KR102565790B1

KR102565790B1 - 내균열성이 우수한 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR102565790B1
Application number: KR1020200179092A
Authority: KR
Inventors: 오꽃님; 황현석; 김진영; 김명수; 한은수
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-12-18
Filing date: 2020-12-18
Publication date: 2023-08-10
Also published as: KR20220088247A

Abstract

본 발명은 강판 제조 시의 후처리 공정을 활용하여 알루미늄 도금, 아연 도금 또는 아연 합금 도금된 강재 표면에 특정 입자 및 고체 윤활제를 함유하는 코팅층을 도포함으로써, 열간 프레스 성형 시 도금된 강재 표면과 금형 사이의 마찰력을 줄여 미소 크랙을 방지할 수 있는 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내균열성이 우수한 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법{STEEL SHEET FOR HOT PRESS FORMING HAVING EXCELLENT CRACK RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 내균열성이 우수한 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

열간 프레스 성형(Hot Press Forming; HPF) 공정이란 가열된 강판을 금형(mold)에서 프레스로 성형하는 공정으로서, 고온으로 가열된 강판은 매우 연한 특성이 있기 때문에, 복잡한 형상도 쉽게 성형이 가능하다는 장점이 있다. 성형하는 동안 가열된 강판은 거푸집 내에서 급격히 냉각되고, 그 결과 최종적으로 가공된 부품은 매우 높은 강도를 갖게 된다.

이러한 열간 프레스 성형용 강판은 가공성이 용이하고, 최종 가공된 부품의 높은 강도로 인해서 자동차 소재의 차체 경량화 소재로 각광받고 있다. 특히, 열간 프레스 성형용 강판은 표면에 알루미늄을 도금하거나, 용융아연 도금 또는 용융아연 합금 도금을 적용한 상태에서 제품이 출하되기 때문에, 고강도, 고성형성 및 고내식성의 특징을 갖는다.

그러나, 알루미늄 도금, 용융아연 도금 또는 용융아연 합금 도금이 적용된 고강도 강재를 열간 프레스 성형 시, 금형과의 표면 마찰이 심한 부위에서는 미세한 균열이 발생하는 문제가 있다. 이러한 미세한 균열은 금형과의 강한 표면 마찰에 의하여 도금층에 응력이 발생하고 이로 인하여 미세한 균열이 나타나게 되는데, 발생된 균열의 크기는 수㎛ 내지 수십㎛ 정도의 크기로 도금층뿐만 아니라, 소지강판의 표면 내부까지 연결되어 내식성이 급격히 저하되는 요인으로 작용한다.

이러한 미소크랙(micro crack) 발생을 억제하고자 고안된 선행 기술로는 특허문헌 1 및 특허문헌 2가 있다. 특허문헌 1은 산화물층을 갖는 도금 강재를 열간 프레스 성형 시 금형과의 직접적인 마찰을 도금층이 아닌 산화물층에서 이루어지도록 함으로써, 기존의 열간 프레스 성형 시 도금층에서 발생되었던 미소크랙의 발생을 저지할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 그러나, 산화물층의 두께가 너무 두꺼우면 다량의 산화물 생성에 의한 도금층의 소모되거나, 일부 산화물이 금형 표면에 붙어 작업성을 저해시킬 소지가 있을 있기 때문에 산화물의 두께를 제어 할 필요가 있다.

특허문헌 2의 경우, 아연 도금 강재를 이용하여 다이렉트(Direct) 공법으로 열간 프레스 성형을 수행하여 미소크랙 발생을 억제하는 기술로서, 다음과 같은 관계식 1의 조건에서 가열을 진행한 후 프레스 성형을 수행할 경우 미소크랙이 저감된다는 기술 보고가 있다.

관계식 1: 산소분압(atm)/{0.0026×exp(6014/(가열온도(℃)+273))}

상기의 선행 기술은 도금된 강재를 가열할 때 산화물의 두께를 조정하거나, 혹은 적정 가열 분위기를 조성하여 프레스 형성을 수행해야 하기 때문에 도금된 열간 프레스 성형 시, 가열 분위기를 제어해야 하는 어려움이 있었다.

