KR101571665B1 - 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용한 다이캐스팅 제품의 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전체 조성물 중량에 대하여, 구리(Cu) 1.5~5.0중량%, 규소(Si) 7.5~18.0중량%, 주석(Sn) 0초과~0.3중량%, 아연(Zn) 0초과~2.0중량% 및 잔부의 알루미늄(Al) 등을 포함하는 알루미늄 조성물 또는 당업계에 공지된 어떠한 알루미늄 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 450~470℃까지 가열하는 승온 단계; 상기 450~470℃로 승온된 알루미늄 합금을 15~30분 동안 유지하는 용체화 단계; 상기 용체화된 알루미늄 합금을 상온으로 급랭하는 ?칭 단계; 상기 ?칭된 알루미늄 합금을 가열하여 일정온도를 유지하는 인공시효 단계; 및 상기 인공시효된 알루미늄 합금을 상온으로 냉각하는 냉각 단계; 등을 포함함으로써, 블리스터 등의 발생 없이 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금의 강도 및 물성 등을 향상시킬 수 있는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.

Description

다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법{Aluminum alloy composition for die casting and method for heat treatment of manufacturing aluminum alloy using thereof}

본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 시 블리스터(blister) 등이 발생하지 않는 최적의 구성성분과 함량을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물과 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄(Al)은 주조가 용이하며 다른 금속과 합금이 잘 합금되고 상온 및 고온 가공이 용이하며, 대기 중에서 내식력이 강하고 전기 및 열의 전도성 등이 우수하여 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.

특히, 최근 들어 차량의 중량절감 및 연비향상 등을 위하여 알루미늄이 많이 사용되고 있으며, 알루미늄 자체는 다른 금속들에 비하여 강도가 높지 않기 때문에 알루미늄에 다른 금속을 혼합한 알루미늄 합금(Aluminum alloy)이 많이 사용된다.

또한, 알루미늄 합금은 알루미늄(Al)에 구리(Cu), 규소(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 철(Fe), 망간(Mn), 니켈(Ni) 및 주석(Sn) 등의 다른 금속을 일정 비율로 혼합하여 형성되는데, 혼합하는 금속의 종류 및 함량에 따라 실루민 및 라우탈과 같은 주조용 알루미늄 합금과 두랄루민, 하이드로날륨 및 알민 등의 가공용 알루미늄 합금으로 구분할 수 있다.

또한, 이와 같은 알루미늄 합금을 이용하여 제품을 생산하기 위한 방법으로 다이캐스팅(die casting)이 많이 사용되는데, 다이캐스팅은 필요한 주조형상에 맞추어 정확하게 기계가공된 금형에 용융금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조방법이다.

앞서 설명한 다이캐스팅에 따르면, 생산되는 제품의 치수가 정확하므로 다듬질할 필요가 거의 없고 기계적 성질이 우수하며, 대량생산이 가능하고 생산 비용이 저렴하기 때문에 높은 양산성을 가지고 자동차부품, 전기기기, 광학기기 및 계측기 등 여러 분야에서 많이 이용되고 있다.

한편, 금속 또는 합금에 요구되는 성질인 강도, 경도, 내마모성, 내충격성 및 가공성 등의 제반 성능을 부여하기 위한 목적으로 승온과 냉각의 조작을 여러 가지로 조합시키는 열처리가 사용되고 있으며, 상기 열처리는 금속 또는 합금의 재결정, 원자의 확산 및 상변태(相變態) 등을 이용한다.

즉, 이러한 열처리는 일반적으로 금속 재료의 강도나 경도를 증가시키거나, 내부 응력을 제거하는 등의 목적으로 사용되며, 열을 가하거나 냉각하는 온도와 시간 및 속도 등을 조절함으로써 재료의 성질을 개선하거나 특별한 성질을 부여하게 되며, 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing) 및 불림(Nomalizing) 등의 열처리 방법들이 있다

특히, 앞서 살핀 바와 같이 알루미늄은 매우 가볍고 가공성과 내식성이 우수하고 열, 전기 전도성 등이 우수한 특징이 있으나, 다른 금속에 비하여 상대적으로 강도가 약하여 순수금속으로는 사용하기가 매우 어렵기 때문에 용도에 따라 합금 처리하여 사용하거나 또는 일부 합금 처리된 알루미늄의 경우 열처리를 통하여 강도 및 경도를 높이거나 응력을 경감 또는 제거하기도 한다.

