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KR20180097509A - 고강도 알루미늄-계 합금 및 그로부터 물품을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

고강도 알루미늄-계 합금 및 그로부터 물품을 생산하기 위한 방법 Download PDF

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KR20180097509A
KR20180097509A KR1020187012055A KR20187012055A KR20180097509A KR 20180097509 A KR20180097509 A KR 20180097509A KR 1020187012055 A KR1020187012055 A KR 1020187012055A KR 20187012055 A KR20187012055 A KR 20187012055A KR 20180097509 A KR20180097509 A KR 20180097509A
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알렉산더 니콜라예비치 알라빈
안톤 발레리예비치 프롤로브
알렉산더 올레고비치 구세프
알렉산더 유리예비치 크로킨
니콜라이 알렉산드로비치 벨로프
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오브쉬체스트보 에스 오그라니첸노이 오트벳스트베노스트유 “오베디넨나야 꼼파니야 루살 인제네르노-테크놀로지체스키 첸트르”
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Abstract

본 발명은, 하중 하에서 동작 가능한 중요 설계에서 사용되는 물품의 생산을 위해서, 그리고, 운송 분야, 스포츠 산업 및 스포츠 장비에서, 전자 장치의 주조품 생산을 위해서, 그리고 다른 공학적 산업 및 산업 부문에서 사용될 수 있는, 알루미늄계 고강도 주조 및 단조 합금의 금속 분야에 관한 것이다. 기술적 결과는, 시효 경화의 프로세스에서 이차적인 상의 형성에 의해서 유발되는 석출 경화로 인해서 합금으로 생산되는 물품의 기계적 특성을 향상시키는 한편, 잉곳 및 주조품을 주조하는 동안 높은 가공성을 제공하는 것을 목표로 한다. 청구된 알루미늄계 고강도 합금은 이하의 중량% 비율: 아연 3.8 내지 7.4; 마그네슘 1.2 내지 2.6; 니켈 0.5 내지 2.5; 철 0.3 내지 1.0; 구리 0.001 내지 0.25; 지르코늄 0.05 내지 0.2; 티타늄 0.01 내지 0.05; 스칸듐 0.05 내지 0.10; 크롬 0.04 내지 0.15; 그리고 나머지 알루미늄으로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 추가적으로, 티타늄, 스칸듐, 및 크롬을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하며, 철 및 니켈은, 공정 변태로부터 기원하고 적어도 2 부피%의 부피 백분율을 나타내는, Al9FeNi 상의 알루미나이드를 유리하게 형성된다.

Description

고강도 알루미늄-계 합금 및 그로부터 물품을 생산하기 위한 방법
본 발명은, 알루미늄을 기초로 하고 하중 하에서 동작 가능한 중요 설계(mission-critical design)에서 사용되는 물품의 생산을 위해서 이용될 수 있는, 고강도 주조 및 단조 합금의 금속 분야에 관한 것이다. 청구된 발명은, 주조 바퀴 테를 포함하는 자동차 구성요소, 철도 운송용 부품, 비행기, 헬리콥터 및 유도탄용 구성요소와 같은 항공기 부품의 생산을 포함하는, 운송 분야에서, 예를 들어 자전거, 스쿠터, 훈련 장비의 제조를 위한 스포츠 산업 및 스포츠 장비에서, 전자 장치의 주조물 제조를 위해서, 그리고 공학 및 산업적 관리의 다른 부문에서 이용될 수 있다.
(Al-Si 시스템을 기초로 하는) 실루민(silumin)은 가장 대중적인 주조 합금이다. 이러한 시스템의 합금의 강도를 개선하기 위한 주요 도핑 원소로서, 구리 및 마그네슘이 (전형적으로 А354 및 А356 계열의 합금을 위해서) 이용된다. 이러한 합금은 일반적으로, 성형된 주조품을 획득하기 위한 통상적인 방법에서 이용될 때 이러한 재료에 대한 절대적인 최대값인, (А356 및 А354 계열의 합금 각각에 대한) 약 300 및 380 MPa 미만의 강도 레벨을 나타낸다.
АМ5 계열의 상업적 알루미늄 주조 합금(σ=400 내지 450 MPa)은 Al-Cu-Mn 시스템에 속한다(Alieva S. G., Altman M. B., Ambartsumyan S. M. et al. Promyshlennye alyuminievye splavy (Industrial alluminum alloys). /Reference book./ Moscow, Metallurgiya, 1984. 528 p.). 그러한 합금의 주요 단점은, 무엇보다도, 성형된 주조품의 생산 및 영구적인 몰드 주조에서 많은 문제를 일으키는 양호하지 못한 주조 특성으로 인한, 비교적 낮은 주조 성능을 포함한다.
