KR101813564B1 - 알루미늄 합금의 열간 단조 방법 - Google Patents

알루미늄 합금의 열간 단조 방법 Download PDF

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박노진
김태정
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권혁곤
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금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 방법은 알루미늄 합금 압출재 단조 시 변형량을 최소화 할 수 있도록 하여 대형 장비 없이 일반적인 단조 설비만으로도 소성 변형이 가능하도록 하여 공정 수행이 용이하도록 할 수 있으며, 얇은 두께로 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있다. 또한, 단조 공정 수행 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하지 않도록 하여 알루미늄 합금 소재의 물성 발현을 증대시킬 수 있다.

Description

알루미늄 합금의 열간 단조 방법{A HOT FORGING METHOD OF ALUMINUM ALLOY USING A PUNCHING PROCESSING}
본 발명은 알루미늄 합금의 열간 단조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 알루미늄 합금을 이용하여 단조품을 제조하는 경우 변형량을 감축시켜 소성 변형 가능하게 하여 얇은 두께로 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있으며, 크랙, 수축, 핀홀 등의 유해한 결함이 없는 완전한 단조품을 제조할 수 있는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법에 관한 것이다.
알루미늄은 철 다음으로 사용량이 많은 금속으로서, 가볍고 내식성과 가공성이 좋으며 전기 및 열 전도도가 높을 뿐만 아니라 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 아연(Zn), 망가니즈(Mn) 및 니켈(Ni) 등의 원소를 첨가함으로써, 다양한 종류의 고강도 및 고내식성 합금으로 만들어 항공기 산업, 가정용품, 건축자재, 차량용 부품 및 기계 등 가정과 많은 산업 분야에 사용되고 있다.
한편, 주조(casting)는, 주물을 만들기 위한 작업으로써, 주물의 설계, 주조 방안의 작성, 모형(模型)의 작성, 용해 및 주입, 제품으로의 끝손질의 순서로 진행된다.
비철 분야의 주조법에는 중력주조(Gravity die casting), 저압주조(Low pressure die casting)가 있다. 중력주조와 저압주조는, 다양한 형상, 다양한 크기, 다양한 제품의 두께를 갖도록 제조할 수 있는 장점이 있는 반면에, 금형 온도 및 용탕 온도가 높아야 하고, 응고 시간이 긴 단점이 있으며, 이에 따라 제품에 기포(氣泡)의 혼입, 응고시의 부피감소로 인한 균열의 발생된다. 이와 같이 중력주조와 저압주조는 완성된 제품의 밀도 하락과 기계적 성질의 하락을 수반하므로 고품질을 추구하는 여러 업계의 입장을 충족시키지 못하였다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위해 열간 단조 공법이 개발되고 있다. 열간 단조는, 알루미늄 빌렛트 소재를 절단한 후 가열한 다음 유압프레스로 성형, 가압하는 방법이다. 열간 단조는 재료의 재결정 온도 이상으로 가열하여 실시하는 것으로 제작비가 저렴하고 단조품의 형상에 대한 제약이 적어 유용한 단조 방법이다.
이와 관련, 한국등록특허 10-1044899는 알루미늄의 열간 단조 방법을 개시하고 있다. 그러나 종래의 열간 단조 방법의 경우, 1) 압출재 단조 시 변형량이 과도하고 2) 이에 따라 대형 장비가 필요하여 공정 용이성이 떨어지며 3) 알루미늄 합금 소재의 두께를 얇게 가공하기가 기술적으로 곤란하며 4) 단조 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하려는 과제는 압출재 단조 시 변형량을 최소화하여 대형 장비 없이 일반 단조 설비로도 소성 변형이 가능하도록 하여 공정 용이성을 증대시키고, 보다 얇은 두께로 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있으며, 단조 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하지 않아 우수한 물성이 발현될 수 있도록 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, (1) 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계, (2) 상기 플랫바를 타공 후 열간 단조하는 단계 및 (3) 상기 타공 후 열간 단조한 플랫바를 가열하는 인공시효 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 (1) 단계는 a) Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금을 예열하는 단계 및 b) 상기 예열된 알루미늄 합금을 플랫바(flat bar)로 압출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계는 a) 상기 플랫바를 타공하는 단계 b) 상기 플랫바를 합금의 고용온도(Solvus Temperature) 이상에서 별도의 용체화 공정을 포함하지 않고 열간 단조하는 단계 및 c) 상기 열간 단조한 플랫바를 급냉(Quenching)하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공 중심 간 간격은 20 ~ 70mm일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공은 단위면적 25cm2 당 타공 개수가 1 ~ 10개일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공이 일렬로 배열되거나 지그재그로 배열될 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공의 1개 당 면적은 20 ~ 400 mm2 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공의 직경은 10 ~ 40 mm 일 수 있다.
본 발명의 바람직한 또 다른 일실시예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공 후 열간 단조 전 플랫바의 초기 두께가 1 ~ 50 mm 일 때, 플랫바의 초기 두께 대비 열간 단조 후 두께 감소율이 30 ~ 70 %일 수 있다.
또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금으로 이루어지며, 상기 알루미늄 합금의 표면에 일렬로 배열되거나 지그재그로 배열된 타공 흔적이 존재하며, 상기 타공 흔적에 결정이 밀집되어 있는 결정구조를 가지는 알루미늄 합금 플랫바를 제공한다.
본 발명의 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 방법은 알루미늄 합금 압출재 단조 시 변형량을 최소화 할 수 있도록 하여 대형 장비 없이 일반적인 단조 설비만으로도 소성 변형이 가능하도록 하여 공정 수행이 용이하도록 할 수 있으며, 얇은 두께로 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있다. 또한, 단조 공정 수행 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하지 않도록 하여 알루미늄 합금 소재의 물성 발현을 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 플랫바의 제조 공정의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압출된 알루미늄 합금 플랫바를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 플랫바의 타공 후 열간 단조하는 공정의 흐름도이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 표면에 일렬로 타공한 상태를 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 표면에 지그재그로 타공한 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 사진이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계를 수행하지 않은 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 3시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 5시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 7시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 9시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 11시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명한다. 다만, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
상술한 바와 같이, 종래의 열간 단조 방법은 압출재 단조 시 변형량이 과도하고, 이에 따라 대형 장비가 필요하여 공정 용이성이 떨어지고, 알루미늄 합금 소재의 두께를 얇게 가공하기 어려움 문제점이 있었으며, 단조 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하는 문제점이 있었다.
