KR20040032776A

KR20040032776A - Ａｌ 합금 주조품의 개질법

Info

Publication number: KR20040032776A
Application number: KR1020030070092A
Authority: KR
Inventors: 마나베야스오; 요네다마꼬또; 고후네시게오; 후지까와다까오
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2002-10-10
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2004-04-17
Also published as: US20040221932A1; KR100561130B1; JP2004131788A; US7452430B2; JP3784363B2

Abstract

석출 경화형 Al 합금의 주조품에 온도 및 압력을 작용시켜 기계적 특성을 개질하는 데 있어서, 상기 Al 합금 주조품에 고온 및 고압 처리를 실시한 후, 상기 처리품의 온도를 유지한 상태에서 감압하고, 계속해서 용체화 처리, 담금질 및 시효 처리를 차례로 실시한다. 이에 의해, 우수한 품질의 개질품을 효율적이고 또한 경제적으로 주조품의 기계적 특성을 개질할 수 있다.

Description

Ａｌ 합금 주조품의 개질법 {REFORMING METHOD OF Al ALLOY CASTING PRODUCT}

본 발명은 Al 합금 주조품, 특히 석출 경화형 Al 합금 주조품을 가열 및 가압 처리하여 기계적 특성을 개질하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 고온 및 고압의 가스 압력에 의한 개질법(이하, HIP법이라 함)과, 대기압 하에서의 열처리(용체화 처리, 담금질, 시효 처리)를 잘 조합함으로써, 효율적이고 또한 경제적으로 주조품의 기계적 특성을 개질할 수 있도록 개선된 방법에 관한 것이다.

Al 합금을 주조한 후, 고온 및 고압 가스 분위기 하에서 처리하여 기공 결함을 찌부러뜨리는 HIP 처리법이 알려져 있다. 여기서, 강도의 확보에 열처리를 필요로 하는 Al 합금의 경우에는 HIP 처리 후에 재가열한 후, 용체화 처리, 물담금질, 시효 처리를 차례로 행하여 목표 레벨의 강도 특성을 확보하는 것이 일반적이다.

예를 들어, 도1은 HIP법을 채용하는 경우의 공지의 온도 및 압력 조작 조건을 나타내는 설명도이고, Al 합금 주조품을 처리하는 경우의 일반적인 HIP 처리 조건은 온도가 500 내지 530 ℃, 압력이 100 ㎫ 전후, 시간이 1 내지 3시간 정도이다. 이 경우, 피처리품을 HIP 장치로 장입시킨 후 취출하기까지의 시간은 피처리품 장입 후의 HIP 장치 내의 진공화와 가스 치환에 필요로 하는 시간이나, 소정의 고온 및 고압 유지 전후의 가열 및 가압이나 강온 및 강압에 필요로 하는 시간적 제약이 있어, 실제의 고온 및 고압 유지 시간에 대해 4시간 정도는 여분으로 필요해지므로, 전체적으로 소요 시간은 6 내지 8시간 정도가 된다.

또한 통상의 설비에서는 열처리 장치와 HIP 장치가 꽤 떨어진 장소에 있는 일도 많고, HIP 처리 후의 처리품은 일단 대기 중에서 방치하여 열처리 장치가 있는 장소까지 이송한 후, 재가열하여 열처리를 행하고 있다. HIP 처리 후에 행해지는 열처리는, 도1에 도시한 바와 같이 용체화 처리(6 내지 10시간) → 물담금질 → 시효 처리(8 내지 12시간)의 3공정을 포함하는「T6 처리」가 일반적이고, 결과적으로 21 내지 30시간을 필요로 한다.

이와 같은 열처리를 필요로 하는 합금 주조품을 HIP 처리하는 데 있어서는, 통상은 HIP 처리 온도가 용체화 처리 온도와 대략 동등하거나 혹은 약간 저온측이므로, HIP 처리와 병행하여 용체화 처리를 행할 수 있으면, 처리 공정을 간략화할 수 있는 동시에 소요 시간을 단축할 수 있다고 생각되어 이전부터 검토가 이루어져 왔다. 그러나 실제로는 고압 가스의 사용에 유래하는 다양한 문제로부터 HIP 처리공정에서 병행하여 용체화 처리를 행하는 처리 기술은 실용화되고 있지 않다.

