KR101482336B1 - 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일측면은 열간 프레스 성형 전에 블랭크의 온도범위를 다르게 설정해줌으로써, 내식성 및 도장 밀착성 등의 품질이 우수한 열간 프레스 성형품을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 더불어, 열간 프레스 성형 전에 자유로운 온도제어를 통하여, 이종 강도 적용에 자유도를 확보하고자 한다.

Description

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

본 발명은 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법에 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 열간프레스 성형 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.

열간 프레스 성형은 통상 800~900℃로 강판을 가열한 상태에서 프레스 가공을 거치게 되는데 가열시 강판 표면이 산화되어 스케일이 생성되게 된다. 따라서 제품 성형후 스케일을 제거하는 쇼트 브라스트와 같은 별도의 공정이 필요하게 되며, 제품의 내식성 또한 도금재에 비하여 열위하게 된다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하고자, 특허문헌 1에서와 같이 강판 표면에 Al계 도금을 실시하여 가열로에서 도금층이 유지되면서 강판 표면의 산화 반응을 억제하고 Al의 부동태 피막 형성하여 내식성을 증대시키는 제품이 개발되어 상용화 되어 있다.

그러나, 상기 Al계 도금이 행해진 프레스 성형품은 도장 밀착성이 열위되어 안정화된 프레스 성형품을 제공하는데 문제가 있으며, 또한, 이종강도를 다양하게 제어하는 것이 어려운 문제가 있다.

또한, 열간프레스성형용 소재는 오스테나이트화 된 후 냉각 과정에서 냉각 속도에 따라 다른 물성을 얻게 된다. 열간프레스성형용 소재는 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. 냉각속도의 차이를 발생시키기 위한 방법으로는 금형과 소재와의 접촉면적의 차이를 통하여 제어하는 방법, 금형의 일부분은 냉각, 일부분은 가열에 의해 냉각속도를 제어하는 방법, 열전달계수가 크게 차이 나는 금형재질을 이용하는 방법 등이 있다.

그러나, 상기와 같이 냉각속도의 제어를 통한 이종 영역을 갖는 열간프레스 성형품을 제공하는 경우에는 충돌성능이 최적화된 다양한 강도 조합의 이종강도 부품을 제조하는데 한계가 있다.

미국등록특허 US6296805호

본 발명의 일측면은 열간 프레스 성형 전에 블랭크의 온도범위를 다르게 설정해줌으로써, 내식성 및 도장 밀착성 등의 품질이 우수한 열간 프레스 성형품을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. 더불어, 열간 프레스 성형 전에 자유로운 온도제어를 통하여, 이종 강도 적용에 자유도를 확보하고자 한다.

본 발명의 일측면인 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크 전체를 A₁~A₃의 온도범위로 가열하는 단계, 상기 전체 가열된 블랭크의 일부분에 대해서는 A₃ 이상으로 계속 가열하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 냉각하는 단계, 상기 블랭크 전체를 성형하는 단계 및 상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에서와 같이 열간 프레스 성형 전에 부분별로 자유롭게 온도 제어를 행함으로써, 서로 다른 강도 및 물성을 갖는 영역이 하나의 부품에 존재할 수 있도록 함과 동시에 강도 적용에 자유도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이로 인해 차량의 경량화 및 충돌 성능 최적화를 위해 적용될 수 있으며, 냉각속도를 제어할 필요 없이 복잡한 형상의 부품을 원하는 강도를 갖도록 제조할 수 있으므로 공정 설계가 용이하며, 형상 정밀도 및 도장 밀착성이 우수한 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품을 안정적으로 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 부위별 강도 분포를 갖는 열간프레스 성형품의 일예이다.
도 2의(a)는 Al-Si 도금재를 700℃로 가열한 시편의 도금층을 보여주는 SEM사진이고, 도 2의(b)는 상기 Al-Si 도금재를 800℃로 가열한 시편의 도금층을 보여주는 SEM 사진이다.
도 3은 본 발명의 전체 블랭크의 가열 후에 일부분을 2차 가열, 일부분을 냉각하는 패턴의 개념을 나타낸 그래프이다.
도 4의 (a)는 800℃로 가열 후 900℃로 추가 가열한 시편의 온도에 대한 팽창을 나타낸 그래프이고, 도 4의 (b)는 800℃로 가열 후 600℃로 냉각한 시편의 온도에 팽창을 나타낸 그래프이다.
도 5의 (a)는 도 3의 (a)의 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 5의 (b)는 도 3의 (b)의 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 6은 800℃로 가열 후 900℃로 가열된 부분과 800℃ 가열 후 600℃ 냉각한 후 급냉한 시편의 비커스 경도를 측정하고 인장강도를 환산하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 여러 A₁~A₃ 온도 사이로 가열 후 여러 A₁ 이하의 온도로 냉각한 800℃로 냉각한 후 급냉한 시편의 비커스 경도를 측정하고 인장강도를 환산하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 발명자들은 종래의 문제점을 해결하기 위해 연구를 행한 결과, 열간 프레스를 행하기 전에 하나의 물품에 다른 온도 영역으로 열처리를 행함으로써, 형상 정밀도 및 도장 밀착성이 우수하고, 열간 프레스 성형품을 원하는 강도를 갖도록 제조하는 것이 가능한 것을 하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일 측면인 열간 프레스 성형을 이용하여 성형품을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면인 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크 전체를 A₁~A₃의 온도범위로 가열하는 단계, 상기 전체 가열된 블랭크의 일부분에 대해서는 A₃ 이상으로 계속 가열하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 냉각하는 단계, 상기 블랭크 전체를 성형하는 단계 및 상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함한다.

