KR20180069330A - 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법 - Google Patents

고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 7XXX계열 알루미늄 판재에 펄스 전류를 인가하여 신율을 향상시킴으로써 성형성을 향상시키고, 성형 후 과시효 처리하여 잔류 응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시킨 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY PLATE PARTS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은, 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 7XXX계열 알루미늄 판재에 펄스 전류를 인가하여 신율을 향상시킴으로써 성형성을 향상시키고, 성형 후 과시효 처리하여 잔류 응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시킨 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
Aluminum 합금은 그 합금 원소의 성분에 따라 1000 시리즈부터 7000 시리즈까지 4 행의 숫자로 표시 되어진다.
알루미늄 합금의 강도는 합금 원소에 의해서 결정된다. 구리(Cu), 망간
(Mn), 아연(Zn), 규소(Si) 등의 원소는 알루미늄 합금의 온도가 올라갈수록 고용도가 높아진다. 따라서 열처리에 의해서 이들 합금 원소의 석출과 고용화에 의한 경화를 이룰 수 있다. 이러한 의미에서 이들 합금 원소가 첨가된 알루미늄 합금을 열처리 알루미늄 합금이라고 구분하다.
7XXX계 알루미늄 합금은 Al-Zn-(Mg, Cu)계 합금으로, Zn 을 주첨가 성분으로 하지만, 여기에 Mg 을 첨가한 고강도 열처리 합금이다. 특히 Al7075는 2024 보다 매우 높은 강도를 가지며, 현재 Al 합금중 최고의 강도를 갖고, 고강도 항공기용 재료, 내식용 재료로 사용된다.
고강도의 7XXX계 알루미늄 합금 판재는 스템핑 등의 냉간성형으로 제조되고 강도향상을 위해, 고용화 열처리후 시효처리를 하게 된다. (T6 열처리)
그러나 이러한 고강도로 인해 냉간성형시 성형성이 부족한 문제점이 있고, 잔류응력으로 인해 응력부식균열에 대한 저항성이 매우 낮은 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0933385 호 (2009.12.14)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 7XXX계열 알루미늄 판재에 펄스 전류를 인가하여 신율을 향상시킴으로써 성형성을 향상시키고, 성형 후 과시효 처리하여 잔류 응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시킨 고강도 알루미늄 합금 판재 부품 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법은 알루미늄 합금 판재에 전류를 인가하는 단계; 상기 알루미늄 합금 판재를 성형하는 단계;
상기 성형된 알루미늄 합금 판재를 과시효 처리 하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 판재는 7XXX계 알루미늄 합금을 포함 할 수 있다.
또한, 상기 전류는 직류 전류인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 전류는 지속시간이 0.5 초인 펄스 전류인 것을 특징으로 할 수있다.
또한, 상기 펄스 전류는 전류밀도가 180 내지 200A/mm2 로 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 펄스 전류는 300초 이상 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금 판재가 상기 전류의 인가를 통해 500 ℃ 이하의 온도로 가열되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 가열된 알루미늄 합금 판재를 서냉하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형 단계는 가열된 알루미늄 합금 판재가 상온까지 냉각되기 전에 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 과시효 처리는 121℃ 의 온도에서 4시간 유지한 후, 163 ℃ 온도에서 16시간 동안 이루어 지는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 판재 부품은 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명은, 7XXX계열 알루미늄 판재에 펄스 전류를 인가하여 가열함으로써 신율을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 신율의 향상으로 인한 성형성을 향상의 효과가 있다.
또한, 성형 후 과시효 처리하여 잔류 응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 펄스 전류의 인가 단계를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 과시효 처리 단계를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라 인가된 전류밀도 대한 신율의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 펄스 전류의 인가에 따른 결정립의 크기를 보여주는 사진.
도 5는 본 발명에 따른 펄스 전류의 인가에 따른 성형성 개선효과를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 펄스 전류 인가에 따른 성형성 개선효과를 보여주는 사진.
