KR101553464B1 - 고성형성 알루미늄 합금판재 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 회전속도비를 다르게 하는 상부롤과 하부롤 사이에서 상기 알루미늄 합금판재를 압연하는 단계를 포함하되, 압하율 45 내지 55 %이고, 상기 하부롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm(meters per minute)이며, 마주하는 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율을 1 : 1.7 내지 4.3 으로 이속압연가공하는 알루미늄 합금판재 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의한 알루미늄 합금판재는 이속압연 이후에도 판재의 휨, 뒤틀림 또는 미끌림이 개선되어 고품질, 고성형성을 가지는 알루미늄 합금판재를 제조할 수 있다. 제조된 알루미늄 합금판재는 포장재(CAN/PET), 자동차 외장용 판재 등 판재로써 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 알루미늄 합금판재는 이속압연 이후에도 판재의 휨, 뒤틀림 또는 미끌림이 개선되어 고품질, 고성형성을 가지는 알루미늄 합금판재를 제조할 수 있다. 제조된 알루미늄 합금판재는 포장재(CAN/PET), 자동차 외장용 판재 등 판재로써 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 알루미늄 합금판재 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 알루미늄 합금판재 제조 시 이속압연공정에서 공정변수인 압하율, 이속속도비 및 하루롤 속도를 조정하여 성형성이 증가된 알루미늄 합금판재 제조방법에 관한 것이다.
알루미늄 합금판재는 국내의 경우 연간 100만톤 규모로 철강 다음가는 금속소재로서 그 사용량이 꾸준히 증가하고 있다. 특히 수송기용 구조재로서 경량화가 효과가 철강소재에 비해 효과가 크기 때문에 자동차 부품, 항공기, 건축소재 등으로 그 활용범위가 확대되고 있다.
알루미늄 합금판재를 사용한 고강도 재료를 생산하기 위해 산업인 주조, 단조, 분말 야금 등과 같이 연속 대량생산이 가능한 기존의 금속소재 성형기술이 상용화되었으나 물성에 관련되어 trade-off에 따라 소재의 강도 증가는 필연적으로 성형성을 감소시킨다. 이에 강도와 연성을 동시에 확보하는 기술이 필요하며 기존 물성한계를 넘어설 수 있는 구속전단가공법(equal channel angular pressing), 극한비틀림변형(high presure torsion), 누적접합압연(accumulative roll bonding)등의 강소성 가공방법이 연구되어 소재개발이 진행되고 있다. 강소성 가공을 통해 제어된 소재의 미세조직은 마이크로 단위 이하로 정의되는 초미세립(ultrafine grain) 혹은 100 ㎚ 이하의 나노결정립(nanostructured grain)으로 이루어져 있어 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 하지만 이러한 강소성 가공은 소재크기의 제한, 불연속 공정의 한계에 봉착해 있어, 연구규모가 실험실 수준에서 머무르고 있다.
알루미늄 합금판재 산업의 발전과 함께 지속적인 연구가 진행되고 있는 대칭압연가공은 주조나 단조에 비해 생산속도가 빨라 생산비가 저렴하다는 장점을 가지고 있으나, 종래 대칭압연의 경우 소재물성을 향상시키는 데 한계점이 노출되었다. 이로써 다양한 비대칭 이속압연가공 기술의 도입을 통해 기술개발을 이루고 있다. 상·하부롤 회전속도를 달리하는 비대칭 이속압연가공의 경우, 소재에 대변형량을 인가함으로써 결정립 초미세화가 가능하며 이로써 높은 강도를 달성할 수 있을 뿐만 아니라, 특정 집합조직을 발달시켜 성형성을 향상시킬 수 있다. 또한 압연 시 롤 하중이 감소되어 양호한 품질의 압연판재 제조가 가능하다.
현재 비대칭 이속압연가공은 주로 알루미늄, 마그네슘 판재의 가공에 적용되고 있으며, 관련문헌으로는 국내공개특허 제10-2008-0006877호가 있다. 그러나 종래의 공정을 통한 알루미늄 합금판재는 이속압연 이후 판재의 휨, 뒤틀림 또는 미끌림이 발생하는 문제점이 있으므로, 여전히 고성형성 및 고품질의 알루미늄 합금판재의 제조방법의 개발이 시급하다.
