KR20120084604A

KR20120084604A - 알루미늄 합금 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20120084604A
Application number: KR1020110006051A
Authority: KR
Inventors: 이광진; 전재열
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-07-30
Also published as: KR101249521B1

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고, Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된다. 이러한 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 의하면, 최대경도 도달 후 시간 경과에 따른 경도의 감쇠를 억제할 수 있는 장점을 제공한다.

Description

알루미늄 합금 및 그 제조방법{Aluminium based alloy and method of manufacturing the same}

본 발명은 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 시간의 경과에 따른 경도의 감쇠가 억제되는 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 각종 기계부품 및 판재의 경량화를 위해 종래 철강재료로 제조하던 부품을 경량의 알루미늄 합금으로 대체하여 사용하고 있다.

이러한 알루미늄 합금은 다양하게 알려져 있고, 일부는 철강재료에 대응되는 높은 경도를 제공하는 것도 있다.

그런데, 높은 경도를 갖는 것으로 알려진 알루미늄의 합금의 경우 시간의 경과에 따라 최대 경도 도달 후 경도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 최대 경도 도달 후 시간 경과에 따른 경도의 감쇠를 억제할 수 있는 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고, Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 첨가원소는 Sc 0.25 내지 0.35중량 퍼센트, Zr 0.1 내지 0.18중량 퍼센트가 함유된다.

또 다르게는 상기 첨가원소는 Zr 0.04 내지 0.07 중량 퍼센트, Mm 0.03 내지 0.07중량 퍼센트가 함유된다.

또한, 상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조방법은 가. Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고, Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 알루미늄 합금을 주조하는 단계와; 나. 상기 주조된 알루미늄 합금을 아르곤 분위기 하에서 800 내지 820K의 온도로 24시간 균질화 처리하는 단계와; 다. 상기 균질화 처리된 알루미늄 합금을 710 내지 730K온도에서 열간가공에 의해 두께가 얇아지게 압연하는 단계와; 라. 상기 압연과정을 거친 알루미늄 합금을 상온에서 냉간가공에 의해 두께를 더 얇게 압연처리하는 단계와; 바. 상기 라 단계를 거친 합금을 800 내지 815K온도에서 3.6ks 내지 5.4ks동안 용체화 처리하는 단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 의하면, 시간 경과에 따른 경도의 감쇠를 억제할 수 있는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조 과정을 나타내 보인 공정도이고,
도 2는 에이징 시간에 따른 비교시편과 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 제1시편의 경도변화를 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명에 따라 제조된 제2시편에 대한 에이징 시간에 따른 경도 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 4는 비교시편과 제1시편의 에이징시간에 따른 인장강도를 측정한 그래프이고,
도 5는 제2시편에 대한 에이징 시간에 따른 강도 변화를 나타내 보인 그래프이고,
도 6은 비교시편, 제1시편에 대한 주조후 및 균질화처리후의 표면을 촬상한 사진이며,
도 7은 제1시편에 대한 TEM사진이고,
도 8은 마감처리 시간에 따른 TEM사진이고,
도 9 및 도 10은 제1시편에 대한 마감처리후의 사진이고,
도 11은 제2시편에 대한 공정별 표면 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 더욱 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 제조 과정을 나타내 보인 공정도이다.

먼저, 본 발명에 따른 알루미늄 합금은 Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고, Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된다.

본 발명의 일 측면에 따르면 첨가원소는 Sc 0.25 내지 0.35중량 퍼센트, Zr 0.1 내지 0.18중량 퍼센트가 함유된다.

또 다르게는 첨가원소는 Zr 0.04 내지 0.07 중량 퍼센트, Mm 0.03 내지 0.07중량 퍼센트가 함유된다.

이러한 알루미늄 합금의 제조과정을 도 1을 참조하여 설명한다.

먼저, 앞서 설명된 성분비를 갖는 알루미늄 합금의 구성요소인 Mg, Si, Cu, Cr, 첨가원소 및 알루미늄으로 조성되되 첨가원소는 Sc, Zr 또는 Zr, Mm 이 함유되게 하여 주조한다(단계 10). 주조과정에서 앞서 설명된 Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유될 수 있다.

