KR20070091669A

KR20070091669A - 알루미늄 합금 고압 다이 캐스팅의 열처리

Info

Publication number: KR20070091669A
Application number: KR1020077016723A
Authority: KR
Inventors: 로저 네일 럼리; 로버트 제프리 오도넬; 데이앨런 로메쉬 거나세가람; 미첼 기보드
Original assignee: 커먼웰쓰 사이언티픽 앤드 인더스트리얼 리서치 오가니제이션
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-19
Publication date: 2007-09-11
Also published as: EP1844174A1; CA2594516A1; US20090038720A1; AU2005318925B2; RU2007127862A; BRPI0519400A2; KR101287995B1; RU2398911C2; MX2007007763A; CN100575532C; CA2594516C; EP1844174A4; CN101087898A; WO2006066314A1; TW200636079A; US8409374B2; AU2005318925A1; JP2008525629A; JP5236948B2; ZA200705375B

Abstract

시효-경화성 알루미늄 합금의, 애즈-캐스트 상태에서 블리스터 형성 다공성을 보일 수 있는, 고압 다이 캐스팅으로 제조된 캐스팅의 열처리 방법은, 상기 캐스팅을 용질 성분이 고용체 내에 취해질 수 있는 온도 범위로 그리고 그 범위 이내로 가열함으로써 상기 캐스팅을 용액 처리하는 것을 포함한다. 이어서, 상기 캐스팅을 100 ℃ 보다 낮은 온도로 퀀칭 함으로써 상기 캐스팅을 냉각시켜 상기 용액 처리를 종료한다. 상기 냉각된 캐스팅을 자연 및/또는 인공 시효를 가능하게 하는 온도 범위 내에서 유지시킨다. 상기 용액 처리는 상기 캐스팅의 허용불가능한 블리스팅을 유발하는 캐스팅 내 공극들의 팽창 없이 시효-경화(age-hardening)를 가능하게 하는 용질 성분 용액의 수준을 달성하도록 실시된다.

Description

알루미늄 합금 고압 다이 캐스팅의 열처리{HEAT TREATMENT OF ALUMINIUM ALLOY HIGH PRESSURE DIE CASTINGS}

본 발명은 고압 다이 캐스트 시효-경화성 알루미늄 합금(high pressure die cast age-hardenable aluminium alloy)의 캐스팅(casting)의 열처리 방법에 관한 것이다.

고압 다이캐스팅(high pressure dicasting; HPDC)은 정밀 치수 공차(close dimensional tolerance) 및 매끄러운 표면 피니시(smooth surface finish)를 갖도록 요구되는 금속 구성성분을 대량 제조하기 위해 널리 사용된다. 그러나, 한가지 단점은 통상적인 HPDC로 제조된 부품은 비교적 다공질(porous)이라는 것이다. 응고 동안의 수축 다공성(shrinkage porosity) 그리고 또한 다이 벽 윤활제의 분해로부터 형성된 공기, 수소 또는 증기와 같은 포집된(entrapped) 가스들의 존재 때문에 내부 공극(internal pore)이 발생한다.

HPDC 알루미늄 합금으로 만들어진 캐스팅은 열처리될 수 있는 것으로 간주되지 않는다. 캐스팅 상에 표면 블리스터(surface blister)가 형성되게 되는 고온(예를 들어, 500 ℃)에서의 통상적인 용액 처리 동안 가스 또는 가스 형성 화합물들을 포함하는 내부 공극이 팽창하기 때문이다. 이러한 블리스터들의 존재는 시각적으로 허용 불가능하다. 또한, 고온 용액 처리 동안 내부 공극들의 팽창은 영향받는 고압 다이 캐스팅의 치수 안정성(dimensional stability) 및 기계적 특성에 모두 역효과를 가질 수 있다.

Altenpohl의 문헌("Aluminium: Technology, Applications, and Environment", Sixth Edition, published by The Aluminium Association and The Minerals, Metals and Materials Society)( 96 내지 98 면 참조)에 논의된 바와 같이, 고압 다이 캐스팅이 비교적 공극이 없고 따라서 블리스터링 없이 열처리가능하게 되도록 하는 기술들이 존재한다. 이러한 기술들은 진공 다이 캐스팅, 무공성(pore-free) 다이 캐스팅, 스퀴즈(squeeze) 캐스팅 및 반용융 캐스팅(thixocasting)을 포함하며, 이들은 모두 비용이 많이 든다.

이러한 기술들에서, 진공 시스템은 캐스팅 내 다공성 수준 감소의 목적으로 가장 빈번히 적용된다. 많은 경우에 다공성의 잔류 수준이 여전히 너무 높아 열처리가 허용되지 않는다. 그러나, 몇몇 예외가 있다.

예를 들어, 미국 특허 6773666 (Lin et. al.)에는, 얻어지는 캐스팅에 극히 저도의 다공성을 생산하도록 Alcoa's AVDC 다이 캐스팅을 사용하여 고압 다이 캐스팅될 수 있는 것으로서 개선된 Al-Si-Mg-Mn 합금이 개시되어 있다. 합금 조성물은 0.15Fe 미만, 0.3Ti 미만, 0.04Sr 미만을 포함하고, 실질적으로 구리가 없고, 크롬이 없고, 베릴륨이 없다. 이는 캐스팅 합금 AA357 과 호주 캐스팅 합금 명칭(designation) CA601 및 CA603 (Aluminium Standards and Data - Ingots and Castings, 1997)와 유사하다. AVDC 법은 비교적 공극이 없고, 용접가능하고 열처리 가능한 것으로 보고된 구성성분들을 제조하기 위해 매우 높은 진공 압력을 사용한다(예를 들어, http://www.alcoa.com/locations/germany_soest/en/about/ avdc.asp, 2005 참조). Lin et. al.의 종래 기술에서, 캐스팅은 X-선 분석으로 조사되었고 다공성 함량과 관련하여 우수한 상태에 있는 것으로 밝혀졌다. 950 - 1020°F (510-549°C)의 10 - 45 분동안의 용액 처리, 70 내지 170°F (주변온도 내지 77°C)의 물 속으로의 퀀칭 및 1 -5 시간동안 320 - 360°F(160 - 182°C)에서의 인공 시효(artificial ageing)에 따르는 이러한 고도 진공 캐스팅 기술은 항공우주 적용예를 위한 적절한 특성을 달성하는 것으로 생각된다. 이러한 종래 기술에 교시된 열처리 스케쥴을 따라, 경미한 블리스터링이 조사된 합금의 표면 상에 나타났고, 포집된 윤활제로 인한 것으로 보고되었다. 그러나, 상기 합금은 고도의 구조적 통합성(high structural integrity)이 있고 항공우주 적용예에 적합한 것으로 개시되었다.

다공성을 감소시키거나 제거하고, 따라서 열처리를 용이하게 하는 기술의 또다른 예가 미국 특허 4104089 (Miki)에 개시되어 있으며, Al-Si-Mg-Mn 합금으로 제조된 구성성분은 통상적으로 무공성 다이캐스팅 처리를 따라 열처리될 수 있었다. 다이캐스팅 처리는 초기 연구, 얻어지는 캐스팅의 다공성 수준을 감소시키기 위해 다이 캐비티가 용융된 금속과 조합된 반응성 가스로 퍼징되는 미국 특허 3382910 (Radtke et al)의 선행연구에 명백히 기초한다.

알루미늄 합금의 통상적인 열처리 방법은 일반적으로 다음의 세 단계를 포함한다:

(1) 그의 합금화(alloying) (용질) 성분들을 용해시키거나 또는 미세구조를 균질화하거나 또는 변형시키기 위해 합금의 융점보다 낮은, 비교적 고온에서 종종 8 시간 이상동안 용액 처리;

(2) 과포화된 고용체(supersaturated solid solution) 내에 용질 성분을 유지시키기 위해 예를 들어 냉수 또는 온수(hot water) 내로 신속히 냉각 또는 퀀칭; 및

(3) 합금을 소정 기간동안 한번에, 때때로 순식간에(at a second), 침전을 통해 경화 또는 강화를 달성하기에 적합한 온도로 유지함으로써 합금을 시효.

시효로부터 얻어지는 강화(strengthening)는, 과포화된 고용체 내에 취해진 용질이 그레인들을 통해 미세하게 분산되고 그리고 슬립(slip)의 공정에 의한 변형을 견디도록 합금의 능력을 증가시키는 침전을 형성하기 때문에 일어난다. 시효 처리가 한 형태 이상의 이러한 미세 침전의 임계 분산(critical dispersion)을 형성시키는 경우에 최대 경화 또는 강화가 일어난다.

상기된 열처리 방법의 한 대안은 T5 템퍼(T5 temper)로 알려져 있는 것이다. 이 경우, 합금은 그 승온의 일부를 유지하면서 캐스팅을 따라 바로 퀀칭되고, 이어서 인공 시효되어 특성이 보다 적당히 개선된다.

용액 처리 조건은 상이한 합금 시스템에 대해 상이하다. 일반적으로, 대략 Al-Si-X 에 근거한 캐스팅 합금에 대하여, 용액 처리는 525°C 내지 540°C 에서 수시간동안 실시되어 합금 내 Si 입자들의 적당한 구상화(spherodisation)가 일어나고 열처리에 적합한 적당한 포화된 고용체가 얻어진다. 예를 들어, Metals Handbook, 9th ed. vol.15 p.758-759 에는 이러한 변화들을 제공하기 위한 캐스팅 합금의 용액 처리에 전형적인 시간들 및 온도들이 제공된다. 일반적으로, Al-Si-X 에 기초한 합금들의 용액 처리 시간은 4 내지 12 시간, 그리고 특정 합금 및 용액 처리 온도에 따라 많은 합금들에 대해 8 시간 이상으로 주어진다. 용액 처리 시기는, 일단 합금이 원하는 용액 처리 온도의 작은 허용범위(small margin)(예를 들어, 10 ℃ 이내) 내에 도달하면 개시되는 것으로 일반적으로 간주되며, 이는 로(furnace) 특성 및 부하(load) 크기에 따라 변화될 수 있다. 그러나, 이 처리는 통상적인 알루미늄 합금에 적용되는 경우에, 다이캐스팅 상에 실질적인 허용불가능한 블리스터링을 유발할 것으므로 부적절하다.

