KR20050106452A - Ａｌ－Ｍｇ 합금 부품을 위한 온간 드로잉 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 알루미늄 합금으로 이루어진 드로잉 가공 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, Mg = 1-6중량%, Mn < 1.2 중량%, Cu < 1중량%, Zn < 1중량%, Si < 3중량%, Fe < 2중량%, Cr < 0.4중량%, Zr < 0.3중량%, 그리고, 각각은 < 0.1중량%이며 전체는 < 0.5중량%인 기타 원소 및 잔부인 Al된 조성을 갖는 합금으로 0.5㎜와 5㎜ 사이의 두께를 갖는 스트립을 제조하는 단계와, 상기 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계와, 상기 블랭크를 30초 미만의 기간 동안 150℃와 350℃ 사이의 온도로 국지적으로 혹은 전체적으로 가열하는 단계와, 가열된 블랭크를, 150℃와 350℃ 사이의 온도로 적어도 부분적으로 가열된 공구를 사용하여 후속 작업에 적합한 윤활제가 있는 상태에서 드로잉하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다. 드로잉 가공 부품은 자동차의 차체 부품이다.

Description

Ａｌ－Ｍｇ 합금 부품을 위한 온간 드로잉 방법{WARM DRAWING PROCESS FOR Al-Mg ALLOY PARTS}

본 발명은, 크게 변형된 알루미늄 합금 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 특히 자동차 산업에 사용되는 Al-Mg 형태의 합금(표준 EN 573-3에 따른 5000계열)으로 된 부품을 온간 드로잉, 즉 150℃와 350℃ 사이의 온도에서 드로잉하여 제조하는 방법에 관한 것이다.

파괴시의 알루미늄 합금의 연신율은 150℃보다 높은 온도에서 증가하고, 이러한 효과는 변형 속도가 낮을 때 보다 현저하게 된다는 것은 공지되어 있다. 450℃보다 높은 온도에서 이루어지고, 특유의 매우 미세한 결정립의 미세조직을 갖는 합금을 요구하는 초소성 성형과는 달리, 150℃와 350℃ 사이의 온도에서의 온간 성형은 통상의 합금, 특히 5000계열의 합금의 연성을 증가시킨다.

자동차 산업에서 알루미늄 합금에 대한 최초의 온간 드로잉 테스트는 공구의 개량없이 강을 알루미늄으로 대체하기 위해 1970년대에 미국에서 수행되었는데, 1976년에 허여된 Chrysler 명의의 미국 특허 제4090889호에는 합금 5252-H25를 비롯한 다양한 형태의 합금으로 된 자동차 부품을 100℃와 315℃ 사이의 온도에서 드로잉하여 제조하는 드로잉 프로세스가 기재되어 있다. 흑연계 윤활제로 덮인 블랭크가 바람직하게는 적외선 가열에 의해 가열된다. 이 때에는 아마도 프로세스에 걸친 열의 제어가 미비하였고, 통상의 냉간 드로잉에 의해 가능한 속도와 유사한 제조 속도를 달성하는 것이 곤란하였기 때문에 산업적 적용성은 갖지 못하였다.

본 발명의 목적은 그러한 단점을 극복하고, 자동차용의 알루미늄 부품, 특히 Al-Mg 합금으로 된 부품을 자동차 산업의 요건에 부합하는 생산성을 갖고 온간 드로잉할 수 있게 하거나, 냉간 성형으로 얻을 수 없는 부품을 얻고, 또는 특히 드로잉 수행 회수를 감소시키거나 냉간 성형이 곤란한 보다 경제적인 합금을 사용하여 제조를 용이하게 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 예 1에서 설명하는 본 발명에 따른 방법을 사용하여 제조된 자동차 도어 라이닝의 사시도이다.

도 2는 예 1 및 예 2에 사용된 블랭크의 예열 영역을 나타내는 도면이다.

도 3은 예 2의 부품의 모서리 부분에 있어서의 드로잉 다이의 단면도이다.

본 발명의 목적은, 알루미늄 합금으로 이루어진 드로잉 가공 부품을 제조하는 방법으로서,

- Mg = 1-6중량%, Mn < 1.2 중량%, Cu < 1중량%, Zn < 1중량%, Si < 3중량%, Fe < 2중량%, Cr < 0.4중량%, Zr < 0.3중량%, 그리고, 각각은 < 0.1중량%이며 전체는 < 0.5중량%인 기타 원소 및 잔부인 Al된 조성을 갖는 합금으로 0.5㎜와 5㎜ 사이의 두께를 갖는 스트립을 제조하는 단계와,

- 상기 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계와,

- 상기 블랭크를 30초 미만의 기간 동안 150℃와 350℃ 사이의 온도로 국지적으로 혹은 전체적으로 가열하는 단계와,

- 가열된 블랭크를, 150℃와 350℃ 사이의 온도로 적어도 부분적으로 가열된 공구를 사용하여 후속 작업에 적합한 윤활제가 있는 상태에서 드로잉하는 단계를 포함한다.

