KR102412624B1 - 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 의하면, 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하는 핫 스탬핑 부품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크를 가열하는 단계, 상기 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 잔류응력 분석값은 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 XRD값이고, 상기 사전 설정된 조건은 상기 XRD값의 크기가 5MPa 이상 70MPa 이하인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 제공한다.

Description

핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법{Hot stamping component and method of manufacturing the same}

본 발명의 실시예들은 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 등에 사용되는 부품에는 경량화 및 안정성을 위한 고강도강이 적용된다. 한편, 고강도강은 중량 대비 고강도 특성을 확보할 수 있으나, 강도가 증가함에 따라 프레스 성형성이 저하되어 가공 중 소재의 파단이 발생하거나, 스프링 백 현상이 발생하여 복잡하고 정밀한 형상의 제품의 성형에 어려움이 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위한 방안으로 대표적으로 핫 스탬핑 공법이 있으며 이에 대한 관심이 높아지면서 핫 스탬핑용 소재에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 예컨대, 한국 공개특허공보 제10-2017-0076009호 발명에 개시된 바와 같이, 핫 스탬핑 공법은 붕소 강판을 적정온도로 가열하여 프레스 금형 내에서 성형 후 급속 냉각하여 고강도 부품을 제조하는 성형기술이다. 한국 공개특허공보 제10-2017-0076009호 발명에 의하면 고강도 강판에서 문제가 되는 성형 시 균열 발생 또는 형상 동결불량 등의 문제가 억제되어 양호한 정밀도의 부품을 제조하는 것이 가능하다.

공개특허공보 제10-2017-0076009호, 2017.07.04.

본 발명의 실시예들은 상술한 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 핫 스탬핑 부품의 잔류응력을 제어하여 우수한 기계적 물성 및 수소 취성을 확보할 수 있는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 관점에 따르면, 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하는 핫 스탬핑 부품을 제조하는 방법에 있어서, 블랭크를 가열하는 단계, 상기 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계 및 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 잔류응력 분석값은 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 XRD값이고, 상기 사전 설정된 조건은 상기 XRD값의 크기가 5MPa 이상 70MPa 이하인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법이 제공된다.

본 실시예에 따르면, 상기 블랭크를 가열하는 단계는, 상기 블랭크를 가열로 내에 구비된 복수의 구간들 중 온도 범위가 단계적으로 증가하는 구간들을 통과시키며 가열하는 다단 가열 단계 및 상기 블랭크를 Ac3 이상의 온도로 가열하는 균열 가열 단계를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 복수의 구간들에서 상기 블랭크를 다단 가열하는 구간의 길이와 상기 블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이의 비는 1:1 내지 4:1일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 복수의 구간들의 온도는 상기 가열로의 입구로부터 상기 가열로의 출구 방향으로 증가할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 다단 가열 단계에서 상기 블랭크의 승온 속도는 6°C/s 내지 12°C/s일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 복수의 구간들 중 상기 블랭크를 균열 가열하는 구간의 온도가 상기 블랭크를 다단 가열하는 구간들의 온도보다 높을 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 블랭크는 상기 가열로 내에 180초 내지 360초 동안 체류할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계는, 상기 성형체를 프레스 금형 내에 2초 내지 25초동안 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 성형체는 상기 프레스 금형 내에서 마르텐사이트 변태가 종료되는 온도까지 15°C/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 핫 스탬핑 부품은, 80% 이상의 면적분율을 갖는 마르텐사이트 상 및 상기 마르텐사이트 상 내부에 위치하고, 상기 마르텐사이트 상 기준 5% 미만의 면적분율을 갖는, 철계 탄화물을 구비할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 철계 탄화물은 침상 형태이고, 상기 침상 형태는 지름이 0.2㎛ 미만이고, 길이가 10㎛ 미만일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 마르텐사이트 상은 라스(lath) 상을 포함하고,

상기 철계 탄화물은 상기 라스 상의 길이 방향과 수평한 제1철계 탄화물과, 상기 라스 상의 길이 방향과 수직한 제2철계 탄화물을 포함하고,

상기 제1철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율은 상기 제2철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율보다 클 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 제1철계 탄화물은, 상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 0° 이상 20° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 이상일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 제2철계 탄화물은, 상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 70° 이상 90° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 미만일 수 있다.

본 발명의 다른 관점에 따르면, 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하는 핫 스탬핑 부품에 있어서, 상기 잔류응력 분석값은 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 XRD값이고, 상기 사전 설정된 조건은 상기 XRD값의 크기가 5MPa 이상 70MPa 이하인, 핫 스탬핑 부품이 제공된다.

본 실시예에 따르면, 80% 이상의 면적분율을 갖는 마르텐사이트 상 및 상기 마르텐사이트 상 내부에 위치하고, 상기 마르텐사이트 상 기준 5% 미만의 면적분율을 갖는, 철계 탄화물을 구비 할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 철계 탄화물은 침상 형태이고, 상기 침상 형태는 지름이 0.2㎛ 미만이고, 길이가 10㎛ 미만일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 마르텐사이트 상은 라스(lath) 상을 포함하고, 상기 철계 탄화물은 상기 라스 상의 길이 방향과 수평한 제1철계 탄화물과, 상기 라스 상의 길이 방향과 수직한 제2철계 탄화물을 포함하고, 상기 제1철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율은 상기 제2철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율보다 클 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 제1철계 탄화물은, 상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 0° 이상 20° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 이상일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 상기 제2철계 탄화물은, 상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 70° 이상 90° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 미만일 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 핫 스탬핑 부품의 잔류응력을 제어하여 우수한 기계적 물성 및 수소 취성을 확보할 수 있는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 도시하는 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 도시하는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크가 다단 가열되는 경우의 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 블랭크가 다단 가열되는 경우와 단일 가열되는 경우의 온도 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.

본 명세서에서 "A 및/또는 B"은 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 그리고, "A 및 B 중 적어도 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.

이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우, 또는/및 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우, 및/또는 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우를 나타낸다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 도시하는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품은 강판(10)을 구비한다.