주조과정은 용탕온도를 1000℃로 하여 합금재료를 용융시킨 뒤 출탕 온도를 750℃로 하여 몰드에 주입하고 고형화 한다. 여기서 몰드는 200℃로 가열처리된 것을 적용하고, 고형화 과정은 자연냉각에 의해 진행시킨다.

다음은 주조된 알루미늄 합금을 아르곤 분위기 하에서 800 내지 820K(절대온도)의 온도로 24시간 균질화 처리한다(단계 20).

균질화 처리 이후에는 알루미늄 합금을 710 내지 730K(절대온도)의 온도에서 열간 압연가공에 의해 두께의 감소율이 60 내지 70%가 되게 압연한다(단계 30).

열간 압연공정 이후에는 430℃에서 1시간 동안 아르곤 분위기에서 중간 어닐링을 수행하는 것이 바람직하다(단계 40).

다음은 알루미늄 합금을 상온에서 냉간 압연가공에 의해 두께의 감소율이 58 내지 52%가 되게 더 얇게 압연처리한다(단계 50).

압연공정 이후에는 알루미늄 합금을 800 내지 815K(절대온도) 온도에서 3.6k 내지 5.4ks(3600초 내지 5400초)동안 담금질 처리 하는 용체화 처리를 수행한다(단계 60).

이하에서는 이러한 과정을 통해 제조된 알루미늄 합금의 특성을 살펴본다.

먼저, Mg 0.85중량 퍼센트, Si 0.60중량 퍼센트, Cu 0.19중량 퍼센트, Cr 0.07중량퍼센트, Sc 0.3중량 퍼센트, Zr 0.14중량 퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.19중량퍼센트 이하로 함유되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 제1시료를 용탕온도 1000℃에서 용해한 후 750℃에서 200℃로 가열된 몰드에 주입하여 주조하여 제1시편을 형성하였다.

또한, Mg 0.85중량 퍼센트, Si 0.59중량 퍼센트, Cu 0.19중량 퍼센트, Cr 0.07중량퍼센트, Zr 0.05중량 퍼센트, Mm0.05중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.19중량퍼센트 이하로 함유되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 제2시료를 용탕온도 1000℃에서 용해한 후 750℃에서 200℃로 가열된 몰드에 주입하여 주조하여 제2시편을 형성하였다.

제작된 제1 및 제2시편은 각각 아르곤 분위기 하에서 813K의 온도로 24시간 균질화 처리한 후, 723K온도에서 열간가공에 의해 초기 15mm두께를 5mm까지 두께가 얇아지게 압연처리 한후 아르곤 분위기에서 430℃에서 1시간 동안 중간 어닐링을 수행하였다.

이후, 열간 압연과정을 거친 제1 및 제2시편을 상온에서 냉간가공에 의해 5mm두께를 2mm까지 더 얇게 압연처리한 후, 제1시편에 대해서는 808K온도에서 3.6ks 내지 5.4ks동안 용체화 처리를 하였다.

용체화 처리 이후 제조된 제1 및 제2시편에 대한 경도 변화의 특성을 알아보기 위해 에이징 테스트에 해당하는 시효처리를 제1시편에 대해 450k온도와 463K온도에서 시행하고, 제2시편에 대해서는 808K온도에서 3.6Ks시간동안 용체화 처리를 한 후 시효처리를 450k온도에서 시행한 후 기계적 특성 및 미세조직의 변화를 DSC, 인장시험 및 TEM으로 조사하였다.

또한, 비교대상 시료로서, 상용 6061 알루미늄합금의 조성비와 동일하게 Mg 0.85중량 퍼센트, Si 0.59중량 퍼센트, Cu 0.19중량 퍼센트, Cr 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.19중량퍼센트 이하로 함유되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 비교시료를 앞서 제1 및 제2시료와 동일 조건으로 비교시편을 형성하였다.

이렇게 제작된 시편에 대해 먼저 기계적 성질에 미치는 첨가원소의 영향을 살펴 보았다.

