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KR101572773B1 - 알루미늄 합금 - Google Patents

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KR101572773B1
KR101572773B1 KR1020147015867A KR20147015867A KR101572773B1 KR 101572773 B1 KR101572773 B1 KR 101572773B1 KR 1020147015867 A KR1020147015867 A KR 1020147015867A KR 20147015867 A KR20147015867 A KR 20147015867A KR 101572773 B1 KR101572773 B1 KR 101572773B1
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Abstract

제1 양태에서, 본 발명은 모든 값들이 중량%인 하기 조성으로 구성되는 알루미늄 합금을 제공한다: Si0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe 최대 0.5 Mn 최대 0.1, 부수적이면서 존재시 각각 0.05 이하, 및 전체가 0.15로 존재하는 Mg를 포함한 모든 다른 원소 및 잔부가 알루미늄이다. 제2 양태에서, 본 발명은 복합 알루미늄 시트를 제공하고, 상기 복합 알루미늄 합금 시트는 코어 및 적어도 하나의 피복층으로 구성되고 적어도 하나의 피복층은 하기 모든 값들이 중량%인 하기 조성으로 구성된다: Si 0.25 - 1.5 Cu 0.3 - 1.5 Fe 최대 0.5 Mn 최대 0.1, 부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 및 전체가 0.15로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및 잔부가 알루미늄이다. 제3 양태에서, 본 발명은 강재 요소 및 본 발명 합금 및/또는 시트 제품으로 제조되는 알루미늄 요소의 접합 구조체 제조방법을 제공한다.

Description

알루미늄 합금{Aluminium Alloy}
본 발명은 주로 수송 차량들에서 사용되는 알루미늄 합금 및 시트 합금 제품에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 Al-Si-Cu 계를 기반으로 하고 자동차 생산에 유용한 시트 제품으로 사용되기에 특히 적합하다. 또한 알루미늄 합금은 복합시트에서 피복층으로 사용되기에 또한 적합하다. 또한 본 발명은 강재 요소 및 알루미늄 요소로 구성되는 접합 구조체에 관한 것이다.
수년 동안 자동차 및 기타 수송 차량 생산에서 알루미늄 합금들을 사용하였다. 특정 요소들의 특수한 요건들에 따라 상이한 범위의 합금들을 사용한다. 소정 분야들에서 고강도 소재가 바람직하다. 또 다른 분야에서는 더 높은 성형성이 필요하고, 이러한 경우, 강도는 중요도가 낮을 수 있다. 또한 충격에서 예를 들면 보행자와 충돌하는 경우 쉽게 변형될 수 있는 소재가 요구되어 왔으며 이러한 소재들은 더 낮은 강도를 가질 수 있다. 이러한 분야들에서 알루미늄 합금 제품들은 시트에서 단조품, 압출물에서 주조물에 이르기 까지 다양한 형태로 제공된다.
전형적으로 알루미늄 합금들은 주요 합금 원소들이 Mg 및 Si인 6XXX 계열, 또는 주요 합금 원소가 Mg인 5XXX 계열의 합금들이다. 주요 합금 원소가 Cu인 2XXX 계열의 합금들이 때로 사용되기도 한다. 알루미늄 및 합금들을 명명하고 지정하기 위하여 가장 일반적으로 사용되는 수치 호칭 계통을 이해하기 위하여 알루미늄 학회에서 발표되고, 2009년2월 보완된 “가공용 알루미늄 및 가공용 알루미늄 합금들을 위한 국제적 합금 명명 및 화학적 조성 한계”를 참조한다.
자동차 및 기타 분야에서 사용되는 피복 시트들 또는 복합시트들도 알려져 있다. 이러한 제품들에서 복합시트는 상이한 화학적 조성들을 가지는 합금들이 적어도 2층으로 이루어진다. 전형적으로 코어라고 칭하는 하나의 층은 전체적 기계 특성을 제공하고, 전형적으로 피복층이라고 칭하는 제2 층은 특정 표면 특성을 제공한다. 피복층은 통상 코어층보다 더욱 얇다. 일반적으로 하나의 조성을 가지는 코어층은 다른 조성의 2개의 피복층들 사이에 개재되어 3-층 시트를 형성하고, 상기 두 피복층들은 동일한 조성을 가진다. 그러나 언제나 이러한 것은 아니며 복합시트는 각층이 상이한 조성을 가지는 다층들로 제공될 수 있다.
알루미늄 합금들은 수송 차량들 제조에 사용되는 유일한 소재는 아니다; 강 (steel) 역시 중요한 구조 소재이다. 주로 자동차 구조와 관련하여, 본원의 발명은 항공기 및 육상 차량들 예컨대 기차, 버스 및 트럭을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다른 수송 차량뿐 아니라 알루미늄 요소들을 강재 요소들에 접합시킬 필요가 있는 기타 산업 분야에 동일하게 적용될 수 있다. 자동차 구조를 이용하여 본 발명의 배경을 설명하고 이의 이점들을 보인다.
