KR102510214B1 - 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법 - Google Patents

액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 부품을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재; 상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층;을 포함한다.

Description

액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법{Hot stamping galvanized iron steel, hot stamping product having iron-nickel alloy layer to prevent liquid metal embrittlement and method of manufacturing the same}
본 발명은 핫스탬핑 강재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
지구 환경 대응, 차량 연비개선, 및 안전 기준 확보를 위하여 차량 경량화와 고강도화는 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. 현재 핫스탬핑이 적용된 자동차 부품 비율은 꾸준히 증가하는 추세이다. 용융아연도금 강재를 핫스탬핑 강재로서 형성하는 경우에, 아연에 의한 액체금속취성(LME)에 의하여 인장강도와 같은 기계적 물성이 저하될 수 있다.
한국특허출원번호 제10-2018-0047388호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재; 상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재; 상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층;을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 부품은, 항복강도(YS): 950 MPa 이상, 인장강도(TS): 1350 MPa 이상, 및 연신율(EL): 4% 이상을 만족할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 모재는 마르텐사이트를 95% ~ 100%의 분율로 포함하고, 상기 철-니켈 합금층은 표층으로부터 3 μm ~ 20 μm의 범위의 깊이에서 오스테나이트를 50% ~ 100%의 분율로 포함하고, 나머지 분율은 페라이트 또는 마르텐사이트일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철-니켈 합금층은 3 μm ~ 20 μm의 두께를 가지는 오스테나이트 층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 철-니켈 합금층은 오스테나이트 층의 두께에 비하여 작은 크랙 전파길이를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계; 상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용융아연도금강판을 제조하는 단계는, 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 450℃ ~ 470℃의 온도의 용융아연 도금욕에 침지하여 수행하고, 상기 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 용융아연도금강판을 합금화 열처리하여 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계는, 상기 용융아연도금강판을 460℃ ~ 600℃의 온도에서 합금화 열처리하여 수행하고, 상기 합금화 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 니켈층을 형성하는 단계는, 편면 기준 300 mg/m2 ~ 1000 mg/m2 의 도금량으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열연강판을 제조하는 단계는, 상기 강재를 1,180℃ ~ 1,250℃의 재가열 온도에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강재를 840℃ ~ 860℃의 마무리압연 종료온도로 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 권취하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계; 상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계; 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계; 및 상기 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑하는 단계는, 상기 용융아연도금강판을 3℃/초 이상의 승온속도로 880℃ ~ 930℃로 가열하는 단계; 가열된 상기 용융아연도금강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 냉연강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 30℃/초 이상의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함하고, 상기 핫스탬핑하는 단계를 수행하여 얻은 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계; 상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계; 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계; 상기 용융아연도금강판을 합금화 열처리하여 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계; 및 상기 합금화 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 핫스탬핑하는 단계는, 상기 합금화 용융아연도금강판을 3℃/초 이상의 승온속도로 880℃ ~ 930℃로 가열하는 단계; 가열된 상기 합금화 용융아연도금강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 냉연강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및 상기 성형체를 30℃/초 이상의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함하고, 상기 핫스탬핑하는 단계를 수행하여 얻은 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 부품을 제공하는 것이며, 소둔 열처리 전 전기도금에 의하여 강재 모재의 표면에 형성된 니켈이, 소둔 열처리에 의하여 강재 모재의 내부로 확산하여 형성된 니켈-철 합금층이 강재의 표면에 니켈에 의하여 안정화된 오스테나이트 층을 유지한다, 이에 따라, 핫스탬핑 열처리 시에 용해된 용융 아연이 핫스탬핑의 열간 성형 시 입계로 침입하여, 입계 주변에 아연이 확산되어 철-아연에 의한 페라이트 변태 및 이에 의한 입계 취화 현상을 억제할 수 있도록 페라이트 상변태를 억제함으로써, 액체금속취성을 방지할 수 있다. 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재는 상기 철-니켈 합금층을 포함함으로써, 크랙 발생 빈도를 감소시킬 수 있고, 더불어 발생된 크랙의 전파를 억제할 수 있고, 이에 따라 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 알루미늄-실리콘 도금재 대비하여 아연의 우수한 희생방식 능력에 의해 도금층 손상부(예를 들어, 치핑부)에서도 도금층이 모재를 보호할 수 있는 내식성을 보장할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 철-니켈 합금층의 기능을 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 X-회절 패턴을 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 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재, 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 명세서에서, 핫스탬핑을 수행하기 전의 강재를 핫스탬핑 용융아연도금 강재로 지칭하기로 한다. 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재는 용융아연도금 강재와 합금화 용융아연도금 강재를 포함한다. 또한, 상기 강재를 핫스탬핑을 수행한 후의 제품을 핫스탬핑 부품으로 지칭하기로 한다.
