KR20080068564A - 알루미늄 합금 박판 - Google Patents

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Abstract

자연시효에 의한 열화에 저항성을 갖는 알루미늄 합금 박판이 개시된다. 알루미늄 합금 박판은 0.35 내지 1.0 질량%의 마그네슘(Mg)과, 0.5 내지 1.5 질량%의 규소(Si)와, 0.01 내지 1.0 질량%의 망간(Mn)과, 0.001 내지 1.0 질량%의 구리(Cu)와, 잔량으로서 알루미늄 및 불가피한 불순물을 함유한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판으로서, 규소(Si) 고용량이 0.55 내지 0.80 질량%이고 마그네슘(Mg) 고용량이 0.35 내지 0.60 질량%이고 규소(Si) 고용량 대 마그네슘(Mg) 고용량의 비가 1.1 내지 2이다. 알루미늄 합금 박판은 0.0001 내지 0.05 질량%의 붕소(B)를 함유하거나 함유하지 않고 0.005 내지 0.2 질량%의 티탄(Ti)을 추가로 함유할 수 있다.
알루미늄 합금 박판, 자연시효, 시효 열화, 소부경화성, 가공성

Description

알루미늄 합금 박판{ALUMINUM ALLOY SHEET}
본 발명은 알루미늄 합금 박판에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 페인트 소부경화성과 [헤밍성(hemmability)(헤밍 가공성)으로 대표되는] 굽힘성이 뛰어나고 실온 안정성(내자연시효성)이 뛰어난 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판에 관한 것이다. "실온 안정성"이라 함은 자연시효를 통한 특성 열화(강도 증가로 인한 성형성과 굽힘성 열화)에 대한 저항성을 말한다. 실온 안정성이 뛰어난 소재는 자연시효에 의한 특성 열화에 대한 저항성을 가짐으로써 시간이 지나도 실온 특성이 적게 변한다.
배기 가스로 인한 지구 환경 문제를 해결하기 위해 자동차와 같은 운송기구의 본체는 연비를 개선하도록 보다 경량화되어야 한다. 이에 따라, 알루미늄 합금 소재는 보다 경량이고 성형성 및 페인트 소부경화성이 뛰어나기 때문에 종래에 사용되던 강재를 대신하여 차체용으로 사용량이 증가하고 있다.
이런 알루미늄 합금 소재 중에서, AA 600 또는 JIS 6000 계열(이하, 간단히 "6000 계열"이라 함)의 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판은 후드, 펜더, 도어, 지붕, 트렁크 덮개를 포함하는 차량 패널 구조의 외판 및 내판과 같은 패널에 박판 고강 도 알루미늄 합금 박판으로서 채택되고 있다.
이런 6000 계열 알루미늄 합금 박판은 기본적으로 규소와 마그네슘을 필수로 함유하고 뛰어난 시효 경화성을 갖는다. 이들 박판에 프레스 성형이나 굽힘 가공을 하게 되면, 이들 박판은 낮은 항복 강도를 보임으로써 충분한 성형성을 갖는다. 또한, 이들 박판은 소부경화성(인공시효 경화성 또는 페인트 소부경화성)을 갖는다. 구체적으로, 이들 박판이 성형 후 패널의 페인트 소부와 같은 인공시효(경화)시 비교적 낮은 온도에서 가열될 때, 이들 박판은 항복 강도가 증가하는 시효 경화를 겪음으로써 충분한 강도를 보인다.
6000 계열 알루미늄 합금 박판은 예컨대 마그네슘과 같은 합금 원소를 대량 함유한 5000 계열 알루미늄 합금 박판보다 상대적으로 소량의 합금 원소를 함유한다. 6000 계열 알루미늄 합금 박판이 알루미늄 용융 소재(용융 원료)로서 폐품 형태로 재사용될 때, 6000 계열 알루미늄 합금의 주물이 이로부터 쉽게 얻어질 수 있다. 따라서, 이들 합금 박판은 재활용성도 뛰어나다.
한편, 차량 외판은 알루미늄 합금 박판에 프레스 성형시의 벌징 및 굽힘과 같은 복수의 성형 공정을 함으로써 제조된다. 후드 및 도어와 같은 대형 외판 구조의 형태에서, 알루미늄 합금 박판에는 외판으로서 성형 물품을 생산하기 위해 벌징 가공과 같은 프레스 성형이 수행되는데, 이들 외판은 외판의 주연부에 대해 편평 헤밍(hemming)과 같은 헤밍을 함으로써 내판과 연결되어 패널 구조를 형성한다.
이런 공정에서, 6000 계열의 알루미늄 합금 박판은 자연시효를 겪는다. 특히, 알루미늄 합금 박판이 약 3개월 내지 6개월 동안 자연시효를 겪을 때, 이들 박 판은 항복 강도의 증가와 원자 응집물의 형성으로 인해 페인트 소부경화성과 굽힘성이 현저하게 저하된다.
자연시효로 인한 특성 열화를 방지하고 실온 안정성을 개선하기 위해, 원자 응집물, 특히 알루미늄 합금 박판이 용체화 열처리와 급냉처리 후 실온에 남겨질 때 형성되는 마그네슘 및 알루미늄 원자의 응집체를 제어하기 위한 제안이 있다.
페인트 소부경화성을 개선하기 위해, 예컨대 일본 특허출원 제2005-139537호는 차등 열분석 곡선에 나타난 피크 높이에 주목하면서 용체화 열처리시 냉각속도를 제어하는 기술에 관한 것이다. 일본 특허출원 제10(1998)-219382호와 일본 특허출원 제2000-273567호는 마그네슘 및 규소 원자의 응집물(가이너-프레스톤 1 영역(GP Ⅰ 영역)에서 규소 및 공공 원자의 응집)를 방지하기 위한 기술에 관한 것이다. 일본 특허출원 제2003-27170호는 시차주사 열계량법(DCS)에서의 피크와 관련하여 규소과 공공 원자의 응집을 방지하는 기술에 관한 것이다.
자연시효에 의한 특성 열화를 방지하고 실온 안정성을 개선하기 위한 이들 공지 기술은 예컨대 용체화 열처리 조건의 패턴 제어 또는 전환처리(용체화 열처리 후 수행되는 열처리)와 같은 열처리의 추가하는 것에 기초한다. 그러나, 용체화 열처리 조건의 패턴 제어에 기초한 기술은 생산성 저하를 가져오고 전환처리와 같은 열처리의 추가에 기초한 기술은 가외의 소둔 단계를 필요로 함으로써 비용 상승을 가져온다.
이런 환경 하에서, 본 발명의 목적은 실온 안정성이 뛰어나고 자연시효에 의한 특성 열화에 저항성을 갖는 알루미늄 합금 박판을 제공하는 것이다.
본 발명은 본 발명의 발명자들에 의한 집중적인 조사 결과 이루어졌다. 구체적으로, 본 발명은 실온 안정성이 뛰어나고 자연시효에 의한 특성 열화에 저항성을 갖는 알루미늄 합금 박판을 제공한다.
이하, 알루미늄 합금 박판의 특정 실시 태양들을 설명한다.
본 발명의 일 실시 태양에 따르면, 0.35 내지 1.0 질량%의 마그네슘(Mg)과, 0.5 내지 1.5 질량%의 규소(Si)와, 0.01 내지 1.0 질량%의 망간(Mn)과, 0.001 내지 1.0 질량%의 구리(Cu)와, 잔량으로서 알루미늄 및 불가피한 불순물을 함유한 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판으로서, 규소(Si) 고용량이 0.55 내지 0.80 질량%이고 마그네슘(Mg) 고용량이 0.35 내지 0.60 질량%이고 규소(Si) 고용량 대 마그네슘(Mg) 고용량의 비가 1.1 내지 2인 알루미늄 합금 박판이 제공된다.
다른 실시 태양에 따르면, 알루미늄 합금 박판은 규소 함량 대 마그네슘 함량의 비가 1 이상인 규소 과다 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판일 수 있다.
다른 실시 태양에 따르면, 알루미늄 합금 박판은 불가피한 불순물로서 1.0 질량% 이하의 철(Fe)과, 0.3 질량% 이하의 크롬(Cr)과, 0.3 질량% 이하의 지르코늄(Zr)과, 0.3 질량% 이하의 바나듐(V)과, 0.1 질량% 이하의 티탄(Ti)과, 0.2 질량% 이하의 은(Ag)과, 1.0 질량% 이하의 아연(Zn)을 함유할 수 있다.
다른 실시 태양에 따르면, 알루미늄 합금 박판은 0.0001 내지 0.05 질량%의 붕소(B)를 함유하거나 함유하지 않고 0.005 내지 0.2 질량%의 티탄(Ti)을 함유할 수 있다.
