KR920004680B1 - 높은 강도, 내열성 알루미늄-기재합금 - Google Patents

높은 강도, 내열성 알루미늄-기재합금 Download PDF

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요시다 다다오
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Abstract

내용 없음.

Description

높은 강도, 내열성 알루미늄-기재합금
본 도면은 빠른 고형화 공정에 의해 본 발명이 합금으로 얇은 리본을 제조하기 위해 사용된 단일 롤러-용융장지의 계통도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 석영튜브 2 : 구리롤
3 : 용융합금 4 : 합금의 얇은 리본
5 : 작은 개구부(opening)
본 발명은 높은 경도, 높은 강도, 높은 내마모성 및 높은 내열성들의 성질을 바람직하게 겸비하고 있는 알루미늄-기재 합금에 관한 것이다.
통상적인 알루미늄-기재 합금으로서, Al-Cu계, Al-Si계, Al-Mg계, Al-Cu-Si계, ,Al-Cu-Mg계, Al-Zn-Mg계 합금등과 같은 여러 가지 유형의 알루미늄-기재합금들이 알려져 왔었다. 이런 알루미늄-기재합금들은 이것들의 성질에 따라, 항공기, 차량, 선박 등에 대한 구조 재료 ; 외부 건축 재료, 새쉬(sash), 지붕등 : 해양 기구 및 원자로에 대한 구조 재료와 같은 매우 다양한 용도에 널리 사용되어 왔다.
통상적인 알루미늄-기재 합금들은 일반적으로 낮은 경도 및 낮은 내열성을 갖는다. 최근에, 알루미늄-기재 합금들을 빠르게 고형화시켜 이 합금에 정련된 구조를 부여하고 이로써 강도와 같은 기계적 성질과 내부식성과 같은 화학적 성질을 개선시키려는 시도가 있어왔다. 그러나, 지금까지 알려진 빠르게 고형화된 알루미늄-기재합금들은 강도, 내부식성 등에 있어서 여전히 만족스럽지 못했다.
이러한 견지에서 볼 때, 본 발명의 목적은 비교적 낮은 비용으로 높은 강도와 우수한 내열성의 이로운 성질을 겸비한 신규 알루미늄-기계 합금을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 높은 경도와 높은 내마모성을 가지며 압출, 프레스가공, 고도의 벤딩(bending)등에 견딜 수 있는 알루미늄-기재 합금을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 비정질 구조, 또는 비정질 상과 미소결정질상으로 구성된 복합구조, 또는 미소결정질 복합 구조로 구성된, 하기 일반식으로 나타낸 조성을 갖는 높은 강도, 내열성의 알루미늄-기재 합금이 제공된다.
AlaMbXc
여기서 M은 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Ti, Mo, W, Ca, Li, Mg 및 Si로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소이고 ; X는 Y, La, Ce, Sm, Nd, Hf, Nb, Ta 및 Mm(미치 금속)로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속원소이며 ; a, b 및 c는 50
Figure kpo00001
a
Figure kpo00002
95, 0.5
Figure kpo00003
b
Figure kpo00004
35 및 0.5
Figure kpo00005
c
Figure kpo00006
25의 범위내에 있는 원자의 백분율이다.
본 발명의 알루미늄-기재 합금들은 높은 경도 재료, 높은 강도 재료, 높은 전기-저항성 재료, 양호한 내마모성 재료 및 브레이징(brazing)재료로서 유용하다. 더우기, 알루미늄-기재 합금들은 이것들의 결정성 온도 부근에서 초가소성을 나타내기 때문에, 이것들은 압출, 프레스가공 등에 의해 성공적으로 가공처리 될 수 있다. 가공품들은 이것들의 높은 경도 및 높은 인장강도 성질 때문에 많은 실제적인 적용에 있어서 높은 강도, 높은 내열성재료로서 유용하다.
본 발명의 알루미늄-기재 합금들은 액체 켄칭 기술에 의해 상기한 바와같은 조성을 갖는 용융 합금을 빠르게 고형화시킴으로써 얻을 수 있다. 액체 켄칭기술에는 용융 합금을 빠르게 냉각시키는 것을 포함하며, 특히 단일-롤러 용융-스피닝 기술, 트윈 롤러 용융-스피닝 기술 및 회전-수 중의 용융-스피닝 기술이 이러한 기술들의 특히 효과적인 예로서 언급된다. 이런 기술들에서, 약104-106K/초의 냉각속도가 얻어질수 있다. 단일-롤러 용융-스프닝 기술 또는 트윈 롤러 용융-스피닝 기술에 의해 얇은 리본 재료를 생성하기 위해서, 용융 합금을 노즐의 개구부(opening)로부터 약 30-10000ppm범위의 일정한 속도로 회전하는 약 30-300mm의 직경을 갖는, 예를들면 구리 또는 강철의 롤로 분출시킨다. 