자동차 구조의 여러 지점들에서, 알루미늄 합금은 합금강 제품과 접촉하고 이에 접합되어야 한다. 알루미늄 및 강재는 액화 온도들에 있어서 크게 차이가 나고 낮은 원소 상호 용해도로 인하여 종래 용접 기술들, 예컨대 TIG, MIG, 레이저 용접, 플라즈마 용접, 기타 등으로 만족할 만큼 접합되지 않으므로 문제를 유발한다. 실제로, 적용 온도들이 일반적으로 강재 용융을 유발시킬 정도로 높지 않기 때문에, 2 용융 금속들의 융합의 의미에서, 고전적으로 정의되는 바와 같은 용접은 이루어지지 않는다. 따라서, 열적 접합 방법을 기술하기 위하여 다양한 용어들이 사용되고 이러한 용어들은 레이저 용접, 브레이즈 용접 및 기타 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 본질적으로 그리고 본 발명의 목적에 있어서, 강재 부품에 접합된 알루미늄 부품으로 구성되는 구조체란 알루미늄 요소의 최소한 일부에 용융을 유발시키는 열적 방법에 의해 초래된 것을 의미한다.
Al-Fe 이성분 평형상태도에 의하면 다양한 평형 금속간화합물들 예컨대 Fe2Al5, FeAl3, FeAl2 및 FeAl이 존재한다. 이들 금속간화합물은 경성과 취성을 가지는 것을 알려져 있다. 또한, 종래 용접 기술들에서 고열 주입 및 이에 따른 강재 및 알루미늄 부분들의 반응 및 확산으로 인하여 취성 금속간화합물들의 두꺼운 층이 발생될 위험이 있다. 강재/알루미늄 계면들에서 이러한 금속간화합물들이 존재하면 그 접합부에서 기계적 특성이 불량해지고 취성파괴거동에 이를 수 있다. 따라서 알루미늄 및 합금강 간의 접합부는 구조적 핵심 취약 자리가 될 수 있다. 적합한 파괴 강도를 가지고, 충분한 연성을 소지한 접합부가 바람직하다.
이러한 접합부의 계면 강도 및 연성을 개선시키기 위한 시도가 있었다. 하나의 방법은 예를 들면, 용접 속도를 높이고, 열량을 추출하기 위해 지지 블록(backing block)을 추가하거나 용접 공정을 중단하는 것에 의해 접합 공정에서 열량 주입을 줄이는 것이다. 이러한 방법은 공지 기술인 냉간 금속 이동 (Cold Metal Transfer) 브레이즈-용접 (CMT)에서 구현된다. 계면 강도가 개선되고, 파괴 모드가 취성으로 잔류하지만 이러한 방법의 단점은 제조과정이 복잡해지고 고가이며, 산업적 규모로 대량생산이 가능할 정도의 작업 범위가 좁다는 것이다.
용접성 개선의 제2 방법은 용접부에 Zn을 첨가하여 저융점, 공융체인 Al-Zn 형성을 촉진시키는 것이다. 이러한 방법에서 대기중 용접 가공에 플럭스 없이 Zn 필러 소재가 첨가되거나 Zn 피복물이 강재 요소에 적용된다. 낮은 열량 주입이 동반되어 사용된다. Zn 사용의 문제점은 레이저 용접 과정에서 증발되기 쉽다는 것이다. 또한, Zn은 높은 음의 부식 전위를 가지므로 접합부의 내부식성을 약화시킨다.
JP04768487B2는 자동차용 알루미늄 및 강재 복합 구조체 획득 방법을 기술한 것이고, 플럭스 없이 레이저 빔을 이용하여 AA5182 합금의 알루미늄 층을 강판에 용융하는 단계를 포함한다.
US-A-4,814,022는; Si 0.5, Mg 0.1; Si 0.5 Mg 0.2; Si 1.3, Mg 0.5; Si 1.3, Mg 0.1의 좌표를 가지는 사다리꼴로 정의되는 Si 및 Mg을 포함하는 용접성 알루미늄 합금을 기술한다. 합금은 0.1 내지 0.5의 Cu 를 추가로 포함한다. 본 조성물은 캐스팅 후 고형화 과정에서 Mg2Si 석출을 제한하도록 제어되고, 합금에서 경화에 필요한 Mg2Si 석출은 이후 열처리로부터 발생된다. 용접성 합금으로 기술되어 있지만, 실시예들은 강재 요소로가 아닌 자체로 용접되는 합금을 기재하고 있다.
US-A-4,808,247은 Al-Si-Cu-Mg 합금들 제조방법을 기술하고 있으며, 최종 어닐링 단계가 포함되고, 여기에서 기재된 합금들은 60-360℃로 가열되며, 상기 온도에서 일정시간 유지되고, 제어 방식으로 냉각된다. 3종의 합금들이 개시되어 있고, 이들 모두는 Mg 을 함유하여 Mg2Si 경화 석출물 형성을 촉진시킨다.
US-A-5,582,660은 자동차 시트용 합금을 기술하며, 이는 다음 조성으로 구성된다; Si >1.0 내지 약 1.3, Mg >0.25 내지 약 0.60, Cu 약 0.5 내지 약 1.8, Mn 약 0.01 내지 약 0.1, Fe 약 0.01 내지 약 0.2, 잔부는 실질적으로 알루미늄 및 부수적인 원소들 및 불순물이다. Si와 조합되는 Mg 은 Mg2Si 경화 석출물 형성에 본질적인 것이다.
