KR102038344B1 - 열간 성형에 의해 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

열간 성형에 의해 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열간 성형에 의해 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것으로서, 먼저 예비 재료로서 스트립 또는 시트로부터 플레이트가 절단되고, 다음에 성형 온도까지 가열되고, 그리고 예비 성형되고, 성형 후에 적어도 부분적으로 마르텐사이트 변태 구조를 갖는다. 프레스 성형 경화 대신, 적어도 부분적으로 마르텐사이트 변태 구조는 성형 전에 이미 오스테나이트화 및 ?칭에 의해 성형될 플레이트 내에 생성되고, 다음에 이렇게 전처리된 플레이트는 성형 후에 적어도 부분적으로 마르텐사이트 변태 구조를 유지하면서 Ac1 변태 온도 미만까지 재가열되고, 그리고 이 온도에서 성형된다.

Description

열간 성형에 의해 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법{METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT FROM STEEL BY HOT FORMING}
본 발명은 특허 청구항 1의 전제부에 따른 열간 성형에 의해 강으로부터 부품의 생산을 위한 방법에 관한 것이다.
이와 같은 부품은 주로 자동차 산업에서 사용되지만, 기계공학이나 토목공학에서도 사용할 수 있다.
격렬하게 경쟁하는 시장으로 인해 자동차 제작자들은 신속한 소모를 저감함과 동시에 최상의 가능한 쾌적함 및 탑승자 보호를 유지하기 위한 해법을 끊임없이 모색해야 한다. 모든 차량 부품의 중량 절약은 이것에 의해 한편으로 중요한 역할을 하고; 다른 한편으로, 대응하여 정적으로/동적으로 고강도를 요구하는 고도의 수동적 탑승자 보호체가 달성되어야 한다. 충돌의 경우, 충돌 에너지의 감소에 노력하는데, 이것은 전성 파괴 거동을 요구한다.
원료 재료의 공급자들은 이 필요성을 고강도 또는 초고강도의 사용을 통해 벽 두께를 감소시킴과 동시에 제조 중 및 동시에 운영 중에 부품 거동을 향상시킴으로써 이러한 필요성을 고려하려는 시도를 한다.
그러므로 이들 강은 강도, 전성, 인성, 에너지 흡수, 및 내식성 뿐만 아니라, 예를 들면, 냉간 성형 및 접합 중에 처리 능력의 면에서 비교적 높은 요건을 만족해야 한다.
전술한 양태의 배경 하에서, 열간-가단성 강의 부품의 생산은 점점 중요성이 증가되는데, 이들 부품은 여전히 더 적은 재료를 필요로 함과 동시에 부품 특성의 면에서 증가되는 요구에 이상적으로 부합하기 때문이다.
성형 공구에서 열간성형에 의해 프레스 경화 가능한 강의 예비적 제품의 ?칭에 의한 부품의 생산은 DE 601 19 826 T2로부터 공지되어 있다. 사전에 800 - 1200℃의 오스테나이트화 온도를 초과하는 온도까지 가열된, 그리고 임의선택적으로 아연 또는 아연계 금속 코팅을 구비하는 시트 메탈 블랭크는 부품으로의 열간 성형을 통해 냉각된 공구 내에서 때때로 변태되고, 그 결과 금속 시트 또는 부품은 성형 중에 성형 공구 내에서 신속한 열 추출의 결과로서 ?칭(프레스 경화)에 의해 경화되고, 실현된 마르텐사이트 경도의 미세조직에 기인되어 요구되는 강도 특성에 도달한다.
프레스 경화 가능한 강의 ?칭된 그리고 알루미늄 합금으로 코팅된 예비 제품의 성형 공구 내에서의 열간 성형에 의해 부품의 생산은 DE 699 33 751 T2로부터 공지된다. 알루미늄 합금으로 코팅된 시트 메탈 블랭크는 여기서 성형 전에 700℃를 초과하는 온도까지 가열되고, 철, 알루미늄 및 실리콘에 기초하는 금속간 합금 화합물이 표면 상에서 실현되고, 다음에 금속 시트는 성형된 다음 임계 ?칭 속도를 초과하는 속도로 냉각된다.
