KR20090016489A - 고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법 - Google Patents

고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법 Download PDF

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도시야 아나미
다까유끼 고바야시
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Abstract

가전 제품이나 자동차 외판 등의 구조 재료에 적합한, 우수한 표면 거칠기성 및 성형성을 겸비한 고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법을 제공한다. Mg : 2.0 내지 3.3mass％, Mn : 0.1 내지 0.5mass％, Fe : 0.2 내지 1.0mass％를 함유하고, 잔량부가 불가피적 불순물과 Al로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 Si : 0.20mass％ 미만으로 한 화학 조성을 갖고, 금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상, 재결정립의 평균 입경 10㎛ 이하, 인장 강도 220MPa 이상인 고강도 알루미늄 합금판. 상기 화학 조성의 알루미늄 합금 용탕을 쌍벨트 주조기에 주탕하고, 두께 6 내지 15㎜의 박슬라브를 슬라브 두께 1/4의 위치에 있어서의 냉각 속도 50 내지 200℃/sec로 연속적으로 주조하여 코일에 권취한 후, 냉연율 60 내지 98％의 냉간 압연을 행하고, 최종 어닐링을 연속 어닐링로에 의해 승온 속도 100℃/min 이상, 또한 유지 온도 400 내지 520℃에서 유지 시간 5분 이내로 하여 제조한다.
냉각 속도, 화학 조성, 최종 어닐링, 유지 온도, 냉연율

Description

고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법{HIGH-STRENGTH ALUMINUM ALLOY PLATE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 가전 제품이나 자동차 외판 등의 구조 재료에 적합한, 우수한 표면 거칠기성 및 성형성이 요구되는 고강도 알루미늄 합금판에 관한 것이다.
종래 가전 제품이나 자동차 외판에는 냉연 강판이 사용되어 왔다. 그러나 최근들어 경량화에 대한 요구로부터 고강도이고 성형성이 우수한 Al-Mg 합금판이 각종 제안되어 왔다.
예를 들어, 일본 특개평07-278716호 공보에는 Mg양을 2.0 내지 6.0mass％로 하고, Si양, Fe양을 각각 1.5mass％ 이하로 제한하여 주물편 두께 1 내지 10㎜로 연속 주조하여 냉각 속도를 10℃/sec 이상으로 함으로써, 금속간 화합물을 매트릭스 중에 미세 분산시킨, 기계적 성질이 우수한 성형 가공용 알루미늄 합금판으로 하는 기술이 제안되어 있다.
그러나, 상기 문헌에는 평균 정출물의 사이즈, 기계적 성질, 성형성에 관한 평가에 관한 기재는 있으나, 재결정립 사이즈나 표면 거칠기성에 관한 기재는 보이지 않는다. 또한, 냉간 압연에 의한 토탈 압하율은, 금속간 화합물을 미세 분산화하기 위해 50％ 이상으로 하는 것이 바람직하다는 한정이 있을뿐이며, 그 밖의 제 조 공정에 관하여 특별히 한정은 되어 있지 않다.
이와 같이, Al-Mg 합금 주조에 있어서, 쌍롤식 주조에 의해 박슬라브를 주조 함으로써 금속간 화합물을 매트릭스 중에 미세 분산시켜, 기계적 성질이 우수한 성형 가공용 알루미늄 합금판을 제조하는 기술에 관해서는 종래부터 알려져 있다.
그러나, 성형성을 더 높이기 위하여 금속간 화합물의 사이즈를 더 작게 하고, 또한 성형 후의 판 표면의 표면 거칠기성에 관해서도 개선할 필요가 있었다.
