KR20130099042A - 코팅된 금속 부품과 성형된 부품의 열간 성형 방법 - Google Patents

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빌렘 코르넬리스 베를루프
마르크 자코 반 젠드런
로날드 데오도르 반 톨
귀도 코르넬리스 헨센
제니 루와조
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타타 스틸 이즈무이덴 베.뷔.
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Abstract

본 발명은 열간 성형 기술들을 사용하여 매우 높은 기계적 특성을 갖는 코팅된 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 방법은 - 어닐링 전에 금속 또는 금속 합금으로 코팅된, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제공하는 단계, - 스트립으로 제공되는 경우, 어닐링 전후에 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계, - 블랭크로부터 예비 성형된 부품을 선택적으로 성형하는 단계, - 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 500℃의 온도로 가열하는 단계, - 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 단계, - 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형된 부품으로 열간 성형하는 단계, - 열간 성형된 부품을 경화처리하는 단계를 포함한다. 또한, 코팅된 강 스트립, 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 그리고 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품 및 열간 성형된 부품에 관한 것이다.

Description

코팅된 금속 부품과 성형된 부품의 열간 성형 방법{METHOD FOR HOT FORMING A COATED METAL PART AND FORMED PART}
본 발명은 열간 성형 기술들을 사용하여, 코팅된 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 열간 성형 방법을 위한, 코팅된 강 스트립, 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제조하는 방법에 관한 것이며, 그리고 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품 및 열간 성형된 부품에 관한 것이다.
자동차 부품 등의 부품을 성형하기 위해 열간 성형 기술들을 사용하는 것은 잘 알려져 있다. 쉽게 성형할 수 있는 시트로부터 출발하는 열간 성형 기술들은 1200 MPa 초과의 인장 강도를 갖는 매우 높은 기계적 특성을 갖는 성형 부품을 제공한다.
통상적으로 열간 성형은, 블랭크를 제공하고, 이 블랭크를 700℃ 내지 1000℃로 가열하고, 수분 동안 이 온도에서 블랭크를 유지시키고, 가열된 블랭크를 열간 성형 장치에 위치시키고, 이 블랭크를 열간 성형 장치에서 부품으로 성형하고, 그리고 열간 성형된 부품을 경화시키는 단계로 실행된다.
이 코팅된 강을 사용할 때, 열간 성형 장치에서 열간 성형하기 전에 블랭크를 가열하는 단계는, 강의 산화와 탈탄을 방지하기 위해 보호분위기 하에서 실행될 수 있다. 그러나 열간 성형 자체 및 경화처리는 공기 중에서 실시되고, 이에 따라 산화가 발생되며; 따라서 열간 성형 후의 열간 성형된 부품들은 스케일 제거처리를 거쳐야 한다. 이러한 결함을 해소하기 위해, 지난 10년 동안, 코팅된 강 시트들을 사용하고, 이 시트들을 Acl 온도 초과의 온도로 가열하는 것이 제안되고 있다. 이러한 가열 중에, 코팅과 강 시트 사이에 확산층이 형성되며, 이 확산층은 산화 보호층을 제공하고 그리고 코팅과 강 시트의 양호한 접착을 제공하며, 또한 높은 온도가 열간 성형에 사용되도록 한다.
코팅된 강 시트를 사용할 때에는 보호 분위기가 필요하지 않지만, 공지의 방법은 몇 가지 결점을 갖는다. 주된 문제점의 하나는 코팅된 강 시트의 가열속도가 중요하다는 것이다. 이는 전체 공정의 제어를 더욱 어렵게 한다. 또한, 강 시트의 가열에는 상당한 시간, 예를 들어 5분이 소요되는 반면에, 열간 성형 장치 내에서의 열간 성형과 후속 경화처리는 1분 미만으로 실행된다. 열간 성형 장치에 의해 높은 생산속도로 제조하는 것은 다수의 코팅된 강 시트를 오븐 내에서 가열하는 것에 의해 실행될 수 있다. 그러나 열간 성형 장치에서 지연이 있는 경우에, 코팅된 강 시트가 오븐 내에서 너무 오래 잔류하게 되고, 이는 강 시트가 스크랩(scrap) 처리되어야 하는 것을 의미한다. 이는 열간 성형 공정의 비용에 상당한 영향을 끼친다. 더욱이, 오븐이 매우 길어지게 된다.