강판(10)은 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 슬래브를 열연 공정 및/또는 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다. 이와 같은 강판(10)은 핫 스탬핑 가열온도에서 풀 오스테나이트 조직으로 존재하고, 이후 냉각 시 마르텐사이트 조직으로 변태될 수 있다.

일 실시예로, 강판(10)은 탄소(C), 망간(Mn), 붕소(B), 인(P), 황(S), 실리콘(Si), 크롬(Cr) 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 강판(10)은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 적어도 어느 하나의 합금원소를 첨가제로서 더 포함할 수 있다. 또한, 강판(10)은 소정 함량의 칼슘(Ca)을 더 포함할 수 있다.

탄소(C)는 강판(10) 내 오스테나이트 안정화 원소로 작용한다. 탄소는 강판(10)의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑 공정 이후, 강판(10)의 인장 강도(예컨대, 1,350MPa 이상의 인장 강도)를 확보하고, 소입성 특성을 확보하기 위한 목적으로 첨가된다. 이러한 탄소는 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.19wt% 내지 0.38wt%로 포함될 수 있다. 탄소의 함량이 0.19wt% 미만인 경우, 경질상(마르텐사이트 등) 확보가 어려워 강판(10)의 기계적 강도를 만족시키기 어렵다. 이와 반대로 탄소의 함량이 0.38wt%를 초과하는 경우, 강판(10)의 취성 발생 또는 굽힘 성능 저감 문제가 야기될 수 있다.

망간(Mn)은 강판(10) 내 오스테나이트 안정화 원소로 작용한다. 망간은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 이러한 망간은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.5wt% 내지 2.0wt% 포함될 수 있다. 망간의 함량이 0.5wt% 미만인 경우, 경화능 효과가 충분하지 못하여, 소입성 미달로 핫 스탬핑 후 성형품 내의 경질상 분율이 미달될 수 있다. 반면에, 망간의 함량이 2.0wt%를 초과하는 경우, 망간 편석 또는 펄라이트 밴드에 의한 연성 및 인성이 저하될 수 있으며, 굽힘 성능 저하의 원인이 되고 불균질 미세조직이 발생할 수 있다.

붕소(B)는 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 변태를 억제하여 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 강판(10)의 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 또한, 붕소는 결정입계에 편석되어 입계 에너지를 낮추어 소입성을 증가시키고, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 이러한 붕소는 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.001wt% 내지 0.005wt%로 포함될 수 있다. 붕소가 상기 범위로 포함시 경질상 입계 취성 발생을 방지하며, 고인성과 굽힘성을 확보할 수 있다. 붕소의 함량이 0.001wt% 미만인 경우, 소입성 효과가 부족하고, 이와 반대로, 붕소의 함량이 0.005wt%를 초과하는 경우, 고용도가 낮아 열처리 조건에 따라 결정립계에서 쉽게 석출되어 소입성이 열화되거나 고온 취화의 원인이 될 수 있고, 경질상 입계 취성 발생으로 인성 및 굽힘성이 저하될 수 있다.

인(P)은, 강판(10)의 인성 저하를 방지하기 위해, 강판(10) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.03wt% 이하로 포함될 수 있다. 인의 함량이 0.03wt%를 초과하는 경우, 인화철 화합물이 형성되어 인성 및 용접성이 저하되고, 제조 공정 중 강판(10)에 크랙이 유발될 수 있다.

황(S)은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.003wt% 이하 포함될 수 있다. 황의 함량이 0.003wt%를 초과하면 열간 가공성, 용접성 및 충격특성이 저하되고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.

실리콘(Si)은 강판(10) 내 페라이트 안정화 원소로 작용한다. 실리콘은 고용 강화 원소로서 강판(10)의 강도를 향상시키며, 저온역 탄화물의 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시킨다. 또한, 실리콘은 열연, 냉연, 열간 프레스 조직 균질화(펄라이트, 망간 편석대 제어) 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 실리콘은 마르텐사이트 강도 불균질 제어 원소로 작용하여 충돌성능을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 실리콘은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 0.6wt% 포함될 수 있다. 실리콘의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 상술한 효과를 얻기 어려우며 최종 핫 스탬핑 마르텐사이트 조직에서 세멘타이트 형성 및 조대화 발생할 수 있다. 이와 반대로 실리콘의 함량이 0.6wt%를 초과하는 경우, 열연, 냉연 부하가 증가하고, 강판(10)의 도금 특성이 저하될 수 있다.

크롬(Cr)은 강판(10)의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬은 석출경화를 통한 결정립 미세화 및 강도 확보를 가능하게 한다. 이러한 크롬은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.05wt% 내지 0.6wt% 포함될 수 있다. 크롬의 함량이 0.05wt% 미만인 경우, 석출 경화 효과가 저조하고, 이와 반대로, 크롬의 함량이 0.6wt%를 초과하는 경우, Cr계 석출물 및 매트릭스 고용량이 증가하여 인성이 저하되고, 원가 상승으로 생산비가 증가할 수 있다.

한편, 기타 불가피한 불순물에는 질소(N) 등이 포함될 수 있다.

질소(N)는 다량 첨가시 고용 질소량이 증가하여 강판(10)의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨릴 수 있다. 질소는 강판(10)의 전체 중량에 대하여 0 초과 0.001 wt% 이하 포함될 수 있다. 질소의 함량이 0.001 wt%를 초과하는 경우, 강판(10)의 충격특성 및 연신율이 저하될 수 있다.

첨가제는 강판(10) 내에 석출물 형성에 기여하는 탄화물 생성 원소이다. 구체적으로, 첨가제는 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

티타늄(Ti)은 고온에서 TiC 및/또는 TiN 등의 석출물을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적으로 기여할 수 있다. 이러한 티타늄은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.001wt% 내지 0.050wt% 포함될 수 있다. 티타늄이 상기 함량 범위로 포함되면, 연주 불량 및 석출물 조대화를 방지하고, 강재의 물성을 용이하게 확보할 수 있으며, 강재 표면에 크랙 발생 등의 결함을 방지할 수 있다. 반면에, 티타늄의 함량이 0.050wt%를 초과하면, 석출물이 조대화되어 연신율 및 굽힘성 하락이 발생할 수 있다.

