KR20220146620A - 알루미늄 캔 시트의 제조 방법 및 설비 - Google Patents

Abstract

알루미늄 캔 시트의 제조 방법은, 알루미늄 합금 타입 AA3004, AA3104 또는 알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합한 다른 알루미늄 합금으로 구성된 보디를 제공하는 단계; 상기 보디를 균질화 온도까지 가열하는 단계; 상기 보디를 열간 압연기에서 열간 압연하여 열간 압연 시트를 생성하는 단계, 여기서 상기 열간 압연 시트는 열간 압연기 출구 게이지를 가지면서 열간 압연 출구 온도에서 상기 열간 압연기를 빠져나가고, 상기 열간 압연 출구 온도는 상기 열간 압연 시트의 재결정화를 실질적으로 회피하도록 선택됨; 냉간 압하를 적용하기 위해 냉간 압연기에서 상기 열간 압연 시트를 냉간 압연하여, 상기 열간 압연기 출구 게이지보다 작은 냉간 압연기 출구 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하는 단계; 상기 냉간 압연 시트의 재결정화를 허용하도록 선택된 중간 온도 범위에서 상기 냉간 압연 시트를 어닐링하여, 재결정화 어닐링 시트를 수득하는 단계; 냉간 압하를 적용하기 위해 상기 재결정화 어닐링 시트를 냉간 압연하여, 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하는 단계를 포함한다.

Description

알루미늄 캔 시트의 제조 방법 및 설비

본 발명은 알루미늄 캔 시트의 제조 방법 및 이 방법을 수행하도록 구성된 설비에 관한 것이다.

알루미늄 캔 시트가 컵 형상의 물품으로 형성될 때, "이어링(earing)" 으로 알려진 현상이 보통 어느 정도 발생한다. 이어링은 형성된 컵의 상부 에지 주위에 물결 형상의 외관으로서 관찰될 수 있다. "이어(ears)" 라고도 알려진 물결형 돌출부가 컵의 제조에서 딥 드로잉 단계 동안 형성되고, 물품의 바람직하지 않은 특징을 나타낸다. 알루미늄 캔 보디 스톡 (CBS) 에서, 컵은 파형 이어를 두드러지게 수 있는 다수의 링으로 후속적으로 아이어닝 (ironing) 된다. 하이 이어링은 아이어닝 후 불충분한 트림, 클리핑된 이어 및 트리머 잼뿐만 아니라 컵에 운송 문제를 일으킬 수 있다. 이러한 가공물은 알루미늄 캔 제조에서 바람직하지 않다. 따라서, 이러한 문제를 피하고 컵의 품질을 높이기 위해 이어링을 최소화하는 것이 바람직하다.

적합한 제조 공정이 확립될 수 있다면 AA3004, AA3104 또는 다른 알루미늄 합금과 같은 캔 보디 스톡 재료가 낮은 이어링 특성을 갖는 알루미늄 캔 시트를 제조하는 데 기본적으로 적합한 것으로 알려져 있다.

캔 보디 스톡에 적합한 알루미늄 스트립을 제조하기 위해 알루미늄 산업에서 확립된 잘 알려진 공정이 존재한다. 이 공정은 조압연기(rougher mill)를 통한 다음 다중 스탠드 열간 압연기(multi stand hot rolling mill)를 통한 알루미늄 잉곳의 열간 압연을 포함하며, 보통 자기어닐링 공정을 통해 얻어진 완전히 재결정화된 재료를 보장하기 위해 고온에서 빠져나간다. 이러한 잘 알려진 방법은 낮은 이어링 및 바람직한 기계적 특성들을 갖는 최종 생성물을 생성한다. 그러나, 이러한 고온 연속 압연기의 설치 및 운영은 큰 자본 지출을 필요로 한다.

단일 스탠드 리버싱 압연기로부터 상업적으로 용인 가능한 이어링 특성을 갖는 캔 시트를 생성하기 위한 수정이 과거에 이미 제안되었다 (예를 들어, US 5,362,340 및 US 5,362,341 참조). US 5,362,340 의 방법에 따르면, 알루미늄 합금 잉곳이 제공되고, 약 527℃ 내지 약 571℃ 의 온도로 가열된다. 이 후, 잉곳을 단일 스탠드 가역 열간 압연기에서 열간 압연하여 중간 게이지 시트를 생성한다. 그 후, 자기어닐링 또는 배치어닐링된 중간 게이지 시트를 냉간 압연하여 낮은 이어링 특성을 갖는 최종 게이지 알루미늄 캔 시트를 생성한다. 단일 스탠드 리버싱 압연기에서 열간 압연 동안 제어되지 않은 재결정화를 피하기 위해 상대적 저온 균질화 (527℃ 내지 571℃) 가 적용된다.

특허출원 US 2002/0062889 A1 은 캔 제조용 열간압연 알루미늄 스트립을 제조하기 위한 프로세스 및 플랜트를 개시한다. 플랜트는 고온으로 사용되는, 공급 재료를 위한 리버싱 러핑 스테이지 (reversing roughing stage) 를 포함하고, 그 직후에 스트립을 마무리 압연하고, 이어서 코일로 감긴 스트립을 열처리한다. 마지막 마무리 압연 패스 동안, 압연 재료에서의 재결정화는 핫 스트립의 제어된 온도 관리에 의해 억제된다. 실시형태에서 온도는 재결정화를 피하기 위해 260℃ 내지 280℃ 의 비임계 온도 범위에서 유지된다. 재결정화는 압연 트레인 외부에서만 일어난다. 이러한 목적을 위해, 열간압연 재료는 마무리 압연 직후에 연속로로 이송된다. 직접 이송은 재결정화를 위해 사용되는 노가 압연 온도와 재결정화 온도 사이의 비교적 작은 온도차 (예를 들어, 약 40℃ 내지 60℃) 를 적용하기만 하면 되므로 양호한 에너지 균형을 달성한다는 이점을 가져온다.

