KR20110018420A - 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판, 그 제조 방법 및 이것을 사용한 급속 가열 핫프레스 방법 - Google Patents

급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판, 그 제조 방법 및 이것을 사용한 급속 가열 핫프레스 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 Al 도금 강판을 핫프레스에 적용하는 데 있어서 종래부터 문제가 되고 있었던 핫프레스 전의 가열 시에 있어서의 Al 용융 문제를 해결하고, 또한 잔존 수소에 의한 지연 파괴 문제를 해결하는 핫프레스용 Al 도금 강판 및 그 제조 방법, 또한 그 Al 도금 강판을 사용한 급속 가열 핫프레스 방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 핫프레스용 Al 도금 강판은 Al 도금이 실시된 강판을, 코일 형상인채로 박스 어닐링로에서, 도 5에 도시되는 영역 내부에 있는 유지 시간과 온도로 어닐링하여, Al 도금과 강판을 합금화시킴으로써 제조된다. 또한, 본 발명의 급속 가열 핫프레스 방법은 본 발명의 핫프레스용 Al 도금 강판으로부터 잘라낸 블랭크를, 핫프레스 전의 가열에 있어서 승온 속도가 평균 40℃/초 이상, 또한 700℃ 이상의 환경에 노출되는 시간이 20초 이하로 되도록 가열하여 핫프레스 가공하는 것을 특징으로 한다.

Description

급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판, 그 제조 방법 및 이것을 사용한 급속 가열 핫프레스 방법 {ALUMINUM-PLATED STEEL SHEET FOR HOT PRESSING WITH RAPID HEATING, PROCESS FOR PRODUCING SAME, AND METHOD OF HOT-PRESSING SAME WITH RAPID HEATING}
본 발명은 급속 가열 핫프레스에 있어서, 도장 후 내식성과 내지연 파괴 특성을 갖고, 또한 생산성이 우수한 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판, 그 제조 방법 및 당해 강판을 사용한 급속 가열 핫프레스 방법에 관한 것이다.
최근, 자동차용 강판의 용도(예를 들어, 자동차의 필러, 도어 임팩트 빔, 범퍼 빔 등)에 있어서, 고강도와 고성형성을 양립하는 강판이 요망되고 있다. 이것에 대응하는 것의 하나로서, 잔류 오스테나이트의 마르텐사이트 변태를 이용한 TRIP(Transformation Induced Plasticity) 강이 있다. 이 TRIP 강에 의해, 성형성이 우수한 1000㎫급 정도의 강도를 갖는 고강도 강판에 의해, 상기 자동차 부품을 제조하는 것은 가능해졌다. 그러나, 더욱 고강도, 예를 들어 1500㎫ 이상 등의 초고강도 강에서 성형성을 확보하는 것은, 지금으로서는 곤란하다.
이와 같은 상황에서, 고강도 및 고성형성을 양립하는 것으로서 최근 주목을 받고 있는 것이, 핫프레스(열간 프레스, 핫 스탬프, 다이 켄치, 프레스 켄치 등이라고도 호칭됨)이다. 이 핫프레스는 강판을 800℃ 이상의 오스테나이트 영역으로 될 때까지 가열한 후에, 열간으로 성형함으로써 고강도 강판의 성형성을 향상시켜, 성형 후의 냉각에 의해 켄칭하여 원하는 재질을 얻는다고 하는 것이다.
핫프레스는 초고강도의 부재를 형성하는 방법으로서 유망하지만, 통상은 대기 중에서 강판을 가열하므로, 강판 표면에 산화물(스케일)이 생성된다. 그로 인해, 스케일을 제거하는 공정이 필요하지만, 스케일의 제거능이나 환경 부하 등의 관점으로부터의 대응책이 필요하다.
이것을 개선하는 기술로서, 핫프레스용 강판으로서 Al(알루미늄) 도금 강판을 사용함으로써, 가열 시의 스케일의 생성을 억제하는 기술이 제안되어 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 내지 3을 참조). 또한, 핫프레스의 가열 시에 Al 도금이 용융되어 흘러내림(도금 부분이 용융 유동되는 것)이 발생하므로, Al(알루미늄)의 융점 이하의 온도에서 유지함으로써 흘러내림을 회피하는 기술에 대해서도 개시되어 있다(특허 문헌 4를 참조).
일본 특허 출원 공개 평9-202953호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-181549호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-49256호 공보 일본 특허 출원 공개 제2003-27203호 공보
상기 특허 문헌 1 내지 3에 기재된 핫프레스 기술은, Al(알루미늄) 도금층이 Al-Fe 합금화되어 있지 않은 강판을 노 가열 등에 의해 승온 속도가 완만한 가열 조건으로 하는 것을 전제로 하고 있다. 예를 들어, 노 가열의 경우에는, 통상 상온으로부터 900℃ 정도까지 평균 승온 속도는 3 내지 5℃/초이므로, 가열될 때까지 180 내지 290초가 필요했다. 그로 인해, 열간 프레스에 의해 성형 가능한 부품의 생산성은 2 내지 4개/분 정도로 매우 생산성이 낮았다.
특허 문헌 4는 Al 도금층을 Al-Fe 합금화하고 있지 않은 강판을 약 20℃/초라고 하는, 비교적 빠른 속도로 승온하는 기술이다. 이와 같은 때에는 용융된 메탈이 흘러내린다고 하는 과제가 개시되어 있다. 이것을 해결하기 위해 융점 이하의 온도에서 완만하게 승온시켜 이 사이에 합금화(도금과 강판이 반응하여 금속간 화합물로 변화되는 현상을 이렇게 부름)를 진행시킴으로써 도금의 융점을 상승시키는 것이 개시되어 있다. 그러나, 이 경우에도, 예를 들어 30㎛ 두께의 도금층에서는 60초의 완만한 가열이 필요로 되어 있고, 합계 가열 시간은 100초 필요로 되어 있다. 따라서, 생산성 향상이라고 하는 관점으로부터는 아직 개선의 여지가 있었다.
핫프레스의 생산성을 향상시키기 위해서는, 통전 가열이나 유도 가열 등과 같은 급속 가열을 행하는 것이 유효하다. 그러나, 급속하게 가열하면 특허 문헌 4에도 기재되어 있는 바와 같이, 흘러내림이 발생하여, 도금 두께가 불균일해진다고 하는 문제가 있었다. 흘러내림의 본질적인 원인은, 가열 과정에서 도금이 합금화되기 전에 용융되는 데 있다. 즉, 합금화하면, 융점이 상승하기 때문에 흘러내림은 일어나지 않지만, 급속하게 승온하면, 합금화하지 않는 동안에 Al의 융점(660℃) 이상으로 되어, Al 도금이 용해되기 때문이라고 생각된다. 이와 같은 도금 두께가 불균일한 도금 강판은 프레스 시에 형틀에 물려 들어가거나, 응착되므로, 생산성을 크게 저해한다. 즉, 이 흘러내림 현상을 극복함으로써 생산성 향상을 달성하는 것이 가능해진다.
복사 가열을 이용하여 급속 가열하는 기술도 있다. 즉, 근적외선과 같은 에너지 밀도가 높은 방사선을 강판에 조사함으로써, 급속 가열하는 것도 가능하다. 전기 가열은 일반적으로 블랭크재의 형상 제약이 있지만, 복사 가열은 그 제약이 적다고 하는 이점이 있다. 그런데, 복사 가열을 사용하여 Al 도금 강판을 급속 가열하면, 도금이 용융된 시점에서 표면이 경면으로 되고, 열의 흡수 효율이 저하되어, 예를 들어 비도금재에 비해 승온 속도가 작아진다고 하는 과제도 있었다.