니오븀(Nb)과 바나듐(V)은 마르텐사이트 패킷 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성을 증가시킬 수 있다. 니오븀 및 바나듐 각각은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.1wt% 포함될 수 있다. 니오븀과 바나듐이 상기 범위로 포함시 열간압연 및 냉간압연 공정에서 강판(10)의 결정립 미세화 효과가 우수하고, 제강/연주시 슬래브의 크랙 발생과, 제품의 취성 파단 발생을 방지하며, 제강성 조대 석출물 생성을 최소화할 수 있다.

칼슘(Ca)은 게재물 형상 제어를 위해 첨가될 수 있다. 이러한 칼슘은 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.003wt% 이하로 포함될 수 있다.

열연 공정 및/또는 냉연 공정을 거치고 상온으로 냉각된 후, 핫 스탬핑 공정을 거쳐 제조된 핫 스탬핑 부품의 강판(10) 내에는 잔류응력이 존재한다. 여기서 '잔류응력'은 강판(10)에 외력이 작용하지 않는 상태에서 핫 스탬핑 내에 존재하는 응력을 의미한다.

잔류응력은 재료 내의 결함(defect)에서 기인할 수 있다. 예컨대, 공공(vacancy), 침입자(interstitials), 불순물(impurity) 등과 같은 점 결함(point defect), 전위(dislocation) 등과 같은 선 결함(line defect) 및 외부 표현(external surface), 결정립계(grain boundary), 쌍정립계(twin boundary), 적층 결함(stacking fault), 상계면(phase boundary) 등과 같은 계면 결함(interfacial defect)은 잔류응력의 발생에 기인할 수 있다. 즉, 강판(10) 내에 결함이 많이 존재할수록, 내부 잔류응력이 큰 것으로 이해될 수 있다.

이러한 결함 및 그에 따른 강판(10)의 잔류응력은 핫 스탬핑 부품의 기계적 물성(예컨대, 인장 강도) 및 수소 취성에 영향을 미친다.

구체적으로, 핫 스탬핑 부품의 인장 강도는 강판(10) 내부의 결함이 적정한 수준으로 존재하는 경우, 결함이 많을수록(또는 잔류응력이 클수록) 인장 강도가 높아지고, 결함이 적을수록(또는 잔류응력이 작을수록) 인장 강도가 낮아질 수 있다. 이는 내부에 결함이 많이 존재할수록 원소들이 불규칙적으로 배열되어, 재료의 변형을 유발하는 전위의 이동을 어렵게 하기 때문이다.

하지만, 강판(10)의 수소 취성은 내부에 결함이 많을수록(또는 잔류응력이 클수록) 저하되고, 내부에 결함이 적을수록(또는 잔류응력이 작을수록) 향상될 수 있다. 일반적으로 내부에 유효한 수소 트랩 사이트가 많이 존재할수록, 활성화 수소량이 감소되어 제품의 수소 취성이 향상될 수 있다. 예를 들어, 내부에 존재하는 미세석출물(예컨대, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)의 질화물 또는 탄화물 등)은 유효한 수소 트랩 사이트로서 기능하여 수소 취성을 향상시키는 역할을 한다. 한편, 내부에 존재하는 결함도 수소 트랩 사이트로 제공될 수 있다. 하지만, 결함은 수소와의 결합에너지가 상대적으로 낮은 바, 결함에 트랩되어 비활성화된 수소는 활성화 수소로 되돌아갈 가능성이 크다. 따라서, 결함은 유효한 수소 트랩 사이트로서 기능하지 못하고, 오히려 결함이 많은 부분(또는 잔류응력이 큰 부분)에 활성화 수소를 국부적으로 집중시킴에 따라 수소 취성을 저하시킬 수 있다. 특히, 핫 스탬핑 부품은 자동차의 구조체 중 적용되는 위치에 따라 적어도 하나의 굴곡부를 포함할 수 있으며, 굴곡부는 핫 스탬핑 공정 중 평탄한 영역에 비해 과도하게 성형되는 부분이다. 즉, 핫 스탬핑 공정 중 프레스에 의한 응력이 상대적으로 집중되어 잔류응력이 커질 수 있으므로, 수소 취성 취약부로 작용할 수 있다.

따라서, 강판(10) 내에 존재하는 결함 및 그에 따른 잔류응력은 적정한 수준으로 제어될 필요가 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 강판(10) 내에 존재하는 잔류응력을 수치화한 잔류응력 분석값을 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어함으로써, 강판(10) 내에 존재하는 결함 및 그에 따른 잔류응력을 적정한 수준으로 제어할 수 있다.

일 실시예로, 잔류응력 분석값은 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 XRD값일 수 이고, 상기 사전 설정된 조건은 XRD값의 크기(또는 XRD값의 절대값)가 5MPa 이상 70MPa 이하일 수 있다.

'X선 회절 분석(XRD)'은 결정격자의 규칙성에 의해 측정 샘플에 조사된 입사 X선이 특정방향으로 반사하는 X선 회절을 이용하여 잔류응력을 측정하는 분석 방법이다. 구체적으로, 잔류응력은 sin²φ법으로 측정될 수 있다. sin²φ법은 피측정부에 X선을 조사하여 회절선의 피크 위치를 구하는 것으로, 잔류응력이 존재하는 경우, X선의 입사각(φ)을 변경하면 회절선의 피크 위치가 변화된다. 이때, 변화된 회절선의 피크 위치를 종축, X선의 입사각의 sin²φ를 횡축으로 잡고, 최소자승법에 의해 직선 회귀하여 그 기울기를 얻고, 얻어진 경사에 영률 및 포와송비로부터 구한 응력 정수를 곱하여, 하기 수학식 1에 의해 응력값(XRD값)을 구할 수 있다.