금속 코팅은 통상적으로 연속적 용융 침지 공정 중에, 예를 들면, 약 460℃ (용융 침지 아연도금) 및 약 680℃ (용융 침지 알루미늄도금)의 온도에서 용융 침지 아연도금 또는 용융 침지 알루미늄도금에 의해 열간 또는 냉간 스트립 상에 적용된다.
열간 성형 전에 성형될 작업물(스트립, 블랭크) 상에 금속 코팅을 적용하는 것은 이 코팅의 존재가 베이스 재료의 스케일생성을 효과적으로 방지하기 때문에 유리하다.
다음에, 블랭크는 성형 공구 내에서의 열간 성형을 위한 크기로 절단된다.
이 적용을 위한 공지된 열간 성형가능한 강은, 예를 들면, 망가니즈-보론 강 "22MnB5" 및 더 최근에는 본 출원인의 미공개된 특허출원에 따른 공기 ?칭된 그리고 템퍼링된 강이다.
공지된 방법을 이용하는 프레스 성형 경화에 의한 부품의 생산은 몇 가지 결점을 갖는다.
이 방법에서, 블랭크는 재료의 완전한 오스테나이트화를 실현하도록 Ac3를 초과하는 고온까지 가열되고, 프레스 가공 후 마르텐사이트 조직을 형성하기 위해 충분하도록 신속하게 냉각된다.
한편으로, 이 방법은 예비 생성물을 오스테나이트화 온도까지 가열하는 것 및 페라이트로부터 오스테나이트로의 변태에 기인되어 극히 다량의 에너지를 필요로 하므로 이 방법은 비싸지고 상당한 양의 CO2를 생성하므로 에너지 효율적 방법을 위한 요구에 역행한다.
스케일생성을 방지하는 보호층을 갖는 시트 메탈을 사용하는 경우, Ac3 온도를 초과하는 온도에서의 변태는 일반적으로 800℃ 상당히 초과하므로 코팅계의 온도 안정성에 관한 극히 높은 요구에 직면한다. 그 결과 스케일생성을 방지하는 보호물이 없는 재료를 사용하는 것에 비해 프레스 경화 중에 이용가능한 관리한계가 상당히 작아진다. 예를 들면, 특정의 노 시간(furnace time)이 초과될 수 없다. 게다가, 아연계 코팅의 사용이 관련되는 경우, 이러한 온도 범위에서의 액체 금속 취화의 우려가 있다. 더욱이, 높은 가동 온도는 금속층과 철의 집중적인 합금을 유발하므로 완성된 부품의 내식성 효과를 감소시킨다.
설명된 결점 외에도, 공지된 방법은 에너지 집약적 방법이므로 부품 가격이 높아지고, CO2 집약적 방법이므로 환경에 지나치게 유해하다.
EP 1 783 234 A1은 상승된 온도에서 성형에 의해 제품을 생산하기 위한 방법을 개시하고, 여기서 아연도금된 강 시트는 450℃ 내지 700℃의 성형 온도까지 가열되고, 다음에 성형되고, 제어되지 않은 상태로 서냉된다. 이러한 방식으로, 과잉의 응력의 존재가 열간 성형 중에 방지되어야 한다. 일반적으로, 냉간 성형에 비해 기계적 특성의 개선이 달성되어야 한다고 한다.
본 발명의 목적은 프레스 경화에 의한 공지된 열간 성형에서와 같은 성형된 부품에 필적하는 또는 개선된 특성을 달성하는 그리고 저가인 열간 성형에 의해 부품을 생산하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 교시에 따르면, 이 목적은 최초에 원재로서 스트립 또는 금속 시트로부터 블랭크가 절단되고, 다음에 성형 온도까지 가열되고, 그리고 성형되고, 성형 후에 적어도 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직을 포함하는, 열간 성형에 의해 가단성 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법에 의해 달성되고, 이 방법은 프레스 성형 경화를 거치는 대신 적어도 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직이 성형 전에 이미 오스테나이트화 및 ?칭에 의해 원료 재료 내에 생성되거나 또는 성형될 블랭크 내에 생성되고, 다음에 적어도 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직을 유지하면서, 성형 공정을 거친 후에 이렇게 전처리된 블랭크가 Ac1 점 미만의 성형 온도까지 재가열되고, 그리고 이 온도에서 성형되는 것을 특징으로 한다.