또한, 이와 같은 고강도 강판을 사용하는 경우에는, 수소에 의한 지연 파괴를 고려해야만 한다. 지연 파괴 자체는 고강도 강판에 공통되는 과제이지만, 핫프레스에 Al 도금 강판을 적용할 때에는, Al 및 Al-Fe 합금 중의 수소의 확산 계수가 매우 작은 것이 문제가 된다. 즉, Al 도금을 부여함으로써 강 중의 수소가 빠지기 어려워져, 일반적으로 지연 파괴의 관점으로부터는 불리해진다. 수소는 Al 도금 제조 시(냉연 후의 재결정 어닐링 시), 핫프레스의 오스테나이트 영역으로의 가열 시, 화성 처리, 전착 도장 시에 강판 중에 흡장된다. 따라서, Al 도금 강판은 국부적인 응력 잔존 혹은 응력 부여에 의해 지연 파괴를 발생시킬 가능성이 있다. 전술한 바와 같이, 이 부재는 자동차의 강도 부재로서 사용되는 것으로, 작은 균열이라도 발생하는 것은 바람직하지 않다. 급속 가열 프로세스로 함으로써 오스테나이트 영역으로의 가열 시의 수소 흡장은 억제되는 방향에 있지만, Al 도금을 제조할 때에도 수소를 함유하는 분위기 중에서 어닐링하는 것이 통상의 제법이고, 이 잔류 수소를 제거하는 것이 곤란했다.
그로 인해, Al 도금 강판 제조 후에, 600 내지 700℃ 정도로 장시간 어닐링하면, Al 도금 제조 시에 흡장한 수소를 제거하는 것이 가능한 것이 알려져 있다.
그러나, 코일 형상인채로 어닐링 가열하면 도 1(a)에 도시한 바와 같이 코일의 폭 방향 중앙부의 표면에 분말 형상의 부착물이 생성되고, 그 주위에 흰 선이 발생하는 현상이 일어나, 코일을 사용할 수 없다고 하는 문제가 있었다.
정리하면, 지연 파괴의 원인인 강판 내의 수소에 대해서는, Al 도금 강판 제조 시에 흡장하는 수소와, 핫프레스 전의 강판 가열 시에 흡장하는 수소가 있어, 각각에 대책을 채용할 필요가 있다. 핫프레스 전의 강판 가열에 대해서는, 급속 가열이 수소 흡장을 억제하므로 유효한 수단이다.
그러나, 핫프레스 전의 급속 가열은 Al-Fe 합금화가 지연되므로, Al 도금 부분이 용융되어, 흘러내림이 발생한다고 하는 문제가 있다. 이것을 해결하는 것은, 수소 흡장의 관점뿐만 아니라, 생산성의 비약적 향상이라고 하는 관점으로부터도 중요한 과제로 되어 있다. 또한, Al 도금 강판 제조 시에 흡장한 수소를 제거하기 위해서는, Al 도금 강판 제조 후에 600 내지 700℃ 정도로 장시간 어닐링하는 것이 유효하지만, 코일 형상인채로 어닐링하면, 강판 표면에 품질의 이상 부분이 발생한다. 생산성이나 핸들링의 관점으로부터 코일 형상으로 어닐링하는 것이 합리적이므로, 이 강판 표면의 품질 이상을 해결하는 것도, 중요한 과제로 되어 있다.
본 발명자들은 상기 과제를 해결하기 위해 예의 연구를 거듭한 결과, Al 도금 강판 제조 후에 코일 형상으로 행하는 어닐링에 있어서, 특정한 범위 내의 어닐링 조건이면, 강판 표면의 품질 이상이 발생하지 않고, 또한 Al 도금부가 Al-Fe 합금화가 진행되는 것을 발견하여, 본 발명을 이루는 것에 이르렀다. 이에 의해, 핫프레스 전에 급속 가열을 적용해도, 도금의 흘러내림을 완전히 방지할 수 있고, 또한 지연 파괴의 원인이 되는 강판 내에 잔류한 수소도 제거할 수 있는 것도 확인하였다. 동시에 Al-Fe 합금화함으로써 표면은 흑색화하고, 근적외선과 같은 복사 가열에서의 급속 가열도 가능하게 하였다.
본 발명이 요지로 하는 바는, 이하와 같다.
(1) 편면당의 알루미늄 도금 부착량이 30 내지 100g/㎡인 알루미늄 도금 강판을, 코일 형상인채로 박스 어닐링노 내에서 어닐링할 때에, 그 유지 시간 및 어닐링 온도를 각각 X축, Y축으로 하고, X축을 로그 표시하는 XY 평면에 있어서, 좌표 (600℃, 5시간), (600℃, 200시간), (630℃, 1시간), (750℃, 1시간), (750℃, 4시간)의 5점을 정점으로 하는 오각형의 각 변을 포함하는 내부 영역에 있는 유지 시간 및 어닐링 온도의 조합으로 어닐링하는 것을 특징으로 하는 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
(2) 상기 알루미늄 도금 강판의 기재(基材)가 되는 강판의 성분이 질량％로,
C:0.1 내지 0.4％,
Si:0.01 내지 0.6％,
Mn:0.5 내지 3％,
P:0.005 내지 0.05％,
S:0.002 내지 0.02％,
Al:0.005 내지 0.1％를 함유하고,
또한,
Ti:0.01 내지 0.1％,
B:0.0001 내지 0.01％,
Cr:0.01 내지 0.4％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
(3) 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 표면에 부착되어 있는 알루미늄 도금 중에 Si를 3 내지 15질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는 (1) 또는 (2)에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
(4) 편면당의 알루미늄 도금 부착량이 30 내지 100g/㎡인 알루미늄 도금 강판을, 코일 형상인채로 박스 어닐링노 내에서 어닐링할 때에, 그 유지 시간 및 어닐링 온도를 각각 X축, Y축으로 하고, X축을 로그 표시하는 XY 평면에 있어서, 좌표 (600℃, 5시간), (600℃, 200시간), (630℃, 1시간), (750℃, 1시간), (750℃, 4시간)의 5점을 정점으로 하는 오각형의 각 변을 포함하는 내부 영역에 있는 유지 시간 및 어닐링 온도의 조합으로 어닐링한 것을 특징으로 하는 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
(5) 상기 알루미늄 도금 강판의 기재가 되는 강판의 성분이 질량％로,
C:0.1 내지 0.4％,
Si:0.01 내지 0.6％,
Mn:0.5 내지 3％,
P:0.005 내지 0.05％,
S:0.002 내지 0.02％,
Al:0.005 내지 0.1％를 함유하고,
또한,
Ti:0.01 내지 0.1％,
B:0.0001 내지 0.01％,
Cr:0.01 내지 0.4％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 (4)에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
(6) 상기 알루미늄 도금 강판 표면의 L*값이 10 내지 60인 것을 특징으로 하는 (4) 또는 (5)에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
(7) 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 표면에 부착되어 있는 알루미늄 도금 중에 Si를 3 내지 15질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는 (4) 내지 (6) 중 어느 한 항에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
(8) 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 기재가 되는 강판의 표면에 Al 농도 환산으로 40 내지 70질량％인 Al-Fe 합금층이 있는 것을 특징으로 하는 (4) 내지 (7) 중 어느 한 항에 기재된 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
(9) (4) 내지 (8) 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 도금 강판으로부터 프레스 가공용 블랭크를 잘라내고, 그 블랭크를 핫프레스 전의 가열에 있어서 승온 속도가 평균 40℃/초 이상, 또한 700℃ 이상인 환경에 노출되는 시간이 20초 이하로 되도록 가열하여, 핫프레스 가공하는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스 방법.