[수학식 1]

σ=-E/2(1+v)·cotθ·π/180·M=K·M

σ: 응력값 또는 XRD값(MPa)

E: 영률(MPa)

v: 포와송비

M: 회귀 직선 2θ-sin²θ의 경사

2θ: 무스트레인의 회절각(°)

K: 응력 정수(MPa)

예컨대, 잔류응력 분석값은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

잔류응력 분석값(MPa)=|XRD값(MPa)|

이와 같은 잔류응력 분석값은 핫 스탬핑 부품 내의 결함 및 그에 따른 잔류응력과 대체로 비례 관계일 수 있다. 구체적으로, 잔류응력 분석값이 클수록 제품 내부에 결함이 많이 존재하고 잔류응력이 큰 것이고, 잔류응력 분석값이 작을수록 제품 내부에 결함이 적게 존재하고 잔류응력이 작은 것으로 이해될 수 있다. 더 나아가서 잔류응력 분석값이 클수록 제품의 인장 강도가 높은 반면 수소 취성이 우수하지 않고, 잔류응력 분석값이 작을수록 제품의 인장 강도가 낮은 반면 수소 취성이 우수한 것으로 이해될 수 있다. 따라서, 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어함으로써 제품의 기계적 물성 및 수소 취성을 적절히 확보할 수 있다.

한편, 고온의 소재로부터 압연과 냉각을 통하여 제품을 제조하는 공정 특성 상, 결함 및 그에 따른 잔류응력은 제조 공정 과정에서 강판(10)의 폭 방향 또는 길이 방향으로 존재하는 온도 차에 의해 발생할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 의하면, 제조 공정 과정에서 차별화된 공정 조건, 예컨대, 가열 조건 및/또는 냉각 조건을 적용함으로써 전술한 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어할 수 있다. 이러한 차별화된 공정 조건에 대한 상세한 설명은 도 3 내지 도 5를 참조하여 후술한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 도시하는 평면도이다.

강판(10)은 면적분율로 80% 이상의 마르텐사이트 상을 포함하는 미세조직을 갖는 성분계로 이루어질 수 있다. 또한, 강판(10)은 면적분율로 20% 미만의 베이나이트 상을 포함할 수 있다.

마르텐사이트 상은 냉각 중 마르텐사이트 변태의 개시 온도(Ms) 아래에서 오스테나이트γ의 무확산 변태 결과이다. 마르텐사이트는 오스테나이트 각각의 초기 결정립 내에서 일 방향(d)으로 배향된 로드(rod) 형태의 라스(lath) 상을 가질 수 있다.

또한, 강판(10)은 마르텐사이트 상 내부에 위치하는 철계 탄화물을 가질 수 있다. 철계 탄화물은 침상 형태일 수 있다. 일 실시예로, 철계 탄화물의 지름은 0.2㎛ 미만이고, 철계 탄화물의 길이는 10㎛ 미만일 수 있다. 여기서, '철계 탄화물의 지름'은 철계 탄화물의 단축 길이를 의미하고, '철계 탄화물의 길이'는 철계 탄화물의 장축 길이를 의미할 수 있다.

철계 탄화물의 지름이 0.2㎛ 이상이거나, 길이가 10㎛ 이상이면, 소둔 열처리 과정에서 Ac3 이상의 온도에서도 녹지 않고 잔존하여, 강판(10)의 굽힘성 및 항복비가 저하될 수 있다. 반면에, 철계 탄화물의 지름이 0.2㎛ 미만이고, 길이가 10㎛ 미만인 경우, 강판(10)의 강도와 성형성의 밸러스가 개선될 수 있다.

이와 같은 철계 탄화물은, 마르텐사이트 상을 기준으로 5% 미만의 면적분율을 가질 수 있다. 철계 탄화물의 면적분율이 마르텐사이트 상을 기준으로 5% 이상인 경우는 강판(10)의 강도 내지 굽힘성 확보가 어려울 수 있다.

일 실시예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 철계 탄화물은 제1철계 탄화물(C1) 및 제2철계 탄화물(C2)을 포함할 수 있다. 제1철계 탄화물(C1)은 라스 상의 길이 방향(d)과 수평한 철계 탄화물이고, 제2철계 탄화물(C2)은 라스 상의 길이 방향(d)과 수직한 철계 탄화물일 수 있다. 여기서, '수평'하다는 것은 라스 상의 길이 방향(d)과 0° 이상 20° 이하의 각도를 이루는 것을 포함하고, '수직'하다는 것은 라스 상의 길이 방향(d)과 70° 이상 90° 이하의 각도를 이루는 것을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1철계 탄화물(C1)은 라스 상의 길이 방향(d)과 0° 이상 20° 이하의 각도를 이룰 수 있고, 제2철계 탄화물(C2)은 라스 상의 길이 방향(d)과 70° 이상 90° 이하의 각도를 이룰 수 있다.

제1철계 탄화물(C1)의 철계 탄화물 기준 면적분율은 제2철계 탄화물의 철계 탄화물 기준 면적분율보다 클 수 있다. 이를 통해 강판(10)의 굽힘성이 향상될 수 있다. 구체적인 예로, 라스 상의 길이 방향(d)과 0° 이상 20° 이하의 각도를 이루는 제1철계 탄화물(C1)의 철계 탄화물 기준 면적분율은 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상일 수 있다. 또한, 라스 상의 길이 방향(d)과 70° 이상 90° 이하의 각도를 이루는 제2철계 탄화물(C2)의 철계 탄화물 기준 면적분율은 50% 미만, 바람직하게는 40% 미만일 수 있다.

굽힘 변형 시 생성되는 크랙은 전위(dislocation)가 마르텐사이트 상 내에서 이동함에 따라 발생될 수 있다. 이때 주어진 소성 변형 중 국부적인 변형율 속도가 큰 값을 가질수록 마르텐사이트의 소성 변형에 대한 에너지 흡수 정도가 높아서 충돌 성능이 향상되는 것으로 이해될 수 있다.

