KR20200089653A - 알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재 - Google Patents

알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재 Download PDF

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Abstract

본 발명의 알루미늄 합금재는 높은 내굴곡 피로 특성과 소정의 신장을 갖고,질량%로 Mg: 0.20∼1.80%, Si: 0.20∼2.00% 및 Fe: 0.01∼1.50%를 함유하며, 더욱이, Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr, Sn으로부터 선택되는 1종 이상의 원소: 합계로 0.00∼2.00%를 함유하며, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지며, 결정립이 일방향으로 연재된 섬유형 금속 조직을 갖고, 상기 결정립의 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 상기 알루미늄 합금재 두께의 1/20의 두께 위치(D)에 존재하는 결정립의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이고, 상기 알루미늄 합금재의 두께 중심 위치에 존재하는 결정립의 평균 결정립 지름(R2)의 상기 평균 결정립 지름(R1)에 대한 비(R2/R1)가 1.8이상이다.

Description

알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재
본 발명은 알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재에 관한 것이다.
종래부터, 로봇 케이블 등의 캡타이어 케이블, 엘리베이터 케이블과 같은 전력 혹은 신호를 전송하는 케이블에는 구리계 금속 재료가 널리 사용되어 왔다. 최근에는 구리계 금속 재료에 비하여 비중이 작고, 더욱 열팽창계수가 큰 것 외에, 전기나 열의 전도성도 비교적 양호하고, 내식성이 우수한 알루미늄계 재료로의 대체가 검토되고 있다.
그러나, 순알루미늄재는 구리계 금속 재료에 비하여 굴곡 피로 파단 회수(이하, 내굴곡 피로 특성이라 함)가 낮다는 문제가 있었다. 또한, 석출 강화를 이용하여, 비교적 내굴곡 피로 특성이 높은 알루미늄계 합금재인 2000계(Al-Cu계)나 7000계(Al-Zn-Mg계) 알루미늄 합금재는 내식성이나 내응력 부식 균열성이 떨어져서, 도전성이 낮은 등의 문제가 있었다. 전기나 열의 전도성 및 내식성이 비교적 우수한 6000계 알루미늄 합금재는 알루미늄계 합금재 중에서는 내굴곡 피로 특성이 높은 편이기는 하지만, 충분하지 않아, 추가 내굴곡 피로 특성의 향상이 요구되고 있다.
한편, 도전용 알루미늄 합금의 내굴곡 피로 특성을 향상시키는 방법으로서, ECAP법이라는 강가공법에 의한 미세 결정립 형성 방법(예를 들면, 특허문헌 1) 등이 제안되어 있다. 그러나, ECAP법은 제조되는 알루미늄 합금 선재의 길이가 짧아서 공업적인 실용화가 어려웠다. 또한, 특허문헌 1에 기재되어 있는 ECAP법을 이용하여 제작한 알루미늄 합금 선재는 순알미늄 선재의 10배 이하의 반복 파단 회수(파단 반복수)로서, 장기간 사용에 견디기에 충분한 내굴곡 피로 특성을 갖는다고는 할 수 없다. 또한, 강가공법으로 제작된 알루미늄 합금 선재는 신장이 떨어지기 때문에, 신선 가공이나 연선 가공을 할 때에 단선이 빈발하는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에는 Al-Fe-Mg-Si계 알루미늄 합금의 심재에 구리를 피복하고 냉간 가공을 실시하여 강도를 높인 구리 피복 알루미늄 합금선이 기재되어 있다. 그러나, 특허문헌 2에 기재된 구리 피복 알루미늄 합금선에서는, 탄성 한계가 작기 때문에 소성 변형되기 쉬운 구리계 재료가 굽힘 왜곡이 커지는 선재 표층에 존재하기 때문에, 반복 굴곡중에 구리 피복층의 표면에 균열이 발생하기 쉽고, 또한, 알루미늄 합금의 심재와 구리 피복층에 형성하는 화합물이 균열 발생점이 되는 등, 내굴곡 피로 특성이 떨어진다는 문제가 있다.
국제공개 제2013/146762호 일본특허공개공보 특개 2010-280969호
본 발명의 목적은 높은 내굴곡 피로 특성을 가짐과 동시에 소정의 신장을 갖는 알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재를 제공하는 것이다.
본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.
[1] 질량%로 Mg: 0.20∼1.80%, Si: 0.20∼2.00% 및 Fe: 0.01∼1.50%를 함유하고, 더욱이 Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소: 합계로 0.00∼2.00%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금재로서, 결정립이 일방향을 따라 연재된 섬유형 금속 조직을 갖고, 상기 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 상기 알루미늄 합금재 두께의 1/20에 해당하는 두께 위치(D)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 또한, 상기 알루미늄 합금재의 두께 중심 위치(C)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R2)의 상기 두께 위치(D)에서의 상기 평균 결정립 지름(R1)에 대한 비(R2/R1)가 1.8이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금재.
[2] 상기 결정립이 연재하는 장변 방향으로 평행인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 두께 위치(D)에 존재하는 결정립은 상기 장변 방향으로 측정한 장변 방향 치수(L1)와, 상기 장변 방향으로 수직인 방향으로 측정한 단변 방향 치수(L2)의 비(L1/L2)가 10이상인 상기 [1]에 기재된 알루미늄 합금재.
[3] 상기 알루미늄 합금재가 선재인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 알루미늄 합금재.
[4] 상기 선재의 선경이 0.01∼1.50㎜인 상기 [3]에 기재된 알루미늄 합금재.
[5] 상기 알루미늄 합금재가 판재인 상기 [1] 또는 [2]에 기재된 알루미늄 합금재.
[6] 상기 판재의 판 두께가 0.02∼2.00㎜인 상기 [5]에 기재된 알루미늄 합금재.
[7] 상기 [3]∼[6] 중 어느 하나에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 케이블.
[8] 상기 [3]∼[6] 중 어느 하나에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 전선.
[9] 상기 [3]∼[6] 중 어느 하나에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 스프링 부재.
본 발명에 따르면, 높은 내굴곡 피로 특성을 가짐과 동시에 소정의 신장을 갖는 알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재를 제공할 수 있다.
도 1은 실시형태의 알루미늄 합금재의 장변 방향으로 수직인 개략 단면도로서, (a)는 알루미늄 합금재가 선재인 경우, (b)는 알루미늄 합금재가 판재인 경우를 나타낸다.
도 2는 실시형태의 알루미늄 합금재에서 결정립 상태를 나타내는 개략도로서, (a)는 두께 위치(D)에 존재하는 결정립 상태, (b)는 두께 중심 위치(C)에 존재하는 결정립 상태를 나타낸다.
도 3은 내굴곡 피로 특성을 측정하는 장치의 개략도이다.
도 4는 실시예 1의 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 평행인 단면을 나타내는 SIM 화상이다.
도 5는 실시예 1의 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 수직인 단면에서, 선재 표면으로부터 선경의 1/20에 해당하는 두께 위치의 부분을 나타내는 SIM 화상이다.
도 6은 실시예 1의 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 수직인 단면에서 선재의 중심부를 나타내는 SIM 화상이다.
이하, 본 발명을 실시형태에 근거하여 상세하게 설명한다.
