KR20220055603A - 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

알루미늄 합금 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20220055603A KR1020200139868A KR20200139868A KR20220055603A KR 20220055603 A KR20220055603 A KR 20220055603A KR 1020200139868 A KR1020200139868 A KR 1020200139868A KR 20200139868 A KR20200139868 A KR 20200139868A KR 20220055603 A KR20220055603 A KR 20220055603A
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Abstract

본 발명은 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지그코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 및 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 합금 및 이의 제조방법 {Aluminum alloys and methods of making the same}
본 발명은 스칸듐(Sc) 및 베릴륨(Be)을 모두 포함하는 알루미늄 합금 및 제조방법에 관한 것이다.
기존의 7xxx계열의 알루미늄 합금은 시효경화성이 우수하여 알루미늄 합금 중 상대적으로 가장 높은 기계적 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 기계 부품, 고강도 경량화 재료가 요구되는 자전거, 자동차, 항공기 부품 및 스마트폰과 같은 이동통신 단말기에 적용되고 있다. 하지만, 복잡한 성형성과 더 높은 강도를 요구하는 구조용 부품에 적용하기에는 높은 강도와 연신율을 동시에 만족시켜야 한다는점에서 아직 상당한 어려움이 있다.
이를 해결하기 위해 대한민국 공개특허 제10-2017-0138533호에서는 통상적인 Al-Zn-Mg-(Cu) 알루미늄 합금에 철(Fe), 규소(Si), 지르코늄(Zr), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)을 포함하는 알루미늄 합금을 개시하였으나, 조합되는 원소가 적고, 제조과정이 간편하면서 물리적 효과가 우수한 알루미늄 합금을 제조하기위한 방법이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0138533호 (2017.12.15)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 550㎫ 이상의 항복강도와 6.5% 이상의 연신율을 가지는 알루미늄 합금 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지그코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 알루미늄 합금의 항복강도가 550 내지 620㎫, 인장강도가 600 내지 700㎫일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 알루미늄 합금의 연신율이 6.5% 이상일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 스칸듐(Sc)은 0.05 내지 0.25 중량%일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 알루미늄 합금의 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫이며, 연신율이 7.5 내지 9.0%일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 스칸듐(Sc)은 0.4 내지 0.7 중량%일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 알루미늄 합금의 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg) 함량이 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1]
2.8 ≤ [Zn]/[Mg] ≤ 3.2
(상기 관계식 1에서 [Zn]는 Zn의 중량%이고, [Mg]는 Mg의 중량%이다)
본 발명의 다른 일 양태에 있어, a) 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지그코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계, b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계, c) 상기 주조된 알루미늄 합금을 어닐링하는 단계, d) 상기 어닐링된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계, e) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 ??칭하는 단계 및 f) 상기 ??칭된 알루미늄 합금을 시효처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 합금 제조 방법에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 c) 단계는 450 내지 500℃에서 15 내지 25시간 동안 가열되어 균질화된 후, 서랭될 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 d) 단계는 440 내지 470℃에서 2 내지 3시간 동안 수행된 후, 150 내지 250℃의 압연 롤에 의하여 열간압연될 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 e) 단계는 450 내지 500℃에서 2 내지 4시간 동안 가열된 후 수냉처리 될 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 f) 단계는 100 내지 150℃에서 12 내지 48시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금은Ta 7 내지 11 중량%, Nb 6 내지 23 중량%, Zr 6 내지 23 중량%, Mo 1 내지 5 중량% 및 나머지 Ni과 불가피한 불순물로 이루어짐에 따라 뛰어한 고온 내식성을 가지면서도, 우수한 내산화성을 가지는 알루미늄 합금으로 바이오매스 보일러의 부품을 코팅함으로서, 바이오매스 보일러의 열효율을 향상할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제조예 1 내지 6에 따라 제조된 알루미늄 합금에 대한 에이징 시간에 따른 경도 변화를 나타내 보인 그래프이다.
