KR102487222B1 - 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법 및 이를 이용한 고강도 알루미늄 합금 압연판재 - Google Patents

고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법 및 이를 이용한 고강도 알루미늄 합금 압연판재 Download PDF

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Abstract

본 발명은 a) 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0.04 내지 0.1, 철(Fe) 0.09 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 초과 0.1 이하, 바나듐(V) 0.02 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계, b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계, c) 상기 주조된 합금을 균질화처리하는 단계, d) 상기 균질화처리된 알루미늄 합금을 재가열하는 단계, e) 상기 재가열된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계, f) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 용체화처리하는 단계, g) 상기 용체화처리된 알루미늄 압연판재를 냉간압연하는 단계, h) 상기 냉간압연된 알루미늄 압연판재를 제1 시효처리하는 단계 및 i) 상기 제1 시효처리된 알루미늄 압연판재를 제2 시효처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조 방법 관한 것이다.

Description

고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법 및 이를 이용한 고강도 알루미늄 합금 압연판재{High-strength aluminum rolled plate manufacturing method and high-strength aluminum rolled plate using the same}
본 발명은 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)과정을 포함하는 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법 및 이를 이용한 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 관한 것이다.
각종 군수물자에 사용하는 금속은 생산성을 뒷받침 하기 위하여 성형과 용접 등 생산성이 뛰어나야 하며, 방탄성능 및 내구성이 우수해야 한다.
통상적으로 철강재는 낮은 제조원가와 높은 강도요구로 인해 거의 대부분의 군수물자에 사용되었지만, 최근은 경량화와 함께 높은 기동성이 요구되고 있어, 철강재를 대체할 수 있는 경량금속의 수요가 증가하고 있다.
그 중 가장 대표적으로 알루미늄 합금이 연구되고 있다. 알루미늄 합금은 합금원소에 따라 5000계열(Al-Mg계), 6000계열(Al-Mg-Si계)과 같은 중고강도 알루미늄 합금에서부터 및 2000계열(Al-Cu계) 및 7000계열(Al-Zn-Mg계)과 같은 고강도 알루미늄 합금에 이르기 까지 다양한 합금들이 장갑재료로 활용되고 있다.
일례로, 국방과학연구소는 ‘알루미늄 합금 복합분말 및 그 제조방법’(대한민국 등록특허공보 제10-2032802호) ‘미시메탈이 첨가된 티타늄-알루미늄 합금계 합금’(대한민국 등록특허공보 제10-1842922호)등 알루미늄 합금 소재에 대한 연구가 활발히 진행중이며, 일본의 Kobe Steel 社에서도 ‘알루미늄 합금재 제조 방법’(일본 등록특허 제6750964호)과 같은 연구가 진행 중이다.
하지만 알루미늄 합금은 제조 과정에서 소요되는 비용이 높아 아직까지 철강재를 완전히 대체하기에는 어려움이 많으며, 특히 2xxx계열 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조하기 위해서는 스트레칭(Stretching)을 수행하는 전용장비가 필수적으로 요구되는 등 상당한 어려움이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-2032802호 (2019.10.10.) 대한민국 등록특허공보 제10-1842922호 (2018.03.22.) 일본 등록특허 제6750964호 (2020.09.20.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)를 통해 스트레칭 공정을 대체하는 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 냉간압연, 제1 시효처리 및 제2 시효처리 조건을 최적화하여 510㎫ 이상의 인장강도, 480㎫ 이상의 항복강도 및 6.5% 이상의 연신율을 동시에 가지는 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 a) 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0.04 내지 0.1, 철(Fe) 0.09 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 초과 0.1 이하, 바나듐(V) 0.02 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계, b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계, c) 상기 주조된 합금을 균질화처리하는단계 d) 상기 균질화처리된 알루미늄 합금을 재가열하는 단계, e) 상기 재가열된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계, f) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 용체화처리하는 단계, g) 상기 용체화처리된 알루미늄 압연판재를 냉간압연하는 단계, h) 상기 냉간압연된 알루미늄 압연판재를 제1 시효처리하는 단계 및 i) 상기 제1 시효처리된 알루미늄 압연판재를 제2 시효처리하는 단계를 포함하는 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조 방법에 관한 것이다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 d) 단계는 450 내지 500℃에서 10 내지 15시간 동안 수행될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 e) 단계는 60 내지 90%의 압하율로 수행될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 f) 단계는 500 내지 550℃에서 0.5 내지 10시간 동안 유지될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 g) 단계는 1.5 내지 20%의 냉간압하율로 수행될 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 i) 단계는, (i-1) 160 내지 200℃에서 1 내지 20시간 유지하는 단계 및 (i-2) 상기 (i-1) 단계를 수행한 압연판재를 공냉하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0.04 내지 0.1, 철(Fe) 0.09 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 초과 0.1 이하, 바나듐(V) 0.02 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며, 상기 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 함량이 하기 관계식 1을 만족하는 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 관한 것이다.
[관계식 1]
7.5 ≤ [Cu]/[Mg] ≤ 9.5
(상기 관계식 1에서 [Cu]는 구리(Cu)의 중량%이며, [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%이다.)
상기 일 실시예에 있어, 상기 알루미늄 합금 압연판재의 연신율이 6.5% 이상일 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 알루미늄 합금 압연판재의 항복강도가 480 내지 600㎫일 수 있다.
상기 일 실시예에 있어, 상기 알루미늄 합금 압연판재의 인장강도가 510 내지 700㎫일 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법에 따르면, 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)를 통해 480 내지 600㎫의 항복강도와 510 내지 700㎫의 인장강도 및 6.5% 이상의 연신율을 가지는 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금의 용체화 처리 이후 강도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 표면상태를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 제2 시효처리 시간에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 최대 인장강도 및 처리 완료시간을 비교하기 위한 그래프이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 미세조직을 촬영한 사진이다.
이하 본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재 및 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 실시예는 2xxx계 고강도 알루미늄 합금 압연판재, 더 바람직하게는 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 은(Ag), 지르코늄(Zr)을 포함하고, 규소(Si), 철(Fe) 티타늄(Ti) 및 바나듐(V) 중 어느 하나 이상을 포함하는 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 관한 것이다.
기존의 2xxx계열의 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 제조과정에서 용체화 처리 후 직진도 확보 및 기계적특성 향상을 위해 스트레칭(Stretching)이 필수적으로 요구되었다. 이는 통상의 압연 설비 외에 스트레칭을 위한 설비가 추가되어 설비투자를 위한 비용이 증가하고, 추가적인 공정으로 인하여 생산성이 감소하는 원인이 되었다. 아울러, 상기 스트레칭 공법을 통해 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조하는 경우, 표면에 오렌지 껍질 모양의 요철이 생기는 오렌지 필(Orange Peel) 현상으로 인하여 표면 품질이 감소되었다.
