KR20140001860A - 개선된 2xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 - Google Patents

개선된 2xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20140001860A
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라지브 쥐 카맷
존 엠 뉴맨
랄프 알 소텔
젠 씨 린
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알코아 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체 및 이를 생성시키는 방법에 관한 것이다. 용액화 후에 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조하고, 25% 이상까지 저온 가공한 다음 열처리함으로써, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체를 생성시킬 수 있다. 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 개선된 강도 및 다른 특성을 실현할 수 있다.

Description

개선된 2XXX 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법{IMPROVED 2XXX ALUMINUM ALLOYS, AND METHODS FOR PRODUCING THE SAME}
본원은 개선된 2xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
관련 출원에 대한 교차 참조
본원은 2010년 10월 8일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/391,461 호, 2010년 12월 20일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/425,024 호, 2011년 1월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/437,515 호 및 2011년 9월 8일자로 출원된 미국 특허 출원 제 13/288,393 호를 우선권 주장한다. 상기 특허 출원은 각각 본원에 참고로 인용된다.
본원은 또한 2011년 9월 8일자로 출원된 PCT 특허 출원(발명의 명칭: 개선된 6xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법), 및 2011년 9월 8일자로 출원된 PCT 특허 출원(발명의 명칭: 개선된 7xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법), 및 2011년 9월 8일자로 출원된 PCT 특허 출원(발명의 명칭: 개선된 알루미늄 리튬 합금 및 이의 제조 방법)에도 관련되어 있다.
알루미늄 합금은 다양한 용도에 유용하다. 그러나, 다른 특성을 열화시키지 않으면서 알루미늄 합금의 한 특성을 개선하는 것은 어렵다. 예를 들어, 합금의 인성을 감소시키지 않으면서 합금의 강도를 증가시키기는 힘들다. 알루미늄 합금에 있어서 관심 있는 다른 특성은, 2개를 꼽자면, 내식성 및 피로 균열 성장 속도 저항성을 포함한다.
광범위하게, 본 발명은 개선된 가공된(wrought) 열처리 가능한 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 개선된 가공된 2xxx 알루미늄 합금 제품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 2xxx 알루미늄 합금 제품은 이후 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이 예컨대 용액화 후(post-solutionizing)에 저온 가공 및 저온 가공 후 열처리로 인해 개선된 특성의 조합을 획득한다.
2xxx 알루미늄 합금은 알루미늄 외의 우세한 합금화 원소로서 구리를 함유하는 알루미늄 합금이다. 본원에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 0.5중량% 이상 및 Cu 8.0중량% 이하를 갖는 알루미늄 합금으로서, 이때 구리는 알루미늄 외의 우세한 합금화 원소이다.
도 1은 알루미늄 합금 제품을 제조하기 위한 종래의 방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 2는 알루미늄 합금 제품을 제조하기 위한 신규 방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 3 내지 도 8은 용액화 후에 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조하는 다양한 실시양태를 도시하는 공정 흐름도이다.
도 9는 압연된 알루미늄 합금 본체를 제조하기 위한 방법의 한 실시양태를 도시하는 공정 흐름도이다.
도 10은 다양한 알루미늄 합금 본체에 있어서 배향 각도의 함수로서의 R-값을 도시하는 그래프이다.
도 11a 내지 도 11e는 알루미늄 합금 본체 미소구조를 도시하는 광학 현미경사진이며, 샘플을 양극 산화 처리한 다음 편광으로 관찰함으로써 광학 현미경사진을 수득하였다.
도 12는 다층 알루미늄 합금 제품을 제조하는 하나의 방법을 도시하는 공정 흐름도이다.
도 13은 압연된 제품의 L, LT 및 ST 방향을 도시하는 개략도이다.
도 14 및 도 15는 다양한 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체의 열처리 반응을 도시하는 그래프이다.
도 16 및 도 17은 다양한 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체의 강도-인성 성능을 도시하는 그래프이다.
2xxx 알루미늄 합금 제품을 압연된 형태로 제조하는 종래의 방법중 하나가 도 1에 도시되어 있다. 종래의 방법에서는, 2xxx 알루미늄 합금 본체를 캐스팅한(10) 다음, 이를 균질화시키고(11) 이어 중간 치수까지 열간 압연시킨다(12). 그 다음으로는, 2xxx 알루미늄 합금 본체를 최종 치수까지 냉간 압연시킨(13) 후, 이를 용액 열처리하고 급랭시킨다(14). 본원에서 "용액화"로 일반적으로 일컬어지는 "용액 열처리 및 급랭" 등은 알루미늄 합금 본체를 적합한 온도, 통상 용해한도(solvus) 온도보다 높게 가열하고, 가용성 원소가 고용액의 일부가 되도록 하기에 충분히 긴 시간동안 이 온도를 유지하고, 이 원소를 고용액 중에 보유하기에 충분히 급속하게 냉각시킴을 의미한다. 고온에서 형성되는 고용액은, 용질 원자가 거칠고 흩어진 입자로서 침전되는 것을 제한하기에 충분히 급속하게 냉각시킴으로써 과포화 상태로 유지될 수 있다. 용액화시킨(14) 후, 2xxx 알루미늄 합금 본체를 선택적으로는 평탄하게 하기 위해 소량(예컨대, 1 내지 5%) 연신시키고(15), 열처리하고(16), 선택적으로는 최종 처리할(17) 수 있다. 도 1은 T6 템퍼(temper)(T6 템퍼는 본원에서 이후 정의된다)의 알루미늄 합금을 제조하기 위한 공정 경로에 일치된다.
신규 2xxx 알루미늄 합금 제품을 제조하기 위한 신규 방법의 한 실시양태가 도 2에 도시된다. 이 신규 방법에서는, 용액화 후 저온 가공을 위해 2xxx 알루미늄 합금 본체를 제조한(100) 다음, 이를 저온 가공하고(200), 이어 열처리한다(300). 신규 방법은 또한 이후 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이 선택적인 최종 처리(400)도 포함할 수 있다. "용액화 후 저온 가공" 등은 용액화시킨 후 알루미늄 합금 본체의 저온 가공을 의미한다. 2xxx 알루미늄 합금 본체에 가해지는 용액화 후 저온 가공의 양은 통상 25% 이상이다. 2xxx 알루미늄 합금 본체를 먼저 용액화시킨 다음 25% 이상 저온 가공하고 이어 적절하게 열처리함으로써, 2xxx 알루미늄 합금 본체는 이후 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이 개선된 특성을 실현할 수 있다. 예를 들어, 종래의 알루미늄 합금 제품을 T6 및/또는 T87 템퍼로 가공하는데 필요한 시간의 일부 내에(예를 들어, T6 및/또는 T87 템퍼 가공된 합금보다 10% 내지 90% 더 빠름) T6 및/또는 T87 템퍼의 종래의 알루미늄 합금 제품에 비해 5 내지 40% 이상의 강도 증가가 실현될 수 있다. 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 또한 우수한 연성(ductility)을 달성하여, 통상 4% 이상, 예컨대 6% 내지 16% 이상의 신장률을 달성할 수 있다. 신규 알루미늄 합금 본체는 파쇄 인성을 상실하지 않으면서 이러한 강도 개선을 실현할 수 있다. 일부 예에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 종래의 T6 및/또는 T78 템퍼의 알루미늄 합금 제품보다 개선된 파쇄 인성, 예를 들어 5 내지 25% 더 우수한 파쇄 인성을 획득한다. 다른 특성도 유지되고/되거나 개선될 수 있다(예를 들어, 피로 균열 성장 저항성).
A. 용액화 후 저온 가공을 위한 제조
도 2에 도시된 바와 같이, 신규 방법은 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조함(100)을 포함한다. 종래의 반-연속식 캐스팅 방법[예를 들어, 잉곳(ingot)의 직접 냉각 캐스팅] 및 연속식 캐스팅 방법(예컨대, 쌍-롤 캐스팅)의 이용을 비롯한 다양한 방식으로, 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조할 수 있다(100). 도 3에 도시된 바와 같이, 제조 단계(100)는 통상 알루미늄 합금 본체를 저온 가공에 적합한 형태로 설정하고(120), 알루미늄 합금 본체를 용액화시킴(140)을 포함한다. 설정 단계(120) 및 용액화 단계(140)는 연속적으로 또는 서로 동시에 이루어질 수 있다. 다양한 제조 단계(100)의 몇몇 비한정적인 예가 도 4 내지 도 8에 도시되어 있으며, 이들 도면은 아래에 더욱 상세하게 기재된다. 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조하는(100) 다른 방법은 당업자에게 공지되어 있고, 이들 다른 방법도 본원에 명백하게 기재되어 있지는 않지만 본 발명의 제조 단계(100)의 영역 내에 속한다.
하나의 접근법에서, 제조 단계(100)는 반-연속식 캐스팅 방법을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 이제 도 4를 인용하면, 설정 단계(120)는 알루미늄 합금 본체를 캐스팅하고[예를 들어, 잉곳 또는 빌렛(billet)의 형태로](122), 알루미늄 합금 본체를 균질화시키고(124), 알루미늄 합금 본체를 고온 가공하고(126), 선택적으로는 알루미늄 합금 본체를 저온 가공함(128)을 포함한다. 설정 단계(120) 후, 용액화 단계(140)를 완결시킨다. 알루미늄 합금 본체가 캐스팅(120) 후 잉곳/빌렛 형태가 아닐지라도, 연속식 캐스팅 작업을 이용하여 유사한 단계를 완결시킬 수 있다.
다른 실시양태에서, 이제 도 5를 인용하면, 제조 단계(100)는 알루미늄 합금 본체를 캐스팅하고(122), 알루미늄 합금 본체를 균질화시키고(124), 알루미늄 합금 본체를 고온 가공함(126)을 포함한다. 이 실시양태에서는, 고온 가공 단계(126)를 종결시켜 가용성 원소를 고용액 중에 위치시킨 다음, 알루미늄 합금 본체를 급랭시킴(도시되지 않음)에 의해 용액화 단계(140)를 끝낼 수 있다. 이는 서로 동시에 종결되는 설정 단계(120) 및 용액화 단계(140)의 일례이다. 이 실시양태는 특히 프레스-급랭된 제품(예를 들어, 압출물) 및 열간 압연 후 급랭되는 열간 압연된 제품에 적용될 수 있다.
다른 접근법에서, 제조 단계(100)는 특히 벨트 캐스팅, 막대 캐스팅, 쌍-롤 캐스팅, 쌍 벨트 캐스팅[예컨대, 헤이즐렛(Hazelett) 캐스팅], 드랙(drag) 캐스팅 및 블록 캐스팅 같은 연속식 캐스팅 방법을 포함한다. 연속식 캐스팅 방법을 이용하는 제조 단계(100)의 한 실시양태는 도 6에 도시되어 있다. 이 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 거의 같은 시간에(즉, 서로 동시에) 캐스팅 및 용액화시킨다(142). 캐스팅은 알루미늄 합금 본체를 저온 가공에 충분한 형태로 설정한다. 캐스팅 동안의 응고 속도가 충분히 빠르면, 알루미늄 합금 본체가 또한 용액화된다. 이 실시양태에서, 캐스팅/용액화 단계(142)는 캐스팅 후 알루미늄 합금 본체의 급랭(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 이 실시양태는 다른 캐스팅 공정 중에서도 쌍-롤 캐스팅 공정에 적용될 수 있다. 도 6의 공정을 완결시킬 수 있는 몇몇 쌍-롤 캐스팅 공정이 미국 특허 제 7,182,825 호 및 미국 특허 제 6,672,368 호에 기재되어 있다.
다른 실시양태에서는, 이제 도 7을 참조하면, 제조 단계(100)는 알루미늄 합금 본체를 캐스팅하고(122), 캐스팅 단계(122) 후에 알루미늄 합금 본체를 용액화시킴(140)을 포함한다. 이 실시양태에서, 설정 단계(120)는 캐스팅(122)을 포함한다. 이 실시양태는 다른 캐스팅 공정 중에서도 쌍-롤 캐스팅 공정에 적용될 수 있다.
다른 실시양태에서는, 이제 도 8을 참조하면, 제조 단계(100)는 알루미늄 합금 본체를 캐스팅하고(122), 알루미늄 합금 본체를 고온 가공하고(126), 선택적으로는 알루미늄 합금 본체를 저온 가공함(128)을 포함한다. 이 실시양태에서, 설정 단계(120)는 캐스팅 단계(122), 고온 가공 단계(126) 및 선택적인 저온 가공 단계(128)를 포함한다. 설정 단계(120) 후에는, 용액화 단계(140)를 완결시킨다. 이 실시양태는 연속식 캐스팅 방법에 적용될 수 있다.
도 2 내지 도 8에 도시된 다수의 단계를 회분식으로 또는 연속식으로 완결시킬 수 있다. 한 예에서는, 저온 가공(200)과 열처리 단계(300)를 연속적으로 완결시킨다. 이 예에서는, 용액화된 알루미늄 합금 본체를 주위 조건에서 저온 가공 작업에 들여보낼 수 있다. 본원에 기재된 신규 방법에서 달성될 수 있는 비교적 짧은 열처리 시간을 감안하면, 저온 가공된 알루미늄 합금 본체를 저온 가공 후 즉시 열처리(300)할 수 있다(예를 들어, 인-라인). 생각건대, 이러한 열처리는 저온 가공 장치의 출구 근처 또는 저온 가공 장치에 연결된 별도의 가열 장치에서 이루어질 수 있다. 이는 생산성을 증가시킬 수 있다.
상기 기재된 바와 같이, 제조 단계(100)는 일반적으로 알루미늄 합금 본체의 용액화를 포함한다. 상기 나타낸 바와 같이, "용액화"는 알루미늄 합금 본체의 급랭(도시되지 않음)을 포함하며, 이 급랭은 액체(예컨대, 수용액 또는 유기 용액을 통해), 기체(예를 들어, 공기 냉각), 또는 심지어 고체(예를 들어, 알루미늄 합금 본체의 하나 이상의 면 상에서의 냉각된 고체)를 통해 달성될 수 있다. 한 실시양태에서, 급랭 단계는 알루미늄 합금 본체를 액체 또는 기체와 접촉시킴을 포함한다. 이들 실시양태중 일부에서는, 알루미늄 합금 본체의 고온 가공 및/또는 저온 가공의 부재하에 급랭이 이루어진다. 예를 들어, 급랭은 다른 기법 중에서도 침지, 분무 및/또는 제트 건조에 의해, 그리고 알루미늄 합금 본체의 변형 없이 이루어질 수 있다.
당업자는 다른 제조 단계(100)(예를 들어, 분말 금속학적 방법)를 이용하여 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조할 수 있다는 것과, 이러한 설정 단계(120)와 용액화 단계(140)가 동시에(예를 들어, 같은 시간에) 또는 연속적으로 이루어지는지의 여부와 관계 없이, 또한 설정 단계(120)가 용액화 단계(140) 전에 이루어지는지 또는 그 반대인지의 여부와 무관하게, 이러한 다른 제조 단계가 알루미늄 합금 본체를 저온 가공에 적합한 형태로 설정하고(120) 알루미늄 합금 본체를 용액화시키는(140) 한, 제조 단계(100)의 영역에 속한다는 것을 안다.
