KR101791905B1 - 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법 - Google Patents

반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법으로서, 특히 ??칭효과가 우수하여 열처리의 재성질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법에 관한 것으로서, 하부금형의 캐비티 내에 용탕을 주입한 후 상부금형으로 용탕을 가압하여 하부층이 폐쇄형성된 제품의 예비성형체를 제조하는 반응고 단조단계와; 상기 제품의 예비성형체 중 폐쇄된 하부층을 홀가공에 의해 개방시키는 홀가공단계와; 상기 홀가공된 제품의 예비성형체를 용체화 처리, 퀸칭 및 시효처리하는 열처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법{A method for heat treatment of the product using rheo-forging}
본 발명은 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법으로서, 특히 ??칭효과가 우수하여 열처리의 재성질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 주조기술은 목적으로 하는 형상의 역형태의 공간을 갖는 주형을 만들고 그 속에 고온의 액체금속을 주입하여 응고시켜 형상을 얻어내는 경제적인 방법으로 그 역사가 매우 오래된 금속 성형법의 대표적인 기술이다.
기존 비철분야의 주조법에 있어서 근간이 되어 왔던 것들을 살펴보면 중력주조(Gravity die casting), 저압주조(Low pressure die casting), 진공주조법(Vaccum die casting) 등이 있으며, 최근 들어 단조방식의 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구개발의 활성화는 본질적으로 품질의 고급화 요구에 따른 기업의 고부가가치 창출이라는 목적뿐만 아니라, 환경적, 경제적 측면에서의 경량화 요구와 결부되어 있다.
한편, 근래에는 용탕주조 공법을 활용하거나, 진공 차압주조 공법을 이용하여 저압주조 대비 15%의 경량화를 실현하고 있지만, 그 품질은 단조공법에 비하여 떨어진다.
따라서, 알루미늄 휠 등의 알루미늄 제품의 제조 방법이 단가는 높지만 품질이 상대적으로 매우 우수한 단조공법으로 전환되고 있는 추세에 있으며, 열간단조 공법을 이용하여 알루미늄 제품이 제조되고 있다.
상기 열간단조는 빌렛트를 대형 프레스로 가압하여 대략적인 형상의 소재를 제조하는 소성가공공법으로서, 가압에 의하여 금속조직은 연신되고, 내부의 작은 미세공들을 압착시켜 결함을 최소화하여 강도와 인성을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 열간단조 공법은 크게 자유단조와 형단조로 구분되는 바, 형단조는 금형 내에 소재를 투입하여 압축 응력을 가하여 원하는 형상으로 성형하는 과정으로서, 코너 라운드가 크고, 가공 경화 발생으로 복잡한 형상을 단번에 제조하지 못하여 여러 단계별 반복적인 공정을 통하여 제품 성형이 이루어짐에 따라, 제조비용이 증가하고 설비의 규모 및 초기투자가 늘어나야 하는 단점이 있고, 또한 설비의 대형화와 사용 빌렛트의 리사이클링이 어렵고, 소재단가가 매우 높아 자동차 부품의 양산성 및 원가경쟁력의 한계를 보이는 문제점이 있다.
이러한 열간단조의 단점을 보완하기 위하여 개발된 공법이 회전단조 공법이며, 이 회전단조 공법은 최종 형상을 위하여 크게 2단계(Step) 공정으로 구분 진행된다.
즉, 2단계의 공정중 첫번째 프리-포밍(Pre-Forming) 단계는 비교적 작은 가압력을 활용한 응력집중적인 회전단조 단계로서 기본 형상을 갖추는 공정이고, 이후 두번째 단계로서 세부 부위를 플로우 포밍(Flow Forming)하는 스피닝 공정이 진행된다.
그러나, 이러한 회전단조 및 스피닝 공법 또한 소재의 리사이클링이 불가능하여 부품원가의 70%이상을 차지하고 있는 소재비의 절감에 한계가 있다.
이러한 점을 감안하여, 주조와 단조의 장점을 잘 활용한 반응고 단조 공법이 제안되었으며, 소재를 용해하여 금형 내에 투입한 후, 응고와 가압을 적절한 메카니즘에 의하여 실시함으로써, 고액공존 상태에서 복잡한 형상의 제품을 한번에 성형 생산하는 방법이다.
반응고 단조 공법은 가압에 의하여 소재 밀착률이 높고, 응고 속도가 빨라 생산속도가 빠르고, 소재 응고 중에 발생하는 수축 결함을 근본적으로 해결할 수 있어, 대형 제품의 양산화가 가능하며, 또한 소재에 직접 고압을 가함으로써 조직의 구상화 제어가 가능하고, 강도를 증가시켜 제품 경량화를 실현할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 고액공존 구간의 적절한 온도 및 압력제어의 측면에서 전신재의 양산성 확보에 불리한 단점이 있고, 주조재 물성의 한계로 인하여 더 이상의 경량화의 진전을 보기 어려운 단점이 있다.
