KR20110112396A - 고강도 프레스 경화 성형체 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

고강도 담금질 성형체로서, 담금질 후의 성형체 강판 표면에 철을 5 질량% 이상 30 질량% 이하로 되는 상을 30g/㎡ 이상 함유하고, 알루미늄 및 규소 중 하나 이상을 각각 또는 복합으로 0.15 질량% 이상 2 질량% 미만으로 함유하고, 잔부가 아연 및 불가피한 불순물로 이루어진 아연 도금층을 포함하고, 담금질 성형 후의 인장 강도가 1000MPa 이상의 고강도 부분과 800MPa 이하의 저강도 부분을 가지게 된다.

Description

고강도 프레스 경화 성형체 및 그 제조 방법{HIGH-STRENGTH PRESS HARDENED ARTICLE, AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR}

본 발명은 가공성이 우수하고, 또한, 내식성 및 내피로성이 우수한 고강도화를 목적으로 하는 담금질 가공을 실시하는 성형체 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 자동차의 경량화, 안정성 향상을 목적으로 하는 자동차 부품 및 이에 사용되는 소재의 고강도화가 진행되고 있다. 이러한 대표적인 소재 강판도 고강도 강판의 사용 비율이 높아지고 있다. 그러나, 고강도 강판은 일반적으로 강도가 우수하지만, 프레스 성형성에 있어서 성형 자유도가 작고, 또한, 프레스 성형품의 형상 동결성이 나쁘고, 성형품의 치수 정밀도가 불량하며, 프레스 금형의 수명이 짧다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 소재를 개선하는 것이 진행되지만, 고강도와 정밀도를 향상시키기 위해, 최근, 소위 열간 프레스, 핫 프레스 또는 핫 스탬프라는 기술이 보급되고 있다. 특히, 상기 기술은 상당한 고강도 성형품 부품을 얻기 위해 강판은 800℃ (Ac3 점) 이상으로 가열하고 부드럽게 하는 핫 프레스 공정과 상기 프레스 성형과 동시에 급냉시키고 담금질하는 열간 가공이다. 또한, 냉간으로 가공후 마찬가지로 담금질하여, 전술한 바와 같은 고강도 성형품 부품을 얻을 수 있는 냉간 가공 담금질 기술도 공업 기술로서 사용되고 있다.

자동차로 대표되는 산업 기계에서는 사용 환경에 있어서 내식성이 충분하게 필요하다. 따라서, 현재 비용 및 내식성이 우수한 아연 또는 아연계 도금 강판을 냉간으로 성형한 부품이 사용되고 있다.

일본 특허 공보 2001-353548호 (JP-A-2001-353548) 에는 가열 및 냉각을 통해, 아연 또는 아연 합금을 5㎛ 내지 30㎛ 으로하여, 부식 및 탈탄의 보호와 윤활 성능을 확보한 고강도의 성형 부품의 제조 방법이 개시되어 있다. 일본 특허 공보 2003-73774호 (JP-A-2003-73774) 에는 가열시의 아연을 방지하는 배리어 (barrier) 층을 가지는 열간 프레스용 강판이 개시되어 있다. 일본 특허 공보 2003-126920호 (JP-A-2003-126920) 호에는 아연계 도금 강판의 열간 프레스 방법이 기재되어 있다. 일본 특허 공보 2003-126921호 (JP-A-2003-126921) 에는 철-아연 고용층이 존재하는 열간 프레스 성형품이 기재되어 있다.

그러나, 이러한 방법들은 모두 도금이 없는 철을 담금질한 성형품보다 내식성은 우수하지만, 통상의 냉간 가공으로 성형되는 도금 강판의 성형품의 내식성과 비교하였을 때는 불충분하다. 이러한 내식성 열화의 원인은, 본 발명자들의 검토 결과, 아연이 휘발하고 도금량이 감소하기때문 뿐만 아니라, 도금층이 아연 중에 고용되는 철을 주체로 하는 철-아연 합금상이 되기 때문에, 부식의 녹 팽창이 커지고, 부식이 촉진되기 때문이다. 이러한 문제와 관련하여, 통상의 도금 강판 수준에 내식성이 요구되는 용도에서는 알루미늄 도금 강판이 사용되고 있다. 그러나, 이러한 알루미늄 도금 강판이 사용되는 경우는 담금질 후의 내식성이 도금재의 냉간 성형재 부품보다 낮다.

또한, 일본 특허 공보 2000-248338호 (JP-A-2000-248338) 에는, 아연계 도금 강판을 가공 후, 필요한 부분을 고주파 가열하고 급냉시키고, 부분 담금질하는 방법이 기재되어 있다. 그러나, 가공후의 가열의 열이 변형을 유도하여, 성형재 부품의 형상을 유지할 수 없어, 결론적으로 실용적이 될 수 없다. 일본 특허 공보 2006-022395호 (JP-A-2006-022395) 에는 아연계 도금 강판을 가열하고, 가공 냉각하는 방법으로 철을 30 질량% 이하로되는 상을 30g/㎡ 이상 함유하는 내식성이 우수한 고강도 성형체 부품 및 그 제조 방법이 기재되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 성형체 전체가 고강도가 되기 때문에, 그 후, 가공성이나 작성벗이 상당히 저하될 우려가 있다. 예를 들어, 가공에서는 구멍내기 가공이 어려워지고, 크랙 방지를 위해 마무리 공정이 필요해진다. 또한, 작업에서는 자동차 조립 공정의 스팟 용접으로 성형체 부품의 플랜지까지 딱딱해지기 때문에, 용접 전극이 부딪히고, 그 결과, 용접 품질을 확보할 수 없어져 버리는 등의 문제점이 있다.