본 발명의 일 실시 태양에 따른 이런 알루미늄 합금 박판은 알루미늄 합금 주물을 균질화하고, 균질화된 주물을 냉각하고, 냉각된 주물을 재가열하고, 재가열된 주물을 열간 압연하고, 열간 압연물을 소둔하지 않고 냉간 압연하여 제조될 수 있다.
바람직한 실시 태양에서, 열간 압연에서의 조압연은 490 ℃ 내지 380 ℃의 시작 온도와 430 ℃ 내지 350 ℃의 마무리 온도에서 10분 이하 동안 수행될 수 있다.
본 발명의 실시 태양에 따르는 이런 알루미늄 합금 박판은 차량용 외판에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 실온 안정성이 뛰어나고 자연시효에 의한 특성 열화에 저항성을 갖는다.
자연시효의 기구에 대한 다양한 이론들이 제시되고 있지만, 마그네슘-규소(Mg-Si) 나노응집물의 형성은 자연시효에 수반되는 것으로 받아들여 진다. 실온 안정성이 뛰어난 알루미늄 합금 박판을 생산하기 위한 고용 및 석출 조건에 대한 집중적인 연구 결과, 본 발명의 발명자들은 규소 고용량과 마그네슘 고용량 간의 균형을 제어함으로써 강도 증가가 억제될 수 있고 이로써 알루미늄 합금 박판을 장 기간 실온에 유지한 후에도 성형성 저하, 굽힘성 및 소부경화성의 저하가 억제될 수 있음을 알았다.
이하, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판의 매개변수 특정에 대한 이유를 설명한다.
규소 고용량 및 마그네슘 고용량
오늘날 학문적으로 볼 때 6000 계열 알루미늄 합금의 시효 열화(실온 저장 동안의 강도 증가)는 실온 저장 동안 알루미늄 기지에 고용된 마그네슘 및 규소 원자에 의해 형성되는 Mg-Si, Si-Si 및 Mg-Mg 나노응집체로 인한 것으로 생각된다.
이런 현상은 마그네슘 고용량과 규소 고용량의 증가와 함께 보다 쉽게 발생하는 경향이다. 따라서, 이들 원소의 고용량의 상한을 특정해야 한다.
그러나, 6000 계열 알루미늄 합금을 함유하는 차량용 패널 소재는 소부경화성을 가져야 한다. 따라서, 최소의 소부경화성(소부후 강도)을 보장하기 위해서는 이들 원소의 고용량 하한도 특정되어야 한다.
이런 점에서, 규소 고용량은 0.55 내지 0.80 질량%로 설정되고 마그네슘 고용량은 0.35 내지 0.60 질량%로 설정된다(이하, "질량%"을 "%"라 한다). 이들 함량이 상한을 초과하면 시효 열화가 발생하기 쉽다. 규소 고용량은 바람직하게는 0.78% 이하이고 마그네슘 고용량은 바람직하게는 0.55% 이하이다. 반대로, 이들 함량이 그 하한보다 낮다면 소부경화성(소부후 강도)을 보장하기가 어렵다. 규소 고용량은 바람직하게는 0.6% 이상이고 마그네슘 고용량은 바람직하게는 0.38% 이상이다.
규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비
시효 열화 기구에 대한 추가적인 조사 결과, 본 발명의 발명자들은 시효 열화가 단지 고용 원소들의 양을 특정하는 것만으로는 충분히 억제되지 않으며, 시효 열화를 충분히 억제하기 위해서는 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비가 적절히 제어되어야 함을 알았다. 비록 시효 열화 기구는 아직도 부분적으로 미확인 상태지만, 시효 열화는 마그네슘 고용량에 대한 규소 고용량의 적절한 비율에서 억제되는데, 이는 아마도 알루미늄 기지에 고용된 규소와 마그네슘이 Mg-Si 응집물의 형성에 저항하는 형태가 되거나 실온 보관 동안 Mg-Si 응집물을 낮은 속도로 생산하는 형태가 되기 때문일 것이다.
마그네슘 고용량에 대한 규소 고용량의 적절한 비율은 1.1:2이다. 즉, 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비는 1.1 내지 2로 설정되어야 한다. 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비가 1.1보다 작으면, 소부 후 강도가 불충분할 수 있다. 반대로, 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비가 2보다 크면, 바람직하지 않게도 시효 열화가 발생할 수 있다. 그 비율은 보다 바람직하게는 1.2 이상 및/또는 1.8 이하이다.
종래의 지식에서, 시효 열화는 마그네슘 및 규소의 양과 이들 간의 비율을 조절함으로써 제어된다. 그러나, 시효 열화는 불충분하게 억제된다. 이런 알려진 소재에서, 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비는 일반적으로 2보다 크며, 이로써 시효 열화를 일으킨다.
화학 조성
통상적으로 차량 외판용 박판으로 이용될 때, 알루미늄 합금 박판은 성형성, 소부경화성, 강도, 가공성 및 내식성과 같은 특성이 뛰어나야 한다. 이런 특성을 만족하기 위해, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 0.35 내지 1.0 질량%의 마그네슘(Mg)과, 0.5 내지 1.5 질량%의 규소(Si)와, 0.01 내지 1.0 질량%의 망간(Mn)과, 0.001 내지 1.0 질량%의 구리(Cu)와, 잔량으로서 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 함유한다.
일반적으로, 6000 계열 알루미늄 합금에는 융기 마크가 자주 발생한다. 본 발명의 바람직한 실시 태양에서는 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비(Si/Mg)가 1 이상인 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금 박판이 이용된다. 구체적으로, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 바람직하게는 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비가 1 이상인 규소 과다 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판이다. 6000 계열 알루미늄 합금 박판은 낮은 항복 강도를 가짐으로써, 프레스 성형이나 굽힘 성형 동안 만족스러운 성형성을 보장한다. 또한, 이들 합금 박판은 뛰어난 시효 경화성(소부경화성)을 갖는다. 구체적으로, 이런 알루미늄 합금 박판이 성형 후 패널에 대한 페인트 소부와 같이 인공시효 처리시 비교적 낮은 온도에서 가열되면, 이들 합금 박판은 항복 강도가 증가하는 시효 경화를 겪음으로써 만족스러운 강도를 보장한다. 이런 6000 계열 알루미늄 합금 박판 중에서, 규소 과다형 6000 계열 알루미늄 합금 박판은 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비(Si/Mg)가 1보다 작은 6000 계열 알루미늄 합금 박판에 비해 뛰어난 소부경화성을 갖는다.
알루미늄, 마그네슘, 망간 및 구리 이외의 다른 원소는 기본적으로 불순물이 며, 그 함량은 통상적으로 일본산업규격(JIS)의 알루미늄 협회 표준(AA 표준)에 따르는 각각의 불순물의 허용량 이하가 되어야 한다. 그러나, 소재 재활용이라는 관점에서, 6000 계열 알루미늄 합금과 같은 알루미늄 합금의 대량의 폐품과 저순도 알루미늄 주물이 고순도 알루미늄 주물와 더불어 용융물로 이용될 수 있다. 이런 경우, 여기에서 얻어진 알루미늄 합금 원료는 비교적 대량의 불순물 원소를 함유할 수 있다. 이들 불순물 원소가 예컨대 검출 한계 이하로 저감되어야만 하는 경우, 비용 증가가 발생하게 된다. 따라서, 알루미늄 합금 박판은 이들 불순물을 어느 정도까지 함유할 수 있게 된다. 또한, 불순물 원소는 어느 정도의 함량 내에서 본 발명의 장점에 역효과를 발생하지 않고 몇몇 효과를 나타낸다. 이런 점에 비추어 볼 때, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 아래의 범위 내에서 불순물 원소를 함유할 수 있다.
구체적으로, 알루미늄 합금 박판은 1.0 질량% 이하의 철(Fe)과, 0.3 질량% 이하의 크롬(Cr)과, 0.3 질량% 이하의 지르코늄(Zr)과, 0.3 질량% 이하의 바나듐(V)과, 0.1 질량% 이하의 티탄(Ti)을 함유할 수 있으며, 이들 원소를 대신 또는 이들 원소와 함께 0.2 질량% 이하의 은(Ag)과 1.0 질량% 이하의 아연(Zn)을 함유할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판에서 합금 성분(Si, Mg, Cu 및 Mn) 제한 효과와 제한의 이유를 설명한다.
