KR20130132565A - 경화된 구조적 요소의 제조 방법 - Google Patents

경화된 구조적 요소의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 아연 또는 아연 합금으로 구성된 코팅을 갖는 경화된 강 부품을 제조하는 방법과 관련된다. 경화 가능한 강 재료를 아연층 또는 아연 합금층으로 코팅하고, 경화 가능한 강 재료로부터 블랭크를 단조하며, 블랭크를 Ac3 점 이상의 온도까지 가열하고, 원하는 고정 시간 후에 고온 상태에서 성형 금형 내에서 성형한다. 그리고 성형된 강판 블랭크를 임계 경화 속도보다 빠른 속도로 성형 금형에 의해 냉각시켜 경화시킨다. 성형 전의 아연층의 두께 또는 아연 합금층의 두께에 따라, 아연 또는 아연 합금으로 구성된 코팅과 강 사이에 아연 페라이트의 장벽층이 형성되기에 충분한 시간 동안 블랭크를 782 ℃보다 높은 온도에서 유지시키며, 형성되는 아연 페라이트 층은 액체 아연을 소모하고 성형 중에 액상 아연이 강과 반응하지 못할 정도의 두께를 갖도록 구현된다.

Description

경화된 구조적 요소의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING HARDENED STRUCTURAL ELEMENTS}
본 발명은 청구항 1의 특징을 갖는 경화된 방식(corrosion-protected) 부품의 제조 방법에 관한 것이다.
특히 자동차에서, 강판으로 구성된 소위 압축 경화 부품이 사용되는 것으로 알려져 있다. 강판으로 구성된 이러한 압축 경화 부품은 특히 차체 영역에서 안전 부품으로 사용되는 고강도 부품이다. 이러한 점에서, 상기 고강도 강 부품을 사용함으로써 보통 강도의 강에 비해 재료 두께를 감소시킬 수 있고, 따라서 차체 중량을 감소시킬 수 있다.
압축 경화에서, 이러한 부품을 제작하는 데에는 두 가지 근본적으로 상이한 가능성이 존재한다. 이들은 소위 직접 및 간접 방법으로 분류된다.
직접 방법에서는, 강판 블랭크를 소위 오스테나이트화 온도보다 높은 온도까지 가열하고, 필요하다면 원하는 정도로 오스테나이트화가 달성될 때까지 상기 온도에서 유지시킨다. 이어서, 상기 가열된 블랭크를 성형 금형으로 옮기고, 단일 단계 성형 공정으로 상기 성형 금형 내에서 완성 부품으로 성형하는데, 이러한 과정에서 상기 냉각된 성형 금형에 의해 임계 경화 속도보다 빠른 속도에서 동시에 냉각시킨다. 이러한 방법으로 경화 부품을 제조한다.
간접 방법에서는, 먼저 가능하다면 다단계 성형 공정으로 상기 부품을 거의 완성될 때까지 성형시킨다. 이어서 상기 성형된 부품을 마찬가지로 오스테나이트화 온도보다 높은 온도까지 가열하고, 필요하다면 원하는 필요한 기간 동안 상기 온도에서 유지시킨다.
이어서 상기 가열된 부품을 성형 금형 내로 옮기고 삽입하는데, 상기 성형 금형은 이미 상기 부품의 치수 또는 상기 부품의 최종 치수를 갖고 있으며, 필요하다면 상기 예비 성형된 부품의 열팽창을 고려한다. 상기 냉각된 특정 금형을 닫은 후, 그에 따라 상기 예비 성형된 부품을 상기 금형 내에서 임계 경화 속도보다 빠른 속도로 냉각시켜 경화시킨다.
이러한 점에서, 직접 방법은 실시하기가 다소 더 단순하지만, 실제로 단일 단계 성형 공정에 의해 제조될 수 있는 형상, 즉 비교적 단순한 윤곽을 갖는 형상만을 허용한다.
간접 공정은 다소 더 복잡하지만, 또한 더 복잡한 형상을 제조할 수 있다.
압축 경화 부품에 대한 필요 이외에도, 이러한 부품을 비코팅 강판으로 제조하는 대신에 이러한 부품에 방식층(corrosion protection layer)을 제공할 필요가 또한 생겨났다.