본 발명자들은 열심히 연구를 거듭한 결과, 소정의 합금 조성을 갖고, 결정립이 일방향을 따라 연재된 상태의 금속 조직을 가지며, 평균 결정립 지름이 소정 상태임으로써, 종래의 알루미늄 합금재의 내굴곡 피로 특성을 크게 뛰어넘음과 동시에, 구리계 금속 재료에 필적하는 내굴곡 피로 특성을 가지면서도, 신장이 우수한 알루미늄 합금재가 얻어지는 것을 찾아내서, 이러한 지견에 근거하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
실시형태의 알루미늄 합금재는 질량%로 마그네슘(Mg): 0.20∼1.80%, 규소(Si): 0.20∼2.00% 및 철(Fe): 0.01∼1.50%를 함유하고, 더욱이, 구리(Cu), 은(Ag), 아연(Zn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 티탄(Ti), 금(Au), 망간(Mn), 크롬(Cr), 바나듐(V), 지르코늄(Zr) 및 주석(Sn)의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소: 합계로 0.00∼2.00%를 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 가지며, 결정립이 일방향을 따라 연재된 섬유형 금속 조직을 갖는다. 또한, 알루미늄 합금재는 상기 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 상기 알루미늄 합금재 두께의 1/20에 해당하는 두께 위치(D)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 또한, 상기 알루미늄 합금재의 두께 중심 위치(C)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R2)의 상기 두께 위치(D)에서의 상기 평균 결정립 지름(R1)에 대한 비(R2/R1)가 1.8이상이다.
여기서, 상기 합금 조성의 원소 성분 중, 함유 범위의 하한치가 「0.00%」로 기재되어 있는 원소 성분은 적당히 필요에 따라서 임의로 알루미늄 합금재에 첨가되는 성분을 의미한다. 즉, 원소 성분의 하한치가 「0.00%」인 경우, 그 원소 성분은 알루미늄 합금재 중에는 함유되어 있지 않거나, 혹은 검출 한계치 미만의 양을 함유하고 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서, 「결정립」이란, 방위차 경계로 둘러싸인 부분을 가리킨다. 여기서, 「방위차 경계」란, 주사 투과 전자 현미경법(STEM)이나 주사 이온 현미경법(SIM) 등으로 금속 조직을 관찰하였을 때에, 콘트라스트(채널링 콘트라스트)가 불연속으로 변화되는 경계를 가리킨다. 또한, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 치수는 방위차 경계의 간격에 해당한다.
(1) 알루미늄 합금재의 결정립 상태
실시형태의 알루미늄 합금재의 결정립 상태와 그 작용에 대해서 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다.
알루미늄 합금재는 결정립이 일방향으로 가지런히 연재된 섬유형 금속 조직을 갖는다. 또한, 알루미늄 합금재는 그 결정립이 섬유형으로서, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 단면에서, 두께 위치(D)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 또한, 두께 중심 위치(C)에 비교적 큰 결정립 지름(R2)을 갖는 결정립을 유지한 상태이다. 이러한 미세한 결정립은 일방향으로 가지런히 연재된 섬유형으로서, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면 내에서 보아, 표면 측(두께 위치(D))에 존재하는 결정립과 두께 중심 위치(C)에 존재하는 결정립이 다른 결정립 지름을 갖기 때문에, 결정립 지름에 기울기가 있는 금속 조직이 되며, 이 금속 조직은 종래의 알루미늄 합금재에는 없는 새로운 금속 조직이다.
여기서, 상기 두께 위치(D)란, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 알루미늄 합금재의 표면으로부터 알루미늄 합금재 두께의 1/20에 해당하는 위치이다. 또한, 두께란, 예를 들면, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금재가 선재인 경우에는 선재의 선경(φ)에 해당하고, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금재가 판재인 경우에는 판재의 두께(t)에 해당한다. 예를 들면, 도 1(a)에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금재가 선재인 경우에는, 두께 위치(D)는 상기 단면에서 알루미늄 합금재의 중심에 대하여 동심원 고리형으로 구획된 영역 내의 위치이고, 두께 중심 위치(C)는 상기 단면에서, 알루미늄 합금재 두께의 중심을 포함하여, 직경이 두께의 2/10(직경이 2φ/10)인 원으로 둘러싸인 영역 내의 위치이다. 또한, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금재가 판재인 경우에는, 두께 위치(D)는 상기 단면에서, 알루미늄 합금재의 상면 및 하면에 각각 평행인 구 형상으로 구획된 영역 내의 위치이고, 두께 중심 위치(C)는 상기 단면에서, 알루미늄 합금재의 상면과 하면의 중간을 규정하는 중심선을 포함하여, 단변이 두께의 2/10(단변이 2t/10)인 구 형상으로 구획된 영역 내이다. 또한, 평균 결정립 지름(R1, R2)이란, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 단면에서, 각 결정립의 윤곽으로 둘러싸인 영역으로부터 각 결정립의 면적을 구하여 해당 원을 산출하며, 이 해당 원의 직경을 의미한다.
상기와 같이, 알루미늄 합금재는 그 두께 중심 위치(C)만큼 결정립 지름이 크고, 두께 중심 위치(C)로부터 그 표면을 향하여 결정립 지름이 작아지는 결정립 지름의 기울기를 갖는다. 이러한 알루미늄 합금재는 결정립이 일방향을 따라 연재된 섬유형 금속 조직을 가짐과 동시에, 상기 일방향으로 수직인 단면에서, 두께 위치(D)에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하, 두께 중심 위치(C)에서의 평균 결정립 지름(R2)과 두께 위치(D)에서의 평균 결정립 지름(R1)의 비(R2/R1)가 1.8이상이 되도록 제어되어 있다. 그 때문에, 알루미늄 합금재는 구리계 금속 재료에 필적하는 높은 내굴곡 피로 특성과, 일정한 신장(예를 들면, 굴곡 왜곡 진폭 ±0.25%로 굴곡을 반복하였을 때의 반복 파단 회수가 10만회 이상, 그리고, 인장 시험에 의한 신장이 3% 이상)을 동시에 실현될 수 있다. 특히, 반복 굴곡 변형에 대하여, 우수한 내피로 특성을 발휘한다.
또한, 표면 및 두께 위치(D)를 포함한 알루미늄 합금재의 표층의 결정립 지름을 미세하게 하는 것은 피로 특성을 개선하는 작용과 더불어, 입계 부식을 개선하는 작용, 소성 가공한 후의 알루미늄 합금재 표면의 거칠기를 저감시키는 작용, 전단 가공하였을 때의 언더컷이나 버를 저감하는 작용 등에 유효하며, 알루미늄 합금재의 특성을 전반적으로 높이는 효과가 있다.
알루미늄 합금재의 금속 조직은 섬유형으로서, 세장 형상의 결정립이 일방향으로 가지런히 섬유형으로 연재된 상태로 되어 있다. 여기서, 「일방향」이란, 알루미늄 합금재의 가공 방향에 해당한다. 예를 들면, 알루미늄 합금재가 선재인 경우에는 일방향은 신선 방향에 해당하고, 알루미늄 합금재가 판재나 박인 경우에는 일방향은 압연 방향에 해당한다.
상기 일방향은 바람직하게는 알루미늄 합금재의 장변 방향에 대응한다. 즉, 통상, 알루미늄 합금재는 그 가공 방향으로 수직인 치수보다 짧은 치수로 개편(個片)화되어 있지 않는 한, 그 가공 방향은 그 장변 방향에 대응한다. 예를 들면, 알루미늄 합금재가 선재인 경우, 일방향은 선재의 장변 방향에 해당한다.
