KR20220063628A - Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법 - Google Patents

Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 높은 강도와 열안정성을 가지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법{Al-Mg-Si based aluminum alloy and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Al-Mg-Si 기반의 6xxx계 알루미늄 합금은 대표적인 열처리형 알루미늄 합금으로서 우수한 기계적 성질, 가공 특성, 내식성 등을 갖고 있으며, 따라서 압출, 압연, 단조 등의 방법 및 열처리 공정을 통하여 봉재, 선재, 형재, 판재, 단조재 등을 제조하는데 널리 사용된다. 알루미늄 합금이 자동차, 기계부품, 휴대용 전자기기 등에 사용되기 위해서는 부품설계 단계에서의 소재 강도 및 사용환경에서 발생하는 열에 대한 강도의 안정성을 갖는 소재의 개발이 필요하다.
한국특허출원번호 제10-2014-7032529호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 강도와 열안정성을 가지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 높은 강도와 열안정성을 가지는 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은 1.0% ~ 2.0%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은 0.5 ~ 2.0의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은 1.6% ~ 2.0%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은 0.55 ~ 0.75의 범위일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 면적분율 기준으로, 15 μm ~ 65 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 면적분율 기준으로, 30 μm ~ 45 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 인장강도(TS): 275 MPa ~ 397 MPa, 항복강도(YS): 235 MPa ~ 359 MPa, 및 연신율(EL): 13% ~ 21%를 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 인장강도(TS): 290 MPa ~ 400 MPa, 항복강도(YS): 255 MPa ~ 360 MPa, 및 연신율(EL): 16% ~ 19%를 만족하는,
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, Copper 집합조직, S 집합조직, Brass 집합조직, 및 Cube 집합조직 중 적어도 어느 하나의 집합조직을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 상기 S 집합조직의 분율의 최소값이 35%이고, 상기 Cube 집합조직의 분율의 최대값이 20%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법은, 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 용해 및 주조하는 단계; 상기 주조된 알루미늄 합금을 균질화 열처리하는 단계; 상기 균질화 열처리된 알루미늄 합금을 1차 소성 가공하여 알루미늄 합금 중간재를 형성하는 단계; 상기 알루미늄 합금 중간재를 고온시효하는 단계; 상기 고온시효한 알루미늄 합금 중간재를 용체화 열처리하는 단계; 및 상기 용체화 열처리된 알루미늄 합금 중간재를 인공시효하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용해 및 주조하는 단계는, 합금 원소를 모합금의 형태로서 첨가하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 균질화 열처리하는 단계는, 500℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 3 시간 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 1차 소성 가공하는 단계는, 단일 소성 가공 공정을 포함하거나 또는 다단 소성 가공 공정을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 고온시효하는 단계는, 350℃ 내지 450℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용체화 열처리하는 단계는, 520℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 1 분 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 인공시효하는 단계는, 160℃ 내지 190℃ 범위의 온도에서 4 시간 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용체화 열처리하는 단계와 상기 인공시효하는 단계 사이에, 상기 알루미늄 합금 중간재를 2차 소성 가공하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 1차 소성 가공하는 단계와 2차 소성 가공하는 단계 사이에, 상기 고온시효하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 2차 소성 가공하는 단계는, 스트레칭 공정, 단조 공정, 및 프레스성형 공정 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 마그네슘, 실리콘, 구리, 철, 망간, 크롬, 아연, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 및 불가피한 불순물을 포함하여 구성됨으로써, 우수한 강도뿐만 아니라 열 환경에 노출되어도 강도의 큰 저하없이 유지되는 특성을 가지고 있어서 강도 및 열안정성이 요구되는 자동차 차체부품, 전자기기 부품 및 기타 구조용 부품 등에 사용 가능하다. 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 알루미늄 특유의 경량성으로 인하여 제품의 무게를 감소시킬 수 있으며 지속적으로 고온에 노출되는 환경에서도 우수한 강도를 유지할 수 있어서 제품의 수명을 증가시키고 사용 중의 불량발생을 크게 감소시킬 수 있다. 또한, 구리, 마그네슘, 및 망간을 다량 함유하는 기존 소재에 비하여 내식성 및 가공성이 우수하여 부식환경에서의 수명 향상과 생산성 증가의 효과를 얻을 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 비교예와 실시예의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대한 투과 전자현미경으로 관찰한 미세조직을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 비교예와 실시예의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대한 후방산란전자 회절패턴을 분석한 방위지도를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
알루미늄 합금이 자동차, 기계부품, 휴대용 전자기기 등에 사용되기 위해서는 부품설계 단계에서의 소재 강도뿐만 아니라, 사용환경에서 발생하는 열에 대한 강도의 열안정성을 갖는 특성이 요구된다. 상기 열안정성은 소재가 상온 이상의 온도에 장기간 노출되었을 때, 내부에 존재하는 강화상의 금속학적인 변화여부에 따라서 달라질 수 있다. 열안정성이 우수한 경우에는 외부 열에 대한 내부 강화상의 변화가 크지 않으나, 열안정성이 낮은 경우에는, 강화상이 조대화하여 강화 효과가 감소할 수 있다. 따라서, 6xxx계 알루미늄 합금에서 강도와 열안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술이 요구된다.
