KR100727178B1

KR100727178B1 - 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의열처리 방법

Info

Publication number: KR100727178B1
Application number: KR1020050093187A
Authority: KR
Inventors: 김창수
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2005-10-05
Filing date: 2005-10-05
Publication date: 2007-06-13
Also published as: KR20070038185A

Abstract

본 발명은 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것으로서, 반용융 성형 후 실시되는 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법 중 하나인 용체화 처리의 조건을 최적화하여, 반융융 알루미늄 합금으로 만들어진 제품의 항복강도나 인장강도의 큰 감소 없이 연신율을 보다 향상시킬 수 있고, 기존 열처리 공정에 비해 열처리 시간을 크게 단축하여 비용 및 공정시간을 절감시킬 수 있는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것이다.

반용융, 알루미늄 합금, AC4CH, AC2B, 열처리, 연신율, 시간 단축

Description

반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법{Heat treatment method of aluminum alloy parts using thixocasting method}

도 1은 통상의 반용융 성형법을 이용하여 제품을 제조하는 과정을 나타낸 공정도,

도 2는 기존의 상용화된 열처리 방법인 T6 및 T7의 열처리 곡선,

도 3은 본 발명에 따른 열처리 곡선,

도 4는 본 발명에 따른 열처리시에 합금 조직 내 Si상의 구상화를 보여주는 현미경 사진,

도 5는 본 발명에 따른 실시예의 표준인장시편을 나타낸 도면.

본 발명은 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반용융 성형 후 실시되는 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법 중 하나인 용체화 처리의 조건을 최적화하여, 반융융 알루미늄 합금으로 만들어진 제품의 항복강도나 인장강도의 큰 감소 없이 연신율을 보다 향상시킬 수 있는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것이다.

최근 들어 자동차 업계에서는 연비 향상을 위한 경량화의 목적으로 기존의 철강 대신 알루미늄 합금을 자동차 부품에 적용하고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

통상, 자동차에 적용되고 있는 알루미늄 합금 부품은 다이캐스팅 공정에 의해 제조된다.

그러나, 알루미늄 합금 부품을 제조하는데 있어서, 다이캐스팅 공정의 특성상 기공 등과 같은 주조결함의 제어가 어려워 주조 후 열처리에 의한 강도 향상이 불가능하고, 실형상 성형이 되지 않아 주조 후 고가의 후처리 공정을 요구하고 있다.

이에 새로운 성형주조공법으로서, 주조공정과 압출 및 압축공정이 포함된 열간가공 공정을 결합시킨 반용융 성형법(thixoforming)이 최근 각광을 받고 있다.

이는 합금 주조재를 고액공존 영역까지 가열하고 일정시간 유지시키는 등온유지 공정을 거친 후 구형(求刑)에 가까운 초정고상입자를 액상 내에 고르게 분산시킨 슬러리로 제조하고, 이를 성형 가공하여 제품을 생산해 내는 방법이다.

보다 쉽게 설명하면, 반용융 성형법은 합금을 액체와 고체가 공존하는 반용융상태로 만들어 성형하는 것으로, 응고시 덴드라이트(dendrite)가 생성되는 것을 막고 조직을 미세하게 만들어 기계적 물성을 크게 향상시킬 수 있는 방법이다.

도 1은 통상의 반용융 성형법을 이용하여 제품을 제조하는 과정을 나타낸 공정도이다.

이에 도시한 바와 같이, 알루미늄 합금 빌렛을 재가열 및 교반을 통하여 반용융상태로 만들고, 이후 금형에 주입하여 제품 형상으로 성형한다.

이어 제품이 응고되면 취출하고, 열처리 공정을 거친 뒤 후가공하여, 최종의 제품을 완성하게 된다.

이와 같이 반용융 성형공정에 의해 제조된 알루미늄 합금 제품의 경우, 공정 Si상의 크기와 기계적 물성을 저하시키는 Al-Fe계 침상 화합물상이 일반 다이캐스팅 공정시와 비교하여 미세하기 때문에 항복강도, 인장강도, 연신율 등의 기계적 물성이 우수한 장점을 가진다.

