KR102378275B1

KR102378275B1 - 열간성형용 알루미늄 철 합금 도금강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102378275B1
Application number: KR1020210028925A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 오진근; 김상헌; 전효식
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2021-03-04
Publication date: 2022-03-24
Also published as: KR20210028627A

Abstract

본 발명은, 중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층;을 포함하고, 상기 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층은 열간성형 시의 열처리를 통해 합금화 층(I), 상기 합금화 층(I) 상에 형성되는 합금화 층(II), 상기 합금화 층(II) 상에 형성되는 합금화 층(III) 및 상기 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 합금화 층(IV)을 포함하도록 합금화되고, 상기 합금화 층(I)은 중량%로 Al: 5~30%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 합금화 층(II)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 합금화 층(III)은 중량%로 Al: 20~50%, Si: 5~20%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 합금화 층(IV)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 최표면에 노출되는 상기 합금화 층(III)의 비율이 10% 이상(100%는 제외)인 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판을 제공한다.

Description

열간성형용 알루미늄 철 합금 도금강판 및 그 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING ALUMINUM COATED STEEL SHEET FOR HOT PRESS FORMING AND METHOD THEREFOR}

본 발명은 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 석유 에너지 자원의 고갈과 환경에 관한 높은 관심으로 인하여 자동차의 연비 향상에 대한 규제는 날로 강력해지고 있다. 재료적인 측면에서 보면 자동차의 연비를 향상시키기 위한 하나의 방법으로서, 자동차에 사용되는 강판의 두께를 감소시키는 것을 들 수 있으나, 두께를 감소시킬 경우 자동차의 안전성에 문제가 발생할 수 있으므로, 반드시 강판의 강도 향상이 뒷받침되어야 한다.

이와 같은 이유로 고강도 강판에 대한 수요가 지속적으로 발생하였으며, 다양한 종류의 강판이 개발된 바 있다. 그런데 이들 강판은 그 자체로 높은 강도를 가지고 있기 때문에 가공성이 불량하다는 문제가 있다. 즉, 강판의 등급별로 강도와 연신율의 곱은 항상 일정한 값을 가지려는 경향을 가지고 있기 때문에, 강판의 강도가 높아질 경우에는 가공성의 지표가 되는 연신율이 감소하게 된다는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 열간 프레스 성형법이 제안된 바 있다. 열간 프레스 성형법은 강판을 가공하기 좋은 고온에서 가공한 후 이를 낮은 온도로 급냉함으로써 강판 내에 마르텐사이트 등의 저온 조직을 형성시켜, 최종 제품의 강도를 높이는 방법이다. 이와 같이 할 경우에는 높은 강도를 가지는 부재를 제조할 때 가공성의 문제를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.

그런데 상기 열간 프레스 성형법에 의할 경우에는 강판을 고온으로 가열하기 때문에 강판 표면이 산화되고 따라서 프레스 성형 이후에 강판 표면의 산화물을 제거하는 과정이 추가되어야 한다는 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 특허문헌 1 이 제안된 바 있다. 상기 특허문헌 1 에서는 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형 또는 상온 성형 후 가열하고 급냉하는 과정(간략히 '후 열처리')에 이용하고 있고, 알루미늄 도금층이 강판 표면에 존재하기 때문에 가열 시에 강판이 산화되지는 않는다.

하지만, 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형하는 경우, 열간성형 시 소재의 강도가 고온으로서 매우 낮음에도 불구하고 금형 마모가 심하게 발생하는 문제가 발생하고 있다. 이는 열간 성형을 위해 도금된 강판을 가열하는 과정에서 알루미늄 도금층으로 소지철이 확산하여 강판의 표면에는 경질의 Fe 및 Al 의 합금층이 형성되는데, 상기 합금층의 경도가 통상 공구강으로 이루어지는 금형 소재의 경도보다 높기 때문에 프레스 성형에 의해 금형 마모가 심하게 발생하게 되는 것으로 판단된다. 이로 인해 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형하는 경우, 짧은 주기로 금형을 연삭하거나 교체할 수 밖에 없어 열간성형 부재의 제조비용이 큰 폭으로 증가하는 문제가 있다.