본 발명의 목적은 열간 성형 기술을 사용하여 코팅된 부품을 제조하는 방법으로서, 더 유연하고 확실한(robust) 방식으로 제조 공정을 제어할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 열간 성형 기술을 사용하여 코팅된 부품을 제조하는 방법으로서, 쉽고 효율적으로 열간 성형된 부품을 제조할 수 있는 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열간 성형 기술을 사용하여 코팅된 부품을 제조하는 방법으로서, 공지의 방법보다 더 경제적인 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 코팅된 강 스트립, 코팅된 강 블랭크 및 코팅된 예비 성형된 부품을 제공하는 것이며, 그리고 본 발명에 따른 방법에서 사용될 수 있는 이들 부품들을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 본 발명의 목적 중의 하나 또는 그 이상은, 열간 성형 기술들을 사용하여 매우 높은 기계적 특성을 갖는 코팅된 부품을 제조하는 방법을 제공하는 것에 의해 달성되며, 상기 제조 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
1. 어닐링 전에 금속 또는 금속 합금으로 코팅된, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제공하는 단계,
2. 스트립으로 제공되는 경우, 어닐링 전후에 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계,
3. 블랭크로부터 예비 성형된 부품을 선택적으로 성형하는 단계,
4. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 500℃의 온도로 가열하는 단계,
5. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 단계,
6. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형된 부품으로 열간 성형하는 단계, 및
7. 열간 성형된 부품을 경화(hardening)처리하는 단계.
본 발명자들은 어닐링된 코팅된 강의 사용에 의해, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 가열은 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 500℃의 온도까지 실행될 수 있다는 것을 발견하였다. 이 방식에 있어서, 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 열간 성형 전의 이들의 가열은 통상적인 가열보다 더 빠르게 실행될 수 있다. 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 가열은 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 오븐에서 꺼내어 열간 성형 장치에 장입하기 전의 3분 이내에서 실행될 수 있다. 본 발명에 따른 이 빠른 가열은, 블랭크를 직접 열간 성형 공정에서 사용할 수 있게 하거나, 또는 예비 성형된 부품을 간접 열간 성형 공정에서 사용할 수 있게 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 625℃의 온도로 가열되고, 그리고 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 상기 단계 5에서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열된다. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 높은 가열 속도로 700℃의 온도까지 가열하는 것에 의해, 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 가열이 매우 짧은 기간에서 실행될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 700℃의 온도로 가열되고, 그리고 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 선택적으로 상기 단계 5에서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열된다. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 높은 가열 속도로 700℃의 온도까지 가열하는 것에 의해, 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 가열이 2분 미만의 매우 짧은 기간에서 실행될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 700℃ 내지 900℃의 온도로 가열되고, 그리고 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 선택적으로 상기 단계 5에서 최대 1000℃의 온도로 추가로 가열된다. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 높은 가열 속도로 700℃ 내지 900℃의 온도까지 가열하는 것에 의해, Acl 온도 초과의 온도까지 16℃/s 이상의 평균 가열 속도가 사용될 때, 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 가열이 90초 미만의 매우 짧은 시간에서 실행될 수 있다.
바람직하게는, 금속 또는 금속 합금은 아연 또는 아연 합금이다. 본 발명자들은 어닐링된 아연 또는 아연 합금 코팅을 사용함으로써 매우 높은 가열 속도를 사용하는 것을 가능하게 한다는 것을 발견하였다.