본 발명은 이를 해결하기 위해 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)를 적용함으로써 스트레칭 공정을 대체하여 생산성을 크게 향상시켰으며, 냉간압연, 제1 시효처리 및 제2 시효처리 조건을 최적화하여 510 내지 700㎫의 인장강도, 480 내지 600㎫의 항복강도 및 6.5% 이상의 연신율을 동시에 가지는 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 조성범위에 대하여 상세히 설명하도록 한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0 내지 0.1, 철(Fe) 0 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 내지 0.1, 바나듐(V) 0 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄 합금(Al)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
구리(Cu)는 5.1 내지 5.9 중량% 포함된다.
상기 구리(Cu)는 알루미늄 합금(Al)과 반응하여 2xxx계 알루미늄 합금의 결정립계에서 CuAl2와 같은 화합물로 석출될 수 있다. 이를 통해, 알루미늄 합금 압연판재의 강도 및 내피로도 특성을 향상할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 구리(Cu)는 5.1 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 구리(Cu)가 5.1 중량% 미만이면 상술한 석출물의 양이 감소하여 주요강화상에 의한 인장강도 향상에 미치는 영향이 미미할 수 있다. 반면에 상기 구리(Cu)가 5.9 중량%를 초과하면, 석출물이 조대해지고 입계의 석출상 부피분율이 증가되어 연신율이 크게 감소하는 원인이 된다. 이러한 이유로, 상기 구리(Cu)는 5.1 내지 5.9 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
마그네슘(Mg)은 0.6 내지 0.9 중량% 포함된다.
상기 마그네슘(Mg)은 알루미늄 합금 중 구리(Cu) 은(Ag) 성분과 결합하여 Al-Cu-Mg-Ag계 합금계에서 오메가(Ω)상의 석출에 영향을 줄 수 있다. 특히 상기 마그네슘(Mg)은 상기 구리(Cu)와의 비율(Cu/Mg)이 중요한데, Cu/Mg의 함량비에 따라 시효석출 거동이 변화하여 기계적 특성이 향상될 수 있기 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재에서 구리(Cu)가 5.1 내지 5.9 중량% 첨가되는 것을 고려할 경우, 상기 마그네슘(Mg)은 0.6 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 하지만, 상기 마그네슘(Mg)이 0.6 중량% 미만이면, 알루미늄 합금 압연판재의 시효경화량이 현저하게 저하될 수 있으며, 반대로 상기 마그네슘(Mg)의 함량이 0.9 중량%를 초과하면, 강도는 향상되지만 내식성 및 용접성이 감소될 수 있다. 이러한 이유로 상기 마그네슘(Mg)은 0.6 내지 0.9 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
망간(Mn)은 0.25 내지 0.6 중량% 포함된다.
상기 망간(Mn)은 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재에서 미세입자로 분산되어 전위(Grain)의 이동을 방해할 수 있다. 이를 통해 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 강도를 강화시킬 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 망간(Mn)은 0.25 중량% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 망간(Mn)이 0.25 중량% 미만이면, 분산입자의 양이 현격히 감소하여 기계적 특성이 약화되며, 반대로 상기 망간(Mn)이 0.6 중량%를 초과하면, 압연판재 내 조대한 망간(Mn) 화합물이 형성되어 연신율이 감소하며 취성이 증가한다. 이러한 이유로, 상기 망간(Mn)은 0.25 내지 0.6 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
은(Ag)은 0.15 내지 0.25 중량% 포함된다.
상기 은(Ag)이 Al-Cu-Mg계 합금에 첨가되면 안정한 석출상인 오메가(Ω)상을 기지내에 석출될 수 있다. 이는, 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 기계적 특성을 향상시키며, 동시에 고속변형에 있어서도 높은 강도를 유지할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 은(Ag)은 0.15 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 은(Ag)이 0.15 중량% 미만 첨가되면, 상술한 효과가 크지 않으며, 반대로 상기 은(Ag)이 0.25 중량%를 초과하면 효과가 상승하는 정도에 비해 제조비가 지나치게 급증하여 생산원가가 증가하는 문제가 있다. 이러한 이유로, 상기 은(Ag)은 0.15 내지 0.25 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
지르코늄(Zr)은 0.07 내지 0.13 중량% 포함된다.
상기 지르코늄(Zr)은 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 결정립 미세화에 기여하는 원소로써, 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 재결정 온도를 상승시켜, 재결정 과정에서 결정립의 성장 속도를 낮추는 역할을 수행할 수 있다. 아울러, 상기 지르코늄(Zr)은 입계에서의 국부적인 변형이나 슬립을 억제하여 강도 증가에 기여할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 지르코늄(Zr)은 0.07 중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 지르코늄(Zr)이 0.07 중량% 미만이면, 상술한 효과가 구현되기 어렵다. 반대로, 상기 지르코늄(Zr)이 0.13 중량%를 초과하면 소입민감성이 증가되어 판재의 두께가 증가할 경우 인장강도를 저하시키고 파괴인성이 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 지르코늄(Zr)은 0.07 내지 0.13 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti)은 0.1 중량%(0% 제외)이하로 포함된다.
상기 티타늄(Ti)은 상기 지르코늄(Zr)과 마찬가지로 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 결정립 미세화에 기여하는 원소이다. 상기 티타늄(Ti)은 Al-5Ti-1B rod를 통해 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 첨가될 수 있으며 주조 중 슬래브의 균열을 방지하는 효과를 제공할 수 있다. 이 작용을 유용하게 하기 위해, 상기 티타늄(Ti)은 0 중량% 이상, 더 바람직하게는 0.015 중량%이상 첨가될 수 있다. 다만, 상기 티타늄(Ti)이 0.1 중량%를 초과하면 TiB2 입자가 개재물로 작용하여 파괴인성, 피로 특성 등을 저하시키는 문제점이 발생된다. 이러한 이유로, 상기 티타늄(Ti)은 0을 초과하는 범위에서 0.1 중량% 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 규소(Si), 철(Fe) 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)을 적정량 포함하여 강도 및 내균열성을 향상할 수 있다. 구체적으로 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 규소(Si) 0 내지 0.1, 철(Fe) 0 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 내지 0.1, 바나듐(V) 0 내지 0.05 중량% 포함할 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 함량이 하기 관계식 1을 만족하는 비율로 첨가될 수 있다.