이에 대한 문제점을 해결하기 위한 반응고 단조 및 유동 성형의 복합 공정을 이용한 알루미늄 휠 제조 방법이 특허문헌 0001로 제안된 바 있다. 특허문헌 0001은 전신재 알루미늄 합금소재를 이용하여 예비 성형체를 성형하는 반응고 단조 공정과, 플로우 포밍(Flow Forming)을 통한 유동 성형 공정으로 이루어지고, 물성이 높은 알루미늄 6000계열의 소재를 반응고 단조 공정 및 유동 성형 공정을 통하여, 초경량 고강도의 알루미늄 휠로 용이하게 제조할 수 있는 이점이 있다.
그러나, 예비성형 휠에 센터홀을 가공하기 전, 즉 예비성형 휠의 허브면이 폐쇄된 상태로 T6 열처리 또는 용체화 열처리를 할 경우 허브, 스포크 등의 인장강도가 요구하는 물성보다 낮는 등 불량률이 높은 문제가 있었다.
이와 같은 불량률을 낮추기 위해 오랜 시간동안 많은 노력을 하였으나, 한계가 있었다.
(0001) KR10-2013-0123651A (2013.11.13)
본 발명자는 종래의 예비성형 휠의 제조방법시 불량률이 높은 문제를 원천적으로 해결할 수 있는 방안을 오랜 시행착오 끝에 개발하였다.
이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 ??칭효과가 우수하여 열처리의 재성질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,
하부금형의 캐비티 내에 용탕을 주입한 후 상부금형으로 용탕을 가압하여 상측으로 개방되고 하부층이 폐쇄형성된 개방홈이 구비된 제품의 예비성형체를 제조하는 반응고 단조단계와;
상기 제품의 예비성형체 중 폐쇄된 하부층을 홀가공에 의해 개방시키는 홀가공단계와;
상기 홀가공된 제품의 예비성형체를 용체화 처리, 퀸칭 및 시효처리하는 열처리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법을 제공한다.
상기 홀가공단계에 의해 홀가공되는 홀의 전체크기는 상기 제품의 예비성형체 중 폐쇄된 하부층의 전체면적의 20~80% 면적으로 이루어지는 것이 좋다.
그리고, 상기 용탕은 알루미늄소재를 용해시킨 용탕이고, 상기 제품은 알루미늄 휠인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 홀가공단계는 상기 하부층의 센터, 그리고 상기 하부층의 센터와 가장자리 사이에 등간격으로 홀가공하는 단계로 이루어지는 것이 바람직하다.
특히, 상기 열처리단계는 상기 홀가공된 예비성형제품을 500~550℃에서 3~7시간 동안 용체화 처리를 실시하고, 이어 물에 침지시켜 소입(quenching)을 실시하며, 다음으로 150~195℃에서 2~6시간 동안 시효처리하는 단계인 것이 좋다.
본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법은 예비성형체를 제조한 후 폐쇄된 하부층에 홀가공을 통해 개방시킨 후 열처리를 수행함으로서, 물에 침지시켜 급냉시킬 때 예비성형체의 에어가 홀가공에 의해 형성된 홀에 의해 배출되어 에어포켓이 존재하지 않고, 이에 ??칭효과가 우수하여 열처리의 재성질이 우수한 제품을 제조할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법을 개략적으로 나타내는 플로우차트이다.
도 2는 반응고 단조장치를 이용하여 예비성형체를 제조하는 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이고,
도 3은 예비성형체의 단면상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 4는 홀가공된 예비성형체의 단면 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
도 5는 실험예 및 비교예에 의해 제조된 알루미늄 휠의 형상을 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법을 개략적으로 나타내는 플로우차트이다.
본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법은 크게, 반응고 단조단계(S10), 홀가공단계(S20) 및 열처리단계(S30)를 포함하여 구성된다.
도 2는 반응고 단조장치를 이용하여 예비성형체(50)를 제조하는 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이고, 도 3은 예비성형체(50)의 단면상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
먼저, 상기 반응고 단조단계(S10)는 도 2와 같이 하부금형(10)의 캐비티 내에 용탕을 주입한 후 상부금형(20)으로 용탕을 가압하여 하부층이 폐쇄형성된 제품의 예비성형체(50)를 제조하는 단계이다.
