KR101258766B1 - 1800㎫ 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 제조 방법 - Google Patents

Abstract

1800MPa 인장강도를 갖는 열간 성형을 이용한 도어 빔 및 그 제조 방법에 관하여 개시한다.
본 발명에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5% 이하, 인(P): 0.003% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 강재를 조관하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계와, 상기 마련된 강관을 도어 빔의 길이로 절단하는 절단 단계와, 상기 절단된 강관을 유도가열방식으로 가열하는 가열단계와, 상기 가열된 강관을 도어 빔의 형상으로 성형하는 동시에 급냉시키는 열간 성형 및 급냉 단계를 포함한다.

Description

1800㎫ 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 제조 방법{METHOD OFMAUFACTURING DOOR BEAM WITH A FUNCTION 1800MPa TENSILE STRENGTH}

본 발명은 1800MPa 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 특히 차량 도어의 측면 충돌 강성을 확보하여 승객 안전을 극대화 시킬 수 있는 도어 빔과 그 제조 방법에 관한 기술이다.

승용차의 전, 후방 도어에는 도어 측면으로부터 가해지는 외부충격으로부터 승객의 안전을 극대화시키기 위해 도어 빔(Door Beam)이 설치된다.

즉, 도어 빔은 외부로부터 도어 측면으로 가해지는 충격에너지를 흡수하여, 도어 및 차체의 피해를 최소화시키도록 도어 아우터 패널과 도어 이너 패널 사이에 개재되어 차체 길이방향으로 배치된다.

본 발명의 목적은, 차량 도어의 측면 충돌 강성을 확보하여 승객 안전을 극대화시킬 수 있도록 1800MPa 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 도어 빔의 제조에 이용되는 강관 소재에 필요한 원소 및 그에 대한 조성비를 제시하여, 상기의 1800MPa 인장강도를 확보하는 동시에, 제품 용접성까지 고려한 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 국한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 사상에 따르면, 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5% 이하, 인(P): 0.003% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 강재를 조관하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계와, 상기 마련된 강관을 도어 빔의 길이로 절단하는 절단 단계와, 상기 절단된 강관을 유도가열방식으로 가열하는 가열단계와, 상기 가열된 강관을 도어 빔의 형상으로 성형하는 동시에 급냉시키는 열간 성형 및 급냉 단계를 포함하는 열간 성형 도어 빔을 제공한다.

이때, 상기 (c)단계에서의 가열 온도는 880 ~ 960℃인 것이 바람직하다.

그리고 상기 (d)단계는, 상기 열간 성형된 도어 빔의 외부 또는 내부로 냉각수를 공급하여 상기 성형된 도어 빔의 외부면 또는 내부면으로 상기 공급된 냉각수를 직접 접촉시켜 냉각이 실시되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 (d)단계에서의 급냉은 열간 성형된 도어 빔의 온도가 50 ~ 150℃에 도달할 때까지 실시되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 또 하나의 사상에 따르면, 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5% 이하, 인(P): 0.003% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강관을 절단하여 제공된 강관 소재를, 강성 확보를 위한 원형 단면의 몸체부와, 상기 몸체부의 일측 또는 양측에 형성되어 도어 이너 패널에 부착 가능한 형상의 장착부로 열간 성형한 후 급냉 처리하여, 인장강도(TS)가 1200 ~ 1800MPa이고, 최소 연신율(EL)이 6.0인 것을 특징으로 하는 열간 성형을 이용한 도어 빔을 제공한다.

본 발명에 따른 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법에 따르면, 도어 빔의 제조 시, 강관 소재로 이용되는 강의 조성을 합리적으로 제시하고, 이를 열간 성형 및 급냉하는 열처리를 실시함에 따라, 1800MPa의 인장강도를 갖는 고강도 도어 빔을 제공할 수 있어, 차량의 충돌로부터 승객 안전을 극대화할 수 있는 유리한 효과를 가져온다

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 공정 순서도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법에 사용되는 금형의 구조를 예시적으로 도시한 모식도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법 중 열간 성형 및 냉각 단계를 설명하기 위해 도시한 도면임.

