KR20030090047A

KR20030090047A - 알루미늄 합금 판재의 열처리방법

Info

Publication number: KR20030090047A
Application number: KR1020020028029A
Authority: KR
Inventors: 정유동
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2002-05-21
Publication date: 2003-11-28

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침을 억제하기 위한 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 열처리하여, 시효처리된 Al 2090 합금 판재의 주된 강화 석출상이면서 판재 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 제거시켜줌으로써, Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침을 억제할 수 있는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금 판재의 열처리방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄 합금 판재의 열처리방법{Heat treatment method for reduction of surface roughness of aluminum alloy sheet}

본 발명은 알루미늄 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침을 억제하기 위한 열처리방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 열처리하여, 시효처리된 Al 2090 합금 판재의 강화 석출상이면서 판재 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 제거시켜줌으로써, Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침을 억제할 수 있는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금 판재의 열처리방법에 관한 것이다.

일반적으로 알루미늄 합금 판재는 연비향상의 요구가 증대되고 있는 자동차 산업을 중심으로 차체 경량화 측면에서 외판재 등에 그 적용범위가 널리 확대되고 있는 추세이며, 자동차 제조사에 따라서는 차체 외판 전체가 알루미늄 합금 판재를 소재로 하여 제조된 차량이 양산되고 있기도 하다.

특히, 차체 외판용 소재는 차량의 안전에 직접적으로 관계되므로 구조용 재료로서 일정 수준 이상의 강도가 확보되어야 하며, 이러한 측면에서 열처리를 통해 고강도를 얻을 수 있는 알루미늄 합금 판재에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.

현재, 차체 외판용 소재로 주로 사용되는 알루미늄 합금은 5xxx 및 6xxx 계열의 합금으로서, 강도 및 강성 보완을 위하여 판재의 두께가 크게는 2mm까지 적용되고 있으며, 판재의 두께를 더욱 줄여 경량화 효과를 극대시킬 수 있는 고강도 알루미늄 합금 판재의 개발이 진행 중에 있다.

그러나, 고강도 알루미늄 합금은 성형성에 있어서 제한을 받는다는 단점이 있다.

아울러, 열처리에 의한 석출강화효과를 얻기 위해 첨가되는 합금 원소의 거동에 의하여 판재 성형시 특정 고용원소 또는 석출상과, 미세조직상 금속의 소성변형에 관여하는 전위와의 상호작용, 즉 동적변형시효 또는 변형불균일성 유발로 성형 후 판재 표면에 미세한 표면거침 또는 표면주름이 발생하는데, 이는 판재 도장공정에서 문제점으로 작용함과 동시에 상품성을 해치는 요인을 제공하게 된다.

첨부한 도 4는 판재 성형시 발생하는 통상의 표면거침 현상을 보여주는 사진으로서, 소재의 표면거침 현상은 그 소재를 대상으로 수행한 인장시험에서 인장곡선의 톱니모양 거동으로 평가할 수 있다.

한편, 상기 표면거침 현상의 억제를 위하여, 기존에는 표면거침이 발생하지 않는 공정조건하에서 판재의 성형을 수행하였는 바, 실제 적용할 수 있는 공정조건은 판재의 성형속도를 낮추는 것이며, 이는 생산성을 크게 저하시키는 결과를 초래한다.

더욱이, 리튬(Li) 첨가에 의한 석출상 형성으로 시효처리시 고강도를 얻을 수 있고 합금 비중을 낮출 수 있는 Al-Li계 2090 알루미늄 합금 판재의 경우에는 합금의 강화상으로 작용하는 합금 내 구형(球形)의 델타(δ')상이 소성 변위시 전위에 의해 쉽게 전단되면서 국부적인 변형불균일성을 유발, 판재에 표면거침을 발생시키게 되는데, 이러한 석출상은 그 석출속도가 매우 빨라 판재의 제조공정상에 필수적으로 존재하게 된다.

특히, 고용원소에 의하지 않고 석출상에 의하여 발생하는 표면거침 현상은 그 특성상 공정변수의 제어에 의한 억제가 사실상 불가능하다.

이러한 이유로 인하여, 상기 Al 2090 합금의 경우에는 성형이 요구되는 판재부품에 그 사용이 제한되어 왔다.