WO 98/14626은 wt% 단위로 다음 조성을 가지는 압연용 알루미늄 합금을 기술한다: Si 0.8 - 1.5; Mg 0.2 - 0.7; Fe 0.2 - 0.7; Mn 0.01 - 0.1; Cu 최대 0.25; Cr 최대 0.1; Zn 최대 0.4; V 최대 0.2, 잔부는 Al. 규소 및 마그네슘은 경화 Mg2Si 석출물 형성을 위하여 첨가되었다. Fe 는 파괴되고 압연 과정에서 분산된 후 재결정화 핵 형성 자리들로 기능할 수 있는 Al-Fe 상들의 충분한 부피율을 형성하기 위하여 사용된다.
포테서(Potesser) 등에 의해, EPD Congress, 2006에서 발표된 강재-알루미늄 용접의 금속간화합물 Fe-Al 층의 특성” 문헌에서 보이듯 Al-Si 땜납 합금들 사용을 고려하였다.
US-B2-7,943,883은 철 부재 및 알루미늄 부재의 접합방법을 기술하고 있으며, 철 부재는 접합 측에 적어도 도금 층을 포함하고 알루미늄 층은 알루미늄 코어 및 알루미늄 코어 소재보다 더 낮은 융점의 알루미늄 피복물에 의해 형성되고, 철 부재와 접합 측에서 제공된다. 알루미늄 피복층의 합금은 4.0 - 11.6 wt% Si, 잔부 Al의 Al - Si 합금 또는 5.7 - 33.2 wt % Cu, 잔부 Al의 Al - Cu 합금이다.
또한 알루미늄이 강재에 접합될 때 생성되는 계면구역의 두께를 줄이는 것을 추천하지만 이는 용접 과정에서 매우 좁은 공정 제어 범위가 요구되고 생산 규모를 달성하기에는 매우 어렵다.
이러한 제안들은 알루미늄 합금 제품 및 합금강 제품 간의 접합 품질에 있어서 여전히 해결되어야 할 문제들을 남긴다.
본 발명의 목적은 필러 합금을 사용하지 않고 합금강에 용접될 수 있는 알루미늄 합금을 제공하는 것으로, 알루미늄 합금은 적합한 강도 및 연성 파괴 거동을 가지는 계면 및 강도 및 연성 간의 절충 가용 범위가 넓어진 유용한 방식을 제공한다.
본 발명의 제1 양태에 의하면 알루미늄 합금은
Si 0.25 - 1.5
Cu 0.3 - 1.5
Fe 최대 0.5
Mn 최대 0.1
부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 및 전체가 0.15 이하로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및
잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고, 상기한 모든 값들은 중량%이다.
실시예들에서, Mn 함량은 부수적일 수 있고, 즉, 0.05 wt% 이하일 수 있다. 실제로 0.08 wt% Mn이 고려되지만, 이는 편의성 및 상업적 현실성을 위한 것이고, 기술적 목표에서 성능 개선을 위한 것은 아니다.
기술적 문제에 대한 선행 기술의 해결방법과는 달리, 본 발명자들은 알루미늄 합금의 습윤성을 개선하고, 고온 균열 단점에 대한 합금 취약성을 줄이고, 강재에서 알루미늄 합금 제품으로의 Fe 확산을 변형시켜 강재에 인접하게 형성되는 금속간화합물의 유형을 FeAl3-유형보다는 FeAl 유형이 선호되도록 알루미늄 합금 조성물을 적용하였다. 본 발명에 의한 합금들에서, 계면은 2종의 금속간화합물, FeAl 및 Fe2Al5로 구성되고, 합금강에 인접한 구역에는 FeAl이 형성되는 치밀한 금속간화합물 층에 특징이 있다. 또한, 본 발명 합금에 의해 생성되는 계면 영역은 상대적으로 거대하고, 3개의 구분 가능한 구역들로 구성된다. 이러한 더 두꺼운 계면 구역으로 인하여 광범위한 공정 매개변수들의 적용이 가능하여, 더욱 융통성 있고 따라서 대량생산에 적합한 새로운 합금을 형성할 수 있다.
Si는 합금에 첨가되어 고상 온도를 감소시키고 습윤성을 향상시킨다. 이러한 이유로 Si 하한치는 0.25이다. 또한, Si 첨가로 인하여 용접 후 형성되는 고온 균열 취약성을 감소시키고 바람직한 Si 하한치는 0.5이다. Si 가 많을수록 Al(Fe3,ST)-유형의 금속간화합물들 형성이 선호되고 연성에 대한 역효과를 가지므로 Si 상한치는 1.5이고 바람직하게는 1.25이다.
Cu 역시 고상 온도를 낮추고 습윤성을 개선하지만 또한 Al-Fe 금속간화합물 유형 변경을 위하여 합금에 첨가된다. 이러한 이유로 Cu 하한치는 0.3이다. 그러나, 높은 Cu 함량은 고온 균열 위험성을 증가시키므로 Cu 함량은 너무 높아서는 아니된다. 또한, 더 높은 Cu 함량은 또한 접합 연성을 감소시킨다. 이러한 이유로 Cu 상한치는 1.5 이지만, 여러 경우들에서 상한치는 1.25가 바람직하다.
Si와 조합되어 Mg 은 경화 Mg2Si 석출물을 형성하고, Mg 은 접합 품질 개선에 기여하지 않으므로 이는 도움이 되지 않는다. Mg 함량이 증가할수록 접합부에서 연성, 합금의 성형성 및 용접 품질, 가공성 및 균열이 감소된다. 소량의 Mg이 허용 가능하지만, (스크랩 재생을 수용하기 위해), Mg 함량은 개별 불순화 원소의 함량을 넘어서는 아니된다.
