KR101147952B1 - 잔류응력 제거 열처리 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 잔류응력 제거 열처리 공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 여러 가지 금속 소재의 가공, 급가열 및 급냉각에 의한 열처리시 금속 내부에 형성되어 소재의 이용시 변형 및 뒤틀림, 균열과 같은 제품 결함의 원인으로 작용하는 재료 내부의 잔류응력을 제거하고 재료의 수명향상과 손상을 줄이기 위하여 새로운 공정의 퀀칭(quenching)조건을 확립하여 변형 및 뒤틀림이 없고 치수정밀도가 높은 제품 생산을 위한 금속 소재의 잔류응력을 효과적으로 제거하기 위한 극저온 처리를 적용한 잔류응력 제거 열처리 공정에 관한 것이다.

Description

잔류응력 제거 열처리 공정{Heat treatment for removing residual stress}

본 발명은 잔류응력 제거 열처리 공정에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 여러 가지 금속 소재의 가공, 급가열 및 급냉각에 의한 열처리시 금속 내부에 형성되어 소재의 이용시 변형 및 뒤틀림, 균열과 같은 제품 결함의 원인으로 작용하는 재료 내부의 잔류응력을 제거하고 재료의 수명향상과 손상을 줄이기 위하여 새로운 공정의 퀀칭(quenching)조건을 확립하여 변형 및 뒤틀림이 없고 치수정밀도가 높은 제품 생산을 위한 금속 소재의 잔류응력을 효과적으로 제거하기 위한 극저온 처리를 적용한 잔류응력 제거 열처리 공정에 관한 것이다.

일반적으로 금속의 급가열 및 급냉각 처리시에 발생하는 내?외부 온도차이에 의해 발생하는 열적 잔류응력(Thermal Residual Stress)은 재료의 물리적기계적 성질에 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 잔류응력은 장시간 방치시 재료의 변형, 뒤틀림, 치수공차 발생과 같은 문제점을 발생시키며 심한 경우 응력부식 균열과 같은 결함을 유발하여 재료의 파단 및 파손의 원인으로 작용하기 때문에 정밀부품소재에 적용이 곤란하다.

이러한 문제점 해소를 위하여 재료 내부 잔류응력의 완화 및 제거를 위한 여러 가지 방법들이 제안되어 이용되고 있다. 특히, 고온 열처리에 의한 풀림열처리, 기계적인 방법에 의한 소성가공법이다. 고온 열처리에 의한 풀림열처리법은 응력 완화에는 크게 기여하지만, 반대로 강도 및 경도의 저하를 일부 수반하기 때문에 경우에 따라서는 기계적?물리적 성질의 손실로 인한 문제점도 발생 할 수 있을 뿐만 아니라 고온열처리로 인한 예기치 못한 또다른 열응력 발생의 요인이 될 수 있다.

상기 기계적방법에 의한 소성가공법은 비가열방식의 효과적인 방법으로서 자기 공명에 기초한 주기적인 진동에너지를 가하는 진동 응력 완화 처리법, 숏블러스팅과 같은 표면에의 압축 응력 형성에 의한 방법이 있으며, 이러한 방법들은 소재표면에 원하지 않은 물리적 손상을 초래할 수도 있다는 단점이 있기 때문에 사용시 주의를 요한다. 특히, 형단조 제품의 경우 용체화처리후 냉간압축에 의하여 잔류응력을 제거하고 있으나 재료의 종류, 제품의 두께 및 형상에 따라 적용에 제한이 있고 형상에 따른 전용 치공구를 필요로 하며 잔류응력의 제거효과도 일정하지 않고 완전하게 제거가 이루어지지 않는 문제점을 갖고 있다.

