KR20100082537A - 내식성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법 - Google Patents

내식성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 열연 강판 또는 냉연 강판을 알루미늄 도금강판으로 제조시 도금욕의 조건을 최적화하고 이러한 강판으로 열간 프레스 성형 제품을 제조하는 단계에서 공정 단계를 제어함으로써 소지 강판 표면에 (Fe3Al+FeAl) 화합물층을 높은 비율로 포함하는 도금층을 형성시킬 수 있는 도금강판 및 그 제조방법, 그리고 이러한 강판을 이용하여 제조할 수 있는 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법을 제공한다.
상기 (Fe3Al+FeAl) 화합물층이 전체 도금층의 두께를 기준으로 적절한 점유율을 가지는 경우, 균열 부식 저항성이 우수하여 열간 프레스 성형된 제품의 국부 내식성 특히, 구멍 부식에 대한 내식성을 현저하게 개선할 수 있어 우수한 열간 프레스 성형 제품을 높은 생산성과 저렴한 비용으로 제공할 수 있다는 장점이 있다.
열간 프레스 성형(HPF), 내식성, 도금층, 화합물층, 알루미늄 도금강판

Description

내식성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법{Aluminum Coated Steel Sheet with Excellent Corrosion Resistance and Hot Press Formed Article Using The Same and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 열간 프레스 성형용 알루미늄 합금 도금강판, 상기 강판을 이용하여 제조한 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간 프레스 성형에 사용되는 알루미늄 도금 강판 및 상기 강판으로 초고강도 제품을 제조함에 있어서 국부 부식, 특히 구멍 부식에 대한 저항성이 현저히 개선된 알루미늄 도금강판, 상기 강판을 이용한 열간 프레스 성형 제품 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 승객 보호를 위한 각종 안전 법규가 강화되고 있으며, 이와 함께 환경 보호를 위한 연비 규제가 강화되면서 자동차에 사용되는 부재의 강도 향상과 경량화는 중요한 연구 과제로 떠오르고 있다.
예를 들어, 자동차 승객이 탑승하는 세이프티 존(safety zone)을 구성하는 필러 보강재(pillar reinforcement), 크로스 멤버(cross member), 크래쉬 존(crash zone)과 같은 안전성과 직결된 부분을 구성하는 사이드 멤버 (side member)나 전방 혹은 후방 범퍼(front/rear bumper) 등은 안전성은 물론 연비 절감을 위하여 가벼우면서도 높은 강도를 가지는 초고강도 강판을 사용하는 것이 일반적이다.
그러나 강판의 강도를 높이는 작업은 필연적으로 항복 강도의 상승과 연신율의 감소로 성형성의 저하를 초래하는 경우가 대부분이다. 또한, 성형 이후에 과도한 스프링백(spring back) 문제로 인하여, 성형 후 제품의 치수가 변동되는, 이른바 형상 동결성이 저하되는 문제가 나타날 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 페라이트(ferrite) 조직을 기지 조직으로 하며 마르텐사이트 (martensite) 조직을 제2상으로 포함시켜 저항복비 특성을 향상시키는 DP(dual phase)강, 페라이트 기지 조직에 베이나이트(bainite) 및 잔류 오스테나이트(austenite)상을 포함시켜 강도-연신율의 밸런스를 조절한 TRIP강 (Transformation Induced Plasticity Steels) 등과 같은 다양한 신고강도 강판(AHSS, Advanced High Strength Steel)이 개발되어 실제로 사용되고 있다. 그러나 이러한 강판들은 우수한 연신율에 비해 높은 강도를 보유하고 있으나, 절대적인 기준으로 강도가 높다고 볼 수는 없으며, 특히 인장 강도는 500~1000MPa 수준으로 자동차의 경량화와 충돌 안정성을 동시에 충족시키기에는 한계가 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 소재의 강도가 높아지면 자동차 부품을 성형하는 측면에서 높은 성형력이 요구되므로 프레스의 용량과 하중을 증가시켜야 하며, 이것은 높은 면압으로 인한 금형 마모 증가나 금형 수명 단축의 문제로 이어질 수 있어 생산성이 저하될 수 있다는 문제점을 일으킨다. 근래에 프레스 성형법보다 낮은 성형력으로도 제품을 제조할 수 있는 롤 포밍 성형법이 도입된 바 있으며, 상기 롤 포밍 성형법은 제품 형상이 비교적 단순한 제품에 대해서만 적용이 가능하기 때문에 대형 부품이 요구되는 자동차 부재 등의 성형에는 적용하기 어렵다는 문제가 여전히 남는다.
최근에 이와 같은 고강도강을 성형하여 1000MPa급 이상의 초고강도 자동차 부품을 제조하는 방법으로 열간 프레스 성형(Hot Press Forming, 이하 HPF) 또는 열간 성형(hot forming)이라고 불리는 성형법이 나타났다. 상기 HPF 방법은 통상 1000MPa 이상의 초고강도 제품을 얻을 수 있을 뿐만 아니라 제품의 치수나 정밀도도 대단히 우수한 성형법으로 각광을 받고 있다.