또한, 별도의 종래 기술에 있어서는, 도2에 도시한 바와 같은 온도 및 압력의 변화에 의해, HIP 처리와 병행하여 용체화 처리가 행해지고 있다(Metallurgical Science and Technology, Vo1.19, No.1, June 2001의 Fig.6-b). 그러나, 조업상의 문제로부터 HIP 처리 종료 후에 압력을 낮추는 동시에 온도도 갑자기 낮추고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 사정에 착안하여 이루어진 것이며, 그 목적은 이러한 종류의 기술에 지적되는 3개의 과제, 즉 생산성(단시간의 처리), 처리 비용, 에너지 절약화의 문제를 해결하여 전술한 해결 과제를 달성할 수 있는 다양한 개질법을 제공하는 데 있다.

도1은 주조품의 개질에 종래부터 채용되어 있는 HIP 처리 → 용체화 처리 → 시효 처리로 이루어지는 일련의 처리법을 예시하는 설명도.

도2는 주조품의 개질에 종래부터 채용되어 있는 다른 처리법을 예시하는 설명도.

도3은 본 발명에서 주조품의 개질에 채용되어 있는 HIP 처리 → 용체화 처리 → 시효 처리로 이루어지는 대표적인 처리법을 예시하는 설명도.

도4는 본 발명에서 주조품의 개질에 채용되어 있는 용체화 처리(＋ HIP 처리) → 시효 처리로 이루어지는 다른 처리법을 예시하는 설명도.

도5는 본 발명을 실시할 때에 사용되는 HIP 처리로부터 시효 처리에 걸친 일련의 처리 스테이션의 구체예를 나타내는 개략 설명도.

도6은 본 발명을 실시할 때에 바람직하게 채용되는 HIP 장치와 물담금질 수조를 조합한 전용의 처리 설비를 예시하는 개략 단면 설명도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : HIP 장치

2 : 용체화 처리용 가열 장치

3 : 물담금질 수조

4 : 터널형 시효 처리로

5 : 반송 대차

6 : 반송 레일

7 : 단열 구조체

9 : 수조

A : 처리품

B : 바구니

상기 과제를 해결할 수 있었던 본 발명에 관한 Al 합금 주조품의 개질법이라 함은, Al 합금 주조품에 온도 및 압력을 작용시켜 기계적 특성을 개질하는 데 있어서, 상기 Al 합금 주조품에 고온 및 고압 처리(HIP 처리)를 실시한 후, 상기 처리품의 온도를 유지한 상태에서 감압하고, 계속해서 용체화 처리, 담금질 및 시효 처리를 차례로 실시하는 데 요지가 존재한다.

본 발명의 방법을 실시하는 데 있어서는 상기 HIP 처리에 앞서서 피처리품을 미리 상기 처리 온도 근방으로 예열하고, 계속해서 가압하여 소정 시간 유지한 후, 처리품의 온도를 유지한 상태에서 감압하고, 계속해서 용체화 처리, 담금질 및 시효 처리를 차례로 실시하는 방법은 효율이 좋은 방법으로서 추진 장려된다. 이때, 상기 고온 및 고압 처리에 앞서서 행해지는 예열을 상기 고온 및 고압 처리에 이용하는 단열 구조체의 내부에서 행해도 좋다.

본 발명에 있어서는 단열 구조체를 준비하여 상기 Al 합금 주조품을 상기 단열 구조체의 내부에 수납하여 상기 단열 구조체의 내부에 수납된 상기 Al 합금 주조품에 대해 상기 고온 및 고압 처리 및 상기 용체화 처리를 행하도록 해도 좋다. 혹은, 상기 Al 합금 주조품을 내열 기공 단열재로 둘러싸 상기 내열 기공 단열재로 둘러싸인 상기 Al 합금 주조품에 대해 상기 고온 및 고압 처리 및 상기 용체화 처리를 행하도록 해도 좋다. 이와 같이 하면, 열효율을 높일 수 있다.

본 발명은 이상과 같이 구성되어 있고, Al 주조품의 HIP 처리를 소위 T6 처리(용체화 처리 ＋ 담금질 ＋ 시효 처리)와 조합하여 매우 용이하게 효율적으로 행할 수 있고, HIP 처리 후에 재가열한 후 용체화 처리하고 있던 종래예와 비교하여 재가열에 의한 용체화 처리가 불필요해져 생산성을 대폭으로 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하면서 상세하게 설명해 간다.

도3은 본 발명의 대표적인 실시예를 나타내는 공정 설명도이다. 본 도면에 있어서 온도는 본래적으로는 처리품(Al 주조품)의 온도 자체가 도시하는 온도가 되도록 제어하는 것이 바람직하지만, 실제로는 노 내 온도를 기준으로 하여 조업된다.

