KR102010082B1 - 열간 프레스용 철-알루미늄계 합금 도금 강판, 그 제조방법 및 열간 프레스 성형 부품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간 프레스용 철-알루미늄계 합금 도금 강판과 그 제조방법 및 상기 도금 강판으로부터 제조된 열간 프레스 성형 부품에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 철-알루미늄계 합금 도금 강판은, 열간 프레스 성형에 이용되는 철-알루미늄계 합금 도금 강판으로서, 소지강판; 및 상기 소지강판의 표면에 형성된 Fe-Al 합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층의 표면으로부터 1㎛ 깊이의 지점부터 Al 함량이 3%인 깊이까지의 범위에서의 Al 농도와 깊이의 관계로부터 구해지는 것으로서 하기 수학식 1로 표시되는 위치에 따른 Al 함량의 표준편차 비율이 2% 이하일 수 있다.
[수학식 1]

(단, 여기서

는 i 지점의 실제 Al 농도를

는 도금층 내 깊이에 따른 Al 함량의 관계를 근사한 1차식에 의하여 계산되는 i 지점의 Al 농도를, 그리고 n은 전체 데이터의 개수를 의미한다.)

Description

열간 프레스용 철-알루미늄계 합금 도금 강판, 그 제조방법 및 열간 프레스 성형 부품{STEEL SHEET PLATED WITH FE-AL ALLOY FOR HOT PRESS FORMING, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND HOT PRESS FORMED PART MANUFACTURED THEREFROM}

본 발명은 열간 프레스용 철-알루미늄계 합금 도금 강판과 그 제조방법 및 상기 도금 강판으로부터 제조된 열간 프레스 성형 부품에 관한 것이다.

최근 석유 에너지 자원의 고갈과 환경에 관한 높은 관심으로 인하여 자동차의 연비 향상에 대한 규제는 날로 강력해지고 있다.

재료적인 측면에서 자동차의 연비를 향상시키기 위한 한가지의 방법으로서 사용되는 강판의 두께를 감소시키는 것을 들 수 있으나, 두께를 감소시킬 경우 자동차의 안전성에 문제가 발생할 수 있으므로, 반드시 강판의 강도 향상이 뒷받침되어야 한다.

이와 같은 이유로 고강도 강판에 대한 수요가 지속적으로 발생하였으며, 다양한 종류의 강판이 개발된 바 있다. 그런데, 이들 강판은 그 자체로 높은 강도를 가지고 있기 때문에 가공성이 불량하다는 문제가 있다. 즉, 강판의 등급별로 강도와 연신율의 곱이 항상 일정한 값을 가지려는 경향을 가지고 있기 때문에, 강판의 강도가 높아질 경우에는 가공성의 지표가 되는 연신율이 감소하게 된다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 열간 프레스 성형법이 제안된 바 있다. 열간 프레스 성형법은 강판을 가공하기 좋은 고온으로 가공한 후, 이를 낮은 온도로 급냉함으로써 강판 내에 마르텐사이트 등의 저온 조직을 형성시켜, 최종 제품의 강도를 높이는 방법이다. 이와 같이 할 경우에는 높은 강도를 가지는 부재를 제조할 때 가공성의 문제를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

그런데, 상기 열간 프레스 성형법에 의할 경우에는 강판을 고온으로 가열하여야 하기 때문에 강판 표면이 산화되고 따라서 프레스 성형 이후에 강판 표면의 산화물을 제거하는 과정이 추가되어야 한다는 문제가 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 미국 특허공보 제6,296,805호 발명이 제안된 바 있다. 상기 발명에서는 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형 또는 상온 성형 후 가열하고 급냉하는 과정(간략히 '후 열처리')에 이용하고 있다. 알루미늄 도금층이 강판 표면에 존재하기 때문에 가열시에 강판이 산화되지는 않는다.

그런데, 알루미늄 도금강판의 경우 TWB (Tailor Welded Blank)와 같이, 둘 이상의 소재를 서로 용접하여 하나의 블랭크로 한 후, 이를 열간 프레스 성형에 이용하는 경우가 있다.

TWB 기술은 둘 이상의 소재를 용접하여 사용하므로, 부위별로 소재의 특성을 달리하여 부위별로 강도와 충격 흡수능을 달리 설계할 수 있다는 장점이 있다.

그런데, 알루미늄 도금 강판을 용접할 경우, 도금층에 존재하는 알루미늄이 용접부 내에서 편석되어 용접부의 알루미늄 함량이 크게 높아질 수 있다. 이와 같이 알루미늄의 함량이 높아지게 되면 열간 프레스 성형시 프레스에 의해 블랭크(또는 부품)을 급냉한다고 하더라도, 마르텐사이트 조직이 얻어지지 않을 수 있다. 마르텐사이트 조직이 충분히 얻어지지 않는다면 용접부가 주변부에 비하여 강도가 감소하여 용접부에서 파단이 일어나는 등의 문제가 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위하여, 용접 전에 알루미늄 도금층을 제거한 후 용접하는 방법이 제안되기도 하였으나, 이러한 방법을 이용할 경우 공정이 증가하여 제조비용이 증가한다는 문제가 있었다.