자동차 분야에서, 방식층은 다소 드물게 사용되는 알루미늄 또는 알루미늄 합금이나 또는 현저히 더 자주 사용되는 아연 기반 코팅 중 하나로 구성될 수 있다. 이러한 점에서, 아연은 알루미늄과 같이 장벽 보호층만 제공하는 것이 아니라 음극 방식도 제공한다는 장점을 갖는다. 또한, 아연 코팅된 압축 경화 부품은 차체의 전면적인 방식이라는 개념에 더 잘 들어맞는데, 그 까닭은 현재 널리 쓰이는 건조(construction) 기법에 의하면 이러한 압축 경화 부품은 일반적으로 전체로서 아연 도금(galvanize)되기 때문이다. 이러한 점에서, 접촉에 의한 부식을 감소 또는 근절시킬 수 있다.
그러나, 상기 방법 둘 다는 종래 기술에서도 고찰된 바 있는 단점을 수반할 수 있다. 직접 방법에 있어서, 즉 아연 코팅을 갖는 압축 경화 강의 고온 성형에 있어서 미소 균열(10 ㎛ 내지 100 ㎛) 또는 심지어 거시 균열이 재료 내에서 발생한다. 미소 균열은 코팅 내에서 발생하며, 거시 균열은 심지어 판의 전체 단면을 통해 확장된다. 거시 균열이 있는 이러한 종류의 부품은 더 사용하기에 부적합하다.
간접 공정에 있어서, 즉 저온 성형 후에 경화 및 나머지 성형이 이루어지는 경우에 있어서 미소 균열이 또한 코팅 내에서 발생할 수 있는데, 이것 또한 바람직하지 않지만 훨씬 덜 현저하다.
따라서, 현재까지(아시아에서 제조되는 일 부품을 제외하면) 아연 코팅된 강은 직접 방법, 즉 고온 성형에서는 사용되지 않았다. 상기 방법에서는 알루미늄/실리콘 코팅을 갖는 강을 사용하는 것이 바람직하다.
"Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive"(Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez)이라는 문헌에 개관이 기재되어 있다. 상기 문헌에 의하면 고온 성형 공정 용으로 Usibor 1500P라는 상표명으로 시판되는 알루미늄 도금된 붕소/망간 강이 존재한다고 진술되어 있다. 또한, 음극 방식 목적을 위해 아연으로 예비 코팅된 강이 고온 성형 방법 용으로 판매되는데, 여기에는 낮은 비율의 알루미늄을 함유하는 아연 코팅을 갖는 아연 도금된 Usibor GI와, 10％ 철을 함유하는 아연 코팅을 갖는 소위 갈바어닐링(galvaanneal) 및 코팅된 Usibor GA가 있다.
아연/철 상평형 도표는 782 ℃보다 높은 온도에서 철 함량이 60％ 미만일 경우 액체 아연을 함유하는 더 큰 영역이 존재함을 나타낸다는 점이 또한 알려져 있다. 그러나 이는 또한 오스테나이트화 강이 고온 성형되는 온도 범위이다. 성형이 782 ℃보다 높은 온도에서 일어나는 경우 액체 아연으로 인한 응력 부식의 위험이 높다는 점이 또한 알려져 있는데, 액체 아연은 베이스 강의 입계 내로 침투하여 베이스 강 내에 거시 균열을 초래한다. 또한, 코팅 중의 철 함량이 30％ 미만일 경우, 거시 균열이 없는 안전한 생성물을 성형하기 위한 최대 온도는 782 ℃ 미만이다. 이것이 이러한 강에 대해 직접 성형 방법이 사용되지 않고 그 대신에 간접 성형 방법이 사용되는 이유이다. 이는 위에서 언급된 문제점을 우회하기 위한 것이다.
이러한 문제점을 우회할 수 있는 다른 가능성은 갈바어닐링 및 코팅된 강을 사용하는 것에 있는데, 그 까닭은 처음에 이미 존재했던 10％의 철 함량 및 Fe2Al5 장벽층의 부재로 인해 가열시에 상기 코팅 내에서 60％ 철의 임계치가 빠르게 초과되기 때문이며, 이는 고온 성형 공정 중에 액체 철이 존재하는 것을 방지한다.
유럽 특허 1 439 240 B1은 코팅된 강 제품을 고온 성형하는 방법을 개시하였다. 상기 강 재료는 강 재료의 표면 상에 아연 또는 아연 합금 코팅을 갖고, 상기 코팅을 갖는 강 베이스 재료는 700 ℃ 내지 1000 ℃의 온도까지 가열되어 고온 성형된다. 상기 아연 또는 아연 합금 코팅을 갖는 강 베이스 재료를 가열하기 전에, 아연이 가열 중에 기화하는 것을 방지하기 위하여 상기 코팅은 주로 아연 산화물로 구성된 산화물 층을 갖는다. 이러한 목적을 위해 특수한 공정 순서가 제공된다.
