KR20120020406A

KR20120020406A - 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금

Info

Publication number: KR20120020406A
Application number: KR1020100084007A
Authority: KR
Inventors: 김재민
Original assignee: 주식회사 브이엘유; 이명은
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2012-03-08

Abstract

본 발명에 따라서 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금이 제공되는데, 상기 합금은 실리콘(Si) 0.35~0.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.9 wt%, 구리(Cu) 2.0~2.1 wt%, 아연(Zn) 19.5~40.5 wt%, 철(Fe) 0.6 wt% max, 망간(Mn) 0.2 wt% max, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.03~0.05 wt%, 기타 불순물 0.05 wt% max 및 잔부 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금{Al-Zn ALLOY FOR CASTING}

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 경량이면서도 고강도를 확보하여, IT 제품에 사용 가능한 주조용 알루미늄-아연 합금에 관한 것이다.

일반적으로, 알루미늄-아연(Al-Zn) 합금은 주조성(castability)이 나쁘고 고압 주조시 hot crack의 발생 문제, 금속 소착 등의 문제 때문에, 주로 고체 상태에서의 압연, 압출 등에 의한 판재로 이용되며, 주조재로의 사용이 극히 제한적이다. 이러한 문제를 극복하고 주조재로의 활용을 위해 실험실 등에서 많은 연구가 시도되고 있으나, 아직 효과적인 방법을 찾지 못하고 있다.

보통, 고력 알루미늄 합금에는 Al-Cu, Al-Si-Mg, Al-Zn계 등의 합금군이 사용화되고 있으며, 이중 초 두랄루민 합금이라 불리며 매우 높은 기계적 성질을 갖고 있는 Al-Zn 합금은 자동차 및 항공소재 분야에서 많이 이용되고 있다. Al-Zn 합금은 크게 Zn을 2~4% 함유시키는 합금군과 이보다 응력부식균열 특성(SCC) 및 연신특성은 떨어지나 더 높은 강도를 갖기 위해 Zn을 5~7% 정도 함유시키는 합금군으로 구분할 수 있다. 이들 합금은 Zn의 함량이 증가할수록 hot crack의 발생 빈도가 줄어들며, 2단 열처리 등의 열처리 방법에 의해 강도를 증가시킬 수 있으나, 열처리를 실시하지 않을 경우 as cast 상태에서 공전 내 존재하는 Zn이 입계파괴의 주원인이 되어 매우 낮은 기계적 특성을 갖게 되므로, 열처리가 필수적으로 요구된다.

한편, 기계적 성질의 향상을 위하여, 스칸듐(Sc) 등과 같은 합금 첨가 원소를 이용하여 입자를 미세하게 만드는 방법이 이용되고 있는데, 이는 결정 미세화와 더불어 석출 미세 조직의 변화가 원인인 것으로 알려져 있다. 그러나, 이들 합금 원소에 따른 초소성, 재결정 거동, 결정립 미세화, 석출 등과 관련된 기계적 특성과 석출 조직적인 측면에서의 연구는 Al-Zn계 합금에서는 판재에 국한되어 사용될 수 밖에 없는 실정이다. 이는 도 1의 Al-Zn 합금의 상태도를 보면 쉽게 이해할 수 있다. 구체적으로, Al-Zn 합금의 주 범위인 Zn 2~7 wt%의 구역은 실질상 알루미늄 합금의 단상 구역이다. 따라서, 공정(eutectic) 조직에 의한 액상 분율이 거의 없고 또 고액 공존 구간이 매우 좁아 유동성이 떨어지며, Zn 합금의 잠열량이 그다지 많지 않아서, 오랫동안 액상을 유지할 수 없기 때문에, 주조재로의 사용이 어려워 판재를 딥 드로잉(deep drawing)이나 압연 등에 의한 방법으로 사용하여야 한다. 또한, 공정 조직이 나타나는 고 Zn 함량 구역의 경우, 시간 경과에 따라 강도가 저하되는 문제가 나타나기 때문에, 기존의 Al-Zn 합금에서는 공정 조직에 고 Zn 함량을 갖는 합금군은 이용하지 않고 있다.