알루미늄 합금의 강도를 높이는 알루미늄 합금의 강화기구는 크게 고용강화(Solid solution strengthened), 석출강화(Precipitation strengthened) 및 분산강화(Dispersion strengthened)의 세가지로 분류된다.

상기 석출강화에는 용체화 과정이 있는데, 합금 내 분포하고 있는 용질들을 알루미늄 기지(Al-α) 내에 녹인 후 급냉하여 과포화 고용체를 만드는 과정을 의미한다. 이때 용체화 과정은 공정온도 이하의 온도에서 진행되며, 용체화 온도와 시간 등에 따라 알루미늄 기지 내에 고용되는 용질들의 양이 달라진다.

상기 과포화 고용체를 상온에 방치하면, 시간이 지남에 따라 서서히 제2상을 석출하게 되는데 이러한 과정을 시효(aging), 상온시효 또는 자연시효라고 한다. 상기 시효 과정보다 조금 더 높은 온도로 승온하게 되면 과포화 고용체가 분해되어 제2상이 좀 더 빠르게 석출되는데 이것을 인공시효 혹은 고온시효라고 한다.

또한, 상기 석출강화에서 생성된 과포화 고용체에 활성화 에너지를 가하게 되면 용질 원소들은 확산을 일으키게 되며, 상기 확산된 용질 원소들이 모여 클러스터(cluster) 및 GP 구역(zone)을 형성하고, 상기 클러스터 및 GP 구역이 전위의 이동을 방해하여 알루미늄 합금의 강도를 강화시키게 된다. 상기 석출강화에 의한 강도향상은 반정합 상태인 결정격자의 왜곡이 최대가 되었을 때 극대화 되며, 시효처리가 진행됨에 따라 반정합 상태에서 점차 부정합 형태로 되고 강도가 줄어들게 된다.

알루미늄 합금에서 석출강화에 주로 사용되는 원소는 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si) 및 아연(Zn) 등으로, 각각의 원소들은 Al₂Cu, Mg₂Si 및 MgZn₂ 등과 같은 성질이 다른 석출상을 형성할 수 있다. 또한, 상기 석출상의 종류에 따라서 고용 정도 및 출현온도가 다르기 때문에 합금 종류에 따라서 열처리 온도를 달리하게 된다. 일반적으로 Mg₂Si는 약 595℃, Al₂Cu 약 548℃에서 출현하고, MgZn₂ 는 비교적 낮은 온도에서 출현한다.

한편, 다이캐스팅과 같은 고속고압 주조의 경우, 금형 내에 용탕 주입 시, 상기 용탕은 고속 고압의 환경속에서 난류충진(turbulent flow)을 하며 주입되고, 이 과정에서 압축 기체들이 용탕 내부로 유입되어 제품 내부에 기포를 형성할 수 있다. 또한 알루미늄 합금의 응고 시 부피 감소로 인한 수축공(shrinkage)과 같은 결함이 제품 후육부에서 발생하기도 한다.

즉, 다이캐스팅 공법으로 만든 제품은 용융된 알루미늄 합금을 금형 내부에 주입하는 공정 특성상 제품화된 알루미늄 합금 내부에 압축공기가 일부 포함될 수 있으며, 상기 알루미늄 합금 내부에 포함된 압축공기는 다이캐스팅 공정 완료 후 내부에 기포로 존재하게 되며 열처리 후 블리스터로 성장하게 되는 문제가 있다.

보다 구체적으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 일반 다이캐스팅으로 제조된 열처리 전 알루미늄 합금(1) 내부에는 일부 기포(2)가 포함될 수 있으며, 만약 이러한 알루미늄 합금을 열처리하면 고온의 열이 가해지는 과정에서 기포(2)가 팽창하면서 열처리 후의 알루미늄 합금(3) 표면 외측으로 부풀어져 나온 블리스터(blister)(4)를 형성하게 되어, 제품성이 저하되기 때문에 알루미늄 합금을 열처리하는데 장애가 있어서 알루미늄 합금의 강도 향상이 제한되었다.

