KR102208870B1 - 알루미늄 열간 가공의 최적화 - Google Patents

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Abstract

알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 상기 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 용액화 온도로 가열하는 단계, 상기 알루미늄 합금 성분을 요망된 성형 온도로 냉각시키는 단계, 상기 알루미늄 합금 성분이 요망된 성형 온도에 있는 동안 성형 디바이스에서 상기 알루미늄 합금 성분을 요망된 형상으로 변형시키는 단계, 상기 알루미늄 합금 성분의 변형 동안 일정한 온도를 유지하는 단계, 및 상기 알루미늄 합금 성분을 솔버스(solvus) 온도 아래의 저온으로 켄칭시키는 단계를 포함한다.

Description

알루미늄 열간 가공의 최적화
관련 출원에 대한 교차-참조
본원은 명칭 "알루미늄 열간 가공의 최적화"로 2015년 10월 8일자로 출원된, 미국 가출원 일련 번호 62/238,960("'960 출원")과 관련되며, 이로부터의 우선권 이점을 주장한다. '960 출원은 이로써 그 전문이 참고로 편입되어 있다.
분야
본 발명은 알루미늄을 열간 가공하거나 열간 성형하고, 제조 변수를 최적화하는 방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 2개의 카테고리로 그룹화될 수 있다: 열-처리가능한 합금 및 비-열-처리가능한 합금. 열-처리가능한 합금은 적절한 열처리 동안 강화 및/또는 경화될 수 있지만, 반면에 비-열-처리가능한 합금을 가열 및 냉각시킴으로써 상당한 강화가 달성될 수 없다. 2xxx, 6xxx, 및 7xxx 시리즈의 합금 (및 일부 8xxx 합금)은 열-처리가능하다. 1xxx, 3xxx, 4xxx, 및 5xxx 시리즈의 합금 (및 일부 8xxx 합금)은 비-열-처리가능하다. 열간 가공은 변형 경화(즉, 냉간 가공)가 발생하지 않는 그와 같은 온도 및 속도에서 금속의 소성 변형이다.
열-처리가능한 알루미늄 합금 성분("성분")은 용액 열처리를 거칠 수 있다. 용액 열처리는 3개의 단계를 포함할 수 있다: (1) 성분의 가열 및 침지(주어진 온도에서) 둘 모두를 포함할 수 있는 용액 가열; (2) 켄칭; 및 (3) 에이징. 가열 및 침지 단계는 큰 입자를 용해시키고, 성분을 강화시키기 위해 입자를 보다 작은 침전물 또는 용해된 원자 (가용성 경화 요소로 작용함)로 분산시킨다. 켄칭, 또는 급속 냉각은 용해된 원소를 원위치에서 효과적으로 동결 또는 로킹(locking)시켜 (즉, 여전히 분산됨) 달리 서냉으로 발생하는 것보다 실온에서 용액 중 더 많은 합금 원소를 갖는 고용체를 생성한다.
에이징 단계는 고용체에 용해된 합금 원소가 냉각 금속을 통해 (심지어 실온에서도) 이동하도록 하지만, 고온에서 이동할 수 있는 것만큼 빠르거나 멀리 이동하지는 못한다. 따라서, 용해된 합금 원소의 원자는 서서히 모여 이들 사이의 거리가 상대적으로 짧은 작은 침전물을 형성하지만, 큰, 폭넓게-이격된 입자는 아니다. 작은 전위-피닝(dislocation-pinning) 침전물의 양 및 고밀도는 합금에 강도 및 경도를 부여하며, 그 이유는 침전물이 1차 원소(알루미늄)의 것과 비교하여 상이한 탄성 모듈러스를 가지며, 따라서 종종 가소성의 가장 중요한 캐리어인, 전위의 이동을 억제하기 때문이다. 에이징은 자연적이거나 인위적일 수 있다. 일부 합금은 단시간 (즉, 며칠 또는 몇 주) 내에 "자연 에이징"에 의해 사실상 최대 강도에 도달한다. 그러나, 실온에서, 일부 합금은 수년간 현저히 강화될 것이다. 침전을 가속화시키기 위해, 이들 합금은 용해된 원소의 이동도를 증가시키고 실온에서보다 더 빠르게 침전시키도록 적당히 상승된 온도에서 제한된 시간 동안 성분을 유지하는 것을 포함하는 "인위적 에이징"을 겪는다.