규소 함량: 0.5% 내지 1.5%
규소(Si)는 마그네슘에서와 같이 170 MPa 이상의 항복 강도와 같이 차량 외 판에 요구되는 특성을 얻기 위한 필수 원소이다. 구체적으로, 규소는 마그네슘과 함께 페인트 소부와 같이 비교적 낮은 온도에서의 인공시효 처리 동안 시효에 의한 석출물(이하, 시효 석출물이라 함)을 형성하고 이들 시효 석출물은 강도를 증가시키기 때문에 고용경화와 시효 경화성에 기여한다. 따라서 규소는 본 발명의 실시 태양에 따르는 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금 박판이 만족스러운 수준의 프레스 성형성 및 헤밍성과 같은 특성을 가질 수 있도록 한다.
바람직한 실시 태양에서, 알루미늄 합금 박판은 마그네슘에 대해 과다 규소를 함유하는 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금으로서의 조성을 갖기 위해 바람직하게는 1 이상의 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비(Si/Mg)를 갖는다. 이런 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금은 뛰어난 저온 시효 경화성을 나타내며, 알루미늄 합금 박판이 패널로 성형될 때, 패널은 170 MPa 이상의 저온 페인트 소부 후 항복 강도를 갖는다. 여기에서, 강도는 예컨대 알루미늄 합금 박판에 2% 신장을 가하고 알루미늄 합금 박판을 170 ℃에서 20분 동안 시효처리한 후 판단된다.
규소 함량이 0.5%보다 작다면, 알루미늄 합금 박판은 시효 경화성이 불충분하게 되고 프레스 성형성 및 헤밍성과 같은 필요 특성이 불충분하게 된다. 반대로, 규소 함량이 1.5%보다 크면, 알루미늄 합금 박판은 헤밍성 및 프레스 성형성이 불충분하고 용접성이 저하될 수 있다. 따라서, 규소 함량은 0.5% 내지 1.5%로 설정된다. 차량 외판으로 사용될 때, 이런 차량 외판에는 헤밍성이 특히 중요하기 때문에 프레스 성형성뿐 아니라 헤밍성을 더욱 향상시키기 위해 규소 함량의 바람직한 상한은 1.2%이다. 규소 함량은 바람직하게는 예컨대 0.6% 내지 1.2%의 비교 적 낮은 범위로 설정된다.
마그네슘 함량: 0.35% 내지 1.0%
마그네슘(Mg)은 규소처럼 170 MPa 이상의 항복 강도와 같이 차량 외판에 요구되는 특성을 얻기 위한 필수 원소이다. 구체적으로, 마그네슘은 규소과 함께 페인트 소부와 같이 비교적 낮은 온도에서의 인공시효 처리 동안 시효 석출물을 형성하고 이들 시효 석출물은 강도를 증가시키기 때문에 고용경화와 시효 경화성에 기여한다.
마그네슘 함량이 0.35%보다 작다면, 마그네슘의 절대량은 불충분하고 시효 석출물(복합물 상)은 형성되지 않을 수 있고 시효 경화성은 인공시효 처리 동안 발현되지 않을 수 있다. 따라서, 패널에 필요한 170 MPa 이상의 항복 강도를 얻기가 어렵다. 반대로, 마그네슘 함량이 1.0%보다 크면, 프레스 성형성과 같은 성형성과 굽힘성이 감소될 수 있다. 따라서, 마그네슘 함량은 0.35% 내지 1.0%로 설정된다. 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금을 생산하기 위해, 마그네슘 함량은 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비가 1 이상이 되는 함량으로 설정될 수 있다. 헤밍성을 보다 향상시키기 위해 규소 함량이 비교적 낮은 범위인 0.6% 내지 1.2% 내에 설정되면, 마그네슘 함량의 상한은 바람직하게는 0.7%이고, 알루미늄 합금 박판이 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금으로서의 조성을 갖을 수 있도록 하기 위해 마그네슘 함량은 바람직하게는 예컨대 0.2% 내지 0.7%의 비교적 낮은 범위에 있게 된다.
구리 함량: 0.001% 내지 1.0%
구리(Cu)는 비교적 짧은 기간 동안 알루미늄 합금 미세조직의 결정립에서 시 효 석출물의 형성을 촉진한다. 이런 시효 석출물은 강도 증가에 기여한다. 또한, 고용된 구리는 성형성도 개선한다. 구리 함량이 0.001%보다 작다면, 이러한 장점들은 충분히 발현되지 않을 수 있다. 반대로, 구리 함량이 1.0%를 초과하면, 내응력부식 균열성, 도장 내식성인 실모양-녹(filiform rust) 저항성 및 용접성이 감소될 수 있다. 알루미늄 합금 박판이 내식성을 중요하게 여기는 구조용 소재로 사용될 때, 구리 함량은 바람직하게는 0.8% 이하이다.
망간 함량: 0.01% 내지 1.0%
망간(Mn)은 균질화 공정 동안 분산 입자(분산상)들을 형성하기 때문에 미세 결정립을 형성하는 작용을 하며 이들 분산 입자들은 결정립계가 재결정 이후 이동하지 않도록 억제한다. 본 발명의 일 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 알루미늄 합금 미세조직 내의 결정립 미세도를 증가함으로써 개선된 프레스 성형성과 헤밍성을 가질 수 있다. 이런 장점들은 망간 함량이 0.01%보다 작을 경우 충분히 얻어지지 않을 수 있다. 반대로, 망간 함량이 너무 높은 경우, 망간은 용융 및 주조 동안 조대한 Al-Fe-Si-(Mn, Cr, Zr) 금속간 화합물과 결정화 석출물을 형성하기 쉽고 알루미늄 합금 박판의 기계적 특성을 저하시킨다. 따라서, 망간 함량은 0.01% 내지 1.0%로 설정된다.
편평 헤밍은 대상 물품이 복잡한 형상을 갖거나 작은 두께를 가질 때 또는 내판의 모서리와 해당 외판의 만곡된 내면 사이에 간극이 있을 때 엄밀한 작업 조건 하에서 수행되어야 한다. 망간 함량이 0.15%보다 높은 알루미늄 합금 박판이 이런 엄밀한 작업 조건 하에서 편평 헤밍을 받는 경우, 헤밍성은 저하될 수 있다. 따라서, 엄밀한 작업 조건 하의 편평 헤밍이 수행될 경우, 망간 함량은 바람직하게는 0.01% 내지 0.15%이다.
알루미늄 미세조직은 실질적으로 바람직하게는 만족스러운 굽힘성을 얻기 위해 보다 작은 평균 결정입도를 갖는다. 이런 굽힘성은 시효로 인해 열화되는 특성 중 주된 것이다. 구체적으로, 알루미늄 합금 박판에서 박판의 두께방향 중심부에 있는 지점과 박판의 최외곽 표면 및 두께방향 4분의 1 깊이 사이에 위치하는 표면층의 선택 지점인 두 지점의 평균 결정입도는 바람직하게는 각각 45 ㎛이다. 즉, 평균 결정입도가 최외측뿐 아니라 박판의 중심부에서 제어된다면, 만족스러운 굽힘성이 얻어질 수 있고 융기 마크도 효과적으로 억제될 수 있다.
굽힘성과 프레스 성형성은 결정입도를 이 범위로 저감함으로써 보장되거나 개선될 수 있다. 결정립이 45 ㎛보다 큰 결정입도를 갖도록 조대화되면, 벌징 가공성과 같은 프레스 성형성과 굽힘성은 감소해서 결정방향이 제어되는 경우에도 성형 동안 균열 및 오렌지 필 표면과 같은 흠결 발생의 원인이 된다.
"평균 결정입도"는 특정 측정 조건 하에서 주사 전자 현미경-전자 후방 산란 패턴 분석(SEM-EBSP)에서 관찰된 각 결정립의 최대 직경을 측정하고 측정된 최대 직경의 평균을 계산하여 결정된다.
보다 미세한 결정립은 Si, Mg, Cu 및 Mn 외에 알루미늄 합금에 붕소(B)와 함께 또는 붕소없이 티탄(Ti)을 첨가함으로써 얻어질 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 Si, Mg, Cu 및 Mn 외에 0.0001 내지 0.05 질량%의 붕소(B)를 함유하거나 함유하지 않고 0.005 내지 0.2 질량%의 티 탄(Ti)을 추가로 함유할 수 있다.
티탄(Ti)은 결정립을 보다 미세화시키는 원소이다. 티탄과 붕소 중에서 티탄이 이런 장점을 발현하기 위해 보다 효과적이고 보다 바람직하다. 함유될 경우, 티탄 함량은 바람직하게는 0.005% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.01% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.015% 이상이다. 티탄 함량의 상한은 바람직하게는 0.2%이고, 보다 바람직하게는 0.1%이고, 더욱 바람직하게는 0.05%이다. 이는 티탄이 과다 함유될 경우 조대 Al-Ti 금속간 화합물 결정이 석출되어 성형성에 부작용을 초래하기 때문이다.