상기 액체금속취성(liquid metal embrittlement, LME)는 철, 구리, 알루미늄 등과 같은 연성 금속이 아연, 갈륨, 비스무트, 수은 등과 같은 저융점 금속과 접촉한 경우 발생하는 취성과 이에 기인한 파괴를 의미한다.
용융아연도금 강재에서 형성된 액상 아연이 고온에서 용접 전극의 하중이 발생하는 영역에서 모재의 입계를 따라 침투하여 모재의 강도가 급격하게 저하될 수 있다. 액체금속취성에 의하여 발생한 크랙의 주변에 모재 방향으로 확산한 아연에 의하여 고온에서 오스테나이트가 페라이트(아연 포함)로 상변태하게 되면, 취성 특성을 가지는 페라이트에 의하여 크랙의 성장속도가 가속될 수 있다. 이러한 경향은 오스테나이트 상이 많을수록 민감하게 된다. 즉, 잔류 오스테나이트 계면에 아연이 확산되어 페라이트 상으로 변태되는 것이 액체금속취성 경향을 촉진시키게 된다. 따라서, 액체금속취성을 방지하기 위하여는 잔류 오스테나이트 양을 감소시키는 것이 하나의 방법이 될 수 있다.
반면, 액체금속취성을 방지하는 다른 방법으로는, 오스테나이트 상의 안정화를 증가시켜 핫스탬핑의 열간 성형 시 페라이트 변태를 억제하는 것이다. 니켈은 오스테나이트 안정화 원소로서, 니켈을 함유하는 경우에는 오스테나이트로부터 페라이트로의 변태를 억제할 수 있다.
따라서, 본 발명의 기술적 사상에 따르면, 강재의 표면에 니켈층을 형성하여, 아연도금층으로부터 확산되는 아연에 의한 액체금속취성 크랙의 성장속도를 감소시킬 수 있다. 강재의 표층의 오스테나이트의 안정도를 강화하기 위해서 냉간압연 후 소둔 열처리 전에 니켈 플래시 도금을 이용하여 니켈층을 형성하고, 이후 소둔 열처리와 핫스탬핑 가열 중에 상기 강재의 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성할 수 있다. 상기 니켈은 매우 강한 오스테나이트 안정화 원소이므로, 아연도금층으로부터 확산된 아연에 의해서 페라이트 상변태를 방지하게 된다.
이와 같이 니켈에 의하여 안정화된 오스테나이트는 핫스탬핑 성형 후 냉각하여도 마르텐사이트로 변태하지 않고 존재할 수 있다. 따라서, 최종 핫스탬핑 부품의 표면에, 예를 들어 3 μm ~ 20 μm의 두께를 가지는 오스테나이트 층을 형성할 수 있다.
즉, 본 발명의 기술적 사상은 강재의 표면에 니켈에 의하여 안정화된 오스테나이트 층을 유지하여 페라이트 상변태를 억제함으로써, 액체금속취성을 방지하는 것이다.
이하, 본 발명의 일 측면인 액체금속취성을 방지하는 철-니켈 합금층을 포함한 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품에 대하여 설명한다.
핫스탬핑 부품
본 발명의 일 측면인 핫스탬핑 부품은, 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재; 상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층;을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 핫스탬핑 부품에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.19% ~ 0.33%
탄소는 마르텐사이트 및 베이나이트와 같은 경질상을 형성하여 1.5 GPa 급 마르텐사이트 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 탄소의 함량이 0.19% 미만인 경우에는, 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 탄소의 함량이 0.33%를 초과하는 경우에는, 취성이 발생할 수 있고, 굽힘 성능이 저감될 수 있다. 따라서, 탄소는 강재 전체 중량의 0.19% ~ 0.33%로 첨가하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%
실리콘은 제강 중에 강재 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되고, 고용강화에도 유효한 성분이다. 또한, 실리콘은 세멘타이트의 형성을 억제하고, 탄화물의 조대화를 억제할 수 있다. 실리콘의 함량이 0.40%를 초과하는 경우에는, 압연 시 압연 부하가 증가되고, 열간압연 후 붉은형 스케일의 형성이 과다하게 되고, 도금 품질이 저하될 수 있다. 따라서, 실리콘은 강재 전체 중량의 0.10% ~ 0.50%로 첨가하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%
망간은 열처리시 소입성 증가와 고용 강화하여 강도 및 인성을 향상시킬 목적으로 첨가한다. 또한, 페라이트 변태나 베이나이트 변태를 억제하여 마르텐사이트를 생성시켜, 인장강도를 상승시키는 원소이다. 그러나, 망간은 황과 결합하여 MnS 석출물을 형성하게 되므로, 망간 편석대를 최적화하기 위하여 함량을 제어할 필요가 있다. 망간의 함량이 1.10% 미만인 경우에는, 소입성 미달로 핫스탬핑 후 경질상 분율이 부족하게 될 수 있다. 망간의 함량이 1.60%를 초과하는 경우에는, 망간편석, 밴드 등 불균질 미세조직 발생할 수 있고, 굽힘성 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 망간은 강재 전체 중량의 1.10% ~ 1.60%로 첨가하는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%