[관계식 1]
7.5 ≤ [Cu]/[Mg] ≤ 9.5
(상기 관계식 1에서 [Cu]는 구리(Cu)의 중량%이며, [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%이다.)
앞서 설명하였듯이 상기 구리와 상기 마그네슘의 비율([Cu]/[Mg])이 7.5 미만이면, 상기 마그네슘(Mg)에 비해 상기 구리(Cu)의 함량이 지나치게 감소하여 충분한 오메가(Ω)상의 석출량이 감소할 수 있다. 이는 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 강도가 감소되는 원인이 된다. 반대로, 상기 구리와 상기 마그네슘의 비율([Cu]/[Mg])이 9.5를 초과하면 상기 구리(Cu)에 비해 상기 마그네슘(Mg)의 함량이 지나치게 감소하여 마찬가지로 오메가(Ω)상의 석출량이 감소하여 기계적 성질이 나빠질 수 있다.
이러한 이유로 상기 구리와 상기 마그네슘의 비율([Cu]/[Mg])은 7.5 내지 9.5인 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 7.7 내지 8.2일 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 조성에 대해 설명하였다. 이하 도 1을 통해 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조방법을 설명하기 위한 공정도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 a) 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0 내지 0.1, 철(Fe) 0 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 내지 0.1, 바나듐(V) 0 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄 합금(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계, b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계, c) 상기 주조된 합금을 균질화처리하는단계, d) 상기 균질화처리된 알루미늄 합금을 재가열하는 단계, e) 상기 재가열된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계, f) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 용체화처리하는 단계, g) 상기 용체화처리된 알루미늄 압연판재를 냉간압연하는 단계, h) 상기 냉간압연된 알루미늄 압연판재를 제1 시효처리하는 단계 및 i) 상기 제1 시효처리된 알루미늄 압연판재를 제2 시효처리하는 단계를 포함할 수 있다.
먼저, a)단계는 전술한 고강도 알루미늄 합금 압연판재 제조를 위한 재료를 준비하기 위한 단계이다. 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0 내지 0.1, 철(Fe) 0 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 내지 0.1, 바나듐(V) 0 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄 합금(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 성분을 용융하여 제조될 수 있다.
실시 예에 따르면, 상기 a) 단계에서 상기 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 비율은 관계식 1을 만족하는 범위에서 준비될 수 있다.
[관계식 1]
7.5 ≤ [Cu]/[Mg] ≤ 9.5
(상기 관계식 1에서 [Cu]는 구리(Cu)의 중량%이며, [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%이다.)
실시 예에 따르면, 상술한 조성비로 이루어진 고강도 알루미늄 합금 압연판재 재료는 용해로에서 700 내지 800℃로 용융될 수 있다.
다음으로, 상기 b)단계를 통해 상기 용융된 합금을 주조 후 냉각시켜 알루미늄 합금 슬래브를 제조할 수 있다. 구체적으로, 용융된 알루미늄 합금을 상용 D.C주조방식을 이용하여 주조할 수 있다. 이 때, 상기 주조 온도는 650 내지 750℃에서 수행되는 것이 바람직한데, 상기 주조 온도가 650℃ 미만이면 용융물의 유동성이 감소하여 주조몰드 충전성에 문제가 발생할 수 있으며, 상기 주조 온도가 750℃를 초과하면 응고 시 수축률이 증대하여 크랙이 발생할 수 있다. 이후, 연속적인 용탕공급을 통해 D.C 주조방식으로 알루미늄 합금 슬래브를 제조할 수 있다.
다음으로, 상기 c) 단계를 통해 상기 주조공정에서 형성된 슬래브 조직 내부의 미세편석 및 잔류응력을 균질화처리하여 제거할 수 있다. 구체적으로 480 내지 550℃로 10 내지 30시간 동안 유지한 후 서냉시킴으로서 입계에 편석된 고용질 원소들이 기지내로 확산해 균일하게 재석출되면서 후속 가공공정에서의 압연성을 확보할 수 있으며, 잔류응력의 완화를 통해 슬래브의 2차 냉각중의 크랙을 방지할 수 있다. 상기 c)단계에서 균질화처리 온도가 480℃ 미만이면, 입계의 고용질 원소들이 충분히 확산해 나갈 수 없어 입계의 용질편석이 취성을 유발하여 열간압연 도중 크랙을 유발시킬 수 있다. 반대로 균질화처리 온도가 550℃를 초과하면 고온산화에 의한 표면 블리스터 형성 및 표면부의 국부적인 용해가 발생될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 균질화처리 온도는 480 내지 550℃인 것이 바람직하다.
또한 상기 c) 단계에서는 480 내지 550℃에서 10 내지 30시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 상기 유지시간이 10 시간 미만이면, 확산계수가 낮은 원소의 경우 충분히 기지내로 확산하지 못할 수 있으며, 상기 유지시간이 30 시간을 초과하면, 마찬가지로 고온에서의 장시간 노출에 의해 결정립조대화 및 고온산화등의 문제가 발생될 수 있으므로 상기 c) 단계는 480 내지 550℃의 온도를 10 내지 30시간 동안 유지하는 것이 요구된다.
상기 d) 단계에서는, 상기 알루미늄 합금 슬래브를 재가열하여 두께방향으로 균일한 온도분포 확보와 추가적인 균질화처리 효과를 부여할 수 있다. 구체적으로 상기 알루미늄 합금 슬래브를 450 내지 500℃로 10 내지 15시간 동안 재가열 할 수 있다.
상기 d) 단계에서 재가열 온도가 450 ℃ 미만이면, 상대적으로 슬래브의 고온 유동응력이 높아져 압연성이 저하되고, 최종적으로 제작된 압연판재 내부에 불균일한 잔류응력이 형성된다는 문제가 있다. 이는 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조과정 또는 완제품 상태에서도 변형을 유발할 수 있으며, 상기 잔류응력을 제거하기 위해 추가적인 열처리 공정이 이루어저 생산성이 감소될 수 있다.
반대로 상기 재가열 온도가 500℃를 초과하면 슬래브의 고온 유동응력이 현저히 감소되어 압연 중 크랙 및 깨짐 등이 발생될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 재가열 온도는 450 내지 500℃인 것이 바람직하다.
또한 상기 d) 단계는 450 내지 500℃를 10 내지 15시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 상기 유지시간이 10 시간 미만이면, 슬래브의 추가적인 균질화처리 효과가 현저히 떨어질 수 있다. 반대로 상기 유지시간이 15시간을 초과하면 고온에 장시간 노출됨에 따라 결정립 조대화가 발생되어 최종 강도를 저하시킬 수 있다. 이러한 이유로 상기 d) 단계는 450 내지 500℃의 온도를 10 내지 15시간 동안 유지하는 것이 바람직하다.
