KR20050115185A - 온간에서 내열성과 전기전도도가 우수한 비열처리알루미늄 합금 - Google Patents

Abstract

복사기, 프린터, 팩스와 같은 사무용기기에 사용되는 부품 중에 hot roll (혹은 히터드럼, 가열롤러)이 있다. 이 roll은 안쪽에 열 발생장치가 있어 전기열에너지를 방사하는데 방사되는 열을 수십 초 동안 흡수하여 200 - 270도의 작업온도영역으로 가열된다. 이렇게 가열된 roll은 피사체의 화상을 따라 복사지에 뿌려진 미세한 토너가루를 녹이는 역할을 한다. 기존의 roll은 주로 A5052라는 냉간 가공된 알루미늄 합금재료를 사용하여 작업온도영역까지 온도가 상승하는데 약 45-70여초가 소요되었으나, 금번 개발 제품에 사용된 재료는 약 13-17초 이내에 작업온도 영역까지 온도가 상승할 만큼 열전도성이 뛰어난 재료이다. 또한 내열성이 우수하여, 작업영역 온도구간에서 일정강도 특성을 유지하고 사용 중에도 열에 의한 변형이 적으며, 기존 roll 재료로 사용되어 온 A6063, A6061, A5052 알루미늄 합금재료와 비교하여 열발생장치에서 방사되는 열량을 더 빨리 흡수하여 최초 복사지의 출력까지의 시간을 단축할 수 있다.

Description

온간에서 내열성과 전기전도도가 우수한 비열처리 알루미늄 합금{omitted}

금번 발명은 열간가공 작업성을 개선하고 열전도와 내열성을 가진 알루미늄 합금을 개발하여 제조원가를 절감하여 대외경쟁력을 가질 사무용기기의 Roll 재료에 관한 것이다. 지금까지 사무용기기의 Hot Roll에는 A6063, A6061, A5052 라는 알루미늄 합금 재료를 많이 사용하였다. 이 재료를 사용하여 제조되는 Roll의 형상은 양끝이 개방된 관의 모양을 하고 있으며 관 안쪽으로 발열체가 삽입, 조립된다.

위 재료 중에도 내열성을 가진 A5052 알루미늄 합금재료를 가장 많이 사용하고 있었으나 재료의 유동 변형 응력이 높아 열간 압출 가공 공정에서 작업성이 열악하며 냉간 가공된 재료는 5000 계열 알루미늄 합금재료에서 일반적으로 나타나는 경년 변화로 강도가 하락하게 되어 내구성이 악화되는 단점을 갖고 있었다. A5052 알루미늄 합금재료 이외의 A6063, A6061 알루미늄 합금 재료는 내열성이 낮아 사무용기기 roll 재료로 사용하기에 부적합 하나 제조 공정의 작업성이 우수하고 제조원가가 낮아 사용하고 있었다. 그러나 사무용기기의 신속성이 대두되면서 피사체인 용지출력속도를 증가시키기 위해 기존에 사용되던 재료보다 전기 전도성과 내열성이 우수한 재료를 요구하게 되었다. 이에 본 발명을 통해 개발된 재료의 시험 결과를 사용하여 해결할 수 있었다.

온간에서 일정한 기본강도를 유지하고 바나듐 합금원소의 특성을 도입하여 내열성 및 전기전도도가 우수한 알루미늄 합금재료와 이 재료를 만들기까지의 안정된 공정조건을 얻기 위함이다.

이러한 목적으로 알루미늄 합금 재료 중에 실리콘, 구리, 망간, 마그네슘을 기본 합금원소로 하였다. 첨가되는 합금원소 중에 망간은 상온 냉간 가공경화효과를 극대화하여 일정강도를 유지하고 구리는 전기전도성을 향상시키고 냉간/열간 가공공정에서 재료의 연신효과를 높여준다. 또한 실리콘과 마그네슘은 일정한 온도영역에서 일정시간을 유지할 경우 석출경화효과를 일으켜 재료의 강도를 증대시키는 역할을 한다. 그리고 미량 첨가되는 바나듐 합금원소는 내열 특성을 향상시켜 400도 이하의 온도에서 재료의 내열강도를 유지한다.

