KR920001612B1 - 고온가공에 적합한 알루미늄-기초 합금 - Google Patents

고온가공에 적합한 알루미늄-기초 합금 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

고온가공에 적합한 알루미늄-기초 합금
본 발명은 알루미늄-기초 합금의 고온가공과 보다 특별히는 미세구조속에 초정(ultra-fine) 경화분산형전이-금속-금속간 화합물(intermetallic)상을 가지는 알루미늄-기초 합금의 단조, 압연 및 그 유사조작에 의한 고온가공에 관한 것이며, 이러한 금속간 화합물 분산상은 매트릭스의 융점이하에서 알루미늄 매트릭스에 용해될 수 없는 성질의 것이다. 분말 야금방법으로 분산 경화된 알루미늄-기초 합금을 제조하는 것이 공지되어 있고 보다 특별히는 이러한 합금의 제조에서 기계식 분쇄방법을 사용하는 것이 공지되어 있다.
일반적으로 분산질을 포함하며 기계적으로 분쇄된(또는 달리 형성된)알루미늄 분말은 진공하에서 고온압축하고 압밀하고 그리고 압출형성시킨다. 고체 알루미늄 매트릭스의 불용하는 분산형 전이금속, 금속간 화합물상을 포함할 경우 압출하여 나온 분산경화형 알루미늄 막대재료로부터 원하는 형상물을 제조함에 있어서 문제점이 있다.
압출 형성된 막대재료를 유용한 형태로 만들기 위한 비용이 저렴하고 일반적으로 적용가능한 야금학적 해결책은 단조, 압연 또는 그 유사방법에 의한 고온가공법이다. 압출과는 상이한 이러한 압업에서 금속은 하나이상의 방향으로 자유롭게 팽창한다. 일반적으로 이러한 단조, 압연 및 그 유사방법은 금속이 약해지고 우수한 연성을 갖게 되는 고온에서 행해진다. 고온에서 침전된 강화상은 용해하고; 매트릭스는 예컨대 아철산염에서 오스테나이트로 되는것처럼 하나의 상에서 다른상으로 변하고; 또한 일반적으로 인장연신율(tensile elongation)로 표현되는 가공성도 커진다. 불용성 금속간 화합물 분산질을 포함하고 기계식으로 분쇄된 분산-경화형 알루미늄의 경우에는 예외가 있다. 시험온도가 상승함에 따라서 Al3Ti 분산물을 포함하는 기계식으로 분쇄된 알루미늄-기초 합금에서 분산-경화형 알루미늄 합금의 강도가 감소하는 것과 함께 인장시험에서의 연신율로 측정된 연성 역시 감소한다.
두(또는 다중)상 합금의 연성은 경화상의 용적비율의 용어로서 본 기술분야에서 가장 보편적으로 거론된다. 앞의 이론은 물론 실험적 연구에서 주어진 온도, 특히 실온에서 합금의 연성(인장시험중에 파쇄에 대한 연신율로서 나타낸것)은 경화상의 용적비율이 증가함에 따라 급격히 감소한다. 앞의 실험적 연구에서 하나의 간단한 관계식을 연성과 경화-상 용적비율에 관련하여 개발하였다:
Figure kpo00001
이식에서 k는 실험상수(이값은 기질합금의 특성에 따라 변한다)이고, f는 경화상의 용적비율이다. 위의 관계식은 Al-SiC 조성물을 포함하는 여러 가지의 이중 또는 다중-상 합금에 대해 실온에서 대략 일치한다.
본 출원인은 알루미늄 매트릭스의 고상선 이하에서 본래 불용성인 알루미늄-전이금속 금속간 화합물(예로, Al3Ti)로 만든 분산형 경화상을 포함하고 기계식 분쇄방법에 의해서 만든 알루미늄 합금에 있어서, 모든 온도에서의 인장연신율은 기계식으로 분쇄하고 금속간 화합물상 함유율이 최소한 약 5 내지 35용적% 유리하게는 15 내지 30용적% 범위인 알루미늄 합금에 대해 미리 기대했던 것보다는 과잉이라는 것을 발견하였다. 심지어 더욱 기대이상으로 본 출원인은 예로 427℃정도의 약 370℃이상에서부터 매트릭스의 고상선이하까지의 온도에서 기계식 분쇄법으로 만들고 분산된 Al4O3및 Al2O3와 함께 알루미늄 매트릭스에 5-35용적%의 Al3Ti를 포함하는 합금이 5% 과잉의 인장연신율을 나타내고 고온가공에 대해서 적합하다는 것을 발견하였다.
