KR101333977B1 - 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

내식성을 갖는 아연도금 핫 스탬핑 부품 제조시 가열로의 산소농도와 승온속도를 제어하여 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법은 (a) 0.8 ~ 3.0 중량%의 망간(Mn)을 함유하는 강판을 산세한 후, 냉간압연하는 단계; (b) 상기 냉연압연된 강판을 500 ~ 700℃까지 급속 가열한 후, 700 ~ 900℃에서 소둔 열처리하는 단계; (c) 상기 소둔 열처리된 강판을 냉각하는 단계; (d) 상기 냉각된 강판을 440 ~ 520℃에서 60 ~ 200초 동안 과시효 처리를 실시한 후, 용융아연도금 및 합금화 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 용융아연도금 및 합금화 열처리된 강판을 850 ~ 930℃에서 180 ~ 600초 동안 열처리한 후, 핫 스탬핑하는 단계;를 포함하며, 상기 (e) 단계시, 상기 핫 스탬핑 열처리 분위기는 가스 내의 산소 농도를 10 ~ 21%로 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법{HOT STAMPING PARTS WITH EXCELLENT SURFACE PROPERTY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핫 스탬핑 가열시 산소 농도를 10 ~ 21w%의 조건으로 최적화함으로써 아연도금층 내에 농화된 망간에 의한 아연도금의 용융 및 증발을 억제하는 것을 통해 우수한 내열성을 확보할 수 있는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
냉연강판은 주로 자동차, 가전제품 등에 사용되며, 품질에 대한 고급화 및 다양화에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히, 자동차, 가전제품 등에 적용되는 냉연강판은 표면 품질과 가공성이 우수할 것을 요구한다.
그러나, 미도금 처리된 냉연강판의 경우에는 핫 스탬핑을 위한 열처리시 고온산화 스케일을 발생시키며, 부식저항성이 취약하기 때문에 Al-Si 도금, 아연도금을 실시하게 된다. 이 중, Al-Si 도금의 경우에는 도금액이 상대적으로 고가이기 때문에 제조 비용을 상승시키는 요인으로 작용할 뿐만 아니라, 핫 스탬핑 성형시 도금 크랙의 발생으로 국부적인 부식 발생을 초래하는 요인으로 작용한다.
이에 따라 일부에서는 아연도금을 실시하고 있으나, 아연도금을 실시할 경우 핫 스탬핑을 위한 열처리시 대략 890℃를 초과하는 온도에서 아연도금이 용융 및 증발되는 문제가 있다.
관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2012-0074396호(2012.07.06. 공고)가 있으며, 상기 문헌에는 내열성 및 내식성이 우수한 열간프레스 성형부품이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 핫 스탬핑 가열과정 중에 도금 내에 아연이 용융 및 증발되어 표면결함을 야기하고 더불어 용융된 아연이 모재의 결정립계로 침투하여 고온 성형시 크랙이 발생하는 것을 미연에 방지할 수 있는 내열성이 우수한 핫 스탬핑 용융아연도금강판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어, 아연도금층 내에 망간의 농화로 핫 스탬핑 가열 중에Zn-Mn 산화물층이 생성됨으로써, 아연도금의 용융 및 증발이 억제되고 아연의 액화금속 취화현상 문제를 개선할 수 있는 핫 스탬핑 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법은 (a) 중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0.1% 이하, S : 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강판을 산세한 후, 냉간압연하는 단계; (b) 상기 냉간압연된 강판을 500 ~ 700℃까지 가열한 후, 700 ~ 900℃에서 소둔 열처리하는 단계; (c) 상기 소둔 열처리된 강판을 냉각하는 단계; (d) 상기 냉각된 강판을 440 ~ 520℃에서 60 ~ 200초 동안 과시효 처리를 실시한 후, 용융아연도금 및 합금화 열처리하는 단계; 및 (e) 상기 용융아연도금 및 합금화 열처리된 강판을 850 ~ 930℃에서 180 ~ 600초 동안 열처리한 후, 핫 스탬핑하는 단계;를 포함하며, 상기 (b) 단계에서, 상기 소둔 열처리는 H2 + N2의 환원 가스 분위기에서 -20 ~ -60℃로 노점을 관리하여 Fe 산화물만을 환원시키고, 상기 (e) 단계시, 상기 핫 스탬핑 열처리는 600 ~ 800℃ 구간에서 7℃/sec 이하의 속도로 승온시키고, 상기 핫 스탬핑 열처리 분위기는 가스 내의 산소 농도를 10 ~ 21wt%로 제어하되, 상기 