KR20230009438A - 알루미늄 합금 단조재 및 그 제조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금 단조재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

높은 강도와 우수한 인성(양호한 연성)을 갖는 6000계 알루미늄 합금 단조재 및 그 효율적인 제조 방법을 제공한다. 본 발명의 알루미늄 합금 단조재는, 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, Cu의 함유량이 0.2 내지 1.0wt%이고, 6000계 알루미늄 합금의 조성이 이하의 관계식 (1) 및 (2)를 충족하고, 모재 결정립계에 석출물, 모재 결정립 내에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물을 갖고 있는 것을 특징으로 한다. (1) Si(at%)≥2Mg(at%), (2) 0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7

Description

알루미늄 합금 단조재 및 그 제조 방법
본 발명은 알루미늄 합금 단조재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 자동차용 서스펜션 부품 등에 적합하게 사용할 수 있는 알루미늄 합금 단조재 및 그 간편하며 또한 효율적인 제조 방법에 관한 것이다.
6000계 알루미늄 합금은 주로 Mg 및 Si가 첨가된 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금이며, 성형성이나 내식성이 우수한 것에 더하여, 중간 정도의 시효 경화를 나타내어 양호한 강도를 갖고 있고, 단조 부재는 자동차를 비롯한 수송용 기기의 구조용 부재로서 널리 사용되고 있다.
그러나, 근년, 연비 향상이나 CO2 배출량 삭감을 목적으로 해서 수송용 기기의 경량화의 요구가 높아지고 있고, 6000계 알루미늄 합금 단조 부재의 고강도화 및 고인성화가 갈망되고 있다. 특히, 6000계 알루미늄 합금 단조 부재를 자동차용 서스펜션 부품 등에 사용하는 경우, 높은 신뢰성을 부여하는 것이 필요 불가결하다.
이에 대해, 예를 들어 특허문헌 1(일본 특허 공개 제2017-155251호 공보)에 있어서는, 질량%로, Si: 0.7 내지 1.5%, Mg: 0.6 내지 1.2%, Fe: 0.01 내지 0.5%를 각각 함유함과 함께, Mn: 0.05 내지 1.0%, Cr: 0.01 내지 0.5%, Zr: 0.01 내지 0.2% 중 1종 또는 2종 이상을 더 함유하고, 잔부 Al 및 불가피적 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 단조재이며, 이 단조재의 가장 후육의 부분의 두께 중심의 관찰면에 있어서의 조직으로서, X선 회절에 의해 측정된 전위 밀도가 평균으로 1.0×1014 내지 5.0×1016/㎡의 범위이고, SEM-EBSD법에 의해 측정된, 방위차가 2° 이상인 결정립의 경각 2 내지 15°의 소경각 입계의 평균 비율이 50% 이상이고, 배율 30만배의 TEM에 의해 측정 가능한 석출물의 평균 수밀도가 5.0×102개/㎛3 이상인 것을 특징으로 하는, 강도와 연성이 우수한 알루미늄 합금 단조재가 개시되어 있다.
상기 특허문헌 1에 기재된 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 6000계 알루미늄 합금 단조재에 대해서, 용체화 및 ?칭 처리한 단조재에 온간 가공에 의한 가공 변형을 부여한 다음, 인공 시효 처리를 실시한 경우에, 가공 변형을 부여하지 않는 통상의 경우에 비하여, 강도와 연성이 모두 향상되는(고강도화, 고연성화되는) 점에서, 당해 효과를 발휘시키거나, 혹은 보증하기 위해서, 인공 시효 처리 후의 단조재의 가장 후육의 부분의 두께 중심부에 있어서의 조직으로서, 평균의 전위 밀도, 소경각 입계의 평균 비율, 석출물의 평균 수밀도를 각각 규정하였다고 되어 있다.
또한, 특허문헌 2(일본 특허 공개 제2008-163445호 공보)에 있어서는, 질량%로, Mg: 0.5 내지 1.25%, Si: 0.4 내지 1.4%, Cu: 0.01 내지 0.7%, Fe: 0.05 내지 0.4%, Mn: 0.001 내지 1.0%, Cr: 0.01 내지 0.35%, Ti: 0.005 내지 0.1%를 각각 포함하고, 또한 Zr: 0.15% 미만으로 규제하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 단조재로 구성되는 자동차 서스펜션 부품이며, 최대 응력 발생 부위에 있어서의 폭 방향 단면 조직에 있어서, 최대 응력이 발생하는 단면 부위의 조직에서 관찰되는 정출물 밀도가 평균 면적률로 1.5% 이하이고, 단조 시에 발생하는 파팅 라인을 포함하는 단면 부위의 조직에서 관찰되는 각 입계 석출물끼리의 간격이 평균 간격으로 0.7㎛ 이상인 것을 특징으로 하는 자동차 서스펜션 부품이 개시되어 있다.