WO 2015/140833 A1 으로서 공개된 국제특허출원은 알루미늄 캔 보디를 제조하기에 적합한 낮은 이어링율을 갖는 알루미늄 합금 시트를 개시한다. 이러한 목적을 위해 언급된 합금은 타입 A3004 및 A3104 합금을 포함한다. 바람직한 프로세스는 잉곳을 주조, 잉곳을 균질화, 열간 압연, 1차 냉간 압연, 중간 어닐링, 및 2차 냉간 압연하는 프로세스 단계들을 포함한다. 열간 압연 단계는 2 개의 개별 단계, 즉 "열간 조압연 단계" 및 "열간 마무리 압연 단계" 로 나누어진다. 열간 마무리 압연 단계에서, 종료 온도는 바람직하게는 330℃ 내지 380℃ 이다. 종료 온도가 330℃ 미만이면 재결정화의 구동력이 충분하지 않은 것으로 관찰된다.

본 발명의 목적은 알루미늄 캔을 제조하기에 적합한 알루미늄 캔 시트의 제조 방법 및 설비를 제공하는 것이며, 여기서 알루미늄 시트는 딥 드로잉 단계 후에 양호한 이어링 특성을 나타내고 또한 얇은 벽 두께를 갖는 안정적인 캔을 제조할 수 있게 한다.

이 목적은 청구항 1 의 특징들을 포함하는 방법 및 청구항 9 의 특징들을 포함하는 설비에 의해 해결된다. 바람직한 실시형태들은 종속 청구항들에서 규정된다.

알루미늄 캔 시트의 제조 방법에 따르면, 알루미늄 합금으로 구성된 보디 (잉곳이라고도 표시됨) 가 제공된다. 알루미늄 합금은 알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합하도록 선택된다. 구체적으로, 알루미늄 합금은 타입 AA3004, AA3104, 또는 AA3204 합금과 같은 알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합한 다른 알루미늄 합금이다.

알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합한 알루미늄 합금에 대한 전형적인 요건은 예를 들어 J. Hirsch 의 기사 "AlMn1Mg1 for Beverage Cans": "Virtual Fabrication of Aluminium Products" Wiley-VCH 2006 (ISBN: 3-527-31363-X), 챕터 I-4 에 기재되어 있다. 일반적으로, 재료는 강도와 충분한 성형 특성의 최적 조합을 제공해야 한다. 알루미늄의 경우, 강도는 최상의 고용 경화 (예를 들어, Mg 및 Mn 에 의해) 및 사전 변형 (즉, 고도로 압연된 시트) 을 위한 적절한 합금 첨가의 조합에 의해 달성된다. 더욱이, 강도는 후속 페인트 베이킹 사이클 후에도 충분히 높게 유지되어야 한다. 양호한 성형성은 양호한 가공 경화 (Mg) 를 위한 합금 첨가와 일부 입자 강화 효과 (Mn) 의 최적의 조합에 의해 달성된다. 후자는 또한 균질한 변형을 유지하고 심지어 다이의 세정 효과를 제공하여, 유해한 산화물 빌드업 및 마손 (galling) 을 방지한다. 그 결과, 캔 보디의 제조에 사용되는 통상적인 알루미늄 합금은 AlMg1Mn1 = EN-AW 3004 및 AlMg1Mn1(Cu) = EN-AW 3104 이고, 이는 캔 강도 및 성형성에 대한 요건을 최상의 요건을 가장 잘 충족시킨다.

바람직한 실시형태에서, 다음의 화학 조성을 포함하는 알루미늄 합금이 사용된다 (모든 수치는 중량% 임): 약 0.05 - 0.60 중량% Si (규소), 바람직하게는 0.15 - 0.5 중량% Si; 약 0.10 - 0.80 중량% Fe (철), 바람직하게는 0.25 - 0.70 중량% Fe; 약 0.70 - 1.50 중량% Mn (망간), 바람직하게는 0.80 - 1.40 중량% Mn; 약 0.80 - 1.50 중량% Mg (마그네슘), 바람직하게는 0.90 - 1.30 중량% Mg; 약 0.05 - 0.25 중량% Cu (구리), 바람직하게는 0.10 - 0.25 중량% Cu; 최대 0.10 중량% Ti (티타늄), 최대 0.25 중량% Zn (아연); 및 최대 0.15 중량% 불순물, 바람직하게는 0.05 중량% 미만의 각각의 불순물; 잔부 Al (알루미늄).

다른 한편으로, 다른 목적에 최적화된 많은 알루미늄 합금들은 본 출원의 맥락에서 알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합한 것으로 간주되지 않는다. 이들은 예를 들어 1XXX 시리즈 합금 (최소 99 중량% 알루미늄 함량을 갖는 본질적으로 순수한 알루미늄), 기본적인 합금 원소로서 구리와 합금화되고 강에 필적하는 강도까지 석출 경화될 수 있는 2XXX 시리즈 합금, 기본적인 합금 원소로서 규소와 합금화되는 4XXX 시리즈 합금, 우수한 내식성을 제공하기 위해 기본적인 합금 원소로서 마그네슘과 합금화되는 5XXX 시리즈 합금, 기본적인 합금 원소로서 마그네슘 및 규소와 합금화되는 6XXX 시리즈 합금, 기본적인 합금 원소로서 아연과 합금화되고 석출 경화될 수 있는 7XXX 시리즈 합금, 또는 알루미늄-리튬 합금과 같이 다른 시리즈에 의해 커버되지 않는 다른 원소와 합금화되는 8XXX 시리즈를 포함한다.

일반적으로, AA3004, AA3104, AA3204, 또는 알루미늄 캔 시트 및 다른 알루미늄 합금을 제조하기에 적합한 다른 알루미늄 합금의 화학 조성은 당업자에게 공지되어 있고, 예를 들어 알루미늄 협회 (Aluminum Association) 의 Teal 시트에서 입수 가능하다.

보디는 주조 알루미늄으로 구성될 수 있으며, 이는 후속적으로 추가 프로세싱에 적합한 보디를 얻기 위해 스캘핑되었다. 보디는 균질화 온도로 가열된다. 이 가열 단계의 주 목적은 재료를 균질화하는 것이다. 균질화 온도는 예를 들어 다음 프로세스 단계를 위한 원하는 온도에 따라 약 500℃ 내지 약 600℃ 의 범위일 수도 있다. 보디는 열간 압연에 적합한 온도로 냉각될 수도 있다.

