KR20140006073A

KR20140006073A - 열간 프레스 성형품, 그 제조 방법 및 열간 프레스 성형용 박강판

Info

Publication number: KR20140006073A
Application number: KR1020137031126A
Authority: KR
Inventors: 준야 나이토오; 도시오 무라카미; 슈시 이케다; 게이스케 오키타
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2014-01-15
Also published as: US20140044585A1; WO2012147963A1; KR20160003866A; JP2012237066A; ES2656564T3; EP2703513B1; CN103547694A; US9475113B2; CN103547694B; TR201803006T4; JP5873385B2; EP2703513A1; EP2703513A4

Abstract

박강판을 열간 프레스법에 의해 성형한 열간 프레스 성형품이며, 금속 조직이, 잔류 오스테나이트:3∼20체적％를 포함하는 것으로 함으로써, 강도와 연신율의 밸런스를 적절한 범위로 컨트롤할 수 있고, 또한 고연성인 열간 프레스 성형품을 제공한다.

Description

열간 프레스 성형품, 그 제조 방법 및 열간 프레스 성형용 박강판 {HOT PRESS MOLDED ARTICLE, FABRICATION METHOD THEREFOR, AND THIN STEEL PLATE FOR HOT PRESS MOLDING}

본 발명은, 자동차 부품의 구조 부재에 사용되는, 강도를 필요로 하는 열간 프레스 성형품, 그 제조 방법 및 열간 프레스 성형용 박강판에 관한 것으로, 특히 미리 가열된 강판(블랭크)을 소정의 형상으로 성형 가공할 때에, 형상 부여와 동시에 열처리를 실시하여 소정의 강도를 얻는 열간 프레스 성형품, 그러한 열간 프레스 성형품의 제조 방법 및 열간 프레스 성형용 박강판에 관한 것이다.

지구 환경 문제의 발단이 되는 자동차의 연비 향상 대책의 하나로서, 차체의 경량화가 진행되고 있어, 자동차에 사용되는 강판을 가능한 한 고강도화하는 것이 필요해진다. 그러나, 자동차의 경량화를 위해 강판을 고강도화해 가면, 연신율(EL)이나 r값(랭크포드값)이 저하되어, 프레스 성형성이나 형상 동결성이 떨어지게 된다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 강판을 소정의 온도(예를 들어, 오스테나이트 상으로 되는 온도)로 가열하여 강도를 낮춘(즉, 성형을 용이하게 한) 후, 박강판에 비해 저온(예를 들어, 실온)의 금형에서 성형함으로써, 형상의 부여와 동시에, 양자의 온도차를 이용한 급냉 열처리(켄칭)를 행하여, 성형 후의 강도를 확보하는 열간 프레스 성형법이 부품 제조에 채용되고 있다.

이러한 열간 프레스 성형법에 따르면, 저강도 상태에서 성형되므로, 스프링백도 작아지는 동시에(형상 동결성이 양호), Mn, B 등의 합금 원소를 첨가한 켄칭성이 좋은 재료를 사용함으로써, 급냉에 의해 인장 강도로 1500㎫급의 강도가 얻어지게 된다. 또한, 이러한 열간 프레스 성형법은, 핫 프레스법 외에, 핫 포밍법, 핫 스탬핑법, 핫 스탬프법, 다이켄치법 등, 다양한 명칭으로 불리고 있다.

도 1은, 상기한 바와 같은 열간 프레스 성형(이하, 「핫 스탬프」로 대표하는 경우가 있음)을 실시하기 위한 금형 구성을 도시하는 개략 설명도로, 도면 중 부호 1은 펀치, 2는 다이, 3은 블랭크 홀더, 4는 강판(블랭크), BHF는 블랭크 홀더력, rp는 펀치 숄더 반경, rd는 다이 숄더 반경, CL은 펀치/다이간 클리어런스를 각각 나타내고 있다. 또한, 이들 부품 중, 펀치(1)와 다이(2)에는 냉각 매체(예를 들어, 물)를 통과시킬 수 있는 통로(1a, 2a)가 각각의 내부에 형성되어 있고, 이 통로에 냉각 매체를 통과시킴으로써 이들 부재가 냉각되도록 구성되어 있다.

이러한 금형을 사용하여 핫 스탬프(예를 들어, 열간 딥 드로잉 가공)할 때에는, 강판(블랭크)(4)을, (Ac₁ 변태점∼Ac₃ 변태점)의 2상 영역 온도 또는 Ac₃ 변태점 이상의 단상 영역 온도로 가열하여 연화시킨 상태에서 성형을 개시한다. 즉, 고온 상태에 있는 강판(4)을 다이(2)와 블랭크 홀더(3) 사이에 끼운 상태에서, 펀치(1)에 의해 다이(2)의 구멍 내(도 1의 2, 2 사이)로 강판(4)을 압입하여, 강판(4)의 외경을 축소시키면서 펀치(1)의 외형에 대응한 형상으로 성형한다. 또한, 성형과 병행하여 펀치 및 다이를 냉각시킴으로써, 강판(4)으로부터 금형[펀치(1) 및 다이(2)]에의 발열을 행하는 동시에, 성형 하사점(펀치 선단이 최심부에 위치한 시점:도 1에 도시한 상태)에서 더 유지 냉각함으로써 소재의 켄칭을 실시한다. 이러한 성형법을 실시함으로써, 치수 정밀도가 좋은 1500㎫급의 성형품을 얻을 수 있고, 또한 냉간에서 동일한 강도급의 부품을 성형하는 경우와 비교하여, 성형 하중을 저감시킬 수 있으므로 프레스기의 용량이 작아도 되게 된다.