따라서, 본 발명은 Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 열처리하여, 시효처리된 Al 2090 합금 판재의 강화 석출상이면서 판재 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 제거시켜줌으로써, Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하는 표면거침을 억제할 수 있음은 물론 성형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금 판재의 열처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 열처리된 Al 2090 합금 판재의 미세조직을 보여주는 현미경 사진이고,

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 열처리된 Al 2090 합금 판재와, 시효처리 후 열처리를 실시하지 않은 Al 2090 합금 판재의 표면거칠기를 비교하여 나타낸 선도이며,

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 열처리된 Al 2090 합금 판재의 인장곡선과, 시효처리 후 열처리를 실시하지 않은 Al 2090 합금 판재의 인장곡선이고,

도 4는 판재 성형시 발생하는 통상의 표면거침 현상을 보여주는 사진이며,

도 5는 시효처리 후 열처리를 실시하지 않은 Al 2090 합금 판재의 미세조직을 보여주는 현미경 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 알루미늄 합금 판재의 열처리방법은 알루미늄(Al)을 주재로 하고 리튬(Li) 1.9 ∼ 2.6 중량%, 구리(Cu) 2.4 ∼ 3.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.08 ∼ 0.15 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 알루미늄 합금 판재의 시효처리 후 열처리방법에 있어서,

시효처리시 석출된 델타(δ')상이 기지 내에서 용해되면서 제거될 수 있도록 시효처리된 상기 조성의 알루미늄 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 Al 2090 합금 판재의 시효처리시 강화 석출상이면서 판재 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 제거시켜줌으로써, 표면거침의 발생을 억제할 수 있는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 합금 판재의 표면거침 억제 열처리방법에 관한 것이다.

본 발명에서 대상 합금으로 적용된 Al 2090 합금은 알루미늄(Al)을 주재로 하고 리튬(Li) 1.9 ∼ 2.6 중량%, 구리(Cu) 2.4 ∼ 3.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.08 ∼ 0.15 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 것으로서, 리튬(Li) 첨가에 의한 석출상 형성으로 시효처리시 고강도를 얻을 수 있는 소재이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같이 얻어지는 석출상 중에서도 판재의 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상만을 제거하기 위한 것으로서, 이를 위하여 본 발명에서는 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리한다.

상기 온도범위 260 ∼ 290℃는 Al 합금 기지 내에 석출되어 있는 델타(δ')상의 용해 가능 온도범위에 해당되며, 상기 열처리 시간 1 ∼ 5분은 상기 온도범위에서 실험을 통하여 얻어진 결과치이다.

즉, 상기 Al 2090 합금 판재를 260℃ 미만으로 열처리할 경우에는 델타(δ')상이 녹아나지 않아 제거될 수 없고, 290℃를 초과하여 열처리할 경우에는 T₁상(Al₂CuLi)과 쎄타(θ')상(Al₂Cu)과 같은 합금 내 다른 강화 석출상에 영향을 미치게 되는 것이다.

여기서, 상기 델타(δ')상을 제외한 T₁상과 쎄타(θ')상은 시효처리된 Al 2090 합금의 미세조직에서 관찰되는 부가적인 침상의 강화 석출상으로서, 합금의 강화에는 기여하나 표면거침과는 무관한 석출상이다.

요약하건대, 상기 온도범위는 다른 강화 석출상의 구조에 영향을 미치지 않으면서도 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상만을 제거할 수 있는 온도범위인 것이다.

또한, 상기 시간 1 ∼ 5분은 상기 열처리 온도범위(260 ∼ 290℃)를 고려한 열처리 시간으로서, 상기 온도범위에서 열처리 실시시 합금 기지 내 델타(δ')상은 제거될 수 있으나 다른 강화 석출상 구조 자체에는 영향을 주지 않도록 고려된 시간이다.

즉, 상기 온도범위에서 열처리 시간을 1분 미만으로 할 경우에는 합금 내 델타(δ')상이 제거될 수 없고, 상기 온도범위에서 5분을 초과하여 열처리 실시하면 다른 강화 석출상 구조에도 영향을 미치게 되어 고강도를 얻을 수 없게 되는 것이다.

상기와 같이, 본 발명에서는 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리하여줌으로써, Al 2090 합금 판재의 강화 석출상이면서 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 기지 내에서 제거하고, 이로써 Al 2090 합금 판재의 성형시 발생하는 표면거침을 억제할 수 있는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 다음의 실시예에 의거 본 발명을 더욱 상세히 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예로 한정되는 것은 아니다.

실시예

본 발명의 실시예로서, 알루미늄(Al)을 주재로 하고 리튬(Li) 1.9 ∼ 2.6 중량%, 구리(Cu) 2.4 ∼ 3.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.08 ∼ 0.15 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 Al 2090 합금 판재를 160 ∼ 180℃의 온도범위에서 24 ∼ 48시간 동안 시효처리한 후, 이 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 본 발명의 열처리방법에 따라 온도 280℃에서 4분간 열처리하였으며, 상기와 같이 열처리된 Al 2090 합금 판재의 미세조직을 투과전자현미경으로 찍어 첨부한 도 1에 나타내었다.

도 1에서는 상기와 같이 시효처리 후 열처리된 Al 2090 합금 판재의 미세조직을 보여주고 있으며, 첨부한 도 5는 비교예로서 동일 조건하에서 시효처리한 후 열처리를 실시하지 않은 Al 2090 합금 판재의 미세조직을 보여주는 투과전자현미경 사진이다.