다음 단계에서, 보디를 열간 압연기에서 열간 압연하여 열간압연 시트를 제조한다. 열간 압연기를 빠져나오는 열간압연 시트는 열간압연 종료 온도에서 열간 압연기를 빠져나온다. 열간 압연 단계는 열간 압연 후 압연된 알루미늄 시트의 두께인, 열간 압연 출구 게이지를 갖는 열간압연 시트를 생성한다. 열간 압연 단계에서, 열간압연 시트의 재결정화를 실질적으로 피하기 위해 열간 압연 종료 온도가 선택되도록 온도 제어가 이루어진다. 본 출원의 맥락에서, 용어 "재결정화" 는 금속 보디 내의 변형된 그레인들이 결함 및 핵이 본질적으로 없고 원래의 그레인들이 완전히 소비될 때까지 성장하는 새로운 세트의 그레인들에 의해 대체되게 하는 프로세스를 지칭한다. 재결정화는 재료의 강도 및 경도를 감소시키고, 동시에 연성이 증가된다. 본 프로세스에서, 열간 압연 출구 온도는, 열간 압연기를 빠져나가는 시트가 전위 등과 같은 높은 밀도의 결함, 및 비교적 높은 강도 및 경도를 나타내면서, 동시에 연성이 비교적 낮을 수 있도록 선택된다.

가이드라인으로서, 열간 압연 후 실질적으로 재결정화되지 않은 시트는 예를 들어 190 MPa 내지 240 MPa 의 인장 강도를 나타낼 수 있는 반면, 동일한 재료는 재결정화된 상태에서 훨씬 더 낮은 인장 강도 값, 예를 들어 완전히 재결정화된 재료의 경우 약 150 MPa 까지 낮은 값을 나타낼 것이다. 경도 값은 비커스 경도 시험에 의해 결정될 수도 있으며, MPa (또는 N/mm²) 로 주어지는 Vickers Pyramid Number (HV) 로서 표현될 수도 있다. 경도는 또한 알루미늄 합금에 대해 잘 알려진 관계 UTS

3*HV 에 의해 극한 인장 강도 (UTS) 값으로부터 근사화될 수 있다.

다음 단계에서, 열간압연 시트를 냉간 압연기에서 냉간 압연한다. 이 프로세스 단계의 목적은 냉간 압하를 달성하는 것이며, 이는 시트의 게이지 (또는 두께) 가 더 감소됨을 의미한다. 냉간 압하는 열간 압연기 출구 게이지보다 더 작은 냉간 압연기 출구 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 생성하도록 수행된다. 시트가 약 100℃ 이하의 온도, 예를 들어 50℃ 내지 60℃ 만큼 낮은 온도로 냉각된 후, 냉간 압연이 열간 압연 단계를 뒤따른다.

이어서, 냉간 압연 시트 (냉간 압연기 출구 게이지를 가짐) 는 노로 이송되어, 냉간 압연 시트의 재결정화를 허용하도록 선택된 온도를 갖는 중간 온도 범위에서 냉간 압연 시트를 어닐링한다. 어닐링 단계는 냉간 압연기 출구 게이지를 갖는 재결정화된 시트를 초래한다. 재결정화된 시트의 미세조직은 전형적으로 냉간 압연에 의해 얻어진 결함 있는 미세조직을 대체하는 새로운 세트의 상대적인 무결함 그레인을 나타낸다. 실시형태에서, 인장 강도 값은 예를 들어 150 MPa 내지 약 200 MPa 일 수도 있다.

후속 단계에서, 재결정화된 시트는 냉간 압연하여 냉간 압하를 적용하여서, 냉간 압연기 출구 게이지보다 작은 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 생성한다.

새로운 프로세스를 개발할 때, 본 발명자들은 종래의 방법들의 특정 단점들을 확인하였고, 이제 종래 기술의 단점들을 회피하는 경제적인 방식으로 알루미늄 캔 시트를 제조하는 새로운 방식을 제안한다. 예를 들어, US 5,362,340 에 개시된 프로세스를 연구하면서, 알루미늄 합금의 화학 조성과 조합된 상대적인 낮은 온도 균질화 처리가 어닐링 (고온 압연기 출구 게이지에서 자기어닐링 또는 배치어닐링) 시에 강한 큐브 텍스처를 생성할 수 있으며, 일부 경우에 어닐링을 뒤따르는 냉간 압연 프로세스가 이를 균형잡을 수 없는 것으로 밝혀졌다. 이는 0°/ 90°이어링 또는 매우 낮은 45°이어링을 갖는 알루미늄 캔 시트를 초래할 수도 있다. 이러한 이어링 특성은, 후속 드로잉 및 아이어닝 프로세스 동안, 압연 방향에 대해 0°/180°에서 핀치된 이어를 갖는 캔뿐만 아니라 증가된 티어오프 캔 및 캔 제조기에서의 낮은 성능을 생성할 수도 있다.

또한, 단일 스탠드 리버싱 압연기의 일부 한계가 종래의 프로세스에서 문제를 야기할 수도 있다. 단일 스탠드 리버싱 압연기로부터의 열간 압연 출구 게이지는 전형적으로 약 2.0 mm 의 값까지 내려갈 수도 있다. 단일 스탠드 리버싱 압연기로부터 더 낮은 출구 게이지를 생성하는 것은 일반적으로 어렵고, 시트의 크라운, 웨지 및 평탄도를 제어함에 있어서의 어려움으로 인해 실현가능하지 않을 수도 있다. 한편, 캔 제조기들의 경향은 캔 시트의 두께를 감소시키는 것이며, 이러한 경향은 또한 "다운-게이징" 으로도 알려져 있다. 오늘날의 일반적인 두께와 비교할 때 이어링 및 강도 특성이 유사한 더 낮은 두께의 최종 제품을 생산하고자 한다면, 핫 게이지 두께에서 중간 어닐링 (자기어닐링 또는 배치어닐링) 후 재료에 적용되는 동일한 총 냉간 압하를 유지하는 것이 요구된다. 이러한 목표를 달성하는 것은 열간 압연기 출구 게이지를 2 mm 훨씬 미만의 값으로 낮추는 것을 필요로 할 것이다. 새로운 프로세스는 종래의 프로세스들에서 확인된 이러한 문제들을 실질적으로 회피할 수 있다.

