KR102450752B1 - 금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재, 이러한 복합재를 포함하는 부품, 및 이의 용도 - Google Patents

금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재, 이러한 복합재를 포함하는 부품, 및 이의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재(1, 100, 200)에 관한 것으로, 복합재(1, 100, 200)에 중간층을 형성하고 제1 강 재료(3, 103, 203)를 포함하는 제1 코어층(2), 제1 강 재료(3, 103, 203)와 다른 제2 강 재료(6, 106, 206)를 포함하는 제2 도금층(4) 및, 제1 강 재료(3, 103, 203)와 다른 제3 강 재료(7, 107, 207)를 포함하는 제3 도금층(5)을 갖고, 이 경우 제2 및 제3 도금층(5)은 코어층(2)의 마주 놓인 측면(21, 22)에 압연 도금되어 제공되고, 복합재(1, 100, 200)에 2개의 외부 층을 형성하고, 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)가 일정할 때 코어층(2)의 제1 강 재료(3, 103, 201)의 코어층 두께(k)는 복합재(1, 100, 200)의 폭(8)에 걸쳐 변한다. 뛰어난 기계적 특성을 가능하게 하기 위해, 코어층(2)의 제1 강 재료(3, 103, 203)는 연속적으로 복합재(1, 100, 200)의 전체 폭(6)에 걸쳐 연장되어 형상 경화될 수 있으며, 도금층들(4, 5)의 제2 및/또는 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 도금층 두께(p)에서 코어층 두께(k)의 변화를 반대로 따르며, 제2 및 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 제1 강 재료(3, 103, 203)보다 낮은 탄소 함량을 갖는다.

Description

금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재, 이러한 복합재를 포함하는 부품, 및 이의 용도
본 발명은, 복합재에 중간층을 형성하고 제1 강 재료를 포함하는 제1 코어층, 제1 강 재료와 다른 제2 강 재료를 포함하는 제2 도금층 및, 제1 강 재료와 다른 제3 강 재료를 포함하는 제3 도금층을 갖고, 상기 제2 및 제3 도금층은 코어층의 마주 놓인 측면에 압연 도금되어 제공되고, 복합재에 2개의 외부 층을 형성하고, 상기 복합재의 두께가 일정할 때 코어층의 제1 강 재료의 코어층 두께는 복합재의 폭에 걸쳐 변하는, 금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재에 관한 것이다.
3층 복합재에 그 폭에 걸쳐 다양한 기계적 및/또는 기술적 특성을 부여하기 위해, 선행 기술(DE10258824B2, EP2613896B1)에, 적어도 코어층의 강 재료의 코어층 두께가 복합재의 폭에 걸쳐 변하도록, 복합재의 코어 층의 폭에 걸쳐 교대로 상이한 강 재료를 제공하는 것이 공개되어 있다. 이를 위해, 다양한 강 스트립들이 나란히 배치되고, 상기 강 스트립들은 2개의 도금층 사이에 제공되어 상호의 압연 도금 방법에 의해 결합된다. 도금층은 코어의 강 스트립과 다른 강 합금을 포함할 수 있다. 압연 도금에 의한 결합에도 불구하고, 코어 층에서 인접하는 강 재료들 사이에 예상외로 약한 연결이 발생할 수 있는 것이 단점으로 밝혀졌다. 그러므로 복합재의 기계적 강도가 만족스럽지 않을 것으로 예상된다. 따라서 이러한 복합재는 차량 구조, 특히 차체에 적합하지 않거나 또는 제한적으로만 적합하다. 강 재료에 적합한 합금 선택 및/또는 압연 도금 시 좁은 프로세스 윈도우에 의해, 이러한 단점을 저지할 수 있지만, 이로 인해 복합재의 제조 비용이 높아지거나 상기 복합재의 보편적 사용 가능성이 줄어들 수 있다.
또한, 고강도의 강 재료로 이루어진 코어 층과 저강도의 강 재료로 이루어진 외부 도금층들 사이에 상이한 강도의 복수의 강 재료로 이루어진 각각의 중간층을 갖는 5층 복합재가 선행 기술(DE102014114365A1)에 공개되어 있다. 이러한 5층 복합재는 비교적 복잡하게 압연 도금될 수 있고 따라서 비용이 많이 든다. 또한, 상기 복합재는 형상 경화에 추가로 사용하는 경우 좁은 프로세스 윈도우를 필요로 하며, 이는 복합재의 취급에 바람직하지 않은 영향을 미친다.
