6.8 압출재의 품질설계

6.8.1 요구품질과 제조공정



  알루미늄합금의 압출재는 열간압출된 상태(T1)에서 사용된 것은 적고 그 용도에 따라 열처리(T5, T4, T6), 표면처리, 기계가공, 냉간가공, 열간단조, 그리고 용접 등의 1종 혹은 2종이상을 조합시킨 후 제품이 되고 각종 다양한 환경하에서 사용되고 있다.



알루미늄계 압출재의 외관품질에 관해서는 JIS H4100에 「압출형재는 형상이 바르고 퀀칭이 양호하며 품질이 균일해 사용상 유해한 결함이 있어서는 안된다」라고 쓰여있다.



구체적으로는 합금종에 의한 조질과 기계적성질의 규정과 압출재별에 의한 치수허용도가 규격화되어 있다. 실제로는 압출제품별로 용도, 사용환경을 고려해서 형재의 표면품질, 내식성, 인성, 가공성 등에서 품질을 설계해야 한다.


  압출재에 요구되는 품질은 용도의 다양화, 후가공의 자동화, 조립품에 이용이 증가하고 있으며, 형상 ·치수정도는 점점 엄격해지고 있다. 표면외관은 상품가치상 색조의 차, 다이라인, 줄무늬를 감소시키는 것이 중요하다.  



한편 비건재를 중심으로 한 합금류, 제품에서는 최종제품을 얻을 때까지 가공공정중 및 가공 후의 품질요구가 다양하고 한 제품에 하나의 품질설계를 필요로 한다. 제품에 따라서는 압출재의 내부조직에 의존하는 요구품질도 많고 금속학과 공정조합의 중요성이 증가하고 있다.



6.8.2 요구품질설계

  (1) 형상 ·치수


  압출재의 단면치수, 길이, 굽힘, 각도, 평활도 등의 변동을 가능한 한 적게 하면서 목표정도를 달성하기 위해서는 압출방법(직접법, 간접법)의 선택, 다이스설계, 제작기술, 압출온도관리(빌렛, 다이스, 컨테이너), 압출기의 심관리 등 압출공정전반의 개선이 필요하다.



  (2) 표면



  압출재의 표면은 손상, 다이스마크와 혼입, 픽업, 다이스라인, 그리고 표면조직(오렌지필, 조대결정립) 등에서 상품가치상 품질문제가 된다.


표면결함은 압출후면설비(테이블면재료, 이동법) 취급상 발생하므로 미끌림방지, 형재이동방법 등의 설비개량과 함께 작업개선이 필요하다.


  혼입은 빌렛의 청정화, 디스카드의 취급, 더미(Dumy)개량, 이형제의 종류, 도포법 등의 주변기술과 다이스공구계의 연구가 행해지고 있다.


  픽업, 다이스라인은 빌렛내부조직, 다이스베어링형상 ·치수와 베어링면 성상 그리고 압출조건에 관련되어 있으며 표면처리없이 사용하는 형재일 경우 엄격한 제약이 있다. 6063을 중심으로 한 건재, 샤시분야에서는 알루마이트 전(前)의 역성(力性) 에칭에 의해 어느 정도의 결함은 감소하므로 광범위한 빌렛성분 및 압출조건을 채용할수 있다.


  알루미늄합금의 압출에 있어서의 압출생산성 및 압출재료특성은 압출소재인 빌렛의 균질화처리가 중요하며 6063에 한정되지 않고 1000계에서 7000계까지 각종 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.


  표면결함(픽업, 티어링) 및 압출초기의 압출연질을 가미한 평균압출속도는 균질화 온도에서의 냉각이 지연될수록 100∼500˚C/h의 냉각속도로 제어되고 있다. 이것은 50∼80m/min 고속압출에도 적용된다.


  합금에 따라서는 될 수 있는 한 압출시 빌렛중의 화합물을 고용시킬 필요가 있는 것, 또 압출재의 가공조직 등을 제어하기 위해 천이금속을 적절하게 석출시키는 경우도 있어, 균질화조건은 합금, 용도에 따라 선택해야 한다.


