KR20020025067A - 경금속 성형재의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

경금속 성형재용 제조 방법은 경금속 재료로 이루어지는 소성 가공용 소재를 소성 가공에 의해 소성 가공재를 형성하는 단계와, 상기 소성 가공재에 250℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 20분 내지 10시간 동안 소성 가공후 열처리를 가하는 단계를 포함한다. 결과적으로, 경금속 성형재는 충분한 연성을 가지게 된다.

Description

경금속 성형재의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SHAPED LIGHT METAL ARTICLE}

금속 재료를 성형하는 하나의 방법은 "단조(forging)"라 불리우는 소성 가공법이다. 단조는 빌릿(billet)과 같은 금속 재료를 다이에 놓고 소망의 형상으로 해머작업하는 것이다. 경금속 재료를 단조 작업하는 경우, 단조에 의해 형성된 단조된 소재에 T6 열처리를 가하여 기계적인 특성을 향상시키는 것이 통상적이다. T6 열처리는 소정 시간 동안 고온을 유지시켜 재료 조성의 균질화를 향상시키기 위한 용제화 처리(solution treatment) 및, 그 후 소정 시간 동안 비교적 저온이 유지되어 경도를 향상시키기 위한 시효 석출 경화 처리(ageing precipitation hardening treatment)로 이루어진 2단계 열처리이다.

주조법과 단조법이 조합된 주조-단조법은 경금속 재료를 형성하기 위한 다른 방법이다. 주조-단조법은 사출성형법 또는 다이캐스트법(die casting)같은 주조법이 사전형성되어, 의도하고자 하는 형태에 근접한 형상으로 단조용 소재를 제조하고, 그 후 상기 단조용 소재가 의도된 형태로 가공되도록 단조된다. 일본 공개 특허 공보 제 1999-104800 호(유럽 특허 공개 제 EP 0905266 A1 호에 대응함)에는 주조-단조법을 사용하여 형성되고 경금속 재료로 제조되는 단조된 소재에 380℃ 내지 420℃ 범위의 처리 온도를 10시간 내지 24시간의 처리 시간 동안 가하는 용제화 처리와, 170℃ 내지 230℃의 처리 온도를 4시간 내지 16시간의 처리 시간 동안 가하는 시효 석출 경화 처리로 이루어지는 T6 처리를 가하는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 주조-단조법 동안 주조법이 수행될 때 사출 성형법 또는 다이캐스트법이 사용되는 경우, 가스 결함과 같은 내부 결함이 단조용 소재에 발생한다. 상기 내부 결함의 개수는 반용융 상태의 금속을 캐비티내로 유입시키거나 또는 금형의 개량에 의해 감소될 수 있지만, 상기 내부 결함을 완전히 없애는 것은 극히 어렵다. 단조용 소재가 내부 결함을 가지는 경우, 단조후 표준 T6 열처리의 수행은 기계적 특성을 충분히 향상시키기 못한다고 하는 것과, 열처리동안 가스 결함부의 팽창에 의해 그들 표면상에 돌기형 블리스터(blister)의 생성에 의해 단조된 소재의 외관이 손상된다고 하는 문제점이 있다.

상기 문제점은 단조용 소재를 용제로 변환시키고 가스 결함부를 팽창시키기 위한 목적의 단조전 열처리를 수행하고, 상기 열처리된 단조용 소재를 단조시킨 후, 상기 기계적 특성을 향상시킬 목적의 단조후 열처리를 수행함으로써 해결될 수 있다. 이러한 방법에 의하면, 단조법은 단조전 열처리동안 가스 결함부의 팽창에 의해 단조용 소재 표면에 나타나는 블리스터중 일부를 파열 및 없애버려, 단조된소재에 내포되는 가스 결함의 개수를 감소시킨다.

그러나, 상기 단조후 열처리는 T6 처리중 일부를 형성하는 시효 석출 경화 처리와 동일한 조건하에서 수행된다. 이는 상기 방법에 의해 형성된 경금속 성형재가 낮은 연성을 갖는다고 하는 문제가 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 소성 가공후 소성 가공재에 수행되는 열처리 조건을 최적화하여 충분한 연성을 갖는 경금속 성형재를 형성하는 제조 방법을 제공하는 것이다.

전술된 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 경금속 재료로 제조된 소성 가공재에 표준 T6 처리에서 수행되는 시효 석출 경화 처리보다 높은 온도 및 짧은 처리 시간을 갖는 소성 가공후 열처리를 가한다.

보다 구체적으로는, 본 발명은 경금속 재료로 제조되는 소성 가공용 소재를 소성 가공함으로써 소성 가공재를 형성하는 단계와, 상기 소성 가공재에 250℃ 내지 400℃의 온도에서 20분 내지 10시간 동안 소성 가공후 열처리를 가하는 단계를 포함하는 경금속 성형재의 제조 방법이다.

상기 방법에 의하면, T6 처리의 시효 석출 경화 처리보다 높은 온도 및 보다 짧은 처리 시간을 갖는 소성 가공후 열처리가 수행된다. 본 명세서의 아래에 기술된 실험으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 방법은 연성을 효과적으로 향상시킬 수 있는 반면, 강도 및 항복 강도를 유지시킨다.

250℃ 이하의 온도에서는 연성의 충분한 개선이 달성될 수 없으며 400℃ 이상의 온도에서는 항복 강도의 상당한 감소가 발생하기 때문에, 250℃ 내지 400℃의 온도 범위가 사용된다.