미국 특허공보 제6,296,805호

본 발명은 열간성형 시 열간성형 금형의 마모가 적은 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은,

중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층;을 포함하고,

상기 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층은 열간성형 시의 열처리를 통해 합금화 층(I), 상기 합금화 층(I) 상에 형성되는 합금화 층(II), 상기 합금화 층(II) 상에 형성되는 합금화 층(III) 및 상기 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 합금화 층(IV)을 포함하도록 합금화되고,

상기 합금화 층(I)은 중량%로 Al: 5~30%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 합금화 층(II)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 합금화 층(III)은 중량%로 Al: 20~50%, Si: 5~20%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

상기 합금화 층(IV)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

최표면에 노출되는 상기 합금화 층(III)의 비율이 10% 이상(100%는 제외)인 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판에 관한 것이다. .

상기 소지강판은 중량%로, B : 0.001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

상기 합금화 층(III)에 복수의 공극(pore)이 형성되어 있고, 상기 합금화 층(III)의 공극률이 5~50% 일 수 있다.

상기 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판을 이용하여 500회 열간성형 부재를 생산하였을 때, 열간성형 금형의 10점 평균 마모 깊이가 15㎛ 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면은,

중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판의 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계;와, 상기 알루미늄 도금 강판을 소둔함으로써 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻는 단계;를 포함하는 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법에 있어서,

상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m²이고,

알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하고,

권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm²으로 하며,

상기 소둔은 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분~50시간 실시하고, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 10~100℃/h로 제어하며, 그리고

상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법에 관한 것이다.

상기 소둔 시 상기 가열 온도까지 가열할 때, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 열간성형 부재를 제조하는 경우, 도금층의 표면 경도가 열간성형 금형 보다 낮아 금형의 마모가 줄어듦으로써 열간성형 금형의 연삭 또는 교체주기를 늘릴 수 있어 열간성형 부재의 제조비용 및 생산효율이 향상될 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 은 발명예 1 에 의하여 제조된 열간성형 부재의 도금층의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.
도 2 는 비교예 1 에 의하여 제조된 열간성형 부재의 도금층의 단면을 관찰한 주사전자현미경 사진이다.

이하 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형 부재에 대하여 자세히 설명한다. 본 발명에서 각 원소의 함량을 나타낼 때 특별히 달리 정하지 아니하는 한, 중량%를 의미한다는 것에 유의할 필요가 있다. 또한, 결정이나 조직의 비율은 특별히 달리 표현하지 아니하는 한 면적을 기준으로 한다.

[열간성형 부재]

먼저 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형 부재는 소지강판 및 상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄 합금 도금층을 포함하며, 상기 알루미늄 합금 도금층은, 상기 소지강판 상에 형성되고, 중량%로 Al: 5~30% 을 포함하는 합금화 층(I); 상기 합금화 층(I) 상에 형성되고, 중량%로 Al: 30~60% 을 포함하는 합금화 층(II); 상기 합금화 층(II) 상에 형성되고, 중량%로 Al: 20~50% 및 Si: 5~20% 를 포함하는 합금화 층(III); 및 상기 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 연속적 또는 불연속적으로 형성되고, Al: 30~60% 을 포함하는 합금화 층(IV);를 포함한다.

소지강판에 알루미늄을 도금한 후 열처리를 실시하면, 소지강판의 Fe 가 Al 함량이 높은 알루미늄 도금층으로 확산된다. 본 발명의 열간성형 부재에서는 합금화를 위한 소둔 처리 및 열간 프레스 성형 시의 열처리를 통해 도금층에서 Al 및 Fe 간의 합금화가 이루어지며, Fe 의 합금화 정도에 따라 합금화 층(I)~(IV)로 이루어진 층 구조가 형성되게 된다.

상기 합금화 층(IV)는 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 연속적 또는 불연속적으로 형성될 수 있다. 즉 상기 합금화 층(IV)는 합금화 층(III) 전표면에 형성되어 있는 것이 아닌 일부 표면에 형성되어 있을 수 있다.

