KR20070004987A - 항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ 합금 - Google Patents

Abstract

성형 주물용 열 처리가능한 알루미늄 합금은 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 1~3%; Cu: 약 0.05~0.5%; Si: 약 1% 미만을 포함한다.

주조, 주물, 알루미늄 합금

Description

항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한 Ａｌ-Ｚｎ-Ｍｇ-Ｃｕ 합금{HEAT TREATABLE AL-ZN-MG-CU ALLOY FOR AEROSPACE AND AUTOMOTIVE CASTINGS}

관련 출원과의 상호 참조

이 출원은 2004년 4월 22일 출원된 미국 가 출원 일련번호 60/564,813의 이익을 주장하며, 이것은 전체가 참고자료로 본원에 포함된다. 또, 이 출원과 함께 동시에 출원된 특허출원 "항공우주선 및 자동차 주물용 열 처리가능한 Al-Zn-Mg 합금"과도 밀접하게 관련되며, 이것도 참고자료로 본원에 포함된다.

기술분야

본 발명은, 항공우주선 및 자동차 성형 주물용 알루미늄 합금, 이 합금으로 이루어진 주물, 및 이 합금의 주조 구성요소를 제조하는 방법이다.

주조 알루미늄 부품은 자동차 서스펜션에서 중량을 줄이기 위한 구조적인 용도로 사용된다. 가장 흔히 사용되는 합금 군인 Al-Si₇-Mg는 강도 제한이 잘 확립되어 있다. 더 경량의 부품을 얻기 위해서는 더 고강도의 재료가 필요하며, 디자인을 위한 재료 특성이 확립되어야 한다. 현재, A356.0으로 만들어진 주조 재료로서 가장 흔히 사용되는 Al-Si₇-Mg 합금은 최종적으로 290MPa(42,060psi)의 인장 강도와 220MPa(31,908psi)의 인장 항복 강도를 신뢰성 있게 보증할 수 있고, 연신율은 8% 이상이다.

다양한 대체 합금들이 존재하며, Al-Si₇-Mg 합금보다 더 높은 강도를 나타낸다고 기록된다. 그러나, 이들은 주조성, 부식 가능성 또는 유동성에 문제를 나타내는데, 이것은 쉽게 극복될 수 없다. 따라서, 대체 합금은 사용하는데 덜 적합하다.

고강도가 필요한 경우, 단조 제품이 종종 사용된다. 이들은 보통 주조 제품보다 더 고가이다. 강도, 연신율, 내부식성, 피로 강도 등의 손실 없이 단조 제품을 대신하여 주조 제품이 사용될 수 있다면 비용이 상당히 절약될 가능성이 있다. 이것은 자동차 및 항공우주선 용도에서 모두 사실이다.

Al-Si₇-Mg 재료보다 높은 인장 강도 및 피로 저항을 나타내는 주조 합금이 바람직하다. 그러한 개선된 것은 새로운 부품이나 현재 존재하는 부품에서 중량을 줄이기 위해 사용될 수 있으며, 현재 존재하는 부품은 개선된 재료 특성을 사용하여 더욱 유리하게 다시 디자인될 수 있다.

발명의 소개

본 발명의 합금은 하기 조성 범위(모두 중량%)를 갖는 Al-Zn-Mg 기재 합금으로서, 저압 영구 또는 반영구 주형, 스퀴즈, 고압 다이, 가압 또는 중력 주조, 로스트 발포, 인베스트먼트 캐스팅, V형 주형, 또는 사형 주조에 알맞다.

Zn: 약 3.5~5.5%,

Mg: 약 1~3%,

Cu: 약 0.05~0.5%,

Si: 약 1.0% 미만,

Fe 및 다른 부수적 불순물: 약 0.30% 미만,

Mn: 약 0.30% 미만.

주조성을 개선하기 위해서 약 1.0%까지 규소가 사용될 수 있다. 강도를 증가시키 위해서는 더 낮은 수준의 규소가 사용될 수 있다. 어떤 용도에서, 주조성을 개선하기 위해서 약 0.3%까지 망간이 사용될 수 있다. 다른 용도에서는 망간이 사용되지 않을 수 있다.