이상과 같은 문제에 대하여, 가공성 및 작업성이 좋은 고강도 성형체를 내식성 및 비용면에서 우수한 아연 또는 아연 합금 도금으로부터 담금질 재료로 사용 가능하게 하는 기술이 크게 요구된다.

본 발명은 상기의 문제를 고려하여, 고강도의 부분을 주로 담금질하고, 가공이나 작업 등이 필요한 부분에는 담금질을 하지 않음으로써, 가공성 및 작업성이 우수한 고강도 성형체를 비용적으로 우수한 아연 또는 아연 합금 도금 강판으로부터 성형, 담금질 후의 성형품의 내식성을 냉간 성형품과 동일 또는 그 이상으로 향상한, 가공성과 내식성이 우수한 고강도 담금질 성형체 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 먼저 담금질한 열간 가공후의 아연 또는 아연 합금 도금 강판의 내식성이 통상의 아연 도금 강판, 예를 들어, 합금화 용융 아연 도금 강판의 내식성보다 떨어지는 원인에 대하여 열심히 검토를 하였다. 그 결과, 내식성이 떨어지는 원인은 아연희 휘발성이 도금의 양을 감소시키기 때문 뿐만 아니라, 도금층이 아연 중에 고용된 철을 주체로 하는 철-아연 합금상이 되기 때문이라는 결론에 이르렀다. 즉, 통상의 아연 도금 강판은 희생 방식 효과 이상으로 부식시에 산화되는 아연이 치밀하게 보호막이 되는 효과로 인하여 내식성이 발휘된다. 그러나, Ac3 점 이상으로 연간 가공 되는 아연 도금 강판은 통상의 아연 도금 강판보다는 철-아연 합금상이 아연의 함량으로 강판 표면에 양적으로 충분히 있더라도, 내식성이 충분하게 발휘되지 않는다. 본 발명자는 이러한 현상이 통상의 담금질에 따라서 생성된 철-아연 합금상은 철이 주체로 되기 때문에, 부식시에 산화되는 철의 부피 팽창에 의해 아연의 산화막이 치밀하게 될 수 없다고 생각하였다. 따라서, 본 발명자들은 내식성의 향상을 발휘시키기 위해, 아연을 주체로 하는 우수한 아연-철 합금상이 양적으로 충분히 존재하는 것이 중요하다는 점을 고려하여, "담금질 후의 성형체 강판 표면에 아연을 주성분으로 하고 철 : 30 질량% 이하로 되는 상을 30g/㎥ 이상 함유하는 것을 특징으로 한 내식성이 우수한 고강도 담금질 성형체" 를 발명하게 되었다. 또한, 본 발명자는 담금질 강도와 내식성을 양립시키기 위해서는 가열 온도나 급랭 속도 등의 조건이 중요하고, 담금질 성형 (핫 스탬프) 때의 가공에 의한 모재의 입자계 균열을 억제하기 위해, 핫 스탬프 공정에 들어가기 직전에 있어서, 소정의 조건으로 급랭시킬 필요가 있다는 점도 발견하였다. 그러나, 본 성형체는 강도 및 내식성이 우수하지만, 스팟 용접의 적정 범위가 불충분하다는 과제가 있다는 것이 밝혀졌다.

이에, 본 발명자들은 강도 및 내식성에 더해, 스팟 용접성 등의 작업성을 개선하기 위해, 본 발명자들은 스팟 용접부에 있어서의 강판의 강도를 800MPa 이하로 부드럽게 하고, 스팟 용접의 전급 침과의 친숙함을 향상시키고, 또한, 도금층을 철 : 5 질량% 이상 함유하는 아연 합금층을 도금하여, 도금층의 융점을 향상시키는 것을 발견하였고, 이를 통해, 상기의 강도 및 내식성의 향상을 하나의 동일 성형체에 양립시킬 수 있었다.

본 발명의 제 1 실시양태는 고강도 담금질된 성형체 강판에 관한 것이다. 이러한 고강도 담금질된 성형체는 강판 표면에 철 : 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 상을 30g/㎥ 이상 함유하고, 또한, 알루미늄 및 규소를 각각 적어도 단독 또는 복합으로 0.15 질량% 이상, 2 질량% 미만 함유하고, 잔부는 아연 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연 도금층을 함유하고, 담금질 성형후 (핫 스탬프 후) 의 인장 강도를 1000MPa 이상의 고강도 부분과 800MPa 이하의 저강도 부분을 겸비하는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체이다.

상기 강판은 탄소를 0.1 질량% 이상, 망간을 0.5 질량% 이상, 크롬을 0.1 질량% 이상, 붕소를 0.005 질량% 이상 함유할 수 있다.

상기 강판은 티탄 (Ti), 니오브 (Nb), 몰리브덴 (Mo), 바나딘 (V), 지르코늄 (Zr), 텅스텐 (W), 코발트 (Co), 구리 (Cu) 및 니켈 (Ni) 를 각각 1 질량% 이하의 범위로 함유할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시양태는 고강도 담금질된 성형체를 제조하는 방법에 관한 것이다. 이러한 고강도 담금질된 성형체는 강판 표면에 철 : 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 상을 30g/㎥ 이상 함유하고, 또한, 알루미늄 및 규소를 각각 적어도 단독 또는 복합으로 0.15 질량% 이상, 2 질량% 미만 함유하고, 잔부는 아연 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연 도금층을 함유하고, 담금질 성형후 (핫 스탬프 후) 의 인장 강도를 1000MPa 이상의 고강도 부분과 800MPa 이하의 저강도 부분을 겸비하는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체이다. 본 발명의 이러한 실시양태에 따른 제조 방법은 다음과 같은 사항을 포함한다 : 알루미늄 및 규소를 각각 단독 또는 복합으로 0.15 질량% 이상 2 질량% 미만으로 함유하는 아연 도금층을 가진 아연 도금 강판을 산소 0.1 부피% 이상의 산화 분위기하에서 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하는 부분과 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열하는 부분을 동시에 제작한 뒤 냉각을 개시하고, 60초 이내에 730℃ 이하 500℃ 이상으로 냉각한 뒤, 상기 온도 범위 내에서 프레스 가공하고 급랭시키는 것을 특징으로 한다.

