KR20110076147A

KR20110076147A - 도금 강재의 열간 프레스 성형방법 및 이를 이용한 열간 프레스 성형품

Info

Publication number: KR20110076147A
Application number: KR1020090132778A
Authority: KR
Inventors: 김홍기; 조열래; 진조관; 조한구
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2011-07-06
Also published as: US20120291510A1; EP2520382A2; KR101171450B1; JP2013515618A; CN102781601B; JP2015016508A; WO2011081394A3; WO2011081394A2; EP2520382A4; CN102781601A

Abstract

본 발명은 도금 강재를 이용한 열간 프레스 성형시, 블랭크에 적정 열처리 조건을 부여하여 도금층 휘발 및 산화 스케일 발생을 억제하고, 한편으로는 2차 가열시 온도 차이를 부여하여 다른 강도와 물성을 확보할 수 있는 열간 프레스 성형방법에 관한 것으로서, 상기 도금 강재 전체를 1차 가열하고 유지하는 단계;

상기 유지 후, 도금 강재의 전체 또는 일부를 추가로 급속가열하는 2차 가열단계; 및

상기 2차 가열된 도금 강재를 열간 프레스 성형하고 냉각하는 단계를 포함하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법 및 이를 이용한 열간 프레스 성형품에 관한 것이다.

열간 프레스 성형(hot press forming), 스케일(scale), 도금 강재(coated steel), 이종 강도(different strength)

Description

도금 강재의 열간 프레스 성형방법 및 이를 이용한 열간 프레스 성형품{METHOD FOR HOT PRESS FORMING OF COATED STEEL AND HOT PRESS FORMED PRODICTS USING THE SAME}

본 발명은 도금된 열간 프레스 성형용 강재에 대한 열간 프레스 성형방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 아연 또는 알루미늄이 도금된 열간 프레스 성형용 도금 강재의 가열시 열처리 패턴 제어에 의해 산화 스케일 발생이 억제된 동일 강도 또는 동일 부품 내 강도 분포를 가질 수 있는 열간 프레스 성형 방법 및 이를 이용한 열간 프레스 성형품에 관한 것이다.

최근, 각 자동차 제조사들은 자동차에 부품을 적용함에 있어서 환경친화적인 연비절감 및 경량화를 위한 사회적 요구에 대응하기 위하여 고강도 소재의 이용을 늘려가고 있다. 하지만 고강도 소재의 성형은 스프링백 및 치수동결성 등의 문제점을 안고 있으며 이러한 성형의 난해성으로 인하여 그 사용이 제한적일 수 밖에 없는 것이 현실이다.

이러한 성형상 문제점은 소재를 성형성이 좋은 고온에서 성형하고, 성형과 동시에 금형 내에서 급냉하여 고강도 부품을 제조하는 방식으로 해결 할 수 있다. 이러한 방식을 열간프레스성형 공정이라고 한다. 이와 같은 공정에 의하면 통상 1500MPa의 강도를 갖는 부품을 성형할 수 있다.

이러한 열간 프레스 성형 시 고온에서 이송 및 성형이 이루어지기 때문에 비도금 강재를 사용시 산화 스케일 발생이 되고 발생된 산화 스케일은 향후 용접이나 도장 공정을 위해 산화 스케일을 제거하기 위한 숏블라스트 공정이 필수적이다. 이에 반해 도금 강재의 경우는 이러한 산화 스케일 발생이 되지 않아 숏블라스트 공정이 불필요하며 원 소재가 도금된 특성으로 인해 비도금 강재에 비해 내식성이 향상되는 장점이 있다. 특히 아연 도금 강재는 도금층의 희생방식성으로 인해 알루미늄이 도금된 강재에 비해 더 우수한 내식성을 갖고 있다.

하지만 아연 도금 강재는 아연 도금층이 가열 공정 중 휘발되어 표면 불량을 야기하거나 산화스케일이 많이 형성되어 열간 프레스 성형 후 별도의 산화 스케일을 제거하는 공정이 필요하다고 알려져 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에 제안된 가열 패턴을 규제하는 기술로는 한국 공개특허공보 2008-0055957, 2006-0090309, 2006-0033921, 2005-0121744, 일본 공개특허공보 2004-323897, 2003-126920, 미국 공개특허공보 20070000117 등이 있으나, 상기 특허는 예비 열처리 후 블랭크 가공 혹은 최종 열 처리 온도와 시간에 대한 규정을 하고 있으며 산화 스케일의 제거를 위한 공정 생략을 달성하지는 못하였다.