고강도 단조 합금들 중에서, 특히 주목할만한 것은, 큰 기계적 성질을 가지고, 특히 열처리 조건 번호 T6(Aluminum. Properties and Physical Metallurgy, Ed. J. Hatch, 1984) 하에서 단조 반제품 물품에 대해서 σ=600 MPa 가 성취될 수 있는 Al-Zn-Mg-Cu 시스템의 합금이다. 단조 반제품 물품, 예를 들어 7xxx 합금으로부터 프레스된 물품의 생산을 위한 주요 방법은: 용융체를 준비하는 단계, 잉곳을 주조하는 단계, 잉곳을 균질화하는 단계, 변형 프로세스 단계, 및 (예를 들어, 합금 조성 및 희망하는 기계적 성질을 위한 요건을 기초로 조건이 선택될 필요가 있는, 열처리 조건 번호 T6 하에서) 강화 열처리하는 단계를 실시하는 것을 포함한다. 고강도 단조 합금 및 그로부터 단조 반제품 물품을 생산하기 위한 방법의 주요 단점은, 무엇보다도, 주조 파단을 생성하는 높은 경향으로 인한 편평한 잉곳 및 원통형인 잉곳의 열등한 주조 특성, 열등한 아르곤-아크 용접 특성, 및 철 및 규소 함량과 관련한 기본(primary) 알루미늄 순도에 대한 높은 요구사항(철 및 규소가 그러한 합금 내에서 유해한 불순물이기 때문이다)을 포함한다.
특허 Alcoa Int.의 EP 1885898 B1(13.02.2008, 2008/07 허여)에서 개시된 우주항공 및 자동차 산업에서 이용하기 위한 주조품을 위한 Al-Zn-Mg-Cu-Sc 시스템의 고강도 합금이 공지되어 있다. 4 내지 9% Zn; 1 내지 4% Mg; 1 내지 2.5% Cu; <0.1% Si; <0.12% Fe; <0.5% Mn; 0.01-0.05% B; <0.15% Ti; 0.05 내지 0.2% Zr; 0.1 내지 0.5% Sc를 포함하는 합금이 이하의 주조 방법: 저압 주조, 중력 다이 주조, 압전결정화(piezocrystallization) 주조 및 기타를 이용하여 (А356 합금에서보다 100% 더 큰) 강도 성질을 가지는 주조품의 생산을 위해서 이용될 수 있다. 이러한 발명의 단점 중에서, (합금 조직이 실질적으로 알루미늄 용액(solution)일 때) 화학적 조성에서 공정(eutectic) 형성 원소의 결여, 그에 따른, 비교적 복잡한 성형된 주조품의 생산 방해에 특히 주목하여야 한다. 또한, 합금의 화학적 조성은, 비교적 순수한 기본 알루미늄 등급의 사용을 필요로 하는 제한된 양의 철뿐만 아니라, (예를 들어, 낮은 냉각 속도로 인해서 모래 주조의 경우에) 종종 불합리할 수 있는 스칸듐을 포함하는 적은 전이 금속들의 첨가제들의 조합의 존재를 포함한다.
프레스되고, 스탬핑되며, 압연되는 반제품 물품의 생산을 위한 다른 공지된 Al-Zn-Mg-Cu 시스템의 고강도 합금 및 방법이 공개 US 20050058568 A1 Pechiney(17.03.2005 공개)에 개시되어 있다. 제안된 알루미늄 합금은 이하의 화학적 조성: 6.7 내지 7.5% Zn, 2.0 내지 2.8% Cu, 1.6 내지 2.2% Mg 및 부가적으로, 0.08 내지 0.2% Zr, 0.05 내지 0.25% Cr, 0.01 내지 0.5% Sc, 0.05 내지 0.2 Hf, 0.02 내지 0.2 V, 및 Si+Fe < 0.2%의 군으로부터의 적어도 하나의 원소를 갖는다. 이러한 재료를 이용하여 제조된 단조 반제품 물품은 큰 기계적 성질 및 내파단성의 조합을 제공한다. 이러한 합금은, 무엇보다도, 아르곤-아크 용접의 이용을 불가능하게 하는 연장된 결정화 기간(extended crystallization interval)에 의해서 유발되는 주조 잉곳 내의 높은 고온 균열 경향 그리고 철 및 규소 함량에 대한 낮은 제한 한계를 포함하는 단점을 갖는다.
고강도 합금들 중에서, US 20070039668 А1(22.02.2007 공개)에서 설명된 5 내지 8%Zn-1.5 내지 3%Mg-0.5 내지 2%Cu-Ni를 포함하는 알루미늄-계 재료를 언급할 가치가 있다. 전형적인 7xxx 계열의 합금과 구별되는 이러한 재료의 주요 특징은, 3.5 내지 11 부피%의 양으로 알루미나이드 조직 내에 생성되는 특별한 니켈 상(phase)의 합금 조직이다. 그러한 재료는 (프레싱, 압연에 의해서) 단조 반제품 물품을 생산하기 위해서 그리고 성형된 주조품을 생산하기 위해서 이용될 수 있다. 그러한 재료의 단점에는, 1) 초순도 알루미늄 이용의 필요성, 2) 합금 고상선(solidus)을 감소시키고, 그에 따라 열처리 스테이지에서 특정 크기의 니켈 금속간 상을 획득할 수 있는 능력을 제한하는, 구리 첨가제의 존재가 포함된다.