산소 농도는 질소가스의 투입압력으로 제어하여 아연도금층에 농화된 망간성분이 아연보다 먼저 산화되도록 유도하며, 상기 (e) 단계 이후, 핫 스탬핑 부품 표면에 아연(Zn)과 망간(Mn)을 함유하는 산화물이 생성되어 표면결함을 억제하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 부품은 중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0.1% 이하, S : 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 모재; 상기 모재의 표면에 형성되는 아연도금층; 및 상기 아연도금층 상에 핫 스탬핑 열처리 과정에서 생성되는 산화층;을 포함하며, 상기 모재는 1,000 ~ 2,000MPa의 인장강도(TS)를 갖고, 상기 아연도금층은 중량%로, Mn : 0.15 ~ 0.50%, Fe : 9 ~ 12% 및 나머지 Zn을 포함하며, 10 ~ 30㎛의 두께를 갖고, 상기 산화층은 아연과 망간성분을 함유한 산화물로 이루어지되, 상기 아연도금층 위에 아연(Zn)과 망간(Mn)을 함유하는 산화물이 생성되어 표면결함을 억제하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 소둔 열처리시 급속 가열 구간에서 공연비를 0.8 ~ 1.3으로 엄격히 제어함과 더불어 핫 스탬핑 가열과정 중 산소 농도를 10 ~ 21w%로 엄격히 제어하여 소둔 열처리와 아연 도금 이후 도금층에 농화된 망간(Mn)을 이용해 핫 스탬핑 가열과정 중 아연 도금층 표면에 Zn-Mn 산화물층을 생성시켜 우수한 내열성을 확보함으로써, 액화금속 취화현상을 미연에 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 도 1의 소둔 열처리 단계부터 용융아연도금 및 합금화 열처리 단계까지의 세부 공정을 시간-온도 그래프로 나타낸 것이다.
도 3는 핫 스탬핑을 실시하기 전 상태의 실시예 10에 따른 시편의 아연도금층 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 핫 스탬핑을 실시한 후의 실시예 10에 따른 시편의 표면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 5는 핫 스탬핑 가열과정의 시간-온도 그래프를 나타낸 것이다.
도 6은 비교예 9에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이다.
도 7은 비교예 11에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이다.
도 8은 실시예 3에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이다.
도 9는 핫 스탬핑을 실시한 후의 실시예 10에 따른 시편의 아연도금층 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
핫 스탬핑 부품
본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품은 모재, 아연도금층 및 산화층을 포함한다.
모재는 중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0% 초과 ~ 0.1% 이하, S : 0% 초과 ~ 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철과 불가피한 불순물로 조성된다.
또한, 모재는 중량%로, Cr : 1.0% 이하, Mo : 0.5% 이하, Ti : 0.2% 이하, Nb : 0.1% 이하, Ni : 2.0% 이하, V : 1.0% 이하 및 B : 0.01% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있을 수 있다.
이때, 모재는 핫 스탬핑 이후 인장강도(TS) : 1,000 ~ 2,000MPa을 갖는다.
아연도금층은 핫 스탬핑 전에 모재의 표면에 형성된다. 이러한 아연도금층은 모재의 양측 표면에 각각 형성되어 있을 수 있다.
이때, 아연도금층은 중량%로, Mn : 0.15 ~ 0.50%, Fe : 9 ~ 12% 및 나머지 Zn을 포함하며, 40 ~ 70g/㎡의 부착량을 갖는다.
이러한 아연도금층은 핫스탬핑 전에 6 ~ 10㎛의 두께를 갖지만 핫스태핑 이후에는 10 ~ 30㎛의 두께를 갖는다. 이러한 변화는 핫 스탬핑 과정에서 850℃이상으로 가열됨에 따라 모재의 성분과 도금층의 성분이 상호 확산됨에 따라 나타난다.
산화층은 핫 스탬핑 가열중에 생성되며 아연과 망간성분을 함유한 산화물로 이뤄진 것이 특징이다. 특히, 본 발명에서는 핫 스탬핑 가열중에 산소 농도를 10 ~ 21w%로 엄격히 제어하여 아연도금층에 농화된 망간성분이 아연보다 먼저 산화되도록 유도한다. 핫 스탬핑 가열중에 도금층 표면에 망간 산화물이 먼저 생성되어 도금층을 보호함에 따라 아연성분의 액화와 기화에 의한 표면결함이 억제되어 보다 우수한 표면 품질을 갖게 된다.
