KR20190004235A - Substantially pb-free aluminum alloy composition - Google Patents

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KR20190004235A
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엠레 일데니즈
로버트 에이 마투스카
데이비드 제이 슈메이커
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카이저 알루미늄 패브리케이티드 프로덕츠, 엘엘씨
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Abstract

A substantially Pb-free aluminum alloy consisting essentially of (wt%): Si < 0.40; Fe < 0.70; Cu 5.0 - 6.0; Zn < 0.30; Bi 0.20 - 0.80; Sn 0.10 - 0.50, and remaining aluminum and unavoidable impurities. In one aspect with respect to applications sensitive to cracking attributable to stress occurring during machining, the Bi/Sn ratio (based on wt%) is less than 1.32/1 and is manufactured on a T8 temper. In another aspect with respect to applications that are not sensitive to cracking attributable to stress during machining but can benefit from a smaller machine chip size and a more robust material removal rate, the aluminum alloy is manufactured by using a T6 temper. The substantially Pb-free aluminum alloy has mechanical properties including a maximum tensile strength of 45.0 KSI/311 MPa or more, a yield strength of 38.0 KSI/262 MPa or more, and an elongation percentage (%) of 10% or more.

Description

실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물{SUBSTANTIALLY PB-FREE ALUMINUM ALLOY COMPOSITION}A substantially Pb-free aluminum alloy composition {SUBSTANTIALLY PB-FREE ALUMINUM ALLOY COMPOSITION}

본 발명은 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물, 및 이의 Pb-함유 대응물의 기계 가공성(machinability) 특성을 달성하면서 상기 합금 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a substantially Pb-free aluminum alloy composition, and to a process for making said alloy composition while achieving the machinability characteristics of its Pb-containing counterpart.

역사적으로 Pb-함유 알루미늄 합금 예를 들면 2011 및 6262(각각 1954년 및 1960년에 알루미늄 협회(Aluminum Association)에 등록됨)가 까다로운 기계 가공 응용 분야에 사용되었다. 이러한 응용 분야는 양호한 기계 가공 표면 마감을 유지하고, 공작 기계가 막히는 것을 방지하기 위해 작고 작업 영역에서 쉽게 제거되는 기계 칩을 생산하면서 높은 물질 제거율에서 기계 가공될 수 있는 합금을 필요로 한다. Pb를 함유하는 알루미늄 합금은 보다 신속한 물질 제거율, 작은 기계 칩 및 양호한 기계 가공 표면을 가능하게 하는 물질에서 칩 브레이커(chip breaker)로서 작용하는 금속간 상을 제공함으로써 이러한 요구를 충족시켰다. Pb는 효과적인 솔루션을 제공하지만, 이것은 중금속이고, 위험 물질로서 간주된다. Historically, Pb-containing aluminum alloys such as 2011 and 6262 (registered in the Aluminum Association in 1954 and 1960, respectively) have been used in demanding machining applications. These applications require alloys that can be machined at high material removal rates while maintaining good machined surface finishes and producing machine chips that are small and easily removed from the work area to prevent clogging of the machine tool. Pb-containing aluminum alloys have met this need by providing a metal interstice that acts as a chip breaker in materials that enable faster material removal rates, smaller mechanical chips, and better machined surfaces. Pb provides an effective solution, but it is considered a heavy metal and a hazardous material.

이러한 합금이 야기할 수 있는 부정적인 건강 영향 및 환경 위험을 줄이기 위한 노력으로, 유사한 기계 가공성 성능을 나타낼 수 있는 대안적인 Pb-비함유 알루미늄 합금이 요망된다. 합금 2012, 2111, 6020 및 6040을 포함하여 수년 간 쾌삭/Pb 비함유 합금을 개발하려는 여러 시도가 있었다. 이러한 합금은 Pb 대신에 Bi 및/또는 Sn을 사용하였다. 이러한 합금 중 많은 부분이 기계 가공 칩 크기 및 기계 가공된 표면 마감 관점에서 성공적이었지만, 얇은 벽의 복잡한 부품의 많은 생산자들은, 상기 부품이 크랙이 생기는 경향이 있기 때문에 Pb 보유 기존 합금으로 달성된 물질 제거율을 달성할 수 없었다는 것을 발견하였다. 따라서 이러한 합금 중 많은 부분은 시장에서 퇴출되거나 일부 응용 분야의 경우 물질 제거율을 제한하도록 소비자에게 경고되었다. 이는 Pb 보유 알루미늄 합금에 대한 적용 중 많은 부분이 유통 채널을 통해 판매되므로 최종 기계 가공 적용은 재료 생산자에게 알려지지 않는다는 것을 고려하면 문제가 된다. In an effort to reduce the negative health effects and environmental hazards that these alloys can cause, alternative Pb-free aluminum alloys are desired that can exhibit similar machinability performance. There have been several attempts to develop free-cutting / Pb-free alloys for years, including alloys 2012, 2111, 6020 and 6040. These alloys use Bi and / or Sn instead of Pb. Although many of these alloys have been successful in terms of machined chip size and machined surface finishes, many producers of complex parts of thin walls have found that the material removal rate achieved with Pb-bearing conventional alloys, as the components tend to crack, Could not be achieved. Many of these alloys have therefore been warned of consumers to exit the market or limit the rate of material removal for some applications. This is problematic considering that many of the applications for Pb-bearing aluminum alloys are sold through distribution channels, so that the final machining application is unknown to the material producer.

이러한 크랙 경향의 결과로 인한 잠재적인 실패를 피하기 위해, 여전히 이용가능한 Pb-비함유 대체 합금은 이의 가용성이 종종 제한되며, 종종 Pb-함유 대체물과 동일한 수준의 성능을 달성하지 못하는 기계 가공 파라미터에 한계를 둔다. 그 결과, 강도 요건도 충족시키면서 Pb-함유 합금의 기계 가공 특성을 충족시키는 생성물에 대한 시장의 요구가 여전히 존재한다. 통상적으로, 예를 들면, Pb-함유 합금 2011-T3은 38 KSI / 262 MPa의 최소 항복 강도를 갖는다.To avoid potential failures resulting from such cracking tendencies, the Pb-free alternative alloys that are still available are often limited in their solubility and often have limitations in machining parameters that do not achieve the same level of performance as the Pb- . As a result, there is still a market demand for products that meet the machining characteristics of Pb-containing alloys while meeting strength requirements. Typically, for example, the Pb-containing alloy 2011-T3 has a minimum yield strength of 38 KSI / 262 MPa.

본 발명의 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 기존의 Pb-함유 이전 조성물과 동일하거나 우수한, 높은 물질 제거율, 기계 가공 칩 크기 및 기계 가공된 표면 마감으로서의 기계 가공 성능을 달성하는 쾌삭(free machining) 생성물을 제공한다. The substantially Pb-free aluminum alloy composition of the present invention is free machining to achieve the same or superior as conventional Pb-containing prior compositions, high material removal rates, machined chip size and machined surface finish ) &Lt; / RTI &gt; product.

