KR20090028954A

KR20090028954A - 열간단조용 고강도 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20090028954A
Application number: KR1020070094117A
Authority: KR
Inventors: 강동포; 이우식; 김대업; 강신우; 김성환; 이정환; 권용남
Original assignee: 현대모비스 주식회사; 주식회사 센트랄; 한국기계연구원
Priority date: 2007-09-17
Filing date: 2007-09-17
Publication date: 2009-03-20

Abstract

본 발명은 열간단조용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 6000계 열간단조용 알루미늄 합금에 있어서; 중량%로, Si:0.85-1.0%, Fe:0.2% 이하, Cu:0.25-0.35%, Mn:0.3-0.4%, Mg:0.7-1.0%, Cr:0.2-0.4%, Zn:0.01% 이하, Ti:0.01-0.02% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금을 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 종래 6000계 열간단조용 알루미늄 합금에 비해 인장강도 및 항복강도가 우수하여 설계중량 및 단가절감의 효과가 있고, 또 소재의 국산화가 가능하며, 중량절감을 통해 자동차 구조용으로 사용시 연비를 개선하고 그에 따른 대기오염도 저감시키는 효과를 준다.

고강도, 열간단조, 알루미늄 합금, 6000계, 인장강도, 항복강도

Description

열간단조용 고강도 알루미늄 합금{HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY FOR HOT FORGING}

본 발명은 열간단조용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것으로, 보다 상세하게는 Si, Cu, Mn, Mg, Cr, Ti 등의 합금원소량을 조절하여 열간단조시 기존재와 동등수준의 연신율을 확보하면서 인장강도 및 항복강도는 10% 이상 향상시킬 수 있도록 개선된 열간단조용 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 유리온실, 건축자재, 자동차 부품, 기계부품 등 산업용ㆍ구조용으로 사용되는 6000계 알루미늄 합금, 특히 대표적으로 사용되는 6061, 6082와 같은 열간단조용 알루미늄 합금은 마그네실리케이트(Mg₂Si)의 시효경화 효과에 의해 비교적 높은 기계적 강도를 갖는다.

예컨대, 이러한 6000계 알루미늄 합금은 주조후 균질열처리, 압출 또는 열간가공, 시효처리로 이루어지며 이후 단조, 접합 및 기계가공 등이 수반되기도 한다.

이때, 균질열처리 온도는 고상선 직하의 온도범위에서 고온 균질처리를 행하게 되는데 이는 시효처리도중 강도에 영향을 미치는 마그네실리케이트의 석출량을 크게 하기 위해 기지내로 마그네슘 및 실리콘 원소의 고용량을 증가시키기 위함이다.

종래 6000계 열간단조용 알루미늄 합금은 중량%로, Si:1.13%, Fe:0.23%, Cu:0.04%, Mn:0.44%, Mg:1.17%, Cr:0.25%, Zn:0.01%, Ti:0.06% 및 잔부 Al로 조성되어 인장강도 330~337MPa, 항복강도 296~302MPa, 연신율 11.7~13.6%의 기계적 특성을 지녔다.

그런데, 이와 같은 종래 6000계 열간단조용 알루미늄 합금은 마그네실리케이트의 시효경화 효과를 통해 평균 인장강도 334MPa, 항복강도 298MPa 수준의 고강도 물성을 얻고는 있으나, 해당 합금을 거의 전량 수입에 의존함에 따라 안정적인 소재 공급은 물론 원가 절감 측면에 있어서도 개발의 필요성이 있게 된다.

이에 더해 종래 6000계 열간단조용 알루미늄 합금이 갖는 인장 강도와 항복강도를 넘어서는 합금을 이용하게 되면, 소재의 중량 감소하면서도 동등 성능 이상을 구현하므로 추가적인 연비 개선 효과를 얻을 수 있게 됨에 따라, 이러한 신소재 개발이 시급히 요청되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 단점을 고려하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, Si, Cu, Mn, Mg, Cr, Ti 등의 합금원소량을 조절하여 중량을 감소시킴으로써 경량화가 가능하고, 동시에 원가도 절감시킬 수 있으면서 열간단조시 기존재와 동등수준의 연신율을 확보하면서 인장강도 및 항복강도는 기존재에 비해 10% 이상 향상시킨 기계적 특성을 갖는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 6000계 열간단조용 알루미늄 합금에 있어서; 중량%로, Si:0.85-1.0%, Fe:0.2% 이하, Cu:0.25-0.35%, Mn:0.3-0.4%, Mg:0.7-1.0%, Cr:0.2-0.4%, Zn:0.01% 이하, Ti:0.01-0.02% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금을 제공한다.

