KR20150047246A - 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법 - Google Patents

결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법 Download PDF

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조재형
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계(단계 1); 상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 1차 압연하는 단계(단계 2); 상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 쌍롤 주조공정을 이용하여 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제조함으로써 공정시간 및 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 상기 쌍롤 주조법으로 제조된 판재를 온간압연 및 냉간압연을 순차적으로 수행하고 열처리함으로써 판재의 결정립 미세화 및 균질화를 극대화함으로써, 연신율을 향상시킬 수 있다. 나아가, 상기 제조방법으로 제조된 알루미늄 판재는 연신율을 포함하는 강도연성밸런스가 크게 향상되어 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.

Description

결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법{Method for manufacturing of Al-Zn-Mg-Cu alloy sheet with refined crystal grains}
본 발명은 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 성형한 후, 냉간 압연을 포함하는 후속 가공 열처리를 수행하는 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법에 관한 것이다.
최근 국내·외적으로 환경규제가 강화되면서 완성차 산업뿐만 아니라 소재 산업에서도 에너지 절약 및 공해방지책으로 연비절감방안을 모색하고 있다.
일반적으로 연비를 개선하는 방안으로는 엔진효율 향상, 주행저항 감소, 차체 경량화 등이 거론되고 있으나 가장 효과적인 방법은 차체 경량화이며, 10 %의 경량화로 약 10 %의 연비를 향상시킬 수 있다고 알려져 있다.
이와 같은 이유로 기존 철강재를 가볍고 강도가 높은 알루미늄 합금으로 대체하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
하지만, 현재 제조되고 있는 고강도 알루미늄 판재는 잉곳 주조 후 열처리, 열간 및 냉간압연 등 복잡한 과정을 거쳐 제조되는 고비용 구조이며, 대형 슬라브 형태로 주조되기 때문에 정출상 및 개재물의 크기 제어에 어려움이 있다.
따라서, 알루미늄 합금을 자동차 부품에 확대 적용하기 위해서는 비강도, 가공성 등의 제반특성을 향상시킴과 동시에 기존의 철강소재 대체 시 수반되는 비용증가를 최소화하여 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 저비용 제조공정기술 개발이 요구된다.
이와 같은 금속 판재의 제조공정 기술로써, 쌍롤주조법(Twin-roll casting)은 주조와 열간압연이라는 두 가지 공정을 단일화하여 용탕으로부터 직접 판재를 제조할 수 있는 공정으로써, 주조 시 큰 냉각속도로 인하여 기존의 잉곳 주조에서는 얻기 힘든 미세한 주조 조직과 정출상을 제어하는 것이 가능하기 때문에 많은 금속학적 이점을 갖는다.
기존의 쌍롤주조법의 경우 고액공존영역의 온도범위 편차가 작아 비교적 조직제어가 용이한 저합금계 알루미늄 합금 판재를 경제적인 가격으로 생산하기 위하여 도입되었으나, 최근에는 공정의 정밀제어를 통하여 고강도 고합금계 알루미늄 판재를 생산하기 위한 연구가 시도되고 있다.
하지만, 고합금계 알루미늄 합금의 쌍롤주조의 경우 냉각속도의 차이에 의한 판재 표면부와 중심부의 고용원소 및 석출물 크기 편차가 발생하게 되며, 이는 후속 가공열처리 공정 시 미세조직 편차를 야기하여 판재의 물성을 저하시킨다.
따라서, 적절한 후속 가공 및 열처리 공정을 통한 미세조직 제어가 요구된다.
한편, 현재 상업적으로 사용되고 있는 AA7075 합금 판재의 조성 및 인장특성은 각각 하기 표 1 및 표 2와 같다.
