JP2023540210A - ホットスタンピング用素材及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、ホットスタンピング部品の優秀な機械的物性及び水素遅延破壊特性を確保することができるホットスタンピング用素材及びその製造方法のために、炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%、添加剤:0.1重量%以下、及び残りの鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含む鋼板及び前記鋼板内に分布された微細析出物を含み、前記添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含み、前記微細析出物は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含み、水素をトラップする、ホットスタンピング用素材を提供する。
Description
本発明は、ホットスタンピング用素材及びその製造方法に係り、さらに詳細には、ホットスタンピング部品の優秀な機械的物性及び水素遅延破壊特性を確保することができるホットスタンピング用素材及びその製造方法に関する。
自動車などに使用される部品には、軽量化及び安定性のための高強力鋼が適用される。一方、高強力鋼は、重量対比で高強度特性を確保することができるが、強度が増加することにより、プレス成形性が低下し、加工中、素材の破断が発生するか、スプリングバック現象が発生し、複雑で精密な形状の製品成形が困難である。
そのような問題点を改善するための方案として、代表的なものとして、ホットスタンピング工法があり、それに係わる関心が高まりつつ、ホットスタンピング用素材に対する研究も活発になされている。例えば、韓国公開特許公報第10-2017-0076009号の発明に開示されたように、ホットスタンピング工法は、ホウ素鋼板を適正温度に加熱し、プレス金型内で成形後、急速冷却して高強度部品を製造する成形技術である。韓国公開特許公報第10-2017-0076009号の発明によれば、高強度鋼板の成形時、クラックの発生または形状凍結不良などの問題が抑制されて良好な精度の部品を製造することができる。
しかし、ホットスタンピング鋼板の場合、ホットスタンピング工程において流入された水素及び残留応力によって水素遅延破壊の発生する問題点がある。これと関連して、韓国公開特許公報第10-2020-0061922号は、ホットスタンピングブランクを高温加熱する前にプリヒーティングを実施し、ブランクの表面に薄い酸化層を形成することで高温加熱工程での水素の流入を遮断し、水素遅延破壊を最小化することを開示している。しかし、水素流入の完全な遮断が不可能であるところ、流入された水素を制御することができず、水素遅延破壊につながる恐れがある。
本発明は、上述した問題点を含めて様々な問題点を解決するためのものであって、ホットスタンピング部品の優秀な機械的物性及び水素遅延破壊特性を確保することができるホットスタンピング用素材及びその製造方法を提供することである。
しかし、そのような課題は、例示的なものであって、それによって本発明の範囲が限定されるものではない。
本発明の一観点によれば、炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%、添加剤:0.1重量%以下、及び残りの鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含む鋼板及び前記鋼板内に分布された微細析出物を含み、前記添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含み、前記微細析出物は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含み、水素をトラップする、ホットスタンピング用素材が提供される。
本実施例によれば、前記微細析出物は、単位面積(100μm2)当たり25,000個以上30,000個以下に形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物の90%以上が0.01μm以下の直径を有するように形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物のうち、0.01μm以下の直径を有する微細析出物の個数は、単位面積(100μm2)当たり23,000個以上29,000個以下でもある。
本実施例によれば、前記微細析出物の60%以上が0.005μm以下の直径を有するように形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下でもある。
本発明の他の観点によれば、スラブを1,180℃~1,280℃のスラブ再加熱温度範囲で再加熱する段階、再加熱されたスラブを830℃~930℃の仕上げ圧延温度範囲で熱間圧延して鋼板を製造する段階、及び前記鋼板を700℃~780℃の巻取温度範囲で巻き取り、前記鋼板内に微細析出物を形成する段階を含み、前記スラブは、炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%、添加剤:0.1重量%以下、及び残りの鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含み、前記添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含み、前記微細析出物は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含み、水素をトラップするホットスタンピング用素材の製造方法が提供される。
本実施例によれば、前記微細析出物は、単位面積(100μm2)当たり25,000個以上30,000個以下に形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物の90%以上が0.01μm以下の直径を有するように形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物のうち、0.01μm以下の直径を有する微細析出物の個数は、単位面積(100μm2)当たり23,000個以上29,000個以下でもある。