윤활제는 절단된 블랭크에 미리 도포하거나, 블랭크를 드로잉하기 바로 전에 드로잉 공구 상에 분사될 수 있다. 드로잉은 바람직하게는 싱글 패스 방식으로 행해진다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 조성의 알루미늄 블랭크에서 시작하여, 변형되지 않거나 약간 변형된 영역과, 크게 변형된 영역을 포함하며, 최소 변형 부분은 최대 변형 영역에서보다 적어도 30%만큼 큰 항복 응력 R_0.2(또는 최대 변형 영역에서보다 적어도 20% 큰 비커스 경도)를 갖는 드로잉 가공 부품을 제공하는 것이다.

본 발명은 마그네슘을 1 내지 6%, 바람직하게는 3.5 내지 5%를 함유하는 알루미늄 합금제 드로잉 가공 부품을 제조하는 데에 적용될 수 있다. Mg는 Cu, Mn 및 Zn과 같은 식으로 합금의 기계적 강도에 기여할 수 있는 데, Cu와 Zn의 경우는 1%, Mn의 경우는 1.2%의 함량으로 존재할 수 있다. 그러한 합금은 본질적으로 5000 계열, 예를 들면 5052, 5083, 5182 또는 5754 합금이지만, Si의 함량이 Mg의 함량보다 많은 경우에는 4000계열일 수 있고, Mn의 함량이 Mg의 함량보다 약간 많다면 3000계열일 수도 있다. 이러한 3000 또는 4000 계열 합금은 재활용 제조 스크랩을 포함시킴으로써 생산할 수 있어, 저렴한 합금이 된다.

스트립은 통상 플레이트를 주조하고, 이어서 열간 압연 및 냉간 압연함으로써 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 두 금속 벨트[벨트 주조(belt casting)] 사이에서 스트립을 연속 주조하고, 이어서 열간 압연하며, 혹은 2개의 냉각 롤 사이에서 냉간 롤링[롤 주조(roll casting)]하고 이어서 냉간 압연함으로써 얻을 수 있다. 벨트 주조의 경우, 두께에 따라 가능하다면 열간 압연된 스트립을 사용하는 것이 기술적 및 경제적 측면에서 매력적일 수 있다.

통상의 주조의 경우, Fe가 0.8%로 제한되지만 연속 주조로부터 얻어지는 합금에서는 2%에 이를 수도 있다. 마찬가지로, 규소는 연속 주조에서는 3% 이하일 수 있지만, 통상의 주조에서는 2%로 제한하는 것이 보다 바람직하다.

최종 압연 패스는, 예를 들면 전자 빔 처리(EBT), 방전 처리(EDT) 또는 레이저 빔 처리에 의한 텍스춰드 롤(textured roll)을 갖고 행할 수 있는데, 이는 부품의 성형성 및 도장 후에 형성되는 부품의 표면 외관을 개선시킨다.

스트립은 드로잉에 어려움이 있는 크게 변형된 부품을 만들기 위해 매우 높은 연신율이 필요한 경우, 그리고 최종 기계적 강도에 대한 요건이 덜 엄격한 경우에는 소프트 템퍼(soft temper)(템퍼 0) 상태일 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 이점 중 하나는 변형 경화 템퍼 또는 부분 어닐링 템퍼(H1x 또는 H2x 템퍼) 상태에서 시작한다는 점이다. 이는, 어닐링을 피하는 것의 경제적인 이점 외에도, 소프트 템퍼 상태에서 시작하는 경우에 발생하는 드로잉 시의 루더스 라인(Luders line)의 출현을 피할 수 있다. 이는 소프트 템퍼의 사용에 의해서는 충분한 함몰에 대한 저항(indentation resistance)이 달성될 수 없다는 점외에도, 종래에는 루더스 라인의 위험성으로 인해, 보이지 않는 보강재 부품에는 폭넓게 사용되고 있지만 도장될 차체 스킨(bodywork skin) 부품에는 Al-Mg 합금을 사용하지 못하였다는 점 때문에 중요하다. 동일한 외관 결함은 또한 소프트 탬퍼 상태의 플레이트를 온간 성형하는 중에 사라질 수 있고, 이는 예를 들면 눈에 보이는 도어 라이닝의 경우와 같이 양호한 성형성과 매력적인 외관을 요구하지만 높은 기계적 강도를 요구하지 않는 용례에 이점이 있다. 마지막으로, 차체 스킨과 보강재에 동일한 형태의 합금을 사용하면 재활용을 간소화할 수 있다.

