KR20160021765A - 개선된 고온 기계적 특성을 가지는 알루미늄 합금 조성물 - Google Patents

개선된 고온 기계적 특성을 가지는 알루미늄 합금 조성물 Download PDF

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Abstract

알루미늄 합금은 중량%로 0.50 - 1.30%의 Si, 0.2 - 0.60%의 Fe, 최대 0.15%의 Cu, 0.5 - 0.90%의 Mn, 0.6 - 1.0%의 Mg, 및 최대 0.20%의 Cr을 포함하며, 잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다. 합금은 Mg-Si 석출물이 차지할 수 있는 양을 초과하는 과잉의 Mg를 포함할 수 있다. 합금은 매트릭스 재료 내 분산된 충전 재료를 포함하는 복합재를 위해 매트릭스 재료로 활용될 수 있다. 하나의 그러한 복합재는 충전 재료로서 보론 카바이드를 포함할 수 있고, 결과적인 복합재는 중성자 차폐 적용에 사용될 수 있다.

Description

개선된 고온 기계적 특성을 가지는 알루미늄 합금 조성물 {ALUMINUM ALLOY COMPOSITION WITH IMPROVED ELEVATED TEMPERATURE MECHANICAL PROPERTIES}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 7월 19일자 미국 가출원 제 61/836,953호 및 2014년 3월 31일자 미국 가출원 제 61/972,767호의 우선권을 주장하며, 상기 출원은 본 명세서에 포함되며 이의 일부로 구성된다.
발명 분야
본 발명은 일반적으로 고온에서 개선된 기계적 특성을 가지는 알루미늄 합금뿐만 아니라, 매트릭스로서 알루미늄 합금을 활용하는 B4C 복합 재료 및 다른 복합 재료에 관련된다.
B4C 미립자로 보강된 알루미늄 매트릭스 복합재는 폐핵연료의 저장 동안 중성자 포획에 널리 사용된다. 이러한 사용에 있어, B4C 미립자의 10B 동위 원소 함량이 안전한 연료 저장을 위해 필요한 중성자 흡수 능력을 제공하는 반면, 알루미늄 매트릭스는 강도를 제공하며 물질이 압연 또는 압출과 같은 종래 금속 형성 기법에 의해 유용한 형태로 용이하게 형성되도록 한다. 압출된 프로파일은 현재의 건식 저장 시스템에 사용되고, 6XXX 시리즈 유형의 합금은 압출 공정과 함께 복합재를 위한 액체 금속 제조 방법과의 호환성을 제공하는 적절한 매트릭스 재료로 밝혀졌다. 추가적으로, 6XXX 합금 계열의 야금(metallurgy)은 압출 동안 용액 열 처리 단계가 이행되도록 하여, 공정 단계가 제거되도록 한다. 게다가, 실온에서 6XXX 합금 시리즈는 열 처리 동안 생성된 나노-크기의 β' Mg-Si 석출물 구조에 기인한 최대 ~300MPa YS 및 350 MPa UTS의 유용한 인장 특성을 제공할 수 있다.
폐핵연료의 건식 저장에서의 사용 온도는 최대 250℃로 도달할 수 있고, 예상 사용 시간은 40년 이상일 수 있다. 대부분의 금속 물질과 마찬가지로, 알루미늄은 증가한 전위 이동성(dislocation mobility)으로 인하여 고온에서 연화할 수 있다. 그러나, Al-Mg-Si 석출 경화 시스템에서는, 시효 경화된 미세 구조의 석출물의 조대화(coarsening) 및 용해(dissolution)로 인하여 150℃ 이상에서 기계적 특성에 있어서 더욱 더 급격한 손실이 발생할 수 있다. 이러한 기계적 특성의 상실은 장시간 고온에서 활용될 경우, 그러한 합금을 사용하여 제조된 용기의 안정성 및/또는 무결성에 장애를 야기할 수 있다.
본 발명은 이러한 문제점의 일부 및 다른 문제점을 해결하기 위하여 제공되고, 기존의 합금, 복합재 및 가공 방법에 의해 제공되지 않는 이점 및 양태를 제공한다. 본 발명의 특징 및 이점의 전체적인 논의는 다음의 상세한 설명에서 이루어진다.
다음은 본 발명의 기본적인 이해를 제공하기 위해 본 발명의 양태의 기본적인 요약을 나타낸다. 이러한 요약이 본 발명의 광범위한 개요는 아니다. 이는 본 발명의 핵심 또는 중요한 요소를 식별하거나 본 발명의 범위를 서술하기 위한 것이 아니다. 다음의 요약은 아래의 더욱 상세한 설명에 대한 서두로서 단지 일반적인 형태로 본 발명의 일부 개념을 제시한다.
본 개시의 양태는 다음을 중량%로 포함하는 알루미늄 합금 조성물에 관련되며:
Si 0.50 - 1.30
Fe 0.2 - 0.60
Cu 최대 0.15
Mn 0.5 - 0.90
Mg 0.6 - 1.0
Cr 최대 0.20
잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다. 한 구체예에서, 불가피한 불순물은 각각 최대 0.05 중량% 및 총 최대 0.15 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 일부 양태에 따르면, 합금은 6XXX 합금으로 고려될 수 있다.
한 양태에 따르면, 알루미늄 합금 조성물은 최대 0.1 중량%의 구리 함량, 0.70 - 1.30 중량%의 실리콘 함량, 및/또는 0.60 - 0.80 중량%의 마그네슘 함량을 가질 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 알루미늄 합금 조성물은 티타늄을 추가로 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 합금은 최대 0.05 중량%의 티타늄을 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금은 적어도 0.2 중량%의 티타늄, 또는 0.2 - 2 중량%의 티타늄을 포함할 수 있다.
또 다른 양태에 따르면, 합금은 Mg-Si 석출물이 차지할 수 있는 양을 초과하는 과잉의 마그네슘을 포함할 수 있다. 이러한 과잉의 마그네슘은 증가한 고온 기계적 특성을 발생시키기 위한 것으로 보여진다. 한 구체예에서 합금은 적어도 0.25 중량%의 과잉의 마그네슘을 포함할 수 있다.
