KR20070010197A - 심미적 양극 처리가 가능하고, 기계적 내구성이 높은 가단알루미늄 합금, 그의 제조 방법 및 상기 합금을 기재로 한알루미늄 제품 - Google Patents

심미적 양극 처리가 가능하고, 기계적 내구성이 높은 가단알루미늄 합금, 그의 제조 방법 및 상기 합금을 기재로 한알루미늄 제품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 심미적 양극 처리가 가능하고, 기계적 내구성이 높은, AlMgSi 타입의 가단(malleable) 알루미늄 합금, 상기 합금으로 제조된 스트립, 시트 또는 압출 형재 형태의 반제품 및 상기 반제품으로부터 제조된, 특히 성형 및 심미적으로 양극 처리된(decoratively anodized) 부품에 관한 것이다. 본 발명의 범주에는 그러한 알루미늄 합금 부품을 제조하는 방법도 포함된다. 이러한 알루미늄 합금은 상기 합금 내에 함유된 중량 퍼센트의 스트론튬 및 마그네슘 대 실리콘의 소정의 중량비 및 스트론튬 대 철의 소정의 중량비에 의해 획득되는 우수한 가단성(malleability)을 갖는다.

Description

심미적 양극 처리가 가능하고, 기계적 내구성이 높은 가단 알루미늄 합금, 그의 제조 방법 및 상기 합금을 기재로 한 알루미늄 제품{MALLEABLE, HIGH MECHANICAL STRENGTH ALUMINUM ALLOY WHICH CAN BE ANODIZED IN A DECORATIVE MANNER, METHOD FOR PRODUCING THE SAME AND ALUMINUM PRODUCT BASED ON SAID ALLOY}
본 발명은 심미적 양극 처리가 가능하고, 기계적 내구성이 높은, AlMgSi 타입의 가단(malleable) 알루미늄 합금, 상기 합금으로 제조된 스트립, 시트 또는 압출 형재 형태의 반제품 및 상기 반제품으로부터 제조된, 특히 성형되고 심미적으로 양극 처리된 부품에 관한 것이다. 본 발명의 범주에는 그러한 알루미늄 합금 부품을 제조하는 방법도 포함된다.
알루미늄 판으로부터 심미적 양극 처리된 부품을 제조하기 위해 통상 비합금 알루미늄(1xxx 합금), AlMg 합금(5xxx 합금) 또는 8xxx 합금 타입의 클래드 시스템(cladded systems), 비합금 알루미늄(1xxx 합금)으로 된 클래드가 사용된다. 이러한 류의 재료는 모두 경화될 수 없다. 즉, 가공 경화에 의해서만 강도 증가가 이루어지고, 후속하는 가공 경화의 소실은 열적 연화(thermal softening)에 의해 이루어진다. 따라서 이러한 모든 시스템에서는, 상기 시스템의 가단성 및 강도 상태는 예컨대 롤링 공정에 의해 경화되거나 후속하는 어닐링(annealing)을 통해 경화 가 소실될 수 있는 반제품 인도 상태(as-received condition)에 의해 결정된다는 사실이 고려된다. 즉, 우수한 가단성의 관점에서 상기 시스템을 최대 경화 소실 상태에서 사용한 다음 변형하는 것이 가능하다. 그러나 변형 프로세스 이후에는 사용 특성의 개선을 위한 경화가 더 이상 일어나지 않는다. 우수한 사용 특성의 관점에서 경도가 더 높은 상태에 있는 시스템이 사용될 수 있으나, 공급 상태의 높은 초기 경도로 인해 성형 단계를 위한 변형 능력이 크게 제한된다.
