 금속판 사이의 접합 영역에서 취하였다. 피로까지 사이클의 수는 각각 206375와 321271이었으며, 이는 접합 영역에서 피로 강도의 향상을 보여준다.

예 3

알루미늄 합금 AA7449제의 2개의 판을 접합하여 블록을 제조하였고, 그 접합면을 샌드블라스팅이나 황크롬 에칭에 의해 예처리하였다. 액상 에폭시 접착제(참조 AV 119) 또는 에폭시 막(참조 AF 163-2L.03)을 사용하였다. 200 mm ×29 mm ×17 mm 크기(접합 표면 493 mm²)의 시료에 대해 접합 영역에 걸쳐 인장 시험을 실행하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다. 황크롬 에칭이 보다 높은 접합력을 제공한다는 것을 알 수 있다.

접착제	접합 강도(예처리: 황크롬 에칭	접합 강도(예처리: 샌드블라스팅)
AV 119	75.8 ±5.7 MPa(AR)	43.9 ±10.5 MPa(AR)
AF 163-2L.03	46.0 ±0.5 MPa(CR)	41.2 ±2.3 MPa(CR)
AR : 접착 파괴CR : 응집 파괴

당업자에게는 추가 잇점, 특징 및 수정이 쉽게 생각이 날 것이다. 이에 따라, 본 발명의 광범위한 양태는 본 명세서에 예시 및 설명된 특정한 상세 내용 및 대표적인 장치로 제한되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구 범위 및 그 등가물에 의해 규정된 전반적인 진보 개념의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이 이루어질 수 있다.

2001년 4월 24일자로 출원된 우선권인 프랑스 특허 출원 제0105500호와 2002년 4월 24일자로 출원된 그 대응하는 미국 특허 출원은 본 명세서에 그 전체가 참고로 인용된다.

본 명세서에 참조된 모든 문헌은 그 전체가 본 명세서에 참고로 인용된다.

Claims

기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록으로서,

2개 이상의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 12.5 mm 이상의 두께를 갖고 1/4 두께에서 특정 방향으로 측정된 최초 항복 강도를 가지며 서로 동일하거나 상이할 수 있고, 상기 금속판은 동일한 합금군의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되며, 블록의 임의의 지점에서 특정 방향의 항복 강도는 상기 특정 방향으로 최저의 최초 항복 강도를 갖는 금속판의 항복 강도의 75%와 적어도 동일한 것인 금속 블록.
기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록으로서,

2개 이상의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 12.5 mm 이상의 두께를 갖고 1/4 두께에서 측정된 특정 방향의 최초 항복 강도를 가지며 서로 동일하거나 상이할 수 있고, 상기 금속판은 동일한 합금군의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되며, 상기 금속판 사이의 접합 영역을 포함하지 않는 금속 블록의 임의의 부분에서 얻은 시료에 대해 측정한 금속 블록의 항복 강도는 상기 특정 방향으로 최저의 최초 항복 강도를 갖는 금속판의 항복 강도의 75%와 적어도 동일한 것인 금속 블록.
기계 가공 용례에 사용하기에 적합한 금속 블록으로서,

2개 이상의 중첩된 금속판을 포함하고, 각 금속판은 12.5 mm 이상의 두께를 갖고 서로 동일하거나 상이할 수 있으며, 상기 금속판은 동일한 합금군의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되고, 특정 방향으로 임의의 소정 지점에서의 항복 강도는 평균값의 ±15% 이상 변하지 않는 것인 금속 블록.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 블록의 전체 두께는 200 mm 이상인 것인 금속 블록.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 블록의 전체 두께는 400 mm 이상인 것인 금속 블록.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 블록의 전체 두께는 600 mm 이상인 것인 금속 블록.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중첩된 금속판의 각 두께는 25 mm 이상, 바람직하게는 40 mm 이상인 것인 금속 블록.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속판은 동일하거나 상이한 알루미늄 합금을 포함하는 것인 금속 블록.
제8항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 구조적으로 경화된 알루미늄 합금인 것인 금속 블록.
제9항에 있어서, 상기 금속판은 급냉된 상태에 있는 것인 금속 블록.
제10항에 있어서, 상기 금속판은 급냉 및 시효된 상태에 있는 것인 금속 블록.
제10항 또는 제11항에 있어서, 상기 금속판은 트랙션 또는 압착의 조절에 의해 응력이 경감된 것인 금속 블록.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 블록의 임의의 지점에서 특정 방향의 항복 강도는 상기 특정 방향으로 최저의 최초 항복 강도를 갖는 금속판의 항복 강도의 85%, 바람직하게는 90%와 적어도 동일한 것인 금속 블록.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속판은 서로 접착제에 의해 접합되는 것인 금속 블록.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속판은 압연 또는 단조에 의해 접합되는 것인 금속 블록.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속판은 전자빔에 의해 함께 용접되는 것인 금속 블록.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속판은 폭발 용접에 의해 함께 용접되는 것인 금속 블록.
제17항에 따른 금속 블록의 제조 방법으로서,

거의 동일한 길이와 폭의 금속판을 그 사이에 일정한 간극을 두고 중첩시켜 조립체를 형성하는 단계와,

상기 조립체의 모든 측면 둘레에 경계선을 제공하는 단계와,

상부 금속판의 상부면을 상부면 전체에 걸쳐 폭발물로 덮는 단계와,

상기 폭발물을 폭발시키는 단계

를 포함하는 금속 블록의 제조 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 금속 블록을 마련하는 단계와, 상기 금속 블록을 기계 가공하여 항공기 구조용 구성 요소를 형성하는 단계를 포함하는 것인 항공기 구조용 구성 요소의 제조 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 금속 블록을 마련하는 단계와, 상기 금속 블록을 기계 가공하여 사출 금형을 형성하는 단계를 포함하는 것인 플라스틱 또는 고무용 사출 금형의 제조 방법.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 금속 블록을 마련하는 단계와, 상기 금속 블록을 기계 가공하여 기계 가공된 부품을 형성하는 단계를 포함하는 것인 기계 가공된 부품의 제조 방법.