KR101788156B1 - 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 중량% 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법{Aluminum alloy with excellent compression strengths and manufacturing method thereof}
본 발명은 고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄이 공업적으로 생산된 지 100년이 지난 현재 알루미늄은 철강재료 다음으로 많이 사용되는 금속재료이다. 알루미늄은 Cu, Si, Mn, Mg, Zn, Li 등의 첨가원소의 종류와 첨가량에 따라 고강도, 내식성, 가공성 등의 서로 다른 다양한 종류의 합금을 만들 수 있으며, 제조된 합금에 따라서 그 특성이 다양하게 변화한다.
즉, 알루미늄은 밀도가 낮아 소재의 경량화를 이룰 수 있으나 인장강도가 크지 않아 구조체용 소재로 사용이 어려운 반면 알루미늄합금은 낮은 밀도에도 불구하고 다른 원소를 첨가한 후 가공 및 열처리하여 강도를 강하게 할 수 있어 최근 높은 강도를 갖는 경량소재로서 알루미늄합금이 주목 받아왔다.
이러한 알루미늄합금은 성형성, 내부식성 및 비강도가 높아 건축재료, 자동차, 철도차량, 항공기, 우주선, 선박 등으로 사용되고 있으며, 그 외 수송기기의 연료효율 증대와 배기가스에 의한 환경오염 및 지구온난화 억제를 위한 전 세계적인 각종 규제에 대응하기 위한 방안으로 연구되고 있다.
한편, 알루미늄 합금을 각종 기계의 경량화 부품 및 대형 구조물용의 소재로 사용하기 위해서는 기계적 특성을 더욱 향상시킬 필요가 있다.
알루미늄 합금은 크게 주조생산에 적합한 주조용 합금과 압연 및 단조 등의 생산방법에 적합한 가공용 합금으로 나누어진다. 그 중 주조용 합금은 가공에 의한 강화 효과가 없기 때문에 Mg, Cu, Zn등의 석출 강화 원소를 첨가하고 이를 이용하여 미세한 금속간 화합물을 석출시킴으로 강도향상을 도모하고 있다.
이와 관련된 종래의 기술로, 대한민국 공개특허 제2012-0020406호에는 열처리를 하지 않고도 고강도를 유지하면서 주조성이 좋은 알루미늄과 아연 합금을 제공하기 위하여 실리콘(Si) 0.35~0.5중량%, 마그네슘(Mg) 0.55~0.9중량%, 구리(Cu) 2.0~2.1 중량%, 아연(Zn) 19.5~40.5 중량%, 철(Fe) 0.6 중량% max, 망간(Mn) 0.2 중량% max, 니켈(Ni) 0.05 중량% max, 티타늄(Ti) 0.03~0.05 중량%, 기타 불순물 0.05 중량% max 및 잔부 알루미늄으로 이루어지는 합금이 개시된 바 있다.
그러나 상기 알루미늄 합금은 배열엔트로피(configurational entropy of mixing, 이하 엔트로피) 값이 0.7R 이하이며, 최대 인장강도 434MPa 이하로 강도가 낮은 문제가 있다.
또한, X. Yang and X. Zhang et al., JOM, 66(2014) p.2009-2020에서는 Al-Li-Mg기반의 알루미늄 합금이 개시된 바 있으며, 엔트로피 값이 0.78R이며, 약 3 g/cm3 이하의 저밀도 및 500 MPa 이상의 높은 상온 압축강도를 갖는 알루미늄 합금이 개시된 바 있다.
고 엔트로피 합금(high entropy alloy)이란 약 5 내지 35 %의 원자비를 갖는 5종 이상의 합금 원소를 포함한 합금으로, 엔트로피(entropy) 값이 1.5R 이상을 나타내는 합금을 의미한다. 상기 합금은 서로 다른 원소들의 혼합으로 인한 높은 엔트로피, 원자 크기 차이로 인한 결정격자의 뒤틀림, 낮은 확산 속도 등의 효과로 고용체 상이 안정화되고 미세조직의 자유도 상승하며, 고용강화 효과가 극대화되어 기계적 특성이 매우 우수한 장점이 있다.
하지만, 상기의 알루미늄 합금은 리튬(Li)을 포함하고 있어, 주조시 진공상태를 유지해야 하므로, 공정상의 어려움이 있으며, 소량 생산만 가능한 단점이 있다.
이에, 본 발명자들은, 경량소재인 알루미늄 합금의 기계적 특성을 향상시키는 방안을 연구하던 중, 리튬(Li)을 포함하지 않아 대기상태에서 주조가 가능하며, 엔트로피 향상을 통해 강도를 더욱 향상시킨 알루미늄 합금을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
대한민국 공개특허 제2012-0020406호
X. Yang and X. Zhang et al., JOM, 66(2014) p.2009-2020
본 발명의 목적은
고강도 알루미늄 합금 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
마그네슘(Mg)이 3 내지 20 중량% 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금을 제공한다.
