KR20010015595A - 알루미늄 기초 합금과 열처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 화학조성이 다음과 같은 중량%로 표현된 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 관계한다: 4.1 내지 6.0 마그네슘, 0.1 내지 1.5 아연, 0.05 내지 0.3 지르코늄, 0.01 내지 0.8 망간, 0.9 × 10-5내지 4.5 ×10-5수소. 상기 합금은 다음에서 선택된 원소를 포함한다: 0.001 내지 0.2 베릴륨, 0.01 내지 0.5 이티륨, 0.01 내지 0.3 스칸듐, 나머지 알루미늄. 본 발명은 다음 단계를 포함한 합금처리방법에 관계한다: 수중 또는 공기중에서 400 내지 500℃에서 경화; 0 내지 2%의 변형도로 신장; 80 내지 90℃에서 3 내지 12시간동안 제 1 열처리, 110 내지 185℃에서 10 내지 48시간동안 제 2 열처리. 제 2 단계 종료후 시효경화라 불리는 제 3 단계 처리가 수행된다. 제 3 단계는 90 내지 110℃에서 14시간 가열하거나 2 내지 8℃/h의 냉각속도로 느리게 냉각하는 것이다.
Description
감소된 밀도와 비교적 고강도를 가지지만 연성이 낮고 파괴인성이 낮은 Al-Li-Mg 합금은 당해 분야에서 공지이다. 미국특허 4,584,173 (4/22/86)에 따른 합금은 %w/w으로 다음 화학 조성을 가진다:
알루미늄 베이스
리튬 2.1-2.9
마그네슘 3.0-5.5
구리 0.2-0.7
또한 다음에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유한다:
지르코늄 0.05-0.25
하프늄 0.10-0.50
니오븀 0.05-0.30
아연 0-2.0
티타늄 0-0.5
망간 0-0.5
니켈 0-0.5
크롬 0-0.5
게르마늄 0-0.2
이 합금이 530℃의 온도에서 담금질되고 2% 연성도로 신장이 조절되고 4-16시간동안 190℃에서 노화되면 합금이 열처리된 상태에서 낮은 연성도를 보이며 (상대적 신장률 3.1-4.5%) 내식성이 낮다.
국제 특허출원 WO 92/03583 에 따른 합금은 %w/w으로 다음 화학조성을 가진다:
알루미늄 베이스
리튬 0.5-3.0
마그네슘 0.5-10.0
구리 0.1-5.0
은 0.1-2.0
이들 원소의 합이 7.0-10.0%이고 최대 총함량이 12%일 경우에 리튬은 2.5%를 초과할 수 없고 아연은 2.0%를 초과할 수 없고 합금은 최대 1.0% 지르코늄을 함유할 수 있다.
이 합금은 476-497MPa의 강도, 368-455MPa의 겉보기 항복점, 7-9%의 상대적 신장률 및 2.46-2.63g/㎤의 밀도를 가진다. 이 합금은 항공공학 제품용 구조재로서 추천된다. 이러한 합금의 단점은 다음과 같다:
- 리튬 고함량에 의해 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 합금의 연성 및 파괴인성을 감소시키며 냉간 성형성을 저하시키고 비행 장치에서 요구되는 박판 제조가 곤란하다.
- 아연 고함량에 의해 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 합금밀도를 2.60-2.73g/㎠까지 증가시켜서 제품당 무게 절감을 감소시킨다.
- 인위적인 노화에 앞서 담금질된 재료는 5-6%의 연성도로 신장함으로써 고강도가 달성될 수 있지만 이것은 파괴인성을 감소시킨다.
합금에 은이 첨가되면 반완성품 내지 완성품에서 제품단가를 증가시킨다.
아연 고함량 및 구리 추가 합금은 용융 용접동안 내식성이 감소되며 결함 형성 및 응집성 손실을 보인다.
