KR101044899B1 - 알루미늄 단조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 단조 방법에 관한 것으로, a) 가열된 소재를 단조하여 단조품을 제조하는 단계와, b) 상기 단조품을 수냉시켜 예비 용체화 처리하는 단계와, c) 상기 예비 용체화 처리된 단조품을 트리밍 후, 적재하고 용체화 처리하는 단계를 포함한다. 이와 같이 구성된 본 발명은 열간단조 후 그 단조품의 잠열을 이용하여 예비용체화처리를 수행함으로써, 이후의 용체화처리 및 시효처리의 가열공정 시간을 단축할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

알루미늄 단조, 용체화, 시효처리

Description

알루미늄 단조 방법{Forging method for aluminum}

본 발명은 알루미늄 단조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간단조 공정에서 사용되는 에너지를 절감하기 위한 알루미늄 단조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄을 가열하여 단조로 특정한 제품의 형상을 가공하는 기술은 알려진 바와 같이 소재의 가열, 열간 단조, 트리밍, 공냉, 용체화처리, 수냉, 시효처리 과정들을 포함하고 있다.

특히 알루미늄 합금의 용체화처리는 석출경화형 합금에서 반드시 필요한 공정이다. 석출경화란 결정 내부에 석출물을 형성시켜 재료의 물성을 향상시키는 방법이다.

알루미늄 합금 내부에 석출물을 형성시키기 위해 먼저 재료를 가열하여 균일한 고용체로 만든 후 급랭하면 제2상을 석출할 수가 없어서 과포화 용질원자가 고용된 불안정한 상태의 단일상으로 된다. 이 처리를 용체화처리(Solution treatment)라고 한다. 불안정한 과포화된 상을 적당한 온도로 가열하면 석출이 시 작되고 안정한 상태로 돌아간다.

　 이와 같이 온도에 의한 용해도의 변화로 모상 중에 용입된 용질원자가 모상의 결정에서 나와서 모상의 결정구조와 다른 구조로 되는 현상이 석출(precipitation)이다. 이 석출에는 원자의 확산을 위한 시간이 필요하므로 석출경화를 시효경화(Age hardening)라고도 하며, 시간경과와 더불어 석출이 진행되면서 경화현상이 일어난다.

이와 같이 석출경화형 알루미늄 합금에는 용체화 처리가 필요하며, 이와 같은 종래 알루미늄 단조 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 알루미늄 단조 방법의 공정순서도이고, 도 2는 도 1의 공정단계별 온도와 시간을 기재한 공정 그래프이다.

도 1과 도 2를 각각 참조하면 종래 알루미늄 단조 방법은, S11단계와 같이 먼저 소재를 500~550℃로 가열하고, S12 및 S13단계에서와 같이 열간단조를 수행한 후, 트리밍 과정을 진행하여 단조품을 제조한다.

이때 열간단조와 트리밍을 수행하는 총시간은 30초 정도이며, 그 열간단조 및 트리밍된 소재는 높은 가열된 상태가 된다.

그 다음, S14단계에서는 상기 열간단조 및 트리밍된 단조품을 공기중에서 식히는 공냉 및 적재 과정을 거치게 된다.

그 다음, S15단계에서는 공냉된 상기 단조품을 다시 승온시켜 단조품을 용체 화 처리시킬 수 있는 준비를 하게 된다. 이때 승온의 최종 목표온도는 용체화처리 온도인 530℃이며, 1.5 내지 2.5시간동안 단조품을 가열하여 그 최종 목표온도에 도달하도록 승온시킨다.

이때 온도를 더 급하게 상승시키는 경우 단조품이 열화되는 문제점이 발생하기 때문에 상대적으로 긴 시간동안 진행해야 한다.

그 다음, S16단계에서와 같이 상기 승온 최종 온도인 530℃에서 하여 용체화 처리한다. 용체화 처리는 약 4시간동안 진행되며, 앞서 설명한 바와 같이 용체처리에 의해 균일한 고용체를 만든다.

그 다음, S17단계에서는 상기 용체화 처리된 단조품을 수냉시키는 수냉공정을 수행하여 과포화 고용체를 생성하며, S18단계에서는 냉각된 단조품을 170℃에서 4 내지 7시간 동안 유지하여 시효처리한다.

