KR20070111518A - 열 처리 후 매우 높은 강도를 갖는 코팅된 강 부품을제조하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열간 압연 또는 냉간 압연 스트립으로부터 상당히 높은 기계적 특성을 갖는 부품의 제조 공정에 관한 것으로, 상기 스트립을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 예비코팅하는 단계, 상기 부품의 최종 형상을 고려하여, 필요에 따라 초과 시트를 제거하는 단계, 상기 부품을 가열하여, 강/예비코팅 계면으로부터 시작하여 부품의 표면에 금속간 화합물을 형성하고 또한 강을 오스테나이트화시키는 단계, 상기 부품을 공구에 전달하는 단계, 냉각된 후 강이 마르텐사이트 조직 또는 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트-베이나이트 조직을 갖도록 하는 속도로 상기 부품을 공구에서 냉각하는 단계를 포함한다. 예비코팅은 전기도금, 화학 또는 물리 증기 증착, 또는 동시 압연에 의해 실시된다.
Description
본 발명은 높은 기계적 강도와 양호한 내식성을 갖는 열간 압연 또는 냉간 압연된 코팅 강 부품의 제조에 관한 것이다.
일부 용도에서는, 높은 기계적 강도, 양호한 충격 강도, 및 양호한 내식성을 겸비한 강 부품을 생산하는 것이 요구된다. 이러한 유형의 겸비는 특히 상당히 가벼운 차량을 제조하는 것을 목적으로 하는 자동차 산업에서 요구된다. 특히, 이는 예컨대, 상기된 질을 요구하는 자동차의 침입 방지, 구조적 또는 안전 부품 (펜더 크로스 부재, 도어, 또는 센터 필러 강화부, 휠 암) 을 위해, 상당히 높은 기계적 강도를 갖는 강을 이용하여 이루어질 수 있다.
특허 FR 2 807 477 에는 금속 예비코팅 (precoat) 이 공급된 기재 강 시트를 제조하는 공정이 개시되어 있는데, 강은 약 500 MPa 정도의 인장 강도를 가지며, 예컨대 냉간 드로우잉 또는 프로파일링과 같은 냉간 성형 작업이 실시되고, 그 후 부품의 형상에 맞는 형태의 공구에서 시트를 추후 담금질 (quenching) 하기 위해 열 처리가 실시된다. 이러한 열 처리의 가열 단계 동안, 기재 강과 합금화된 초기의 예비코팅에 의해 부품의 표면에 금속간 코팅이 형성된다. 이런 식으로, 예컨대 기계적 강도가 1500 MPa 이상인 내식성 부품이 얻어진다.
기재 강 시트에는 용융침지 코팅 공정에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 예비코팅될 수 있다. 그러나, 특정한 경우, 이러한 공정의 실행의 한계에 직면한다. 열 처리 전 부품에 실시되는 냉간 성형 작업 동안, 특정 구역에 심한 변형이 일어날 수 있으며, 기재와 예비코팅 사이의 계면은 국부 박리 (debonding) 형태의 손상이 발생할 가능성이 있다. 이 경우, 이어지는 열처리는 계면의 합금층의 부근에 스케일을 형성할 수 있다. 이러한 스케일의 존재는 기재 강과 알루미늄 함유 프리코팅 사이의 만족스러운 합금화에 해롭다.
더욱이, 알루미늄 부품은 냉간 성형된 후, 이어지는 합금화 열 처리 전에 초과의 재료를 제거하기 위해 절단, 펀칭 또는 트리밍될 수 있다. 용융침지 (hot-dip) 코팅된 알루미늄계 예비코팅은 절단공구의 마모에 기여할 수 있다.
더욱이, 용융침지 알루미늄 시트의 예비코팅은 기준 두께에 대한 두께 편차를 가질 수 있다. 합금화 열 처리 동안의 가열이 통상 수 분 이내로 아주 빠르게 실시되므로, 과도하게 두꺼운 부분이 있으면 코팅의 합금화가 불완전하게 된다. 보통 예비코팅의 용융점은 알루미늄의 경우 660 ℃, 또는 10% 실리콘/알루미늄 합금의 경우 580 ℃ 이기 때문에, 부품이 오스테나이트화 온도에 도달하기 전에 코팅의 두꺼운 측에 조기 용융이 있을 수 있다. 열 처리가 일반적으로 부품이 롤러를 따라 이동하여 노 내에서 실시되므로, 롤러의 표면은 예비코팅의 부분 용융으로 인해 생긴 층으로 오염되어 노의 정확한 작동에 해를 준다. 더욱이, 예비코팅의 불완전한 합금화는 추후 전기영동 작업시 해롭다.