本実施例によれば、前記微細析出物の60%以上が0.005μm以下の直径を有するように形成されうる。
本実施例によれば、前記微細析出物間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下でもある。
前記以外の他の側面、特徴、利点は、以下の発明を実施するための具体的な内容、請求範囲及び図面から明確になるであろう。
本発明によれば、ホットスタンピング部品の優秀な機械的物性及び水素遅延破壊特性を確保することができるホットスタンピング用素材及びその製造方法を具現することができる。そのような効果によって本発明の範囲が限定されるものではないということは言うまでもない。
本発明は、多様な変換を加えることができ、さまざまな実施例を有することができるところ、特定実施例を図面に例示し、詳細な説明によって詳細に説明する。本発明の効果、特徴、及びそれらを達成する方法は、図面と共に詳細に後述されている実施形態を参照すれば、明確になるであろう。しかしながら、本発明は、以下で開示される実施形態に限定されるものではなく、多様な形態にも具現される。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳しく説明し、図面を参照して説明するとき、同一であるか、あるいは対応する構成要素は、同一図面符号を付し、それに係わる重複説明は、省略する。
本明細書において、第1、第2のような用語は、限定的な意味ではなく、1つの構成要素を、他の構成要素と区別する目的で使用されている。
本明細書において、単数の表現は、文脈上、明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。
本明細書において、「含む」または「有する」というような用語は、明細書上に記載された特徴または構成要素が存在するということを意味するものであり、1以上の他の特徴または構成要素が付加される可能性を事前に排除するものではない。
本明細書において、膜、領域、構成要素のような部分が、他の部分の「上」または「上部」にあるとするとき、他の部分の真上にある場合だけではなく、その中間に、他の膜、領域、構成要素などが介在されている場合も含む。
図面では、説明の便宜上、構成要素の大きさが誇張される場合も、縮小される場合もある。例えば、図面で示された各構成の大きさ、及び厚さは、説明の便宜上、任意に示したものであって、本発明が必ずしも図示されたところに限定されない。
ある実施例が異なって具現可能な場合、特定の工程順序は、説明される順序と異なって遂行されうる。例えば、連続して説明される2つの工程が、実質的に同時に遂行されてもよく、説明される順序とは逆順に進められてもよい。
本明細書において、「A及び/またはB」は、Aであるか、Bであるか、あるいはA及びBである場合を示す。そして、「A及びBのうち少なくとも1つ」は、Aであるか、Bであるか、あるいはA及びBである場合を示す。
本明細書において、膜、領域、構成要素などが連結されているとするとき、膜、領域、構成要素が直接連結されている場合、または/及び膜、領域、構成要素の中間に、他の膜、領域、構成要素が介在され、間接的に連結されている場合も含む。例えば、本明細書において、膜、領域、構成要素などが電気的に連結されたとするとき、膜、領域、構成要素などが直接電気的に連結された場合、及び/またはその中間に他の膜、領域、構成要素などが介在され、間接的に電気的に連結されている場合を示す。
以下、添付された図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施例によるホットスタンピング用素材の一部を示すTEM(Transmission Electron Microscopy)イメージである。
図1に図示されたように、本発明の一実施例によるホットスタンピング用素材1は、鋼板10及び鋼板10内に分布された微細析出物20を含む。
鋼板10は、所定の合金元素を所定含量含むように鋳造されたスラブに対して熱延工程及び/または冷延工程を進めて製造された鋼板でもある。鋼板10は、炭素(C)、シリコン(Si)、マンガン(Mn)、リン(P)、硫黄(S)、クロム(Cr)、ホウ素(B)及び残部の鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含むものでもある。また、一実施例において、鋼板10は、添加剤としてチタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つをさらに含むことができる。他の実施例において、鋼板10は、所定含量のカルシウム(Ca)をさらに含むことができる。
炭素(C)は、鋼板10内のオーステナイト安定化元素として作用する。炭素は、鋼板10の強度及び硬度を決定する主要元素であり、ホットスタンピング工程以後、鋼板10の引っ張り強度(例えば、1,680MPa以上の引っ張り強度)を確保し、焼入性特性を確保するための目的で添加される。そのような炭素は、鋼板10の全体重量に対して0.28wt%~0.50wt%で含まれる。炭素の含量が0.28wt%未満である場合、硬質相(マルテンサイトなど)確保が困難であり、鋼板10の機械的強度を満足させ難い。逆に、炭素の含量が0.50wt%を超過する場合、鋼板10の脆性発生または曲げ性能低下の問題がもたらされうる。
シリコン(Si)は、鋼板10内のフェライト安定化元素として作用する。シリコン(Si)は、固溶強化元素として鋼板10の延性を向上させ、低温域炭化物の形成を抑制することで、オーステナイト内の炭素濃化度を向上させる。また、シリコンは、熱延、冷延、熱間プレス組織均質化(パーライト、マンガン偏析帯制御)及びフェライト微細分散の核心元素である。シリコンは、マルテンサイト強度不均質制御元素として作用して衝突性能を向上させる役割をする。そのようなシリコンは、鋼板10の全体重量に対して0.15wt%~0.70wt%含まれる。シリコンの含量が0.15wt%未満である場合、上述した効果が得られず、最終ホットスタンピングマルテンサイト組織でセメンタイト形成及び粗大化が発生し、鋼板10の均一化効果が微々たるものであり、Vベンディング角を確保することができなくなる。逆に、シリコンの含量が0.70wt%を超過する場合、熱延、冷延負荷が増加し、熱延赤スケールが過多となり、鋼板10のメッキ特性が低下してしまう。
