KR100678406B1 - 강철재의 열간 프레스 성형방법 - Google Patents

강철재의 열간 프레스 성형방법 Download PDF

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Abstract

강철재 표면에 아연 또는 아연합금도금층을 배치하고, 이러한 도금층의 상층에, 700 ~ 1000℃로 가열하는 경우라도 아연의 증발을 방지할 수 있는 베리어층을 설치한 강철재의 열간 프레스 성형방법. 상기 베리어층은 상층도금법, 표면산화법, 산화제접촉법, Zn+산화제접촉법, 양극전해법, 음극전해법, ZnO졸 도포법에 의해 형성할 수 있다.
이러한 강철재 제품은 열간프레스가 가능하고, 또한, 후처리를 필요로 하지 않으며 내식성도 확보가능하며, 고장력 강철판, 스테인레스 강철판의 열간 프레스 가공을 가능케 한다.
아연도금 강철재

Description

강철재의 열간 프레스 성형방법 {HOT PRESS FORMING METHOD FOR STEEL MATERIAL}
도 1은 실시예 8을 이용한 연속용융아연 도금라인을 모의하는 열이력(熱履歷)의 모식도이다.
본 발명은 열간 프레스용 강철재, 특히 자동차용 완충장치, 차체, 보강부품등의 제조에 사용되는 열간 프레스용 강철재의 열간 프레스 성형방법에 관한 것이다.
최근, 자동차의 경량화를 위해, 강철재의 고강도화를 도모하여 자동차에 사용되는 강철재의 두께를 감소시키려는 노력이 진행되고 있다. 그러나, 강철재의 대표예인 강철판을 예로 들어 설명하면, 이는 다음과 같은 몇 가지 문제점이 있다. 강철판을 드로잉(drawing) 프레스 성형을 행하면, 사용하는 강철판의 강도는 증가하게 되고, 드로잉 성형시에 금형과의 접촉압력이 증가하여, 강철판의 마모나 강철판의 파단이 발생한다. 이와 같은 문제점을 조금이라도 경감시키기 위한 의도로써 강철판의 드로잉 성형시에 금형 내로 유입되는 재료의 양을 증가시키기 위하여 블 랭크 홀딩력(blank holding force)을 낮추게 되면, 성형후의 형상의 변화와 같은 또 다른 문제가 발생한다.
또한, 성형시 소위 스프링백(spring back)도 발생한다. 이에 대하여는 윤활제의 사용과 같은 개선 대책 등이 있지만, 780 MPa급 이상의 고강도 강철판에 대하여는 이러한 효과가 적다.
이와 같이 고강도 강철판의 프레스 성형에는 문제점이 많은 것이 현재의 상태이다. 이하에서는 이와 같은 종류의 재료를 "난프레스 성형재료(difficult-to- press form steel material)"이라고 한다.
이와 같은 난프레스 성형재료를 프레스 성형하는 기술로서는, 프레스 성형해야할 강철재를 미리 가열하여 성형하는 방법을 생각할 수 있다. 이러한 기술은 소위 열간 프레스 성형(hot press forming) 및 온간 프레스 성형(warm press forming)을 포함한다. 이하에서는 간단히 "열간 프레스 성형"으로 총칭한다. 영국 특허공보 제1490535호에 예시되어 있는 바와 같이, 열간 프레스에서는 강철판이 고온에서는 연질화되고 고연성이 되기 때문에, 복잡한 형상을 치수 정밀도가 우수하게 성형하는 것이 가능하다. 또한, 열간 프레스 성형의 또 하나의 이점으로서는, 강철판을 오스테나이트영역으로 가열하여 두고, 금형내에서 성형과 동시에 급냉하는 것에 의하여, 마르텐사이트 변태에 의한 강철판의 고강도화(경화, hardening)를 동시에 달성할 수 있다는 것이다.
그러나, 열간 프레스 성형은 가열한 강철판을 가공하는 성형방법이기 때문에, 강철판의 표면산화는 피할 수 없다. 강철판을 비산화성 분위기중의 가열로 (heating furnace)에서 가열하여도, 예를 들어, 프레스 성형을 위하여 이를 가열로로부터 꺼낸때에 대기와 접촉하여 강철판의 표면에 철산화물이 형성된다. 이러한 철산화물은 프레스 성형시에 탈락하여 금형에 부착되어 생산성을 저하시키거나 또는 프레스 성형후에 제품에 이와 같은 철산화물로부터 생성되는 산화피막(스케일)이 잔존하여 외관이 불량해지는 문제가 있다. 또한, 이와 같은 산화피막이 잔존하면, 다음의 공정에서 도장하는 경우 강철판과의 도막 밀착성이 나빠지게 된다.
따라서, 열간프레스 성형후에는, 프레스 성형제품에 쇼트 블라스팅(shot blasting)을 적용하여 이와 같은 산화피막을 구성하는 철산화물층을 제거하는 것이 필요하지만, 이것은 비용의 증가를 피할 수 없다. 또한, 철산화물층을 제거하여도 강철판만으로는 내녹성(resistance to rusting)이 열악하다. 가열시에 이와 같은 산화피막을 형성시키지 않도록 하고, 또한 내식성을 확보하기 위하여 저합금강철이나 스테인레스강철을 이용하는 경우라도 산화피막의 발생은 완전히 방지할 수 없고, 보통의 강철과 비교하여 대폭적으로 비용이 증가한다.
이와 같은 열간 프레스 성형시의 강철판의 표면산화를 방지하기 위하여 가열시의 분위기와 프레스공정전체의 분위기를 함께 비산화성 분위기로 하는 것도 이론상 유효하지만, 설비상으로는 대폭적으로 고비용이 된다.
이와 같은 사정으로부터, 현재에도 열간 프레스가 충분히 활용되고 있지 않는 것이 현상황이다.
여기에서 특허출원으로 제안되고 있는 현재의 기술에 대하여 개관하면 다음과 같다.
열간 프레스의 이점으로서는 프레스 성형과 함께 열처리를 행할 수 있는 것을 예로 들 수 있다. 이 경우에 표면처리를 동시에 수행하는 것에 대하여 특개평 07-116900A(1995)에 제안되어 있다. 그러나, 전술한 표면산화에 기인하는 문제점을 해결하는 수단에 대하여는 아무것도 개시되어 있지 않다. 특개2000-38640A에는 열간성형시에 내산화 저항성을 발휘시키기 위하여 알루미늄으로 피복시킨 강철판을 제안하고 있지만, 이와 같은 강철판도 보통의 강철과 비교하면 비용이 대폭적으로 증가하게 된다.
내녹성 또는 내식성을 개선시키고자 하는 관점에서는, 특개평 6-240414호 공보에서 제안되어 있는 바와 같이, 강철재의 강철성분에 Cr 및 Mo 등의 원소를 첨가하여 내식성을 향상시키는 예도 있다. 그러나, 이러한 대책에서는, Cr 및 Mo의 첨가로 비용이 증가하게 될 뿐만 아니라, 프레스 성형용의 재료의 경우, 합금 성분의 첨가에 의하여 프레스 성형성이 열화되는 문제가 있다.
본 발명의 과제는 열간 프레스 동안 외관의 열화를 발생시키지 않고 충분한 내식성을 확보할 수 있는 열간 프레스 성형용 강철재를 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적인 과제는 내식성 확보를 위한 후처리를 필요로 하지 않으면서 강철판의 열간 프레스 성형이 가능하고, 동시에 내식성도 확보 가능한 기술을 제공하는 것이다.
본 발명자들은, 강철판을 그대로 상온에서 프레스 성형을 수행하지 않고, 변형에 대한 강철판의 저항을 감소시키기 위하여 고온상태에서 프레스 성형을 행하 고, 동시에 이러한 때에, 강철판의 후처리를 행하지 않고 우수한 내식성을 확보하기 위하여, 본래 내식성이 우수한 도금 강철판에 열간 프레스 성형을 행하는 아이디어를 생각하였다. 또한, 이에 기초하여, 부식성의 습윤 환경하에서 희생부식방지작용을 갖는 아연계 도금피막의 강철판에 열간 프레스를 적용하는 것을 착상하였다. 그러나, 열간 프레스는 프레스 성형전 700 - 1000℃의 온도에서 가열하는 것을 의미하고, 이러한 온도는 아연계 도금 금속의 융점 이상의 온도이다. 따라서, 아연계 금속으로 도금된 강철판의 열간 프레스 성형에서, 이와 같은 고온에서 가열한 경우, 도금된 층은 용해하고, 강철재 표면으로부터 유실되거나, 또는 증발하여 잔존하지 않고, 이것이 잔존하는 경우라도 표면성상은 현저하게 열화될 것으로 예상된다.