도 1 은 냉간 변형 전에, 강/용융침지 코팅된 알루미늄 합금 계면의 예를 나타낸다.
도 2 는 20% 보다 큰 냉간 일반화 스트레인 후 이러한 계면에서의 변화를 나타낸다.
도 3 은 합금화 처리 후 냉간 변형이 없는 강/용융침지 코팅된 알루미늄 합금 계면의 예를 나타낸다.
도 4 는 20% 보다 큰 냉간 변형 후 합금화 처리된 표면층을 나타낸다.
본 발명의 목적은 상기 문제를 해결하기 위한 것이다. 특히, 본 발명의 목적은, 합금화 처리 전에 실질적으로 앞선 냉간 변형을 허용하고, 그럼에도 합금화 처리에 관해 어떠한 추후의 위험도 없는, 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 예비코팅된 열간 압연 또는 냉간 압연된 강 부품을 제조하는 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 합금화 열 처리 전 기계 가공시 공구의 마모를 줄이는 것이다. 본 발명의 목적은 또한 열 처리 후, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 예비코팅의 완전한 합금화를 얻는 것이다.
이러한 목적을 위해, 본 발명의 대상은 열간 압연 또는 냉간 압연된 강 스트립으로부터 상당히 높은 기계적 특성을 갖는 부품을 제조하는 공정으로서, 다음의 연속적인 단계를 포함한다.
- 스트립을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 예비코팅한다. 이러한 예비코팅은 하기의 방법에 따른 1 이상의 단계 그 자체 또는 조합에 의해 실시될 수 있다.
· 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 전기도금 단계에 의한 예비코팅,
· 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 화학 증기 증착 단계에 의한 예비코팅,
· 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 물리 증기 증착 단계에 의한 예비코팅,
· 상기 강 스트립이 알루미늄 또는 알루미늄 합금 포일과 함께 동시 압연되는 1 이상의 동시 압연 단계에 의한 예비코팅,
· 이러한 예비코팅 방법의 사용으로 강 스트립과 예비코팅 사이의 계면에는 금속간 상이 없음.
- 코팅된 스트립을 냉간 변형시킨다.
- 상기 부품의 최종 형상을 고려하여, 필요에 따라 초과 시트를 제거한다.
- 예컨대 노 안에서 부품을 가열하여, 강/예비코팅 계면으로부터 시작해서 부품의 표면에 금속간 화합물을 형성하고 또한 강을 오스테나이트화시킨다. 이러한 열 처리의 가열 단계 동안, 기재 강과 합금화하는 초기 예비코팅 층에 의해 부품의 표면에 금속간 코팅이 형성되며, 이 합금화는 예비코팅 층의 전체 두께에 걸쳐 실시된다.
- 가열 후에 상기 부품을 공구에 전달한다. 가열 단계와 부품과 공구의 접촉 사이의 전달시간은 이 시간 동안 오스테나이트 변태가 없도록 충분히 짧다. 공구의 형상 및 구성은 처리되는 부품과 담금질의 가혹함에 따라 맞춰진다. 특히, 이러한 공구는 작업의 생산성을 높이고 그리고/또는 담금질의 가혹함을 증가시키 위해 특별하게는 유체의 순환에 의해 냉각될 수 있다. 체결력을 가하면 부품과 공구 사이에 밀접한 접촉이 제공될 수 있으므로, 전도에 의해 효과적인 냉각과 최소한의 변형이 가능하게 한다. 냉각된 후 강이 마르텐사이트 조직 또는 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트-베이나이트 조직을 갖는 속도로 부품이 공구에서 냉각된다.
특별한 일 실행 방법에서, 상기 냉간 변형의 일반화 스트레인은 상기 부품의 한 지점 이상에서 20% 보다 크다.
본 발명의 대상은 또한 지상 자동차용 구조 또는 안전 부품의 제조를 위해, 상기 실행 방법에 따라 제조된 강 스트립으로부터 얻어진 상당히 높은 기계적 강도를 갖는 부품의 이용이다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 예시적으로 이용되는 이하의 설명에 의해 명백해질 것이다.
종래 제조 공정시 강/코팅 계면에서의 변화가 시험되었다. 이를 위해, 두께가 1.2 ㎜ 또는 2 ㎜ 인 강 부품이 고려되었고, 그 조성은 중량비로 다음과 같다.