유럽 특허 1 642 991 B1은 붕소/망간 강으로 구성된 부품을 Ac3 점 이상의 온도까지 가열하고, 상기 온도에서 유지시키며, 이어서 가열된 강판을 완성 부품으로 성형하는 강의 고온 성형 방법을 개시하였다. 성형되는 부품은 성형 중에 또는 성형 후에 상기 성형 온도로부터 냉각을 통해 담금질(quench)되는데, MS 점에서의 냉각 속도가 적어도 임계 냉각 속도에 상응하고 상기 성형되는 부품의 MS 점에서부터 200 ℃까지의 평균 냉각 속도가 25 ℃/s 내지 150 ℃/s의 범위 내에 있도록 한다.
본 발명의 목적은 균열 형성을 감소 또는 근절시키며 그럼에도 불구하고 충분한 방식을 달성하는 방식층을 갖는 강판 부품의 제조 방법을 안출하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 1의 특징으로 달성된다.
유리한 변형은 종속항에 개시되어 있다.
입계 영역 내에서 강에 침투하는 액체 아연으로 인한 균열 형성의 상술한 효과는 또한 소위 "액체 금속 취화"라고 알려져 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 응력 및 그에 의해 유도되는 균열을 방지하기 위해 오스테나이트화 형태의, 즉 고온의 베이스 재료가 상기 상태의 액상 아연의 존재 및 성형을 통한 응력의 도입과 결합되는 것을 방지해야 한다는 인식에 기초하여 달성된다.
상기 목적은 본 발명에 따라 오스테나이트화 베이스 재료와 액상 아연 사이에 방식층이 제공된다는 사실에 의해 달성된다. 베이스 재료(오스테나이트)와 액상 아연 사이의 방식층은 상기 온도 범위에서 한편으로는 미소 균열의 형성에 대한 완충 작용을 한다. 더 두꺼운 장벽층의 제조는 액상을 더 소모한다.
이러한 장벽층은 예컨대 아연과 철 사이의 반응에 의해 생성된 아연 페라이트 장벽층일 수 있는데, 이는 고체 상 방출을 통해 순수한 아연을 방출한다. 이로 인해 성장하는 층은 아연을 소모하고, 안정된 아연 페라이트 혼합 결정을 형성한다.
상기 효과는 순수한 아연층, 아연/알루미늄 합금층 및 아연/마그네슘 합금층에서 발생하고, 따라서 상기 층들은 또한 적합하다.
본 발명에 따르면, 아연/니켈층은 공정 중에 액상 아연을 생성하지 않으므로 아연/니켈층을 최초 또는 단독 방식층으로서 부착하는 것이 또한 가능하다.
본 발명에 따르면, 아연 가용량을 감소시켜 잔여 액상 아연의 존재를 방지함으로써 장벽층의 형성이 신속하게 종결되도록 하여 액체 아연의 감소 및/또는 유효한 장벽층의 신속한 축적이 실현될 수 있다. 이는 다른 것들 중에서도 아연층의 두께를 감소시킴으로써 달성될 수 있다.
그러나 본 발명에 따르면, 이러한 경우에 아연층의 화학적 성질을 조정함으로써 아연/철 반응을 가속화하여 성형이 빨라지게 하고 방식층 두께를 더 크게 하는 것이 또한 가능하다. 신속한 액침에 의한 아연 도금 공정으로 부착되는 종래의 아연층에는 한쪽의 지지 재료(강)과 다른 쪽의 아연층 사이에 억제층을 형성하는 소정 비율의 알루미늄이 함유되어 있어서 기재와 코팅 사이의 강력한 반응이 방지된다. 두꺼운 아연/철 층의 이러한 신속한 형성을 특히 촉진하기 위해 알루미늄의 첨가를 선택적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 목적을 위해, 액체 아연 코팅 내의 알루미늄을 감소시키고, 필요하다면 성형 전에 코팅을 갈바어닐링 반응시켜 아연/철 상을 형성함으로써 이러한 억제층을 분해시킨다. 이후 직접 성형에서 이러한 코팅은 오스테나이트와 부정적으로 상호작용할 수 있는 어떠한 액체 아연층도 생성하지 않는다.
