KR101560915B1 - 표면크랙 발생이 억제된 열간프레스용 아연도금강판, 그리고 이를 이용한 열간프레스성형품 및 그 제조방법 - Google Patents

표면크랙 발생이 억제된 열간프레스용 아연도금강판, 그리고 이를 이용한 열간프레스성형품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 C: 0.1~0.4중량%, Si: 0.01~1.5중량%, Mn: 0.01~ 3.0중량% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판; 및 상기 강판의 적어도 일면에 부착량 10g/m2 내지 30g/m2으로 도금된 아연도금층을 포함하는 열간프레스용 아연도금강판에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 아연도금재의 열간프레스 시 고질적인 문제였던 표면크랙의 발생을 억제하거나 최대 깊이를 감소시킬 수 있다. 이로써 제품 품질이 향상될 수 있고, 외관이 중요하게 작용하는 차체 상부 및 가전제품 등에 다양하게 적용할 수 있다.

Description

표면크랙 발생이 억제된 열간프레스용 아연도금강판, 그리고 이를 이용한 열간프레스성형품 및 그 제조방법{Galvanized Steel Sheet For Hot Press Forming Suppressed Crack, Hot Pressed Parts Using The Same And Method For Manufacturing Thereof}
본 발명은 표면크랙의 발생을 최소화할 수 있는 열간프레스용 아연도금강판에 관한 것이다. 또한 이를 이용한 아연도금강판의 열간프레스 성형품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
열간 프레스 공정은 강판의 고강도화에 따라 발생하는 성형 마모, 파단 등의 문제를 극복하기 위해 강판을 가열하여 열간상태에서 성형 가공하는 공정을 말한다. 그런데 열간프레스 공정의 경우 강판을 약 900℃이상으로 가열하기 때문에 강판 표면에 Fe 스케일이 형성되며, 가공 후 이를 제거하기 위하여 쇼트 브라스트와 같은 추가적인 공정이 요구된다.
이에 미국등록특허 US6296805호에서는 강판 표면에 Al계 도금을 실시하여 강판 표면의 산화 반응을 억제하고 Al의 부동태 피막을 형성하는 기술을 개시하고 있다. 상기 특허에 따르면, 금속 도금층은 약 90%의 Al과 10%의 Si으로 구성되어 있고, 연속 용융도금공정을 통해 제작되며, 열간프레스 가열 시 소지철 내 Fe가 도금층으로 확산되므로 높은 내열성을 가질 수 있다.
그러나 상기와 같은 Al계 도금강판의 경우 도금층이 희생방식성을 가지고 있지 않아 내식성 극복에 한계가 존재한다. 이에 따라 도금 소재로서 아연(Zn)에 대한 수요 및 개발 요구가 지속적으로 증가하였다. 아연 자체는 융점이 약 420℃ 정도로 낮아 열에 매우 약하지만, 아연 도금재를 열간프레스 가열로에서 가열할 경우 도금 표층에 균일한 Al2O3 산화피막을 형성하므로 Zn의 휘발 및 산화물의 성장을 억제할 수 있다. 그 결과 아연 도금층의 열화를 최소화하며 희생방식성은 그대로 가지고 있기 때문에 내식성 확보가 가능하게 된다.
다만, Zn의 경우 Al에 비하여 고온에서의 경도가 열위하고 도금층과 소지철의 밀착력이 뛰어나 800~950℃의 고온에서 가공시 성형품의 도금층뿐만 아니라 소지철 내부에 이르기까지 크랙이 발생하게 된다. 이러한 아연도금 가공 부재(部材)의 표면 크랙은 부식환경 노출시 내식성 저하를 유발하거나 충돌 성능을 악화시킬 수 있다.
아연도금강판의 열간 프레스 가공시 가공부에 발생할 수 있는 크랙을 최소화할 수 있는 방법으로는 대한민국 공개특허 제2012-0074397호가 존재한다. 상기 특허문헌은 산화반응시 산소 1몰당 깁스자유에너지 감소량이 Cr보다 작은 금속이 0.008중량% 이상 및 Fe 함량이 60중량% 이상인 Fe-rich 상을 도금층 내에 70중량% 이상으로 포함시킴으로써 소지강판의 크랙 발생 문제를 효과적으로 방지하고 있다.