본 발명의 상기한 표현에 따른 프로세스는 이전의 열간 압연 단계와 후속하는 중간 어닐링 단계 사이에 삽입된 냉간 압연 단계를 도입한다. 새로운 일련의 단계들은 적어도 두 가지 중요한 효과를 갖는다. 첫 번째 효과는 최종 생성물을 고려하여 이해될 수 있고, 다른 하나의 효과는 열-기계적 프로세스 자체를 고려할 때 이해될 수 있다.

최종 생성물은 일반적으로 비교적 낮은 이어링 값을 나타내는 것으로 밝혀졌다. 결과적인 이어링은 약 45°(압연 방향에 대해) 에서 더 두드러진다. 이러한 이어링 배향은 최종 소비자의 관점, 즉 캔 제조자의 관점에서 일반적으로 바람직하다. 새로운 방법은 일반적으로, 캔 제조자의 관점에서 바람직하지 않고 US 5,362,340 과 같은 종래 기술에 기술된 프로세스로 얻어질 가능성이 높은 0°/90°에서의 높은 이어를 피하거나 감소시킨다. 야금학적 관점에서, 열간 압연 후에 도입되고 본질적으로 재결정화되지 않은 재료에 대해 수행되는 냉간 압하가 중간 어닐링 후에 재료가 가질 큐브 텍스처 밀도를 낮추는 입자 자극된 핵생성 (PSN) 메커니즘을 향상시킬 수 있는 것으로 여겨진다. 어닐링 후 더 낮은 큐브 텍스처는 최종 제품에 대해 0/90°대신에 45°를 향해 이어링 경향을 초래할 것이다.

(열-기계적 프로세스의 능력에 대한) 두 번째 효과와 관련하여, 이어링 및 재료의 최종 강도가 핫 게이지(hot gauge)에서 중간 어닐링 후의 냉간 가공량에 크게 의존한다는 것이 관찰된다. 예를 들어, 현재의 종래의 프로세스에서 최종 게이지가 0.26 mm 인 재료가 생성되는 경우, 중간 어닐링은 약 2 mm 게이지에서 수행될 수도 있다. 따라서, 전체 냉간 압하율은 약 87% 이다. 이제 최종 고객이 0.24 mm 최종 게이지를 요청하는 경우를 고려한다. 동일한 이어링 및 특성들을 생성하기 위해, 약 1.85 mm 에서 중간 어닐링을 할 필요가 있을 것이다. 이러한 비교적 작은 두께는 평탄도 및 두께 범위 제한으로 인해 단일 스탠드 리버싱 압연기에서 종종 만족스럽게 달성될 수 없다. 새로운 방법에서는 이러한 제한이 없다. 새로운 방법을 적용하는 것은 생산자가 열간 압연기로부터 더 두꺼운 재료 (예를 들어, 약 2.5 mm) 를 생산할 수 있게 하고, 요구되는 중간 어닐링 게이지 (이 가상의 예에서는 1.85 mm) 로 약간의 냉간 압하를 행할 수 있게 하며, 최종 게이지로 냉간 압연되기 전에 재료를 완전히 연질로 만들기 위해 이 게이지에서 시트를 중간 어닐링에서 어닐링할 수 있게 한다. 즉, 단일 스탠드 리버싱 압연기를 열간 압연기로서 사용하는 일부 제한은 더 이상 전체 프로세스의 능력을 제한하지 않는다. 단일 스탠드 리버싱 압연기가 열간 압연기로서 사용된다면, 방법은 또한 더 두꺼운 게이지를 생산하기 때문에 단일 스탠드 열간 압연기의 출력을 많이 증가시킬 수 있다.

다른 관점으로부터, 새로운 프로세스의 이점은 적어도 부분적으로 냉간 압연이 2 개의 개별 단계로 수행된다는 사실로부터 초래되며, 여기서 제 1 냉간 압연 단계는 열간 압연 후에 그리고 (재결정되지 않은 재료에 대한) 중간 어닐링 전에 수행되고, 제 2 냉간 압연 단계는 재결정화된 재료에 대한 (중간 온도에서) 재결정화 어닐링 후에 수행된다. 그 결과, 단일 스탠드 리버싱 압연기로 열간 압연이 수행되는 경우에도, 작은 최종 게이지는 물론, 양호한 이어링 특성과 강도가 획득될 수 있다.

전술한 프로세스의 이점을 고려하여, 단일 스탠드 리버싱 압연기가 프로세스 및 설비의 바람직한 실시형태에서 열간 압연기로서 사용된다. 열간 압연 단계를 수행하기 위해 단일 스탠드 리버싱 압연기 대신에 연속압연기(tandem mill)가 사용될 수 있지만, 단일 스탠드 리버싱 압연기의 사용은 전형적으로 훨씬 덜 비싸며, 따라서 최종 제품이 경제적인 방식으로 제조될 수 있다.

바람직한 실시형태들에서, 단일 스탠드 리버싱 압연기는 2 개의 상이한 작동 모드에서 이용되며, 여기서 제 1 작동 모드는 하나 이상의 평평한 패스를 포함하고, 제 1 작동 모드 후에 이용되는 제 2 작동 모드는 열간 압연기 출구 게이지를 갖는 코일링 시트를 생성하는 하나 이상의 코일링 패스를 포함한다.