본 발명은, 알루미늄 합금판재의 제조 시 압연공정의 조건을 조정하여 알루미늄 합금판재의 성형성을 증가시킬 수 있는 알루미늄 합금판재 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 회전속도비를 다르게 하는 상부롤과 하부롤 사이에서 알루미늄 합금판재를 압연하는 단계를 포함하되, 압하율 45 내지 55 %이고, 상기 하부롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm(meters per minute)이며, 마주하는 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율을 1 : 1.7 내지 4.3 으로 이속압연가공하는 알루미늄 합금판재 제조방법을 제공한다.
상기 알루미늄 합금판재는 중량%로, Si : 0.71%, Fe : 0.5%, Cu : 0.24%, Mn : 0.12%, Mg 0.9%, 잔여량은 Al 및 불가피한 미량의 불순물으로 이루어질 수 있다.
또한 상기 알루미늄 합금판재를 압연하는 단계 이전에 열처리하여 준비할 수 있다.
또한 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 1.7 내지 2.3 일 수 있다.
또한 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 2.7 내지 3.3 일 수 있다.
또한 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 3.7 내지 4.3 일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 상기 제조방법에 의해 제조된 알루미늄 합금판재를 제공한다.
본 발명에 의한 알루미늄 합금판재는 이속압연 이후에도 판재의 휨, 뒤틀림 또는 미끌림이 개선되어 고품질, 고성형성을 가지는 알루미늄 합금판재를 제조할 수 있다. 제조된 알루미늄 합금판재는 포장재(CAN/PET), 자동차 외장용 판재 등 판재로써 널리 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금판재의 제조방법의 개략적인 공정을 나타낸 도면이다.
도 2는 알루미늄 판재를 열처리한 이후에 알루미늄 합금판재를 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 45 내지 55 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우, 하부롤 속도 및 상부롤 속도 비율에 따른 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 35 내지 40 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우의 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 60 내지 65 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우의 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
도 2는 알루미늄 판재를 열처리한 이후에 알루미늄 합금판재를 나타낸 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 45 내지 55 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우, 하부롤 속도 및 상부롤 속도 비율에 따른 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 35 내지 40 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우의 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 60 내지 65 %이고, 하부롤 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우의 알루미늄 합금판재의 이미지이다.
본 발명자는 비대칭 이속압연가공 기술을 이용하여 알루미늄 판재의 강도를 향상시키기 위해 연구하던 중 이속압연가공의 단점인 알루미늄 판재의 휨, 미끌림, 뜯김이 개선되어 고성형성, 고품질을 가지는 알루미늄 합금판재의 압연 가공 조건을 밝혀내었다. 상기 조건에 의하여 제조된 알루미늄 합금판재는 자동차용 판재 등에 실제 적용될 수 있는 성형성을 가지고 있는 것을 확인하고, 종래의 합금에 또 다른 원소를 첨가하거나 추가적인 열처리가공과정을 통해 복합 조직강을 제조하는 것에 비하여 기술적 효율면에서 큰 장점이 있는 것을 확인하여 본 발명을 완성하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 알루미늄 합금판재(100) 제조방법의 개략적인 공정을 나타낸 도면이다. 도면을 참조하면, 알루미늄 판재를 열처리하여 알루미늄 합금판재(100)를 준비하였다. 상온에서 압연가공을 실시하였고, 준비된 알루미늄 합금판재(100)는 따로 가열하지 않았으며, 상부롤(200) 및 하부롤(300)도 가열하지 않았다. 상기 알루미늄 합금판재(100)를 회전속도비를 다르게 하는 상부롤(200)과 하부롤(300) 사이에서 이속압연가공을 실시하였다. 마주하는 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율(v2 : v2)이 1 : 0.7 내지 4.3 으로 알루미늄 합금판재(100)를 압연하였다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 알루미늄 합금판재(100)는 중량%로, Si : 0.71%, Fe : 0.5%, Cu : 0.24%, Mn : 0.12%, Mg 0.9%, 잔여량은 Al 및 불가피한 미량의 불순물으로 이루어질 수 있다.
또한 열처리 이후에 알루미늄 합금판재(100)의 인장강도는 18 kg/㎜2 이상, 내력은 8.5 kg/㎜2 이상 일 수 있다.