상기 특허문헌 2에 기재된 자동차 서스펜션 부품에 있어서는, 경량화 형상을 한 자동차 서스펜션 부품 암부의, 예를 들어 리브에 있는 최대 응력 발생 부위에 있어서의 리브와 웨브의 각 특정 부위의 폭 방향 단면 조직을 규정하고, 단조 후의 자동차 서스펜션 부품의 암부의, 리브 등의 최대 응력 발생 부위에 있어서의 리브와 웨브의 각 특정 부위의 폭 방향 단면 조직을, 소정의 조직이 되도록 성분 조정 및 제조함으로써, 경량화 형상을 한 자동차 서스펜션 부품 암부의, 특히 최대 응력이 발생하는 특정 부위의, 단조 중에 있어서의 리브 부분이나 웨브 부분의 결정립의 조대화를 억제할 수 있다고 되어 있다.
일본 특허 공개 제2017-155251호 공보 일본 특허 공개 제2008-163445호 공보
6000계 알루미늄 합금의 기계적 성질은 결정립계의 석출물 및 결정립 내의 정석출물에 영향을 받는바, 상기 특허문헌 1에 기재된 알루미늄 합금 단조재에서는 기본적으로 결정립 내의 석출물에만 착안하고 있고, 인성(연성)에 크게 기여하는 결정립계의 석출물의 영향이 고려되어 있지 않다.
또한, 상기 특허문헌 2에 기재된 자동차 서스펜션 부품에서는 결정립계의 석출물끼리의 간격이 규정되어 있지만, 당해 석출물에 관해서, 크기나 형상 등의 금속 조직적으로 매우 중요한 특징에 대해서 고려되어 있지 않다.
즉, 6000계 알루미늄 합금 단조재에 관해서, 강도 및 인성을 높은 레벨로 양립시키는 관점에서, 결정립계의 석출물 및 결정립 내의 정석출물이 충분히 최적의 상태로 되어 있다고는 하기 어렵다.
이상과 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은, 높은 강도와 우수한 인성(양호한 연성)을 갖는 6000계 알루미늄 합금 단조재 및 그 효율적인 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위해, 6000계 알루미늄 합금 단조재의 조성과 미세 조직의 관계에 대해서 예의 연구를 거듭한 결과, 충분한 Si를 첨가해서 결정립 내에 미세한 석출물을 형성시키는 것에 더하여, 적량의 Mn 및 Cr을 첨가해서 결정립계의 석출물을 미세화하는 것 등이 매우 유효한 것을 발견하고, 본 발명에 도달했다.
즉, 본 발명은,
6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고,
Cu의 함유량이 0.2 내지 1.0wt%이고,
상기 6000계 알루미늄 합금의 조성이 이하의 관계식 (1) 및 (2)를 충족하고,
모재 결정립계에 석출물, 모재 결정립 내에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물을 갖고 있는 것
을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재를 제공한다.
Si(at%)≥2Mg(at%) (1)
0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7 (2)
본 발명의 알루미늄 합금 단조 부재에 있어서는, Mg2Si의 생성에 관해서 충분한 Si를 첨가함으로써, 결정립 내에 정석출물을 미세하게 또한 대량으로 생성시키고 있다. 또한, 과잉 Si, Mn 및 Cr의 함유량의 합계를 0.2 내지 1.7wt%로 함으로써, 주조 시에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 정출, 균질화 열처리 및 단조 예열 중에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재가 고강도화되어 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계의 석출물이 미세화되어 있다. 여기서, 과잉 Si양(wt%)은, 「Si양(wt%)-(Mg양(wt%)/1.731」로 산출할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 0.2 내지 1.0wt%의 Cu를 함유함으로써, Al, Mg, Si, Cu계 4원형 석출물(Q상 혹은 Q'상)의 형성에 의해, 양호한 기계적 강도 및 피로 강도가 부여되어 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 상기 Si의 함유량이 0.5 내지 1.4wt%, 상기 Mg의 함유량이 0.6 내지 1.7wt%인 것이 바람직하다. 또한, 보다 바람직한 Si의 함유량은 0.9 내지 1.2wt%, 보다 바람직한 Mg의 함유량은 0.8 내지 1.2wt%이다.