현재 널리 사용되고 있는 핫 스탬프용 강판으로서는, 22MnB5 강을 소재로 하는 것이 알려져 있다. 이 강판에서는, 인장 강도가 1500㎫이고 연신율이 6∼8％ 정도로, 내 충격 부재(충돌시에 최대한 변형시키지 않고, 파단되지 않는 부재)에 적용되어 있다. 또한, C 함유량을 증가시키고, 22MnB5 강을 베이스로, 더욱 고강도화(1500㎫ 이상, 1800㎫급)하는 개발도 진행되고 있다.

그러나, 22MnB5 강 이외의 강종은 거의 적용되어 있지 않아, 부품의 강도, 연신율을 컨트롤(예를 들어, 저강도화:980㎫급, 고연신율화:20％ 등)하여, 내 충격 부재 이외로 적용 범위를 넓히는 강종ㆍ공법의 검토는 거의 되어 있지 않은 것이 현상이다.

중형 이상의 승용차에서는, 측면 충돌시나 후방 충돌시에 컴패티빌리티(소형차가 충돌해 왔을 때에 상대측도 보호하는 기능)를 고려하여, B 필러나 리어 사이드 멤버의 부품 내에, 내 충격성 부위와 에너지 흡수 부위의 양 기능을 갖게 하는 경우가 있다. 이러한 부재를 제작하는 데에는, 지금까지는, 예를 들어 980㎫급의 고강도 초하이텐과, 440㎫급의 연신율이 있는 하이텐을 레이저 용접(테일러 웰드 블랭크:TWB)하여, 냉간에서 프레스 성형하는 방법이 주류였다. 그러나, 최근에는, 핫 스탬프에 의해 부품 내의 강도를 분리 제작하는 기술의 개발이 진행되고 있다.

예를 들어, 비특허문헌 1에서는, 핫 스탬프용의 22MnB5 강과, 금형에서 켄칭해도 고강도로 되지 않는 재료를 레이저 용접(테일러 웰드 블랭크:TWB)하여, 핫 스탬프하는 방법이 제안되어 있어, 고강도측(내 충격 부위측)에서 인장 강도:1500㎫(연신율 6∼8％), 저강도측(에너지 흡수 부위측)에서 인장 강도:440㎫(연신율 12％)로 되는 분리 제작을 행하고 있다. 또한, 부품 내에서 강도를 분리 제작하기 위한 기술로서, 예를 들어 비특허문헌 2∼4와 같은 기술도 제안되어 있다.

상기 비특허문헌 1, 2의 기술에서는, 에너지 흡수 부위측에서 인장 강도가 600㎫ 이하, 연신율이 12∼18％ 정도이지만, 사전에 레이저 용접(테일러 웰드 블랭크:TWB)할 필요가 있어, 공정이 증가하는 동시에 비용이 높아진다. 또한, 본래 켄칭을 행할 필요가 없는 에너지 흡수 부위를 가열하게 되어, 열량 소비의 관점에서도 바람직하지 않다.

비특허문헌 3의 기술에서는, 22MnB5 강을 베이스로 하고 있지만, 붕소 첨가의 영향에 의해, 2상 영역 온도의 가열에 대해 켄칭 후의 강도의 로버스트성이 나빠, 에너지 흡수 부위측의 강도 컨트롤이 어렵고, 또한 연신율도 15％ 정도 밖에 얻어져 있지 않다.

비특허문헌 4의 기술에서는, 22MnB5 강을 베이스로 하고 있어, 본래 켄칭성이 좋은 22MnB5 강에 켄칭되지 않도록 제어하는 점(금형 냉각 제어)에서 합리적이지 않다.

Klaus Lamprecht, Gunter Deinzer, Anton Stich, Jurgen Lechler, Thomas Stohr, Marion Merklein, "Thermo-Mechanical Properties of Tailor Welded Blanks in Hot Sheet Metal Forming Processes", Proc. IDDRG2010, 2010. Usibor1500P(22MnB5)/1500㎫ㆍ8％-Ductibor500/550∼700㎫ㆍ17％ [2011년4월27일검색] 인터넷 <http://www.arcelomittal.com/tailoredblanks/pre/seifware.pl> 22MnB5/above AC3/1500㎫ㆍ8％-below AC3/Hv190ㆍFerrite/Cementite Rudiger Erhardt and Johannes Boke, "Industrial application of hot forming process simulation", Proc, of 1st Int. Conf. on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance steel, ed. By Steinhoff, K., Oldenburg, M, Steinhoff, and Prakash, B., pp83-88, 2008. Begona Casas, David Latre, Noemi Rodriguez, and Isaac Valls,"Tailor made tool materials for the present and upcoming tooling solutions in hot sheet metal forming", Proc, of 1st Int. Conf. on Hot Sheet Metal Forming of High-Performance steel, ed. By Steinhoff, K., Oldenburg, M, Steinhoff, and Prakash, B., pp23-35, 2008.