  실제로는 위에서 설명한 이유로 표 조건이외에서 행해지는 경우도 있다. 조대결정립은 알루미늄합금에 천이금속(Fe, Cr, Mn, Zr...)을 함유하는 압출재의 표면에 생기며 1000계, 2000계, 3000계, 5000계, 7000계 합금이 해당된다. 조대결정화는 빌렛의 균질화조건, 압출조건에 따라 제어할 수 있다.


(3) 기계적 성질


  압출재의 기계적 성질은 합금성분과 그양, 및 열처리에 의해 결정된다. JIS에는 각합금의 강도보증값(최소값)이 규정되어 있을 뿐, 전체 합금계의 강도치는 동일성분이더라도 빌렛의 품질, 압출조건에 따라 변화한다. 합금계가 가지고 있는 특성을 충분히 활용하기 위해서는 빌렛성분값의 변동을 적게하고 제조조건의 관리폭을 설정해야 한다.


  6063합금의 경우 압출 후 공랭하고 150∼200˚C 에서 1∼6h의 시효처리를 하면 JIS를 만족하는 강도값을 얻을 수 있다. 그러나 그 강도치의 변동은 크며 형재의 가공(릴리프홀, 절단, 굽힘...)을 할 때 문제가 되는 경우도 증가하고 있다. 따라서 형재냉각속도, 시효조건, 빌렛온도, 압출속도 등의 관리는 품질안정상 필요하다. 430˚C이하의 빌렛예열에서는 200N/mm²이하가 되는 경우도 많으며 강도 확보에는 430˚C이상이 유리하다.


  6063 이외의 중고력 및 고력합금에서는 압출재의 재결정 생성상태가 압출조건(압출비, 빌렛온도, 압출속도)에 의해 변화한다. 이것은 빌렛 한 개로 제조된 압출재의 전, 중, 후 단부에 있어서 가공조직에 의존하는 기계적 강도는 형재위치에서 다르다.


  조립층(組粒層)의 생성이 증대하는 압출후단에서는 강도저하가 생기며 경우에 따라서는 JIS규격이하가 되며 품질불량에 의한 수율저하의 원인이 된다. 이 조립층(組粒層)생성 현상은 알루미늄합금 압출재의 단조, 스피닝 등의 가공시 그리고 가공재의 품질에도 악영향을 미친다. 따라서 합금과 공정의 조합조건을 충분히 검토해야 금속조직의 균일화를 얻을 수 있다.


(4) 표면처리성


  압출재의 대다수는 6063합금의 건재, 샤시분야에서 사용되고 있으며 내식성향상과 외관의 장식성 대응을 목적으로 양극산화처리에 의해 표면처리된다. 광휘처리, 염색처리, 전해착색, 전해도장 등 넓은 범위에 걸쳐져 있다. 내식성에 대해서는 피막두께의 제어, 봉공처리의 향상에 있어서 문제는 적지만 색조의 불균일에 의한 미관에 미치는 영향은 압출재가 떠맡아 할 품질상 대과제라 할 수 있다.


불균일성의 원인은 표면처리상의 문제도 물론 있지만 압출재표면의 다이스라인, 줄무늬(streak) 등의 결함 그리고 가공, 열이력에 의해 발생하는 내부조직의 차이등 다기(多岐)에 걸쳐져 있다.



이러한 이유로 종합적인 해결은 곤란하며 개개의 색조 문제에 대해 형재표면품질(거침, 결함), 내부조직, 성분값(불순물원소를 포함), 표면처리 면에서 검토해야 한다.


(5) 내식성


  내식성은 대기부식 이외에 응력부식에 대해서도 고려해야 하는 경우도 있어, 합금선택은 사용환경을 중시해야 한다. 예를 들면 중고력합금계의 7N01, 7003합금은 구조용재료로서 바람직하지만 응력부식성에 민감하므로 압출 후의 냉각, 시효처리에서의 특별한 배려가 요구된다.


  신간선차량재로 많이 사용되고 있는 6N01합금, 선박용인 5083합금, 컨테이너재인 6061합금은 표면처리없이 이용될 수 있도록 대기부식에 대해 내식성을 가지고 있다. 또 5083, 6061은 해수부식에도 강한 합금계로 알려져 있다.





(남선알미늄 알루미늄기술편람 발췌)