이하 본 발명에 따른 내부식 코팅용 알루미늄 합금 및 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 양태는 7xxx계 알루미늄 합금, 더 바람직하게는 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 구리(Cu), 스칸듐(Sc), 베릴륨(Be), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr) 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
기존의 7xxx계열의 알루미늄 합금은 시효경화성이 우수하여 알루미늄 합금 중 상대적으로 가장 높은 기계적 특성을 가질 수 있다. 이러한 특성으로 기계 부품, 고강도 경량화 재료가 요구되는 자전거, 자동차, 항공기 부품 및 스마트폰과 같은 이동통신 단말기에 적용되고 있다. 하지만, 복잡한 성형성과 더 높은 강도를 요구하는 구조용 부품에 적용하기에는 높은 강도와 연신율을 동시에 만족시켜야 한다는점에서 아직 상당한 어려움이 있다.
본 발명은 이를 해결하기 위해 Al-Zn-Mg-(Cu)의 조합으로 이루어진 통상적인 7xxx계열의 알루미늄 합금에 Sc, Be등의 원소를 더 첨가하여 500㎫이상의 항복강도, 600㎫ 이상의 인장강도 및 6.5%이상의 연신율을 동시에 가지는 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금의 조성범위에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 알루미늄 합금은 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 , 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지르코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 상기 구리(Cu)는 통상적인 7xxx계 알루미늄 합금에 포함되므로 그 조성 및 효과에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
스칸듐(Sc)은 0.005 내지 0.7 중량% 포함된다.
상기 스칸듐(Sc)은 상기 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr)과 함께 상기 알루미늄 합금에서 석출입자의 핵생성 및 미립화에 기여할 수 있다. 이를 통해, 상기 알루미늄 합금에 기계적 강도를 향상할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 스칸듐(Sc)은 0.005 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, 상기 스칸듐(Sc)이 0.7 중량%를 초과하면, 결정립 미세화에 미치는 영향력이 감소하며, 반대로 생산비용을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로, 상기 스칸듐(Sc)은 0.005 내지 0.7 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.05 내지 0.25 중량% 포함될 수 있으며, 더욱더 바람직하게는 0.08 내지 0.12 중량% 포함될 수 있다. 또는 0.4 내지 0.7 중량%, 또는 0.45 내지 0.55 중량% 포함될 수 있다.
베릴륨(Be)은 0.01 내지 0.1 중량% 포함된다.
상기 베릴륨(Be)은 상기 알루미늄 합금 성분 중 마그네슘(Mg)이 산화되는 것을 방지하여 상기 알루미늄 합금의 기계적 강도를 향상할 수 있다. 구체적으로, 상기 알루미늄 합금은 용탕 과정에서 대기중에 공기와 접촉하여 MgO, Al2O3-MgO로 산화될 수 있다. 상기 산화물은 상기 알루미늄 합금 내에서 불순물로 작용하여 상기 알루미늄 합금의 기계적 강도를 감소시킬 수 있다. 하지만 상기 베릴륨(Be)은 상기 MgO, Al2O3-MgO이 형성되는 것을 억제하여 상기 알루미늄 합금의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 아울러, 상기 알루미늄이 불순물로 포함되는 Fe 성분과 결합하여 바늘 모양인 침상(Acicular)의 Al3Fe 석출물이 형성되는 것을 방지하고 정방형의 Be2Fe상을 형성시켜 연성을 향상할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 베릴륨(Be)은 0.01 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하나, 상기 베릴륨(Be)이 0.1 중량%를 초과하면 기계적 강도 향상에 미치는 영향력이 감소하며, 반대로 생산비용을 크게 증가시킬 수 있다. 이러한 이유로, 상기 베릴륨(Be)은 0.01 내지 0.1 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.03 내지 0.08 중량% 포함될 수 있다. 더욱더 바람직하게는 0.05 내지 0.06 중량% 포함될 수 있다.
