KR20140000399A - 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법에 관한 것으로핫스탬핑 소재의 제조방법에 있어서, 가열로 내에서 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크의 온도가 AC3 변태점 이상이 되도록 가열하는 제 1 단계, 상기 가열된 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크 두 개를 프레스로 이송하는 제 2 단계, 상기 프레스로 이송된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크 사이에 알루미늄 판재를 삽입하여 프레싱-급냉 공정을 실시하는 제 3 단계, 상기 프레싱-급냉 공정에 의해 돌출된 부분에 대해 트림 공정을 실시하는 제 4 단계를 포함함으로써, 기존 두께를 유지하는 것이 가능하여 주행 소음 및 진동(NVH)과 강성 성능의 저하 없이 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법에 관한 것이다.

Description

경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법{Manufacturing method of hot-stamping part for weight lightening}
본 발명은 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강(steel)의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 도금층이 형성된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 사이에 알루미늄 소재를 삽입하여 핫스탬핑 처리함으로써 강성(rigidity)의 저하 없이 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법에 관한 것이다.
경량화, 충돌안정성 및 원가절감 등은 자동차 개발에 있어서 매우 큰 관심의 대상이다. 특히 최근 들어 환경문제가 이슈화됨에 따라 이산화탄소(CO2) 등의 배기가스 배출량에 대한 규제가 엄격해지고 있는데, 자동차의 경우 배기가스를 줄이기 위한 두께 저감에 의한 차체 경량화 시도가 계속되고 있다.
구체적으로, 초고장력강판(Ultra High Strength Steel)을 적용하여 두께를 저감하기 위한 시도가 있는데, 특히 핫스탬핑(hot-stamping)이라는 고온 성형 기술을 이용하여 1500MPa 급의 초고강도 소재를 제조할 수 있게 되었다.
종래 통상적인 핫스탬핑 공정은 가열, 이송, 프레싱-급냉(스탬핑) 및 트림 공정으로 구성된다.
구체적으로 부품을 크기에 맞게 블랭킹 한 후에, 블랭크를 AC3 온도 이상으로 가열로 내에서 가열시킨다. 그 후, 이송로봇을 이용하여 가열된 블랭크를 프레스로 이송한 다음, 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 거친다. 이 때, 금형 내의 냉각 수로에 의해 블랭크로부터 전달되는 열을 흡수하여 급냉을 가능하도록 한다. 최종적으로 상기 블랭크를 다듬고 손질하는 트림 공정을 실시한다.
도 1은 강의 상태도를 나타낸 도면인데, 핫스탬핑 공정에 있어서 상기 강을 AC3 변태점 이상으로 가열하는 경우 기지조직이 오스테나이트로 변태되며, 상기 변태된 기지조직이 금형 내 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)에 의해 마르텐사이트 기지조직으로 상변태됨에 따라 강도가 증대되어 자동차 강판 등 차량의 주요 부품으로서 이용된다.
위와 같이, 상기 핫스탬핑 처리를 통해 소재가 고장력화됨에 따라 상기 소재의 두께를 저감하여 차체를 경량화하는 시도가 있었으나, 소재의 두께가 저감되면 주행 소음 및 진동(Noise Vibration Harshness, NVH)이 악화되는 문제가 있었다.
뿐만 아니라, 소재의 두께를 저감하는 경우 차량의 승차감 및 안정성과 관련된 차체의 강성 성능 역시 함께 저하되는 문제가 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 기존 소재의 두께를 유지하면서 NVH 및 차체 강성 등의 성능 저하 없이 차체 경량화를 달성하는 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법은 핫스탬핑 소재의 제조방법에 있어서, 가열로 내에서 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크의 온도가 AC3 변태점 이상이 되도록 가열하는 제 1 단계, 상기 가열된 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크 두 개를 프레스로 이송하는 제 2 단계, 상기 프레스로 이송된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크 사이에 알루미늄 판재를 삽입하여 프레싱-급냉 공정을 실시하는 제 3 단계, 상기 프레싱-급냉 공정에 의해 돌출된 부분에 대해 트림 공정을 실시하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 제 3 단계는 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크 및 알루미늄 판재의 온도가 알루미늄 융점 이상 AC3 변태점 이하일 때 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 제 3 단계는 상기 프레스에서 10 초 동안 실시하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예로 상기 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크의 알루미늄-실리콘 도금층은 알루미늄 92 중량% 및 실리콘 8 중량% 를 포함하고, 상기 알루미늄 판재는 알루미늄 100 중량% 를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법은 핫스탬핑 처리된 소재의 두께를 저감함으로써 차체 경량화를 시도한 종래 방법과는 달리, 강의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 도금층이 형성된 두 개의 알루니늄-실리콘 도금강 사이에 알루미늄 소재를 삽입하여 핫스탬핑 처리함으로써 고강도를 유지하면서 차체 경량화 효과를 달성할 수 있다.