알루미늄 합금의 열안정성의 향상을 위하여 구리, 마그네슘, 망간 등의 원소를 첨가하여 구현할 수 있다. 그러나 구리 함량의 증가는 내식성의 감소와 연신율의 저하를 초래할 수 있다. 마그네슘 함량의 증가는 용탕 품질의 저하 및 내식성의 저하, 그리고 유동응력의 증가로 가공성을 떨어뜨린다는 단점이 있다. 망간 함량의 증가는 가공성을 감소시킬 수 있다.
대표적인 6xxx 계 알루미늄 합금은 6063 합금 및 6061 합금이 있다. 상기 6063 합금은, 0.45 중량% ~ 0.9 중량%의 마그네슘(Mg) 및 0.2 중량% ~ 0.6 중량%의 실리콘(Si)을 함유하고, 강도는 낮으나 소성 가공 특성이 우수하여 단면 형상이 복잡한 산업용 압출재 제조에 광범위하게 사용되고 있다. 상기 6061 합금은, 0.8 중량% ~ 1.2 중량%의 마그네슘(Mg), 0.4 중량% ~ 0.8 중량%의 실리콘(Si), 0.15 중량% ~ 0.4 중량%의 구리(Cu)를 함유하고, 상기 6063에 비해서 강도가 높은 특징이 있다.
또한, 합금 첨가량을 더욱 증가시켜서 고강도 특성을 갖도록 한 6082 합금의 사용량이 증가하고 있다. 상기 6082 합금은, 0.6 중량% ~ 1.2 중량%의 마그네슘(Mg), 0.7 중량% ~ 1.3 중량%의 실리콘(Si), 0.4 중량% ~ 1.0 중량%의 망간(Mn)을 함유하고, 마그네슘, 실리콘 함량 증가와 함께 망간 함량도 증가시킴으로써, T6 열처리 후에 인장강도 310MPa 이상, 항복강도 260MPa 이상의 고강도를 얻을 수 있다.
최근에는 자동차, 기계부품, 전자제품 등의 용도에서 보다 우수한 강도를 갖는 소재의 개발이 요구되면서 6xxx계 합금에서도 기존 6082 보다 우수한 강도를 갖는 신합금 개발이 전세계적으로 진행 중이다.
대표적으로 노벨리스 사는 최근 6HS-s650 이라는 고유의 6xxx 계 합금을 공개하였으며, 이 합금은 0.7 중량% ~ 1.0 중량%의 마그네슘(Mg), 0.6 중량% ~ 0.9 중량%의 실리콘(Si), 0.6 중량% ~ 0.9 중량%의 구리(Cu)를 가지며, T6 열처리 후에 인장강도 380MPa, 항복강도 340MPa의 특성을 가진다. 그러나, 상기 6HS-s650 합금은 다량의 구리와 마그네슘을 함유하고 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은 합금 원소의 종류와 범위를 제어하고, 제조공정에 있어서 고온 시효공정을 도입함으로써 강도 및 열안정성이 모두 우수한 특성을 가질 수 있다.
알루미늄 합금의 강도는 주된 합금원소인 마그네슘, 실리콘, 및 구리의 함량을 증가시킴으로써 가능하다. 그러나, 마그네슘 함량을 증가시키면 가공성이 크게 저하되고, 실리콘 함량을 증가시키면 열안정성이 저하된다.