상기 Ac3 점은 700℃ 이상이고, 880℃ 이하가 될 수 있다.

상기 급랭은 30℃/초 보다 빠른 속도로 200℃ 보다 낮은 온도에 이르도록 할 수 있다.

전술한 실시양태에 따른 고강도 담금질된 성형체 및 고강도 담금질된 성형체를 제조하는 방법에 따라, 담금질 후의 성형품의 내식성 및 가공성을 냉간 가공에 의해 형성된 내식성 및 가공성보다 동일하거나 높게하는 내식성 및 가공성이 우수한 고강도 담금질 성형체를 얻는 것이 가능하다. 즉, 담금질후 성형된 성형체 부품은 냉간 가공된 아연 또는 아연 합금 도금 강판재의 내식성 및 사용성보다 동일하거나 그 이상인 고강도 성형체 부품이 될 수 있으며, 본 발명에 따른 이러한 고강도 담금질된 성형체 및 그 강판의 제조 방법은, 종래 존재하는 담금질 방법과는 달리, 담금질된 강판재의 아연 도금층의 특성 및 담금질 방법에의 향상을 발휘할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따르면, 고강도 부품의 치수 정밀도도 비약적으로 향상시킬 수 있으며, 자동차 및 산업 시계 등의 경량화, 안전성 향상, 녹방지 성형성 및 작업성의 향상을 유리한 가격으로 도모할 수 있다.

본 발명의 특징 및 유리함은 이하 설명을 위해 첨부하는 도면과 바람직한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 분명해질 것이며, 동일한 부재에 대해서는 동일한 부재번호를 사용하였다.

도 1 은 내식성의 평가로서 아연-철 합금상의 양과 팽윤폭의 관계를 나타낸 것이다.
도 2A 내지 도 2C 는 고강도 부분과 저강도 부분을 겸비하는 고강도 담금질 성형체의 제조예를 나타내는 것이다.
도 3 은 실시예 1 에 있어서 전해 박리 곡선을 나타내는 것이다.
도 4 는 가공 시험편의 단면 형상도를 나타내는 것이다.
도 5 는 열연 강판과 냉연 강판의 강판 성분을 나타내는 표이다.
도 6A 내지 도 6C, 도 7A 및 도 7B 는 아연 또는 아연 합금 도금 구조 및 그 특성을 표로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에 관하여 상세히 설명한다.

먼저 본 발명의 실시형태의 성형체에 관하여 설명한다. 이러한 실시형태의 성형체는 담금질후의 성형체 강판 표면에 있어서, 철이 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상을 30g/㎥ 이상 함유하고, 또한, 알루미늄 및 규소를 각각 또는 복합으로 0.15 질량% 이상, 2 질량% 미만 함유하고, 잔부는 아연 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연 도금층을 가질 필요가 있다. 도 1 에 아연-철 합금상의 양과 내식성 평가로서의 팽윤폭의 관계를 나타낸다. 이러한 내식성의 평가는 아래와 같이 수행된다. 즉, 탈지가 수행되고, PALBOND LA 35 (일본 파커라이징사) 의 사용 설명에 따라 정확히 화성 처리가 처리된 후, 양이온 전착 도장 (일본 페인트사의 POWERNICS 110) 을 15㎛ 으로 실시하고, 크로스 컷 (crosscut) 이 수행된다. 그 후, 미국 자동차 공업 규격에 따른 SAE-J2334 부식 시험 조건하에 300 사이클 실시후의 팽윤폭을 측정하였다.

도 1 로부터, 철 : 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상이 30g/㎥ 이상 존재하는 경우, 팽윤폭이 1mm 이하가 되고, 내식성이 양호해진다. 반면, 도금층의 철이 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상이라도, 30g/㎥ 미만에서는 합금상의 양이 작고, 내식성이 불충분하여, 증가 폭이 커지는, 즉, 내식성이 악화된다. 또한, 합금상의 철 성분이 5 질량% 미만이거나, 30 질량% 초과인 경우에는 팽윤폭이 증대하고 부식성이 떨어진다. 이는 철이 30 질량% 초과인 경우에는 담금질시의 가열에 의하여 생성되는 도금층이 철을 주체로 하는 합금상이 되고, 부식시에 철 부식이 형성되어, 부피 팽창됨으로써, 충분한 내식성이 얻어지지 않기 때문이라도 생각된다. 철이 5 질량% 미만인 경우에는, 팽윤폭은 양호하지만, 도금층의 융점이 낮기 때문에 스팟 용접시에 강판 사이에서 용융이 발생하고, 통전 면적이 넓어지고 전류 밀도가 낮아지기 때문에 스팟 용접성이 낮아진다.

또한, 철이 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상의 양의 상한은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 처음의 아연 도금량, 핫 스탬프에 있어서 고온 시간, 프레스 가공시의 파우더링 등을 고려한다면, 150g/㎡ 이하가 현실적인 상한이 될 수 있다. 또한, 가열에 의해 생성되는 철이 30 질량% 초과하는 철을 주체로 하는 철-아연 합금상에 대해서는 특별히 제한되지는 않는다.