본 발명은 상기 사정에 비추어 이루어진 것이며, 그 목적은, 강도와 연신율의 밸런스를 적절한 범위로 컨트롤할 수 있고, 또한 고연성인 열간 프레스 성형품, 이러한 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 유용한 방법 및 열간 성형용 박강판을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성할 수 있었던 본 발명의 열간 프레스 성형품이라 함은, 열간 프레스법에 의해 박강판을 성형한 열간 프레스 성형품이며, 금속 조직이, 잔류 오스테나이트:3∼20체적％를 포함하는 것인 점에 요지를 갖는 것이다. 본 발명의 열간 프레스 성형품에 있어서는, 금속 조직은, 잔류 오스테나이트 외에, 어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트:30∼97체적％, 켄칭 상태 마르텐사이트:0∼67체적％를 포함하는 것인 것이 바람직하다.

본 발명의 열간 프레스 성형품에 있어서, 그 화학 성분 조성은 한정되지 않지만, 대표적인 것으로서, C:0.1∼0.3％(질량％의 의미. 이하, 화학 성분 조성에 대해 동일함), Si:0.5∼3％, Mn:0.5∼2％, P:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음), S:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음), Al:0.01∼0.1％ 및 N:0.001∼0.01％를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는 것을 들 수 있다.

본 발명의 열간 프레스 성형품에 있어서는, 필요에 따라서, 다른 원소로서, (a) B:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Ti:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Cu, Ni, Cr 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 : 합계로 1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) V 및/또는 Nb : 합계로 0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 더 함유시키는 것도 유용하고, 함유되는 원소의 종류에 따라서 열간 프레스 성형품의 특성이 더욱 개선된다.

본 발명의 열간 프레스 성형품을 제조하는 데 있어서는, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상인 금속 조직을 갖는 박강판을, 프레스 성형 금형을 사용하여 프레스 성형할 때, 상기 박강판을 Ac₁ 변태점 이상, (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8) 이하의 온도로 가열한 후, 성형을 개시하고, 성형 중에는 금형 내에서 20℃/초 이상의 평균 냉각 속도를 확보하면 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 열간 프레스 성형용 박강판도 포함하고, 이 박강판은, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상인 금속 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 열간 프레스 성형법에 있어서, 그 조건을 적절하게 제어함으로써, 열간 프레스 성형품의 금속 조직에 적정량의 잔류 오스테나이트를 존재하게 할 수 있어, 종래의 22MnB5 강을 사용하였을 때보다도, 성형품에 내재되는 연성(잔존 연성)을 보다 높게 한 열간 프레스 성형품을 실현할 수 있고, 또한 열처리 조건이나 성형 전 강판의 조직(초기 조직)의 조합에 의해, 강도 및 연신율을 제어할 수 있다. 또한, 2상 영역에서의 가열 온도를 조정함으로써, 강도 및 연신율을 자유롭게 분리 제작하는 것이 가능해진다.

도 1은 열간 프레스 성형을 실시하기 위한 금형 구성을 도시하는 개략 설명도이다.

본 발명자들은, 박강판을 소정의 온도로 가열한 후, 열간 프레스 성형하여 성형품을 제조할 때, 성형 후에 있어서 고강도를 확보하면서 양호한 연성(연신율)도 나타내는 열간 프레스 성형품을 실현하기 위해, 여러 각도로부터 검토하였다.

그 결과, 열간 프레스 성형품을 제조하는 데 있어서, 소정량의 마르텐사이트 또는 베이나이트를 포함하는 금속 조직을 갖는 박강판을 사용하여, 프레스 성형 금형을 사용하여 프레스 성형할 때, 가열 온도 및 성형시의 조건을 적절하게 제어하여, 잔류 오스테나이트를 3∼20체적％ 포함하도록 하면, 강도-연성 밸런스가 우수한 성형품 조직을 실현할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 열간 프레스 성형품에 있어서의 각 조직(기본 조직 및 바람직한 조직)의 범위 설정 이유는 다음과 같다.

[잔류 오스테나이트:3∼20체적％]

잔류 오스테나이트는, 소성 변형 중에 마르텐사이트로 변태됨으로써, 가공 경화율을 상승시켜(변태 유기 소성), 성형품의 연성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 잔류 오스테나이트의 분율을 3체적％ 이상으로 할 필요가 있다. 연성에 대해서는, 잔류 오스테나이트 분율이 많으면 많을수록 양호해지지만, 자동차용 강판에 사용되는 조성에서는, 확보할 수 있는 잔류 오스테나이트는 한정되어 있고, 20체적％ 정도가 상한으로 된다. 잔류 오스테나이트의 바람직한 하한은 5체적％ 이상(보다 바람직하게는 7체적％ 이상)이고, 바람직한 상한은 15체적％ 이하(보다 바람직하게는 10체적％ 이하)이다.

[어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트:30∼97체적％]

주요 조직을, 미세하고 또한 전위 밀도가 낮은 어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트로 함으로써, 소정의 강도를 확보하면서, 열간 프레스 성형품의 연성(연신율)을 높일 수 있다. 이러한 관점에서, 어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트의 체적 분율은, 30체적％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 분율이 97체적％를 초과하면, 잔류 오스테나이트의 분율이 부족하여, 연성(잔존 연성)이 저하된다. 어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트의 분율의 보다 바람직한 하한은 40체적％ 이상(더욱 바람직하게는 50체적％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 90체적％ 미만(더욱 바람직하게는 80체적％ 미만)이다.