본 발명의 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 심한 물질 제거 조건 하에서 얇은 벽에 크래킹을 일으키지 않고, 복잡한 기계 가공에 영향을 받지 않는다. 이는 상기 언급된 기술적 문제를 해결하고자 시도한 다른 발명에서는 달성되지 못했던 중요한 차이점이다. 이러한 크래킹 조건에 민감한 물질은 최종 부품의 무결성을 보장하기 위해 물질 제거율을 상당히 낮추거나 물질을 모두 불합격시킴으로써 기계 가공 성능에 무관하게 만든다. The substantially Pb-free aluminum alloy composition of the present invention does not cause cracking to thin walls under severe material removal conditions and is not susceptible to complicated machining. This is an important difference that has not been achieved in other inventions attempting to solve the above mentioned technical problems. Substances sensitive to these cracking conditions make the material removal rate considerably low to ensure the integrity of the final part or irrelevant to the machining performance by rejecting all of the material.

본 발명의 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 현재의 쾌삭 물질의 물질 특성 요건을 실질적으로 충족시키거나 초과한다. 구체적으로, 바람직한 양태에서, 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 45.0 KSI / 311 MPa 이상의 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength), 38.0 KSI / 262 MPa 이상의 항복 강도, 및 10% 이상의 최소 연신율(Elongation minimum)(%)을 포함하는 AA2011-T3에 대한 최소 물질 특성을 충족시킨다. The substantially Pb-free aluminum alloy composition of the present invention substantially meets or exceeds the material property requirements of current free-cutting materials. Specifically, in a preferred embodiment, the substantially Pb-free aluminum alloy composition has an Ultimate Tensile Strength of at least 45.0 KSI / 311 MPa, a yield strength of at least 38.0 KSI / 262 MPa, and an elongation minimum of at least 10% ) (%). &Lt; / RTI &gt;

실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 하기 성분(중량%)을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다: Si < 0.40; Fe < 0.70; Cu 5.0 - 6.0; Zn < 0.30; Bi 0.20 - 0.80; Sn 0.10 - 0.50, 나머지는 알루미늄 및 부수적인 불순물임. 바람직한 양태에서, 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비(중량% 기준; 1.32/1은 Bi-Sn의 공융 비(eutectic ratio)임)를 유지한다 이 외에도, T8 템퍼(temper)에서 물질을 제조하는 것은 높은 물질 제거율 및 얇은 벽 기하학으로 인해 기계 가공 크랙에 민감한 기계 가공 응용 분야에 특별한 이점을 제공한다. 역으로, 보다 견고한 부품 기하학으로 인해 기계 가공 크랙에 민감하지 않지만, 훨씬 더 높은 물질 제거율로 이익을 얻을 수 있는 특정한 기계 가공 응용 분야가 T6 템퍼에서 생산될 수 있다.The substantially Pb-free aluminum alloy composition comprises or consists essentially of the following components (wt.%): Si <0.40; Fe <0.70; Cu 5.0 - 6.0; Zn <0.30; Bi 0.20 - 0.80; Sn 0.10 - 0.50, the remainder being aluminum and incidental impurities. In a preferred embodiment, the substantially Pb-free aluminum alloy composition maintains a Bi / Sn ratio of less than 1.32 / 1 (based on weight percent; 1.32 / 1 is the eutectic ratio of Bi-Sn) The fabrication of materials at T8 tempering offers particular advantages in machining applications that are sensitive to machining cracks due to their high material removal rate and thin wall geometry. Conversely, certain machining applications that are not susceptible to machining cracks due to more robust part geometry, but that can benefit from much higher material removal rates, can be produced on a T6 temper.

본 발명의 특징 및 이점은 수반되는 도면과 함께 이의 바람직한 양태의 하기 상세한 설명으로부터 명백해질 것이며, 여기서:
도 1은 본 발명에 따른 다양한 실시예에서 생성된 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물의 조작 공정 순서를 도시하는 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물의 칩 크기 관점에서 기계 가공성을 평가하기 위해 사용된 대표적인 부품의 개념도(conceptual drawing)이고;
도 3은 칩/그램으로 측정된, 실시예 1에서 평가된 합금/템퍼 조합의 기계 가공성을 도시하는 그래프이고;
도 4는 기계 가공 크랙 감수성 시험 부품의 개념도이고;
도 5는 사용된 4개의 분류를 보여주는 기계 크랙 감수성 시험으로부터 얻어진 관찰 사진을 보여주며;
도 6은 인열이나 블로아웃(blowout)이 없는, %로 측정된 실시예 1의 기계 가공 크랙 감수성 시험 결과를 도시하는 그래프이고;
도 7은 칩/그램으로 측정된 실시예 2의 기계 가공성 결과를 도시하는 그래프이고;
도 8은 주름, 인열 또는 블로아웃이 없는, %로 측정된 실시예 2의 기계 가공 크랙 감수성 시험 결과를 도시하는 그래프이고;
도 9는 칩/그램으로 측정된 실시예 3의 기계 가공성 결과를 도시하는 그래프이고;
도 10은 2.000" 직경의 로드에 대한 칩/그램으로 측정된 실시예 3의 기계 가공성 결과를 도시하는 그래프이고;
도 11은 Bi - Sn 상평형도이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The features and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description of preferred embodiments thereof, together with the accompanying drawings, in which:
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic diagram showing the sequence of operations of a substantially Pb-free aluminum alloy composition produced in various embodiments in accordance with the present invention; FIG.
Figure 2 is a conceptual drawing of a representative part used to evaluate machinability in terms of chip size of a substantially Pb-free aluminum alloy composition according to the present invention;
3 is a graph showing the machinability of the alloy / temper combination evaluated in Example 1, measured in chips / gram;
4 is a conceptual view of a machined crack susceptibility test part;
Figure 5 shows an observation photograph taken from a mechanical crack susceptibility test showing four classes used;
6 is a graph showing the results of the machining crack susceptibility test of Example 1 measured in% without tear or blowout;
Figure 7 is a graph showing the machinability results of Example 2 measured in chips / gram;
8 is a graph showing the results of the machining crack susceptibility test of Example 2 measured in%, without wrinkles, tears or blowouts;
9 is a graph showing the machinability results of Example 3 measured in chips / gram;
10 is a graph showing the machinability results of Example 3 measured in chips per gram for a 2.000 " diameter rod;
11 is a Bi-Sn phase balance diagram.

실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 하기 성분(중량%)을 포함하거나 이들로 본질적으로 이루어진다: Si < 0.40; Fe < 0.70; Cu 5.0 - 6.0; Zn < 0.30; Bi 0.20 - 0.80; Sn 0.10 - 0.50, 나머지는 알루미늄 및 부수적인 불순물임. 바람직한 양태에서, Si, Fe, Cu, Zn, Bi, 및 Sn은 임의의 다른 물질이 부수적인 불순물로서만 존재하도록 합금 조성물에 의도적으로 첨가되는 유일한 성분이다. 상기 부수적인 불순물은 1중량% 미만, 0.5중량% 미만, 또는 0.1중량% 미만, 또는 0.05중량% 미만의 총량으로 존재한다. 한 양태에서, 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비(중량% 기준; 1.32는 Bi-Sn의 공융 비임)를 유지한다.The substantially Pb-free aluminum alloy composition comprises or consists essentially of the following components (wt.%): Si <0.40; Fe <0.70; Cu 5.0 - 6.0; Zn <0.30; Bi 0.20 - 0.80; Sn 0.10 - 0.50, the remainder being aluminum and incidental impurities. In a preferred embodiment, Si, Fe, Cu, Zn, Bi, and Sn are the only components that are intentionally added to the alloy composition such that any other material is present only as an incidental impurity. The ancillary impurities are present in a total amount of less than 1 wt%, less than 0.5 wt%, or less than 0.1 wt%, or less than 0.05 wt%. In one embodiment, the substantially Pb-free aluminum alloy composition maintains a Bi / Sn ratio (based on weight%; 1.32 is a eutectic ratio of Bi-Sn) of less than 1.32 / 1.