탄소: 0.15 ~ 0.25 wt%
망간: 0.8 ~ 1.5 wt%
실리콘: 0.1 ~ 0.35 wt%
크롬: 0.01 ~ 0.2 wt%
티타늄: ＜ 0.1 wt%
인: ＜ 0.05 wt%
황: ＜ 0.03 wt%, 및
B: 0.0005 ~ 0.01 wt%
이러한 부품은 통상적인 용융침지 (hot-dip) 공정을 이용하여 예비코팅되며,
실리콘: 9 - 10 %;
철: 2 ~ 3.5 %;
알루미늄과 불가피한 불순물로 이루어진 잔부를 포함하는 알루미늄계 욕 내로 침지된다.
660 ℃ 이상에서 강을 순 알루미늄 욕과 접촉시키면, 특히 FeAl3-Fe2Al5를 포함하는 두꺼운 금속간 합금 층의 매우 빠른 형성이 일어나는 것으로 알려져 있다. 이러한 층은 낮은 변형률을 갖기 때문에, 욕에 10% 실리콘을 첨가하면 중간층의 두께를 감소시킬 수 있다. 도 1 은 600 ~ 800 의 비커스 경도를 갖는 금속간층이 약 7 미크론의 두께를 가지며, 이러한 층이 약 15 미크론의 두께의 알루미늄계 금속층에 의해 덮여 있는 것을 도시하고 있다.
예비코팅된 부품은 나카지마형 (Nakazima-type) 시험편에서 냉간 변형을 받게 되는데, 이들 부품은 다양한 모드 즉, 단축 인장 및 등이축 팽창으로 응력을 받는다. 주 스트레인 ε1 및 ε2 (주 기준 스트레인에서의 스트레인) 이 미리 광증착 (photodeposite) 된 원형 패턴의 그리드에 의해 다양한 지점에서 측정되었다. 이러한 당양한 지점에 관한 일반화 스트레인 () 이 도출되었다.
동시에, 이러한 다양한 위치에서 예비코팅의 거동이 관찰되었다. 관찰 결과, 약 10 % 의 일반화 스트레인까지는 중간층에 미세하고 규칙적인 균열이 발생하였지만, 중간층 위의 알루미늄 금속 상부층에는 영향이 없었다. 다음에 900 ℃ 에서 5 ~ 7 분간 노 안에서 열처리를 하고 그 후에 수냉된 공구에서 담금질을 한 결과, 초기 예비코팅의 완전한 합금화가 일어났고, 이 제한된 크랙의 네트워크의 소멸이 일어났다 (도 3). 20% 가 넘는 일반화 스트레인에서, 금속간 층 단편 (도 2), 및 여기저기의 알루미늄계 금속 코팅이 열화된다. 추후 합금화 열 처리는 스케일 층을 성장시킬 수 있으며, 또는 강 표면에 탈탄 (도 4) 을 발생시킬 수 있어, 예컨대 페인팅과 같은 부품의 차후의 공정에 해롭다.
따라서, 높은 스트레인을 갖는 냉간 변형 공정은 통상적인 알루미늄계 예비코팅에 실행하기는 곤란할 수 있다. 본 발명에서, 이러한 문제는 강/알루니늄 계면이 금속간 상을 포함하지 않을 때 해결되는 것으로 밝혀졌다. 이는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 면심입방 구조로 인한 본래의 연성 때문에, 예비코팅된 강의 실질적인 냉간 변형은 계면 또는 예비코팅의 어떠한 열화도 일으키지 않으므로, 추후의 합금 처리가 최적의 상태 하에서 이루어진다.
알루미늄 또는 알루미늄 합금 예비코팅은 전기도금, 또는 물리 또는 화학 증기 증착, 또는 동시 압연에 의해 형성되며, 강 스트립은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 포일과 동시 압연된다. 따라서, 이러한 다양한 단계를 통해, 합금화 처리전 기재 강과 예비코팅 사이에 금속간 층이 없는 부품이 얻어진다. 본 발명에 따른 공정은 단일 패스로 동일한 예비코팅 단계를 가하여 실시될 수 있으며, 또는 여러번의 패스로 동일한 예비코팅 단계를 가하여 실시될 수 있다. 동일하게, 본 발명에 따른 공정은 연속적으로 다양한 예비코팅 단계를 조합하여 실시될 수 있으며, 이러면 다양한 방법 및 증착된 코팅의 다양한 특성의 본래 장점을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 공정의 이용은 냉간 성형 작업 후, 부품의 절단, 펀칭 또는 트리밍 작업을 용이하게 실시할 수 있게 한다. 이는 중간 가공 단계가 합금화 처리에서 재가열되는 금속의 부피를 줄이는 목적에 유용할 수 있기 때문이다. 본 발명에 따라서, 중간 가공은 통상의 기술에서는 존재하는 경한 (600 ~ 800 HV) 금속간 층이 없으면 용이하게 된다. 이런 식으로, 절단 공구의 마모가 줄어든다.