가공공정에서는 첨가되는 합금원소들이 또 다른 특성을 발휘하는데 실리콘, 구리, 마그네슘은 열 소입성과 고용석출경화 효과를 얻어 최종 재료에서 유지할 수 있는 기본강도를 열간 압출 가공 공정에서 확보하였고 망간을 다량 첨가하여 알루미늄 기지조직 내에 분산강화입자를 균일하게 분포시킴으로써 냉간 가공 비율에 따른 소성가공의 강도향상효과를 극대화하여 사용 용도에 적합한 부품재료의 원하는 기계적 성질을 달성한다.

이 과정에서 본 알루미늄 합금재료를 만들기 위한 용해공정은 일반 반사식 용해로를 사용하는데 보통 사용되는 용융 온도범위 680 - 760도에서는 용해합금원소의 회수율이 불균일하여 용융 온도범위를 상승시켜야 한다. 특히 미량 첨가되는 합금원소인 바나듐은 알려진 바와 같이 670 - 900도 구간에서 용해됨으로 일반적인 방법으로 용융할 경우 회수율이 저조하여 원하는 화학조성을 얻기 어렵다.

이렇게 얻어진 알루미늄 합금재료를 연속 주조하여 원재료인 빌레트를 만들고, 주조된 합금 재료의 열분석을 통해 용융온도범위와 열처리 특성을 조사하여 연속주조공정에서 자연발생적으로 발생되는 중력 편석이나 열응력을 제거하기 위하여 고온에서 장시간에 걸쳐 균질 열처리를 시행한다.

상기와 같이 만들어진 합금재료의 사용용도에 따른 부품재료의 기계적 성질을 고려하여 냉간가공 비율을 결정하고 균질이 완료된 빌레트를 열간 압출하여 최종 부품재료의 중간 형상 재료을 만든다. 이 때 금형을 통과하여 열간 압출되고 있는 압출재을 강제 공냉 혹은 수조를 통과시켜 급냉시킴으로 최종 냉간가공을 거친 후 최종재료에서 얻을 수 있는 예비강도를 확보한다. 또한 최종 부품재료의 형상과 용도에 따른 치수관리를 위해 압출재의 규격관리를 하여야만 한다. 관의 모양을 가진 부품재료인 경우, 압출관 재료의 진직도, 동심도, 두께 쏠림 현상을 중점적으로 관리하여야만 냉간 가공 후에 안정된 치수를 얻을 수 있다.

이하 상기 설명에 대한 구체적인 제조방법과 시험, 분석 평가결과이다.

표1. 개발한 알루미늄 합금재료의 화학조성 범위

표1에 따라 설계된 화학 조성의 알루미늄 합금재료를 만들기 위해 반사식용해로에 원재료인 순도 99.7％ 이상의 알루미늄 잉곳과 실리콘을 투입하여 용해공정의 용융온도범위를 760-800도로 상승시킨 후 바나듐 합금 원소를 첨가하고, 760-800도 온도에서 약 30-60분을 유지한 후, 용융온도를 700-730도 영역으로 낮추어 구리, 망간, 마그네슘 합금원소를 첨가하고 약 30분가량 유지했다. 이렇게 유지된 알루미늄 합금 용융금속을 인젝션 방법으로 질소가스와 용융금속 청정제를 긴 관을 통해 용융금속 안으로 분출시켜 용융금속 안에 포함된 불순물과 수소기포들을 부상시킨 후, 인력으로 용융금속으로부터 제거하여 95％ 이상의 첨가 합금원소 용해회수율을 얻어 표2와 같은 안정된 화학조성을 가진 지름 6 인치의 원재료 (빌레트)를 연속 주조하였다.

표2. 실제 사용한 알루미늄 합금재료의 성분분석 결과

주조된 빌레트를 금속 열분석법에 따라 얻은 표3의 결과에 따라 본 개발합금재료가 용융되지 않는 온도인 540도에서 12시간 균질 열처리를 시행하였다.

