KR101330952B1 - 핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

산화 스케일층의 생성을 억제함으로써 공정 단순화를 도모함과 더불어 용접성을 향상시킬 수 있는 TWB 공법을 이용한 핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법은 국부적으로 이종 강도가 요구되며, 타 부품과 용접되는 성형체를 제조하기 위하여 블랭크들을 마련하되, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 강도가 요구되는 고강도부와, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 인성이 요구되며 타 부품과 용접되는 고인성 용접부를 분할하여 블랭크들을 마련하는 소재 마련 단계; 상기 블랭크들을 용접에 의하여 상호 연결하는 용접 단계; 상기 용접된 블랭크들에 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 도금 처리하는 도금 단계; 상기 도금 처리된 블랭크들을 열처리하는 열처리 단계; 상기 열처리된 블랭크들을 프레스 금형으로 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및 상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 냉각 단계;를 포함하며, 상기 고인성 용접부는 상기 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법{HOT STAMPING MOLDING PRODUCT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고온 열처리시 발생하는 산화 스케일층의 생성을 억제함과 더불어 용접성을 향상시킬 수 있는 핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
TWB(Tailor Welded Blank) 공법은 마치 양복을 재단하는 것과 같이 다양한 재질과 두께의 판재를 필요한 모양대로 절단하여 용접한 후 프레스 성형하여 부품을 제작하는 일련의 기술로서, 두께 또는 강도가 서로 다른 강판을 스템핑(stamping) 가공 전에 하나의 강판(Blank)으로 용접한 자동차 부품 등을 성형하는 것을 말한다.
본 발명의 목적은 고온 열처리시 발생하는 산화 스케일층의 생성을 억제함과 더불어 용접성을 향상시킬 수 있는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되는 핫 스탬핑 성형체를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법은 국부적으로 이종 강도가 요구되며, 타 부품과 용접되는 성형체를 제조하기 위하여 블랭크들을 마련하되, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 강도가 요구되는 고강도부와, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 인성이 요구되며 타 부품과 용접되는 고인성 용접부를 분할하여 블랭크들을 마련하는 소재 마련 단계; 상기 블랭크들을 용접에 의하여 상호 연결하는 용접 단계; 상기 용접된 블랭크들에 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 도금 처리하는 도금 단계; 상기 도금 처리된 블랭크들을 열처리하는 열처리 단계; 상기 열처리된 블랭크들을 프레스 금형으로 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및 상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 냉각 단계;를 포함하며, 상기 고인성 용접부는 상기 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체는 타 부위에 비하여 상대적으로 고 강도를 갖는 고강도부와, 상기 고강도부의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 연결되며 타 부위에 비하여 상대적으로 고 인성을 가지며 타 부품과 용접되는 고인성 용접부를 포함하며, 상기 고강도부 및 고인성 용접부는 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 표면이 도금 처리되고, 상기 고인성 용접부는 상기 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 TWB 공법과 핫 스탬핑 방법을 함께 적용하여 이종 소재를 맞대기 접합하는 방식으로 성형체를 제조함으로써, 국부적으로 다른 강도를 가지는 차량용 부품을 적용하여 차량 경량화와 차량의 연비 향상에 기여할 수 있다.
또한, 본 발명은 열처리 과정 이전에 블랭크 소재 표면 전체에 대하여 도금 처리하는 공정을 추가함으로써, 고온 열처리 과정에서 발생하는 산화 스케일층의 생성을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명은 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51인 강판을 고인성 용접부로 이용함으로써, 타 부품과의 용접성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 차량의 차체 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 4는 고주파 유도 가열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 로(furnace) 가열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법으로 제조된 센터필러를 확대하여 나타낸 도면이다.
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 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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 및 그 제조 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 차량의 차체 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 차량은 다양한 재질 및 두께가 상이한 강판들을 용접으로 결합하는 방식에 의하여 조립된다.
이때, 차량의 프런트 도어와 리어 도어 사이에서 차체의 바닥면과 루프를 연결하는 부분인 센터필러(center pillar, 또는 B필러라 함)는 이종 재질로 제조되고 있다. 이러한 센터필러는 후술하는 본 발명에 따른 성형체(100)가 될 수 있다.
상기 성형체(100)는 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함할 수 있으며, 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)은 TWB(Tailor Welded Blank) 공법에 의하여 상호 접합될 수 있다.