이러한 HPF 방법의 기본 개념과 여기에 사용되는 강재의 성분은 GB1490535에서 최초로 제안된 이후 지속적으로 연구가 이루어졌다 특히, HPF 방법에 사용하기 적합한 강판과 관련해서는, 알루미늄 도금강판이 매우 적합한 것으로 알려져 있다.
알루미늄 도금강판은 1893년 이래로 독일, 미국 등지에서 특허출원 및 상용 화가 이루어졌다. 특히, 미국에서는 내열 특성이 우수한 Al-Si 도금 강판이 상용화되었고, 그 후 내식성이 우수한 순수 알루미늄 도금강판이 상용화된 바 있다. 알루미늄 합금에 Si이 첨가되는 것은, 알루미늄 도금욕의 유동성을 증가시키고, 동시에 Si이 소지철과 도금층 사이에 생성되는 Fe-Al 합금층(특히, FeAl3)의 성장을 억제하여 도금강판의 성형성을 개선하기 위한 것이다. 또한, 알루미늄 도금강판은 내식성이 향상되는데, 이것은 시간의 경과에 따라 생기는 강판 표면의 치밀한 알루미늄 산화물 층에 기인한다고 알려져 있다.
나아가, 특허 발명으로는 상기 GB1490535 특허와 유사한 성분 범위에 각 성분의 임계적 이유를 한정하고, HPF 공정의 가열과정에서 생성되는 강판 표면의 산화 피막 형성을 억제하고 열간 프레스 성형 후의 제품 내식성을 향상시키기 위해서 알루미늄 또는 알루미늄을 포함한 합금을 강판에 도금하여 제조된 도금 강판에 관한 발명이 미국 특허 US 6296805에서 제안된 바 있다.
위에서 언급한 종래 기술들의 HPF용 강판들은 기본적으로 유럽 EN 규격에 등재된 22MnB5 즉, 0.22%C-1.2%Mn-50ppm이하 B의 성분계를 기본으로 하여 Ti와 Cr을 공통적으로 첨가하는 성분계를 가지는 열처리강에 해당되며, 알루미늄 이외에도 9~10 중량%의 Si 및 2.0~3.5 중량%의 철(Fe)이 함유된 알루미늄 합금으로 용융도금하는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 알루미늄 도금강판에 존재하는 도금층은 두 개의 층을 포함한다. 하나는 소지철에 면하여 형성되는 FeAl3층(종래에는 통상 2~5㎛ 정도)이며, 다른 하나는 표면층에 가까운 α-Al층(종래에는 통상 25~30㎛ 정도)이다.
이러한 Fe-Al층이 존재하는 상태에서 가열을 포함한 HPF 공정을 거치면 도금층은 다수의 금속간 화합물 층으로 변화되면서 도금층의 두께도 증가한다. 예를 들어, 소지철로부터 표면 방향으로 Fe3Al, FeAl, Fe2Al5, FeAl3 등의 Fe-Al계 산화물로 이루어진 다수의 금속간 화합물 층이 형성되는 것이다.
이들 층들을 살펴보면, 표면에 가까울수록 알루미늄을 많이 함유하며, 소지철에 가까울수록 Fe의 양이 많아진다. 이러한 금속간 화합물에 포함된 알루미늄은 앞서 밝힌 바와 같이 부동태 피막 형성에 기여하기 때문에, HPF에 의하여 제조된 제품의 내식성 향상에 기여하게 된다.
그런데, 이들 금속간 화합물들은 각기 그 성질이 서로 다르며, 특히 일부는 강한 취성을 나타내므로, 냉각 과정에서 각 금속간 화합물들 사이에 존재하는 열수축량 차이, 온도 불균일 등의 요인으로 인장 응력이 발생하면, 표면층에서 소지철 방향으로 균열이 발생할 수 있다. 도 1은 이러한 균열을 나타내는 사진이며, 이렇게 도금층면의 균열이 형성되면 HPF 공정에 의해 30㎛ 이상의 두꺼운 합금화 도금 층이 존재하더라도, 균열을 따라 부식이 발생할 수 밖에 없어 국부적인 부식, 특히 구멍 부식은 가속화 된다.
따라서, 알루미늄 도금강판을 채용하여 자동차 등에 사용하는 경우, 이러한 HPF 이후의 도금층 균열 발생 및 국부 부식을 억제할 수 있는 방법에 대한 요구가 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 열연강판 또는 냉연강판으로 제조된 알루미늄 도금강판과 이러한 강판을 이용하여 HPF 제품을 제조하는 경우에 있어서, 기존의 알루미늄 도금강판에서 나타날 수 있는 내식성 문제, 특히 국부적 부식을 억제하기 위하여, HPF 이후에 나타날 수 있는 도금층의 균열 발생 및 전파를 효과적으로 저감할 수 있는 알루미늄 도금강판, 열간 프레스 성형 제품 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 소지 강판 표면에 도금층이 20~100g/㎡의 부착량으로 존재하는 알루미늄 도금강판에 관한 것이다. 상기 알루미늄 도금강판의 도금층은 12중량% 이하의 Si, 0.7중량% 이하의 Cr 및 0.7중량% 이하의 Mo를 포함할 수 있으며, 소지 강판으로는 열연강판 또는 냉연강판을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명은 강판을 750~850℃로 가열하고 가열된 강판을 12중량% 이하의 Si를 포함하는 알루미늄 도금욕에 침적시켜 20~100g/㎡의 부착량으로 도금 처리한 후, 도금이 부착된 상기 강판을 5~15℃/sec의 냉각 속도로 상온까지 냉각시키는 냉각 단계를 포함하는 알루미늄 도금강판의 제조방법을 제공한다. 이 경우, 상기 강판은 열연강판 또는 냉연강판일 수 있으며, 상기 알루미늄 도금욕에는 0.7중량% 이하의 Cr, 0.7중량% 이하의 Mo 또는 0.7중량% 이하의 Cr와 0.7중량% 이하의 Mo이 복합적으로 첨가될 수 있다.