상기 e) 단계는, 재가열된 알루미늄 합금 슬래브를 열간압연 할 수 있다. 구체적으로, 상기 열간압연은 200 내지 300℃에서 압연 롤에 의하여 압연될 수 있다.
이 때, 상기 열간압연은 60 내지 90%의 압하율로 수행되는 것이 바람직하다. 상기 압하율이 60% 미만이면, 슬래브의 주조조직을 완전히 파괴하기 어려워 최종판재의 강도를 효과적으로 향상시키기 어렵다는 단점이 있다. 반면에, 상기 압하율이 60% 이상이면 초기 슬래브에서의 주조조직을 충분히 파괴하여 20 내지 100㎜ 두께를 가지는 알루미늄 합금 열간압연판재를 제조할 수 있다. 하지만, 상기 압하율이 90%를 초과하면 압연롤이 상기 알루미늄 합금 슬래브를 연신하기위한 압연 패스가 증가하게 된다. 이는 압연 수행을 위한 제조 시간이 늘어나는 결과를 초래하며, 또한 증가한 시간에 따라 열간압연 온도를 유지해야 하기 때문에 재가열 등 추가적인 공정과정이 요구된다. 이러한 이유로, 상기 열간압연은 60 내지 90%의 압하율로 수행되는 것이 바람직하다.
상기 f) 단계는, 상기 e) 단계를 통해 열간압연된 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 용체화 처리하는 단계이다. 구체적으로, 상기 열간압연된 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 500 내지 550℃를 0.5 내지 10시간 동안 유지하여 수행될 수 있다.
상기 용체화 온도가 500℃ 미만이면 용체화처리 시 과포화 고용체가 충분히 형성하지 못하여 시효처리의 효과가 구현되기 어렵다는 문제가 있다. 반대로 상기 용체화 온도가 550℃를 초과하면 고용체가 과성장하여 조대해질 수 있으며, 이로 인해 강도가 현저히 감소할 수 있다. 이러한 이유로, 상기 용체화 온도는 500 내지 550℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 용체화 처리를 수행하는 시간은 열간압연 판재의 두께에 따라 가변적으로 조절될 수 있으며, 더 바람직하게는 상기 열간압연 판재의 두께가 두꺼울수록 증가될 수 있다. 다만, 상기 용체화 처리를 수행하는 시간이 10시간을 초과하면, 고온산화가 발생되며, 결정립이 과도하게 성장하여 기계적 특성이 감소될 수 있다. 또한, 상기 용체화 처리를 수행하는 시간이 0.5시간 미만이면 용질원자가 기지내로 확산하여 고용되기에 충분한 시간이 주어지지 않아 용체화 처리의 효과가 구현되기 어렵다. 이러한 이유로, 상기 용체화 처리는 0.5 내지 10시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.
상기 g) 단계는, 상기 f) 단계를 통해 용체화처리된 알루미늄 합금 압연판재를 냉간압연하는 단계이다. 구체적으로, 상기 냉간압연은 1.5 내지 20%의 냉간압하율 범위에서 수행될 수 있다. 상기 냉간압하율이 1.5% 미만이면, 물성향상에 미치는 효과가 미미하며, 상기 냉간압하율이 20%를 초과하면 강도는 증가하나 연신율이 지나치게 감소하여 상품성이 저하될 수 있다. 이러한 이유로 상기 냉간압하율은 1.5 내지 20%인 것이 바람직하다.
실시 예에 따르면, g) 단계는 상기 f) 단계 이후 72 시간 이내로 수행되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 3시간 이내에 수행되는 것이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 상기 f) 단계를 통해 용체화처리된 알루미늄 합금 압연판재는 용체화 처리 직후부터 급격한 석출거동이 진행되어 항복강도가 급상승 하는 것을 확인할 수 있다. 이는 후술할 냉간압연 단계에서 과도한 하중을 요구하여 생산성이 감소할 수 있다. 특히, 용체화처리 이후, 72시간이 초과되면 항복강도가 지나치게 증가하여 전단변형 발생, 크랙 형성의 원인이 된다.
이를 방지하기 위해 상기 g) 단계는 상기 f) 단계 이후 72시간 이내로 수행되는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 f) 단계 이후 3시간 이내에 수행되는 것이 바람직하다.
상기 h) 단계 및 i) 단계는, 상기 g) 단계를 통해 냉간압연 된 알루미늄 합금 압연판재를 시효처리하는 단계이다. 이 때 상기 h) 단계 및 i) 단계는 서로 다른 온도범위에서 수행하는 것이 바람직한데, 구체적으로 상기 h) 단계는 20 내지 40℃에서 수행될 수 있으며, 상기 i) 단계는 160 내지 200℃ 수행될 수 있다. 이하, 20 내지 40℃에서 수행되는 시효과정은 제1 시효처리로 정의하며, 160 내지 200℃에서 수행되는 시효과정은 제2 시효처리로 정의한다.
상기 제1 시효처리는 후술할 제2 시효처리를 수행하기 전 알루미늄 합금 압연판재 내부에 미세한 석출물을 석출시킴으로써 강도를 강화하고 제2 시효처리 시 균일한 핵생성 사이트를 제공하기 위해 수행될 수 있다.
앞서 설명하였듯이 상기 제1 시효처리는 20 내지 40℃에서 수행될 수 있으며, 20 내지 200시간 동안 수행될 수 있다.
상기 제1 시효처리가 20시간 미만으로 수행되면 시효처리 시간이 불충분하여 그 효과를 기대하기 어려우며, 상기 제1 시효처리가 200시간을 초과하면 시효처리 효과가 포화되어 불필요한 공정시간이 증가될 수 있다. 이러한 이유로, 상기 제1 시효처리는 20 내지 200시간 동안 수행될 수 있다.
이후, 상기 알루미늄 합금 압연판재를 160 내지 200℃로 상승하여 제2 시효처리를 수행할 수 있다. 상기 제2 시효처리는 160 내지 200℃에서 1 내지 20 시간 범위를 유지하여 수행될 수 있다.
상기 제2 시효의 온도가 160 미만 또는 1시간 미만으로 수행되면 상기 제2 시효로 기계적 강도가 증가되는 효과를 기대하기 어려우며, 반대로 상기 제2 시효처리가 200℃초과 또는 20시간을 초과하면 석출상이 과시효되어 주요석출물의 성장 및 석출물 간 거리가 증가될 수 있다. 이는 상기 알루미늄 합금 압연판재의 기계적 강도를 현저하게 감소시키는 원인이 된다.
