KR20030084727A - 절삭성이 뛰어난 알루미늄합금과, 단조품의 제조방법 및단조품 - Google Patents

Abstract

3 내지 6 질량%의 Cu와, 0.2 내지 1.2 질량% 의 Sn과, 0.3 내지 1.5 질량% 의 Bi 및, 0.5 내지 1.0 질량% 의 Zn을 포함하며, 잔여량은 알루미늄및 불가피한 불순물로 구성되는 알루미늄 합금. 그 알루미늄합금이 이용되는 단조품의 제조방법. 그 방법에 의하여 얻어진 단조품.

Description

절삭성이 뛰어난 알루미늄합금과, 단조품의 제조방법및 단조품{ALUMINUM ALLOY WITH GOOD CUTTABILITY, METHOD FOR PRODUCING A FORGED ARTICLE, AND FORGED ARTICLE}

본 발명은 우수한 절삭성(가공성)을 가지는 알루미늄합금 또는 알루미늄 합금재에 관한 것이다.

본 발명은 또한 그 합금 또는 합금재를 사용한 단조품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 상기 방법에 의하여 얻어지는 단조품에 관한 것이다.

종래에, 예를 들면 JIS 2011 합금 및 JIS 6262 합금과 같이 Pb를 첨가함으로써 만들어지는 알루미늄계 합금이 양호한 절삭성을 가지는 알루미늄합금으로서 사용되었다.

그러나, 최근에는 환경문제의 관점에서 Pb 를 넣지 않고 양호한 절삭성을 가지는 알루미늄합금이 요구되어 왔다.

Sn 및 Bi 를 첨가함으로써 마련되는 알루미늄계 합금이 JIS 2011 합금(Pb 및 Bi첨가함으로써 마련되는 합금임)에 대한 대체물로서 제안되었으나, 이들의 칩 분할성은 Pb 및 Bi 첨가합금에 비하여 열등하다. 부가적으로, 종래에 만들어진 것에 비교하면, 이들의 칩 분할성은 공작물의 표면거칠기를 감소할 목적에 부합하기 위하여 공작물의 회전속도가 감소되거나 또는 절삭날의 공급속도가 느려지는 때에는 불충분하다.

또한, Sn 을 첨가함으로써 제조된 합금재가 열간단조될 때, 단조후에 수행되는 용액열처리후 물에 담글때에, Pb 및 Bi 를 첨가함으로써 제조되는 종래의 합금에서는 발견되지 않았던 크랙(crack)이 종종 발생하곤 한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, Pb 대신 Sn 을 첨가하여 제조되는 알루미늄 합금의 절삭성을 개선하고, 크랙이 발생하지 않는 알루미늄 합금 및 그 합금의 제조 방법과 그 방법을 이용한 단조품을 제공함에 있다.

본 발명은 3 내지 6 질량%의 Cu와, 0.2 내지 1.2 질량% 의 Sn과, 0.3 내지 1.5 질량% 의 Bi 및, 0.5 내지 1.0 질량% 의 Zn을 포함하며, 잔여량은 알루미늄및 불가피한 불순물로 구성되는 양호한 절삭성을 가지는 알루미늄 합금이다.

또한, 본 발명은 320℃ 내지 450℃의 단조품의 단조온도에서 상기 알루미늄 합금을, 단조하는 단계를 포함하여 구성되는, 단조품의 제조방법이다.

또한, 본 발명은 상술한 제조방법에 의하여 얻어지는 단조품이다.

본 발명의 기타 및 다른 특징 및 장점은 이하의 기술내용으로부터 보다 폭넓게 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 수단이 마련된다:

(1) 3 내지 6 질량%의 Cu와, 0.2 내지 1.2 질량% 의 Sn과, 0.3 내지 1.5 질량% 의 Bi 및, 0.5 내지 1.0 질량% 의 Zn을 포함하며, 잔여량은 알루미늄및 불가피한 불순물로 구성되는 알루미늄 합금과;

(2) 320℃ 내지 450℃의 단조품의 단조온도에서 상기 (1)에 따른 알루미늄 합금을, 단조하는 단계:를 포함하여 구성되는 단조품의 제조방법; 및

(3) 상술한 (2)의 제조방법에 의하여 얻어지는 단조품이다.