스트립은 이어서 제조될 부품에 적합한 형상의 블랭크로 절단된다. 이 단계에서, 블랭크는 드로잉 온도에서 비교적 안정되고, 또 그 온도에서 유독성 가스를 배출하지 않는 윤활제로 코팅될 수 있다. 윤활제는 또한 탈지 중에 제거하기 용이해야 하며, 추가적인 표면 마련이 없는 용접 또는 접합과 같은 후속 작업 및 전기이동(cataphoresis)에 대해 적합할 수 있어야 한다. 예를 들면, 윤활 첨가제로서 아연, 나트륨, 또는 리튬 스테아르산염을 함유하는 높은 비등점 및 높은 인화점의 합성 에스테르계 윤활제 또는 고체 붕소 질화물 형태의 윤활제가 사용될 수 있다.

블랭크는 이어서 150℃와 350℃ 사이의 온도로 예열된다. 이러한 예열은 요구되는 속도로 드로잉 공구로 공급하기 위해 30초 미만, 바람직하게는 20초 미만, 심지어는 10초 미만의 시간을 갖고 충분히 신속하게 행해져야 한다. 필요하다면, 동일 공구에 공급하기 위해 다수의 예열 스테이션을 가질 수 있다. 예열은 전체 블랭크에 대해 균일하게 행해질 수 있지만, 선택적으로 행하여 블랭크의 상이한 영역들 간에 온도 구배를 생성할 수 있다. 이러한 국지적 예열은 변형을 양호하게 분포시켜 성형을 용이하게 하거나, 성형된 부품에서의 각 영역의 기능에 적합한 불균질한 기계적 특성을 유발하거나 하여 기계적 특성을 최적화한다. 예를 들면, 가장 크게 변형될 영역이 선택적으로 예열될 수 있다. 단부와 단부가 연결된(end-to-end) 블랭크의 경우, 드로잉 중에 연결 영역에서의 피괴를 방지하기 위해 그러한 영역 부근에 예열이 집중될 수 있다.

또한, 상당히 변형 경화된 합금 블랭크를 갖고 시작하여 그 주변부를 국지적으로 가열함으로써, 성형 종료시에 가열되지 않은 중앙부에서는 항복 강도를 높게 유지하고 있고, 주변부에서는 성형 중에 어닐링되어, 결과적으로 차후의 양호한 크림핑 성능(crimpability)을 갖는 부품을 얻는 것이 가능하다.

필요한 경우에 신속하고 국지적인 예열을 달성하기 위해 적절한 수단은 가열될 영역의 동일한 형상을 갖고 블랭크에 부착되는 가열 슈우(heating shoe)를 사용하는 접촉 가열 방식을 이용하는 것이다. 그러한 장치는 20℃에서 300℃로 온도를 15초 미만 내에 상승시킬 수 있고, 이는 적은 수의 예열 유닛을 사용하여 높은 속도로 드로잉 라인에 공급하기에 충분하다. 게다가, 시작 시점에서 온도 및 노출 기간에 보다 민감한 변형 경화 블랭크를 사용하는 경우, 그러한 장치는 사이클 시간에 걸친 양호한 제어에 의해 도달하는 온도의 양호한 재현성과 정확한 제어를 할 수 있게 한다.

예를 들어 드로잉 다이의 경우와 같이 부품의 중앙부에 국지적으로 위치한 크게 변형된 영역이 있는 경우에, 드로잉 시에 파괴를 방지하기 위해 블랭크의 예열 영역이 실제 성형될 영역이 아니라 그 영역에 근접하야 함을 관찰한 것에 본 출원인은 놀라웠다. 가해진 열은 단지 블랭크의 예열에 기인한 것이지 공구로부터의 열은 아닐 수 있는 데, 그러한 경우는 공구와 블랭크 간의 접촉이 충분히 가열되기에는 너무 빠르기 때문이다. 예를 들면, 부품의 국지적으로 크게 변형된 영역에 대응하는 블랭크의 영역으로부터 5㎜ 이상의 거리를 두고 위치하는 것이 바람직한 가열 시임(heating shim)을 사용하여 블랭크를 예열하는 것이 바람직하다.

블랭크는 이어서, 드로잉 공구로 전달되며, 노(爐)의 출구와 프레스 사이에서의 블랭크의 가능한 냉각은 프레스 아래에서 원하는 온도가 얻어지도록 고려되어야 하여, 블랭크는 공구의 온도보다 약간 높게 가열될 수 있다.

예열된 블랭크는 이어서 드로잉된다. 본 발명의 특징 중 하나는 드로잉 공구도 적어도 부분적으로 150℃와 350℃ 사이의 소정 온도로 가열된다는 점이다. 이는 공구에 전기 저항을 합체시킴으로써 달성할 수 있다. 공구의 단지 일부 영역만, 바람직하게는 펀치보다는 다이와 블랭크 홀더만을 가열할 수 있다. 하나의 특히 유리한 구성은, 공기 스트립에 의해 분리된 2개의 가열 부분의 다이를 갖는 것이다. 그 결과, 수축될 블랭크의 클래딩(cladding) 아래에 고온의 다이 에지가 있고, 다이의 반경 방향에서 블랭크의 기계적 강도를 증가시키기 위한 저온의 다이 바닥이 있다.