그러나 상기 특허문헌은 도금층의 두께를 조절하여 크랙 형성을 억제하는 방법에 대해 전혀 개시하지 못하고 있다. 또한 현재 용융도금라인에서 생산되고 있는 아연도금강판의 경우에 있어서도 내식성 확보와 소지강판 결함 마스킹의 이유로 도금량을 적정 수준 이상으로 제한하고 있기 때문에 여전히 열간프레스 성형시 소지철 내부에 이르는 미소 크랙의 발생 문제가 극복되지 못하고 있는 실정이다.
기존의 아연도금재의 경우, 열간프레스 공정에 적용시 도금층뿐만 아니라 소지철 내부에 이르기까지 표면 크랙이 발생한다는 문제가 존재한다. 이에 강판의 최소한의 내식성을 확보하되, 열간프레스 성형시 표면의 크랙 발생이 최소화되는 열간 프레스용 아연도금강판을 제공하고자 한다. 나아가 이를 이용한 열간프레스 성형품 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명자들은 통상의 생산라인에서 제조되고 있는 아연도금강판의 경우 도금량이 평균 편면 30g/m2 보다 많은 관계로 열간 프레스 성형시 소지철 내부에 이르는 표면크랙이 발생하여 궁극적으로 내식성이 저하될 수 있다는 것을 인식하였다. 이에 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 노력하였는바, 아연 도금시 통상의 도금량보다 적은 양으로 도금하고 열간프레스 공정에서의 열처리 조건을 제어할 경우 최소한의 내식성을 구현하면서도 강판에 발생하는 표면크랙을 크게 감소시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 일 구현예는 C: 0.1~0.4중량%, Si: 0.01~1.5중량%, Mn: 0.01~ 3.0중량% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판; 및 상기 강판의 적어도 일면에 부착량 10g/m2 내지 30g/m2으로 도금된 아연도금층을 포함하는 열간프레스용 아연도금강판이다.
상기 강판은 N: 0.001~0.02중량%, B: 0.0001~0.01중량%, Ti: 0.001~0.1중량%, Nb: 0.001~0.1중량%, V: 0.001~0.1중량%, Cr: 0.001~1.0중량%, Mo: 0.001~1.0중량%, Sb: 0.001~0.1중량%, W: 0.001~0.3중량% 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 아연도금층은 용융아연도금층 또는 합금화 아연도금층일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 C: 0.1~0.4중량%, Si: 0.01~1.5중량%, Mn: 0.01~ 3.0중량% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판; 및 상기 강판의 적어도 일면에 두께 10 내지 20㎛의 합금화 아연도금층을 포함하고, 상기 강판은 합금화 아연도금층과의 경계면으로부터 강판방향으로 최대 깊이 길이가 0 내지 10㎛인 표면크랙을 포함하는 열간프레스 성형품이다.
한편 본 발명의 또 다른 구현예는 편면 10g/m2 내지 30g/m2의 부착량을 갖는 아연도금층이 형성된 강판을 880℃ 내지 920℃의 온도에서 3분 내지 5분간 가열하여 합금화 아연도금층을 형성하는 단계; 및 상기 합금화 아연도금층이 형성된 강판을 열간프레스하여 성형품을 제조하는 단계를 포함하는 열간프레스 성형품의 제조방법이다.
상기 아연도금층은 강판을 430℃ 내지 500℃의 아연도금욕에 3초 내지 5초간 침지하여 형성할 수 있고,
상기 아연도금층은 Al 0.1~0.25중량% 및 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 열간프레스 성형품은 강판과 합금화 아연도금층이 이루는 경계면에서부터 강판방향으로 최대 깊이 길이가 0 내지 10㎛인 표면크랙을 포함할 수 있다.
아연 도금재의 열간프레스 제품 제조 시 고질적인 문제였던 표면 크랙의 발생을 억제하거나 최대 깊이를 크게 감소시킬 수 있다. 이로써 제품의 품질을 향상시킬 수 있고, 외관 품질 특성이 크게 요구되는 차체 상부 및 가전제품 등에 다양하게 적용할 수 있다.
