KR102277133B1 - 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법에 관한 것으로, 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn) 5.06-5.16 wt%, 구리(Cu) 1.32-1.42 wt%, 마그네슘(Mg) 2.25-2.35 wt% 및 크롬(Cr) 0.14-0.24 wt%로 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정을 수행하는 단계와, 상기 용해 공정을 통해 수득된 알루미늄 합금 용탕에 대한 탈가스 처리 공정을 수행하는 단계와, 상기 탈가스 처리 공정 후에 주조 공정을 수행하는 단계와, 상기 주조 공정을 통해 수득된 슬래브에 대한 균질화 처리 공정을 수행하는 단계와, 상기 균질화 처리 공정 후에 상기 슬래브를 재가열하여 열간 단조 공정을 수행하는 단계와, 상기 열간 단조 공정을 통해 수득된 단조 플레이트를 절단 및 면삭하는 단계와, 상기 절단 및 면삭된 단조 플레이트에 대한 최종 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함함으로써, 주조조직 파괴 및 치수확보를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 멀티피스 휠의 스포크 제작용 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제공할 수 있다.

Description

고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY FORGED PLATE}
본 발명은 용해 공정, 주조 공정, 균질화처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 수행하여 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조함으로써, 주조조직 파괴 및 치수확보를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 멀티피스 휠(multi-piece wheel)의 스포크(spoke) 제작용 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제공할 수 있는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 국내 프리미엄 휠과 애프터마켓 휠 시장은 해외 선진 메이커가 독점하고 있으며, 주로 알루미늄 합금인 A7075 소재에 Sc, Ti-B등의 합금 미세화제 첨가를 통해 기계적인 물성을 향상시키는 노력을 해오고 있는데, 국내 업체들도 경량화를 위한 공법의 다변화, 경량소재 적용 등과 같은 방식으로 기술적 차별화를 통하여 해외 메이커를 대상으로 경쟁력을 확보할 필요가 있다.
한편, 자체 스프링 하부 경량화는 상대적으로 스프링 위쪽의 상중량을 가볍게 하는 역할을 하며, 대략 휠에서의 1kg의 차이는 자동차가 달릴 때의 무게 차이와 15~20kg의 격차가 있는데, 4개의 휠에서 획득되는 무게 감소 효과는 최소 160~180kg에 이른다고 알려져 있어 차량 연비절감의 현실적인 방안으로 휠에서의 중량 감소가 효율적인 방안으로 대두되고 있다.
최근 멀티피스 휠의 경량화를 위해 A7075 등과 같은 고강도 알루미늄 합금 압연플레이트를 절삭 가공하여 제조하는 방법이 개발중에 있으며, 여기에 사용되는 판재는 미국 및 러시아 업체에서 수입되고 있다.
반면에, 국내 알루미늄 판재 제조사는 DC 주조(direct chill casting) 공정과 스트립 주조(strip casting) 공정으로 양분되어 생산 또는 기술개발 중이며, 주로 일반재, 식음료, 건축용, 전기전자용 소재 등에 집중되어 있는데, 주로 저강도 또는 중강도 수준의 소재(예를 들면, 1xxx, 3xxx, 5xxx, 6xxx계 알루미늄 합금)를 양산중이며, 대부분의 고강도 알루미늄 합금판재(예를 들면, 2xxx, 7xxx계 알루미늄 합금)는 전량 수입에 의존하고 있는 것으로 알려져 있다.
또한, 국내에서는 고강도 알루미늄 합금(예를 들면, 2xxx, 7xxx계 알루미늄 합금)의 점보 슬래브(Jumbo Slab), 압연설비 및 제조경험이 전무하며, 알루미늄 업계는 대부분 중소기업이 주를 이루고 있어, 수천억원에 달하는 고력 합금용 압연설비 도입이 어렵다는 문제점이 있다.