또한, 내식성을 통상의 도금 이상으로 얻어내야 하고, 철이 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상을 30g/㎡ 이상으로 하기 위해서는, 합금화 지연 기능 및 쉬운 산화 기능을 가지는 합금화 지연 원소로서, 알루미늄 및 규소를 포함하는 금속을 1 종류 또는 2 종류를 0.15 질량% 이상으로 함유하는 것이 효과적이다. 이러한 원소가 가열전의 아연 도금중에 합계로 0.15 질량% 이상으로 존재하면, Ac3 점 이상인 800℃ 이상의 가열도 비약적으로 아연의 철계 확산을 억제할 수 있기 때문에, 철이 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상을 30g/㎡ 이상으로 할 수 있다. 반대로, 합계로 0.15 질량% 미만에서는 아연의 철계 확산이 빠르게 진행되어, 강판의 온도가 Ac3 점 (800℃) 에 도달할 때까지 아연을 주체로 하고 철이 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상이 대부분 소실되고 내식성이 발휘되지 않게 된다. 또한, 합계로 2 질량% 초과하게 된다면, 확산의 억제가 과잉되고, 담금질이 되지 않은 부분, 즉, 500℃ 이상 Ac3 점 미만에서 가열되고, 800MPa 이하의 강도가 되는 부분으로서, 아연-철 합금상 중의 철이 5 질량% 미만이 되고, 그 결과, 용접성의 확보가 어려워진다.

담금질 부분의 강도는 요구되는 강도가 되는 것이 바람직하고, 목적에 따라 다르지만, 구조체의 강도 충돌시의 안전성 등을 고려할 때, 1000MPa 이상인 것이 바람직하다. 또한, 고강도가 요구되지 않는 부분으로서, 스팟 용접을 하는 부분이나 펀칭 가공을 하는 부분은 800MPa 이하라면 현격히 작업성이 향상된다. 또한, 본 발명을 사용하여, 예를 들어, 자동차 부품 등으로 동일 부품 내에 고강도 부분과 저강도 부분을 동시에 제공하고, 의도적으로 충돌하는 부분을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 담금질 처리 후의 철이 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 아연-철 합금상을 30g/㎡ 이상 존재하도록 설정한다면, 도장 밀착성이나 화성 처리의 향상을 목적으로, 알칼리 용액이나 산 용액으로 표면의 산화 피막을 제거하는 것도 가능하다. 또한, 아연을 주체로 하고, 철이 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 할 수 있다면, 아연 도금층 중에 내식성의 좀 더 나은 향상을 발휘하고, 화성 처리의 향상을 목적으로 하는 니켈, 코발트, 망간, 인, 붕소 등의 원소를 함유하는 것도 가능하다. 또한, 본원 발명의 실시형태의 성형체에 이용되는 아연 도금 강판은 시트형으로 자르기 시작하게 되는 아연 도금 강판이 사용되지만, 복수의 아연 도금 강판을 용접으로 접합한 1 장의 시트, 소위 테일러드 블랭크 (tailored blank) 강판을 사용할 수 있다. 이 경우는 성형체의 자유도를 향상시킬 수 있다는 점에서 바람직하다.

다음으로, 본원 발명의 실시형태에 따른 성형체의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다. 이러한 실시형태의 제조 방법은 담금질 특성을 가지는 강판 표면에, 합금화 지연 기능 및 쉬운 산화 기능을 가지는 알루미늄, 규소를 단독 형태 또는 복합 형태로 하나 이상 포함하고, 0.15 질량% 이상, 2 질량% 미만 함유하는 아연 도금층을 가지는 아연 도금 강판을 모재로 하여, 이를 산소 0.1 부피% 이상의 산화 분위기하에서 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하는 부분과 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열하는 부분을 동시에 제공하고, 가열 시간을 적절히 조정하여 가열 후, 냉각을 개시하고, 60초 이내에 730℃ 이하 500℃ 으로 냉각한 뒤, 다음의 온도 범위 내 (730℃ 이하 500℃ 이상) 으로 상기 아연 도금 강판을 프레스 가공하고 급랭시키는 것으로 얻어질 수 있다.

또한, 상기 실시형태에 사용되는 강판으로서는 통상의 담금질 강판이라면 어느 쪽도 사용 가능할 수 있다. 그러나, 질량% 로서, 탄소 0.10% 이상, 망간 0.5% 이상, 크롬 0.1% 이상, 붕소 0.005% 이상을 함유하고, 잔부로서 철 및 불가피한 불순물로서 알루미늄과 질소를 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 선택적으로 강도 향상이나 경정립을 제어, 균열 방지나 내식성을 부가하기 위해, Ti, Nb, Mo, V, Zr, W, Co, Cu, Ni 을 각각 1 질량% 이하의 범위 내에서 필요량을 함유하는 것도 가능하다.

