KR101978054B1 - 핫 스탬핑 부품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, (a) 강판을 절단하여 프레스 성형에 필요한 형상의 복수의 블랭크를 제작하는 단계와, (b) 상기 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계로서, 상기 블랭크의 미세 조직이 풀(full) 오스테나이트화될 때까지의 제1 열처리 시간, 및 상기 풀 오스테나이트화 후의 제2 열처리 시간을 상기 블랭크의 두께별로 제어하며 열처리하되, 상기 블랭크의 오스테나이트 결정립의 평균 크기가 28㎛ 이하가 되도록 상기 제1 열처리 시간 및 제2 열처리 시간을 합한 전체 열처리 시간을 4분 이내로 제어하는 단계, 및 (c) 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

핫 스탬핑 부품의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING HOT STAMPING COMPONENT}
본 발명은 고강도 차량용 강 부품에 관한 것으로, 특히 지연파단을 개선할 수 있는 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 업계는 승객의 안전성 강화를 위해 엄격한 차체 충돌성능을 요구하고 있다. 또한, 환경에 대한 인식이 높아지면서 배기가스 규제에 따른 연비 기준이 강화되어 이에 따른 차체 경량화에 대한 필요성이 지속적으로 높아지고 있다. 이러한 충돌성능 향상과 경량화라는 요구를 동시에 만족하기 위한 노력의 일환으로 고강도 강판의 차체 적용이 지속적으로 증가하고 있는데, 핫 스탬핑 기술이 그 중심에 있다.
핫 스탬핑 기술은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도를 향상시키며, 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링 백이나 지연파괴가 현저하게 감소한다는 장점이 있다.
이에 관련된 기술로는 대한민국 등록특허 제10-1738985호(2017년 5월 19일 등록, 발명의 명칭; 열간 성형된 차량용 강부품 및 제조방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 핫 스탬핑 후 부품에 잔류하는 응력으로 인한 수소지연 파단을 개선할 수 있는 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, (a) 강판을 절단하여 프레스 성형에 필요한 형상의 블랭크를 제작하는 단계, (b) 상기 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계로서, 상기 블랭크의 미세 조직이 풀(full) 오스테나이트화될 때까지의 제1 열처리 시간, 및 상기 풀 오스테나이트화 후의 제2 열처리 시간을 상기 블랭크의 두께별로 제어하며 열처리하되, 상기 블랭크의 오스테나이트 결정립의 평균 크기가 28㎛ 이하가 되도록 상기 제1 열처리 시간 및 제2 열처리 시간을 합한 전체 열처리 시간을 4분 이내로 제어하는 단계, 및 (c) 상기 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 상기 블랭크는, 탄소(C): 0.19~0.25 중량%, 실리콘(Si): 0 초과~0.4 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.6 중량%, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 880 ∼ 930℃의 온도에서 이루어질 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 블랭크의 두께가 1.2t 이하일 때, 상기 제2 열처리 시간을 90초 이내로 제어하는 것이 바람직하다.
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본 발명에 있어서, 상기 (c) 단계에서 얻어진 성형품은 차량용 사이드 패널일 수 있다.
본 발명에 따르면, 열간 프레스 성형을 위한 가열시간을 적절히 제어함으로써 수소취성에 의한 지연파단을 개선하여 지연파단 저항성이 향상된 고강도 핫 스탬핑 부품을 제조할 수 있으며, 경량화를 위해 박물재를 적용하는 추세에 부응하여 품질 향상 및 원가 절감이 가능한 이점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 핫 스탬핑 부품의 지연 파괴부의 미세조직을 나타내 보인 전자현미경 사진이다.
도 2는 수소 분위기에서의 핫 스탬핑 강의 지연파괴 특성을 실험한 결과로서 가열시간에 따른 시편의 연신율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 가열시간에 따른 핫 스탬핑 강의 굽힘성을 확인하기 위하여 실시한 4-포인트 벤딩 테스트의 결과로서 가열 시간에 따른 파단시간을 나타낸 그래프이다.
도 4는 핫 스탬핑 부품의 가열 시간에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 측정하여 나타내 보인 그래프이다.
