KR102289525B1 - 핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품 - Google Patents

핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품 Download PDF

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Abstract

핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품과 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법은 강소재를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭하는 단계; 및 상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭하는 단계;를 포함하며, 상기 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 상기 성형체의 표면 최고온도는 70~300℃로 제어된다.

Description

핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품 {METHOD FOR MANUFACTURING HOT STAMPING PRODUCT AND HOT STAMPING PRODUCT MANUFACTURED USING THE SAME}
본 발명은 핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고강도의 핫스템핑 부품 제조시 인성 부족과 수소취성 및 지연파단 민감성을 개선하기 위한 핫 스탬핑 부품 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다.
현재 자동차 산업에서 환경 및 연비 규제와 안전기준이 꾸준히 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라 초고강력강 및 핫 스탬핑강의 적용율이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 이 중 핫 스탬핑강의 경우, 기존 핫 스탬핑 공정 후 1470MPa 급 강종을 비롯하여 고인성 및 고강도화에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 핫 스탬핑 공정은 보편적으로 가열/성형/냉각/트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태 및 미세조직 변화를 이용하게 된다.
본 발명과 관련한 배경기술은 일본 등록특허공보 제5369812호(2013.12.18. 공고, 발명의 명칭: 연성이 우수한 핫프레스 부재, 그 핫프레스 부재용 강판 및 그 핫프레스 부재 제조 방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 강도 및 인성이 동시에 우수한 핫 스탬핑 부품 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 수소취성 및 지연파단 민감성 개선효과가 우수한 핫 스탬핑 부품 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 템퍼링 열처리에 필요한 공정비용 및 설비 절감효과가 우수한 핫 스탬핑 부품 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 핫 스탬핑 부품 제조방법에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법은 강소재를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 단계; 상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭하는 단계; 및 상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭하는 단계;를 포함하며, 상기 공랭시 상기 성형체의 표면 최고온도는 70~300℃로 제어된다.
한 구체예에서 상기 공랭시 상기 성형체는 하기 식 1에 의한 온도 파라미터(η) 값이 8~10 (℃ * s) 일 수 있다:
[식 1]
Figure 112020017755113-pat00001
(상기 식 1에서, 상기 tr은 공랭시작시점의 성형체 표면 최고온도(℃)이며, tr+60은 공랭시작시점에서 60초(s) 경과 시점의 성형체 표면 최고온도(℃) 이다).
한 구체예에서 상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
한 구체예에서 상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 85~99%; 베이나이트(bainite) 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상을 5% 미만; 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법을 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품은 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 가지며, 인장강도(TS): 1550MPa 이상, 비커스 경도값: 470Hv 이상 및 연신율 4% 이상을 가진다.
한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품은, 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 85~99%; 베이나이트(bainite) 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상 5% 미만; 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm 이하인 경우, 하기 식 2에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2)이며, 상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm를 초과하는 경우, 하기 식 3에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2) 일 수 있다:
[식 2]
Figure 112020017755113-pat00002
(상기 식 2에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이다)
[식 3]
Figure 112020017755113-pat00003
(상기 식 3에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α‘는 하기 식 3-1을 만족한다)
[식 3-1]
α‘ = β * (T1)0.35
(상기 식 3-1에서 상기 β는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이며, T1은 상기 핫 스탬핑 부품의 두께이다).