이하, 본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도를 확보하기 위한 목적으로 첨가된다. 핫 스탬핑은 강판을 오스테나이트 변태온도 이상으로 가열한 후 고온상태에서 성형 후 급랭하여 마르텐사이트 변태를 유도하는 공법으로 탄소는 마르텐사이트 변태를 유도하기 위해서는 반드시 첨가되어야 한다. 탄소함량이 증가함에 따라 마르텐사이트 강도는 증가하며 적정함량 이상에서는 취성파괴의 원인이 된다.
상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.1 ~ 0.5 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 그 첨가 함량이 미미한 관계로 충분한 강도를 확보하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.5 중량%를 초과할 경우에는 취성파괴로 인해 오히려 인장강도가 크게 낮아진다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 고용강화 효과로 강도와 경화능을 향상시키는 역할을 한다.
상기 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.05 ~ 0.50 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미한 관계로 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 0.50 중량%를 초과할 경우에는 소둔 열처리과정에서 강판표면에 Si산화물이 다량 형성되어 용융아연도금이 잘 되지 않아 표면에 도금결함을 유발한다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 고용강화 효과와 경화능 향상을 위해 첨가되는 원소로써, 탄소와 마찬가지로 마르텐사이트 강도를 높이는 효과가 있다. 뿐 만 아니라 아연도금내 의도적으로 망간을 농화 시킴으로써 아연도금강판의 내열성을 확보하는데 매우 중요한 원소가 된다.
상기 망간(Mn)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.8 ~ 3.0 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.8 중량% 미만일 경우에는 직화가열로의 공연비를 제어하여도 아연도금층내 망간함량을 0.15% 이상 농화하기가 어려워진다. 그리고, 망간(Mn)의 함량이 3.0 중량%를 초과할 경우에는 핫스탬핑 이후에 취성파괴로 인한 인장강도 및 연신율 저하가 발생한다.
인(P)
인(P)은 고용강화효과가 큰 치환형 합금원소로서, 면내 이방성을 개선하고 강도를 향상시키는 역할을 하며, 고온성형시 아연에 의한 액화취화 현상을 억제하는 역할을 한다.
다만, 인(P)의 함량이 0.1 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 2차 가공 취성의 발생 및 P편석에 의한 표면결함이 발생하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.1 중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)의 함량이 0.05 중량%를 초과할 경우에는 고용된 황(S)의 함량이 너무 많아 연성 및 성형성이 크게 낮아질 수 있으며, 적열취성의 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.05 중량% 이하로 제한하였다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 제강 중에 탈산을 위한 목적으로 첨가되며, 열간압연시 질소(N)와 질화물 AlN을 석출하여 결정립 성장을 억제하는 역할을 한다.
상기 알루미늄(Al)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.01 ~ 0.10 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 알루미늄(Al)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 상기의 탈산 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 알루미늄(Al)의 함량이 0.10 중량%를 초과할 경우에는 제강 및 연주 조업시 개재물이 과다 형성되며, 연신율 및 r-value 값을 저하시키는 문제가 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 오스테나이트 안정화 원소로 소입성을 향상시키는 효과가 있다. 특히, 크롬(Cr)은 소둔 열처리시 Cr계 석출물을 입내에 석출하여 연신율을 증가시킨다.
다만, 크롬(Cr)의 함량이 1.0 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 도금성을 저해하는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 크롬(Cr)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 1.0 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성의 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.
다만, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.5 중량%를 초과하여 과다 첨가될 경우에는 용접성을 저하시킴과 동시에 탄화물의 석출에 의하여 연신율이 낮아지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 몰리브덴(Mo)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.5 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti)
본 발명에서 티타늄(Ti)은 TiC, TiN 석출물 형성원소로서, 재가열시 TiC, TiN 등의 고용탄소 및 고용질소를 석출시킨다. 또한, 티타늄은 고용탄소 및 고용질소를 석출시켜 비시효성과 가공성을 향상시키는 역할을 한다.
다만, 티타늄(Ti)의 함량이 0.2 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 TiC, TiN 석출물 등이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하되고, 제조되는 강판의 표면 결함을 유발시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 티타늄(Ti)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.2 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
니오븀(Nb)
니오븀(Nb)은 강력한 탄질화물 형성원소로써, 열간압연 시 강 중에 존재하는 탄소(C), 질소(N) 등과 반응하여 미세한 NbC, NbN 석출물 등을 형성하여 결정립 성장을 억제한다. 또한, 니오븀(Nb)은 결정립 미세화 효과를 통해 강도향상 및 2차 가공취성을 억제하는 효과를 갖는다.