이 처리법을 실시할 때의 태양은 크게 2개로 분류된다. 하나는 HIP 처리에 통상의 HIP 장치를 사용하여 열처리에는 기존의 용체화 처리, 물담금질 장치, 시효 처리로를 이용하는 방법이고, 다른 하나는 HIP 처리와 열처리를 연속적으로 행할수 있는 전용의 시스템화된 설비를 이용하는 방법이다. 이하, 각각에 대해 설명해 간다.

우선, 통상의 HIP 장치를 사용하는 경우에 대해 설명한다.

이러한 종류의 장치를 이용하여 개질 처리를 행하는 데 있어서는 피처리품을 세라믹스 섬유와 같이 내열성을 갖고 또한 기공율이 크고 단열성이 풍부한 재료(이하, 내열 기공 단열재라는 것이 있음)로 둘러싼 상태에서 HIP 장치 내로 장입시킨다. 계속해서, HIP 장치 내를 진공화하여 비산화성 가스(질소나 아르곤 등)로 치환한 후, HIP 처리 조건까지 승온 및 승압한다. 승압을 위한 압력 매체 가스로서는 마찬가지로 질소나 아르곤 등이 사용되지만, 이들 고압의 압력 매체 가스는 고밀도 및 저점성으로 심한 열대류가 생기기 때문에, 대기압 하에서 가열하는 경우에 비하면 가열 효율이 높아 처리품은 단시간에 빠르게 소정 온도까지 승온할 수 있다. 특히 고압 가스 분위기 속에서는, 상술한 바와 같이 내열 기공 단열재로 피처리품을 둘러싼 상태라도 고압 가스의 대류는 그 만큼 억제되지 않으므로 피처리품의 가열 승온에 미치는 영향은 적다. 따라서, 가스 가압하면서, 혹은 고압 가스 압력 하에서 가열하면 피처리품을 내부까지, 단시간의 가열로 분위기 온도와 동등한 온도까지 상승시킬 수 있다. HIP 처리를 위한 최종적인 온도 및 압력 유지의 조건은 Al 합금 주조품의 종류에 따라서 약간 다르지만, 일반적인 온도는 용체화 처리 온도와 대략 동일한 500 내지 540 ℃, 압력은 50 내지 200 ㎫ 정도이다.

압력 유지의 시간에 대해서는 가압의 목적이 피처리품의 내부에 존재하는 기공이나 수축 공동의 압궤에 의한 실제 밀도화뿐인 경우에는, 피처리품의 온도가 내부까지 상기 온도에 도달하고 있으면 10 내지 30분 정도로 충분하다. 단, 가압에는 상기 목적에다가 합금 원소의 고체 용융량을 증가시키는 효과가 있고, 이 효과도 유효하게 발휘시키기 위해서는 적절한 온도 및 압력으로 1 내지 3시간 유지하는 것이 추진 장려된다.

구체적으로는, Al-Si계 합금의 경우, 대기압 하에서는 공정점(578 ℃)에 있어서의 Si의 최대 고체 용융량은 약 1.5 원자 ％에 지나지 않지만, 100 ㎫에서는 약 1.9 원자 ％, 또한 200 ㎫에서는 약 2.4 원자 ％까지 고체 용융량이 증대된다. 이와 같이, 석출 Si의 모상에의 확산은 가압 조건 하에서 현저하게 촉진되므로, 대기압 하에서 용체화 처리하는 경우에 비해 용체화 처리 시간을 대폭으로 단축할 수 있다. 예를 들어, 대기압 하에서는, 8시간 정도가 필요해지는 용체화 처리 시간을 가압 하에서는 2 내지 3시간 정도로 단축한 경우라도 대략 동등한 효과를 확보할 수 있다.

소정의 온도 및 압력으로 소정 시간 유지한 후에는 상기 온도를 유지한 상태에서 고압 가스를 HIP 장치 내부로부터 발출하여 압력 방출한다. 이 때, 압력 방출 속도에도 따르지만, 장치 내의 온도는 가스의 팽창에 수반하여 강하하므로, 압력 방출시에는 HIP 장치에 설치된 히터 등의 가열 수단에 의해 가열하여 소정 온도를 유지하는 것이 좋다. 대기압까지 압력 방출한 후에는 내열 기공 단열재로 둘러싸인 처리품을 HIP 장치로부터 취출하여 용체화 처리로로 이송한다.

종래 기술에서는, 전에도 지적한 바와 같이 실온의 대기 속을 반송할 때의 처리품 온도 저하가 큰 문제가 되지만, 상기한 바와 같이 피처리품을 내열 기공 단열재로 둘러싸 두면, 대기압 하에서는 상기 단열재의 둘러쌈 작용에 의해 온도 강하가 억제된다. 그러나, 이 이송 시간을 최대한 단축하는 것이 바람직한 것은 물론이다. 그 이후의 열처리는 통상의 열처리로 등을 이용하여 통상의 순서로 행해진다.