이런 기술에 있어서, 약 1-300mm의 너비 및 약 5-500μm의 두께를 갖는 여러 종류의 얇은 리본 재료들이 쉽게 얻어질 수 있다. 또한, 회전-수중의 용융-스피닝 기술에 의해 전선 재료를 생성하기 위해서, 아르곤 기체의 배압 적용하에, 약 50-500rpm의 속도로 회전하는 드럼내에서 원심력에 의해 형성되는 약 1-10cm깊이의 액체 냉매층으로 노즐을 통해 용융합금의 분출물을 분출시킨다. 이런 방식으로, 미세전선 재료들이 쉽게 얻어질 수 있다. 이런 기술에서 노즐로부터 분출되는 용융 합금과 액체 냉매 표면 사이의 각은 바람직하게는 약 60°-90°의 범위이고, 분출되는 용융 합금대 액체 냉매 표면의 상대 속도비는 바람직하게는 약 0.7 내지 0.9 범위이다.
상기 기술이외에도, 본 발명의 합금은 스퍼터링 공정에 의해 얇은 필름 형태로도 얻어질 수 있다. 더 나아가 본 발명의 합금 조성물의 빠르게 고형화된 분말은 다양한 분무 공정 예를들면 고압기체 분무공정 또는 스프레이 공정에 의해 얻어질 수 있다. 이렇게 얻어진 빠르게 고형화된 알루미늄-기재 합금들이 비정질 상인지, 혹은 비정질상 및 미소결정질 상으로 구성된 복합 상인지 혹은 미소결정질 복합 상인지의 여부는 통상의 X-선 회절방법에 의해 알수 있다. 비정질 합금들은 비정질 구조의 할로패턴 특성을 보여준다. 비정질 상과 미소결정질 상으로 구성된 복합 합금들은 미소결정질 상들의 회절 피이크와 할로 패턴이 조합된 복합 회절 패턴을 보여준다. 미소결정질 복합 합금들은 합금 조성에 따라 금속간 화합물에 기인된 피이크와 알루미늄 고용체(solid solutron : α-상)에 기인된 피이크를 포함하는 복합 회절 패턴을 보여준다.
비정질 합금, 비정질상 및 미소결정질 상으로 구성된 복합 합금 또는 미소결정질 복합 합금은 상기의 단일-롤러 용융-스피닝, 투윈 롤러 용융-스피닝, 회전-수중의 용융-스피닝, 스퍼터링, 다양한 분무공정, 스프레이, 기계적합금화 등에 의해 얻어질 수 있다. 필요하다면, 비정질 상과 미소결정질 상으로 구성된 혼합-상 구조도 생성 공정을 적절히 선택함으로 얻어질 수 있다. 미소결정질 복합 합금들은 예를들면 알루미늄 매트릭스 고용체, 미소결정질 알루미늄 매트리스 상 및 안정성 또는 준안정성 금속간 상들로 구성되어 있다.
더 나아가, 비정질 구조는 어떤 온도("결정화 온도"라 불림) 또는 이보다 높은 온도로 가열함으로써 결정질 구조로 전환될 수 있다. 비정질상의 이러한 열 전환은 미소결정성 알루미늄 고용체상과 금속간 상들로 구성된 복합물의 형성을 가능하게 해준다.
상기 일반식으로 나타낸 본 발명의 알루미늄 합금들에서, a, b 및 c는 각각 50-95원자%, 0.5-35원자% 및 0.5-25 원자% 범위로 제한된다. 이러한 제한의 이유는 a, b 및 c가 각각의 상기 범위에서 벗어나는 경우 비정질 구조 또는 초포화 고용체 형성이 어렵기 때문이다. 따라서, 의도된 성질들을 갖는 합금들을 상기 액체 켄칭등을 사용하는 산업적 빠른 냉각 기술에 의해 미소결정질 상, 복합 상 또는 비정직상으로 만들 수 없다.
더 나아가, 통상적인 분말 야금술을 사용하여 분말 성형 공정시 온도 조절 또는 적절한 열 처리에 의해 미소결정질 상들을 함유하는 복합구조 또는 미소결정질 복합구조를 얻는 것과 같은 방식으로 비정질 구조가 결정화되는 빠른 냉각 공정에 의해 비정질 구조를 얻기는 어렵다.
원소 M은 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Ti, Mo, W, Ca, Li, Mg 및 Si로 구성된 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속 원소이고, 이 금속 원소들은 원소 X와 공존할 때 비정질 구조를 생성하는 능력을 개선하는데 영향을 주어 비정질 상의 결정화 온도를 증가시킨다. 특히, 경도 및 강도에 있어서의 상당한 개선이 본 발명에 중요하다. 한편, 미소결정질 합금의 생성 조건에 있어서, 원소 M은 결과의 미소 결정질 상을 안정화시키는 데 효과가 있어 알루미늄 원소 및 다른 부가적인 원소들과 함께 안정성 또는 준 안정성 금속간 화합물들을 형성함으로써 금속간 화합물들을 알루미늄 매트릭스(α-상)내에 미세하고 균일하게 분산시킨다. 결과적으로, 합금의 경도 및 강도가 상당히 개선된다. 더 나아가 원소 M은 고온에서 미소결정질 상의 응집을 방지하고 이로써 높은 내열성을 제공한다.
원소 X는 La, Ce, Sm, Nd, Hf, Nb, Ta 및 Mm(미치금속)로 구성된 군으로부터 선택된 하나 또는 그 이상의 원소들이다. 원소 X는 비정질 구조를 형성하는 능력을 개선할 뿐만 아니라 비정질 상의 결정화 온도를 효과적으로 높인다. 원소 X의 첨가로 인해서, 내부식성이 상당히 개선되고 비정질 상이 고온에서 안정하게 유지될수 있다. 더우기 미소결정질 합금의 생성 조건에서, 원소 X는 원소 M과 공존할 때 미소결정질상을 안정화시킨다.
