KR20180070935A - 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 - Google Patents

고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형시 응력이 집중되는 굽힘부에 국부적인 열처리를 통해 성형성을 향상시키고, 잔류응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 국부연화 고강도 알루미늄 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 에 관한 것이다.

Description

고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물{ROLL-FORMING METHOD OF HIGH STRENGTH ALUMINUM ALLOY AND ROLL-FORMING MOLDING USING THE SAME}
본 발명은, 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성형시 응력이 집중되는 굽힘부에 국부적인 열처리를 통해 성형성을 향상시키고, 잔류응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 국부연화 고강도 알루미늄 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물 에 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.
7000계 알루미늄 합금은 Al-Zn-(Mg, Cu)계 합금으로, Zn 을 주첨가 성분으로 하지만, 여기에 Mg 을 첨가한 고강도 열처리 합금이다. 특히 Al7075는 인장강도가 550MPa로 알루미늄 소재중 강도가 가장 높다고 알려져 있다.
하지만 고강도로 인해 냉간성형시 성형성이 부족할 뿐만 아니라, 잔류응력으로 인해 응력부식균열에 대한 저항성이 매우 낮은 문제점이 있다.
이러한, 응력부식균열문제로 7000계 알루미늄이 항공기에 적용될 때도 프레스 등 성형공정이 아닌 벌크 소재를 깎아서 만드는 방법으로 부품이 제조되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허 제 10-0616089 호 (2006.08.18)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 성형시 응력이 집중되는 굽힘부에 국부적인 열처리를 통해 성형성을 향상시키고, 잔류응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 국부연화 고강도 알루미늄 롤포밍 방법 및 그에 따른 롤포밍 성형물을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법은 알루미늄 합금 판재를 가공하여 각재를 형성하는 롤 포밍 방법에 있어서, 판재를 가압하여 단면에 변형이 시작되는 단계; 기 변형이 완료되어 적어도 하나 이상의 굽힘부를 포함하는 각재를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 각재를 형성하는 단계 이전에 상기 굽힘부를 부분적으로 가열하는 열처리 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열처리 단계는 상기 굽힘부에 일정시간 레이저를 조사하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열처리 단계는 상기 굽힘부를 350~400℃의 온도로 가열하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 7000계열의 알루미늄 합금일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물은 굽힘부가 형성된 알루미늄 합금 롤포밍 제품에 있어서, 상기 굽힘부에 부분적으로 가열하여 열처리함으로써, 성형시 굽힘부에 부분적으로 발생한 잔류응력을 제거한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 굽힘부는 일정시간 레이저를 조사하여 열처리된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 굽힘부는 350~400℃의 온도로 가열하여 열처리된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 알루미늄 합금은 7000계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 할
수 있다.
또한, 상기 성형물은 미세조직에 있어서, 경각이 2° 이상, 15°미만의 소경각입계의 비율이 21% 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 성형물은 차량용 범퍼빔인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 성형시 응력이 집중되는 굽힘부에 국부적인 열처리를 통해 성형성을 향상시키는 효과가 있다.
굽힘부에 집중되어 있는 잔류응력을 제거함으로써 응력부식균열에 대한 저항성을 향상시키는 효과가 있다.
고강도 알루미늄 소재의 적용으로 제품의 두께 저감이 가능하고, 경량화 및 그에 따른 연비향상의 효과가 있다.
굽힘부의 잔류응력을 제거함으로써 품질 및 치수 정확도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법을 개략적으로 보며주는 도면.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 성형물 및 굽힘부를 개략적으로 보여주는 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법에 있어서, 열처리 온도에 따른 신율의 변화를 보여주는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법에 있어서, 열처리 온도에 따른 강도의 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법에 있어서, 열처리 온도에 따른 소경각입계의 비율의 변화를 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법에 있어서, 열처리 온도에 따른 응력부식균열의 결과를 보여주는 사진.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 성형물에 있어서, 열처리 온도에 따른 단면부 크랙발생 정도를 보여주는 사진.