합금명칭
합금성분 / 중량%
Al Zn Cu Mg Cr Mn Ti Si Fe 기타
7075-T4 bal. 5.10
-6.10
1.20
-2.00
2.10
-2.90
0.18
-0.28
≤0.30 ≤0.20 ≤0.40 ≤0.50 ≤0.15
합금명칭
인장특성
항복강도 / MPa 인장강도 / MPa 연신율 / %
7075-T4 205 395 12
알루미늄 합금 판재의 제조방법과 관련된 종래의 기술로서, 대한민국 공개특허 제10-2012-0135546호에서는 스칸듐 첨가 알루미늄 합금의 강도와 연신율 증가를 위한 용체화 처리 및 자연시효 단계를 포함하는 스칸듐 첨가 알루미늄 합금 제조방법이 개시된 바 있다. 구체적으로는, Al-Zn-(Mg)-(Cu)-(Zr)-(Ti)-Sc 합금의 주조 및 균질화 처리 단계 후 재결정 분율 및 vacancy-cluster 생성양을 제어하고 연신율을 증가시키기 위한 용체화 처리 단계; 및 상온에서 유지되는 동안 G.P zone으로 석출되어 강도를 증가시키기 위한 자연시효 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스칸듐 첨가 알루미늄 합금 제조방법이 개시된 바 있다.
그러나, 상기의 제조방법으로 알루미늄 합금을 제조하는 경우 연신율의 향상 정도가 미미한 문제점이 있다.
이에, 본 발명자들은 연신율이 향상된 7000계열 알루미늄 합금 판재의 제조방법에 대한 연구를 수행하던 중, 쌍롤 박판주조법으로 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 성형한 후, 온간압연 및 냉간압연을 순차적으로 수행하고, 열처리함으로써 알루미늄 합금 판재의 미세조직을 제어하여 연신율이 향상된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제조하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은
결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은
상기 방법에 따라 제조되는 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 1차 압연하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기 알루미늄 합금 판재의 제조방법에 따라 제조되는 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법은 쌍롤 주조공정을 이용하여 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제조함으로써 공정시간 및 비용을 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 쌍롤 주조법으로 제조된 판재를 온간압연 및 냉간압연을 순차적으로 수행하고 열처리함으로써 판재의 결정립 미세화 및 균질화를 극대화함으로써, 연신율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 상기 제조방법으로 제조된 알루미늄 판재는 연신율을 포함하는 강도연성밸런스가 크게 향상되어 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 실시예 1 내지 5 및 10 내지 13에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 미세조직을 나타낸 사진이고;
도 2는 실시예 1 내지 25에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 표면부(두께방향 표면)와 중심부(두께방향 중심)의 결정립 크기 측정 결과를 나타내는 그래프이고;
도 3은 실시예 1 내지 25에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 표면부(두께방향 표면)와 중심부(두께방향 중심)의 결정립의 종횡비(Aspect ratio) 측정 결과를 나타내는 그래프이고;
도 4는 대조군, 실시예 1 내지 실시예 5 및 비교예 1 내지 3에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 1차 압연하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계이다.
상기의 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금, 즉 7000계열의 알루미늄 합금은 Zn이 첨가되어 강도가 높아지는 대신, 고액공존구간이 넓기 때문에 주조 결함이 발생하기 쉬워 쌍롤 박판주조법을 적용하기 어려운 것으로 알려져 있으며, 종래기술에 따르면, 7000계열 알루미늄 합금 판재를 제조하기 위하여 먼저 알루미늄 합금 용탕을 주괴로 제조한 후 이를 압연하는 공정이 수행되고 있다.
이에, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 종래기술의 한계를 극복하고 7000계열의 알루미늄 합금을 박판주조법으로 제조하는 방법을 제공하며, 상기 단계 1에서는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조한다.
상기 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕은 5.0 내지 6.0 중량 %의 Zn, 2.0 내지 3.0 중량 %의 Mg, 1.0 내지 2.0 중량 %의 Cu, Al 잔부를 포함할 수 있다.
상기의 함량범위로 알루미늄 합금 용탕이 Zn, Mg, Cu를 포함하는 경우, 용탕으로부터 제조되는 알루미늄 합금 판재의 강도가 향상되는 효과가 있다.
특히, 주요 합금 원소인 Zn은 5.0 내지 6.0 중량 %의 함량으로 알루미늄 합금 용탕에 첨가되는 것이 바람직하다.
만약, Zn의 함량이 5.0% 미만인 경우에는 용탕으로부터 제조되는 알루미늄 합금 판재의 강도가 낮아지는 문제가 있고, 6.0% 초과하는 경우에는 용탕의 유동도가 감소하여 쌍롤 박판주조 도중 노즐입구가 일부 막히는 현상이 발생하기 때문에 건전한 판재의 연속적인 제조가 곤란한 문제점이 있다.
