KR102357684B1 - 내식성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품 - Google Patents

내식성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품 Download PDF

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이재민
이강노
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은, 내식성, 성형성 및 용접성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계; 상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계; 상기 도금층이 형성된 강판을 850~960℃로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 도금층이 형성된 강판을 핫스탬핑 성형하는 단계;를 포함한다.

Description

내식성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품{Method of manufacturing hot stamping product having excellent corrosion resistance property and hot stamping product thereof}
본 발명은 핫스탬핑 부품에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 내식성, 성형성 및 용접성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품에 관한 것이다.
지구 환경 대응과 차량 연비개선을 위하여 차량 경량화는 전세계적인 이슈이다. 차량 경량화를 위해서는 경량재료 적용, 차량 디자인이나 재료 변경을 통한 마찰계수 저감을 통한 방법도 있다. 한편, 차량 경량화 및 충돌 안전성 법 규제를 회피하기 위하여, 재료적인 측면에서 초고강도강의 적용은 필수적이다.
초고강도강은 열을 가해 성형성을 높인 핫스탬핑 공법과 상온에서 가공하는 콜드 스탬핑 공법으로 나뉜다. 각각의 장단점이 있지만 핫스탬핑 공법은 성형후 스프링백을 억제하면서 쉽게 부품을 성형할 수 있다는 장점이 있지만, 공정 비용이 높고 고온에서 표면산화를 억제하는 방법이 필요하다. 이에 1960년대 말부터 개발되어온 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금이 핫스탬핑에 적용되고 있다. 그러나 상기 알루미늄-실리콘 도금은 내고온 산화성은 우수하지만, 핫스탬핑 후 도금층의 높은 경도와 도금층 표면에 존재하는 기공으로 인하여, 가공 시 도금층 크랙 및 도금층 탈락을 유발하여 성형 작업성 감소 및 도금층 손실에 의한 내식성을 감소 시키는 단점을 가지고 있다.
일본등록특허공보 제6558436호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 내식성, 성형성 및 용접성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계; 상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계; 상기 도금층이 형성된 강판을 850~960℃로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 도금층이 형성된 강판을 핫스탬핑 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 도금층을 형성하는 단계에서, 상기 도금층은 편면 기준 20 g/m2 ~ 150 g/m2 의 부착량으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 도금층을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 도금층을 질소 가스를 이용하여 와이핑하여 상기 도금층의 두께를 평균 10 μm ~ 40 μm로 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 냉각하는 단계에서, 상기 도금층을 응고시키기 위하여, 상기 도금층이 형성된 강판을 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로 10℃ ~ 40℃까지 냉각할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 성형하는 단계는, 가열된 상기 강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 10℃/초 ~ 50℃/초의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품은, 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 표면에 형성되고, 중량%로, 실리콘(Si): 6.5% ~ 11.5% 미만, 철(Fe): 10% ~ 40%, 스트론튬(Sr): 0.006% ~ 0.9%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하고, 상기 도금층은, 0.5 μm ~ 2.0 μm 표면 기공 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 베이스 강판은 탄소(C): 0.15% ~ 0.40%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%, 망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.05%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.03%, 알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%, 보론(B): 0.0005% ~ 0.01% 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 도금층은 10 nm ~ 200 nm 두께의 스트론튬 산화층을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 슬라브재를 재가열한 후 열간압연하여 열연코일을 형성하는 단계; 상기 열연코일을 냉간압연하여 강판을 형성하는 단계; 상기 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계;를 포함하는 도금 강판의 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 핫스탬핑 부품의 제조방법을 적용시, 실리콘과 스트론튬을 포함한 알루미늄 도금욕을 사용하여 강판 표면에 도금층을 형성한 핫스탬핑 부품을 제조할 수 있다. 상기 핫스탬핑 부품은, 상기 도금층에 의하여 내식성이 우수하면서, 핫스탬핑 공정시 성형성 및 용접성이 우수하고, 도금층의 표면 품질과 도금층의 밀착성이 우수하며, 도금 욕 안정성 및 공정 안정성이 우수할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한, 도금 강판의 표면, 핫스탬핑 부품의 표면 및 미세조직을 나타내는 사진들이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한, 핫스탬핑 부품의 단면의 원소 맵핑을 나타낸 사진이다
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법에서, 도금욕의 스트론튬 함량에 따른 표면 산화층의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한 핫스탬핑 부품의 내식성 변화를 분석하기 위한 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은 핫스탬핑 부품용 알루미늄-실리콘계 도금재가 가지는 특성을 향상시키기 위하여, 기존의 도금욕에 소량의 다른 원소를 첨가하여 기존의 도금층의 한계를 극복하는 것이다.