본 명세서에서 "Pb 를 첨가하지 않은(무보충)"이라는 표현은, 인곳(ingot)에 Pb 가 첨가되지 않았다는 것을 의미하며, 보다 상세하게는 결과적인 알루미늄합금내의 Pb의 함량이 0.05 질량% 이하라는 것을 의미한다.

본 발명에 있어서, Cu 는 예를 들면 CuAl₂와 같은 화합물을 형성함으로써 본 발명의 알루미늄합금의 기계적인 강도를 향상시킨다. 이 효과는 Cu 의 함량의 하한보다 낮은 범위에서는 적으며, 인곳의 표면의 품질은 Cu 의 함량의 상한위의 범위에서 감소하게 된다. 바람직한 Cu 의 함량은 4.5 내지 5.5 질량% 이다.

Sn 및 Bi 와 같은 저융점원소들은 칩 분할성을 향상시켜 준다. Sn 및 Bi 는 알루미늄과는 고용체를 거의 형성하지 않기 때문에, 화합물로서 존재하게 된다. 작업시의 열에 의하여 절삭 또는 드릴날의 끝단에 용융되어 칩상에 절결홈을 형성하기 때문에 칩 분할성이 개선되는 것으로 추측된다. 이러한 효과는 Sn 및 Bi 의 함량의 하한밑에서는 불충분하며, 상한함량의 위쪽에서는 입자경계 마모의 발생에 기인하여 내마모성이 감소하게 된다. Sn-Bi 화합물의 용융점은 139℃ 이기 때문에, 순수한 Sn 의 232℃ 및 순수한 Bi 의 271℃의 융점에 비해서 화합물의 용융효과는 명백해진다. 따라서, Sn 및 Bi 의 양자를 첨가하는 것이 바람직하며, 이들은 바람직하게는 약 43:57 정도의 Bi 에 대한 Sn 의 질량으로 포함된다. Sn 의 함량은 바람직하게는 0.2 내지 0.8 질량% 이다. Bi 의 함량은 바람직하게는 0.3 내지 1.0 질량% 이다.

지금까지, Sn 및 Bi 를 첨가함으로써 제조되는 알루미늄계 합금의 칩 분할성은 어떤 경우에는 Pb 및 Bi 를 첨가함으로써 제조되는 것보다 열등한 것이었다. 본 발명자등은 광범위한 연구의 결과, 그 이유가 다음과 같은 것으로 발견했다. Sn-Bi 화합물은 Pb-Bi 화합물보다 작은 크기를 가지므로, 어떠한 특정한 절삭조건하에서는 칩을 분할하기에 충분한 크기를 가지는 절결홈이 형성될 수 없다.

따라서, 본 발명자등은 화합물의 크기를 증가시키기 위하여, 0.3질량% 이상의 함량으로 Bi에 부가하여 Zn 이 첨가되어야 함을 발견하였다. 즉, Sn-Bi 화합물의 크기는 Sn-Bi 화합물에 Zn 을 도입함으로써 증가됨을 발견하였다. 예를 들어, 후술하게 될 실시예에 있어서, 비교예의 시료 9내의 Sn-Bi 화합물의 5㎛ 의 평균입자지름에 비하여, 본 발명에 따른 시료 2내의 Sn-Bi 화합물의 평균입자지름은 8㎛ 나 되었다. 이는, 본 발명에 따른 시료내의 Sn-Bi 화합물의 크기가 종래예의 JIS 2011 합금에서의 Pb-Bi 화합물의 크기와 거의 같다는 것을 보여준다. 결과적으로, 충분한 크기를 가지는 절결홈이 형성되어, 칩 분할성을 증가하게 된다. Sn-Bi 화합물의 평균입자지름은 바람직하게는 8㎛ 이상이며, 보다 바람직하게는 10㎛ 이상이다. 상술한 효과는 Zn 의 함량이 하한보다 아래이면 불충분하고, 상한을 넘는 함량에서는 내마모성이 열등하게 된다. Zn 의 함량은 바람직하게는 0.5 내지 0.8질량% 이다.