본 발명은 가전 제품이나 자동차 외판 등의 구조 재료에 적합한, 우수한 표면 거칠기성 및 성형성을 겸비한 고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 제1 발명에 따르면 Mg : 2.0 내지 3.3mass％, Mn : 0.1 내지 0.5mass％, Fe : 0.2 내지 1.0mass％를 함유하고, 잔량부 불가피적 불순물과 Al로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 Si : 0.20mass％ 미만으로 한 화학 조성을 갖고, 금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상, 재결정의 평균 입경 10㎛ 이하, 인장 강도 220MPa 이상인 것을 특징으로 하는 표면 거칠기성 및 성형성이 우수한 고강도 알루미늄 합금판이 제공된다.
또한, 제2 발명에 따르면 발명의 고강도 알루미늄 합금판을 제조하는 방법으로서, 제1 발명의 화학 조성을 갖는 알루미늄 합금 용탕을 쌍벨트 주조기에 주탕 하고, 두께 6 내지 15㎜의 박슬라브를 슬라브 두께 1/4의 위치에 있어서의 냉각 속도 50 내지 200℃/sec로 연속적으로 주조하고 코일에 권취한 후, 냉연율 60 내지 98％의 냉간 압연을 행하고, 최종 어닐링을 연속 어닐링로에 의해 승온 속도 100℃/min 이상, 또한 유지 온도 400 내지 520℃에서 유지 시간 5분 이내로 하여 행하는 것을 특징으로 하는 제조 방법이 제공된다.
제1 발명의 알루미늄 합금판은 화학 조성, 금속 조직 및 인장 강도를 규정함으로써 우수한 표면 거칠기성 및 성형성과 고강도를 발휘할 수 있다.
제2 발명의 제조 방법은 제1 발명에 규정한 알루미늄 합금판의 금속 조직 및 인장 강도를 실현하고, 그에 의해 우수한 표면 거칠기성 및 성형성과 고강도를 발휘하는 알루미늄 합금판을 제조할 수 있다.
본 발명의 알루미늄 합금판의 화학 조성을 한정한 이유를 설명한다.
〔Mg : 2.0 내지 3.3mass％〕
Mg는 매트릭스에 고용됨으로써 강도를 증대시킨다. 또한, 가공 경화성을 증가시키고, 그에 따라 성형성의 향상에 기여한다. Mg 함유량이 2.0mass％ 미만에서는 강도가 낮아진다. 3.3mass％를 초과하면 내력이 너무 높아져 형상 동결성이 저하된다. 따라서, Mg 함유량은 2.0 내지 3.3mass％의 범위로 한다. 바람직한 Mg 함유량은 2.5 내지 3.3mass％이다.
〔Mn : 0.1 내지 0.5mass％〕
Mn은 Fe, Si와 공존시킴으로써 주조 시에 있어서 미세한 Al-(Fe·Mn)-Si계 화합물을 정출시켜, 강도를 높여 성형성을 개선한다. Mn 함유량이 0.1mass％ 미만 에서는 그 효과가 충분하지 않다. 0.5mass％를 초과하면 합금의 주조 시에 평균 입경이 1㎛를 초과하는 Al-(Fe·Mn)-Si계 정출물이 생성되어 성형성이 저하된다. 따라서, Mn 함유량은 0.1 내지 0.5mass％로 한다. 바람직한 Mn 함유량은 0.1 내지 0.3mass％이다.
〔Fe : 0.2 내지 1.0mass％〕
Fe는 Mn, Si와 공존시킴으로써 주조 시에 있어서 미세한 Al-(Fe·Mn)-Si계 화합물을 정출시켜, 강도를 높여 성형성을 개선한다. Fe의 함유량이 0.2mass％ 미만인 경우, 이들 효과를 기대할 수 없다. Fe 함유량이 1.0mass％를 초과하면 주조 시에 조대한 Al-(Fe·Mn)-Si계 정출물이 생성되어 성형성이 저하된다. 따라서, Fe 함유량은 0.2 내지 1.0mass％의 범위이다. 바람직한 Fe 함유량은 0.3 내지 1.0mass％이다.