알루미늄 합금 박판은 티탄과 붕소 중에서 티탄만을 함유할 수 있지만 미량의 붕소와 함께 티탄을 함유할 수 있다. 알루미늄 합금 박판이 티탄과 함께 붕소를 추가로 함유하면, 결정립은 보다 효과적으로 미세화될 수 있다. 이 경우, 붕소 함량은 바람직하게는 0.0001% 이상이고, 보다 바람직하게는 0.0005% 이상이고, 더욱 바람직하게는 0.0008% 이상이다. 붕소 함량의 상한은 바람직하게는 0.05%이고, 보다 바람직하게는 0.01%이고, 더욱 바람직하게는 0.005%이다. 이는 티탄이 과다 함유될 경우 조대 Ti-B 입자가 형성되어 성형성에 부작용을 초래하기 때문이다.
불가피한 불순물은 바람직하게는 알루미늄 합금 박판의 특성에 부정적인 효과를 주지 않기 위해 가능한 적게 함유된다. 그러나, 이들 불순물의 양은 알루미늄 합금 박판의 특성에 부정적인 효과를 주지 않는 범위 내에서 예컨대 일본산업규격에 특정된 6000 계열 알루미늄 합금의 각 원소로서 최대 허용 한도까지 함유될 수 있다.
이런 알루미늄 합금 박판은 알루미늄 합금 주물을 균질화하고, 균질화된 주물을 냉각하고, 냉각된 주물을 재가열하고, 재가열된 주물을 열간 압연하고, 열간 압연물을 소둔하지 않고 냉간 압연하여 제조될 수 있다.
이 공정에 따르면, 비교적 대형 주물이 이용될 수 있고 열간 압연 후 소둔을 하지 않고도 냉간 압연이 수행될 수 있기 때문에 알루미늄 합금 박판은 상업적 생산에 있어 효율적으로 생산될 수 있다. 또한, 주물용 소재가 균질화되고 한 번 냉각된 후 재가열되어 열간 압연되기 때문에 알루미늄 합금 박판 제품은 융기 마크의 발생이 방지된다.
이하, 알루미늄 합금 박판 제조 공정을 상세히 설명한다.
용융 및 주조
용융 주조 단계에서, 알루미늄 합금은 6000 계열 알루미늄 합금과 같은 특정 조성 내의 조성을 갖도록 용융되고 그 용탕이 연속 주조 압연이나 반연속 주조[직접 주형 주조(DC casting: direct-chill casting)와 같은 일반 용융-주조 과정에 따라 주조된다.
균질화
다음으로, 주조 알루미늄 주물이 균질화된다. 균질화는 500 ℃ 이상이고 알루미늄 합금의 용융점보다 낮은 적절한 온도에서 일반적인 과정에 따라 수행된다. 균질화는 주물 미세조직을 균질화하기 위해, 즉 주물 미세조직의 결정립에 형성된 편석을 제거하기 위해 수행된다. 균질화 온도가 너무 낮은 경우, 결정립 편석은 충분히 제거될 수 없으며 잔류 편석이 파손을 일으킴으로써 연신 플랜지성과 굽힘 성에 부정적인 효과를 가져올 수 있다.
제1 균질화 후 알루미늄 합금 주물은 일단 350 ℃ 이하의 온도, 예컨대 실온으로 냉각되고 380 ℃ 내지 490 ℃의 열간 압연 시작 온도로 재가열된 후, 열간 압연(조질 열간 압연)된다. 제1 균질화, 냉각 및 재가열을 수행하는 과정을 이하 "이중 균질화"라고도 한다.
균질화(제1 균질화) 후의 냉각은 바람직하게는 40 ℃/시 이상 100 ℃/시 이하의 냉각 속도로 수행된다. 특정 범위 내의 냉각 속도로 냉각을 수행함으로써, 주물에 형성된 Mg2Si 화합물 입자는 상업적 제조를 위한 통상의 열간 압연 라인에서도 열간 압연 동안 재결정된 결정립을 위한 핵생성 장소로서 적절한 크기와 분포를 가질 수 있다. 그 결과, 열간 압연 동안 조대 재결정 결정립(고온 섬유조직)의 발생이 억제될 수 있고 재결정 후의 미세조직이 균질화될 수 있고 규소 과다 6000 계열 알루미늄 합금 박판에서도 성형 동안 융기 마크의 발생이 방지될 수 있다.
실제 주물(슬랩)은 400 내지 600 ㎜의 두께와 1000 내지 2500 ㎜의 폭과 5 내지 10 m의 길이의 큰 크기를 갖는다. 따라서, 균질화 후 냉각 속도는 배치 균열로(보유로)에서 약 20 ℃/시보다 작고, 주물이 균열로 외부에 서 있는 상태로 놓여진 경우에도, 냉각 속도는 최대 약 30 ℃/시 내지 40 ℃/시이다. 냉각이 이런 일반 냉각 과정에 따라 수행되면, 냉각 속도는 불충분하고 Mg2Si 화합물 같은 석출물은 커진다. 이는 이중 균질화를 수행하는 단계에서 강도, 소부경화성(소부경화 후 항복 강도) 및 굽힘성의 감소를 가져온다.
두께가 약 400 ㎜ 이상인 비교적 큰 크기의 주물이 균질화 후 냉각될 때, 주물은 균열로 내에서 또는 그 외부에서 40 ℃/시 이상 내지 100 ℃/시 이하의 특정 범위의 냉각 속도로 냉각하도록 송풍기를 이용한 강제 공냉에 의해 냉각되어야 한다. 이런 경우, 강제 공냉은 특정 범위 내의 냉각 속도로 주물을 균일하게 냉각하도록 주물의 크기와 배열에 따라 송풍기들을 배열하여 균열로 내에서 또는 그 외부에서 수행된다. 반대로, 두께가 약 400 ㎜ 이상인 비교적 큰 크기의 주물이 송풍기를 이용하지 않고 방사선에 의해 냉각될 때, 이들 주물은 너무 느린 냉각 속도로 냉각된다. 이런 경우의 냉각 속도는 불가피하게 하한값인 40 ℃/시보다 작다.
일본 특허출원 제8(1996)-232052호와 일본 특허출원 제7(1995)-228956호는 균질화 후 예컨대 100 ℃/시 이상 내지 150 ℃/시 이하의 냉각 속도로 주물을 냉각하는 기술을 개시한다. 이런 높은 냉각 속도는 소형 주물에서 달성될 수 있지만 상술한 바와 같이 두께가 약 400 ㎜ 이상인 비교적 대형 주물에서는 달성하기가 보다 어렵다. 대형 주물이 이런 높은 냉각 속도로 냉각되는 경우, 미스트 냉각이나 분무 냉각과 같은 수냉을 포함하는 과외의 강제 냉각 과정에 의해 냉각되어야 한다. 이런 강제 냉각 과정은 변형이나 휨과 같은 열 수축으로 인한 또다른 형상 문제를 야기할 수 있다.
열간 압연
상업적 생산을 위해, 열간 압연은 바람직하게는 역전식 조압연기와 탠덤형 마무리 압연기를 포함하는 열간 압연 라인에서 비교적 대형 주물에 수행된다. 열간 압연 라인은 일반적으로 하나의 역전식 조압연기와 셋 내지 다섯 개의 탠덤형 마무리 압연기를 포함한다. 각각 둘 이상의 패스로 구성된 압연 공정이 각각 이들 조압연기와 마무리 압연기에서 수행된다.
이하, 특정한 규소 고용량 및 마그네슘 고용량과 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비에 대한 제어를 설명한다.
알루미늄 합금 박판은 알루미늄 합금 주물을 균질화하고 균질화된 주물을 냉각하고 냉각된 주물을 재가열하고 재가열된 주물을 열간 압연하고 열간 압연물을 소둔하지 않고 냉간 압연하여 제조되고 알루미늄 합금 박판은 용체화 열처리/재가열 단계를 거친다고 가정한다. 이런 경우, 최종 알루미늄 합금 박판(최종 박판)에서의 고용량은 (ⅰ) 균질화(균열 처리) 후 및 열간 압연 전의 석출물의 조건과, (ⅱ) 열간 압연 후 Mg-Si 석출물의 크기, 마그네슘 고용량 및 규소 고용량과, (ⅲ) 용체화 열처리를 위한 조건에 따라 달라지는 것으로 냉간 압연 전 열연 박판에 잔류하는 재고용 Mg-Si 석출물의 양에 의해 결정된다.
용체화 열처리/재가열은 바람직하게는 후술하는 추천 조건 하에서 수행된다. 그러나, 실제 제조 공정에서의 생산성 측면에서 석출물을 완전히 재고용하기가 어렵고 상술한 매개변수 (ⅲ)에 의한 제어는 제한된다.
