KR900002197B1 - 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법 - Google Patents
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Description
본 발명은 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법에 관한 것이다. 특히 이 방법은 전기도선용 알루미늄에 적용할 수 있다. 즉, 이 알루미늄은 최대 전기저항이 32.8mΩx mm2/m인 와이어로 처리될 수 있다. 비록 이러한 알루미늄의 유형은 한정되어 있지는 않지만, 석출을 위한 합금 원소로서 무게비로 측정하여 마그네슘 0.3-0.9%, 실리콘 0.25-0.75%, 철 0-0.60%, 그외 나머지는 알루미늄과 불순물(0.05%보다 적은 양의 원소들)을 함유하고 있다. 알려진대로, 선재는 다음 단계의 인발 또는 압연용 기초제품인데, 인발과 압연에 의해 알루미늄 와이어의 단면적은 감소한다. 선재는 일반적으로 직경이 5-20mm이나 대부분이 7-12mm이고, 인장강도는 대부분이 인발에 의해 얻어진 최종제품(와이어)의 인장강도보다 작다.
예로, 상기 전기도선용 알루미늄의 인장강도는 250N/mm2이하이고, 어떤 경우에도 300N/mm2보다 작다. 잘 알려진대로 인발 후 이 와이어는 시효처리되고, 이때 아직 고용체로 남아있던 합금원소들의 석출이 생긴다. 그리고 이 시효처리는 와이어의 기계 및 전기적 특성을 향상시킨다.
알루미늄 선재의 통상적 제조 방법은 제 1 열간압연단계를 포함하는데, 이 단계에서 선재로 코일을 형성하고, 이어서 불연속 용체화 처리 및 열간압연으로 얻은 코일을 담금질 처리하는 것이다. 만약 이와같이 하지않으면, 이 코일을 압연후 단지 냉각만 시킬때, 합금원소가 석출되어 다음의 시효처리에 필요한 고용된 합금 원소들이 존재하지 않는 결과를 가져온다. 이러한 점때문에 이 원소들은 압연후 다시 고용되고, 즉시 이어지는 담금질 처리후 강제적으로 과포화 고용체로 남아있게 된다.
이 용체화 처리는 열-에너지(heating-energy)의 관점에서 비경제적이며, 뿐만아니라 제조가 불연속 방법으로 이루어지게 한다. 바로 이런 이유 때문에 고용된 합금원소들의 양을 최대한 유지하고, 과포화 고용된 합금원소들을 유지하기 위해서 즉시 연속방법으로 압연기의 출구 아래에서 담금질 온도까지 선재를 담금질 하려고 가능한한 높은 오도에서 상기 제 1 열간압연단계를 끝마치도록 이전부터 제안되어 왔다.
이러한 담금질온도에서 원자의 이동성은 매우 느려서, 금속학적 구조는 실제있는 그대로의 상태(시효현상은 제외)로 고정된다. 즉, 과포화 고용체로 남아있는 합금원소들은 과포화 고용체로 남을 것이며, 석출물들과 전위들은 변하지 않는다. 주어진 합금에는 "담금질온도"의 범위때문에, 결과적으로 엄격히 그리고 절대적으로 한정되어 있지않은 상한을 갖는다. 이 상한은 알루미늄 처리의 연속방법 중 중대한 순서가 행해지는 1분동안, 금속학적 구조의 실제적변화를 일으키지 않는 원자들의 충분한 부동성에 의해 결정된다. 각 합금의 형태에 대한 적당한 최대 상한은 이 기술에 숙련된 사람들에 의해 충분히 알려져 있다. 상기 전기도선용 알루미늄 합금의 최대 담금질온도는 260℃로 주어질 수 있으나, 이 상한은 절대적인 한계가 아니다.
