KR20160091863A - 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재 - Google Patents

알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재 Download PDF

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조재형
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한국기계연구원
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Abstract

본 발명은 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재에 관한 것으로, 상세하게는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 합금및 판재를 2차 압연하는 단계(단계 3); 및 상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제공한다.
본 발명은 쌍롤 주조공정을 이용하여 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조함으로써 공정시간 및 비용을 감소시켰을 뿐만 아니라, 적절한 후속 가공 열처리 공정을 통하여 판재의 기계적특성 및 가공성이 상용 7000계열 알루미늄 합금보다 향상된 값을 가지므로, 상기 제조방법에 따라 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재는 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.

Description

알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재{Method for manufacturing of Al-Zn-Cu-Mg alloy sheet and Al-Zn-Cu-Mg alloy sheet thereby}
본 발명은 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재로 성형한 후, 후속 가공 열처리를 수행하는 제조방법 및 이에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재에 관한 것이다.
최근 전 세계적으로 수송기기 부품의 경량화를 통하여 연비 효율성을 향상시키려는 추세에 따라 경량·고강도 소재에 대한 요구가 증가하며, 이 중 알루미늄 합금은 우수한 주조성, 가공성, 기계적 특성, 내구한도, 재활용성 등으로 인하여 그 사용량이 급격하게 증가하고 있다.
특히 알루미늄 합금 중 주요 합금원소로서 아연, 마그네슘을 첨가하는 7000계 알루미늄 합금은 주로 항공기 소재로 적용되었으나, 높은 기계적 특성으로 인하여 최근 자동차, 전자기기용 케이스 등으로의 적용이 확대되고 있다.
그러나, 7000계 알루미늄 합금은 아연 등 첨가원소의 함량이 증가함에 따라 강도는 증가한 반면, 고액공존영역의 확장으로 주조결함의 발생이 쉽고, 가공성이 감소하여 여러 단계의 가공을 거쳐야만 하기 때문에 기존 철강소재에 비하여 최종 소재의 단가가 높다는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하기 위하여, 저렴한 제조공정으로 제조비용을 현실화시키고자 하는 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 그 중 하나가 용탕으로부터 직접 판재를 생산할 수 있는 박판주조법이다. 하지만 현재까지 개발된 박판주조법은 저합금계 알루미늄합금 제조기술에 국한되어 있으며, 강도가 우수한 고합금계 알루미늄합금에 대한 제조기술 확보는 전무한 실정이다.
한편, 알루미늄 합금 판재 제조에 관련된 종래의 기술로서, 대한민국 등록특허 제10-0933385호에서는 알루미늄 합금판 및 그의 제조방법이 개시된 바 있다. 구체적으로는, 쌍롤식 연속 주조 방법에 의해, 회전하는 한 쌍의 쌍롤 사이에 알루미늄 합금용탕을 주탕하고 주조하여, 질량%로, Mg: 8% 초과 14% 이하, Fe: 1.0% 이하 및 Si: 0.5% 이하를 포함하고, 판 두께가 1 내지 13㎜인 알루미늄 합금 판상 주괴를 수득하고, 이 주괴를 냉간 압연하여 판 두께 0.5 내지 3㎜의 알루미늄 합금 박판을 제조하는 방법에 있어서, 상기 쌍롤에 주탕 후에 상기 판상 주괴 중심부가 응고하기까지의 평균 냉각 속도를 50℃/s 이상으로 하여 주조하고, 또한 그 후의 공정에서 상기 판상 주괴 또는 박판을 400℃ 이상의 온도로 가열하는데 있어서는, 상기 판상 주괴 또는 박판의 중심부의 온도가 200℃로부터 400℃까지의 범위일 때의 평균 승온 속도를 5℃/s 이상으로 하고, 200℃를 초과하는 온도로부터 판상 주괴 또는 박판을 냉각하는데 있어서는, 200℃의 온도까지의 평균 냉각 속도를 5℃/s 이상으로 하여 냉각하는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 합금판의 제조방법이 개시된 바 있다.
