KR20140069875A - 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 강소성가공법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동일 크기를 갖는 4개의 서로 다른 알루미늄판재를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연하는 과정을 연속적으로 다수회 반복함으로써 알루미늄의 강도 및 연성을 모두 증가시켜 제조된 고강도, 고연성 이종알루미늄 판재에 관한 것이다.
Description
본 발명은 강소성가공법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 동일 크기를 갖는 4개의 서로 다른 알루미늄판재를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연하는 과정을 연속적으로 다수회 반복함으로써 알루미늄의 강도 및 연성을 모두 증가시켜 제조된 고강도, 고연성 이종알루미늄 판재에 관한 것이다.
반복겹침접합압연(Accumulative Roll-Bonding; ARB)법은 금속소재의 결정립도(結晶粒度)를 서브마이크론(Submicron)까지 초미세화시킴으로써 기계적 특성을 향상시키는 강소성가공법 중의 하나이다.
일반적으로 압연(壓延)이나 압출(壓出) 등 기존의 소성가공법들은 가공량을 증가시키면 대상재료의 형상(단면적) 변화가 불가피하여 소재 내에 변형에너지를 축적시키는데 한계가 있을 수밖에 없다. 그러므로, 기존의 소성가공법들은 금속재료의 결정립미세화(結晶粒微細化) 및 고강도화(高强度化)에 큰 효과를 발휘하지 못하고 있는 실정이다.
반면에 반복겹침접합압연(ARB)법은 50%의 압하율(壓下率)로 압연을 할 경우 소재에 대해 1/2만큼의 두께 감소가 길이 방향으로 2배의 증가를 초래한다는 압연이론에 착안을 두어 개발된 방법으로, 반복적으로 접합압연(接合壓延)을 함으로써 이론적으로는 무제한으로 소성가공(塑性加工)을 실시할 수 있게 되고 판재의 결정립미세화 및 고강도화에 상당히 유효한 방법이라 할 수 있다.
일반적으로 ARB법은 동일한 재료의 판재를 표면처리 후에 2매 적층하여 압하율 50%의 접합압연을 행하고, 길이를 2등분하여 동일한 공정을 반복하는 방법으로 행해진다. 그러나 ARB법의 원리를 생각하면 목적에 따라서는 겹침수를 반드시 2층으로만 할 필요가 없으며 또한 동일한 재료를 사용하지 않아도 가능하다. 그러므로 최근에 종래의 ARB법을 응용한 다층겹침 ARB법, 이종금속 ARB법 등에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 여기서 이종금속ARB법은 초미세결정립 조직을 가진 층상복합재료의 제조가 가능하며 그로 인해 다양한 특성을 발현시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 압연시 이종 금속재료간의 변형 특성의 차이로 인하여 건전한 복합재료를 만들기가 어려운 점과 접합성에 있어서도 동종 합금에 비해 불리한 단점이 있다.
따라서, 상술된 문제점이 해결되어 기존의 반복겹침접합압연(ARB)법의 특성을 최대한 발휘함으로써 결정립미세화 및 고강도화를 달성함과 동시에 연성이 향상된 새로운 소재가 개발될 필요성이 있다.