또한, 본 발명은
알루미늄에 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 중량% 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 알루미늄 합금 성분을 포함하는 잉곳을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 잉곳을 대기상태에서 용해(melting) 및 주조(casting)하는 단계(단계 2);를 포함하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 엔트로피 향상을 통해 강도를 향상시킨 알루미늄 합금으로, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 값을 갖도록 합금의 조성 및 함량을 조절되어 25 내지 200 ℃의 온도에서 강도가 현저히 우수한 장점이 있다. 또한, 상기 고강도 알루미늄 합금의 제조방법은 대기 상태에서 용해 및 주조가 가능 해, 합금 제조가 보다 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 공칭 응력-변형률 곡선을 나타낸 그래프이고,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 온도에 따른 최대 압축 응력을 나타낸 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 미세구조을 나타낸 광학현미경 사진이고,
도 4는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 미세조직을 나타낸 광학현미경 사진이고,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 전 및 후의 미세구조를 비교한 주사전자현미경 사진이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 시간에 따른 미세구조를 비교한 주사전자현미경 및 투과전자현미경 사진이고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 시간에 따른 정출상 및 석출상의 크기를 비교한 그래프이고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 시간에 따른 정출상 및 석출상의 면적 분율을 비교한 그래프이고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 시간에 따른 정출상 및 석출상의 구상화를 비교한 그래프이고,
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 제조된 알루미늄 합금의 초음파 처리 전 및 후의 미세구조를 비교한 사진 및 전자후방산란회절(EBSD) 분석 결과이다.
본 발명은
마그네슘(Mg)이 3 내지 20 % 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금을 제공한다.
이하 본 발명의 고강도 알루미늄 합금을 상세히 설명한다.
본원 발명의 알루미늄 합금은 저밀도 및 높은 엔트로피 값을 갖도록 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 중량% 포함하되, 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 아연(Zn)의 함량을 조절하여 기계적 특성, 특히 상온 압축강도를 향상시킨 고강도 알루미늄 합금이다.
즉, 본 발명의 알루미늄 합금은 2.5 내지 3.5 g/cm3의 낮은 밀도 및 0.7R 내지 1.3R의 높은 엔트로피를 갖도록 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 아연(Zn)의 함량을 조절하여 포함한 합금이다.
종래의 알루미늄 합금의 경우, 높은 성형성, 내부식성, 비강도에도 우수하여 건축재료, 자동차, 철도차량, 항공기, 우주선, 선박 등의 경량화를 위한 소재로 유망한 반면, 기계적 특성이 낮아 사용이 제한되는 문제가 있다.
반면, 본원 발명의 알루미늄 합금은 서로 다른 원소들의 혼합으로 인한 높은 엔트로피, 원자 크기 차이로 인한 결정격자의 뒤틀림, 낮은 확산 속도 등의 효과로 고용체 상이 안정화되고 고용강화 효과가 극대화되어 기계적 특성이 매우 우수한 장점이 있다. 또한, 고온에서 강도가 높은 정출상, 예를 들어 Mg2Si, Al5Cu2Mg8Si6와 같은 정출상이 다량 생성되어 상온 및 고온에서의 강도가 높은 장점이 있다. 또한, 시효 중에 Al2Cu, Zn와 같은 석출상이 미세하게 생성되어 상온 및 저온에서의 강도가 높은 장점이 있다.
본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 상기 엔트로피(△S)값이 0.7R 내지 1.3R을 갖는 고강도 알루미늄 합금으로 이때, 상기 R은 기체상수이고, 상기 엔트로피(entropy,△S)는 배열 엔트로피(configurational entropy, △Sconf)를 의미하며, 하기 식 1에 의해 정의될 수 있다.
<식 1>
Figure 112016073414000-pat00001
Figure 112016073414000-pat00002
k: 볼츠만 상수
NA: A의 개수
NB: B의 개수
상기 엔트로피 값은 알루미늄의 기계적 특성을 향상시키기 위한 것으로,
만약, 상기 엔트로피(△S) 값이 0.7R 미만일 경우 강화효과를 가지는 이차상의 분율이 적어 기계적 특성이 향상되는 효과가 미비할 수 있고, 상기 엔트로피(△S)값이 1.3R을 초과할 경우, 기계적 특성 향상효과가 극대화될 수 있으나, 상기 엔트로피 값을 상승시키기 위해 알루미늄 함량을 줄임으로써, 알루미늄 합금의 밀도가 증가하는 문제가 발생될 수 있다. 또는 저밀도를 유지하기 위해 경량 성분을 더 포함할 수 있으나, 예를 들어, 리튬(Li)을 포함할 경우, 또는 마그네슘(Mg)을 더 많은 양으로 포함할 경우, 주조 시 산화되는 문제로 제조가 용이하지 못한 단점이 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 20 중량%. 실리콘(Si) 10 중량%. 구리(Cu) 5 중량%, 아연(Zn) 5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 10 중량%. 실리콘(Si) 10 중량%. 구리(Cu) 5 중량% 및 아연(Zn) 5 중량% 포함하거나, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 8 중량%. 실리콘(Si) 9 중량%. 구리(Cu) 10 중량%, 아연(Zn) 10 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 1.01R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
상기 알루미늄 합금은 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 3 내지 9 중량%, 실리콘(Si)을 5 내지 12 중량%, 구리(Cu)를 5 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 5 내지 11 중량%를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 5 중량%. 실리콘(Si) 5 중량%. 구리(Cu) 5 중량%, 아연(Zn) 5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하거나, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 4 중량%. 실리콘(Si) 5 중량%. 구리(Cu) 10 중량%, 아연(Zn) 10 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 0.78R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 5 내지 7 중량%, 실리콘(Si)을 8 내지 10 중량%, 구리(Cu)를 10 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 10 내지 11 중량%을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg) 6.9 중량%. 실리콘(Si) 9.5 중량%. 구리(Cu) 10.2 중량%, 아연(Zn) 10.5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 0.98R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
이는, 알루미늄 합금이 낮은 밀도를 가지면서 동시에 높은 엔트로피를 갖도록 함으로써, 기계적 특성을 향상시키기 위한 조성 및 함량이다.