본 발명의 한가지 측면에 따르면, 특별한 추가적인 공정 없이도 두 소재를 용접하여 열간 프레스 성형시 사용할 경우 용접부가 높은 강도를 가질 수 있는 열간 프레스 성형용 철-알루미늄계 합금 도금강판 및 그로부터 제조된 열간 프레스 성형 부품이 제공될 수 있다.

즉, 본 발명에서 제공되는 철-알루미늄계 합금 도금 강판은 용접하여 사용되는 블랭크 용 소재로서, 열간 프레스 성형 후에 높은 용접부 강도를 가질 수 있는 철-알루미늄계 도금강판을 의미한다.

본 발명의 목적은 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서에 기재된 사항으로부터 본 발명의 추가적인 목적을 이해하는데 아무런 어려움도 없을 것이다.

본 발명의 한가지 측면에 따른 철-알루미늄계 합금 도금 강판은, 열간 프레스 성형에 이용되는 철-알루미늄계 합금 도금 강판으로서, 소지강판; 및 상기 소지강판의 표면에 형성된 Fe-Al 합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층의 표면에서 1㎛ 깊이로부터 Al 함량이 3%인 깊이까지의 범위에서 하기 수학식 1로 표시되는 위치에 따른 Al 함량의 표준편차 비율이 2% 이하일 수 있다.

[수학식 1]

(단, 여기서

는 i 지점의 실제 Al 농도를

는 도금층 내 깊이에 따른 Al 함량의 관계를 근사한 1차식에 의하여 계산되는 i 지점의 Al 농도를, 그리고 n은 전체 데이터의 개수를 의미한다.)

본 발명의 다른 한가지 측면인 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조 방법은, 소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계; 알루미늄 도금 강판을 소둔하여 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 얻는 단계; 및 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 냉각하는 단계를 포함하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법으로서, 상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽 면 기준으로 5~40g/m²이고, 권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm²으로 하며, 상기 소둔은 상소둔 로에서 650~800℃의 가열 온도 범위에서 1시간 ~ 100시간, 바람직하게는 5시간 ~ 30시간 유지함으로써 실시되며, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 1~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고, 상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 한가지 측면인 열간 프레스 성형 부품은, 본 발명의 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 열간 프레스 성형하여 얻어진 열간 프레스 성형 부품으로서, 용접부 중심에서 양방향으로 15mm 떨어진 지점까지의 경도를 측정하였을 때 경도의 표준편차가 15 이하일 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 철-알루미늄계 합금 도금 강판은 전체적으로 도금층 내 알루미늄 함량이 일정 수준 이하로 제한될 뿐만 아니라, 소지강판의 계면으로 갈수록 알루미늄 함량이 감소하는 형태를 가지기 때문에 도금층에 존재하는 알루미늄이 용접부로 혼입되어 들어갈 가능성이 낮다. 그 결과, 용접부의 알루미늄 함량을 일정 수준 이하로 제한할 수 있으며, 용접부에서 마르텐사이트 비율을 높일 수 있어서 용접부의 강도 감소를 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1은 비교예 1에 의해 제조된 알루미늄 도금 강판의 도금층 표면에서부터 두께(깊이) 방향으로 Al 및 Fe의 함량변화를 GDS 분석한 결과 그래프이다.
도 2는 발명예 1에 의해 제조된 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 도금층 표면에서부터 두께(깊이) 방향으로 Al 및 Fe의 함량변화를 GDS 분석한 결과 그래프이다.
도 3은 발명예 1에 의해 제조된 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 레이저 용접하여 블랭크를 얻은 후, 상기 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 용접부 주위의 Al 성분에 대한 성분 맵핑(mapping)을 실시한 결과이다.
도 4는 발명예 1에 의해 제조된 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 레이저 용접하여 블랭크를 얻은 후, 상기 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 용접부 주위의 경도 변화를 관찰한 그래프이다.
도 5는 비교예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금 도금 강판을 레이저 용접하여 블랭크를 얻은 후, 상기 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 용접부 주위의 Al 성분에 대한 성분 매핑(mapping)을 실시한 결과이다.
도 6은 비교예 1에 의해 제조된 알루미늄 합금 도금 강판을 레이저 용접하여 블랭크를 얻은 후, 상기 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 용접부 주위의 경도 변화를 관찰한 그래프이다.
도 7은 비교예 2에 의해 제조된 철-알루미늄 도금 강판의 도금층 표면에서부터 두께(깊이) 방향으로 Al 및 Fe의 함량변화를 GDS 분석한 결과 그래프이다.
도 8은 비교예 2에 의해 제조된 철-알루미늄 합금 도금 강판을 레이저 용접하여 블랭크를 얻은 후, 상기 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 용접부 주위의 경도 변화를 관찰한 그래프이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 각 원소를 함량을 나타낼 때 특별히 달리 정하지 아니하는 한, 중량%를 의미한다는 것에 유의할 필요가 있다.

본 발명의 발명자들은 열간 프레스 성형시 강판 산화를 방지하기 위하여 강판 표면에 존재하는 알루미늄 도금층의 용접부 내로의 혼입을 방지하는 것이 용접부 강도 확보에 효과적이라는 점에 착안하여, 알루미늄이 용접부로 혼입되지 않도록 하는 효과적인 방법을 제안하기에 이르렀다.

