KR20040091285A - 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 차체 등의 패널을 제조하기 위하여 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 제품의 형상으로 성형하는 방법에 관한 것으로서, 프레스 공정에서 펀치의 온도를 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 적정 온도로 가열 및 유지한 후 성형함으로써, 프레스 가공시 합금판재의 연신율 증가를 유도하고, 이를 통해 기존 성형방법으로 성형이 불가능했던 복잡한 형상까지도 크랙이나 주름 없이 성형할 수 있도록 개선한 다이 온도 제어를 통한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법{Method for forming Al-Mg-Si aluminum alloy sheet}

본 발명은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법에 관한 것으로서, 합금판재를 제품형상으로 가공하는 프레스 성형시에 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지하여 성형함으로써, 합금판재의 연신율을 증가시킬 수 있고, 결국 기존 성형시에 비해 더욱 복잡한 형상의 제품을 성형할 수 있게 되는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법에 관한 것이다.

최근 들어 자동차 관련 업계는 갈수록 엄격해지고 있는 환경 규제와 날로 심화되고 있는 자원 고갈의 문제에 대처하기 위하여 연비 향상에 보다 많은 연구를 기울이고 있는 실정이다.

그 중에서도 연비 향상을 위한 차체 경량화의 목적으로 기존 철강 판재 대신 알루미늄 합금판재를 차체 부품에 적용하려는 연구가 현재 활발히 진행되고 있다.

차체용으로 사용되는 알루미늄 합금판재에는 여러 종류가 있지만, 크게 5000계인 알루미늄-마그네슘 합금판재와 6000계인 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재로 나눌 수 있으며, 통상 5000계의 알루미늄 합금판재는 차체 내판용으로, 6000계의 합금판재는 차체 외판용으로 사용된다.

6000계로 명명된 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재는 5000계로 명명된 알루미늄-마그네슘 합금판재에 비해 소부경화능이 좋고 페인트 도장 후 항복강도의 증가로 내덴트성 향상 및 강성 증가를 도모할 수 있어 자동차용 판재로 사용하기에 적합하다.

또한 최근 알루미늄 합금판재의 가격을 포함한 제조원가 및 향후 재활용성을 고려하여 고가인 5000계의 알루미늄 합금판재 대신 상대적으로 저가인 6000계의 알루미늄 합금판재를 차체 내/외판 모두에 적용하려는 연구가 진행되고 있기도 하다.

통상 판재를 사용하여 자동차 차체 등의 패널로 성형하는 공정은 상온에서 다이와 펀치를 이용하여 판재에 소성 변형을 주는 프레스 공정이다.

그러나 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재가 연신율을 비롯한 성형성에 관련된 재료의 물성이 기존에 사용되어 온 냉연강판이나 고장력강판에 비해 낮은 것은 주지의 사실이다.

일반적으로 상온에서 알루미늄-킬드강의 인장 연신율은 50% 정도인데 반하여 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금의 인장 연신율은 30% 정도이며, 이러한 연신율의 부족은 프레스 가공하여야 하는 부품의 소재로 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 적용하는데 한계로 작용되어 왔다.

더욱이 최근 자동차 시장에서 소비자들의 요구가 다양해지면서 보다 복잡한 디자인의 차가 요구되고 있음을 감안할 때, 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 보다 복잡한 형상의 자동차용 패널로 성형할 수 있는 방안이 절실한 상태이다.

이러한 상황임에도 불구하고 아직까지는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재에 대한 성형성 증가에 대한 연구가 극히 미미한 수준이며, 따라서 차체 등의 패널을 제작하기 위하여 상기 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 프레스 성형할 때 기존의 방법으로는 불가능했던 복잡한 형상의 패널을 성형할 수 있는 방법이 요구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 합금판재를 소정의 제품형상으로 성형하기 위한 프레스 가공시에 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지하여 성형함으로써, 합금판재의 연신율을 증가시킬 수 있고, 결국 기존 성형시에 비해 더욱 복잡한 형상의 제품을 성형할 수 있는 다이 온도 제어를 통한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 합금판재에 대한 통상적인 LDR 시험의 예를 도시한 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 합금판재 22 : 다이

24 : 펀치

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차 차체 등의 패널을 제조하기 위하여 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 제품의 형상으로 성형하는 방법에 있어서,

다이와 펀치를 이용하여 합금판재를 프레스 성형할 때 상기 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 상기 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지하여 성형함을 특징으로 한다.