금속 소재의 잔류응력 제거방법의 예로는 대한민국공개특허공보 제10-2002-005433호에 주철합금을 열처리로 속에 장입하여 560~580℃의 온도에서 2~5시간동안 열처리를 수행한 다음 냉각시키는 주철의 잔류응력 제거 열처리 공정이 개시되어 있고, 대한민국공개특허공보 제10-2003-0044236호에는 스테인레스 열간압연 공정의 조압연스텐드 출측에 폭감응형 이동식 질소개스 분사장치를 설치함과 동시에 열간압연시에 열연판 엣지부100~200㎜부분에 저온고압의 질소개스를 분사하여 이부분의 온도편차를 감소시킴으로써 스테인레스 열간압연판의 뒤틀림 현상을 억제하는 것을 특징으로 하는 스테인레스 열연판의 잔류응력 제거를 위한 열간압연방법이 개시되어 있다.

본 발명은 상기한 종래의 잔류응력제거 방법들의 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로서, 기계적 방법의 이용 또는 고온 풀림 열처리만을 이용하지 않고, 극저온 처리 공정을 이용하여 물리적?기계적 특성의 손실 없이 잔류응력을 제거하기 위한 극저온 냉각 공정을 이용하여 금속 소재의 잔류응력을 효과적으로 제거함으로써 소재에 나쁜 영향을 미치는 잔류응력을 제거하여 소재의 수명향상을 이룸과 동시에 기계적?물리적 특성을 향상시키는 극저온 처리공정을 확립하는 금속소재의 잔류응력 제거 열처리 공정을 제공하는 것을 그 해결과제로 한다.

상기한 과제를 해결한 본 발명의 잔류응력 제거 열처리 공정은 고온 압출처리된 금속소재의 피처리제를 673K~823K 온도범위에서 수직용체화 처리로에서 용체화 최대 2시간 이내로 열처리 한 다음, 상온까지 1차 급냉시키는 제1공정;과 프로세스챔버(process chamber)내에서 액체질소(LN2)를 이용하여 최대 24시간 이내로 극저온처리를 시행하는 제2공정; 및
상기 제2공정에서 극저온처리를 한 금속소재를 스팀스프레이 타입의 스팀 가열장치인 급가열장치를 이용하여 금속소재의 표면을 25℃상온까지 가열한 후, 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 가열하여 0.5~1시간 유지한 후 냉각수로 100℃까지 급냉처리하는 과정을 2회 반복실시한 후, 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 가열한 다음 최대 24시간 동안 유지한 후, 상온으로 공냉하는 제 3공정으로 이루어진다.

여기서, 상기 제1공정의 급냉은 수직냉각방식으로 이루어지며, 용체화온도로 부터 상온에 도달시키는 냉각시간은 0.1 ~ 1시간이내이며, 냉매를 첨가한 냉각수에 장입하여 빠른 속도로 수냉처리하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 냉각시간의 차이는 부품의 크기와 형상에 따라 다르게 나타난다.

여기서, 상기 극저온처리시 프로세스챔버내의 액체질소중의 급냉온도는 77K인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제3공정의 급가열장치는 스팀스프레이 형태의 스팀 가열장치인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 인공시효온도는 423K ~ 473K인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제3공정의 급가열장치는 473K이하의 고온 스팀을 2000bar이하의 분사 압력으로 분사하여 온도차에 의해 소재의 표면에 형성되는 수증기 응결층을 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 3공정은 0.5~1hr범위내에서 인공시효온도까지 1차 가열처리후 100℃까지 액온 25℃의 냉각수로 급냉처리하고, 상기 인공시효온도로 동일한 시간동안 2차 가열처리하고 100℃까지 급냉처리후 다시 상기 인공시효온도로 3차 가열처리하여 최대 24hr까지 시효열처리를 실시한 다음 공냉시킨다.

여기서, 상기 제3 공정에서 공냉시간은 30분 ~ 12시간 이내인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 금속소재는 마그네슘, 티타늄, 알루미늄과 같은 비철금속재료 또는 철강재료중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열처리 공정은 금속재료를 고온의 용체화처리 후 상온까지 급냉한 다음, 액체질소 온도영역까지 극저온처리를 실시하고 다시 고온의 스팀을 이용하여 최고 473K까지 가열처리를 실시하는 공정을 이루게 된다.