나아가 본 발명은, 소지 강판 표면에 (Fe3Al+FeAl) 화합물층을 포함하는 도금층이 존재하는 열간 프레스 성형 제품을 제공한다. 이 경우, 상기 강판은 열연강판 또는 냉연강판으로 제조된 알루미늄 도금강판을 사용할 수 있으며, 도금층에는 12중량% 이하의 Si가 포함될 수 있다. 특히, 상기 (Fe3Al+FeAl) 화합물층은 전체 도금층의 두께를 기준으로 점유율을 30% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다.
나아가, 본 발명은, 알루미늄 도금층을 포함하는 알루미늄 도금강판을 열간 프레스 성형(HPF)용 블랭크로 준비하고, 상기 블랭크를 820~970℃의 온도로 가열하며, 가열된 상기 블랭크의 온도를 유지한 이후 추출한 후, 준비된 금형으로 상기 블랭크를 이송하여 프레스로 열간 성형을 실시하고 금형 냉각을 실시하여 열간 프레스 성형 제품을 제조하는 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 알루미늄 도금층은 12중량% 이하의 Si을 포함할 수 있으며, 상기 온도 유지 단계는 3분 이상 이루어질 수 있다. 상기 냉각 단계는 20℃/sec 이상의 냉각 속도로 200℃ 이하까지 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면 종래의 열간 프레스 성형용 강판에 비하여 생산이 용이하 며 제조 조건이 간단한 반면 균열 전파 능력이 우수하여 열간 프레스 성형된 제품의 국부 내식성 특히, 구멍 부식에 대한 내식성이 현저하게 개선된 우수한 알루미늄 도금강판 및 열간 프레스 성형 제품을 제공할 수 있다.
본 발명자들은 Si이 포함된 알루미늄 도금강판을 이용하여 HPF(열간 프레스 성형) 공정 혹은 HPF 공정에 상응하는 열처리를 하는 경우에 나타나는 도금층의 합금화 과정과 도금층의 균열 발생 과정간의 관계에 대해 조사하였다.
가열 공정을 거친 도금층은 다수의 합금화된 도금층으로 변태된다. 이 때 도금층에 발생하는 수직 균열은 도 1과 같이 표면에서 시작되어 소지강판 방향으로 향하다가 (Fe3Al+FeAl)층에서부터 더 이상 전파되지 않게 된다. 하지만, 일반적인 상용 알루미늄 도금강판의 도금 부착량은 80g/㎡ 전후인데, 이러한 수치를 기준으로 하면, HPF 공정 이후에도 (Fe3Al+FeAl)층 두께는 5~15㎛ 정도의 두께를 가지며, 열처리된 도금층에서 차지하는 비율은 30% 미만에 불과하여 균열 전파를 저지하는 기능이 다소 미흡하다.
한편, 도금층에 생성된 균열들은 FeAl2, Fe2Al5, FeAl3 등과 같이 Al 함량이 상대적으로 높은 금속간 화합물층에서 발생하는 경우가 많은데, 이들 화합물층이 열간 상태이긴 하나 취성이 높은데다, 냉각 과정에서 금속간 화합물들간의 열수축량 차이 및 온도 불균일에서 비롯된 인장 응력이 이들 금속간 화합물층에 균열 발생을 초래하기 때문이다.
따라서, 본 발명자들은 HPF 공정을 거친 알루미늄 도금강판의 내식성을 향상시킬 수 있는 방안에 대하여 연구를 거듭한 결과, 본 발명을 완성하기에 이른 것이다.
본 발명은 최종 HPF 제품의 내식성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 도금강판 및 그 제조방법에 관한 것이며, 또한 HPF 공정에서 가열 조건을 적절히 제어함으로써 합금화 도금층의 구성을 부식 방지에 최적화시킬 수 있도록 생성시키는 열간 프레스 성형 제품 및 그 제조방법에 관한 것이다.
(1) 알루미늄 도금강판 및 그 제조방법
이하, 내식성을 향상시킬 수 있는 알루미늄 도금강판 및 그 제조방법에 관하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명에서 최적화된 알루미늄 도금강판은, 소지 강판 표면에 도금층이 20~100g/㎡의 부착량으로 존재하며, 이로 인하여 HPF 공정시 (Fe3Al+FeAl) 화합물층 이 도금층의 두께를 기준으로 점유율이 30% 이상으로 형성될 수 있도록 도금부착량을 제어한 알루미늄 도금강판이다. 이 경우, 도금층은 12중량% 이하의 Si를 포함할 수 있고, 나아가 0.7중량% 이하의 Cr 및 0.7중량% 이하의 Mo 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가적으로 포함할 수 있다. 본 발명에서는 소지강판으로 열연강판, 냉연강판 또는 미도금 냉연강판을 사용할 수 있다.