티타늄은 TiN으로 석출되어 재가열 시 오스테나이트의 결정립 성장을 억제함으로써 고강도 및 우수한 충격인성을 얻을 수 있게 하며 또한 TiC 등으로 석출되어 강을 강화하는 역할을 한다. 또한, 50도 이상의 V-벤딩을 확보하고, DSA 성능을 확보하기 위하여 첨가된다. 티타늄의 함량이 0.02% 미만인 경우에는, 티타늄 첨가 효과가 불충분하다. 티타늄의 함량이 0.04%를 초과하는 경우에는, 석출물이나 정출물이 조대화되어, 연신율, 저온인성, 및 굽힘성 특성이 저하될 수 있다. 따라서, 티타늄은 강재 전체 중량의 0.02% ~ 0.04%로 첨가하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%
크롬은 경화능이 큰 원소로서 변태강화를 통한 강도증가를 위해 첨가된다. 크롬은 페라이트 변태나 베이나이트 변태를 억제하여 마르텐사이트를 생성시켜 강의 인장강도 상승시킨다. 크롬의 함량이 0.10% 미만인 경우에는, 크롬 첨가 효과가 불충분하다. 크롬의 함량이 0.60%를 초과하는 경우에는, 인성이 저하되고 원가가 상승할 수 있다. 따라서, 크롬은 강재 전체 중량의 0.10% ~ 0.60%로 첨가하는 것이 바람직하다.
보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%
보론은 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 저온상 조직을 확보하고, 소입성 고강도 및 소입성 확보할 수 있다. 보론의 함량이 0.0008% 미만인 경우에는, 보론 첨가 효과가 불충분하다. 보론의 함량이 0.0050%를 초과하는 경우에는, 경질상의 입계 취성이 발생하여, 고인성 및 굽힘성을 확보하지 못할 수 있다. 따라서, 보론은 강재 전체 중량의 0.0008% ~ 0.0050%로 첨가하는 것이 바람직하다.
인(P): 0% 초과 ~ 0.02%
인은 강도 향상 및 점용접성 향상에 일부 기여하나, 인성을 저하시키고, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 따라서, 인은 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 따라서, 인은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 점용접성을 향상시키기 위하여는, 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S): 0% 초과 ~ 0.01%
황은 인과 함께 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소로서, 청정도와 연신 개재물을 제어하며, MnS 와 같은 비금속개재물을 형성하고, 저융점 원소로서 입계 편석 가능성이 높아 인성을 저하시킨다. 황의 함량이 0.01%를 초과하면 모재 및 용접부 인성을 크게 저하시킬 수 있고, MnS을 과도하게 형성할 수 있다. 따라서, 황은 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 0.002% 이하로 포함시에는 연신 개재물이 존재하지 않을 수 있다.
질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm
질소(N)는 불가피한 불순물로서 첨가될 수 있고, Ti(C)N과 같은 탄질화물을 형성하며, 그 밀도와 크기를 제어함으로써 결정립을 미세화하는데 기여할 수 있다. 질소의 함량이 20 ppm 미만인 경우에는, Ti(C)N 정출물의 밀도가 감소되어 성능이 미달될 수 있다. 질소의 함량이 50 ppm을 초과하는 경우에는, 고용 질소가 증가하여 강의 충격특성 및 연신율을 저해시키고, 아울러 용접부 인성을 크게 저해할 수 있다. 따라서, 질소는 강재 전체 중량의 20 ppm ~ 50 ppm로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 강재의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 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.
전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 본 발명의 기술적 사상에 따른 제조방법을 통해 형성된 핫스탬핑 부품은, 항복강도(YS): 950 MPa 이상, 인장강도(TS): 1350 MPa 이상, 및 연신율(EL): 4% 이상을 만족할 수 있다. 상기 핫스탬핑 부품은, 항복강도(YS): 950 MPa ~ 1450 MPa, 인장강도(TS): 1350 MPa ~ 1900 MPa, 및 연신율(EL): 4% ~ 10%를 만족할 수 있다.
상기 핫스탬핑 부품에서, 최종 상온 미세조직으로, 상기 모재는 마르텐사이트를 포함할 수 있다. 상기 모재에서, 마르텐사이트의 분율은, 예를 들어 95% ~ 100% 일 수 있고, 나머지 분율은 페라이트 또는 오스테나이트일 수 있다. 예를 들어, 상기 모재는 단상의 마르텐사이트로 구성될 수 있다.
상기 철-니켈 합금층은 표층으로부터 3 μm ~ 20 μm의 범위의 깊이에서 오스테나이트를 포함할 수 있다. 상기 철-니켈 합금층에서, 상기 오스테나이트의 분율은, 예를 들어 50% ~ 100% 일 수 있고, 나머지 분율은 페라이트 및 마르텐사이트일 수 있다.