따라서, 특정된 원소의 특정 고용량을 달성하기 위해 열연 박판 내의 석출물의 크기 분포를 제어하는 것이 중요하다.
크기 분포를 제어하기 위해, 열간 압연 단계에서의 조질 열간 압연은 바람직하게는 정상 온도 이력보다 높은 속도로 수행된다. 이는 어떤 장소의 온도가 열간 조압연 동안 경과 시간에 따라 어떻게 변하는지에 기초한다. 구체적으로, Mg2Si 석출물의 석출 곡선과 규소 원소 석출물의 석출 곡선을 가로지르는 온도 이력이 바람직하게는 단축된다. 석출 곡선과 온도 이력은 도1에 예시적으로 도시되어 있다.
본 발명의 발명자들은 집중적인 연구와 실험을 통해 Mg-Si 석출물의 크기 분포가 조압연의 시작에서 마무리까지의 온도 이력에 따라 변화되며 최종 제품의 고용량이 온도 이력을 제어함으로써 제어될 수 있음을 알았다.
구체적으로, 조압연 시의 압연 시간을 일반 조압연보다 짧게 설정함으로써, 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비가 2 이하로 제어될 수 있으며, 이로써 실온에서 특성의 시효 열화가 방지될 수 있다. 이는 다음과 같은 이유 때문인 것으로 보인다.
기본적으로, Mg2Si 석출물의 석출 곡선의 노즈부는 규소 원소 석출물의 경우보다 높은 온도에 위치되고 마그네슘 고용량은 특정 조성을 갖는 알루미늄 합금 박판에서 이 영역에서의 석출로 인해 감소하게 된다. 또한, 규소 원소들은 조압연시 중간 온도에서 석출량이 증가하는 경향을 보인다. 따라서, 조압연의 압연 시간을 단축함으로써, 고온 석출이 촉진되고 형성된 Mg2Si 석출물의 크기가 감소되고 충분한 수준의 마그네슘 고용량이 얻어진다. 따라서, 규소 고용량 대 마그네슘 고용량의 비는 2 이하로 제어된다.
조압연은 바람직하게는 시작 및 종료 사이에 10분 이하의 압연 시간 동안 490 ℃ 내지 380 ℃의 시작 온도와 430 ℃ 내지 350 ℃의 마무리 온도에서 수행된 다. 조압연의 시작 온도가 490 ℃를 초과하면 석출물은 조대화된다. 반대로, 조압연의 시작 온도가 380 ℃보다 낮으면 규소 원소 석출물이 증가한다. 조압연의 시작 온도는 보다 바람직하게는 450 ℃ 내지 380 ℃이다. 압연 시간은 보다 바람직하게는 9분 이하이다. 조압연의 시작 온도가 약 490 ℃에서 설정되면, 석출 속도가 온도 증가화 함께 증가하기 때문에 압연 시간은 바람직하게는 8분 이하이다. 이와 관련하여, 공지된 조압연 과정에서의 압연 시간은 약 15분이며, 이로써 양호한 균형(양호한 비율)을 갖는 고용량이 얻어질 수 없게 된다.
이하, 굽힘성을 향상시키고 융기 마크의 발생을 억제하기 위한 알루미늄 합금 박판의 추천 조건과 매개변수를 설명한다.
결정입도의 제어
다음 조건은 알루미늄 합금 박판에서 박판의 두께방향 중심부에 있는 지점과 박판의 최외곽 표면 및 두께방향 4분의 1 깊이 사이에 위치하는 표면층의 선택 지점인 두 지점에서 원하는 결정입도를 생산하기 위해 바람직하다. 구체적으로, 열간 압연 단계에서 조압연은 350 ℃ 내지 500 ℃의 시작 온도에서 수행되고 열간 압연 단계에서 마무리 압연은 90% 이상의 총압하율로 350 ℃ 이하의 마무리 온도에서 수행되고 강판은 20 MPa 이상의 평균 장력으로 권취되는 것이 바람직하다.
열간 압연 단계에서 조압연의 시작 온도가 350 ℃보다 낮으면, 열간 압연 후의 재결정은 충분히 진행하지 않을 수 있으며 변형 집합조직이 성장하여 융기 마크를 발생시킬 수 있다. 반대로, 조압연의 시작 온도가 500 ℃보다 높으면, 열간 압연 동안 재결정이 발생해서 재결정된 조대 결정립을 형성함으로써 재결정 결정립의 결정 방향 성분이 주로 줄무늬 형상으로 정렬되어 융기 마크를 야기할 수 있다.
열간 압연 단계에서 마무리 압연의 마무리 온도가 350 ℃보다 낮으면, 조대 재결정 결정립이 발생하여 강판의 특정 방향으로 재결정된 결정립이 줄무늬 형상으로 정렬될 수 있다. 이는 강판의 권취 동안 평균 장력이 20 MPa보다 작을 때 발생할 수도 있다.
마무리 압연의 마무리 온도가 280 ℃보다 낮으면, 열간 압연 후의 재결정이 충분히 진행되지 않을 수 있으며 변형 집합조직이 성장하여 융기 마크를 발생시킬 수 있다. 따라서, 열간 압연 단계에서 마무리 압연의 마무리 온도는 바람직하게는 280 ℃ 이상이고 350 ℃ 이하이다.
열연 박판의 소둔
냉간 압연 전 열연 박판의 소둔(중간 소둔)은 바람직하게는 보다 높은 생산 효율과 보다 낮은 생산비를 위해 수행되지 않는다.
냉간 압연
열연 박판은 원하는 두께를 갖는 냉연 박판(코일 포함)을 생산하기 위해 냉간 압연된다.
용체화 열처리 및 급냉처리
알루미늄 합금 박판의 균질화(균열 처리)의 결과로서 형성된 분산 입자(분산 결정립)는 열간 압연 동안 재결정화되는 결정립 핵생성 장소로서 적절히 제어된 크기와 분포를 갖는다. 이들 분산 결정립은 바람직하게는 최종 용체화 열처리 및 급냉처리 동안 융기 마크의 발생을 방지하기 위해 무작위 방향을 갖는 재결정 결정립 을 생산하기 위한 재결정 핵으로 이용된다. 이를 위해, 최종 용체화 열처리는 바람직하게는 100 ℃/분 이상의 온도 상승 속도로 수행된다. 분산 입자는 최종 용체화 열처리에서 100 ℃/분 이상의 속도로 진행되는 이런 온도 상승 공정 동안 무작위 방향을 갖는 재결정 결정립을 형성하기 위한 핵으로 작용한다. 최종 용체화 열처리에서 온도 상승 속도는 보다 바람직하게는 200 ℃/분 이상이고 더욱 바람직하게는 300 ℃/분 이상이다.
용체화 열처리는 바람직하게는 500 ℃ 이상이고 합금의 융점 이하의 온도에서 수행된다. 따라서, 시효 석출물은 박판의 프레스 성형 후 페인트 소부경화 처리와 같은 인공시효 처리를 통해 결정립에 충분히 석출된다. 이런 석출물들은 보다 높은 강도를 갖도록 기여한다.
용체화 열처리의 온도에서 시작되는 급냉처리가 낮은 냉각 속도로 수행되면, 규소, Mg2Si 및 그 밖의 입자들이 결정입계에서 석출하기 쉽게 되어 프레스 성형 및 굽힘 가공 동안 균열을 일으킴으로써 성형성이 떨어질 수 있다. 이를 방지하기 위해, 급냉처리는 바람직하게는 적절한 냉각 조건 하에서 적절한 냉각 과정을 이용하여 10 ℃/초 이상의 높은 냉각 속도로 수행된다. 이런 냉각 과정에는 송풍기를 이용한 냉각과 같은 공냉 과정과, 미스트 냉각, 분무 냉각 및 수욕침지와 같은 수냉 과정이 있다.
고강도화에 기여하는 시효 석출물의 석출을 촉진하기 위해 급냉처리 후 전시효(preaging) 처리가 수행될 수 있다. 따라서, 통상적으로 성형 패널의 페인트 소 부 단계에서 인공시효 처리 동안 시효 경화성은 더욱 증가될 수 있다. 전시효 처리는 바람직하게는 1 시간 내지 24 시간 동안 60 ℃ 내지 150 ℃, 바람직하게는 70 ℃ 내지 120 ℃의 범위에 있는 온도에서 물품을 보유함으로써 수행된다. 전시효 처리가 수행될 때, 선행하는 급냉처리는 60 ℃ 내지 150 ℃의 높은 냉각 마무리 온도에서 수행되고 물품은 급냉처리 완료 후(냉각처리 완료 후) 즉시 재가열을 하거나 하지 않고 전시효처리를 받는 것이 바람직하다. 또한, 용체화 열처리 이후의 물품은 실온으로 급냉처리되고 급냉처리의 완료 후 즉시(5분 이내) 60 ℃ 내지 150 ℃까지 재가열되어 전시효처리를 받는 것이 바람직하다.
