KR102156008B1

KR102156008B1 - 절삭성이 우수한 알루미늄 합금 압출재 및 그의 제조 방법

Info

Publication number: KR102156008B1
Application number: KR1020167027531A
Authority: KR
Inventors: 유키마사 미야타; 신지 요시하라; 다카히로 시카마
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2014-07-31
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2020-09-15
Also published as: EP3176274A1; CN105473747A; CN105473747B; EP3176274B1; KR20170027316A; KR101688358B1; EP3176274A4; KR20160024837A; WO2016017046A1

Abstract

생산성을 저해하는 일 없이, 소부가 없어 표면이 평활한 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재를 얻는다.
Si: 2.0∼6.0질량%, Mg: 0.3∼1.2질량%, Ti: 0.01∼0.2질량%를 함유하고, Fe 함유량이 0.2질량% 이하로 규제되며, 잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금 빌릿을, 500∼550℃에서 4∼15시간 유지하는 균질화 처리를 행하고, 50℃/시간 이상의 평균 냉각 속도로 250℃ 이하의 온도까지 강제 냉각하고, 450∼500℃로 가열하여 3∼10m/min의 압출 속도로 열간 압출을 행하고, 압출재를 50℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 강제 냉각하고, 시효 처리를 행한다. 표면의 10점 평균 거칠기 Rz가 80μm 이하인 압출재를 제조할 수 있다.

Description

절삭성이 우수한 알루미늄 합금 압출재 및 그의 제조 방법{ALUMINUM ALLOY EXTRUDED MATERIAL HAVING EXCELLENT MACHINABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은 제조의 과정에서 절삭 가공을 다용하는 기계 부품 등에 적합한 고강도이고 절삭성이 우수한 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

특허문헌 1∼4에 절삭용 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재가 기재되어 있다. 이들 절삭용 알루미늄 합금 압출재는, 절삭성 향상을 위해, 1.5질량% 이상의 Si를 첨가하여, 제2상 경질 입자인 Si계 정출물(Si상)을 매트릭스 중에 많이 분포시키고 있다.

일본 특허공개 평9-249931호 공보 일본 특허공개 평10-8175호 공보 일본 특허공개 2002-47525호 공보 일본 특허공개 2003-147468호 공보

상기 절삭용 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금은, 응고 과정에서 Si 및 Mg₂Si를 정출하고, 또한 불가피 불순물로서 포함되는 Fe와 Al 및 Si로 이루어지는 침상의 β-AlFeSi계 화합물(β-AlFeSi상)을 정출한다. 도 1에, 균질화 처리 전의 빌릿의 현미경 조직 사진을 나타낸다. 띠상의 Si상(회색)이 그물상으로 연속해 있고, 그의 내부에 Mg₂Si상(흑색)이 점상으로 분포되며, Si상을 따라서 침상의 β-AlFeSi상(백색)이 형성되어 있다. 이 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 빌릿을 압출하면, 압출재에 소부(픽업)가 발생하여, 압출재 표면의 평활성이 손상된다는 문제가 있다.

Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재에 소부가 발생하는 것은 다음과 같은 이유에 의한다.

압출 전의 빌릿에 존재하는 띠상의 Si상이, 압출에 의한 재료의 변형 및 재료와 다이 베어링부의 마찰에 의한 가공 발열로, Al상 및 Mg₂Si상과 공정(共晶) 반응을 일으키고, 이에 의해 국부 용융이 발생한다. 압출재가 다이 베어링부를 통과할 때 받는 전단력에 의해, 용융점이 기점이 되어 압출재 표면의 재료(Si상으로 둘러싸인 셀)가 탈락하여, 소부가 발생한다.

또한, 압출 전의 빌릿에 존재하는 침상의 β-AlFeSi상이, 압출의 가공 발열로 Mg₂Si상과 포정(包晶) 반응을 일으키고, 이에 의해 국부 용융이 발생한다. 이 국부 용융이 연속적으로 발생하여 계속되면, 압출재가 다이 베어링부를 통과할 때 받는 전단력에 의해, 압출재 표면의 재료가 탈락하여, 소부가 발생한다.

다이의 내주면은 경면 마무리되어 있지만, 소부가 생기면, 압출재의 표면이 거칠어져 평활성을 잃는다.

Si상, Al상 및 Mg₂Si상의 공정 반응에 기초하는 소부는, 압출 전의 빌릿에 500∼550℃에서 4시간 이상의 균질화 처리를 행하여, 띠상으로 정출된 Si상을 분단(구상화)하는 것에 의해 저감할 수 있다.