종래에, 일부 합금이 실온에서 좋지 못한 성형성 (즉, 손상 없이 소성 변형을 겪는 능력)을 갖기 때문에, 이들 합금의 성분을 요망된 기하학적 형상으로 성형하기 위해, 이들 성분은 용액 가열 후 및 용액화(solutionizing) 온도에서 또는 근처 온도에서 켄칭 전 열간 가공 (또는 열간 성형)을 겪을 수 있다. 예를 들면, 가열 스테이션과 성형 프레스 사이의 이동은 알루미늄으로부터 열 손실을 피하기 위해 가능한 한 빨리 진행되어야 한다 (단락 [0035] 및 도 1 참조)는 것을 기재하는, 미국 특허 출원 공보 2012/0152416 ('416 공보)을 참조한다. 열간 가공 또는 열간 성형 공정은, 예를 들면, 인출, 압출, 단조, 고온 금속 가스 성형(hot metal gas forming), 및/또는 압연을 포함할 수 있다.
성분이 만족스럽지 않은 변형능력을 나타내는 일부 알루미늄 합금 (특히, 7xxx 합금)을 열간 가공하는 경우에 알려진 문제가 있다. 예를 들면, 하기를 참조한다: N. M. Doroshenko et al., Effect Of Admixtures Of Iron And Silicon on the Structure and Cracking of Near-Edge Volumes in Rolling of Large Flat Ingots from Alloy 7075, Metal Science and Heat Treatment, Vol. 47, Nos. 1-2, 2005 at 30 ("Doroshenko"). 도로센코(Doroshenko)는 7xxx의 열간 압연 및 발생한 균열에 중점을 둔다. 이러한 문제를 다루기 위해, 도로센코는 7xxx 합금의 특정한 화학 조성을 위한 분석 및 제안된 지침을 설명한다.
합금의 화학적 조성의 소모적인 분석 및 변형 없이 열간 성형 공정 동안 알루미늄 합금 (특히 7xxx 합금)의 변형능력을 개선시키는 것이 필요하다.
본 특허에 사용된 용어 "발명"("invention") 및 "본 발명"("the invention", "this invention" 및 "the present invention")은 본 특허의 요지 및 하기 특허 청구항들 모두를 광범위하게 지칭하는 것으로 의도된다. 이들 용어를 함유하는 서술은 본 명세서에 기재된 요지, 또는 하기 특허 청구항들의 의미 또는 범위를 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 특허에 의해 커버되는 본 발명의 구현예는 본 요약이 아닌, 하기 청구항들에 의해 한정된다. 본 요약은 본 발명의 다양한 측면에 대한 전체적인 개요이며, 하기 상세한 설명 부문에 추가로 기재된 개념 중 일부를 소개한다. 본 요약은 청구된 요지의 핵심 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것으로 의도되지 않으며, 청구된 요지의 범주를 결정하기 위해 단독으로 사용되는 것으로 의도되지도 않는다. 요지는 본 특허의 전체 명세서의 적절한 부분, 임의의 또는 모든 도면 및 각각의 청구항을 참조하여 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 예에 따르면, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 다음을 포함한다: 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 용액화 온도로 가열하는 단계; 알루미늄 합금 성분을 대략 380℃ 내지 대략 470℃ 범위의 요망된 성형 온도로 냉각시키는 단계; 알루미늄 합금 성분이 요망된 성형 온도에 있는 동안 성형 디바이스에서 알루미늄 합금 성분을 요망된 형상으로 변형시키는 단계; 및 알루미늄 합금 성분을 솔버스(solvus) 온도 아래의 대략 0℃ 내지 대략 280℃의 범위에 있는 저온으로 켄칭시키는 단계.
일부 예에서, 알루미늄 합금 성분은 7xxx 합금을 포함한다. 특정 예에서, 알루미늄 합금 성분은 7075 합금을 포함한다.
일부 경우에, 요망된 성형 온도 범위는 대략 390℃ 내지 대략 460℃, 또는 대략 400℃ 내지 대략 440℃의 범위일 수 있다. 일부 경우에, 요망된 성형 온도는 대략 425℃이다.
용액화 온도는, 특정 예에서, 대략 400℃ 내지 대략 600℃의 범위이다. 일부 예에서, 용액화 온도는 대략 420℃ 내지 대략 590℃ 또는 대략 460℃ 내지 대략 520℃의 범위이다. 일부 예에서, 용액화 온도는 480℃의 최소 값을 가지며, 일부 경우에 대략 480℃이다.
특정 예에서, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 알루미늄 합금 성분을 인위적으로 에이징하는 것을 포함한다.