그러나, 상기 알루미늄 합금은 Al-Mg계 합금, 즉 5000계 알루미늄 합금으로서, 상기 선행특허에서는 알루미늄 합금 중 가장 높은 강도를 갖는 7000계 합금에 대한 기재는 전혀 개시된 바가 없다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1251235호에서는 알루미늄 합금 후판 및 그 제조 방법이 개시된 바 있으며, 구체적으로는, Zn : 3.0 내지 9.0 질량%, Mg : 0.4 내지 4.0 질량%를 함유하고, 또한 Si : 0.7 질량% 이하, Fe : 0.8 질량% 이하, Cu : 3.0 질량% 이하, Mn : 0.8 질량% 이하, Cr : 0.5 질량% 이하, Ti : 0.1 질량% 이하, Zr : 0.25 질량% 이하 중 1종 이상을 함유하고, 잔부가 Al 및 불가피적 불순물로 이루어지는 알루미늄 합금을 용해하여 알루미늄 합금 용탕으로 하는 용해 공정과, 상기 알루미늄 합금 용탕으로부터 수소가스를 제거하는 탈수소 공정과, 상기 수소 가스가 제거된 알루미늄 합금 용탕으로부터 개재물을 제거하는 여과공정과, 상기 개재물이 제거된 알루미늄 합금 용탕을 주조하여 주괴를 제조하는 주조 공정과, 상기 주괴를 소정 두께로 열간 압연하여 열간 압연판을 제조하는 열간 압연 공정과, 상기 열간 압연판을 절단하여 소정의 압연 방향 길이 및 폭으로 하는 절단 공정과, 상기 절단된 열간 압연판의 표면을 평활화하는 평활화 처리 공정을 실행하며, 상기 평활화 처리 공정에 있어서, 상기 열간 압연판의 표면의 제거 두께가 편면 당 2㎜ 내지 5㎜인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 후판의 제조 방법이 개시된 바 있다.
상기 선행 특허에 의해 제조되는 알루미늄 합금 후판은 7000계 알루미늄 합금이지만, 본 발명과 같은 쌍롤 박판주조법이 아니라 먼저 주괴를 제조한 후, 이를 압연하는 공정을 거치므로 경제적이지 못한 단점이 있다.
이에, 본 발명의 발명자들은 저비용으로 고강도의 7000계 알루미늄 합금 판재를 제조하는 방법에 대한 연구를 수행하던 중, 쌍롤 박판주조법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 성형한 후, 후속 가공 열처리를 통하여 합금의 미세조직을 제어함으로써, 상업적으로 생산비용이 절감되어 생산성이 우수하며, 기계적 특성이 향상된 저비용 고강도 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하는 방법을 개발하고 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 합금및 판재를 2차 압연하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명은,
상기 알루미늄 합금 판재의 제조방법에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법은 쌍롤 주조공정을 이용하여 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조함으로써 공정시간 및 비용을 감소시켰을 뿐만 아니라, 적절한 후속 가공 열처리 공정을 통하여 판재의 기계적특성 및 가공성이 상용 7000계열 알루미늄 합금보다 향상된 값을 가지므로, 상기 제조방법에 따라 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재는 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 쌍롤 박판주조법을 통해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 표면을 나타낸 사진이고;
도 2는 본 발명에 따른 쌍롤 박판주조법을 통해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 미세조직을 나타낸 사진이고;
도 3은 본 발명에 따른 쌍롤 박판주조법을 통해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 조성을 나타낸 그래프이고;
도 4는 실시예 1 내지 실시예 9 및 상용 알루미늄 합금(7075-T4) 판재의 인장강도 및 연신율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은
알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 2차 압연하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 1은 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조하는 단계이다.
상기의 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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-구리-마그네슘 합금 용탕을 쌍롤 박판주조법을 통해 알루미늄 합금 판재로 제조한다.
