KR20170092201A - 경금속 특히 알루미늄 주물의 열처리 및 내부 응력 감소를위한 업힐 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복잡한 형상의 주물의 내부 응력을 효과적으로 제거하고, 대형물
(framework of series)을 저비용, 고효율로 열처리할 수 있는 것으로, 경금속 특히 알루미늄 주물의 열처리 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 각 주물은 어닐링 후 담금질하거나 주조 상태 하에서 담금질한 후, 서브제로 온도(low temperature)로 냉각한 후, 다시 대기압 하에서 물의 끓는 점보다 높은 온도의 염욕(salt melt)에서 고온으로 가열한다.

Description

경금속 특히 알루미늄 주물의 열처리 및 내부 응력 감소를위한 업힐 방법{UPHILL METHOD FOR THE HEAT TREATMENT AND REDUCTION OF INTERNAL STRESSES OF CAST PARTS PRODUCED FROM A LIGHT METAL MELT, ESPECIALLY AN ALUMINIUM MELT}

본 발명은 경금속 특히 알루미늄 주물의 열처리 방법에 관한 것이다.

실제 사용에 있어서, 경금속 주물 제품은 최대한 높은 강도(maximum strength)가 요구되며 매우 높은 응력을 받는다. 이는 실제 가동에 있어 지속적으로 증가하는 점화 압력 때문에 상당한 하중을 받는 내부 연소 기관의 알루미늄으로 제작된

실린더 헤드가 그러하다. 특히 디젤 엔진의 경우에는 더욱 그러하다.

경금속의 고강도는 주조 후 열처리될 수 있는 적당한 합금을 선택하면 얻을 수 있다. 예를 들면 열처리 가능한 알루미늄 합금에 있어 T6/T7 열처리에 의해 강도를 상당히 많이 증가시킬 수 있다. 주물을 용체화 처리한 후 수조 속에서 급냉하고 약간 방치하면 강도의 최대 증가를 얻을 수 있다.

그러나, 수냉(water quenching)의 장점은 특히 복잡한 형상의 담금질시 발생하는 높은 내부 응력이라는 중대한 단점에 직면하게 된다. 이러한 내부 응력은 담금질된 부품의 강도를 증가시키지만 이러한 강도는 내부 응력에 의해 야기되는 단점에

의해 상쇄되거나 단점이 더 크게 된다.

담금질과 연계된 단점을 치유하기 위해 티. 코우쳐(T. Coucher)에 의한 열처리(Heat Treating)/1983. 10월, 30쪽의 '알루미늄의 업힐 담금질 : 잘 알려진 공정의 재탄생'(Uphill quenching of aluminium: rebirth of a little-known process)에 의하면 담금질 후 주물을 온도가 약 -196℃인 액체 질소에 담근다. 그런 후 주물내의 온도 분포가 균일화될 때까지 저온에서 유지한다기존에 알려진 방법에 의하면, 온도 분포가 균일화 되자마자 저온의 부품을 갑자기 고온으로 업힐 담금질(Uphill Quenching) 한다. 업힐 담금질은 차가운 부품에 고온 증기를 고속으로 불어 날리거나 뜨거운 수조에 담금으로써 행한다.

고온으로의 업힐 담금질에 의해 주물의 담금질시 생긴 응력 분포(stress profile)의 평형이 이루어진다. 이런 효과는 담금질 동안 주물의 중심부로부터 바깥 방향으로 감소되는 온도 구배가 생기는 것에 의해 설명될 수 있다. 냉각에 의해 바깥 부

분이 수축하는 결과 주물의 중심부와 바깥 부분(edge layer) 사이에는 상당한 압축 응력이 발생한다.

만약 주물이 서브제로 온도(low temperature)로 냉각되고 갑자기 재가열되면 주물의 중심부는 차가움을 유지하는 데 반해 바깥 부분은 온도가 상승한다. 중심부가 바깥 부분의 팽창을 방해하기 때문에 주물의 바깥 부분은 담금질 결과 생긴 압

축 응력의 정반대 방향으로 압축 응력을 받게 된다. 서브제로 온도로 냉각 후 갑작스런 재가열 공정은 치수나 부품의 응력 측면에서 담금질과 정반대의 결과를 구성한다. 실제 시험은 기존에 업힐 담금질에 의해 생산된 주물은 단지 전통적인 담금질에 의해 생산된 주물에 비해 내부 응력이 개선됨을 보여준다.