바람직하게는, 본 발명의 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 현재의 쾌삭 물질의 물질 특성 요건을 실질적으로 충족시키거나 초과한다. 구체적으로, 바람직한 양태에서, 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 45.0 KSI / 311 MPa 이상의 최대 인장 강도, 38.0 KSI / 262 MPa 이상의 항복 강도, 및 10% 이상의 최소 연신율(%)을 포함하는 AA2011-T3에 대한 최소 물질 특성을 충족시킨다.Preferably, the substantially Pb-free aluminum alloy composition of the present invention substantially meets or exceeds the material property requirements of the current free-running material. Specifically, in a preferred embodiment, the substantially Pb-free aluminum alloy composition has a maximum tensile strength of at least 45.0 KSI / 311 MPa, a yield strength of at least 38.0 KSI / 262 MPa, and a minimum elongation percentage of at least 10% 0.0 &gt; T3. &Lt; / RTI &gt;

일반적으로, 어구 “실질적으로 Pb-비함유"는 알루미늄 합금 조성물이 제조될 때 의도적으로 Pb를 알루미늄 합금 조성물에 첨가하지 않는 것으로 정의된다. 바람직하게는, 알루미늄 합금 조성물에 함유될 수 있는 임의의 Pb는 트램프(tramp) 오염의 결과이다. 바람직한 양태에서, 본 발명의 알루미늄 합금 조성물은 0.05중량% 미만의 Pb를 함유한다. 또 다른 양태에서, 본 발명의 알루미늄 합금 조성물은 0.01중량% 미만의 Pb를 함유한다. 또 다른 바람직한 양태에서, 본 발명의 알루미늄 합금 조성물은 0.005중량% 미만의 Pb를 함유한다. 또 다른 바람직한 양태에서, 본 발명의 알루미늄 합금 조성물은 0.003중량% 이하의 Pb를 함유한다. In general, the phrase " substantially Pb-free &quot; is defined as not intentionally adding Pb to the aluminum alloy composition when the aluminum alloy composition is prepared. Preferably, any Pb In another embodiment, the aluminum alloy composition of the present invention comprises less than 0.01% Pb by weight of Pb in an amount of less than &lt; RTI ID = 0.0 &gt; In another preferred embodiment, the aluminum alloy composition of the present invention contains less than 0.005 wt% Pb. In another preferred embodiment, the aluminum alloy composition of the present invention contains less than 0.003 wt% of Pb.

실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물에 대해 상기 확인된 범위는 선택된 원소에 대한 상한 또는 하한을 포함하며, 상기 범위 내에서 제공된 모든 수치 범위 및 분율은 상한 또는 하한으로 간주될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들면, Si < 0.40의 범위 내에서, Si의 상한 또는 하한은 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, 및 0.10중량%로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Si의 양은 0.20중량% 미만의 범위이다. 또 다른 양태에서, Si의 양은 0.16중량% 미만의 범위이다. 또 다른 양태에서, Si의 양은 0.10 내지 0.16중량%의 범위이다. 예를 들면, 또한, Fe < 0.70의 범위 내에서, Fe의 상한 또는 하한은 0.60, 0.50, 0.40, 0.30, 0.20, 및 0.10중량%로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Fe의 양은 0.30 내지 0.50중량%의 범위이다. 또 다른 양태에서, Fe의 양은 0.33 내지 0.44중량%의 범위이다. 예를 들면, 또한, Cu 5.0 내지 6.0의 범위 내에서, Cu의 상한 또는 하한은 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 및 5.9로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Cu의 양은 5.1 내지 5.8중량%의 범위이다. 또 다른 양태에서, Cu의 양은 5.13 내지 5.63중량%의 범위이다. 예를 들면, 또한, Zn < 0.30의 범위에서, Zn의 상한 또는 하한은 0.20, 0.10, 0.05, 0.01, 및 0.005중량%로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Zn의 양은 0.002 내지 0.05의 범위이다. 또 다른 양태에서, Zn의 양은 0.002 내지 0.044의 범위이다. 예를 들면, 또한, Bi 0.20 내지 0.80의 범위 내에서, Bi의 상한 또는 하한은 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 및 0.70으로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Bi의 양은 0.40 내지 0.80의 범위이다. 또 다른 양태에서, Bi의 양은 0.20 내지 0.40의 범위이다. 예를 들면, 또한, Sn 0.10 내지 0.50의 범위 내에서, Sn의 상한 또는 하한은 0.20, 0.30, 및 0.40으로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Sn의 양은 0.20 내지 0.50의 범위이다. 추가로, 예를 들면, 또한, 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비의 범위 내에서, Bi/Sn 비의 상한 또는 하한은 1.30/1, 1.25/1, 1.20/1, 1.15/1, 1.10/1, 1.05/1, 1.00/1, 및 0.80/1로부터 선택될 수 있는 것으로 이해된다. 한 양태에서, Bi/Sn 비는 1.32/1 내지 0.80/1일 수 있다. 상기 확인된 범위의 임의의 및 모든 순열은 본 발명의 범주 내에 포함되는 것으로 추가로 이해된다. 예를 들면, 실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물은 본질적으로 하기 성분(중량%): Si < 0.15; Fe < 0.50; Cu 5.1-5.7; Zn < 0.05; Bi 0.40 - 0.80; Sn 0.20 - 0.50(나머지는 알루미늄 및 부수적인 불순물임)으로 이루어질 수 있으며, 동시에 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비(중량% 기준; 1.32/1은 Bi-Sn의 공융 비임) 또는 1.32/1 내지 0.80/1의 Bi/Sn 비를 유지하고, 부수적인 불순물이 1중량% 미만, 또는 0.5중량% 미만, 또는 0.1중량% 미만, 또는 0.05중량% 미만의 총량으로 존재할 수 있다.It is understood that the above-identified ranges for a substantially Pb-free aluminum alloy composition include an upper limit or a lower limit for the selected element, and all numerical ranges and fractions provided within the range can be regarded as an upper limit or a lower limit. For example, it is understood that within the range of Si < 0.40, the upper or lower limit of Si can be selected from 0.30, 0.25, 0.20, 0.15, and 0.10 wt%. In one embodiment, the amount of Si is in the range of less than 0.20% by weight. In another embodiment, the amount of Si is in the range of less than 0.16 wt%. In another embodiment, the amount of Si ranges from 0.10 to 0.16 wt%. For example, it is understood that within the range of Fe < 0.70, the upper or lower limit of Fe can be selected from 0.60, 0.50, 0.40, 0.30, 0.20, and 0.10 wt%. In one embodiment, the amount of Fe is in the range of 0.30 to 0.50 wt%. In another embodiment, the amount of Fe ranges from 0.33 to 0.44 wt%. For example, it is also understood that within the range of Cu 5.0 to 6.0, the upper or lower limit of Cu can be selected from 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, 5.6, 5.7, 5.8 and 5.9. In one embodiment, the amount of Cu ranges from 5.1 to 5.8 wt%. In another embodiment, the amount of Cu ranges from 5.13 to 5.63 wt%. For example, it is understood that, in the range of Zn < 0.30, the upper or lower limit of Zn can be selected from 0.20, 0.10, 0.05, 0.01, and 0.005 wt%. In one embodiment, the amount of Zn ranges from 0.002 to 0.05. In another embodiment, the amount of Zn ranges from 0.002 to 0.044. For example, it is also understood that within the range of Bi 0.20 to 0.80, the upper or lower limit of Bi can be selected from 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, and 0.70. In one embodiment, the amount of Bi is in the range of 0.40 to 0.80. In another embodiment, the amount of Bi is in the range of 0.20 to 0.40. For example, it is also understood that within the range of Sn 0.10 to 0.50, the upper or lower limit of Sn can be selected from 0.20, 0.30, and 0.40. In one embodiment, the amount of Sn is in the range of 0.20 to 0.50. Further, for example, the upper limit or lower limit of the Bi / Sn ratio is 1.30 / 1, 1.25 / 1, 1.20 / 1, 1.15 / 1, 1.10 / 1, 1.05 / 1, 1.00 / 1, and 0.80 / 1. In one embodiment, the Bi / Sn ratio can be 1.32 / 1 to 0.80 / 1. It is further understood that any and all permutations of the identified ranges are included within the scope of the present invention. For example, a substantially Pb-free aluminum alloy composition consists essentially of the following components (wt%): Si <0.15; Fe <0.50; Cu 5.1-5.7; Zn <0.05; Bi 0.40 - 0.80; Sn of 0.20-0.50 (the remainder being aluminum and incidental impurities), and at the same time a Bi / Sn ratio of 1.32 / 1 or less (based on weight%, 1.32 / 1 being the eutectic ratio of Bi-Sn) A Bi / Sn ratio of 0.80 / 1 and minor impurities may be present in a total amount of less than 1 wt%, or less than 0.5 wt%, or less than 0.1 wt%, or less than 0.05 wt%.

