4 주물·다이캐스팅 열처리

4.1 기본 개념
열처리란 금속 및 합금의 구조나 성질을 개량하기 위해 고체상태에서 적당한 가열이나 냉각을 하는 조작이며 주물의 기계적 성질을 비롯한 제특성의 향상을 목적으로 한다.열처리에는 목적에 따라 여러 종류가 있다.
가장 일반적으로는 주물의 인장강도, 내력 혹은 연신율 등의 기계적 성질의 향상을 목적으로 하고 있다.
이 경우는 알루미늄합금 중에 Cu, Mg, Si, Zn 등의 합금원소를 용체화처리 및 담금질 조작에 의해 과포화에 고용시켜 이들 원소 및 Al이 주체가 되어 화합물이 형성되는 중저온영역에서 시효처리시 석출과정에 있어서의 기계적 성질의 변화를 이용하고 있다.
기계적 성질의 향상 이외에도 잔류응력제거, 치수안정화 등의 목적에서 열처리하는 경우도 있다.
따라서 열처리합금이라는 열처리에 의한 강도향상이 가능한 합금 뿐만 아니라 강도향상이 없는 비열처리합금에도 열처리를 하는 경우가 있다.
중자가 있는 주물의 셰이크아웃 등에서 고온가열되는 경우나 후공정으로 열로굽는 도장 등의 열을 가하는 경우도 있다.
이러한 경우 열처리를 목적으로 하지 않더라도 결과적으로 열처리를 하는 경우와 같은 효과를 낼 수 있다.
마찬가지로 사용할 때 온도가 비교적 높은 경우에는 열처리가 연장된 상태가 되며 합금특성의 변화가 현저한 경우도 있으며 이들도 열처리 중 일부로 고려되어야 한다.
다이캐스팅은 종래 내부에 기포 등이 많은 결함을 포함하고 가열에 의해 팽창이나 변형 등의 결함이 현저해지기 때문에 열처리를 실시하는 예는 적었다.
그러나 최근은 PF다이캐스팅, 진공다이캐스팅, 스퀴즈다이캐스팅같은 다수의 고품질 다이캐스팅 보급에 따라 다이캐스팅의 열처리도 보급되고 있다.
다이캐스팅은 급랭에 의한 매우 미세한 조직을 가지기 때문에 확산거리가 짧아지고 용체화처리 등에서는 사형주물, 금형·저압주물 등보다는 단시간에서 효과를 얻을 수 있다.
때문에 최적열처리조건도 일반 주물의 조건과는 약간 다른 것이다.
그러나 다이캐스팅의 열처리에 있어서는 아직 충분히 검토되지 않은 상태이므로 통상은 주물의 열처리를 참고로 해서 조건을 결정하는 경우가 많다.
또, 주조단조등의 소성가공이 가해진 주물을 열처리할 경우에는 주물과는 다른 열처리반응을 보이는 경우도 있으므로 전신재에서 사용되고 있는 열처리 방법, 조건도 참고로 해야 한다.

4.2 열처리 종류와 목적

주물용 알루미늄합금의 열처리에 있어서 기본적인 조작, 처리는 다음과 같다.

(1) 용체화처리

주물을 500℃전후의 용융개시온도직하의 고온에서 가열·유지하고 주조시 편석에 의한 조직과 성분의 불균일을 해소하고 용질원자를 모상으로 충분히 용융되어 과포화 고용체를 얻는다.

(2) 담금질처리

고온의 과포화고용체를 실은 내지 100℃전후의 수중 혹은 유중에 투입해서 급랭함으로써 고온의 상태를 실온까지 유지한다.

(3) 시효경화처리

실온에서 200℃전후의 비교적 낮은 온도로 가열·유지하고 용체화, 담금질 등에 의해 과포화로 고용한 성분을 석출시킨다.
실온에 있어서의 자연적 시효경화를 자연시효 혹은 실온시효, 인위적인 가열에 의한 시효경화를 인공시효(탬퍼링)라고 한다.