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.
설명에 앞서 본 발명은 7000계열의 알루미늄 합금 판재에 대한 롤포밍시에 굽힘부에 대한 응력제거 및 성형성 향상에 대한 것으로, 일반적으로 7000계 알루미늄 합금은 Cu,Mg,Si등 합금원소의 고용을 위해 약 490~530℃의 온도로 가열하는 용체화 처리후, 상온까지 급냉하여, 과포화된 고용체를 얻게 되고, 이를 일정온도에서 인공시효처리 또는 자연시효처리하여 제 2상을 석출시킴으로써 최대의 강도를 얻게 된다.
그러나, 이러한 고강도로 인해 성형성이 매우 낮고, 또한 부품으로 성형시 성형과정에서 발생한 응력에 의해 응력부식균열에 매우 취약하다. 응력부식균열(SCC : stress corrosion cracking)이란, 특정한 재료가 특정한 부식환경 속에서 인장응력이 가하여졌을 때
균열이 발생하여 전파하는 현상으로 부식환경, 예민한 합금, 응력이 동시에 만족되어야 발생한다. 특히, 고강도 7000계(Al-Zn-Mg-Cu) 알루미늄의 Cu원소가 MgCu2, AlMgCu2등 금속간 화합물 형성하고 부식 환경에서 공식(pitting corrosion)을 유도 하여 발생한다고 알려져 있다.
본 발명에서는 위 세가지 조건중 응력 조건을 완화하여 응력부식균열을 방지하고자 하였고, 이하 그 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법을 개략적으로 보며주는 도면이다.
도 1을 참고하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법은 알루미늄 합금 판재(200)를 가공하여 각재를 형성하는 롤 포밍 방법에 있어서, 판재를 가압하여 단면에 변형이 시작되는 단계; 상기 변형이 완료되어 적어도 하나 이상의 굽힘부(410)를 포함하는 각재를 형성하는 단계;를 포함하고, 이때, 판재가 절곡되어 단면에 변형이 시작된 후에, 목표했던 형상의 각재의 형성이 완료되기 이전에, 판재가 절곡되어 형성된 굽힘부(410)만을 부분적으로 열처리 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
알루미늄 합금의 롤포밍 공정은 일정두께로 압연된 판재를 가공을 원하는 형상에 따른 상부(310) 및 하부 롤러(320) 사이를 통과시킴으로써 연속적으로 이루어 지게 된다. 다만, 한번에 원하는 각도로 절곡할 경우 판재의 강도로 인해 파단이 발생할 수 있으므로, 변형이 시작된 후 다수의 형상 압연 롤러(300)를 통해 순차적으로 변형의 정도를 더해 나가게 되고, 최종적으로 목표했던 형상의 각재를 형성하게 된다.
특히, 본 발명에서와 같이, 7000계 알루미늄 합금판재의 경우 그 강도로 인해 판재를 굽힘가공하여 다수의 굽힘부를 갖는 각재로 가공한 경우, 성형과정에 있어서 그 성형성이 우수 하지 못할 뿐만 아니라, 최종 성형물에 있어서도 굽힘부에 집중된 응력으로 인해 응력부식균열이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 상기 성형과정에서 응력이 집중되는 굽힘부만을 부분적으로 가열하여 성형시 발생한 전위가 회복되면서 성형성을 향상시키고, 응력을 제거하여 부식환경에서의 응력집중부에 대한 균열을 방지하였다.