이하, 본 발명에 따른 1800MPa 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법의 바람직한 실시예에 대해 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 의해 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 1800MPa 인장강도를 갖는 열간 성형 도어 빔에 대해 설명하기에 앞서, 도어 빔의 개략적인 구조 및 장착 구조에 대해 간략하게 살펴보기로 한다.

도어 빔은 길이 방향으로 균일한 단면을 갖는 중공관 형상의 부재 형태를 갖는다.

도어 빔은 도어 이너 패널에 직접 부착되는 구조가 아니라, 별도의 장착브라켓을 이용하여 결합될 수 있다.

더 구체적으로 살펴보면, 도어 빔의 몸체는 강성 확보를 위한 원형의 단면 구조로 이루어지며, 이러한 형상 만으로는 직접 도어 이너 패널에 부착되기에 무리가 따른다.

이를 위해, 도어 빔이 장착될 양단 부위에, 미리 장착브라켓이 도어 이너 패널 상에 용접되고, 이후, 도어 빔을 상기 장착브라켓 상에 용접하여 접합하는 방식을 취하는 것이 일반적이었다.

다만, 이러한 도어 빔은 차량의 전, 후방 도어에 개재 형성되어, 차량의 측면 충돌 시 충격에너지를 흡수하는 강성 확보용 부재 중 하나이므로, 전 길이에 따라 고강도 특성이 요구된다. 이는 승객의 안전과 직접적인 연관성을 가지기 때문이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1800MPa 인장강도를 갖는 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

1800MPa 인장강도를 갖는 열간 성형을 이용한 도어 빔

본 발명에 따른 고강도 열간 성형 도어 빔은 기존 도어 빔의 고강도 특성을 개선하여, 차량 측면 충돌 시 승객의 안전을 향상시키는 것을 목적으로 한다.

특히, 1200 ~ 1800MPa의 인장강도(TS) 및 6.0의 연신율(EL)의 기계적 물성을 확보하는 것을 목표로 한다.

이러한 도어 빔은 제품 강도뿐 아니라, 제품 용접선 부분도 감안하여 그 함량 원소의 바람직한 조성비를 제시한다.

즉, 본 발명에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔은, 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5%이하, 인(P): 0.003%이하, 황(S): 0.003%이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 열처리 강재를 이용하여 조관된다.

상기 제시된 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 상술하기로 한다.

탄소(C): 0.29 ~ 0.31%

탄소는 후속의 공정에서 열처리 이후에 마르텐사이트 변태가 일어날 수 있도록 하는 중요원소로서, 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다.

즉 오스테나이트 고용을 통해 퀀칭 열처리 시 마르텐사이트 조직이 형성되도록 한다.

이러한 탄소는 그 함량이 증가함에 따라 마르텐사이트 분율 향상에 도움이 될 수 있는데, 본 발명에 따른 도어 빔은 전체 중량에 대해 0.29 ~ 0.31 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 0.30 중량%를 제시할 수 있다.

탄소의 함량이 0.29 중량% 미만이 될 경우, 충분한 강도 확보에 어려움이 따를 수 있으며, 이와 반대로, 0.31 중량%를 초과할 경우, 가공성에 악영향을 초래할 수 있으며, 용접성 및 인성이 나빠질 우려가 있다.

망간(Mn): 2.5%이하

망간은 인성을 저하시키지 않으면서 강도를 상승시키는 유효한 원소이다.

특히 고용강화 원소로서, 강의 경화능을 향상시켜 탄소강의 항복강도 및 인장강도를 향상시키는데 기여한다.

또한, 망간은 퀀칭 열처리 시 경화 깊이를 증가시키는데, 다만 지나치게 많은 양이 함유될 경우, 퀀칭 균열이나 변형을 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 도어 빔의 경우, 망간의 함량을 2.5 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직한 실시예로서, 2.5 중량%를 제시할 수 있다.

몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%

몰리브덴은 후술할 크롬(Cr)과 함께 첨가되어 경화능을 향상시키는데 효과가 있는 원소이다.

본 발명에 따른 도어 빔에서는 상기 몰리브덴(Mo)이 전체 중량에 대하여 0.34 ~ 0.36 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

몰리브덴의 함량이 0.34 중량% 미만이 될 경우, 경화능 향상을 위한 효과에 미흡하며, 이와 반대로, 0.36 중량%를 초과할 경우, 고가의 원소로서 비용 대비 효과 개선에 불리하다.

크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%

크롬은 전술된 몰리브덴과 함께 첨가되어 경화능을 개선시키는 효과가 있는 원소이다.

특히, 크롬의 첨가는 오스테나이트 영역을 확장 시키고, 염가이며, 다량 첨가해도 취화를 일으키지 않는 탄화물을 형성시킨다.

본 발명에 따른 도어 빔은 열간 성형 후 급냉을 통한 열처리에 따라, 고강도 특성을 발휘해야 하므로, 상기 크롬이 전체 중량에 대하여 0.29 ~ 0.31 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다.

크롬의 함량이 0.29 중량% 미만이 될 경우, 본 발명이 목표로 하는 도어 빔의 강도 특성 확보에 어려움이 따르며, 이와 반대로, 0.31 중량%를 초과할 경우 비자성의 취약한 상이 나타날 수 있는 단점이 있다.

본 발명에서의 바람직한 크롬의 함량으로서, 0.30중량%를 제시할 수 있다.

보론(B): 0.004 중량% 이하

보론은 미량의 첨가만으로 경화능을 현저히 증가시키는 원소이나, 과잉 첨가될 경우 Fe₃B를 형성하여 적열취성을 일으킨다.

따라서 본 발명에 따른 도어 빔의 전체 중량에 대해 0.004 중량% 이하로 제한되어 첨가되는 것이 바람직하다.

인(P): 0.003 중량% 이하

인은 강 중에 존재하는 불순물 원소로서, 강도 및 내식성을 향상시키는 데 유리한 원소이다.

다만, 과잉 첨가되면 충격인성을 크게 저해할 수 있으므로, 그 함량을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 도어 빔의 전체 중량에 대해 상기 인의 함량은 0.003 중량% 이하로 제한되어 첨가될 수 있다.

황(S): 0.003 중량% 이하

황은 인과 마찬가지로 강 중에 존재하는 불순물 원소이다.

특히, 이러한 황은 MnS와 같은 유화물계 개재물을 형성하여 강의 인성 및 강도를 크게 저해할 수 있으므로, 그 함량을 가능한 한 낮게 유지하는 것이 유리하다.

따라서, 본 발명에 따른 도어 빔의 전체 중량에 대해 상기 황의 함량은 0.003 중량% 이하로 제한 첨가하는 것이 바람직하다.

이하, 잔부의 철과 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여, 강관을 조관하여 마련할 수 있으며, 이렇게 준비된 강관은 도어 빔의 길이로 절단 후, 가열된다.

이후, 가열된 강관을 도어 빔의 형상으로 열간 성형하는 동시에 급냉시키는 방법으로서, 본 발명에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 도어 빔이 목표로 하는 인장강도(TS)는 1200 ~ 1800MPa이며, 더욱 바람직하게는 1800MPa의 인장강도를 가지도록 한다. 이와 동시에, 6.0의 연신율(EL)을 가지도록 한다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 1800MPa의 인장강도를 갖는 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법에 대해 설명하기로 한다.

강관 마련 단계(ST100)

먼저, 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5% 이하, 인(P): 0.003% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 강재를 조관하여 강관을 마련한다.