마지막으로 상기 제2 시효처리 이후, 상기 알루미늄 합금 압연판재를 공냉하여 제조과정을 완료할 수 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재 및 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
가. 용체화처리 직후 물성 변화 확인
본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 제조에 앞서, 용체화 처리 이후 물성 변화를 정도를 확인하기 위해 다음의 실험을 수행하였다.
중량%로 구리(Cu) 5.8 중량%, 마그네슘(Mg) 0.75 중량%, 망간(Mn) 0.44 중량%, 은(Ag) 0.18 중량%, 지르코늄(Zr) 0.11 중량%, 규소(Si) 0.06 중량%, 철(Fe) 0.14 중량%, 티타늄(Ti) 0.04 중량%, 바나듐(V) 0.03 중량% 및 잔부의 알루미늄 합금(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 2xxx계열의 알루미늄 합금 재료를 준비하였다.
상기 알루미늄 합금 재료를 용해로에서 750℃로 용융하였으며, 이 후, 용융된 알루미늄 용탕을 D.C 주조방식을 사용하여 700℃에서 주조하여 알루미늄 합금 슬래브를 제조하였다. 주조된 알루미늄 합금 슬래브는 500℃에서 20시간 동안 유지 후 서냉하여 균질화처리를 수행하였다.
이 후, 상기 알루미늄 합금 슬래브를 470℃로 13시간동안 재가열 한 후 250℃의 온도를 갖는 압연 롤에 의하여 초기 두께의 70%의 압하율로 열간압연하였다.
열간압연된 알루미늄 합금 압연판재를 530℃로 2시간 동안 용체화 시키고, 100일 동안 항복강도를 측정하였으며, 그 결과를 도 2에 개시하였다.
도 2를 참조하면, 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 용체화처리 직후부터 소재의 항복강도가 소정량 향상되는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 용체화 처리 직후에 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 항복강도가 180.5㎫이었으나, 시간이 경과할수록 항복강도가 증가하여 3 시간 이후는 항복강도가 242.9㎫로 증가되었다.
아울러, 24시간 이후는 285.2㎫, 72시간 이후는 299.6㎫로 증가하였으며, 72시간을 초과한 이후에는 항복강도가 300㎫을 초과한 수준에서 일정하게 유지되었다. 이를 통해, 상기 용체화처리 직후부터 상기 알루미늄 압연판재의 급격한 석출거동이 진행되어 항복강도가 급상승 하는 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 고강도 알루미늄 압연판재의 품질과 생산성에 악영향을 미치게 된다. 이러한 이유로, 상기 용체화처리 이후 72시간 이내에 냉간압연을 수행하는 것이 바람직하며, 더 바람직하게는 3시간 이내에 수행되는 것이 바람직하다.
나. 가공열처리 중 냉간가공 및 제1 시효처리 효과 확인
[실시예 1]
고강도 알루미늄 합금 압연판재의 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리) 중 냉간압연과 제1 시효처리 조건이 알루미늄 합금의 기계적 특성을 구성하는데 어떠한 영향력을 미치는지 확인하기 위하여 하기 표 1의 제조예 1과 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비하였다.
상기 알루미늄 합금 재료를 용해로에서 700℃로 용융하였으며, 이 후, 용융된 알루미늄 합금을 Pilot급 D.C 주조 설비를 이용하여 폭 320㎜, 두께 110㎜, 길이 1200㎜의 알루미늄 합금 슬래브를 다수 제조하였다. 이후 상기 제조된 슬래브를 균질화처리 후 냉각하여 미세편석 및 주조 중 잔류응력을 제거하였다.
압연판재 제조를 위해 슬래브를 480℃로 13시간동안 재가열 하였으며, 200℃의 온도를 갖는 압연 롤에 의하여 초기 두께의 70%의 압하율로 열간압연하였다.
열간압연된 알루미늄 합금 압연판재를 530℃로 2시간 동안 용체화처리 시키고, 이후 3시간 이내에 15%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행하였으며, 30℃에서 72시간동안 제1 시효처리를 수행하였다.
[실시예 2]
11%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 3]
7%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[실시예 4]
표 1의 제조예 2와 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비하였으며, 10%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 1]
냉간압연 과정을 생략한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 2]
냉간압연 과정을 생략한 것 및 제1 시효처리를 3시간 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 3]
1%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 4]
23%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 5]
11%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 및 제1 시효처리를 15시간 동안 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 6]
11%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 및 제1 시효처리를 240시간 동안 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 7]
표 1의 비교 제조예 2와 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비하였으며, 10%의 냉간압하율로 냉간압연을 수행한 것 외 모든 과정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 8]
표 1의 비교 제조예 2와 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비하였으며, 냉간압연이 아닌 냉간 스트레칭 공정을 포함하는 통상의 고강도 알루미늄 합금 압연판재 제조공법을 적용하였다.
Cu Mg Mn Ag Zr Si Fe Ti V
제조예 1 5.8 0.75 0.44 0.18 0.11 0.06 0.14 0.04 0.03
제조예 2 5.56 0.68 0.42 0.16 0.12 0.04 0.09 0.02 0.02
비교 제조예 1 5.11 0.68 0.28 0.14 - 0.03 0.08 0.02 0.11
비교 제조예 2 4.76 0.6 0.32 0.15 - 0.05 0.09 0.08 0.02
비교 제조예 3 4.91 0.61 0.33 0.17 - 0.05 0.09 0.09 0.02
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 8로 제조한 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 대하여 인장시험기를 이용하여 상온에서 인장강도, 항복강도 및 연신율을 하기 표 2와 같이 측정하였다.
조성 냉간압하율
(%)		 제1 시효처리
시간 (h)		 인장강도
(㎫)		 항복강도
(㎫)		 연신율
(%)
실시예 1 제조예 1 15 72 518.9 426.7 8.8
실시예 2 11 499.8 397.4 10.5
실시예 3 7 489.8 372.9 12.7
실시예 4 제조예 2 10 491.1 384.5 12.3
비교예 1 제조예 1 - 72 468.3 299.6 19.5
비교예 2 3 432.0 242.9 20.7
비교예 3 1.0 72 469.3 201.2 19.7
비교예 4 23 521.4 429.0 6.7
비교예 5 11 15 491.0 385.9 10.9
비교예 6 240 501.1 400.3 10.2
비교예 7 비교 제조예 2 10 72 440.3 338.8 13.2
비교예 8 - 397.4 310.9 23.8
상기 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 4로 제조한 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 공통적으로 370㎫ 이상의 항복강도, 480㎫ 이상의 인장강도 및 8% 이상의 연신율을 가지고 있음을 확인할 수 있다.
