KR100622725B1

KR100622725B1 - 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감방법

Info

Publication number: KR100622725B1
Application number: KR1020040094485A
Authority: KR
Inventors: 홍승현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2004-11-18
Publication date: 2006-09-19
Also published as: KR20060055602A

Abstract

본 발명은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법에관한 것으로서, 열간 압연, 냉간 압연 및 T4 열처리를 거치는 통상적인 방법으로 제조한 판재의 최종 생산 단계인 조질 압연 단계에서 판재에 전단변형을 가하여 표면에 로테이티드 큐브(rotated cube)집합조직(이하, RW 집합조직이라 칭함)을 발달시켜 헤밍 이방성을 감소시킬 수 있도록 한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적 달성을 위해, 본 발명은 조질 압연 공정을 롤 반경을 460∼500mm로 채택하는 동시에 압하율을 2% 조건하에서 무윤활 압연법으로 진행하되, 조질 압연시 l/d(l: 압연롤 바이트 내에서 롤을 판재에 투영한 길이, d: 판재의 평균 두께)인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단 변형이 가해지도록 한 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법을 제공한다.

알루미늄-마그네슘-실리콘 합금, 헤밍 이방성, 저감 방법

Description

알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법{Method for reducing anisotropy of hemming of Al-Mg-Si alloy sheet}

도 1은 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 AA6022 판재의 집합조직의 발달을 보여주는 (111) 극점도,

도 2는 본 발명에 따른 방법에 의해 제조된 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 결과를 나타내는 현미경 사진,

도 3은 종래의 제조 공정에 의해 제조한 AA6022 판재의 집합조직 발달을 보여주는 (111) 극점도,

도 4는 종래의 제조 방법에 의해 제조된 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 결과를 나타내는 현미경 사진,

도 5는 비교예에 따라 제조된 AA6022 판재의 집합조직의 발달을 보여주는 (111) 극점도,

도 6은 헤밍 이방성을 설명하는 개략도.

본 발명은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차용 외판 부품의 원소재로 많이 사용되고 있는 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재에 대하여 헤밍 이방성이 발생하게 되는 주요 원인인 집합조직을 능동적으로 제어함으로써, 알루미늄-마그네슘 합금 판재의 헤밍 이방성을 저감시키는 동시에 헤밍성을 증가시킬 수 있도록 한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법에 관한 것이다.

최근들어, 환경 문제와 관련하여 자동차의 연비향상을 위한 차체 경량화의 목적으로 기존의 강판 대신 알루미늄 합금 판재를 자동차 부품에 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있으며, 그에따라 AA5XXX계로 알려진 알루미늄-마그네슘 합금을 여러 알루미늄 판재 종류중 성형성이 우수한 특징으로 인해 차체 부품에 적용하였으나, 성형시 발생하는 스트레쳐-스트레인 현상으로 인해 외관 품질이 저하되는 문제로 인해 외판보다는 성형 깊이가 깊은 내판에 주로 적용하고 있다.

반면에, AA6XXX계로 알려진 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재는 성형시 외관 품질 저하가 거의 없으며, 소부 경화능이 있어 성형 후 높은 강도를 유지할 수 있는 장점을 지님에 따라 차체 내/외판 부품 제작에 많이 적용되고 있지만, 이 합금은 제조 공정 특성상 방향성 즉 집합조직을 제어하는데 한계가 있어 성형 공정에 제약이 많은 단점이 있다.

그럼에도 불구하고, 자동차의 차체 경량화 소재로 각광을 받고 있는 알루미늄 합금 판재는 주로 6XXX계로 명명된 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금을 주로 사용 한다.

상기 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금소재는 적절한 성형성을 확보하고 있는 장점이 있으며, 도장 공정후 소부경화(Bake Hardening)라는 현상으로 인해 항복강도가 20%이상 상승하여 차체 외판 강성을 향상시키기에 적합하여 차체 외판에 대한 적용량이 계속 증가하고 있다.

알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재는 열간 압연, 냉간 압연, 용체화 처리 (T4 열처리) 및 조질 압연 등의 제조 공정에 의하여 제조되는 것이 일반적이다.

