KR102323554B1 - Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법 - Google Patents

Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 관점에 의하면, 소부경화능을 향상시키기 위한 알루미늄 합금의 열처리 방법이 제공된다. 상기 열처리 방법은, 용체화 처리 및 자연시효된 상기 합금을 230 내지 270℃ 범위에서 5분 내지 10분 동안 열처리하는 단계; 및 상기 합금을 150 내지 180℃ 범위에서 10분 내지 30분 동안 도장 열처리를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법{Heat treatment method of ternary aluminum alloy containing Mg and Si}
본 발명은 Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 자연시효된 상기 3원계 알루미늄 합금(Al-Mg-Si)을 도장 열처리하는 과정에서 나타나는 소부경화능의 열화를 방지할 수 있는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법에 대한 것이다.
최근, 자동차의 연비향상을 목적으로 한 차체 경량화의 요청이 높아지고 있다. 경량화 수단의 하나로서 자동차 바디 패널 등에 알루미늄 합금판이 사용되고 있다. 알루미늄 합금 중 6000계열의 Al-Mg-Si 합금은 성형성, 내식성 및 비강도가 우수하고 시효경화가 가능하여 자동차 외장 판재로 이용될 수 있다. 자동차의 제조에 사용되는 알루미늄 합금의 경우에는 통상 알루미늄 제조 공장에서 압연 및 용체화 처리가 수행된 후 자동차 제조 공장으로 이송된 후 성형가공 및 도장처리가 수행된다. 도장처리는 알루미늄 합금 판재에 도포된 도료를 건조시키기 위한 도장 열처리를 필수적으로 포함하는데, 이러한 도장 열처리 과정 중에 알루미늄 합금의 강성이 증가하게 되며, 이러한 현상을 소부경화라고 한다. 따라서 자동차용 외장 판재에 사용되는 알루미늄 합금의 경우에는 우수한 소부경화능을 가지는 것이 필요하다. 이러한 소부경화 특성은 도장 열처리 중에 알루미늄 합금의 기지에 강화상인 β" 석출물이 석출되기 때문으로 알려져 있다,
이상적으로는 자동차 제조 입장에서는 외부에서 이송된 알루미늄 합금 판재를 빠른 시간 내에 바로 성형가공 및 도장처리를 수행하는 것이 바람직하나, 많은 수의 제조단계와 부품을 필요로 하는 자동차 제조 공정의 특성상 제조에 필요한 모든 소재를 즉시 공정에 투입할 수 있는 여건이 되지 못하는 것이 현실이다. 따라서 알루미늄 제조 공장에서 압연 및 용체화 처리가 수행된 알루미늄 합금 판재는 자동차 제조 공정에 투입되기 전까지 상당한 시간 동안 실온의 자연상태로 보관될 수 있다. 이와 같이 장시간 보관되는 동안 자연시효가 일어나게 되며, 이러한 자연시효 현상에 의해 알루미늄 합금의 경도는 증가하게 된다.
그런데 6000계 Al-Mg-Si 합금의 경우에는 자연시효가 일어난 알루미늄 합금을 이용하여 성형가공 후 도장처리 단계에서 소부경화가 일어나지 않고 오히려 경도가 떨어지는 현상이 발생하기도 한다. 이러한 경도 감소로 인하여 완성차에서 합금 판재의 기계적 물성을 최대로 얻지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 6000계 Al-Mg-Si 합금에 있어서 장시간 자연시효 후에 나타나는 소부경화능의 열화를 방지하고 더 우수한 소부경화능을 구현하기 위한 열처리 방법의 제공을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법이 제공된다.
상기 열처리 방법은, 용체화 처리 및 자연시효된 상기 합금을 도장 열처리 전 상기 도장 열처리 온도보다 높은 온도에서 먼저 열처리하는 CBT(Continuous Baking Treatment) 단계 및 도장 열처리 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 CBT 단계 이후 상기 도장 열처리 단계 수행 전에 상기 알루미늄 합금을 실온으로 냉각하는 단계가 수행되며, 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 1.0 범위에 있고, 상기 CBT 단계는 230℃ 보다 크고 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 CBT 단계 이후 상기 도장 열처리 단계 수행 전에 상기 알루미늄 합금을 실온으로 냉각하는 단계가 수행되며, 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 1.0 보다 크고 2.25 이하의 범위에 있으며, 상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 CBT 단계 이후 연속하여 상기 도장 열처리 단계가 수행되며, 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 2.25 범위에 있고, 상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다. 이때,상기 도장 열처리는 170℃ 내지 200℃ 범위에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 CBT 단계는 5분 이상 10분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따르면, 자연시효된 알루미늄 합금의 도장 열처리 단계에서 나타나는 경도값의 감소의 문제를 해결하여 우수한 소부경화능의 구현을 가능하게 한다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 시간에 따른 단계별로 도해한 공정 순서도이다
도 3은 종래의 방법에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 시간에 따른 단계별로 도해한 공정 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실험예 및 비교예에 따른 샘플들의 각 열처리 단계별 비커스 경도값을 나타낸 그래프이다.