그러나, 상기 합금 용탕의 조성이 이에 제한되는 것은 아니며, 7000계열 합금 판재로 사용될 수 있는 금속 조성을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 단계 1의 쌍롤 박판주조는 롤 속도가 2 내지 10 m/min이고, 롤 간격이 2 내지 10 mm 인 조건으로 수행될 수 있으며, 바람직하게는 롤 속도 4 내지 6 m/min이고, 롤 간격이 3.0 내지 4.5 mm 인 조건으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 판재의 형상으로 제조하기 위해, 쌍롤주조법은 2 내지 10 m/min, 바람직하게는 4 내지 6 m/min의 속도로 회전하는 두 개의 롤 사이에 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 통과시킴으로써 수행된다.
이때, 두 개의 롤은 수평타입의 쌍롤로써, 수평으로 배치되고 상하 간격은 2내지 10 mm, 바람직하게는 3.0 내지 4.5 mm로 이격되어 있으며, 롤 내부로 흐르는 냉각수에 의하여 알루미늄 합금 용탕이 롤 사이를 통해 이송되면서 냉각되는 과정으로 이루어져 있다.
만약, 롤 속도가 2 m/min 미만인 경우에는 너무 낮은 롤 속도로 인하여 용탕이 응고되고 난 뒤에 롤을 빠져나가게 되기 때문에 압하력이 높아지고, 이에 따라 제조된 판재에 많은 크랙이 발생하는 문제점이 있다. 또한, 상기 롤의 회전속도가 10 m/min 를 초과하는 경우에는 용탕이 흘러내리는 문제점이 있어 판재가 제조되지 못하는 문제점이 있다.
또한, 만약, 롤의 간격이 2 mm 미만일 경우에는 제조되는 판재의 두께가 얇아 후속 가공 열처리 공정을 수행하기 어려운 문제점이 있고, 롤의 간격이 10 mm를 초과하는 경우에는 판재의 두께가 두꺼워 후속 가공 열처리 공정을 많이 수행해야 하는 문제점이 있다.
한편, 상기 단계 1의 쌍롤 박판주조를 통해 제조된 알루미늄 합금 판재는 2 내지 10 mm의 두께일 수 있다.
만약, 제조되는 판재의 두께가 2 mm 미만일 경우에는 두께가 얇아 후속 가공 열처리 공정을 수행하기 어려운 문제점이 있고, 제조되는 판재의 두께가 10 mm를 초과하는 경우에는 두께가 두꺼워 후속 가공 열처리 공정을 많이 수행해야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2는 상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 1차 압연하는 단계이다.
구체적으로 상기 1차 압연은 온간압연으로 수행될 수 있으며, 상기 1차 압연은 상기 단계 1에서 쌍롤 주조된 알루미늄 합금 판재를 200 내지 300 ℃로 가열된 4 내지 6 m/min의 속도로 회전하는 두 개의 롤 사이를 통과시켜 수행될 수 있다.
만약, 롤 온도가 200 ℃ 미만인 경우에는 균열 발생에 의한 압연 결함이 증가하는 문제가 있고, 300 ℃를 초과하는 경우에는 롤 표면과의 소착 현상이 발생할 수도 있으며, 설비 관리가 곤란한 문제가 발생할 수 있다.
또한, 만약, 롤 속도가 4 m/min 미만인 경우에는 판재 전체적으로 압연변형을 주어 판재 성형성 향상에 도움을 주는 전단변형의 발생이 어려운 문제점이 있고, 6 m/min 를 초과하는 경우에는 판재 중심부까지 변형을 야기시키지 못하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 1차 압연은 18 내지 32 %의 압하율, 바람직하게는 평균 25% 의 압하율로 수행될 수 있다.