비교시편(이하 A합금) 및 제1시편(이하 SZ합금)의 463K에서 시효 처리 시간에 따른 경도값 변화를 도 2에 나타내었다. 시효처리 시간을 3.6, 18, 43.2, 86.3, 129.6Ks 시간별로 경도값을 체크한 결과 A합금의 피크 시효는 18Ks에서 나타난 후 급격한 하강 패턴을 나타냈으며 제1시편(SZ합금)의 경우 비교시편에 비해 상대적으로 긴 시간 동안 경도가 유지되었고, 43.2Ks에서 점진적으로 미세하게 하강하는 것을 관찰할 수 있었다. 이러한 결과의 원인은 A합금의 주강화상인 β"상의 석출을 위해서는 가공 및 급냉으로 인한 공공이 다수 존재하여야 하는데 아래의 표 1에서 나타난 것과 같이 Sc, Zr과 공공간의 결합에너지가 Mg₂Si의 결합 에너지의 총 합보다 낮기 때문에 β"상이 생성되기 전에 공공이 소멸되는 현상과 Sc, Zr 첨가에 따른 결정립 미세화 현상으로 인하여 결정립입계에서 공공이 소멸되는 양이 증가하는 현상 때문으로 사료된다.

Atoms	Vacancy binding energy (eV)
Mg	0.15 or 0.29
Sc	0.35
Zr	0.33
Ce	0.15

도 3은 제2시편(이하 ZM합금)의 T6처리와 2단시효(Two-step aging)처리 [R.T.에서 604.8Ks (1주일) 시효 후 450K에서 시효]에 따른 경도의 변화에 대하여 나타내었다. T6처리의 경우 경도가 약 125Hv까지 상승을 하였고 Two-step 시효처리의 경우 106Hv까지 상승을 하였다. 이러한 차이가 나타나는 이유는 상온 시효처리시 형성되는 clust I이 bake시 석출되는 주 강화상인 β"상의 석출을 억제하고 β'상의 석출을 촉진시키기기 때문으로 사료된다. A 및 SZ합금의 인장강도는 경도값과 비슷한 경향을 보여주고 있다. SZ합금은 도 4와 같이 장시간의 시효시간을 유지하였을 경우 A합금보다 높은 강도를 나타냈으며 단시간 시효를 했을 경우에는 A합금보다 낮은 인장강도 나타내었다.

그러나 ZM합금은 도 5과 같이 T6처리의 경우 도 4의 A합금보다 높은 인장강도를 나타내었으며 이러한 결과는 Sc을 첨가하지 않고 Zr의 첨가량을 줄여서 결정립 미세화의 효과가 줄어 공공이 결정립계와 결합되는 현상과 동시에 첨가원소 Zr이 공공과의 결합으로 인한 과잉공공의 밀도가 유지되어 주강화상인 β"이 SZ합금과는 상이하게 단시간의 시효시간에도 석출이 되었다고 사료된다.

다음으로 조직에 미치는 첨가원소의 영향을 살펴본다.

도 6은 A합금 및 SZ합금의 주조 및 균질화처리 조직을 나타낸 것이다. 여기서 (a)는 A합금의 주조후 사진이고, (b)는 제1시편의 주조후 사진이며, (C)는 A합금의 균질화 처리후 사진이고, (d)는 제1시편의 균질화 처리후 사진이다.

도 6을 통해 알 수 있는 바와 같이 조직을 관찰한 결과 제1시편(SZ합금)의 결정립이 A합금의 결정립보다 미세화 되었다는 것을 알 수 있으며 이러한 조직의 변화는 결정립을 미세화 시키는 원소(Sc, Zr)를 첨가하였기 때문으로 사료된다.

도 7은 제1시편에 대해 결정립계 주위의 PFZ를 관찰한 투과전자현미경 조직사진이다. PFZ가 현저하게 나타나는 이유는 도 6과 같이 결정립 미세화에 의하여 공공이 결정립계에서 소멸하여 석출이 억제되기 때문으로 사료된다.

도 8은 에이징 테스트 시간 즉, 시효시간에 따른 A합금과 SZ합금의 미세조직을 TEM으로 관찰한 결과이다. 여기서 (a)는 18Ks동안 처리한 후 A합금의 사진이고, (b)는 18Ks동안 처리한 후 제1시편의 사진이며, (C)는 129.6Ks동안 처리한 후 A합금의 사진이고, (d)는 129.6Ks동안 처리한 후 제1시편의 사진이다.