이러한 열처리 단계는 연속공정으로 이루어지는 롤포밍 공정상 짧은 시간내에 이루어져야 하고, 정밀한 온도 및 원하는 부위만의 정밀한 제어를 통한 열처리가 가능해야 하므로, 본 발명의 실시예에서는 상기 굽힘부에 일정시간 레이저를 조사하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이 경우 6축 로봇에 연동하여 사용 가능한 레이저는 급속가열이 가능하고, 다양한 빔사이즈를 보유하고 있어 열처리 폭을 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
이때, 굽힘부에 대한 국부적인 열처리 온도를 너무 높게 가열할 경우 상술한 바와 같이, 7000계 알루미늄의 강화 메커니즘인 용체화 처리가 풀어져서 강도가 저하되는 문제가 있고, 온도가 너무 낮을 경우 잔류응력 제거 효과가 미미할 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 상기 열처리 단계는 상기 굽힘부를 350~400℃의 온도로 가열하여 이루어지는 것이 바람직하다.
일반적으로 롤포밍이 진행되는 공정의 속도에 따라 소재에 레이저를 조사할 수 있는 시간은 약 2초 정도이고, 이후 계속적인 공정이 진행되는 과정에서 서냉된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 성형물(400) 및 굽힘부(410)를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2를 참고하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 성형물(400)은 굽힘부(410)가 형성된 알루미늄 합금 롤포밍 제품에 있어서, 상기 굽힘부(410)에 부분적으로 가열하여 열처리함으로써, 성형시 굽힘부(410)에 집중된 잔류응력을 제거하는 것이 기술적 사상의 핵심이다.
상술한 바와 같이, 상기 굽힘부(410)는 일정시간 레이저를 조사하여 열처리된 것을 특징으로 하고, 굽힘부(410)는 350~400℃의 온도로 가열하여 열처리된 것을 특징으로 한다. 일반적으로 롤 포밍이 진행되는 공정의 속도에 따라 상기 레이저는 약 2초간 조사될 수 있으나, 그 시간은 공정의 속도에 따라 조절가능하며, 상기 온도를 맞출 수 있다면 특별히 제한되는 것은 아니다.
또한, 상기 성형물은 미세조직에 있어서, 인접한 결정립의 방위차가 2° 이상~15°미만의 경계를 소경각입계로서 정의하고, 이 소경각입계의 비율이 21% 이하인 것을 특징으로 한다.
소경각입계의 비율이 클수록 입자내에 생성된 아결정립(Subgrain)의 직경이 작게되고, 하기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 아결정립의 직경이 작을수록 소재내에 잔류응력이 크게 된다. 따라서, 바람직하게는 표 1에 나타난 바와 같이 그 비율이 21%이하인 경우 굽힘부의 응력부식균열이 억제될 만큼 잔류응력이 제거되었음을 확인하였다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(α:the geometric constant, γ:boundary energy, D:the diameter of subgrain)
하기 표 1은 열처리 온도에 따른 응력부식균열. 성형성, 강도, 소경각입계의 비율을 정리하였다.
본 발명의 실시예 및 비교예에서는 결정립의 방위는 전자후방산란회절 분석기(EBSD: electron back scattering diffraction)로 측정하였고, 결정 재료는 결정립마다 각기 다른 방위를 갖고 있으므로 전자현미경에서 발생된 전자빔이 시료에 조사되었을 때 후방산란 전자의 회절 형태가 바뀌게 된다. 후방산란전자의 kikuchi pattern을 이용하여 각각의 결정립의 방위를 해석하였다. 또한, 상술한 바와 같이, 본 발명에 있어서는 인접한 결정립의 방위차가 2° 이상~15°미만의 경계를 소경각입계로서 정의하고 측정 하였다. Low angle boundary ratio (%)가 21% 이하에서 응력제거에 의해 응력부식균열을 억제할 수 있음을 확인하였다.
표 1 및 도 4에서 알 수 있듯이, 알루미늄 판재에 레이저로 2초간 열처리후 본 인장강도를 평가한 결과, 400℃까지는 강도가 유지되지만 500℃에서는 강도가 크게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이는 고온에서는 7000계 알루미눔 합금의 용체화 처리가 풀려 강도가 저하된 결과이다.