따라서 기존의 방법은 6xxx계 합금에서 강도 및 열안정성을 모두 향상시키기 위하여 구리, 망간 등을 다량 첨가하였으나, 구리의 함량이 증가하면 내식성이 저하될 수 있고, 망간을 다량 첨가하면 가공성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은 합금원소의 종류 및 함량이 하기와 같이 제어한다. 제조 공정상의 고온시효 공정을 적용함으로써 합금원소의 첨가량을 제한하면서도 우수한 강도와 열적 안정성을 모두 달성할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 내식성 및 가공성을 저해하는 구리 및 마그네슘의 함량을 제한함과 동시에 제조공정 상의 고온시효 공정을 적용함으로써 강도 및 열안정성을 동시에 확보할 수 있다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 구리 및 마그네슘의 함량을 제한함으로써 내식성과 가공성을 확보함으로써, 상기 합금을 이용하여 제조한 자동차부품, 기계부품, 전자기기부품은 제품의 작동과정에서 발생하는 열에 장시간 노출되어도 강도가 크게 감소하지 않으므로 제품성능을 저하하지 않고 불량발생을 크게 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 일 측면인 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대하여 설명한다.
Al-Mg-Si계 알루미늄 합금
본 발명의 일 측면인 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 마그네슘, 실리콘, 구리, 철, 망간, 크롬, 아연, 티타늄, 바나듐, 지르코늄, 및 잔부는 알루미늄 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 기타 불가피한 불순물에 대하여 설명하면, 통상의 제조과정에서 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에서, 마그네슘의 함량이 너무 많은 경우에는 가공성을 저하시킬 수 있으므로, 그 함량을 제어할 필요가 있다. 특히, 상기 마그네슘은 실리콘과 함께 함량 및 비율의 제어가 요구되며 0.8 이하로 제한한다.
상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은, 예를 들어 1.0% ~ 2.0%일 수 있다. 또한, 상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은, 예를 들어 1.6% ~ 2.0%일 수 있다.
상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은, 예를 들어 0.5 ~ 2.0의 범위일 수 있다. 또한, 상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은, 예를 들어 0.55 ~ 0.75의 범위일 수 있다.
전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 제조방법을 통해 제조된 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 하기와 같은 특성을 가질 수 있다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 면적분율 기준으로, 예를 들어 15 μm ~ 65 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가질 수 있다. 또한, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 면적분율 기준으로, 예를 들어 30 μm ~ 45 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가질 수 있다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 예를 들어 인장강도(TS): 275 MPa ~ 397 MPa, 항복강도(YS): 235 MPa ~ 359 MPa, 및 연신율(EL): 13% ~ 21%를 만족할 수 있다. 또한, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 예를 들어 인장강도(TS): 290 MPa ~ 400 MPa, 항복강도(YS): 255 MPa ~ 360 MPa, 및 연신율(EL): 16% ~ 19%를 만족할 수 있다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, Copper 집합조직, S 집합조직, Brass 집합조직, 및 Cube 집합조직 중 적어도 어느 하나의 집합조직을 가질 수 있다.
상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 상기 S 집합조직의 분율의 최소값이 35%이고, 상기 Cube 집합조직의 분율의 최대값이 20%일 수 있다. 구체적으로, 상기 S 집합조직의 분율은, 예를 들어 35% 내지 50% 범위일 수 있다. 상기 Cube 집합조직의 분율은, 예를 들어 5% 내지 20% 범위일 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법은, 용해주조 단계(S10); 균질화 열처리 단계(S20); 1차 소성 가공 단계(S30); 고온시효 단계(S40); 용체화 열처리 단계(S50); 및 인공시효 단계(S60);를 포함한다.
구체적으로, 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법은, 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 용해 및 주조하는 단계(S10); 상기 주조된 알루미늄 합금을 균질화 열처리하는 단계(S20); 상기 균질화 열처리된 알루미늄 합금을 1차 소성 가공하여 알루미늄 합금 중간재를 형성하는 단계(S30); 상기 알루미늄 합금 중간재를 고온시효하는 단계(S40); 상기 고온시효한 알루미늄 합금 중간재를 용체화 열처리하는 단계(S50); 및 상기 용체화 열처리된 알루미늄 합금 중간재를 인공시효하는 단계(S60);를 포함할 수 있다.
상기 용해주조 단계(S10)는 합금 원소들 각각을 첨가하거나, 또는 합금원소 전체 또는 일부를 모합금의 형태로서 첨가할 수 있다. 예를 들어, 마그네슘을 순수한 원소상태로서 알루미늄 용탕에 첨가하거나 또는 마그네슘의 함량이 높은 마그네슘-알루미늄 합금을 모합금으로써 알루미늄 용탕에 첨가할 수 있다. 이러한 방식은 다른 첨가원소들에도 적용될 수 있다.