표3. 주조된 시험검증용 합금재료의 열분석 결과

실제 사용되는 기존 재료의 기계적 특성을 분석하고 관련업체로부터 표4의 재료사양 요구 기준값을 검증받아 재료의 특성요건으로 설정하였다. 표5는 표4의 기준값을 만족하는 시제품을 얻기 위해 실제 사용하고 있는 제품의 재료 치수규격을 기준으로 설계된 제조 공정 조건이다. 여기서 주안점은 표4

표4. 최종 조립된 Hot roll 재료의 요구 특성 기준값

표5. 공정별 제조공정 조건

를 만족하는 특성을 얻기 위해 냉간가공 효과를 극대화할 수 있는 가공비율을 최소 30％ 이상을 유지하여야 하고, 기존 A5052 재료의 열간 압출유동응력이 큼으로 인해 압출금형을 통과하는 재료의 온도상승이 발생하여 압출성형 후 재료의 냉각 과정에서 치수수축에 의해 열간성형 초기와 말기의 치수변화가 발생하였으나, 금번 개발합금을 사용함으로써 압출유동응력을 낮추어 성형가공이 원활하게 되었다.

표6은 설계된 공정조건에 따라 제작된 개발합금의 각 공정별 물리적, 기계적 성질을 시험한 결과로, 시험방법은 ASTM B 557(AL/Mg합금 인장 시험법), ASTM E18(로크웰 경도 시험법), ASTM B 647(Webster 경도 시험법), ASTM B 244(전기전도도 시험법)을 기준으로 시행하였다. 표7은 표4의 평가기준의 항복강도 특성을 만족시키는지 검증하기 위해 관련업체의 최종 부품제조공정 작업온도 영역인 350도에서 30분을 유지하여 실제 작업조건과 동일한 분위기를 재현하여 소형시험 열처리 로에서 시행한 후, 재료의 상온특성을 시험 평가한 결과를 (가)항에 나타냈다. (나)항의 고온 인장시험 조건은 400℃, 1Hr 유지하고 200℃, 100Hr 유지한 후, 200℃에서 인장시험을 실시한 결과이며, 전기전도도는 400℃, 1Hr 유지하고 200℃, 100 Hr 유지한 후 냉각시켜 상온에서 측정한 결과이다. 표7 (가)항의 전기전도도 측정결과를 분석하면 처리온도가 230도에서 급격히 상승하였다가 350도에서 감소하는 현상이 발견되었다. 이 현상은 일반적으로 온도가 상승함에 따라 전기전도도가 서서히 증가하는 특성을 위배하는 사항으로, 이는 바나듐 합금원소의 재결정온도가 400도 근방에서 이루어지는 특성과 포텐셜 전위차가 다른 금속에 비

표6. 공정별 검증한 특성시험 평가결과

표7. 온간 내열성 평가결과

(가) 시간별 고온 열처리 후의 상온특성시험평가결과

(나) 고온 인장 시험 결과

해 높아 전기전도도가 재결정온도이하에서 상승하는 효과가 나타났다. 이런 특성을 이용하여 얻은 시제품이 사무용 기기에 사용되는 부품인 hot roll 이다.

1. 본 알루미늄 합금재료의 개발로 온간에서 내열성과 우수한 전기전도성을 필요로 하는 온간영역의 부품재료로 사용할 수 있다.(예 : hot roll, 방열 부품 등)

2. 또한 최종부품의 사용온도구간이 200 - 300도이고 재료의 열전도성을 이용한 제품에 개발된 알루미늄 합금 재료를 사용할 수 있다.

3. 기존재료를 사용한 제조공정의 어려움을 극복할 수 있어 제조능력이 향상되는 결과로 제조원가를 낮출 수 있다.

Claims (2)

1. 알루미늄 합금조성, 용해공정의 용융온도범위와 유지시간 및 냉간가공 공정의 가공비율
2. 상기 개발합금을 이용한 압출 가공 후, 2차 가공후 사용되는 부품 적용