본 출원에 비견할만한 합금이 미국특허 4,636,357에 발표된다. 이 합금은 다음 조성을 가진다(%w/w로):
알루미늄 베이스
리튬 2.0-3.0
마그네슘 0.5-4.0
아연 2.0-5.0
구리 0-2.0
지르코늄 0-0.2
망간 0-0.5
니켈 0-0.5
크롬 0-0.4
이 합금은 다음 열처리에 의해 경화된다:
460℃에서 담금질, 0-3% 신장도로 신장, 및 단계 1에서 90℃로 16시간 처리, 단계 2에서 150℃로 24시간 처리로 구성된 2단계 열처리.
이 합금은 440-550MPa의 충분히 높은 수준의 강도와 350-410MPa의 겉보기 항복점을 보인다.
이 합금의 단점은 베이스 재료의 강도에 비해서 낮은 수준의 상대적 신장성(1.0-7.0%), 낮은 파괴인성, 부적절한 내식성 및 제한된 용접 강도이다.
본 발명은 리튬, 마그네슘, 아연, 지르코늄 및 망간을 함유한 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 관계하며 항공 공학, 조선 및 용접 구조물을 포함한 지상 운송 수단의 기계 공학에서 구조재로서 사용되는 합금의 야금 방법에 관계한다.
그러므로 본 발명의 목적은 고강도를 유지하고 고내식성 및 용접성을 보장하며 동시에 1000시간동안 85℃에서 데워진 후 충분히 높은 파괴 인성 및 열안정성을 보이면서 합금의 연성을 증가시키는 것이다.
이러한 목적은 다음 화학 조성(%w/w으로)을 갖는 Al-Li-Mg 합금에 의해 달성된다.
리튬 1.5-1.9
마그네슘 4.1-6.0
아연 0.1-1.5
지르코늄 0.05-0.3
망간 0.01-0.8
수소 0.9 ×10-5-4.5 ×10-5
또한 상기 합금은 다음에서 선택된 하나 이상의 원소를 함유한다:
베릴륨 1.5-1.9
이티륨 0.01-0.5
스칸듐 0.01-0.3
알루미늄 나머지
미세 분포된 리튬 수소화물 고체 입자가 형성됨에 따라 고형화동안 수소는 수축을 감소시키고 재료내 다공성 형성을 방지한다.
마그네슘은 필요한 수준의 강도와 용접성을 보장한다. 마그네슘 함량이 4.1% 미만으로 떨어지면 강도가 감소하고 주조 및 용접동안 고온 균열 형성 경향이 증가된다. 6.0% 이상으로 합금내 마그네슘 함량을 증가시키면 주조, 열간 및 냉간 압연동안 가공성을 감소시키고 이 합금으로 제조된 반완성품 및 물품의 소성을 감소시킨다.
리튬함량 유지는 특히 박판제조동안 필요한 가공성, 필요한 수준의 기계적 특성 및 부식성, 충분한 파괴인성 및 용접성 달성에 중요하다. 1.5% 미만으로 리튬함량이 감소되면 합금 밀도가 증가되고 강도와 탄성 모듈러스 수준이 감소된다. 1.9%를 초과하는 리튬함량은 냉간 성형시 가공성을 감소시키고 용접성, 소성 및 파괴인성을 저하시킨다.
0.05-0.3%의 지르코늄은 잉곳 주조동안 변성제로서 망간(0.01-0.8%)과 함께 다각형 구조나 미세 그레인 구조의 형성으로 인해 반완성품의 구조적 응고를 보장한다.
베릴륨, 이티륨 및 스칸듐중 하나 이상의 원소를 첨가하면 반완성품내 균질적이고 미세한 그레인 구조를 형성시키며 냉간 압연동안 연성을 증가시킨다.
본 발명은 또한 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Mg-Li 시스템을 열처리하는 방법에 관계한다.
이러한 열처리의 목적은 고강도를 유지시키고 동시에 고내식성 및 파괴인성을 달성시키면서 합금의 연성을 증가시키지만 재료가 장기간 승온에 노출될 때 이러한 성질을 보존시키는 것이다.
미국특허 명세서 4,861,391 에 신속한 냉각을 수반한 담금질, 조절 및 다음과 같은 2단계 노화처리를 포함한 열처리 방법이 발표된다:
단계 1: 93℃ 미만, 수시간 내지 수개월, 특히 66-85℃, 24시간 이상에서 처리,
단계 2: 최대 219℃의 온도, 30분 내지 수시간, 특히 154-199℃, 최대 8시간 처리.
