KR102218452B1

KR102218452B1 - 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법

Info

Publication number: KR102218452B1
Application number: KR1020190131366A
Authority: KR
Inventors: 배규열; 이상민
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-02-19

Abstract

접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법이 제공된다.
본 발명은, 2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 그 접촉면을 비저항 및 접촉저항 발열시켜 접합하는 DC butt 접합을 이용하여 얻어지는 접합이음부를 갖는 접합부재에 있어서, 상기 강판은, 면적%로, 페라이트 60면적% 이상 그리고 잔부 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 탄소강판이며, 상기 접합이음부의 경도가 200~270Hv이며, 상기 접합이음부 중 조대열영향부(CGHAZ)는 평균 결정입 크기가 25㎛ 미만의 미세한 베이나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 루어진 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재에 관한 것이다.

Description

접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법{DC butt joint members having excellent formability for wheel applications, and DC butt joining method}

본 발명은 자동차 경량 스틸 휠 등에 적용되는 인장강도 780MPa 이상이고 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 접합부 강도와 성형성을 향상시킬 수 있는 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 접합후 상변태 조직제어의 방안으로서 비커스 경도 300Hv 이상의 마르텐사이트 상 발달에 따른 접합부 인성저하를 방지하기 위해 DC butt 접합시 Pre-/Upset-/Post-heat 최적화 패턴을 도입하여 접합부 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있으며, 접합부 인성저하의 요인이 되는 조대 결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 Grain Size를 평균 25㎛ 이내로 제어함으로써 가공성 확보가 가능한 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법에 관한 것이다.

자동차 분야는 지구 온난화 문제 등 환경보호에 따른 연비규제 정책으로 차체 및 부품류의 경량화 기술 연구가 큰 이슈로 부상하고 있다. 자동차 주행 성능에 중요한 샤시부품류 또한 이러한 기조에 따라 경량화를 위한 고강도강재 적용이 필요한 실정이다. 부품 경량화 달성을 위해서는 소재의 고강도화가 필수적이며, 특히 부품 제조를 위해 접합후 가공을 하는 경우 접합부의 성형성 확보가 중요한 요소라 할 수 있다.

자동차 휠림 조립시 통상적으로 적용되고 있는 플래시벗 접합 공정과 달리 접합 불꽃 비산이 없는 친환경 공정으로서 최근 적용이 확대되고 있는 DC butt 접합의 경우, 접합 대상면을 통해 일정 시간 동안 흐르는 전류와 소재의 비저항 및 접촉저항에 의해 발열이 된다. 이러한 DC butt 접합은 용융 발생 없이 고온으로 가열된 대상면의 적정 업셋을 통해 고상 접합이 이루지는 공정으로서 접합부의 성형성 확보를 위한 최적 조건의 선정이 중요하다. 특히, 인장강도 780MPa 이상의 고강도강의 경우 상대적으로 높은 탄소당량으로 인하여 접합부의 경화에 따른 취성조직의 발달이 성형성 저하의 요인이 되므로 접합부의 상변태를 제어할 수 있는 공정 조건 개발이 필요하다.

또한 실제 휠림 제조라인에서 접합부의 가공크랙 불량이 높을시 양산 적용이 어려운 실정이므로 이를 위한 해결안 도출이 중요하다. 특히, DC butt 접합 공정 특성상 통상적으로 강재의 탄소당량이 0.35를 초과하는 경우 접합부에 비커스 경도치가 300을 넘는 마르텐사이트와 같은 취성조직이 발달하기 용이하여 이를 방지할 수 있는 공정 패턴 도입이 필수적이라 할 수 있다.

또한 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들에 한정되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

따라서 본 발명은 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 접합부 강도 및 가공성을 향상시키기 위해, 최적의 DC butt 접합 Pre-/Upset-/Post-heat 패턴을 도입함으로써 접합부 경도를 220Hv 이상 270Hv 이내로 제어할 수 있음과 아울러, 접합부 인성 저하의 요인이 되는 조대결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 Grain Size를 평균 25㎛ 이내로 제어함으로써 접합부의 인성향상을 통하여 성형성을 확보할 수 있는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 및 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 그 접촉면을 비저항 및 접촉저항 발열시켜 접합하는 DC butt 접합을 이용하여 얻어지는 접합이음부를 갖는 접합부재에 있어서,

상기 강판은, 면적%로, 페라이트 60면적% 이상 그리고 잔부 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 탄소강판이며,

상기 접합이음부의 경도가 200~270Hv이며,

상기 접합이음부 중 조대열영향부(CGHAZ)는 평균 결정입 크기가 25㎛ 미만의 미세한 베이나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재에 관한 것이다.