상기 티타늄(Ti) 지르코늄(Zr)은 0.01 내지 0.2 중량% 포함된다.
상기 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr)은, 상기 스칸듐(Sc)과 마찬가지로, 상기 알루미늄 합금의 핵생성 및 미립화에 기여하여 기계적 강도를 향상할 수 있다. 아울러, 상기 티타늄(Ti)은 알루미늄(Al)에서 γ' 상이 석출(precipitation)되는 것을 유도할 수 있다. 또한, 상기 지르코늄(Zr)은 상기 알루미늄(Al)과 결합하여 Al3Zr로 석출되어 상기 알루미늄 합금의 강도를 강화시킬 수 있다. 이러한 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr)은 0.01 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 하지만 상기 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr) 이 0.2 중량%을 초과하면 오히려 알루미늄 합금에 결정립을 조대하게 만들어 기계적 강도가 감소할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 티타늄(Ti) 및 지르코늄(Zr)은 0.01 내지 0.2 중량% 포함되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 0.05내지 0.15 중량% 포함될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 알루미늄 합금의 아연(Zn)은 상기 알루미늄 합금에 첨가되는 마그네슘(Mg)에 대비하여 하기 관계식 1을 만족하는 비율로 첨가될 수 있다.
[관계식 1]
2.8 ≤ [Zn]/[Mg] ≤ 3.2
(상기 관계식 1에서 [Zn]는 Zn의 중량%이고, [Mg]는 Mg의 중량%이다)
상기 아연(Zn)은 상기 알루미늄에 합금의 항복강도 및 인장강도 를 증가시킬 수 있으며, 상기 마그네슘(Mg) 또한 상기 알루미늄에 합금에서 MgZn2 금속간 화합물로 석출됨으로써 항복강도 및 인장강도 를 증가시킬 수 있는 합금원소이다
다만, 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])가 2.8 미만이면, 상기 Mg에 비해 상대적으로 Zn의 함량이 지나치게 감소하여 항복강도 및 인장강도 가 상대적으로 감소될 수 있다. 반대로 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])가 3.2를 초과하면, 상기 아연(Zn)에 비해 상대적으로 마그네슘(Mg)의 함량이 지나치게 증가되어 마그네슘 산화물(MgO)의 양이 증가될 수 있다. 이는 상기 알루미늄 합금의 불량을 유발하며, 기계적 강도가 감소되는 원인이 된다. 이러한 이유로 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])는 2.8 내지 3.2인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 2.9 내지 3.1일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 예에 따른 알루미늄 합금은 550 내지 620㎫의 항복강도, 600 내지 700㎫의 인장강도 및 6.5% 이상의 연신율을 가질 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 알루미늄 합금은 상기 베릴륨(Be)이 0.01 내지 0.1 중량% 포함된 상태에서 상기 스칸듐(Sc)이 0.05 내지 0.25 중량%, 더 바람직하게는 0.08 내지 0.12 중량% 포함되었을 때, 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫이며, 연신율이 7.5 내지 9.0%일 수 있다.
또는, 상기 알루미늄 합금은 상기 베릴륨(Be)이 0.01 내지 0.1 중량% 포함된 상태에서 상기 스칸듐(Sc)은 0.4 내지 0.7 중량%, 더 바람직하게는 0.45 내지 0.55 중량% 포함되었을 때, 상기 알루미늄 합금의 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫일 수 있다.
즉, 상기 베릴륨이 상기 베릴륨(Be)이 0.01 내지 0.1 중량% 포함된 상태에서 상기 스칸듐(Sc)의 함량을 조절하여 상기 알루미늄 합금의 기계적 강도 및 연신율을 제어할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금을 설명하였다. 이하 도 1을 통해 알루미늄 합금의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 2는 모합금 용탕을 급냉시키는 멜트스피닝 장치를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 다른 일 양태는 상기 알루미늄 합금의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게 a) 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지르코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계, b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계, c) 상기 주조된 알루미늄 합금을 어닐링하는 단계, d) 상기 어닐링된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계, e) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 ??칭하는 단계 및 f) 상기 ??칭된 알루미늄 합금을 시효처리하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, a)단계는 전술한 알루미늄 합금 재료를 준비하기 위한 단계로, 알루미늄 합금 재료는 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지르코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 것일 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 a) 단계에서 상기 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)의 비율은 상술한 관계식 1을 만족하는 범위에서 준비될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상술한 조성비로 이루어진 알루미늄 합금 재료는 용해로에서 700 내지 800℃로 용융될 수 있다.