2010년 초반에는 차체를 기준하여 2~5 중량%의 비율로 핫스탬핑 부품의 적용되었으나, 최근에는 충돌법규와 경량화를 대응하기 위해 20 중량%를 넘어서고 있다. 이 때문에 점진적으로 핫스탬핑 부품이 외부로 노출되고 있어 도금층의 내식성의 향상이 고객으로부터 요구되고 있는 실정이다.
알루미늄-실리콘 도금층이 형성된 도금 강판을 열간 프레스를 이용하여 핫스탬핑 공정을 진행하는 경우에, 알루미늄-실리콘 도금층으로부터 확산에 의해서 알루미늄과 철의 화합물이 생성될 수 있다. 이때, 과도한 철의 확산으로 인해 도금층 및 도금표면에 기공이 발생하게 된다. 이러한 기공은 열간 프레스시 도금층의 크랙 및 탈락을 발생시키게 되며 이로 인해 성형 작업성이 감소 및 제품의 내식성을 감소시키는 원인이 된다. 또한, 성형시 많은 균열들이 발생하여, 알루미늄-실리콘 도금층이 형성된 도금 강판은 외부 부품이 아닌 내부 부품에 한정하여 적용되어 왔다.
이러한 도금층의 내식성 강화를 위해서 마그네슘(Mg) 등의 2A족 성분을 적용할 수 있다. 알루미늄-실리콘에 2A족을 첨가하면 경우, 표면의 부식생성물로 인하여 표면기공을 억제하고 도금의 전위를 낮춰 부식 생성물로 인한 내식성이 강화될 수 있다. 또한, 도금의 용융시 알루미늄(Al)보다 마그네슘(Mg)이 우선적으로 산화되어 도금 용융액 중 산소의 혼입을 억제하기도 한다. 그러나 이러한 2A족 성분의 경우, 도금욕(Bath)과의 안정성이 매우 취약하므로 이에 대한 최적 성분계의 개발이 필수적이다.
또한, 방청보증부위는 도금층과 도장층이 함께 상승작용으로서 내식성을 확보할 수 있다. 그러나, 도장층은 부식환경에 노출되면 고분자 주쇄의 분해 등과 같은 열화가 발생한다. 따라서, 부식성 물질의 도장층을 통한 침투가 보다 용이해지며 도장 열화가 박리와 같은 임계수준 이상으로 발생되면 급격한 내식성 저하가 나타난다. 이때 도금층과 도장층의 밀착성이 우수한 경우에는, 이러한 도장층의 열화에도 불구하고 우수한 부식물질 침투 지연효과를 가질 수 있다. 따라서, 도금층 단독이 아닌 도장층을 포함한 내식성 증대가 요구된다. 따라서, 본 발명에서는 핫스탬핑 부품의 표면 품질을 확보하면서 내식성을 강화할 수 있는 도금 방법을 제시한다.
본 발명의 기술적 사상에서는, 알루미늄-실리콘 도금욕에 스트론튬(Sr)을 첨가함으로 핫스탬핑 공정 후 도금층과 표면의 기공율을 제어하여 작업성과 내식성을 증가시킬 수 있다.
강판의 부식은 자연적인 현상으로 전기화학적인 반응이며, 양극, 음극 및 이들을 연결하는 전기적 회로의 3대 구성요소를 가진다. 상기 이 3대 구성 요소 중 하나라도 억제하면, 강판의 내식성이 개선된다. 즉, 강판의 부식을 억제하는 방법은 기본적으로 전기화학적 회로를 차단하는 것이다.