본 발명에 따르면, 핫프레스용 Al 도금 강판에 있어서, 표면까지 Al-Fe 합금화시킴으로써, 핫프레스 전에 강판을 급속 가열해도 흘러내림의 발생을 없애는 것이 가능해질 뿐만 아니라, 지연 파괴의 리스크를 저감시키는 것이 가능해진다. 또한 급속 가열을 적용함으로써, 핫프레스의 생산성을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 부수적 효과도 인정된다. 통전 가열의 경우, 부분적으로 가열하는 것도 가능하지만, 전극과 접하는 부위를 가열하는 것은 곤란했다. 종래의 합금화되어 있지 않은 Al 도금 강판을 사용하는 경우에는, 가열되어 있지 않은 부위를 잘라 버릴 필요가 있었지만, 본 발명에 의해, 그 필요는 없어진다. 또한, Al 도금 부분을 Al-Fe 합금화시킴으로써 스폿 용접성이 향상되어, 스폿 용접의 전극을 빈번하게 연삭할 필요가 없어진다. 도장 후 내식성에 대해서도, 특히 도막 팽창이 일어나기 어려워져, 본 발명에 의해 가열되어 있지 않은 부위는 켄칭되지 않지만, 그대로 부품으로서 사용하는 것이 가능해진다.
도 1은 Al 도금 강판을 코일 상태 그대로 550℃에서 박스 어닐링한 후의 외관의 상황과 그 메커니즘을 도시한다.
도 1(a)는 박스 어닐링 후에 발생하는 Al 도금 강판의 표면 이상의 전형적인 예를 사진으로 도시한다.
도 1(b)는 이 표면 이상의 메커니즘을 설명하는 개념도이다.
도 1(c)는 어닐링에 의해 얻어지는 이상적인 Al 도금층의 합금화를 설명하는 개념도이다.
도 2는 Al 도금 강판을 가열 합금화한 후의 단면 조직의 구조의 일반적인 예를 도시하는 광학 현미경 사진이다. 도금 강판 표층부에 1층으로부터 5층까지의 층이 확인된다.
도 3은 Fe-Al의 2원계 상태도를 도시하는 설명도이다.
도 4는 본 발명에 관한 피복층의 단면 조직의 구조의 일례를 도시하는 광학 현미경 사진이다.
도 5는 본 발명에 관한 박스 어닐링의 적정 어닐링 조건의 범위를 도시하는 도면이다.
이하에 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다.
[본 발명에 관한 생산성과 지연 파괴 특성이 우수한 핫프레스 방법의 개요]
상술한 바와 같이, 상기 특허 문헌 1 내지 3에 기재된 기술에서는, 가열에 약 200초 이상을 걸리게 하는 저생산성 프로세스였다. 핫프레스의 생산성을 향상시키기 위해, 통전 가열 등에 의해 급속 가열을 행하면, 특허 문헌 4에 기재되어 있는 바와 같이 강판 표면에 용융된 도금의 흘러내림이 발생한다고 하는 문제도 있었다. 여기서 전기를 사용한 가열 방법에 있어서의 흘러내림에 대해 서술한다. 고주파 가열, 통전 가열 모두, 강판에 전류가 흐름으로써 강판의 저항 발열을 이용한 가열 방법이다. 그런데, 강판에 전류가 흐르면, 자계가 발생하여, 전류와 자계의 상호 작용에 의해 힘이 발생한다. 이 힘에 의해 용융된 금속이 이동한다. 가열 방법에 의해 전류의 방향은 다양하게 바뀌므로 일률적으로는 말할 수 없고, 강판의 중앙부가 두꺼워지는 경우나, 반대로 강판의 단부가 두꺼워지는 경우가 있을 수 있다. 또한, 블랭크재를 종배치로 한 경우, 중력이 작용하여 블랭크 하부의 도금이 두꺼워지는 경우도 있다.
본 발명자들의 검토에 따르면, 이 도금의 흘러내림을 방지하기 위해서는, 도금 부착량을 줄이면 되는 것을 알 수 있다. 예를 들어, Al 도금 강판을 사용하여 승온 속도를 50℃/초 이상에서 승온 온도 900 내지 1200℃로 한 경우에는, 도금 부착량이 편면에서 30g/㎡에서는 도금의 흘러내림이 발생하지 않아 평활한 표면으로 되지만, 도금 부착량이 편면에서 60g/㎡에서는 도금의 흘러내림이 발생한다고 하는 실험예가 얻어지고 있다. 한편, 도금의 흘러내림을 방지하기 위해, 도금 부착량을 줄이면, 충분한 도장 후 내식성을 확보할 수 없다. 즉, 생산성의 향상과 내식성의 확보는 트레이드 오프의 관계에 있으므로, 종래에는 우수한 내식성과 우수한 생산성을 겸비하는 급속 가열 핫프레스용 Al 도금 강판은 얻어져 있지 않았다.
따라서, 본 발명자들은 우수한 내식성과 우수한 생산성을 겸비하는 급속 가열 핫프레스용 도금 강판을 얻기 위해 예의 검토를 행한 결과, 표면까지 Al-Fe 합금화시키는 것이 유효하다는 발견을 얻었다. 그리고, 우수한 도장 후 내식성을 얻기 위해서는, 일정 이상의 부착량이 필요해진다.
Al 도금 강판을 표면까지 합금화시키기 위해서는 가열할 필요가 있다. 지금까지 핫프레스를 위한 가열을 실시함으로써 합금화는 문제없이 일어나고 있고, Al 도금 강판의 코일을 가열함으로써 합금화는 달성된다고 예상되었다. 그러나, Al 도금 강판의 코일을 가열함으로써 합금화하는 것은 예상보다도 훨씬 곤란함을 수반하였다. 핫프레스를 위한 가열은 코일을 블랭킹한 후, 노 내에서 가열한다. 혹은, 통전, 고주파 등의 수단을 사용하여 가열되지만, 어떤 방법이라도 블랭크된 강판은 단독으로 가열된다. 이에 대해 코일 형상인채로 가열하면, 강판끼리를 겹친 상태에서의 가열로 된다. 이와 같은 상태에서 가열하면, 이하의 현상이 나타났다.
도 1에 그 현상을 도시한다. 도 1(a)는 Al 도금 강판의 코일을 박스 어닐링노 내에서 분위기를 대기로 하여 가열, 합금화를 시도했을 때 발생한 표면 이상이다. 이때 도금 조성은 Al-약 10％ Si로, 이 조성의 융점은 약 600℃이다. 융점 이상에서 가열하면, 용융된 도금층끼리가 융착될 우려가 있으므로, 어닐링 온도 550℃에서 약 48시간 유지하였다. 그 후, 어닐링로로부터 밖으로 꺼내어, 표면을 관찰한 바, Al 도금 강판(1)의 외측 테두리부에는 이상이 없는 통상의 정상부(2)가 있지만, 강판의 폭 방향에서 1/3 정도의 곳에 흰 선 형상의 띠가 관찰되었다. 이는, Al 도금의 일부가 박리된 부분(3)인 것을 알 수 있었다. 또한, 강판의 폭 방향 중앙부 표면에 분상물(粉狀物)이 부착되는 부분(4)이 관찰되었다.