강재의 Ac3점으로서, 이론상으로는 아연 도금의 합금화에 필요한 온도보다 더 높은 온도인 500℃ 초과부터 아연의 비등점 미만이 되는 900℃ 미만이라면 Ac3 점 온도를 통과하도록 가열과 냉각을 행하면서 가열이 이루어질 수 있다. 또한, 실현적인 공업 수준으로서, Ac3점을 700℃ 이상, 880℃ 이하로 설계하는 것이 바람직하다. Ac3점이 880℃ 초과인 경우에는, 담금질 가열 공정으로 강판 전체의 온도 분포를 고려한다면, 880℃ 초과이고 아연의 비등점 이하의 900℃ 미만으로 제어하는 것이 어렵다. 또한, Ac3점이 700℃ 미만인 경우에는, 담금질 원소를 다량으로 사용하여야 하므로, 비용이 올라가는 문제점이 있다. 또한, Ac3점을 구하는 방법으로는, 강판을 가열하면서 열 팽창량의 변화를 측정하는 것으로 구할 수 있다. 즉, 온도 상승에 수반하여 강판이 팽창한다. 온도가 Ac1 점을 초과하고 오스테나이트로 변태가 일어난다면, Ac3점까지 온도 상승에 따라 강판이 수축한다. 이러한 열 팽창 곡선의 변곡점이 Ac3점이 된다. 측정 장치로서는, 예를 들어, 후지 전자 산업 주식회사의 자멕 마스터 (ZAMEC MASTER) 등으로 측정할 수 있다.

통상적으로, Ac3 점 (전술한 강판 성분계에서는 약 800℃ 이상의 온도) 이상의 열간 가공에서는, 아연의 충분한 증기압으로 인하여, 가열로 내에 휘산한다. 쉬운 산화 원소로서 알루미늄, 규소를 각각 단독 또는 복합으로 아연 도금 중에 0.15 질량% 이상 함유시키고, 또한, 로 내부를 0.1 부피% 이상의 산소가 존재하는 산화 분위기를 제공하여, 도금 표면의 쉽게 산화하는 원소가 아연 도금 중의 아연이 기판 철로 확산되는 것을 방지하고, 열에 의한 팽창 변화에 대해서도 계속적으로 산화되고, 치밀한 산화 피막을 형성하게 된다. 따라서, Ac3 점 (800℃) 이상 950℃ 이하의 가열 온도 범위에서도 아연의 증발 억제가 가능해진다. 반대로, 이들 쉬운 산화 원소가 0.15 질량% 미만 또는 로 내의 분위기가 산소 0.1 부피% 미만의 중성으로부터 환원 분위기에서는 쉬운 산화 원소가 아연 표면에 치밀한 피막을 충분하게 형성할 수 없고, 아연의 휘산이 이루어지고, 녹 방지를 위한 아연의 양이 감소하게 된다. 또한, 고강도를 얻는 부분은 가열 온도를 Ac3 점 (800℃) 이상으로서 고강도 강판을 얻기 위한 담금질이 가능하다. 그러나, 950℃ 초과에서는 쉬운 산화 원소에 의한 산화막이 아연의 비등에 의한 휘산을 억제할 수 없다. 따라서, 최대 가열 온도를 950℃ 로 설정한다. 이상의 수단에 의하여, 최대 가열 부분도 아연의 휘산을 효과적으로 억제할 수 있다.

가열 시간은 가열하는 강판 전체가 담금질에 필요한 온도에 도달하기까지의 시간으로 설정하는 것이 좋다. 또한, 가열 시간이 판 두께나 가열 장치의 능력, 핸들링 장치에 의해 길어지는 경우에는, 단위 면적당의 도금 중의 합금화 지연 원소의 양을 증가 (도금 중의 이러한 원소들의 농도 증가 또는 도금양의 증가) 시키는 것이 가능하다. 그러나, 전술한 바와 같이, 저강도부도 합금화시킬 필요가 있기 때문에, 500℃ 이상 Ac3점 미만의 온도에서도 합금화가 가능하도록 2 질량% 이하로 하는 것을 고려하여 조절할 필요가 있다.

용접성과 가공성을 양호하게 하는 강판의 부분과 관련하여, 부드러움을 유지시키기 위하여, 800MPa 이하의 경도로 담금질을 실시하지 않을 필요가 있다. 이를 위해, 목적으로 하는 강판 부분의 가열 온도를 Ac3 점 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 그 부분을 500℃ 이상으로 가열하여, 철이 5 질량% 이상으로 아연 도금을 합금화 할 수 있고, 이를 통해, 도금층의 융점을 상승시킬 수 있다. 따라서, 스팟 용접시의 강판과 용접 전극의 친숙함을 향상시키는 동안, 강판 사이의 용융에 의한 확산을 억제하고, 통전 면적을 감소시킴으로써 전류 밀도를 높게 유지할 수 있다. 따라서, 스팟 용접성을 크게 향상시킬 수 있다.

강판의 가열 방법은 통전 가열이나 유도 가열과 같은 내부 가열, 또는, 램프 가열, 가스 가열, 전기로 가열과 같은 외부 가열의 방법이 사용될 수 있으며, 가열 시간의 단축을 위해 이러한 방법들의 2 가지 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 그러나, 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열하는 부분은 가열시에 부분적으로 냉각 또는 차열되기 때문에, 열효율, 작업성, 제어성의 관점에서 내부 가열 방식의 통전 가열, 유도 가열 또는 방사 가열의 램프 가열을 사용하는 것이 바람직하다.