열간 압연 단계는 열간 압연 시트의 재결정화가 실질적으로 회피되도록 수행되어야 한다. 바람직한 프로세스에서, 열간 압연 출구 온도는 약 200℃ 내지 약 320℃ 이고, 바람직한 열간 압연 출구 온도는 290℃ 미만이다. 타입 AA3004, AA3104 의 알루미늄 합금들, 또는 알루미늄 캔 시트의 제조에 적합한 다른 알루미늄 합금들에 대해, 이러한 온도들은 일반적으로 재결정화를 완전히 피하기에 적합하며, 이는 전체 프로세스의 이점들을 향상시킨다. 재결정화를 완전히 피하기 위한 정확한 온도는 합금 타입에 따라 선택될 수도 있고, 합금마다 상이할 수도 있다.

냉간 압연 단계를 설계할 때, 열간 압연 시트를 압연하는 냉간 압연기에서 5% 내지 70% 의 냉간 압하가 적용되는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이러한 범위의 냉간 압하는 특히 어닐링된 재료에서 큐브 텍스처 밀도를 낮추는 것으로 여겨지는 입자 자극된 핵생성 (PSN) 을 향상시킬 수 있다.

냉간 압연 단계는 단일 스탠드 리버싱 압연기에서 냉간 압연 시트의 코일이 얻어지도록 적어도 마지막 압연 패스에서 수행될 수 있다. 이 경우, 냉간 압연 시트의 어닐링이 배치로(batch furnace)에서 수행되는 것이 바람직할 수도 있다. 일 대안으로서, 재결정화된 시트를 얻기 위해 중간 온도 범위에서의 어닐링 단계에 연속로가 사용될 수도 있다.

전체 프로세스가 높은 정도의 총 압하를 허용하기 때문에, 70% 초과의 총 압하가 감소가 열간 압연기 출구 게이지와 최종 게이지 사이의 알루미늄 시트에 적용된다. 총 압하는 80% 이상 또는 심지어 85% 이상일 수도 있다. 게이지를 줄이기 위한 냉간 압연이 1단계 대신에 2단계로 수행된다는 사실에 부분적으로 기인한다.

본 발명은 또한 알루미늄 캔 시트를 제조하기 위한 설비에 관한 것이며, 이 설비는 본 발명에 따른 방법을 수행하도록 구성된다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시형태를 상세히 설명할 것이다.

도 1 은 컵-형상 물품을 제조하기에 적합한 알루미늄 캔 시트를 제조하도록 구성된 설비의 일부의 개략도이다.
도 2 는 초기 열간압연 단계 후 시트 재료의 재결정화도와 최종 게이지에 냉간 압하를 적용한 후 이어링의 양 및 타입 사이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 3 은 중간 어닐링 전의 냉간 압하의 영향과 최종 게이지에 냉간 압하 후 이어링의 타입과 정도에 미치는 영향을 보여주는 도면이다.

알루미늄 캔 바디 시트에 대한 주요 요건들 중에 충분히 높은 강도 및 성형성 (제한된 이어링 포함) 이 있다. 높은 강도는 충분한 구조적 안정성을 달성하고 높은 내부 압력 하에 캔 베이스의 좌굴 (돔 반전) 을 피하기 위해 필요하다. 아이어닝 후 매우 얇은 캔 벽을 갖는 안정적인 캔을 수득하기 위해 높은 강도가 또한 필요하다. 재료가 헤비 성형 작업을 거치므로 양호한 성형성이 요구된다. 핫 스트립 큐브와 냉간 압연 텍스처를 균형 잡음으로써 제어되는, 시트의 텍스처로 인한 이방성 재료 흐름은 딥 드로잉 및 아이어닝 작업 동안 항상 캔의 불균일한 림을 형성한다. 이 불균일성은 또한 "이어링" 이라고도 알려져 있다. 매우 불균일한 컵 림은 캔 보디의 수송에 해롭거나 아이어닝 동안 이어가 신장되고 단축될 때 전체 프로세스에 영향을 미쳐서, 기계 중지 시간을 초래하여 효율을 감소시킨다.

본 발명의 실시형태들은 경제적으로 실현 가능한 생산 프로세스를 사용하여 두 요건 모두를 만족스러운 방식으로 해결할 수 있다.

도 1 은 컵-형상 물품의 제조에 적합한 알루미늄 캔 시트를 제조하도록 구성된 설비 (100) 의 일부의 개략도이다. 개략도는 생산 경로에서 활용된 디바이스들 중 단지 일부를 보여준다.

생산 설비는 전형적으로 알루미늄 합금 멜트로부터 대형 주조 잉곳들을 생산하기 위한 주조 디바이스들을 포함한다. 주조 잉곳은 전형적으로 랜덤 텍스처 및 덴드라이트 조직을 갖는 조대 결정립들로 구성된다. 알루미늄, 및 Fe, Mn 및 Si 와 같은 다른 구성성분들을 포함하는 석출물들이 전형적으로 주조 잉곳 내에 불균질하게 분포된다.

다음 단계에서, 주조 잉곳들은 균질화로 (예열로(preheating furnace)로도 지칭됨, 도 1 에 미도시) 에서 균질화된다. 균질화 처리는 전형적으로 시트 제조 동안 재결정화, 결정립 크기 및 텍스처에 나중에 영향을 미치는 석출 미세조직 및 용질 함량의 특성 변화를 수반한다.

이어서, 균질화된 잉곳들은 열간 압연 스테이지로 이송된다. 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 가 바람직한 설비에서 열간 압연을 위해 사용된다. 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 는 개략적인 도 1 에 개별적으로 도시된 2 개의 상이한 작동 모드로 작동될 수 있다. 제 1 작동 모드 HR-FP (단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 의 좌측에 도시됨) 에서, 유입 잉곳들은 롤들의 어느 한 측에서도 코일링됨이 없이 재료가 전후로 롤링되는 여러 평평한 패스들을 사용하여 두께가 감소된다. 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 를 나타내는 도면의 우측에 도시된 제 2 작동 모드 HR-CP 에서, 밀 스탠드 (MS) 의 양 측의 코일링 릴들 (CR) 은 서로 반대 롤링 방향들로 수행되는 코일링 패스들 사이에서 시트 (SH) 를 코일링하는 데 사용된다. 어느 하나의 코일링 패스에서, 릴들 중 하나는 밀 스탠드에 형성된 롤링 갭에 유입 스트립을 제공하는 페이오프 릴로서 작동된다. 다른 하나의 릴은 압연 경로 후에 유출 스트립을 코일링하는 텐션 릴로서 사용된다. 단일 스탠드 리버싱 압연기는 일반적으로 당업계에 알려져 있으므로, 상세한 설명은 본 출원에서 필요하지 않은 것으로 간주된다.