또한 쇼트 브라스트 등의 스케일 제거 공정이 추가되지 않아 공정 단축 및 제조 원가 절감의 효과를 얻을 수 있고, 나아가 도금량이 적기 때문에 통상적인 열간프레스 열처리 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 기존 양산방식에 따라 제조된 열간프레스 성형품의 표면 크랙 단면을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 열간프레스 성형품의 표면 크랙 단면을 촬영한 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따라 제조된 용융아연도금강판의 열간프레스 가공 전, 후 단면을 촬영한 사진이다.
본 발명의 일 양태에 따르면, C: 0.1~0.4중량%, Si: 0.01~1.5중량%, Mn: 0.01~ 3.0중량% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판; 및 상기 강판의 적어도 일면에 부착량 10g/m2 내지 30g/m2으로 도금된 아연도금층을 포함하는 열간프레스용 아연도금강판을 제공할 수 있다. 이 때, 상기 아연도금층은 용융아연도금층 또는 합금화 용융아연도금층인 것이 바람직하다. 단, 상기 아연도금층이 용융아연도금층이라면 상기 도금량으로 형성된 도금층의 두께는 1㎛ 내지 5㎛일 수 있고, 합금화 용융아연도금층이라면 합금화반응이 일어난 결과로서 도금층의 두께가 10㎛ 내지 20㎛가 될 수 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면 상기 강판은 N: 0.001~0.02중량%, B: 0.0001~0.01중량%, Ti:0.001~0.1중량%, Nb: 0.001~0.1중량%, V: 0.001~0.1중량%, Cr: 0.001~1.0중량%, Mo: 0.001~1.0중량%, Sb: 0.001~0.1중량%, W: 0.001~0.3중량% 및 이들의 혼합물을 포함하는 군으로부터 선택된 적어도 하나를 추가적으로 포함할 수 있다.
통상적으로 아연도금강판은 도금층 두께제어 및 내식성 확보를 위하여 도금층을 두껍게(30g/m2초과)형성하여 생산해왔다. 그러나 하기 도 1을 통해 확인할 수 있듯이, 도금층이 두껍게 형성된 강판을 대상으로 고온의 열간 프레스 가공을 하게 되면 도금층 표면에서부터 소지철 내부에 이르는 크랙이 크고 깊게 발생하게 된다. 특히, 강판과 도금층이 이루는 경계면으로부터 강판의 내측(깊이)방향으로 발생되어 있는 표면크랙은 그 깊이 길이가 증가할 경우(10㎛ 초과) 강판의 피로 및 충돌 특성 저하에 영향을 미치게 된다.
그러나, 도금량을 편면 10g/m2 내지 30g/m2로 제어한 후 열간 프레스가공을 거치게되면 역시 도금층 표면으로부터 발생한 균열이 내부로 전파되긴 하지만, 도 2와 같이 강판의 표면크랙은 길이가 최대 0 내지 10㎛인 미소크랙에 불과하다. 즉, 도금량을 편면 10g/m2 내지 30g/m2의 박막으로 형성할 경우 표면 크랙의 발생이 억제된 열간 프레스용 아연도금강판을 용이하게 제조할 수 있게 된다. 이 때, 최소한의 내식성을 확보하기 위해서는 도금량을 최소 10g/m2 이상으로 제한하는 것이 바람직하다.
이로써, 본 발명의 일 양태에 따르면, C: 0.1~0.4중량%, Si: 0.01~1.5중량%, Mn: 0.01~ 3.0중량% 및 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판; 및 상기 강판의 적어도 일면에 두께 10㎛ 내지 20㎛의 합금화 아연도금층을 포함하고, 상기 강판은 합금화 아연도금층과의 경계면으로부터 깊이방향으로 최대 깊이 길이가 0 내지 10㎛인 표면크랙을 포함하는 열간프레스 성형품을 제공할 수 있다. 상기 열간프레스 성형품은 내식성은 크게 요구되지 않지만 외관에 영향을 많이 받는 차체 상부 및 가전 제품등에 매우 용이하게 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 편면 10g/m2 내지 30g/m2의 부착량을 갖는 아연도금층이 형성된 강판을 880℃ 내지 920℃의 온도에서 3분 내지 5분간 가열하여 합금화 아연도금층을 형성하는 단계; 및 상기 합금화 아연도금층이 형성된 강판을 열간프레스하여 성형품을 제조하는 단계를 포함하는 열간프레스 성형품의 제조방법을 제공할 수 있다. 이 때, 상기 가열은 오스테나이트화 온도로 열처리하는 것을 의미하며 열처리에 의하여 아연도금층은 성분이 변화되어 합금화 아연도금층이 된다.