예컨대 EP 0 714 993 및 EP 0 811 700으로부터 변형 능력이 우수한 열 경화 가능 AlMgSi 합금(6xxx)이 공지되어 있다. 공지된 이 AlMgSi 합금은 스트립 및 시트의 제조에도 사용된다. 또한, 우수한 딥 드로잉 특성(deep drawing property)으로 인해 자동차 산업용 차체 강판의 제조에도 적합하다. 상기 문서에 공지된 합금 조성에 의해 우수한 경도와 우수한 변형 특성 사이의 최적의 조건이 획득된다. 그러나 상기 합금은 심미적 특성이 없다. 특히, EP 0 811 700에 공개되어 있는 0.25 내지 0.55 중량 퍼센트의 철 함량은 너무 높아, 엘록살(Eloxal) 층의 혼탁화(haze)를 야기하기 때문에, 광택이 덜하고 양극 처리가 불가능하다. 철로 형성된 4원(quaternary) 금속간 화합물 FeSiMaMn 상을 엘록살 층 내로 삽입하는 것이 공지되어 있다. 엘록살 층 내에서 이러한 거친 입자는 광산란을 야기하고, 이것이 관찰자에게는 헤이즈(haze)로 보인다. EP 0 174 993에 언급된 바나듐의 함량(0.05 내지 0.4 중량 퍼센트)에서도 투명도가 불충분한 엘록살 층이 얻어진다. 뿐만 아니라, 바나듐 함량을 더 높이면 용융물 내에서 용해시키기가 더 어려워진다. 바나듐을 지르코늄이나 크롬과 같은 다른 재결정 억제제(recrystallization inhibitor)로 대체하는 방법 역시 원하는 결과를 얻지 못한다. 크롬 및 지르코늄은 연마 또는 전자 연마(electropolishing)시 황색끼가 나타나도록 작용한다.
따라서 출원인에 의해 심미적 부품용으로 사용되는, 공지된 압출 형재용 Al99.9MgSi 합금(6401 special)은 지르코늄, 바나듐 또는 크롬을 함유하지 않는다. 0.04 중량 퍼센트 이하의 철 함량을 갖는 AlMgSi 합금의 불순물도 역시 제한된다. 그럼으로써 전술한 엘록살 결함의 방지 그리고 연마 및 전자 연마된 부품의 높은 광택도의 달성이 보증된다. 그러나 상기 합금은, 재결정 억제제(Fe, Zr, Cr, V)의 결핍으로 인해 상대적으로 입자가 거칠어 너무 이른 시기에 단면 수축 및 오렌지 필(orange peel) 현상이 발생하기 때문에, 최적의 변형 능력을 갖지는 못한다.
따라서 압출 제품 또는 압연 제품을 위한 합금 조성의 선택을 통해, 최종 강도(final strength), 연성(ductility) 및 점성으로 표현되는 가단성, 심미적 외관 및 기계적 내구성의 관점에서 절충안이 수용된다.
본 발명의 목적은, 사용 상태에서 충분한 강도 및 연성을 가지며 심미적으로 양극 처리될 수 있고, 높은 변형 능력을 갖는 부품을 위한 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1에 언급된 조성 및 특징들을 가진 알루미늄 합금에 의해 달성된다. 기계적 강도 및 변형 양상과 관련한 최적의 특성은 한 편으로 0.3 내지 0.9 중량 퍼센트의 실리콘 함량 및 0.1 내지 0.5 중량 퍼센트의 마그네슘 함량에 의해 획득되는데, 이때 상기 두 성분의 중량비는 실리콘이 마그네슘보다 많이 포함되도록, 특히 실리콘-마그네슘 중량비가 1.8 내지 3.3이 되도록 조정된다. 혼 합 결정 경화를 야기하는 0.1 내지 0.4 중량 퍼센트의 구리 함량이 추가로 강도에 기여한다. 우수한 변형 능력은 재결정 억제제(철, 지르코늄, 크롬, 바나듐)의 함량에 의해 보증된다. 철은 모합금(master alloy)에서 종종 불순물로서 존재한다. 그러나 0.2 중량 퍼센트의 함량까지 합금에 의해 첨가될 수도 있다. 지르코늄, 크롬 및 바나듐은 개별적으로 또는 합쳐서 0.22 중량 퍼센트 이하의 함량으로 합금에 함유될 수 있다. 전술한 재결정 억제제가 존재함에도 본 발명에 따른 합금은 심미적 양극 처리가 가능하며, 황색끼가 있거나 탁한(hazy) 엘록살 층이 나타나지 않는다. 이는 0.005 내지 0.1 중량 퍼센트의 스트론튬 함량에 기인한다. 스트론튬이 철, 지르코늄, 크롬 및/또는 바나듐을 함유한 상(phase)을 변화시킨다고, 특히 상기 상들이 엘록살 층에 삽입되어도 식별 가능한 탁해짐을 야기하지 않을 정도로 정제한다고 가정해보자. 놀랍게도, 철과 스트론튬의 중량비가 3:1 내지 5:1인 경우가 특히 바람직한 것으로 판명되었다.
