KR100485400B1

KR100485400B1 - 단조 스크롤 부품 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100485400B1
Application number: KR10-2001-7015886A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 사토; 유이치 오구라; 후미히코 오미
Original assignee: 쇼와 덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2001-04-09
Publication date: 2005-04-27
Also published as: KR20020022693A; US20020003012A1; AU4686801A; WO2001077398A1

Abstract

Si : 8.0∼12.5 질량%, Cu : 1.0∼5.0 질량%, Mg : 0.2∼1.3 질량%를 포함하는 알루미늄 합금을 직경 130mm 이하의 환봉으로 단조하는 공정, 상기 알루미늄 합금 환봉을 절단하여 단조용 소재로 하는 공정, 상기 단조용 소재를 20∼70 %의 가공률로 업셋팅 가공하여 피가공재료로 하는 공정, 및 상기 피가공재료를 300∼450℃의 재료 온도에서 펀치로 가압하여 펀칭 가압 방향으로 스크롤 날개를 성형하기 위한 단조 공정으로 이루어지며, 상기 단조 공정은 성형되는 스크롤 날개부분의 선단부에 상기 펀칭 가압 보다 작은 반대방향으로부터의 배압을 부가하는 공정을 포함하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법으로서, 입자가 큰 초정 Si의 발생을 억제하고, 개개의 스크롤 부품의 날개 높이의 편차뿐 아니라, 제조되는 전체 스크롤 부품의 날개 높이의 편차가 작은 단조 스크롤 부품을 제조할 수 있다.

Description

단조 스크롤 부품 및 그 제조방법{FORGED SCROLL PART AND PRODUCTION METHOD THEREFOR}

본 발명은, 주로 에어컨용으로 이용되는 스크롤 압축기용의 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 에어컨용 컴프레서로서, 적은 부품 수 및 회전시의 정숙성 등에 대한 요구로 인해 스크롤 컴프레서가 각광받고 있다. 이 스크롤 컴프레서는 도 2에 도시된 바와 같이, 플랜지(12)상에 소용돌이형의 날개부(11)가 마련된 1개의 고정 스크롤과, 그 고정 스크롤의 날개부(11)에 대면하여 끼워 맞춰져서 요동하는 동일한 형상의 소용돌이형 날개부를 가지는 요동 스크롤에 의해 구성되어 있다.

이들 고정 및 요동 스크롤(이하, 간단히 스크롤이라 약칭함)은, 경량화를 위해 알루미늄 합금으로 제조되는 경우가 많다. 그 제조방법으로는 주물, 단조 등이 있는데 강도와 신뢰성의 측면에서 단조가 유리하며, 그 형상의 복잡함으로 인해 열간 단조에 의존할 수 밖에 없는 상황이다.

종래의 단조법에 의한 알루미늄 합금 스크롤의 제조공정을 도 3에 나타낸다.

우선, 합금 성분을 조정한 후 용해하고, 용해된 알루미늄 합금은 연속 주조법에 의해 지름 200mm이상의 압출용 빌릿(billet ; BL)으로 주조된다. 이 빌릿(BL)은 열처리에 의해 내부 균질화가 이루어진 후, 소정 길이의 압출 재료가 되도록 절단되며, 절단된 빌릿은 소정의 지름의 환봉(丸棒 ; 압출 환봉)으로 압출 성형된다.

압출 환봉의 지름은 대략 단조품의 외경에 맞추는 것이 보통이며, 그 환봉이 절단되어 단조용 소재가 된다. 후술되는 바와 같이, 스크롤 부품의 제조를 용이하게 하기 위해, 절단 소재의 단조 전에 필요에 따라 단조 가공, 혹은 절삭 가공을 통해 스크롤 부품과 유사한 형상으로 예비 성형되는 경우도 있다.

이 소재는, 통상적으로 열간 단조에 의해 스크롤 형상으로 단조된다. 단조품은 단조 후 강도를 얻기 위해 용체화 처리(담금질) 및 시효 처리가 이루어지는 것이 보통이다.

그 후, 필요에 따라 단조 부품의 치수 정밀도 향상을 위해, 소재의 일부 표면을 절삭 가공하여 부품화한다.

도 4는 종래의 일반적인 스크롤 단조방법의 개략 단면도이다. 다이(2) 내부에 삽입된 피가공재료(4)가 상방으로부터 펀치(1)에 의해 가압되어, 하방으로 날개부(11)를 형성해간다. 통상적으로 펀치(1)의 가동 거리는, 스크롤의 플랜지부(12)의 두께를 일정히 하기 위하여 일정하게 설정된다.

알루미늄 합금제의 스크롤 단조공법으로는, 일본국 특허공개공보 소54(1979) -159712호, 특허공개공보 소59(1984)-61542호, 특허공개공보 소62(1987)-89545호에 개시된 바와 같이, 스크롤 날개를 양호한 정밀도로 단조하기 위해 미리 피가공재료에 단조 또는 절삭 가공에 의해 예비 형상을 부가하는 가공을 실시한 후에, 단조하는 방법이 제안되어 있다. 이와 같이 예비 형상으로 가공하는 것은, 날개부(11)가 선회(旋回) 소용돌이 형상으로서 그 높이가 높고, 게다가 플랜지부(12)가 붙은 형상이어서, 도 4와 같이 직접 단조 성형을 실시하면 날개부의 높이 전체를 균일하게 성형하기 어렵기 때문에, 미리 중간 형상을 만들어 두고자 하는 것이다. 이 방법으로는 어느 정도의 형상 정밀도는 얻을 수 있으나, 최종 형상에 상응하는 중간 형상의 설계, 중간 가공용 단조 다이의 준비와 같은 단계가 필요하며, 공정이 복잡하여 비경제적이므로 실용화가 곤란하다.

단조 전에 피가공재료에 대하여 상기와 같은 예비 가공을 실시하지 않고, 환봉재를 절단하기만 한 피가공재료를 이용하여, 스크롤의 날개부 높이의 편차를 억제하고 양호한 정밀도로 완성하기 위하여, 단조 시에 날개부의 선단부에 닿는 부분에 단조 방향과 반대되는 하중을 부하(負荷)하여 날개부에 대한 재료 금속의 유동이 균일해지도록 억제하는, 이른바 배압(背壓) 단조공법이, 가령 일본국 특허공개공보 소60(1985)-102243호, 일본국 특허공개공보 평6(1994)-23474호 등에 개시되어 있다. 이 공법에 따르면, 환봉을 절단하기만 한 피가공재료를 이용하여 날개부의 높이 편차가 적은 스크롤을 경제적이고 높은 생산성으로 제조할 수 있다.

더욱 상세히 설명하면, 도 5, 도 6은 스크롤의 배압단조공법의 개략 단면도로서, 다이(2)의 날개 형성부분의 공간(2a)에는 녹 핀(knock pin ; 7)과 녹아웃(knockout ; 6)에 의해 펀치압보다 작은 역방향의 하중을 배압으로서 하방으로부터 부하하고(도 5), 펀치(1)에 의해 피가공재료(4)를 밀어 넣어 다이(2)의 날개 형성부분의 다이 공간(2a)에 펀칭 가압 방향으로 피가공재료를 유동시키며, 녹아웃을 후퇴시키면서 날개부(11)를 형성하는 공법이다. 그 결과, 도 7에 도시된 바와 같이, 소정의 두께(L1)의 플랜지(12)에 의해 높이(L2)가 균일한 날개부(11)가 매달려 설치된 스크롤 부품(5)이 성형된다.

이 배압 단조방법은, 1개의 스크롤 단조품에 있어서 소용돌이 형상의 날개 전체의 높이를 균일하게 정렬하는데 어느 정도 효과가 있다.