한국 등록특허 10-1406650호 한국 등록특허 10-1560928호

본 발명의 일 측면에 따르면, 열간 프레스 성형 시 도금된 강재 표면과 금형 사이의 마찰력을 줄여 미소 크랙의 발생을 억제 가능한 내균열성이 우수한 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은,

소지강판;

상기 소지강판 상에 구비된 도금층; 및

상기 도금층 상에 형성된 윤활 코팅층을 포함하고,

상기 윤활 코팅층은 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)을 포함하고,

상기 보론 나이트라이드(BN)의 함량(W2)과 상기 입자의 함량(W1)의 비율(W2/W1)은 0.1~5인, 열간 프레스 성형용 강판을 제공한다.

또한, 본 발명의 또 다른 일 측면은,

소지강판 상에 도금층이 형성된 도금 강판을 준비하는 단계;

상기 도금 강판 상에, 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)를 포함하는 윤활 코팅 조성물을 10~5,000mg/m²의 도포량으로 도포하는 단계;

상기 윤활 코팅 조성물이 도포된 도금 강판을 70~250℃에서 1초 내지 10초 동안 건조하는 단계;

를 포함하고,

상기 보론 나이트라이드(BN)의 함량(W2)과 상기 입자의 함량(W1)의 비율(W2/W1)은 0.1~5인, 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내균열성이 우수한 열간 프레스 성형용 강판 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

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

도 1은 발명예 4을 열간 프레스 성형(HPF) 후 그 단면을 광학 현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 비교예 1을 열간 프레스 성형 후 그 단면을 광학 현미경으로 관찰한 사진을 나타낸 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 특정 실시예를 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판에 대하여 자세히 설명한다. 본 발명에서 각 원소의 함량을 나타낼 때에는 특별히 달리 정의하지 않는 한, 중량%를 의미한다.

종래의 열간 프레스 성형용 강판의 경우, 도금층 표면에 산화물층을 형성하거나, 열간 프레스 성형 시 가열 분위기를 제어하는 기술이 주로 이용되었다. 그러나, 이러한 선행 기술들은 도금된 강재를 가열할 때 산화물의 두께를 조정하거나, 열간 프레스 성형 시 가열 분위기를 까다롭게 제어할 필요가 있어 적용에 어려움이 있었다.

이에, 본 발명에서 제안하고자 하는 기술은 강판 제조 시 후처리 공정을 활용하여 도금된 강재의 표면에 특정의 입자 및 고체 윤활제를 적정 비율로 포함하는 윤활 코팅층을 형성함으로써, 열간 프레스 성형 시에 미소 크랙을 효과적으로 억제하는 방안을 제공하고자 한다.

즉, 본 발명에 의하면, 강판의 제조 시 후처리 공정을 활용함으로써, 열간 프레스 성형 시에 전술한 선행 기술들과 같이 특정 가열 조건을 충족하도록 엄격히 제어할 필요가 없고, 일반적인 열간 프레스 성형조건(900℃ 전/후, 5분 내외)에서도 미소 크랙의 발생 없이 쉽게 부품을 성형할 수 있다는 장점이 있다. 이하에서 구체적으로 설명한다.

[열간 프레스 성형용 강판]

먼저, 본 발명의 일 측면은 열간 프레스 성형용 강판에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열간 프레스 성형용 강판은 소지강판; 상기 소지강판 상에 형성된 도금층; 및 상기 도금층 상에 형성된 윤활 코팅층을 포함한다.

상기 소지강판으로는, 알루미늄 도금, 용융아연 도금, 용융아연 합금 도금이 가능한 강재라면 별도의 제한 없이 본 발명에도 모두 적용 가능하다. 다만, 열간 프레스 성형을 적용하는 강의 특성인 성형 후에도 고강도를 지니기 위해서는, 가열 후 급냉에 의해 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상 변태가 가능한 강종인 것이 바람직하다. 이를 만족하는 소지강판의 일례로서, 22MnB5 강종이 대표적이고, 일례로서 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 1.0~1.5%, 실리콘(Si): 0.02~0.30%, 보론(B): 5~45ppm를 함유하고, 일부 기타 성분을 포함하는 강종일 수 있다.

또한, 상기 도금층으로는 알루미늄계 도금층 혹은 아연계 도금층인 것이 바람직하다. 이 때, 상기 알루미늄계 도금층으로는 알루미늄 도금층 혹은 알루미늄합금 도금층을 모두 포함하고, 또한 상기 아연계 도금층으로는 아연 도금층 혹은 아연합금 도금층을 모두 포함한다.