나아가, 본 발명의 알루미늄 도금강판을 제조하기 위한 제조방법은 ① 열연 또는 냉연강판을 750~850℃로 가열하는 가열 단계, ② 가열된 강판을 12중량% 이하(0%를 제외)의 실리콘(Si), 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 도금욕에 침적시키고 도금 부착량을 20~100g/㎡로 제어하는 도금 단계 및 ③ 도금이 부착된 강판을 5~15℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 단계를 포함한다.
이러한 각 기술적 요소를 한정하는 이유는 다음과 같다.
알루미늄 도금 부착량 : 20~100g/㎡
알루미늄 도금 부착량은 HPF 공정시, 가열 온도 및 가열 유지 시간과 함께 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층 생성을 촉진시키는 가장 중요한 구성요소 중 하나이다. 합금화 도금강판에서 합금층의 성장은 기본적으로 온도와 시간에 의해 영향을 받는데, 도금 부착량이 적을수록 소지강판의 철과 알루미늄 사이의 합금화 속도는 증가하여 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층의 성장이 촉진되기 때문이다.
따라서, 본 발명에서는 알루미늄 도금 부착량을 20~100g/m2 범위로 제한한다. 20g/m2 미만의 도금층은 도금 부착량이 적어 추후에 HPF 성형시 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층의 점유비를 빠른 시간 내에 올릴 수 있으나 도금층 전체 두께가 너무 얇아질 수 있으며, 반면 100g/m2을 초과하는 범위에서는 HPF 성형시 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층의 성장이 저해되어 그 점유율이 낮아질 수 있기 때문이다.
도금욕(도금층)의 Si 함량; 12중량% 이하
도금욕 내에 Si의 함량이 증가하면 유동성이 증가하여 보다 낮은 도금욕 온도에서 도금을 할 수 있다는 장점이 있어, 기존에는 도금욕에 다량의 Si를 첨가하는 경우가 종종 있었다.
하지만, HPF 공정과 같이 도금층이 가열 단계를 거치는 경우에는, 도금강판의 도금층이 여러 금속간 화합물층들로 이루어진 다른 형태의 도금층으로 변화된다. 즉, 소지강판에 존재하는 철(Fe) 원자는 도금층 내로 확산되어 도금과정에서 형성된 소지강판 계면상의 FeAl3 합금상은 Fe3Al 및/또는 FeAl 금속간 화합물로 변 태되어, 최종적으로는 소지강판에서부터 표면 방향으로 Fe3Al, FeAl, Fe2Al5, Fe-Al2O3과 같은 다양한 층들이 형성되므로 HPF 공정을 거치는 경우에 Si를 굳이 다량 첨가할 필요는 없다. 따라서, 도금욕 또는 도금층의 Si의 함량은 12중량% 이하로, 바람직하게는 8% 이하, 보다 바람직하게는 5% 이하로 규제한다.
도금욕(도금층) 내 크롬(Cr) 함량: 0.7중량% 이하
도금욕 내에서 Cr은 HPF 열처리 동안 금속간 화합물에 고용되어 산화 피막을 형성하는데 유효한 원소로 작용할 수 있는 바, 본 발명에서는 Cr을 첨가할 수 있다. Cr의 함유량이 0.7중량%를 초과하면 첨가량 대비 효과가 감소하고 제조비용의 상승을 초래하므로 Cr 함량은 0.7중량% 이하로 제한한다.
도금욕(도금층) 내 몰리브덴(Mo) 함량 : 0.7중량% 이하
Mo은 도금층에 존재시 HPF 열처리 동안 금속간 화합물에 고용되어 산화 피막을 형성하는데 도움을 주는 원소로서 그 효과는 Cr보다 더 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 Mo를 적정량 첨가할 수 있는데, 만일 Mo의 함유량이 0.7중량%를 초과하면 첨가량 대비 효과가 감소하고 제조비용의 상승을 초래할 수 있으므로 Mo의 함량은 0.7중량% 이하로 제한한다.
냉각 속도 : 5~15℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각
도금강판의 강판의 냉각 속도를 낮추면 도금 강판의 통판 속도를 느리게 할 수 밖에 없으므로 생산성이 저하되며, 강판 표면에 용융 알루미늄 pick-up 결함이 발생할 수 있으므로 냉각은 5℃/sec 이상으로 실시한다. 반면, 냉각 속도가 15℃/sec을 초과하여 너무 높으면 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 조직이 생성되고 결과적으로 블랭킹 이전의 도금 강판 강도가 상승하여 블랭킹 금형의 수명이 단축될 수 있으므로 냉각 속도의 상한은 15℃/sec으로 제어한다.
또한, 화학 진공 증착과 같은 건식도금 방법에 의하여 알루미늄 도금강판 혹은 알루미늄 합금 도금강판이 제조될 수 있으며, 이 경우 도금강판 제조시의 소지강판은 역시 상기 열연강판 혹은 냉연강판을 사용하여 하여 제조될 수 있다.
