KR20220086826A - 알루미늄 합금 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 제조 공정의 열처리 단계 및 냉각 단계를 제어하여 기계적 물성이 우수한 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다. 구체적으로 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 500~560℃까지 가열하는 승온단계; 상기 승온된 알루미늄 합금을 5~7시간 동안 유지하는 용체화 단계; 상기 용체화된 알루미늄 합금을 15초~1분간 냉각하는 냉각 단계; 및 상기 냉각된 알루미늄 합금을 140~180℃에서 2.5~4시간 동안 시효경화하는 시효단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 따라 제조된 알루미늄 합금은 용체화 시간을 단축하여 연신율을 확보하고, 용체화 처리로와 냉각 수조 사이 팔레트 하강 속도, 로와 수조 사이 거리를 냉각 시간을 상대적으로 연장하여 잔열을 통한 강도를 보강함에 따라 기계적 물성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.

Description

알루미늄 합금 제조방법 {Method for manufacturing of Aluminum alloy}

본 발명은 알루미늄 합금의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 알루미늄 합금 제조 공정의 열처리 단계 및 냉각 단계를 제어하여 기계적 물성이 우수한 알루미늄 합금을 제조하는 방법에 관한 것이다.

알루미늄(Al)은 주조가 용이하며 다른 금속과 합금되어 상온 및 고온가공이 용이하며, 대기중에서 내식력이 강하고 전기 및 열의 전도성이 좋아 산업 전반에서 널리 사용되고 있다.

금속 또는 합금에 요구되는 성질인 강도, 경도, 내마모성, 내충격성 및 가공성 등의 제반 성능을 부여하기 위한 목적으로 승온과 냉각의 조작을 여러 가지로 조합시키는 열처리가 사용되고 있으며, 상기 열처리는 금속 또는 합금의 재결정, 원자의 확산 및 상변태(相變態) 등을 이용한다.

즉, 이러한 열처리는 일반적으로 금속 재료의 강도나 경도를 증가시키거나, 내부 응력을 제거하는 등의 목적으로 사용되며, 열을 가하거나 냉각하는 온도와 시간 및 속도 등을 조절함으로써 재료의 성질을 개선하거나 특별한 성질을 부여하게 되며, 담금질(Quenching), 뜨임(Tempering), 풀림(Annealing) 및 불림(Nomalizing) 등의 열처리 방법들이 있다

특히, 알루미늄은 매우 가볍고 가공성과 내식성이 우수하고 열, 전기 전도성 등이 우수한 특징이 있으나, 다른 금속에 비하여 상대적으로 강도가 약하여 순수금속으로는 사용하기가 매우 어렵기 때문에 용도에 따라 합금 처리하여 사용하거나 또는 일부 합금 처리된 알루미늄의 경우 열처리를 통하여 강도 및 경도를 높이거나 응력을 경감 또는 제거하기도 한다. 일반적으로 알루미늄 합금은 강화상 성분을 가지고 있으므로 열처리를 통해 강도 및 경도의 향상 및 응력의 제거등 물성향상이 가능하지만, 공법에 따라 결함이 발생할 수 있다.

일반적인 작동환경에서는 이러한 결함은 미세하여 큰 영향을 끼치지 못하지만 열처리 등으로 인해 온도가 상승할 경우 결함이 부각 또는 발생하는 문제점이 있다. 이러한 열처리 과정에서 발생하는 결함 방지 및 물성 향상을 위하여 대한민국 공개특허 제10-2018-0069268호와 같이 열처리 장치의 구조적 설계를 개선하는 연구가 지속되고 있다.

또한 장치적 특성 외 알루미늄 합금의 열처리 온도 및 이후 공정은 합금의 물성, 특히 강도와 연신율에 영향을 미치는 바 열처리 단계 및 시효경화 단계의 조건도 중요하므로 기계적 물성 수치를 만족시키는 공법상 조건, 이를 확보하는 알루미늄 합금 제조방법에 대한 필요성이 부각되고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2018-0069268호

본 발명은 상기와 같은 필요에 따라, 열처리 및 시효조건을 제어한 알루미늄 합금 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 상기 알루미늄 합금 제조방법에 따라 제조된 알루미늄 합금을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 500~560℃까지 가열하는 승온단계;

상기 승온된 알루미늄 합금을 5~7시간 동안 유지하는 용체화 단계;

상기 용체화된 알루미늄 합금을 15초~1분간 냉각하는 냉각 단계; 및

상기 냉각된 알루미늄 합금을 140~180℃에서 2.5~4시간 동안 시효경화하는 시효단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.