이에 따라, 수입에 의존하는 고강도 알루미늄 합금판재의 경우, 높은 단가, 수급불안정, 긴 납기 등으로 인해 소재 수급에 어려움이 따르고 있는데, 2017년 절충교역을 통해 항공 우주급 알루미늄 빌렛 및 슬래브 주조기술을 국내로 이전 받아 고력 및 점보(Jumbo)사이즈 제조가 가능케 되어 고력 및 점보 슬래브(Jumbo Slab) 및 점보 빌렛(Jumbo Billet)에 대한 주조 중 크랙 방지 및 다양한 합금 제조기술에 대한 개발이 활발히 진행되고 있다.
상술한 바와 같이 고력 및 점보재 주조기술 이전을 통해 고력 알루미늄 합금 점보 슬래브(Jumbo Slab) 및 점보 빌렛(Jumbo Billet)은 국산화 대열에 올랐으나, 후속 공정(예를 들면, 대형/광폭 압연, 대형단조 등)에 대한 인프라가 국내에는 전무하여 부가가치 창출이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 국내에서는 다양한 방법을 이용하여(주로 스트립 주조, 쌍롤 주조 등) 소규모(예를 들어 협폭, 시트(Sheet) 등)의 고력 알루미늄 합금 판재에 대한 제조기술 개발 시도가 이루어지고 있다.
1. 한국공개특허 제10-2006-0021965호(2006.03.09.공개) 2. 한국등록특허 제10-1258801호(2013.05.02.등록)
본 발명은 용해 공정, 주조 공정, 균질화처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 수행하여 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조함으로써, 주조조직 파괴 및 치수확보를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 멀티피스 휠의 스포크 제작용 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제공할 수 있는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn), 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 크롬(Cr)을 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정, 탈가스 처리 공정, 주조 공정, 균질화 처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 순차적으로 수행함으로써, 수소가스 함량 저감, 크랙 억제, 거시편석 억제 및 균일한 미세조직 구현을 통해 내구성과 기계적 특성이 향상된 고력 알루미늄 합금 판재를 제공할 수 있는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn) 5.06-5.16 wt%, 구리(Cu) 1.32-1.42 wt%, 마그네슘(Mg) 2.25-2.35 wt% 및 크롬(Cr) 0.14-0.24 wt%로 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정을 수행하는 단계와, 상기 용해 공정을 통해 수득된 알루미늄 합금 용탕에 대한 탈가스 처리 공정을 수행하는 단계와, 상기 탈가스 처리 공정 후에 주조 공정을 수행하는 단계와, 상기 주조 공정을 통해 수득된 슬래브에 대한 균질화 처리 공정을 수행하는 단계와, 상기 균질화 처리 공정 후에 상기 슬래브를 재가열하여 열간 단조 공정을 수행하는 단계와, 상기 열간 단조 공정을 통해 수득된 단조 플레이트를 절단 및 면삭하는 단계와, 상기 절단 및 면삭된 단조 플레이트에 대한 최종 열처리 공정을 수행하는 단계를 포함하는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 용해 공정은, 반사로를 이용하여 700-750℃ 범위에서 수행되며, 전자기교반장치를 통해 용탕을 충분히 교반하여 출탕되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 탈가스 처리 공정은, 상기 알루미늄 합금 용탕을 GBF(gas bubbling filtration) 챔버로 이동시킨 후 700-750℃ 범위에서 혼합가스를 용탕 내에 투입하여 버블링하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 주조 공정은, 자동제어 DC 주조기를 사용하여 680-720℃의 온도에서 연속주조하며, 주조 중 연속적으로 알루미늄(Al) 입자 미세화제를 공급하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 균질화 처리 공정은, 상기 슬래브의 두께 및 폭 방향으로 균일한 온도 분포를 위해 30-50℃/Hr의 승온 속도로 목표온도인 466-477℃까지 승온하여 30-40시간 유지하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 균질화 처리 공정은, 상기 유지단계를 수행한 후 로냉을 실시하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 열간 단조 공정은, 420-450℃로 적어도 10시간 재가열하여 메커니컬 프레스 또는 유압 프레스를 이용하여 열간 단조하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 최종 열처리 공정은, 460-499℃ 범위 내에서 2-7시간 범위로 용체화처리하며, 110-130℃에서 23-25시간 시효 처리하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 최종 열처리 공정은, 460-499℃ 범위 내에서 2-7시간 범위로 용체화처리하며, 다단 주기의 시효 처리를 적용하여 102-113℃에서 6.5-7.5시간 유지하고, 연속하여 157-168℃로 승온하여 26-28시간 유지하여 과시효 처리하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 고력 알루미늄 합금은, 2xxx계 알루미늄 합금 또는 7xxx계 알루미늄 합금을 포함하는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법이 제공될 수 있다.
