KR20200003261A - T4 템퍼의 에이징 경화성 알루미늄 합금의 온간 성형 방법 - Google Patents

T4 템퍼의 에이징 경화성 알루미늄 합금의 온간 성형 방법 Download PDF

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Abstract

에이징-경화성 알루미늄 합금, 예컨대 T4 템퍼의 2XXX, 6XXX 및 7XXX 알루미늄 합금을 성형하기 위한 방법, 또는 알루미늄 합금 시트를 포함하는 이러한 합금으로부터 제조된 물품이 기재되어 있다. 본 방법은 성형 단계 이전 및/또는 그와 동시에 시트 또는 물품을 가열하는 것을 수반한다. 시트는 약 3-600℃/s, 예를 들면, 3-90℃/s의 범위 내의 특정 가열 속도로, 약 100-600℃의 범위의 특정 온도로 가열된다. 온도 및 가열 속도의 이와 같은 조합은 시트 특성의 유리한 조합을 야기할 수 있다.

Description

T4 템퍼의 에이징 경화성 알루미늄 합금의 온간 성형 방법 {A PROCESS FOR WARM FORMING AN AGE HARDENABLE ALUMINUM ALLOY IN T4 TEMPER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2015년 10월 8일에 출원된 미국 가특허출원 일련번호 제62/239,014호에 대한 우선권 및 출원 이익을 주장하고, 이는 그 전문이 본원에 참조로 포함되어 있다.
본 발명의 기술분야
본 발명은 알루미늄 합금의 기술분야 및 관련 기술분야에 관한 것이다.
알루미늄 합금은 구조적 강도 및 충돌 저항성과 함께 저밀도를 가지며, 이로부터 자동차 산업분야에서 구조체 및 본체의 제조용으로 이들이 촉망 받는다. 그러나, 알루미늄 합금은 가공성 스틸(draw-quality steel)과 비교하여 낮은 성형성을 가진다. 일부 경우에서, 알루미늄 합금의 상대적으로 낮은 성형성은 양호한 부품 디자인을 얻는데 있어서 곤란성을 야기할 수 있고, 파단 또는 주름으로 인해 불량의 문제점을 일으킬 수 있다. 알루미늄 합금 시트의 온간 성형은 알루미늄 합금이 고온에서 증가된 성형성을 나타내기 때문에 이러한 도전과제를 극복하기 위해 자동차 산업분야에서 사용되고 있다. 일반적으로, 온간 성형은 고온에서 금속을 변형시키는 공정이다. 온간 성형은 금속의 가단성을 최대화하지만 그것의 자체의 도전과제를 일으킬 수 있다. 일부 경우에서, 가열은 알루미늄 합금 시트의 기계적 특성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 가열된 알루미늄 합금 시트는 스탬핑 작업 과정에서 감소된 강도를 나타낼 수 있고, 감소된 강도 특징은 합금 시트의 냉각 이후 지속될 수 있다. 또한, 알루미늄 합금 시트의 가열은 스탬핑 작업 과정에서 알루미늄 합금 부품의 증가된 박편화(thinning)를 야기할 수 있다. 알루미늄 합금 시트 또는 부품은 또한 이의 금속성 상태에서의 바람직하지 않은 변화를 겪을 수 있다.
대개 자동차에서의 패널의 생산을 위해 사용되는 열 처리가능한, 에이징-경화성 알루미늄 합금, 예컨대 2XXX, 6XXX 및 7XXX 알루미늄 합금은 전형적으로 제조자가 스탬핑 또는 프레싱에 의해 원하는 자동차 패널을 제조하기 위해서 연성 T4 템퍼의 알루미늄 시트의 형태로 제조자에게 제공된다. 요구되는 강도 사양을 충족시키는 기능성 자동차 부품을 제조하기 위해, T4 템퍼의 알루미늄 합금으로부터 제조된 부품은 전형적으로 제조후 열처리되고, 이후 에이징 경화되고, 이는 T6 템퍼의 부품 또는 시트를 생성한다. 온간 성형 단계 과정에서 열처리가능한, 에이징 경화성 알루미늄 합금의 온도를 증가시키는 것은 T6 템퍼로 알루미늄 합금 부품 또는 시트를 영구적으로 변환시킬 수 있고, 이는 후속 성형 단계에 부정적인 영향을 미칠 수 있는 성형성을 감소시킬 뿐만 아니라 제조후 열처리 및/또는 에이징 과정에서 부품을 경화시키는 제조자의 능력에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 알루미늄 합금 부품의 제조자는 부품 제조를 위해 사용하는 알루미늄을 제조하기 위해 개선된 온간 성형 공정을 필요로 한다.
요약
본 발명의 전환된 구현예는 본 요약이 아닌 청구항에 의해 정의된다. 이러한 요약은 본 발명의 다양한 양태의 높은 수준의 개요이고, 하기 상세한 설명 부분에 추가로 기재되는 일부 개념을 소개한다. 이러한 요약은 청구된 주제의 중요한 또는 본질적인 특징을 확인하는 것으로 의도되지 않고, 또는 청구된 주제의 범위를 결정하기 위해 별개로 사용되는 것으로 의도되지 않는다. 주제는 전체 명세서, 임의의 또는 모든 도면 및 각각의 청구항의 적절한 부분에 대한 참조로 이해되어야 한다.
에이징 경화성 알루미늄 합금을 성형하는 공정을 개시하고 있다. 개시된 공정은 합금의 적절한 강도 특성을 유지하면서도 알루미늄 합금의 성형성을 증가시키는 조건 하에 에이징 경화성 알루미늄 합금의 온간 성형을 가능하게 한다. 본원에 개시된 공정은 스탬핑 과정에서 알루미늄 합금 부품의 박편화를 제한하고, 합금 부품의 금속성 상태 및 경화 능력을 보존할 수 있다. 이러한 신규한 공정은 T4 특성 예컨대 강도, 신율 및 에이징 능력을 유지하면서도 인장 신율에 있어서 놀랍게도 강철과 경쟁할 수 있는 알루미늄 합금 부품을 제조하고, 이에 의해 강철 부품을 대체하고, 일부 응용분야에서 자동차의 중량을 감소시키는 능력을 제공한다. 이러한 알루미늄 합금 부품은 유입 금속으로서 재활용된 알루미늄을 수용하고, 자동차의 연료 효율을 증가시킬 수 있다.
일부 예에서, 에이징-경화성, 열처리가능한 알루미늄 합금의 물품을 성형하기 위한 공정은 약 3 내지 약 90℃/s의 가열 속도로 약 100℃ 내지 약 600℃의 범위의 온도로 물품을 가열하는 단계, 및 상기 물품을 성형하는 단계를 포함한다. 알루미늄 합금의 가열은 성형 단계 이전 및/또는 이와 동시일 수 있다. 일부 경우에서, 일정 온도로 물품을 가열하는 것은 약 150 내지 450℃, 약 250 내지 450℃, 및/또는 약 350 내지 500℃의 온도로 가열하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 물품은 시트이다. 일부 경우에서, 물품은 2XXX, 6XXX 및 7XXX 알루미늄 합금일 수 있다. 일부 경우에서, 물품은 가열 단계 이전에 T4 템퍼의 것일 수 있다. 일부 경우에서, 물품은 가열 단계 이전 및 이후에 T4 템퍼의 것일 수 있다.
개시된 온간 성형 공정에서, 알루미늄 합금 예컨대 알루미늄 합금 시트로부터 제조된 물품은 약 3℃/s 내지 약 600℃/s, 예를 들면 약 3℃/s 내지 약 200℃/s 또는 약 3℃/s 내지 약 90℃/s의 범위 내의 특정 가열 속도로 약 100℃ 내지 약 600℃ (예를 들면, 약 150 내지 450℃, 약 250 내지 450℃, 및/또는 약 350 내지 500℃)의 범위의 특정 온도로 가열된다. 온도 및 가열 속도의 이러한 조합은 알루미늄 합금 시트의 특성의 유리한 조합을 나타낼 수 있다. 일부 경우에서, 본원에 기재된 가열 파라미터에서 실시되는 열처리는 허용가능한 한계값 내에서 이의 강도를 유지하고, 스탬핑 과정에서 알루미늄 합금 부품의 박편화를 제한하면서, 알루미늄 합금의 성형성을 향상시킬 수 있다. 일부 경우에서, 신율은 성형성의 지표로서 역할을 할 수 있고; 더 높은 신율을 갖는 시트 및 물품은 양호한 성형성을 가질 수 있다. 일부 경우에서, 가열된 물품의 공칭 변형률은 40-90%이다. 일부 경우에서, 본원에 기재된 공정에 따라, 물품의 신율은 가열 이전의 물품과 비교하여 최대 약 30%까지 증가될 수 있다. 일부 경우에서, 가열된 물품은 박편화 값을 특징으로 할 수 있고, 예를 들면 성형 이후의 물품의 박편화는 약 22% 미만일 수 있다. 일부 경우에서, 가열된 알루미늄 합금 시트 또는 물품의 강도 특성 및 에이징 능력은 열처리 이후에 보존될 수 있다.