상기 알루미늄 합금은 Sr을 포함할 수 있다.

상기 냉각 단계는 15초 ~ 1분간 진행될 수 있다.

상기 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

본 발명의 알루미늄 합금 제조방법에 따라 제조된 알루미늄 합금을 제공한다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 제조방법 및 이에 따라 제조된 알루미늄 합금은 용체화 시간을 단축하여 연신율을 확보하고, 용체화 처리로와 냉각 수조 사이 팔레트 하강 속도, 로와 수조 사이 거리를 냉각 시간을 상대적으로 연장하여 잔열을 통한 강도를 보강함에 따라 기계적 물성이 우수한 알루미늄 합금을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면에 따르면,알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 500~560℃까지 가열하는 승온단계; 상기 승온된 알루미늄 합금을 5~7시간 동안 유지하는 용체화 단계; 상기 용체화된 알루미늄 합금을 15초~1분간 냉각하는 냉각 단계; 및 상기 냉각된 알루미늄 합금을 140~180℃에서 2.5~4시간 동안 시효경화하는 시효단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법을 제공한다.

열처리 공정 중 T6 방법은 열처리 알루미늄 합금에 사용되는 대표적인 열처리 방법으로, 용체화 처리로 용해시킨 화합물을 석출함으로 경도와 기계적 강도를 향상시키기 위하여 사용된다.

혼합되는 금속의 종류 및 양과 사용되는 부품의 형상 별로 상이하기는 하지만, T6 열처리 공정은 알루미늄 합금을 용체화(Solution Treatment) 처리를 하고, 상온의 물 등에서 ??칭(Quenching)을 하고, 다시 시효(Aging) 처리를 하는 단계를 거쳐 알루미늄 합금의 강도 및 경도 등을 향상한다.

본 발명의 알루미늄 합금 제조방법은 승온 및 용체화 단계에 있어서, 종래 열처리 시간과 비교하여 상대적으로 단축된 시간동안 열처리를 진행한다. 용체화 처리 효과가 높아지면 강도 강화 기대치는 높아지나 연신율의 기대치는 낮아지고, 용체화 처리 효과가 낮아지면 강도 강화 기대치는 낮아지나 연신율 기대치는 높아진다. 이에 본 발명은 용체화 시간을 일정 시간으로 단축하여 상대적으로 연신율이 낮아지는 문제를 해결하고자 한다.

용체화된 알루미늄 합금은 수냉 또는 공냉으로 냉각 단계를 거친다. 용체화된 알루미늄 합금을 고온의 유체 또는 분무된 물 등으로 냉각할 수 있다. 용체화 단계를 거친 고온의 알루미늄 합금을 상온의 액체 상태인 물을 이용하여 냉각하거나 미세한 액적과 같은 분무상태의 물을 이용하여 냉각, 또는 공기 중 냉각할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 냉각 단계는 15초~1분간 냉각하는 점에 특징이 있다. 용체화 처리 로와 냉각 수조 사이의 거리, 합금 팔레트의 이동 속도를 조절하여 냉각의 시간을 제어할 수 있다. 종래 급랭조건과 달리 상대적으로 상당 시간에 거쳐 냉각을 진행함에 따라 잔열을 통한 강도 확보가 가능하다. 용체화 시간의 단축하나 냉각 시간을 증가시켜 제조된 알루미늄 합금이 일정 강도를 확보함과 동시에 연신율도 확보하도록 하는 효과가 있다.

본 발명 알루미늄 합금 제조방법의 시효단계는 알루미늄 합금을 140~180℃에서 2.5~4시간 동안 시효경화하는 것을 특징으로 한다. 시효경화의 처리 변수인 온도와 시간을 제어하여 기계적 강도, 특히 연신율을 조절할 수 있다.