더욱이, 본 발명에 따른 예비코팅 단계는 우수한 두께 균일성으로 증착된 코팅을 제공한다. 예컨대, 증기 증착을 이용하는 예비코팅 조건은 1 마이크로미터 정도의 두께 편차로 15 ~ 20 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 코팅을 제공할 수 있다.
용융침지 알루미늄 처리 공정에 따라서, 현미경 사진으로 측정된 프리코팅의 두께 편차는 25 마이크로미터의 평균 두께에 대해 ±10 마이크로미터 정도일 수 있다. 생산성을 최대화하기 위해서는, 합금화 열 처리시 가능한 빨리 가열하는 것이 바람직하다. 두께가 과도하면, 합금화를 완료하기 위해 가열 단계를 연장할 수 있다. 주어진 열 처리에서, 두께가 지나치게 과도함을 알지 못하면, 합금화는 불완전하게 되고, 이 결과 예비코팅의 부분 용융이 나타날 수 있다.
본 발명에 따른 예비코팅 단계는 작은 두께 편차를 주며, 따라서 용융의 위험을 줄이고, 노의 작업 안정성을 증가시킨다.
더욱이, 오스테나이트화 후, 공구에서의 담금질 냉각 처리는 강이 마르텐사이트 조직 또는 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트-베이나이트 조직을 갖게 한다. 강의 조성, 특히 그 탄소 함량과, 망간, 크롬 및 붕소 함량에 따라서, 본 발명에 따른 부품에서 얻어지는 최대 강도는 1200 ~ 1700 MPa 이다.
본 발명에 따라서, 중간층의 부재로 인해 절단이 더욱 깔끔하게 이루어지기 때문에, 담금질 처리 후 절단부의 에지에서 노치 효과가 줄어드는데, 이는 완전한 또는 부분적인 마르텐사이트 조직이 본래 국부 응력 집중 효과에 더 민감하다는 것이 알려져 있기 때문이다.
따라서, 본 발명은 냉간 변형이 높은 레벨에 도달할 수 있기 때문에, 더 복잡한 형상을 갖는, 우수한 특성의 코팅된 부품을 제조하는 것이 가능하다. 본 발명은 합금 처리 전, 냉간 변형의 일반화 스트레인의 정도가 20% 보다 큰 경우 특히 유리하게 실시되는데, 이는 중간 절단 작업시 공구 마모를 줄일 수 있으며, 최종 합금화 처리의 효과가 더욱 크게 나타난다.
Claims (3)
- 열간 압연 또는 냉간 압연된 강 스트립으로부터 상당히 높은 기계적 특성을 갖는 부품의 제조 공정으로서, 다음의 연속적인 단계:- 상기 스트립을 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 예비코팅하는 단계;- 상기 코팅된 스트립을 냉간 변형시키는 단계;- 상기 부품의 최종 형상을 고려하여, 필요에 따라 초과 시트를 제거하는 단계;- 상기 부품을 가열하여, 강/예비코팅 계면으로부터 시작하여 부품의 표면에 금속간 화합물을 형성하고 또한 강을 오스테나이트화시키는 단계;- 상기 부품을 공구에 전달하는 단계;- 냉각된 후 강이 마르텐사이트 조직 또는 베이나이트 조직 또는 마르텐사이트-베이나이트 조직을 갖는 속도로 상기 부품을 공구에서 냉각하는 단계를 포함하며,상기 가열 단계 전에 상기 강 스트립과 예비코팅 사이의 계면은 금속간 상을 포함하지 않으며, 상기 예비코팅은 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 전기도금 단계, 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 화학 증기 증착 단계, 1 이상의 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 물리 증기 증착 단계, 상기 강 스트립이 알루미늄 또는 알루미늄 합금 포일과 함께 동시 압연되는 1 이상의 동시 압연 단계에 의해 형성되며, 상기 1 이상의 예비코팅 단계는 단독으로 또는 조합되어 실시될 수 있는 것을 특징으로 하는 제조 공정.
- 제 1 항에 있어서, 상기 냉간 변형의 일반화 스트레인은 상기 부품의 한 지점 이상에서 20% 보다 큰 것을 특징으로 하는 제조 공정.
- 지상 자동차용 구조 또는 안전 부품의 제조를 위해, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 바와 같이 제조된 강 스트립으로부터 얻어진 상당히 높은 기계적 특성을 갖는 부품의 이용.
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