본 개시의 추가적인 양태는 본 명세서에 기술된 바와 같은 알루미늄 합금의 매트릭스 및 매트릭스 내에 분산된 충전 재료의 입자를 가지는 복합 재료를 포함한다. 한 양태에 따르면, 충전 재료는 보론 카바이드 (예로서, B4C) 및/또는 다른 세라믹 물질을 포함한다. 다른 양태에 따르면, 충전 재료는 추가적으로 또는 그 대신에 다른 물질을 포함할 수 있다.
한 양태에 따르면, 보론 카바이드를 포함하는 충전 재료는, 이의 표면의 적어도 일부를 코팅하는 티타늄-함유 금속간 화합물을 포함한다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 재료는 복합 재료 내에서 최대 20%의 부피 분율을 가진다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 재료는 매트릭스의 알루미늄 합금보다 더 높은 경도 및 더 높은 융점을 가진다.
본 개시의 또 다른 양태는 매트릭스 재료로서 본 명세서에 기술된 바와 같은 합금을 사용하여 복합 재료를 제조하는 방법에 관련된다. 상기 방법은 일반적으로 본 명세서에 기술된 바와 같은 용융 알루미늄 합금을 제조 또는 제공하는 단계, 용융 알루미늄 합금에 충전 재료의 입자를 첨가하여 합금 전반에 분산된 충전 재료를 가지는 용융 혼합물을 형성하는 단계, 및 용융 혼합물을 주조하여 매트릭스 재료로서 알루미늄 합금 및 매트릭스 전반에 분산된 충전 재료를 가지는 복합 재료를 형성하는 단계를 포함한다. 주조된 복합 재료는 추가로 압출되어 압출품을 형성할 수 있다.
한 양태에 따르면, 충전 재료는 보론 카바이드 입자일 수 있거나, 이를 포함할 수 있다. 그러한 방법에서, 용융 합금은 적어도 0.2 중량% 또는 0.2 - 2 중량%의 티타늄을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 재료을 주조하는 동안, 충전 재료의 입자의 표면의 적어도 일부를 코팅하기 위하여 티타늄-함유 금속간 화합물을 형성한다.
또 다른 양태에 따르면, 충전 재료는 용융 혼합물의 최대 20%의 부피 분율을 형성하고, 또한 결과적인 복합 재료의 부피 분율의 최대 20%를 형성한다.
또 다른 양태에 따르면, 상기 방법은 알루미늄 합금을 충전 재료의 입자에 습윤시키고 주조 이전에 입자를 용융 혼합물의 부피 전반에 분포시키기 위하여 용융 혼합물을 교반하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시의 또 다른 양태는 본 명세서에 기술된 바와 같은 알루미늄 합금 또는 복합 재료로부터 형성된 압출품에 관련된다. 압출 이전에, 합금 또는 복합 재료는 본 명세서에 기술된 바와 같은 방법에 따라 주조됨으로써 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 다음의 설명으로부터 자명해질 것이다.
본 발명의 더욱 완전한 이해를 위하여, 첨부하는 도면을 참조하여 예시로서 설명될 것이며:
도 1은 하기 실시예와 관련하여 테스트된 다양한 합금의 파과 압력의 그래프 도면이고;
도 2는 하기 실시예와 관련하여 실온 및 175℃에서 테스트된 다양한 합금의 항복 강도의 그래프 도면이고;
도 3은 하기 실시예와 관련하여 150℃ 및 200℃에서 테스트된 다양한 합금의 항복 강도의 그래프 도면이고;
도 4는 하기 실시예와 관련하여 250℃에서 테스트된 다양한 합금의 항복 강도의 그래프 도면이고; 및
도 5는 하기 실시예와 관련하여 300℃에서 테스트된 다양한 합금의 항복 강도의 그래프 도면이다.
일반적으로, 다른 합금에 비하여 적어도 150℃ 또는 적어도 250℃와 같은 고온에서 증가한 기계적 특성을 나타내며, 이는 장시간 (예로서, 40년) 동안 그러한 고온에 노출되는 경우 증가한 기계적 특성을 포함하는 합금 조성물이 제공된다. 한 구체예에서, 합금은 장기간 동안 최대 350℃의 노출에서 증가한 기계적 특성을 제공할 수 있다. 본 명세서에 기재된 구체예에 따른 합금 조성물은 고온 강도 및/또는 압출성(extrudability)이 바람직한 적용을 포함한 다양한 적용에서 활용될 수 있다. 한 실시예에서, 합금은 보론 카바이드 복합 재료 및 다른 복합 재료에 대한 매트릭스로서 사용될 수 있다.
한 구체예에 따르면, 알루미늄 합금 조성물은 다음을 중량%로 포함하며:
Si 0.50 - 1.30
Fe 0.2 - 0.60
Cu 최대 0.15
Mn 0.5 - 0.90
Mg 0.6 - 1.0
Cr 최대 0.20
잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다. 합금의 잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함한다. 불가피한 불순물은 각각 최대 0.05 중량%로 존재할 수 있고, 한 구체예에서, 불가피한 불순물의 최대 총 중량%는 0.15일 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금은 추가의 합금화 첨가물을 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 합금은 0.50 - 1.30 중량%의 실리콘을 포함한다. 또 다른 구체예에서, 합금은 0.70 - 1.30 중량%의 실리콘을 포함한다. 실리콘 첨가는 예컨대 Mg-Si 석출물 형성에서 석출 경화에 의해 합금의 강도를 증가시킬 수 있다. 실리콘은 또한 다른 첨가물, 예컨대 철 및 망간과 결합하여 금속간 상(intermetallic phase)을 형성할 수 있다. 한 구체예에서, 실리콘은 과잉으로 존재하지 않으며, "과잉의" 실리콘은 Mg-Si 석출물 (1/1의 Mg/Si 원자비를 사용)을 형성할 수 있는 실리콘의 양 이외에도 금속간 상에서 Fe 및 Mn과 결합할 수 있는 실리콘의 양에 기초하여 정의된다. 금속간 상을 포함하여 Mn 및 Fe과 결합된 Si의 양은 다소 부정확하지만 (Mn+Fe+Cr)/3으로 계산될 수 있다. 다음의 인자를 사용하여 과잉의 실리콘을 결정하기 위하여 다음의 식이 사용될 수 있다:
과잉의 Si = Si - 1.16Mg - (Mn+Fe+Cr)/3 (모든 값은 중량%)
실리콘의 양이 상기 식에서 주어진 것 보다 큰 경우, 합금은 과잉의 실리콘을 포함하는 것으로 간주된다. 한 구체예에서, 합금은 하기 기재된 바와 같이 과잉의 마그네슘을 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금은 실리콘 및 마그네슘의 균형양을 포함할 수 있고, 또는 다시 말해서, 과잉의 실리콘 또는 마그네슘을 포함할 수 없다.