부품의 생산을 위한 DE 601 19 826 T2으로부터 공지된 프레스 성형 경화에 비해, 본 발명에 따른 방법은 급냉 경화를 통한 미세조직 변태와 성형 공정을 분리시킴으로써 블랭크의 가열을 위해 훨씬 더 적은 에너지 요구가 필요하다는 장점을 갖는다. 부분적인 마르텐사이트 미세조직 변태가 강 제조자 측에서 필요한 공정 중의 하나에 통합된 경우에, 선행하는 미세조직 변태를 위한 에너지 소비는 그것과 비교될 수 없다.
다른 주요 장점은 본 명세서에서 설명하는 방법을 위해 사용되는 경우에 상당히 감소된 전력 출력으로 가동될 수 있는 기존의 프레스 성형 경화를 위한 시설을 사용할 수 있는 가능성에 있다.
따라서, 부품 특성은 넓은 범위까지 성형 전의 전처리에 의해 결정되고, 원료 재료의 각각의 합금 조성 및 열처리에 의해 넓은 범위 내에서 조절될 수 있다.
적어도 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직을 실현하기 위한 원료 재료 또는 트리밍된 블랭크의 전처리는 선택적으로 불연속적으로 또는 연속적으로 구현될 수 있고, 필요에 따라 열간 또는 냉간 압연된 강 스트립이 사용될 수 있다.
공지된 프레스 성형 경화에 비한 추가의 장점은 가열이 프레스 성형 경화(>Ac3)에 비해 상당히 더 낮은 온도(< Ac1)에서 실시되므로 스케일생성을 방지하는 보호물을 가지지 않고도 금속 시트의 스케일생성을 상당히 감소시키는 것이다. 따라서, 스케일 형성된 부품 표면의 보수를 위한 비용이 감소되고, 공구의 내용년수가 증가됨으로써 본 발명에 따른 방법을 이용하는 경우 비용이 절약된다.
또한, 공지된 프레스 성형 경화에 비한 추가의 장점은 낮은 내열성에 기인되어 공지된 프레스 경화 공정에서는 생존할 수 없는 용융 침지법을 이용한 종래의 아연 코팅을 부식 방지체 및 스케일 방지체로서 가할 수 있는 능력에 있다. 더욱이, 완성된 부품 상의 코팅의 철 함량은 공지된 프레스 성형 경화에 의해 생성된 금속 코팅을 갖는 부품의 것보다 적다. 그 결과, 상당히 개선된 내식성이 실현된다.
본 발명의 유리한 구성에 따르면, 전처리는 필요한 경우 전처리된 스트립이 추가의 공정을 위한 금속 코팅을 이미 가지도록 용융 침지 코팅과 유리하게 결합될 수 있는 런-스루 어닐링(run-through) 중에 강 스트립 상에서 연속적으로 이미 실행된다.
임의선택적으로, 예비 트리밍된 블랭크 또는 완성된 부품 상에 금속 코팅을 적용할 수도 있다. 그러나, 열간 또는 냉간 압연된 강 스트립 상에 연속 공정으로 금속 코팅을 가하는 것이 더 유리하다.
본 발명의 유리한 개선에 따르면, 원료 재료 또는 블랭크의 급냉 경화 후 ?칭 및 180℃ 내지 680℃, 또는 유리하게는 250℃ 내지 500℃의 온도에서의 템퍼링을 통한 템퍼링 단계 및 이상적으로 250℃와 용탕 온도 사이의 온도에서 후속 용융 침지 코팅이 후속됨으로써 완성된 원료 재료/완성된 블랭크는 Ac1 미만의 온도에서의 후속 성형을 위한 이상적 조건을 제공하는 ?칭된 그리고 템퍼링된 상태를 갖는다.