20분 이하의 처리에 의해 연성의 충분한 개선이 달성될 수 없으며 10시간 이상의 열처리는 연성을 감소시키기 때문에, 20분 내지 10시간의 처리 시간이 사용된다. 처리 시간은 5시간 또는 그 이하로 설정되는 것이 바람직하며, 1시간이 최적이다.

"경금속 재료"라는 표현은 저밀도를 갖는 알루미늄 또는 마그네슘과 같은 금속, 또는 그들의 합금을 의미한다. 하나의 특정 실시예는 ASTM 규격하에서의 AZ91D이다.

본원에서 소성 가공은 단조 등을 의미한다.

현재의 소성 가공후 열처리가 수행되는 경우에서 조차도, 상기 열처리가 가해진 소성 가공재내에 가스 결함과 같은 다수의 내부 결함의 존재는 상기 효과가 충분히 얻어질 수 없도록 한다.

경금속 재료가 경금속 합금으로 형성되는 경우, 소성 가공용 소재에 경금속 합금의 공정(eutectic)이 융해되기 시작하는 온도보다 낮은 온도를 사용하는 소성 가공전 열처리가 가해지면, 블리스터는 소성 가공용 소재의 표면 가까이에 포함된 가스 결함부의 팽창에 의해 소성 가공용 소재의 표면에 형성될 수 있다. 이들 블리스터중 일부는 소성 가공중에 파열 또는 없애지며, 그에 따라 소성 가공재내에 포함된 가스 결함의 개수를 감소시킨다. 경금속 합금의 공정이 융해되기 시작하는 온도보다 낮은 온도에서 열처리가 수행되는 이유는 상기 온도와 동일 또는 높은 온도에서 소성 가공용 소재가 부분적으로 융해되고 상기 융해된 부분의 재료 조성이 균일하지 않게 되고, 이는 소성 가공시에 상기 융해된 부분으로부터 균열이 발생하기 때문이다. 처리 온도가 350℃ 내지 450℃ 범위인 것이 바람직하다. 블리스터가 소성 가공전에 발생되어 소성 가공에 의해 없어지기 때문에, 소성 가공후 열처리에 의한 블리스터의 추가의 형성은 억제될 수 있어, 본 방법에 의해 형성된 경금속 성형재의 외관이 양호하게 된다.

소성 가공전 열처리의 처리 시간이 1시간 또는 그 이상일 경우, 블리스터는 소성 가공용 소재의 표면에 유효하게 형성될 수 있으며, T6 처리에서 실행된 용제화 처리와 동일한 방법으로 재료 조성의 균일성이 향상될 수도 있다. 상기 이유로 인해, 처리 시간은 10시간 내지 20시간인 것이 바람직하다.

소성 가공전 열처리의 처리 시간 및 처리 온도 양자를 소성 가공후 열처리의 처리 시간 및 처리 온도보다 각기 길고 높게함으로써, 소성 가공후 열처리는 짧은 시간 및 낮은 온도에서 실행될 수 있으며, 그에 따라 소성 가공후 열처리에 의해 블리스터의 생성을 억제한다.

소성 가공용 소재에 내포된 내부 결함은 체적 백분율로서 10% 이하인 것이 바람직하다. 내부 결함이 10% 이하이면, 비폐색된 다이 소성 가공(non-fully enclosed die plastic working)을 사용하는 경우에도 극소수의 결함을 갖는 소성 가공재가 얻어질 수 있으며, 이는 내부 결함의 완전한 제거를 어렵게 한다. 내부 결함이 10% 이상이면, 내부 결함은 비폐색 다이 소성 가공후에 남게되어, 폐색 다이 소성 가공이 사용되는 경우, 소수의 내부 결함을 갖는 소성 가공재만이 얻어질수 있다. 즉, 소성 가공용 소재에 내포된 내부 결함이 10% 이하가 됨으로써, 소수의 내부 결함을 갖는 소성 가공재가 상기의 소성 가공법에 제약을 가하는 일 없이 얻어질 수 있다.

소성 가공용 소재를 성형할 때, 반용융 상태의 경금속을 금형내의 캐비티내에 유입시켜 상기 반용융 상태의 경금속 재료를 소성 가공용 소재의 형상으로 응고시키는 것이 바람직하다. 그렇게 함으로써, 용융 금속(molten metal)은 층류 또는 층류에 근접한 상태로 캐비티에 유입된다. 이렇게 함으로써, 공기가 재료내에 포획되기 어렵다. 결과적으로, 가스 결함 또는 수축 캐비티와 같은 소수의 내부 결함을 갖는 소성 가공용 소재가 제조될 수 있다. 이것은 소성 가공용 고품질 소재 및 경금속 성형재가 제조될 수 있음을 의미한다. 여기서, "반용융(semimolten)"이라는 표현은 원료인 경금속 재료중 일부가 여전히 고체 상태로 남아있는 반면 상기 경금속 재료중 일부는 액체 상태로 용융되어 있는 상태를 의미한다. 일반적으로, 상기 상태는 경금속 원료를 그의 용융점 이하의 온도로 가열함으로써 달성될 수 있다.

또한, 소성 가공용 소재가 사출 성형에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이는 사출 성형에 의해 형성된 소성 가공용 소재가, 분무 용융 금속(atomized molten metal)이 금형내의 캐비티에 충전되는 다이캐스팅법에 의해 형성되는 소재보다 공기의 함유로 인해 소수의 내부 결함을 가지기 때문이다. 용융된 경금속 재료가 전술한 바와 같이 그의 용융점 이하의 온도에서 반용융 상태로 사출되는 경우, 사출 성형은 더욱 효과적이다.

