KR100566359B1 - 마그네슘과 실리콘을 함유한 알루미늄 합금의 처리 방법 - Google Patents

마그네슘과 실리콘을 함유한 알루미늄 합금의 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 성형 후에 시효 처리 공정을 거친 열처리 가능한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금에 관한 것으로서, 압출 생성물의 냉각 이후의 시효 처리는 30 ℃/시간 이상의 가열 속도로 100℃ - 170℃의 온도까지 압출 생산물을 가열하는 제1 단계와, 5 ℃/시간 내지 50 ℃/시간의 가열 속도로 160℃ - 220℃의 최종 유지 온도까지 압출 생산물을 가열하는 제2 단계에서 수행되며, 총 시효 처리 사이클은 3 - 24시간에 수행되는 열처리 가능한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금에 관한 것이다.

Description

마그네슘과 실리콘을 함유한 알루미늄 합금의 처리 방법{PROCESS FOR TREATING AN ALUMINIUM ALLOY CONTAINING MAGNESIUM AND SILICON}
본 발명은 성형 후에 시효 처리 공정을 거친 열처리 가능한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금에 관한 것으로, 이 시효 처리 공정은 30 ℃/시간을 초과하는 가열 속도로 100℃ - 170℃의 온도까지 압출물을 가열하는 제1 단계와, 5℃/시간 - 50℃/시간의 가열 속도로 160℃ - 220℃의 최종 유지 온도까지 압출물을 가열하는 제2 단계를 포함하고, 총 시효 처리 사이클이 3 - 24 시간에 수행된다.
본 발명과 유사한 시효 처리법이 국제 특허 공개 WO 95.06759호에 개시되어 있다. 이 특허 출원의 공개 공보에 의하면, 시효 처리는 150℃ - 200℃의 온도에서 수행되고, 가열 속도는 10 ℃/시간 - 100 ℃/시간, 바람직하게는 10 ℃/시간 - 70℃/시간이다. 이 시효 처리법에 상당하는 대안으로, 2단계 가열 방법이 제안되고 있는데, 상기 특정 범위 내에 있는 전체 가열 속도를 얻기 위해서 80℃ - 140℃ 범위의 유지 온도가 제안된다.
본 발명의 목적은 종래의 시효 처리 공정에 의한 것보다 더 우수한 기계적 성질을 갖고, 국제 특허 공개 WO 95.06759호에 기재된 시효 처리법에 의한 것보다 더 짧은 총 시효 처리 시간을 갖는 알루미늄 합금을 제공하는 것이다. 이와 같이 제안된 이중 속도의 시효 공정을 이용하면, 강도는 최소한의 전체 시효 처리 시간에서 최대화된다.
기계적 강도에 대한 이중 속도의 시효 처리 공정의 긍정적 효과는, 낮은 온도에서의 연장된 시간이 대체로 고농도의 Mg-Si 석출물의 형성을 촉진한다는 사실로부터 설명할 수 있다. 만일 전체 시효 처리 작업이 그러한 온도에서 수행된다면, 전체 시효 처리 시간은 실용적 한계 이상으로 되고 시효 처리 오븐에서의 처리량은 너무 적게 된다. 최종 시효 처리 온도로의 온도의 느린 상승에 의해, 낮은 온도에서 응집된 다수의 석출물이 성장을 계속하게 된다. 그 결과는, 낮은 온도에서 시효 처리되지만 총 시효 처리 시간이 상당히 짧은 것과 관련된 다수의 석출물과 기계적 강도 값이다.
2단계 시효 처리는 기계적 강도도 증진시키지만, 제1 유지 온도로부터 제2 유지 온도로의 급속 가열로 인하여 가장 작은 석출물로 전환될 가능성이 상당하고, 이에 따라 경화 석출물이 감소하며, 결과적으로 기계적 강도가 낮아질 수 있다. 표준의 시효 처리 및 2단계 시효 처리에 비하여, 이중 속도 시효 처리 공정의 다른 장점은 느린 가열 속도로 인하여 로드에서의 온도 분포가 양호하게 된다는 것이다. 로드에서 압출의 온도 이력은 로드의 크기, 압출물의 패킹 밀도 및 벽두께와 거의 무관하게 된다. 그 결과 다른 종류의 시효 처리 공정보다 기계적 성질이 일관적이게 된다.
실온에서 느린 가열 속도로 시작하는 WO 95.06759에 기재된 시효 처리 공정과 비교하면, 이중 속도 시효 처리 공정은 실온으로부터 100 내지 170 ℃의 온도로의 급속한 가열 속도를 적용함으로써 총 시효 처리 시간을 줄이게 된다. 그 결과, 중간 온도에서 느린 가열이 시작되는 경우에는 실온에서 느린 가열이 시작된 경우와 마찬가지로 거의 동일하게 양호한 강도가 얻어진다.
본 발명은 제1 시효 처리 단계 후에 130℃ - 160℃이의 온도에서 1 - 3 시간 유지되는 Al-Mg-Si 합금에 관한 것이기도 하다.