또한 상기 합금화 층(IV)이 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 형성됨에 따라 상기 합금화 층(III)의 일부 표면은 상기 알루미늄 합금 도금층의 최표면에 노출될 수 있다. 여기서 최표면은 소지강판 반대편의 상기 알루미늄 합금 도금층의 가장 바깥쪽 표면을 말한다. 만일, 상기 알루미늄 합금 도금층의 표면에 산화물층이 형성되어 있을 경우, 상기 산화물층을 제외한 나머지 층 중 최상단 표면을 의미한다.

이때 상기 알루미늄 합금 도금층의 최표면에 노출된 합금화 층(III)의 비율은 10% 이상인 것이 바람직하다. 여기서 상기 최표면에 노출된 합금화 층(III)의 비율은 합금 도금층의 단면 관찰 시 총 최표면부 길이에 대한 합금화 층(III)이 노출된 영역의 길이의 비율로 정의할 수 있으며, 경우에 따라서는 상기 알루미늄 합금 도금층의 최표면의 표면적에 대한 상기 최표면에 노출된 합금화 층(III) 의 표면적의 면적비율로 정의할 수도 있다. 상기 합금화 층 중 합금화 층(II) 및 합금화 층(IV)의 경도는 약 900Hv 수준으로 매우 높으며, 반면 합금화 층(I) 및 합금화 층(III)의 경도는 약 300~700Hv 수준으로 합금화 층(II) 및 합금화 층(IV)에 비해 비교적 낮다. 따라서 열간 프레스 성형 시 금형과 맞닿는 알루미늄 합금 도금층의 최표면에서 경도가 비교적 낮은 합금화 층(III)의 노출 면적이 높아지면, 전체적으로 최표면 평균 경도가 낮아지게 되어 금형의 마모가 줄어들게 된다.

최표면에 노출된 합금화 층(III)의 비율이 10% 미만이면, 최표면 평균 경도와 금형 경도의 차이가 작아져 금형 마모를 효과적으로 억제할 수 없게 된다. 금형 마모 억제의 관점에서 알루미늄 합금 도금층의 최표면 경도는 낮을수록 바람직하므로, 상기 비율의 상한은 별도로 한정할 필요가 없다. 바람직하게 상기 비율은 15% 이상일 수 있으며, 경우에 따라서는 20% 이상일 수 있다.

한편, 합금화 층(III)에는 복수의 공극(pore)이 형성되어 있을 수 있다. 알루미늄 도금 강판을 상소둔로에서 소정의 조건으로 합금화 열처리하여 알루미늄 합금 도금 강판을 제조하면, 상기 알루미늄 합금 도금 강판에는 복수의 합금층이 형성되고, 서로 성분이 상이한 합금층 사이에 Fe, Al, Si 등의 상호 확산계수의 차이로 인해 상단부 합금층에는 복수의 공극이 형성되게 된다. 이때 합금층의 상단부로 갈수록 복수의 공극이 형성되어 있어 공극률이 높으며, 상기 알루미늄 합금 도금 강판을 가열한 뒤 열간 프레스 성형하면 높은 밀도의 공극을 가지는 최상단 합금층이 프레스 성형에 의해 부서져 작은 알갱이가 형성되고, 이러한 작은 알갱이가 굴러가면서 발생하는 구름 마찰(rolling friction)이 강판과 금형 간의 미끄럼 마찰(sliding friction)보다 작기 때문에 금형 및 강판 사이의 윤활성이 높아지게 된다. 여기서 상기 공극률은 합금층(또는 합금화층)의 단면을 관찰하였을 때 각 합금층(또는 합금화층)의 면적에 대한 공극 면적의 비율로 정의할 수 있다.

다만 도 1 에서 볼 수 있는 바와 같이, 열간 프레스 성형 시에 합금화 층(IV)의 대부분의 영역이 프레스 성형에 의해 부서지기 때문에, 열간성형 부재에서는 합금화 층(IV)의 공극율을 측정하기 어려우므로, 프레스 성형에 영향을 작게 받고 프레스 성형 전 합금화 층(IV)의 공극률과 긴밀한 연관성을 보이는 합금화 층(III)의 공극율을 통해 본 발명의 특성을 나타내었다.

