KR20190063774A

KR20190063774A - 자동차용 합금 판재 및 그것의 제조방법

Info

Publication number: KR20190063774A
Application number: KR1020170162798A
Authority: KR
Inventors: 박찬훈
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2019-06-10

Abstract

본 발명은 알루미늄 판재의 상면과 하면에 마그네슘 합금 판재를 적층시킨 다층 판재를 고주파 열처리하는 단계, 상기 고주파 열처리하는 단계에 의해 열처리된 다층 판재를 압연하는 단계 및 상기 압연하는 단계에 의해 압연된 다층 판재를 인공 시효 처리하는 단계를 포함하는 자동차용 합금 판재 제조방법으로서, 본 발명에 의하면, 필러와이어의 적용 없이도 레이저 용접이 가능하고, 성형성 및 내식성이 향상된 자동차용 합금 판재를 제조할 수 있다.

Description

자동차용 합금 판재 및 그것의 제조방법{ALLOY SHEET FOR VEHIVLE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 자동차에 사용되는 합금 판재와 그것을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업에 있어서, 화석 연료 고갈 및 기후 변화 협약 등의 환경규제의 심화에 따른 친환경 자동차의 필요성이 증가하고 있다. 특히, 미래 자동차의 경우 하이브리드카, 전기자동차 및 연료전지차와 같은 전기차 기반의 자동차가 기존의 내연기관 자동차를 대체할 것으로 예상되고 있으며, 이러한 전기구동 기반 자동차의 경우 배터리 효율이 낮아 주행거리 및 ??행속도 등의 성능 개선에 대한 요구가 증가하고 있다.

또한, 미래 친환경 자동차의 경우, 연비규제 및 환경규제 뿐만 아니라 안전장치 및 주행 편의성 향상을 위해 장착되는 기능성 부품 수가 증가함에 따라 차량의 무게도 증가하고 있으며, 따라서 차량의 중량 감소를 위한 경량화 기술이 적용되고 있다.

차체 중량의 30% 정도를 차지하는 차체 및 섀시를 경량화하기 위해 현재 알루미늄, 마그네슘, 고분자 복합소재, 고강도 철강 소재 등이 적용되어 기존의 철강 소재를 점차 대체하고 있고, 알루미늄 합금의 경우 비강도가 우수하고 비교적 저렴한 소재 가격으로 철강 다음으로 가장 많이 사용되는 경량 금속소재이다.

종래 차량에 사용되는 고강도 7천계 알루미늄 판재는 강도 향상을 위해 용체화 처리 후 시효(T6)를 한 후, 스탬핑, 롤포밍 등의 냉간성형을 통해 부품으로 제조된다.

그런데, 알루미늄 판재를 레이저로 용접 시에는 용접품질 확보를 위해 필러 와이어를 공급해야만 하는 제한이 있다.

또한, 도 1과 같은 응력부식균열로 인해 부품에 적용하는 데 있어 한계가 있으며, 냉간성형 시 성형성의 한계로 인한 제한도 따른다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1347051호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 필러와이어의 적용 없이도 레이저 용접이 가능하고, 성형성 및 내식성이 향상된 자동차용 합금 판재 및 그것의 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 자동차용 합금 판재 제조방법은, 알루미늄 판재의 상면과 하면에 마그네슘 합금 판재를 적층시킨 다층 판재를 고주파 열처리하는 단계, 상기 고주파 열처리하는 단계에 의해 열처리된 다층 판재를 압연하는 단계 및 상기 압연하는 단계에 의해 압연된 다층 판재를 인공 시효 처리하는 단계를 포함한다.

여기서, 상기 압연하는 단계의 압하율은 60% 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 마그네슘 합금 판재는 아연이 5% 이상 7% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

또는, 상기 마그네슘 합금 판재는 알루미늄이 2% 이상 6% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 알루미늄 판재는 7XXX 계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하한다.

다음으로, 본 발명의 일 관점에 의한 자동차용 합금 판재는, 알루미늄 판재의 상면과 하면에 마그네슘 합금 판재가 적층된 다층 판재로 구성된다.

또한, 상기 마그네슘 합금 판재는 알루미늄이 2% 이상 6% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자동차용 합금 판재는 필러와이어 없이도 레이저 용접이 가능하여 원가를 절감할 수가 있다.

그리고, 기존의 알루미늄 단판에 비해 신율이 우수하여 성형성이 개선된다.

또한, 응력부식균열이 개선되어 부품 적용 시 내구성을 개선시킬 수 있다.

도 1은 종래 알루미늄 판재의 응력부식균열을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 자동차용 합금 부재의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 자동차용 합금 부재를 도식화한 것이다.
도 4는 용접 실험 예를 도시한 것이다.
도 5는 판재의 균열 감수성을 나타낸 것이다.
도 6은 정하중 시험 결과를 도시한 것이다.
도 7은 저변형율 시험 결과를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 다층 판재와 단일 판재의 파단면을 비교 도시한 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 의한 자동차용 합금 부재의 제조 과정을 개략적으로 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 의한 자동차용 합금 부재를 도식화한 것이다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 자동차용 합금 판재 및 그것의 제조방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 의한 자동차용 합금 판재는 기존의 알루미늄 단판과 달리 알루미늄 판재의 상면 및 하면에 마그네슘 합금 판재를 적층한 다층 판재로 구성된다.