더 나아가, 본 발명의 알루미늄-기재 합금들이 결정화 온도 부근(결정화 온도 ±100℃) 또는 미소결정질상을 안정되게 존재하게 하는 고온 지역에서 초가소성을 나타내기 때문에, 이들은 압출, 프레스 가공, 고온-단조등에 쉽게 가공처리될수 있다. 따라서 얇은 리본, 전선, 시이트 또는 분말의 형태로 얻어진 본 발명의 알루미늄-기재 합금들은 미소결정질 상이 안정되게 존재할 수 있는 고온부근 또는 이들의 결정화 온도±100℃ 범위내의 온도에서 압출, 프레스 가공, 고온-단조등의 방법에 의해 벌크 형상 재료로 성공적으로 가공처리될 수 있다. 더우기, 본 별명의 알루미늄-기재 합금들은 고도의 인성을 가지므로 이들중 몇몇은 180℃까지 구부러질 수 있다.
이제, 본 발명의 알루미늄-기재 합금들의 유익한 특징이 하기 실시예에 의해 설명될 것이다.
[실시예들]
예정된 조성을 갖는 용융 합금(3)을 고주파 용융 노를 사용하여 제조하여 도면에 도시된 바와 같이 직경이 0.5mm인 작은 개구부(5)를 그의 선단에 갖는 석영튜브(1)에 충전시킨다. 합금(3)을 가열하여 용융시킨 후 석영튜브(1)을 구리롤(2)의 바로위에 배치시킨다. 이후에, 석영튜브(1)에 함유된 용융합금(3)을 0.7kg/cm2의 아르곤 압력의 적용하에 석용튜브(1)의 작은 개구부(5)로부터 분출시켜서 5,000rpm의 속도로 빠르게 회전하는 롤(2)의 표면과 접촉시킨다. 용융합금(3)이 빠르게 고형화되어 얇은 리본 합금(4)이 산출된다.
상기한 바와 같은 공정 조건에 따라, 하기표에 나타난 바와 같은 조성들(원자%)를 갖는 39종류의 알루미늄-기재 합금의 얇은 리본들(너비 : 1mm, 두께 : 20μm)을 얻었다. 이렇게 얻은 얇은 리본들을 X-선 회절 분석시키고, 결과로서 비정질 구조, 비정질상과 미소 결정질상의 복합 구조 또는 미소 결정질 복합 구조를 표의 오른편에 나타난 바와 같이 확인하였다.
결정화 온도 및 경도(Hv)를 얇은 리본들 각각의 시험표본에 대해 측정하여 그 결과를 표의 오른편에 나타냈다. 경도(Hv)는 하중 25kg에서 마이크로 빅커 경도 시험기를 사용하여 측정된 값(DPN)으로 나타냈다. 결정화 온도(Tx)는 40K/분의 가열속도에서 얻어진 차동 주사 열량법 곡선상의 첫 번째 발열 피이크의 출발온도(K)이다. 표에는 다음의 부호로 나타냈다.
"Amo" : 비정질 구조
"Amo+Cry" : 비정질상과 미소결정질상의 복합구조
"Cry" : 미소결정질 복합구조
"Bri" : 부서지기 쉬움
"Duc" : 유연함
[표]
Figure kpo00007
표에 나타난 바와 같이, 본 발명의 알루미늄-기재 합금들은 통상의 알루미늄-기재 합금들이 50-100DPN의 경도(Hv)를 갖는 것에 비해 약 200-1000DPN의 극히 높은 경도(Hv)를 갖는다. 특히 본 발명의 알루미늄-기재 합금들은 적어도 400k의 매우 높은 결정화 온도 Tx를 가지며 높은 내열성을 나타낸다는 것을 알 수 있다.
표에 주어진 5번과 7번의 합금에 대해 인스트론-형 인장 시험기계를 사용하여 강도를 측정하였다. 인장강도를 측정하니 5번의 합금은 약 103kg/㎟이고 7번의 합금은 87kg/㎟이며, 항복 강도를 측정하니 5번의 합금은 약 96kg/㎟이며 7번의 합금은 약 82kg/㎟로 나타났다. 이 값들은 통상적인 숙성-경화된 Al-Si-Fe알루미늄-기재합금의 최대 인장 강도(약 45kg/㎟)와 최대 항복 강도(약 40kg/㎟)의 2배이다. 더우기 가열시의 강도의 감소는 5번 합금에서 측정되었으며 350℃까지는 강도 감소가 검출되지 않았다.
36번의 합금에 대해 인스트론-형 인장 시험 기계를 사용하여 강도를 측정한 결과 약 93kg/㎟의 항복강도와 약 97kg/㎟의 강도가 얻어졌다.
표의 39번의 합금에 대해 열분석과 X-선 회절의 결과로 더욱 연구하여 결정화 온도 Tx(K), 즉 515K가 알루미늄 매트릭스(α-상)의 결정화에 상응하며, 금속간 화합물의 초기 결정화 온도가 613K임을 알게 되었다. 이러한 성질들을 이용하여, 벌크재료를 생성하려 하였다. 빠르게 고형화된 합금의 얇은 리본을 볼 밀에서 분쇄하고 진공 고온 프레싱에 의해 473K 및 2×10-3토르 진공에서 압착시킴으로써 직경이 24mm이고 길이가 40mm인 압출빌렛을 얻는다. 이 빌렛은 벌크밀도/진 밀도의 비가 0.96이다. 빌렛을 압출기 용기에 놓고 573K에서 15분간 유지시키고 압출시켜서 압출비가 20 인 둥근봉을 생산한다. 압출품을 절삭한 후 분쇄하여 X-선 회절에 의해 결정 구조를 검사한다. -선 검사의 결과, 회절 피이크는 단일-상 알루미늄 매트릭스(α-상)의 피이크들이며, 합금은 두 번째 상의 금속간 화합물이 없는 알루미늄 매트릭스의 단일-상고용체로 구성되어 있다는 것을 알게되었다. 더우기, 압출품의 경도는 343DPN의 높은 수준이고 높은 강도 벌크 재료가 얻어졌다.