이 공정에 의하여 제조된 소재부품은 통상의 열처리시 재료내부에 잔존하게 되는 잔류응력을 제거함으로서 차후에 발생하게 되는 소재의 변형, 뒤틀림, 치수변화, 균열과 같은 결함의 발생위험을 없애고 소재의 품질 안정화와 더불어 수명향상, 기계적물리적 특성의 향상을 이루게 될 뿐만 아니라 소재의 수명 향상에 따른 비용 절감의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 금속조직의 결정립 미세화도 동시에 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다.

또한, 본 발명은 마그네슘, 티타늄, 알루미늄과 같은 다른 비철금속재료와 철강재료의 극저온열처리에도 이용할 수 있으며, 이러한 비철금속재료를 이용한 수소가스용기, 일반 산업기기용 유공압 실런더 부품, 가스 및 송유관 부품에 적용이 가능하다.

도 1은 종래의 시효경화 열처리 조건을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 방법에 따른 열처리 조건을 나타낸 것이다.
도 3은 종래의 용체화 처리시간에 따른 금속조직의 변화와 본 발명의 극저온 냉각 처리 후의 조직사진을 비교한 사진이다.
도 4는 본 발명에 사용되는 용매별 급가열 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명에 사용되는 극저온처리 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 사용되는 급가열장치의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 공정과 종래 공정의 열처리후 냉각방법에 따른 잔류응력값 변화의 차이를 도시한 그래프이다.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 알루미늄 시효경화 열처리 조건을 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 방법에 따른 열처리 조건을 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명의 열처리 공정에 따른 알루미늄의 시간별 시효경화 처리후 조직사진이며, 도 4는 본 발명에 사용되는 용매별 급가열 특성을 도시한 그래프이며, 도 5는 본 발명에 사용되는 극저온처리 장치의 개략도이며, 도 6은 본 발명에 사용되는 급가열장치의 개략도이며, 도 7은 본 발명의 공정과 종래 공정의 열처리후 냉각방법에 따른 잔류응력값 변화의 차이를 도시한 그래프이다.

본 발명은 금속 소재의 잔류응력을 효과적으로 제거하기 위한 것으로, 특히 열처리형 알루미늄합금에 가장 효과적인 열처리 공정이다.

열처리형 알루미늄합금의 경우 도 1에 도시된 바와 같이, 용체화 열처리 후, 시효경화 열처리를 실시하여 고강도 알루미늄 합금을 얻게 된다. 이때, 용체화처리 과정에서 발생하는 잔류응력은 기계가공과 같은 최종 제작공정까지 영향을 미치어 치수정밀도의 저하 또는 형상의 변형을 유발하게 되며, 심한 경우 균열발생의 원인으로 작용하여 제품을 파손 및 파괴까지 도달하게 한다.

따라서, 제품의 치수정밀도 향상을 위하여 가공전에 잔류응력을 제거해야 한다.

알루미늄의 경우 잔류응력은 T6 열처리 과정을 거치면서 응력완화 현상이 발생하지만, 완전한 제거가 이루어지지 않고 재료 내부에 잔존하며 차후에 재료의 이용시 사용조건에 따라 변형 또는 결함 발생의 원인으로 작용하는 경우가 있기 때문에 기능성 부품소재로 이용할 때에는 잔류응력의 완전한 제거 또는 최소화 시키는 노력이 수반되어야 한다.

여기서, T6 처리란 용체화처리후 인공시효처리하는 열처리과정을 의미한다.

이런 잔류응력으로 인한 문제점은 알루미늄뿐만 아니라 철강재료 및 다른 여러 가지 재료에도 똑같이 적용되어지는 문제로서 본 발명에 의하여 열처리 공정은 다른 소재에도 적용가능한 방법이다.

본 발명은 소재에 나쁜 영향을 미치는 잔류응력을 제거하여 소재의 수명향상을 이룸과 동시에 기계적?물리적 특성을 향상시키는 극저온 처리공정을 확립하는 것이다.