이 방법은 강도와 파괴인성을 증가시키지만 1000 시간에 걸쳐 85℃로 저온으로 데운 후 리튬함유 알루미늄 합금의 특성 측면에서 안정성을 보장하지 못하는데, 이것은 비행장치의 지속된 작동동안 태양에 의한 가열을 촉진시킨다. 1000시간에 걸쳐 85℃까지 데워진 후 이 방법에 따라 처리된 리튬함유 합금의 상대적 신장성 및 파괴인성은 25-30% 정도 떨어진다.
본 발명에 따르면 다음 단계로 구성된 방법이 발표된다:
- 400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;
- 수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지 연성도를 조절하고;
- 3단계에 걸쳐서 인위적 노화 처리하며 3번째 노화단계는 8 내지 14시간에 걸쳐 90 내지 110℃에서 이루어진다.
혹은 일정한 온도에서 3번째 노화단계가 10 내지 30시간동안 시간당 2 내지 8℃의 냉각속도로 냉각이 이루어지도록 수행될 수 있다.
청구항 1의 특징에 따른 합금은 상기 방법으로 처리될 경우 특히 유리한 특성을 보인다.
3번째 노화단계가 사용되므로 매트릭스에 균일하게 분포된 분산상 δ'-(Al3Li)의 추가 분리에 의해 이러한 열처리는 저온에서 오랜 저장후 합금의 열 안정성을 보장해준다. 많은 부피의 미세 분포된 δ'상은 혼합결정이 Li 포화를 감소시키고 1000시간동안 85℃에서 저장동안 δ' 분리를 방지한다.
청구항 2 또는 청구항 3에 따르면 제 1 노화단계는 3-12시간동안 80-90℃에서, 제 2 노화단계는 10-48시간동안 110-185℃에서 수행된다.
이러한 한계내에서 인위적 노화처리를 위해 특히 호의적인 사전조건이 생성되며 결과는 신뢰성이 있다.
마지막으로 제 2 단계 노화는 110 내지 125℃에서 5 내지 12시간동안 이루어지는데 이 변수는 청구항 3에 따른 3번째 노화단계 수행시 적용된다.
직경 70㎜의 잉곳이 표 1 에 제시된 화학 조성을 갖는 합금을 써서 주조된다. 금속은 저장로에서 용융된다. 균질화(500℃, 10시간) 이후에 잉곳을 15 ×65㎜의 스트립으로 압축한다. 압축 이전에 잉곳을 380-450℃로 가열한다. 스트립으로 부터 제조된 강편을 360-420℃까지 가열하고 4㎜ 두께의 쉬이트로 열간 압연되고 이후에 2.2㎜ 두께까지 냉간 압연된다. 냉간 압연된 쉬이트는 400-500℃에서 수중 또는 공기중에서 담금질되고 최대 2%까지의 연성도로 조절되고 표 2 에 지정된 열처리를 받는다. 베이스 재료와 용접물의 성질이 이들 쉬이트를 절단하여 형성된 샘플에 결정된다(표 3 비교).
합금번호 | Li | Mg | Zn | Zr | Mn | H ×105 | Be | Y | Sc | Cr | Cu | Ni |
1 | 2.2 | 1.2 | 5.0 | - | - | - | - | - | - | 0.4 | - | - |
2 | 2.4 | 3.8 | 3.9 | 0.18 | 0.50 | - | - | - | - | - | 0.96 | 0.2 |
3 | 1.5 | 6.0 | 0.1 | 0.15 | 0.60 | 0.9 | 0.2 | - | - | 0.12 | - | - |
4 | 1.9 | 5.2 | 0.8 | 0.10 | 0.01 | 4.5 | 0.001 | - | 0.01 | - | - | - |
5 | 1.7 | 4.1 | 1.5 | 0.30 | 0.05 | 2.5 | - | 0.25 | - | - | - | - |
6 | 1.6 | 5.2 | 0.6 | 0.05 | 0.80 | 2.5 | - | 0.01 | - | 0.15 | - | - |
7 | 1.85 | 4.8 | 0.5 | 0.09 | 0.20 | 3.5 | - | 0.50 | - | 0.50 | - | - |
8 | 1.55 | 4.2 | 0.1 | 0.05 | 0.10 | 2.5 | - | - | 0.30 | - | - | - |
9 | 1.9 | 4.7 | 0.1 | 0.15 | 0.35 | 2.5 | 0.1 | - | - | 0.01 | - | - |
10 | 1.5 | 4.3 | 0.3 | 0.1 | 0.40 | 3.5 | 0.1 | - | - | 0 | - | - |
비고: 합금 1 및 2는 비교 재료이다.