또한 본 발명은, 2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 상기 강판의 Tm 이하의 온도로 비저항 및 접촉저항 발열시켜 강판을 DC butt 접합하고, 이어, 업셋 가열하는 DC butt 접합을 이용한 접합부재 제조방법에 있어서,

상기 DC butt 접합 이전에, 상기 강판의 접합 대상면을 예비가열하고, 그리고 상기 업셋 가열 시, 강판에 인가하는 전류량을 2단에 걸쳐 단계적으로 낮추어 줌과 동시에 가압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 제조방법에 관한 것이다.

상기 업셋가열 후 후가열(Post heat) 처리하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 DC butt접합부 미세조직 최적화를 통해 접합부 인성향상이 가능하여 자동차용 경량 스틸휠림 제조시 접합부 강도 및 성형성을 효과적으로 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 DC butt 접합 패턴(Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 단계)을 보이는 그림이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 DC butt 접합부 단면조직을 나타내는 조직사진이다.
도 3은 도 2의 접합부 단면조직 사진에서 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 결정입 분석결과를 나타내는 그림이다.
도 4는 도 2의 접합부 단면조직 사진에서 EBSD 결정입크기 분포 분석결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 인장강도 780MPa급 복합조직강의 DC butt 접합부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 그림이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 인장강도 780MPa 이상 및 강재두께 6mm 이하의 고강도 열연강재의 접합부 강도 및 가공성을 향상시키기 위해, 최적의 DC butt 접합 Pre-/Upset-/Post-heat 패턴을 도입함으로써 접합부 경도를 220Hv 이상 270Hv 이내로 제어할 수 있음과 아울러, 접합부 인성 저하의 요인이 되는 조대결정립 열열향부(Coarse-Grained Heat Affected Zone)의 Grain Size를 평균 25㎛ 이내로 제어함으로써 성형성을 확보할 수 있는 휠림 DC butt 접합부재를 제공함을 특징으로 한다.

따라서 본 발명은, 2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 그 접촉면을 비저항 및 접촉저항 발열시켜 접합하는 DC butt 접합을 이용하여 얻어지는 접합이음부를 갖는 접합부재에 있어서, 상기 강판은, 면적%로, 페라이트 60면적% 이상 그리고 잔부 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 탄소강판이며, 상기 접합이음부의 경도가 200~270Hv이며, 상기 접합이음부 중 조대열향부(CGHAZ)는 평균 결정입 크기가 25㎛ 미만의 미세한 베이나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 DC butt 접합 패턴(Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 단계)을 보이는 그림이다.

도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 DC butt 접합 공정은 크게 1) Squeeze (강판의 접합 대상면을 압착), 2) Pre-heat (접합 대상면을 고르게 예열), 3) Main-heat (접합 대상면을 높은 저항발열로 가열), 4) Upset (고온 상태의 접합 대상면을 일정 힘으로 가압하여 접합, 이때 Upset heat 도입을 통하여 접합부의 급랭 완화와 동시에 가열 패턴 도입을 통한 과입열 제어), 5) Cooling (접합부 냉각단계), 6) Post-heat (접합부의 상변태후 저온변태 취성조직 tempering을 위한 후열처리)를 포함하여 구성된다.

즉, 본 발명의 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 제조방법은, 2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 상기 강판의 Tm 이하의 온도로 비저항 및 접촉저항 발열시켜 강판을 DC butt 접합하고, 이어, 업셋 가열하는 DC butt 접합을 이용한 접합부재 제조방법에 있어서, 상기 DC butt 접합 이전에, 상기 강판의 접합 대상면을 예비가열하고, 이어, 업셋 가열하고, 후속하여 후가열처리하는 것을 포함한다.

본 발명에서는 상기 강판의 구체적인 강조성 성분 및 내부 조직에 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 상기 강판은 페라이트(F)를 면적%로 60%이상 포함하는 주 조직으로 하고 잔여 베이나이트(B)와 마르텐사이트(M)를 포함하는 탄소강인 것이 바람직하다.

