KR100434808B1 - 강도가높고성형성이우수한알루미늄합금스트립의제조방법 - Google Patents

Abstract

기계 강도가 높고 성형성이 우수한 알루미늄 합금 제조 방법은, (a) 0.5 내지 13 wt%의 실리콘, 0 내지 2 wt%의 마그네슘, 및/또는 0 내지 2 wt%의 구리, 및/또는 0 내지 1 wt%의 망간, 및/또는 0 내지 2 wt%의 철, 그리고 각각 0.5 wt% 미만이고 총 2 wt% 미만의 기타 원소들을 함유한 알루미늄 합금을 제련하는 단계와,(b) 두께 1.5 내지 5 mm의 주조 스트립을 얻기 위하여 2개의 냉각 롤 사이에서 상기 알루미늄 합금을 연속 주조하는 단계로서, 롤에 가해진 비벽은 비력-두께 다이어그램에 있어서 직선(AB)의 아래에, 바람직하게는 직선(A'B')의 아래에 유지되며, A, B, A', B'의 좌표는, A : 1.5 mm 750 ton/m, B : 5 mm 500 ton/m, A' : 1.5 mm 700 ton/m, B' : 5 mm 300 ton/m인, 합금의 연속 주조 단계와, (c) 필요에 따라 스트립을 냉간 압연하는 단계를 포함한다. 이러한 스트립은 예를 들면, 자동차 자체의 부품을 제조하는 데 사용될 수 있다.

Description

강도가 높고 성형성이 우수한 알루미늄 합금 스트립의 제조 방법{METHOD FOR MAKING THIN, HIGH-STRENGTH, HIGHLY FORMABLE ALUMINIUM ALLOY STRIPS}

자동차 차체의 패널 작업과 같은 기계적 용도에 사용되는 알루미늄 합금의 스트립은 통상적으로 소정 횟수의 중간 또는 최종 열처리와 더불어, 플레이트의 반(半)연속 주조, 열간 압연 및 냉간 압연에 의해 제조된다.

연속 주조법, 특히 2개의 냉각 롤 사이에서의 연속 주조를 이용할 수도 있는데, 이 주조법은 열간 압연 작업을 제한하고 때때로 생략할 수 있다는 장점이 있지만, 합금 원소를 다량으로 함유한 합금의 경우에는 문제를 유발한다.

따라서, ALCAN의 미국 특허 제4,126,486호에는, 두께가 5 내지 8 ㎜인 스트립을 0.25 m/분을 초과하는 속도로 예컨대 2개의 롤에서 연속 주조하고, 그 후에 60%를 넘는 축소율로 냉간 압연을 행하고 풀림 처리하여 얻어지며, Mg, Cu, Zn, Fe및/또는 Mn을 필요에 따라 첨가한 AlSi 합금(Si 함량이 4 내지 15 wt％)의 스트립을 제조하는 제조 방법이 개시되어 있다.

봉 형상의 금속간 화합물을 갖는 주조 구조가 얻어지며, 이것이 냉간 압연에 의해 미세한 입자로 변형되어, 성형성이 향상된다.

스카이 알루미늄(SKY ALUMINIUM)의 일본 특허 출원 제62-207851호는, 두께가 3 내지 15 ㎜인 스트립을 연속 주조한 후에, 냉간 압연, 용체화 처리 및 담금질 처리하여 얻어지며, 미세한 금속간 구조를 갖고, 0.4 내지 2.5 wt％의 Si와 0.1 내지 1.2 wt％의 Mg를 함유한 AlSiMg 합금으로 이루어지는 스트립에 관한 것이다. 이러한 스트립은 자동차 차체의 패널 작업 및 공기 조화기나 가솔린 탱크와 같은 기타 기계적 용도에도 사용될 수 있다.