합금 3-10은 본 발명에 따른 재료이다.
합금번호 | 열처리 번호 | 열처리 절차 |
3,5,9 | 3 | 80℃, 4h + 185℃, 10h + 110℃, 8h |
8,10 | 4 | 90℃, 3h + 110℃, 48h + 90℃, 14h |
4,7 | 5 | 85℃, 5h + 145℃, 25h + 110℃, 10h |
6 | 6 | 85℃, 12h + 120℃, 12h + 90℃, 12h |
합금 번호 | 열처리번호 | σB,MPa | σ0.2,MPa | δ,% | Kco,MPa(wo=200㎜) | |
85℃, 1000시간에서 노화처리전 | 85℃, 1000시간에서 노화처리후 | |||||
1 | 1 | 460 | 345 | 3.5 | 59.5 | 46.0 |
2 | 2 | 470 | 355 | 2.5 | 58.7 | 44.8 |
3 | 3 | 475 | 358 | 9.0 | 69.5 | 67.0 |
4,7 | 5 | 473 | 347 | 8.0 | 68.3 | 66.8 |
5 | 3 | 458 | 345 | 8.5 | 67.8 | 66.7 |
6 | 6 | 450 | 338 | 10.0 | 68.0 | 67.8 |
8,10 | 4 | 452 | 340 | 9.5 | 66.8 | 65.9 |
9 | 3 | 460 | 345 | 9.0 | 65.5 | 63.3 |
비고 : 합금 및 절차 1과 2는 2단계 열처리 절차에 따른 비교 재료이다.
합금 및 절차 3-10은 본 발명에 따른 것이다.
Claims (5)
- 리튬, 마그네슘, 아연, 지르코늄 및 망간을 함유한 알루미늄 기초합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템에 있어서, 합금이 다음 조성 비율(%w/w)로 베릴륨, 이타늄 및 스칸듐에서 선택된 원소와 수소를 추가로 포함함을 특징으로 하는 알루미늄 기초합금.리튬 1.5-1.9마그네슘 4.1-6.0아연 0.1-1.5지르코늄 0.05-0.3망간 0.01-0.8수소 0.9 ×10-5-4.5 ×10-5베릴늄 0.001-0.2이티륨 0.01-0.5스칸듐 0.01-0.3알루미늄 나머지
- 400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지의 연성도로 조절하고;노화 처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템의 열처리 방법에 있어서,상기 노화처리가 3단계로 수행되고 제 2 단계가 제 1 단계보다 높은 온도에서 수행되고 3번째 단계는 8 내지 14시간동안 90 내지 110℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.
- 400 내지 500℃까지 재료를 가열하고;수중 또는 공기중에서 담금질하고 최대 2%까지의 연성도로 조절하고;노화 처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 기초 합금, 특히 Al-Li-Mg 시스템의 열처리 방법에 있어서,상기 노화처리가 3단계로 수행되고 제 3 단계에서 시간당 2 내지 8℃의 냉각속도로 10 내지 30시간 동안 냉각하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 열처리 방법.
- 제 2 항 또는 3 항에 있어서, 제 1 단계가 3-12시간동안 80 내지 90℃의 온도에서 수행되고 제 2 단계가 10-48시간동안 110-185℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.
- 제 2 항 또는 3 항에 있어서, 제 1 단계가 3-12시간동안 80 내지 90℃의 온도에서 수행되고 제 2 단계가 5-12시간동안 110-125℃에서 수행됨을 특징으로 하는 열처리 방법.
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