한편, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)을 3 내지 20 중량%포함한다.
이때, 상기 마그네슘의 함량 범위는 알루미늄 합금의 강도를 향상시키되 대기에서 주조가 가능하도록 하기 위한 것으로, 상기 마그네슘은 알루미늄 합금의 주조성을 향샹 시키고 알루미늄 합금 내 Mg2Si 또는 Al5Cu2Mg8Si6와 같은 정출상을 생성시킴으로써 알루미늄의 강도 향상에 기여할 수 있다.
만약 상기 마그네슘 함량이 3 중량% 미만 포함될 경우, 정출상이 형성되는 분율이 작아 강화효과가 저하되는 문제점이 있고, 상기 마그네슘 함량이 20 중량%를 초과하여 포함될 경우, 대기상태에서의 주조 시 마그네슘이 산화되는 문제가 있어 진공상태에서 주조를 하거나, 대기 중에서 용탕의 산화를 막기 위한 별도의 보호가스를 주입하는 공정이 추가되어야 하는 단점이 있다.
이때, 상기 마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금 총 중량 대비 3 내지 9 중량% 포함되어 있는 것이 바람직하며, 또는, 알루미늄 합금 총 중량 대비 5 내지 7 중량% 포함되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 실리콘(Si)을 포함하며, 이를 통해 상기 알루미늄 합금 제조시 주조성을 확보할 수 있다.
이때, 상기 실리콘(Si)은 알루미늄 합금 총 중량 대비 5 내지 12 중량% 포함되어 있는 것이 바람직하며, 또는 알루미늄 합금 총 중량 대비 8 내지 10 중량% 포함되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
만약, 상기 실리콘이 5 중량% 미만 포함될 경우, Mg2Si의 상 분율이 작아질 뿐 아니라, 공정 Si상이 생성되지 않아 기계적 특성이 향상되는 효과가 미비할 수 있으며, 상기 실리콘의 함량이 12 중량%를 초과하여 포함된 경우 Si 상이 고온에서 정출되어 주조온도를 높여야 되는 문제가 있다. 주조 온도가 높아지면 용탕 내 수소 농도가 증가 되어 주조품의 결함(pore)의 발생을 촉진시키는 문제가 발생할 수 있다
본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 구리(Cu)를 포함한다.
상기 구리는 시효 석출형 합금원소로, 일정량 첨가시 Al2Cu 또는 Al5Cu2Mg8Si6와 같은 석출상을 생성시킴으로써 알루미늄의 강도 향상에 기여할 수 있다.
이때, 상기 구리(Cu)는 알루미늄 합금 총 중량 대비 5 내지 11 중량% 포함되어 있는 것이 바람직하며, 또는 알루미늄 합금 총 중량 대비 10 내지 11 중량% 포함되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
이에, 만약 상기 구리 함량이 5 중량% 미만 포함될 경우, 시효 경화능이 저하되어 강도가 저하되는 문제점이 있고, 한편, 상기 구리 함량이 11 중량%를 초과하여 포함될 경우 합금의 밀도가 증가되고 또한, 합금의 주조성을 떨어뜨리는 문제가 발생될 수 있다.
또한, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 아연을 포함하며, 이를 통해 알루미늄 합금 제조시 주조성을 확보할 수 있다.
이때, 상기 아연(Zn)은 알루미늄 합금 총 중량 대비 5 내지 11 중량% 포함되어 있는 것이 바람직하며, 또는 알루미늄 합금 총 중량 대비 10 내지 11 중량% 포함되어 있는 것이 더욱 바람직하다.
만약, 상기 아연이 5 중량% 미만 포함될 경우, 적은 Zn의 고용강화 효과 및 시효 강화상인 Zn 상이 생성되지 않아 기계적 특성을 향상시키는 효과가 떨어지는 문제가 발생될 수 있고, 상기 아연의 함량이 11 중량%를 초과하여 포함된 경우 합금의 밀도가 증가되고 또한, 합금의 주조성이 저해되는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 25 내지 200 ℃의 온도에서의 압축강도가 350 내지 700 MPa의 높은 압축강도를 나타내는 고강도 알루미늄 합금이다.
상기 압축강도 값은, 종래의 알루미늄 내열 합금으로 알루미늄 총 중량 대비 마그네슘을 0.3 중량%, 실리콘을 7.0 중량% 포함하는 A390 알루미늄합금 대비 19 내지 32 % 높은 값으로, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 특히 25 내지 200 ℃의 온도에서 현저히 우수한 기계적 특성을 나타내는 장점이 있다.
