KR102010084B1

KR102010084B1 - 수소지연파괴특성이 우수한 철-알루미늄 합금 도금강판, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재

Info

Publication number: KR102010084B1
Application number: KR1020170179671A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 오진근; 전효식; 강미숙
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-08-12
Also published as: KR20190078013A

Abstract

본 발명은 수소지연파괴특성이 우수한 철-알루미늄 합금 도금 강판, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판은 소지강판; 상기 소지강판의 표면에 형성되고, 60중량% 이상의 Fe를 포함하는 철-알루미늄 합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층에는 BCC 구조를 가지는 철-알루미늄 합금상이 면적 기준으로 90% 이상 포함될 수 있다.

Description

수소지연파괴특성이 우수한 철-알루미늄 합금 도금강판, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재{STEEL SHEET PLATED WITH FE-AL ALLOY HAVING IMPROVED RESISTANCE AGAINST HYDROGEN DELAYED FRACTURE, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND HOT PRESS FORMED PART MANUFACTURED THEREFROM}

본 발명은 수소지연파괴특성이 우수한 철-알루미늄 합금 도금 강판, 그 제조방법 및 그로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재에 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.

이와 같은 열간 프레스 성형을 거칠 경우 강판은 1000MPa 이상, 경우에 따라서는 1400MPa 이상의 강도를 가질 수 있으며, 최근에는 강도에 대한 요구수준이 더욱 높아져서 1800MPa 이상의 강도를 가지게 되는 경우도 있다. 그런데, 강판의 강도가 높아질 경우 수소지연파괴에 대하여 민감해져서 적은 양의 수소를 함유하는 경우에도 강판이 파단에 이르는 경우도 있다.

본 발명의 한가지 측면에 따르면 수소지연파괴에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제조할 수 있는 열간 프레스 성형용 강판과 상기 강판을 제조하기 위한 한 가지 제조방법 및 상기 강판으로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재가 제공된다.

본 발명의 과제는 상술한 내용으로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 해결하는데 아무런 어려움도 없을 것이다.

본 발명의 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판은 소지강판; 상기 소지강판의 표면에 형성되고, 60중량% 이상의 Fe를 포함하는 철-알루미늄 합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층에는 BCC 구조를 가지는 철-알루미늄 합금상이 면적 기준으로 90% 이상 포함될 수 있다.

본 발명의 또한가지 측면에 따른 도금강판의 제조방법은, 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, 상기 알루미늄 도금 후 평균 250℃까지의 냉각속도를 3~20℃/초로 하고, 상기 알루미늄 도금 후 압하율 0.1~1.5%로 조질압연 하는 단계를 더 포함하고, 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 하고, 상기 알루미늄 합금 도금 강판을 냉각하는 단계에서 500℃까지 50℃/h 이하의 속도로 냉각할 수 있다.

본 발명의 또다른 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재는, 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 철-알루미늄 합금 도금층을 포함하고, 상기 도금층에는 BCC 구조의 합금상이 면적기준으로 95% 이상 포함될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 도금강판에 Fe가 다량 함유된 BCC 구조의 결정상이 형성되어 있으므로, 열간 프레스 성형을 위한 가열시 소지강판에 포함되어 있던 수소가 분위기로 방출되는 것이 용이하게 되어, 열간 프레스 성형 부재 내의 확산성 수소량을 저감시킬 수 있다. 그 뿐만 아니라, 최종적으로 얻어진 열간 프레스 성형 부재 역시 표면의 도금층이 BCC 구조의 결정상을 다량 포함하고 있어서 잔류하는 확산성 수소를 용이하게 방출할 수 있다. 확산성 수소량을 저감시킬 경우 수소지연파괴에 대한 저항성이 우수하다.