고온 부분 근처에서 공구의 일부를 저온으로 유지하기 위한 다른 수단으로는, 예를 들면 저온으로 유지될 부품상의 열을 소산시키도록 압축 공기를 분사하거나, 상기 부분 내에서 냉각 유체를 순환시키는 등이 사용될 수 있다. 공구의 상기 부분에서의 온도는 규제(regulation)에 의해 제어될 수 있다.

블랭크가 전술한 바와 같이 윤활제에 의해 미리 코팅되는 경우가 아니라면, 윤할제는 분무에 의해 드로잉 공구에 직접 도포될 수 있다. 이러한 식으로, 고온에 대한 윤활제의 노출 시간을 감소시켜, 예열 중에 미리 열화되는 것을 방지할 수 있다.

공구의 구조는 온도가 균일하지 않을 때에 공구가 불균일하게 팽창한다는 것을 고려해야 한다. 공구는 구속되는 것을 방지하도록 표면이 처리될 수 있다. 성형 사이클은 싱글 패스의 드로잉과, 이어서 에지의 트리밍 또는 커팅을 위한 최종 패스를 포함하는 것이 바람직하다. 드로잉 속도는 분당 적어도 6회의 타격이다.

본 발명에 따른 프로세스는 크게 변형된 영역을 갖는 부품, 특히 자동차 구조용 부품, 즉 차체 스킨(bodywork skin) 부품 및 구조 또는 보강재 부품 모두를 제조하는 데에 사용될 수 있다.

블랭크의 일부 영역을 예열하고, 상이한 부분에서 온도 구배를 갖도록 공구를 가열하는 것의 최적의 조합으로 인해, 0.6㎜과 1.5㎜ 사이의 소정 두께를 갖는 블랭크로 제조되고, 예를 들면 충돌시의 거동 또는 함몰에 대한 저항과 같은 성형된 부품의 각 부분에 요구되는 특성에 따라 기계적 특성의 특별한 배열을 갖는, 예를 들면 도어 또는 루프 스킨(roof skin)과 같은 차체 스킨의 눈에 보이는 부품을 얻을 수 있다. 통상의 냉간 드로잉 방법에서의 최고로 크게 변형된 영역은 최대로 변형 경화되어, 가장 경질의 영역이 된다. 반대로, 본 발명에 따른 방법에 있어서, 시작 시점에서 변형 경화 템퍼(strain-hardened temper) 상태인 경우, 통상 주변부 주위의 최대 변형 영역은 이들 영역이 면하게 되는 공구의 가열에 의해 드로잉 중에 부분적 어닐링 템퍼 상태로 되어, 공구 내에서의 금속의 유동을 좋게 할 수 있다. 따라서, 그러한 영역들은 경화되지 않는 한편, 저온이고 약간만 변형된 영역은 원래의 기계적 강도를 유지하게 된다.

따라서, 약간 변형된 영역의 경우, R_0.2 > 250㎫의 항복 응력 또는 > 97Hv의 비커스 경도가 얻어지며, 특히 함몰에 대한 양호한 저항성을 제공하고, 또한 루더스 라인이 없고 낮은 스프링 백 효과로 인해 우수한 표면 외관을 제공한다. 한편, 예열 및 드로잉 중에 부분적으로 어닐링된 주변 영역은 연화되고, 차후의 양호한 크림핑 성능을 제공한다. 중앙부에서의 양호한 함몰 저항과 주변부에서의 양호한 크림핑 성능의 조합은 보닛(bonnet), 도어 및 루프와 같은 외부 차체를 위한 패널의 경우에 특히 유용하다.

강제 프레임 상에 설치될 수 있는 알루미늄 합금제 루프의 경우, 그 프로세스에서는 전기 이동(cataphoresis) 단계 전에 높은 항복 응력을 갖는 합금을 사용하면 그러한 작업 중에 발생할 수 있는 상이한 열팽창으로 인한 영구 변형이 나타날 수 있다.

2㎜와 5㎜ 사이의 소정 두께의 블랭크로 제조된 쇼크 옵서버 비임, 플로어에 대한 연결부, 스트링거(stringer), 크레들(cradle), 및 도어 보강재와 같은 구조 또는 보강재 부품의 경우, 보다 낮은 스프링 백 효과와 높은 기계적 강도에 의해 냉간 가공으로 달성할 수 없었던 드로잉 깊이를 달성할 수 있다.

몇몇 경우에, 특히 도어 라이닝의 경우, 예를 들면 윈도우 프레임 아래의 스트립과 같이 약간 변형된 부분의 높은 기계적 강도는 정면 충격의 경우에 유용할 수 있고, 이 영역에서의 프로파일 보강재의 중량을 감소시킬 수 있다.

