KR102224344B1 - 경화된 스틸 부품의 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경화성 스틸 합금으로 구성된 판형 스틸 밴드로부터 블랭크를 분리한 후 블랭크를 오스테나이트화하는, 판형 스틸 부품의 프레스 경화 방법에 관한다. 이 방법에서, 블랭크는 Ac₃을 넘는 온도 가열된 후, 성형 공구에 삽입되어 성형 공구에서 성형된다. 성형중에, 블랭크는 임계 경화 속도를 넘는 속도로 냉각된다. 이 방법은, 성형 및 경화 과정에서 성형되는 판금 블랭크에서 2형 마이크로크랙이 생성되는 것을 방지하기 위해, 포지티브 반경 및/또는 드로잉 에지에 인접하여 산소를 공급하는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 이 방법을 실행하기 위한 장치에 관한다.

Description

경화된 스틸 부품의 제조 방법 및 장치

본 발명은 경화된(hardened) 스틸 부품의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.

경화된 스틸 부품, 특히 자동차의 차체 구조에 사용되는 스틸 부품은, 우수한 기계적 특성으로 인해, 정상 강도에서 더 많은 양의 부품(그 결과, 더 무거워진 것으로서 구현된다)을 사용하지 않고도 특히 안정한 차실(passenger compartment)을 구성할 수 있다는 장점을 가진다.

이러한 종류의 경화된 스틸 부품을 생산하기 위해, 담금질 경화(quench hardening)에 의해 경화될 수 있는 유형의 스틸이 사용된다. 이러한 유형의 스틸은, 예를 들어 붕소 합금 망간 탄소 스틸을 포함하며, 가장 널리 사용되는 스틸은 22MnB5이다. 그러나, 다른 붕소 합금 망간 탄소 스틸도 이 목적으로 사용된다.

이러한 유형의 스틸로 경화된 부품을 생산하려면 스틸재를 오스테나이트화 온도(>Ac₃)로 가열해야 하며, 스틸재가 오스테나이트화할 때까지 기다려야 한다. 원하는 경도에 따라, 부분적인 또는 완전한 오스테나이트화를 얻을 수 있다.

오스테나이트화 후에, 이러한 스틸재가 임계 경화 속도를 넘는 속도로 냉각되면, 오스테나이트 조직은 마텐사이트의(martensitic) 매우 경질의 구조로 전환된다. 이러한 방식으로, 최대 1500 MPa를 넘는 인장 강도 R_m을 달성할 수 있다.

현재 두 가지 다른 절차 접근법이 스틸재 부품의 생산에 통상적으로 사용된다.

소위 성형 경화(form hardening)에서는, 판형 스틸 블랭크(blank)를 스틸 밴드로부터 (예를 들어, 잘라내거나 스탬핑 아웃해서) 분리한 후, 5단계 딥 드로잉 공정과 같은 기존의 방법을 사용하여 딥 드로잉하여 최종 부품을 생산한다. 이 최종 부품은 오스테나이트화시에 후속 열 팽창을 보완하기 위해 다소 작은 치수를 가진다.

이러한 방식으로 제조된 부품은 오스테나이트화된 후, 프레스되지만 성형되지 않거나 아주 약간만 성형되는 형(성형) 경화 도구에 삽입되고, 프레스에 의해, 특히 임계 경화 속도 보다도 빠른 속도로, 열이 부품으로부터 프레스 도구로 유입된다.

다른 절차적 접근법은, 판형 스틸 밴드로부터 블랭크를 (예를 들어, 잘라내거나 스탬핑 아웃해서) 분리한 후, 그 블랭크를 오스테나이트화하고, 핫 블랭크를 바람직하게는 1상 스텝으로 782℃ 미만의 온도에서 성형하는 동시에, 임계 경화 속도보다 빠른 속도로 냉각하는, 이른바 프레스 경화(press hardening)이다.