한편, 상기 도금층의 조성을 특별히 한정하는 것은 아니나, 대표적인 일례로서 상기 알루미늄계 도금층으로는 Al을 과량(즉, 50중량% 이상)으로 포함하되, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 도금층의 물성을 보다 개선하기 위해 Zn, Mg, Si, Sn, Pb, Fe 등의 합금 원소 중 1종 이상을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 상기 아연계 도금층으로는 Zn을 과량(즉, 50중량% 이상)으로 포함하되, 본 발명의 목적을 해치지 않는 범위 내에서 도금층의 물성을 보다 개선하기 위해 Al, Mg, Si, Sn, Pb, Fe 등의 합금 원소 중 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 도금층은 열간 프레스 성형 후에도 내식성이 확보될 수 있도록, 편면당 부착량을 35~90g/m²으로 제어할 수 있다. 상기 도금층의 편면당 부착량을 35g/m² 이상으로 제어함으로써 열간 프레스 성형 후에도 도금층에 의한 내식성을 목적하는 수준으로 확보 가능하다. 다만, 상기 도금층의 편면당 부착량이 90 g/m²을 초과하면 강판의 가열 시간이 길어지고 가열 시 불균일하게 합금화가 일어나 표면 얼룩이 발생할 수 있다.

다음으로, 본 발명에서는 열간 프레스 성형 시 강판의 도금층 표면에 미소 크랙이 발생하는 것을 억제하고, 상기 도금층과 금형 사이의 마찰력을 줄여 윤활 특성을 향상시키고자 하는 견지에서, 도금층 상부에 윤활 코팅층을 형성하는 것이 바람직하다.

이 때, 상기 윤활 코팅층은 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)을 포함한다.

본 발명에서는 윤활 코팅층 내 미소 크랙이 형성되는 것을 방지하기 위해, 전술한 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자를 사용한다. 본 발명에 있어서, 윤활 코팅층의 표면에 존재하는 상기 입자는 열간 성형 시 강판의 표면에 크랙이 발생하기 못하도록 억제하는 장애물로서의 역할을 한다.

반면, 상기 윤활 코팅층 내부에 존재하는 상기 입자는 열간 성형 시 강판의 표면에 이미 형성되어 버린 미소 크랙이 내부로 진입 시 장애물로서의 역할을 수행한다. 뿐만 아니라, 이미 형성된 미소 크랙 내에 들어감으로써 미소 크랙의 공간을 메워주며, 표면에 형성된 크랙이 소지철 측으로 전파되지 않도록 제어하는 역할을 한다. 따라서, 본 발명과 같이, 윤활 코팅층 내 상기 입자를 포함함으로써, 미소 크랙을 방지하는 내균열성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 미소 크랙이 소지철 측으로 전파되는 것을 방지하는 균열 전파 저항성 역시 확보 가능하다. 이 외에 상기 입자는 열간 성형 시 고온에 의해 수지로 이루어진 윤활코팅층이 사라지더라도 성형 시의 압력에 의해 상기 입자는 도금층 표면에 치입된 형태로 존재하여 내식성을 향상시키는 역할도 수행한다.

또한, 윤활 코팅층 내 윤활 코팅제로서 열간 프레스 성형 시 윤활 코팅층의 표면과 금형 사이 윤활 특성을 개선하여 마찰력을 감소시키고자, 보론 나이트라이드(BN)을 사용한다. 상기 보론 나이트라이드(BN)는 윤활 코팅층이 형성되는 면의 마찰계수를 감소시키는 주된 역할을 하는 물질로서, 고체 윤활제로서의 역할을 수행한다. 특히, 상기 보론 나이트라이트(BN)는 헥사고날(hexagonal) 구조를 갖고, 평균 원상당 직경은 0.2~3.5㎛일 수 있다. 상기 보론 나이트라이드(BN)의 크기는 작으면 작을수록 작업성에 유리하지만, 평균 원상당 직경이 0.2㎛ 미만이면 비용이 증가하는 문제가 있다. 또한, 상기 보론 나이트라이드(BN)의 평균 원상당 3.5㎛를 초과하면 롤 코팅 등의 코팅 공정에서 고체 입자가 강판에 덴트(흠집)를 유발하거나 구동부위에 들어가 롤의 구동에 악영향을 미칠 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 보론 나이트라이드(BN)의 평균 원상당 직경을 0.2~3.5㎛으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 윤활 코팅층에 있어서, 상기 보론 나이트라이드(BN)의 함량(W2)과 상기 입자의 함량(W1)의 비율(W2/W1)은 0.1~5인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 W2/W1의 비율이 0.1 미만이면 상기 입자의 첨가량 대비 BN의 첨가량이 너무 적어 윤활 코팅층의 마찰력을 감소시키는 효과가 부족할 수 있고, 윤활 특성 개선의 효과가 부족하여 열간 성형의 작업성에도 문제가 생길 수 있다. 한편, 상기 W2/W1의 비율이 5를 초과하면 BN 첨가에 의한 윤활 특성 향상의 효과는 확보 가능하나, 윤활 코팅층 내 BN 함량이 과다하여 윤활 코팅층과 도금층과의 밀착성에 문제가 생길 수 있다. 뿐만 아니라, BN 함량 대비 입자의 첨가량이 너무 부족하여 크랙의 발생 및 크랙의 전파를 억제하는 효과가 다소 떨어질 수 있고, 내식성 측면에서도 효과가 감소할 수 있다.

