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KR100199408B1 - 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 및 그 압출재의 제조방법 - Google Patents

비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 및 그 압출재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 중량% 로, Mg:0.5 - 1.0%, Si:0.6 - 1.2%, Mn:0.8 - 2.1%, Zr:0.1 - 0.3%, Cu:0.6 - 0.8%, Zn:0.1 - 0.5%, Cr:0.1 - 0.5%, Ti : 0.11%이하, 잔부 A1을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 본 발명은 중량%, Mg:0.5 - 1.0%, Si:0.6 - 1.2%, Mn:0.8 - 2.1%, Zr:0.1 - 0.3%, Cu:0.6 - 0.8%, Zn:0.1 - 0.5%, Cr:0.1 - 0.5%, Ti:0.11%이하, 잔부 A1을 함유하여 이루어지는 알루미늄 합금을 550 - 570 ℃ 의 온도에서 8-12 시간 동안 균질화 열처리를 행한 후, 소정의 형상으로 압출하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 압출재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래의 A1-Mg-Si계 알루미늄 합금이 가지고 있는 우수한 압출성, 내식성, 가공성 등을 유지하면서 강도에 있어서 열처리형 합금의 수준까지 향상됨에 따라 차량의 구조용 재료, 건축용 재료로 사용할 때에 중량 감소로 인한 연료 및 재료 절감을 기대할 수 있음은 물론, 용접성, 깨끗한 표면, 가공성이 요구되는 산업분야에 구조용 재료로 널리 이용될 수 있으며, 열처리가 곤란한 장·대형의 압출 제품은 물론 열처리가 가능한 소형의 제품에 대해서도 기존 상용 조성의 합금을 대체할 수 있는 효과가 얻어진다.

Description

비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 및 그 압출재의 제조 방법
본 발명은 압출성, 내식성 및 용접성이 우수한 중강도의 A1-Mg-Si계 알루미늄합금에 관한 것으로, 특히 가공후 열처리가 필요없는 비열처리형 압출구조재용 알루미늄 합금 및 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 압출재를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 알루미늄 합금은 높은 비강도로 인하여 재료의 경량화 및 고강도를 요구하는 항공기, 철도 차량 등의 구조용 재료 및 군사용 재료로 널리 사용되고 있다.
특히, 알루미늄 합금계는 압출성, 내식성, 및 복잡한 형상을 가공하는 데 유리한 성질인 3 차 가공성이 우수할 뿐만 아니라 소입 민감도가 작아 용접성도 우수하므로 건축재 및 대형 공간 구조용 재료로서 널리 사용되고 있다.
현재까지의 알루미늄 합금 연구 경향은 압출성, 내식성 및 가공성이 우수한 중강도의 A1-Mg-Si 계 알루미늄 합금에 천이 원소 등을 미량 첨가하여 가공 열처리과정 중에 회복, 재결정, 결정립 성장을 제어함으로써 기계적 성질울 향상시킨 합금에 관한 것이 대종을 이루어 왔다.
본 명세서 중에서 사용되고 있는 %는 달리 설명이 없는한 중량%임은 명백하다.
이 중 대표적인 알루미늄 합금으로 A16005, A16061, A16N01 등을 들 수 있는데, 이들의 특징은 시효 경화 처리를 통하여 우수한 강도를 얻기 위한 것으로 Mn + Cr의 량을 0.5 중량 % 이하로 제한하여 합금 조직 내에 미세한 Mn 분산상의 효과를 기대하기 곤란한 것이다.
즉 이들 A16005, A16061, A16N01 등의 A1-Mg-Si 계 합금은 압출 가공후 열처리를 추가로 행하여야만 소정의 강도를 얻을 수 있는 석출 경화형 합금으로서 Mg와 Si에 의한 석출물 형성에 의한 강화 효과를 발휘할 수 있도록 가공후 열처리를 필수적으로 요하여 열처리형 합금계이다.