본 발명의 이러한 및 다른 장점은 본 기술에 숙련된 사람이 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 참조함으로써 명백해진다.

본 발명은 경금속재의 소성 가공용 소재를 소성 가공하여 결과적인 소성 가공된 소재를 열처리하는 경금속 성형재의 제조 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 사출 성형 장치의 부분 단면도,

도 2는 실험에 이용된 합금의 조성을 나타내는 표,

도 3a 및 도 3b는 사출 성형된 소재를 절단하여 단조하기 위한 소재 및 단조된 소재를 도시하는 사시도,

도 4는 합금 A에 있어서 실행된 단조후 열처리에 사용되는 처리 온도 및 0.2% 항복 강도/강도와, 경금속 성형재의 파단후 신장 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 5는 합금 B에 있어서 실행된 단조후 열처리에 사용되는 처리 온도 및 0.2% 항복 강도/강도와, 경금속 성형재의 파단후 신장 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 6a 내지 도 6d는 상이한 조건에서 단조후 열처리가 가해지는 합금 A의 경금속 성형재 표면의 마이크로 조직(microstructure)을 도시하는 도면,

도 7a 내지 도 7d는 상이한 조건에서 단조후 열처리가 가해지는 합금 B의 경금속 성형재 표면의 마이크로 조직(microstructure)을 도시하는 도면,

도 8은 합금 A에 있어서 실행된 단조후 열처리에 사용되는 처리 시간 및 0.2% 항복 강도/강도와, 파단후 신장 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 9는 합금 B에 있어서 실행된 단조후 열처리에 사용되는 처리 시간 및 0.2% 항복 강도/강도와, 파단후 신장 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 10a 및 도 10b는 단조용 소재 및 단조된 소재의 평면도 및 측단면도,

도 11은 단조전에 단조용 소재의 상대 밀도와 단조된 소재의 상대 밀도의 최대값 및 최소값 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 12는 용융 금속의 고상률(solid phase proportion)과 사출 성형재의 상대 밀도 사이의 관계를 도시하는 그래프,

도 13a 내지 도 13d는 열처리 전후의 사출 성형재 표면의 마이크로 조직을 도시하는 도면.

하기에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 경금속 성형재의 제조 방법을 상세히 설명한다.

(주조 공정-사출 성형 공정)

<사출 성형 장치>

도 1은 본 발명의 사출 성형 장치(1)를 도시한다. 상기 사출 성형 장치(1)는 단조용 소재(소성 가공용 소재)를 성형한다.

사출 성형 장치(1)는 메인 몸체(2)와, 메인 몸체(2)에 회전가능하게 지지되는 스크류(3)와, 메인 몸체(2)의 배면상에 배치되고 상기 스크류(3)를 회전구동하는 회전 구동 유닛(4)과, 상기 스크류(3)를 둘러싸도록 메인 몸체(2)에 고정되는실린더(5)와, 실린더(5)의 길이부를 따라서 소정의 피치로 실린더(5)의 원주 둘레에 배치되는 가열기(6)와, 그 내로(호퍼 내로) 투입되는 경금속 합금 원료를 저장하기 위한 호퍼(hopper)(7)와, 상기 호퍼(7)내의 재료를 측정하고 상기 재료를 사출 성형 장치(1)내로 공급하기 위한 공급기(8)와, 실린더(5)의 일 단부에 부착된 금형(9)을 포함한다.

스크류(3)를 실린더(5)의 내측부를 따라 종방향으로 전진시키기 위한 사출 장치가 메인 몸체(2)상에 제공된다. 스크류(3)가 전방으로 이송되는 용융된 경금속 합금의 힘에 의해 소정의 거리만큼 후퇴된 것을 상기 사출 장치가 검출했을 때, 사출 장치는 회전하여 스크류(3)의 후퇴를 멈추게 하고, 소정의 타이밍에 스크류(3)를 전방으로 전진시켜 용융 금속을 사출시킨다. 스크류(3)가 전방으로 전진하는 속도는 제어될 수 있으며, 따라서 용융 금속이 금형내의 캐비티(12)에 유입되는 속도는 제어될 수 있다.

실린더(5)의 일 단부에 노즐(10)이 제공되어, 실린더(5)의 내측에서 교반(stirred) 및 혼련된(kneaded) 용융 금속이 노즐(10)을 거쳐 캐비티(12)내로 사출된다. 캐비티(12)내로 용융 금속의 사출은 소정량의 용융 금속이 실린더(5)의 전방 단부에 모여졌을 경우에 실행되며, 따라서 상기 상태에 도달할 때까지, 상기 용융 금속은 노즐(10)을 통해 밖으로 유동하는 것이 방지될 필요가 있다. 이러한 이유로 인해, 노즐(10)의 온도는 하기와 같이 제어된다. 용융 금속이 실린더(5)의 전방 단부에 모이는 동안, 노즐(10)은 고화된 용융 금속에 의해 형성된 저온 플러그(cold plug)에 의해 막혀지며, 용융 금속이 사출될 때, 상기 저온 플러그를 사출되는 용융 금속과 함께 금형(9)쪽으로 압출시킴으로써 상기 저온 플러그는 용이하게 제거된다. 금형(9)과 노즐(10) 사이에 단열 부재가 제공되어, 금형(9)이 노즐(10)로부터 열을 흡수하여 노즐(10)의 온도를 낮추는 것을 방지한다. 노즐(10)은 세라믹 재료로 제조된다.

