KR20090013775A - 알루미늄 복합 시트 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 알루미늄 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트에 관한 것으로서, 코어 재료의 적어도 일면에 클래드 시트가 피복되며, 상기 코어 재료는 AA6xxx-시리즈 합금으로 이루어지며, 상기 클래드 시트는 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈 합금을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

알루미늄 복합 시트 재료{ALUMINIUM COMPOSITE SHEET MATERIAL}
본 발명은 코어 재료의 적어도 일면에 클래드 시트가 피복된 알루미늄 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트(body sheet)에 관한 것이다.
용어 "복합 재료"는 예를 들면 국제출원 WO-01/02165에서와 같은 본 발명이 속하는 기술분야로부터 공지되어 있다. 이러한 복합 재료에 있어서, 코어 재료(복합 재료의 큰 구성요소를 결정함)는 예를 들면 강도와 같은 복합 재료의 벌크 기계적 특성을 주로 결정한다. 그러나, 클래드 시트(따라서, 복합 재료의 작은 구성요소를 결정하고, 따라서 기계적 특성에 대해서는 작은 중요도)는 복합 재료를 둘러싸는 환경과 접촉하며, 따라서 화학 활성도(activity), 예를 들면 대체로 복합 재료의 부식 성능을 결정한다.
본 발명이 속하는 기술분야에 따른 알루미늄 복합 재료의 예로서, 코어 재료로서 전형적으로 AA3xxx-시리즈의 알루미늄 합금(예컨대 AA3003) 및 클래드 시트로서 AA4xxx-시리즈의 알루미늄 합금(예컨대 AA4045 또는 AA4343)을 코어 재료의 일면 또는 양면에 갖는 브레이징 시트 뿐만 아니라 Alclad 2024-1230과 같은 항공분야에 사용하기 위한 시트(AA2xxx-시리즈의 알루미늄 합금을 포함하는 코어 재료 및 전형적으로 AA1000-시리즈의 알루미늄 합금을 포함하는 클래드 시트)가 언급될 수 있다. 이러한 공지의 복합 재료는 일반적으로 특정 사용 및 특정 요구를 성취하기 위해 개발되고 있다.
미국특허 US-6,329,075-B1호는 열교환기 적용에서의 개선된 성능을 위해 고강도의 코어 재료 및 코어 재료 보다 더 큰 전기전도성을 갖는 하나 또는 그 이상의 클래드층을 갖는 알루미늄 복합 시트를 개시한다. 코어 재료는 AA3000, AA6000 및 AA8000-시리즈 알루미늄 합금의 그룹으로부터 선택된 합금으로 제조되며, 코어 합금은 50% IACS 미만의 전기전도성을 가지며, 클래드층은 AA1000 및 AA7000-시리즈 알루미늄 합금의 그룹으로부터 선택되며, 50% IACS 이상의 전기전도성을 갖는다. 복합 재료는 브레이징에 적용되며, 주름진 핀 스톡, 튜브, 헤더 또는 브레이징에 적합한 임의의 다른 형상의 임의의 형태로 제조될 수 있다.
국제출원 WO-98/24571호는 복합 스트랜드 주조에 의해 얻어진 다층 금속 복합재 제품을 개시한다. 상기 제품은 알루미늄 합금의 코어, 상기 코어의 적어도 일면에서 코어에 접합된 중간층 및 상기 중간층에 접합된 클래드층을 포함한다. 제품의 용도에 따라, 복합재 제품의 외면을 형성하는 클래드층은 브레이징 시트에 사용하기 위한 알루미늄 브레이징 합금, 거울상 표면 마무리를 얻기 위한 AA1xxx-시리즈 합금 또는 내부식성을 개선하기 위해 아연함유 알루미늄 합금 또는 아연 또는 아연 합금일 수 있다.
특별히 표시한 것을 제외하고는 하기에 상술하는 바와 같이 모든 알루미늄 합금 표기는 2006년에 알루미늄 협회에 의해 공포된 알루미늄 표준, 데이터 및 등록 기록의 알루미늄 협회 표기에 따른 것이다.
본 발명에 있어서, 용어 "시트 제품"은 전단, 슬릿 또는 톱니 가장자리를 갖는 0.15 내지 2.5 mm의 두께를 형성하는 압연 제품을 의미한다.