Si의 함유량을 0.5wt% 이상으로 함으로써 고용 강화나 시효 경화를 충분히 발현시킬 수 있고, 1.4wt% 이하로 함으로써 내식성의 저하나 정출물 및 석출물의 조대화에 기인하는 연성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, Si의 함유량을 0.9 내지 1.2wt%로 함으로써, 이들 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또한, Mg의 함유량을 0.6wt% 이상으로 함으로써 충분한 양의 Mg-Si계 석출물이 형성되어, 강도 및 피로 특성을 높일 수 있고, Mg의 함유량을 1.7wt% 이하로 함으로써, 파괴의 기점이 되는 조대한 화합물의 형성을 억제할 수 있다. Mg의 함유량을 0.8 내지 1.2wt%로 함으로써, 이들 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 상기 모재 결정립계에 있어서의 상기 석출물의 평균 입경이 50㎚ 이하인 것이 바람직하다. 모재 결정립계에 있어서의 석출물의 평균 입경이 50㎚ 이하로 되어 있음으로써, 알루미늄 합금 단조재에 양호한 연성(인성)을 부여할 수 있다. 여기서, 석출물의 평균 입경은 원상당 직경으로서 산출하면 된다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 상기 모재 결정립계에 있어서의 상기 석출물의 애스펙트비가 5 이하인 것이 바람직하다. 모재 결정립계에 있어서의 석출물의 애스펙트비를 5 이하로 함으로써, 모재 결정립계를 석출물이 차지하는 비율이 저하되는 것에 더하여, 석출물끼리의 거리를 길게 할 수 있다. 그 결과, 알루미늄 합금 단조재에 양호한 연성(인성)을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 상기 모재 결정립계를 중심으로 하는 무석출대의 폭이 100㎚ 이하인 것이 바람직하다. 모재 결정립계에 있어서의 무석출대의 폭을 100㎚ 이하로 함으로써, 알루미늄 합금 단조재에 높은 강도와 양호한 연성을 부여할 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 0.2% 내력이 350㎫ 이상, 신율이 10% 이상인 것이 바람직하다. 알루미늄 합금 단조재가 350㎫ 이상의 0.2% 내력과 10% 이상의 신율을 가짐으로써, 높은 신뢰성이 요구되는 구조 부재에도 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재로 이루어지는 자동차용 서스펜션 부품도 제공한다. 본 발명의 알루미늄 합금 단조재는 양호한 강도와 연성을 갖고 있어, 본 발명의 자동차용 서스펜션 부품은 높은 강도와 신뢰성이 요구되는 경우에 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 본 발명은,
본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법이며,
상기 알루미늄 합금 단조재의 Cu의 함유량을 0.2 내지 1.0wt%로 하고,
알루미늄 합금재를 예열하는 열간 단조 예열 공정과,
상기 열간 단조 예열 공정에서 얻어진 예열 알루미늄 합금재에 열간 단조를 실시하는 열간 단조 공정을 포함하고,
상기 열간 단조 예열 공정에서의 예열 온도를 300 내지 550℃, 예열 시간을 1 내지 3시간으로 하고,
상기 알루미늄 합금의 조성이 이하의 관계식 (1) 및 (2)를 충족하는 것
을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법도 제공한다.
Si(at%)≥2Mg(at%) (1)
0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7 (2)
본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법에 있어서는, 예열 온도를 300 내지 550℃, 예열 시간을 1 내지 3시간으로 하는 열간 단조 예열 공정에 의해, Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재가 고강도화되어 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계의 석출물이 미세화되어 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법에 있어서는, 상기 열간 단조 예열 공정 전에 상기 알루미늄 합금재의 균질화 열처리 공정을 갖고, 상기 균질화 열처리 공정의 온도를 500 내지 550℃, 유지 시간을 5 내지 10시간으로 하는 것이 바람직하다.
500 내지 550℃에서 5 내지 10시간의 균질화 열처리를 실시함으로써, 보다 확실하게 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재가 고강도화되어 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계의 석출물이 미세화되어 있다.
본 발명에 따르면, 높은 강도와 우수한 인성(양호한 연성)을 갖는 6000계 알루미늄 합금 단조재 및 그 효율적인 제조 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 미세 조직의 모식도이다.
도 2는 실시예 1의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과이다.
도 3은 실시예 1의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립 내의 TEM 관찰 결과이다.