이러한 합금은 종래의 주조법에 의해 얻어질 수 있는 6000 시리즈에 속하는 알루미늄 합금의 종래의 조성물의 범위에 있는 것으로, 구리와 실리콘의 경화력은 이용되지 않는데, 왜냐하면 그들의 성형성은 조대(粗大)한 실리콘 상(相)의 존재에 의해 제한되고 이로 인해 그 용례가 한정되기 때문이다.

일반적으로, 다량의 합금 원소를 함유한 합금을 연속적인 롤 주조에 의해 제조하는 것은 문제를 유발하는데, 그 이유는 금속간 상의 존재가 주조 시에 후속 가공에 부적당한 미세구조를 초래할 수도 있기 때문이다. 합금 원소의 함량이 적으면서도 기계 강도가 높고 성형성이 우수한 알루미늄 합금으로 이루어진 스트립을 얻고자 하는 경우에, 편석(偏析)이 없는 미세구조를 얻기 위해 상당한 힘을 롤 사이에 가해야 하는 것으로 동 주제의 문헌들은 제안하고 있다.

이와 관련하여 DAVY INTERNATIONAL 사의 P.M.THOMAS 및 P.G.GROCOK은 1994년 10월 26일-28일에 미국 애틀랜타에서의 ALUMITECH 회의에 제출한 보고서 "High speed thin strip casting comes of age"에서, 순수 알루미늄 또는 저합금 알루미늄을 얻기 위하여 스트립의 폭 1 ㎜ 당 0.5 내지 1 ton의 상당한 힘을 롤에 가할 필요가 있다는 것을 지적하고 있는데, 이는 배럴(barrel) 형상의 롤을 사용하는 것을 포함한다.

이들 저자에 따르면, 주조된 스트립의 두께가 얇을수록 보다 큰 힘이 가해질 필요가 있다. 중앙 편석의 형성 시에 가해진 힘의 영향은 가해진 힘 및 스트립의 두께와 관련한 편석 출현의 경계(limits of segregation onset)를 보여주는 도 1에 제시된 다이어그램 형태의 논문으로 요약된다. 저자들에 따르면, 이 다이어그램은 비교적 작은 힘이 가해진 경우를 제외한 모든 조건에서 중앙선의 무결함 미세구조를 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 두께가 좁을 경우에, 편석이 없는 상태로 구조를 유지하기 위해서는 보다 큰 비력(比力)을 가할 필요가 있다.

HUNTER ENGINEERING 사의 B.TARAGLIO 및 C.ROMANOWSKI가 AIME/TMS Light Metals 95 회의에 제출한 논문 "Thin-gauge/High-speed roll casting technology for foil production"에는, 연속적인 롤 주조에 사용된 압연 밀(mill)의 출력이 3000 ton 이라고 지적되어 있다. 이 값은 연속적인 롤 주조 중에 큰 힘을 사용할 필요가 있다는 것을 강조하는 것이다. 이 힘의 감소가 큰 관심사인데, 이는 그러한 힘의 감소로 인하여 경량화를 이룰 수 있고, 또한 보다 저렴한 장치를 제조할 수 있기 때문이다.

당업자들이 알고 있는 바에 따르면, 상기 논문에 개시된 바와 같이, 연속적인 롤 주조기의 작동점은 3가지 변수, 즉 롤이 스트립에 가하는 비력〔스트립 폭(m) 당 힘(ton)으로 표시〕, 롤 밀을 나갈 때의 스트립의 두께(mm) 및 주조 속도(m/분)에 의해 결정된다. 이들 변수 중 임의의 2개가 독립적으로 조정될 수 있으며, 이렇게 정의된 각각의 작동점에 대하여, 얻어진 제품의 품질 및 기계의 효율이 공정의 공업적 장점을 결정한다.