또한, 자연시효를 억제하기 위해 비교적 낮은 온도에서의 열처리(인공시효 처리)가 전시효 처리 후 즉시 수행될 수 있다. 전시효 처리와 인공시효 처리의 시작 간에 어느 정도의 시간 지체가 있는 경우, 전시효 처리 이후에도 자연시효가 발생할 수 있다. 자연시효가 발생하면, 비교적 낮은 온도에서의 열처리(인공시효 처리)로 인한 장점을 발현하기가 어렵다.
연속 용체화 열처리/급냉처리가 수행될 때, 급냉처리는 전시효 온도 범위 내의 높은 마무리 온도에서 완료될 수 있으며 물품은 고온에서 보유되면서 권취될 수 있다. 이 경우, 물품은 권취 전에 재가열될 수 있으며 그리고/또는 물품은 권취 후의 온도에서 보유될 수 있다. 또한, 물품이 실온으로 급냉처리되고 급냉된 물품이 온도 범위로 재가열되고 이런 높은 온도에서 권취되는 것도 허용된다.
또한, 최종 제품의 용도와 요구되는 특성에 따라 고온 시효처리 및/또는 안정화처리를 수행함으로써 강도를 더욱 증가시키는 것도 가능하다.
이하, 실시예와 비교예를 참조하여 본 발명의 여러 실시 태양을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 단지 예시를 위한 것이며 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 기술분야의 당업자라면 첨부된 특허청구범위 및 균등 범위에 속하는 한 다양한 변경, 조합, 부조합 및 개조가 설계 요건 및 그 밖의 인자에 따라 발생할 수 있음을 이해할 것이다.
실험예
알루미늄 합금의 주물을 표2에 도시된 조건 하에서 균질화하고 열간 압연하고 냉간 압연한 다음 이에 대해 용체화 열처리 및 급냉처리를 수행하여 표1에 도시된 조성 A 내지 M을 갖는 6000 계열 알루미늄 합금 박판을 생산했다. 표1에서 각 원소의 함량 중 "-" 기호는 해당 함량이 검출 한계보다 낮음을 의미한다.
알루미늄 합금 박판의 구체적인 제조 조건은 다음과 같다. 구체적으로, 표1에도시된 성분을 갖고 500 ㎜의 두께와 2000 ㎜의 폭과 7 m의 길이를 갖는 알루미늄 합금의 주물을 DC 주조에 따라 주조했다. 이들 주물 중 일부(샘플 10)를 제외하고 이들 주물에 대해 이중 균질화를 수행했다. 샘플 10은 4시간 동안 550 ℃에서 단일 균질화 처리되고 열간 압연에서의 조압연은 냉각없이 균질화 직후의 온도에서 시작했다.
이중 균질화시, 주물을 4시간 동안 550 ℃에서 균질화(제1 균질화)하고 균질화된 주물을 균열로 내에서 60 ℃/시간의 냉각 속도로 200 ℃ 이하의 온도까지 송풍기를 이용하여 강제 공냉했다. 냉각된 주물을 400 ℃까지 재가열하고 이 온도에서 열간 압연의 조압연을 시작했다.
그 후, 주물을 2.5 ㎜의 두께까지 열간 압연했다. 구체적으로, 조압연과 마무리 압연은 두께가 2.5 ㎜인 열연 박판을 생산하기 위한 열간 압연으로서 수행했다. 표2에는 조압연의 마무리 온도와 마무리 압연의 마무리 온도가 도시되어 있다. 열연 박판을 중간 소둔을 거치지 않고 60%의 냉연 압하율로 직접 냉간 압연함으로써 두께가 1.0 ㎜인 냉연 박판을 생산했다.
연속 열처리 시스템 내에서, 냉연 박판을 약 300 ℃/분의 온도 상승 속도로 가열하고, 이들 냉연 박판이 550 ℃의 용체화 열처리 온도에 도달했을 때 이 온도에서 5초 동안 보유함으로써 용체화 열처리를 수행한 직후, 100 ℃/초 이상의 냉각 속도로 실온까지 급냉시켰다. 급냉 (직)후 5분 내에, 급냉된 박판을 2시간 동안 100 ℃에 보유하는 전시효(재가열)처리를 했다. 전시효된 박판을 0.6 ℃/시의 냉각 속도로 점차 냉각시킴으로써 T4 조건의 박판(T4 박판)을 생산했다.
T4 박판(열적 미세화 처리 후의 알루미늄 합금 박판)에서 샘플 박판(블랭크)들을 절취했다. 샘플 박판을 자연시효되도록 실온에 세운 상태로 두고, 샘플 박판들의 평균 결정입도, 규소 고용량, 마그네슘 고용량 및 그 밖의 특성을 측정여고 평가했다.
다음의 방법으로 샘플 시트들의 평균 결정입도, 규소 고용량 및 마그네슘 고용량을 측정했다.
평균 결정입도
샘플 시트의 평균 결정입도는 SEM-EBSP를 이용하여 박판 면방향으로 평가되었다. 이는 박판의 두께방향 중심부 지점과 박판의 최외곽 표면 및 두께방향 4분 의 1 깊이 사이에 위치하는 표면층의 선택 지점인 두 지점에서 수행되었다. 여기에 사용하기 위한 SEM 및 EBSP 분석 시스템(결정방위 해석장치: orientation imaging microscopy: OIM)의 예들은 JEOL에서 판매하는 주사전자 현미경(JEOL JSM5410)과 TSL 솔루션즈 가부시키가이샤(K.K.)에서 판매하는 EBSP 분석 시스템이다. 샘플 박판은 15도 이상의 결정입계 간 방향 차이를 두고 예컨대 3 ㎛ 이하의 측정 단계 간격을 두고 가로 1000 ㎛ 세로 1000 ㎛의 면적에서 측정했다.
규소 고용량 및 마그네슘 고용량
고용량은 열적 미세화 처리 다음 15일 동안 자연시효된 샘플 박판에 대해 판단했다. 고용량은 다음과 같은 방식으로 판단했다. 구체적으로, 샘플 박판을 고온 페놀에 용해시키고 이로부터 메시 기공 크기가 0.1 ㎛인 필터를 이용한 여과에 의해 잔여물(샘플 내의 분산 입자)을 분리하고 유도결합식 플라즈마 발광 광도법(ICP)을 거쳐 여과물의 규소 함량과 마그네슘 함량을 결정하고 결정된 규소 함량 및 마그네슘 함량을 각각 규소 고용량과 마그네슘 고용량으로 정의했다. 엄밀히 말해, 이들 값은 0.1 ㎛ 이하의 크기를 갖는 입자에 함유된 규소 함량과 마그네슘 함량도 포함한다.
샘플 박판의 특성으로서, 융기 마크 저항성, 0.2% 항복 강도[애즈(AS) 항복 강도:MPa]와 인공시효 처리 후 0.2% 항복 강도(소부경화 후 항복 강도: MPa)가 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 샘플 박판에 대해 판단되었다. 또한, 굽힘성을 분석했다. 이들 특성은 다음 방법에 따라 판단했다.
융기 마크 저항성
알루미늄 합금 박판 제품의 융기 마크 저항성은 프레스 성형과 도색(피복) 후에도 판단될 수 있다. 구체적으로, 샘플 박판을 압연 방향에 수직한 방향으로 15% 연신시키는 인장시험 후 샘플 박판의 표면조도(Ra)를 측정했다. 15% 신장 후 10 ㎛ 이하의 표면조도(Ra)를 갖는 샘플 박판에 대해 성형 중 융기 마크 저항성이 뛰어난 것으로 평가했다.
샘플 박판의 표면조도(Ra)(산술적 평균 조도)는 JIS B0601에 규정된 정의와 측정법에 따라 첨필 표면 측정기를 이용하여 샘플 박판의 표면의 요철(융기 및 함몰)을 측정함으로써 판단했다.
신장을 부여하기 위한 인장 시험은 다음과 같은 방식으로 수행했다. 구체적으로, 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 알루미늄 합금 박판에서 JIS Z2201에 따른 No.5 시험편[폭 25 ㎜, GL(게이지 길이) 50 ㎜, 두께 2.5 ㎜]을 취출하고 실온에서 연신했다. 시험편을 압연 방향에 수직한 방향으로 취출했으며 인장 방향은 압연 방향에 수직한 방향이었다. 인장 시험은 샘플이 0.2% 항복 강도를 보이지 않는다면 5 ㎜/분의 연신 속도로 수행했고 그 후에는 20 ㎜/분의 연신 속도로 수행했다.