상기한 바와 같이 종래 알루미늄 단조 방법은 가열된 소재를 열간단조하기 위하여 가열하고, 그 열간단조 및 트리밍된 단조품을 공냉시킨 후, 다시 용체화처리를 위하여 가열하는 공정을 사용하기 때문에 그 단조품의 공냉과 재가열을 하는 공정시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 냉각된 단조품을 재가열해야 하기 때문에 에너지의 사용량이 상대적으로 많은 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 공정시간을 단축할 수 있으며, 에너지의 사용량을 줄일 수 있는 알루미늄 단조 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 알루미늄 단조 방법은, a) 가열된 소재를 단조하여 단조품을 제조하는 단계와, b) 상기 단조품을 수냉시켜 예비 용체화 처리하는 단계와, c) 상기 예비 용체화 처리된 단조품을 트리밍 후, 적재하고 용체화 처리하는 단계를 포함한다.

본 발명 알루미늄 단조 방법은 열간단조 후 그 단조품의 잠열을 이용하여 예비용체화처리를 수행함으로써, 이후의 용체화처리 및 시효처리의 가열공정 시간을 단축할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 그 용체화처리 및 시효처리의 시간을 단축하여 에너지의 소비를 줄일 수 있어 비용을 절감하고, 단조품의 생산원가를 낮출 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명 알루미늄 단조 방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 단조 공정 순서도이다.

도 3을 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 단조 방법은, 소재를 가열하는 단계(S31)와, 가열된 소재를 열간단조 시켜 단조품을 제조하는 단계(S32)와, 상기 단조품을 이송중 수냉시켜 예비 용체화 처리하는 단계(S33)와, 상기 예비 용체화 처리된 단조품을 트리밍하는 단계(S34)와, 상기 트리밍된 단조품을 적재하고, 승온시키는 단계(S35)와, 상기 승온된 단조품을 그 승온온도에서 유지하여 용체화 처리하는 단계(S36)와, 상기 용체화 처리된 단조품을 수냉하는 단계(S37)와, 상기 수냉된 단조품을 시효처리하는 단계(S38)로 이루어 진다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 단조 방법과 효과에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, S31단계에서는 단조를 위한 알루미늄 소재를 500~550℃로 가열한다. 이때의 가열온도는 하나의 실시예이며 알루미늄 소재를 열간단조하기 위한 적당한 온도로 가열한다.

그 다음, S32단계에서는 상기 가열된 소재를 금형에서 열간단조 처리한다. 열간단조는 약 30초 동안 진행되며, 이때 상기 가열된 소재는 온도가 낮아지기는 하나 용체화 처리가 가능한 온도 영역을 가진다.

도 4는 열간단조된 단조품의 표면과 심부 온도의 변화를 보인 그래프이다.

도 4를 참조하면 소재가 가열로에서 취출 후 열간단조가 완료되는 시점인 30초가 경과하여도 심부온도가 528℃, 표면온도가 525℃로 용체처리 구간인 515 내지 540℃의 범위에 있게 된다.

그 다음, S33단계에서는 상기 열간단조를 통해 제조된 단조품이 컨베이어를 통해 이동할 때 워터 샤워를 사용하여 수냉시킨다. 이때 상기 단조품은 공냉에 비하여 급냉되며, 상기 단조품의 온도가 용체화 처리 온도의 범위에 있기 때문에 그 냉각된 단조품의 조직 또한 용체화 처리된 상태와 유사한 상태가 된다. 본 발명에서는 편의상 이 과정을 예비 용체화 처리로 칭한다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 종래에는 열간단조 후 트리밍 과정 및 공냉시키는 과정을 수행하였으며, 이러한 공냉과정은 그 공정시간이 많이 소요될 뿐만 아니라 단조품의 조직 또한 용체화 처리가 되지 않은 조직의 형상을 그대로 가지고 있게 된다.

도 5는 종래 단조 후 공냉된 종래 단조품의 조직 구조와 본 발명에 의해 예비 용체화 처리된 단조품의 조직 구조를 비교하는 현미경 사진이다.