본 발명은 압출 제품 생산시 출구부 항온 유지 시스템을 구축하여 제품의 생산시 발생하는 변형을 최소화시키는 공정과, 생산 후 이루어지는 용체화 처리시 소재에 잔존하게 되는 잔류응력의 완전 제거를 이루게 되는 응력제거 공정으로 이루어진 응력제거를 위한 극저온 공정이다.

이를 도 2를 참조하여 설명하면, 크게 용체화처리, 극저온처리 및 인공시효처리단계를 거쳐 완성된다.

보다 상세하게 금속소재의 압출시 출구의 온도를 빌렛의 크기와 제품의 길이, 압출속도에 따라서 673K~823K범위에서 일정하게 유지시키고, 소재의 변형방지를 위하여 히팅챔버를 이용하여 빌렛 장입하는 동안 일정한 온도를 유지하여 온도편차 발생을 최소화시킨 고온 압출처리된 금속소재를 673K~823K 온도범위에서 수직용체화 처리로에서 최대 2시간 이내로 용체화 열처리 한 다음, 상온까지 1차 급냉시키는 제1공정(Condition 1 및 Condition 2);과 프로세스쳄버(process chamber)내에서 액체질소(LN2)를 이용하여 최대 24시간 이내로 극저온처리를 시행하는 제2공정(Condition 3); 및
상기 제2공정에서 극저온처리를 한 금속소재를 스팀스프레이 타입의 스팀 가열장치인 급가열장치를 이용하여 금속소재의 표면을 25℃상온까지 가열한 후(Condition 4), 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 가열하여 0.5~1시간 유지한 후 냉각수로 100℃까지 급냉처리하는 과정을 2회 반복실시한 후, 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 가열한 다음 최대 24시간 동안 유지한 후, 상온으로 공냉하는 제 3공정(Condition 5 및 Condition 6)으로 이루어진다.

이때, 상기 용체화 처리로에서의 용체화 온도는 3 ~ 5K/min으로 673K~823K 온도범위내로 승온시켜 도달시킨 다음 유지시키는 것이다.

상기 제1공정의 급냉은 수직냉각방식으로 이루어지며, 제조하는 부품의 크기와 형상 및 두께에 따라 냉각시간의 변화가 발생하며, 동일한 크기와 형상 및 두께를 가지는 부품이라면 그 냉각시간은 동일하게 적용되어 진다. 이는 질량효과(mass effect)에 기인하는 것으로, 바람직하게는 적용되어지는 부품의 크기와 형상 및 두께에 따라, 용체화온도로부터 상온에 도달시키는 냉각시간은 0.5 ~ 1시간 이내에 냉각이 이루어지도록 하는 것이며, 냉매를 첨가한 냉각수에 장입하여 빠른 속도로 수냉처리하는 것이다.

이때, 용체화온도로 부터 상온에 도달하는 소요시간은 소재의 크기와 형상에 따라 다르지만, 냉매를 첨가한 냉각수에 장입하여 빠른 속도로 수냉처리한다. 온도차가 매우 커질 경우 소재 표면에 기포가 발생하여 표면부 냉각지연뿐만 아니라 불균일 냉각이 발생하여 물성치의 불균일 분포 및 저하를 초래할 수 있기 때문에 충분한 교반을 해준다. 이때, 냉각조에는 냉매와 냉각수가 혼합되어 충분히 교반이 이루어질 수 있도록 냉각조 내측에는 환상의 노즐이 8개가 설치되어 강제 순화시키어 냉각이 이루어진다. 상기 냉매로는 에티렌글리콜을 사용하며, 상기 에틸렌글리콜은 기포발생 억제와 균일 냉각을 위하여 첨가한다.

본 발명에 따르면, 상기 제2공정은 도 5에 도시된 바와 같은, 액체질소를 사용한 극저온처리장치를 이용하여 상온으로 급냉처리된 금속소재를 상온으로부터 액체질소 온도범위까지 급냉처리하는 과정이다. 금속소재를 프로세스쳄버에 넣고, 액체질소를 쳄버내로 공급한 다음, 액체질소 내에서 유지시간은 금속소재의 크기 및 형상에 따라 24hr.이내까지 충분히 유지시켜준다. 보다 바람직하게는 사용되는 금속소재들의 기계적 특성 및 물리적 특성들의 저하를 초래하지 않기 위하여 6 ~ 24시간 유지하는 것이 좋다.