マンガン(Mn)は、鋼板10内のオーステナイト安定化元素として作用する。マンガンは、熱処理時、焼入性及び強度増加目的で添加される。そのようなマンガンは、鋼板10の全体重量に対して0.5wt%~2.0wt%含まれうる。マンガンの含量が0.5wt%未満である場合、結晶粒微細化効果が不十分であり、焼入性が不十分であり、ホットスタンピング後、成型品内の硬質相分率が不十分なものにもなる。一方、マンガンの含量が2.0wt%を超過する場合、マンガン偏析またはパーライトバンドによる延性及び靭性が低下し、曲げ性能低下の原因になり、不均質微細組織が発生しうる。
リン(P)は、鋼板10の靭性低下を防止するために、鋼板10の全体重量に対して0超過0.05wt%以下で含まれうる。リンの含量が0.05wt%を超過する場合、リン化鉄化合物が形成され、靭性及び溶接性が低下し、製造工程中、鋼板10にクラックが誘発されうる。
硫黄(S)は、鋼板10の全体重量に対して0超過0.01wt%以下含まれうる。硫黄の含量が0.01wt%を超過すれば、熱間加工性、溶接性及び衝撃特性が低下し、巨大介在物生成によってクラックのような表面欠陥が発生しうる。
クロム(Cr)は、鋼板10の焼入性及び強度を向上させる目的で添加される。クロムは、析出硬化を通じる結晶粒微細化及び強度確保を可能にする。そのようなクロムは、鋼板10の全体重量に対して0.1wt%~0.5wt%含まれうる。クロムの含量が0.1wt%未満である場合、析出硬化効果が低調であり、逆に、クロムの含量が0.5wt%を超過する場合、Cr系析出物及びマトリックス固溶量が増加して靭性が低下し、原価上昇によって生産コストが増加してしまう。
ホウ素(B)は、フェライト、パーライト及びベイナイト変態を抑制し、マルテンサイト組織を確保することで、鋼板10の焼入性及び強度を確保する目的で添加される。また、ホウ素は、結晶粒界に偏析され、粒界エネルギーを低め、焼き入れ性を増加させ、オーステナイト結晶粒成長温度の上昇により、結晶粒微細化効果を有する。そのようなホウ素は、鋼板10の全体重量に対して0.001wt%~0.005wt%で含まれる。ホウ素が前記範囲に含まれるとき、硬質相粒界脆性発生を防止し、高靭性と曲げ性を確保することができる。ホウ素の含量が0.001wt%未満である場合、焼入性効果が不足し、逆に、ホウ素の含量が0.005wt%を超過する場合、固溶度が低く、熱処理条件によって結晶粒界において容易に析出され、焼き入れ性が劣化されるか、高温脆化の原因にもなり、硬質相粒界脆性発生によって靭性及び曲げ性が低下しうる。
添加剤は、微細析出物20形成に寄与する窒化物または炭化物生成元素である。具体的には、添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含むことができる。チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)は、窒化物または炭化物形態の微細析出物20を形成することで、ホットスタンピング、焼き入れを施した部材の強度を確保する。また、これらは、Fe-Mn系複合酸化物に含有され、耐遅延破壊特性の向上に有効な水素トラップサイトとして機能し、耐遅延破壊性を改善するのに必要な元素である。そのような添加剤は、合計で鋼板10の全体重量に対して0.1wt%以下含まれうる。添加剤の含量が0.1wt%を超過すれば、降伏強度の上昇が過度に大きくもなる。
チタン(Ti)は、熱間プレス熱処理後の析出物形成による焼入性強化及び材質向上の目的で添加されうる。また、高温でTi(C,N)などの析出相を形成し、オーステナイト結晶粒微細化に効果的に寄与する。そのようなチタンは、鋼板10の全体重量に対して0.02wt%~0.05wt%含まれうる。チタンが前記含量範囲で含まれれば、連鋳不良及び析出物粗大化を防止し、鋼材の物性を容易に確保し、鋼材表面にクラック発生などの欠陥を防止することができる。一方、チタンの含量が0.05wt%を超過すれば、析出物が粗大化されて延伸率及び曲げ性下落が発生しうる。
ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)は、マルテンサイトパケットサイズ(Packet size)減少による強度及び靭性増加を目的で添加される。ニオブ及びバナジウムそれぞれは、鋼板10の全体重量に対して0.02wt%~0.05wt%含まれうる。ニオブ及びバナジウムが前記範囲によって含まれるとき、熱間圧延及び冷間圧延工程で鋼材の結晶粒微細化効果が優秀であり、製鋼/連鋳時、スラブのクラック発生と、製品の脆性破断発生を防止し、製鋼性粗大析出物の生成を最小化することができる。
一方、添加剤がチタン(Ti)及びニオブ(Nb)を含む場合、チタン(Ti)及びニオブ(Nb)は、合計で鋼板10の全体重量に対して0.02wt%~0.09wt%含まれうるが、それに限定されるものではない。
カルシウム(Ca)は、介在物形状制御のために添加されうる。そのようなカルシウムは、鋼板10の全体重量に対して0.003wt%以下含まれうる。
微細析出物20は、鋼板10内に分布されて水素をトラップする役割が行える。すなわち、微細析出物20は、ホットスタンピング用素材1の製造過程または製造後に内部に流入された水素に対するトラップサイトを提供することで、ホットスタンピング加工された製品の水素遅延破壊特性を向上させうる。一実施例において、微細析出物20は、添加剤の窒化物または炭化物を含むものでもある。具体的には、微細析出物20は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含むものでもある。
そのような微細析出物20の析出挙動は、工程条件を調節することで制御することができる。例えば、工程条件のうち、巻取温度(Coiling Temperature: CT)範囲を調節することで、微細析出物20の個数、微細析出物20間の平均距離、微細析出物20の直径のような析出挙動を制御することができる。工程条件に係わる詳細な説明は、図3を参照して後述する。
一実施例において、微細析出物20が鋼板10内に形成される個数が既設定の範囲を満足するように制御されうる。具体的には、微細析出物20は、鋼板10内に25,000個/100μm2以上30,000個/100μm2以下に形成されうる。特に、鋼板10内に分布する微細析出物20のうち、0.01μm以下の直径を有する微細析出物は、鋼板10内に23,000個/100μm2以上29,000個/100μm2以下に形成されうる。
