KR0166339B1 - 냉간가공 및 반복열처리에 의한 Al-Si 아공정계 반응고합금의 제조방법 - Google Patents

Abstract

반 응고합금(Semi-solid alloys)공정은 기존의 대표적인 합금성형방법인 주조와 단조의 장점을 이용하고자 고안된 독특한 합금제조기술로, 리오캐스팅 공정과 같이 용탕의 응고 도중 액, 고상이 공존하는 온도구간에서 합금을 기계적, 혹은 전자기적방법으로 심하게 교반하는 방법으로 제조되는 것이 대부분이다. 그러나 이러한 방법은 용탕의 교반을 통하기 때문에 기술적으로 매우 복잡하고 어려울 뿐 아니라 제조비용도 매우 높은 단점이 있다. 본 발명에서는 이러한 난점들을 최소화하여 용탕의 교반을 통하지 않고, 기술적으로도 매우 간편할 뿐 아니라 경제적인 Al-Si 아공정 반 응고합금을 제조하는 방안을 도출하였다. 즉, 기존의 응력유도용융활성화(Stress-Induced Melt-Activated: SIMA)공정을 개선시키어 금형주조된 합금을 단면감소율 8∼12 % 정도로 냉간가공한 후, 액, 고상 공존 온도 구간에서 2회에 걸쳐 20분씩 열처리시키면 고상입자가 잘 구형화된 반 응고합금을 제조할 수 있다. 이와 같이 2회에 나누어 열처리할 경우, 동일 시간을 1회에 걸쳐 열처리하는 경우에 비해 입자구형화, 미세화의 촉진은 물론, 합금외형의 변형이나 조대기공의 발생을 억제할 수 있다. 냉간가공시 단면감소율이 8% 이하일 경우 구형조직의 형성이나 상술한 효과는 잘 나타나지 않는다. 이와 같은 기술을 통하면 교반과 같은 복잡한 과정을 거치지 않고 기술적으로 매우 간편하게, 그리고 경제적으로 반 응고합금을 제조할 수 있다.

Description

냉간가공 및 반복열처리에 의한 Al-Si 아공정계 반응고합금의 제조방법

제1도는 금형주조한 Al-8wt.%Si 아공정합금을 단면감소율 10%로 냉간압연한 후, 590℃의 대기중에서 10분간 가열하고 수냉시킨 후의 광학현미경 사진도.

제2도는 금형주조한 Al-8wt.%Si 아공정합금을 단면감소율 10%로 냉간압연한후, 590℃의 대기중에서 20분간 가열하고 수냉시킨 후의 광학현미경 사진도.

제3도는 금형주조한 Al-8wt.%Si 아공정합금을 단면감소율 10%로 냉간압연한 후, 590℃의 대기중에서 20분간 가열하고 수냉시킨 후, 동일한 열처리를 재차 반복하여 얻은 광학현미경 사진도이다.

본 발명은 액상과 고상이 공존하며, 특히 고상이 액상중에 구형의 형태로 존재함으로서 유동성이 우수하여 낮은 성형압으로도 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있는 Al-Si 아공정계 반응고합금의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 합금을 성형하는 방법은 주조와 단조가 그 주류를 이루고 있으나, 주조를 이용한 방법은 성형성이 좋은 반면 기공 등의 내부결함이 많이 발생하여 고품질의 합금을 제조하기에는 적합하지 않으며, 단조와 같은 기계적 성형법은 결함이 최소화된 우수한 성질의 합금을 제조하기에는 이상적이지만 복잡한 형상을 갖는 부품의 제조에는 문제가 있고, 높은 성형압이 요구되는 단점이 있다.

이러한 양자의 단점을 보완하기 위하여 개발된 합금이 반응고합금이며, 이러한 반응고합금의 미세조직상의 특징은 액상 및 고상이 공존하는 온도구간에서 고상의 입자가 액상속에 구형으로 균일하게 분포되어 있는데 있으며, 그 결과 이 온도구간에서 매우 낮은 점도를 갖게된다는 것이다.