도 1은 발명예에 의해 제조된 강판의 도금층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 도금층 구조 및 대표 회절 패턴을 나타낸 사진이다.
도 2는 발명예에 의해 제조된 부재의 도금층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석한 도금층 구조 및 대표 회절 패턴을 나타낸 사진이다.
도 3은 비교예에 의해 제조된 강판의 도금층 구조를 광학현미경으로 관찰한 사진이다.
도 4는 비교예에 의해 제조된 부재의 도금층을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 특별히 달리 표현하지 아니하는 한, 강판 또는 도금층의 성분의 함량 단위는 중량을 기준으로 한다. 또한, 결정이나 조직의 비율은 특별히 달리 표현하지 아니하는 한 면적을 기준으로 한다.

본 발명의 발명자들은 열간 프레스 성형용 강판에서 수소지연파괴의 원인이 되는 수소의 흡장원에 대하여 검토한 결과, 열간 프레스 성형용 강판 또는 블랭크(blank)를 가열할 때, 주위의 분위기 등에 존재하던 수소가 도금층을 경유하여 강판에 흡수된 후, 상온으로 급냉되면 부재로로부터 빠져나오지 못하고 그대로 강판 내에 체류하다가 강판을 파단에까지 이르게 하는 것을 알게 되었다.

강판으로 침입하는 수소의 양을 줄이기 위하여 분위기를 질소 분위기나, 그 밖의 비수소 함유 분위기로 하는 것을 생각할 수 있으나, 이러한 방법은 제조 비용의 상승을 초래한다. 특히, 강판 내에 포함될 수 있는 수소는 열간 프레스를 위한 가열 시 뿐만 아니라, 도금전 강판의 소둔 분위기 등으로부터도 유래할 수 있는데, 이러한 분위기를 모두 제어한다는 것 역시 효과적이지 못하다.

따라서, 본 발명의 한가지 구현례에서는 혹시 강판 내에 수소가 침입한다고 하더라도 고강도의 부품이 얻어진 후 수소를 빨리 제거할 수 있다면 수소지연파괴의 문제는 발생하지 않을 것이라는 본 발명의 발명자들의 지견에 근거하여, 강판으로부터 수소의 제거가 용이한 열간 프레스 성형용 강판을 제공한다.

본 발명의 발명자들은 열간 프레스 성형 후 수소가 부재로부터 제거되는데, 수소의 제거되는 양상은 열간성형 전 강판 표면에 어떠한 종류의 도금층이 형성되는가에 따라 크게 달라진다는 것을 발견하였다.

즉, 알루미늄 도금강판을 가열하면 소지강판으로부터 철(Fe)이 도금층으로 확산하여 도금층에 Al과 Fe의 합금상(또는 금속간 화합물)이 형성되는데, 형성된 합금상에서 Fe₂Al₅ 와 같은 사방정계(Orthorhombic) 결정상이 도금층에 형성되면 수소의 이동이 차단되어 강판 중의 수소가 외부로 배출될 수 없게 된다.

특히, 이러한 현상은 알루미늄 함량이 높은 용융 알루미늄 도금 강판의 경우에 심하게 나타난다. 그 이유는 열간 프레스 성형을 위한 통상의 가열 조건에서는 알루미늄 도금층에 합금화가 일어나는데, Al 함량이 높은 알루미늄 도금층으로 철이 확산되는 것이므로 철의 확산량이 많지 않아 결국 Fe₂Al₅와 같은 합금상이 도금층 내에서 연속된 층으로 존재할 수 밖에 없기 때문이다.