한편, Al-Zn계 합금 대신에, 최근 Zn-Al계와 Al-Si-Mg계의 합금이 휴대폰과 같은 IT 제품에 사용되고 있다. 그러나, Zn-Al 합금계의 경우 밀도가 4.3 g/cm³에 이를 정도로 무거우며, Al-Si-Mg 합금의 경우 도장에 문제가 있고 강도가 떨어지는 문제점이 있다. 즉 최근 스마트폰과 같은 휴대용 기기의 경우, 패널이 대형화되고 있는데, 이에 충격을 가할 경우, 패널을 지지하는 Al-Si-Mg계 합금 재질의 지지 부분이 깨지는 문제점이 발생하고 있어, 패널의 대형화 추세를 따라가지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열처리를 하지 않고도 고강도를 유지하면서 주조성이 좋은 Al-Zn계 합금을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가벼우면서도 열처리를 이용하지 않더라도 높은 강도를 확보할 수 있어, 휴대폰과 같은 IT 기기에 적용 가능한 Al-Zn계 합금을 제공하는 것이다.

본 발명에 따라서 주조용 알루미늄-아연 합금이 제공되는데, 상기 합금은 실리콘(Si) 0.35~0.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.9 wt%, 구리(Cu) 2.0~2.1 wt%, 아연(Zn) 19.5~40.5 wt%, 철(Fe) 0.6 wt% max, 망간(Mn) 0.2 wt% max, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.03~0.05 wt%, 기타 불순물 0.05 wt% max 및 잔부 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 실리콘(Si)은 0.45~0.5 wt%, 마그네슘(Mg)은 0.7~0.8 wt%, 아연(Zn)은 19.5~20.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 실리콘(Si)은 0.4~0.45 wt%, 마그네슘(Mg) 0.6~0.65 wt%, 아연(Zn)은 29.5~30.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 실리콘(Si)은 0.35~0.4 wt%, 마그네슘(Mg)은 0.55~0.6 wt%, 아연(Zn)은 39.5~40.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 주조용 알루미늄-아연 합금의 밀도는 약 3.0 g/cm³일 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 주조용 알루미늄-아연 합금은 약 340~450 MPa의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 알루미늄-아연 합금은 종래의 알루미늄-아연 합금과 달리 약 20~40 wt%의 아연을 함유한다. 그럼에도 불구하고, 열처리 없이 높은 강도를 확보할 수 있으며, 특히 밀도가 종래의 Zn-Al 계열 합금과 비교하여 훨씬 낮아, 휴대폰과 같은 IT 제품에 대하여 기존의 Zn-Al 합금 및 Al-Si-Mg 합금을 대체하여 적용할 수 있다.

도 1은 Al-Zn 합금의 상태도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄-합금 시편에 대한 인장시험 결과를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금과 기존의 알루미늄 합금의 미세 조직을 보여주는 도면이다.

이하에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 사항에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에 따라서 알루미늄(Al), 아연(Zn), 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg) 등이 함유되어 구성된 주조용 고강도 알루미늄 합금이 제공되는데, 실리콘(Si) 0.35~0.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.9 wt%, 구리(Cu) 2.0~2.1 wt%, 아연(Zn) 19.5~40.5 wt%, 철(Fe) 0.6 wt% max, 망간(Mn) 0.2 wt% max, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.03~0.05 wt%, 기타 불순물 0.05 wt% max 및 잔부 알루미늄으로 이루어진다.

본 발명은 기존의 Al-Zn계 합금의 조성을 벗어나서, 약 20~40 wt%의 아연을 첨가하여, 고액 공존 구간의 범위를 넓혀 유동성을 확보함으로써, 주조를 가능하게 하고, Al 합금의 격자 분리 현상을 이용하여 응고시 초정 내에서 Al-Me(1)과 Al-Me(2)의 분리 및 정출을 통해 강화효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 다이캐스팅과 같은 급속한 냉각 도중에 열처리 없이도 Zn의 경화능을 향상시킬 수 있으며, 분리 현상시 나타나게 될 미시메탈(Me)은 추가적인 미시원소들을 이용하여 적절하게 기계적 성질을 향상시키도록 하고 있다.