그러나, 이후에 다양한 연구를 순차적으로 행하면서, 가열하는 것에 의하여 도금층과 강철판이 합금화하는 것에 의하여 어떠한 변화가 발생하지 않을까 생각하였다. 예비 실험으로서 각종 도금 조성 및 각종 분위기에서 700 - 1000℃의 온도로 가열한 후, 강철판상에 열간 프레스 성형을 실제적으로 수행하였을때, 이제까지의 예상과는 반대로, 도금된 층의 표면상에 아연의 산화물 피막이 형성되어 열간 프레스 성형이 수행될 수 있음을 발견하였다. 상기 산화물 피막은 하층의 아연의 증발을 방지하는 일종의 베리어층(barrier layer)으로서 작용한다. 이러한 베리어층은 열간 프레스에 선행하는 가열 단계 이전에 어느 정도 형성되어 있어야만 하고, 이후에 700 - 1000℃로 가열하는 동안에도 여전히 형성되는 것으로 추측되고 있다.
또한, 아연계 도금층을 분석하였을때, 층에서 합금화가 상당히 진행되어 있고, 이에 의하여 도금층이 고융점화되어 도금층 표면으로부터 아연의 증발을 방지하고, 또한, 강철판 표면에서의 철산화물의 형성을 억제하고 있는 것으로 판명되었다. 또한, 이러한 방식으로 가열된 도금층은, 열간 프레스 성형후라도 도금층과 모재인 강철판과의 말착성이 양호해진 것도 판명되었다.
따라서, 표면에 아연 산화물 피막을 가지는 아연 도금 강철판을 이용하면 열간 프레스 성형을 행할 수 있다는 결론에 이르렀다.
따라서, 아연 또는 아연계 합금 도금(이하, 상기 두가지 방법은 "아연계 도금" 또는 간단히 "아연도금"으로 통칭하도록 한다.)의 층을 가지는 강철판을 가열하여, 도금층 표면에 ZnO 층을 충분히 형성시키면, 열간 프레스 성형에 있어서의 가열 단계동안의 아연의 증발을 억제하는 것이 가능하다. 또한, 도금강철판이 가열되어 ZnO층을 형성하는 동안, 소지 강철판과 도금층사이에서의 Fe 와 Zn의 상호확산이 발생하여, 그 결과, 도금층중의 Fe 질량％가 증가하여 Fe-Zn 합금층이 형성된다. 즉, 적정화된 아연 또는 아연계 합금 도금층을 가지는 강철판을 가열하면 표면으로부터 순차적으로 ZnO층, Fe-Zn합금층, 소지 강철판의 3층 구조가 얻어져 열간 프레스에 유해한 Fe 산화물은 형성되지 않는다.
따라서, 본 발명에 있어서, 도금층의 융점부근 온도영역에서 가열하여도 도금층이 잔존하는 이유는 도금층으로부터 도금층보다 내열성이 우수하고, 밀착성이 양호한 산화피막층이 도금층 표면에 형성되어 아연의 증발을 방지하는 베리어층으로서 작용하기 때문인 것으로 생각된다. 또한, 이러한 작용을 충분히 발휘하기 위 해서는 도금층과 강철판과의 합금화가 영향을 미치며, 이러한 합금화가 충분히 진행되어 도금층 자체의 융점이 충분히 증가해야만 한다. 바람직하게는 이러한 양자의 작용효과에 의해, 도금 강철판을, 도금층을 구성하는 아연의 비점(沸点) 이상인 950℃에서 가열하여도 도금층은 소실되지 않고, 강철판 표면의 산화를 억제하고 있는 것으로 추정된다.
물론, 이러한 표면 ZnO층은 가열이외의 각종 다른 수단으로 미리 도금층 표면상에 형성될 수 있다.
그런데, 다양한 이유로, 열간 프레스 공정에 있어서는 강철판에는 과도한 가열이 행해지는 경우가 있다. 예를 들어, 탄소(C) 함유량이 높은 동일한 강철재를 사용하는 경우에서도, 고강도를 발현시키기 위하여 통상보다도 높은 온도(예를 들어 900℃이상) 또는 장시간(예를 들어 5분 이상)으로 가열되는 경우, 또는 가열 라인의 이상 정지나 생산상의 사정으로 가열라인의 스피드가 감소되는 경우 등이 있다. 이러한 경우에 있어서도, 열간 프레스 성형의 가열단계에서 표면상에 형성되는 베리어층의 주성분인 ZnO 층을 아연도금피막의 표면에 미리 적극적으로 생성시키면, 과도한 가열 또는 고온의 가열이 행해지는 조건에서도 품질이 양호한 열간 프레스 제품을 얻을 수 있는 것을 발견하였다.
본 발명자들은, 더욱 검토한 결과, 아연계 도금 강철판의 아연 도금층 위에 미리 Fe, Co, Ni 또는 이들의 합금으로부터 금속도금층을 형성함으로써, 이것을 앞서 기술한 베리어층으로서 작용시키는 것이 가능하고, 상술한 바와 같이, 열간 프레스 성형 동안 과도한 가열이 행해져도 열간 프레스 성형품의 품질이 안정되는 것 을 발견하였다.
즉, 아연도금층만을 갖는 강철판을 가열한 경우에는, 도금층의 표면상에 산화물이 형성되고, 동시에, 강철판과 도금층 사이에 합금화 반응이 발생한다. 이때, 표면의 산화반응이 과도하게 진행되면 소지 강철판에서도 산화가 일어날 수 있다. 그러나, 아연도금층의 상층으로서 Fe, Co, 또는 Ni의 금속도금층을 적용한 경우에는, 아연도금층만을 배치한 경우와 비교하여, Fe, Co 또는 Ni 금속이 아연과 빠르게 반응함으로써, 내열성이 우수한 합금층이 형성되어 소지 강철판의 산화가 발생하기 어렵게 된다. 따라서, 소지 강철판과 이들의 도금층과의 밀착성이 양호하게 되고, 열간 프레스 성형에 있어서도 프레스 성형시 산화물 조각의 금형으로의 부착이 억제되어 양호한 성형품을 얻을 수 있다. 또한, 이러한 프레스 성형품은 후공정의 도장 적합성을 만족하는 것도 확인하였다.
특개 2000-144238호 공보 및 특개 2000-248338호 공보에는, 냉간 가공에 의해 성형한 부품의 일부를 고주파 유도 가열한 후에 급냉하여 강철판을 변태강화하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 일본 특허 출원에 있어서, 녹발생의 방지를 위하여 아연계 피막을 가지는 강철판을 이용하고 있지만, 가열에 의한 아연의 소산을 억제하기 위하여, 가열온도를 850℃이하로 하거나, 가열시간을 단시간으로 하는 제약이 있다. 850℃ 이하의 가열에서는 오스테나이트 단상이 형성되지 않기 때문에, 담금질후에 형성되는 마르텐사이트 체적율이 작아져서 고강도를 얻을 수 없다. 또한, 단시간 동안 가열하면, 시멘타이트(cementite)가 가열동안 완전하게 용해될 수 없어 고용탄소의 양이 너무 적어지게 되어 담금질후의 강도가 충분하지 않게 되는 문제도 생각할 수 있다.
이러한 기술을 열간 프레스에 적용하는 것을 생각하면, 단시간에 가열, 급냉을 행하는 것은 설비적인 관점에서 곤란하다. 또한, 고온에서 가공을 행하는 경우, 피막의 훼손에 대하여도 명확하지 않다. 따라서, 이들 기술을 그대로 열간 프레스에 전용하여도 고강도 및 내식성이 우수한 부재를 얻는 것은 어려운 일인 것으로 예측된다. 즉, 이들의 종래기술로부터 본 발명을 발명해내는 것은 불가능하다.
하기에 본 발명의 구체적인 태양에 대하여 상술한다. 또한, 본 명세서에 있어서 강철조성 및 도금조성을 규정하는 "％"는 "질량％"이다.
소지강철재(base steel material)
본 발명에 따른 열간 프레스 성형용 도금 강철재의 소지강철은 용융아연계 도금시의 습윤성(wettability), 도금후의 도금밀착성이 양호하다면 특히 한정되지 않는다. 그러나, 열간 프레스 성형의 특성으로서, 난프레스성형재인 고장력강철판 또는 열간 성형후에 급냉하여 고강도, 고경도가 되는 담금질 강철판(예를 들어, 하기 표 1에서 나타낸 것과 같은 화학성분의 강철판)이 실용상으로 특히 바람직하다. 한편, 용도에 따라서는 연질의 재료가 바람직하다. 이러한 경우에는, 예를 들어 담금질성(hardenability)이 낮은 강철판을 이용하는 것도 가능하다.
