KR960006588B1 - 알루미늄합금제부재의 표면개질방법 - Google Patents

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Description

알루미늄합금제부재의 표면개질방법

제1도는 쇼트피이닝처리를 실시할 때의 처리온도와 발생잔류응력 및 표면거칠기와의 관계를 표시한 그래프.

제2도는 쇼트피이닝처리의 아아크하이토량과 발생잔류응력과의 관계를 표시한 그래프·

제3도는 본 발명의 일실시예의 공정도.

제4도는 알루미늄합금제부재의 잔류(압축)강도와 피로강도의 향상치와의 관계를 포시한 그래프·

제5도는 소정의 가열온도시에 실시된 소성가공에 의해 발생한 잔류응력치가, 온도의 강하에 따라서 증대하는 상태를 표시한 도면.

제6도는 쇼트피이닝처리에 의해 알루미늄합금제부재에 발생하는 잔류응력과 표면거칠기와의 관계를 표시한 그래프.

본 발명은, 표면거칠기를 해치는 일없이 피로강도를 향상시킬 수 있는 알루미늄합금제부재의 표면개질방법에 관한 겻이다.

최근 예를들면 차량의 경량화 또는 소형화가 진행되고, 알루미늄합금제부재가 강도부재로서 많이 사용되게 되어 있으며, 알루미늄합금제부재의 피로강도(내구성)를 어떻게해서 향상시킬 것인지에 대해서 여러가지의 검토가 행하여지고, 재료의 합금성본 또는 일처리 등의 개선이 많이 이루어지고 있다.

이러한 중에서, 소성가공에 의해서 알루미늄합금제부재의 표면부에 잔류(압축)용력을 발생시키는 일이 행하여지고, 그중에서도 쇼트피이닝처리에 의해서 잔류(압축)응력을 발생시키는 일은 매우 유효한 방법으로서주목되고 있다.

통상, 알루미늄합금제부재도 포함해서 금속부재의 표면부에 잔류응력을 발생시키기 위한 쇼트피이닝처리는 상온에서 행하여지고, 발생한 잔류응력에 의거한 피로강도가 향상되도록, 쇼트재의 재질, 입자직경 또는쇼트압 등의 쇼트피이닝처리의 조건이 여러가지 검토되고 실용화되고 있다.

또, 일본국 특개평 1-208415호 공보에는, 주물의 소망부의 표면을 급속용융. 급속재응고시켜, 재응고충표면에 쇼트피이닝 등의 소성가공을 실시하는 기술이 기재되고 있다.

그러나, 알루미늄합금제부재와 같은, 강도가 낮고 취성이 큰 재료에서는, 강한 쇼토피이닝이 가해지면 표면거침이 발생 나아가 표면박리를 일으키는 일도 회소하지 않고, 고압축의 잔류용력을 발생시키는 일이 곤란하다.

제6도에 표시되는 그래프는 알루미늄합금제부재(AC4C)에 상온에서 쇼트피이닝처리를 실시하고, 쇼트피이닝처리시의 아아크하이트(arc height)량(강토)을 0.05∼0.4mm의 사이에서 변화시킨 경우의 각 쇼트피이닝처리에 의한 발생잔류응력과 알루미늄합금제부재의 표면거칠기와의 관계를 포시한 그래프이다.

제6도의 그래프에서 명백한 바와 같이 상온하에서의 쇼트피이녕닝은, 잔류응력이 크게(환언하면 쇼트피이닝처리시의 아아크하이트량의 크게 된다) 될수록, 알루미늄합금제부재의 표면이 거칠어지게 되는 경향을 피할 수 없고, 결국 큰 피로강도를 얻고자 하면 현저한 표면거필칠기를 수반한다고 하는 문제점이 있었다.

또, 일본국 특개평 1-208415호 공보에 기재되어 있는 기술에서는, 알루미늄합금제부재는 열전도성이 좋기 때문에 급속용융·급슥재응고시에 발생되는 재용고충의 두께를 균일하게 하는 제어가 복잡해지고, 부가해서 재응고충에 실시되는 쇼트피이닝 등은 냉각 후에 행하여지기 때문에 상기한 바와 같은 면거침을 피할수 없다고 하는 문제점이 있었다.

상기에 비추어서, 본 발명은, 알루미늄합금제부재에 있어서의 피로강도의 보다 큰 향상을 도모하기 위해,쇼트피이닝처리에 의한 잔류응력의 발생을 효과적으로 행하는 것을 가능하게 하는 알루미늄합금제부재의 표면개질방법의 제공을 목적으로 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1의 발명은, 발생잔류응력을 크게 하고, 또한잔류응력의 발생영역을 확대하므로서 뛰어난 피로강도를 얻을 의도하에, 연화상태의 알루미늄합금제부재에대해서 쇼트피이닝처리를 행하는 것이다.

