KR20190130695A

KR20190130695A - 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금

Info

Publication number: KR20190130695A
Application number: KR1020180054701A
Authority: KR
Inventors: 박도봉; 박석봉; 박상우; 김성헌
Original assignee: (주)알루코
Priority date: 2018-05-14
Filing date: 2018-05-14
Publication date: 2019-11-25
Also published as: KR102075835B1

Abstract

본 발명은 Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금에서 Zn의 함량이 낮아지지 않더라도 성분 및 조직제어를 통해 경질 및 연질 아노다이징이 가능하고, 실버, 골드, 핑크, 블루, 퍼플, 블랙 등 염료에 의해 구현할 수 있는 모든 색으로 아노다이징이 가능하며, 어두운 색 뿐만 아니라 밝은 색상도 구현 가능한 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

Description

아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금{high strength and glossy aluminum alloy with excellent anodization and moldability}

본 발명은 알루미늄 합금에 관한 것으로 상세하게는 Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금에서 Zn의 함량이 낮아지지 않더라도 성분 및 조직제어를 통해 경질 및 연질 아노다이징이 가능하고, 실버, 골드, 핑크, 블루, 퍼플, 블랙 등 염료에 의해 구현할 수 있는 모든 색으로 아노다이징이 가능하며, 어두운 색 뿐만 아니라 밝은 색상도 구현 가능한 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금에 관한 것이다.

알루미늄은 가벼우면서 주조가 용이하고, 다른 금속과 잘 합금되며, 상온 및 고온가공이 용이할 뿐만 아니라, 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.

특히 최근에는 자동차 및 전자제품 등의 연비향상 또는 중량 절감 등을 위하여 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금이 많이 사용된다.

그러나 알루미늄의 경우 아노다이징(Anodizing) 처리를 위하여 높은 순도가 요구되지만, 순도가 높은 알루미늄은 강도가 약하여 강도가 요구되는 부품에는 적합하지 않아 합금 형태로 사용되고 있다.

아노다이징 기술을 다이캐스팅에 적용함으로써, 기존의 판재 프레스 가공 후 아노다이징 처리나 열간 압출이나 단조 후 가공을 통해 아노다이징을 하는 것보다 복잡한 형상구현, 추가 가공 감소에 따른 비용 절감, 다이캐스팅이 빠른 생산속도로 생산성 측면에서 유리함을 가져갈 수 있다.

이와 같이 아노다이징이 가능하게 하기 위한 알루미늄 합금과 관련된 기술로 특허문헌 1 내지 3이 있다.

특허문헌 1은 중량%로, Si: 0.2%이하, Fe: 0.5%이하, Cu:0.1%이하, Mn:1.5~2.5%, Mg:0.1~0.6%, Zn:0.5~1.5%, Ti:0.05~0.15%, Zr:0.05~0.15%, 0.6≤Zn/(Mg+Zn)≤0.9, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 다이캐스팅 주조로 제조되는 아노다이징용 알루미늄 합금이고,

특허문헌 2는 아연(Zn) 5.0 내지 6.0중량%, 마그네슘(Mg) 1.0 내지 2.5중량%, 구리(Cu) 0.01 내지 0.6중량%, 철(Fe) 0.1 내지 0.2 중량% 및 잔부의 알루미늄(Al)을 포함하는 것을 특징으로 하는 강도가 개선된 아노다이징용 알루미늄 합금 및 이를 이용한 아노다이징 방법이며,

특허문헌 3은 망간(Mn) 1.0 내지 3.0중량%, 지르코늄(Zr) 0.01 내지 0.5중량%, 티타늄(Ti) 0.01내지 0.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.01 내지 1.0중량%, 실리콘(Si) 0.01 내지 1.0중량% 및 잔부의 알루미늄을 포함하는 것이다.

이와 같이 다양한 아노다이징용 알루미늄 합금이 개발되고 있으나, 이들은 압출할 때 소재의 미세조직이 연신됨에 따라 연신된 방향성을 가지게 되며 이에 후처리 진행 시 압출재 방향에 따라서 압출결이 나타나는 문제점이 있고, 고강도 합금의 경우 압출 시 높은 압출 압력 및 온도에 의해서 표면 재결정 및 조대화(결정립 성장) 조직이 발생되며 이에 따라 동일하게 조대화에 의한 얼룩 등의 문제가 발생하는 문제가 있다.

또한, 다양한 색상으로 아노다이징이 불가능한 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1709472호 대한민국 등록특허 제10-1794583호 대한민국 공개특허 제10-2017-0041621호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로, Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금에서 Zn의 함량이 낮아지지 않더라도 성분 및 조직제어를 통해 경질 및 연질 아노다이징이 가능하고, 실버, 골드, 핑크, 블루, 퍼플, 블랙 등 염료에 의해 구현할 수 있는 모든 색으로 아노다이징이 가능하며, 어두운 색 뿐만 아니라 밝은 색상도 구현 가능한 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 0.2%이하, Fe: 0.2% 이하, Cu: 0.03 ~ 0.1%, Mn: 0.01~0.2% 이하, Mg: 1.0 ~ 2.0%, Cr : 0.001~0.05% 이하, Zn: 5.0 ~ 5.5%, Ti: 0.001 ~ 0.1%, Zr: 0.001 ~ 0.1%, 잔부 Al을 포함하는 것을 특징으로 한다.