도 7은 본 발명에 따른 과시효 처리에 의한 강도 하락의 정도를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 과시효 처리에 의한 응력부식균열에 대한 저항성이 개선된 것을 보여주는 사진.
도 9는 본 발명에 따른 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법에 대한 흐름도.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 7XXX계열의 알루미늄 합금 판재를 이용하여 차량용 부품의 성형에 적합하도록 고강도를 유지하면서도 신율과 응력부식균열에 대한 저항성을 향상 시킨 알루미늄 합금 판재에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에서는 Al7075를 사용하였고, T6열처리 즉 고용화 열처리 후 시효처리된 알루미늄 합금 판재를 사용하였으나, 7XXX계열 알루미늄 합금 판재에 대해서도 적용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법은 알루미늄 합금 판재에 전류를 인가하는 단계(S100); 상기 알루미늄 합금 판재를 성형하는 단계(S200); 상기 성형된 알루미늄 합금 판재를 과시효 처리 하는 단계(S300);를 포함하여 이루어 질 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, T6 열처리된 알루미늄 합금 판재에 대해 펄스 전류를 인가하여 약 500℃ 이하의 온도까지 가열하였다. 이는 T6열처리를 통해 다수의 전위등 격자 결함이 도입되어 강도가 증가한 대신 연성이 떨어진 상태이므로, 저항발열 방식으로 가열하여 전위의 재배열을 일으켜 회복과정을 통해 다시 전연성을 부여하기 위함이다.
[표 1]은 인가한 전류밀도에 다른 신율의 변화를 비교하였다. 인장시험은 Al7075 시험편 JIS5호, 단축(1축) 인장시험으로 진행하였다.
이때, 인가하는 전류는 직류 전류이며, 지속시간이 0.5초인 펄스 전류를 인가하였으며, 전류밀도가 증가함에 따라 판재의 신율이 향상됨을 확인 할 수 있다.
또한, 상기 펄스 전류의 인가 시간은 300초 미만으로 인가한 경우는 충분한 가열이 이루어 지지 않으므로, 300초 이상의 시간 동안 인가하는 것이 바람직하다.
도 3의 (a)그래프는 170A/mm2의 전류를 300초 동안 인가한 경우의 신율이 15.6%로 향상된 것을 확인할 수 있고, (b)그래프는 200A/mm2 의 전류를 300초 동안 인가한 경우의 신율이 18.2%로 향상됨을 확인하였다. 다만 (c)그래프에서 나타난 바와 같이, 200A/mm2 을 초과하는 경우 오히려 신율이 하락하기 때문에, 본 발명에서는 최대 신율을 얻기 위해 180초과 200A/mm2 의 전류를 300초 이상 인가하는 것이 바람직하다.
인가 전류 밀도 (A/mm2) 신율(%)
원소재 (전류인가 X) 13.2
140~160 15.6
160~180 16.9
180~200 18.2
200~220 16.2
220~240 15.4
상기와 같이 펄스 전류를 인가함으로써 T6열처리된 7075 알루미늄 합금 판재를 약 500 이하의 온도까지 가열함으로써 회복과정에서 전위밀도가 감소하는 효과가 있고, 전위밀도가 낮을수록 연신율은 향상되는 것이다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 펄스 전류를 인가하여 500로 온도가 상승하면서 하중 감소가 발생하나, 신율은 13.2%에서 18.2%로 향상되었고, 그에 따라 도 6에 도시된 바와 같이, 전류 인가하지 않은 경우에 비해 성형 깊이가 약 1.5배 향상되는 효과가 있음을 확인할 수 있다.
다만, 가열된 7075알루미늄 합금 판재는 상온까지 서냉을 실시하는 과정에서 표 2에서처럼 소재의 강도는 일정부분 다시 증가하고, 신율은 감소하는 것을 확인할 수 있다.
[표 2]는 기본 Al7075(T6) 판재에 펄스 전류를 인가한 후 의 물성과 성형완료후 냉각된 후의 물성을 비교한 것이다.