구체적으로 본 발명의 제1발명의 강구한 해결수단은, 알루미늄합금제부재가 연화상태에 있는 온도, 즉30∼125℃ 일때에 이 알루미늠합금제부재의 표면부에 쇼트피이닝처리를 실시하는 구성으로 하는 것이다.

또, 본 발명의 제2의 발명은 알루이늄합금제부재를 열채산성 좋게 쇼트피이닝처리하기 위한 것으로, 구체적으로는 본 발명의 제1발명의 구성에, 알루미늄합금제부재의 용체화처리에 있어서의 어니일링처리의 냉각과정에서 상기 쇼토피이닝처리를 실시하는 구성을 부가하는 것이다.

또, 본 발명의 제3의 발명은 쇼트피이닝처리가 효과적으로 행하여지는 알루미늄합금제부재의 온도를 책정하는 것으로서, 구체적으로는, 본 발명의 제1발명 또는 제2발명의 구성에, 상기 쇼트피이닝처리시의 상기 알루미늄합금제부재의 온도를 50∼125℃로 한 구성을 부가하는 것이다.

또, 본 발명의 제4의 발명은 피로강도의 향상에 유용한 발생잔류응력을 얻게 되는 쇼트피이닝처리시의아아크하이트량을 책정하는 것으로서, 구체적으로는, 본 발명의 제1발명 또는 제2발명의 구성에, 상기 쇼트피이닝처리시의 아아크하이트량을 0.025∼0.125mm로 한 구성을 부가하는 것이다.

본 발명의 제1의 발명구성에 의해, 알루미늄합금제부재의 표면부재의 쇼트피이닝처리가 연화상태에 있는온도, 즉 30∼150℃에서 행하여지게 된다. 일반적으로, 알루미늄합금 등의 금속재료는 가열하면 결정의 팽창이 발생한다. 팽창한 상태에서는 결정에 변형을 부여하기 쉽고, 이 변형은 실질적으로 잔류응력이 되는것이다.

이 일은, 가열한 상태에서 결정에 변형을 부여하고 이 상태에서 냉각해가면 결정이 수축하므로, 상온에서는 결정이 더욱 변형하게 된다. 환언하면, 가열한 상태에서 발생한 낮은 잔류응력은 온도가 강하에서 상온이 되면 보다 고압축의 잔류응력이 되는 것을 의미한다.

즉, 가열에 의해 연화한 상태에서는 가벼운 쇼트피이닝처리일지라도, 상온에서 본래 필요하였던 고압축의잔류응력을 발생시킬 수 있는 것이 가능하게 된다. 이와 같은 현상을 활용해서 상온보다 높은 온도에서 쇼트피이닝 등의 소성가공을 실시하므로서, 발생잔류응력을 보다 크게 하고, 잔류응력의 발생영역을 확대할수 있다.

또, 소성가공이 쇼트피이녕닝처리이기 때문에 소성가공이 필요한 면역(面域)에 대해서 신속·용이하게 행하여지고, 또한 알루미늄합금제부재와 관련해서 발생하는 잔류응력의 제어가 용이해진다.

본 발명의 제2의 발명구성에 의해, 쇼트피이닝처리를 용체화처리의 어니일링처리의 냉각과정에서 실시하게 된다. 알루미늄합금제부재는 통상, 휀칭 및 어니일링처리로 이루어진, 용체화처리를 행하고 재료를 조정해서 사용되고 있다. 따라서, 이 어니일링의 냉각과정중에 있어서 쇼트피이닝처리 동의 소성가공을 행하면상기한 바와 같은 온도를 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명 제3의 발명구성에 의해 알루미늄합금제부재의 쇼트피이닝처리가 온도 50∼125℃의 범위에서 행하여지게 되고, 이 소성가공이 예를들면 쇼트피이닝처리에 의할 때는 알루미늠합금제부재가 제품화 된 때의기계특성에 악영향을 미치는 것과 같은 표면거침을 발생하는 일없이, 소요되는 잔류응력을 발생시키는 일이가능하게 된다.

본 발명 제4의 발명구성에 의해 쇼트피이닝처리가 아아크하이트량 0.025∼0.125mm의 범위에서 행하여지게 되어, 알루미늄합금제부재의 표면부에 크랙이 발생하지 않고 피로강도의 향상에 유용한 발생잔류응력을 얻게 된다.