[켄칭 상태 마르텐사이트:0∼67체적％]

켄칭 상태 마르텐사이트는, 연성이 부족한 조직이기 때문에, 다량으로 존재하면 강도가 지나치게 높아져 연신율을 떨어뜨리므로, 0체적％여도 된다. 그러나, 강도 상승에는 매우 유효한 조직이므로, 적량의 존재는 허용할 수 있다. 이러한 관점에서, 켄칭 상태 마르텐사이트의 분율은, 67체적％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 켄칭 상태 마르텐사이트의 분율의 보다 바람직한 상한은 60체적％ 이하(더욱 바람직하게는 50체적％ 이하)이다.

상기 조직 외에는, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 등을 잔량부 조직으로서 포함할 수 있지만, 이들 조직은 강도에 대한 기여나, 연성에 대한 기여가 다른 조직에 비해 낮아, 기본적으로 함유하지 않는 것이 바람직하다(0체적％여도 됨). 단, 20체적％까지라면 허용할 수 있다. 잔량부 조직은, 보다 바람직하게는 10체적％ 이하이고, 더욱 바람직하게는 5체적％ 이하이다.

본 발명의 열간 프레스 성형품을 제조하는 데 있어서는, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상인 금속 조직으로 이루어지는 박강판을 사용하여(화학 성분 조성은 성형품과 동일함), 이 박강판에 대해 프레스 성형 금형을 사용하여 프레스 성형할 때, 상기 박강판을 Ac₁ 변태점 이상, (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8) 이하의 온도로 가열한 후, 성형을 개시하고, 성형 중에는 금형 내에서 20℃/초 이상의 평균 냉각 속도를 확보하면 된다. 이 방법에 있어서의 각 요건을 규정한 이유는 다음과 같다.

[금속 조직이 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상으로 이루어지는 박강판]

그 후의 가열 공정(가열, 열간 프레스 성형 및 냉각)에서, 미세하고 연성에의 기여가 큰 어닐링 마르텐사이트나 어닐링 베이나이트를 적량 확보하기 위해서는, 마르텐사이트 또는 베이나이트의 분율이 80체적％ 이상인 박강판(본 발명의 열간 프레스 성형용 박강판)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 분율이 80체적％ 미만으로 되면, 성형품의 조직 중에 어닐링 마르텐사이트나 어닐링 베이나이트를 적량 확보할 수 없게 될 뿐만 아니라, 다른 조직(예를 들어, 페라이트)의 분율을 높여, 강도-연성 밸런스를 저하시키게 된다. 이 분율의 보다 바람직한 하한은, 모두 90체적％ 이상(더욱 바람직하게는 95체적％ 이상)이다.

[박강판을 Ac₁ 변태점 이상, (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8) 이하의 온도로 가열한 후, 성형을 개시한다]

박강판 중에 포함되는 마르텐사이트나 베이나이트를 어닐링(소둔)하면서, 부분적으로 변태시키기 위해, 가열 온도는 소정의 범위로 제어할 필요가 있다. 이 가열 온도를 적절하게 제어함으로써, 그 후의 냉각 과정에서, 잔류 오스테나이트 혹은 마르텐사이트로 변태시켜, 최종적인 열간 프레스 성형품에서 원하는 조직으로 만들 수 있다. 박강판의 가열 온도가 Ac₁ 변태점 미만이면, 가열시에 충분한 양의 오스테나이트가 얻어지지 않아, 최종 조직(성형품의 조직)에서 소정량의 잔류 오스테나이트를 확보할 수 없다. 또한, 박강판의 가열 온도가 (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8)을 초과하면, 가열시에 오스테나이트에의 변태량이 지나치게 증가하여, 최종 조직(성형품의 조직)에서 소정량의 어닐링 마르텐사이트나 어닐링 베이나이트를 확보할 수 없다.

[성형 중에는 금형 내에서 20℃/초 이상의 평균 냉각 속도를 확보한다]

상기 가열 공정에서 형성된 오스테나이트를, 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 등의 조직의 생성을 저지하면서, 원하는 조직으로 하기 위해서는, 성형 중의 평균 냉각 속도를 적절하게 제어할 필요가 있다. 이러한 관점에서, 성형 중의 평균 냉각 속도는 20℃/초 이상으로 할 필요가 있고, 바람직하게는 30℃/초 이상(보다 바람직하게는 40℃/초 이상)이다. 성형 중의 평균 냉각 속도의 제어는, (a) 성형 금형의 온도를 제어하거나(상기 도 1에 도시한 냉각 매체), (b) 금형의 열전도율을 제어하는 등의 수단에 의해 달성할 수 있다.

또한, 본 발명의 열간 프레스 성형법에 있어서, 그 성형 종료 온도는 특별히 한정되지 않고, 상기 평균 냉각 속도로 실온까지 냉각하면서 성형을 종료해도 되지만, 400℃ 이하(바람직하게는 300℃ 이하, 보다 바람직하게는 200℃ 이하)까지 냉각한 후의 냉각을 정지하고, 그 후 성형을 종료하도록 해도 된다.