이에 따라 본 발명의 일 측면에 따른 열간성형 부재의 상기 합금화 층(III)의 공극률이 5~50% 일 수 있다. 상기 공극률이 5% 미만이면 열간 프레스 성형 시에 구름 마찰(rolling friction) 효과에 의한 윤활 효과를 기대하기 어렵다. 반면 공극률이 50%를 초과하면 열간성형 부재의 합금화 층(III)의 구조가 너무 취약해 져서 연속적인 열간성형 시 금형 내 도금층으로부터 탈락한 알갱이들로 인한 금형 오염이 심해지는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 발명에서 상기 공극률은 5~50% 인 것이 바람직하며, 경우에 따라서는 7~50%일 수 있다.

한편 본 발명의 소지강판은 열간 프레스 성형용 강판으로서, 열간 프레스 성형에 사용된다면 그 조성을 특별히 제한하지 않는다. 다만, 본 발명의 일 측면에 따를 경우 중량%로 C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함한다. 이하 각 성분계에 대해 상세히 설명한다.

C : 0.04~0.5%

상기 C 는 열처리 부재의 강도를 상향시키기 위해 필수적인 원소로서 적정한 양으로 첨가될 수 있다. 즉, 열처리 부재의 강도를 충분하기 확보하기 위해서 상기 C는 0.04% 이상 첨가될 수 있다. 바람직하게는 상기 C 함량의 하한은 0.1%이상일 수 있다. 다만, 그 함량이 너무 높으면 냉연재를 생산하는 경우 열연재를 냉간압연할 때 열연재 강도가 너무 높아 냉간압연성이 크게 열위하게 될 뿐만 아니라, 점용접성을 크게 저하시키기 때문에, 충분한 냉간압연성과 점용접성을 확보하기 위해 0.5% 이하로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 C 함량은 0.45% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.4% 이하로 그 함량을 제한할 수도 있다.

Si : 0.01~2%

상기 Si 는 제강에서 탈산제로 첨가되어야 할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형 부재의 강도에 가장 크게 영향을 미치는 탄화물 생성을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서는 열간 프레스 성형에 있어서 마르텐사이트 생성 후 마르텐사이트 라스(lath) 입계로 탄소를 농화시켜 잔류오스테나이트를 확보하기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 압연 후 강판에 알루미늄 도금을 행할 때 충분한 도금성을 확보하기 위해서 상기 Si 함량의 상한을 2%로 정할 수 있다. 바람직하게는 상기 Si 함량을 1.5% 이하로 제한할 수도 있다.

Mn : 0.1~5%

상기 Mn 은 고용강화 효과를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 열간 프레스 성형 부재에 있어서 마르텐사이트를 확보하기 위한 임계냉각속도를 낮추기 위하여 0.1% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 강판의 강도를 적절하게 유지함으로써 열간 프레스 성형 공정 작업성을 확보하고, 제조원가를 절감하며, 점용접성을 향상시킨다는 점에서 상기 Mn 함량은 5% 이하로 제한 할 수 있다.

P : 0.001~0.05%

상기 P 는 강 내에 불순물로서 존재하며, 가급적 그 함량이 적을수록 유리하다. 따라서, 본 발명에서 P 함량을 0.05% 이하로 제한할 수 있으며, 바람직하게는 0.03% 이하로 제한될 수도 있다. P는 적으면 적을수록 유리한 불순물 원소이기 때문에 그 함량의 상한을 특별히 정할 필요는 없다. 다만, P 함량을 과도하게 낮추기 위해서는 제조비용이 상승할 우려가 있으므로, 이를 고려할 경우에는 그 하한을 0.001%로 할 수 있다.

S : 0.0001~0.02%

상기 S 는 강 중에 불순물로서, 부재의 연성, 충격특성 및 용접성을 저해하는 원소이기 때문에 최대함량을 0.02%로 제한하며, 바람직하게는 0.01% 이하로 제한할 수 있다. 또한 그 최소함량이 0.0001% 미만에서는 제조비용이 상승될 수 있으므로, 그 함량의 하한을 0.0001%로 할 수 있다.