한 구체예에서, 합금은 0.60 내지 1.0 중량% 마그네슘을 포함하고, 또 다른 구체예에서 합금은 0.60 내지 0.80 중량% 마그네슘을 포함할 수 있다. 상기 언급된 바와 같이, 한 구체예에서, 합금은 적어도 약간의 과잉의 마그네슘 (즉, 과잉의 Mg > 0)을 포함할 수 있고, 또 다른 구체예에서, 합금은 적어도 0.25 중량% 과잉의 마그네슘을 포함할 수 있다. 과잉의 마그네슘은 과잉의 실리콘을 측정하기 위하여 위에서 사용된 것과 충전 재료적으로 동일한 식에 의해 결정될 수 있다. 과잉의 마그네슘의 계산을 위해 구성될 경우, 이러한 식은 다음과 같다:
과잉의 Mg = Mg - (Si - (Mn+Fe+Cr)/3)/1.16 (모든 값은 중량%)
이러한 유형의 존재하는 합금은 일반적으로 실온에서 최적의 압출성 및 기계적 강도를 목표로 과잉의 마그네슘을 사용하지 않고, 전형적으로 시효 경화 MgSi 석출물을 형성하기 위한 비율에 근접한 실리콘 및 마그네슘을 사용한다. 사실상, 그러한 과잉의 Mg 첨가는 시효 반응이 최적화되지 않고 과잉의 마그네슘이 압출성에 불리하기 때문에 흔히 합금 첨가물의 비효율적인 사용으로 간주된다. 그러나, 과잉의 마그네슘의 사용은 고온 기계적 특성을 증가시키면서 여전히 충분한 압출성을 제공하는 것으로 본 명세서에 입증되어 있다. 또 다른 구체예에서, 실리콘 및 마그네슘의 양은 상기 언급된 바와 같은 상기의 식에 따라 균형화될 수 있다.
한 구체예에서, 합금은 0.15 최대 중량%까지의 구리를 포함할 수 있다. 구리의 존재는 예컨대 석출 경화에 기여하는 석출물 형성에 의해 합금의 강도를 증가시킬 수 있다. 다른 구체예에서, 합금은 0.1 최대 중량%까지 또는 0.10 최대 중량%까지의 구리를 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금은 0.3 최대 중량%까지의 구리를 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 합금은 0.2 - 0.60 중량%의 철을 포함한다. 추가적으로, 한 구체예에서, 합금은 0.5 - 0.90 중량%의 망간을 포함한다. 게다가, 한 구체예에서, 합금 최대 0.2 중량%까지의 크로뮴을 포함한다.
또 다른 구체예에서 합금은 다른 합금화 첨가물을 포함할 수 있으며, 상기 기재된 바와 같이 합금은 불순물을 포함할 수도 있는 것으로 이해된다. 예를 들어, 한 구체예에서, 합금이 보론 카바이드 충전 재료를 포함하는 복합재를 위한 매트릭스 재료로 사용되는 경우, 적어도 0.2 중량%의 티타늄, 또는 0.2 - 2 중량%의 티타늄이 하기 기재되는 바와 같이 액체 혼합 작업 동안 유동성(fluidity)을 유지하기 위하여 액체 합금에 추가될 수 있다. 그러나, 이러한 티타늄은 전형적으로 액체를 혼합하는 동안 반응하여 일반적으로 고체 합금 매트릭스에 존재하지 않는다. 단일재(monolithic) 합금으로서 사용될 경우, 최대 0.05 중량% 티타늄이 결정 미세화제(grain refiner)로서 사용을 위하여 첨가될 수 있다.
본 명세서에 기재된 구체예에 따르는 합금은 넓은 온도 범위에 걸쳐 우수한 강도를 제공할 수 있고, 특히 고온에 장기간 노출 후 고온에서 다른 합금과 비교하여 증가한 강도를 제공할 수 있다. 실온에서, MgSi 석출 경화는 본 명세서에 기술된 바와 같은 합금을 강화시키기 위한 효과적인 메커니즘이지만, 더 높은 온도에서는 입자 조대화로 인하여 이의 효과가 감소한다. 다른 강화 메커니즘, 예컨대 분산 강화 및 고용 강화(solid solution strengthening)는 열적으로 더욱 안정하다. 본 명세서에 기재된 구체예에 따르는 합금 중의 Mn 및 Fe 첨가는 Al-Fe-Mn-Si와 같은 안정한 제2 상 입자의 증가한 부피 분율을 제공하며, 이는 분산 강화를 제공한다. 추가적으로, 본 명세서에 기재된 구체예에 따르는 합금은 MgSi 석출물에 고정되지 않는 대신 고용체(solid solution)에 존재하는 과잉의 Mg를 포함하여, 고용 강화를 제공할 수 있다. 분산 강화 및 고용 강화는 특히 이들의 효과가 조합될 경우, 본 명세서에 기재된 증가한 고온 기계적 특성을 달성할 수 있다.