B. 저온 가공
도 2를 다시 인용하면, 상기 나타낸 바와 같이, 신규 방법은 알루미늄 합금 본체를 다량으로 저온 가공시킴(200)을 포함한다. "저온 가공" 등은 알루미늄 합금 본체를 하나 이상의 방향에서 고온 가공 온도 미만(예를 들어, 400℉ 이하)의 온도에서 변형시킴을 의미한다. 저온 가공은 다른 유형의 저온 가공 방법 중에서도 압연, 압출, 단조, 인발, 다림질, 스피닝, 플로우-성형 및 이들의 조합중 하나 이상에 의해 가해질 수 있다. 이들 저온 가공 방법은 다양한 2xxx 알루미늄 합금 제품을 제조하는데 적어도 부분적으로 도움을 줄 수 있다(아래 제품 용도 참조).
i. 냉간 압연
한 실시양태에서, 이제 도 9를 인용하면, 저온 가공 단계(200)는 냉간 압연(220)을 포함한다[몇몇 예에서는 냉간 압연(220) 및 평탄하게 하기 위한 선택적인 연신 또는 펴기(straightening)(240)로 이루어진다]. 이 실시양태에서는, 상기 기재된 바와 같이, 용액화 단계(140) 후에 냉간 압연 단계(220)를 완결시킨다. 냉간 압연(220)은 알루미늄 합금 본체가 통상 롤러에 의해 가해지는 압력에 의해 두께가 감소되고 알루미늄 합금 본체가 열간 압연(124)에 이용되는 온도 미만(예를 들어, 400℉ 이하)의 온도에서 압연 장치에 들여보내지는 제조 기법이다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 주위 조건에서 압연 장치에 들어간다. 즉, 냉간 압연 단계(220)는 이 실시양태에서 주위 조건에서 개시된다.
냉간 압연 단계(220)는 2xxx 알루미늄 합금 본체의 두께를 25% 이상까지 감소시킨다. 냉간 압연 단계(220)는 하나 이상의 압연 횟수로 완결될 수 있다. 한 실시양태에서, 냉간 압연 단계(220)는 알루미늄 합금 본체를 중간 치수에서 최종 치수로 압연시킨다. 냉간 압연 단계(220)는 시트, 플레이트 또는 호일 제품을 생성시킬 수 있다. 호일 제품은 0.006인치 미만의 두께를 갖는 압연된 제품이다. 시트 제품은 0.006인치 내지 0.249인치의 두께를 갖는 압연된 제품이다. 플레이트 제품은 0.250인치 이상의 두께를 갖는 압연된 제품이다.
"냉간 압연된 XX%" 등은 XXCR%를 의미하고, 이 XXCR%는 알루미늄 합금 본체가 저온 압연에 의해 제 1 두께인 T1에서 제 2 두께인 T2로 감소될 때 얻어지는 두께 감소의 양이며, T1은 냉간 압연 단계(200) 전(예를 들어, 용액화 후)의 두께이고, T2는 냉간 압연 단계(200) 후의 두께이다. 달리 말해, XXCR%는 다음 식과 같다:
XXCR%=(1-T2/T1)*100%
예를 들어, 알루미늄 합금 본체를 15.0mm의 제 1 두께(T1)에서 3.0mm의 제 2 두께(T2)로 냉간 압연시키는 경우, XXCR%는 80%이다. "냉간 압연 80%" 및 "냉간 압연된 80%" 같은 구는 XXCR%=80%라는 표현과 동일하다.
하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 30% 이상(XXCR%≥30%) 냉간 압연시킨다(220). 즉, 알루미늄 합금 본체의 두께를 30% 이상 감소시킨다. 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 35% 이상(XXCR%≥35%), 또는 40% 이상(XXCR%≥40%), 또는 45% 이상(XXCR%≥45%), 또는 50% 이상(XXCR%≥50%), 또는 55% 이상(XXCR%≥55%), 또는 60% 이상(XXCR%≥60%), 또는 65% 이상(XXCR%≥65%), 또는 70% 이상(XXCR%≥70%), 또는 75% 이상(XXCR%≥75%), 또는 80% 이상(XXCR%≥80%), 또는 85% 이상(XXCR%≥85%), 또는 90% 이상(XXCR%≥90%) 냉간 압연시킨다(220).
몇몇 실시양태에서는, 90% 이상(XXCR%≤90%) 냉간 압연시키는(220) 것은 실용적이지 못하고 이상적이지 못할 수 있다. 이들 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 87% 이하(XXCR%≤87%), 예를 들어 85% 이하(XXCR%≤85%), 또는 83% 이하(XXCR%≤83%), 또는 80% 이하(XXCR%≤80%)로 냉간 압연시킬(220) 수 있다.
하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 50% 초과 85% 이하(50%<XXCR%≤85%)로 냉간 압연시킨다. 이러한 냉간 압연의 양은 바람직한 특성을 갖는 알루미늄 합금 본체를 생성시킬 수 있다. 관련된 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 55% 내지 85%(55%≤XXCR%≤85%)로 냉간 압연시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 60% 내지 85%(60%≤XXCR%≤85%)로 냉간 압연시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 65% 내지 85%(65%≤XXCR%≤85%)로 냉간 압연시킬 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 70% 내지 80%(70%≤XXCR%≤80%)로 냉간 압연시킬 수 있다.
도 9를 인용하면, 방법의 이 실시양태에서는, 선택적인 예비 냉간 압연(128)을 완결시킬 수 있다. 이 예비 냉간 압연 단계(128)는 알루미늄 합금 본체의 중간 치수[열간 압연(126)으로 인한]를 제 2 중간 치수로 더 감소시킬 수 있다. 예로서, 선택적인 냉간 압연 단계(128)를 이용하여, 냉간 압연 단계(220) 동안 최종 냉간 압연된 치수를 더욱 용이하게 생성시키는 제 2 중간 치수를 생성시킬 수 있다.
ii . 다른 저온 가공 기법
냉간 압연 외에, 도 2를 다시 인용하면, 다른 유형의 저온 가공 방법 중에서 압출, 단조, 인발, 다림질, 스피닝, 플로우-성형 및 이들의 조합중 하나 이상에 의해 단독으로 또는 냉간 압연과 조합하여 저온 가공을 가할 수 있다. 상기 나타낸 바와 같이, 알루미늄 합금 본체를 통상 용액화 후에 25% 이상까지 냉간 압연시킨다. 하나의 실시양태에서, 저온 가공은 알루미늄 합금 본체를 이의 실질적인 최종 형태로 가공한다(즉, 최종 제품 형태를 달성하기 위하여 추가적인 고온 가공 및/또는 저온 가공 단계가 필요하지 않다).
"XX%까지 저온 가공"("XXCW%") 등은 알루미늄 합금 본체가 XX%(XXCR%) 냉간 압연된 경우 달성되는 상당 소성 변형률(equivalent plastic strain) 양 이상인 상당 소성 변형률(이후 기재됨)을 달성하기에 충분한 양으로 알루미늄 합금 본체를 저온 가공함을 의미한다. 예를 들어, 구 "저온 가공 68.2%"는 알루미늄 합금 본체가 68.2% 냉간 압연된 경우에 달성되는 상당 소성 변형률 양 이상인 상당 소성 변형률을 성취하기에 충분한 양으로 알루미늄 합금 본체를 저온 가공함을 의미한다. XXCW% 및 XXCR%는 둘 다 알루미늄 합금 본체가 XX% 냉간 압연된(또는 실제로는 실제 냉간 압연의 경우에 XX% 냉간 압연되는) 것처럼 알루미늄 합금 본체에 유도되는 상당 소성 변형률의 양을 가리키며, 이들 용어는 이러한 상당 소성 변형률의 양을 나타내기 위해 본원에서 호환성 있게 사용된다.
상당 소성 변형률은 진변형률(true strain)에 관련되어 있다. 예를 들어, 냉간 압연 XX%, 즉 XXCR%는 진변형률 값으로 표현될 수 있는데, 진변형률(εtrue)은 하기 수학식 1에 의해 주어진다:
Figure pct00001
%CR이 XXCR%인 경우에는, 진변형률 값이 상당 소성 변형률 값으로 전환될 수 있다. 냉간 압연 동안 2축 변형이 달성되는 경우, 평가되는 상당 소성 변형률은 진변형률 값보다 1.155배 더 클 것이다(2÷√3=1.155). 2축 변형은 냉간 압연 작업 동안 부여되는 소성 변형의 유형을 대표한다. 냉간 압연 XX%를 진변형률 값 및 상당 소성 변형률 값과 상관시키는 표가 아래에 표 1로 제공된다.
냉간 압연 두께 감소(XXCR%) 냉간 압연 진변형률 값 평가되는 상당 소성 변형률
25% 0.2877 0.3322
30% 0.3567 0.4119
35% 0.4308 0.4974
40% 0.5108 0.5899
45% 0.5978 0.6903
50% 0.6931 0.8004
55% 0.7985 0.9220
60% 0.9163 1.0583
65% 1.0498 1.2120
70% 1.2040 1.3902
75% 1.3863 1.6008
80% 1.6094 1.8584
85% 1.8971 2.1906
90% 2.3026 2.6588
이들 상당 소성 변형률 값은 다음을 가정한다:
(A) 탄성 변형 없음;
(B) 진소성 변형이 일정 부피를 유지함; 및
(C) 로딩이 비례함.
비례적인 로딩의 경우, 상기 및/또는 다른 원리를 이용하여 다양한 저온 가공 작업의 상당 소성 변형률을 결정할 수 있다. 비례적이지 않은 로딩의 경우에는, 저온 가공으로 인한 상당 소성 변형률을 하기 수학식 2를 이용하여 결정할 수 있다:
Figure pct00002
상기 식에서,
dε p 는 상당 소성 변형률 증가분이고,
Figure pct00003
는 주요 소성 변형률 성분에서의 증가분을 나타낸다.
멘델슨(A. Mendelson)의 문헌[Plasticity, Krieger Pub Co; 제2판 (1983년 8월), ISBN-10: 0898745829] 참조.
당업자는 저온 가공 단계(200)가 알루미늄 합금 본체를 제 1 방식(예컨대, 압축)으로 변형시킨 다음, 알루미늄 합금 본체를 제 2 방식(예를 들어, 연신)으로 변형시킴을 포함할 수 있다는 것과, 본원에 기재된 상당 소성 변형률이 저온 가공 단계(200)의 일부로서 완결되는 모든 변형 작업으로 인한 누적 변형률을 가리킨다는 것을 안다. 뿐만 아니라, 당업자는 저온 가공 단계(200)가 변형을 유도하지만 반드시 알루미늄 합금 본체의 최종 치수 변화를 유도하는 것은 아님을 안다. 예를 들어, 알루미늄 합금 본체를 제 1 방식(예를 들어, 압축)으로 저온 변형시킨 후 이를 제 2 방식(예를 들어, 연신)으로 저온 변형시켜, 이의 누적 결과가 저온 가공 단계(200) 전의 알루미늄 합금 본체와 거의 동일한 최종 치수를 갖지만 저온 가공 단계(200)의 다양한 저온 변형 작업으로 인한 증가된 변형률을 갖는 알루미늄 합금 본체를 제공할 수 있다. 유사하게, 연속적인 벤딩(bending) 및 역 벤딩(reverse bending) 작업을 통해 높은 누적 변형률을 달성할 수 있다.
임의의 소정 저온 가공 작업에 의해 부여되는 상당 소성 변형률을 산출한 다음 상기 나타낸 방법 및 당업자에게 공지되어 있는 다른 방법을 통해 상응하는 XXCR% 값을 결정함으로써, 이러한 저온 가공 작업 또는 일련의 저온 가공 작업에 있어서의 누적 상당 소성 변형률, 따라서 XXCR%를 결정할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금 본체를 저온 인발할 수 있고, 당업자는 저온 인발의 작업 매개변수에 기초하여 알루미늄 합금 본체에 부여되는 상당 소성 변형률 양을 산출할 수 있다. 저온 인발이 예를 들어 약 0.9552의 상당 소성 변형률을 유도한 경우, 이 저온 인발 작업은 약 56.3%의 XXCR%에 해당한다[0.9552/1.155는 0.8270의 진변형률 값(εtrue)이고, 다시 상응하는 XXCR%는 상기 수학식 1을 이용하여 56.3%이다]. 따라서, 이 예에서는, 저온 가공이 저온 인발이고 냉간 압연이 아님에도 불구하고 XXCR%는 56.3이다. 뿐만 아니라, "XX%까지 저온 가공"("XXCW%")은 알루미늄 합금 본체가 냉간 압연에 의해서만 XX%("XXCR%")로 두께가 감소된 경우에 달성되는 상당 소성 변형률 양 이상인 상당 소성 변형률을 달성하기에 충분한 양으로 알루미늄 합금 본체를 저온 가공하는 것으로 (상기에) 정의되어 있기 때문에, XXCW 또한 56.3%이다. 일련의 저온 가공 작업이 이용될 때, 또한 일련의 저온 가공 작업으로 인한 누적 상당 소성 변형률을 이용하여 XXCR%를 결정하는 상황에서, 유사한 계산을 완결시킬 수 있다.
앞서 기재된 바와 같이, 알루미늄 합금 본체가 25% 이상의 XXCW% 또는 XXCR%, 즉 0.3322 이상의 상당 소성 변형률을 달성하도록 저온 가공(200)을 수행한다. "저온 가공 XX%" 등은 XXCW%를 의미한다. "저온 가공 80%" 및 "저온 가공된 80%" 같은 구는 XXCW%=80이라는 표현에 상응한다. 조정(tailoring)된 불균일 저온 가공 작업의 경우, 상당 소성 변형률의 양, 따라서 XXCW 또는 XXCR의 양은 저온 가공(200)을 받는 알루미늄 합금 본체의 양에 기초하여 결정된다.
하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 0.4119 이상의 상당 소성 변형률("EPS")(즉, XXCW%≥30%)을 달성 및 실현하기에 충분히 저온 가공한다(200). 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 0.4974 이상(XXCW%≥35%), 또는 0.5899 이상(XXCW%≥40%), 또는 0.6903 이상(XXCW%≥45%), 또는 0.8004 이상(XXCW%≥50%), 또는 0.9220 이상(XXCW%≥55%), 또는 1.0583 이상(XXCW%≥60%), 또는 1.2120 이상(XXCW%≥65%), 또는 1.3902 이상(XXCW%≥70%), 또는 1.6008 이상(XXCW%≥75%), 또는 1.8584 이상(XXCW%≥80%), 또는 2.1906 이상(XXCW%≥85%), 또는 2.6588 이상(XXCW%≥90%)의 EPS를 달성 및 실현하기에 충분히 저온 가공한다(200).
일부 실시양태에서는, 90% 초과(XXCW%≤90% 및 EPS≤2.6588)만큼 저온 가공하는(200) 것이 실용적이지 못하거나 이상적이지 못할 수 있다. 이들 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 87% 이하(XXCW%≤87% 및 EPS≤2.3564), 예를 들어 85% 이하(XXCW%≤85% 및 EPS≤2.1906), 또는 83% 이하(XXCW%≤83% 및 EPS≤2.0466), 또는 80% 이하(XXCW%≤80% 및 EPS≤1.8584)로 저온 가공할(200) 수 있다.