또한, 상기 고강도 알루미늄 합금은 2.5 내지 3.5 g/cm3의 저밀도를 갖는다.
이에, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 낮은 밀도 및 우수한 강도를 나타내므로, 건축재료, 자동차, 철도차량, 항공기, 우주선, 선박 등의 경량화를 위해 사용될 수 있으며, 상기 고강도 알루미늄 합금의 사용으로 수송기기의 연료효율 증대와 배기가스에 의한 환경오염 및 지구온난화 억제할 수도 있다.
또한, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 대기상태에서 주조하여 제조될 수 있는 장점이 있다.
즉, 상기 알루미늄 합금은 리튬(Li)과 같이 주조 시 쉽게 산화되는 원소가 포함하지 않음으로써, 용해 및 주조 시 진공주조가 불필요하여 보다 용이하게 제조될 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 용융된 합금성분을 초음파 처리한 이후 주조하여 제조되는 것이 바람직하다.
상기 초음파 처리는 알루미늄 합금에 존재하는 기공률을 줄이고 정출상을 더욱 미세화하기 위한 것으로, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 상기와 같이 용융된 합금성분을 초음파 처리한 이후 주조하여 제조되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은
알루미늄에 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 % 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R이 되도록 함량이 조절된 알루미늄 합금 성분을 포함하는 잉곳을 준비하는 단계(단계 1); 및
상기 단계 1의 잉곳을 대기상태에서 용해(melting) 및 주조(casting)하는 단계(단계 2);를 포함하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금의 제조방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금의 제조방법에 있어, 단계 1은 알루미늄에 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 % 포함하고, 실리콘(Si), 구리(Cu), 아연(Zn), 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R이 되도록 함량이 조절된 알루미늄 합금 성분을 포함하는 잉곳을 준비하는 단계이다.
한편, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg)을 3 내지 20 중량%를 포함한다. 마그네슘은 알루미늄 합금의 주조성을 향샹 시키고 알루미늄 합금 내 Mg2Si 또는 Al5Cu2Mg8Si6와 같은 정출상을 생성시킴으로써 알루미늄의 강도 향상에 기여할 수 있다.
상기 조성 및 함량은 알루미늄 합금이 저밀도 및 높은 기계적 특성을 갖도록 하기 위한 것으로, 특히 2.5 내지 3.5 g/cm3의 밀도 25 내지 200 ℃에서의 350 내지 700 MPa의 높은 압축강도를 갖도록 하기 위한 것이다.
이때, 상기 마그네슘 함량은 강화효과를 갖되, 알루미늄 합금 주조시, 산화되는 문제를 방지하기 위한 것으로, 만약, 상기 마그네슘 함량이 3 중량% 미만 포함될 경우, 정출상이 형성되는 분율이 작아 강화효과가 저하되는 문제점이 있고, 상기 마그네슘 함량이 20 중량%를 초과하여 포함될 경우, 대기상태에서의 주조 시 마그네슘이 산화되는 문제가 있어 진공상태에서 주조를 하거나, 대기 중에서 용탕의 산화를 막기 위한 별도의 보호가스를 주입하는 공정이 추가되어야 하는 단점이 있다.
또한, 상기 조성 및 함량은 알루미늄 합금의 주조를 대기상태에서 수행하기 위한 것이다. 이에, 상기 알루미늄 합금 조성에는 주조시, 산화가 잘되는 예를 들어, 리튬(Li)이 포함되지 않는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금의 제조방법에 있어, 단계 2는 상기 단계 1의 잉곳을 대기상태에서 용해(melting) 및 주조(casting)하는 단계이다.
이때, 상기 용해는 700 내지 800 ℃에서 수행되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 750 ℃에서 10분간 열처리하여 용해될 수 있으나, 상기 용해되는 온도 및 시간이 이에 제한된 것은 아니다.
한편, 상기 제조방법은 상기 용해 후 또는 주조 전에 초음파 처리를 수행하는 것이 바람직하다.
이는 알루미늄 합금의 기공성을 낮추고 석출상을 더욱 미세화시켜 강도를 향상시키기 위한 것이다.
상기 초음파 처리는 초음파 처리기를 이용하여 750 ℃에서 약 1분 동안 처리될 수 있으나, 상기 온도 및 시간이 이에 제한된 것은 아니다.
이후 상기 용해된 잉곳을 주조하여 알루미늄 합금을 제조할 수 있다.
이때, 상기 주조는 700 내지 800 ℃의 온도 및 대기상태에서 수행되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 700 ℃의 온도 및 대기상태에서 수행될 수 있다. 하지만, 상기 주조되는 온도가 이에 제한된 것은 아니다.
본 발명의 알루미늄 합금 조성 및 함량은 대기상태에서 주조할 경우에도 건전한 합금이 제조될 수 있어, 리튬(Li)과 같이 산화성이 높은 원소를 포함하고 있어 진공상태에서 주조해야하는 경우보다 합금 제조가 용이한 장점이 있다.
한편, 상기 제조방법은 상기 단계 2의 주조 이후 용체화 처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 용체화 처리는 주조 시 생성된 정출상을 구상화시키고, 상온 내지 200 ℃에서 미세한 석출상을 생성시켜 기계적 특성을 더욱 향상시키기 위한 것이다.