상기 급냉공정에 의한 극저온처리는 철강의 경우 잔류오스테나이트를 제거함으로서 잔류오스테나이트에 의한 변형을 방지하고 조직의 미세화와 내마모성을 향상시키고 잔류응력의 제거효과를 얻게 되며, 알루미늄합금의 경우 잔류응력의 감소와 결정립 미세화효과를 얻을 수 있게 된다.

상기 제2공정에서 극저온처리시 프로세스쳄버 내의 액체질소의 급냉온도는 -196℃를 유지한 상태에서 급냉이 이루어진다.

본 발명에 따르면, 상기 제3공정은 액체질소내에서 극저온처리한 소재를 고온 스팀을 이용하여 소재 표면에 골고루 고압분사하여 가열처리하는 단계로서 3회에 걸쳐서 반복가열처리를 실시한다. 이 공정은 473K이하의 고온 스팀을 2000bar이하의 분사압력으로 분사하여 온도차에 의해 소재 표면에 형성되는 수증기 응결층을 제거하고 소재를 423K이상 473K이하의 온도범위까지 가열하여 0.5~1시간 유지한후 100℃까지 냉각수에 의한 급냉처리하고, 다시 동일한 과정을 거치어서 공냉하고, 423K이상 473K이하의 온도범위까지 재가열하여 최대 24hr.까지 유지가열처리후 공냉처리하는 것이 바람직하다. 여기서, 사용되는 급가열장치는 금속소재의 균일한 열량공급을 위하여 도 6에 예시한 바와 같은 스팀스프레이 타입의 스팀 가열장치를 사용하는 것이 좋다.

상기 급가열처리시 고온의 증기를 분사할 때, 분사를 위한 노즐간 거리와 분사노즐의 크기는 분사유량과 고온 증기에 의한 가열속도에 영향을 미치는 주요인자이다. 분사노즐과 소재와의 이격거리는 소재의 크기에 따라 다양하게 변화가 가능한 가변식으로 설치하며, 표면과 노즐입구와의 최대거리는 50cm이내로 한다. 이때, 증기의 분사압력은 2000bar 이내의 범위내에서 소재의 크기와 형상에 따라 결정하게 된다. 이때, 고온스팀에 의한 가열속도는 재료의 형상과 크기에 따라 20~40℃/sec의 범위 내에서 설정하여 처리한다.

상기 가열처리에 이용하는 급가열 용매로는 끓는물(BW), 에틸렌글리콜(EG), 고온스팀(Steam)을 사용할 수 있으며, 이들의 급가열 특성은 도 4에 도시된 바와 같다.

보다 바람직하게는 상기 고온스팀은 T4 열처리에 이용한 것과 같이 냉매(에틸렌 글리콜)를 첨가한 냉각수를 이용한다. 냉매를 첨가한 고온스팀은 소재 표면에서의 고체얼음 형성 방지와 표면의 효과적이고 균일한 가열을 위하여 이용한다.

일반적으로 액체질소중에 냉각된 소재를 끓는 물에 넣으면 표면에 얼음이 발생하여 효과적으로 가열처리가 어렵게 된다. 이러한 문제점의 해소를 위하여 냉매(에틸렌글리콜)가 혼합된 고온스팀을 소재 표면에 분사하여 표면에의 얼음 형성을 방지하고 균질가열 처리를 하도록 하는 것이다.

상기와 같은 극저온 냉각공정을 이용하면, 압출과 용체화처리시에 소재 내부 에 발생한 잔류응력이 액체질소온도에서 부터 473K 고온스팀온도까지 급상승하여 반복가열하면서 발생하는 큰 폭의 온도차(350K~400K)로 인한 내부 응력의 상쇄작용에 의하여 응력의 제거 및 소멸이 이루어지게 된다.