(2) HPF 제품 및 그 제조방법
본 발명은 상술한 바와 같은 도금욕을 이용하여 도금한 알루미늄 도금강판으로부터 HPF 제품을 제조하는 제품 및 그 제조방법을 제공하는 바, 상기 제조방법은 ① 열간 프레스 성형용 블랭크를 준비하는 단계, ② 블랭크를 820~970℃의 온도로 가열하는 단계 ③ 상기 가열된 블랭크를 3분 이상 유지한 이후 추출하는 단계 ④ 추출된 블랭크를 추출한 후 구비된 프레스로 열간성형을 실시하는 단계 및 ⑤ 열간성형된 블랭크를 금형에 유지한 채로 20℃/sec 이상의 냉각 속도로 200℃ 이하까지 금형 냉각을 실시하는 단계를 포함한다. 또한, 이렇게 제조된 제품은 30% 이상의 (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층 두께 점유율을 가질 수 있어 향상된 내식성을 갖는다.
이하 이러한 제품 및 그 제조방법에 관하여 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 도금욕 조건 하에서 제조된 알루미늄 도금강판, 알루미늄 합금 도금강판 또는 일반적인 건식 도금에 의하여 제조된 알루미늄 도금강판 및 알루미늄 합금 도금강판은 최종 제품의 형상을 고려하여 제작된 블랭크로 준비된 후 이하의 HPF 과정을 통하여 자동차 등의 부품으로 제조된다.
도금층의 형성을 위한 가열 온도 및 가열 유지 시간에 대해서, 본 발명은 종래의 알루미늄 도금강판 도금과정보다 낮은 온도 및 짧은 시간으로 처리한다. 본 발명에서 가열 온도는 820~970℃, 가열 유지 시간은 3분 이상의 범위로 한정한다. 이는 상기 알루미늄 도금 부착량의 범위에 대하여 최적화된 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층 성장을 위한 조건을 실험적으로 도출한 결과이며, 가열 온도와 유지 시간이 너무 낮으면 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층의 성장이 제대로 이루어질 수 없으며, 반대로 온도가 너무 높거나 시간이 너무 길면 생산성 측면에서 바람직하지 않은 결과가 나타났다. 이하 상세히 설명한다.
(Fe 3 Al+FeAl) 금속간 화합물층의 도금층 두께 점유율 : 30% 이상
상술한 조건으로 HPF 공정을 거친 본 발명의 제품은 30% 이상의 (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층 두께 점유율을 가지는 것이 중요하다. 30% 이상의 (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층을 형성하면 우수한 내식성 개선 효과를 얻을 수 있으며, 점유율이 40% 이상으로 증가하면 국부 내식성은 보다 현저히 개선되므로 보다 바람직하게는 40% 이상으로 제어할 수 있다.
블랭크 가열 온도 : 820~970℃
블랭크를 가열하는 온도는 최종 제품에서 필요로 하는 강도 수준에 따라 다소 달라지나, 통상적으로 HPF 공정은 Ac3 이상의 오스테나이트 영역까지 가열하는 경우가 많다. 본 발명에서는 내식성 향상에 효과적인 알루미늄 도금층의 합금화 정도를 제어하기 위하여 가열 온도를 820℃ 이상으로 한다. 온도가 820℃ 미만이면 금속간 화합물층(Fe3Al+FeAl) 두께 점유 비율이 종래 알루미늄 도금강판과 다름없이 30% 미만으로 형성되므로 충분한 내식성의 향상을 얻기 어려워진다. 반대로 가열 온도가 970℃를 초과하여 지나치게 높으면 금속간 화합물층 (Fe3Al+FeAl) 두께 점유 비율은 증가하지만, 경제성이나 생산성 측면에서 좋지 않을 수 있고 국부적으로 알루미늄 산화물이 과다하게 형성될 수 있어 도금층의 불균일을 초래할 수 있다.
블랭크 가열 유지 시간 : 3분 이상
블랭크는 가열 온도 범위에서 3분 이상으로 유지한다. 이러한 온도 유지는 블랭크 전체적으로 균일한 온도를 형성하기 위한 균열 처리로서, 전반적으로 (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층의 두께 점유율을 30% 이상으로 형성하기 위한 것이다. 반면, 본 가열 유지 시간의 상한을 굳이 정할 필요는 없으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상황에 따라 선택적으로 시간을 조절하여 적용할 수 있을 것이다. 바람직하게는 3분~10분 동안 유지할 수 있다.
본 발명에서의 온도 및 시간 조건은 종래의 알루미늄 도금강판에 비해 낮은 가열 온도 및 짧은 가열 유지 시간으로도 균열 전파를 저지하는 (Fe3Al+FeAl) 합금상 층을 증가시키고, 균열 발생의 원인을 제공하는 Fe2Al5 층을 상대적으로 감소시킬 수 있음을 의미하는 획기적인 결과를 나타낸다. 따라서, 본 발명에서 기대하는 내식성의 향상 조건을 용이하게 충족시킬 수 있고 HPF 공정의 비용 절감은 물론 생산성 향상도 기대할 수 있다.