이와 같은 열처리형 합금계는 강도 뿐만 아니라 생산성 면에서도 우수한 압출성이 요구되는 있는 구조재로 많이 사용되고 있는 데, 구조재가 소형인 경우에는 후속되는 가공 열처리에 필요한 열처리로를 준비하는 데 큰 문제가 없어 수요가가 원하는 강도의 구조재를 제조하는 것이 가능하지만, 건축용 구조재, 철도 차량등 수십, 수백 미터가 되는 대부분의 장·대형의 압출 구조재를 제조하는 경우에는 후속되는 열처리에 필요한 제품의 규격에 맞는 장·대형의 열처리로 확보가 필요하나 현실적으로 이것이 불가능하며, 설사 이러한 거대한 로를 갖는다 해도 균일한 열처리가 불가능하여 수요가가 요구하는 품질 요구를 만족시키는 것이 곤란하였다.
즉, 종래와 같이 압출후 필수적으로 열처리를 해야하는 합금으로는 장·대형제품 생산에 커다란 제한이 따르는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 장·대형의 압출재를 압출재를 압출후 열처리하는 것이 불가능한 것을 극복하기 위하여 압출 전에만 최적의 균질화 열처리를 실시함으로써 미세한 Mn 분산상 입자를 석출시키고, 이 분산상들이 압출후 제품의 강도 및 연성의 개선을 이루게하여 압출후 열처리가 생략되어도 우수한 기계적 성질을 갖는 압출재용 A1-Mg-Si 계 알루미늄 합금 및 이 합금으로 된 압출재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중량 % 로, Mg:0.5-1.0%, Si:0.6-1.2%, Mn:0.8-2.1%, Zr:0.1-0.3%, Cu:0.3-0.8%, Zn:0.1-0.5% Cr:0.1-0.5%, Ti:0.11% 이하, 잔부 A1을 함유하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 본 발명은, 중량 % 로, Mg:0.5-1.0%, Si:0.6-1.2%, Mn:0.8-2.1%, Zr:0.1-0.3%, Cu:0.3-0.8%, Zn:0.1-0.5%, Cr:0.1-0.5%, Ti:0.11%이하, 잔부 A1을 함유하여 이루어지는 알루미늄 합금을 550 - 570 ℃ 의 온도에서 8-12 시간 동안 균질화 열처리를 행한 후, 소정의 형상으로 압출하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 압출재의 제조방법을 제공한다.
이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본발명을 살세히 설명한다.
본 발명은 기존의 열처리형 A1-Mg-Si계 알루미늄 합금인 A16N01을 기본 조성으로 하여 강도의 향상을 위한 강화 원소로서 천이 원소인 Mn 과 Zr, Cr등을 첨가 시켜 합금 조직내에 미세한 Mn 분신상 (Dispersoid)의 생성을 유도함으로써 기존의 A1-Mg-Si 계 알루미늄 합금보다 우수한 강도를 가질 수 있도록 합금의 성분 조성을 한정하는 것에 그 특징이 있다.
또한, 본 발명은 A1-Mg-Si계 알루미늄 합금에 Mn, Zr, Cr 등의 천이 원소를 첨가하여 합금을 제조한 후 압출전에 균질화 열처리 과정을 거쳐 합금 조직 내에 미세한 Mn 분산상의 크기, 형상, 밀도 등을 변화시킴으로써 압출후 어떠한 열처리도 하지 않은 상태에서 기계적 성질에 미치는 Mn 첨가의 효과를 극대화하여 장·대형의 압출재에 대하여 압출후 열처리 공정을 생략할 수 있도록 압출전 가열 공정을 최적의 균질화 열처리 조건으로 한정하는 데 그 특징이 있다.
본 발명의 합금 성분 조성 및 균질화 열처리 조건을 한정하는 이유는 다음과 같다.
Mg 와 Si는 A1-Mg-Si 계 알루미늄 합금에서 주 강화 원소로 작용하는 데, Mg 대 Si의 비 및 Mg + Si 량에 따라서 기계적 성질의 차이가 클 뿐만 아니라 주로 Mg 와 Si의 비가 1.73 보다 높게 Si가 첨가될 경우 강도의 향상을 이룰 수 있다.