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

보다 바람직하게는 비도금재, Al-Si계 및 Zn계 도금물질로 도금된 블랭크이면 충분하다. 보다 더 바람직하게는 Al-Si계 및 Zn계 도금물질로 도금된 블랭크이면 충분하다.

본 발명에서는 먼저 열간프레스 성형에 앞서, 도 3에 나타난 바와 같이 블랭크 전체를 A₁~A₃의 온도범위까지 가열하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 A₁~A₃의 온도범위까지 가열함으로써, 도금층내 합금화가 충분히 이루어질 수 있으며, 그 결과 도금층내 Al-rich층 형성 억제 및 Zn 도금층 두께의 향상 효과를 얻을 수 있다.

즉, 도 2의(a)에 나타난 바와 같이, Al-Si 도금재를 700℃까지 가열한 경우의 시편과 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, Al-Si 도금재를 800℃까지 가열한 경우의 시편을 각각 SEM사진을 찍어 살펴보면, 도 2의 (a)의 경우 도금재를 충분히 가열되지 않아 표시된 부분과 같이, Al-rich 층이 존재함을 확인할 수 있다. 반면, 도 2의 (b)의 경우 충분히 가열되어, Al-rich층 형성 억제되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기와 같은 합금화 과정을 거친 후 블랭크의 각 부분은 설계된 강도에 따라 A₃ 이상의 온도 영역으로 가열되거나, A₁ 이하의 온도 영역으로 냉각된다. 이와 같은 방법은 특히, 저온영역의 블랭크 즉, A₁ 이하의 영역에서 프레스되는 블랭크가 상기 온도로 가열된 후 바로 프레스 하는 방법에 비하여 도금층에서 높은 합금화도를 가지므로 도금층내 Al-rich층 형성 억제 및 Zn 도금층 두께의 향상 효과를 얻을 수 있다.

즉, 상기 전체 가열된 블랭크의 일부분에 대해서는 A₃ 이상으로 계속 가열하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 냉각하는 것이 바람직하다.

이후, 바람직한 한가지 구현례에 따르면 이와 같이 온도 차이를 가진 채 일정시간 블랭크의 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기와 같이 온도 차이를 가진 블랭크를 일정시간 유지하는 것은 A₁과 A₃ 사이로 가열된 후 A₁ 이하로 냉각된 부위에서 A₁~A₃ 사이로 가열되었을 때 오스테나이트로 변태되었던 상을 다른 상 즉, 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 조직 중 1종 이상으로 변태가 되는 시간을 확보하기 위함이다.

이후 성형 및 냉각 단계에서 급냉을 통해 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태를 하게 되는데, A₃ 이상으로 가열된 부위는 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되는 것을 목적으로 하지만 A₁ 이하로 냉각되어 유지된 부위는 이러한 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되게 되면 강도가 증가하게 되므로 피해야 할 필요가 있다. 따라서, 성형 및 냉각전에 충분한 유지 시간을 주어 변태되었던 오스테나이트를 다른 상으로 변태를 시켜 주어야 한다.

상기 유지시간은 5~60초인 것이 바람직하다. 상기 유지시간이 5초 미만인 경우에는 A₁~A₃ 온도로 가열되었다가 A₁ 이하로 냉각되었던 부위에서 변태되었던 오스테나이트가 다른 상으로 완전히 변태가 되지 않는 문제가 있으며, 60초를 초과하는 경우 공정 시간이 길어져서 경제성이 떨어지는 문제가 있다.