템퍼링 공정은 원료 재료에 대해 그리고 블랭크에 대해 구현될 수 있다. 원료 재료, 예를 들면, 강 스트립이 런-스루 어닐링 및 다음에 용융 침지 코팅을 거쳐야 하는 경우, 오스테나이트화, 마르텐사이트 개시 온도 미만에서의 ?칭, 용탕 온도까지의 재가열 및 템퍼링, 및 연속적 용융 침지 코팅 설비에서의 용융 침지 코팅의 방법 단계를 실행하는 것이 적절할 수 있다. 게다가, 아연욕의 직전에 유도 가열에 의해 적어도 부분적인 마르텐사이트 스트립의 재가열을 실행하는 것이 적절할 수 있다.
일반적으로, 본 발명은, 예를 들면, 선택된 합금 개념에 따라 280 MPa 내지 1200 MPa 또는 심지어 그 이상의 항복 강도를 갖는 고강도 또는 초고강도 강의 부품을 위해 적용될 수 있다. 더 고강도의 강은 모든 단상 강 뿐만 아니라 다상 강 등급을 포함한다. 이들은 미세합금된 더 고강도 강 등급 뿐만 아니라 베이나이트 또는 마르텐사이트 등급 및 이상 강 또는 다상 강을 포함한다.
비교적 소량의 열의 결과로서, 신속하고 직접적인 작용 시스템(유도, 전도 및 특히 복사)에 유리하도록, 예를 들면, 터널 노 또는 배취 노와 같은 대형의 재가열 유닛에 대한 필요성이 제거된다.
또한, 설명된 새로운 방법은 상당히 적은 열 에너지를 필요로 하고, 에너지 효율은 프레스 경화에서의 것보다 높다. 그 결과, 공정 비용이 더 낮고, CO2 배출이 감소된다.
바람직하게, 재가열은 복사에 의해 난온 성형 전에 실행되는데, 효율이 노 또는 전도 가열에서의 가열보다 상당히 높고, 그리고 재료 내로의 에너지 투입이 표면 마무리에 따라 더 신속하고도 효과적이기 때문이다.
복사체의 사용은 또한 부하 최적화된 부품을 얻도록 성형될 작업물의 원하는 개별 부분의 가열을 가능하게 한다.
특히 극박의 금속 시트(예를 들면 0.8 mm 미만)가 관련될 때, 국부적 강성을 향상시키도록 블랭크의 형상가공(profiling)을 제공하기 위해 열원과 성형 공구의 사이에서 수송이 유용할 수 있다. 이것은 종래의 프레스 경화의 경우에는 불가능한데, 그것은 얻을 수 있는 강도가 형상가공에 기인되는 공구 내의 개구에 의해 배제되는 급격한 냉각을 필요로 하기 때문이다.
본 발명에 따른 방법에서, 블랭크는 Ac1 미만 유리하게는 700℃ 미만, 더 유리하게는 400 내지 700℃의 온도 범위의 온도로 가열되고, 다음에 부품으로 성형된다. 최적 성형 온도는 요구되는 부품의 강도에 의존하고, 바람직하게는 약 460℃ 내지 700℃의 범위이다.
이 방법에서 온도 < Ac1의 온도에서 본 발명에 따른 성형에 의해 오프셋(오프셋)이 부품 내에 도입되는 것이 유리하고, 부품 당 최대 15초 또는 이보다 상당히 낮은 상업적으로 사용되는 사이클 시간에서 재결정 또는 회복의 면에서 오프셋의 완전한 제거를 위한 온도가 불충분하므로 이것을 통해 더욱 증가된 강도가 형성될 수 있다.
침입형으로 용해되는 원소(예를 들면, C, B, N)에 의한 오프셋의 장해요인과 결합하여, 프레싱 공정 및 후속 냉각 중에 소위 "소부-경화(bake-hardening) 효과"에 의해 또는 추가의 석출물, 예를 들면 VC의 형성에 의해 추가로 강도가 증가될 수 있다. 대안으로서, 강도의 증가는 또한 제어된 냉각 또는 후속 열처리(예를 들면 페인트 베이킹(paint baking) 또는 응력 제거 열처리)에 의해 실현될 수 있다.