도 5는 발명의 실험예 및 비교예에 따른 샘플들의 도장 열처리 후 비커스 경도값을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
6000계 알루미늄 합금은 자연시효 중에 Mg 및 Si 원자가 서로 응집하여 클러스터(cluster)를 형성하는 것이 알려져 있다. 이러한 클러스터 중 상대적으로 Si의 함량이 높은 Si-리치 클러스터(Si-rich cluster, 이하 “제 1 클러스터”라 한다 )의 경우에는 열적으로 안정하여 도장 열처리 과정에서 강화상인 β" 으로 천이되지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 자연시효 과정에서 제 1 클러스터가 다량 생성되는 경우에는 β" 석출물 형성을 위한 구동력이 저하되므로 소부경화능에 부정적인 영향을 주게 된다.
본 발명자는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 자연시효된 6000계 합금에 대해서 적절한 열처리를 수행하여 제 1 클러스터를 β" 석출물로 천이 되기 쉬운 새로운 클러스터(이를 “제 1A 클러스터”라 함)로 변화시킨 후 도장 열처리를 수행할 경우에 소부경화능의 열화를 저지할 수 있는 것을 발견하였다. 본 명세서에서는 이러한 목적으로 수행되는 열처리를 CBT(continuous baking treatment)라고 지칭한다.
도 3에는 알루미늄 합금 판재를 이용한 자동차 제조 공정에서 종래부터 사용되고 있는 열처리 단계가 나타나 있다. 도 3을 참조하면, 종래에는 용체화 처리(solution treatment, ST)된 후 자연시효(natural aging, NA)된 알루미늄 합금을 사용하여 성형가공 하고 도장처리한 후 도장 열처리(paint baking, PB)를 수행하게 된다.
일반적으로 상기 용체화 처리는 500 내지 580℃ 범위에서 20분 내지 1시간 범위로 수행될 수 있다. 자연시효(NA)는 실온에서 1주일 이상 유지될 수 있으며, 도장 열처리(PB)는 150 내지 180℃ 범위에서 15분 내지 30분 범위로 수행될 수 있다.
이와 비교하여, 도 1에는 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 열처리 단계가 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 자연시효(NA)를 거친 알루미늄 합금은 도장 열처리(PB) 온도보다 높은 온도에서 열처리(CBT)된 후 도장 열처리(PB)가 수행되게 된다. 이때 상기 CBT 단계 이후 상기 도장 열처리 단계 수행 전에 상기 알루미늄 합금을 실온으로 냉각하는 단계가 수행되게 된다.
상기 CBT 단계는 알루미늄 합금 내 Mg 및 Si의 함량비에 따라 다른 조건을 진행될 수 있다.
즉, 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 1.0 범위에 있는 경우, 상기 CBT 단계는 230℃ 보다 크고 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안, 바람직하게는 5분 내지 10분 시간 동안 수행될 수 있다.
혹은 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 1.0 보다 크고 2.25 이하의 범위에 있는 경우, 상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안, 바람직하게는 5분 내지 10분 시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명자는 CBT 단계에서 온도가 유지되는 시간에 따라 소부경화능에 미치는 영향이 상이함을 확인하였으며, 이로부터 소부경화능에 유리한 시간 조건이 존재함을 발견하였다.
즉, CBT 초기 단계에는 자연시효 과정에서 형성된 클러스터들이 고온에서 일부 분해되면서 클러스터에 의한 강화 효과가 감소하며, 따라서 경도의 감소를 수반하게 된다. 그러나 CBT 단계가 계속 진행되면 다시 경도가 증가하는 현상이 나타나게 된다. 이러한 경도 증가는 CBT 단계가 진행됨에 따라 알루미늄 합금의 기지에 새로운 클러스터가 생성되어 미세조직의 변화가 발생했다는 것을 의미한다.
본 발명자는 이렇게 CBT 단계에서 새로운 클러스터가 형성된 후 도장 열처리를 수행할 경우에는 종래와 비교하여 더 우수한 경도값을 나타냄을 확인하였다. 이는 CBT 단계가 종래 도장 열처리 온도인 150 내지 180℃보다 더 높은 온도에서 수행됨에 따라 소부경화능에 부정적인 영향을 주는 제 1 클러스터의 분해가 가능하게 되며, 대신 새로운 클러스터로서 소부경화능에 유리한 영향을 주는 제 1A 클러스터가 생성되었다는 것으로 해석될 수 있다.