한편, 합금원소의 변화, 열처리 조건, 조직 미세화 등은 합금의 물성을 향상시키기 위한 여러 방법들 중 하나이다.

현재 반용융 알루미늄 합금에 대한 연구가 새로운 제조공법을 개발하는 것과 관련해서는 활발히 진행되고 있으나, 제품 제조 후 물성을 증가시키기 위한 열처리 조건과 같은 연구에 대해서는 미흡한 실정이다.

종래 반용융 성형법으로 제조한 알루미늄 합금 부품에 대해 실시하고 있는 열처리는 T6나 T7과 같은 일반적인 열처리로서, 도 2는 기존의 상용화된 열처리 방법인 T6 및 T7의 열처리 곡선을 나타낸 것이다.

이와 같이 반용융 성형한 후 열처리를 실시함으로써 항복강도, 인장강도, 연신율을 전체적으로 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 반용융 성형법으로 제조한 알루미늄 합금 부품의 기존 T6, T7 열처리는 항복강도나 인장강도 측면에서 증가효과가 크고 열처리 후 연신율을 향상시키지만 전체적인 열처리 시간이 매우 길기 때문에 비용적인 측면에서 매우 불리하다는 단점을 가지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 반용융 성형 후 실시되는 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법 중 하나인 용체화 처리의 조건을 최적화하여 반융융 알루미늄 합금으로 만들어진 제품의 항복강도나 인장강도의 큰 감소 없이 연신율을 보다 향상시킬 수 있고, 기존 열처리 공정에 비해 열처리 시간을 크게 단축하여 비용 및 공정시간을 절감시킬 수 있는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, Cu 0.20 중량% 이하, Si 6.5 ~ 7.5 중량%, Mg 0.30 ~ 0.45 중량%, Zn 0.10 중량% 이하, Fe 0.17 중량% 이하, Mn 0.10 중량% 이하, Ni 0.05 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.05 중량% 이하, Sn 0.05 중량% 이하, Cr 0.05 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된 AC4CH 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 실시하는 열처리 방법에 있어서,

상기 AC4CH 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 제품을 530 ~ 550℃의 온도 범위에서 50 ~ 70분간 유지한 후 수냉 또는 공냉하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은, Cu 2.0 ~ 4.0 중량%, Si 5.0 ~ 7.0 중량%, Mg 0.50 중량% 이하, Zn 1.0 중량% 이하, Fe 0.8 중량% 이하, Mn 0.50 중량% 이하, Ni 0.35 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.20 중량% 이하, Sn 0.10 중량% 이하, Cr 0.20 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된 AC2B 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 실시하는 열처리 방법에 있어서,

상기 AC2B 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 제품을 480 ~ 520℃의 온도 범위에서 220 ~ 260분간 유지한 후 수냉 또는 공냉하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것으로서, 반용융 성형 후 실시되는 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법 중 하나인 용체화 처리의 조건을 최적화하여, 반융융 알루미늄 합금으로 만들어진 제품의 항복강도나 인장강도의 큰 감소 없이 연신율을 보다 향상시킬 수 있는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 종래의 열처리 조건인 T6 및 T7 열처리 조건의 단점, 즉 열처리 시간이 길다는 단점을 해결하기 위한 것으로, AC4CH 및 AC2B 알루미늄 합금을 반용융 성형법을 이용하여 제품으로 만든 이후에 연신율을 추가적으로 향상시킬 수 있는 열처리 방법에 관한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 열처리 곡선을 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 열처리시에 합금 조직 내 Si상의 구상화를 보여주는 현미경 사진이다.

본 발명에서는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 물성을 증가시키기 위하여 성형공법의 개선이나 사용합금의 변화 없이 열처리 개선을 통한 연신율 향상을 꾀하고자 하였다.

다음의 표 1은 AC4CH 및 AC2B 알루미늄 합금의 조성 및 함량을 나타낸 것이다.