이 외에도, T8 템퍼에서 물질을 제조하는 것은 높은 물질 제거율 및 얇은 벽 기하학으로 인해 기계 가공 크랙에 민감한 기계 가공 응용 분야에 특별한 이점을 제공한다. 이와 같이, 쾌삭, 기계 가공 크랙에 민감하지 않은 알루미늄 합금이 제조될 수 있다. 개선된 입자 크기 제어를 위해 상기 알루미늄 합금 생성물을 균질화하여 재결정화를 개선시켰다. 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다. 또 다른 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.32/1 내지 0.8/1 범위의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다. 또 다른 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.20/1 내지 1/1 범위의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다.In addition, manufacturing materials at T8 tempering offers particular advantages in machining applications that are sensitive to machining cracks due to their high material removal rate and thin wall geometry. Thus, aluminum alloys which are not susceptible to free cutting and machining cracks can be produced. The aluminum alloy product was homogenized for improved particle size control to improve recrystallization. In a preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) of less than 1.32 / 1. In another preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) in the range of 1.32 / 1 to 0.8 / 1. In another preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) in the range of 1.20 / 1 to 1/1.

역으로, 보다 견고한 부품 기하학으로 인해 기계 가공 크랙에 민감하지 않지만, 훨씬 더 높은 물질 제거율로 이익을 얻을 수 있는 특정한 기계 가공 응용 분야가 T6 템퍼에서 생산될 수 있다. 이와 같이, 기계 크랙에 민감하지 않은 특성을 요구하지 않는 응용 분야를 위한 우수한 쾌삭 알루미늄 합금 물질이 제조될 수 있다. 개선된 입자 크기 제어를 위해 상기 알루미늄 합금 생성물을 균질화하여 재결정화를 개선시켰다. 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.32/1 미만의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다. 또 다른 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.32/1 내지 0.8/1 범위의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다. 또 다른 바람직한 양태에서, 상기 합금은 1.20/1 내지 1/1 범위의 Bi/Sn 비(중량%)를 갖는다.Conversely, certain machining applications that are not susceptible to machining cracks due to more robust part geometry, but that can benefit from much higher material removal rates, can be produced on a T6 temper. Thus, excellent free-cutting aluminum alloy materials can be produced for applications that do not require properties that are not susceptible to mechanical cracks. The aluminum alloy product was homogenized for improved particle size control to improve recrystallization. In a preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) of less than 1.32 / 1. In another preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) in the range of 1.32 / 1 to 0.8 / 1. In another preferred embodiment, the alloy has a Bi / Sn ratio (wt%) in the range of 1.20 / 1 to 1/1.

본원에 따른 바람직한 방법은 본원에 개시된 기재된 공정에 내재된 임의의 자연적 에이징을 포함하지 않는다는 것을 주지하는 것이 중요하다. 구체적으로, 본 발명은 상기 합금 조성물의 임의의 T3 또는 T4 자연적 에이징을 포함하지 않는다. It is important to note that the preferred method according to the present application does not involve any natural aging inherent to the processes described herein. Specifically, the present invention does not include any T3 or T4 natural aging of the alloy composition.

본 발명의 합금 조성물의 바람직한 제조 방법은 미국 특허 5,776,269 및 미국 특허 5,916,385에 기재된 방법과 유사하며, 이들의 내용은 본원에 참조로 명확히 포함되어 있다. 한 양태에서, 상기 합금은 초기에 잉곳(ingot)으로 캐스팅되고, 잉곳은 약 900° 내지 1170℉ 범위의 온도에서 적어도 1시간이지만 일반적으로 24시간 이하 동안 균질화되며, 임의로 팬 또는 공기 냉각이 뒤따른다. 한 양태에서, 상기 잉곳은 약 1020°에서 약 4시간 동안 침지된 후 실온으로 냉각된다. 다음에, 한 양태에서, 상기 잉곳은 더 짧은 빌릿(billet)으로 절단되고, 약 500° 내지 720℉ 범위의 온도로 가열된 후 원하는 형상으로 압출된다. 그러나, 당업자는 상이한 시간 및 온도를 선택할 수 있으며, 여전히 본 발명의 범주 내에 있음이 이해되어야 한다. Preferred methods of making the alloy compositions of the present invention are similar to those described in U.S. Patent 5,776,269 and U.S. Patent 5,916,385, the disclosures of which are expressly incorporated herein by reference. In one embodiment, the alloy is initially cast as an ingot, the ingot is homogenized for at least one hour at a temperature in the range of about 900 [deg.] To about 1170 [deg.] F but typically less than 24 hours, optionally followed by a fan or air cooling . In one embodiment, the ingot is immersed at about 1020 ° for about 4 hours and then cooled to room temperature. Next, in one embodiment, the ingot is cut into shorter billets, heated to a temperature in the range of about 500 [deg.] To 720 [deg.] F and then extruded to the desired shape. However, those skilled in the art will appreciate that different times and temperatures may be selected and still be within the scope of the present invention.