이때, 고강도부(110)는 타 부위, 즉 고인성 용접부들(120, 130)에 비하여 상대적으로 고 강도를 갖고, 상기 고인성 용접부들(120, 130)은 고강도부(110)의 상부 및 하부에 각각 연결되며, 고강도부(110)에 비하여 상대적으로 고 인성을 갖는다. 이때, 고인성 용접부들(120, 130) 중 고강도부(110)의 상부에 배치되는 고인성 용접부(120)는 타 부품, 즉 차체의 루프와 용접될 수 있다. 이러한 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 가질 수 있다.
여기서, 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함하는 성형체(100)는 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 표면 전체가 도금 처리된다. 성형체(100)는 도금 처리에 의하여 표면에 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층(미도시)이 형성되어 있을 수 있다.
상기와 같이, 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)로 구분하여 성형체(100)를 제조하는 이유는 차량의 사고(전복, 추돌, 충돌 등) 발생 시, 차체의 형상을 일정한 형태로 유지하기 위해 고 강도를 필요로 하는 부분과 충격을 흡수하기 위해 고 인성을 필요로 하는 부분이 동시에 필요하기 때문이다.
특히, 성형체(100)의 고강도부(110)는 차량의 사고 발생시, 차량 내부에 탑승하고 있는 승객을 보호하기 위해서는 안정된 공간을 제공할 수 있도록 일정한 형상이 유지되어야 할 필요가 있으므로 타 부품에 비해 고 강도가 요구되고 있다. 만일, 성형체(100)의 고강도부(110)가 일정 강도에 미치지 못할 경우에는 차량의 전복 등에 의하여 고강도부(110)가 파손되거나 이탈되는 데 기인하여 루프가 내려 앉아 탑승객의 안전을 위협하는 요소로 작용할 수 있다.
이와 달리, 성형체(100)의 고인성 용접부들(120, 130)은 변형이 되면서 충격에너지를 흡수해야 하므로 상대적으로 낮은 강도가 요구된다. 만일, 고인성 용접부들(120, 130)이 고강도부(110)와 대응되는 강도를 가질 경우, 측면 충돌 시 충돌 에너지의 흡수가 이루어지지 않아 다른 부품, 즉 구조재에 충격이 전달되는 문제가 있다.
이와 같이, 서로 다른 강도의 강판을 이용하여 TWB 방식으로 단일 부품을 제조할 경우 차량의 경량화와 차량의 연비 향상에 큰 기여를 할 수 있다.
또한, 이러한 TWB 공법을 이용하여 자동차 부품을 성형할 경우, 강도 향상을 위해 삽입되는 보강재를 제거할 수 있어 금형비 절감 및 소재절감을 통해 원가 절감, 경량화 등의 효과를 이끌어낼 수 있다.
따라서, TWB 공법은 열처리 경화 강판을 접목하여 경량화 및 강도 상승 효과를 보임과 동시에 2차 가공성을 향상시킴으로써 자동차의 프레임이나 충격 부재용으로 적용하는 것이 용이하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법을 나타낸 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법을 나타낸 모식도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 도시된 핫 스탬핑 성형체 제조 방법은 소재 마련 단계(S110), 용접 단계(S120), 도금 단계(S130), 열처리 단계(S140), 프레스 성형 단계(S150) 및 냉각 단계(S160)를 포함한다.
소재 마련 단계
소재 마련 단계(S110)에서는 국부적으로 이종 강도가 요구되며, 타 부품과 용접되는 성형체를 제조하기 위해 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함하는 블랭크들을 마련한다.
이때, 블랭크들의 고강도부(110)는 고인성 용접부들(120, 130)에 비하여 상대적으로 고 강도를 요구하고, 고인성 용접부들(120, 130)은 고강도부(110)에 비하여 상대적으로 고 인성을 요구한다. 또한, 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51인 강판을 이용하는 것이 바람직한데, 이는 타 부품과의 용접성을 향상시키기 위함이다.
용접 단계
용접 단계(S120)에서는 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함하는 블랭크들을 정밀하게 위치 정렬한 후, 블랭크들을 용접으로 상호 연결한다.
이때, 용접 단계(S120)는 레이저 용접, 매쉬심 용접 등이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이하에서는 레이저 용접을 일 예로 들어 설명하도록 한다.