즉, 반응고합금에 있어서는 고상입자의 구형화가 절대적으로 요구되는데, 그 이유는 이들 구형입자가 액상사이에서 미끄러짐에 의해 합금의 유동성을 높이게 되는 것이고, 이로인해 낮은 성형압으로도 복잡한 형상의 부품을 제조할 수 있기 때문이다.

이와같은 구형조직을 얻기 위해 통상 리오캐스팅(rheocasting)이라 불리우는 공정이 사용되고 있다.

리오캐스팅 공정은 리오캐스터중에 담겨 응고중인 용탕의 액 고상 공존온도구간에서 상기 용탕을 기계적 혹은 전자기적 방법으로 심하게 교반하여 점도를 낮춘 후 냉각시킴으로써 반응고합금을 만드는 공정을 말하는 것으로, 상기와 같은 방법을 이용하면 이반 주조재에서 볼 수 있는 수지상정들이 교반에 의해 완전히 와해되며 고상입자들이 구형화 된다.

상기와 같이 리오캐스팅 공정을 거쳐 만들어진 반응고합금은 다시 반응고 온도 구간으로 가열된 후 성형되는데 이를 딕소캐스팅(thixocasting)공정이라한다.

즉, 고상을 구형화시켜 반응고합금을 제조하는 것이 리오캐스팅 공정이고, 상기의 리오캐스팅 공정을 통해 만들어진 반응고합금을 액, 고상 공존구간으로 재가열해 성형하는 것이 딕소캐스팅 공정이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 반응고합금 제조방법은 용탕의 교반을 행하여야 하기 때문에 기술적으로 매우 복잡하고 어려울 뿐 아니라 제조비용도 매우 높아 본격적인 실용화에 장애가 되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 일정한 단면감소율을 갖는 냉간가공 및 반복열처리를 통해 모재내부에 고상입자를 구형화시킴으로써 유수한 유동성 및 성형성을 갖는 Al-Si 아공정계 반응고합금의 제조방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Al-Si 아공정계 합금을 주조하는 단계와, 상기 주조된 Al-Si 아공정계 합금을 8∼12%의 단면감소율로 냉간 가공하는 단계와, 상기 냉간가공된 합금을 577∼660℃의 온도범위에서 20∼30분간 가열하는 단계와, 상기 가열된 합금을 수냉하는 단계와, 상기 수냉된 합금을 다시 577∼660℃의 온도범위에서 20∼30분간 가열하는 단계와, 상기 가열된 합금을 수냉하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간가공 및 반복열처리에 의한 Al-Si 아공정합금계 반응고합금의 제조방법을 제공한다.

한편, 상기 가열된 합금의 냉각은 유냉을 이용할 수도 있다.

이하, 본 발명의 수치한정의 이유에 대하여 설명한다.

먼저, 합금의 내부에 응력을 가하여 주조재에서 볼 수 있는 수지상정들을 와해시키는 역할을 함으로써, 고상의 구형화를 위한 조건을 마련하는 것으로 판단되는 본 발명의 냉간가공 공정중 그 단면감소율을 8∼12%로 한정한 이유는 단면감소율을 8%로 이하로 하여 냉간가공을 실시할 경우 모재내에 고상의 구형화가 원활하게 이루어지지 않고, 12% 이상으로 냉간가공을 실시할 경우 모재의 파단등이 발생하여 합금의 제조를 할 수 없기 때문이다.

또한, 합금의 가열온도를 577∼660℃로 한정한 이유는 이 온도구간에서 Al-Si 아공정합금이 액상 및 고상으로 존재하기 때문이다.

즉, 577℃는 Al-Si합금의 공정온도이고, 660℃는 Al의 녹는 점이기 때문이다.

그리고, 상기의 온도범위에서의 가열시간을 20∼30분으로 한정한 이유는 20분 이하로 열처리시 고상의 구형화가 이루어지지 않기 때문이고, 30분 이상 열 처리는 더 이상의 효과가 나타나지 않기 때문이다.