본 발명의 핫 스탬핑 부품 제조방법을 적용시 강도 및 인성이 동시에 우수하며, 수소취성 및 지연파단 민감성 개선효과가 우수하고, 후열 처리인 템퍼링 열처리에 필요한 공정비용 및 설비 절감효과가 우수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조방법에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 공정 중 강소재 및 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 1의 핫 스탬핑 부품 제조 공정 중 강소재 및 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 공랭시 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1~4 및 비교예 1~2 핫 스탬핑 부품의 미세조직을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
핫 스탬핑 부품 제조방법
본 발명의 하나의 관점은 핫 스탬핑 부품 제조방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조방법에 관한 것이다. 상기 도 1을 참조하면 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법은 (S10) 강소재 가열단계; (S20) 성형 및 급랭단계; 및 (S30) 공랭단계;를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법은 (S10) 강소재를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 단계; (S20) 상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭하는 단계; 및 (S30) 상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭하는 단계;를 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 강소재 가열단계
상기 단계는 상기 강소재를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 단계이다. 한 구체예에서, 상기 강소재는 탄소(C): 0.05~0.40 중량%, 실리콘(Si): 0.05~1.0 중량%, 망간(Mn): 0.1~3.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.05 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.1 중량% 이하, 보론(B): 0.0001~0.01 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 강의 강도, 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑(또는 열간 프레스) 공정 이후, 강소재의 인장강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 탄소(C)는 상기 강소재 전체중량에 대하여 0.05~0.40 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 핫스탬핑 부품의 취성 제어가 용이하면서, 기계적 강도와 인성이 우수할 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강소재 내 페라이트 안정화 원소로 작용하며, 페라이트를 청정하게 해줌으로써 연성을 향상시키며, 저온역 탄화물 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시키는 기능을 수행할 수 있다. 나아가, 열연, 냉연, 핫 스탬핑 조직 균질화(펄라이트, 망간 편석대 제어) 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 한 구체예에서 상기 실리콘(Si)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0.05~1.0 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강소재의 페라이트 안정화 효과 및 조직 균질화 효과가 우수할 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 망간(Mn)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0.1~3.0 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강소재의 연성 및 인성 저하를 방지하면서, 강도가 우수할 수 있다.
인(P)
상기 인(P)은 편석이 잘 되는 원소로 강의 인성을 저해하는 원소이다. 한 구체예에서 상기 인(P)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0 초과 0.05 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강소재의 인성 저하를 방지할 수 있다.
황(S)
상기 황(S)은 가공성 및 물성을 저해하는 원소이다. 한 구체예에서 상기 황(S)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0 초과 0.05 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강소재의 열간 가공성 저하 및 조대한 개재물 생성에 의한 크랙 발생 등의 표면 결함을 방지할 수 있다.
알루미늄(Al)
상기 알루미늄(Al)은 탈산재로 사용되는 동시에 실리콘(Si)과 같이 시멘타이트 석출을 억제하고 오스테나이트를 안정화하는 역할을 하여 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 한 구체예에서 상기 알루미늄(Al)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0 초과 0.1 중량% 이하로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강소재의 강도가 우수하면서, 공정 부하를 방지하고 기계적 물성 저하 및 표면 결함 발생을 방지할 수 있다.
보론(B)
상기 보론(B)은 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 상기 강소재의 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가되며, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 한 구체예에서 상기 보론(B)은 상기 강소재 전체중량에 대하여 0.0001~0.01 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 소입성 및 강도를 용이하게 확보할 수 있다.
한 구체예에서 상기 강소재 전체중량에 대하여 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V) 중 1종 또는 2종 이상의 성분의 총 합을 0.5 중량% 이하로 더 포함할 수 있다.
티타늄(Ti)
상기 티타늄(Ti)은 핫 스탬핑 열처리 후 석출물 형성에 의한 소입성 강화 및 재질 상향 목적으로 첨가될 수 있다. 또한 고온에서 Ti(C,N) 등의 석출상을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적으로 기여한다.
니오븀(Nb)
상기 니오븀(Nb)은 마르텐사이트(Martensite) 패캣 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가될 수 있다.
몰리브덴(Mo)
상기 몰리브덴(Mo)은 열간 압연 및 핫스탬핑 중 석출물의 조대화 억제 및 소입성 증대를 통해 강도 향상에 기여할 수 있다.
바나듐(V)
상기 바나듐(V)은 탄화물 생성 원소이고 석출물을 생성시켜 핫 스탬핑, 담금질한 강소재의 강도를 확보하는 데 기여할 수 있다.