도 4는 도 3에 도시한 정석출물의 TEM-EDS 스펙트럼이다.
도 5는 비교예 5의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과이다.
도 6은 비교예 1의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과이다.
도 7은 비교예 4의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과이다.
도 8은 비교예 5의 알루미늄 합금 단조재의 알루미늄 모재 결정립 내의 TEM 관찰 결과이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 알루미늄 합금 단조재 및 그 제조 방법에 대한 대표적인 실시 형태에 대해서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니다. 또한, 이하의 설명에서는, 동일하거나 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙여서, 중복되는 설명은 생략하는 경우가 있다. 또한, 도면은, 본 발명을 개념적으로 설명하기 위한 것이므로, 표현된 각 구성 요소의 치수나 그들의 비는 실제의 것과는 다른 경우도 있다.
1. 알루미늄 합금 단조재
(1) 조성
알루미늄 합금 단조재는, 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고, 알루미늄 합금 단조재에 높은 강도와 인성(연성)을 부여하기 위해서, 특히 Si, Mg, Mn 및 Cr의 함유량이 최적화되어 있다. 이하, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 특징적인 각 성분 원소에 대해서 설명한다.
Cu: 0.2 내지 1.0wt%
Cu의 함유량은, 0.2 내지 1.0wt%로 되어 있다. Cu는 Al, Mg, Si, Cu계 4원형 석출물(Q상 혹은 Q'상)의 형성에 의해, 기계적 강도 및 피로 강도를 높이는 작용을 갖는다. Cu 함유량이 0.2wt% 미만에서는 이들 효과를 충분히 얻을 수 없어, 알루미늄 합금 단조재의 내력을 350㎫ 이상으로 할 수 없다. 반면에, Cu 함유량이 1.0wt%를 초과하면 내식성을 저하시킬 우려가 있다.
Si: 0.5 내지 1.4wt%
Si의 함유량은 0.5 내지 1.4wt%로 하는 것이 바람직하다. Si의 함유량을 0.5wt% 이상으로 함으로써 고용 강화나 시효 경화를 충분히 발현시킬 수 있고, 1.4wt% 이하로 함으로써 내식성의 저하나 정출물 및 석출물의 조대화에 기인하는 연성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 보다 바람직한 Si의 함유량은 0.9 내지 1.2wt%이다. Si의 함유량을 0.9 내지 1.2wt%로 함으로써, 이들 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
Mg: 0.6 내지 1.7wt%
Mg의 함유량은 0.6 내지 1.7wt%로 하는 것이 바람직하다. Mg의 함유량을 0.6wt% 이상으로 함으로써 충분한 양의 Mg-Si계 석출물이 형성되어, 강도 및 피로 특성을 높일 수 있고, Mg의 함유량을 1.7wt% 이하로 함으로써, 파괴의 기점이 되는 조대한 화합물의 형성을 억제할 수 있다. 또한, 보다 바람직한 Mg의 함유량은 0.8 내지 1.2wt%이다. Mg의 함유량을 0.8 내지 1.2wt%로 함으로써, 이들 효과를 보다 확실하게 얻을 수 있다.
Mn: 0.1 내지 0.8wt%
Mn의 함유량은 0.1 내지 0.8wt%로 하는 것이 바람직하다. Mn의 함유량을 0.1wt% 이상으로 함으로써, Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성에 의해 알루미늄 합금 단조재를 고강도화할 수 있다. 또한, Mn의 함유량을 0.8wt% 이하로 함으로써, 인성 및 연성을 저하시키는 조대한 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성을 억제할 수 있다.
Cr: 0.1 내지 0.8wt%
Cr의 함유량은 0.1 내지 0.8wt%로 하는 것이 바람직하다. Cr의 함유량을 0.1wt% 이상으로 함으로써, Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성에 의해 알루미늄 합금 단조재를 고강도화할 수 있다. 또한, Cr의 함유량을 0.8wt% 이하로 함으로써, 인성 및 연성을 저하시키는 조대한 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성을 억제할 수 있다.
Fe: 0.05 내지 0.3wt%
Fe의 함유량은 0.05 내지 0.3wt%로 하는 것이 바람직하다. Fe의 함유량을 0.05wt% 이상으로 함으로써, Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성에 의해 알루미늄 합금 단조재를 고강도화할 수 있다. 또한, Fe의 함유량을 0.3wt% 이하로 함으로써, 인성 및 연성을 저하시키는 조대한 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물의 형성을 억제할 수 있다.