이하에서는, 본 발명의 알루미늄 합금에 첨가되는 상기 각 합금 원소의 함량을 한정한 본 발명의 기술적 의미를 설명한다.

실리콘(Si)은 초정 고용시 마그네슘(Mg)과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여, 강도를 증가시킬 수 있는 원소이다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 실리콘이 0.35~0.5 wt% 첨가되는데, 실리콘 함량이 0.35 wt% 미만이면 열간 크랙 예방 및 최소 유동성 확보 효과를 얻을 수 없고, 실리콘 함량이 0.5 wt%를 넘게 되면, 입계에서 Mg₂Si가 과다 생성되어 입계 취성이 심해지므로, 상기 범위에서 첨가한다.

마그네슘(Mg)은 실리콘과 함께 초정 내에 Mg₂Si를 생성하여 강도를 증가시킬 수 있는 원소이며, 이때 Mg:Si의 비율이 3:2에서 정량반응하여 최대 Mg₂Si를 생성할 수 있다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 마그네슘이 0.55~0.8 wt% 첨가되는데, 마그네슘 함량이 0.55 wt% 미만이면 Mg₂Si의 양이 충분하지 못해 필요한 강도를 얻을 수 없으며, 마그네슘 함량이 0.8 wt%를 초과하면, Mg₂Si가 과도하게 생성되어, 인성이 떨어지고, 이에 따라 성형시 균열이 발생하기 쉬우므로, 상기 함량 범위에서 첨가한다.

구리(Cu)는 Al-Cu계 고용 및 석출물에 의한 경화 효과에 의한 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 원소로서, 석출 변태의 속도를 조절하여, 입계 주변의 고용된 Zn, Mg의 급격한 감소를 방지하여(즉, 무석출물대(PFZ)의 생성을 방해), 응력부식균열(SCC) 특성을 개선한다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 구리가 2.0~2.1 wt% 첨가되는데, 구리의 함량이 2.0 wt% 미만이면, 강도 개선의 효과가 떨어지고, 2.1 wt%를 초과하면, 내부식특성 및 고용 특성이 감소하므로, 상기 범위에서 첨가한다.

아연(Zn)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 강화 증대 주 원소로서, α 초정 내의 최대 고용 범위 내에서 첨가시 강화 효과를 나타낸다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 아연이 19.5~40.5 wt% 첨가되는데, 아연의 함량이 19.5 wt% 미만이면, 충분한 강도를 확보할 수 없고, 40.5 wt%를 초과하면, 초정 내 고용량 증가에 비해 공정 내에서 상이 발생되는 정출이 일어나 강도 향상 기여 효과가 없다. 한편, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 열처리 없이 제조되는데, 상기한 바와 같이 마그네슘 함량이 1 wt% 미만이어서, 비열처리시 Mg₂Zn의 효과는 크지 않으므로 열처리 없이 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 한편, 본 발명에서 Zn의 함량은 기존 합금의 아연 함량 범위를 벗어나는 큰 함량이다. 즉 도 1에 도시한 바와 같이, Al-Zn 합금에서 아연 함량이 본 발명과 같이 첨가되면, 공정 조직이 나타나, 시간 경과에 따라 강도가 저하되는 문제가 나타나고, 따라서 기존의 Al-Zn 합금에서는 공정 조직에서 고 Zn 함량을 갖는 Al-Zn 합금에 대해서는 이용하지 않았다. 그러나, 본 발명에서는 약 20~40 wt%의 높은 함량으로 아연을 첨가하고 있는데, 그럼에도 불구하고 Zn의 경화능을 향상시킬 수 있고, 합금의 밀도를 낮추는 등의 종래의 합금에서는 예상하지 못했던 효과를 얻을 수 있다. 즉 본 발명에서 제시한 범위로 아연을 첨가하게 되면, 도 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 고액 공존 구간이 증가함을 알 수 있다. 따라서, 유동성을 확보할 수 있어 주조가 가능해진다. 한편, 대략 40 wt% 구간 전후에서는 공정 조직이 나타나 문제가 발생할 수도 있으나, 본 발명에 따른 합금에서는 그러한 공정 조직의 비율이 극히 작고 따라서 시간 경과에 따른 강도 저하 문제는 발생하지 않으며, 오히려 후술하는 바와 같이 큰 강도를 얻을 수 있다는 것이 확인되었다.