또한, 합금은 붕화티탄 TiB₂ 또는 탄화티탄 TiC와 같은 결정 미세화제 및/또는 지르코늄 또는 스칸듐과 같은 재결정화 방지제를 함유할 수 있다. 결정 미세화제로서 붕화티탄이 사용되는 경우, 합금에서 붕소의 농도는 0.0025% 내지 0.05%의 범위일 수 있다. 마찬가지로, 결정 미세화제로서 탄화티탄이 사용되는 경우, 합금에서 탄소의 농도는 0.0025% 내지 0.05%의 범위일 수 있다. 전형적인 결정 미세화제는 TiC 또는 TiB₂를 함유하는 알루미늄 합금이다.

용체화 처리 동안 결정 성장을 방지하기 위해 지르코늄이 사용되는 경우, 지르코늄은 일반적으로 0.2% 이하의 범위로 사용된다. 또한, 스칸듐은 0.3% 이하의 범위로 사용될 수 있다.

T6 템퍼에서, 합금은 유사한 연신율을 유지하면서 A356.0-T6으로부터 얻을 수 있는 것보다 50% 더 높은 인장 항복 강도를 나타냈다. 이것은 A356.0-T6 또는 A357.0-T6과 같은 Al-Si-Mg 합금에서 현재 쉽게 이용할 수 있는 합금보다 더 고강도를 요하는 부품 디자인을 허용할 것이다. T6 템퍼에서는 피로 성능이 A356.0-T6 재료에 비해 30%까지 증가된다.

발명의 개요

한 양태에서, 본 발명은 약 3.5~5.5% Zn, 약 1~3% Mg, 약 0.05~0.5% Cu를 포함하는 알루미늄 합금이며, 그것은 약 1% 미만의 Si를 함유한다.

다른 양태에서, 본 발명은 약 3.5~5.5% Zn, 약 1~3% Mg, 약 0.05~0.5% Cu, 및 약 1% 미만의 Si를 포함하는 알루미늄 합금의 열 처리가능한 성형 주물이다.

다른 양태에서, 본 발명은 열 처리가능한 알루미늄 합금 성형 주물의 제조방법이다. 이 방법은 약 3.5~5.5% Zn, 약 1~3% Mg, 약 0.05~0.5% Cu, 및 약 1% 미만의 Si를 포함하는 알루미늄 합금의 용융 매스를 제조하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 용융 매스의 적어도 일부분을 성형 주물을 생산하도록 구성된 주형에서 주조하는 단계, 용융 매스를 고화시키는 단계, 및 성형 주물을 몰드에서 제거하는 단계를 더 포함한다.

도 1은 수축 주형에서 주조된 선행기술 A356.0 합금의 절단 샘플의 절단면의 사진으로, 선행기술 A356.0 합금의 수축 균열 경향을 나타낸다.

도 2는 수축 주형에서 주조된 선행기술 A356.0의 제 2 샘플의 절단면의 도 1 과 유사한 사진으로, 선행기술 A356.0 합금의 수축 균열 경향을 나타낸다.

도 3은 수축 주형에서 주조된 본 발명의 합금 샘플의 절단면의 사진으로, 수축 균열이 없음을 보여준다.

도 4는 수축 주형에서 주조된 본 발명의 합금의 제 2 샘플의 절단면의 도 3과 유사한 사진으로, 수축 균열이 없음을 보여준다.

도 5는 T6 조건에서 본 발명의 방향성 있게 고화된 샘플에 대한 강도 및 연신율 데이터를 나타낸다.

도 6은 본 발명에 따른 합금으로 된 프론트 너클 주물의 사진으로, 인장 시험 샘플이 얻어진 위치를 보여준다.

도 7은 도 6에 나타낸 주물로부터 절단된 인장 시험 샘플들에 대한 T5 및 T6 열 처리 후의 강도 및 연신율 데이터의 그래프이다.

도 8은 T6 조건에서 본 발명의 합금의 S-N 피로 반응(ASTM E466 시험, R = -1)을 선행기술 A356.0-T6의 반응과 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 9는 T6 조건에서 본 발명의 합금의 계단식 피로 시험을 선행기술 A356.0-T6의 반응과 비교하여 나타낸 그래프이며, A356.0-T6에 대한 것은 평균 피로 강도이다.