한편, β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 포정 반응에 기초하는 소부는, 500℃ 이상에서 장시간(Si량 및 Fe량이 많을 때 50시간 정도)의 균질화 처리를 행하여, β-AlFeSi상을 α화(구상화)하거나, 압출 속도를 저하시켜 가공 발열량을 저하시키는 것에 의해 저감할 수 있다. 그러나, 장시간의 균질화 처리는 생산성을 저해하고, 비용적으로도 불리하며, 압출 속도의 저하도 생산성을 저해한다.

본 발명은 절삭용 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재의 제조에 수반되는 상기의 문제점에 비추어 이루어진 것으로, 장시간의 균질화 처리 및 압출 속도의 저하를 수반하는 일 없이, 소부가 없어 표면이 평활한 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재는, Si: 2.0∼6.0질량%, Mg: 0.3∼1.2질량%, Ti: 0.01∼0.2질량%를 함유하고, Fe 함유량이 0.2질량% 이하로 규제되며, 잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어지고, 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하, 또한 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하이며, 압출재 표면의 10점 평균 거칠기 Rz가 80μm 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 알루미늄 합금 압출재는, 필요에 따라, 추가로 Mn: 0.1∼1.0질량%와 Cu: 0.1∼0.4질량% 중 1종 이상을 함유할 수 있다. 상기 알루미늄 합금 압출재는, 필요에 따라, 추가로 Cr: 0.03∼0.1질량%와 Zr: 0.03∼0.1질량% 중 1종 이상을 함유할 수 있다.

본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재의 제조 방법은, 상기 조성을 갖는 알루미늄 합금 빌릿에 대하여, 500∼550℃에서 4∼15시간 유지하는 균질화 처리를 행하고, 50℃/시간 이상의 평균 냉각 속도로 250℃ 이하의 온도까지 강제 냉각하고, 450∼500℃로 가열하여 3∼10m/min의 압출 속도로 열간 압출을 행하고, 압출재를 50℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 강제 냉각하고, 시효 처리를 행하는 것을 특징으로 한다. 이 제조 방법에 의해, 본 발명에 따른 상기 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 있다.

본 발명에 의하면, Si 함유량이 비교적 많은 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재의 제조에 있어서, 장시간의 균질화 처리 및 압출 속도의 저하를 수반하는 일 없이, 소부를 저감하여, 10점 평균 거칠기 Rz가 80μm 이하인 평활한 표면을 갖는 절삭성이 우수한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재를 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재는 고강도이고 절삭성이 우수하며, 또한 표면이 평활하기 때문에 볼품이 좋고, 이 때문에 절삭의 가공량을 줄여, 경우에 따라서는 압출재의 표면의 일부를 그대로(절삭 없이) 제품 표면으로 하여 이용할 수 있다.

도 1은 균질화 처리 전의 빌릿의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 2a는 실시예 No. 1의 빌릿의 균질화 처리 후의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 2b는 실시예 No. 1의 빌릿으로부터 얻어진 압출재의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 3a는 실시예 No. 12의 빌릿의 균질화 처리 후의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 3b는 실시예 No. 12의 빌릿으로부터 얻어진 압출재의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 4a는 실시예 No. 13의 빌릿의 균질화 처리 후의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.
도 4b는 실시예 No. 13의 빌릿으로부터 얻어진 압출재의 주사형 전자 현미경 조직 사진이다.

이하, 본 발명에 따른 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재 및 그의 제조 방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.

(알루미늄 합금의 조성)

본 발명에 따른 알루미늄 합금은, Si: 2.0∼6.0질량%, Mg: 0.3∼1.2질량%, Ti: 0.01∼0.2질량%를 함유하고, 잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어진다. 이 알루미늄 합금은, 필요에 따라 추가로 Mn: 0.1∼1.0질량%와 Cu: 0.1∼0.4질량% 중 1종 이상을 함유하고, 필요에 따라 추가로 Cr: 0.03∼0.1질량%와 Zr: 0.03∼0.1질량% 중 1종 이상을 함유한다. 이 알루미늄 합금의 조성 자체는 공지이지만, 본 발명에서는, 불가피 불순물 중 Fe의 함유량을 0.2질량% 이하로 규제한 점에 특징이 있다. 이하, 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 각 성분에 대하여 설명한다.