한편, 라스 상의 길이 방향(d)과 수평한 제1철계 탄화물(C1)의 철계 탄화물 기준 면적분율이 라스 상의 길이 방향(d)과 수직한 제2철계 탄화물(C2)의 철계 탄화물 기준 면적분율보다 크게 형성되면, 굽힘 변형 시 전위가 라스 상 내부에서 이동하는 과정에서 국부적인 변형율 속도 차이에 의한 동적 변형 시효(dynamic strain aging, DSA), 즉 압입 동적 변형 시효(Indentation dynamic strain aging)가 나타날 수 있다. 압입 동적 변형 시효는 소성 변형 흡수에너지의 개념으로서, 변형에 대한 저항 성능을 의미하기 때문에 압입 동적 변형 시효 현상이 빈번할수록 변형에 대한 저항 성능이 우수한 것으로 평가될 수 있다.

즉, 본 실시예에 의하면, 라스 상의 길이 방향(d)과 20°이하의 각도를 이루는 제1철계 탄화물(C1)의 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 이상으로 형성되고, 라스 상의 길이 방향(d)과 70°이상 90°이하의 각도를 이루는 제2철계 탄화물(C2)의 철계 탄화물 기준 면적분율은 50% 미만으로 형성됨에 따라, 압입 동적 변형 시효 현상이 빈번하게 발생할 수 있고, 이를 통해 V-벤딩 각도를 50°이상 확보하여 굽힘성 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있다.

강판(10)에서 20% 미만의 면적분율을 갖는 베이나이트 상은 경도 분포가 균일하기 때문에, 강도와 연성 밸런스가 뛰어난 조직이다. 다만, 베이나이트는 마르텐사이트보다 연질이기 때문에, 강판(10)의 강도 및 굽힘성의 확보를 위해, 베이나이트는 20% 미만의 면적분율을 가지도록 함이 바람직하다.

한편, 앞서 설명한 침상 형태의 철계 탄화물은 베이나이트 상의 내부에도 석출될 수 있다. 베이나이트 내부의 철계 탄화물은 베이나이트의 강도를 상승시키고, 베이나이트와 마르텐사이트의 강도 차를 감소시키므로, 강판(10)의 항복비 및 굽힘성을 높일 수 있다. 이때 철계 탄화물은, 베이나이트 상을 기준으로, 베이나이트 상 내부에 20% 미만으로 존재할 수 있다. 철계 탄화물이 베이나이트 상을 기준으로 20% 이상인 경우는 보이드가 생성되어 굽힘성의 저하를 초래할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 개략적으로 도시하는 흐름도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크가 다단 가열되는 경우의 온도 변화를 나타내는 그래프이고, 도 5는 블랭크가 다단 가열되는 경우와 단일 가열되는 경우의 온도 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조 방법은 블랭크 투입 단계(S110), 다단 가열 단계(S120) 및 균열 가열 단계(S130)를 포함할 수 있다. 또한, 핫 스탬핑 부품 제조 방법은 균열 가열 단계(S130) 이후에 수행되는 이송 단계(S140), 형성 단계(S150) 및 냉각 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.

먼저, 블랭크 투입 단계(S110)는 복수의 구간들을 구비한 가열로 내로 블랭크를 투입하는 단계일 수 있다.

가열로 내로 투입되는 블랭크는 핫 스탬핑 부품 형성을 위한 판재를 재단하여 형성된 것일 수 있다. 상기 판재는 강 슬라브에 열간압연 또는 냉간압연을 수행한 후 소둔 열처리하는 과정을 통해 제조될 수 있다. 또한, 상기 소둔 열처리 이후에, 상기 소둔 열처리된 판재의 적어도 일면에 도금층을 형성할 수 있다. 예컨대, 도금층은 Al-Si계 도금층 또는 Zn 도금층일 수 있다.

이어서 다단 가열 단계(S120) 및 균열 가열 단계(S130)가 순차로 수행될 수 있다. 가열로 내로 투입된 블랭크는 가열로가 구비하는 복수의 구간들을 통과하며 가열될 수 있다. 일 실시예로, 가열로 내로 투입된 블랭크는 롤러에 실장되어 이송 방향을 따라 이송될 수 있다.

가열로는 가열로 내에 차례대로 배치된 복수의 구간들을 구비할 수 있다. 가열로가 구비하는 복수의 구간들은 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 온도 범위가 단계적으로 증가하는 구간들과, 온도 범위가 균일하게 유지되는 구간들을 포함한다.

다단 가열 단계(S120)는 블랭크를 가열로 내에 구비된 복수의 구간들 중 온도 범위가 단계적으로 증가하는 구간들을 통과시키며 가열하는 단계이다. 균일 가열 단계(S130)는 다단 가열된 블랭크를 가열로 내에 구비된 복수의 구간들 중 온도 범위가 균일하게 유지되는 구간들을 통과시키며 가열하는 단계이다.

가열로 내에 구비된 복수의 구간들의 온도 범위는 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 목표 온도(Tt) 범위까지 단계적으로 증가하다가, 목표 온도(Tt) 범위를 갖는 구간부터 가열로의 출구까지 균일한 온도 범위, 즉, 목표 온도(Tt) 범위로 유지될 수 있다. 이때, 온도 범위가 단계적으로 증가하는 구간들의 개수, 온도 범위가 균일하게 유지되는 구간들의 개수 및 구간들 각각의 온도 범위에는 제한이 없다.

일 실시예로, 도 4에 도시된 것과 같이, 가열로는 제1온도 범위(T1)를 갖는 제1구간(P1), 제2온도 범위(T2)를 갖는 제2구간(P2), 제3온도 범위(T3)를 갖는 제3구간(P3), 제4온도 범위(T4)를 갖는 제4구간(P4), 제5온도 범위(T5)를 갖는 제5구간(P5), 제6온도 범위(T6)를 갖는 제6구간(P6) 및 제7온도 범위(T7)를 갖는 제7구간(P7)을 구비할 수 있다. 다른 실시예로, 도 4에 도시된 것과 달리, 가열로는 6개 이하 또는 8개 이상의 구간들을 구비할 수 있으며, 구간들 각각의 온도 범위 또한 다양하게 변경될 수 있다. 이하 설명의 편의상 도 4에 도시된 실시예를 기초로 설명한다.