그러나 이런 형태의 조작은 특히 대형물의 생산에 있어서는 덜 효과적이다는 것이 증명되었다.

상기의 종래 기술로부터, 본 발명의 목적은 복잡한 형상에 있어 특히 효과적으로 내부 응력이 제거된 주물을 생산하는 방법과, 동시에 대형물(framework of series)을 저비용, 고효율로 생산하는 방법을 개발하기 위한 것이다.

상기의 종래 기술로부터, 본 발명에 의하면 상기의 목적은, 경금속 특히 알루미늄 주물을 어닐링 후 담금질하거나 주조 열로부터 담금질한 후, 주물을 서브제로 온도로 냉각하고 다시 대기압에서 물의 끓는점 보다 높은 온도의 염욕(salt melt)에

담가 재가열 함으로써 달성할 수 있다.

본 발명은 염욕(salt melt)을 사용한 급가열(rapid heating) 방법을 사용함으로써 기존의 고온의 수증기에 의한 불충분한 업힐 담금질 효과를 개선할 수 있다는 아이디어에 기초하고 있다. 본 발명에 따른 염욕 사용의 장점은 염욕은 확실하게 대

기압 하에서 물의 끓는점 이상으로 가열할 수 있다는 것이다. 염욕은 어려움 없이 150℃나 그 이상으로 가열될 수 있다. 서브제로 온도와 염욕의 온도차를 가능한 크게 하기 위해 염욕은 250℃나 그 이상으로 가열될 수 있다.

업힐 담금질시 열전달 매체로서 염욕 사용의 또 다른 장점은 양 자간의 열전달이 기존 방식 즉 주물과 수증기 간의 열전달에 비해 매우 우수하다는 것이다. 게다가, 염욕은 매우 고온임에도 불구하고 수증기에 비해 대체로 온도 조절이 용이하다.

그 결과, 본 발명에 의한 염욕에서의 업힐 담금질의 경우 전체 열처리 공정의 성공 여부의 가장 근간이 되는 온도 구배 문제가 기존의 업힐 담금질에 비해 많이 개선되는 것이다. 높은 온도 구배는 담금질 후 존재하는 각 주물의 내부응력에 높은

보상을 한다.

따라서 본 발명에 의하면 저렴하면서 신뢰성 있는 주물을 열처리가 가능하다. 게다가 기존의 방법에 의한 것보다 개선된 물성을 얻을 수 있다. 본 발명에 의하면 경금속 특히 알루미늄을 사용하여 특히 복잡하고 미세한 형상의 부품을 고품질로

제작할 수 있다. 내연기관의 실린더 헤드가 그 예가 된다.

원리적으로는 본 발명은 각 주물이 어떤 방법으로 담금질 되었는지 불문하고 적용될 수 있다. 그러나 주물이 그 자체로 수냉되거나 또는 상대적으로 강력한 담금질제(Quenching Agent)를 사용한 경우에 특히 효과적이라는 것이 증명되었다.

담금질 후 주물이 냉각되는 서브제로 온도와 염욕에서의 업힐 담금질 온도간의 차이를 크게 하려면 서브제로 온도는 -180℃ 이하로 하는 것이 유리하다.

이는 담금질된 주물을 대기압 하에서 약 -196℃인 액체 질소에 담그면 된다.

본 발명의 좀 더 나은 구성은 상기에서 언급했다시피 냉각과 업힐 담금질간의 온도 차의 효과를 크게 하기 위하여 염욕의 온도를 적어도 150℃나 특히 250℃까지 제공할 수 있다는 것이다.신뢰성 있게 고온의 염욕을 제작하고 주물과 염욕 간에 균일하게 높은 열전도를 보장하기 위해 본 발명에 사용되는 염욕의염 농도는 바람직하게는 적어도 98중량%이다. 염으로서 사용되는 것은 질산염(nitrates) 그리고/또는 크롬산염(chromates) 특히, NaNO₃, KNO₃, Na₂CrO₄와 같은 알칼리금속 질산염과 크롬산염, 알칼리토금속 질산염과 크롬산염이다.

본 발명의 효과는 AlSi7MgCu0.5 알루미늄 합금으로부터 실린더 헤드를 주조하는 실제 시험을 통해 확실해진다.