한편, 상기와 같은 가열하여 생성된 모재의 조직을 그대로 보존하기 위하여 열처리후에는 상기 합금을 수냉 또는 유냉시킨다.

이하, 실시예을 들어 본 발명은 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

먼저, Al-8%Si 아공정합금을 금형을 사용하여 주조한 후, 이 주조된 합금을 실온에서 압연, 스웨징(Swaging) 혹은 압출 등을 통하여 8∼12%의 단면감소율로 냉간가공 하였다.

상기의 냉간가공중 압연을 실시할 경우에는 간혹 균열이 발생하는 경우가 있으나, 반응고합금은 제조후 고온에서 다시 가압하여 성형하게 되므로 문제가 되지 않는다.

한편, 상기와 같은 냉간가공후의 미세조직은 주조조직과 크게 다르지 않으며 초기 수지상정의 변형은 관찰되지 않았다.

이렇게 냉간가공된 합금을 590±5℃의 온도에서 10∼15분, 20분 1회, 40분, 20분 2회로 나누어 각각 열처리 한 후 그 조직을 관찰하였다.

그결과 10∼15분간 열처리를 행한 경우 제1도에서와 같이 주조조직인 수지상정조직이 그래도 남아있음을 알 수 있으며, 20분간 1회 열처리한 경우 제2도와 같이 수지상정조직이 와해하기 시작하였으나 구형화는 시작단계에 머물러 있어 미흡함을 알 수 있다.

또, 40분 이상 열처리하면 구형화는 되지만 큰 기공이 많이 발생하고 합금의 외형이 심하게 일그러지고, 동일한 40분이라도 20분간 2회에 걸쳐 열처리를 행하면 제3도에 나타낸 바와 같이 구형화가 잘 된 조직을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같이 20분간 2회 열처리한 합금은 그 점도에 있어 실온에서의 버터와 비슷한 정도를 가지며, 이는 반응고합금 성형에 있어 최적의 특성을 나타내는 것이다.

이러한 액, 고상 공존 온도구간에서 반복열처리를 통해 제조하는 반응고합금은 두가지 방법으로 성형할 수 있으며, 첫 번째는 1차 가열하여 냉각한 합금을 재가열하여 동일온도, 동일시간의 조건에서 냉각시키지 않고 직접 그 온도에서 성형하는 방법이고, 두 번째는 2차 가열까지 마치고 냉각한 합금을 액, 고상 공존 온도로 재가열하여 성형하는 방법이다.

상기와 같은 본 발명은 교반과 같은 복잡한 과정을 거치지 않고 단순한 기계적가공과 열처리를 병행함으로써 기술적으로 매우 간편하고 이에 따른 경제적 잇점이 매우 크며, 액상 및 고상 공존온도구간에서의 열처리를 2회 걸쳐 행함으로써 고상의 구형화를 촉진함은 물론 입자의 조대화를 최소화하고 합금외형이 변형되거나 큰 기공들이 발생하는 것을 억제할 수 있다.

또한, 합금외형이 열처리전과 비교하여 크게 변형되지 않으므로 성형 전의 반응고합금 반제품으로서의 상품성이 우수하고 자동화시 그 취급이 용이하다.

Claims (2)

1. Al-Si 아공정계 합금을 주조하는 단계와, 상기 주조된 Al-Si 아공정계 합금을 8∼12%의 단면감소율로 냉간 가공하는 단계와, 상기 냉간가공된 합금을 577∼660℃의 온도범위에서 20∼30분간 가열하는 단계와, 상기 가열된 합금을 수냉하는 단계와, 상기 수냉된 합금을 다시 577∼660℃의 온도범위에서 20∼30분간 가열하는 단계와, 상기 가열된 합금을 수냉하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉간가공 및 반복열처리에 의한 Al-Si 아공정합금계 반응고합금의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 가열된 합금을 수냉하는 단계에서 수냉 대신에 유냉하는 것을 특징으로 하는 냉간가공 및 반복열처리에 의한 Al-Si 아공정합금계 반응고합금의 제조방법.