상기 열간 압연은 주조한 잉곳 혹은 슬라브에 존재하는 수지상정을 없애고 냉간 압연에 적절한 두께인 3∼12mm로 압연하는 공정이고, 상기 냉간 압연은 열간 압연한 슬라브를 사용하여 최종 제품 두께로 상온에서 압연을 하는 공정이며 생산 목적에 따라 중간 어닐(intermediate annealing)을 하기도 한다.

이러한 열간 및 냉간 압연 공정을 거치게 되면 가공경화로 인해 소재의 강도는 증가하나 연성이 떨어지게 되어 최종 열처리를 하여 강도를 낮추고 연성을 회복시켜 성형에 적합한 소재를 생산하게 된다.

자동차용으로 사용하는 AA6022 판재의 경우 냉간 압연을 거친 후, 약 480∼580도로 급가열 한 후, 수분∼수 시간 유지한 다음, 상온으로 급랭하는 T4열처리를 행하며, 이때 유지 온도 및 시간은 회사별, 성분별로 다르게 행하고 있다.

이어서, 상기 조질 압연 공정을 통해 판재의 두께를 균일하게 맞추고 판재에 조도를 부여하게 된다.

일반적으로 AA6022 판재와 같은 면심입방격자 금속은 냉간 압연하면 β섬유 조직이라 불리는 구리 방위 {112}<111>, S 방위 {123}<634>, 황동 방위 {112}<110> 이 발달하게 된다. 여기서, {}는 결정의 압연면을 말하며 <>는 압연방향과 평행한 결정의 방향을 말한다.

통상적인 열처리 조건인 T4처리를 통해 판재의 집합조직은 입방정 집합조직 {001}<100>이 되고, 이 입방정 집합조직은 β섬유조직이 약간이라도 발달하게 되면 급격히 발달하는 방위로 판재의 압연 방향 및 90도 측면 방향의 소성 변형비가 높고, 45도 방향의 소성 변형비가 낮은 특성을 갖는다.

이러한 방위의 소성 이방성으로 인해 판재의 헤밍 이방성이 나타나는 것으로, 통상적인 압연법으로는 입방정 방위의 발달을 막을 수는 없으며, 현재까지는 냉간 압연 중에 중간 어닐을 실시하여 압연중에 발달한 β섬유집합조직이 입방정 방위로 발달하게 한 후, 다시 냉간 압연을 실시하여 입방정 방위의 결정립이 다시 β섬유집합조직 방위로 발달하게 만든 다음, 최종 T4처리후 입방정 방위 대비 β섬유집합조직 방위의 비가 4:1 정도가 되도록 조업 변수를 조절하여 헤밍 이방성을 줄일 수 있다.

그러나, 이러한 헤밍 이방성을 줄이는 방법은 생산비 상승 등의 문제로 인해 많이 시행되고 있지는 않다. 또한 판재의 성분에 따라 입방정 방위 발달 양상이 다르므로 이를 제어하기 위한 변수가 공업적으로 감당하기 어려운 현실로 인해 많이 사용되는 방법은 아니다.

이와 같이, 압연 과정 중 발달하게 되는 결정립의 방향성(집합조직)으로 인해 드로잉 성형 공정 이후, 판재 내/외판의 기계적 결합인 헤밍 공정에서 판재의 방향에 따라 헤밍성 차이가 나타나는 문제로 인해 제품 불량률이 증가하고 있다.

통상, 헤밍(hemming)이란 내판을 외판에 얹고 외판의 플랜지를 펀치로 미는 동시에 접어서 내판과 외판을 결합하는 가공 공정으로서, 차량의 도어, 후드, 트렁크 리드 등에 실시하고 있으며, 이러한 헤밍의 목적은 외관을 향상시키면서(전단가공 후 날카로운 가장자리를 속으로 집어 넣음) 판재 부품을 다른 것과 결합하는데 있다.

여기서 상기 판재의 방향에 따라 헤밍성 차이가 나타나는 것을 헤밍 이방성 (Anisotropy of Hemming)이라고 칭하는 바, 이를 첨부한 도 6을 참조로 간략히 설명하면 다음과 같다.