그 뿐만 아니라, 알루미늄 도금 강판은 가열시 분위기 중의 수분과 알루미늄이 반응하여 알루미늄의 산화물을 형성하고 그 과정에서 배출되는 수소가 도금층을 경유하여 강판으로 침입하게 되므로, 가열 과정에서 강판으로 포함되게 되는 수소의 양도 적지 않다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 본 발명은 강판 표면에 형성된 Fe 함량이 60중량% 이상인 철-알루미늄 합금층이 도금된 철-알루미늄 합금도금강판을 제공한다. Fe 함량이 60% 이상일 경우에는 도금층 중의 Al의 활동도가 높지 않으므로 주위의 수분과 반응하려는 경향이 강하지 않게 된다. 따라서 강판 내로 침입하는 수소의 양을 감소시킬 수 있다. 상기 Fe 함량은 전체 도금층 중의 Fe의 평균 함량을 의미한다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 도금층의 Al의 최대 함량을 40% 이하로 제한할 수 있다. 여기서 Al의 최대 함량은 표면 산화층을 제외한 도금층에서의 함량을 의미한다. 본 발명의 한가지 구현례에서 상기 Al의 최대 함량은 GDS로 성분 분석을 하였을 때, GDS 성분 프로 파일에서의 Al의 최대 함량을 의미한다.

또한, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 강판 표면에 형성된 도금층에 BCC(체심입방격자) 구조를 가지는 철-알루미늄 합금상의 비율이 면적 기준(강판을 두께 방향으로 절단한 단면에서의 면적 비율로 구할 수 있다)으로 90% 이상일 수 있다. 이와 같이, 열간 프레스 성형하기 이전의 도금강판 단계에서 도금층이 BCC 구조를 가지게 되면, 열간 프레스 성형을 위한 가열시에 Fe가 확산하여 들어온다고 하더라도 BCC 구조가 유지될 수 있는데, BCC 구조는 상온에서 수소가 통과하기 쉬운 구조이므로 강판에 수소가 존재한다고 하더라도 용이하게 외부로 배출될 수 있다. 이것으로 제한하는 것은 아니나, BCC 구조를 가지는 철-알루미늄 합금상으로서는 FeAl, Fe3Al, α-Fe 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 도금층은 사방정계 결정의 비율을 면적 기준으로 10% 이하로 제한한다 상술한 바와 같이 사방정계 결정은 수소의 확산에 대한 장벽으로 작용하므로, 최대한 배제하는 것이 바람직하나 사방정계가 소량 포함된 경우에는 가열과정에서 철의 확산에 의하여 합금상 또는 금속간 화합물 중에서 Fe 함량이 증가하게 되어 결국에는 BCC 구조를 가지는 합금상 또는 금속간 화합물이 형성될 수 있기 때문이다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 도금층 중 사방정계 결정의 비율은 면적 기준으로 10% 이하로 제한할 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 수소의 배출을 용이하게 하기 위하여 철-알루미늄 합금 도금 강판의 도금층의 두께를 40㎛ 이하로 할 수 있다. 도금층의 두께를 일정치 이하로 함으로써 도금층내 수소 배출 경로를 짧게 할 수 있으며 그 결과 수소의 배출을 용이하게 할 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 도금층 중 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 발명의 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.

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.

상술한 조건의 철-알루미늄계 도금강판을 제조할 수 있다면 본 발명의 철-알루미늄계 도금강판의 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 한가지 비제한적인 예를 들면 다음과 같다.

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 BCC 구조로 합금화하는데 시간이 과다하게 소요될 수 있을 뿐만 아니라 수소 가스의 배출경로를 길게 할 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

알루미늄 도금 후 250℃까지의 평균 냉각속도를 3~20℃/초 이하로 함

알루미늄 도금 후 냉각속도는 도금층 내에 있는 Al-Si 정출상 및 확산 억제층의 형성에 영향을 주며, 알루미늄 도금 후 냉각속도가 너무 빠르면 확산 억제층이 균일하게 형성되지 못하여 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동이 불균일해져 본 발명에서 얻고자 하는 상(phase) 외의 상들이 얻어질 수 있다. 또한 알루미늄 도금 후 냉각속도가 너무 느리더라도 Al-Si 정출상이 조대하게 형성되어 이후 행해지는 소둔 처리 시 도금층 합금화가 불균일해져 본 발명에서 얻고자 하는 상(phase) 외의 상들이 얻어질 수 있다. 따라서, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도는 3~20℃/초로 할 수 있다.