본 발명에 있어서, 용어 "자동차 차체 시트" 또는 "ABS"는 자동차 차체 용도, 특히 외부 패널, 내부 패널 및 구조 부품용 알루미늄 합금 시트를 의미한다.
합금 조성 또는 바람직한 합금 조성의 임의의 기술에 있어서, 모든 퍼센테이지는 특별한 지시가 없으면 중량 퍼센트이다.
본 발명의 목적은 자동차 차체 시트에 사용하도록 설계된 전술한 형태의 개선된 알루미늄 복합 재료를 제공하는 것이다.
상기 목적 및 다른 목적 및 다른 이점은 클래드 시트가 코어 재료의 적어도 일면에 피복되는 알루미늄 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트에 관한 본 발명에 의해 충족된다. 상기 코어 재료는 AA6xxx-시리즈 합금으로 이루어지며, 상기 클래드 시트는 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈 합금을 포함한다.
본 발명은 클래드 시트가 코어 재료의 적어도 일면에 피복되는 알루미늄 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트를 제공하며, 상기 코어 재료는 AA6xxx-시리즈 합금으로 이루어지며, 상기 클래드 시트는 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈 합금을 포함한다.
지금까지 차량에 사용하기 위한 패널(또한 자동차 차체 시트 또는 ABS로 언급됨)은 단일 알루미늄 합금(따라서 비-클래드 또는 비-복합재료 시스템을 의미함)만이 사용되었다. 일반적으로, AA5xxx-시리즈 알루미늄 합금은 내부 패널 용도로 사용되며, AA6xxx-시리즈 알루미늄 합금은 외부 패널 및 구조 용도로 사용된다. 합금의 화학 조성을 변화시키더라도 기계적 특성의 높넓은 변화가 달성될 수 있지만, 모든 가능성이 실무에 적용되지 않는다. 차량에서의 적용에 있어서, 이들 가능성은 특히 부식 성능에 의해 부과된 제한 때문에 한정된다. 예를 들면, AA5xxx-시리즈 알루미늄 합금에서의 Mg-레벨의 증가는 성형성 뿐만 아니라 강도를 실제로 증가시키지만, 동시에 부식 성능(특히 소위 입자간 부식)이 악화된다. 유사하게, AA6xxx-시리즈 알루미늄 합금에 있어서, Cu-레벨의 증가는 도장면에 대해 증가된 부식 민감성(특히 소위 사상 부식(filiform corrosion))을 불리하게 유도하는데, 이것은 자동차 차체 시트 용도(내부 패널, 외부 패널 및 구조 용도)에서의 이들 조성의 사용을 제한한다.
따라서, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 기계적 특성을 증가시키기 위해 알루미늄 시트의 Mg- 및 Cu-레벨을 증가시키길 원하더라도, 이에 따른 화학 특성, 특히 내부식성의 감소가 이를 허용하지 않는다.
본 발명에 따르면, 코어 시트 재료의 특성은 복합 재료의 표면에 부과된 요구와는 분리되어 있다. 따라서, 코어 재료는 가능한한 양호한 기계적 요구를 만족시키도록 선택될 수 있는 반면, 클래드 시트는 환경과 상호작용하는 요구를 만족시키도록 선택될 수 있다. AA6xxx-시리즈의 알루미늄의 코어 재료와 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈의 알루미늄 합금의 클래드 시트와의 조합은 상기 요구를 만족할 수 있는 알루미늄 복합 시트 재료를 형성하는 것을 발견하였다.
더욱이, 차량에 있어서 특정 요구조건(항공 분야의 경우와 같이 엄격하지는 않지만)에 의해 조정된 자동차 차체 시트의 접착 접합이 필요한 경우가 있다. 비-복합재료 시스템은 표면의 적절한 예비-처리를 필요로 하지만, 본 발명에 따른 복합 시트 재료는 클래드층의 선택에 의해 이미 예비처리가 제공되어 있어 충분한 내구성(durability)을 얻기 위한 예비처리가 필요하지 않을 것으로 여겨진다.