따라서 Mg 와 Si의 함량비가 1.73에서 Si가 0.4중량% 정도 과잉으로 첨가되면 압출전 균일화 열처리 조건에서 Mg2Si의 최대 고용량을 넘지 않는 범위에서 선택 되어져야 조대한 평형 석출물의 형성이 억제될 수 있을 것이다. 따라서, Mg은 0.5 - 1.0 중량%, Si는 0.6 - 1.2 중량% 첨가된다.
Mn은 기존 사용 합금의 주 강화 원소인 Mg 와 Si의 강화 효과를 보충하기 위하여 첨가된 것으로, Mg 와 Si의 석출물로 얻어지는 강도 효과에 부수적으로 더 높은 강도를 얻기 위하여 0.8 - 2.1 중량% 첨가하여 Mn 분산 입자를 생성한다.
특히, Mn은 본 발명의 합금 원소 중에서 가장 핵심적인 성분으로서 합금 조직 내에서 0.1-0.4㎛ 크기의 미세한 분산 입자를 생성하여 전위(Dislocation)의 이동을 방해하는 역할을 함으로써 합금의 강도를 증가시키는 한편, Mn 분산 입자는 전위와 상호 작용하여 슬립 밴드(Slip Band)의 분포를 균질화함으로써 연신율의 감소를 방지하는 작용을 하기 때문에 고온에서 균질화 처리시 Mn 분산상을 생성시킨후 압출을 실시하면 이들 분산 입자가 압출품의 기계적 성질을 우수하게 향상시키기 때문에 압출재의 시효 경화 열처리를 배제시키는 주요 원소이다.
Zr은 알루미늄 합금에서 재결정 억제와 결정립 미세화에 강한 효과를 나타내는 원소이며, 또한, Mn과 마찬가지로 미세한 Zr 분산입자를 생성하며, 특히, Si와 함께 존재시 더욱 미세한 분산입자를 형성한다. 따라서 Mn 분산입자의 효과와 더불어 Zr 분산입자의 강화를 위해서 0.1 - 0.3중량 % 첨가된다.
Cu는 A1 기지(Matrix)중에 상당량 고용되는 원소로서 Mg 등의 다른 첨가원소와 화합물을 형성하지 않는 범위에서 고용강화 효과를 발생하기 위하여 첨가되어 인성의 향상을 꾀하였다. 따라서 0.3 - 0.8 중량% 첨가한다.
Zn은 Cu와 더불어 부식저항성의 손실없이 강도를 향상시키기 위해서 0.1 - 0.5 중량% 첨가한다.
Cr은 주조 상태에서 과포화 고용 상태로 존재하며 적절한 열처리에 의해 금속간 화합물을 형성함으로써 고온 가공후의 재결정을 억제하여 기계적 성질의 향상을 도모하는 것으로 0.1 - 0.5중량% 첨가한다.
Ti은 A1 기지중에 거의 고용되지 않으며 A1 과는 A13Ti의 고융점(1340℃)의 금속간 화합물을 형성시켜서 고온 기계적 성질을 어느 정도 유지시키는 것으로 0.12 중량% 이하의 미량을 첨가한다.
본발명에서는 상기 성분 조성의 알루미늄합금을 빌렛으로 제조후 10-20℃/sec의 속도로 조절하여 냉각하는데, 이는 주조 빌렛에 형성된 Mn의 편석을 방지하고 Mn 분산상의 핵을 미세하고 균일하게 분포시키기 위함이다.
그리고 압출전 최적의 Mn 분산상의 크기와 분포를 얻기 위하여 균질화 열처리를 550-570℃에서 8-12시간 행하는데, 이러한 온도 및 시간 범위로 한정하는 이유는 압출전 주괴는 소형이므로 비교적 작은 열처리로에서 다양한 열처리가 가능하기 때문에 압출전에 필수적으로 필요한 주괴에 균질화 열처리를 행함과 동시에 이 발명에서 가장 중요한 요인인 Mn 분산상을 생성 성장시키기 위함이다.
이렇게 제조된 합금을 이용하여 압출한 제품이 가장 우수한 기계적 성질을 얻는 것으로 실험 결과 나타났다. 따라서 압출전에 550-570℃에서 8-12시간 균질화 열처리를 행한다.