고용된 합금원소들이 최대량을 유지하도록 하기위해 가능한한 높은 온도에서 끝내며, 금속이 소성가공되어지는 동안 담금질을 수반하며, 그리고 열간가공하기 위하여 최대 담금질온도 한계와 최저 담금질 온도 한계 사이의 온도범위를 지나는 동안 이금속을 소성가공하는 제 1 열간압연단계를 사용하는 것이 제안되어 왔다. 담금질을 하였음에도 불구하고, 고용된 합금 원소들이 이와 같은 가공열처리 동안에 석출하는 것을 관찰할 수 있었다. 다음의 시효처리에 필요한 고용된 합금 원소의 양은 기대치보다 훨씬 적은데, 이것이 결점으로 생각된다. 그러나 석출이 부분적 또는 전체적으로 일어남에 따라, 다음 단계인 인발후 부분적으로 또는 전면적으로 시효처리의 필요성이 제거된 바로 그런 종류의 선재가 얻어진다는 것이 관찰되었다. 따라서 예상된 결점은 존재하지 않았으며, 그러한 선재로부터 인발된 와이어의 기계적, 전기적 특성에 필요한 요건에 좀더 쉽게 부응하는 성질을 가진 선재를 얻을 수 있었다. 더군다나 비경제적인 용체화 처리 단계를 피하였으며, 연속 제조방법이 얻어졌다.
본 발명의 목적은 동일한 잇점을 가지며, 인장강도, 연신율, 전기전도도의 바람직한 조성을 얻기위해 방법의 매개 변수로서 특별한 자유도를 사용하는 이 후자의 방법에 대하여 다른 방도를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 제조방법은 상기 알루미늄 선재(연속봉)(예로, 압연기를 지나 부분적으로 냉각된 상태, 도는 연속 주조휘일(wheel)이나 압출 프레스를 지난것)를 담금질 온도까지 연속 방법으로 담금질하는, 제 1 차 단순열처리 단계(열처리와 동시에 소성가공 하는 것이 아님)를 포함하고, 위에서 결정되어진대로 그것에 의하여 과포화 고용된 합금 원소들이 회복된 구조(restored structure)가 되도록 한다.
"회복된 구조"란 소성가공에 의해 길어진 결정들이 열의 영향을 받고 있는 상태에서 어느정도 등방형구조롤 재구성 되는 금속학적 구조를 말하는데, 이 구조는 열간가공 후에 얻어진다. 과포화 고용된 합금원소들의 최소량은, 예를들어, 용체화 처리 온도에서 석출 가능한 원소들의 적어도 30%가 필요하다. 따라서 이 목적을 이루기위해 담금질은 충분히 빠르고, 높은 온도에서 부터 시작된다.
그런데, 본 발명에 따르는 석출경화형 알루미늄 선재의 제조방법에 있어서, 제 1 차 단순 열처리된 알루미늄 선재를 시효온도에서 소성가공하고 이를 다음 가공하기전에 다시 시효처리하는 제 2 차 가공열처리 단계를 특징으로 한다.
"시효온도"는 앞에서 결정되어진 대로, 최대 담금질온도와 같은 상한의 온도범위내에 있는 온도이며, 그리고 시효온도의 하한은 아래에서 결정되는 바와 같이, 최소시효 온도이다.
따라서, 시효온도란, 어느 시간이 지나서 일어나는 시효현상은 제외하고, 연속방법의 기간, 즉 1분동안의 기간보다 더 오랜동안 원자들이 움직이지않는 온도이다. 그런데 이구조가 시효온도에서 소성가공될때, 그러한 가공 및 다음의 시효처리 동안에 합금원소들의 석출이 금속학적 구조를 형성하고, 냉간가공후의 와이어의 금속학적 구조는 매우 양질의 와이어임을 나타내며 그리고 여전히 과포화 고용된 합금원소가 남아 있으므로 부분적으로나 전면적으로 와이어 인발 후 시효처리의 필요성을 없애준다. 시효온도에서의 이와 같은 소성가공은 단면적을 감소시키는 압연이 주로 이용되고 있다.