따라서 본 발명의 과제는, 3층 복합재가 높은 기계적 강도로 인해 차량 구조에 확실하게 적합하도록, 전술한 방식의 변하는 코어층 두께를 갖는 압연 도금에 의해 제조된 3층 복합재를 개선하는 것이다.
상기 과제는, 코어층의 제1 강 재료가 연속적으로 복합재의 전체 폭에 걸쳐 연장되어 형상 경화될 수 있고, 이 경우 도금층들의 제2 및/또는 제3 강 재료는 도금층 두께에서 코어층 두께의 변화를 반대로 따르고, 제1 강 재료보다 낮은 탄소 함량을 가짐으로써 해결된다.
코어 층의 제1 강 재료가 연속적으로 복합재의 전체 폭에 걸쳐 연장되어 상기 강 재료가 형상 경화될 수 있는 경우에, 코어 코드의 방식으로 복합재의 적어도 최소한의 기계적 강도를 보장할 수 있는 영역이 코어층 내에 형성될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 복합재는 예를 들어 차량 구조의 부품에 의해 요구되는 기계적 강도를 확실하게 충족할 수 있다. 또한, 이러한 형상 경화성 코어 코드는 그 자체가 약화된 고정 결합을 - 예를 들어 이것은 선행 기술에서 나란히 제공된 강 재료들의 접합면에서 발생하고 - 배제하기 때문에, 이에 대해 도금층들의 제2 및/또는 제3 강 재료가 도금층 두께에서 코어층 두께의 변화를 반대로 따르고 제1 강 재료보다 낮은 탄소 함량을 갖는 경우에, 복합재는 안전하게 압연 도금될 수 있다. 또한, 탄소 함량에 의해 복합재의 연성 거동이 조절될 수 있고, 이는 복합재의 다양한 이용 가능성에 바람직할 수 있다. 또한, 복합재의 일정한 두께는 제2 및/또는 제3 강 재료의 반대로 따르는 두께 보상에 의해 보장될 수 있으며, 이는 복합재의 추가적인 성형 공정에도 긍정적으로 작용할 수 있다. 특히, 이것은 복합재의 폭에 걸쳐 실질적으로 동일한 탄성 계수로 인해 복합재의 형상 경화 또는 프레스 경화 시 재현 가능하게 제조될 수 있는 부품을 보장할 수 있다.
도금층들의 제2 및 제3 강 재료가 그 도금층 두께에서 코어층 두께의 변화를 반대로 따르는 경우에, 복합재는 더욱 개선될 수 있다.
바람직하게 코어층은 대칭으로 구성되고, 이로써 복합재는 형상 경화 또는 프레스 경화에 있어 간단한 취급을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는 코어층 및 2개의 도금층의 강 재료의 탄소 함량은 0.8 질량% 보다 작다.
제1 강 재료가 더욱 고강도의 형상 경화성 또는 고강도의 형상 경화성 강 합금인 경우에, 특히 기계적으로 안정한 코어층이 형성될 수 있다.
이를 위해 바람직하게 제1 강 재료로서 망간-붕소-강, 특히 20MnB8, 22MnB5 또는 32MnB5 강이 바람직할 수 있다.
바람직하게는 제1 강 재료로서,
0.08 내지 0.6 질량% 탄소(C),
0.8 내지 3.0 질량% 망간(Mn),
0.01 내지 0.07 질량% 알루미늄(Al),
0.01 내지 0.5 질량% 규소(Si),
0.02 내지 0.6 질량% 크롬(Cr),
0.01 내지 0.08 질량% 티타늄(Ti),
< 0.02 질량% 질소(N),
0.002 내지 0.02 질량% 붕소(B),
< 0.01 질량% 인(P),
< 0.01 질량% 황(S),
< 1 질량% 몰리브덴(Mo), 및 나머지로서 철 및 용융에 의한 불순물을 포함하는 강 합금이 적합하다. 제1 강 재료로서,
0.08 내지 0.30 질량% 탄소(C),
1.00 내지 3.00 질량% 망간(Mn),
0.03 내지 0.06 질량% 알루미늄(Al),
0.01 내지 0.20 질량% 규소(Si),
0.02 내지 0.3 질량% 크롬(Cr),
0.03 내지 0.04 질량% 티타늄(Ti),
< 0.007 질량% 질소(N),
0.002 내지 0.006 질량% 붕소(B),
< 0.01 질량% 인(P),
< 0.01 질량% 황(S),
< 1 질량% 몰리브덴(Mo), 및 나머지로서 철 및 용융에 의한 불순물을 포함하는 강 합금도 고려될 수 있다.