그러나, 상기 배압공법에 따른 단조공법에 의해 1개의 스크롤 부품의 날개 높이의 편차는 어느 정도 제어될 수 있다하더라도, 환봉을 절단할 때 절단되는 재료의 두께를 균일하게 하지 않으면, 즉 피가공재료의 중량을 엄밀히 관리하지 않으면, 개개의 스크롤 간에 있어서 날개부 높이의 편차가 발생하게 되어, 후 공정에서 날개부 선단부의 절삭값을 개개의 단조품마다 관리하든지, 혹은 편차를 고려하여 약간 크게 단조함으로써 후 공정의 절삭값을 크게 잡아야 하기 때문에 수율이 악화된다.

상기 배압 단조법에서는, 플랜지부(12)의 두께(L1)를 펀치(1)의 스트로크로 제어하고, 나머지의 피가공재료 부분이 모두 날개 부분으로 유동한 결과, 단조 전의 피가공재료의 체적 편차가 모두 날개 높이(L2)의 편차에 반영된다.

종래 기술에 있어서, 단조의 유동을 원활히 하여 결손없이 성형할 필요성으로 인해, 피가공재료는 단조품 스크롤의 최대 외경이 되는 플랜지 외경에 가까운 직경의 환봉재를 절단한 상태로 사용되고 있다. 따라서, 절단 두께의 정밀도가 그대로 피가공재료의 체적에 대하여, 즉 날개 높이에 대하여 영향을 미친다.

또한, 날개 부분의 수평 단면적은 피가공재료의 단면적의 1/3∼1/5 정도이므로, 피가공재료로서의 절단 두께의 편차 변동은 그 변동의 3∼5배가 되는 날개 높이의 편차 변동이 된다. 후 공정인 날개 선단부에 대한 절삭 공정에 있어서, 그 높이의 편차를 포함하는 절삭 가공값이 필요해지므로, 절삭 가공값을 낮추는 것은 불가능하다. 이로 인해, 복수 회에 걸쳐 절삭 가공이 필요해지므로, 절삭 가공에 드는 수고를 저감하고, 재료 수율을 향상시키는 데 있어서 저해 요인이 되었다.

스크롤용 알루미늄 합금재료에 대해서는 그 사용조건으로 인해 알루미늄 합금중에서도 강도, 내마모성을 높히기 위해 고 규소합금이 사용되는데, 재료가 딱딱하여 톱날이 마모되기 쉽다. 이 때문에 통상적인 합금보다 절단 정밀도의 편차가 커지며, 이것이 하나의 원인이 되어 개개의 스크롤 단조품간의 날개 높이 편차에 대한 영향이 커지게 되었다.

또, 최근에는 날개 높이뿐 아니라 스크롤 부품의 형상을 제품 형상에 보다 가까운 형상으로 단조 가공하는 단조공법이 요망되고 있다. 도 8과 같이 플랜지의 날개에 대하여 표면측으로 오목 형상부가 형성되면, 특히 배압이 없는 조건하의 단조일 경우, 날개 방향의 금속 흐름과 간섭을 일으켜 혼입(混入) 등의 단조 결함이 되기 때문에, 하나의 공정으로는 단조가 불가능하여 여러 공정의 단조를 채용하는 것이 일반화되고 있다. 현실적으로는 오히려 그 수고와 비용을 고려할 때, 절삭 가공에서 오목 형상으로 완성하는 공정이 선택되어 가공 비용이 들게 되었다.

한편, 스크롤 재질에 관해서는 앞서 기술한 바와 같이 경량화의 관점에서 알루미늄 합금이 선정되는데, 강도 및 내 마모성이 우수하며 가공성과 균형을 이룬 재료로서 Al-Si계 합금을 바탕으로 개발이 진행되어 왔다. 또, 그 재질은, 부품의 내마모성을 부여하기 위해 Si입자를 알루미늄 기질(base)에 미세하고 균일하게 분산시킴으로써 제어된다. 이를 대체하는 다른 합금에 대해서는 현재까지 개발이 어렵고, 실용화되어 있는 것은 거의 없으며, 모두 Al-Si계를 기본으로 한 합금의 변형이다.

상기 Al-Si계 합금에 있어서, Si입자의 결정 석출은 내마모성을 높히기 위해 불가결하다. 그러나, 수 10㎛ 이상의 조대(粗大)한 초정(初晶, primary crystal) Si의 석출은, 절삭 가공시 컷팅 용구의 파편으로 인해 절삭 가공 마무리가 불량한 불량품이 발생할 뿐만 아니라, 조대한 초정 Si의 편석(偏析, segregation)이 스크롤의 응력 집중이 높은 부분에 발생했을 경우, 사용시에 피로(疲勞) 파괴의 기점이 되기 때문에 그 신뢰성을 크게 저하시킨다는 문제가 발생한다. 더욱이 앞서 기술한 바와 같이, 소재를 절단할 때 톱날의 마모가 가속되고 그 결과, 절단시에 소재 두께 편차의 발생이 가속된다.

상기 알루미늄합금재료는 앞서 기술한 바와 같이 소재의 제조방법으로서 종래부터 일반적으로 압출 재료인 환봉이 절단되어 사용된다. 그 압출재료의 제조를 위한 주조 빌릿은, 비교적 큰 지름(200mm φ이상)으로 연속 주조되는 것이 보통이다. 이로 인해, 주조시의 응고 속도가 느리고 초정으로서 100㎛ 이상의 조대한 Si입자가 석출되기 쉬우며, 단면 내에서의 Si입자의 분포 제어가 곤란했다. 더욱이, 상기한 소재에 조대한 Si입자가 석출되면, 절단 시의 두께 편차도 발생하기 쉽다. 또, 초정 Si입자는 단단하고 큰 이물질로서 단조 후 제품에 남기 때문에, 스크롤로서 성형된 후의 절삭 가공 문제나 강도의 저하가 일어나기 쉬웠다.

본 발명은, 1개의 스크롤 부품의 날개부 높이의 편차뿐만 아니라, 단조한 스크롤 부분에 대하여 날개부 높이의 편차를 제어한 알루미늄 합금 단조 스크롤 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 후 가공의 절삭값을 적게 하는 동시에, 절삭시의 컷팅 용구의 결손 등에 따른 품질의 저하, 제품의 강도 저하 등의 문제에 기인하는 조대한 초정 Si의 발생을 억제한 알루미늄 합금 단조 스크롤 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 단조 스크롤 부품의 제조공정도이다.

도 2는 스크롤 단조품의 일례를 나타내는 사시도이다.

도 3은 종래의 단조 스크롤부품의 제조공정도이다.

도 4는 종래의 스크롤부품의 단조방법의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 스크롤부품의 단조방법에 있어서 단조 개시전의 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 스크롤부품의 단조방법에 있어서 단조중의 단면도이다.

도 7은 단조된 스크롤부품의 단면도이다.

도 8은 스크롤부품의 플랜지에 오목부를 형성하기 위한 금형의 단면도이다.

도 9는 날개부 선단부에 대한 배압 부하가 일정한 패턴도이다.

도 10은 날개부 선단부에 대한 배압 부하가 소정 시간이 경과된 후, 서서히 감압되는 패턴도이다.

도 11은 날개부 선단부에 대한 배압 부하가 소정 시간이 경과된 후, 급격히 감압되는 패턴도이다.

도 12는 스크롤부품의 플랜지에 2단의 단부를 형성하기위한 금형의 단면도이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금제 단조 스크롤부품은, Si : 8.0∼12.5 질량%, Cu : 1.0∼5.0 질량%, Mg : 0.2∼1.3 질량%를 포함하는 알루미늄 합금으로서, Si입경이 15㎛ 미만이고 평균 Si입경이 3㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 Si입경이란 초정(初晶) Si 및 공정(共晶) Si의 입경을 포함하는 것이다.