한 구체예에서 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V) 중 1종 또는 2종 이상의 성분의 총 합을 0.5 중량% 이하로 더 포함할 수 있다. 상기 함량 조건으로 포함시 강소재의 크랙 등의 결함 발생 및 인성 저하를 방지하면서, 강소재의 기계적 물성이 우수할 수 있다.
한 구체예에서 상기 강소재는 상술한 합금 조성을 포함하는 슬라브재를 통상의 방법을 사용하여 제조될 수 있다.
예를 들면 상기 강소재는, 상술한 합금 조성을 포함하는 슬라브재를 재가열하는 단계; 상기 재가열된 슬라브재를 열간 압연하여 열간압연재를 제조하는 단계; 상기 열간압연재를 냉각 및 권취하여 열연코일을 제조하는 단계; 상기 열연코일을 산세 후 냉간압연하여 냉연판재를 제조하는 단계; 및 상기 냉연판재를 소둔처리하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있다.
한 구체예에서 상기 강소재는 소둔 처리된 냉연판재를 도금 처리하여 도금판재를 제조하는 단계를 더 포함하여 제조될 수 있다.
상기 강소재는, 가열로에 투입되어 Ac3 이상의 온도로 가열한다. 상기 가열시 Ac3 미만의 온도로 가열하는 경우 최종 미세조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되지 않아 강도 확보가 어려울 수 있다.
(S20) 성형 및 급랭단계
상기 단계는 상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭하는 단계이다.
한 구체예에서 상기 가열된 강소재를 가열로로부터 취출하여 프레스 금형으로 이송하고, 프레스 금형을 형폐하고 프레스 성형하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 표면 최고온도: Mf 이하까지 급랭할 수 있다. 상기 조건으로 급랭시, 본 발명에서 목표로 하는 미세조직을 용이하게 확보할 수 있다.
예를 들면 상기 성형체의 급랭은 10℃/s 이상의 냉각속도로 이루어질 수 있다. 상기 조건에서 본 발명에서 목표로 하는 미세조직을 용이하게 확보할 수 있다.
(S30) 공랭단계
상기 단계는 상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭을 실시하는 단계이다. 도 2는 본 발명의 한 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 공정 중 강소재 및 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 핫 스탬핑 부품 제조시 성형체의 표면 최고온도가 Mf 이하에 도달시, 프레스 금형을 들어올려 급랭을 중지하고 공랭을 실시할 수 있다. 예를 들면 상기 공랭은 자연 냉각일 수 있다.
상기 도 2를 참조하면 상기 급랭을 중지하는 경우, 성형체의 심부에 남아있는 열에 의해 온도가 다시 재상승(rebound) 된다.
한 구체예에서 상기 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 상기 성형체의 표면 최고온도는 70~300℃로 제어된다. 상기 공랭 시간은 조업 현장에서 성형체가 적재될 때까지의 대략적인 소요시간이며, 상기 성형체를 60초를 초과하여 공랭시, 성형체의 온도강하가 뚜렷해진다.
따라서, 본 발명에 따른 조건으로 공랭시 성형과 냉각 시 마르텐사이트 상변태에 의해 발생한 내부 잔류응력을 해소하여, 수소취성 및 지연파단 민감성 개선효과가 우수할 수 있다. 또한 성형체 내부로 장입된 수소가 급랭 이후, 온도가 재상승하는 과정에서 일부 배출되어 수소취성을 개선시킬 수 있다.
상기 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 상기 성형체의 표면 최고온도를 70℃ 미만으로 제어시 수소 취성 및 지연파단 민감성이 증가하며, 300℃를 초과하는 온도로 제어시 핫스탬핑 부품의 경도 및 인장강도가 열위하고, 템퍼드 마르텐사이트 취성(TME)이 발생하며 열변형 및 치수안정성이 저하될 수 있다.