그 후, 열간 압연된 재료는 - 냉각 후 - 재료 유동 방향으로 열간 압연 스테이지의 하류에 배치된 냉간 압연 스테이지 (130) 에 코일로서 이송된다. 냉간 압연기는 단일 스탠드 (도시된 바와 같이) 또는 다중 스탠드 냉간 압연기일 수 있다.

냉간 압연 스테이지 (130) 의 하류에 배치로 (140) 가 배치된다. 배치로는 냉간 압연 후에 다수의 코일들 (CL) 을 수용하고 시트 재료의 완전한 재결정화를 달성하기 위해 냉간 재료의 중간 어닐링을 수행하도록 구성된다.

중간 어닐링 배치로 (140) 의 하류에 추가 냉간 압연 스테이지 (150) 가 배치되어, 재결정화된 재료에 냉간 압연을 적용하여, 예를 들어 H1X 재료로서 또는 더 구체적으로는 H19 재료로서, 추가 프로세싱 단계를 위해 요구되는 최종 게이지에서 냉간 압연된 재료를 수득한다. 냉간 압연기 (150) 는 도 1 의 실시형태에서 단일 스탠드를 포함한다.

설비 (100) 에서 알루미늄 캔 시트를 제조하기 위한 예시적인 프로세스가 다음과 같이 수행되었다.

준비 단계에서, 알루미늄 합금을 주조하여 주조물을 형성한 후, 스캘핑하여, 추가 프로세싱에 적합한 주조 및 스캘핑된 알루미늄 합금의 보디를 수득하였다. 이 보디는 이하에서 잉곳으로도 지칭된다. 알루미늄 합금은 AA3004, AA3104, 또는 알루미늄 캔 시트를 제조하는 데 기본적으로 적합한 다른 알루미늄 합금과 같은 캔 보디 스톡 재료일 수 있다.

예시적인 프로세스에 사용된 알루미늄 합금은 약 0.30 중량% Si, 약 0.50 중량% Fe, 약 0.95 중량% Mn, 약 1.10 중량% Mg, 약 0.20 중량% Cu, 0.05 중량% 미만 Ti, 0.10 중량% 미만 Zn; 및 최대 0.15 중량% 불순물, 바람직하게는 각각 0.05 중량% 미만 불순물을 포함하였고, 잔부는 Al 이었다.

주조 및 스캘핑 후, 잉곳을 약 500 내지 595℃ 에서 소킹 시간, 예컨대 5 내지 20 시간으로 균질화한 후, 잉곳을 약 490 내지 530℃ 로 냉각시켰다.

이어서, 균질화된 잉곳 (알루미늄 보디) 을 상당한 중간 냉각 없이 열간 압연기로 이송하여, 잉곳의 열간 압연을 대략 이 온도, 즉 약 490 내지 530℃ 에서 시작하였다. 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 가 이러한 설비 셋업에서 열간 압연기로서 이용되었다.

약 25 내지 45 mm 게이지까지 아래로, 여러 평평한 패스가 수행되었다. 마지막 평평한 패스 후의 잉곳 온도는 약 290 내지 350℃ 이었다. 평평한 패스의 수는 예를 들어 15 내지 50 일 수도 있다.

평평한 패스 후, 재료의 두께는 동일한 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 상에서 열간 압연으로 더욱 감소되었고, 재료가 각각의 패스 (코일링 패스) 후에 코일링된다는 차이가 있었다. 코일링 패스의 수는 2 내지 8 이었다.

마지막 코일링 패스 후의 재료의 두께는 약 1.7 mm 내지 약 5 mm 였다. 여기에 보고된 실험에서, 열간 압연 후의 재료의 출구 온도, 즉 열간 압연 출구 온도 T T_HREX 는 재결정화의 부존재를 보장하기에 충분히 낮았다. 전형적으로, 열간 압연 출구 온도는 약 200℃ 내지 약 340℃, 바람직하게는 약 220℃ 내지 약 280℃ 였다. 각각의 코일링 패스의 압하는 약 20 내지 70% 였다.

열간 압연 재료를 냉각시킨 후, 냉간 압연기로 이송하였다.

재결정화되지 않은 고온 밴드 재료에서 직접 냉간 압연기 내의 재료에 5% 내지 70% 의 냉간 압하를 적용하였다.

이어서, 냉간 압연된 시트를 중간 어닐링을 위해 배치로 (140) 에 코일링된 형태로 이송하였다. 이어서, 냉간 압연 시트에 중간 어닐링 단계를 적용하였다. 어닐링 온도 및 어닐링 시간은 어닐링된 재료가 완전히 재결정화되고 강한 큐브 텍스처를 생성하도록 선택되었다. 어닐링 온도의 전형적인 범위는 1 내지 12 시간의 유지 시간으로 280℃ 내지 450℃ 이다.

이어서, 재결정화 어닐링 시트를 냉간 압연하여, 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 생성하기에 적합한 냉간 압하를 적용하였다. 바람직하게는, 70% 내지 95% 압하율의 냉간 압연을 재결정화 시트에 적용하여, 재료에 필요한 강도를 부여하고, 압연 텍스처와 큐브 텍스처를 균형 잡는다. 핫 밴드 두께에서 재결정화 (부분 또는 전체) 의 경우 (자기어닐링 또는 배치어닐링 후), 어닐링 후 발달된 큐브 텍스처가 약하였고 최종 생성물이 높은 45°이어링을 가졌다.

전술한 방법으로, 재결정되지 않은 핫 밴드는 비교적 낮은 냉간 압하를 거친 후, 중간 어닐링을 재료에 적용하여 완전히 연질로 된다. 이 방법으로는, 어닐링 후 강한 큐브 텍스처의 열화 없이 냉간 압연과 함께 중간 어닐링 두께 감소가 존재한다.