CBT 단계에서 형성된 제 1A 클러스터는 도장 열처리 단계에서 강화상인 β" 석출물로 천이되며, 이에 따라 도장 열처리 후 경도의 증가가 나타나게 된다. 따라서, 이러한 CBT 단계를 수행함으로써 종래에 문제가 되었던 자연시효 후 도장 열처리가 진행되는 경우에 발생되는 소부경화능의 열화를 방지하고, 오히려 더 향상시킬 수 있게 된다.
도 2에는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 열처리 단계가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 도 1에서와 달리 CBT 단계가 완료된 후 실온으로 냉각하는 단계 없이 연속적으로 도장 열처리 단계로 진입하게 된다. 본 실시예에 의할 경우에도 상술한 것과 같은 CBT 단계에서의 새로운 클러스터 형성의 효과가 나타나면서도 연속적으로 도장 열처리가 진행됨에 따라 공정 단순화 및 생산성 향상 측면에서 유리하다.
구체적으로, 상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 2.25 범위에 있고, 상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 30초 보다 크고 10분 이하의 시간 동안 수행될 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 이해를 돕기 위한 구체적인 실험예들을 제시하고 이를 바탕으로 본 발명의 기술사상에 대해서 기술하도록 한다. 다만, 하기의 실험예들은 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실험예>
실험을 위하여 3가지 서로 다른 조성을 가지는 알루미늄 합금 소재로 이루어진 샘플들을 준비하였다. 상기 소재의 조성을 중량%(wt%)로 표현하여 표 1에 정리하였다. Mg/Si은 알루미늄 합금 내 Mg의 중량을 Si의 중량으로 나눈 값을 의미한다.
소재명 Mg Si Al Mg/Si
9M4S 0.9 0.4 Bal. 2.25
6M6S 0.6 0.6 Bal. 1.0
3M10S 0.3 1.0 Bal. 0.3
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 시간에 따른 단계별로 도해한 공정 순서도이며, 도 3은 종래의 방법에 따른 알루미늄 합금의 열처리 방법을 시간에 따른 단계별로 도해한 공정 순서도이다.
먼저, 도 1을 참조하여 제 1 실시형태의 열처리 단계를 구체적으로 설명한다. 우선 준비된 샘플을 가열로에 투입한 후 560℃의 온도로 30분간 용체화 처리(ST)를 각각 수행하고, 얼음물을 이용하여 0℃로 1분간 급냉하였다(As-Q). 이후에 실온에서 1개월 동안 실온에서 자연시효(NA)를 실시하였다. 자연시효가 종료된 이후 상기 샘플을 뜨겁게 가열된 오일에 투입하여 230℃, 250℃ 및 270℃ 중 어느 하나의 온도로 급속 가열 후 소정 시간 유지하는 CBT 단계를 수행하였다.
이때 CBT 시간은 CBT 단계에 투입되는 열량을 고려하여 온도에 따라 조절하였다. 즉, 230℃의 경우에는 수행 시간을 10분으로 하였으며, 270℃의 경우에는 수행 시간은 10초로 하였다. 250℃의 경우는 10초, 30초, 5분 및 10분 동안 진행하였다. CBT 단계에서의 온도 유지 시간이 종료된 샘플들은 25℃의 물에 투입하여 1분간 냉각한 후 샘플에 따라 150℃, 170℃ 및 200℃ 중 어느 하나의 온도에서 20분 동안 도장 열처리(PB)를 수행하였다.
도 2에 도시된 제 2 실시형태의 열처리 방법은 CBT 단계 0℃로 냉각하는 대신 연속적으로 도장 열처리를 수행하는 것을 제외하고는 상술한 방법과 동일하였다.
한편, 이와 비교하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, CBT 단계를 수행하지 않은 것을 제외하고는 상술한 방법과 동일한 조건에서 용체화 처리 및 자연시효를 실시한 이후에 도장 열처리를 수행하여 비교예 샘플을 제조하였다.
모든 샘플에 대해서 도장 열처리가 완료된 후의 비커스 경도(HV)를 측정하였다. 또한 일부 조건에 대해서는 각 열처리 단계가 완료될 때마다 비커스 경도를 측정하였다.