이러한 합금은 99.85 중량 퍼센트 이상의 알루미늄 함량을 가진 알루미늄 기본 재료로부터 제조된다. 상기 용융물에 하기와 같은 합금 성분, 즉 0.3 내지 0.9 중량 퍼센트의 실리콘, 0.1 내지 0.5 중량 퍼센트의 마그네슘이 첨가되고, 이때 실리콘과 마그네슘의 중량비는 1.8:1 내지 3.3:1이다. 기본 재료 내에 불순물로서 존재할 수 있는 알루미늄 기본 재료의 철 함량이 결정된 후 필요에 따라 추가의 철이 합금됨에 따라, 제조될 합금이 0.2 중량 퍼센트 이하의 철을 함유한다. 계속해서 0.005 내지 0.1 중량 퍼센트의 스트론튬이 첨가되며, 이때 철과 스트론튬의 중량비는 3:1 내지 5:1로 설정된다. 바람직하게는 0.008 내지 0.07 중량 퍼센트의 스트론튬이 첨가된다. 추가의 합금 성분으로서 0.1 내지 0.4 중량 퍼센트의 구리, 0.03 내지 0.2 중량 퍼센트의 망간, 0.01 중량 퍼센트의 티탄 그리고 총 0.08 내지 0.22 중량 퍼센트의 지르코늄 및/또는 크롬 및/또는 바나듐이 첨가된다. 합금은 각각 최대 0.04 중량 퍼센트의 아연 및 최대 0.02 중량 퍼센트의 불가피한 불순물을 함유하거나, 모두 합해서 최대 0.15 중량 퍼센트의 아연과 불순물을 함유한다. 그 밖에도 합금의 식별을 위해 소정의 함량, 즉 0.0005 내지 0.005 중량 퍼센트의 은이 첨가될 수 있다.
그렇게 하여 제조된 용융물은 연속 주조 프로세스에서 압연 잉곳(rolling ingots) 또는 연속 주조 빌렛(continuous casting billet)에 부어진 다음 균질화된다(최소 500℃에서, 최소 2시간 동안 어닐링). 알루미늄 기본 재료로서 바람직하게 적어도 99.85 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유한 순알루미늄이 사용됨에 따라 불순물의 함량이 최소화되고, 불가피한 불순물의 함량이 총 최대 0.15 중량 퍼센트를 넘지 않게 된다. 합금 성분들은 고순도 금속 또는 모합금의 형태로 첨가될 수 있다. 스트론튬은 바람직하게 알루미늄-스트론튬 모합금의 형태로, 특히 AlSr3.5 모합금, AlSr5 모합금 또는 AlSr10 모합금을 이용하여, 첨가된다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금의 균질화된 연속 주조 빌렛으로부터 압출 성형에 의해 개방형 또는 중공형 압출 성형품이 얻어지고, 상기 압출 성형품은 통상 연신되어 절단 공정을 통해 재단된다. 원하는 길이로 제공된 형재들로부터 후속하는 성형, 특히 압연, 휨, 딥 드로잉 또는 활성 매질을 기재로 한 박판 성형 및 관 성형(tube forming)과 같은 냉간 성형을 통해 3차원 관 성형품이 제조될 수 있다. 제조된 부품에서는, 성형시 휨 프로세스가 사용되느냐, 활성 매질에 기재한 성형이 사용되느냐 아니면 딥 드로잉이 사용되느냐와는 무관하게, 오렌지 필의 발생이 매우 미미하면서도 작은 스프링 백(spring back)으로 인한 우수한 윤곽 정밀도가 나타난다. 상기 성형에 이어서 합금의 경화성에 의해 강도 및 연성이 조정될 수 있다. 경화 후에는 경우에 따른 기계 가공 외에 특히 부품의 화학 처리 및 전해 처리가 실시된다. 그러한 화학 처리 및 전해 처리에는 연마(polishing), 버니싱(burnishing), 양극 처리(anodizing), 경우에 따라 착색 및 부품의 밀봉 패킹이 포함된다. 심미적으로 양극 처리된 성형 알루미늄 부품의 엘록살 층의 품질은 매우 만족할 만하고, 투명하다. 즉, 탁함 및 황색끼가 전혀 보이지 않는다.