상기 용체화 처리는 400 내지 500 ℃ 온도에서 수행되는 것이 바람직하며, 400 내지 450 ℃에서 수행되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 용체화 처리는 1 내지 10시간 동안 수행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
상기 용체화 처리시 용체화 시간이 증가시킬수록 알루미늄 합금 내 정출상이 미세화되거나, 구상화되어 기계적 특성을 더욱 향상될 수 있다.
또한, 상기 제조방법은
상기 단계 2의 주조 이후 시효 처리하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이는, 상기 주조를 마친 알루미늄 합금의 연성을 향상시키기 위한 것이다.
예를 들어, 상기 시효 처리는 120 내지 170 ℃ 온도에서 8시간 내지 24시간 수행될 수 있으나, 이에 제한된 것은 아니다.
본 발명의 고강도 알루미늄 합금 제조방법은 마그네슘(Mg)이 3 내지 20 % 포함하되, 알루미늄 합금의 엔트로피(△S)값이 0.7R 내지 1.3R이 되도록 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 구리(Cu) 및 아연(Zn)의 함량을 조절하여 알루미늄 합금이 저밀도를 갖는 동시에 우수한 기계적 특성을 가지며, 대기 상태에서 주조가 가능한 제조방법으로, 상기 제조방법으로 제조된 알루미늄 합금은 2.5 내지 3.5 g/cm3의 저밀도를 갖는 동시에 25 내지 200 ℃의 온도에서 350 내지 700 MPa의 높은 압축강도를 나타내는 장점이 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 20 중량%. 실리콘(Si) 10 중량%. 구리(Cu) 5 중량%, 아연(Zn) 5중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 1.03R의 엔트로피를 같는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 10 중량%. 실리콘(Si) 10 중량%. 구리(Cu) 5 중량%, 아연(Zn) 5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하거나, 마그네슘(Mg) 8 중량%. 실리콘(Si) 9 중량%. 구리(Cu) 10 중량%, 아연(Zn) 10 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 1.01R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
이때, 상기 알루미늄 합금 성분은 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 3 내지 9 중량%, 실리콘(Si)을 5 내지 12 중량%, 구리(Cu)를 5 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 5 내지 11 중량%를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 5 중량%. 실리콘(Si) 5 중량%. 구리(Cu) 5 중량%, 아연(Zn) 5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하거나, 마그네슘(Mg) 4 중량%. 실리콘(Si) 5 중량%. 구리(Cu) 10 중량%, 아연(Zn) 10 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 0.78R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 성분은 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 5 내지 7 중량%, 실리콘(Si)을 8 내지 10 중량%, 구리(Cu)를 10 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 10 내지 11 중량%을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 알루미늄 합금은 마그네슘(Mg) 6.9 중량%. 실리콘(Si) 9.5 중량%. 구리(Cu) 10.2 중량%, 아연(Zn) 10.5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하여 0.98R의 엔트로피를 갖는 알루미늄 합금일 수 있다.
이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
하기 표 1은 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타낸 것이다.
Mg
(중량%)		 Si
(중량%)		 Cu
(중량%)		 Zn
(중량%)		 Ni
(중량%)		 용체화처리 시효처리 초음파
처리		 밀도
(g/cm3)		 엔트로피
실시예 1 6.9 9.5 10.2 10.5 - - - - 3.0 0.98R
실시예 2 5.8 8.9 10.0 10.0 2.8 - - - 3.1 0.99R
실시예 3 6.9 9.5 10.2 10.5 - 440 ℃
1시간		 - - 3.0 0.98R
실시예 4 6.9 9.5 10.2 10.5 - 440 ℃
4시간		 - - 3.0 0.98R
실시예 5 6.9 9.5 10.2 10.5 - 440 ℃
10시간		 - - 3.0 0.98R
실시예 6 6.9 9.5 10.2 10.5 - 440 ℃
4시간		 120 ℃
24시간		 - 3.0 0.98R
실시예 7 6.9 9.5 10.2 10.5 - 440 ℃
4시간		 170 ℃
8시간		 - 3.0 0.98R
실시예 8 5.8 8.9 10.0 10.0 - 440 ℃
1시간		 - - 3.1 0.99R
실시예 9 5.8 8.9 10.0 10.0 - 440 ℃
4시간		 - - 3.1 0.99R
실시예 10 5.8 8.9 10.0 10.0 - 440 ℃
10시간		 - - 3.1 0.99R
실시예 11 5.8 8.9 10.0 10.0 - 440 ℃
4시간		 120 ℃
24시간		 - 3.1 0.99R
실시예 12 5.8 8.9 10.0 10.0 - 440 ℃
4시간		 170 ℃
8시간		 - 3.1 0.99R
실시예 13 6.9 9.5 10.2 10.5 - - - 750 ℃ 1분 3.1 0.98R
실시예 14 3.9 5.0 9.9 10.5 - - - - 3.0 0.78R
비교예 1 24.3 9.4 10.6 10.9 - - - - 2.7 1.24R
비교예 2 0.3 7.0 - - - - - - 2.7 0.27R
비교예 3 0.5 18.5 3.9 - - - - - 2.8 0.59R
비교예 4 0.8 12.0 3.7 - 2.5 - - - 2.8 0.55R
비교예 5 0.8 18.0 3.8 - 2.7 - - - 0.8 0.67R
<실시예 1>
다음과 같은 단계를 통해 본 발명의 고강도 알루미늄 합금를 제조하였다.