여기서, 마그네슘 합금 판재는 마그네슘(Mg)과 아연(Zn), 알루미늄(Al)을 포함하는 합금 판재이다.

이는 도 2의 도시와 같이 롤 포밍 공정을 통해 알루미늄 판재와, 상부 마그네슘 합금 판재 및 하부 마그네슘 합금 판재를 적층 후에 고주파 열처리 과정, 압연 과정 및 인공시효처리 과정에 의해 알루미늄-마그네슘 다층 판재를 성형하여 도 3과 같이 다층 합금 판재로 제조된다.

적층에 앞서 접합력의 증대를 위해 표면 전처리를 하는 것이 바람직하다.

기존에 다층 판재를 제조하는 경우에는 약 250℃의 가열로를 통해 압연 온도를 상승시킨 후 압연을 하여 제조하였는데, 압하율 50% 이하에서도 접합부 균열이 발생하게 되며, 압하율 60% 이상 적용시에는 물론 접합면 크랙 및 강도 저하 현상이 발생하게 된다.

반면, 본 발명에 의한 제조방법은 알루미늄 판재와 마그네슘 합금 판재를 적층 후 고주파 열처리를 통해 가열한 후 압연함으로써, 균일하게 열처리가 되어 뒤틀림이 발생하지 않게 한다.

그래서, 표 1과 같이 압하율 60% 이상은 물론, 압하율 80% 이상의 높은 압하율로도 판재 제조가 가능하여 두께 저감이 가능하게 한다.

고주파 출력(kW)	온도(℃)	압하율(%)	균열발생 여부
3.5	180	60	○
3.5	180	70	○
4	200	60	×
4	200	70	○
4.5	210	60	×
4.5	210	70	○
5	220	60	×
		70	×
		80	○
5.5	250	60	×
		70	×
		80	×

즉, 고주파 출력 4kW 이상, 온도 200℃ 이상에서 압하율 60%까지는 균열이 발생하지 않으며, 고주파 출력 5kW 이상, 온도 220℃ 이상에서 압하율 70%까지는 균열이 발생하지 않는다.

그리고, 고주파 출력 5.5kW 이상, 온도 250℃ 이상에서는 압하율 80%인 경우에도 균열이 발생하지 않게 된다.

이와 같은 고주파 열처리를 통해 작은 압연기에 의해서도 압연의 수행이 가능하며, 균열 발생 문제를 해결할 수가 있다.

그리고, T6 인공 시효처리(160℃, 12시간)를 통해 시효 경화형 합금 판재를 제조할 수 있다.

이와 같이 제조되는 본 발명의 다층 합금 판재는 필러 와이어의 적용 없이도 뛰어난 용접성을 나타낸다.

도 4와 같은 용접 대상에 대해, 빔 이송 속도 1.8m/min, 입사각 7°, 와이어 공급속도 3.0m/min, Stick out 9.5mm, Defocus spot size 2.4mm의 레이저 용접 조건으로 용접을 실시한 결과를 표 2에 정리하였다.

소재	와이어 적용여부	용접섭		용접강도(품질관리기준)
A7075(T6)	적용		품질 양호	33kN(21.3kN↑)
A7075(T6)	미적용	외관 불량(기공 존재)	용접 불가	4kN(파단 강도 불만족)
본 발명 (마그네슘판재+A7075+마그네슘판재)	미적용		품질 양호	45kN(21.3kN↑)

기존 A7075 판재의 레이저 용접의 경우 필러와이어 미적용 시 강도 확보가 되지 못하며, 용접부 크랙 및 기공 발생으로 인해 외관 및 용접성이 열위함을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 다층 판재의 경우는 마그네슘 합금 판재로 인해 도 5에서 알 수 있듯이 균열 감수성 구간을 회피할 수 있으므로 필러 와이어 없이도 용접 강도를 확보할 수 있고 크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다.

본 발명의 합금 판재를 구성하는 마그네슘 합금 판재는 마그네슘(Mg)에 아연(Zn)과 알루미늄(Al)을 포함하는데, 아연은 고용강화에 의하여 강도를 증가시키기 위함이고, 알루미늄은 마그네슘 합금 표면에 안정한 산화알루미늄 화합물을 형성하여 내식성을 향상시키기 위함이다.

여기서, 아연(Zn)의 함량은 5~7%인 것이 바람직하다.

다음 표 3과 같이, 아연이 고용강화에 의해 강도를 증가시키기 위해서는 5% 이상이 첨가되어야 하고, 7%를 초과하여 첨가시에는 용접부 기공이 발생하게 된다.

레이저 용접 조건은 표 2에서와 같다.