다만, 니오븀(Nb)의 함량이 0.1 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 고용탄소량이 감소하여 핫스탬핑 이후 강도 확보가 어려워질 뿐만 아니라, 미세한 NbC, NbN 석출물이 다량 존재하여 오히려 인성을 저하시키는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 니오븀(Nb)의 함량을 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.1 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 오스테나이트 안정화 원소로써, 오스테나이트 변태온도를 낮춰 핫 스탬핑 열처리 온도를 낮추는 역할을 한다.
다만, 니켈(Ni)의 함량이 2.0 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 강판의 냉간가공성을 저하시킨다. 또한, 과다한 니켈(Ni)의 첨가는 강판의 제조 비용을 크게 상승시킨다. 따라서, 니켈(Ni)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 2.0 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 석출물 형성에 의한 석출강화 효과를 통하여 변태온도를 낮추고 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다.
다만, 바나듐(V)의 함량이 1.0 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 저온 충격인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 바나듐(V)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 1.0 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
보론(B)
보론(B)은 오스테나이트 입계에 석출되어 상변태를 지연시켜 강의 경화능을 향상시키는 원소이다.
다만, 보론(B)의 함량이 0.01 중량%를 초과하여 다량 첨가될 경우에는 재결정을 지연시켜 재질이 열화시키는 문제가 있다. 따라서, 보론(B)은 본 발명에 따른 용융아연도금강판 모재 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
핫 스탬핑 부품 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법은 산세 및 냉간압연 단계(S110), 소둔 열처리 단계(S120), 냉각 단계(S130), 용융아연도금 및 합금화 열처리 단계(S140) 및 핫 스탬핑 단계(S150)를 포함한다.
산세 및 냉간압연
산세 및 냉간압연 단계(S110)에서는 중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0% 초과 ~ 0.1% 이하, S : 0% 초과 ~ 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강판을 산세한 후, 냉간압연한다.
또한, 상기 강판에는 중량%로, Cr : 1.0% 이하, Mo : 0.5% 이하, Ti : 0.2% 이하, Nb : 0.1% 이하, Ni : 2.0% 이하, V : 1.0% 이하 및 B : 0.01% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있을 수 있다.
이때, 산세는 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
또한, 냉간 압연은 산세 처리된 강판을 냉간 압하율 : 60 ~ 80%로 냉간 압연하는 것이 바람직하다. 냉간 압하율이 60% 미만일 경우에는 열연 조직의 변형효과가 작다. 반대로, 냉간 압하율이 80%를 초과하는 경우에는 냉간 압연에 소요되는 비용이 상승할 뿐만 아니라, 드로잉성을 저해하고 강판의 가장자리에 균열의 발생으로 강판이 파단되는 문제를 야기할 수 있다.
소둔 열처리
소둔 열처리 단계(S120)에서는 냉간압연된 강판을 500 ~ 700℃까지 가열한 후, 700 ~ 900℃에서 소둔 열처리한다.
도 2는 도 1의 소둔 열처리 단계를 세부적으로 나타낸 공정 모식도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2를 참조하면, 소둔 열처리는 공기와 연료의 혼합기체를 강판표면에서 연소시켜 가열하는 직화 가열로(direct fired furnace : DFF)내에서 급속 가열하는 급속 가열 구간과 H2 + N2의 환원 가스 분위기의 간접 가열로(radiant tube furnace : RTF)내에서 가열 및 유지하는 소둔 열처리 구간으로 세분화될 수 있다.
이때, 급속 가열은 산화분위기에서 공연비 : 0.8 ~ 1.3 조건으로 실시하는 것이 바람직하다.
공연비는 직화 가열로에서 연료(LNG)를 연소시 투입되는 공기(air)와 연료의 비율을 말한다. 연료 1루베(㎥) 가 완전연소에 필요한 공기량은 10.548 루베이며 이 때 공연비가 1이다. 공연비 0.8은 공기 8.4384루베 / 연료 1루베이고, 공연비 1.3은 공기 13.7124 루베 / 연료 1 루베이다.