압연 방향에 수직으로 헤밍하는 경우(압연 방향⊥헤밍 방향)에는 굴곡 및 터짐 현상이 적게 나타나지만, 압연 방향과 평행하게 헤밍하는 경우(압연방향//헤밍 방향)에는 판재 결정립의 결을 따라 크랙 혹은 굴곡 발생이 빈번하게 나타난다.

이에, 자동차 외판 부품의 원소재로 많이 사용되는 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재를 자동차 부품용으로 용이하게 적용하기 위해 헤밍 이방성이 발생하게 되는 주요 원인인 집합조직을 능동적으로 제어하여 알루미늄-마그네슘 합금 판재의 헤밍 이방성을 저감시키는 동시에 헤밍성을 증가시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, AA6022 판재의 헤밍 이방성을 감소시켜 헤밍성을 증가시키는 방법에 관한 것으로, 열간 압연, 냉간 압연 및 T4 열처리를 거치는 통상적인 방법으로 제조한 판재의 최종 생산 단계인 조질 압연 단계에서 판재에 전단변형을 가하여 표면에 로테이티드 큐브(rotated cube)집합조직(이하, RW 집합조직이라 칭함)을 발달시켜 헤밍 이방성을 감소시킬 수 있도록 한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 열간 압연, 냉간 압연, 용체화 처리 (T4 열처리) 및 조질 압연 공정을 포함하여 이루어지는 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 제조 방법에 있어서, 상기 조질 압연 공정을 롤 반경을 460∼500mm로 채택하는 동시에 압하율 2% 조건하에서 무윤활 압연법으로 진행하되, 조질 압연시 l/d(l: 압연롤 바이트 내에서 롤을 판재에 투영한 길이, d: 판재의 평균 두께)인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단 변형이 가해지도록 한 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법을 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 열간 압연, 냉간 압연, 용체화 처리 (T4 열처리) 및 조질 압연 공정을 통하여 제조되는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성을 저감시키기 위한 방법으로서, 열간 압연, 냉간 압연 및 T4 열처리를 통상적인 방법으로 실시한 다음, 최종 생산 단계인 조질 압연 단계에서 l/d인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단변형이 가해지도록 함으로써, 판재의 표면에 RW 집합조직이 발달되어 헤밍 이방성을 감소시킬 수 있도록 한 점에 주된 특징이 있다.

보다 상세하게는, 상기 조질 압연 공정에서 l/d인자값을 3 이상 또는 0.5 이하로 유지시켜 판재에 전단변형을 가함으로써, 표면에 전단집합조직인 {001}<110> 방위를 부피분률 30%이상으로 발달시켜 헤밍시 방향에 따른 굴곡 발생 혹은 크랙 발생을 억제시킬 수 있다.

이때, 상기 헤밍 이방성은 T4 열처리 후에 발달하는 입방정집합조직에 의해 발생하는 바, 이를 기술적으로 막기 위해서는 냉간 압연시 발달하게 되는 β섬유조직을 억제하는 방법이 있을 수 있고, 최종 생산 공정인 조질 압연 공정에서 압하율을 조절하여 입방정 방위의 분률을 조절할 수 있다.

통상적으로 상기 조질 압연 단계에서의 압하량은 0.5%∼2.0% 정도로서, 압하율(reduction ratio in thickness)은 압연 전후의 판 두께의 차이를 초기 두께의 비율로 나타낸 것으로서, 압연 전의 판의 두께가 t1, 압연 후의 두께가 t2 라고 하면, 압하율=(t1-t2)/t1 또는 R=(t1-t2)×100/t1 (%)로 표시된다.

위와 같은 압하율로 판재에 전단 변형을 가하기 위해서는 주의가 필요하며, 전단 변형을 부과하는 척도로 다음 수학식 1을 사용한다.

여기서, l: 압연롤 바이트 내에서 롤을 판재에 투영한 길이

d: 판재의 평균 두께

R: 압연롤 반지름

d_i: 판재의 초기 두께

d_f: 판재의 최종 두께

이때, 전단 변형을 판재에 가하기 위해서는 윤활 조건에 따라 다를 수 있으나, 상기 조질 압연 공정과 같이 윤활을 하지 않는 경우, 상기 수학식 1에 나타낸 l/d인자를 0.5이하로 유지시키거나 3.0이상으로 유지시켜서 전단변형을 판재에 부과하게 되면, RW 집합조직이라 알려진 {001}<110> 방위가 판재 표면에 발달하게 된다.