본 발명의 더욱 바람직한 태양에 의하면, 상기 담금질강철의 화학조성은 다음과 같이 규정하는 것이 가능하다.
C : 0.08 ~ 0.45％
탄소(C)는 강철판의 담금질성을 높이고, 또한 열간프레스후의 강도를 결정하는 중요한 원소이다. C의 함유량이 0.08％미만에서는 이러한 효과가 충분하지 않다. 한편, C의 함유량이 0.45％를 초과하는 경우에는 인성(靭性)열화나 용접성 열화를 초래한다. 더욱 바람직한 C함유량은 0.1 ~ 0.3％이다. 또한, 담금질성이 필요하지 않은 경우에는 C함유량은 이 범위에 있지 않아도 좋지만, 0.3％를 초과하면 인성이 저하할 가능성이 있기 때문에 0.3％ 이하가 바람직하다.
Mn 및/또는 Cr (합계량) : 0.5 ~ 3.0％
Mn 및 Cr은 강철판의 담금질성을 높이고 열간 프레스 성형후의 안정한 강도를 확보하기 위하여 매우 효과적인 원소이다. 그러나, (Mn 및/또는 Cr)의 합계 함유량이 0.5％미만에서는 이러한 효과가 충분하지 않고, 한편 (Mn 및/또는 Cr) 합계량이 3.0％를 초과하면 이러한 효과는 포화하여, 역으로 안정한 강도를 확보하는 것은 곤란하게 된다. 더욱 바람직하게는(Mn 및/또는 Cr)의 합계 함유량은 0.8 ~ 2.0％이다.
본 발명에 있어서, 열간 프레스에 의한 담금질성을 확보하기 위하여는 상술한 바와 같이 C, Mn 및 Cr의 함유량을 규정하는 것만으로 충분하다.
더욱 바람직하게는, 강도를 증가시키기 위하여, 또는 이러한 특성들을 더욱 안정하게 실현시키기 위하여, 다음과 같이 첨가 원소를 규정한다.
Si : 0.5％이하, P : 0.05％이하, S : 0.05％이하, Ni : 2％이하, Cu : 1％이하, Mo : 1％이하, V : 1％이하, Ti : 1％이하, Nb : 1％이하, Al : 1％이하, N : 0.01％이하.
이들 원소는 적어도 1종 첨가하면 강철판의 담금질성을 증가시키고, 열간 프레스 후의 안정적인 강도의 확보에 효과가 있는 원소들이다. 그러나, 상한치를 초과하여 함유시켜도 효과는 작게 증가하고, 불필요한 비용의 증가를 초래한다. 따라서, 각 합금 원소의 함유량은 상술한 범위로 한다.
다만, P 및 S는 불가피적으로 존재해야하고, 또한, Si 및/또는 Al은 탈산화제로서 첨가될 수 있다는 것을 주의해야 한다.
B : 0.0001 ~ 0.004％
B는 강철판의 담금질성을 높이고, 또한, 열간 프레스후, 목적으로 하는 강도를 확실하게 얻는 효과를 더욱 높이는 데에 있어 중요한 임의의 첨가 원소이다. 그러나, B의 함유량이 0.0001％미만에서는 이러한 효과가 충분하지 않고, 한편, B의 함유량이 0.004％를 초과하면 이러한 효과는 포화하여, 또한 비용이 증가하게 된다. 더욱 바람직하게는 B의 함유량은 0.0005 ~ 0.002％이다.
또한, 본 발명에 있어서, 용융아연계 도금, 특히 합금화 용융아연도금(도금된 층의 합금화를 일으키기 위하여 용융도금 후에 천천히 냉각)을 행하는 경우는, 소지 강철판은, 도금 금속과의 습윤성, 도금후의 도금 금속과의 밀착성 및 합금화 처리시의 처리속도가 양호한 것이 바람직하다. 이와 같은 관점으로부터는, 소지 강철판중의 P 및 Si 함유량에 있어서는 이하와 같이 제한하는 것이 더욱 바람직하다.
P : P는 도금의 합금화 속도를 지연시키는 원소이다. P함유량을 저하시키면 합금화속도가 증가하기 때문에, 합금화로의 온도를 낮추거나 또는 노를 통과하는 판의 운반속도를 증가시키는 것이 가능하여, 생산성의 증가에 기여한다. P 함유량의 바람직한 범위는 0.015％이하, 더욱 바람직한 범위는 0.010％이하이다.
Si : Si는 용융아연계 도금시에 도금 습윤성을 저해하고, 도금의 합금화 속도를 늦추는 원소이다. 도금 금속과의 습윤성을 확보하기 위하여 Si 함유량은 0.5％이하로 한다. Si를 저하시키면 합금화 속도가 증가하기 때문에 합금화로의 온도를 저하시키거나 노를 통과하는 판의 운반속도를 증가시킬 수 있어 생산성을 향상시킨다. 이러한 목적을 위한 Si 함유량의 바람직한 범위는 0.1％이하, 더욱 바람직한 범위는 0.05％이하이다.
본 발명에 따라 프레스 성형이 행해진 강철재의 형태는, 일반적으로 강철판이지만, 본 발명에 따라 적용될 수 있는 열간 프레스 성형의 종류는 굽힘가공(bending), 드로잉(drawing)성형, 벌징(bulging)성형, 홀 익스펜딩 (bore(hole)expanding)성형, 플랜징(flanging) 등을 포함한다. 프레스 성형의 종류에 따라, 강철봉(bar steel), 강철선(steel wire), 강철관(steel pipe) 등을 소재로 하여 이용하여도 좋다.
또한, 예를 들어, Si 함유강철이나 스테인레스 강철과 같이 도금 금속과의 습윤성 또는 도금의 부착성에 대하여 문제를 가진 강철종류이어도, 프리-도금(pre-plating)처리 등의 도금 밀착성 향상 수단을 이용하여 도금 밀착성을 개선하면 본 발명에 이용하는 것이 가능하다.
Figure 112006052041316-pat00001
아연계 도금층
본 발명에 있어서, 예를 들어 통상의 용융아연도금 처리를 행하고, 산화성 분위기중에서 가열하고, 즉 특정 조건하의 합금화처리를 행함으로써 베리어층을 구비한 아연계 도금층을 소지 강철판상에 형성할 수 있다. 이러한 합금화처리는 가스로등에서 재가열처리하는 것에 의하여 행해지진다. 이때, 도금층 표면의 산화 뿐만 아니라, 도금층과 모재 사이의 금속 확산이 발생된다. 통상적으로 가열온도는 550 - 650℃이다.
이러한 도금층은, 통상, 강철판 표면에 직접 형성되지만, 이러한 도금층과 강철판 표면과의 사이에 다른 도금층등이 개재되어 있어도 좋다. 또한, 도금층은 통상 강철판의 양쪽 표면에 형성되지만, 다른 면이 열간 프레스에 유해하지 않은 예비처리층 또는 보호층을 가지고 있는 한, 강철판의 한쪽면에만 본 발명에 따른 상술한 도금층을 형성하여도 된다.
본 발명에 의한 구체적인 도금조작에 대하여는, 용융아연계도금의 경우, 용융한 아연 및 아연합금도금욕에 강철판을 침지시키고 빼낸다. 도금 부착량의 제어는, 빼내는 속도 및 노즐로부터 내뿜어지는 와이핑 가스(wiping gas)의 유량의 조절에 의해 행한다. 합금화 처리는 도금처리후에 가스로나 유도가열로 등에서 추가적으로 가열하여 행한다. 이러한 도금조작은, 기다란 강철판의 연속도금법 또는 절단강철판을 사용한 단판도금법 중 어느 하나에 의하여 행할 수 있다.
물론, 소정두께의 도금층이 얻어질 수 있다면, 예를 들어, 전기도금, 용사도금(flame spraying), 증착도금 등과 같은 다른 도금에 의하여 형성할 수 있다.
도금 부착량은 Zn으로 환산하여 90g/m2 이하가 바람직하다. 이러한 값을 초과하면 베리어층으로서 아연산화물층은 충분히 형성되지만, 층이 불균일한 방식으로 형성되어 외관상 문제가 되기쉽다. 또한, Fe 및 Zn의 상호확산이 충분히 진행되지 않아, 용융아연층이 잔존하기 때문에, 프레스 성형시에 아연이 비산하여 금형이 오염되는 일이 있다. 상기층이 10g/m2 미만과 같이 너무 얇으면, 프레스 성형후 원하는 내식성을 확보하는 것이 불가능하게 되거나, 또는 가열시 강철판의 산화를 억제하는데 필요한 산화아연층을 형성하는 것이 불가능하게 된다. 통상 도금량은 20g/m2 정도 이상을 확보한다. 가열온도가 증가하는 것과 같은 더욱 과도한 가열의 경우에는, 바람직하게는 40 ~ 80g/m2, 더욱 바람직하게는 45 ~ 65g/m2에 있는 범위에서 성능이 양호하게된다.