단계 1: 마그네슘(Mg)을 6.9 중량%, 실리콘(Si)을 9.5 중량%, 구리(Cu)를 10.2 중량%, 아연(Zn)을 10.5 중량%, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄(Al) 성분을 포함하는 잉곳을 준비하였다.
단계 2: 상기 단계 1의 잉곳을 약 750 ℃의 온도에서 약 10분간 유도 용해한 후 약 3분간 온도 안정화하였다. 이후 700 ℃의 온도 및 대기상태에서 가로, 세로 및 높이가 각각 245 mm, 200mm 및 70mm인 몰드에 주입하여 주조하였으며, 이후 공냉하여 고강도 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 5.8 중량%, 실리콘(Si)을 8.9 중량%, 구리(Cu)를 10.0 중량%, 아연(Zn)을 10.0 중량%, 니켈 2.8% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하도록 잉곳의 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1의 단계 2 이후, 440 ℃에서 1시간 동안 용체화 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1의 단계 2 이후, 440 ℃에서 4시간 동안 용체화 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1의 단계 2 이후, 440 ℃에서 10시간 동안 용체화 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 6>
상기 실시예 1의 단계 2 이후, 440 ℃에서 4시간 동안 용체화 처리하고, 이후 120 ℃에서 24시간 동안 시효 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 7>
상기 실시예 1의 단계 2 이후, 440 ℃에서 4시간 동안 용체화 처리하고, 이후 170 ℃에서 8시간 동안 시효 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 8>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 5.8 중량%, 실리콘(Si)을 8.9 중량%, 구리(Cu)를 10.0 중량%, 아연(Zn)을 10.0 중량%, 니켈 2.8% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하도록 잉곳의 성분함량을 달리하고, 단계 2 이후, 440 ℃에서 1시간 동안 용체화 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 9>
상기 실시예 8에서 용체화처리를 440 ℃에서 4시간 동안 하는 것으로 달리 하는 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 10>
상기 실시예 8에서 용체화처리를 440 ℃에서 10시간 동안 하는 것으로 달리 하는 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 11>
상기 실시예 8에서 용체화처리를 440 ℃에서 4시간 동안 하는 것으로 달리 하고, 120 ℃에서 24시간 동안 시효 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 12>
상기 실시예 8에서 용체화처리를 440 ℃에서 4시간 동안 하는 것으로 달리 하고, 이후 170 ℃에서 8시간 동안 시효 처리하는 것을 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 8과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 13>
상기 실시예 1의 단계 2에서, 용해 이후 그리고 주조하기 전 상기 용해된 잉곳을 약 350 W의 출력을 나타내는 초음파 처리기를 이용하여 약 750 ℃에서 약 1분간 초음파 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실시예 14>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 3.9 중량%, 실리콘(Si)을 5.0 중량%, 구리(Cu)를 9.9 중량%, 아연(Zn)을 10.5 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하도록 잉곳의 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 24.3 중량%, 실리콘(Si)을 9.4 중량%, 구리(Cu)를 10.6 중량%, 아연(Zn)을 10.9 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하도록 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<비교예 2>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 0.3 중량%, 실리콘(Si)을 7.0 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하여 알루미늄 합금 A356이 제조되도록 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<비교예 3>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 0.5 중량%, 실리콘(Si)을 18.5 중량%, 구리(Cu)를 3.9 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하여 알루미늄 합금 A390이 제조되도록 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<비교예 4>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 0.8 중량%, 실리콘(Si)을 12.0 중량%, 구리(Cu)를 3.7 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하여 피스톤 합금이 제조되도록 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<비교예 5>
상기 실시예 1의 단계 1에서, 마그네슘(Mg)을 0.8 중량%, 실리콘(Si)을 18.0 중량%, 구리(Cu)를 3.8 중량% 및 잔부 알루미늄(Al)을 포함하여 피스톤 합금이 제조되도록 성분함량을 달리하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 알루미늄 합금을 제조하였다.
<실험예 1> 상온 압축강도 분석
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금 및 종래의 내열소재의 알루미늄 합금의 압축 특성을 비교하기 위하여, 실시예 1, 2 및 14, 비교예 1 내지 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1, 2 및 14, 비교예 1 내지 5에 의하여 제조된 알루미늄 합금을 Thermec-mastor Z를 이용하여 상온에서의 압축강도를 측정하고, 그 결과를 도 1 및 하기 표 2에 나타내었다.
σ0 .2 σpeak εpeak
실시예 1 414 697 6.7
실시예 2 408 600 6.2
실시예 14 358 644 11.9
비교예 1 105 582 50.0
비교예 2 293 571 23.3
비교예 3 307 566 24.4
비교예 4 313 568 16.7
비교예 5 308 566 16.8
σ0 .2: 압축 항복강도
σpeak: 최대 압축응력
εpeak: 최대 압축응력에서의 변형률
여기서, 상기 압축 항복강도(σ0 . 2)는 소성변형이 약 0.2 % 발생했을 때의 응력값을 의미한다.