제조 중에도, 낮은 알루미늄 함량을 갖는 종래의 아연층을 통상보다 긴 열처리를 거치도록 하여, 늘어난 어닐링 시간을 통해 직접 성형 공정 중에 재료를 보호하는 더 두꺼운 장벽층을 제조하는 것이 또한 가능하다.
본 발명을 단지 예시로서 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다.
도 1은 시험된 강 샘플의 전형적인 화학 조성을 나타낸 표이다.
도 2는 변태 전의 어닐링 처리시의 노 고정 시간(furnace holding time)과 균열 깊이 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 노 고정 시간의 임계 간격을 나타내는 그래프이다.
도 4는 노 고정 시간에 따른 균열 형성을 나타내는 영상과 함께 노 고정 시간을 나타내는 표이다.
도 5는 노 고정 시간에 따른 균열 깊이를 보여주는 단면에서 도 4에 따른 샘플을 도시한다.
도 6은 더 긴 노 고정 시간으로 인한 페라이트층 형성을 도시한다.
도 7은 아연/철 상평형 도표를 도시한다.
본 발명에 따르면, 아연 코팅의 더 긴 노 고정 시간 및 그에 수반되는 더 긴 어닐링 처리를 사용하여, 오스테나이트가 존재하고 응력이 도입되는 경우에도 "액체 금속 취화"를 효과적으로 방지하는 아연/페라이트 층을 제조할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이는 더 복잡한 간접 공정으로 전환하는 대신에 상기 직접 방법을 구현하는 것도 가능하게 만든다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에 사용되는 전형적인 강의 분석을 나타낸다. 물론, 재료의 나머지는 철 및 불가피한 제련 관련 불순물로 이루어진다.
도 2는 노 고정 시간, 액상의 존재 및 균열 깊이 사이의 관계를 나타낸다.
상기 그래프는 상이한 곡선에서 소정의 노 고정 시간이 경과한 후에 곡선이 가파르게 상승함을 명백하게 나타내는데, 이는 액상 아연의 생성과 연관된다. 이는 동시에 균열 깊이의 증가를 유도한다. 또한, 균열 깊이가 더 이상 증가하지 않는 대신에 관찰된 균열 깊이가 상기 노 고정 시간 이후에 감소하는 전환점을 모든 곡선에서 볼 수 있다. 다음으로, 노 고정 시간이 증가함에 따라 또 다른 비교적 가파른 굴곡 및 더 작은 균열 깊이를 향하는 하향 곡선 경사가 나타난다. 여기서 120 g/㎡의 순수한 아연층의 경우에는 매우 긴 노 고정 시간이 필요한 반면, 120 g/㎡ 층의 아연/철 층의 경우에는 유의하게 더 짧은 노 고정 시간으로 절대적으로 달성 가능한 균열 깊이가 더 작아지고 균열 깊이의 급격한 감소가 관찰될 수 있다는 것이 명백하다.
120 g/㎡의 아연/철 층과는 대조적으로, 80 g/㎡ 아연/철 층의 경우에는 달성 가능한 균열 깊이가 120 g/㎡의 아연/철 층에 비해 유의하게 감소하고, 감소된 균열 깊이를 관찰하기까지의 시간이 또한 유의하게 감소한다.
이러한 관찰 내용은 노 고정 시간의 관찰된 임계 간격이 80 g/㎡ 아연층에서는 약 90 s 내지 140 s에 달하고, 100 g/㎡ 아연층에서는 약 100 s 내지 155 s에 달하며, 120 g/㎡의 아연층에서는 약 90 s 내지 200 s 초과에 달한다는 것을 나타낸다.
대조적으로, 80 g/㎡, 100 g/㎡ 및 120 g/㎡의 아연/철 층의 경우 노 고정 시간의 임계 간격은 유의하게 더 짧다. 임계 간격은 특히 80 g/㎡의 아연/철 층에서는 45 s 내지 70 s 사이이고, 120 g/㎡의 아연/철 층에서는 50 s 내지 105 s로서 유의하게 더 짧다.
이는 철 알루민산염 장벽층이 존재하지 않는 기존에 예비 반응한 아연/철 층에서는 추가적인 아연/철 반응이 신속하게 발생하여 액체 금속 취화를 일으키는 데 이용될 수 있는 액상이 매우 소량만 존재하게 됨을 나타낸다.