아연계 도금층의 조성은 특히 제한되지 않으며, 순수아연도금층이어도 되고, Al, Mn, Ni, Cr, Co, Mg, Sn 및 Pb 등의 합금원소를 적어도 1종을 이러한 원소의 첨가목적과 부합하는 적당한 양으로 포함하는 아연합금 도금층이어도 된다. 이외의 다른 원료로부터 불가피하게 혼입되는 Be, B, Si, P, S, Ti, V, W, Mo, Sb, Cd, Nb, Cu, Sr 들 중 일부를 포함할 수 있다.
아연합금도금의 예로서는, 다음과 같은 합금계를 예시할 수 있다:
아연-철합금 도금, 아연-12％니켈합금 도금, 아연-1％코발트합금 도금, 55％알루미늄-아연합금 도금, 아연-5％알루미늄합금 도금, 아연-크롬합금 도금, 아연-알루미늄-마그네슘합금 도금, 주석-8％아연합금 도금, 아연-망간합금 도금 등이 있다.
그러나, 순수아연도금층 또는 순수아연도금층을 가열하여 얻은 합금화아연도금층이 저비용이기 때문에 바람직하다.
합금화 용융아연도금층에 있어서, 피막중의 Fe％가 5 ~ 80％, 바람직하게는 10 ~ 30％, 더욱 바람직하게는 13 ~ 20％인 것이 더욱 바람직하다.
이에 대한 이유는 다음과 같다. 도금층의 전체표면상에 ZnO층이 형성되기 전에는, ZnO층의 형성과 Zn의 증발이 가열하는 동안에 경합하기 때문에, 도금층내에서의 Fe의 초기 질량％가 5％미만으로 낮은 경우에는, 도금층은 저융점을 가진다. 이러한 경우, 가열동안 Fe 및 Zn의 상호확산은 충분하게 진행되지 않게 되고, 이의 증가된 증기압으로 인하여, 도금층 전체표면에 걸쳐 ZnO층이 형성되기 전에 Zn은 증발하여 철산화물의 생성이 억제될 수 없게 된다. 한편, 도금층내에서의 Fe의 초기 질량％가 과도하게 높으면 전체표면에 걸쳐 ZnO층을 형성하는 것이 어렵게 되고, 하층의 Fe-Zn 합금층이 산화되어 철산화물이 쉽게 형성된다. 또한, 상온에서 프레스 성형을 행하는 경우에는 피막중의 Fe함유량이 증가하게 되면 도금피막의 가공성이 저하하기 때문에 Fe의 함유량은 높아도 13％전후에 있다. 그러나, 본 발명에 따른 열간 프레스 성형에서는 상온에서보다도 강철판 및 도금피막이 연질이기 때문에, Fe 함유량이 높은 경우라도 프레스 성형을 수행할 수 있다.
통상적으로, 용융아연도금욕에서는 Al이 함유되어 있다. 본 발명에서는 바람직하게는 도금피막중의 Al의 함유량이 0.08 ~ 0.4％이고, 더욱 바람직하게는 0.08 ~ 0.3％이다. 도금피막중의 Fe함유량을 높이기 위하여 Al함유량이 낮은 것이 바람직하다.
베리어층
본 발명에 의하면, 아연계 도금층은 가열하는 동안에 Zn 증발을 억제하기 위하여 도금층의 표면에 형성된 베리어층을 가진다. 베리어층으로서 작용하는 ZnO(산화아연)을 포함하는 산화물피막의 경우에, 통상적으로, 이의 두께는 0.01 ~ 5.0 ㎛ 정도이고, 이의 양은 Zn 환산량으로 10mg/m2 이상 이면 충분하다.
상기 언급한 산화물피막 대신에, 베리어층으로서 금속 또는 합금의 상층도금층(이하 "상층도금층"이라 함)을 형성시켜도 좋다. 통상 이들의 피막량은 0.2 ~ 10g/m2 이다.
상층도금층
아연계도금층 위에 베리어층으로서, Fe, Co, Ni 및 이들의 합금으로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 적어도 1종의 금속 또는 합금으로 도금을 행하여, 상층도금층을 형성하여도 좋다. 열간 프레스 가공전에 가열이 수행되는 때에, 아연도금층만의 경우와 비교하면, 도금층은, 상층도금층내의 Fe, Co, 또는 Ni 금속이 아연계 도금층내의 아연과 신속히 반응하여 내열성이 높은 합금층을 형성하기 때문에 산화물층의 형성이 어려워지고, 따라서, 이는 열간 프레스 성형에 더욱 적합하다.
상층도금층의 부착량의 하한은 0.2 g/m2이 바람직하다. 부착량이 이러한 값보다 낮으면 아연도금층만의 경우와 비교하여, 상층도금층의 뚜렷한 효과를 관찰할 수 없다. 또한, 상층도금층의 부착량의 상한은 10.0 g/m2인 것이 바람직하다. 부착량이 이러한 값을 초과하면 아연계 도금층위의 상층 금속 또는 합금 도금층의 효과가 포화되어 경제적 관점에서 불리하다. 또한, Fe, Co 및 Ni 또는 이들의 합금과 같은 금속은 아연에 대하여 전위차를 발생시키고, 이는 부식의 발생을 용이하게함으로써 도금강철판의 도장후의 내식성을 저하시키는 경우가 있다.
이러한 상층도금층은 일반적으로 전기도금에 의하여 형성되지만, 경우에 따라 스퍼터링(sputtering), 증착 또는 다른 적합한 방법에 의하여 형성된다.
산화아연층
하기에 상술하는 바와 같이, 산화아연(ZnO)층을 형성하는 방법은 다양하다. 제조공정의 환경에 따라 하기의 방법중 어느 하나를 적용할 수 있다. 각각의 방법에 대하여 바람직한 실시예를 설명한다.
(1) 산화아연의 양과 이의 정량
전술한 바와 같이, ZnO층은 "베리어층"으로서 작용한다. ZnO층내에 포함된 Zn의 양이 10 mg/m2 이상일때 이의 효과가 인지된다. 이러한 양의 상한은 한정되지 않지만, 이의 양이 너무 크면 파우더링(powdering)등이 발생할 수 있으며, 베리어층으로서의 상기 언급한 역할이 포화되므로, 10,000 mg/m2 이하가 바람직하다. ZnO 층내의 Zn의 양은 100 mg/m2 이상 2000 mg/m2 이하의 범위가 더욱 바람직하다.
ZnO층을 형성할 수 있는 방법으로서 다양한 방법을 생각할 수 있다. ZnO의 양과 이의 제조방법은 열간 프레스 공정에 적합하도록 선택될 수 있다.
아연계 도금 강철재의 산화아연층내에 포함되어 있는 Zn의 양(중량)은 하기의 방법중 어느 하나의 방법으로 결정할 수 있다: 도금피막을 메탄올중의 5％ 요오드 용액으로 용해하고, 용액으로부터 분리되는 잔여물을 염산(hydrochloric acid)에 용해시켜 만들어지는 용액중의 Zn의 양을 측정하는 방법; 도금피막의 표면 산화피막만을 중크롬산암모늄(ammonium bichromate)수용액에 용해시켜 만들어지는 용액중의 Zn양을 측정하는 방법. 용액중의 Zn의 양은 대조군으로서는 이들의 블랭크(blank) 용액을 사용하여 ICP(유도결합플라즈마분석,inductive coupling plasma)등의 분광분석으로 정량하는 것이 가능하다.
(2) 표면산화법
이것은, 강철재에 아연 또는 아연계합금 도금을 행한 후, 이를 가열에 의하여 산화시켜 도금피막의 표면상에 산화아연층을 형성시키는 처리이다. 이 방법은 이미 설명되었다.