AA6xxx-시리즈의 알루미늄 코어 합금의 예로서, 알루미늄 합금 AA6016이 특히 언급될 수 있다. 다른 적절한 AA6xxx-시리즈 코어 합금은 최대 1.1 wt%, 바람직하게는 최대 0.9 wt%의 Cu 함량을 갖는, 특히 AA6111, AA6013, AA6022 및 AA6056-시리즈 합금이다.
이들 합금은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 잘 알려진 그들의 특정 특성 때문에 자동차 분야에서의 계획된 사용에 대해 매우 잘 맞는다.
코어는 양호한 입자간 내부식성이 얻어지도록, 특히 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈의 알루미늄 합금으로 클래드되며, 특히 적합한 합금은 AA5754, AA5015A 또는 AA5018-시리즈 합금으로부터 선택된다.
본 발명에 따른 복합 시트 제품은 코어 재료의 단지 일면에만 피복된 단지 하나의 클래드 시트를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 클래드 시트는 코어 재료의 양면에 피복된다. 그 결과, 복합 재료는 강도 및 성형성 대 부식 성능, 내덴트성(dent-resistance) 및 헤밍 성능의 훌륭한 평형 특성을 나타낸다.
알루미늄 복합 재료의 크기는 많은 방식(특정 사용 및 시대의 요구에 의해 대부분 부과된)으로 변화될 수 있지만, 자동차 차체 시트로서의 사용에 있어서, 코어 재료는 약 0.5 내지 2 mm, 바람직하게는 약 0.7 내지 1.3 mm, 가장 바람직하게는 약 1 mm의 범위의 두께를 가진다. 클래드 시트(들)은 코어 시트 보다 훨씬 더 얇으며, 각각의 클래드 시트는 전체 복합 시트 두께의 약 1 내지 25%로 구성된다. 더욱 전형적으로 클래드층은 전체 복합 시트 두께의 약 1 내지 12%로 구성된다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 본 발명은 본 발명에 따른 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트로 제조된 자동차 차체 패널 및 자동차 구조 부품에 관한 것이다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 본 발명은 클래드 시트가 코어 재료의 적어도 일면에 피복되는 알루미늄 복합 재료를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 코어 재료는 AA6xxx-시리즈의 알루미늄 합금을 포함하며, 상기 소정의 클래드 시트는 코어 시트와 클래드층 사이에 필요한 금속 접합을 달성하도록 롤접합 수단에 의해 코어 재료에 부착된다.
이러한 롤접합 공정은 매우 경제적이며, 소망 특성을 나타내는 매우 효과적인 복합 시트 재료가 얻어진다.
물론, 롤접합 공정은 예를 들면 복합 시트 재료의 형태로 자동차 차체 시트의 최종 특성을 결정하기 위한 어닐링과 같은 몇몇의 추가 공정 단계에 의해 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 시트 재료를 제조하기 위한 롤접합 공정을 실행하는 경우, 롤접합 동안 코어 재료 및 클래드 시트가 두께 감소가 되는 것이 바람직하다.
예를 들면, 코어 재료는 초기의 약 24 mm 두께 클래드 시트를 양 면에 갖는 초기의 약 400 mm 두께 블럭일 수 있다. 롤 접합 후에, 코어 재료의 최종 폭은 약 1 mm인 반면, 클래드층의 최종 두께는 예를 들면 약 60 ㎛ 또는 약 40 ㎛이다.
복합 시트 제품의 초기 크기 및 최종 크기는 특정 롤접합 공정 뿐만 아니라 최종 시트 제품의 요구 특성에 의해 결정된다는 것에 주목해야 한다.
롤접합 공정은 서로다른 방식으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 열간압연 및 냉간압연 양쪽을 포함하는 롤접합 공정이 가능하다.
또한, 롤접합 공정은 재료가 일단계 공정 또는 연속 압연 단계 동안 게이지-다운되는 다단계 공정일 수 있다. 그 후, 개별 압연 단계는 예를 들면 어닐링 단계, 가열 단계, 냉각 단계 등의 다른 공정 단계로 분리될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 소정의 클래드 시트는 예들 들면 본 명세서에 참조로 편입된 EP-1638715에 개시된 바와 같은 주조 기술 수단에 의해 코어 재료에 부착된다.