압연 잉곳으로부터 열간 압연을 통해 시트바(sheet bar)가 획득되고, 상기 시트바는 냉간 압연 및 중간 어닐링에 의해 계속 처리될 수 있다. 딥 드로잉, 표면의 패터닝(patterning) 및 다듬질(smoothing) 또는 거칠기 처리(roughening)를 포함하는 활성 매질을 기재로 한 박판 성형 및 경우에 따른 추가의 구상화 어닐링(spheroidizing), 경우 따른 기계 가공과 같은 추가의 성형 단계를 통해 반제품이 형성되고, 이 반제품에도 마찬가지로 후속하는 화학 처리 또는 전해 처리를 통해 심미적 엘록살 층이 제공될 수 있다. 이러한 제조 프로세스에서도, 알루미늄 합금이 실온에서 아주 미미한 오렌지 필의 발생 하에 우수하거나 매우 우수한 변형 특성을 지니고, 안정적인 변형 특성을 보이며, 부품의 우수한 윤곽 정밀성을 야기한다는 사실이 입증될 수 있다. 엘록살 층에는 전혀 결함이 나타나지 않으며, 그 반대로, 기본 재료로서 최소 99.9 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유한 순알루미늄이 사 용되는 경우, 오히려 광택이 있는 표면이 구현될 수 있다.
하기에는 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 실시예들이 3개의 표로 재현되어 있다. 표 1은 상대적으로 강도가 높은 AlMgSi 합금이 기재되어 있고, 표 2는 중간 강도의 AlMgSi 합금이 기재되어 있으며, 표 3에는 상대적으로 강도가 낮은 AlMgSi 합금이 기재되어 있다. 표 4에는 공지되어 있는 비교 합금들, 특히 기존에 심미적 용도로 사용되었으나 최적의 변형 특성은 보이지 않는 중간 강도의 AlMgSi 합금인 출원인의 AA6401 특수 합금이 기재되어 있다. 그 외 비교 합금들은 최적의 강도 및 최적의 변형 특성을 지니고 있지만, 심미적인 양극 처리는 불가능한 것들이다.
심미적 양극 처리된 알루미늄 성형품을 제조하기 위한 여러 방법 변형들의 개요를 하기의 도식으로 나타내었다.
Figure 112006090803358-PCT00001
Figure 112006090803358-PCT00002
상기 방법 변형예들 중 하나에 따라 본 발명에 따른 합금으로부터 연속 주조, 균질화, 압출 성형, 연신, 신장, 트리밍(trimming), 딥 드로잉, 연마, 버니싱, 양극 처리를 통해 알루미늄 부품을 제조하였다. 비교를 위해 6401 합금 및 6016 합금으로부터 동일한 방법에 따라 동일하게 성형된 부품을 제조하였다. 상기 부품들의 특성을 표 5에 기재하였다. 표면 특성을 위해 완성된 부품의 상이한 표면 영역들에서의 이미지 선명도(image sharpness)를 측정하였다. 높은 이미지 선명도는 높은 광택 및 높은 이미지 정확도의 척도이다. 즉, 이미지의 선들이 곧은지 아니면 변형되는지의 여부를 표현한다. 이를 위해, 사전에 상이한 합금들의 평평한 압 출 형재들 위에 제공된 측정 격자(measuring grid)의 보조 하에 딥 드로잉과 유사한 프로세스 이후에 변경된 기준선 격자로부터 변형도를 측정하였다. 물론 본 발명에 따른 부품은 단일 부품으로서 변형 능력이 우수한 정도(40%)였을 때 높은 이미지 선명도(80%)를 나타내었다.
Figure 112006090803358-PCT00003
Figure 112006090803358-PCT00004
Figure 112006090803358-PCT00005
Figure 112006090803358-PCT00006
표 5: 상이한 알루미늄 부품들의 특성
알루미늄 부품의 재료 이미지 선명도 변형도
6401 80% 최대 20%
6016 30% 최대 45%
본 발명에 따른 알루미늄 합금 80% 최대 40%

Claims (17)

  1. 0.3 내지 0.9 중량 퍼센트의 실리콘,
    0.1 내지 0.5 중량 퍼센트의 마그네슘,
    0.2 중량 퍼센트 이하의 철,
    0.1 내지 0.4 중량 퍼센트의 구리,
    0.03 내지 0.2 중량 퍼센트의 망간,
    0.01 중량 퍼센트의 티탄,
    총 0.08 내지 0.22 중량 퍼센트의 지르코늄 및/또는 크롬 및/또는 바나듐,
    0.005 내지 0.1 중량 퍼센트의 스트론튬,
    최대 0.04 중량 퍼센트의 아연,
    각각 최대 0.02 중량 퍼센트의 불가피한 불순물,
    모두 최대 0.15 중량 퍼센트의 불가피한 불순물,
    나머지 알루미늄으로 이루어진 조성을 가지며,
    상기 실리콘과 마그네슘의 중량비는 1.8:1 내지 3.3:1인,
    심미적 양극 처리(decorative anodizing)가 가능하고, 기계적 내구성이 높은, 가단(malleable) 알루미늄 합금에 있어서,
    철과 스트론튬의 중량비는 3:1 내지 5:1인 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금.
