KR101153595B1 - 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간프레스 성형에 의해 영역별로 다른 강도를 갖는 성형품을 제조하는 방법을 제공하기 위한 것으로써,

블랭크 전체를 가열로내에서 오스테나이트 변태가 일어나기 전까지 가열하는 단계;

상기 가열된 블랭크의 온도를 유지한 후, 블랭크의 1 또는 2이상의 부분을 오스테나이트 영역까지 추가로 가열하는 단계;

상기 추가로 가열된 블랭크 전체를 열간프레스 성형하는 단계; 및

상기 성형된 성형품을 냉각하는 단계

를 포함하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법을 제공한다.

열간프레스성형(hot press forming), 2차 가열(additional heating), 강도(strength),

Description

다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HOT PRESS FORMING PARTS HAVING STRENGTH DISTRIBUTION}

본 발명은 자동차 부품의 성형 방법 중 하나인 열간프레스성형에 의해 영역별로 다른 강도를 갖는 성형품을 제조하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 성형 전 블랭크에 2차 가열을 통한 온도 차이를 부여함으로서, 열처리 특성의 차이를 이용하여 열간프레스 성형 후 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근, 각 자동차 제조사들은 자동차에 부품을 적용함에 있어서 환경친화적인 연비절감 및 경량화를 위한 사회적 요구에 대응하기 위하여 고강도 소재의 이용을 늘려가고 있다. 하지만 고강도 소재의 성형은 스프링백 및 치수동결성 등의 문제점을 안고 있으며 이러한 성형의 난해성으로 인하여 그 사용이 제한적일 수 밖에 없는 것이 현실이다.

이러한 성형상 문제점은 소재를 성형성이 좋은 고온에서 성형하고, 성형과 동시에 금형 내에서 급냉하여 고강도 부품을 제조하는 방식으로 해결 할 수 있다. 이러한 방식을 열간프레스성형 공정이라고 한다. 이와 같은 공정에 의하면 통상 1500MPa의 강도를 갖는 부품을 성형할 수 있다.

그러나 열간프레스성형 공정을 통하여 단일 강도만을 갖는 부품은 충돌 성능 등의 요구 성능을 만족시키기 위한 설계 측면에서 자유도가 떨어지게 되고, 이를 해결하기 위하여 상온성형에서 많이 사용되고 있는 맞춤재단용접(Tailor Welded Blanks, TWB) 기술을 접목한 열간프레스성형 기술이 개발되기도 하였다. 그러나 이러한 TWB 방식은 블랭크를 용접하는 공정이 추가되는 단점이 있으며, 용접부의 건전성이 부품 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 공정 관리 측면에서 많은 어려움을 안고 있다.

상기 TWB 방식 이외에 열간프레스성형에서 부위별 강도를 다르게 하기 위한 기술로는 성형 후 냉각 과정에서 냉각속도를 달리하는 기술이 있으며, 이러한 기술로는 금형과 소재와의 접촉면적의 차이를 통하여 제어하는 방법인 일본 특허공개공보 제2007-136474호, 일본 특허공개공보 제2003-328031호, 한국 특허공개공보 제2007-0083585호 및 국제공개공보 WO07/084089호 등이 있고, 금형의 일부분은 냉각, 일부분은 가열에 의해 냉각속도를 제어하는 방법인 일본 특허공개공보 제2005-161366호, 일본 특허공개공보 제2003-328031호 및 국제공개공보 WO06/128821호 등이 있다.

그러나 상기 특허들은 냉각속도를 균일하게 제어하여야만 균일한 물성을 얻을 수 있으며, 복잡한 형상에 원하는 강도를 얻을 수 있도록 냉각 속도를 적절히 제어하기 힘들다는 단점이 있다. 즉, 초당 30℃이상의 냉각속도이면 인장강도 1500MPa 정도의 물성을 안정적으로 얻을 수 있으나 그 미만의 냉각속도에서는 냉각속도의 감소에 따라 물성의 감소 변화가 급변하기 때문에 안정적인 물성을 얻기가 힘들다. 따라서 상기 특허들은 특별히 형상이 복잡한 성형품의 경우에 접촉 부위에 따라 냉각속도가 달라지기 때문에 강도를 제어하기가 힘든 문제점이 있다.