〔Si : 0.20mass％ 미만〕
Si는 불가피적 불순물의 일종이다. 단, 미량의 Si는 Fe, Mn과 공존하면 주조 시에 있어서 미세한 Al-(Fe·Mn)-Si계 화합물을 정출시켜 강도를 높이는 효과를 얻을 수 있다. Si의 함유량이 0.20mass％ 이상이면 주조 시에 조대한 Al-(Fe·Mn)-Si계 정출물이 생성되어 성형성이 저하된다. 따라서, Si 함유량은 0.20mass％ 미만으로 한다. 바람직한 Si 함유량은 0.15mass％ 이하이다.
〔임의 성분 : Ti〕
임의 원소의 Ti는 주로 Al-Ti계 또는 Al-Ti-B계의 결정립 미세화제로서 첨가되어 주괴 깨짐을 방지한다. 그러나，Ti 함유량이 0.10mass％를 초과하면 주조 시 에 비교적 조대한 AlTi계 금속간 화합물이 정출되기 때문에 성형성을 저하시킨다. 따라서, 바람직한 Ti 함유량은 0.10mass％ 이하이다. 더욱 바람직한 Ti 함유량은 0.05mass％ 이하이다.
본 발명의 알루미늄 합금판의 금속 조직을 한정한 이유를 설명한다.
〔금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상〕
본 발명의 알루미늄 합금판의 금속 조직 중의 금속간 화합물에 관해서는 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 면적율 1.2％ 이상으로 한정한다. 이렇게 매우 미세한 금속간 화합물이 매트릭스 중으로 분산됨으로써 알루미늄판 성형 중의 전위의 움직임이 저해되어 Mg에 의한 고용 강화와 함께 인장 강도 220MPa 이상이 달성된다.
본 발명의 알루미늄 합금판의 제조 방법에 있어서는, 소정의 조성의 용탕을 쌍벨트 주조기에 주탕하고, 두께 6 내지 15㎜의 박슬라브에 주조한다. 슬라브 두께 1/4의 위치에 있어서의 냉각 속도를 50 내지 200℃/sec로 함으로써 Al-(Fe·Mn)-Si 등의 금속간 화합물을 미세하면서도 균일하게 정출시킬 수 있으며, 최종판에 있어서의 금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상으로 할 수 있다.
또한 이 슬라브를 직접 코일에 권취하고, 냉연율 60 내지 98％의 냉간 압연 을 행하여, 소정 조건 하에서 배치 최종 어닐링 또는 연속 어닐링을 행함으로써 재결정립의 평균 입경을 10㎛ 이하로 할 수 있다. 주괴 금속 조직에 있어서의 Al-(Fe·Mn)-Si계 정출물의 사이즈가 미세하기 때문에 어닐링 시에 이들 정출물이 재 결정의 생성 사이트로서 기능하고, 동시에 입계의 움직임을 저지하는 핀 고정 효과를 초래하기 때문에 재결정립의 성장이 억제된다.
이하에, 본 발명의 알루미늄 합금판의 제조 방법에 있어서의 여러 조건의 한정 이유를 설명한다.
〔쌍벨트 주조〕
쌍벨트 주조법은 상하로 대치하여 강제 수냉되어 있는 회전 벨트간에 용탕을 주탕하여 벨트면으로부터의 냉각으로 용탕을 응고시켜 슬라브로 하고 벨트의 반주탕측으로부터 상기 슬라브를 연속적으로 인출하여 코일 형상으로 권취하는 연속 주조 방법이다.
쌍벨트 주조에서는 비교적 얇은 회전 벨트의 이면측은 노즐로부터의 냉각수에 의해 강제적으로 냉각되어 있다. 하기에 설명한 바와 같이 박슬라브 두께 1/4 위치에 있어서의 냉각 속도를 50 내지 200℃/sec로 제어할 수 있다.