이러한 용접 단계(S120)에서는 정밀하게 재단된 블랭크들을 위치 정렬시킨 상태에서 레이저 용접기(150)를 이용하여 서로 맞대기 형태로 용접하여 일체가 되도록 연결한다.
여기서, 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130) 상호 간은 서로 상이한 두께를 가질 수 있다. 이 경우, 고 강도가 요구되는 고강도부(110)는 고인성 용접부들(120, 130)에 비하여 상대적으로 두꺼운 두께를 갖는 것이 바람직하다.
도금 단계
도금 단계(S130)에서는 용접된 블랭크들에 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 도금 처리한다.
도금 처리는 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함하는 블랭크들을 도금 욕(160)에 침적하여 Al-Si 도금 또는 아연 도금을 실시한 다음, 합금화 열처리를 수행하고, 합금화 열처리된 블랭크 소재를 냉각하는 방식으로 이루어질 수 있다. 이때, 합금화 열처리 온도는 450 ~ 550℃인 것이 바람직하다. 만일, 합금화 열처리 온도가 550℃를 초과할 경우에는 재질 저하가 발생할 수 있다. 반대로, 합금화 열처리 온도가 450℃ 미만으로 너무 낮을 경우에는 적정 합금화도 및 도금층의 안정적 성장을 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다.
상기와 같은 도금 처리에 의하여, 상기 블랭크들은 표면에 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층(미도시)이 형성된다. 이러한 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층은 후술할 고온 열처리 과정에서, 산화 스케일층이 생성되는 것을 억제하는 역할을 한다.
열처리 단계
열처리 단계(S140)에서는 상호 연결되도록 용접된 블랭크들을 가열 장치(170)를 이용하여 열처리한다.
이러한 열처리 단계(S140)에서는 용접된 블랭크들 전체를 열처리하거나, 또는 상기 용접된 블랭크들 중 고강도부를 선택적으로 열처리할 수 있다. 이 경우, 블랭크들의 성형성 확보를 위해 충분히 고온으로 가열하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 열처리 온도는 850℃ ~ 950℃로 실시될 수 있다. 만일, 열처리 온도가 950℃를 초과할 경우에는 더 이상의 열처리 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 문제가 있다. 반대로, 열처리 온도가 850℃ 미만으로 실시될 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 급격한 인성 저하로 프레스 성형성이 저하되는 문제가 있다.
여기서, 도 4는 고주파 유도 가열 방식을 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 로(furnace) 가열 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 열처리 단계시, 고주파 유도 가열을 이용하여 블랭크들 전체를 열처리하거나, 또는 상기 용접된 블랭크들 중 고강도부(110)만을 선택적으로 열처리할 수 있다. 고주파 유도 가열 방식은 고주파 전류의 전자기 유도 원리를 이용하여 고주파 전자기장 속에서 금속을 가열하는 것을 말한다. 이 경우, 성형체(100)가 고주파 유도 가열기(172)에 의하여 열처리가 이루어질 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 열처리 단계시, 로 가열을 이용하여 블랭크들 전체를 열처리하거나, 또는 상기 용접된 블랭크들 중 고강도부(110)만을 선택적으로 열처리할 수 있다. 이 경우, 성형체(100)를 로(Furnace) 가열기(174) 내부를 통과되도록 한 상태에서 로 가열기(174)의 발열체(176)를 가동하는 것에 의하여 열처리가 이루어질 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 열처리는 레이저를 이용한 레이저 열처리를 이용할 수도 있다.
프레스 성형 단계
프레스 성형 단계(S150)에서는 열처리된 블랭크들을 프레스 장치(180)에 로딩한 후, 프레스 장치(180)를 닫은 상태에서 원하는 형태를 갖도록 핫 스탬핑을 실시하여 성형체(100)를 형성한다. 이러한 성형체(110)는 일 예로 차체의 센터필러일 수 있다.
이 경우, 성형체(100)는 고강도부(110) 및 고인성 용접부들(120, 130)을 포함할 수 있다. 고강도부(110)는 타 부위, 즉 고인성 용접부들(120, 130)에 비하여 상대적으로 고 강도를 갖고, 고인성 용접부들(120, 130)은 고강도부(110)의 상부 및 하부에 각각 연결되며, 고강도부(110)에 비하여 상대적으로 고 인성을 갖는다.
