KR101028029B1 - 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재의 성형시 발생하는 표면 굴곡을 억제할 수 있도록 한 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 냉간 압연 스케쥴 중, 최종 패스에서 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연하는 단계와; 상기 냉간압연된 알루미늄 합금 판재를 450~510℃에서 3시간 동안 1차 열처리하는 단계와; 1차 열처리 후, 60℃/초 이상의 속도로 급랭하는 단계와; 급랭된 알루미늄 합금 판재를 200~220℃에서 재열처리하는 2차 열처리 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법을 제공한다.

알루미늄 합금, 판재, 열처리 방법, 마그네슘, 표면 굴곡

Description

알루미늄 합금 판재의 열처리 방법{Heat treatment method for Al alloy panel}

본 발명은 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재의 성형시 발생하는 표면 굴곡을 억제할 수 있도록 한 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법에 관한 것이다.

현재 자동차용 외판재로 주로 사용되는 알루미늄 합금은 5xxx(알루미늄-마그네슘) 및 6xxx(알루미늄-마그네슘-실리콘) 계열 합금으로서, 강도 및 강성 보완을 위하여 판재의 두께가 크게는 2mm까지 적용되고 있다.

성형성 측면에서, 상기 알루미늄-마그네슘 합금이 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금에 비해 우수하여, 복잡한 형상의 내판과 외판에 주로 적용되고 있다.

그러나, 상기 알루미늄-마그네슘 합금 판재는 열처리에 의한 석출강화 효과를 얻기 위하여 첨가되는 합금원소의 거동에 의하여, 판재 성형시 특정 고용 원소 또는 석출상과 미세조직상 금속의 소성변형에 관여하는 전위와의 상호작용, 즉 동 적 변형시효 및 불균일 변형으로 인해, 판재 표면에 미세한 표면굴곡이 발생하여 면품질 문제로 인해 자동차 상품성을 해치는 요인을 제공하고 있다.

일반적으로, 상기 표면굴곡 현상의 발생은 도 1의 그래프에 나타낸 것처럼 판재 재료를 대상으로 수행한 인장시험 시에 나타나는 인장곡선 상에서, 톱니모양 거동(Serrated Flow)의 발생으로 평가할 수 있다.

지금까지의 종래 기술에서는 5천계 알루미늄 판재의 변형시효로 인한 표면 굴곡은 막을 수 없으며, 표면굴곡이 발생하는 경우 외판을 전면 샌딩하는 후공정을 도입하여 해결하고 있는 바, 이는 패널(Panel) 생산성을 크게 해치며 제조 원가를 상승시키는 결과를 초래하게 되어 개선의 여지가 필요한 실정에 있다.

더욱이, 고성형성을 얻기 위해서는 Mg 첨가량을 증가시킬 수 밖에 없으나, Mg 함량이 증가할수록 성형 후 표면 굴곡현상을 심해지게 되므로, 판재의 성형성을 해치지 않으면서 성형 중 표면 굴곡을 막기 위한 공정은 현재까지 제시되고 있지 않은 실정에 있다.

하나의 대안으로, 복잡한 형상의 인너 패널(Inner panel)의 경우 표면 외관이 중요하지 않으므로, Mg 함량이 2.8% 이상의 합금을 사용하여 성형성을 확보하고, 외판의 경우 Mg 함량이 2.5% 미만의 합금을 적용하여 표면 품질을 유지하는 방안이 모색되었으나, 디자인의 요구를 수용하기 위한 외판의 성형성이 부족하여 부득이하게 전면 샌딩 공정을 도입하더라도 고함량의 Mg을 포함하는 알루미늄-마그네슘 합금을 적용하고 있는 실정에 있다.

본 발명은 상기와 같은 판재성형 시에 발생하는 표면굴곡을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 냉간압연을 거쳐 최종 열처리(시효처리)된 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재를 대상으로 간단한 열처리 공정을 적용하여, 판재 성형 시에 표면 거침의 원인을 제공하는 고용 Mg 합금을 석출시키면서 결정립 크기를 키워줌으로써, 전위의 이동에 제한을 최대한으로 줄여서 표면 굴곡을 형성시키는 동적 시효경화를 방지할 수 있는 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉간 압연 스케쥴 중, 최종 패스에서 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연하는 단계와; 상기 냉간압연된 알루미늄 합금 판재를 450~510℃에서 3시간 동안 1차 열처리하는 단계와; 1차 열처리 후, 60℃/초 이상의 속도로 급랭하는 단계와; 급랭된 알루미늄 합금 판재를 200~220℃에서 재열처리하는 2차 열처리 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법을 제공한다.