철(Fe)은 β-Al₅FeSi 상에 의해 연신을 저하시키는 원소이지만, 소착 개선을 위해 미량, 즉 최대 0.6 wt% 첨가하며, 그 이상 과량 첨가하면 특별히 소착 개선 효과가 증대하지는 않는다.

망간(Mn)은 β-Al₅FeSi 상을 α-Al(FeMn)Si 상으로 변화시켜 연신 능력을 향상시키고, 소착을 개선시킨다. 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서는 망간이 최대 0.2 wt% 첨가되는데, 그 이상 과량 첨가되면, 연성 저하의 원인이 되는 석출상을 형성한다.

니켈(Ni)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 내부식성 향상을 위해 첨가하는 원소로서, 0.05 wt%를 초과하여 과량 첨가하여도, 내부식성 향상이 크지 않으므로, 최대 0.05 wt% 첨가한다.

티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에 첨가되어, 결정립을 미세화하여 열간 크랙을 방지해주는 원소로서, 0.03 wt% 미만으로 첨가되면, 결정립 미세화 효과를 얻기가 어렵다. 0.05 wt%를 초과하여 과량 첨가되더라도, 추가적인 결정립 미세화 효과가 일어나지 않으므로, 최대 0.05 wt% 첨가한다.

실시예

본 발명에 따른 주조용 알루미늄 합금에 대하여 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명자는 본 발명에 따라서, 표 1에 나타낸 조성을 갖는 알루미늄 합금을 통상의 알루미늄 합금 제조 방법에 따라 제조하였다.

	Compositions (wt%)
Alloy	Si	Mg	Cu	Zn	Fe	Mn	Ni	Ti	Total others	Al
HS-1 series	0.45 ~0.5	0.7 ~0.8	2.0 ~2.1	19.5 ~20.5	0.5 ~0.6	0.1 ~0.2	0.05 Max	0.03 ~0.05	0.05 Max	Bal.
HS-2 series	0.4 ~0.45	0.6 ~0.65	2.0 ~2.1	29.5 ~30.5	0.5 ~0.6	0.1 ~0.2	0.05 Max	0.03 ~0.05	0.05 Max	Bal.
HS-3 series	0.35 ~0.4	0.55 ~0.6	2.0 ~2.1	39.5 ~40.5	0.5 ~0.6	0.1 ~0.2	0.05 Max	0.03 ~0.05	0.05 Max	Bal.

구체적으로, 표 1에 나타낸 조성을 갖는 합금을 흑연 도가니에서 700℃로 설정된 전기 저항로 내에서 용해시켰다. 용해 후, 용탕 내 기공 함유량을 낮추기 위한 용탕 청정화를 실시하였다. 즉 용탕 온도를 720℃로 유지한 후, Cl 계열 탈가스 처리제를 이용하여 탈가스 처리를 수행한 후 30분간의 안정화 과정을 거친 후 사출하였다. 85 ton 다이캐스터 KDK85CT-10을 이용하여 시편을 제작하였는데, 시편 제작시 길이 135 mm, 가로 20 mm, 두께 2~10 mm인 계단형 금형을 이용하였다. 이때, 금형의 온도는 온도 조절 장치를 이용하여 150℃로 예열하였다. 한편, 사출 온도는 각 합금의 액상선 70~90℃ 직상으로 설정하였으며, 시편의 10 mm부에서 인장 시편을 취출하여, ASTM E8M 규격에 따라 인장시편을 가공하였으며, 6회의 인장평가 후 평균값을 도출하였으며, 인장 시험 결과의 data를 표 2 및 도 2에 나타내었다.