알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은, 일부 예에서, 알루미늄 합금 성분의 변형 동안 일정한 온도를 유지하는 것을 포함하며, 여기서 상기 일정한 온도는 ±10℃로 유지된다.
일부 예에서, 알루미늄 합금 성분은 잉곳(ingot)을 포함하며, 성형 디바이스는 압연기(rolling mill)를 포함하며, 요망된 형상은 플레이트 또는 시트를 포함한다. 일부 경우에, 성형 디바이스는 성형 프레스이다.
알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은, 일부 예에서, 알루미늄 합금 성분을 용액화 온도에서 예정된 시간 동안 유지하는 것을 포함한다.
특정 예에서, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 성형 디바이스로 절연 인클로저(insulated enclosure)를 통해 이동시키는 것을 포함한다.
일부 예에서, 켄칭은 알루미늄 합금 성분이 대략 50℃/초의 최소 속도로 냉각되도록 다이를 통해 내부적으로 흐르는 물로의 다이 켄칭(die quenching)을 포함한다. 냉각 속도는 대략 50℃/초 내지 대략 500℃/초일 수 있으며, 일부 예에서, 300℃/초 내지 대략 350℃/초일 수 있다.
특정 예에 따르면, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 다음을 포함한다: 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 대략 480℃의 용액화 온도로 가열하는 단계; 알루미늄 합금 성분을 대략 400℃ 내지 대략 440℃ 범위의 요망된 성형 온도로 냉각시키는 단계; 알루미늄 합금 성분이 요망된 성형 온도에 있는 동안 성형 디바이스에서 알루미늄 합금 성분을 요망된 형상으로 변형시키는 단계; 알루미늄 합금 성분의 변형 동안 ±10℃로 유지되는 일정한 온도를 유지하는 단계; 및 알루미늄 합금 성분을 솔버스 온도 아래의 대략 23℃인 저온으로 켄칭시키는 단계.
일부 예에서, 알루미늄 합금 성분은 7xxx 합금을 포함한다. 특정 구현예에서, 알루미늄 합금 성분은 7075 합금을 포함한다.
특정 예에서, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 알루미늄 합금 성분을 인위적으로 에이징하는 것을 포함한다.
일부 예에서, 알루미늄 합금 성분은 잉곳을 포함하며, 성형 디바이스는 압연기를 포함하며, 요망된 형상은 플레이트 또는 시트를 포함한다.
성형 디바이스는, 특정 예에서, 성형 프레스를 포함한다.
알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은, 일부 예에서, 알루미늄 합금 성분을 용액화 온도에서 예정된 시간 동안 유지하는 것을 포함한다.
특정 예에서, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법은 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 성형 디바이스로 절연 인클로저를 통해 이동시키는 것을 포함한다.
일부 예에서, 켄칭은 알루미늄 합금 성분이 대략 50℃/초 내지 대략 500℃/초의 속도로 냉각되도록 다이를 통해 내부적으로 흐르는 물로의 다이 켄칭을 포함한다.
본 명세서에 기재된 방법은 7xxx 합금, 예컨대 비제한적으로 7075 합금을 포함하는 알루미늄 합금에 대한 열간 압연 공정 동안 잉곳 상에 엣지 크래킹(edge cracking)을 방지할 수 있다. 또한, 개시된 공정은 결합 공정 및 다른 성형 공정 예컨대 고온 가스 성형, 인출, 압출, 및 단조를 최적화하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 최적화는 생산 효율을 증가시키고, 수율을 개선시키고, 에너지 소모를 감소시키고, 스크랩(scrap)을 감소시키고, 전체 생산성을 개선시킬 수 있다. 7xxx 합금의 열간 성형에 대한 이러한 개선은 높은 강도-대-중량 비 물질이 요망되는 수많은 산업, 예를 들면, 수송 및 항공우주 산업, 특히 자동차 및 트럭과 같은 모터 비히클의 제조에 중요한 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 설명적이지만, 비제한적인 구현예는 하기 도면과 관련하여 아래에 상세히 기재되어 있다.
도 1은 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 예시적인 방법의 개략도이다.
도 2는 도 1의 방법의 온도 플롯이다.
도 3은 다양한 온도에서 압축 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 4는 다양한 온도에서 알루미늄 합금 인장 시험 샘플을 나타낸다.
도 5는 다양한 온도에서 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 6a는 다양한 온도에서 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 6b는 다양한 온도에서 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 6c는 다양한 온도에서 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 7a는 알루미늄 합금 성분의 그레인 구조를 나타내는 확대도이다.