요약하면, 현 상태의 기술은 작동점을 강한 힘의 영역에서 구해야 하며, 합금이 고합금 함량을 포함하는 경우에 더욱 그렇다. 또한, 현재까지는 이러한 고합금 함량의 합금은 연속적인 롤 주조에 의해 제조할 수 없는 것으로 확인되었다. 이것은 B.TARAGLIO 등의 전술한 논문의 표 1에 제공된 합금 목록에 예로 제시되어 있는데, 이 목록은 상기 저자가 기술하고 있는 주조 기계를 사용하여 주조될 수 있는 것이다.

본 발명은 실리콘과, 필요에 따라 마그네슘, 망간 및/또는 구리를 합금 원소로 하는 알루미늄 합금을 2개의 냉각 롤 사이에서 연속적으로 주조하고, 필요한 경우 냉간 압연을 실시하여 두께가 5 ㎜ 미만인 스트립(strip)으로 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 이러한 스트립은 기계 강도가 높고 성형성(成形性)이 우수하므로, 기계적 용도, 특히 자동차 차체의 패널 작업에 사용된다.

도 1은 가해진 비력을 X축으로 하고, 스트립의 두께를 Y축으로 하여 치수를 생략한 상태로 나타낸 다이어그램으로, 서로 다른 영역은 특히 편석과 같은 분명한 미세구조상의 결함에 대응한다. 이 다이어그램은 전술한 P.M.THOMAS 등에 의한 논문에서 취한 것이므로 종래 기술에 속하는 것이며,

도 2는 주조된 스트립의 두께를 X축으로 하고 롤에 가해진 비력을 Y축으로 하여 본 발명의 작동 영역을 도시하는 다이어그램이고,

도 3 및 도 4는 미세하고 균질한 금속간 분산이 이루어진 무결함의 미세구조와, 후속 가공에 부적당한 편석이 있는 미세구조를 각각 도시하는 주조된 스트립의 단면 현미경 사진이고,

도 5 내지 도 9는 5개의 상이한 합금에 대한 두께-비력 다이어그램에 있어서 실행된 상이한 시험에 대한 주조 파라미터를 나타내는 점을 보여주는 도면이다.

본원의 발명자는, 종래 기술의 교시와는 달리, 롤 사이의 작은 힘에 대응하는 작동점을 사용하면, 보다 큰 힘을 사용하여 주조된 스트립과 비교하여 주조된 스트립의 미세구조 품질이 놀라울 정도로 향상되며, 실리콘, 마그네슘, 망간 및/또는 구리를 함유한 합금, 특히 현재까지는 연속 주조에 의해 얻을 수 없었던 AlSiMg 및 AlSiMgCu 합금으로 이루어지고, 보다 강한 기계적 특성 및 우수한 성형성을 제공하는 얇은 스트립을 얻을 수 있음을 발견하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 기계 강도가 높으며 성형성이 우수한 알루미늄 합금으로 이루어진 스트립의 제조 방법을 제공하는 것으로,

- 0.5 내지 13 wt％의 Si, 0 내지 2 wt％의 Mg, 및/또는 0 내지 1 wt％의 Mn, 및/또는 0 내지 2 wt％의 Cu, 및/또는 0 내지 2 wt％의 Fe, 그리고 각각 0.5 wt％ 미만이고 총량으로 2 wt％ 미만인 기타 원소들을 함유하는 알루미늄 합금을 제련하는 단계와,

- 두께가 1.5 내지 5 ㎜인 스트립을 얻도록 2개의 냉각 롤 사이에서 상기 합금을 연속 주조하는 단계와,

- 필요에 따라 상기 스트립을 2 ㎜ 미만의 두께로 냉간 압연하는 단계를 포함하며,

이러한 스트립의 제조 방법에 있어서, X축을 스트립의 두께(mm)로 하고 Y축을 롤에 가해지는 비력〔주조된 스트립의 폭(m) 당 힘(ton) ; 단위 ton/m〕으로 하는 다이어그램에서의 작동점은 직선(AB) 아래에, 바람직하게는 직선(A'B') 아래에 위치되고, 이들 A, B, A', B'의 좌표는 각각 다음과 같다.