듬금질이 실시되지 않는 부분, 즉, 500℃ 이상 Ac3 점 미만의 온도 범위로 억제하는 부분과 관련하여, 예를 들면, 필요로 하는 부분에 공기나 연무 등의 냉각 매체를 강제적으로 분사하는 방법, 내부에 수냉 냉각관을 배치한 냉각판을 접촉 시키는 방법 등에 의한 발열 등에 의하여 냉각하는 방법이 있다. 또한, 램프 가열에 의해 방사 가열을 실시하는 경우, 단열재 등과 같은 재료의 차폐를 통해 가열이 차단되거나 방지된다. 즉, 단열재는 도금 금속과 반응하지 않는 세라믹 등이 바람직하다. 예를 들어, 도 2A 내지 도 2C 에 기재된 바와 같이, 강판 (1) 을 전극 (2) 에 의해 통전 가열하는 경우에 있어서, 냉각 유체 (예를 들어, 공기) 분사에 의한 냉각 박스 (3) 를 핫 스탬프 가공하는 강판 (1) 상의 소정의 위치, 예를 들어, 핫 스탬프 후에 천공 가공하는 위치에 배치하고 냉각하는 것으로 달성될 수 있다. 또한, 자동차 부품의 가공 후의 용접 등을 고려한다면, 도 2B 에 기재된 바와 같이, 냉각 박스 (4) 를 강판 (1) 을 클램프하는 전극 (2) 에 근접 또는 병설하거나, 또는, 도 2C 에 기재된 바와 같이, 전극 (2) 사이의 강판 (1) 의 양단부에 냉각 박스 (5) 를 배치하여 냉각하는 것도 바람직하다. 또한, 도 2A 내지 도 2C 에 기재된 바와 같이, 냉각 방식을 임의로 조합하는 것도 가능하다. 또한, 냉각 박스 (3 내지 5) 의 하면에 일실시예로서, 예를 들면, 다수의 노즐 구멍 (예를 들어, 지름이 1m 이고, 노즐의 피치가 5mm) 을 설치하고, 냉각 매체를 불어 넣어 냉각하는 방법도 있다.

목적으로 하는 내식량에 따라, 최초의 강판은 30g/㎡ 이상의 아연 도금양이 바람직하다. 바람직하게, 가열로의 핸들링의 시간, 온도의 변동을 고려하여, 40g/㎡ 이 바람직하다. 반면, 스팟 용접성이나 가공성을 위해 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열하는 부분을 철이 5 질량% 이상으로 합금화를 진행시키는 것을 고려한다면 180g/㎡ 이하가 바람직하다. 상기 아연 도금 강판은 전술한 원리로부터 명확한 것처럼 용융 아연 도금법으로 제작되는 것이 바람직하다. 사전에 합금화되는 합금화 용융 아연 도금 강판은 합금화 지연 원소의 여분의 소실을 초래하고 효과가 감소한다. 또한, 전기 아연 도금법에서는 합금화 지연 원소의 첨가 이전에 이전 처리가 필요하여 비용면에서 바람직하지 않다.

다음으로, 아연 도금층이 충분히 고화되고, 핫 스탬프 가공시에 있어서 모재의 입자계 균열을 억제하기 위해, 가열 설비인 노로부터 꺼낸 뒤에 냉각을 개시한다. 이러한 냉각은 60초 이내에서 730℃ 이하 500℃ 이상으로 냉각한다. 이러한 가공전의 예비 냉각은 담금질과 용융 아연의 침입에 의한 모재의 입자계 균열 방지 모두를 도모할 수 있다. 따라서, 담금질을 하지 않는 부분의 온도는 융점 이하의 프레스 가공이 가능한 온도, 즉, 500℃ 미만이 될 수 있다. 730℃ 초과의 가공으로 발생하는 균열은 모재의 인장측에서 발생한다. 본 발명자들의 검토에 따르면, 모재의 구 오스테나이트 입자계에 용융 아연이 침입하는 것이 이러한 균열의 원인으로 밝혀졌다. 따라서, 730℃ 이하로 냉각하면, 도금의 아연 합금이 충분히 고화되기 때문에 아연의 침입은 없어지고, 핫 스탬프 가공시의 모재 표면의 균열을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 공정의 적절한 수단은 가스 냉각 또는 스팀 워터 냉각이 바람직하다. 또한, 냉각 설비는 가열 설비와 핫 스탬프 설비의 사이에 있는 것이 바람직하다. 하나의 예로서, 상기 냉각 장치는 냉각 영역으로 제공될 수도 있다. 또한, 가열 설비로부터 핫 스탬프 설비에 이송하는 설비를 부가하여, 이송하면서 냉각하는 방법도 고려할 수 있다.

따라서, 담금질 부분은 가공의 개시 전에 아연을 고화시키기 위한 냉각이 행해진다. 담금질 가공을 위해서는, 담금질 부분이 오스테나이트 상태로 행해지는 것이 바람직하다. 따라서, 담금질 부분의 가공전의 모재 온도는 500℃ 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 만일, 500℃ 미만에서는 마르텐사이트가 생성되어 버리고, 성형성이 악화되기 때문이다. 또한, 냉각 시간은 60초 이내가 바람직하다. 만일, 냉각을 이보다 천천히 행하는 경우, 페라이트가 생성되고, 상기 담금질 부분이 연질이 되어, 목적으로 하는 고강도를 얻을 수 없게 된다.

그 후, 가공 급냉을 수반하는 핫 스탬프 설비에 있어서, 상기 강판은 원하는 형상으로 가공된다. 형상을 확보하고 담금질을 위해서는, 모재를 30℃/초 이상으로 200℃ 이하까지 가공 급냉시키는 것이 바람직하다. 이를 통해, 아연이 70 질량% 이상의 도금층을 30g/㎡ 이상 가지는 우수한 고강도의 내식 성형체를 제조할 수 있다. 냉각은 담금질이 들어가는 냉각 속도라면 바람직하고, 수냉, 가스 냉각, 금속 등과의 접촉에 의한 접촉 냉각 등 어느 방법도 가능하다.

다음으로, 본 발명의 실시예와 비교예를 동시에 설명하기로 한다.