微細析出物20の個数が上述した範囲に形成されれば、ホットスタンピング後、要求される引っ張り強度(例えば、1,680MPa)を確保し、成形性ないし曲げ性を向上させうる。例えば、0.01μm以下の直径を有する微細析出物20の個数が23,000個/100μm2未満である場合、強度が低下し、一方、29,000個/100μm2を超過する場合、成形性ないし曲げ性が低下しうる。
他の実施例において、隣接する微細析出物20間の平均距離が既設定の範囲を満足するように制御されうる。ここで「平均距離」は、微細析出物20の平均自由経路(mean free path)を意味し、それを測定する方法に係わる詳細な内容は、後述する。
具体的には、微細析出物20間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下でもある。微細析出物間の平均距離が0.15μm未満である場合、成形性ないし曲げ性が低下し、一方、0.4μmを超過する場合、強度が低下しうる。
さらに他の実施例において、微細析出物20の直径が既設定の条件を満足するように制御されうる。具体的には、鋼板10内に形成される微細析出物20の90%以上が0.01μm以下の直径を有するように形成されうる。また、鋼板10内に形成される微細析出物20のうち、60%以上が0.005μm以下の直径を有するように形成されうる。また、選択的実施例において、鋼板10内に形成される全体微細析出物20の平均直径は、0.006μm以下でもある。
そのような微細析出物20の直径は、水素遅延破壊特性の改善に大きな影響を与える。以下、図2A及び図2Bを参照して、微細析出物20の直径による水素遅延破壊特性の改善効果差を説明する。
図2A及び図2Bは、微細析出物20に水素がトラップされた形状の一部を概略的に示す例示図である。
具体的には、図2Aには、相対的に大径の微細析出物20に水素がトラッピングされた形状が図示されており、図2Bには、相対的に小径の微細析出物20に水素がトラッピングされた形状が図示されている。
図2Aのように微細析出物20が相対的に大径である場合、1つの微細析出物20にトラッピングされる水素原子の個数が増加する。すなわち、鋼板10内部に流入された水素原子が均一に分散されず、1つの水素トラップサイトに複数個の水素原子がトラップされる確率が増加する。1つの水素トラップサイトにトラップされた複数個の水素原子は、互いに結合して水素分子(H2)を形成することができる。形成された水素分子は、内部圧力発生確率を増加させ、結果として、ホットスタンピング加工された製品の水素遅延破壊特性を低下させうる。
一方、図2Bのように微細析出物20が相対的に小径である場合、1つの微細析出物10に複数個の水素原子がトラップされる確率が減少する。すなわち、鋼板10内部に流入された水素原子は、互いに異なる水素トラップサイトにトラップされることで、相対的に均一に分散されうる。これにより、水素原子が互いに結合できなくなり、水素分子によって内部圧力発生確率が減少してホットスタンピング加工された製品の水素遅延破壊特性が向上しうる。
一方、そのような微細析出物20の析出挙動は、TEM(Transmission Electron Microscopy)イメージを分析する方法で測定することができる。具体的には、試片に対して既設定の個数ほど任意の領域に対するTEMイメージを獲得する。獲得したイメージからイメージ分析プログラムなどを通じて微細析出物20を抽出し、抽出された微細析出物20に対して微細析出物20の個数、微細析出物20間の平均距離、微細析出物20の直径などを測定することができる。
一実施例において、微細析出物20の析出挙動測定のために測定対象試片に前処理として表面複製法(Replication method)を適用することができる。例えば、1段階レプリカ法、2段階レプリカ法、抽出レプリカ法などが適用されうるが、上述した例示に限定されるものではない。
他の実施例において、微細析出物20の直径測定時、微細析出物20の形態の不均一性を考慮して微細析出物20の形状を円に換算して微細析出物20の直径を算出することができる。具体的には、特定の面積を有する単位ピクセルを用いて抽出された微細析出物20の面積を測定し、微細析出物20を測定された面積と同じ面積を有する円に換算して微細析出物20の直径を算出することができる。
さらに他の実施例において、微細析出物20間の平均距離は、前述した平均自由経路(mean free path)を通じて測定することができる。具体的には、微細析出物20間の平均距離は、粒子面積分率と単位長当たりの粒子個数を用いて算出することができる。例えば、微細析出物20間の平均距離は、下記数式1のような相関関係を有することができる。
(λ:粒子の間平均距離、AA:粒子面積分率、NL:単位長当たりの粒子個数)
微細析出物20の析出挙動を測定する方法は、上述した例示に制限されず、多様な方法が適用されうる。
図3は、本発明の一実施例によるホットスタンピング用素材の製造方法を概略的に示すフローチャートである。
図3に図示されたように、本発明の一実施例によるホットスタンピング用素材の製造方法は、再加熱段階(S100)、熱間圧延段階(S200)、冷却/巻取段階(S300)、冷間圧延段階(S400)、焼き鈍し熱処理段階(S500)及びメッキ段階(S600)を含むことができる。
図3には、S100ないしS600段階が独立した段階として図示されているが、S100ないしS600段階のうち、一部は、1つの工程によって遂行され、必要によって、一部が省略されもする。
まず、ホットスタンピング用素材1を形成する工程の対象になる半製品状態のスラブを準備する。前記スラブは、炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%及び残り鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含むものでもある。また、前記スラブは、合計で0.1重量%以下の添加剤をさらに含むことができる。この際、添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含むことができる。例えば、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及び/またはバナジウム(V)それぞれの含量は、0.02wt%~0.05wt%でもある。