본 발명은 Altenpohl 및 다른 출처에 논의된 바와 같은 보다 비싼 대안적 구성성분을 사용할 필요성을 없애는 시효 경화성 알루미늄 합금 고압 다이 캐스팅(age hardenabe aluminium alloy high pressure die castings(HPDC))의 열처리 방법을 제공한다. 본 발명은 모든 시효 경화성 알루미늄 합금 HPDC 캐스팅에 적용가능하지만, 다이 캐스팅 처리로부터 잔류하는 내부 공극들을 포함하는 것들에 특히 적용가능하다. 캐스팅은 냉각-챔버 다이 캐스팅 기계(cold-chamber die casting machine)를 사용하는 등의 통상적이거나 일반적인 HPDC 기술로서 간주될 수 있는 기술에 의해, 그리고 통상적인 열처리를 받을 수 있도록 충분히 공극이 없는(pore-free) 캐스팅을 선택하기 위해 얻어진 캐스팅의 다공성 수준을 결정할 필요 없이 제조될 수 있다. 즉, 합금은, 공기를 다이 캐비티로부터 빼내는 고도 진공의 적용 없이 그리고 다이 캐비티로부터 공기를 제거하기(purge) 위한 반응성 가스의 사용 없이, 다이 내 하나 이상의 몰드 캐비티(mould cavity)를 충전하기 위한 압력 하에서 캐스트된다. 따라서, 합금은 캐스팅의 초기(onset)에 자연적인 주변 대기에 노출되며 주변 가스 압력에 있는 다이 내에서 캐스트될 수 있다. 결과적으로, 본 발명이 적용가능한 캐스팅은 다공성이 존재하는 것을 특징으로 할 수 있다. 다공성의 존재는 몇가지 기술로 결정될 수 있다. 예를 들어, 애즈-캐스트 합금 단면의 광학 현미경 검사(optical microscopy)로 다공성이 밝혀질 것이다. 다공성이 쉽게 알도록 충분히 크거나 또는 해상가능(resolvable)하다면, X-선 촬영법(X-ray radiography)으로도 다공성이 밝혀질 것이다.

본 발명은 시효-경화성 알루미늄 합금의 고압 다이 캐스팅에 의해 제조된 캐스팅의 열처리 방법을 제공하며, 상기 방법은

(a) 상기 캐스팅을 용질 성분이 고용체 내에 취해질 수 있는 온도 범위로 그리고 그 범위 이내로 가열함으로써 상기 캐스팅을 용액 처리하는 단계;

(b) 상기 캐스팅을 100 ℃ 보다 낮은 온도로 퀀칭(quenching) 함으로써 상기 캐스팅을 냉각시켜 단계 (a)를 종료하는 단계; 및

(c) 자연 또는 인공 시효를 가능하게 하는 온도 범위 내에서 상기 캐스팅을 유지시킴으로써 상기 단계 (b) 후에 상기 캐스팅을 시효하는 단계를 포함하고,

상기 단계 (a)가 실시되어, 상기 캐스팅의 허용불가능한 블리스팅을 유발하는 캐스팅 내 공극들의 팽창 없이 시효-경화(age-hardening)를 가능하게 하는 용질 성분 용액의 수준을 달성한다.

한 형태에서, 본 발명은 일반적으로 다공성을 보이는 시효-경화성 알루미늄 합금의 고압 다이 캐스팅의 열처리 방법을 제공하며,

상기 방법은:

(a) 상기 다이 캐스팅을 용질 성분이 고용체 내에 취해지도록 허용하는 온도 범위로 그리고 그 범위 이내로 가열하는 (용액 처리) 단계, 여기서 상기 가열은:

(i) 상기 캐스팅의 합금의 고상선 용융 온도(solidus melting temperature) 보다 20 내지 150 ℃ 낮은 범위로 그리고 그 범위 이내로, 그리고

(ii) 30 분 미만의 기간동안 이루어지고;

(b) 상기 캐스팅을 0 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서 유체 퀀칭제(quenchant) 내에 퀀칭함으로써 단계 (a)의 온도 범위로부터 상기 캐스팅을 냉각시키는 단계;

(c) 상기 캐스팅을 시효를 가능하게 하는 온도 범위 내에 유지시킴으로써 상기 단계 (b)로부터의 상기 퀀칭된 캐스팅을 시효하여 상기 합금의 경화 또는 강화를 보이는 시효-경화된 캐스팅을 제조하는 단계를 포함하고,

이를 통해 상기 시효-경화된 캐스팅의 블리스팅이 적어도 실질적으로 최소화되거나 또는 방지된다.

단계 (b)의 퀀칭(quenching)은 단계 (c)의 강화(strengthening)에 적합한 온도로 될 수 있다. 단계 (c)의 시효는 자연 시효 또는 인공 시효일 수 있다. 따라서, 자연 시효의 경우에 합금은 주변 온도, 즉 0 ℃ 내지 45 ℃, 예를 들어 15 ℃ 내지 25 ℃ 범위가 될 수 있는 일반적인 기온에서 유지될 수 있어 가열이 불필요하다. 대안적으로, 캐스팅은 주변 온도보다 높게 가열함으로써 인공적으로 시효될 수 있다. 인공 시효는 바람직하게는 50 ℃ 내지 250 ℃ 범위, 가장 바람직하게는 130 ℃ 내지 220 ℃ 범위로 가열함으로써 시효된다.

단계 (a)의 가열 기간은 고상선 용융 온도(solidus melting temperature)보다 20 내지 150 ℃ 낮은 범위의 하한으로 가열하는 시간을 포함할 수 있다. 그 범위에 도달시, 캐스팅은 30분 미만의 기간동안 그 범위 내에 하나 이상의 온도 수준에서 유지될 수 있다. 대안적으로, 단계 (a)에서의 캐스팅의 가열은 특정한 온도 범위 내에서 비-등온적(non-isothermal)일 수 있다.

단계 (a)는 적어도 부분적으로 비-등온적으로 실시되거나 또는 실질적으로 완전히 비-등온적으로 실시될 수 있다. 대안적으로, 단계 (a)는 실질적으로 등온적으로 실시될 수 있다.

단계 (c)에서, 캐스팅이 인공 시효되는 경우, 캐스팅은 인공 시효 온도 범위 내의 하나 이상의 온도 수준에서 유지될 수 있거나, 또는 캐스팅의 온도가 상기 범위 내에서 최대까지 상승될(ramped) 수 있는 것과 같이 시효가 비-등온적으로 실시될 수 있다.

단계 (c)는, 시효-경화된 캐스팅이 각 경우에 전체 T6 템퍼(full T6 temper)에 비해 덜 시효된 상태(underaged condition), 피크 시효된 상태(peak aged condition), 또는 과도 시효된 상태(overaged condition)에 있도록 실시될 수 있다. 본 발명의 방법에서, 캐스팅은 단계 (b) 및 단계 (c) 사이에서 냉간 가공될(cold worked) 수 있다. 단계 (c)가 인공 시효를 제공하는 경우, 단계 (c)의 시효 온도로부터의 캐스팅의 냉각은 퀀칭(quenching)에 의해 행해질 수 있다. 대안적으로, 캐스팅은 공기 또는 다른 매질 중의 서냉에 의해서와 같이 단계 (b)의 인공 시효 온도로부터 서냉될(slowly cooling) 수 있다. 단계 (c)를 따르는 캐스팅은 일반적으로 그 애즈 캐스트 상태(as cast condition)로부터 치수 변화가 없다.

통상적인 열처리에 대하여, 용액 처리 온도에서의 시간은 합금 균질화(homogenisation) 및 최대 용질 함량 고용체의 형성을 제공하기 위한 것이다. 대조적으로, 본 발명의 단계 (a)에서, 합금은 사용된 단시간-프레임(frame)으로 인해 완전히 균질화되거나 평형화되지 않고, 형성된 고용체는 그 주어진 기간동안 그 온도에서 완전히 평형이 되도록 기대되지 않는다. 즉, 용액 처리는 사실상 알루미늄 합금의 열처리의 현재 관행에 대한 일부분이다.

본 발명으로부터 얻어지는 열처리된 캐스팅은 다이 캐비티 충전이 실질적으로 완전히 용융된 합금에 의해 이루어지는 통상적이거나 일반적인 고압 다이 캐스팅 기술에 의해 제조될 수 있다. 고도 진공이 다이 캐비티로부터 공기를 빼내는 기술에 적용되지 않으므로, 합금 내 난류로 인해 포집된 가스 및 내부 다공성이 형성될 수 있다. 또한, 캐스팅은 본 발명에 관한 Cope 등에 의한 그리고 양수인에게 양도된 국제 특허 출원 WO026062 에 개시된 기술의 변형예에 의해 제조될 수 있다. Cope 등의 기술에서, 다이 캐비티 충전은 반-고체 합금의 전진하는 선단(advancing front)에 의해 이루어지며, 얻어지는 다공성은 합금 내에서 보다 미세하게 분포된다. 그러나, 통상적이거나 또는 일반적인 HP 다이 캐스팅의 이러한 변형예에 의해 제조된 캐스팅의 열처리도 일부 경우에 블리스터링이 일어날 수 있어, 이러한 변형예의 캐스팅도 본 발명의 적용으로 이익을 얻을 수 있다.

본 발명의 방법은 임의의 시효-경화성 알루미늄 합금으로부터 제조된 고압 다이 캐스팅에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명이 가장 적합한 합금은 4.5 내지 20 wt% Si, 0.05 내지 5.5 wt% Cu, 0.1 내지 2.5 wt% Fe 및 0.01 내지 1.5 wt% Mg를 갖는 Al-Si 합금이다. 합금은 선택적으로 Ni 1.5 wt% 이하, Mn 1 wt% 이하 및 Zn 3.5 wt% 이하 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 각 경우에, 부수적인 불순물과 별도인 잔량이 알루미늄을 포함한다. 존재할 수 있는 부수적 불순물은 Ti, B, Be, Cr, Sn, Pb, Sr, Bi, In, Cd, Ag, Zr,Ca, 다른 전이 금속 원소, 다른 희토 원소 및 희토 화합물, 탄화물, 산화물, 질화물, 무수물 및 이들 화합물의 혼합물을 포함하며 이에 제한되지 않는다. 부수적인 불순물은 캐스팅마다 다양할 수 있으며 이들의 존재는 본 발명에 크게 손해가 없다.

이러한 Al-Si 합금의 캐스팅에서 특히, 캐스팅이 단계 (a) 전에 100 ℃ 내지 350 ℃ 범위의 온도로 예비-가열되어, 단계 (a)의 적당한 온도 범위로 가열하기 위해 요구되는 시간이 최소화될 수 있다.