즉, 본 발명자들은 내균열성 및 균열 전파 저항성과 더불어, 윤활 코팅층의 밀착성 및 내식성을 동시에 개선하기 위해 예의 검토한 결과, 상기 보론 나이트라이드(BN)와 입자의 함량비를 특정 범위로 제어하는 것이 중요한 요소임을 발견하였다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 입자는 강판의 두께방향(압연방향과 수직인 방향을 의미)으로 측정된 최대 입자 크기(Ta)와 상기 두께방향과 수직인 방향으로 측정된 최대 입자 크기(Tb)의 비율(Ta/Tb)이 0.8~1.2 범위일 수 있다. 이는 강판을 두께방향으로 절단한 단면 시편을 제조한 후, SEM을 이용하여 상기 입자를 관찰함으로써, 측정 가능하다. 즉, 상기 Ta/Tb의 비율이 0.8~1.2 범위를 충족하도록 대체로 구형의 형상을 가지는 입자를 사용함으로써 마찰력을 최소화하여 미소 크랙의 발생을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 특별히 한정하는 것은 아니나, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층은 100㎛²의 단위 면적당(두께방향으로의 절단면을 기준으로 하고, 상기 두께방향이라 함은 강판의 압연방향과 수직인 방향을 의미함) 포함되는 평균 입경이 0.01㎛ 이상인 입자의 개수가 5~50,000개일 수 있다. 윤활 코팅층 내 크랙에 대한 장애물로서의 역할을 효과적으로 수행하기 위해서는 윤활 코팅층 내 상기 입자의 밀도 역시 중요한 요소이다. 따라서, 윤활 코팅층 내 상기 입자의 밀도가 전술한 범위를 충족하도록 제어함으로써 열간 성형 시 발생될 가능성이 있는 미소 크랙과 관련된 내균열성 및 균열 전파 저항성의 특성을 보다 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층 내 사용되는 상기 입자로서, 평균 입경이 0.01~5㎛인 제1 입자; 및 상기 제1 입자 대비 평균 입경이 1.2배 이상인 제2 입자를 사용할 수 있다. 즉, 본 발명자들은 예의 검토를 행한 결과, 윤활 코팅층 내 서로 크기가 다른 2종 이상의 입자를 사용함으로써, 크랙에 대한 장애물로서의 역할을 수행하는 입자가 서로 다른 방향성을 가지고 윤활 코팅층 내 고르게 분포될 수 있다. 이로 인해, 열간 성형 시 발생된 미소 크랙이 소지철 측 두께방향으로 진입해나갈 때 서로 다른 크기를 가진 입자로 인해 크랙의 방향성을 변경할 수 있고, 결과적으로 크랙의 방향을 변경하여 전파 자체를 효과적으로 억제할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층은 상기 도금층 상에 인접하여 형성되고, 평균 입경이 0.01~5㎛인 제1 입자를 포함하는 제1 윤활 코팅층; 및 상기 제1 윤활 코팅층 상에 형성되고, 상기 제1 입자 대비 평균 입경이 1.2배 이상인 제2 입자를 포함하는 제2 윤활 코팅층;을 포함할 수 있다. 즉, 상기 윤활 코팅층으로서 서로 입자의 크기가 상이한 입자를 각각 포함하는 윤활 코팅층을 사용함으로써, 윤활 코팅층 표면에 구비되는 제2 윤활 코팅층 내에 존재하는 크기가 큰 입자로부터 크랙을 1차적으로 저지하고, 이어서 상기 2 윤활 코팅층 하부에 구비되는 제1 윤활 코팅층 내에 존재하는 크기가 작은 입자로부터 크랙이 소지철로 진입하는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 입자의 평균 입경은 0.01~5㎛일 수 있고, 상기 제2 입자의 평균 입경은 1~5㎛일 수 있다. 상기 제1 입자 및 제2 입자의 평균 입경이 상기 범위가 되도록 제어함으로써, 전술한 서로 다른 크기에 기인한 크랙의 진입 저지 및 방향성 변경 등의 효과를 확보할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층은 결합제를 더 포함할 수 있고, 상기 결합제는 윤활 코팅층이 도금층 표면에 부착되도록 하는 역할을 하여 운송 중에 윤활 코팅층이 탈락하거나 벗겨지는 현상을 방지하고, 윤활 코팅 조성물의 도포 후 건조 과정 중에 일정한 경도와 인성을 부여하여 윤활 코팅층의 마찰계수를 낮추는 역할을 한다. 이러한 결합제로는 폴리에틸렌 수지, 아크릴 수지, 우레탄 수지, 알코올 수지, 폴리비닐 알코올 수지(PVA), 염화비닐 수지(PVC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(PTFE) 및 복합실란(Silane Compound)으로 이루어진 그룹에서 1종 이상을 포함할 수 있다. 이들 중, 특히 우레탄 수지,폴리비닐알코올수지(PVA), 염화비닐수지(PVC) 등을 상기의 구형 파우더를 용이하게 분산시킬 수 있어 바람직하게 사용할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층 내 상기 결합제의 함량은 중량%로 1~30%일 수 있다. 상기 결합제의 함량이 1중량% 미만이면 도금층과의 결합력이 부족한 문제가 생길 수 있다. 또한, 상기 결합제의 함량이 20%를 초과하면 도금층과의 결합력은 충분하지만, 점도가 높아져 작업성이 저하될 수 있을 뿐만 아니라, 결합제가 과량으로 함유될 경우의 마찰 특성이 BN의 첨가에 의한 윤활 특성 향상의 효과를 상쇄하면서, 고온 가공 시 완전히 증발되지 못하고 도금층에 애쉬(ash) 형태로 남아, 오히려 윤활특성을 저해할 우려가 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층은 전술한 입자, 보론 나이트라이드(BN), 결합제 외에도 기타 첨가제를 더 포함할 수 있고, 상기 기타 첨가제의 함량은 중량%로 0.1~5%일 수 있다. 이 때, 상기 기타 첨가제의 예로는, 분산 안정제 및 증점제 등으로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 다만, 상기 분산 안전제 및 증점제로는 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 것을 사용 가능하므로 본 발명에서 이를 특별히 한정하지 않는다.