만약, 압하율이 18 % 미만인 경우에는 많은 횟수의 반복압연을 실시해야 하기 때문에 공정시간 및 비용이 증가하는 문제점이 있고, 32 %를 초과하는 경우에는 판재에 상당한 크랙이 발생하여 표면품질 및 기계적 성질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 2의 1차 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 압연 수행 전 판재두께의 20 내지 60 %가 될 때까지 반복적으로 이루어질 수 있고, 상기 반복적 압연은 2 내지 5회 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 2의 1차 압연 수행 전, 상기 단계 1에서 제조된 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 어닐링 공정은 쌍롤 주조된 알루미늄 합금 판재를 일정한 온도로 가열한 다음에 천천히 냉각시키는 공정으로서, 알루미늄 합금 판재의 내부 조직을 고르게 하고 응력을 제거하는 공정이다.
상기 어닐링 공정은 쌍롤 주조된 알루미늄 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 가열한 후 냉각시킴으로써 수행될 수 있으며,
만약, 350 ℃ 미만의 온도로 어닐링 하는 경우에는 이전 압연단계에서 도입된 내부응력을 충분히 제거하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 450 ℃ 를 초과하는 온도로 어닐링을 수행하는 경우에는 표면 산화를 증가시키는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 30 분 미만의 시간 동안 어닐링 하는 경우에는 내부 응력이 충분히 제거되지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 120 분을 초과하는 시간으로 어닐링을 수행하는 경우에는 에너지 효율의 측면에서 과량의 에너지가 소모되는 문제점이 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1의 쌍롤주조를 통해 제조된 알루미늄 합금 판재는 고온의 상태를 유지하고 있기 때문에, 쌍롤주조장치와 압연기를 복수 스탠드로 배치하여, 상기 어닐링 과정을 생략하여 바로 상기 단계 2의 1차 압연을 수행하는 것 또한 가능하다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3은 상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하는 단계이다.
상기와 같이 1차 압연이 수행된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하고, 후속 열처리를 수행함으로써 결정립의 미세화 및 균질화를 극대화하여 판재의 연신율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 단계 3의 냉간 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 1차 압연이 수행된 판재 두께의 38 내지 95 %가 감소될 때까지 반복적으로 이루어질 수 있다.
만약, 상기 단계 3의 냉간 압연이 수행된 판재의 두께가 상기 1차 압연이 수행된 판재 두께의 38 % 미만의 두께 감소율로 압연이 수행되는 경우에는 충분한 변형량이 주어지지 않아 후속 단계 4의 열처리 시 재결정이 충분히 일어나지 않으므로, 미세조직이 조대하며 편차가 제거되지 않는 문제점이 있고, 95 %를 초과하는 두께 감소율로 압연이 수행되는 경우에는 두께가 0.2 mm 수준이기 때문에 매우 얇아 실제 제품에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3의 냉간 압연 수행 전, 상기 단계 2에서 제조된 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 어닐링 공정은 1차 압연된 알루미늄 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 가열한 후 냉각시킴으로써 수행하는 것이 바람직하다.
만약, 350 ℃ 미만의 온도로 어닐링 하는 경우에는 이전 압연단계에서 도입된 내부응력을 충분히 제거하지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 450 ℃ 를 초과하는 온도로 어닐링을 수행하는 경우에는 표면 산화를 증가시키는 문제점이 발생할 수 있다.
또한, 30 분 미만의 시간 동안 어닐링 하는 경우에는 내부 응력이 충분히 제거되지 못하는 문제점이 발생할 수 있고, 120 분을 초과하는 시간으로 어닐링을 수행하는 경우에는 에너지 효율의 측면에서 과량의 에너지가 소모되는 문제점이 발생할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 4는 상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계이다.
상기 단계 4의 열처리는 400 내지 550 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 480 내지 530 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행될 수 있다.
상기 조건으로 단계 4의 열처리가 수행됨에 따라 우수한 기계적 특성을 갖는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제조할 수 있으며, 특히, 480 내지 530 ℃에서 열처리를 수행하는 경우 기계적 강도를 유지하며 더욱 높은 연신율을 갖는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제조할 수 있다.
본 발명의 상기 단계 4에서 열처리된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 연신율은 24.0 % 이상의 연신율을 가지거나, 8900 MPa% 이상의 강도연성밸런스를 가질 수 있으며, 상기 연신율 및 강도연성밸런스를 동시에 만족할 수 있다.