연신을 통한 융기 마크 저항성에 대한 판단을 지지하기 위해, 오렌지 필 표면을 관찰했다. 구체적으로, 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 알루미늄 합금 박판을 신선 성형함으로써 성형 물품을 생산하고 성형된 물품의 전체 표면 상에서 오렌지 필 표면의 존부를 시각적으로 관찰했다. 융기 마크 저항성에 있어 오렌지 필 표면이 없는 샘플을 뛰어난 것으로 평가했고 일부 부분적으로 소량의 오렌 지 필 표면을 갖는 샘플을 양호한 것으로 평가했고 전체 표면에 대량의 오렌지 필 표면을 갖는 것을 불량한 것으로 평가했다.
신선 성형은 다음과 같이 평가했다. 구체적으로, 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 샘플 박판을 천공하여 직경이 100 ㎜인 시험편을 준비했다. 윤활제로서 50% 희석 캐스트롤(Castrol) 샘플 No.700[상표명, 캐스트롤사(Castrol Ltd.)]을 이용하여 에릭슨 시험기로 시험편을 컵 형상으로 성형했다. 신선 성형은 직경이 50 ㎜이고 견부 반경(R)이 4.5 ㎜인 펀치와 직경이 65.1 ㎜이고 견부 반경(R)이 14 ㎜인 다이를 이용하여 500 kgf의 블랭크 보유력과 2의 신선비(50%의 신선비)로 수행되었다.
애즈(AS) 항복 강도
열적 미세화 처리 직후의 알루미늄 합금 박판에서 JIS Z2201에 따른 No.5 시험편[폭 25 ㎜, GL(게이지 길이) 50 ㎜, 두께 2.5 ㎜]을 취출했다. 시험편을 압연 방향에 수직한 방향으로 취출했으며 실온에서 인장시험을 수행했다. 실온 인장시험은 JIS Z2241(1980)(금속재를 위한 인장시험법)에 따라 20 ℃의 실온에서 수행되었다. 인장시험은 시험편이 파손될 때까지 5 ㎜/분의 일정한 크로스헤드 속도로 수행되었다. 따라서, 0.2% 항복 강도를 이 방법에 따라 판단하고 이를 다섯 개 시험편(N=5)의 평균인 "애즈(AS) 항복 강도"로 정의했다.
소부경화 후 항복 강도
인공시효능(소부경화성)을 평가하기 위해, 샘플 알루미늄 합금 박판을 패널로 프레스 성형하는 모의 시험 단계를 수행하여 시험편을 준비하고 시험편을 소부 경화 후의 항복 강도를 판단했다. 구체적으로, JIS Z2201에 따른 No.5 시험편에 2% 변형을 사전에 인가하고 시험편에 20분의 단기간 동안 170 ℃의 저온에서 인공시효 처리를 수행했다. 처리된 시험편에 대해 상술한 조건 하에서 실온 인장시험을 하고 시험편의 0.2% 항복 강도를 결정하고 이를 소부경화 후 항복 강도(MPa)로 정의했다. 시험에서의 인장방향은 압연 방향과 평행하다. 소부경화 후 항복 강도가 190 MPa 이상인 샘플을 양호한 소부경화성을 갖는 것으로 평가했다.
굽힘성
열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 샘플 박판에서 가로 150 ㎜ 세로 30 ㎜의 굽힘 시험편을 취출했다. 시험편에 차량 외판 모의 편평 헤밍을 수행하고 그 굽힘성을 평가했다. 구체적으로, 굽힘 시험편에 대해 10% 사전 변형을 인가한 후 약 0.25 ㎜의 굽힘 내반경(R)을 갖는 180도 밀접 굽힘을 수행했다. 굽힘 후 시험편 주연부에 균열이 어떻게 발생하는지를 시각적으로 관찰했으며 다음 공식에 따라 굽힘성을 다섯 등급으로 평가했다.
0: 오렌지 필 표면이나 균열을 보이지 않은 시험편
1: 약간의 오렌지 필 표면을 보이지만 균열을 보이지 않은 시험편(미세 균열도 없음)
2: 어느 정도 오렌지 필 표면을 보이지만 균열을 보이지 않은 시험편(미세 균열도 없음)
3: 미세 균열을 보이는 시험편
4: 대형 균열을 보이지만 5 등급으로 정의된 정도까지는 보이지 않은 시험편
5: 둘 이상의 대형 균열을 보이는 시험편
0 내지 2 등급의 굽힘성을 갖는 샘플은 차량 외판용으로 허용 가능했지만 3 내지 5 등급의 굽힘성을 갖는 샘플은 허용될 수 없었다. 본 시험에서는 아주 얇은 내판이 헴 사이에 개재되었다고 가정했기 때문에 내판을 헴에 삽입하지 않았다.
자연시효에 의한 특성의 시효 열화: 굽힘성을 통한 평가
샘플 박판을 T4 박판(열적 미세화 처리후의 알루미늄 합금 박판)에서 절취하여 3개월 동안 (실온에 두고) 자연시효시켰다. 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후의 샘플 박판의 굽힘성을 판단했다. 여기에서 굽힘성은 굽힘성 평가에서와 동일한 방식으로 판단되었다. 구체적으로, 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후의 샘플 박판에서 가로 150 ㎜ 세로 30 ㎜의 굽힘 시험편을 절취하여 10% 사전 변형을 인가한 후 약 0.25 ㎜의 굽힘 내반경(R)을 갖는 180도 밀접 굽힘을 수행했다. 굽힘성은 굽힘성 평가에서와 같이 다섯 등급으로 평가했다.
그 결과가 표3과 표4에 도시되어 있다. 표1 내지 표4는 아래와 같은 사항을 나타낸다. 비교예의 샘플(샘플 10 내지 17)은 성형 중의 융기 마크 저항성, 소부경화 후 항복 강도, 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 굽힘성 및 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후의 굽힘성 중 하나 이상이 좋지 않다. 이들 샘플 중 일부는 자연시효에 의한 굽힘성에 있어 현저한 시효 열화를 보인다. 굽힘성에서의 현저한 시효 열화는 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후의 굽힘성과 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 굽힘성 간의 차이 또는 그 차이 대 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후의 굽힘성의 비를 통해 평가되었다.
구체적으로, 샘플 10은 15% 신장 후 10 ㎛ 이하의 표면조도(Ra)를 갖지 않으며 따라서 성형 중 융기 마크 저항성이 불충분하다. 이 샘플은 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후 등급 1의 뛰어난 굽힘성을 갖지만 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 등급 3의 불량한 굽힘성을 갖는다. 또한, 샘플은 자연시효에 의한 굽힘성에 있어 대규모의 시효 열화를 보인다[(3-1)/1=2].
샘플 11은 190 MPa보다 작은 불충분한 소부경화 후 항복 강도를 갖는다. 샘플 12와 13은 190 MPa보다 작은 불충분한 소부경화 후 항복 강도를 갖고 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 등급 3의 불량한 굽힘성을 나타내며 자연시효에 의한 굽힘성에 있어 대규모의 시효 열화를 보인다[(3-1)/1=2]. 샘플 14는 190 MPa보다 작은 불충분한 소부경화 후 항복 강도를 갖고 15% 신장 후 10 ㎛보다 큰 표면조도(Ra)를 가짐으로써 성형 동안 불량한 융기 마크 저항성을 보인다. 또한, 이 샘플은 신선 성형 후 성형된 물품 표면이 "불량"으로 평가되고 전체 표면 상에 오렌지 필 표면을 보이기 때문에 불량한 융기 마크 저항성을 갖는 것으로 평가된다. 샘플 15는 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 등급 4의 불량한 굽힘성을 보인다. 샘플 16과 17은 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후 등급 3의 불량한 굽힘성을 보이고 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 등급 5의 불량한 굽힘성을 보인다. 샘플 16과 17 중에서 샘플 17은 성형 중 융기 마크 저항성도 불충분하다.
반대로, 본 발명의 실시예들인 샘플(샘플 1 내지 9)들은 성형 중 융기 마크 저항성과, 소부경화 후 항복 강도와, 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후 굽 힘성과, 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 굽힘성 모두에 있어 뛰어나다. 또한, 이들 샘플은 자연시효에 의한 굽힘성의 시효 열화를 거의 보이지 않는다.
