KR20140118304A - Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ계 합금의 전위밀도 저감 방법 및 이를 이용한 Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ계 합금 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법 및 이를 이용한 Al-Si-Mg계 합금 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법은 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금에, 상기 Al-Mg-Si계 합금의 항복강도 미만의 응력범위에서 반복응력을 가하여, Al-Mg-Si계 합금의 결정립 내부의 전위밀도를 저감시키는 것을 특징으로 한다.

Description

Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ계 합금의 전위밀도 저감 방법 및 이를 이용한 Ａｌ-Ｍｇ-Ｓｉ계 합금 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING Al-Mg-Si BASED ALLOY}
본 발명은 Al-Mg-Si계 합금 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비열처리적 방법에 의하여 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법 및 이를 이용한 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법에 관한 것이다.
항공기 구조재 등은 경량화가 요구되며, 이에 따라 알루미늄을 기반으로 하는 합금에 많은 연구가 이루어지고 있다.
가장 대표적인 합금은 Al-Zn-Mg계 합금이다. 그러나, Al-Zn-Mg계 합금은 강도 특성은 매우 우수하나, 용접성, 내식성 등이 좋지 못한 문제점이 있다.
이러한 점을 해결하고자, 최근에는 Al-Mg-Si계 합금이 개발되었다. Al-Mg-Si계 합금의 경우, 강소성 가공에 의하여 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, Al-Mg-Si계 합금이 강소성 가공 이력을 갖게 되면, 결정립 내의 전위밀도가 증가한다. 이를 해결하기 위해, 열처리를 통하여 전위밀도를 감소시키고 있다.
그런데, Al-Mg-Si계 합금은 석출경화형 합금이므로, 열처리시 과시효가 발생할 수 있으며, 이는 기계적 특성, 특히 연신율의 감소에 많은 영향을 미친다.
본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2004-0105099호(2004.12.14. 공개)에 개시된 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 스프링 백 저감을 위한 방법이 있다.
본 발명의 목적은 열처리에 의하지 않으면서 강소성 가공 이력을 가진 Al-Mg-Si계 합금의 전위 밀도를 저감할 수 있는 방법 및 이를 이용한 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법은 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금에, 상기 Al-Mg-Si계 합금의 항복강도 미만의 응력범위에서 반복응력을 가하여, Al-Mg-Si계 합금의 결정립 내부의 전위밀도를 저감시키는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 반복응력은 0.2~1.0%의 스트레인 진폭(strain amplitude)으로 50 사이클 이상 수행하는 것이 보다 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법은 (a) Al-Mg-Si계 합금 모재를 가열하여 용체화 처리하는 단계; (b) 상기 용체화 처리된 Al-Mg-Si계 합금 모재를 강소성 가공하는 단계; 및 (c) 상기 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재의 항복강도 미만의 응력범위에서, 상기 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재에 반복응력을 가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 Al-Mg-Si계 합금 모재는 중량%로, 실리콘(Si) : 0.5~1.5%, 철(Fe) : 0.1~0.5%, 구리(Cu) : 0.005~0.02%, 망간(Mn) : 0.005~0.02%, 마그네슘(Mg) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 0.005~0.05%를 포함하고, 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 Al-Mg-Si계 합금 모재는 중량%로, 아연(Zn) : 0.01% 이하 및 티타늄(Ti) : 0.01% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 (b) 단계는 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 방법으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 (c) 단계는 0.2~1.0%의 스트레인 진폭으로 및 50 사이클 이상 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법에 의하면, 강소성 처리된 Al-Mg-Si계 합금에 항복강도 이하의 반복응력을 가함으로써 별도의 열처리 혹은 시효 처리 없이 결정립 내부의 전위밀도를 감소시킬 수 있다.
이를 통하여, Al-Mg-Si계 합금 모재에 강소성 가공을 적용하여 기계적 특성을 향상킴과 더불어, 연신율 저하를 최소화하면서 결정립 내부의 전위밀도를 감소시킨 Al-Mg-Si계 합금을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 4는 반복응력 사이클에 따른 가소성 가공된 Al-Mg-Si계 시편의 미세조직 변화를 나타낸 TEM 사진들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법 및 이를 이용한 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법은 과시효를 수반할 수 있는 열처리 방법 대신 비열처리 방법에 의한다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법은 강소성 가공되어 결정립 내부에 전위밀도가 높은 Al-Mg-Si계 합금에 반복응력을 인가함으로써 Al-Mg-Si계 합금의 결정립 내부 전위밀도를 감소시킨다.