또, 본 발명에 따른 알루미늄 합금제 단조 스크롤부품의 제조방법은, Si : 8.0∼12.5 질량%, Cu : 1.0∼5.0 질량%, Mg : 0.2∼1.3 질량%를 포함하는 알루미늄합금을 직경 130mm 이하, 바람직하게는 직경 85mm 이하의 환봉으로 주조하는 공정,

상기 알루미늄 합금 환봉을 절단하여 단조용 소재로 하는 공정,

상기 단조용 소재를 20∼70 %의 가공률로 업셋팅(upsetting) 가공한 예비 성형품을 피가공재료로 하는 공정, 및

상기 피가공재료를 300∼450 ℃의 재료온도에서 펀치로 가압하고, 펀칭 가압 방향으로 스크롤 날개를 성형하기 위한 단조 공정으로 이루어지며,

상기 단조 공정은 성형되는 스크롤 날개 부분의 선단부에 상기 펀칭 가압 보다 작은 반대방향으로부터 배압을 부하하는 공정을 포함함으로써 이루어진다.

상기 알루미늄 합금은 Ni : 2.0 질량% 이하, 및/또는 Sr, Ca, Na, Sb에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.5 질량% 이하로 더 포함하는 알루미늄 합금인 것을 포함한다.

또한, 상기 배압은, 80∼240 N/mm²의 일정 압력으로 부하되는 것, 또는 초기에는 80∼240 N/mm²이고, 날개부가 성장 개시한 시점으로부터 서서히 저하하여 말기에는 40∼120 N/mm²인 것을 포함한다.

또, 업셋팅 가공하는 단조용 소재는 미리 480∼520 ℃의 온도에서 0.5∼4 시간의 균질화 열처리 및/또는 그 표면에 필링(peeling) 가공 처리하는 것을 포함한다.

더욱이, 단조 가공하는 피가공재료는, 그 표면을 윤활 피막으로 피복하는 것을 포함한다.

또, 단조된 단조품은 추가로 용체화 처리(담금질) 및 시효 처리(담금질 시효 경화 처리)를 하는 것을 포함한다.

종래 알루미늄 합금은, 통상의 압출용 빌릿으로서 주조할 경우, 통상 200mm 이상의 두꺼운 지름이기 때문에, 냉각 속도가 느리고 응고 속도가 완만하여 Si가 10%를 초과하면 초정으로서 100 ㎛ 정도의 조대한 입자가 석출되기 쉽고, 이것을 압출한 지름이 작은 봉에서도 잔존하는 경향이 있다. 그 초정 Si의 편석(偏析)은, 특히 냉각 속도가 느려지는 빌릿 중심부에 발생하기 쉬운데, Si가 12%에 가까워지면, 횡단면 전체에 무작위로 발생된다.

그런데, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 상기 알루미늄 합금의 환봉 주조시에, 그 직경을 130mm 이하로 한다. 그 결과, 지름 200mm 의 빌릿에 비해 냉각속도가 현저히 빠르고, 이에 따라 응고 속도가 빨라져 공정 Si는 보다 미세화되어 조대한 초정 Si의 발생이 억제된다.

상기한 바와 같이, 환봉의 지름을 작게하였기 때문에, 조대한 초정 Si의 발생이 억제되어, 절삭 시에 컷팅 용구의 결손에 따른 품질의 저하 및 제품의 강도 저하와 같은 문제는 해소된다. 또, 환봉의 지름이 작기 때문에, 후 가공의 절삭값이 작아도 충분하므로 경제적이다.

또한, 본 발명은 2가지 특징을 가지며, 그중 하나는 플랜지 부분의 우선적 형성을 진행시키기 위하여 배압을 일반적인 조건에 비해 2∼4배가 되는 압력으로 단조하는 점이다. 다른 하나는, 보다 바람직한 형태로서 배압 단조에서는 단조시에 일정 압력을 부하하는 것이 일반적인데 비하여, 단조 과정에 따라 그 배압력을 단계적으로 변화시킴으로써 성형 과정을 억제하는 점이다. 이러한 특징으로 인해, 날개부의 높이가 1개의 스크롤 부품내에서는 물론, 단조하는 스크롤 부품마다 날개부 높이 편차를 억제할 수 있다.

알루미늄 합금 스크롤의 재료로는 내마모성을 부여하기 위하여 Si가 첨가된 알루미늄 합금이 일반적이며, 첨가된 Si가 미세한 입자로서 석출되어, 이것이 다른 스크롤과의 내마모성을 향상시킨다.

본 발명의 스크롤부분의 단조에 이용되는 알루미늄 합금에는 Si가 8.0∼12.5 질량%, Cu가 1.0∼5.0 질량%, Mg가 0.2∼1.3 질량%의 범위로 포함된다.

Si함량이 약 11 질량% 까지는 Si의 첨가량에 비례하여 미세한 수㎛의 공정(共晶) Si입자가 Al 기질(base) 중에 분산 석출되고, 이것이 이 합금의 내마모성을 향상시키는 것이다. 이에 따라 Si함량을 높이는 것이 좋은데, 8.0 질량% 미만이면 스크롤 등 요동 부품으로서의 내마모 효과가 충분히 발휘될 수 없다.

Si함량이 12.5 질량%를 초과하면, Si는 초정으로서 석출되며, 이 초정은 조대해지기 쉽고 수 10 ㎛에 달한다. 이로 인해, 절단시 톱날의 마모나 후가공에서의 절삭 시에 바이트의 날끝이 상기 초정에 닿아 칼끝이 절결되어, 마무리에 문제를 일으키거나, 단조품의 외면에 가까운 부분에서 응력 집중이 일어나기 쉬운 부분에 편재(偏在)되면, 파괴 기점이 되어 기계적 강도가 결여된다. 따라서, Si는 12.5질량%를 상한으로 한다.

Cu는 수 % 로 첨가되는데, 이는 이후의 열처리에 의해 Al기질의 강도를 향상시키는 동시에, 내 마모성에도 기여한다. 그러나, Cu가 1.0 질량% 미만이면, 강도 향상에 기여하는 바가 없으며, 5.0 질량%를 초과하여도 강도 향상의 효과는 포화되어 버린다. 따라서 Cu는 1.0∼5.0질량%로 한다.

Mg는 Si와 결합하여 열처리 후 Mg₂Si의 미세한 석출물이 되어 제품의 경화에 기여한다. 또한, MgSiCu계의 화합물도 마찬가지로 열처리 후에 석출물이 되어 제품의 경화에 기여하며 모두 강도를 높이는 것이다. Mg가 0.2% 질량 미만이면 그 효과가 미약하고, 1.3% 질량을 초과하여 첨가되어도 효과는 향상되지 않는다. 또, 주조에 있어서 산화물의 발생, 혼입 등으로 인해 결함이 된다. 따라서 Mg는 0.2∼1.3 질량%로 한다.

또한, 본 발명에 있어서 알루미늄 합금에는 내열 강도를 높이기 위하여 필요에 따라 Ni를 2.0 질량% 이하로 첨가할 수도 있다. 첨가량이 0.1 질량% 이하이면 그다지 효과가 없고, 2.0 질량%를 초과하면 조대한 결정이 얻어져 반대로 강도를 낮추는 결과를 초래한다. 따라서, Ni의 첨가량은 0.1∼2.0 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

본 알루미늄 합금은 이른바 공정(共晶) Si를 내마모성의 하나의 인자로서 이용하는 것이지만, 그 공정 Si를 보다 균일하고 미세하게 분산시키기 위하여, 그리고 조대한 초정의 발생을 억제하기 위하여, Sr, Ca, Na, Sb 등으로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 합계 0.5 질량% 이하로 첨가할 수도 있다. Sb는 0.05∼0.5 질량%, Sr은 0.005∼0.05질량%인 것이 바람직하고, 특히 Sr은 미량으로 첨가할 때 효과가 얻어지며, 용해시 산화 등으로 의한 감량이 적어 바람직하다.