도 7b는 알루미늄 합금 성분의 그레인 구조를 나타내는 확대도이다.
도 7c는 알루미늄 합금 성분의 그레인 구조를 나타내는 확대도이다.
도 8a는 다양한 속도로 가열된 후 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 8b는 다양한 속도로 가열된 후 장력 시험된 알루미늄 합금 성분의 응력-변형률 플롯이다.
도 9a는 대략 10초 내에 용액화 온도로 가열된 알루미늄 합금 성분의 그레인 구조를 나타내는 확대도이다.
도 9b는 대략 5분 내에 용액화 온도로 가열된 알루미늄 합금 성분의 그레인 구조를 나타내는 확대도이다.
이 부문은 알루미늄 합금을 열간 성형하는 공정의 비-제한적인 예를 기재하며, 청구된 요지의 범위를 제한하지 않는다. 청구된 요지는 다른 방식으로 구현될 수 있으며, 상이한 요소 또는 다른 속성을 포함할 수 있으며, 기타 기존의 또는 미래의 기술과 함께 사용될 수 있다. 이러한 설명은 다양한 요소 사이에 임의의 특정한 순서 또는 배열을 요구하는 것으로 해석되어서는 안된다.
이러한 설명에서, AA 번호 및 "시리즈"와 같은 다른 관련된 지정으로 식별된 합금에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 그것의 합금을 명명하고 식별하는데 가장 통상적으로 사용되는 번호 지정 시스템의 이해를 위해, 모두 알루미늄 협회(The Aluminum Association)에 의해 발행된 하기를 참조한다: "International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys" 또는 "Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in the Form of Castings and Ingot".
도 1-9b는 알루미늄 합금 성분을 열간 가공하는 예를 실증한다. 도 1 및 2에서 나타낸 바와 같이, 알루미늄 합금 성분 (예를 들면, 성분(50))을 열간 성형하는 방법은 합금 블랭크(104)의 공급원으로부터 성분(50)을 제거하고, 성분(50)을 가열로(103)에서 용액화 온도(Y)로 가열하고, 성분(50)을 요망된 성형 온도(TF)로 냉각시키고, 성분(50)이 요망된 성형 온도(TF)에 있는 동안 성형 디바이스(102)에서 성분(50)을 요망된 형상으로 변형시키고, 성분(50)을 솔버스 온도(X) 아래의 저온으로 켄칭시키고, 성분(50)을 인위적으로 에이징하는 것을 포함할 수 있다.
7xxx 알루미늄 합금 성분을 효과적으로 열간 성형하기 위해, 성분은 연성을 증가시키고 (즉, 물질이 파손 없이 변형될 수 있는 정도의 척도) 변형 경화(strain hardening)를 제거하도록 가열되어야 한다. 일반적으로, 알루미늄의 연성은 온도 증가에 따라 증가한다. 그러나, 이러한 특성에 반하는 7xxx 합금에 대한 인장 및 압축 시험 둘 모두에 대한 실험이 수행되었다. 예를 들면, 도 4는 7075 합금에 대한 4개의 "도그 본(dog bone)" 인장 시험 시편을 보여준다. 제1 시편(401)은 425℃에서 완료된 인장 시험에서 얻어진다. 3개의 나머지 시험편은 더 높은 온도 시험 (25℃ 증분)에서 얻어지며, 여기서 (402)는 450℃ 인장 시험에서 얻어지며, (403)은 475℃ 인장 시험에서 얻어지며, (404)는 500℃ 인장 시험에서 얻어진다. 도 4에서 나타낸 바와 같이, 475℃ 및 500℃에서 수행된 실험으로부터의 샘플(403 및 404)은 각각 425℃ 샘플(401)과 비교하여 상당히 더 낮은 연성을 나타낸다. 환언하면, 500℃ 시편(404)은 425℃ 샘플(401)보다 상당히 덜 변형되었다 (즉, 길이 방향으로 연신되어 소성 변형됨). 425℃ 샘플(401) 및 450℃ 샘플(402)은 파괴(failure) 전에 상당히 더 많은 네킹(necking)을 나타낸다. 이러한 인장 시험 결과는, 7xxx 알루미늄(특히, 7075 알루미늄)이 온도 증가에 따라 연속적으로 증가하는 연성을 나타내지 않는다는 결론을 뒷받침한다. 특히, 도 4에서 나타낸 바와 같이, 7075 알루미늄은 역치 온도를 초과한 후 온도 증가에 따라 연성의 감소를 나타낸다. 역치 온도는 400℃ 내지 450℃인 것으로 나타났다. 더욱이, 이들 고온에서 연성의 감소는 엣지 크래킹을 나타내는 열간 압연 7075 잉곳의 실험실 시험에서 입증되었다.