상기 {001}<110> 방위는 압연 방향 및 측면 방향의 소성 변형비가 낮으며 45도 방향의 소성변형비가 높아 기존 판재에 발달하고 있는 입방정 방위와 공존하게 되면서 소성변형비가 전방향에 걸쳐 균일하게 된다.

다시 말하면, 소성이방성이 없어지고 등방적(isotropic)이게 된다. 이로 인해 헤밍 이방성이 없어지게 되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 전단 변형을 가하기 위해 조질 압연 단계에서 l/d인자를 0.5 이하로 유지하는 경우 수학식 1에서 볼 수 있듯이 동일한 압연롤 하에서 압하량을 매우 작게 해야 한다.

통상적으로 조질 압연시 사용하는 롤의 반경은 210mm정도 인 바, 2%의 조질 압연을 행하는 경우에는 0.5이하의 l/d 인자를 적용하기 위해서는 롤 반경이 13mm 정도가 되어야 한다. 그러나, 롤 반경이 13mm는 공업적으로 불가능한 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면 롤 크기를 460 내지 500mm으로 크게 하는 동시에 l/d인자를 3.0 이상으로 유지하여 조질 압연을 실시하도록 한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되지 않는다는 것은 당분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

실시예 1-3

일반적인 DC 주조법을 사용하여 알루미늄 0.45∼0.70중량%, 마그네슘 0.8∼1.5중량%, 실리콘 0.012∼0.10 중량%, 망간 0.01∼0.11중량%, 구리 및 기타 불순물로 이루어진 상기 AA6022 합금을 주조한 후, 540℃에서 48시간 동안 균질화 처리를 한 후 10mm까지 열간 압연하였다. 열간 압연 시작 온도는 550℃이고 최종 권취 온도는 480℃였다.

이어서, 열간 압연한 AA6022 판재를 냉간 압연하여 두께 1.02mm가 되도록 하였다. 이는 최종 제품 두께가 1.0mm가 되도록 조질 압연 공정에서 압하율 2%로 압연할 수 있도록 하기 위함이다. 다음으로, 냉간 압연 및 T4열처리하였고 이를 사용하여 조질 압연을 시행하였다.

특히, 상기 조절 압연단계는 통상적으로는 2패스로 무윤활 조질 압연을 행하지만, 본 실시예에서는 단 1회의 무윤활 조질 압연을 실시하였으며, 각각 롤의 반경을 460, 480, 500mm로 채택하였다.

비교예 1-5

비교예 1 내지 5는 실시예와 동일한 방법으로 AA6022 합금을 주조하여, 동일한 조건으로 열간압연, 냉간압연, T4 열처리를 하였다.

단, 비교예1 내지 3은 조절 압연단계는 통상적으로는 2패스로 무윤활 조질 압연으로 실시하였고, 비교예 4 내지 5는 1회의 무윤활 조질 압연을 실시하였지만,롤 반경을 각각 210mm와 440mm로 채택하였다.

위의 실시예 및 비교예에 따른 조절 압연시의 평균 l/d인자값은 다음의 표 1에 기재된 바와 같다.

위의 표 1에서 보는 바와 같이, 통상적인 방법인 2패스 조질 압연으로는 원하는 l/d 값을 얻을 수 없음을 비교예 1,2,3을 통해 알 수 있고, 비교예 4 및 5는 롤 반경이 각각 210mm과 440mm로 작기 때문에 원하는 l/d인자값을 얻을 수 없음을 알 수 있었다.

반면에, 실시예 1 내지 3은 롤 크기를 460mm 내지 500mm로 크게 하고, 단 1회 조질 압연을 함으로써 원하는 l/d값(3.0 이상)을 얻을 수 있었다.

한편, 동일한 압연롤을 사용하더라도 2패스 조질 압연을 하는 경우에는 원하는 l/d값을 얻을 수 없음을 비교예 3을 통하여 알 수 있었다.

실험예1

실시예에 따른 판재의 {111}극점도와 비교예1(기존 방법) 및 나머지 비교예에 대한 극점도를 측정하여, 그 결과를 도 1 내지 도 5에 나타내었다.

