KR101888915B1 - 차량용 크로스 멤버 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버 - Google Patents

차량용 크로스 멤버 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버 Download PDF

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Abstract

제1 성형부재 및 제2 성형부재를 마련하는 단계; 및
상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 마찰교반 접합하는 단계;를 포함하며,
상기 마찰교반 접합은, 제1 성형부재의 접합 대상부를 제2 성형부재의 접합 대상부 상에 배치하는 단계;
상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 접합툴을 접촉하는 단계; 및
상기 접합툴을 상기 접합 대상부를 따라 회전하며 이동하여 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합하는 단계;를 포함하며,
상기 접합툴은 100rpm~600rpm의 회전수로 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 따라 50~500mm/min의 속도로 이동하는 것이며,
상기 제1 성형부재는 오스테나이트(austenite) 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성(twinning-induced plasticity) 강을 포함하여 제조되는 것으로,
상기 제1 성형부재는 탄소(C): 0.5~0.7 중량%, 망간(Mn): 15~17 중량%, 알루미늄(Al): 1~5 중량%, 니오븀(Nb): 0.006~0.1 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여, 중간성형체를 제조하는 단계,
상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하는 단계 및
상기 중간성형체를 마무리 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연하는 단계를 포함하여 제조되는 것이며,
상기 접합툴은 동력을 인가하는 회전축;
상기 회전축의 단부에 결합되고, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부와 마찰하여 마찰열을 발생시키는 원통 형상의 숄더부; 및
상기 숄더부로부터 돌출 형성되며, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 삽입되는 접합 프로브;를 포함하고,
상기 접합 프로브의 높이(H)는 하기 식 1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 차량용 크로스 멤버 제조방법:
[식 1]
0.6 X (T1+T2) ≤ H ≤ 0.95 X (T1+T2)
(상기 식 1에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이며, 단, H > T1 이다).

Description

차량용 크로스 멤버 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버 {MANUFACTURING METHOD FOR CROSS MEMBER FOR AUTOMOBILE VEHICLE AND CROSS MEMBER FOR AUTOMOBILE VEHICLE THEREOF}
본 발명은 차량용 크로스 멤버 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버에 관한 것이다. 보다 상세하게는 강성, 내충격성 및 경량성이 우수한 차량용 크로스 멤버 제조방법 및 이에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버에 관한 것이다.
상용차 분야의 미래기술은 세계적으로 강화되고 있는 배출가스감소 및 연비향상 등 환경관련법규를 만족시키기 위한 친환경 기술 분야가 부각되고 있다.
전 세계 온실가스 배출량 중 수송부분 온실가스 배출량 비율은 전체 배출량의 23%에 달하고, 그 중 도로주행 시 발생하는 CO2 배출량은 수송부분의 16.8%(비율대비 73%)로 대부분을 차지한다.
국내 중·대형차(적재중량 1톤 초과 화물, 15인승 초과 승합 및 특수차량)의 보유대수는 전체 자동차의 5%에 불과하지만, 온실가스 배출 비율은 전체의 33%를 차지한다. 중·대형차의 연간 최대 평균 주행거리는 74,000km 소형차(18,500km/년)에 비해 약 4배 수준이고, 연비 또한 약 2.0~5.0km/L로 소형차 연비(12.7km/L, 2008년) 대비 에너지 소비가 큰 특징을 가진다.
이에 따라 최근 중·대형차의 연비 및 배출가스규제가 강화되고 있는 추세이다. 일본의 경우 2015년부터 중·대형차를 4차종으로 분류하여 차종별 중량에 따른 등급으로 분류하는 연비규제를 시작할 예정이고, 미국은 2014년부터 2차종으로 분류하여 연비규제를 추진 예정이다. 유럽과 중국은 현재 연비규제방안을 개발하고 있다.
상용차뿐만 아니라, 자동차 분야는 사회적 요구 및 환경규제에 대응하기 위한 기술개발의 일환으로서 환경 보호, 자원재생성 및 에너지 절약 등을 고려한 다각적인 소재개발과 경량화에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있다. 차량 부품 소재의 경량화는 엔진효율을 높일 수 있는 최적의 방법이며, 차량무게 10% 감소 시 연비 3%~7%의 향상 효과가 있으며, 경량화는 CO2 배출량 절감과 연비향상뿐만 아니라 가속성능 향상, 제동거리 단축 및 샤시 내구 수명의 향상에도 도움이 된다.