그러나, 본 발명자들은 가열 중 고온에서의 유지 시간을 최소화하는 것이 도금층의 산화 스케일 발생을 최소화하여 성형 후 스케일 제거 공정의 생략이 가능함을 발견하였다. 이와 같이 가열로 내에서 1차 열처리 후 2차로 급속 가열을 통한 아연 도금 강재의 열처리를 패턴을 규정한 것은 아직까지 없었다.

이와 같은 가열로에서 1차로 열처리를 하고 2차로 급속 가열하는 방법을 활용하면 동일 부품내에서 다른 강도를 갖는 부품을 효과적으로 제조할 수 있다. 즉 급속 가열을 통하여 추가 가열하는 동안 가열되지 않는 부위의 온도 저하를 막을 수 있어 성형전에 충분히 가열된 상태에서 성형을 하게 되므로 성형성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 고강도 영역과 저강도 영역을 명확하게 구현할 수 있다.

또한, 1차 가열 온도가 낮기 때문에 가열로 투자 비용 및 공간 (길이)의 감소가 가능하고 2차로 고주파 혹은 적외선 가열 등 급속 가열 방식을 활용할 경우 에너지 효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 도 1은 가열 방법 별 에너지 효율을 보여 주는 그림이다. 도 1에서 보면 고주파 가열의 경우 가열로에 의한 가열에 비해 약 2배의 에너지 효율이 있음을 알 수 있다. 아울러 이러한 2차의 급속 가열을 활용할 경우 최종 온도까지 가열하는 시간을 단축할 수 있어 공정 시간의 단축을 달성할 수 있을 것이다.

한편 이와 같은 1차와 2차에 의한 가열 방식을 활용할 경우 이종 강도를 갖는 부품을 제조할 수 있는데 이종 강도를 갖는 부품에 대한 요구 및 종래의 기술을 살펴보면 다음과 같다.

열간 프레스 성형 공정을 통하여 단일 강도만을 갖는 부품은 충돌 성능 등의 요구 성능을 만족시키기 위한 설계 측면에서 자유도가 떨어지게 되고, 이를 해결하기 위하여 상온성형에서 많이 사용되고 있는 맞춤재단용접(Tailor Welded Blanks, TWB) 기술을 접목한 열간프레스성형 기술이 개발되기도 하였다. 그러나 이러한 TWB 방식은 블랭크를 용접하는 공정이 추가되는 단점이 있으며, 용접부의 건전성이 부품 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 공정 관리 측면에서 많은 어려움을 안고 있다.

상기 TWB 방식 이외에 열간프레스성형에서 부위별 강도를 다르게 하기 위한 기술로는 성형 후 냉각 과정에서 냉각속도를 달리하는 기술이 있으며, 이러한 기술로는 금형과 소재와의 접촉면적의 차이를 통하여 제어하는 방법인 일본 특허공개공보 제2007-136474호, 일본 특허공개공보 제2003-328031호, 한국 특허공개공보 제2007-0083585호 및 국제공개공보 WO07/084089호 등이 있고, 금형의 일부분은 냉각, 일부분은 가열에 의해 냉각속도를 제어하는 방법인 일본 특허공개공보 제2005- 161366호, 일본 특허공개공보 제2003-328031호 및 국제공개공보 WO06/128821호 등이 있다.

그러나 상기 특허들은 냉각속도를 균일하게 제어하여야만 균일한 물성을 얻을 수 있으며, 복잡한 형상에 원하는 강도를 얻을 수 있도록 냉각 속도를 적절히 제어하기 힘들다는 단점이 있다. 즉, 초당 30℃이상의 냉각속도이면 인장강도 1500MPa 정도의 물성을 안정적으로 얻을 수 있으나 그 미만의 냉각속도에서는 냉각속도의 감소에 따라 물성의 감소 변화가 급변하기 때문에 안정적인 물성을 얻기가 힘들다. 따라서 상기 특허들은 특별히 형상이 복잡한 성형품의 경우에 접촉 부위에 따라 냉각속도가 달라지기 때문에 강도를 제어하기가 힘든 문제점이 있다.

한편, 다른 방법으로는 성형 전 후 가열 온도를 달리하여 열처리 특성을 다르게 부가하는 기술이 제안되었다. 일본 특허공개공보 제2005-193287호에서는 부분열처리를 이용하여 형상동결성이 우수한 부재를 제작하고자 강판의 프레스 성형시에 강판의 일부를 Ar1 이상으로 가열하고, 잔부는 그 미만으로 하여 적어도 그 일부가 오스테나이트를 포함하는 상태에서 프레스 성형하는 방법이 개시되어 있으나 상기 특허는 일부를 Ar1이상으로 가열하고 잔부는 그 미만으로 가열하는 방식을 채택하고 있으므로, 현실적으로 블랭크를 가열로 내에서 별도로 가열하는 것이 어려운 문제점이 있다.