〔슬라브 두께 1/4 위치에 있어서의 냉각 속도를 50 내지 200℃/sec〕
상술한 바와 같이 회전 벨트 이면으로부터 강제 수냉하고 있기 때문에, 슬라브 두께 1/4의 위치에 있어서의 냉각 속도를 50 내지 200℃/sec로 할 수 있다. 이에 의해, Al-(Fe·Mn)-Si 등의 금속간 화합물을 미세하면서도 균일하게 정출시킬 수 있다. 이것은, 최종판에 있어서의 금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상으로 하기 위한 필요 조건이다.
〔슬라브 두께 6 내지 15㎜〕
본 발명에 있어서, 주조하는 슬라브의 두께는 6 내지 15㎜로 한정한다. 쌍 벨트식 주조기에 의한 박슬라브 두께가 6㎜ 미만인 경우, 단위 시간당 주조기를 통과하는 알루미늄량이 너무 작아져 주조가 곤란해진다. 반대로 두께가 15㎜를 초과하는 경우, 코일의 권취를 할 수 없게 된다. 따라서, 슬라브 두께의 범위를 6 내지 15㎜로 한정한다.
이 두께이면 슬라브 주조 시의 응고 냉각 속도도 빨라, 금속간 화합물의 평균 원상당 직경을 1㎛ 이하, 면적율 1.2％ 이상으로 제어하는 것이 가능하며, 그에 따라 최종판에 있어서의 재결정 입경의 10㎛ 이하의 표면 거칠기성, 성형성이 우수한 알루미늄 합금판으로 하는 것이 가능해진다.
〔냉연율 60％ 내지 98％〕
냉간 압연의 압하율은 60％ 내지 98％로 한정한다. 소성 가공에 의해 발생하는 전위가 전술한 미세한 정출물의 주위로 축적됨으로써 최종 어닐링 시의 미세한 재결정 조직을 얻는 것이 가능해진다. 냉간 압연의 압하율이 60％ 미만이면 전위의 축적이 충분하지 않아 미세한 재결정 조직을 얻을 수 없다. 반대로, 냉간 압연의 압하율이 98％를 초과하면 압연 시의 귀 깨짐이 현저해져 수율이 저하된다. 바람직한 압하율은 70％ 내지 96％이다.
〔연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 조건〕
<온도 400 내지 520℃>
연속 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 온도는 400 내지 520℃로 한정한다. 400℃ 미만의 경우, 재결정에 필요한 에너지가 부족하기 때문에 미세한 재결정 조직을 얻을 수 없다. 유지 온도가 520℃를 초과하면 재결정립의 성장이 현저해져 재결정립의 평균 입경이 10㎛를 초과해 버려 성형성 및 표면 거칠기성이 저하된다.
<유지 시간 5분 이내>
연속 어닐링의 유지 시간은 5min 이내로 한정한다. 연속 어닐링의 유지 시간이 5min을 초과하면 재결정립의 성장이 현저해져 재결정립의 평균 입경이 10㎛를 초과해 버려 성형성 및 표면 거칠기성이 저하된다.
<승온 속도 100℃/min 이상>
연속 어닐링 처리 시의 승온 속도 및 냉각 속도는 승온 속도에 관해서는 100℃/min 이상으로 하는 것이 바람직하다. 연속 어닐링 처리 시의 승온 속도가 100℃/min 미만인 경우 처리에 너무 시간이 걸려 생산성이 저하되기 때문에 바람직하지 않다.
〔배치 어닐링로에 의한 최종 어닐링의 온도〕
배치로에 의한 최종 어닐링의 온도는 300 내지 400℃로 한정한다. 300℃ 미만의 경우, 재결정에 필요한 에너지가 부족하기 때문에 미세한 재결정 조직을 얻을 수 없다. 유지 온도가 400℃를 초과하면 재결정의 성장이 현저해져 재결정립의 평균 입경이 10㎛를 초과해 버려 성형성 및 표면 거칠기성이 저하된다.
배치로에 의한 최종 어닐링의 유지 시간은 특별히 한정은 하지 않으나, 1 내지 8 시간이 바람직하다. 1시간 미만에서는 코일이 균일하게 승온되지 않을 가능성이 있다. 유지 시간이 8시간을 초과하면 생산성이 저하되어 바람직하지 않다.