기타의 원소들은 본 발명의 합금에서 특별히 한정되지 않는다. 본 발명의 합금의 다양한 특성, 예를 들어 기계적 강도, 용융성, 절삭성 및 내마모성등을 방해하지 않는 한도내에서는, Si, Fe, Mn, Mg, Ti, Ni, Cr, Zr 및 In 과 같은 원소들이 포함될 수 있다.

본 발명의 합금의 제조조건 및 템퍼링 또한 특별히 제한은 없다. 본 출원에 적합한 템퍼링은 통상의 제조조건하에서 선택될 수 있다. 예를 들면, 합금은 열간처리 마무리에 의한 T1 템퍼이거나; 용액 가열처리및 인공 에이징(aging)을 가함에 의한 T6 템퍼이거나; 또는 용액가열처리, 냉간처리 및 인공에이징을 가함에 의한 T8템퍼일 수 있다. 또한, 합금들이 용액가열처리후에 냉간처리 또는 인공에이징에 처해지게 되는 T3, T8, T6 및 T9와 같은 템퍼들도 또한 바람직한데, 기계적 강도가 클때에는 칩 분할성이 좋아지기 때문이다.

본 발명에 있어서, 합금재료가 단조에 의하여 처리될 때는, 단조를 위한 재료의 온도는 바람직하게는 320 내지 450℃, 보다 바람직하게는 350 내지 420℃가 바람직하다.

Pb 및 Bi 를 첨가함으로써 제조되는 종래의 합금내에서는 발견되지 않는 크랙들이, 어떤 경우에 Sn 이 열간단도에 처해짐으로써 합금물질이 제조될 때는 단조후에 용액 가열처리가 수행된 후에 물 담금질시에 발생한다. 본 발명자등은 광범위한 연구끝에 그 이유가 다음과 같은 것을 발견하였다. 합금이 450℃를 초과하는 고온에서 단조될 때, 거대한 재결정된 결정입자가 형성되며, 용액 열처리후에 가해지는 물 담금질에 의하여 재결정된 결정입자에 큰 스트레스가 가해진다. 거대한 재결정된 결정입자를 가지는 물질내의 입자경계의 전체면적은 매우 작아서, 입자경계의 단위면적상에 가해지는 응력이 증가하게 되고, 따라서 크랙이 발생하기 쉽다. 비록, 이 크랙은 더욱 큰 재결정된 결정입자가 형성될 때 Pb 및 Bi 를 첨가함으로써 제조된 종래의 알루미늄계 합금재료내에 발생하지만, 크랙의 발생빈도는 본 발명의 합금재료와 같이 Sn 을 첨가함으로써 제조되는 알루미늄계 합금재료에서와 같이 크지는 않다.

한편, 단조시에 재료의 온도가 하강되었을 때에는 재료의 내변형성이 증가한다. 이는, 단조부하가 내변형도의 증가에 의하여 프레스기의 용량을 초과한 것으로 추측될 수 있다. 그러나, 본 발명의 합금내에서는 내변형도가 Pb 및 Bi 를 첨가함으로써 제조되는 종래의 알루미늄 합금재료와 비교할 때 작기 때문에, 저온 단조가 가능하다. 단조부하는, 단조에 의하여 얻어지는 물품의 형상에 따라서, 320℃ 이하의 온도에서는 증가될 수 있다. 단조시에 재료의 온도를 낮추는 것이 에너지비용과 관련하여 유리하다.