도금 후 조질압하율을 0.1~1.5%로 조질압연

도금 후 강판을 권취하기 전에 코일에 대하여 조질 압연을 실시할 수 있다. 후속하는 소둔 처리 공정에서 본 발명에서 목적으로 하는 도금층의 합금화를 유도하고 표면품질을 확보하기 위하여 조질압연의 압하율을 0.1~1.5%로 조절할 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 ~ 100시간 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 BCC 상이 충분하게 형성되지 못할 뿐만 아니라롤 레벨링시 도금층이 박리될 수 있으므로 충분한 합금화를 위해서 가열 온도를 650℃ 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 1~100℃/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 1~100℃/h로 되도록 할 수 있다. 평균 승온속도가 1℃/h 미만일 경우에는 목표 가열온도에 도달하기 위한 시간이 너무 오래 걸려 소둔 생산성이 나빠질 수 있다는 문제점이 있다. 상기 승온 속도는 바람직하게는 5℃/h 이상, 더욱 바람직하게는 10℃/h 이상이 일 수 있다. 또한 평균 승온속도가 100℃/h 초과에서는 코일 전체에 도금층이 균일하게 합금화되지 않을 수 있다. 바람직하게는 평균 승온 속도의 상한을 80℃/h로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 평균 승온 속도의 상한을 60℃/h로 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.

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.

[냉각 공정]

소둔 후 500℃까지 50℃/h 이하의 속도로 냉각

목표온도에서 일정 시간을 유지한 후 알루미늄 합금 도금 강판(코일)은 냉각된다. 냉각 방법으로서 로냉, 공냉, 수냉 등 다양한 방법을 적용할 수 있으며, 냉각 구간 전체의 평균 냉각속도에는 특별한 제한이 없으며, 생산성 향상을 위해서 빠르게 냉각해도 무방하다. 다만, 스티킹 결함을 방지하고 재질 균일성 확보하면서도 공극을 충분히 형성 시키기 위해 가열 후 500℃까지 온도 구간의 냉각속도는 50℃/h 이하로 할 수 있다. 하한의 경우는 특별히 한정하지는 않으나, 생산성을 고려해서 1℃/h 이상으로 할 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에 따르면 상술한 본 발명의 도금강판을 열간 프레스 성형하여 얻어진 열간 프레스 성형 부재가 제공될 수 있다. 본 발명의 열간 프레스 성형 부재는 소지강판의 표면에 BCC 구조의 합금상을 포함하는 도금층이 형성된 것일 수 있다. 소지강판의 조성은 상술한 도금강판의 소지강판의 조성과 동일할 수 있다. 도금층 중 Fe 함량은 60% 이상일 수 있으며, BCC 구조의 합금상의 비율은 95% 이상일 수 있다. BCC 구조의 도금층은 열간 프레스 성형 후에도 확산성 수소가 부재 밖으로 방출되는 것을 원활하게 할 수 있다.

본 발명의 한가지 구현례에 따르면 본 발명의 열간 프레스 성형 부재는 가열 및 냉각 후 수소가 용이하게 방출될 수 있는 도금층을 가지기 때문에, 수소함량이 0.2ppm 이하로 제어될 수 있다(확산성 수소 기준). 부재 중의 수소 함량은 열간 프레스 성형을 실시하고 14일 후에 측정한 것을 기준으로 정할 수 있으나, 14일 이후에는 수소 함량의 변화가 크지 않으므로 더 긴 시간 유지된 것을 측정할 수도 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 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 250℃까지의 냉각속도를 10℃/초로 한 후 압하율 0.7%로 조질압연한 후 코일을 권취하였다.

원소	C	Si	Mn	Al	P	S	N	추가 원소
함량(%)	0.22	0.1	1.1	0.03	0.01	0.003	0.004	Ti 0.03, B 0.003, Cr 0.1

도금된 강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 750℃까지 가열하였다.