실린더(5)의 원주 둘레에 제공된 가열기(6)는 실린더(5)를 따라 노즐(10)까지 실린더의 종방향으로 보다 높은 온도를 얻도록 다수의 영역에 대해 분리식으로 온도가 제어된다. 경금속 합금이 스크류(3)에 의해 실린더(5)의 내측부를 따라 이송될 때, 경금속 합금의 온도는 상승한다. 실린더(5)의 전방 단부에서의 온도는 경금속 합금이 그의 용융점 이하의 반용융 상태, 또는 용융점 내지 용융점 바로 위의 온도에서 용융된 상태로 있도록 제어된다.

호퍼(7), 공급기(8), 실린더(5) 및 이들을 연결하는 통로는 불활성 가스(예를 들면, 아르곤 가스)로 충전되어 경금속 합금이 산화되는 것을 방지한다.

금형(9)은 노즐(10)로부터 사출되는 용융 금속을 안내하는 탕도(runner)(11)를 구비한다. 탕도(11)는 실린더(5)의 노즐(10)로부터 직선으로 연장하고, 그 후 수직으로 상승하여 L-자형을 형성한다. 플러그 수납부(11a)는 노즐(10)로부터 제거된 저온 플러그를 수납하도록 L-자형의 모서리에 제공된다. 또한, 금형(9)은 탕도(11)에 연결된 캐비티(12)와, 캐비티(12)와 탕도(11) 사이에 경계를 형성하는 게이트(13)와, 캐비티(12)의 게이트(13)로부터 이격되어 위치되어 있으며 용융 금속에 의해 변위된 캐비티(12)내에 가스를 수납하는 오버플로부(overflow)(14)를 포함한다.

<사출 성형 방법>

하기에는 경금속 합금을 사출 성형하기 위해 사용되는 방법을 상술한다.

우선, (Mg-Al 합금과 같은) 경금속 합금의 칩(chips)을 원료로서 사출 성형 장치(1)의 호퍼(7)내에 투입한다. 경금속 합금 칩의 소정량이 공급기(8)에서 계측되어 사출 성형 장치(1)에 공급된다.

그 후, 경금속 합금 칩은 스크류(3)의 회전에 의해 가열중인 실린더(5)내로 이송된다. 실린더(5)내에서, 경금속 합금 칩은 스크류(3)의 회전에 의해 충분히 교반 및 혼련되면서 소정의 온도로 가열된다. 결과적으로, 경금속 합금 칩은 적어도 10%의 고상률을 갖는 반용융 상태의 경금속 합금으로 된다.

상기 방법에 의해 형성된 용융 금속은 스크류(3)에 의해 전방으로 밀려져 실린더(5)의 전방 단부에서 모이며, 상기 방법으로 모이는 용융 금속의 압력에 의해 상기 스크류(3)는 후퇴한다. 상기 시점에서, 실린더(5)에 제공되는 플러그의 온도는 저하되며, 결과적으로 용융 금속중 일부가 응고되어 노즐(10)을 막는 저온 플러그를 형성하여, 용융 금속이 노즐(10)을 지나 실린더(5) 밖으로 유동하는 것을 방지한다.

스크류(3)가 소정 거리만큼 후퇴되는 경우, 메인 몸체(2)의 사출 장치는 이를 검출하여 스크류(3)의 회전 및 후퇴 동작을 정지시킨다. 이 시점에서, 단일 사출을 위한 충분한 양의 용융 금속이 실린더(5)의 전방 단부에 모이게 된다.

그런 다음, 배출 장치는 스크류(3)를 전진시켜 용융 금속에 압력을 가한다. 결과적으로, 용융 금속은 저온 플러그를 금형(9)쪽으로 가압하며, 용융 금속은 노즐(10)로부터 캐비티(12)내로 사출된다. 이러한 방법으로 제거된 저온 플러그는 탕도(11)내의 플러그 수납부(11a)에 의해 보유된다.

마지막으로, 용융 금속이 응고된 후, 금형(9)을 개방하여 사출 성형된 소재(단조용 소재)를 취출한다.

(단조전 열처리 공정)

상기 사출 성형에 의해 형성된 단조용 소재는 상기 단조용 소재를 형성하는 경금속 합금의 공정이 융해되기 시작하는 온도 보다 낮은 처리 온도에서 적어도 1시간의 처리 시간 동안 단조후 열처리(소성 가공전 열처리)가 가해진다. 바람직하게는, 단조전 열처리는 350℃ 내지 450℃ 범위의 처리 온도에서 10시간 내지 20시간의 처리 시간 동안 수행된다. 상기 열처리동안, 단조용 소재의 재료 조성의 균일성이 향상되는 반면, 단조용 소재 표면 근처의 가스 결함이 팽창하여 단조용 소재의 표면에 블리스터가 발생한다.

(단조 공정)

단조전 열처리가 가해진 단조용 소재는 완전히 폐쇄된 형 단조(fully enclosed die forging)[완전히 폐쇄된 형 소성 가공(fully enclosed die plastic working)] 또는 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조(완전히 폐쇄되지 않은 형 소성 가공)가 가해진다. 완전히 폐쇄된 형 단조는 단조 공간이 완전히 폐쇄된 단조 금형에서 수행되는 반면, 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조는 단조용 소재중 적어도 일부가 구속되지 않아 소성 변형가능한 단조 금형에서 실행된다. 단조동안, 단조전 열처리에 의해 단조용 소재의 표면에 형성된 블리스터중 일부는 파열되며 그에 따라제거된다.