두 경우 모두, 예를 들어 아연 또는 아연계 합금를 가진 금속 부식방지 코팅을 가진 블랭크를 사용할 수 있다. 성형 경화(form hardening)는 간접 공정이라고도 하며, 프레스 경화는 직접 공정이라고 한다. 간접 공정의 장점은, 보다 복잡한 도구 형상을 얻을 수 있다는 것이다.

직접 공정의 장점은 보다 높은 재료 이용률을 달성할 수 있지만, 얻을 수 있는 부품의 복잡성은 낮아지며, 특히 1단계 성형 공정에서 그러하다.

그러나, 프레스 경화에서, 특히 아연 도금 판형 스틸 블랭크를 사용하면 표면에 마이크로크랙이 형성된다는 단점이 존재한다.

이와 관련하여, 1차 마이크로크랙과 2차 마이크로크랙은 구별된다.

1차 마이크로크랙은 소위 액체 금속 취성 (liquid metal embrittlement)에 기인한다. 이 이론은 성형시에, 즉 재료에 인장 응력이 가해질 때, 액상 아연상은 여전히 존재하는 오스테나이트상과 상호 작용하여, 재료에 수백 마이크로미터에 이르는 깊이를 가진 마이크로크랙을 생성시킨다는 것이다.

출원인은, 가열로에서 꺼내어 열간 성형(hot forming) 공정을 개시할 때까지, 액체 아연상이 더 이상 존재하지 않는 온도까지 재료를 능동적으로 또는 수동적으로 냉각시켜서 이들 1차 마이크로크랙을 억제하는 것에 성공했다. 이것은 약 750℃ 미만의 온도에서 열간 성형이 이루어지는 것을 의미한다.

지금까지는, 예비 냉각에도 불구하고 열간 성형에서 2차 마이크로크랙을 제어할 수 없었고, 이들은 600℃ 미만의 열간 성형에서조차 발생한다. 이 경우 크랙의 깊이는 수십 마이크로미터에 이른다.

1차 마이크로크랙이나 2차 마이크로크랙은 잠재적인 손상의 원인이 되기 때문에, 사용자에게 용납되지 않는다.

이전의 방법들로는, 2차 마이크로크랙이 없는 부품의 생산을 보장하는 것은 여전히 불가능하다.

DE 10 2011 055 643 A1은, 판형 스틸, 특히 판형 스틸로 이루어진 아연 도금 작업편으로로 제조된 열간 프레스 경화 부품의 성형 공구 및 방법을 개시하고 있다. 이 경우, 열간 성형 및 프레스 경화에 사용되는 암 금형(female die)은 -포지티브 드로잉 반경으로 정의되는 드로잉 에지 영역에서- 재료로 액체 코팅되거나, 인서트 피스가 제공되어야 하는데, 이 인서트 피스는, 드로잉 에지 영역에 인접하고, 드로잉 에지 영역이 열간 성형 및 프레스 경화될 때 작업편과 접촉하게 되는 암 금형의 열전도율보다 적어도 10W/(m x K) 낮은 열전도율을 가진다. 작업편 또는 제 위치에 배치된 인서트 피스에 면한 드로잉 에지 영역의 표면에 적용되는 재료는, 암 금형의 포지티브 드로잉 반경의 1.6 내지 10배 범위의, 드로잉 에지를 가로질러 연장되는 횡단 치수(transverse dimension)를 가져야 한다. 이는, 열간 성형시에 판형 스틸로 제조된 작업편의 유동 특성을 향상시켜야 하고, 그래서 판형 스틸, 바람직하게는 아연 도금 스틸 블랭크로 제조된 작업편의 열간 성형에서 크랙 발생의 리스크를 유의하게 감소시켜야 한다. 하지만, 이러한 공구로는 2형 마이크로크랙을 회피할 수 없다.

DE 10 2011 052 773 A1은, 공구의 주형면이, 그 주형면에 도입되는 2 개의 미세 공동(micro-cavity)에 의해 일부 영역에서 미세구조화되는 프레스 경화용 공구를 개시한다. 이 단계는, 블랭크를 갖는 주형면과 공동간에 배치된 표면 부분 사이에서 블랭크를 성형하기 위한 유효 접촉 영역(면적)을 4 가지로 제한하기 위한 것이다. 이는 마찰을 줄이기 위한 것이다.