냉각 속도 : 20~300℃/sec
HPF 공정에서의 냉각 속도는 강판의 강도를 확보하기 위하여 강판 내에 마르텐사이트 조직을 최대한 생성시키기 위한 것이다. 따라서, 냉각 속도가 낮을 경우에는 페라이트나 펄라이트와 같이 강도가 낮은 조직이 형성될 수 있으므로 20℃ /sec 이상의 속도로 냉각을 실시한다. 냉각 속도가 빠를수록 마르텐사이트 조직을 생성시키는 것이 용이하고, 제품 전체에 걸쳐 균일한 초고강도를 얻을 수 있기 때문에 냉각 속도의 상한을 굳이 정할 필요는 없다. 다만, 300℃/sec를 초과하는 냉각 속도를 구현하는 것은 현실적으로 매우 어렵고 또한 냉각에 추가적인 설비를 요할 뿐만 아니라 비경제적이기 때문에 본 발명에서 바람직한 냉각 속도의 상한은 300℃/sec로 정할 수 있다.
상기와 같은 과정에 의해 형성된 블랭크는 프레스에 의해 열간 성형되어 최종 제품의 치수와 동일한 부품 형상으로 제조될 수 있으며, 본 발명의 냉각 속도로 냉각될 경우, 초고강도의 제품으로 제조될 수 있는바, 이하 본 발명의 제조방법에 의하여 제조된 제품의 특징을 보다 상세히 설명한다.
이하 본 발명을 하기 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
(실시예 1)
본 실시예에서는 HPF 공정 후 가열 온도 및 가열 유지 시간에 대한 전체 도금층에서의 (Fe3Al+FeAl) 화합물층이 차지하는 점유율에 대한 것이다. 본 발명에서 사용 가능한 강판의 조성범위는 특별히 제한되지 않으나, 본 실시예에서 실험에 사용된 강판은, C : 0.15~0.35%, Si : 0.5% 이하, Mn : 1.5~2.2%, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, Al : 0.01~0.05%, N : 50~200ppm, Ti : 0.005~0.05%, W : 0.005~0.1%, B : 1~50ppm 잔부 Fe 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Ti/N : 3.4 미만, Ceq : 0.48~0.58, Ar3 온도는 670~725℃를 만족하는 다수의 열연 강판 중에서 선택하여 사용하였으며, 도금욕에는 9중량%의 Si을 포함시켰고, 도금 부착량은 20, 40 및 80g/㎡ 수치로 각각 제어하였다. 각각의 경우에 대하여 가열 온도는 800~970℃로 유지하였으며, (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층 점유율은 40% 이상을 목표로 하였다. 각 가열 온도에서 3~10분간 유지하여 그 관계를 도 2에 나타내었다.
도 2(a)를 살펴보면, 도금 부착량이 40~80g/㎡인 조건에서 (Fe3Al+FeAl)의 금속간 화합물층의 두께 점유율이 40% 인 곡선을 나타낸 것이다. 도금 부착착량이 80g/㎡인 경우 점유율을 40% 이상으로 제어하기 위해서는 970℃의 경우 7분 이상, 900℃에서는 10분 이상 가열하는 것이 필요함을 알 수 있다. 그러나 도금 부착량이 적을수록 40% 이상의 점유율을 얻기 위한 가열 온도 요구치는 낮아지고, 가열 유지 시간도 짧아짐을 알 수 있다.
또한, 도 2(b)는 도금 부착량이 40g/㎡ 인 경우에 있어서 가열 온도와 유지 시간의 변화에 따른 (Fe3Al+FeAl)층 두께 점유율 변화를 나타낸 그래프이다. 도 2(b)에서도 알 수 있듯이, 가열 온도가 높아지고, 시간이 길어질수록 이들 금속간 화합물층 점유율은 증가한다.
도 3은 도금 부착량과 (Fe3Al+FeAl)층 두께 점유율을 가열 온도에 관하여 나타낸 것이다. 이 경우 가열 시간은 모두 7분으로 한정하였다. 도 3에서 알 수 있듯이 도금 부착량이 감소할수록 낮은 온도에서도 40% 이상의 (Fe3Al+FeAl)층이 용이하게 얻어질 수 있었다.
본 실시예에서 알 수 있듯이, 도금 부착량이 80g/㎡을 초과하면, (Fe3Al+FeAl) 층 점유율을 40% 이상으로 하기가 매우 어려워 에너지 저감 측면에서 비효율적이다. 따라서, 알루미늄 도금 부착량 상한치는 100g/㎡, 바람직하게는 80 g/㎡로 규제할 수 있으며, 균일한 알루미늄 도금층을 얻기 위해서는 최소한 20g/㎡ 이상이 되어야 하므로 도금 부착량의 하한치를 20g/㎡로 한정할 수 있음을 알 수 있었다.
(실시예 2)
본 실시예에서는 알루미늄 도금강판의 도금 부착량 및 HPF 공정에서의 가열 조건을 변경하여 도금층내 (Fe3Al+FeAl)층 두께 점유율이 서로 다른 강판을 제조하였으며, 이들 강판에 대하여 인장 강도와 내식성을 각각 평가하였다.