바람직한 실시예에 따르면, 블랭크 또는 예비 성형된 부품 상의 코팅은 단계 4와 단계 5 동안 고체로서 잔류한다. 이는, 블랭크 또는 예비 성형된 부품 상에 잔류하는 코팅, 특히 예비 성형된 부품 상에 잔류하는 코팅이 유동하지 않고 예비 성형된 부품의 경사진 부분들에 전체적으로 고르게 퍼져서 잔류하는 이점을 갖는다. 코팅이 고체로서 잔류하기 때문에, 코팅 처리 설비에 점착되지 않는다. 더욱이, 코팅을 고체 상태에서 액체 상태로 변환시키기 위한 에너지가 필요하지 않다.
바람직하게는, 가열 속도는 20℃/s 이상, 더 바람직하게는 25℃/s 이상이다. 이들 높은 가열 속도는, 부품의 열간 성형 전에 코팅된 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 1분 미만의 짧은 시간에서 가열할 수 있게 한다.
바람직하게는, 단계 4에 있어서, 블랭크 또는 예비 성형된 부품은 최대 50℃/s의 평균 가열 속도로 가열된다. 더 높은 가열 속도는 가열되는 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 최고 가열 온도를 제어하는 것을 어렵게 한다.
바람직한 실시예에 따르면, 강은 중량%로, 하기 조성을 갖는다.
0.1 < C < 0.5
0.5 < Mn < 3.0
0.1 < Si < 0.5
Cr < 1.0
Ti < 0.2
Al < 0.1
P < 0.1
S < 0.05
0.0005 < B < 0.08
선택적으로,
Nb < 0.l
V < 0.1
불가피한 불순물 및
잔부 철.
다른 금속 조성도 또한 가능하지만, 대부분의 경우에 있어서 상기 강 조성이 매우 양호한 결과를 갖는다는 것을 발견하였다.
바람직한 실시예에 따르면, 금속 합금은 중량%로, 하기 조성을 갖는 아연 합금이다.
1.0 < Al < 5.0, 바람직하게는 1.5 < Al < 2.0
1.0 < Mg < 5.0, 바람직하게는 1.5 < Mg < 2.0
최대 0.2의 하나 또는 그 이상의 표준 합금화 원소의 총량,
잔부 아연 및 불가피한 불순물.
본 발명자들은 상기 조성을 갖는 아연 합금을 사용함으로써, 블랭크 또는 예비 성형된 부품은 16℃/s 초과의 매우 높은 가열 속도로 가열될 수 있다는 것을 발견하였다. 표준 합금화 원소는 Pb, Sb, Ti, Ca, Mn, La, Ce, Cr, Ni, Zr 및 Bi이다.
본 발명의 제2 태양에 따르면, 본 발명의 제1 태양에서 제공된 바와 같은, 어닐링 전에 금속 또는 금속 합금으로 코팅된, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제조하는 방법을 제공하는 것이며, 상기 제조 방법은 하기의 단계들을 포함한다.
(i) 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제공하는 단계,
(ii) 강을 금속 또는 금속 합금의 층, 바람직하게는 아연 또는 아연 합금의 층으로 코팅하는 단계,
(iii) 코팅된 강을 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하고, 그리고 가열된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 최대 30분의 시간 동안 상기 온도에서 유지하는 단계,
(iv) 코팅된 강을 냉각하는 단계.