즉, 잔류응력이 존재하는 재료를 가열하여 용체화온도까지 상승시켜 유지시키면 시간이 경과에 따라서 잔류응력은 점차 감소하고, 최후에는 대부분의 잔류응력이 제거된다. 시효과정을 통하여 응력이 감소되어 제거되기 까지는 매우 많은 시간을 필요로 하기 때문에 실질적인 이용에는 큰 도움이 되지 못한다. 일반적으로 알루미늄의 경우 급냉과 시효처리에 의한 석출경화 현상에 의하여 기계적 특성이 향상되지만 그에 따라 내부의 잔류응력은 증가하게 된다. 이와 같이 재료를 고온에서 저온으로 급냉처리(quenching)하거나 저온에서 고온으로 20~40℃/sec의 가열속도로 급열처리(uphill)하게 되면 재료의 표면과 내부의 국부적인 소성변형으로 인하여 재료 내부에 잔류응력이 발생하게 된다. 즉, 급냉시에는 표면부에 압축응력이 발생하게 되고 내부에는 인장응력이 발생하게 된다. 반면에 급열시에는 표면부에 인장응력이 발생하고 내부에는 압축응력이 발생하게 된다. 이러한 응력의 변화를 이용하여 용체화 처리된 재료를 액체질소를 이용하여 극저온까지 심냉처리를 실시한 다음에 고온의 증기를 이용하여 급가열처리하게 되면 잔류응력이 제거되게 된다. 즉, 이 방법은 재료의 형상변화와 기계적?물리적 성질의 변화를 수반하지 않는 잔류응력 제거 방법으로서 매우 효과적인 방법이다.

본 발명에 일실시예로서 적용되는 알루미늄합금을 사용하여 잔류응력을 제거를 위한 열처리를 실시하였으며, 이는 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

본 발명에 의한 알루미늄합금의 열처리 공정을 설명하면, 알루미늄 합금의 압출시 출구의 온도를 빌렛의 크기와 제품의 길이, 압출속도에 따라서 673K~823K범위에서 일정하게 유지시키고, 소재의 변형방지를 위하여 히팅챔버를 이용하여 빌렛 장입하는 동안 일정한 온도를 유지하여 온도편차 발생을 최소화시켜준다.

특히, 압출시 금형의 과열을 방지하고 금형의 수명을 향상을 위해서 금형부에 질소공급장치를 설치하여 일정한 압력(최대 35kg/㎟)으로 공급하여준다. 질소공급은 금형의 과열을 방지함으로써 금형의 수명을 향상시킬 뿐만 아니라 알루미늄 표면의 산화로 인한 얼룩방지, 제품의 표면조도 향상 효과도 얻게 된다.

다음으로, 생산된 알루미늄 합금 제품을 약 673K~823K온도범위에서 수직용체화 처리로에서 2시간 용체화 열처리 한 다음 상온까지 1차 급냉시킨다.

상기 1차 급냉시킨 알루미늄 합금 제품을 극저온처리장치의 프로세스쳄버에 넣고, 액체질소를 공급하여 액체질소내에서 -196℃ 조건에서 24시간 급냉처리 후, 상기 급냉처리된 알루미늄 합금 제품을 스팀챔버에서 473K의 고온스팀을 분사하여 최대 3℃/min로 급가열처리후 0.5~1hr. 유지한 후 100℃까지 급냉하고, 동일 조건으로 급가열후 0.5~1hr. 유지 후 100℃까지 냉각한 다음 인공시효온도까지 급가열하여 24시간동안 유지한 후 상온으로 공냉시킨다.

이상에서와 같이 열처리된 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 제품의 용체화 열처리 후의 조직과 도 1의 일반적이 용체화처리(T6) 처리한 재료의 조직을 비교하여 보았으며, 그 결과는 첨부도면 도 3에 도시된 바와 같다.

