KR102144194B1 - 핫 스탬핑 부품의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

일 측면에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, (a) 강판을 절단하여 프레스 성형에 필요한 형상의 블랭크를 제작하는 단계; (b) 블랭크를 250~350℃의 온도에서 프리 히팅하는 단계; (c) 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계; 및 (d) 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함한다.

Description

핫 스탬핑 부품의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING HOT STAMPING PARTS}
본 발명은 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소지연파괴를 최소화할 수 있는 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 관한 것이다.
현재 자동차 산업에서는 환경 및 연비 규제와 안전기준이 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라 초고강력 강과 핫스탬핑 강의 적용율이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 특히 핫스탬핑 강의 경우, 기존 1.5G급 핫스탬핑 강을 비롯하여 고인성 및 고강도화에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 핫스탬핑 공정은 일반적으로 가열/ 성형/ 냉각/ 트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태 및 미세조직을 초고강도화에 적용하는 기술이다.
한편, 냉연강판은 주로 자동차, 가전제품 등에 사용되며, 품질에 대한 고급화 및 다양화에 대한 요구가 높아지고 있다. 특히, 자동차, 가전제품 등에 적용되는 냉연강판은 표면 품질과 가공성이 우수할 것을 요구한다. 그러나, 미도금 처리된 냉연강판의 경우에는 핫 스탬핑을 위한 열처리시 고온산화 스케일을 발생시키며, 부식저항성이 취약하기 때문에 Al-Si 도금, 아연도금을 실시하게 된다. Al-Si 도금의 경우, 핫 스탬핑 가열로 조건에 의해 Al-Si 도금층 내부로 수소가 유입되어 발생하는 수소 지연파괴가 우려되고 있다.
이에 관련된 기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-1977호(2013.11.21 등록, 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 핫 스탬핑 가열로 공정 중 수소의 유입을 저감하여 수소지연파괴를 방지하는 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 250~350℃의 온도에서 프리 히팅하는 단계; (c) 상기 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계; 및 (d) 상기 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (a) 단계의 블랭크는, 탄소(C): 0.25~0.35중량%, 실리콘(Si): 0.15~0.35중량%, 망간(Mn): 1.35~1.50중량%, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.001중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.5중량%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04중량%, 보론(B): 0 초과 0.002중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 1.8G급 핫 스탬핑용 블랭크일 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (b) 단계는 50~70초간 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 블랭크의 표면에는 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금층이 형성되어 있으며, 상기 (b) 단계에서 산화알루미늄층 및 산화실리콘층이 형성될 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 (d) 단계에서 얻어진 성형품은 차량용 사이드 패널일 수 있다.
본 발명에 따르면, 핫 스탬핑 블랭크를 고온 가열하기 전에 프리 히팅을 실시하여 블랭크의 표면에 얇은 산화층을 형성함으로써, 고온 가열 공정에서의 수소의 유입을 차단하여 수소지연파괴를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 공정 흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 상기 실시예1 및 2의 시편들에 대해 TDS(thermal desorption spectroscopy) 분석을 실시한 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 3 및 도 4는 상기 비교예 및 실시예 2의 시편들에 대해 XPS 분석을 실시한 결과를 나타낸 그래프들이다.