한편, 다른 방법으로는 성형 전 후 가열 온도를 달리하여 열처리 특성을 다르게 부가하는 기술이 제안되었다. 일본 특허공개공보 제2005-193287호에서는 부분열처리를 이용하여 형상동결성이 우수한 부재를 제작하고자 강판의 프레스 성형시에 강판의 일부를 Ar1 이상으로 가열하고, 잔부는 그 미만으로 하여 적어도 그 일부가 오스테나이트를 포함하는 상태에서 프레스 성형하는 방법이 개시되어 있으나 상기 특허는 일부를 Ar1이상으로 가열하고 잔부는 그 미만으로 가열하는 방식을 채택하고 있으므로, 현실적으로 블랭크를 가열로 내에서 별도로 가열하는 것이 어려운 문제점이 있다.

또한, 미국 특허공개공보 제20080041505호에서는 이와 유사한 목적을 위해 영역을 구분하여 분리한 가열로 및 이를 이용한 가열 방법에 관하여 개시되어 있다. 그러나 상기 특허는 2개의 존(zone)으로 구획된 가열로 내부를 컨베이어로 이 동하면서 서로 다른 온도로 열처리하는 것이므로, 상기와 같이 구성된 가열로를 사용하는 경우 충분한 온도로 가열하기 위해 가열로내 유지시간이 길게 되면 블랭크 내에서의 열전달에 의해 온도 차이를 명확하게 주기 힘들게 되는 문제점이 있다.

한편, 일본 특허공개공보 제2007-231660호에서는 피가공재의 2개 부분을 구분하여 서로 다른 온도로 가열한 다음 프레스 가공함으로써 인장강도가 높은 경질부와 가공성이 높은 연질부로 구성한다는 기술을 제안한 바 있으나, 상기 특허에서는 단열재를 설치하여 서로 다른 온도로 가열되도록 하는 점에서 현실적으로 적용이 어려운 기술이다.

상기 제안된 특허에 기재된 기술들은 대부분 현실적으로 적용하기 곤란한 개념적인 기술들이며, 복잡한 형상에 원하는 강도를 얻을 수 있도록 냉각 속도를 적절히 제어하기 힘들다는 단점이 있다. 따라서 현실적으로 적용하는 것이 가능하고, 복잡한 형상에서 영역별로 원하는 강도를 얻을 수 열간 프레스 성형품을 제조하는 방법이 요구되는 실정이다.

본 발명의 일측면은 열간프레스 성형 전 블랭크에 2차 가열을 통한 온도 차이를 부여함으로써, 동일한 열간프레스 성형 및 냉각 조건하에서도 영역별로 다른 강도 및 물성을 얻을 수 있는 열간프레스 성형품을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 열간 프레스 성형을 이용하여 성형품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크 전체를 가열로내에서 오스테나이트 변태가 일어나기 전까지 가열하는 단계;

상기 가열된 블랭크의 온도를 유지한 후, 블랭크의 1 또는 2이상의 부분을 오스테나이트 영역까지 추가로 가열하는 단계;

상기 추가로 가열된 블랭크 전체를 열간프레스 성형하는 단계; 및

상기 성형된 성형품을 냉각하는 단계

를 포함하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서와 같이 열간프레스 성형 전 블랭크의 2차적인 가열을 통하여 성형전의 블랭크에 온도 차이를 둠으로써 같은 냉각 조건하에서도 서로 다른 강도 및 물성을 갖는 영역이 하나의 부품에 존재하도록 할 수 있고, 이로 인해 차량의 경량화 및 충돌 성능 최적화를 위해 적용될 수 있다. 또한 TWB를 적용한 열간프레스성 형 공정의 경우에 용접하는 공정이 추가되는 공정상의 복잡함 및 용접부의 건전성이 부품 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 공정 관리 측면에서 많은 어려움의 문제점을 해결할 수 있고, 냉각 속도를 제어할 필요 없이 복잡한 형상의 부품을 원하는 강도를 갖도록 제조할 수 있으므로 공정 설계가 용이한 효과가 있다.

열간프레스성형용 소재는 오스테나이트화 된 후 냉각 과정에서 냉각 속도에 따라 다른 물성을 얻게 된다. 도 2는 열간프레스성형용 소재의 CCT 곡선을 나타낸 것으로서, 도 2에 나타난 바와 같이 충분한 냉각속도 이상이 확보되면 마르텐사이트 조직을 갖게 되어 충분한 강도를 얻을 수 있고, 느린 냉각속도 하에서는 페라이트, 펄라이트 등 낮은 강도를 갖는 조직을 함유하게 되어 낮은 강도를 얻게 된다.