본 발명의 양호한 실시예에서 최종 시효 처리 온도는 적어도 165 ℃이고, 더욱 양호하게는 시효 처리 온도는 최대 205 ℃이다. 이러한 양호한 온도를 이용하는 경우, 총 시효 처리 시간은 적당한 한계 범위 내에 유지되면서도 기계적 강도는 최대화될 수 있는 것으로 확인되었다.
이중 속도 시효 처리 작업에서 총 시효 처리 시간을 줄이기 위해서는, 가능한 최고의 유효 가열 속도로 제1 가열 단계를 수행하는 것이 바람직한데, 최고의 유효 가열 속도는 일반적으로 이용 가능한 장비에 의존한다. 따라서, 제1 가열 단계에서는 적어도 100 ℃/시간의 가열 속도를 이용하는 것이 양호하다.
제2 단계에서 가열 속도는 시간 상의 총 효율과 합금의 최종 품질의 관점에서 최적화 되어야 한다. 이러한 이유로, 제2 가열 속도는 적어도 7 ℃/시간 및 최대 30 ℃/시간인 것이 바람직하다. 7 ℃/시간보다 낮은 가열 속도에서는 결과적으로 시효 처리 오븐에서의 처리량이 작아지면서 총 시효 처리 시간이 길어지게 되고, 30 ℃/시간보다 높은 가열 속도에서는 기계적 성질이 이상적인 것보다 낮아지게 된다.
합금의 높은 기계적 강도를 얻기 위해서는 제1 가열 단계는 130 ~ 160 ℃에서 종료하는 것이 좋은데, 이 온도에서는 Mg5Si6 상의 충분한 석출이 있다. 제1 단계의 종료 온도를 낮게하는 것은 상당한 추가 강도를 부여하는 일 없이 대체로 총 시효 처리 시간을 길어지게 한다. 총 시효 처리 시간은 최대 12 시간인 것이 바람직하다.
하기의 표 1에 제시된 조성의 3개의 상이한 합금은 AA6060 합금에 대한 표준 주조 조건에 따라 φ95 ㎜의 빌렛(billet)으로 주조되었다. 이들 빌렛은 대략 250 ℃/시간의 가열 속도로 균질화되고, 유지 기간은 575 ℃에서 2 시간 15분이었으며, 균질화 후에 냉각 속도는 대략 350 ℃/시간이었다. 소재는 최종적으로 200 ㎜의 빌렛으로 절단되었다.
합금 Si Mg Fe
1 0.37 0.36 0.19
2 0.41 0.47 0.19
3 0.51 0.36 0.19
압출 시험은 압출 전에 빌렛을 가열하는 유도로와 φ100 ㎜의 용기를 장착한 800 톤 프레스에서 수행되었다.
프로파일의 기계적 성질을 잘 측정하기 위하여, 2 * 25 ㎟ 바아를 제공하는 다이로 시험이 수행되었다. 빌렛은 압출 전에 대략 500 ℃로 예열되었다. 압출 후에 프로파일은 유동없는 공기 중에서 냉각되었는데, 250 ℃ 이하의 온도로 하강하는 냉각 시간은 대략 2 분이었다. 압출 후에 프로파일은 0.5 % 연신되었다. 시효 처리 전에 실온에서의 보관 시간이 4 시간까지로 제한되었다. 인장 시험에 의해 기계적 성질을 얻었다.
상이한 시효 처리 사이클에서 시효 처리된 상이한 합금의 기계적 성질을 표 2 ~ 표 4에 나타낸다.
이들 표에 대한 설명으로서, 상이한 시효 처리 사이클이 도표상으로 도시되고 문자로 식별되는 도 1을 참조한다. 도 1에서, x-축은 총 시효 처리 시간을 나타내고 y-축을 따라 사용 온도를 나타낸다.
또한, 각 칼럼은 다음의 의미를 갖는다.
총 시간 = 시효 처리 사이클에 대한 총 시효 처리 시간
Rm = 극한 인장 강도
Rp02 = 항복 강도
AB = 파단 연신율
Au = 균일한 연신율
이들 모든 데이터는 압출된 프로파일의 2개의 병행 시험된 시편의 평균이다.
1번 합금 - 0.36 Mg + 0.37 Si
총 시간 〔시간〕 Rm Rp02 AB Au
A 3 150.1 105.7 13.4 7.5
A 4 164.4 126.1 13.6 6.6
A 5 174.5 139.2 12.9 6.1
A 6 183.1 154.4 12.4 4.9
A 7 185.4 157.8 12.0 5.4
B 3.5 175.0 135.0 12.3 6.3
B 4 181.7 146.6 12.1 6.0
B 4.5 190.7 158.9 11.7 5.5
B 5 195.5 169.9 12.5 5.2
B 6 202.0 175.7 12.3 5.4
C 4 161.3 114.1 14.0 7.2
C 5 185.7 145.9 12.1 6.1
C 6 197.4 167.6 11.6 5.9
C 7 203.9 176.0 12.6 6.0
C 8 205.3 178.9 12.0 5.5
D 7 195.1 151.2 12.6 6.6
D 8.5 208.9 180.4 12.5 5.9
D 10 210.4 181.1 12.8 6.3
D 11.5 215.2 187.4 13.7 6.1
D 13 219.4 189.3 12.4 5.8
E 8 195.6 158.0 12.9 6.7
E 10 205.9 176.2 13.1 6.0
E 12 214.8 185.3 12.1 5.8
E 14 216.9 192.5 12.3 5.4
E 16 221.5 196.9 12.1 5.4