Al-Si 합금에서, 규소는 본 발명의 방법에 중요한 역할을 하며, 본 명세서에서 이후에 설명되는 바와 같다.

지시된 바와 같이, 본 발명의 방법에 의해 열처리된 캐스팅은 캐스팅의 합금의 고상선 용융 온도보다 20 내지 150 ℃ 낮은 온도 범위에서 30 분 미만의 기간동안 용액 처리된다. 이러한 온도 범위 내 용액 처리 기간은 20분 미만 그리고 바람직하게는 2 내지 15 분과 같은 15 분 이하가 될 수 있다.

0 내지 100 ℃ 범위의 높은 온도에서 물 중에서 캐스팅을 퀀칭(quenching)할 때, 캐스팅은 실질적인 열 에너지 함량(heat energy content)을 가질 수 있다. 이 경우, 합금은 필요시에 고온으로부터 신속하게 냉각될 수 있다.

본 발명의 방법의 단계 (a)의 개시 전에, 캐스팅은 "애즈 캐스트(as cast)" 라고 지칭되며, 적용된 고도 진공 또는 반응 가스를 사용할 필요 없이 통상적인 고압 다이-캐스팅 기계 내에서 고압 다이 캐스트되었다는 것을 의미한다. 단계 (a)의 개시 전에 합금은 주변 온도, 또는 이것이 예비-가열되거나 캐스팅 처리로부터 약간의 열 에너지를 보유했다면, 200 ℃ - 350 ℃와 같은 더 높은 중간 온도에 있을 수 있다. 단계 (a) 동안, 합금은 용액 처리 단계에 대한 본 발명에 따른 적당한 시간동안 적당한 온도 범위로 가열된다. 단계 (b)를 따라, 캐스팅은 "용액 처리" 되거나 또는 "용액 처리되고 퀀칭" 되는 것으로 언급될 수 있다. 단계 (c)를 따라, 캐스팅은 "침전 경화"되거나 "시효 경화"되는 것으로 언급된다.

HPDC의 보여지는 정상적인 다공성에 본 발명에 대해 기재된 열처리를 적용하면, 표면 블리스터링이 놀랍게 최소화되거나 전체적으로 존재하지 않는다. 구성성분들은 치수적으로 안정하게 남아있고 기계적 특성의 큰 증가를 보일 수 있다.

도 1은 그 미세구조 내에 함유된 다공성을 나타내는 통상적인 고압 다이캐스트 합금의 단면의 현미경사진이고;

도 2는 호주 명칭 합금 CA313 및 CA605 시효 경화성 합금들을 사용한 본 발명의 용액 처리 가열 사이클의 예를 나타내는 곡선의 플롯을 나타내고;

도 3은 CA605 시효 경화성 합금의 일련의 9개의 유사하게 제조된 캐스팅 3a 내지 3i의 표면 외형의 사진이고, 캐스팅 3a는 애즈 캐스트를 나타내고 그리고 캐스팅 3b 내지 3i는 각각의 열처리 후를 나타내고;

도 4는 도 3의 캐스팅 3a 내지 3i의 단면으로부터 각각 취한 현미경 사진 4a 내지 4i 한 세트이고;

도 5는 각각의 용액 처리 및 시효 후에 도 3의 캐스팅 3b 내지 3i에 대한 180 ℃에서의 인공 시효 시간에 대한 경화의 플롯을 나타내고;

도 6은 도 3에 나타낸 합금의 제 2의 일련의 네개의 유사하게 제조된 캐스팅 6a 내지 6d의 현미경사진이고, 캐스팅 6a는 애즈 캐스트를 나타내고 그리고 캐스팅 6b 내지 6d는 공통적인(common) 용액 처리 온도에서 각각의 증가 시간들 후를 나타내고;

도 7은 도 6의 캐스팅 6b 및 6c에 대한 180 ℃에서의 시효 경화 시간에 대한 경화의 플롯을 나타내고;

도 8은 CA313 시효-경화성 HPDC 알루미늄 합금의 일련의 10개의 유사하게 제조된 캐스팅 8a 내지 8i의 사진이고, 캐스팅 8a는 애즈 캐스트를 나타내고 그리고 캐스팅 8b 내지 8j는 개별 용액 처리 후를 나타내고;

도 9는 도 8의 캐스팅 8a 내지 8j의 단면으로부터 각각 취한 현미경사진 9a 내지 9j 한세트이고;

도 10은 이러한 캐스팅들에 대한 각각의 용액 처리 후에, 도 8의 캐스팅 8b 내지 8j의 합금에 대한 150 ℃에서의 인공 시효 시간에 대한 경도의 플롯을 나타내고;

도 11은 150 ℃에서 24 시간 시효까지 도 10과 동일한 데이터를 나타내는 플롯이고, 도 8의 캐스팅 8b 내지 8j에 대한 각각의 곡선들은 시효 온도에서의 시간의 함수로서 경도 증가(increment)를 나타내고;

도 12는 도 8a에 나타낸 것과 유사하게 제조되고 그리고 CA313 합금인 일련의 8개의 캐스팅 12a 내지 12h의 사진이고, 캐스팅 12a는 애즈 캐스트를 나타내고 그리고 캐스팅 12b 내지 12h는 공통적인 용액 처리 온도에서의 각각의 용액 처리 후를 나타내고;

도 13은 느리거나 또는 고도의 숏 속도(shot speed) 고압 다이캐스팅으로 제조된, 캐스팅 12c에 대응하는 캐스팅의 인장 특성의 흩어짐(scatter)을 나타내고;

도 14는 시효 경화된 상태의 CA313 합금의 추가적인 일련의 캐스팅에 대한 용액 처리 온도에 대한 열처리 후의 강도의 플롯이고;

도 15는 동일한 용액 처리 시간에 대해 동일 합금의 HPDC 시료 및 잉곳(ingot) 시료 간에 시효를 비교하는 시판 합금, CA313에 대한 시효 경화 반응의 플롯이고;

도 16은 개별(discrete) 용액 처리 단계(T5 템퍼) 없이 또는 본 발명에 따른 T4 템퍼 또는 T6 템퍼 전에 개별 용액 처리 단계와 함께 시효가 실시되는 합금 CA313에 대한 시효 경화 반응의 플롯이고;

도 17은 용액 처리 후의 시효가 각각의 온도들에서 실시되는 시판 합금, CA313에 대한 시효 경화 반응의 플롯이고;

도 18은 HPDC 에 의해 제조된 추가적인 시효 경화성 알루미늄 합금에 대한 시효 경화 반응의 플롯이고;

도 19는 애즈-캐스트, T4 및 T6 상태에 대한 HPDC CA313 합금 시료들의 3 점 벤딩(3 point bending)으로 실시된 비교 피로 시험(comparative fatigue test)의 플롯이고, T4 및 T6 템퍼들은 본 발명에 따라 준비되었고;

도 20은 적당한 조성 범위 내의 알루미늄 합금들 CA605 및 CA313에 대한 통상적인 HPDC 에 의한 애즈 캐스트의, 그리고 본 발명에 따라 전개된(developed) 상이한 템퍼들로 열처리된 이러한 동일한 조성의 캐스팅에 대한 인장 강도에 대한 0.2 % 보증 응력(proof stress)의 플롯이고;

도 21은 애즈 캐스트 합금들 및 본 발명에 따라 전개된 상이한 템퍼들로 열처리된 합금들에 대한 연신율(elongation)(파손 변형(strain at failure) %)에 대한 0.2 % 보증 응력의 플롯이고;

도 22는 ~15 mm의 벽 두께를 갖는 산업적으로 제조된 부품(part)의 X-선 방사선사진이고, CA605 합금으로 제조된 8 mm 직경의 볼트 홀(bolt hole) 내 캐스트 주변 시료 내에 다공성이 보이며;

도 23 및 도 24는 각각 캐스팅의 가장자리에서 그리고 캐스팅의 중심에서, CA313 합금의 고압 다이-캐스팅의 단면으로부터 취한 광학 현미경사진이고;

도 25 및 26은 도 23 및 도 24에 각각 대응하지만, 본 발명의 방법의 단계 (a)에 따른 용액 처리 후 캐스팅의 미세 구조를 나타내고;

도 27은 도 25에 나타낸 것과 같은 가장자리 영역들에서의 용액 처리 온도에서의 시간에 대해 각각, 각 데이터 점에 대해 5개의 개별 필드들로부터의 122063 ㎛²의 고정된 면적에 대한 평균 규소 입자 면적 및 규소 입자들의 수의 플롯을 나타내고;

도 28은 도 27과 유사하지만 도 26에 나타낸 캐스팅의 중심에 대한 것이고;

도 29 및 30은 도 23 내지 26에 대한 각각의 상태들에서 캐스팅에 대한 후방산란된 주사 전자 현미경(backscattered scanning electron microscopy)(SEM) 이미지들을 나타내고;

도 31은 애즈 캐스트 상태에서, 도 23, 24 및 29의 캐스팅의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타내고; 및

도 32는 도 31과 유사하지만 본 발명에 따른 T6 템퍼로 처리된 대로의 합금을 나타낸다.

도 1은 게이트(gate)에서의 금속의 속도(velocity)를 의미하는 26 m/s의 숏 속도에서 HPDC 기술로 제조된, CA313 합금의 원통형 인장(tensile) 시료의 헤드 섹션으로부터 취한 현미경사진이다. 적용된 고도 진공 또는 반응성 가스를 사용하지 않고 통상적인 냉각 챔버 기계(cold chamber machine)가 사용되었다. 현미경사진은 많은 통상적인 HPDC's의 전형적인 다공성을 나타내며, 단지 수미크론 크기로부터 수백 미크론 크기까지 넓은 범위의 공극 크기들을 보여준다. 알 수 있는 바와 같이, 주어진 HPDC 내 다공성의 수준 및 크기는 캐스팅마다 넓게 변화 가능하다.

도 2의 플롯은 본 발명의 예시들에 대한 전형적인 용액 처리 가열 사이클을 나타낸다. "A"로 지시된 플롯은 "A"로 지시된 어떤 시료가 부착되지 않은 로 내에 위치된 써모커플(thermocouple)을 사용하여 얻어진 가열 사이클을 나타낸다. "B"로 지시된 플롯은 또한, 12.2 mm의 직경을 갖는 원통형 섹션에 대하여, 중간점에서 시료 내에 단단히 끼워진(imbedded) 써모커플을 사용하여 얻어진 약 25 g 중량의 보다 작은 HPDC 시료의 가열 속도를 나타낸다. 이러한 시료 크기 및 형태에 대하여, 용액 처리 단계에 대한 가열의 총 시간은 15 분(900 초)이다. 시료는 540 ℃에 가까운 고상선 온도(solidus temperature)를 갖는 HPDC 합금 CA313로 이루어졌다. 합금은 490 ℃로 설정된 고온 로 내에 위치되었다. 시료는 130 초 내에 390 ℃에 이르렀고(고상선 약 150 ℃ 아래), 이어서 연이은 290 초에 걸쳐 490 ℃의 그 최종 지정된 온도로 계속 상승되었다. 설정 온도에 이르기 위해 걸린 총 시간은 420 초, 즉 7 분이었다.