이에 본 발명은 (1) 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계 (2) 상기 플랫바를 타공 후 열간 단조하는 단계 및 (3) 상기 타공 후 열간 단조한 플랫바를 가열하는 인공시효 단계를 포함하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 제공하여 상술한 문제점의 해결을 모색하였다. 이를 통해 알루미늄 합금을 압출한 후 단조 시 변형량을 감소시킬 수 있어 대형 장비가 아닌 일반적인 단조 설비로도 소성 변형기 가능하여 공정 수행이 용이하며, 알루미늄 합금 소재의 두께를 보다 얇게 가공할 수 있다. 또한, 단조 공정 수행 후 알루미늄 합금 소재 표면에 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하지 않고, 경도, 강도 등의 물성도 우수하게 유지할 수 있다.
구체적으로 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 상기 도면에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 알루미늄 합금의 열간 단조 방법은 (1) 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계(S100) (2) 상기 플랫바를 타공후 열간 단조하는 단계(S200) 및 (3) 상기 타공 후 열간 단조한 플랫바를 가열하는 인공시효 단계(S300)을 포함한다.
먼저, (1) 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계(S100)를 설명한다.
구체적으로 도 2는 알루미늄 합금 플랫바의 제조 공정의 흐름도이다. 상기 도면을 통해서 확인할 수 있듯이, 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계는 알루미늄 합금을 예열하는 단계(S110) 및 압출하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계는 바람직하게는 a) Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금을 예열하는 단계(S110) 및 b) 상기 예열된 알루미늄 합금을 플랫바(flat bar)로 압출하는 단계(S120)를 포함할 수 있다.
먼저, a) Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금을 예열하는 단계(S110)에 대해 설명한다.
본 발명에 사용되는 알루미늄 합금은 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금으로 4원소계 합금이다. 이는 알루미늄 합금의 분류상 Al-Zn-Mg-Cu 계 열처리형 알루미늄 합금인 7000계열의 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 갖는 Al-Zn-Mg-Cu계 열처리형 알루미늄 합금인 7000계열의 합금이다. 7000계열 알루미늄 합금은 압출용 합금으로 알루미늄 합금 중 가장 강도가 우수하며, 2000계열 합금과 더불어 항공기 구조재와 기계부품, 선박 및 자동차의 부품과 구조재로 사용될 수 있다. 이러한 7000계 알루미늄 합금을 이용하여 알루미늄 합금 소재를 제조하는 경우, 7000계 알루미늄 합금이 다른 알루미늄 합금에 비하여 60% 정도 강도가 높아서, 충격에 의해 쉽게 파손될 수 있는 스마트폰과 같은 이동통신단말기와 디지털 카메라 등 전자기기의 프레임으로 주로 이용될 수 있으며, 충격 등에 의한 파손으로부터 전자기기를 보호하는 기능을 가진다.
본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금은 Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 소재에 포함되는 알루미늄 합금의 각 성분의 함량, 성질, 역할 및 기능에 대해 설명한다.
마그네슘(Mg)
마그네슘(Mg)은 내식성, 강도 및 연신율을 향상시키고, 경량화와 피삭성을 향상시키기 위해 첨가한다. 또한, 상기 마그네슘(Mg)은 제품 표면에 산화층(MgO)이 빠르게 형성되도록 할 수 있으며, 이러한 산화층(MgO)은 표면의 코팅막과 같은 역할을 하여 내식성을 향상시킬 수 있다.
상기 마그네슘은 바람직하게는 1.0 ~ 2.2 중량% 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1.3 ~ 2.0 중량% 포함될 수 있다. 만일 마그네슘의 첨가량이 1.0 중량% 미만인 경우 그 첨가 효과가 불충분하여 내식성, 강도 및 연신율이 저하되고, 경량화 및 피삭성 효과가 저감되는 문제가 발생할 수 있다. 반대로, 마그네슘의 첨가량이 2.2중량%를 초과하는 경우 Mg의 발화가 시작되면서 거품을 일어나는 문제가 발생할 수 있다.
아연(Zn)
아연(Zn)은 내식성과 강도를 향상시키기 위해 첨가된다. 또한, 상기 아연은 시효 경화를 통하여 알루미늄 합금 케이스의 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 아연은 바람직하게는 4.0 ~ 5.5 중량% 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 4.2 ~ 5.2 중량% 포함될 수 있다. 만일 아연의 첨가량이 4.0 중량% 미만인 경우 내식성 및 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 만일 아연의 첨가량이 5.5 중량%를 초과하는 경우 내식성 및 용접성 등의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 경도, 석출경화를 통한 강도 및 연성을 향상시키기 위해 첨가된다. 또한, 상기 구리는 내부식 특성을 향상시킬 수 있으며, 합금 용탕의 유동성을 개선하고 강도를 향상시킬 수 있다.
상기 구리는 바람직하게는 0.1 ~ 0.9 중량% 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.3 ~ 0.9 중량% 포함될 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.5 ~ 0.8 중량% 포함될 수 있다. 만일 구리의 첨가량이 0.1 중량% 미만인 경우 알루미늄 합금 용탕의 유동성이 저하되고, 알루미늄 케이스의 표면이 부식으로부터 쉽게 손상되는 문제가 발생할 수 있다. 만일 구리의 첨가량이 1.2 중량%를 초과하는 경우 내식성, 용접성 및 압출성을 저하시키며 부식을 초래하는 문제가 발생할 수 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 안정적인 내부식 특성 및 고강도의 특성을 향상시키고 유동성을 증대시키기 위해 첨가된다.
상기 알루미늄은 바람직하게는 상기 알루미늄 합금에서 마그네슘, 아연, 구리 및 불가피한 불순물을 제외한 나머지를 구성할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 내에서 일정 중량% 이상 다량으로 함유되면 합금의 부식을 초래할 수 있는 알루미늄 내의 불순물은 제조 공정 중에 0.005 중량% 이상이 되지 않도록 조절하여, 안정적인 내부식 특성 및 고강도의 특성을 가지는 열간 단조 알루미늄 합금 소재를 제조할 수 있다.