다음으로, 상기 b)단계는, 상기 용융된 알루미늄 합금이 용해로에서 주조된 후 냉각될 수 있다. 구체적으로, 용융된 알루미늄 합금을 소정의 금형, 예를 들어 다이캐스팅 금형에 공급하여 주조할 수 있다. 이 때, 상기 주조 온도는 650 내지 750℃에서 수행되는 것이 바람직한데, 상기 주조 온도가 650℃ 미만이면 용융물의 유동성이 감소하여 금형 충전성에 문제가 발생할 수 있으며, 상기 주조 온도가 750℃를 초과하면 응고시 수축률이 증대하여 크랙이 발생할 수 있다. 이후, 상기 금형을 24시간 내지 48시간 동안 냉각시킬 수 있다.
상기 c) 단계는, 상기 주조된 알루미늄 합금을 어닐링하여 상기 알루미늄 합금의 조직을 균질화 할 수 있다. 구체적으로 상기 어널링은 450 내지 500℃로 15 내지 25시간동안 열처리 후, 상온에서 12시간 내지 36시간 동안 서랭하여 수행될 수 있다.
상기 d) 단계는, 상기 어닐링된 알루미늄 합금을 열간압연 할 수 있다. 구체적으로, 상기 열간압연은 440 내지 470℃에서 2 내지 3시간 동안 열처리된 후, 150 내지 250℃에서 압연 롤에 의하여 압연될 수 있다. 이후, 상온에서 12시간 내지 36시간 동안 서랭하여 열간압연된 알루미늄 합금을 제조할 수 있다. 실시 예에 따르면, 상기 열간압연은 상기 c) 단계에서 어닐링된 알루미늄 합금의 초기 두께보다 70% 이상 감소될 때까지 수행될 수 있다.
상기 e) 단계는, 상기 d) 단계를 통해 열간압연된 알루미늄 합금을 기설정된 온도 및 시간동안 가열된 후 ??칭(Quenching)하는 단계이다. 실시 예에 따르면, 상기 d) 단계를 통해 열간압연된 알루미늄 합금을 450 내지 500℃에서 2 내지 4시간동안 가열한 후 ??칭(Quenching)할 수 있다.
마지막으로, 상기 f) 단계는, 상기 알루미늄 합금을 기설정된 온도 및 시간동안 시효처리(Aging) 할 수 있다. 예를 들면, 상기 시효처리(Aging)는 100 내지 150℃로 12 내지 48시간동안 수행될 수 있다. 이 후, 상온에서 12시간 내지 36시간 동안 냉각될 수 있다. 이를 통해, 상기 알루미늄 합금은 상기 d) 단계에서 형성한 고용체를 석출시켜 물성을 강화할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 알루미늄 합금 및 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
가. 알루미늄 합금의 열처리 조건 최적화
본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금의 제조에 앞서, 통상적인 7xxx계열의 알루미늄 합금 재료를 이용하여 최적의 열처리 조건을 확인하였다.
[제조예 1]
아연(Zn) 8.7 중량%, 마그네슘(Mg) 1.8 중량%, 구리(Cu) 1.8 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 중량%, 지그코늄(Zr) 0.01 중량% 및 잔부는 알루미늄(Al)으로 이루어진 통상적인 통상적인 7xxx계열의 알루미늄 합금 재료를 준비하였다.