한편 버스(bus) 차량은 차체의 내구성과 주행 안정성을 확보하기 위하여, 횡방향으로 프레임이 구비되어 주요 골격을 이루며, 버스 차체의 전후 방향 및 좌우 방향의 비틀림이나 휘어짐을 방지하기 위하여 상기 프레임 사이에는 종방향으로 크로스 멤버(cross member)가 구비된다. 상기 크로스 멤버는 용접 또는 볼트로 프레임과 결합하여, 프레임 조립체를 형성하게 된다. 상기 버스 프레임 조립체에는 일반적으로 6개의 크로스 멤버 부품이 사용되며, 크로스 멤버의 총 무게는 버스 프레임 무게의 약 3.2%를 차지한다. 상기 버스 프레임은 차량의 전체적인 안정성 확보를 위하여 고강도가 요구되는데, 특히 크로스 멤버용 성형부재는 기존 성형부재에 비해 강도가 크고, 충돌에 의해 쉽게 파괴되지 않는 특성이 요구된다.
또한, 상기 크로스 멤버는 고강성 및 내충격성이 요구되어 비교적 고중량 재료를 적용하는데, 이로 인하여 차량의 연료소비량이 높은 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2011-0054339호(2011.05.25 공개, 발명의 명칭: 차량의 크로스 멤버)에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 인장강도, 항복강도 및 내충격성이 우수한 차량용 크로스 멤버 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 경량성이 우수한 차량용 크로스 멤버 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 접합부의 기계적 특성이 우수한 차량용 크로스 멤버 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 차량용 크로스 멤버 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법은 제1 성형부재 및 제2 성형부재를 마련하는 단계; 및 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 마찰교반 접합하는 단계;를 포함하며, 상기 제1 성형부재는 오스테나이트(austenite) 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성(twinning-induced plasticity) 강을 포함하여 제조된다.
한 구체예에서 상기 제1 성형부재는 탄소(C): 0.5~0.7 중량%, 망간(Mn): 15~17 중량%, 알루미늄(Al): 1~5 중량%, 니오븀(Nb): 0.006~0.1 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여, 중간성형체를 제조하는 단계; 상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하는 단계; 및 상기 중간성형체를 마무리 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 마찰교반 접합은, 상기 제1 성형부재의 접합 대상부를 제2 성형부재의 접합 대상부 상에 배치하는 단계; 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 접합툴을 접촉하는 단계; 및 상기 접합툴을 상기 접합 대상부를 따라 회전하며 이동하여 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
한 구체예에서 상기 접합툴은 동력을 인가하는 회전축; 상기 회전축의 단부에 결합되고, 상기 회전축의 단부에 결합되고, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부와 마찰하여 마찰열을 발생시키는 원통 형상의 숄더부; 및 상기 숄더부로부터 돌출 형성되며, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 삽입되는 접합 프로브;를 포함할 수 있다.
한 구체예에서, 상기 접합 프로브의 높이(H)는 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
0.6 X (T1+T2) ≤ H ≤ 0.95 X (T1+T2)
(상기 식 1에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이며, 단, H > T1 이다).
한 구체예에서 상기 숄더부의 직경(R)은 하기 식 2의 관계를 만족할 수 있다:
[식 2]
1.2 X (T1+T2) ≤ R ≤ 2 X (T1+T2)
(상기 식 2에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이다).
한 구체예에서 상기 접합툴은 100rpm~600rpm의 회전수로 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 따라 50~500mm/min의 속도로 이동하며 접합할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버에 관한 것이다.