도 1은 본 발명의 단조법에 따른 알루미늄 합금 스크롤 부품의 제조공정을 나타낸다.

상기한 바와 같이, 성분이 조정된 알루미늄 합금은, 용해 및 연속 주조에 의해 환봉으로 형성되는데, 본 발명에서는 조대한 Si 초정의 발생을 억제하기 위하여 지름 130mm 이하의 연속 주조봉으로 주조한다.

주조봉의 지름이 130mm 이하인 연속 주조에서는, 통상적인 지름 200mm 이상의 압출용 빌릿에 비해 냉각속도가 현저히 빠르고 이에 따라 응고속도가 빠르다. 때문에 공정 Si는 보다 미세화되고 통상적인 빌릿에서 보여지는 조대한 초정 Si가, Si의 양이 10 질량%를 초과하여도 발견되지 않으며, 더욱이 앞서 기술한 Sr, Ca, Na, Sb 등의 첨가원소를 첨가함으로써 12.5 질량%이 될 때까지 초정 Si의 발생은 실질적으로 확인되지 않아 입경이 15㎛를 초과하는 Si입자가 포함되지 않으므로, 상기한 문제는 회피된다.

또, 본 합금조성을 이용한 본 발명의 제조법에 따르면, 공정 Si 입경이 15㎛ 이상인 것은 실질적으로 발견되지 않고, 통상적으로 최대 10㎛ 정도이다. 또, 평균입경을 3㎛ 이하로 할 수 있다. 여기서 말하는 "실질적으로 확인되지 않는다"란, "현미경의 하나의 시야내에서 발견되지 않을 확률이 99%이상" 이라는 것을 말하는 것이다. 이러한 상태는 입경 15㎛ 이상의 Si 입자를 실질적으로 포함하지 않음을 의미한다.

여기서, 입경은 현미경 사진을 통해 입자의 크기를 직접 계측할 수도 있으나, 루젝스(Luzex) 등의 명칭으로 불리우는 현미경 화상 해석 장치에 의해 화상 처리하여 구하는 것이 정확하므로 바람직하다. 본 발명에서는 1개마다 입자의 면적을 동일 면적의 원에 상당하게 환산하였을 때의 직경을 "입경"이라 정의한다.

주조봉의 지름은 바람직하게는 작게 하는 것이 응고속도가 빠르기 때문에 공정 Si의 미세화가 용이하여 초정 Si의 발생에 대한 억제효과가 높다. 이로 인해 지름 85mm 이하가 후술되는 업셋팅 효과도 높다는 점 등을 감안할 때 단조용 소재로서 보다 바람직하다.

본 발명의 단조용 소재는 스크롤 제품의 외경보다 작게 주조하고, 스크롤 단조품의 중량에 맞춘 길이로 절단하며 그 후 업셋팅 가공하여 필요한 지름으로 확대하는 데 특징이 있다. 업셋팅 후의 지름은 스크롤 제품의 플랜지 부분의 외경에 따라 결정된다. 이와 같이 작은 지름의 연속 주조봉을 절단 및 업셋팅 가공함으로써, 재료 특성으로서도 Si입자가 균일하게 분산되어 연신율 및 피로 특성의 개선이 확인된다.

다음으로 업셋팅 가공은, 환봉 절단재를 양 절단면으로부터 상하 펀치에 의해 가압하여 지름을 넓히는 이른바 자유(自由) 단조로도 가능하지만, 금형에 의해 외경을 구속하는 형(型)단조를 채용하는 편이 직경과 두께의 치수 정밀도가 양호하므로, 다음 공정의 스크롤 단조를 양호한 생산성으로 실시할 수 있어 바람직하다.

업셋팅 가공의 가공률은 20∼70% 가 적당하다.

여기서 말하는 업셋팅 가공률은 이하의 식에 근거한다: 즉,

업셋팅 가공률(%) = 100 ×(가공 후의 단면적 - 가공 전의 단면적)/가공 후의 단면적

= 100 ×(가공 전의 높이 - 가공 후의 높이)/가공 전의 높이

통상적으로 업셋팅 가공은 가공률이 낮을 경우에는 실온에서도 가능하지만, 재료를 가열한 상태에서 열간 실행했을 때 가공률이 커지므로 보다 바람직하다. 그러나, 열간으로도 가공률이 지나치게 클 경우에는 가공 한계를 넘어서면 외주면에 크랙이 생기거나, 업셋팅 가공용 소재의 외경에 대한 높이의 비가 높아져 성형과정에서 버클링(buckling)에 의해 건전한 업셋팅 재료가 얻어지지 않을 가능성이 있으므로, 본 재료로는 70% 이하가 적당하고 60% 이하가 바람직하다. 20% 미만이면 연신율이나 피로특성의 개량효과를 크게 기대할 수 없을 뿐 아니라, 후술되는 단조용 소재의 편차 저감 효과가 작다.

또, 상기 업셋팅 가공은 상기한 바와 같이 통상적으로 재료를 가열하여 행해진다. 상기 업셋팅 가공 전에 재료는 그대로 가열하여 업셋팅용으로 사용할 수 없는 것은 아니지만, 사전에 균질화 열처리를 해두는 것이 후술되는 필링 면삭(面削)(peeling and facing)시의 표면 상황을 양호하게 하고, 또 업셋팅시의 변형능을 높이는 의미에서 바람직하다. 이때의 열처리 온도는 480∼520℃이고 30분 내지 4시간이 적당하며, 480℃ 미만이면 소재의 균질화가 충분히 이루어지기 곤란하고, 520℃를 초과하면 결정의 입계(粒界)에서 공정 융해(共晶融解) 등이 일어난다. 495∼510℃가 바람직하며, 30분 미만이면 균질화 효과가 적고 4시간을 초과하면 공정 Si가 커지기 쉽다.

더욱이 필요에 따라 사전에 재료표면을 필링하여 면삭해 두어도 좋다. 이로써, 소재 지름 정밀도가 향상되며, 업셋팅 후의 피가공재료의 외주 표면 상황이 양호해진다는 이점이 있다.

주조봉의 지름을 작게 하고, 절단한 후 업셋팅 가공을 실시하여 소재화하는 경우의 이점은 다음의 3가지에 기인한다.

하나는, 앞서 기술한 냉각 속도가 빠른 주조 재료가 채용됨으로써, 내부 조직, 특히 초정 Si의 억제, 공정 Si의 미세화 등이 달성되기 때문이다. 또, 주조 재료에 약간의 소성 가공을 부가함으로써 연신율이나 피로특성이 양호해진다는 효과도 있다.

두 번째 이점은 이하의 이유때문이다.

절단 시의 절단 길이의 편차가 단조용 소재의 체적(중량)의 편차가 되고, 나아가 개개의 스크롤 단조품의 날개 높이의 편차가 된다. 절단시에는 통상적인 둥근 톱 절단기(丸鋸切斷機)가 사용된다. 절단 길이(두께)의 편차는, 지름이 작은 것이 절단 재료의 두께 설정을 위한 이동이 적절하고 확실하게 이루어지기 쉽고, 더욱이 절단 시의 절단 길이의 편차가 작은 경향이 있다. 더욱이, 얇은 재료로 절단한 쪽이, 단면적이 작은 만큼, 두꺼운 것과 동일한 길이(두께)의 편차가 발생했다 하더라도, 소재 체적(중량)의 편차는 작아진다. 따라서, 단조용 소재의 체적(중량) 편차를 작게 하여 스크롤 단조품의 날개 높이의 편차를 작게 할 수 있다.