이 현상은 박스 어닐링노 내에서 코일 형상인채로 어닐링했을 때에 나타난다. 동일한 어닐링 조건이라도 강판을 절삭판으로 하여, 단독으로 가열해도 나타나지 않고, 코일 상태, 즉 강판끼리가 밀착하도록 겹친 상황에서 가열하여 나타나는 현상이다. 분상물 부착물부(4)의 분상물은 AlN인 것을 알 수 있었다. 한편, 박리부(3)가 박리되는 부위는 합금화되어 있지 않은 Al 도금층으로, Al 도금층(12)과 Al-Fe 합금층(11)의 계면에 AlN(14)이 생성되어 있는 것 및 이 AlN(14)이 합금화를 억제하고 있는 것이 확인되었다. 도 1(b)에 이 메커니즘을 도시하고 있다. Al 도금 강판은 기재가 되는 강판(10) 상에 Al-Fe 합금층(11)이 얇게 생성되고, 그 위에 Si(13)를 함유하는 Al 도금층(12)이 있다(좌측 단부의 도면). 어닐링하면, 합금층(11)과 알루미늄 도금층(12)의 계면에 AlN(14)이 생성되기 시작한다(좌측으로부터 2번째의 도면). 그리고, 합금층(11)과 Al 도금층(12)의 계면에 AlN(14)이 성장한다(좌측으로부터 3번째의 도면). 어닐링에서의 유지를 계속하면, AlN(14)이 성장하여, Al 도금층이 얇아지고, 부분적으로 박리된다(좌측으로부터 4번째의 도면). 이것이 박리부(3)를 형성하고 있는 것이라고 생각된다. AlN(14)의 성장이 더욱 진행되면, Al 도금층(13)의 국부적 박리가 진행되어, AlN층(14)의 요철이 분말 형상으로 되어 보이는 것이라고 생각된다(우측 단부의 도면). 이것이 분상물 부착부(4)이다.
이 현상은 대기 중의 질소와 도금층의 Al이 반응하여 AlN이 생성되는 것이 원인이라고 판단된다. 단부는 대기 중의 산소의 영향으로 AlN이 생성되기 어렵게 되어 있지만, 코일 상태에서는 폭 방향의 중심부까지 산소가 영향을 미치지 않는 것이라고 생각된다. 또한, N은 분위기의 질소에서 유래하지만, AlN은 Al-Si 도금과 합금층의 계면으로부터 생성을 시작한다. 이는, 질소는 Al-Si를 투과하고, 합금층이 AlN 생성에 어떤 촉매 작용을 갖고 있기 때문이라고 추정하고 있다.
코일 형상으로 되어 있으면, Al 도금층(13) 중의 질소(N)를 외측으로 확산할 수 없으므로, 강판의 폭 방향 중심으로 되는 것에 따라서, Al 도금층의 박리가 진행되는 것으로 추찰한다. 이상적으로는, 도 1(c)에 있는 바와 같이, 기재가 되는 강판(10)의 Al 도금층(12)이 모두 Al-Fe 합금층(11)으로 되는 것이다. 도 1(a)의 강판 외측 테두리부의 정상부(2)는, 이러한 합금화가 충분히 진행된 부분인 것도 확인하였다.
이러한 발견에 따라서, 질소를 함유하지 않는 수소 중에서, 동일한 온도, 시간 조건으로 어닐링하였지만, 수소 중에서도 합금화가 억제되어 합금화되지 않는 Al의 박리가 인정되었다. 이 원인은 현단계에서는 불명확하지만, 알루미늄 수소 화합물이 생성되어 합금화를 저해했을 가능성이 있다. 따라서, 대기, 질소, 수소의 어느 분위기에서도, 코일 형상에서의 어닐링에 의해, 강판 표면에 도금 박리 혹은 분상물 부착 또는 그 양쪽이 발생하여, 정상적인 합금화는 불가능하다. 대기 중에서 오픈 코일 어닐링과 같은 것을 하면 합금화는 가능하다고 생각되지만, 전용의 설비가 필요해 매우 고가의 프로세스로 되어, 현실적이지 않다.
본 발명에 있어서 중요한 점은, 이와 같은 현상을 일으키지 않고 어닐링 가능한 조건을 선정한 것이다. 관건이 되는 인자는 어닐링 시의 유지 온도에서, 550℃ 정도에서 어닐링했을 때에는 AlN이 생성되지만, 600℃에서 어닐링하면 AlN 생성을 억제할 수 있는 것을 발견하였다. 한편 이 온도 영역은 Al의 융점 이상이므로 용융된 Al이 융착될 우려가 있지만, 750℃ 이하에서는 융착도 일어나지 않아, 정상적인 합금층으로 하는 것이 가능하다. 이때 Al은 N 혹은 Fe와 반응물을 형성하고, AlN 생성과 Al과 Fe의 합금화 반응이 경쟁하지만, 600℃ 미만에서는 AlN이 우선적으로 생성되고, 600℃ 이상에서는 Al과 Fe의 합금화 반응이 우선하고 있다고 해석할 수 있다.
이 온도 영역에서 어닐링하는 것은 탈수소 처리라고 하는 의미에서도 중요하다. 온도가 지나치게 높으면 강 중의 수소의 고용한(固溶限)이 상승하여, 탈수소 효과가 작고, 또한 온도가 지나치게 낮으면 수소의 계 외부로의 확산이 충분히 진행되지 않는다. 600 내지 700℃에서 어닐링함으로써 Al 도금 공정 중에 흡장한 수소는 방출되고, 지연 파괴에 기여하는 확산성 수소량은 극히 작아진다. 600℃ 이상의 도금층이 용융되는 온도에서 가열함으로써 수소의 확산은 촉진되는 것이라고 생각하고 있다.
이상의 발견에 기초하여, 권장되는 조건은 600 내지 750℃이고, 대기 분위기에서의 가열 어닐링이 바람직하다. 온도를 600℃ 이상으로 함으로써 AlN 생성은 억제되므로, 분위기는 반드시 대기일 필요는 없고, 질소 분위기에서도 가능하지만, 이 온도에서도 AlN은 표면에 약간의 양이 생성될 수 있으므로 대기 분위기가 바람직하다. 질소 분위기라도 이슬점을 －10℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
[본 발명에 관한 생산성과 지연 파괴 특성이 우수한 핫프레스 방법의 구성]
(Al 도금재의 일반적인 합금층의 구조에 대해서)
도 2를 참조하면서, Al 도금 강판을 가열함으로써 얻어지는 일반적인 합금층의 구조에 대해 설명한다. 또한, 도 2는 Al 도금 강판을 가열 합금화한 후의 단면 조직의 구조의 일반적인 예를 도시하는 광학 현미경 사진이다.
핫프레스 전의 Al 도금 강판의 도금층은 표층보다 Al-Si층 및 AlFeSi 합금층으로 이루어진다. 이 도금층은 핫프레스 공정에서 900℃ 정도로 가열됨으로써 Al-Si와 강판 중 Fe의 상호 확산이 일어나, 전체가 Al-Fe 화합물로 변화된다. 이때, Al-Fe 화합물 중에 부분적으로 Si를 함유하는 상도 생성된다.
여기서, 도 2에 도시한 바와 같이, Al 도금 강판을 가열 합금한 후의 Al-Fe 합금층은 일반적으로 5층 구조로 되는 경우가 많다. 이들 5층을 도 2에서는, 도금 강판 표면으로부터 순서대로 1층 내지 5층으로 나타내고 있다. 제1층 중의 Al 농도는 약 50질량％, 제2층 중의 Al 농도는 약 30질량％, 제3층 중의 Al 농도는 약 50질량％, 제4층 중의 Al 농도는 15 내지 30질량％, 제5층 중의 Al 농도는 1 내지 15질량％의 조성으로 되어 있다. 잔량부는 Fe 및 Si이다. 제4층과 제5층의 계면 부근에 보이드의 생성이 관찰되는 경우도 있다. 이와 같은 합금층의 내식성은 Al 함유량에 거의 의존하고, Al 함유량이 높을수록 내식성이 우수하다. 따라서, 제1층, 제3층이 가장 내식성이 우수하다. 또한, 제5층의 하부의 조직은 강의 소지이고, 마르텐사이트를 주체로 하는 켄칭 조직으로 되어 있다.
도 3에 Al-Fe의 2원계 상태도를 도시한다. 이 도 3을 참조하면, 제1층, 제3층은 Fe2Al5, FeAl2를 주성분으로 하고, 제4층, 제5층은 각각 FeAl, αFe에 대응하는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 제2층은 Al-Fe 2원계 상태도로부터 설명할 수 없는 Si를 함유하는 층이고 그 상세한 조성은 명백하지 않다. 본 발명자들은 FeAl2와 Al-Fe-Si 화합물이 미세하게 서로 섞인 것이라고 추정하고 있다.