750℃까지의 전체 평균 승온 속도: 25℃/h

400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 8℃/h

600~650℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 10℃/h

가열 온도에서 분위기와 코일 사이의 온도 차이: 25℃

가열 후 동일한 온도에서 6시간 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 462MPa 이었다. 강판 표면의 도금층 두께는 17.5㎛ 이었으며, 도금층 내 Fe와 Al의 함량 합계는 97.3%인 것을 확인할 수 있었다. 또한, GDS로 분석한 Al의 최대 함량은 36.8% 인 것을 확인할 수 있었다.

강판의 도금층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석해 본 결과 도 1과 같은 도금층 구조 및 대표 회절 패턴을 얻을 수 있었으며, 이를 바탕으로 각 위치에 대한 상 분석을 수행하였다. 또한, 각 상별로 EDS로 성분 분석한 결과를 표 2에 나타내었다(중량% 기준). 회절패턴의 분석조건은 200kEV 전압에서 camera length를 400mm로 하였다 분석 결과, 도금층에는 하기 표 2에 기재된 BCC 이외의 상은 1% 미만으로 실질적으로 포함되지 않은 것을 확인할 수 있었다.

위치	상(phase)	결정구조	Fe	Al	Si
①	FeAl	BCC	83.1	14.2	0.9
②	Fe₃Al	DO3	87.6	8.8	2.4
③	α-Fe	BCC	96.1	2.9	0.4

상기와 같이 소둔된 강판을 다음과 같은 조건으로 930℃까지 가열하고, 프레스 성형하였다.

가열시 분위기: 대기

총 가열시간: 5분

공냉시간: 10초(프레스에서 취출해서 프레스 성형을 개시할 때까지의 시간)

프레스 냉각속도: 100℃/초

이후 부재의 도금층을 투과전자현미경(TEM)으로 분석해 본 결과 도 2와 같은 도금층 구조 및 대표 회절 패턴을 얻을 수 있었으며, 이를 바탕으로 각 위치에 대한 상 분석을 수행하였다. 각 상별로 EDS로 성분 분석을 실시하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 이 때 회절패턴은 200kEV 전압에서 camera length는 400mm로 하였다. 회절패턴의 분석조건은 200kEV 전압에서 camera length를 400mm로 하였다 분석 결과, 도금층에는 하기 표 2에 기재된 BCC 상만 존재할 뿐 그 이외의 상은 존재하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.

위치	상(phase)	결정구조	Fe	Al	Si
①	Fe₃Al	DO3	93.2	5.3	0.8
②	α-Fe	BCC	95.6	3.6	0.4
③	α-Fe	BCC	98.0	1.4	0.2

비교예 1

도금만 실시하고 가열 및 냉각을 실시하지 알루미늄 도금 강판을 비교예 1로 하였다. 이 때 도금 시 도금량은 한쪽 면당 80g/m²으로 조절하였고, 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 25℃/초로 한 후 압하율 2.0%로 조질압연 한 후 코일을 권취하였다.

강판의 도금층 구조를 광학현미경으로 관찰한 결과는 도 3과 같다. 도면에서 볼 수 있듯이 도금층의 대부분은 합금화되지 아니한 Al 층이었으며(도면 중 ①로 표시된 부분), 소지강판과 Al 층 사이에 합금층이 일부 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 상기 Al 층(① 영역)을 주사전자현미경(SEM)으로 EDS 분석한 결과를 표 4에 나타내었다. 강판의 도금층 두께는 28.4㎛를 나타내고 있었다.

위치	상(phase)	결정구조	Fe	Al	Si
①	Al	FCC	1.2	98.7	0.1

또한 상기 강판을 이용하여 발명예 1과 동일한 조건에서 프레스 성형을 실시하였다. 이후 부재의 도금층을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 결과 도 4와 같은 도금층 구조를 얻을 수 있었으며, 각 위치에서 EDS 성분 분석 결과는 표 5와 같이 얻을 수 있었다.