세 번째 이점은 재료의 수율이 향상된다는 점이다

일정 길이의 환봉재로부터 단조용 소재를 절단할 경우, 선단부와 후단부의 단부 재료와, 절삭 부스러기 등의 스크랩(scrap)이 발생한다. 이 절삭 부스러기에 따른 손실양은, 절단 톱니의 두께 절단값과 환봉의 직경에 따라 결정된다. 즉, 큰 지름과 작은 지름의 환봉으로부터 동일한 체적의 소재를 잘라내는 경우, 잘라내는 소재 1개당 발생하는 절삭 부스러기의 양은, 큰 지름의 환봉을 이용했을 경우가 당연히 많게 된다. 작은 직경으로 절단하는 것이, 절단에 의한 재료 손실을 줄이고 생산율이 높은 단조용 소재를 얻을 수 있으므로 경제적이다.

이상과 같은 이점을 고려할 때, 가공률이 작으면 상기한 이점이 작아지기 때문에, 가공률은 20% 이상, 바람직하게는 40% 이상이 좋다.

상기한 업셋팅 가공을 수행한 예비 성형품을 소재로 하여 열간 단조한다. 성형소재의 지름은 스크롤제품의 플랜지 외경에 따라 결정된다.

열간 단조 온도는 이러한 종류의 합금의 열간단조온도로서 300∼450 ℃, 바람직하게는 350∼450 ℃이다. 온도가 지나치게 낮으면 형상이 얻어지지 않거나 한계 크랙이 발생한다. 온도가 지나치게 높으면 팽창되어 버클링 등이 발생할 가능성이 있다.

통상적으로 열간 단조에서는 단조의 금형에 대한 재료의 눌러붙음을 방지하기 위하여 피가공재료 및 금형에 윤활제를 도포한다. 일반적으로 알루미늄 합금의 열간 단조에서는 흑연을 물 또는 광유(鑛油)와 혼합한 액상의 윤활제가 많이 사용된다. 통상, 간단한 형상의 단조품에서는 단조 금형에 직접 스프레이함으로써 윤활제를 분무하는 것만으로도 충분한 윤활 및 이형(離型) 효과가 얻어지지만, 형상이 복잡한 단조에서는 더욱 충분히 윤활시키지 않으면 윤활 기능이 부족하여 단조 형상이 불량하거나 금형에 눌어붙어 단조가 불가능해진다. 이 경우, 해결책으로서 피가공재료를 윤활제 액중에 침지하여 윤활 피막을 피가공재료에 미리 도포하는 방법이 이루어진다. 특히, 스크롤과 같은 형상에서는 날개가 높기 때문에 날개 형상으로 깊히 새겨 넣은 금형에 금속을 유동시키므로, 스프레이 방식으로는 새겨 넣어진 금형의 날개 형상 내벽에 윤활이 완전히 골고루 이루어지지 않아, 성형과 이형이 불완전하고 단조가 곤란하였다. 이에 피가공재료에 예비 침지에 의한 소재 윤활을 병용함으로써, 윤활·이형 효과를 높여 생산성이 높은 단조를 실현할 수 있다.

피가공재료의 표면에 윤활 피막을 형성하는 방법으로는, 용제에 흑연 윤활을 혼합한 액체를 조합하고 이것을 피가공재료에 도포하는 방법을 생각할 수 있다. 생산성이 높은 공정을 고려할 경우에는, 속건성(速乾性)의 용제에 희석한 윤활제를 도포 또는 분무하는 방법이 있다.

그러나 가장 경제적인 방법은, 물을 용매로 하여 흑연 분말을 혼합·분산시킨 윤활액을 조합하고, 피가공재료를 가열하여 침지한 후 건조하는 방법이다. 이 경우, 피가공재료의 가열온도는 용제인 물이 충분히 단시간에 증발·건조되는 온도이어야 하므로, 물의 비점 이상이 아니면 침지 후에도 윤활액이 건조되지 않고 표면에 남기 때문에 속건성(速乾性)은 얻어지지 않는다. 따라서, 100℃ 이상은 필수이고 130℃ 이상이 생산성의 측면에서 바람직하다. 또, 상한 온도는 피가공재료가 용해 등의 재질 열화를 일으키지 않는 온도 이하이면 되고, 500℃ 이하, 바람직하게는 450℃ 이하가 된다. 피가공재료의 가열에는 통상적으로 가열로가 이용되는데 열간 업셋팅 가공 후의 피가공재료의 여열(余熱)을 그대로 이용하여 업셋팅 가공 직후에 윤활액내에 침지할 수도 있다. 이 방법에 따르면 업셋팅 성형 후에 윤활제의 피막을 형성하고 그대로 꺼내어 건조시킬 수 있다.

상기 피가공재료의 여열을 이용하는 방법을 채용하면, 절단, 가열, 업셋팅, 윤활, 단조를 연속 실시할 수도 있어 효과적인 생산이 가능하다.

또, 업셋팅 가공과 단조를 1대의 프레스기로 동시에 수행할 수도 있고, 이 경우에는 절단, 가열, 윤활, 업셋팅, 단조의 공정으로 연속 생산이 가능해진다.

업셋팅 가공과 윤활 가공된 재료를 피가공재료로 하는 스크롤 단조는, 다음과 같이 실시된다. 필요에 따라 추가 가열된 피가공재료(4)를, 다이 공간(2a)으로 상방으로부터 펀치(1)에 의해 밀어넣어, 다이 공간(2a) 내에 하방을 향하여 날개부분을 형성한다(도 6 참조). 상기 펀치(1)에 의한 피가공재료의 압입이 시작되기 전에 날개 형성부의 다이 공간(2a)내에는 녹 핀(7)을 통해 배압 장치와 연결된 녹 아웃(6)을 미리 다이 공간(2a)상단 부근까지 삽입해둔다(도 5). 피가공재료의 압입이 시작되는 동시에 피가공재료가 다이 공간(2a)으로 유동하여 날개로서 성장하려는 과정에서, 배압 장치로부터의 반대 방향의 압력이 배압판(3), 녹 핀(7), 녹아웃(6)을 통해 날개의 선단부에 부하되어 날개를 균일하게 성장시킨다.

단조 시에 다이 날개 형성부에 대한 금속 유량(流量)은 배압을 부하하지 않을 경우 불균일해지기 쉽다. 배압을 가하는 목적은, 날개부에 대한 금속 유량을 보다 균일하게 하기 위함이다. 배압력의 크기는 날개부에 대한 금속 유동 상태가 균일해지도록 결정할 수 있다. 따라서, 배압력을 적절히 부하함으로써 다이의 날개 성형부에 대한 금속 유량이 균일해져 제품의 날개 높이는 균일해진다. 배압력이 지나치게 높으면 형성 과정에서 날개의 버클링에 의해 건전한 제품이 얻어지지 않는다. 이러한 조건에서 스크롤과 같은 날개부와 플랜지부의 수평 단면적비가 1/3∼1/5 정도의 형상이고, 날개부의 높이가 날개부 두께의 4∼10배인 단조품을 상기한 가열온도로 성형할 경우, 날개부의 선단부에 대한 면압은 도 9와 같이, 일정 배압으로 40∼120 N/mm²의 범위가 적당하며 60∼100 N/mm²이 바람직하다.