본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구 노력한 결과 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 동일 크기를 갖는 이종(異種)의 알루미늄판재 4개를 표면처리한 후 겹쳐 고정하여 반복겹침접합압연(ARB)공정으로 압연함으로써 알루미늄의 강도를 증가시키고 그 후 어닐링 과정을 통하여 연성을 향상시키는 반복겹침접합압연공정에 의해 제조된 고강도/고연성 알루미늄판재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 반복겹침접합압연공정을 적용하여 연속 생산이 가능한 고강도/고연성 알루미늄판재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 이종 알루미늄합금의 ARB에 의해 제조한 복합 알루미늄합금은 이종의 알루미늄합금이 교대로 층상조직을 이루고 있으므로 어닐링 조건에 따라 더욱 다양한 복합조직과 기계적 특성을 발현시킬 수 있는 고강도/고연성 알루미늄판재를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이종의 알루미늄합금이 교대로 층상조직을 이루며, 상기 층상조직의 구조 및 기계적 특성이 어닐링 조건에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 층상조직은 서로 다른 알루미늄재질을 포함하는 4개의 판재에 대해 접합압연공정을 연속적으로 다수 반복하여 얻어진 층상복합알루미늄합금판재에 대해 어닐링단계를 수행하여 얻어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 4개의 판재는 순알루미늄판재 및 알루미늄합금판재를 1개 이상 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 접합압연공정은 동일한 크기의 4 개의 판재를 표면처리하는 단계; 상기 4 개의 판재를 겹쳐 고정시키는 단계; 상기 고정된 4 개의 판재를 압연하여 접합하는 단계; 및 상기 접합된 알루미늄합금판재를 1/2로 절단하는 단계로 이루어진다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 4 개의 판재를 겹쳐 고정시키는 단계는 상기 4 개의 판재가 서로 다른 재질의 판재와 면접되게 배치된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 어닐링단계는 상기 층상복합알루미늄합금판재를 100∼400℃에서 가열하는 단계; 및 상기 가열된 층상복합알루미늄합금판재를 공냉하는 단계를 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 어닐링단계의 가열온도를 제어하여 층상복합알루미늄합금판재의 강도 및 연신율이 제어된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가열온도가 100∼300℃인 경우, 상기 가열온도와 상기 층상복합알루미늄합금판재의 인장강도는 반비례관계이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가열온도가 300∼400℃인 경우, 상기 층상복합알루미늄합금판재의 파단연신율이 증가된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 가열온도가 300~400℃인 경우, 상기 층상복합알루미늄합금판재는 전체적으로 재결정이 발생하여 등축정재결정조직을 나타낸다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.
먼저, 본 발명에 의하면 이종의 알루미늄합금이 교대로 층상조직을 이루고 있으므로 어닐링 조건에 따라 더욱 다양한 복합조직과 기계적 특성을 발현시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 반복겹침접합압연(ARB)공정을 이용하여 연속적으로 제조된 고강도 및 고연성을 동시에 갖춘 복합 알루미늄합금을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면 자동차, 선박, 항공기 등 운송기기 산업과 냉장고를 비롯한 그 외 가전산업용 구조 소재로 실용화될 수 있는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반복겹침접합압연공정의 개략적인 공정개념도,
도 2는 비교예시편의 광학현미경 조직사진
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재1 내지 4의 어닐링 온도 증가에 따른 조직변화를 나타낸 광학현미경 조직사진,
도 7은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금1 내지 4의 공칭응력-공칭변형량(Nominal stress-Nominal strain) 곡선의 변화 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금1 내지 4의 기계적 특성 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 비교예시편의 광학현미경 조직사진
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재1 내지 4의 어닐링 온도 증가에 따른 조직변화를 나타낸 광학현미경 조직사진,
도 7은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금1 내지 4의 공칭응력-공칭변형량(Nominal stress-Nominal strain) 곡선의 변화 그래프,
도 8은 본 발명의 실시예들에서 제조된 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금1 내지 4의 기계적 특성 변화를 나타낸 그래프.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
본 발명의 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재는 이종의 알루미늄합금이 교대로 층상조직을 이루며, 상기 층상조직의 구조 및 기계적 특성이 어닐링 조건에 따라 제어되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 층상조직은 서로 다른 알루미늄재질을 포함하는 4개의 판재에 대해 접합압연공정을 연속적으로 다수 반복하여 얻어진 층상복합알루미늄합금판재에 대해 어닐링단계를 수행하여 얻어진다.