이와 같은, 접합공정을 이용함으로써 얻어진 접합부는 그 접합부 인성 및 성형성이 보다 개선될 수 있다. 즉, Pre-hea(예비 가열), Main-heat, Upset-heat, Post-heat(후가열) 등을 순차적으로 이용함으로써 인성 및 성형성이 우수한 접합부를 얻을 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상기 공정에서의 구체적인 공정 조건들에 제한되지 않는다.

본 발명에서는 특히, Upset 단계(도 1의 Stage 4~5)에서 전류(열량)를 2단에 걸쳐 단계적으로 낮추어줌과 동시에 순간 가압력을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 이를 통하여, 접합부의 과열량에 따른 결정립 조대화를 방지하고 접합부 미세조직을 보다 세립화할 수 있다.

또한 본 발명에서는 냉각단계(도 1의 Stage 6) 후, 마지막 Post-heat(도 1의 Stage 7)에서 후열 패턴을 도입함으로써 접합부의 급랭을 방지 또는 저온변태상의 tempering을 통해 취성조직 발달을 저감함이 바람직하다.

상기와 같은, 접합공정을 이용함으로써 얻어진 접합부는 그 접합부 인성 및 성형성이 보다 개선될 수 있다. 즉, Pre-hea(예비 가열), Main-heat, Upset-heat, Post-heat(후가열) 등을 순차적으로 이용함으로써 인성 및 성형성이 우수한 접합부를 얻을 수 있다. 이때, 본 발명에서는 상기 공정에서의 구체적인 공정 조건들에 제한되지 않는다.

다만 단락 전류를 100%로 했을 때, 예열 15~20%, Main-heat 30~35%, 업셋 가열 1차 20~30% 그리고 2차 10~15%, 후열처리 10~15%의 범위로 전류를 인가함이 바람직하다.

또한 예열시간은 0.5~1.5초, 업셋 가열 시간 1차 0.2~1.0초 그리고 2차 0.2~1.8초, 그리고 후열시간 0.2~0.4초 범위로 관리함이 바람직하다.

그리고 업셋 가열 시, 업셋력 14.0~24.0톤, 업셋길이 15.0~16.5mm 범위로 함이 바람직하다.

상기 공정을 통하여 얻어진 접합부는 그 접합부 경도를 220Hv 이상 및 270Hv 이내로 제어할 수 있다.

또한 접합부를 이루는 조대열영향부(CGHAZ)의 결정입 크기는 100㎛ 미만이며, 평균 결정입 크기가 25㎛ 미만인 베이나이트 상으로 이루어진 미세한 조직의 조대열영향부(CGHAZ)를 얻을 수 있으며, 이에 의해 접합부재의 성형성을 제고할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

두께 4.2mmt의 인장강도 780MPa급 복합조직강 모재를 마련하였다. 이후, 상기 강의 모재를 하기 표 1과 같은 접합조건으로 DC butt 접합을 각각 실시한 후 얻어진 각각의 접합부재를 이루는 접합부에 대하여 경도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 또한 나타내었다.

	구분	예열 (%)	예열시간 (s)	주입열(%)	업셋열1 (%)	엡셋열1 시간(s)	업셋열2 (%)	업셋열2 시간(s)	업셋력(Ton)	업셋길이 (mm)	후열(%)	후열시간 (s)	접합부경도 (Hv)
1	발명예	16	1.5	32	22	1.0	12	0.2	15	15.0	12	0.4	225~255
2	발명예	15	0.6	30	30	0.2	15	1.8	24	15.5	10	0.2	235~260
3	발명예	15	0.5	31	20	1.0	10	0.5	14	16.1	11	0.2	245~265
4	비교예	14	2.0	28	0	0	0	0	10	11.5	0	0	295~315
5	비교예	16	2.0	29	0	0	0	0	10	12.3	8	0.6	280~310
6	비교얘	15	0.6	30	30	2.0	0	0	10	12.7	0	0	200~225
7	바교예	15	0.5	320	25	1.5	0	0	12	13.2	0	0	215~230

*상기 표 1에서 전류%는 단락전류의 비율임

또한 상기 얻어진 각각의 접합부재를 이루는 접합부의 평균 결정입 크기를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었으며, 또한 접합부의 미세조직을 측정하여 그 결과를 또한 하기 표 2에 나타내었다.