주어진 알루미늄 합금에 관하여, 시효온도의 하한은 아래에서 결정되어질 것이다. 주어진 조성의 알루미늄 합금은 냉각상태에 있는 것이 아니라 용체화 처리 및 담금질 온도에 도달할때까지 담금질함으로써 과포화된 상태의 합금원소를 포함하고 있는 것인데, 그러한 알루미늄 합금이 시효처리되면 최초에는 인장강도를 최대치까지 올리다가 마지막에 떨어지는 것을 나타낼 것이다. 이것은 시효처리동안 합금원소들이 석출하는 반면에 기존 석출물들이 응집하기때문이다.
제 1 차 효과는 인장 강도를 높이는데 이것은 최초에 현저하고, 한편 제 2 차 효과 동안에는 인장 강도가 떨어지는데 이것은 마지막에 현저하게 나타난다. 과포화 고용된 필요한 합금원소들을 갖는 알루미늄 합금의 시효온도의 하한은 이 알루미늄의 냉간가공 되지않은 상태(냉간 가공된 구조는 냉간가공된 구조의 연화 때문에 인장강도의 최대치에서 더 빨리 도달함)에서 3일후 그것의 최대 인장강도에 도달하는 온도이다. 상기 도선용 알루미늄의 하한 온도는 약 130℃이다.
본 발명의 제조방법에 있어서 중요한 점은, 제 1 차단순열처리단계의 담금질 처리후 즉시 제 2 차가공열처리단계를 실행하는 것이며(일정한 시간동안 처리없이 중간생성물이 생길때 구조의 변화를 방지하기 위하여), 결과적으로 제 1 차단계와 함께 동일연속처리를 실시한다. 이목적을 위하여, 시효온도에 도달할때까지 제 1 단계의 담금질처리를 우선 실시하여 중간 가열없이 제 2 단계를 시작할 수 있다.
시효온도에서 상기의 소성가공단계 다음의 시효 처리는 선재를 대기로 자연냉각하는 것과같은 그러한 일을 하는 장치의 출구에서 직접 행해질 수 있다. 그리고 이것은 아직 과포화 고용되어 남아있던 합금원소들의 전체적 또는 부분적 석출을 일으킨다. 시효처리는 상당부분이, 예로 담금질후 석출될 수 있는 원소들 양의 반가량이, 그러한 시효처리동안 실제로 설출될때 생긴다고 말할 수 있다.
그런데, 와이어 인발후 시효처리의 모든 필요성을 없애고, 선재의 제조후 선재의 특성이 모든 변화를 없애기 위하여 주로 합금원소들의 전체적 석출이 일어나도록 하는것이 바람직하다. 시효온도에서 소성가공하는 이장치의 출구 온도가 시효온도의 하한에 도달할때, 경우에 따라서는 상기 출구부분에서 선재를 천천히(즉, 대기로 자연냉각 시키는 것보다 천천히)냉각시킬 필요가 있게될 것이다.
이 방법은 단열재로 선재를 둘러싸는 것이데, 예를들면 대기 대류에 의한 냉각을 막기위해 충분히 밀폐된 상자(콘테이너)에 와이어 코일을 넣는 것이다. 또한 선재는 가열에의해 일정시간 동안 상기 출구온도 또는 다음의 시효처리가 실행될 수 있는 만큼의 출구온도 이상의 상승된 온도로 유지될 수 있다.
본 제조방법의 제 1 열간압연단계의 처음에 사용된 알루미늄선재(연속봉)는 압출프레스 또는 주조휘일과 같은 열간성형장치(hot forming instrument)를 통과하는 선재이다. 그러한 열간성형 처리는 압연기의 입구쪽으로 향하는 알루미늄스케인(skein)을 송출하는 연속주조처리 및 상기 선재를 만들기위해 상기 스케인의 단면적을 감소시키는데 이용되는 열간 압연법으로 구성되는 것이 바람직하다. "열간"압연은 담금질을 하기전에, 즉 압연처리동안 또는 압연처리직후 회복을 갖는 압연을 의미한다. 상기 전기도선용 알루미늄에 대히서는 350℃ 이상의 출구 온도를 갖는 압연을 의미한다. 압연기의 입구 온도는용체화 처리 온도보다 높은 온도가 바람직 할것이며, 전기도선용 알루미늄에 대해서는 470℃ 보다 높은 온도를 의미한다.