반면 냉간압연을 수행하지 않고 통상적인 스트레칭 공법을 통해 압연판재를 제조한 비교예 8은 인장강도가 397.4㎫, 항복강도가 310.9㎫이며, 연신율이 23.8%를 가진다. 이는 냉간가공과 제1 시효처리를 수행한 실시예 1 내지 4에 비해 낮은 인장 및 항복강도를 나타냈으며, 10% 냉간압연을 실시한 것 외에 모든 과정이 동일한 비교예 7과 비교했을 때도 낮은 강도수준을 나타냄을 알 수 있다. 즉, 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조하는데 있어서, 냉간가공 및 제1 시효처리가 강도를 강화하는데 기여하고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 반면에 냉간가공을 수행하지 않고 제1 시효처리만을 수행한 비교예 1의 인장강도는 468.3㎫, 항복강도가 299.6㎫이다. 이는 동일한 조성을 갖는 실시예 1 내지 3으로 제조한 압연판재와 비교시 인장강도가 21.5 내지 50.6㎫, 항복강도가 73.3 내지 127.1㎫ 더 낮은 것을 알 수 있다. 이는 1.5 내지 20.0%의 냉간압하율 범위에서 수행된 냉간가공이 알루미늄 합금 압연판재의 인장강도를 4.6 내지 10.8%, 항복강도를 24.5 내지 42.4% 향상시켰다는 것을 의미한다.
아울러 실시예 1 내지 3 및 비교예 3 내지 4를 비교하면, 동일한 조건에서 냉간압하율이 증가할수록 인장강도 및 항복강도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
다만,냉간압하율이 15%인 실시예 1과 냉간압하율이 1.5% 미만인 비교예 3을 비교하면, 냉간압하율이 1.5% 미만이면 항복강도가 225.5㎫, 인장강도가 49.6㎫ 감소하는 것을 알 수 있으며, 냉간압하율이 15%인 실시예 1과 냉간압하율이 20%를 초과한 비교예 4를 비교하면, 냉간압하율이 20%를 초과하면 인장강도 및 항복강도는 냉간압하율이 증가한 폭대비 강도의 증가폭은 크지 않으나, 연신율이 8.8%에서 6.7%로 약 2.1% 감소하는 것을 알 수 있다.
상술한 결과를 토대로, 상기 냉간압하율은 1.5 내지 20%인 것이 임계적 의의가 있음을 확인할 수 있다.
상기 실시예 2 및 비교예 5를 비교하면, 동일한 조건에서 제1 시효처리가 72시간 수행된 실시예 2는 499.8㎫의 인장강도, 397.4㎫의 항복강도를 가진다. 반면에 제1 시효처리가 15시간 수행된 비교예 5는 인장강도가 491㎫, 항복강도가 385.9㎫로 실시예 2에 비해 인장강도가 8.8㎫, 항복강도가 11.1㎫ 낮은 것을 알 수 있다. 제1 시효처리가 240시간 수행된 비교예 6의 경우 인장강도가 501.1㎫, 항복강도가 400.3㎫로 실시예 2에 비해 소폭 높은 인장 및 항복강도를 나타내고 있으나, 실시예 2 대비 인장 및 항복강도 증가폭은 각각 1.3㎫, 2.9㎫로서 제1 시효처리가 200시간을 초과하더라도 강도의 증가폭은 크지 않음을 알수 있다.
이는 앞서 설명한 바와 같이 제1 시효처리가 20시간 미만으로 수행되면 시효처리 시간이 불충분하여 그 효과를 기대하기 어려우며, 상기 제1 시효처리가 200시간을 초과하면 그 효과가 포화되었기 때문이다.
한편, 냉간압하율 및 제1 시효처리시간이 유사한 실시예 2, 실시예 4 및 비교예 7을 비교하면, 실시예 2와 실시예 4는 490㎫ 이상의 인장강도, 380㎫ 이상의 항복강도를 가지나, 비교예 7은 440.3㎫의 인장강도, 338.8㎫의 항복강도를 가지고 있음을 알 수 있다. 상기의 차이가 발생하는 것은 조성의 차이, 더 구체적으로 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr)의 함량 차이로 인하여 구현된 것으로 예상된다. 실제로 실시예 2와 실시예 4는 구리(Cu)가 5.56 내지 5.8 중량%, 지르코늄(Zr)이 0.11 내지 0.12 중량% 포함됨으로써, 주요강화상의 부피분율이 증가되고, 압연판재의 결정립이 미세화 되며, 상기 지르코늄(Zr)이 입계에서의 국부적인 변형이나 슬립을 억제하여 강도 상승의 효과가 있다.
다. 제2 시효처리 조건 확인
알루미늄 합금 압연판재의 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리) 중 제2 시효처리 조건이 알루미늄 합금의 기계적 특성을 구성하는데 어떠한 영향력을 미치는지 확인하기 위하여 하기 실시예 또는 제조예에 따라 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조하였다.
[실시예 5]
상기 실시예 1과 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조한 후, 180℃로 최대 인장강도를 갖는 유지시간에서 제2 시효처리를 수행하였으며, 제2 시효처리가 완료된 압연판재를 상온으로 온도가 떨어질 때 까지 공냉하였다.
[실시예 6]
상기 실시예 2와 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[실시예 7]
상기 실시예 3과 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[실시예 8]
5.6%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[실시예 9]
1.5%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[실시예 10]
상기 실시예 4와 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조한 후 15%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[실시예 11]
10%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 10과 동일하게 수행하였다.
[실시예 12]
5%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 10과 동일하게 수행하였다.
[비교예 9]
150℃에서 제2 시효처리 과정을 수행했다는 것 외 모든 과정을 실시예 6과 같이 수행하였다.
[비교예 10]
210℃에서 제2 시효처리 과정을 수행했다는 것 외 모든 과정을 실시예 6과 같이 수행하였다.
[비교예 11]
상기 비교예 1과 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조한 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[비교예 12]
표 1의 비교 제조예 1과 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비하였으며, 1.84%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[비교예 13]
상기 비교예 7과 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조했다는 것 외 모든 과정을 실시예 6과 동일하게 수행하였다.
[비교예 14]
5%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 비교예 13과 동일하게 수행하였다.