도 1의 공칭 응력-변형률 곡선 및 상기 표 2에 나타난 바와 같이, 실시예 1, 2 및 14에 의해 제조된 알루미늄 합금의 경우, 비교예 1 내지 4의 알루미늄 합금보다 항복 강도 값이 크며, 최대 압축 응력 즉, 압축 강도값이 600 MPa 이상으로 매우 높은 것을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 알루미늄 합금은 상온에서 현저히 우수한 압축 강도를 나타냄을 알 수 있다.
<실험예 2> 온도별 압축특성 분석
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금 및 종래의 알루미늄 합금의 온도에 따른 압축 특성을 비교하기 위하여, 실시예 1, 비교예 2 내지 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1, 비교예 2 내지 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금을 Thermec-mastor Z를 이용하여 25 ℃ 내지 300 ℃에서의 최대 압축 응력을 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타난 바와 같이, 300 ℃의 고온의 경우, 실시예 1, 비교예 2 내지 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금의 최대 압축 응력 값이 유사하지만, 25 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서의 경우, 실시예 1에 의하여 제조된 알루미늄 합금의 최대 압축 응력 값이 비교예 2 내지 4에 의해 제조된 알루미늄 합금의 최대 압축 응력 값보다 현저히 높음을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 알루미늄 합금은 25 ℃ 내지 200 ℃의 온도에서의 압축강도가 종래의 알루미늄 합금보다 현저히 우수함을 알 수 있다.
<실험예 3> 대기상태에서 주조한 합금의 특성 분석
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금 및 마그네슘을 20 중량% 이상 포함하는 알루미늄 합금의 대기상태에서의 주조한 합금의 특성을 비교하기 위하여, 실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 비교예 1에 의하여 제조된 알루미늄 합금을 광학 현미경(OM)을 이용하여 미세조직을 관찰하였으며, 그 결과를 각각 도 3 및 도 4에 나타내었으며, Thermec-mastor Z를 이용하여 상온에서의 압축강도를 측정하였다.
도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금의 경우, 다량의 미세한 정출상들이 존재하는 반면, 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금의 경우, Mg가 산화되어 포어(pore)가 발생되고 조대한 Mg2Si 정출상이 형성되었음을 알 수 있다.
또한, 최대 압축 응력 및 상기 최대 압축 응력에서의 변형률을 측정한 결과, 실시예 1 및 비교예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금 각각은 697MPa 및 459MPa의 최대 압축 응력 및 6.2 % 및 3.8 %의 변형률이 나타났다.
즉, 알루미늄 합금 내 마그네슘(Mg)이 20 중량% 이상 포함될 경우, 마그네슘의 산화가 일어나며, 조대한 Mg2Si 정출상이 기지상에 형성되 압축강도가 500MPa 이하로 저하되는 것을 알 수 있다 반면, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 대기 상태에서 주조한 경우에도 미세한 석출상이 기지에 다량 존재하여 600MPa 이상의 높은 압축강도를 나타내는 것으로 볼 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 고강도 알루미늄 합금은 대기상태에서 주조될 수 있어, 제조가 용이한 것을 알 수 있다.
<실험예 4> 용체화 처리 및 시효 처리 효과
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 또는 시효 처리 효과를 확인하기 위해, 실시예 1 내지 12에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 내지 12에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, Thermec-mastor Z를 이용하여 상온에서의 압축강도를 측정하고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
σ0 .2 σpeak εpeak
실시예1 414 697 6.7
실시예3 417 744 6.8
실시예4 417 742 8.0
실시예5 406 723 8.4
실시예6 454 711 8.5
실시예7 424 677 11.8
실시예2 408 660 6.2
실시예8 427 727 6.5
실시예9 412 732 7.8
실시예10 413 632 8.6
실시예11 436 669 6.4
실시예12 426 649 8.9
σ0 .2: 압축 항복강도
σpeak: 최대 압축응력
εpeak: 최대 압축응력에서의 변형률
여기서, 상기 압축 항복강도(σ0 . 2)는 소성변형이 약 0.2 % 발생했을 때의 응력값을 의미한다.
상기 표 3에 나타난 바와 같이, 용체화 처리를 하지 않은 실시예 1의 경우에 비해, 용체화 처리를 한 실시예 3 내지 5의 경우에, 또한, 용체화 처리를 하지 않은 실시예 2의 경우에 비해, 용체화 처리를 한 실시예 8 내지 10의 경우 및, 용체화 처리 및 시효 처리한 실시예 6 및 11의 경우, 최대 압축 응력 및 최대 압축 응력에서의 변형률 값이 모두 증가하였으며, 용체화 처리 및 시효 처리한 실시예 12 및 11의 경우, 최대 압축 응력은 다소 감소하였으나, 변형률이 증가하였음을 알 수 있다.
이를 통해, 조대한 석출상이 재용해되는 것을 알 수 있으며, 이후 상온에서 수 nm 크기의 미세한 석출물이 생성되어 알루미늄 합금의 강도 및 연성이 향상된 것으로 볼 수 있다.
<실험예 5> 용체화 처리 효과 (1)
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 효과를 확인하기 위해, 실시예 1 및 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금에 대하여, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 4에 의하여 제조된 알루미늄 합금을 주사전자현미경(SEM) 및 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 미세구조를 관찰하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.