再加熱段階(S100)は、熱間圧延のために前記スラブを再加熱する段階である。再加熱段階(S100)では、連続鋳造工程を通じて確保したスラブを所定の温度範囲で再加熱することにより、鋳造時、偏析された成分を再固溶する。
スラブ再加熱温度(Slab Reheating Temperature: SRT)は、オーステナイト微細化及び析出硬化効果の極大化のために既設定の温度範囲内に制御されうる。この際、スラブ再加熱温度(SRT)範囲は、スラブ再加熱時、微細析出物20の平衡析出量を基準に添加剤(Ti、Nb及び/またはV)が全固溶される温度範囲(約1,000℃以上)に含まれうる。スラブ再加熱温度(SRT)が添加剤(Ti、Nb及び/またはV)の全固溶温度範囲に達していない場合、熱間圧延時、微細組織制御に必要な駆動力が十分に反映されず、要求される析出量制御を通じる優秀な機械的物性確保の効果が得られない。
一実施例において、スラブ再加熱温度(SRT)は、1,180℃~1,280℃に制御されうる。スラブ再加熱温度(SRT)が1,180℃未満である場合には、鋳造時、偏析された成分が十分に再固溶されず、合金元素の均質化効果が小さく、チタン(Ti)の固溶効果が小さいという問題点がある。一方、スラブ再加熱温度(SRT)は、高温であるほど、均質化に有利であるが、1,280℃を超過する場合には、オーステナイト結晶粒度が増加して強度確保が困難であり、かつ過度な加熱工程によって鋼板の製造コストだけ上昇しうる。
熱間圧延段階(S200)は、S100段階で再加熱されたスラブを所定の仕上げ圧延温度(Finishing Delivery Temperature: FDT)範囲で熱間圧延して鋼板を製造する段階である。一実施例において、仕上げ圧延温度(FDT)範囲は、830℃~930℃に制御されうる。仕上げ圧延温度(FDT)が830℃未満である場合、異常領域圧延による混粒組織の発生によって鋼板の加工性確保が困難であり、微細組織不均一によって加工性が低下する問題があり、かつ急な相変化によって熱間圧延中、通板性の問題が発生しうる。逆に、仕上げ圧延温度(FDT)が930℃を超過する場合には、オーステナイト結晶粒が粗大化される。また、TiC析出物が粗大化されて最終部品性能が低下する危険がある。
一方、再加熱段階(S100)及び熱間圧延段階(S200)では、エネルギーが不安定な粒界から微細析出物20の一部が析出されうる。この際、粒界に析出された微細析出物20は、オーステナイトの結晶粒成長を妨害する要素として作用してオーステナイト微細化を介した強度向上の効果を提供することができる。一方、S100及びS200段階において析出される微細析出物20は、平衡析出量基準0.027wt%レベルでもあるが、それに限定されるものではない。
冷却/巻取段階(S300)は、S200段階において熱間圧延された鋼板を所定の巻取温度(Coiling Temperature: CT)範囲で冷却させて巻き取り、鋼板内に微細析出物20を形成する段階である。すなわち、S300段階では、スラブが含む添加剤(Ti、Nb及び/またはV)の窒化物または炭化物を形成することで、微細析出物20が形成される。一方、巻取は、微細析出物20の平衡析出量が最大値に到逹するようにフェライト域で進められうる。このように結晶粒再結晶が完了した後、フェライトにおける組織変態時、粒界だけではなく、粒内でも微細析出物20の粒子サイズが均質に析出されうる。
一実施例において、巻取温度(CT)は、700℃~780℃でもある。巻取温度(CT)は、炭素(C)の再分配に影響を与える。そのような巻取温度(CT)が700℃未満である場合には、過冷による低温相分率が高くなり、強度増加及び冷間圧延時、圧延負荷が激しくなる恐れがあり、延性が急に低下する問題点がある。逆に、巻取温度が780℃を超過する場合には、異常結晶粒子成長や過度な結晶粒子成長によって成形性及び強度劣化が発生する問題がある。
このように本実施例によれば、巻取温度(CT)範囲を制御することで、微細析出物20の析出挙動を制御することができる。巻取温度(CT)範囲によるホットスタンピング用素材1の特性変化に対する実験例は、図4、図5A及び図5Bを参照して後述する。
冷間圧延段階(S400)は、S300段階で巻き取られた鋼板をアンコイリング(uncoiling)して酸洗処理した後、冷間圧延する段階である。この際、酸洗は、巻き取られた鋼板、すなわち、前記の熱延過程を通じて製造された熱延コイルのスケールを除去するための目的で実施することになる。一方、一実施例において、冷間圧延時の圧下率は、30%~70%に制御されうるが、それに制限されるものではない。
焼き鈍し熱処理段階(S500)は、S400段階で冷間圧延された鋼板を700℃以上の温度で焼き鈍し熱処理する段階である。一具体例において、焼き鈍し熱処理は、冷延板材を加熱し、加熱された冷延板材を所定の冷却速度で冷却する段階を含む。
メッキ段階(S600)は、焼き鈍し熱処理された鋼板に対してメッキ層を形成する段階である。一実施例において、メッキ段階(S600)で、S500段階で焼き鈍し熱処理された鋼板上にAl-Siメッキ層を形成することができる。
具体的には、メッキ段階(S600)は、鋼板を650℃~700℃の温度を有するメッキ浴に浸漬させて鋼板の表面に溶融メッキ層を形成する段階及び前記溶融メッキ層が形成された鋼板を冷却させてメッキ層を形成する冷却段階を含みうる。この際、メッキ浴は、添加元素としてSi、Fe、Al、Mn、Cr、Mg、Ti、Zn、Sb、Sn、Cu、Ni、Co、In、Biなどが含まれうるが、それらに限定されるものではない。
このようにS100ないしS600段階を介して製造したホットスタンピング用素材1に対してホットスタンピング工程を遂行することで、要求される強度及び曲げ性を満足するホットスタンピング部品を製造することができる。一実施例において、前述した含量条件及び工程条件を満足するように製造したホットスタンピング用素材1は、ホットスタンピング工程を経た後に1,680MPa以上の引っ張り強度及び40°(degree)以上の曲げ性を有することができる。