본 발명의 차량용 크로스 멤버 제조방법에 따라 제조된 차량용 크로스 멤버는, 접합부의 변형을 최소화 하면서, 강성 및 인성 등의 기계적 특성이 우수하며, 얇은 두께를 가지면서도, 인장강도, 항복강도가 동시에 우수할 뿐 아니라, 내충격성이 우수하여 경량성 및 경제성이 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 차량용 크로스 멤버 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰교반 접합방법을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 접합툴을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰교반 접합을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 차량용 크로스 멤버를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 차량 사이드 프레임에 설치된 차량용 크로스 멤버를 나타낸 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
차량용 크로스 멤버 제조방법
본 발명의 하나의 관점은 차량용 크로스 멤버 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 차량용 크로스 멤버 제조방법을 나타낸 순서도이다. 상기 도 1을 참조하면, 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법은 (S10) 성형부재 마련단계; 및 (S20) 접합단계;를 포함한다. 좀 더 구체적으로 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법은 (S10) 제1 성형부재 및 제2 성형부재를 마련하는 단계; 및 (S20) 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 마찰교반 접합하는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명의 차량용 크로스 멤버 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 성형부재 마련단계
상기 단계는 제1 성형부재 및 제2 성형부재를 마련하는 단계이다.
제1 성형부재
상기 제1 성형부재는 오스테나이트(austenite) 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성(twinning-induced plasticity) 강을 포함하여 제조된다. 상기 쌍정유기소성강을 적용하여 상기 제1 성형부재를 제조시, 얇은 두께에서도 우수한 강도를 가질 수 있다.
상기 쌍정유기소성강은, 오스테나이트 단상의 기지조직을 포함하며 소성 변형시 전위뿐만 아니라, 쌍정에 의해 경화가 이루어지게 된다. 상기 쌍정유기소성강은 소성 변형 중의 기계적 쌍정의 형성은 변형 경화를 형성하고, 네킹(necking) 현상을 방지하여 높은 변형 능력을 유지할 수 있다. 또한, 결정립미세화 및 전위이동거리감소의 효과로 가공경화가 크게 증가하여 결과적으로 높은 강도 및 연성을 얻을 수 있다.
한 구체예에서 상기 제1 성형부재는 (S11) 중간성형체 제조단계; (S12) 균질화 열처리단계; 및 (S13) 열간 압연단계;를 포함하여 제조될 수 있다. 좀 더 구체적으로 상기 제1 성형부재는 (S11) 탄소(C): 0.5~0.7 중량%, 망간(Mn): 15~17 중량%, 알루미늄(Al): 1~5 중량%, 니오븀(Nb): 0.006~0.1 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여, 중간성형체를 제조하는 단계; (S12) 상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하는 단계; 및 (S13) 상기 중간성형체를 마무리 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
이하, 상기 제1 성형부재 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S11) 중간성형체 제조단계
상기 단계는 탄소(C), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 니오븀(Nb) 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여 중간성형체를 제조하는 단계이다.
이하, 상기 용탕에 포함되는 성분에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로 작용하며 적층결함에너지(Stacking Fault Energy, SFE)를 상승시키는 역할을 한다.
한 구체예에서 상기 탄소(C)는 상기 용탕 전체중량에 대하여 0.5~0.7 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 중간성형체의 오스테나이트 조직 안정화 효과 및 적층결함에너지 상승 효과가 우수할 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 상기 쌍정유기소성을 일으키기 위한 오스테나이트 미세조직을 형성시키기 위해 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 망간(Mn)은 상기 용탕 전체중량에 대하여 15~17 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함 중간성형체의 연성 증가 및 오스테나이트 안정화 효과가 우수할 수 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 강의 지연파괴 (Delayed Cracking)를 억제하고, 적층결함 에너지를 증가시키며, 강력한 탈산제로서 실온이하의 넓은 온도범위에서 오스테나이트 상을 안정화시켜 인성의 열화를 개선시키며 강도를 향상시키는 목적으로 포함될 수 있다. 또한, 상기 알루미늄은 비중이 2.7로 본 발명의 성형부재의 비중 감소 효과가 우수하여 경량성을 향상시킬 수 있다. 본 발명에서 상기 알루미늄은, 상기 저함량의 망간에 따른 낮은 적층결함에너지값을 보상하기 위해 포함될 수 있다.
한 구체예에서 상기 알루미늄(Al)은 상기 용탕 전체중량에 대하여 1~5 중량% 포함될 수 있다. 상기 중량범위로 포함시 쌍정 발생을 억제하지 않으면서, (Fe, Mn)3AlC 등의 금속 간 화합물량 증가에 의한 연성 저하를 방지하고, 강도 향상 효과가 우수할 수 있다.