또한, 미국 특허공개공보 제20080041505호에서는 이와 유사한 목적을 위해 영역을 구분하여 분리한 가열로 및 이를 이용한 가열 방법에 관하여 개시되어 있다. 그러나 상기 특허는 2개의 존(zone)으로 구획된 가열로 내부를 컨베이어로 이동하면서 서로 다른 온도로 열처리하는 것이므로, 상기와 같이 구성된 가열로를 사용하는 경우 충분한 온도로 가열하기 위해 가열로내 유지시간이 길게 되면 블랭크 내에서의 열전달에 의해 온도 차이를 명확하게 주기 힘들게 되는 문제점이 있다.

한편, 일본 특허공개공보 제2007-231660호에서는 피가공재의 2개 부분을 구분하여 서로 다른 온도로 가열한 다음 프레스 가공함으로써 인장강도가 높은 경질부와 가공성이 높은 연질부로 구성한다는 기술을 제안한 바 있으나, 상기 특허에서는 단열재를 설치하여 서로 다른 온도로 가열되도록 하는 점에서 현실적으로 적용이 어려운 기술이다.

상기 제안된 특허에 기재된 기술들은 대부분 현실적으로 적용하기 곤란한 개념적인 기술들이며, 복잡한 형상에 원하는 강도를 얻을 수 있도록 냉각 속도를 적절히 제어하기 힘들다는 단점이 있다. 따라서 현실적으로 적용하는 것이 가능하고, 복잡한 형상에서 영역별로 원하는 강도를 얻을 수 열간 프레스 성형품을 제조하는 방법이 요구되는 실정이다.

한편, 아연이나 알루미늄 도금 강재를 사용할 경우 도금층의 휘발을 막는 등 도금층의 건전성을 확보하며 특히 아연 도금 강재의 경우 산화 스케일 제거 공정이라는 부가적인 공정을 제거하기 위한 노력이 필요하다. 앞서 언급한 바와 같이 이종 강도 부품을 효과적으로 제조하기 위해서는 2차 가열 시 급속 가열이 필요하나 충분히 합금화되지 않은 도금층의 경우 급속 가열 시 도금층 휘발 문제 발생가 소지가 많다. 따라서, 2차 급속 가열 시 도금층의 휘발이 발생하지 않는 1차 가열 시 열처리 패턴을 도출할 필요가 있음을 발견하였다.

본 발명의 일측면은 열간 프레스용 도금 강재를 이용한 열간 프레스 성형시, 블랭크에 적정 열처리 조건을 부여하여 도금층의 휘발과 산화 스케일 발생을 억제하고, 한편으로는 2차 가열시 온도 차이를 부여하여 다른 강도와 물성을 확보할 수 있는 열간 프레스 성형방법과 상기 방법을 이용한 열간 프레스 성형품을 제공하고자 하는 것이다.

도금 강재의 열간 프레스 성형방법에 있어서,

상기 도금 강재 전체를 1차 가열하고 유지하는 단계;

상기 2차 가열된 도금 강재를 열간 프레스 성형하고 냉각하는 단계

를 포함하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법 및 이를 이용한 열간 프레스 성형품을 제공한다.

본 발명에 의하면, 전체적으로 동일한 강도와 물성 혹은 서로 다른 강도 및 물성을 갖는 열간 프레스 성형품을 하나의 공정으로 얻을 수 있으며, 도금층의 산화 스케일 발생이 억제되어 성형 후 산화 스케일 제거 공정이 불필요한 열간 프레스 성형품을 제조할 수 있다.

또한, 1차 가열 온도가 낮기 때문에 가열로 투자 비용 및 공간(길이)의 감소가 가능하고 2차로 급속 가열이 가능한 고주파 혹은 적외선 가열 등 급속 가열 방식을 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있다. 아울러 이러한 2차의 급속 가열을 활용할 경우 최종 온도까지 가열하는 시간을 단축할 수 있어 공정 시간의 단축을 달성할 수 있을 것이다.

또한, 2차 가열을 통한 온도 차이를 부여하여 다른 강도와 물성을 같은 성형품을 확보할 수 있어 B-pillar 등 자동차부품의 충돌에너지 성능 최적화에 활용될 수 있으며, 동시에 열처리 온도가 낮은 영역은 저강도를 갖는 성형품을 확보할 수 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 도금 강재를 이용하여 열간 프레스 성형을 행하는 경우에는 아연이나 알루미늄 도금층의 용융점이 낮기 때문에 가열로 내에서 통상적인 가열 패턴으로 가열하게 되면, 산화가 많이 생기거나 휘발이 발생할 소지가 많음을 고려하여 산화 스케일 발생을 억제하고 도금 건전성을 확보하기 위해서, 열처리 조건을 제어하여야 함을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

또한, 상기 가열로에서 가열시 2단의 가열방식을 통하여, 온도 차이를 갖는 블랭크를 확보한 후, 성형을 행하면 동일한 금형 냉각을 통하더라도 다른 강도 분포를 가질 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다.