한편, 본 발명의 타공 후 열간 단조를 수행하기에 앞서 상기 (1) 단계에서 상기 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금을 예열하는데, 상기 예열 온도는 바람직하게는 350 ~ 550℃일 수 있으며, 보다 바람직하게는 400 ~ 500℃일 수 있다. 상기 온도 범위에서 알루미늄 합금을 예열하는 경우 열간 단조 단계를 수행하기 전 단조기로 이동 중에 발생하는 온도 손실, 이후 소입 지연에 따른 온도 손실을 보완하여 열간 단조 단계를 수행하기 용이한 온도를 유지할 수 있다.
만일 예열 온도가 350℃미만인 경우 상기의 온도 손실을 충분히 보완하지 못하여 열간 단조 단계를 수행하기 어려운 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 예열 온도가 550℃를 초과하는 경우 공정 수행이 보다 복잡하여 생산성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
또한, 상기 예열 시 예열 시간은 바람직하게는 2시간 이내일 수 있고, 보다 바람직하게는 1시간 이내일 수 있으며, 상기 예열 시 승온 속도는 바람직하게는 5 ~ 50 ℃/min일 수 있다.
다음으로, b) 상기 예열된 알루미늄 합금을 플랫바(flat bar)로 압출하는 단계(S120)에 대해 설명한다.
상기 알루미늄 합금을 플랫바로 압출하는 단계를 통하여 알루미늄 합금 빌릿을 직사각 형태의 단면으로 압출할 수 있고, 이를 통해 목적하는 알루미늄 합금 소재를 용이하게 제조할 수 있다.
상기의 압출 시 사용하는 압출 컨테이너는 압출 단계 수행 후 알루미늄 합금을 직사각 형태의 단면을 가진 플랫바(flat bar)로 제조할 수 있으면 그 모양 및 크기에 제한 없이 사용할 수 있으나, 바람직하게는 압출 컨테이너의 직경은 10 ~ 1000mm일 수 있고 단면적은 300 ~ 5000mm2일 수 있다. 또한, 압출속도는3mm/sec 이상일 수 있다.
구체적으로 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압출된 알루미늄 합금 플랫바를 개략적으로 나타낸 것이다. 이러한 플랫바를 압출하기 위하여, 상기 압출 시 압출 전후 알루미늄 합금의 단면적의 비를 나타내는 압출비(Extrusion Ration)는 바람직하게는 30 ~ 60 일 수 있고, 보다 바람직하게는 35 ~ 55 일 수 있다. 압출비가 상기 범위 내인 경우 표면에 크랙 등의 흠결이 없는 플랫바를 얻을 수 있다. 만일 압출비가 30 미만인 경우에는 압출성이 저하되는 문제가 발생할 수 있고, 압출비가 60을 초과하는 경우에는 압출하중이 증가하여 플랫바의 표면에 크랙 등의 흠결이 증가하는 문제가 발생할 수 있다.
다음으로, (2) 상기 플랫바를 타공 후 열간 단조하는 단계(S200)를 설명한다.
구체적으로 도 4는 알루미늄 합금 플랫바의 타공 후 열간 단조하는 공정의 흐름도이다. 상기 도면을 통해 알 수 있듯이 상기의 플랫바를 타공 후 열간 단조하는 단계(S200)는 바람직하게는 a) 상기 플랫바를 타공하는 단계(S210) b) 상기 플랫바를 합금의 고용온도(Solvus Temperature) 이상에서 별도의 용체화 공정을 포함하지 않고 열간 단조하는 단계(S220) 및 c) 상기 열간 단조한 플랫바를 급냉(Quenching)하는 단계(S230)를 포함할 수 있다.
먼저, a) 상기 플랫바를 타공하는 단계(S210)에 대해 설명한다.
본 발명을 통해 제조한 플랫바를 타공하는 경우, 타공하지 않는 경우보다 알루미늄 합금 압출재 단조 시 변형량을 최소화 할 수 있도록 하여 대형 장비 없이 일반적인 단조 설비만으로도 소성 변형이 가능하도록 하여 공정 수행이 용이하다. 뿐만 아니라, 타공 후 단조를 수행하는 경우 플랫바의 두께를 보다 얇게 단조할 수 있어 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있다. 또한, 단조 공정 수행 후 크랙, 수축, 기공 등의 유해한 결함이 발생하지 않도록 하여 제조되는 알루미늄 합금 소재의 물성 발현을 증대시키는 효과가 있다.
한편, 상기 알루미늄 합금 플랫바를 타공하는 공정 수행 시 통상적으로 열간 단조를 통해 타공부가 채워질 수 있다면 타공 방법에 제한 없이 타공 공정을 수행할 수 있으나, 바람직하게는 상기 압출된 플랫바에 비하여 충분한 크기를 갖는 드릴을 활용하여 타공 할 수 있다.
상기 타공 시 타공의 형상은 통상적으로 알루미늄 합금 압출재 단조시 타공부가 채워져서 변형량을 최소화할 수 있으면 아무런 제한이 없으나, 바람직하게는 원, 타원의 형상일 수 있고, 보다 바람직하게는 원의 형태일 수 있다.