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 신율(%)
A7075(T6) 기본물성 483 593 13.2
펄스전류 인가 후 물성 381 426 18.2
펄스전류 인가 성형 후 물성 468 512 14.3
즉, 상온까지 냉각이 진행된 후에는 신율이 감소하기 때문에, 상온까지 냉각되기 전 과정에서 성형이 이루어짐이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 펄스 전류를 인가하는 상태에서 성형이 이루어지는 것이 더욱 바람직하다.
상기와 같이, 펄스 전류의 인가를 통한 회복과정에서 일부 잔류 응력이 제거되었으나, T6열처리된 7075알루미늄 합금 판재는 잔류응력으로 인해 응력부식균열(Stress Corrosion Cracking:SCC)에 대한 저항성이 매우 낮은 문제점을 갖고 있다. 따라서, 성형 이후 잔류 응력의 제거를 위해, 본 발명에서는 과시효(T76)처리를 할 수 있다.
이때, 최대강도를 갖는 조건을 지나 인공시효처리를 하게되고, 최대강도를 갖기까지 110~130℃ 의 온도에서 약 1~24시간동안 유지하며, 바람직하게는 121℃ 의 온도에서 약 4시간 유지한 후, 과시효 처리를 위해 승온하여 150~170℃ 온도에서 약 10~16시간 유지하며, 바람직하게는 163 ℃ 온도에서 약16시간 동안 유지하여 과시효 처리하는 것이 바람직하다.
도 7 및 표 3을 참고하면, T76의 과시효 처리를 통해 기존의 T6의 시효처리에 비해 강도가 약 4% 하락하게 되나, 잔류 응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성이 향상됨을 확인할 수 있다.
응력부식균열에 대한 저항성 평가를 위해 SSRT 실험(Slow Strain rating Test, 1.7 X 10-6/sec, 부식 환경 : 3.5% NaCl 용액)을 진행하였고, 부식 환경인 3.5% NaCl 용액에서 실험 결과, T6 열처리한 Al7075의 경우 대기환경(121.2J/cm3 )에 비해 77.44J/cm3 으로 파괴에너지(Fracture Energy)가 약 36% 감소하였고, 본 발명에 따라 통상적인 T76의 방법으로 과시효 처리한 경우 106J/cm3 에서 85.22J/cm3 로 약 21.5%의 감소율을 보였고, 또한, 도 8에 도시된 바와 같이 기존의 시효처리된 Al7075 판재에서는 표면 산화피막 아래로 응력부식균열 현상이 관찰됨에 반해, 본 발명에 따른 과시효 처리된 Al7075알루미늄 합금 판재의 경우 응력부식균열 현상이 개선됨을 확인 할 수 있었다.
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 신율(%) SCC 저항성
A7075(T6)
기본물성		 483 593 13.2 Failed
T76 열처리 후
최종 물성		 472 566 13.8 Passed
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (11)

  1. 알루미늄 합금 판재에 전류를 인가하는 단계;
    상기 알루미늄 합금 판재를 성형하는 단계;
    상기 성형된 알루미늄 합금 판재를 과시효 처리 하는 단계;를
    포함하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 판재는 7XXX계 알루미늄 합금을 포함하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전류는 직류 전류인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 전류는 지속시간이 0.5 초인 펄스 전류인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 펄스 전류는 전류밀도가 180 내지 200A/mm2 로 인가하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 펄스 전류는 300초 이상 인가하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금 판재가 상기 전류의 인가를 통해 500℃ 이하의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 가열된 알루미늄 합금 판재를 서냉하는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 성형 단계는 가열된 알루미늄 합금 판재가 상온까지 냉각되기 전에 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 과시효 처리는 121℃ 의 온도에서 4시간 동안 유지한 후, 163℃ 온도에서 16시간 동안 이루어 지는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 판재 부품 제조방법.
  11. 제 1항 내지 10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 고강도 알루미늄 판재 부품.

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