한편, 알루미늄 합금은 혼합되는 금속의 종류 및 양에 따라 1000계 내지 8000계로 분류할 수 있는데, 순도 99.0% 이상의 순수 알루미늄(Al)인 1000계, 알루미늄(Al)과 구리(Cu)의 합금 계열인 2000계, 알루미늄(Al)과 망간(Mn)의 합금 계열인 3000계, 알루미늄(Al)과 규소(Si)의 합금 계열인 4000계, 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg)의 합금 계열인 5000계, 알루미늄(Al)과 마그네슘(Mg) 및 규소(Si)의 합금 계열인 6000계, 알루미늄(Al)과 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)의 합금 계열인 7000계, 알루미늄(Al)과 기타 원소의 합금 계열인 8000계 등으로 분류될 수 있다.

이 중에서 알루미늄 합금에 열처리 공정을 진행할 수 있는지 여부에 따라 열처리 합금(2000계, 6000계 및 7000계) 또는 비열처리 합금(1000계, 3000계, 4000계 및 5000계) 등으로 분류될 수 있다.

상기 2000계, 6000계 및 7000계의 열처리 알루미늄 합금은 기본적으로 다양한 열처리 공정을 거쳐 강도를 높이거나 응력을 제거하는 등 필요로 하는 물성을 얻을 수 있다.

종류	방법
T1	고온가공 → 냉각 → 자연시효
T2	고온가공 → 냉각 → 가공 → 자연시효
T3	용체화 처리 → 냉간가공 → 자연시효
T4	용체화 처리 → 자연시효
T5	고온가공 → 냉각 → 인공시효 경화
T6	용체화 처리 → 인공시효 경화
T7	용체화 처리 → 안정화
T8	용체화 처리 → 냉간가공 → 인공시효 경화
T9	용체화 처리 → 인공시효 경화 → 냉간가공
T10	고온가공 → 냉각 → 냉간가공 → 인공시효 경화

상기 표 1은 알루미늄 합금에 대한 일반적인 열처리 공정의 종류와 방법을 정리한 표이다. 이와 같은 열처리 공정 중 T6 방법은 열처리 알루미늄 합금에 사용되는 대표적인 열처리 방법으로, 용체화 처리로 용해시킨 화합물을 석출함으로 경도와 기계적 강도를 향상시키기 위하여 사용되며, 일반적인 T6 열처리 공정이 도 3에 도시되어 있다.

즉, 혼합되는 금속의 종류 및 양과 사용되는 부품의 형상 별로 상이하기는 하지만, T6 열처리 공정은 알루미늄 합금을 약 460~520℃의 온도에서 약 2~5시간 동안 용체화(Solution Treatment) 처리를 하고, 상온의 물 등에서 ?칭(Quenching)을 하고, 다시 약 160~200℃의 온도에서 약 1~10시간 동안 인공시효(Aging) 처리를 하는 단계를 거치면, 알루미늄 합금의 강도 및 경도 등을 향상시킬 수 있게 된다.

그러나, 위와 같은 T6 열처리 공정은 열처리 공정이 가능한 일부 알루미늄 합금(2000계, 6000계 및 7000계)에 대해서만 가능한 방법이기 때문에, 다양한 종류의 금속 혼합물이 섞인 기타 알루미늄 합금에 대해서는 열처리 공정을 할 수 없었다. 특히, 다이캐스팅(die casting) 공정을 거쳐 생산된 알루미늄 합금의 경우에는 제품 내부에 압축공기의 유입으로 인한 기포가 있는 상태에서 열처리 공정을 진행하면 블리스터가 발생하였다.

이에 따라, 본 발명자는 일반 다이캐스팅 공정을 거쳐 생산된 알루미늄 합금에 블리스터 등이 생성되지 않는 열처리를 가능하게 하는 알루미늄 합금 조성물 및 상기 알루미늄 합금 조성물을 이용한 다이캐스팅 제품의 열처리 방법을 개발하였다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 일반적으로 다이캐스팅을 통하여 제조된 알루미늄 합금의 강도 향상 및 물성 확보 등을 위한 열처리를 가능하도록 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법을 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전체 조성물 중량에 대하여, 구리(Cu) 1.5~5.0중량%, 규소(Si) 7.5~18.0중량%, 주석(Sn) 0초과~0.3중량%, 아연(Zn) 0초과~2.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.65중량% 이하, 철(Fe) 1.3중량% 이하, 망간(Mn) 1.0중량% 이하 및 니켈(Ni) 1.0중량% 이하 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순 등을 포함하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 제공한다.