전술한 내용 및 청구범위에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄 복합 재료는 차량의 자동차 차체 시트로서 사용한다. AA6xxx-시리즈로부터의 코어 재료의 선택은 코어 시트에 의해 실질적으로 결정되기 때문에 우수한 기계적 특성으로 이어지며, 이 용도를 위해 사용된 표준 산업 시트 합금과 비교할만 하다. 본 발명에 따른 알루미늄 복합 시트 재료의 시료에 실시된 테스트는 클래드 시트의 두께와 기계적 특성 사이에 큰 상관관계는 없다는 것을 보여주며, 따라서 클래드 시트에 부과된 요구로부터 코어 재료의 벌크 특성(bulk property)을 분리시킨다라는 관점에서 전술한 내용을 확인시켜 준다.
본 발명을 본 발명에 따른 비제한적 실시예를 참조하여 기술한다.
실시예 1
산업적 규모로, 2개의 시트 제품을 제조하고 T4P 템퍼에서 1 mm의 시트 제품으로 처리하였다. 2개의 시트 제품은 무피복 AA6016 합금 및 AA5051A 합금으로 양면이 클래드된 AA6016 합금이었다. AA6016은 자동차 차체 시트 용도로 사용된다. 클래드 시트 제품의 코어는 무피복 시트 제품과 동일 열이력을 갖는데, 예를 들면 양자는 560℃에서 10시간 동안 균질화처리된다. 클래드 시트 제품은 공동 롤 접합 실시의 열간압연을 통해 클래드 제품은 7.5 mm의 중간 게이지로 압연되고, 핫-밀 출구온도는 약 300℃이며, 그 후 1 mm의 최종 게이지로 냉간압연되었다. 클래드 시트는 1 mm의 전체 두께를 가지며, 각각의 클래드층은 40 ㎛의 두께를 가졌다.
AA6016 및 AA5051A의 정확한 합금 조성은 표 1에 나타나 있다. 모든 제품은 560℃에서 용융 열처리된 후 급냉되었으며, 1시간 이내에 약 80℃로 재가열하고 이어서 실온으로 코일 냉각되었으며, 강도, 전체 연신율 및 헤밍 성능(hemming performance)을 위해 소위 T4P-템퍼를 적용하고 약 2주후 실온 테스트되었다. 강도, 입자간 내부식성 및 내덴트성은 모의 성형 및 페인트-베이크 사이클 후에 측정되었으며, 185℃에서 20분 열처리 후에 T4P-템퍼에서의 제품은 2% 냉간 스트레치를 추가 실시하였다.
무피복 시트 제품과 클래드 시트 제품 양쪽은 평탄 헤밍 테스트(ASTM norm E290-97A에 포함된 0.0 mm의 굽힘 반경으로 샘플을 180°굽힘)를 통해 헤밍 성능에 대해 T4P 조건에서 테스트하고 이어서 육안평가를 하였다. 하기 등급에 따라 점수 를 부여하였다: 등급 "5"는 육안 결함이 없는 것을 나타내며, "4"는 약간의 표면 거침, "3"은 심한 표면 거침, "2"는 작은 표면 균열, 및 "1"은 연속적인 표면 균열을 나타내며, 예를 들면 3¼, 3½ 및 3¾의 추가-서브 등급이 사용된다.
무피복 AA6016 시트 제품과 AA5051A로 클래드된 AA6016은 인장 테스트를 위해 ASTM norm EN10002에 따라 그들의 기계적 특성을 평가하였다. 인장 특성은 표준 T4P-템퍼에서, 또한 모의 성형 및 페이트-베이크 사이클 후에 결정되었다. 모의 성형 및 페이트-베이크 사이클 후의 입자간 내부식성(IGC)은 European norm ASTM G110-92에 따라 측정되었으며, 그 결과는 ㎛의 천공 깊이로 나타내었다. 또한, 모의 성형 및 페인트-베이크 사이클 후의 스태틱 내덴트성(static dent-resistance)을 측정하였으며, 제품을 장착하고 이어서 2 mm/min의 속도로 63.5 mm의 반경을 갖는 강 인덴터(steel indentor)에 장전하였으며, 힘-변위 곡선으로부터, 스태틱 내덴트성 F0.1mm는 0.1 mm 깊이의 인덴션(indention)을 만들도록 요구된 힘(N)으로서 결정된다. 테스트 결과는 표 2에 표시되어 있다.