[열간 프레스 성형방법]

먼저, 본 발명의 열간 프레스 성형방법에 대하여 설명한다.

도 1에는 본 발명 열간 프레스 성형방법의 일예를 개략적으로 나타내었다. 도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 열간 프레스 성형방법은 도금 강재 전체를 1차 가열하고 유지하는 단계, 상기 유지 후, 도금 강재의 전체 또는 일부를 추가로 급속가열하는 2차 가열단계; 및 상기 2차 가열된 도금 강재를 열간 프레스 성형하고 냉각하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명의 열간 프레스 성형방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 열간 프레스 성형방법에 적용되는 블랭크의 강재는 특별히 한정되지 않으며, Ac3 이상의 온도로 오스테나이트화 한 후 급냉에 의해서 1500MPa 정도의 고강도를 얻을 수 있는 일반적인 열간 프레스 성형에 적용되는 강재이면 충분하다.

본 발명의 도금 강재는 아연계 또는 알루미늄계 도금강재이고, 도금 방법은 용융도금, 합금화 용융도금 및 전기도금 등의 방법으로 제조된 것이면 충분하고, 특별히 한정하는 것은 아니다.

본 발명은 먼저 도금 강재 전체를 가열하는 1차 가열 및 유지하는 단계를 갖는다. 상기 1차 가열 및 유지하는 단계는 상기 도금 강재의 도금층이 충분한 합금화가 이루어지게 하기 위함이고, 이를 통하여 도금층 표면에 과도한 산화 스케일(scale)이 발생하는 것을 방지하기 위한 것이다.

상기 1차 가열 온도범위 및 유지시간은 도금 강재의 종류에 따라 달라질 수 있으나, 상기 1차 가열의 온도범위는 Ac1이하에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 1차 가열은 2차로 급속 가열 및 고온에서 유지시 도금층이 휘발하거나 과도한 산화 발생을 예방하기 위한 것으로, 1차 가열을 통해 합금화에 의한 융점 상승 및 도금층 표면에 치밀하고 얇은 산화층을 형성시켜 주기 위함이다.

상기 도금 강재가 아연 또는 아연 합금 도금강재인 경우에는 400℃이상 ~ 600℃미만의 온도범위로 가열하고, 20분 이하의 시간동안 유지하는 것이 바람직하다.

상기 아연 또는 아연 합금 도금강재를 고온으로 가열하였을 때, 도금층의 휘발 및 과도한 산화스케일 생성을 억제하기 위해서는 도금층의 적정한 합금화 및 표 면에 치밀하고 얇은 산화층을 형성시킬 필요가 있다. 순수 아연은 융점이 약 420℃이지만 Fe와의 합금화가 진행됨에 따라 융점이 상승하게 된다. 따라서 합금화가 충분히 진행되지 않은 상태에서 고온으로 가열하게 되면 도금층의 휘발 문제가 발생하게 되므로, 상기 온도로 가열하고 유지하는 것이 필요하다.

상기 온도가 400℃ 미만일 경우에는 충분한 합금화를 위한 시간이 과도하게 소요되어 생선성 관점에서 바람직하지 못하고, 600℃ 이상일 경우에는 표면에 이미 불균일하고 과도한 산화층 생성으로 추가 가열시 휘발 문제와 과도한 산화층 생성이 발생하기 때문에 상기 1차 가열은 400℃이상 ~ 600℃미만의 온도범위로 하는 것이 바람직하다.

아연 또는 아연 합금 도금재의 경우에는 1차 가열 온도가 높은 경우에는 1차 가열온도까지 가열하는 도중에 이미 적정 합금화 및 치밀하고 얇은 산화층을 형성하게 되므로 이 경우에는 유지시간이 불필요하다. 그러나, 1차 가열온도가 낮은 경우에는 충분한 합금화 및 치밀하고 얇은 산화층 형성을 위해서 적정한 유지 시간의 확보가 필요하다. 따라서 상기 유지시간은 생산성 확보를 고려하여 20분 이하로 하는 것이 바람직하다.