상기 용해주조 단계(S10)는 상기 알루미늄 합금이 완전히 용해되는 온도에서 수행될 수 있다. 또한, 상기 용해주조 단계(S10)에서는, 상기 용해된 알루미늄 합금을 원하는 형상, 예를 들어 슬라브 등의 형상으로 주조할 수 있다.
상기 균질화 열처리하는 단계(S20)는, 500℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 3 시간 내지 30 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 균질화 열처리하는 단계(S20)를 수행한 후에, 상기 알루미늄 합금은 공랭으로, 상온으로, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 균질화 열처리하는 단계(S20)에 의하여, 상기 주조된 알루미늄 합금 내의 합금원소의 균질화가 수행될 수 있다.
상기 1차 소성 가공하는 단계(S30)에서는, 상기 주조된 알루미늄 합금을 압연, 압출, 단조 등의 소성 가공 공정을 거쳐서 원하는 형태를 가지는 알루미늄 합금 중간재를 형성한다. 상기 1차 소성 가공하는 단계(S30)는 동일한 종류의 소성 가공이 복수회로 수행되거나, 다른 종류의 소성 가공이 수행될 수 있다. 즉, 상기 1차 소성 가공하는 단계(S30)는 단일 소성 가공 공정을 포함하거나 또는 다단 소성 가공 공정을 포함할 수 있다.
상기 고온시효하는 단계(S40)는, 예를 들어 350℃ 내지 450℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 1 시간 내지 10 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 고온시효하는 단계(S40)를 수행한 후에, 상기 알루미늄 합금 중간재는 공랭으로, 상온으로, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 고온시효하는 단계(S40)에 의하여, 상기 알루미늄 합금은 열적 안정성이 뛰어난 지르코늄 또는 티타늄 또는 바나듐의 함량이 높은 나노 스케일의 Al3(Zr, Ti, V) 계 석출물이 분포한 미세조직을 가질 수 있다.
상기 용체화 열처리하는 단계(S50)는, 예를 들어 520℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 1 분 내지 12 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 용체화 열처리하는 단계(S50)를 수행한 후에, 상기 알루미늄 합금 중간재는 수냉으로, 상온으로, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 용체화 열처리하는 단계(S50)에 의하여, 상기 알루미늄 합금은 정출물이 고용될 수 있다.
상기 인공시효하는 단계(S60)는, 예를 들어 160℃ 내지 190℃ 범위의 온도에서, 예를 들어 4 시간 내지 48 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 인공시효하는 단계(S60)를 수행한 후에, 상기 알루미늄 합금 중간재는 공랭으로, 상온으로, 예를 들어 0℃ 내지 40℃ 범위의 온도로 냉각될 수 있다. 상기 인공시효하는 단계(S60)에 의하여, 상기 알루미늄 합금은 석출물을 제어하여 강도를 증가시킬 수 있다.
또한, 선택적으로, 상기 용체화 열처리하는 단계(S50)와 상기 인공시효하는 단계(S60) 사이에 상기 알루미늄 합금 중간재를 2차 소성 가공하는 단계(S55);를 더 포함할 수 있다. 상기 2차 소성 가공하는 단계(S65)는, 냉간가공 단계를 포함할 수 있고, 예를 들어 스트레칭 공정, 단조 공정, 및 프레스성형 공정 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
하기의 표 1의 합금 조성(단위: 중량%)을 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금을 제조하였다. 표 1에서 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이다. 실시예와 비교예 모두 표 1의 합금 조성을 포함하였다.
종류 Mg Si Cu Fe Mn Cr Zn Ti V Zr
W 0.62 0.45 0.24 0.1 0.32 0.23 0.16 0.09 0.21 0.054
X 0.72 0.43 0.24 0.12 0.32 0.22 0.15 0.076 0.20 0.06
Y 0.61 1.08 0.24 0.11 0.34 0.22 0.15 0.096 0.21 0.053
Z 0.77 1.1 0.25 0.12 0.33 0.23 0.16 0.075 0.21 0.062
표 2는 비교예와 실시예의 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금을 형성하는 공정 조건 값들을 나타낸다.