以下、実施例及び比較例を通じて本発明をさらに詳細に説明する。しかし、下記実施例及び比較例は、本発明をさらに具体的に説明するためのものであって、本発明の範囲が下記実施例及び比較例によって限定されるものではない。下記実施例及び比較例は、本発明の範囲内で当業者によって適切に修正、変更されうる。
図4は、本発明の実施例及び比較例の巻取温度による引っ張り強度及び曲げ応力を比較して示すグラフであり、図5A及び図5Bは、実施例及び比較例の巻取温度による4点曲げ試験(4 point bending test)の結果を示すイメージである。
実施例(CT700)及び比較例(CT800)は、下記表1のような組成を有するスラブに対して前述したS100ないしS600段階を遂行して製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片である。この際、実施例(CT700)及び比較例(CT800)は、ホットスタンピング用素材1の製造過程で同じ含量条件及び工程条件を適用するが、巻取温度(CT)のみを変数として差別適用して製造された試片である。
具体的には、実施例(CT700)は、700℃の巻取温度(CT)を適用して製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片であり、比較例(CT800)は、800℃の巻取温度(CT)を適用して製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片である。
一方、図4は、実施例(CT700)及び比較例(CT800)の引っ張り強度及び曲げ応力を測定して示すグラフである。
図4を参照すれば、引っ張り強度の場合、実施例(CT700)の引っ張り強度は、比較例(CT800)の引っ張り強度よりも大きく、衝撃特性に影響を与える曲げ応力も実施例(CT700)の曲げ応力が比較例(CT800)の曲げ応力と対比して改善されたことを確認した。
これは、下記表2において確認することができるように、実施例(CT700)の場合が比較例(CT800)に比べて微細析出物20の析出量の増加及びそれによる水素捕集能力が向上したからである。
下記表2は、実施例(CT700)と比較例(CT800)の平衡析出量と活性化水素量の測定値及び曲げビーム応力腐食試験(Bent-beam stress corrosion test)結果である。ここで、平衡析出量とは、熱力学的に平衡状態をなすとき、析出される析出物の最大個数を意味し、そのような平衡析出量が大きいほど析出される析出物の個数が増加する。また、活性化水素量は、鋼板10内に流入された水素のうち、微細析出物20にトラップされた水素を除いた水素量を意味する。
そのような活性化水素量は、加熱脱ガス分析(Thermal desorption spectroscopy)方法を用いて測定することができる。具体的には、試片を既設定の加熱速度で加熱して昇温させつつ、特定温度以下で試片から放出される水素量を測定することができる。この際、特定温度以下で試片から放出される水素は、試片内に流入された水素のうち、トラップされず、水素遅延破壊に影響を与える活性化水素として理解されうる。
表2は、微細析出物の平衡析出量が互いに異なるサンプルそれぞれに対して4点曲げ試験(4 point bending test)を遂行した結果と、加熱脱ガス分析(Thermal desorption spectroscopy)方法を用いて測定した活性化水素量を示す。
ここで、4点曲げ試験(4 point bending test)は、試片を腐食環境に露出させた状態を再現して製造した試片を特定地点に弾性限界以下レベルの応力を加えて応力腐食クラックの発生有無を確認する試験方法である。この際、応力腐食クラックは、腐食と持続的な引っ張り応力が同時に作用するとき、発生するクラックを意味する。
具体的には、表2の4点曲げ試験(4 point bending test)結果は、サンプルそれぞれに対して空気中で1,200MPaの応力を100時間印加して破断発生有無を確認した結果である。また、活性化水素量は、前述した加熱脱ガス分析(Thermal desorption spectroscopy)方法を用いて測定されたものであって、サンプルそれぞれに対して20℃/minの加熱速度で、常温から500℃まで昇温させつつ、350℃以下で試片から放出される水素量を測定した値である。
表2を参照すれば、微細析出物20の平衡析出量の場合、実施例(CT700)の平衡析出量は、0.040wt%であり、比較例(CT800)の平衡析出量は、0.029wt%と測定された。すなわち、実施例(CT700)が比較例(CT800)と対比してさらに多くの微細析出物20が形成されることで、さらに多くの水素トラップサイトを提供可能であることを確認することができる。
一方、4点曲げ試験結果の場合、実施例(CT700)は破断されず、比較例(CT800)は破断された。また、活性化水素量の場合、実施例(CT700)の活性化水素量は、約0.453wppmであり、比較例(CT800)の活性化水素量は、約0.550wppmと測定された。これと関連して、活性化水素量が相対的にさらに低い実施例(CT700)は破断されず、活性化水素量が相対的にさらに高い比較例(CT800)は破断されたことを確認することができる。これは、実施例(CT700)が比較例(CT800)と対比して水素遅延破壊特性が向上したと理解されうる。
すなわち、実施例(CT700)は、比較例(CT800)と対比して微細析出物20の析出量が増加し、これにより、活性化水素量が減少した。これは、実施例(CT700)において、内部にトラップされた水素の量が比較例(CT800)と対比して増加したことを意味し、その結果、水素遅延破壊特性が向上したと理解されうる。
図5A及び図5Bは、それぞれ実施例(CT700)及び比較例(CT800)に対して4点曲げ試験(4 point bending test)を施行した結果を示すイメージである。
具体的には、図5Aは、実施例(CT700)に対して4点曲げ試験を施した結果であり、図5Bは、比較例(CT800)に対して実施例(CT700)と同じ条件を適用して4点曲げ試験を施した結果に対応する。
図5A及び図5Bに図示されたように、実施例(CT700)の場合、4点曲げ試験結果試片が破断されておらず、一方、比較例(CT800)の場合、試片が破断されたことを確認することができる。