상기 분율은 상기 핫스탬핑 부품의 미세조직 사진을 이미지 분석기를 통하여 도출한 면적비율을 의미한다.
상기 철-니켈 합금층은, 예를 들어 3 μm ~ 20 μm의 두께를 가지는 오스테나이트 층을 포함할 수 있다.
상기 철-니켈 합금층은 오스테나이트 층의 두께에 비하여 작은 크랙 전파길이를 가질 수 있다. 즉, 상기 철-니켈 합금층은 크랙이 모재로 전파되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 상기 핫스탬핑 부품은 상기 철-니켈 합금층을 포함함으로써, 크랙 발생 빈도를 감소시킬 수 있고, 더불어 발생된 크랙의 전파를 억제할 수 있다. 이에 따라 기계적 특성을 향상시킬 수 있다.
상기 철-니켈 합금층은, 예를 들어 10 μm 이하의 크랙 전파길이를 가질 수 있고, 예를 들어 1 μm ~ 10 μm의 크랙 전파길이를 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 철-니켈 합금층은, 예를 들어 1 μm ~ 5 μm의 크랙 전파길이를 가질 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 기술적 사상에 따른 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기로 한다.
핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 흐름도이다.
본 발명에 따른 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품은 예시적으로 슬라브(slab)일 수 있다. 반제품 상태의 슬라브는 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 확보할 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 열연강판 제조단계(S10); 냉연강판 제조단계(S20); 니켈층 형성단계(S30); 소둔 열처리단계(S40); 용융아연도금단계(S50); 합금화 열처리단계(S60); 및 핫스탬핑 단계(S70);를 포함한다.
구체적으로, 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법은, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계(S10); 상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계(S20); 상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계(S30); 상기 냉연강판을 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계(S40); 및 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계(S50);를 포함한다.
또한, 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법은, 상기 용융아연도금강판을 합금화 열처리하여 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계(S60);를 더 포함할 수 있다.
상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 단계(S10) 내지 단계(S50)를 수행한 후, 상기 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계(S70);를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 단계(S10) 내지 단계(S60)를 수행한 후, 상기 합금화 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계(S70);를 포함하여 구성될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 핫스탬핑 용융아연도금 강재 및 핫스탬핑 부품의 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
열연강판 제조단계(S10)
열연강판 제조단계(S10)는 하기와 같이 수행될 수 있다. 상기 합금 조성을 갖는 강재를 준비하고, 상기 강재를, 예를 들어 1,180℃ ~ 1,250℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)에서 재가열한다. 이러한 재가열을 통해, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있다. 특히, 상기 재가열에 의하여 티타늄이 일부 고용됨으로써 티타늄 탄화물을 확보할 수 있다. 상기 재가열 온도가 1,180℃ 미만인 경우에는, 석출물이 충분히 재고용되지 못하여 열간압연 이후의 공정에서 석출물이 감소하게 되고, 합금원소의 균질화가 이루어지지 않을 수 있다. 상기 재가열 온도가 1,250℃를 초과하는 경우에는, 표면 스케일량이 증가하여 재료의 손실로 이어질 수 있고, 에너지가 낭비될 수 있다.
상기 재가열 후 통상의 방법으로 열간압연을 행하고, 예를 들어 840℃ ~ 860℃의 마무리압연 종료온도(finish delivery temperature, FDT)에서 열간 마무리 압연을 수행하여 열연강판을 제조할 수 있다. 상기 열간압연에 의하여 균일한 석출물의 분산이 향상될 수 있다. 상기 마무리 압연 종료온도가 840℃ 미만인 경우에는, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직의 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하될 수 있다. 상기 마무리 압연 종료온도가 860℃를 초과할 경우에는, 많은 냉각량과 함께 강판의 취성 증가 및 강판의 표면 스케일 발생으로 강판의 품질저하 우려가 있다.
이어서, 상기 열연강판을, 예를 들어 540℃ 이상의 권취온도까지 냉각한다. 상기 냉각은 공냉 또는 수냉 모두 가능하며, 전단 급냉의 방식으로 수행될 수 있다. 상기 냉각은 예를 들어 5℃/초 ~ 50℃/초의 냉각속도로 냉각할 수 있다. 상기 냉각은 권취 온도까지 냉각하는 것이 바람직하다.
이어서, 상기 열간압연된 강재를 권취한다. 상기 권취하는 단계는, 예를 들어 540℃ 이상의 온도, 예를 들어 540℃ ~ 780℃의 권취온도(coiling temperature, CT)에서 권취한다. 상기 귄취온도의 범위는 티타늄계 석출물이 조대화되는 것을 방지할 수 있다. 상기 권취온도가 540℃ 미만인 경우에는, 베이나이트나 마르텐사이트 조직이 형성되어 후속의 냉간압연이 어렵게 되고, 결정립 미세화에 인해 강도 상승 및 연성 저하로 인하여 가공성이 저하될 수 있다. 상기 권취 온도가 780℃를 초과할 경우에는, 티타늄계 석출물이 조대화될 수 있다. 또한, 최종 미세조직이 조대해져 강도와 가공성이 저하될 수 있다.