한 양태에서, 압출된 합금 형상은 원하는 기계적 및 물리적 특성을 얻기 위해 이후 열기계적으로 처리된다. 예를 들면, T8 템퍼의 기계적 및 물리적 특성을 얻기 위해, 용체화 열처리(solution heat treatment)를 약 930° 내지 1030℉ 범위의 온도, 바람직하게는 약 1000℉에서 약 0.5 내지 2시간에 이르는 기간 동안 수행하고, 실온으로 물 켄칭시키고, 냉간 가공하고, 약 250° 내지 400℉ 범위의 온도에서 약 2 내지 12시간 동안 인공 에이징시킨다. 그러나, 당업자는 상이한 시간, 켄칭 조건, 및 온도를 선택할 수 있으며, 여전히 본 발명의 범주 내에 있음이 이해되어야 한다. In one embodiment, the extruded alloy shape is then thermomechanically processed to obtain the desired mechanical and physical properties. For example, to obtain the mechanical and physical properties of a T8 temper, the solution heat treatment may be performed at a temperature in the range of about 930 ° to 1030 ° F., preferably at about 1000 ° F. for about 0.5 to 2 hours , Water quenched to room temperature, cold worked and artificially aged at a temperature in the range of about 250 [deg.] To 400 [deg.] F for about 2 to 12 hours. However, those skilled in the art will appreciate that different times, quenching conditions, and temperatures can be selected and still fall within the scope of the present invention.

한 양태에서, 압출 전에, T6511 템퍼의 T6의 특성을 얻기 위해, 빌릿을 950° 내지 1050℉ 범위의 온도에서 균질화한 후 거의 원하는 크기로 압출시킨다. 이후 로드 또는 바는 약 1 내지 3%의 응력 완화 스트레칭과 같은 임의의 공지된 교정(straightening) 작업을 사용하여 교정된다. 이의 물리적 및 기계적 특성을 추가로 개선하기 위해, 상기 합금은 석출 인공 에이지 경화(precipitation artificial age hardening)에 의해 열처리된다. 일반적으로, 이는 약 250° 내지 400℉ 범위의 온도에서 약 2 내지 12시간의 기간 동안 달성될 수 있다. 그러나, 당업자는 상이한 시간, 켄칭 조건, 및 온도를 선택할 수 있으며, 여전히 본 발명의 범주 내에 있음이 이해되어야 한다. In one embodiment, prior to extrusion, the billet is homogenized at a temperature in the range of 950 ° to 1050 ° F and then extruded to near-desired size to obtain T6 properties of the T6511 temper. The rod or bar is then calibrated using any known straightening operation, such as about 1 to 3% stress relaxation stretching. To further improve its physical and mechanical properties, the alloy is heat treated by precipitation artificial age hardening. Generally, this can be achieved at a temperature in the range of about 250 [deg.] To 400 [deg.] F for a period of about 2 to 12 hours. However, those skilled in the art will appreciate that different times, quenching conditions, and temperatures can be selected and still fall within the scope of the present invention.

하기 실시예는 본 발명의 다양한 측면을 예시하며, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도되지 않는다.The following examples illustrate various aspects of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention.

실시예 1:Example 1:

빌릿을 표 1에서 발견된 표적 조성으로 10 인치(254 mm) 직경으로 제조하였다. 이들 빌릿을 도 1에 나타낸 공정 파라미터를 사용하여 T3, T4, T6 및 T8 템퍼로 압출 및 가공하여 1.000 인치(25.4 mm) 직경의 로드를 제조하였다. 빌릿의 캐스팅은 통상적인 직접 냉각 캐스팅 기술을 사용하여 수행되었다. 6040 합금 변형은 프레스 켄칭(T6511 템퍼) 및 별도의 용체화 열처리(T651 템퍼) 공정 모두에서 제조되었다. 균질화, 압출, 용체화 열처리, 켄칭, 인출 및 인공 에이징 작업은 모두 전형적인 산업 관행을 사용하여 완료되었다. 이 물질로부터의 샘플을 인장 특성 및 기계 가공성에 대해 평가하였다. 인장 특성 결과를 표 2에 나타내었다. 2011-T3의 기계적 특성 한계가 최소 허용 기준으로 사용되었다. 이들 결과는, BISN-31- T451 물질을 제외한 모든 물질이 2011-T3에 대한 알루미늄 관련 최소 특성(항복 강도 38.0 KSI / 262 MPa; 최대 강도 45.0 KSI / 311 MPa; 10% 연신율)을 통과함을 보여준다.Billets were produced with a 10 inch (254 mm) diameter with the target composition found in Table 1. These billets were extruded and processed into T3, T4, T6 and T8 temperers using the process parameters shown in FIG. 1 to produce a 1.000 inch (25.4 mm) diameter rod. Casting of the billets was performed using conventional direct cooling casting techniques. The 6040 alloy deformation was produced in both press quenching (T6511 tempering) and separate solution heat treating (T651 tempering) processes. Homogenization, extrusion, solution heat treatment, quenching, drawing and artificial aging work were all completed using typical industrial practices. Samples from this material were evaluated for tensile properties and machinability. The results of the tensile properties are shown in Table 2. The mechanical property limits of the 2011-T3 were used as the minimum acceptance criteria. These results show that all materials except the BISN-31- T451 material pass the aluminum-related minimum properties (yield strength 38.0 KSI / 262 MPa; maximum strength 45.0 KSI / 311 MPa; 10% elongation) for 2011-T3 .

Figure pat00001
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기계 가공성 시험은 여러 기계 가공 작업을 사용하는 대표 부품을 제조함으로써 수행되었다. 이 부품은 도 2에서 개념적으로 도시된다. 물질 제거율은 모든 기계 가공 작업에서 절삭 속도 및 공급 속도를 일정하게 유지함으로써 물질들 간에 일정하게 유지되었다. 칩 크기는 그램당 깨끗한 건조 칩의 수를 결정함으로써 평가된다. 이 평가 결과는 도 3에 도시되어 있으며, 벤치마크 비교로서 현재 Pb-함유 쾌삭 물질, 2011-T3과 비교된다. 이는 시험된 합금/템퍼 조합이 기존의 물질보다 우수하거나 비슷하였음을 보여준다. 또한, 시중에서 현재 입수가능한 Pb-비함유 6040 조성물도 이 매트릭스에서 시험되었다. 이것은 역사적으로 2011-T3만큼이나 잘 수행되지 못했고, 이 시험은 이의 열등한 성능을 입증하였다.Machinability tests were carried out by manufacturing representative parts using several machining operations. This part is conceptually shown in Fig. The material removal rate was kept constant between the materials by keeping the cutting speed and feed rate constant in all machining operations. The chip size is estimated by determining the number of clean dry chips per gram. The results of this evaluation are shown in FIG. 3 and are compared with the current Pb-containing free-cutting material, 2011-T3, as a benchmark comparison. This shows that the alloy / temper combination tested is superior or similar to the conventional one. Also commercially available Pb-free 6040 compositions currently on the market have also been tested in this matrix. This has historically not been performed as well as the 2011-T3, and this test has proved its inferior performance.