일부 경우에서, 물품을 성형하는 공정은 성형된 물품을 냉각시키는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 일부 경우에서, 물품을 성형하는 공정은 냉각 단계 이후에 추가적인 성형 단계를 선택적으로 포함할 수 있다.
일부 예에서, 열처리는, 보다 상세하게 논의되는 바와 같은 다른 가열 공정이 이용될 수 있지만, 유도 가열에 의해 달성된다. 개시된 공정은 수송 및 자동차 산업, 예를 들면 알루미늄 부품, 예컨대 자동차 본체 패널, 또는 열차, 항공기, 선박, 보트 및 우주선의 부품의 제조에 관한 수송 산업에서 이용되는 생산 라인 및 공정에 포함될 수 있다. 개시된 공정은 차량 산업 또는 보다 일반적으로 자동차 산업에 제한되지 않고, 유리하게는 알루미늄 물품의 제조와 관련된 다른 분야에서 이용될 수 있다.
또한, 개시된 공정에 따라 제조된 성형된 알루미늄 합금 물품이 개시되어 있다. 일부 경우에서, 성형된 알루미늄 합금은 자동차 패널이다. 일부 경우에서, 성형된 알루미늄 합금 물품은 적어도 약 150 MPa의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength)를 가질 수 있다. 일부 경우에서, 성형된 알루미늄 합금 물품은 약 10 내지 150 MPa의 최대 인장 강도를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점은 하기 상세한 설명으로부터 분명할 것이다.
도 1은 인장 시험에 대해 사용되는 샘플 알루미늄 합금 시편의 사진이다.
도 2는 90℃/s의 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열된 AA6016 합금 샘플의 가열 곡선을 나타내는 선형 플롯이다. 화살표는 인장 시험의 시작을 나타낸다.
도 3은 90℃/s로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열된 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선을 나타내는 선형 플롯이다. 실온에서의 AA6016 및 강철 샘플의 응력-변형률 곡선(각각 "RT" 및 "강철 냉각")이 또한 나타나 있다. 강철 샘플은 DX56D, 저탄소강(Voestalpine 사제, (Linz, 오스트리아))이다. 수직 점선은 실온 강철 샘플의 총 신율을 나타낸다.
도 4는 90℃/s로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 실온에서 1주 동안 에이징된 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선을 나타내는 선형 플롯이다. 실온에서 유지된 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선이 또한 나타나 있다 ("REF T4").
도 5는 도 4의 대표적인 응력-변형률 곡선 (곡선의 하부 세트; "T4"), 및 비교를 위해, 90℃/s의 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 실온에서 1주 동안 에이징되고, 10시간 동안 180℃에서 열처리되고, 이후 실온에서 냉각된 AA6016 합금 샘플의 대표적인 응력-변형률 곡선 (곡선의 상부 세트; "T6")를 나타내는 선형 플롯이다. 나타낸 예시적인 곡선에 표시된 다양한 온간 성형 온도는 150℃, 200℃, 250℃, 300℃, 350℃, 400℃, 450℃ 및 500℃를 포함한다. 곡선의 상부 세트에서, 온간 성형에 가해지지 않은 AA6016 샘플의 응력-변형률 곡선은 최상부 점선으로서 나타난다.
도 6은 AA6016 합금 샘플의 비교 전기전도도 측정값의 결과를 나타내는 막대 그래프이다. 전도성 측정 이전에, "T4" 샘플 (각 쌍의 좌측 히스토그램 막대)은 90℃/s의 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 그 다음 실온에서 1주 동안 에이징되었다. "T6" 샘플 (각 쌍의 우측 히스토그램 막대)는 90℃/s의 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 실온에서 1주 동안 에이징되고, 10시간 동안 180℃에서 열처리되고, 이후 실온으로 냉각되었다. 수평선은 T4 템퍼로의 AA6016 샘플로부터 예상된 전도성 수준을 나타낸다.
도 7은 90℃/s (곡선의 상부 세트) 및 3℃/s (곡선의 하부 세트)의 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 실온에서 1주 동안 에이징되고, 10시간 동안 180℃에서 열처리되고, 이후 실온에서 냉각된 도 4의 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선을 나타내는 선형 플롯이다. 실온에서 유지된 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선은 ("RT")에서 나타나 있다.
도 8은 90℃/s (각 쌍의 우측 히스토그램 막대) 및 3℃/s (각 쌍의 좌측 히스토그램 막대)의 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭되고, 실온에서 1주 동안 에이징되고, 10시간 동안 180℃에서 열처리되고, 이후 실온에서 냉각되는 AA6016 합금 샘플의 비교 전기 전도도 측정의 결과를 나타낸 막대 그래프이다. 400℃, 450℃ 및 500℃서의 좌측 3℃/s 히스토그램 막대 (검정색으로 나타냄)은 과에이징(overaging)을 나타낸다.
도 9는 박편화 시험에 사용되는 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선을 나타내는 선형 플롯이다. 샘플은 90℃/s로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되었다. 45%, 65% 및 85%의 사전-변형률은 나타낸 온도에서 수행되었다.
도 10은 박편화 측정에 대해 사용되는 예시적인 알루미늄 합금 시편의 측면의 사진이다. 수평선은 박편화 측정의 위치를 도시한다.
도 11은 90℃/s의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되는 사전-변형된 AA6120 합금 샘플 (도 7에 나타난 응력-변형률 곡선)의 "박편화 맵(thinning map)"을 도시하는 도트 플롯이다. 전형적인 원하는 박편화 범위는 최종 응용분야에 좌우되고, 15% 내지 20% 사이에서 변화된다.
도 12는 90℃/s의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되는 사전-변형된 AA6111 합금 샘플 (도 7에 나타난 응력-변형률 곡선)의 "박편화 맵"을 도시하는 도트 플롯이다. 전형적인 원하는 박편화 범위는 최종 응용분야에 좌우되고, 15% 내지 20% 사이에서 변화된다.
도 13은 90℃/s의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 (표시된 바와 같은) 다양한 온도로 가열되는 사전-변형된 AA6170 합금 샘플 (도 7에 나타난 응력-변형률 곡선)의 "박편화 맵"을 도시하는 도트 플롯이다. 전형적인 원하는 박편화 범위는 최종 응용분야에 좌우되고, 15% 내지 20% 사이로 변화된다.
도 14는 예열되지 않은 시험을 위해 사용된 스탬핑된 AA6170 합금의 사진이다.
도 15는 예열되지 않은 시험을 위해 사용된 스탬핑된 AA6170 합금의 사진이다.
도 16은 스탬핑 이전에 200℃로 예열된 시험을 위해 사용된 스탬핑된 AA6170 합금의 사진이다.
도 17은 스탬핑 이전에 350℃로 예열된 시험을 위해 사용된 스탬핑된 AA6170 합금의 사진이다.
도 18은 (실온, 200℃, 350℃의 예열 온도에서의) 실시예 5에 기재된 스탬핑 실험에서 사용되는 AA6170 합금의 응력-변형률 곡선을 나타내는 선형 플롯이다.
본원에서 사용되는 용어 "발명", "상기 발명", "이 발명", 및 "본 발명"은 본 특허출원 및 하기 청구항의 모든 주제를 광범위하게 지칭하는 것으로 의도된다. 이러한 용어를 포함하는 언급은 본원에 기재된 주제를 제한하거나 또는 하기 특허 청구항의 범위를 제한하는 것으로 이해되어서는 안된다.
이러한 기재에서, AA 번호 및 다른 관련 표시, 예컨대 "시리즈" 또는 "7xxx"로 식별되는 합금에 대한 참조가 이루어진다. 알루미늄 및 이러한 합금을 명명하거나 식별하는데 가장 일반적으로 사용되는 번호 표시 시스템을 이해하기 위해서, 알루미늄 협회에서 발간한 문헌 ["International Alloy Designations and Chemical Composition Limits for Wrought Aluminum and Wrought Aluminum Alloys"] 또는 문헌 ["Registration Record of Aluminum Association Alloy Designations and Chemical Compositions Limits for Aluminum Alloys in Form of Castings and Ingot"]을 참조한다.