도 3을 살펴보면, 도 3의 (A)는 일반적인 T6 처리한 재료의 조직사진이고, (B)는 본 발명의 방법에 따른 열처리 후의 조직사진으로, 양 조직사진을 비교하여 보면 결정립의 크기가 일반적인 T6 처리시(A)는 외부결정립크기가 20㎛, 내부 결정립 크기가 25㎛ 수준이었고, 본 발명의 방법에 따른 열처리시(B)는 외부결정립크기가 9.1㎛, 내부결정립크기가 13.3㎛수준을 나타내었다. 이러한 결과로부터, 일반적인 T6 처리에 의한 것보다 본 발명의 다단계 극저온 냉각 공정의 결정립의 크기가 훨씬 미세함을 알 수 있다. 또한 2차 석출 입자상이 매우 미세하고 균일하게 분포되어 있음을 알 수 있다.

한편, 미세한 입자상이 결정립계와 결정립 내부에 균일하게 분포함으로써 내부 잔류응력의 분포를 균일하게하고 응력완화에 큰 기여를 하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 조직사진을 살펴볼 때, 본 발명의 열처리방법에 따른 제품의 잔류응력의 분포를 균일하게 하고, 우수한 응력완화효과를 얻을 수 있다.

이상에서 열처리된 본 발명의 알루미늄 합금 제품과 종래의 일반적인 수냉처리한 소재, 그리고 T6 열처리한 소재의 잔류응력을 측정하여 비교하여 보았으며, 그 결과는 도 7에 도시된 바와 같다.

본 발명에 이용된 잔류응력 측정법은 X-선측정방법을 이용하였으며, FEM(유한요소해석법)에 의한 시뮬레이션 결과와 비교하여 도 7에 도시하였다.

측정부위는 제품의 상?중?하단의 3부위를 선택하여 측정하여 각 부위의 측정된 잔류응력값을 그림으로 나타낸 것이다.

도 7에서 보여 지는 바와 같이, 본 발명에 따라 극저온 처리후의 잔류응력 분포도를 측정한 결과, 본 발명의 열처리 제품이 기존의 수냉법과 T6 열처리한 소재보다 매우 낮은 잔류응력 값을 나타내었으며, 이와 같은 낮은 잔류응력값은 후처리 가공 또는 사용중에 잔류응력으로 인하여 발생하는 소재의 뒤틀림과 같은 변형을 방지하며, 가공성을 향상시키어주는 효과를 얻게 해준다.

Claims (8)

1. 고온 압출처리된 금속소재의 피처리재를 673K~823K 온도범위에서 수직용체화 처리로에서 최대 2시간 이내로 용체화 열처리 한 다음, 상온까지 1차 급냉시키는 제1공정;
   프로세스쳄버(process chamber)내에서 액체질소(LN2)를 이용하여 최대 24시간 이내로 극저온처리를 시행하는 제2공정; 및
   상기 제2공정에서 극저온처리를 한 금속소재를 스팀스프레이 타입의 스팀 가열장치인 급가열장치를 이용하여 금속소재의 표면을 25℃상온까지 가열한 후, 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 가열하여 0.5~1시간 유지한 후 냉각수로 100℃까지 급냉처리하는 과정을 2회 반복실시한 후, 다시 인공시효온도까지 상기 급가열장치를 이용하여 급가열한 다음 최대 24시간 동안 유지한 후, 상온으로 공냉하는 제3공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1공정의 급냉은 수직냉각방식으로 이루어지며, 용체화온도로 부터 상온에 도달시키는 냉각시간은 0.1 ~ 1시간 이내이며, 냉매를 첨가한 냉각수에 장입하여 수냉처리하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 극저온처리시 프로세스쳄버내의 액체질소의 급냉온도는 77K인 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 인공시효온도는 423K ~ 473K인 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3공정의 급가열장치는 473K이하의 고온 스팀을 2000bar이하의 분사 압력으로 분사하여 온도차에 의해 소재의 표면에 형성되는 수증기 응결층을 제어하는 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3 공정에서 공냉시간은 0.5 ~ 12시간 이내인 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 금속소재는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄, 구리와 같은 비철금속재료 또는 철강재료중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 잔류응력 제거 열처리 공정.
   
   
   
   
   
   
   
   

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