먼저, 본 발명 구성의 전제가 되는 기술적 요건에 대해서, 본 발명자가 행한 여러가지의 실험에 대해서설명한다.

알루미늄합금제부재로서 AC4C를 재료로 한 주조품을 작성하고, 켄칭어니일링처리, 소위 T-6처리를 행하여 시료를 얻고, 이 시료의 온도를 20∼15℃의 범위에서 단계적으로 유지하면서, 각 온도마다 일정한 아아크하이트량(0.05mmA) 의 쇼트피이닝을 실시 하였다.

이 쇼트피이닝처리를 실시할 때의 처리온도(시료의 온도)와 발생잔류응력과의 관계 및 마찬가지로 처리온도와 시료의 표면거칠기와의 관계를 측정하고, 모두 제1도에 표시한다.

제1도의 쇼트피이닌처리시의 온도와 발생잔류응력과의 관계를 표시한 그래프에 의하면, 시료의 온도가20℃(이때의 발생잔류응력은 -58MPa)로부터 높아짐에 따라서 발생잔류응력은 증가하고,75∼100℃의 부근에서 최대의 발생잔류응력을 표시한다. 온도가 150℃에 달하면 발생잔류응력은 급감하나, 이것은 알루미늄합금제부재는 이 온도가 되면 재료의 연화가 현저하게 되는데 기인되는 것으로 사료된다.

따라서, 아아크하이트량 0.05mm 정도의 쇼트피이닝처리에 의해서, 온도 30℃가 되면 상온에서의 처리시에 비해 약 50% 증가된 발생잔류응력을 얻게 되므로서, 알루미늄합금제부재가 연화상내의 성상을 가진30∼125℃의 범위의 온도에서 쇼트피이닝처리를 행하는 것이 유효한 것을 알게 된다.

마찬가지로 제1도와 쇼트피이닝처리시의 온도와 표면거칠기와의 관계를 표시한 그래프에 의하면, 시료의온도가 증가함에 따라서 표면거칠기는 증가한다. 상온(20℃)에서의 쇼트피이닝처리시에는 약 8μm의 표면거칠기가 온도 125℃에서의 쇼트피이닝처리시에는 약 12μm의 표면거칠기가 되고, 온도가 150℃로 상승하면 약 19μm의 표면거칠기도 현저하게 증가한다.

또한 제l도에 의하면 표면조도를 상온(20℃)시의 150% 이내, 발생잔류응력을 150% 이상으로 하기 위해서는 온도범위는 30＼125℃로 된다 구체적으로는 30℃에서는 발생잔류응력은 -90MPa으로 된다.

한편,125℃에서는 발생잔류응력이 -110MPa이므로 충분하지만, 표면거칠기가 상기한 바와 같이 12μm로 되어 있어, 이 이상 온도를 높게 하면, 표면거칠기가 상온처리시의 150% 이상이 되어 허용할 수 없게된다.

이와 같이, 제1도에 표시되는 쇼트피이닝처리시의 온도와 발생잔류응력 및 표면거칠기와의 관계를 총합해서 판단하면, 알루미늄합금제부재의 표면거칠기를 거칠게 하지 않고 유효량의 잔류응력을 발생시키는데는, 알루미늄합금제부재익 온도가 30∼125℃의 범위가 적합한 것이 명백하다

그중에서도, 상온에서 쇼트피이닝처리에 의한 발생잔류응력치의 약 2배의 발생잔류응력를 얻게 되는 50℃로부더 상기 125℃까지의 온도를 유지한 연화상태 일때에, 알루미늄합금제부재에 대해서 쇼트피이닝처리가행하여지는 것이 바람직하다

또, 알루미늄합금제부재로서 AC4C를 재료로 한 주조품을 얻고, 이 주조품의 온도를 125℃로 유지하면서쇼트피이닝처리를 실시하고, 쇼트피이닝처리의 조건과 발생잔류응력과의 관계에 대해서 실형하고, 그 결과를 제2도에 표시한다

제2도에 표시되는 그래프에 의하면 실시되는 쇼트피이닝처리의 아아크하이트량이 0.0lmm 정도에서 0.1Omm 정도까지 증대되는 동안은 발생잔류응력은 비례적으로 증가되나, 아아크하이트량이 O.1Omm를 상회하면 발생잔류응력은 반대로 저하되는 것이 인정된다.