또한, 타공 중심 간의 간격은 통상적으로 일정한 간격으로 타공이 형성될 수 있으면 아무런 제한이 없으나, 바람직하게는 타공 중심 간 간격은 20 ~ 70mm 일 수 있고, 보다 바람직하게는 30 ~ 60 mm 일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 35 ~ 55mm일 수 있다.. 타공 중심 간 간격이 상기 범위 내에서 일정한 간격으로 배열되는 경우, 향후 열간 단조를 수행 시 금속의 움직임(Metal Flow)을 최소화할 수 있고, 보다 용이하게 열간 단조를 수행할 수 있어 공정 용이성을 확보할 수 있다. 만일 타공 중심 간 간격이 20 mm 미만인 경우, 타공부가 지나치게 촘촘하게 배열되어 열간 단조시 채워져야 하는 타공부가 많아 열간 단조 공정을 수행하기가 어려운 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 만일 타공 중심 간 간격이 70 mm를 초과하는 경우엔 타공부가 지나치게 드문드문 배열되어 단조 공정 시 발생하는 변형량을 감소시키는 효과가 떨어져 얇은 알루미늄 합금 소재로의 가공이 어렵고, 단조품의 강도, 경도 등의 물성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 플랫바의 단위면적 25 cm2 당 존재할 수 있는 타공 개수는 통상적으로 열간 단조 수행 시 충분히 타공부가 채워질 수 있어 알루미늄 합금 소재의 표면에 크랙 등의 결함이 발생하지 않을 수 있으면 아무런 제한이 없으나, 바람직하게는 1 ~ 10개일 수 있고. 보다 바람직하게는 3 ~ 7개일 수 있다. 상기 범위 내에서 단위면적 당 타공 개수가 존재하는 알루미늄 합금 플랫바를 이용하는 경우, 열간 단조 단계 수행 시 타공부가 충분히 채워질 수 있어 알루미늄 합금 소재의 표면에 크랙, 수축, 기공 등의 결함이 발생하지 않아 물성이 우수한 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있게 된다. 또한, 공정 수행 시 압출 소재의 변형량이 감소하게 되어 일반적인 단조 설비로 소성 변형이 가능하여 공정 용이성을 확보할 수 있으며, 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있다.
만일 단위면적 25 cm2 당 타공 개수가 1 개미만인 경우, 단위멱적 당 타공부가 지나치게 적게 존재하여 단조 공정 시 발생하는 변형량을 감소시키는 효과가 떨어져 알루미늄 합금 플랫바의 두께를 감소시키는 데 한계가 있고, 단조품의 강도, 경도 등의 물성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 또한 만일 단위면적 25 cm2 당 타공 개수가 10개를 초과하는 경우, 단위면적당 타공부가 과다하게 존재하여 배열되어 열간 단조시 채워져야 하는 타공부가 많아 열간 단조 공정을 수행하기가 어려운 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 플랫바의 타공의 배열은 통상적으로 상기의 타공 중심 간의 간격 범위 내에서 배열되어 있고, 열간 단조 공정이 수행될 수 있는 형태이면 아무런 제한이 없으나, 바람직하게는 상기 타공은 일렬로 배열되거나 지그재그로 배열될 수 있다. 타공이 일렬로 배열되는 경우 용이하게 타공 공정을 수행할 수 있고, 타공이 지그재그로 배열되는 경우 압출품의 변형량을 감소시켜 보다 물성이 증대된 알루미늄 합금 소재를 제조할 수 있다.
한편, 상기 각 타공의 직경은 통상적으로 일정한 간격 및 배열로 형성되어 단위면적당 일정한 개수의 타공이 존재하는 경우 열간 단조 수행 시 타공부가 충분히 채워질 수 있다면 아무런 제한이 없으나, 바람직하게는 10 ~ 40mm 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 15 ~ 35mm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 20 ~ 30mm일 수 있다. 타공의 직경이 상기 범위 내인 경우, 타공의 면적이 열간 단조 수행시 용이하게 채워질 수 있어 압출 소재의 변형량이 감소하게 되어 공정이 용이하고, 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있으며, 크랙, 수축 등의 결함이 발생하지 않아 물성이 증대되는 효과가 있다. 만일 타공의 직경이 10 mm 미만인 경우, 타공의 면적이 지나치게 좁아 압출 소재의 변형량을 감소시킬 수 없어 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공하기가 어렵다. 또한, 단조품의 강도, 경도 등의 물성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 만일 타공의 직경이 40 mm를 초과하는 경우, 타공의 면적이 지나치게 넓어 타공부를 채울 수 없게 되어 열간 단조 공정을 수행하기가 어렵게 되어 공정 용이성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 상기 타공 1개 당 면적은 20 ~ 400 mm2 일 수 있다. 타공 1개 당 면적이 상기 범위 내인 경우, 타공의 면적이 열간 단조 수행시 용이하게 채워질 수 있어 압출 소재의 변형량이 감소하게 되어 공정이 용이하고, 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있으며, 크랙, 수축 등의 결함이 발생하지 않아 물성이 증대되는 효과가 있다. 만일 타공 1개 당 면적이 20 mm2 미만인 경우, 타공의 면적이 지나치게 좁아 압출 소재의 변형량을 감소시킬 수 없어 얇은 알루미늄 합금 소재를 가공하기가 어렵다. 또한, 단조품의 강도, 경도 등의 물성이 떨어지는 문제점이 발생할 수 있다. 만일 타공 1개 당 면적이 40 mm2를 초과하는 경우, 타공의 면적이 지나치게 넓어 타공부를 채울 수 없게 되어 열간 단조 공정을 수행하기가 어렵게 되어 공정 용이성이 감소하는 문제점이 발생할 수 있다.
구체적으로 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 표면에 일렬로 타공한 상태를 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 일실시예에 따른 알루미늄 합금 표면에 지그재그로 타공한 상태를 나타낸 도면이다. 상기 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 타공은 원의 형태일 수 도 있으나 이는 바람직한 일실시예에 따른 것이고 타공부를 통해 압출품의 변형량을 최소화 할 수 있다면 형태에 특별한 제한은 없다. 상기 도면과 같이 타공부가 원의 형태인 경우, 도 5a에 나타난 바와 같이, 직경인 2r은 10 ~ 40 mm일 수 있다. 또한, 도 5a에서는 타공부의 중심 간의 간격은 a, a'로 도시되어 있는데, a와 a'는 20 ~ 70 mm 범위 내라면 족하고 반드시 a와 a'가 동일한 값을 가져야만 하는 것은 아니다. 이와 마찬가지로 도 5b에서도 타공부의 중심 간의 간격인 b와 b'은 같거나 다른 값을 가질 수 도 있고, 20 ~ 70mm 범위 내라면 족하다.
다음으로, b) 상기 플랫바를 합금의 고용온도(Solvus Temperature) 이상에서 별도의 용체화 공정을 포함하지 않고 열간 단조하는 단계(S220)에 대해 설명한다.