개략적인 공정개념도가 도시된 도 1을 참조하여 접합압연공정을 구체적으로 살펴보면, 먼저 동일한 크기의 4 개의 판재를 표면처리하는 단계(S100); 상기 4 개의 판재를 겹쳐 고정시키는 단계(S200); 상기 고정된 4 개의 판재를 압연하여 접합하는 단계(S300); 및 상기 접합된 알루미늄합금판재를 1/2로 절단하는 단계(S400)로 이루어진다.
S100은 미리 준비된 동일 크기(두께 1㎜, 폭 30㎜, 길이 300㎜)를 갖는 서로 다른 재질을 갖는 4매(枚)의 알루미늄판재(120)를 표면처리하게 된다. 이러한 표면처리는 서로 다른 알루미늄판재(121, 122)의 양면을 아세톤(Acetone)이나 알코올(Alcohol) 등으로 탈지처리한 후, 4매의 알루미늄판재(120)가 서로 접촉하는 한쪽 면 즉 S300에서의 압연에 의해 결합되는 면을 와이어브러싱(Wire brushung) 처리하는 것이다.
S200은 S100을 거친 4 개의 알루미늄판재(120)를 겹친 후, S300에서의 압연에서 어긋나지 않도록 스폿(Spot)용접 또는 철사 등으로 4개의 알루미늄판재(120)를 고정시키는 과정이다. 이 때 4개의 알루미늄판재는 4 개의 알루미늄판재가 서로 다른 재질의 판재와 면접되게 배치되는 것이 바람직하다.
이렇게 고정시킨 4개의 알루미늄판재(120)는 2단압연기(도시되지 않음)에서 압연하여 접합하게 되는 S300을 거치게 된다. S300은 2단압연기의 롤러(320)에 S200에서 겹쳐 고정된 4개의 알루미늄판재(120)를 삽입함으로써 냉간압연(冷間壓延)하여 접합(Roll-Bonding)시키게 된다. 이 때 냉간압연은 50%의 압하율(壓下率)로 압연하게 된다. 이는 50%의 압하율(壓下率)로 압연할 경우, 소재에 대해 1/2만큼의 두께 감소가 길이 방향으로 2배의 증가를 초래한다는 이론에 착안을 둔 것이다.
S300에서 접합되어 하나가 된 알루미늄판재(120)는 S400을 거치게 되는데, S400은 하나가 된 알루미늄판재(120)를 절단기(420)를 사용하여 길이방향으로 2등분되게 절단하는 과정이다.
이와 같이 S100에서 S400까지 거치는 과정을 1싸이클(Cycle)이라 하며, S400에서 이등분으로 절단된 알루미늄판재(120)는 다시 S100에서 표면처리하는 과정부시작하여 S200의 겹침 및 고정하는 과정과 S300의 냉간접합압연과정 및 S400의 절단하는 과정을 연속적으로 반복 실시하게 된다.
그리고 마지막 과정으로 적정 온도에서 어닐링 과정을 거친다.
실시예 1
두께 1mm, 폭 30mm, 길이 300mm의 순알루미늄판재(AA1050) 2매와 Al-Mg합금판재(AA5052) 2매를 준비하였다.
ARB는 실온, 무윤활 조건에서 롤의 직경 210mm의 압연기에 의해 롤의 주속 15.9m/s로 6c(c: cycle)까지 행하였으며, 절단, 표면처리, 겹침, 접합압연 등의 일련의 공정은 종래의 방법들과 동일하게 진행하였다. 6c 압연된 AA1050/AA5052 층상복합 알루미늄 합금(6c-ARB 가공한 시편)을 각각 100℃의 소정의 온도에서 30분간 가열한 후 공냉하여 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재1를 제조하였다.
실시예 2
200℃에서 30분간 가열한 후 공냉한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재2를 제조하였다.
실시예 3
300℃에서 30분간 가열한 후 공냉한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재3을 제조하였다.
실시예 4
350℃에서 30분간 가열한 후 공냉한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재4를 제조하였다.
비교예
실시예1에서 얻어진 6c-ARB 가공한 시편을 어닐링 하지 않은 상태로 준비하여 비교예시편(6c-ARB 가공한 시편)을 얻었다.