Mn 또한 고온 균열 취약성 또는 성형성에 영향을 주지 못하지만 기타 공급원으로부터 재생금속에 존재할 수 있다. 본원에서 심각한 악영향 없이 기타 원소들보다 더 높은 함량으로 허용 가능하다. 따라서, 상업적 이유로 (더 많은 재생화) Mn은 기타 부수적인 불순물 원소들보다 더 높은 함량으로 허용될 수 있다.
기타 원소들 예컨대, 제한적이지 않지만, Zn, Ni, Ti, B, Cr 및 V는, Ti 및 B 경우, 결정 미세화제 첨가를 통해 미량 원소들 또는 불가피한 불순물 형태로 존재할 수 있다. 각각의 이러한 미량 원소 또는 불가피한 불순물 또는 결정 미세화 원소는 각각 0.05 미만 및 총 0.15 미만으로 존재한다. 합금의 잔부는 알루미늄이다.
본 발명의 제2 양태에 의하면 복합 알루미늄 시트가 제공되고, 상기 복합 알루미늄 합금 시트는 코어 및 적어도 하나의 피복층으로 구성되고, 피복층은,
Si 0.25 - 1.5
Cu 0.3 - 1.5
Fe 최대 0.5
Mn 최대 0.1
부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 또는 전체가 0.15 이하로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및
잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고, 상기한 모든 값들은 중량%이다.
실시예들에서, Mn 함량은 부수적일 수 있고, 즉, 0.05 wt% 이하일 수 있다. 실제로 0.08 wt% Mn이 고려되지만, 이는 편의성 및 상업적 현실성을 위한 것이고, 기술적 목표에서 성능 개선을 위한 것은 아니다.
복합시트의 설명에서, 용어 "코어" 층은 복합시트의 전체 특성에 가장 기여하는 합금을 의미하고 용어 "피복(clad)"이란 표면에서 복합시트에 대한 표면 특성을 제공하는 합금을 나타낸다. 복합시트들은 단일 코어층에 단일 피복층으로 구성되지만 때로는 단일 코어층 양측에 2개의 피복층들로 구성될 수 있다. 전형적으로 피복층들은 자체 및 전부 조합되어도 코어층보다 얇다.
합금이 복합시트 피복층으로 사용될 때, 코어층은 알루미늄 협회 틸 (Teal) 시트들을 참조하여 이해될 수 있는 6XXX 계열 합금 또는 5XXX 계열 합금일 수 있다. 코어층이 6XXX 계열 합금이면 AA6016, AA6016A, AA6014, AA6011, AA6111, AA6009, AA6010, AA6022 및 AA6451로 이루어진 군에서 선택된다. 코어 합금이 5XXX 계열 합금이면 AA5005, AA5152, AA5052, AA5018, AA5454, AA5754, AA5056, AA 5456, AA5182, AA5186, AA5059, AA5083 및 AA5383로 이루어진 군에서 선택된다. 복합시트에서 코어가 고강도 합금인 새로운 합금을 적용할 때의 이점은, 차체의 추가 공정에서 예를 들면, 페인트 베이킹 (baking)의 열처리 과정에서 전체 시트가 변형에 훨씬 덜 취약하다는 것이다.
본 발명의 제3 양태에 의하면 접합 구조체가 제공되며, 접합 구조체는 강재 요소 및 이에 접합되는 알루미늄 합금 요소로 구성되고 알루미늄 합금 요소는
Si 0.25 - 1.5
Cu 0.3 - 1.5
Fe 최대 0.5
Mn 최대 0.1
부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 또는 전체가 0.15 이하로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및
잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고, 상기한 모든 값들은 중량%이다.
실시예들에서, Mn 함량은 부수적일 수 있고, 즉, 0.05 wt% 이하일 수 있다. 실제로 0.08 wt% Mn이 고려되지만, 이는 편의성 및 상업적 현실성을 위한 것이고, 기술적 목표에서 성능 개선을 위한 것은 아니다.
본 발명의 제4 양태에 의하면 접합 구조체가 제공되고 접합 구조체는 강재 요소 및 이에 접합되는 알루미늄 합금 요소로 구성되고 알루미늄 합금 요소는 코어 및 적어도 하나의 피복층으로 구성되는 복합 알루미늄 합금 시트로 제조되고, 피복층은
Si 0.25 - 1.5
Cu 0.3 - 1.5
Fe 최대 0.5
Mn 최대 0.1
부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 또는 전체가 0.15 이하로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및
잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고, 상기한 모든 값들은 중량%이다.
실시예들에서, Mn 함량은 부수적일 수 있고, 즉, 0.05 wt% 이하일 수 있다. 실제로 0.08 wt% Mn이 고려되지만, 이는 편의성 및 상업적 현실성을 위한 것이고, 기술적 목표에서 성능 개선을 위한 것은 아니다.