상기 알루미늄 합금 재료를 용해로에서 700℃로 용융하였으며, 이 후, 용융된 알루미늄 합금을 다이캐스팅 금형에 공급하고 30시간 동안 냉각하여 주조하였다.
그리고, 상기 주조된 알루미늄 합금을 470℃로 18시간동안 어닐링 하였으며, 상온에서 24시간 동안 서랭하였다. 이 후, 200℃의 온도를 갖는 압연 롤에 의하여 초기 두께의 70%가 되도록 압연하였다. 그 후, 상온에서 12시간 동안 서랭되었다.
마지막으로 470℃로 2시간 동안 가열된 후 수중에서 급랭하여 용체화 시키고, 120℃로 24시간 동안 시효처리하여 알루미늄 합금을 제조하였다. 완성된 알루미늄 합금은 상온에서 12시간 동안 서랭하였다.
[제조예 2]
시효처리를 160℃에서 수행한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
[제조예 3]
시효처리를 200℃에서 수행한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
[제조예 4]
초기 두께에 80%가 되도록 열간압연한 것 외 모든 과정을 제조예 1과 동일하게 수행하였다.
[제조예 5]
시효처리를 160℃에서 수행한 것 외 모든 과정을 제조예 4와 동일하게 수행하였다.
[제조예 6]
시효처리를 200℃에서 수행한 것 외 모든 과정을 제조예 4와 동일하게 수행하였다.
상기 제조예 1 내지 6에 의하여 제조된 알루미늄 합금의 경도값 변화를 도 2에 나타내었다. 시효처리 시간을 증가하며 시간별로 측정한 결과 시효처리를 120℃에서 수행한 알루미늄 합금이 시효처리 시간이 증가하여도 경도가 우수한 것을 확인할 수 있다. 또한, 시효처리를 120℃에서 수행한 알루미늄 합금을 대상으로 초기 두께의 70%가 되도록 열간압연 한 도 2의 (a)와 초기 두께의 80%가 되도록 열간압연 한 도 2의 (b)를 비교하면, 초기 두께의 70%가 되도록 열간압연한 알루미늄 합금이 시효 시간이 증가하여도 높은 경도를 유지하는 것을 알 수 있다. 이를 통해, 알루미늄 합금 제조 시 초기 두께의 70%가 되도록 열간압연 하는 것이 적합하며, 120℃에서 시효처리를 수행하는 것이 적합하다는 것을 알 수 있다.
나. 알루미늄 합금 내 Zn-Mg-Cu 조성 최적화
상기 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 구리(Cu)의 조성비를 최적화 하기 위하여 상기 가. 단계에서 확인한 열처리 조건을 기반으로 상기 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 구리(Cu)의 조성비를 다르게 하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
[제조예 7 내지 10]
알루미늄 합금 재료를 용해로에서 700℃로 용융하였으며, 이 후, 용융된 알루미늄 합금을 다이캐스팅 금형에 공급하고 30시간 동안 냉각하여 주조하였다. 이 때, 알루미늄 합금 재료의 상세한 조성은 하기 표 1과 같다.
그리고, 상기 제조예 1과 같이 상기 주조된 알루미늄 합금을 470℃로 18시간동안 어닐링 하였으며, 상온에서 24시간 동안 서랭하였다. 이 후, 200℃의 온도를 갖는 압연 롤에 의하여 초기 두께의 70%가 되도록 압연하였다. 그 후, 상온에서 12시간 동안 서랭되었다.
마지막으로 470℃로 2시간 동안 ??칭하였으며, 120℃로 12시간 동안 시효처리하여 알루미늄 합금을 제조하였다. 완성된 알루미늄 합금은 상온에서 12시간 동안 서랭하였다.
합금(중량%) Zn Mg Cu Ti Zr Al
제조예 7 8.7 1.8 1.8 0.1 0.1 잔량
제조예 8 8.0 1.8 1.5 0.1 0.1 잔량
제조예 9 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 잔량
제조예 10 8.0 3.2 3.0 0.1 0.1 잔량
상기 제조예 7 내지 10에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여 인장시험기를 이용하여 상온에서 인장강도, 항복강도 및 연신율을 하기 표 2와 같이 측정하였다.