제1구간(P1) 내지 제7구간(P7)은 가열로 내에 차례대로 배치될 수 있다. 제1온도 범위(T1)를 갖는 제1구간(P1)은 블랭크가 투입되는 가열로의 입구와 인접하고, 제7온도 범위(T7)를 갖는 제7구간(P7)은 블랭크가 배출되는 가열로의 출구와 인접할 수 있다. 즉, 제1온도 범위(T1)를 갖는 제1구간(P1)이 가열로가 구비하는 복수의 구간들 중 첫 번째 구간일 수 있고, 제7온도 범위(T7)를 갖는 제7구간(P7)이 가열로가 구비하는 복수의 구간들 중 마지막 구간일 수 있다. 블랭크는 가열로가 구비하는 제1구간(P1) 내지 제7구간(P7)을 순차로 이동하며 가열될 수 있다.

일 실시예로, 도 4에 도시된 것과 같이, 제1구간(P1) 내지 제5구간(P5)까지는 구간들의 온도 범위가 목표 온도(Tt) 범위까지 단계적으로 증가하고, 제6구간(P6) 및 제7구간(P7)은 제5구간(P5)의 온도 범위인 목표 온도(Tt) 범위와 동일한 온도 범위로 유지될 수 있다. 다만, 상술한 예시로 제한되는 것은 아니고, 온도 범위가 단계적으로 증가하는 구간들과, 온도 범위가 균일하게 유지되는 구간들 각각의 개수는 다양하게 변경될 수 있다.

한편, 가열로 내에 구비된 복수의 구간들 중 서로 인접한 두 개의 구간들 간의 온도 차는 0°C 이상 100°C 이하일 수 있다. 예컨대, 제1구간(P1)과 제2구간(P2)의 온도 차는 0°C 이상 100°C 이하일 수 있다.

일 실시예로, 제1구간(P1)의 제1온도 범위(T1)는 840°C 내지 860°C일 수 있고, 835°C 내지 865°C일 수 있다. 제2구간(P2)의 제2온도 범위(T2)는 870°C 내지 890°C일 수 있고, 865°C 내지 895°C일 수 있다. 제3구간(P3)의 제3온도 범위(T3)는 900°C 내지 920°C일 수 있고, 895°C 내지 925°C일 수 있다. 제4구간(P4)의 제4온도 범위(T4)는 920°C 내지 940°C일 수 있고, 915°C 내지 945°C일 수 있다. 제5구간(P5)의 제5온도 범위(T5)는 Ac3 내지 1,000°C일 수 있다. 바람직하게는 제5구간(P5)의 제5온도 범위(T5)는 930°C 이상 1,000°C 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는 제5구간(P5)의 제5온도 범위(T5)는 950°C 이상 1,000°C 이하일 수 있다. 제6구간(P6)의 제6온도 범위(T6) 및 제7구간(P7)의 제7온도 범위(T7)는 제5구간(P5)의 제5온도 범위(T5)와 동일할 수 있다.

이 경우, 제1구간(P1) 내지 제4구간(P4)에서는 다단 가열 단계(S120)가 수행되고, 제5구간(P5) 내지 제7구간(P7)에서는 균일 가열 단계(S130)가 수행될 수 있다. 이와 같이 균열 가열 단계(S130)가 수행되는 구간을 하나의 구간이 아닌 복수의 구간들, 예컨대, 제5구간(P5) 내지 제7구간(P7)으로 구비함으로써, 구간 내에서 온도 차가 발생하는 것을 방지 또는 최소화할 수 있다.

균일 가열 단계(S130)는 제5구간(P5)의 온도 범위에서 수행되며, 제5구간(P5)의 온도 범위는 목표 온도(Tt) 범위로서, Ac3 이상의 온도일 수 있다. 즉, 균열 가열 단계(S130)에서는 제1구간(P1) 내지 제4구간(P4)을 통과하며 다단 가열된 블랭크를 Ac3 이상의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 바람직하게는 균열 가열 단계(S130)에서는 다단 가열된 블랭크를 930°C 이상 1,000°C 이하의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는 균열 가열 단계(S130)에서는 다단 가열된 블랭크를 950°C 이상 1,000°C 이하의 온도에서 균열 가열할 수 있다.

일 실시예로, 가열로는 블랭크의 이송 경로를 따라 20m 내지 40m의 길이를 가질 수 있다. 가열로는 서로 다른 온도 범위를 갖는 복수의 구간들을 구비할 수 있고, 복수의 구간들 중 블랭크를 다단 가열하는 구간의 길이(D1, 도 4 참조)와 복수의 구간들 중 블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이(D2, 도 4 참조)의 비는 1:1 내지 4:1을 만족할 수 있다. 즉, 가열로 내에 구비된 복수의 구간들 중 균일 가열 구간의 길이(D2)는 가열로의 총 길이(D1+D2)의 20% 내지 50%에 해당하는 길이를 가질 수 있다.

블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이가 증가하여 블랭크를 다단 가열하는 구간의 길이(D1)와 블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이(D2)의 비가 1:1을 초과할 경우, 균열 가열 구간에서 오스테나이트(FCC) 조직이 생성되어 블랭크 내로 수소 침투량이 증가하여 지연파단이 증가할 수 있다. 또한, 블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이가 감소하여 블랭크를 다단 가열하는 구간의 길이(D1)와 블랭크를 균열 가열하는 구간의 길이(D2)의 비가 4:1 미만인 경우, 균열 가열 구간(시간)이 충분히 확보되지 않아 핫 스탬핑 부품의 제조 공정에 의해 제조된 핫 스탬핑 부품의 강도가 불균일할 수 있다.