이때, 상기 알루미늄 합금은 인장강도 380~383MPa, 항복강도 346~350MPa인 것에도 그 특징이 있다.

이상에서와 같이, 본 발명은 종래 6000계 열간단조용 알루미늄 합금에 비해 인장강도 및 항복강도가 우수하여 설계중량 및 단가절감의 효과가 있고, 또 소재의 국산화가 가능하며, 중량절감을 통해 자동차 구조용으로 사용시 연비를 개선하고 그에 따른 대기오염도 저감시키는 효과를 준다.

이하에서는, 본 발명에 따른 열간단조용 알루미늄 합금에 대하여 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 6000계 열간단조용 알루미늄 합금을 구성하는 성분중 Mg, Mn, Cu, Ti의 함량을 적절히 제어함으로써 열간단조 및 용체화/시효 열처리 과정을 통해 마 그네실리케이트(Mg₂Si)의 시효경화 효과를 갖도록 하고, 이에 더하여 Cu의 함량 증대를 통한 고용강화 효과를 갖도록 함으로써 보다 고강도의 기계적 특성을 갖는 알루미늄 합금을 구성하도록 한 것이다.

예컨대, 본 발명에 따른 Si의 함량은 0.85~1.0중량%로서 기존재 1.13중량% 대비 더 낮게, 그리고 Cu의 함량은 0.25~0.35중량%로서 기존재 0.04중량% 대비 더 높게, Mn의 함량은 0.3~0.4중량%로서 기존재 0.44중량% 대비 더 낮게, Mg의 함량은 0.7~1.0중량%로서 기존재 1.17중량% 대비 더 낮게, 그리고 Cr의 함량은 0.2~0.4중량%로서 기존재 0.25중량% 대비 더 높게, 아울러 Ti의 함량은 0.01~0.02중량%로서 기존재 0.06중량% 대비 더 낮게 설계한 것이다.

이를 알기 쉽게 표로 정리하면 하기한 표 1과 같다.

성분	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Al
조성비	0.85 - 1.0	0.2 이하	0.25 - 0.35	0.3 - 0.4	0.7 - 1.0	0.2 - 0.4	0.01 이하	0.01 - 0.02	Bal.

(이때, 상기 표 1에서 조성비는 모두 중량%이다.)

그러면, 상기의 성분과 조성비를 갖는 본 발명 열간단조용 알루미늄 합금의 수치한정 사유에 대하여 설명한다.

[Si:0.85-1.0중량%]

Si는 응고잠열이 높으며 규소(Si) 고유의 경도가 매우 높기 때문에 알루미늄 합금으로 가장 널리 사용되는 합금원소로써 그 첨가량이 중량비 12.6%이하에서 공정 규소조직을 나타내게 되며 그 첨가량의 결정에 있어서 강도의 측면과 연신율의 측면을 고려해야 되며, 본 발명에서는 고온성형성을 유지하면서 연신율을 극대화할 수 있도록 0.85~1.0중량%로 함이 바람직하다.

[Fe:0.2중량% 이하]

Fe는 대표적인 불순물 원소로서 0.2중량% 이상 함유시 금속간 화합물을 형성하여 고온성형성을 저하시키므로 0.2중량% 이하로 첨가되어야 한다.

[Cu:0.25-0.35중량%]

Cu는 강도 및 굽힘성을 향상시키며 소부처리시 시효경화로 강도를 증가시키는 주요한 첨가원소로서, 본 발명에서는 그 함량이 0.25중량% 이하이면 강도향상이 미약하고, 0.35중량% 이상이면 강도는 향상되지만 연신율이 저하되므로 상기 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[Mn:0.3-0.4중량%]

Mn은 Mn₃Al 화합물 형성을 통해 결정립을 미세화시킴으로써 강도를 향상시키기 위한 첨가원소로서, 0.3중량% 이하로 첨가되면 강도향상이 미미하고, 0.4중량% 이상으로 첨가되면 강도는 향상되나 연실율이 급격히 떨어지므로 상기 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[Mg:0.7-1.0중량%]

Mg는 고용체 경화를 위해 첨가되는 원소로서, 기지조직의 강도를 높이며 함량증가에 따라 강도도 향상되지만 1.0중량%를 넘게 되면 성형성을 떨어뜨리므로 그 이하로 첨가되어야 하며, 0.7중량% 이하로 첨가되게 되면 고용체 경화효과가 떨어지므로 상기 범위로 첨가됨이 바람직하다.