표 1및 도 3에서 알 수 있듯이, 신율은 약 300℃ 이상에서 유의미한 향상이 있음을 확인하였고, 도 5에서는 알루미늄판재에 5%의 선변형(pre strain)을 가하고 레이저로 2초간 열처리후 전자후방산란회절 분석기를 이용하여 잔류 응력을 측정하였다. 250℃부터 잔류응력이 감소하기 시작하여 약 350℃부근에서 크게 감소함을 확인하였다.
또한, 도 6에서는 잔류응력제거에 따라 응력부식균열의 발생여부를 확인하기 위해 굽힘부 재현평가법을 통해 균열여부를 평가하였고, 굽힘시편이 부식환경 즉, 3.5%NaCl 용액에서 300시간동안 크랙의 발생을 관찰한 결과, 250 ℃에서는 1.5일, 300 ℃ 는 3일 후 파단이 발생하였고 350 ℃ 에서는 300시간이 지나도 크랙이 발생하지 않았음을 확인하였다. 이는 350 ℃ 이상 열처리 조건에서는 응력부식균열이 억제될 만큼 잔류응력이 풀린다는 것을 의미하고, 이는 응력부식균열 발생 조건 3가지 인자 중 응력제거를 통해 개선된 결과이다.
도 7에서는 동일한 조건에서 실제 범퍼빔 부품에 대해 응력부식균열 시험을 진행하였고, 300 ℃에서는 굽힘부에 크랙이 발생하였지만 온도를 350 ℃로
올려서 성형할 경우 응력부식균열이 일어나지 않음을 확인하였고, 이는 앞에 시편단위 테스트와 동일한 결과이다.
구분 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4 실시에1 실시예2 비교예5 비교예6
열처리온도(℃) 150 200 250 300 350 400 450 500
True Strain (%) 30 32 33 45 64 82 118 190
Stress (Mpa) 510 506 503 495 489 485 410 300
Low angle
boundary ratio (%)		 47 47 44 39 21 12 9.3 6.3
성형성 X X X O O O O O
SCC X X X X O O O O
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 기존의 롤포밍공정에 있어서, 응력집중부 즉, 굽힘부에 국부적으로 레이저를 통해 350~400℃로 가열함으로써, 잔류 응력을 제거하여 응력부식피로에 대한 저항성이 향상되고, 성형성이 향상되는 효과가 있다.
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.
200: 알루미늄 합금 판재
100: 열처리 장치
300: 압연 롤러
400: 성형물
410: 굽힘부

Claims (10)

  1. 알루미늄 합금 판재를 가공하여 각재를 형성하는 롤 포밍 방법에 있어서,
    판재를 가압하여 단면에 변형이 시작되는 단계;
    상기 변형이 완료되어 적어도 하나 이상의 굽힘부를 포함하는 각재를 형성하는 단계;를
    포함하고, 상기 각재를 형성하는 단계 이전에 상기 굽힘부를 부분적으로 가열하는 열처리 단계를 더 포함하는 고강도 알루미늄 합금의 롤 포밍 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 상기 굽힘부에 일정시간 레이저를 조사하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열처리 단계는 상기 굽힘부를 350~400℃의 온도로 가열하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 7XXX계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금의 롤포밍 방법.
  5. 굽힘부가 형성된 알루미늄 합금 롤포밍 제품에 있어서,
    상기 굽힘부에 부분적으로 가열하여 열처리함으로써, 성형시 굽힘부에 부분적으로 발생한 잔류응력을 제거한 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 굽힘부는 일정시간 레이저를 조사하여 열처리된 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 굽힘부는 350~400℃의 온도로 가열하여 열처리된 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 알루미늄 합금은 7XXX계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 성형물은 미세조직에 있어서, 경각이 2° 이상, 15°미만의 소경각입계의 비율이 21% 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 성형물은 차량용 범퍼빔인 것을 특징으로 하는 알루미늄 합금 롤포밍 성형물.

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