직화 가열로에서의 공연비가 0.8 미만일 경우에는 가열중에 약한 산화분위기로 유지되기 때문에 강판표면에Mn 산화물이 충분히 생성되지 못하여 용융아연도금 처리 후, 아연도금층 내에 함유되는 Mn 함량이 목표값에 도달하지 못하는 관계로 내열성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 직화 가열로에서의 공연비가 1.3을 초과할 경우에는 강한 산화분위기로 유지되기 때문에 Mn 산화물과 동시에 생성되는 Fe 산화물이 과도하게 발생하여 용융아연도금 처리시 Fe 산화물에 의한 표면 결함이 발생하는 문제를 유발할 수 있다.
이때, 본 발명에서 직화 가열로에서의 공연비는 강판에 함유된 Mn 함량(0.8 ~ 3.0wt, Fe 베이스)에 따라 다르게 제어하는 것이 바람직하다. 즉, 강판에 Mn 함량(대략 0.8 ~ 1.0wt)이 적을 경우에는 강한 산화분위기인 공연비 1.1 ~ 1.3으로 제어하고, 강판에 Mn 함량(대략 2.8 ~ 3.0wt)이 많을 경우에는 약한 산화분위기인 공연비 0.8 ~ 1.0으로 제어하는 것이 바람직하다.
이후, 가열 및 유지하는 소둔 열처리 구간에서는 간접 가열로에서 H2 + N2의 환원 가스 분위기로 노점을 관리하여 직화 가열로에서 생성된 Fe 산화물만을 환원시키는 것이 바람직하다. 이때, 노점은(dew point) -20 ~ -60℃로 제어하는 것이 바람직하다. 이는 직화 가열로 내에서 급속 가열되는 과정에서 강판 표면에 생성되는 Mn 산화물이 간접 가열로 내에서 환원되지 않고 표면에 잔존하도록 하여 용융도금 이후에 Mn 성분을 아연도금층내에 농화시키기 위함이다.
본 단계에서, 소둔 열처리 온도가 700℃ 미만일 경우에는 페라이트 재결정이 원활하지 이루어지지 않아 연성이 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 소둔 열처리 온도가 900℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립 크기 증가로 인하여 강판의 물성이 저하될 수 있다. 이때, 소둔 열처리는 100 ~ 300초 동안 실시하는 것이 바람직하나, 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
냉각
냉각 단계(S130)에서는 소둔 열처리된 강판을 480 ~ 540℃까지 냉각한다. 이때, 냉각은 가스젯 쿨링(Gas Jet Cooling : GJC) 등의 방식으로 실시될 수 있다.
본 단계에서, 냉각 온도가 480℃ 미만일 경우, 강판이 과시효대(OAS)를 지나 아연 욕에 침적될 때 강판온도가 너무 낮아져 도금결함을 야기할 수 있다. 반대로, 냉각 온도가 540℃를 초과할 경우에는 냉각 과정에서 오스테나이트가 페라이트, 베이나이트로 변태하여 재질 불균일을 유발한다. 이때, 냉각은 5℃/sec 이상의 속도로 실시하는 것이 바람직하지만 반드시 이에 제한될 필요는 없다.
용융아연도금 및 합금화 열처리
용융아연도금 및 합금화 열처리 단계(S140)에서는 냉각된 강판을 과시효대(Over Aging Section : OAS)에서 60 ~ 200초간 유지한 후, 용융아연도금 및 합금화 열처리한다.
이때, OAS 구간에서는 440 ~ 520℃의 온도에서 60 ~ 200초간 유지하는 것이 바람직하다. 과시효대(Over Aging Section)에서440℃ 미만의 온도로 유지되거나, 또는 60초 미만으로 유지될 경우에는 재질이 불균일해지고 아연 욕에 침적될 때 강판온도가 너무 낮아져 도금결함을 야기할 수 있다.
반대로, 과시효대에서 520℃를 초과하는 온도로 유지되거나, 또는 200초를 초과할 경우에는 연신율이 급격히 저하되는 문제가 있다.
본 단계에서, 용융아연도금 및 합금화 열처리는 과시효 처리된 강판을 아연 욕에 침적하여 용융아연도금을 실시한 다음, 합금화 열처리를 실시하는 방식으로 진행될 수 있다. 여기서, 도금액은 중량%로 Al : 0.05 ~ 0.25%, Fe : 0.05% 이하, Pb : 0.003% 이하 및 나머지 Zn을 포함하며, 아연도금 40 ~ 70g/㎡의 부착량(한 측면 기준)을 가질 수 있다. 여기서, Al은 Fe-Zn간의 급속한 반응을 방지하기 위한 목적으로 첨가된다. Al은 0.05 ~ 0.25wt%의 함량으로 첨가하는 것이 바람직하다. Al의 함량이 0.05wt% 미만일 경우에는 FeAl5 반응 억제층 형성이 미비하다. 반대로, Al의 함량이 0.25wt%를 초과할 경우에는 과도한 FeAl5 반응 억제층 형성으로 Fe와 Zn의 합금화 반응이 억제될 수 있다.