열간 단조란 금형 내에서 부품성형과 동시에 경질조직으로 변태시키는 일종의 가공열처리 기술로서, 형상을 가공함과 동시에 강도를 향상시킬 수 있는 기술이다. 상기 열간 단조 단계를 수행하여 보통강 수준의 재질 및 작은 성형하중으로도 종래의 고장력강의 성형 공정을 이용하는 경우에 달성할 수 있는 강도를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상기 열간 단조 단계는 바람직하게는 1) 플랫바의 가열 2) 금형에 의한 프레스 가공 2단계의 공정으로 진행될 수 있다.
먼저, 1) 플랫바의 가열 시 가열 온도는 사용되는 알루미늄 합금의 고용온도 이상으로 수행한다. 고용온도란 철강을 고용체로 용해하는 온도를 의미하며, 본 발명의 바람직한 일실실예에 따르면 상기 알루미늄 합금의 고용온도는 400 ~ 440℃으로 나타났다. 즉, 상기 고용온도보다 높은 온도로 열간 단조 시 가열을 수행하여야 본 발명의 알루미늄 합금이 고용체로 용해될 수 있어 추후 공정을 수행할 수 있게 된다.
이에 따라 상기 열간 단조 단계 수행 시 가열 온도는 400 ~ 600 ℃일 수 있고, 가열 시간은 5초 ~ 1시간 일 수 있다. 보다 바람직하게는 가열 온도는 420 ~ 550 ℃일 수 있고, 가열 시간은 30초 ~ 30분일 수 있다. 만일 가열 온도가 400 ℃미만이거나 가열 시간이 5초 미만인 경우, 상기 알루미늄 합금이 고용체로 충분히 용해되지 못하여 추후 공정을 수행하기가 어렵고 목표로 하는 강도를 달성하지 못하는 문제가 발생할 수 있다. 또한, 만일 가열 온도가 600℃를 초과하거나 가열 시간이 1시간을 초과하는 경우, 열간 단조 후 강도가 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
상기 프레스 가공은 프레스의 하강속도 100 ~ 700 mm/sec 조건에서 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면 상기 열간 단조 공정은 용체화 공정을 포함하지 않을 수 있다. 용체화란 합금을 고용체로 용해하는 온도 이상으로 가열하여 충분한 시간을 유지한 후 급냉하여 그 석출을 저지하는 공정 처리를 의미하며, 종래의 알루미늄 합금의 열처리 공정을 수행하는 경우에는 일정 시간 동안 고온의 온도에서 용체화 과정을 반드시 포함하고, 용체화 단계의 온도와 시간을 조절하여 제조된 알루미늄 합금 내부에 함유된 기포의 팽창을 억제하거나 블리스터의 생성을 차단하는 방식으로 알루미늄 합금의 가공을 수행하였다.
그러나, 본 발명은 이러한 용체화 공정을 포함하지 않은 채 알루미늄 합금의 공정을 수행할 수 있어 과도한 가공 비용 및 시감을 절감하여 가공 용이성을 만족함과 동시에 용체화 단계를 수행하는 경우와 비슷한 강도, 경도 등의 물성을 나타내는 알루미늄 합금 소재를 제조할 수 있다. 즉, 본 발명은 용체화 단계를 포함하지 않는 간단한 공정으로도 용체화 단계를 수행한 경우와 같이 강도, 경도 등의 물성이 우수한 알루미늄 합금 소재를 제조할 수 있고, 이에 따라 주조품의 결함을 저감하면서도 생산성이 증대되는 효과를 가진다.
다음으로, c) 상기 열간 단조한 플랫바를 급냉(Quenching)하는 단계(S230)에 대해 설명한다.
상기 급냉 단계는 열간 단조 단계를 통해 성형된 고온의 플랫바를 냉각시켜 형상 및 특성을 유지하게 하는 효과가 있다. 상기 급냉 단계는 열간 단조를 수행한 후 프레스 금형을 닫은 상태에서 냉각을 수행하는 것이 바람직하다. 이는 열간 단조 성형 직후 금형의 내부는 고온을 유지하고 있으므로, 금형을 즉시 개방하여 냉각을 수행하는 경우에는 재질의 특성 및 형상이 변형되는 문제가 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 상기 급냉은 바람직하게는 유체 또는 물로 수행될 수 있다. 구체적으로는 액체상태인 물에 담금질하여 수행할 수도 있고 미세한 액적과 같은 분무상태의 물을 이용하여 수행할 수도 있다. 또한, 물보다 온도가 상대적으로 높은 기름 등의 유체를 이용하여 냉각할 수도 있다.
구체적으로 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 사진이다. 알루미늄 7000계열 압출소재를 이용하여 타공 후 열간 단조 진행 시에 금형의 깨짐을 방지하기 위하여 사전에 부피를 줄일 수 있다. 이 경우 상기 도면과 같이 케이스 표면에 흔적이 남아 있음을 육안으로 확인할 수 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 타공 후 열간 단조 공정을 수행한 플랫바의 광학 현미경 사진이다. 타공 공정에 의해 플랫바의 시편에 나타난 영향을 확인하기 위하여, 인공 시효 처리를 하기 전에 광학 현미경을 통해 관측을 진행하였다. 상기 도면에서 확인할 수 있는 바와 같이, 타공부를 광학 현미경으로 관측 시 표면에 타공부의 흔적을 발견할 수 있다. 그러나, 그 외에 합금 소재 표면에 크랙, 수축 등의 결함은 관찰되지 않아 물성이 여전히 우수하게 나타남을 확인 할 수 있다. 한편, 본 발명의 바람직한 일구현예에 따르면, 상기 (2) 단계의 타공 후 열간 단조 전 플랫바의 초기 두께가 1 ~ 50 mm 일 때 플랫바의 초기 두께 대비 두께 감소율이 30 ~ 70 %일 수 있으며, 보다 바람직하게는 40 ~ 60 %일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 45 ~ 55 %일 수 있다.
이는 플랫바를 타공하여 열간 단조하는 경우 타공부가 압출재로 채워질 수 있어 압출품의 변형량을 감소시킬 수 있고, 이를 통해 최종적으로 두께가 보다 얇아지도록 알루미늄 합금 소재를 가공할 수 있기 때문이다. 상기와 같이 알루미늄 합금 소재를 보다 얇게 가공하는 경우, 보다 다양한 분야에서 강도 등의 물성을 좋게 유지하면서 얇은 소재를 활용할 수 있는 장점이 있으며, 특히 모바일 기기 분야에서 다양하게 활용될 수 있다.