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

본 발명은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 성형하는 방법에 관한 것으로서, 자동차 차체 등의 패널을 성형하기 위한 프레스 공정에서 다이의 온도를 적절히 제어하여 성형함으로써, 가공시 합금판재의 연신율 증가를 유도하고, 이를 통해 기존 성형방법으로는 불가능했던 복잡한 형상까지도 성형할 수 있도록 개선한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 성형방법을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

전술한 바와 같이 소정 형상을 갖는 자동차 차체 등의 패널을 제작하기 위하여 판재를 성형하는 공정은 다이(die)와 펀치(punch)를 이용하여 판재에 소성 변형을 주는 프레스(press) 공정이다.

이 프레스 공정은 미리 제품의 형상에 맞게 구비된 다이에 제품의 소재가 되는 판재를 펀치를 이용하여 강압해 줌으로써, 판재를 원하는 제품형상으로 성형하는 공정이다.

본 발명은 기존에 상온에서 실시되었던 상기의 프레스 공정을 개선한 것으로, 프레스 공정에서 다이의 온도를 적절히 제어함으로써, 기존 성형방법으로는 성형할 수 없었던 복잡한 형상까지 성형할 수 있도록 한 것이다.

특히 본 발명에서는 프레스 공정에서 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지시켜 성형함에 그 특징이 있다.

이와 같이 프레스 성형시 다이를 미리 가열하여 상기의 온도범위로 유지한 후 공정을 실시하는 경우 이후 상세히 설명되는 실시예와 비교예의 성형성 비교를 통해 알 수 있는 바와 같이 합금판재의 연신율을 상온에서 실시할 때에 비해 증가시킬 수 있게 된다.

본 발명에서 프레스 성형시 다이의 온도를 200℃ 미만으로 유지하는 경우에는 상온에서 실시한 것(비교예 1)과 비교해 볼 때 합금판재의 성형성 증가 효과가 그리 크지 않으므로 바람직하지 않다(비교예 2 참조).

또한 프레스 성형시 다이의 온도가 350℃를 초과하면서부터 합금판재의 성형성은 오히려 감소하게 되므로 제조원가 등의 경제적인 측면을 고려할 때 다이의 온도를 350℃ 보다 높게 유지시키는 것은 바람직하지 않다(비교예 3 참조).

이와 같이 하여 본 발명에 따르면, 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 다이 및 펀치를 이용하여 소정의 제품형상으로 성형하는 프레스 가공시에 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지시켜 성형함으로써, 합금판재의 연신율을 증가시킬 수 있고, 결국 기존 성형시에 비해 더욱 복잡한 형상의 제품을 성형할 수 있게 된다.

이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세하게 설명하는 바, 본 발명이 다음의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ∼ 3

먼저 실시예 1 ∼ 3으로서, 동일한 조성 및 두께를 가지는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 사용하여 본 발명의 방법에 따라 성형을 하되, 드로잉성 및 성형성 평가를 위한 딥드로잉 시험에 준하여 실시하였다.

즉 첨부한 도 1에 도시한 시험장치를 이용하여 성형을 하되, 드로잉 펀치(24)의 온도를 상온으로 유지한 상태에서 다이(22)의 온도를 본 발명에서 제시한 온도범위 내로 미리 가열한 후 유지하여 합금판재(10)의 성형을 실시하였으며, 각 실시예는 성형시 유지된 다이의 온도에 따라서 구분한 것이다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 통상의 DC 주조법을 이용하여 마그네슘 1.0 중량%와 실리콘 0.65 중량%를 함유한 알루미늄 합금을 두께 150mm로 주조한 후, 이를 480℃에서 48시간동안 균질화 처리하고, 이후 통상의 방법으로 열간 및 냉간압연하여 1mm 두께의 판재를 얻었다.

이후 T4 열처리를 실시한 다음, 이와 같이 제조한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 사용하여 도 1에 도시한 시험장치로 딥드로잉 시험을 실시한 후, 그 결과로서 LDR 값을 계산하여 하기 표 1에 나타내었다.

이때 다이(22)의 온도는 각 실시예별로 하기 표 1에 나타낸 바와 같이 200, 300, 350℃로 가열 유지시켰으며, 펀치(24)의 지름은 50mm, 블랭크 홀딩힘은 10kN, 드로잉 속도는 13mm/min, 펀치의 온도는 20℃의 상온으로 유지하였다.