더욱이, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 두께 위치(D)에서의 평균 결정립 지름(R1)은 바람직하게는 400㎚ 이하이고, 보다 바람직하게는 230㎚ 이하이며, 더욱 바람직하게는 210㎚ 이하이며, 특히 바람직하게는 180㎚ 이하이며, 한층 더 바람직하게는 150㎚ 이하이다. 이러한 알루미늄 합금재의 섬유형 금속 조직에서는, 일방향으로 연재된 결정립의 입경(결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 치수)이 작기 때문에, 반복 변형에 따른 결정 슬립을 효과적으로 억제할 수 있어, 종래보다 높은 내굴곡 피로 특성을 실현할 수 있다. 또한, 두께 위치(D)에서 평균 결정립 지름(R1)의 하한치는 높은 내굴곡 피로 특성을 실현함에 있어서 작을수록 바람직하지만, 제조상 또는 물리상의 한계로 하여 예를 들면 20㎚이다.
또한, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 두께 중심 위치(C)에서의 평균 결정립 지름(R2)의 두께 위치(D)에 있어서의 평균 결정립 지름(R1)에 대한 비(R2/R1)는 1.8이상이고, 바람직하게는 2.0이상이고, 보다 바람직하게는 2.2이상이고, 더욱 바람직하게는 2.4이상이고, 특히 바람직하게는 2.5이상이다. 이와 같이, 상기 단면의 표면 부근에 비하여, 두께 중심 위치(C)의 결정립 지름이 크기 때문에, 인장 변형 시에 전위 증가를 허용 가능함으로 인해, 높은 내굴곡 피로 특성을 가지면서도, 일정한 신장을 가질 수 있다. 또한, 상기 비(R2/R1)의 상한치는 높은 내굴곡 피로 특성과 신장을 양립함에 있어서 클수록 바람직하지만, 제조상의 한계로 하여 예를 들면 20.0이다.
더욱이, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 평행인 알루미늄 합금재의 단면에서, 알루미늄 합금재에 존재하는 결정립에서 장변 방향을 따라 측정한 장변 방향 치수는 특별히 특정되지 않지만, 바람직하게는 1200㎚ 이상이고, 보다 바람직하게는 1700㎚ 이상이며, 더욱 바람직하게는 2200㎚ 이상이다.
더욱이 또한, 결정립이 연재하는 장변 방향으로 평행인 알루미늄 합금재의 단면에서, 두께 위치(D)에 존재하는 결정립에 대해서, 장변 방향을 따라 측정한 장변 방향 치수(L1)와 장변 방향으로 수직인 방향을 따라 측정한 단변 방향 치수(L2)의 종횡비(L1/L2)는 바람직하게는 10이상이고, 보다 바람직하게는 20이상이다. 상기 종횡비(L1/L2)가 상기 범위 내이면, 내굴곡 피로 특성이 향상한다.
상기 결정립의 상태가 내굴곡 피로 특성을 향상시키는 매커니즘으로서 예를 들면, 굽힘 왜곡이 최대가 되는 알루미늄 합금재의 표면에서, 결정립이 종횡비가 큰 섬유형임으로써, 균열의 기점이 되는 입계가 표면에 적기 때문에, 균열이 발생하기 어려워지는 기구, 결정립의 단변 방향 치수(L2)가 작기 때문에, 전위가 이동하기 어렵도록 굽힘 왜곡 모두 혹은 대부분을 탄성 왜곡으로서 흡수할 수 있는 기구, 알루미늄 합금재의 표면에 균열 발생점이 되는 단계가 생기기 어렵게 함과 동시에, 균열이 발생하였을 때에 입계가 균열 신장의 장해가 되는 기구 등을 들 수 있으며, 이들 기구가 상승적으로 작용하고 있다고 생각할 수 있다.
또한, 상기 결정립의 상태가 인장 신장을 향상시키는 매커니즘으로서 예를 들면, 두께 중심 위치(C)의 평균 결정립 지름이 크고, 축적된 격자 왜곡이 작기 때문에, 커다란 소성 변형능을 갖고 있고, 인장 변형 시의 소성 변형을 충분히 흡수할 수 있는 기구, 두께 위치(D)의 평균 결정립 지름이 작음으로써, 인장 왜곡을 탄성 변형으로 흡수할 수 있는 기구 등을 들 수 있다.
(2) 알루미늄 합금재의 합금 조성
다음으로, 실시형태의 알루미늄 합금재의 합금 조성과 그 작용에 대해서 설명한다.
(필수 첨가 성분)
알루미늄 합금재는 질량%로 Mg을 0.20∼1.80%, Si를 0.20∼2.00%, Fe을 0.01∼1.50% 함유하고 있다. 이하에서는, 질량%를 단지 %로 기재한다.
<Mg: 0.20∼1.80%>
Mg은 알루미늄 모재 중에 고용되어 강화하는 작용 및 결정의 미세화 작용을 가짐과 동시에, Si와의 상승 효과에 의해서 인장 강도나 내굴곡 피로 특성을 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Mg은 용질 원자 클러스터로서 Mg-Si 클러스터를 형성한 경우, 인장 강도나 신장을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 그렇지만, Mg의 함유량이 0.20% 미만이면, 상기 효과가 불충분하다. 또한, Mg의 함유량이 1.80%를 넘으면, 정출물이 형성되어, 가공성(신선 가공성이나 굽힘 가공성 등)이 저하된다. 따라서, Mg의 함유량은 0.20∼1.80%로 하고, 바람직하게는 0.40∼1.00%이다.
<Si: 0.20∼2.00%>
Si는 알루미늄 모재 중에 고용되어 강화하는 작용 및 결정의 미세화 작용을 가짐과 동시에, Mg과의 상승 효과에 의해서 인장 강도나 내굴곡 피로 특성을 향상시키는 작용을 갖는다. 또한, Si는 용질 원자 클러스터로서 Mg-Si 클러스터나 Si-Si 클러스터를 형성한 경우, 인장 강도나 신장을 향상시키는 작용을 갖는 원소이다. 그러나, Si의 함유량이 0.20% 미만이면, 상기 효과가 불충분하다. 또한, Si의 함유량이 2.00%를 넘으면, 정출물이 형성되어 가공성이 저하된다. 따라서, Si의 함유량은 0.20∼2.00%로 하고, 바람직하게는 0.40∼1.00%이다.
<Fe: 0.01∼1.50%>
Fe은 주조나 균질화 열처리 중에 Al-Fe계, Al-Fe-Si계, Al-Fe-Si-Mg계 등 알루미늄이나 필수 첨가 원소와 금속간 화합물로서 정출 또는 석출된다. 이와 같이, Fe과 Al으로 주로 구성되는 금속간 화합물을 본 명세서에서는 Fe계 화합물이라 부른다. Fe계 화합물은 결정립의 미세화에 기여함과 동시에, 인장 강도를 향상시킨다. 또한, Fe은 알루미늄 중에 고용된 Fe에 의해서도 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. Fe의 함유량이 0.01% 미만이면, 이러한 효과가 불충분하다. 또한, Fe의 함유량이 1.50%를 넘으면, Fe계 화합물이 너무 많아져서 가공성이 저하된다. 또한, 주조 시의 냉각 속도가 느린 경우에는 Fe계 화합물의 분산이 드물어져, 악영향도가 높아진다. 따라서, Fe의 함유량은 0.01∼1.50%로 하고, 바람직하게는 0.02∼0.80%, 보다 바람직하게는 0.03∼0.50%, 더욱 바람직하게는 0.04∼0.30, 한층 더 바람직하게는 0.05∼0.25%이다.