합금은 여러 가지의 상이한 용품을 형성하는데 사용될 수 있고, 처음에 빌렛으로서 제조될 수 있다. 본 명세서에 사용된 용어 "빌렛"("billet")은 전통적인 빌렛, 그뿐만 아니라 잉곳(ingot) 및 연속 또는 반-연속 주조 등과 같은 주조 기법을 포함하는 다양한 기법을 통해 제조될 수 있는 다른 중간 생산물을 지칭할 수 있다.
본 명세서에 기재된 구체예에 따르는 합금은 제품 생성에 있어 추가적으로 가공될 수 있다. 예를 들어, 합금의 빌렛은 다양한 프로파일로 압출될 수 있고, 이는 일반적으로 판매 가능한 전체 길이를 따라 일정한 단면 형상을 가진다. 합금의 압출은 압출 후 예컨대 수냉에 의해 급랭(quenching)될 수 있다. 게다가, 압출품 또는 다른 합금 제품은 175℃에서 8 시간을 유지함으로써 인공적으로 시효될 수 있다. 다른 구체예에서, 추가적인 공정 단계가 6XXX 합금 분야 내 공지된 공정 단계를 포함하여 사용될 수 있다. 한 구체예에서, 압출된 용품은 일정한 단면을 가질 수 있고, 예컨대 다른 부품을 절단, 기계 가공(machining), 결합하거나, 또는 다른 기법에 의하여 추가로 처리되어 용품의 형상 및 형태를 변화시킬 수 있는 것으로 이해된다. 압연, 단조, 또는 다른 가공 기법을 포함하는 다른 성형 기법이 추가적으로 또는 그 대신에 사용될 수 있다.
일부 이러한 기법은 매트릭스로서 합금을 사용하는 복합재를 위한 공정에 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 그러한 복합재의 빌렛이 하기 기재된 바와 같이 용융물에서부터 주조될 수 있다. 결과적인 복합 재료는 또한, 예컨대 압출, 압연, 단조, 다른 가공(working), 기계 가공, 등에 의해 원하는 형상으로 성형될 수 있다. 합금의 구체예, 및 그러한 합금을 사용하여 제조된 복합재는 열간 압출 공정 및 개별적인 용체화처리 단계의 필요성을 제거하는 "프레스 중" 용체화 처리("in press" solutionizing)와 양립성이다. 성공적인 프레스 용체화 처리를 위하여, 성형 속도/빌렛 온도의 조합은 금속을 고용 또는 용액 온도 이상이 되도록 압출 프레스 내부에 충분한 온도를 생성해야 한다. 이러한 공정은 판형 프레스에서 출구 온도에 의해 모니터링될 수 있고, 여기서 전형적으로 적어도 510℃의 온도가 타겟이 된다. 압출물은 용액 처리된 미세구조를 유지하기 위하여 이후 프레스 출구에서 물 또는 공기에 의해 급랭되어야 한다. 예를 들어, 합금/복합재는 그러한 공정에서 압출 이후 프레스 급랭될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금/복합재는 형식적인 노(furnace) 용체화 열처리를 거칠 수 있다. 합금, 또는 합금을 포함하는 복합재는 또한 여러 가지의 상이한 형상-주조 기법을 사용하여 형상-주조될 수 있다.
본 명세서에 기재된 합금의 구체예는 충전 재료와의 조합으로 매트릭스 재료로서의 합금을 함께 사용하여 복합 재료를 생산하도록 사용될 수 있다. 용어 "매트릭스"의 사용은 달리 명확히 서술되지 않는 한, 합금이 복합재의 중량, 부피 등의 대부분 또는 가장 큰 부분을 구성함을 암시하지 않는 것에 유념한다. 대신에, 매트릭스는 충전 재료가 내장되는 물질이고, 충전 재료와 함께 결합하며, 일부 구체예에서 매트릭스는 완전히 연속적일 수 있다. 한 구체예에서, 복합 재료는 최대 20%의 부피 분율의 충전 재료를 포함하고, 매트릭스 재료는 복합재의 부피 분율의 80% 이상을 형성한다. 예를 들어, 다양한 구체예에서 보론 카바이드 충전 재료와 함께 복합재 중 충전 재료의 부피 분율은 약 4%, 7%, 10.5%, 12%, 16%, 또는 17.5%일 수 있다. 한 구체예에서, 상기 언급된 20% 부피 분율의 충전 재료는 다수의 상이한 충전 재료의 총 부피 분율을 반영할 수 있고, 또 다른 구체예에서, 상기 20% 부피 분율은 단일 유형의 충전 재료 (예로서, 보론 카바이드)에 대한 부피 분율일 수 있고, 다른 유형의 충전 재료가 존재할 수 있는 것으로 이해된다.