도 5는 핫 스탬핑 부품의 두께별 가열 시간에 따른 오스테나이트의 상 분율을 나타내 보인 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 공정 흐름도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로, 핫 스탬핑 공정은 핫 스탬핑용 블랭크를 열간 성형하기 위해서 880 ∼ 950℃의 고온의 가열로에서 약 4 ∼ 10분 정도 가열하고, 가열된 블랭크를 금형에 넣고 프레스로 성형한 뒤 급속 냉각시켜, 예를 들어 차량용 부품과 같은 고강도 부품을 만드는 공정이다. 핫 스탬핑용 블랭크를 성형하기 위하여 고온 열처리하는 과정에서 블랭크의 미세 조직이 오스테나이트로 상 변태를 하는데, 열처리 시간이 흐름에 따라 오스테나이트 결정립의 크기(Austenite Grain Size: AGS)가 조대화될 수 있다. 그런데, 오스테나이트 결정립의 크기가 조대화되면, 핫 스탬핑 부품의 굽힘성이 열화되고 수소취성에 취약하여 지연파단이 발생할 가능성이 높아진다. 특히, 차량 부품의 경량화를 위해 박물재의 적용이 증가하고 있는 추세에서 이러한 지연파단은 부품의 경량화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 더욱이 핫 스탬핑 공정의 지연파괴는 소재에서부터 가열 공정, 성형 공정, 트림 공정, 부품 적재 상태 및 조립 공정까지 핫 스탬핑 전 공정에 영향을 미친다.
본 발명에서는 핫 스탬핑 과정에서 오스테나이트 결정립 크기가 조대화되는 공정 조건을 찾아서 제어함으로써 수소에 의한 핫 스탬핑 부품의 지연파괴를 개선할 수 있는 방법을 제시한다.
도 1a 및 도 1b는 핫 스탬핑 부품의 지연 파괴부의 미세조직을 나타내 보인 전자현미경 사진이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 수소취성은 강의 조직 내에 수소를 포함함으로써 강이 연성을 잃는 현상으로, 이러한 수소취성으로 인한 파단은 오스테나이트 결정립계를 따라 수소가 잔류함으로써 나타나는 것으로 알려져 있다. 오스테나이트 결정립이 조대할수록 수소가 침투하기 용이하고 결정립계를 따라 존재하는 수소의 밀도가 높아져 수소에 의한 지연파괴가 일어날 가능성이 높아지게 된다. 따라서, 블랭크를 가열하는 과정에서 블랭크의 미세조직의 오스테나이트 분율이 100%가 되는 풀(full) 오스테나이트 변태 시간을 확인하여 블랭크 가열 시간과 소킹(soaking) 시간을 제어함으로써 핫 스탬핑 강의 수소취성으로 인한 지연파괴를 개선할 수 있다.
도 2는 수소 분위기에서의 핫 스탬핑 강의 지연파괴 특성을 알아보기 위하여 수소 분위기에서의 핫 스탬핑 강의 가열 시간에 따른 연신율을 측정하여 나타낸 그래프이다.
실험을 위하여, 3%의 염화나트륨(NaCl)과 0.3%의 NH4SCN의 혼합 용액을 준비하고, 기준 전극(Reference)과 카본(cabon)으로 이루어진 애노드를 상기 혼합 용액에 장입하고, 캐소드에는 테스트용 시편을 설치하였다. 전류밀도를 5mA/㎠로 설정하고 0.05mm/min의 인장속도로, 수소 장입 전, 후의 시편의 연신율을 각각 측정하였다.
상기 시편은, 탄소(C): 0.19~0.25 중량%, 실리콘(Si): 0 초과~0.4 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.6 중량%, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이, 수소 장입 전의 경우(그래프 110) 가열시간이 150초, 180초, 210초 경과하여도 약 0.2%의 연신율 감소를 나타냈지만, 13시간의 수소 장입 후에 측정한 경우(그래프 120) 가열시간이 150초, 180초, 210초 경과함에 따라 연신율이 각각 4%, 3.3%, 1.2%로 감소하였다. 즉, 가열시간이 150초인 경우, 수소 장입에 의해 약 48.7%의 연신율이 감소하였고, 가열시간이 180초인 경우 수소 장입에 의해 약 59.7%의 연신율이 감소하였으며, 가열시간이 210초인 경우 수소 장입에 의해 약 85%의 연신율이 감소하였다.
상기 결과로부터, 핫 스탬핑 강 내에 수소가 존재함으로 인해 강재의 연신율이 저하되고, 이러한 연신율 감소의 폭은 가열 시간이 증가함에 따라 더욱 커짐을 알 수 있다.
도 3은 가열시간에 따른 핫 스탬핑 강의 굽힘성 변화 경향을 알아보기 위하여 실시한 4-포인트 벤딩 테스트의 결과로서 가열 시간에 따른 파단시간을 나타낸 그래프이다.
실험을 위하여, 3%의 염화나트륨(NaCl)과 0.3%의 NH4SCN의 혼합 용액을 준비하고, 시편의 4-지점에 대해 약 1,000MPa의 굽힘력을 인가하면서 파단이 발생하는 시간을 측정하되, 동일 조건에서 2회 반복하여 실험하였다.