제1 강 재료가 0.8 중량% 이상의 Mn 함량을 포함하는 경우에, 특히 기계적으로 안정한 코어 층이 형성될 수 있다.
제2 및/또는 제3 강 재료가 미세합금 강, 예를 들어 HC460LA, HC500LA 또는 HC340LA 강인 경우에, 복합재의 연성은 증가할 수 있다. 또한, IF-강, 예를 들어 HC220Y 강이 고려될 수 있다.
바람직하게는, 제2 및 제3 강 재료는, 예를 들어 성형 시 복합재의 취급을 용이하게 하기 위해, 동일한 강 타입으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 및 제3 강 재료는 HC220Y 강 또는 HC460LA 강일 수도 있다.
제1 강 재료가 20MnB8 강이고 제2 및 제3 강 재료가 HC220Y 강인 경우에, 바람직할 수 있다. 대안으로서, 제1 강 재료가 32MnB5 강이고 제2 및 제3 강 재료가 HC460LA 강인 경우에, 바람직할 수도 있다. 이러한 강 조합으로 기계적 파라미터와 관련해서 복합재의 층들이 서로에 대해 추가로 매칭될 수 있고, 이로써 예를 들어 복합재의 성형- 및/또는 파괴 거동을 개선할 수 있다.
바람직하게 복합재의 두께는 0.5 내지 3 mm, 예를 들어 1 내지 2 mm이다.
바람직하게 코어층 두께는 복합재 두께의 30 내지 90%, 예를 들어 50 내지 85%이고, 이로써 복합재의 가능한 한 높은 강도와 동시에 연성이 최적화될 수 있다.
도금층 두께에서 변화하는 코어층 두께를 반대로 따르는 강 재료를 갖는 도금층과 코어층 사이의 경계 윤곽이 변화하는 코어층 두께의 이러한 윤곽 영역에서 비스듬하게 연장되는 경우에, 층들의 상이한 두께 사이의 비교적 균일한 이행부가 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 복합재는 성형 공정, 예를 들어 프레스 경화 디프드로잉을 위한 플레이트에 특히 적합할 수 있다. 이는, 특히 연속적인 코어층에 기초한다. 본 발명에 따른 형상 경화된 플레이트로 이루어진 차량 구조를 위한 부품은 최상의 기계적 특성을 보장할 수 있다.
본 발명에 따른 형상 경화된 복합재는 차량 구조, 예를 들어 차체에 특히 적합할 수 있다.
도면에 예를 들어 본 발명의 대상이 여러 변형 실시예에 기초해서 도시된다.
도 1은 넓은 측면을 따라 커팅된 복합재를 제1 실시예에 따라 도시한 3D 도면.
도 2는 다른 복합재를 제2 실시예에 따라 도시한 측면도.
도 3은 추가 복합재를 제3 실시예에 따라 도시한 측면도.
도 1에 따라 3층의 강 재료로 형성된 복합재(1)가 도시된다. 따라서 제1 강 재료(3)로 이루어진 코어층(2)이 중간층으로서 도시되고, 상기 코어층은 양측면에 각각 제1 도금층(3)과 제2 도금층(4)을 갖고, 상기 도금층들은 복합재(1)에 2개의 외부 층을 형성한다. 이러한 2개의 도금층(4, 5)은 각각 강 재료(6, 7)로 이루어지고, 상기 2개의 강 재료(6, 7)는 제1 강 재료(3)보다 낮은 탄소 함량을 갖는다.
코어층(2)의 제1 강 재료(3)의 코어층 두께(k)는, 도 1의 상이한 코어층 두께(k1, k2)에 의해 도시된 바와 같이, 복합재(1)의 폭(8)에 걸쳐 변화한다.