용융아연계 도금의 경우, 강철재상에 도금이 행해진 후, 통상적으로 상기 강철재는 불활성 분위기에서 냉각되는데, 이러한 냉각 분위기를 약한 산화성분위기로 조정함으로써 냉각 동안에 산화아연층을 형성할 수 있다. 또한, 도금공정이 행해진 후에 정상 조건하에서 아연도금층을 가열함으로써 동일한 목적을 달성할 수 있다. 특히, 전기도금 재료의 경우, 도금 동안에 가열은 행해지지 않기 때문에 후자의 방법이 효과적이다. 이러한 목적에 사용되는 바람직한 산화성 분위기는 분위기의 노점(dew point)을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 특히, 노점 30℃이상을 가지는 분위기에서 가열함으로써 ZnO층을 효과적으로 형성할 수 있다. 가열온도는 아연의 융점이하이면 바람직하다. 이러한 목적은 용융아연도금의 합금화를 발생시키는데 사용되는 노의 분위기의 노점을 상승시킴으로써 달성될 수도 있다. 이것은 산화성 분위기에서의 가열, 즉 통상의 합금화처리를 행하여도 좋다.
(3) 산화제 접촉법
이것은 아연계 도금을 행한 강철재를, 산화제를 함유하는 용액과 접촉시키는 처리법이다.
예를 들어, 질산(HNO3), 질산염(예 : NaNO3, KNO3, Zn(NO3)2), 과망간산염(예 : KMnO4), 중크롬산염(예 : K2Cr2O7), 과산화수소(H2O2) 등을 산화제로서 포함하는 수용액을 도금된 강철판과 접촉시키는데 사용하여, 도금재료의 표면상에 ZnO층을 형성시킨다. 사용되는 용액내에서의 산화제의 농도는 허용되는 공정조건(접촉시간 또는 온도)에 기초하여 결정될 수 있다. 농도가 대략 1 ~ 100 g/l의 범위일 때, ZnO층을 10 mg/m2이상(Zn 환산)의 중량으로 형성하는 것이 가능하다.
접촉시간은, 공정의 사정에 따라 바람직하게는 0.5초 이상, 더욱 바람직하게는 2 - 10초이다. 접촉시간이 길어지더라도 본 발명의 효과를 손상시키는 것은 아니지만, 설비가 대형화되는 것이 요구되거나 또는 생산성이 저해될 수 있다. 따라서, 단시간에 ZnO층을 효율적으로 형성시키는 것이 중요하다. 특히, 용융아연계 도금층에 본 발명을 적용하는 경우, 이러한 처리전에 표면을 알칼리성 수용액(예 : 10％NaOH 수용액)에 접촉시켜 표면상에 Al과 같은 임의의 불순물을 제거하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 후공정의 산화제를 함유하는 수용액과 접촉시킴으로써 ZnO를 효율적으로 형성시키는 것이 가능하다.
도금강철재를 수용액과 접촉시키는 방법은 침지, 스프레이(spraying), 롤코팅(roll coating), 나이프코팅(knife coating) 등과 같은 방법을 사용하여 수행할 수 있고, 이어서, 물로 세정한 후에 건조시키는 것이 바람직하다. 물로 세정하지 않으면, ZnO는 생성되지만, 산화제로서 사용된 염은 표면에 잔존하여 강철재의 내식성을 열화시키기 때문이다.
(4) Zn + 산화제 접촉법
이것은 아연계 도금을 행한 강철재를 Zn이온 및 산화제를 함유하는 수용액과 접촉시키는 방법이다.
접촉되는 수용액은, 산화제뿐만 아니라, Zn이온을 유리시키는 화합물을 포함한다. 이 경우, 산화제는 상술한 산화제 접촉방법에서와 동일한 것일 수 있다. 산화제를 함유하는 수용액에 Zn이온을 첨가함으로써, ZnO층은 더욱 효과적으로 형성될 수 있다. Zn이온이 없는 경우, ZnO가 형성되기 전에 도금층의 용해가 발생한다. 도금층의 용해가 발생하는 pH는 일반적으로 낮고, 반대로, ZnO가 형성되고 침전되는 pH는 비교적 높다. 비교적 높은 pH영역에서(pH 3 ~ 7) Zn이온과 산화제를 함유시킴으로써 도금층의 표면상에 ZnO을 효율적으로 형성시키는 것이 가능하다.
아연원(亞鉛源)으로서, 황산아연(ZnSO4ㆍ7H2O), 질산아연((Zn(NO3)2ㆍ6H2O) 등의 수용액을 제조하고, 상기 언급한 산화제와 함께 사용되어 도금강철재의 표면상에 ZnO를 형성시킬 수 있다. 그 밖의 다른 조건은 상기 언급한 산화제접촉법과 동일하다.
(5) 양극 전해법(anodic electrolysis method)
이것은 아연계도금을 행한 강철재를 양극전해하는 처리법이다.
ZnO층은, 도금된 강철재를 양극(anode)으로 사용하여 수용액내에서 전해 산화를 수행함으로써 형성될 수 있다. 이러한 경우, 상기 수용액은 산성 또는 알칼리성인 것이 바람직하다. 수용액이 알칼리성인 경우에는, NaOH 또는 KHO 용액을 1 질량％ ~ 10 질량％로 사용하는 것이 바람직하다. 농도가 너무 낮으면 용액중의 전기효율은 감소한다. 농도가 너무 높으면 도금층내의 아연이 과도하게 에칭(etching)되고 표면의 품질에 악영향을 미친다. 수용액이 산성인 때에는, 염산 또는 황산 수용액을 0.1 ~ 1 질량％의 농도로 사용할 수 있다. 마찬가지로, 농도가 너무 낮으면 용액의 전기효율은 낮게 되고, 농도가 너무 높으면 도금층내의 아연이 과도하게 에칭되어 표면 품질에 악영향을 미친다. 전류밀도는 1 ~ 100A/dm2의 범위가 바람직하고, 공정 및 처리속도에 따라 변화될 수 있다. 그러나, 전류밀도가 너무 크면 전기효율이 나빠지고 표면의 품질도 저하한다. 반면, 전류밀도가 너무 작으면 처리시간이 길어진다. 이러한 이유로 전류밀도는 5 ~ 30 A/dm2의 범위가 더욱 바람직하다.
(6) 음극 전해법(cathodic electrolysis method)
이것은, 강철재에 아연계도금을 시행한 후, Zn 이온과 산화제를 함유하는 수용액속에서 강철재를 음극으로 하여 전해를 행하는 처리이다.
이러한 방법에 의해, 강철재 표면에 ZnO층을 형성시킬 수 있다. Zn이온원 및 산화제의 수용액중에서의 함유량은 Zn+산화제 접촉법과 마찬가지이고, 수용액중의 전기전도도가 요구되는 경우에는, 염류를 추가로 첨가하여 전도도를 확보하면 좋다. 전류밀도로서는 1∼1OOA/dm2의 범위가 바람직하지만, 공정이나 처리속도에 의해 적절히 선택하면 좋다. 단지 전류밀도가 크면 효율이 나쁘게 되고 표면 품질이 저하하는 한편, 전류밀도가 지나치게 작으면, 처리시간이 오래 걸리기 때문에, 5∼30 A/dm2의 범위가 바람직하다.
(7) Zn0졸 도포법
이것은 강철재에 아연계도금을 시행한 후, ZnO졸을 포함하는 용액을 표면에 도포하는 처리이다.
아연이온을 함유하는 산성수용액에, 콜로이드를 안정화시키는 유기첨가제 (유기산이온 등)을 가한 후, 수용액을 서서히 중성화 하는 것으로 ZnO의 졸을 생성시킬 수 있다. 또한 ZnO를 미립화하여 유기바인더(결착제, 예: 폴리아크릴산, 폴리비닐알코올 등)을 이용하는 것으로도 ZnO의 졸을 생성시킬 수 있다. 이러한 ZnO졸을 포함하는 용액을 아연도금 강철재에 도포ㆍ건조하는 것으로 ZnO층을 형성시킬 수 있다.
첨가량은 많을수록 ZnO의 강철판으로의 결착효과가 높아지기 때문에 좋지만, 열간프레스 때에 가스화하여, 문제를 발생시키기 때문에, 첨가량은 Zn0 l00중량부에 대하여 5중량부 이하, 바람직하게는 1중량부 이하로 하는 것이 좋다.
이 경우의 도포방법은, 침지나 분무, 스프레이, 롤코팅, 나이프코팅 등 어느것이나 사용할 수 있고, 건조는 80℃ 이상에서 하는 것이 바람직하다. 수분이 잔류하고 있으면 도금층의 내녹성이 열화하고, 표면이 끈적거려 취급이 나쁘게 된다.
여기에서, 본 발명에 의한 열간 프레스용 강철판의 제조방법에 관하여 설명한다.