(본 발명의 생산성과 지연 파괴 특성이 우수한 핫프레스 방법에 사용하는 도금 강판의 합금층 구조에 대해서)
다음에, 본 발명에 관한 박스 어닐링노 내에서 합금화시킨 핫프레스용 도금 강판을, 통전 가열법을 사용하여 50℃/초에서 900℃까지 승온한 후, 즉시 금형 켄칭한 시료의 합금층(이하, 「피복층」이라고 칭함)의 구조에 대해 설명한다.
전형적인 가열 후의 상태로서, 박스 어닐링 후, 30℃/초에서 900℃까지 가열했을 때의, 피복층의 상태를 도 4에 도시한다. 도 4에 도시한 바와 같이 5층 구조는 도시하지 않는다. Al 농도가 40질량％ 내지 70％질량％인 Al-Fe 합금층의 부분이 단면의 면적률로 60％ 이상을 차지하게 되어 있다. 이는, 박스 어닐링이 비교적 저온인 것과, 그 후 급속 가열을 하였으므로, Fe의 Al 도금층으로의 확산량이 적기 때문이라고 추찰한다.
그 결과로서, 종래보다도 도장 후 내식성이 향상되는 효과가 인정된다. 종래의 합금층, 즉 도 2와 같은 5층 구조의 경우, 최표면층의 전위가 가장 낮기 때문에 우선 부식되기 쉽다. 이때 도막 팽창의 폭은 최표면층의 부식량과 대응한다. 이때 비교적 부식량이 적어도 부식이 최표면층만으로 되기 때문에, 부식되는 면적으로서는 커지기 쉽다. 즉, 도막 팽창으로서는 비교적 일어나기 쉽다. 이에 대해, 금회의 합금층, 즉 도 4와 같은 구조의 경우에는 명확한 층 구조를 도시하고 있지 않으므로, 부식은 합금층 전체에 진행되는 것이 상정된다. 이때에는 5층 구조와 동일한 부식량으로 하면, 판 두께 방향으로 진행되는 만큼, 강판의 표면 방향(폭 방향 및 길이 방향)으로는 진행되기 어려워진다. 따라서, 도막 팽창 폭은 작아진다.
이하, 상술한 바와 같은 핫프레스용 도금 강판의 제조에 사용되는 Al 도금 강판의 구성에 대해 상세하게 설명한다.
(강판에 대해서)
핫프레스가 금형에 의한 프레스와 켄칭을 동시에 행하는 것이므로, 본 발명에 관한 급속 가열 핫프레스용 도금 강판으로서는, 켄칭되기 쉬운 성분일 필요가 있다. 구체적으로는, 강판 중의 강 성분으로서, 질량％로, C:0.1 내지 0.4％, Si:0.01 내지 0.6％, Mn:0.5 내지 3％, P:0.005 내지 0.05％, S:0.002 내지 0.02％, Al:0.005 내지 0.1％를 함유하고, 또한 Ti:0.01 내지 0.1％, B:0.0001 내지 0.01％, Cr:0.01 내지 0.4％의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것이 바람직하다.
C량에 대해서는, 켄칭성의 향상이라고 하는 관점으로부터 0.1％ 이상인 것이 바람직하고, 또한, C량이 지나치게 많으면 강판의 인성의 저하가 현저해지므로, 0.4질량％ 이하인 것이 바람직하다.
Si를 0.6％ 초과 첨가하면 Al 도금성이 저하되고, 0.01％ 미만으로 하면 피로 특성이 떨어지므로 바람직하지 않다.
Mn은 켄칭성에 기여하는 원소로 0.5％ 이상의 첨가가 유효하지만, 켄칭 후의 인성의 저하라고 하는 관점으로부터는 3％를 초과하는 것은 바람직하지 않다.
Ti는 알루미늄 도금 후의 내열성을 향상시키는 원소로 0.01％ 이상의 첨가가 유효하지만, 과잉으로 첨가하면 C나 N과 반응하여 강판 강도를 저하시켜 버리므로, 0.1％를 초과하는 것은 바람직하지 않다.
B는 켄칭성에 기여하는 원소로 0.0001％ 이상의 첨가가 유효하지만, 열간에서의 균열의 우려가 있으므로, 0.01％를 초과하는 것은 바람직하지 않다.
Cr은 강화 원소인 동시에 켄칭성의 향상에 유효하다. 그러나, 0.01％ 미만에서는 이들의 효과가 얻어지기 어렵다. 0.4％ 초과 함유해도, 이 온도 영역에서의 어닐링에서는 효과가 포화된다. 따라서, 0.4％를 상한으로 한다.
P는 과잉으로 첨가하면 강판의 취성을 일으키므로, 0.05％ 이하가 바람직하다. 그러나, 정련 과정에서의 제거가 어렵고, 경제적인 관점으로부터 하한 농도를 0.005％로 하는 것이 합리적이다.
S는 MnS로서 강 중의 개재물로 되고, MnS가 많으면 파괴의 기점으로 되어, 연성, 인성을 저해하므로 0.02％ 이하가 바람직하다. P와 마찬가지로 정련 과정의 경제적 관점으로부터 하한 농도를 0.005％로 하였다.
Al은 도금성 저해 원소이므로, 0.1％ 이하가 바람직하다. P나 S와 마찬가지로 정련 과정의 경제적 관점으로부터 하한 농도를 0.005％로 하였다.
또한, 강판 중의 성분으로서, 그밖에 N, Mo, Nb, Ni, Cu, V, Sn, Sb 등이 함유될 수 있다. 통상은 질량％로, N:0.01％ 이하, Ni:0.05％ 이하, Cu:0.05％ 이하이다.
(Al 도금에 대해서)
본 발명에 관한 강판으로의 Al 도금의 방법에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 용융 도금법, 전기 도금법, 진공 증착법, 클래드법 등이 적용 가능하다. 현재 공업적으로 가장 보급되어 있는 것은 용융 도금법이고, 통상, 도금욕으로서, Al에 3질량％ 내지 15질량％의 Si를 함유하는 것을 사용한다. 이것에 불가피적 불순물의 Fe 등이 혼입되어 있다. 이것 이외의 첨가 원소로서, Mn, Cr, Mg, Ti, Zn, Sb, Sn, Cu, Ni, Co, In, Bi, 미슈 메탈 등이 있을 수 있다. Zn, Mg의 첨가는 적청을 발생하기 어렵게 한다고 하는 의미에서 유효하지만, 증기압이 높은 이들 원소의 과잉의 첨가는 Zn, Mg의 흄 발생, 표면으로의 Zn, Mg 기인의 분체상 물질의 생성 등의 문제가 있다. 그로 인해, Zn:60질량％ 이상, Mg:10질량％ 이상의 첨가는 바람직하지 않다.
또한, 본 발명에 있어서, Al 도금의 도금 전처리, 후처리 등에 대해서는 특별히 한정하는 것은 아니다. 도금 전처리로서 Ni, Cu, Cr, Fe 프리도금 등도 적용 가능하다. 또한, 도금 후처리로서, 1차 방청, 윤활성을 목적으로 한 후처리 피막을 실시해도 좋다. 이때 크로메이트가 아닌 피막인 것이 바람직하고, 또한 도금 후에 가열되므로, 두꺼운 수지계 피복은 바람직하지 않다. 핫프레스 시의 윤활성을 향상시키기 위해 ZnO를 함유하는 처리가 유효하고, 이와 같은 처리를 하는 것도 가능하다.