먼저, 도 5의 시효처리된 기지 내에서는 다량의 구형(球形) 델타(δ')상을 관찰할 수 있었으며, 미세조직에서 관찰되는 부가적인 침상의 석출상은 T₁상(Al₂CuLi)과 쎄타(θ')상(Al₂Cu)에 해당되는 것으로 전술한 바와 같이 합금의 강화에는 기여하나 표면거침과는 무관한 석출상이다.

한편, 도 1의 열처리된 Al 2090 합금 판재에서는 시효처리 후 관찰되었던 델타(δ')이 열처리 후 거의 대부분 용해되어 기지 내에서 사라짐을 알 수 있었다.

이와 같이 하여, 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 본 발명에 따라 열처리하게 되면 델타(δ')상이 기지 내에서 제거될 수 있음을 확인하였고, 이는 곧 본 발명의 방법에 따라 열처리된 Al 2090 합금 판재에서는 성형시 표면거침이 억제될 수 있음을 의미한다.

이는 다음의 실험예를 통해 확인할 수 있다.

실험예 1

상기 실시예의 Al 2090 합금 판재를 성형시와 같은 미리 정해진 수준으로 변형시킨 후 표면거칠기를 측정하였다.

여기서, 표면거칠기 측정은 변형시킨 상기 실시예의 Al 2090 합금 판재를 대상으로 정해진 선형구간에서 표면거침에 따른 산과 골의 형태를 표면조도기를 이용하여 마이크로미터 수준으로 측정하였으며, 그 결과를 첨부한 도 2에 나타내었다.

도 2에서는 비교예로서 동일 조건하에서 시효처리한 후 열처리를 실시하지 않은 Al 2090 합금 판재의 표면거칠기를 동일한 방법으로 측정한 후 함께 나타내었다.

실험예 2

상기 실시예의 Al 2090 합금 판재와, 비교예로서 열처리를 실시하지 않은 Al2090 합금 판재를 이용하여 KS B0802에 규정된 시험방법으로 인장시험을 실시하였고, 그 결과를 도 3의 인장곡선으로 나타내었다.

먼저, 실험예 1의 결과로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 열처리가 실시되지 않은 상태, 즉 시효처리만 된 상태에 비해, 시효처리 후 본 발명의 열처리가 실시된 상태에서는 산과 골의 깊이가 현저히 감소함을 알 수 있었고, 이는 결국 본 발명에 따른 열처리 실시후에는 판재 성형시 발생되는 표면거침 현상이 억제될 수 있음을 의미한다.

한편, 판재 성형시에 나타나는 표면거침 현상은 종래기술에서 언급한 바와 같이 인장곡선상에서의 톱니모양의 거동으로 평가할 수 있는 바, 실험예 2의 결과로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 Al 2090 합금 판재에서는 시효처리만 된 비교예의 Al 2090 합금 판재에 비해 톱니모양의 거동이 현저하게 억제됨을 알 수 있었으며, 이는 도 1의 미세조직 양상에서 유추할 수 있는 결과를 나타내고 있다.

아울러, 도 3에서 본 발명에 따른 열처리 후의 Al 2090 합금 판재(실시예)의 항복강도가 열처리 실시 이전의 Al 2090 합금 판재(비교예)의 항복강도에 비해 낮게 나타나고 있는데, 이는 실제 판재의 성형시 보다 용이한 조건에서 성형이 가능하다는 장점을 제공하게 되며, 더욱이 열처리를 실시하는 경우에는 시효처리 조건과 비교하여 항복점 이후의 합금 가공경화정도가 보다 크게 나타나면서 성형 후 고강도를 얻을 수 있다는 장점을 제공하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명의 열처리방법에서는 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리하여 델타(δ')상을 제거시킴으로써, Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하던 표면거침을 억제할 수 있는 동시에 성형성을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 판재의 표면거침 억제 열처리방법에 의하면, 시효처리된 Al 2090 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리하여 판재 성형시 표면거침의 원인이 되는 델타(δ')상을 제거시켜줌으로써, Al 2090 합금 판재의 성형시에 발생하던 표면거침을 억제할 수 있음은 물론 강도 수준 조절에 의한 성형성의 용이함과 성형 후 가공경화에 의한 고강도 특성을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims

알루미늄(Al)을 주재로 하고 리튬(Li) 1.9 ∼ 2.6 중량%, 구리(Cu) 2.4 ∼ 3.0 중량%, 지르코늄(Zr) 0.08 ∼ 0.15 중량% 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 알루미늄 합금 판재의 시효처리 후 열처리방법에 있어서,

시효처리시 석출된 델타(δ')상이 기지 내에서 용해되면서 제거될 수 있도록 시효처리된 상기 조성의 알루미늄 합금 판재를 260 ∼ 290℃의 온도범위에서 1 ∼ 5분간 열처리하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 판재의 열처리방법.