용체화 처리 온도는 대부분의 경우 HIP 처리 온도와 동등하고, 전술한 바와 같이 내열 기공 단열재로 둘러싼 상태라도 문제가 되는 온도의 변동은 생기지 않는다. 전술한 바와 같이 고온 및 고압에서의 유지 시간을, 예를 들어 2 내지 3 시간 정도로 설정하여 고압으로 용체화 처리를 종료한 후에는 상기 온도를 유지한 상태에서 압력 방출하고, 그 후 즉시 물담금질을 행한다. 물담금질은 급냉 효과를 확보하기 위해 500 내지 540 ℃ 정도의 용체화 처리 온도로부터 바람직하게는 150 내지 200 ℃까지를 100 ℃/분 정도, 보다 바람직하게는 1000 ℃/분 정도 혹은 그 이하에서 행해진다.

상기 물담금질까지의 공정은 피처리품을 내열 기공 단열재로 둘러싼 상태에서 처리된다. 그러나, 물담금질에 의해 처리품이 일단 강온한 후에는 그 이후의 단열 피복이 필요없으므로, 이 시점에서 내열 기공 단열재를 제거한 후 시효 처리를 행한다. 시효 처리는 상법에 따라서 행하면 좋고, 일반적으로는 150 내지 200 ℃, 20 내지 4시간 정도에서 행해진다.

또한 도3에서는 열처리의 초기에 용체화 처리를 겸하여 HIP 처리하는 경우를 나타내고 있고, HIP 처리 후에는 필요에 따라서 더욱 단시간의 용체화 처리를 행한 후, 물담금질 및 시효 처리하는 예를 나타내고 있다. 또한 도4의 예에서는 용체화처리를 위해 피처리품을 용체화 처리 온도 근방까지 예열한 후, 승압하여 HIP 처리를 행하고, 또한 필요에 따라서 단시간의 용체화 처리를 행한 후 물담금질 및 시효 처리를 행하는 예를 나타내고 있다.

결국 이 수법을 채용하면, HIP 처리시에 용체화 처리를 겸하여 실시함으로써, 결과적으로 고압 조건 하에서 용체화 처리를 진행시키게 되어 전체 처리 시간을 대폭으로 단축하는 것이 가능해진다.

다음에, HIP 처리와 열처리를 연속적으로 행할 수 있는 시스템화된 전용 설비를 이용하는 경우에는, 예를 들어 도5, 도6에 예시한 바와 같은 설비를 이용하여 실시된다.

이 장치는 Al 합금 주물 전용으로 설계되어 있고, HIP 장치 본체도 전용 장치로서 설계 제작되므로 HIP 처리를 위한 통상의 고온 및 고압 유지 시간에 대해 그 전후의 승온 및 승압 및 압력 방출에 필요로 하는 시간은 합계 1 내지 2시간 정도가 된다. 따라서 고온 및 고압 유지 시간이 1시간인 경우, 그 전후의 승온 및 승압, 압력 방출을 포함시킨 HIP 처리의 총소요 시간(HIP 장치의 점유 시간)은 2 내지 3시간이 된다.

도5는 설비의 배치예를 도시한 것으로, 도면 중 부호 1은 HIP 장치 본체, 2는 용체화 처리용 가열 장치, 3은 물담금질 수조, 4는 터널형 시효 처리로, 5는 반송 대차, 6은 반송 레일을 각각 나타내고 있다. 도시한 바와 같이 HIP 장치(1)가 1대인 경우, HIP 처리 시간에 대해 용체화 처리 및 시효 처리에 필요로 하는 시간은 길기 때문에, 일련의 처리를 효율적으로 실시하기 위해서는, 도시한 바와 같이복수대(도시예에서는 3대)의 용체화 처리용 가열 장치(2)를 설치하는 것이 좋다.

물담금질은 단시간에 실시할 수 있으므로, 물담금질 수조(3)는 1조만으로 충분하다. 시효 처리로(4)는 1배치마다 처리하는 형태의 것이라도 좋지만, 시효 처리는 물담금질 후에 행해지므로 처리품이 실온 근방의 온도에서 핸드링이 용이한 것, 또한 시효 처리 온도는 150 내지 200 ℃ 정도로 비교적 저온이므로, 시효 처리로(4)로서는 후술하는 바와 같이 처리품을 수납한 바구니마다 장입시켜 처리하는 터널형의 노를 사용하는 쪽이 설비 비용이나 점유 공간을 절약하기 위해서도 유리하다.