충전 재료는 보론 카바이드 (예로서, B4C) 및/또는 다른 세라믹 물질, 뿐만 아니라 다른 금속을 포함하는 다른 유형의 물질을 포함하여 임의의 다양한 물질일 수 있다. 한 구체예에서 충전 재료는 합금 매트릭스 보다 더 높은 융점 및/또는 더 높은 경도를 가질 수 있다. 추가적으로, 충전 재료는 다수의 상이한 물질 또는 물질의 유형을 포함할 수 있다. 다중-성분 충전 재료는 일부 또는 모든 성분이 합금 매트릭스보다 높은 융점 및/또는 큰 경도를 가질 수 있는 것으로 이해된다. 한 구체예에서, 복합재는 매트릭스 재료로서 본 명세서에 기술된 바와 같은 합금 및 충전 재료로서 보론 카바이드를 활용할 수 있다. 그러한 복합재 중의 보론 카바이드는 중성자 흡수 및 방사선 차폐 능력을 제공할 수 있는 반면에, 합금 매트릭스는 강도를 제공하고 복합 재료가 압연 또는 압출과 같은 종래 금속 성형 기법에 의하여 유용한 형상으로 성형될 수 있도록 할 수 있다. 다른 구체예에서, 다른 중성자 흡수 및/또는 방사선 차폐 충전 재료가 사용될 수 있고, 한 구체예에서, 충전 재료가 매트릭스 재료보다 더 큰 중성자 흡수 및 방사선 차폐 능력을 가질 수 있는 것으로 이해된다. 이러한 구체예에 따른 복합재는 폐핵연료 및 다른 방사성 물질의 저장, 방지, 차폐, 등을 위하여 활용될 수 있다. 예를 들어, 복합재는 용기, 격막, 및/또는 그러한 적용에 사용을 위한 다른 부품 제조에 사용될 수 있다. 충전 재료는 하나 이상의 다른 물질과 조합으로 보론 카바이드를 포함할 수 있는 것으로 이해된다. 또 다른 구체예에서, 충전 재료는 알루미늄 옥사이드 (Al2O3) 또는 하나 이상의 다른 물질(예로서, 보론 카바이드)과 조합으로 알루미늄 옥사이드를 포함할 수 있다. 또한, 보론 카바이드 및/또는 다른 충전 재료는 복합 재료에 사용되어 다른 유리한 특성, 예컨대 경도, 내마모성, 강도, 상이한 마찰 특성, 상이한 열적 또는 전기적 특성 등을 제공할 수 있다.
매트릭스로서 합금을 사용하는 복합재는 다양한 방식으로 제조될 수 있다. 한 구체예에서, 합금이 액체 형태일 때 합금은 충전 재료와 혼합될 수 있으며, 이후 복합재는 다양한 주조/성형 기법에 의해 제조될 수 있다. 하나의 이러한 기법이 전체가 본 명세서에 참조 문헌으로 포함되는 미국 특허 제7,562,692호에 기재되며, 예컨대 혼합물 내에 적어도 0.2중량%의 티타늄을 가짐으로써, 용융 혼합물의 유동성을 유지하기 위한 기법 또는 상기 특허에 기재된 다른 기법을 활용한다. 이러한 기법은 특히 보론 카바이드 충전 재료를 포함하는 복합재에 유용하다. 한 구체예에서, 용융 매트릭스 합금은 적어도 0.2 중량% 또는 0.2 - 2 중량%의 티타늄을 포함하고, 이는 용융 이전에 합금 내에 존재할 수 있거나 용융물 자체에, 예로서 Al-Ti 모합금(master alloy)의 형태, 입자(granule) 또는 분말 등을 포함하는 티타늄의 형태로 첨가될 수 있다. 보론 카바이드 충전 재료가 용융물에 첨가되고, 티타늄이 보론 카바이드와 반응하여 보론 카바이드 입자의 표면의 적어도 일부 상에 티타늄-함유 금속간 화합물, 예컨대 티타늄 보라이드(예로서, TiB2)의 레이어를 형성한다. 금속간 레이어는 또한 다른 원소, 예컨대 탄소 및/또는 알루미늄을 포함할 수 있다. 이러한 금속간 화합물은 매트릭스 내에 분산하지 않고, 보론 카바이드 입자와 알루미늄 합금 매트릭스 사이의 추가적인 반응을 저지한다. 이에 따라, 용융 복합재는 알루미늄 카바이드 및 다른 화합물의 점진적인 형성에 의해 야기되는 유동성의 손실 없이 장기간 지속될 수 있어, 용융 혼합물의 유동성을 유지하는데 기여한다. 보론 카바이드 입자는 매트릭스의 고화 이후 금속간 코팅을 유지할 수 있다. 일반적으로, 이러한 방법은 본 명세서에 기술된 바와 같이 적어도 0.2 중량% 또는 0.2 - 2 중량%의 티타늄, 및 부피 기준으로 20%의 보론 카바이드 입자를 포함하는 알루미늄 합금 매트릭스의 혼합물을 제조하는 단계, 알루미늄 합금을 보론 카바이드 입자에 습윤시키고 용융물의 부피 전반에 입자를 분포시키기 위하여 용융 혼합물을 교반시키는 단계 및 그 후 용융 혼합물을 주조하는 단계로써 수행될 수 있다. 용융물의 부피 전반에 입자를 분산시킨 이후, 용융 혼합물을 주조함으로써 수행될 수 있다.
복합재를 형성하기 위한 다른 방법이 또한 사용될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금은 다공질 형태(예로서, 미립자 형태, 다공질 모재, 등)인 충전 재료를 제공하고 합금을 용융하여 침투물을 생성함으로써 충전 재료로 침투될 수 있다. 또 다른 구체예에서, 합금의 입자와 충전 재료 (예로서, 보론 카바이드 또는 알루미늄 옥사이드)의 입자를 혼합하고, 이후 복합재를 형성하기 위하여 가열/소결시킴으로써 분말 야금 기법이 사용될 수 있다. 다른 구체예에서 또 다른 상이한 기법이 사용될 수 있다. 합금 제품 제조를 위해 본 명세서에 기재된 기법 또한 그러한 합금을 활용하는 복합재 제조, 예컨대 압출 후 수냉, 인공 시효 등에 또한 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 충전 재료는 일부 또는 모든 이러한 구체예의 형성에 다공질 및/또는 미립자 형태로 제공될 수 있다
다음의 실시예는 본 명세서에 기술된 바와 같은. 합금의 구체예와 함께 획득될 수 있는 유리한 특성을 예시한다.