또한, 핫스탬핑 처리 중에 상기 알루미늄-실리콘 도금층의 알루미늄 원자와 알루미늄 소재의 알루미늄 원자에 의한 확산접합이 발생하여 접합강도가 우수하며, 상기 핫스탬핑 처리에 의해 우수한 고강도를 나타내는 효과도 있다.
뿐만 아니라, 저밀도의 알루미늄 소재를 삽입함에 따라 기존 두께를 유지하는 것이 가능하여 주행 소음 및 진동(NVH)과 강성 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 강의 상태도를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 핫스탬핑 소재를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 의한 핫스탬핑 소재를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도 5는 프레스 내에서 발생되는 확산접합 및 접합면의 확대도를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 일 관점에서, 강의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 도금층이 형성된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 사이에 알루미늄 소재를 삽입하여 핫스탬핑 처리함으로써 강성의 저하 없이 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법에 관한 것이다.
도 2는 종래 핫스탬핑 소재를 나타낸 도면인데, 강(110)의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 도금층(100)이 형성된 알루미늄-실리콘 도금강을 AC3 변태점 즉, 약 900 ℃ 이상으로 가열한 다음, 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 통해 강도를 확보한다.
도 3은 본 발명에 의한 핫스탬핑 소재를 나타낸 도면인데, 강(110)의 양쪽 면에 알루미늄-실리콘 도금층(100)이 형성된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강을 AC3 변태점 이상으로 가열한 후, 상기 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 사이에 알루미늄 소재(120)를 삽입하여 프레싱-냉각 공정(스탬핑 공정)을 실시함으로써 본 발명에 의한 핫스탬핑 소재를 완성한다.
이 때, 상기 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)에서 열간 확산접합(Diffusion Jointing)이 발생하는데, 상기 확산접합은 금속재료를 밀착시켜 가열하면서 소성 변형을 일으키지 않을 정도로 가압하여, 접합면 사이에서 발생되는 원자의 확산을 이용하여 접합하는 방법을 의미한다.
즉, 종래 핫스탬핑 소재 및 본 발명에 의한 핫스탬핑 소재의 두께는 유사하고 알루미늄(Al)의 밀도는 2.70g/cm3 ,철(Fe)의 밀도는 7.874g/cm3 인 바, 상기 알루미늄은 상기 철과 대비하여 1/3 정도의 밀도를 가지므로 알루미늄 소재(120)를 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 사이에 삽입함으로써 두께 저감 없이 경량화 효과를 달성할 수 있는 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법을 나타낸 모식도이다.
도시된 바와 같이, 먼저 가열로(240) 내에서 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)의 온도가 AC3 변태점 이상이 되도록 가열한다. (제 1 단계)
이는 상기 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)의 기지조직을 오스테나이트로 상변태시켜 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 통해 강도가 높은 마르텐사이트 기지조직을 얻기 위함이다.
그 다음, 상기 가열된 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 두 개를 프레스(Press)로 이송한다. (제 2 단계)
그리고 상기 프레스 내에서 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 사이에 알루미늄 판재(260)를 삽입한 다음 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 실시한다. (제 3 단계)
그 후, 상기 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)에 의해 돌출된 블랭크 부분을 다듬고 손질하는 트림 공정을 실시한다. (제 4 단계)
도 5는 상기 프레스 내에서 발생되는 확산접합 및 접합면의 확대도를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 상기 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 및 삽입된 알루미늄 판재(260)는 접합면(320)을 형성하는데, 상기 접합면(320)을 경계로 원자 공공(300)을 매개로 하여 알루미늄-실리콘 도금층(알루미늄 92 중량% 및 실리콘 8 중량%)의 알루미늄 원자(330)와 삽입된 알루미늄 판재(260)(알루미늄 100 중량%)의 알루미늄 원자(310)에 의해 확산이 일어나 접합된다.