상기 방법에 의하여 제조된 열연강판은 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가질 수 있다.
냉연강판 제조단계(S20)
냉연강판 제조단계(S20)는 하기와 같이 수행될 수 있다. 상기 열연강판을 산으로 세정하는 산세 처리를 수행한다. 이어서, 상기 산세 처리된 열연강판을, 예를 들어 30% ~ 70%의 평균 압하율로 냉간압연하여 냉연강판을 형성한다. 상기 평균 압하율이 높을수록, 조직 미세화 효과로 인한 성형성이 상승되는 효과가 있다. 상기 평균 압하율 30% 미만인 경우에는, 균일한 미세조직을 얻기 어렵다. 상기 평균 압하율이 70%를 초과하는 경우에는, 압연 롤 힘이 증가되어 공정부하가 증가될 수 있다.
니켈층 형성단계(S30)
니켈층 형성단계(S30)에서는, 상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성한다. 상기 니켈층의 형성은 플래시(flash) 도금을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 플래시 도금은 극히 단시간에 행하는 얇은 도금을 지칭하며, 예를 들어 편면 기준 300 mg/m2 ~ 1000 mg/m2의 도금량으로 실시할 수 있다. 니켈은 오스테나이트를 안정화시키는 원소로서, 상기 니켈층은 후속되는 소둔 열처리 공정에서 표층부에 오스테나이트 조직을 형성하여 조직을 균일하게 함으로써 내부 조직에 관계없이 우수한 굽힘성을 제공할 수 있다. 따라서, 이후의 아연 확산에 의하여 상기 오스테나이트가 페라이트로 변태되는 것을 방지할 수 있다. 상기 니켈층은 다양한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 1 μm ~ 10 μm의 두께를 가질 수 있다.
소둔 열처리 단계(S40)
소둔 열처리 단계(S40)에서는, 상기 니켈층이 형성된 상기 냉연강판을 통상의 서냉각 구간이 있는 연속 소둔로에서 소둔 열처리한다. 상기 소둔 열처리는, 예를 들어 3℃/초 ~ 10℃/초의 승온속도로 가열하고, 예를 들어 770℃ ~ 790℃의 온도에서 수행될 수 있다. 상기 소둔 열처리의 범위에서 결정립 미세화가 이루어질 수 있다.
상기 소둔 열처리 동안에, 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성할 수 있다. 상기 철-니켈 합금층은 오스테나이트 상을 가질 수 있다.
상기 소둔 열처리를 종료한 후에, 5℃/초 ~ 20℃/초의 냉각속도로 450℃ ~ 470℃의 온도로 냉각한다. 상기 온도의 범위는 후속 공정인 도금욕의 온도 유지를 위하여 요구될 수 있다. 또한, 상기 냉각은 상온, 예를 들어 0℃ ~ 40℃의 온도까지 냉각할 수 있다.
상기 소둔 열처리가 수행된 냉연강판은 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재 및 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층을 포함할 수 있다.
상기 철-니켈 합금층은 다양한 두께를 가질 수 있고, 예를 들어 1 μm ~ 20 μm의 두께를 가질 수 있다. 상기 철-니켈 합금층은, 상기 니켈층에서 니켈의 확산과 상기 모재에서 철의 확산에 의하여 확장됨으로써, 상기 니켈층에 비하여 더 큰 두께를 가질 수 있다.
용융아연도금단계(S50)
용융아연도금단계(S50)에서는, 소둔 열처리가 수행된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성함으로써, 용융아연도금강판을 제조한다. 상기 용융아연 도금욕의 온도는 도금층을 구성하기 위한 합금 원소의 종류 및 비율, 모재(냉연강판) 성분계에 따라 변화될 수 있고, 예를 들어 450℃ ~ 470℃ 일수 있다. 상기 용융아연 도금욕 조건에서 상기 철-니켈 합금층의 표면에 용융아연도금층이 용이하게 형성되면서, 도금층의 밀착성이 우수할 수 있다. 이어서, 상기 용융아연도금층을 질소 가스를 이용하여 와이핑하여, 표면에 부착되는 도금욕 부착량을 제어할 수 있다. 상기 용융아연도금층의 두께는, 예를 들어 평균 10 μm ~ 40 μm일 수 있다. 상기 용융아연도금층은, 예를 들어 편면 기준 80 g/m2 ~ 150 g/m2의 부착량으로 형성될 수 있다. 상기 부착량의 범위에서, 방청 성능을 확보할 수 있다.
필요한 경우, 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로 상온까지, 예를 들어 10℃ ~ 40℃까지 냉각하여, 상기 용융아연도금층을 응고시킴으로써, 용융아연도금강판을 완성할 수 있다.