본 발명에 의한 강철판은, 열간 프레스의 때에 오스테나이트영역 또는 오스테나이트 영역 근방에서 가열되어, 그 온도영역에서 프레스 성형되는 것이 바람직하다. 따라서, 가열전의 실온에서의 기계적 성질은 중요하지 않고, 가열전의 금속조직에 대하여는 특히 한정하지 않는다. 즉, 도금전의 소지 강철판으로서 열연강철판 또는 냉연강철판의 어떠한 것이든 사용하여도 좋다. 소위 강철판이면 좋고, 그 제조방법에 관해서는 한정되지 않는다. 그러나, 생산성의 관점에서 바람직한 제조방법을 이하에서 설명한다.
열간압연
열간압연은 통상적인 방법으로 행하면 좋고, 압연의 안정성의 관점에서, 오스테나이트영역에서 행하는 것이 바람직하다. 권취온도(coiling temperature)가 낮으면 마르텐사이트 조직이 되어 강도가 상승하고, 연속용융아연도금 라인의 통판이나, 냉간압연이 곤란하게 된다. 한편, 권취온도가 높으면, 산화 스케일이 두껍게 되어, 이어서 행하여지는 산세(酸洗, pickling)의 효율이 저하하거나, 또한, 산세를 하지 않고 직접 도금을 행하는 경우에는, 도금 밀착성이 열화한다. 따라서, 권취온도는, 500∼600℃가 바람직하다.
냉간압연
냉간압연은 통상적인 방법에 의해서 행한다. 본 발명에 있어서 강철판의 탄소량이 많은 경우, 과도한 압하율(庄下率)로 냉간압연하면 밀(mill)의 부담이 커진다. 또한, 가공경화에 의해 냉간압연후의 강도가 지나치게 커지게 되면, 아연도금라인에서, 코일 접속시의 용접강도나 라인통판능력이 문제로 된다. 따라서, 압하율은 80％ 이하가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 70％이하이다.
또한, 냉간압연을 하면 그것만으로도 비용이 증가하기 때문에, 열간압연으로 제조 가능한 판두께, 판폭의 강철판에 관해서는, 냉간압연을 생략하여, 열간압연 그대로의 강철판을 이용하는 것이 바람직하다.
아연계도금
본 발명에 의한 도금 강철판의 아연계도금층의 형성은, 용융도금, 전기도금, 용사, 증착등, 그 방법은 한정되지 않는다. 또한, 강철대를 연속처리하더라도 좋고, 절단 판단체로 처리하여도 좋다. 일반적으로는, 생산효율이 우수한 연속용융아연도금라인을 이용하는 것이 바람직하다.
따라서, 이하에 연속용융아연도금방법에 관해서 설명한다. 도금조작 그 자체는 이미 설명하였지만, 그것을 보충하면 다음과 같다.
통상의 연속용융아연도금라인은, 가열로, 냉각존, 용융아연욕, 합금화로가 연속하여 배치되어 있다. 본 발명에 있어서는, 소지 강철판의 금속조직을 특히 한정하지 않기 때문에, 가열로 및 냉각존에서의 히트패턴은 특히 한정되지 않는다. 그러나, 본 발명에 의한 강철판이 탄소량이 높고, 담금질이 쉬운 성분을 포함하는 경우, 라인중에서 대단히 고강도의 강철판이 될 우려가 있다. 통판의 용이성, 제조가능범위(판두께, 판폭)을 고려하여, 강철판이 과도하게 고강도가 되지 않는 히트 패턴이 바람직하다.
최대가열온도
용융도금에 앞서서 행하는 가열의 동안, 가열로에서의 가열온도가 Ac1점 미만의 경우, 가열중에 강철판의 회복, 재결정이 일어나, 가열전과 비교하여 강도는 저하한다. 따라서, 통판성에 문제를 발생시키는 일은 없다. 노의 가열 에너지를 절약하는 관점에서는, 도금성을 저해하지 않은 범위에서, 저온으로 가열하는 것이 바람직하다. 한편, 최대가열온도가 Ac1점 이상의 경우, 가열중에 강철판의 회복, 재결정이 일어남과 동시에, 오스테나이트상이 출현하여, 그 후의 냉각조건에 의해서는, 고강도의 변태생성상이 형성된다.
냉각속도
용융도금욕은 통상 460℃ 정도에 유지되어 있고, 가열된 강철판은 도금욕 온도에까지 냉각된다. 이 때의 가열온도가 Ac1점 미만의 경우에는, 냉각속도는 금속조직에 영향이 없기 때문에, 임의의 속도로 냉각되면 좋다.
한편, Ac1점 이상으로 가열하여 오스테나이트가 생긴 경우, 냉각속도가 지나치게 빠르면, 오스테나이트가 베이나니트(bainite) 또는 마르텐사이트 주체의 조직으로 변태하여, 강철판의 강도가 높아지게 되기 때문에 바람직하지 못하다. 구체적으로는, 최고가열온도로부터 500℃까지의 평균냉각속도를, 임계냉각속도이하로 하는 것이 바람직하다.
또, 이의 임계냉각속도의 측정방법은, 후술하는 실시예로써 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 임계냉각속도는, 강철판의 담금질성의 지표로서 이용하는 것이고, 마르텐사이트 단상조직을 일으키는 냉각속도이다.
상술의 조건으로 냉각된 강철판에 소량의 베이나이트 또는 마르텐사이트가 포함되어 있어도, 본 발명의 제조방법의 효과가 부정되는 것이 아니다. 그렇지만, 될 수 있는 한 저강도로 하여 통판성을 높인다고 하는 관점에서는, 냉각속도를 될 수 있는 한 지연시켜, 베이나이트 또는 마르텐사이트를 형성하지 않는 것이 바람직하다.
이미 상술한 바와 같이, 본 발명의 경우, 아연계도금에 계속되는 합금화 처리, 그 밖의 ZnO층 형성처리에 의해서 베리어층을 형성하더라도 좋고, 또는, 상층도금에 의해서 베리어층을 형성하여도 좋다.
조질압연(調質庄延, Temper rolling)
강철판의 평탄교정, 표면조도(表面粗度)의 조정을 위하여, 조질압연을 적절히 행하여도 좋다.
이렇게 하여 제조된 강철판, 즉, 표층에 베리어층을 구비한 아연계도금 강철판을 소정의 온도까지 가열한 다음에, 프레스성형을 한다.
본 발명에 의한 강철판의 열간 프레스성형은 특히 제한은 없고, 통상 행해지고 있는 프레스성형을 열간에서 하면 좋다. 즉, Ac3 점 이상으로 가열한 강철판을, 임계냉각속도 이상으로 냉각할 수 있는 방법으로 프레스 성형하면, 모재성분에 의존하는 최고강도가 얻어진다.
열간 프레스에 앞서서, 예컨대, 통상 700∼1000℃에서 가열하지만, 소재 강철판의 종류에 따라서는, 프레스 성형성이 꽤 양호한 것이 있고, 그 경우에는 조금 더 낮은 온도에 가열하는 것만으로도 좋다. 본 발명의 경우, 강철의 종류에 따라서는, 소위, 온간 프레스의 가열영역으로 가열하는 경우도 포함되지만, 통상은, 상술한 바와 같이 700℃ ∼ 100O℃에서 가열한다.
이 때의 프레스 성형에 앞선 가열단계에서의 가열온도는 담금질 강철이면 목표로 하는 경도로 되는 담금질 온도로 가열한 후, 일정시간 유지하여 고온 그대로의 프레스 성형을 하여, 그 때에 금형에서 급냉한다. 담금질을 필요로 하지 않은 경우에는, 프레스 성형이 가능한 정도로 재료가 연화되는 온도에서 가열하면 좋다.
이 경우의 가열방법으로서는 전기로, 가스로나 화염가열, 통전가열, 고주파가열, 유도가열 등을 예로 들수있다. 또한 가열시의 분위기도 특히 제한은 없지만, 미리 베리어층이 형성되어 있는 재료의 경우에는, 그와 같은 베리어층의 유지에 악영향을 주지 않은 한, 특히 제한은 없다.
열간 프레스성형의 특징으로서 성형과 동시에 담금질을 하는 것으로부터, 그와 같은 담금질을 가능케 하는 강철 종류를 이용하는 것이 바람직하다. 물론, 프레스형(pressing die)을 가열하고 두고, 담금질 온도를 변화시켜, 프레스후의 제품특성을 제어하여도 좋다.
본 발명에 의하면, 열간 프레스에 의한 산화물층이 형성되지 않기 때문에, 프레스후에는 전술한 쇼트 블라스팅 공정 등은 반드시 필요하지 않다. 그러나, 필요하다면 쇼트 블라스팅 등에 의해 표면의 아연산화물층을 제거하여도 좋다.