니오븀( Nb )
상기 니오븀(Nb)은 티타늄 및 바나듐(Ti, V)과 함께, 탄화물을 형성하는 원소이다. 상기 니오븀은 고온에서 중간성형체에 고용된 상태로 존재하며, 소성변형이 진행되면서 온도에 따른 고용도 감소로, 강에 함유된 탄소와 탄화물(NbC)을 형성하여 소성변형이 진행되는 동안, 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하여 결정립을 미세화시키는 작용을 하게 된다. 또한, 상기 탄화물 형성시, 오스테나이트 상 내의 탄소 고용량이 감소되어, 적층결함에너지가 감소할 수 있다.
한 구체예에서 상기 니오븀은 상기 용탕 전체중량에 대하여 0.006~0.1 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 결정립 미세화 효과가 우수하여, 소성 변형후 어닐링시, 부분재결정이 이루어진 강에서 결정립내 또는 결정립계에 형성된 니오븀탄화물이 금속 기지 내 쌍정의 형성을 억제함으로써 항복강도를 향상시킬 수 있다.
한 구체예에서 상기 용탕에 포함되는 성분은 적층결함에너지(SFE)가 20 mJ/m2 이상일 수 있다. 예를 들면, 상기 적층결함에너지는 20~35 mJ/m2 일 수 있다. 상기 범위의 적층결함에너지에서 상기 제1 성형부재가 소성변형 중 오스테나이트 결정립 내에 기계적 쌍정을 꾸준히 발생시켜 전위의 이동을 방해함으로써 가공경화를 추가로 얻어 우수한 연신율을 가질 수 있다.
(S12) 균질화 열처리단계
상기 단계는 상기 중간성형체를 균질화 열처리(solution heat treatment)하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 균질화 열처리는 1050℃~1150℃에서 이루어질 수 있다. 상기 범위로 열처리시, 후술할 압연 공정에서 압연 부하를 방지하면서, 결정립 증가 및 표면 열위 현상을 방지하여, 우수한 강도 및 표면특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 중간성형체를 1080℃~1120℃에서 2시간 내지 4시간 동안 균질화 열처리 할 수 있다.
(S13) 열간 압연단계
상기 단계는 상기 중간성형체를 열간 압연하는 단계이다. 한 구체예에서 상기 열간 압연은 압연온도(마무리 압연온도): 1050℃~1150℃에서 이루어질 수 있다.
상기 범위에서 압연시, 압연기에 무리를 주지 않고, 중간성형체 내부 품질을 저하시키기 않으면서, 강도 및 표면특성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 열간 압연시 가공율은 약 90%일 수 있다. 또한, 상기 열간 압연된 중간성형체는, 숏 블래스팅(shot blasting) 처리를 실시할 수 있다.
제2 성형부재
한 구체에에서 상기 제2 성형부재는, 인장강도 440MPa 이상의 차량용 고장력 강판을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 성형부재는 SAPH440강 제품을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 성형부재는 탄소(C): 0.03~0.2 중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.3 중량%, 망간(Mn): 0.8~1.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05 중량%, 인(P): 0 초과 0.02 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.01 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.01 중량% 이하 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하여 이루어질 수 있다.
한 구체예에서 상기 제2 성형부재는, 탄소(C): 0.03~0.2 중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.3 중량%, 망간(Mn): 0.8~1.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05 중량%, 인(P): 0 초과 0.02 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.01 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.01 중량% 이하 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 투입하고 응고하여, 중간성형체를 제조하는 단계; 상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하는 단계; 및 상기 중간성형체를 마무리 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
(S20) 접합단계
상기 단계는 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 마찰교반 접합하는 단계이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰교반 접합방법을 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명의 한 구체예에 따른 접합툴을 나타낸 것이다. 상기 도 2 및 도 3을 참조하면 상기 마찰교반 접합은, 제1 성형부재의 접합 대상부(102)를 제2 성형부재 접합 대상부(112) 상에 배치하는 단계; 제1 성형부재 접합 대상부(102) 및 제2 성형부재의 접합 대상부(112)에 접합툴(200)을 접촉하는 단계; 및 상기 접촉된 접합툴(200)을 상기 접합 대상부(102, 112)를 따라 회전하며 이동하여 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부(102, 112)를 연화 및 교반하여 접합하는 단계;를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에서 상기 “접합 대상부”는, 상기 도 3에서와 같이 제1 성형부재 및 제2 성형부재가 접합을 위하여 접촉하는 면과, 서로 접촉하는 면의 반대면 까지 모두 포함하는 것으로 정의하도록 한다.