그 외, 각종 6000계 알루미늄 합금(Al-Mg-Si계 합금)으로서 규정되어 있는 조성 범위에 있어서, Cu, Zn 및 Ti 등을 함유할 수 있다.
또한, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 성분 원소에 관해서는, 이하의 2개의 요건을 구비할 필요가 있다.
(1) Si(at%)≥2Mg(at%)
Si 및 Mg가 Si(at%)≥2Mg(at%)를 충족함으로써, Mg2Si의 생성에 관해서 충분한 Si가 존재하게 되어, 결정립 내에 정석출물을 미세하게 또한 대량으로 형성시킬 수 있다.
(2) 0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7
과잉 Si, Mn 및 Cr의 함유량의 합계가 0.2 내지 1.7wt%가 되도록 함으로써, 주조 시에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 정출, 균질화 열처리 및 단조 예열 중에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재가 고강도화되어 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계의 석출물이 미세화되어 있다.
(2) 조직
도 1에 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 미세 조직의 모식도를 나타낸다. 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 알루미늄 모재(2)의 결정립계(4)에 석출물(6)이 형성되어 있다. 또한, 알루미늄 모재(2)의 결정립 내에는 매우 미세한 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물이 분산되어 있다. 또한, 결정립 내에 존재하는 것은 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물에 한정되지 않고, 예를 들어 Al-Mg-Si계 합금의 시효 석출상으로서 알려져 있는 일반적인 β상 및 그 전구상이나 Q상 및 그 전구상 등이 분산되어 있어도 된다.
결정립계(4)에 있어서의 석출물(6)의 평균 입경은 50㎚ 이하인 것이 바람직하다. 결정립계(4)에 있어서의 석출물(6)의 평균 입경이 50㎚ 이하로 되어 있음으로써, 알루미늄 합금 단조재에 양호한 연성(인성)을 부여할 수 있다. 석출물(6)의 평균 입경은 40㎚ 이하인 것이 보다 바람직하고, 30㎚ 이하인 것이 가장 바람직하다.
결정립계(4)에 있어서의 석출물(6)의 애스펙트비는 5 이하인 것이 바람직하다. 결정립계(4)에 있어서의 석출물(6)의 애스펙트비를 5 이하로 함으로써, 결정립계(4)를 석출물(6)이 차지하는 비율이 저하되는 것에 더하여, 석출물(6)끼리의 거리를 길게 할 수 있다. 그 결과, 석출물(6)을 전파해서 균열이 진전되는 것을 억제할 수 있어, 알루미늄 합금 단조재에 양호한 연성(인성)을 부여할 수 있다. 석출물(6)의 보다 바람직한 애스펙트비는 4 이하이고, 가장 바람직한 애스펙트비는 3 이하이다.
또한, 결정립계(4)를 중심으로 하는 무석출대의 폭은 100㎚ 이하인 것이 바람직하다. 결정립계(4)에 있어서의 무석출대의 폭을 100㎚ 이하로 함으로써, 알루미늄 합금 단조재에 높은 강도와 양호한 연성을 부여할 수 있다. 무석출대의 보다 바람직한 폭은 90㎚ 이하이고, 가장 바람직한 폭은 80㎚ 이하이다.
알루미늄 합금 단조재는, 상기의 조성 및 조성을 가짐으로써, 우수한 인장 특성을 갖고 있다. 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 0.2% 내력이 350㎫ 이상, 신율이 10% 이상인 것이 바람직하다. 알루미늄 합금 단조재(2)가 350㎫ 이상의 0.2% 내력과 10% 이상의 신율을 가짐으로써, 높은 신뢰성이 요구되는 구조 부재에도 적합하게 사용할 수 있다. 알루미늄 합금 단조재(2)의 보다 바람직한 0.2% 내력은 360㎫ 이상이고, 가장 바람직한 0.2% 내력은 370㎫ 이상이다. 또한, 알루미늄 합금 단조재(2)의 보다 바람직한 신율은 12% 이상이고, 가장 바람직한 신율은 14% 이상이다.
2. 자동차용 서스펜션 부품
본 발명의 자동차용 서스펜션 부품은, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재로 이루어지는 자동차용 서스펜션 부품이다.
자동차용 서스펜션 부품의 구체예로서는, 예를 들어 자동차용 서스펜션 부품인 어퍼 암, 로어 암 및 트랜스버스 링크 등을 들 수 있다.