이때, 용융아연도금시, 도금욕은 440 ~ 480℃로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 합금화 열처리 온도는 460 ~ 570℃인 것이 바람직하다. 합금화 열처리 온도가 570℃를 초과할 경우에는 재질 저하가 발생할 수 있다. 반대로, 합금화 열처리 온도가 460℃ 미만으로 너무 낮을 경우에는 합금화 도금층 내에 망간농화가 충분하게 이뤄지지 않아 원하는 망간함량을 확보하기 어렵다.
핫 스탬핑
도 5 핫 스탬핑 가열과정의 시간-온도 그래프를 나타낸 것으로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5을 참조하면, 핫 스탬핑 단계(S150)에서는 용융아연도금 및 합금화 열처리된 강판을 850 ~ 930℃에서 180 ~ 600초 동안 열처리한 후, 핫 스탬핑한다.
이때, 핫 스탬핑 열처리 온도가 850℃ 미만이거나, 또는 핫 스탬핑 열처리 시간이 180초 미만일 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 뿐만 아니라, 급격한 인성 저하로 프레스 성형성이 저하되는 문제가 있다. 반대로, 핫 스탬핑 열처리 온도가 930℃를 초과하거나, 또는 핫 스탬핑 열처리 시간이 600초를 초과할 경우에는 온도 상승 효과 대비 강도 향상 효과가 미미하므로, 제조 비용만을 상승시키는 요인으로 작용할 수 있다.
특히, 핫 스탬핑 열처리는 600 ~ 800℃ 구간에서 7℃/sec 이하의 속도로 승온시키는 것이 바람직하다. 이때, 600 ~ 800℃ 구간에서 7℃/sec 이하의 속도로 승온시키는 이유는 상기의 온도 구간에서 표면에 유효한 Mn 산화물을 생성시키기 위한 시간을 충분히 확보하기 위함이다.
본 단계시, 핫 스탬핑 열처리 분위기는 가스 내의 산소 농도를 10 ~ 21w%로 제어하는 것이 바람직하다. 이때, 가열로 내의 산소 농도는 질소가스의 투입압력으로 제어하게 된다.
특히, 핫 스탬핑 가열로 내의 산소에 의해 아연도금내 농화된 Mn이 고온에서 Mn 산화물을 형성하는 것을 알아내었으며, 산소 농도를 14 ~ 18w%로 제어하는 것이 가장 적합하다는 것을 알아내었다. 가열로 내의 전체 가스 대비 산소 농도가 10w% 미만일 경우에는 Mn 산화물이 충분히 형성되지 않아 아연도금의 용융 및 증발에 의한 표면 결함을 유발할 수 있다. 반대로, 가열로 내의 전체 가스 대비 산소 농도가 19w%를 초과할 경우에는 강판 표면에 산화물이 과잉으로 생성되어 표면 불량을 유발할 수 있다. 또한, 가열로 내의 전체 가스 대비 산소 농도가 21w%를 초과할 경우에는 산소 과잉으로 Fe 산화물이 생성되어 아연도금층의 박리가 발생하는 문제를 유발할 수 있다.
이러한 핫 스탬핑 단계(S150) 이후, 강판 표면에는 Zn-Mn 산화물이 형성되어 강판 표면을 보호하는데 이는 핫 스탬핑 열처리시 승온속도와 산소 농도를 10 ~ 21w%로 엄격히 제어한 데 기인한 것으로 파악된다.