즉, 본 발명의 한가지 구현례에 따른 도금 강판은 열간 프레스 성형에 이용되는 철-알루미늄 합금 도금 강판으로서, 소지강판과 상기 소지강판의 표면에 형성된 Fe-Al 합금 도금층을 포함하고, 도금층 표면으로부터 깊이 방향으로 Al 함량이 단조 감소하는 것을 한가지 특징으로 한다.

통상적으로 알루미늄 도금강판은 도 1에 도시한 바와 같이 표면에서부터 일정 깊이까지는 알루미늄 함량에 특별한 변화가 없으며, 소지강판과 도금층 사이의 계면에 가까운 부분에서 철의 확산에 의한 영향으로 알루미늄 함량이 크게 감소하는 형태의 함량 프로파일을 나타낸다.

그러나, 본 발명의 한가지 구현례에서는 도금층이 철과 알루미늄을 주체로 하는 Fe-Al계 합금 도금층으로서, 도 2에 도시한 바와 같이 도금층 표면에서 알루미늄 함량이 가장 높으며, 소지강판 쪽으로 접근할 수록 알루미늄 함량이 단조 감소하는 경향을 나타낸다. 알루미늄 함량이 소지강판 쪽으로 접근할수록 알루미늄 함량이 감소하기 때문에 용접 시에 용접부로 알루미늄이 혼입될 여지가 줄어들고, 일부 혼입된다고 하더라도 용접부의 강도에 심각한 영향을 미치지 않는다.

본 발명에서 단조 감소라 함은 GDS(Glow Discharge Spectrometer) 프로파일을 나타내는 데이터를 위치와 Al 함량의 1차식(y=ax+b; y는 위치, x는 Al 함량)으로 표현하였을 때, 하기 수학식 1로 표시되는 표준편차 비율이 2% 이하인 경우를 의미한다.

단, 여기서

는 i 지점의 실제 Al 농도를

는 도금층 내 깊이에 따른 Al 함량의 관계를 근사한 1차식에 의하여 계산되는 i 지점의 Al 농도를, 그리고 n은 전체 데이터의 개수를 의미한다. 1차식은 도금층의 표면에서부터 Al 함량이 3%인 깊이까지의 범위의 Al 농도와 깊이의 관계로부터 구해지는 것으로서, 통상 사용되는 다양한 분석 방법에 의해 구할 수 있으며, 한가지 제한적이지 않은 예를 들면 최소자승법(least square method)을 이용하여 구할 수 있다. 1차식은 y=ax+b의 관계를 가질 수 있다(y: 깊이, x: Al 함량, a: 계수, b: 상수).

다만, 최표면에서는 산화 등의 영향이나 분석시의 외부 요인 등에 의하여 Al 함량의 정확도가 감소할 수 있으므로, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 최표면에서부터 1㎛ 이내의 Al 함량은 상기 1차식과 그에 따른 수학식 1의 표준편차 비율을 계산할 때 배제할 수 있다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 상기 수학식 1의 표준편차 비율은 최표면에서부터 깊이 1㎛인 지점부터 Al 함량이 3중량%가 되는 지점까지의 영역에서 구한 것을 사용할 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에 따르면, GDS 분석 프로파일에서 Al 함량의 최대치가 40중량% 이하일 수 있다. Al 함량의 최대치가 40중량% 이하로 제어됨으로써 용접부로 혼입되는 Al 함량을 더욱 제한할 수 있으며, 그 결과 열간 프레스 성형시 용접부의 강도 하락을 방지할 수 있다. 여기서 Al의 최대 함량은 표면 산화층을 제외한 도금층에서의 함량을 의미한다.

본 발명의 다른 한가지 구현례에 따르면, 알루미늄 합금 도금 강판의 도금층의 두께를 40㎛ 이하로 할 수 있다. 도금층의 두께를 일정치 이하로 제한함으로써 알루미늄이 용접부로 혼입되는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 용접부의 강도 하락을 방지할 수 있다. 상기 도금층의 두께는 30㎛ 이하일 수 있으며, 경우에 따라서는 25㎛ 이하일 수 있다. 또한, 열간 프레스 성형시 강판의 산화를 방지하기 위하여 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 도금층의 두께를 3㎛ 이상으로 할 수 있으며, 경우에 따라서는 5㎛ 이상 또는 7㎛ 이상으로 할 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 Fe와 Al 함량의 합계가 90중량% 이상일 수 있다.. 도금층이 전부 Fe와 Al 만으로 이루어질 수 있기 때문에, 상기 Fe와 Al 함량의 합계의 상한은 100중량%로 정할 수 있다. 또한, 본 발명의 합금 도금층은 Fe와 Al을 주성분으로 하며, 필요에 따라서 Mn, Si, Zn, Mg 등의 성분을 더 포함할 수 있다. 여기서, Mn은 내식성을 향상시키는 역할을 할 수 있으며 본 발명의 한가지 구현례에서는 0.01~10%로 포함될 수 있다. 또한, Si은 도금층 내에서 Fe와의 합금화를 균일하게 하는 역할을 할 수 있으며, 본 발며의 한가지 구현례에서는 0.01~2%로 포함될 수 있다. Mg은 도금층의 내식성을 향상시키는 역할을 할 수 있는데, 본 발명의 한가지 구현례에서는 0.01~10%의 범위로 포함될 수 있다. Zn는 도금층의 내식성을 향상시키는 역할을 할 수 있는데, 본 발명의 한가지 구현례에서는 0.01~30%의 범위로 포함될 수 있다.