3. 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법
본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법은, 상기 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 효과적인 제조 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법은, 알루미늄 합금 단조재의 Cu의 함유량을 0.2 내지 1.0wt%로 하고, 알루미늄 합금재를 예열하는 열간 단조 예열 공정과, 열간 단조 예열 공정에서 얻어진 예열 알루미늄 합금재에 열간 단조를 실시하는 열간 단조 공정을 포함하고 있다. 또한, 그 외의 공정에 대해서는 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 한에 있어서 특별히 한정되지 않고, 필요에 따라, 6000계 알루미늄 합금의 단조재를 제조하기 위해서 사용되고 있는 종래 공지된 여러 공정을 사용하면 된다. 이하, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법에 특징적인 공정에 대해서 설명한다.
(1) 균질화 열처리 공정
열간 단조 예열 공정을 포함하는 열간 단조 공정의 전처리로서, 열간 단조를 실시하는 알루미늄 합금재에 대하여 균질화 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 또한, 균질화 열처리 공정의 온도는 500 내지 550℃, 유지 시간은 5 내지 10시간으로 하는 것이 바람직하다.
500 내지 550℃에서 5 내지 10시간의 균질화 열처리를 실시함으로써, 알루미늄 모재(2)의 결정립 내에, 보다 확실하게 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재를 고강도화할 수 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계(4)의 석출물(6)을 미세화할 수 있다. 또한, 그 결과, 석출물(6)의 애스펙트비를 작게 할 수 있다.
(2) 열간 단조 예열 공정
열간 단조 공정의 예비 처리로서 실시하는 처리이다. 알루미늄 합금재에 대하여 예열 온도를 300 내지 550℃, 예열 시간을 1 내지 3시간으로 하는 열처리를 실시함으로써, 알루미늄 모재(2)의 결정립 내에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 화합물을 석출시켜, 알루미늄 합금 단조 부재를 고강도화할 수 있는 것에 더하여, 과잉 Si를 소비함으로써 결정립계(4)의 석출물(6)을 미세화할 수 있다. 또한, 그 결과, 석출물(6)의 애스펙트비를 작게 할 수 있다.
(3) 열간 단조 공정
종래 공지된 여러 단조 방법을 사용해서 예열한 알루미늄 합금재에 열간 단조를 실시하여, 원하는 형상으로 하면 된다. 또한, 최종 형상을 자동차용 서스펜션 부품인 어퍼 암, 로어 암 및 트랜스버스 링크 등으로 함으로써, 본 발명의 자동차용 서스펜션 부품을 얻을 수 있다.
(4) 용체화 처리 및 시효 처리
열간 단조에 의해 최종 형상으로 한 단조 부품에 적당한 용체화 처리 및 시효 처리를 실시함으로써, 단조 부품 전체의 강도를 향상시킬 수 있다.
용체화 처리 및 시효 처리의 조건은 특별히 한정되지 않고, 본 발명의 효과를 손상시키지 않는 범위에서 종래 공지된 여러 용체화 처리 및 시효 처리를 사용할 수 있다. 또한, 이들의 최적 조건은 알루미늄 합금의 종류나 단조 부품의 형상 및 크기 등에 의존하기 때문에, 용체화 처리 및 시효 처리 후의 단조 부품에 대해서 조직 관찰이나 기계적 특성의 평가를 행하여, 적절히 적합한 조건을 선정하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 대표적인 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이들에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 설계 변경이 가능하고, 그들 설계 변경은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
실시예
≪실시예≫
DC 연속 주조법에 의해, 표 1에 실시예로서 나타낸 조성을 갖는 알루미늄 합금의 슬래브를 얻었다. 또한, 표 1의 성분은 wt%로 나타내고 있다. 여기서, 표 1에는 관계식 (1) 및 관계식 (2)에 관한 「과잉 Si(wt%)」 및 관계식 (2)에 관한 「과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)」의 값도 나타내고 있다. 실시예에 관한 알루미늄 합금은, 모두 과잉의 Si 및 0.2 내지 1.0wt%의 Cu를 갖고 있는 것에 더하여, 0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7의 관계를 충족하고 있다.
Figure pct00001
이어서, 얻어진 슬래브를 절단하고, 350℃ 또는 500℃에서 2시간의 열간 단조 예열 공정 후에 단조율이 60%가 되는 단조를 실시하여, 알루미늄 합금 단조재를 얻었다. 여기서, 열간 단조 예열 공정 전에 510℃에서 6시간 또는 550℃에서 10시간의 균질화 열처리를 실시한 경우와, 균질화 열처리를 실시하지 않은 경우에 대해서 검토했다.