또한, 도 2는 "C"로 지시된 플롯을 나타내며, 두 위치, 로의 가압된 공기 스트림에서 곧바로의 시료의 섹션의 한 위치 및 가압된 공기 스트림으로부터 완전히 차폐된 시료 섹션의 한 위치에서 보다 큰 HPDC 시료 내에 단단히 끼워진 써모커플에 대한 가열 사이클을 설명한다. 보다 큰 시료 질량은 550 g이었고, 15.2 mm의 최대 벽 두께를 가졌다. 시료는 실험에 의해 475 ℃의 로 설정 온도에 대하여 30 분 이상의 총 로 침지 시간에 약간의 치수 불안정성 및 블리스터링을 보이지만 20 분의 총 로 침지에서는 보이지 않는 것으로 밝혀졌다. 합금은 CA605 캐스팅 합금이었으며, 555 ℃에 가까운 고상선 온도를 가졌다. 합금은 고온 로 내에 침지한 450 초(7.5분) 후에 395 ℃에 이르렀다. 합금은 1140 초 침지 시간(19 분) 까지 바로 온도 증가가 계속되었다. 이어서, 시료는 물 퀀칭 전에 60초동안 475 ℃로 유지되었다. 이러한 예에서, 용액 처리 단계는 효과적으로 비-등온적이었다.

도 2에서 관찰된 시료들에 대하여, CA313 및 CA605 합금 각각은 상기 설명된 용액 처리 사이클들 및 나타낸 용액 처리 온도 및 시간들로부터의 퀀칭을 따르는 인공(T6) 시효동안 강한 시효 경화 반응을 나타냈다.

도 2로부터 명백한 바와 같이, 놀랍게도, 등온 용액 처리에서 시료들에 소요된 시간은 특정 온도 범위 내에서 소요된 시간보다 본 발명에서 덜 중요하며, 대부분의 용액 처리 공정이 비-등온적으로 실시되었으므로 퀀칭 전에 최종 온도에 도달하였다. 본 발명의 공정에 따라 처리된 결과로, HPDC 시료들은 공지된 열처리 기술에 의해 연이어 시효 경화된 경우에 블리스터가 없었다.

도 3에 나타낸 캐스팅들 3a 내지 3i는 통상적인 냉각 챔버 기계를 사용하여 진공 또는 반응성 가스 사용의 어떤 적용 없이 HPDC 기술에 의해 제조되었다. 따라서, 각각의 캐스팅 사이클의 개시에서, 다이 캐비티는 주변 압력이었고, 다이 캐비티 충전동안 용융된 합금에 의해 일부 배출되고(displaced) 그리고 일부 갇힐 수 있는 공기를 함유하였다. 따라서, 캐스팅들은 내부 다공성을 보이는 캐스팅이 얻어진 상태 하에서, (wt%로) Al-9Si, 0.7Fe-0.6Mg-0.3Cu-0.1Mn-0.2Zn- (<0.2 다른 원소들 전체)를 포함하고 그리고 약 555 ℃의 명목상 고상선 온도를 가지는 통상적인 호주 명칭 CA605 합금으로 제조되었다. 이러한 상태들은 캐스팅 캐비티로의 인-게이트(in-gate)에서의 약 26 m/s의 느린 숏 속도(shot velocity)를 포함한다.

CA605 합금 조성의 캐스팅은 도 3의 캐스팅에 사용된 HPDC 기술에 의해 제조 되는 경우 시효 경화 열처리될 수 없는 것으로 간주된다. 이는 고온(예를 들어, 525-540°C)에서 용액 처리하는 동안 내부 공극의 팽창으로 인한 표면 블리스터링 때문이다.

도 3에 나타낸 캐스팅은 100 mm 의 총 길이를 갖는 인장(tensile) 시험 막대였다. 이들은 27 mm 길이 및 12.2 mm 직경의 각각의 헤드 섹션과 전이(transition) 섹션들을 통해 병합된 33 mm 길이 및 5.55 mm 직경의 중심 게이지 섹션(central gauge section)을 가졌다. 도 3에 나타낸 캐스팅들에서, 캐스팅 3a는 애즈 캐스트 상태인 반면, 캐스팅 3b 내지 3i는 각각의 용액 처리 후를 나타낸다. 용액 처리는 표 I에 나타낸대로 였다.

캐스팅 3a는 알루미늄 합금의 고압 다이 캐스팅의 품질 피니시(quality finish) 특성을 보인다. 애즈 캐스트 상태에서 캐스팅 3b 내지 3i의 각각은 동일한 고품질 표면 피니시를 보였고 도 3a에 나타낸 것과 동일한 캐스팅 배치(casting batch)로부터 무작위로 선택되었다. 캐스팅 3b는 545 ℃에서의 16 시간 용액 처리 후에 그리고 명목상의 고상선 약 10 ℃ 아래에서, 그 전체 표면에 걸쳐 큰 블리스터링을 보인다. 이는 포집된 내부 가스상의 다공성 팽창에 기인하는데, 이 경우 아마도 용액 처리 온도에서 거의 최대 부피 팽창에 가까울 것이다. 또한, 시료 치수들의 측정은 길이 및 폭의 큰 증가를 나타냈고, 이는 치수 불안정성에 이르는 고온 크리프(creep)의 공정의 특성이다. 캐스팅 3b와 대조적으로, 캐스팅 3c는 545 ℃에서 단지 15 분동안(온도까지 가열 포함) 용액 처리한 후에, 그 수준이 여전히 허용불가능하고 일부 고온 크리프가 여전히 발생한다 할지라도, 실질적으로 감소된 수준의 블리스터링을 보였다. 535 ℃에서 0.25 시간동안(온도까지 가열 포함) 용액 처리된 캐스팅 3d에 의해 추가적 개선이 나타나고, 어떤 블리스터링이 실질적으로 없으며; 캐스팅 3e 내지 3i도 블리스터가 없고 캐스팅 3a과 유사한 표면 피니시를 갖는다. 캐스팅 3b 내지 3i는, 캐스팅 용액 처리 온도 및/또는 총 시간이 감소됨에 따라 블리스터의 발생 및 블리스터의 형성 경향이 감소됨을 나타낸다.

도 4는 도 3의 각각의 캐스팅 3a 내지 3i로 제조된 내부 섹션들의 현미경사진 4a 내지 4i를 나타낸다. 이들은 상이한 열처리 상태들에 대한 다공성의 수준의 차이를 나타낸다. 도 4는 부가적으로 열처리로부터 얻을 수 있는 블리스터링 수준을 나타내고, 본 발명에 의해 블리스터링 수준이 어떻게 조절될 수 있는지를 나타낸다. 도 4a는 애즈 캐스트 합금 3a에 존재하는 다공성을 설명하며, 이는 또한 용액 처리 전 애즈 캐스트 상태의 캐스팅 3b 내지 3i 각각에서 전형적이다. 도 4b 내지 4f는 용액 처리의 결과로서 발생된 공극의 팽창을 나타낸다. 도 4b의 경우, 팽창은 극도였으며, 도 3에 나타낸 것과 같은 캐스팅 3b에서 명백한 고온 크리프 및 표면상의 광범위한 블리스터링이 일어났다. 또한, 도 4c는 공극들의 실질적 팽창을 나타내지만, 캐스팅 3b에 비해 캐스팅 3c에 의해 실질적으로 감소된 블리스터링 수준이 얻어진다. 도 4d 내지 4f는 상당하지만 감소 수준의 공극 팽창을 나타내며, 이는 캐스팅 3d 내지 3 f에 의해 나타난 바와 같이 상당한 블리스터링을 유발하기에는 불충분하였다. 도 4g내지 4i는, 고품질의 블리스터 없는 캐스팅 3g 내지 3i과 일관된, 만약 가능하다 해도 거의 식별가능하지 않은 공극 팽창을 나타낸다.

도 5는 용액 처리를 따라 180 ℃에서 시효되는 경우, 도 3의 캐스팅 3b 내지 3i의 각각의 침전 경화에 대한 합금 CA 605의 각각의 반응들을 나타낸다. 캐스팅 3 b 내지 3i 각각에 대한 도 5에 플롯된 점들은 ◆들로 나타낸 그리고 545 ℃에서 16 h인 3b로부터 △들로 나타낸 그리고 485 ℃에서 0.25 h인 3i까지 내림 차순(descending order)으로 도 5의 오른쪽에 나타낸 범례에 따라 구별된다. 캐스팅 3b 내지 3g에 대해 도 5에 나타낸 대로, 피크 경도를 달성하기 위한 시효의 동역학(kinetics)은 545 ℃의 상부 용액 처리 온도 및 505 ℃의 하한 간에 변화되지 않는다. 도 5에 나타낸 점선은 캐스팅 3b 내지 3g의 각각으로부터의 데이터에 대한 일반적인 추세 선(trend line)이다. 505 ℃ 미만에서 캐스팅 3h 및 3i에 대해 시효 속도는 약간 감소된다. 그러나, 캐스팅 3h 및 3i의 합금의 시효-경화로 얻어진 경도 값들은 여전히 놀랍게 높았다. 특히 캐스팅 3h 및 3i에 대한 각각의 용액 처리의 저온 및 단기간을 고려하면 더욱 그렇다.

도 6은 도 3에 나타낸 캐스팅과 동일한 합금 CA605 및 표본 치수를 사용하여 동일한 방식으로 제조되었던 네개의 캐스팅 6a 내지 6d를 나타낸다. 캐스팅 6a는 애즈 캐스트이거나 또는 비-열-처리된 상태인 반면, 캐스팅 6b 내지 6d는 515 ℃에서 5, 15 및 20 분동안 각각 용액 처리되었다. 도 6은, 블리스터링이 약 20 분에 시작되었고 캐스팅 6d에 대해 화살표되었으나 15 분에는 시작되지 않은 것이 명백한 캐스팅의 표면을 나타낸다.

