KR102006963B1 - 강 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

강 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 여기서 반제품은 성형 온도까지 가열되고, 그 후 성형된다. 가열은 AC1 변태 온도 미만의 온도까지 실행되고, 반제품은 냉간 성형에 의해 가열 전에 강도가 증가되는 것이 규정된다.

Description

강 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법{METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT BY HOT-FORMING A STEEL PRECURSOR PRODUCT}
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따라 강으로 제조된 반제품을 열간성형함으로써 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 이하의 설명에서, 반제품은, 예를 들면, 시트 금속 플레이트 또는 이음매 없는 파이프 또는 용접된 파이프의 각각을 포함한다.
이러한 부품은 자동차 산업에서 주로 사용되지만 기계공학 또는 토목 공학에서도 사용될 수 있다.
격렬하게 경쟁하는 자동차 시장으로 인해 제작자들은 신속한 소모를 저감함과 동시에 최상의 가능한 쾌적함 및 탑승자 보호를 유지하기 위한 해법을 끊임없이 모색해야 한다. 이와 같은 상황에서, 중량 절감이 중요한 역할을 하지만, 다른 한편으로는 작동 중에 그리고 충돌의 경우의 높은 정적 응력 및 동적 응력 중에 탑승자의 수동적 안전성을 제고하는 개별 부품의 특성도 중요한 역할을 한다.
원료의 공급자는 벽 두께를 감소시킬 수 있는 고강도 및 초고강도 강을 제공함과 동시에 제작 및 작동 중에 부품의 개선된 특성을 제공함으로써 이러한 요건에 부합하도록 노력한다.
그러므로, 이러한 강은 강도, 신축성, 강인성, 에너지 흡수 및 내식성 뿐만 아니라, 예를 들면, 냉간성형 중 및 용접 중의 처리가능성에 관한 비교적 높은 표준을 만족시켜야 한다.
전술된 측면을 고려하면, 열간 가공 가능한 강으로 제조된 부품의 생산은 중요도가 증가하고 있는데, 이들은 부품 특성 상에 가해지는 증대되는 요건에 이상적으로 부합함과 동시에 더 적은 재료를 요하기 때문이다.
성형 공구에서 열간성형에 의해 프레스 경화 가능한 강으로 제조된 반제품의 담금질에 의한 부품의 생산은 DE 601 19 826 T2로부터 공지되어 있다. 여기서, 사전에 오스테나이트화 온도를 초과하여 800 ~ 1000 ℃까지 가열되는, 그리고 아연 베이스 상에 금속 코팅으로 선택적으로 피복될 수 있는 시트 금속 플레이트는 선택적으로 냉각되는 공구 내에서 하나의 부품으로 성형되고, 여기서 성형 중에 시트 금속 플레이트 또는 부품은 급속한 열의 제거에 의해 담금질 경화(프레스 경화)되고, 그 결과 요구되는 강도 특성을 얻는다. 금속 코팅은 통상적으로 핫 스트립 또는 콜드 스트립 또는 이것으로부터 생산되는 반제품 상에 연속적 용융 코팅으로, 예를 들면, 용융 아연도금 또는 용융 알루미늄도금으로서 부식 방지로서 가해진다.
후속적으로, 플레이트는 열간성형에 따른 성형 공구를 위한 크기로 절단된다. 성형될 각각의 공작물이나 용융 코팅을 구비하는 절단물을 제공하는 것도 가능하다.
코팅은 베이스 재료의 스케일링(scaling), 및 그 결과 추가적 윤활 효과, 과도한 공구 마모를 효과적으로 방지하므로, 이 방법에서 열간성형 전에 형성되는 반제품 상에 금속 코팅을 적용하는 것이 유리하다.
이 적용 분야를 위한 공지된 열간 성형 가능한 강은, 예를 들면, 망가니즈-보론 강 "22MnB5" 및 본 출원인의 미공개 특허 출원에 따른 공기 경화 가능한 강이다.
공지된 방법에 의한 열간성형에 의한 부품의 생산은 다수의 단점을 갖는다.
한편으로 이 방법은 반제품의 오스테나이트화 온도로의 가열 및 페라이트의 오스테나이트로의 변태로 인해 극히 다량의 에너지를 필요로 하고, 이것에 의해 본 방법은 고가로 되고 상당한 양의 CO2를 발생한다.
또한, 위에서 설명된 바와 같이 시트 금속 표면의 과도한 스케일링을 방지하기 위해, 추가적인 금속 보호층 또는 보호용 래커계(lacquer based) 층이 요구되거나, 가열 및 성형의 결과로서 스케일링이 형성된 표면의 상당한 후처리가 요구된다.
통상적으로 800℃를 상당히 초과하는 온도에서 실시되는
AC3 온도를 초과하는 성형으로 인해, 온도 안정성에 관한 극히 높은 요건이 이들 층 상에 가해진다.