2번 합금 - 0.47 Mg + 0.41 Si
총 시간 〔시간〕 Rm Rp02 AB Au
A 3 189.1 144.5 13.7 7.5
A 4 205.6 170.5 13.2 6.6
A 5 212.0 182.4 13.0 5.8
A 6 216.0 187.0 12.3 5.6
A 7 216.4 188.8 11.9 5.5
B 3.5 208.2 172.3 12.8 6.7
B 4 213.0 175.5 12.1 6.3
B 4.5 219.6 190.5 12.0 6.0
B 5 225.5 199.4 11.9 5.6
B 6 225.8 202.2 11.9 5.8
C 4 195.3 148.7 14.1 8.1
C 5 214.1 178.6 13.8 6.8
C 6 227.3 198.7 13.2 6.3
C 7 229.4 203.7 12.3 6.6
C 8 228.2 200.7 12.1 6.1
D 7 222.9 185.0 12.6 7.8
D 8.5 230.7 194.0 13.0 6.8
D 10 236.6 205.7 13.0 6.6
D 11.5 236.7 208.0 12.4 6.6
D 13 239.6 207.1 11.5 5.7
E 8 229.4 196.8 12.7 6.4
E 10 233.5 199.5 13.0 7.1
E 12 237.0 206.9 12.3 6.7
E 14 236.0 206.5 12.0 6.2
E 16 240.3 214.4 12.4 6.8