이어서, 얻어진 알루미늄 합금 단조재에 대해서, 550℃에서 2시간의 용체화 처리 후에 수랭하고, 180℃에서 8시간의 시효 처리를 실시했다.
얻어진 각 알루미늄 합금 단조재의 인장 특성 및 제조 조건을 표 2에 나타낸다. 인장 시험편은 JIS Z 2241에 기재된 14호 A 시험편을 사용하고, 인장 속도는 JIS Z 2241에 준거하여, 0.2% 내력까지를 2㎜/min, 0.2% 내력 이후를 5㎜/min으로 하였다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재는 350㎫의 0.2% 내력과 10% 이상의 신율을 겸비하고 있다.
또한, 몇 가지 알루미늄 합금 단조재에 대해서, 알루미늄 모재의 결정립계에 존재하는 석출물의 원상당 직경의 평균값 및 애스펙트비를 구했다. 구체적으로는, TEM 관찰 사진에 관하여, 화상 처리 소프트웨어(미국 MediaCybernetic사제의 Image-Pro Premier V9.0)를 사용해서 석출물의 원상당 직경 및 애스펙트비를 산출했다. 얻어진 결과를 표 2에 나타낸다. 본 발명의 알루미늄 합금 단조재에 있어서는, 결정립계에 존재하는 석출물의 원상당 직경의 평균값이 50㎛ 이하, 애스펙트비가 5 이하로 되어 있는 것을 알 수 있다.
Figure pct00002
실시예 1의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과를 도 2에 나타낸다. TEM 관찰에는 FEI사제의 Tecnai 시리즈 G2-F20을 사용했다. 알루미늄 모재의 결정립계의 석출물을 확인할 수 있고, 당해 석출물은 미세하며 또한 입상으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 석출물은 서로 밀접해 있지 않고, 알루미늄 합금 단조재에 양호한 인성 및 연성을 부여하기 위해서 이상적인 상태로 되어 있다. 이에 더하여, 무석출대의 폭은 100㎚ 이하로 되어 있다.
실시예 1의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립 내의 TEM 관찰 결과를 도 3에 나타낸다. 알루미늄 모재의 결정립 내에는 미세한 정석출물이 대량으로 분산되어 있는 것을 확인할 수 있다. 당해 정석출물의 TEM-EDS 스펙트럼을 도 4에 나타내는데, 정석출물은 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물을 포함하고 있는 것이 확인되었다.
≪비교예≫
표 1에 비교예로서 나타낸 조성을 갖는 알루미늄 합금의 슬래브를 사용한 것 이외에는 실시예와 마찬가지로 하여, 알루미늄 합금 단조재를 얻었다. 또한, 실시예와 마찬가지로 하여, 얻어진 알루미늄 합금 단조재를 평가했다.
비교예로서 얻어진 알루미늄 합금 단조재의 제조 조건, 인장 특성 및 알루미늄 모재 결정립계에 존재하는 석출물의 정보를 표 3에 나타낸다. 또한, 몇 가지의 알루미늄 합금 단조재에 대해서, 알루미늄 모재의 결정립계에 존재하는 석출물의 원상당 직경의 평균값 및 애스펙트비를 구한 결과도 표 3에 나타낸다.
Figure pct00003
표 3에 나타내는 바와 같이, 비교예의 알루미늄 합금 단조재는 강도와 연성을 높은 레벨로 양립할 수 없다. 과잉 Si를 갖고 있지 않은 비교예 1 내지 비교예 4에 관해서는, 절대적인 강도가 부족하여, 0.2% 내력은 어느 경우에도 350㎫ 미만으로 되어 있다. 반면에, 과잉 Si를 갖고 있기는 하지만, Mn 및/또는 Cr을 함유하고 있지 않은 비교예 5에 관해서는, 연성이 부족하여, 어느 경우에도 신율이 10% 미만으로 되어 있다. 또한, Mn 및 Cr을 포함하고 있기는 하지만, 과잉 Si를 갖고 있지 않은 비교예 6에 관해서는, 절대적인 강도가 부족하여, 0.2% 내력은 어느 경우에도 350㎫ 미만으로 되어 있다.
알루미늄 모재의 결정립계에 존재하는 석출물에 관해서는, 과잉 Si를 갖고 있지 않은 경우에는 조대화 및 애스펙트비의 증대가 인지되지 않지만, 과잉 Si를 갖고 있는 경우(비교예 5)에는, 원상당 직경의 평균이 50㎚보다 크게 되어 있고, 애스펙트비도 5보다 크게 되어 있다.