(도 4에서 나타낸 것과 같은 샘플의) 파단(fracture) 표면의 상세한 조사에 의해, 425℃ 샘플(401)에 대해 연성 파단과 일치하는 뚜렷한 컵-앤드-콘 딤플 파단(cup-and-cone dimple fracture)이 나타났지만, 475℃ 샘플(403)의 표면에는 취성 파단과 일치하는 입계 파단이 나타났다. 일부 예에서, SEM 현미경사진을 통해서와 같이 샘플의 확대된 이미지를 관찰하면서 상세히 조사가 이루어졌다.
압축 시험은 7xxx 샘플로 다양한 온도에 대해 Gleeble 3800 열기계적 시뮬레이터(뉴욕 포스턴킬 소재의 Dynamic Systems Inc.에 의해 제조됨)를 사용하여 수행되었다. 압축 시험은 10 s-1의 일정한 변형 속도에서 최대 0.5 변형률에서 7075 샘플에 대해 수행되었다. 도 3은 20℃ 증분으로 400℃부터 480℃까지의 온도에서의 압축 시험에 대한 응력-변형률 곡선을 실증한다. 도 3의 곡선은 초기 (대략 선형) 탄성 변형 영역(301) 및 소성 변형 영역(302)을 나타낸다. 460℃ 및 480℃ 샘플은 각각 압축 하중 하에 파괴되었고, 균열을 나타냈다. 480℃ 샘플은 시험 동안 완전히 파괴(크래킹)되었다. 도 3에서 나타낸 바와 같이, 유동 응력(flow stress) (즉, 물질의 소성 변형을 계속하기 위해 요구되는 응력의 순시값)은 온도 증가에 따라 감소한다.
압축 시험 이외에, 인장 시험 결과는 도 5에서 나타낸 바와 같다. 도 5는 390℃, 400℃, 410℃, 420℃, 425℃, 430℃, 440℃, 450℃, 및 475℃의 온도에서 인장 시험에 대한 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 결과는 온도가 증가될 때 유동 응력의 강하를 나타낸다 (도 3의 압축 결과와 유사함). 상기 결과는 추가로, 성형 온도가 증가함에 따라 파괴 전 진변형률(true strain)이 감소함을 나타낸다. 대략 425℃보다 낮은 온도 또는 대략 425℃ (예를 들면, 대략 390℃, 대략 400℃, 대략 410℃, 대략 420℃, 및 대략 425℃)에서 성형된 샘플은 파괴 전 대략 0.44%보다 더 큰 진변형률 백분율을 나타낸다. 대략 425℃보다 더 높은 온도 (예를 들면, 대략 430℃, 대략 440℃, 대략 450℃, 및 대략 475℃)에서 성형된 샘플은 파괴 전 상당히 감소된 진변형률을 나타낸다. 도 5에서 나타낸 바와 같이, 합금 강도는 성형 온도 증가에 따라 감소된다.
상기 언급된 실험 및 차후의 결론에 기초하여, 7xxx 알루미늄 합금 성분을 열간 가공하는 신규한 방법이 본 명세서에 기재된다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 성분(50)은 합금 블랭크(104)의 공급원으로부터 제거되며, 가열로(103) 내로 삽입된다. 도 2는 성분(50)의 온도 변화를 실증한다. 가열로(103)에 도입한 후, 온도를 솔버스 온도(X) (즉, 고체 용해도의 한계) 위로 증가시킨다(도 2의 201 참조). 성분(50)이 표적 용액화 온도(Y)에 도달하면, 성분(50)은 예정된 시간(202) 동안 용액화 온도(Y)에서 유지된다. 용액화 온도(Y)는 대략 400℃ 내지 대략 600℃이다. 일부 경우에, 용액화 온도는 대략 420℃ 내지 대략 590℃의 범위 또는 대략 460℃ 내지 대략 520℃의 범위이다. 일부 경우에, 용액화 온도(Y)는 480℃의 최소 값을 가지며, 일부 경우에 대략 480℃이다. 용액화 온도(Y)에서 성분(50)을 유지하기 위한 예정된 시간은 용액 가열을 위한 특정한 성분(50)에 좌우되며, 최대 30분일 수 있다.