<실시예>
표1에 나타내는 다양한 화학 조성을 갖는 합금 용탕을 용제하여, 쌍벨트식 주조기에 의해 두께 10㎜의 슬라브를 주조하고, 직접 코일에 권취했다.
Figure 112008088589426-PCT00001
비교예로서, 합금 조성A의 용탕을 용제하고, 쌍롤 주조기에 의해 두께 5㎜의 슬라브를 주조하고, 직접 코일에 권취했다.
또한, 다른 비교예로서 합금 조성A의 용탕을 DC 주조기에 의해 500㎜ 두께의 슬라브에 주조하고, 또한 면삭, 균열 처리를 실시하여 열간 압연기에 의해 압연을 행하여 6㎜ 두께의 열연판을 얻었다.
다음에, 냉간 압연기에 의해 이들 슬라브, 주괴, 열간 압연판을 냉간 압연 하고, 1㎜ 두께의 코일을 얻었다. 이들 코일을 연속 어닐링 라인(CAL:Continuous Annealing Line)에 통과시켜 425℃×15sec의 어닐링 처리를 실시했다.
얻어진 각 어닐링판에 대해, 하기의 특성 평가 시험을 행했다.
〔특성 평가 시험〕
<인장 시험>
JIS 5호 시험편을 작성하고, 실온 인장 시험을 행하여 내력, 인장 강도, 신장을 측정했다. 본 발명품으로서의 적합 여부 판정의 기준은 인장 강도 220MPa 이상, 신장 27％ 이상으로 했다.
<성형성 시험>
성형성은 100㎜ 직경 구형 헤드 펀치(spherical head punch)로 성형할 때의 높이를 구형 헤드 벌징성으로 하여 평가했다. 본 발명품으로서의 적합 여부 판정의 기준은 구형 헤드 벌징 높이 34㎜ 이상으로 했다.
<표면 거칠기성 시험>
표면 거칠기성에 대해서는 구형 헤드 벌징된 샘플의 표면을 육안으로 판단하여 ○ : 우수함, △ : 보통, × : 떨어짐,의 순으로 했다. 본 발명품으로서의 적합 여부 판정의 기준은 표면 거칠기성 평가 ○(우수함)로 하였다.
<금속 조직 시험>
(1) 금속간 화합물의 원상당 직경 및 면적율의 측정
금속 조직의 단면을 잘라내고, 매립하여 연마, 에칭을 행하고, 화상 해석 장치(LUZEX)로 금속 조직을 관찰하여 금속간 화합물의 원상당 직경(㎛), 면적율(％)을 산출했다. 본 발명품으로서의 적합 여부 판정의 기준은 금속간 화합물의 원상당 직경 1.0㎛ 이하, 면적율 1.2％ 이상으로 했다.
(2) 결정 입경의 측정
또한, 매립 시료에 대해 연마 후, 붕불산수용액 내에서 양극 산화 피막 처리를 실시하여 편향 현미경에 의한 사진 촬영을 행하여 교선법에 의한 결정 입경의 측정을 행하였다. 본 발명품으로서의 적합 여부 판정의 기준은 결정 입경 10㎛ 이하로 했다.
〔주조 시의 냉각 속도의 산출〕
또한, 주조 시의 냉각 속도(V)는 주괴 두께 1/4 위치에 있어서의 절단편으로부터 전술한 바와 마찬가지의 금속 조직 관찰을 행하여, 2차 가지법으로 측정한 DAS(Dendrite Arms Spacing)에 의해 다음식으로 산출했다.
V=(62/DAS)1/0.337
본 발명의 제조 방법에 따르면 슬라브 두께 1/4 위치에 있어서의 주괴의 냉각 속도 50 내지 200℃/sec를 만족한다.