한편, 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금의 열처리 방법은 상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 450~470℃까지 가열하는 승온 단계; 상기 450~470℃로 승온된 알루미늄 합금을 15~30분 동안 유지하는 용체화 단계; 상기 용체화된 알루미늄 합금을 상온으로 급랭하는 ?칭 단계; 상기 ?칭된 알루미늄 합금을 가열하여 일정온도를 유지하는 인공시효 단계; 및 상기 인공시효된 알루미늄 합금을 상온으로 냉각하는 냉각 단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 승온 단계의 승온 시간은 20분 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 ?칭 단계는 용체화된 알루미늄 합금은 고온의 유체 또는 분무된 물 등으로 냉각하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 인공시효 단계는 ?칭된 알루미늄 합금을 약 160~200℃에서 약 6~14시간 동안 가열하여 유지하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 효과는, 일반적인 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금에 본 발명에 따른 열처리 방법을 적용함으로써 상기 알루미늄 합금 내부에 함유된 기포의 팽창을 방지하여 블리스터의 생성을 억제할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금에 대한 열처리가 가능하여 알루미늄 합금의 강도 및 물성 등을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 열처리 방법이 적용된 알루미늄 합금을 자동차 변속기와 같은 자동차용 부품으로 사용할 수 있기 때문에 자동차의 중량 저감 및 연비 향상의 효과 등을 달성할 수 있으며, 특히 변속기 등의 조작력 및 변속감 등을 개선할 수 있다.

도 1은 블리스터의 발생을 보여주는 개략도이다.
도 2는 발생된 블리스터의 사진이다.
도 3은 알루미늄 합금의 종래 열처리 방법을 나타낸 그래프이다.
도 4는 알루미늄 합금 조성물에 포함된 아연의 함량에 따른 알루미늄 합금의 열처리 전과 후의 경도를 비교한 그래프이다.
도 5는 비파괴 분석 방법인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)과 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Energy Disperse X-ray Spectrometer)가 결합된 SEM-EDS를 이용하여 아연(Zn)의 고용강화를 확인하기 위한 알루미늄 합금 내에 고용된 원자의 양을 비교한 그래프이다.
도 6은 시차주사 열량측정법인 DSC(differential scanning calorimetry)를 이용하여 온도와 아연(Zn)의 함량에 따른 석출상의 반정합 상태의 중간상인 θ’(Al₂Cu), θ”(Al₂Cu), β’(Mg₂Si) 및 η’(MgZn₂)의 존재와 양을 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 블리스터의 억제효과를 보여주는 개략도이다.
도 9는 온도별 용체화 시간에 따른 경도를 비교한 그래프이다.
도 10은 파단강도를 측정하기 위한 장치를 도시한 개략도이다.
도 11은 파단강도 측정 결과의 그래프이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 표 및 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물 및 이를 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이며, 일 관점에서, 본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물에 관한 것이다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성물은 전체 조성물 중량에 대하여, 구리(Cu) 1.5~5.0중량%, 규소(Si) 7.5~18.0중량%, 주석(Sn) 0초과~0.3중량%, 아연(Zn) 0초과~2.0중량% 및 잔부의 알루미늄(Al) 등을 포함하는 것을 특징으로 하며, 필요에 따라 마그네슘(Mg) 0.65중량% 이하, 철(Fe) 1.3중량% 이하, 망간(Mn) 1.0중량% 이하 및 니켈(Ni) 1.0중량% 이하와 불가피한 불순물 등을 더 포함할 수 있다.

특히, 상기 아연(Zn)의 함량이 2.0중량% 이하일 경우, 아연(Zn)의 함량이 증가할수록 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금의 열처리 후 강도는 증가하지만, 상기 아연(Zn)의 함량이 2.0중량% 초과일 경우, 아연(Zn)의 함량이 증가할수록 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금의 열처리 후 강도는 오히려 감소할 수 있다.

도 4는 알루미늄 합금 조성물에 포함된 아연의 함량에 따른 알루미늄 합금의 열처리 전과 후의 경도를 비교한 그래프이다. 상기 그래프에 도시된 바와 같이, 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금의 열처리 전 강도는 전체 조성물 중량에 대하여 아연(Zn)이 1중량% 포함된 경우보다, 2~3중량% 포함된 경우가 높았으며, 열처리 후 상기 알루미늄 합금의 강도 역시 상기 아연(Zn)이 1중량% 포함된 경우보다 2~3중량% 포함된 경우가 높음을 확인할 수 있었다.