한편, 상기 윤활 코팅층은 후술하는 윤활 코팅 조성물을 도금 강판 상에 도포한 후 건조함으로써 형성된다. 이 때, 윤활 코팅 조성물은 전술한 입자, 보론 나이트라이드(BN), 결합제, 기타 첨가제 및 잔부 용매(예를 들어, 물)을 포함하는 조성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅층의 두께는 0.1~5㎛일 수 있다. 상기 윤활 코팅층의 두께가 0.1㎛ 미만이면 윤활 코팅층의 크랙 방지의 효과를 기대하기 어려울 수 있다. 또한, 상기 윤활 코팅층의 두께가 5㎛를 초과하면 두꺼운 윤활 코팅층으로 인하여 파우더가 골고루 분포하기 보다는 한쪽으로 뭉쳐있는 가능성이 커서 열간 성형 시 마찰력을 줄이는 데에 문제가 생길 수 있다.

[열간 프레스 성형용 강판의 제조방법]

이하에서는 본 발명의 또 다른 일 측면인 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법에 대하여 설명한다. 단, 본 발명의 도금 강판이 반드시 이하의 제조방법에 의해 제조되어야 함을 의미하는 것은 아님에 유의할 필요가 있다.

우선, 본 발명에 따른 열간 프레스 성형용 강판은, 소지강판 상에 도금층이 형성된 도금 강판을 준비한다. 이 때, 상기 소지강판, 도금층 및 도금 강판에 대해서는 전술한 열간 프레스 성형용 강판에서의 설명을 동일하게 적용한다.