표 2에는 제 1 실시형태의 샘플에 따른 각 단계별 조건이 나타나 있으며, 표 3에는 표 2에 기재된 샘플의 도장 열처리후의 비커스 경도가 나타나 있다. 여기서 샘플 A11, A21 및 A31이 종래의 방법대로 수행된 비교예에 해당된다. 일부 샘플에 대해서는 모든 단계별로 측정된 경도값이 나타나 있다. 표 3에서의 As-Q(As-Quenching)는 용체화 처리(ST) 직후의 경도값이며, NA는 자연시효 후의 경도값이고, CBT는 각 CBT 처리 조건에 따라 CBT가 완료되었을 때의 경도값이며, PB는 도장 열처리가 완료되었을 때의 경도값이다.
샘플 소재명 Mg/Si CBT 수행 조건 도장 열처리
A11 3M10S 0.3 × 170℃ 20분
A12 3M10S 0.3 230℃ 10분 170℃ 20분
A13 3M10S 0.3 250℃ 5분 170℃ 20분
A14 3M10S 0.3 250℃ 10분 170℃ 20분
A15 3M10S 0.3 270℃ 10초 170℃ 20분
A16 3M10S 0.3 270℃ 10초 150℃ 30분
A17 3M10S 0.3 270℃ 10초 200℃ 10분
A18 3M10S 0.3 250℃ 10초 170℃ 20분
A19 3M10S 0.3 250℃ 30초 170℃ 20분
A21 6M6S 1.0 × 170℃ 20분
A22 6M6S 1.0 230℃10분 170℃ 20분
A23 6M6S 1.0 250℃ 5분 170℃ 20분
A24 6M6S 1.0 250℃ 10분 170℃ 20분
A25 6M6S 1.0 270℃10초 170℃ 20분
A26 6M6S 1.0 270℃10초 150℃ 30분
A27 6M6S 1.0 270℃10초 200℃ 10분
A28 6M6S 1.0 250℃ 10초 170℃ 20분
A29 6M6S 1.0 250℃ 30초 170℃ 20분
A31 9M4S 2.25 × 170℃ 20분
A32 9M4S 2.25 230℃ 10분 170℃ 20분
A33 9M4S 2.25 250℃ 5분 170℃ 20분
A34 9M4S 2.25 250℃ 10분 170℃ 20분
A35 9M4S 2.25 270℃ 10초 170℃ 20분
A36 9M4S 2.25 270℃ 10초 150℃ 30분
A37 9M4S 2.25 270℃ 10초 200℃ 10분
A38 9M4S 2.25 250℃ 10초 170℃ 20분
A39 9M4S 2.25 250℃ 30초 170℃ 20분
샘플 As-Q NA CBT PB
A11 41.8 64 - 55.5
A12 　- - - 54.8
A13 41.8 64 58.5 66.2
A14 41.8 64 70 58.7
A15 - - - 53.2
A16 - - - 47.5
A17 - - - 46.8
A18 41.8 64 50.5 52.8
A19 41.8 64 47.3 50.4
A21 41.5 70.7 - 68.5
A22 - - - 64.4
A23 41.5 70.7 71.3 80.6
A24 41.5 70.7 69.7 82.1
A25 - - - 59.8
A26 - - - 55.6
A27 - - - 57.3
A28 41.5 70.7 52.8 54.8
A29 41.5 70.7 45.6 54.3
A31 41.2 74 - 66.4
A32 - - - 71.1
A33 41.2 74 61.2 79.6
A34 41.2 74 81.3 76.5
A35 - - - 60.5
A36 - - - 58.9
A37 - - - 63.9
A38 41.2 74 57.7 64
A39 41.2 74 56.2 58.1
도 4에는 표 3의 조건 중 CBT 단계를 250℃ 수행하고, 도장 열처리를 170℃ 20분 조건에서 수행한 경우, 알루미늄 합금 조성별로 각 열처리 단계별 비커스 경도값이 도시되어 있다. 도 4에서 CBT 10S, CBT 30S, CBT 5M 및 CBT 10M은 각각 CBT 처리를 10초, 30초, 5분 및 10분 수행한 후의 경도값을 의미한다.
표 2, 표 3 및 도 4를 참조하면, 열처리 단계에 따라 실험에 사용된 알루미늄 합금들은 모두 거의 동일한 경도 변화 거동을 나타내었다. 구체적으로 예를 들면, 9M4S 소재를 사용한 샘플의 경우 용체화 처리가 처리된 직후에 비커스 경도값은 41.2HV 였으나 비해 자연시효가 진행된 후에는 74.0HV로 증가하였다. 이는 자연시효 과정에서 생성된 클러스터들에 의한 강화 효과가 나타났기 때문이다. 자연시효 후 CBT 단계에서는 처리되는 시간에 따라 상이한 경도값을 나타내었다. 구체적으로 CBT 처리 시간이 10초(샘플 A38), 30초(샘플 A39), 5분(샘플 A33) 및 10분(샘플 A34)일 경우에 비커스 경도값은 각각 57.7HV 및 56.2HV, 61.2HV 및 81.3HV 값을 나타내었다.