여기서, 상기 강관은 추후 절단, 열간성형 및 급냉 열처리를 통해 도어 빔으로 제조되는 소재로서, 상기 언급된 바와 같이, 탄소의 함량을 0.29 ~ 0.31 중량%로 제한하고, 추가적으로 몰리브덴 및 크롬을 첨가한다. 이는 급냉 열처리를 통해 경화능을 향상시켜 도어 빔의 인장강도를 1800MPa정도로 향상시키기 위함이다.

절단 단계(ST200)

이전 단계에서 언급된 조성으로 이루어진 강재를 조관하여, 강관이 마련되고 난 다음에는, 강관을 도어 빔의 길이로 절단하여 강관 소재를 준비한다.

가열 단계(ST300)

이전 단계에서 도어 빔의 길이에 적합하게 절단된 강관 소재에 대한 가열이 실시된다.

본 단계에서의 가열은 유도가열방식으로 실시되는 것이 바람직한데, 이 때의 가열 온도로는 880 ~ 960℃인 것이 좋다. 이는, 강관 소재의 조직 미세화 및 균질화를 추구하기 위해 이후 열간 성형 및 급냉 단계(ST400)에 앞서 실시된다.

만일 이때의 가열온도가 880℃ 미만일 경우, 충분한 오스테나이트 고용 안정화가 이루어지지 못하며, 상기 가열온도가 960℃를 초과할 경우, 필요 이상으로 가열됨에 따라 공정 효율이 저하될 수 있기 때문이다.

열간 성형 및 급냉 단계(ST400)

이전 단계에서 충분한 온도로 가열된 강관은 도어 빔으로 성형되는 동시에 급냉 열처리 과정이 실시된다.

본 단계에서의 열간 성형 및 급냉은, 강성 확보를 위한 원형 단면의 몸체부와, 상기 몸체부의 일측 또는 양측에서 만곡 형성되는 장착부의 형상으로 금형을 통해 열간 성형되는 동시에 급냉 된다.

이와 같은 열간 성형 및 급냉을 위하여, 도 2에 도시된 구조의 금형이 이용될 수 있다.

도시된 바와 같이, 상기 금형(200)은 도어 빔의 몸체부와 장착부의 형상에 대응하는 형상을 가지는 성형부(210)와, 상기 성형부(210)를 냉각시키기 위해 금형 내부로 형성되며 성형부의 표면까지 연결되는 냉각채널(220, 222)를 포함하는 구조로 이루어진다.

여기서, 냉각채널은, 도어 빔의 길이 방향으로 형성되는 소통로(220)와, 상기 소통로와 성형부 표면을 연통하는 관통로(222)를 포함하는 냉각수 유동 유로를 의미한다.

본 단계에서 가열된 강관은 이러한 금형(200)으로 로딩된 후, 금형을 상하 밀폐하여, 도어 빔의 장착부 형상을 가공한다.

이후, 상기 냉각채널을 통해 공급된 냉각수가 금형(200) 자체를 냉각하여 도어 빔의 외부면을 간접 냉각할 수 있으며, 이와 동시에, 상기 외부면에 직접 냉각수가 접촉되도록 하여 더욱 신속하게 급랭 열처리가 실시되도록 할 수 있다.

아울러, 본 단계는, 본 발명에 따른 도어 빔의 고강도 특성 확보를 위하여 더욱 신속하게 급냉 되는 방식이 요구될 수 있는데, 이를 위해, 도어 빔의 내부로도 직접 냉각수를 공급하여 접촉 냉각시킬 수 있다.

이를 위해, 도 3을 참조하면, 금형(200)을 닫은 상태에서 도어 빔(100)의 내부로 냉각수 분사노즐(230)을 삽입 장전하여, 냉각수를 분사하는 형태를 취할 수 있다.

즉, 이러한 도 3에 도시된 방식은, 별도의 냉각수 분사노즐(230)을 이용하여 도어 빔(100)의 내부중공으로 냉각수를 분사하는 구조가 도시되어 있다.