상기 성분이 결정을 미세화시키는 매커니즘으로서 예를 들면, 상기 성분의 원자 반경과 알루미늄의 원자 반경의 차가 크기 때문에, 결정 입계 에너지를 저하시키는 기구, 상기 성분의 확산 계수가 크기 때문에, 상기 성분이 결정 입계에 들어간 경우에 결정 입계의 이동도를 저하시키고, 결정 미세화 효과를 향상시킴과 동시에, 반복 변형중의 결정 조직 조대화를 억제하는 기구, 공공(空孔)과의 상호 작용이 커서 공공을 트랩하기 위해서 확산 현상을 지연시키는 기구 등을 들 수 있으며, 이들 기구가 상승적으로 작용하고 있는 것이라고 생각할 수 있다.
(임의 첨가 성분)
알루미늄 합금재는 필수 첨가 성분인 Mg, Si, Fe과 더불어, 더욱이, 임의 첨가 성분으로서 Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 합계로 2.00% 이하 함유하고 있다.
<Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소: 합계로 0.00∼2.00%>
Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr, Sn은 모두 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, 이들 임의 첨가 성분의 함유량의 합계를 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이들 임의 첨가 성분의 함유량의 합계를 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 함유량의 합계는 0.00∼2.00%로 하고, 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, 이들 원소의 합계 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 이들 원소는 1종 원소만의 단독으로 첨가될 수 있고, 2종 이상의 원소의 조합으로 첨가될 수 있다.
또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Zn, Ni, Ti, Co, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, 이들 원소의 함유량의 합계가 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, 이들 원소의 함유량의 합계가 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Zn, Ni, Ti, Co, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소 함유량의 합계는 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Cu: 0.00∼2.00%>
Cu는 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Cu의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Cu의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하됨과 동시에, 내부식성이 저하된다. 따라서, Cu의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Cu의 함유량은 0.00%로 할 수 있다.
<Ag: 0.00∼2.00%>
Ag은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Ag의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Ag의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Ag의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Ag의 함유량은 0.00%로 할 수 있다.
<Zn: 0.00∼2.00%>
Zn은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Zn의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Zn의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Zn의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Zn의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Zn을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Zn의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Zn의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Zn의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Ni: 0.00∼2.00%>
Ni은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Ni의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Ni의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Ni의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Ni의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Ni을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Ni의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Ni의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Ni의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Ti: 0.00∼2.00%>
Ti은 주조 시의 결정을 미세화시키고, 또한, 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Ti의 함유량을 0.005% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Ti의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Ti의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Ti의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Ti을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Ti의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Ti의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Ti의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Co: 0.00∼2.00%>
Co는 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Co의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Co의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Co의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Co의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Co를 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Co의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Co의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는 Co의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이며, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Au: 0.00∼2.00%>
Au은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Au의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Au의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Au의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Au의 함유량은 0.00%로 할 수 있다.
<Mn: 0.00∼2.00%>
Mn은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Mn의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Mn의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Mn의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Mn의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Mn을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Mn의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Mn의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Mn의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Cr: 0.00∼2.00%>
Cr은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Cr의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Cr의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Cr의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Cr의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Cr을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Cr의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Cr의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Cr의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<V: 0.00∼2.00%>
V은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, V의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, V의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, V의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, V의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 V을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, V의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, V의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, V의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Zr: 0.00∼2.00%>
Zr은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Zr의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Zr의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Zr의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Zr의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Zr을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Zr의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Zr의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Zr의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<Sn: 0.00∼2.00%>
Sn은 특히 내열성을 향상시키는 원소이다. 이러한 효과를 충분히 발휘시키는 관점에서, Sn의 함유량을 0.06% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Sn의 함유량을 2.00% 초과로 하면, 가공성이 저하된다. 따라서, Sn의 함유량은 바람직하게는 0.00∼2.00%, 보다 바람직하게는 0.06%∼2.00%, 더욱 바람직하게는 0.30∼1.20%이다. 또한, Sn의 함유량은 0.00%로 할 수 있다. 또한, 부식 환경에서 사용되는 경우의 내식성을 배려하면, 알루미늄 합금재는 Sn을 함유하는 것이 바람직하다. 더욱이, Sn의 함유량이 0.06% 미만이면, 내식성 효과가 불충분하다. 또한, Sn의 함유량이 2.00% 초과이면, 가공성이 저하된다. 따라서, 내식성의 관점에서는, Sn의 함유량은 바람직하게는 0.06∼2.00%이고, 보다 바람직하게는 0.30∼1.20%이다.
<잔부: Al 및 불가피 불순물>
상술한 성분 이외의 잔부는 Al 및 불가피 불순물이다. 불가피 불순물은 제조 공정상, 불가피적으로 포함될 수 있는 함유 레벨의 불순물을 의미한다. 불가피 불순물은 함유량에 따라서는 가공성을 저하시키는 요인도 될 수 있기 때문에, 가공성 저하를 가미하여 불가피 불순물의 함유량을 어느 정도 억제하는 것이 바람직하다. 불가피 불순물로서 들 수 있는 성분으로서는 예를 들면, 붕소(B), 비스무트(Bi), 납(Pb), 갈륨(Ga), 스트론튬(Sr) 등의 원소를 들 수 있다. 또한, 불가피 불순물의 함유량의 상한치는 상기 성분마다 0.05% 이하, 상기 성분의 합계로 0.15% 이하로 할 수 있다.
이러한 알루미늄 합금재는 합금 조성이나 제조 과정을 조합하여 제어함으로써 실현 가능하다.
(3) 알루미늄 합금재의 특성
다음으로, 실시형태의 알루미늄 합금재의 특성에 대해서 설명한다.
[내굴곡 피로 특성]
내굴곡 피로 특성의 기준으로서, 상온에서의 왜곡 진폭은 ±0.17% 및 ±0.25%로 하였다. 내굴곡 피로 특성은 왜곡 진폭에 의해서 변화된다. 왜곡 진폭이 클 경우, 피로 수명은 짧아지고, 왜곡 진폭이 작을 경우, 피로 수명은 길어진다. 왜곡 진폭은 후술하는 도 3에 나타내는 장치를 사용하여 결정할 수 있다.
[신장]
신장은 JIS Z2241:2011에 준거하여 측정한다. 자세한 측정 조건은 후술하는 실시예 란에서 설명한다.
알루미늄 합금재는 특히 선재인 경우에, 신장이 바람직하게는 3.0% 이상이다. 또한, 알루미늄 합금재의 신장은 보다 바람직하게는 3.5% 이상, 더욱 바람직하게는 4.0% 이상, 특히 바람직하게는 5.0% 이상, 보다 한층 더 바람직하게는 6.0% 이상이다. 이러한 일정한 신장을 갖는 알루미늄 합금재는 가공 시나 케이블 제조시, 사용 시에 단선하는 일이 적어지기 때문에, 높은 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한, 알루미늄 합금재의 신장 상한은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 20.0%이다.