또한 상기와 같이 얻어진 접합부를 갖는 각각의 접합부재에 대하여, 하기 표 2에 나타난 바와 같이, 인장시험을 행하여 파단이 발생하는 위치를 평가하였으며, 아울러 3점 굽힘시험 (4R)을 실시하여 벤딩 크랙이 발생하는 유무를 평가하였다.

	구분	접합부(CGHAZ) 평균 결정립크기 (㎛)	접합부(CGHAZ) 조직	인장파단 위치	벤딩크랙
1	발명예	24.8	B	모재	X
2	발명예	24.6	B	모재	X
3	발명예	24.2	B	모재	X
4	비교예	미측정	M+B	접합부	O
5	비교예	미측정	M+B	접합부	O
6	비교예	34.7	F+B	접합부	O
7	비교예	37.2	F+B	접합부	O

*표 2에서 B는 베이나이트, M은 마르텐사이트, 그리고 F는 페라이트를 의미한다.

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, Pre-heat, Upset-heat, Post-heat 공정을 순차적으로 이용하고, 특히, Upset-heat 시, 인가전류를 전류(열량)를 2단에 걸쳐 단계적으로 낮추어줌과 동시에 순간 가압력을 증가시키는 본 발명예 1-3의 경우 모두 인장시험 시 모재에서 파단이 발생하고, 벤딩시험시 벤딩크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다.

이에 반하여, Upset-heat 시, 인가전류를 전류(열량)를 2단에 걸쳐 단계적으로 낮추어주지 않은 비교예 4-7은 인장시험 시 접합부에서 파단이 발생하고, 벤딩시험시 벤딩크랙이 발생함을 확인할 수 있다.

한편 도 2는 본 발명의 일실시예(발명예 1)에 따른 DC butt 접합부 단면조직을 나타내는 조직사진이며, 도 3은 도 2의 접합부 단면조직 사진에서 EBSD(Electron Backscatter Diffraction) 결정입 분석결과를 나타내는 그림이며, 그리고 도 4는 도 2의 접합부 단면조직 사진에서 EBSD 결정입크기 분포 분석결과를 나타내는 그래프이다.

도 2-4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 접합부재를 이루는 접합부(CGHAZ)는 미세한 베이나이트 단상조직으로 이루어져 미세한 조직으로 접합부재의 성형성을 제고할 수 있음을 알 수 있다.

또한 도 5는 인장강도 780MPa급 복합조직강의 DC butt 접합부 인장 및 3점 굽힘 벤딩(4R) 결과를 나타내는 그림으로서, 본 발명예 1에 대한 그림이다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 접합부재를 이루는 접합부는 인장 시험시 모재에서 파단이 발생하고, 벤딩시험시 벤딩크랙이 발생하지 않음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 그 접촉면을 비저항 및 접촉저항 발열시켜 접합하는 DC butt 접합을 이용하여 얻어지는 접합이음부를 갖는 접합부재에 있어서,
상기 강판은, 면적%로, 페라이트 60면적% 이상 그리고 잔부 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 탄소강판이며,
상기 접합이음부의 경도가 200~270Hv이며,
상기 접합이음부 중 조대열영향부(CGHAZ)는 평균 결정입 크기가 25㎛ 미만의 미세한 베이나이트 조직으로 이루어진 것을 특징으로 하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재.
2개의 강판을 맞대기한 후, 전류를 인가하여 상기 강판의 Tm 이하의 온도로 비저항 및 접촉저항 발열시켜 강판을 DC butt 접합하고, 이어, 업셋 가열하는 DC butt 접합을 이용한 접합부재 제조방법에 있어서,
상기 강판은, 면적%로, 페라이트 60면적% 이상 그리고 잔부 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가지는 탄소강판이며,
상기 DC butt 접합 이전에, 상기 강판의 접합 대상면을 예비가열하고, 그리고 상기 업셋 가열 시, 강판에 인가하는 전류량을 2단에 걸쳐 단계적으로 낮추어 줌과 동시에 가압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 제조방법.
제 2항에 있어서, 상기 업셋가열 후 후가열(Post heat) 처리하는 것을 추가로 포함하는 접합부 가공성이 우수한 휠림 DC butt 접합부재 제조방법.
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