상술한 도금층을 포함하는 열간 프레스 성형용 철-알루미늄 합금 도금 강판을 2매 이상 용접하여 얻은 블랭크를 열간 프레스 성형하여 얻어진 부품에서, 용접부 중심에서 15mm 떨어진 지점까지의 경도를 측정하였을 때 경도의 표준편차가 15 이하일 수 있다. 또한, 부품의 용접부의 강도를 확보하기 위하여 용접 맞댐부 근처의 알루미늄 도금층을 제거하고 용접을 실시하는 종래의 기술과는 달리, 본 발명의 한가지 구현례에 의해 제조된 강판은 용접부의 도금층을 제거하지 않고서도 우수한 강도를 얻을 수 있기 때문에, 본 발명의 한가지 구현례에 따라 제조된 부품의 용접부와 인접한 모재에는 알루미늄 합금 도금층이 존재할 수 있어서 부품의 내식성이 더욱 확보될 수 있다. 이때, 부품을 얻기 위한 열간 프레스 성형 방법은 통상의 열간 프레스 성형 방법을 이용할 수 있으며, 그 방법을 특별히 제한하지 않으나, 블랭크를 800~1000℃로 가열하여 4~10분 동안 유지한 후, 로에서 취출하고 바로 프레스 성형하면서 25℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 방법을 들 수 있다.

그 결과 본 발명의 한가지 구현례에 따라 제조된 열간 프레스 성형 부품과 열간 프레스 성형에 사용된 도금 강판의 인장강도 차이는 500MPa 이상일 수 있다(이러한 인장강도의 차이는 소재 도금강판과 상기 소재 도금강판을 대기 분위기로 930℃로 가열하고(총 가열시간 5분), 프레스에서 성형하면서 100℃/s의 냉각속도로 냉각하여 얻은 부품의 인장강도 차이로 정의할 수 있다. 이때, 로에서 취출하고 나서 프레스 성형을 개시할 때까지 경과된 시간은 10초로 정할 수 있다). 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 인장강도의 차이를 700MPa 이상으로 할 수도 있다. 인장강도 차이가 클수록 강판 제조 단계에서 블랭킹 등의 작업이나 기타 강판의 가공이 유리하면서도 최종 제품의 강도가 높아지기 때문에 유리하다. 따라서, 상술한 인장강도의 차이의 상한을 특별히 정할 필요는 없으나, 통상 1500MPa 를 넘지 않으므로 굳이 정한다면 1500MPa를 상한으로 정할 수도 있다

본 발명의 도금강판에 포함되는 소지강판은 열간 프레스 성형용 강판으로서, 열간 프레스 성형에 사용된다면 특별히 제한하지 않으나, 한가지 비제한적인 예를 든다면 다음과 같은 조성의 소지강판을 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 구현례에 따를 경우 본 발명의 도금 강판에 포함되는 소지강판은 중량%로, C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하 및 N: 0.02% 이하를 포함하는 조성을 가질 수 있다.

C: 0.04~0.5%

상기 C는 열처리 부재의 강도를 상향시키기 위해 필수적인 원소로서 적정한 양으로 첨가될 수 있다. 즉, 열처리 부재의 강도를 충분하기 확보하기 위해서 상기 C는 0.04% 이상 첨가될 수 있다. 한가지 구현례에서는 상기 C 함량의 하한은 0.1%일 수 있다. 다만, 그 함량이 너무 높으면 냉연재를 생산하는 경우 열연재를 냉간압연할 때 열연재 강도가 너무 높아 냉간압연성이 크게 열위하게 될 뿐만 아니라, 점용접성을 크게 저하시키기 때문에, 충분한 냉간압연성과 점용접성을 확보하기 위해 0.5% 이하로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 C 함량은 0.45% 이하 또한 0.4% 이하로 그 함량을 제한할 수도 있다.

Si: 0.01~2%

상기 Si는 제강에서 탈산제로 첨가되어야 할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형 부재의 강도에 가장 크게 영향을 미치는 탄화물 생성을 억제할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형에 있어서 마르텐사이트 생성 후 마르텐사이트 래쓰(lath) 입계로 탄소를 농화시켜 잔류오스테나이트를 확보하기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 압연 후 강판에 알루미늄 도금을 행할때 충분한 도금성을 확보하기 위해서 상기 Si 함량의 상한을 2%로 정할 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 Si 함량을 1.5% 이하로 제한할 수도 있다.