일 실시예로, 다단 가열 단계(S120) 및 균열 가열 단계(S130)에 있어서, 블랭크는 약 6°C/s 내지 12°C/s의 승온 속도를 가질 수 있으며, 균열 시간은 약 3분 내지 6분일 수 있다. 보다 구체적으로, 블랭크의 두께가 약 1.6mm 내지 2.3mm인 경우, 승온 속도는 약 6°C/s 내지 9°C/s이고, 균열 시간은 약 3 내지 4분일 수 있다. 또한, 블랭크의 두께가 약 1.0mm 내지 1.6mm인 경우 승온 속도는 약 9°C/s 내지 12°C/s이고, 균열 시간은 약 4분 내지 6분 일 수 있다.

도 5를 참조하여 블랭크(B')가 단일 가열 되는 경우와, 블랭크(B)가 다단 가열 되는 경우의 온도 변화를 설명한다.

비교예로서, 블랭크(B')가 단일 가열되는 경우를 가정할 수 있다. 단일 가열 단계에서는 가열로의 내부 온도가 블랭크의 목표 온도(Tt)와 동일하게 유지되도록 가열로의 온도를 설정한다. 이 경우 블랭크(B')의 목표 온도(Tt)는 Ac3 이상일 수 있다. 바람직하게는 블랭크(B')의 목표 온도(Tt)는 930°C일 수 있다. 더욱 바람직하게는 블랭크(B')의 목표 온도(Tt)는 950°C일 수 있다.

단일 가열 단계에서의 블랭크(B')의 온도는, 다단 가열 단계에서의 블랭크(B)의 온도에 비해 목표 온도(Tt)에 더 빨리 도달할 수 있다. 예를 들어, 단일 가열 단계에서 블랭크(B')의 승온 속도는 다단 가열 단계 블랭크(B)의 승온 속도에 비해 약 2°C/s 이상 빠를 수 있다. 단일 가열 단계는 다단 가열 단계에 비해 목표 온도(Tt)에 빨리 도달하기 때문에 단일 가열 단계의 균열 시간(ET2)은 다단 가열 단계의 균열 시간(ET1) 보다 길게 형성될 수 있다. 단일 가열 단계의 경우와 같이 균열 시간(ET2)이 길어지면 입계(grain boundary)의 크기가 균일하게 형성되지 않고, 전술한 결함(defect)이 필요 이상으로 과다하게 형성될 수 있다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서는 다단 가열 방식을 통해 블랭크가 목표 온도(Tt)에 도달하는 시간을 지연시켜 적정한 균열 시간(ET1)을 확보함으로써, 입계 크기의 균일성을 확보하고 적정 수준의 결함이 형성되도록 제어할 수 있다. 따라서, 다단 가열 방식을 적용하여 제조된 핫 스탬핑 부품은 사전 설정된 범위의 결함 및 잔류응력을 갖도록 제어할 수 있으며, 상기 사전 설정된 범위 만족 여부는 전술한 잔류응력 분석값을 통해 확인할 수 있다.

다시 도 3을 참조하면, 균열 가열 단계(S130) 이후에 이송 단계(S140), 형성 단계(S150) 및 냉각 단계(S160)가 더 수행될 수 있다.

이송 단계(S140)는 가열된 블랭크를 가열로로부터 프레스 금형으로 이송하는 단계일 수 있다. 가열된 블랭크를 가열로로부터 프레스 금형으로 이송하는 단계에 있어서, 가열된 블랭크는 10초 내지 15초 동안 공랭될 수 있다.

형성 단계(S150)는 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계일 수 있다. 냉각 단계(S160)는 형성된 성형체를 냉각하는 단계일 수 있다.

프레스 금형에서 최종 부품형상으로 성형된 후 성형체를 냉각하여 최종 제품이 형성될 수 있다. 프레스 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 프레스 금형에 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매에 순환에 의해 가열된 블랭크를 급냉시킬 수 있게 된다. 이때, 판재의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 프레스 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급랭을 실시할 수 있다. 즉, 블랭크가 프레스 금형 내에 배치된 상태에서 성형 공정(또는 형성 단계, S150)을 냉각 공정(또는 냉각 단계, S160)을 동시에 수행할 수 있다.

일 실시예로, 가열된 블랭크에 대하여 성형 공정 및 냉각 공정을 수행함에 있어서, 블랭크는 프레스 금형 내에 사전 설정된 시간동안, 예컨대, 2초 내지 25초동안 유지될 수 있다. 또한, 블랭크는 마르텐사이트 변태가 종료되는 온도(Mf 온도)까지 평균 냉각 속도를 15°C/s 이상으로 유지하며 냉각될 수 있다. 이와 같이 냉각 시간을 확보함으로써, 마르텐사이트 조직을 오토템퍼링(auto-tempering)시켜 오토템퍼드(auto-tempered) 마르텐자이트를 얻고 성형된 부품의 뒤틀림을 방지할 수 있는 바, 제품 내부의 잔류응력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

블랭크가 프레스 금형 내에 유지되는 시간이 2초 미만일 경우, 소재의 충분한 냉각이 이뤄지지 않아 제품의 잔존 열과 부위별 온도 편차에 의해 열 변형이 발생할 수 있다. 또한, 블랭크가 프레스 금형 내에 유지되는 시간이 25초를 초과하는 경우, 필요 이상의 결함 및 그로 인한 잔류응력이 발생할 수 있고, 프레스 금형 내 유지 시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다.

일 실시예로, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 의해 제조된 핫 스탬핑 부품의 인장 강도는 1350MPa 이상이고, 활성화 수소량은 0.7wppm 이하일 수 있다.

이하에서는, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예 및 비교예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예 및 비교예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.