Al-Fe 합금층의 두께는 10 내지 45㎛가 바람직하다. Al-Fe 합금층의 두께가 10㎛ 이상이면, 핫프레스에서의 가열 공정 후에, 충분한 도장 후 내식성을 확보할 수 있다. 두께가 클수록 내식성상은 우위에 작용하지만, 한편, Al 도금층의 두께와 Fe-Al 합금층의 두께의 합이 클수록, 가열 공정에 의해 생성된 피복층이 가공 시에 결핍되기 쉬워지므로, 피복층의 두께는 45㎛ 이하인 것이 바람직하다. 또한, Al 도금의 부착량이 편면당 100g/㎡를 초과한 경우는 상술한 바와 같이 Fe-Al 합금화를 행해도, 프레스 시에 도금층이 박리되어 금형으로 응착하는 것을 방지할 수 없어, 프레스품에 누름 자국이 발생하므로 피할 필요가 있다.
또한, 표면의 색조로서 JIS-Z8729에 규정하는 L*값을 계측하여, L*값이 10 내지 60인 것이 바람직하다. 이는, 표면까지 합금화한 결과로서 명도가 저하되는 것이다. 명도가 저하되어, 흑화된 표면은 특히 복사 가열에 적합하고, 근적외선 가열로 50℃/초 이상의 승온 속도를 얻을 수 있다. L*값이 60 초과인 것은 미합금의 Al이 표면에 잔존하는 것을 의미하고, 복사 가열에서의 가열 속도가 저하되므로 바람직하지 않다. L*값은 어떤 합금화 조건으로 해도 10 이하로 되지 않으므로, 10을 하한치로 하였다.
[본 발명에 사용하는 핫프레스용 도금 강판의 제조 방법]
본 발명에 관한 핫프레스용 도금 강판은, 강 성분으로서, 상술한 성분의 강에 부착량이 30 내지 100g/㎡ 이하로 되도록 Al 도금이 실시된 Al 도금 강판을 합금화 처리함으로써 제조된다. 이 합금화 처리에 의해, Al 도금층이 모재 중의 Fe와 합금화하여, Al-Fe 합금층으로 된다.
또한, 상기 합금화 처리는 Al 도금 후에, Al 도금층을 합금화하는 것으로, Al 도금 후에 박스노 내에서 코일 어닐링(박스 어닐링)하는 방법이 바람직하다. 합금화 처리를 행하는 경우에는, 어닐링 조건, 즉 승온 속도, 최고 도달판 온도, 냉각 속도 등의 모든 조건을 조정함으로써, Al 도금층의 두께를 제어할 수 있다.
이때의 조건으로서는, 그 유지 시간, 온도를 각각 X축, Y축으로 하고, X축을 로그 표시했을 때에, (600℃, 5시간), (600℃, 200시간), (630℃, 1시간), (750℃, 1시간), (750℃, 4시간)의 5점을 정점으로 하는 오각형의 각 변을 포함하는 내부 영역에 있는 유지 시간 및 어닐링 온도의 조합으로 어닐링하는 것이 바람직하다. 이 조건을 도 5에 도시한다.
이들의 설정 이유는 이하와 같다. 우선, 온도 하한 600℃는 전술한 바와 같이 AlN을 생성시키지 않고 Al 도금을 합금화시키는 데 필수적인 조건이다. Al 도금을 어닐링했을 때에 도금 중의 Al은 강판의 Fe, 대기 중의 N과 반응할 수 있고, 이는 경쟁 반응이다. 600℃ 미만의 온도에 있어서는 AlN의 생성이 주가 되고, 결과적으로 Al과 Fe의 반응이 억제된다. 그러나, 600℃ 이상에서는 Al-Fe 반응이 우세가 되고, AlN 생성은 억제된다. 이는 각각의 반응의 온도 의존성이 다르기 때문에 그런 것이라고 해석할 수 있다.
또한, 온도 상한은 750℃이고, 이는 코일로 어닐링했을 때의 Al끼리의 융착을 억제하기 위해 필요하다. 즉, 750℃ 초과의 고온에서 용융된 Al끼리가 접촉하면 용이하게 접합되어 버려, 코일을 전개하는 것이 곤란해진다. 750℃ 이하의 어닐링 온도로 함으로써 융착을 억제할 수 있어, 합금화된 코일을 얻을 수 있다. 또한, 이 박스 어닐링 중에 강 중 수소를 저하시키기 위해서는 750℃ 이하로 할 필요가 있다.
다음에, 시간에 대해서는 1시간이 하한으로 된다. 이는, 박스 어닐링에 있어서, 1시간 이하의 유지 시간에서는 안정된 어닐링을 할 수 없기 때문이다.
(600℃, 5시간), (630℃, 1시간)을 연결하는 선은 대략 표면까지 합금화하는 조건에 대응한다.
(600℃, 200시간), (750℃, 4시간)을 연결하는 선은 대략 양호한 도장 후 내식성을 얻어지는 선에 대응한다.
도 5에 있어서 우측 상부로 갈수록 고온, 장시간 유지로 되어 합금화가 진행되는 것을 의미한다. 합금화 정도로서 표면까지 합금화하지 않으면 복사 가열에 있어서의 승온 속도가 저하되고, 또한 통전 가열 등에서 흘러내림이 발생한다. 또한, 지나치게 합금화되면 표면의 Al 농도가 저하되어, 도장 후 내식성이 저하되는 경향이 있다. 현행의 내식 재료인 GA(용융 아연 합금화 도금 강판)와 동등한 도장 후 내식성을 확보하기 위해서는 (600℃, 200시간), (750℃, 4시간)을 연결하는 선보다도 좌측(저온, 단시간측)에서 어닐링하는 것이 바람직하다.
또한, 박스 어닐링 조건은 도금 부착량에도 영향을 미치고, 도금 부착량이 적으면 저온에서도 표면까지 합금화 가능하지만, 부착량이 많으면 고온 혹은 장시간의 조건이 필요해진다.
(핫프레스 방법에 대해서)
또한, 상술한 바와 같이 하여 얻어진 Al 도금 강판은, 그 후의 핫프레스 공정에 있어서 평균의 승온 속도 40℃/초 이상의 승온 속도로 급속 가열되는 것이 바람직하다. 종래의 전기로 내에서 가열한 경우의 평균 승온 속도는 4 내지 5℃/초이다. 본 발명은 생산성과 지연 파괴 특성이 우수한 핫프레스 방법을 제공하는 것이므로, 평균의 승온 속도를 40℃/초 이상으로 함으로써 승온할 때까지의 시간을 20초 이하와 종래의 1/5 이하로 저감시킬 수 있다. 또한, 700℃ 이상의 시간을 최대한 짧게 함으로써 이 사이의 강판으로의 수소 흡장을 억제할 수 있다. 이때의 가열 방식에 대해서는 특별히 한정되지 않는다. 복사 가열에 의한 경우, 1300℃ 정도의 고온의 노에서 급속하게 승온시킨 후에 900℃ 정도의 노에 블랭크를 이동시킴으로써 급속 가열이 가능하고, 합금화하여 표면의 방사율이 높기 때문에 근적외선 방식의 가열 방식을 사용함으로써 50℃/초 정도의 승온 속도가 가능하다.
또한, 70℃/초 내지 100℃/초 정도의 가일층 고승온 속도를 위해서는 통전 가열이나 고주파 유도 가열 등의 전기를 사용하는 가열 방식을 사용하는 것이 보다 바람직하다. 승온 속도의 상한은 특별히 규정하지 않지만, 상기한 통전 가열이나 고주파 유도 가열 등의 가열 방식을 사용하는 경우에는, 그 장치의 성능상, 300℃/초 정도가 상한으로 된다.