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 가열로 분위기 중의 수소가 블랭크로 유입되어 수소에 의한 지연파괴가 발생할 수 있다. 특히 1.8G급 핫 스탬핑 강은 기존의 1.5G급 소재에 비해 대표적인 경화능 원소인 탄소(C)와 망간(Mn)의 함유량이 증가하여 소량의 수소에 의해서도 지연파괴가 일어날 수 있다. 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 미치게 된다.
이에, 본 발명에서는 핫 스탬핑 강의 표면에 형성된 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금층에 프리 히팅 공정을 실시하여 산화알루미늄(Al2O3) 층을 형성시킴으로써 산화알루미늄(Al2O3) 층이 고온에서의 수소 유입을 차단하는 장벽으로 작용하여 핫 스탬핑 강으로의 수소 유입을 차단하고 수소지연파괴를 방지한다.
이하, 본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기 위하여 나타내 보인 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 핫 스탬핑 부품의 제조방법은 블랭크 제작 단계(S110), 블랭크 프리 히팅 단계(S120), 블랭크 가열 및 소킹 단계(S130), 및 열간 프레스 성형 단계(S140)를 포함하여 이루어진다.
블랭크 제작 단계(S110)
블랭크 제작 단계(S110)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 250MPa 내지 500MPa 범위의 높은 강도를 얻는 것을 가능하게 하는 조성을 갖는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 모재는 탄소(C): 0.25~0.35중량%, 실리콘(Si): 0.15~0.35중량%, 망간(Mn): 1.35~1.50중량%, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.001중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.5중량%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04중량%, 보론(B): 0 초과 0.002중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 모재의 표면에는 예를 들어 부식 방지를 위한 도금층이 형성된다. 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.
블랭크 프리 히팅 단계(S120)
블랭크 프리 히팅 단계(S120)는, 상기 블랭크를 프레스 성형하기 위한 고온 열처리 공정 전에, 상기 블랭크를 저온의 산화분위기에서 프리-히팅하는 단계이다. 프리 히팅 공정은 250~350℃의 온도범위, 산화분위기에서 50~70초간 실시한다. 프리 히팅 공정에 의해, 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금층의 표면에서 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)이 산소와 반응하여 산화알루미늄(Al2O3) 및 실리콘산화물(SiO2)과 같은 산화층을 형성하게 된다. 이러한 산화층은 수~수십Å으로, 후속되는 고온의 가열 공정에서 블랭크의 표면으로부터의 수소 유입을 차단하는 장벽으로 작용하여 핫 스탬핑 강으로의 수소 유입을 차단하고 수소지연파괴를 방지하는 역할을 한다.
블랭크 가열 및 소킹 단계(S130)
블랭크 가열 및 소킹 단계(S130)에서는 금형에서 프레스 성형될 블랭크에 적절한 성형성을 부여하기 위해, 상기 블랭크를 고온의 가열로에서 가열한 다음, 조직의 오스테나이트화를 위해 일정 시간 소킹(soaking)을 실시한다. 상기 가열 공정은 핫 스탬핑용 블랭크 모재의 오스테나이트 온도 범위에서 진행된다. 상기 가열 공정은, 예를 들어 880 ∼ 930℃ 범위의 온도에서 실시할 수 있다. 핫 스탬핑용 블랭크의 가열시간이 길어질수록 오스테나이트 결정의 조대화가 일어나며, 오스테나이트 결정의 조대화는 수소취성에 큰 영향을 미치므로 소킹 시간을 포함하는 전체 블랭크 가열시간을 제어하는 것이 바람직하다.
열간 프레스 성형 단계(S140)
열간 프레스 성형 단계(S140)에서는, 고온 가열 및 소킹에 의해 오스테나이트화된 블랭크를 프레스 금형으로 이송하여 원하는 형태의 제품으로 프레스 성형한 후 급냉시킨다. 상기 급냉을 통해 마르텐사이트상을 갖는 고강도 핫 스탬핑 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.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실시예