따라서, 코팅되고 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제조하는 이 방법은, 보통 말하는 열간 성형 공정과는 독립적으로 실행된다. 700℃ 내지 1000℃의 높은 확산 온도를 선택하는 것은, 비교적 짧은 시간으로 확산층의 형성이 얻어질 수 있다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 본 발명의 제2 태양에 따른 방법에 있어서, 스트립으로 제공된 경우, 강 스트립은 스트립으로부터 블랭크를 형성하도록 절단되고, 예비 성형된 부품은 단계 1, 2, 3 또는 4 이후의 블랭크로부터 형성된다. 블랭크 또는 예비 성형된 부품이 열간 성형 공정에서 사용되기 때문에, 열간 성형 공정에서 직접 사용될 수 있는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 저장하고 이송하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 태양에 따르면, 본 발명의 제2 태양의 제조 방법에 따라 제조된 것과 같은, 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품에는 아연 또는 아연 합금의 코팅이 제공되어 있으며, 코팅의 외부층은 평균적으로 3㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 5 중량% 초과의 Fe를 함유한다. 3㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 5 중량% 초과의 Fe를 갖는 코팅된 강이 블랭크 또는 예비 성형된 부품의 열간 성형에 사용될 수 있다.
바람직하게는, 평균적으로 코팅의 외부층은 3㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 10 중량% 초과의 Fe, 더 바람직하게는 20 중량% 초과의 Fe, 더욱 바람직하게는 30 중량% 초과의 Fe, 더욱 더 바람직하게는 40 중량% 초과의 Fe를 함유한다. 코팅의 외부층의 높은 Fe 함량은 코팅과 강으로부터의 Fe가 더욱 확산되게 하는 것을 의미한다.
본 발명의 제4 태양에 따르면, 본 발명의 제1 태양에 따른 제조 방법을 사용하여 제조된 열간 성형된 코팅된 부품을 제공한다.
본 발명은 실시예들을 참조하여 이하에서 더 자세히 설명될 것이다.
도 1은 두 개의 서로 다른 코팅으로 피복된 기재에 대한 가열 곡선을 도시한다.
기재(substrate)는 1.5 mm 두께의 22MnB5 붕소강이다.
실시예 1은 1.6 중량% Al, 1.6 중량% Mg, 잔부 아연을 함유하는 아연 합금으로 피복된 블랭크이다. 코팅은 140 g/㎡(각 측면 당 70 g/㎡)의 코팅 중량을 갖는다.
실시예 2는 실시예 1과 동일한 코팅으로 피복된 블랭크이지만, 이 블랭크는 750℃에서 어닐링처리 되었다. 이 어닐링에 의해, 코팅의 평균 Fe 함량은 20% 초과이다.
두 개의 블랭크를 함께 오븐 내로 장입하였다. 오븐 온도는 920℃로 설정하였다. 블랭크들은 대략 850℃의 온도로 가열되었으며; 블랭크들의 온도는 열전대(thermocouple)로 측정하였다.
도 1은 두 개의 블랭크의 가열 곡선을 도시한다. 횡축은 오븐 내의 블랭크들의 체류 시간(t)을 초(seconds)로 나타낸 것이고; 종축은 블랭크들의 온도(T)를 ℃로 나타낸 것이다.
블랭크들의 검사에서, 실시예 1의 코팅은 액화되었다는 것을 나타내었다.
실시예 2의 코팅은 850℃의 완전 가열까지 고체로 남아있었다.
도 1은 500℃의 온도까지 16℃/s 초과의 가열 속도로 가열된 실시예 2의 블랭크를 도시하며, 평균 가열 속도는 대략 650℃의 온도까지 16℃/s이다. 이와 반대로, 실시예 1의 블랭크의 가열 속도는 16℃/s 미만이다.
강이 오스테나이트로 완전 변태되는 온도이고, 현 기재에 대해 대략 850℃인 Ac3 온도에 도달하는 시간은, 실시예 2에 대해서는 대략 110초이고, 실시예 1에 대해서는 대략 180초이다.
블랭크들이 Ac3 온도에 도달한 후에, 이들 블랭크들을 열간 성형 장치에 장입하기 전에, 이들을 오스테나이트로 균질화처리 하기 위해 약간의 추가 시간이 부여될 수 있다.