Si: 2.0∼6.0질량%

Si는 알루미늄 중에 제2상 경질 입자인 Si계 정출물(Si상)을 형성하여, 절단 부스러기의 분단성을 좋게 해 절삭성을 향상시킨다. 그를 위해서는, Si는 알루미늄에의 고용량을 초과하는 2질량% 이상을 첨가할 필요가 있다. 한편, Si를 6질량%를 초과하여 첨가하면, 조대한 Si상이 형성되어, Si상, Al상 및 Mg₂Si상의 공정 반응에 의해 용융 개시점이 저하된다. 용융 개시점의 저하에 수반되는 국부 용융 및 소부의 발생을 방지하기 위해, 압출 시의 가공 발열량을 억제할 필요가 있고, 그를 위해 압출 속도를 저하시킬 필요가 있다. 따라서, Si 함유량은 2.0∼6.0질량%로 한다. Si 함유량의 하한은 바람직하게는 3.5질량%, 상한은 바람직하게는 4.5질량%이다.

Mg: 0.3∼1.2질량%

Mg는 시효 석출 처리에 의해 미세한 Mg₂Si로서 석출되어, 강도를 향상시킨다. 그를 위해서는, Mg는 0.3질량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 한편, Mg₂Si는 응고 시에 정출물로서도 형성되고, 압출 시에 β-AlFeSi와 포정 반응을 일으켜 국부 용융을 발생시키고, 이것이 소부의 원인이 된다. Mg 함유량이 1.2질량%를 초과하면 Mg₂Si의 정출물이 많이 형성되어, 소부가 발생하기 쉬워진다. 따라서, Mg 함유량은 0.3∼1.2질량%로 한다. Mg 함유량의 하한은 바람직하게는 0.5질량%, 상한은 바람직하게는 0.9질량%이다.

Ti: 0.01∼0.2질량%

Ti는 주조 조직을 미세화하여 기계적 성질을 안정화시키기 위해 첨가되지만, 0.01질량% 미만이면 그의 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.2질량%를 초과하여 첨가하더라도 그 이상 미세화 효과가 향상되지 않는다. 따라서, Ti 함유량은 0.01∼0.2질량%로 한다. Ti 함유량의 하한은 바람직하게는 0.01질량%, 상한은 바람직하게는 0.1질량%이다.

Mn: 0.1∼1.0질량%

Cu: 0.1∼0.4질량%

Mn은 균질화 처리 중에 분산 입자로서 석출되어, 압출재의 결정립을 미세하게 해서 강도를 향상시키는 효과가 있기 때문에, 필요에 따라 첨가된다. Mn 함유량이 0.1질량% 미만이면 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 1.0질량%를 초과하여 첨가되면 압출성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.1∼1.0질량%로 한다. Mn 함유량의 하한은 바람직하게는 0.4질량%, 상한은 바람직하게는 0.8질량%이다.

Cu는 고용체화되어 압출재의 강도를 높이기 위해, Mn 대신에 또는 Mn과 함께, 필요에 따라 첨가된다. 그러나, Cu 함유량이 0.1질량% 미만이면 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.4질량%를 초과하여 첨가되면 내식성 및 압출성이 저하된다. 따라서, Cu 함유량은 0.1∼0.4질량%로 한다. Cu 함유량의 하한은 바람직하게는 0.2질량%, 상한은 바람직하게는 0.3질량%이다.

Cr: 0.03∼0.1질량%

Zr: 0.03∼0.1질량%

Cr은 재결정을 억제해서 결정립을 미세화하여, 압출재의 강도를 높이기 위해, 필요에 따라 첨가된다. 그러나, Cr 함유량이 0.03질량% 미만이면 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.1질량%를 초과하여 첨가되면 압출 시에 소부를 일으키기 쉽다. 따라서, Cr 함유량은 0.03∼0.1질량%로 한다.

Zr은 재결정을 억제해서 결정립을 미세화하여, 압출재의 강도를 높이기 위해, Cr 대신에 또는 Cr과 함께, 필요에 따라 첨가된다. 그러나, Zr 함유량이 0.03질량% 미만이면 충분한 효과가 얻어지지 않고, 한편 0.1질량%를 초과하여 첨가되면, 균질화 처리 시에 Al과의 화합물이 조대화되어, 재결정을 억제하는 효과가 얻어지지 않게 된다. 따라서, Zr 함유량은 0.03∼0.1질량%로 한다.

Fe: 0.2질량% 이하

알루미늄 합금 중에 불가피 불순물로서 존재하는 Fe에 의해, 주조 후의 냉각 과정에서, 침상의 정출물인 β-AlFeSi상이 생성된다. 빌릿 중의 β-AlFeSi량을 줄여, 압출 시의 소부를 방지하기 위해서는, 균질화 처리를 행하여 β-AlFeSi상을 α화(구상화)하거나, 알루미늄 합금의 Fe 함유량을 줄일 필요가 있다.