제안된 발명에 가장 근접한 것은, National University of Science and Technology MISiS RU 2484168C1(10.06.2013, 허여 16)의 특허에서 개시된 고강도 알루미늄-계 합금이다. 이러한 합금은: 5.5 내지 6.5% Zn, 1.7 내지 2.3% Mg, 0.4 내지 0.7% Ni, 0.3 내지 0.7% Fe, 0.02 내지 0.25% Zr, 0.05 내지 0.3% Cu 범위의 도핑 성분의 농도(중량%), 및 Al-기재를 포함한다. 이러한 합금은 450 MPa 이상의 최종 내성(ultimate resistance)을 특징으로 하는 성형된 주조품을 생산하기 위해서, 그리고 500 MPa 이상의 최종 내성을 특징으로 하는 압연된 시트 재료 형태의 단조 반제품 물품을 생산하기 위해서 이용될 수 있다. 이러한 발명의 단점은, 일부 경우에 (주조품 및 잉곳의) 주조 고온-균열의 위험을 감소시키기 위해서 필요한, 알루미늄 용액의 변경이 이루어지지 않고 유지된다는 것이고, 또한, 합금 내의 철의 최대량이, 철-도달 원료(iron-reach raw material)를 이용할 수 있게 하는 0.7% 이하라는 것이다. 이러한 합금으로 제조된 주조품, 잉곳 및 단조 반제품 물품은 450 ℃ 초과로 연속적으로 가열될 수 없는데, 이는 Al3Zr의 지르코늄 상의 이차적인 분리의 조대화(coarsening) 가능성 때문이다.
본 발명은, 성형된 주조품 및 잉곳을 획득하기 위한 큰 기계적 성질 및 높은 성능(특히, 높은 주조 성질)을 특징으로 하는, 1% 까지의 Fe를 포함하는 새로운 고강도 알루미늄 합금을 제공하는 것이다.
본 발명에 의해서 얻어지는 기술적 효과는, 잉곳 및 주조품의 생산을 위한 고성능의 제공으로, 분산 경화를 통해서 강화 상의 이차적인 분리로부터 초래되는 합금으로 제조된 물품의 강도 성질의 향상에 있다.
본 발명의 일 양태에 따라, 그러한 기술 효과는, 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄, 스칸듐, 및 크롬을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금에 의해서 획득될 수 있다:
아연 3.8 내지 7.4
마그네슘 1.2 내지 2.6
니켈 0.5 내지 2.5
철 0.3 내지 1.0
구리 0.001 내지 0.25
지르코늄 0.05 내지 0.2
티타늄 0.01 내지 0.05
스칸듐 0.05 내지 0.10
크롬 0.04 내지 0.15
알루미늄 나머지,
여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율(volume fraction)이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상(eutectic phase)의 알루미나이드를 생성한다.
본 발명의 일부 바람직한 실시예에 따라, 이하의 요건이, 별개로, 또는 조합되어 충족되어야 한다:
- 지르코늄 및 티타늄의 총량이 0.25 중량% 이하이고,
- 지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐의 총량이 0.25 중량% 이하이며,
- 지르코늄 및 스칸듐의 총량이 0.25 중량% 이하이고,
- 지르코늄, 티타늄, 및 크롬의 총량이 0.20 중량% 이하이고,
- 비율 Ni/Fe ≥1 이 존재하며,
- 철 및 니켈은 입자 크기가 2 ㎛ 이하인 공정 알루미나이드를 생성하고,
- 고강도 합금은 불활성 애노드를 이용하여 전해적으로 생산된 알루미늄을 포함할 수 있고,
- 지르코늄 및 티타늄은 실질적으로 20 nm 이하의 입자 크기 및 L12 결정 격자를 가지는 이차적인 분리의 형태이고,
- 조건 Zn/Mg > 2.7 이 충족된다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 따라, 그러한 기술 효과는, 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄 및 크롬을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금에 의해서 획득될 수 있다:
아연 5.7 내지 7.2
마그네슘 1.9 내지 2.4
니켈 0.6 내지 1.5
철 0.3 내지 0.8
구리 0.15 내지 0.25
지르코늄 0.11 내지 0.14
티타늄 0.01 내지 0.05
크롬 0.04 내지 0.15
알루미늄 나머지,
여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상의 알루미나이드를 생성하고, 지르코늄 및 티타늄의 총량은 0.25 중량% 이하이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따라, 그러한 기술 효과는, 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄 및 스칸듐을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금에 의해서 획득될 수 있다:
아연 5.5 내지 6.2
마그네슘 1.8 내지 2.4
철 0.3 내지 0.6
구리 0.01 내지 0.25
니켈 0.6 내지 1.5
지르코늄 0.11 내지 0.15
티타늄 0.02 내지 0.05
스칸듐 0.05 내지 0.10
알루미늄 나머지,
여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상의 알루미나이드를 생성한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐의 총량은 0.25 중량% 이하이다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 그러한 합금은 주조품 또는 다른 반제품 또는 물품의 형태일 수 있다. 하나의 바람직한 실시예에 따라, 그러한 합금으로 제조된 물품은 단조 물품일 수 있다. 이러한 단조 물품은 압연된 제품(시트 또는 판)의 형태, 펀칭되고 프레스된 프로파일로 생산될 수 있다. 바람직한 실시예에 따라, 물품은 주조품의 형태로 만들어질 수 있다.
다른 양태에 따라, 본 발명은 고강도 합금으로 제조된 단조 물품의 생산 방법을 제공하고, 그러한 방법은: 용융체를 준비하는 단계, 용융체 결정화에 의해서 잉곳을 생산하는 단계, 잉곳을 균질화 어닐링하는 단계, 균질화된 잉곳의 가공에 의해서 단조 물품을 생산하는 단계, 단조 물품을 가열하는 단계, 경화를 위해서 단조 물품을 미리 결정된 온도에서 유지하고 단조 물품을 물 경화(water hardening)하는 단계, 단조 물품을 시효처리(aging)하는 단계를 포함하고, 균질화 어닐링하는 단계는 560 ℃ 이하의 온도에서 실시되고, 단조 물품은 380 내지 450 ℃ 범위의 온도에서 경화를 위해 유지되고, 그리고 단조 물품은 170 ℃ 이하의 온도에서 시효처리된다.