다음으로, 상기 도금 강판 상에, 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)를 포함하는 윤활 코팅 조성물을 도포한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 윤활 코팅 조성물은 중량%로, 상기 입자: 5~60%, 보론 나이트라이드(BN): 0.1~60%, 결합제: 1~30% 및 잔부 물을 포함할 수 있고, 선택적으로 기타 첨가제를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 조성은 윤활 코팅 조성물을 기준으로 한다는 점을 제외하고는, 상기 입자, 보론 나이트라이드, 결합제, 기타 첨가제에 대한 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 제1 윤활 코팅층 및 제2 윤활 코팅층을 포함하는 열간 프레스 성형용 강판을 제조할 경우에는, 상기 도금 강판 상에 평균 입경이 0.01~5㎛인 제1 입자를 포함하는 제1 윤활 코팅 조성물을 도포하여 제1 용융 윤활 코팅층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 윤활 코팅층 상에 상기 제1 입자 대비 평균 입경이 1.2배 이상인 제2 입자를 포함하는 제2 윤활 코팅 조성물을 도포하여 제2 용융 윤활 코팅층을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이 때, 각 윤활 코팅 조성물의 조성은 전술한 내용을 동일하게 충족한다. 또한, 각 윤활 코팅 조성물을 도포함으로써 형성된 용융 윤활 코팅층의 건조는, 제1 윤활 코팅 조성물을 도포하고, 건조한 후, 제2 윤활 코팅 조성물을 도포하고나서 건조를 다시 행할 수도 있고, 제1 윤활 코팅 조성물을 도포하고, 이어서 제2 윤활 코팅층을 도포한 후, 마지막에 건조를 행할 수도 있다.

본 발명에 있어서, 상기 윤활 코팅 조성물의 도포량은 10~5,000mg/m² 범위인 것이 바람직하다. 상기 도포량이 10mg/m²미만이면 윤활코팅층의 크랙 방지의 효과가 미미한 문제가 생길 수 있고, 5,000mg/m²를 초과하면 파우더의 분산이 효과적으로 이루어지지 않아 열간 성형 시에 마찰력을 감소시키기 어려운 문제가 생길 수 있다. 또한, 도포방법으로는 예컨대, 바 코터, 롤 코터, 또는 커튼 코터 등의 당해 기술분야에서 알려진 방법을 동일하게 적용 가능하고, 다만 본 발명에서는 바람직하게는 롤 코터의 방법이 사용될 수 있다.

이어서, 상기 윤활 코팅 조성물이 도포된 도금 강판을 70~250℃에서 1~10초 동안 건조할 수 있다. 상기 조건을 충족하도록 건조하는 단계를 통해, 윤활 코팅 조성물을 충분히 건조시킴으로써, 윤활 코팅 조성물을 건조하여 얻어진 윤활 코팅층과 도금층 간의 충분한 밀착성을 확보할 수 있다. 이 때, 적용 가능한 건조 수단으로는 온도 제어가 가능한 건조 장치라면 특별히 한정하지 않으나, 일례로서 열풍 건조기 등을 사용할 수 있다. 이 때, 상기 건조 온도가 70℃ 미만이면 도포된 윤활 코팅 조성물이 완전히 건조되지 않음으로써 문제가 생길 수 있다. 또한, 상기 건조 온도가 250℃를 초과하면 윤활 코팅 조성물에 함유된 결합제 성분 등이 타버리거나 변형된 상태로 윤활 코팅층을 형성할 우려가 있다.

상기 건조공정까지 거치면 도금층 상부에 도포된 윤활코팅 조성물은 일정 두께를 갖는 윤활코팅층으로 형성되는데, 이때의 윤활코팅층은 고온 윤활특성이 향상된 상태로서 이후의 열간 프레스 성형(HPF)을 위한 고온 가열 후에도 윤활 특성을 유지할 수 있고, 또한 이후 성형 시 금형과의 표면마찰을 최소화할 수 있다. 따라서, 이러한 윤활 코팅층을 갖는 도금 강재는 기존의 열간 프레스 성형(HPF)시 문제가 되었던 도금층의 표면 및 도금층 내의 균열 발생을 억제할 수 있다.

이후, 상술한 바에 따라 도금층 상부에 윤활 코팅층을 갖는 도금 강재를 열간 프레스 성형(HPF)을 위해서, 먼저 가열로에서 가열하는 단계를 실시할 수 있다. 이때, 도금 강재를 가열하는 단계는 가열로 내에서의 전체 유지시간과 상기 도금 강재의 표면온도가 목표 온도에 도달하였을 때의 유지시간을 각각 제어함이 바람직하다. 즉, 상기 가열시 가열시간은 가열로 내에 장입될 때부터 출강될 때까지 유지되는 시간 및 가열로 내에 장입된 강재의 온도가 목표 온도(예컨대, 880~950℃)에 도달한 이후 유지되는 시간으로 구분하여 나타낼 수 있는데, 본 발명에서는 가열로내 전체 유지시간은 4~15분, 목표 온도 도달 후의 유지시간은 1~10분로 설정함이 바람직하다.