700℃ 이상에 노출되는 시간을 20초 이하로 하는 것은, 핫프레스에 있어서 오스테나이트 영역에 가열할 때의 수소 흡장을 최소한으로 하기 위해 중요하다. 박스 어닐링으로 제거한 수소를 다시 도입하지 않도록 최대한 시간을 짧게 하는 것이 바람직하다. 여기서 700℃ 이상의 시간을 규정하는 것은 핫프레스용 강성분에 있어서는 대략 이 온도가 Ac1 변태점에 상당하고, 오스테나이트 영역에서 수소 흡장이 활발해지기 때문이다.
또한, 이 가열 공정에 있어서, 최고 도달판 온도를 850℃ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 최고 도달판 온도를 이 온도로 하는 것은, 강판을 오스테나이트 영역까지 가열하기 위해서이다.
핫프레스 후의 강판은 용접, 화성 처리, 전착 도장 등을 거쳐서 최종 제품으로 된다. 통상은, 양이온 전착 도장이 사용되는 경우가 많고, 그 막 두께는 1 내지 30㎛ 정도이다. 전착 도장 후에 중도, 상도 등의 도장이 실시되는 경우도 있다.
(제1 실시예)
이하, 실시예를 사용하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다.
통상의 열연 공정 및 냉연 공정을 거친, 표 1에 나타내는 바와 같은 강 성분의 냉연 강판(판 두께 1.2㎜)을 재료로 하여, 용융 Al 도금을 행하였다. 용융 Al 도금은 무산화로-환원로 타입의 라인을 사용하여, 도금 후 가스 와이핑법으로 도금 부착량을 편면 20 내지 100g/㎡까지 조절하고, 그 후 냉각하였다. 이때의 도금욕 조성으로서는 Al-9％Si-2％Fe였다. 욕 중의 Fe는 욕 중의 도금 기기나 스트립으로부터 공급되는 불가피한 것이다. 도금 외관은 불도금 등이 없어 양호했다.
다음에, 이 강판을 코일 상태에서 박스 어닐링하였다. 박스 어닐링 조건은 대기 분위기, 540 내지 780℃, 1 내지 100시간으로 하였다. 어닐링 후, 코일 형상의 Al 도금 강판으로부터 블랭크재(프레스 가공용으로 코일 형상 강판으로부터 필요한 사이즈로 잘라낸 강판)를 잘라내어 시료로 하였다.
이와 같이 하여 작성한 시료의 특성을 평가하였다. 핫프레스 상당 조건의 가열로서, 대기 중에서 200×200㎜ 크기의 시험편을 900℃ 이상으로 가열하고, 약 700℃의 온도까지 대기 중에서 냉각하고, 그 후, 두께 50㎜의 금형 사이에서 압착함으로써 급냉하였다. 이때의 금형 사이에서의 냉각 속도는 약 150℃/초였다. 또한, 가열 속도의 영향을 보기 위해 가열 방법으로서는, 통전 가열, 근적외선 가열, 고주파 가열이라고 하는 3종류의 방법을 사용하였다. 이때의 승온 속도는, 통전 가열에서 약 60℃/초, 근적외선 가열에서 약 45℃/초, 전기로 복사 가열에서 약 5℃/초였다.
Figure pct00001
이들 시료의 도장 후 내식성을 평가하였다. 또한, 가열한 후의 강판에 대해, 흘러내림에 의한 도금의 두께의 불균일성을 평가하기 위해, 가열 전후의 판 두께 변화를 측정하였다.
도장 후 내식성의 평가는 다음의 방법으로 행하였다. 우선, 니혼 파카라이징(주)제 화성 처리액 PB-SX35T로 화성 처리를 실시하고, 그 후, 니혼 페인트(주)제 카티온 전착 도료 파워닉스 110을 약 20㎛ 두께로 도장하였다. 그 후, 커터로 도막에 크로스컷을 넣고, 자동차 기술회에서 정한 복합 부식 시험(JASO M610-92)을 180 사이클(60일) 행하여, 크로스컷으로부터의 팽창 폭(편측 최대 팽창 폭)을 측정하였다. 이때 GA(부착량 편면 45g/㎡)의 팽창 폭은 5㎜였다. 따라서, 팽창 폭이 5㎜ 이하이면, 도장 후 내식성은 양호하다고 판단하였다. 표 2의 도장 후 내식성란에는 이 팽창 폭 값을 기재하였다. 표 2 중에 -를 기재하고 있는 부분은, 흘러내림이 발생하여, 도금이 국부적으로 되었기 때문에 내식성 평가를 할 수 없었던 것을 나타낸다.
지연 파괴 특성의 평가는 다음의 방법으로 하였다. 켄칭 후, 상온에서 유압프레스로 직경 10㎜의 피어스 구멍을 펀칭하였다. 이때의 클리어런스는 10％로 하였다. 피어스 후 7일간 방치하고, 그 후 전자 현미경으로 관찰함으로써 피어스부의 균열 유무를 판정하였다. 균열이 발생한 것을 ×, 발생하지 않은 것을 ○로 하였다.
합금화에 대해서는, 표면까지 합금화된 것을 ○, 합금화되지 않은 것(미합금화)을 ×로 하였다. 일부 합금화하였지만, 일부에 박리나 분상물 부착이 확인된 것을 ×(일부)로 기재하였다. 또한, 합금화되었지만, 용착되어 버려, 코일 상태로부터 전개 불가능해진 것을 ○(용착)로 기재하였다.
표 2에 가열 조건과 조직 및 특성 평가 결과를 정리하였다.
Figure pct00002
부착량이 지나치게 낮으면, 흘러내림은 발생하지 않지만, 충분한 도장 후 내식성이 얻어지지 않는다(번호 1). 박스 어닐링의 조건이 표면까지 합금화되는 것까지 이르지 않으면(번호 17, 26), 표면의 L*값이 높고, Al이 잔존하고 있는 것을 나타내고 있었다. 이때에는 흘러내림이 발생하여, 국부적으로 판 두께가 0.2㎜ 정도 두꺼워져, 내식성 평가를 할 수 없었다. 또한, 박스 어닐링에서의 온도가 지나치게 높으면, 코일이 융착되어 버리고(번호 14, 34), 한편 온도가 지나치게 낮으면 상술한 AlN의 생성이 일어나, 표면의 도금의 박리나, 분상물의 부착(번호 6, 7, 8, 9, 10, 32)이 확인되었다. 유지 시간이 지나치게 긴 조건(번호 15, 16, 30)에서는 박스 어닐링에서 합금화가 지나치게 진행되어 도장 후 내식성의 저하가 인정되었다. 번호 18 내지 20은 고온에서의 유지 시간을 증대시킨 경우이지만, 700℃ 이상에 노출되는 시간을 20초 이상으로 하면, 이 사이에 수소 흡장이 일어났다고 생각되어, 피어스부에 지연 파괴가 인정되었다. 또한, 박스 어닐링을 실시하고 있지 않은 경우(번호 21)에는, 흘러내림이 발생하고, 지연 파괴도 발생하였다. 한편, 부착량에 적당한 조건으로 가열한 수준에 있어서는 합금화가 표면까지 진행되어, 도장 후 내식성은 양호하고, 판 두께 변화도 인정되지 않았다.
(제2 실시예)
표 3에 나타낸 다양한 강 성분을 갖는 냉연 강판(판 두께 1.2㎜)에 제1 실시예와 동일한 요령으로 용융 Al 도금을 실시하였다. 도금 부착량은 편면 60g/㎡로 하였다. 이들 Al 도금 강판을, 박스 어닐링을 사용하여 620℃에서 8시간 가열하였다.
다음에, 통전 가열에 의해 평균 승온 속도 60℃/초, 도달 온도 900℃에서 가열하고, 그 후 금형 켄칭하였다. 켄칭 후의 경도(비커스 경도, 하중 10㎏)를 측정한 결과도 표 3에 나타내고 있다. 강 중 C량이 낮으면 켄칭 후의 경도가 저하되므로, C량으로서 0.10질량％ 이상인 것이 바람직한 것을 알 수 있다. 또한, 이때에는, 모든 시험편에서 흘러내림은 일어나고 있지 않았다.