본 발명의 열간 프레스 성형법에서는, 상기 도 1에 도시한 단순한 형상의 열간 프레스 성형품을 제조하는 경우(다이렉트 공법)는 물론, 비교적 복잡한 형상의 성형품을 제조하는 경우에도 적용할 수 있는 것이다. 단, 복잡한 부품 형상의 경우에는, 1회의 프레스 성형으로 제품의 최종 형상까지를 만드는 것이 어려운 경우가 있다. 이러한 경우에는, 열간 프레스 성형의 전공정에서 냉간 프레스 성형을 행하는 방법(이 방법은, 「인다이렉트 공법」이라 불리고 있음)을 채용할 수 있다. 이 방법에서는, 성형이 어려운 부분을 냉간 가공에 의해 근사 형상까지 미리 성형해 두고, 그 밖의 부분을 열간 프레스 성형하는 방법이다. 이러한 방법으로 채용하면, 예를 들어 성형품의 요철부(산부)가 3개소 있는 부품을 성형할 때, 냉간 프레스 성형에 의해, 그 2개소까지 성형해 두고, 그 후에 3개소째를 열간 프레스 성형하게 된다.

본 발명에서는, 고강도 강판으로 이루어지는 열간 프레스 성형품을 상정하여 이루어진 것이며, 그 강종에 대해서는 고강도 강판으로서의 통상의 화학 성분 조성인 것이면 되지만, C, Si, Mn, P, S, Al 및 N에 대해서는, 적절한 범위로 조정하는 것이 좋다. 이러한 관점에서, 이들 화학 성분의 바람직한 범위 및 그 범위 한정 이유는 하기와 같다.

[C:0.1∼0.3％]

C는, 잔류 오스테나이트를 확보하는 데 있어서 중요한 원소이다. 2상 영역 온도에서의 가열시에 오스테나이트에 농화됨으로써, 켄칭 후에 잔류 오스테나이트를 형성시킨다. 또한, 마르텐사이트량의 증가에도 기여한다. C 함유량이 0.1％ 미만에서는, 소정의 잔류 오스테나이트량을 확보할 수 없어, 양호한 연성이 얻어지지 않는다. 또한, C 함유량이 과잉으로 되어 0.3％를 초과하면, 강도가 지나치게 높아지게 된다. C 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.15％ 이상(더욱 바람직하게는 0.20％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 0.27％ 이하(더욱 바람직하게는 0.25％ 이하)이다.

[Si:0.5∼3％]

Si는, 2상 영역 온도에서의 가열 후의 오스테나이트가 시멘타이트와 페라이트로 분해되는 것을 방지하고, 잔류 오스테나이트를 증가시키는 작용을 발휘한다. 또한, 고용 강화에 의해, 연성을 지나치게 떨어뜨리지 않고 강도를 높이는 작용도 발휘한다. Si 함유량이 0.5％ 미만에서는, 소정의 잔류 오스테나이트량을 확보할 수 없어, 양호한 연성이 얻어지지 않는다. 또한 Si 함유량이 과잉으로 되어 3％를 초과하면, 고용 강화량이 지나치게 커져, 연성이 대폭 떨어지게 된다. Si 함유량의 보다 바람직한 하한은 1.15％ 이상(더욱 바람직하게는 1.20％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 2.7％ 이하(더욱 바람직하게는 2.5％ 이하)이다.

[Mn:0.5∼2％]

Mn은, 오스테나이트를 안정화시키는 원소로, 잔류 오스테나이트의 증가에 기여한다. 또한, 페라이트 변태, 펄라이트 변태 및 베이나이트 변태를 억제하기 위해, 가열 후의 냉각 중에, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 형성을 방지하고, 잔류 오스테나이트의 확보에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Mn은 0.5％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 특성만을 고려한 경우는, Mn 함유량은 많은 쪽이 바람직하지만, 합금 첨가의 비용이 상승하므로, 2％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 오스테나이트의 강도를 대폭 향상시키기 때문에, 열간 압연의 부하가 커져, 강판의 제조가 곤란해지므로, 생산성 상으로부터도 2％를 초과하여 함유시키는 것은 바람직하지 않다. Mn 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.7％ 이상(더욱 바람직하게는 0.9％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 1.8％ 이하(더욱 바람직하게는 1.6％ 이하)이다.

[P:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

P는, 강 중에 불가피적으로 포함되는 원소이지만 연성을 떨어뜨리므로, P는 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 그러나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래하고, 0％로 하는 것은 제조상 곤란하므로, 0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하다. P 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.045％ 이하(더욱 바람직하게는 0.040％ 이하)이다.

[S:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

S도 P와 마찬가지로 강 중에 불가피적으로 포함되는 원소로, 연성을 떨어뜨리므로, S는 최대한 저감시키는 것이 바람직하다. 그러나, 극단적인 저감은 제강 비용의 증대를 초래하고, 0％로 하는 것은 제조상 곤란하므로, 0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음)로 하는 것이 바람직하다. S 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.045％ 이하(더욱 바람직하게는 0.040％ 이하)이다.

[Al:0.01∼0.1％]

Al은, 탈산 원소로서 유용한 동시에, 강 중에 존재하는 고용 N을 AlN으로서 고정하여, 연성의 향상에 유용하다. 이러한 효과를 유효하게 발휘시키기 위해서는, Al 함유량은 0.01％ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그러나, Al 함유량이 과잉으로 되어 0.1％를 초과하면, Al₂O₃이 과잉으로 생성되어, 연성을 떨어뜨린다. 또한, Al 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.013％ 이상(더욱 바람직하게는 0.015％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 0.08％ 이하(더욱 바람직하게는 0.06％ 이하)이다.