이와 같은 성질을 이용할 경우 냉각속도를 충분히 차이를 두게 되면 같은 온도로 가열하더라도 냉각속도의 차이에 의해 냉각 후 물성의 차이를 얻을 수 있다. 그러나 본 발명자들은 이러한 냉각속도의 차이를 두려면 느린 냉각속도를 얻기 위해 금형을 400~500℃ 정도로 가열하여야 하므로 구현하기 쉽지 않음을 인지하게 되었다.

이에 본 발명자들은 블랭크(blank)를 가열한 후 열간프레스 성형함으로써, 얻어지는 성형품을 제조하는 방법에 있어서,

열간프레스 성형 전에 블랭크 전체를 오스테나이트 변태가 일어나지 않는 A1 온도 미만까지 가열한 후, 일부분을 오스테나이트 변태가 일어나는 A3온도 이상까지 추가로 가열하는 2단의 가열방식으로부터 열간프레스 성형전에 2차 가열을 통하여 온도분포를 갖는 블랭크를 확보한 후 열간프레스 성형을 하면 동일한 금형 냉각을 통하더라도 최종적으로 도 1과 같이 동일 부품 내에서 다른 강도 분포를 가진 성형품을 얻을 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 열간 프레스 성형을 이용하여 성형품을 제조하는 방법에 있어서,

블랭크 전체를 가열로내에서 오스테나이트 변태가 일어나기 전까지 가열하는 단계;

상기 가열된 블랭크의 온도를 유지한 후, 블랭크의 1 또는 2이상의 부분을 오스테나이트 영역까지 추가로 가열하는 단계;

상기 추가로 가열된 블랭크 전체를 열간프레스 성형하는 단계; 및

상기 성형된 성형품을 냉각하는 단계

를 포함하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 블랭크의 강종은 특별히 한정되지 않으며, 영역별로 강도를 달리하는 것이 필요한 자동차용 부품에 적용될 수 있는 것이면 충분하다.

본 발명에서는 먼저 열간프레스 성형에 앞서, 전체 블랭크를 가열로내에서 오스테나이트 변태가 일어나기 전까지 가열하는 단계를 포함한다. 이때 가열의 범위는 Ms(마르텐사이트 변태개시 온도)에서 A1온도 미만까지로 하는 것이 바람직하다.

상기 가열한 후 일정시간 블랭크의 온도를 유지한다. 본 발명에서 상기 가열된 블랭크를 일정시간 유지하는 것은 블랭크내 온도의 균일성을 확보하고, 블랭크 소재내 탄소(C)의 확산을 촉진하여 짧은 2차 가열시간 후 급냉하는 경우에 강도의 상승 및 균일성을 확보하기 위한 것이다. 상기 유지시간은 블랭크 소재의 강종 및 블랭크의 크기 등에 따라 상이하다. 상기 유지시간의 바람직한 일예는 180초 이상으로 한다. 다만 상기 유지시간이 10분을 초과하는 경우에는 공정의 설비와 에너지의 효율적인 측면에서 바람직하지 않다.

상기 일정시간 유지한 블랭크에 대하여 1 또는 2이상의 부분을 오스테나이트 영역까지 추가로 가열하는 단계를 갖는다. 이 추가로 가열된 부분은 충분한 오스테나이트 변태가 이루어지게 되고, 이후 열간프레스 성형 후 냉각되어 마르텐사이트 조직을 가지게 되어 높은 인장강도를 갖게 된다. 이때의 가열은 A3온도이상까지 하는 것이 바람직하다. A3 이상의 온도로 가열하는 이유는 A1과 A3 사이의 온도로 가 열하게 되면 충분한 오스텐나이트 변태가 발생하지 않으므로 급냉을 실시하더라도 마르텐사이트 조직을 충분히 확보하지 못하여 높은 강도을 얻을 수 없기 때문이다.

바람직하게는 상기 A3 이상의 온도로 가열하고 충분한 오스테나이트 변태가 이루어지도록 일정시간 유지한다. 이때 유지시간은 5초 이상인 것이 바람직하다. 이때에 추가로 가열된 부분에서 충분한 오스테나이트 변태가 일어나기 위해서 1분이면 충분하고 이를 초과하면 가열되지 않은 부분에서도 오스테나이트 변태가 일어날 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

상기 일부분이 추가로 가열된 블랭크 전체에 대하여 열간프레스 성형을 행하고 냉각하는 공정을 행한다. 이와 같은 방법을 통하면 초기 블랭크의 온도가 상이하기 때문에 유사한 급속 냉각속도를 갖더라도 A3 이상으로 가열된 부분은 냉각 후 마르텐사이트 조직을 갖고, A1 이하로 가열된 부분은 냉각 후 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 조직을 갖게 되어 최종 물성이 다른 부품을 얻게 된다.