(4) 알루미늄 합금재의 용도
실시형태의 알루미늄 합금재는 구리계 재료 및 알루미늄계 재료가 사용되고 있고, 특히, 반복 운동하는 모든 용도가 대상이 될 수 있다. 알루미늄 합금재는 구체적으로는 전선이나 케이블 등의 도전 부재, 집전체용 메쉬나 그물 등의 전지용 부재, 커넥터나 단자 등의 전기 접점용 스프링 부재, 반도체용 본딩 와이어, 발전기나 모터에 사용되는 권선 등으로서 적합하게 사용할 수 있다.
도전 부재의 보다 구체적인 용도예로서는, 캡타이어 케이블, 가공 송전선, OPGW, 지중 전선, 해저 케이블 등의 전력용 전선, 전화용 케이블이나 동축 케이블 등의 통신용 전선, 로봇 케이블, 유선 드론용 케이블, EV/HEV용 충전 케이블, 해상 풍력 발전용 트위스팅 케이블, 엘리베이터 케이블, 엄빌리컬 케이불, 전차용 가선, 점퍼선 등의 차량용 전선, 트롤리선 등의 기기용 전선, 자동차용 와이어하네스, 선박용 전선, 비행기용 전선 등의 수송용 전선, 버스 바, 리드 프레임, 플렉시블 플랫 케이블, 피뢰침, 안테나, 커넥터, 단자, 케이블의 편조 등을 들 수 있다.
스프링 부재의 보다 구체적인 용도예로서는, 스프링 전극, 단자, 커넥터, 반도체 프로브용 스프링 등을 들 수 있다.
상기와 더불어, 알루미늄 합금재는 수지계 재료, 플라스틱 재료, 천 등에 도전성을 갖게 하거나, 강도나 탄성율을 제어시키기 위해서 첨가하는 금속 섬유로서도 적합하다.
(5) 알루미늄 합금재의 제조 방법
알루미늄 합금재, 예를 들면 Al-Mg-Si계 합금 선재는 굽힘 왜곡이 커지는 표층 근방에 작은 결정립을 집적시키면서, 굽힘 왜곡이 작은 두께 중심 위치(C)에 비교적 큰 결정립을 존재시킴으로써, 높은 내굴곡 피로 특성과 신장의 양립을 도모할 수 있다. 따라서, 종래의 알루미늄 합금재의 제조 방법에서 일반적으로 실시되어 온 Mg-Si 화합물의 석출 경화 혹은 결정을 미세화시키는 방법과는 접근이 크게 다르다.
실시형태의 알루미늄 합금재의 바람직한 제조 방법에서는, 소정의 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금 소재에 대하여, 최종 가공으로서 가공도 5이상의 냉간 가공[1]을 실시한다. 또한, 필요에 따라서, 냉간 가공[1] 전에, 표층의 결정립 지름을 미세하게 하는 전처리 공정[2] 및 냉간 가공[1] 후, 조질 소둔[3]을 실시할 수 있다. 이하, 상세하게 설명한다.
통상, 금속 재료에 반복 응력이 더해지면, 금속 결정 변형의 기본 과정으로서 탄성 변형과 함께 결정 슬립이 생긴다. 이러한 결정 슬립이 생기기 쉬운 금속재일수록 그 표면에 균열 발생점을 만들기 때문에, 내굴곡 피로 특성이 낮다고 할 수 있다. 그 때문에, 금속재의 높은 내굴곡 피로 특성화에 있어서는, 금속 조직 내에서 생기는 결정 슬립을 억제하는 것이 중요해진다. 이러한 결정 슬립의 저해 요인으로서는, 금속 조직 내의 결정 입계의 존재를 들 수 있다. 이러한 결정 입계는 금속재에 응력이 더해졌을 때에, 결정 슬립이 금속 조직 내에서 전파하는 것을 억제할 수 있으며, 그 결과, 금속재의 피로 특성은 높아진다.
그 때문에, 금속재의 고피로 수명화에 있어서는 금속 조직 내에 결정 입계를 고밀도로 도입하는, 즉, 작은 결정립을 집적시키는 것이 바람직하다고 생각할 수 있다. 여기서, 결정 입계의 형성 기구로서는 예를 들면, 다음과 같은 금속 조직의 변형에 따른 금속 결정의 분열을 생각할 수 있다.
통상, 다결정 재료의 내부에서는, 인접하는 결정립끼리의 방위 차이나, 가공 공구와 접하는 표층 근방과 벌크 내부의 사이의 왜곡 공간 분포에 기인하여, 응력 상태는 복잡한 다축 상태로 되어 있다. 이러한 영향으로, 변형 전에 단일 방위였던 결정립이 변형에 따라 복수의 방위로 분열되어가, 분열된 결정끼리의 사이에는 방위차 경계가 형성된다.
그러나, 형성된 방위차 경계는 통상의 12배위인 최밀 원자 배열로부터 괴리되어 있는 구조에서 계면 에너지를 갖는다. 그 때문에, 통상의 금속 조직에서는, 결정 입계가 일정 밀도 이상이 되면, 증가한 내부 에너지가 구동력이 되어, 동적 혹은 정적인 회복이나 재결정이 일어난다고 생각할 수 있다. 그 때문에, 통상은 변형량을 늘려도, 결정 입계의 증가와 감소가 동시에 일어나기 때문에, 입계 밀도는 포화 상태가 된다고 생각할 수 있다.
이러한 현상은 종래의 금속 조직인 순알루미늄이나 순동에 있어서의 가공도와 인장 강도의 관계와도 일치한다. 통상의 금속 조직인 순알루미늄이나 순동은 비교적 낮은 가공도에서는 인장 강도의 향상(경화)이 보이지만, 가공도가 증가할수록 경화량은 포화되는 경향에 있다. 여기서, 가공도는 상술한 금속 조직에 더해지는 변형량에 대응하고, 경화량의 포화는 입계 밀도의 포화에 대응한다고 생각할 수 있다.
또한, 단지 가공을 실시하는 것 만으로는 내굴곡 피로 특성은 상승하는 한편, 연성이 저하되어가, 가공 시나 사용 시에 단선하기 쉬워진다는 문제가 있다. 이는 결정 내에 전위가 다량으로 도입되기 때문에 전위 밀도가 포화되어, 그 이상의 소성 변형을 허용할 수 없게 되기 때문이라고 생각된다.
이에 대하여, 실시형태의 알루미늄 합금재에서는 가공도가 증가함과 동시에, 표층에서의 결정 입계 밀도의 증가, 즉, 작은 결정립의 집적이 계속되어, 내굴곡 피로 특성이 계속 향상하는 것을 알 수 있었다. 이는 알루미늄 합금재가 상기 합금 조성을 가짐으로써, 결정 입계의 밀도 증가를 촉진하여, 금속 조직 내에서 결정 입계가 일정 밀도 이상이 되어도, 내부 에너지의 증가를 억제할 수 있는 것에 의한 것이라고 생각할 수 있다. 그 결과, 금속 조직 내에서의 회복이나 재결정을 방지할 수 있어, 효과적으로 금속 조직 내에 결정 입계를 증가시킬 수 있다고 생각할 수 있다.