만일 상기 두께 감소율이 30 % 미만이 경우, 일반적인 단조 공정의 경우와 유사한 두께의 알루미늄 합금 소재를 가공하는 것에 불과하여 물성이 증대된 얇은 합금 소재를 얻을 수 있는 발명의 목적을 달성하기가 어려운 문제가 있다. 또한 상기 두께 감소율이 70 %를 초과하는 경우, 보다 얇은 합금 소재의 가공이 가능하지만 강도, 경도 등의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
나아가, (3) 상기 타공 후 열간 단조한 플랫바를 가열하는 인공시효 단계(S300)를 설명한다.
상기 열간 단조 후 급냉 단계를 수행한 알루미늄 소재 플랫바는 가열하는 인공시효 단계를 더 수행하여 강도를 증가시킬 수 있다. 인공시효 열처리를 통하여 강도가 향상되고, 핀홀, 수축, 크랙 등의 결함이 없는 물성이 증대된 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있다.
또한, 상기 인공시효 단계는 바람직하게는 1) 100 ~ 110 ℃구간에서 4 ~ 6시간 동안 수행하는 1차 열처리 단계 및 2) 170 ~ 180 ℃간에서 6 ~ 8시간 동안 수행하는 2차 열처리 단계를 포함하는 2단의 열처리일 수 있고, 상기 열처리 단계 수행 시 승온 속도는 0.5 ~ 50 ℃/min일 수 있다. 상기 가열 온도 및 가열 시간의 범위 내에서 인공시효 열처리를 수행하고 승온 속도를 상기 범위 내에서 유지하는 경우, 알루미늄 합금 소재에는 핀홀, 크랙, 수축 등의 결함이 발견되지 않고, 석출강화 효과가 우수하며, 알루미늄 합금 내에 존재하는 기포의 팽창에 의한 블리스터의 발생률 이 현저히 낮아지고, 높은 강도, 경도 등의 우수한 물성이 발현될 수 있다.
만일 1차 열처리 단계 수행 시 온도가 110℃를 초과하거나 2차 열처리 단계 수행 시 온도가 180℃를 초과하거나, 상기 열처리 시간이 1, 2차 열처리 수행 시 각각 6시간, 8시간을 초과하는 경우에는, 알루미늄 합금 내에 존재하는 압축된 기포 등이 팽창하여 블리스터가 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 또한 만일 1차 열처리 단계 수행 시 온도가 100℃ 미만이거나 2차 열처리 단계 수행 시 온도가 170℃ 미만이거나, 상기 열처리 시간이 1,2차 열처리 수행 시 각각 4시간, 6시간 미만인 경우에는, 알루미늄 합금 소재의 강도, 경도 등의 물성이 저하되는 문제가 발생할 수 있다.
구체적으로 도 8 내지 12는 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 각각 3, 5, 7, 9, 11시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다. 상기의 각 도면은 2차 열처리 시간을 달리하여 제조한 알루미늄 합금 플랫바 시편을 광학 현미경으로 관측한 것으로, 배율을 각 도면에 표시한 것처럼 달리하여 관측을 수행하였다.
또한, 본 발명은 Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금으로 이루어지며, 상기 알루미늄 합금의 표면에 일렬로 배열되거나 지그재그로 배열된 타공 흔적이 존재하고, 상기 타공 흔적에 결정이 밀집되어 있는 결정구조를 가지는 알루미늄 합금 플랫바를 제공한다.
본 발명의 알루미늄 합금 플랫바는 상기 도 5, 도 6 및 도 7에서 상술한 바와 같이 타공부의 흔적을 가지고 있다. 상기 타공부의 흔적이란 알루미늄 합금 플랫바의 타공 후 열간 단조에 의해서 타공부가 메워지면서 나타날 수 있는 타공부 모양대로의 타공부의 바깥과 상이한 결정구조에 의한 모양 혹은 경계선 등을 의미한다. 상기 타공부의 흔적은 바람직하게는 육안으로 관측되는 정도의 흔적을 의미할 뿐만 아니라, 광학 현미경을 통해 관측될 수 있는 흔적을 의미하기도 한다.
구체적으로 상기 타공부의 흔적의 모양은 타공에 따라 나타날 수 있는 것이면 제한이 없다. 또한, 상기 타공 흔적에 결정이 밀집되어 있는 결정구조는 타공의 흔적을 따라 결정이 밀집되어 형성되는 구조이면 제한이 없고, 예를 들면 결정이 일방향으로 나열되듯이 박혀있는 형상을 보일 수도 있고, 각 결정이 다양한 방향으로 밀집되어 있는 형상을 보일 수도 있으며, 타공부의 중심부를 따라 결정이 보다 밀집되어 있는 형상을 보일 수도 있다.
결국, 본 발명의 알루미늄 합금을 이용하여 용체화 과정을 포함하지 않고 타공을 이용해 열간 단조 공정을 통해 제조된 알루미늄 합금 소재는 금속 고유의 광택 및 질감을 표현할 수 있고, 용체화 과정을 포함하지 않고 핫스탬핑 공정을 수행하여 공정용이성이 우수하며, 안정적으로 공정을 수행할 수 있어 수율이 증대되어 생산성이 우수하고, 크랙, 수축 등의 결함이 발생되지 않고 강도가 우수하여 증대된 물성을 가질 수 있다.