일부 바람직한 실시예에 따라, 단조 물품은 이하와 같이 시효처리될 수 있다:
- 적어도 2개의 단계: 90 내지 130 ℃의 온도에서의 제1 단계, 및 170 ℃이하의 온도에서의 제2 단계로;
- 적어도 72 시간 동안 상온에서 유지하는 것.
다른 양태에 따라, 본 발명은 고강도 합금으로부터 주조품을 생산하기 위한 방법을 제공하고, 그러한 방법은: 용융체를 준비하는 단계, 주조품을 생산하는 단계, 주조품을 가열하는 단계, 주조품을 경화하기 위해 미리 결정된 온도에서 유지하는 단계, 주조품을 물 경화시키는 단계, 및 주조품을 시효처리하는 단계를 포함하고, 주조품은 380 내지 560 ℃의 온도에서 경화를 위해서 유지되고, 주조품은 170 ℃ 이하의 온도에서 시효처리된다.
일부 바람직한 실시예에 따라, 주조품은 이하와 같이 시효처리될 수 있다:
- 적어도 2개의 단계: 90 내지 130 ℃의 온도에서의 제1 단계, 및 170 ℃이하의 온도에서의 제2 단계로;
- 적어도 72 시간 동안 상온에서 유지하는 것.
도 1a는 주조 기술: 저압 주조, 중력 주조, 압전결정화 주조에 의한 전형적인 금속 몰드 주조품인 균질화된 잉곳의 조직을 도시한다.
도 1b는, 기계적 성질을 저하시키는 조대한 공정 성분이 존재하는, 데드-몰드 주조(dead-mold casting)에 대한 전형적인 조직을 도시한다.
도 2는 균질화된 잉곳을 400 ℃의 초기 잉곳 온도에서 가공하는 것에 의해서 생산된 합금으로 제조된 6х55 mm의 횡단면을 가지는 스트립을 도시한다.
도 3은, 제1 조성이 А356.2 합금에 상응하는 큰 유동성을 갖는다는 것(표 8)을 증명하는, 조성 #6(표 1)의 청구된 합금 및 А356.2로 제조된 나선형 시편의 주조품을 도시한다.
청구된 범위의 도핑 원소는 주조품 및 가공 처리의 큰 기계적 성질 및 성능을 달성할 수 있게 한다. 이를 위해서, 고강도 알루미늄 합금의 조직은 이하와 같아야 한다: 2% 이상의 부피 분율 및 2 ㎛ 이하의 평균 횡방향 치수를 가지는 공정 성분 및 강화제의 상의 이차적인 분리로 강화된 알루미늄 용액. 공정 성분의 양은, 잉곳 및 주조품을 획득하기 위한 희망 성능을 보장한다.
합금 내의 미리 결정된 조직의 성취를 제공하는 도핑 성분의 청구된 양은 이하에 의해서 지지된다:
아연, 마그네슘, 및 구리의 청구된 양은 분산 경화를 통해서 강화 상의 이차적인 분리를 생성하는데 필요하다. 낮은 농도에서, 그러한 양은 희망 레벨의 강도 성질을 달성하는데 있어서 불충분할 것이고, 그보다 많은 양에서, 주조 및 가공 성능뿐만 아니라, 상대적인 연신(elongation)이 요구되는 레벨 미만으로 감소될 수 있다.
철 및 니켈의 청구된 양은, 높은 주조 성능을 담당하는 공정 성분을 조직 내에 생성하는데 필요하다. 높은 철 및 니켈 농도에서, 상응하는 일차적인 결정 상이 조직 내에 생성되어, 기계적 성질을 심각하게 저하시킬 가능성이 있다. 공정 형성 원소(철 및 니켈)의 함량이 적을 때, 주조품 내의 고온 균열의 위험이 높다.
지르코늄, 스칸듐, 및 크롬의 청구된 양은, 평균 크기가 각각 10 내지 20 nm 및 20 내지 50 nm인, L12 격자를 가지는 Al3Zr 및/또는 Al3(Zr,Sc) 그리고 Al7Cr의 이차적인 상을 생성하는데 필요하다. 낮은 농도에서, 입자의 수는 주조품 및 단조 반제품 물품의 강도 성질을 증가시키는데 있어서 더 이상 충분하지 않을 것이고, 많은 양에서, 주조품 및 단조 반제품 물품의 기계적 성질에 부정적인 영향을 미치는 일차적인 결정을 형성할 위험이 있다.
티타늄의 청구된 양은 경질 알루미늄 용액을 변경하는데 필요하다. 또한, 티타늄은, 강도 성질에 유리한, (지르코늄 및 스칸듐의 조합된 도입에서) L12 격자를 가지는 이차적인 상을 생성하기 위해서 이용될 수 있다. 만약 티타늄 함량이 권장 함량보다 적다면, 주조품 내의 고온 균열 위험이 있다. 많은 함량은, 기계적 성질을 저하시키는, 조직 내의 Ti-포함 상의 일차적인 결정의 생성 위험을 발생시킨다.