공정 단계 실시예 비교예
균질화 열처리 530℃; 6 시간; 공랭 530℃; 6 시간; 공랭
고온시효 450℃; 6 시간; 공랭 X
용체화 열처리 545℃; 1 시간; 수냉 545℃; 1 시간; 수냉
인공시효 170℃; 24 시간; 공랭 170℃; 24 시간; 공랭
표 2를 참조하면, 실시예는, 용해주조, 균질화 열처리, 1차 소성 가공, 고온시효, 용체화 열처리, 및 인공시효를 수행하였다. 반면, 비교예는, 고온시효를 수행하지 않았다. 고온 시효의 수행여부와는 무관하게, 상기 인공시효가 완료된 상태를 "T6 열처리 상태"로 지칭하기로 한다. 상기 T6 열처리 상태의 알루미늄 합금의 열안정성을 평가하기 위하여, 205℃의 온도에서 1 시간 유지한 후 공랭하였다.
표 3은 비교예와 실시예의 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대한 기계적 특성을 나타낸다.
구분 종류 T6 열처리 상태 T6 + 205℃에서 1 시간
인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)		 인장강도
(MPa)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)
비교예1 W 278 237 17 281 240 18
실시예1 W 299 257 16 289 243 16
비교예2 X 292 242 19 290 240 19
실시예2 X 306 260 17 296 250 16
비교예3 Y 373 327 21 363 328 20
실시예3 Y 387 341 19 366 330 18
비교예4 Z 376 342 19 362 328 18
실시예4 Z 397 358 18 373 344 16
표 3을 참조하면, 각각의 동일한 합금 조성에서, T6 열처리 상태에서 고온시효를 수행한 실시예들은 고온시효를 수행하지 않은 비교예에 비하여 인장강도와 항복강도가 높게 나타났다. 열처리 후 205℃에서 1 시간 동안 추가 열처리를 수행한 경우에도, 실시예가 비교예에 비하여 인장강도와 항복강도가 높게 나타났다. 이러한 차이는, T6 열처리 상태에서 그 차이가 더 크게 나타났으며, 열처리 후 205℃에서 1 시간 동안 추가 열처리를 수행한 경우에는 그 차이가 감소하였다. 연신율에 경우에는, 실시예가 비교예에 비하여 약간 낮게 나타났다.표 4는 비교예와 실시예의 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 결정립 크기를 나타낸다.
구분 종류 평균 결정립 크기 (μm)
비교예1 W 34.9 ± 17.1
실시예1 W 39.8 ± 22.5
비교예2 X 36.1 ± 15.8
실시예2 X 39.4 ± 19.5
비교예3 Y 33.4 ± 15.3
실시예3 Y 43.7 ± 21.0
비교예4 Z 32.5 ± 17.5
실시예4 Z 34.9 ± 15.8
표 4를 참조하면, 비교예와 실시예는 15 μm ~ 65 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가지며, 구체적으로 30 μm ~ 45 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가졌다. 각각의 동일한 합금 조성에서, 평균 결정립 크기는 비교예에 비하여 실시예가 크게 나타났다.전계방사 주사전자현미경을 이용하여 얻은 후방산란전자 회절패턴을 분석하여 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 결정립의 형상 및 상기 결정립의 방위를 얻었다.
표 5는 비교예와 실시예의 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 집합 조직 분율을 나타낸다.
집합조직 Cube Copper Brass S
밀러 면 {001} {112} {110} {123}
밀러 방향 <100> <111> <112> <634>
오일러 각도
(φ1, Φ, φ2)		 45.0/0.0/45.0 90.0/35.0/45.0 55.0/90.0/45.0 59.0/36.7/63.4
비교예1 W 3.0 (12%) 5.2 (20%) 6.8 (26%) 10.9 (42%)
실시예1 W 2.3 (11%) 6.6 (32%) 2.5 (12%) 9.2 (45%)
비교예2 X 2.7 (11%) 5.9 (24%) 4.5 (18%) 11.9 (48%)
실시예2 X 3.9 (19%) 5.8 (28%) 2.9 (14%) 8.3 (40%)
비교예3 Y 2.1 (8.5%) 9.1 (37%) 2.7 (11%) 10.7 (43%)
실시예3 Y 2.7 (11%) 7.9 (31%) 2.8 (11%) 12.2 (48%)
비교예4 Z 1.1 (5%) 4.3 (20%) 5.8 (26%) 10.8 (49%)
실시예4 Z 2.4 (11%) 7.2 (32%) 3.4 (15%) 9.2 (41%)
표 5를 참조하면, 첨가원소 조성에 따라 집합조직 분율의 변화 정도가 차이를 나타내었다. 대체로, 비교예들과 각각 비교하면, 실시예들은 Brass 집합조직의 분율이 감소하는 경향을 나타내었고, Copper 집합조직과 Cube 집합조직은 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 집합조직의 분율의 변화가 강도와 관련이 있는 것으로 분석된다.도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대한 투과전자현미경으로 관찰한 미세조직을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 비교예에 비하여 실시예에서 석출물의 분율이 증가한 것으로 나타낸다. 이러한 석출물의 분율의 변화가 강도와 관련이 있는 것으로 분석된다.