Claims (3)

  1. 비정질 구조 또는 비정질 상과 미소결정질 상으로 구성된 복합 구조 또는 미소결정질 복합 구조로 구성된, 하기 일반식으로 나타낸 조성을 갖는 높은 강도, 내열성 알루미늄-기재합금
    AlaMbXc
    상기식에서, M은 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr, Ti, Mo, W, Ca, Li, Mg 및 Si로 구성된 군으로부터 선택된 하나이상의 금속 원자이고 ; X는 Y, La, Ce, Sm, Nd, Hf, Nb, Ta 및 Mm (미치 금속)로 구성된 군으로부터 선택된 하나이상의 금속원소이며 ; a, b 및 c는 각각 50
    Figure kpo00008
    a
    Figure kpo00009
    95, 0.5
    Figure kpo00010
    b
    Figure kpo00011
    35 및 0.5
    Figure kpo00012
    c
    Figure kpo00013
    의 범위내에 있는 원자 백분율이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 미소결정질 복합 구조가 알루미늄 매트릭스 고용체, 미소결정질 알루미늄 매트릭스상 및 안정성 또는 준안정성 금속간 상으로 구성되어 있는 높은 강도, 내열성 알루미늄-기재 합금.
  3. 50부피% 이상의 비정질상을 함유하는, 하기 일반적으로 표시된 조성을 갖는, 높은 강도, 내열성 알루미늄-기재 합금
    AlaMbMmc
    상기식에서, M은 V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Nb로 구성된 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 원소이고 : a, b 및 c는 50
    Figure kpo00014
    93, 0.5
    Figure kpo00015
    b
    Figure kpo00016
    35 및 0.5
    Figure kpo00017
    c
    Figure kpo00018
    25 범위내에 있는 원자 백분율이다.
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