또한, 상기 알루미늄 합금 판재는 마그네슘(Mg) 3.0∼3.8중량%, 망간(Mn) 0.20∼0.50중량%, 철(Fe) 0.35중량%, 나머지 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연함으로써, 상기 알루미늄 합금 판재의 표면에 전단응력이 가해지는 동시에 전단 집합조직인 {001}<110>이 발달하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면, AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재를 대상으로 1차 열처리 및 보다 낮은 온도에서 진행되는 2차 열처리를 실시하여, 마그네슘 석출물의 조대화를 막아줌으로써, 판재 성형 시에 동적 변형시효에 의하여 발생하는 표면 굴곡을 줄이고, 성형이 용이하며, 성형 후 가공경화에 의한 고강도 특성을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재를 대상으로 간단한 열처리 공정을 적용하여, 판재 성형 시에 동적 변형시효에 의하여 발생하는 표면 굴곡을 줄이고, 성형이 용이하며, 성형 후 가공경화에 의한 고강도 특성을 얻을 수 있는 열처리 방법을 제공하고자 한 것이다.

즉, 본 발명은 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재에서 마그네슘(Mg)에 의한 석출상 형성으로 재열처리 후 고강도를 얻을 수 있으며, 알루미늄-마그네슘 합금 판재에 특정 온도구간에서 열처리를 행함으로써, 판재 성형 시의 표면거침을 저감시킬 수 있는 열처리 방법을 제공하고자 한 것이다.

본 발명의 열처리 대상 합금으로 채택된 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금의 화학조성은 마그네슘(Mg) 3.0∼3.8중량%, 망간(Mn) 0.20∼0.50중량%, 철(Fe) 0.35중량%, 나머지 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물이 함유된 일종의 상용합금이다.

상기와 같은 조성을 갖는 AA5454 알루미늄-마그네슘 판재는 잉곳 상태의 원료를 용해시킴과 함께 DC주조하여 두께 150mm의 알루미늄-마그네슘 합금 슬라브를 만드는 단계와, 550℃에서 열간압연을 시작하여 두께 20mm까지 압연하는 단계와, 420℃에서 권취한 열연 코일을 다시 두께 1.0mm까지 냉간 압연하는 단계와, 516℃에서 7시간동안 시효처리하는 단계, 를 포함하는 통상적인 방법으로 제조된다.

이때, 성형성 확보를 위해 상기와 같이 시효처리를 시행하여 연신률을 최대한 증가시키지만, 표면 굴곡이 생기게 되는 원인인 마그네슘 석출물이 조대화되는 것을 피할 수 없었다.

즉, 고용 마그네슘의 석출이 일어나는 열처리 공정에서 마스네슘 석출물이 조대화되지 않도록 하는 것은 최종 시효처리(냉간압연 후, 열처리)시 통상적인 공법의 온도인 450~510℃의 온도범위에서 5~7시간 동안 열처리하는 공정으로는 이루어질 수 없었다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명은 연신률은 상기와 같은 순서로 제조되는 판재와 동등 이상이나, 표면 굴곡이 생기는 마그네슘 석출물의 조대화를 막기 위해 석출물 성장을 방해하는 전단 응력을 냉간압연 중에 최대한 가하고, 열처리를 단계적으로 시행하여 석출물이 미세하게 분포하도록 유도하는 점에 그 특징이 있다.

이를 위해, 본 발명에서는 통상적으로 5패스로 구성된 냉간 압연 스케쥴 중, 최종 패스에서 표면 전단응력을 가하기 위해 전단계(4패스 후) 두께 대비 45~50% 압하를 가한다.

그 이유는 모든 패스에서 전단응력을 가하게 되면, 결정립 방위는 전단 집합조직이라 불리는 {001}<110>으로 변하게 되어, 이방성이 커지게 되는 단점이 발생하기 때문에 최종 압연에서만 전단을 가해야만 한다.

본 발명은 AA5454 알루미늄 합금 판재의 표면굴곡의 원인을 제공하는 석출된 고용 Mg를 과다 성장되지 않도록 냉간압연 중 표면 전단을 가한 후, 저온 다단 열처리를 시행하는 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명의 열처리 방법은 냉간 압연 스케쥴 중, 최종 패스에서 AA5454 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연하는 단계와, 450~510℃에서 3시간 동안 1차 열처리하는 단계와, 60℃/초 이상의 속도로 급랭하는 단계와, 200~220℃에서 재열처리하는 2차 열처리 단계로 진행된다.