알려진 바와 같이, AC4CH의 경우, Cu 0.20 중량% 이하, Si 6.5 ~ 7.5 중량%, Mg 0.30 ~ 0.45 중량%, Zn 0.10 중량% 이하, Fe 0.17 중량% 이하, Mn 0.10 중량% 이하, Ni 0.05 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.05 중량% 이하, Sn 0.05 중량% 이하, Cr 0.05 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된다.

그리고, AC2B의 경우, Cu 2.0 ~ 4.0 중량%, Si 5.0 ~ 7.0 중량%, Mg 0.50 중량% 이하, Zn 1.0 중량% 이하, Fe 0.8 중량% 이하, Mn 0.50 중량% 이하, Ni 0.35 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.20 중량% 이하, Sn 0.10 중량% 이하, Cr 0.20 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된다.

상기의 AC4CH 및 AC2B 알루미늄 합금을 이용한 반용융 성형공정은 종래와 동일하다.

즉, 상기 조성의 알루미늄 합금 빌렛을 재가열 및 교반을 통하여 반용융상태로 만들고, 이후 금형에 주입하여 제품 형상으로 성형한 후 제품이 응고되면 취출하는 과정은 종래와 동일하다.

이후 실시되는 열처리 과정에서, 본 발명에서는 AC4CH의 경우 530 ~ 550℃의 온도 범위에서 50 ~ 70분간 유지한 후 수냉 또는 공냉하고, AC2B의 경우에는 480 ~ 520℃의 온도 범위에서 220 ~ 260분간 유지한 후 수냉 또는 공냉한다.

여기서, AC4CH의 경우, 열처리 온도를 530℃ 미만으로 하는 경우에는 AC4CH의 열처리시 생성되어 석출강화 효과에 의한 물성향상을 일으키는 주된 화합물인 Mg₂Si의 석출량이 적어져 물성증가 효과가 감소하는 문제가 있고, 550℃를 초과하여 실시하는 경우에는 공정온도와 근접하게 되기 때문에 석출강화를 일으키는 Mg₂Si 화합물이 녹을 수 있는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

또한, 상기 온도 범위에서 유지시간을 50분 미만으로 하는 경우에는 Mg₂Si의 생성량이 적어 석출강화 효과가 감소하는 문제가 있고, 70분을 초과하여 실시하는 경우에는 Mg₂Si의 생성량이 너무 많기 때문에 석출량이 너무 커져서 오히려 연신율과 같은 물성을 감소시키는 반작용이 있을 수 있음은 물론 물성을 떨어뜨리는 산화물의 생성 가능성도 있기 때문에, 바람직하지 않다.

한편, AC2B의 경우, 열처리 온도를 480℃ 미만으로 하는 경우에는 AC2B의 열처리시에 생성되어 석출강화 효과에 의한 물성향상을 일으키는 주된 화합물인 CuAl₂의 석출량이 적어져 물성증가 효과가 감소하는 문제가 있고, 520℃를 초과하여 실시하는 경우에는 공정온도와 근접하게 되기 때문에 석출강화를 일으키는 CuAl₂ 화합물이 녹을 수 있는 문제가 있어, 바람직하지 않다.

또한, 상기 온도 범위에서 유지시간을 220분 미만으로 하는 경우에는 CuAl₂의 생성량이 적어 석출강화 효과가 감소하는 문제가 있고, 260분을 초과하여 실시하는 경우에는 CuAl₂의 생성량이 너무 많기 때문에 석출량이 너무 커져서 오히려 연신율과 같은 물성을 감소시키는 반작용이 있을 수 있음은 물론 물성을 떨어뜨리는 산화물의 생성 가능성도 있기 때문에, 바람직하지 않다.