도 7은 515 ℃에서 5분 및 15분동안 용액 처리되는 캐스팅 6b 및 6c 각각의 시효 경화에 대한 합금 CA605의 반응을 나타낸다. 도 7로부터, 캐스팅 6b 및 6c의 합금 간에 경화 동역학 또는 피크 경도에 어떠한 차이도 없다는 것을 유념할 수 있다.

표 II는, 진공 또는 반응성 가스 사용의 적용 그리고 전형적인 다공성 수준의 포함 없이 통상적인 HPDC 기술에 의해 제조된 후에 다양하게 열처리된 캐스팅들의 CA605 합금의 인장 특성을 요약한다. 캐스팅들에 대해, 26 m/s의 느린 숏 속도, 82 m/s의 고도의 숏 속도 또는 123 m/s의 매우 고도의 숏 속도가 사용되었고, 이들 속도들은 인-게이트에서의 금속의 속도였다.

표 II에서, 약자는 다음의 의미를 갖는다:

(1) 시료 A 내지 D에 대한 "HPDC"는, 인-게이트에서 26 m/s의 느린 숏 속도를 사용하고 그리고 도 3 및 4 각각의 캐스팅들에 대해 상기된 통상적인 기술에 의한 캐스팅을 의미한다;

(2) 시료 E 내지 H에 대한 "고속의 HPDC" 및 시료 I에 대한 "매우 고속의 HPDC"는 각각 82 m/s 및 123 m/s의 (인-게이트에서의) 숏 속도를 의미한다.

(3) "CWQ"는 냉수 퀀칭을 의미한다.

(4) 시료 H에 대한 시효의 명칭으로서의 "T614"는, 처음 온도에서의 합금의 인공 시효가 상대적으로 단기간 후의 퀀칭에 의해 정지되고(arrested) 그 후에 합금이 제 2 시효가 일어나기에 충분한 시간동안 소정 온도에서 유지되는 국제 특허 출원 WO02070770 (Lumley et al)의 개시내용에 따른 시효를 나타낸다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명을 사용함으로써 얻을 수 있는 인장 특성은 시효 경화의 매우 유리한 효과를 보여준다. 특성 수준은 통상적인 시효 처리에 비해 어떤 큰 타협을 반영하지 않음에도, 블리스터링을 보이는 열처리된 캐스팅 없이 통상적인 HPDC로 제조된 캐스팅에서 얻어졌다. 표 II는 또한, 본 발명에 따른 용액 처리, 퀀칭 및 시효 전에, 캐스팅 공정으로부터의 퀀칭으로는 현재 발명에 이득이 없다는 것을 나타낸다.

도 8은 도 3에 나타낸 캐스팅과 동일한 형태 및 치수로 그리고 동일한 방식으로 제조된 캐스팅 8a 내지 8j를 나타낸다. 그러나, 도 8에 나타낸 캐스팅은 538 ℃의 일반적인 고상선 온도를 갖는 통상적인 호주 명칭 CA313 합금으로부터 제조되었고 (wt%로) Al-8.8Si-3Cu-0.86Fe-0.59Zn-0.22Mg-0.2Mn-(<0.15 Pb,Ni,Ti,Sn,Cr 전체)를 포함하는 것으로 밝혀졌다.

또한, 이러한 CA313 합금의 캐스팅은, 표면 블리스터링의 발생 및 치수 안정성의 손실로 인해 다시, 캐스팅 8a 내지 8j에 대해 사용된 통상적인 HPDC 캐스팅 기술에 의해 제조되는 경우에 열처리될 수 있는 것으로 간주되지 않는다.

도 8에 나타낸 캐스팅들은 캐스팅 8a가 애즈 캐스트 상태인 반면 캐스팅 8b 내지 8j가 표 III에 나타낸 다양한 상태들 하에서 15 분의 총 침지 시간동안 용액 처리되었다는 점에서 상이하다.

캐스팅 8b는, 그 다음으로 낮은 용액 온도의 캐스팅 8c에서 또는 다른 캐스팅들에서는 불안정성의 증거가 만약 있더라도 거의 없다고 해도, 고상선에 약간 지나치게 가까운 용액 온도로 인한 치수 불안정성을 보인다. 그러나, 캐스팅 8b 및 8c는 각각 허용불가능한 블리스터링을 보인다. 캐스팅 8d 및 8e는 모두 하나의 큰 블리스터 및 수개의 더 작은 블리스터들을 보이며, 이는 허용불가능한 거부 비율(reject rate)을 나타내고, 반면에 캐스팅 8f 내지 8j는 용액 처리를 따르는 우수한 피니시 품질을 나타내고 블리스터링의 어떤 증거도 없다.

한편으로 캐스팅 8b 내지 8j 및 다른 한편으로 도 3의 캐스팅 3c 내지 3i의 비교는 각각의 CA313 및 CA605 합금들의 반응들 간의 차이를 보여준다. 이는 CA313이 CA605 합금의 용액 처리를 위한 시간 및 온도 상관관계에 비해 주어진 용액 처리 시간동안 보다 낮은 용액 온도, 또는 주어진 온도에서 보다 짧은 처리 시간의 사용을 필요로 하는 경향이 있다는 것이다. 이러한 대조는, 고상선 온도보다 20 ℃ 내지 150 ℃ 낮은 범위 내에 있도록 용액 처리 온도를 조절하고 HPDC 알루미늄 합금을 열처리하는 경우의 온도 범위에서 30 분 미만의 시간을 사용할 필요성을 강조한다.

도 9는 도 8의 캐스팅 8a 내지 8i의 합금의 현미경 사진 9a 내지 9j의 광학 미세구조들을 각각 나타낸다. 이와 같이, 도 9는 도 4와 유사한 외관을 제공하지만, CA313 합금에 대한 것이다. 따라서, 도 9a는 애즈 캐스트 캐스팅 8a의 합금 내에 존재하는 다공성을 나타낸다. 도 9b 및 9c는 캐스팅 8b 및 8c에 대한 용액 처리 동안 공극 팽창으로 얻어진 블리스터링을 각각 나타낸다. 도 9d 내지 9e는 공극 팽창의 실질적인 회피를 나타내며, 그리고 이에 따라 캐스팅 8d 및 8e에 대한 용액 처리로부터의 제한된 블리스터링을 나타내는 반면, 도 9f 내지 9j는 캐스팅 8f 내지 8j에 대한 용액 처리로 공극 팽창의 실질적으로 완전한 회피 및 블리스터링의 실질적으로 완전한 회피를 각각 나타낸다.

도 10은 도 8을 참조하여 기재된 각각의 용액 처리 상태 후 150 ℃에서의 시효를 따르는, 도 8의 캐스팅 8b 내지 8j 각각의 CA313 합금의 침전 경화 행동(precipitation hardening behaviour)을 나타낸다. 합금 CA605에 대한 도 5에 나타낸 시효의 동역학과 달리, 도 10은, CA313 합금에 대해 시효 속도(rate of ageing) 및 피크 경도는, 용액 처리 온도가 약 490 ℃ 내지 480 ℃의 수준으로 감소됨에 따라 계속 증가하지만, 이어서 용액 처리 온도가 그 수준보다 낮게 떨어짐에 따라 순차적으로 다시 계속 감소한다. 각 곡선은 도 10의 오른쪽의 범례에 나타낸 용액 처리 온도에 의해 각각의 캐스팅과 연관될 수 있다. 놀랍게도, 심지어 440 ℃ 만큼 낮은 온도에서 처리된 합금 용액조차도 유용한 시효 경화 반응을 보였다.

도 11은 24h 시효까지, 도 10에 대해서와 동일한 침전 경화 데이터를 나타낸다. 플롯은 캐스팅 8b 내지 8j에 대한 상이한 용액 처리 온도 각각에 대한 150 ℃에서의 시간의 함수로서 경도 증가를 나타낸다. 도 11의 부호는 도 10의 부호에 대응한다.

도 12는 일련의 8개의 캐스팅 12a 내지 12h의 CA313 합금에 대한 490 ℃에서의 용액 처리 시간의 효과를 나타낸다. 일련의 캐스팅 각각은 도 3에 나타낸 캐스팅과 동일한 HPDC 기술에 의해 그리고 동일한 형태 및 치수로 제조되었다. 캐스팅 12a는 애즈 캐스트 상태인 반면, 다른 캐스팅들에 대한 490 ℃에서의 시간은 표 IV에 나타낸다. 따라서, 도 12는 490 ℃에서의 유지 시간(hold time)의 함수로서 블리스터의 발생을 나타낸다.

캐스팅 12d 내지 12h에 대해 나타낸 화살표는 이러한 캐스팅들의 표면들 상에 형성된 블리스터를 지시한다. 용액 처리 시간이 증가됨에 따라, 약 20분에서 시작하여 블리스터의 보급(prevalence)이 캐스팅 12d 상에서의 수개로부터 120 분의 장시간에는 더 많은 수로 증가한다.

도 13은 입수된 대로의(as received) 및 열처리된 CA313 합금에 대한 인장 특성의 흩어짐을 나타내며, 느리거나(26 m/s) 또는 고도의 숏 속도(82 m/s)의 인-게이트 속도가 사용되었다. 여기서, "HPDC"는 표 II에 대해 상기된 바와 동일한 의미를 갖는 반면, "고속"은 표 II의 "고속 HPDC"와 동일한 의미를 갖는다.

표 V는 T6, T4, T6I4 또는 T6I7 상태로 제조된 HPDC CA313 합금의 인장 특성을 나타낸다. 각 합금은 15 분동안 490 ℃의 최대 온도에서 용액 처리되었고(온도까지 가열 시간을 포함), 냉수 퀀칭되고 이어서 경화되었다. T6 템퍼에 대한 인공 시효가 150 ℃에서 실시되었다. T4 템퍼에 대하여, 합금이 상기된 바와 같이 용액처리된 후 14일동안 ~ 22 ℃에 노출되었다.

T6I7 상태에 대해, 2 시간 또는 4 시간 덜 시효된(underaged) 후 약 4 ℃/분으로 오일 중에 천천히 냉각되어 연이은 2차 침전이 억제되는 시료들이 설명된다. T6I4 템퍼는 표 I에 나타낸 예에서와 같이 T6 인장 특성과 동등하게 얻기보다 연신율(elongation)을 유지하도록 설계되었다. 이들은 150 ℃에서 2 시간 인공적으로 시효되었고, 퀀칭된 후, 65 ℃에서 4 주동안 노출되었다. 합금 시료들은 도 3에 나타낸 캐스팅들과 동일한 형태 및 치수의 캐스팅들로부터였다.