[비교예 15]
15%의 냉간압하율로 냉간압연했다는 것 외 모든 과정을 비교예 13과 동일하게 수행하였다.
[비교예 16]
상기 비교예 8과 동일한 방법으로 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조했으며, 냉간압연이 아닌 냉간 스트레칭 공법을 적용한 것 외 모든 과정을 실시예 5와 동일하게 수행하였다.
[비교예 17]
표 1의 비교 제조예 3과 같은 조성으로 2xxx계 알루미늄 합금재료를 준비했으며, 냉간압연이 아닌 냉간 스트레칭 공정을 포함하는 통상의 고강도 알루미늄 합금 압연판재 제조공법을 적용하였다는 것 외 모든 과정을 비교예 16과 동일하게 수행하였다.
상기 실시예 5 내지 12 및 비교예 9 내지 17로 제조한 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 대하여 인장시험기를 이용하여 상온에서 인장강도, 항복강도 및 연신율을 하기 표 3과 같이 측정하였다.
조성 냉간압하율
(%)		 제2 시효처리
온도 (℃)		 인장강도
(㎫)		 항복강도
(㎫)		 연신율
(%)
실시예 5 제조예 1 15 180 573 547 6.6
실시예 6 11 558 530 7.9
실시예 7 7 544 512 8.5
실시예 8 5.6 545 515 8.1
실시예 9 1.5 539.6 497.2 8.9
실시예 10 제조예 2 15 552 523 10.5
실시예 11 10 533 495 8.0
실시예 12 5 518 482 11.8
비교예 9 제조예 1 11 150 506 475 8.2
비교예 10 11 210 532 485 7.7
비교예 11 - 180 509 451 7.0
비교예 12 비교 제조예 1 1.84 506 463 8.7
비교예 13 비교 제조예 2 10 498 474 9.6
비교예 14 5 490 461 10.2
비교예 15 15 511 476 5.0
비교예 16 - 500 477 8.6
비교예 17 비교 제조예 3 - 501 489 10.1
우선, 통상적인 스트레칭 공법을 통해 압연판재를 제조한 비교예 16 및 17과 본 발명의 실시 예에 따라 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)를 모두 수행한 실시예 5 내지 12를 비교할 수 있다.
구체적으로 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 인장강도가 518 내지 573㎫이며, 항복강도가 482 내지 547㎫로 인장강도가 500 내지 501㎫, 항복강도가 477 내지 489㎫인 스트레칭 기법에 비해 고강도의 고강도 알루미늄 합금 압연판재를 제조할 수 있음을 확인하였다.
또한, 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예 5로 제조된 고강도 알루미늄 합금 압연판재(도 3의 (a))는 표면상태가 고르고 불량이 없으나, 본 발명의 비교예 16으로 제조된 고강도 알루미늄 합금 압연판재(도 3의 (b))는 표면에 심한 오렌지필이 관찰되었다. 표면조도 또한 실시예 5는 0.292㎛의 비교적 고른 표면조도를 가지는 반면에, 비교예 16은 2.079㎛에 거친 표면조도를 가지고 있음을 알 수 있다.
이러한 차이는 통상의 스트레칭 공법은 알루미늄 합금 압연판재의 양 끝으로 인장응력을 받아서, 결정립이 증가하여 조대해지고, 결정립 간 이방성이 형성되기 때문으로 생각된다. 반면에 본 발명의 실시 예에 따른 알루미늄 합금 압연판재는 스트레칭 과정이 없어서 표면상태가 우수하며, 냉간압연과 제1, 제2 시효처리를 통해 강도를 더욱더 강화할 수 있다.
이번에는 제2 시효처리 온도에 따른 물성의 변화에 대해 비교할 수 있다. 구체적으로 본 발명의 실시 예에 따라 160 내지 200℃ 에서 제2 시효처리된 실시예 5 내지 12는 482㎫ 이상의 항복강도와 518㎫ 이상의 인장강도를 구현할 수 있다. 동시에 6.5% 이상의 연신율을 확보하였다. 이는 상기 제2 시효처리를 통해, 알루미늄 합금 압연판재의 과포화 고용체가 충분히 석출되며 시효처리되어 목표하는 기계적 특성을 구현하였기 때문이다.
반면에, 제2 시효처리 온도가 160℃ 미만인 비교예 9는 506㎫의 인장강도 및 475㎫의 항복강도를 가져 실시예 5 내지 12에 비해 충분한 강도를 확보하지 못함을 알 수 있다. 또한, 제2 시효처리를 210℃에서 수행한 비교예 10은 인장강도가 532㎫, 항복강도가 485㎫ 로 감소하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이 고강도 알루미늄 합금 압연판재가 과시효되어 석출물 간 거리가 증가하였기 때문이다.
아울러, 상기 제2 시효처리는 냉간압하율에 따라서도 그 효과가 다르게 구현된다는 것을 확인할 수 있다. 구체적으로 유사한 조성과 제2 시효처리 조건을 가지는 실시예 5 내지 12는 상기 냉간 압하율이 증가할수록 강도도 증가하는 것을 알 수 있다.
한편, 도 4를 참조하면, 알루미늄 합금의 조성이 제조예 1로 동일하고, 제2 시효처리가 180℃에서 수행될 경우, 냉간압하량이 증가됨에 따라 강도가 현저하게 향상될 뿐만아니라 최대인장강도에 도달하는 시간이 현저히 단축됨을 확인할 수 있다. 이는 고강도화 측면에서 뿐만 아니라 생산성 향상 측면에서도 본 발명에서의 실시예에 따른 판재 제조방법이 큰 이점이 있음을 시사한다.
또한, 도 4에서 제조예 1과 같은 조성을 가진 판재를 10% 냉간압하율로 압연한 조건(도 4에서 표식이 ‘△’인 그래프)과, 비교 제조예 2와 같은 조성을 가진 판재를 10% 냉간압하율로 압연한 조건(도 4에서 표식이 ‘☆’인 그래프)을 비교할 수 있다.
도 4에서 표식이 ‘△’인 그래프와 표식이‘☆’인 그래프를 비교하면, 시효처리 및 냉간가공 정도가 유사할 때, 표식이 ‘△’인 그래프가 표식이‘☆’인 조건에 비해 강도가 현저하게 향상됨을 확인할 수 있다. 이는, 제조예 1과 같은 조성을 가진 판재가 비교 제조예 2와 같은 조성을 가진 판재보다 동일한 냉간압하율로 압연하였을 때, 강도가 현저하게 향상될 수 있다는 것을 의미한다.