보다 상세하게는, 본 발명은 마그네슘 석출물의 성장 구동력을 최대한 낮추기 위해, 450~510℃에서 3시간 동안 1차 열처리 단계를 실시하여 마그네슘 석출물을 석출시킨 후, 60℃/초 이상의 속도로 급랭하고, 연이어 200~220℃에서 재열처리 즉, 2차 열처리를 시행한다.

이렇게 2차 열처리를 시행하는 이유는 연신률 회복을 시키면서도 고온성장이 주 메커니즘인 마그네슘 석출물이 성장하지 못하도록 하기 위함에 있다.

이와 같이, 본 발명에서 적용한 열처리 방법은 AA5454 알루미늄 합금 입계에 석출되어 있는 마그네슘(Mg)이 그 성장이 일어나지 않는 임계 온도로 냉간압연된 후, 이미 생성되어 있는 마그네슘 석출물은 1차 열처리 단계로 고용시키고, 2차 열처리를 통해 미세하게 마그네슘 석출물을 재석출시키되 그 성장을 억제시키는 메커니즘으로 이루어진다.

첨부한 도 2는 본 발명의 열처리 공정 중 판재에 대한 냉간 압연 후 (111) 극점도로 표시된 집합조직을 나타낸다.

도 2에서, (a)에 표시한 기존재의 집합조직과 비교하여 (b)에 표시한 본 발명재는 표면에 전단이 가해져 있어 열처리 중 석출물의 성장을 지연시키는 전단 집합조직인 {001}<110>이 발달하고, 내부에는 전형적인 압연 집합조직인 구리형 집합조직이 발달됨을 볼 수 있다.

반면에, 기존재는 표면과 내부 모두 동일한 구리형 집합조직이다.

첨부한 도 3은 본 발명의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재와, 기존의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재에 대한 인장변형 거동 시험 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3에서, 기존재1(450℃, 5시간 열처리) 및 기존재2(510℃, 5시간 열처리)의 인장변형과 달리, 본 발명재에서는 변형시효가 발생하지 않음을 볼 수 있으며, 이는 상기와 같은 2차 열처리 단계에 의해 마그네슘 석출물의 성장이 억제된 것을 간접적으로 보여주는 것이다.

여기서, 본 발명의 열처리 방법에 따른 효과를 시험예를 통해 알아보면 다음과 같다.

시험예

본 발명의 열처리 방법과, 기존의 열처리 방법에 따른 판재의 변형 시효발생 양상을 시험을 통해 알아보고자, 변형시효 발생여부는 인장시험을 통해 인장 곡선 상에서 파악하였으며, 최종 시험편의 표면 조도 분석을 통해 확인하였는 바, 그 결과는 다음의 표 1에 나타낸 바와 같다.

위의 표 1에서, 본 발명에 따른 실시예1~24에서는 표면굴곡이 전혀 발생하지 않았고(도 4의 (b) 사진 참조), 비교예1~38에서는 표면불량 내지 표면굴곡이 발생됨(도 4의 (a) 사진 참조)을 알 수 있었다.

도 1은 종래의 열처리 방법에 의하여 제조된 알루미늄 함금 판재에 대한 인장시험 결과로서, 표면굴곡 현상이 발생됨을 설명하는 그래프,

도 2는 본 발명의 열처리 공정 중 판재에 대한 냉간 압연 후 (111) 극점도로 표시된 집합조직을 나타내며,

도 3은 본 발명의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재와, 기존의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재에 대한 인장변형 거동 시험 결과를 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재와, 기존의 열처리 방법으로 제조된 알루미늄 판재의 표면 굴곡 발생 여부를 시각적으록 관찰할 수 있는 대비 사진.

Claims (3)

1. 삭제
2. 냉간 압연 스케쥴 중, 최종 패스에서 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연하는 단계와;

   상기 냉간압연된 알루미늄 합금 판재를 450~510℃에서 3시간 동안 1차 열처리하는 단계와;

   1차 열처리 후, 60℃/초 이상의 속도로 급랭하는 단계와;

   급랭된 알루미늄 합금 판재를 200~220℃에서 재열처리하는 2차 열처리 단계;

   를 포함하며,

   상기 알루미늄 합금 판재는 마그네슘(Mg) 3.0∼3.8중량%, 망간(Mn) 0.20∼0.50중량%, 철(Fe) 0.35중량%, 나머지 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물로 구성되는 AA5454 알루미늄-마그네슘 합금 판재인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 알루미늄 합금 판재를 압하율 45~50%로 냉간압연함으로써, 상기 알루미늄 합금 판재의 표면에 전단응력이 가해지는 동시에 전단 집합조직인 {001}<110>이 발달하도록 한 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 판재의 열처리 방법.

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