다음에, 실시예에 의해 본 발명의 작용효과를 또한 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 판두께 l.0mm의 표 1에 도시하는 강철종류 A의 용융아연도금 강철판을 650℃에서 합금화처리를 하고, 이어서, 대기분위기의 가열로내에서 950℃ ×5분 가열하여, 가열로에서 빼내어, 이 대로의 고온상태로 원통드로잉(cupping)의 열간 프레스성형을 하였다. 이 때의 열간 프레스성형 조건은, 드로잉높이 25mm, 견부반경 R 5 mm, 블랭크 직경 90mm, 펀치 직경 50mm, 다이 직경 53 mm 이었다. 성형후의 도금 층의 밀착상태에 대하여 도금층의 박리의 유무를 눈으로 판정하여 성형성을 평가하였다. 또, 본 실시예에 있어서는, 강철판의 온도는 거의 2분에서 900℃에 도달하고 있었다.
이렇게 하여 얻어진 열간 프레스 성형품에 관해서 하기와 같은 요령으로 도막 밀착성, 도장후내식성(단지 내식성을 말함)을 각각 평가하였다.
도막밀착성 시험
본 실시예에서 얻은 원통드로잉체로부터 빼낸 시험편에, 일본 파카라이징(주)제 PBL-3080으로 통상의 화성처리조건에 의해 인산아연처리한 후, 간사이 페인트(Kansai paint)제 전착도료 GT-10를 전압 200V의 슬로프 통전으로 전착도장하여, 소결온도 150℃에서 20분간 소결하여 도장하였다. 도막의 두께는 20㎛ 이었다.
시험편을 50℃ 이온 교환수에 침지하고 240시간 후에 꺼내어, 컷터 나이프를 사용하여 1mm 폭의 바둑판눈금 형상으로 상처를 넣고, 니치반(Nichiban)제의 폴리에스테르 테이프로 박리 테스트를 하여, 도막의 잔존 스퀘어(덩어리) 수를 계수함으로써, 도막밀착성을 평가하였다. 또한, 전체 스퀘어(덩어리)수는 l00개로 하였다.
평가기준은 잔존 스퀘어(덩어리)수 90∼100개를 양호 : 평가기호 Ｏ, 0∼89개를 불량 : 평가기호 X 로 하였다.
도장후 내식성시험
도막밀착성시험의 경우와 동일하게 하여 얻은 시험편의 도막에 컷터 나이프로 소지에 이르는 깊이로 스크래치 상처을 넣은 후, JlS Z2371에 규정된 염수분무시험을 480시간 행하였다. 상처부로부터의 도막 물집폭 또는 녹폭을 측정하여, 도장후 내식성을 평가하였다.
평가기준은 녹폭, 도막 물집폭 중 큰 쪽의 값으로 0 mm 이상 ∼ 4 mm 미만을 양호: 평가기호 Ｏ, 4 mm 이상을 불량: 평가기호 X 로 하였다.
이들의 시험결과를 표 2에 정리하여 도시한다.
비교예로서, Cr-Mo 강철판, 냉연강철판 및 스테인레스 강철판에 대하여 950℃ ×5분의 가열을 하고, 동일하게 열간 프레스성형을 하여, 상술한 것과 같은 특성을 평가하였다.
결과는 표 2에 정리하여 도시한다. 합금화용융아연도금 강철판을 이용한 경우는 양호한 특성을 나타내지만, Cr-Mo 강철판이나 스테인레스강철판이나 냉간압연강철판을 이용한 경우는, 산화물이 형성되어 흑색변하고, 이 산화물이 박리하여 프레스성형 때 만입의 흠이 생겼다. 또한, 도막밀착성, 내식성도 불합격이었다.
Figure 112006052041316-pat00002
[실시예 2]
본 실시예에서는, 전술의 강철종류 A에 대하여 실시예 l과 같은 시험을 되풀이하였지만, 표 3에 도시하는 대로, 도금 부착량을 여러가지로 변화시키고, 또는, 도금 직후의 합금화처리의 조건을 바꾸는 것에 따라 도금 피막중의 Fe 함유량을 변화시켰다.
본 실시예에서는 합금화처리 도금 강철판에, 열간 프레스성형에 앞서, (A)대기분위기 가열로 95O℃ ×5분 가열과, (B)대기 분위기 가열로 850℃ ×3분 가열에 의한 가열을 하였다. 예 No. 9∼23에서는, 도금층의 Fe 함유량을 변화시키고 있지만, 이것은 열간 프레스에 앞서는 가열이전에, 합금화 처리온도(500∼800℃)나 시간(30분이하)를 변화시키는 것에 의해 행하였다. 또한, No. 18∼23는, 조건 (B)에 있어서의 열간 프레스에 앞서, 가열시의 시간을 3분으로부터 6분간으로 연장하여, 보다 가혹한 조건(C)에서 열간 프레스를 행하였다.
결과를 표 3에 정리하여 도시한다.
Figure 112006052041316-pat00003
[실시예 3]
본 실시예에서는, 표 1의 각 강철종류에 관해서 실시예 1과 동일한 시험을 되풀이하여 얻어진 시험편에 관하여, 성형성, 도막밀착성, 내식성의 평가시험을 하였다. 결과를 표 4에 정리하여 나타낸다.
Figure 112006052041316-pat00004
[실시예 4]
표 1의 판두께 1.0 mm의 강철종류 A에, 표 5에 도시하는 바와 같이, 각종 아연도금, 또는, 아연합금도금을 실시하여, 일부에 관해서는 하기의 각종 방법에 따라 아연도금, 혹은, 아연합금도금 표면에 ZnO층을 형성시켰다. ZnO의 부착량은 Zn량으로 표시한다. 이 때의 Zn0 생성조건은 다음과 같다.
A : 합금화로내에서 노점 30℃ 이상으로 산화시켰다. (로내 판온도 460℃, 유지시간 임의)
B : 산화제수용액(40℃, 질산 1％)에 침지
C : Zn 이온 + 산화제수용액(질산아연6수화물 100g/l + 질산 10g/l, 40℃)
D : 5％ NaOH 수용액속에서 양극전해, 전류밀도 20A/dm2, 통전시간 임의
E : Zn 이온 + 산화제수용액(황산아연7수화물 50g/l + 질산Na 50g/l, 50℃)l5A/dm2로 음극전해, 통전시간 임의
F : Zn0졸(폴리아크릴산 0.5% 첨가)을 롤도포 →건조(100℃, 30초)
이어서, 대기분위기로내에서 표 5에 도시하는 것과 같은 가열조건에서 가열후 원통드로잉 성형시험을 하였다. 이 때의 열간 프레스 성형은, 지름 90mm의 원형 블랭크를, 펀치 직경 50mm, 펀치 견부 반경 R 5mm, 다이 직경 53mm, 다이 견부 R 5 mm에서 드로잉 높이 25mm의 모의 성형의 조건으로 행하였다. 블랭크 압연력(BHF)는 1톤F로 하였다.
성형후에 표면상태를 눈으로 판정하였다. 또한 이렇게 하여 얻어진 열간 프레스 성형품에 관해서 실시예 1과 마찬가지로 도막밀착성 및 도장 후 내식성 평가를 하였다.
이들의 시험결과를 표 5에 정리하여 도시한다.
Figure 112006052041316-pat00005
[실시예 5]
표 1의 판두께 1.0mm의 강철종류 A에 표 6에 도시하는 바와 같이 각종 아연도금, 혹은, 아연합금도금을 실시하고, 일부에 대해서는 그 상층에 Fe, Co, Ni 도금 층을 황산욕을 이용한 전기도금법에 의해 형성시켰다. 이어서, 대기분위기로내에서, 표 6에 도시하는 것과 같은 가열조건으로 가열한 후, 원통드로잉 성형시험을 하였다. 이 때의 열간 프레스성형은 직경 90mm의 원형 블랭크를 사용하여, 펀치직경 50mm, 펀치견부 R 5mm, 다이 직경 53mm, 다이 견부 R 5mm로 드로잉 높이 25mm의 모의성형조건으로 행하였다. 블랭크 압연력은(BHF)은 1 ton-F로 하였다.
성형후에 표면상태의 목시판정을 하였다.
또한 얻어진 열간 프레스 성형품에 대하여 실시예 1과 마찬가지로 하여 도막밀착성, 도장후 내식성의 평가를 하였다. 단지, 본 실시예에서는, 평가기준은, 잔존 스퀘어(덩어리)수 100개를 지극히 양호 : 평가기호 ★, 95∼99개를 양호 : 평가기호 ◎, 90∼94개를 약간 양호 : 평가기호 Ｏ, 그리고 0∼89개를 불량 : 평가기호 X 로 하였다.