상기 도 2를 참조하면, 공랭시 상기 성형체는 하기 식 1에 의한 온도 파라미터(η) 값이 8~10 (℃ * s) 일 수 있다:
[식 1]
Figure 112020017755113-pat00004
(상기 식 1에서, 상기 tr은 공랭시작시점의 성형체 표면 최고온도(℃)이며, tr+60은 공랭시작시점에서 60초(s) 경과 시점의 성형체 표면 최고온도(℃) 이다).
상기 식 1에 따른 온도 파라미터(η) 값이 8~10 (℃ * s) 조건으로 공랭시, 성형과 냉각 시 마르텐사이트 상변태에 의해 발생한 내부잔류응력을 해소하여, 결과적으로 제조된 핫 스탬핑 부품의 내수소취성과 인성을 개선할 수 있다.
종래에는 강소재를 가열장치를 통해 Ac3 이상으로 가열 후 금형으로 이송하여 원하는 형상으로 성형과 동시에 소재의 온도를 상온에 가깝게 냉각을 실시하여 핫 스탬핑 부품을 제조하였다. 그러나 이러한 방법으로 핫 스탬핑 부품을 제조시 인성이 저하되며, 수소취성 및 지연파단 민감성이 증가하는 문제점이 있었다.
반면 본 발명의 경우 성형체를 Mf 이하까지 급랭 후, 표면 최고온도를 70~300℃로 제어하여 공랭하여 핫스탬핑 부품의 인성 저하를 방지하고 수소취성 및 지연파단 민감성을 개선할 수 있다.
한 구체예에서 상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 가진다.
예를 들면 상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 합 85~99%; 베이나이트(bainite) 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상을 5% 미만; 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
핫 스탬핑 부품 제조방법을 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품
본 발명의 다른 관점은 상기 핫 스탬핑 부품 제조방법을 이용하여 제조된 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품은 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 가지며, 인장강도(TS): 1550MPa 이상, 비커스 경도값: 470Hv 이상 및 연신율 4% 이상을 가진다.
예를 들면 상기 핫 스탬핑 부품은 인장강도(TS): 1550~2000MPa, 비커스 경도값: 470~600Hv 및 연신율(El) 4~10%일 수 있다.
예를 들면 상기 핫 스탬핑 부품은, 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 합 85~99%; 베이나이트(bainite) 0 이상 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상을 0 이상 5% 미만; 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
한 구체예에서 상기 핫 스탬핑 부품은 인장강도와 연신율, 1.0t 기준 굽힘각도의 곱연산으로 이루어진, 특정 인성 파라미터(τ) 값을 만족한다. 예를 들면 상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm 이하인 경우, 하기 식 2에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2)이며, 상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm를 초과하는 경우, 하기 식 3에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2) 일 수 있다:
[식 2]
Figure 112020017755113-pat00005
(상기 식 2에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이다)
[식 3]
Figure 112020017755113-pat00006
(상기 식 3에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α‘는 하기 식 3-1을 만족한다)
[식 3-1]
α‘ = β * (T1)0.35
(상기 식 3-1에서 상기 β는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이며, T1은 상기 핫 스탬핑 부품의 두께이다).
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
실시예 1
탄소(C): 0.05~0.40 중량%, 실리콘(Si): 0.05~1.0 중량%, 망간(Mn): 0.1~3.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.05 중량% 이하, 알루미늄(Al): 0 초과 0.1 중량% 이하, 보론(B): 0.0001~0.01 중량% 이하 및 잔량의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브재를 이용하여, 통상의 방법으로 강소재를 마련하였다. 상기 강소재 표면에 열전대(thermocouple)를 부착하고 Ac3 이상의 온도로 가열하였다.
그 다음에, 상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭한 다음, 상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭하되, 상기 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 상기 성형체의 표면 최고온도를 하기 표 1과 같은 조건으로 제어하여 핫 스탬핑 부품을 제조하였으며, 이때 상기 성형체의 온도 변화를 측정하여 하기 도 3 및 도 4에 나타내었다.