본 발명은 용해 공정, 주조 공정, 균질화처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 수행하여 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조함으로써, 주조조직 파괴 및 치수확보를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 멀티피스 휠의 스포크 제작용 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn), 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 크롬(Cr)을 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정, 탈가스 처리 공정, 주조 공정, 균질화 처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 순차적으로 수행함으로써, 수소가스 함량 저감, 크랙 억제, 거시편석 억제 및 균일한 미세조직 구현을 통해 내구성과 기계적 특성이 향상된 고력 알루미늄 합금 판재를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명은 상용 고력 알루미늄 합금을 이용하여 열간 단조 공정을 통해 고력 알루미늄 합금 판재를 제조함으로써, 종래와 같이 고가의 압연 공정을 수행하지 않아도 치수 및 강도가 우수한 단조 플레이트를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 최종 열처리 공정을 수행하거나 추가적인 기계 가공을 통해 자동차용 부품, 특히 멀티피스휠의 스포크 제작용 소재로 사용될 수 있는 고강도의 알루미늄 합금 판재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이고,
도 2 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예들에 대한 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조하는 과정을 나타낸 플로우차트이고, 도 2 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn) 5.06-5.16 wt%, 구리(Cu) 1.32-1.42 wt%, 마그네슘(Mg) 2.25-2.35 wt% 및 크롬(Cr) 0.14-0.24 wt%로 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정을 수행할 수 있다(단계110).
여기에서, 고력 알루미늄 합금은 2xxx계 알루미늄 합금 또는 7xxx계 알루미늄 합금을 포함할 수 있는데, 7xxx계 알루미늄 합금인 A7075의 경우 도 2에 도시한 바와 같은 조성을 가질 수 있다.
또한, 용해 공정은 반사로를 이용하여 700-750℃ 범위에서 수행되며, 전자기교반장치를 통해 용탕을 충분히 교반하여 알루미늄 합금 용탕이 출탕될 수 있다.
여기에서, 용해 공정을 수행하는 과정에서 750℃를 초과하는 온도에서는 알루미늄의 산화 속도가 기하급수적으로 높아지고, 특히, MgAl2O4와 같은 스피넬 형성을 촉진할 수 있으며, 이러한 스피넬은 일반적으로 메탈라인 주변에서 매우 단단한 군락 형상으로 존재하며, 700℃ 미만의 온도에서는 고융점 원소(예를 들면, Cu, Cr 등)가 충분히 용해되지 않아 소재에 유입될 경우 기계적 특성을 약화시킬 수 있으므로700-750℃ 범위 내에서 용해 공정이 수행되어야 한다.
상술한 바와 같은 알루미늄 합금 원료에서 아연(Zn)은 알루미늄 합금 단조재의 조직의 응력 부식 균열이나 입계 부식의 감수성을 감소시면서 내식성을 향상시키기 위해서 첨가할 수 있고, 구리(Cu)는 고용 강화로 강도를 향상시키면서 고온 시효 처리에 있어 알루미늄 합금 단조재의 시효 경화를 촉진하기 위해서 첨가할 수 있으며, 마그네슘(Mg)은 고온 시효 처리에 의해 결정립내에 석출하여 높은 강도 및 내력을 부여하기 위해서 첨가할 수 있고, 크롬(Cr)은 균질화 열처리의 승온 및 유지 중에 생성된 금속간 화합물(분산 입자)가 미세, 고밀도 및 균일하게 분산됨에 따라 재결정의 억제, 재결정 후의 결정립 조대화를 방지하여 결정립을 미세화시키기 위해서 첨가될 수 있다.