(단조후 열처리 공정)

단조 공정에 의해 성형된 단조된 소재는 250℃ 내지 400℃의 처리 온도에서 20분 내지 10시간의 처리 시간 동안 단조후 열처리(소성 가공후 열처리)가 가해진다. 결과적인 소재는 본 명세서에서 "경금속 성형재"로서 간주된다.

상기 경금속 성형재용 제조 방법에 의하면, 단조된 소재는 T6 처리동안 수행되는 시효 석출 경화 처리보다 높은 온도 및 보다 짧은 처리 시간을 갖는 단조후 열처리가 가해진다. 소재의 연성은 효과적으로 향상될 수 있는 반면, 소재의 강도 및 항복 강도를 유지시킨다.

단조전에, 단조용 소재는 단조후 열처리보다 높은 온도 및 보다 긴 처리 시간을 갖는 단조전 열처리가 가해진다. 결과적으로, 단조용 소재의 표면 근처에 존재하는 가스 결함이 팽창하여 단조용 소재의 표면에 블리스터가 형성된다. 상기 블리스터중 일부는 단조 공정에 의해 파열 및 제거되어, 단조용 소재에 나타나는 가스 결함의 개수가 감소된다. 단조전에 블리스터가 생성되고, 단조동안 상기 블리스터는 제거되며, 그 후 단조후 열처리가 단시간 동안 저온에서 실행될 수 있으며, 따라서 단조후 열처리에 의한 블리스터의 생성은 억제될 수 있어, 상기 방법에 의해 제조된 경금속 성형재에 대해 양호한 외관을 얻을 수 있다.

단조전 열처리의 처리 시간은 적어도 1시간이며, 따라서 블리스터는 단조용 소재의 표면에 효과적으로 생성될 수 있으며, T6 처리의 일부로서 수행되는 용제화 처리에서 처럼 재료 조성의 균질화가 향상될 수 있다.

단조용 소재에 있어서 내부 결함의 비율이 10% 이하이기 때문에, 내부 결함의 완전한 제거가 극히 어렵다는 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조에 의해서도 내부 결함이 극히 작은 단조된 소재를 얻을 수 있다. 따라서 작은 내부 결함을 갖는 단조된 소재는 사용되는 단조 방법에 제약을 가하는 일없이 제조될 수 있다.

단조용 소재가 사출 성형되기 때문에, 반용융 상태의 경금속 합금은 금형의 캐비티내로 유입되어 응고된다. 상기 용융 금속은 층류 또는 층류에 근접한 상태로 캐비티내로 유입되어, 공기가 재료내에 포획되기 어렵다. 결과적으로, 가스 결함 또는 수축 캐비티와 같은 몇몇 내부 결함을 갖는 단조용 소재가 제조될 수 있다. 이것은 고품질의 단조용 소재 및 경금속 성형재가 제조될 수 있음을 의미한다.

(변형 실시예)

상기 실시예는 경금속 합금 칩이 적어도 10%의 고상률을 갖는 반용융 상태의 금속이 되도록 가열되는 반면, 상기 경금속 칩은 용융점 또는 용융점 바로 위의 온도에서 용융된 상태로 가열될 수도 있다.

상기 실시예는 단조용 소재가 사출 성형에 의해 형성되는 경우를 상술하고 있으며, 이는 본 발명에 대한 특정한 제한이 아니며, 따라서 단조용 소재는 상이한 방법으로 형성될 수도 있다.

(실험 1)

단조된 소재상에 실시되는 단조후 열처리에 사용되는 처리 온도 및 열처리후 단조된 소재의 강도, 0.2% 항복 강도, 및 파단후의 신장 사이의 관계가 실험을 통해 조사되었다.

<실험 방법>

사출 성형 장치를 이용하여 도 2에 그의 조성이 도시된 합금 A에 의해 금속 플레이트형 사출 성형재가 형성되었다. 상기 형성동안, 형성된 사출 성형재의 고상률이 5%로 되도록 용융 금속에 대해 온도 제어가 수행되며, 상기 고상률은 사출 성형 재료 표면의 영상 해석(image analysis)에 의해 확인된다. 본원에서 사용되는 합금 A는 ASTM 규격하에서의 AZ91D이다. 동일한 방법에 있어서, 사출 성형 장치를 이용하여 도 2에 그의 조성이 도시된 합금 B에 의해 금속 플레이트형 사출 성형재가 형성되었다. 상기 형성동안, 형성된 사출 성형 재료의 고상률이 10%로 되도록 용융 금속에 대해 온도 제어가 수행되었다.

10㎜ 폭, 35㎜ 길이, 및 21㎜ 두께를 갖는 블럭형의 여러 단조용 소재(도 3a에 도시됨)가 각각의 합금 A 및 합금 B에 의해 형성된 금속 플레이트형 사출 성형재로부터 절단된다. 그런 후 합금 A에 의해 형성된 블럭은 410℃의 온도에서 16시간 동안 단조전 열처리가 가해지는 반면, 합금 B에 의해 형성된 블럭은 400℃의 온도에서 10시간 동안 단조전 열처리가 가해진다.

단조전 열처리가 종결되면, 각각의 단조용 소재는 폭 방향으로 압축되고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 그의 두께가 21㎜에서 10.5㎜로 반으로 줄어들 때까지 단조된다(50%의 단조 가공율).

그 후, 합금 A 및 합금 B에 의해 형성된 단조재는 170℃, 250℃, 300℃, 350℃, 및 400℃의 온도에서 4시간 동안 단조후 열처리가 가해진다. 비교 참조를 위하여, 몇몇 단조재는 단조후 열처리가 가해지지 않았다.