본 명세서에서 사용된 바와 같이, 관사("a," "an," 및 "the")의 의미는 맥락에서 명확하게 달리 언급되지 않는 한, 단수 및 복수 참조를 포함한다.
하기 예에서, 알루미늄 합금은 중량 백분율(wt.%)로의 이의 원소 조성과 관련하여 기재되어 있다. 각각의 합금에서, 나머지는 모든 불순물의 합에 대해 0.15 %의 최대 wt.%를 갖는 알루미늄이다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 실온은 20℃, 21℃, 22℃, 23℃, 24℃, 또는 25℃를 포함하는 약 20℃ 내지 약 25℃의 온도를 지칭한다.
본 명세서에서 달리 언급되지 않는 한, 열처리는 일반적으로 합금 시트 또는 물품을 합금 시트 또는 물품을 온간 성형하기에 충분한 온도로 가열하는 것을 지칭한다. 온간 성형을 위한 열처리는 성형 단계 이전 및/또는 그와 동시에 실시될 수 있고, 이로써 성형은 가열된 알루미늄 합금 시트 또는 물품에 대해 수행된다.
알루미늄 합금 및 물품
개시된 공정은 임의의 알루미늄 합금, 예를 들면, Al, Mg, Si 및, 선택적으로, Cu를 포함하고, 에이징-경화 반응을 나타낼 수 있는 알루미늄 합금으로 수행될 수 있다. 개시된 공정으로 처리될 수 있는 알루미늄 합금은 열처리가능, 에이징-경화성 알루미늄 합금 (예를 들면, 열처리 및/또는 에이징에 의해 강화될 수 있는 합금), 예컨대 2XXX, 6XXX, 및 7XXX 시리즈 합금을 포함한다. 비제한적인 예는 AA6010, AA6013, AA6056, AA6111, AA6016, AA6014, AA6008, AA6005, AA6005A, AA6120, AA6170, AA7075, AA7085, AA7019, AA7022, AA7020, AA2013, AA2014, AA2008, AA2014, 및 AA2017, 및 AA2024를 포함한다.
예시적인 알루미늄 합금은 알루미늄 이외에 하기 구성요소 (이들 모두는 중량 백분율 (wt.%)로 표현됨): Si: 0.4~1.5 wt.%, Mg: 0.3-1.5 wt.%, Cu:0-1.5 wt.%, Mn: 0-0.40 wt.%, 및 Cr: 0-0.30 wt.%를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 알루미늄 합금은 알루미늄 이외에 하기 구성요소: Si: 0.5-1.4 wt.%, Mg: 0.4-1.4 wt.%, Cu:0-1.4 wt.%, Mn: 0-0.35 wt.%, 및 Cr: 0-0.25 wt.%를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 알루미늄 합금은 알루미늄 이외에 하기 구성요소: Si: 0.6-1.3 wt.%, Mg: 0.5-1.3 wt.%, Cu:0-1.3 wt.%, Mn: 0-0.30 wt.%, 및 Cr: 0-0.2 wt.%를 포함할 수 있다. 또 다른 예에서, 알루미늄 합금은 알루미늄 이외에 하기 구성요소: Si: 0.7-1.2 wt.%, Mg: 0.6-1.2 wt.%, Cu:0-1.2 wt.%, Mn: 0-0.25 wt.%, 및 Cr: 0-0.15 wt.%를 포함할 수 있다.
알루미늄 합금의 조성물은 열처리에의 이의 반응에 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 열처리 과정중 또는 이후의 강도는 합금에 존재하는 Mg 또는 Cu-Si-Mg 침전물의 양에 영향을 받을 수 있다. 본원에 개시된 방법에서 사용하기에 적합한 알루미늄 합금은 T4 템퍼로 제공된다. 표시 "T4" 템퍼는 알루미늄 합금이 용액 열처리되고, 이후 (인공적인 에이징이 아닌) 실질적으로 안정한 조건으로 자연적으로 에이징된 것을 의미한다. 다른 적합한 알루미늄 합금은 F 템퍼로 제공되고, 이는 제작된 것을 의미한다. 본원에 기재된 공정의 일부 예에서, 알루미늄 합금은 온간 성형 단계 이후에도 온간 성형 단계 이전과 같이 동일한 상태 (예컨대 T4 템퍼의 것)로 유지된다. 비교하자면, 다른 온간 성형 공정은 알루미늄 합금을 T4로부터 T6 템퍼로 변환시킬 수 있고; "T6" 표시는 알루미늄 합금이 용액 열처리되고, 이후 인공적으로 에이징된 것을 의미한다.
개시된 온간 성형 공정으로 처리될 수 있는 알루미늄 합금 물품은 "출발 물품" 또는 "출발 물질"로 지칭될 수 있고, 가열 속도가 달성되는 한, 시트, 플레이트, 튜브, 파이프, 프로파일 및 기타를 포함한다. 용어 "물품", "물질", 및 "부품"은 본원에서 상호교환적으로 사용될 수 있다. 개시된 공정에서 출발 물질로서 사용될 수 있는 알루미늄 합금 시트는 원하는 두께 (게이지)로, 예를 들면 자동차 부품의 제조에 적합한 두께의 시트 형태로 제조될 수 있다. 알루미늄 합금 시트는 알루미늄 합금 잉곳, 빌릿(billet), 슬래브, 스트립 등으로부터 제조된 압연된 알루미늄 시트일 수 있다.
상이한 방법이 이용되어 온간 성형 공정 이전에 T4 상태로 제공되는 알루미늄 시트 또는 플레이트를 제조할 수 있다. 예를 들면, 알루미늄 합금 시트는 하기를 포함하는 공정에 의해 제조될 수 있다: 잉곳으로의 알루미늄 합금의 직접 냉각 캐스팅; 시트를 제조하기 위한 잉곳의 열간 압연; 및 최종 게이지로 시트의 냉각 압연. 연속 캐스팅 또는 슬래브 캐스팅이 시트로 가공되는 출발 물질을 제조하기 위해 직접 냉각 캐스팅 대신 이용될 수 있다. 알루미늄 합금 시트 제조 공정은 또한 어닐링 또는 용액 열처리를 포함할 수 있고, 이는 적합한 온도로 합금을 가열하고, 하나 이상의 구성성분이 고형물 용액이 되게 하기에 충분히 긴 시간 동안 이 온도에서 이를 유지하고, 이후 용액에서 이러한 구성성분을 유지하도록 충분하게 빨리 냉각시키는 공정을 의미한다. 일부 경우에서, 알루미늄 합금 시트 및/또는 플레이트는 약 0.4 mm 내지 약 10 mm, 또는 약 0.4 mm 내지 약 5 mm의 두께를 가질 수 있다.
알루미늄 합금 시트는 개시된 공정의 수행 이전에 미압연되거나 또는 편평화될 수 있다. 알루미늄 합금 물품은 2- 및 3차원으로 성형된 알루미늄 합금 물품을 포함한다. 합금 물품의 하나의 예는 미압연되거나 또는 편평화된 시트이고, 또 다른 예는 추가의 성형 없이 시트로부터 절단된 편평한 물품이다. 다른 예는 하나 이상의 3차원 성형 단계, 예컨대 굽힘, 스탬핑, 프레싱, 프레스-성형 또는 인발을 수반하는 공정에 의해 제조된 비-편평화된 알루미늄 합금 물품이다. 이러한 비-편평화된 알루미늄 합금 물품은 "스탬핑된", "프레스된", "프레스-성형된", "인발된", "3차원 성형된" 또는 다른 유사한 용어로서 지칭될 수 있다. 개시된 온간 성형 공정에 따라 성형되기 이전에, 알루미늄 합금 물품은 다른 "온간 성형" 또는 "냉간 성형" 공정, 단계 또는 단계들의 조합에 의해 사전-성형될 수 있다. 성형된 물품 또는 생성물로 지칭될 수 있는 개시된 공정을 사용하여 제조된 알루미늄 합금 물품은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
개시된 공정은 유리하게는 수송 및 자동차 산업에 이용될 수 있고, 이는 비제한적으로, 자동차 제조업, 트럭 제조업, 선박 및 보트의 제조업, 열차, 항공기 및 우주선의 제조업을 포함한다. 자동차 부품의 일부 비제한적인 예는 바닥 패널, 후면 벽, 로커, 모터 후드, 펜더, 루프, 도어 패널, B-필라, 세로대(longeron), 바디 사이드, 로커 또는 충돌 부재를 포함한다. 본원에 사용되는 용어 "자동차" 및 관련 용어는 차량에 한정되지 않으며, 다양한 자동차 부류, 예컨대, 차량, 차, 버스, 모터사이클, 해양 비히클, 도로 이외 차량, 소형 트럭, 트럭 또는 대형 트럭을 포함한다. 그러나, 알루미늄 합금 물품은 비제한적으로 자동차 부품이고; 이러한 응용분야에 기재된 공정에 따라 제조된 다른 유형의 알루미늄 물품이 구상된다. 예를 들면, 개시된 공정은 유리하게는 무기, 장비, 전자 디바이스의 본체 등을 포함하는 기계적 장치 및 기타 장치 또는 기계의 다양한 부품을 제조하는데 이용될 수 있다.