이러한 Mg과 Si의 복합 첨가에 따른 결정 미세화의 매커니즘은 반드시 분명하지는 않지만, (i) 전위와 같은 격자 결함과 강한 상호 작용을 갖는 Mg이 결정의 미세화를 촉진함으로써, 결정 분단을 촉진하는 것, (ii) Al 원자에 대하여 원자 반경이 큰 Mg 원자와 작은 Si 원자가 입계에서의 원자 배열의 미스 매치를 완화시킴으로써, 가공에 따른 내부 에너지의 증가를 효과적으로 억제할 수 있는 것에 의한 것이라고 생각할 수 있다.
또한, 실시형태의 알루미늄 합금재에서는 특히, 그 표면에 소성 왜곡이 도입되기 때문에, 표층 근방에서는 매우 미세한 결정인 한편, 두께 중심 위치(C)는 비교적 큰 결정이 남은 채이다. 이러한 결정 조직을 가짐으로써, 굽힘 변형 시에는 표층의 미세한 결정이 유효하게 작용하고, 신장에 대하여서는 두께 중심 위치(C)가 커다란 결정이 유효하게 작용한다.
실시형태의 알루미늄 합금재의 제조 방법에서는, 냉간 가공[1]에서의 가공도를 5이상으로 한다. 특히, 큰 가공도에 의한 가공을 실시함으로써, 금속 조직의 변형에 따른 금속 결정의 분열을 재촉할 수 있어, 알루미늄 합금재의 내부에 결정 입계를 고밀도로 도입할 수 있다. 그 결과, 알루미늄 합금재의 표층에서는 작은 결정립이 집적되어, 내굴곡 피로 특성이 대폭 향상한다. 이러한 가공도는 바람직하게는 6이상, 보다 바람직하게는 7이상으로 한다. 또한, 가공도의 상한은 특별히 규정되지 않지만, 통상은 15이하이다.
또한, 가공도(η)는 가공 전의 단면적을 s1, 가공 후의 단면적을 s2(s1>s2)라 할 때, 하기 식 (1)로 나타난다. 가공도(무차원): η=ln(s1/s2) ··· (1)
냉간 가공[1]의 방법은 목적으로 하는 알루미늄 합금재의 형상(선봉재, 판재, 조, 박 등)에 따라 적당히 선택하면 되며, 예를 들면, 카셋트 롤러 다이스, 홈 롤 압연, 환선 압연, 다이스 등에 의한 인발 가공, 스웨이징 등을 들 수 있다. 또한, 상기와 같은 가공에서의 제조건(윤활유의 종류, 가공 속도, 가공 발열 등)은 공지의 범위에서 적당히 조정할 수 있다.
더불어, 냉간 가공[1] 전에 전처리 공정[2]을 실시할 수 있다. 전처리 공정[2]에 대해서는 숏 피닝, 압출, 스웨이징, 스킨 패스, 압연, 재결정법 등을 들 수 있다. 이로써, 냉간 가공[1]의 이전 단계에서, 알루미늄 합금재의 표층과 내부의 사이에서 결정립 지름에 경사지게 하여, 냉간 가공[1] 후의 결정 조직을 보다 미세하게, 그리고, 결정립 지름의 기울기를 크게 할 수 있다. 상기 공정에서의 제조건(가공 속도, 가공 발열, 온도 등)은 공지의 범위에서 적당히 소성할 수 있다.
알루미늄 합금 소재는 상기 합금 조성을 갖는 것이면 특별히 한정은 없으며, 예를 들면, 압출재, 잉곳재, 열간 압연재, 냉간 압연재 등을 사용 목적에 따라 적당히 선택하여 사용할 수 있다.
또한, 잔류 응력의 해방이나 신장 향상을 목적으로 하여, 냉간 가공[1] 후에 조질 소둔[3]을 실시할 수 있다. 조질 소둔[3]의 처리 온도는 50∼200℃에서 한다. 조질 소둔[3]의 처리 온도가 50℃ 미만인 경우에는 상기와 같은 효과를 얻기 어렵고, 200℃를 넘을 경우에는 회복이나 재결정에 의해서 결정립의 신장이 일어나, 내굴곡 피로 특성이 저하된다. 또한, 조질 소둔[3]의 유지 시간은 바람직하게는 1∼48시간이다. 또한, 이러한 열처리의 제조건은 불가피 불순물의 종류나 양 및 알루미늄 합금 소재의 고용·석출 상태에 따라 적당히 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 알루미늄 합금 소재에 대하여, 다이스에 의한 인발이나 압연 등의 방법으로 높은 가공도의 가공이 이루어진다. 그 때문에, 결과적으로, 길이가 긴 알루미늄 합금재를 얻을 수 있다. 한편, 분말 소결, 압축 비틀기 가공, High pressure torsion(HPT), 단조 가공, Equal Channel Angular Pressing(ECAP) 등과 같은 종래의 알루미늄 합금재의 제조 방법에서는, 이러한 길이가 긴 알루미늄 합금재를 얻는 것은 어렵다. 실시형태의 알루미늄 합금재는 바람직하게는 10m 이상의 길이로 제조된다. 또한, 제조 시의 알루미늄 합금재 길이의 상한은 특별히 마련하지 않지만, 작업성 등을 고려하여 50000m로 하는 것이 바람직하다.
또한, 실시형태의 알루미늄 합금재는 그 표층의 결정립의 미세화를 위해서 가공도를 크게 하는 것이 유효하다. 그 때문에, 선재를 제작할 경우에는, 가는 지름으로 할수록, 또한, 판재나 박을 제작할 경우에는 얇은 두께로 할수록 실시형태의 알루미늄 합금재의 구성을 실현하기 쉽다.
특히, 알루미늄 합금재가 선재인 경우, 그 선경은 바람직하게는 1.50㎜ 이하, 보다 바람직하게는 0.75㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 0.30㎜ 이하, 특히 바람직하게는 0.10㎜ 이하이다. 또한, 선경의 하한은 특별히 두지 않지만, 작업성 등을 고려하여 0.01㎜인 것이 바람직하다.
또한, 알루미늄 합금재가 판재인 경우, 그 판 두께는 바람직하게는 2.00㎜ 이하, 보다 바람직하게는 1.50㎜ 이하, 더욱 바람직하게는 1.00㎜ 이하, 특히 바람직하게는 0.50㎜ 이하이다. 또한, 판 두께의 하한은 특별히 두지 않지만, 작업성 등을 고려하여 0.02㎜인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 알루미늄 합금재는 가늘게 또는 얇게 가공되지만, 이러한 알루미늄 합금재를 복수 준비하고, 이것들을 접합하여 굵게 또는 두껍게 하여, 목적하는 용도로 사용할 수도 있다. 또한, 접합 방법은 공지의 방법을 사용할 수 있으며, 예를 들면 압접, 용접, 접착제에 의한 접합, 마찰 교반 접합 등을 들 수 있다. 또한, 알루미늄 합금재가 선재인 경우에는, 복수 개 묶어서 합쳐 꼬아서 알루미늄 합금 연선으로 하여 목적하는 용도로 사용할 수도 있다. 또한, 상기 조질 소둔[3]은 상기 냉간 가공[1]을 실시한 알루미늄 합금재를 접합 혹은 합쳐 꼬은 가공을 실시한 후에 실시할 수 있다.