그리고, 상기 110단계의 용해 공정을 통해 수득된 알루미늄 합금 용탕에 대한 탈가스 처리 공정을 수행할 수 있다(단계120).
여기에서, 탈가스 처리 공정은 용해 공정에서 용해된 알루미늄 합금 용탕으로부터 수소가스를 제거하여 알루미늄 합금 100g 중에 수소가스 농도를 0.1ml 이하로 제어하는 공정으로서, 알루미늄 합금 용탕을 GBF(gas bubbling filtration) 챔버로 이동시킨 후 700-750℃ 범위에서 혼합가스를 용탕 내에 투입하여 버블링하는 방식으로 수행될 수 있으며, 이를 통해 비금속 개재물, 알칼리금속 및 용존수소가스에 대한 효과적인 정련 공정을 수행할 수 있다.
예를 들면, 도 3은 3000mmL 주조와 4000mmL주조에서의 수소가스함량 측정 결과를 나타낸 것으로, 각각의 주조 과정에서 0.084ml/100g과 0.082ml/100g의 수소가스함량이 측정되는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 용존수소가스 함량이 적절하게 제어되었음을 알 수 있다.
이러한 수소가스는 알루미늄 합금의 용해 시에 불순물로서 혼입되기 쉽고, 수소에 기인하는 기포가 단조 가공으로 압착되지 않아 인성, 피로 특성을 현저하게 저하시키기 때문에 최대 0.1ml/100g 이하로 적절하게 제어되어야 한다.
다음에, 상기 120단계의 탈가스 처리 공정 후에 주조 공정을 수행할 수 있다(단계130).
여기에서, 주조 공정은 탈가스 처리된 알루미늄 합금 용탕을 주조하는 공정으로서, 자동제어 DC 주조기를 사용하여 680-720℃의 온도에서 연속주조하며, 주조 중 연속적으로 알루미늄(Al) 입자 미세화제를 공급하는 방식으로 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 연속 주조 공정 과정에서 680-720℃ 온도는 주조성 및 조직 제어를 위한 것으로, 720℃를 초과하는 온도에서는 주조 슬래브의 냉각속도 저하로 결정립을 조대화시킬 수 있고, 680℃ 미만의 온도에서는 소재의 주조성을 약화시켜 결함을 유발할 수 있으므로 680-720℃ 범위 내에서 연속주조가 이루어져야 한다.
이러한 주조 공정에서 도 4는 고력 점보 슬래브의 주조 중 표면과 중심부의 온도구배에 따라 발생되는 크랙을 방지하기 위해 단속 냉각을 목적으로 설치된 구조물의 모식도를 나타내는데, 응고가 시작되는 일부 영역을 단속적으로 냉각하고, 응고가 완료된 부분은 다시 온도가 상승하면서 열구배에 따른 슬래브의 크랙 발생을 억제할 수 있다.
그리고, 도 5는 냉각방법에 따른 주조 마지막에서의 슬래브 표면과 중심부에 대한 온도구배 해석 결과를 보여주는데, 연속 냉각의 경우 하부에서 모두 100℃ 이하로 냉각되었고, 단속 냉각의 경우 구조물 아래 부분에서 비교적 높은 온도를 유지하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 상기 130단계의 주조 공정을 통해 수득된 슬래브에 대한 균질화 처리 공정을 수행할 수 있다(단계140).
여기에서, 균질화 처리 공정은 주조 공정을 통해 주조된 주괴에 균질화 열처리를 수행하는 공정으로서, 슬래브의 두께 및 폭 방향으로 균일한 온도 분포를 위해 30-50℃/Hr의 승온 속도로 목표온도인 466-477℃까지 승온하여 30-40시간 유지하는 방식으로 수행될 수 있다.
이러한 균질화 처리 공정은 상기 유지단계를 수행한 후 로냉을 실시하는 방식으로 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 균질화 처리 공정 과정에서 점보 슬래브의 경우 표면 및 중심부의 온도가 평형을 이루고 난 이후 소킹(Soaking) 구간에 도달할 수 있도록 비교적 낮은 승온 속도를 적용하여 표면부의 과승온을 방지할 수 있다.