본 발명에 있어서 용어 “접합”이란 본 발명의 합금 요소의 적어도 일부에 용융을 초래하는 온도에서 작동되는 열적 방법을 통해 획득되는 접합을 의미한다. 적용되는 열적 방법은 강재 요소를 용융시키지 않는다. 따라서 둘 이상의 용융 금속들의 접합이라는 고전적 의미에서의 “용접”이 발생되지 않는다. 플럭스 사용이 필수적이지 않으므로, (사용될 수는 있지만), 본 방법은 고전적인 브레이징은 아니지만, 본 방법을 무-플럭스 브레이징이라고 칭할 수 있다. 달리 “브레이즈-용접”이라는 용어가 사용될 수 있다. 통상적으로 대부분 레이저로부터 그러나 기타 공급원에서도 가능한 충분한 열량을 인가하면, 알루미늄 요소의 합금은 용융되어 아연 코팅이 존재한다면 이를 포함한 강재 요소 표면 층들과 반응한다. 강재 요소로부터 Fe가 용융 알루미늄으로 확산될 수 있는 정도로 온도가 충분히 높고, 용융 알루미늄이 냉각되고 동결될 때, 강재 요소로부터의 거리가 멀어질수록 Al/Fe 비율이 증가되는 금속간화합물들이 풍부한 일련의 층들이 형성된다. 강재 요소 상의 Zn 코팅물은 본 발명 알루미늄 합금의 습윤성을 개선하므로 이러한 Zn 층을 가지는 강재 요소가 제공되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제5 양태에 의하면 접합 구조체 제조방법이 제공되고 접합 구조체는 강재 요소 및 알루미늄 합금 요소로 구성되며 강재 및 알루미늄 합금 요소들은 알루미늄 요소 적어도 일부를 용융시킬 수 있는 열적 방법에 의해 접합되고 알루미늄 합금 요소는
Si 0.25 - 1.5
Cu 0.3 - 1.5
Fe 최대 0.5
Mn 최대 0.1
부수적이면서 (존재시) 각각 0.05 이하, 또는 전체가 0.15 이하로 존재하는 Mg를 포함하는 모든 다른 원소 및
잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어진다.
실시예들에서, Mn 함량은 부수적일 수 있고, 즉, 0.05 wt% 이하일 수 있다. 실제로 0.08 wt% Mn이 고려되지만, 이는 편의성 및 상업적 현실성을 위한 것이고, 기술적 목표에서 성능 개선을 위한 것은 아니다.
선행기술과 비교할 때, 강재 요소와 상기 알루미늄 합금의 열적 접합을 통해, 접합부의 내고온균열성, 연성 및 강도가 개선된다.
강재 시트 및 알루미늄 시트 간의 계면 영역에서, Fe/Al 금속간화합물들의 기타 종들보다 FeAl 입자들 형성이 촉진되어 계면은 허용 불가능한 임의의 강도 손실 없이도 취성이 약화되고 연성이 강화된다.
본 발명에 의한 알루미늄 합금은 주로 시트 형태로 사용되지만 본 발명이 이러한 형태에 국한되는 것은 아니다. 당업자는 본 발명의 합금이 기타 제품 형태, 예컨대 압출물로 제공될 수 있고, 강재 요소에 용접될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 자동차 구조에 주안을 두었지만, 당업자는 본 발명의 합금 및 강재가 조합되는 접합 구조체에서의 용도는 많은 다른 분야인 수송 분야, (해양, 철도, 항공), 뿐 아니라 많은 기타 산업 분야, (건축, 대형 기계류, 기타 등)에 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이하, 본 발명을 실시예들 및 본 발명의 실시예들에 대하여 수행된 테스트 결과들이 도시되는 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명할 것이다. 상세한 설명 또는 도면들의 어떠한 것도 특허청구범위에 의해 정의되는 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 의한 합금에 대한 응력-변형 곡선이다.
도 2는 평형 고상 및 액상 온도에 대한 Cu 영향을 도시한 것이다.
도 3은 계산된 고온-균열 취약성에 대한 Cu 영향을 도시한 것이다.
도 4는 접합 연성에 대한 Cu 영향을 도시한 것이다.
도 5는 접합 강도에 대한 Cu 영향을 도시한 것이다.
도 6은 평형 고상 및 액상 온도에 대한 Si 영향을 도시한 것이다.
도 7은 접합 연성에 대한 Si 영향을 도시한 것이다.
도 8은 접합 강도에 대한 Si 영향을 도시한 것이다.
도 9는 굽힘 및 신장에 대한 Mg 영향을 도시한 것이다.
도 10은 용접 품질에 대한 Mg 영향을 도시한 것이다.
도 11은 접합 연성에 대한 Mg 영향을 도시한 것이다..
도 12는 AlSi10 합금이 강재 시트에 용접될 때 생성된 계면에 대한 상 분석을 포함한 2개의 사진이다.
도 13은 본 발명에 의한 합금이 강재 시트에 용접될 때 생성된 계면에 대한 상 분석을 포함한 2개의 사진이다.
도 14는 본 발명에 의한 복합시트 및 선행기술에 의한 복합시트를 강재에 접합한 후의 응력-변형 곡선들이다.
실시예 1
표 1은 20x150x200mm 크기의 소형 주괴 형태의 합금 조성들을 나열한 것이다.