[N:0.001∼0.01％]

N은, 불가피적으로 혼입되는 원소로, 저감시키는 것이 바람직하지만, 실제 프로세스 중에서 저감시키기 위해서는 한계가 있으므로, 0.001％를 하한으로 하였다. 또한, N 함유량이 과잉으로 되면, 변형 시효에 의해 연성이 떨어지거나, B를 첨가하고 있는 경우는 BN으로서 석출되어, 고용 B에 의한 켄칭성 개선 효과를 저하시키므로, 상한을 0.01％로 하였다. N 함유량의 보다 바람직한 상한은 0.008％ 이하(더욱 바람직하게는 0.006％ 이하)이다.

본 발명의 프레스 성형품에 있어서의 기본적인 화학 성분은, 상기한 바와 같으며, 잔량부는 실질적으로 철이다. 또한, 「실질적으로 철」이라 함은, 철 이외에도 본 발명의 강재의 특성을 저해시키지 않을 정도의 미량 성분(예를 들어, Mg, Ca, Sr, Ba 외에, Ra 등의 REM 및 Zr, Hf, Ta, W, Mo 등의 탄화물 형성 원소 등)도 허용할 수 있는 것 외에, P, S 이외의 불가피 불순물(예를 들어, O, H 등)도 포함할 수 있는 것이다.

본 발명의 프레스 성형품에는, 필요에 따라, (a) B:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Ti:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (b) Cu, Ni, Cr 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 : 합계로 1％ 이하(0％를 포함하지 않음), (c) V 및/또는 Nb : 합계로 0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 등을 더 함유시키는 것도 유용하고, 함유되는 원소의 종류에 따라서, 프레스 성형품의 특성이 더욱 개선된다. 이들 원소를 함유할 때의 바람직한 범위 및 그 범위 한정 이유는 하기와 같다.

[B:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Ti:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

B는, 페라이트 변태, 펄라이트 변태 및 베이나이트 변태를 억제하는 작용을 가지므로, 가열 후의 냉각 중에, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 형성을 방지하고, 잔류 오스테나이트의 확보에 기여하는 원소이다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, B는 0.0001％ 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, 0.01％를 초과하여 과잉으로 함유시켜도 효과가 포화된다. B 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.0002％ 이상(더욱 바람직하게는 0.0005％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 0.008％ 이하(더욱 바람직하게는 0.005％ 이하)이다.

한편, Ti는, N을 고정하고, B를 고용 상태로 유지시킴으로써 켄칭성의 개선 효과를 발현시킨다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, Ti는 적어도 N의 함유량의 4배 이상 함유시키는 것이 바람직하지만, Ti 함유량이 과잉으로 되어 0.1％를 초과하면, TiC를 다량으로 형성하여, 석출 강화에 의해 강도가 상승하지만 연성이 떨어진다. Ti 함유량의 보다 바람직한 하한은 0.05％ 이상(더욱 바람직하게는 0.06％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 0.09％ 이하(더욱 바람직하게는 0.08％ 이하)이다.

[Cu, Ni, Cr 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 : 합계로 1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

Cu, Ni, Cr 및 Mo는, 페라이트 변태, 펄라이트 변태 및 베이나이트 변태를 억제하므로, 가열 후의 냉각 중에, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 형성을 방지하고, 잔류 오스테나이트의 확보에 유효하게 작용한다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 합계로 0.01％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 특성만을 고려하면 함유량은 많은 쪽이 바람직하지만, 합금 첨가의 비용이 상승하므로, 합계로 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 오스테나이트의 강도를 대폭 높이는 작용을 갖기 때문에 열간 압연의 부하가 커져, 강판의 제조가 곤란해지므로, 제조성의 관점에서도 1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이들 원소 함유량의 보다 바람직한 하한은 합계로 0.05％ 이상(더욱 바람직하게는 0.06％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 합계로 0.09％ 이하(더욱 바람직하게는 0.08％ 이하)이다.

[V 및/또는 Nb : 합계로 0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)]

V 및 Nb는, 미세한 탄화물을 형성하여, 피닝 효과에 의해 조직을 미세하게 하는 효과가 있다. 이러한 효과를 발휘시키기 위해서는, 합계로 0.001％ 이상 함유시키는 것이 바람직하다. 그러나, 이들 원소의 함유량이 과잉으로 되면, 조대한 탄화물이 형성되어, 파괴의 기점으로 됨으로써 반대로 연성을 떨어뜨리므로, 합계로 0.1％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 이들 원소 함유량의 보다 바람직한 하한은 합계로 0.005％ 이상(더욱 바람직하게는 0.008％ 이상)이고, 보다 바람직한 상한은 합계로 0.08％ 이하(더욱 바람직하게는 0.06％ 이하)이다.

또한, 본 발명의 열간 프레스 성형용 박강판은, 비도금 강판, 도금 강판 중 어느 것이든 좋다. 도금 강판인 경우, 그 도금의 종류로서는, 일반적인 아연계 도금, 알루미늄계 도금 등 중 어느 것이든 좋다. 또한, 도금 방법은, 용융 도금, 전기 도금 등 중 어느 것이든 좋고, 도금 후에 합금화 열처리를 더 실시해도 되고, 복층 도금을 실시해도 된다.