이하에서는 실시예와 관련하여 본발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
표 1과 같은 조성을 갖는 본 발명 시편과 상용 A16N01의 비교용 시편을 제조하여 압출전 550-570℃에서 8-12시간 동안 균질화 열처리만 실시하고, 압출후에는 어떠한 열처리도 하지 않은 시료(A)와, 또한 압출후 시효 처리의 효과를 확인하기 위하여 압출후 530℃에서 1-2시간 용체화 처리를 실시한 후 수중에 급냉시킨 다음 170-180℃ 8-12시간 동안 시효 처리를 행한 2 종류의 시료(B)를 제조하였다.
압출전 Mn 분산상을 생성시키기 위한 균질화 열처리만 실시하고 압출후에는 어떠한 열처리도 하지 않은 상태(as extruded)의 시편(A)의 기계적 성질과 시효처리를 거친 시편(T6재)(B)의 기계적 성질이 표 2에 나타나 있다.
위의 표 2에 나타난 바와 같이, Mn 이 0.8중량% 이상 첨가된 본 발명의 실시예의 시편(발명재)이 종래의 압출용 알루미늄 합금인 A16N01(비교재)에 비하여 동일한 연신율을 보이면서도 항복강도 및 인장강도에 있어서 월등히 우수한 것으로 나타났으며, 압출후 시효처리를 행하였을 경우도 기존의 상용 조성의 A16N01 합금에 비하여 우수한 인장특성을 보이고 있다.
이는 합금 조직 내의 미세한 Mn 분산상을 가공전 균질화 처리 과정에서 최적으로 분포시킴으로써 압출성 뿐만아니라 상용 A16N01 보다 월등한 강도 향상 및 연신율이 증가를 이루는 것이 가능하여 압출후 별도의 열처리를 행하지 않아도 구조재로서 사용이 가능함을 의미하는 것이다.
이상 설명한 바를 종합하면, 본 발명의 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 압출재는 압출후 어떠한 열처리도 하지 않는(as-extruded) 상태에서 종래의 A16N01 합금에 비해 향상된 기계적 성질을 보여 주었으며, 이는 실제 공업적인 면에서 상당히 중요한 것으로 제품 가공후 시효처리에 의해서만 강도 향상을 이룰 수 있었던 기존 합금과는 달리, 장·대형의 구조용재에 대해서 열처리의 한계를 극복할 수 있다는 큰 장점을 갖고 있으며, 또한, 열처리가 가능한 소형의 제품에 대해서도 가능한 열처리를 통해 기존의 상용 열처리형 합금 보다도 우수한 기계적 성질의 향상을 이룰 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면 종래의 A1-Mg-Si계 알루미늄 합금이 가지고 있는 우수한 압출성, 내식성, 가공성 등을 유지하면서 강도에 있어서 열처리형 합금의 수준까지 향상됨에 따라 차량의 구조용 재료, 건축재료로 사용할 때에는 중량감소로 인한 연료 및 재료 절감을 기대할 수 있음은 물론, 용접성, 깨끗한 표면, 가공성이 요구되는 산업 분야에 구조용 재료로 널리 이용될 수 있으며, 열처리가 곤란한 장·대형의 압출 제품은 물론 열처리가 가능한 소형의 제품에 대해서도 기존 상용 조성의 합금을 대체할 수 있는 효과가 얻어진다.

Claims (1)

  1. 중량 %로, Mg:0.5 - 1.0%, Si:0.6 - 1.2%, Mn:0.8 - 2.1%, Zr:0.1 - 0.3%, Cu:0.6 - 0.8%, Zn:0.1 - 0.5%, Cr:0.1 - 0.5%, Ti:0.11%이하, 잔부 A1을 함유하여 이루어지는 알루미늄 합금을 550 - 570 ℃ 의 온도에서 8-12 시간 동안 균질화 열처리를 행한 부, 소정의 형상으로 압출하는 것을 특징으로 하는 비열처리형 구조재용 알루미늄 합금 압출재의 제조방법.
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