하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 50% 내지 85%(50%≤XXCW%≤85%) 저온 가공한다(200). 저온 가공(200)의 이러한 양은 바람직한 특성을 갖는 알루미늄 합금 본체를 생성시킬 수 있다. 관련된 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 55% 내지 85%(55%≤XXCW%≤85%) 저온 가공한다(200). 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 60% 내지 85%(60%≤XXCW%≤85%) 저온 가공한다(200). 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 65% 내지 85%(65%≤XXCW%≤85%) 저온 가공한다(200). 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체를 70% 내지 80%(70%≤XXCW%≤80%) 저온 가공한다(200).
iii . 구배
특히 상기 기재된 압연 또는 통상적인 압출 공정을 통해서와 같이 대체로 균일한 방식으로 알루미늄 합금 본체를 변형시키기 위하여 저온 가공 단계(200)를 조정할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 대체로 불균일한 방식으로 알루미늄 합금 본체를 변형시키기 위하여 저온 가공 단계를 조정할 수 있다. 따라서, 일부 실시양태에서는, 공정이 조정된 저온 가공 구배를 갖는 알루미늄 합금 본체를 생성시킬 수 있다. 즉, 알루미늄 합금 본체의 제 1 부분은 저온 가공의 조정된 제 1 양을 받고, 알루미늄 합금 본체의 제 2 부분은 저온 가공의 조정된 제 2 양을 받으며, 이 때 조정된 제 1 양은 조정된 제 2 양과 상이하다. 조정된 불균일한 저온 가공을 달성하도록 단독으로 또는 조합되어 완결될 수 있는 저온 가공 작업(200)의 예는 특히 단조, 광내기, 쇼트 피닝(shot peening), 플로우 성형 및 회전-성형을 포함한다. 이러한 저온 가공 작업을 또한 특히 냉간 압연 및/또는 압출 같은 대체로 균일한 저온 가공 작업과 함께 이용할 수도 있다. 상기 언급된 바와 같이, 조정된 불균일한 저온 가공 작업의 경우에는, 저온 가공(200)을 받는 알루미늄 합금 본체의 양에 기초하여 상당 소성 변형률 양을 결정한다.
iv . 저온 가공 온도
고온 가공 온도 미만(예컨대, 400℉ 이하)의 온도에서 저온 가공 단계(200)를 개시할 수 있다. 하나의 접근법에서는, 알루미늄 합금 본체가 용액화(140) 후에 충분히 낮은 온도에 도달할 때 저온 가공 단계(200)를 개시한다. 하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체의 온도가 250℉ 이하일 때 저온 가공 단계(200)를 개시할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체의 온도가 200℉ 이하, 또는 175℉ 이하, 또는 150℉ 이하, 또는 125℉ 이하일 때 저온 가공 단계(200)를 개시할 수 있다. 한 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체의 온도가 대략 주위 온도일 때 저온 가공 단계(200)를 개시할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체의 온도가 250℉ 내지 고온 가공 온도 미만(예를 들어, 400℉ 미만)일 때와 같이 보다 높은 온도에서 저온 가공 단계(200)를 개시할 수 있다.
하나의 실시양태에서는, 임의의 의도적인/유의미한 가열(예를 들어, 알루미늄 합금 본체의 미소구조 및/또는 특성에서의 실질적인 변화를 생성시키는 의도적인 가열) 없이 저온 가공 단계(200)를 개시하고/하거나 완결시킨다. 당업자는 알루미늄 합금 본체의 온도가 저온 가공 단계(200)로 인해 증가될 수 있으나 이러한 저온 가공 단계(200)는 가공 작업이 고온 가공 온도로 생각되는 온도 미만의 온도에서 개시되기 때문에 여전히 저온 가공(200)으로 생각됨을 안다. 복수개의 저온 가공 작업을 이용하여 저온 가공 단계(200)를 완결시키는 경우, 이들 작업 각각은 상기 기재된 온도중 임의의 온도를 이용할 수 있으며, 이들 온도는 이전 또는 이후의 저온 가공 작업에 의해 사용되는 온도와 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 나타낸 바와 같이, 저온 가공(200)은 통상 알루미늄 합금 본체가 용액화(140) 후 충분히 낮은 온도에 도달할 때 개시된다. 일반적으로, 용액화 단계(140)의 종료와 저온 가공 단계(200)의 개시 사이에 알루미늄 합금 본체에 의도적인/유의미한 열처리를 가하지 않는다. 즉, 공정은 용액화 단계(140)의 완결과 저온 가공 단계(200)의 개시 사이에 열처리를 갖지 않을 수 있다. 몇몇 예에서는, 용액화 단계(140)가 끝난 직후에 저온 가공 단계(200)를 개시한다(예를 들어, 저온 가공을 용이하게 하기 위하여). 한 실시양태에서는, 용액화 단계(140)가 완결된지 72시간 이내에 저온 가공 단계(200)를 개시한다. 다른 실시양태에서는, 용액화 단계(140)가 완결된지 60시간 이내, 또는 48시간 이내, 또는 36시간 이내, 또는 24시간 이내, 또는 20시간 이내, 또는 16시간 이내, 또는 12시간 이내에 저온 가공 단계(200)를 개시한다. 하나의 실시양태에서는, 용액화 단계(140)가 완결된지 수분 이내에 저온 가공 단계(200)를 개시한다(예를 들어, 연속식 캐스팅 공정의 경우). 다른 실시양태에서는, 용액화 단계(140)의 완결과 동시에 저온 가공 단계(200)를 개시한다(예를 들어, 연속식 캐스팅 공정의 경우).
다른 예에서는, 용액화 단계(140)의 완결에 대해 더 긴 시간이 경과한 후에 저온 가공(200)을 시작하는 것으로 충분할 수 있다. 이들 예에서는, 용액화 단계(140)가 완결된지 1주일 이상 또는 1개월 이상 후에 저온 가공 단계(200)를 완결시킬 수 있다.
C. 열처리
도 2를 인용하면, 저온 가공 단계(200) 후에 열처리 단계(300)를 완결시킨다. "열처리" 등은 알루미늄 합금 본체가 승온에 도달하는 것과 같이 알루미늄 합금 본체를 의도적으로 가열함을 포함한다. 열처리 단계(300)는 특정 조건 또는 특성(예를 들어, 특히 선택된 강도, 선택된 연성)을 달성하기에 충분한 시간동안 그러한 충분한 온도에서 알루미늄 합금 본체를 가열함을 포함할 수 있다.
용액화 후, 2xxx 알루미늄 합금 같은 대부분의 열처리될 수 있는 합금은 실온에서 특성 변화를 나타낸다. 이는 "자연적인 노화(aging)"로 일컬어지며, 용액화 직후에 또는 항온처리(incubation) 기간 후에 개시될 수 있다. 자연적인 노화 동안의 특성 변화 속도는 넓은 범위에 걸쳐 매 합금마다 달라서, 안정한 조건으로의 진입에는 수일 또는 수년이 필요할 수 있다. 자연적인 노화가 의도적인 가열의 부재하에서 일어나므로, 자연적인 노화는 열처리 단계(300)가 아니다. 그러나, 자연적인 노화는 열처리 단계(300) 전 및/또는 후에 일어날 수 있다. 자연적인 노화는 열처리 단계(300) 전의 소정 기간(예컨대, 수분 또는 수시간 또는 수주일 이상)동안 일어날 수 있다. 자연적인 노화는 임의의 용액화 단계(140), 저온 가공 단계(200) 및 열처리 단계(300) 사이에 또는 그 후에 일어날 수 있다.
열처리 단계(300)는 알루미늄 합금 본체를 선택된 온도 범위 내의 온도로 가열한다. 열처리 단계(300)에 있어서, 이 온도는 열처리 단계(300) 동안의 알루미늄 합금 본체의 평균 온도를 가리킨다. 열처리 단계(300)는 제 1 기간 동안 제 1 온도에서의 처리 및 제 2 기간동안 제 2 온도에서의 처리 같은 복수개의 처리 단계를 포함할 수 있다. 제 1 온도는 제 2 온도보다 더 높거나 더 낮을 수 있으며, 제 1 기간은 제 2 기간보다 더 짧거나 더 길 수 있다.
열처리 단계(300)는 통상 알루미늄 합금 본체가 아래 정의되는 바와 같이 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 획득/유지하도록 완결된다. 아래에 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조는 개선된 특성을 달성할 수 있다. 이와 관련하여, 열처리 단계(300)는 통상 알루미늄 합금 본체를 승온으로, 그러나 알루미늄 합금 본체의 재결정화 온도, 즉 알루미늄 합금 본체가 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 달성하지 못하는 온도 미만으로 가열함을 포함한다. 예를 들어, 열처리 단계(300)는 2xxx 알루미늄 합금 본체를 150℉ 내지 425℉(이상)로, 그러나 알루미늄 합금 본체의 재결정화 온도 미만으로 가열함을 포함할 수 있다.
열처리 단계(300)는 알루미늄 합금 본체를 하나 이상의 선택된 온도에서 하나 이상의 선택된 기간동안 유지시키는(예를 들어, 목적하는/선택된 특성 또는 특성의 조합을 달성하기 위하여) 임의의 적합한 방식으로 완결될 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 노화로 등의 내에서 열처리 단계(300)를 완결시킨다. 다른 실시양태에서는, 도료-소성 사이클 동안 열처리 단계(300)를 완결시킨다. 도료-소성 사이클은 도포된 도료를 단시간(예컨대, 5 내지 30분)동안 소성시킴으로써 이를 경화시키기 위하여 자동차 산업 및 기타 산업에서 이용된다. 아래 기재되는 바와 같이 단시간 내에 높은 강도를 갖는 알루미늄 합금 본체를 제조하는 현재 기재된 방법의 능력을 감안할 때, 도료-소성 사이클 등을 이용하여 열처리 단계(300)를 완결시킴으로써, 별도의 열처리 및 도료-소성 단계를 없앨 수 있다. 유사하게, 다른 실시양태에서는, 코팅 경화 단계 등의 동안에 열처리 단계(300)를 완결시킬 수 있다.
D. 저온 가공과 열처리 조합
저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)의 조합은 개선된 특성을 갖는 알루미늄 합금 본체를 생성시킬 수 있다. 적절한 열처리 조건(300)과 조합된 저온 가공 단계(200)의 높은 변형의 조합은 이전에는 실현할 수 없었던 강도와 연성의 조합을 달성할 수 있는 독특한 미소구조(아래 미소구조 참조)를 생성시키는 것으로 생각된다. 저온 가공 단계(200)는 심각하게 변형된 미소구조의 생성을 용이하게 하는 반면, 열처리 단계(300)는 석출 경화를 용이하게 한다. 저온 가공(200)이 25% 이상, 바람직하게는 50% 이상이고 적절한 열처리 단계(300)가 가해질 때, 개선된 특성을 실현할 수 있다.
하나의 접근법에서는, 알루미늄 합금 본체가 강도[예를 들어, 인장 항복 강도(R0 .2) 또는 극한 인장 강도(Rm)] 증가를 성취하도록 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)를 달성한다. 강도 증가는 L, LT 또는 ST 방향중 하나 이상에서 실현될 수 있다.
하나의 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체가 "저온 가공된 그대로의 상태"의 알루미늄 합금 본체의 기준물과 비교하여 강도 증가를 성취하도록 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)를 달성한다. 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체가 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물과 비교하여 강도 증가를 성취하도록 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)를 달성한다. 또 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체가 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물과 비교하여 강도 증가를 획득하도록 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)를 달성한다. 다른 실시양태에서는, 알루미늄 합금 본체가 T4 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물과 비교하여 더 높은 R-값의 증가를 성취하도록 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)를 달성한다. 이들 및 다른 특성은 아래 특성 부분에 기재되어 있다.
"저온 가공된 그대로의 상태"(ACWC)는 (i) 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조하고, (ii) 알루미늄 합금 본체를 저온 가공하고, (iii) 용액화 단계(140)의 완결과 저온 가공 단계(200)의 개시 사이에 4시간 이하가 경과되고, (iv) 알루미늄 합금 본체가 열처리되지 않음을 의미한다. 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기계적 특성은 저온 가공 단계(200)가 완결된지 4 내지 14일 이내에 측정되어야 한다. "저온 가공된 그대로의 상태"의 알루미늄 합금 본체의 기준물을 생성시키기 위하여, 통상적으로 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조한(100) 다음 본원에 기재된 관행에 따라 알루미늄 합금 본체를 저온 가공한(200) 다음, 알루미늄 합금 본체의 일부를 제거하여 상기 기재된 조건에 따라 저온 가공된 그대로의 상태에서 이의 특성을 결정한다. 알루미늄 합금 본체의 다른 부분은 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공한 후, 이의 특성을 측정하여, 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물의 특성과 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체의 특성 사이의 비교를 용이하게 한다(예를 들어, 강도, 연성, 파쇄 인성을 비교함). 알루미늄 합금 본체의 기준물이 알루미늄 합금 본체의 일부로부터 제조되기 때문에, 이는 알루미늄 합금 본체와 동일한 조성을 갖는다.
"T6 템퍼" 등은 용액화된 다음 최고 강도 조건까지(피크 강도의 1ksi 이내) 열처리된 알루미늄 합금 본체를 의미하고, 용액화 후 저온 가공되지 않거나 평탄화 또는 펴기에서의 저온 가공의 효과가 기계적 특성 한계 내에서 인식될 수 없는 본체에 적용된다. 아래에 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원에 기재된 신규 방법에 따라 생성된 알루미늄 합금 본체는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 탁월한 특성을 달성할 수 있다. T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물을 생성시키기 위하여, 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조한(100) 다음, 알루미늄 합금 본체를 T6 템퍼로 가공한다(즉, 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체). 알루미늄 합금 본체의 다른 부분은 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공하여, T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물의 특성과 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체의 특성 사이의 비교를 용이하게 한다(예를 들어, 강도, 연성, 파쇄 인성을 비교함). 알루미늄 합금 본체의 기준물을 알루미늄 합금 본체의 일부로부터 생성시키기 때문에, 이는 알루미늄 합금 본체와 동일한 조성을 갖는다. 알루미늄 합금 본체의 기준물을 용액화 단계(140) 전에 가공(고온 및/또는 저온)하여, 알루미늄 합금 본체의 기준물을 신규 알루미늄 합금 본체에 필적할만한 생성물 형태로 설정해야 할 수 있다(예를 들어, 압연된 생성물의 동일한 최종 두께를 달성하기 위하여).
"T4 템퍼" 등은 용액화된 후 실질적으로 안정한 상태로 자연적으로 노화된 알루미늄 합금 본체를 의미하며, 용액화 후에 저온 가공되지 않거나 평탄화 또는 펴기에서의 저온 가공의 효과가 기계적 특성 한계 내에서 인식될 수 없는 본체에 적용된다. T4 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물을 생성시키기 위하여, 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조한(100) 다음, 알루미늄 합금 본체의 일부를 T4 템퍼로 자연적으로 노화되도록 둔다(즉, 기준이 되는 T4 템퍼의 알루미늄 합금 본체). 알루미늄 합금 본체의 다른 부분은 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공하여, T4 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물의 특성과 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체의 특성 사이의 비교를 용이하게 한다(예를 들어, 강도, 연성, 파쇄 인성을 비교함). 알루미늄 합금 본체의 기준물을 알루미늄 합금 본체의 일부로부터 생성시키기 때문에, 이는 알루미늄 합금 본체와 동일한 조성을 갖는다. 알루미늄 합금 본체의 기준물을 용액화 단계(140) 전에 가공(고온 또는 저온)하여, 알루미늄 합금 본체의 기준물을 신규 알루미늄 합금 본체에 필적할만한 생성물 형태로 설정해야 할 수 있다(예를 들어, 압연된 생성물의 동일한 두께를 달성하기 위하여).