본 발명에 따라 코어층(2)의 제1 강 재료(3)는 연속적으로 복합재(1)의 전체 폭(8)에 걸쳐 연장되고, 또한 예를 들어 0.8 중량% 이상의 Mn 함량을 갖는 강 합금이 사용됨으로써 형상 경화성일 수 있다. 형상 경화성 또는 프레스 경화성 제1 강 재료(3)로서 하기 합금 조성(모든 표시는 질량%):
Figure 112018120822200-pct00001
을 갖고 나머지로서 철과 용융에 의한 불순물을 포함하는 제1 강 재료가 적합하고, 특히 합금 원소 붕소, 망간 그리고 선택적으로 크롬 및 몰리브덴은 이러한 강에서 변환 지연제로서 사용된다. 다른 망간-붕소-강, 예를 들면, 22MnB5 또는 32MnB5 타입이 고려될 수도 있다. 따라서 코어층(2)은 특히 압연 도금 시 결합을 위해 준비되고, 도금 또는 도금층(6, 7)과 각각 안정한 결합을 형성할 수 있다.
또한, 복합재(1)의 중앙에서 볼 수 있는 바와 같이, 도금층들(4, 5)의 제3 강 재료(7)는 도금층 두께(p)에서 코어층 두께(k)의 변화를 반대로 따른다. 이 경우, 도금층 두께(p1) 또는 코어층 두께(k1)와 도금층 두께(p2) 또는 코어층 두께(k2) 사이의 이행부에서 볼 수 있는 바와 같이, 윤곽 영역(90)은 2개의 층 사이에서 경계 윤곽(9)을 비스듬하게 연장시킨다. 비스듬하게 연장되는 이러한 윤곽 영역(90)은 비교적 균일한 이행부를 형성하고, 3층 복합재(1)에 바람직한 기계적 특성을 유도한다.
제3 강 재료(7)의 탄소 함량은 또한 제1 강 재료(3)의 탄소 함량보다 낮고, 바람직하게는 제2 및 제3 강 재료(6, 7)는 동일한 합금이고, HC340LA 타입의 강 재료로 이루어진다. 또한, HC220Y 강이 고려될 수 있다.
따라서, 제2 및 제3 강 재료(6, 7)와 조합된 코어층(2)의 제1 강 재료(3)는, 복합재(1)가 차량 구조의 부품에 의해 요구되는 기계적 특성값을 충족할 수 있는 것을 보장한다.
도 2에 따라 다른 3층 복합재(100)가 도시되고, 상기 복합재의 코어층(2)과 도금층들(4, 5)은 도 1에 따라 도시된 복합재(1)와 다르게 변화한다. 여기에서 코어층(2)의 제1 강 재료(103)의 코어층 두께(k)는 복합재(100)의 폭(8)에 걸쳐 여러 번 변화하여 부분적으로 오목한 비드형의 영역들(110)을 형성한다. 도금층들(4, 5)의 제2 및/또는 제3 강 재료(106, 107)는 도금층 두께(p)에서 코어층 두께(k)의 변화를 반대로 따른다. 여기에서도 경계 윤곽(9)은 변하는 코어층 두께(k)의 윤곽 영역(90)에서 비스듬하게 연장된다.
도 3에 따라 추가 3층 복합재(300)가 도시되고, 상기 복합재의 코어층(2)은 다른 실시예들과 달리 대칭으로 구성된다. 여기에서도 코어층(2)의 제1 복합재(203)의 코어층 두께(k)가 변화하고, 제2 또는 제3 도금층(4, 5)의 제2 및 제3 강 재료(206, 207)는 상기 변화를 반대로 따른다. 여기에서도 경계 윤곽(9)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 변화하는 코어층 두께(k)의 윤곽 영역(90)에서 비스듬하게 연장된다.