これは、図5Aの実施例(CT700)の場合、700℃の巻取温度(CT)を適用して製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片であって、0.01μm以下の直径を有する微細析出物20が単位面積(100μm2)当たり23,000個以上29,000個以下に形成され、微細析出物20間の平均距離が0.15μm以上0.4μm以下を満足する。したがって、実施例(CT700)は、鋼板10内の流入された水素を効率的に分散し、トラッピングして水素遅延破壊特性が向上し、引っ張り強度及び曲げ特性が向上したことを確認することができる。
逆に、図5Bの比較例(CT800)の場合、800℃の巻取温度(CT)を適用して製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片であって、微細析出物20の析出量が不十分であり、微細析出物20の直径が粗大化されて水素結合による耐圧発生確率が増加する。したがって、比較例(CT800)は、鋼板10内の流入された水素を効率的に分散トラッピングすることができず、引っ張り強度、曲げ特性及び水素遅延破壊特性が低下したことを確認することができる。
すなわち、同じ成分によって構成されても、巻取温度(CT)の差によって、ホットスタンピング素材1がホットスタンピング工程を経て有する強度、曲げ性及び水素遅延破壊特性などに差が発生する。これは、巻取温度(CT)によって微細析出物20の析出挙動に差が発生するからである。したがって、前述した本発明の実施例による含量条件及び工程条件を適用すれば、高強度を確保し、曲げ性及び水素遅延破壊特性を向上させうる。
下記表3は、複数の試片に対して微細析出物20の析出挙動の差による引っ張り強度、曲げ性及び水素遅延破壊特性を数値化したものである。具体的には、表3には、複数の試片に対して、析出挙動(微細析出物20の個数、微細析出物20間の平均距離、微細析出物20の直径など)の測定値と、ホットスタンピング後に有する特性(引っ張り強度、曲げ性及び活性化水素量)の測定値が記載されている。
一方、複数の試片は、それぞれAc3(フェライトからオーステナイトへの変態が完了する温度)以上の温度で加熱し、300℃以下まで30℃/s以上の冷却速度で冷却した後、引っ張り強度、曲げ性及び活性化水素量を測定したものである。
この際、引っ張り強度及び活性化水素量は、前述した4点曲げ試験(4 point bending test)及び加熱脱ガス分析(Thermal desorption spectroscopy)方法に基づいて測定したものであり、曲げ性は、ドイツ自動車産業協会(VDA: Verband Der Automobilindustrie)の規格であるVDA238-100によってVベンディング角を測定したものである。
また、微細析出物の析出挙動(微細析出物の個数、微細析出物間の平均距離、微細析出物の直径など)は、前述したTEMイメージ分析を通じて測定した。また、微細析出物の析出挙動は、0.5μm*0.5μmの面積を有する任意の領域に対して測定して単位面積(100μm2)を基準に換算して測定した。
表3は、試片AないしTに対して微細析出物の析出挙動(微細析出物の個数、微細析出物間の平均距離、微細析出物の直径など)の測定値と、ホットスタンピング後に有する特性(引っ張り強度、曲げ性及び活性化水素量)の測定値を示す。
表3の試片AないしJは、前述した含量条件(表1参照)を満足するスラブに対して前述した工程条件を適用してS100ないしS600段階を通じて製造したホットスタンピング用素材1をホットスタンピングして製造された試片である。すなわち、試片AないしJは、前述した微細析出物20の析出挙動条件を満足する試片である。具体的には、試片AないしJは、微細析出物20が鋼板10内に25,000個/100μm2以上30,000個/100μm2以下に形成され、全体微細析出物の平均直径は、0.006μm以下であり、全体微細析出物間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下を満足する。また、鋼板10内に形成される微細析出物20のうち、90%以上が0.01μm以下の直径を有し、直径が0.01μm以下である微細析出物の個数は、23,000個/100μm2以上29,000個/100μm2以下を満足する。また、鋼板内に形成される微細析出物のうち、60%以上が0.005μm以下の直径を有する。
そのような本発明の析出挙動条件を満足する試片AないしJは、引っ張り強度、曲げ性及び水素遅延破壊特性が向上することを確認することができる。具体的には、試片AないしJは、ホットスタンピング後、引っ張り強度が1,680MPa以上を満足し、ホットスタンピング後の曲げ性が40°(degree)以上を満足し、ホットスタンピング後の活性化水素量が0.5wppm以下を満足する。
一方、試片KないしTは、前述した微細析出物の析出挙動条件のうち、少なくとも一部を満足させ得ない試片であって、引っ張り強度、曲げ性及び/または水素遅延破壊特性が試片AないしJと対比して劣ることを確認することができる。
試片Kの場合、直径0.01μm以下の微細析出物個数が22,998個である。これは、直径0.01μm以下の微細析出物個数条件の下限に達していない。これにより、試片Kの引っ張り強度は、相対的に低い1,671MPaに過ぎないということを確認することができる。
試片Lの場合、全体微細析出物個数が24,999個であり、直径0.01μm以下の微細析出物個数が22,874個である。これは、全体微細析出物個数条件の下限及び直径0.01μm以下の微細析出物個数条件の下限に達していない。これにより、試片Lの引っ張り強度は、相対的に低い1,664MPaに過ぎないということを確認することができる。
試片Mの場合、直径0.01μm以下の微細析出物個数が29,005個である。これは、直径0.01μm以下の微細析出物個数条件の上限を超過する。これにより、試片Mの曲げ性は、相対的に低い37°に過ぎないということを確認することができる。
試片Nの場合、全体微細析出物個数が30,009個である。これは、全体微細析出物個数条件の上限を超過する。これにより、試片Nの曲げ性は、相対的に低い35°に過ぎないということを確認することができる。