따라서, 상기 성형체(110)는 별도의 보강부재를 사용하지 않고 단일 부품만으로 이종 강도를 가질 수 있다.
냉각 단계
냉각 단계(S160)에서는 프레스 금형이 닫힌 상태에서 프레스 금형을 냉각하여 프레스 금형 내에 배치되는 성형체(100)를 급냉한다.
이때, 프레스 성형에 의하여 제조되는 성형체(100)는 프레스 금형 내에서 고온을 유지하고 있으므로 프레스 금형으로 성형한 후 즉시 개방하여 성형체(110)를 냉각할 경우 재질 특성 및 형상이 변형되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 프레스 금형을 닫은 상태에서 프레스 금형 내에서 냉각시키는 것이 바람직하다.
이를 위해, 프레스 장치(180)는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널(182)이 구비될 수 있다. 이러한 냉각 채널(182)을 구비하는 프레스 장치(180)는 프레스 성형이 완료되고 난 후, 냉각 채널(182)을 통하여 공급되는 냉매에 의한 순환에 의해 프레스 금형 몸체를 신속히 급냉시킬 수 있게 된다.
이때, 성형체(100)의 스프링 백 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 프레스 금형을 닫은 상태에서 급냉을 수행하는 것이 바람직하다.
여기서, 냉각 속도는 20 ~ 300℃/sec로 실시될 수 있다. 만일, 냉각 속도가 300℃/sec를 초과하여 실시될 경우에는 더 이상의 냉각 효과 없이 제조 비용만을 상승시키는 문제가 있다. 반대로, 냉각 속도가 20℃/sec 미만으로 실시될 경우에는 고 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다.
이상으로, 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법이 종료될 수 있다.
종래에는 고온 열처리를 실시한 후, 표면에 생성되는 산화 스케일층을 제거하기 위한 목적으로 냉각 단계 이후에 숏 블라스팅(Shot blasting) 단계를 더 수행하였으나, 본 발명에서는 열처리 단계 이전에 도금 처리 단계를 실시하는 것에 의하여 블랭크들의 전 표면에 형성된 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층이 산화 스케일의 생성을 억제하는 역할을 하기 때문에 숏 블라스팅 단계를 생략할 수 있는 이점이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 성형체 제조 방법으로 제조된 센터필러를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 핫 스탬핑 성형체 제조 방법으로 제조된 센터필러(100)를 나타내고 있다.
이때, 센터필러(100)는 중앙부에 배치되며 타 부위에 비하여 상대적으로 고 강도를 갖는 고강도부(110)와, 상기 고강도부(110)의 상부 및 하부에 각각 연결되며, 타 부품과 용접되는 고인성 용접부들(120, 130)를 포함한다. 여기서, 고인성 용접부들(120, 130)은 고강도부(10) 비하여 상대적으로 고 인성을 갖는다.
한편, 상기 고강도부(110)는 핫 스탬핑을 실시하는 것에 의하여, 인장강도(TS) : 1500 MPa급 이상으로 업그레이드될 수 있다.
이때, 고강도부(110)는 경화능이 우수한 보론 강판이 이용될 수 있고, 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 냉연강판이 이용될 수 있다.
상기 보론 강판은 고가의 합금 원소 대신 보론(B)를 첨가하여 경화능을 향상시킨 강이다. 보론강은 인성과 내충격성이 우수하며 특히, 고강도, 고경도, 내마모성이 우수하므로 자동차 및 건설 중장비의 부품 등에 주로 사용되고 있다.
예를 들어, 고강도부(110)는 중량%로, 탄소(C) : 0.32 ~ 0.38%, 실리콘(Si) : 0.50% 이하, 망간(Mn) : 1.20 ~ 1.40%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.010 ~ 0.050%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.050%, 크롬(Cr) : 0.010 ~ 0.40%, 질소(N) : 0.0080% 이하, 보론(B) : 0.0010 ~ 0.0050% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강판이 이용될 수 있다.
이때, 고강도부(110)는 핫 스탬핑을 실시한 이후, 인장강도(TS) : 1700 ~ 2100MPa 및 항복강도(YS) : 1050 ~ 1300MPa을 가질 수 있다.