상기 용융아연도금층을 형성하는 동안에, 상기 철-니켈 합금층의 두께는 가열에 의하여 유도되는 철과 니켈의 확산에 의하여 증가될 수 있다.
이와 같이 제조된 상기 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
상기 용융아연도금강판을 후속의 상기 합금화 열처리 단계(S60)를 수행하여 합금화 용융아연도금강판을 형성한 후, 상기 합금화 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 핫스탬핑 단계(S70)를 수행할 수 있다. 또는, 후속의 상기 합금화 열처리 단계(S60)를 수행하지 않고, 상기 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 핫스탬핑 단계(S70)를 수행할 수 있다.
합금화 열처리 단계(S60)
상기 합금화 열처리 단계(S60)에서는, 상기 용융아연도금층이 형성된 용융아연도금강판을, 예를 들어 460℃ ~ 600℃의 온도에서, 예를 들어 10초 ~ 60초 동안 유지하여 합금화 열처리를 수행함으로써, 합금화 용융아연도금강판을 제조한다. 상기 합금화 열처리 단계는 이전의 용융아연도금 단계를 수행한 후에 냉각하지 않고 연속하여 수행할 수 있다. 상기 온도 조건으로 합금화 열처리 시 상기 용융아연도금층이 안정적으로 성장되면서, 도금층의 밀착성이 우수할 수 있다. 상기 합금화 열처리 온도가 460℃ 미만인 경우에는, 합금화가 충분히 진행되지 못해 용융아연 도금층의 건전성이 저하될 수 있다. 상기 합금화 열처리 온도가 600℃를 초과하는 경우에는, 이상역 온도 구간으로 넘어가게 되면서 재질의 변화가 발생할 수 있다. 이어서, 상온으로 냉각시켜 합금화 용융아연도금강판을 제조할 수 있다.
상기 합금화 열처리를 수행하는 동안에, 상기 철-니켈 합금층의 두께는 가열에 의하여 유도되는 철과 니켈의 확산에 의하여 증가될 수 있다.
이와 같이 제조된 상기 합금화 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
핫스탬핑 단계(S70)
핫스탬핑 단계(S70)에서는, 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 하기와 같이 핫스탬핑을 수행한다. 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을, 예를 들어 3℃/초 이상, 예를 들어 3℃/초 ~ 20℃/초의 승온속도로, 예를 들어 3℃/초 ~ 10℃/초의 승온속도로, 880℃ ~ 930℃로 가열한다. 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 880℃ 미만의 온도에서 가열시 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 최종 미세조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되지 않아 강도 확보가 어려울 수 있다. 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 930℃를 초과하여 가열시 오스테나이트 결정립이 과대하게 성장하여 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 강도가 저하될 수 있다.
이어서, 가열된 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 프레스 금형으로 이송하여 핫 스탬핑 성형한다. 상기 핫스탬핑 단계(S70)는, 가열로에 장입되어 가열된 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 가열로로부터 취출하여 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 용융아연도금강판 또는 상기 합금화 용융아연도금강판을 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, 예를 들어 30℃/초 이상, 예를 들어 30℃/초 ~ 100℃/초의 냉각속도로 수행될 수 있다. 상기 냉각속도가 30℃/초 미만인 경우에는, 고온으로 가열된 상태에서 성형된 성형체의 조직이 펄라이트(pearlite) 또는 베이나이트(bainite) 조직을 가지게 되어 충분한 강도를 가질 수 없을 수 있다. 상기 냉각속도가 100℃/초를 초과하는 경우에는, 성형체의 소지철 부분이 마르텐사이트 조직구조로의 상변태가 용이하게 이루어지기 어려울 수 있다. 이에 따라, 핫스탬핑 부품이 형성될 수 있다.
냉각종료온도는, 예를 들어 380℃ ~ 420℃일 수 있다. 상기 냉각종료온도에서, 예를 들어 10초 ~ 20초간 유지할 수 있다. 이에 따라, 핫스탬핑 부품을 형성할 수 있다.
상기 핫스탬핑을 수행하는 동안에, 상기 철-니켈 합금층의 두께는 가열에 의하여 유도되는 철과 니켈의 확산에 의하여 증가될 수 있다.
이와 같이 제조된 상기 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함할 수 있다.
또는, 이와 같이 제조된 상기 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 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.
하기 표 1의 조성(단위: 중량%)을 갖는 강재를 준비하고, 상술한 바와 같은 소정의 단계를 수행하여 핫스탬핑 부품을 준비하였다. 하기의 비교예와 실시예는 상기 핫스탬핑 부품을 이용하여 제조하였다. 표 1에서 잔부는 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물이다.
원소 C Si Mn Ti Cr P S B N
함량 0.22 0.30 1.2 0.03 0.2 0.01 0.003 0.003 30ppm
표 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 핫스탬핑 용융아연도금 강재의 특성을 나타내는 표이다.