또한, 상기 단계 4에서 열처리된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 결정립 크기는 5 내지 20 ㎛일 수 있다.
본 발명에서 제조되는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재는 적절한 온간가공, 냉간가공 및 열처리를 행하여 판재의 결정립 미세화 및 균질화를 극대화함으로써 상기와 같은 미세한 결정립의 크기를 가지므로, 이에 따라 강도는 유지되면서도 높은 연신율을 가질 수 있으며, 이에 따라 높은 강도연성밸런스를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명은,
상기 제조방법으로 제조되는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 제공한다.
본 발명에 따라 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재는 쌍롤 주조공정을 이용하여 제조됨으로써 공정시간 및 비용이 적게 들어 저렴한 가격으로 제공될 수 있다.
또한, 제조된 판재의 결정립 미세화 및 균질화가 극대화되어, 강도는 유지되면서도 연신율이 크게 향상되기 때문에 높은 강도연성밸런스를 나타내어 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<대조군>
상용 알루미늄 합금인 7075-T4를 대조군으로 비교하였다.
상기 알루미늄 합금은 T4처리(자연시효)가 수행되었다.
<실시예 1>
단계 1: 알루미늄 합금 판재를 제조하기 위해 냉각수 라인이 포함된 수평형 쌍롤 주조장치를 사용하였다. 300 mm의 직경을 가진 쌍롤은 수평형 쌍롤 주조장치에 적용되었다.
알루미늄 합금은 상용 AA7075 알루미늄 합금과 동일한 조성의 상용합금을 사용하였고 이를 740 ℃에서 용해한 후, 결정립 미세화제로 Al-5Ti-1B를 첨가하여 완전히 용해한 후, 730 ℃에서 10 분 동안 아르곤 가스를 주입하여 탈가스 처리 하였다.
680 ℃로 준비된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 폭 150 mm의 세라믹보드로 이루어진 턴디쉬에 주입하였다. 쌍롤 주조를 위해, 용융 금속은 용해로로부터 턴디쉬로 흐르게 하고, 턴디쉬의 주입구로 들어간 후 용융 금속은 회전하는 롤러 표면으로 이송되도록 하였다. 용융 금속은 냉각수에 의하여 냉각되는 쌍롤과 접촉하여 급속히 응고되고, 쌍롤 사이를 통과한다. 쌍롤의 회전속도는 5 m/min이고, 간격은 4 mm이다.
상기 공정을 통하여 두께 4.4 mm, 폭 150 mm 인 쌍롤주조 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
단계 2: 단계 1에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 400 ℃에서 60 분 동안 어닐링한 후 온간압연을 수행하였다. 온간압연 시, 상/하부 롤의 회전속도 5 m/min, 예열온도 250 ℃에서 평균 25 %의 압하율로 판재의 두께가 2.0 mm가 되도록 반복적으로 온간압연을 수행하였다.
단계 3: 단계 2에서 1차 압연한 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재를 다시 400 ℃에서 60 분 동안 어닐링한 후 상온에서 냉간압연을 수행하였다.
냉간압연 시, 상/하부 롤의 회전속도 5 m/min으로 단계 2에서 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재 두께보다 20 % 감소하여 1.6 mm의 두께를 갖도록 상온에서 반복적으로 압연을 수행하였다.