완전히 재결정화된 재료를 생성하기 위해 열간 압연 및 배치어닐링 직후에 재결정되지 않은 조직에 낮은 냉간 압하를 조합하는 것이 연속 열간 압연기를 통해 캔 보디 스톡을 제조하는 종래의 방법에도 또한 적용될 수 있다. 즉, 일 대안적인 실시형태에서, 냉간 압연 단계에 선행하는 열간 압연 단계를 수행하기 위해 단일 스탠드 리버싱 압연기 대신에 연속 열간 압연기가 사용도리 수도 있다.

이하에서, 새롭고 유익한 프로세스의 일부 특징적인 양태들이 도 2 및 3 의 개략도들과 관련하여 설명된다. 도 2 는 초기 열간압연 단계 후 시트 재료의 재결정화도와 최종 게이지로 냉간 압하를 적용한 후 이어링의 양 및 타입 사이의 기술적 연결을 개략적으로 보여준다. 도 3 은 중간 어닐링 전의 냉간 압하 단계의 중요성 및 최종 게이지로 냉간 압하 후 이어링의 타입과 정도에 미치는 영향을 보여준다.

도 2 및 도 3 의 각각의 도면에서, x 축은 중간 어닐링 후에 적용되는 냉간 압하 정도 (백분율) 를 나타낸다. 즉, x 축은 중간 어닐링로 (140) 의 하류에 위치된 냉간 압연기 (150) 에서 달성되는 냉간 압하량을 나타낸다. y 축은 이어링의 타입과 양 (백분율) 을 나타낸다. 베이스라인 (BL) 위의 영역은 0 내지 90°이어링에 해당하는 반면, 베이스라인 (BL) 아래의 영역은 45°이어링을 나타낸다. 도면의 y 방향에서 베이스라인으로부터의 데이터 포인트의 절대 거리는 각각의 이어링의 양 또는 강도를 나타내며, 베이스라인 (BL) 상의 포인트가 이어링을 전혀 보여주지 않는 시트에 해당한다는 것을 의미한다. 도면의 곡선은 다수의 실험에서 확립된 일반적인 경향을 나타낸다. 도 3 의 개략적 박스 플롯 (BP) 는 선들에 의해 표현되는 경향들이 중요한 것으로 간주된다는 것을 나타낸다.

도 2 는 기본적으로 열간 압연 시트의 어떠한 재결정화가 최대한 회피되도록 열간 압연 출구 온도가 선택되어야 한다는 요건의 중요성을 보여준다.

실선은 열간 압연 작업의 종료 후에 압연된 시트가 실질적으로 재결정화되지 않은 경우를 나타낸다. 이는 청구된 발명의 일 실시형태이다. 비교를 위해, 아래쪽 곡선 (파선) 은 열간 압연 단계의 종료 후 시트들이 부분적으로 재결정화된 기준 경우들을 나타내며, 즉 제시된 기준 프로세스들에서 재결정화가 충분히 회피하지 않았음을 의미한다. 실선은 중간 어닐링 후 그리고 냉간 압하가 시작 (냉간 압하 값 = 0% 에서) 되기 전 에 완전히 재결정화된 재료에서 높은 정도의 0 - 90°이어링이 존재함을 보여준다. 냉간 압하가 증가됨에 따라, 0 - 90°이어링의 정도는 계속 감소하여 최종 게이지 (냉간 압하의 최고점에서) 를 얻기 직전에 식별 가능한 이어링이 부존재한다 (실선 곡선은 베이스라인을 가로지른다). 완전 냉간 압하가 시트에 적용된 후 최종 제품에서, 일정량의 45°이어링이 식별 가능하지만, 이어링의 정도는 절대 항에서 낮다.

반대로, 재료가 열간 압연 단계의 종료 후 상당한 양의 재결정화를 나타내는 경우 (파선), 0 - 90°이어링의 정도는 본 발명의 실시형태들에 따른 경우들에서보다 더 낮다. 냉간 압하가 증가할수록, 0 - 90°이어링의 정도는 감소하며, 더 얇은 최종 게이지를 수득하기에 충분하지 않은 냉간 압하에서 완전히 사라질 것이다. 더 얇은 최종 게이지를 얻기 위해 냉간 압하의 양이 증가됨에 따라, 이어링의 특성은 0°- 90°이어링에서 주로 45°이어링으로 변화하고, 45°이어링의 양은 청구된 프로세스 (실선) 에 따른 재료에서보다 절대 항에서 훨씬 더 높은 레벨로 증가한다. 이는 열간 압연 단계 후 재결정화의 정도가 최종 제품에서의 이어링의 양과 특성에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여준다.

도 3 의 다이어그램은 유사한 방식으로 판독될 수 있다. 다이어그램은 즉각적인 어닐링 전에 적용되는 냉간 압하 단계의 중요성을 예시한다. 다이어그램에서, 위쪽 곡선 (파선) 은 어닐링 전에 냉간 압하가 적용되지 않은 경우에 해당한다. 이는 본원의 시작 부분에서 언급된 종래 기술에서 기술된 프로세스들과 유사한 프로세스일 수 있다. 중간 소둔 직후에 높은 정도의 0°- 90°이어링이 존재하는 것을 알 수 있다. 재료가 최종 게이지 (최대 냉간 압하량) 까지 최종 냉간 압연될 때, 최종 제품에 이어링이 거의 없거나 매우 적다. 일정량의 45°이어링이 존재한다면, 절대량은 작다.

그와 대조적으로, 파선 아래의 점선은 본 발명의 실시형태들에 따른 프로세스들을 나타내며, 여기서 냉간 압연기에서 중간 어닐링 전에 냉간 압하가 적용되어, 재료가 중간 어닐링으로 이송되기 전에 열간 압연 상태를 빠져나오는 (본질적으로 재결정화되지 않은) 재료를 압연한다. 초기에는, 냉간 압하가 적용되기 전에, 0 - 90°이어링의 양이 어닐링 전 냉간 압하가 없는 경우에서보다 더 적다. 일단 시트가 최종 게이지 (최대 냉간 압하에서) 까지 두께가 감소되면, 상당한 양의 45°이어링이 존재하며, 이는 매우 얇은 알루미늄 시트로 작업하는 많은 캔 제조자가 원하는 특성이다.