또, 도 8에 도시된 바와 같이, 플랜지를 성형하는 금형에 오목부(13)가 있는 경우에는 초기 배압(Pfull)으로부터 배압을 변화시키는 것이 바람직하다. 특히, 오목부가 날개부로부터 20mm 이내(바람직하게는 10mm 이내)의 위치에 있는 금형을 이용할 경우, 상기한 배압을 변화시키는 것이 바람직하다. 날개부에 대한 금속의 유입에 이끌려 오목부의 충만률(充滿率)이 악화되는 것을, 배압의 변화에 의해 억제할 수 있기 때문이다. 이 경우의 배압 부하 패턴을 도 10, 11에 나타낸다.

초기에 높은 배압(Pfull)을 부하한 상태에서 금형 내부에 피가공재료(4)를 넣고 펀치(1)로 가압한다. 이 상태에서는 피가공재료의 금형의 날개 형성부에 대한 피가공재료의 유동이 억제되기 때문에 플랜지부가 우선적으로 형성된다.

이 때의 배압조건은, 피가공재료의 날개부에 대한 유동을 억제할 수 있는 하중을 부하하면 되고, 검토 결과, 종래 배압의 2배가 되는 압력 이상이 필요했다. 배압이 지나치게 높으면 플랜지 형상으로 피가공재료가 충전된 후, 날개부에 대한 피가공재료의 유동이 억제되기 때문에 2∼4 배인 80∼240 N/mm²의 범위가 적당하며 120∼200 N/mm²이 바람직하다.

다음으로, 피가공재료가 플랜지 형상으로 충전되면, 피가공재료는 배압에 의해 지지되고 있는 녹 아웃을 밀어내리며 금형의 날개 형성부로 유동하고, 배압을 받으면서 날개부를 성장시킨다. 이 날개부가 어느 정도 성장한 단계에서 배압을 저하시키는데, 그 타이밍은 날개부가 균일한 높이로 성장을 개시한 시점이 적당하다. 성장을 개시하기 이전에는 날개부가 충분히 정렬되지 않고서 성장을 개시해버리기 때문이다. 구체적인 타이밍은 스크롤 단조품의 형상에 의존하는데, 컴프레서용 스크롤 날개 두께가 5.0∼6.0 mm이고 높이가 30∼45 mm인 경우를 고려할 때, 날개부의 길이는 날개부의 두께(D)에 대하여 1.0∼2.0 D인 것이 적절하고, 5∼10 mm로 성장한 단계인 것이 바람직하다.

또한, 성장의 종료과정에서 종료압력은, 피가공재료의 변형응력 이하로 한다. 변형응력은 날개 형성부 방향에 대한 응력으로서, 배압이 변형응력 이하이면 날개 형성부로 유동한 피가공부재는 배압에 의해 변형되지 않으며 그 결과, 날개부의 성형 정밀도가 향상된다. 구체적으로는 40∼120 N/mm²가 적당하며, 60∼100 N/mm²이 바람직하다.

압력 저하의 조건은 도 10과 같이 날개부 성장 정상화(①)로부터 종료배압(②)을 지나는 것이다. 또한, 도 11과 같이 급격히 변화하는 방법보다 서서히 저하시키는 방법이 날개부의 성형 정밀도를 보다 안정시키므로 바람직하다. 바람직하게는 도 10과 같이 비례적으로 저하시키는 것이 좋다.

이러한 배압 제어에 의해, 초기에 플랜지부의 형성을 우선적으로 선행시킬 수 있어, 플랜지부에 흡입구의 오목부에 결함이 발생하지 않고 형성될 수 있다. 더욱이, 날개부의 성장이 정상화되는 단계에서 배압을 낮춤으로써, 국부적인 날개부의 팽창이나 형상 편차를 억제할 수 있고, 높은 배압에 의해 날개부가 버클링 등을 일으키는 현상도 회피할 수 있다. 이에 따라, 종래 다이를 빼기 위해 날개 형성부에 빼기 경사각(draft angle)을 부가하였으나, 본 발명에서 빼기 경사각은 불필요해진다.

상기한 바와 같이, 소정의 높이를 가지는 날개부가 성형된 단조 스크롤은, 강도 및 내 마모성을 부여하기 위하여, 용체화 처리 및 시효 처리하는 것이 바람직하다. 용체화 처리 및 시효 처리는, 소정의 온도로 가열 처리한 후 담금질하고, 다시 별도의 소정 온도에서 소정의 시간동안 유지하는 처리이다. 가령, 용체화 처리의 온도는 490∼500 ℃가 바람직하고 수중에서 담금질 후, 160∼210 ℃(바람직하게는 170∼190 ℃)에서 1∼8시간(바람직하게는 3∼6시간)과 같은 적당한 조건을 선택함으로써 시효 경화시킬 수 있어, HRB 70∼85 정도의 충분한 경도의 단조품이 얻어진다.

더욱이, 열처리후의 단조품은 필요에 따라 주로 날개부의 높이, 형상 등을 정밀하게 절삭 가공함으로써 스크롤부품으로서 컴프레서 등으로 조립할 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예에 따라 설명하며 본 발명은 실시예에 한정되는 것이 아니다.

(본 발명의 단조용 피가공재료의 제조)

표 1과 같이, 합급 A∼F의 조성의 합금을 실시예 1∼8로 하고, 합금 G, H의 Si 함유율이 본 발명의 범위를 벗어난 조성의 합금을 비교예 5, 6으로 하여, 각각 82 mm직경 ×5000 mm 길이의 연속 주조봉으로서 주조 속도 약 300 mm/분의 조건으로 주조하여 얻은 주조봉을 500 ℃, 1시간의 조건에서 균질화 열처리한 후, 필링 머신(peeling machine)에 의해 78 mm의 지름으로 면삭하였다.

다음으로 둥근 톱 절단기에 의해 2.5mm 두께의 톱니로 두께 65mm 의 주조봉을 각각 절단하여 소재화하였다.

상기 소재를 가열로에서 약 400 ℃로 가열한 상태에서 630 톤의 프레스기에 의해 절단재를 형단조에 의해 업셋팅하여, 외경이 114mm 인 원반 형상의 업셋팅재(피가공재료)가 얻어졌다. 이 때의 업셋팅 가공률은 하기의 계산식과 같이 53% 였다. 즉,

가공률 = {1-(78/114)²} ×100 = 53 %

이 때, 절단에 의해 피가공재료 1개당 발생한 스크랩은 약 45g 이었다.

시험에 제공된 합금성분 단조품 소재 치수와 배압 조건

합금	시험	화학분석치(질량%)							단조용 소재		단조배압N/mm²
합금	시험	Si	Cu	Mg	Ni	Sb	Sr	잔부	주조지름(mm)	가공공정	단조배압N/mm²
A	실시예1	10.2	2.9	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
	실시예2	10.2	2.9	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	40
	실시예3	10.2	2.9	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	120
	비교예1	10.2	2.9	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	30
	비교예2	10.2	2.9	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	130
B	실시예4	11.5	4.5	0.6	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
B	비교예3	11.5	4.5	0.6	-	-	-	Bal.	φ200	압출	80
C	실시예5	10.4	2.6	0.3	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
C	비교예4	10.4	2.6	0.3	-	-	-	Bal.	φ200	압출	80
D	실시예6	8.9	2.1	0.4	-	0.22	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
E	실시예7	12.0	1.2	1.1	1.2	0.25	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
F	실시예8	11.2	4.6	0.7	-	-	0.01	Bal.	φ82	업셋팅	80
G	비교예5	13.1	4.8	0.5	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	80
H	비교예6	7.0	0.3	0.2	-	-	-	Bal.	φ82	업셋팅	80

(종래 방법에 따른 단조용 피가공재료의 제조)

표 1에 나타내는 합금 B, C의 조성의 합금, 즉 실시예 4, 5와 각각 동일한 조성의 합금을 비교예 3, 4로 하고, 주조 속도 약 150 mm/분에서 200 mm φ의 연속주조봉으로 주조하여 압출용 빌릿으로 하였다. 이것을 500 ℃, 1시간의 조건에서 균질화 열처리한 후, 상기 업셋팅 가공한 재료와 동일한 외경 114 mm φ을 가지는 환봉재로 압출했다. 얻은 환봉재는 둥근 톱 절단기에 의해 2.5 mm 두께의 톱날로 상기한 업셋팅 가공 재료와 동일한 체적이 되도록 두께 30.4 mm로 절단하였다.