용액 가열이 완료된 후, 성분(50)은 요망된 성형 온도(TF) (도 2의 204 참조)로 의도적으로 냉각된다 (도 2의 203 참조). 성형 전 이러한 냉각 단계(203)는, 즉각적인 성형을 명백하게 개시하고, 열처리 온도와 동일하지 않다면 이 온도에 가까운 온도에서 성형하기 위해 성형 전 최소한의 열 손실을 요구하는 '416 공보와 대조된다.
일부 예에서, 냉각 단계(203)는 가열로(103)에서 성형 디바이스(102)로 이동하는 동안 발생한다. 도 1에서 나타낸 바와 같이, 성분(50)은 절연 인클로저(101)를 통해 이동될 수 있다. 가열로(103)와 성형 디바이스(102) 사이의 이동은 예정된 시간 내에 발생한다. 이러한 예정된 시간은 몇 분, 예를 들면, 1분, 2분, 또는 3분일 수 있다. 일부 비-제한적인 예에서, 이러한 예정된 시간은 60초 미만일 수 있으며, 특히, 대략 20초일 수 있다.
성분(50)이 요망된 성형 온도(TF)에 도달하면, 성형 공정(204) (도 2)은 성형 디바이스(102) (도 1)에서 발생한다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 성분(50)의 온도는 성형 공정 동안 요망된 성형 온도(TF)에서 대략 일정하게 유지될 수 있다. 성형 온도(TF)는 대략 380℃ 내지 대략 470℃의 범위, 예를 들면 대략 390℃ 내지 대략 460℃의 범위 또는 대략 400℃ 내지 대략 440℃의 범위의 임의의 온도일 수 있다. 성분(50)의 온도는, 예를 들면, 요망된 성형 온도(TF) ±10℃에서 일정하게 유지될 수 있거나, 요망된 성형 온도(TF) ±5℃에서 일정하게 유지될 수 있거나, 요망된 성형 온도(TF) ±1℃에서 일정하게 유지될 수 있다. 일부 예에서, 성분(50)이 요망된 성형 온도(TF)에서 유지되는 것을 보장하기 위해 성형 디바이스(102)에서 성형 공정 동안 성분(50)에 열이 가해질 수 있다.
성분(50)에 대한 용액화 온도(Y)에 대한 가열 속도의 효과가 또한 평가되었고, 연성 및 미세구조 둘 모두의 특성이 규명되었다. 성분(50) 샘플은 하기의 근사 기간에 걸쳐 용액화 온도(Y) (대략 480℃)로 가열되었다: 10초, 5분 및 15분. 도 8a는 용액화 열처리 후 425℃로 냉각되고 이 온도에서 유지될 때 성분(50)의 인장 특징을 나타낸다. 빠르게 가열될 때 (대략 10초), 성분(50)은 상당히 감소된 연성, 뿐만 아니라 더 작은 입도(grain size)를 나타냈다 (도 9a 참조). 특히, 도 8a에서 나타낸 바와 같이, 10초 가열된 샘플에 대한 파괴는 다른 예시된 속도에 대해 0.5% 초과에서의 파괴와 비교하여, 0.35% 미만의 변형률에서 발생하였다. 더 낮은 속도 (즉, 더 긴 시간)에서 성분(50)을 용액화 온도(Y)로 가열하는 것은 더 높은 연성 및 대응하는 더 큰 입도를 가능하게 하였다 (도 9a에서 나타낸 10초 가열된 샘플보다 더 큰 입도를 갖는 5분 가열된 샘플의 확대도를 나타내는, 도 9b 참조). 도 8b는 용액화 열처리 후 450℃로 냉각되고 이 온도에서 유지될 때 성분(50)의 고온 인장 특징을 나타낸다. 성분(50)의 연성은 425℃에서 시험된 샘플에서 상당히 감소된다. 더욱이, 도 8b에서 나타낸 바와 같이, 10초 가열된 샘플에 대한 파괴는 다른 예시된 속도에 대해 대략 0.3%에서의 파괴와 비교하여, 대략 0.2% 변형률에서 발생하였다.