최근, 차량의 연비 향상과 경량화 요구에 따라 차량에 적용되는 금속 성형체들의 요구 강도가 점점 증가하고 있다. 일반적인 프레스 성형만으로는 고강도부(110)의 인장강도를 1500 MPa급 이상으로 확보하는 데 한계가 있었으나, 본 발명에서와 같이 경화능을 가지는 보론강 소재를 사용하여 핫 스템핑을 실시할 경우, 고강도부(110)의 인장강도(TS)를 1700 ~ 2100 MPa급으로 업그레이드할 수 있다.
한편, 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 중량%로, 탄소(C) : 0.19 ~ 0.27%, 실리콘(Si) : 0.50% 이하, 망간(Mn) : 1.00 ~ 1.40%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.010 ~ 0.050%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.050%, 크롬(Cr) : 0.10 ~ 0.40%, 질소(N) : 0.0080% 이하, 보론(B) : 0.0010 ~ 0.0050% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강판이 이용될 수 있다.
여기서, 상기 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)을 포함하는 것이 바람직하다.
수학식 1 : 0.43 ≤ [C] + [Mn]/6 + [Cr]/5 ≤ 0.51
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
이는 용접 과정시, 탄소 당량(Ceq)이 0.43 ~ 0.51 사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다. 만일, 탄소 당량(Ceq)이 0.43 미만일 경우 혹은 0.51을 초과할 경우, 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
이때, 상기 고인성 용접부들(120, 130) 각각은 핫 스탬핑을 실시한 이후, 인장강도(TS) : 1000 ~ 1700MPa 및 항복강도(YS) : 800 ~ 1300MPa을 가질 수 있다.
이하, 상기 제시된 고강도부 및 고인성 용접부에 적용되는 강판들에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다.
상기 탄소는 고강도부의 강판 전체 중량의 0.32 ~ 0.38 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 탄소(C)의 함량이 0.32 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.38 중량%를 초과할 경우에는 강의 강도는 증가하나 심부경도 및 용접성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상기 탄소는 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.19 ~ 0.27 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 탄소(C)의 함량이 0.19 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.27 중량%를 초과할 경우에는 탄소 당량(Ceq)의 증가로 용접성이 저하되는 문제가 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과도 갖는다.
다만, 실리콘(Si)의 함량이 0.50 중량% 미만일 경우에는 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없는바, 실리콘(Si)은 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.50 중량% 이하의 함량비로 각각 첨가되는 것이 바람직하다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간(Mn)의 첨가는 탄소(C)의 첨가보다도 강도 상승시 연성의 저하가 적다. 또한, 망간(Mn)은 강의 담금질성 향상에 기여한다.
상기 망간(Mn)은 고강도부의 강판 전체 중량의 1.20 ~ 1.40 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 망간(Mn)의 함량이 1.20 중량% 미만일 경우에는 탄소(C) 함량이 높아도 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.40 중량%를 초과할 경우에는 MnS계 비금속개재물의 양이 증가하는 데 기인하여 용접시 크랙 발생 등의 결함을 유발할 수 있다.
한편, 상기 망간(Mn)은 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 1.00 ~ 1.40 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 망간(Mn)의 함량이 1.00 중량% 미만일 경우에는 탄소(C) 함량이 높아도 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.40 중량%를 초과할 경우에는 탄소 당량(Ceq)의 증가로 용접성이 저하되는 문제가 있다.
인(P)
인(P)은 강도 향상에 일부 기여하나, 2차가공취성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.018 중량% 이하로 각각 제한하였다.
황(S)
황(S)은 인(P)과 마찬가지로 강 중에 존재하는 불순물 원소이다. 상기 황(S)은 MnS 등의 형태로 석출이 이루어져서 석출물의 양을 증가시키는 불순물에 해당한다.
따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.003 중량% 이하로 각각 제한하였다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 알루미늄(Al)은 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.010 ~ 0.050 중량%로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 알루미늄(Al)의 함량이 0.010 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 탈산 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄(Al)의 함량이 0.050 중량%를 초과할 경우에는 Al2O3를 형성하여 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
티타늄(Ti)
티타늄(Ti)은 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여, 강의 조직을 미세화하는 역할을 한다.
상기 티타늄(Ti)은 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.010 ~ 0.050 중량%로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 티타늄(Ti)의 함량이 0.010 중량% 미만일 경우에는 티타늄 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 티타늄(Ti)의 함량이 0.050 중량%를 초과할 경우에는 TiN 석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하된다.