상기 절단에 의한 피가공재료 1개당 발생한 스크랩은 약 80g으로서, 실시예 1∼8의 연속 주조봉으로부터 소재를 잘라 낸 경우에 비해 2배에 가까운 재료 손실이 나타났다.

(단조용 피가공재료의 내부 조직 관찰)

다음으로 상기 피가공재료에 대하여 내부 조직의 관찰 및 치수 중량 측정용으로 각 10개의 업셋팅 가공재료 혹은 절단재료를 샘플로서 선택하였다.

이들 10개의 치수 및 중량측정을 실시한 후, 둥근 절단재의 중심부로부터 약 20mm-정사각 샘플을 잘라 내어 면내부의 마이크로 조직 관찰, 즉 초정 Si의 유무, 크기, 개수, 공정 Si의 크기를 측정하였다. 중량은 접시 천칭(pan-scale)으로 측정하였다. 또한, 그 두께는 마이크로미터에 의해 개당 2곳에 대하여 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 여기서, 중량, 두께의 숫자는 10개 샘플의 최대치와 최소치를 나타낸다.

단조용 피가공재료의 조직과 치수

	합금	시험	내부 마이크로 조직				치수		참고
			초정 Si		공정 Si		직경(mm)	두께(mm)	중량측정(g)
			개수	최대입경(㎛)	평균입경(㎛)	최대입경(㎛)	직경(mm)	두께(mm)	중량측정(g)
실시예	A	실시예1	없음	-	2.0	4.8	114.0	30.40∼30.49	841∼843
	B	실시예4	없음	-	2.1	6.7	114.0	30.35∼30.51	845∼848
	C	실시예5	없음	-	2.0	4.4	114.0	30.38∼30.52	840∼842
	D	실시예6	없음	-	1.9	4.4	114.0	30.37∼30.50	839∼842
	E	실시예7	없음	-	2.1	7.2	114.0	30.42∼30.52	841∼843
	F	실시예8	없음	-	2.1	5.3	114.0	30.44∼30.51	845∼847
비교예	B	비교예3	5	100	2.5	10.3	114.0	30.20∼30.58	844∼850
	C	비교예4	2	52	3.0	15.5	114.0	30.33∼30.63	840∼845
	G	비교예5	5	110	2.0	8.4	114.0	30.37∼30.46	845∼848
	H	비교예6	없음	-	1.8	4.8	114.0	30.41∼30.49	840∼842

업셋팅 가공 재료를 피가공용 소재로 했을 경우, 재료중에 조대한 초정 Si는 발생하지 않고, 소재의 치수 정밀도와 두께 및 중량 정밀도도 높으며, 절단에 의한 손실도 적고 절단 수율도 향상하여, 치수 정밀도와 재질로서의 신뢰성이 높은 피가공용 소재가 경제적으로 제조될 수 있음을 나타내고 있다.

(스크롤 단조)

이어서, 상기 방법으로 제조된 업셋팅된 피가공재료 및 압출·절단된 피가공재료를 가열로에서 200 ℃로 가열한 후, 흑연계의 수용성 윤활제에 몇 초간 침지한 다음 꺼내어 윤활 피막을 형성하였다. 피가공재료의 온도를 400 ℃로 높힌 상태에서 450톤의 펀치압, 면압(面壓) 40∼120 N/mm²의 배압으로 단조하여, 플랜지부 지름 약 115 mm φ, 플랜지부 두께 약 23.0 mm, 날개부 높이 39.6 mm, 날개부 두께 5.7 mm이고, 플랜지부와 날개의 수평면 면적비가 약 4.0인 스크롤 부품을 제조하였다.

또한, 비교예 1, 2로서 합금 A의 업셋팅 가공재를, 각각의 배압 조건 30 및 130 N/mm²로 단조하였다.

상기한 조건으로 각 재료에 대하여 연속 50개를 단조하고, 1개의 단조품내에서의 스크롤 날개부 높이의 최대치와 최소치의 차(최대치-최소치)를 측정하여, 그 50개의 편차를 조사하였다. 동시에 상기 50개에 대하여 단조품 3곳의 날개부 높이(도 2의 소용돌이 개시점(11a), 소용돌이 종료점(11c) 및 점(11a)과 점(11c)을 잇는 선 상의 점(11c)에 인접하는 날개상의 점(11b))의 평균 편차도 측정하였다. 또, 날개부 형상의 완성 상태에 대해서도 관찰하였다.

상기 측정 결과를 표 3에 정리하여 나타낸다. 배압이 30 N/mm²이면 단조품 1개내의 날개부 높이의 차가 1 mm를 초과하는 치수가 되며, 배압 부족에 의해 날개부의 형상이 정렬되지 않음을 알 수 있다. 또, 130 N/mm²에서는 날개부가 배압에 의해 버클링됨으로써 건전한 단조품이 얻어지지 않았다.

각 시험에 따른 단조품의 치수와 관찰 결과

	합금	시험	피가공재료	배압조건N/mm²	단조품 1개 내에서의 날개부 높이 차/mm(최대-최소)	단조품 50개 평균 날개부 높이/mm		비고
	합금	시험	피가공재료	배압조건N/mm²	단조품 1개 내에서의 날개부 높이 차/mm(최대-최소)	최소	최대	비고
실시예	A	실시예1	업셋팅재	80	0.3∼0.4	39.4	39.7
		실시예2	업셋팅재	40	0.3∼0.5	39.0	39.4
		실시예3	업셋팅재	120	0.2∼0.4	39.2	39.5
	B	실시예4	업셋팅재	80	0.3∼0.4	39.2	39.6
	C	실시예5	업셋팅재	80	0.3∼0.4	39.4	39.7
	D	실시예6	업셋팅재	80	0.3∼0.4	39.2	39.7
비교예	A	비교예1	업셋팅재	30	1.3∼2.0	-	-	날개의비정렬 발생
	A	비교예2	업셋팅재	130	0.2∼0.4	39.0	39.3	날개의버클링 발생
	B	비교예3	압출재	80	0.3∼0.5	38.2	39.8
	C	비교예4	압출재	80	0.3∼0.5	38.4	39.7

종래의 압출, 절단에 의한 방법으로 얻은 피가공용 소재를 이용한 단조품은, 50개의 평균 날개부의 높이가 1.0mm 이상 변동하였다. 즉, 표 2에서 나타낸 바와 같이, 피가공재의 체적 편차가 단조품 개개의 날개부 높이의 편차에 영향을 미치는 것을 나타낸다.

그런데 본 발명에 따르면, 1개내에서의 날개부 높이의 편차는 0.5mm 이내의 허용 오차이고, 또 개개의 평균 날개부 높이의 편차도 0.5mm 이내로 억제되어 정확한 형상으로 제조할 수 있었다.