상기 반응고 단조단계(S10)는 공지된 반응고 단조장치를 이용하여 예비성형체(50)를 제조한다. 공지된 반응고 단조장치는 상측으로 개방된 캐비티가 형성된 하부금형(10)과, 상기 하부금형(10)에 합형되는 상부금형(20)과, 상기 상부금형(20)을 승강시키는 실린더 등의 승강부재(미도시)를 포함한다. 그리고 상기 상부금형(20)에는 제조된 예비성형체(50)를 취출하기 위한 취출펀치(30)가 구비된다.
상기 하부금형(10)의 캐비티에는 철 또는 비철금속을 용융하여 형성된 용탕이 주입되고, 이때 예비성형체(50)의 종류에 따라 알루미늄계 용탕을 사용할 수 도 있다. 예를 들면, 알루미늄 6000계 소재 등을 사용할 수 있다.
그리고 상기 예비성형체(50)는 도 3과 같이 상기 상부금형(20)이 용탕을 가압한 상태로 상기 하부금형(10)에 합형된 후 상측으로 상승하여 형성되기 때문에, 하부층(510)이 폐쇄되고 상측으로 개방된 개방홈(530)이 형성된다.
상기 예비성형체(50)의 종류는 크게 한정되는 것은 아니나, 차량용 휠 등으로 이루어질 수 있다.
도 4는 홀가공된 예비성형체(50)의 단면 상태를 개략적으로 나타내는 단면도이다.
다음으로, 상기 홀가공단계(S20)는 상기 예비성형체(50) 중 폐쇄된 하부층(510)을 홀가공(550)에 의해 개방시키는 단계이다.
특허문헌 0001 등 종래에는 반응고 단조공정에 의해 예비성형체(50)를 형성한 후 열처리를 거친 후 센터홀가공 등을 하였다. 하부층이 폐쇄된 예비성형체(50)를 곧 바로 열처리를 함으로서, 열처리 후 물에 침지시켜 급냉시킬 때 예비성형체(50)의 하부층이 폐쇄되어 있어 에어가 원활히 빠져나가지 못하여 에어포켓이 존재하고, 예비성형체(50)의 하부층이 에어포켓에 의해 ??칭이 원활히 이루어지지 않아 인장강도, 연신율 등의 재성질이 좋지 못한 사실을 본 발명자는 오랜 시행착오와 연구 끝에 확인하였다.
상기 홀가공단계(S20)는 종래와 달리 상기 예비성형체(50)를 열처리하기 전에 폐쇄된 하부층(510)을 개방시키기 위한 것으로서, 상기 열처리단계(S30)시 열처리 후 물에 침지시켜 급냉시킬 때 홀가공에 의해 형성된 홀에 의해 에어가 원활히 배출됨에 따라 에어포켓이 존재하지 않고, 이에 하부층(510)에 대한 ??칭이 원활히 이루어져 인장강도, 연신율 및 경도 등의 재성질이 우수한 이점이 있다.
상기 홀가공단계(S20)는 상기 예비성형체(50)의 하부층을 드릴링 머신, CNC 선반, 홀커터 등의 다양한 가공머신을 이용하여 개방시킬 수 있다.
상기 홀가공단계(S20)에 의해 홀가공되는 홀의 전체크기는 상기 예비성형체(50) 중 폐쇄된 하부층의 전체면적의 20~80% 면적으로 이루어지는 것이 바람직하다.
폐쇄된 하부의 전체면적의 20% 면적 미만으로 홀가공할 경우 ??칭시 에어포켓이 부분적으로 존재할 우려가 있고, 80% 면적 초과로 홀가공할 경우 ??칭효과가 우수한 이점은 있으나 하부층의 단면적이 적어져 오히려 인장강도 등이 좋지 못한 문제가 있다.
나아가, 상기 홀가공단계(S20)는 에어포켓을 효과적으로 방지하기 위하여 도 4와 같이 하부면의 중앙(552)과 가장자리 부분(554)에 등간격으로 복수 홀가공하는 것이 바람직하다.
상기 홀가공단계(S20)에 의해 하부면의 가장자리 부분에 등간격으로 복수 홀가공(554)함으로서, 열처리 후 물에 침지시켜 급냉시킬 때 개방홈(530)의 코너에 존재하는 에어가 원활히 배출되어 ??칭효과를 극대화할 수 있다.
다음으로, 상기 열처리단계(S30)는 알루미늄 합금조식의 석출을 지지하고 기계적 물성을 향상시키기 위한 것으로서, 열처리 방법 및 조건은 크게 제한되는 것은 아니다. 일반적으로 열처리는 용체화, 소입(quenching) 및 시효 순으로 진행된다. 예를 들면, 홀가공된 예비성형체(50)을 500~550℃에서 3~7시간 동안 용체화 처리를 실시하고, 이어 물에 침지시켜 소입(quenching)을 실시하며, 다음으로 150~195℃에서 2~6시간 동안 시효처리를 실시할 수 있다.