그러나 상기 아연(Zn)이 2중량% 포함된 알루미늄 합금은 아연(Zn)이 3중량% 포함된 알루미늄 합금보다 강도가 높았을 뿐만 아니라, 알루미늄 합금 조성물 내에 값비싼 아연(Zn)의 함량이 적기 때문에 알루미늄 합금 조성물의 제조비용을 절감할 수 있다.

이와 같이, 알루미늄 합금 조성물에서 아연(Zn)의 함량이 전체 조성물 중량에 대하여 2~3중량%일 경우, 상기 조성물을 이용하여 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금의 강도가 높은 이유는 상기 아연(Zn)이 석출강화 효과보다 고용강화 효과로 알루미늄 합금의 강도 향상에 영향을 주기 때문이다.

또한, 상기 알루미늄 합금 조성물에서 생성 가능하며 석출강화 효과에 영향을 주는 금속간 화합물은 Mg₂Si, Al₂Cu, MgZn₂이며, 각 성분의 용해도 등에 따라 Mg₂Si이 석출된 후 Al₂Cu가 석출된 다음 MgZn₂가 석출된다. 그러나 초기 소량의 마그네슘(Mg)이 다량의 실리콘(Si)과 반응하여 소진되므로 아연(Zn)의 함량과 관계없이 MgZn₂의 석출은 억제되어 상기 MgZn₂에 의한 석출강화 효과는 미약할 수 있다.

한편, 도 5는 비파괴 분석 방법인 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope)과 에너지 분산형 X-ray 분광분석기(Energy Disperse X-ray Spectrometer)가 결합된 SEM-EDS를 이용하여 아연(Zn)의 고용강화를 확인하기 위하여 알루미늄 합금 내에 고용된 원자의 양을 비교한 그래프이다.

상기 그래프에서 알 수 있듯이 알루미늄 합금의 기지 내에 아연(Zn)의 함량이 전체 알루미늄 합금 중량에 대하여 1중량% 포함되는 경우보다 2중량% 포함되는 경우, 열처리 후 알루미늄 합금 내에 아연(Zn)의 고용량이 큰 폭으로 상승하는 것을 알 수 있지만, 아연(Zn)의 함량이 3중량%일 경우, 2중량%일 경우와 차이가 거의 없었다. 이와 같은 결과로 급격한 냉각 과정이 있는 다이캐스팅 공정에서 알루미늄 합금 기지 내의 아연(Zn)의 고용량이 2중량%를 초과하기 어렵다는 것을 확인할 수 있었다.

도 6은 시차주사 열량측정법인 DSC(differential scanning calorimetry)를 이용하여 온도와 아연(Zn)의 함량에 따른 석출상의 반정합 상태의 중간상인 θ’(Al₂Cu), θ”(Al₂Cu), β’(Mg₂Si) 및 η’(MgZn₂)의 존재와 양을 비교한 그래프이다.

상기 그래프에서 반정합 상태의 중간상 θ’(Al₂Cu), θ”(Al₂Cu), β’(Mg₂Si) 및 η’(MgZn₂)은 각각 나타나는 온도가 다르며, 세 종류의 금속간 화합물인 석출상 모두에서 아연(Zn)이 함유된 중간상 η’(MgZn₂)은 발견되지 않았는데, 시효 처리를 통해 석출상이 발생할 때, MgZn₂보다 Mg₂Si이 나타나는 온도가 낮아 인공시효 처리 시 마그네슘(Mg)이 모두 Mg₂Si를 석출하는데 사용되었기 때문이다. 따라서, 상기 아연(Zn)은 석출되지 않았다는 것을 알 수 있으므로, 상기 아연(Zn)은 석출강화보다 고용강화에 사용되었다는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 아연(Zn) 함량이 증가할수록 다른 강화상도 함께 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 그 이유는 용체화 처리 시 알루미늄 기지 내에 고용될 수 있는 용질의 총량은 제한이 있고 다른 원소보다 아연(Zn)이 더 많이 고용되었기 때문에 다른 원소가 고용되지 못하고 금속간 화합물의 형태로 석출된 결과로 해석할 수 있다.