단계 4: 단계 3에서 제조된 1.6 mm 두께의 판재를 510 ℃에서 60 분 동안 열처리하고 수냉하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 2>
상기 실시예 1의 단계 3에서 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재의 두께가 40 % 감소하여 1.2 mm의 두께를 갖도록 반복적으로 압연을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 3>
상기 실시예 1의 단계 3에서 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재의 두께가 60 % 감소하여 0.8 mm의 두께를 갖도록 반복적으로 압연을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 4>
상기 실시예 1의 단계 3에서 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재의 두께가 80 % 감소하여 0.4 mm의 두께를 갖도록 반복적으로 압연을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 5>
상기 실시예 1의 단계 3에서 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재의 두께가 90 % 감소하여 0.2 mm의 두께를 갖도록 반복적으로 압연을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 6>
상기 실시예 1의 단계 4에서 410 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 7>
상기 실시예 1의 단계 4에서 440 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 8>
상기 실시예 1의 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 9>
상기 실시예 1의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 10>
상기 실시예 2의 단계 4에서 410 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 11>
상기 실시예 2의 단계 4에서 440 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 12>
상기 실시예 2의 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 13>
상기 실시예 2의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 14>
상기 실시예 3의 단계 4에서 410 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 15>
상기 실시예 3의 단계 4에서 440 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 16>
상기 실시예 3의 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 17>
상기 실시예 3의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 18>
상기 실시예 4의 단계 4에서 410 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 19>
상기 실시예 4의 단계 4에서 440 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 20>
상기 실시예 4의 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 21>
상기 실시예 4의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 4와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 22>
상기 실시예 5의 단계 4에서 410 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 23>
상기 실시예 5의 단계 4에서 440 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 24>
상기 실시예 5의 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 25>
상기 실시예 5의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 1>
상기 실시예 1의 단계 3에서 예열온도를 250 ℃로 하고, 1차 압연을 수행한 알루미늄 합금 판재의 두께가 50 % 감소하여 1.0 mm의 두께를 갖도록 반복적으로 온간압연하고, 단계 4에서 460 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 2>
상기 비교예 1의 단계 4에서 490 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 3>
상기 비교예 1의 단계 4에서 510 ℃에서 열처리를 수행한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 수행하여 알루미늄 합금 판재를 제조하였다.
단계 3의 압연방법 단계 3의 최종압하율(%) 단계 4의 열처리 온도(℃)
실시예 1 냉간 20 510
실시예 2 냉간 40 510
실시예 3 냉간 60 510
실시예 4 냉간 80 510
실시예 5 냉간 90 510
실시예 6 냉간 20 410
실시예 7 냉간 20 440
실시예 8 냉간 20 460
실시예 9 냉간 20 490
실시예 10 냉간 40 410
실시예 11 냉간 40 440
실시예 12 냉간 40 460
실시예 13 냉간 40 490
실시예 14 냉간 60 410
실시예 15 냉간 60 440
실시예 16 냉간 60 460
실시예 17 냉간 60 490
실시예 18 냉간 80 410
실시예 19 냉간 80 440
실시예 20 냉간 80 460
실시예 21 냉간 80 490
실시예 22 냉간 90 410
실시예 23 냉간 90 440
실시예 24 냉간 90 460
실시예 25 냉간 90 490
비교예 1 온간 50 460
비교예 2 온간 50 490
비교예 3 온간 50 510
<실험예 1> 알루미늄 합금 판재의 미세조직 관찰
상기 실시예 1 내지 5 및 10 내지 13에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 미세조직을 관찰하기 위해, 알루미늄 합금 판재의 측면(압연방향과 판면에 수직한 방향이 이루는 면)을 광학현미경으로 관찰하고 이를 도 1에 나타내었으며, 상기 실시예 1 내지 25에서 제조된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 결정립 크기 및 종횡비를 관찰하고, 이를 도 2 및 도 3에 도시하였다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따라 1차 압연된 판재 두께의 40 % (1.2 mm) 감소하도록 상온에서 반복적으로 냉간 압연된 판재는, 열처리의 온도 410 ℃에서 510 ℃로 증가할수록, 즉, 실시예 10에서 실시예 13 및 실시예 2로 갈수록 결정립이 40 ㎛ 에서 25 ㎛로 미세해지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 동일한 두께 감소율(가공량)에 대하여 열처리 온도가 높을수록 재결정이 용이하기 때문이다.
또한, 1차 압연된 판재의 두께가 20 내지 90 %(1.6 내지 0.2 mm) 감소하도록 상온에서 반복적으로 냉간 압연된 판재를 510 ℃의 온도로 열처리를 수행할 경우에는, 두께의 감소율이 클수록, 즉, 실시예 1에서 실시예 5로 갈수록 결정립이 50 ㎛ 에서 10 ㎛ 수준으로 미세해지는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 단계 4의 열처리의 온도가 증가할수록 또는, 단계 3의 냉간압연시 두께 감소율이 클수록 결정립이 미세해짐을 알 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 평균 결정립의 판재 표면과 중심 사이의 차이는, 열처리의 온도가 증가할수록, 또는 냉간압연시 두께 감소율이 클수록 줄어드는 경향을 나타내었다.