[Zn]/[Mg] 항복강도(㎫) 인장강도(㎫) 연신율(%)
제조예 7 4.83 510 579 11.2
제조예 8 4.44 540 590 15.0
제조예 9 3.00 590 645 6.5
제조예 10 2.5 505 572 10.8
표 2를 참조하면, 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])에 따라 상기 제조예 7 내지 10에 의해 제조된 알루미늄 합금간의 강도 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 제조예 9에 의해 제조된 알루미늄 합금은 인장강도가 590㎫, 항복강도가 645㎫로 제조예 7, 8 및 10에 의해 제조된 알루미늄 합금에 비해 인장강도와 항복강도가 가장 우수한 것을 확인할 수 있다. 이는, 앞서 설명한 바와 같이 상기 아연(Zn)과 상기 마그네슘(Mg)이 가장 이상적인 비율로 첨가되었기 때문이다.
반면에, 상기 제조예 7에 의해 제조된 알루미늄 합금의 항복강도 및 인장강도 는 각각 510㎫, 579㎫이며, 상기 제조예 8에 의해 제조된 알루미늄 합금의 항복강도 및 인장강도 는 각각 540㎫, 590㎫이다. 이는 상기 제조예 9에 의해 제조된 알루미늄 합금의 항복강도에 비해 50 내지 80㎫ 감소하였으며, 인장강도가 55 내지 66㎫ 감소한 것을 알 수 있다. 상기 제조예 7 내지 8에 의해 제조된 알루미늄 합금의 항복강도 및 인장강도 가 감소한 이유는, 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])가 4를 초과하여 마그네슘 산화물(MgO)이 과도하게 생성되었기 때문이다.
또한, 상기 제조예 10에 의해 제조된 알루미늄 합금의 항복강도 및 인장강도 는 각각 505㎫, 572㎫으로, 상기 제조예 9에 의해 제조된 알루미늄 합금에 비해 항복강도가 85㎫, 인장강도가 73㎫감소하였다. 이는, 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])가 3 미만이기 때문에 아연(Zn)으로 인한 효과가 구현되지 않았기 때문으로 해석된다.
이러한 이유로, 상기 알루미늄 합금의 강도를 최적화 하기 위해서는 상기 아연(Zn)과 마그네슘(Mg)의 비([Zn]/[Mg])가 하기 관계식 1을 만족하는 것이 바람직하다.
[관계식 1]
2.8 ≤ [Zn]/[Mg] ≤ 3.2
(상기 관계식 1에서 [Zn]는 Zn의 중량%이고, [Mg]는 Mg의 중량%이다)
다. 알루미늄 합금 내 Sc, Be 조성 최적화
상기 가. 단계에서 확인한 열처리 조건과 나. 단계에서 확인한 Zm-Mg-Cu 조성을 기반으로, 상기 스칸듐(Sc) 및 베릴륨(Be)의 조성을 최적화하기 위하여 상기 스칸듐(Sc) 및 베릴륨(Be)의 조성비를 다르게 하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
[실시예 1]
상기 알루미늄 합금 재료에 스칸듐(Sc) 0.1 중량%, 베릴륨(Be) 0.06 중량%를 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[실시예 2]
상기 알루미늄 합금 재료에 스칸듐(Sc) 0.3 중량%, 베릴륨(Be) 0.06 중량%를 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
상기 알루미늄 합금 재료에 스칸듐(Sc) 0.5 중량%, 베릴륨(Be) 0.06 중량%를 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[비교예 1]
모든 조성 및 공정을 상기 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[비교예 2]
상기 알루미늄 합금 재료에 스칸듐(Sc) 0.1 중량%만을 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[비교예 3]
상기 알루미늄 합금 재료에 베릴륨(Be) 0.03 중량%만을 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
[비교예 4]
상기 알루미늄 합금 재료에 베릴륨(Be) 0.06 중량%만을 더 첨가한 것 외 나머지 모든 공정은 제조예 9와 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 조성을 하기 표 3으로 정리한다.