하기 도 3의 열간프레스 가공 전 사진을 통해 확인 할 수 있듯이, 강판에 도금량을 10g/m2 내지 30g/m2로 도금하게 되면 도금층 두께가 1㎛ 내지 5㎛로 매우 얇아 도금층이 불균일하게 형성될 수 있다. 하지만 열간프레스공정를 거치게 되면 Zn이 용융되면서 강판의 Fe가 Zn도금층으로 확산이 이루어지고 도금층의 형상 및 성분이 변화될 수 있다. 그 결과 도 3의 열간프레스 가공 후 사진과 같이 도금층이 균일하고 두껍게 재형성될 수 있다. 이로써, 본 발명의 경우 도금층을 얇게 형성할 경우라도 최종적으로 균일한 10㎛ 내지 20㎛ 두께의 합금화 아연도금층을 얻을수 있다.
또한, 열간 프레스 성형 전에 오스테나이트화 온도로 열처리를 하게 되면, 급냉 후 마르텐사이트 조직으로 변태되어 강판의 재질을 확보할 수 있다. 그러나 상기 가열조건이 880℃ 미만이거나 가열 시간이 3분 미만일 경우 가열시간이 충분하지 않으므로 소재의 조직이 오스테나이트로 완전히 바뀌지 못하며 급냉 후 완전한 마르텐사이트 조직을 확보할 수 없다. 그 결과 1500Mpa 이상의 충분한 강도를 확보 할 수 없다. 또한, 가열조건이 920℃를 초과하거나 가열 시간이 5분을 넘는 경우, 도금층 표면에 산화물이 과도하게 발생하여 용접성에 문제를 야기할 수 있고 최소한의 내식성 확보가 어려워 질 수 있으며 도금층이 부분적으로 열화될 우려가 있다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 아연도금층은 강판을 430℃ 내지 500℃의 아연도금욕에 3초 내지 5초간 침지하여 형성할 수 있다. 이 때, 상기 아연도금욕은 Al: 0.1~0.25중량% 및 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만 통상의 아연도금 방법으로 강판 표면에 편면 10g/m2 내지 30g/m2 의 도금량으로 도금할 수 있다면 이에 한정되지 않는다.
본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 상기 열간프레스 성형품은 도금층 표면으로부터 발생하여 내부로 전파된 크랙에 의하여, 강판 표면에 표면크랙을 포함할 수 있다. 상기 표면크랙은 강판과 합금화 도금층의 경계면에서부터 강판방향으로 발생되어 있는 것을 의미하며, 상기 표면크랙은 최대 깊이 길이가 0 내지 10㎛일 수 있다. 강판의 표면균열 깊이의 길이는 상기 열처리 온도 및 시간에 영향을 받을 수 있다. 즉, 880℃ 내지 920℃ 및 3분 내지 5분의 조건에서 온도 및 시간이 길어질수록 표면균열의 깊이는 감소할 수 있다. 다만, 열처리 온도 및 시간이 길어질면 내식성이 저하될 수 있으므로 온도 및 시간은 적절하게 제어하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예
두께 1.5mm인 냉연강판(Cold Rolled Steel Sheets)을 21개 준비하여 도금량에 따른 열간프레스 성형품의 크랙발생 및 내식성 테스트를 진행하였다. 이 때, 강판 하나는 대조군으로 사용하기 위하여 도금처리를 하지 않았고, 나머지 강판은 연속 Zn 도금을 실시하였다. Zn 도금은 Al 0.2중량% 및 잔부 Zn 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금액을 사용하여 470℃ 온도의 도금욕에 약 3-5초간 수행하였다.