약 420℃ 초과의 온도에서 연성의 감소는 성분(50)의 미세구조에 따라서 평가되었다. 도 6a는 대략 425℃에서의 샘플과 비교하여 대략 450℃ (인장 조건)에서 시험된 샘플의 경우 연성이 대략 60% 감소한다는 것을 입증한다. 이 합금의 미세구조는 도 7a에 도시되며, 여기서 근사 입도 (또는 근사 직경)는 약 10 마이크론이다. 도 6b는 대략 425℃에서의 샘플과 비교하여 대략 450℃ (인장 조건)에서 시험된 샘플의 경우 연성이 대략 50% 감소한다는 것을 입증한다. 이 합금의 미세구조는 도 7b에 도시되며, 여기서 근사 입도 (또는 근사 직경)는 약 25 마이크론이다. 일부 구현예에서, 입도는 대략 15-35 마이크론이다. 도 6c는 대략 425℃에서의 샘플과 비교하여 대략 450℃ (인장 조건)에서 시험된 샘플의 경우 연성이 대략 7% 감소한다는 것을 입증한다. 이 합금의 미세구조는 도 7c에 도시되며, 여기서 근사 입도 (또는 근사 직경)는 약 75 마이크론이다. 일부 구현예에서, 입도는 대략 65-85 마이크론이다. 7xxx 알루미늄 합금의 고온 성형성은 이들 실험에 기초한 입도에 의존적인 것으로 나타났다. 예를 들면, 도 6a 및 6c에서 나타낸 바와 같이, 75 마이크론 및 10 마이크론의 근사 입도를 비교할 때, 더 큰 입도는 425℃에서 더 큰 연성을 초래한다 (대략 0.5% 변형률과 비교하여 대략 0.55% 변형률에서 파괴). 또한, 도 6a 및 6c에서 나타낸 바와 같이, 75 마이크론 및 10 마이크론의 근사 입도를 비교할 때, 더 큰 입도는 450℃에서 상당히 더 큰 연성을 초래한다 (대략 0.2% 변형률과 비교하여 대략 0.5% 변형률에서 파괴).
상기 기재된 실험에 기초하여, 요망된 성형 온도(TF)는 대략 380℃ 내지 대략 470℃의 범위, 예를 들면 대략 390℃ 내지 대략 460℃의 범위 또는 대략 400℃ 내지 대략 440℃의 범위 내에 있음이 결정되었다. 일부 경우에, 요망된 성형 온도(TF)는 대략 425℃이다. 성분(50)은 충분한 성형성을 보장하기에 충분히 고온이어야 하지만; 도 4에서 나타낸 바와 같이, 고온에서, 7075 알루미늄 합금 성분은 온도 증가에 따라 덜 연성이고 점점 더 취성이 된다 (특히 450℃ - 475℃의 온도 더 높은 온도에서).
성형 공정(204)은 성형 디바이스(102)에서 발생하며, 상기 디바이스는 성형 프레스 (즉, 다이 포함), 압연기, 또는 임의의 다른 적합한 성형 디바이스일 수 있다. 일부 예에서, 성형 공정(204)은 몇 초간 (예를 들면, 10초 미만) 지속된다.
성형 공정이 완료된 후, 성분(50)은 도 2의 (205)에서 저온으로 켄칭된다. 저온은 대략 0℃ 내지 대략 280℃일 수 있거나, 대략 5℃ 내지 대략 40℃일 수 있거나, 또는 특정 구현예에서 대략 23℃일 수 있다. 일부 경우에, 켄칭은 냉각수가 다이 내 내부 통로를 통해 흐르도록 내부 물 냉각과 함께 밀폐 다이에서 발생한다. 성분(50)은 대략 50℃/초의 최소 속도로 냉각될 수 있다. 냉각 또는 켄칭 속도는 대략 50℃/초 내지 대략 500℃/초일 수 있거나, 300℃/초 내지 대략 350℃/초일 수 있다. 일부 사례에서, 더 유리한 물질 특성이 300℃/초 초과의 속도와 같이 더 높은 켄칭 속도에서 관측된다.
도 2에서 나타낸 바와 같이, 켄칭 공정(205)이 완료된 후, 성분(50)은 인위적 에이징 처리(206)를 겪을 수 있다. 특히, 인위적 에이징 처리(206)는 대략 24시간 동안 대략 100℃ 내지 150℃ (일부 경우에, 대략 125℃)의 온도에서의 열처리를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 성분(50)은 1-24시간 동안 대략 100℃ 내지 150℃ (일부 경우에, 대략 125℃)의 온도에서의 열처리에 이어서 대략 20 내지 30분 동안 대략 180℃에서의 열처리를 포함하는 이중 에이징 처리를 겪을 수 있다.