여기서 상기 딥드로잉 시험에 대해 간단히 설명하면, 이는 판재의 성형성을 평가하는 시험방법 중의 한 방법으로서, 크랙이나 주름이 발생하지 않고 판재가 얼마나 드로잉(drwing)되는지를 평가하는 시험이다.

이때 시험의 결과로서 하기 식 (1)에 나타낸 같이 크랙 발생 없이 컵모양으로 성형될 수 있는 가장 큰 블랭크의 지름을 드로잉 펀치의 지름으로 나눈 값을 LDR(Limit Drawing Ratio)이라 하며, 이 값이 클수록 드로잉성 및 성형성이 우수함을 나타낸다.

----- (1)

비교예 1 ∼ 3

비교예 1은 실시예와 동일한 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 사용하여 상온에서 딥드로잉 시험을 실시한 것이며(다이를 가열하지 않음), 비교예 2는 다이의 온도를 150℃로, 비교예 3은 다이의 온도를 400℃로 각각 가열 및 유지한 후 딥드로잉 시험을 실시한 것이다.

물론 비교예 모두에서 다이의 온도를 제외한 그 밖의 모든 시험 조건은 실시예와 동일하게 하였으며, 그 시험결과인 LDR 값을 계산하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.

상기 표 1의 시험결과를 살펴보면, 모든 실시예에서 비교예 1와 2에 비해 LDR 값이 큰 것을 알 수 있었으며, 이는 알루미늄-마그네슘 실리콘 합금판재의 성형시에 다이의 온도를 본 발명에서 제시한 200 ∼ 350℃로 유지하여 성형하는 경우 합금판재의 성형성이 증가되면서 크랙이나 주름 없이 복잡한 형상의 성형이 가능함을 나타내는 것이다.

또한 다이의 온도를 150℃로 유지한 비교예 2가 다이의 온도를 종래와 같이 상온으로 유지한 비교예 1에 비해 뚜렷한 성형성 증가 효과를 보이지 못하는 것으로 나타났다.

또한 다이의 온도가 200 ∼ 350℃인 구간에서 LDR 값은 점점 증가하다가 400℃에서 하락한 것을 볼 수 있었는데, 이는 다이의 온도를 350℃ 보다 높은 온도로 하는 경우 성형성이 점차 감소하고 따라서 다이의 온도를 350℃ 이상으로 가열할 필요가 없음을 나타내는 것이다.

한편, 각 실시예의 프레스 성형을 통해 경도가 기존에 비해 얼마나 변하는지를 알아보기 위하여 딥드로잉 시험이 끝난 시편에서 옆면의 경도를 측정한 후 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

이 브리넬 경도시험은 1/16"의 볼(ball)을 사용하였으며 압입하중을 100㎏으로 하여 실시하였다.

상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 시편 옆면의 경도가 큰 차이를 보이지 않았으며, 이는 본 발명에 의거 다이의 온도를 가열하여 성형을 실시하더라도 성형 후 제품의 경도는 기존과 같이 상온에서 성형했을 때와 비교할 때 별다른 차이를 보이지 않음을 의미하는 것이다.

이상의 실시예를 통해 본 발명을 구체화하였듯이, 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 프레스 성형할 때, 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 가열 유지하면서 성형을 하게 되면, 합금판재의 성형성이 향상되면서 크랙 및 주름 발생, 경도 변화 등의 문제 없이 기존 성형방법으로는 불가능했던 복잡한 형상까지도 성형을 할 수 있게 되며, 이러한 성형방법은 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 소재로 한 자동차 차체 등의 패널 성형에 널리 적용 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법에 의하면, 자동차 차체 등의 패널을 성형하기 위한 프레스 공정에서 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지시켜 성형함으로써, 합금판재의 연신율 증가를 유도하고, 결국 크랙 및 주름 없이 기존 성형방법으로는 성형할 수 없었던 복잡한 형상까지 성형할 수 있는 장점이 있게 된다.

또한, 상기와 같이 프레스 가공시에 알미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형성을 향상시킴으로써, 제품의 불량율을 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 자동차 차체 등의 패널을 제조하기 위하여 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재를 제품의 형상으로 성형하는 방법에 있어서,

   다이와 펀치를 이용하여 합금판재를 프레스 성형할 때 상기 펀치의 온도를 수냉에 의해 상온으로 유지하면서 상기 다이의 온도를 200 ∼ 350℃로 유지하여 성형함을 특징으로 하는 알루미늄-마그네슘-실리콘 합금판재의 성형방법.