도 6은 핫스탬핑 공정별 시간-온도 그래프를 나타낸 도면인데, 굵은 실선(400)은 본 발명의 핫스탬핑 공정별 시간-온도 그래프이고, 파선(410)은 일반적인 공냉에 따른 시간-온도 그래프이다.
도시된 바와 같이, 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)의 기지조직을 오스테나이트로 상변태시키기 위해 AC3 변태점 이상, 즉 900℃ 이상으로 가열한 후 상기 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)를 프레스로 이송한다.
그 다음, 상기 프레스 내에서 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 실시하는데, 일반적인 공냉을 나타내는 파선(410)의 경우 공냉 속도에 따라 펄라이트나 베이나이트 기지조직이 생성될 수 있으나 마르텐사이트로 상변태가 일어나지 않는다.
상기 프레스에서의 가압 조건은 종래 핫스탬핑 소재 제조시의 프레스 가압 조건과 동일하며, 상기 공정의 시작점(500)은 상기 프레스에서의 확산 접합이 원자 공공을 매개로 하여 알루미늄 원자의 확산에 의해 발생하는바 알루미늄 융점 이상 AC3 변태점 이하인 것이 바람직하다.
또한, 알루미늄 원자의 충분한 확산 및 마르텐사이트로의 상변태가 완료되어야 본 발명에 의한 경량화된 핫스탬핑 소재의 강도가 확보되는바 상기 조건에서 약 10초 동안 프레싱-급냉 공정(스탬핑 공정)을 실시하는 것이 바람직하다.
즉, 약 10초 동안의 프레싱-급냉 공정에 의해 상기 공정의 종료시점(510)에 도달하게 된다.
이와 같이, 본 발명에 의한 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법은 종래 핫스탬핑 소재의 두께를 유지함에 따라 주행 소음 및 진동(NVH)과 강성 성능의 저하가 없고, 핫스탬핑 처리에 의한 고강도를 유지하면서 차체 경량화를 달성하여 상품성을 크게 개선할 수 있다.
100 : 알루미늄-실리콘 도금층 110 : 강
120 : 알루미늄 소재
240 : 가열로
250 : 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크
260 : 알루미늄 판재
300 : 원자 공공
310 : 알루미늄 판재의 알루미늄 원자 320 : 접합면
330 : 알루미늄-실리콘 도금층의 알루미늄 원자
400 : 본 발명의 핫스탬핑 공정별 시간-온도 그래프
410 : 일반적인 공냉에 따른 시간-온도 그래프
500 : 프레싱-급냉 공정 시작점
510 : 프레싱-급냉 공정 종료시점

Claims (4)

  1. 핫스탬핑 소재의 제조방법에 있어서,
    가열로(240) 내에서 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)의 온도가 AC3 변태점 이상이 되도록 가열하는 제 1 단계;
    상기 가열된 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 두 개를 프레스로 이송하는 제 2 단계;
    상기 프레스로 이송된 두 개의 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 사이에 알루미늄 판재(260)를 삽입하여 프레싱-급냉 공정을 실시하는 제 3 단계;
    상기 프레싱-급냉 공정에 의해 돌출된 부분에 대해 트림 공정을 실시하는 제 4 단계; 를 포함하는 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제 3 단계는 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250) 및 알루미늄 판재(260)의 온도가 알루미늄 융점 이상 AC3 변태점 이하일 때 실시하는 것을 특징으로 하는 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제 3 단계는 상기 프레스에서 10 초 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 알루미늄-실리콘 도금강 블랭크(250)의 알루미늄-실리콘 도금층(100)은 알루미늄 92 중량% 및 실리콘 8 중량% 를 포함하고, 상기 알루미늄 판재(260)는 알루미늄 100 중량% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 경량화된 핫스탬핑 소재의 제조방법.
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