DE 10 2004 038 626 B3는, 성형 부품을 성형하기 전 또는 후에, 성형 부품의 요구되는 최종 트리밍 및 임의의 필요한 펀칭 공정 또는 홀 패턴의 생성을 실행하고, 그 후 성형 부품을, 적어도 일부 영역에서 스틸 재료의 오스테나이트화를 가능하게 하는 온도로 가열하고; 그 후 그 부품을 성형 경화 공구로 이송하고, 성형 경화 공구에서 성형 경화를 실행하는데, 이 성형 경화 공구에서, 부품은, 부품의 접촉 및 프레스에 의해 적어도 일부 영역에서 냉각되어서 경화되고; 부품은, 포지티브 반경 영역에서 적어도 일부 영역에서 성형 경화 공구에 의해 지지되고, 바람직하게는 트림 에지의 영역에서 2개의 클램프에 의해 고정되는 것이 바람직하고, 부품이 고정(클램프)되지 않은 영역에서 부품은, 적어도, 갭에 의해 1/2 주형(주형의 절반)으로부터 이격된다. 이 방법에 의해 부품을 뒤틀림없이 고정할 수 있고, 다른 경화 속도에 의해 다른 경화 구배를 설정할 수 있다.

본 발명의 목적은 직접 열간 성형된, 즉 프레스 경화된 부품에서 2형 마이크로크랙을 회피하는 데 있다.

상기 목적은 청구항 1의 특징을 갖는 방법으로 달성된다. 유리한 변경은 종속항에서 특정된다.

본 발명의 또 다른 목적은, 판형 스틸 블랭크가 프레스 경화 공정에서 열간 성형 및 경화될 수 있고, 마이크로크랙을 회피할 수 있는 장치를 제조하는 것이다.

상기 목적은 청구항 제4항의 특징을 갖는 장치로 달성된다. 유리한 변경은 이 청구항을 인용하는 종속항에서 특정된다.

본 발명자들은 인장 변형을 받는 영역에서, 발생한 아연 증기가 충분한 농도로 스틸에 도달할 때, 소위 증기 금속 취화(VME)시에, 2형 마이크로크랙이 생성된다는 것을 발견했다. 아연 증기는 성형 공정 중에 연신(stretching)에서 발생하는 아연/철층의 찢김에 의해 생성된다. 특히 판금과 공구가 직접 접촉하는 영역이 우세하거나(넓거나), 판금이 공구에서 아주 짧은 거리에 있는 영역에서 충분한 농도가 발생한다. 본 발명에서 정의되는 매우 짧은 거리란 0.5mm 미만이다.

본 발명에 따르면, 재료 및 온도에 관해 가능한 가장 큰 작업창을 유지하고 저렴한 구현을 도모하면서도, 2차 마이크로크랙을 피해야 한다. 최소한 동일한 체류 시간으로, 부품 생산 과정에서 사이클 타임이 증가하거나 처리량이 감소하지 않아야 한다.

본 발명에 따르면, 인장 변형 (신장 에지 섬유) 하의 영역에서, 발생하는 아연 증기는 가스 흐름에 의해 멀리 이동되거나(대류), 보다 정확하게는 옅어지거나, 또는 충분히 희석된다. 대안적으로 또는 이에 더해서, 유체의 유입을 통해, 아연은 산화 아연 또는 ZnI₂와 같은 안정한 화합물로 빠르게 변환된다. 또한, 2차 마이크로크랙으로부터 스틸을 보호하는 것은 또한 유체를 공급함으로써 산화물층과 같은 보호층을 생성하는 것에 의해 달성될 수 있다. 상술한 모든 방법은 마이크로크랙을 유의하게 감소시킨다는 것이 증명되었다.