상기 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 용탕은 5.0 내지 6.0 중량 %의 Zn, 1.0 내지 2.0 중량 %의 Cu, 2.0 내지 3.0 중량 %의 Mg, Al 잔부를 포함할 수 있다.
상기의 함량범위로 알루미늄 합금 용탕이 Zn, Cu, Mg을 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-구리-마그네슘 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-구리-마그네슘 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 2mm 미만일 경우에는 제조되는 판재의 두께가 얇아 후속 가공 열처리 공정을 수행하기 어려운 문제점이 있고, 롤의 간격이 10mm를 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 4 내지 10 mm의 두께일 수 있다.
만약, 제조되는 판재의 두께가 4mm 미만일 경우에는 두께가 얇아 후속 가공 열처리 공정을 수행하기 어려운 문제점이 있고, 제조되는 판재의 두께가 10mm를 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 5 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 4m/min 미만인 경우에는 판재 전체적으로 압연변형을 주어 판재 성형성 향상에 도움을 주는 전단변형의 발생이 어려운 문제점이 있고, 5m/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 1.8 mm 내지 5 mm가 될 때까지 반복적으로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 반복적 압연은 4 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-구리-마그네슘 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 2차 압연하는 단계이다.
구체적으로, 상기 단계 2의 1차 압연이 수행된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 200 - 300 ℃로 가열된 회전속도가 같거나 다른 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 발생한다.
상기 단계 3의 2차 압연은 23 내지 37 %의 압하율, 바람직하게는 평균 30% 의 압하율로 수행될 수 있다.
만약, 압하율이 23 % 미만인 경우에는 많은 횟수의 반복압연을 실시해야 하기 때문에 공정시간 및 비용이 증가하는 문제점이 있고, 37 %를 초과하는 경우에는 판재에 상당한 크랙이 발생하여 표면품질 및 기계적 성질이 저하하는 문제점이 발생할 수 있다.
상기 단계 3의 2차 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 1 mm 내지 2.5 mm가 될 때까지 반복적으로 이루어지는 것이 바람직하며, 특히 반복적 압연은 1 내지 3회로 수행될 수 있다.
상기 단계 3에서 두 개의 롤의 회전속도는 상부 롤과 하부 롤의 속도비가 1:1 내지 1:2.5로 수행되는 것이 바람직하며, 상대적으로 느린 회전속도를 가진 롤, 즉 상부 롤의 회전속도가 4 내지 6 m/min로 수행되는 것이 바람직하다.
만약, 상부 롤과 하부 롤의 속도비가 1:2.5를 초과하는 경우에는 두 개의 롤을 통과하여 나오는 알루미늄합금 판재가 굴곡되어 알루미늄합금 판재의 휨 현상이 발생하는 문제점이 있다.
특히, 상기 단계 3의 상부 롤과 하부 롤의 회전속도가 다른 경우에는 반복적 압연 시 판재 방향을 역전(압연방향과 수직한 방향을 축으로 180°회전)시켜 수행할 수 있다.
상기와 같이 판재를 회전시켜 압연하는 공정은, 판재 전체적으로 이상적인 전단변형을 유발하여 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 단계 3의 2차 압연 수행 전, 상기 단계 2에서 제조된 합금 판재를 350 내지 450 ℃에서 30 내지 120 분 동안 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
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 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 420 내지 530 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행될 수 있으며, 바람직하게는 485 내지 530 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행될 수 있다.
상기 조건으로 단계 4의 열처리가 수행됨에 따라 우수한 기계적 특성을 갖는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있으며, 특히, 485 내지 530 ℃에서 열처리를 수행하는 경우 기계적 강도를 유지하며 더욱 높은 연신율을 갖는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명은
상기 제조방법으로 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제공한다.