위치	상(phase)	결정구조	Fe	Al	Si
①	Fe₂Al₅	Orthorhombic	51.0	46.7	1.7
②	FeAl(Si)	BCC	65.1	24.2	9.1
③	Fe₂Al₅	Orthorhombic	42.6	54.3	2.2
④	Fe₃Al	DO3	88.1	8.5	2.3

발명예 및 비교예에서 얻어진 강판 및 프레스 성형 후 부재에 포함된 수소 함량을 프레스 성형 후의 경과 시간별로 가스 크로마토그래피의 방법으로 측정하여 하기 표 6에 나타내었다. 여기서 수소로 확산성 수소만이 측정되었다.

구분	강판 수소 함량(ppm)	부재 수소 함량 (ppm)
구분	강판 수소 함량(ppm)	30분 이내	1시간	1일	7일	14일
발명예 1	0.11	0.27	0.18	0.10	0.09	0.07
비교예 1	0.02	0.58	0.56	0.48	0.45	0.40

상기 표 6에서 확인할 수 있듯이 강판에서 수소 함량은 발명예가 비교예보다 다소 높지만, 프레스 성형 후 30분 이내에 측정된 수소 함량은 비교예가 발명예보다 2배 이상 높다. 이것은 비교재는 930℃까지 가열 시 Al 도금층이 용융되어 수소 고용도가 크게 증가하는 반면, 비교예는 BCC 구조를 갖는 도금층의 융점이 가열온도보다 높기 때문인 것으로 추정된다. 또한 발명예는 프레스 성형 후 부재에 있는 수소 함량이 급격히 감소하는 반면 비교예는 큰 감소가 없었다. 이것은 도금층의 구조와 관계가 있는 것으로 추정된다. 즉 발명예는 프레스 성형 후 도금층은 모두 BCC 구조로 이루어져 있어 수소의 확산 속도가 빨라 강판에서 외부로 쉽게 방출되는 반면, 비교예는 도금층의 많은 부분이 Orthorhombic 구조로 이루어져 있어 수소의 방출을 억제하기 때문인 것으로 판단된다.

Claims

소지강판;
상기 소지강판의 표면에 형성되고, 60중량% 이상, 100 중량% 미만의 Fe를 포함하는 철-알루미늄 합금 도금층
을 포함하고,
상기 도금층에 BCC 구조를 가지는 철-알루미늄 합금상이 면적 기준으로 90% 이상 포함되는 철-알루미늄 합금 도금강판.
제 1 항에 있어서, 상기 도금층은 사방정계 결정을 면적 기준으로 10% 이하(0%는 제외) 포함하는 철-알루미늄 합금 도금강판.
제 1 항에 있어서, 상기 도금층의 두께가 3~40㎛인 철-알루미늄 합금 도금강판.
제 1 항에 있어서, 상기 도금층 중 Fe와 Al 함량의 합계가 90중량% 이상인 철-알루미늄 합금 도금강판.
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-알루미늄 합금 도금 강판.
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-알루미늄 합금 도금 강판.
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,
상기 알루미늄 도금 후 250℃까지의 평균 냉각속도를 3~20℃/초로 하고,
상기 알루미늄 도금 후 압하율 0.1~1.5%로 조질압연 하는 단계를 더 포함하고,
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 하고,
상기 알루미늄 합금 도금 강판을 냉각하는 단계에서 500℃까지 50℃/h 이하의 속도로 냉각하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 소둔 시 600~650℃ 사이의 온도 구간의 평균 승온 속도를 1~30℃/h로 하는 철-알루미늄계 합금 도금 강판의 제조방법.
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.
제 9 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.
열간 프레스 성형에 의하여 얻어진 열간 프레스 성형 부재로서,
소지강판 및
상기 소지강판 표면에 형성된 철-알루미늄 합금 도금층을 포함하고,
상기 도금층에는 BCC 구조의 합금상이 면적기준으로 95% 이상 포함되고,
확산성 수소를 0.2ppm 이하로 포함하는 열간 프레스 성형 부재.
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