이 경우의 2 차 마이크로 크랙의 방지는, 성형될 판금 블랭크에서, 성형 및 경화 공정시에, 에지 섬유에서 인장 변형이 발생하는 영역에서 주변 매체(ambient medium)가 교환된다는 사실에 의해 보장된다. 이러한 교환에 의해, 발생한 아연 증기가 희석되거나 제거된다.

주변 매체의 교환은, 특히 매체의 연속적 도입 또는 제거, 즉 주입 또는 흡인에 의해 가능할 수 있다.

이러한 목적을 위한 매체는, 공기, 산소, 질소 또는 다른 유체 또는 가스일 수 있다.

공기 또는 산소와 같은 가스상의 산소 함유 유체가 특히 바람직한데, 그 이유는, 공구를 과도하게 오염시킬 수 없으며, 또한 예를 들어 물에 의해 발생할 수 있는 바람직하지 않은 거대한(massive) 냉각 작용은 상기 유체를 템퍼링하는 것에 의해 보다 쉽게 조절할 수 있기 때문이다.

이러한 매체는, 공구의 보어 또는 오목부와 같은 다른 접근부를 통해 도입되며, 특히 바람직한 방식으로 1 bar를 넘는 양압(positive pressure)으로 주입된다. 흡인으로, 마찬가지로 1 bar를 넘는 압력으로 주입될 수 있다.

가능한한 가장 균일한 제조 조건을 달성할 수 있기 때문에, 작동 중에 매체의 연속적인 교환은 특히 바람직한 선택지이다.

또한, 예열 유닛은 유체를 도입하기 전에 유체를 가열하여 특정 온도 제어를 달성하고 또한 냉각 작용(왜냐하면 바람직하게는 부품의 경화는 성형 공정의 마지막에서, 즉 공구가 완전히 닫혔을 때, 일어나기 때문이다)을 감소시키기 위해 제공될 수 있다.

또한, 공구에는 오목부가 제공될 수 있는데, 이는 한편으로는 딥 드로잉이 부정적인 영향을 받지 않거나, 또는 블랭크 또는 작업편이 웨이브상이 되도록 구성되고, 또 한편으로는 경화에 필요한 열 유출이 마찬가지로 상당한 정도로 부정적인 영향을 받지 않도록 구성된다.

그러나, 오목부는, 방출되는 아연상 또는 아연/철상의 산화를 위해 산소를 공급하기 위해, 드로잉될 블랭크 및 재료에 충분한 양의 산소가 도달하도록 유체, 특히 산소의 저장소를 구성한다.

유리하게도, 성형시 오목부에, 예를 들어 적절한 입구 개구를 통해 공구측으로부터 연속적으로 유체 또는 산소 함유 유체를 공급하여, 유동 쿠션을 형성할 수 있다. 또한, 주형으로부터 작업편을 제거한 후 그리고 다른 블랭크를 삽입하기 전에, 주형 공동은 산소 함유 유체로 플러싱될 수 있으며, 이 유체는 그 후 오목부에 존재한다. 산소 함유 유체의 예로는 가스 형태로 공급되는 공기 및 상술한 유체를 들 수 있다.

인장 변형을 받는 지점에서의 주변 매체의 교환은, 심지어 그 매체가 인장 변형을 받는 지점에 직접 공급되지 않는 경우에도, 발생하는 아연 증기를 멀리 운반함으로써 2차 마이크로크랙의 형성을 효과적으로 방지한다.

본 발명은 도면에 기초한 예로서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명의 오목부를 가진 드로잉 에지에 인접한 공구 영역을 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 형태의 오목부를 가진 공구의 드로잉 에지 영역을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 슬롯 배치를 가진 공구의 드로잉 에지 영역의 부분 절단 측면도이다.
도 4는 도 3의 배치의 상면도이다.
도 5는 판금 홀드다운 메커니즘과 유체 공급 노즐을 가진 공구의 드로잉 에지 영역을 도시한다.

드로잉 에지 영역(1) 또는 포지티브 반경 영역(1)은, 성형 공구 상에 배치되고, 드로잉 에지 또는 포지티브 반경(2)의 영역에서 만나는, 작업편을 향하는 2개의 표면(3, 4)을 갖는다.