알루미늄 합금은 구상화 재결정 조직을 얻기 위하여 빌렛을 380 ~ 520 ℃의 온도에서 가열하고, 압출시 램의 속도를 3.0 ~ 10.0 mm/sec의 속도로 압출하는 것이 바람직하다.

빌렛을 가열하는 과정에서 급격한 온도의 상승으로 인하여 조직의 결정립 성장(grain growth)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 금형 베어링 면에 질소직분사하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금은 Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금에서 Zn의 함량이 낮아지지 않더라도 성분 및 조직제어를 통해 경질 및 연질 아노다이징이 가능하고, 실버, 골드, 핑크, 블루, 퍼플, 블랙 등 염료에 의해 구현할 수 있는 모든 색으로 아노다이징이 가능하며, 어두운 색 뿐만 아니라 밝은 색상도 구현 가능하게 하는 효과가 있다.

또한 본 발명의 알루미늄 합금은 압출속도를 기존 6000계 소재대비 약 80% 이상으로 압출 가능한 장점이 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세한 설명을 통해 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 아노다이징 및 성형이 우수할 뿐만 아니라, 강도가 높고 광택성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.

아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금은 중량%로, Si: 0.2%이하, Fe: 0.2% 이하, Cu: 0.03 ~ 0.1%, Mn: 0.01~0.2% 이하, Mg: 1.0 ~ 2.0%, Cr : 0.001~0.05% 이하, Zn: 5.0 ~ 5.5%, Ti: 0.001 ~ 0.1%, Zr: 0.001 ~ 0.1%, 잔부 Al을 포함한다.

일반적으로 압출된 소재의 미세조직은 연신된 조직으로 방향성을 가지게 되며 이에 후처리 진행 시 압출재 방향에 따라서 압출결이 나타나는 문제점이 있고, 고강도 합금의 경우 압출시 높은 압출 압력 및 온도에 의해서 표면 재결정 및 조대화(결정립 성장) 조직이 발생되며 이에 따라 동일하게 조대화에 의한 얼룩 등의 문제가 발생한다.

본 발명의 알루미늄 합금은 상기한 조성비로 조성됨에 따라, 압출을 진행할 경우 연신조직이 없이 재결정으로 구상화된 조직을 얻을 수 있고, 이에 따른 구상화 조직을 이룸에 의해 압출결 및 조대화 얼룩을 방지 할 수 있다.

또한 본 발명의 알루미늄 합금은 구상화 재결정 조직을 얻기 위하여 빌렛을 380 ~ 520℃의 온도에서 가열하고, 압출시 램의 속도를 3.0 ~ 10.0 mm/sec의 속도로 압출하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 알루미늄 합금의 압출재 온도를 100~150℃를 유지한 상태에서 20~30시간 유지하고, 90~120℃를 유지한 상태에서 3~8시간 열처리 후 연속으로 승온하여 150~180℃를 유지한 상태에서 5~15시간 유지하며, 상기의 조건으로 압출 및 열처리 시 400MPa 이상의 항복강도를 확보할 수 있으며 이에 따른 경량화 및 다양한 구조물 제작 가능하게 된다.

또한, 상기 빌렛을 가열하는 과정에서 급격한 온도의 상승으로 인하여 조직의 결정립 성장(grain growth)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 금형 베어링 면에 질소직분사하는 것이 바람직하다.

이와 같은 과정으로 합금을 처리함에 의해 항복강도 400MPa 이상의 고강도 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 있고, 또한 고온 압출 시 재결정이 이루어진 후 결정립 성장이 발생되지 않도록 첨가합금 성분 인 Zr, Mn 투입량 조절하는 것이 바람직하다.

Zr 및 Mn 성분은 알루미늄 합금에서 Al3Zr, Al6Mn의 석출상으로 존재하며 소성변형 시 결정립 성장 억제 효과가 있다.

그러나, Zr 함량이 0.25%를 초과할 경우 Al3Zr 분산상에 의한 재결정 억제 효과가 감소하여 강도 저하의 원인이 되며, Mn 함량이 0.3% 이상일 때에는 압출결이 과도하게 생성되고 후처리 시 색상의 변질이 발생되는 문제가 있기 때문에 이를 고려하여 첨가합금 투입량 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 일반적으로 Al-Zn-Mg(-Cu)계 고강도 합금은 주조 속도가 느리고 크랙이 쉽게 발생하여 생산성 저하 문제가 있다. 주조 시 크랙은 주조 중 발생하는 열간 크랙과 응고 완료 후 발생하는 냉간 크랙이 있고, 압출 시 사용되는 빌렛의 경우 중심부 크랙이 많이 발생하며 이러한 크랙은 응고가 완료되기 직전의 고액공존영역에서의 미세크랙이 발생하여 전파되는 것으로 알려져 있다. 크랙은 주조속도, 냉각수 조절, 화학성분, 용탕주입초기 주조 조건 등 여러 가지의 원인이 있다. 특히 화학 성분의 경우 Al-Zn-Mg(-Cu)합금의 경우 Mg, Zn, Cu, Si 등의 합금 원소에 의한 크랙이 주로 발생한다.