상기 도금 강재가 아연 도금 강재의 경우에는 1차 가열 후의 도금층의 Fe 함량은 5~30중량%이 되도록 하는 것이 바람직하다. 도금층의 Fe 함량이 5중량% 미만 이면, 융점이 낮아서 Fe와 Zn의 상호 확산이 충분히 진행되지 않고, Zn의 증기압이 높아지기 때문에 치밀하고 얇은 아연산화층이 표면에 형성되기 전에 Zn이 증발해 산화층(스케일) 생성을 억제할 수 없다. 또한, Fe 함량이 30중량%를 초과하는 경우 아연산화층이 표면에 형성되기 어려워지고, 하층의 Fe-Zn 합금층이 산화되어 산화층 (스케일)이 생성되기 쉬워지기 때문이다.

또한, 상기 도금 강재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도금강재인 경우에는 700℃초과 ~ Ac1 이하의 온도범위로 가열하고, 20분 이하의 시간동안 유지하는 것이 바람직하다.

상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도금강재를 고온으로 가열하였을 때, 도금층의 휘발을 억제하기 위해서는 도금층의 적정한 합금화가 이루어지고, 표면에 치밀하고 얇은 산화층을 형성시킬 필요가 있다. 순수 알루미늄은 융점이 약 680℃이지만 Fe와의 합금화가 진행됨에 따라 융점이 상승하게 된다. 따라서 합금화가 충분히 진행되지 않은 상태에서 고온으로 가열하게 되면 도금층의 휘발 문제가 발생하기 때문에 상기 온도로 가열하고 유지하는 것이 필요하다.

상기 가열온도가 700℃이하인 경우에는 충분한 합금화를 위한 시간이 과도하게 필요하므로, 생산성에 문제가 있기 때문에 700℃를 초과하는 것이 필요하고, Ac1을 초과한 온도에서는 조직의 변태가 일어나기 때문에 그 상한은 Ac1으로 한정 하는 것이 바람직하다.

알루미늄 또는 알루미늄 합금 도금강재의 경우 1차 가열 온도가 높은 경우, 1차 가열 온도까지 가열하는 도중에 이미 적정 합금화를 이루게 되므로, 이 경우에는 유지시간이 불필요하다. 그러나 1차 가열온도가 낮고 유지시간이 짧은 경우에는 충분한 합금화 목적을 달성할 수 없기 때문에 적정한 유지시간의 확보가 필요하고, 이때에는 생산성을 고려하여 20분 이하로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 도금 강재가 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도금강재인 경우에는 1차 가열 후의 도금층 표면의 Fe 함량이 5 중량% 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 도금층 표면의 Fe 함량이 5 중량% 미만인 상태에서 급속으로 2차 가열을 하게 되면 도금층이 휘발해 버리는 문제가 발생하기 때문이다. 이때, 상기 합금화량 측정은 도금층 표면으로부터 약 2㎛이내인 것으로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 1차 가열 및 유지된 도금 강재에 대하여 전체 또는 일부를 추가로 급속가열하는 2차 가열단계를 갖는다. 이때 가열온도는 Ac3이상의 온도에서 950℃의 온도범위까지 가열하는 것이 바람직하며, 이때의 가열속도는 10℃/초 이상의 급속가열을 행하는 것이 바람직하다.

상기 도금 강재의 일부를 추가로 가열하는 경우에는 추가로 가열된 부분은 성형 및 냉각 후 마르텐사이트 조직을 갖게 되고, 추가로 가열되지 않은 부분은 초기의 조직을 그대로 갖게 되어 강도의 차이를 갖는 열간 프레스 성형품을 얻을 수 있게 된다.

특히, 아연 도금 강재의 경우에, 추가로 가열되지 않은 부분은 도금층 내에 아연 함량이 많으므로 내식성 측면에서 추가 가열된 부분에 비해 우수한 특성을 확보할 수 있다. 이와 같이 강도 및 내식성 차이를 활용하면 저강도 및 내식성이 요구되는 부분과 고강도가 요구되는 부분이 동시에 필요한 B-필러(pillar) 같은 부품의 생산이 가능하다는 장점이 있다.

상기 2차 가열단계는 10℃/초 이상의 가열속도로 급속가열한다. 도금강재의 경우 고온에서 장시간 유지될 경우, 도금층의 산화가 많이 발생하게 된다. 또한 모재 측면에서 냉각 후 충분한 강도를 얻기 위해서는 Ac3 이상으로 가열하여 오스테나이트 변태를 시키는 것이 필요하다. 따라서 가열로 분위기와 같이 느린 속도로 Ac3 이상의 온도까지 가열을 할 경우에는 고온에서 유지하는 시간이 길어지게 되며, 이에 따른 도금층의 과도한 산화가 되는 것을 억제할 수 없다. 따라서, 1차 가열 및 유지를 통해 충분한 합금화 및 표면에 치밀하고 얇은 산화층을 형성시킨 후 2차로 급속 가열하여 고온에서 유지하는 시간을 단축시켜 도금층이 산화되는 것을 막아 줄 필요가 있다. 따라서, 이와 같은 목적을 달성하기 위해서 상기 2차 가열은 10℃/초 이상의 가열속도로 급속가열하는 것이 바람직하다.