그 후, 단조후 열처리가 가해진 경금속 성형재 및 단조후 열처리가 가해지지 않은 단조재에 대해 인장 시험이 실시되었다.

300℃, 350℃ 및 400℃의 온도에서 단조후 열처리가 가해진 합금 A 및 합금 B로 형성된 경금속 성형재는 인장 시험후 현미경을 사용해 그들의 마이크로 조직을 관찰하였다. 비교를 위해서, 단조전 열처리 및 단조후 열처리가 가해지지는 않았지만 대신에 T6 처리가 가해진 경금속 성형재를 관찰하였다. 합금 A를 위한 T6 처리는 410℃의 온도에서 16시간 동안 용제화 처리와 170℃의 온도에서 16시간 동안 시효 석출 경화 처리를 포함하는 반면, 합금 B를 위한 T6 처리는 400℃의 온도에서 10시간 동안 용제화 처리와 175℃의 온도에서 16시간 동안 시효 석출 경화 처리를 포함한다.

<실험 결과>

도 4는 합금 A에 수행된 단조후 열처리에 사용된 처리 시간 및 단조된 소재의 0.2% 항복 강도, 강도, 및 파단후의 신장 사이의 관계를 도시하는 반면, 도 5는 합금 B에 대해 상기과 동일한 관계를 도시한다. 도 4 및 도 5로부터 합금 A 및 합금 B 양자에 대해 처리 시간이 증가함에 따라, 0.2% 항복 강도가 감소되고, 강도는 점차로 증가되며, 파단후의 신장은 증가하는 경향이 있음을 알 수 있다. 파단후의 신장과 관련하여, T6 처리중 시효 석출 경화 처리에서 사용된 온도(170℃ 내지 230℃)와 동일한 처리 온도를 갖는 열처리는 열처리가 실행되지 않은 경우보다 파단후의 신장이 낮게 된다. 그러나, 처리 온도가 250℃ 또는 그 이상인 경우, 0.2% 항복 강도 또는 강도에 있어서 큰 감소 없이 파단후의 신장이 상당히 향상된다.

도 6a 내지 도 6d는 합금 A에 의해 형성된 경금속 성형재 표면의 마이크로 조직을 도시하는 도면이다. 도 6a는 T6 처리가 가해진 소재를 도시하고, 도 6b는 300℃의 온도에서 열처리된 소재를 도시하며, 도 6c는 350℃의 온도에서 열처리된 소재를 도시하고, 도 6d는 400℃의 온도에서 열처리된 소재를 도시한다. 도 7a 내지 도 7d는 합금 B에 의해 형성된 경금속 성형재의 마이크로 조직을 도시하는 유사도이다. 도 6 및 도 7에 있어서, 결정 입자의 조대화(coarsening : 粗大化)는 합금 A에 있어서 화합물(Mg₁₇Al₁₂)의 편석(segregation : 偏析)(도면의 검정색 부분)으로 인해 도 6a 및 도 7a에서 관찰된다. 반면에, T6 처리보다 높은 온도 및 짧은 처리 시간 동안 단조후 열처리가 가해진 경금속 성형재에 대해서, 소재가 300℃의 처리 온도를 사용해 형성되는 경우, 결정 입계가 명확하지 않고 화합물의 석출이 균일하다(도 6b 및 도 7b 참조). 소재가 350℃의 처리 온도를 사용해 형성되는 경우(도 6c 및 도 7c 참조), 미세한 결정 입계가 관찰되고, 화합물의 석출이 균일하다. 소재가 400℃의 처리 온도를 사용해 형성되는 경우(도 6d 및 도 7d 참조), 결정 입자의 조대화가 관찰되지만, 화합물의 석출은 균일하다.

상기 인장 시험 결과와 마이크로 조직의 관찰 결과로부터, 단조후 열처리 후의 경금속 성형재를 형성하는 재료 조성은 재료의 연성에 영향을 주는 것을 알 수 있다. 즉, 재결정이 발생하지 않은 조성은 형태에 있어서 변화에 민감하지 않으며, 재료를 강하게 하지만 연성은 그렇지 않다. 재결정이 발생하는 경우, 결정 입자는 형태가 바뀌어, 재료가 연성을 가진다. 그러나, 결정 입자가 너무 크게 되면, 결정 입자는 형태를 바꾸기 어렵게 되어, 재료가 부서지기 쉬우며 재료의 강도 및 연성을 저하시킴을 알 수 있다.

따라서, 매우 강한 경금속 성형재를 형성하기 위해, 단조후 열처리에 사용되는 처리 온도는 결정 입자가 관찰될 수 없는 재료 조성을 형성하는 온도로 설정된다. 고 연성의 경금속 성형재를 형성하기 위하여, 단조후 열처리에 사용되는 처리 온도는 미세한 결정 입자가 관찰될 수 있는 재료 조성을 형성하는 온도로 설정된다.

(실험 2)

단조된 소재상에 실시되는 단조후 열처리에 사용되는 처리 시간 및 열처리후 단조된 소재의 0.2% 항복 강도, 강도, 및 파단후의 신장 사이의 관계가 실험을 통해 조사되었다

<실험 방법>

실험 1과 동일한 방법으로, 여러개의 단조용 소재가 각각의 합금 A 및 합금 B로부터 도 3a에 도시된 바와 같이 10㎜ 폭, 35㎜ 길이, 및 21㎜ 두께를 갖는 블럭 형상으로 형성된다. 그 후, 합금 A에 의해 형성된 블럭은 410℃의 온도에서 16시간 동안 단조전 열처리가 가해지는 반면, 합금 B에 의해 형성된 블럭은 400℃의 온도에서 10시간 동안 단조전 열처리가 가해진다.