도 5를 참조하면 본 발명에 의해 예비 용체화 처리된 단조품의 정출물의 입경은 2.5 내지 3.0㎛이고, 종래에는 3.5 내지 4.0㎛로서 정출물의 크기가 감소하였 으며, 특히 본 발명에 의해 예비 용체화 처리된 단조품의 경우 정출물이 조직에 고르게 분포하여 강도 등의 물성이 종래에 비해 더 향상되었음을 확인할 수 있다.

그 다음, S34단계와 같이 예비 용체화 처리된 단조품을 트리밍하고, S35단계와 같이 트리밍된 단조품을 적재한다.

그 다음, S36단계에서는 상기 적재된 다수의 단조품들을 동시에 목표온도인 530℃까지 가열한 후, 그 목표온도를 소정시간 동안 유지하여 용체화 처리한다. 용체화 처리에 필요한 시간은 30분에서 2시간 정도로 종래 4시간의 용체화 처리에 비하여 상당히 단축시킨 경우에도 기계적 특성이 동일 또는 우수한 특성을 나타내는 단조품을 획득할 수 있다.

이는 앞서 S33단계에서 예비 용체화를 통해 조직의 구조를 변경시킨 결과로 용체화 처리의 시간은 단축할 수 있는 것이며, 따라서 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

그 다음, S37단계에서는 용체화 처리된 단조품을 수냉시키는 수냉처리하고, 그 수냉처리된 단조품을 170℃의 온도에서 시효처리한다.

이때의 시효처리에 필요한 시간 또한 종래에 비하여 단축할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 용체화 처리 및 시효처리시간과 그 용체화 및 시효처 리에 의해 제조된 단조품의 기계적 특성을 종래의 방법으로 제조한 단조품과 비교한 비교표이다.

도 6을 참조하면 본 발명은 용체화 처리를 1시간, 시효처리를 3시간 동안 수행한 경우에도, 종래 용체화 처리 4시간, 시효처리 7시간을 수행한 단조품에 비하여 그 기계적 특성이 더 향상되는 것을 알 수 있다.

즉, 본 발명은 용체화 처리를 1시간, 시효처리를 3시간 수행한 단조품의 경우 인장강도(UTS)가 351MPa, 항복강도(YS)가 306MPa, 연신율(EI)가 14%로, 종래 인장강도가 348MPa, 항복강도가 297MPa, 연신율 12.7%에 비하여 더 향상된 기계적인 특성을 나타낸다.

이처럼 본 발명은 단조품의 열을 이용한 예비 용체화 처리를 통하여 본 용체화 처리시간과 시효처리시간은 단축하여 단조에 필요한 에너지의 사용량을 줄여 비용을 절감할 수 있으며, 공정시간 단축에 따른 생산성을 향상시킬 수 게 된다.

도 1은 종래 알루미늄 단조 방법의 공정순서도이다.

도 2는 도 1의 공정단계별 온도와 시간을 기재한 공정 그래프이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 알루미늄 단조 공정 순서도이다.

도 4는 열간단조된 단조품의 표면과 심부 온도의 변화를 보인 그래프이다.

도 5는 종래 단조 후 공냉된 종래 단조품의 조직 구조와 본 발명에 의해 예비 용체화 처리된 단조품의 조직 구조를 비교하는 전자현미경 사진이다.

도 6은 본 발명에 따른 용체화 처리 및 시효처리시간과 그 용체화 및 시효처리에 의해 제조된 단조품의 기계적 특성을 종래의 방법으로 제조한 단조품과 비교한 비교표이다.

Claims (5)

1. a) 가열된 소재를 단조하여 단조품을 제조하는 단계;

   b) 상기 단조품을 수냉시켜 예비 용체화 처리하는 단계;

   c) 상기 예비 용체화 처리된 단조품을 트리밍 후, 적재하고 용체화 처리하는 단계를 포함하는 알루미늄 단조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 예비 용체화 처리는,

   상기 단조품의 온도가 용체화 온도 범위에 있을 때 실시할 수 있도록, 단조 직후 상기 단조품이 이송되는 중에 워터 샤워를 통해 수냉시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 단조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 용체화 처리는 0.5 내지 2시간 동안 진행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 단조 방법.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 c) 단계 후에,

   수냉을 수행하고, 시효처리하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 단조 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 시효처리는,

   170℃에서 3시간 수행하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 단조 방법.

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