알루미늄 합금 물품은 복수개의 부품을 포함하거나 또는 이로부터 조립될 수 있다. 예를 들면, 자동차는 하나 초과의 부품 (예컨대 내부 및 외부 패널을 갖는 자동차 후드, 또는 내부 및 외부 패널을 갖는 자동차 도어 또는 복수개의 패널을 갖는 적어도 부분적으로 조립된 자동차 본체)으로부터 조립될 수 있다. 또한, 이러한 복수개의 부품을 포함하거나 또는 이로부터 조립된 알루미늄 합금 물품은 이들이 조립되거나 또는 부분적으로 조립된 이후에 개시된 온간 성형 공정에 대해 적합할 수 있다. 또한, 일부 경우에서, 알루미늄 합금 물품은 비-알루미늄 부품 또는 섹션, 예컨대 다른 금속 또는 금속 합금 (예를 들면, 강철 또는 티타늄 합금)을 포함하거나 또는 이로부터 제조된 부품 또는 섹션을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 알루미늄 합금 물품은 코어 및 클래드 구조를 가질 수 있고, 이는 코어층 일면 또는 양면 상의 클래드층을 가진다.
가열
알루미늄 시트 또는 물품을 성형하는 개시된 공정은 합금, 시트, 또는 물품을 가열하는 것을 수반한다. 일부 예에서, 합금, 시트 또는 물품을 가열하는 것은 특정 온도 또는 특정 범위 내에 있는 온도 및 특정 가열 속도 또는 특정 범위 내의 가열 속도로 수행된다. 온도, 가열 속도 또는 이의 범위, 또는 이들의 조합은 "가열 파라미터"로 지칭될 수 있다. 본원에 기재된 공정에서, 시트 또는 물품은 약 450-600℃, 400-600℃, 350-600℃, 300-600℃, 250-600℃, 200-600℃, 150-600℃, 100-600℃, 450-550℃, 400-550℃, 350-550℃, 300-550℃, 250-550℃, 200-550℃, 150-550℃, 100-550℃, 450-500℃, 400-500℃, 350-500℃, 300-500℃, 250-500℃, 200-500℃, 150-500℃, 100-500℃, 400-450℃, 350-450℃, 300-450℃, 250-450℃, 200-450℃, 150-450℃, 100-450℃, 350-400℃, 300-400℃, 250-400℃, 200-400℃, 150-400℃, 100-400℃, 300-350℃, 250-350℃, 200-350℃, 150-350℃, 100-350℃, 250-300℃, 200-300℃, 150-300℃ 또는 100-300℃, 예를 들면, 최대 약 100℃, 125℃, 150℃, 175℃, 200℃, 225℃, 250℃, 275℃, 300℃, 325℃, 350℃, 375℃, 400℃, 425℃, 450℃, 475℃, 500℃, 525℃, 550℃, 575℃ 또는 600℃의 온도로 가열된다.
3-90℃/s, 10-90℃/s, 20-90℃/s, 30-90℃/s, 40-90℃/s, 50-90℃/s, 60-90℃/s, 70-90℃/s 또는 80-90℃/s의 가열 속도가 사용될 수 있다. 일부 예에서, 약 90℃/s의 가열 속도가 이용된다. 다른 예에서, 약 3℃/s 내지 약 100℃/s, 110℃/s, 120℃/s, 150℃/s, 160℃/s, 170℃/s, 180℃/s, 190℃/s, 또는 200℃/s의 가열 속도가 이용될 수 있다. 다른 예에서, 약 90℃/s 내지 약 150℃/s의 가열 속도가 이용될 수 있다. 다른 예에서, 약 200℃/s 내지 약 600℃/s의 가열 속도가 이용될 수 있다. 예를 들면, 약 200℃/s 내지 약 250℃/s, 300℃/s, 350℃/s, 400℃/s, 450℃/s, 500℃/s, 550℃/s, 또는 600℃/s의 가열 속도가 이용될 수 있다. 당해 분야의 숙련가는 시트 또는 물품의 원하는 특성에 따라 이용가능한 설비로 가열 속도를 조정할 수 있다.
다양한 가열 파라미터가 가열 과정에서 이용될 수 있다. 일 예에서, 100-600℃의 온도로의 약 90℃/s의 가열 속도가 이용된다. 또 다른 예에서, 100-450℃의 온도로의 약 90℃/s의 가열 속도가 이용된다. 또 다른 예에서, 250-350℃의 온도로의 약 90℃/s의 가열 속도가 이용된다. 또 하나의 예에서, 250-450℃의 온도로의 약 90℃/s의 가열 속도가 이용된다. 가열 파라미터는 다양한 인자, 예컨대 알루미늄 합금 또는 알루미늄 합금 물품의 특성의 원하는 조합에 기초하여 선택된다.
상기 온도 및 온도 범위는 "가열되는" 온도를 의미하는 것으로 사용된다. 개시된 공정에서, 가열 공정은 "가열되는" 온도가 달성될 때까지 시트 또는 물품에 적용된다. 환언하면, "가열되는" 온도는 시트 또는 물품이 성형 단계 이전에 가열되는 온도이다. "가열되는" 온도는 적절한 가열 공정에 의해 성형 단계 과정에서 유지될 수 있거나 또는 가열 공정은 성형 단계 이전에 중지될 수 있고, 이러한 경우 성형 단계 과정에서의 시트 또는 물품의 온도는 특정 "가열되는" 온도보다 낮아질 수 있다. 시트 또는 물품의 온도는 적절한 과정 및 기기에 의해 모니터링될 수 있거나 또는 모니터링되지 않을 수 있다. 예를 들면, 온도가 모니터링되지 않으면, "가열되는" 온도는 계산된 온도 및/또는 실험적으로 추론된 온도일 수 있다.
가열 속도는 알루미늄 합금 시트를 가열하기 위해 적절한 열처리, 가열 과정 또는 시스템을 선택함으로써 달성될 수 있다. 일반적으로, 이용되는 가열 과정 또는 시스템은 상기 특정 가열 속도를 달성하기 위해 충분한 에너지를 전달하여야 한다. 예를 들면, 가열은 유도 가열에 의해 달성될 수 있다. 이용될 수 있는 가열 공정의 일부 비제한적인 예는 접촉 가열, 유도 가열, 저항 가열, 적외선 방사선 가열, 가스 버너에 의한 가열, 및 직접 저항 가열이다. 일반적으로, 가열 시스템 및 프로토콜의 설계 및 최적화는 열 흐름을 관리하고/거나 시트 또는 물품의 원하는 특징을 달성하기 위해 수행될 수 있다.
특성
본 명세서에 개시된 과정의 시트 또는 물품의 가열은 특성의 유리한 조합을 초래한다. 예를 들면, 시트 또는 물품의 성형성 및 강도 특성의 유리한 조합이 달성된다. 일부 다른 경우에서, 시트는 또한 유리하게는 성형 과정에서 낮은 박편화를 나타낼 수 있다. 또한, 시트 또는 물품은 가열 이전 및 이후에 동일한 금속성 상태를 유지하고, 가열 이전의 시트 또는 물품이 갖는 특성과 비교하여 냉각시 특정 특징 및 거동이 보존된다.
개시된 공정은 시트 또는 물품의 성형성을 향상시킨다. 시트 또는 물품의 성형성은 파단 또는 과도한 박편화 이전에 이것이 견딜 수 있는 변형량의 측정값이다. 신율은 성형성의 지표로서 역할을 하고; 더 높은 신율을 갖는 시트 및 물품은 양호한 성형성을 가진다. 일반적으로, 신율은 이것이 파열되기 이전에 물질이 굽어지고, 신장되거나 압축될 수 있는 정도를 지칭한다. 시트 또는 물품의 신율 및 성형성, 성형 과정의 결과 및 수득한 생성물의 품질에 영향을 주는 다른 특성은 인장 시험에 의해 결정될 수 있다.