첨부한 도 3은 기존 방법(비교예1)으로 제조된 판재의 {111} 극점도를, 도 5은 나머지 비교예를 통해 제작된 판재의 {111} 극점도를, 도 1은 실시예에 따른 판재의 {111} 극점도를 표시하고 있는 바, 그 결과를 살펴보면 다음과 같다.

도 3는 전형적인 입방정 집합조직을 나타내고 있으며, 이는 냉간 압연한 판재를 열처리하게 되면 발달하게 되는 방위이고, 도 5에서 보듯이 입방정 방위를 갖는 판재를 조질 압연함으로써 미약하나마 β섬유집합조직이 발달하고 있음을 알 수 있었다.

반면에, 도 1에서 보듯이 전단변형을 판재 표면에 가하게 되어 RW 집합조직이 발달하고 있음을 알 수 있었다.

실험예2

실시예 및 비교예에 대한 집합조직 부피 분률을 측정하고, 압연 방향⊥헤밍 방향의 경우와 압연방향//헤밍 방향의 경우에 크랙 발생 상태를 관찰하였고 그 결과는 다음의 표 2에 나타낸 바와 같다.

위의 표 2에서 보는 바와 같이, 실시예 1 내지 3은 굴곡 및 터짐 현상(크랙발생)이 거의 나타나지 않았고(도 2의 현미경 사진 참조), 비교예 1 내지 5의 경우 에는 압연 방향과 평행하게 헤밍하는 경우(압연방향//헤밍 방향)에는 판재 결정립의 결을 따라 크랙 혹은 굴곡 발생이 빈번하게 나타남(도 4의 현미경 사진 참조)을 알 수 있었다.

또한, 조질 압연시에 롤의 반경을 증가시켜 l/d인자 값을 3.0 이상으로 유지시킨 경우, 판재 표면에 전단 집합조직인 RW집합조직인 {001}<110>이 발달하게 되어 결국 헤밍 이방성을 줄일 수 있게 된다.

반면에, 비교예의 결과를 보면 기존 방법으로는 입방정 방위의 발달이 타방위의 발달에 비해 심하게 되어, 판재 헤밍 이방성을 증가시키게 된다.

즉, l/d인자가 3 미만인 비교예 5의 경우 RW집합조직인 {001}<110>가 25까지 발달하였지만, 압연 방향과 평행하게 헤밍하는 경우(압연방향//헤밍 방향)에 헤밍 이방성이 나타난 것으로 관찰되었다.

따라서, 표 2에서 볼 수 있듯이 표면에 전단집합조직인 {001}<110> 방위를 부피분률 30%이상으로 높이는 것이 타당함을 알 수 있었다.

결국, 조질 압연 공정에서 l/d인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단변형을 가함으로써, 표면에 전단집합조직인 {001}<110> 방위를 부피분률 30%이상으로 발달시켜 헤밍시 방향에 따른 굴곡 발생 혹은 크랙 발생을 억제시킬 수 있음을 알 수 있었다.

이상에서 본 바와 같이, 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법에 의하면, 롤 반경을 460∼500mm로 채택하는 동시에 압하율을 2% 조건하에서 조질 압연 공정을 실시하되, l/d인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단변형을 가함으로써, 판재 표면에 전단집합조직인 {001}<110> 방위를 부피분률 30%이상으로 발달시켜 헤밍시 방향에 따른 굴곡 발생 혹은 크랙 발생을 용이하게 억제시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims

열간 압연, 냉간 압연, 용체화 처리 (T4 열처리) 및 조질 압연 공정을 포함하여 이루어지는 AA6022 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 제조 방법에 있어서,

상기 조질 압연 공정을 롤 반경을 460∼500mm로 채택하는 동시에 압하율을 2% 조건하에서 무윤활 압연법으로 진행하되, 조질 압연시 l/d(l: 압연롤 바이트 내에서 롤을 판재에 투영한 길이, d: 판재의 평균 두께)인자값을 3 이상으로 유지시켜 판재에 전단 변형이 가해지도록 한 것을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금 판재의 헤밍 이방성 저감 방법.