크롬(Cr)
본 발명에서 크롬(Cr)은 경화능을 향상시켜 담금질성을 개선하는 데 유효한 원소이다.
상기 크롬(Cr)은 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.010 ~ 0.40 중량%로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 크롬(Cr)의 함량이 0.010 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미하여 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 0.40 중량%를 초과할 경우에는 용접성이나 열영향부(HAZ) 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
질소(N)
질소(N)는 불가피한 불순물로써, 다량 첨가할 경우에는 고용 질소가 증가하여 강판의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨리고 용접부의 인성을 크게 저하킨다. 따라서, 질소는 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.0080 중량% 이하로 각각 제한하는 것이 바람직하다.
보론(B)
보론(B)은 강력한 소입성 원소로서 강의 강도 향상에 기여한다.
본 발명에서 보론(B)은 고강도부 및 고인성 용접부의 강판 전체 중량의 0.0010 ~ 0.0050 중량%로 각각 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 보론(B)의 함량이 0.0010 중량% 미만일 경우에는 강도 향상 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 보론(B)의 함량이 0.0050 중량%를 초과할 경우에는 입계 편석에 의한 재질 편차를 발생시키는 문제점이 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 블랭크 시편의 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따른 블랭크 시편을 제조하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112011049467949-pat00001

[표 2]
Figure 112011049467949-pat00002

[표 3]
Figure 112011049467949-pat00003

2. 기계적 물성 평가
표 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 블랭크 시편의 기계적 물성에 대한 평가 결과를 나타낸 것이다.
표 1 ~ 3을 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 블랭크 시편의 경우 핫 스탬핑을 실시한 후, 고강도부의 인장강도(TS)가 2013MPa, 1976MPa이고 항복강도(YS)가 1196MPa, 1180MPa로 목표값인 인장강도(TS) : 1700 ~ 2100MPa 및 항복강도(YS) : 1050 ~ 1300MPa를 각각 만족하는 것을 알 수 있다.
반면, 실시예 1의 고강도부와 비교하여 탄소(C) 함량이 낮고, 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti)의 함량이 본 발명에서 제시하는 성분 범위를 벗어나고, 열처리 온도 및 냉각 속도가 본 발명에서 제시하는 공정 조건을 벗어난 비교예 1에 따라 제조된 블랭크 시편의 경우 핫 스탬핑을 실시한 후, 고강도부의 인장강도(TS)가 1653MPa로 목표값인 인장강도(TS) : 1700 ~ 2100MPa에 미달하는 것을 알 수 있다.
한편, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 블랭크 시편의 경우 핫 스탬핑을 실시한 후, 고인성 용접부의 인장강도(TS)가 1572MPa, 1668MPa이고, 항복강도(YS)가 1086MPa, 1022MPa로 목표값인 인장강도(TS) : 1000 ~ 1700MPa를 각각 만족하는 것을 알 수 있다.
반면, 실시예 1의 고인성 용접부와 비교하여 탄소(C) 함량이 낮고 보론(B)이 미 첨가되며, 알루미늄(Al) 및 티타늄(Ti)의 함량이 본 발명에서 제시하는 성분 범위를 벗어나고, 열처리 온도 및 냉각 속도가 본 발명에서 제시하는 공정 조건을 벗어난 비교예 1에 따라 제조된 블랭크 시편의 경우 핫 스탬핑을 실시한 후, 고인성 용접부의 인장강도(TS)가 981MPa로 목표값인 인장강도(TS) : 1000 ~ 1700MPa에 미달하는 것을 알 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 성형체 110 : 고강도부
120, 130 : 고인성 용접부들 150 : 레이저 용접기
160 : 도금 욕 170 : 가열 장치
172 : 고주파 유도 가열기 174 : 로 가열기
176 : 발열체 180 : 프레스 장치
182 : 냉각 채널 S110 : 소재 마련 단계
S120 : 용접 단계 S130 : 도금 단계
S140 열처리 단계 S150 : 프레스 성형 단계
S160 : 냉각 단계

Claims (13)

  1. 국부적으로 이종 강도가 요구되며, 타 부품과 용접되는 성형체를 제조하기 위하여 블랭크들을 마련하되, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 강도가 요구되는 고강도부와, 타 부위에 비하여 상대적으로 높은 인성이 요구되며 타 부품과 용접되는 고인성 용접부를 분할하여 블랭크들을 마련하는 소재 마련 단계;
    상기 블랭크들을 용접에 의하여 상호 연결하는 용접 단계;
    상기 용접된 블랭크들에 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 도금 처리하는 도금 단계;