오목부(5)는, 드로잉 방향으로 드로잉 에지(2)의 뒤에 위치한 표면(4)에 제공된다. 이 경우의 오목부(5)는, 드로잉될 재료에 대한 충분한 지지 작용을 제공하기 위해, 표면(3)과 오목부(5) 사이의 드로잉 에지(2)의 잔여 두께가 대략 그 반경에 일치(대응)하도록 구성된다.

드로잉 에지(2)와 표면(4) 사이에서, 오목부(5)는 약 25 내지 35 mm의 높이를 가지며, 깊이는 5 내지 9 mm이다.

또 다른 유리한 실시 형태(도 2)에서는, 드로잉 에지(2)에 인접한 큰 면적의 오목부(5)를 제공하고, 상술한 두께를 남겨 두는 대신에, 이 표면(4)에 홈(6)이 도입된다. 이 경우 홈(6)은, 표면(4)과 드로잉 에지(2) 사이에 총 약 8 내지 12 ㎜의 높이를 가지며, 깊이는 5 내지 9 ㎜이다.

또다른 유리한 실시 형태에서, 드로잉 에지(2)에 인접한 벽(4)의 영역에서의 연속적인 오목부(5) 대신에, 드로잉 방향으로 연장되는 복수의 홈(7)이 제공되며; 예를 들어 홈(7) 또는 슬롯(7)은 4 내지 8 mm의 슬롯 폭과 7 내지 11 mm의 슬롯 간격을 가지므로, 잔여 브리지 피스는 1 내지 5 mm의 폭을 갖는다. 이 경우 홈(7) 또는 슬롯(7)은 마찬가지로 5 내지 9 mm의 깊이를 갖는다.

놀랍게도, 전술한 형상으로 인해, 심지어 브리지 피스(4)의 존재(또는 존재 가능성)에도 불구하고, 오목부(5, 6, 7) 내부의 상대적으로 소량의 유체는, 산소의 공급을 통해 제2형 마이크로크랙의 형성을 효과적으로 방지하기에 충분하다는 것이 판명되었다.

유익한 실시 형태(도시되지 않음)에서, 오목부(5), 홈(6) 및 슬롯(7)에는, 후방으로부터, 즉 공구측으로부터 공급 개구 및 순차적으로 상응하게 구멍이 뚫린 복수의 라인에 의해 산소 함유 유체가 공급되며, 필요에 따라 오목부(5), 홈(6) 및 슬롯(7) 영역에서의 산소 분압을 더욱 증가시킬 수 있다.

연속 가공시에 오목부(5), 홈(6) 및 슬롯(7)에서 산소 함량을 높은 수준으로 유지하기 위해, 금형 공동은 산소 함유 유체로 플러싱되어서, 오목부(5), 홈(6) 및 슬롯(7)에는 언제나 충분한 산소 저장소가 존재하게 된다.

본 발명에 따르면, 모든 경우에, 가압된 가스는 공구(1), 또는 홀드다운 메커니즘 또는 수 금형(9) 중의 공급 보어(8)를 통해 공급될 수 있다는 사실에 의해, 산소 함유 가스의 공급이 보장된다. 이에 관련하여, 이 가스는 오목부내(도 1 내지도 4) 및/또는 표면(4)(도 2)으로 또는 표면(4, 3)으로 운반될 수 있다. 상부 공구 또는 판금 홀드다운 메커니즘(9)이 존재하면, 홀드다운 표면(10)까지 연장되는 대응하는 보어(8)가 또한 여기에 존재할 수 있다. 이 영역에서도 판금의 팽창이 또한 발생한다면 이는 특히 중요하다.

공급 보어(8) 각각의 직경은 바람직하게는 3 내지 8mm이다. 그러나 필요한 경우, 흘러나오는 유체의 양이 충분히 크다면, 더 작은 직경을 사용할 수도 있다.