보다 구체적으로, 가열 목표 온도가 880℃ 미만이면 도금층의 합금화가 충분히 일어나지 못할 우려가 있으며, 전체 유지시간이 4분 미만이면 균일한 가열처리가 이루어지지 못해 재질이 불균일해 질 우려가 있다. 반면, 가열 목표 온도가 950℃를 초과하거나 전체 유지시간이 15분을 초과할 경우, 도금층이 부분적으로 열화될 우려가 있어 바람직하지 못하다. 더욱이, 가열 시 초기 강 조직인 페라이트가 오스테나이트로 변태하기 위해서 도금 강판의 표면온도가 목표 온도에 도달 한 이후에 최소한의 시간으로 유지시킴이 바람직한데, 이를 위해 1~10분간 유지시킬 수 있다. 이때, 유지시간이 10분을 초과하면 도금층의 열적 손상 또는 생산성의 저하를 초래할 수 있다.

이후, 상기 가열된 도금 강재를 열간 프레스 성형(HPF)하고, 냉각할 수 있다. 이때, 상기 성형 및 냉각은 통상의 열간 프레스 성형(HPF) 방법에 의하면 충분하므로, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.

(실시예)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허 청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실험예 1)

도금 강재의 제조를 위해 소지강판(모재)로서 22MnB5를 준비하였다. 상기 소지철을 0.2 wt.%의 Al-잔부 Zn의 조성을 갖는 도금욕에 침지한 후, 소지철 편면에 대한 도금 부착량이 60g/m²이 되도록 도금을 실시한 후 냉각하여 도금 강판을 제조하였다.

이어서, 상기 도금층 표면에 하기 표 1에 기재된 조성을 갖는 윤활 코팅 조성물을 바코팅법을 이용하여 2000g/m²의 도포량으로 도포한 후, 윤활 코팅 조성물이 도포된 도금 강판을 80℃에서 건조하여 윤활 코팅층을 형성하였다.

한편, 하기 표 1 중, 발명예 4 및 5의 경우에는 입자로 서로 입자의 크기가 다른 2종의 입자를 포함하는 윤활 코팅 조성물을 도포한 후 건조하여 윤활 코팅층을 형성하였다. 또한, 발명예 6의 경우에는 도금층 상에 알루미나 입자를 포함하는 제1 윤활 코팅 조성물을 도포하고 건조시켜서 제1 윤활 코팅층을 형성한 후, 상기 제1 윤활 코팅층 상에 티타니아 입자를 포함하는 제2 윤활 코팅 조성물을 도포하고 건조시켜서 제2 윤활 코팅층을 형성하였다.

이 때, 하기 보론 나이트라이트(BN)로는 헥사고날(hexagonal) 구조를 가지고, 평균 원상당 직경이 0.8㎛인 것을 사용하였다. 또한, 하기 표 1에 기재된 입자로는 강판의 두께방향(압연방향과 수직인 방향을 의미)으로 측정된 최대 입자 크기(Ta)와 상기 두께방향과 수직인 방향으로 측정된 최대 입자 크기(Tb)의 비율(Ta/Tb)이 0.8~1.2 범위인 것을 사용하였다.

이후, 두께 2㎛인 윤활코팅층이 형성된 도금 강판을 880~950℃에서 4~15분간 가열한 후, 열간 프레스 성형을 실시하였다.

[표 1]

[표 2]

W1*: 윤활 코팅층 내 입자의 함량 [wt%]

W2*: 윤활 코팅층 내 BN의 함량 [wt%]

Np*: 100㎛²의 단위 면적당 포함되는 평균 입경이 0.01㎛ 이상인 입자의 개수

각 발명예 및 비교예에 대하여 하기와 같은 기준으로 각 특성을 평가하였다.

[내식성]

내식성을 평가하기 위하여, 시편을 제조한 후 SST 조건으로 35℃에서 1.5 L/h의 분무량으로 5% NaCl 용액을 분사하여 도막의 팽창 여부를 평가하여 하기 기준으로 평가하였다.

◎: 도막의 팽창이 없음

○: 도막의 팽창이 10% 미만으로 존재함

×: 도막의 팽창이 10% 이상으로 존재함

[밀착성]

밀착성을 평가하기 위하여, 윤활코팅층과 도금층에 스카치테이핑을 실시할 경우, 테이프에 묻어나오는 정도를 측정하여 테이프에 묻어나오는 물질의 양을 측정하여 하기와 같은 기준으로 분류하였다.