0.25 중량% 이하인 지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐의 총량에 관한 본 발명에 따른 제한은, 기계적 특성을 저하시킬 수 있는 그러한 원소를 포함하는 일차적인 결정의 성장 위험을 기반으로 한다.
실시예의 예
예 1
도핑 원소가 요구되는 조직을 생성할 수 있고 결과적으로 요구되는 기계적 성질을 제공할 수 있는 농도 범위를 유지하기 위해서, 실험실 환경에서 직경이 40 mm인 원통형 잉곳 형태의 13개의 합금(화학적 조성은 표 1에 기재되어 있다)이 생산되었다. 합금은 저항 퍼니스(furnace) 내의 그라파이트 도가니 내에서 순수 금속 및 마스터(master)(중량%)로부터, 특히 불활성 애노드 기술을 이용하여 얻어진 알루미늄(99.7)을 포함하는 알루미늄(99.95), 아연 (99.9), 마그네슘 (99.9) 및 마스터 Al 내지 20Ni, Al 내지 5Ti, Al 내지 10Cr, Al 내지 2Sc 및 Al 내지 10Zr로부터 생산되었다.
실험 합금의 조성
번호 합금 내의 농도, 중량%
Zn Mg Ni Fe Cu Zr Sc Ti Cr Al
1 3.5 1.0 0.3 0.2 <0.001 0.01 0.01 0.01 <0.001 나머지
2 3.8 1.2 2.5 0.3 0.01 0.15 0.1 <0.001 0.10 나머지
3 5.2 2.0 0.5 0.4 0.25 0.2 <0.001 0.02 <0.001 나머지
4 5.9 1.8 0.8 0.6 0.01 0.12 0.05 0.05 <0.001 나머지
5 6.1 2.1 1.5 0.8 0.15 0.11 0.05 0.03 0.1 나머지
6 6.2 2.0 0.9 0.8 0.01 0.14 <0.001 0.02 0.04 나머지
7 6.3 2.1 0.6 0.3 0.25 0.14 0.1 <0.001 <0.001 나머지
8 6.3 2.1 0.55 0.45 0.001 0.11 <0.001 0.015 <0.001 나머지
9 6.5 2.4 1.0 1.0 0.05 0.11 <0.001 <0.001 0.12 나머지
10 7.4 2.6 0.7 0.3 0.001 0.14 <0.001 <0.001 0.15 나머지
11 7.5 2.8 2.3 1.1 0.4 0.08 <0.001 0.08 0.15 나머지
12 6.3 2.0 0.8 1.0 0.001 0.11 <0.001 0.015 0.11 나머지
13 6.4 1.9 0.5 0.4 0.001 0.20 0.10 0.05 0.15 나머지
열처리 조건 번호 T6(물 경화 및 시효처리) 하에서 최대 강도와 관련한 열처리 이후에 경도(HB)가 어떻게 변화되는지를 기초로 하는 실험 합금의 경도의 정도가 Brinell 스케일(scale)에 따른 경도 값에 의해 평가되었다. 조직 매개변수, 특히, 일차적인 결정의 존재가 금속조직학적으로 평가되었다. 경도(HB) 변화 및 조직 분석의 결과뿐만 아니라, 양을 표 2에 기재하였다.
표 2로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 요구되는 조직 매개변수 및 분산 경화의 효과는, 조성 1 및 11 내지 13을 제외하고, 청구된 합금(조성 2 내지 10)에 의해서만 제공되었다. 예를 들어, 조성 1을 가지는 합금은 낮은 경화 경향을 가지고, 그 경도 값은 81 HB 이다. 합금 번호 11의 조직은 횡방향 치수가 3 ㎛ 초과인 Al3Fe 상의 조대한 침상형 입자를 포함하였고, 이러한 일차적인 결정의 추정된 양은 0.18 부피%였다. 합금 번호 12의 조직은, 수용할 수 없는, 공정 특성을 가지는 Al3Fe의 침상형 입자를 포함하였다. Zr, Sc, 및 Ti의 총량이 0.35%였던 합금 번호 13의 조직은 이러한 전이 금속의 일차적인 결정을 포함하였다. 두 가지 유형 모두의 입자의 존재는 수용될 수 없으며, 일부 물품에서, 그러한 입자는 기계적 특성을 저하시킬 것이고, 또한 이러한 원소는 유리한 효과를 제공하지 않을 것이다.
실험 합금의 경도 및 조직 매개변수
번호1 HB Fe 및 Ni를 포함하는 상 Qv, 부피%
Fe-공정 Fe-(기타)
1 81 Al9FeNi-공정 1.15 -
2 102 Al9FeNi-공정 6.05 -
3 153 Al9FeNi-공정 2.16 -
4 147 Al9FeNi-공정 3.43 -
5 162 Al9FeNi-공정 5.70 -
6 158 Al9FeNi-공정 4.19 -
7 162 Al9FeNi-공정 2.16
8 155 Al9FeNi-공정 2.42 -
9 168 Al9FeNi-공정 4.96 -
10 188 Al9FeNi-공정 2.42 -
11 185 Al9FeNi-공정, Al3Fe-일차적 8.00 0.18
12 159 Al9FeNi-공정, Al3Fe-공정. 4.13 0.25
13 162 Al9FeNi-공정, (Al,Zr,Sc,Ti)-일차적 2.16 -
1 합금 조성(표 1 참조)
합금 2 내지 10의 조직에서, (Ni/Fe≥1 비율의) 철 및 니켈은, 유리한 형태 및 2 ㎛ 이하의 평균 횡방향 치수 및 2 부피% 초과의 부피 분율을 가지는, (공정 Al+Al9FeNi에 포함된) 공정 상 Al9FeNi의 유리한 알루미나이드를 생성한다.