그리고, 예를 들어 후술하는 도5에 도시한 바와 같이 피처리품을, 바람직하게는 내열 기공 단열재로 둘러싼 상태에서, 예를 들어 단열 용기 내에 장입시켜 HIP 처리 장치(1)에서 HIP 처리를 행한 후, 반송 대차(5)에서 용체화용 가열 장치(2)로 이송되어 용체화 처리를 행하고, 계속해서 반송 대차(5)에서 물담금질 수조(3)의 상방으로 이송한 후 상기 수조(3)에 침지함으로써 물담금질을 행한 후, 수조(3)로부터 인출하여 차례로 터널형 시효 처리(4)로 이송되어 시효 처리를 행한다.

실제 처리에 있어서는, 예를 들어 도6에 예시한 바와 같은 구조의 단열 구조체(7)를 갖는 전기로를 조립한 HIP 장치나 용체화 처리로(후술하는 예열에도 사용)가 이용된다. 즉, 도시하는 HIP 장치(1)는 냉각수용 재킷을 구비한 고압 원통(1a)과 HIP 용기 상부 덮개(1b), HIP 용기 하부 덮개(1c)가 일체적으로 구성되고, HIP 용기 하부 덮개(1c)에는 가열 히터(H), 팬(F) 및 팬 구동용 모터(M)를 일체로 하는강제 대류형 가열 장치가 설치되어 있다. 또한 상기 HIP 장치(1)의 구체적인 구성은 물론 도시한 구조의 것으로 한정되는 이유는 없고, 요는 내부를 소정 온도 및 압력으로 가열 및 가압 상태로 유지할 수 있는 기능을 구비한 것이면, 도시예 이외에도 다양한 형상, 구조의 것을 사용할 수 있다. 도면 중 부호 8은 현수용 와이어를 나타내고 있다.

HIP 처리를 행하는 데 있어서는 피처리품(A)을 전술한 바와 같이 단열 기공 단열재로 둘러싼 상태에서 다공 금속판이나 금속망 등으로 이루어지는 통기 및 통액성 바구니(B) 내로 장입시켜 이들을 단열 구조체(7) 내에 넣고, 고압 원통(1a), HIP 용기 상부 덮개(1b), HIP 용기 하부 덮개(1c)를 밀하게 끼운 후 가열 및 가압하여 HIP 처리를 행한다. 이와 같이, 피처리품(A)을 단열 구조체(7) 내에 넣은 상태에서 HIP 처리나 용체화 처리를 행하도록 해 두면, 가열을 위한 승온을 효율적으로 수행할 수 있는 동시에, 대기 중을 반송할 때의 강온도 최소한으로 억제할 수 있으므로 바람직하다.

이 단열 구조체(7)는 고압 가스 분위기 하에서의 자연 대류에 의한 방열을 효과적으로 억제할 수 있도록 바람직하게는 2 내지 3층의 금속 컵과 세라믹스계 단열재로 구성되어 있고, 대기압 하에서는 더욱 우수한 단열성을 발휘하므로, HIP 처리 후, HIP 장치로부터 단열 구조체(7)에 수납된 상태에서 처리품(A)을 대기 반송해도 반송 과정에서 방열에 의한 온도 저하가 거의 생기는 일 없이 다음 공정의 용체화 처리로 이행시킬 수 있다.

용체화 처리 위치에서 소정의 용체화 처리를 종료한 후에는, 도시한 바와 같이 단열 구조체(7) 내에 수납한 상태에서 수조(9)의 상방으로 이송하여 처리품(A)을 바구니(B)(다른 수납구라도 물론 가능)와 함께 수조(9) 내에 침지하여 물담금질을 행한다. 이 사이, 처리품(A)은 단열 구조체(9)에서 보온되어 있으므로, 이송시의 온도 효과도 가급적으로 억제되지만, 용체화 처리 위치로부터 처리품(A)을 취출하여 대기 속에서 물담금질하기까지의 시간은 그 동안의 온도 하강을 더욱 억제하므로 15초 이내에 행하는 것이 바람직하다.