합금(중량%) Zn Mg Cu Ti Zr Sc Be Al
실시예 1 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 0.1 0.06 잔량
실시예 2 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 0.3 0.06 잔량
실시예 3 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 0.5 0.06 잔량
비교예 1 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 - - 잔량
비교예 2 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 0.1 - 잔량
비교예 3 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 - 0.03 잔량
비교예 4 9.0 3.0 3.0 0.1 0.1 - 0.06 잔량
아울러, 인장시험기를 이용하여 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4로 제조된 알루미늄 합금의 상온에서 인장강도, 항복강도 및 연신율을 측정하였다. 측정 결과를 하기 표 4에 개시한다.
Sc(중량%) Be(중량%) 항복강도(㎫) 인장강도(㎫) 연신율(%)
실시예 1 0.1 0.06 620 654 8.2
실시예 2 0.3 0.06 550 608 7.2
실시예 3 0.5 0.06 610 659 6.5
비교예 1 - - 540 590 6.5
비교예 2 0.1 - 641 664 4.2
비교예 3 - 0.03 540 587 6.3
비교예 4 - 0.06 548 590 6.1
표 4를 참조하면, 상기 스칸듐(Sc)과 베릴륨(Be)을 모두 첨가한 실시예 1 내지 3로 제조된 알루미늄 합금은 항복강도가 550㎫ 이상, 인장강도가 600㎫ 이상인 동시에, 연신율 또한 6.5%이상인 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 1로 제조된 알루미늄 합금은 620㎫의 항복강도, 654㎫의 인장강도와 동시에 8.2% 연신율을 가지며, 실시예 2로 제조된 알루미늄 합금은 550㎫의 항복강도, 608㎫의 인장강도와 동시에 7.2% 연신율을 가지며, 실시예 3으로 제조된 알루미늄 합금은 610㎫의 항복강도, 659㎫의 인장강도와 동시에 8.2% 연신율을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 스칸듐(Sc)과 베릴륨(Be)을 모두 첨가한, 바람직하게는 상기 스칸듐(Sc)을 0.005 내지 0.7 중량%, 더 바람직하게는 0.1내지 0.5 중량% 첨가하고, 상기 베릴륨을 0.01 내지 0.1 중량%, 더 바람직하게는 0.05 내지 0.1 중량% 첨가한 알루미늄 합금은 항복강도가 550 내지 620㎫, 인장강도가 600 내지 700㎫인 동시에 연신율이 6.5% 이상인 것을 확인할 수 있다.
특히 상기 스칸듐(Sc)이 0.1 중량% 상기 베릴륨(Be)이 0.06 중량% 포함된 실시예 1로 제조된 알루미늄 합금은 620㎫의 항복강도, 654㎫의 인장강도와 동시에 8.2% 연신율을 가지는 것을 알 수 있다. 이는, 상기 스칸듐(Sc)이 0.3 중량% 포함된 실시예 2 및 상기 스칸듐(Sc)이 0.5 중량% 포함된 실시예 3으로 제조된 알루미늄 합금과 비교하여도 항복강도가 10 내지 70㎫, 인장강도가 최대 46㎫증가하였으며, 동시에 연신율 또한 1.0 내지 1.7% 향상하였다. 이러한 이유는 앞서 설명한 바와 같이 상기 스칸듐(Sc)으로 인한 결정립 미세화 효과와 상기 베릴륨(Be)으로 인한 마그네슘(Mg) 산화 방지 효과가 적절하게 이루어졌기 때문으로 해석된다.