지금까지 설명한 실시형태에 따르면, 상기 제조방법에 의해서 소정의 합금 조성을 가짐과 동시에, 세장 형상의 결정립이 일방향으로 가지런한 연재 상태의 금속 조직을 갖는 알루미늄 합금재를 제조할 수 있다. 이 알루미늄 합금재는 두께 위치(D)에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 또한, 비(R2/R1)가 1.8이상이다. 그 때문에, 알루미늄 합금재는 종래의 알루미늄 합금재의 내굴곡 피로 특성을 크게 뛰어넘어, 구리계 금속 재료에 필적하는 내굴곡 피로 특성을 가지면서도, 신장이 우수하다. 이러한 알루미늄 합금재의 선재는 구리계 도전 부재의 대체가 될 수 있다.
이상, 실시형태에 대해서 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 개념 및 특허 청구범위에 포함되는 모든 양태를 포함하며, 본 발명의 범위 내에서 여러 가지로 개변할 수 있다.
[실시예]
다음으로, 실시예 및 비교예에 대해서 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1∼4)
실시예 1∼4는 표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 직경 10㎜의 봉재를 사용하고, 전처리 공정[2]으로서 직경 1㎜의 강구를 사용하여 숏 피닝 가공을 실시한 후, 표 1에 각각 나타나는 제조 조건 A∼D로써, 모두 선경 0.5∼0.05㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
(실시예 5∼8)
실시예 5∼8은 표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 직경 60㎜의 봉재를 사용하고, 전처리 공정[2]으로서 스웨이징 가공에 의해 봉재를 직경 10㎜로 한 후, 표 1에 각각 나타내는 제조 조건 A∼D로써, 모두 선경 0.5∼0.05㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
(실시예 9∼15)
실시예 9∼15는 표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 직경 10㎜의 봉재를 사용하고, 전처리 공정[2]으로서 선빼기 다이스를 사용하여, 1패스 감면율 <5%인 스킨 패스 가공을 실시한 후, 표 1에 각각 나타내는 제조 조건 A∼D, C, D, C로써, 모두 선경 0.5∼0.05㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
(실시예 16∼18)
실시예 16∼18은 표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 직경 60㎜의 봉재를 사용하고, 전처리 공정[2]으로서 스웨이징 가공에 의해 봉재를 직경 30㎜로 한 후, 표 1에 각각 나타내는 제조 조건 A, A, D로써, 모두 선경 1.5∼0.2㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
(비교예 1∼4)
비교예 1∼4는 표 1에 나타내는 합금 조성을 갖는 직경 10㎜의 봉재를 사용하여, 표 1에 각각 나타내는 제조 조건 C, C, F, C로써, 선경 0.15㎜, 3.7㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
(비교예 5)
표 1에 나타내는 합금 조성을 갖고, 표 1에 나타내는 제조 조건 E로써, 선경 0.08㎜인 알루미늄 합금 선재를 제작하였다.
또한, 표 1에 나타내는 제조 조건 A∼F는 구체적으로는 이하와 같다.
<제조 조건 A>
준비한 봉재에 대하여, 가공도 6.0인 냉간 가공[1]을 실시하였다. 또한, 조질 소둔[3]을 실시하였다.
<제조 조건 B>
냉간 가공[1]의 가공도를 8.5로 한 것 이외에는, 제조 조건 A와 같은 조건에서 실시하였다.
<제조 조건 C>
냉간 가공[1]의 가공도를 11.0으로 한 것 이외에는, 제조 조건 A와 같은 조건에서 실시하였다.
<제조 조건 D>
준비한 봉재에 대하여, 가공도 8.5인 냉간 가공[1]을 실시하고, 그 후, 처리 온도 100℃, 유지 시간 5시간의 조건에서 조질 소둔[3]을 실시하였다.
<제조 조건 F>
냉간 가공[1]의 가공도를 2.0으로 한 것 이외에는, 제조 조건 A와 같은 조건에서 실시하였다.
(비교예 5)
<제조 조건 E>
그라파이트 도가니 내에 순도가 99.95%인 알루미늄, 순도가 99.95%인 마그네슘, 순도가 99.99%인 규소, 순도가 99.95%인 철을 각각 소정량 투입하고, 고주파 유도 가열에 의해서 720℃에서 교반 용해하여, Al-0.60질량%Mg-0.30질량%Si-0.05질량%Fe의 합금 조성을 갖는 용탕을 제조하였다. 계속해서, 이 용탕을 그라파이트 다이스가 마련된 용기로 옮겨, 수냉한 그라파이트 다이스를 통해 약 300㎜/분의 주조 속도로 10㎜φ, 길이가 100㎜인 와이어를 연속 주조하였다. 그리고, ECAP법으로 4.0의 누적 상당 왜곡을 도입하였다. 이 단계의 재결정화 온도는 300℃로 요구되었다. 그리고, 불활성 가스 분위기 중에서, 250℃에서 2시간의 사전 가열을 실시하였다. 다음으로, 가공도 0.34의 제1 신선 처리를 실시하였다. 이 단계의 재결정화 온도는 300℃로 요구되었다. 그리고, 불활성 가스 분위기 중에서, 260℃에서 2시간의 1차 열처리를 실시하였다. 그 후, 수냉한 신선 다이스 내를 500㎜/분의 인발 속도로 통과시켜, 가공도 9.3의 제2 신선 처리를 실시하였다. 이 단계의 재결정화 온도는 280℃로 요구되었다. 그리고, 불활성 가스 분위기 중에서, 220℃에서 1시간의 2차 열처리를 실시하여, 선경 0.08㎜인 알루미늄 합금 선재를 얻었다.
[평가]
상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 알루미늄 합금 선재를 사용하여, 하기에 나타내는 특성 평가를 실시하였다. 각 특성의 평가 조건은 하기와 같다. 결과를 표 1에 나타낸다.
[1] 합금 조성
JIS H1305:2005에 준하여, 발광 분광 분석법으로 실시하였다. 또한, 측정은 발광 분광 분석 장치(주식회사 히타치 하이테크 사이언스제)를 이용하여 실시하였다.
[2] 조직 관찰
금속 조직의 관찰은 주사 이온 현미경(SMI3050TB, 세이코 인스툴 주식회사제)을 이용하여, SIM(Scanning Ion Microscope) 관찰에 의해 실시하였다. 가속 전압 30㎸로써 관찰을 실시하였다.
관찰용 시료는 상기 알루미늄 합금 선재의 장변 방향(가공 방향)으로 평행인 단면 및 수직인 단면에 대해서 FIB(Focused Ion Beam)에 의해 두께 100㎚±20㎚로 절단하여, 이온밀링으로 마무리한 것을 사용하였다.
SIM 관찰에서는, 회색 콘트라스트를 사용하여 콘트라스트의 차이를 결정 방위로 하여 콘트라스트가 불연속으로 다른 경계를 결정 입계로서 인식하였다. 또한, 전자선의 회절 조건에 따라서는, 결정 방위가 달라도 회색 콘트라스트에 차이가 없는 경우가 있다. 그 경우에는, 전자현미경의 시료 스테이지 내에서 직교하는 2개의 시료 회전 축에 의해서 ±3°씩 기울여 전자선과 시료의 각도를 바꾸어, 복수의 회절 조건에서 관찰면을 촬영하여 입계를 인식하였다. 또한, 관찰 시야는 (15∼40)㎛×(15∼40)㎛로 하여, 상기 가공 방향으로 평행 및 수직인 단면에서, 중심부 및 선재 표면으로부터 선경의 1/20에 해당하는 두께 위치의 부분을 관찰하였다. 관찰 배율은 결정립의 크기에 따라서 적당히 조정하였다.