따라서, 변형 경화 템퍼 상태의 플레이트의 사용으로 인해, 본 발명에 따른 방법은 요구되는 특성을 갖는 최종 형상에 이르도록 넓은 범위로 조절할 수 있다. 중간의 야금적 템퍼(Hn4 또는 Hn2)와 블랭크 및 적절한 공구의 가열을 조합함으로써, 성형 중에 항복 응력을 일시적으로 감소시킬 수 있다. 냉각 후에, 그 부분의 높은 기계적 강도는 원래의 블랭크에 비해 약간 낮아진 상태로 복원된다. 이러한 선택은 완료된 보이는 부분에서의 세부(details)를 표시하는 한편, 성형 후에 높은 항복 응력을 유지하는 것이 요구되는 경우에 매우 유용하다.

본 발명에 따른 방법은 분당 적어도 6개 부품을 처리하는 속도로 드로잉 프레스에 공급될 수 있다. 냉간 드로잉에 의해 가능한 것보다 양호하게 성형을 위한 기계적 특성을 최적화할 수 있고, 성형된 제품에 대해 기계적 특성의 변화(gradient)를 유발할 수 있어, 최종 부품의 사용 기능(예를 들면 그 부품의 충돌 또는 함몰 저항)의 개선에 기여하거나, 성형된 부품의 차후의 조립 작업(예를 들면, 크림핑)을 간소화할 수 있다.

마지막으로, 본 발명에 따른 방법에 있어서의 블랭크 예열 단계는 프로세스의 양호한 열적 안정성을 보장하는 한편, 블랭크와 공구 사이의 열교환을 제한하며, 또한 고속으로 성형하는 중에 공구가 온도 변화에 덜 민감하게 함으로써 공구 가열 장치를 간소화할 수 있다.

예

예 1 : (도어 라이닝의 딥 드로잉)

적어도 100㎜와 동일한 깊이의 박스와 일체화된 윈도우 프레임을 포함하는 도 1에 도시된 도어 라이닝은 본 발명에 따른 방법을 사용하여 싱글 패스의 드로잉으로 제조되었다. 이러한 부품에서의 곡률 반경은 타이트했다(6 내지 8㎜ 정도). 이어서, 개구가 통상의 커팅 공구에 의해 트리밍 및 커팅되었다.

시작 시점에서는 증발 후에 건조된 미네랄 오일계 필름(C14 내지 C28의 파라핀)을 남기는 수성 에멀젼으로 미리 윤활한 1㎜ 두께의 5754-O 합금으로 제조된 평행 사변형의 블랭크를 갖고 하였다.

평면 변형에서 장력을 받아 굴곡시에 금속에서 큰 응력이 걸리게 되는 펀치의 반경부에서 파괴가 발생하기 때문에, 그러한 부품은 통상의 드로잉 방법(냉간 가공)을 사용하여 싱글 패스 방식으로 만들 수 없다. 그러한 금속은 더 이상 블랭크 홀더에 의해 눌려지는 재료를 끌고 들어가기 충분히 강하지 않게 된다. 블랭크 홀더의 압력 감소는 접힘의 형성을 초래한다.

본 발명에 따른 프로세스의 적용은, 항복 응력을 감소시키고, 이에 따라 높은 블랭크 홀더 압력에서도 공구에서의 금속의 유동을 용이하게 하도록, 도 2에서의 영역(1)에 대응하는 블랭크 홀더 아래에 위치할 블랭크의 외주를 예열하는 것으로 이루어진다. 그러나, 블랭크의 중앙부, 특히 펀치의 반경부에서 장력을 받아 굴곡되는 영역은 기계적 강도의 저하를 피하도록 저온으로 유지된다.

블랭크는 10초 동안 접촉에 의해 예열된다. 국지적인 가열을 행할 수 있도록 예열될 영역과 동일한 형상의 시임이 가열 플레이트 아래에 나사 결합된다. 블랭크는 이어서 그러한 시임과 접촉 상태로 가압되며, 그 온도는 250℃까지 상승한다. 도 2에는 가열 플레이트 아래에 나사 결합되는 시임의 형상이 도시되어 있다. 빠른 가열 시간(10s)은 프레스가 정확한 속도로 공급되어 지는 것을 보장하고, 블랭크에 온도 구배를 유지한다.

블랭크는 900톤 용량의 유압 프레스인 드로잉 프레스 아래로 배출된다. 드로잉 공구는 4개의 부재, 즉 펀치, 블랭크 홀더, 2부분의 다이로 형성되어 있다. 다이 링으로 불리는 제1 부분은 블랭크 홀더와 면하고 있다. 다이 바닥으로 불리는 제2 부분은 펀치와 면하고 있다. 다이 링과 블랭크 홀더만이 다이 입구 라인을 따른 U자 형의 저항을 사용하여 250℃로 가열된다. 다이 바닥은 공기 스트립에 의해 다이 링으로부터 격리되어 있고, 펀치는 테스트 기간에 걸쳐 130℃보다 낮은 온도로 유지된다.