예를 들어, 250mm/초의 다이 속도에서, 성형되어야 할 판금 표면 1cm² 당 0.01 l/초의 공기 공급은, 600℃미만의 성형 온도에서 2차 마이크로크랙을 효과적으로 방지하기에 충분한 것으로 밝혀졌다.

성형 온도가 높을수록 더 많은 양의 공기가 필요하다.

직접 프레스 경화 공정에서는 22MnB5 외에, 20MnB8, 22MnB8 및 기타 망간/붕소 스틸이 주로 사용된다.

결과적으로, 하기 합금 조성을 가진 스틸이 본 발명에 적합하다 (모두 질량%로 표시).

그리고 나머지는 철과 제련 불순물로 구성된다. 이러한 스틸에서는, 특히 붕소, 망간, 탄소 및 선택적으로 크롬 및 몰리브덴과 같은 합금 원소가 변형 지연제(transformation-delaying agent)로서 사용된다.

다음의 일반적인 합금 조성을 가진 스틸이 또한 본 발명에 적합하다 (모두 질량%로 표시).

그리고 나머지는 철과 제련 불순물로 구성된다.

다음의 합금 조성을 가진 스틸이 본 발명에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다 (모두 질량%로 표시).

그리고 나머지는 철과 제련 불순물로 구성된다.

산소 함유 유체의 최적의 도입 부위는, 비드 또는 언더컷을 또한 고려해야 하므로, 부품의 형상(geometry)에 의존하게 된다.

몇개의 더 큰 보어를 대신해서, 공구의 보다 넓은 영역에 걸쳐 분포된 작은 도입 개구의 체(sieve)와 같은 패턴을 제공하는 것이 유리할 수도 있다.

2: 드로잉 에지
3, 4: 표면
5: 오목부
6: 홈
7: 복수의 홈(슬롯)

Claims (7)

1. 경화성 스틸 합금으로 구성된 판형 스틸 밴드로부터 블랭크를 분리한 후, 상기 블랭크를 오스테나이트화하는데, 여기서 상기 블랭크는, Ac₃을 넘는 온도로 가열된 후, 성형 공구에 삽입되고, 상기 성형 공구에서 성형되는데, 상기 성형시에는 임계 경화 속도를 넘는 속도로 냉각되며, 성형되는 아연 도금 판금 블랭크에서 2형 마이크로크랙이 형성되는 것을 방지하기 위해 성형 및 경화 공정에서 인장 변형이 가해지는 지점에 주변 매체가 주입되거나 흡인되어서, 인장 변형을 받는 영역에서 발생하는 아연 증기 중의 아연이 안정한 화합물로 변환되고, 이로써 상기 아연 증기가 스틸에 도달할 때 형성되는 2형 마이크로크랙이 방지되는, 판형 스틸 부품의 프레스 경화 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 주변 매체의 주입이 1 bar를 넘는 양압으로 이루어지는 것인 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 주변 매체가 공기, 산소, 또는 질소인 것인 방법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 주변 매체가 연속적으로 주입 또는 흡인되는 것인 방법.
5. 제1항, 제2항 및 제4항 중 어느 한 항의 방법을 실행하기 위한 장치로서, 2개의 1/2 공구(공구 절반)을 가지며, 상기 2개의 1/2 공구는 협력하여 블랭크를 딥 드로잉하고, 상기 2개의 1/2 공구는 서로 가까워지고 멀어질 수 있도록 구성되고, 상기 장치는 인장 변형이 가해지는 지점에서 유체 매체를 교환하기 위한 적어도 하나의 공급 라인 또는 배출 라인을 가지고, 상기 공구 표면에는, 후방으로부터 산소 함유 유체가 공급되는 것인 장치.
6. 제5항에 있어서,
   인장 변형이 가해지는 판금의 영역에 1 이상의 오목부가 형성된 것인 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 오목부 또는 공구 표면에는, 후방으로부터 공급 개구 및 대응하게 구멍이 뚫린 라인에 의해 산소 함유 유체가 공급되는 것인 장치.
   

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