KR20070009719A - 항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ 합금 - Google Patents

Abstract

성형 주물용 열 처리가능한 알루미늄 합금은 약 3.5~5.5% Zn, 약 1~1.5% Mg, 약 1% 미만의 Si, 약 0.30% 미만의 Mn, 및 약 0.3% 미만의 Fe 및 다른 부수적인 불순물을 포함한다.

주조, 주물, 알루미늄 합금

Description

항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한 Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ 합금{HEAT TREATABLE AL-ZN-MG ALLOY FOR AEROSPACE AND AUTOMOTIVE CASTINGS}

관련 출원과의 상호 참조

이 출원은 2004년 4월 22일 출원된 미국 가 출원 일련번호 60/564,813의 이익을 주장하며, 이것은 전체가 참고자료로 본원에 포함된다. 또, 이 출원과 함께 동시에 출원된 특허출원 "항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한 Al-Zn-Mg-Cu 합금"과도 밀접하게 관련되며, 이것도 참고자료로 본원에 포함된다.

기술분야

본 발명은, 항공우주선 및 자동차 성형 주물용 알루미늄 합금, 이 합금으로 이루어진 주물, 및 이 합금의 주조 구성요소를 제조하는 방법이다.

주조 알루미늄 부품은 자동차 서스펜션에서 중량을 줄이기 위한 구조적인 용도로 사용된다. 가장 흔히 사용되는 합금 군인 Al-Si₇-Mg는 강도 제한이 잘 확립되어 있다. 더 경량의 부품을 얻기 위해서는 더 고강도의 재료가 필요하며, 디자인을 위한 재료 특성이 확립되어야 한다. 현재, A356.0으로 만들어진 주조 재료로서 가장 흔히 사용되는 Al-Si₇-Mg 합금은 최종적으로 290MPa(42,060psi)의 인장 강도와 220MPa(31,908psi)의 인장 항복 강도를 신뢰성 있게 보증할 수 있고, 연신율은 8% 이상이다.

다양한 대체 합금들이 존재하며, Al-Si₇-Mg 합금보다 더 높은 강도를 나타낸다고 기록된다. 그러나, 이들은 주조성, 부식 가능성 또는 유동성에 문제를 나타내는데, 이것은 쉽게 극복될 수 없다. 따라서, 대체 합금은 사용하는데 덜 적합하다.

고강도가 필요한 경우, 단조 제품이 종종 사용된다. 이들은 보통 주조 제품보다 더 고가이다. 강도, 연신율, 내부식성, 피로 강도 등의 손실 없이 단조 제품을 대신하여 주조 제품이 사용될 수 있다면 비용이 상당히 절약될 가능성이 있다. 이것은 자동차 및 항공우주선 용도에서 모두 사실이다.

Al-Si₇-Mg 재료보다 높은 인장 강도 및 피로 저항을 나타내는 주조 합금이 바람직하다. 그러한 개선된 것은 새로운 부품이나 현재 존재하는 부품에서 중량을 줄이기 위해 사용될 수 있으며, 현재 존재하는 부품은 개선된 재료 특성을 사용하여 더욱 유리하게 다시 디자인될 수 있다.

발명의 소개

본 발명의 합금은 하기 조성 범위(모두 중량%)를 갖는 Al-Zn-Mg 기재 합금으로서, 저압 영구 또는 반영구 주형, 스퀴즈, 고압 다이, 가압 또는 중력 주조, 로스트 발포, 인베스트먼트 캐스팅, V형 주형, 또는 사형 주조에 알맞다.

Zn: 약 3.5~5.5%,

Mg: 약 0.8~1.5%,

Si: 약 1.0% 미만,

Mn: 약 0.30% 미만,

Fe 및 다른 부수적 불순물: 약 0.30% 미만.

주조성을 개선하기 위해서 약 1.0%까지 규소가 사용될 수 있다. 강도를 증가시키 위해서는 더 낮은 수준의 규소가 사용될 수 있다. 어떤 용도에서, 주조성을 개선하기 위해서 약 0.3%까지 망간이 사용될 수 있다. 다른 용도에서는 망간이 사용되지 않을 수 있다.

또한, 합금은 붕화티탄 TiB₂ 또는 탄화티탄 TiC와 같은 결정 미세화제 및/또는 지르코늄 또는 스칸듐과 같은 재결정화 방지제를 함유할 수 있다. 결정 미세화제로서 붕화티탄이 사용되는 경우, 합금에서 붕소의 농도는 0.0025% 내지 0.05%의 범위일 수 있다. 마찬가지로, 결정 미세화제로서 탄화티탄이 사용되는 경우, 합금에서 탄소의 농도는 0.0025% 내지 0.05%의 범위일 수 있다. 전형적인 결정 미세화제는 TiC 또는 TiB₂를 함유하는 알루미늄 합금이다.

용체화 처리 동안 결정 성장을 방지하기 위해 지르코늄이 사용되는 경우, 지르코늄은 일반적으로 0.2% 이하의 범위로 사용된다. 또한, 스칸듐은 0.3% 이하의 범위로 사용될 수 있다.