도 3은 본 발명의 비교예와 실시예에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금에 대한 후방산란전자 회절패턴을 분석한 방위지도를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 상기 방위지도는 역 극점도 지도로 지칭될 수 있다. 전계방사 주사전자현미경을 이용하여 얻은 후방산란전자 회절패턴을 분석하여 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 결정립의 형상이 나타나있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (20)

  1. 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은 1.0% ~ 2.0%인,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은 0.5 ~ 2.0의 범위인,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마그네슘의 함량과 상기 실리콘의 함량의 합은 1.6% ~ 2.0%인,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 마그네슘과 상기 실리콘의 Mg/Si 비율은 0.55 ~ 0.75의 범위인,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    면적분율 기준으로, 15 μm ~ 65 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가지는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    면적분율 기준으로, 30 μm ~ 45 μm의 범위의 평균 결정립의 크기를 가지는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    인장강도(TS): 275 MPa ~ 397 MPa, 항복강도(YS): 235 MPa ~ 359 MPa, 및 연신율(EL): 13% ~ 21%를 만족하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    인장강도(TS): 290 MPa ~ 400 MPa, 항복강도(YS): 255 MPa ~ 360 MPa, 및 연신율(EL): 16% ~ 19%를 만족하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    Copper 집합조직, S 집합조직, Brass 집합조직, 및 Cube 집합조직 중 적어도 어느 하나의 집합조직을 가지는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은,
    상기 S 집합조직의 분율의 최소값이 35%이고, 상기 Cube 집합조직의 분율의 최대값이 20%인,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금.
  12. 중량%로, 마그네슘(Mg): 0.6% ~0.8%, 실리콘(Si): 0.4% ~ 1.2 %, 구리(Cu): 0.1% ~ 0.26%, 철(Fe): 0% 초과 ~ 0.15 %, 망간(Mn): 0.2% ~ 0.35 %, 크롬(Cr): 0.1% ~ 0.25%, 아연(Zn): 0% 초과 ~ 0.2%, 티타늄(Ti): 0% 초과 ~ 0.1 %, 바나듐(V): 0% 초과 ~ 0.25%, 지르코늄(Zr): 0% 초과 ~ 0.1%, 및 잔부는 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금을 용해 및 주조하는 단계;
    상기 주조된 알루미늄 합금을 균질화 열처리하는 단계;
    상기 균질화 열처리된 알루미늄 합금을 1차 소성 가공하여 알루미늄 합금 중간재를 형성하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 중간재를 고온시효하는 단계;
    상기 고온시효한 알루미늄 합금 중간재를 용체화 열처리하는 단계; 및
    상기 용체화 열처리된 알루미늄 합금 중간재를 인공시효하는 단계;를 포함하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 용해 및 주조하는 단계는,
    합금 원소를 모합금의 형태로서 첨가하여 수행되는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 균질화 열처리하는 단계는,
    500℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 3 시간 내지 30 시간 동안 수행되는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 1차 소성 가공하는 단계는,
    단일 소성 가공 공정을 포함하거나 또는 다단 소성 가공 공정을 포함하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 고온시효하는 단계는,
    350℃ 내지 450℃ 범위의 온도에서 1 시간 내지 10 시간 동안 수행되는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 용체화 열처리하는 단계는,
    520℃ 내지 550℃ 범위의 온도에서 1 분 내지 12 시간 동안 수행되는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 인공시효하는 단계는,
    160℃ 내지 190℃ 범위의 온도에서 4 시간 내지 48 시간 동안 수행되는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 용체화 열처리하는 단계와 상기 인공시효하는 단계 사이에,
    상기 알루미늄 합금 중간재를 2차 소성 가공하는 단계;를 더 포함하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 2차 소성 가공하는 단계는,
    스트레칭 공정, 단조 공정, 및 프레스성형 공정 중 적어도 어느 하나를 포함하는,
    Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 제조방법.
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