표 VI는 퀀칭 및 침전 경화 전에 15 분 또는 120 분 용액 처리된, 도 3의 캐스팅들의 형태 및 치수의 추가적인 캐스팅들에 대해 기록된, 통상적인 CA313 HPDC 합금의 인장 특성을 나타낸다. 표 VI는 통상적인 용액 처리 시간에 비해 짧은 용액 처리 시간을 이용함의 기계적 특성 이점을 나타낸다. 침전 경화 전 120 분의 긴 용액 처리 시간을 거친 시료들은 도 12의 예에서 나타나는 바와 같이 표면 블리스터가 이 상태에서 여전히 명백하였더라도, 게이지 길이 상에 실질적인 블리스터링을 보이지 않는 것들로서 시료들의 보다 큰 배치로부터 선택되었다. 표 VI는 표면 블리스터링을 보이는 것에 추가로 현재 발명에 따라 처리된 시료들에 비해 120 분 상태에서의 기계적 특성들이 감소되었다는 것을 나타낸다.

표 VII는 원통형이고 그리고 보다 작은, 평평한 표본을 제조하여 시효 경화 처리로 인한 표본 크기의 가능한 효과를 조사하기 위한, 진공 또는 반응성 가스 사용의 적용 및 전형적인 다공성 수준 포함 없이, HPDC인 합금 CA313에 대한 인장 특성 데이터를 나타낸다. 비교를 위해 포함된 원통형 시험 표본은 도 3에 나타낸 것들과 동일한 크기 및 치수이다.

이러한 특정한 평평한 캐스팅들은 70 mm 길이 및 3 mm 두께와 14 mm의 헤드 폭, 13 mm의 헤드 길이, 30 mm의 평행 게이지 길이 및 ~5.65 mm의 게이지 폭의 치수들을 가졌다. 캐스팅은 16 m/s의 느린 숏 인-게이트 속도 및 82 m/s의 빠른 인-게이트 숏 속도에서 통상적인 HPDC에 의해 제조되었다. 표 VII의 "느린" 및 "빠른" 의 용어는 표 II에서와 동일하다. 490 ℃로부터 440 ℃까지의 용액 처리 온도는 느린 속도 및 고속 고압 다이 캐스팅 모두에 대해 조사되었다. 5개 이상의 표본들이 모든 조건에서 시험되었고, 용액 처리에 대한 총 침지 시간은 15분이었다. 표면 품질도 조사된 원통형 인장 막대들과 약간 다른 것으로 밝혀짐에 따라 유념되었다. 그러나, 인장 결과들은 상이한 표본 치수들 간에 우수한 상관관계를 보였다. 표 VII의 결과들이 도 14에 요약된다. 도 14에서 ◆는 느린 속도 0.2% 보증 응력을 나타내고, ◇는 느린 속도 HPDC 인장 강도를 나타내고, ▲은 고속 HPDC 0.2% 보증 응력을 나타내고, △은 고속 HPDC 인장 강도를 나타낸다. 도 14는 480 ℃가 490 ℃에서 용액 처리된 합금에 대해서보다 약간 더 높은 인장 강도 및 연신율을 보임에 따라, CA313 합금의 이러한 변형된 치수들에 대한 최적의 용액 처리 온도가 480 ℃임을 제시한다.

도 15는 동일한 CA313 함금 조성의 각각의 중력 몰드 캐스팅 "B" 의 섹션에 대한 HPDC 캐스팅 "A"에 대한 본 발명의 공정을 비교한다. 합금은 Al-9Si-3.1Cu-0.86Fe-0.53Zn-0.16Mn-0.11Ni-0.1Mg-(<0.1 Pb, Ti, Sn, Cr) 조성으로 되었다.

놀랍게도, HPDC 캐스팅의 CA313 합금은 모두 중력 캐스팅의 동일한 합금보다 더 빠르게 그리고 더 높은 수준으로 경화된다. 두 캐스팅들 모두 490 ℃로 예비-가열된 로 내에서 15 분의 총 침지 시간이 주어졌다. 도 15는 본 발명의 공정이 상이한 캐스팅 기술에 의해 제조된 합금의 열처리에 어느 정도까지 적합하다 할지라도, 침지 시간이 동일한 경우 HPDC 캐스팅에 대해 시효 반응이 실질적으로 향상된다는 것을 나타낸다.

도 16은 도 15에 대해 사용된 CA313 합금에 대한 세 상이한 상태들 하에서의 시효 곡선들을 제공한다. "A"는 HPDC 합금에서 블리스터링을 피하고 그리고 강도를 증진시키기 위해 이용된, 통상적인 공지된 절차인 T5 템퍼에 대한 것이다. T5 템퍼에 대하여, 애즈-캐스트 합금은 캐스팅을 따라 바로 열처리된다. 이 상태에서 시효에 대하여, 합금은 150 ℃에서의 80-100h의 시효로 약 115 VHN의 피크 경도에 이른다.

도 16의 "B"는 본 발명의 공정이 사용된 T6 템퍼의 일례이다. 용액에는 냉수 퀀칭 및 150 ℃에서의 인공적 시효 전에, 490 ℃의 용액 처리 온도까지 가열을 포함하는 15 분의 전체 용액 처리 침지 시간이 주어졌다. 약 153 VHN의 피크 경도는 약 16-24h에 도달된다.

도 16의 "C"는 본 발명의 공정에 따른 T4 템퍼에 대한 것이다. 합금은 냉수 퀀칭 및 22 ℃에서의 자연적 시효 전에 시료 "B"와 동일하게 열처리되었다. 합금은 22 ℃에서의 약 100 h의 시효 후에 약 120-124 VHN의 피크 경도 근처에 이르며, 그 후에 경도는 더 오랜 기간동안 거의 변화가 없다.

도 16에 나타낸 "B" 및 "C" 공정에 대한 대안에서 또는 이의 조합에서, 완전한 T4 템퍼가 주어진 합금의 시료는 연이어 24h 동안 150 ℃에서 인공적으로 시효되었다. 이 절차 후의 최종 경도는 148 VHN이었다. 이 경우, 합금은 용액 처리되었고, 860 h동안 22 ℃에서 자연 시효된 후, 150 ℃에서 인공 시효되었다. 즉, 필요시, T4 템퍼링된 합금은 연이은 인공 시효에 의해 추가 강화될 수 있다.

도 17은 490 ℃로 설정된 로 내에서 15 분의 총 침지 시간으로 용액 처리되고, 그리고 연이어 150 ℃, 165 ℃ 및 177 ℃에서 침전 경화된 CA313 합금에 대한 침전 경화 반응을 나타낸다. 열처리에 대한 반응이 각 경우에 상이할지라도, 모든 합금들은 침전 경화에 대한 특징적인 강한 용량(capacity)을 보인다.

도 18은 500 ℃에서 15분의 총 침지 시간동안 용액 처리되고 그리고 177 ℃에서 냉수 퀀칭 및 시효된, Al-9.2Si-1.66Cu-0.83Fe-0.72Zn-0.14Mn-0.11Mg-(<0.1Ni,Cr,Ca)의 조성을 가지고 그리고 ~574°C의 고상선 온도를 가지는 합금에 대한 침전 경화 반응을 나타낸다. 도 15 및 16에 사용된 CA313 합금에 비해 감소된 구리 함량을 포함하는 이러한 합금 조성에 대하여, 시효 경화 공정은 선택된 공정 윈도우(process window) 내에서 여전히 효과적이다.

도 19는, 애즈-캐스트 상태, 본 발명의 공정에 따른 T4 상태, 또는 본 발명의 공정에 따른 T6 상태에서 시험된, 도 15에 대해 상세화된 것과 동일한 조성을 갖는 HPDC CA313 합금에 대한 피로 시험의 결과를 나타낸다. 시료들은 표 VII를 참조하여 설명된 평평한 시험 바(bar)들과 동일한 치수들이었고, 퀀칭 및 시효 전에 480 ℃에서 15 분의 총 침지 시간동안 용액 처리되었다. 피로 시험은 31 내지 310N 범위의 순환 부하(cyclic load)에서 3점 벤드 시험 리그(three point bend testing rig)로 실시되었다. 도 19에 나타낸 데이터는 5 이상의 개별 시험들의 평균에 대한 것이다. 이러한 부하 수준에서의 피로 수명은 T4 및 T6 템퍼들 모두에 대해 애즈-캐스트 상태에서보다 더 증가된다.

도 20은 애즈-캐스트 상태의 CA605 합금 및 CA313 합금의 조성에 대한 명세(specification) 내에 있는 합금들에 대응하는 알루미늄 합금들 및 본 발명에 따른 다양한 템퍼들로 열처리된 동일한 캐스팅 배치들로부터의 동일한 조성의 캐스팅들에 대한 인장 강도에 대한 0.2% 보증 응력의 플롯을 나타낸다. 각 데이터 점은 5-10 인장 시료들의 평균을 나타낸다. 애즈-캐스트 특성은 "A"로서 표지된다. 열처리된 데이터 점들은 상이한 템퍼들에 대한 것이며, 이들은 모두 본 발명에 따르고 "B" 표지된다.

도 21은 애즈-캐스트 합금 "A"에 비해 본 발명에 따른 많은 탬퍼들의 파손 변형 %에 대한 보증 응력의 플롯을 나타낸다. 일반적으로, 강도는 증가되고, 그리고 일부 경우에 연신율도 증가되었다.

본 발명의 공정은 알루미늄 HPDC 합금의 현재 조성 범위들로 제한되지 않는다. HPDC 합금에 대한 명세들의 조성 범위들은 나라마다 다르지만 대부분의 합금들이 동등하거나 일치하는 합금 조성을 갖는다. 인장 특성에 대한 합금 화학의 효과는 광범위한 9개의 상이한 합금들을 사용하여 조사되었으며, 이들 중 일부는 현재의 합금 명세들 내에 속하고 일부는 실험적 조성이다. 표 VIII-XVI에 나타낸 결과들은 애즈-캐스트 상태, 애즈-용액 처리 상태(as-solution treated condition)(본 발명에 따라 용액 처리되고 바로 시험됨) T4 템퍼(25 ℃에서 2주 자연 시효) 및 T6 템퍼(150 ℃에서 24h 시효)에 대해 나타낸다. 표 VIII 내지 XVI 모두에 대하여, 숏 인-게이트 속도는 82 m/s에서 일정하게 유지되었다.