샘플의 인장 시험은 관련 공개물에 기재된 재료 과학 부문에 공지된 표준 과정 예컨대 미국 시험재료 학회 (ASTM)에 의해 제공된 것에 따라 실시된다. "금속성 물질의 인장 시험을 위한 표준 시험 방법"의 제목의 ASTM E8/EM8 (DOI: 10.1520/E0008 E0008M-15A)은 금속성 물질에 대한 인장 시험 과정을 상술한다. 간단하게는, 인장 시험은 당해 분야의 숙련가에게 공지된 표준 인장 시험 기계에서 실시된다. 샘플은 전형적으로 2개의 숄더 (기계에 의해 용이하게 고정될 수 있음) 및 더 작은 단면의 게이지 부분을 갖는 표준 형상의 평면형 시편이다. 시험 과정에서, 시편은 시험 기계에 배치되고, 이것이 파단시까지 단일축으로 연장되고, 한편 합금 시편의 게이지 부분의 신율이 적용된 힘에 대해 기록된다. 신율은 시편의 영구적 신장의 양이고, 시험 시편의 게이지 길이에서의 증가에 따라 측정된다. 시험 시편의 게이지 길이는 이것이 신율값에 영향을 주기 때문에 특정된다. 인장 시험 과정에서 측정되고, 알루미늄 합금을 특성화하기 위해 사용되는 일부 특성은 공칭 응력, 공칭 변형률 및 파단시 신율이다. 신율 측정은 "공칭 변형률," 또는 최초 길이에 대한 게이지의 길이에서의 변화의 비를 계산하기 위해 사용될 수 있다. 공칭 변형률은 백분율 (%)로 기록될 수 있다. 총 신율로서도 기록될 수 있는 파단시 신율은 시편의 파단시의 공칭 변형률의 양이다. 공칭 응력은 시편에 적용된 하중을 시험 시편의 최초 단면적으로 나누어 계산된다. 공칭 변형률 및 공칭 응력 데이터 포인트는 응력-변형률 곡선으로 그래프화될 수 있다.
개시된 온간 성형 공정에서 이용되는 가열 단계는 실온에서 동일한 시트 또는 물품과 비교하여 시트 또는 물품의 신율을 개선한다. 예를 들면, 가열 단계는 가열 이전의 조건과 비교하여 최대 약 30%, 최대 약 20%, 최대 약 15%, 적어도 15%, 적어도 5%, 약 5-15%, 약 5-20%, 또는 약 5-30%까지 시트 또는 물품의 신율을 개선할 수 있다. 일부 경우에서, 신율은 약 5%, 6%, 7%, 8%, 9%, 10%, 11%, 12%, 13%, 14%, 15%, 16%, 17%, 18%, 19%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24%, 25%, 26%, 27%, 28%, 29% 또는 30%까지 개선된다. 일부 경우에서, 시트 또는 물품의 가열은 적어도 약 40%, 적어도 약 45%, 적어도 약 50%, 적어도 약 55%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 적어도 약 85%, 또는 약 35-85%, 35-80%, 35-75%, 35-70%, 35-65%, 35-60%, 40-85%, 40-80%, 40-75%, 40-70%, 40-65%, 40-60%, 45-85%, 45-80%, 45-75%, 45-70%, 45-65%, 45-60%, 50-85%, 50-80%, 50-75%, 50-70%, 50-65% 또는 50-60%의 신율 (공칭 변형률로서 측정됨)을 초래한다. 일부 예에서, 실온에서 취해진 강철의 것과 비슷한 알루미늄 시트 또는 물품의 신율 값 (약 53%)이 달성된다.
개시된 공정에서 이용되는 가열 단계는 산업적 성형 공정에 적합한 범위 내에서 강도 특성 (예를 들면, 공칭 응력으로서 측정된 인장 강도)을 보존하면서도 가열된 시트 또는 물품의 신율을 개선한다. 예를 들면, 가열된 알루미늄 시트 또는 물품은 적어도 약 10 MPa, 적어도 약 20 MPa, 적어도 약 30 MPa, 적어도 약 40 MPa, 적어도 약 50 MPa, 적어도 약 60 MPa, 적어도 약 70 MPa, 적어도 약 80 MPa, 적어도 약 90 MPa, 적어도 약 100 MPa, 적어도 약 110 MPa, 적어도 약 120 MPa, 적어도 약 130 MPa, 적어도 약 140 MPa, 적어도 약 150 MPa, 약 10-150 MPa, 약 10-140 MPa, 약 10-130 MPa, 약 10-120 MPa, 약 10-110 MPa, 약 10-100 MPa, 약 10-90 MPa, 약 10-80 MPa, 약 10-70 MPa, 약 10-60 MPa, 약 10-50 MPa, 약 20-150 MPa, 약 20-140 MPa, 약 20-130 MPa, 약 20-120 MPa, 약 20-110 MPa, 약 20-100 MPa, 약 20-90 MPa, 약 20-80 MPa, 약 20-70 MPa, 약 20-60 MPa, 약 20-50 MPa, 약 30-150 MPa, 약 30-140 MPa, 약 30-130 MPa, 약 30-120 MPa, 약 30-110 MPa, 약 30-100 MPa, 약 30-90 MPa, 약 30-80 MPa, 약 30-70 MPa, 약 30-60 MPa, 약 30-50 MPa, 약 40-150 MPa, 약 40-140 MPa, 약 40-130 MPa, 약 40-120 MPa, 약 40-110 MPa, 약 40-100 MPa, 약 40-90 MPa, 약 40-80 MPa, 약 40-70 MPa, 약 30-60 MPa 또는 약 30-50 MPa의 최대 인장 강도 (인장 시험 과정에서 공칭 변형률로서 측정됨)를 가질 수 있다.
열처리 조건은 시트 또는 물품의 박편화를 제한하면서도 성형성을 개선하도록 선택될 수 있다. 온간 성형 공정의 극복과제 중 하나는, 높은 온도가 전형적으로 변형률 국소화로 인해 성형 단계 과정에서 때때로 급격하게 알루미늄 부품의 박편화를 증가시킨다는 것이다. 예로서, 15%보다 높은 박편화 값 (표준 시험 프로토콜에 의해 측정됨)은 제조 공정에서 허용가능하지 않을 수 있고, 그러나 온간 성형 단계는 40-50%의 박편화를 생성할 수 있다. 개시된 공정에서 사용되는 가열 파라미터는 약 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15% 또는 10% 이하, 예를 들면, 5-10%, 5-15%, 5-20%, 5-25%, 5-30%, 5-35%, 5-40%, 10-15%, 10-20%, 10-25%, 10-30%, 10-35%, 10-40%, 15-20%, 15-25%, 15-30%, 15-35%, 15-40%, 20-25%, 20-30%, 20-35% 또는 20-40%의 관찰된 박편화 값을 야기한다. 박편화 값은 시험 과정에서 시험 시편의 특정 사전-변형률과 조합하여 관측된다. 예를 들면, 약 55% 사전 변형률에서의 약 15% 박편화, 또는 약 65% 사전-변형률에서의 약 22% 박편화가 관찰될 수 있다. 박편화 특징을 특성화하기 위해, 알루미늄 합금 샘플은 관련물에 기재된 물질 과학의 부분에 공지된 표준 과정, 예컨대 미국 재료 시험 협회 (ASTM)에 의해 제공되는 것에 따라 시험된다. 예컨대 "수동 초음파 펄스-에코 접촉 방법에 의해 두께를 측정하기 위한 표준 실시"의 제목의 ASTM E797은 금속성 물질에 대한 관련 시험 과정을 상술한다. 이러한 과정은 하기 "박편화 시험"의 제목의 실시예 4에 예시되어 있다.
개시된 온간 성형 공정에 사용될 수 있는 열처리 조건은 알루미늄 시트 또는 물품의 금속성 상태 및 에이징 거동 및 특성이 보존되도록 선택된다. 가열 과정에서 알루미늄 합금에서의 침전 및 용해 공정의 경쟁은 종종 T4 템퍼의 합금을 상이한 템퍼, 예컨대 T6으로 전이하고, 수반되는 강도 손실 및 에이징 경화성 특성의 손실을 갖는 과에이징을 야기하고, 이는 합금의 경화성 구성요소가 가열 단계 과정에서 침전되었기 때문이다. 이러한 상황에서, 가열에 후속되고, 경화를 목적으로 하는 공정 단계는 원하는 효과를 가지지 못할 것이다. 예를 들면, 상기 효과는 상대적으로 낮은 가열 속도, 예컨대 0.1℃/s가 온간 성형 단계 과정에서 이용되는 경우에 발생된다고 알려져 있다. 개시된 공정은 더 높은 가열 속도를 이용함으로써 이러한 단점을 회피한다.