또한, 상기 방법은 압연 전에 합금 조성에 따라 420 내지 600℃의 온도에서 주물 스트립을 풀림 처리하는 단계와, 420 내지 600℃ 온도에서 압연된 스트립을 용체화 처리에 의해 열처리하는 단계와, 담금질 처리하는 단계 및 300℃ 미만의 온도에서 인공 시효 처리하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 바람직한 합금 조성은 다음과 같다.

Si : 2.6 내지 13 wt％, Mg : 1.4 내지 2 wt％, Cu : ＜2 wt％,

Fe: ＜0.4 wt％(바람직하게는 ＜0.25 wt％), Mn : ＜0.5 wt％.

본 발명의 방법에 사용된 알루미늄 합금은 0.5 내지 13％의 실리콘을 함유한다. 13％ 이상인 경우에는, 성형성을 저해하는 실리콘 상(相)의 형성이 관찰된다. 0.5％ 미만인 경우에는, 실리콘에 의해 제공되는 경화가 자동차 차체의 패널 작업과 같은 고려 대상의 용례에 적합한 기계적 특성을 달성하기에 불충분하다.

실리콘은 Mg₂Si 준안정 경화 상의 침전을 허용하도록 마그네슘과 화합될 수 있다. 2％ 이상의 과대한 마그네슘 함량은 편석을 야기하며, 이는 주조시 가해지는 힘의 증가에 따라 증가한다.

구리 또는 철의 첨가는 기계 강도를 향상시키지만, 2％ 이상인 경우에는, 스트립의 연성 및 성형성이 현저히 감소된다. 망간을 첨가하면 입자 사이즈를 양호하게 제어할 수 있다.

고합금 함량의 합금을 제련하는 것은 주의 깊게 제어되어야 하는데, 그 이유는 합금 원소 함유량이 클수록 응고 시에 하나로 뭉쳐져 편석될 수 있는 상당수의 금속간 상이 야기되어, 스트립의 기계적 특성, 특히 성형성을 저해하기 때문이다. 따라서, 두께 및 가해진 비력과 같이, 주조와 관련이 없는 변수의 제어는 영구적이고 정확해야 한다.

이들 합금의 연속 주조는 2개의 냉각 롤 사이에서 트윈 롤 주조(twin roll casting)에 의해 이루어진다. 이러한 타입의 주조 기계는 수년동안 존재해 왔으며, 예를 들면 근래에 두께가 5mm 미만인 스트립의 주조에 적용되고 있는 PECHINEY RHENALU 사에서 판매하는 "3C" 주조 기계가 있다.

기계적 특성, 특히 성형성에 치명적인 영향을 끼치는 주조된 스트립 내의 금속간 상 편석이 형성되는 것을 방지하기 위하여, 본원의 출원인은 놀랍게도, 소정 폭의 주조된 스트립에 대하여, 롤에 가해지는 힘(롤이 서로 분리되는 것을 억제하므로 종종 "분리력"으로도 지칭됨)을 주조 중에 힘/두께 다이어그램의 특정 영역내로 제한할 필요가 있다는 사실을 발견하였다.

종래 기술에서 제안된 바와는 반대로, 유해한 편석의 형성 위험이 가장 높을 때, 합금 내의 합금 원소의 함량, 특히 마그네슘 함량이 증가할수록 이러한 힘은 더욱 제한되어야 한다.

비력은 100 ton/m 미만으로 떨어질 수 없는데, 그렇지 않으면 스트립이 더 이상 전방으로 구동되지 않아 표면 상태가 만족스럽지 않게 된다. 이 비력은 항상 750 ton/m 미만이며, 도 3에 도시된 바와 같이 무결함의 미세구조를 얻기 위하여 직선 AB, 바람직하게는 직선 A'B'의 아래에 유지되어야 한다.