블랭크는 200㎜/s의 펀칭 속도로 드로잉된다. 성형된 부품은 프레스로부터 배출된다. 최대 가능 속도는 분당 6 내지 10회 타격이며, 이는 강제 도어 라이닝을 위한 통상의 드로잉 라인의 속도이다. 블랭크의 국지적 예열과 공구의 가열의 조합은 블랭크와 공구 사이의 열교환을 억제하며, 따라서 프로세서를 열적으로 안정시킬 수 있다.

예 2 : 드로잉 다이를 사용한 도어 라이닝

2a - 예 1과 유사한 부품이 제조되지만, 도 2에 도시한 기하학적 형상을 가지면서 윈도우 모서리에 특히 중요한 드로잉 다이(3)를 갖는다. 예 1에서의 동일한 조건을 적용, 다시 말해 블랭크에서 도 2에 도시한 주변 영역(1)만을 예열하였는 데, 드로잉 다이(3)의 성형 중에 이동 거리의 종료 지점에서 파괴가 나타났다. 예열 슈우 아래에 시임(2)을 추가하여, 도 2에 도시한 바와 같이 주변부 외에도 모서리 영역을 300℃로 예열하기 위해 블랭크의 예열은 수정되었다. 시임에 전체 모서리 영역을 덮는 경우, 금속은 너무 연화되어, 그 부품은 파괴없이 끄집어 낼 수 없었다. 그러나, 드로잉 다이(2)가 5㎜보다 먼 거리를 두고 위치하게 될 상기 영역의 각 측부 근방에서만 가열을 행하는 경우, 그 부품은 파괴없이 끄집어 낼 수 있다. 그러한 경우, 300℃로 가열하기에 너무 짧은 접촉 시간으로 인해 공구를 사용하여 그 영역을 가열할 수 없었다. 시임(2)의 위치에 대해 매우 민감하다는 것 또한 관찰되었다. 보완적인 가열 영역을 주변부를 향해 2㎝만큼 이동시킴으로써, 파괴는 드로잉 다이의 반경부에서 관찰되었다. 내측을 향해 2㎝만큼 이동시킴으로써, 파괴는 윈도우의 유리를 끼우는 영역의 내측에서 관찰되었다.

최적화된 블랭크의 예열과 공구의 가열의 조합은 프로세스의 열적 안정성을 유지하면서 분당 6개의 부품을 처리하는 속도로 그러한 곤란한 부품을 스탬핑할 수 있게 한다.

2b - 예 2a에서와 동일한 작업을 수행하였지만, 롤 사이에서 스트립을 연속주조(트윈 롤 주조)하여 얻어진 5052-O 합금을 사용하였다. 부품을 동일한 프로세스 변수를 사용하여 파괴 없이 형성하였는데, 이 변수는 재료의 냉간 가공을 사용하는 것은 불가능하다.

2c - 예 2b에서와 동일한 작업을 반복하였지만, 연속 트윈 벨트 주조에 의해 얻어진 5052 합금을 사용하였다. 그 결과는 동일하였다.

예 3 : 변형 경화 블랭크로부터 얻어진 도어 라이닝

예 1에서와 동일한 부품을 만들었지만, 항복 응력이 300㎫보다 크고, 비커스 경도가 110Hv보다 큰 5182-H18 블랭크를 갖고 시작하였다. 블랭크는 리튬 스테아르산염으로 포화된 에멀젼으로 예비 윤활시켰다.

이 블랭크는 성형하기에는 너무 경질이다. 예열이 크게 변형될 영역, 즉 주변부 영역에서의 변형을 용이하게 하는 역할을 한다. 따라서, 상기 영역들은 전술한 것과 동일한 장치에 의해 예열되었지만, 350℃의 온도로 예열되었다. 신속하고 국지적인 예열은 블랭크 내에 큰 온도 구배(10㎝에서 250℃)를 유지한다.

공구는 300℃로 가열된다. 보다 약간 고온인 블랭크와의 열교환이 낮기 때문에 간단한 조절로 공구가 300℃로 유지된다. 성형 중에 변형된 부분의 가열은 유동 응력(flow stress)을 감소시키는 데, 이는 연화된 금속이 공구 내에서 유동하여 성형될 수 있기 때문에 드로잉이 성공적으로 완료될 수 있음을 의미한다.

한편, 윈도우 스트립 영역은 단지 약간 변형되고, 가열되지 않아 높은 기계적 강도(R_m > 340㎫, 비커스 경도 > 105Hv)를 유지하며, 정면 충격의 경우에 유용하다. 따라서, 그 영역에 대한 보강 프로파일의 중량을 전체적인 성능에 어떠한 손상도 발생시키지 않으면서 감소시킬 수 있다.