Mn: 0.01~10%

상기 Mn은 고용강화 효과를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 열간 프레스 성형 부재에 있어서 마르텐사이트를 확보하기 위한 임계냉각속도를 낮추기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 강판의 강도를 적절하게 유지함으로써 열간 프레스 성형 공정 작업성을 확보하고, 제조원가를 절감하며, 점용접성을 향상시킨다는 점에서 상기 Mn 함량은 10% 이하로 할 수 있으며, 본 발명의 한가지 구현례에서는 9% 이하, 또는 8% 이하로 할 수 있다.

Al: 0.001~1.0%

상기 Al은 Si과 더불어 제강에서 탈산 작용을 하여 강의 청정도를 높일 수 있으므로 0.001% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, Ac3 온도가 너무 높아지지 않도록 하여 열간 프레스 성형시 필요한 가열을 적절한 온도범위에서 할 수 있도록 하기 위하여 상기 Al의 함량은 1.0% 이하로 할 수 있다.

P: 0.05% 이하

상기 P는 강내에 불순물로서 존재하며, 가급적 그 함량이 적을수록 유리하다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에서 P는 0.05% 이하의 함량으로 포함될 수 있다. 본 발명의 다른 한가지 구현례에서 P는 0.03% 이하로 제한될 수도 있다. P는 적으면 적을수록 유리한 불순물 원소이기 때문에 그 함량의 상한을 특별히 정할 필요는 없다. 다만, P 함량을 과도하게 낮추기 위해서는 제조비용이 상승할 우려가 있으므로, 이를 고려할 경우에는 그 하한을 0.001%로 할 수도 있다.

S: 0.02% 이하

상기 S는 강 중에 불순물로서, 부재의 연성, 충격특성 및 용접성을 저해하는 원소이기 때문에 최대함량을 0.02%로 한다(바람직하게는 0.01% 이하). 또한 그 최소함량이 0.0001% 미만에서는 제조비용이 상승될 수 있으므로, 본 발명의 한가지 구현례에서는 그 함량의 하한을 0.0001%로 할 수 있다.

N: 0.02% 이하

상기 N은 강 중에 불순물로 포함되는 원소로서, 슬라브 연속주조시에 크랙 발생에 대한 민감도를 감소시키고, 충격특성을 확보하기 위해서는 그 함량이 낮을 수록 유리하며, 따라서 0.02% 이하로 포함할 수 있다. 하한을 특별히 정할 필요가 있으나, 제조비용의 상승 등을 고려하여 한가지 구현례에서 N 함량을 0.001% 이상으로 정할 수도 있다.

본 발명에서는 필요에 따라, 상술한 강 조성에 더하여 Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중에서 하나 이상을 추가로 첨가할 수 있다.

Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합 : 0.01~4.0%

상기 Cr, Mo 및 W은 경화능 향상과, 석출강화 효과를 통한 강도 및 결정립 미세화를 확보할 수 있으므로, 이들 1종 이상을 함량 합계 기준으로 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 또한, 부재의 용접성을 확보하기 위해서 그 함량을 4.0% 이하로 제한할 수도 있다. 또한, 이들 원소의 함량이 4.0%를 초과 하면 더이상의 효과 상승도 미약하기 때문에 함량을 4.0% 이하로 제한할 경우 추가적인 원소 첨가에 따른 비용 상승을 방지할 수도 있다.

Ti, Nb, Zr 및 V로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 합 : 0.001~0.4%

상기 Ti, Nb 및 V은 미세 석출물 형성으로 열처리 부재의 강판 향상과, 결정립 미세화에 의해 잔류 오스테나이트 안정화와 충격인성 향상에 효과가 있으므로 이들 중 1종 이상을 함량의 합계로 0.001% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 첨가량이 0.4%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 과다한 합금철 첨가로 비용 상승을 초래할 수 있다.

Cu + Ni: 0.005~2.0%

상기 Cu와 Ni는 미세 석출물을 형성시켜 강도를 향상시키는 원소이다. 상술한 효과를 얻기 위해서 이들 중 하나 이상의 성분의 합을 0.005% 이상으로 할 수 있다. 다만, 그 값이 2.0%를 초과하면 과다한 비용 증가가 되기 때문에 그 상한을 2.0%로 한다.

Sb + Sn: 0.001~1.0%,

상기 Sb와 Sn은 Al-Si도금을 위한 소둔 열처리 시, 표면에 농화되어 Si 또는 Mn 산화물이 표면에 형성되는 것을 억제하여 도금성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서 0.001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 그 첨가량이 1.0%를 초과하면 과다한 합금철 비용 뿐만 아니라 슬라브 입계에 고용되어 열간압연 시 코일 에지(edge) 크랙을 유발시킬 수 있기 때문에 그 상한을 1.0%로 한다.

B: 0.0001~0.01%

상기 B은 소량의 첨가로도 경화능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구오스테나이트 결정립계에 편석되어 P 또는/및 S의 입계 편석에 의한 열간 프레스 성형 부재의 취성을 억제할 수 있는 원소이다. 따라서 B는 0.0001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간압연에서 취성을 초래하므로 그 상한을 0.01%로 할 수 있으며, 한가지 구현례에서는 상기 B 함량을 0.005% 이하로 할 수 있다.

상술한 성분 이외의 잔부로서는 철 및 불가피한 불순물을 들 수 있으며, 또한 열간 성형용 강판에 포함될 수 있는 성분이라면 특별히 추가적인 첨가를 제한하지 않는다.