샘플 Si Fe Cu Mn Mg
1 0.50 0.30 0.46 <0.01 <0.01
2 0.51 0.19 1.02 <0.01 <0.01
3 0.51 0.31 1.48 <0.01 <0.01
4 0.005 0.20 0.99 <0.01 <0.01
5 0.98 0.20 1.02 <0.01 <0.01
6 1.48 0.20 0.98 <0.01 <0.01
7 2.97 0.20 1.00 <0.01 <0.01
8 0.51 0.20 0.98 <0.01 1.26
9 0.51 0.20 0.99 <0.01 1.50
10 0.51 0.21 1.02 <0.01 2.00
모든 합금들은 기타 원소들 각각을 0.05 이하 및 전체적으로 0.15 이하로 함유하고, 잔부는 알루미늄이다. 샘플들 8, 9 및 10은 비교예이고, 하기 청구범위에 속하지 않는다.
공기로 550℃에서 6 시간 동안 주괴를 균질화하고, 10mm로 열간-압연 및 1mm로 냉간 압연하였다. 재결정화를 유발시키기 위하여 시트 샘플들을 430℃에서 1 시간 동안 어닐링 하였다. 1mm 시트에 최종 레벨링 조작하였다.
일정 출력 3kW를 가지는 Nd-YAG 레이저를 이용하여 무-플럭스 레이저 용접 방법으로 시트 샘플들을 7μm 아연 층(용융 아연 도금)이 코팅된 1mm 시트의 접합금강에 접합하였다. 접합 구조는 레이저 각도 60°로 두 시트들 사이 무-간격 플랜지 용접(Kehlnaht)이었다. 모든 합금 조성물에 대하여 레이저 속도는 4m/분이었다.
평형 고상 및 액상 온도들에 대한 상이한 원소들의 조성 영향을 사내 데이터베이스와 연결된 JMatPro의 상업적 열역학적 소프트웨어를 이용하여 산정하였다. 또한 고형화 간격에서 고체 비율 평가에 대한 열역학적 계산에 기초하여 고온 균열 취약성을 산정하였다. 양 경우 모두, 명목상 합금 조성물들을 이용하였다.
모든 접합 시트 샘플들에 대하여 침투탐상검사(DPI)를 실시하여 접합부에 대한 육안적 일체성을 평가하였다. DPI에서 접합부 품질은 간단한 1 내지 4 등급에 따르고, 1은 양호, 4는 열악 (고온-균열 또는/및 거친 공극들이 다수 포함)을 나타낸다.
계면 구역에 생성된 금속간화합물들의 성질 및 분포를 통상의 SEM 및 EDX 분석으로 평가하였다.
또한 접합 샘플들에 대한 중첩 전단인장시험을 수행하여 접합 파괴강도 및 연성을 평가하였다. 시험 구성에서 인장응력, 이에 따라 소성변형이 시료에 걸쳐 일정하지 않으므로 도면에서 종래 응력-변형 곡선을 이용하는 것이 적합하지 않다. 중첩전단 접합부에 대한 인장시험 결과는, 테스트 과정에서의 그립-대-그립 거리(본원에서 표준 이동 거리(standard travel)로 기재)에 대한 알루미늄 부분에서의 동등 응력으로 제시한다. 접합 샘플의 알루미늄 부분에서 동등 응력은 명목상 힘을 알루미늄 부분의 단면으로 나눈 것이다. 표준 이동 거리는 결합부의 연성을 의미한다.
일부 샘플들에 대하여 3-점 굽힘 시험으로 성형성을 평가하였다. DIN 50111에 기초하여 굽힘 테스트로 샘플들의 성형성을 측정하였지만, 방법을 약간 변경하였다. 본 시험에서, 미리 10% (단축 신장) 선-변형된 60mm x 60mm의 시트 편을 시트 두께 2배의 거리만큼 이격된 두 개의 원통형 롤에 놓았다. 각각의 롤 직경은 30mm이었다. 하중을 가하면서, 폭 100mm의 경사형 펀치 바를 이용하여 롤 사이 간격으로 시트를 밀어냈다. 타격력 및 변형 정도를 측정하였다. 소성변형 지점에서, (즉, 균열 초기), 시트 변형 부하는 낮아지고, 타격력이 줄어들고 시험은 자동적으로 정지하였다. 따라서 피-측정 시트는 V 형태로 변형되고 V 의 내부 각도를 측정한다. 본 시험에서 더 작은 각도는 더욱 양호한 시트 성형성으로 해석된다. 본 테스트, (이하 “변형 DIN 50111 테스트”라고 칭함)는, 결과는 작업자 판단에 의존하지 않으므로 다른 성형성 시험에도 바람직하다.
샘플들 1-3은 합금들 성능에 대한 Cu 영향을 보인다. 샘플들 2 및 5-7은 성능에 대한 Si 영향을 보인다. 샘플들 2 및 8-10은 성능에 대한 Mg 영향을 보인다.
도 1은 접합 후 샘플 2에 대한 응력-변형 곡선을 도시한 것이다. 신장에 비례하는 시험편의 표준 이동 거리는 매우 높고, 이는 연성 파괴 모드를 의미하고 이는 파괴 표면에서도 명백하다.
Cu 영향. 도 2는 Al0.5Si 기본 조성에 Cu 함량 증가로 인한 합금들의 고상선에 미치는 영향을 도시한 것이다. Cu 첨가로 고상선 온도는 감소하고 습윤성이 증가한다. 도 3은 Cu 함량이 최대 1.5%까지 증가할 때 고온-균열 취약성에 대한 Cu 영향은 더욱 고온-균열 가능성이 높은 것을 도시한다. 도 4는 접합 연성에 대한 Cu 영향을 도시한다. 도 5는 접합 파괴강도에 대한 Cu 영향을 도시한다. Cu가 0.5에서 1.0%로 증가할 때 파괴강도는 증가하지만 Cu 함량이 1.5%로 증가하면 다시 약간 떨어진다. 도 3, 4 및 5로부터 Cu 함량은 >1.5% 이어서는 안되고 바람직하게는 최대 1.25%라는 것을 알 수 있다.