단조전 열처리가 종료되면, 각각의 단조용 소재는 폭방향으로 압축되고, 도 3b에 도시된 바와 같이 그의 두께가 21㎜에서 10.5㎜로 반으로 줄어들때까지 단조된다(50%의 단조 가공율).

그 후, 합금 A 및 합금 B에 의해 형성된 단조된 소재는 합금 A에 대해서는 300℃의 온도에서 합금 B에 대해서는 350℃의 온도에서 1시간, 4시간, 10시간, 및 15시간의 처리 시간 동안 단조후 열처리가 가해진다.

그 후, 단조후 열처리가 가해진 경금속 성형재에 대해 인장 시험이 실시된다.

<실험 결과>

도 8은 합금 A에서 실시된 단조후 열처리에 사용된 처리 시간 및 경금속 성형재의 0.2% 항복 강도, 강도, 및 파단후의 신장 사이의 관계를 도시하며, 도 9는 합금 B에 대해 동일한 관계를 도시한다. 처리 시간 0에 대한 데이터는 실험 1에서 단조후 열처리가 가해지지 않은 단조된 소재에 대한 데이터이다. 합금 A 및 합금 B 양자에 대해, 처리 시간이 1시간 정도인 경우, 0.2% 항복 강도는 상당히 감소되지만, 처리 시간이 1시간을 넘으면 0.2% 항복 강도는 점차로 감소됨을 도 8 및 도 9로부터 알 수 있다. 강도에 있어서 약간의 증가는 1시간 까지의 처리 시간에 대해 관찰되지만, 처리 시간이 1시간을 넘어가면 강도에 대한 상기 경향은 점차로 감소한다. 반면에, 합금 A의 파단후 신장에 있어서 상당한 향상은 처리 시간이 1시간 정도에서 관찰되고, 처리 시간이 1시간을 넘어가면 파단후 신장에 있어서 현저한 변화는 관찰되지 않는다. 합금 B에 대해, 파단후 신장은 처리 시간이 1시간일 때 정점에 도달하고, 처리 시간이 1시간을 넘어가면 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다. 상기 결과로부터, 합금 A 및 합금 B의 양자에 대해 파단후 신장에 있어서큰 향상은 열처리의 1번째 1시간에서 관찰될 수 있으며, 합금 B에 대해 파단후 신장에 있어서 큰 향상을 갖는 경금속 성형재는 처리 시간을 10시간 또는 그 이하(바람직하게는, 5시간 또는 그 이하)로 설정함으로써 얻을 수 있음을 알 수 있다.

(실험 3)

완전히 폐쇄되지 않은 형 단조전 단조용 소재의 상대 밀도와 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조후 단조용 소재의 상대 밀도 사이의 관계가 실험을 통해 조사되었다.

<실험 방법>

사출 성형 장치를 이용하여, 도 10a에 도시된 바와 같이 상면에 3㎜ 깊이의 원형 요부를 갖는 단조용 원통형 소재를 다양한 조건하에서 형성하였다. 상기 단조용 소재는 도 2에 그의 조성이 도시된 합금 C에 의해 제조되었다. 결과적인 단조용 소재의 밀도는 아르키메데스의 방법을 사용해 측정되었으며, 상기 측정치는 가스 결함과 같은 내부 결함이 없다고 간주되는 이론적인 밀도로 나누었으며, 상기 결과치에 100을 곱하여 상대 밀도값으로 한다. 여러개의 단조용 소재가 각각의 상대 밀도 85%, 90% 및 95%에 대해 제작되었다.

그런 후 전술된 단조용 소재는 도 10b에 도시된 형상이 얻을 질때까지 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조가 가해진다. 그런 후, 결과적인 단조된 소재의 밀도는 상술한 것과 같이 계측되고, 각각의 단조된 소재의 상대 밀도가 산출된다.

<실험 결과>

도 11은 단조전 단조용 소재의 상대 밀도와 단조된 소재(즉, 단조후 단조용소재)의 상대 밀도에 대한 최대값과 최소값 사이의 관계를 도시한다. 단조전 단조용 소재의 상대 밀도가 90% 이하인 경우, 단조후 단조된 소재의 상대 밀도가 99% 또는 그 이하이며, 큰 정도의 편차가 있음을 도 11로부터 알 수 있다. 즉, 상대 밀도가 90% 이하일 경우(즉, 내부 결함양이 체적의 10% 이상임), 완전히 폐쇄되지 않은 형 단조는 내부 결함을 충분히 제거할 수 없으며, 따라서 단조는 재료의 강도를 충분히 향상시키지 못한다.

(실험 4)

사출 성형에 의해 형성된 단조용 소재의 고상률과 상대 밀도 사이의 관계가 실험을 통해 조사된다.

<실험 방법>

사출 성형 장치를 이용하여 용융 금속의 온도를 변화시켜가면서, 즉 고상률을 변화시켜가면서 합금 A에 의한 금속 플레이트형인 단조용 소재를 사출 성형한다. 상기 형성동안, 용융 금속은 10m/s의 속도로 금형의 캐비티내로 사출된다. 고상률은 사출 성형된 소재의 표면을 영상 해석함으로써 확인된다.

그 후, 상기 방법에 의해 형성된 단조용 소재의 상대 밀도는 실험 3과 동일한 방법으로 산출된다.