예 4 : 차체 스킨 부품 : 루프

5182 합금으로 제조된 루프를 본 발명에 따른 방법을 사용하여 온간 드로잉에 의해 제조하였다. 이러한 형태의 부품의 작동 특성 중 하나는 항복 강도와 직접적으로 관련이 있는 함몰에 대한 저항성이다. 5000계열의 합금은 도장을 베이킹할 때 경화되는 6000계열의 합금과 달리 조직적으로 경화되지 않기 때문에, 그 부품의 항복 응력은 설계서를 만족시키도록 성형 후에 충분히 높아야 한다. 이것이 시작 시점에서 항복 응력이 240㎫보다 큰, 즉 비커스 경도가 >95Hv인 크게 변형 경화된 합금, 즉 H14 템퍼 상태의 5182 합금으로 된 1㎜ 두께의 블랭크로 시작하는 이유이다. 이러한 형태의 블랭크는 통상의 냉간 드로잉 방법을 사용하여서는 성형할 수 없다.

예 3에서와 동일한 윤활제를 사용하였다.

블랭크는 블랭크 조립체와 접촉하게 되는 아이론(iron) 아래에서 10초 동안 예열되었다. 예 1에서와 달리, 최종 기하학적 형상에 대해 보다 양호하게 제어하고 부품 상의 라인을 선명하게 표시하기 위해, 블랭크 조립체를 275℃까지 가열하는 것이 바람직하다.

공구는 3개의 부재, 즉 펀치, 블랭크 홀더 및 다이로 이루어진다. 가열 카트리지가 상기 부재들에 삽입되어 있어, 그 부재들의 온도를 275℃로 균일하게 증가시킨다. 드로잉은 전술한 예와 동일한 900톤 용량의 유압 프레스에서 200㎜/s의 펀칭 속도로 행하였다. 그 속도는 분당 6개 부품을 처리하는 속도이다.

시험편을 성형된 부품으로부터 취하여, 도장 베이킹 사이클(20분 동안 180℃로 유지)을 시뮬레이션하기 위해 건조 오븐으로 보냈다. 인장 시험에서는 220㎫보다 큰 항복 응력이 유지됨이 확인되었는데, 이 응력은 1㎜ 두께의 플레이트에 대해 만족스런 함몰 저항을 얻기에 충분한 90Hv 보다 큰 경도에 상당하는 것이다.

마지막으로, 그러한 높은 항복 응력은 도장의 베이킹 중에 발생할 수 있는 영구 결함의 출현을 방지할 수 있다. 부품이 강제 프레임에 고정되는 경우, 열팽창 계수의 차이가 루프의 큰 열팽창을 야기하며, 이에 의해 좌굴의 위험성이 있다. 루프의 항복 응력이 낮은 경우, 좌굴은 바로잡을 수 없는 변형(소성 변형)을 야기하지만, 이는 항복 응력이 높은 경우에는 사라진다.

예 5 - 차체 스킨 부품 : 외부 보닛 패널

예 4에서와 같이, 변형 경화된 5182 합금이 외부 개구 패널(보닛)을 성형하는 데에 사용되었다. 외관 및 함몰 저항에 대한 기준은 전술한 것과 동일하다. 그러나, 외부 패널은 라인닝 부품 상에 크림핑(crimping)되어야 한다. 따라서, 그 패널의 외곽은 크림핑 가능해야 하며, 이것이 그러한 위치에서 성형 가능한 블랭크를 필요로 하는 이유이다. 크림핑될 영역은 제1 패스의 드로잉을 동안에 블랭크 홀더 아래에 위치한다.

따라서, 초기 템퍼는 크게 변형 경화된 H18 템퍼이며, 이는 성형 온도에 매우 민감하다.

300℃로의 국지적인 예열이 블랭크의 주변 영역에서 행해져, 부분적으로 드로잉을 용이하게 하고 또 추후에 크림핑될 영역을 부분적으로 연화시킨다. 예 3에서와 같이, 신속한 접촉 가열은 그 부품 내에 큰 온도 구배를 유지한다.

드로잉 공구는 300℃까지 균일하게 가열된다. 블랭크 홀더의 접촉면에 있어서는 그러한 가열이 예열 동안에 시작된 크림핑될 영역에서의 연화가 계속되게 하는 한편, 펀치 영역에서의 가열은 항복 응력을 일시적으로 낮추고, 부품의 형상을 선명하게 나타내는 데에 도움이 된다.