예 2
조성 8(표 1)을 가지는 본 발명의 합금을 실험실 환경에서 이용하여, 125 mm의 직경 및 1 m의 길이를 가지는 원통형 잉곳을 생산하였다. 다음에, 잉곳은 540 ℃의 온도에서 균질화되었다. 균질화된 잉곳의 조직이 도 1에 도시되어 있다. 균질화된 잉곳을 400 ℃의 잉곳의 초기 온도에서 상업 설비 LLC "KraMZ" 상에서 6х55 mm의 횡단면을 가지는 스트립(도 2)으로 가공하였다. 단조 반제품 물품은 450 ℃의 온도로부터 물 경화되었다. 상온(자연 시호) - 열처리 조건 번호 T4, 및 160 ℃ - 열처리 조건 번호 T6에서, 프레스된 반제품 물품을 시효처리하였다. 프레스된 스트립의 인장 기계적 성질의 결과를 표 3에 기재하였다.
프레스된 스트립의 기계적 성질
번호1 시효 조건 σ, MPa σ0.2, MPa δ, %
8 T4 348 229 19.2
T6 486 452 14.4
1 합금 조성 3(표 1 참조)
예 3
조성 2, 4, 6, 8, 10 (표 1)의 본 발명에 따른 합금을 실험실 환경에서 이용하여 횡단면이 120х40 mm인 편평한 잉곳을 생산하였다. 다음에, 잉곳을 균질화하였다. 균질화된 잉곳을 450 ℃의 초기 온도에서 5 mm 두께의 시트로 열간 압연하였고 이어서 1 mm의 두께를 가지는 시트로 냉간 압연하였다. 압연된 시트는 450 ℃의 온도로부터 물 경화되었다. 시트를 160 ℃의 온도에서 시효처리하였다(조건 T6). 시트의 인장 기계적 성질의 결과를 표 4에 기재하였다. 청구된 범위를 벗어나는 합금 번호 11의 조성은 열등한 가공 성능을 가졌다(가공 스테이지에서, 시편이 파괴되었다).
조건 번호 T6 하의 시트의 기계적 성질
번호1 σ0.2, MPa σ, MPa δ, %
2 410 360 14.5
4 489 531 7.4
6 471 511 8.5
8 462 498 8.1
10 508 544 7.1
11 압연 균열
1 합금 조성(표 1 참조)
예 4
예로서 조성 4(표 1)을 가지는 본 발명에 따른 합금을 이용할 때, 상온에서의 자연 시효(조건 번호 Т4)의 지속시간은 경도(HB)의 변화를 기초로 선택되었다. 경화된 시트의 경도 측정의 결과를 표 5에 기재하였다. 표 5에서 확인될 수 있는 바와 같이, 경도 증가가 24 시간 이후에 감소되기 시작하였고, 72 시간의 유지 이후에, 최대 값들 사이의 간극이 3% 이하였다.
자연 시효(조건 번호 T4)에서의 경도 변화
경화 이후의 시간, 시 1 3 8 24 72 240
HB 86 90 108 125 135 139
예 5
합금 농도의 청구된 범위 내의 균질화 및 경화를 위해서 선택된 조건을 유지하기 위해서, 표 1에 기재된 실험 조성의 고상선 및 용해도 곡선(solvus)의 임계 온도가 계산되었다. 표 6은 계산 결과를 보여준다.
실험 합금의 고상선 및 용해도 곡선 온도
번호1 Tsol, ℃ Tss, ℃
2 610 328
3 587 386
4 595 379
5 580 403
6 590 392
7 579 401
8 588 394
9 575 412
10 568 422
11 537 455
1 표 참조, Тsol - 고상선 온도; Тss - 용해도 곡선 온도
표 6으로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 도핑 원소 농도의 청구된 범위에 대한 잉곳 균질화의 스테이지에서 얻어진 가장 높은 가능한 가열 온도는 각각 568 내지 610 ℃의 범위이다. 실험 합금의 과포화된 경질 알루미늄 용액을 획득하기 위한 물 경화는, 도핑 원소 농도의 범위에 따라, 328 ℃ 및 422 ℃ 초과의 가열 온도에서 실시될 수 있다. 537 ℃ 초과의 가열 온도에서 조성 번호 9로부터 생산된 물품이 용융될 것이고, 이는 비회복적이다(nonrecoverable).
예 6
기계적 성질에 미치는 냉각속도의 효과는, 길이가 직경의 5배이고 GOST 1593에 따라 "봉재" 주조품으로부터 절단된 터닝된(turned) 원통형 시편을 이용하여, 기계적 성질의 값(σ - 인장 강도, MPa, σ0.2 - 항복점, MPa, δ - 비연신(specific elongation), %)을 기초로 평가되었다. 이를 위해서, 시편은 데드 몰드 및 금속 몰드 내에서 주조되었다. 기계적 성질들은, 최적의 기계적 성질(표 7)을 제공하였던 조건 번호 Т6 하에서 비교되었다.