그리고, 최종 유지온도가 466℃ 이상의 온도에서 고용질 원소의 확산이 용이하며, 477℃를 초과하여 고상선에 가까운 온도로 유지될 경우 표면용융 등 제품의 불량을 초래할 수 있으므로 466-477℃의 온도범위에서 최종 유지가 수행되어야 한다.
또한, 급속한 냉각으로 인해 균질화 처리 후 점보 슬래브의 잔류응력 발생을 억제하기 위해 로냉이 수행되어야 한다.
예를 들면, 도 6에 도시한 바와 같은 공정 조건으로 균질화 처리 공정을 수행할 수 있는데, 466℃의 최소온도와 477℃의 최대온도 내에서 30-40시간 동안 수행될 수 있다. 여기에서, 최대 승온 온도는 30-50℃/Hr로 설정할 수 있고, 로 내에서 서냉하는 방식으로 수행할 수 있다.
상술한 바와 같은 균질화 처리 공정을 통해 점보 슬래브의 결정립계에 편석된 고용질 원자들의 효과적인 확산처리에 의해 제품의 폭 방향 및 두께 방향으로 균일한 조성을 갖는 슬래브를 제조할 수 있다.
이러한 균질화 처리 공정의 수행 결과를 설명하면, 도 7은 균질화처리 공정 후 슬래브의 폭방향(장축)을 기준으로 표면으로부터 중심부까지의 화학조성 거시편석 측정결과를 보여주는데, 주요 첨가 원소인 아연(Zn), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)은 모든 영역에서 상/하한치 기준 내에 위치하고 있었으며, 폭방향으로 거시편석 없이 균질화 처리가 잘 수행되었음을 확인할 수 있다.
또한, 도 8은 균질화처리 공정 후 슬래브의 폭방향(장축)을 기준으로 표면으로부터 중심부까지의 미세조직 측정결과를 보여주는데, 모든 영역에서 결정립계에 편석 없이 알루미늄(Al) 기지내로 고용질 원자가 잘 확산된 결과를 나타냈으며, 냉각속도가 상대적으로 빠른 표면부를 제외하고는 유사한 결정립 크기 분포가 나타남을 알 수 있다.
그리고, 상기 140단계의 균질화 처리 공정 후에 슬래브를 재가열하여 열간 단조 공정을 수행할 수 있다(단계150).
여기에서, 열간 단조 공정은 균질화 열처리된 주괴를 단조 소재로 사용하여 열간 단조 개시 온도까지 또는 열간 단조 개시 온도보다 저온(실온)까지 냉각 후 재가열된 단조 소재를 메커니컬 프레스, 유압 프레스에 의해 열간 단조하는 공정으로서, 냉각된 단조 소재를 420-450℃로 적어도 10시간 재가열하여 메커니컬 프레스, 유압 프레스 등을 이용하여 열간 단조하는 방식으로 수행될 수 있고, 6:1의 단조비로 자유단조하여 미세조직상 주조조직을 파괴하고 치수를 만족시키는 단조 플레이트를 제조할 수 있는데, 이러한 단조비는 이에 한정되는 것이 아니고 초기에 투입된 소재의 두께 및 최종 제품의 두께에 따라 변경될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 열간 단조 공정 과정에서 유동 응력을 감소시키고 소성 가공성을 향상시키기 위해 420-450℃ 범위에서의 단조가 요구되며, 420℃ 미만 또는 450℃ 초과 온도에서 단조를 수행할 경우 금속의 유동성 저하 및 강도 저하로 인한 내부 결함을 유발할 수 있다.
다음에, 상기 150단계의 열간 단조 공정을 통해 수득된 단조 플레이트를 절단 및 면삭할 수 있다(단계160). 예를 들면, 500*500*120t(80-150t)의 단조 플레이트로 절단 및 면삭할 수 있는데, 초기 투입되는 원소재의 치수 및 단조비에 따라 다양한 범위로 절단 및 면삭될 수 있음은 물론이다.