본 특허출원의 개시는 또한 알루미늄 캔의 제조 방법에 관한 것이며, 이는 알루미늄 캔 시트의 제조 방법의 방법 단계들을 포함하고, 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트는 알루미늄 캔을 제조하기에 적합한 컵-형상 물품으로 형성된다.

Claims (12)

1. 알루미늄 캔 시트의 제조 방법으로서,
   알루미늄 합금 타입 AA3004, AA3104 또는 알루미늄 캔 시트를 제조하기에 적합한 다른 알루미늄 합금으로 구성된 보디를 제공하는 단계;
   상기 보디를 균질화 온도까지 가열하는 단계;
   상기 보디를 열간 압연기에서 열간 압연하여 열간 압연 시트를 생성하는 단계로서, 상기 열간 압연 시트는 열간 압연기 출구 게이지를 가지면서 열간 압연 출구 온도에서 상기 열간 압연기를 빠져나가고, 상기 열간 압연 출구 온도는 상기 열간 압연 시트의 재결정화를 실질적으로 회피하도록 선택되는, 상기 열간 압연 시트를 생성하는 단계;
   냉간 압하를 적용하기 위해 냉간 압연기에서 상기 열간 압연 시트를 냉간 압연하여, 상기 열간 압연기 출구 게이지보다 작은 냉간 압연기 출구 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하는 단계;
   상기 냉간 압연 시트의 재결정화를 허용하도록 선택된 중간 온도 범위에서 상기 냉간 압연 시트를 어닐링하여, 재결정화 어닐링 시트 (recrystallized annealed sheet) 를 수득하는 단계;
   냉간 압하를 적용하기 위해 상기 재결정화 어닐링 시트를 냉간 압연하여, 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하는 단계
   를 포함하는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 알루미늄 합금은
   약 0.05 - 0.60 중량% Si, 바람직하게는 0.15 - 0.5 중량% Si;
   약 0.10 - 0.80 중량% Fe, 바람직하게는 0.25 - 0.70 중량% Fe;
   약 0.70 - 1.50 중량% Mn, 바람직하게는 0.80 - 1.40 중량% Mn;
   약 0.80 - 1.50 중량% Mg, 바람직하게는 0.90 - 1.30 중량% Mg;
   약 0.05 - 0.25 중량% Cu, 바람직하게는 0.10 - 0.25 중량% Cu;
   최대 0.10 중량% Ti;
   최대 0.25 중량% Zn; 및
   최대 0.15 중량% 불순물들, 바람직하게는 상기 불순물들의 각각이 0.05 중량% 미만;
   잔부 Al
   을 포함하는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   단일 스탠드 리버싱 압연기가 열간 압연기로서 이용되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 단일 스탠드 리버싱 압연기는 2 개의 상이한 작동 모드로 이용되며, 제 1 작동 모드가 하나 이상의 평평한 패스들을 포함하고, 상기 제 1 작동 모드 후에 이용되는 제 2 작동 모드가 하나 이상의 코일링 패스들을 포함하여, 상기 열간 압연기 출구 게이지를 갖는 코일링 시트 (coiled sheet) 를 생성하는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열간 압연 출구 온도는 200℃ 내지 320℃ 이고, 바람직하게는 상기 열간 압연 출구 온도는 290℃ 미만인, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열간 압연 시트를 압연하는 냉간 압연기에서 5% 내지 70% 의 냉간 압하가 적용되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉간 압연 시트의 어닐링이 배치로 (batch furnace) 에서 수행되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   열간 압연기 출구 게이지와 최종 게이지 사이의 알루미늄 시트에 70% 초과의 총 압하가 적용되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 방법.
9. 특히 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라, 알루미늄 캔 시트를 제조하기 위한 설비 (100) 로서,
   알루미늄 합금으로 구성된 보디를 균질화 온도까지 가열하기 위한 예열로 (preheating furnace);
   상기 보디를 열간 압연하여 열간 압연 시트를 제조하기 위한, 상기 예열로의 하류에 배치된 열간 압연기 (120) 로서, 상기 열간 압연기는 열간 압연 시트가 열간 압연기 출구 게이지를 가지면서 열간 압연 출구 온도에서 상기 열간 압연기를 빠져나가도록 구성되고, 상기 열간 압연 출구 온도는 상기 열간 압연 시트의 재결정화를 실질적으로 회피하도록 선택되는, 상기 열간 압연기 (120);
   상기 열간 압연기 (120) 의 하류에 배치되고, 상기 열간 압연 시트를 수용하고 냉간 압하를 적용하여 상기 열간 압연기 출구 게이지보다 작은 냉간 압연기 출구 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하도록 구성된 냉간 압연기 (130);
   상기 냉간 압연 시트의 재결정화를 허용하도록 선택된 중간 온도 범위에서 상기 냉간 압연 시트를 어닐링하여 재결정화 어닐링 시트를 수득하기 위한, 상기 냉간 압연기의 하류에 배치된 어닐링로 (140);
   냉간 압하를 적용하기 위해 상기 재결정화 어닐링 시트를 냉간 압연하여, 최종 게이지를 갖는 냉간 압연 시트를 제조하기 위한, 상기 어닐링로 (140) 의 하류에 배치된 냉간 압연기 (150)
   를 포함하는, 알루미늄 캔 시트의 제조 설비 (100).
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열간 압연기 (120) 는 상기 열간 압연 출구 온도가 200℃ 내지 320℃ 이도록 구성되고, 바람직하게는 상기 열간 압연 출구 온도는 290℃ 미만으로 설정되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 설비 (100).
11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    열간 압연기가 단일 스탠드 리버싱 압연기 (120) 로서 구성되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 설비 (100).
12. 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어닐링로는 배치로 (140) 로서 구성되는, 알루미늄 캔 시트의 제조 설비 (100).

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