○: 묻어나오는 물질이 0.5% 미만

△: 묻어나오는 물질이 0.5% 이상 3% 미만

×: 묻어나오는 물질이 3% 이상

[내균열성]

내균열성을 측정하기 위하여, 열간 프레스 성형을 실시하여 미소 크랙의 깊이를 측정하였고, 하기 기준에 따라 평가하였다.

◎: 10㎛ 미만

○: 10㎛ 이상 20㎛ 미만

△: 20㎛ 이상

[균열 전파 저항성]

균열의 전파 저항성을 측정하기 위하여, 시편을 제조하여, 표면에 1㎛의 미소크랙을 형성시킨 후, 두께방향으로 전파된 깊이를 측정하여 하기와 같은 기준에 따라 평가하였다.

◎: 전파된 깊이가 5㎛ 미만

○: 5㎛ 이상 10㎛ 미만

△: 10㎛ 초과

[표 4]

상기 표에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 규정하는 윤활 코팅층의 구성 및 제조조건을 모두 충족하는 발명예 1~6의 경우, 내식성, 밀착성, 내균열성, 균열 전파 저항성 및 표면 특성에 있어서 효과가 보다 우수함을 확인하였다.

특히, 도 1에 발명예 4을 열간 프레스 성형(HPF) 후 그 단면을 광학 현미경으로 관찰한 사진을 나타내었고, 내균열성 및 균열 전파 저항성이 보다 우수함을 확인하였다.

반면, 본 발명에서 규정하는 윤활 코팅층의 구성 및 제조조건 중 하나 이상을 충족하지 않는 비교예 1~3의 경우, 내식성, 밀착성, 내균열성, 균열 전파 저항성 및 표면 특성 중 하나 이상의 특성이 열위함을 확인하였다.

특히, 도 2에 비교예 1을 열간 프레스 성형 후 그 단면을 광학 현미경으로 관찰한 사진을 나타내었고, 내균열성 및 균열 전파 저항성이 열위함을 확인하였다.

Claims

소지강판;
상기 소지강판 상에 구비된 도금층; 및
상기 도금층 상에 형성된 윤활 코팅층을 포함하고,
상기 윤활 코팅층은 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)을 포함하고,
상기 보론 나이트라이드(BN)의 함량(W2)과 상기 입자의 함량(W1)의 비율(W2/W1)은 0.1~5인, 열간 프레스 성형용 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 윤활 코팅층은 100㎛²의 단위 면적당 포함되는 평균 입경이 0.01㎛ 이상인 입자의 개수가 5~50,000개인, 열간 프레스 성형용 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 입자는
평균 입경이 0.01~5㎛인 제1 입자; 및
상기 제1 입자 대비 평균 입경이 1.2배 이상인 제2 입자를 포함하는, 열간 프레스 성형용 강판.
청구항 3에 있어서,
상기 제2 입자의 평균 입경은 1~5㎛ 범위인, 열간 프레스 성형용 강판.
청구항 1에 있어서,
상기 윤활 코팅층은
상기 도금층 상에 인접하여 형성되고, 평균 입경이 0.01~5㎛인 제1 입자를 포함하는 제1 윤활 코팅층; 및
상기 제1 윤활 코팅층 상에 형성되고, 상기 제1 입자 대비 평균 입경이 1.2배 이상인 제2 입자를 포함하는 제2 윤활 코팅층;을 포함하는,열간 프레스 성형용 강판.
소지강판 상에 도금층이 형성된 도금 강판을 준비하는 단계;
상기 도금 강판 상에, 알루미나 입자, 티타니아 입자, 지르코니아 입자, 산화이트륨 입자 및 스테인리스 입자로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 입자; 및 보론 나이트라이드(BN)를 포함하는 윤활 코팅 조성물을 10~5,000mg/m²의 도포량으로 도포하는 단계;
상기 윤활 코팅 조성물이 도포된 도금 강판을 70~250℃에서 1초 내지 10초 동안 건조하는 단계;
를 포함하고,
상기 보론 나이트라이드(BN)의 함량(W2)과 상기 입자의 함량(W1)의 비율(W2/W1)은 0.1~5인, 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 윤활 코팅 조성물은 중량%로, 상기 입자: 5~60%, 보론 나이트라이드(BN): 0.1~60%, 결합제: 1~30% 및 잔부 물을 포함하는, 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법.