또한, 이러한 공정을 통해 제조된 알루미늄 합금 소재는 통상적으로 충격 완화가 필요한 물건 등에 폭넓게 활용될 수 있고, 보다 구체적으로는 모바일 기기용 케이스로도 활용될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 방법에 대한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
실시예 1
7000계열 알루미늄 합금을 Mg : 1.34 중량%, Zn : 4.42 중량%, Cu : 0.69 중량%, Al : 93.55 중량%의 성분으로 설계하였다. 상기와 같은 합금 설계에 따라 주조된 직경 5인치(127mm)의 원통형 빌릿을 빌릿 예열로에서 470℃로, 1시간동안 예열한 후 SKD61종으로 제작된 열간 압출 금형으로 81mm, 두께 3.8mm의 직사각 형태의 단면의 플랫바를 압출하였다. 상기 압출은 컨테이너의 직경은 135mm로 단면적은 14,314㎟이며 제품의 단면적은 308㎟로 압출비는(Extrusion Ratio) 46.5로 수행하였다. 이후, 플랫바의 타공하는 단계를 수행하고 1) 플랫바의 가열 2) 금형에 의한 프레스 가공의 2단계로 이루어진 열간 단조 공정을 수행하였다. 이때 플랫바의 타공은 일렬로 배열되며, 타공의 직경은 10mm이고, 타공 중심 간 간격은 40mm이며, 단위면적 1mm2 당 타공은 0.001개 존재하도록 수행하였다. 타공 단계를 수행한 후, 플랫를 470℃로 300초 동안 가열할 후 금형에 의한 프레스 가공을 통해 열간 단조 성형을 수행하였다. 이후, 열간 단조한 플랫바를 3초 안에 즉시 물에 담금질 하여 급냉 단계를 수행하였다. 열간 단조 및 급냉 공정을 수행한 플랫바에 대해 부식액(100ml 증류수, 4g 과망간산칼륨, 1g 수산화나트륨)에서 105℃로 5시간 동안 1차 열처리를 하고, 175℃로 7시간 동안 2차 열처리를 하여 2단계의 가열 인공시효 처리를 수행하였다.
실시예 2 ~ 18
하기 표 1의 타공의 배열 형태, 타공 중심 간 간격, 타공의 직경 및 인공시효 단계 수행 시간 및 온도에 따라 실시예 1과 동일한 방법으로 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 방법 공정을 수행하였다.
[표 1]
Figure 112016105526538-pat00001
비교예
비교예 1
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
비교예 2
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것과 105℃로 5시간 동안 1차 열처리를 하고, 175℃로 3시간 동안 2차 열처리를 하여 2단계의 가열 인공시효 처리를 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
비교예 3
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것과 105℃로 5시간 동안 1차 열처리를 하고, 175℃로 5시간 동안 2차 열처리를 하여 2단계의 가열 인공시효 처리를 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
비교예 4
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것과 105℃로 5시간 동안 1차 열처리를 하고, 175℃로 9시간 동안 2차 열처리를 하여 2단계의 가열 인공시효 처리를 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
비교예 5
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것과 105℃로 5시간 동안 1차 열처리를 하고, 175℃로 11시간 동안 2차 열처리를 하여 2단계의 가열 인공시효 처리를 수행하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
비교예 6
플랫바의 열간 단조 공정 수행 시 타공을 하지 않고 공정을 수행한 것과, 열처리하는 인공시효 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄 합금의 열간 단조 방법을 수행하였다.
[표 2]
Figure 112016105526538-pat00002
표 2는 본 발명의 실험예에 사용되는 시약들의 제원을 나타낸다.
실험예 1. 광학현미경을 이용한 관찰
광학현미경을 이용하여 이용하여 실시예 및 비교예의 인공시효 처리한 알루미늄 합금 소재(플랫바 시편)의 미세조직을 관찰하였다. 우선, 각 플랫바 시편의 표면을 0.04㎛까지 미세 연마한 뒤 켈러(keller) 용액(75mL 증류수, 20mL 질산(HNO3), 3mL 염산(HCl), 2mL 불화수소(HF))을 이용하려 에칭한 후 광학현미경을 이용해 관찰하였다. 이 경우 광학현미경의 확대 배율은 x50 , x100, x200으로 하여 관찰하였다.
구체적으로, 도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 5시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 7시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이며, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 9시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다. 또한, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 타공을 이용한 알루미늄 합금의 열간 단조 공정을 수행하고, 인공시효 단계 수행 시 1차 열처리를 105℃에서 7시간 수행하고, 2차 열처리를 175℃에서 11시간 수행한 후의 알루미늄 합금 플랫바의 광학 현미경 사진이다. 상기의 도면을 통해 알 수 있듯이, 타공 단조 후 인공시효 열처리를 포함하는 열간 단조를 수행하는 경우 표면의 특별한 결함이 발견되지 않는다. 이를 통해, 타공 후 열간 단조를 수행하는 경우에도 표면의 결함이 없이 우수한 물성을 가진 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
실험예 2. 알루미늄 합금 소재의 두께 측정
상기의 실시예 및 비교예의 1) 열간 단조를 수행하기 전의 플랫바 시편 2) 최종적으로 제조된 플랫바 시편의 두께를 측정하였다. 상기 각 플랫바의 경도는 시편 6개 중 모서리부분인 시편 2개를 제외하고 나머지 시편을 가지고 측정하였다. 구체적으로 하나의 시편 당 5회씩 로크웰 B 스케일로 측정하여 최대값과 최소값을 제거한 후 평균을 내어 로크웰 B 경도를 측정하였고, 하기 표 3에 나타내었다.
실험예 3. 제조된 알루미늄 소재 표면의 결함 측정
본 실험예에서는 상기의 실시예 및 비교예를 통해 제조된 알루미늄 합금 소재의 표면의 결함을 측정하였다. 알루미늄 합금 소재 표면에 핀홀, 수축, 크랙, 기공 등의 결함을 관찰하고, 상기의 결함이 0 ~ 2 개 관찰되면 ◎로, 3 ~ 5 개 관찰되면 ○로, 6 ~ 8 개 관찰되면 △로, 9개 이상인 경우 X로 각각 구분하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112016105526538-pat00003
상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 1 ~ 18은 타공을 하지 않고 열간 단조 공정을 통해 알루미늄 합금 소재를 제조한 비교예 1 ~ 6에 비해, 타공 후 열간 단조 전 플랫바의 초기 두께 대비 열간 단조 후 두께 감소율(%)이 크다. 즉, 타공 후에 열간 단조 공정을 수행하는 경우에는 타공을 하지 않고 열간 단조 공정을 수행하는 경우보다 알루미늄 소재를 보다 더 얇게 가공할 수 있음을 알 수 있다. 또한 상기 실시예를 통해 제조된 알루미늄 합금 소재에는 핀홀, 수축, 크랙, 기공 등의 결함의 발생이 없거나 적어 물성이 우수한 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명을 통해 제조된 알루미늄 합금 소재는 타공 후 열간 단조 공정을 수행하여 보다 얇은 두께의 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있음과 동시에 표면에 핀홀, 수축, 크랙 등의 결함이 없거나 적은 우수한 물성을 가질 수 있다.