상기 아연도금시 도금층 두께는 도금욕 침적 후 에어나이프를 이용하여 제어하였고, 편면기준 도금량 80 g/m2 및 60 g/m2인 강판 각각 6개와 도금량 30g/m2인 강판 8개를 제조하였다. 이 후 대조군을 제외한 상기 도금강판들을 하기 표 1에 나타낸 조건으로 열처리 후 열간프레스를 실시하여 가공부의 소지철 안쪽으로 형성된 미소크랙의 최대 깊이를 측정하였다.
나아가, 모든 시편을 대상으로 SST(Salt Spray Test) 평가 실험을 통하여 내식성 테스트를 수행하고, 960시간(40일) 이후의 비도금재와 열간프레스 도금재에 발생한 최대 부식 깊이를 측정하였다. 상기 측정 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
비고 도금량
(편면기준, g/m2) 		가열로
온도 (℃) 		가열시간
(분) 		표면크랙
최대깊이(㎛) 		최대부식깊이
(㎛, SST 960hr)
강판 1 80 880 4 38 102
강판 2 80 880 5 30 292
강판 3 80 900 4 31 113
강판 4 80 900 5 27 315
강판 5 80 920 4 27 153
강판 6 80 920 5 24 369
강판 7 60 880 4 26 197
강판 8 60 880 5 21 361
강판 9 60 900 4 20 201
강판 10 60 900 5 14 485
강판 11 60 920 4 17 247
강판 12 60 920 5 12 650
강판 13 30 880 4 8 375
강판 14 30 880 5 3 558
강판 15 30 900 4 6 442
강판 16 30 900 5 0 739
강판 17 30 920 4 5 520
강판 18 30 920 5 0 897
강판 19 30 900 8 0 강판구멍발생
강판 20 30 920 8 0 강판구멍발생
강판 21 0 - - - 강판구멍발생
상기 표 1과 같이 도금층 두께는 감소할수록, 열처리시간 및 온도는 증가할수록 강판의 표면에 발생된 크랙의 최대 깊이는 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 강판 13 내지 20과 같이 도금량이 편면 30g/m2인 경우는 강판 1 내지 12와 비교하여 열간프레스 가공에 따른 표면크랙의 최대 깊이가 현저히 감소한 것으로 볼 수 있었다. 또한 열처리온도가 900이상 및 처리시간이 5분 이상일 경우 표면 크랙이 전혀 발생하지 않기도 하였다.
반면, 도금량이 감소할수록, 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 내식성은 감소하는 것으로 파악되었다. 즉, 비도금재인 강판 21의 경우 소지강판이 완전히 부식되었고, 강판 19, 20과 같이 열처리 시간이 길어질 경우 크랙은 발생하지 않았지만 도금층의 부분적으로 열화되어 내식성 확보가 불가하였다.
따라서, 표면크랙발생의 억제를 위하여 도금층의 도금량을 편면 30g/m2로 감소시키되, 최소한의 내식성을 확보할 수 있도록 열처리 온도 및 시간을 880 내지 920℃ 및 3 내지 5분 이하로 제어해야 함을 알 수 있었다.

Claims (8)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 편면 10g/m2 내지 30g/m2의 부착량을 갖는 아연도금층이 형성된 강판을 880℃ 내지 920℃의 온도에서 3분 내지 5분간 가열하여 합금화 아연도금층을 형성하는 단계; 및
    상기 합금화 아연도금층이 형성된 강판을 열간프레스하여 성형품을 제조하는 단계를 포함하는 열간프레스 성형품의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 아연도금층은 강판을 430℃ 내지 500℃의 아연도금욕에 3초 내지 5초간 침지하여 형성하는 열간프레스 성형품의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 아연도금층은 Al 0.1~0.25중량% 및 잔부 Zn 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 열간프레스 성형품의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 열간프레스 성형품은 강판과 합금화 아연도금층이 이루는 경계면에서부터 강판방향으로 최대 깊이 길이가 0 내지 10㎛인 표면크랙을 포함하는 열간프레스 성형품의 제조방법.

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