도 3은 본 발명에서 제안하는 방법에 대한 일예를 나타낸 개념도이다. 즉, 전체 블랭크를 A1 온도 이하로 가열로 내에서 균일 가열한 후 가열로 밖에서 일부분만 A3 온도 이상으로 2차 가열한 후 오스테나이트 변태가 완료될 시간만큼 유지 시킨 후 성형을 실시하고 금형 내 냉각을 실시한다. 그 결과 A3 온도 이상으로 가열한 부분은 마르텐사이트 조직을 가져 인장강도 1500MPa 정도의 높은 강도를 갖고, A1 이하의 온도로 가열된 부분은 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 조직을 가져 낮은 강도를 갖는 열간프레스 성형품을 제조할 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

(실시예 1)

가로 1mm, 세로 4mm 및 높이 10mm인 보론이 첨가된 냉연 열간성형용 시편을 마련한 후, 도 4에 나타난 바와 같이 A1 온도 이하인 700℃까지 초당 10℃의 승온속도로 가열하고 180초간 유지한 후 시편의 일부에 대하여 A3 온도 이상인 900℃까지 초당 50℃의 승온 속도로 2차 가열하고, 5초 동안 유지한 후 초당 50℃의 냉각속도로 냉각시켰다.

상기 냉연 열간성형용 시편의 2차 가열을 행한 부분의 온도에 대한 팽창을 도 5a에 나타내었다. 상기 팽창은 팽창시험기(dilatometer)를 이용하여 측정하였다. 도 5a에서 보는 바와 같이 900℃의 가열 온도 및 5초의 유지 시간만으로도 오스테나이트 및 냉각에 의한 마르텐사이트 변태가 완전히 이루어짐을 볼 수 있다.

도 5b는 상기 냉연 열간성형용 시편에서 700℃에서 180초 유지한 후 바로 초당 50℃의 냉각속도로 냉각한 부분의 온도와 팽창(dilatation)에 대하여 관찰하고 그 결과를 나타낸 그래프이다. 도 5b에서 보는 바와 같이 A1 온도 이하로 가열 유지 된 후 냉각된 부분은 오스테나이트 변태가 일어나지 않아서 가열 및 냉각 과정에서 상변태가 없어 초기의 상을 거의 그대로 갖고 있음을 알 수 있다.

도 6은 각각 열간프레스 성형 후 시편의 각각 도 5a와 도 5b에 관한 부분의 광학 현미경 사진이다. A3 온도 이상으로 추가적으로 가열된 부분(900℃의 가열 온도 및 5초의 유지 시간을 가진 부분)은 냉각 후에는 마르텐사이트 조직을 보이며, A1 온도 이하로 가열 유지된 후 냉각된 시편(700℃에서 180초 유지한 후 바로 초당 50℃의 냉각속도로 냉각된 부분)은 오스테나이트 변태가 일어나지 않아 가열 및 냉각 과정에서 상변태가 없어 초기의 상인 페라이트와 펄라이트 조직을 거의 그대로 갖고 있음을 볼 수 있다.

도 7은 A3 온도 이상으로 추가적으로 가열된 부분(900℃의 가열 온도 및 5초의 유지 시간을 가진 부분)과 A1 온도 이하로 가열 유지 된 후 냉각된 시편(700℃에서 180초 유지한 후 바로 초당 50℃의 냉각속도로 냉각된 부분)의 비커스 경도를 측정하고 그 결과를 나타낸 것이다. 상기 A3 온도 이상으로 추가적으로 가열된 부분은 냉각 후에는 마르텐사이트 조직을 보여 큰 비커스 경도 값을 가지며 이를 인장 강도로 환산하면 1500MPa 이상을 가지는 것을 알 수 있고, A1 온도 이하로 가열 유지 된 후 냉각된 부분은 낮은 경도 값, 인장강도로 환산 시 약 580MPa 정도를 보임을 알 수 있다.