이하, 또 다른 관점에서 본 발명은 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 관한 것이다.

다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조한 알루미늄 합금의 열처리 방법은 상기 알루미늄 합금을 450~470℃까지 가열하는 승온 단계; 상기 450~470℃로 승온된 알루미늄 합금을 15~30분 동안 유지하는 용체화 단계; 상기 용체화된 알루미늄 합금을 상온으로 급랭하는 ?칭 단계; 상기 ?칭된 알루미늄 합금을 가열하여 일정온도를 유지하는 인공시효 단계; 및 상기 인공시효된 알루미늄 합금을 상온으로 냉각하는 냉각 단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물은 본 발명에 따른 알루미늄 합금 조성물인 것이 바람직하지만, 당업계에 공지된 어떠한 것도 이용될 수 있다.

한편, 상기 열처리 방법에 있어서, 상기 승온 단계의 승온 시간은 20분 이하인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 승온 시간이 20분 초과일 경우, 알루미늄 합금의 용체화 시간 등을 포함한 전체 가열시간이 증가하기 때문에 알루미늄 합금 내에 함유된 기포가 성장하여 블리스터가 될 확률이 급격히 높아진다.

보다 상세하게, 도 7은 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 나타낸 그래프이다. 상기 그래프를 통해 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법은 크게 용체화 단계, ?칭 단계 및 인공시효 단계 등으로 구분할 수 있으며 이것은 종래 열처리 방법인 T6 알루미늄 합금 열처리 방법과 유사하다.

여기서, 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금에 상기 종래 T6 열처리 방법을 적용할 경우, 다이캐스팅 공정 특성상 알루미늄 합금 내에 압축된 기포 등이 함유될 가능성이 높으며, 열처리 도중 상기 알루미늄 합금 내에 함유되었던 기포가 팽창하여 블리스터로 발생될 수 있다.

하지만, 다이캐스팅을 통해 제조된 알루미늄 합금에 본 발명에 따른 열처리 방법을 적용할 경우, 최적의 승온 단계, 용체화 단계 및 인공시효 단계 등으로 상기 블리스터의 발생을 억제할 수 있다.

보다 구체적으로, 종래 알루미늄 합금의 열처리에서는 승온 과정을 포함하여 약 460~520℃의 온도에서 약 2~5시간 동안 용체화 과정이 진행하는 것에 비해, 상기 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열처리에서는 약 450~470℃ 온도까지 약 20분 이하의 승온 과정을 거친 후, 상기 승온된 온도인 약 450~470℃의 온도에서 약 15~30분 동안 용체화 과정을 진행한다.

즉, 본 발명의 용체화 과정은 상기 종래 용체화 과정보다 낮은 온도에서 진행되며, 단축된 시간으로 진행함으로써 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금 내부에 함유된 기포의 팽창 자체를 억제하여 블리스터의 생성을 차단하는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 열처리 방법 중 승온 시간, 용체화 시간 및 ?칭 시간 등의 합은 약 30~60분인 것이 바람직하다. 상기 시간의 합이 30분 미만일 경우, 고용강화가 이루어지기 어려울 수 있으며, 상기 시간의 합이 60분 초과일 경우, 블리스터가 발생될 확률이 급격히 높아질 수 있다.

또한, 상기 ?칭 단계는 용체화된 알루미늄 합금을 고온의 유체 또는 분무된 물 등으로 냉각하는 것이 바람직하다. 즉, 용체화 단계를 거친 고온의 알루미늄 합금을 상온의 액체 상태인 물 보다 온도가 상대적으로 높은 기름 등의 유체를 이용하여 냉각하거나 미세한 액적과 같은 분무상태의 물을 이용하여 냉각하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 인공시효 단계는 종래 약 160~200℃ 온도에서, 약 1~10시간 동안 진행되는 것이 비하여, 본 발명에서는 종래와 같은 약 160~200℃ 온도에서, 더 긴 시간인 약 6~14시간 동안 진행하여, 효과적인 석출강화 효과를 통해 열처리된 알루미늄 합금의 경도를 향상시킬 수 있다.