이와 같이 제조된 제품, 특히 제품이 알루미늄 휠인 경우 스포크에 대한 ??칭효과가 우수하여 스포크에 대한 인장강도, 연신율 및 경도가 우수하는 등 불량율을 크게 줄일 수 있는 이점이 있다.
다음으로, 본 발명의 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법의 실험예를 설명하면 다음과 같다.
[실험예]
알루미늄합금 A6061소재로 종래의 반응고 단조성형장치를 이용하여 하기의 표 1 및 도 5와 같은 22.5인치의 알루미늄 휠을 제조하였다.
Size
(inch)
소재 Offset
(mm)
Hub Diameter
(mm)
HUB Thickness
(mm)
Bolt hole Diameter
(mm)
22.5 A6061 120(inset) 281.2 28 26
이때, 반응고 단조성형장치를 이용하여 성형한 예비성형체를 본 발명과 같이 허브 홀 및 볼트 홀을 가공한 다음 열처리를 하여 알루미늄 휠을 5개 제조하였고(실험예 1 내지 5), 종래의 방법과 동일하게 열처리 한 후 허브 및 볼트 가공을 하여 알루미늄 휠을 5개 제조(A1~A5)하였다(비교예 1 내지 5)
이때 실험예 1 내지 5 및 비교예 1 내지 5의 제조시 열처리는 용체화, 소입 및 시효 순서로 열처리하였고, 열처리 조건은 표 2와 같다.
용체화(T4) 소입 시효(T6)
온도(℃) 시간(hour) 온도(℃) 온도(℃) 시간(hour)
530 4.5 30 160 3.5
이와 같이 제조된 A1~A5 및 B1~B5의 알루미늄 휠의 스포크에 대해 인장강도,연실율 및 경도의 기계적 물성을 측정하였고, 그 결과를 다음의 표 3으로 나타냈다.
인장강도
(MPa)
연신율
(%)
경도
(HB)
실험예 1 328.23 10.26 110.09
실험예 2 330.12 10.78 112.85
실험예 3 329.13 9.56 111.95
실험예 4 319.95 9.15 108.89
실험예 5 331.54 11.55 112.92
비교예 1 281.25 7.15 91.48
비교예 2 295.26 7.59 93.71
비교예 3 237.19 6.12 87.65
비교예 4 240.78 6.58 89.05
비교예 5 300.24 7.71 94.35
표 3에서 확인되는 바와 같이, 종래의 방법으로 열처리 후 홀가공을 한 경우 비교예 3과 같이 스포크에 대한 인장강도 등의 물성이 좋지 못하는 등 불량이 발생하였으나, 본 발명과 같이 홀을 가공한 후 열처리한 실시예 1 내지 5의 경우 인장강도가 319.95 MPa 이상으로 높고 연실율 및 경도 또한 비교예들에 비하여 크게 향상되었다. 이로 인하여 본 발명은 종래의 방법에 비하여 알루미늄 휠 등의 제조시 불량율을 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.
10: 하부금형,
20: 상부금형,
30: 취출펀치,
50: 예비성형체,
530: 개방홈,
550, 552, 554: 홀

Claims (6)

  1. 하부금형의 캐비티 내에 용탕을 주입한 후 상부금형으로 용탕을 가압하여 상측으로 개방되고 하부층이 폐쇄형성된 개방홈이 구비된 제품의 예비성형체를 제조하는 반응고 단조단계와;
    상기 제품의 예비성형체 중 폐쇄된 하부층을 홀가공에 의해 개방시키는 홀가공단계와;
    상기 홀가공된 제품의 예비성형체를 용체화 처리, 퀸칭 및 시효처리하는 열처리단계;를 포함하고,
    상기 홀가공단계에 의해 홀가공되는 홀의 전체크기는 상기 제품의 예비성형체 중 폐쇄된 하부층의 전체면적의 20~80% 면적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제품은 알루미늄 휠인 것을 특징으로 하는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 홀가공단계는 상기 하부층의 센터, 그리고 상기 하부층의 센터와 가장자리 사이에 등간격으로 홀가공하는 단계인 것을 특징으로 하는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열처리단계는 상기 홀가공된 예비성형제품을 500~550℃에서 3~7시간 동안 용체화 처리를 실시하고, 이어 물에 침지시켜 소입(quenching)을 실시하며, 다음으로 150~195℃에서 2~6시간 동안 시효처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 반응고 단조성형공법을 이용한 제품의 열처리방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
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