"T87 템퍼" 등은 용액화되고 10% 저온 가공(압연 또는 연신)된 후 최대 강도 조건으로(피크 강도의 1ksi 이내) 열처리된 알루미늄 합금 본체를 의미한다. 아래 더욱 상세하게 기재되는 바와 같이, 본원에 기재된 신규 방법에 따라 제조된 알루미늄 합금 본체는 T87 템퍼의 필적할만한 알루미늄 합금 본체에 비해 탁월한 특성을 달성할 수 있다. T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물을 생성시키기 위하여, 용액화 후 저온 가공을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조한(100) 다음, 알루미늄 합금 본체의 일부를 T87 템퍼로 가공한다(즉, 기준이 되는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체). 알루미늄 합금 본체의 다른 부분은 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공하여, T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물의 특성과 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체의 특성 사이의 비교를 용이하게 한다(예를 들어, 강도, 연성, 파쇄 인성을 비교함). 알루미늄 합금 본체의 기준물을 알루미늄 합금 본체의 일부로부터 생성시키기 때문에, 이는 알루미늄 합금 본체와 동일한 조성을 갖는다. 알루미늄 합금 본체의 기준물을 용액화 단계(140) 전에 가공(고온 및/또는 저온)하여, 알루미늄 합금 본체의 기준물을 신규 알루미늄 합금 본체에 필적할만한 생성물 형태로 설정해야 할 수 있다(예를 들어, 압연된 생성물의 동일한 두께를 달성하기 위하여).
E. 미소구조
i. 재결정화
저온 가공 단계(200) 및 열처리 단계(300)는 알루미늄 합금 본체가 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 성취/유지하도록 달성될 수 있다. 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조는 알루미늄 합금 본체가 아래 정의되는 바와 같은 제 1 유형의 입자를 50%(부피 분율) 미만으로 함유함을 의미한다.
알루미늄 합금 본체는 결정질 미소구조를 갖는다. "결정질 미소구조"는 다결정질 물질의 구조이다. 결정질 미소구조는 본원에서 입자로 불리는 결정을 갖는다. "입자"는 다결정질 물질의 결정이다.
"제 1 유형의 입자"는 아래에 기재되는 OIM(Orientation Imaging Microscopy) 샘플링 절차를 이용하여 측정할 때 아래 정의되는 "제 1 입자 기준"을 충족시키는 결정질 미소구조의 입자를 의미한다. 알루미늄 합금 본체의 독특한 미소구조 때문에, 본원은 어떤 상황에서는 모호하고 논쟁의 여지를 줄 수 있는 전통적인 용어 "재결정화된 입자" 또는 "재결정화되지 않은 입자"를 사용하지 않는다. 대신, 이들 유형의 입자의 양이 OIM 샘플링 절차에 상세하게 기재된 전산화된 방법을 이용함으로써 정확하고 정밀하게 결정되는, "제 1 유형의 입자" 및 "제 2 유형의 입자"라는 용어를 사용한다. 따라서, "제 1 유형의 입자"라는 용어는 당업자가 이들 입자를 재결정화되지 않거나 재결정화된 것으로 생각하는지의 여부에는 상관없이 제 1 입자 기준을 충족시키는 임의의 입자를 포함한다.
OIM 분석은 T/4(사분면) 위치로부터 L-ST 면의 표면까지 완결된다. 분석되는 샘플의 크기는 대체로 치수에 의해 변화된다. 측정 전에, 표준 금속 조직학적 샘플 제조 방법에 의해 OIM 샘플을 제조한다. 예를 들면, 통상적으로 부엘러(Buehler) Si--C 종이를 사용하여 손으로 3분간 OIM 샘플을 연마한 다음 약 3㎛의 평균 입자 크기를 갖는 부엘러 다이아몬드 액체 연마제를 사용하여 손으로 연마한다. 샘플을 플루오르산-붕산 수용액에서 30 내지 45초간 양극 산화 처리한다. 이어, 삼산화크롬을 함유하는 인산 수용액을 사용하여 샘플을 스트립핑한 다음, 세정하고 건조시킨다.
"OIM 샘플 절차"는 다음과 같다:
● 사용되는 소프트웨어는 텍스셈 랩 오아이엠 데이터 콜렉션 소프트웨어(TexSEM Lab OIM Data Collection Software) 버전 5.31[에댁스 인코포레이티드(EDAX Inc.), 미국 뉴저지주]이고, 이는 파이어와이어(FIREWIRE)[애플, 인코포레이티드(Apple, Inc.), 미국 캘리포니아주]를 통해 디지뷰(DigiView) 1612 CCD 카메라[티에스엘/에댁스(TSL/EDAX), 미국 유타주]에 연결된다. SEM은 JEOL JSM6510[제올 리미티드(JEOL Ltd.), 일본 도쿄]이다.
● OIM 실행 조건은 18mm 작업 거리를 갖는 70° 경사 및 동적 초점 맞추기 및 1×10-7amp의 초점 크기를 갖는 20kV의 가속 전압이다. 수집 방식은 정사각형 격자이다. 분석에서 배향이 수집되도록 선택한다[즉, 혹(Hough) 피크 정보는 수집되지 않는다]. 스캔 당 면적 크기(즉, 프레임)는 80X에서 3㎛ 단계에서 2mm 치수 샘플의 경우 2.0mm×0.5mm이고, 5mm 치수 샘플의 경우 2.0mm×1.2mm이다. 치수에 따라 상이한 프레임 크기를 이용할 수 있다. 수집된 데이터는 *.osc 파일로 출력된다. 이 데이터를 이용하여 아래 기재되는 바와 같이 제 1 유형의 입자의 부피 분율을 계산할 수 있다.
● 제 1 유형의 입자의 부피 분율의 계산: *.osc 파일의 데이터 및 텍스셈 랩 오아이엠 어낼러시스 소프트웨어(TexSEM Lab OIM Analysis Software) 버전 5.31을 이용하여 제 1 유형의 입자의 부피 분율을 계산한다. 계산 전에, 15°의 공차 각도, 최소 입자 크기가 3개 데이터인 지점 및 단일 왕복 클린업(cleanup)으로 데이터 클린업을 수행할 수 있다. 이어, 제 1 입자 기준(하기)을 이용하여 소프트웨어에 의해 제 1 유형의 입자의 양을 계산한다.
● 제 1 입자 기준: 5°의 입자 공차 각도로 입자 배향 분포(GOS)를 통해 계산할 때, 최소 입자 크기는 3개 데이터 지점이고, 신뢰도 지수는 0이다. "계산 전에 분할 적용", "가장자리 입자 포함" 및 "이중 경계 정의 무시"가 모두 요구되어야 하며, "입자 평균 배향"을 이용하여 계산을 완결시켜야 한다. GOS가 3° 이하인 임의의 입자는 제 1 유형의 입자이다. 다중 프레임이 사용되는 경우, GOS 데이터의 평균을 구한다.
"제 1 입자 부피"(FGV)는 결정질 물질의 제 1 유형의 입자의 부피를 의미한다.
"결정화되지 않은 %" 등은 하기 식을 통해 결정된다:
URX%=(1-FGV)*100%
상기 언급된 바와 같이, 알루미늄 합금 본체는 일반적으로 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 포함한다. 즉, FGV<0.50 및 URX%≥50%. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.45 이하의 제 1 유형의 입자를 함유한다(부피 분율 기준)[즉, 알루미늄 합금 본체는 상기 제공된 정의에 기초하여 55% 이상 재결정화되지 않는다(URX%≥55%)]. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 0.40 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥60%), 또는 0.35 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥65%), 또는 0.30 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥70%), 또는 0.25 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥75%), 또는 0.20 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥80%), 또는 0.15 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥85%), 또는 0.10 이하의 제 1 유형의 입자(URX%≥90%)를 함유할 수 있다(부피 분율 기준).
ii . 텍스쳐
알루미늄 합금 본체는 독특한 미소구조를 획득할 수 있다. 이 독특한 미소구조는 결정학적 텍스쳐 데이터로부터 유도되는 알루미늄 합금 본체의 R-값에 의해 예시될 수 있다. 알루미늄 합금 본체의 미소구조는 이의 특성(예를 들어, 특히 강도, 연성, 인성, 내식성)에 관련되어 있다.
본원에서는, 아래 기재되는 R-값 생성 절차에 따라 R-값을 생성시킨다.
R-값 생성 절차:
기구: 컴퓨터-제어되는 극점도(pole figure) 단위장치 및 데이터 수집 소프트웨어 및 극점도 데이터를 처리하기 위한 ODF 소프트웨어(예를 들어, 리가쿠 회절계에 포함된 리가쿠 소프트웨어)를 갖는 x-선 발생장치[예를 들어, 리가쿠 얼티마(Rigaku Ultima) III 회절계, 리가쿠 유에스에이(Rigaku USA), 미국 텍사스주 더 우들랜즈]를 사용한다. 반사 극점도를 문헌["Elements of X-ray Diffraction", 컬리티(B.D. Cullity), 제2판 1978 (Addison-Wesley Series in Metallurgy and Materials); 및 얼티마 III 회절계 및 다목적 부속품의 리가쿠 사용자 매뉴얼(또는 다른 필적할만한 회절계의 다른 적합한 매뉴얼)]에 따라 획득한다.
샘플 제조: T/4 위치로부터 표면까지 극점도를 측정해야 한다. 따라서, R-값 생성에 사용되는 샘플은 (바람직하게는) 7/8인치(LT)×1¼인치(L)이다. 측정 장치에 따라 샘플 크기는 달라질 수 있다. R-값 측정 전에, 샘플을 다음과 같이 제조할 수 있다:
1. 한쪽 면으로부터 T/4 면보다 0.01" 더 두껍게 압연 면을 가공한다(두께가 정당하다면).
2. T/4 위치까지 화학적으로 에칭한다.
극점도의 X-선 측정: 극점도의 반영(슐츠 반영 방법에 기초하여)
1. 샘플의 압연 방향이 표시된 샘플 고리 홀더 상에 샘플을 장착한다.
2. 샘플 홀더 단위장치를 극점도 단위장치에 삽입한다.
3. 샘플의 방향을 극점도 단위장치의 동일한 수평면으로 배향시킨다(β=0°).
4. 정상 분기 슬릿(DS), Ni Kβ 필터를 갖는 표준 극점도 수용 슬릿(RS) 및 표준 산란 슬릿(SS)을 사용한다(슬릿 결정은 사용되는 선, 피크의 2θ 및 피크의 폭에 따라 달라진다). 리가쿠 얼티마 III 회절계는 2/3도 DS, 5mm RS 및 6mm SS를 사용한다.
5. 동력을 권장 작동 전압 및 전류로 설정한다(얼티마 III 상에서 Ni 필터를 갖는 Cu 선의 경우 40KV 44mA를 자동 선택한다).
6. 5° 단계에서, 각 단계에서 1초간 계수하여, Al(111), Al(200) 및 Al(220) 피크의 α=15°, β=0°로부터 α=90°, β=355°까지 배경 강도를 측정한다(정확한 ODF를 위해 3개의 극점도면 통상적으로 충분하다).
7. 5° 단계에서, 각 단계에서 1초간 계수하여, Al(111), Al(200), Al(220) 및 Al(311) 피크의 α=15°, β=0°로부터 α=90°, β=355°까지 피크 강도를 측정한다.
8. 측정 동안, 샘플을 1초당 2cm 진동시켜 개선된 샘플링 통계를 위해 더 큰 샘플링 면적을 획득하여야 한다.
9. 피크 강도로부터 배경 강도를 뺀다(이는 통상 사용자 특이적인 소프트웨어에 의해 수행한다).
10. 통합을 위해 보정한다(통상, 사용자 특이적인 소프트웨어에 의해 수행됨).
출력 데이터를 통상 ODF 소프트웨어로의 입력을 위한 포맷으로 전환시킨다. ODF 소프트웨어는 데이터를 정규화하고, ODF를 계산하고, 정규화된 극점도를 다시 계산한다. 이러한 정보로부터, 테일러-비숍-힐(Taylor-Bishop-Hill) 모델을 이용하여 R-값을 계산한다{쿠로다(Kuroda, M.) 등의 문헌[Texture optimization of rolled aluminum alloy sheets using a genetic algorithm, Materials Science and Engineering A 385 (2004) 235-244)] 및 만(Man, Chi-Sing)의 문헌[On the r- value of textured sheet metals, International Journal of Plasticity 18 (2002) 1683-1706] 참조}.
본원에 기재된 방법에 따라 제조되는 알루미늄 합금 본체는 종래에 제조되던 물질에 비해 높은 정규화된 R-값을 획득할 수 있다. "정규화된 R-값" 등은 압연 방향에 대해 0°의 각도에서 RV-대조군 샘플의 R-값에 의해 정규화된 R-값을 의미한다. 예를 들어, RV-대조군 샘플이 압연 방향에 대해 0°의 각도에서 0.300의 R-값을 획득하면, 이 R-값 및 다른 모든 R-값은 0.300으로 나눔으로써 정규화된다.
"RV-대조군 샘플" 등은 기준이 되는 T4 템퍼(상기 정의됨)의 알루미늄 합금 본체로부터 취한 대조군 샘플을 의미한다.
"압연 방향" 등은 압연된 제품의 L-방향을 의미한다(도 13 참조). 압연되지 않은 제품의 경우, 또한 R-값과 관련하여, "압연 방향" 등은 신장의 근본적인 방향(즉, 압출 방향)을 의미한다. 본원에서는, 압연 방향에 대해 0°에서 90°까지 5°씩 증가시키면서 물질의 다양한 R-값을 계산한다. 간단하게 하기 위하여, "배향 각도"를 때때로 이용하여 구 "압연 방향에 대한 각도"를 가리킨다.
"정규화된 최대 R-값" 등은 압연 방향에 대해 임의의 각도에서 획득한 정규화된 최대 R-값을 의미한다.
"최대 RV 각도" 등은 정규화된 최대 R-값이 획득되는 각도를 의미한다.
비한정적인 예로서, RV-대조군 샘플 및 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체의 R-값(정규화되지 않은 값 및 정규화된 값을 모두 포함함)을 함유하는 차트가 아래 표 2에 제공된다.
압연 각도 R-값(대조군) 정규화된 R-값(대조군) R-값(신규 방법)(85% CW) 정규화된 R-값(신규 방법)(85% CW)
0 0.4423 1.000 0.9255 2.092
5 0.4418 0.999 0.9273 2.096
10 0.4351 0.984 0.9570 2.163
15 0.4215 0.953 1.1150 2.521
20 0.4249 0.961 1.4777 3.341
25 0.4497 1.017 1.8105 4.093
30 0.5112 1.156 2.2541 5.096
35 0.5312 1.201 2.7192 6.147
40 0.5527 1.249 3.3643 7.606
45 0.5742 1.298 3.6751 8.308
50 0.5390 1.219 3.9305 8.886
55 0.5208 1.177 3.8992 8.815
60 0.4816 1.089 3.6461 8.243
65 0.5029 1.137 2.8969 6.549
70 0.5126 1.159 2.1150 4.781
75 0.4898 1.107 1.5327 3.465
80 0.4404 0.996 1.2394 2.802
85 0.4229 0.956 1.0073 2.277
90 0.4130 0.934 0.9497 2.147
대조군 및 75% 저온 가공 샘플의 정규화된 R-값을 도 10에 배향 각도의 함수로서 플로팅한다. 도 10은 또한 25%, 50% 및 85% 저온 가공된 알루미늄 합금 본체의 정규화된 R-값도 함유한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 예시된 알루미늄 합금 본체는 특히 압연 방향에 대해 20° 내지 70°의 배향 각도 사이에서 RV-대조군 샘플보다 훨씬 더 높은 R-값을 획득한다. 75% 저온 가공된 본체의 경우, 50°의 최대 RV 각도에서 8.886의 정규화된 최대 R-값이 획득된다. RV-대조군 샘플은 45°의 최대 RV 각도에서 1.298의 정규화된 최대 R-값을 달성한다. 이들 R-값은 종래 방식으로 제조된 알루미늄 합금 본체와 비교하여 신규 알루미늄 합금 본체의 텍스쳐(따라서, 미소 구조)의 지표일 수 있다.