본 발명에 따르면, 프레스 성형 조건(가열 온도나 냉각 속도)을 적절하게 조정함으로써, 성형품의 강도나 연신율 등의 특성을 제어할 수 있고, 또한 고연성(잔존 연성)의 열간 프레스 성형품이 얻어지므로, 지금까지의 열간 프레스 성형품에서는 적용하기 어려웠던 부위(예를 들어, 에너지 흡수 부재)에도 적용이 가능해져, 열간 프레스 성형품의 적용 범위를 넓히는 데 있어서 극히 유용하다. 또한, 본 발명에서 얻어지는 성형품은, 냉간 프레스 형성한 후에 통상의 어닐링을 실시하여 조직 조정한 성형품에 비해, 잔존 연성이 더욱 큰 것으로 된다.

이하, 본 발명의 효과를 실시예에 의해 더욱 구체적으로 나타내지만, 하기 실시예는 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 상기ㆍ후기하는 취지에 비추어 설계 변경하는 것은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것이다.

본원은, 2011년 4월 28일에 출원된 일본 특허 출원 제2011-102408호에 기초하는 우선권의 이익을 주장하는 것이다. 2011년 4월 28일에 출원된 일본 특허 출원 제2011-102408호의 명세서의 전체 내용이, 본원에 참고를 위해 원용된다.

실시예

하기 표 1에 나타낸 화학 성분 조성을 갖는 강재를 진공 용제하여, 실험용 슬래브로 한 후, 열간 압연을 행하고, 그 후에 냉각하여 권취하였다. 또한, 냉간 압연을 하여 박강판으로 한 후, 소정의 초기 조직으로 되도록 켄칭 처리를 행하고 있다. 또한, 표 1 중의 Ac₁ 변태점 및 Ac₃ 변태점은, 하기의 (1)식 및 (2)식을 사용하여 구한 것이다[예를 들어, 「레슬리 철강 재료학」 마루젠(丸善), (1985) 참조]. 또한, 표 1에는, (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8)의 계산값(이하, 「A값」이라 함)도 동시에 나타냈다.

단, [C], [Si], [Mn], [P], [Al], [Ti], [V], [Cr], [Mo], [Cu] 및 [Ni]는, 각각 C, Si, Mn, P, Al, Ti, V, Cr, Mo, Cu 및 Ni의 함유량(질량％)을 나타낸다. 또한, 상기 (1)식, (2)식의 각 항에 나타내어진 원소가 포함되지 않는 경우는, 그 항이 없는 것으로 하여 계산한다.

얻어진 강판을 하기 표 2에 나타내는 각 조건으로 가열한 후, 평균 냉각 속도를 컨트롤할 수 있는 철강용 고속 열처리 시험 장치[CAS 시리즈 알박 리코(ULVAC-RIKO)제]를 사용하여, 냉각 처리를 실시하였다. 냉각시의 강판 사이즈는, 190㎜×70㎜(판 두께:1.4㎜)로 하였다. 또한, 도금 강판(시험 No.22, 23)은, 상기한 가열 및 냉각 처리 전의 강판에 대해, 도금 시뮬레이터를 사용하여, 소정의 초기 조직으로 되도록 열처리를 실시한 후, 용융한 아연욕에 침지하여 도금을 부착시키고(용융 아연 도금 강판:GI), 시험 No.23의 강판은 합금화 처리를 더 행함으로써, 도금 강판(합금화 용융 아연 도금 강판:GA)을 얻었다.

상기한 처리(가열, 냉각)를 행한 각 강판에 대해, 인장 강도(TS) 및 연신율[전연신율(EL)], 금속 조직의 관찰(각 조직의 분율)을 하기 요령으로 행하였다.

[인장 강도(TS) 및 연신율{전연신율(EL)}]

JIS 5호 시험편을 사용하여 인장 시험을 행하여, 인장 강도(TS), 연신율(EL)을 측정하였다. 이때, 인장 시험의 변형 속도:10㎜/초로 하였다. 본 발명에서는, (a) 인장 강도(TS)가 780∼979MP이고 연신율(EL)이 25％ 이상, (b) 인장 강도(TS)가 980∼1179㎫이고 연신율(EL)이 20％ 이상, (c) 인장 강도(TS)가 1180㎫ 이상이고 연신율(EL) 15％ 이상 중 어느 하나를 만족시킬 때에 합격이라 평가하였다.

[금속 조직의 관찰(각 조직의 분율)]

(1) 강판 중의 어닐링 마르텐사이트, 베이나이트, 어닐링 베이나이트의 조직에 대해서는, 강판을 나이탈 부식시키고, SEM(배율:1000배 또는 2000배) 관찰에 의해, 어닐링 마르텐사이트, 베이나이트, 어닐링 베이나이트를 구별하여, 각각의 분율(체적률)을 구하였다.

(2) 강판 중의 잔류 오스테나이트 분율은, 강판의 1/4의 두께까지 연삭한 후, 화학 연마하고 나서 X선 회절법에 의해 측정하였다[예를 들어, ISJJ Int. Vol. 33. (1933), No.7, P.776].

(3) 켄칭 상태 마르텐사이트 분율에 대해서는, 강판을 레페라 부식시키고, 백색 콘트라스트를 켄칭 상태 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 혼합 조직으로 하여 체적률을 측정하고, 그것으로부터 X선 회절에 의해 구한 잔류 오스테나이트 분율을 빼서, 켄칭 상태 마르텐사이트 분율을 계산하였다.