측정된 경도값의 변화 추이를 살펴보면, 자연시효된 9M4S를 CBT 처리할 경우 초기에 해당되는 10초 및 30초까지는 처리 시간에 따라 경도값이 감소되는 경향을 나타내다가 처리 시간이 5분 및 10분으로 길어지면 오히려 경도값이 증가되는 경향으로 변화되었다. 이러한 경향은 6M6S 및 3M10S에서도 거의 동일하게 나타났다.
이는 CBT 초기 단계에서는 자연시효 동안 알루미늄 합금 내에서 형성된 클러스터 중 일부가 열에 의해 분해되어 클러스터에 의한 강화효과가 약화되면서 경도의 감소를 수반하는 것으로 해석된다. 특히 열적으로 안정하여 도장 열처리 온도에서 잘 분해되지 않은 제 1 클러스터도 이 과정에서 적어도 일부가 분해되는 것으로 판단된다.
그러나 CBT 수행 시간이 5분 및 10분인 경우에는 오히려 경도의 증가가 나타나며, 이는 알루미늄 합금 내 새로운 미세조직이 형성되었음을 의미한다. 이 과정에서 잔류하는 제 1 클러스터가 새로운 제 1A 클러스터로 천이 되거나 혹은 분해되었던 제 1 클러스터로부터 원자 재배열에 의해 제 1A 클러스터가 생성 될 수 있다. 이러한 제 1A 클러스터는 후속되는 도장 열처리 단계에서 β" 석출물로 용이하게 천이될 수 있으며, 따라서 도장 열처리 이후에는 경도의 증가를 수반하게 된다. 도 5에는 이러한 해석을 입증하는 결과가 나타나 있다.
도 5에는 샘플로 사용된 알루미늄 합금 별로 최종적으로 도장 열처리가 수행된 후의 비커스 경도값이 나타나 있다. 도 5에서 NA-PB는 자연시효 후 된 수행된 경우를 의미하며, CBT 10S-PB, CBT 30S-PB, CBT 5M-PB 및 CBT 10M-PB는 각각 CBT 처리를 10초, 30초, 5분 및 10분 수행한 후 도장 열처리된 경우를 의미하며, CBT 10S/C-PB, CBT 30S/C-PB, CBT 5M/C-PB 및 CBT 10M/C-PB는 각각 CBT 처리를 10초, 30초, 5분 및 10분 수행한 후 실온 이하로 냉각하지 않고 바로 도장 열처리된 경우를 의미한다.
표 3 및 도 5를 참조하면, 실험에 사용된 알루미늄 합금은 자연시효 후 CBT 처리 없이 도장 열처리된 경우에는 경도의 감소가 나타나나, 도장 열처리 전에 적절한 공정범위에서 CBT 단계가 수행될 경우 도장 열처리 후의 경도가 자연시효 후의 경도 보다도 더 큰 값을 가질 수 있음을 확인할 수 있다.
구체적으로 예를 들어 9M4S 소재를 사용한 샘플 1의 경우, 종래와 같이 자연시효 후 도장 열처리가 수행되는 경우에 경도값은 66.5HV로서 자연시효 후 경도값인 74.0HV에 비해 더 낮은 값을 나타내었다. 이는 샘플 1의 경우에는 도장 열처리 중에 자연시효 과정에서 생성된 제 1 클러스터가 β" 상으로 천이되지 않은 상태에서 다른 클러스터들이 일부 분해됨에 따라 강화효과가 약화되었기 때문으로 해석된다.
이에 비해 자연시효 후 CBT 처리를 5분 및 10분 수행하고 도장 열처리한 샘플 A33 및 샘플 A34의 경우에는 경도값이 각각 79.6HV 및 76.5HV로서, 자연시효 후 경도값에 비해 더 높은 값을 나타내었으며, 종래와 같이 처리된 샘플 A31의 경도값인 66.4HV에 비해서는 월등하게 우수한 값을 나타내었다.
그러나 CBT 처리가 10초 및 30초 동안 수행된 후 도장 열처리된 샘플 A38 및 샘플 A39의 경우에는 경도값이 각각 64.0HV 및 58.1HV로서 동일 샘플의 자연시효된 경우의 경도보다 낮은 값을 나타내었으며, 종래와 같이 처리된 샘플 A31의 경도값인 66.4HV에 비해서도 더 낮은 값을 나타내었다.