이하, 본 발명의 일측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법의 한가지 예를 설명하면 아래와 같다. 다만, 하기하는 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법은 한가지 예시로서 본 발명의 열간 프레스 성형용 강판이 반드시 본 제조방법에 의해 제조되어야 한다는 것은 아니며, 어떠한 제조방법이라도 본 발명의 청구범위를 충족하는 방법이라면 본 발명의 각 구현례를 구현하는데 사용함에 아무런 문제가 없다는 것에 유의할 필요가 있다.

본 발명의 강판은 열간 압연 또는 냉간 압연된 소지강판을 이용하며, 상기 소지강판의 표면에 용융 알루미늄 도금을 실시하고, 도금 강판에 소둔 처리를 함으로써 얻을 수 있다.

[알루미늄 도금 공정]

본 발명의 한가지 구현례에서는 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면을 적절한 조건으로 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판(코일)을 얻는 과정이 수행된다.

한쪽면 당 5~40g/m ² 의 도금량으로 소지강판 표면을 알루미늄 도금

압연된 강판의 표면에 알루미늄 도금 처리를 할 수 있다. 알루미늄 도금은 통상 type I 이라고 명명되는 AlSi 도금(80% 이상의 Al과 5~20%의 Si를 포함, 필요에 따라 추가적인 원소도 포함 가능)이나, type II라고 명명되는 Al을 90% 이상 포함하고 필요에 따라 추가적인 원소를 포함하는 도금 모두 사용할 수 있다. 도금층을 형성하기 위해 용융 알루미늄 도금을 행할 수 있으며, 도금전에 강판에 대한 소둔 처리를 할 수도 있다. 도금시 적절한 도금량은 한쪽면 기준으로 5~40g/m² 이다. 도금량이 너무 많을 경우에는 표면까지 합금화하는데 시간이 과다하게 소요될 수 있으며, 반대로 도금량이 너무 적을 경우에는 충분한 내식성을 얻기 어렵다. 상기 도금량은 바람직하게는 5~29g/m²일 수 있으며, 보다 바람직하게는 10~25g/m²일 수 있다

도금 후 권취 장력을 0.5~ 5 kg / mm ² 로 함

도금 후 강판을 권취하여 코일을 얻을 때, 코일의 권취 장력을 조절할 수 있다. 코일의 권취 장력의 조절에 따라 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동과 표면 품질이 달라질 수 있다.

[소둔 처리 공정]

상술한 과정에 의해 알루미늄 도금된 강판에 대하여 다음과 같은 조건으로 소둔 처리를 실시하여 알루미늄 합금 도금 강판을 얻는다.

상소둔 로에서 650~800℃의 범위에서 1시간 ~ 50시간 실시

알루미늄 도금 강판(코일)은 상소둔 로(Batch annealing furnace)에서 가열된다. 강판을 가열할 때, 열처리 목표 온도와 유지 시간은 강판 온도를 기준으로 650~800℃인 범위 내(본 발명에서는 이 온도 범위에서 소재가 도달하는 최고 온도를 가열 온도라고 함)에서 1시간~100시간 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 유지시간이라 함은 코일온도가 목표 온도에 도달한 후 냉각개시까지의 시간이다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 합금화가 충분하게 이루어지지 않을 경우에는 롤 레벨링시 도금층이 박리될 수 있으므로 충분한 합금화를 위해서 가열 온도를 550℃ 이상으로 할 수 있다. 또한, 표층에 산화물이 과다하게 생성되는 것을 방지하고 점 용접성을 확보하기 위해서 상기 가열 온도는 800℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 도금층을 충분하게 확보하는 동시에 생산성의 저하를 방지하기 위하여 상기 유지 시간은 1시간~100시간으로 정할 수 있으며, 바람직하게는 5시간 ~ 30시간으로 정할 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 강판의 온도는 가열 온도에 도달할 때까지 냉각 과정 없이 온도가 계속 상승하는 형태의 가열 패턴을 가질 수 있다.

평균 승온 속도를 5~100℃/h로 하여 가열 온도까지 가열

상술한 가열 온도로 강판을 가열할 때, 충분한 생산성을 확보하고 전 강판(코일)에서 도금층을 균일하게 합금화 시키기 위해서는 전체 온도 구간(상온부터 가열 온도까지의 구간)에 대한 강판(코일) 온도 기준으로 평균 승온 속도가 5~100℃/h로 되도록 할 수 있다. 또한, 전체적인 평균 승온 속도는 위와 같은 수치 범위에서 제어할 수 있지만, 본 발명의 한가지 구현례에서는 후술하는 바와 같이 특정 온도 구간의 승온 속도도 함께 제어하여 본 발명의 과제를 달성할 수 있도록 하였다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 상기 평균 승온 속도의 하한은 5℃/h로 정할 수 있고, 보다 바람직하게는 10℃/h로 정할 수 있다. 또한, 상기 평균 승온 속도의 상한은 80℃/h로 정할 수 있으며, 보다 바람직하게는 60℃/h로 정할 수 있다.