상기와 같이 마찰교반 접합시, 용융상태의 용접이 아닌 고상(solid-state)의 접합툴(200)과 제1 성형부재(100) 및 제2 성형부재(110) 사이의 마찰열에 의해 접합되기 때문에 잔류응력 및 변형을 최소화할 수 있으며, 상기 접합되어 형성된 접합부의 기계적 특성이 우수할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 마찰교반 접합을 나타낸 것이다. 상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 접합툴(200)은 동력을 인가하는 회전축(203); 회전축(203)의 단부에 결합되고, 제1 성형부재(100) 접합 대상부와 마찰하여 마찰열을 발생시키는 원통 형상의 숄더부(202); 및 숄더부(202)로부터 돌출 형성되며, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 삽입되는 접합 프로브(201);를 포함할 수 있다.
상기 도 3을 참조하면, 접합툴(200)의 숄더부(202) 및 접합 프로브(201)는 비소모성 재질로 이루어진 것을 사용할 수 있다. 예를 들면, 내열성 및 강성이 우수한 초경합금 재질을 사용할 수 있다.
상기 도 3를 참조하면, 한 구체예에서 접합 프로브(201)의 높이(H)는 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
0.6 X (T1+T2) ≤ H ≤ 0.95 X (T1+T2)
(상기 식 1에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이며, 단, H > T1 이다).
상기 조건에서 상기 접합대상부의 잔류응력 및 변형을 최소화하면서, 용이한 접합이 이루어질 수 있으며, 접합부의 기계적 특성이 우수할 수 있다.
상기 도 4를 참조하면, 접합툴(200)의 접합 프로브(201)가 회전하며 상기 접합 대상부에 삽입되고, 숄더부(202)가 상기 접합 대상부와 마찰하여 상기 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합할 수 있다.
상기 도 2를 참조하면, 접합툴(200)은 상기 제1 성형부재의 접합 대상부에 수직한 면에 대하여 0° 내지 5°의 각도로 투입될 수 있다. 상기 삽입 각도로 투입시 접합 진행성을 확보할 수 있다. 예를 들면, 0° 내지 3°의 각도로 삽입될 수 있다.
상기 도 3 및 도 4를 참조하면, 한 구체예에서 숄더부(202)의 직경(R)은 하기 식 2의 관계를 만족할 수 있다:
[식 2]
1.2 X (T1+T2) ≤ R ≤ 2 X (T1+T2)
(상기 식 2에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이다).
상기 조건에서 상기 숄더부와 상기 접합 대상부 사이의 용접이 용이하게 이루어지며, 상기 접합대상부의 잔류응력 및 변형을 최소화하면서, 용이한 접합이 이루어질 수 있으며, 접합부의 기계적 특성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 접합툴(200)은 100rpm~600rpm의 회전수로 회전할 수 있다. 상기 회전수 범위에서 충분한 발열, 교반력 및 소성 유동이 얻어져 용이한 접합이 이루어질 수 있다.
한 구체예에서 접합툴(200)은 100rpm~600rpm의 회전수로 회전하면서, 상기 접합 대상부를 따라 50~500mm/min의 속도로 이동하며 상기 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합할 수 있다. 상기 회전수 및 이동속도에서 지나친 발열이 발생하여 상기 접합 대상부의 미세조직 크기가 조대화되는 것을 방지하면서, 충분한 발열과 소성 유동이 얻어져 용이한 접합이 이루어질 수 있으며, 접합부의 인장강도 등의 강성이 우수할 수 있다. 예를 들면, 접합툴(200)은 50~450mm/min의 속도로 이동할 수 있다.