상기의 과정으로 제조되는 핫 스탬핑 부품은 합금성분 조절 및 제조공정 조건을 엄격히 제어함으로써, 핫 스탬핑 성형(고온 성형)중 아연도금액이 용융되어 모재의 결정립계로 침투하여 고온 성형시 크랙이 발생하는 것을 미연에 방지함으로써 우수한 내열성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 인장강도(TS) : 1,000 ~ 2,000MPa의 고강도를 갖는다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 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. 시편의 제조
표 1의 조성으로 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 12에 따른 시편을 제조하였다. 이때, 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 11은 열연시편을 산세 처리한 후, 냉간압연한 다음 직화가열로의 공연비를 달리하여 산화분위기에서 700℃까지 급속 가열한 후, 750℃에서 소둔 열처리를 실시하였다. 비교예 12는 열연시편을 산세 처리한 후, 냉간압연한 다음 간접가열로에서 700℃까지 급속 가열한 후, 750℃에서 소둔 열처리를 실시하였다. 이후, 510℃까지 냉각한 후, OAS 구간에서 150초 동안 유지한 다음 용융아연도금 및 합금화 열처리를 실시하고 나서 핫 스탬핑을 수행하였다. 이때, 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 12의 시편에 대한 직화가열로의 공연비 및 핫 스탬핑 열처리 온도는 표 2에 기재된 조건으로 실시하였다. 그리고, 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 12의 시편에 대한 용융아연도금 및 합금화 열처리는 460℃로 도금욕을 유지한 후, 중량%로 Al : 0.20%, Fe : 0.05% 이하, Pb : 0.003% 이하 및 나머지 Zn로 조성되는 도금액에 침지시켜 아연도금을 실시하고 나서 540℃에서 합금화 열처리를 실시하였다. 이후, 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 12에 따른 시편에 대하여 각 온도에서 핫스탬핑한 후 인장시험을 실시하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112013025941964-pat00001
2. 기계적 물성 및 표면품질 평가
표 2는 실시예 1 ~ 19 및 비교예 1 ~ 12에 따라 제조되는 시편들에 대한 기계적 물성과 표면품질에 대한 평가결과를 나타낸 것이다. 표면품질은 1~5등급까지 표면 결함 수준에 따라 평가하였으며, 3등급 이상은 표면결함이 많아 적용이 불가능한 수준이다.
[표 2]
Figure 112013025941964-pat00002
표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 ~ 19에 따른 시편들의 경우, 핫 스탬핑을 실시한 이후, 표면결함 거의없이 목표로 하는 인장강도(MPa) : 1,000 ~ 2,000MPa를 모두 만족하는 것을 알 수 있다.
반면, 비교예 1 ~ 8에 따른 시편들의 경우, 핫 스탬핑을 실시한 이후, 인장강도가 목표값인 1,000 ~ 2,000MPa에 모두 미달하는 것을 알 수 있다. 특히, 비교예 3에 따른 시편은 인장강도가 621MPa에 불과한 것을 알 수 있다. 그리고 비교예 1 과 11 시편의 경우 용융아연도금이 되지 않는 미도금 결함이 발생하였고 비교예 2 ~ 3, 7, 9 ~ 10 그리고 12에 따른 시편들의 경우 핫 스탬핑 후 표면에서 아연도금의 증발 및 용융으로 인한 결함들이 많이 나타나 적용이 불가능한 수준이다.
도 3은 핫 스탬핑을 실시하기 전 상태의 실시예 10에 따른 시편을 나타낸 아연도금층 단면 사진이고, 도 4는 핫 스탬핑을 실시한 후의 실시예 10에 따른 시편을 나타낸 표면 사진이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 10에 따른 시편의 경우에는 핫 스탬핑을 실시한 전 상태에서 도금층은 중량%로 Mn : 0.32%, Fe : 11% 및 나머지 Zn을 포함하고 있으며 도금층의 두께는 약 10㎛ 이다. 핫 스탬핑을 실시한 후 표면에는 아연과 망간 산화물이 생성되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 6은 비교예 9에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이고, 도 7은 비교예 11에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이며, 도 8은 실시예 3에 따라 제조된 시편을 나타낸 표면 사진이다.
먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 가열로내의 전체 가스 중 산소 농도가 5w%인 조건으로 실시된 비교예 9에 따른 시편의 경우에는 핫 스탬핑 이후 가열로내의 산소 결핍에 의한 표면 불량이 발생한 것을 확인할 수 있다. 이는 산소 결핍에 의해 Mn 산화물이 충분히 형성되지 않아 Zn 도금의 용융 및 기화에 의한 표면 결함인 것으로 판단된다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 가열로내의 전체 가스 중 산소 농도가 23%인 조건으로 실시된 비교예 11에 따른 시편의 경우에는 핫 스탬핑 이후 산소 과잉으로 과다한 산화물 형성으로 인해 표면 불량이 발생한 것을 확인할 수 있다.
반면, 도 8에 도시된 바와 같이, 가열로내의 전체 가스 중 산소 농도가 16w%인 조건으로 실시된 실시예 3에 따른 시편의 경우에는 표면 결함 없이 매끄러운 표면을 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 9는 실시예 10에 따른 시편의 핫 스탬핑 이후 도금층 단면을 전자현미경으로 관찰한 사진이다. 핫스탬핑 이후 도금표면에 Zn, Mn 산화물이 생성되어 표면을 보호하고 있는 것을 확인할 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.