반대로 공포된 기술보고서 AFML-TR-79-4210으로서 Wright Aeronautical Laboratories에 보고되고 티타늄을 함유하는 기계식 분쇄된 알루미늄-기초 합금에 대한 본 출원인의 전임동료가 행한 연구에서 각각 4.13 및 10용적%의 Al3Ti 분산제를 포함하는 합금에 대한 인장연신율이 343℃에서 온도에 따라 2.5% 및 1-3%씩 감소하는 것을 나타내었다. 이때 기계식으로 분쇄된 알루미늄합금 시스템의 지식에 근거하여 343℃이상의 온도에서 파격적으로 높은 연성이 발생한다는 것은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 전혀 알려지지 않은 사실이다.
더우기, 본 출원인은 금번에 연구한 합금이 우수한 강도, 연성 및 안정된 미세구조를 가진다는 것을 발견하였다.
본 발명의 목적은 기계식 분쇄법으로 만든 분산-경화형 알루미늄합금의 고온가공 방법을 제공하는 것이며 여기서 경화상은 5 내지 35용적%의 양으로 존재하고 기질의 고상선 온도이하의 온도에서 본질적으로 알루미늄 매트릭스에 불용성이며 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 니오비움, 철, 코발트, 닉켈, 탄타룸, 망간, 크롬 및 하프늄중에서 선택한 전이금속을 포함한 알루미늄 전이금속 금속간 화합물을 함유한다.
본 발명은 두가지 이상의 방향으로 금속의 흐름을 허용하는 방법에 따른 고온 가공법에도 관계하며 기계적 분쇄된 알루미늄-기초 합금을 고체용액 경화제를 함유하는 알루미늄 매트릭스와, 5 내지 35용적%의 알루미늄 전이금속 금속간 화합물, 14용적%까지의 탄화 알루미늄인 탄화물상, 또한 5용적%까지의 산화알루미늄인 산소상으로 구성되고 이 합금의 고온 가공은 370℃내지 알루미늄 매트릭스의 고상선 온도사이에서 실시한다.
본 발명은 또한 고온가공할 합금에도 관계하며 이 합금은 융점의 약 95%(0.95Tm)까지의 온도범위에서 강도, 인장응력, 연성 및 안정도의 독특한 복합특성을 나타낸다.
본 발명에 따라서 고온가공할 알루미늄-기초 합금은 공정 조절제로서 스테아린산을 사용하는 미국특허 제3,740,210 ; 4,668,470 및 4,688,282호에 기술된 것과 같은 일반적 방법에 따른 기계식 분쇄법으로 합금을 만든다. 앞의 단락에 제시된 탄화물과 산화물의 레벨은 일반적으로 기계식 분쇄된 주입물속에 알루미나 또는 이트리아 같은 산화물이나 또는 탄소를 의도적으로 삽입하거나 또는 삽입없이 기계식 분쇄법에 정상적으로 사용된 공정조절제의 레벨에서 유도된다. 예를들면 약 5용적%까지의 탄화물과 2용적%까지의 산화물을 주입물에 넣을 경우 다른 비금속 첨가물이 없이 공정조절제로서 스테아린산을 사용할 때 이러한 상의 통상적인 양이 고려된다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 알 수 있는 것은 비록 5용적% 이상의 탄화물과 2용적%이상의 산화물을 본 발명의 고온가공한 합금에 함유시킬 수 있다하더라도 이러한 높은 레벨에서의 합금의 연성을 감소시킬 수 있다는 것이다. 고온 가공한 알루미늄-기초 합금의 조성물은 표 1에 제시한다.
[표 1]
Figure kpo00002
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 표 1에 제시한 중량% 조성물을 다음과 같은 간단한식에 의해서 Al2O3, Al4O3, Al3Ti 및 그 유사체와 같은상의 용적%로 대략 전환시킬 수 있음을 알 수 있다:
O중량%×1.7=Al2O3용적%
C중량%×3.71=Al4O3용적%
Ti중량%×2.5=Al3Ti용적%
표 1의 합금에서 대략 15 내지 31용적%의 알루미늄 전이금속 금속간 화합물상은 합금 1-3 및 11에 들어있고 이때의 상은 15 내지 31용적%의 범위의 Al3Ti이 된다. 합금 4 내지 10에서 금속간 화합물은 다른 전이금속의 알루미늄화합물 및/또는 다른 화합물과 함께 주로 Al3Ti로된 복합물이다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 “금속간 화합물상”이 단일상이나 또는 그 이상의 상이될 수 있고 이 용어에 어떤 특별한 제한은 없다. 기계식 분쇄후에 합금 1-11을 압밀하고 약 15대 1의 압출비를 사용하여 약 400℃에서 압출한다. 압출된 합금으로서의 인장 특성은 표 2에 제시한다.