개시된 온간 성형 공정 이전 또는 그 과정 중에 이용되는 가열 단계는, 제조 실시에 적합한 범위 내에서, 에이징 경화 및/또는 열처리가 선택적으로 후속되는 냉각 이후에, 시트 또는 물품의 강도 특성 (예를 들면, 공칭 응력으로서 측정되는 인장 강도)을 보존한다. 예를 들면, 일부 예에서, 시트 또는 물품은 물 켄칭에 의해 냉각, 그 다음 실온에서의 1주일의 에이징 경화, 및 선택적으로 10시간 동안의 180℃에서의 열처리 이후 인장 시험 과정에 공칭 변형률로서 측정되는, 적어도 약 10 MPa, 적어도 약 20 MPa, 적어도 약 30 MPa, 적어도 약 40 MPa, 적어도 약 50 MPa, 적어도 약 60 MPa, 적어도 약 70 MPa, 적어도 약 80 MPa, 적어도 약 90 MPa, 적어도 약 100 MPa, 적어도 약 110 MPa, 적어도 약 120 MPa, 적어도 약 130 MPa, 적어도 약 140 MPa, 약 10-150 MPa, 약 10-140 MPa, 약 10-130 MPa, 약 10-120 MPa, 약 10-110 MPa, 약 10-100 MPa, 약 10-90 MPa, 약 10-80 MPa, 약 10-70 MPa, 약 10-60 MPa, 약 10-50 MPa, 약 20-150 MPa, 약 20-140 MPa, 약 20-130 MPa, 약 20-120 MPa, 약 20-110 MPa, 약 20-100 MPa, 약 20-90 MPa, 약 20-80 MPa, 약 20-70 MPa, 약 20-60 MPa, 약 20-50 MPa, 약 30-150 MPa, 약 30-140 MPa, 약 30-130 MPa, 약 30-120 MPa, 약 30-110 MPa, 약 30-100 MPa, 약 30-90 MPa, 약 30-80 MPa, 약 30-70 MPa, 약 30-60 MPa, 약 30-50 MPa, 약 40-150 MPa, 약 40-140 MPa, 약 40-130 MPa, 약 40-120 MPa, 약 40-110 MPa, 약 40-100 MPa, 약 40-90 MPa, 약 40-80 MPa, 약 40-70 MPa, 약 30-60 MPa 또는 약 30-50 MPa의 최대 인장 강도를 가진다.
개시된 온간 성형 공정에서 이용되는 가열 단계는 제조 실시에 적합한 범위 내에서 냉각, 그 다음 선택적으로 에이징 경화 및/또는 열처리 이후의 합금의 금속성 상태를 보존한다. 금속성 상태는 표준 프로토콜에 따라 측정되는 전기 전도도를 특징으로 할 수 있다. "전자기 (와전류) 방법을 사용하는 전기전도도를 결정하기 위한 표준 시험 방법"의 제목의 ASTM E1004는 금속성 물질에 대한 관련 시험 과정을 상술한다. 예를 들면, 일부 경우에서, 6XXX 알루미늄 합금 시트는 물 켄칭에 의한 냉각, 그 다음 실온에서의 1주의 에이징-경화 및 선택적으로 10시간 동안 180℃에서의 열처리 이후에, 미터당 26-27.5 밀리시멘 (MS/m)의 전기전도도를 가진다.
개시된 온간 성형 공정에 따라 성형된 물품은 상기 논의된 다양한 방식으로 특성을 조합할 수 있다. 예를 들면, 시트 또는 물품은 하기 중 하나 이상을 가질 수 있다: 350℃에서의 57%의 신율, 350℃에서의 51 MPa의 최대 인장 강도, 350℃에서의 열처리에 가해지고, 그 다음 물 켄칭 및 실온에서의 1주 동안의 에이징 이후의 197 MPa의 최대 인장 강도, 및 350℃에서의 열처리에 가해지고, 그 다음 물 켄칭 및 실온에서의 1주 동안의 에이징 이후의 27 MS/m의 전도도. 다른 값 또는 값의 범위, 예컨대 이 부문에 앞서 열거된 것은 시트 또는 물품에 의해 나타날 수 있다.
성형
본원에 개시된 공정은 가열 단계 과정 또는 그 이후에 적어도 하나의 성형 단계를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 용어 "성형"은 절단, 스탬핑, 프레싱, 프레스-성형, 인발 또는 당해 분야의 숙련가에 공지된 2- 또는 3차원 형상을 생성할 수 있는 다른 공정을 포함할 수 있다. 에이징-경화성, 열처리가능한 알루미늄 합금으로 제조된 물품은 본 문헌에서 초기에 논의된 바와 같이 가열되고, 가열된 물품은 성형된다. 상기 성형 단계는 온간 성형 공정에 포함될 수 있다. 온간 성형은 스탬핑 또는 프레싱에 의해 수행될 수 있다. 일반적으로 기재된 스탬핑 또는 프레스 공정 단계에서, 물품은 상보적 형상의 2개의 다이 사이에서 이를 프레싱하여 성형된다. 온간 성형은 등온 또는 비등온 조건 하에 실시될 수 있다. 등온 조건 하에서, 알루미늄 합금 블랭크 및 모든 장비 구성요소, 예컨대 다이는 동일한 온도로 가열된다. 비등온 조건 하에서, 장비 구성요소는 이후의 블랭크와 상이한 온도를 가질 수 있다.
상기 증온 성형 단계 이외에, 개시된 공정은 추가의 성형 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 온간 성형 이전에, 알루미늄 합금 물품은 온간 성형 또는 냉간 성형 공정 또는 단계 중 하나 이상의 조합으로 성형될 수 있다. 예를 들면, 시트는 예를 들면, "블랭크" 예컨대 스탬핑을 위한 전구체를 의미하는 "스탬핑 블랭크"로 지칭되는 전구체 물품 또는 형태를 컷팅함으로써 온간 성형에 가해지기 이전에 절단될 수 있다. 따라서, 스탬핑 프레스에서 추가로 성형되는 "스탬핑 블랭크"로의 알루미늄 시트의 절단 단계가 이용될 수 있다. 시트 또는 블랭크는 또한 온간 성형 이전에 스탬핑에 의해 성형될 수 있다.
공업적 공정
개시된 공정은 최신식의 경제적 방식으로 공정 및 수득한 물품을 개선함으로써 알루미늄 합금 물품, 예컨대 스탬핑된 알루미늄 물품 (예를 들면, 스탬핑된 자동차 패널)의 제조를 위한 현존하는 공정 및 라인에 포함될 수 있다. 본 문헌에 기재된 공정을 수행하고 물품을 제조하기 위한 장치 및 시스템은 본 발명의 범위 내에 포함된다.
스탬핑된 알루미늄 합금 물품, 예컨대 자동차 패널을 제조하기 위한 예시적인 공정은 일련의 스탬핑 프레스 ("프레스 라인") 상에서 물품을 스탬핑시키는 다수의 (2개 이상, 예컨대 2, 3, 4, 5, 6개 이상의) 단계를 포함한다. 공정은 하나 이상의 스탬핑 단계 이전 또는 그 과정에서 상이한 공정 지점에서 실시되는 하나 이상의 열처리 단계를 포함한다. 스탬핑 블랭크는 제1 스탬핑 단계 이전에 제공된다. 가열 단계는 제1 스탬핑 단계 이전에 (즉, 프레스 라인의 도입시) 스탬핑 블랭크 상에서 실시될 수 있다. 가열 단계는 또한 하나 이상의 제1 또는 중간 프레스 단계 이후에 포함될 수 있다. 예를 들면, 압축 라인이 5개의 스탬핑 프레스 및 상응하는 단계를 포함하는 경우, 이러한 가열 단계는 제1, 제2, 제3, 제4, 및 제5의 중간 스탬핑 단계 중 하나 이상 이전에 포함될 수 있다.
가열 단계는 다양한 조합으로 생산 공정에 포함될 수 있고, 다양한 고려사항이 생산 공정에서 가열 단계의 특정 조합 및 배치를 결정할 때 고려될 수 있다. 예를 들면, 가열 단계는 더 높은 성형성이 바람직한 하나 이상의 스탬핑 단계 이전에 실시될 수 있다. 본 공정은 하나 이상의 온간 성형 단계 및 하나 이상의 냉간 성형 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 2단계 공정에서, 알루미늄 시트는 온간 성형 단계, 이후 냉간 성형 단계에서 성형될 수 있다. 대안적으로, 냉간 성형 단계는 온간 성형 단계에 선행될 수 있다.
또한, 개시된 공정을 실시하기 위한 설비를 포함하는, 알루미늄 합금 물품의 제조 또는 제작을 위한 공정을 실시하기 위한 시스템이 개시되어 있다. 하나의 예시적인 시스템은 스탬핑된 물품, 예컨대 패널을 제조하기 위한 프레스 라인이고, 이는 라인에서의 다양한 지점에 온간 성형 스테이션 또는 시스템을 포함한다.