이때, 결정립 종횡비는 다음의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
<수학식 1>
결정립 종횡비 = 결정립의 RD방향 길이 / 결정립의 TD방향 길이
이와 같이, 냉간압연단계에서 최종 두께를 많이 감소시킬수록, 열처리단계의 열처리 온도를 증가시킬수록 결정립이 미세해지고 결정립 종횡비가 감소하며, 판재 표면부와 중심부의 편차 또한 사라짐을 알 수 있다.
<실험예 2> 알루미늄 합금 판재의 기계적 강도 관찰
상기 실시예 1 내지 5에 의해 제조된 알루미늄 합금 판재와 비교예 1 내지 3 및 대조군의 기계적 특성을 관찰하기 위하여, 게이지 길이 25 mm, 게이지 넓이 6 mm, 최종 판재 두께를 갖는 판상의 인장시편을 제작하여 1 mm/min의 크로스헤드 스피드로 인장 시험을 수행하고, 그 결과를 표 4와 도 4에 도시하였다.
인장강도 / MPa 연신율 (%) 강도연성밸런스(MPa%)
실시예 1 373.0 20.5 7646.5
실시예 2 393.7 24.0 9448.8
실시예 3 362.4 24.8 8987.5
실시예 4 370.9 26.6 9865.9
실시예 5 365.2 25.3 9239.6
비교예 1 442.8 7.9 3498.1
비교예 2 431.4 9.1 3925.7
비교예 3 438.7 17.3 7589.5
대조군 395.0 12.0 4740.0
표 4과 도 4에 도시한 바와 같이, 실시예 2 내지 5에 의해 제조된 알루미늄 합금 판재의 경우 360 내지 395 MPa의 최대 인장강도와 24 내지 27 %의 연신율을 나타내었고, 대조군인 상용 알루미늄 합금의 경우에는 395 MPa의 최대 인장강도와 12 %의 연신율을 나타내었다.
또한, 실시예 1 내지 5와 달리 냉간압연단계 대신 온간압연을 수행한 비교예 1 내지 3의 경우 430 내지 443 MPa의 최대 인장강도와 8 내지 17 %의 연신율을 나타내었다.
이를 통해, 쌍롤 박판주조 후, 후속 냉간압연 및 열처리 공정을 수행하여 판재의 미세조직을 제어함으로써 상용 알루미늄 합금보다 더 높은 수준의 연신율을 가짐을 알 수 있다. 나아가, 인장강도도 일정 수준으로 유지할 수 있어, 높은 강도연성밸런스를 나타낸다.

Claims (17)

  1. 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계(단계 1);
    상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 1차 압연하는 단계(단계 2);
    상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 냉간 압연하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 용탕은 5.0 내지 6.0 중량 %의 Zn, 2.0 내지 3.0 중량 %의 Mg, 1.0 내지 2.0 중량 %의 Cu 및 Al 잔부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 쌍롤 박판주조는 롤 속도가 2 내지 10 m/min이고, 롤 간격이 2 내지 10 mm 인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 쌍롤 박판주조된 알루미늄 합금 판재의 두께는 2 내지 10 mm 인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연 수행 전, 상기 단계 1에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 롤 온도가 200 내지 300 ℃, 롤 속도가 4 내지 6 m/min 인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 18 내지 32 %의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 평균 25 %의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 압연 수행 전 판재두께의 20 내지 60 %가 될 때까지 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반복적 압연은 2 내지 5회 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 냉간 압연 수행 전, 상기 단계 2에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 어닐링하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 냉간 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 1차 압연이 수행된 판재 두께의 38 내지 95 %가 감소될 때까지 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4의 열처리는 400 내지 550 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4에서 열처리된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 연신율은 24.0 % 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4에서 열처리된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 강도연성밸런스는 8900 MPa% 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4에서 열처리된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 결정립 크기는 5 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법.
  17. 제1항의 제조방법으로 제조되는 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재.
KR1020130127075A 2013-10-24 2013-10-24 결정립이 미세화된 알루미늄-아연-마그네슘-구리 합금 판재의 제조방법 KR20150047246A (ko)

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