한편, 도 8은 본 발명에 따른 블리스터의 억제효과를 보여주는 개략도이며, 상기 도면에 도시된 바와 같이, 열처리 전의 알루미늄 합금(10) 내부에 포함되었던 기포(20)가 본 발명에 따른 열처리 단계를 거치더라도 팽창하지 않고 열처리 후의 알루미늄 합금(30) 내부에 그대로 유지되도록 함으로써, 기포의 팽창으로 발생하는 블리스터의 생성을 억제하여 열처리된 알루미늄 합금의 품질 및 생산성 등을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 발명의 용체화 과정에서 고용체를 고용시키면서 제품 내부의 기포가 팽창하여 블리스터를 생성하기 전 빠른 시간 내에 용체화 과정을 마무리함으로써 고용강화 효과를 얻을 수 있기 때문에 블러스터 발생 없이 강도 등을 향상시킬 수 있다.

또한, 혼합되는 금속의 종류 및 양에 따라 용체화 단계의 온도 및 시간이 각각 상이하게 진행되는 것이 일반적이지만, 본 발명에서는 알루미늄 합금의 종류에 상관없이 승온 단계는 약 450~470℃에서 약 20분 이하 동안 진행되는 것이 바람직하며, 용체화 단계도 약 450~470℃에서 약 15~30분 동안 진행되는 것이 바람직하다.

또한, 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금이 적용되는 부품에 따라 두께의 편차 및 형상 등의 차이가 존재하기 때문에, 본 발명에 따른 열처리 단계 진행 시 부품의 전체 온도를 전반적으로 측정하여 계속적으로 확인할 필요가 있기 때문에 써모 커플 등을 이용하여 온도 범위 및 시간 등을 정확하게 측정하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 종래보다 개선된 열처리 공정을 통하여, 기존에 열처리가 불가능하였던 재질의 알루미늄 합금 또는 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금 등에도 블리스터 등의 발생 없이 열처리를 가능하게 함으로써 알루미늄 합금의 강도를 향상시킬 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

본 발명에 따른 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 이용한 알루미늄 합금의 열처리 방법에 있어서, 용체화 단계의 최적 온도와 시간을 알아보았다.

도 9는 온도별 용체화 시간에 따른 경도를 비교한 그래프이다. 상기 그래프에 도시된 바와 같이 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금의 열처리 전 경도는 약 58HRB이지만, 상기 알루미늄 합금에 용체화와 같은 열처리를 하면 상기 알루미늄 합금의 경도는 약 63HRB 이상으로 높아지게 된다.

그러나 상기 용체화 시간이 약 15~30분일 경우, 상기 알루미늄 합금의 경도는 최대가 되는 반면, 상기 용체화 시간이 30분을 초과하여 60분일 경우, 상기 알루미늄 합금의 경도는 오히려 감소되었다.

이와 같이, 상기 용체화 시간이 약 15~30분일 경우, 상기 알루미늄 합금의 경도가 상승되는 이유는 용체화 시간이 길어질수록 고용강화 효과를 가진 원소들이 알루미늄 내에 고용될 수 있는 충분한 시간이 주어지기 때문이다. 그러나 용체화 시간 60분 일 경우, 지나친 열의 공급으로 알루미늄 합금 내에 있던 작은 기포가 팽창하여 블리스터가 발생하여 알루미늄 합금의 경도가 하락하는 것이다.

또한, 상기 용체화 시간 내에서 용체화 온도는 약 450~470℃일 경우, 알루미늄 합금의 경도 향상이 가장 효과적이라는 것을 알 수 있었으며, 상기 용체화 온도가 480℃일 경우, 용체화 시간이 15분일 때, 알루미늄 합금의 경도가 가장 높았지만 시간이 경과할수록 블리스터의 발생으로 알루미늄 합금의 경도가 급격히 저하되었기 때문에 상기 480℃는 용체화 온도로는 부적합하다는 것을 알 수 있었다.

승온 시간	블리스터가 발생한 샘플 수 / 블리스터의 수
	샘플 A	샘플 B
5분	0 / 0	0 / 0
10분	0 / 0	0 / 0
15분	0 / 0	0 / 0
20분	0 / 0	0 / 0
25분	4 / 6	3 / 6
30분	8 / 20	7 / 17
40분	10 / 29	10 / 28

상기 표 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법에 있어서, 승온 시간에 따른 알루미늄 합금의 블리스터가 발생된 샘플의 수와 발생된 블리스터의 수를 정리한 표이다.