상기 물질이 얇은 벽, 심한 기계 가공 적용에서 크래킹에 민감하지 않았는지 시험하기 위해, 심한 기계 가공 시험이 개발되었다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이, 0.969"(24.6 mm) 직경의 트위스트 드릴을 사용하여 1.000"(25.4 mm) 로드의 중심을 천공하여 0.015"(0.38 mm)의 벽 두께를 생성하는 것을 포함한다. RPM 및 공급 속도는 1500 RPM 및 0.035"(1.27 mm) / 회전 공급 속도에서 일정하게 유지되었다. 이 시험이 완료되면, 시험편을 도 5에 도시된 바와 같은 조건으로 검사하였다. 이 시험은 얇은 벽, 높은 물질 제거율 및 높은 토크가 적용된 극한의 기계 가공 조건 하에 크래킹에 대한 물질의 감수성을 시험하기 위해 개발되었다. 이 시험은 칩 크기 및 물질 특성 관점에서 허용가능한 성능을 갖는 시험된 각각의 물질에 대해 최소 12회 반복되었다. 인열(또는 크랙) 및 블로아웃이 있는 부품의 백분율을 기록하고, 결과를 도 6에 나타내었다. BISN-31은 간소화를 위해 이 도면에서 상이한 템퍼(T3, T4 및 T8)로 지정된다. 이는 2011(기존의 Pb-함유 합금)이 예상대로 Pb-비함유 6040 합금 변형과 마찬가지로 일관되게 통과하였음을 보여준다(그러나, 이러한 합금 변형은 칩 크기 관점에서 잘 수행되지 못했음). 통과한 유일한 실험용 합금은 BISN-31-T4였지만, 불행하게도 이것은 인장 특성 요건을 통과하지 못했다.To test if the material is not sensitive to cracking in thin walls, severe machining applications, severe machining tests have been developed. This involves drilling the center of a 1.000 " (25.4 mm) rod using a 0.969 " (24.6 mm) diameter twist drill to produce a wall thickness of 0.015 " (0.38 mm), as shown in Fig. RPM and feed rate were kept constant at 1500 RPM and 0.035 " (1.27 mm) / rev feed rate. When this test was completed, the test piece was inspected under the conditions shown in Fig. This test was developed to test the susceptibility of a material to cracking under extreme machining conditions with thin walls, high material removal rates and high torque. This test was repeated at least 12 times for each material tested with acceptable performance in terms of chip size and material properties. The percentage of parts with tear (or crack) and blowout was recorded, and the results are shown in FIG. BISN-31 is designated in this figure as a different temper (T3, T4 and T8) for simplicity. This shows that 2011 (conventional Pb-containing alloys) consistently passed as expected, as did Pb-free 6040 alloy variants (although these alloy variations were not well performed in terms of chip size). The only experimental alloys that passed were BISN-31-T4, but unfortunately this did not pass the tensile character requirements.

이러한 결과를 분석하여 항복 강도 대 최대 강도가 낮은 합금/템퍼 조합이 기계 가공 크랙 감수성 관점에서 우수하게 수행된다는 것을 보여준다. BISN-01 내지 BISN-04 조성에 대한 더 면밀한 분석에 의하면, 실패의 심각성을 고려할 때 기계 가공 크랙 감수성 관점에서 더 낮은 Bi+Sn 함량 및 더 낮은 Bi/Sn 비가 유리하다는 것을 보여준다. Bi/Sn 비는 조성 관련 성능 입력 변수에 비해 더 강한 영향을 미치는 것으로 보인다. 이는 표 3에 설명되어 있다. 중량% 기준으로 Bi-Sn 공융 조성물은 Bi/Sn의 비가 1.32이다 (도 11에서 도시됨).Analysis of these results shows that alloy / tempering combinations with low yield strength versus maximum strength are performed excellently in terms of machining crack susceptibility. A more detailed analysis of the BISN-01 to BISN-04 compositions shows that lower Bi + Sn content and lower Bi / Sn ratio are advantageous in view of machining crack susceptibility, given the severity of failure. The Bi / Sn ratio appears to have a stronger effect than the composition-related performance input parameter. This is illustrated in Table 3. On a weight percent basis, the Bi-Sn eutectic composition has a Bi / Sn ratio of 1.32 (shown in FIG. 11).

Figure pat00003
Figure pat00003

실시예 2:Example 2:

빌릿을 도 1에 도시된 공정 및 표 4에 열거된 조성을 사용하여 10"(254 mm) 직경으로 캐스팅하고, 1"(25.4 mm) 로드로 가공하였다. 인출 작업 중의 % ROA(면적 감소)를 이 연구에서, 특히 T3 템퍼에서 평가하였다. 균질화 효과를 또한 균질화된 캐스트 1110을 균질화되지 않은 캐스트 1108과 비교하여 평가하였다. 1"(25.4 mm) 로드를 실시예 1에 기재된 동일한 기술을 사용하여 기계적 특성, 기계 가공성, 및 기계 가공 크랙 감수성에 대해 평가하였다.The billets were cast to 10 " (254 mm) diameter using the process shown in Figure 1 and the compositions listed in Table 4 and machined into 1 " (25.4 mm) rods. % ROA (area reduction) during withdrawal was evaluated in this study, especially at T3 temper. The homogenization effect was also evaluated by comparing the homogenized cast 1110 with the homogenized cast 1108. A 1 " (25.4 mm) rod was evaluated for mechanical properties, machinability, and machined crack susceptibility using the same technique described in Example 1. [

Figure pat00004
Figure pat00004

기계적 특성은 표 5에 나타나 있다. 이는 조성 및 템퍼 조합 모두가 최소 2011-T3 표적 기계적 특성(항복 강도 38 KSI / 262 MPa; 최대 강도 45.0 KSI / 311 MPa; 10% 연신율)을 달성할 수 있었음을 나타낸다. Mg을 첨가하는 것은 T4 템퍼에서 이러한 특성을 또한 달성하는데 성공적이었다.The mechanical properties are shown in Table 5. This indicates that both the composition and the tempering combination could achieve the minimum 2011-T3 target mechanical properties (yield strength 38 KSI / 262 MPa; maximum strength 45.0 KSI / 311 MPa; 10% elongation). Adding Mg has also been successful in achieving this property in T4 tempering.