아울러 열처리 후 인장 특성을 파악하기 위해 연속소둔 설비에 인장 시편을 열처리를 실시 한 후 인장 시험을 실시하였다. 열처리 조건은 팽창시험기(dilatometer) 시험 조건과 유사하게 수행하였으나 장비 특성상 A3 온도 이상 승온시 초당 10℃ 정도의 승온 속도 조건이었고, 900℃에서 유지 시간은 5초 였다. 또한 A1 이하의 가열 온도 조건은 700℃에서 180초 유지하는 조건은 동일하였다. 냉각 조건은 역시 팽창시험기(dilatometer) 시험과 유사한 초당 50℃ 조건으로 실시하였다. A3 온도 이상으로 유지한 시편은 인장강도 1700MPa 정도, A1 온도 이하에서 유지된 시편은 580MPa 정도의 인장강도를 보임을 볼 수 있다. 상기 내용을 정리하면 하기 표 1와 같다.다.

열처리조건	YS(MPa)	TS(MPa)	U.EL%	T.EL%
700℃-180초유지 및 900℃-5초 유지 후 냉각	1203	1691	3.8	4.9
700℃-180초유지 후 냉각	441	580	15.3	23.0

(실시예 2)

상기 실시예 1의 냉연 열간성형용 시편과 동일한 시편을 열처리조건을 달리한 후 열간프레스 성형을 행하고 초당 50℃의 냉각 속도로 냉각한 후, 각각의 비커스 경도와 인장강도를 측정하고 그 결과를 도 8에 나타내었다. 이때의 인장강도는 비커스 경도로부터 환산된 인장강도를 나타낸다. 도 8에 나타난 바와 같이 850℃에서 5초이상 유지시키는 경우에는 1500MPa이상의 인장강도를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

(실시예 3)

도 9는 열연 열간성형용 시편을 마련한 후 700℃에서 180초간 유지하지 않은 시편과 유지한 시편을 각각 추가적으로 900℃에서 5초 이상 열처리를 행한 후, 열간프레스 성형을 하고 냉각한 시편의 인장강도를 측정하고, 표준편차와 범위를 나타낸 것이다.

도 9에 나타나 있는 바와 같이, 추가적으로 900℃까지 가열하고 5초이상 유지하더라도 그 전에 700℃에서 유지하지 않은 시편은 인장강도가 낮고, 그 편차가 높은 것을 알 수 있다.

또한 상기 도 8 및 도 9에서 알 수 있듯이, 도 9 열간 열간 성형용 시편은 도 8의 냉간 열간 성형용 시편에 비해서, 충분한 오스테나이트 변태를 위해서 높은 온도와 유지 시간을 필요로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 부위별 강도 분포를 갖는 열간프레스 성형품의 일예이다.

도 2는 열간프레스 성형용 강의 CCT곡선의 일예이다.

도 3은 본 발명인 전체 블랭크의 가열 후에 일부분을 2차 가열하는 패턴의 개념을 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 균일 가열 후에 일부분을 2차 가열하는 경우의 일예를 나타낸 그래프이다.

도 5a는 균일 가열 후에 2차 가열을 행한 부분의 온도에 대한 팽창을, 도 5b는 균일 가열만을 행한 부분의 팽창을 나타낸 그래프이다.

도 6은 각각 도 5a와 도 5b의 조직을 나타낸 사진이다.

도 7은 A3 온도 이상으로 추가적으로 가열된 부분과 A1 온도 이하로 가열 유지 된 후 냉각된 부분의 비커스 경도를 측정하고 그 결과를 나타낸 그래프이다

도 8은 열처리조건을 달리한 후 열간프레스 성형을 행한 시편의 비커스 경도와 인장강도를 측정하고 그 결과를 나타낸 그래프이다.

도 9는 균일 가열 후 유지시간을 달리하고 2차 가열을 행한 경우의 인장강도와 표준편차 및 범위를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

1. 열간 프레스 성형을 이용하여 성형품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크 전체를 가열로내에서 오스테나이트 변태가 일어나기 전까지 가열하는 단계;

   상기 가열된 블랭크의 온도를 유지한 후, 블랭크의 1 또는 2이상의 부분을 오스테나이트 영역까지 추가로 가열하는 단계;

   상기 추가로 가열된 블랭크 전체를 열간프레스 성형하는 단계; 및

   상기 성형된 성형품을 냉각하는 단계

   를 포함하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 전체 블랭크를 가열하는 단계는 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)~ A1온도미만까지 행하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 추가로 가열하는 단계는 A3온도이상까지 행하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 가열된 블랭크는 180초 이상 유지하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 추가로 가열된 블랭크는 5초 이상 유지하는 다른 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법.

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