본 발명의 알루미늄 합금은, 예를 들면 절삭 및 드릴과 같은 기계공작에 처해지는 부재 또는 부품으로서 사용될 수 있다.

본 발명의 알루미늄 합금은 Al-Cu계 합금내에 Pb가 첨가되지는 않았으나, 상술한 함량의 Sn 및 Bi를 첨가하고, Zn 을 첨가함으로서, Pb 를 첨가하여 제조되는 합금과 동등하거나 더 우수한 절삭성을 가진다.

단조품을 제조하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 단조과정(예를 들면, 단조후 용액열처리후의 물 담금질)에서 크랙이 발생하는 것을 방지하면서 에너지 절약 단조가 가능하다.

본 발명은 이하에 주어지는 실시예에 근거하여 보다 상세하게 기술될 것이지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정함을 의도한 것은 아니다.

(실시예)

제 1 실시예

표 1 에서 나타낸 바와 같은 조성의 합금이 용융되고, 각 용융된 합금으로부터 지름 220mm 의 인곳이 얻어졌다. 이들 인곳은 480℃에서 6시간동안 균질화를 위하여 가열되었다. 이들 인곳을 400℃에서 압출함으로써 지름 12mm 의 압출봉이 얻어졌다. 그리고, 500℃에서 2시간동안 용액열처리후에, 이들 봉은 즉시 물에 담금질되었다.

이들 봉은 외부절단에 의하여 절단시험에 처해졌다. 절단조건은, 절단속도 3000 rpm, 절단깊이 2mm, 공급속도가 0.1mm/rev. 였다. 칩 분할성은 100개의 칩당의 칩질량(부스러기)에 의하여 평가되었다. 평가기준은: 질량 2g 이하는 A로 평가; 질량 2g 이상 4g 이하는 B로 평가; 질량 4g 이상 6g 이하는 C로 평가; 질량 6g 이상은 D 로 평가되었다. 절단성(칩 분할성)은 칩의 질량이 적을 수록 좋은 것으로 판단되었다.

표 1 로 나타낸 결과로부터 명백한 바와 같이, 비교례의 시료 9 내지 12 및 종래의 예의 시료 13(JIS 2017 합금)은 Pb 를 포함하고 있지 않으므로 절단성이 불량하였다. 반대로, Pb 무첨가된 본 발명에 따른 시료 1 내지 8 은, 종래의 예(시료 14, JIS 2011 합금)인 Pb 가 가해진 합금의 절단성(칩 분할성)과 동등한 정도 이거나 더 우수하였다. 따라서, Cu, Sn, Bi 및 Zn 이 동시에 첨가된 본 발명에 따른 합금은 칩분할성이 특별히 우수한 것임을 이해할 수 있다.

(표 1)

제 2 실시예

표 2 에서 나타낸 바와 같이, 2개의 상이한 합금, 즉 본 발명의 합금과 종래의 JIS 2011 합금을 사용하여 340mm 지름의 인곳이 얻어졌다. 이들 인곳은 480℃에서 6시간동안 균질화를 위하여 가열되었다. 인곳들은 400℃에서 압출에 의항 35mm 지름의 압출봉으로 처리되었다. 이들 봉은 단조품으로서 35mm 의 길이로 절단되었으며, 반전율 80%로, 표 2 에서 나타낸 바와 같은 단조온도에서 반전되었다.

표 2 는 각 단조온도에서의 처리에 필요한 최소 단조부하(톤)를 나타낸다. 또한, 500℃에서 2시간동안의 용액 열처리를 행한 후에, 시료들은 즉시 물속에 담금질되었다. 시료들은: (1) 각 단조온도에서의 단조부하량; 및 (2) 물속에 담금질한 후에 색상점검(염료)으로 크랙이 발생하였는지의 여부에 관하여 평가되었다.