이어서, 상기 160단계에서 절단 및 면삭된 단조 플레이트에 대한 최종 열처리 공정을 수행할 수 있다(단계170).
여기에서, 최종 열처리 공정은 단조 공정 후에 알루미늄 합금 단조재의 강도, 내식성 및 인성을 필요한 만큼 갖도록 용체화 처리 및 시효 처리를 수행하는 공정으로서, 460-499℃ 범위 내에서 2-7시간 범위로 용체화 처리하며, 110-130℃에서 23-25시간 시효 처리하는 방식으로 수행되거나, 혹은 460-499℃ 범위 내에서 2-7시간 범위로 용체화 처리하며, 강도 요구 조건에 따라 다단 주기의 시효 처리를 적용하여 102-113℃에서 6.5-7.5시간 유지하고, 연속하여 157-168℃로 승온하여 26-28시간 유지하여 과시효 처리하는 방식으로 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 용체화 처리 과정에서 460℃, 2시간 미만에서는 과포화 고용체를 충분히 형성하지 못해 시효처리 후 요구 물성치 구현이 어려우며, 499℃, 7시간을 초과하는 온도에서는 균질화 처리 과정과 마찬가지로 제품의 표면 및 결정립 계면에서 용융이 발생되어 기계적 특성을 저하시킬 수 있다.
또한, 시효 처리 과정에서 110℃, 23시간 미만에서는 미세한 석출물을 충분한 양으로 석출시키지 못하며, 130℃, 25시간을 초과하는 경우에는 과시효 처리되어 조대한 석출물 발달로 인해 기계적 특성을 저하시킬 수 있으므로 110~130℃ 온도 범위에서 수행되어야 한다.
한편, 사용처에 따라서는 기계적 강도를 낮추고 기타 특성(응력 부식 균열 저항성, 또는 전기전도도) 향상을 위해 과시효 처리가 선택될 수 있는데, 이러한 경우 다단 주기를 적용할 수 있으며, 102~113℃ 범위에서 1단계 유지를 통해 강도를 향상시켜주고, 2단계 유지구간에서는 157~168℃의 비교적 높은 온도에서 피크(Peak)점을 넘어 과시효 처리되어 기계적 특성을 낮추어 기타 특성이 향상될 수 있도록 수행되어야 한다.
예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이 용체화 열처리는 460℃의 최소온도와 499℃의 최대온도 내에서 2-7시간 동안 수행될 수 있고, 시효 열처리는 110℃의 최소온도와 130℃의 최대온도 내에서 23-25시간 동안 수행될 수 있다.
상술한 바와 같은 열간 단조 공정과 최종 열처리 공정의 수행 결과를 설명하면, 도 10은 열간 자유 단조 및 최종 열처리 후의 단조플레이트 두께의 중간층(Middle) 미세조직을 보여주는데, 도 8에서의 주조 미세조직과 달리 단조 공정에 의해 변형된 미세조직 발달을 나타냈으며, 주조조직이 모두 파괴된 양상을 나타냈으며, Al 기지 내에는 시효 처리 후, 미세한 석출물이 발달하는 것으로 확인되었다.
또한, 도 11은 제조 공정 별 A7075 합금의 기계적 특성을 나타내는 표로서, 단조재의 경우 균질화 처리 후와 큰 강도차를 나타내지 않았으나, 최종 열처리 후 강도가 크게 향상되었음을 알 수 있었다. 여기에서, 연신율은 일부 감소하였으나 이는 강도 향상에 따른 연신율의 저하로 판단될 수 있다.