도 5에 나타난 바와 같이, 용체화 처리를 하지 않은 실시예 1의 경우, 침상및 판상형 석출상이 관찰되는 반면, 용체화 처리를 수행한 실시예 4 경우, 이러한 형상이 나타나지 않았으며, 투과전자현미경(TEM)을 통해 고분해능으로 관찰한 결과, 구상의 θ'상 즉, Al2Cu상이 형성되었음을 확인하였다.
이를 통해, 용체화 처리할 경우, 석출상이 구상화되는 것을 알 수 있으며, 상기 석출상의 구상화에 의해 알루미늄 합금의 강도 및 연성이 향상된 것으로 볼 수 있다.
<실험예 6> 용체화 처리 효과 (2)
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금의 용체화 처리 시간에 따른 미세구조의 변화를 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 상기 실시예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금을 440 ℃에서 1, 3, 4, 6, 8, 10시간 동안 열처리하여 제조한 알루미늄 합금을 주사전자현미경(SEM)을 통해 미세구조를 관찰하고, 그 중, 실시예 1 및 상기 실시예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금을 440 ℃에서 1, 4, 10시간 동안 열처리한 경우를 도 6에 나타내었으며, i-solition 프로그램을 이용하여, 석출상의 크기, 면적 분율 및 구상화를 계산한 후 이를 도 7 내지 9에 나타내었다.
도 6에 나타난 바와 같이, Mg2Si(1), Al5Cu2Mg8Si6(2), Al2Cu(3) 및 Si(4)의 정출상을 확인할 수 있으며, 용체화 처리 시간이 길어질수록 Mg2Si(1)상이 재용해되고, Al5Cu2Mg8Si6(2)이 성장하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7은 정출상들의 크기를 나타낸 것으로, 도 7에 나타난 바와 같이, 용체화 처리 시간이 길어질수록 Mg2Si(1)의 크기가 작아지는 것을 확인할 수 있으며, 정출상이 차지하는 면적의 분율을 나타낸 도 8에서는, 용체화 처리 시간이 길어질수록 Mg2Si(1)의 분율이 보다 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 9는 구상화 정도를 나타낸 것으로, 도 9에 나타난 바와 같이, 용체화 처리 시간이 길어질수록 정출상들의 구상화 정도가 증가하는 것을 알 수 있다.
이를 통해, 본 발명의 알루미늄 합금을 용체화 처리할 경우, Mg2Si(1)상이 미세화되고, 정출상이 구상화되는 것을 알 수 있으며, 이로 인해 알루미늄 합금의 기계적 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
<실험예 7> 초음파 처리효과
본 발명에 따라 제조된 알루미늄 합금의 초음파 처리에 따른 미세구조의 변화를 확인하기 위해, 이하와 같은 실험을 수행하였다.
실시예 1 및 13에 의해 제조된 알루미늄 합금을 육안 및 전자후방산란회절(EBSD) 분석장비를 통해 미세구조를 관찰하고, 이를 도 10에 나타내었다.
도 10에 나타난 바와 같이, 초음파처리 이후 합금의 기공도가 감소하고 정출상이 미세화된 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 주조단계 이전에 용해된 잉곳을 초음파 처리함으로써, 기공과 같은 주조결함을 중리고 정출상과 결정립의 크기를 더욱 미세화시킴으로써 알루미늄 합금의 기계적 특성을 더욱 향상될 것으로 예상해볼 수 있다.
1: Mg2Si
2: Al5Cu2Mg8Si6
3: Al2Cu
4: Si

Claims (16)

  1. 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 5 내지 7 중량%, 실리콘(Si)을 8 내지 10 중량%, 구리(Cu)를 10 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 10 내지 11 중량%를 포함하고, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은
    25 내지 200 ℃의 온도에서의 압축강도가 A390 알루미늄합금 대비 19 내지 32 %로 높은 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은
    2.5 내지 3.5 g/cm3의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은
    대기상태에서 주조되는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은
    용융된 합금성분을 초음파 처리한 이후 주조하여 제조되는 것을 특징으로 하는 상온 압축강도가 우수한 알루미늄 합금.
  8. 알루미늄 합금 총 중량 대비 마그네슘(Mg)을 5 내지 7 중량%, 실리콘(Si)을 8 내지 10 중량%, 구리(Cu)를 10 내지 11 중량%, 아연(Zn)을 10 내지 11 중량%를 포함하고, 불가피한 불순물 및 잔부 알루미늄을 포함하되, 엔트로피(△S) 값이 0.7R 내지 1.3R이 되도록 함량이 조절된 알루미늄 합금 성분을 포함하는 잉곳을 준비하는 단계(단계 1); 및
    상기 단계 1의 잉곳을 대기상태에서 용해(melting) 및 주조(casting)하는 단계(단계 2);를 포함하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제조방법은
    상기 용해 후 또한 주조 전, 초음파 처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제조방법은
    상기 용해 및 주조를 700 내지 800 ℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제조방법은
    상기 단계 2의 주조 이후 용체화 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 용체화 처리는 400 내지 500 ℃ 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제조방법은
    상기 용체화 처리하는 단계 이후 시효 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 시효 처리는
    120 내지 170 ℃ 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 제조방법.
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