Al : 0.001~1%

상기 Al 은 Si 과 더불어 제강에서 탈산 작용을 하여 강의 청정도를 높일 수 있으며, 상기 효과를 얻기 위해 0.001% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, Ac3 온도가 너무 높아지지 않도록 하여 열간 프레스 성형시 필요한 가열을 적절한 온도범위에서 할 수 있도록 하기 위하여 상기 Al의 함량은 1% 이하로 제한할 수 있다.

N : 0.001~0.02%

상기 N은 강 중에 불순물로 포함되는 원소로서, 슬라브 연속주조 시에 크랙 발생에 대한 민감도를 감소시키고, 충격특성을 확보하기 위해서는 그 함량이 낮을 수록 유리하며, 따라서 0.02% 이하로 포함할 수 있다. 하한을 특별히 정할 필요가 있으나, 제조비용의 상승 등을 고려하면 N 함량을 0.001% 이상으로 정할 수도 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 알루미늄-철 합금 도금 강판은 상술한 합금조성 이외에 추가로, B : 0.001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

B : 0.001~0.01%

상기 B 은 소량의 첨가로도 경화능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구오스테나이트 결정립계에 편석되어 P 및/또는 S 의 입계 편석에 의한 열간 프레스 성형 부재의 취성을 억제할 수 있는 원소이다. 따라서 B는 0.0001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간압연에서 취성을 초래하므로 그 상한을 0.01%로 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 B 함량을 0.005% 이하로 할 수 있다.

Cr : 0.01~1%

상기 Cr 은 Mn 과 유사하게 고용강화 효과와 열간성형 시의 경화능을 향상시키기 위하여 첨가하는 원소로서, 상기 효과를 얻기 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 부재의 용접성을 확보하기 위해서 그 함량을 1% 이하로 제한할 수 있으며, 또한 1%를 초과하면 첨가량 대비 경화능 향상 효과도 미약하기 때문에 원가 측면에서도 불리하다.

Ti : 0.001~0.2%

상기 Ti 는 미세 석출물 형성으로 열처리 부재의 강도 상승과 결정립 미세화에 따른 부재의 충돌성능 향상에 효과가 있을 뿐만 아니라, B 이 첨가되는 경우에는 N 와 우선 반영하여 B 의 첨가 효과를 극대화 시키는 효과가 있다. 상기 효과를 얻기 위해 Ti 는 0.001%이상 첨가할 수 있다. 다만, Ti 함량이 증가함에 따라 야기되는 조대한 TiN 형성은 부재의 충돌성능을 열위하게 하기 때문에 그 함량을 0.2% 이하로 제한할 수 있다.

상술한 성분 이외의 잔부로서는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 들 수 있으며, 또한 열간 프레스 성형용 강판에 포함될 수 있는 성분이라면 특별히 추가적인 첨가를 제한하지 않는다.

상술한 합금조성 및 층 구조를 가지는 열간성형 부재를 제조하는 경우, 열간 프레스 성형 시에 알루미늄 합금 도금 강판의 표면에 경도가 낮은 합금화 층(III)의 비율이 높아져 표면의 평균 경도가 낮아지므로, 경도 차이에 기인하는 금형의 마모를 효과적으로 저감할 수 있다. 특히 열간성형 부재를 500회 이상 생산하더라도 열간성형 금형의 10점 평균 마모 깊이가 15㎛ 이하일 수 있다.

또한 열간 프레스 성형 시 알루미늄 합금 도금층의 상단층인 합금화 층(III) 및 (IV)에 복수의 공극이 형성되어 있고, 상기 공극으로 인해 프레스 성형 시 합금화 층(IV)이 부서져 구름마찰(rolling friction)에 의한 윤활 효과를 얻을 수 있어 금형의 손상이 보다 억제될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 열간성형 부재의 제조방법에 대해 자세히 설명한다. 다만, 하기의 열간성형 부재의 제조방법은 일 예시일 뿐이며, 본 발명의 열간성형 부재가 반드시 본 제조방법에 의해 제조되어야 한다는 것은 아니며, 어떠한 제조방법이라도 본 발명의 청구범위를 충족하는 방법이라면 본 발명의 각 구현례를 구현하는데 아무런 문제가 없다는 것에 유의할 필요가 있다.