니켈
도금량
(편면기준
mg/m2)		 냉연강판
철-니켈
합금층
두께
(μm)		 핫스탬핑
부품
항복강도
(MPa)		 핫스탬핑
부품
인장강도
(MPa)		 핫스탬핑
부품
연신율
(%)		 오스테나이트
두께
(μm)		 최대
크랙
전파
길이
(μm)
비교예1 0 0 512 720 2 0 20.3
비교예2 150 0.7 590 820 3 1.4 15.2
실시예1 350 2.4 1,095 1,515 8 4.5 2.5
실시예2 700 5.7 1,106 1,520 9 7.3 1.3
표 2를 참조하면, 비교예1은 니켈층을 형성하지 않은 경우로서, 낮은 항복강도, 인장강도, 및 연신율을 나타냈으며, 최대 크랙전파길이가 20.3 μm로 크게 나타내었다. 따라서, 비교예1에서는 액체금속취성 영향이 강하게 발생한 것으로 분석된다.비교예2는 편면기준 150 mg/m2의 니켈 도금량으로 니켈층을 형성한 경우로서, 0.7 μm 수준의 얇은 철-니켈 합금층이 형성되었다. 비교예1에 비하여는 항복강도, 인장강도, 및 연신율이 약간 증가되었으나, 본 발명의 범위를 만족하지 못하였다. 최대 크랙전파길이는 15.2 μm로 비교예1에 비하여는 감소되었으나, 여전히 큰 수치를 나타내었다. 철-니켈 합금층 내의 오스테나이트 층의 두께는 1.4 μm로서 3 μm에 미치지 못하였다. 따라서, 비교예2에서도 액체금속취성 영향이 여전히 주도적인 것으로 분석된다.
실시예1 및 실시예2는 편면기준 니켈 도금량을 300 mg/m2 이상으로 니켈층을 형성한 경우로서, 1,000 MPa 이상의 항복강도와 인장강도를 나타내어 강도의 큰 증가를 나타내었다. 또한, 연신율도 4% 이상으로 증가되었다. 철-니켈 합금층 내의 오스테나이트 층의 두께가 3 μm 이상으로 나타났으며, 크랙전파길이가 10 μm 이하, 구체적으로는 5 μm 이하로 나타났다. 따라서, 실시예1과 실시예2에서는 오스테나이트 층에 의하여 액체금속취성을 방지하는 것으로 분석된다. 즉, 니켈에 의한 오스테나이트 안정화로 인하여, 오스테나이트에서 페라이트로의 상변태를 방지하여, 액체금속취성에 의한 크랙 전파를 방지함으로써, 강도 및 연신율의 기계적 특성을 유지하는 것으로 분석된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 철-니켈 합금층의 기능을 설명한다.
도 2를 참조하면, 비교예에서는 모재와 아연 도금층 사이에 철-니켈 합금층이 존재하지 않으므로, 마르텐사이트의 모재에 페라이트가 생성되게 된다. 즉, Γ(Fe3Zn10) 상이 α-Fe(Zn) 상으로 변태되어, 결과적으로 액체금속취성을 발생시킬 수 있다.
반면, 실시예에서는 모재와 아연 도금층 사이에 철-니켈 합금층이 형성되고, 니켈에 의하여 오스테나이트가 안정화되어 페라이트로 변화되지 않고 존재하게 되어, 액체금속취성을 억제할 수 있다.
후반산란전자분석(EBSD)에서도, 비교예에서는 모재와 아연 도금층 사이에 오스테나이트 상이 발견되지 않았으나, 실시예에서는 모재와 아연 도금층 사이의 계면을 따라서 오스테나이트 상이 형성됨을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 X-회절 패턴을 나타내는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 편면기준 200 mg/m2 및 편면기준 500 mg/m2의 니켈 도금량을 수행한 핫스탬핑 부품에서 오스테나이트 상(γ)의 피크가 발견되었다. 이는 상기 오스테나이트 상은 후속의 열처리 후에도 발견되므로, 안정화되어 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 핫스탬핑 부품에서는 오스테나이트 상이 모재와 아연 도금층 사이의 철-니켈 합금층에 존재함을 알 수 있다.
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 (16)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재;
    상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및
    상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층;을 포함하고,
    항복강도(YS): 950 MPa 이상, 인장강도(TS): 1350 MPa 이상, 및 연신율(EL): 4% 이상을 만족하는,
    핫스탬핑 부품.