소재	아연 함량	용접성	용접강도(품질관리기준)
본 발명 (마그네슘판재+A7075+마그네슘판재)	6.5% 첨가		45kN(21.3kN↑)
	7.5% 첨가		12kN(파단 강도 불만족)

그리고, 알루미늄의 함량은 2~6%로 첨가함으로써, 경질 Mg₁₇Al₁₂ 상이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.

다음 표 4와 같이, 산화알루미늄을 형성하기 위해서는 2% 이상의 알루미늄이 첨가되어야 하나, 6%를 초과하여 첨가시 경질 Mg₁₇Al₁₂ 상이 형성되어 고온에서 크리프 저항성을 감소시키게 된다.

레이저 용접 조건은 표 2에서와 같다.

소재	Al 함량	용접성	비고
본 발명 (마그네슘판재+A7075+마그네슘판재)	1.7% 첨가		산화 피막 미형성으로 표면 부식 발생
	2.3% 첨가		산화 피막이 형성됨

다음으로, 기계적 물성 평가 결과를 표 5와 같이 정리할 수 있다.

	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	신율(%)	굽힘성 (내측 반경 mm)
A7075(T6)	483	593	13.2	7R
본 발명 (마그네슘판재+A7075+마그네슘판재)	457	542	18.1(37%↑)	5R

평가 결과, 신율 37% 향상 및 굽힘성 28% 향상 효과를 보이고, 강도는 유사하였다.

이러한 신율 향상의 원인은 표 6에 정리된 조직 분석 결과를 통해 알 수 있다.

		A7075(T6)	본 발명 (마그네슘판재+A7075+마그네슘판재)	Rotation angle
미세 조직 사진(×10,000)
Boundary (rotation angle)	Low Angle boundary(2°~5°)=전위량	13%	9%
결정립 크기(grain size, ㎛)		15.78	12.09

정리한 바와 같이, 소재별 시편 단위 EBSD 분석 결과, 본 발명의 합금 판재가 알루미늄 단판 대비 변형시 전위량이 낮아지는 효과를 보이고, 전위량이 감소함에 따라 연신율이 향상되게 된다.

다음으로, 본 발명의 다층 판재의 응력부식균열 평가를 표 7과 같이 실시하였다.

응력부식균열은 응력이 존재하는 금속재료가 특정한 부식 환경 하에서 취성적으로 파괴되는 현상을 이른다.

구분	정하중 시험(Constant Loading Test)	저변형율 시험(Slow Strain rating Test)
시험 방법	내부 응력 모사를 위해 일정한 하중을 부여하여 파단 시간을 측정함(부식환경 : 3.5% NaCl)	일정한 속도로 대기상태(Air)와 부식환경(3.5% NaCl) 환경에서 파단 에너지 비교 평가
시험 조건	인장강도의 80% 하중 부과	변형률 속도 : 1.7×10^-6/sec

정하중 시험 결과는 도 6과 같으며, 다층 판재의 경우에 동일 부식환경에서 파단까지의 시간이 우위에 있음을 알 수 있다.

그리고, 저변형율 시험 결과는 도 7과 같으며, 다층 판재의 경우에 동일 부식환경에서 파단에너지 감소가 적음을 알 수 있다.

이와 같은 응력부식균열 평가 결과, 본 발명의 다층 판재의 경우 알루미늄 단판에 대비 응력부식균열 저항성이 28% 우위에 있음을 알 수가 있다.

그리고, 다층 판재의 경우 도 8(a)와 같이 파단면이 마그네슘 합금 판재의 영향으로 연성 파괴 현상을 보이는 반면, 알루미늄 단판의 경우 도 8(b)와 같이 취성 파괴 현상을 보이게 된다.

연성 파괴의 경우, 소성변형을 동반하기 때문에 균열이 빠른 속도로 전파되는 취성 파괴 대비 부식균열에 유리하다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims

알루미늄 판재의 상면과 하면에 마그네슘 합금 판재를 적층시킨 다층 판재를 고주파 열처리하는 단계;
상기 고주파 열처리하는 단계에 의해 열처리된 다층 판재를 압연하는 단계; 및
상기 압연하는 단계에 의해 압연된 다층 판재를 인공 시효 처리하는 단계를 포함하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 압연하는 단계의 압하율은 60% 이상인 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마그네슘 합금 판재는 아연이 5% 이상 7% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
청구항 3에 있어서,
상기 마그네슘 합금 판재는 알루미늄이 2% 이상 6% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 마그네슘 합금 판재는 알루미늄이 2% 이상 6% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄 판재는 7XXX 계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재 제조방법.
알루미늄 판재의 상면과 하면에 마그네슘 합금 판재가 적층된 다층 판재로 구성되는,
자동차용 합금 판재.
청구항 7에 있어서,
상기 마그네슘 합금 판재는 알루미늄이 2% 이상 6% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재.
청구항 7에 있어서,
상기 마그네슘 합금 판재는 아연이 5% 이상 7% 미만의 함량으로 첨가되는 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재.
청구항 7에 있어서,
상기 알루미늄 판재는 7XXX 계열의 알루미늄 합금인 것을 특징으로 하는,
자동차용 합금 판재.