하나의 접근법에서, 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 2.0 이상의 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 2.5 이상의 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 다른 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 3.0 이상, 또는 3.5 이상, 또는 4.0 이상, 또는 4.5 이상, 또는 5.0 이상, 또는 5.5 이상, 또는 6.0 이상, 또는 6.5 이상, 또는 7.0 이상, 또는 7.5 이상, 또는 8.0 이상, 또는 8.5 이상, 또는 8.75 이상의 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 20° 내지 70°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다. 일부 실시양태에서는, 30° 내지 70°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 35° 내지 65°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 40° 내지 65°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 또 다른 실시양태에서는, 45° 내지 60°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다. 다른 실시양태에서는, 45° 내지 55°의 배향 각도에서 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다.
다른 접근법에서, 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 신규 알루미늄 합금 본체의 최대 RV 각도에서 RV-대조군 샘플보다 200% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다. 이 접근법에서는, 신규 알루미늄 합금 본체의 최대 RV 각도가 발생되는 각도에서 신규 알루미늄 합금 본체의 정규화된 R-값을 RV-대조군 샘플의 정규화된 R-값에 비교한다. 예를 들면, 상기 도 10 및 표 2에서 보여지는 바와 같이, 75% 저온 가공된 알루미늄 합금 본체는 50°의 동일한 각도에서 RV-대조군 샘플의 정규화된 R-값에 비해 50°의 최대 RV 각도에서 정규화된 R-값의 729% 증가를 실현한다(8.886/1.219=729%). 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 신규 알루미늄 합금 본체의 최대 RV 각도에서 RV-대조군 샘플보다 250% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 달성할 수 있다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 알루미늄 합금 본체의 최대 RV 각도에서 RV-대조군 샘플보다 300% 이상, 또는 350% 이상, 또는 400% 이상, 또는 450% 이상, 또는 500% 이상, 또는 550% 이상, 또는 600% 이상, 또는 650% 이상, 또는 700% 이상, 또는 750% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다.
다른 접근법에서, 본원에 기재된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 RV-대조군 샘플의 정규화된 최대 R-값보다 200% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 이 접근법에서는, 정규화된 최대 R-값이 나타나는 각도와 무관하게, RV-대조군 샘플의 정규화된 최대 R-값에 신규 알루미늄 합금 본체의 정규화된 최대 R-값을 비교한다. 예를 들어, 상기 도 10 및 표 2에 보여지는 바와 같이, 75% 저온 가공된 알루미늄 합금 본체는 50°의 배향 각도에서 8.886의 정규화된 최대 R-값을 실현한다. RV-대조군 샘플의 정규화된 최대 R-값은 45°의 배향 각도에서 1.298이다. 따라서, 75% 저온 가공된 알루미늄 합금 본체는 RV-대조군 샘플에 비해 정규화된 최대 R-값의 685% 증가를 실현한다(8.886/1.298=1004%). 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 RV-대조군 샘플의 정규화된 최대 R-값보다 250% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 RV-대조군 샘플의 정규화된 최대 R-값보다 300% 이상, 또는 350% 이상, 또는 400% 이상, 또는 450% 이상, 또는 500% 이상, 또는 550% 이상, 또는 600% 이상, 또는 650% 이상, 또는 700% 이상 더 높은 정규화된 최대 R-값을 획득할 수 있다.
iii . 현미경사진
본원에 기재된 신규 방법에 따라 생성된 일부 2xxx 알루미늄 합금 본체의 광학 현미경사진이 도 11b 내지 도 11e에 도시되어 있다. 도 11a는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물의 미소구조이다. 도 11b 내지 도 11e는 각각 25%, 50%, 75% 및 85% 저온 가공된 신규 알루미늄 합금 본체의 미소구조이다. 이들 현미경사진은 본원에 기재된 신규 방법을 이용하여 획득할 수 있는 독특한 미소구조의 몇몇 양상을 도시한다. 도시된 바와 같이, 신규 알루미늄 합금 본체의 입자는 등축(equiaxed)(신장된) 입자가 아닌 것으로 보인다. 75% 및 85% 저온 가공된 본체의 경우, 입자 구조는 섬유상/로프형으로 보이고, 복수개의 전단 띠를 갖는 것으로 보인다. 이들 독특한 미소구조는 신규 알루미늄 합금 본체의 개선된 특성에 기여할 수 있다.
F. 선택적인 열처리 후 처리
열처리 단계(300) 후, 2xxx 알루미늄 합금 본체는 다양한 선택적인 최종 처리(400)를 받을 수 있다. 예를 들어, 열처리 단계(300)와 동시에 또는 그 후에, 2xxx 알루미늄 합금 본체는 다양한 추가적인 가공 또는 마무리 작업[예를 들어, 성형 작업, 기계적 특성에 실질적으로 영향을 주지 않는 평탄화 또는 펴기 작업(예컨대, 연신), 및/또는 예컨대 기계 가공, 양극 산화 처리, 도장, 연마, 버핑(buffing) 같은 다른 작업]을 받을 수 있다. 선택적인 최종 처리 단계(400)는 알루미늄 합금 본체의 미소구조에 실질적으로 영향을 끼치는 임의의 의도적인/유의미한 열처리를 갖지 않을 수 있다(즉, 임의의 어닐링 단계를 갖지 않을 수 있다). 따라서, 저온 가공 단계(200)와 열처리 단계(300)의 조합에 의해 획득된 미소구조가 유지될 수 있다.
하나의 접근법에서는, 열처리 단계(300)와 동시에 하나 이상의 선택적인 최종 처리(400)를 완결시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서, 선택적인 최종 처리 단계(400)는 성형을 포함할 수 있고, 이 성형 단계는 열처리 단계(300)와 동시에(예를 들어, 같은 시간에) 완결될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 동시에 이루어지는 성형 작업과 열처리 작업으로 인해 실질적으로 최종 형태일 수 있다(예를 들어, 열처리 단계 동안 자동문 외부 패널 및/또는 내부 패널을 성형함).
G. 조성
상기 나타낸 바와 같이, 알루미늄 합금 본체는 2xxx 알루미늄 합금으로 제조된다. 2xxx 알루미늄 합금은 알루미늄 외의 우세한 합금화 구성성분으로서 구리를 함유하는 알루미늄 합금이다. 본원의 경우, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 0.5중량% 이상 및 Cu 8.0중량% 이하를 갖는 알루미늄 합금이며, 이때 구리는 알루미늄 외의 우세한 합금화 원소이다. 2xxx 알루미늄 합금은 또한 아래 정의되는 바와 같이 제 2 원소, 제 3 원소 및/또는 기타 원소도 포함할 수 있다. 구리, 제 2 원소 및/또는 제 3 원소는 변형 경화 반응, 석출 경화 반응 및 이들의 조합을 촉진시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서는, 합금화 원소중 적어도 일부가 변형 경화 반응 및 석출 경화 반응을 둘 다 촉진시킨다. 다시, 개선된 특성을 획득할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 1.0중량% 이상을 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 2.0중량% 이상을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금 본체는 Cu 2.5중량% 이상을 포함한다.
한 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 7.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 6.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 5.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 4.5중량% 이하를 포함한다.
2xxx 알루미늄 합금은 제 2 원소를 포함할 수 있다. 제 2 원소는 마그네슘, 은, 리튬 및 아연, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된다.
마그네슘이 사용되는 경우, 2xxx 알루미늄 합금은 Mg 0.10중량% 이상을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Mg 0.20중량% 이상을 포함한다. 2xxx 알루미늄 합금은 통상 Mg 3.0중량% 이하, 예를 들어 Mg 2.5중량% 이하를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Mg 2.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Mg 1.5중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 마그네슘은 불순물로서 존재할 수 있고, 이러한 실시양태에서는 0.09중량% 이하의 수준으로 존재한다.
은이 사용되는 경우, 2xxx 알루미늄 합금은 통상 Ag 0.05중량% 이상을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Ag 0.10중량% 이상을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Ag 0.15중량% 이상을 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Ag 0.20중량% 이상을 포함한다. 2xxx 알루미늄 합금은 통상적으로 Ag 3.0중량% 이하를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Ag 2.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Ag 1.0중량% 이하, 또는 Ag 0.75중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 은은 불순물로서 존재할 수 있으며, 이러한 실시양태에서는 0.04중량% 이하의 수준으로 존재한다.
리튬이 사용되는 경우, 2xxx 알루미늄 합금은 통상 Li 0.05중량% 이상을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Li 0.25중량% 이상을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Li 0.50중량% 이상을 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Li 0.60중량% 이상을 포함한다. 2xxx 알루미늄 합금은 통상 Li 3.0중량% 이하를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Li 2.5중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Li 2.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 리튬은 불순물로서 존재할 수 있으며, 이러한 실시양태에서는 0.04중량% 이하의 수준으로 존재한다.
아연이 사용되는 경우, 2xxx 알루미늄 합금은 통상적으로 Zn 0.10중량% 이상을 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Zn 0.25중량%를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Zn 0.50중량% 이상을 포함한다. 2xxx 알루미늄 합금은 통상 Zn 7.0중량% 이하를 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Zn 6.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Zn 5.0중량% 이하, 또는 Zn 4.0중량% 이하, 또는 Zn 3.0중량% 이하, 또는 Zn 2.0중량% 이하를 포함한다. 다른 실시양태에서, 아연은 불순물로서 존재할 수 있으며, 이러한 실시양태에서는 0.09중량% 이하의 수준으로 존재한다.
2xxx 알루미늄 합금은 다양한 목적으로, 예를 들면 특히 기계적, 물리적 또는 부식 특성(즉, 강도, 인성, 내피로성, 내식성)을 향상시키기 위하여, 승온에서의 특성을 향상시키기 위하여, 캐스팅을 용이하게 하기 위하여, 캐스팅 또는 가공된 입자 구조를 제어하기 위하여, 및/또는 기계 가공성을 향상시키기 위하여, 다양한 제 3 원소를 포함할 수 있다. 존재하는 경우, 이들 제 3 원소는 다음중 하나 이상을 포함할 수 있다: (i) Mn, Si, Fe, Sn, Bi, Pb 및 Ni중 하나 이상 각 2.0중량% 이하, (ii) Sr 및 Sb중 하나 이상 각 1.0중량% 이하, 및 (iii) V, Cr, Zr, Sc, Ti, Hf, Mo, Co 및 희토류 원소중 하나 이상 각 0.5중량% 이하. 존재하는 경우, 제 3 원소는 통상 0.01중량% 이상의 양으로 합금에 함유된다.
2xxx 알루미늄 합금은 철 및 규소 같은 불순물을 포함할 수 있다. 규소 및/또는 철이 제 3 원소로서 합금에 포함되지 않는 경우, 규소 및/또는 철은 불순물로서 2xxx 알루미늄 합금에 포함될 수 있다. 이들 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 통상적으로 규소와 철중 하나를 0.50중량% 이하로 포함한다. 하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 규소와 철중 하나를 0.25중량% 이하로 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 규소와 철중 하나를 0.15중량% 이하로 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 규소와 철중 하나를 0.10중량% 이하로 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 규소와 철중 하나를 0.05중량% 이하로 포함한다.
2xxx 알루미늄 합금은 일반적으로 소량의 "기타 원소"(예를 들어, 캐스팅 보조제 및 Fe와 Si 외의 불순물)를 함유한다. 기타 원소는, 상기 기재된 알루미늄, 아연, 제 2 원소(포함되는 경우), 제 3 원소(포함되는 경우) 및 Fe와 Si 불순물(포함되는 경우)을 제외한, 2xxx 알루미늄 합금에 포함될 수 있는 원소 주기율표의 임의의 기타 원소를 의미한다. 제 2 원소 및/또는 제 3 원소중 임의의 원소가 불순물로서만 합금 내에 함유되는 경우, 이러한 원소는 철과 규소를 제외하고는 "기타 원소"의 영역에 속한다. 예를 들어, 2xxx 합금이 불순물로서(합금화 첨가물로서가 아님) 아연을 포함하는 경우, 아연은 "기타 원소"의 영역에 속한다. 다른 예로서, Mn, Ag 및 Zr이 합금화 첨가물로서 2xxx 합금에 포함되면, 이들 제 3 원소는 "기타 원소"의 영역에 속하지 않지만, 다른 제 3 원소는 불순물로서만 합금에 포함되기 때문에 기타 원소의 영역에 포함된다. 그러나, 규소 또는 철이 불순물로서 2xxx 합금에 함유되는 경우, 이들은 상기 기재된 바와 같이 그들 자체의 한정된 불순물 한계를 갖기 때문에 "기타 원소"의 영역에 속하지 않는다.
일반적으로, 알루미늄 합금 본체는 기타 원소의 임의의 원소를 각 0.25중량% 이하로 함유하며, 이들 기타 원소의 합쳐진 총량은 0.50중량%를 초과하지 않는다. 하나의 실시양태에서, 이들 기타 원소 각각은 개별적으로 2xxx 알루미늄 합금에서 0.10중량%를 초과하지 않으며, 이들 기타 원소의 합쳐진 총량은 2xxx 알루미늄 합금에서 0.35중량%를 초과하지 않는다. 다른 실시양태에서, 이들 기타 원소 각각은 개별적으로 2xxx 알루미늄 합금에서 0.05중량%를 초과하지 않으며, 이들 기타 원소의 합쳐진 총량은 2xxx 알루미늄 합금에서 0.15중량%를 초과하지 않는다. 다른 실시양태에서, 이들 기타 원소 각각은 개별적으로 2xxx 알루미늄 합금에서 0.03중량%를 초과하지 않으며, 이들 기타 원소의 합쳐진 총량은 2xxx 알루미늄 합금에서 0.1중량%를 초과하지 않는다.
하나의 접근법에서, 2xxx 알루미늄 합금은 Cu 0.5 내지 8.0중량%; 선택적으로는 Mg 0.10 내지 3.0중량%, Ag 0.05 내지 3.0중량%, Li 0.05 내지 3.0중량% 및 Zn 0.10 내지 6.0중량%의 제 2 원소중 하나 이상; 선택적으로는 (i) Mn, Si, Fe, Sn, Bi, Pb 및 Ni중 하나 이상 각 2.0중량% 이하, (ii) Sr 및 Sb중 하나 이상 각 1.0중량% 이하, 및 (iii) V, Cr, Zr, Sc, Ti, Hf, Mo, Co 및 희토류 원소중 하나 이상 각 0.5중량% 이하의 제 3 원소중 하나 이상; 제 3 원소로서 2xxx 알루미늄 합금에 포함되지 않는 경우, 불순물로서의 Fe 0.5중량% 이하 및 불순물로서의 Si 0.5중량% 이하를 포함하고, 나머지는 알루미늄 및 기타 원소이며, 이때 Cu는 알루미늄 외의 우세한 합금화 원소이고, 기타 원소는 각각 0.25중량% 이하, 총 0.5중량% 이하로 한정된다.