[열간성형 부재의 제조방법]

본 발명의 열간성형 부재는 열간압연 또는 냉간압연된 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면에 알루미늄 도금을 실시하고 상소둔로에서 합금화 열처리하여 알루미늄 합금 도금 강판을 얻은 후, 소정의 조건으로 열간 프레스 성형함으로써 얻을 수 있다.

알루미늄 도금 공정

상술한 합금조성을 가지는 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면에 적절한 조건으로 알루미늄 도금하고, 이를 권취하여 알루미늄 도금 강판(코일)을 얻는 과정이 수행된다.

먼저 압연된 강판의 표면에 편면기준 30~200g/m²의 도금량으로 알루미늄 도금 처리를 할 수 있다. 알루미늄 도금은 통상 type I 이라고 명명되는 AlSi 도금(80% 이상의 Al과 5~20%의 Si를 포함, 필요에 따라 추가적인 원소도 포함 가능)이나, type II라고 명명되는 Al을 90% 이상 포함하고 필요에 따라 추가적인 원소를 포함하는 도금 모두 사용할 수 있다. 도금층을 형성하기 위해 용융 알루미늄 도금을 행할 수 있으며, 도금 전에 강판에 대한 소둔 처리를 실시할 수도 있다. 도금 시 적절한 도금량은 한쪽면 기준으로 30~200g/m² 이다. 도금량이 너무 많을 경우에는 표면까지 합금화하는데 시간이 과다하게 소요될 수 있으며, 반대로 도금량이 너무 적을 경우에는 충분한 내식성을 얻기 어렵다.

다음으로 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하여 냉각할 수 있다. 알루미늄 도금 후 냉각속도는 도금층과 소지철 사이에 확산 억제층 형성에 영향을 주며, 알루미늄 도금 후 냉각속도가 너무 빠르면, 확산 억제층이 균일하게 형성되지 못하여 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동이 불균일해 질 수 있다. 따라서, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도는 20℃/초 이하로 할 수 있다.

도금 후 강판을 권취하여 코일을 얻을 때, 코일의 권취 장력을 0.5~5 kg/mm² 로 조절할 수 있다. 코일의 권취 장력의 조절에 따라 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동과 표면 품질이 달라질 수 있다.

소둔 공정

알루미늄 도금된 강판에 대하여 다음과 같은 조건으로 소둔 처리를 실시하여 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻을 수 있다.

알루미늄 도금 강판(코일)은 상소둔로(BAF, Batch annealing furnace)에서 가열된다. 강판을 가열할 때, 열처리 목표 온도와 유지 시간은 강판 온도를 기준으로 550~750℃인 범위 내(본 발명에서는 이 온도 범위에서 소재가 도달하는 최고 온도를 가열 온도라고 함)에서 30분~50시간 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 유지시간이라 함은 코일온도가 목표 온도에 도달한 후 냉각개시까지의 시간이다. 합금화가 충분하게 이루어지지 않을 경우에는 롤 레벨링 시 도금층이 박리될 수 있으므로 충분한 합금화를 위해서 가열 온도를 550℃ 이상으로 할 수 있다. 또한, 표층에 산화물이 과다하게 생성되는 것을 방지하고 점 용접성을 확보하기 위해서 상기 가열 온도는 750℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 도금층을 충분하게 확보하는 동시에 생산성의 저하를 방지하기 위하여 상기 유지 시간은 30분~50시간으로 정할 수 있다. 경우에 따라서는 강판의 온도는 가열 온도에 도달할 때까지 냉각 과정 없이 온도가 계속 상승하는 형태의 가열 패턴을 가질 수도 있고, 목표온도 이하의 온도에서 일정시간 유지 후 승온하는 형태의 가열 패턴을 적용할 수도 있다.

상술한 가열 온도로 강판을 가열할 때, 충분한 생산성을 확보하고 전 강판(코일)에서 도금층을 균일하게 합금화시키기 위해서는 전체 온도 구간(상온부터 가열 온도까지의 구간)에 대한 강판(코일) 온도 기준으로 평균 승온 속도가 10~100℃/h로 되도록 할 수 있다. 전체적인 평균 승온 속도는 위와 같은 수치 범위에서 제어할 수 있지만, 본 발명의 일 구현례에서는 압연 시 혼입된 압연유가 기화되는 상기 온도구간에서 압연유가 잔존하여 표면 얼룩 등을 야기하는 것을 방지하면서 충분한 생산성을 확보하기 위하여 승온 시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열할 수 있다.