통상적인 제조 방법으로 제조한 열연 강판 및 냉연 강판의 당판 성분을 도 5 에 나타내었다. 도 6 및 도 7 은 이들의 아연 또는 아연계 도금의 구성과 성능을 실시예와 비교예로 동시에 나타내었다. 쉬운 산화 원소를 도금층에 첨가하는 경우, 전기 도금법에서는 어려우므로, 쉬운 산화 원소를 각각 아연을 용융한 도금욕에 첨가하여 통상의 용융 아연 도금 방법이 적용되었다. 가열 공정에 있어서, 대기 분위기에서 통전 가열, 고주파 유도 가열 또는 램프 가열을 이용하여 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하고, 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로의 가열은 공기 분사나 차광에 의한 부분 냉각을 실시하였다. 가열로로부터 꺼낸 뒤에는 적절하게 공기 냉각하고, 금형 냉각을 실시하였다. 가열 냉각 조건은 도 6 에 나타나 있다.

아연을 주성분으로 하고, 철 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 되는 상의 제작을 아래와 같이 실시한다. 미리 도 5 에 나타난 재료를 전술한 방법의 가열 온도, 가열 시간을 바꾸어 제작한 재료를 염화 암모늄 150g/l 의 수용액 중에서 4mA/㎠ 으로 포화 칼로멜 전극 (calomel electrode) 을 참조 전극으로서 정전류 전해에 의하여 -800mV.vs.SCE 이하로 크게 변화하는 점의 Γ 상까지 (도 3 에 나타난 실시형태의 정전류 전해 차트 예의 A 부분까지) 전해한다. 그 후, 전해액을 ICP 에 의하여 측정하고, 녹방지 효과가 있는 도금 양으로서 철과 아연의 양과 조성을 구하게 된다. 본 발명의 실시는 도 6 에 나타나 있다. 또한, 도 7 에 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하고 담금질한 고강도 부분 (담금질 부분) 과 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열한 비 담금질 부분의 도금 조성이 나타나 있다.

상기 강판의 강도는 다음과 같은 인장 테스트로 측정되었다. 즉, 일본 공업 규격 5 호의 인장 시험편을 제작하고, 이는 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하고 담금질한 고강도 부분 (담금질 부분) 과 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열한 비 담금질부분이 각각 측정되었다. 상기 고강도 부분은 1000MPa 이상, 저강도 부분은 800MPa 이하로 양호하게 나타났다. 상기 측정 결과는 도 7 에 기재되어 있다.

균열 (모재의 균열) 유무는 아래와 같이 평가되었다. 즉, 도 4 에 기재된 단면 형상의 시험편이 핫 스탬프, 즉, 프레스 가공 및 냉각하고, 그 후, 상기 시험편의 굴곡부의 단면을 관찰하여, 균열의 유무가 관찰되었다. 그 결과는 도 7 에 나타내었다.

내식성은 전술한 팽윤폭을 측정하여 관찰하였다. 그 결과는 도 7 에 나타내었다.

스팟 용접성은 비 담금질부를 연속적으로 스팟 용접하고, 형성되는 덩어리의 지름 변화를 평가하는 것으로 실시되었다. 그 결과를 도 7 에 나타낸다. 용접에는 정치식 스팟 용접기를 사용하고, 가압력을 3.4kN, 통전 시간을 0.3 초, 유지 시간을 0.08 초로 한정하였다. 전류 값은 각 강철 종의 상기 덩어리의 지름이 4√t (t 는 판 두께 (mm)) 의 1.5 배 크기가 되도록 설정하였다. 상기 덩어리 지름의 변화는 250 점 마다의 용접 후의 덩어리 지름을 필 테스트 (peel test) 에 의해 측정되었다. 상기 덩어리의 지름은 3 회의 시험의 평균치로 얻을 수 있다. 상기 덩어리 지름이 4√t 보다 작아지는 용접 회수를 전극의 수명으로 판단하고, 최대 용접 점수를 6000 점까지 평가하였다.

펀칭성의 평가는 아래와 같이 실시되었다. 즉, 비 담금질 부분을 펀치 지름 20mm 의 펀칭 금형 (간격 15%) 을 이용하여, 펀칭 하중이 측정되었다. 상기 펀칭성은 펀칭 하중이 판 두께 × 40kN 이하인 경우에는 양호 (OK) 라고 판단하고, 그 이상을 불량 (NG) 이라고 평가하였다. 그 결과를 도 7 에 나타내었다.

비교예 1 은 가공 전 냉각을 충분히 실시하지 않은 예이다. 이러한 비교예에서는 가공시의 모재의 입자계 균열이 발생하였다. 비교예 2 는 가공 전의 냉각이 과하게 실시되어, 그 결과, 담금질이 실시되지 않고, 강도가 저하되었다. 비교예 3 은 가공 전 냉각이 500℃ 이하에서 실시되었기 때문에, 그 결과, 가공시 파열이 발생하였다. 비교예 4 는 가열 온도가 낮아, 그 결과 충분한 강도를 확보할 수 없었다. 비교예 5 는 부분 냉각이 실시되지 않아, 그 결과, 가공 또는 용접 부분도 담금질이 실시되고, 그 결과 딱딱해지고, 용접성 및 가공성은 악화되었다. 비교예 6 은 부분 냉각 부분의 가열 온도가 500℃ 미만으로 낮았기 때문에, 도금의 합금화가 충분히 일어나지 않았고, 비교예 15 의 미가열 재료와 동일하게 용접성이 향상되지 않았다. 또한, 부분 냉각 부분의 온도 상한 초과는 담금질 부분과 실질적으로 동일한 조건이기 때문에, 시험이 생략되었다.