실린더 헤드를 520℃에서 어닐링한 후 약 60℃로 수냉한다. 대기중에 잠시 방치한 후 -196℃의 액체 질소에서 냉각시킨다. 냉각은 실린더 헤드내의 온도 분포가 균일하게 될 때까지 한다. 이런 상태가 되자마자 갑자기 약 240℃로 가열한다.

이를 위해, 실린더 헤드를 NaNO₃ 52중량%, KNO₃46.4중량%, NO₂1.3중량%, Na₂CrO₄0.24중량%로 된 250℃ 이상의 염욕에 담궜다. 첫 번째로는 업힐 담금질된 실린더 헤드를 수냉시켜 상온으로 냉각했다. 수세함으로서 실린더 헤드표면에 부착된 염 잔류물은 모두 깨끗하게 씻어졌다. 두 번째로는 공냉으로 상온까지 냉각시켰다.

과제의 해결수단에 포함됨.

도1은 본 발명에 의한 열처리 중 주물의 시간에 대한 온도 변화를 나타내는다.
도2는 본 발명에 의한 방법의 성공을 보여주는 것이다.

그림에서 업힐 담금질 후 수냉한 것은 '업힐(uphill)+물(water)'로, 공냉한 것은 ‘업힐(uphill)+공기(air)’로 표기되어 있다.

본 발명의 이러한 조작에 의해 실린더 헤드의 내부 응력은 기존의 어닐링 후 수냉이 아닌 상대적으로 냉각 속도가 낮은 공냉에 의해 얻어지는 정도까지로 줄어들 수 있다.

어닐링 후 공냉하면 내부응력이 단지 21㎫이다. 이 수치는 도2에 '공기(air)'로 표기되어 있다. 그러나, 어닐링 후 공냉시킨부품은 너무 작은 강도를 가지게 된다. 어닐링 후 업힐 담금질하지 않고 기존 방식대로 60℃로 수냉시킨 경우, 실린더 헤드의 내부응력은 103㎫이다. 이는 도2에 ‘물60(water60)'으로 표기되어 있다. 반면에 본 발명에 따라 물속에서 담금질한 후 240℃로 업힐 담금질하고 수냉시킨 경우의 내부 응력은 42㎫(도2에 '업힐(uphill)+물(water)"로 표기)이다. 업힐 담금질

후 공냉으로 서냉한 경우(도2에 ‘업힐(uphill)+공기(air)’)에는 좀 더 나은 결과를 얻었다. 본 발명에 따른 열처리를 한 실린더 헤드의 경우 주물의 고강도를 유지하면서도 순수하게 공냉한 경우보다 단지 6㎫ 큰 27㎫를 얻을 수 있다.

따라서 본 발명에 의하면 실제 공정에서 허용될 수 있는 높은 내부 응력 없이, 주물의 강도를 증가시키기 위한 높은 냉각속도의 담금질의 장점을 이용할 수 있다. 내부 응력이 최소화되고 고강도를 가진 부품을 생산할 수 있게 되었다.

도면의 간단한 설명에 중복됨.

Claims (10)

1. 경금속 특히 알루미늄 주물을,어닐링 후 담금질 하거나 주조 열하에서 담금질하고,
   담금질 후 서브제로 온도(low temperature)로 냉각하고, 대기압 하에서 물의 끓는점 보다 높은 온도의 염욕(salt melt)에서 갑자기 가열하는 열처리 방법.
2. 제1항에 있어서,
   주물을 담금질함에 있어 물을 사용하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   서브제로 온도는 -180℃ 이하인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   주물을 서브제로 온도로 냉각함에 있어 액체 질소에 담그는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   주물의 중심부 온도가 서브제로 온도와 같아질 때까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   염욕은 적어도 150℃까지 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
7. 제6항에 있어서,
   염욕은 적어도 250℃까지 가열하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
   염욕의 염 농도는 적어도 98 중량%인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.청구항 9.
   제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 염으로서 질산염 그리고/또는 크롬산염 특히, NaNO₃, KNO₃, Na₂CrO₄와 같은 알칼리 금속 질산염과 크롬산염 또는
   알칼리토금속 질산염 또는 크롬산염을 사용하는 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
9. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
   주물은 실린더 헤드(cylinder head)인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    주물은 모터 장치(motor units)인 것을 특징으로 하는 열처리 방법.

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