실시예
표 1의 합금 조성물을 101mm 직경의 잉곳으로써 직접 냉각 (direct chill, DC) 주조하였고 2시간/560℃ 에서 균질화한 이후, 350℃/1 시간 동안 냉각하였다. 균질화된 잉곳을 200mm 빌렛 길이로 절단하고 780톤, 106mm 직경의 압출 프레스 상에서 압출하였다. 빌렛을 500 +/- 7℃의 빌렛 온도로 인덕션 가열하여 5mm/s의 성형 속도에서 3 x 41.7mm 스트립으로 압출하였다. 압출된 프로파일을 다이로부터 2.5m 떨어진 수조를 사용하여 수냉시켰다. 2-프롱 접촉 열전대(two-prong contact thermocouple)를 사용하여 측정된 다이의 출구 온도는 모든 압출품에 있어서 515℃를 초과했다. 압출품은 급랭 후 16시간 동안 실온에 두고 난 이후 175℃에서 8시간 동안 인공적으로 시효시키며, 이는 최대 실온 강도를 달성하기 위하여 6XXX 합금과 함께 사용되는 일반적인 관행이다. 하기 표 1은 대조 합금, 뿐만 아니라 각각의 상기 식에 따라 계산되어 과잉의 실리콘 또는 마그네슘이 포함된 합금들을 포함하여, 테스트된 모든 조성물을 나타낸다. 합금 중에 존재하고 석출 경화에 기여할 수 있는 MgSi 석출물의 양 또한 나타난다.
표 1: 합금 조성물
Figure pct00001
"대조"로 지정된 합금 조성물은 대표적인 AA6351 또는 AA6082 조성물로 압출 성형 산업에서 비-입자 강화된, 중간 강도 적용에 사용된다. 조성물은 우수한 압출성 및 우수한 실온 기계적 강도의 조합을 제공하기 위하여 설계된다. 합금 A는 석출 경화에 기여하는 다음의 증가한 수준의 주요 용질 성분을 포함한다: Si, Mg 및 Cu. 합금 B는 증가한 수준의 Fe 및 Mn와 함께 미세하게 더 높은 수준의 Si를 포함한다. 합금 C는 또한 증가한 Fe 및 Mn 수준을 포함하지만, 모든 주요 용질 성분이 합금 A와 유사한 수준으로 포함한다. 마지막으로, 합금 D는 동일하게 증가한 수준의 Mn, Fe, Mg 및 Cu를 포함하지만, 의도적으로 더 낮은 수준의 Si를 포함하여, 증가한 과잉의 Mg 함량을 생성한다. 추가적으로, 합금 A는 1/1의 원자비의 Mg/Si 관점에서 균형을 이루지만, Mg2Si에 기초한 이전의 접근법을 사용하여, 상당한 과잉의 실리콘으로 간주되었을 것이다. 대조 합금은 미세하게 과잉의 실리콘을 가지지만, 합금 A에서 D로 갈수록, 조성물은 점진적으로 과잉의 Mg을 가진다.
표 2는 다양한 합금에 대한 파과 압력을 나타낸다. 파과 압력(breakthrough 압력)은 압출성의 한 척도이며 일반적으로 압출 온도에서 변형에 대한 저항성을 나타낸다. 수치는 대조 합금에 대하여 % 증가율로 표 2에 나타난다. 동일한 데이터가 도 1에 그래프로 나타난다.
표 2: 파과 압력 (psi 단위)
Figure pct00002
이러한 결과는 증가한 Mg, Si 및 Cu 수준, 증가한 Fe 및 Mn 수준, 및 마지막으로, 의도적인 증가로 과잉의 Mg 함량의 관점에서, 이렁난 조성 변화가 모두 압출 압력을 증가시켰음을 나타낸다. 상기 나열된 압출 압력의 변동량은 다양한 압출 공정, 특히 낮은 압출비로 단순한 중실(solid) 형상으로의 압출에 허용 가능하다.
실온 기계적 특성을 ISO6892-1:2009에 따라 측정하였다. 고온에서의 인장 테스트를 10 분의 예열을 사용하여 ISO 6892-2:2011-방법A에 따라 수행하였다. 실온 및 175℃에서 테스트를 수행하였다. 추가적으로, 샘플을 150, 200, 250 및 300℃의 온도에서 100시간 동안 노출시키고 장기간 동안 고온에서의 노출을 시뮬레이션 하기 위하여 동일한 온도에서 테스트하였다.
표 3-5는 다양한 물질 조건 및 상기 기재된 테스트 온도에 대하여 측정된 항복 강도, 인장 강도 및 연신 값이 나타낸다. 각각의 조건에 대하여, 대조 합금과 비교한 강도 차이는 백분율 (% inc)로서 주어진다. 항복 강도 및 인장 강도의 결과는 유사한 추이를 따랐다. 6가지의 모든 테스트 조건에 대한 항복 강도 결과는 도 2-5에 또한 도식적으로 제시된다.
표 3: 항복 강도 결과
Figure pct00003
표 4: 최대 인장 강도 결과
Figure pct00004
표 5: 연신 결과
Figure pct00005
항복 강도의 추이는 실온 실험, 175℃에서의 실험 및 또한 150℃에서 100 시간 노출 후에서 유사했지만, 실온과 비교하여 175℃에서의 각각의 합금에서 ~ 30%까지 감소되었다. 변형물 A, B, 및 C는 유사한 강도 수준을 나타냈고 대조보다 더 강했으며, 이는 실온 및 175℃에서의 테스트에서, 및 또한 150℃에서 100시간 노출 후에도 결과적으로 변형물 D보다 강했다. 대조 합금(즉, 합금 A)에 Mg, Si 및 Cu의 첨가는 상당한 강화를 부여하는 반면, 이러한 조건 하에서 증가한 Mn 및 Fe 함량 (즉, 합금 B 및 C)는 강도 증가에 더 적게 기여하는 것으로 나타났다. 이것은 이와 같은 조건 하에서 지배적인 강화 메커니즘이 석출 경화에 기인한 것을 나타낸다. 조성물 D 중의 과잉의 Mg는 이러한 조건 하에서 표 1에 나타난 바와 같이 감소한 MgSi 석출물의 양으로 인해 실제로 대조 합금보다 더 낮은 강도를 야기했다.