상기 일정시간 유지한 블랭크에 대하여 성형을 유지된 블랭크 전체에 대하여 열간 프레스 성형을 행하고 냉각하는 공정을 행한다. 이와 같은 방법을 통하면 초기 블랭크의 온도 및 조직이 상이하기 때문에 유사한 급속 냉각속도를 갖더라도 A₃ 이상으로 가열된 부분은 냉각 후 마르텐사이트 조직을 갖고, A_l 이하로 가열된 부분은 냉각 후 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 조직을 갖게 되어 최종 물성이 다른 부품을 얻게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

가로 1mm, 세로 4mm 및 높이 10mm인 보론이 첨가된 냉연 열간성형용 시편을 마련한 후, A₁~A₃ 사이 온도인 800℃까지 가열한 후 상기 시편의 일부분을 추가적으로 A₃ 온도 이상인 900℃까지 가열하고, 5초 동안 유지한 후 50℃/초의 냉각속도로 냉각시켰다.

상기 냉연 열간성형용 시편의 일부분을 A₃ 온도 이상으로 가열을 행한 부분의 온도에 대한 팽창을 도 4의 (a)에 나타내었다. 상기 팽창은 팽창시험기(dilatometer)를 이용하여 측정하였다. 도 4의 (a)에서 보는 바와 같이 900℃의 가열 온도 및 5초의 유지 시간만으로도 오스테나이트 및 냉각에 의한 마르텐사이트 변태가 완전히 이루어짐을 볼 수 있다.

더불어, 도 4의 (b)는 상기 냉연 열간성형용 시편에서 A₁~A₃사이 온도인 800℃로 가열한 후 상기 시편의 나머지 부분을 A₁ 이하의 온도인 600℃로 냉각한 후 50℃/초의 냉각속도로 냉각한 부분의 온도와 팽창(dilatation)에 대하여 관찰하고 그 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이 A₁~A₃ 온도로 가열한 후 A₁ 이하의 온도인 600℃로 30초 유지할 경우 A₁~A₃ 사이의 온도로 가열되었을 때 생성된 오스테나이트가 600℃로 유지하는 동안 다른 상으로 변태되어 이후 성형 단계에서 2차 냉각을 하더라도 마르텐사이트가 생성되지 않음을 볼 수 있다.

도 5의 (a) 및 (b)는 각각 열간프레스 성형 후 시편의 각각 도 4의 (a)와 도 4의 (b)에 관한 부분의 광학 현미경 사진이다. A₁~A₃온도로 가열한 후 추가적으로 A₃ 온도 이상까지 가열된 시편은 냉각 후에 마르텐사이트 조직을 가지는 것을 확인할 수 있으며, A₁~A₃온도로 가열한 후 A₁ 이하의 온도인 600℃로 냉각한 시편은 냉각 후에 마르텐사이트가 생성되지 않음을 확인할 수 있다.

이에 대하여 도 6에서는 도 4의 (a) 및 (b) 부분에 대한 비커스 경도를 측정하고, 이를 인장강도로 환산하여 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, 도 4의 (a)는 약 1500MPa 정도의 높은 강도를 가지고 있으며, 도 4의 (b)는 약 600MPa 정도의 낮은 강도를 가지는 것을 확인할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품을 제조하는 방법에 있어서,
   블랭크 전체를 A₁~A₃의 온도범위로 가열하는 단계;
   상기 전체 가열된 블랭크의 일부분에 대해서는 A₃ 이상으로 계속 가열하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 냉각하는 단계;
   상기 블랭크 전체를 성형하는 단계; 및
   상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함하고,
   상기 블랭크의 일부분에 대해서는 A₃ 이상으로 계속 가열하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 냉각하는 단계에서 상기 가열되거나 상기 냉각된 블랭크의 각 부분을 해당 온도에서 5~60초 유지하며,
   상기 5~60초의 유지 시간동안 A₁ 이하로 냉각되는 부분은 오스테나이트가 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 조직 중 1 종 이상으로 변태되는 것인,
   이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 블랭크는 Al-Si 도금재 또는 Zn 도금재 중 1종인 것을 특징으로 하는 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법.
   
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 A₃이상으로 계속 가열되는 부분은 성형 후 마르텐사이트 조직을 가지며, 상기 A₁ 이하로 냉각되는 부분은 성형 후 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중에서 선택된 1종 이상의 조직을 갖는 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 블랭크는 Al-Si계 또는 Zn계 도금물질로 도금된 것인 이종 강도 영역을 갖는 열간 성형품의 제조방법.

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