試片Oの場合、全体微細析出物の平均直径が0.0071μmである。これは、全体微細析出物の平均直径条件の上限を超過する。これにより、試片Oの活性化水素量は、相対的に高い0.505wppmと測定されて水素遅延破壊特性が相対的に低下したことを確認することができる。
試片Pの場合、直径0.01μm以下の微細析出物の割合が89.8%である。これは、直径0.005μm以下の微細析出物の割合条件の下限に達していない。これにより、試片Pの活性化水素量は、相対的に高い0.514wppmと測定されて水素遅延破壊特性が相対的に低下したことを確認することができる。
試片Qの場合、直径0.005μm以下の微細析出物の割合が59.9%である。これは、直径0.005μm以下の微細析出物の割合条件の下限に達していない。これにより、試片Qの活性化水素量は、相対的に高い0.502wppmと測定されて水素遅延破壊特性が相対的に低下したことを確認することができる。
試片Rの場合、直径0.005μm以下の微細析出物の割合が59.7%である。これは、直径0.005μm以下の微細析出物の割合条件の下限に達していない。これにより、試片Rの活性化水素量は、相対的に高い0.504wppmと測定されて水素遅延破壊特性が相対的に低下したことを確認することができる。
試片Sの場合、全体微細析出物間の平均距離が0.14μmである。これは、全体微細析出物間の平均距離条件の下限に達していない。これにより、試片Sの曲げ性は、相対的に低い38°に過ぎないということを確認することができる。
試片Tの場合、全体微細析出物平均距離が0.41μmである。これは、全体微細析出物平均距離条件の上限を超過する。これにより、試片Tの引っ張り強度は、相対的に低い1,678MPaに過ぎないということを確認することができる。
結果として、前述した本発明の含量条件及び工程条件を適用したホットスタンピング用素材の製造方法で製造したホットスタンピング用素材1は、ホットスタンピングを経た後、前述した微細析出物20の析出挙動条件を満足し、そのような微細析出物20の析出挙動条件を満足するホットスタンピング製品は、引っ張り強度、曲げ性及び水素遅延破壊特性が向上したことを確認した。
本発明は、図面に図示された実施例に基づいて説明されたが、これは、例示的なものに過ぎず、当該技術分野で通常の知識を有する者であれば、それにより、多様な変形及び均等な他の実施例が可能であるという点を理解するであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想によって決定されねばならない。
Claims (12)
- 炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%、添加剤:0.1重量%以下、及び残りの鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含む鋼板と、
前記鋼板内に分布された微細析出物と、を含み、
前記添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含み、
前記微細析出物は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含み、水素をトラップする、ホットスタンピング用素材。 - 前記微細析出物は、単位面積(100μm2)当たり25,000個以上30,000個以下に形成される、請求項1に記載のホットスタンピング用素材。
- 前記微細析出物の90%以上が0.01μm以下の直径を有するように形成される、請求項1に記載のホットスタンピング用素材。
- 前記微細析出物のうち、0.01μm以下の直径を有する微細析出物の個数は、単位面積(100μm2)当たり23,000個以上29,000個以下である、請求項3に記載のホットスタンピング用素材。
- 前記微細析出物の60%以上が0.005μm以下の直径を有するように形成される、請求項3に記載のホットスタンピング用素材。
- 前記微細析出物間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下である、請求項1に記載のホットスタンピング用素材。
- スラブを1,180℃~1,280℃のスラブ再加熱温度範囲で再加熱する段階と、
再加熱されたスラブを830℃~930℃の仕上げ圧延温度範囲で熱間圧延して鋼板を製造する段階と、
前記鋼板を700℃~780℃の巻取温度範囲で巻き取り、前記鋼板内に微細析出物を形成する段階と、を含み、
前記スラブは、炭素(C):0.28~0.50重量%、シリコン(Si):0.15~0.70重量%、マンガン(Mn):0.5~2.0重量%、リン(P):0.05重量%以下、硫黄(S):0.01重量%以下、クロム(Cr):0.1~0.5重量%、ホウ素(B):0.001~0.005重量%、添加剤:0.1重量%以下、及び残りの鉄(Fe)と、その他不可避な不純物を含み、
前記添加剤は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つを含み、
前記微細析出物は、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)及びバナジウム(V)のうち、少なくともいずれか1つの窒化物または炭化物を含み、水素をトラップする、ホットスタンピング用素材の製造方法。 - 前記微細析出物は、単位面積(100μm2)当たり25,000個以上30,000個以下に形成される、請求項7に記載のホットスタンピング用素材の製造方法。
- 前記微細析出物の90%以上が0.01μm以下の直径を有するように形成される、請求項7に記載のホットスタンピング用素材の製造方法。
- 前記微細析出物のうち、0.01μm以下の直径を有する微細析出物の個数は、単位面積(100μm2)当たり23,000個以上29,000個以下である、請求項9に記載のホットスタンピング用素材の製造方法。
- 前記微細析出物の60%以上が0.005μm以下の直径を有するように形成される、請求項9に記載のホットスタンピング用素材の製造方法。
- 前記微細析出物間の平均距離は、0.15μm以上0.4μm以下である、請求項7に記載のホットスタンピング用素材の製造方法。
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