상술하였듯이 알루미늄 도금강판 또는 알루미늄 함금 도금강판 제조에 이용되는 소재원판으로서의 열연강판 또는 냉간압연된 강판의 성분계와 성분함량을 특별히 규제하지는 않으나, 기본적으로 열간 프레스 성형 후 목적하는 바의 강도와 미세조직을 얻기에 충분한 조성과 소입성을 가지는 조성이면 충분하며, 실시예에서 사용된 강판의 조성범위를 중량%로 나타내었다.
본 발명에서 사용 가능한 강판의 조성범위는 특별히 제한되지 않으나, 본 실시예에서 실험에 사용된 강판은, C : 0.15~0.35%, Si : 0.5% 이하, Mn : 1.5~2.2%, P : 0.025% 이하, S : 0.01% 이하, Al : 0.01~0.05%, N : 50~200ppm, Ti : 0.005~0.05%, W : 0.005~0.1%, B : 1~50ppm 잔부 Fe 기타 불가피한 불순물을 포함하며, Ti/N : 3.4 미만, Ceq : 0.48~0.58, Ar3 온도는 670~725℃을 만족하는 다수의 열연 강판 중에서 선택하여 사용하였으며, 이 열연 강판을 산세처리하고 냉간 압연을 실시하여 알루미늄 도금강판 소재로 사용하였다. 본 실시예에서 사용된 각 강판 및 열처리 후 물성 실험에 대한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
강종 두께
(mm)		 도금방법 도금
부착량
(g/㎡)		 화학성분 열처리 후 인장성질
C Si Mn B Ti N YS TS U-El T-El
A 1.5 용융(Al-Si) 80 0.236 0.23 1.70 0.0017 0.019 0.0125 1130 1590 5.0 7.9
B 1.5 용융(Al-Si) 40 0.236 0.23 1.70 0.0017 0.019 0.0125 1149 1572 5.0 6.8
C 1.5 용융(Al-Si) 80 0.236 0.23 1.70 0.0017 0.019 0.0125 1145 1557 4.1 6.2
D 1.5 용융(Al-Si) 40 0.236 0.23 1.70 0.0017 0.019 0.0125 1159 1569 4.7 7.3
E 1.3 용융(Al-Si) 20 0.244 0.25 1.67 0.0013 0.027 0.0110 1185 1604 4.2 5.9
F 1.3 건식(Al) 20 0.244 0.25 1.67 0.0013 0.027 0.0110 1181 1633 4.8 5.9
G 1.3 건식(Al) 20 0.244 0.25 1.67 0.0013 0.027 0.0110 1185 1624 4.6 6.0
상기 표 1에서 알 수 있듯이, 각 알루미늄 도금강판 A~E는 강판 편면 기준으로 20~80g/㎡으로 도금 부착량을 제어하였으며(양면 기준 40~160g/㎡), 도금욕의 Si 조성은 9중량%로 동일하였다. 또한, 진공 화학 증착에 의하여 제조한 알루미늄 도금강판(F 및 G)의 경우에는 Si이 첨가되지 않은 순수 알루미늄을 증착시켰고, 그 도금 부착량은 편면 기준으로 20g/㎡(양면 기준 40g/㎡)이었다. 또한 가열온도는 870~970℃, 가열 유지 시간은 5~10분 범위에서 변화시켜가며 측정하였다.
열처리가 종료된 후에 JIS 5호 인장 시편을 압연 방향에 평행한 방향으로 가공하여 인장 성질을 평가하였다. 상기 표 1에서 볼 수 있듯이, 열간 프레스 성형 열처리 후의 인장 강도는 1550~1660MPa 범위로서 1500MPa급 인장 강도 요구치를 만족하는 것으로 나타났다.
(실시예 3)
하기 표 2는 상기 실시예 2의 각 조건에서 얻어진 강판 단면의 합금층을 주사 전자 현미경으로 도금층 내 금속간 화합물의 층 두께와 각각의 내식성을 측정하여 그 결과를 나타낸 것이다. 참고로, 내식성은 CCT 염수 분무 실험(5% NaCl 용액, 35℃)으로 평가하였으며, 염수 분무 시간은 24~96시간으로 하였다.
강종 두께
(mm)		 도금방법 도금
부착량
(g/㎡)		 가열조건 열처리 후 도금층 두께(㎛) 도금층내
(Fe3Al + FeAl) 층 점유율		 내식성
온도
(℃)		 시간
(분)		 Fe3Al + FeAl Fe2Al5
+ FeAl2 		총 두께
A 1.5 용융(Al-Si) 80 870 5 3.8 35.2 39.0 9.7 x
B 1.5 용융(Al-Si) 40 870 5 4.8 13.9 18.8 25.8 x
C 1.5 용융(Al-Si) 80 950 10 25.5 28.5 54.0 47.2 ○
D 1.5 용융(Al-Si) 40 950 5 27.7 1.4 27.7 94.9 ○
E 1.3 용융(Al-Si) 20 950 10 20.5 0.0 20.5 100.0 ○
F 1.3 건식(Al) 20 900 5 14.4 3.3 17.7 81.4
G 1.3 건식(Al) 20 950 5 20.9 0.0 20.9 100.0
상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 알루미늄 도금강판인 A~E의 경우 (Fe3Al+FeAl)층 두께가 전체 두께에서 차지하는 점유율은 9.7, 25.8, 47.2, 94.9, 100% 이었었고, 건식도금의 경우 각각 81.4 및 100% 이었다. 상술하였듯이 HPF 열처리 후 이들 도금층 두께는 가열 온도와 시간의 관계(도 2(a) 및 (b) 참고)로 결정되며, 필요한 온도 및 시간 조건을 만족하지 못한 경우에는 알루미늄 도금 부착량이 많아졌고 합금화 반응이 느리게 일어나서 (Fe3Al+FeAl)층이 합금화된 전체 두께에서 차지하는 점유율이 부족해졌다.