또한, 표 VIII에, 애즈-용액 처리된 합금이 T6 합금과 동일한 기간동안 인공 시효 전에 스트레칭(stretching)에 의해 2% 냉각가공된(cold worked) T8 템퍼의 효과가 나타난다. 표 VIII에 대하여, 용액 처리로부터의 모든 퀀칭은 냉수 내에서 실시되었고, 합금이 65 ℃에서 고온수(hot water) 내로의 용액 처리로부터의 퀀칭을 따라 T6 템퍼로 시효되는 유념되는 바와 같은 예외를 갖는다. 표 III의 T8 템퍼는 강화와 같은 형성 작업이 합금의 가공동안 요구될 수 있는 가능성을 반영한다. 고온수 내로의 퀀칭 및 65 ℃에서와 같은 유지에 대해 제공된 예시는 Al-Si 계 캐스팅 합금들의 열처리에서의 일반적인 산업적 관행을 반영한다.

각 경우에 합금의 인장 특성에 대한 변화가 명백하다. 특징적으로 그리고 상당히 놀랍게도, 모든 상태의 애즈-용액 처리된 합금은 애즈-캐스트 합금의 연신율보다 2배 이상 효과적으로 나타난다. T4 템퍼에서 연신율은 애즈-캐스트 상태보다 특징적으로 높고, 합금의 0.2% 보증 응력 및 인장 강도는 향상된다. T6 템퍼에서, 연신율은 일반적으로 애즈-캐스트 상태보다 단지 약간 더 낮지만, 0.2 % 보증 응력 및 인장 강도는 크게 향상된다.

표 XVII는 통계적 다수의, 산업적으로 제조된 고압 다이-캐스팅에 본 발명이 적용됨에 따라 본 발명의 실행에 대한 감소를 나타낸다. 캐스팅들은 다음의 특성들을 갖는다:

캐스팅 A: 합금 CA313: 복잡한 부품, 얇은 벽, 일정한 두께 및 중량 약 54 g

캐스팅 B: 합금 CA313: 단순한 부품, 최대 두께 약 8 mm, 최소 두께 약 2 mm, 및 중량 약 49 g

캐스팅 C: 합금 CA313: 복합한 부품, 동일한 캐스팅 내의 얇은 섹션 및 두꺼운 섹션, 최대 두께 약 7 mm, 최소 두께 약 2 mm, 및 중량 약 430 g

캐스팅 D: 합금 CA605: 단순한 부품, 두꺼운 벽의 일정한 두께의 섹션들. 최대 두께 약 15 mm, 및 중량 약 550 g

캐스팅 E: 합금 CA605: D와 같지만 상이한 부품, 및 중량 약 515 g

캐스팅 F: 합금 CA605: 고도로 복합한 부품, 동일한 캐스팅 내의 다수의 두께 섹션들, 최소 벽 두께 약 1.4 mm, 최대 두께 약 15 mm.

합금 CA313은 Al-(7.5-9.5)Si-(3-4)Cu-<3Zn-<1.3Fe-<0.5Mn-<0.5Ni-<0.35Pb-<0.3Mg-<0.25Sn-<0.2Ti-<0.1Cr<0.2 다른 원소들의 명목상 명세를 갖지며; 반면에 합금 CA605는 Al-(9-10)Si-(0.7-1.1)Fe-<0.6Cu-(0.45-0.6Mg)-<0.5Ni-<0.5Zn-<0.15Sn-<0.25 다른 원소들의 명목상 명세를 갖는다는 것을 유념해야 한다.

캐스팅 A에서 F까지의 각각이 상이한 시간들에 제조됨에 따라, 조성이 이러한 주어진 범위들 내에서 변화하도록 예상된다.

캐스팅 A에서 F까지가 산업적 조건 하에서 모두 제조되었다. 모든 캐스팅들은 열처리 전에 x-선 조사되었다. A의 75 캐스팅들은, 고배율에서 정밀 조사시에 미세한 다공성이 여전히 관찰될 수 있었다고 하더라도, x-선 조사(inspection)에 의해 결정될 때 상대적으로 큰 다공성이 없었다. 그러나, 500 캐스팅 B 내지 F는 모두, 10 mm 치수까지의 크기의 미세하고 그리고 큰 다공성을 실질적 양으로 나타냈다. 이러한 다공성의 일례를 도 22에 나타내며, 열처리 전 X-선 조사된 캐스팅 E의 세트로부터의 캐스팅에 대한 것이다. 도 22는 직경 8mm인, 참조를 위한 원형 피처(circular feature)로 나타낸 볼트 홀(bolt hole) 내에 캐스트를 갖는 섹션이다. 방사선사진 내 어두운 대조 피처들은 다이-캐스팅 공정으로 생긴 다공성이다.

캐스팅 D 및 E는 금속의 얇은 층을 제거하고 거친 피니시를 만들기 위해 캐스팅의 표면이 숏 블라스팅되었던 상태에서 수용되었다(received).

각 부품에 대하여, 현재의 발명에 따른 공정 윈도우의 일반적인 결정에 따른 열처리 스케쥴이 조사되었고, 모든 부품들이 공기에서 T6 템퍼로 열처리된 후 공기 냉각되었다.

품질 조사에 기초한 각 부품에 대한 시각적 평가(visual rating)가 주어졌다. 이는 다음의 기준에 근거하였다: "완전(perfect)" 평가는 애즈-캐스트 표면 피니시와 같거나 또는 이보다 우수하게 보이고 블리스터링이 없고 치수 불안정성이 없는 부품들에 주어졌다.

"허용가능" 평가는 크기 약 1mm 이하이고 그리고 일반적으로 검출을 위해 상당한 정밀조사를 요구하는, 하나의 작은 표면 블리스터를 보이는 부품들에 주어졌다.

"거부" 평가는 하나의 큰 블리스터, 다수의 작은 블리스터들 또는 블리스터들의 클러스터(cluster)를 보이는 부품들에 주어졌다.

따라서, 열처리된 모든 부품들의 거의 89 %가 완전한 표면 피니시를 보였고 블리스터 또는 치수 불안정성이 없었고, 10 %는 검출하기 위해 정밀 조사해야 하는 하나의 작은 블리스터를 나타냈고, 1.4 %는 거부로 분류되도록 하는 큰 블리스터 또는 블리스터 클러스터를 보였다.

본 발명은 공지된 통상적인 공정들보다 다음의 주된 장점들을 갖는다. 통상적으로 제조된 HPDC 합금은 블리스터링의 발생으로 인해 열 처리가능한 것으로 알려져 있지 않다. 적용된 고도 진공 또는 반응성 가스의 사용에 의지하지 않고, 통상적인 HPDC로부터 제조된 시효 경화성 알루미늄 합금 캐스팅은, 온도에서의 시간이 본 명세서에 기재된 적당한 공정 파라미터들 내에 유지되면, 블리스터링 없이 적합하게 용액 처리될 수 있다. 이와 같이 캐스팅들은 자동차 및 다른 소비자 적용예들에 대해 시각적으로 건전할(sound) 수 있다. 캐스팅들의 합금은 애즈-캐스트 물질보다 실질적으로 더 우수한 특성을 생산하면서 침전 경화 또는 강화될 수 있다. 많은 예에서, T4 템퍼는 연성(ductility)을 개선한다. 기계적 특성에 대한 이러한 이점들은 또한 도 20 및 21에 요약되며, 이들은 애즈-캐스트 고압 다이-캐스팅들의 특성들에 비교되는, 본 발명에 의해 열처리된 고압 다이-캐스팅들에 대한 0.2% 보증 응력, 인장 강도 및 연신율 데이터를 나타낸다. 도 20 및 21에 나타낸 데이터는 현재 발명의 템퍼 변형에 의해 얻어질 수 있는 것들과 비교한 애즈-캐스트 인장 특성들 간의 차이를 나타낸다. 열처리된 템퍼들에 대하여, 블리스터링 및 연이은 열처리가 없는 다공질 고압 다이-캐스팅 합금들의 용액 처리 공정은 본 명세서에 기재된 열처리 절차들을 이용하여 실시된다.

또한, 본 발명은 캐스팅 합금으로서, 우수한 기계적 및/또는 화학적 및/또는 물리적 및/또는 처리 속성(processing attribute)을 발전시키기 위한 수단으로서 이전에 지정되거나 간주되지 않았던 시효-경화성 알루미늄 합금들에 적용될 수 있다.

본 발명은 또한, 우수한 기계적 및/또는 화학적 및/또는 물리적 속성들을 발전시키기 위한 수단으로서, 첨가가 처리 경로들 또는 침전 공정들을 변화시키는 미량 원소들이 첨가된 합금에 관한 것이다.

도 23 내지 32의 각각은 CA313 합금으로 만들어진 고압 다이 캐스팅에 관한 것이다. 캐스팅들은 250 미터톤(tonne) 로킹 힘(locking force), 숏 슬리브(shot sleeve) 내부 직경 50 mm 및 길이 400 mm를 갖는 Toshiba 수평 냉각-챔버 기계(horizontal cold-chamber machine) 상에서 26 m/s의 인-게이트 속도를 사용하여 제조되었다. 캐스팅은 원통형 인장 표본들이었고, 이들은 적용된 진공 또는 반응성 가스를 사용하지 않고 제조되었고, 일반적인 수준의 다공성을 포함하였다.

도 23 내지 26은 각각의 광학 현미경사진을 나타내고, 각각은 10 ㎛ 스케일 바(scale bar)로 도 23에 나타낸 것과 동일한 배율(magnification)이다. 도 23 및 24는 각각 가장자리 및 중심 영역들에서 찍은, 애즈 캐스트 상태의 캐스팅들의 일반적인 현미경사진을 나타낸다. 도 23 및 24는 이러한 영역들 간의 α-알루미늄 및 공융상(eutectic phase)의 일반적인 변화를 나타낸다. 도 25 및 26은 캐스팅이 490 ℃에서 15분의 기간(490 ℃로 가열되는 시간 포함)동안 용액처리된 후의 도 23 및 24와 동등한 캐스팅들의 현미경사진을 나타낸다. 가장자리 및 중심 영역들에서 각각 찍은 도 25 및 26은 이러한 짧은 용액 처리 시간으로 달성된 공융 규소의 놀라운 구상화(spheroidisation) 수준을 나타낸다.