도 10은 선행기술 합금 A356과 비교하여, 본 발명의 합금의 입계 부식 시험 후 손상 깊이를 나타낸 그래프이다.

도 11은 본 발명에 따른 합금의 입계 부식 시험 후 샘플의 주조 면의 현미경 사진이다.

도 12는 본 발명에 따른 합금의 입계 부식 시험 후 샘플의 기계가공 면의 현미경 사진이다.

도 13은 선행기술 합금 A356의 입계 부식 시험 후의 현미경 사진이다.

도 14는 다양한 수준의 구리를 갖는 본 발명의 합금에 대한 응력 부식 시험의 결과를 나타낸 그래프이다.

도 15는 본 발명의 합금의 응력 부식 균열에 대한 구리 및 마그네슘 수준의 영향을 나타낸 그래프이다.

바람직한 구체예의 상세한 설명 및 선행기술 합금과의 비교

본원에서 값들의 어떤 수치 범위를 언급할 때, 그러한 범위는 기술된 범위의 최소값 및 최대값 사이의 각 그리고 모든 수 및/또는 분수를 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 약 3.5 내지 5.5wt% 아연의 범위는, 약 3.6, 3.7, 3.8 및 3.9%의 모든 중간값들을 명백히 포함하며, 5.3, 5.35, 5.4, 5.475 및 5.499% Zn을 포함하여 그 이하를 모두 포함한다. 본원에 제시된 각 다른 수치 특성 및 원소 범위에도 동일하게 적용된다.

표 I은 시험된 합금들의 조성 데이터를 나타낸다. 첫째 줄과 셋째 줄에 나타낸 조성은 방향성 있게 고화된 주물에 대한 것이다. 둘째 줄은 성형 주물에 사용된 조성에 대한 것이다. 성형 주물은 도 6에 나타낸 프론트 너클이었다.

표 II는 표 I의 첫째 및 셋째 데이터 줄에 나타낸 조성을 갖는 방향성 있게 고화된 합금의 실온에서의 기계적 특성을 나타낸다. 표 II의 첫째 데이터 줄은 표 I의 첫째 데이터 줄의 합금으로 이루어진 방향성 있게 고화된 주물의 5주 자연 시효 후의 데이터이다. 표 II의 둘째 데이터 줄은 동일한 합금의 T5 열 처리 후의 데이터이고, 셋째 데이터 줄은 그 합금의 T6 열 처리 후의 데이터이다. 표 II의 넷째 및 다섯째 데이터 줄은 표 I의 마지막 줄에 나타낸 합금에 대한 것으로, 이것은 고 구리 합금이다. 이 합금 역시 T6 열처리를 행했다.

본 발명의 방향성 있게 고화된 샘플의 열 처리 동안의 기계적 특성의 전개를 도 5에 나타낸다. 이들 샘플의 조성은 표 I의 첫째 데이터 줄에 나타냈다. 1030℉(554℃)에서 8시간 동안 용체화 처리를 행한 후, 냉수로 퀀칭하고, 그 다음 인공적으로 시효처리했다. 다양한 양의 인공적 시효처리 후에 샘플을 오븐에서 꺼내어 기계 시험을 행했다. 측정된 특성은 TYS, UTS 및 연신율이었다. 인공 시효의 지속기간은 15시간이었다. 처음 6시간 동안 온도는 250℉(121℃)였다. 다음 9시간 동안 온도는 320℉(160℃)였다. TYS 및 UTS 값은 왼쪽에 있는 스케일을 참조하고, 연신율 값은 오른쪽의 스케일을 참조한다.

표 III은 도 6에 나타낸 프론트 너클 주물에 대한 데이터를 나타낸다. 이것은 본 발명에 따른 합금이며, 표 I의 둘째 데이터 줄에 나타낸 조성을 가진다. 인장 시험 샘플 1, 2 및 3의 위치는 도 6에 나타나 있다. 한 주물에는 160℃, 6시간으로 구성된 T5 열 처리를 행하고, 한 주물에는 554℃, 8시간 용체화 처리 후 냉수 퀀칭, 그 다음 121℃, 6시간 및 160℃, 6시간 인공 시효처리로 구성된 T6 열 처리를 행하여 시험을 수행했다.