특히, 아아크하이트량이 0 l25mm를 초과하면 알루미늄합금제부재의 표면부에 크랙이 발생한다· 어느정도 이상의 아아크하이트량의 쇼트피이닝처리에 의해 크랙이 발생하고, 또한 발생잔류응력이 현저하게 저하하는 것은, 온도가 높여진 발생잔류응력의 소성이 쇼트피이닝처리에 의한 충격에 양복하기 때문이라고 추정된다.

따라서, 상온에 비해 높여진 온도의 알루미늄합금제부재에 쇼트피이닝처리를 실시할 때의 아아크하이트량은 피로강도의 향상에 유용한 발생잔류응력을 얻게 되는 0,025mm에서, 크랙의 발생이 회피가능한 0.125mm까지의 범위가 바람직한 것을 알 수 있다.

다음에, 상기 실험결과에 의거 이루어진 본 발명의 일실시예를 설명한다.

알루미늄합금제부재로서 AC4C를 사용해서 자동차의 강도부재를 주조하고, 이 강도부재를 제3도에 표시되는 공정도에 따라서 표면개질한다.

강도부품을 470∼550℃의 노속에 장입하여 3∼5시간 유지한 후, 물속에서 급냉하는 켄칭처리를 행하고,이어서 실온(R T )으로 된 강도부품을 160∼220℃의 온도로 5∼7시간 유지한다.

어니일링처리의냉각과정에서, 온도가상기160∼220℃의어니일링처리의 가열시의온도에서,50∼125℃의 온도로 강하된 시점에서 표면개질을 위한 쇼트피이닝처리를 행한다. 이 실시예에서는, 어니일링처리의냉각과정에서의 온도강하에 의해, 본 발명에 의한 쇼트피이닝처리에 적합한 온도, 즉 50∼125t의 온도를얻고 있으나, 다른 실시예로서 어니일링처리 후 실온이 된 알루미늄합금제부재를 50∼125t의 온도가 되도록 가열해도 되는 것은 말할 것도 없다,

상기 소성가공은, 표면개질되는 강도부재의 형상 또는 발생하는 잔류응력의 값 혹은 잔류응력의 발생영역의 제어가 용이하므로서 쇼트피이닝처리를 사용, 이 쇼트피이닝처리시의 아아크하이트량은 0.05mm이다.

상기 강도부재의 온도를 100℃로 하고, 아아크하이트량 0 05mm에서 쇼트피이닝처리를 행하였던바, 강도부재의 표면거칠기는 거칠게 되지 않고, 또한 상기 10O℃의 온도시에 발생한 잔류응력은, 강도부재의 온도가 강하하고 실온으로 강하했을 때는, 측정결과 약 2∼3배의 발생잔류응력이 되어 있다.

그런데, 알루미늄합금은 A6061로 대표되는 단조재, AC4C로 대표되는 주조재, 분말야금의 급냉응고재 또는 SiC 분산강화복합재를 불문하고, 조직입자의 거동은 마찬가지 경향이 있고, 특히 부재표면부에 발생하는 잔류응력과 피로강도의 향상치와는 제4도에 표시된 바와 같이 직선적인 관계를 가지고, 발생잔류응력이증대하는데 따라서 피로강도의 향상치도 증대하고, 그 결과 피로강도가 강화되는 것이 알려져 있다

따라서, 본 실시예에 의하면 연화상태에 있는 온도에서 알루미늄합금제부재에 실시되는 쇼트피이닝처리등의 소성가공은, 그 표면거칠기를 거칠게 하고 또는 표면박리를 발생시키지 않는 정도의 것이라도, 알루미늄합금제부재의 온도가 상온으로 강하되면 발생잔류응력은 증가하므로, 표면거칠기를 해치는 일없이 뛰어난피로강도를 얻게 하는 것이다

이하, 본 발명의 구체예를 설명한다.

알루미눔합금제부재로서 AC4C를 사용해서 자동차의 현가부(懸架部)의 강도부재를 주조하였다. T-6처리로서 530℃로 4시간 유지한 후 물속에서 급냉하는 펜칭처리를 행하고, 이어서 180℃로 6시간 유지한 후 수증기 분위기에서 냉각하는 어니일링처리를 행하였다

이 어니일링처리에 있어서의 냉각과정에서 상기 강도부재가 연화상태에 있는 100∼125℃의 온도에 있어서, 다음과 같은 소성가공처리를 각각 개별로 실시하였다.