구체적으로 실시예 1과 비교예 1은 타공을 하였는지 여부만을 제외하고 모두 동일한 방법으로 알루미늄 합금 소재를 단조하였다. 상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 1은 초기 두께 대비 33%로 두께가 감소한 알루미늄 합금 플랫바를 얻을 수 있으나 비교예 1은 초기 두께 대비 두께가 8%만이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 타공을 통해 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있어 보다 다양한 분야에 폭 넓게 이용되는 합금 소재를 제조할 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도를 통해 실시예 1은 결함이 거의 없어 우수한 물성을 가짐에 반하여 비교예 1은 결함이 6 ~ 8개 범위에서 관측되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 실시예 15와 비교예 2는 타공을 하였는지 여부만을 제외하고 모두 동일한 방법으로 알루미늄 합금 소재를 단조하였다. 상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 15는 초기 두께 대비 33%로 두께가 감소한 알루미늄 합금 플랫바를 얻을 수 있으나 비교예 2은 초기 두께 대비 두께가 13%만이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 타공을 통해 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있어 보다 다양한 분야에 폭 넓게 이용되는 합금 소재를 제조할 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도를 통해 실시예 15은 결함이 거의 없어 우수한 물성을 가짐에 반하여 비교예 2은 결함이 6 ~ 8개 범위에서 관측되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.
실시예 16과 비교예 3 역시 타공을 하였는지 여부만을 제외하고 모두 동일한 방법으로 알루미늄 합금 소재를 단조하였다. 상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 16은 초기 두께 대비 37%로 두께가 감소한 알루미늄 합금 플랫바를 얻을 수 있으나 비교예 3은 초기 두께 대비 두께가 3%만이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 타공을 통해 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있어 보다 다양한 분야에 폭 넓게 이용되는 합금 소재를 제조할 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도를 통해 실시예 16은 결함이 거의 없어 우수한 물성을 가짐에 반하여 비교예 3은 결함이 6 ~ 8개 범위에서 관측되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 구체적으로 실시예 17과 비교예 4는 타공을 하였는지 여부만을 제외하고 모두 동일한 방법으로 알루미늄 합금 소재를 단조하였다. 상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 17은 초기 두께 대비 32%로 두께가 감소한 알루미늄 합금 플랫바를 얻을 수 있으나 비교예 3은 초기 두께 대비 두께가 10%만이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 타공을 통해 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있어 보다 다양한 분야에 폭 넓게 이용되는 합금 소재를 제조할 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도를 통해 실시예 17은 결함이 거의 없어 우수한 물성을 가짐에 반하여 비교예 4는 결함이 6 ~ 8개 범위에서 관측되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 구체적으로 실시예 18과 비교예 5는 타공을 하였는 지 여부만을 제외하고 모두 동일한 방법으로 알루미늄 합금 소재를 단조하였다. 상기 표 3을 통해서 알 수 있듯이, 실시예 18은 초기 두께 대비 45%로 두께가 감소한 알루미늄 합금 플랫바를 얻을 수 있으나 비교예 5는 초기 두께 대비 두께가 5%만이 감소하였음을 알 수 있다. 즉, 타공을 통해 보다 얇은 알루미늄 합금 소재를 얻을 수 있어 보다 다양한 분야에 폭 넓게 이용되는 합금 소재를 제조할 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도를 통해 실시예 18은 결함이 거의 없어 우수한 물성을 가짐에 반하여 비교예 5는 결함이 6 ~ 8개 범위에서 관측되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.
본 발명은 인공시효 열처리를 단계를 포함하여 수행되는데, 이와 관련하여 비교예 1 내지 5와 비교예 6은 인공시효 열처리를 수행하였는지 여부만을 달리하여 알루미늄 합금 소재를 열간 단조하였다. 표 3을 통해 알 수 있듯이, 비교예 6은 초기 두께 대비 두께가 1%만이 감소하여 다른 비교예들에 비하여 두께 감소율이 현저히 낮음을 알 수 있다. 또한, 표면의 결함 정도도 다른 비교예들의 경우보다 많이 관찰되어 저하된 물성을 가짐을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. (1) 알루미늄 합금 플랫바를 제조하는 단계;
    (2) 상기 플랫바의 일부 영역을 타공 후, 상기 플랫바의 타공부를 채우기 위하여 열간 단조하는 단계;및
    (3) 상기 타공 후 열간 단조한 플랫바를 가열하는 인공시효 단계;를 포함하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (1) 단계는
    a) Mg : 1.0 ~ 2.2 중량%, Zn : 4.0 ~ 5.5 중량%, Cu : 0.1 ~ 0.9 중량%와 나머지 Al 및 불가피한 불순물로 구성되는 Al-Zn-Mg-Cu계 알루미늄 합금을 예열하는 단계;및
    b) 상기 예열된 알루미늄 합금을 플랫바(flat bar)로 압출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계는
    a) 상기 플랫바를 타공하는 단계;
    b) 상기 플랫바를 합금의 고용온도(Solvus Temperature) 이상에서 별도의 용체화 공정을 포함하지 않고 열간 단조하는 단계; 및
    c) 상기 열간 단조한 플랫바를 급냉(Quenching)하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공 중심 간 간격은 20 ~ 70mm 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공은 단위면적 25cm2 당 타공 개수가 1 ~ 10개인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공이 일렬로 배열되거나 지그재그로 배열되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공 1개 당 면적은 20 ~ 400 mm2 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공의 직경은 10 ~ 40 mm 인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (2) 단계의 타공 후 열간 단조 전 플랫바의 초기 두께가 1 ~ 50 mm 일 때, 플랫바의 초기 두께 대비 열간 단조 후 두께 감소율이 30 ~ 70 %인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금의 열간 단조 방법.
  10. 삭제
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