또한, 전술한 바와 같이「HIP 처리에 앞서서 처리품(A)을 HIP 처리 온도 근방까지 예열하고, 계속해서 가압하여 소정 시간 유지한 후, 처리품(A)의 온도를 유지한 상태에서 감압하여 그대로 용체화 처리, 담금질, 시효 처리를 차례로 행하는 방법」을 실시하고, 기공 제거에 의한 실제 밀도화만을 목적으로 하여 HIP 처리를 행하는 경우에는 HIP 처리시의 유지 시간을 10 내지 15분 정도까지 단축하는 것이 가능해진다. 즉 일반적으로 행해지는 HIP 처리시의 유지 공정은 처리품의 내부 온도를 노 내 분위기 온도까지 높여 가스 압력에 의해 기공을 압궤하는 현상과, 압궤 후에 본래 기공의 내표면을 서로 확산 접합시키거나, 또는 석출물을 확산시켜 균질화하는 현상을 진행시키는 공정을 포함하고 있고, 공업적으로 실시되고 있는 유지 시간은 1 내지 3시간 정도가 일반적이지만, 이 중 대부분은 전자, 즉 처리품(A)을 노 내 분위기 온도까지 승온시키기 위한 시간으로서 소비된다. 따라서, HIP 처리 전의 예열 조작으로 온도를 충분히 높여 두면 그 동안의 시간을 단축할 수 있다.

한편, 기공 결함의 밀착이나 석출물의 확산에 대해서는 기공 결함이나 석출물의 크기에도 따르지만, 대부분의 경우에는 10 내지 15분 정도에서 충분한 밀착과확산 효과를 얻을 수 있다.

결론으로서, HIP 처리시의 압력 유지 시간을 이 정도까지 단축하는 것이 가능해진다. 전술한 도4는 이와 같은 예열 조작을 행한 경우에 있어서의 온도 및 압력의 조작 공정을 예시한 것으로, 이와 같은 조작을 행함으로써 HIP 처리 공정만으로서는 1 내지 2시간에 처리를 종료하는 것이 가능해진다. 이 HIP 처리 시간에 적합하도록 용체화 처리로나 시효 처리로의 대수를 선정하여 보다 바람직하게는, 적어도 시효 처리로에 대해서는 도시한 바와 같이 터널형의 연속식 시효 처리로를 사용하면 1 내지 2시간 사이클로 HIP 처리와 열처리를 행할 수 있고, 게다가 기공 결함이 없어 기계적 특성이 우수하고, 또한 신뢰성이 높은 제품을 고수율로 생산성 좋게 제조하는 것이 가능해진다.

또한 본 발명의 방법은 전술한 특징을 활용하여 다양한 Al 합금 주조품, 구체적으로는 Al-Si, Al-Si-Mg, Al-Mg, Al-Cu-Mg 등의 Al 합금 주조품의 개질에 유효하게 활용할 수 있다. 그 중에서도 사형 주조된 단일 중량 5 ㎏ 이상의 비교적 큰 석출 경화형 Al 합금 주조품에 적용하면, 이들은 결정립이 커 기공형 결함이나 석출물도 크기 때문에, 상기 기공형 결함을 없애는 동시에 석출물을 미세 분산시켜 개질하기 위한 기술로서 본 발명의 특징을 한층 유효하게 활용할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 물론 하기 실시예에 의해 제한을 받는 것은 아니고, 전후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 하여 실시하는 것도 가능하고, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

JIS AC4CH 합금(Al - 7 ％ Si - 0.35 ％ Mg)을 이용하여 배형의 테스트 피스(사다리꼴 단면으로 바닥변이 40 ㎜ 및 20 ㎜, 높이가 40 ㎜, 길이가 약 200 ㎜)를 사형 주조하여 종래 기술 및 본 발명에 따라서 개질 처리함으로써, 기계적 특성, 생산성 및 가열 전력의 소비량 평가를 행하였다. 기본적인 처리 온도 등은 HIP 처리 520 ℃ × 100 ㎫, 용체화 처리 ; 530 ℃, 물담금질 ; 수온 60 ℃, 시효 처리 온도 ; 170 ℃로 하였다.

(제1 비교예)

도1에 도시한 온도 및 압력 조작 조건에 따라서 처리를 행하였다. HIP 처리에는 최고 도달 온도 및 압력이 1400 ℃ × 150 ㎫인 몰리브덴 히터 사용의 대형 HIP 처리 장치를 사용하였다. 피처리품을 HIP 장치 내에 장입시켜 약 1시간에 걸쳐 HIP 장치 내를 진공화하여 가스 치환을 행한 후, 동시에 승온, 승압하였다. 이 사이, 압축기 성능의 관계에서 100 ㎫까지 승압하는 데 2시간 30분이 필요하였다. 온도 및 압력을 515 ℃ × 100 ㎫에서 2시간 유지한 후, 가열 전력을 차단하여 250 ℃까지 자연 방냉하여 가스를 회수하면서 압력 방출하였다. 압력 방출 후의 처리품의 온도는 압력 방출에 의한 가스의 단열 팽창에 의해 강하하여 약 50 ℃가 되었다. 이 상태에서 처리품을 취출하였다. 이 시간의 처리품 장입으로부터 취출까지의 시간은 8시간이었다.