즉, CBT 단계가 10초 및 30초만 진행된 경우에는 클러스터의 일부가 분해되었을 뿐 소부경화능에 유리하게 작용하는 새로운 클러스터가 형성되지 않아 도장 열처리 수행 후에도 경도가 증가되는 현상이 나타나지 않으며, 오히려 도장 열처리 중에 일부 클러스터가 다시 분해되면서 경도가 감소되는 것으로 해석될 수 있다.
표 4에는 제 2 실시형태의 샘플에 따른 각 단계별 조건이 나타나 있으며, 표 5에는 표 4에 기재된 샘플의 도장 열처리후의 비커스 경도가 나타나 있다. 일부 샘플에 대해서는 모든 단계별로 측정된 경도값이 나타나 있다. 표 4 및 표 5를 참조하면, 이러한 결과는 CBT 단계 후 연속해서 도장 열처리가 수행된 샘플 16 내지 샘플 27에서도 동일한 경향으로 나타났다.
샘플 소재명 Mg/Si CBT 수행 시간 도장 열처리
B11 3M10S 0.3 × 170℃ 20분
B12 3M10S 0.3 230℃ 10분 170℃ 20분
B13 3M10S 0.3 250℃ 5분 170℃ 20분
B14 3M10S 0.3 250℃ 10분 170℃ 20분
B15 3M10S 0.3 270℃ 10초 170℃ 20분
B16 3M10S 0.3 230℃ 10분 150℃ 30분
B17 3M10S 0.3 230℃ 10분 200℃ 10분
B18 3M10S 0.3 250℃ 10초 170℃ 20분
B19 3M10S 0.3 250℃ 30초 170℃ 20분
B21 6M6S 1.0 × 170℃ 20분
B22 6M6S 1.0 230℃ 10분 170℃ 20분
B23 6M6S 1.0 250℃ 5분 170℃ 20분
B24 6M6S 1.0 250℃ 10분 170℃ 20분
B25 6M6S 1.0 270℃ 10초 170℃ 20분
B26 6M6S 1.0 230℃ 10분 150℃ 30분
B27 6M6S 1.0 230℃ 10분 200℃ 10분
B28 6M6S 1.0 250℃ 10초 170℃ 20분
B29 6M6S 1.0 250℃ 30초 170℃ 20분
B31 9M4S 2.25 × 170℃ 20분
B32 9M4S 2.25 230℃ 10분 170℃ 20분
B33 9M4S 2.25 250℃ 5분 170℃ 20분
B34 9M4S 2.25 250℃ 10분 170℃ 20분
B35 9M4S 2.25 270℃ 10초 170℃ 20분
B36 9M4S 2.25 230℃ 10분 150℃ 30분
B37 9M4S 2.25 230℃ 10분 200℃ 10분
B38 9M4S 2.25 250℃ 10초 170℃ 20분
B39 9M4S 2.25 250℃ 30초 170℃ 20분
샘플 As-Q NA PB
B11 41.8 64 55.5
B12 -　 -　 56.3
B13 41.8 64 61.2
B14 41.8 64 61.5
B15 - - 47.6
B16 - - 55.1
B17 - - 58.9
B18 41.8 64 53.4
B19 41.8 64 49.1
B21 41.5 70.7 68.5
B22 - - 69
B23 41.5 70.7 70.9
B24 41.5 70.7 71.2
B25 - - 57.9
B26 - - 63.7
B27 - - 68.6
B28 41.5 70.7 56.6
B29 41.5 70.7 59.4
B31 41.2 74 66.4
B32 - - 69.7
B33 41.2 74 78.7
B34 41.2 74 65.8
B35 - - 60.6
B36 - - 67.9
B37 - - 68.4
B38 41.2 74 52.3
B39 41.2 74 51.5
구체적으로 CBT 단계가 5분간 수행된 후 연속해서 도장 열처리가 수행된 샘플 B33, 샘플 B23 및 샘플 B13의 경우 비커스 경도값이 각각 78.7HV, 70.9HV 및 61.2HV로서, 동일한 소재로 종래와 같은 열처리 방법으로 제조된 샘플 B31, 샘플 B21 및 샘플 B11의 경도값인 66.4HV, 68.5HV 및 55.5HV에 비해 모두 더 높은 경도값을 나타내었다.
이로부터 6000계 Al-Mg-Si 합금계에서 나타나는 자연시효에 의한 소부경화능의 열화 문제를 방지하고 오히려 더 우수한 소부경화능을 구현하기 위해서는 도장 열처리 온도보다 더 높은 온도에서 소정 시간 이상 열처리하여 새로운 클러스터를 형성하기 위한 열처리가 수행되어야 함을 확인할 수 있다.