그러나, β-AlFeSi상을 α화하기 위해서는, 고온 장시간의 균질화 처리가 필요하여, 생산성이 손상된다. 이에 대하여, 알루미늄 합금의 Fe 함유량을 0.2질량% 이하로 규제한 경우, β-AlFeSi상의 생성량이 감소되어, 다음에 설명하는 제조 방법에 의해, 장시간의 균질화 처리를 행하는 일 없이, 압출 시의 소부를 방지할 수 있다. 한편, 알루미늄 합금 중에 불가피 불순물로서 통상 포함되어 있는 Fe의 양은 0.3질량% 정도이다.

(알루미늄 합금 압출재의 제조 방법)

균질화 처리 조건

주조된 빌릿의 균질화 처리는 500∼550℃×4∼15시간의 유지 조건에서 행해진다. 유지 온도를 500℃ 이상으로 하고 유지 시간을 4시간 이상으로 하는 것은, 띠상으로 정출된 Si상을 분단(구상화)하고, 또한 정출된 Mg₂Si를 고용시키기 위해서이다. 유지 온도가 높고 또한 유지 시간이 길수록 Si상의 분단 및 Mg₂Si의 고용이 촉진되어, 소부 저감을 위해서 바람직하지만, 550℃를 초과하는 온도에서는 국부 용해가 생길 우려가 있고, 15시간을 초과하는 유지 시간에서는 생산성이 저하된다. 따라서, 균질화 처리는 500∼550℃×4∼15시간의 범위 내의 유지 조건에서 행한다. 한편, 이 유지 조건에서는, β-AlFeSi상의 α화는 충분히 달성되지 않는다.

균질화 처리 후의 냉각 조건

균질화 처리 후, 빌릿을 50℃/시간 이상의 평균 냉각 속도로 강제 냉각한다. 종래, 균질화 처리 후의 빌릿은 노(爐) 밖으로 취출되어, 방냉 또는 공냉에 의해 냉각되고 있다. 실조업에서는 고온의 빌릿이 다수 집적 상태에서 냉각되기 때문에, 팬 공냉을 행하는 경우에도, 냉각 속도는 일반적으로 30℃/시간 미만으로 추측되지만, 지금까지 균질화 처리 후의 냉각 속도에는 특별히 주의를 기울이고 있지 않았다. 50℃/시간 이상의 평균 냉각 속도로 250℃ 이하의 온도가 될 때까지 강제 냉각하는 것에 의해, Mg₂Si의 석출을 최소한(압출 시에 소부가 발생하는 것을 방지할 수 있는 정도)으로 억제할 수 있다. 250℃ 이하가 되면 실온까지 방냉이어도 된다. 바람직한 평균 냉각 속도는 80℃/시간 이상이며, 빌릿을 집적하지 않고 강제적으로 팬 공냉을 행함으로써 달성할 수 있다. 더 바람직하게는 수냉이며, 그 경우 약 100000℃/시간의 냉각 속도가 달성된다.

압출 조건

균질화 처리 후, 빌릿을 450∼500℃로 재가열하고, 3∼10m/min의 압출 속도로 열간 압출을 행한다. 본 발명에 따른 압출재는 중실재(中實材)(솔리드재)이기 때문에 압출비가 비교적 작고, 가공 발열이 그다지 커지지 않기 때문에, 압출 온도가 450℃ 미만이면, 압출재의 출구 온도가 용체화에 필요한 500℃ 이상이 되지 않는다. 한편, 압출 온도가 500℃를 초과하면, 가공 발열이 가해져 재료 온도가 올라가, 압출재에 소부가 발생할 위험성이 나온다. 따라서, 압출 온도(빌릿의 가열 온도)는 450∼500℃로 한다. 압출 속도가 3m/분 미만이면 생산성이 낮다. 한편, 10m/분을 초과하면, 가공 발열이 커서 재료 온도가 올라가, 압출재에 소부가 발생할 위험성이 나온다. 또한, 압출재가 단면에 각(角)부를 갖는 경우, 각부에 메탈이 널리 퍼지지 않는 각균열이라고 하는 현상이 생기기 쉽다. 따라서, 압출 속도는 3∼10m/분으로 한다. 본 발명의 제조 방법에 있어서, 압출비(압출 컨테이너의 단면적/압출 출구의 단면적)는 15∼40인 것이 바람직하다.