개시된 공정은 알루미늄 물품의 제조에 이용되는 추가의 단계, 예컨대 절단, 헤밍(hemming), 결합, 동시에 실시되는 다른 열처리 단계 또는 후성형, 냉각, 에이징 경화, 또는 적합한 페인트 또는 코팅을 갖는 물품을 코팅하거나 또는 페인팅하는 단계를 포함할 수 있다. 본 공정은 페인트 베이킹 단계를 포함할 수 있고, 이는 "페인트 베이킹", "페인트 베이크", "페인트 베이크 사이클" 또는 다른 관련 용어로 지칭될 수 있다. 알루미늄 물품의 제조를 위한 공정에서 이용되는 일부 단계, 예컨대 후성형 열처리 단계 및 페인트 베이크 사이클은 물품이 제조되는 알루미늄 합금의 에이징에 영향을 줄 수 있고, 이에 따라 이의 기계적 특성, 예컨대 강도에 영향을 준다. 생성된 물품은 T4 템퍼 이외의 템퍼, 예를 들면, T6 템퍼의 것일 수 있다.
알루미늄 물품의 제조 또는 제작의 예시적인 공정은 3-90℃/s의 가열 속도로 알루미늄 합금 블랭크를 100-600℃의 온도로 가열하는 단계, 상기 블랭크를 스탬핑 장비로 신속하게 수송하는 단계, 스탬핑 장비에서 스탬핑하여 블랭크를 형성하는 단계, 스탬핑 이후, 절단, 헤밍, 결합 중 하나 이상의 단계, 및 그 다음 열처리 단계를 포함할 수 있다. 알루미늄 물품의 제조 또는 제작의 다른 예시적인 공정은 3-90℃/s의 가열 속도로 알루미늄 합금 블랭크를 100-500℃의 온도로 가열하는 단계, 상기 블랭크를 스탬핑 장비로 신속하게 수송하는 단계, 스탬핑 장비에서 스탬핑하여 블랭크를 형성하는 단계, 스탬핑 이후, 절단, 헤밍, 결합 중 하나 이상의 단계, 및 그 다음 열처리 단계를 포함할 수 있다.
하기 실시예는 그러나 동시에 임의의 제한을 구성하지 않고 본 발명을 추가로 예시하기 위한 역할을 할 것이다. 반면, 해결 수단은 다양한 구현예, 변형예 및 이의 동등물을 가질 수 있을 것이고, 이는 본원의 설명을 읽은 이후, 본 발명의 사상을 벗어남 없이 당해 분야의 숙련가에게 그 자체가 제시될 수 있는 것으로 분명하게 이해된다.
실시예 1
고온 인장 시험
AA6016 합금 샘플의 고온 인장 시험을 수행하였다. 시험 샘플은 도 1에서 예시된 바와 같이 성형된 AA6016 합금의 시편이었다. 시편은 1.2 mm의 두께를 가졌다. 고온 시험의 경우, 90℃/s로의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 시편을 가열하였다. 고온계를 사용하여 각 시편의 온도를 측정하였다. 각 시편의 특정 시험 온도는 인장 시험 과정에서 유지되었다. 도 2는 인장 시험 이전 및 그 과정에서 AA6016 샘플의 가열 곡선을 나타내고, 화살표는 시편이 상기 표적 온도가 달성되는 경우에 인장 시험의 시작을 나타낸다. AA6016 시편 및 강철 시편 (Voestalpine (Linz, 오스트리아)로부터의 DX56D (저탄소강))을 또한 실온에서 시험하였다. 실온에서 시험된 강철 샘플은 도 3에서와 같이 "강철 냉각"으로서 지칭되고, 한편 실온에서 시험되는 AA6016 시편은 도 3에서 "RT"로서 지칭된다.
도 3은 시험된 AA6016 샘플 및 강철 샘플의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 수직 점선은 강철 샘플의 총 신율을 나타낸다. 인장 시험은 250℃ 이상의 온도로 AA6016 샘플을 가열하는 것은 실온에서의 AA6016 샘플에 의해 나타난 총 신율과 비교하여 증가된 총 신율을 유발함을 나타내었다. 300℃로 AA6016 샘플을 가열하는 것은 총 신율에서 약 15%의 이익을 야기하였다. 놀랍게도, 350℃로 AA6016 샘플을 가열하는 것은 실온 강철 샘플과 대략 동일한 총 신율을 나타내었다. 이러한 결과는 본 발명의 방법으로 처리된 알루미늄 샘플은 일부 응용분야에서 강철을 대체할 수 있음을 나타낸다. 350℃보다 높은 온도는 강철 샘플보다 더 높은 신율을 유발하였고, 한편 이러한 더 높은 온도의 일부에서 박편화가 증가될 수 있다. 시험 과정에서 측정된 공칭 응력 수준은 온도가 증가함에 따라 점차 작아지는 힘이 AA6016 합금의 온간 성형 과정에서 적용될 필요가 있음을 나타내었다.
실시예 2
열처리후 인장 시험
AA6016 합금 샘플의 열처리후 인장 시험을 수행하였다. 시험 샘플은 도 1에서 도시된 바와 같이 성형된 AA6016 합금의 시편이었다. 시편은 1.2 mm의 두께를 가졌다. 열처리후 시험의 경우, 시편을 90℃/s로의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열하고, 수중에서 냉각시키고 ("물 켄칭시켰고"), 그 다음 켄칭시키고, 실온에서 1주일 동안 에이징시켰다. 실온에서 유지된 AA6016의 시편 ("실온 시편")을 또한 비교를 위해 시험하였다. 도 4는 열처리후 AA6016 시편의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 도 4에 나타낸 열처리후 응력-변형률 곡선은 실질적으로 유사한 형태 및 크기의 것이고, 또한 실온 시편 (ref T4)의 응력-변형률 곡선과 유사하다. 도 4에 나타난 응력-변형률 곡선은 실험에서 사용된 열처리가 AA6016 시편의 기계적 특성 또는 금속성 상태를 변경하지 않았음을 입증한다.
도 5는 도 4와 관련된 응력-변형률 곡선 (곡선의 하부 세트; REF T4, 실온 성형된 샘플 RT, 및 예시적인 샘플, T4에 대한 대표적인 응력-변형률 곡선) 및 비교를 위한 90℃/s의 가열 속도로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭시키고, 실온에서 1주일 동안 자연적으로 에이징시키고, 10시간 동안 180℃로 열처리되고, 이후 실온으로 냉각된 AA6016 합금 샘플의 응력-변형률 곡선 (곡선의 상부 세트; 온간 성형에 가해지지 않은 합금 AA6016 (최상부 점선) 및 예시적인 샘플, T6에 대한 대표적인 응력-변형률 곡선)을 나타낸다. 도 6은 도 5를 생성하기 위해 사용된 인장 시험 실험과 동일한 방식으로 처리된 AA6016 합금 샘플의 비교 전기전도도 측정값의 결과를 나타내는 막대 그래프이다. 수평선은 T4 템퍼의 AA6xxx 합금에 의해 입증되는 최소 전도도 값을 나타낸다. AA6016 합금 샘플은 90℃/s로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열되고, 물 켄칭시키고, 실온에서 1주일 동안 자연적으로 에이징되고, 이는 T4 템퍼를 유발한다. T4 샘플의 전도도를 측정하였고, 이는 각 세트에서의 좌측 히스토그램으로서 도시되어 있다. 그 다음 샘플은 10시간 동안 180℃로 가열되었고, 이후 실온으로 냉각되고, 이는 T6 템퍼를 유발한다. 냉각시, 현재 T6 샘플의 전도도를 측정하였고, 이는 각 세트에서의 우측 히스토그램으로 도시되어 있다. 전도도 데이터에 기초하여, 모든 AA6016 샘플은 1주일 동안 실온으로 유지되는 경우에 열처리후 T4 템퍼로 유지되었다. 비교하자면 10시간 동안 180℃로 열처리된 AA6016 샘플은 에이징 관련 경화 및 T6 템퍼로의 전이를 나타내었다. 상기 데이터는 T4 템퍼를 유지하고, 온간 성형 이후 일정 기간 동안 AA6016 알루미늄 합금의 에이징 경화를 회피하는 것이 가능하였음을 나타내었다. 이러한 현상은 온간 성형된 알루미늄 합금 시트의 지속된 성형성을 나타내고, 이는 온간 성형 이후 추가적인 스탬핑 단계의 수행을 가능하게 할 수 있다. 상기 데이터는 또한 열처리된 AA6016 합금 샘플이 이의 에이징 경화 잠재성을 보존하고, 이에 따라 (예를 들면, 페인트 베이킹 과정에서의 열처리 또는 성형후 열처리에 의해) 온간 성형 이후에 에이징 경화될 수 있음을 나타내었다.