시편	XRD값 (MPa)	인장 강도 (MPa)	활성화 수소량 (wppm)
A	-29.4±14.7	1466	0.683
B	-7.6±5.7	1353	0.589
C	-27.0±9.4	1401	0.651
D	-10.8±6.0	1392	0.624
E	-95.3±12.5	1559	0.801
F	-80.7±8.2	1496	0.719
G	-92.6±10.4	1537	0.772
H	-88.5±7.3	1508	0.741
I	-3.8±2.5	1206	0.582
J	-4.7±3.1	1225	0.603

상기 표 1은 시편 A 내지 J 각각에 대하여 XRD값, 인장 강도 및 활성화 수소량을 측정한 결과를 나타낸다.

XRD값은 전술한 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 값이다. XRD값은 시편의 코팅층을 제거하고, 목표 위치(예컨대, 1/4 지점)까지 전해연마 후 X선을 조사하여 구할 수 있다. 또한, 상기 전해연마는 5%의 2-부톡시에탄올(2-Butoxyethanol), 20%의 과염소산(Perchloric acid), 35%의 에탄올(Ethanol) 및 40%의 물(water)을 포함하는 전해연마액으로 수행되었다.

활성화 수소량은 가열 탈가스 분석(thermal desorption spectroscopy) 방법을 이용하여 측정할 수 있다. 가열 탈가스 분석 방법은 시편을 사전 설정된 가열 속도로 가열하여 승온 시키면서, 특정 온도 이하에서 시편으로부터 방출되는 수소량을 측정하는 것으로, 시편으로부터 방출되는 수소는 시편 내에 유입된 수소 중 포획되지 못하고 수소지연파괴에 영향을 주는 활성화 수소로 이해될 수 있다. 즉, 가열 탈가스 분석 결과 측정된 수소의 량이 많으면 포획되지 않은 수소지연파괴를 일으킬 수 있는 활성화 수소가 많이 포함된 것을 의미한다.

구체적으로 표 1의 활성화 수소량은 시편들 각각에 대하여 20°C/min의 가열 속도로 상온에서 500°C까지 승온시키면서 350°C 이하에서 시편으로부터 방출되는 수소량을 측정한 값이다.

시편 A 내지 D는 전술한 공정 조건들을 적용하여 S110 내지 S160 단계를 통해 제조한 핫 스탬핑 부품들이다. 즉, 시편 A 내지 D는 전술한 다단 가열 단계(S120) 및 균일 가열 단계(S130)에 적용된 조건을 적용하고, 냉각 단계(S160)에서 블랭크를 마르텐사이트 변태가 종료되는 온도(Mf 온도)까지 평균 냉각 속도 15°C/s 이상을 적용하고, 프레스 금형 내에 2초 내지 25초동안 유지하여 제조된 시편들이다.

이에 따라 시편 A 내지 D는 잔류응력 분석값인 XRD값의 크기가 5MPa 이상 70MPa 이하를 만족하고, 인장 강도가 1350MPa 이상이며, 활성화 수소량이 0.7wppm 이하인 것을 확인할 수 있다. 즉, 전술한 공정 조건들을 적용하여 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어함으로써, 적정한 수준의 인장 강도 및 수소 취성을 확보되었다.

반면에, 시편 E 내지 J는 전술한 공정 조건들 중 적어도 일부가 상이한 공정 조건을 적용하여 제조한 핫 스탬핑 부품들이다.

시편 E 내지 H의 경우, 측정된 XRD값의 크기가 70MPa을 초과한다. 즉, 시편 E 내지 H 내부에는 결함이 필요 이상으로 존재하며 그로 인한 잔류응력이 지나치게 큰 것을 알 수 있다. 이에 따라 시편 E 내지 H 각각의 인장 강도는 1350MPa 이상을 만족하는 반면, 활성화 수소량은 0.7wppm을 초과하여 수소 취성이 저하된 것을 확인할 수 있다.

시편 I 및 J의 경우, 측정된 XRD값의 크기가 5MPa에 미달한다. 즉, 시편 I 및 J 내부에는 결함이 필요한 수준보다 적게 존재하며 그로 인한 잔류응력이 지나치게 작은 것을 알 수 있다. 이에 따라 시편 I 및 J 각각의 활성화 수소량은 0.7wppm 이하를 만족하는 반면, 인장 강도는 1350MPa에 미달하는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것 이다.

10: 강판
C1: 제1철계 탄화물
C2: 제2철계 탄화물

Claims (20)

1. 잔류응력 분석값이 사전 설정된 조건을 만족하는 핫 스탬핑 부품에 있어서,
   상기 잔류응력 분석값은 X선 회절 분석(XRD; X-ray diffraction)으로 잔류응력을 수치화한 XRD값이고,
   상기 사전 설정된 조건은 상기 XRD값의 크기가 5MPa 이상 70MPa 이하이고,
   상기 핫 스탬핑 부품은,
   80% 이상의 면적분율을 갖는 마르텐사이트 상; 및
   상기 마르텐사이트 상 내부에 위치하고, 상기 마르텐사이트 상 기준 5% 미만의 면적분율을 갖는 철계 탄화물;
   을 구비하는, 핫 스탬핑 부품.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 철계 탄화물은 침상 형태이고,
   상기 침상 형태는 지름이 0.2㎛ 미만이고, 길이가 10㎛ 미만인, 핫 스탬핑 부품.
4. 제1항에 있어서,
   상기 마르텐사이트 상은 라스(lath) 상을 포함하고,
   상기 철계 탄화물은 상기 라스 상의 길이 방향과 수평한 제1철계 탄화물과, 상기 라스 상의 길이 방향과 수직한 제2철계 탄화물을 포함하고,
   상기 제1철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율은 상기 제2철계 탄화물의 상기 철계 탄화물 기준 면적분율보다 큰, 핫 스탬핑 부품.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1철계 탄화물은,
   상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 0° 이상 20° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 이상인, 핫 스탬핑 부품.
6. 제4항에 있어서,
   상기 제2철계 탄화물은,
   상기 라스 상의 길이 방향과 이루는 각도가 70° 이상 90° 이하이고, 상기 철계 탄화물 기준 면적분율이 50% 미만인, 핫 스탬핑 부품.
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