실험예 1
비교예에서 얻어진 6c-ARB 가공한 시편에 대하여 광학현미경(Optical Microscopy)에 의한 조직관찰을 실시하였고 그 결과를 도2에 나타내었다.
6c-ARB 가공재료는 도2에서와 같이 물결모양의 얇은 선형의 AA1050과 길이방향으로 두께의 편차가 크고 소시지 형상을 한 AA5052 합금이 층상을 이루고 있는 구조를 하고 있다. AA1050의 경우 서로 거리가 가까워져 합체하는 경우도 발생한다.
실험예 2
실시예1내지 4에서 얻어진 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재1 내지 4에 대하여 광학현미경(Optical Microscopy)에 의한 조직관찰을 실시하였으며, 그 결과를 도3 내지 도6에 나타내었다.
실시예1에서 얻어진 100℃의 어닐링재료(층상복합알루미늄합금판재1) 및 실시예2에서 얻어진 200℃어닐링재료(층상복합알루미늄합금판재2)의 경우 각각 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 AA1050 및 AA5052합금 모두 여전히 가공조직(deformation structure)을 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예3에서 얻어진 300℃어닐링재료(층상복합알루미늄합금판재3) 및 실시예4에서 얻어진 400℃어닐링재료(층상복합알루미늄합금판재4)의 경우 AA1050 영역 뿐 아니라 AA5052에서도 재결정이 발생하여 거의 전 영역이 등축정의 재결정조직(recrystallization structure)을 나타내었다.
상기 실험 결과는 어닐링 온도에 따라 층상복합알루미늄합금의 결정조직이 달라짐을 보여준다. 즉 어닐링 온도가 200℃ 까지 AA1050 과 AA5052 모두 여전히 가공조직을 나타내었지만, 300℃ 이상에서는 AA1050 과 AA5052 모두에서 재결정이 발생하여 시편 전체가 등축정의 재결정조직을 나타내었기 때문이다.
실험예 3
비교예시편 및 실시예1 내지 4에서 얻어진 어닐링한 재료 즉 층상복합알루미늄합금판재1 내지 4에 대하여 실온에서 인장시험을 실시하였다. 시험편은 KS 5호 시험편의 1/5 크기(평행부 폭 5mm, 표점간 거리 10mm)로, 인장축이 압연방향과 일치하도록 방전가공기로 잘라 준비하였다. 인장시험은 Instron형 재료시험기를 사용하여 실온에서 초기변형속도 8.3ㅧ 10-4s-1의 조건에서 행하였다. 또한, 전(全)연신율(파단연신율)은 인장시험 전과 후의 표점간 거리의 차이로부터 산출하였으며, 그 결과는 도 7 및 도 8에 나타내었다.
비교예시편(As ARBed)은 도 7에서와 같이 높은 강도와 낮은 연신율의 ARB가공재의 전형적인 공칭응력-공칭변형량 곡선을 나타낸다. 이와 같은 s-s 곡선 형태는 100℃ 어닐링 후에도 거의 동일하게 나타난다. 또한 200℃ 어닐링재의 경우도 강도만 감소하였을 뿐 여전히 낮은 파단 연신율(total elongation)을 나타낸다. 그러나 300℃이상의 어닐링재의 경우는 강도가 크게 감소하고 연신율, 특히 균일연신율(uniform elongation)이 크게 증가함을 알 수 있다.
어닐링에 따른 인장강도와 연신율의 변화를 나타낸 도 8에서와 같이 인장강도는 200℃ 까지 온도가 증가함에 따라 점진적으로 감소하지만 여전히 200MPa이상의 높은 강도 값을 유지한다. 그러나 150∼250℃ 영역에서 큰 강도 감소를 나타내고 300℃이상에서는 다시 점진적으로 감소하는 전형적인 연화 곡선을 나타낸다. 연신율은 200℃까지는 온도가 증가함에도 불구하고 오히려 다소 감소하다가 200℃이상에서 크게 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있는데, 이와 같은 연화곡선은 동일한 재료의 ARB재의 연화곡선과 매우 유사하였다.