Figure pat00005
Figure pat00005

칩 크기에 대한 기계 가공성 시험을 평가하였고, 그 결과는 도 7에 도시되어 있다. 이러한 결과는, 더 높은 Bi+Sn 조성(BI39)이 칩/그램으로 측정된 바와 같이, 기계 가공성 관점에서 우수하게 수행되며, 기존의 2011-T3만큼 양호하거나 이보다 우수하게 수행된다는 것을 보여준다. 더 낮은 Bi+Sn 조성(BI26)은 일반적으로 기존의 2011-T3만큼 잘 수행되지 않았지만, 비슷하였다. 이는 또한, Bi+Sn 수준에 관계없이, T3 템퍼의 퍼센트 감소 면적과 관련하여 기계 가공성에서 거의 차이가 없음을 보여준다. 균질화를 추가하는 것은 기계 가공성을 개선시키지 않았지만, 입자 구조의 검사로 주변 조입자(로드의 외부 주변부에 재결정화된 입자 크기)에 비해 상당히 개선됨을 보여주었다. 따라서 균질화의 사용은, 기계 가공성을 위해 필요하지 않지만, 개선된 표면 외관을 필요로 하는 일부 응용 분야(예를 들면 애노다이징(anodizing)을 필요로 하는 부품)에서 유리할 수 있다. T651 템퍼 물질은, 합금 조성과 관계없이, 작은 칩 크기로 매우 잘 수행되었다. T8 템퍼는 일반적으로 특정한 합금, 특히 BI26 조성에 대해 T3 대응물보다 우수하게 수행되었다. The machinability test on chip size was evaluated, and the results are shown in FIG. These results show that the higher Bi + Sn composition (BI39) is performed excellently in terms of machinability, as measured by chip / gram, and is performed as good or better than the existing 2011-T3. The lower Bi + Sn composition (BI26) was generally not as well performed as the conventional 2011-T3, but was similar. It also shows that there is little difference in machinability with respect to the percentage reduction area of the T3 temper, regardless of the Bi + Sn level. The addition of homogenization did not improve machinability, but the examination of the particle structure showed a significant improvement over the surrounding coarse particles (recrystallized particle size at the outer periphery of the rod). Thus, the use of homogenization is not necessary for machinability but may be advantageous in some applications (for example, those that require anodizing) that require improved surface appearance. The T651 temper material was very well performed with small chip size, regardless of alloy composition. The T8 tempering was generally performed better than the T3 counterpart for certain alloys, especially the BI26 composition.

기계 가공 크랙 감수성 시험에 관하여, 이러한 결과는 도 8에 도시되어 있으며, 이 경우에, 표면 상의 주름(도 5에 따름)도 허용되지 않는 것으로 간주되었다. 이러한 결과는, 조성 BI26이 BI39보다 훨씬 더 우수하게 수행되지만(Bi+Sn이 높을수록 물질이 기계 가공 크랙에 더 민감해진다는 것을 확인함), 템퍼는 훨씬 더 강한 영향을 미친다는 것을 보여준다. 이 실시예의 모든 조성물은 1.32 미만의 Bi/Sn 비를 나타냈다. T8 템퍼는 조성과 관계없이 이 시험에서 크랙을 나타내지 않았지만, T6 샘플은 매우 불량하게 수행되었다. T3 템퍼는 모두 몇몇 실패를 나타냈으며, 더 높은 Bi+Sn 함유 물질은 훨씬 더 높은 실패율을 가졌다. BI26-T3 조성은 도 5에 따라 인열 또는 블로-아웃에 관하여 실패를 나타내지 않았으며, 따라서 Bi+Sn은 성능에 중요한 영향을 미친다.With respect to the machined crack susceptibility test, these results are shown in Fig. 8, in which case wrinkles on the surface (according to Fig. 5) were also considered unacceptable. These results show that while composition BI26 is performed much better than BI39 (confirming that the higher the Bi + Sn is, the more sensitive the material is to machining cracks), the tempering has a much stronger effect. All compositions in this example exhibited Bi / Sn ratios of less than 1.32. The T8 temper, regardless of composition, did not exhibit cracking in this test, but the T6 sample was performed very poorly. The T3 temperers all exhibited some failures and the higher Bi + Sn containing material had a much higher failure rate. The BI26-T3 composition did not exhibit failure with respect to tearing or blow-out according to FIG. 5, and thus Bi + Sn has a significant effect on performance.

따라서 이러한 결과는, T8 템퍼에서 물질을 제조함으로써, 더 높은 Bi+Sn 수준이 사용될 수 있으며, 따라서 칩 크기 관점에서 또한 우월한 기계 가공성을 달성할 수 있음을 입증한다.Thus, this result demonstrates that by manufacturing the material at the T8 temper, higher Bi + Sn levels can be used and thus superior machinability can also be achieved in terms of chip size.

실시예 3:Example 3:

빌릿을 도 1에 도시된 공정 및 표 6에 열거된 조성을 사용하여 10" (254 mm) 직경으로 캐스팅하고, 1"(25.4 mm) 및 2"(50.8 mm) T3 및 T8 로드로 가공하였다. 상기 로드를 실시예 1에 기재된 동일한 기술을 사용하여 기계적 특성, 기계 가공성, 및 기계 가공 크랙 감수성에 대해 평가하였다.The billets were cast to 10 " (254 mm) diameter using the process shown in Figure 1 and the compositions listed in Table 6 and machined into 1 " (25.4 mm) and 2 & The rods were evaluated for mechanical properties, machinability, and machined crack susceptibility using the same techniques described in Example 1. [

Figure pat00006
Figure pat00006

기계적 특성은 표 7에 나타나 있다. 이는 조성 및 템퍼 조합 모두가 최소 2011-T3 표적 기계적 특성(항복 강도 38 KSI / 262 MPa; 최대 강도 45.0 KSI / 311 MPa; 10% 연신율)을 달성할 수 있었음을 나타낸다.Mechanical properties are shown in Table 7. This indicates that both the composition and the tempering combination could achieve the minimum 2011-T3 target mechanical properties (yield strength 38 KSI / 262 MPa; maximum strength 45.0 KSI / 311 MPa; 10% elongation).

Figure pat00007
Figure pat00007

칩 크기에 대한 기계 가공성 시험을 1.000"(25.4 mm) 직경의 물질에 대해 평가하였고, 그 결과는 도 9에 도시되어 있다. 결과는 T8이 Pb-함유 2011 물질보다 우수하게 수행되었지만, 여전히 허용가능하게 수행되는 T3 물질은 Pb-함유 2011 물질만큼 양호하지 않았음을 보여준다. 상기 시험을 2.000"(50.8 mm) 직경으로 반복하여 상기 물질이 더 넓은 범위의 직경에 걸쳐 잘 기계 가공되었음을 보장하였다. 이 시험에서 2.000"(50.8 mm) 직경 결과는 Pb-함유 2011 기존 물질보다 약간 더 나빴지만, 그램당 칩 기준으로, 1.000"(25.4 mm) 직경 시험 결과 중 어느 것보다 더 우수했음을 주지해야 한다. 따라서 상기 물질은 이러한 직경 범위에서 잘 수행된다는 결론을 얻을 수 있다.The machinability test for chip size was evaluated for a 1.000 " (25.4 mm) diameter material, the results of which are shown in Figure 9. The results show that T8 performed better than the Pb-containing 2011 material, The T3 material performed to the Pb-containing 2011 material was not as good as the Pb-containing 2011 material. The test was repeated with a 2.000 " (50.8 mm) diameter to ensure that the material was well machined over a wider range of diameters. It should be noted that the 2.000 "(50.8 mm) diameter result in this test was slightly worse than the Pb-containing 2011 existing material, but better than any of the 1,000" (25.4 mm) diameter test results on a chip-by-gram basis. Thus, it can be concluded that the material performs well in this diameter range.

기계 가공 크랙 감수성 시험은 또한 주름, 인열 및 블로-아웃(도 5에 따름)을 실패로 간주하여 1.000"(25.4 mm) 직경의 물질에서 수행되었다. 이 시험 결과를 표 8에 나타내었다.The machined crack susceptibility test was also performed on materials with a diameter of 1.000 "(25.4 mm), with wrinkles, tears and blow-out (according to Figure 5) considered unsuccessful.