상술한 바와 같은 과정을 통해 제조된 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트를 절삭 가공하여 도 12에 도시한 바와 같이 멀티피스휠 스포크를 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명은 용해 공정, 주조 공정, 균질화처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 수행하여 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제조함으로써, 주조조직 파괴 및 치수확보를 통해 제조비용을 감소시킬 수 있고, 멀티피스 휠의 스포크 제작용 고강도 알루미늄 합금 단조 플레이트를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 고력 알루미늄 합금 조성을 기반으로 아연(Zn), 구리(Cu), 마그네슘(Mg) 및 크롬(Cr)을 첨가하며, 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정, 탈가스 처리 공정, 주조 공정, 균질화 처리 공정, 열간 단조 공정 및 최종 열처리 공정을 순차적으로 수행함으로써, 수소가스 함량 저감, 크랙 억제, 거시편석 억제 및 균일한 미세조직 구현을 통해 내구성과 기계적 특성이 향상된 고력 알루미늄 합금 판재를 제공할 수 있다.
아울러, 본 발명은 상용 고력 알루미늄 합금을 이용하여 열간 단조 공정을 통해 고력 알루미늄 합금 판재를 제조함으로써, 종래와 같이 고가의 압연 공정을 수행하지 않아도 치수 및 강도가 우수한 단조 플레이트를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 최종 열처리 공정을 수행하거나 추가적인 기계 가공을 통해 자동차용 부품, 특히 멀티피스휠의 스포크 제작용 소재로 사용될 수 있는 고강도의 알루미늄 합금 판재를 제공할 수 있다.
이상의 설명에서는 본 발명의 다양한 실시예들을 제시하여 설명하였으나 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함을 쉽게 알 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 아연(Zn) 5.06-5.16 wt%, 구리(Cu) 1.32-1.42 wt%, 마그네슘(Mg) 2.25-2.35 wt%, 크롬(Cr) 0.14-0.24 wt% 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 합금 원료에 대한 용해 공정을 수행하는 단계와,
    상기 용해 공정을 통해 수득된 알루미늄 합금 용탕을 GBF(gas bubbling filtration) 챔버로 이동시킨 후 700-750℃ 범위에서 혼합가스를 용탕 내에 투입하여 버블링하는 방식으로 탈가스 처리 공정을 수행하는 단계와,
    상기 탈가스 처리 공정 후에 주조 공정을 수행하는 단계와,
    상기 주조 공정을 통해 수득된 슬래브에 대한 균질화 처리 공정을 수행하는 단계와,
    상기 균질화 처리 공정 후에 상기 슬래브를 재가열하여 열간 단조 공정을 수행하는 단계와,
    상기 열간 단조 공정을 통해 수득된 단조 플레이트를 절단 및 면삭하는 단계와,
    상기 절단 및 면삭된 단조 플레이트에 대한 최종 열처리 공정을 수행하는 단계
    를 포함하며,
    상기 열간 단조 공정은, 420-450℃로 적어도 10시간 재가열하여 메커니컬 프레스 또는 유압 프레스를 이용하여 열간 단조하는 방식으로 수행되고,
    상기 최종 열처리 공정은, 460-499℃ 범위 내에서 2-7시간 범위로 용체화처리하며,
    110-130℃에서 23-25시간 시효 처리 또는 102-113℃에서 6.5-7.5시간 유지하고, 연속하여 157-168℃로 승온하여 26-28시간 유지하여 과시효 처리하는 다단 주기의 시효 처리를 적용하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 용해 공정은, 반사로를 이용하여 700-750℃ 범위에서 수행되며, 전자기교반장치를 통해 용탕을 충분히 교반하여 출탕되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 주조 공정은, 자동제어 DC 주조기를 사용하여 680-720℃의 온도에서 연속주조하며, 주조 중 연속적으로 알루미늄(Al) 입자 미세화제를 공급하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 균질화 처리 공정은, 상기 슬래브의 두께 및 폭 방향으로 균일한 온도 분포를 위해 30-50℃/Hr의 승온 속도로 목표온도인 466-477℃까지 승온하여 30-40시간 유지하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 균질화 처리 공정은, 상기 유지 단계를 수행한 후 로냉을 실시하는 방식으로 수행되는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항, 2항 및 제 4항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고력 알루미늄 합금은, 7xxx계 알루미늄 합금을 포함하는 고력 알루미늄 합금 단조 플레이트의 제조 방법.
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