[표 2]
Figure kpo00003
T=시험온도(℃)
UTS=최종인장강도(MPa)
Ys=0.2%항복강도(MPa)
ef=파쇄 연신율(%)
E=탄성계수(GPa)
N.A.=없음
표 1에 제시한 모든 합금을 약 400℃내지 약 510℃의 온도 범위에서 50×100㎜ 두께의 막대로부터 약 1.5㎜ 두께 및 약 90 내지 100㎜ 넓이의 시이트로 성공적으로 고온압연하였다.
시이트형으로서 이러한 합금은 표 3에서 제시한 데이터로 나타낸것 같이 안정된 미세구조를 나타내는 강도, 연성 및 인장응력의 우수한 복합특성을 가졌다.
[표 3]
Figure kpo00004
T=시험온도(℃)
UTS=최종인장강도(MPa)
Ys=0.2%항복강도(MPa)
ef=파쇄 연신율(%)
E=탄성계수(GPa)
본 명세서와 청구범위의 목적을 위한 알루미늄 매트릭스에 들어 있는 “고체용액경화제”는 고체 알루미늄 매트릭스에 통상적인 양으로서 용해되는 실리콘, 동, 리튬, 마그네슘 및 아연과 같은 정성적 원소뿐만 아니라 예컨대 100℃이하와 같은 저온도에서 불용성 생성물을 비록 형성한다 하더라도 고온가공의 온도에서 매트릭스에 용해되는 원소도 포함한다. 또한 본 명세서와 청구범위의 목적을 위한 “탄화물상”은 알루미늄탄화물 뿐만 아니라 티타늄탄화물, 다른 합금성분의 탄화물과 또한 알루미늄, 티타늄 및 기타 탄화물의 화학적 변형물을 포함한다. “산화물상”은 기계식 분쇄과정에서 스테아린산 공정조절제내의 알루미늄과 산소간의 반응으로 형성된 산화알루미늄 뿐만 아니라 또한 예로서 기계식 분쇄용 주입물 가공과정에서 첨가하거나 또는 형성될 수도 있는 이트리아, 이트리움-알루미늄-석류석 또는 알루미나 같은 예컨대 약 5용적%까지의 소량의 기타 산화물도 포함하는 것을 의도한다.
규정에 따라 여기에 본 발명의 특이한 구체예를 기술하지만 본 기술분야에서 통상의 지식이 있는 자는 청구범위로 제시된 본 발명의 형태에 변경을 만들수도 있고 다른 특징의 상응하는 사용없이도 본 발명의 어떤 특징을 때때로 유리하게 신용할 수도 있음을 알 수 있다.

Claims (5)

  1. 압연(rolling)이나 단조(forging)하여 하나이상의 방향으로 자유롭게 팽창시킬 수 있는 고온가공(hotworking)에 적합하고 실리콘, 동, 리튬, 마그네슘 또는 300℃이상의 고온에서 고체 알루미늄 매트릭스에 용해되는 다른 원소중에서 선택한 고체용액 경화제(solid solution hardeners)가 포함된 알루미늄 매트릭스와, 이 매트릭스의 고상선온도 이하에서는 용해하지 않는 망간, 크롬, 바나듐, 철, 니켈, 코발트, 니오븀, 탄탈륨, 티타늄중 하나이상의 금속을 함유하는 5 내지 35용적%의 알루미늄 전이 금속 금속간 화합물상(intermetallic phase)과, 또한 탄화물살(carbide phase)인 14용적%의 탄화알루미늄과 산화물상(oxidic phase)인 5용적%의 산화 알루미늄으로 구성된 것을 특징으로 하는 알루미늄-기초 합금.
  2. 제1항에 있어서, 알루미늄 전이금속 금속간 화합물상이 Al3Ti이고 그 함량은 15용적%인 것을 특징으로 하는 알루미늄-기초 합금.
  3. 제1항에 있어서, 370℃내지 알루미늄 매트릭스의 고상선 사이의 온도에서 고온 가공할 수 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄-기초 합금.
  4. 제3항에 있어서, 400℃ 내지 510의 온도에서 고온 가공할 수 있는 것을 특징으로 하는 알루미늄-기초 합금.
  5. 제7항의 알루미늄-기초 합금을 370℃내지 알루미늄 매트릭스이 고상선 사시의 온도에서 압연이나 단조방법으로 고온 가공하여 만든 박판(thin sheet)형 가공물.
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