압출 후의 냉각 조건

압출 직후의 압출재는, 압출 출구 온도로부터 250℃ 이하의 온도까지, 50℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 온라인에서 강제 냉각(다이 ??칭)한다. 250℃ 이하가 되면 실온까지 방냉이어도 된다. 이 평균 냉각 속도를 50℃/초 이상으로 하는 것에 의해, Mg₂Si의 석출을 방지한다. 바람직한 냉각 수단은 수냉이다.

시효 처리 조건

다이 ??칭한 압출재는 시효 처리를 행한다. 시효 처리 조건은 160∼200℃×2∼10시간의 범위 내에서 행하면 된다.

(압출재에 있어서의 AlFeSi 입자와 Mg₂Si 입자의 수(數)밀도)

본 발명에 따른 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재에 있어서의 조대한 β-AlFeSi 입자와 Mg₂Si 입자의 분포 상태는, 균질화 처리 후(냉각 후)의 빌릿에 있어서의 β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 분포 상태를 반영한 것으로 되어 있다. 이 점을 도 2a∼4b의 전자 현미경 조직 사진을 참조하여 설명한다.

도 2a, 도 3a 및 도 4a는, 각각 실시예 No. 1, 12, 13의 빌릿에 있어서의 β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경 조직 사진이다. β-AlFeSi상은 백색의 침상의 입자로서, Mg₂Si상은 흑색의 입상의 입자로서 나타나 있다. 도 2b, 도 3b 및 도 4b는, 그들의 빌릿으로부터 얻어진 압출재에 있어서의 AlFeSi 입자와 Mg₂Si 입자의 분포 상태를 나타내는 전자 현미경 조직 사진이다. 본래의 β-AlFeSi상은 압출 시에 분단되어, 백색의 입상의 입자의 집합체가 되어 있다.

후술하는 실시예의 표 2에 나타내는 바와 같이, 도 2b에서는, 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자와 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 일정 면적(50μm×50μm)당 개수가 모두 본 발명의 규정 범위 내이다. 도 2b에 나타난 각 입자의 분포 상태를 기준으로 하면, 도 3b에서는, 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자의 개수가 비교적 많아, 본 발명의 규정 범위를 초과하고, 도 4b에서는, 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 개수가 비교적 많아, 본 발명의 규정 범위를 초과한다. 한편, 도 2a, 도 3a 및 도 4a에 있어서 β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 분포 상태를 비교하면, 도 2a에서는, β-AlFeSi상이 적고, 또한 Mg₂Si상이 작으며, 도 3a에서는 β-AlFeSi상이 비교적 많고, 도 4a에서는 Mg₂Si상의 사이즈가 비교적 크다.

이와 같이, 압출재에 있어서 직경 5μm 이상의 조대한 AlFeSi 입자의 개수가 많은 경우, 압출 전(균질화 처리 후)의 빌릿의 β-AlFeSi상의 양이 많다. 압출재에 있어서 직경 2μm 이상의 조대한 Mg₂Si 입자의 개수가 많은 경우, 압출 전(균질화 처리 후)의 빌릿의 Mg₂Si 입자의 사이즈가 크다. 이 대응 관계는 압출비가 극도로 큰 경우(예컨대 45 이상)를 제외하고 성립될 수 있다. 따라서, 압출재에 있어서의 직경 5μm 이상의 β-AlFeSi 입자와 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 분포 상태를 규정함으로써, 압출 전(균질화 처리 후)의 빌릿에 있어서의 β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 분포 상태를 간접적으로 규정한 것이 된다.

그리고, 압출재에 있어서의 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자와 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 일정 면적당 개수가 본 발명의 규정 범위 내인 경우, 빌릿 중의 β-AlFeSi상의 생성량이 적고, Mg₂Si 입자의 석출이 억제되어, Mg₂Si상의 사이즈가 작다. 반대로, 압출재에 있어서의 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자의 일정 면적당 개수가 본 발명의 규정 범위를 초과하는 경우, 빌릿 중의 β-AlFeSi상의 생성량이 많다. 또한, 압출재에 있어서의 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 일정 면적당 개수가 본 발명의 규정 범위를 초과하는 경우, 빌릿 중의 Mg₂Si상의 석출이 충분히 억제되지 않아, Mg₂Si상의 사이즈가 크다.

본 발명에 있어서의 AlFeSi 입자와 Mg₂Si 입자의 수밀도는 이하의 순서로 측정한다.