또한 상소둔로 내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 할 수 있다. 일반적인 상소둔로의 가열은 강판(코일)을 직접 가열하는 방식보다는 소둔로 내 분위기 온도 상승을 통하여 강판(코일)을 가열하는 방식을 취한다. 이런 경우에 분위기 온도와 코일 온도 간의 차이는 피할 수 없으나, 강판 내 위치별 재질 및 도금 품질 편차를 최소화 하기 위해서는 열처리 목표 온도 도달시점을 기준으로 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 80℃ 이하로 할 수 있다. 온도차이는 가능한 작게 하는 것이 이상적이나 이는 승온속도를 느리게 하여 전체 평균 승온 속도 조건을 충족하기 어려울 수도 있으므로 이를 고려한다면 5℃ 이상으로 할 수 있다. 여기서, 강판의 온도는 장입된 강판(코일) 바닥부(코일 중에서 가장 낮은 부분을 의미한다)의 온도를 측정한 것을 의미하며, 분위기 온도는 가열로의 내부 공간의 중심에서 측정한 온도를 의미한다.

열간 프레스 성형 공정

상술한 제조방법에 의해 알루미늄 합금 도금 강판을 제조한 후, 상기 알루미늄 합금 도금 강판에 대해 열간 프레스 성형을 행하여 열간 성형 부재를 제조할 수 있다. 이때, 열간 프레스 성형은 당해 기술분야에 일반적으로 이용되는 방법을 이용할 수 있으며, 비제한적인 일 구현례로서 Ac3~950℃ 의 온도범위에서 열처리하되, 200℃에서 Ac3~950℃ 의 온도범위까지 3~18℃/s의 승온 속도로 가열하고, 총 가열시간으로 1~15분간 열처리한 후 열간 프레스 성형할 수 있다. 여기서 총 가열시간은 승온 온도 구간에서의 가열시간 및 Ac3~950℃ 의 온도범위에서의 가열시간을 모두 포함하는 가열시간으로 정의할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

먼저 소지강판으로 하기 표 1 의 조성을 가지는 열간 프레스 성형용 냉간압연 강판을 준비하고, 강판의 표면에 Al-9%Si-1.5%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판 표면을 도금하였다. 도금 시 도금량은 한쪽 면당 75g/m²으로 조절하였고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 10℃/초로 냉각한 후, 권취장력을 3kg/mm²으로 조절하여 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻었다.

원소	C	Si	Mn	Al	P	S	N	Cr	Ti	B	Ac3
함량(%)	0.23	0.2	1.25	0.03	0.01	0.002	0.005	0.21	0.034	0.0022	822℃

이후 도금된 강판에 대하여 하기 표 2 의 조건으로 상소둔로에서 합금화 열처리를 실시한 후, 각각 500회씩 열간 프레스 성형을 실시하여 열간성형 부재를 얻었다. 다만, 비교예 1 에서는 상술한 알루미늄 도금 강판에 대하여 합금화 열처리를 실시하지 않고, 하기 표 2 의 조건으로 열간 프레스 성형을 실시하여 열간성형 부재를 얻었다.

구 분	합금화 열처리 조건					열간 프레스 성형 조건
구 분	온도 (℃)	평균 승온 속도 (℃/h)	400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도 (℃/h)	가열 온도에서 분위기와 강판 사이의 온도 차이 (℃)	시간 (h)	승온 속도 (℃/s)	온도 (℃)	총 가열 시간 (min)
발명예1	630	21	6	25	14	5.8	930	5
발명예2	590	25	10	30	30	8.5	900	6
발명예3	680	27	12	25	8	6.2	930	5
비교예1	-	-	-	-	-	3.4	930	5
비교예2	500	35	20	25	8	4.7	900	6

이후 각 발명예 및 비교예에서 사용된 금형에 대하여, 500회 생산 후 무작위 10점에서 마모 깊이를 측정하여 그 평균값을 하기 표 3 에 나타내었다.한편 각 실시예별로 500개의 생산품 중 무작위로 10개의 샘플을 채취하고, 그 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 합금화 층(III)의 최표층 점유율을 확인한 후, 그 점유율의 평균값을 하기 표 3 에 함께 나타내었다. 또한 합금화 층(III)의 공극률(porosity)를 측정하여 그 결과를 하기 표 3 에 나타내었다. 동일한 실시예(발명예 또는 비교예)에서 합금화 층(III)의 최표층 점유율과 공극률의 편차가 크지 않음을 확인할 수 있었다.