알루미늄 합금이 적용되는 부품에 따라 두께의 편차 및 형상 등의 차이가 존재하기 때문에, 본 발명에 따른 열처리 및 시효단계 진행 시 부품의 전체 온도를 전반적으로 측정하여 계속적으로 확인할 필요가 있으므로 써모 커플 등을 이용하여 온도 범위 및 시간 등을 정확하게 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 알루미늄 제조방법은 크게 용체화처리, 시효처리 단계를 포함하고, 각각 전용 로와 냉각 수조를 포함하여 하나의 장치를 구성할 수 있다. 각 장치에서 발생하는 온도는 DAQ 모듈로 수집하여 모니터링할 수 있고, 온도 컨트롤러의 조정 작업을 통해 온도를 균질화하여 열처리 기준을 충족시키도록 설계함이 바람직하다.

이와 같이, 종래보다 개선된 열처리 공정을 통하여, 기존에 열처리로 확보하기 어려웠던 중강도 및 고연성 알루미늄 합금을 얻을 수 있고, 각 공정 단계의 조건을 조절함에 따라 그 정도를 제어할 수 있다.

또한 본 발명의 제조방법에 이용되는 알루미늄 합금은 Sr을 포함할 수 있다. 냉각속도를 증가함과 동시에 Sr을 50~200ppm 함량으로 첨가하여 연신율을 향상할 수 있다. 냉각속도가 증가할수록 연신율(Elongation, EL) 및 최대인장강도(Ultimate Tensile Strength, UST)는 모두 증가함을 확인할 수 있었다. Sr 함량을 50ppm 수준으로 제한한 A356.2+50ppm Sr 합금이 모든 냉각속도에서 전반적으로 가장 우수한 인장강도 및 연신율 특성 확보에 유리한 것으로 확인되었고, 항복강도(Yield Strength, YS)는 냉각속도가 낮을 경우 냉각속도 의존도가 낮았으며, 냉각속도 증가 시 그 값이 소폭 증가하는 것으로 확인할 수 있었다.

본 발명에 따른 제조방법은 합금의 성분에 따라 냉각시간을 제어하고, 이를 통해 강도 및 연신율을 조절하여 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있는 점에서 우수하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 한편, 해당 기술분야의 통상적인 지식을 가진자로부터 용이하게 알 수 있는 구성과 그에 대한 작용 및 효과에 대한 도시 및 상세한 설명은 간략히 하거나 생략하고 본 발명과 관련된 부분들을 중심으로 상세히 설명하도록 한다.

<실시예>

용체화 처리 및 시효처리의 최적화 조건을 설정하기 위하여 용체화 온도 또는 시효 온도를 조정하였다.

비교기준 설정을 위해 소형 로에서 A356.2 합금에 대하여 열처리 온도의 편차를 ±5℃ 이내로 최소화하면서 용체화처리 535℃에서 8시간 수행 후 155℃에서 시간을 달리하여 시효처리를 수행하여 시효시간에 따른 석출경화현상을 확인하여 피크 도달 시간을 확인하였다.

마이크로 비커스 경도 시험기를 이용하여 0.05kg의 하중 하에 시효시간별 기지경도를 측정한 결과 약 4시간 부근에서 피크(peak) 경도에 도달하는 것으로 확인하였다.

용체화 온도의 편차를 고려하여 용체화 온도가 기준대비 20°C 낮은 515℃인 경우 시효 후 기지경도값의 변화가 크지 않았으나, 20°C 높은 555℃인 경우 경도값이 크게 감소하는 것으로 확인됨.

실제로 용체화 온도가 최대 상한치 555℃까지 올라가면 556-561℃의 낮은 융점을 갖는 π-Al8FeMg3Si6, Mg2Si 이차상의 경우 incipient melting이 발생하여 결함 생성에 따른 기지조직의 물성저하가 급격하게 발생한 것으로 판단되었다

용체화조건을 고정하고 시효온도를 변화시키는 경우, 시효온도가 155~175℃ 범위의 경우 기지 경도의 차이가 크지 않지만, 시효온도가 최대 하한치 135℃로 떨어지면 4시간동안 시효처리를 해도 기지경도가 크게 증가하지 않는 것으로 확인되었다. 이는 135℃와 같은 저온 시효조건에서는 Mg계 준안정 석출상(β＂-Mg2Si 또는 β＇-Mg2Si)으로 성장하는 속도가 느려서 4시간 시효에 의해서는 기지강화를 위한 계면의 정합이 완전히 이루지지 못하기 때문이라 판단될 수 있다.