특히, Cu 함유량이 높을 수록 응고구간이 상당히 넓게 분포되어 열간크랙이 응고 중 발생할 확률이 높으며, 유동도 또한 낮아지게 된다.

이에 따라 본 발명은 주조 시 발생되는 크랙 문제를 해결하기 위한 방안으로 Cu 함유량을 0.03 ~ 0.1%로 제한하였다.

또한 Al-Zn-Mg(-Cu) 합금은 아노다이징 공정 시 아노다이징 경계면에 Zn 합금 원소가 집중되어 S(황)과 결합하여 Zinc-sulfur가 형성되고, 이에 따른 인터페이스 약화(interface weakening)가 발생하여 박리 등의 문제가 발생하는데 이러한 접착성을 강화하기 위하여 Cu를 첨가한다.

즉, Cu는 고광택 아노다이징 시 박리 등의 문제를 해결하면서 주조 시의 크랙을 방지하기 위하여 상기한 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다.

통상적으로 Al-Zn-Mg(-Cu)계 합금 이 고강도를 갖는 이유는 열처리를 통해 형성되는 매우 미세한 MgZn2 또는 천이상에 의한 것으로 알려져 있고, 이에 따라 Si의 첨가로 형성된 Mg2Si상이 높은 용융잠열을 가져 응고 중 많은 열을 발생시키고, 응고구간을 감소시키기 때문에 기본합금의 주조성을 향상시킬 것으로 예상되나, Si이 첨가되면 기지의 Mg과 결합하여 Mg2Si상을 형성하고 Mg을 소진하여 MgZn2상의 석출량을 감소시킬 수 있기 때문에, 이로 인하여 MgZn2상의 석출이 방해받지 않도록 Si 함량을 제어하는 것이 바람직하고, 그 범위는 상기한 바와 같이 총 중량의 0.2%이하인 것이 바람직하다.

실시예

아래의 표와 같은 비율로 조성된 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금을 시험한 결과는 아래와 같다.

	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Zn	Ti	Zr	Al
실시예 1	0.07	0.11	0.05	0.15	1.78	0.0007	5.11	0.01	0.01	잔부
실시예 2	0.07	0.06	0.07	0.15	1.98	0.0008	5.38	0.01	0.01	잔부
실시예 3	0.06	0.08	0.09	0.15	2.01	0.0008	5.47	0.02	0.02	잔부

기계적인 성질은 아래의 표와 같다.

	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	연신율(%)	경도(Hv)
실시예 1	407	429	17.04	149.52
실시예 2	417	433	17.28	149.66
실시예 3	423	445	15.84	151.04

아래의 표는 미세조직(X200)의 사진들이다.

	실시예 1	실시예 2	실시예 3
단면
상면

아래의 대비표는 아노다이징 이미지들이다.

	실시예 1		실시예 2		실시예 3
	매크로 조직	A.D 두께	매크로 조직	A.D 두께	매크로 조직	A.D 두께
측면
상면

위의 표에서 알 수 있는 바와 같이, 항복강도 및 인장강도가 우수하고, 연신율이 좋으며, 조직 또한 치밀해짐을 알 수 있다.

또한, 광택성도 향상됨을 알 수 있다.

Claims

중량%로, Si: 0.2%이하, Fe: 0.2% 이하, Cu: 0.03 ~ 0.1%, Mn: 0.01~0.2% 이하, Mg: 1.0 ~ 2.0%, Cr : 0.001~0.05% 이하, Zn: 5.0 ~ 5.5%, Ti: 0.001 ~ 0.1%, Zr: 0.001 ~ 0.1%, 잔부 Al을 포함하는 것을 특징으로 하는 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금.
제1항에 있어서,
알루미늄 합금은 구상화 재결정 조직을 얻기 위하여 빌렛을 380 ~ 520 ℃의 온도에서 가열하고, 압출시 램의 속도를 3.0 ~ 10.0 mm/sec의 속도로 압출하는 것을 특징으로 하는 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금.
제2항에 있어서,
상기 빌렛을 가열하는 과정에서 급격한 온도의 상승으로 인하여 조직의 결정립 성장(grain growth)이 발생하는 것을 방지할 수 있도록 금형 베어링 면에 질소직분사하는 것을 특징으로 하는 아노다이징 및 성형이 우수한 고광택 고강도 알루미늄 합금.