상기 표를 통해 알 수 있듯이, 상기 승온 시간이 20분 이하면 알루미늄 합금에 발생하는 블리스터가 없지만, 승온 시간이 20분을 초과하면 블리스터가 발생하였기 때문에, 알루미늄 합금의 열처리에 있어서 승온 시간은 20분 이하인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있었다.

또한, 본 발명에 따른 열처리 방법이 적용된 알루미늄 합금의 강도를 확인하기 위하여, 다이캐스팅으로 제조한 실시예와 비교예에 대하여 도 10과 같은 파단강도 시험을 반복적으로 실시하여 그 결과를 하기 표 3과 표 4에 정리하였으며, 또한, 상기 표 3과 표 4을 도 11의 그래프로 정리하였다.

구분	재질	시험속도	하중(Load)
		mm/min	kgf
비교예 1	K-14	10	450.48
비교예 2			451.23
비교예 3			460.38
비교예 4			448.86
비교예 5			459.76
비교예 6			475.34
비교예 7			463.48
비교예 8			426.94
비교예 9			436.27
비교예 10			417.86
비교예 11			447.00
평균			450

상기 표 3은 열처리를 하지 않은 비교예의 파단강도 시험 결과를 정리한 표이다.

구분	재질	시험속도	하중(Load)
		mm/min	kgf
실시예 1	K-14	10	597
실시예 2			464(결함 발생)
실시예 3			527
실시예 4			512
실시예 5			516
평균			523

상기 표 4는 본 발명에 따른 열처리를 한 실시예의 파단강도 시험 결과를 정리한 표이다. 여기서, 종래 사용되었던 다이캐스팅 알루미늄 합금 제품(K-14)을 기준으로 다이캐스팅 알루미늄 합금 제품에 대한 열처리 전 파단강도는 약 450kgf인 반면, 열처리 후 파단강도는 약 523kgf인 것을 알 수 있었다. 즉, 열처리 후 약 16%(73kgf)의 알루미늄 합금의 강도가 향상된 것을 확인하였다.

또한, 종래 알루미늄 합금에 T6와 같은 열처리를 하면 알루미늄 합금 내의 기포의 팽창으로 인한 블리스터의 발생을 방지할 수 없었기 때문에 높은 강도 및 물성 등이 요구되는 자동차 변속기 등의 소재로 사용되기에는 무리가 있었다.

그러나, 본 발명에 따른 열처리 방법을 적용하면 기포의 팽창으로 인한 블리스터의 발생을 억제할 수 있기 때문에 다이캐스팅으로 제조된 알루미늄 합금에도 열처리 단계를 적용할 수 있으므로, 상기 표 4와 같은 상대적으로 강도가 높은 알루미늄 합금을 얻을 수 있었다.

이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

1 : 열처리 전의 알루미늄 합금
2 : 기포
3 : 열처리 후의 알루미늄 합금
4 : 블리스터
10 : 열처리 전 알루미늄 합금
20 : 기포
30 : 본 발명에 따른 열처리 후의 알루미늄 합금

Claims (5)

1. 전체 조성물 중량에 대하여, 구리(Cu) 1.5~5.0중량%, 규소(Si) 7.5~18.0중량%, 주석(Sn) 0초과~0.3중량%, 아연(Zn) 0초과~2.0중량%, 마그네슘(Mg) 0.65중량% 이하, 철(Fe) 1.3중량% 이하, 망간(Mn) 1.0중량% 이하 및 니켈(Ni) 1.0중량% 이하 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물.
   
2. 다이캐스팅용 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 450~470℃까지 가열하는 승온 단계;
   상기 450~470℃로 승온된 알루미늄 합금을 15~30분 동안 유지하는 용체화 단계;
   상기 용체화된 알루미늄 합금을 상온으로 급랭하는 ?칭 단계;
   상기 ?칭된 알루미늄 합금을 가열하는 인공시효 단계; 및
   상기 인공시효된 알루미늄 합금을 상온으로 냉각하는 냉각 단계;를
   포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열처리 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 승온 단계의 승온 시간은 20분 이하인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열처리 방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 ?칭 단계는 용체화된 알루미늄 합금은 유체 또는 물로 냉각하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열처리 방법.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 인공시효 단계는 ?칭된 알루미늄 합금을 160~200℃에서 6~14시간 동안 가열하여 유지하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열처리 방법.
   

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