표 III에서, T5 및 T6 템퍼 모두에서 합금에 대해 극도로 높은 인장 강도값과 우수한 연신율이 얻어진 것에 주목한다. 또한, 조성은 표 I의 둘째 데이터 줄에 나타낸 것과 같았다는 것에 주목한다. 표 III에 나타낸 데이터를 표 7에 그래프로 나타낸다.

도 8의 그래프는 본 발명의 합금의 S-N 피로 반응을 선행기술 합금 A356.0-T6의 반응과 비교하여 나타낸다. 이 시험은 ASTM E466, R = -1이었다. 100,000 사이클 후, 본 발명의 합금은 선행기술의 합금보다 현저하게 우수한 것을 볼 수 있다.

도 9는 T6 조건에서 본 발명의 합금의 계단식 피로 시험을, 선행기술 합금인 A356.0-T6의 반응과 비교하여 나타낸 그래프이며, A356.0-T6에 대한 것은 평균값으로 계산했다. 본 발명의 합금의 조성은 표 I의 둘째 데이터 줄에 나타낸 것과 같았다.

샘플을 526℃ 또는 554℃에서 용체화 처리한 후, 퀀칭하고, 160℃에서 6시간 동안 인공적으로 시효처리했다. 이미 보여진 바와 같이, 이들 샘플의 피로 반응은 A356.0-T6 재료와 비교하여 상당히 개선된다.

본 발명의 합금의 평균 피로 강도는 109.33MPa였고, 이때 표준 편차는 0.02 MPa이다. 평균 피로 강도의 표준 편차는 3.01MPa였다. A356.0-T6의 10⁷ 사이클에서 계산된 평균 피로 강도는 70MPa이다.

본 발명의 합금의 내부식성을, "염화나트륨+과산화수소 용액 중의 침수에 의해 열 처리가능한 알루미늄 합금의 입계 내부식성을 평가하기 위한 표준 프랙티스"인 ASTM G110 부식 시험을 이용하여 시험했다.

이 시험에서는, 샘플을 57g/L NaCl 및 10mL/L H₂O₂(30%)를 함유하는 용액에 6~24시간 동안 담근다. 다음에, 샘플을 단면 절단하여 광학 현미경 아래에서 부식 손상의 종류(입계 부식 또는 점부식) 및 깊이에 대해 시험한다.

도 10은 본 발명에 따른 합금 및 A356.0 합금에 대한 6시간 및 24시간 후의 ASTM G110 부식 시험에 따른 손상 깊이를 나타낸 그래프이다.

도 11 및 12는 ASTM G110 부식 시험에 24시간 노출 후의 본 발명에 따른 합금의 현미경 사진이다. 이들 현미경 사진에서는 아주 적은 입계 부식을 볼 수 있다.

도 13은 ASTM G110 부식 시험에 24시간 노출 후의 A356.0 합금의 현미경 사진이다. 이 현미경 사진에서는 상당한 입계 부식을 볼 수 있다.

또한, "중성 3.5% 염화나트륨 용액 중에 반복 침수에 의한 금속 및 합금 노출에 대한 표준 프랙티스"인 ASTM G44 시험을 이용하여 부식 시험을 수행했다. 이 시험에서는, 응력 상태의 샘플에 3.5% NaCl 용액에 10분간 침수 후 실험실 공기 중에 50분간 방치하는 것을 포함하는 1-시간 사이클을 행했다. 이 1-시간 사이클을 계속 반복한다. 시험 도중 샘플을 균열 및 파괴에 대해 규칙적으로 검사한다.

표 IV는 ASTM G44 시험에 사용된 본 발명에 따른 다양한 합금의 조성을 나타낸다.

표 V는 표 IV에 나타낸 합금 조성에 대한 시험 결과를 나타낸다.