도 8을 통해 알 수 있는 바와같이 A와 SZ합금을 비교하였을 때 A합금의 경우 18Ks 시효 시 SZ합금보다 많은 수의 β"상이 나타나지만 129.6Ks동안 시효를 진행하였을 경우 SZ합금이 더 많은 β"상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 Sc과 Zr이 공공과 먼저 결합하여 Al₃(Zr, Sc)이 생성되고 그에 따라 공공의 밀도가 감소하여 주 강화상인 β"상의 석출이 지연되었기 때문으로 사료된다.

도 9와 도 10은 SZ합금을 463K에서 18.0Ks 및 129.6Ks 시효처리한 조직을 TEM으로 각각 관찰한 결과이다. 18.0Ks 시효한 경우 Al₃(Zr, Sc)이 우선 석출되었고, 129.6Ks 시효처리한 경우에는 β"상과 Al₃(Zr, Sc)이 공존하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 장시간 시효처리 한 경우 β"상과 Al₃(Zr, Sc)상이 공존하여 A합금보다 높은 강도를 가지게 된 것으로 판단된다.

도 11은 ZM합금의 주조, 균질화, 압연 및 용처화 처리한 조직을 나타난 것이다. 여기서 (a)는 제2시편(ZM합금)의 주조후 사진이고, (b)는 제2시편의 균질화처리후 사진이며, (C)는 압연과정 후의 사진이고, (d)는 용체화 처리후의 사진이다.

도 11에서 (a)는 전형적인 주조조직으로서 덴드라이트 조직을 나타내고 있다. (b)는 균질화처리한 조직으로서 덴드라이트 조직이 소멸하고 등축정으로 나타난다. (c)는 압연후 조직으로서 이방성이 잘 나타나고 있다. 그림 (d)는 용체화처리후 조직으로서 이방성이 소멸되고 게재물이 재고용된 등축정을 보여주고 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 알루미늄합금은 시간의 경과에 따른 경도의 감쇠가 억제되는 장점을 제공한다.

Claims

알루미늄 합금에 있어서,
Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고,
Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고,
Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제1항에 있어서, 상기 첨가원소는 Sc 0.25 내지 0.35중량 퍼센트, Zr 0.1 내지 0.18중량 퍼센트가 함유된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
제1항에 있어서, 상기 첨가원소는 Zr 0.04 내지 0.07 중량 퍼센트, Mm 0.03 내지 0.07중량 퍼센트가 함유된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
알루미늄 합금의 제조방법에 있어서,
가. Mg 0.8 내지 0.9중량 퍼센트, Si 0.58 내지 0.61중량 퍼센트, Cu 0.18 내지 0.2중량 퍼센트, Cr 0.06 내지 0.08중량퍼센트를 포함하고, Fe, Mn, Zn, Ti 중 적어도 하나의 불순물이 0.2중량퍼센트 이하로 함유되고, Sc, Zr, Mm 중 적어도 두 개 이상의 첨가원소가 0.04 내지 0.4중량 퍼센트로 포함되고, 나머지 성분은 알루미늄으로 조성된 알루미늄 합금을 주조하는 단계와;
나. 상기 주조된 알루미늄 합금을 아르곤 분위기 하에서 800 내지 820K의 온도로 24시간 균질화 처리하는 단계와;
다. 상기 균질화 처리된 알루미늄 합금을 710 내지 730K온도에서 열간가공에 의해 두께가 얇아지게 압연하는 단계와;
라. 상기 압연과정을 거친 알루미늄 합금을 상온에서 냉간가공에 의해 두께를 더 얇게 압연처리하는 단계와;
바. 상기 라 단계를 거친 합금을 800 내지 815K온도에서 3.6ks 내지 5.4ks동안 용체화 처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 첨가원소는 Sc 0.25 내지 0.35중량 퍼센트, Zr 0.1 내지 0.18중량 퍼센트가 함유된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 첨가원소는 Zr 0.03 내지 0.07 중량 퍼센트, Mm 0.03 내지 0.07중량 퍼센트가 함유된 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 제조방법.