200℃ 및 250℃에서의 100 시간 후 노출 및 테스트 후, 모든 실험적 변형물 A-D는 대조 합금과 비교하여 항복 강도에 상당한 (적어도 30%) 향상을 부여했다. 250℃에서의 100시간 후, 합금의 강도 서열은 A > B > C > D > 대조 이었다. 이는 증가한 MgSi 석출물 (예로서, Mg2Si)로 인한 석출 경화가 여전히 이러한 온도 및 노출 시간에 대한 강도에 기여하는데도 불구하고, 증가한 Fe 및 Mn 함량과 함께 과잉의 마그네슘도 또한 B-D에 있어 강도에 기여함을 나타낸다.
이러한 테스트에 있어서, 노출은 실질적인 실험적 시간에서 테스트 결과를 생성하기 위하여 100시간으로 제한되었다. 250℃에 노출된 전형적인 6XXX 유형 합금의 강도는 전형적으로 Mg-Si 석출물 상의 조대화로 인하여 정체기에 도달할 때까지 최대 10,000 시간의 노출 저하가 지속되는 것으로 공지되어 있다(Kaufman, Properties of Aluminum Alloys, ASM International). 그러나, 300°에 근접한 온도에서는 석출물 상의 조대화 및 용해가 더욱 급속하게 일어나, 인장 특성이 ~ 100 시간 후 정체기에 들어가는 경향이 있다. 결과적으로, 현재의 테스트 프로그램에서 300℃에서의 노출 후 결과는 고온에서 (예를 들어 >200℃) 장기간(수 년)의 노출 동안 강도를 유지하는 합금 변형물의 능력의 더 나은 지표를 제공하는 것으로 고려된다. 도 5에 나타난 바와 같이, 300℃에서의 100시간 후, 증가한 Fe 및 Mn 첨가를 포함하는 합금 B-D 모두는 대조와 비교하여 상당한 강도를 나타냈다. 반대로, 증가한 Mg2Si 함량을 가지는 합금 A는 대조에 비해 아무런 향상을 제공하지 않았다. 전체적으로, 가장 과잉의 Mg 함량을 가지는 합금 D가 고온에서의 노출 후 가장 높은 강도를 제공하였다. 도 5에 도시된 고온 항복 강도에 관한 추이는 도 1에 도시된 압출 파과 압력에 대한 합금 유형의 효과와 거의 일치함을 유념한다. 후자는 사실상 압출 온도 500℃에서의 유동 응력(flow stress)이며, 증가한 Fe 및 Mn, 과잉의 Mg와 연관된 강화 메커니즘이 상기 온도에서 또한 작용함을 나타낸다.
최대 인장 강도에 대한 결과는 상기 논의된 항복 강도 결과를 반영했다. 합금 A-D는 보다 낮은 테스트 온도 (최대 250℃)에서 대조 합금과 대부분 유사한 연신 결과를 만들었다. 그러나, 300℃에서의 노출 후, 모든 실험적 합금은 대조와 비교하여 개선된 연성을 제공했다.
상기 결과의 관점에서, 본 명세서에 기재된 범위 내의 증가한 Mg, Si 및 Cu의 수준을 포함하는 특정 구체예에 따르는 합금(예로서, 합금 A-C)은 보다 낮은 온도 수준 및 중간 온도 수준(예로서, 175℃), 및 또한 중간 온도 수준(예로서, 130-150℃)에서의 장기간 노출 후, 증가한 강도를 제공하는 것을 나타낸다. 또한 본 명세서에 기재된 범위 내의 증가한 Mn 및 Fe 함량을 가지는 특정 구체예에 따르는 합금(예로서, 합금 B-D)은 중간 온도 수준 (예로서, 130-150℃) 및 보다 높은 온도 수준 (예로서, 250℃)에서의 장기간 노출 후, 증가한 강도를 제공하고, 이러한 강도 증가는 특히 보다 높은 온도 수준에서 석출 경화를 생성하기 위해 증가한 Si 수준 (예로서, 합금 D) 없이도 가능하다는 것을 나타낸다. 본 명세서에 기술된 바와 같은 과잉의 Mg 함량을 가지는 특정 구체예에 따르는 합금 (예로서, 합금s B-D)은 중간 온도 수준 (예로서, 130℃) 및 보다 높은 온도 수준 (예로서, 250℃)에서의 장기간 노출 후 증가한 강도를 제공하며, 상기 증가한 과잉의 Mg 수준 (예로서, 합금 D)이 보다 높은 온도 수준 (예로서, 250℃)에서의 장기간 노출 후 더욱 증가한 강도를 제공하는 것을 추가로 나타낸다. 그러한 과잉의 Mg 수준이 150℃ 이상의 온도 수준에서의 장기간 노출에 증가한 강도를 제공할 수 있다고 고려된다. 또한 그러한 과잉의 Mg 수준이 최대 300℃, 또는 그 이상일 수도 있는 온도 수준에서 증가한 강도를 제공할 수 있는 것으로 고려된다.
본 명세서에 기재된 구체예는 전형적인 6XXX 합금 및 중성자 차폐 물질의 제조에 사용되는 합금을 포함하여 기존의 합금, 복합재, 압출 및 공정에 비해 이점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 기재된 합금은 특히 고온에서 장기간 동안 고온에서 지속될 경우 고온에서의 훌륭한 강도 및 인장을 나타낸다. 이는 제품의 장애의 위험을 줄이기 위해 장기간에 걸쳐 증가한 고온 강도가 바람직한 고온 적용에서의 사용에 이점을 제공한다. 이러한 고온 강도는 예를 들어, 중성자 차폐 물질의 제조에 유용하며, 이는 장기간 동안 (예로서, 40 년) 고온 (예로서, 250℃)에서 수행될 수 있다. 보론 카바이드 충전 재료를 포함하는 복합재는 중성자 차폐 적용에 특히 유용하다. 합금에 의해 달성된 고온에서의 증가한 기계적 특성은 다른 고온 적용에도 또한 바람직할 수 있고, 그러한 적용은 당업자에게 인식될 수 있다. 예를 들어, 합금은 고온 구조적 합금으로 단독으로 활용될 수 있다. 다른 실시예와 같이, 합금은 상이한 복합 재료, 예컨대 상이한 고온 복합 재료를 위한 매트릭스로써 사용될 수 있다. 게다가, 합금 및 결과적인 복합재는 압출에 적절할 수 있다. 또 다른 혜택 및 이점이 당업자에게 인식된다.