표2에 각 시료에 관한 제조 조건과, 각 특성 시험(금속 조직·인장 특성·성형성·표면 거칠기성)의 평가 결과를 정리하여 나타낸다.
Figure 112008088589426-PCT00002
본 발명예인 시료 No.1 내지 3은 합금 조성, 제조 공정이 본 발명의 범위 내이며, 상술한 금속 조직, 인장 특성의 기준을 모두 만족시킨다.
비교예의 시료 No.4는 Mg양이 1.0mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 인장 강도가 낮아, 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.5는 Mg양이 5.0mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 구형 헤드 벌징 높이의 값이 낮아, 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.6은 Fe양이 0.07mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 금속간 화합물의 면적율이 낮고, 결정 입경이 약간 크며, 따라서 표면 거칠기성에 대하여 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.7은 Fe양이 1.6mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 신장, 구형 헤드 벌징 높이의 값이 모두 낮아, 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.8은 Mn양이 0.05mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 금속간 화합물의 면적율, 인장 강도의 값이 모두 낮아, 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.9는 Mn양이 1.0mass％이기 때문에, 합금 조성이 본 발명의 범위 밖이며, 금속간 화합물의 원상당 직경이 크고, 신장, 구형 헤드 벌징 높이의 값이 모두 낮아, 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.10은 합금 조성은 본 발명의 범위 내이나, 슬라브 두께가 5㎜로 얇기 때문에 주조 시의 냉각 속도가 250℃/sec로 빠르고, 금속간 화합물의 면적율이 약간 낮고, 결정 입경이 크며, 따라서 구형 헤드 벌징 높이의 값이 낮아, 표면 거칠기성에 대해서도 기준을 만족하지 않는다.
비교예의 시료 No.11은 합금 조성은 본 발명의 범위 내이나, 슬라브 두께가 500㎜로 두껍기 때문에 주조 시의 냉각 속도가 5℃/sec로 느리고, 금속간 화합물의 원상당 직경이 크고, 결정 입경도 크며, 따라서 구형 헤드 벌징 높이의 값이 낮아, 표면 거칠기성에 관해서도 기준을 만족하지 않는다.
본 발명에 따르면, 가전 제품이나 자동차 외판 등의 구조 재료에 적합한, 우수한 표면 거칠기성 및 성형성을 겸비한 고강도 알루미늄 합금판 및 그 제조 방법이 제공받을 수 있다.

Claims (3)

  1. Mg : 2.0 내지 3.3mass％, Mn : 0.1 내지 0.5mass％, Fe : 0.2 내지 1.0mass％를 함유하고, 잔량부가 불가피적 불순물과 Al로 이루어지고, 불가피적 불순물 중 Si : 0.20mass％ 미만인 화학 조성을 갖고, 금속간 화합물의 평균 원상당 직경 1㎛ 이하, 금속간 화합물의 면적율 1.2％ 이상, 재결정립의 평균 입경 10㎛ 이하, 인장 강도 220MPa 이상인 것을 특징으로 하는 표면 거칠기성 및 성형성이 우수한 고강도 알루미늄 합금판.
  2. 제1항에 기재된 고강도 알루미늄 합금판을 제조하는 방법으로서, 제1항에 기재된 화학 조성의 용탕을 쌍벨트 주조기에 주탕하고, 두께 6 내지 15㎜의 박슬라브를 슬라브 두께 1/4의 위치에 있어서의 냉각 속도 50 내지 200℃/sec로 연속적으로 주조하여 코일에 권취한 후, 냉연율 60 내지 98％의 냉간 압연을 행하여 최종 어닐링을 연속 어닐링로에 의해 승온 속도 100℃/min 이상, 또한 유지 온도 400 내지 520℃에서 유지 시간 5분 이내로 하여 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금판을 제조하는 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 최종 어닐링을, 상기 연속 어닐링로를 대신하여 배치 어닐링로에 의해 300 내지 400℃로 유지하여 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금판을 제조하는 제조 방법.
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