일반적으로 도금의 내식성 강화는, 첫째 도금자체의 부식물질 투과저항성 강화(Barrier effect), 둘째, 도금층에 전기적으로 희생 방식을 이루는 금속응 적용하여 대신 부식시키는 희생방식(전위강하), 셋째, 부식생성물의 생성을 통한 부식물질 투과저항성 강화 및 넷째 강력한 배리어 특성을 가진 도장과의 밀착성 강화 등을 이용하여 구현할 수 있다. 그러나, 핫스탬핑강재는 오스테나이트화 온도 영역으로 올리기 때문에 희생방식을 이루는 금속들을 첨가해도 전부 산화되므로, 희생방식 특성을 이용하기 어렵다. 따라서, 핫스탬핑 시 알루미늄-실리콘의 도금층의 기공 크기를 감소시켜, 도금층의 투과하는 전해질의 투과속도를 억제함으로써 내식성을 증가시킬 수 있다. 따라서 알루미늄의 표준환원전위에 비하여 낮은 2A족들을 비롯한 금속들을 도금측에 포함 시, 도금층의 희생 방식성을 높이며, 알루미늄보다 우선적으로 부식되어 부식 생성물을 형성함으로써 상기 도금층을 보호할 수 있다. 상기 도금층을 형성하기 위하여 상기 도금욕에 포함되는 성분은 독성 및 환경부하가 적어야 하며, 도금용 용액이 안정되어 품질이 균일하고 경제적 특성이 우수해야 한다. 또한, 상기 도금층에 포함되는 성분은 가열하여 핫스탬핑 성형 후, 핫스탬핑 부품 품질에 악영향이 없어야 한다.
본 발명에서는 알루미늄 도금욕에 스트론튬을 첨가하여, 알루미늄 도금층의 기공의 크기를 감소시킬 수 있다.
도금층의 주 성분인 알루미늄(Al)의 표준 환원 전위와 스트론튬의 표준환원전위는 다음과 같다.
Al3+ + 3e- => Al E0 = -1.66V
Sr2+ + 2e- => Sr E0 = -2.89V
스트론튬의 표준환원전위가 알루미늄의 표준환원전위에 비하여 낮으므로, 산화성 분위기에서 스트론튬이 알루미늄에 비하여 우선적으로 산화되고, 알루미늄 용융체를 덮어 수소가 혼입되는 면적을 줄이며 고온에서 형성되는 알루미늄의 기공 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 도금욕은, 실리콘(Si), 스트론튬(Sr), 철(Fe), 및 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 도금욕은, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함할 수 있다.
실리콘(Si): 6% ~ 12%
알루미늄 도금욕에 실리콘을 첨가하면, 도금욕의 유동성을 증가시키며, 알루미늄이 강판으로 확산하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 도금시 합금층의 성장을 감소시킴으로서 도금층의 가공성을 향상시키는 효과를 나타낸다. 도금욕에 첨가되는 실리콘의 함량은, 중량%로, 6% ~ 12%일 수 있고, 바람직하게는 7% ~ 11%일 수 있다. 실리콘의 함량이 6% 미만인 경우에는, 도금층의 합금층 성장을 제어하는데 불충분하여 가공시 도금층 가공성 감소하게 될 수 있다. 실리콘의 함량이 12%를 초과하는 경우에는, 실리콘 단상이 다량 생성되어 도금 표층에 편석에 의한 외관을 저해할 수 있고, 내식성이 저하되고, 핫스탬핑 부품의 용접성 및 성형성이 저하될 수 있다.
철(Fe): 0.5% ~ 2%
알루미늄 도금욕에 철을 첨가하면, 강판으로부터 철의 원하지 않는 확산을 방지할 수 있고, 모사 실험을 수행할 수 있다. 도금욕에 첨가되는 철의 함량은, 중량%로, 0.5% ~ 2.0% 일 수 있다. 철의 함량이 0.5% 미만인 경우에는, 철 첨가 효과가 미미할 수 있다. 철의 함량이 2.0%를 초과하는 경우에는, 알루미늄 도금욕이 과잉의 철을 함유하게 됨으로써, 실제 강판에서의 철의 확산을 모사하지 못할 수 있다.