차량용 크로스 멤버 제조방법에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버
본 발명의 다른 관점은 상기 차량용 크로스 멤버 제조방법에 의해 제조된 차량용 크로스 멤버에 관한 것이다.
도 5는 본 발명의 한 구체예에 따른 차량용 크로스 멤버를 나타낸 것이며, 도 6은 본 발명의 한 구체예에 따른 차량 사이드 프레임에 설치된 차량용 크로스 멤버를 나타낸 것이다.
상기 도 5 및 도 6을 참조하면, 차량용 크로스 멤버(1)는 “ㄷ”자 단면 형상을 구비하며, 이격된 사이드 프레임(30)에 양측이 연결되는 외측몸체부(10); 및 외측몸체부(10)의 개구된 일측을 차폐하는 내측몸체부(20);를 포함하며, 외측몸체부(10) 및 내측몸체부(20)는 상이한 재질로 형성된다.
한 구체예에서 외측몸체부(10)는 전술한 제1 성형부재로부터 형성될 수 있다. 예를 들면, 오스테나이트 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성강을 이용하여 제조된다. 한 구체예에서 외측몸체부(10)는 탄소(C): 0.5~0.7 중량%, 망간(Mn): 15~17 중량%, 알루미늄(Al): 1~5 중량%, 니오븀(Nb): 0.006~0.1 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 쌍정유기소성강은 인장강도(TS): 800MPa 이상, 항복강도(YS): 350MPa 이상, 강도연성지수: 5500MPa% 이상을 가질 수 있다. 예를 들면, 인장강도: 800~1200MPa, 항복강도: 350~600MPa 및 강도연성지수: 5500~9000MPa%를 가질 수 있다.
한 구체예에서 내측몸체부(20)는 제2 성형부재로부터 형성될 수 있다. 예를 들면 인장강도(TS): 440MPa 이상의 차량용 고장력 강판을 이용하여 제조된다. 예를 들면 탄소(C): 0.03~0.2 중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.3 중량%, 망간(Mn): 0.8~1.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05 중량%, 인(P): 0 초과 0.02 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.01 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.01 중량% 이하 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 제조될 수 있다.
상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 차량용 크로스 멤버(1)는 버스 등의 차량에 횡방향으로 설치되는 사이드 프레임(30) 사이에 적정 간격으로 복수 개 설치되어 양측의 사이드 프레임(30)을 지지하여 보강할 수 있다.
본 발명의 차량용 크로스 멤버 제조방법에 따라 제조된 차량용 크로스 멤버는, 마찰교반 접합된 접합부의 강성 및 인성이 우수하며, 얇은 두께를 가지면서도, 강성 및 내충격성이 우수하여 경량성 및 경제성이 우수할 수 있어, 특히 버스 차량의 크로스 멤버 용도로 사용하기 적합할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 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.
실시예 및 비교예
실시예
제1 성형부재 제조: 탄소(C): 0.6 중량%, 망간(Mn): 16 중량%, 알루미늄(Al): 3 중량%, 니오븀(Nb): 0.05 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여, 중간성형체를 제조하였다. 그 다음에, 상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하고, 상기 중간성형체를 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연한 다음, 숏 블래스팅 처리하여, 376mm(길이) x 170mm(너비) x 3.2mm(두께)를 가지며, 오스테나이트(austenite) 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성(twinning-induced plasticity) 강인 제1 성형부재를 제조하였다.
또한, SAPH 440 강재(탄소(C): 0.03~0.2 중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.3 중량%, 망간(Mn): 0.8~1.5 중량%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05 중량%, 인(P): 0 초과 0.02 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.01 중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.01 중량% 이하 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물 포함)를 이용하여 376mm(길이) x 170mm(너비) x 4mm(두께)의 제2 성형부재를 제조하였다.
그 다음에, 상기 제1 성형부재의 접합 대상부를 제2 성형부재 접합 대상부 상에 배치하였다.