구조적으로 경화된 합금의 경우, 압연된 스트립은 열처리되는데, 이러한 열처리는 통상적으로 용융 개시 온도보다 약간 낮은 온도에서의 용체화 처리와, 담금질 처리와, 주변 온도에서의 숙성 또는 300℃ 미만의 온도에서의 인공 시효 처리를 포함한다.

예

아래의 조성을 갖는 A 내지 E로 나타낸 5개의 합금을 제련하였다.

제련로 내의 액체 금속에 AT5B 타입의 알루미늄-티타늄-붕소 합금을 첨가하여 정련 처리를 행하였다.

상이한 두께 및 비력 값에서 폭 1.5 m의 상이한 스트립을 얻도록, PECHINEY RHENALU 사의 "3C" 주조 기계에서, 내부 수냉식의 특수강제의 2개의 후프형(hooped) 롤 사이에서 5개의 합금을 주조하였다. 주조 기계로부터의 배출 시의 온도는 220 내지 350℃ 이었다.

주조된 스트립의 미세구조를 검사하였으며, 도 3에는 균질하게 분산된 미세한 금속간 입자를 갖는 무결함 미세구조의 예를 도시하고 있으며, 도 4에는 주조 방향으로 배향된 긴 채널 형태의 금속간 편석이 있어서 소정의 후속 가공에 부적당한 결함이 있는 미세구조를 도시하고 있다.

이어서, 주조된 스트립을 540℃에서 8시간 동안 계속하여 균질화 처리한 후에, 1 ㎜까지 냉간 압연하고, 통과로(through furnace) 내에서 540℃의 온도로 용체화 처리하고, 담금질하고, 180℃에서 30분에서 8시간 동안 시간을 변경하면서 인공 시효 처리하였다.

합금 A

두께와 롤에 가해진 비력이 상이한 합금으로 수행한 5가지 시험 결과를 아래의 표에 나타내고 도 5의 그래프에 도시하였다.

시험 3에 해당하는 조건, 즉 주조 두께가 4.8 mm이며 주조 속도가 2.1 m/분이며 비력이 213 ton/m인 조건으로 스트립을 압연하고, 용체화 처리하고, 담금질 처리하고 인공 시효 처리하여, 0.2％의 소성 변형에서의 항복 강도(R_0.2), 극한 응력(Rm) 및 3 내지 4％ 변형률에서 측정한 변형 레벨(n)을 측정하였다.

R_0.2= 240 MPa, Rm = 315 MPa, n = 0.273 이었다.

합금 B

14 번의 시험 결과는 아래와 같았다.

이 결과는 도 6에 그래프로 도시되어 있다.

미세구조는 14번째 시험을 제외하고는 모든 경우에 결함이 없었다.

합금 C

이 합금의 3번의 시험 결과는 아래와 같았다.

이 결과는 도 7의 그래프에 도시되어 있다. 2번째 시험(주조 두께: 4.14 ㎜, 속도 : 1.78 m/분, 비력 : 489 ton/m)으로부터 얻은, 압연 및 열처리된 스트립의기계적 특성은 R_0.2= 275 MPa, Rm = 345 MPa, n = 0.286 이었다.

합금 D

6번의 시험 결과는 아래와 같았다.

이 결과는 도 8의 그래프에 도시되어 있다. 첫 번째와 세 번째 시험으로부터 얻은, 압연 및 열처리된 스트립의 경우, 아래의 기계적 특성들이 측정되었다:

시험 1 R_0.2= 168 MPa Rm = 356 MPa n = 0.263

시험 3 R_0.2= 179 MPa Rm = 345 MPa n = 0.289

합금 E

3번의 시험 결과는 아래와 같았다.

이 결과는 도 9의 그래프에 도시되어 있다. 첫 번째 시험(두께 : 3.23 ㎜,속도 : 3.1 m/분, 비력 : 207 ton/m)에 대응하는 압연 및 열처리된 스트립의 경우 아래의 기계적 특성이 측정되었다.