그리고, SIM 관찰을 실시하였을 때에 촬영한 화상으로부터, 알루미늄 합금 선재의 장변 방향(가공 방향)으로 평행인 단면에서, 섬유형 금속 조직의 유무를 판단하였다. 섬유형 금속 조직이 관찰된 경우, 섬유형 금속 조직이 「유」라고 평가하였다.
더욱이, 각각의 관찰 시야에서, 결정립 중 임의의 100개를 선택하여, 평균 결정립 지름(R1), 평균 결정립 지름(R2), 장변 방향 치수(L1), 단변 방향 치수(L2)를 측정하였다. 그리고, 얻어진 측정치에 대해서 결정립 100개의 평균치를 산출하여, 평균 결정립 지름(R1), 비(R2/R1), 종횡비(L1/L2)를 구하였다. 또한, 일부 비교예에 대해서는, 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚보다 분명히 컸기 때문에, 400㎚보다 큰 결정립을 선택하지 않고, 선택하는 결정립을 100개로부터 줄여서, 각각의 평균치를 산출하였다. 또한, 분명하게 종횡비(L1/L2)가 10이상인 것에 대해서는, 종횡비(L1/L2)를 일률적으로 10이상(표 1에서는 「≥10」이라 표시)으로 하였다.
[3] 내굴곡 피로 특성
후지이 정밀기계 주식회사(현 주식회사 후지이)제의 양진 굴곡 피로 시험기를 사용하여 ±0.17% 및 ±0.25%의 왜곡 진폭의 굽힘 왜곡이 주어지는 치구를 사용하여, 반복 굽힘을 실시함으로써, 반복 파단 회수를 측정하였다. 이 시험은 각 실시예에 대해서, 4개의 선재를 준비하고, 선재 4개를 1개씩 측정하여, 그 평균치(N=4)를 구하였다. 도 3에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 합금 선재(1)를 굽힘 치구(2 및 3)의 사이를 약 1㎜ 간격을 두고 삽입하고, 굽힘 치구(2 및 3)를 따르도록 반복 운동을 시켰다. 감은 자국이 생긴 선재는 인장 왜곡을 부여함으로써 곧게 하여, 시험중에 일정 장소에 반복 굽힘 왜곡이 부여되도록 하였다. 알루미늄 합금 선재(1)의 일단은 반복 굽힘을 실시할 수 있도록 누름 치구(5)로 고정시키고, 다른 일단에는 알루미늄 합금 선재(1)의 0.2% 내력의 1∼5%의 부하 응력이 되는 추(4)를 매달았다. 시험중에는 누름 치구(5)가 움직이기 때문에, 그곳에 고정되어 있는 알루미늄 합금 선재(1)도 움직여서, 반복 굽힘을 실시할 수 있다. 반복은 1분간에 100회의 조건에서 실시하여, 알루미늄 합금 선재(1)가 파단하면, 추(4)가 낙하하여, 카운트를 정지시키는 구조로 되어 있다. 또한, 알루미늄 합금 선재(1)는 종래의 알루미늄 합금 선재보다 강도가 높고, 추(4)의 중량이 통상의 반복 굽힘 시험보다 무거워지는 경향이 있기 때문에, 굽힘 치구(2 및 3)에서의 마모를 억제하는 것을 목적으로 하여, 굽힘 치구(2 및 3)에 PTFE제 테이프를 첩부하였다.
반복 파단 회수는 왜곡 진폭 ±0.17%에서는 100만회(106)회 이상을 양호라 하고, 왜곡 진폭 ±0.25%에서는 10만회(105)회 이상을 양호라 하였다.
[4] 신장
JIS Z2241:2001에 준하여, 정밀 만능 시험기(주식회사 시마즈 제작소제)를 사용하여 인장 시험을 실시하고, 신장을 측정하였다. 또한, 이 시험은 평점간 거리를 10cm, 변형 속도를 10㎜/분의 조건에서 실시하였다. 또한, 각 실시예에에 대해서, 3개의 선재를 준비하고, 선재 3개를 1개씩 측정하여, 그 평균치(N=3)를 각 선재의 신장으로 하였다. 신장은 클수록 바람직하며, 3.0% 이상을 합격 레벨로 하였다.
Figure pct00001
실시예 1의 알루미늄 합금 선재의 금속 조직의 모습을 나타내는 SIM 화상을 도 4∼6에 나타낸다. 도 4는 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 평행인 단면을 나타내는 SIM 화상이다. 도 5는 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 수직인 단면에서, 선재 표면으로부터 선경의 1/20에 해당하는 두께 위치의 부분을 나타내는 SIM 화상이다. 도 6은 알루미늄 합금 선재의 장변 방향으로 수직인 단면의 중심부를 나타내는 SIM 화상이다.
도 4에 나타나는 바와 같이, 알루미늄 합금 선재에서, 섬유형 금속 조직이 관찰되었다. 또한, 도 5에 나타내는 바와 같이, 선재 표면으로부터 선경의 1/20에 해당하는 두께 위치의 부분에서는, 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 도 6에 나타내는 바와 같이, 중심부에서는 비교적 큰 결정립 지름을 유지한 상태였다.
1　알루미늄 합금 선재
2, 3 굽힘 치구
4　추
5　누름 치구

Claims (9)

  1. 질량%로 Mg: 0.20∼1.80%, Si: 0.20∼2.00% 및 Fe: 0.01∼1.50%를 함유하고, 더욱이, Cu, Ag, Zn, Ni, Ti, Co, Au, Mn, Cr, V, Zr 및 Sn의 군으로부터 선택되는 1종 이상의 원소: 합계로 0.00∼2.00%를 함유하며, 잔부가 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 합금 조성을 갖는 알루미늄 합금재로서, 결정립이 일방향으로 따라 연재된 섬유형 금속 조직을 갖고, 상기 결정립이 연재하는 장변 방향으로 수직인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 알루미늄 합금재의 표면으로부터 상기 알루미늄 합금재 두께의 1/20에 해당하는 두께 위치(D)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R1)이 400㎚ 이하이며, 또한, 상기 알루미늄 합금재의 두께 중심 위치(C)에 존재하는 결정립에서의 평균 결정립 지름(R2)의 상기 두께 위치(D)에서의 상기 평균 결정립 지름(R1)에 대한 비(R2/R1)가 1.8이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정립이 연재하는 장변 방향으로 평행인 알루미늄 합금재의 단면에서, 상기 두께 위치(D)에 존재하는 결정립은 상기 장변 방향으로 측정한 장변 방향 치수(L1)와, 상기 장변 방향으로 수직인 방향으로 측정한 단변 방향 치수(L2)의 비(L1/L2)가 10이상인 알루미늄 합금재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금재가 선재인 알루미늄 합금재.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 선재의 선경이 0.01∼1.50㎜인 알루미늄 합금재.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금재가 판재인 알루미늄 합금재.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 판재의 판 두께가 0.02∼2.00㎜인 알루미늄 합금재.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 케이블.
  8. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 전선.
  9. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 합금재를 사용한 스프링 부재.
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