이하에서는 CBT 단계를 수행하기 위한 합금의 조성 별 최적의 온도 범위에 대해서 기술한다.
표 2 및 표 3을 참조하면, Mg/Si의 비율이 0.3(샘플 A11 내지 A19)인 경우, CBT 단계 수행 온도가 230℃ 및 270℃에서는 CBT 단계를 수행하지 않은 비교예(샘플 A11)에 비해 더 낮은 경도값을 나타내었다. CBT 단계의 수행 온도가 270℃일 경우 도장 열처리 온도를 150℃ 혹은 200℃로 변화시켜도 특성의 향상은 나타나지 않았다(샘플 16 및 17).
이에 비해 상술한 바와 같이, CBT 수행 온도를 250℃로 하고 수행 시간은 5분 및 10분으로 한 샘플 A13 및 A14는 동일 조성의 비교예인 샘플 A11에 비해 더 높은 경도를 나타내었다. 다만, 250℃의 경우에도 수행 시간인 10초 및 30초로 짧은 경우에는(샘플 A18 및 A19) 동일한 조성을 가지는 비교예(샘플 A11)에 비해 더 낮은 경도값을 나타내었다.
이를 위해서는 제 1 실시형태에 있어서는, CBT 단계의 수행 온도는 230℃ 보다는 높고 270℃ 보다는 낮은 온도 범위에서 수행되어야 하며, 수행 시간은 30초 초과 10분 이하, 바람직하게는 5분 내지 10분 동안 수행되어야 함을 알 수 있다.
표 2 및 표 3을 참조하면, 모든 샘플에서 자연 시효 후 경도에 비해 도장 열처리 후 경도가 낮은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 그러나 상술한 범위를 만족하는 샘플 A13 및 샘플 A14은 상대적으로 다른 샘플들에 비해 도장 열처리 단계 후 단계 후 경도값의 감소량이 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다.
한편, Mg/Si의 비율이 1인 경우(샘플 A21 내지 A29)에도 Mg/Si 비율에 따른 상대적인 경도값의 차이가 있을 뿐 CBT 단계에서의 수행 온도에 따른 효과는 동일한 경향을 가지고 나타남을 확인할 수 있다.
Mg/Si이 1보다 큰 2.25인 경우(샘플 A31 내지 A39)에는 CBT 단계의 수행 온도가 270℃로 높은 경우 경도의 저하가 나타났으나 230℃ 내지 250℃ 범위에서는 경도의 향상이 나타났다. Mg의 함량이 증가됨에 따라 CBT 단계의 수행 온도가 감소되더라도 경도 향상의 효과는 나타나는 것으로 해석된다. 한편, 이 경우에도 CBT 단계의 수행 온도가 270℃ 일 경우 도장 열처리 온도를 150℃ 혹은 200℃으로 변화시켜도 특성의 향상은 나타나지 않았다. 250℃의 경우에도 수행 시간인 10초 및 30초로 짧은 경우에는(샘플 A38 및 A39) 동일한 조성을 가지는 비교예(샘플 A11)에 비해 더 낮은 경도값을 나타내었다. 따라서 수행 시간은 30초 초과 10분 이하, 바람직하게는 5분 내지 10분 동안 수행되어야 함을 알 수 있다.
결론적으로, 제 1 실시형태의 경우, Mg/Si 비율이 0.3 내지 1.0의 범위에서는 CBT 단계의 수행 온도는 도장 열처리 온도보다 높되 230℃ 보다 크고 270℃ 보다 작으며, 최소한 30초 보다 크고 10분 이하, 바람직하게는 5 내지 10분에서 수행되어야 한다. 또한 Mg/Si 비율이 1.0보다 크고 2.25 이하의 범위에서는, CBT 단계의 수행 온도는 도장 열처리 온도보다 높되, 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 범위에서 , 최소한 30초 보다 크고 10분 이하, 바람직하게는 5 내지 10분 범위에서 수행되어야 한다.
표 4 및 표 5를 참조하면, Mg/Si의 비율이 0.3인 경우에 CBT 단계의 수행 온도가 270℃로 높은 경우 비교예인 샘플 B11에 비해 낮은 경도값을 나타났으나(샘플 B15) 230℃ 내지 250℃ 범위에서는 경도의 향상이 나타났다(샘플 B12, B13 및 B14). 250℃의 경우에도 수행 시간인 10초 및 30초로 짧은 경우에는 동일한 조성을 가지는 비교예에 비해 더 낮은 경도값을 나타내었다(샘플 B18 및 B19). 따라서 수행 시간은 30초 초과 10분 이하, 바람직하게는 5분 내지 10분 동안 수행되어야 함을 알 수 있다.