본 발명의 유리한 구성에 따르면, 나머지 재료의 강도 증가와 조합하여 부품의 후속 응력에 적합한 원하는 국부적인 특성 변화(예를 들면 국부 경화)를 실현하기 위해 성형 온도까지 예비 제품의 가열 중에 오스테나이트 범위 내에서 온난 성형의 온도 범위가 초과된다.
본 발명의 기본적인 장점은 다음과 같이 요약될 수 있다.
제조가공업자 측에서의 낮은 에너지 소비.
기존의 산업적 가열 및 성형 유닛이 사용될 수 있다.
강 제조업자 측에서의 전처리에 의해 넓은 한계 내에서 부품 특성이 영향을 받을 수 있다.
이것은 낮은 열적 안정성으로 인해 종래의 프레스 경화 공정에서는 견뎌내지 못하는 표준 아연 코팅이 부식 방지물 및 스케일생성 방지물로서 사용될 수 있다.
완성된 부품 상의 코팅의 철 함량이 공지된 프레스 성형 경화에 의해 생성된 금속 코팅을 갖는 부품의 경우에 비해 적다. 그 결과 상당히 개선된 내식성이 얻어진다.
아연도금된 금속 시트를 사용하는 경우, 더 낮은 성형 온도로 인해 액체 금속 취화의 우려가 없다.
아연도금되지 않은 금속 시트를 사용하는 경우, 스케일생성이 공지된 프레스 경화 공정에서 보다 상당히 낮으므로, 스케일 형성된 부품 표면을 보수하기 위한 비용이 저감되고, 공구의 내용년수가 증대된다.
강도는 온난 공정 중의 "소부-경화"에 의해 더 증가될 수 있다.

Claims (18)

  1. 스트립 또는 금속 시트로부터 원료 재료로서의 블랭크 크기로 절단하는 단계;
    상기 블랭크를 연속 어닐링 공정 내에서 오스테나이트화 온도로 가열하고, 다음에 상기 블랭크를 ?칭하여, 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직 및 나머지 오스테나이트 미세조직을 생성하는 오스테나이트화 및 ?칭 단계;
    상기 어닐링 공정 후, 용융 침지 공정에 의해 상기 블랭크에 코팅을 도포하는 단계;
    상기 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직 및 나머지 오스테나이트 미세조직을 유지하면서, Ac1 변태 온도 미만의 성형 온도까지 재가열하는 단계; 및
    상기 부분적인 마르텐사이트 변태 미세조직 및 나머지 오스테나이트 미세조직을 계속 유지하면서, Ac1 변태 온도 미만의 성형 온도에서 블랭크를 부품으로 성형하는 단계;
    를 순서대로 포함하는 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 ?칭 단계 후에, 상기 블랭크를 템퍼링하는 단계를 더 포함하는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 블랭크는 250℃ 내지 680℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 블랭크는 430℃ 내지 490℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅을 도포하는 단계 전에, 상기 블랭크를 템퍼링하는 단계를 더 포함하는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 블랭크는 250℃ 내지 680℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 블랭크는 430℃ 내지 490℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 블랭크는 용탕 온도에 대응하는 템퍼링 온도에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅을 도포하는 단계 후에, 상기 블랭크를 템퍼링하는 단계를 더 포함하는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 블랭크는 250℃ 내지 680℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 블랭크는 430℃ 내지 490℃의 온도 범위에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 블랭크는 용탕 온도에 대응하는 템퍼링 온도에서 템퍼링되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크는 700℃ 미만의 온도에서 성형되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크는 400℃ 내지 700℃의 온도에서 성형되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크는 460℃ 내지 700℃의 온도에서 성형되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 코팅은 Zn, Mg, Al, Si 및 상기 언급된 원소들의 합금계로 이루어지는 군으로부터 선택되는 재료로 제조되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크는 유도적으로, 전도적으로 또는 복사에 의해 가열되는, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크는 열간 또는 냉간 압연된 강 스트립인, 변형될 수 있는 강으로부터 부품을 생산하기 위한 방법.
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