스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%
알루미늄 도금욕에 스트론튬을 첨가하면, 산화성 분위기에서 스트론튬이 알루미늄에 비하여 우선적으로 산화되고, 알루미늄 용융체를 덮어 수소가 혼입되는 면적을 감소시킬 수 있다. 또한, Al-Si-Fe 복합산화물 위에 스트론튬 산화물이 미세하게 형성되어 층을 형성하여, 도장층을 투과한 전해질이 도장과 도금계면에 전기화학반응을 일으키는 것을 억제할 수 있다. 도금욕에 첨가되는 스트론튬의 함량은, 중량%로, 0.005% ~ 1.0% 일 수 있다. 스트론튬의 함량이 0.005% 미만인 경우에는, 스트론튬 첨가 효과가 미미할 수 있다. 스트론튬의 함량이 1.0%를 초과하는 경우에는, 고산화성 특성에 의하여 도금욕의 성분관리가 어렵고, 도금층의 표면품질 및 도장내식성이 저하될 수 있다.
상기 도금욕의 나머지 성분은 알루미늄(Al)이다. 다만, 통상의 도금욕 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
상기 도금층의 표면 기공의 크기는 스트론튬의 함량이 증가함에 따라 감소할 수 있다. 이와 같은 기공의 감소는 도금층 견고성을 유지하는데 유리하지만 전착도장 시 표면 조도의 감소로 전착 도장 시 밀착성이 감소할 수 있다. 따라서, 적정 수준의 기공 크기를 유지할 필요가 있다. 도금층의 표면 기공의 크기는 0.5 μm ~ 2.0 μm 일 수 있다. 상기 표면 기공의 크기가 0.5 μm 이하의 경우에는, 전착 도장후 도장 밀착성이 감소하게 될 수 있다. 상기 표면 기공의 크기가 2.0 μm를 초과하는 경우에는, 부식성 물질의 투과를 방지하기 어려우므로 내식성이 감소될 수 있다.
상기 도금층의 부착량 범위는 50 g/㎡ ~ 150 g/㎡의 부착량일 수 있다.
핫스탬핑을 수행한 후에 핫스탬핑 부품의 상기 도금층의 두께는 10 μm ~ 40 μm 일 수 있다.
핫스탬핑을 수행한 후에 핫스탬핑 부품의 상기 도금층에 형성되는 스트론튬 산화층의 두께는 10 nm ~ 200 nm 일 수 있다. 상기 스트론튬 산화층의 두께가 10 nm 미만인 경우에는, 표면 기공율을 제어하기 부족할 수 있다. 상기 두께가 200 nm를 초과하는 경우에는, 도장층과 도금층의 밀착력을 약화시켜서 내식성이 감소할 수 있고, 외관성을 저해할 수 있다. 즉, 알루미늄-실리콘계 도금층과 도장층과 밀착성은 앵커(Anchor) 효과에 기인하므로, 도금층의 표면에 형성된 산화물의 두께가 크면, 이러한 앵커 효과가 감소될 수 있다.
핫스탬핑 부품의 제조방법
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 도금층 형성단계(S10); 냉각단계(S20); 가열단계(S30); 및 핫스탬핑 성형단계(S40);를 포함한다.
구체적으로, 상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 강판을 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계(S10); 상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계(S20); 상기 도금층이 형성된 강판을 850 ~ 960℃로 가열하는 단계(S30); 및 상기 가열된 도금층이 형성된 강판을 프레스 금형으로 이송하여 핫스탬핑 성형하는 단계(S40);를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법은 다양한 강판에 적용될 수 있다. 예를 들어 상기 강판은, 중량%로, 탄소(C): 0.15% ~ 0.40%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%, 망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.05%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.03%, 알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%, 보론(B): 0.0005% ~ 0.01% 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 그러나, 이는 예시적이며 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 상기 강판을 구성하는 성분에 대하여 설명하기로 한다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 강판 전체에 대한 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.15% ~ 0.40%
탄소(C)는 강의 강도, 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫스탬핑 공정 이후, 강판의 인장강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 탄소(C)는 상기 강판 전체중량에 대하여 0.15% ~ 0.40% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 본 발명의 핫스탬핑 부품의 취성 제어가 용이하면서, 기계적 강도와 인성이 우수할 수 있다.