이때, 반복응력 인가가 Al-Mg-Si계 합금의 항복강도 이상에서 수행될 경우 소성 변형이 발생하기 때문에, 반복응력 인가는 Al-Mg-Si계 합금의 항복강도 미만의 응력범위에서 수행되어야 한다.
이때, 반복응력 인가시 각 사이클은 0.2~1.0%의 스트레인 진폭(strain amplitude)으로 대략 3x10-3/s의 스트레인 레이트(strain rate)로 수행되는 것이 바람직하다. 스트레인 진폭이 0.2% 미만일 경우, 전위밀도 저감 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 스트레인 진폭이 1.0%를 초과하면 Al-Mg-Si계 합금의 기계적 물성이 저하될 수 있다.
또한, 반복응력 인가는 50 사이클 이상 수행하는 것이 바람직하고, 800~1500 사이클이 보다 바람직하다. 반복응력 인가 수가 50 사이클 미만에서는 전위밀도 저감 효과가 불충분할 수 있다.
상기의 반복응력 인가를 이용한 Al-Mg-Si계 합금의 전위 밀도 감소 방법을 이용하면, 기계적 강도가 우수한 Al-Mg-Si계 합금을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법은 용체화 처리 단계(S110), 강소성 가공 단계(S120) 및 반복응력 인가 단계(S130)를 포함한다.
용체화 처리 단계(S110)에서는 Al-Mg-Si계 합금 모재를 가열하여 용체화 처리한다. 용체화 처리를 통하여 고용원소의 석출을 억제하고, 강도 등의 물성을 향상시킬 수 있다.
상기 용체화 처리는 대략 500~560℃에서 2시간 정도 가열유지한 후 퀀칭하는 방식으로 수행될 수 있다.
한편, 본 발명에서 이용될 수 있는 Al-Mg-Si계 합금 모재는 중량%로, 실리콘(Si) : 0.5~1.5%, 철(Fe) : 0.1~0.5%, 구리(Cu) : 0.005~0.02%, 망간(Mn) : 0.005~0.02%, 마그네슘(Mg) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 0.005~0.05%를 포함하고, 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것일 수 있다.
이때, Al-Mg-Si계 합금 모재는 중량%로, 아연(Zn) : 0.01% 이하 및 티타늄(Ti) : 0.01% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
다른 성분계의 Al-Mg-Si계 합금 모재도 이용가능하나, 상기의 합금 조성을 이용할 경우, 항복강도 350MPa 이상, 인장강도 370MPa 이상 및 연신율 12% 이상의 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있어 보다 바람직하다.
이하, 상기의 Al-Mg-Si계 합금에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명하기로 한다.
실리콘(Si)은 내식성을 악화시키지 않으면서도 강도를 향상시키는 역할을 한다. 상기 실리콘은 합금 전체 중량의 0.5~1.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.5중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 1.5중량%를 초과하면 오히려 내식성이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
철(Fe)은 합금의 밀도를 증가시켜 강도 향상에 기여한다. 상기 철은 합금 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 철의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 철의 첨가량이 0.5중량%를 초과하는 경우, 내식성이 악화되는 문제점이 있다.
구리(Cu)는 경도 향상과 석출경화를 통한 강도 및 연성 향상에 기여하고, 또한 내부식 특성을 향상시키는데 기여한다. 상기 구리는 합금 전체 중량의 0.005~0.02중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.005중량% 미만일 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 구리의 첨가량이 0.02중량%를 초과하는 경우 합금의 표면 특성이 저하되는 문제점이 있다.
망간(Mn)은 소량 첨가시 내식성은 별로 악화시키지 않으면서, 고용강화 효과 및 미세석출물 분산 효과를 통하여 강도 개선에 기여한다. 상기 망간은 합금 전체 중량의 0.005~0.02중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 0.005중량% 미만일 경우, 강도 개선 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 0.02중량%를 초과하면 내식성이 급격히 악화될 수 있다.
마그네슘(Mg)은 내식성, 강도 및 연신율을 향상시키고, 경량화와 피삭성을 향상시키는데 기여한다. 상기 마그네슘은 합금 전체 중량의 0.2~1.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 마그네슘의 첨가량이 0.2중량% 미만이면 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 마그네슘의 첨가량이 1.0중량%를 초과하면 성형성이 저하되는 문제점이 있다.
크롬(Cr)은 결정립 미세화, 내식성 향상 등의 역할을 한다.
상기 크롬은 합금 전체 중량의 0.005~0.05중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.005중량% 미만이면 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.05중량%를 초과하면 성형성이 저하되는 문제점이 있다.