Figure pat00008
Figure pat00008

이러한 결과는, 심한 물질 제거율, 및 인열에 민감한 얇은 벽을 갖는 부품 기하학을 갖는 응용 분야의 경우, T8 템퍼에서 물질을 가공하고, Bi/Sn 비를 1.32 미만으로 유지함으로써 이러한 실패 기전이 사실상 제거된다는 것을 입증한다.These results show that for applications with severe material removal rates and thin-walled part geometry sensitive to phosphorus, the material is processed at the T8 temper and the failure mechanism is virtually eliminated by keeping the Bi / Sn ratio below 1.32 .

본 발명이 바람직한 양태에 관하여 개시되었더라도, 다수의 추가 변형 및 변화가 하기 청구범위에 의해 한정된 본 발명의 범주로부터 벗어나지 않으면서 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.Although the present invention has been disclosed with respect to preferred embodiments, it will be understood that many further modifications and variations can be made without departing from the scope of the invention as defined by the following claims.

Claims (15)

실질적으로 Pb-비함유 알루미늄 합금 조성물로서,
상기 알루미늄 합금 조성물의 중량%로 Pb 0-0.10; Si 0-0.40; Fe 0-0.70; Cu 5.0-6.0; Zn 0-0.30; Bi 0.20-0.80; Sn 0.10-0.50; 부수적인 불순물을 제외하고 나머지는 알루미늄을 포함하고,
상기 합금 조성물은 Bi/1Sn의 중량비가 1.32/1 미만이고,
합금 조성물을 제공하기 위해 T8 또는 T6 템퍼(temper)만을 사용하여 제조된 상기 합금 조성물은 45.0 KSI / 311 MPa 이상의 최대 인장 강도(Ultimate Tensile Strength), 38.0 KSI / 262 MPa 이상의 항복 강도, 및 10% 이상의 최소 연신율(Elongation minimum)(%)을 갖는, 조성물.
As a substantially Pb-free aluminum alloy composition,
The weight percent of the aluminum alloy composition being Pb0-0.10; Si 0-0.40; Fe 0-0.70; Cu 5.0-6.0; Zn 0 - 0.30; Bi 0.20-0.80; Sn 0.10-0.50; Except for incidental impurities, the remainder includes aluminum,
The alloy composition has a Bi / 1 Sn weight ratio of less than 1.32 / 1,
The alloy composition prepared using only T8 or T6 temper to provide alloy compositions has an Ultimate Tensile Strength of at least 45.0 KSI / 311 MPa, a yield strength of at least 38.0 KSI / 262 MPa, and a yield strength of at least 10% And a minimum elongation percentage (%).
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.05중량% 미만의 Pb를 갖는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition has less than 0.05 wt% Pb. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.10 내지 0.16중량%의 Si를 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises 0.10 to 0.16% Si by weight. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.30 내지 0.50중량%의 Fe를 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises 0.30 to 0.50 wt% Fe. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 5.1 내지 5.8중량%의 Cu를 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises 5.1 to 5.8 wt% Cu. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.002 내지 0.05중량%의 Zn을 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises 0.002 to 0.05 wt% Zn. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.20 내지 0.40중량%의 Bi를 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises from 0.20 to 0.40 wt% Bi. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 0.20 내지 0.50중량%의 Sn을 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition comprises 0.20 to 0.50 wt% Sn. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 하기 성분(상기 알루미늄 합금 조성물의 %(중량/중량))을 포함하고, 임의로 이들로 이루어진, 조성물:
Si 0-0.16; Fe 0-0.50; Cu 5.1-5.8; Zn 0- 0.05; Bi 0.20 - 0.40; 및 Sn 0.20 - 0.50.
The composition of claim 1 wherein the aluminum alloy composition comprises and optionally consists of the following components:% (weight / weight) of the aluminum alloy composition:
Si 0-0.16; Fe 0-0.50; Cu 5.1-5.8; Zn 0 - 0.05; Bi 0.20 - 0.40; And Sn 0.20 - 0.50.
제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 Bi/Sn의 중량비가 1.32/1 내지 0.8/1의 범위인, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition has a Bi / Sn weight ratio in the range of 1.32 / 1 to 0.8 / 1. 제1항에 있어서, 상기 부수적인 불순물은 0.5중량% 미만의 총량으로 존재하는, 조성물.2. The composition of claim 1, wherein the minor impurity is present in a total amount of less than 0.5% by weight. 제1항에 있어서, 상기 제조는 T8 템퍼만 포함하는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the preparation comprises only a T8 temper. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 조성물은 T3 또는 T4 템퍼의 적용이 없는, 조성물.The composition of claim 1, wherein the aluminum alloy composition is free of T3 or T4 tempering. 알루미늄 합금의 성형 방법으로서,
a. 제1항의 알루미늄 합금 조성물의 합금 빌릿(billet)을 캐스팅하는 단계,
b. 임의로 캐스팅된 빌릿을 균질화하는 단계;
c. 상기 캐스팅된 빌릿을 압출하여 프로파일 형상을 갖는 압출물을 형성하는 단계;
d. 상기 압출물을 900 내지 1060℉(482 내지 571℃)의 침지 온도로 가열하여 용체화 열처리(solution heat treatment)하고, 침지 온도에서 실온으로 켄칭시키는 단계;
e. 단계 d) 후 상기 압출물을 인출, 연신 또는 압연을 통해 단면적의 최소 5% 감소로 냉간 가공하는 단계; 및
f. 단계 e)의 압출물을 T8 또는 T6 템퍼에서 정점 경도로 인공 에이징하여 45.0 KSI / 311 MPa 이상의 최대 인장 강도, 38.0 KSI / 262 MPa 이상의 항복 강도, 및 10% 이상의 최소 연신율(%)을 갖는 상기 알루미늄 합금을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
As a method for forming an aluminum alloy,
a. Casting an alloy billet of the aluminum alloy composition of claim 1,
b. Homogenizing the optionally cast billet;
c. Extruding the cast billet to form an extrudate having a profile shape;
d. Heating the extrudate to an immersion temperature of 900 to 1060 ° F (482 to 571 ° C) to solution heat treatment, and quenching the immersion temperature to room temperature;
e. Cold-working the extrudate after step d) with a minimum 5% reduction in cross-sectional area through drawing, stretching or rolling; And
f. The extrudates of step e) are artificially aged in T8 or T6 tempering to a peak hardness to obtain a maximum tensile strength of 45.0 KSI / 311 MPa or higher, a yield strength of 38.0 KSI / 262 MPa or higher, and a minimum elongation (% &Lt; / RTI &gt;
제14항에 있어서,
캐스팅된 빌릿을 균질화하는 상기 단계는 900 내지 1050℉ 범위 내의 온도에서 1시간 이상의 기간 동안 일어나며;
압출물을 900 내지 1060℉(482 내지 571℃)의 온도로 가열하여 용체화 열처리하는 상기 단계는 0.5 내지 2시간 동안 일어나는, 방법.
15. The method of claim 14,
The step of homogenizing the cast billet takes place over a period of at least 1 hour at a temperature in the range of 900 to 1050 F;
Wherein the step of heating the extrudate to a temperature of 900 to 1060 占 ((482 to 571 占 폚) and performing a solution heat treatment occurs for 0.5 to 2 hours.
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