Figure pct00003
(제3 실시예)
표 1의 강 성분을 갖는 냉연 강판(판 두께 1.6㎜)을 사용하여 제1 실시예와 동일한 방법으로 편면 80g/㎡의 Al 도금을 실시하였다. 그 후, ZnO 미립자 현탁액[시아이 카세이(주)사제 nanotek slurry]에 수용성의 아크릴 수지를 ZnO에 대해 중량비로 20％ 첨가한 액을 Zn으로서 1g/㎡로 되도록 도포하고, 80℃에서 건조시켰다. 이 재료를 사용하여 630℃, 유지 7시간의 박스 어닐링 조건으로 어닐링하여, 표면까지 합금화시켰다. 이때 L*값은 52였다.
이 시료를 사용하여 통전 가열법으로 900℃까지 승온하고, 유지 시간은 취하지 않고 금형에서 급냉하였다. 이때의 평균 승온 속도는 60℃/초였다. 이와 같이 하여 제조한 재료의 도장 후 내식성을 제1 실시예와 동일한 방법으로 평가한 바, 팽창 폭은 1㎜였다. 이 조건과 대략 동일한 조건이 표 2의 번호 4에 상당하지만, 이것과 비교해도 극히 우수한 내식성을 나타냈다. 이것으로부터 Al 도금 표면에 ZnO를 함유하는 처리를 실시함으로써 도장 후 내식성의 가일층의 향상이 도모된다고 생각되었다.
(제4 실시예)
표 2의 번호 11의 조건으로 합금화시킨 코일로부터, 200×500㎜의 블랭크를 잘라내고, 통전 가열법으로 길이 방향의 양단부에 전극을 압착하여 가열하였다. 이때의 조건도 표 2의 번호 11과 동일하다. 이 시료의 전극과 접촉한 부위를 잘라내어, 단면 경도를 측정한 바, Hv220으로, 켄칭되어 있지 않았다. 이 부위의 도장 후 내식성을 제1 실시예에 도시한 방법으로 평가한 바, 팽창 폭은 2㎜로 극히 양호했다. 스폿 용접성도 크롬 강제 DR 전극(선단 직경 6㎜), 가압력(400㎏f), 전류 7kA로 500점씩 용접하고, 단면 검경으로 너깃 직경의 변화를 확인하였다. 너깃 직경이 4.4㎜ 이하로 될 때까지의 타점수를 평가한 바, 5000점 이상이었다.
다음에, 표 2의 번호 21, 즉 어닐링되어 있지 않은 Al 도금 강판을 사용하여 동일한 조건으로 통전 가열하여, 전극에 접촉한 부위의 도장 후 내식성과 스폿 용접성을 평가하였다. 그 결과, 팽창 폭은 21㎜, 타점수는 1000점 이하였다.
이 결과로부터, 급속 가열했을 때의 전극 접촉부의 특성은 합금화됨으로써 대폭으로 향상되는 것이 확인되었다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예로 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면 특허청구의 범위에 기재된 범위 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하고, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 양해된다.
본 발명은 이상 서술한 바와 같이, Al 도금 강판을 핫프레스에 적용하는 데 있어서, 종래부터 문제가 되고 있던 Al-Fe 합금화가 불충분한 것에 의한 Al 용융 문제(흘러내림 문제)와, 코일 형상에서의 어닐링 시에 발생하는 강판 표면 이상을 해결하는 것이다. 또한, Al 도금 강판의 핫프레스 적용상의 문제가 되고 있던 잔존 수소에 의한 지연 파괴 문제에 대해서도, 본 발명에 의해 흡장 수소의 제외 효과가 있어, 이 문제도 해결한다.
따라서, 본 발명은 Al 도금 강판의 핫프레스로의 적용 가능성을 높여, 강판 제조뿐만 아니라, 자동차 재료를 비롯한 넓게는 산업 기계 분야로의 적용이 예상되어, 기술의 발전에 공헌하는 것이라고 확신한다.
1 : Al 도금 강판
2 : 박스 어닐링 후의 정상부(합금화 부분)
3 : 박스 어닐링 후의 표면 이상부(박리부)
4 : 박스 어닐링 후의 표면 이상부(분상물 부착부)
10 : Al 도금 강판의 기재가 되는 강판
11 : Al-Fe 합금층
12 : Al 도금층(Al-Si 도금층)
13 : Si
14 : AlN

Claims (9)

  1. 편면당의 알루미늄 도금 부착량이 30 내지 100g/㎡인 알루미늄 도금 강판을, 코일 형상인채로 박스 어닐링노 내에서 어닐링할 때에, 그 유지 시간 및 어닐링 온도를 각각 X축, Y축으로 하고, X축을 로그 표시하는 XY 평면에 있어서, 좌표 (600℃, 5시간), (600℃, 200시간), (630℃, 1시간), (750℃, 1시간), (750℃, 4시간)의 5점을 정점으로 하는 오각형의 각 변을 포함하는 내부 영역에 있는 유지 시간 및 어닐링 온도의 조합으로 어닐링하는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판의 기재가 되는 강판의 성분이 질량％로,
    C:0.1 내지 0.4％,
    Si:0.01 내지 0.6％,
    Mn:0.5 내지 3％,
    P:0.005 내지 0.05％,
    S:0.002 내지 0.02％,
    Al:0.005 내지 0.1％를 함유하고,
    또한,
    Ti:0.01 내지 0.1％,
    B:0.0001 내지 0.01％,
    Cr:0.01 내지 0.4％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
    잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 표면에 부착되어 있는 알루미늄 도금 중에 Si를 3 내지 15질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판의 제조 방법.
  4. 편면당의 알루미늄 도금 부착량이 30 내지 100g/㎡인 알루미늄 도금 강판을, 코일 형상인채로 박스 어닐링노 내에서 어닐링할 때에, 그 유지 시간 및 어닐링 온도를 각각 X축, Y축으로 하고, X축을 로그 표시하는 XY 평면에 있어서, 좌표 (600℃, 5시간), (600℃, 200시간), (630℃, 1시간), (750℃, 1시간), (750℃, 4시간)의 5점을 정점으로 하는 오각형의 각 변을 포함하는 내부 영역에 있는 유지 시간 및 어닐링 온도의 조합으로 어닐링한 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
  5. 제4항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판의 기재가 되는 강판의 성분이 질량％로,
    C:0.1 내지 0.4％,
    Si:0.01 내지 0.6％,
    Mn:0.5 내지 3％,
    P:0.005 내지 0.05％,
    S:0.002 내지 0.02％,
    Al:0.005 내지 0.1％를 함유하고,
    또한,
    Ti:0.01 내지 0.1％,
    B:0.0001 내지 0.01％,
    Cr:0.01 내지 0.4％ 중 1종 또는 2종 이상을 함유하고,
    잔량부가 Fe 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판 표면의 L*값이 10 내지 60인 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 표면에 부착되어 있는 알루미늄 도금 중에 Si를 3 내지 15질량％ 함유하는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
  8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알루미늄 도금 강판에 있어서, 기재가 되는 강판의 표면에 Al 농도 환산으로 40 내지 70질량％인 Al-Fe 합금층이 있는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스용 알루미늄 도금 강판.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 알루미늄 도금 강판으로부터 프레스 가공용 블랭크를 잘라내고, 그 블랭크를 핫프레스 전의 가열에 있어서 승온 속도가 평균 40℃/초 이상, 또한 700℃ 이상의 환경에 노출되는 시간이 20초 이하로 되도록 가열하여, 핫프레스 가공하는 것을 특징으로 하는, 급속 가열 핫프레스 방법.
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