그 결과, 도 3에 도시된 바와 같이, 가열시간이 150초, 180초, 210초로 증가함에 따라 파단이 발생하는 시간이 150시간, 96시간(72시간), 71시간(60시간)으로 각각 줄어들었다. 즉, 가열 시간이 경과할수록 파단에 이르는 시간이 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 1a 내지 도 3의 결과에 따르면, 핫 스탬핑용 블랭크를 가열하는 시간이 길어질수록 연신율 감소폭이 증가하고 및 파단이 일어나는 시간이 짧아지는데, 이는 핫 스탬핑용 블랭크 모재의 오스테나이트 결정립이 가열 시간이 경과할수록 조대해지고, 오스테나이트 결정립이 조대할수록 수소가 침투하기 쉽고 결정립계를 따라 존재하는 수소의 밀도가 높아짐에 기인하는 것임을 알 수 있다. 따라서, 블랭크 모재의 미세조직이 풀(full) 오스테나이트화되는, 즉 오스테나이트의 분율이 100%가 되는 풀(full) 오스테나이트 변태 시간을 확인하여 핫 스탬핑을 위한 가열시간을 제어함으로써 수소취성으로 인한 지연파괴를 개선할 수 있다.
한편, 오스테나이트 결정립의 크기는 핫 스탬핑 강을 금형에서 프레스 성형하기 직전에 이루어지는 가열과정에서의 가열 시간뿐만 아니라, 가열 후 안정적인 상 변태와 재결정에 의해 가공성을 향상시키기 위하여 이루어지는 소킹(soaking) 시간과 관련이 있다.
도 4는 핫 스탬핑 부품의 가열 시간에 따른 오스테나이트 결정립 크기를 측정하여 나타내 보인 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가열시간이 150초일 때 최대 AGS는 42.1㎛, 평균 AGS는 19.36㎛으로 측정되었고, 가열시간이 180초일 때 최대 AGS는 62.26㎛, 평균 AGS는 20.32㎛으로 측정되었으며, 가열시간이 250초일 때 최대 AGS는 79.24㎛, 평균 AGS는 28.22㎛으로 측정되었다.
본 발명의 발명자는 상술한 실험결과를 토대로, 평균 AGS가 28㎛를 초과하는 시간을, 모재의 미세조직이 100% 오스테나이트화되는 시간, 즉 풀(full) 오스테나이트 시간을 초과하는 것으로 판단하였다. 이에 따라, 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 프레스 성형을 위한 핫 스탬핑용 블랭크를 가열하는 단계에서 블랭크 미세조직의 평균 AGS가 28㎛ 이하가 되도록 가열 시간을 제어한다.
도 5는 핫 스탬핑 부품의 두께별 가열 시간에 따른 오스테나이트의 상 분율을 나타내 보인 그래프이다. 도 5에서, 가장 좌측의 그래프(a)로부터 차례로 강판의 두께가 1.0t, 1.2t(b), 1.5t(c), 1.8t(d), 그리고 가장 우측의 그래프(e)는 강판의 두께가 2.0t인 블랭크의 경우를 각각 나타낸다.
도 5를 참조하면, 핫 스탬핑 블랭크의 두께에 따라 차이는 있지만, 소킹 시간을 포함하여 블랭크 전체 가열 시간이 증가할수록 오스테나이트 상의 분율이 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 동일 시간(300초) 동안 가열할 때 블랭크의 두께가 얇을수록 오스테나이트 완전 변태에 걸리는 시간은 줄어들고 이후 소킹 시간이 증가함을 알 수 있다.
상기한 도 4 및 도 5의 결과에 따르면, 핫 스탬핑 블랭크의 가열시간이 길어질수록 오스테나이트 결정의 조대화가 일어나고, 블랭크의 두께가 얇을수록 오스테나이트 완전 변태에 걸리는 시간은 줄어들고 이후 소킹 시간이 증가한다. 모재의 두께가 1.2t인 경우 소킹 시간을 포함하는 전체 가열시간을 4분 이내로 제어함으로써 오스테나이트 결정립 크기를 28㎛ 이내로 제어하여 수소취성으로 인한 파단을 개선할 수 있다.
이하, 상술한 실험결과를 바탕으로, 본 발명의 일 구체예에 따른 지연파단 저항성이 증가한 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 공정 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은 블랭크 제작 단계(S210), 블랭크 가열 및 소킹 단계(S220), 및 열간 프레스 성형 단계(S230)를 포함하여 이루어진다.
블랭크 제작 단계(S210)는 목적에 맞게 핫 스탬핑용 강판을 제작하고 원하는 형상의 블랭크로 강판을 절단하는 단계이다. 상기 핫 스탬핑용 강판은 일 예로, 슬라브 재가열, 열간 압연, 냉각/권취, 냉간 압연, 및 소둔 열처리하여 제작된 상이한 두께 또는 강도의 판재들이다.