실시예 2~4
상기 공랭시, 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 성형체 표면 최고온도를 하기 표 1과 같은 조건으로 제어한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 핫 스탬핑 부품을 제조하였으며, 상기 공랭시 성형체의 온도 변화를 측정하여 하기 도 4에 나타내었다.
비교예 1
상기 공랭시, 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 성형체 표면 최고온도를 최고 온도: 360℃ 조건으로 제어한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 핫 스탬핑 부품을 제조하였으며, 상기 공랭시 성형체의 온도 변화를 측정하여 하기 도 4에 나타내었다.
비교예 2
상기 공랭시, 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 성형체 표면 최고온도를 최고 온도: 41℃ 조건으로 제어한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 핫 스탬핑 부품을 제조하였으며, 상기 공랭시 성형체의 온도 변화를 측정하여 하기 도 4에 나타내었다.
상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 핫 스탬핑 부품에 대하여, 하기와 같은 항목을 측정 및 평가하였다.
(1) 온도 파라미터(η): 도 3은 실시예 1의 핫 스탬핑 부품 제조 공정 중 강소재 및 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 4는 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 공랭시 성형체의 표면 온도 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 3 및 도 4와 같이 상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 핫 스탬핑 부품에 대하여, 공랭시작시점으로부터 60초 경과 시점까지에 대하여, 식 1에 의한 온도 파라미터(η) 값을 도출하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다:
[식 1]
Figure 112020017755113-pat00007
(상기 식 1에서, 상기 tr은 공랭시작시점의 성형체 표면 최고온도(℃)이며, tr+60은 공랭시작시점에서 60초(s) 경과 시점의 성형체 표면 최고온도(℃) 이다).
(2) 인장강도(MPa), 경도(Hv) 및 연신율(%): 상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2에 대하여 연신율과, KS B 0801 규격에 의거 5호 시편으로 인장시험을 실시하여 인장강도를 측정하였으며, KS B 0811 규격에 의거 경도시험을 수행하여 경도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(3) 확산성 수소량(ppm): 상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 시편에 대하여 ISO 16573-2015 규격에 의거하여, TDS 또는 TDA 장비를 통해 진공분위기에서 시편으로부터 방출되는 수소량을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(4) 지연파단시험: 상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2의 시편에 대하여 ASTM G39-99 기준에 의거하여 지연파단 시험평가를 실시하였다. 구체적으로 상기 지연파단 시험은 상온 방치 4점 굽힘 시험기를 이용하여 실시하였으며, 실시예 1~4 및 비교예 1~2 시편에 응력 80% YP(약 800MPa) 및 120% YP(약 1200MPa)에 상당하는 휨을 부여한 다음, 3% NaCl + 0.3% NH4SCN 수용액에 침지하고, 120시간 후 파단 여부를 관찰하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
(5) 인성 파라미터(τ): 실시예 1~4 및 비교예 1~2에 대하여, 두께 1.0mm의 시편을 마련하고, 하기 식 2에 따른 인성 파라미터(τ) 값을 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다:
[식 2]
Figure 112020017755113-pat00008
(상기 식 2에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이다).
Figure 112020017755113-pat00009
상기 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예 1~4의 경우, 본 발명이 목표로 하는 온도 파라미터(η) 및 인성 파라미터(τ)와, 인장강도, 비커스 경도 및 연신율을 확보하였으며, 수소 지연 파괴성을 개선할 수 있음을 알 수 있었다.
그러나 본 발명의 공랭시작 후 60초 동안 최고온도 상한치를 초과한 비교예 1의 경우 상기 실시예 1~4 보다 기계적 강도가 저하되었으며, 최고온도 상한치를 미달한 비교예 2의 경우 실시예 1~4에 비해 수소지연 파괴 민감성이 증가되었으며, 본 발명이 목표로 하는 온도 파라미터(η) 및 인성 파라미터(τ)를 달성하지 못함을 알 수 있었다.