구 분	최표면에 노출된 합금화 층(III)의 비율 (%)	500회 생산 후 금형 평균 마모 깊이 (㎛)	합금화층(III) 공극률 (%)
발명예1	35	7	7.2
발명예2	12	9	5.7
발명예3	47	4	13.1
비교예1	7	39	1.7
비교예2	9	23	3.2

상기 표 3 에서 볼 수 있는 바와 같이, 최표면에 노출된 합금화 층(III)의 면적비율이 10% 이상이고, 공극률이 5% 이상인 발명예 1 내지 3 의 경우, 발명예 1 내지 3 에 따른 열간성형 부재를 500회 생산하더라도 금형의 평균 마모 깊이가 15㎛ 이하인 것으로 확인되어, 열간성형 금형의 마모가 효과적으로 억제된 것을 확인할 수 있었다. 반면 비교예 1 의 경우, 통상의 Al-Si 도금 강판을 열간 프레스 성형한 것으로서, 최표면에 노출된 합금화 층(III)의 면적비율이 10% 미만이었고, 공극률이 낮아 발명예에 비해 금형의 마모가 월등히 증가한 것을 확인할 수 있다.

또한 비교예 2 의 경우 알루미늄 도금층의 합금화 열처리는 실시하였으나, 합금화 열처리 온도가 낮아 충분한 합금화가 이루어지지 못하였다. 이에 따라 최표면에 노출된 합금화 층(III)의 면적비율이 10% 미만이었고, 공극률이 낮아 비교예 1 과 마찬가지로 금형의 마모가 크게 증가한 것을 확인할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의기술자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층;을 포함하고,
상기 소둔 처리된 알루미늄-철 합금 도금층은 열간성형 시의 열처리를 통해 합금화 층(I), 상기 합금화 층(I) 상에 형성되는 합금화 층(II), 상기 합금화 층(II) 상에 형성되는 합금화 층(III) 및 상기 합금화 층(III) 표면의 적어도 일부에 연속적 또는 불연속적으로 형성되는 합금화 층(IV)을 포함하도록 합금화되고,
상기 합금화 층(I)은 중량%로 Al: 5~30%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 합금화 층(II)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 합금화 층(III)은 중량%로 Al: 20~50%, Si: 5~20%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
상기 합금화 층(IV)은 중량%로 Al: 30~60%, 잔부 소지강판으로부터 유입된 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
최표면에 노출되는 상기 합금화 층(III)의 비율이 10% 이상(100%는 제외)인 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판.
제 1항에 있어서,
상기 소지강판은 중량%로, B : 0.001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함하는 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판.
제 1항에 있어서,
상기 합금화 층(III)에 복수의 공극(pore)이 형성되어 있고, 상기 합금화 층(III)의 공극률이 5~50%인 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판.
제 1항에 있어서,
상기 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판을 이용하여 500회 열간성형 부재를 생산하였을 때, 열간성형 금형의 10점 평균 마모 깊이가 15㎛ 이하인 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판.
중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판의 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계;와, 상기 알루미늄 도금 강판을 소둔함으로써 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻는 단계;를 포함하는 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법에 있어서,
상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m²이고,
알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하고,
권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm²으로 하며,
상기 소둔은 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분~50시간 실시하고, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 10~100℃/h로 제어하며, 그리고
상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 제어하는 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 소지강판은 중량%로, B : 0.001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함하는 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법.
제 5항에 있어서,
상기 소둔 시 상기 가열 온도까지 가열할 때, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 제어하는 알루미늄-철 합금 도금강판 제조방법.