본 발명의 조건에 따른 이속압연가공 시에는 별도의 열처리 없이 가공도중 전단변형이 소재 전반에 걸쳐 발생하며 이로써 결정립 크기의 평균 입경이 균일하고 미세하게 얻어질 수 있다. 특히 기존의 등속압연은 결정립 크기의 평균 입경을 미세화시키는 데 그 크기의 한계가 있었으나, 본 발명에 따라 실시되는 이속압연가공은 결정립의 평균입경이 0.5 내지 5 μm로 미세하게 얻어질 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 압연가공은 압하율(두께 감소율) 45 내지 55 %로 실시될 수 있다. 압하율이 45 % 미만이면 결정립 미세화 효과와 본 발명에서 의도하는 형태의 집합조직 발달과 전위밀도 축적이 충분하지 않고, 두께 방향으로 전단변형이 균일하게 분포하지 않아 판재의 기계적 성질이 균일하지 않는 문제가 발생하며, 55 %를 초과할 경우 판재가 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
또한 상기 압연가공은 상부롤(200)과 하부롤(300)의 회전속도비를 다르게 실시하는 이속압연가공이며, 이때 마주하는 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율(V2:V1)은 1 : 1.7 내지 4.3 일 수 있다.
상기 비율보다 회전속도 비율이 낮을 경우에는 본 발명에서 얻고자 하는 결정립 미세화효과가 작아, 강도증가 및 재질 등방성 개선효과가 미흡하다. 또한, 1: 4.3 보다 회전속도 비율이 높을 경우에는 강도의 증가는 어느 정도 기대할 수 있으나 판재의 상하 변형속도의 차이가 극심하여 가공되는 판재가 파손될 우려가 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 압하율에 따라 회전속도 비율 및 롤의 속도가 조절될 수 있다. 압하율이 증가하는 경우, 회전속도 비율 또는 롤의 속도를 상기 범위 내에서 감소시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 압하율은 45 내지 55% 이고, 하루롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm(meters per minute)이며, 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율은 1 : 1.7 내지 2.3 일 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 상기 압하율은 45 내지 55% 이고, 하루롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm이며, 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율은 1 : 2.7 내지 3.3 일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 상기 압하율은 45 내지 55% 이고, 하루롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm이며, 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율은 1 : 3.7 내지 4.3일 수 있다.
한편 상기 이속압연 후 소재 내부에는 많은 양의 변형에너지가 축적되며 이들 대부분이 변형열 혹은 결정립 미세화와 같은 미세조직의 변화에 소모된다 하더라도 판재 표면에는 상당량의 인장 잔류응력이 남아있다. 이러한 잔류응력은 부차적인 소재 불균일을 유발하기 때문에 상기 이속압연가공에 의해 제조된 알루미늄 합금판재(100)를 산업적으로 적용하기 위해서는 열처리를 통한 잔류응력제거가 수행될 수 있다. 따라서 알루미늄 합금판재(100)의 압연 후 잔류응력제거 및 결정립 크기의 미세화를 위하여 재결정 열처리가 가능하다.
이하, 본 발명의 따른 공정조건을 다양하게 하여 제조된 알루미늄 합금판재(100)의 실시예들을 도면을 참조하여 설명한다. 다만, 이러한 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
<
실시예
1> 알루미늄 합금판재(100) 압연가공 최적조건
알루미늄 판재를 준비하여 열처리 하였다. 알루미늄 합금판재(100)는 중량%로, Si : 0.71%, Fe : 0.5%, Cu : 0.24%, Mn : 0.12%, Mg 0.9%를 함유한 것을 준비하고, 상온 조건하에서 상·하부롤(300)의 속도비를 제어하며 비대칭 이속압연가공을 수행하였다. 비대칭 이속압연공정 변수(주속, 이속비, 압하율)를 제어함으로써 알루미늄 합금판재(100)의 성형성에 미치는 공정 변수들 간의 영향을 살펴보며 이를 통해 최적 성형성 조건을 도출하였다.
압하율은 8 내지 65 %로 조절하고, 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율을 1 : 0.7 내지 4.3으로 변화시키며, 하부롤(300)의 속도는 0.7 내지 7.1 mpm으로 조정하였다. 여기서 mpm은 롤직경이 220 ㎜ 일 경우에 1 내지 10 rpm이다.
최적조건을 찾기 위하여 72가지 조건하에서 시료를 제조하고 성형성을 조사하였다.