본 발명에 따른 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재는 향상된 미세구조를 가지며, 항복강도, 최대인장강도 및 연신율에서도 향상된 값을 가지므로, 경량 수송기기 부품 및 구조재료로 유용하게 사용할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 제조방법에 따라 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재는 30 내지 50 ㎛의 결정립 크기를 가지고, 430 내지 450 MPa 의 인장강도와 15 내지 20 % 의 연신율을 가지며, 7500 내지 8500 MPa%의 강도 연성 밸런스(인장강도×연신율)를 가진다.
이는 표 1 에 나타낸 바와 같이, 상용 알루미늄 합금인 7075-O, 7075-T4 보다 향상된 값이다. 즉, 상기 제조방법에 의해 제조된 본 발명의 알루미늄-아연-구리-마그네슘 판재가 종래의 상용 7075-O, 7075-T4와 비교하여 더욱 우수한 기계적 특성을 나타낼 수 있다.
합금명칭 인장특성
항복강도/MPa 인장강도/MPa 연신율/%
7075-O 105 230 16
7075-T4 205 395 12
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 구체적으로 설명한다. 단, 하기 실시예들은 본 발명의 설명을 위한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
단계 1: 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하기 위해 냉각수 라인이 포함된 수평형 쌍롤 주조장치를 사용하였다. 300 mm의 직경을 가진 냉각롤이 수평형 쌍롤 주조장치에 적용되었다.
알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금은 중량%로 Cu:1.49%, Si:0.11%, Fe:0.23%, Mn:0.045%, Mg:2.27%, Cr:0.22%, Zn:5.18%, Ti:0.05%, Ni:0.009, Al:잔부로 이루어진 상용 합금을 사용하였고, 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-구리-마그네슘 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.
두께 4.4 mm, 폭 150 mm 및 길이 6 m인 쌍롤 주조 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
단계 2: 단계 1에서 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 1.85 mm가 되도록 반복적으로 온간압연을 수행하였다.
단계 3: 단계 2에서 1차 압연한 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 다시 400 ℃에서 60 분 동안 어닐링한 후 후속 온간압연하였다. 후속 온간압연 시, 상/하부 롤의 회전속도 5 m/min, 예열온도 250 ℃에서 평균 30%의 압하율로 판재의 두께가 1.0 mm가 되도록 반복적으로 온간압연을 수행하였다.
단계 4: 단계 3에서 제조된 1.0 mm 두께의 판재를 470 ℃에서 60 분 동안 열처리하여 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 2>
단계 3의 2차 압연을 상/하부 롤의 회전속도가 각각 5 m/min, 10 m/min으로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 3>
단계 3의 2차 압연을 각 패스마다 판재 방향을 역전(압연방향과 수직한 방향을 축으로 180°회전)시켜 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 4>
단계 4의 열처리 온도를 500 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 5>
단계 4의 열처리 온도를 500 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 6>
단계 4의 열처리 온도를 500 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 7>
단계 4의 열처리 온도를 520 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 8>
단계 4의 열처리 온도를 520 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<실시예 9>
단계 4의 열처리 온도를 520 ℃에서 60 분 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 1>
단계 1: 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하기 위해 냉각수 라인이 포함된 수평형 쌍롤 주조장치를 사용하였다. 300 mm의 직경을 가진 냉각롤이 수평형 쌍롤 주조장치에 적용되었다.
알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금은 중량%로 Cu:1.49%, Si:0.11%, Fe:0.23%, Mn:0.045%, Mg:2.27%, Cr:0.22%, Zn:5.18%, Ti:0.05%, Ni:0.009, Al:잔부로 이루어진 상용 합금을 사용하였고, 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-구리-마그네슘 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.
두께 4.4 mm, 폭 150 mm 및 길이 6 m인 쌍롤 주조 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
단계 2: 단계 1에서 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 1.0 mm가 되도록 반복적으로 온간압연을 수행하였다.
단계 3: 단계 2에서 제조된 1.0 mm 두께의 판재를 470 ℃에서 60 분 동안 열처리하여 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 2>
*단계 3의 열처리 온도가 500 ℃, 시간이 5분인 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
<비교예 3>
단계 3의 열처리 온도가 520 ℃, 시간이 5분인 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재를 제조하였다.