도면에 묘사되거나 상기 기재된 대상, 뿐만 아니라 도시되거나 기재되지 않은 특징 및 단계의 상이한 배치가 가능하다. 유사하게, 일부 특징 및 하위-조합이 유용하며, 다른 특징 및 하위-조합을 참조하지 않고 이용될 수 있다. 본 발명의 구현예는 예시적이며 비제한적인 목적을 위해 기재되었으며, 대안적인 구현예는 본 특허의 독자에게 명백해질 것이다. 따라서, 본 발명은 상기 기재되거나 도면에 묘사된 구현예에 제한되지 않으며, 다양한 구현예 및 변형이 하기 청구항들의 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (25)

  1. 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법으로서, 상기 방법은
    상기 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 용액화(solutionizing) 온도로 가열하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 성분을 380℃ 내지 470℃ 범위의 요망된 성형 온도로 냉각시키는 단계;
    상기 알루미늄 합금 성분이 요망된 성형 온도에 있는 동안 성형 디바이스에서 상기 알루미늄 합금 성분을 요망된 형상으로 변형시키는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금 성분을 솔버스(solvus) 온도 아래의 0℃ 내지 280℃의 범위에 있는 저온으로 켄칭시키는 단계를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 성분을 상기 가열로에서 상기 성형 디바이스로 절연 인클로저(insulated enclosure)를 통해 이동시키고,
    상기 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금은 7xxx 합금인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 솔버스 온도는 고체 용해도의 한계를 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금은 7075 합금인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 요망된 성형 온도는 400℃ 내지 440℃의 범위인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 용액화 온도는 400℃ 내지 600℃의 범위인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 용액화 온도는 480℃인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 상기 용액화 온도로 가열하는 것은 10초 내지 15분의 범위에서 발생하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 상기 용액화 온도로 가열하는 것은 5분 내에 발생하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분은, 상기 알루미늄 합금 성분이 상기 요망된 성형 온도에 있을 때 65 내지 85 마이크론의 입도(grain size)를 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 인위적으로 에이징하는 것을 추가로 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 변형시키는 단계 동안 상기 알루미늄 합금 성분의 온도를 상기 요망된 성형 온도의 ±10℃ 이내로 유지하는 것을 추가로 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 성분은 잉곳(ingot)이고;
    상기 성형 디바이스는 압연기(rolling mill)이고;
    상기 요망된 형상은 플레이트 또는 시트인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 성형 디바이스는 성형 프레스인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 상기 용액화 온도에서 30분 내의 예정된 시간 동안 유지하는 것을 추가로 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  16. 삭제
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 켄칭은 상기 알루미늄 합금 성분이 50℃/초 내지 500℃/초의 속도로 냉각되도록 다이를 통해 내부적으로 흐르는 물로의 다이 켄칭(die quenching)을 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  18. 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법으로서, 상기 방법은
    상기 알루미늄 합금 성분을 가열로에서 480℃의 용액화 온도로 가열하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 성분을 400℃ 내지 440℃ 범위의 요망된 성형 온도로 냉각시키는 단계;
    상기 알루미늄 합금 성분이 요망된 성형 온도에 있는 동안 성형 디바이스에서 상기 알루미늄 합금 성분을 요망된 형상으로 변형시키는 단계;
    상기 변형시키는 단계 동안 상기 알루미늄 합금 성분의 온도를 상기 요망된 성형 온도의 ±10℃ 이내로 유지하는 단계; 및
    상기 알루미늄 합금 성분을 솔버스 온도 아래의 23℃인 저온으로 켄칭시키는 단계를 포함하고,
    상기 알루미늄 합금 성분을 상기 가열로에서 상기 성형 디바이스로 절연 인클로저(insulated enclosure)를 통해 이동시키고,
    상기 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금은 7xxx 합금인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 포함하는 알루미늄 합금은 7075 합금인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 인위적으로 에이징하는 것을 추가로 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 성분은 잉곳이고;
    상기 성형 디바이스는 압연기이고;
    상기 요망된 형상은 플레이트 또는 시트인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  22. 청구항 18에 있어서, 상기 성형 디바이스는 성형 프레스인, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  23. 청구항 18에 있어서, 상기 알루미늄 합금 성분을 용액화 온도에서 30분 내의 예정된 시간 동안 유지하는 것을 추가로 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
  24. 삭제
  25. 청구항 18에 있어서, 상기 켄칭은 상기 알루미늄 합금 성분이 50℃/초 내지 500℃/초의 속도로 냉각되도록 다이를 통해 내부적으로 흐르는 물로의 다이 켄칭을 포함하는, 알루미늄 합금 성분을 열간 성형하는 방법.
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