또한, 상기 실시예 1~4 및 비교예 1~2에 대하여 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 미세조직을 관찰하여 그 결과를 하기 도 5 및 표 2에 나타내었다.
Figure 112020017755113-pat00010
도 5는 실시예 1~4 및 비교예 1~2 핫 스탬핑 부품의 1/4 두께 지점에서의 미세조직을 나타낸 주사전자 현미경 사진이다. 상기 표 2 및 도 5의 결과를 참조하면, 상기 실시예 1~4는 마르텐사이트+템퍼드 마르텐사이트를 포함하는 미세조직이 형성됨을 알 수 있었다.
반면, 본 발명의 공랭시 제어온도 상한치를 초과하는 비교예 1의 미세조직은 베이나이트가 10 부피%를 초과하여 형성되었으며, 과포화된 마르텐사이트 기지로부터 탄소가 확산되어 빠져나오면서 생성된 다량의 미세 탄화물들이 관찰되었고, 열변형 발생으로 인해 치수 품질 확보가 어려움을 알 수 있었다. 또한 본 발명의 공랭시 제어온도 하한치에 미달하는 비교예 2의 경우, 상기 실시예 1~4보다 템퍼드 마르텐사이트의 부피분율이 감소하였으며, 수소취성 및 지연파괴 특성이 저하됨을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (7)

  1. 강소재를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 단계;
    상기 가열된 강소재를 프레스 금형을 이용하여 성형체를 제조함과 동시에, 상기 성형체를 Mf 이하까지 급랭하는 단계; 및
    상기 성형체의 급랭을 중지하고 공랭하는 단계;를 포함하며,
    상기 공랭시작시점에서 공랭 60초 경과 시점까지의 상기 성형체의 표면 최고온도는 70~300℃로 제어되는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조방법이며,
    상기 공랭시 상기 성형체는 하기 식 1에 의한 온도 파라미터(η) 값이 8~10 (℃ * s)인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조방법:
    [식 1]
    Figure 112021031802382-pat00019

    (상기 식 1에서, 상기 tr은 공랭시작시점의 성형체 표면 최고온도(℃)이며, tr+60은 공랭시작시점에서 60초(s) 경과 시점의 성형체 표면 최고온도(℃) 이다).
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공랭 단계 후에, 상기 성형체는 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 합 85~99%; 베이나이트(bainite) 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상을 5% 미만; 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품 제조방법.
  5. 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)를 포함하는 미세조직을 가지며,
    인장강도(TS): 1550MPa 이상, 비커스 경도값: 470Hv 이상 및 연신율 4% 이상인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품이며,
    상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm 이하인 경우, 하기 식 2에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2)이며,
    상기 핫 스탬핑 부품은 두께 1.0mm를 초과하는 경우, 하기 식 3에 따른 인성 파라미터(τ) 값이 70~170 (N * rad/㎜2)인 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품:
    [식 2]
    Figure 112021031802382-pat00020

    (상기 식 2에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이다)
    [식 3]
    Figure 112021031802382-pat00021

    (상기 식 3에서, 상기 TS는 상기 핫 스탬핑 부품의 인장강도(N/mm2) 이며, El은 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율이며, 상기 α‘는 하기 식 3-1을 만족한다)
    [식 3-1]
    α‘ = β * (T1)0.35
    (상기 식 3-1에서 상기 β는 상기 핫 스탬핑 부품의 VDA 238-100 규격 시험에 따른 밴딩각도(bending angle degree) 이며, T1은 상기 핫 스탬핑 부품의 두께이다).
  6. 제5항에 있어서,
    상기 핫 스탬핑 부품은, 부피분율로 마르텐사이트(martensite) 및 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 합 85~99%; 베이나이트(bainite) 10% 이하; 및 페라이트(ferrite)와 오스테나이트(austenite) 중 하나 이상 5% 미만; 포함하는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 핫 스탬핑 부품.
  7. 삭제
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