비교예 5의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과를 도 5에 나타낸다. 알루미늄 모재의 결정립계의 석출물을 확인할 수 있고, 당해 석출물은 조대하고 또한 침상으로 되어 있는 것을 알 수 있다. 이에 더하여, 무석출대의 폭이 실시예에서 얻어진 알루미늄 합금 단조재와 비교해서 크게 되어 있다.
비교예 1의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과를 도 6에 나타낸다. 알루미늄 모재의 결정립계의 석출물을 확인할 수 있고, 당해 석출물의 양이 실시예에서 얻어진 알루미늄 합금 단조재의 경우와 비교해서 적게 되어 있는 것을 알 수 있다.
비교예 4의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립계 근방의 TEM 관찰 결과를 도 7에 나타낸다. 알루미늄 모재의 결정립계의 석출물을 확인할 수 있고, 비교예 1의 경우와 비교하여, 당해 석출물이 미세화되어 있는 것을 알 수 있다.
비교예 5의 알루미늄 합금 단조재(균질화 열처리: 510℃, 6h, 열간 단조 예열 공정: 500℃, 2h)의 알루미늄 모재 결정립 내의 TEM 관찰 결과를 도 8에 나타낸다. 알루미늄 모재의 결정립 내에는 정석출물의 분산이 명료하게는 확인되지 않는다.
또한, 비교예 7의 알루미늄 합금 단조재는 충분한 Si를 갖고, 0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7의 관계를 충족하고 있지만, Cu의 함유량이 0.2wt% 미만으로 되어 있고, 인장 강도 및 0.2% 내력이 낮은 값으로 되어 있다.
이상의 결과로부터, 본 발명의 알루미늄 합금 단조재는 알루미늄 모재의 결정립 내에는 미세한 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물이 대량으로 분산되고, 결정립 내의 석출물은 미세하며 또한 입상에 가까운 형상을 갖고 있고, 그 결과, 높은 강도와 우수한 인성(양호한 연성)을 갖고 있는 것을 알 수 있다.
2: 알루미늄 모재
4: 결정립계
6: 석출물

Claims (10)

  1. 6000계 알루미늄 합금으로 이루어지고,
    Cu의 함유량이 0.2 내지 1.0wt%이고,
    상기 6000계 알루미늄 합금의 조성이 이하의 관계식 (1) 및 (2)를 충족하고,
    모재 결정립계에 석출물, 모재 결정립 내에 Al-(Fe,Mn,Cr)-Si계 정석출물을 갖고 있는 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
    Si(at%)≥2Mg(at%) (1)
    0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7 (2)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Si의 함유량이 0.5 내지 1.4wt%,
    상기 Mg의 함유량이 0.6 내지 1.7wt%인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 Si의 함유량이 0.9 내지 1.2wt%,
    상기 Mg의 함유량이 0.8 내지 1.2wt%인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재 결정립계에 있어서의 상기 석출물의 평균 입경이 50㎚ 이하인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재 결정립계에 있어서의 상기 석출물의 애스펙트비가 5 이하인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모재 결정립계를 중심으로 하는 무석출대의 폭이 100㎚ 이하인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    0.2% 내력이 350㎫ 이상, 신율이 10% 이상인 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 합금 단조재로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 자동차용 서스펜션 부품.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법이며,
    상기 알루미늄 합금 단조재의 Cu의 함유량을 0.2 내지 1.0wt%로 하고,
    알루미늄 합금재를 예열하는 열간 단조 예열 공정과,
    상기 열간 단조 예열 공정에서 얻어진 예열 알루미늄 합금재에 열간 단조를 실시하는 열간 단조 공정을 포함하고,
    상기 열간 단조 예열 공정에서의 예열 온도를 300 내지 550℃, 예열 시간을 1 내지 3시간으로 하고,
    상기 알루미늄 합금의 조성이 이하의 관계식 (1) 및 (2)를 충족하는 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법.
    Si(at%)≥2Mg(at%) (1)
    0.2≤과잉 Si(wt%)+Mn(wt%)+Cr(wt%)≤1.7 (2)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열간 단조 예열 공정 전에 상기 알루미늄 합금재의 균질화 열처리 공정을 갖고,
    상기 균질화 열처리 공정의 온도를 500 내지 550℃, 유지 시간을 5 내지 10시간으로 하는 것
    을 특징으로 하는 알루미늄 합금 단조재의 제조 방법.
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