(4) 소둔처리

300내지 400℃전후로 가열·유지한 후 서랭에 의해 잔류응력을 제거하거나 연질화 시키거나 한다.
통상의 열처리는 이들 각처리를 단독 혹은 조합시켜 실시함으로써 필요로 하는 특성을 얻을 수 있다.
주물을 특히 열처리하지 않은 상태에서 사용하는 F재 상태에서의 사용을 제외하면 용체화처리 후 담금질, 탬퍼링(시효경화처리)을 하는 T6처리재에서의 사용이 일반적으로 많다.T6처리보다 더 높은 강도를 얻기 위해 인공시효조건을 조정한 T62처리도 이용될 수 있다.
이외 피스톤 등의 고온에서 사용되는 주물일 경우에는 T6처리보다는 고온에서 탬퍼링되고 치수안정성이 우수한 T7처리가 많이 사용되고 있다.
T6처리만큼의 대폭적인 강도향상은 필요없지만 약간의 경도:강도의 향상, 혹은 치수안정성의 향상이 필요한 경우에는 시효경화처리만의 T5처리가 이용된다.
용체화처리만 하는 T4처리는 Al-Cu계의 AC1A, AC1B 등에는 이용되지만 그 외의 경우에서 사용하는 경우는 적다.
잔류응력의 제거나 수치안정화만을 목적으로 한 O재처리는 비교적 사용되는 경우가 드물다.

4.3 열처리조건과 합금특성

알루미늄합금 주물의 열처리조건은 Al-Cu, Al-Cu-Si, Al-Si-Mg 등의 합금계에 따라 크게 구별할 수 있는데 세세한 부분은 각 합금과 용도에 따라 다르다.
주물용 합금의 JIS규격에는 참고로 열처리조건이 기재되어 있다.주물이 일반치수이며 올바르고 적정하게 조작되면 일반적으로 이조건을 사용함으로써 규격을 만족시키는 기계적 성질을 쉽게 얻을 수 있다.
그러나 기계적 성질은 열처리 조건에 의해 현저하게 변화하는 경우가 많으므로 각각의 합금, 주물에 있어서의 열처리조건과 기계적 성질의 관계에 관해 미리 충분히 검토해 두어야 한다.
또 실제 생산에 있어서는 이들의 합금특성에서 본 최적열처리조건과 함께 작업성, 경제성 등도 고려해서 조건이 설정된다.
일반적으로는 재료가 공정용융(국부융해, 버닝)을 일으키지 않는 범위에서는 용체화처리 온도가 높을수록 과포화에 고용된 용질의 양이 많아지기 때문에 강도가 높아지고 용체화 시간이 길어질수록 공정Si의 입상화나 편석 등의 소실로 응력집중이 완화되어 연신율이나 충격값 등이 향상하는 경향이 있다.
한편 인공시효처리에 있어서는 시효온도에 따라 최고 강도를 나타내는 시간이 있으며 이 시간보다 전의 아시효상태에서는 시간과 강도는 증가하고 연신율, 충격치 등은 저하하는데 최고 강도를 보이는 시간 이후의 과시효상태에서는 이와 반대경향이다.
각 시효온도에서의 강도의 최고치는 저온 장시간의 경우 쪽이 고온단시간의 경우보다 높아지는 경향이 있다.
용체화처리·담금질을 포함하는 T6,T7등의 열처리에 의해 합금의 기계적 성질과 열처리 조건의 관계는 통상은 위에서 설명한 바와 같이 용체화처리조건과 시효처리조건의 조합에서 규정되지만 실제 조업에 있어서는 이외에 다음과 같은 영향도 받는다.

용체화처리에서 담금질 조작으로 옮기는 과정까지의 시간에 있어서 온도저하
담금질 물의 수온
담금질 후 인공시효처리를 할 때까지의 실온 방치시간
등이며 이들의 조건도 정확하게 규정하지 않으면 소정의 특성을 얻을 수 없다.
T6재에서는 실온방치시간의 증가에 따라 인장강도가 저하하고 연신율과 충격치는 증가한다.
특히 담금질 직후 수시간 동안의 변화가 크므로 조업조건설정에 있어서도 배려해야 한다.
어느 정도 두께가 있는 주물의 제조에 있어서는 주조·셰이크아웃 직후 주물의 온도가 높은 상태에서 담금질처리를 하는 「주조담금질」이라고 하는 처리를 하고 인공시효처리를 함으로써 T6재에 가까운 강도를 얻는 경우가 있다.
이러한 경우는 응고시 과포화에 고용된 용질의 석출과정에 있어서 강화는 발휘되지만 용체화처리에 의한 조직의 균일화는 없다.
때문에 재료특성상의 인장강도, 내력, 강도 등은 T6재와 같지만 통상적으로 T6재보다 연신율이 낮은 경우도 많다.
주물의 용도에 따라서는 충분한 재료특성을 얻을 수 있는 경우도 있으며 경제적인 방법으로 이용되는 경우도 있다.

(남선알미늄 알루미늄기술편람 발췌)