R_0.2= 210 MPa Rm = 320 MPa n = 0.299

Claims (15)

1. 기계 강도가 높고 성형성이 우수한 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법에 있어서,

   - 0.5 내지 13 wt％의 실리콘과, 각각 0.5 wt％ 미만이고 총량으로 2 wt％ 미만인 기타 원소들을 함유하는 알루미늄 합금의 제련 단계와,

   - 두께 1.5 내지 5 ㎜의 주조된 스트립(cast strip)을 얻도록 2개의 냉각 롤 사이에서 상기 알루미늄 합금을 연속 주조하는 단계로서, 상기 롤에 가해지는 비력(比力)은, X축을 주조 두께(단위 ㎜)로 하고 Y축을 비력〔스트립의 폭(m) 당 힘(ton)으로 표시; 단위 ton/m〕으로 하는 다이어그램에 있어서 직선 AB〔여기서, A는 X축 좌표가 1.5 ㎜이고 Y축 좌표가 750 ton/m인 점이고, B는 X축 좌표가 5 ㎜이고, Y축 좌표가 500 ton/m 인 점임〕의 아래에 유지되는 것인 합금의 연속 주조 단계와,

   - 상기 주조된 스트립을 냉간 압연하는 단계를 포함하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Mg를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Cu를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 1.0%의 Mn을 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Fe를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
6. 기계 강도가 높고 성형성이 우수한 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법에 있어서,

   - 0.5 내지 13 wt％의 실리콘과, 각각 0.5 wt％ 미만이고 총 2 wt％ 미만의 기타 원소들을 함유하는 알루미늄 합금의 제련 단계와,

   - 두께 1.5 내지 5 ㎜의 주조된 스트립을 얻도록 2개의 냉각 롤 사이에서 상기 알루미늄 합금을 연속 주조하는 단계로서, 상기 롤에 가해지는 비력은, X축을 주조 두께(단위 ㎜)로 하고 Y축을 비력〔스트립의 폭(m) 당 힘(ton)으로 표시; 단위 ton/m〕으로 하는 다이어그램에 있어서 직선 AB〔여기서, A는 X축 좌표가 1.5 ㎜이고 Y축 좌표가 750 ton/m인 점이고, B는 X축 좌표가 5 ㎜이고, Y축 좌표가 500 ton/m 인 점임〕의 아래에 유지되는 것인 합금의 연속 주조 단계를 포함하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Mg를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
8. 제6항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Cu를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 1.0%의 Mn을 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
10. 제6항에 있어서, 상기 합금은 0.5 내지 2.0%의 Fe를 더 함유하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
11. 제2항에 있어서, 주조 합금은 실리콘 함량이 2.6％를 초과하고, 마그네슘 함량이 1.4％를 초과하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
12. 제7항에 있어서, 주조 합금은 실리콘 함량이 2.6％를 초과하고, 마그네슘 함량이 1.4％를 초과하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
13. 제1항, 제2항 내지 제5항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주조 단계와 냉간 압연 단계 사이에서, 420 내지 600℃ 사이의 온도에서 균질화 풀림 처리를 수행하는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
14. 제1항, 제2항 내지 제5항 및 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 압연된 스트립은 420 내지 600℃에서 용체화 처리되고, 담금질 처리되고, 300℃ 미만의 온도에서 인공 시효 처리되는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.
15. 제1항, 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 롤에 가해지는 비력은, X축을 주조 두께(단위 ㎜)로 하고 Y축을 비력〔스트립의 폭(m) 당 힘(ton)으로 표시; 단위 ton/m〕으로 하는 상기 다이어그램에 있어서 직선 A'B' 〔여기서, A'는 X축 좌표가 1.5 ㎜이고 Y축 좌표가 700 ton/m인 점이고, B는 X축 좌표가 5 ㎜이고, Y축 좌표가 300 ton/m 인 점임〕의 아래에 유지되는 것인 알루미늄 합금제 스트립의 제조 방법.