블랭크에 대한 프리 히팅 효과를 관찰하기 위하여 하기의 표 1에 제시된 합금조성을 갖는 실시예 1 및 2의 핫 스탬핑용 블랭크를 각각 제작하고, 300℃의 온도에서 60초간 프리 히팅을 실시하고, 각각의 블랭크를 900℃의 가열로에서 300초간 가열하였다. 실시예 1은 1.5G급 핫 스탬핑 강의 조성비를 만족하는 시편이고, 실시예 2는 1.8G급 핫 스탬핑 강의 조성비를 만족하는 시편이다. 그 후 상기 시편들에 대해 수소량 분석 및 지연파괴시험을 실시하였다. 한편, 상기 실시예 2의 시편 외에, 동일한 1.8G급 핫 스탬핑 강의 합금조성비를 가지되 프리 히팅을 실시하지 않은 시편을 제작하고, 그 시편들에 대해 지연파괴시험을 실시한 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 성분(중량%)
C Si Mn P S Cr Ti B
실시예1 0.23 0.24 1.17 0.014 0.001 0.17 0.030 0.002
실시예2 0.29 0.21 1.39 0.010 0.001 0.19 0.031 0.002
비교예 0.29 0.21 1.39 0.010 0.001 0.19 0.031 0.002
강종 1400MPa 1300MPa 1200MPa
비교예 파단 미파단 미파단
실시예 2 미파단 미파단 미파단
상기 표 2를 참조하면, 상기 시편들에 1200~1400MPa의 응력을 인가한 결과, 유입 수소 저감 효과에 따라 수소지연파괴 파단 임계 응력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 프리 히팅을 실시한 본 발명의 시편의 경우 1400MPa 이상의 응력에서도 파단이 일어나지 않았으나, 동일한 합금조성을 갖지만 프리 히팅을 실시하지 않은 비교예의 시편의 경우 1400MPa의 응력하에서는 파단이 발생하였다.
도 2a 및 도 2b는 상기 실시예1 및 2의 시편들에 대해 TDS(thermal desorption spectroscopy) 분석을 실시한 결과를 나타낸 그래프들이다.
두께 1.2t의 실시예 1의 시편과 두께 1.0t의 실시예 2의 시편을 900℃에서 360초 및 300초간 가열 후 수소의 양(ppm)을 측정하였다. 도 2a 및 도 2b에서 좌측에 배치된 막대(A, C)는 각각 프리 히팅을 실시하지 않은 경우이고, 우측에 배치된 막대(B, D)는 프리 히팅을 실시한 경우의 결과를 각각 나타낸다.
도시된 바와 같이, 1.5G급 핫 스탬핑 강 및 1.8G급 핫 스탬핑 강의 조성비를 만족하는 실시예 1 및 2의 두 경우 모두 프리 히팅을 실시한 후 측정되는 수소량이 감소하였음을 알 수 있다. 특히, 프리 히팅에 의한 수소량 감소 효과는 1.5G급에 비해 1.8G급의 핫 스탬핑 강에서 더 크게 나타났음을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 상기 비교예 및 실시예 2의 시편들에 대해 XPS 분석을 실시한 결과를 나타낸 그래프들로서, 도 3은 비교예의 XPS 분석 결과를 나타내고 도 4는 실시예 2의 XPS 분석 결과를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 실시예의 경우, 비교예의 경우에 비해 알루미늄(Al)계 산화물의 수가 증가하였음을 알 수 있다.
이상 상술한 바와 같은 본 발명의 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 따르면, 핫 스탬핑 블랭크를 고온 가열하기 전에 프리 히팅을 실시하여 블랭크의 표면에 얇은 산화층을 형성함으로써, 고온 가열 공정에서의 수소의 유입을 차단하여 수소지연파괴를 최소화할 수 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 (5)

  1. (a) 탄소(C): 0.25~0.35중량%, 실리콘(Si): 0.15~0.35중량%, 망간(Mn): 1.35~1.50중량%, 인(P): 0 초과 0.03중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.001중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1~0.5중량%, 티타늄(Ti): 0.02~0.04중량%, 보론(B): 0 초과 0.002중량% 이하, 및 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 1.8G급 핫 스탬핑용 강판을 절단하여 프레스 성형에 필요한 형상의 블랭크를 제작하는 단계;
    (b) 상기 블랭크를 250~350℃의 온도 및 산화분위기에서 50~70초간 프리 히팅하여 상기 블랭크의 표면에 산화층을 형성하는 단계;
    (c) 상기 블랭크를 오스테나이트 변태 온도 범위에서 열처리하는 단계; 및
    (d) 상기 블랭크를 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계를 포함하는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 블랭크의 표면에는 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금층이 형성되어 있으며,
    상기 (b) 단계에서 산화알루미늄층 및 산화실리콘층이 형성되는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 얻어진 성형품은 차량용 사이드 패널인,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.

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