Si 영향. 도 6은 Al1.0Cu 기본 조성에 Si 함량 증가로 인한 합금들의 고상 선에 미치는 영향을 도시한 것이다. Si 첨가로 고상선 온도는 감소되고 습윤성이 개선된다. 도 7은 접합 연성에 대한 Si 영향을 도시한다. Si 함량이 최대 1.0%로 증가하면 접합 연성이 개선되지만 Si 함량이 1.5% 이상까지 증가하면 접합 연성은 급격히 감소된다. 도 8은 Si 함량 증가로 최대 1% 첨가까지 접합 파괴강도가 증가하지만 더 많은 Si가 첨가되면 파괴강도는 감소하는 것을 도시한다. 도 7 및 8로부터, Si는 1.5% 이하 바람직하게는 1.25% 이하로 제한되어야 연성 및 파괴강도 관점에서 양호한 접합 품질을 유지할 수 있다는 것을 알 수 있다.
Mg 영향. 도 9는 변형 DIN 50111 테스트를 이용하여 측정된 굽힘성에 대한 Mg 함량의 영향을 보인다. 신장에 대한 영향은 최소이다. Mg 함량이 증가할수록, 10% 선-변형된 샘플들의 굽힘성은 Mg 함량이 0.5를 향할 때 감소되지만 Mg 함량이 2%까지 증가되면 다시 개선된다. 도 10은 DPI 후 육안 용접 품질에 대한 Mg 함량의 영향을 도시한다. 실질적으로 무 Mg에서 0.5Mg로 Mg이 첨가되면 용접 품질이 열화 되지만, (거친 공극 및 용접 균열 존재), 2% Mg이 첨가되면 용접 품질은 다시 개선된다. 용접 연성에 대한 Mg 영향은 도 11에 도시되고 Mg 함량이 증가하면 용접 연성은 낮아진다. 이러한 이유로 Mg 함량은 부수적인 원소 또는 불순물 함량으로 제한된다.
도 12, a) 및 b)는, 강재에 접합되는 AlSi10 합금들 (샘플 0)의 계면에 대한 SEM 사진들이다. AlSi10 합금들과 생성된 계면에서 계면 폭은 대략 10μm이고 합금강에 바로 인접한 영역은 주로 FeAl3의 금속간화합물 구역 (높은 Al/Fe 비율, 원자%)으로 구성된다. 층에서 미세-균열들의 높은 비율로 인하여 취성 구조체가 명백하다. 도 13, a) 및 b)는, 샘플 2가 강재에 접합될 때 생성되는 계면의 SEM 사진들 및 EDX 스펙트럼을 도시한다. 계면 폭은 대략 20μm이고 사진에 의하면 치밀하고 무-균열의 금속간화합물 층을 도시한다. EDX 분석에 의하면 계면에 있는 연속 금속간화합물 층은 다양한 Al/Fe 비율들의 두 상들로 이루어지는 것이 분명하다. 층 최상부에 있는 제3 영역은, 금속간화합물들이 바늘 형상이고 더 높은 Al/Fe 비율로 존재한다. 처음 2개의 금속간화합물 유형들은 FeAl 및 Fe2Al5 화학양론에 가깝고, 세 번째 유형은 더욱 취성을 가지는 FeAl3에 가깝다. 강재 요소가 본 발명의 합금에 접합될 때 강재 요소에 인접한 FeAl-유형 층의 존재를 포함하여 계면들 간에 기본적인 차이가 존재한다.
실시예 2
“코어” 층이 AA6016 합금이고 선행기술의 전형적인 Al-Si 합금 (샘플 11) 또는 본 발명인 Al-Cu-Si 합금 (샘플 12)인 단일 “피복” 층이 부가되는 2종의 복합시트 제품들을 제조하였다. 각각의 샘플에서 피복층들은 총 시트 두께의 10%, (+/-1%)에 해당한다. 각각의 층에 대한 합금 조성을 표 2에 제시한다.
샘플 Si Fe Cu Mn Mg
코어 합금 0.61 0.18 0.15 0.05 0.67
11 피복 9.91 0.11 <0.01 <0.01 <0.01
12 피복 0.51 0.17 0.98 1.06 <0.01
공기로(Air furnace) 550℃에서 6 시간 동안 주괴를 균질화하고 10mm로 열간-압연 및 1mm로 냉간 압연하였다. 시트 샘플들을 540℃에서 40s 간 용액 열처리하고, 공기 팬으로 신속하게 냉각한 후 샘플들을 100℃에서 1hr 유지하여 예비-시효처리하였다.
일부 샘플들을 10% 선-변형(전형적인 성형 가공의 모사)된 후 T4PX 상태까지 자연 시효처리하였다. 또한 기타 샘플들은 2% 선-변형 후 185℃에서 20분 시효처리함으로써 T8X (페인트-베이킹) 상태까지 추가로 시효처리되었고 또 다른 샘플들은 205℃에서 30 분간 열처리하여 T62 기질(temper)로 제조되었다. 3종의 상이한 기질 조건들에서 샘플 12의 기계적 특성은 표 3에 요약된다.