노 고정 시간의 직접적인 영향은 도 4에 명백하게 나타난다. 도 4의 표는 세 개의 동일한 140 g/㎡ 아연 코팅을 870 ℃ 내지 최대 910 ℃의 유사한 온도에서 185 s, 325 s 및 475 s 동안 유지한 경우를 나타낸다. 이러한 시험에서, 상기 방식으로 가열된 부품을 3 s의 이동 시간으로 성형 금형으로 이동시켜 고온 상태에서 직접 성형하였다.
노 고정 시간에 따라 상이한 균열 깊이가 생성되었는데, 최단 노 고정 시간의 경우 최대 200 ㎛, 최장 노 고정 시간의 경우 20 ㎛까지 작게 나타났다.
도 4의 영상은 뚜렷하게 유의한 차이를 매우 명확하게 나타낸다.
이는 또한 특히 도 5에서 다시 한 번 명백하게 나타나는데, 도 5는 도 4의 상이한 시료의 연마된 단면을 도시한다. 이는 노 고정 시간의 증가에 따라 균열의 깊이뿐만 아니라 균열의 너비 또한 유의하게 감소함을 명백하게 나타낸다. 또한, 최장 노 고정 시간을 적용한 샘플의 경우 균열이 코팅 내에만 존재하는 반면, 다른 시료의 경우 균열이 베이스 재료 내로 확장된다는 것이 명백하다.
그러므로, 본 발명에 따른 방법에 의하면 직접 성형 공정을 유지할 수 있고, 따라서 가능한 한 소량의 액체 아연이 성형 중에 민감한 온도 범위 내에서 존재하도록 보장한다면 보다 단순한 기하학적 구조를 갖는 부품을 저렴하게 제조하기 위해 특별히 직접 성형 공정을 사용할 수 있음을 입증할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 특정한 온도/시간 파라미터의 유지는 종래의 방법을 계속 사용할 수 있게 한다.

Claims (10)

  1. 아연 또는 아연 합금으로 구성된 코팅을 갖는 경화된 강 부품을 제조하는 방법으로서,
    경화 가능한 강 재료를 아연층 또는 아연 합금층으로 코팅하고, 상기 경화 가능한 강 재료로부터 블랭크를 단조하며, 상기 블랭크를 Ac3 점 이상의 온도까지 가열하고, 원하는 고정 시간 후에 상기 고온 상태에서 성형 금형 내에서 성형시키는 단계; 및
    상기 성형된 강판 블랭크를 임계 경화 속도보다 빠른 속도로 상기 성형 금형에 의해 냉각시켜 경화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 성형 전의 상기 아연층의 두께 또는 상기 아연 합금층의 두께에 따라, 아연 또는 아연 합금으로 구성된 코팅과 상기 강 사이에 아연 페라이트의 장벽층이 형성되기에 충분한 시간 동안 상기 블랭크를 782 ℃보다 높은 온도에서 유지시키며, 상기 형성되는 아연 페라이트 층은 액체 아연을 소모하고 상기 성형 중에 액상 아연이 상기 강과 반응하지 못할 정도의 두께를 갖도록 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강 위의 코팅은 아연 코팅으로서, 상기 고온 성형을 위해 가열되기 전에 온도 처리에 의해 아연/철 코팅으로 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 강 위의 코팅은 0.1％ 내지 5％의 알루미늄 함량을 갖는 아연 코팅인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 위의 코팅은 전해에 의해 및/또는 용융 도금(hot dip coating)에 의해 부착되는 것을 특징으로 하는 것인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 위의 코팅은 전해에 의해 얇게 퇴적된 아연층 및 상기 층 위에 퇴적된 아연층 또는 아연/알루미늄 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    용융 아연 도금에 앞서, 상기 전해에 의해 퇴적된 아연층은 아연/페라이트 층으로 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅은 아연/니켈 코팅, 아연/알루미늄 코팅, 아연/철 코팅, 아연/크롬 코팅, 순수한 아연 코팅, 또는 아연/마그네슘 코팅인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    80 g/㎡ 내지 120 g/㎡ 사이의 아연층의 경우 노 고정 시간이 120 s 내지 210 s인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    80 g/㎡ 내지 120 g/㎡의 코팅 내의 (갈바어닐링된) 아연/철 층의 경우 노 고정 시간이 75 s 내지 100 s인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코팅의 아연층 또는 아연 합금층은 단위 면적당 중량이 60 g/㎡ 내지 140 g/㎡으로 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
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