특히 본 발명은 앞에서 주어진 조성으로 이루어진 전기도선용 알루미늄에 적용할 수 있다. 바람직한 방식으로는 연속 제조방법이 이용되는데, 이것은 처음부터 끝까지 연속으로 제조하는 것으로서, 알루미늄을 연속 주조처리하고, 연속 주조 장치를 지나 470℃ 이상의 온도에서 제 1 차 압연기로 들어 가도록 스케인을 도입하고, 알루미늄 선재를 만들기 위하여 350℃ 이상의 온도에서 연속 압연하고, 상기 제 1 차 압연기의 출구에서 상기 선재를 연속 담금질하고, 담금질장치를 지나 130℃ 이상의 온도에서 제 2 차 압연기로 들어가도록 상기 선재를 도입하고, 130℃ 이상의 온도에서 연속압연하여 대기로 자연냉각하는 시효처리를 포함한다. 제 2 차 압연기의 입구온도는 압연기의 출구온도를 155∼185℃가 되도록 조절하며, 바람직한 출구온도는 175℃이다.
예로, 6201형 Al-Mg-Si 합금의 조성은 다음과 같은 것이 이용되었다. 즉, Mg : 0.60%, Si : 0.55%, Fe : 0.18%, Zn : 0.006%, Cu : 0.004%, Mn : 0.015%, Ti : 0.001%, V : 0.004%이다. 합금의 조성에 따라 품질이 결정되고, 품질은 비용에 좌우 되지만, 그러나 알루미늄은 합금 원소가 많거나 또는 적거나 사용될 수 있다. 그러나 이것은 본 발명에 따른 방법을 사용함으로써 선택한 합금의 질을 개선할 수 있는 가능성에 영향을 미치지는 않는다.
상기 조성을 가진 합금은 단면적이 약 2000mm2인 스케인의 형태로 연속 주조휘일을 지나고, 490℃의 온도에서 9개의 공형을 가진 제 1 차 연속 압연기로 도입되어 430℃에서 직경 15mm의 선재(환봉) 형태로 상기 압연기를 통과한다. 이 온도에서 대부분의 합금원소들은 아직 고용되어 있는데, 이것은 평형상태에서 Mg2Si 형태로 석출가능한 마그네슘과 실리콘의 20%만이 그때 석출형태로 있기때문이다.
선재는 약 2.4m/sec의 속도로 상기 제 1 차 연속 압연기를 통과하는데, 이것은 제 1 차 연속 압연기의 출구로부터 약 2m떨어진곳의 제 2 차 연속 압연기의 입구로 향한다. 1, 2차연속압연기사이에서 선재는 직경 30mm 길이 1m의 관을 통과할 때, 이관에 역류상태의 냉각액을 공급하는데, 이 냉각액의 통과량을 조절하여 알루미늄 선재가 220℃ 의 온도로 관을 통과하게 한다. 담금질의다른 방법도 사용되는데, 예로 요구된 온도로 조절이 가능하도록 선재에 냉각액을 직접 분출하는것이다.
제 2 차 연속 압연기는 등단면 수축을 갖는 4개의 공형으로 구성되는데, 이 공형은 선재를 직경 9.5mm의 선재로 만들고, 175℃에서 약 6m/sec의 속도로 상기 제 2 차 압연기를 통과한다. 계속해서 선재를 코일로 만들고, 이 코일을 내화벽돌로 만든 콘테이너안에 놓는다. 이때 중요한 점은 이 콘테이너가 코일주위의 자연대기의 대류에 의한 냉각을 막기위하여 밀폐된다는 것이다. 실시예의 경우에 냉각 속도는 2℃ /hour이다.