추가의 단점은, 프레스 경화 후에 그에 따른 부품의 강도를 얻기 위해, 충분히 느리게 변태하는 변태 가능한 강만이 사용될 수 있고, 따라서 이것은 성형 후에 달성될 미세구조 및 경도를 위한 고가의 합금의 추가를 필요로 한다.
요약하면, 오스테나이트화 온도를 초과하는 성형에 의해 부품을 생산하기 위한 공지된 방법은 높은 에너지 비용, 및 높은 부품 가격을 초래하는 고가의 재료로 인해 극히 비용 집약적이다. 고강도 강의 성형 능력을 개선하기 위해, DE 10 2004 028 236 B3로부터 냉간 성형 대신 부품의 400 내지 700℃의 온도에서의 성형(온간 성형(warm forming))에 의해 공작물을 추가로 처리하는 것이 공지되어 있다. 이 방법에서는 또한 더 높은 강도 및 이러한 고가의 재료를 사용해야만 높은 부품 강도가 얻어질 수 있다는 단점을 갖는다.
본 발명의 목적은 비용 효율적이고 부품의 극도의 특성 또는 개선된 특성을 공지된 열간성형으로 프레스 경화에 의해 달성할 수 있는 방법을 진술하는 것이다.
본 발명의 사상에 따르면, 이 목적은, 본 방법 중에, 반제품이 AC1 변태 온도 미만의 온도까지 가열되고 또 반제품이 가열되기 전에 냉간 성형에 의해 강도 증가가 발생하는 방법에 의해 해결된다.
부품을 생산하기 위한 DE 601 19 826 T2로부터 공지된 방법에 비해, 본 발명에 따른 방법은 본질적으로 성형 후의 부품의 강도가 가열을 위한 상당히 더 낮은 에너지 요건에서 사전에 반제품 내에 도입되는 변형 경화에 의해 달성되는 이점을 갖는다. 이것은 에너지 및 합금화 비용을 절감시킨다. 도입된 전위는 강도의 상당한 증가를 유발하고, 이 강도는 가열 공정에 의해서 약간만 감소되므로 부품의 강도는 표적화 방식으로 조절될 수 있다. 완성된 부품의 전성은 프레스 경화에 의해 생산된 부품에 비해 상당히 증가될 수 있다는 것이 시험에 의해 밝혀졌다.
핫 스트립과 같은 평탄한 제품의 경우, 본 발명에 따른 방법에서, 소위 "냉간 압연", 즉 비교적 낮은 변형 정도로 실온에서의 압연이 사용되고, 이것으로부터 형성되는 플레이트가 절단된다. 핫 스트립으로부터 생산되는 이음매 없는 파이프 또는 용접된 파이프의 경우, 파이프는 예를 들면 냉간 인발에 의해 대응하여 변형된다.
냉간 성형에 의해 반제품 내에 이전에 도입된, 완성된 부품에서 유효한 강도를 증가시키기 위해, 냉간 성형의 정도는 사용되는 반제품의 재료에 따라 3% 미만이어서는 안되고, 유리하게는 5% 미만이어서는 안 된다.
핫 스트립의 경우에 장점은 변형의 정도이고, 이것은 종래의 약 3%의 조질 압연과 약 50% ~ 80%의 냉간 압연 사이이다. 그러나, 본 발명은 냉간 압연의 더 높은 변형의 정도에서도 문제 없이 사용될 수 있다. 관습적으로, 5 내지 35%의 냉간 변형 정도가 매우 양호한 것으로 입증되었다.
동등한 정도의 변형이 반제품으로서의 파이프의 사용을 위해 적용된다.
시험 결과, 이와 같이 확립된 상당한 전위 밀도의 증가는 프레스 경화에 의한 전통적인 열간성형 공정에 비해 AC1 온도 미만의 상당히 더 낮은 재가열 온도에 의해 상당한 정도까지 보존될 수 있다는 것이 밝혀졌고, 이것에 의해 온간 성형 후에도 성형된 제품의 강도에 영구적으로 기여한다. 낮은 성형 온도에서의 성형 중에 새로 형성되는 전위는 또한 부분적으로 유지된다.
DE 10 2004 028 236 B3에 비해, 더 높은 강도의 재료를 사용하는 대신 열간성형 전에 반제품 상의 단순한 냉간 성형 단계에 의해 증가된 부품 강도가 달성될 수 있다.
그러나, 본 발명의 방법에서, 예를 들면 부품의 극히 상당한 강도 증가가 달성되어야 하는 경우, 반제품의 냉간 성형에 의한 강도 증가에 덧붙여, 더욱 고강도의 재료를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명은 금속 코팅으로서의 스케일 억제 층 또는 부식 억제 층을 구비할 수 있는 연질 강 내지, 예를 들면, 140 MPa 내지 1200 MPa의 항복 강도를 가지는 고강도 강으로 제조된 반제품을 위해 사용될 수 있다. 금속 코팅은 Zn 및/또는 Mg 및/또는 Al 및/또는 Si를 포함할 수 있다.
고강도 강으로서 모두 단상(one phase)의 강 유형뿐만 아니라 다상(multi phase)의 강 유형이 사용된다. 이것은 마이크로 합금된 고강도 강 유형뿐만 아니라 베이나이트 또는 마르텐사이트 유형 및 이중상 또는 다상 강을 포함한다.
종래의 생산 경로와 대조적으로, 점착 및 전성이 낮은 정도의 변형을 갖는 온간 성형을 견딜 수 있으므로 이미 표면 처리된 핫 스트립이 가열 후의 성형을 위해 사용될 수 있다. 금속 코팅은 기재(substrate)의 AC1 온도 미만에서 기재/코팅(강 스트립/코팅)의 조합체의 단시간 재가열에 영향을 받지 않으므로, 금속 코팅은 온간 성형 전의 재가열 및 실제의 온간 성형에 견딜 수 있다.