처리품을 열처리 설비가 있는 공장으로 이송한 후, 열처리용 바구니에 수납하여 용체화 처리로로 장입시켜 8시간의 용체화 처리를 행하고, 그 후 물담금질을행하였다. 계속해서 실온에 3시간 방치한 후, 시효 처리로로 장입시켜 10시간의 시효 처리를 행하였다. 이 사이의 일련의 열처리(T6 처리)에 필요한 시간은 22시간이고, HIP 처리로부터 열처리 종료까지의 시간은 HIP 처리로부터 열처리 설비까지의 이송 시간을 제외해도 30시간 정도 필요하였다.

처리품의 기계적 특성을 회전 굽힘 피로 시험에 의한 피로 강도 측정에 의해 조사한 바, 10⁷사이클에서의 피로 강도는 약 118 ㎫였다.

또한 가열에 소비한 전력은 HIP 장치에서 150 kwh, 용체화 처리로에서 200 kwh, 시효 처리로에서 100 kwh이고, 전체 약 450 kwh였다.

(제1 실시예)

도3에 도시한 온도 및 압력 조건에 따라서 개질 처리를 행하였다. 또한 피처리품은 무라이트계의 세라믹스 섬유로 이루어지는 두께 3 ㎜의 블랭킷으로 둘러싼 상태에서 처리에 제공하였다. HIP 처리에는 최고 도달 온도가 1200 ℃이고, 최고 도달 압력이 100 ㎫인 Fe-Al 합금 히터를 이용한 고온 개방 가능한 HIP 장치를 사용하였다.

피처리품을 상기 블랭킷으로 둘러싼 상태에서 HIP 장치 내에 장입시킨 후, 약 30분에 걸쳐 진공화와 가스 치환을 행하고, 그 후 약 2시간 동안에 동시에 승온 및 승압하여 520 ℃ × 100 ㎫으로 하고, 동일 조건으로 2시간 유지하였다. 유지 후, 온도를 530 ℃로 승온하면서, 가스를 회수하면서 압력 방출함으로써, 약 45분에 대기압 사이까지 강압하였다. 온도를 530 ℃로 유지한 상태에서 HIP 장치를 개방하여 블랭킷으로 둘러싸인 상태의 처리품을 대기 중으로 취출하여 용체화 처리 위치까지 이송하였다. HIP 장치에서의 점유 시간은 약 5시간 30분이었다.

용체화 처리로에서는 530 ℃에서 5시간 유지한 후, 블랭킷으로 둘러싸인 상태의 처리품을 대기 중으로 취출하여 30초 이내에 온도 60 ℃의 물담금질용 수조 내에 침지하였다. 그 후, 수조로부터 취출하여 둘러싼 세라믹스 섬유 블랭킷을 제거한 후 실온에서 3시간 방치하고, 그 후 시효 처리로에 장입시켜 10시간의 시효 처리를 행하였다. HIP 처리로부터 열처리 종료까지 필요한 시간은 24시간이고, 상기 제1 비교예에 비하면 6시간(약 20 ％)의 시간 단축이 가능하였다.

이렇게 얻게 된 개질 처리품에 대해 상기 제1 비교예와 마찬가지로 하여 피로 시험을 행한 바, 10⁷사이클에서 대략 동일한 피로 강도를 갖고 있는 것이 확인되었다.

또한 이 사이의 가열에 요한 전력은 HIP 장치에서 150 kwh, 용체화 처리로에서 125 kwh, 시효 처리로에서 100 kwh의 총 375 kwh이고, 상기 제1 비교예에 비해 약 75 kwh(약 17 ％)의 에너지 절약 효과를 얻을 수 있었다.

(제2 실시예)

상기 제1 실시예와 같은 장치를 사용하여 HIP 처리시의 유지 조건을 530 ℃ × 100 ㎫, 유지 시간을 3시간으로 하여 개질 처리를 행하고, 그 후, 온도를 530 ℃로 유지한 상태에서 압력 방출한 후 처리품을 물담금질하였다. 계속해서, 상기 제1 실시예와 같은 시효 처리를 행한 후 피로 강도의 평가를 행하였다. 이 사이의HIP 처리로부터 열처리 종료까지의 소요 시간은 약 19시간 30분이고, 상기 제1 비교예에 비해 약 2/3의 시간에 처리할 수 있었다. 또한, 마찬가지로 하여 행한 피로 강도의 평가 결과는 10⁷사이클에서 120 ㎫이고, 제1 비교예에서 얻은 것과 동등 이상이었다. 또한 가열에 소비한 전력은 HIP 장치에서 200 kwh, 시효 처리로에서 100 kwh로, 총 300 kwh이고, 상기 제1 비교예에 비해 150 kwh(약 33 ％)의 에너지 절약 효과를 얻을 수 있었다.