따라서, 최종 제품은 중앙 영역에서는 300℃에 매우 짧은 시간동안(단지 드로잉 중에만) 노출됨으로 인해 드로잉전의 기계적 특성을 매우 약간만 잃게 되어, 그 결과로 항복 응력 R_0.2는 250㎫보다 크고, 혹은 비커스 경도는 97Hv보다 크게 된다. 따라서, 이 영역은 함몰에 대한 양호한 저항성을 갖게 된다. 한편, 주변 영역은 보다 낮은 항복 응력, 즉 R_0.2 < 160㎫ 또는 비커스 경도 < 75Hv를 갖게 되며, 이는 매우 성형성이 좋아 라이닝 부품에 크림핑될 수 있다.

Claims (23)

1. 알루미늄 합금으로 이루어진 드로잉 가공 부품을 제조하는 방법으로서,

   - Mg = 1-6중량%, Mn < 1.2 중량%, Cu < 1중량%, Zn < 1중량%, Si < 3중량%, Fe < 2중량%, Cr < 0.4중량%, Zr < 0.3중량%, 그리고, 각각은 < 0.1중량%이며 전체는 < 0.5중량%인 기타 원소 및 잔부인 Al로 이루어진 조성을 갖는 합금으로 0.5㎜와 5㎜ 사이의 두께를 갖는 스트립을 제조하는 단계와,

   - 상기 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계와,

   - 상기 블랭크를 30초미만의 기간 동안 150℃와 350℃ 사이의 온도로 국지적으로 혹은 전체적으로 가열하는 단계와,

   - 가열된 블랭크를, 150℃와 350℃ 사이의 온도로 적어도 부분적으로 가열된 공구를 사용하여 후속 작업에 적합한 윤활제가 있는 상태에서 드로잉 가공하는 단계

   를 포함하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 초기 스트립은 변형 경화 템퍼(strain hardened temper)를 갖거나 부분적으로 어닐링된 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 초기 스트립은 5182 합금, 5052 합금, 5083 합금 또는 5754 합금인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스트립은 연속 주조에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 스트립은 연속 벨트 주조에 의해 얻어지며 열간 압연되고 이러한 템퍼에서 사용되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활제는 리튬 및 나트륨 스테아르산염의 수성 에멀젼인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활제는 절단된 블랭크에 도포되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 윤활제는 드로잉 바로 전에 공구에 도포되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 블랭크는 가열될 영역과 동일한 형상의 가열 슈우(heating shoe)를 사용하여 접촉에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 블랭크의 가열은 주변 영역에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
11. 제9항에 있어서, 블랭크는 가열 슈우에 고정된 시임(shim)을 사용하여 국지적으로 가열되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 부품은 그 중앙부에서 국지적으로 크게 변형된 부분을 포함하며, 예열되는 영역은 상기 부품에서의 국지적으로 크게 변형된 부분에 대응하는 블랭크의 영역으로부터 5㎜보다 멀리 떨어진 위치에 위치하는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 드로잉 공구는 펀치, 블랭크 홀더, 이 블랭크 홀더에 면하는 다이 링, 그리고 펀치에 면하는 다이 바닥으로 이루어지며, 다이 링과 블랭크 홀더만이 가열되는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 드로잉은 싱글 패스(single pass) 방식으로 행해지는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품의 제조 방법.
15. 보강 부품 또는 자동차의 차체 라이닝을 제조하기 위한 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.
16. 자동차의 차체 스킨용 부품을 제조하기 위한 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.
17. Mg = 1-6중량%, Mn < 1.2 중량%, Cu < 1중량%, Zn < 1중량%, Si < 3중량%, Fe < 2중량%, Cr < 0.4중량%, Zr < 0.3중량%, 그리고, 각각은 < 0.1중량%이며 전체는 < 0.5중량%인 기타 원소 및 잔부인 Al로 이루어진 조성을 갖는 합금으로 된 0.5㎜와 5㎜ 사이의 두께의 블랭크로부터 시작하여 드로잉 가공되며, 변형되지 않거나 약간 변형된 영역과 크게 변형된 영역을 포함하는 드로잉 가공 부품에 있어서,

    최소 변형 영역의 항복 응력 R_0.2가 최대 변형 영역에서의 항복 강도보다 적어도 30% 더 크거나, 최소 변형 영역의 비커스 경도 Hv가 최대 변형 영역에서의 비커스 경도보다 적어도 20% 더 큰 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
18. 제17항에 있어서, 자동차의 차체 스킨 부품인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
19. 제18항에 있어서, 후속 성형 가공을 위해 연화된 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
20. 제19항에 있어서, 라이닝에 크림핑되는 부품인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
21. 제17항에 있어서, 자동차 도어 라이닝인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
22. 제21항에 있어서, 윈도우 아래에 배치되는 스트립 영역을 포함하며, 이 스트립은 파괴에 대한 저항 R_m이 340㎫보다 크거나, 그 경도가 105Hv보다 큰 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.
23. 제18항에 있어서, 강제 프레임에 고정되는 루프(roof)인 것을 특징으로 하는 드로잉 가공 부품.