단계 1(쌍롤 박판주조) 단계 2(1차 압연) 단계 3(2차 압연) 단계 4(열처리)
롤 속도(m/min) 롤 간격(mm) 롤 온도(℃) 평균 압하율(%) 롤 온도(℃) 평균 압하율(%) 상/하롤 속도비 판재 회전
(°)		 온도(℃) 시간(분)
실시예 1 5 4 250 25 250 30 1:1 0 470 60
실시예 2 5 4 250 25 250 30 1:2 0 470 60
실시예 3 5 4 250 25 250 30 1:2 180 470 60
실시예 4 5 4 250 25 250 30 1:1 0 500 60
실시예 5 5 4 250 25 250 30 1:2 0 500 60
실시예 6 5 4 250 25 250 30 1:2 180 500 60
실시예 7 5 4 250 25 250 30 1:1 0 520 60
실시예 8 5 4 250 25 250 30 1:2 0 520 60
실시예 9 5 4 250 25 250 30 1:2 180 520 60
비교예 1 5 4 250 25 × × × × 470 60
비교예 2 5 4 250 25 × × × × 500 5
비교예 3 5 4 250 25 × × × × 520 5
대조군
상용 알루미늄 합금인 7075-T4를 대조군으로 비교하였다.
상기 알루미늄 합금은 주괴로 만든 후 열간 및 냉간압연 하고, 이를 자연시효처리 하여 제작되었다.
<분석>
(1) 쌍롤 박판주조법에 의해 제조된 알루미늄 합금 판재의 표면 관찰
본 발명의 제조방법의 단계 1에 의해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 사진을 도 1에 나타내었다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상하부의 결함이 거의 없는 건전한 판재의 제조가 가능한 것으로 나타났다.
이를 통해, 기존에 저합금계에만 적용되었던 쌍롤 박판주조 공정을 7000계 알루미늄 합금에도 적용하여 판재를 생산할 수 있으며, 이로써 보다 경제적으로 고강도의 알루미늄 판재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.
(2) 쌍롤 박판주조법에 의해 제조된 알루미늄 합금 판재의 미세조직 관찰
본 발명의 제조방법의 단계 1에 의해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 측면(압연방향과 판면에 수직한 방향이 이루는 면)을 광학현미경으로 관찰하고 이를 도 2에 나타내었다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재는 표면부터 중심부까지 40 ㎛ 내외의 미세한 결정립으로 이루어진 것으로 나타났다.
이를 통해, 쌍롤 박판주조 공정을 통해서 미세한 결정립을 가지는 7000계 알루미늄 합금 판재의 제조가 가능함을 알 수 있다.
(3) 쌍롤 박판주조법에 의해 제조된 알루미늄 합금 판재의 조성 분석
본 발명의 제조방법의 단계 1에 의해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 두께 방향으로 성분을 분석한 결과를 도 3에 도시하였다.
도 3에 나타낸 바와 같이, Zn은 4.5 내지 6.3 중량 %, Mg은 1.8 내지 2.7 중량 %, Cu는 1 내지 2.4 중량 %의 조성분포를 가지는 것으로 나타났다.
이를 통해, 쌍롤 박판주조법에 의해 생산된 알루미늄 합금 판재가 단계 1에서 용탕에 Zn 5.18 중량 %, Mg 2.27 중량 %, Cu 1.49 중량 %으로 첨가한 것과 비슷한 수준의 조성 분포를 가지며, 또한 표면부터 중심부까지 비교적 균질한 조성분포를 가진다는 것을 알 수 있다.
<실험예 1> 인장시험
상기 실시예 1 내지 9에 의해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재와 대조군 및 비교예 1 내지 3의 기계적 특성을 관찰하기 위해, 게이지 길이 25 mm, 게이지 너비 6 mm, 두께 1 mm를 갖는 판상의 인장 시편을 제작하여 2.5 mm/min의 크로스헤드 스피드로 인장 시험을 수행하였고, 그 결과를 도 4와 표 3에 도시하였다.