비교예로서, 냉간 압연강철판에 관해서 950℃ ×5분의 가열을 하고 나서 같은 열간 프레스 성형을 하여, 상술한 바와 같은 특성을 평가하였다.
이들의 결과를 표 6에 정리하여 도시한다.
Figure 112006052041316-pat00006
[실시예 6]
표 7에 도시한 조성의 강철을 실험실에서 용제하여, 슬래브(slab)로 하였다. 이 슬래브를 1200℃에서 30분 가열한 후, 900℃ 이상으로 열간압연을 하고, 판두께 3.2mm의 강철판으로 하였다. 열간압연후에는, 550℃까지 물스프레이 냉각한 후, 화로에 두고, 550℃에서 30분 유지한 뒤, 20℃/hr로 실온까지 서냉하는 것에 의하여, 열간압연 뒤의 권취공정을 시뮬레이트 하였다. 얻어진 열연판은, 산세에 의하여 스케일을 제거한 뒤, 냉간압연으로써 판두께 1.Omm으로 하였다. 이러한 강철판의 절판(切板)에, 도금 시뮬레이터를 이용하여 용융아연도금을 실시하고, 그 후, 합금화처리를 하였다. 또한, 도금 층의 Fe 함유량을 변화시키고 있지만, 이것은 합금화 처리온도(500∼ 800℃)나 시간 (30분 이하)를 변화시키는 것에 의해 행하였다.
폭 50mm의 직사각형의 조각으로 절단한 강철판을 대기분위기의 가열로내에서 850℃ ×3분 가열하여, 가열노로부터 빼내고, 이 대로의 고온상태로 원통형상으로 열간 프레스성형을 하였다. 이 때의 금형은, 펀치 폭 50mm, 펀치견부 R 5mm, 다이 견부 R 5mm이고, 성형 깊이는 25mm 이었다. 또한 프레스 후의 원통체의 입벽부(立壁部) 중앙에 대하여, 빅커스(Vickers)경도 측정(하중 9.8N, 측정수;1O)도 행하였다. 또, 본 예에 있어서는, 강철판의 온도는 2분으로 850℃에 도달하고 있었다.
이렇게 하여 얻어진 열간 프레스 성형품에 관해서, 실시예 1의 경우와 같이 하여, 성형한 뒤의 외관, 도막밀착성, 도장후내식성을 각각 평가하였다.
성형후의 외관은, 철계산화물로 이루어지는 유해한 스케일 형성의 유무에 의해 평가하였는데, 스케일이 형성된 경우에는 X, 형성되지 않은 경우에는 Ｏ으로 하였다. 또한 프레스금형에의 잔존 용융아연층의 비산에의한 오염유무를 평가하여, 금형오염이 없는 경우에는 Ｏ, 금형오염이 있는 경우에는 X 로 하였다.
이상의 결과를 정리하여 표 7에 도시한다.
Figure 112006052041316-pat00007
[실시예 7]
표 7의 강철종류 No.6에 도시한 조성의 강철을 실험실에서 용제하여, 슬래브로 하였다. 이 슬래브를 1200℃에서 30분 가열한 뒤, 900℃ 이상으로 열간압연을 하고, 판두께 3.2 mm의 강철판으로 하였다. 열간압연한 후에는, 550℃까지 물스프레이 냉각한 후 화로에 두어, 550℃에서 30분 유지한 후, 20℃/hr로 실온까지 서냉하는 것에 의해, 열간압연후의 권취정도를 시뮬레이트 하였다. 얻어진 열연판은, 산세에 의해 스케일을 제거한 뒤, 냉간압연으로써 판두께 l.Omm으로 하였다. 이 강철판에, 소결 시뮬레이터를 이용하여, 용융아연도금 라인을 모의한 열이력을 부여하였다. 구체적인 열이력은, 도 l 및 표 8에 도시한다. 열처리 후의 강철판의 단면 빅커스 경도(하중 49N, 측정수 : 5)를 측정한 결과도, 표 8에 더불어 도시한다.
또한, 이 강철의 담금질성의 지표로서, 하기 요령으로 임계 냉각속도를 측정하였다. 즉, 열연판으로부터 지름 3.0mm, 길이 10mm의 원주시험편을 꺼내어, 대기중에서 950℃까지 100℃/분의 승온속도로써 가열하여, 그 온도로 5분간 유지한 후, 여러가지의 냉각속도로 실온까지 냉각하였다. 그 후, 얻어진 시험편의 빅커스 경도 측정(하중 49N, 측정수 : 5) 및 조직관찰을 하였다. 또한, 가열, 냉각중의 시험편의 열팽창변화를 측정하는 것에 의해, Ac1점 및 Ac3점을 측정하였다.
950℃로부터의 냉각속도가 빠를수록 경도는 상승하고, 어떤 냉각속도(임계냉각속도)이상에서는 거의 일정하게 되었다. 또한, 임계냉각속도이상에서는 거의 마르텐사이트 단상조직을 나타내었다.
표 7의 강철종류 No.6의 강철성분의 임계냉각속도는, 17℃/s이었다. Ac1 점, Ac3점은 각각, 728℃, 823℃ 이었다.
다음에, 표 8의 결과를 보면, 최고 가열온도가 Ac1점 미만, 즉 728℃ 미만의 경우, 온도의 상승에 따라 강철판은 회복, 재결정 하여 경도가 저하하고 있다 (번호 2-1, 2-2). 최대 가열온도로부터 도금욕까지의 냉각속도의 영향은 작다 (번호 2-9, 2-10). 한편, 최고 가열온도가 Ac1점 이상의 경우, 냉각속도가 빠르면 경도가 상승하고 있다 (번호 2-3 ∼ 2-8, 2-11∼16). 또한, 합금화온도가 A1점보다 높은 경우는 (번호 2-18, 2-20), 경도가 상승하고 있다.
본 발명범위의 조건의 경우는, 어느 것이나 경도(Hv)가 200이하이고, 양호한 통판성이 확보될 수 있다.
Figure 112006052041316-pat00008
본 발명에 의하면, 예컨대 고장력 강철판 및 스테인레스 강철판등의 난프레스 성형재료나, 고강도 고경도 제품에 대한 담금질강의 열간 프레스 성형이 가능해져, 이때의, 가열로의 분위기 제어설비가 불필요해지고, 프레스 성형시의 강철판 산화물의 박리처리공정도 불필요해져 생산공정을 간소화할 수 있다. 또한, 희생 방식효과가 있는 아연층을 갖기 위한 프레스 성형제품의 내식성도 향상된다.

Claims (10)

  1. C 함유량이, 질량%로, 0.08 ~ 0.45％, Si 함유량이 0.5％ 이하, Mn과 Cr 중 어느 한쪽 또는 양쪽의 함유량이 합계로 0.5 ~ 3.0％, P 함유량이 0.05％ 이하, S 함유량이 0.05％이하, Ni 함유량이 2％이하, Cu 함유량이 1％이하, Mo 함유량이 1％이하, V 함유량이 1％이하, Ti 함유량이 1％이하, Nb 함유량이 1％이하, Al 함유량이 1％이하, N 함유량이 0.01％이하이고, 잔부가 Fe 및 불순물인 소지강철재와, 이 소지강철재의 표면에 설치된 아연 또는 아연계 합금의 도금층으로 이루어지고, 이 아연 또는 아연계 합금의 도금층이, 그 표층에, 가열시의 아연의 증발을 방지하는 베리어층을 미리 가지는 강철재를 제공하는 단계,
    700℃ 이상의 온도영역으로 가열하는 단계, 및
    상기 강철재가 이 온도영역인 채로 프레스성형하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 베리어층이 아연 산화물을 포함하는 산화물층으로 이루어지는, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 산화물층의 부착량이 Zn량으로서 10 mg/m2 이상인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 베리어층이, Fe, Ni, Co 및 이들의 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 도금 피막인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 도금 피막의 부착량이, 0.2 ~ 10 g/m2 인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 아연 또는 아연계 합금 도금층이 합금화 용융아연 도금층인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 합금화용융아연 도금층중의 Fe 함유량이 5 ~ 80％이고, Zn의 부착량이 10 ~ 90 g/m2인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  8. 청구항 6에 있어서, 소지강철재의 Si 함유량이 0.1％ 이하이고, P 함유량이 0.015％ 이하인, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
  9. 삭제
  10. 청구항 9에 있어서, 소지강철재가, B: 0.0001 ~ 0.004％를 더 포함하는, 강철재의 열간 프레스 성형방법.
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