본 발명을 수행하는 현재 바람직한 방법을 포함하여 특정 실시예와 관련되어 본 발명이 기재되었지만, 당업자는 상기 기재된 시스템 및 방법의 수많은 변형 및 변경이 존재함을 인식할 것이다. 본 명세서에 기재된 합금은 개시된 성분으로 구성되거나 필수적으로 구성될 수 있는 것으로 이해된다. 따라서, 본 발명의 사상 및 범위는 특허 청구범위에 명시된 바와 같이 넓게 해석되어야 한다. 본 명세서의 모든 조성물은 달리 명시되지 않는 한 중량%로 표현된다.

Claims (27)

  1. 다음을 중량 퍼센트로 포함하는 알루미늄 합금:
    Si 0.50 - 1.30
    Fe 0.2 - 0.60
    Cu 최대 0.15
    Mn 0.5 - 0.90
    Mg 0.6 - 1.0
    Cr 최대 0.20
    잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물임.
  2. 제1항에 있어서, 불가피한 불순물은 각각 최대 0.05 중량% 및 총 최대 0.15 중량%의 양으로 존재할 수 있는 합금.
  3. 제1항에 있어서, 합금의 Cu 함량은 최대 0.1 중량%까지인 합금.
  4. 제1항에 있어서, 합금의 Si 함량은 0.70 - 1.30 중량% 인 합금.
  5. 제1항에 있어서, 합금의 Mg 합량은 0.60 - 0.80 중량%인 합금.
  6. 제1항에 있어서, 상기 합금은 Mg-Si 석출물이 차지할 수 있는 양을 초과하는 과잉의 마그네슘을 가지는 합금.
  7. 제6항에 있어서, 상기 합금은 적어도 0.25 중량% 과잉의 마그네슘을 가지는 합금.
  8. 제1항에 있어서, 상기 합금은 최대 0.05 중량% 티타늄을 추가로 포함하는 합금.
  9. 다음을 포함하는 복합 재료:
    다음을 중량 퍼센트로 포함하는, 알루미늄 합금의 매트릭스:
    Si 0.50 - 1.30
    Fe 0.2 - 0.60
    Cu 최대 0.15
    Mn 0.5 - 0.90
    Mg 0.6 - 1.0
    Cr 최대 0.20
    잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물이다; 및
    매트릭스 내에 분산된 충전 재료의 입자.
  10. 제9항에 있어서, 충전 재료는 세라믹 물질을 포함하는 복합 재료.
  11. 제9항에 있어서, 충전 재료는 보론 카바이드를 포함하는 복합 재료.
  12. 제11항에 있어서, 보론 카바이드 충전 재료는 이의 표면의 적어도 일부를 코팅하는 티타늄-함유 금속간 화합물을 포함하는 복합 재료.
  13. 제9항에 있어서, 충전 재료는 매트릭스보다 우수한 중성자 흡수 및 방사선 차폐 능력을 가지는 복합 재료.
  14. 제9항에 있어서, 충전 재료는 복합 재료 중 최대 20%의 부피 분율을 가지는 복합 재료.
  15. 제9항에 있어서, 충전 재료는 매트릭스의 알루미늄 합금보다 더 높은 경도 및 더 높은 융점을 가지는 복합 재료.
  16. 제9항에 있어서, 합금의 Cu 함량은 최대 0.1 중량%까지인 복합재료.
  17. 제9항에 있어서, 합금의 Si 함량은 0.70 - 1.30 중량%인 복합 재료.
  18. 제9항에 있어서, 합금의 Mg 함량은 0.60 - 0.80 중량%인 복합 재료.
  19. 제9항에 있어서, 합금은 Mg-Si 석출물이 차지할 수 있는 양을 초과하는 과잉의 마그네슘을 가지는 복합 재료.
  20. 제19항에 있어서, 합금은 적어도 0.25 중량% 과잉의 마그네슘을 가지는 복합 재료.
  21. 다음을 포함하는 방법:
    다음을 중량 퍼센트로 포함하는 용융 알루미늄 합금을 제조하는 단계:
    Si 0.50 - 1.30
    Fe 0.2 - 0.60
    Cu 최대 0.15
    Mn 0.5 - 0.90
    Mg 0.6 - 1.0
    Cr 최대 0.20
    잔부는 알루미늄 및 불가피한 불순물임;
    합금 전반에 분산된 충전 재료를 가지는 용융 혼합물을 형성하기 위하여 충전 재료의 입자를 용융 알루미늄 합금에 첨가하는 단계; 및
    매트릭스 재료로서의 알루미늄 합금 및 매트릭스 전반에 분산된 충전 재료를 가지는 복합 재료를 형성하기 위하여 용융 혼합물을 주조하는 단계.
  22. 제21항에 있어서, 압출품을 형성하기 위하여 복합 재료를 압출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  23. 제21항에 있어서, 충전 재료는 보론 카바이드이고, 합금은 적어도 0.2 중량% 티타늄을 추가로 포함하는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 합금은 0.2 - 2 중량% 티타늄을 추가로 포함하는 방법.
  25. 제23항에 있어서, 티타늄-함유 금속간 화합물이 주조 동안 형성되어 충전 재료의 입자 표면의 적어도 일부를 코팅하는 방법.
  26. 제21항에 있어서, 충전 재료는 복합 재료의 최대 20%의 부피 분율을 형성하는 방법.
  27. 제21항에 있어서, 다음 단계를 추가로 포함하는 방법:
    주조 이전에, 알루미늄 합금을 충전 재료의 입자에 습윤시키고 용융 혼합물의 부피 전반에 입자를 분포시키기 위하여 용융 혼합물을 교반시키는 단계.
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