표 2 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 구성된 알루미늄 합금은 모두 그 강도가 대략 350~420 MPa에 이를 정도로 상당히 고강도임을 알 수 있다. 이러한 현상을 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3에는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 알루미늄 합금, 즉 HS-1과 기존의 Al-Zn 합금의 미세 조직이 도시되어 있다. 도시한 바와 같이, 초정 α 상의 고용 가능 영역이 증가하였음을 알 수 있는데, 이에 따라 초정 내 고용 및 석출가능 영역의 증가로 강도가 향상되는 것으로 보인다.

한편, 표 3은 본 발명에 따른 합금과 기존의 Zn-Al 합금의 성질들을 비교한 것이다. 표 3을 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 합금은 기존의 합금과 비교하여 그 밀도가 매우 낮음을 알 수 있다. 즉 본 발명의 합금은 기존의 합금보다 상당히 가벼운데, 그럼에도 불구하고 그 강도는 매우 높으며, 또한 주조 온도도 높아 바람직한 주조성을 확보할 수 있다.

상기한 본 발명의 알루미늄 합금이 나타내는 성질들은 종래의 알루미늄 합금에서는 예측하지 못한 결과라고 평가할 수 있다. 즉 종래 기술에서 설명한 바와 같이, Al-Zn 합금의 경우, 본 발명과 같이 아연을 첨가하게 되면 as cast 상에서 강도 저하와 같은 문제가 발생되므로, 애초에 아연을 상기와 같은 범위로 포함시켜 알루미늄 합금을 제조하지는 않았다. 본 발명에서는 이러한 종래의 관념에서 벗어나, 상기한 바와 같이, 아연을 20~40 wt% 포함시킴과 아울러, 기타의 합금 원소들을 상기와 같은 범위에서 첨가하였고, 그 결과 초정 α 상의 고용 가능 영역을 증대시켜 강도를 향상시킬 수 있다는 것을 발견하였다. 특히 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 밀도가 대략 3 g/cm³에 불과한데, 이는 종래의 Zn-Al 합금의 밀도와 비교하여 대략 절반 정도에 불과하다. 따라서, 최근 휴대폰과 같은 IT 기기에 적용되고 있으나 도장 처리의 문제, 강도가 떨어지는 문제 등으로 인해 패널의 대형화 추세를 따라가지 못하고 있는 Al-Si-Mg 합금계열의 재료를 대체할 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시예에 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 즉 본 발명은 후술하는 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속한다. 따라서 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

Claims

고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금으로서,
실리콘(Si) 0.35~0.5 wt%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.9 wt%, 구리(Cu) 2.0~2.1 wt%, 아연(Zn) 19.5~40.5 wt%, 철(Fe) 0.6 wt% max, 망간(Mn) 0.2 wt% max, 니켈(Ni) 0.05 wt% max, 티타늄(Ti) 0.03~0.05 wt%, 기타 불순물 0.05 wt% max 및 잔부 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.
청구항 1에 있어서, 실리콘(Si)은 0.45~0.5 wt%, 마그네슘(Mg)은 0.7~0.8 wt%, 아연(Zn)은 19.5~20.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가된 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.
청구항 1에 있어서, 실리콘(Si)은 0.4~0.45 wt%, 마그네슘(Mg)은 0.6~0.65 wt%, 아연(Zn)은 29.5~30.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가된 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.
청구항 1에 있어서, 실리콘(Si)은 0.35~0.4 wt%, 마그네슘(Mg)은 0.55~0.6 wt%, 아연(Zn)은 39.5~40.5 wt%, 철(Fe)은 0.5~0.6 wt%, 망간(Mn)은 0.1~0.2 wt%의 함량으로 첨가된 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조용 알루미늄-아연 합금의 밀도는 약 3.0 g/cm³인 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.
청구항 5에 있어서, 상기 주조용 알루미늄-아연 합금은 약 340~450 MPa의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 비열처리 주조용 알루미늄-아연 합금.