<실험 결과>

도 12는 단조용 소재의 고상률과 상대 밀도 사이의 관계를 도시한다. 도 12에서 알 수 있는 바와 같이, 반용융 상태인 용융 금속을 사출 성형함으로써 단조용 소재에 대해 높은 상대 밀도가 얻어진다. 보다 자세히는, 고상률이 10% 또는 그이상일 경우, 높은 상대 밀도를 갖는 단조용 소재가 신뢰가능하게 형성될 수 있다. 이는 10% 또는 그 이상의 고상률을 갖는 반용융 상태의 금속이 매우 높은 점성을 가져서, 용융 금속이 층류와 같이 천천히 캐비티내를 유동하기 때문이라고 생각된다. 고상률이 10% 또는 그 이상일 경우, 상대 밀도에 있어서의 향상은 관찰되지 않으며 100%의 상대 밀도는 달성되지 않는다. 이는 단조용 소재에 있어서 회피할 수 없는 수축 캐비티의 생성에 기인한 것이라 생각된다.

(실험 5)

단조전 열처리 전후의 단조용 소재 표면의 마이크로 조직에 있어서의 차이가 실험을 통해 조사되었다.

<실험 방법>

실험 1과 동일한 방법에 있어서, 플레이트형으로 사출 성형된 소재는 금속 플레이트의 형태로 합금 A 및 합금 B를 사출 성형함으로써 형성된다. 그런 후 이들 사출 성형된 소재의 마이크로 조직은 현미경을 사용하여 관찰된다.

그 후, 합금 A에 의해 형성된 사출 성형된 소재는 410℃의 온도에서 16시간 동안 열처리가 가해지는 반면, 합금 B에 의해 형성된 사출 성형된 소재는 400℃의 온도에서 10시간 동안 열처리가 가해진다. 상기 열처리후, 마이크로 조직은 현미경을 사용해 관찰된다.

<실험 결과>

도 13a 내지 도 13d는 열처리 전후의 사출 성형된 소재 표면의 마이크로 조직을 나타내는 도면이다. 도 13a는 열처리전 합금 A에 의해 형성되는 사출 성형된소재를 도시하고, 도 13b는 열처리전 합금 B에 의해 형성되는 사출 성형된 소재를 도시하며, 도 13c는 열처리후 합금 A에 의해 형성되는 사출 성형된 소재를 도시하고, 도 13d는 열처리후 합금 B에 의해 형성되는 사출 성형된 소재를 도시하는 도면이다. 이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 합금 A 및 합금 B 양자에 의해 형성된 사출 성형된 소재의 마이크로 조직은 열처리 전후에 매우 상이하다. 보다 자세하게는, 열처리 전에는 사출 성형된 소재의 고상부는 눈에 잘 띄지만, Mg₁₇Al₁₂의 결정은 액상부(액상부에서 검정색 영역)에 나타난다. 반면에, 열처리 후에는 열처리가 실행되기 전에 관찰되던 액상부를 명확하게 구별하기 힘들다. Mg₁₇Al₁₂는 용해되며, 따라서 거의 관찰할 수 없다. 몇몇 결정 입계가 희미하게 관찰될 수 있다.

본 발명은 그의 정신 또는 기본적인 특성을 벗어남이 없이 다른 형태로 구현될 수 있다. 본 명세서에 상술된 실시예는 도시적이지만 비한정적인 것으로 고려될 수 있다. 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 나타나며, 특허청구범위와 동등한 범위내에서의 각종 변형이 본원에 포함되도록 의도된다.

Claims (11)

1. 경금속 성형재의 제조 방법에 있어서,

   경금속 재료로 이루어지는 소성 가공용 소재를 소성 가공에 의해 소성 가공재를 형성하는 단계와,

   상기 소성 가공재에 250℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 20분 내지 10시간 동안 소성 가공후 열처리(post-plastic working heat treatment)를 가하는 단계를 포함하는

   경금속 성형재의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 경금속은 마그네슘 합금인

   경금속 성형재의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성 가공후 열처리는 상기 소성 가공재를 고 연성화(highly ductile)하는 열처리인

   경금속 성형재의 제조 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 경금속 재료는 소성 가공이 경금속 합금으로 이루어질 수 있도록 하기 위한 소재로 이루어지고,

   상기 방법은 소성 가공을 위한 상기 소재에 상기 경금속 합금의 공정(eutectic)이 융해되기 시작하는 온도 보다 낮은 온도에서 소성 가공전 열처리를 실시하는 단계를 더 포함하는

   경금속 성형재의 제조 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 소성 가공전 열처리는 적어도 1시간 동안 수행되는

   경금속 성형재의 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 소성 가공전 열처리는 350℃ 내지 450℃의 온도에서 10시간 내지 20시간 동안 수행되는

   경금속 성형재의 제조 방법.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 소성 가공전 열처리는 상기 소성 가공용 소재에 내포된 가스의 팽창에 의해 블리스터(blisters)를 소성 가공용 소재의 표면에 형성하기 위해 수행되는

   경금속 성형재의 제조 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   소성 가공용 소재에 포함된 내부 결함은 소성 가공용 소재의 체적의 10% 이하인

   경금속 성형재의 제조 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 소성 가공용 소재는 반용융 상태의 경금속을 응고시킴으로써 형성되는

   경금속 성형재의 제조 방법.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 소성 가공용 소재는 용융된 경금속을 사출 성형시킴으로써 형성되는

    경금속 성형재의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 용융된 경금속은 상기 경금속의 용융점 이하에서 반용융 상태에 있는

    경금속 성형재의 제조 방법.