  2. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 모재;
    상기 모재의 표면에 형성된 철-니켈 합금층; 및
    상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층;을 포함하고,
    항복강도(YS): 950 MPa 이상, 인장강도(TS): 1350 MPa 이상, 및 연신율(EL): 4% 이상을 만족하는,
    핫스탬핑 부품.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 모재는 마르텐사이트를 95% ~ 100%의 분율로 포함하고,
    상기 철-니켈 합금층은 표층으로부터 3 μm ~ 20 μm의 범위의 깊이에서 오스테나이트를 50% ~ 100%의 분율로 포함하고, 나머지 분율은 페라이트 또는 마르텐사이트인,
    핫스탬핑 부품.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금층은 3 μm ~ 20 μm의 두께를 가지는 오스테나이트 층을 포함하는,
    핫스탬핑 부품.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 철-니켈 합금층은 오스테나이트 층의 두께에 비하여 작은 크랙 전파길이를 가지는,
    핫스탬핑 부품.
  7. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계;
    상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계;
    상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계; 및
    상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 용융아연도금강판을 제조하는 단계는, 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 450℃ ~ 470℃의 온도의 용융아연 도금욕에 침지하여 수행하고,
    상기 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함하고,
    상기 열연강판을 제조하는 단계는,
    상기 강재를 1,180℃ ~ 1,250℃의 재가열 온도에서 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강재를 840℃ ~ 860℃의 마무리압연 종료온도로 열간압연하는 단계; 및
    상기 열간압연된 강재를 권취하는 단계;를 포함하는,
    용융아연도금 강재의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 용융아연도금강판을 합금화 열처리하여 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계;를 더 포함하는,
    핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계는, 상기 용융아연도금강판을 460℃ ~ 600℃의 온도에서 합금화 열처리하여 수행하고,
    상기 합금화 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 포함하는,
    핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 니켈층을 형성하는 단계는,
    편면 기준 300 mg/m2 ~ 1000 mg/m2 의 도금량으로 수행되는,
    핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법.
  12. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계;
    상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계;
    상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계; 및
    상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계;를 포함하고,
    상기 용융아연도금강판을 제조하는 단계는, 상기 소둔 열처리된 냉연강판을 450℃ ~ 470℃의 온도의 용융아연 도금욕에 침지하여 수행하고,
    상기 용융아연도금강판은, 페라이트와 펄라이트가 혼합된 혼합 조직을 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함하고,
    상기 니켈층을 형성하는 단계는,
    편면 기준 300 mg/m2 ~ 1000 mg/m2 의 도금량으로 수행되는,
    핫스탬핑 용융아연도금 강재의 제조방법.
  13. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계;
    상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계;
    상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계;
    상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계; 및
    상기 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계;를 포함하고,
    상기 핫스탬핑하는 단계는,
    상기 용융아연도금강판을 3℃/초 이상의 승온속도로 880℃ ~ 930℃로 가열하는 단계;
    가열된 상기 용융아연도금강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계;
    상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 냉연강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 30℃/초 이상의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함하고,
    상기 핫스탬핑하는 단계를 수행하여 얻은 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 용융아연도금층을 포함하는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  14. 삭제
  15. 중량%로, 탄소(C): 0.19% ~ 0.33%, 실리콘(Si): 0% 초과 ~ 0.40%, 망간(Mn): 1.10% ~ 1.60%, 티타늄(Ti): 0.02% ~ 0.04%, 크롬(Cr): 0.10% ~ 0.60%, 보론(B): 0.0008% ~ 0.0050%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.01%, 질소(N): 20 ppm ~ 50 ppm, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 이용하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계;
    상기 냉연강판의 표면 상에 니켈층을 형성하는 단계;
    상기 냉연강판을 770℃ ~ 790℃의 온도에서 소둔 열처리하고, 이에 따라 상기 강재의 상기 철이 상기 니켈층으로 확산하여 철-니켈 합금층을 형성하는 단계;
    상기 소둔 열처리된 냉연강판을 용융아연 도금욕에 침지하여, 상기 철-니켈 합금층의 표면 상에 용융아연도금층을 형성하여 용융아연도금강판을 제조하는 단계;
    상기 용융아연도금강판을 합금화 열처리하여 합금화 용융아연도금강판을 제조하는 단계; 및
    상기 합금화 용융아연도금강판을 핫스탬핑하는 단계;를 포함하고,
    상기 핫스탬핑하는 단계는,
    상기 합금화 용융아연도금강판을 3℃/초 이상의 승온속도로 880℃ ~ 930℃로 가열하는 단계;
    가열된 상기 합금화 용융아연도금강판을 프레스 금형으로 이송하는 단계;
    상기 프레스 금형을 형폐하고 상기 냉연강판을 프레스 성형하여 성형체를 제조하는 단계; 및
    상기 성형체를 30℃/초 이상의 냉각 속도로 급랭하는 단계;를 포함하고,
    상기 핫스탬핑하는 단계를 수행하여 얻은 핫스탬핑 부품은, 마르텐사이트를 가지는 모재; 상기 모재의 표면 상에 오스테나이트 조직을 가지는 철-니켈 합금층; 및 상기 철-니켈 합금층의 표면에 형성된 합금화 용융아연도금층을 포함하는,
    핫스탬핑 부품의 제조방법.
  16. 삭제
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