(구체예 1)

온도 100℃에 있어서, 아아크하이트량 0.025mm의 쇼트피이닝처리를 실시하였다

(구체예 2)

온도 125℃에 있어서, 아아크하이트량 0.05mm의 쇼트피이닝처리를 실시하였다

구체예 3

온도 125℃에 있어서, 아아크하이트량 0.lmm의 쇼트피이닝처리를 실시하였다.

(구체예 4)

온도 100℃에 있어서, 면압 70kg에서 40rpm의 회전속도로 30회 반복의 로울가공처리를 실시하였다. 또한, 온도 100℃에 있어서의 로울가공처리는 상온에서 행하여지는 경우에 비해 발생잔류응력은 약 40% 증가하였다.

상기 구체예 1∼3의 쇼트피이닝처리 조건은, 모두 주조후 표면거칠기 3μm으로 연삭마무리된 강도부재의표면거칠기를 6∼13μm의 범위로 유지할 수 있었다.

상기 구체예 4의 로울가공처리에서는, 면압이 70kg를 초과하면 강도부재의 표면박리가 발생했다.

상기한 바와 같은 구체예 1∼4의 소성가공, 즉, 잔류압축응력발생처리가 각각 행하여진 경우의 각 강도부재의 온도 즉 가열온도에 있어서 발생한 잔류응력치와, 상기 온도시에 연화상태이였든 각 강도부재가 상온(20∼25℃)으로 냉각됨에 따라서 증가한 잔류응력치를 제5도에 표시하였다.

제5도에 있어서, 파선 1은 구체예 1의 아아크하이트량 0.025mm의 쇼트피이닝처리, 실선 2는 구체예 2의 아아크하이트량 0.05mm의 쇼트피이닝처리,1점 쇄선의 3은 구체예 3의 아아크하이트량 0 lmm의 쇼트피이닝처리,2점 쇄선의 4는 구체예 4의 로울가공처러가 행하여진 경우이고, 강도부재가 연화상태에 있을때 행하여진 가벼운 소성가공처리에 의해 발생한 20∼100MPa의 잔류응력치가, 강도부재의 온도가 강하된상온으로 원 경우에는 100∼300MPa의 잔류응력치로 증강되어 있었다. 또, 스트레인 게이지에 의해 강도부재의 표면부의 변형의 분포상태를 측정하였던바 잔류응력치가 높을수록 변형의 분포가 넓어져 있고, 잔류응력의 발생영역이 확대되어 있는 것이 확인되었다.

이상 실명한 바와 같이, 본 발명의 제1발명에 관한 알루미늄합금제부재의 표면개질방법에 의하면, 알루미늄합금제부재가 연화상태에 있는 온도에서 그 표면부에 소성가공이 실시되므로서, 상기 온도시에 실시되는 소성가공이 표면거칠기를 해치지 않는 정도의 것이라도, 상온에서의 잔류(압축)압력을 높임과 동시에,잔류응력의 발생영역을 내부까지 확대하여, 피로강도를 높일 수 있다.

또, 소성가공이 쇼토피이닝처리로 행하여지므로서, 소성가공의 정도를 임의로 설정하는 것이 용이해지고 잔류응력발생량의 제어가 용이해진다.

또, 본 발명의 제2의 발명에 의하면, 쇼토피이닝처리는 용체화처리에 있어서의 어니일링처리의 냉각과정에서 행하여지므로서, 뛰어난 열채산성하에 알루미늄합금제부재의 표면개질을 행할 수 있다.

또, 본 발명의 제3의 발명에 의하면, 알루이늄합금제부재가 연화상대에 있는 온도 50∼125℃의 범위에서소성가공처리가 행하여지므로서, 지변형, 지잔류응력의 소성가공으토 좋게 되며 표면거침 또는 표면박리를억제하면서 고압축응력의 발생이 가능해지고, 베어령 등 치수정일도 또는 면정일도가 업격하고, 또 고피로강도가 요구되는 부재에의 활용이 도모된다.

또, 본 발명의 제4의 발명에 의하면, 알루미늄합금제부재가 아아크하이트량 0.025∼0.125mm의 범위에서 쇼토피이닝처리가 행하여지므로서, 알루미늄합금제부재의 표면부에 크랙이 발생하지 않고 피로강도의 향상에 유용한 발생잔류응력을 얻을 수 있다.

Claims (1)

1. 알루미늄합금제부재외 표면부에 쇼트피이닝처리를 실시하는 방법에 있어서, 이 쇼트피이닝처리시의 상기 알루미늄합금제부재의 온도를 30∼125℃로 하고, 아아크하이트량을 0.025∼0.125mm로 한 것을 특징으로 하는 알루미늄합금제부재의 표면개질방법.