실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%
실리콘(Si)은 강판 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, 핫스탬핑 조직 균질화(펄라이트, 망간 편석대 제어) 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 실리콘(Si)은 상기 강판 전체중량에 대하여 0.05% ~ 1.0% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강판의 페라이트 안정화 효과 및 조직 균질화 효과가 우수할 수 있다.
망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%
망간(Mn)은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 망간(Mn)은 상기 강판 전체중량에 대하여 0.1% ~ 3.0% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강판의 연성 및 인성 저하를 방지하면서, 강도가 우수할 수 있다.
알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%
알루미늄(Al)은 탈산재로 사용되는 동시에 실리콘(Si)과 같이 시멘타이트 석출을 억제하고 오스테나이트를 안정화하는 역할을 하여 강도를 향상시키는 역할을 할 수 있다. 알루미늄(Al)은 상기 강판 전체 중량에 대하여 0% 초과 ~ 0.1% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강판의 강도가 우수하면서, 공정 부하를 방지하고 기계적 물성 저하 및 표면 결함 발생을 방지할 수 있다.
보론(B): 0.0005% ~ 0.01%
보론(B)은 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 상기 강판의 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가되며, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 보론(B)은 상기 강판 전체 중량에 대하여 0.0005% ~ 0.01% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 소입성 및 강도를 용이하게 확보할 수 있다.
티타늄(Ti)
티타늄(Ti)은 핫스탬핑 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)
니오븀(Nb)은 상기 강판의 마르텐사이트(Martensite) 패캣 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가될 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 열간 압연 및 핫스탬핑 중 석출물의 조대화 억제 및 소입성 증대를 통해 상기 강판의 강도 향상에 기여할 수 있다.
바나듐(V)
바나듐(V)은 탄화물 생성 원소이고 석출물을 생성시켜 핫스탬핑, 담금질한 강판의 강도를 확보하는데 기여할 수 있다.
상기 강판은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo) 및 바나듐(V) 중 1종 또는 2종 이상의 성분의 총 합을 0.5% 이하로 더 포함할 수 있다. 상기 함량 조건으로 포함시 상기 핫스탬핑 부품의 크랙 등의 결함 발생 및 인성 저하를 방지하면서, 기계적 물성이 우수할 수 있다.
인(P): 0% 초과 ~ 0.05%
인(P)은 편석이 잘 되는 원소로 강의 인성을 저해하는 원소이다. 인(P)은 상기 강판 전체중량에 대하여 0% 초과 ~ 0.05% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강판의 인성 저하를 방지할 수 있다.
황(S): 0% 초과 ~ 0.03%
황(S)은 가공성 및 물성을 저해하는 원소이다. 황(S)은 상기 강판 전체중량에 대하여 0 초과 ~ 0.05 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 강판의 열간 가공성 저하 및 조대한 개재물 생성에 의한 크랙 발생 등의 표면 결함을 방지할 수 있다.
상기 강판의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제강 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
또한, 상기 강판은 상술한 합금 조성을 포함하는 슬라브 재를 통상의 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면 상기 강판은, 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 소둔 처리하는 단계;를 포함하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
도금층 형성단계(S10)
상기 단계(S10)에서, 상술한 조성을 가진 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하는 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성한다. 상기 도금욕의 온도는 600℃ ~ 700℃로 유지될 수 있다. 상기 온도 조건에서 도금층의 표면 품질과 부착력이 우수할 수 있다. 이어서, 상기 도금층을 질소 가스를 이용하여 와이핑하여, 상기 강판의 표면에 부착되는 도금욕 부착량을 제어할 수 있다. 이러한 와이핑에 의하여, 상기 도금층의 두께를 평균 10 μm ~ 40 μm로, 예를 들어 평균 25 μm로 제어할 수 있다. 상기 도금층은 편면 기준 20 g/m2 ~ 150 g/m2 의 부착량으로 형성될 수 있다.
냉각단계(S20)
상기 단계(S20)에서, 상기 도금층이 형성된 강판을 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로 상온까지, 예를 들어 10℃ ~ 40℃까지 냉각하여, 상기 도금층을 응고시킨다.