AA6016 및 AA5051A의 합금 조성(wt%), 잔부 알루미늄 및 불가피한 불순물
합금 Si Fe Cu Mn Mg Cr Ti
AA6016 1.0 0.23 0.15 0.07 0.60 0.03 0.02
AA5051A 0.1 0.2 0.02 0.05 1.85 0.15 0.02
무피복 AA6016 합금 시트 및 AA5051A로 클래드된 합금 시트의 테스트 결과
특성 및 조건 무피복 AA6016 AA5051A로 클래드된 AA6016
T4P 템퍼에서의 항복 강도(MPa) 141 136
T4P 템퍼에서의 전체 연신율(%) 23.8 24.3
T4P 템퍼에서의 헤밍 1½ 3¼
2%+185℃/20min 후의 항복강도 258 242
2%+185℃/20min 후의 IGC(㎛) 118 23
2%+185℃/20min 후의 내덴트성 F0.1mm (N) 260 246
더욱이, 로핑(roping)에 대한 감수성(susceptibility)은 소정의 5xxx-시리즈 클래드층을 사용하는 것에 의해 완전하게 억제되는 것을 발견하였으며, 이에 반해 자동차 차체 시트 용도에 사용된 무피복 6xxx-시리즈 합급은 이 바람직하지 않은 현상에 영향을 받기 쉽다는 것을 알 수 있었다. 이는 특히 자동차 외부 차체 패널에 사용될 때 본 발명에 따른 시트 제품에 대한 이점이다.
표 2의 결과로부터, 내덴트성은 본 발명에 따른 시트 제품에서 약간 감소되었지만, 성형성은 변하지 않고 유지되며, 내부식성은 상당히 증가되며 또한 헤밍 성능은 개선되는 것을 알 수 있다.
본 실시예에 있어서, 코어 합금은 그의 제조시의 실무적인 이유로 양 면이 클래드되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백하게, 동일 이득이 단일 클래드 시트 또는 클래드층만을 사용하는 것에 얻어질 수 있다.
본 실시예는 자동차 차체 시트에 적합한 AA6000-시리즈 합금의 헤밍 성능과 내부식성에서의 현저한 개선은 적절한 클래드층을 제공하는 것에 의해 개선될 수 있으며, 강도, 성형성, 페이트 베이크 응답 및 내덴트성과 같은 코어 시트의 호적 특성을 얻을 수 있다는 본 발명의 원리를 예시한다. 매우 중요하게, AA6000 코어 합금은 로핑에 대한 긴 감수성은 없다.
본 발명은 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부한 청구범위의 기술사상내에서 다양한 변경이 가능하다.

Claims (12)

  1. 알루미늄 복합 시트 재료 형태의 자동차 차체 시트에 있어서,
    코어 재료의 적어도 일면에 클래드 시트가 피복되며,
    상기 코어 재료는 AA6xxx 시리즈 합금으로 이루어지며,
    상기 클래드 시트는 3.6 wt% 미만의 Mg를 갖는 AA5xxx-시리즈 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 코어 재료는 최대 1.1%, 바람직하게는 최대 0.9%의 Cu를 추가로 포함하는 AA6xxx-시리즈 합금인 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 코어 재료는 AA6016, AA6022, AA6056, AA6013 및 AA6111-시리즈 합금으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 클래드 시트는 AA5754, AA5051A 및 AA5018로 이루어진 그룹으로부터 선택된 알루미늄 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코어 재료는 0.5 내지 2 mm의 두께를 갖는 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 코어 재료는 0.7 내지 1.3 mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 시트 재료는 단지 일면에 클래드 시트를 갖는 코어 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복합 시트 재료는 양면에 클래드 시트를 갖는 코어 시트로 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복합 시트 재료는 양면에 클래드 시트를 갖는 코어 시트로 이루어지며,
    상기 양면상의 클래드 시트는 동일한 AA5000-시리즈 합금으로 제조되는 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일면 또는 양면의 클래드 시트는 복합 시트 재료의 전체 두께의 1 내지 25% 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  11. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 일면 또는 양면의 클래드 시트는 복합 시트 재료의 전체 두께의 2 내지 12% 범위의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 자동차 차체 시트.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 따른 자동차 차체 시트로 제조된 자동차 차체 패널.
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