1) 압출재의 수밀도의 측정을 행하는 단면을 연마한 후, 주사형 전자 현미경(SEM) 관찰에 의해, 수밀도 측정을 행하는 50μm×50μm의 정사각형(한 쌍의 변이 압출 방향에 평행)의 관찰 영역을 2개 이상 선택한다.

2) 당해 관찰 영역에 포함되는, 직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자 및 직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 개수를 각각 측정한다(직경은 원 상당 직경). 한편, 당해 영역에 포함되는 입자의 개수를 측정할 때에는, 정밀도 좋게 측정하기 위해서 SEM의 배율을 1000배 이상으로 하는 것이 바람직하다. 관찰 영역의 변 위를 가로질러 존재하고 있는 입자는 1개로 해서 카운트한다.

3) 상기 2)의 순서로 선택한 모든 관찰 영역에 대해서 각 입자의 개수를 측정하여, 선택한 모든 관찰 영역에 포함되는 각각의 입자의 개수의 평균값을 구한다.

(압출재의 표면 거칠기)

상기 조성의 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금의 빌릿을 상기 조건에서 균질화 처리하는 것에 의해, 빌릿 중에 정출되어 있었던 띠상의 Si상이 구상화되고, 또한 Mg₂Si가 고용된다. 계속해서, 균질화 처리 온도로 유지된 빌릿을 통상보다 큰 50℃/시간 이상의 냉각 속도로 250℃ 이하까지 강제 냉각하는 것에 의해, 냉각 과정에서의 Mg₂Si 입자의 석출이 억제된다. 이 빌릿은 β-AlFeSi상의 생성량이 적고, Mg₂Si상의 석출이 억제되어 있기 때문에, 압출 시에 β-AlFeSi상과 Mg₂Si상의 포정 반응이 억제되고, 또한 Mg₂Si상의 석출이 억제되어 있는 것에 의해 Si, Al 및 Mg₂Si의 공정 반응도 억제된다. 그 결과, 압출재의 소부가 경감되어, 표면 거칠기가 작은 Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재(압출 상태재)를 제조할 수 있다. 본 발명에 의하면, Al-Mg-Si계 알루미늄 합금 압출재의 표면 거칠기를 10점 평균 거칠기 Rz(JIS B 0601: 1994)로 80μm 이하로 할 수 있다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 조성(용해 후의 조성)의 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금을 용해시키고, 반연속 주조에 의해 직경 400mm의 빌릿을 작성하여, 표 1에 나타내는 균질화 처리 조건(유지 온도, 유지 시간, 냉각 속도)에서 균질화 처리를 행했다. 한편, 표 1에서 기재되어 있는 조성의 잔부는 Al 및 Fe를 제외한 불가피 불순물이다. 계속해서 표 1에 나타내는 압출 조건(압출 온도(빌렛 가열 온도), 압출 속도, 냉각 속도), 압출비 33으로 압출 성형을 행하여, 중실 직사각형 단면(100mm×40mm)의 압출재를 얻고, 그 후 180℃×4시간의 시효 처리를 행했다. 한편, 냉각 속도는 모두 250℃까지의 냉각 속도이다.

얻어진 압출재를 공시재로 해서, 조대한 AlFeSi 입자 및 Mg₂Si 입자의 수밀도, 및 절삭성, 경도, 표면 거칠기(10점 평균 거칠기 Rz) 및 압출성을 하기 요령으로 측정했다.

(AlFeSi 입자 및 Mg₂Si 입자의 수밀도)

각 공시재의 수밀도의 측정을 행하는 단면을 연마한 후, 각 공시재에 대하여 SEM 관찰(Scanning Electron Microscope, 주사형 전자 현미경)에 의해, 수밀도 측정을 행하는 50μm×50μm의 정사각형(한 쌍의 변이 압출 방향에 평행)의 관찰 영역을 2개 선택했다. 각 공시재에 대하여, 선택한 2개의 관찰 영역을 1000배에서 SEM 관찰하고, 각 관찰 영역의 범위 내에 관찰되는 직경(원 상당 직경) 5μm 이상의 AlFeSi 입자 및 직경(원 상당 직경) 2μm 이상의 Mg₂Si 입자의 개수를 측정하여, 2개의 관찰 영역에서 측정된 각 입자의 개수의 각각의 평균값을 구했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다. 한편, 관찰 영역의 변 위를 가로질러 존재하고 있는 입자는 1개로 해서 카운트했다.