이렇게 얻어진 선재의 특성은 같은 조상을 한 다음과 같은 통상적 방법에 의해 만들어진 선재의 성질과 비교되어질 수 있다. 통상적 방법인 처리순서에의해 연속 주조하고, 연속 열간압연을 하고, 코일로 만들고, 대기중에서 자연 냉각하고, 계속해서 550℃에서 8시간 동안 노(콘테이너)에서 보관된 코일을 용체화 처리한 다음, 약 45℃에 도달할때가지 담금질 하는것으로 구성된다.
본 발명에 따르는것과 통상적 방법에의한 직경 9.5m로 된 두가지 유형의 선재는, 직경 3.60mm로 인발하고, 그 다음 직경 3.15mm의 와이어로 인발한다. 통상적 방법으로 얻어진 인발된 와이어는 그 다음 연속하여 160℃의 온도에서 5시간 동안 시효처리한다.
그 비교결과는 다음과 같다.
R=인장 강도 N/mm2
σ=연신율(%)
ρ=전기 저항(mΩmm2/m)
본 발명은 상기 실시예의 특별한 처리 방법이나 알루미늄의 조성에 한정되지 않는다. 또한 본 발명의 범위를 벗어나지않고, 석출 가능한 합금원소들을 함유한 알루미늄, 즉 Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu 그리고 Al-Mg-Si등의 합금을 사용하는 것이 가능하다.
Claims (14)
- 알루미늄 선재를 연속방법으로 담금질온도까지 담금질하여, 과포화고용된 합금원소들과 함께 이 알루미늄 선재의 회복된 구조를 얻는 제 1 차 단순 열처리단계를 포함하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법에 있어서, 1차열처리된 알루미늄 선재를 1차처리와 같은 연속방법으로 시효온도에서 소성가공하고 이를 다음 가공하기전에 다시 시효처리하는 제 2 차 가공열처리 단계를 포함함을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 시효온도에서 소성가공직후 선재를 대기온도로 자연냉각시키는 동안 시효 처리함을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 시효온도에서 소성가공직후 선재를 천처히 냉각시키는 동안 시효처리함을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 시효온도에서 소성가공직후 선재를 가열하여 시효온도로 유지시키면서 시효 처리함을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 시효온도에서의 소성가공은 단면적을 감소시키기 위한 압연 처리임을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 4항중 어느 한 항에 있어서, 제 1 열간 압연단계의 처음에 사용된 선재가 열간 성형장치를 통과한 선재임을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 6 항에 있어서, 압연기의 입구쪽으로 향하는 알루미늄 스케인을 송출하는 연속 주조 처리 및 상기 선재를 형성하기 위해 스케인의 단면적을 감소시키는 열간 압연 처리를 포함하는 열간 성형임을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 7 항에 있어서, 스케인의 입구온도는 용체화 처리온도보다 높음을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 사용되는 알루미늄은 Al-Cu 합금, Al-Cu-Mg 합금, Al-Zn-Mg 합금, Al-Mg-Zn-Cu 합금 및 Al-Mg-Si 합금임을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서, 제 1 차 단순열처리 단계에서 선재를 시효 온도까지 담금질함을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄선재의 제조방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한항에 있어서 알루미늄은 마그네슘 : 0.3∼0.9%, 실리콘 : 0.25∼0.75%, 철 : 0∼0.6%, 그외 나머지는 알루미늄과 불순물로 이루어짐을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 11 항에 있어서, 제 2 차 가공열처리단계에서 선재를 130°∼260℃의 온도로 소성가공함을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 12 항에 있어서, 선재는 연속압연기에서 소성가공되고, 이 선재는 출구온도로 압연기를 통과하는 선재는 코일로 감겨지고, 이렇게하여 형성된 코일을 밀폐된 콘테이너안에서 냉각함을 특징으로 하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
- 제 13 항에 있어서, 제 1 열간압연 단계의 처음에 사용된 알루미늄 선재가 470℃이상인 압연기의 입구온도로부터 350℃ 이상인 출구온도까지 변하는 온도에서 연속 압연기로 소성가공되고 연속압연기를 통과한 선재임을 특징으로하는 석출 경화형 알루미늄 선재의 제조방법.
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