인장강도(MPa) 연신율(%) 강도 연성 밸런스(%)
실시예 1 442.838 7.895 3496.206
실시예 2 416.647 9.906 4127.305
실시예 3 417.771 5.632 2352.886
실시예 4 431.439 9.130 3939.038
실시예 5 443.395 6.727 2982.718
실시예 6 438.364 5.740 2516.209
실시예 7 438.715 17.290 7585.382
실시예 8 449.230 17.060 7663.864
실시예 9 450.161 18.320 8246.950
비교예 1 354.948 21.810 7741.416
비교예 2 349.794 19.380 6779.008
비교예 3 345.810 15.240 5270.144
대조군 395.000 12.000 4740.000
도 4와 표 3에 도시한 바와 같이, 실시예 1 내지 9에 의해 제조된 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 경우 인장강도가 410 내지 450 MPa으로 나타났고, 대조군인 상용 알루미늄 합금의 경우에는 인장강도가 390 MPa의 수준으로 나타났다. 특히, 실시예 7 내지 9의 경우에는 인장강도가 약 438 내지 450 MPa로 높으면서도 17 내지 18 %의 높은 연신율을 갖는 것으로 나타났다.
또한, 단계 3을 생략한 비교예 1의 경우 약 355MPa 수준의 낮은 인장강도를 보였고, 열처리의 수행온도가 높더라도 열처리 시간을 단축한 비교예 2 및 비교예 3의 경우에는 이보다 더 낮은 수준의 인장강도를 보였다.
이를 통해, 쌍롤 박판주조 후, 후속 압연 및 열처리를 수행하여 합금의 미세조직을 제어함으로써 상용 알루미늄 합금보다 더 높은 수준의 인장강도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 2차 압연까지 수행된 경우가 1차 압연만 수행된 경우보다 높은 인장강도를 가짐을 확인할 수 있다.

Claims (24)

  1. 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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 합금및 판재를 2차 압연하는 단계(단계 3); 및
    상기 단계 3에서 제조된 알루미늄 합금 판재를 열처리하는 단계(단계 4);를 포함하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 용탕은 5.0 내지 6.0 중량 %의 Zn, 1.0 내지 2.0 중량 %의 Cu, 2.0 내지 3.0 중량 %의 Mg 및 Al 잔부를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 1의 쌍롤 박판주조된 알루미늄 합금 판재의 두께는 4 내지 10 mm 인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 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-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 롤 온도가 200 내지 300 ℃, 롤 속도가 4 내지 5m/min 인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 18 내지 32 %의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 평균 25% 의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 단계 2의 1차 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 1.8 mm 내지 5 mm가 될 때까지 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 반복적 압연은 4 내지 5회 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 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-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 압연은 롤 온도가 200 내지 300 ℃ 인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 압연은 23 내지 37 % 의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 압연은 평균 30% 의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 압연은 압연이 수행된 판재의 두께가 1 mm 내지 2.5 mm가 될 때까지 반복적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 반복적 압연은 1 회 내지 3회 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 단계 3의 2차 압연은 상부 롤과 하부 롤의 속도비가 1:1 내지 1:2.5인 조건으로 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 상부 롤의 회전속도가 4 내지 6 m/min.인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 상부 롤과 하부 롤의 회전 속도가 다른 경우, 알루미늄 합금 판재 방향을 역전(압연방향과 수직한 방향을 축으로 180°회전)시켜 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4의 열처리는 420 내지 530 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4의 열처리는 485 내지 530 ℃에서 50 내지 70 분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재의 제조방법.
  22. 제1항의 제조방법으로 제조되는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 판재의 결정립 크기는 30 내지 50 ㎛인 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 판재는 430 내지 450 MPa 의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미늄-아연-구리-마그네슘 합금 판재.
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