번호1 몰드 재료 d, ㎛ σ, MPa σ0 .2, MPa δ, %
6 금속 몰드 1.8 496 441 6.4
데드 몰드 4.5 297 - <0.1
1 합금 조성(표 1 참조)
비교 결과로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 1.8 ㎛의 공정 성분의 평균 크기를 가지는 희망 조직의 형성이 기계적 성질들 사이의 차이를 유발하였다. 또한, 도 1a에 도시된 이러한 조직은 전형적으로 이하의 프로세스: 저온 주조, 중력 주조, 압전결정화 주조에 의해서 실시된 금속 몰드 주조에서 전형적인 것이다. 데드-몰드 주조 조직(도 1b)은 기계적 성질에 부정적인 영향을 미치는 조대한 공정 성분을 가질 것이다.
예 7
주조 몰드 충진의 성능은 "나선형" 시편에서의 유동성에 대해서 평가되었다. 조성 6(표 1)의 청구된 합금 및 А356.2로 제조된 도 3에 도시된 나선형 주조품은, 제1 조성이 매우 큰 유동성을 가지고 합금 А356.2에 상응한다는 것을 나타낸다(표 8).
번호 봉재 길이, mm
61 525
A356.2 585
1 합금 조성(표 1 참조)
예 8
아르곤-아크 용접에 의해서 생산된 용접 접합부에 대한 청구된 합금의 성능은 조성 14 및 15를 이용하여 평가되었다(표 9). 이를 위해서, 예 3의 프로세스를 이용하여 시트를 생산하였고, 이어서 용접되고 조건 번호 T6 하에서 열처리되었다. 용접 접합 실험의 결과.
실험 합금의 조성
번호 합금 내의 농도, 중량%
Zn Mg Ni Fe Cu Zr Sc Ti Cr Al
14 5.7 1.9 1.5 0.8 0.15 0.11 <0.001 0.05 0.08 나머지
15 6.5 2.4 0.6 0.3 0.25 0.14 <0.001 0.01 0.15 나머지
조건 번호 T6 하의 시트의 기계적 성질
번호1 σ0 .2, MPa σ, MPa δ, %
14 무용접(Weldless) 482 501 12.1
용접 접합 471 492 8.5
15 무용접 468 492 8.1
용접 접합 461 481 5.1
1 합금 조성(표 9 참조)
예 9
조성 16 및 17의 합금을 이용하여, GOST 1593에 따라 "봉재" 주조품을 생산하였다. 540 ℃의 온도로부터의 경화 및 상온에서의 72 시간 동안의 자연 시효 이후에 주조품을 테스트하였다.
실험 합금의 조성
번호 합금 내의 농도, 중량%
Zn Mg Ni Fe Cu Zr Sc Ti Cr Al
16 5.5 2.1 1.5 0.3 0.15 0.15 0.08 0.02 <0.001 나머지
17 6.2 2.4 0.6 0.5 0.25 0.11 0.1 0.04 <0.001 나머지
조건 번호 T4 하의 주조품의 기계적 성질
번호 σ0.2, MPa σ, MPa δ, %
16 231 392 15.2
17 243 415 12.3
1 합금 조성(표 11 참조)
예 10
예로서 조성 4(표 1)를 가지는 본 발명에 따른 합금을 이용할 때, 경화 작업 이후에 실시되는 시효처리의 온도는 경도(HB)의 변화를 기초로 선택되었다. 경화된 시트의 경도 측정의 결과를 표 13에 기재하였다. 표 13에서 확인될 수 있는 바와 같이, 상당한 강도 이득이 160 ℃ 이하에서 관찰되었다. 180 ℃에서의 시효처리는 경도를 감소시키는데, 이는 과시효 프로세스 때문이다.
온도 범위 내의 경도 변화
시효 온도, ℃ 120 140 160 180
HB 170 173 181 155

Claims (33)

  1. 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄, 스칸듐, 및 크롬을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 금속을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금이며:
    아연 3.8 내지 7.4
    마그네슘 1.2 내지 2.6
    니켈 0.5 내지 2.5
    철 0.3 내지 1.0
    구리 0.001 내지 0.25
    지르코늄 0.05 내지 0.2
    티타늄 0.01 내지 0.05
    스칸듐 0.05 내지 0.10
    크롬 0.04 내지 0.15
    알루미늄 나머지,
    여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상의 알루미나이드를 생성하는, 합금.
  2. 제1항에 있어서,
    지르코늄 및 티타늄의 총량이 0.25 중량% 이하인, 합금.
  3. 제1항에 있어서,
    지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐의 총량이 0.25 중량% 이하인, 합금.
  4. 제1항에 있어서,
    지르코늄 및 스칸듐의 총량이 0.25 중량% 이하인, 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    지르코늄, 티타늄, 및 크롬의 총량이 0.20 중량% 이하인, 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    비율 Ni/Fe ≥1 이 존재하는, 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    철 및 니켈은 입자 크기가 2 ㎛ 이하인 공정 알루미나이드를 생성하는, 합금.
  8. 제1항에 있어서,
    알루미늄이 불활성 애노드를 이용한 전해에 의해서 생성되는, 합금.
  9. 제1항에 있어서,
    지르코늄 및 티타늄은 실질적으로 20 nm 이하의 입자 크기 및 L12 결정 격자를 가지는 이차적인 분리의 형태인, 합금.
  10. 제1항에 있어서,
    조건 Zn/Mg > 2.7 이 충족되는, 합금.