제 1, 제 2 및 제 3 합금화 원소의 총량은 알루미늄 합금 본체가 적절하게 용액화될 수 있도록(예를 들어, 구성 입자의 양을 제한하면서 경화를 촉진하도록) 선택되어야 한다.
하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 알루미늄 협회에 의해 정의되는 하기 가공된 2xxx 알루미늄 합금중 하나이다: 2001, 2002, 2004, 2005, 2006, 2007, 2007A, 2007B, 2008, 2009, 2010, 2011, 2011A, 2111, 2111A, 2111B, 2012, 2013, 2014, 2014A, 2214, 2015, 2016, 2017, 2017A, 2117, 2018, 2218, 2618, 2618A, 22198, 2319, 2419, 2519, 2021, 2022, 2023, 2024, 2024A, 2124, 2224, 2224A, 2324, 2424, 2524, 2025, 2026, 2027, 2028, 2028A, 2028B, 2028C, 2030, 2031, 2032, 2034, 2036, 2037, 2038, 2039, 2139, 2040, 2041, 2044, 2045, 2050, 2056, 2060, 2090, 2091, 2094, 2095, 2195, 2196, 2097, 2197, 2297, 2397, 2098, 2198, 2099 및 2199.
하나의 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 용액화 후 가용성 성분 입자를 함유하지 않거나 실질적으로 함유하지 않는 2xxx 알루미늄 합금을 생성시키는 양의 합금화 원소를 포함한다. 한 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 용액화 후 소량의(예를 들어, 제한된/최소화된) 불용성 성분 입자를 갖는 알루미늄 합금을 생성시키는 양의 합금화 원소를 포함한다. 다른 실시양태에서, 2xxx 알루미늄 합금은 제어된 양의 불용성 성분 입자로부터 유리한 이점을 취할 수 있다.
H. 특성
본원에 기재된 신규 방법에 의해 생성되는 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 개선된 특성 조합을 달성(실현)할 수 있다.
i. 강도
상기 언급된 바와 같이, 저온 가공된 그대로의 상태 및/또는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 강도 증가를 획득하도록 저온 가공 단계(200) 및 열처리 단계(300)를 달성할 수 있다. 강도 특성은 ASTM E8 및 B557에 따라 통상적으로 측정된다.
하나의 접근법에서, 알루미늄 합금 본체는 T6 조건의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 5% 이상의 강도(TYS 및/또는 UTS) 증가를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T6 조건의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 6% 이상의 인장 항복 강도 증가를 달성한다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T6 조건의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 8% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 10% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 12% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 14% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 16% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 18% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 20% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 22% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 24% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 26% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 28% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 30% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 32% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 34% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 36% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 38% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 40% 이상의 인장 항복 강도 증가를 달성한다. 이들 증가는 L 및/또는 LT 방향에서 달성될 수 있다.
관련 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T6 조건의 알루미늄 합금 본체에 비해 극한 인장 강도 면에서 6% 이상의 증가를 달성할 수 있다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T6 조건의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 8% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 10% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 12% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 14% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 16% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 18% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 20% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 22% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 24% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 26% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 28% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 30% 이상의 극한 인장 강도 증가, 또는 32% 이상의 극한 인장 강도 증가를 달성할 수 있다. 이들 증가는 L 및/또는 LT 방향에서 실현될 수 있다.
하나의 접근법에서, 알루미늄 합금 본체는 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 적어도 동등한 인장 항복 강도를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 인장 항복 강도 면에서 2% 이상의 증가를 달성한다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 4% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 6% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 8% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 10% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 12% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 14% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 16% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 18% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 20% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 22% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 24% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 26% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 28% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 30% 이상의 인장 항복 강도 증가를 달성한다. 극한 인장 강도에 대해서도 유사한 결과를 획득할 수 있다. 이들 증가는 L 또는 LT 방향에서 실현될 수 있다.
하나의 접근법에서, 알루미늄 합금 본체는 T87 조건의 알루미늄 합금 본체에 비해 5% 이상의 인장 항복 강도 증가를 달성한다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T87 조건의 알루미늄 합금 본체에 비해 6% 이상의 인장 항복 강도 증가를 획득한다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 T87 조건의 알루미늄 합금 본체에 비해 8% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 10% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 12% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 14% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 16% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 18% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 20% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 22% 이상의 인장 항복 강도 증가, 또는 24% 이상의 인장 항복 강도 증가를 달성할 수 있다. 이들 증가는 L 및/또는 LT 방향에서 실현될 수 있다. 극한 인장강도에 대해서 유사한 결과를 획득할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 65ksi 이상의 LT 방향에서의 전형적인 인장 항복 강도를 실현시킨다. 다른 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 66ksi 이상, 또는 67ksi 이상, 또는 68ksi 이상, 또는 69ksi 이상, 또는 70ksi 이상, 또는 71ksi 이상, 또는 72ksi 이상, 또는 73ksi 이상, 또는 74ksi 이상, 또는 75ksi 이상, 또는 76ksi 이상, 또는 77ksi 이상, 또는 78ksi 이상, 또는 79ksi 이상, 또는 80ksi 이상, 또는 81ksi 이상, 또는 82ksi 이상, 또는 83ksi 이상, 또는 84ksi 이상, 또는 85ksi 이상, 또는 86ksi 이상, 또는 87ksi 이상, 또는 88ksi 이상, 또는 89ksi 이상, 또는 90ksi 이상, 또는 91ksi 이상, 또는 92ksi 이상, 또는 93ksi 이상, 또는 94ksi 이상의 LT 방향에서의 전형적인 인장 항복 강도를 실현한다. 종방향(L)에서도 유사한 결과를 획득할 수 있다.
관련 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 68ksi 이상의 LT 방향에서의 전형적인 극한 인장 강도를 실험한다. 다른 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 69ksi 이상, 또는 70ksi 이상, 또는 71ksi 이상, 또는 72ksi 이상, 또는 73ksi 이상, 또는 74ksi 이상, 또는 75ksi 이상, 또는 76ksi 이상, 또는 77ksi 이상, 또는 78ksi 이상, 또는 79ksi 이상, 또는 80ksi 이상, 또는 81ksi 이상, 또는 82ksi 이상, 또는 83ksi 이상, 또는 84ksi 이상, 또는 85ksi 이상, 또는 86ksi 이상, 또는 87ksi 이상, 또는 88ksi 이상, 또는 89ksi 이상, 또는 90ksi 이상, 또는 91ksi 이상, 또는 92ksi 이상, 또는 93ksi 이상, 또는 94ksi 이상, 또는 95ksi 이상, 또는 96ksi 이상, 또는 97ksi 이상, 또는 98ksi 이상, 또는 99ksi 이상, 또는 100ksi 이상의 LT 방향에서의 전형적인 극한 인장 강도를 실현한다. 종방향(L)에서도 유사한 결과를 획득할 수 있다.
신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 2xxx 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 단시간 내에 높은 강도를 획득할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물보다 10% 이상 더 빨리 피크 강도를 실현한다. 10% 더 빠른 가공의 예로서, T6 템퍼의 2xxx 알루미늄 합금 본체가 35시간의 가공시 이의 피크 강도를 실현하는 경우, 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 31.5시간 이하 내에 이의 피크 강도를 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 2xxx 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 20% 이상 더 빠르게, 또는 25% 이상 더 빠르게, 또는 30% 이상 더 빠르게, 또는 35% 이상 더 빠르게, 또는 40% 이상 더 빠르게, 또는 45% 이상 더 빠르게, 또는 50% 이상 더 빠르게, 또는 55% 이상 더 빠르게, 또는 60% 이상 더 빠르게, 또는 65% 이상 더 빠르게, 또는 70% 이상 더 빠르게, 또는 75% 이상 더 빠르게, 또는 80% 이상 더 빠르게, 또는 85% 이상 더 빠르게, 또는 90% 이상 더 빠르게 이의 피크 강도를 실현한다.
하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 10시간 미만의 열처리시 이의 피크 강도를 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 9시간 미만, 또는 8시간 미만, 또는 7시간 미만, 또는 6시간 미만, 또는 5시간 미만, 또는 4시간 미만, 또는 3시간 미만, 또는 2시간 미만, 또는 1시간 미만, 또는 50분 미만, 또는 40분 미만, 또는 30분 미만, 또는 20분 미만, 또는 15분 미만, 또는 10분 미만의 열처리시 이의 피크 강도를 실현한다. 짧은 열처리 시간 때문에, 도료 소성 사이클 또는 코팅 경화를 이용하여 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체를 열처리할 수 있다.
ii . 연성
알루미늄 합금 본체는 상기 강도와 함께 우수한 연성을 실현할 수 있다. 하나의 접근법에서, 알루미늄 합금 본체는 4%보다 큰 신장률(L 및/또는 LT)을 획득한다. 하나의 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 5% 이상의 신장률(L 및/또는 LT)을 획득한다. 다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 6% 이상, 또는 7% 이상, 또는 8% 이상, 또는 9% 이상, 또는 10% 이상, 또는 11% 이상, 또는 12% 이상, 또는 13% 이상, 또는 14% 이상, 또는 15% 이상, 또는 16% 이상의 신장률(L 및/또는 LT)을 획득할 수 있다.
iii . 파쇄 인성
신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 우수한 파쇄 인성을 실현할 수 있다. 인성 특성은 통상적으로 평면-변형 파쇄 인성(예를 들어, KIC 및 KQ)의 경우 ASTM E399 및 ASTM B645에 따라, 또한 평면-응력 파쇄 인성(예컨대, Kapp 및 KR25)의 경우 ASTM E561 및 B646에 따라 측정된다.
하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 10% 이하의 인성 감소를 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 2xxx 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 9% 이하, 또는 8% 이하, 또는 7% 이하, 또는 6% 이하, 또는 5% 이하, 또는 4% 이하, 또는 3% 이하, 또는 2% 이하, 또는 1% 이하의 인성 감소를 실현한다. 하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 T6 템퍼의 2xxx 알루미늄 합금 본체의 기준물과 적어도 동등한 인성을 실현한다.
다른 실시양태에서, 알루미늄 합금 본체는 파쇄 인성에서 개선을 달성한다. 이들 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 1% 이상의 파쇄 인성 증가를 획득한다. 하나의 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 3% 이상의 파쇄 인성 증가를 달성한다. 다른 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 T6 및/또는 T87 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 5% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 7% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 9% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 11% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 13% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 15% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 17% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 19% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 21% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 23% 이상의 파쇄 인성 증가, 또는 25% 이상의 파쇄 인성 증가를 획득한다. 이들 증가는 L-T 및/또는 T-L 방향에서 실현될 수 있으며, 평면 변형 파쇄 인성(예를 들어, KIC 또는 KQ) 및/또는 평면 응력 파쇄 인성(예컨대, Kapp 또는 KR25)에 대한 것일 수 있다.
iv . 응력 부식 균열
신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 우수한 응력 부식 균열 저항성을 실현할 수 있다. 응력 부식 균열(SCC) 저항성은 통상 ASTM G47에 따라 측정된다. 예를 들어, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 우수한 강도 및/또는 인성 및 우수한 SCC 내식성을 성취할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 수준 1의 내식성을 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 수준 2의 내식성을 실현한다. 또 다른 실시양태에서, 신규의 2xxx 알루미늄 합금 본체는 수준 3의 내식성을 실현한다. 또 다른 실시양태에서, 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체는 수준 4의 내식성을 실현한다.
Figure pct00004
v. 외관
본원에 개시된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 개선된 외관을 실현할 수 있다. 헌터랩 도리곤(Hunterlab Dorigon) II[헌터 어쏘시에이츠 래보러토리 인코포레이티드(Hunter Associates Laboratory INC), 미국 버지니아주 레스턴] 또는 필적할만한 기구를 이용하여 하기 외관 기준을 측정할 수 있다.
본원에 개시된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 5% 이상 더 높은 정반사율을 실현할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 6% 이상 더 높은 정반사율을 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 7% 이상 더 높은 정반사율, 또는 8% 이상 더 높은 정반사율, 또는 9% 이상 더 높은 정반사율, 또는 10% 이상 더 높은 정반사율, 또는 11% 이상 더 높은 정반사율, 또는 12% 이상 더 높은 정반사율, 또는 13% 이상 더 높은 정반사율을 실현한다.
본원에 개시된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 10% 이상 더 높은 2° 확산성(diffuseness)을 실현할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 12% 이상 더 높은 2° 확산성을 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 14% 이상 더 높은 2° 확산성, 또는 16% 이상 더 높은 2° 확산성, 또는 18% 이상 더 높은 2° 확산성, 또는 20% 이상 더 높은 2° 확산성, 또는 22% 이상 더 높은 2° 확산성을 실현한다.
본원에 개시된 신규 방법에 따라 가공된 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 15% 이상 더 높은 2 이미지 선명도(clarity)를 실현할 수 있다. 하나의 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 18% 이상 더 높은 2 이미지 선명도를 실현한다. 다른 실시양태에서, 신규 알루미늄 합금 본체는 기준이 되는 T6 템퍼의 알루미늄 합금 본체에 비해 21% 이상 더 높은 2 이미지 선명도, 또는 24% 이상 더 높은 2 이미지 선명도, 또는 27% 이상 더 높은 2 이미지 선명도, 또는 30% 이상 더 높은 2 이미지 선명도를 실현한다.