S110 : 산세 및 냉간압연 단계
S120 : 소둔 열처리 단계
S130 : 냉각 단계
S140 : 용융아연도금 및 합금화 열처리 단계
S150 : 핫 스탬핑 단계

Claims (14)

  1. (a) 중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0.1% 이하, S : 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강판을 산세한 후, 냉간압연하는 단계;
    (b) 상기 냉간압연된 강판을 500 ~ 700℃까지 가열한 후, 700 ~ 900℃에서 소둔 열처리하는 단계;
    (c) 상기 소둔 열처리된 강판을 냉각하는 단계;
    (d) 상기 냉각된 강판을 440 ~ 520℃에서 60 ~ 200초 동안 과시효 처리를 실시한 후, 용융아연도금 및 합금화 열처리하는 단계; 및
    (e) 상기 용융아연도금 및 합금화 열처리된 강판을 850 ~ 930℃에서 180 ~ 600초 동안 열처리한 후, 핫 스탬핑하는 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계에서, 상기 소둔 열처리는 H2 + N2의 환원 가스 분위기에서 -20 ~ -60℃로 노점을 관리하여 Fe 산화물만을 환원시키고,
    상기 (e) 단계시, 상기 핫 스탬핑 열처리는 600 ~ 800℃ 구간에서 7℃/sec 이하의 속도로 승온시키고, 상기 핫 스탬핑 열처리 분위기는 가스 내의 산소 농도를 10 ~ 21wt%로 제어하되, 상기 산소 농도는 질소가스의 투입압력으로 제어하여 아연도금층에 농화된 망간성분이 아연보다 먼저 산화되도록 유도하며,
    상기 (e) 단계 이후, 핫 스탬핑 부품 표면에 아연(Zn)과 망간(Mn)을 함유하는 산화물이 생성되어 표면결함을 억제하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강판에는
    중량%로, Cr : 1.0% 이하, Mo : 0.5% 이하, Ti : 0.2% 이하, Nb : 0.1% 이하, Ni : 2.0% 이하, V : 1.0% 이하 및 B : 0.01% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 가열은 산화분위기에서 공연비 : 0.8 ~ 1.3 조건으로 실시하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조 방법.

    (여기서, 공연비 0.8은 공기 8.4384루베(㎥) / 연료 1루베이고, 공연비 1.3은 공기 13.7124 루베 / 연료 1 루베이며, 상기 공연비 1 루베는 연료 1 루베를 완전연소시킬 때 필요한 공기량은 10.548 루베임.)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 합금화 열처리는
    460 ~ 570℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 용융아연도금 및 합금화 열처리에 의해 강판의 표면에 형성되는 아연도금층은 중량%로, Mn : 0.15 ~ 0.50%, Fe : 9 ~ 12% 및 나머지 Zn을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제1항, 제3항, 제5항 내지 제7항 중 선택된 한 항에 기재된 핫 스탬핑 부품 제조 방법으로 제조된 핫 스탬핑 부품으로써,
    중량%로, C : 0.1 ~ 0.5%, Si : 0.05 ~ 0.50%, Mn : 0.8 ~ 3.0%, P : 0.1% 이하, S : 0.05% 이하, Al : 0.01 ~ 0.10% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 모재; 상기 모재의 표면에 형성되는 아연도금층; 및 상기 아연도금층 상에 핫 스탬핑 열처리 과정에서 생성되는 산화층;을 포함하며, 상기 모재는 1,000 ~ 2,000MPa의 인장강도(TS)를 갖고, 상기 아연도금층은 중량%로, Mn : 0.15 ~ 0.50%, Fe : 9 ~ 12% 및 나머지 Zn을 포함하며, 10 ~ 30㎛의 두께를 갖고, 상기 산화층은 아연과 망간성분을 함유한 산화물로 이루어지되, 상기 아연도금층 위에 아연(Zn)과 망간(Mn)을 함유하는 산화물이 생성되어 표면결함을 억제하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서,
    상기 모재는
    중량%로, Cr : 1.0% 이하, Mo : 0.5% 이하, Ti : 0.2% 이하, Nb : 0.1% 이하, Ni : 2.0% 이하, V : 1.0% 이하 및 B : 0.01% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품.
  14. 삭제
KR1020130031977A 2013-03-26 2013-03-26 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법 KR101333977B1 (ko)

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