아연(Zn)은 시효 경화를 통하여 강도 향상에 기여한다. 상기 아연이 포함될 경우, 그 함량은 합금 전체 중량의 0.01중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다. 아연의 첨가량이 0.01중량%를 초과하는 경우, 용접성, 내식성 등의 물성이 저하될 수 있다.
티타늄은 결정립 미세화를 통하여 성형성 및 강도 향상에 기여한다. 상기 티타늄이 포함될 경우, 그 함량은 합금 전체 중량의 0.01중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.01중량%를 초과하는 경우, TiAl3 등의 크고 거친 금속간 화합물을 다량 생산하여, 합금의 기계적 특성을 저하시키는 문제점이 있다.
다음으로, 강소성 가공 단계(S120)에서는 용체화 처리된 Al-Mg-Si계 합금 모재를 강소성 가공한다.
강소성 가공은 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 방법으로 수행될 수 있다. ECAP 처리는 단면이 일정한 두 채널(channel)을 일정한 각도로 교차시킨 금형에 본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 합금 소재를 통과시킴으로써 소재의 단면의 크기나 형상이 변화없이 소재를 강소성 가공하는 것으로, 단면의 변화없이 소재의 결정립을 미세화하고 전위밀도를 급격히 상승시킴으로써 기계적 성질을 향상시킬 수 있다. 상기 ECAP 처리는 대략 150℃ 정도의 온도에서 60분 정도 수행될 수 있다.
다음으로, 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재의 항복강도 미만의 응력범위에서, 상기 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재에 반복응력을 인가하여, 강소성 가공으로 인하여 결정립 내부의 높은 전위밀도를 낮춘다.
전술한 바와 같이, 반복응력 인가는 0.2~1.0%의 스트레인 진폭으로 및 50 사이클 이상 수행하는 것이 바람직하다.
이상의 과정을 거쳐, 강도 및 연신율이 우수한 Al-Mg-Si계 합금을 제조할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
실시예에 적용된 Al-Mg-Si 합금 조성을 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure pat00001
표 1에 기재된 합금 조성을 갖는 Al-Mg-Si계 합금 시편을 530℃에서 90분동안 용체화 처리하고, 150℃에서 30분동안 ECAP 처리하였다.
이후, ECAP 처리된 Al-Mg-Si계 합금 시편에, 상온에서 0.6%의 스트레인 진폭 및 3 x 10-3/s의 스트레인 레이트로 500사이클 및 1000사이클의 반복응력을 인가하였다.
2. 전위밀도 평가
전위밀도 평가를 위하여, 반복응력 사이클이 0, 500 및 1000일 때 시편의 미세조직을 투사전자현미경(TEM)을 통하여 관찰하였고, 그 결과를 도 2 내지 도 4에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 반복응력 인가를 수행하지 않은 상태에서 시편의 결정립의 경우, 전위밀도가 매우 높은 것을 볼 수 있다.
그러나, 도 3 및 도 4를 참조하면, 반복응력을 인가함에 따라 이러한 전위밀도가 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 특히 1000사이클일 때 전위밀도 감소가 현저한 것을 볼 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금에, 상기 Al-Mg-Si계 합금의 항복강도 미만의 응력범위에서 반복응력을 가하여, Al-Mg-Si계 합금의 결정립 내부의 전위밀도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반복응력은
    0.2~1.0%의 스트레인 진폭(strain amplitude)으로 및 50 사이클 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금의 전위밀도 저감 방법.
  3. (a) Al-Mg-Si계 합금 모재를 가열하여 용체화 처리하는 단계;
    (b) 상기 용체화 처리된 Al-Mg-Si계 합금 모재를 강소성 가공하는 단계; 및
    (c) 상기 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재의 항복강도 미만의 응력범위에서, 상기 강소성 가공된 Al-Mg-Si계 합금 모재에 반복응력을 가하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 합금 모재는
    중량%로, 실리콘(Si) : 0.5~1.5%, 철(Fe) : 0.1~0.5%, 구리(Cu) : 0.005~0.02%, 망간(Mn) : 0.005~0.02%, 마그네슘(Mg) : 0.2~1.0%, 크롬(Cr) : 0.005~0.05%를 포함하고, 나머지 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 합금 모재는
    중량%로, 아연(Zn) : 0.01% 이하 및 티타늄(Ti) : 0.01% 이하 중에서 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    0.2~1.0%의 스트레인 진폭으로 및 50 사이클 이상 수행하는 것을 특징으로 하는 Al-Mg-Si계 합금 제조 방법.
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