도 14는 이들 시험의 결과를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 합금에 대해서, 높은 마그네슘 수준에서는, 구리의 증가가 응력 부식 균열에 대한 저항을 증가시킨다는 것을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 합금의 응력 부식 균열에 대한 구리 및 마그네슘 수준의 영향을 나타낸 그래프이다. 도 15는, 1.5~2% 범위의 마그네슘을 갖는 본 발명에 따른 합금에 대해서, 구리를 0.25~0.3%의 범위로 포함하는 것이 바람직하다는 것을 나타낸다.

표 VI 및 VII는 단일 액체 금속 저장소로부터 숏이 반복 제조되는 플랜트 시험의 결과를 나타낸다. 한 시험은 4월 4일에 수행되었고, 한 시험은 6월 4일에 시험되었고, 한 시험은 9월 4일에 시험되었다. 각 날짜에서 모든 주물에 대한 조성은 아주 약간 달랐다.

표 VI은 각 시험일에 취해진 샘플의 조성 범위를 나타낸다. 조성은 마그네슘과 구리를 높은 수준 함유했으며, 이것은 예상외의 높은 강도 수준을 제공할 것으로 기대되었다.

표 VII은 각 주물에서 4개의 상이한 위치에 대한 응력 데이터, 최종 인장 강도, 인장 항복 강도, 및 연신율을 나타낸다. 샘플 번호 칼럼은 각 주물을 나타낸다. 위치 칼럼은 주물로부터 절단된 각각의 기계 시험 샘플을 정의한다.

높은 수준의 마그네슘 및 구리에서, 우수한 연신율과 함께 뛰어난 강도 수준이 얻어진 것에 주목한다.

본 발명의 현재의 바람직한 구체예가 상기 제시되었지만, 본 발명이 첨부된 청구항의 범위 내에서 다른 식으로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (27)

1. 합금 성분으로서 중량%로 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 1~3%; Cu: 약 0.05~0.5%; Si: 약 1% 미만을 포함하는, 성형 주물용 열 처리가능한 알루미늄 합금.
2. 제 1 항에 있어서, 붕소, 탄소 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 결정 미세화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 결정 미세화제는 약 0.0025% 내지 약 0.05% 범위의 붕소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 결정 미세화제는 약 0.0025% 내지 약 0.05% 범위의 탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
5. 제 1 항에 있어서, 지르코늄, 스칸듐 및 이들의 조합으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 재결정화 방지제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재결정화 방지제는 0.2% 이하의 범위 의 지르코늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 재결정화 방지제는 0.3% 이하의 범위의 스칸듐을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2% 내지 4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.7% 내지 2.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.25~0.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.27~0.28%의 농도인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
12. 제 1 항에 있어서, 상기 합금에서 철의 농도는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 합금에서 망간의 농도는 약 0.3% 미만인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금.
14. 합금 성분으로서 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 1~3%; Cu: 약 0.05~0.5%; Si: 약 1% 미만을 포함하는 알루미늄 합금의 성형 주물.
15. 제 14 항에 있어서, T5 열 처리 후의 성형 주물.
16. 제 14 항에 있어서, T6 열 처리 후의 성형 주물.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2~4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.8~2.2%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
19. 제 14 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.25~0.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 성형 주물.
20. 제 14 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.27~0.28%의 농도인 것을 특징으로 하 는 성형 주물.
21. 합금 성분으로서 Zn: 약 3.5~5.5%; Mg: 약 1~3%; Cu: 약 0.05~0.5%; Si: 약 1% 미만을 포함하는 알루미늄 합금의 용융 매스를 제조하는 단계;

    상기 용융 매스의 적어도 일부분을 성형 주물을 생산하도록 구성된 주형에서 주조하는 단계;

    상기 용융 매스를 상기 주형에서 고화시키는 단계; 및

    성형 주물을 상기 주형에서 제거하는 단계

    를 포함하는, 알루미늄 합금 성형 주물의 제조방법.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 성형 주물에 T5 열 처리를 행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 21 항에 있어서, 상기 성형 주물에 T6 열 처리를 행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 21 항에 있어서, 상기 아연은 약 4.2~4.8%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 21 항에 있어서, 상기 마그네슘은 약 1.8~2.2%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 21 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.25~0.3%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 구리는 약 0.27~0.28%의 농도인 것을 특징으로 하는 방법.

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