상기 2차 가열 후 유지시간을 가지나, 이때의 유지시간은 오스테나이트 변태가 충분히 완료될 수준까지만 유지하면 충분하므로, 최소화하는 것이 바람직하므로, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.

상기 Ac3이상의 온도로 가열하는 이유는 오스테나이트 변태를 통하여 냉각 후 마르텐사이트상을 얻기 위함이며, 950℃를 초과하여 과도한 가열은 도금층의 휘발 및 급속한 산화를 유발할 수 있다.

상기 2차 가열된 강재에 대하여 열간 프레스 성형을 하고, 냉각한다. 상기 성형 및 냉각은 통상의 열간 프레스 성형 방법에 의하면 충분하므로, 본 발명에서는 이를 한정하지 않는다.

[열간 프레스 성형품]

본 발명의 열간 프레스 성형품은 도금 강재, 특히 아연 도금 강재나 알루미늄 도금 강재를 이용하는 경우에도 표면의 산화 스케일의 발생을 저감하여 우수한 표면특성을 갖는 열간 프레스 성형품을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 열간 프레스 성형품은 상기 2차 가열 단계에서 블랭크의 일부만을 가열하는 방식을 가짐으로서, 최종 성형 후 상이한 강도를 가질 수 있다. 즉, 2차 가열이 이루어진 부분은 Ac3 이상 온도까지 가열되어, 충분한 오스테나이트 변태가 이루어지고, 열간 프레스 성형을 거치면서 마르텐사이트 등의 조직으로 변태하여 높은 강도를 가질 수 있다.

이에 비해, 2차 가열이 이루어지지 않은 부분은 변태가 발생하지 않아 낮은 강도를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(종래예)

합금화 용융아연 도금 소재를 종래의 방법, 즉 열간 프레스 성형 전 가열로에서 제어하지 않고, 가열한 후 열간 프레스 성형을 행한 소재의 산화스케일을 관찰하기 위해서 실험을 시행하였다.

상기 종래예의 실험은 도 2에 나타난 가열로의 온도조건을 기준으로 합금화 용융아연 도금 소재를 가열한 후, 급냉하고, 그 시편을 표면사진(도 3(a))과 시편의 표면에 스카치테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일의 모습(도 3(b))을 관찰하고, 이를 도 3에 나타내었다.

상기 도 3에 나타난 바와 같이, 시편의 표면상에는 큰 문제가 없어 보이나, 스카치테이프에 묻어나는 산화 스케일이 심각하여 앞서 언급한 바와 같이, 용접이나 도장 공정을 위하여 산화 스케일을 제거하는 별도의 공정이 필요함을 알 수 있다.

(실시예 1-1)

아연 도금 강재의 일종일 합금화 용융아연 도금 강재에 대하여 1차 가열온도 및 유지시간을 달리하여 행한 이후에 표면의 사진 및 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일을 관찰하였다.

도 4는 1차 가열온도를 달리한 후, 3분간 유지하고, 2차로 40℃/초로 가열하고, 900℃에서 15초 동안 유지 후 급냉한 시편의 표면을 관찰한 사진이고, 도 5는 상기 도 4의 시편 표면에 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일의 모습을 나타낸 사진이다.

도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 1차 가열온도가 600℃ 이상이면 2차 가열 후 표면에 심한 산화가 발생하기 때문에, 아연 도금 강재의 경우에는 600℃ 미만까지 1차 가열하는 것이 바람직한 것을 알 수 있다.

도 6은 1차 가열온도를 500℃로 한 후, 유지시간을 달리하고, 2차로 40℃/초 로 가열하고, 900℃에서 15초 동안 유지 후 급냉한 시편의 표면을 관찰한 사진이고, 도 7은 상기 도 6의 시편 표면에 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일의 모습을 나타낸 사진이다.

상기 도 6 및 7의 결과를 살펴보면, 합금화 용융아연도금강판의 경우에는 1차 가열 후 유지시간에 따라서 시편 표면에 효과의 차이는 크지 않았다. 반면, 도 8에 나타난 바와 같이, 1차 가열 구간없이 바로 초당 40℃의 속도로 900℃까지 가열하고 15초 유지한 시편의 사진(도 8(a))과 테이핑 테스트 사진(도 8(b))을 보면, 도금층 휘발 문제가 발생할 수 있음을 알 수 있으므로, 즉 1차 가열로 충분한 합금화 및 도금층 표면에 치밀하고 얇은 산화층을 생성시키는 것이 필수적임을 알 수 있다,

1차 가열온도 및 유지시간을 보다 상세히 분석하기 위해서 다음과 같은 실험을 수행하였다.