(제3 실시예)

도5, 도6에 도시한 구조의 HIP 장치와 물담금질 수조를 사용하여 도4에 도시한 온도 및 압력 조건으로 개질 처리를 행하였다.

피처리품을 스테인레스제의 와이어로 제작된 바구니에 비피복 상태로 장입시켜 HIP 장치의 단열 구조체 내에 수납하고, 전용의 예열용 가열 장치에 의해 2시간에 걸쳐 530 ℃까지 승온한 후, 동일 온도에서 3시간 유지하였다. 내부를 530 ℃로 유지한 상태에서 단열 구조체를 HIP 장치의 하부 덮개에 적재하여 처리품을 HIP 장치 내에 장입시켰다. 계속해서, 약 15분에 질소 가스 치환한 후, 압축기를 이용하여 30분에 100 ㎫까지 승압하여 530 ℃에서 1시간 유지하였다. 유지 후, 온도를 530 ℃로 유지한 상태에서 가스를 회수하면서 압력 방출하여 대기압으로 복귀시킨 후, 단열 구조체의 내부 온도를 530 ℃로 유지한 상태에서 예열용 가열 장치로 다시 이송하여 3시간 유지하였다.

계속해서, 처리품이 수납된 단열 구조체를 물담금질용 수조의 상방으로 이송하여 처리품과 바구니를 강하시켜 물(40 ℃)에 침지시켜 물담금질을 행하였다. 그 후, 처리품을 대기 중에 취출하여 실온에서 3시간 방치하여 건조시킨 후, 처리품을 시효 처리로 내에 장입시켜 상기 제1 실시예와 같은 시효 처리를 행하였다. 예열 개시로부터 열처리 종료까지 필요한 시간은 약 23시간이고, 제1 비교예에 비해 약 7시간의 시간 단축이 가능하였다. 이렇게 얻게 된 처리품의 피로 강도 특성은 제1 비교예에서 얻은 처리품의 특성과 대략 동등하였다.

또한 가열에 필요한 전력은 HIP 장치의 단열 구조체의 방열량이 적으므로, HIP 장치에서 100 kwh, 예열 및 용체화 처리 장치에서 72 kwh, 시효 처리에서 100 kwh로 총 272 kwh이고, 상기 제1 비교예에 비해 178 kwh(약 40 ％)의 에너지 절약 효과가 확인되었다. 또한, HIP 장치에 있어서의 고압 용기의 점유 시간은 약 2시간 30분이고, 복수의 단열 구조체를 준비함으로써 제1 비교예의 경우에 비해 HIP 처리품의 생산성을 적어도 3배 이상으로 높일 수 있는 것이 판명되었다. 또한, 유지 시간을 15분 정도까지 단축하면, 고비용으로 이어지는 HIP 장치의 점유 시간을 1시간 정도까지 단축 가능하고, HIP 처리 부분의 처리 비용도 이에 수반하여 대폭으로 저감할 수 있는 것이 명백하다.

본 발명에 의하면, 생산성(단시간의 처리), 처리 비용, 에너지 절약화의 문제를 해결한 다양한 개질법을 제공된다.

Claims

Al 합금 주조품에 온도 및 압력을 작용시켜 기계적 특성을 개질하는 방법이며, 상기 Al 합금 주조품에 고온 및 고압 처리를 실시하여 고온 및 고압 처리된 상기 Al 합금 주조품의 온도를 상기 고온 및 고압 처리에 있어서의 온도와 대략 동일 온도로 유지한 상태에서 감압하고, 계속해서 용체화 처리, 담금질 및 시효 처리를 차례로 실시하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조품의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 고온 및 고압 처리에 앞서서 피처리품을 미리 상기 처리 온도 근방으로 예열하고, 계속해서 가압하여 상기 고온 및 고압 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조품의 개질 방법.
제1항에 있어서, 단열 구조체를 준비하여 상기 Al 합금 주조품을 상기 단열 구조체의 내부에 수납하고, 상기 단열 구조체의 내부에 수납된 상기 Al 합금 주조품에 대해 상기 고온 및 고압 처리 및 상기 용체화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조품의 개질 방법.
제1항에 있어서, 상기 Al 합금 주조품을 내열 기공 단열재로 둘러싸 상기 내열 기공 단열재로 둘러싸인 상기 Al 합금 주조품에 대해 상기 고온 및 고압 처리 및 상기 용체화 처리를 행하는 것을 특징으로 하는 Al 합금 주조품의 개질 방법.