차량의 구조적 부품과 같은, 높은 기계적 강도를 요구하는 특정 적용을 위해서는, 상기 블랭크는 요구사항 및 사용조건에 따라 적절한 강도, 예를 들어 500MPa 내지 250MPa 범위의 높은 강도를 얻는 것을 가능하게 하는 조성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 모재는 탄소(C): 0.19~0.25 중량%, 실리콘(Si): 0 초과~0.4 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.6 중량%, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 모재의 표면에는 예를 들어 부식 방지를 위한 도금층이 형성될 수 있다. 상기 도금층은 예를 들어 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 또는 아연(Zn)으로 구성될 수 있으며, 상기 판재는 목적에 따라 원하는 형상으로 재단될 수 있다.
상기 제작된 블랭크들을 프레스 성형하기 전에, 소정의 목적에 따라 상기 블랭크들을 정렬하고 정렬된 블랭크들에 대해 레이저 용접을 실시하여 상기 블랭크들을 접합하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다음에, 금형에서 프레스 성형될 블랭크에 적절한 성형성을 부여하기 위해, 상기 접합된 블랭크를 가열로에서 가열한 다음, 조직의 재분포 및 재결정을 위해 일정 시간 소킹(soaking)을 실시한다(S220). 상기 가열 공정은 핫 스탬핑용 블랭크 모재의 오스테나이트 온도 범위에서 진행된다. 상기 가열 공정은 예를 들어 880 ∼ 930℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있다. 상술한 바와 같이, 핫 스탬핑용 블랭크의 가열시간이 길어질수록 오스테나이트 결정의 조대화가 일어나며, 오스테나이트 결정의 조대화는 수소취성에 큰 영향을 미치므로, 소킹 시간을 포함한 전체 블랭크 가열시간을 제어하는 것이 중요하다. 상기 도 2 내지 도 5의 결과를 반영한 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 블랭크 모재의 두께가 1.2t 이하인 경우에 소킹 시간은 90초 이내로 하고, 소킹 시간을 포함한 전체 블랭크 가열시간을 4분 이내로 제어함으로써 오스테나이트 결정의 평균 사이즈를 28㎛ 이하로 제어할 수 있다.
다음에, 고온 가열 및 소킹에 의해 오스테나이트화된 블랭크를 프레스 금형으로 이송하여 원하는 형태의 제품으로 프레스 성형한 후 급냉시킨다(S230). 상기 급냉을 통해 마르텐사이트상을 갖는 고강도 강 부품이 얻어진다.
상기 급냉 단계 후, 열간 프레스 성형된 강 부품의 가장자리에 존재하는 제품 이외의 여분을 제거하는 트리밍을 실시할 수 있다. 상기 여분은 제품 보호를 위해 블랭크를 제품보다 큰 사이즈로 절단한 것과 기타 공정 과정에서 발생하는 것으로, 통상 레이저를 사용하여 트리밍할 수 있다.
이상과 일 구체예의 같은 핫 스탬핑 공정에 의해 제작된 성형품은 차량용 사이드 패널에 사용될 수 있다.
이상 상술한 바와 같은 본 발명의 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 따르면, 열간 프레스 성형을 위한 가열시간을 적절히 제어함으로써 수소취성에 의한 지연파단을 개선하여 지연파단 저항성이 향상된 고강도 핫 스탬핑 부품을 제조할 수 있으며, 경량화를 위해 박물재를 적용하는 추세에 부응하여 품질 향상 및 원가 절감이 가능한 이점이 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.

Claims (7)

  1. (a) 강판을 절단하여 프레스 성형에 필요한 형상의 블랭크를 제작하는 단계;
    (b) 상기 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계로서,
    상기 블랭크의 미세 조직이 풀(full) 오스테나이트화될 때까지의 제1 열처리 시간, 및 상기 풀 오스테나이트화 후의 제2 열처리 시간을 상기 블랭크의 두께별로 제어하며 열처리하되, 상기 블랭크의 오스테나이트 결정립의 평균 크기가 28㎛ 이하가 되도록 상기 제1 열처리 시간 및 제2 열처리 시간을 합한 전체 열처리 시간을 4분 이내로 제어하는 단계; 및
    (c) 상기 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 상기 블랭크는,
    탄소(C): 0.19~0.25 중량%, 실리콘(Si): 0 초과~0.4 중량% 이하, 인(P): 0 초과 0.03 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.6 중량%, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 880 ∼ 930℃의 온도에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 블랭크의 두께가 1.2t 이하일 때, 상기 제2 열처리 시간을 90초 이내로 제어하는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 얻어진 성형품은 차량용 사이드 패널인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
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