<
실험예
1> 알루미늄 합금판재(100)의 성형성 평가
상기 실험 후 변형된 알루미늄 합금판재(100)의 성형성을 소성가공능 측면에서 평가하였다. 소성가공능은 외부 결함과 밀접한 관계를 갖는 것으로 기계 가공 중에서 발생할 수 있는 판재 휨, 미끌림, 좌우 비대칭, 표면 및 테두리 결함 등을 접사 현미경(SOM-2100E)을 사용하여 관찰하였다.
도 2는 알루미늄 판재를 열처리한 이후에 알루미늄 합금판재(100)를 나타낸 이미지이다.
도 2를 참조하면, 알루미늄 합금판재(100)의 초기시편에는 판재 휨이나 좌우 비대칭을 전혀 관찰할 수 없었다.
압하율 별 하부롤(300) 속도 및 상부롤(200) 속도 비율에 따른 접사 현미경 사진을 도 3 내지 도 4에, 각각에 대한 이의 평가를 표 1 내지 표 6에 나타내었다. 각 접사 현미경 사진을 바탕으로 한 실험 결과는 매우 부족(0), 부족(00), 양호(000), 우수(0000), 매우 우수(00000)로 나타내었으며, 우수 및 매우 우수의 경우가 산업체에 실제 적용 가능한 성형성을 가지는 것을 확인하였다.
[표 1]
[표 2]
[표 3]
[표 4]
[표 5]
[표 6]
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 45 내지 55 %이고, 하부롤(300) 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우, 하부롤(300) 속도 및 상부롤(200) 속도 비율에 따른 알루미늄 합금판재(100)의 이미지이다.
도 3을 확인하면, 압하율 45 내지 55%에서 하부롤(300) 속도는 2.7내지 6.2 mpm 이고, 하부롤(300)대 상부롤(200)의 회전속도 비율을 1 : 1.7 내지 4.3인 경우에 알루미늄 합금판재(100)는 판재 휨이 나타나지 않았으며, 미끌림, 좌우 비대칭, 표면 및 테두리 결함이 없는 최적의 범위를 갖는 것을 확인하였다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 35 내지 40 %이고, 하부롤(300) 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우에 알루미늄 합금판재(100)의 이미지이다.
도 4a를 확인하면, 판재의 휨은 나타나지 않았으며 성형은 가능하였으나, 알루미늄 합금판재(100)의 두께가 두꺼워서 성형성이 좋지 않은 것을 알 수 있다.
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 압하율이 60 내지 65 %이고, 하부롤(300) 속도가 2.7 내지 6.2 mpm인 경우에 알루미늄 합금판재(100)의 이미지이다.
도 4b를 확인하면, 알루미늄 합금판재(100)의 휨 현상과 뒤틀림이 발생한 것을 고 확인하였으며, 성형성 부족한 것으로 판단되었다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면 알루미늄 합금판재(100)의 이속압연가공을 통해 성형성을 크게 증가시킬 수 있으며, 이 때 압하율 45 내지 55%에서 하부롤 속도는 2.7 내지 6.2 mpm 이고, 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율을1 : 1.7 내지 4.3 인 경우 알루미늄 합금판재(100)의 성형성이 최적인 것으로 나타났으며, 자동차용 강판에 도입할 수 있는 조건에 해당할 수 있는 것을 확인하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 알루미늄 합금판재
200 : 상부롤
300 : 하부롤
200 : 상부롤
300 : 하부롤
Claims (7)
- 회전속도비를 다르게 하는 상부롤과 하부롤 사이에서 중량%로, Si : 0.71%, Fe : 0.5%, Cu : 0.24%, Mn : 0.12%, Mg 0.9%, 잔여량의 Al 및 불가피한 미량의 불순물으로 이루어진 알루미늄 합금판재를 압연하는 단계를 포함하되, 압하율 45 내지 55 %이고, 상기 하부롤의 속도는 2.7 내지 6.2 mpm(meters per minute)이며, 마주하는 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율을 1 : 2.7 내지 3.3으로 이속압연가공하는 알루미늄 합금판재 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 상기 알루미늄 합금판재를 압연하는 단계 이전에 열처리하는 단계를 더 포함하는 알루미늄 합금판재 제조방법.
- 청구항 1에 있어서, 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 1.7 내지 2.3인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금판재 제조방법.
- 삭제
- 청구항 1에 있어서, 하부롤대 상부롤의 회전속도 비율은 1 : 3.7 내지 4.3인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금판재 제조방법.
- 삭제
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