  2. 제 1항에 있어서,
    0.008 내지 0.07 중량 퍼센트의 스트론튬이 함유된 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 합금의 식별을 위해 0.0005 내지 0.005 중량 퍼센트의 은이 함유된 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금.
  4. 알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    99.7 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유한 알루미늄 기본 재료를 용융하고, 상기 알루미늄 용융물에
    0.3 내지 0.9 중량 퍼센트의 실리콘,
    0.1 내지 0.5 중량 퍼센트의 마그네슘, - 실리콘과 마그네슘의 중량비는 1.8:1 내지 3.3:1 -
    0.2 중량 퍼센트 이하의 철,
    0.005 내지 0.1 중량 퍼센트의 스트론튬, - 철과 스트론튬의 중량비는 3:1 내지 5:1 -
    0.1 내지 0.4 중량 퍼센트의 구리,
    0.03 내지 0.2 중량 퍼센트의 망간,
    0.01 중량 퍼센트의 티탄,
    총 0.08 내지 0.22 중량 퍼센트의 지르코늄 및/또는 크롬 및/또는 바나듐,
    최대 0.04 중량 퍼센트의 아연,
    각각 최대 0.02 중량 퍼센트의 불가피한 불순물,
    모두 최대 0.15 중량 퍼센트의 불가피한 불순물,
    나머지 알루미늄
    으로 이루어진 전체 조성 이하로 합금 성분들을 첨가하는 단계,
    상기 알루미늄 합금 용융물을 압연 잉곳(rolling ingots) 또는 연속 주조 빌렛(continuous casting billet)에 붓는 단계,
    상기 압연 잉곳 또는 연속 주조 빌렛을 균질화하는 단계,
    열간 성형 및 필요한 경우 냉각 성형을 통해 반제품으로 성형하는 단계,
    성형된 반제품의 양극 산화 처리를 포함한 화학 표면 처리 및/또는 전해 표면 처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    사용된 알루미늄 기본 재료의 철 함량이 정해지고, 스트론튬 및 추가의 철을 첨가하여 원하는 철과 스트론튬의 중량비를 조정하는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 알루미늄 기본 재료로서 최소 99.9 중량 퍼센트의 알루미늄을 함유한 순알루미늄이 사용되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  7. 제 4항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스트론튬은 알루미늄-스트론튬 모합금(master alloy)의 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스트론튬이 AlSr5 모합금, AlSr10 모합금 또는 AlSr3.5 모합금의 형태로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  9. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균질화된 압연 잉곳을 열간 압연을 통해 시트바(sheet bar)로 열간 성형하는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 시트바는 경우에 따라 중간 어닐링을 통해 원하는 최종 두께로 냉간 압연되고, 경우에 따른 재결정 어닐링 및/또는 경화 소실 어닐링 이후에 표면의 패터닝(patterning), 다듬질(smoothing) 또는 거칠기 처리(roughening)를 거치며, 경우에 따라 추가로 구상화 어닐링(spheroidizing)이 실시된 다음 원하는 길이의 시트편들(sheet pieces)로서 분리되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  11. 제 4항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 균질화된 연속 주조 빌렛이 압출 성형을 통해 개방형 또는 중공형 압출 형재로 열간 성형되고, 연신되어 성형편들(profiled pieces)로 트리밍(trimming)되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 성형편들 또는 시트편들이 하나 이상의 추가 단계에서, 특히 압연 또는 굽힘 또는 딥 드로잉 또는 활성 매질을 기재로 한 관(tube) 성형 또는 박판 성형을 통해, 냉간 성형되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  13. 제 4항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    성형된 반제품이 연마되고, 버니싱되고, 양극 산화 처리되고 밀봉(packing)되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    추가로 전해 착색이 실시되는 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 합금으로부터 심미적 양극 처리된 성형 부품을 제조하는 방법.
  15. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 조성을 가진 알루미늄 합금으로 제조된 알루미늄 제품.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 알루미늄 제품은 스트립이거나, 박판이거나, 압출 형재이거나, 이러한 반제품으로부터 제조된 성형 부품인 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 제품.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 알루미늄 제품은 심미적으로 양극 처리된 성형 부품인 것을 특징으로 하는,
    알루미늄 제품.
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