구체적으로, 본 발명의 실시예인 샘플들 각각은 15% 신장 후 10 ㎛ 이하의 표면조도(Ra)를 갖고 오렌지 필 표면을 갖지 않는 뛰어난 표면의 신선 성형 물품 또는 일부 부분적으로 작은 오렌지 필 표면을 갖는 양호한 표면의 신선 성형 물품을 생산하고 양호한 융기 마크 저항성을 갖고 190 MPa 이상의 소부경화 후 항복 강도를 갖는다. 또한, 이들 샘플은 열적 미세화 처리 다음 15일 자연시효 후 등급 1의 뛰어난 굽힘성을 보인다. 이들 샘플 중 일부(샘플 8)를 제외하고, 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 등급 1의 뛰어난 굽힘성을 보이고 자연시효에 의한 굽힘성에 있어 시효 열화를 거의 보이지 않는다[(2-1)/1=1]. 샘플 8은 열적 미세화 처리 다음 3개월 자연시효 후 굽힘성이 등급 2와 등급 3 사이의 등급 2.5인 굽힘성을 보인다. 여기에서의 굽힘성은 등급 2에 가까운 것으로 평가되며 허용 불가라고 명확히 평가될 수 없으며 허용되는 것으로 평가된다. 본 발명의 실시예인 샘플들 중에서 샘플 1, 2 및 4는 특히 뛰어난 융기 마크 저항성을 보인다.
분류 조성 Mg Si Mn Cu Fe Cr Zr Ti Zn V Ag B Al
실시예 A 0.55 1.1 0.07 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
실시예 B 0.55 1.1 0.05 0.001 0.15 0.04 - - - - - - 잔량
실시예 C 0.4 1.4 0.2 0.01 0.1 - - - - - - - 잔량
실시예 D 0.5 0.6 0.03 0.001 0.2 - - - - - - - 잔량
실시예 E 0.55 1.05 0.07 0.001 0.15 0.02 0.01 0.01 0.01 - - 0.001 잔량
실시예 F 0.55 1.1 0.06 0.6 0.17 0.05 0.03 0.02 0.04 - - 0.002 잔량
실시예 G 0.6 1.1 0.01 0.001 0.15 0.02 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.001 잔량
비교예 H 0.3 1.1 0.07 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
비교예 I 1.1 1.1 0.07 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
비교예 J 0.5 0.4 0.07 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
비교예 K 0.5 1.6 0.07 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
비교예 L 0.55 1.1 1.1 0.001 0.15 - - - - - - - 잔량
비교예 M 0.55 1.1 0.06 1.1 0.15 - - - - - - - 잔량
단위: 질량%
분류 샘플 번호 조성 균질화 열간압연 조건 박판 두께 (mm)
조압연 시작 온도(℃) 조압연 마무리 온도(℃) 조압연 시간(분) 마무리 압연 마무리 온도(℃)
실시예 1 A 이중 400 390 8.5 300 2.5
실시예 2 A 이중 480 425 7.2 322 2.5
실시예 3 A 이중 400 360 9.2 298 2.5
실시예 4 B 이중 400 395 7.1 299 2.5
실시예 5 C 이중 400 388 6.5 295 2.5
실시예 6 D 이중 400 380 6.7 290 2.5
실시예 7 E 이중 400 394 8.6 298 2.5
실시예 8 F 이중 400 392 9.2 303 2.5
실시예 9 G 이중 400 399 9.5 305 2.5
비교예 10 A 단일 530 480 15.5 310 2.5
비교예 11 A 이중 400 399 16.1 303 2.5
비교예 12 H 이중 400 390 8.3 303 2.5
비교예 13 I 이중 400 392 7.9 310 2.5
비교예 14 J 이중 400 400 7.5 297 2.5
비교예 15 K 이중 400 400 8.3 297 2.5
비교예 16 L 이중 400 394 7.9 302 2.5
비교예 17 M 이중 400 396 8.6 320 2.5
분류 샘플 번호 최종 박판의 평균 결정입도 최종 박판의 고용량
박판 표면층(㎛) 박판 중심부(㎛) 규소 고용량(%) 마그네슘 고용량(%) Si 고용량/Mg 고용량
실시예 1 40 42 0.63 0.45 1.4
실시예 2 33 43 0.66 0.43 1.5
실시예 3 33 47 0.62 0.39 1.6
실시예 4 31 37 0.65 0.44 1.5
실시예 5 33 44 0.60 0.32 1.9
실시예 6 31 39 0.50 0.40 1.3
실시예 7 35 37 0.65 0.43 1.5
실시예 8 30 38 0.65 0.40 1.6
실시예 9 32 40 0.63 0.48 1.3
비교예 10 41 45 0.90 0.42 2.1
비교예 11 43 46 0.44 0.43 1.0
비교예 12 35 39 0.58 0.28 2.1
비교예 13 34 40 0.62 0.84 0.7
비교예 14 40 42 0.30 0.40 0.8
비교예 15 36 41 0.78 0.40 2.0
비교예 16 38 42 0.60 0.40 1.5
비교예 17 37 39 0.65 0.45 1.4
분류 샘플 번호 15일 자연시효 3개월 자연시효 융기 마크 저항성
AS 항복강도(MPa) 소부경화 후 항복 강도(MPa) 굽힘성 (등급) 굽힘성 (등급) 15% 연신후 표면조도(㎛) 신선 성형후 오렌지 필 표면
실시예 1 119 192 1 2 4 뛰어남
실시예 2 121 193 1 2 5 뛰어남
실시예 3 120 195 1 2 7 양호
실시예 4 112 192 1 2 5 뛰어남
실시예 5 110 191 1 2 7 양호
실시예 6 109 190 1 2 8 양호
실시예 7 116 196 1 2 7 양호
실시예 8 119 198 1 2.5 9 양호
실시예 9 125 210 1 2 6 양호
비교예 10 115 201 1 3 11 양호
비교예 11 110 171 1 2 4 양호
비교예 12 101 168 1 3 7 양호
비교예 13 101 175 1 3 6 양호
비교예 14 98 155 1 2 11 불량
비교예 15 116 191 2 4 9 양호
비교예 16 112 191 3 5 9 양호
비교예 17 123 203 3 5 15 양호
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 태양에 따르는 알루미늄 합금 박판은 실온 안정성과, 자연시효에 의한 특성의 열화에 대한 저항성이 뛰어나며, 이로써 통상적으로 차량 외판에 적절히 이용 가능하다.
도1은 Mg2Si 및 규소 원소의 석출물의 석출 곡선과 교차하는 온도 이력을 도시한 개략도이다.

Claims (7)

  1. 0.35 내지 1.0 질량%의 마그네슘(Mg)과, 0.5 내지 1.5 질량%의 규소(Si)와, 0.01 내지 1.0 질량%의 망간(Mn)과, 0.001 내지 1.0 질량%의 구리(Cu)와, 잔량으로서 알루미늄 및 불가피한 불순물을 포함하며,
    규소(Si) 고용량이 0.55 내지 0.80 질량%이고 마그네슘(Mg) 고용량이 0.35 내지 0.60 질량%이고 규소(Si) 고용량 대 마그네슘(Mg) 고용량의 비가 1.1 내지 2인 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판인 알루미늄 합금 박판.
  2. 제1항에 있어서, 규소 함량 대 마그네슘 함량의 질량비가 1 이상인 규소 과다 Al-Mg-Si 알루미늄 합금 박판인 알루미늄 합금 박판.
  3. 제1항에 있어서, 불가피한 불순물로서 1.0 질량% 이하의 철(Fe)과, 0.3 질량% 이하의 크롬(Cr)과, 0.3 질량% 이하의 지르코늄(Zr)과, 0.3 질량% 이하의 바나듐(V)과, 0.1 질량% 이하의 티탄(Ti)과, 0.2 질량% 이하의 은(Ag)과, 1.0 질량% 이하의 아연(Zn)을 포함하는 알루미늄 합금 박판.
  4. 제1항에 있어서, 0.0001 내지 0.05 질량%의 붕소(B)를 함유하거나 함유하지 않고 0.005 내지 0.2 질량%의 티탄(Ti)을 포함하는 알루미늄 합금 박판.
  5. 제1항에 있어서, 알루미늄 합금 주물을 균질화하고, 균질화된 주물을 냉각하고, 냉각된 주물을 재가열하고, 재가열된 주물을 열간 압연하고, 열간 압연물을 소둔하지 않고 냉간 압연하여 제조되는 알루미늄 합금 박판.
  6. 제5항에 있어서, 열간 압연에서의 조압연은 490 ℃ 내지 380 ℃의 시작 온도와 430 ℃ 내지 350 ℃의 마무리 온도에서 10분 이하 동안 수행되는 알루미늄 합금 박판.
  7. 제1항에 있어서, 차량용 외판에 사용하기 위한 알루미늄 합금 박판.
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