I. 제품 용도
본원에 기재된 신규 방법은 다양한 제품 용도에 사용될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 항공우주 용도, 예를 들어 특히 날개 외피(상부 및 하부) 또는 옆판/보강재, 동체 외피 또는 옆판, 늑재, 프레임, 원재, 시트 트랙, 격벽, 원주 프레임, 미부(예컨대, 수평 및 수직 안정화 장치), 바닥 빔, 시트 트랙, 문 및 제어 표면 부품(예를 들어, 방향타, 보조익)에 사용된다. 본 제품을 사용함으로써 이러한 부품에서, 몇몇을 열거하자면 더 높은 강도, 탁월한 내식성, 피로 균열의 개시 및 성장에 대한 개선된 저항성 및 향상된 인성을 비롯한 다수의 이점을 실현할 수 있다. 개선된 이러한 특성의 조합은 중량 경감 또는 감소된 점검 간격 또는 둘 다를 달성할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 군수품/총탄/군사 용도, 예를 들어 특히 탄약 카트리지 및 장갑(armor)에 사용된다. 탄약 카트리지는 소총 및 기관포 또는 대포 또는 탱크에 사용되는 것을 포함할 수 있다. 다른 가능한 탄약 구성요소는 탄저판 및 핀(fin)을 포함한다. 대포, 퓨즈 구성요소는 정밀 유도되는 폭탄 및 미사일용 핀 및 제어 표면과 마찬가지로 다른 가능한 용도이다. 장갑 구성요소는 장갑판 또는 군용차용 구조 요소를 포함할 수 있다. 이러한 용도에서, 본 제품은 중량 경감 또는 개선된 신뢰성 또는 정확도를 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 패스너 용도, 예를 들어 특히 산업 공학 및/또는 항공우주 산업에서 사용될 수 있는 볼트, 리벳, 스크류, 스터드, 인서트, 너트 및 락-볼트에 사용된다. 이들 용도에서는, 중량 감소를 위해 티탄 합금 또는 강 같은 다른 더 무거운 물질 대신에 본 제품을 사용할 수 있다. 다른 경우에는, 본 제품이 탁월한 내구성을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 자동차 용도, 예를 들어 폐쇄 패널(예를 들어, 특히 후드, 펜더, 문, 지붕 및 트렁크 덮개), 바퀴; 및 임계 강도 용도, 예를 들어 특히 BIW(body-in-white)(예컨대, 기둥, 보강재) 용도에 사용된다. 이들 용도중 몇몇에서는, 본 제품으로 인해 구성요소의 원료 절감(down-gauging) 및 중량 경감이 가능해질 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 해양 용도, 예를 들어 선박 및 보트(예컨대, 특히 외피, 데크, 돛대 및 상부구조)에 사용된다. 이들 용도중 일부에서는, 본 제품을 사용하여 원료 절감 및 중량 감소를 가능케 할 수 있다. 몇몇 다른 경우에는, 내식성이 불량한 제품 대신 본 제품을 사용하여 신뢰성과 수명을 향상시킬 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 철도 용도, 예를 들어 특히 호퍼 탱크 및 유개화차에 사용된다. 호퍼 또는 탱크차의 경우, 호퍼 및 탱크 자체에 또는 지지 구조에 본 제품을 사용할 수 있다. 이들 경우, 본 제품은 중량 감소(원료 절감을 통해) 또는 수송되는 제품과의 향상된 양립가능성을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 지상 운송 용도, 예를 들어 트럭 트랙터, 박스 트레일러, 평대 트레일러, 버스, 패키지 밴, 레저용 차량(RV), 전지형 만능차(ATV) 등에 사용된다. 트럭 트랙터, 버스, 패키지 밴 및 RV의 경우, 폐쇄 패널 또는 프레임, 범퍼 또는 연료 탱크에 본 제품을 사용하여 원료 절감 및 중량 감소를 가능케 할 수 있다. 상응하게, 본 본체를 또한 바퀴에도 사용하여 향상된 내구성 또는 중량 절감 또는 개선된 외관을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 오일 및 가스 용도, 예를 들어 특히 상승관, 보조 라인, 드릴 파이프, 조임-및-막음(choke-and-kill) 라인, 생산 파이프 및 낙하 파이프에 사용된다. 이들 용도에서, 본 제품은 벽 두께를 감소시킬 수 있고 중량을 줄일 수 있다. 다른 용도는 다른 물질을 대체하여 부식 성능을 개선하거나, 다른 물질을 대체하여 천공 유체 또는 생산 유체와의 양립가능성을 개선함을 포함할 수 있다. 특히 거주 모듈 및 헬리콥터 발착장 같은 탐사에 이용되는 보조 설비에 본 제품을 또한 사용할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 포장 용도, 예를 들어 특히 뚜껑 및 탭, 음식 캔, 병, 트레이 및 캡에 사용된다. 이들 용도에서, 이점은 원료 절감 및 감소된 포장 중량 또는 비용의 기회를 포함한다. 다른 경우에서는, 본 제품이 포장 내용물과의 향상된 양립가능성 또는 개선된 내식성을 갖는다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 예를 들어 특히 조명, 거울 및 태양광 집광용 반사판에 사용된다. 이들 용도에서, 본 제품은 소정 강도 수준에서 코팅되지 않거나, 코팅되거나 양극 산화 처리된 상태에서 더욱 우수한 반사 품질을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 건축 용도, 예를 들어 건물 패널/외관, 입구, 프레임 시스템 및 커튼 벽 시스템에 사용된다. 이러한 용도에서, 본 제품은 탁월한 외관 또는 내구성, 또는 원료 절감에 수반되는 중량 감소를 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 전기 용도, 예를 들어 특히 접속부, 단자, 케이블, 모선 및 와이어에 사용된다. 일부 경우, 본 제품은 소정 전류 운반 용량에서 단락 경향을 감소시킬 수 있다. 본 제품으로부터 제조된 접속부는 시간의 경과에 따라 높은 일체성의 접속을 유지할 수 있는 향상된 능력을 가질 수 있다. 다른 와이어 또는 케이블에서, 본 제품은 소정 수준의 전류 운반 용량에서 개선된 피로 성능을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 섬유 금속 적층체 용도에, 예를 들어 특히 적층체에 사용되는 고강도 시트 제품을 생성시키는데 사용되며, 이로써 원료 절감 및 중량 감소를 달성할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 산업 공학 용도, 예를 들어 특히 트레드-판, 공구 상자, 볼트 데크, 가교 데크 및 램프에 사용되며, 이 경우 향상된 특성으로 인해 원료 절감 및 중량 또는 물질 사용의 감소를 가능케 할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 유체 용기(탱크), 예를 들어 특히 고리, 돔 및 통(barrel)에 사용된다. 일부 경우, 탱크는 정적인 저장을 위해 사용될 수 있다. 다른 경우, 탱크는 발사체 또는 항공기의 일부일 수 있다. 이들 용도에서의 이점은 원료 절감 또는 함유되어야 하는 제품과의 향상된 양립가능성을 포함할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 소비자 제품 용도, 예를 들어 랩톱, 휴대폰, 카메라, 휴대용 음악 플레이어, 휴대용 장치, 컴퓨터, 텔레비전, 전자레인지, 조리 기구, 세척기/건조기, 냉장고, 스포츠용품, 또는 내구성 또는 바람직한 외관이 요구되는 임의의 다른 소비자 전자 제품에 사용된다. 다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 특히 의료 장치, 보안 시스템, 및 사무용품에 사용된다.
다른 실시양태에서는, 예를 들어 특허 구멍을 처리하여 피로 저항성을 개선하기 위한 저온 구멍 확장 공정에 신규 방법을 적용시켜, 상기 기재된 바와 같이 저온 가공 구배 및 조정된 특성을 생성시킬 수 있다. 이 저온 구멍 확장 방법은 특히 단조된 바퀴 및 항공기 구조물에 적용될 수 있다.
다른 실시양태에서는, 예를 들어 특히 캔, 병, 에어로졸 캔 및 기체 실린더를 생성시키기 위한 저온 간접 압출 공정에 신규 방법을 적용시킨다. 이들 경우, 본 제품은 더 높은 강도를 제공할 수 있고, 이는 다시 물질 사용을 감소시킬 수 있다. 다른 경우에는, 내용물과의 개선된 양립가능성으로 인해 더 긴 사용수명을 제공할 수 있다.
다른 실시양태에서, 본원에 기재된 신규 방법에 의해 제조된 제품은 열-교환기 용도, 예를 들어 특히 더 높은 강도가 물질 사용의 감소로 이어질 수 있는 관 및 핀에 사용된다. 개선된 내구성 및 더 긴 수명 또한 실현될 수 있다.
다른 실시양태에서는, 예를 들어 열-교환기 구성요소, 예컨대 더 높은 강도가 물질 사용의 감소로 이어질 수 있는 관을 제조하기 위한 순응(conforming) 공정에 신규 방법을 적용한다. 개선된 내구성 및 더 긴 수명이 또한 실현될 수 있다.
신규 2xxx 알루미늄 합금 제품은 다층 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 층으로서 2xxx 알루미늄 합금 본체를 사용하고 제 2 층으로서 1xxx 내지 8xxx 합금중 임의의 것을 사용하여 다층 제품을 제조할 수 있다. 도 12는 다층 제품을 제조하는 방법의 한 실시양태를 도시한다. 도시된 실시양태에서는, 다층 제품을 생성시킨(107) 후, 도 9에 대해 상기 기재된 바와 같이 이를 균질화시키고(122), 열간 압연시키고(126), 용액화시킨(140) 다음, 냉간 압연시킨다(220). 특히 다중-합금 캐스팅, 압연 결합 및 금속학적 결합을 통해 다층 제품을 생성시킬 수 있다. 다중-합금 캐스팅 기법은 킬머(Kilmer) 등의 미국 특허 공개 제 20030079856 호, 앤더슨(Anderson) 등의 미국 특허 출원 제 20050011630 호, 추(Chu) 등의 미국 특허 출원 제 20080182122 호 및 노블리스(Novelis)의 국제 특허 공개 제 2007/098583 호에 기재된 것을 포함한다[소위 퓨전(FUSION)(상표) 캐스팅 방법].
이 신규 기법의 이들 및 다른 양태, 이점 및 신규 특징은 하기 상세한 설명에 부분적으로 기재되며, 상세한 설명과 도면을 검토할 때 당업자에게 더욱 명백해지거나, 또는 특허원에 의해 제공되는 기법의 하나 이상의 실시양태를 실행함으로써 습득될 수 있다.
실시예
실시예 1 - 합금 2324 및 2024
두 가지 2xxx 알루미늄 합금, 즉 2324 및 2024를 잉곳으로서 직접 냉각 캐스팅한다. 이들 합금은 도 9에 도시된 것과 유사하게 가공되고, 저온 가공 단계(200) 후에 320℉ 내지 350℉에서 20분간 열처리(300)를 받는다. 이들 알루미늄 합금 본체의 기계적 특성(강도, 신장률) 및 인성 특성(단위 전파 에너지)이 아래 표 3 및 표 4에 제공된다.
다양하게 가공된 2324의 기계적 특성
% 냉간 압연 조건 TYS(ksi) 신장률(%) UPE(in-lb/in2)
0 T4 템퍼 43.0 21.0 1055
4.5 CR 56.2 15.5 860
4.5 CR+T 47.8 17.0 1020
4.5 CR+S 66.1 12.0 605
4.5 CR+S+T 56.0 13.5 725
7.5 CR 59.1 13.0 690
7.5 CF+T 51.8 16.0 870
7.5 CR+S 67.4 12.5 570
7.5 CR+S+T 58.5 15.5 750
12.5 CR 65.8 9.5 500
12.5 CR+T 58.7 14.6 700
26 CR 71.1 7.0 260
26 CR+T 64.1 12.5 390
26 CR+S 78.4 7.0 235
26 CR+S+T 69.2 11.5 345
44 CR 77.6 5.5 180
44 CR+T 71.8 11.5 260
44 CR+S 83.9 5.0 150
44 CR+S+T 76.2 9.0 260
68 CR 84.2 5.0 110
68 CR+T 79.3 7.8 230
90 CR 92.3 1.5 70
90 CR+T 87.6 2.2 120
설명
CR=냉간 압연
T=열처리
S=2% 연신
다양하게 가공된 합금 2024의 기계적 특성
압연 전 템퍼 저온 가공(%) 20분간 열처리(℉) TYS(ksi) UTS(ksi) 신장률(%)
W 0 - 27.4 59.1 21.5
T4 0 - 47.0 72.4 19.5
W 63 - 78.7 86.4 6.0
W 63 350℉ 79.0 89.5 10.0
T4 63 - 85.5 91.8 5.0
T4 63 350℉ 82.1 91.9 9.5
W 90 - 92.8 95.8 2.0
W 90 350℉ 89.6 96.1 7.0
T4 90 - 97.2 100.9 3.0
T4 90 350℉ 93.7 100.8 7.5
알루미늄 합금 본체는 저온 가공이 증가함에 따라 강도 증가를 획득하는 동시에 통상 4%보다 높은 신장률 값을 갖는다. 저온 가공 후 열처리가 신장률을 증가시킨다.
실시예 2 - 신규 방법을 이용한 2 xxx + Ag 합금의 시험
하기 표 5에 나열된 조성을 갖는 2xxx+Ag 합금을 캐스팅하고, 균질화시킨 후, 각각 약 0.53인치, 0.32인치, 0.16인치(×2) 및 0.106인치의 중간 치수를 갖는 플레이트/시트로 열간 압연시킨다. 이어, 0.16인치 샘플중 하나(대조군)를 약 0.08인치의 최종 치수로 냉간 압연하고, 약 970℉에서 약 60분동안 침지시킴으로써 용액 열처리한 다음, 냉수 급랭시키고, 이어 응력 제거를 위해 1 내지 2% 연신시킨다. 대조군을 약 4일동안 자연적으로 노화시킨 다음, T6-스타일 템퍼로 열처리한다.
샘플중 다른 하나를 먼저 용액 열처리하고(동일한 공정에 의해), 이어 0.08인치의 최종 치수로 냉간 압연시켜, 각각 약 85%, 75%, 50% 및 25% 저온 가공을 나타낸다. 모든 샘플을 약 4일간 자연적으로 노화시킨 다음, 두 가지 온도(290℉ 및 330℉)에서 다양한 시간동안 열처리한다. 이어, 기계적 시험 및 전기 전도율 시험을 수행하고, 그 결과를 각 열처리 온도에 대해 표 6 및 표 7에 제공한다.
2xxx+Ag 합금의 조성(모든 값은 중량% 단위임)
Si Fe Cu Mg Zr Ag Mn Ti 기타 각 기타 총 나머지
0.02 0.02 3.71 0.96 0.11 0.43 0.29 0.02 ≤0.05 ≤0.15 Al
다양한 열처리 시간에서의 2xxx+Ag 합금의 강도(290℉)
시트 A
(T6)
(ksi)		 시트 B(신규)
85% CW
(ksi)		 시트 C(신규)
75% CW
(ksi)		 시트 D(신규)
50% CW
(ksi)		 시트 E(신규)
25% CW
(ksi)
시간(시간) TYS UTS TYS UTS TYS UTS TYS UTS TYS UTS
0 43.5 58.6 75.5 85.6 69.7 81 60.4 72.3 55.7 80.3
0.5 40.2 56.4 73 86.2 66.2 81.8 57.6 72.9 52.5 81
8 40.8 57.5 77.2 86.7 71.2 82.5 60.7 74.4 54.9 81.3
24 43.3 58.6 82.1 87.6 76.4 83.6 66.6 76.4 60.7 82.8
72 57.4 64.9 83.4 87.1 79.6 84.3 74 79.5 70.3 83.2
96 60.1 66.3 82.5 86 80 83.5 --- 79.9 72.1 82.7
다양한 열처리 시간에서의 2xxx+Ag 합금의 강도(330℉)
시트 A
(T6)
(ksi)		 시트 B(신규)
85% CW
(ksi)		 시트 C(신규)
75% CW
(ksi)		 시트 D(신규)
50% CW
(ksi)		 시트 E(신규)
25% CW
(ksi)
시간(시간) TYS UTS TYS UTS TYS UTS TYS UTS TYS UTS
0 43.5 58.6 75.5 85.6 69.7 81 58.4 72.3 55.7 80.3
0.5 37.9 54.8 74.3 86 67.4 81.1 58.4 74.2 52.2 80.6
4 42.1 57.5 82.8 87.1 77 83.4 69 77.6 62.8 81.9
8 50.4 61.1 82.9 86.3 79.2 83.3 73.7 79 68.8 82.4
36 61.1 66.3 75 79.5 75.1 79.1 74.5 78.2 72.8 78.5
72 59.4 65.6 69 74.9 69.2 74.7 70 75.1 68.9 74.3
상기 표 6 및 표 7 및 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 신규 방법에 의해 제조된 시트 B 내지 E는 강도 증가를 실현한다. 실제로, 85% CW를 받고 330℉에서 열처리된 시트 B는 4시간동안의 열처리만으로 82.8ksi의 강도를 실현한다. 종래대로 가공된 T6 템퍼의 합금(시트 A)은 약 36시간의 열처리시 이의 측정된 최고 강도에 도달하고, 약 61.1ksi의 강도를 획득한다. 달리 말해, 신규 시트 B는 4시간의 열처리만으로도[즉, 88.9% 더 빠름; (1-4/36)*100%=88.9%] 종래대로 제조된 물질 강도보다 약 35%의 인장 항복 강도 증가를 달성한다. 달리 말해, 신규 시트 B는 종래의 시트 A에 비해 약 35%의 강도 증가를, 시트 A가 61.1ksi의 이의 최고 측정 강도를 달성하는데 필요한 시간의 약 1/10 내에 달성한다.