승온시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열

본 발명의 한가지 구현례에서는 압연시 혼입된 압연유가 기화되는 상기 온도구간에서 압연유가 잔존하여 표면 얼룩 등을 야기하는 것을 방지하면서 충분한 생산성을 확보하기 위하여 승온시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열할 수 있다.

600~650℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~30℃/h로 하여 가열

본 발명의 한가지 구현례에서는 생산성 향상을 위하여 600~650℃ 구간의 평균 승온 속도를 1℃/h 이상으로 할 수 있다. 또한, 승온속도가 너무 높을 경우 균일한 합금화를 달성할 수 있으므로, 상기 구간의 평균 승온 속도는 30℃/h 이하로 할 수 있다.

상소둔로내 분위기온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 함

일반적인 상소둔로의 가열은 강판(코일)을 직접 가열하는 방식보다는 소둔로내 분위기 온도 상승을 통하여 강판(코일)을 가열하는 방식을 취한다. 이런 경우에 분위기 온도와 코일 온도 간의 차이는 피할 수 없으나, 강판 내 위치별 재질 및 도금 품질 편차를 최소화 하기 위해서는 열처리 목표온도 도달시점을 기준으로 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 80℃ 이하로 할 수 있다. 온도차이는 가능한 작게 하는 것이 이상적이나 이는 승온속도를 느리게 하여 전체 평균 승온 속도 조건을 충족하기 어려울 수도 있으므로 이를 고려한다면 5℃ 이상으로 할 수 있다. 여기서, 강판의 온도는 장입된 강판(코일) 바닥부(코일 중에서 가장 낮은 부분을 의미한다)의 온도를 측정한 것을 의미하며, 분위기 온도는 가열로의 내부 공간의 중심에서 측정한 온도를 의미한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항 및 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

발명예 1

하기 표 1의 조성을 가지는 열간 프레스 성형용 냉간압연 강판을 준비하였다. 강판의 표면에 Al-8%Si-2%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판을 표면을 도금하였다. 도금 시 도금량은 한쪽 면당 20g/m²으로 조절하였고, 도금 후 권취장력을 2.2kg/mm²으로 조절하여 코일을 권취하였다.

원소	C	Si	Mn	Al	P	S	N	추가 원소
함량(%)	0.21	0.2	1.2	0.03	0.01	0.003	0.004	Ti 0.03, B 0.003, Cr 0.2

도금된 강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 730℃까지 가열하였다.

730℃까지의 전체 평균 승온 속도: 20℃/h

400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 10℃/h

600~650℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 10℃/h

가열 온도에서 분위기와 코일 사이의 온도 차이: 30℃

가열 후 동일한 온도에서 10시간 유지하였으며, 이후 강판을 500℃까지 40℃/h의 평균 냉각 속도로 냉각한 후, 100℃까지 55℃/h의 평균 냉각 속도로 냉각하여 열간 프레스 성형용 강판을 얻었다. 얻어진 도금강판의 인장강도는 480MPa 이었다.

강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 2와 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 도금층 표면에서 소지강판과의 경계에 이르기까지 Al 함량이 단조 감소하는 것을 볼 있으며, 상기 수학식 1에 따른 표준편차비율이 0.3% 수준인 것을 확인할 수 있었다. 1차식은 표면으로부터 깊이 1㎛까지의 데이터는 제외하고, Al 함량이 3%가 되는 지점까지의 도금층 내 깊이에 따른 Al 함량의 데이터를 최소자승법으로 근사함으로써 구할 수 있었다. 도금층의 전체 두께는 약 17㎛ 임을 확인할 수 있었다. 도면에서 알 수 있듯이, 도금층 내 Al 함량의 최대치는 21% 정도이었다. 또한, 표면으로부터 1㎛ 깊이에서 Al 함량이 3%인 깊이까지의 전체 도금층에서 Fe와 Al 의 함량의 합계의 평균치는 95.8중량%임을 확인할 수 있었다.

상기와 같이 상소둔으로 제조된 강판을 맞대기 한 후 레이저 용접을 실시하였다. 통상 알루미늄 도금 강판을 용접할 경우에는 강판 표면의 알루미늄 층을 제거하는 작업(ablation 또는 alliation 이라고 함)을 실시하여 알루미늄이 용접부에 혼입되지 않도록 하는 작업을 수행하나, 본 실시예에서는 이와 같은 작업을 실시하지 않고 바로 두 강판을 맞대기 용접하였다.

레이저 용접된 강판을 다음과 같은 조건으로 930℃까지 가열하고, 프레스 성형하였다.

가열시 분위기: 대기

총 가열시간: 5분

공냉시간: 10초(프레스에서 취출해서 프레스 성형을 개시할

프레스 냉각속도: 100℃/초

이후 EPMA를 이용하여 용접부 단면에서 Al 성분에 대한 성분 매핑(mapping)을 실시한 결과를 도 3에 나타내었다. 도면에서 확인할 수 있듯이, 용접부에서 편석되어 있는 Al은 거의 관찰이 되지 않았다. 또한, 모재 및 용접부(도면에서 용접부 중심은 15mm 지점이다). 를 따라서 500g 하중으로 0.2mm 간격으로 비커스 경도를 측정한 결과를 도 4에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 30개 경도값의 표준편차는 8.2로서 균일한 경도 분포를 보였다. 얻어진 부품의 인장강도는 1596MPa 이었다.