T4PX T8X T62
Rp0.2 Rm A80 DC 굽힘 각도 Rp0.2 Rm A80 Rp0.2 Rm A80
MPa MPa % ° MPa MPa % MPa MPa %
112 227 25.6 15 218 281 19.1 242 289 13.5
이후 실시예 1에 기재된 것과 동일한 레이저 용접 조건으로 강재 시트에 접합시켰다. 접합부들에 대하여 기계적 테스트를 거쳐 접합 강도 및 연성을 평가하였다.
도 14의 응력-변형 곡선은 샘플들 11 및 12 모두의 결과를 도시한다. 샘플 12의 경우, T8X 조건에 있는 제품에 대한 곡선이다. 본 발명에 의한 제품에 대한 강도 및 연성은 청구범위에 의해 규정되지 않은 샘플에 대한 이들 품질과 비교할 때 크게 개선되었다.

Claims (18)

  1. 알루미늄 합금이며,
    Si 0.25 - 1.5
    Cu 0.3 - 1.5
    Fe 최대 0.5
    Mn 최대 0.1
    Mg를 포함하는 모든 다른 원소들로서, 부수적이면서 (존재시) 원소들 각각은 0.0 초과 0.05 이하, 및 원소들 전체가 0.0 초과 0.15 이하로 존재하는 모든 다른 원소 및
    잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고, 상기한 모든 값들은 중량%이고,
    상기 알루미늄 합금의 조성은 알루미늄 합금 피복층인, 알루미늄 합금.
  2. 제1항에 있어서, 상기 Si 함량은 0.5 - 1.25인, 알루미늄 합금.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Cu 함량은 0.3 - 1.25인, 알루미늄 합금.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 0.08 wt% 이하의 Mn을 함유하는, 합금.
  5. 강재 요소 및 여기에 접합되는 알루미늄 합금 요소로 구성되고, 상기 알루미늄 합금 요소는 제1항에 의한 알루미늄 합금으로 제조되는, 접합 구조체.
  6. 제5항에 있어서, 상기 강재 요소 및 상기 알루미늄 합금 요소 사이의 계면 구역은 강재 요소에 인접한 FeAl 층인 것을 특징으로 하는, 접합 구조체.
  7. 코어층 및 적어도 하나의 피복층으로 구성되는 복합 알루미늄 제품이며,
    상기 적어도 하나의 피복층은
    Si 0.25 - 1.5
    Cu 0.3 - 1.5
    Fe 최대 0.5
    Mn 최대 0.1
    Mg를 포함하는 모든 다른 원소들로서, 부수적이면서 (존재시) 원소들 각각은 0.0 초과 0.05 이하, 및 원소들 전체가 0.0 초과 0.15 이하로 존재하는 모든 다른 원소 및
    잔부가 알루미늄인 조성으로 이루어지고,
    상기한 모든 값들은 중량%인 알루미늄 합금인, 복합 알루미늄 시트 제품:
  8. 제7항에 있어서, 상기 코어층은 5XXX 및 6XXX 계열 합금들의 군에서 선택되는 합금으로 제조되는, 복합 알루미늄 시트 제품.
  9. 제7항에 있어서, 상기 코어층은 AA6016, AA6016A, AA6014, AA6011, AA6111, AA6009, AA6010, AA6022 및 AA6451로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 합금으로 제조되는, 복합 알루미늄 시트 제품.
  10. 제7항에 있어서, 상기 코어층은 AA5005, AA5152, AA5052, AA5018, AA5454, AA5754, AA5056, AA 5456, AA5182, AA5186, AA5059, AA5083 및 AA5383로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 합금으로 제조되는, 복합 알루미늄 시트 제품.
  11. 강재 요소 및 여기에 접합되는 알루미늄 합금 요소로 구성되고, 상기 알루미늄 합금 요소는 제7항의 복합 알루미늄 시트 제품으로 제조되는, 접합 구조체.
  12. 접합 구조체 제조방법에 있어서, 상기 접합 구조체는 강재 요소 및 알루미늄 요소로 구성되고 상기 강재 및 알루미늄 요소들은 알루미늄 요소의 적어도 일부를 용융시키는 열적 방법에 의해 접합되고 상기 알루미늄 요소는 제1항의 합금으로 제조되는, 접합 구조체 제조방법.
  13. 접합 구조체 제조방법에 있어서, 상기 접합 구조체는 강재 요소 및 알루미늄 요소로 구성되고 상기 강재 및 알루미늄 요소들은 알루미늄 요소의 적어도 일부를 용융시키는 열적 방법에 의해 접합되고 상기 알루미늄 요소는 제7항의 복합 알루미늄 시트 제품으로 제조되는, 접합 구조체 제조방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 열적 방법은 레이저 용접인, 접합 구조체 제조방법.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 알루미늄 요소에는 Fe 및 Mn이 불순물로서 포함되는, 접합 구조체 제조방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 요소는 T4PX 상태에서 15도의 DC 굽힘 각도를 갖는, 접합 구조체.
  17. 제11항에 있어서, 강재 요소는 아연 코팅된, 접합 구조체.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서, 열적 방법은 무-플럭스 브레이징, 브레이즈 용접 또는 무-플럭스 레이저 용접인, 접합 구조체 제조방법.
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