도 27 및 28은 도 8에 나타낸 CA313 합금의 둥근 인장 표본들의 캐스팅들에 대해 490 ℃에서의 용액 처리 시간과 함께, 평균 규소 입자 면적(◆)의 변화, 및 규소 입자들의 수(＊)의 변화의 각각의 플롯을 나타낸다. 도 27에 대한 데이터는 캐스팅들의 가장자리 영역들에서 취해진 반면, 도 28에 대한 데이터는 중심 영역들에서 취해졌다. 도 27 및 28의 플롯들은 도 23 내지 26으로 나타낸 영역들 간의 미세구조 차의 결과로 상이하다. 플롯들 상의 각각의 데이터 점은 표준 면적 122063 ㎛²인, 관찰되는 다수의 필드들로부터의 고정된 영역들에서 취해졌다. 또한, 도 25 및 26와 일치하여, 도 27 및 28의 플롯들은, 장기간의 용액 처리 시간들에 비해 본 발명에 의해 요구된 짧은 용액 처리 시간 내에 달성된 규소 입자들의 면적 및 수의 실질적인 변화를 나타낸다. 도 27 및 28의 플롯들에 대하여, 상이한 상태들에서의 시험 시료들은 폴리싱 전에 동등한 시료들에 대해 정확히 동일한 위치에서 다이아몬드 톱니로 구분되었다.

도 23 내지 28의 데이터를 참조하여, 규소 입자들은 처음에는 용액 처리 동안 부서지는(fragment) 것으로 보이며, 더 큰 입자 수들과 함께 더 작은 평균 입자 면적이 얻어진다. 그리고나서, 입자들은 490 ℃의 선택된 용액 처리 온도에서, 약 20 분의 용액 처리 시간(온도로 가열 포함)에 성장 둔화와 함께 성장하였다. 이러한 CA313 캐스팅에 대하여, 본 발명에 따라 열처리되는 경우, 블리스터링은 20 분 용액 처리 시간(온도로 가열 포함)에 명백해지고 그리고 더 긴 용액 처리 시간에 점진적으로 더 허용불가능하게 되기 시작한다.

도 25 및 26에 의해 설명된 결과들 및 도 27 및 28에 의해 설명된 결과들은, Si 구상화가 그렇게 신속하게 일어날 것으로 예상되지 않을 것이므로 매우 놀랍다. 이것은 본 발명의 열처리 공정을 사용한 블리스터링의 회피가 규소의 신속한 구상화의 직접적인 결과라는 것을 제안하려는 것은 아니다. 그러나, 도 25 내지 28의 데이터는 용질 성분들의 완전한 용해 전에 용액 처리 온도에서 미세구조적 변화가 일어날 수 있는 속도를 강조하고, 동시에 블리스터링의 회피가, 일어나는 전체 변화들의 일부 측면에 기인할 수 있다는 것이 명백하다.

도 29 및 30은 애즈-캐스트 또는 T6 템퍼에서, 애즈 캐스트 및 열처리된 캐스팅의 후방산란된 주사 전자 현미경(SEM) 현미경사진이다. 도 29 및 30의 이미지에서, 밝은 상들은 구리(일례가 "A"로 표지됨) 및 철 함유 입자들(예들이 "B" 및 "C"로 표지됨)로 인한 콘트라스트(contrast)를 나타낸다. 규소는 알루미늄의 원자수에 대한 규소의 원자수의 근접(closeness) 때문에 보이지 않는다. 철 함유 입자들은 바늘("B" 표지된 예)로서 나타나거나 각 있는 피처들("C" 표지된 예)로 나타나며, 이들은 모두 구리 함유 입자들보다 덜 밝은 백색이다. 도 29 및 30의 비교는, 본 발명의 절차를 따라 실질적인 양의 구리 풍부 상(copper rich phase)이 본 발명의 용액 처리 단계 동안 용해된다는 것을 보여준다. 열처리 절차를 따르는 구리 풍부 입자들의 잔류물의 일례가 "D" 표지되고, 이의 작은 산재된(speckled) 입자들은 조성 분석에 의해 용해되지 않은 구리를 포함하는 것으로 밝혀졌다.

도 31은 [101]_α 에 가깝게 찍힌, CA313 합금 캐스팅의 애즈 캐스트 합금의 투과 전자 현미경(TEM) 이미지를 나타낸다. 이는 매우 적은 강화 θ' 침전을 보이도록 α-알루미늄 그레인들을 보여준다(침전의 방향이 화살표된다). 추가 분석은, 애즈-캐스트 상태의 일부 α-알루미늄 그레인들은 강화 침전이 명백히 완전히 없었다는 것을 밝혔다. 도 32는 본 발명에 따라 열처리된 후의 동등한 캐스팅의 [101]_α 에 가깝게 또한 찍힌 TEM 이미지이며, 이는 490 ℃에서 15 분동안 용액 열처리되었고, 냉수에서 퀀칭되었고, 이어서 150 ℃에서 피크 강도로 인공 시효 되었고, 강화 Θ' 침전의 크기 및 분포의 실질적인 변화를 보여준다.

마지막으로, 다양한 변경, 변화 및/또는 부가가 본 발명의 정신 또는 범위로부터 벗어나지 않고 앞서 설명된 부분들의 구성 및 배치 내에 도입될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims

다음의 단계들을 포함하는 시효-경화성 알루미늄 합금의, 애즈-캐스트 상태에서 블리스터 형성 다공성(blister forming porosity)을 보일 수 있는, 고압 다이 캐스팅으로 제조된 캐스팅의 열처리 방법:

(a) 상기 캐스팅을 용질 성분이 고용체 내에 취해질 수 있는 온도 범위로 그리고 그 범위 이내로 가열함으로써 상기 캐스팅을 용액 처리하는 단계;

(b) 상기 캐스팅을 100 ℃ 보다 낮은 온도로 퀀칭(quenching) 함으로써 상기 캐스팅을 냉각시켜 단계 (a)를 종료하는 단계; 및

(c) 자연 및/또는 인공 시효를 가능하게 하는 온도 범위 내에서 상기 캐스팅을 유지시킴으로써 상기 단계 (b) 후에 상기 캐스팅을 시효하는 단계,

여기서 상기 단계 (a)는 상기 캐스팅의 허용불가능한 블리스팅을 유발하는 캐스팅 내 공극들의 팽창 없이 시효-경화(age-hardening)를 가능하게 하는 용질 성분 용액의 수준을 달성하도록 실시됨.
다음의 단계를 포함하는 애즈-캐스트 상태에서 기상 다공성 또는 다른 다공성을 보일 수 있는 시효-경화성 알루미늄 합금의, 통상적인 고압 다이 캐스팅으로 제조된 캐스팅의 열처리 방법:

(a) 상기 다이 캐스팅을 용질 성분이 고용체 내에 취해지도록 허용하는 온도 범위로 그리고 그 범위 이내로 가열하는 (용액 처리) 단계, 여기서 상기 가열은:

(i) 상기 캐스팅의 합금의 고상선 용융 온도(solidus melting temperature) 보다 20 내지 150 ℃ 낮은 범위로 그리고 그 범위 이내로, 그리고

(ii) 30 분 미만의 기간동안 이루어지고;

(b) 상기 캐스팅을 0 ℃ 내지 100 ℃ 의 온도에서 유체 퀀칭제(quenchant) 내에 퀀칭함으로써 단계 (a)의 온도 범위로부터 상기 캐스팅을 냉각시키는 단계;

(c) 상기 캐스팅을 시효를 가능하게 하는 온도 범위 내에 유지시킴으로써 상기 단계 (b)로부터의 상기 퀀칭된 캐스팅을 시효하여 상기 합금의 경화 또는 강화를 보이는 시효-경화된 캐스팅을 제조하는 단계,

이로써 상기 시효-경화된 캐스팅의 블리스팅이 적어도 실질적으로 최소화되거나 또는 방지됨.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 단계 (c)의 시효는 0 ℃ 내지 45 ℃, 예를 들어 15 ℃ 내지 25 ℃와 같은 주변 온도에서의 자연 시효인 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 단계 (b)의 퀀칭은 단계 (c)의 강화에 적합한 온도인 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 단계 (c)의 시효는 인공 시효인 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 인공 시효는 상기 퀀칭된 캐스팅을 50 ℃ 내지 250 ℃ 범위 내의 하나 이상의 온도로 가열함으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 인공 시효는 상기 퀀칭된 캐스팅을 130 ℃ 내지 220 ℃의 온도 범위에서 가열함으로써 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 알루미늄 합금은 4.5 내지 20 wt%의 Si, 0.05 내지 5.5 wt%의 Cu, 0.1 내지 2.5 wt%의 Fe, 0.01 내지 1.5 wt%의 Mg, 선택적으로 Ni 1.5 wt% 이하, Mn 1 wt% 이하 및 Zn 3.5 wt% 이하, 그리고 알루미늄 및 부수적 불순물 잔량을 갖는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 항의 단계 (a)는 부분적으로 비-등온적으로(non-isothermally) 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

제 1 항의 단계 (a)는 실질적으로 완전히 비-등온적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,

단계 (a)의 일부는 실질적으로 등온적으로 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 8 항, 또는 제 8 항에 종속되는 경우의 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캐스팅은 단계 (a) 전에 100 ℃ 내지 350 ℃ 범위의 온도로 예비-가열되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계 (c)는 0 ℃ 내지 250 ℃ 범위에서, 예를 들어 15 ℃ 내지 25 ℃인 0 ℃ 내지 45 ℃ 또는, 예를 들어 130 ℃ 내지 220 ℃인 50 ℃ 내지 250 ℃와 같은 하나 이상의 온도 수준에서 실시되는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 단계 (c) 후의 캐스팅은 전체 T6 템퍼(full T6 temper)에 비해 덜 시효된 상태(underaged condition)에 있는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 단계 (c) 후의 캐스팅은 전체 T6 템퍼에 비해 피크 시효된 상태(peak aged condition)에 있는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 13 항에 있어서,

상기 단계 (c) 후의 캐스팅은 전체 T6 템퍼에 비해 과도 시효된 상태(overaged condition)에 있는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 캐스팅은 단계 (b) 내지 단계 (c)에서 냉간 가공되는(cold worked) 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계 (c)의 시효 온도로부터의 냉각은 퀀칭에 의한 것임을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계 (c)의 시효 온도로부터의 냉각은 공기 또는 다른 매질 중에서의 서냉(slowly cooling)에 의한 것임을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계 (c)를 따르는 캐스팅은 표면 블리스터가 없는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 단계 (c)를 따르는 캐스팅은 치수 변화가 없는 것을 특징으로 하는 캐스팅의 열처리 방법.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 열처리된 상태의 시효-경화성 알루미늄 합금의 고압 다이 캐스팅.