이들의 결과를, 성형 전 강판의 조직(초기 조직), 제조 조건(가열 온도, 평균 냉각 속도)과 함께, 하기 표 2에 나타낸다.

이 결과로부터, 다음과 같이 고찰할 수 있다. 시험 No.2∼4, 7∼16, 19, 20, 22, 23의 것은, 본 발명에서 규정하는 요건을 만족시키는 실시예로, 강도-연성 밸런스가 양호한 부품이 얻어져 있는 것을 알 수 있다.

이에 대해, 시험 No.1, 5, 6, 17, 18, 21의 것은 본 발명에서 규정하는 어느 하나의 요건을 만족시키지 않는 비교예로, 어느 하나의 특성이 떨어져 있다. 즉, 시험 No.1의 것은, 가열 온도가 A값보다도 높게 되어 있고, 성형품의 조직이 베이나이트 주체로 하는 것으로 되어 잔류 오스테나이트가 확보되어 있지 않아, 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다.

시험 No.5의 것은, 가열 온도가 Ac₁ 변태점보다도 낮게 되어 있고, 성형품의 조직이 템퍼링 마르텐사이트 100체적％로, 잔류 오스테나이트가 확보되어 있지 않아, 인장 강도가 낮고 또한 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다. 또한 시험 No.6의 것은, 성형 중의 평균 냉각 속도가 느리게 되어 있고, 잔류 오스테나이트가 확보되어 있지 않아, 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다.

시험 No.17의 것은, 강판 및 성형품의 화학 성분에 있어서 C 함유량이 본 발명에서 규정하는 것보다도 낮게 되어 있고(강종 K), 잔류 오스테나이트가 확보되어 있지 않아, 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다. 또한 시험 No.18의 것은, 강판 및 성형품의 화학 성분에 있어서 Si 함유량이 본 발명에서 규정하는 것보다도 낮게 되어 있고(강종 L), 잔류 오스테나이트가 확보되어 있지 않아, 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다.

시험 No.21의 것은, 강판의 초기 조직에 있어서 베이나이트의 비율이 본 발명에서 규정하는 것보다도 낮게 되어 있으므로, 성형품의 조직에 있어서 어닐링 마르텐사이트의 비율이 낮아지고, 그 밖의 조직(페라이트 및 베이나이트)의 비율이 크게 되어 있어, 낮은 연신율(EL)밖에 얻어져 있지 않다.

본 발명은, 열간 프레스 성형법에 의해 박강판을 성형한 열간 프레스 성형품이며, 금속 조직이, 잔류 오스테나이트:3∼20체적％를 포함하는 것으로 함으로써, 강도와 연신율의 밸런스를 적절한 범위로 컨트롤할 수 있고, 또한 고연성인 열간 프레스 성형품을 실현할 수 있다.

1 : 펀치
2 : 다이
3 : 블랭크 홀더
4 : 강판(블랭크)

Claims

열간 프레스 성형법에 의해 박강판을 성형한 열간 프레스 성형품이며, 금속 조직이, 잔류 오스테나이트:3∼20체적％를 포함하는 것인 것을 특징으로 하는, 열간 프레스 성형품.
제1항에 있어서, 금속 조직이, 잔류 오스테나이트 외에, 어닐링 마르텐사이트 또는 어닐링 베이나이트:30∼97체적％, 켄칭 상태 마르텐사이트:0∼67체적％를 포함하는 것인, 열간 프레스 성형품.
제1항 또는 제2항에 있어서, 화학 성분 조성이,
C:0.1∼0.3％(질량％의 의미. 이하, 화학 성분 조성에 대해 동일함.),
Si:0.5∼3％,
Mn:0.5∼2％,
P:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음),
S:0.05％ 이하(0％를 포함하지 않음),
Al:0.01∼0.1％, 및
N:0.001∼0.01％
를 각각 함유하고, 잔량부가 철 및 불가피 불순물로 이루어지는, 열간 프레스 성형품.
제3항에 있어서, 다른 원소로서, B:0.01％ 이하(0％를 포함하지 않음) 및 Ti:0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음)를 더 함유하는 것인, 열간 프레스 성형품.
제3항에 있어서, 다른 원소로서, Cu, Ni, Cr 및 Mo로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상 : 합계로 1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 더 함유하는 것인, 열간 프레스 성형품.
제3항에 있어서, 다른 원소로서, V 및/또는 Nb : 합계로 0.1％ 이하(0％를 포함하지 않음) 더 함유하는 것인, 열간 프레스 성형품.
제1항 또는 제2항에 기재된 열간 프레스 성형품을 제조하는 데 있어서, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상인 금속 조직을 갖는 박강판을, 프레스 성형 금형을 사용하여 프레스 성형할 때, 상기 박강판을 Ac₁ 변태점 이상, (Ac₁ 변태점×0.2＋Ac₃ 변태점×0.8) 이하의 온도로 가열한 후, 성형을 개시하고, 성형 중에는 금형 내에서 20℃/초 이상의 평균 냉각 속도를 확보하는 것을 특징으로 하는, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 기재된 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 열간 프레스 성형용 박강판에 있어서, 마르텐사이트 또는 베이나이트가 80체적％ 이상인 금속 조직을 갖는 것을 특징으로 하는, 열간 프레스 성형용 박강판.