(절삭성)

시판 중인 고속도 강제의 4mm 직경 드릴을 이용하여, 회전수 1500rpm, 전송 속도 300mm/분의 조건에서 천공 가공하고, 얻어진 절삭분(粉) 100g 중의 절삭분 수를 카운트하여, 압출재의 절삭성(절삭분 분단성)을 측정했다. 절삭분 수가 7000개를 초과하는 것을 우수(◎), 절삭분 수가 7000∼5000개인 것을 양호(○), 절삭분 수가 5000 미만∼3000개인 것을 가능(△), 절삭분 수가 3000개 미만인 것을 불가(×)로 평가했다. 그 결과를 표 2의 특성의 란에 나타낸다.

(경도)

JIS Z 2245: 2011의 로크웰 경도 시험-시험 방법에 기초하여 로크웰 경도(HRB)를 측정했다.

(표면 거칠기)

압출재의 상하 좌우의 각 면(총계 4면)을 압출재의 전체 길이에 걸쳐 육안으로 관찰하고, 각 면에 대하여 표면 거칠기가 가장 크다고 판정된 개소의 표면 거칠기(10점 평균 거칠기 Rz)를, 압출 방향에 수직 방향으로, JIS B 0601: 1994의 규정에 기초해서 측정했다. 각 면에서 얻어진 10점 평균 거칠기 Rz 중 최대값을 압출재의 표면 거칠기(10점 평균 거칠기 Rz)로서 표 2의 특성의 란에 나타낸다.

(압출성)

No. 1∼22의 압출재의 각부를 압출재의 전체 길이에 걸쳐 육안으로 관찰하고, 각균열의 발생의 유무(압출성의 좋고 나쁨)를 관찰했다. 나아가, 각균열의 발생이 확인된 시험 번호의 압출재에 대응하는 빌릿에 대하여, 표 1에 나타내는 압출 속도보다 작은 압출 속도로 압출하여, 각각 각균열의 발생의 유무를 관찰했다. 또한, 각균열의 발생이 확인되지 않은 압출재의 시험 번호에 대응하는 빌릿에 대하여, 표 1에 나타내는 압출 속도보다 큰 압출 속도로 압출하여, 각각 각균열의 발생의 유무를 관찰했다. 한편, 이때의 압출 속도는 3m/분, 5m/분, 10m/분 중 어느 것으로 하고, 균질화 처리 조건과 압출 조건(압출 속도를 제외함)은 표 1에 기재된 대로 했다. 압출 속도가 10m/분이고 각균열의 발생이 확인되지 않은 경우, 압출성을 우수(○)로 평가하고, 압출 속도가 10m/분이고 각균열의 발생이 확인되었지만, 5m/분에서 각균열의 발생이 확인되지 않은 경우, 압출성을 양호(△)로 평가하고, 압출 속도가 3m/분이어도 각균열의 발생이 확인된 경우, 압출성을 불량(×)으로 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.

표 1, 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명에서 규정하는 조성을 갖고, AlFeSi 입자 및 Mg₂Si 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 만족시키는 No. 1∼9의 압출재는, 표면 거칠기가 작고(10점 평균 거칠기 Rz≤80μm), 절삭성도 우수하다. 또한, 로크웰 경도가 38HRB 이상이어서, 강도적으로도 우수하다. No. 1∼9의 압출재는 모두 본 발명에서 규정하는 제조 방법으로 제조된 것이다. 한편, No. 1의 빌릿(균질화 처리 후)과 압출재의 전자 현미경 조직 사진을 도 2a 및 도 2b에 나타낸다.

한편, No. 10의 압출재는 Si 함유량이 과잉이기 때문에 소부가 발생하여, 표면 거칠기가 크다.

No. 11의 압출재는 Si 함유량이 과소이기 때문에 절삭성이 뒤떨어진다.

No. 12의 압출재는 불순물인 Fe 함유량이 과잉이기 때문에, AlFeSi 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과하여, 표면 거칠기가 크다(10점 평균 거칠기 Rz>80μm). No. 12의 빌릿(균질화 처리 후)과 압출재의 전자 현미경 조직 사진을 도 3a 및 도 3b에 나타낸다. 도 3a에 나타내는 바와 같이, 빌릿 중의 β-AlFeSi상이 많아, 압출 시에 소부가 발생하여, 표면 거칠기가 커졌다.

No. 13의 압출재는 Mg₂Si 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과하여, 표면 거칠기가 크다(10점 평균 거칠기 Rz>80μm). No. 13의 빌릿(균질화 처리 후)과 압출재의 전자 현미경 조직 사진을 도 4a 및 도 4b에 나타낸다. 균질화 처리 후의 냉각 속도가 작기 때문에, 도 4a에 나타내는 바와 같이, 빌릿 중의 Mg₂Si상의 사이즈가 커서, 압출 시에 소부가 발생하여, 표면 거칠기가 커졌다.