가열단계(S30)
상기 단계(S30)에서, 상기 도금층이 형성된 강판을 850 ~ 960℃로 가열하여 3분 ~ 10분 동안 유지한다. 상기 강판을 850℃ 미만의 온도에서 가열시 최종 미세조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되지 않아 강도 확보가 어려울 수 있다. 상기 강판을 960℃를 초과하여 가열시 오스테나이트 결정립이 과대하게 성장하여 핫스탬핑 부품의 강도가 저하될 수 있다.
핫스탬핑 성형단계(S40)
상기 단계(S40)에서, 상기 가열된 도금층이 형성된 강판을 프레스 금형으로 이송하여 핫 스탬핑 성형한다. 예를 들면, 상기 핫스탬핑 성형단계(S40)는, 가열로에 장입되어 가열된 상기 강판을 가열로로부터 취출하여 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 급랭하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 성형체 제조 단계와 상기 급랭하는 단계는 동시에 이루어질 수 있다. 상기 급랭하는 단계는 10℃/초 이상, 예를 들어 10℃/초 ~ 50℃/초의 냉각속도로 이루어질 수 있다. 상기 조건에서 기계적 강도가 우수한 핫스탬핑 부품을 제조할 수 있다.
본 발명의 핫스탬핑 부품의 제조방법을 적용시, 내식성이 우수하면서, 핫스탬핑 공정시 성형성 및 용접성이 우수하고, 도금층의 표면 품질과 도금층의 밀착성이 우수하며, 도금 욕 안정성 및 공정 안정성이 우수할 수 있다.
핫스탬핑 부품
이하에서는, 상술한 본 발명의 기술적 사상에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조된 핫스탬핑 부품을 설명하기로 한다.
상기 핫스탬핑 부품은, 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 표면에 형성된 도금층;을 포함한다. 상기 도금층은, 중량%로, 실리콘(Si): 6.5% ~ 11.5% 미만, 철(Fe): 10% ~ 40%, 스트론튬(Sr): 0.006% ~ 0.9%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함한다. 상기 도금층의 구성 성분은, 상기 도금욕에 대하여 전술한 바와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다. 다만, 상기 도금욕에 비하여, 상기 핫스탬핑 부품은 철(Fe)의 함량이 높게 나타나는 데, 이는 도금층을 형성한 후, 가열 및 핫스탬핑을 수행하는 과정에서 상기 베이스 강판으로부터 상기 도금층으로 상기 철이 확산되는 것이 기인한다.
상기 베이스 강판은, 중량%로, 탄소(C): 0.15% ~ 0.40%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%, 망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.05%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.03%, 알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%, 보론(B): 0.0005% ~ 0.01% 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 베이스 강판의 구성 성분은, 전술한 바와 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
또한, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 도금 강판의 제조방법을 제공할 수 있다. 상기 도금 강판의 제조방법은, 슬라브재를 재가열한 후 열간압연하여 열연코일을 형성하는 단계; 상기 열연코일을 냉간압연하여 강판을 형성하는 단계; 상기 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계; 및 상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계;를 포함할 수 있다.
실험예
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
탄소(C): 0.15% ~ 0.40%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%, 망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.05%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.03%, 알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%, 보론(B): 0.0005% ~ 0.01% 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 재가열하고, 상기 재가열된 슬라브를 열간 압연하여 열연강판을 제조한 다음 상기 열연강판을 냉각 및 권취하여 열연코일을 제조하였다. 상기 열연코일을 산세 후 냉간압연하여 냉연강판을 제조하고, 상기 냉연강판을 소둔처리하여 강판을 제조하였다.
상기 강판은, 1.0 mm의 두께를 가졌다. 그러나, 이는 예시적이며, 상기 강판은 예를 들어 0.8 mm ~ 1.2 mm 의 두께를 가질 수 있다.
상기 산세는, 50℃의 알칼리 용액에 30분 침지하고, 물을 이용하여 세정하였다. 상기 산세는, 예를 들어 45℃ ~ 55℃의 알칼리 용액에 20분 ~ 40분 침지하여 수행할 수 있다. 이에 따라, 상기 강판의 표면의 이물질과 유분을 제거하였다.