이와 같이 하여, 본 발명에서는 AC4CH 및 AC2B 알루미늄 합금을 반용융 성형법을 이용하여 제품 형상으로 성형한 이후 실시하게 되는 열처리 공정의 온도 및 유지시간을 최종 제품의 연신율 향상 및 열처리 시간 단축의 목적에 맞추어 최적화하였으며, 항복강도나 인장강도의 큰 변화 없이 짧은 시간 안에 Si상의 구상화 및 석출강화를 통하여 연신율의 증가효과를 얻을 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하는 바, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예로 국한되는 것은 아니다.

실시예

일반적인 AC4CH 및 AC2B의 조성을 만족하는 알루미늄 합금 빌렛을 사용하여 통상의 반용융 성형 후 본 발명에 따른 열처리 공정을 실시하여 최종적으로는 도 5와 같은 ASTM E8M 판상 표준인장시편을 제조하였다.

이후, 상기와 같이 제조된 표준인장시편의 항복강도, 인장강도, 연신율을 각각 측정한 후 이를 열처리 전의 물성과 비교하여 보았으며, 그 측정 결과를 다음의 표 2에 나타내었다.

AC4CH의 경우, 열처리 전 기계적 물성이 항복강도 109MPa, 인장강도 246MPa, 연신율 11.8%이지만, 본 발명의 열처리 방법을 거친 경우 항복강도는 111MPa, 인장강도 238MPa, 연신율 18.3%로 강도 측면에서는 비슷하거나 아주 작은 폭으로 감소하지만 연신율의 급격한 증가효과를 얻을 수 있다.

마찬가지로, AC2B의 경우에도 열처리 전에 항복강도 145MPa, 인장강도 271MPa, 연신율 5.9%에서 열처리 후 항복강도 149MPa, 인장강도 266MPa, 연신율 10.3%로 연신율이 급격하게 증가하였다.

즉, 적절한 열처리 조건을 통하여 항복강도와 인장강도의 큰 손해 없이 연신율의 증가를 통한 물성 향상이 가능하다.

일반적으로 연신율은 피로강도와 밀접한 연관을 갖고 있기 때문에 본 발명의 효과로 인하여 연신율 증가에 따른 피로강도의 향상이 가능하고, 이는 제품의 내구성을 증가시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법에 의하면, 다음과 같은 효과가 있게 된다.

1)반융융 알루미늄 합금으로 만들어진 제품의 항복강도나 인장강도의 큰 감소 없이 연신율을 보다 향상시킬 수 있게 되며, 연신율 증가에 따른 피로강도의 향상이 가능하고, 제품의 내구성을 증가시키게 된다.

2)기존 열처리 공정에 비해 열처리 시간을 크게 단축하여 비용 및 공정시간을 절감할 수 있게 된다.

Claims

Cu 0.20 중량% 이하, Si 6.5 ~ 7.5 중량%, Mg 0.30 ~ 0.45 중량%, Zn 0.10 중량% 이하, Fe 0.17 중량% 이하, Mn 0.10 중량% 이하, Ni 0.05 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.05 중량% 이하, Sn 0.05 중량% 이하, Cr 0.05 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된 AC4CH 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 실시하는 열처리 방법에 있어서,

상기 AC4CH 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 제품을 530 ~ 550℃의 온도 범위에서 50 ~ 70분간 유지한 후 수냉 또는 공냉하는 것을 특징으로 하는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법.
Cu 2.0 ~ 4.0 중량%, Si 5.0 ~ 7.0 중량%, Mg 0.50 중량% 이하, Zn 1.0 중량% 이하, Fe 0.8 중량% 이하, Mn 0.50 중량% 이하, Ni 0.35 중량% 이하, Ti 0.20 중량% 이하, Pb 0.20 중량% 이하, Sn 0.10 중량% 이하, Cr 0.20 중량% 이하, 그리고 잔부의 Al으로 구성된 AC2B 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 실시하는 열처리 방법에 있어서,

상기 AC2B 알루미늄 합금의 반용융 성형 후 제품을 480 ~ 520℃의 온도 범위에서 220 ~ 260분간 유지한 후 수냉 또는 공냉하는 것을 특징으로 하는 반용융 성형법을 이용하여 제조한 알루미늄 합금 부품의 열처리 방법.