상기 실험결과는 복합알루미늄합금의 인장강도가 어닐링온도가 증가함에 따라 감소하였으며, 특히 100∼300℃ 온도영역에서 크게 감소하였고, 파단연신율은 300℃ 어닐링 후에 크게 증가하였음을 보여준다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
120 ; 이종(異種)의 서로 다른 알루미늄판재
121 : 순알루미늄판재 122 : 알루미늄합금판재
320 : 롤러 420 : 절단기
120 ; 이종(異種)의 서로 다른 알루미늄판재
121 : 순알루미늄판재 122 : 알루미늄합금판재
320 : 롤러 420 : 절단기
Claims (10)
- 이종의 알루미늄합금이 교대로 층상조직을 이루며, 상기 층상조직의 구조 및 기계적 특성이 어닐링 조건에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 1 항에 있어서,
상기 층상조직은 서로 다른 알루미늄재질을 포함하는 4개의 판재에 대해 접합압연공정을 연속적으로 다수 반복하여 얻어진 층상복합알루미늄합금판재에 대해 어닐링단계를 수행하여 얻어진 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 2 항에 있어서,
상기 4개의 판재는 순알루미늄판재 및 알루미늄합금판재를 1개 이상 포함하는 것을 특징으로 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 2 항에 있어서,
상기 접합압연공정은 동일한 크기의 4 개의 판재를 표면처리하는 단계; 상기 4 개의 판재를 겹쳐 고정시키는 단계; 상기 고정된 4 개의 판재를 압연하여 접합하는 단계; 및 상기 접합된 알루미늄합금판재를 1/2로 절단하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 4 항에 있어서,
상기 4 개의 판재를 겹쳐 고정시키는 단계는 상기 4 개의 판재가 서로 다른 재질의 판재와 면접되게 배치되는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 2 항에 있어서,
상기 어닐링단계는 상기 층상복합알루미늄합금판재를 100∼400℃에서 가열하는 단계; 및 상기 가열된 층상복합알루미늄합금판재를 공냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 2 항에 있어서,
상기 어닐링단계의 가열온도를 제어하여 층상복합알루미늄합금판재의 강도 및 연신율이 제어되는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 7 항에 있어서,
상기 가열온도가 100∼300℃인 경우, 상기 가열온도와 상기 층상복합알루미늄합금판재의 인장강도는 반비례관계인 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 7 항에 있어서,
상기 가열온도가 300∼400℃인 경우, 상기 층상복합알루미늄합금판재의 파단연신율이 증가되는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
- 제 7 항에 있어서,
상기 가열온도가 300~400℃인 경우, 상기 층상복합알루미늄합금판재는 전체적으로 재결정이 발생하여 등축정재결정조직을 나타내는 것을 특징으로 하는 고강도-고연성 층상복합알루미늄합금판재.
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ID=51124889
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| KR (1) | KR20140069875A (ko) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101652262B1 (ko) | 2015-03-06 | 2016-09-09 | 순천대학교 산학협력단 | 금속 무늬를 가진 알루미늄 판재 및 그 제조방법 |
| CN109174965A (zh) * | 2018-08-17 | 2019-01-11 | 中南大学 | 一种制备极薄高性能多层铜/铜铝金属间化合物/铝复合箔材的方法 |
| CN112813333A (zh) * | 2020-11-11 | 2021-05-18 | 武汉轻工大学 | 一种TiN增强铝基复合材料及其制备方法 |
| CN113649413A (zh) * | 2021-07-20 | 2021-11-16 | 吉林大学 | 一种通过非对称累积叠轧工艺制备片层同质异构轻合金板材的方法 |
-
2012
- 2012-11-30 KR KR1020120137692A patent/KR20140069875A/ko not_active Application Discontinuation
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