[Cr:0.2-0.4중량%]

Cr은 재결정층의 생성과 성장을 억제하여 고온 성형성을 향상시키기 위해 첨가되는 원소로서, 0.2중량% 이하로 첨가되게 되면 고온 성형성이 저하되고, 0.4중량% 이상으로 첨가되게 되면 거대 금속간 화합물을 생성하여 고온 성형성을 오히려 크게 감소시키므로 상기 범위로 제한함이 바람직하다.

[Zn:0.01중량% 이하]

Zn은 Cu와 더블어 부식저항성의 손실없이 강도를 향상시키기 위한 것이기는 하나 본 발명에서는 불순물로 작용하므로 가능하면 적게 첨가되는 것이 바람직하며, 특히 바람직한 범위로는 0.01중량% 이하이다.

[Ti:0.01-0.02중량%]

Ti는 Cr, Mn 등의 첨가에 의한 거대 금속간 화합물의 크기를 감소시키기 위해 첨가되는 원소로서, 0.01중량% 이하로 첨가되게 되면 거대 금속간 화합물의 크기 감소 효과가 없고, 0.02중량% 이상으로 첨가되게 되면 성형성이 악화되므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다.

이와 같은 성분조성으로 이루어진 본 발명 열간단조용 알루미늄 합금은 공지의 연주공정을 거쳐 연주형재로 제조되어 제품화되게 된다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

본 발명에 따른 알루미늄 합금의 특성(인장강도, 항복강도, 연신율) 확인을 위해 본 발명의 범주내에서 하기한 표 2와 같은 성분조성으로 이루어진 발명재1,2,3을 연주공정을 거쳐 동일크기의 시험편으로 만들었다.

성분	Si	Fe	Cu	Mg	Mn	Cr	Zn	Ti	Al
기존재	1.13	0.23	0.04	1.17	0.44	0.25	0.01	0.06	Bal.
발명재1	0.91	0.2	0.3	0.77	0.31	0.21	0.005	0.02	Bal.

(이때, 상기 표 2에서 조성비는 모두 중량%이다.)

상기 조성비로 이루어진 기존재와, 발명재1,2,3의 특성 비교를 위해 이들 시험편을 각각 최대 하중 200KN, 시험속도 1mm/min인 인장시험기(MTS사社)를 이용하여 인장강도와 항복강도를 계측하였으며, 이러한 계측을 통해 얻어지는 값을 연산하여 연신율[연신율=(늘어난길이-원래의 길이/원래의 길이)*100]을 산출하였으며, 이들값을 하기한 표 3에 나타내었다.

구분	인장강도(MPa)	항복강도(MPa)	연신율(%)
기존재	335	297	11.7
발명재1	383	350	11.6

상기 표 3의 결과에서와 같이, 본 발명에 따른 조성비를 갖는 Si, Cu, Mn, Mg, Cr, Ti 등의 합금원소량을 조절하는 것에 의해 경량화가 가능하고, 동시에 원가도 절감시킬 수 있으면서 열간단조시 기존재와 동등수준의 연신율을 확보하면서 인장강도 및 항복강도는 기존재에 비해 10% 이상 향상시킨 기계적 특성을 갖는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금을 제조할 수 있음을 확인하였다.

Claims

6000계 열간단조용 알루미늄 합금에 있어서;

중량%로,

Si:0.85-1.0%, Fe:0.2% 이하, Cu:0.25-0.35%, Mn:0.3-0.4%, Mg:0.7-1.0%, Cr:0.2-0.4%, Zn:0.01% 이하, Ti:0.01-0.02% 및 잔부 Al로 조성된 것을 특징으로 하는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금.
청구항 1에 있어서;

상기 알루미늄 합금은 인장강도 380~383MPa, 항복강도 346~350MPa인 것을 특징으로 하는 열간단조용 고강도 알루미늄 합금.