한편, 제 2 실시형태의 경우, CBT 단계의 수행 온도가 230℃인 경우에는 도장 열처리 조건은 200℃로 증가시켜 수행한 경우(샘플 B17)에도 비교예인 샘플(B11)에 비해 더 높은 경도값을 나타내었다. 즉, CBT 단계와 도장 열처리 단계를 연속적으로 수행하는 경우에는 불연속적으로 진행하는 제 1 실시형태와 비교하여 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있는 공정 조건의 범위가 더 확장될 수 있음을 확인하였다.
표 4 및 표 5를 참조하면, 이러한 경향은 Mg/Si의 비율이 1 및 2.25인 경우에도 모두 동일하게 적용될 수 있음을 확인할 수 있다.
결론적으로, 제 2 실시형태의 경우, Mg/Si 비율이 0.3 내지 2.25의 범위에서는 CBT 단계의 수행 온도는 도장 열처리 온도보다 높되 230℃ 이상 270℃ 보다 작으며, 최소한 30초 보다 크고 10분 이하, 바람직하게는 5 내지 10분에서 수행되어야 한다. 또한 도장 열처리 조건은 170℃ 내지 200℃ 범위 내에서 수행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 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.

Claims (6)

  1. Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 소부경화능을 향상시키기 위한 열처리 방법으로서,
    용체화 처리 및 자연시효된 상기 합금을 도장 열처리 전 상기 도장 열처리 온도보다 높은 온도에서 먼저 열처리하는 CBT(Continuous Baking Treatment) 단계 및 도장 열처리 단계를 포함하며,
    상기 CBT 단계 이후 상기 도장 열처리 단계 수행 전에 상기 알루미늄 합금을 실온으로 냉각하는 단계가 수행되며,
    상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 1.0 범위에 있고,
    상기 CBT 단계는 230℃ 보다 크고 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 5분 이상 10분 이하의 시간 동안 수행되며,
    상기 CBT 단계에서,
    상기 자연시효에 의해 상기 합금의 기지에 형성된 클러스터가 분해되고, 상기 합금의 기지에 상기 클러스터와 다른 형태의 클러스터가 생성되는,
    Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법.
  2. Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 소부경화능을 향상시키기 위한 열처리 방법으로서,
    용체화 처리 및 자연시효된 상기 합금을 도장 열처리 전 상기 도장 열처리 온도보다 높은 온도에서 먼저 열처리하는 CBT(Continuous Baking Treatment) 단계 및 도장 열처리 단계를 포함하며,
    상기 CBT 단계 이후 상기 도장 열처리 단계 수행 전에 상기 알루미늄 합금을 실온으로 냉각하는 단계가 수행되며,
    상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 1.0 보다 크고 2.25 이하의 범위에 있으며,
    상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 5분 이상 10분 이하의 시간 동안 수행되며,
    상기 CBT 단계에서,
    상기 자연시효에 의해 상기 합금의 기지에 형성된 클러스터가 분해되고, 상기 합금의 기지에 상기 클러스터와 다른 형태의 클러스터가 생성되는,
    Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법.
  3. Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 소부경화능을 향상시키기 위한 열처리 방법으로서,
    용체화 처리 및 자연시효된 상기 합금을 도장 열처리 전 상기 도장 열처리 온도보다 높은 온도에서 먼저 열처리하는 CBT(Continuous Baking Treatment) 단계 및 도장 열처리 단계를 포함하며,
    상기 CBT 단계 이후 연속하여 상기 도장 열처리 단계가 수행되며,
    상기 알루미늄 합금 내 Mg 중량을 Si 중량으로 나눈 값이 0.3 내지 2.25 범위에 있고,
    상기 CBT 단계는 230℃ 이상 270℃ 보다 작은 온도 범위에서 5분 이상 10분 이하의 시간 동안 수행되며,
    상기 CBT 단계에서,
    상기 자연시효에 의해 상기 합금의 기지에 형성된 클러스터가 분해되고, 상기 합금의 기지에 상기 클러스터와 다른 형태의 클러스터가 생성되는,
    Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 도장 열처리는 170℃ 내지 200℃ 범위에서 수행되는,
    Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 CBT 단계는 상기 알루미늄 합금을 가열된 오일에 투입하여 급속 가열하는 단계를 포함하는,
    Mg 및 Si을 포함하는 3원계 알루미늄 합금의 열처리 방법.
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