상술한 강도 차이는 구리(Cu) 및 지르코늄(Zr) 함량에 기인한다. 구체적으로, 표식이‘△’인 그래프는 지르코늄(Zr)을 0.11 중량% 포함하여 강도 증가의 효과가 있으나, 표식이‘☆’인 그래프는 지르코늄(Zr)을 포함하지 않아 동일한 냉간압연을 수행하여도 인장강도 및 항복강도에 차이가 발생한다.
추가적으로 상기 지르코늄(Zr) 유무에 따른 강도의 차이를 더 구체적으로 분석하기 위해 고강도 알루미늄 합금 압연판재의 미세조직을 촬영하였다.
도 5를 참조하면, 지르코늄(Zr)을 포함하는 실시예 5(도 5의 (a)), 실시예 6(도 5의 (b)) 및 실시예 7(도 5의 (c))에 따라 제조된 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 결정립 크기가 비교적 미세한 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 고강도 알루미늄 합금 압연판재 내 첨부된 지르코늄(Zr)에 의해 결정립 미세화가 수행되며 이로 인하여 기계적 강도 향상에 영향을 미쳤다는 증거이다.
반면에, 지르코늄(Zr)이 첨가되지 않은 비교예 12(도 6의(a)) 및 비교예 17(도 6의(b))은 상대적으로 결정립이 조대화된 것을 확인할 수 있다.
이러한 결정립의 크기차이가 시료처리 시 강도 형성에 결정적으로 기여하게 되며, 이로 인하여 고강도 특성이 구현되는 것을 확인할 수 있다.
마지막으로, 상기 실시예 5 내지 7과 비교예 16 내지는 17의 방법으로 300 x 400㎟의 넓이와 30.20㎜두께(오차범위 ±0.04)의 시험편을 제조한 후, 방탄 실험을 수행하였다. 방탄 실험은 MIL-STD-662F 규격에 준하여 수행되었으며, 구체적으로 부분관통 2회, 완전관통 2회씩 실험하였다. 그 결과를 하기 표 4에 개시한다.
시험편 두께
(㎜)		 탄속 (㎧) 방호한계속도
V50 (㎧)		 속도범위
(㎧)
부분관통(PP) 완전관통(CP)
1 2 3 4
실시예 5 30.20 754.9 764.9 770.4 768.9 764.6 15.5
실시예 6 30.15 774.9 765.7 768.9 770.4 770.0 17.5
실시예 7 30.17 758.3 751.1 768.1 768.6 761.5 17.5
비교예 16 30.19 750.9 742.9 754.4 751.0 749.8 11.5
비교예 17 30.27 740.4 737.9 751.2 751.3 745.2 13.4
상기 표 4를 참조하면, 실시예 5 내지 7로 제조된 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 방호한계 속도(V50)가 761.5 내지 770.0㎧로 통상적인 스트레칭 공정으로 제조된 비교예 16 내지는 17 고강도 알루미늄 합금 압연판재에 비해 11.7 내지 24.8 ㎧ 향상되었음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예에 따른 고강도 알루미늄 합금 압연판재는 통상적인 스트레칭 공정 대신 기존에 압연 및 열처리 설비를 활용할 수 있는 압연 설비를 사용하는 가공열처리(용체화처리 - 냉간압연 - 제1 시효처리 - 제2 시효처리)를 통해 알루미늄 합금 압연판재를 제조하되, 냉간압연, 제1 시효처리 및 제2 시효처리의 조건을 조절하여 강도, 연신율뿐만 아니라 고속변형에서의 강도특성을 확보할 수 있다.
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (13)

  1. a) 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0.04 내지 0.1, 철(Fe) 0.09 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 초과 0.1 이하, 바나듐(V) 0.02 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어진 알루미늄 합금 재료를 용융하는 단계;
    b) 상기 용융된 알루미늄 합금을 주조하는 단계;
    c) 상기 주조된 합금을 균질화처리하는 단계 ;
    d) 상기 균질화처리된 알루미늄 합금을 재가열하는 단계;
    e) 상기 재가열된 알루미늄 합금을 열간압연하는 단계;
    f) 상기 열간압연된 알루미늄 합금을 용체화처리하는 단계;
    g) 상기 용체화처리된 알루미늄 압연판재를 냉간압연하는 단계;
    h) 상기 냉간압연된 알루미늄 압연판재를 제1 시효처리하는 단계; 및
    i) 상기 제1 시효처리된 알루미늄 압연판재를 제2 시효처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 h) 단계는 20 내지 40℃에서 20 내지 200시간 동안 수행되고,
    상기 i) 단계는,
    (i-1) 160 내지 200℃에서 1 내지 20시간 유지하는 단계; 및
    (i-2) 상기 i-1) 단계를 수행한 판재를 공냉하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법..
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 d) 단계는 450 내지 500℃에서 10 내지 15시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 e) 단계는 60 내지 90%의 압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 f) 단계는 500 내지 550℃에서 0.5 내지 10시간 동안 유지되는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 g) 단계는 1.5 내지 20%의 냉간압하율로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 g) 단계는 f) 단계 직후 72시간 이내로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 g) 단계는 f) 단계 직후 3시간 이내로 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재의 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 중량%로, 구리(Cu) 5.1 내지 5.9, 마그네슘(Mg) 0.6 내지 0.9, 망간(Mn) 0.25 내지 0.6, 은(Ag) 0.15 내지 0.25, 지르코늄(Zr) 0.07 내지 0.13, 규소(Si) 0.04 내지 0.1, 철(Fe) 0.09 내지 0.15, 티타늄(Ti) 0 초과 0.1 이하, 바나듐(V) 0.02 내지 0.05 및 잔부의 알루미늄(Al)과 불가피한 불순물로 이루어지며,
    상기 구리(Cu) 및 마그네슘(Mg)의 함량이 하기 관계식 1을 만족하며,
    20 내지 40℃에서 20 내지 200시간 동안 수행되는 제1 시효처리 및 160 내지 200℃에서 1 내지 20시간 유지하고, 공냉하는 제2 시효처리를 수행하여 제조된 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재.
    [관계식 1]
    7.5 ≤ [Cu]/[Mg] ≤ 9.5
    (상기 관계식 1에서 [Cu]는 구리(Cu)의 중량%이며, [Mg]는 마그네슘(Mg)의 중량%이다.)
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 알루미늄 압연판재의 연신율이 6.5% 이상인 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 알루미늄 압연판재의 항복강도가 480 내지 600㎫인 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 알루미늄 압연판재의 인장강도가 510 내지 700㎫인 것을 특징으로 하는, 고강도 알루미늄 압연판재.
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