하기 도 3과 같이, 동력을 인가하는 회전축(203), 회전축(203)의 단부에 결합되고, 직경(R)이 10.7mm 이며, 원형 단면을 갖는 숄더부(202) 및 숄더부(202)로부터 돌출 형성되며, 높이(H)가 5.7mm 이고, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 삽입되는 접합 프로브(201)를 갖는 접합툴(200)을 준비하고, 제1 성형부재의 접합 대상부(112) 상에 접합툴(200)을 350rpm의 회전수로 회전하여 접촉하여, 상기 도 4와 같이 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재 접합대상부 상에 접합 프로브를 제1 성형부재의 접합 대상부에 대하여 수직하게 삽입하였다. 그 다음에, 상기 접합 대상부를 따라 상기 접합툴을 100mm/min의 이동 속도로 이동하여 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합하여 차량용 크로스 멤버를 제조하였다.
비교예
SAPH 440 강재를 이용하여, 각각 376mm(길이) x 170mm(너비) x 4mm(두께)를 갖는 제1 성형부재 및 제2 성형부재를 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 차량용 크로스 멤버를 제조하였다.
상기 제조된 실시예 및 비교예 크로스멤버의 제1 성형부재의 비중, 항복강도(YS, MPa), 인장강도(TS, MPa), 연신율(El, %) 및 강도연성지수(TS*El, MPa%)를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
구분 비중 항복강도
(YS, MPa)		 인장강도
(TS, MPa)		 연신율
(%)		 강도연성지수
(MPa%)
실시예 7.6 825 1,041 66 67,966
비교예 7.86 383 500 36 18,000
상기 표 1을 참조하면, 본 발명의 쌍정유기소성 강인 제1 성형부재는, 비교예의 제1 성형부재에 비하여, 낮은 비중을 가지면서, 인장강도, 항복강도, 연신율 및 강도연성지수 등의 기계적 특성이 월등히 우수함을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
1: 차량용 크로스 멤버
10: 외측몸체부 20: 내측몸체부
30: 사이드 프레임 50: 버스 프레임
100: 제1 성형부재 102: 제1 성형부재 접합대상부
110: 제2 성형부재 112: 제2 성형부재 접합대상부
200: 접합툴 201: 접합 프로브

Claims (1)

  1. 제1 성형부재 및 제2 성형부재를 마련하는 단계; 및
    상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 마찰교반 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 마찰교반 접합은, 제1 성형부재의 접합 대상부를 제2 성형부재의 접합 대상부 상에 배치하는 단계;
    상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 접합툴을 접촉하는 단계; 및
    상기 접합툴을 상기 접합 대상부를 따라 회전하며 이동하여 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 연화 및 교반하여 접합하는 단계;를 포함하며,
    상기 접합툴은 100rpm~600rpm의 회전수로 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부를 따라 50~500mm/min의 속도로 이동하는 것이며,
    상기 제1 성형부재는 오스테나이트(austenite) 기지조직을 포함하는 쌍정유기소성(twinning-induced plasticity) 강을 포함하여 제조되는 것으로,
    상기 제1 성형부재는 탄소(C): 0.5~0.7 중량%, 망간(Mn): 15~17 중량%, 알루미늄(Al): 1~5 중량%, 니오븀(Nb): 0.006~0.1 중량% 및 잔량부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 금형에 주입하여, 중간성형체를 제조하는 단계,
    상기 중간성형체를 1050℃~1150℃에서 균질화 열처리하는 단계 및
    상기 중간성형체를 마무리 압연온도: 1050℃~1150℃에서 열간 압연하는 단계를 포함하여 제조되는 것이며,
    상기 접합툴은 동력을 인가하는 회전축;
    상기 회전축의 단부에 결합되고, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부와 마찰하여 마찰열을 발생시키는 원통 형상의 숄더부; 및
    상기 숄더부로부터 돌출 형성되며, 상기 제1 성형부재 및 제2 성형부재의 접합 대상부에 삽입되는 접합 프로브;를 포함하고,
    상기 접합 프로브의 높이(H)는 하기 식 1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 차량용 크로스 멤버 제조방법:
    [식 1]
    0.6 X (T1+T2) ≤ H ≤ 0.95 X (T1+T2)
    (상기 식 1에서, 상기 T1은 제1 성형부재 접합 대상부의 두께이고, T2는 제2 성형부재 접합 대상부의 두께이며, 단, H > T1 이다).
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