색상점검(염료; 예를 들면, MIL-STD-6866 참조)에 대한 검사절차를 이하에서 설명한다. 침투염료(적색)가 상기와 같이 얻어진 각 단조품 시료상에 분무되었고, 이 분무된 단조품 시료들이 약 15분간 방치되었다. 침투염료가 단조된 단조품의 표면에서 제거되고, 현상액(백색)이 단조품 시료상에 분무되었다. 만약 단조품 시료상에 크랙이 발생한 경우에는, 현상액을 단조품상에 분무된 후에 침투염료(적색)가 크랙발생부위로부터 베어나오게 되는데, 이는 침투염료가 크랙부위내로 스며들기 때문이다. 이들 시료에 대하여 적색용액이 크랙으로부터 베어나왔는가의 여부가 관찰되었고, 적색용액이 베어나오는 것이 관찰되지 않은 경우에는 크랙이 발생하지 않고, 적색용액이 베어나온 것이 관찰된 때에는 크랙이 있는 것으로 판단된다.

표 2 의 결과로부터 명백한 바와 같이, 종래의 JIS 2011 합금의 단조부하는 같은 단조온도에서의 합금 A 의 단조부하보다 컸다. 대조적으로, 본 발명에서의정의를 만족하는 합금 A 이 소정의 단조온도(320 내지 450℃)에서 처리되었을 때, 단조부하는 현저하게 낮았고, 단조품상에 크랙은 없었다. 그러나, 본 발명에서의 정의를 만족하는 합금 A 라도, 더 높은 단조온도에서는 크랙이 발생하였으며, 낮은 온도에서는 큰 단조부하가 필요하였다. 이러한 결과는, 본 발명의 합금이 단조로 처리될 때, 재료의 온도를 소정의 단조온도로 조정하는 것이 바람직하다는 것을 보여준다.

표 2

시료번호	합금	단조온도(℃)	단조부하(톤)	담금질후의 크랙발생
15	A	490	138	관찰됨
16		460	146	관찰됨
17		430	157	관찰되지 않음
18		400	169	관찰되지 않음
19		370	178	관찰되지 않음
20		340	189	관찰되지 않음
21		310	203	관찰되지 않음
22	JIS 2011	490	163	관찰됨
23		460	170	관찰되지 않음
24		430	182	관찰되지 않음
25		400	193	관찰되지 않음
26		370	207	관찰되지 않음
27		340	223	관찰되지 않음
28		310	235	관찰되지 않음

주: 합금 A : Cu 5.24질량%, Sn 0.58질량%, Bi 0.67 질량%, Zn 0.52 질량%,

잔여량 Al

JIS 2011 합금: Cu 5.18질량%, Pb 0.51질량%, Bi 0.54 질량%, 잔여량 Al

비록, 현재의 실시예와 관련하여 본 발명을 기술하였으나, 본 발명은 다른 방법으로 한정되지 않는 한, 이들 기술내용의 상세한 내용에 의하여 한정되는 것은아니며, 첨부된 특허청구의 범위에서 개진된 요지 및 범위내에서 폭넓게 이해되어야 한다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, Pb 대신 Sn 을 첨가하여도, 절삭성이 우수한 알루미늄 합금을 제조할 수 있으며, 또한 크랙이 발생하지 않는 알루미늄 합금 및 그 합금의 제조 방법과 그 방법을 이용한 단조품을 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 3 내지 6 질량%의 Cu와, 0.2 내지 1.2 질량% 의 Sn과, 0.3 내지 1.5 질량% 의 Bi 및, 0.5 내지 1.0 질량% 의 Zn을 포함하며, 잔여량은 알루미늄및 불가피한 불순물로 구성되는 알루미늄 합금.
2. 320℃ 내지 450℃인 단조품의 단조온도에서 청구항 1에 따른 알루미늄 합금을 단조하는 단계를 포함하여 구성되는 단조품의 제조방법.
3. 청구항 2에 따른 제조방법에 의하여 얻어지는 단조품.