비교예 7 은 가열 온도가 아연의 비등점을 초과하여, 아연이 증발되고, 합금화가 과하게 이루어져, 철을 30 질량% 미만으로 함유하는 합금상이 작아지게 되어, 내식성이 악화되었다. 비교예 8 은, 최초 도금량의 양이 작아, 철을 30 질량% 미만으로 함유하는 합금상이 30g/㎡ 미만이 되고, 그 결과, 내식성이 불충분하다. 비교예 9 는 최초 도금량이 너무 많아서, 그 결과, 비 담금질 부분의 도금 조성이 5 질량% 철을 함유하고, 그 결과, 용접성 향상 효과가 충분하지 않다.

비교예 10 은 도금의 합금화 억제 원소량이 많고, 부분 냉각 부분의 합금화가 늦기 때문에, 비 담금질된 부분의 도금 조성이 5 질량% 의 철을 포함하여, 그 결과, 용접성 향상 효과가 충분하지 않다. 비교예 11 및 비교예 12 는 도금의 합금화 억제 원소량이 거의 없거나 작아서, 그 결과 아연이 휘발되어, 합금화가 과하게 빨리 이루어진다. 비교예 16 은 가열이 너무 오랜 시간 동안 진행되어, 그 결과, 합금화가 과하게 이루어졌다. 따라서, 비교예 11, 비교예 12 및 비교예 16 에서는 30 질량% 미만의 철을 함유하는 합금상의 양이 30g/㎡ 보다 작게되어, 그 결과, 내식성이 충분하지 않다. 비교예 13 은 가열 분위기의 산화성이 불충분하여, 아연이 휘발되고, 그 결과, 30 질량% 미만의 철을 함유하는 합금상의 양이 30g/㎡ 보다 작게되어, 그 결과 내식성이 충분하지 않다. 비교예 14 는 가공 중의 냉각 속도가 늦기 때문에, 강도가 저하되었다.

전술한 바와 같이, 본원 발명의 범위를 벗어나는 상기의 비교예들은 강도, 내식성, 내피로성, 용접성, 가공성이 뒤떨어졌다. 반면, 본원 발명의 범위 내에 있는 실시예 1 내지 20 에 있어서는, 아연을 주성분으로 하고, 철을 5 질량% 이상, 30 질량% 미만으로 함유하는 합금상이 30g/㎡ 이상으로 존재하고, 또한, 1000MPa 이상의 고강도 부분을 주체로 하고, 나머지 부분은 800MPa 이하로 되는 저강도 부분을 포함하게 된다. 그 결과, 비용적으로 우수한 아연 또는 아연 합금 도금 강판을 사용하여, 담금질 후의 성형품의 내식성을 냉간 성형품과 동일하거나 그 이상인 내식성, 내피로성, 용접성, 가공성이 우수한 고강도 담금질 성형체를 얻을 수 있다.

본 발명은 전술한 실시형태에 의해 설명되고, 본 발명이 전술한 실시형태 또는 구성에 한정되지 않음은 명확하다. 반대로, 본 발명은 다양한 변형이 가능하고, 동등한 구성이 가능하다. 또한, 전술한 발명의 여러가지 요소들은 여러 실시예의 조합과 구성이 가능하고, 다른 조합과 구성, 또는 하나의 단일 구성 또는 추가로 구성을 포함하여, 첨부된 특허청구범위 내에서 이루어질 수 있다.

Claims (6)

1. 고강도 담금질 성형체로서,
   담금질 후의 성형체 강판 표면에 철을 5 질량% 이상 30 질량% 이하로 포함하는 상을 30g/㎡ 이상 함유하고, 알루미늄 및 규소 중 하나 이상을 각각 또는 복합으로 0.15 질량% 이상 2 질량% 미만으로 함유하고, 잔부가 아연 및 불가피한 불순물로 이루어진 아연 도금층을 포함하고,
   담금질 성형 후의 인장 강도가 1000MPa 이상의 고강도 부분과 800MPa 이하의 저강도 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 강판은 0.1 질량% 이상의 탄소, 0.5 질량% 이상의 망간, 0.1 질량% 이상의 크롬, 0.0005 질량% 이상의 붕소를 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 강판은 Ti, Nb, Mo, V, Zr, W, Co, Cu 및 Ni 을 각각 1 질량% 이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체.
4. 담금질 후의 강판 표면에 철을 5 질량% 이상, 30 질량% 이하로 포함하는 상을 30g/㎥ 이상 함유하고, 또한, 알루미늄 및 규소 중 하나 이상을 각각 단독 또는 복합으로 0.15 질량% 이상, 2 질량% 미만 함유하고, 잔부는 아연 및 불가피한 불순물로 이루어지는 아연 도금층을 함유하고, 담금질 성형 이후의 인장 강도가 1000MPa 이상의 고강도 부분과 800MPa 이하의 저강도 부분을 포함하는 고강도 담금질 성형체를 제조하는 방법으로서,
   알루미늄 및 규소를 각각 단독 또는 복합으로 0.15 질량% 이상 2 질량% 미만으로 함유하는 아연 도금층을 가진 아연 도금 강판을, 산소 0.1 부피% 이상의 산화 분위기하에서 Ac3 점 이상 950℃ 이하로 가열하는 부분과 500℃ 이상 Ac3 점 미만으로 가열하는 부분을 동시에 제작하는 단계,
   60초 이내에 730℃ 이하 500℃ 이상으로 상기 아연 도금 강판의 냉각을 시작하는 단계,
   상기 아연 도금 강판을 730℃ 이하 500℃ 이상의 온도 범위 내에서 프레스 가공하고, 상기 아연 도금 강판을 급랭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체를 제조하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 Ac3 점은 700℃ 이상 880℃ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체를 제조하는 방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 급랭은 30℃/초 이상으로 200℃ 이하로 실시되는 것을 특징으로 하는 고강도 담금질 성형체를 제조하는 방법.

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