이에 따라 이하 열처리 및 용체화 온도는 535℃, 시효 처리 온도는 155℃로 설정하여 진행하였다.

실시예

A356.2 소재(하기 표 1 참고)를 적용하여 열처리, 냉각 및 시효과정을 실시하였다. 열처리(Solution heat treatment) 단계는 535℃에서 6시간동안 이루어졌고, 이후 시효 처리(Aging treatment)는 155℃에서 2.5시간동안 이루어졌다. 나아가 X-ray inspection을 진행하였다.

A356.2	기준
Si	7~10
Fe	0~0.8
Cu	2~4
Mn	0~0.5
Mg	0~0.5
Cr	0~0.2
Ni	0~0.35
An	0~1
Sn	0~0.1
Ti	0~0.2
Pb	0~0.2
Na	-
Ca	-
Cd	-
Sr	~250ppm

비교예 1

실시예와 동일하게 수행하되, 시효처리의 시간을 2.5시간 미만으로 제어하고 X-ray inspection을 미진행하였다.

비교예 2

실시예와 동일하게 수행하되, 시효처리의 시간을 4시간으로 진행하고 X-ray inspection을 미진행하였다.

비교예 3

실시예와 동일하게 수행하되, 시효처리의 시간을 4시간으로 수행하였다.

비교예 4

실시예와 동일하게 수행하되, 열처리 시간을 8시간으로 하고, X-ray inspection을 미진행하였다.

실시예, 비교예 1 내지 4의 공정 조건을 하기 표 2에 나타내었다.

	열처리(535℃)	시효처리(155℃)	X-ray inspection
실시예	6h	2.5h	Yes
비교예1	6h	2.5h↓	No
비교예2	6h	4h	No
비교예3	6h	4h	Yes
비교예4	8h	4h	No

<결과 및 평가>

실시예, 비교예 1 내지 4에 따른 시편의 기계적 물성을 하기 표 3에 나타내었다.

	No.	T/S(MPa)	Y/S(MPa)	EL(%)
실시예	1	276	175	24
	2	263	159	16
	3	266	166	16
	4	280	170	19
	5	266	199	17
	6	277	200	15
비교예 1	1	253	135	17
	2	239	135	9
	3	245	138	11
	4	261	139	17
	5	246	132	12
	6	237	135	9
비교예 2	1	271	165	13
	2	259	156	14
	3	272	169	12
	4	267	163	14
	5	284	177	11
	6	263	171	10
비교예 3	1	285	233	24
	2	303	214	16
	3	290	210	16
	4	288	216	19
	5	300	223	17
	6	291	253	15
비교예 4	1	289	206	10
	2	293	211	17
	3	254	208	7
	4	287	205	11
	5	285	209	9
	6	301	212	14

표 3을 참고하여 설명하면, 본 발명에 따른 실시예는 비교예 4와 비교하여 용체화 시간을 단축함에 따라 상대적인 강도는 감소하였으나, 기준으로 요구되는 인장강도 240MPa 이상을 확보함을 확인하였다. 용체화 시간을 감소하였으나 냉각 시간을 증가하여 잔열을 이용하여 강도를 향상하고, 상대적으로 연신율도 높게 확보함을 확인할 수 있었다.본 발명의 제조방법에 따른 알루미늄 합금은 용체화 시간을 단축하여 연신율을 확보하고, 냉각시간을 상대적으로 늘려 잔열에 따른 강도를 확보하며, 냉각시간을 제어하고 Sr을 포함하여 연신율이 우수한 점에 특징이 있다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 알루미늄 합금 조성물을 이용하여 제조된 알루미늄 합금을 500~560℃까지 가열하는 승온단계;
   상기 승온된 알루미늄 합금을 5~7시간 동안 유지하는 용체화 단계;
   상기 용체화된 알루미늄 합금을 15초~1분간 냉각하는 냉각 단계; 및
   상기 냉각된 알루미늄 합금을 140~180℃에서 2.5~4시간 동안 시효경화하는 시효단계;를 포함하는 알루미늄 합금 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은 Sr을 포함하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금 제조방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각은 수냉 또는 공냉인 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금 제조방법.
4. 제 1 항에 따른 알루미늄 합금 제조방법에 따라 제조된, 알루미늄 합금.