3번 합금 - 0.36 Mg + 0.51 Si
총 시간 〔시간〕 Rm Rp02 AB Au
A 3 200.1 161.8 13.0 7.0
A 4 212.5 178.5 12.6 6.2
A 5 221.9 195.6 12.6 5.7
A 6 222.5 195.7 12.0 6.0
A 7 224.6 196.0 12.4 5.9
B 3.5 222.2 186.9 12.6 6.6
B 4 224.5 188.8 12.1 6.1
B 4.5 230.9 203.4 12.2 6.6
B 5 231.1 211.7 11.9 6.6
B 6 232.3 208.8 11.4 5.6
C 4 215.3 168.5 14.5 8.3
C 5 228.9 194.9 13.6 7.5
C 6 234.1 206.4 12.6 7.1
C 7 239.4 213.3 11.9 6.4
C 8 239.1 212.5 11.9 5.9
D 7 236.7 195.9 13.1 7.9
D 8.5 244.4 209.6 12.2 7.0
D 10 247.1 220.4 11.8 6.7
D 11.5 246.8 217.8 12.1 7.2
D 13 249.4 223.7 11.4 6.6
E 8 243.0 207.7 12.8 7.6
E 10 244.8 215.3 12.4 7.4
E 12 247.6 219.6 12.0 6.9
E 14 249.3 222.5 12.5 7.1
E 16 250.1 220.8 11.5 7.0
이하, 이 결과에 기초하여 다음과 같이 평할 수 있다.
1번 합금의 극한 인장 강도(UTS)는 총 6 시간의 A 사이클 후에 약 180 MPa을 약간 넘는다. 극한 인장 강도 값은 5 시간의 B 사이클 후에 195 MPa이고, 7 시간의 C 사이클 후에는 204 MPa이다. D 사이클에서는, 극한 인장 강도 값이 10시간 후에는 약 210 MPa, 13시간 후에는 약 219 MPa에 이른다.
2번 합금은 총 6 시간의 A 사이클 후에 약 216 MPa의 극한 인장 강도 값을 보여준다. 총 5시간의 B 사이클에서는 이면 극한 인장 강도 값이 225 MPa이다. 총 10시간의 D 사이클에서는 극한 인장 강도 값이 236 MPa까지 증가했다.
3번 합금은 총 6 시간의 A 사이클 후에는 약 222 MPa의 극한 인장 강도 값을 갖는다. 총 5 시간의 B 사이클에서는 극한 인장 강도 값이 231 MPa이다. 총 7 시간의 C 사이클에서는 극한 인장 강도 값이 240 MPa이다. 총 9 시간의 D 사이클에서는 극한 인장 강도 값이 245 MPa이다. E 사이클에서는 인장 강도 값을 250 MPa까지 얻을 수 있다.
총 연신율은 시효 처리 사이클에 거의 독립적인 것으로 보인다. 이중 속도의 시효 처리 사이클에서 강도 값이 더 높은 경우에도, 최고 강도에서 총 연신율(AB)은 12％ 내외이다.

Claims (10)

  1. 성형 후에 시효 처리 공정을 거치는 열처리 가능한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금의 처리 방법으로서,
    압출 생성물의 냉각 이후의 시효 처리는, 100℃ - 170℃의 온도까지 압출 생산물을 가열하는 제1 단계와, 165℃ - 205℃의 최종 유지 온도까지 압출 생산물을 가열하는 제2 단계로 수행되며,
    상기 제1 단계의 가열 속도는 100 ℃/시간 이상이고, 상기 제2 단계의 가열 속도는 7 ℃/시간 내지 30 ℃/시간이며, 총 시효 처리 사이클은 3 - 24시간으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 시효 처리 단계 후에 130℃ - 160℃의 온도에서 1시간 내지 3시간 유지되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 처리 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1 가열 단계의 마지막에서 온도는 130℃ - 160℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 처리 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    총 시효 처리 시간은 5시간 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 처리 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    총 시효 처리 시간은 최대 12시간인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 처리 방법.
  10. 삭제
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