상기 소둔처리는 10% ~ 30%의 수소와 70% ~ 90%의 질소로 구성된 환원 분위기에서 700℃ ~ 850℃로 수행되었다. 소둔처리가 완료된 강판은, 상온으로, 예를 들어 10℃ ~ 40℃로 냉각될 수 있고, 또는 상기 도금욕 온도인 600℃ ~ 700℃의 온도로 냉각할 수 있다.
이어서, 상기 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하고, 질소 가스를 이용하여 와이핑하여 상기 도금층의 두께를 평균 10 μm ~ 40 μm로 제어된 도금층을 형성하였다. 상기 도금층은 편면 기준 20 g/m2 ~ 150 g/m2 의 부착량으로 형성되었다.
이어서, 상기 도금층을 응고시키기 위하여, 상기 도금층이 형성된 강판을 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로 10℃ ~ 40℃까지 냉각하였다.
상기 도금층이 형성된 강판을 가열로에 장입하여 850℃ ~ 960℃로 가열하고, 상기 가열된 도금강판을 프레스 금형으로 이송하여 핫스탬핑 성형하여 핫스탬핑 부품을 제조하였다.
비교예로서, 실시예와 동일한 소재의 강판을 이용하여 성분 및 함량이 다른 도금욕에 침지하여 도금층을 형성한 후, 상술한 방법에 따라 핫스탬핑 부품을 제조하였다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한, 도금 강판의 표면, 핫스탬핑 부품의 표면 및 미세조직을 나타내는 사진들이다.
도 2에서, 비교예는 알루미늄-실리콘 도금욕을 사용한 경우이고, 실시예는 본 발명의 기술적 사상에 따라 스트론튬을 더 포함한 도금욕을 사용한 경우이다.
도 2를 참조하면, 비교예의 경우에는, 1 μm ~ 5 μm 크기의 기공을 가지는 다공성 표면 조직이 형성되었고, 이에 따라 부식 생성물이 쉽게 투과되므로, 내식성이 저하됨을 알 수 있다. 반면, 실시예의 경우에는, 0.5 μm ~ 2 μm 크기의 기공을 가지므로, 기공 크기가 감소된 상대적으로 치밀한 표면 조직이 형성되었고, 이에 따라 부식 생성물의 투과 속도가 저하시키므로, 내식성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한, 핫스탬핑 부품의 단면의 원소 맵핑을 나타낸 사진이다
도 3을 참조하면, 실시예의 상기 핫스탬핑 부품의 단면에 대한 스트론튬의 원소 맵핑이 나타나 있다. 도금층의 표면에 녹색으로 표시된 스트론튬이 집중적으로 나타난다. 따라서, 상기 도금층의 표면에 스트론튬 산화물이 밀집하여 형성됨을 알 수 있다. 상기 스트론튬 산화층의 두께는 10 nm ~ 200 nm 로 나타났다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법에서, 도금욕의 스트론튬 함량에 따른 표면 산화층의 두께를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 도금욕 내에 스트론튬 첨가량이 증가함에 따라 표면 산화층의 두께는 선형적으로 증가하였다. 따라서, 스트론튬의 함량이 0.005% ~ 1.0% 범위인 경우에는, 상기 스트론튬으로 구성된 표면 산화층의 두께는 10 nm ~ 200 nm 로 산출될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법을 이용하여 제조한 핫스탬핑 부품의 내식성 변화를 분석하기 위한 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5의 (a)는 비교예로서 알루미늄-실리콘 도금욕을 사용한 경우이고, 도 5의 (b)는 실시예로서, 본 발명의 기술적 사상에 따라 스트론튬을 더 포함한 도금욕을 사용한 경우이다.
도 5를 참조하면, 비교예의 경우에는, 교류 저항이 20일 경과 후 1010 수준에서 95일 경과 후 107 수준으로 변화되었다. 실시예의 경우에는, 교류 저항이 20일 경과 후 1010 수준에서 95일 경과 후 108 수준으로 변화되었다. 따라서, 실시예가 교류저항 변화가 작으므로, 더 높은 내식성을 가지는 것으로 분석된다.