비교적 낮은 열량으로 인해, 신속하고 직접적으로 작용하는 시스템(유도, 전도 및 특히 복사)은 푸셔(pusher) 유형의 노 또는 체임버 노와 같은 대규모 재가열 집합체보다 선호된다.
또한, 설명된 방법의 경우 상당히 낮은 열 에너지가 요구되거나 에너지 효율이 프레스 경화의 경우보다 높다. 그 결과, 공정 비용이 더 낮아지고, CO2 방출이 감소된다.
바람직하게, 본 경우 효율이 노내 가열의 경우 또는 유도 가열의 경우에 비해 상당히 높고, 또 에너지가 표면 특성에 따라 더 신속하고 더 효과적으로 재료 내에 도입되므로 재가열은 온간 성형 전에 복사에 의해 실행된다.
방열기를 사용함으로써, 응력 최적화된 부품을 얻기 위해 표적화된 방식으로 성형될 공작물의 개개의 영역을 가열하는 것도 가능하다.
열원과 성형 공구 사이의 수송을 위해, 특히 극박의 강 시트(예를 들면, 0.8 mm 미만)의 경우에, 국부적 강성을 증가시키기 위한 프로파일링을 갖는 절단물을 제공하는 것이 더 유용할 수 있다. 달성될 강도가 프로파일링으로 인해 공구의 내면을 통해 실행될 수 없는 급랭을 필요로 하므로 이것은 대류 프레스 경화에서는 불가능하다.
본 발명에 따른 방법에서, 냉간 성형된 반제품은 720℃ 미만의 온도까지, 유리하게는 400 ~ 700℃ 범위의 온도로 가열되고, 다음에 부품으로 성형된다. 최적의 성형 온도는 요구되는 부품의 강도에 의존하고, 바람직하게는 약 540℃ 내지 700℃의 범위이다.
성형(프레싱)은 이전의 냉간 압연에 덧붙여 추가의 전위의 도입을 유발하고, 재결정 또는 회복의 의미에서 전위를 완전히 소멸시키기 위해 요구되는 온도는 산업에서 사용되는 부품 당 최대 15초 또는 그보다 상당히 짧은 사이클 시간 내에서 불충분하므로, 이 추가의 전위를 통해 증가된 추가의 강도가 달성된다.
격자간에 용해된 원소(예를 들면, C, B, N)에 의한 전위의 저지와 함께, 소위 "베이크(bake) 경화 효과"의 결과로서 또는 추가의 석출물 형성, 예를 들면 VC에 의해 프레싱 및 후속 냉각 중에 추가의 강도 증가가 가능해진다. 대안으로서, 강도는 제어 냉각 또는 후의 열처리(예를 들면, 버닝 인 바니시(burning in varnish) 또는 응력 제거 어닐링에 의해 증가될 수 있다.
본 발명의 유리한 실시형태에서, 반제품을 성형온도까지 가열하는 중에, 표적화된 방식으로 국부적으로 특성을 변화(예를 들면, 국부적 경화)시키기 위해 온간 성형의 온도 범위는 오스테나이트화 영역으로 상승되고, 이것은 나머지 재료의 강도 증가와 조합하여 부품의 후의 요구에 따라 조절된다.

Claims (14)

  1. 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법으로서,
    상기 반제품을 냉간 인발 또는 냉간 압연 하여 5 ~ 35%의 변형 정도를 갖도록 하여 상기 반제품의 강도가 증가되는 변형 단계,
    상기 변형 단계 후 상기 반제품을 540 내지 700℃의 범위의 성형 온도로 가열하는 가열 단계, 및
    상기 가열 단계 후 상기 반제품을 상기 성형 온도에서 상기 부품으로 형성하는 성형 단계,
    를 포함하는 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반제품은 상기 가열 전에 금속 또는 래커형(lacquer-like) 코팅을 제공받는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반제품은 상기 냉간 성형 전에 금속 또는 래커형 코팅을 제공받는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 코팅은 Zn, Mg, Al 및 Si로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 성형 온도까지의 상기 가열은 유도적으로, 전도적으로, 또는 복사에 의해 실행되는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    시트 금속 플레이트 또는 파이프가 반제품으로서 사용되는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 시트 금속 플레이트는 핫 스트립으로 제조되는, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 파이프는 핫 스트립으로부터 생산되는 이음매 없게 압연된 파이프 또는 용접된 파이프인, 강으로 제조된 반제품의 열간성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법.
  14. 삭제
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