이들 강도 증가를 감안하면, 시트 B 내지 E의 경우 연성의 상당한 저하가 예상된다. 그러나, 아래 표 8에서 보여지는 바와 같이, 우수한 신장률 값이 측정된다. 모든 신장률 값은 % 단위이다. 290℉에서 열처리된 샘플의 경우 유사한 신장률 값이 측정된다.
다양한 열처리 시간에서 2xxx+Ag 합금의 신장률(%)(330℉)
시간(시간) 시트 A
(T6)		 시트 B(신규)
85% CW		 시트 C(신규)
75% CW		 시트 D(신규)
50% CW		 시트 E(신규)
25% CW
0 19 8 7.5 8.5 9.5
0.5 24 13.5 16.5 13 13.5
4 25 10.5 11.5 12.5 13
8 18 9 9 8.5 9
36 10.5 7.5 7.5 6.5 6.5
72 9 8 7 6.5 6.5
330℉에서 측정된 전기 전도율 값이 아래 표 9에 제공된다. 모든 전기 전도율 값은 % IACS(International Annealed Copper Standard) 단위이다. 290℉에서 열처리된 샘플의 경우에 유사한 전기 전도율 값이 측정된다.
다양한 열처리 시간에서 2xxx+Ag 합금의 전기 전도율(330℉)
시간(시간) 시트 A
(T6)		 시트 B(신규)
85% CW		 시트 C(신규)
75% CW		 시트 D(신규)
50% CW		 시트 E(신규)
25% CW
0 31.2 31 31.1 31.3 31.3
0.5 31.5 31.4 31.4 31.8 31.8
12 32.6 33.7 33.7 33.9 33.8
24 34.6 35.5 35.3 35.2 35.4
48 38.2 39.6 39 38.3 38.1
72 39.2 40.8 40.2 39.4 39.3
실시예 2의 결과는 개선된 특성(예컨대, 강도)을 달성하도록 적절하게 저온 가공 단계 및 열처리 단계를 수행해야 함을 보여준다. 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 불충분한 시간동안 열처리된 합금은 저온 가공된 그대로의 상태와 비교하여 강도의 감소에 의해 보여지는 바와 같이 개선된 특성을 실현할 수 없다. 도 14 및 도 15에서 보여지는 바와 같이, 너무 긴 시간동안 열처리된 합금은 저온 가공된 그대로의 상태와 비교하여 강도의 감소에 의해 도시되는 바와 같이 또한 개선된 특성을 획득할 수 없다.
이 2xxx+Ag 알루미늄 합금의 추가적인 기계적 특성을 시험하였으며, 그 결과는 아래 표 10 및 표 11에 제공된다. 구체적으로는, 강도, 신장률 및 파쇄 인성 특성을 시험하였다. 이 경우에는, 알루미늄 합금 본체를 290℉에서 72시간동안 열처리하였다. 이들 결과는 2xxx+Ag 알루미늄 합금에 의해 L 및 LT 방향에서 유사한 강도 및 신장률 특성이 실현될 수 있음을 보여준다.
2xxx+Ag 합금의 추가적인 기계적 특성(LT)
저온 가공 TYS(LT)(ksi) UTS(LT)(ksi) 신장률(LT)
(%)		 KQ(T-L)
(ksi√in)		 KR25(T-L)
(ksi√in)
85% CW 83.4 87.5 10 38.6 87.8
75% CW 79.3 84.1 9 39.5 87.6
50% CW 72.4 78.6 9 41.9 91.1
25% CW 68.7 75.2 10 51.4 84.5
대조군(T6) 59.0 65.7 12.5 33.6 81.1
2xxx+Ag 알루미늄 합금의 추가적인 기계적 특성(L)
저온 가공 TYS(L)(ksi) UTS(L)(ksi) 신장률(L)(%)
85% CW 81.1 84.7 6.5
75% CW 79.6 83.4 6.5
50% CW 75.3 79.7 9
25% CW 71.7 76.3 9
대조군(T6) 60.6 66.1 12.5
ASTM 시험 규격 ASTM E561 및 ASTM B646(Kapp 및 KR25의 경우), 및 E399 및 B645(KIC/KQ)에 따라 파쇄 인성 시험을 수행하였다. Kapp 측정에는 중간 균열 파쇄 시편(M(T))을 사용하였다. 시편 폭(W)은 6.3인치였고, 두께(B)는 0.08인치였으며, 최초 균열 길이(2a0)는 1.573인치였다. 즉, 2a0/W=0.25. KR25 및 KQ 측정에는 소형 장력 파쇄 시편(C(T))을 사용하였다. 시편 폭(W)은 2.5인치였고, 두께(B)는 0.07인치였으며, 공칭 최초 균열 길이(a0)는 1.25였고, (a0)/w는 0.50이었다.
당업자는 시편 폭이 증가함에 따라 KQ, Kapp 및 KR25의 수치 값이 전형적으로 증가함을 알게 될 것이다. KQ, Kapp 및 KR25는 또한 시편 두께, 최초 균열 길이 및 시험 쿠폰의 기하학적 구조에 의해서도 영향을 받는다. 따라서, KQ, Kapp 및 KR25 값은 통상 동일한 기하학적 구조, 폭, 두께 및 최초 균열 길이를 갖는 시편으로부터만 신뢰성 있게 비교될 수 있다.
2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체는 개선된 파쇄 인성을 달성한다. 대조군 본체에 비해 강도 면에서 상당한 증가가 있음에도 불구하고, 신규의 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체는 대조군 합금에 비해 개선된 파쇄 인성을 달성한다. 이는 도 16 및 도 17에 도시되어 있다. 예를 들면, 75% CW 시트는 대조군 시트에 비해 상응하는 17.6%의 평면-변형 인성(KQ T-L) 개선 및 8.1%의 평면-응력 인성(KR25 T-L) 개선과 함께 인장 항복 강도(LT) 면에서 34.4%의 개선을 달성한다. 75% CW 시트도 대조군 시트에 비해 인장 항복 강도(L)의 31.4% 개선을 실현한다. 이들 강도와 인성의 조합은 우수한 연성과 함께 실현되어, 신규 알루미늄 합금 본체는 모두 6.5 내지 10%의 신장률을 달성한다.
상기 기재된 OIM 절차에 따라 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체를 입자 구조에 대해 또한 시험한다. 결과는 아래 표 12에 제공된다.
2xxx+Ag 알루미늄 합금의 미소구조(OIM) 특성
샘플 측정 위치 OIM에 따른 제 1 유형의 입자(부피 분율) 재결정화되지 않은 %
대조군 T/4 내지 표면 0.88 12%
25% CW T/4 내지 표면 0.50 50%
50% CW T/4 내지 표면 0.07 93%
75% CW T/4 내지 표면 0.13 87%
85% CW T/4 내지 표면 0.25 75%
25% 이상 저온 가공된 신규 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체는 모든 경우에 0.25 이하의 제 1 유형의 입자의 부피 분율을 가져서(즉, 75% 재결정화되지 않음), 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 갖는다. 반대로, 대조군 본체는 0.88의 제 1 유형의 입자의 부피 분율을 가져서(즉, 12% 재결정화되지 않음), 거의 완전히 재결정화된다.
상기 기재된 R-값 생성 절차에 따라 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체의 R-값도 시험한다. 결과는 상기 기재된 도 10에 도시되어 있다. 신규 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체는 높은 정규화된 R-값을 가져서, 50°의 배향 각도에서 정규화된 피크(최대) R-값을 획득한다. 이들 높은 R-값은 본원에 기재된 신규 2xxx 알루미늄 합금 본체의 독특한 텍스쳐, 따라서 미소구조를 나타낸다. 신규 2xxx+Ag 알루미늄 합금 본체는 대조군 본체의 R-값에 비해 약 322% 내지 729% 더 높은 최대 R-값을 실현한다(R-값을 측정함에 있어서, 대조군은 T6 템퍼가 아니라 T4 템퍼이다).
본 발명의 다양한 실시양태를 상세하게 기재하였으나, 당업자가 이들 실시양태를 변형 및 개작할 수 있음이 명백하다. 그러나, 이러한 변형 및 개작은 본 발명의 원리 및 영역 내에 속하는 것으로 분명히 이해되어야 한다.

Claims (37)

  1. (a) 용액화 후 저온 가공(post-solutionizing cold work)을 위해 알루미늄 합금 본체를 제조하는 단계;
    (b) 제조 단계 (a) 후에 알루미늄 합금 본체를 50% 초과만큼 저온 가공하는 단계;
    (c) 저온 가공 단계 (b) 후에 알루미늄 합금 본체를 열처리하는 단계
    를 포함하는 방법으로서, 이때 상기 알루미늄 합금 본체가 구리 0.5 내지 8.0중량%를 갖는 알루미늄 합금을 포함하고, 상기 구리가 알루미늄 외의 알루미늄 합금의 우세한 합금화 원소이고, (i) 상기 제조 단계 (a)가 알루미늄 합금 본체를 용액화시키는 단계를 포함하고, 상기 저온 가공 단계 및 열처리 단계를 수행하여 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 긴-횡단(long-transverse) 인장 항복 강도의 증가를 획득하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 반연속식 캐스팅 공정을 통해 알루미늄 합금 본체를 캐스팅하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 알루미늄 합금 본체를 균질화시키는 단계; 및 알루미늄 합금 본체를 고온 가공하는 단계를 포함하고, 용액화 단계 (a)(i)이 고온 가공 단계 후에 수행되는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 제 2 저온 가공 단계이고, 제조 단계 (a)가 용액화 단계 (a)(i) 전에 알루미늄 합금 본체의 제 1 저온 가공 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 알루미늄 합금 본체를 연속적으로 캐스팅하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 연속적인 캐스팅 단계와 동시에 용액화 단계 (a)(i)을 완결시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 연속적인 캐스팅 단계 후에 용액화 단계 (a)(i)을 완결시키는 단계를 포함하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    제조 단계 (a)가 용액화 단계 (a)(i) 전에 알루미늄 합금 본체를 고온 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 제 2 저온 가공 단계이고, 제조 단계 (a)가 용액화 단계 (a)(i) 전에 알루미늄 합금 본체를 제 1 저온 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    용액화 단계 (a)(i)이 알루미늄 합금 본체를 급랭시키는 단계를 포함하고, 상기 급랭 단계가 알루미늄 합금 본체의 변형 없이 수행되는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    열처리 단계 (c) 동안 알루미늄 합금 본체를 소정 형상으로 성형하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    용액화 단계 (a)(i)과 저온 가공 단계 (b) 사이에 의도적인 열처리를 알루미늄 합금 본체에 적용하지 않는 방법.
  13. 제 1 항 또는 제 12 항에 있어서,
    용액화 단계 (a)(i)의 완결과 저온 가공 단계 (b)의 개시 사이에 60시간 이하의 시간이 경과되는 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가, 알루미늄 합금 본체가 250℉ 이하의 온도일 때 저온 가공을 개시하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 제 1 항 또는 제 14 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 알루미늄 합금 본체의 의도적인 가열 없이 수행되는 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 냉간 압연인 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 알루미늄 합금 본체를 이의 실질적인 최종 형태로 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 알루미늄 합금 본체를 최종 치수로 냉간 압연시키는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 1 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 적어도 55% 내지 90%의 알루미늄 합금 본체를 저온 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 60% 내지 85%의 알루미늄 합금 본체를 저온 가공하는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    저온 가공 단계 (b)가 70% 내지 80%의 알루미늄 합금 본체를 저온 가공함을 포함하는 방법.
  22. 제 1 항에 있어서,
    열처리 단계 (c)가 알루미늄 합금 본체를 이의 재결정화 온도 미만으로 유지하는 단계를 포함하는 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    열처리 단계 (c)가 알루미늄 합금 본체를 150 내지 425℉로 가열하는 단계를 포함하는 방법.
  24. 제 1 항 또는 제 22 항에 있어서,
    냉간 압연 단계 (b) 및 열처리 단계 (c)를 알루미늄 합금 본체가 우세하게 재결정화되지 않은 미소구조를 실현하도록 수행하는 방법.
  25. 제 1 항에 있어서,
    알루미늄 합금 본체가 4% 초과의 신장률을 실현하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    알루미늄 합금 본체가 8% 이상의 신장률을 실현하는 방법.
  27. 구리 0.5 내지 8.0중량%를 포함하는 알루미늄 합금 본체로서, 이때 상기 구리가 알루미늄 외의 알루미늄 합금의 우세한 합금화 원소이고, 알루미늄 합금 본체가 알루미늄 합금 본체의 기준물보다 5% 이상 더 높은 인장 항복 강도를 실현하고, 알루미늄 합금 본체의 기준물이 알루미늄 합금 본체와 동일한 조성을 갖고, 알루미늄 합금 본체의 기준물이 T87 템퍼(tember)로 가공되고, 알루미늄 합금 본체의 기준물이 이의 피크 인장 항복 강도의 1ksi 이내인 인장 항복 강도를 갖는 알루미늄 합금 본체.
  28. 제 27 항에 있어서,
    알루미늄 합금 본체의 기준물이 T87 템퍼에서 이의 피크 인장 항복 강도를 실현하는데 필요한 시간보다 25% 이상 더 빨리 5% 이상 더 높은 인장 항복 강도를 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  29. 제 28 항에 있어서,
    알루미늄 합금 본체의 기준물이 T87 템퍼에서 이의 피크 인장 항복 강도를 실현하는데 필요한 시간보다 50% 이상 더 빨리 5% 이상 더 높은 인장 항복 강도를 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  30. 제 27 항에 있어서,
    4% 초과의 신장률을 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  31. 제 30 항에 있어서,
    8% 이상의 신장률을 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  32. 제 27 항에 있어서,
    2.0 이상의 정규화된 R-값을 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  33. 제 32 항에 있어서,
    4.0 이상의 정규화된 R-값을 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  34. 제 32 항에 있어서,
    6.0 이상의 정규화된 R-값을 실현하는 알루미늄 합금 본체.
  35. 제 27 항에 있어서,
    우세하게 재결정화되지 않은 알루미늄 합금 본체.
  36. 제 35 항에 있어서,
    75% 이상 재결정화되지 않은 알루미늄 합금 본체.
  37. (a) 알루미늄 합금 본체를 용액화시키는 단계;
    (b) 용액화 단계 (a) 후에 알루미늄 합금 본체를 50% 초과만큼 저온 가공하는 단계;
    (c) 저온 가공 단계 (b) 후에 알루미늄 합금 본체를 열처리하는 단계
    를 포함하는 방법으로서, 이때 상기 알루미늄 합금 본체가 구리 0.5 내지 8.0중량%를 갖는 알루미늄 합금을 포함하고, 상기 구리가 알루미늄 외의 알루미늄 합금의 우세한 합금화 원소이고, 상기 저온 가공 단계 및 열처리 단계를 수행하여 저온 가공된 그대로의 상태의 알루미늄 합금 본체의 기준물에 비해 긴-횡단 인장 항복 강도에서의 증가를 획득하는 방법.
KR1020137008774A 2010-10-08 2011-10-05 개선된 2xxx 알루미늄 합금 및 이의 제조 방법 KR20140001860A (ko)

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