또한, 이러한 (Fe3Al+FeAl)층의 점유비에 따른 내식성의 실험 결과는 도 4에 나타나 있다. 도 4에는 B, C, D 및 E에 대한 내식성 실험 결과사진이 나타나 있다. 이 경우, 발청 정도는 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물층의 두께 점유율이 높은 경우 현저하게 감소되는 결과가 얻어졌음을 알 수 있다. 즉, 시료 B의 경우에 비해 C, D 및 E 조건에서 발청 정도는 현저하게 개선되었다. 그리고 건식 알루미늄 도금의 경우에도 (Fe3Al+FeAl) 금속간 화합물로 층이 전체 두께의 점유율이 80% 이상을 나타내므로 D 및 E와 유사한 결과가 얻어졌다.
다시 말하여, 본 발명의 도금욕 조건으로 제조된 알루미늄 도금강판 및 이를 이용한 제품은 종래기술에 비하여 국부 내식성 특히, 구멍 내식성이 현저하게 개선되는 효과가 발현된다는 사실을 알 수 있었다.
도 1은 종래 열간 프레스 성형용 알루미늄 도금강판에 관찰되는 도금층 균열을 나타낸 현미경 사진.
도 2는 알루미늄 도금강판에서 가열 온도와 가열 시간에 따라 (Fe3Al+FeAl) 도금층 두께 점유율 40% 곡선을 도금 부착량별로 나타낸 그래프(도 2(a)) 및 동일 도금부착량 조건에서 (Fe3Al+FeAl) 도금층 두께 점유율 변화를 나타낸 그래프(도 2(b)).
도 3은 본 발명의 내식성이 우수한 열간 프레스 성형용 알루미늄 강판에 있어 도금 부착량과 (Fe3Al+FeAl)층 두께 관계를 가열온도에 관하여 나타낸 그래프.
도 4는 종래 기술과 본 발명의 내식성 평가 결과를 각각 나타낸 사진.

Claims (17)

  1. 소지 강판 표면에 20~100g/㎡의 도금부착량으로 알루미늄 도금층이 존재하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도금층은 12중량% 이하의 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 도금층은 0.7중량% 이하의 Cr 및 0.7중량% 이하의 Mo 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 도금강판은 열연강판 또는 냉연강판을 소지강판으로 사용한 것임을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판.
  5. 강판을 750~850℃로 가열하는 강판 가열 단계;
    가열된 강판을 12중량% 이하의 Si를 포함하는 알루미늄 도금욕에 침적시켜 20~100g/㎡의 도금 부착량으로 도금 처리하는 강판 도금 단계; 및
    도금이 부착된 상기 강판을 5~15℃/sec의 냉각 속도로 상온까지 냉각시키는 냉각 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 알루미늄 도금욕에는 0.7중량% 이하의 Cr 및 0.7중량% 이하의 Mo 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 포함되는 것을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판의 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 강판은 열연강판 또는 냉연강판임을 특징으로 하는 알루미늄 도금강판의 제조방법.
  8. 소지 강판 표면에 (Fe3Al+FeAl) 화합물층을 포함하는 도금층이 존재하며,
    상기 (Fe3Al+FeAl) 화합물층은 도금층의 두께를 기준으로 점유율이 30% 이상임을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
  9. 제8항에 있어서, 상기 도금층은 12중량% 이하의 Si를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
  10. 제8항에 있어서, 상기 강판은 열연강판 또는 냉연강판으로 제조된 알루미늄 도금강판임을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 도금층은 0.7중량% 이하의 Cr 및 0.7중량% 이하의 Mo 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상이 포함된 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
  12. 제8항에 있어서, 상기 열간 프레스 성형 제품은 마르텐사이트 또는 마르텐사이트-베이나이트 혼합 조직임을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
  13. 알루미늄 도금층을 포함하는 알루미늄 도금강판을 열간 프레스 성형(HPF)용 블랭크로 준비하는 단계;
    상기 블랭크를 820~970℃의 온도로 가열하는 가열 단계;
    가열된 상기 블랭크의 온도를 유지한 이후 추출하는 온도 유지 단계;
    준비된 금형으로 상기 블랭크를 이송하여 프레스로 열간 성형을 실시하는 열간 성형 단계; 및
    상기 블랭크를 금형에 유지한 채로 금형 냉각을 실시하는 냉각 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 알루미늄 도금층은 12중량% 이하의 Si을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품의 제조방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 온도 유지 단계는 3분 이상 이루어짐을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품의 제조방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 냉각 단계는 20℃/sec 이상의 냉각 속도로 이루어짐을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품의 제조방법.
  17. 제13항 또는 제16항에 있어서, 상기 냉각 단계는 200℃ 이하까지 이루어짐을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품의 제조방법.
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