본 발명의 목적은 우수한 강도, 성형 주물을 형성하는 우수한 주조성, 우수한 내부식성 및 우수한 열충격 저항을 갖는 알루미늄 합금의 범위를 제공하는 것이다. 강도 및 외관을 위해서는, 특히 양극처리된 다음 투명한 마무리층으로 코팅되는 구성요소를 위해서는 미세한 결정 크기가 주로 바람직하다.

발명의 개요

한 양태에서, 본 발명은 약 3.5~5.5% Zn, 약 0.8~1.5% Mg를 포함하는 알루미늄 합금이다. 그것은 약 1% 미만의 Si; 약 0.30% 미만의 Mn; 및 0.30% 미만의 Fe 및 다른 부수적인 불순물을 함유한다.

다른 양태에서, 본 발명은 약 3.5~5.5% Zn, 약 0.8~1.5% Mg, 및 약 1% 미만의 Si, 약 0.30% 미만의 Mn, 및 0.30% 미만의 Fe 및 다른 부수적인 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 열 처리가능한 성형 주물이다.

다른 양태에서, 본 발명은 열 처리가능한 알루미늄 합금 성형 주물의 제조방법이다. 이 방법은, 약 3.5~5.5% Zn, 약 0.8~1.5% Mg, 및 약 1% 미만의 Si, 약 0.30% 미만의 Mn, 및 0.30% 미만의 Fe 및 다른 부수적인 불순물을 포함하는 알루미늄 합금의 용융 매스를 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 용융 매스의 적어도 일부분을 성형 주물을 생산하도록 구성된 주형에서 주조하는 단계, 용융 매스를 고화시키는 단계, 및 성형 주물을 몰드에서 제거하는 단계를 더 포함한다.

도면은 구리를 갖는 Al-Zn-Mg 합금 및 구리를 갖지 않는 Al-Zn-Mg 합금에 대한 ASTM G44 응력 부식 시험의 결과를 나타낸다.

바람직한 구체예의 상세한 설명 및 선행기술 합금과의 비교

본원에서 값들의 어떤 수치 범위를 언급할 때, 그러한 범위는 기술된 범위의 최소값 및 최대값 사이의 각 그리고 모든 수 및/또는 분수를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 약 3.5 내지 5.5wt% 아연의 범위는, 약 3.6, 3.7, 3.8 및 3.9%의 모든 중간값들을 명백히 포함하며, 5.3, 5.35, 5.4, 5.475 및 5.499% Zn을 포함하여 그 이하를 모두 포함한다. 본원에 제시된 각 다른 수치 특성 및 원소 범위에도 동일하게 적용된다.

본 발명에 따르는 합금은 구리를 함유하는 유사한 Al-Zn-Mg 합금과 비교하여 시험되었다. 샘플은 0.1℃/초의 냉각 속도로 방향성 있게 고화되었다. 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타낸 첫 번째 합금은 Al-4.5Zn-1.2Mg였다. 2개 샘플을 T5 및 T6 템퍼에서 각각 시험했다. T5 및 T6 템퍼 모두에서, 합금의 2개 샘플에 대해 인장 강도와 항복 강도는 메가파스칼로, 연신율은 %로 나타낸다. 이 합금은 본 발명의 예이다.

표 1에 나타낸 두 번째 합금 역시 본 발명의 범위 내의 조성을 가진다. 그것은 Al-4.5Zn-1.2Mg-0.4Si를 함유한다. 이것은 T5 템퍼에서 이전 합금보다 인장 강도와 항복 강도가 더 낮은 값을 나타낸다. 그러나, T6 템퍼에서는 이전 합금보다 인장 강도, 항복 강도 및 연신율이 상당히 더 높은 값을 가진다.

표 1에 나타낸 세 번째 합금은 본 발명의 조성 범위 내에 들지 않는다. 그것은 비교를 위해 제시된다. 세 번째 합금은 T5 템퍼에서, T5 템퍼에서의 두 번째 합금보다 인장 강도와 항복 강도 및 연신율이 더 높은 값을 가지지만, T6 템퍼에서는 두 번째 합금보다 인장 강도와 항복 강도 및 연신율이 더 낮은 값을 가진다.

또, 표 1에 나타낸 네 번째 합금도 본 발명의 조성 범위 내에 들지 않는다. 이것도 비교를 위해 제시된다. 제시된 데이터는, 아마도 결정 성장을 방지하기 위한 지르코늄의 효과를 예시한다. T6 템퍼에 대한 결과는 인장 강도, 항복 강도 및 연신율에 대해 매우 높은 값을 나타낸다.

본 발명에 따른 합금의 성형 주물에 대한 기계적 특성을 1차 플랜트 시험에서 시험했고, 그 결과를 표 2에 나타낸다.