다음으로, 도 12와 같이 2단의 단부(13, 14)의 하단 단부에 R 2.0 mm의 둥근 금형을 이용하여 배압 부하 패턴을 바꾸어 단조하고, 전사되는 단조품의 형상을 측정하였다. 날개부는 5개의 날개 높이를 구하여 최대치와 최소치의 차를 편차로서 평가하였다. 피가공용 소재는 실시예 1와 동일한 것을 이용하였다.

배압부하 패턴으로는 도 9와 같이 성형 종료까지 일정 부하의 패턴, 도 10과 같이 초기에 높은 배압을 부하한 후 서서히 종료배압을 낮추는 패턴(A), 그리고 도 11과 같이 초기에 높은 배압을 부하하고 소정 시간이 경과된 후에 종료 배압으로 급격히 낮추는 패턴(B)으로 하였다. 금형에 대한 충만률이 양호하면 제품의 오목부 형상의 R 이 금형의 형상과 동일해지지만, 충만률이 불충분하면 금형 벽면과 갭이 생기기 때문에 제품의 R 은 커진다.

그 결과는 표 4에 나타내는 바와 같이, 배압 부하 패턴(A)에서는 오목부의 성형이 종래의 배압 부하 패턴에 비해 보다 양호한 정밀도로 전사되며, 날개부의 높이도 양호하다. 배압 부하 패턴(B)에서는 오목형상의 성형은 양호하지만, 날개부의 높이의 편차가 약간 커졌다.

배압패턴에 따른 단조품의 형상

배압 패턴	오목 형상(mm)	날개부 편차(mm)
일정 패턴	R 3.0	＜0.3
패턴 A	R 2.0	＜0.3
패턴 가변 B	R 2.0	0.5 ∼ 0.3

다음으로, 실시예 4, 5, 비교예 3 ∼ 6의 단조품 각 10개를, 500 ℃로 가열한 후 수중 담금질한 다음 180 ℃에서 6시간동안 시효 처리하였다. 그 후, 상기 단조품으로부터 인장 시험편(試驗片)을 채취하여 인장 특성을 평가하는 동시에, 상기 단조품의 날개부 측벽을 엔드 밀(end mill)에 의해 약 0.5 mm 절삭가공하여 절삭면의 마무리 상태를 관찰하였다. 더욱이, 단조용 피가공재료에 동일한 열처리를 실시하고 피로 시험편을 채취하여 오노식(Ono-type)의 회전 굽힘 피로 시험기에 의해 10⁷사이클에서의 파단 응력으로부터 피로 특성을 평가하였다. 그 결과를 표 5에 나타낸다.

단조품의 기계적 특성과 절삭가공 시험

	합금	시험	인장특성(실온)			피로특성(실온)10⁷사이클(MPa)	절삭면 관찰
	합금	시험	0.2%내력(MPa)	인장강도(MPa)	파단연신율(%)	피로특성(실온)10⁷사이클(MPa)	절삭면 관찰
실시예	B	실시예4	401	456	6.3	210	용구 손상 없음
실시예	C	실시예5	322	403	13.8	190	용구 손상 없음
비교예	B	비교예3	408	448	3.2	180	용구 손상 있음
	C	비교예4	330	415	10.8	165	용구 손상 있음
	G	비교예5	410	458	3.8	170	용구 손상 있음
	H	비교예6	200	301	15.1	130	용구 손상 없음

업셋팅재를 피가공재료로 했을 경우, 재료의 파단(破斷) 연신율이 개선되고 그 결과, 피로 강도도 높고 절삭 시의 가공 마무리도 양호한 제품이 얻어진다. 조대한 초정 Si의 발생을 억제함으로써, 이러한 효과가 얻어짐을 알 수 있다.

또, 내부 조직의 확인을 위해, 각 실시예 1∼8에 대한 시효 처리 후의 단조품에서 중심부를 잘라내어 마이크로 조직 관찰을 실행하였다. 그 결과, 모든 시료에서 초정 Si는 보이지 않았으며 공정 Si의 입경에 있어서 단조, 열처리에 의한 변화는 확인되지 않았다.

또한, 그 합금 조성을 벗어난 비교예 5, 6에서는 초정 Si의 발생에 따른 절삭면의 흠결이 발생하거나, 강도의 저하로 인해 스크롤로서 부적합하였다.

본 발명의 합금, 단조 제조법에 의해 1개의 알루미늄합금제 단조 스크롤 내에서의 날개부 높이의 편차뿐만 아니라, 전체 단조품간의 평균 날개부 높이의 편차를 적게 할 수 있는 동시에, 강도 저하의 원인이 되는, 혹은 이후의 절삭 가공시에 유해한 초정 Si의 발생을 억제하는 단조 스크롤 부품을 양산할 수 있다.

Claims

Si : 8.0∼12.5 질량%, Cu : 1.0∼5.0 질량%, Mg : 0.2∼1.3 질량%를 포함하는 알루미늄 합금으로서, Si 입경이 15㎛ 미만이며 평균 Si 입경이 3㎛ 이하이고, 입자가 큰 초정(初晶) Si의 발생을 억제한 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품.
제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 Ni : 2.0 질량% 이하, 또는 Sr, Ca, Na, Sb에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.5 질량% 이하, 또는 Ni : 2.0 질량% 이하와 Sr, Ca, Na, Sb에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.5 질량% 이하를 더 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단조 스크롤 부품은 단조가공에 의해 성형한 후, 용체화 처리 및 시효 처리를 실시하여 이루어진 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품.
Si : 8.0∼12.5 질량%, Cu : 1.0∼5.0 질량%, Mg : 0.2∼1.3 질량%를 포함하는 알루미늄 합금을 직경 130mm 이하의, 입자가 큰 초정 Si의 발생을 억제한 환봉으로 주조하는 공정,

상기 알루미늄 합금 환봉을 절단하여 단조용 소재로 하는 공정,

상기 단조용 소재를 20∼70% 의 가공률로 업셋팅 가공하여 피가공재료로 하는 공정, 및

상기 업셋팅 가공한 피가공재료를 300∼450℃의 재료 온도에서 펀치로 가압하고, 펀칭 가압의 방향으로 스크롤 날개를 성형하기 위한 단조 공정으로 이루어지며,

상기 단조 공정은 성형되는 스크롤 날개부분의 선단부에 상기 펀칭 가압 보다 작은 반대 방향으로부터 배압(背壓)을 부가하는 공정을 포함하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금을 환봉으로 단조하는 공정은, 알루미늄 합금을 직경 85mm 이하의 환봉으로 단조하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금은 Ni : 2.0 질량% 이하, 또는 Sr, Ca, Na, Sb에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.5 질량% 이하, 또는 Ni : 2.0 질량% 이하와 Sr, Ca, Na, Sb에서 선택되는 1종 이상을 합계 0.5 질량% 이하를 더 포함하는 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 배압은 80∼240 N/mm²의 일정 압력을 부하하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 배압은 초기에는 80∼240 N/mm²이고, 날개부가 성장 개시한 시점으로부터 서서히 저하되어, 말기에는 40∼120 N/mm²인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 업셋팅 가공하는 단조용 소재는, 미리 480∼520℃의 온도에서 0.5∼4시간의 균질화 열처리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 업셋팅 가공하는 단조용 소재는, 미리 표면 필링 가공 처리하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 업셋팅 가공한 피가공재료는 그 표면을 윤활 피막으로 피복한 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 11 항에 있어서, 상기 피가공재료를 100∼500℃로 가열하고, 흑연을 물에 분산시킨 윤활액에 상기 가열 가공재를 침지하여 가공재 표면을 윤활 피막으로 피복하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 단조공정에서 단조한 단조품을 추가로 용체화 처리 및 시효 처리를 하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금제 단조 스크롤 부품의 제조방법.