비교예 1

도금양을 제외하고는 상기 발명예와 동일한 방식으로 도금하되, 도금만 실시하고 권취 후 가열 및 냉각은 실시하지 않은 알루미늄 도금 강판을 비교예 1로 하였다. 이 때 도금 시 도금량은 한쪽 면당 80g/m²으로 조절하였고, 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 1과 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 여기서 표준편차 비율은 12.5% 이었다. 얻어진 도금강판의 인장강도는 534MPa 이었다.

또한, 발명예와 동일하게 용접부의 도금층을 제거하지 아니하고 레이저 용접 및 열간프레스를 실시한 후 Al 성분에 대한 EPMA 매핑을 실시한 결과는 도 5에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이 Al 편석이 용접부에 다수 관찰되었다. 발명예 1과 동일한 방법으로 모재 및 용접부를 따라서 비커스 경도를 측정한 결과는 도 6에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 30개 경도값의 표준편차는 33.1로서 불균일한 경도 분포를 보였다. 이와 같이 경도가 불균일할 경우 하중이 한곳에 집중되어 조기 파단 등의 문제가 발생할 수 있어 적합하지 못하다. 얻어진 부품의 인장강도는 1408MPa 임을 확인할 수 있었다.

비교예 2

상기 발명예와 동일한 방식으로 얻은 도금강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 690℃까지 가열하였다.

690℃까지의 전체 평균 승온 속도: 20℃/h

400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 10℃/h

600~650℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 10℃/h

가열 온도에서 분위기와 코일 사이의 온도 차이: 30℃

가열 후 동일한 온도에서 50분 유지하였으며, 이후 강판을 500℃까지 40℃/h의 평균 냉각 속도로 냉각한 후, 100℃까지 55℃/h의 평균 냉각 속도로 냉각하여 열간 프레스 성형용 강판을 얻었다.

강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 7과 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 여기서 상기 수학식 1에 따른 표준편차 비율은 2.9% 수준인 것을 확인할 수 있었다.

또한, 발명예와 동일하게 용접부의 도금층을 제거하지 아니하고 레이저 용접 및 열간프레스를 실시한 후 발명예 1과 동일한 방법으로 모재 및 용접부를 따라서 비커스 경도를 측정한 결과는 도 8에 나타내었다. 도면에서 볼 수 있듯이, 30개 경도값의 표준편차는 18.1로서 불균일한 경도 분포를 보였다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에서와 같이 열간 프레스 성형용 도금강판의 도금층의 조건을 제어할 경우 용접부에서도 경도 저하가 일어나지 않아서 균일한 물성을 가지는 열간 프레스 성형 부품을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

Claims (12)

1. 열간 프레스 성형에 이용되는 철-알루미늄계 합금 도금 강판으로서,
   소지강판; 및
   상기 소지강판의 표면에 형성된 Fe-Al 합금 도금층을 포함하고,
   상기 도금층의 표면에서 1㎛ 깊이인 곳에서부터 Al 함량이 3%인 깊이까지의 범위에서 하기 수학식 1로 표시되는 위치에 따른 Al 함량의 표준편차 비율이 2% 이하인 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   [수학식 1]
   

   

   
   (단, 여기서

   

   는 i 지점의 실제 Al 농도를

   

   는 도금층 내 깊이에 따른 Al 함량의 관계를 근사한 1차식에 의하여 계산되는 i 지점의 Al 농도를, 그리고 n은 전체 데이터의 개수를 의미한다.)
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도금층의 두께가 3~40㎛인 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 도금층 중 Al 함량의 최대치가 40중량%인 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 도금층 중 Fe와 Al 함량의 합계가 90 중량% 이상인 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지는 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
6. 제 5 항에 있어서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
7. 제 5 항에 있어서, 930℃에서 5분 동안 유지한 후, 바로 프레스 성형하면서 25℃/s의 냉각속도로 냉각할 때 강도가 500MPa 이상 상승하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판.
   
8. 소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계;
   알루미늄 도금 강판을 소둔하여 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 얻는 단계; 및
   철-알루미늄계 합금 도금 강판을 냉각하는 단계를 포함하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법으로서,
   상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽 면 기준으로 5~40g/m²이고,
   권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm²으로 하며,
   상기 소둔은 상소둔 로에서 650~800℃의 가열 온도 범위에서 1시간 ~ 100시간 유지함으로써 실시되며,
   상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 1~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고,
   상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
   
9. 제 8 항에 있어서, 상기 소둔 시 600~650℃ 사이의 온도 구간의 평균 승온 속도를 5~20℃/h로 하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
   
10. 제 8 항에 있어서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
    
11. 제 10 항에 있어서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
    
12. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 철-알루미늄계 합금 도금 강판을 열간 프레스 성형하여 얻어진 열간 프레스 성형 부품으로서,
    용접부 중심에서 15mm 떨어진 지점까지의 경도를 측정하였을 때 경도의 표준편차가 15 이하인 열간 프레스 성형 부품.
    

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