한편, 상기 실시예 2와 실시예 3을 비교하면, 상기 스칸듐(Sc)의 양이 0.3 중량%에서 0.5 중량%로 증가하면, 항복강도가 60㎫ 증가하여 610㎫이며, 인장강도가 51㎫ 증가하여 659㎫인 것을 알 수 있다. 이는, 상기 스칸듐(Sc)이 알루미늄 합금 내의 결정립을 미세화하여 강도가 증가한 것으로 해석된다.
반면에, 상기 스칸듐(Sc)과 베릴륨(Be)을 모두 포함하지 않은 비교예 1은 항복강도가 540㎫, 인장강도가 590㎫로 상기 실시예 1 내지 3에 비해 항복강도가 10 내지 80㎫, 인장강도가 18 내지 69㎫ 낮으며, 연신율 또한 최대 1.7% 낮은 것을 알 수 있다. 이는 상기 스칸듐(Sc)과 베릴륨(Be)이 포함되지 않아 알루미늄 합금의 강도 및 연신율이 강화되지 않았음을 의미한다.
상기 스칸듐(Sc)이 포함되지 않는 비교예 3 및 4 또한 실시예 1 내지 3에 비해 항복강도가 10 내지 80㎫, 인장강도가 18 내지 72㎫ 낮으며, 연신율 또한 최대 2.1% 낮은 것을 알 수 있다. 이는 상기 알루미늄 합금에 베릴륨(Be)만 포함하면 강화 효과가 거의 없다는 것을 의미한다.
한편, 상기 스칸듐(Sc)만이 0.1 중량% 포함된 비교예 2는 항복강도 및 인장강도의 증가값이 실시예 1과 유사한 수준이었으나, 연신율이 4.2%로 8.2%인 실시예 1과 큰 차이를 보였다. 이는 앞서 설명하였듯이 상기 베릴륨(Be)이 부족하여 상기 마그네슘(Mg)가 MgO, Al2O3-MgO로 산화되었으며, 상기 산화물이 상기 알루미늄 합금 내에서 불순물로 작용하여 상기 알루미늄 합금의 기계적 강도를 감소시켰기 때문이다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지그코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 항복강도가 550 내지 620㎫, 인장강도가 600 내지 700㎫인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 연신율이 6.5% 이상인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스칸듐(Sc)은 0.05 내지 0.25 중량%인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫이며, 연신율이 7.5 내지 9.0%인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스칸듐(Sc)은 0.4 내지 0.7 중량%인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금의 항복강도가 600 내지 650㎫, 인장강도가 630 내지 670㎫인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg) 함량이 하기 관계식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금.
    [관계식 1]
    2.8 ≤ [Zn]/[Mg] ≤ 3.2
    (상기 관계식 1에서 [Zn]는 Zn의 중량%이고, [Mg]는 Mg의 중량%이다)
  9. a) 중량%로, 아연(Zn) 8.7 내지 9.2, 마그네슘(Mg) 1.5 내지 3.5 중량%, 구리(Cu) 1.5 내지 3.5 중량%, 스칸듐(Sc) 0.005 내지 0.7 중량%, 베릴륨(Be) 0.01 내지 0.1 중량%, 티타늄(Ti) 0.01 내지 0.2, 지그코늄(Zr) 0.01 내지 0.2 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계;
    b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계;
    c) 상기 주조된 알루미늄 합금을 어닐링하는 단계;
    d) 상기 어닐링된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계;
    e) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 ??칭하는 단계; 및
    f) 상기 ??칭된 알루미늄 합금을 시효처리하는 단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 c) 단계는 450 내지 500℃에서 15 내지 25시간 동안 가열되어 균질화된 후, 서랭되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금 제조 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 d) 단계는 440 내지 470℃에서 2 내지 3시간 동안 수행된 후, 150 내지 250℃의 압연 롤에 의하여 열간압연되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금 제조 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 e) 단계는 450 내지 500℃에서 2 내지 4시간 동안 가열된 후 수냉처리 되는 알루미늄 합금 제조 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 f) 단계는 100 내지 150℃에서 12 내지 48시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금 제조 방법.
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