합금화 용융아연 도금된 소재를 10℃/초의 속도로 500도까지 가열한 후 3분 동안 유지한 후 급냉한 시편(도 9(a))과 600도까지 가열한 후 3분 동안 유지한 후 급냉한 시편(도 9(b))의 도금층에 대한 GDS 분석 결과를 도 9에 나타내었다. 도 9에서 보면 600도에서 유지한 시편은 합금화가 많이 진행되어 거의 30% 정도 되어 있음을 볼 수 있다. 한편 도 10은 도 9와 같은 조건으로 준비된 시편의 도금층에 대한 SEM 사진을 각각 도 10(a) 및 도 10(b)에 나타내었다. 도 10에서 보면 600도 에서 유지한 시편의 표면층은 과도한 산화 스케일이 많이 형성되어 있으나, 500도 유지 시편은 표면에 미세한 산화 스케일이 균일하게 형성되어 있음을 볼 수 있다.

따라서 상기 내용들을 종합적으로 고려하면, 2차 가열시 휘발 및 산화 스케일 발생을 억제하기 위해서는 600도 미만의 온도에서 20분 이내의 일정 시간 유지하여 2차 가열하기 전 도금층의 함량이 5~30% 이내가 되도록 하는 것이 중요하는 것을 확인할 수 있다.

(실시예 1-2)

한편, 상기 실시예 1-1에서와 같은 합금화 용융아연 도금 소재에 대하여 2차 가열온도 및 유지시간을 달리하여 행한 이후에 표면의 사진 및 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일을 관찰하였다.

도 11는 상기 소재를 500℃까지 가열하고, 3분간 유지한 후, 2차 가열온도를 달리한 후 15초 동안 유지하고 급냉한 시편의 표면을 관찰한 사진이고, 도 12는 상기 도 11의 시편 표면에 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일의 모습을 나타낸 사진이다.

상기 도 11 및 도 12를 살펴보면, 1차 합금화를 거친 후 2차로 급속가열을 하면 700~930℃에서 15초 유지한 경우, 시편에 표면 스케일이 많이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있다.

도 13은 상기 소재를 500℃까지 가열하고, 3분간 유지한 후, 40℃/초의 가열속도로 900℃까지 2차 가열을 행한 후, 유지시간을 달리한 시편의 표면을 관찰한 사진이고, 도 14은 상기 도 13의 시편 표면에 스카치 테이프를 부착한 후 탈착하고 난 뒤 스카치 테이프에 묻어 있는 산화 스케일의 모습을 나타낸 사진이다.

도 13 및 도 14를 보면, 2차 유지시간일 길어지더라도, 1차 가열에서 합금화 및 표면에 치밀하고 얇은 산화층을 형성시키고 2차로 급속 가열한 경우 산화 스케일의 생성이 많아지는 것은 아니므로, 2차 가열에서의 유지시간은 오스테나이트 변태가 충분히 완료될 수준까지만 유지하면 되므로, 바람직하게는 최소화하는 것이 좋다는 결론을 얻을 수 있다.

(실시예 2-1)

알루미늄 도금 강재의 일종인 용융 알루미늄 도금 강재에 대하여 1차 가열 및 유지시간을 700℃까지 가열한 후 3분간 유지한 후, 20℃/초의 가열속도로 2차 가열하고 15초 유지한 시편의 표면을 관찰하고, 그 사진을 도 15에 나타내었다. 또한, 상기 1차 가열 및 유지를 마친 시편을 GDS결과를 도 16에 나타내었다.

도 16의 결과에서 보면, 도금층 표면의 Fe 합금화율이 5% 미만 정도에 불과하여, 1차 가열에서 충분한 합금화가 되지 않으므로, 도 15에 나타난 바와 같이, 2 차 가열시 시편의 아래쪽으로 도금층이 흘러내리는 문제점이 관측되었다.

따라서, 알루미늄 도금 강재의 1차 가열시에는 아연 도금 강재에 비하여, 보다 높은 가열온도가 요구되는 것을 알 수 있다.

(실시예 2-2)

알루미늄 도금 강재의 일종인 용융 알루미늄 도금 강재에 대하여 1차 가열 및 유지시간을 750℃까지 가열한 후 3분간 유지한 후, 20℃/초의 가열속도로 2차 가열하고 15초 유지한 시편의 표면을 관찰하고, 그 사진을 도 17에 나타내었다. 또한, 상기 1차 가열 및 유지를 마친 시편을 GDS결과를 도 18에 나타내었다.