실시예 3
상이한 가열 속도로 가열된 샘플의 열처리후 인장 시험
상이한 가열 속도로 가열된 AA6016 합금 샘플의 열처리후 인장 시험을 수행하였다. 시험 샘플은 도 1에 도시된 AA6016 합금의 시편이었다. 시편은 1.2 mm의 두께를 가졌다. 열처리후 시험의 경우, 시편을 90℃/s 가열 속도 (도 7에서의 곡선의 상부 세트 및 도 8에서의 각각의 세트에서의 좌측 히스토그램) 또는 3℃/s 가열 속도 (도 7에서의 곡선의 하부 세트 및 도 8에서의 각각의 세트에서의 우측 히스토그램)로의 유도 가열에 의해 다양한 온도로 가열하고 (도 7-8에서 "HT"로서 지칭됨), 수중에서 냉각시키고 (즉, 물 켄칭시키는 것을 지칭하는 "WQ"), 실온에서 1주일 동안 자연적으로 에이징시켰고, 10시간 동안 180℃로 열처리하였고, 이후 실온으로 냉각시켰다. 실온에서 유지된 AA6016을 또한 비교를 위해 시험하였고, 도 7-8에서 "RT"로서 지칭된다. 도 7은 시험된 AA6016 시편의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 도 8은 도 7을 생성하기 위해 사용된 실험에서의 샘플과 동일한 방식으로 처리된 AA6016 합금 샘플의 비교 전기전도도 측정의 결과를 나타내는 막대 그래프이다.
도 7 및 8에서 도시된 실험 데이터는 합금은 3℃/s 가열 속도로 400℃ 이상의 온도로 가열되는 경우에 강도의 수반되는 손실과 함께 AA6016의 과에이징이 발생되었음을 입증하였다 (도 7에서의 곡선의 하부 그룹 및 400℃, 450℃ 및 500℃에서의 도 8에서의 히스토그램 막대 쌍의 좌측 히스토그램 막대를 참조). 전도도 측정은 상기 조건 하에 열처리되는 경우에 30 MS/m 초과로의 전도도 값으로 나타난 바와 같이 AA6016가 과에이징된 것을 확인하였다. 상기 데이터는 또한 과에이징을 회피하기 위해 가열 및 온간 성형 파라미터를 조심스럽게 선택하여야 함을 나타내었다. 더 높은 가열 속도 (90℃/s)는 과에이징이 발생되지 않은 더 넓은 범위의 가열 온도에 대해 제공되었다.
실시예 4
박편화 시험
AA6016 합금 샘플의 인장 사전-변형률 및 이의 박편화 측정을 수행하였다. 시험 샘플은 도 1에 예시된 바와 같이 성형된 AA6016 합금의 시편이었다. 시편은 1.2 mm의 두께를 가졌다. 시편을 90℃/s로의 유도 가열에 의해 각각 나타낸 온도에서 45%, 65% 및 85%로 사전-변형시켰다. 또한, AA6016 시편을 실온에서 시험하였다 (도 9에서 "RT"로서 지칭됨). 각 샘플의 박편화를 도 10에 도시된 위치에서 실온으로 사전 변형시킨 후 측정하였고, 도 10은 박편화 측정을 위해 사용되는 예시적인 알루미늄 합금 시편의 종방향 측면의 사진이다. 수평선은 박편화 측정이 이루어진 위치를 나타내고; 최소 두께 측정값을 사용하여 박편화 값을 계산하였다. 박편화 측정을 위해, 시편을 온간 성형시키고, 각 온도에서 45%, 65% 또는 85%로 사전 변형시켰거나, 또는 온간 성형시키고, 각 온도에서 사전 변형시키지 않았다 (도 9에서 "WF"로 나타냄). 도 9는 언급한 온도에서 사전 변형 단계 과정에서 측정된 응력-변형률 곡선과 함께 파손까지의 온도에서의 인장 시험 과정 중의 AA6016 시편의 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 수직 점선은 미리 측정된 강철 샘플의 총 신율을 나타낸다. 시험은 사전 변형으로 샘플이 파손되기까지 얼마나 걸리는지 나타내었다.
도 11, 12 및 13은 다양한 사전-변형률 및 온도 값에서 시편의 "박편화 맵"을 나타낸다. 도 11, 12, 및 13에 사용된 데이터는 온도 범위가 150℃ 내지 450℃, 예를 들면, 250-350℃에 존재하고, 시험된 합금은 최대 30%, 예를 들면, 5-15%의 총 신율에서의 이득 및 제한된 박편화 (예를 들면, 약 20% 이하)를 나타냄을 입증한다. 상이한 합금에 대한 박편화 맵의 비교 (AA6120 (도 11), AA6111 (도 12) 및 AA6170 (도 13))는 또한 합금 조성을 조정함으로 조율될 수 있음을 입증할 수 있다.
실시예 5
실험실 규모 스탬핑
알루미늄 합금 AA6170 시트 (1 mm 두께)를 270 cm x270 cm 블랭크로 절단하였고, 스탬핑을 수행하였다. 정사각형 조각을 본원에 기재된 방법에 따라 임의로 가열하였다. 4개의 샘플을 스탬핑 실험에 대해 사용하였다. 샘플 1 및 2를 가열하지 않았고, 주위 온도 (약 25℃)로 스탬핑시켰다. 샘플 3을 200℃의 스탬핑 온도로 가열하였다. 샘플 4를 350℃의 스탬핑 온도로 가열하였다. 시험 파라미터 및 결과는 표 1에 나타나 있다.
Figure pat00001
샘플 1을 40mm의 깊이로 인발시켰고, 도 14에 나타난 바와 같이 물질 파손을 나타내는 균열을 나타내지 않았다. 샘플 2는 43 mm의 깊이로 인발시켰고, 균열은 도 15에 나타난 바와 같이 분명하다. 이러한 결과는 40 mm가 실온에서 조각을 스탬핑하는 경우에 달성가능한 최대 인발 깊이임을 제시한다.
200℃로 예열되는 경우에, 샘플 3은 도 16에서 나타난 바와 같이 균열되었고, 40 mm의 인발 깊이에서의 파손을 나타내었다. 350℃로 예열되는 경우에, 샘플 4는 도 17에 나타난 바와 같이 70 mm의 인발 깊이에서 균열을 나타내지 않았고, 이는 350℃로 예열되는 경우에 파손 없이 75mm의 인발 깊이를 스탬핑하는 것이 달성가능함을 제시한다.
실시예 5에 기재되고 도 14-17에 나타난 바와 같은 스탬핑 결과는 도 18에 나타낸 인장 곡선으로부터 측정되는 신율과 일치한다. 예를 들면, 샘플 4에 대한 인장 곡선 (350℃)은 샘플 1 및 샘플 2 모두 (실온, 도 18에서 "RT"로 지칭됨) 및 더 낮은 공칭 변형률 값을 갖는 샘플 3 (200℃)에 대한 인장 곡선과 비교되는 바와 같이 더 높은 공칭 변형률 값 (x-축)을 나타낸다. 실온 및 200℃ 인장 곡선 모두에 대한 공칭 변형률 값은 유사하고, 이는 43 mm의 깊이에서의 샘플 2에서의 균열 및 40 mm의 깊이에서의 샘플 3에서의 균열을 관찰한 실험 결과와 일치한다. 시트의 성형성은 스탬핑된 부품의 균열 없이 달성가능한 인발 깊이를 특징으로 할 수 있다. 더 큰 인발 깊이는 더 큰 성형성을 나타낼 수 있다.
모든 특허, 특허 출원, 공보, 및 상기에 인용된 초록은 그의 전문이 본원에 참조로 포함되어 있다. 본 발명의 다양한 예는 본 발명의 다양한 목적을 충족하는 것으로 기재되어 있다. 이들 예는 본 발명의 원리를 단지 설명하는 것이다. 수많은 변형예 및 이의 적용은 하기 청구항에 정의된 바와 같이 본 발명의 사상 및 범위를 벗어남 없이 당해 분야의 숙련가에게 용이하게 자명할 것이다.

Claims (1)

  1. 에이징-경화성, 열처리가능한 알루미늄 합금으로부터 제조된 물품의 성형 방법으로서,
    약 3℃/초 내지 약 90℃/초의 가열 속도에서 약 100℃ 내지 약 600℃의 온도로 물품을 가열하는 단계; 및
    상기 물품을 성형하는 단계
    를 포함하는 성형 방법.
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