다만, 본 발명은 구조에 대해서는 굳이 한정될 필요가 없으며, 이와 다른 실시예로서, 금형(200)에 형성된 냉각채널을 통해 냉각수를 공급하되, 도어 빔(100) 내부면을 따라 공급된 냉각수가 유입되어 유동하는 방식이 적용되어도 무방하다.

다시 도 1을 참조하면, 전술된 바와 같이 냉각수의 내부 유동이 가능한 금형을 이용하여, 이전 단계(ST300)에서 가열된 강관은 도어 빔 제품으로 열간 성형되는 동시에, 효과적으로 급냉 된다.

이때의 급냉은, 열간 성형된 도어 빔의 온도가 50 ~ 150℃에 도달할 때까지 실시되는 것이 바람직하다.

만일, 상기 급냉 마무리 온도가 150℃보다 높은 온도로 이루어질 경우에는, 원하는 소재의 고강도 특성, 즉 1800MPa의 인장강도를 확보하기 어렵다.

이와 반대로, 상기 급냉 마무리 온도가 50℃보다 낮은 온도로 이루어질 경우에는, 제품의 생산에 소요되는 시간 및 투자 비용이 증가되어, 생산성의 측면이나 생산원가의 측면에서 불리해진다.

상술된 전 단계를 거쳐서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 도어 암은, 1800MPa의 인장강도를 확보할 수 있어, 고강도 특성의 월등한 향상을 통해 승객 안전성의 향상을 도모할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열간 성형을 이용한 도어 빔 및 그 제조 방법에 따르면, 도어 빔의 제조 시, 소재로 이용되는 강관의 조성에, 몰리브덴 및 크롬 원소를 추가적으로 첨가하고, 열간 성형 및 급냉하는 열처리를 실시함에 따라, 1800MPa의 최대 인장강도를 갖는 고강도 도어 빔을 제조할 수 있다. 이로써, 차량의 충돌 및 추돌 사고 시, 승객의 안전을 극대화시킬 수 있다.

지금까지 본 발명의 고강도 열간 성형 도어 빔 및 그 제조 방법에 관한 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술될 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

ST100: 강관 마련 단계
ST200: 절단 단계
ST300: 가열 단계
ST400: 열간 성형 및 급냉 단계

Claims (5)

1. (a) 중량%로, 탄소(C): 0.29 ~ 0.31%, 망간(Mn): 2.5% 이하, 인(P): 0.003% 이하, 황(S): 0.003% 이하, 크롬(Cr): 0.29 ~ 0.31%, 몰리브덴(Mo): 0.34 ~ 0.36%, 보론(B): 0.004% 이하, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 강재를 조관하여 강관을 마련하는 강관 마련 단계;
   (b) 상기 마련된 강관을 도어 빔의 길이로 절단하는 절단 단계;
   (c) 강관의 조직 미세화 및 균질화를 추구하기 위해 상기 절단된 강관을 유도가열방식으로 880 ~ 960℃로 가열하는 가열단계;
   (d) 상기 가열된 강관을 도어 빔으로 열간 성형하는 동시에 급냉시켜, 강성 확보를 위한 원형 단면의 몸체부와, 상기 몸체부의 일측 또는 양측에서 만곡 형성된는 장착부의 형상의 도어빔을 제조하되, 상기 급냉은 상기 열간 성형된 도어 빔의 외부 또는 내부로 냉각수를 공급하여 상기 성형된 도어 빔의 외부면 또는 내부면에 상기 공급된 냉각수를 직접 접촉시켜 수행하되, 인장강도(TS)가 1200 ~ 1800MPa이고, 최소 연신율(EL)이 6.0이 되도록 열간 성형된 도어 빔의 온도가 50 ~ 150℃에 도달할 때까지 상기 급냉을 수행하는 열간 성형 및 급냉 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 성형을 이용한 도어 빔 제조 방법.
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