Claims (22)

  1. 금속 시트 또는 스트립 형태의 3층 복합재로서, 복합재(1, 100, 200)에 중간층을 형성하고 제1 강 재료(3, 103, 203)를 포함하는 제1 코어층(2), 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)와 다른 제2 강 재료(6, 106, 206)를 포함하는 제2 도금층(4) 및, 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)와 다른 제3 강 재료(7, 107, 207)를 포함하는 제3 도금층(5)을 갖고, 상기 제2 및 제3 도금층(5)은 상기 코어층(2)의 마주 놓인 측면(21, 22)에 압연 도금되어 제공되고 상기 복합재(1, 100, 200)에 2개의 외부 층을 형성하며, 상기 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)가 일정할 때 상기 코어층(2)의 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)의 코어층 두께(k)가 상기 복합재(1, 100, 200)의 폭(8)에 걸쳐 변하는 상기 복합재에 있어서, 상기 코어층(2)의 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는 상기 복합재(1, 100, 200)의 전체 폭(8)에 걸쳐 연속적으로 연장되고 형상 경화될 수 있으며, 상기 도금층들(4, 5)의 상기 제2 및/또는 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 도금층 두께(p)에서 코어층 두께(k)의 변화를 반대로 따르며, 상기 제2 및 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)보다 낮은 탄소 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도금층들(4, 5)의 상기 제2 및 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 그 도금층 두께(p)에서 코어층 두께(k)의 변화를 반대로 따르는 것을 특징으로 하는 복합재.
  3. 제2항에 있어서, 상기 코어층(2)은 대칭으로 구성되는 것을 특징으로 하는 복합재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어층(2) 및 2개의 도금층(4, 5)의 강 재료(3, 6, 7, 103, 106, 107, 203, 206, 207)의 탄소 함량은 0.8 질량%보다 작은 것을 특징으로 하는 복합재.
  5. 삭제
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는 망간-붕소-강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는
    0.08 내지 0.6 질량%의 탄소(C),
    0.8 내지 3.0 질량%의 망간(Mn),
    0.01 내지 0.07 질량%의 알루미늄(Al),
    0.01 내지 0.5 질량%의 규소(Si),
    0.02 내지 0.6 질량%의 크롬(Cr),
    0.01 내지 0.08 질량%의 티타늄(Ti),
    < 0.02 질량%의 질소(N),
    0.002 내지 0.02 질량%의 붕소(B),
    < 0.01 질량%의 인(P),
    < 0.01 질량%의 황(S),
    < 1 질량%의 몰리브덴(Mo), 및
    나머지로서 철 및 용융에 의한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는,
    0.08 내지 0.30 질량%의 탄소(C),
    1.00 내지 3.00 질량%의 망간(Mn),
    0.03 내지 0.06 질량%의 알루미늄(Al),
    0.01 내지 0.20 질량%의 규소(Si),
    0.02 내지 0.3 질량%의 크롬(Cr),
    0.03 내지 0.04 질량%의 티타늄(Ti),
    < 0.007 질량%의 질소(N),
    0.002 내지 0.006 질량%의 붕소(B),
    < 0.01 질량%의 인(P),
    < 0.01 질량%의 황(S),
    < 1 질량% 몰리브덴(Mo), 및
    나머지로서 철 및 용융에 의한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합재.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는 0.8 중량% 이상의 Mn 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 복합재.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 및/또는 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 미세합금 강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 및 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 동일한 강 타입으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합재.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 강 재료는 20MnB8 강이고 제2 및 제3 강 재료는 HC220Y 강이거나, 또는 제1 강 재료는 32MnB5 강이고 제2 및 제3 강 재료는 HC460LA 강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)는 0.5 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 복합재.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어층 두께(k)는 상기 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)의 30 내지 90%인 것을 특징으로 하는 복합재.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 코어층(2)과 도금층(5) 사이의 경계 윤곽(9)은 변화하는 코어층 두께(k)의 이러한 윤곽 영역(90)에서 비스듬하게 연장되고, 상기 도금층의 강 재료(7, 107, 106, 206, 207)는, 도금층 두께(p)에서, 변화하는 코어층 두께(k)를 반대로 따르는 것을 특징으로 하는 복합재.
  16. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 복합재(1, 100, 200)를 포함하는 형상 경화된 플레이트로 이루어진 차량 구조용 부품.
  17. 제16항에 따른 부품을 구비한 차량 구조.
  18. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 강 재료(3, 103, 203)는 20MnB8, 22MnB5 또는 32MnB5 강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  19. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 및/또는 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 HC460LA, HC500LA 또는 HC340LA 강, 또는 IF-강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  20. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 및/또는 제3 강 재료(6, 7, 106, 107, 206, 207)는 HC220Y 강인 것을 특징으로 하는 복합재.
  21. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)는 1 내지 2 mm인 것을 특징으로 하는 복합재.
  22. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 코어층 두께(k)는 상기 복합재(1, 100, 200)의 두께(d)의 50 내지 85%인 것을 특징으로 하는 복합재.
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