도 18의 결과에서 보면, 도금층의 표면의 Fe 합금화율이 약 10% 정도로 1차 가열에서 충분한 합금화가 되어, 도 17에 나타난 바와 같이, 2차 급속 가열 후에도 도금층에는 문제가 없음이 관측되었다.

(실시예 3)

한편, 상기 실시예 1-1의 합금화 용융아연 도금 강재를 가지고, 1차로 500℃로 가열하고 3분 유지 한 후, 강재의 가운데 부분을 고주파가열로 40℃/초의 속도로 급속 가열하고 15초 유지 후 평판 금형으로 압착하여 급냉을 실시한 시편의 경도 분포로부터 환산한 인장강도를 도 19에 나타내었다.

도 19에서 보는 바와 같이 2차로 추가 가열된 부위는 고강도를 갖고 추가 가열되지 않은 부위는 저강도를 갖음을 볼 수 있다. 이와 같은 방법을 활용하면, 한 부품에서 저강도와 고강도 분포를 갖는 부품을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명 열간 프레스 성형방법의 개략도이다.

도 2는 종래 열간 프레스 가열로의 시간에 따른 온도변화의 예를 보여주는 그래프이다.

도 3은 종래예의 표면사진(a)과 스카치 테이핑 후 사진(b)을 나타낸 것이다.

도 4는 실시예 1-1의 1차 가열온도를 달리한 시편의 표면사진이다.

도 5는 상기 도 4의 스카치 테이핑 후 사진이다.

도 6은 실시예 1-1의 1차 가열 후 유지시간을 달리한 시편의 표면사진이다.

도 7은 상기 도 6의 스카치 테이핑 후 사진이다.

도 8은 1차 가열없이 곧바로 40℃/초의 속도로 900℃로 가열하고 15초 유지한 시편의 표면사진(a)과 스카치 테이핑 후 사진(b)을 나타낸 것이다.

도 9는 실시예 1-1에서 1차 가열온도를 500℃로 행한 경우(a)와 600℃로 행한 경우(b)의 GDS 분석 결과를 나타낸 것이다.

도 10은 상기 도 9의 SEM 사진을 나타낸 것이다.

도 11은 실시예 1-2에서 2차 가열온도를 달리한 시편의 표면사진이다.

도 12는 상기 도 11의 스카치 테이핑 후 사진이다.

도 13은 실시예 1-2에서 2차 가열 후 유지시간을 달리한 시편의 표면사진이다.

도 14는 상기 도 13의 스카치 테이핑 후 사진이다.

도 15는 실시예 2-1의 시편의 표면사진을 나타낸 것이다.

도 16은 상기 도 15의 GDS 분석 결과를 나타낸 것이다.

도 17은 실시예 2-2의 시편의 표면사진을 나타낸 것이다.

도 18은 상기 도 17의 GDS 분석 결과를 나타낸 것이다.

도 19는 실시예 3에서 시편 내 경도분포로부터 환산된 인장강도 분포를 나타낸 그래프이다.

Claims

도금 강재의 열간 프레스 성형방법에 있어서,

상기 도금 강재 전체를 1차 가열하고 유지하는 단계;

상기 유지 후, 도금 강재의 전체 또는 일부를 추가로 급속가열하는 2차 가열단계; 및

상기 2차 가열된 도금 강재를 열간 프레스 성형하고 냉각하는 단계

를 포함하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 도금 강재가 아연 도금 강재 또는 아연 합금 도금 강재인 경우, 상기 1차 가열 및 유지하는 단계는 400℃이상 ~ 600℃ 미만의 온도범위로 가열하고, 20분 이하의 시간동안 유지하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 도금 강재가 알루미늄 도금 강재 또는 알루미늄 합금 도금 강재인 경우, 상기 1차 가열 및 유지하는 단계는700℃초과 ~ Ac1 이하의 온도범위로 가열하고, 20분 이하의 시간동안 유지하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 도금 강재가 아연 도금 강재 또는 아연 합금 도금 강재인 경우, 상기 1차 가열 및 유지하는 단계는 도금층의 Fe 함량이 5~30중량%가 되도록 행하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 도금 강재가 알루미늄 도금 강재 또는 알루미늄 합금 도금 강재인 경우, 상기 1차 가열 및 유지하는 단계는 도금층의 표면의 Fe 함량이 5중량% 이상이 되도록 행하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 2차 가열하는 단계는 10℃/초 이상의 승온속도로 가열하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1에 있어서,

상기 2차 가열하는 단계는 Ac3~950℃의 온도범위까지 가열하는 도금 강재의 열간 프레스 성형방법.
청구항 1 내지 7의 어느 한 항의 방법으로 제조된 열간 프레스 성형품.
청구항 8에 있어서,

상기 열간 프레스 성형품은 강도 분포를 가지는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형품.