또한, 위상 각도(Phase angle)의 변화는, 비교예의 경우에는 100 수준이고, 실시예는 10-1 수준으로 나타났다. 따라서, 실시예가 비교예에 비하여 포어 저항이 높으며, 따라서 더 높은 내식성을 가지는 것으로 분석된다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (9)

  1. 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계;
    상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계;
    상기 도금층이 형성된 강판을 850~960℃로 가열하는 단계; 및
    상기 가열된 도금층이 형성된 강판을 핫스탬핑 성형하는 단계;를 포함하고,
    상기 도금층은, 중량%로, 실리콘(Si): 6.5% ~ 11.5% 미만, 철(Fe): 10% 초과 ~ 40%, 스트론튬(Sr): 0.006% ~ 0.9% 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 10 nm ~ 200 nm 두께의 스트론튬 산화층을 가지고, 0.5 μm ~ 2.0 μm 표면 기공 크기를 가지는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도금층을 형성하는 단계에서,
    상기 도금층은 편면 기준 20 g/m2 ~ 150 g/m2 의 부착량으로 형성되는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도금층을 형성하는 단계를 수행한 후에, 상기 도금층을 질소 가스를 이용하여 와이핑하여 상기 도금층의 두께를 평균 10 μm ~ 40 μm로 제어하는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계에서,
    상기 도금층을 응고시키기 위하여, 상기 도금층이 형성된 강판을 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로 10℃ ~ 40℃까지 냉각하는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 핫스탬핑 성형하는 단계는,
    가열된 상기 강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계;
    상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 10℃/초 ~ 50℃/초의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함하는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  6. 베이스 강판; 및
    상기 베이스 강판의 표면에 형성되고, 중량%로, 실리콘(Si): 6.5% ~ 11.5% 미만, 철(Fe): 10% 초과 ~ 40%, 스트론튬(Sr): 0.006% ~ 0.9%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하고,
    상기 도금층은, 10 nm ~ 200 nm 두께의 스트론튬 산화층을 가지고, 0.5 μm ~ 2.0 μm 표면 기공 크기를 가지는,
    핫스탬핑 부품.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 베이스 강판은 탄소(C): 0.15% ~ 0.40%, 실리콘(Si): 0.05% ~ 1.0%, 망간(Mn): 0.1% ~ 3.0%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.05%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.03%, 알루미늄(Al): 0% 초과 ~ 0.1%, 보론(B): 0.0005% ~ 0.01% 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는,
    핫스탬핑 부품.
  8. 삭제
  9. 슬라브재를 재가열한 후 열간압연하여 열연코일을 형성하는 단계;
    상기 열연코일을 냉간압연하여 강판을 형성하는 단계;
    상기 강판을, 중량%로, 실리콘(Si): 6% ~ 12%, 철(Fe): 0.5% ~ 2%, 스트론튬(Sr): 0.005% ~ 1.0%, 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 600℃ ~ 700℃의 온도로 유지된 도금욕에 침지하여, 상기 강판의 표면에 도금층을 형성하는 단계; 및
    상기 도금층이 형성된 강판을 냉각하는 단계;를 포함하고,
    상기 도금층은, 중량%로, 실리콘(Si): 6.5% ~ 11.5% 미만, 철(Fe): 10% 초과 ~ 40%, 스트론튬(Sr): 0.006% ~ 0.9% 및 잔부는 알루미늄(Al)을 포함하고, 10 nm ~ 200 nm 두께의 스트론튬 산화층을 가지고, 0.5 μm ~ 2.0 μm 표면 기공 크기를 가지는,
    도금 강판의 제조방법.
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KR1020200124794A KR102357684B1 (ko) 2020-09-25 2020-09-25 내식성이 우수한 핫스탬핑 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조된 핫스탬핑 부품

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101333977B1 (ko) * 2013-03-26 2013-12-02 현대하이스코 주식회사 표면 품질이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 그 제조 방법
JP6558436B2 (ja) 2015-03-31 2019-08-14 日本製鉄株式会社 溶融亜鉛系めっき鋼板
KR20200013685A (ko) * 2017-06-02 2020-02-07 닛폰세이테츠 가부시키가이샤 핫 스탬프 부재
WO2020111230A1 (ja) * 2018-11-30 2020-06-04 日本製鉄株式会社 アルミめっき鋼板、ホットスタンプ部材及びホットスタンプ部材の製造方法

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