    상기 도금 처리된 블랭크들 중 고강도부만을 선택적으로 국부적인 열처리를 실시하는 열처리 단계;
    상기 열처리된 블랭크들을 프레스 금형으로 성형하여 성형체를 형성하는 프레스 성형 단계; 및
    상기 프레스 금형이 닫힌 상태에서 상기 프레스 금형을 냉각하여 상기 성형체를 급냉하는 냉각 단계;를 포함하며,
    상기 고인성 용접부는 상기 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 가지며,
    상기 고인성 용접부는 중량%로, 탄소(C) : 0.19 ~ 0.27%, 실리콘(Si) : 0.50% 이하, 망간(Mn) : 1.00 ~ 1.40%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.010 ~ 0.050%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.050%, 크롬(Cr) : 0.010 ~ 0.40%, 질소(N) : 0.0080% 이하, 보론(B) : 0.0010 ~ 0.0050% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강판으로 형성되며,
    상기 도금 단계에 의하여, 상기 블랭크들은 표면에 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층이 형성되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 용접 단계는
    레이저 용접 또는 매쉬심(mesh seam) 용접이 이용되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열처리 단계는
    상기 용접된 블랭크들 전체를 열처리하거나, 또는 상기 용접된 블랭크들 중 고강도부를 선택적으로 열처리하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열처리 단계에서,
    열처리 온도는 850℃ ~ 950℃인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 단계에서,
    냉각 속도는 20℃/sec ~ 300℃/sec인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체 제조 방법.
  7. 선택적으로 국부적인 열처리를 실시하는 것을 통해 타 부위에 비하여 상대적으로 고 강도를 갖는 고강도부와, 상기 고강도부의 상부 및 하부 중 적어도 하나 이상에 연결되며 타 부위에 비하여 상대적으로 고 인성을 가지며 타 부품과 용접되는 고인성 용접부를 포함하며,
    상기 고강도부 및 고인성 용접부는 산화 스케일층이 생성되는 것이 억제되도록 표면이 도금 처리되고, 상기 고인성 용접부는 상기 타 부품과의 용접이 용이하도록 탄소 당량(Ceq) : 0.43 ~ 0.51을 가지며,
    상기 고인성 용접부는 중량%로, 탄소(C) : 0.19 ~ 0.27%, 실리콘(Si) : 0.50% 이하, 망간(Mn) : 1.00 ~ 1.40%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.010 ~ 0.050%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.050%, 크롬(Cr) : 0.010 ~ 0.40%, 질소(N) : 0.0080% 이하, 보론(B) : 0.0010 ~ 0.0050% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강판으로 형성되며,
    상기 도금 처리에 의하여, 표면에 Al-Si 도금층 또는 아연 도금층이 형성되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 고강도부는
    중량%로, 탄소(C) : 0.32 ~ 0.38%, 실리콘(Si) : 0.50% 이하, 망간(Mn) : 1.20 ~ 1.40%, 인(P) : 0.018% 이하, 황(S) : 0.003% 이하, 알루미늄(Al) : 0.010 ~ 0.050%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.050%, 크롬(Cr) : 0.010 ~ 0.40%, 질소(N) : 0.0080% 이하, 보론(B) : 0.0010 ~ 0.0050% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 강판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 고강도부는
    인장강도(TS) : 1700 ~ 2100MPa 및 항복강도(YS) : 1050 ~ 1300MPa을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체.
  11. 삭제
  12. 제7항에 있어서,
    상기 강판은
    하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 탄소(C), 망간(Mn) 및 크롬(Cr)을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체.
    수학식 1 : 0.43 ≤ [C] + [Mn]/6 + [Cr]/5 ≤ 0.51
    (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
  13. 제7항에 있어서,
    상기 고인성 용접부는
    인장강도(TS) : 1000 ~ 1700MPa 및 항복강도(YS) : 800 ~ 1300MPa을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 성형체.
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