  11. 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄 및 크롬을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금이며:
    아연 5.7 내지 7.2
    마그네슘 1.9 내지 2.4
    니켈 0.6 내지 1.5
    철 0.3 내지 0.8
    구리 0.15 내지 0.25
    지르코늄 0.11 내지 0.14
    티타늄 0.01 내지 0.05
    크롬 0.04 내지 0.15
    알루미늄 나머지,
    여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상의 알루미나이드를 생성하고, 지르코늄 및 티타늄의 총량은 0.25 중량% 이하인, 합금.
  12. 제1항에 있어서,
    비율 Ni/Fe ≥1 이 존재하는, 합금.
  13. 제11항에 있어서,
    철 및 니켈은 입자 크기가 2 ㎛ 이하인 공정 알루미나이드를 생성하는, 합금.
  14. 제11항에 있어서,
    알루미늄이 불활성 애노드를 이용한 전해에 의해서 생성되는, 합금.
  15. 제11항에 있어서,
    지르코늄 및 티타늄은 실질적으로 20 nm 이하의 입자 크기 및 L12 결정 격자를 가지는 이차적인 분리의 형태인, 합금.
  16. 제11항에 있어서,
    조건 Zn/Mg > 2.7 이 충족되는, 합금.
  17. 이하의 중량% 비율로, 아연, 마그네슘, 니켈, 철, 구리, 및 지르코늄을 포함하고, 그리고 부가적으로, 티타늄 및 스칸듐을 포함하는 고강도 알루미늄-계 합금이며:
    아연 5.5 내지 6.2
    마그네슘 1.8 내지 2.4
    철 0.3 내지 0.6
    구리 0.01 내지 0.25
    니켈 0.6 내지 1.5
    지르코늄 0.11 내지 0.15
    티타늄 0.02 내지 0.05
    스칸듐 0.05 내지 0.10
    알루미늄 나머지,
    여기에서, 철 및 니켈은 바람직하게, 부피 분율이 2 부피% 이상인, Al9FeNi 공정 상의 알루미나이드를 생성하는, 합금.
  18. 제17항에 있어서,
    지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐의 총량이 0.25 중량% 이하인, 합금.
  19. 제1항에 있어서,
    비율 Ni/Fe ≥1 이 존재하는, 합금.
  20. 제17항에 있어서,
    철 및 니켈은 입자 크기가 2 ㎛ 이하인 공정 알루미나이드를 생성하는, 합금.
  21. 제17항에 있어서,
    알루미늄이 불활성 애노드를 이용한 전해에 의해서 생성되는, 합금.
  22. 제17항에 있어서,
    지르코늄, 티타늄, 및 스칸듐은 실질적으로 20 nm 이하의 입자 크기 및 L12 결정 격자를 가지는 이차적인 분리의 형태인, 합금.
  23. 제18항에 있어서,
    조건 Zn/Mg > 2.7 이 충족되는, 합금.
  24. 알루미늄-계 합금으로부터의 물품에 있어서, 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는, 물품.
  25. 제24항에 있어서,
    단조되는 것을 특징으로 하는, 물품.
  26. 제25항에 있어서,
    압연된 시트 및 프레스된 프로파일을 포함하는 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 물품.
  27. 제24항에 있어서,
    주조품의 형태인 것을 특징으로 하는, 물품.
  28. 고강도 합금으로 제조된 단조 물품의 생산 방법이며, 용융체를 준비하는 단계, 용융체 결정화에 의해서 잉곳을 생산하는 단계, 잉곳을 균질화 어닐링하는 단계, 균질화된 잉곳의 가공에 의해서 단조 물품을 생산하는 단계, 단조 물품을 가열하는 단계, 경화를 위해서 단조 물품을 미리 결정된 온도에서 유지하고 단조 물품을 물 경화하는 단계, 단조 물품을 시효처리하는 단계를 포함하고, 합금은 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 합금이며, 잉곳은 560 ℃ 이하의 온도에서의 어닐링에 의해서 균질화되고, 단조 물품은 380 내지 450 ℃ 범위의 온도에서 경화를 위해 유지되고, 그리고 단조 물품은 170 ℃ 이하의 온도에서 시효처리되는, 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    단조 물품이 적어도 2개의 단계: 90 내지 130 ℃의 온도에서의 제1 단계, 및 170 ℃ 이하의 온도에서의 제2 단계에서, 시효처리되는, 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    단조 물품은 적어도 72 시간 동안 상온에서 유지하는 것으로 시효처리되는, 방법.
  31. 고강도 합금으로부터 주조품을 생산하기 위한 방법이며, 용융체를 준비하는 단계, 주조품을 생산하는 단계, 주조품을 가열하는 단계, 주조품을 경화하기 위해 미리 결정된 온도에서 유지하는 단계, 주조품을 물 경화시키는 단계, 및 주조품을 시효처리하는 단계를 포함하고, 합금은 제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 합금이고, 주조품은 380 내지 560 ℃의 온도에서 경화를 위해서 유지되고, 주조품은 170 ℃ 이하의 온도에서 시효처리되는, 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    주조품이 적어도 2개의 단계: 90 내지 130 ℃의 온도에서의 제1 단계, 및 170 ℃ 이하의 온도에서의 제2 단계에서, 시효처리되는, 방법.
  33. 제28항에 있어서,
    주조품은 적어도 72 시간 동안 상온에서 유지하는 것으로 시효처리되는, 방법.
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