1차 플랜트 시험을 위한 조성은 Al-3.5Zn-0.97Mg였다. 표에서 인장 강도와 항복 강도는 메가파스칼로, 연신율은 %로 나타낸다. 2개 샘플을 T5 템퍼에서 시험했고, 주조된 재료에 대해 2개 샘플을 시험했다. 주조된 재료의 연신율이 15.03% 및 15.95%의 비범한 값을 가졌다는 것에 주목한다.

또한, 표 1의 합금보다 마그네슘을 약간 더 함유하는 합금을 2차 플랜트 시험에서 시험했다. 2차 플랜트 시험의 데이터를 표 3에 나타낸다.

표 3의 데이터는 Al-3.5Zn-1.1Mg를 함유하는 합금에 대한 것이다. 이 합금은 본 발명에 따른 합금이다. 데이터는 3가지의 상이한 열 처리에 대해 표시된다. 첫 번째는 160℃에서 1시간, 두 번째는 160℃에서 6시간, 그리고 세 번째는 143℃에서 32시간이었다. 이 표에서 인장 강도와 항복 강도 값은 메가파스칼로 표시되고, 연신율은 %로 표시된다.

표 4는 표 3의 샘플과 동일한 합금에 대한 데이터를 나타낸다. 표 4에 기록된 샘플에는 T6 열 처리를 행했으며, 이것은 471℃에서 3시간, 그 다음 572℃에서 10시간, 이후 냉수 퀀칭으로 구성된다. 다음에, 샘플을 표 4에 기록된 대로 시효처리를 행하여, 표 4의 응력 결과를 얻었다. 표에서 첫째 줄은 자연적으로만 시효된 샘플에 대한 것이다.

또한, "중성 3.5% 염화나트륨 용액 중에 반복 침수에 의한 금속 및 합금 노출에 대한 표준 프랙티스"인 ASTM G44 시험을 이용하여 부식 시험을 수행했다. 이 시험에서는, 응력 상태의 샘플에 3.5% NaCl 용액에 10분간 침수 후 실험실 공기 중에 50분간 방치하는 것을 포함하는 1-시간 사이클을 행했다. 샘플은 그들의 항복 강도의 75% 응력 상태였고, 시험은 180일 동안 수행했다.

도면은 이 시험의 결과를 나타낸다. 도면으로부터 높은 마그네슘 수준에서는 구리가 응력 부식 균열을 방지하는데 필요하다는 것을 볼 수 있다. 그러나, 본 발명의 낮은 마그네슘 수준(약 1.2% Mg)에서는 구리가 필요하지 않다.

본 발명의 현재의 바람직한 구체예가 상기 제시되었지만, 본 발명이 첨부된 청구항의 범위 내에서 다른 식으로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (27)

1. 합금 성분으로서 중량%로 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 0.8~1.5%; Si: 약 1% 미만; Mn: 약 0.30% 미만; 및 Fe 및 다른 부수적인 불순물: 약 0.30% 미만을 포함하는, 성형 주물용 열 처리가능한 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서, 붕소, 탄소 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 결정 미세화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 결정 미세화제는 약 0.0025% 내지 약 0.05% 범위의 붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 결정 미세화제는 약 0.0025% 내지 약 0.05% 범위의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
5. 제 1 항에 있어서, 지르코늄, 스칸듐 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재결정화 방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재결정화 방지제는 0.2% 이하의 범위의 지르코늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재결정화 방지제는 0.3% 이하의 범위의 스칸듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2% 내지 4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.4% 내지 4.6%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.0% 내지 1.4%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.1% 내지 1.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 합금에서 철의 농도는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 합금에서 망간의 농도는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
14. 합금 성분으로서 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 0.8~1.5%; Si: 약 1% 미만; Mn: 약 0.30% 미만; 및 Fe 및 다른 부수적인 불순물: 약 0.30% 미만을 포함하는 알루미늄 합금의 성형 주물.
15. 제 14 항에 있어서, T5 열 처리 후의 성형 주물.
16. 제 14 항에 있어서, T6 열 처리 후의 성형 주물.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2% 내지 4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.4% 내지 4.6%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.0% 내지 1.4%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
20. 제 14 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.1% 내지 1.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
21. 합금 성분으로서 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 0.8~1.5%; Si: 약 1% 미만; Mn: 약 0.30% 미만; Fe 및 다른 부수적인 불순물: 약 0.30% 미만을 포함하는 알루미늄 합금의 용융 매스를 제조하는 단계;

    상기 용융 매스의 적어도 일부분을 성형 주물을 생산하도록 구성된 주형에서 주조하는 단계;

    상기 용융 매스를 상기 주형에서 고화시키는 단계; 및

    성형 주물을 상기 주형에서 제거하는 단계

    를 포함하는, 알루미늄 합금 성형 주물의 제조방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 성형 주물에 T5 열 처리를 행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 21 항에 있어서, 상기 성형 주물에 T6 열 처리를 행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 21 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2% 내지 4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 21 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.4% 내지 4.6%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 21 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.0% 내지 1.4%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 21 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.1% 내지 1.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.

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