Claims (14)

  1. 열간 성형 기술들을 사용하여 매우 높은 기계적 특성을 갖는 코팅된 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    1. 어닐링 전에 금속 또는 금속 합금으로 코팅된, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제공하는 단계,
    2. 스트립으로 제공되는 경우, 어닐링 전 또는 후에 스트립으로부터 블랭크를 절단하는 단계,
    3. 블랭크로부터, 예비 성형된 부품을 선택적으로 성형하는 단계,
    4. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 500℃의 온도로 가열하는 단계,
    5. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 단계,
    6. 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형된 부품으로 열간 성형하는 단계, 및
    7. 열간 성형된 부품을 경화처리하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 625℃의 온도로 가열되고, 그리고 상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 상기 단계 5에서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 700℃의 온도로 가열되고, 그리고 상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 선택적으로 상기 단계 5에서 700℃ 내지 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품은, 상기 단계 4에서 16℃/s 이상의 평균 가열 속도로 700℃ 내지 900℃의 온도로 가열되고, 그리고 상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 열간 성형하기 전에 선택적으로 상기 단계 5에서 최대 1000℃의 온도로 추가로 가열하는 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 또는 금속 합금은 아연 또는 아연 합금인 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품 상의 코팅은 상기 단계 4와 단계 5 동안 고체로서 잔류하는 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단계 4에 있어서, 상기 블랭크 또는 예비 성형된 부품은 최대 50℃/s의 평균 가열 속도로 가열되는 제조 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강은 중량%로 하기 조성을 갖는 제조 방법.
    0.1 < C < 0.5
    0.5 < Mn < 3.0
    0.1 < Si < 0.5
    Cr < 1.0
    Ti < 0.2
    Al < 0.1
    P < 0.1
    S < 0.05
    0.0005 < B < 0.08
    선택적으로,
    Nb < 0.l
    V < 0.1
    불가피한 불순물 및
    잔부 철.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 금속 합금은 중량%로 하기 조성을 갖는 아연 합금인 제조 방법.
    1.0 < Al < 5.0, 바람직하게는 1.5 < Al < 2.0
    1.0 < Mg < 5.0, 바람직하게는 1.5 < Mg < 2.0
    최대 0.2의 하나 또는 그 이상의 표준 합금화 원소의 총량,
    잔부 아연 및 불가피한 불순물.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 바와 같이, 어닐링 전에 금속 또는 금속 합금으로 코팅된, 어닐링된 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    1. 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 제공하는 단계,
    2. 강을 금속 또는 금속 합금의 층, 바람직하게는 아연 또는 아연 합금의 층으로 코팅하는 단계,
    3. 코팅된 강을 700℃ 내지 1000℃의 온도로 가열하고, 그리고 강 스트립 또는 블랭크 또는 예비 성형된 부품을 최대 30분의 기간 동안 상기 온도에서 유지하는 단계, 및
    4. 코팅된 강을 냉각하는 단계를 포함하는 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    스트립으로 제공된 경우, 상기 강 스트립은 스트립으로부터 블랭크를 형성하도록 절단되고, 상기 예비 성형된 부품은 상기 단계 1, 2, 3 또는 4 이후에 블랭크로부터 형성되는 제조 방법.
  12. 제 10 항 또는 제 11항의 제조 방법에 따라 제조된, 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품에는 아연 또는 아연 합금의 코팅이 제공되어 있으며,
    상기 코팅의 외부층은 평균적으로 3㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 5 중량% 초과의 Fe를 함유하는, 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 코팅의 외부층은, 평균적으로 3㎛ 이상의 깊이에 걸쳐 10 중량% 초과의 Fe, 바람직하게는 20 중량% 초과의 Fe, 더 바람직하게는 30 중량% 초과의 Fe, 더욱 바람직하게는 40 중량% 초과의 Fe를 함유하는, 코팅된 강 스트립, 블랭크, 부품 또는 예비 성형된 부품.
  14. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 제조 방법을 사용하여 제조된 부품.
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