No. 14의 압출재는 AlFeSi 입자와 Mg₂SiMg₂Si 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과하고, No. 15의 압출재는 AlFeSi 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과하여, 모두 표면 거칠기가 크다(10점 평균 거칠기 Rz>80μm). 이는, No. 14에서는 균질화 처리의 시간이 짧고, No. 15에서는 균질화 처리의 온도가 낮아, 모두 β-AlFeSi 입자의 α화가 진행되지 않고, 또한 빌릿 중의 Si상의 분단 및 Mg₂Si상의 고용이 불충분했기 때문이다.

No. 16, 17의 압출재는 모두 Fe 함유량이 과잉이고, AlFeSi 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과해 있지만, 표면 거칠기가 작다(10점 평균 거칠기 Rz≤80μm).

이는, No. 16에서는, 압출 속도를 규정의 하한치인 3m/분보다 상당히 저하시키고, No. 17에서는, 균질화 처리의 시간을 규정의 상한치인 15시간보다 상당히 길게 했기 때문이다. 이에 의해, No. 16, 17에서는 생산성이 저하되어 있다.

No. 18, 19의 압출재는 AlFeSi 입자와 Mg₂Si 입자의 수밀도가 모두 본 발명의 규정을 만족시키지만, 표면 거칠기가 크다(10점 평균 거칠기 Rz>80μm). 이는, No. 18은 압출 온도가 지나치게 높고, No. 19는 압출 속도가 지나치게 커서, 가공 발열에 의해 재료 온도가 올라가, 압출재에 소부가 생겼기 때문이다.

No. 20의 압출재는 Cu 함유량이 과잉이기 때문에, 압출성이 저하되었다.

No. 21의 압출재는 Mg 함유량이 과소이기 때문에, 강도(경도)가 낮다.

No. 22의 압출재는 Mg 함유량이 과잉이기 때문에, Mg₂Si 입자의 수밀도가 본 발명의 규정을 초과하여, 표면 거칠기가 크다(10점 평균 거칠기 Rz>80μm). 이는, Mg 함유량이 과잉이기 때문에, 빌릿 중에 Mg₂Si상이 많이 형성되어, 압출 시에 소부가 발생했기 때문이라고 생각된다.

본 출원은 출원일이 2014년 7월 31일인 일본 특허출원, 특원 제2014-156634호를 기초출원으로 하는 우선권 주장을 수반한다. 특원 제2014-156634호는 참조하는 것에 의해 본 명세서에 도입된다.

Claims

절삭성이 우수한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재로서,
Si: 2.0∼6.0질량%,
Mg: 0.3∼1.2질량%,
Ti: 0.01∼0.2질량%
를 함유하고,
Fe 함유량이 0.2질량% 이하로 규제되며,
잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어지고,
직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하,
직경 2μm 이상의 Mg₂Si 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하이며,
압출재 표면의 10점 평균 거칠기 Rz가 80μm 이하인 알루미늄 합금 압출재.
제 1 항에 있어서,
추가로 Mn: 0.1∼1.0질량%와 Cu: 0.1∼0.4질량% 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재.
절삭성이 우수한 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재의 제조 방법으로서,
Si: 2.0∼6.0질량%,
Mg: 0.3∼1.2질량%,
Ti: 0.01∼0.2질량%
를 함유하고,
Fe 함유량이 0.2질량% 이하로 규제되며,
잔부 Al 및 불가피 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금 빌릿을,
500∼550℃에서 4∼15시간 유지하는 균질화 처리를 행하고, 50℃/시간 이상의 평균 냉각 속도로 250℃ 이하의 온도까지 강제 냉각하고, 450∼500℃로 가열하여 3∼10m/min의 압출 속도, 15∼40의 압출비로 열간 압출을 행하고, 압출재를 50℃/초 이상의 평균 냉각 속도로 강제 냉각하고, 시효 처리를 행하며,
상기 알루미늄 합금 압출재가,
직경 5μm 이상의 AlFeSi 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하,
직경 2μm 이상의 Mg2Si 입자가 50×50μm의 면적당 20개 이하이며,
압출재 표면의 10점 평균 거칠기 Rz가 80μm 이하인,
알루미늄 합금 압출재의 제조 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 알루미늄 합금이, 추가로 Mn: 0.1∼1.0질량%와 Cu: 0.1∼0.4질량% 중 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는 Al-Si-Mg계 알루미늄 합금 압출재의 제조 방법.