KR20150031834A - 성형성 향상을 위한 고장력강의 레이저 열처리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 성형성 향상을 위한 고장력강의 레이저 열처리 방법에 관한 것으로 보다 구체적으로, 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직이 포함된 고장력강의 블랭크(blank) 표면에 레이저를 조사하여 열처리를 함으로써 상기 마르텐사이트 조직의 분율이 감소하고 페라이트 조직의 분율이 증가하는 제1단계; 상기 열처리된 블랭크의 템퍼링 또는 어닐링 효과를 위해 서냉하는 제2단계; 및 상기 서냉된 블랭크을 냉간 프레스 성형하는 제3단계; 등을 포함함으로써, 고장력강의 성형성을 향상시켜 자동차의 성형 난이부에 고장력강을 적용시키면, 자동차의 경량화를 가능하게 하고, 연비 향상의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 충돌 성능을 향상시킬 수 있는 고장력강의 레이저 열처리 방법에 관한 것이다.

Description

성형성 향상을 위한 고장력강의 레이저 열처리 방법{Method for heat treatment to improve formability of high tensile steel}
본 발명은 고장력강 성형 난이부의 성형성을 향상시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고장력강 성형 난이부에 레이저를 조사하여 열처리 등을 통하여 성형성을 향상시키는 방법에 관한 것이다.
최근 철강업계 및 자동차 업계의 연구관심은 고강도 및 경량화 등에 집중되고 있으며, 자동차 디자인이 복잡해지고 소비자의 욕구가 다양화됨에 따라 고강도면서 가공성과 성형성이 우수한 고장력강 등을 요구하고 있다.
특히, 자동차에 사용되는 고장력강의 경우에는 시대적 흐름에 따라 강도향상에 따른 안전성 등이 중요시되고 있으며, 경량화에 따른 에너지 절감도 중요시되고 있다. 뿐만 아니라, 디자인에 대한 고객의 요구가 다양해지고 복잡해짐에 따라 충분한 성형성이 확보된 고급강판을 요구하고 있지만, 종래 고장력강은 낮은 성형성으로 인해 높은 성형을 요구하는 부품 적용에는 한계가 있었다.
보다 구체적으로, 상기 자동차용 고장력강은 590MPa이상의 인장 강도를 가지는 소재를 말하며, 페라이트와 베이나이트로 구성된 2상 조직강(dual phase steels); 페라이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 조직으로 구성된 TRIP강; 그리고 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, 페라이트 및 베이나이트 등의 복합조직으로 구성된 복합상 조직 강(complex phase steels) 등으로 구분되고, 자동차 부품별 목적에 따라 선택적으로 적용되고 있다.
그러나, 상기 고장력강의 가장 큰 단점 중의 하나는 낮은 성형성 또는 낮은 연신율로 인해 성형 난이부 등의 확대 적용에 한계가 있다는 것이다. 이 때문에 고장력강을 자동차에 적용하는데 문제가 있었다.
상기 낮은 성형성 문제를 해결하고자 종래에는 고주파 열처리 등을 이용하여 고장력강의 성형성을 향상시키려고 하였으나, 상기 고장력강의 국부적인 열처리가 어렵기 때문에, 고장력강 전체에 열처리가 행해지므로, 상기 고장력강 성형성이 증가되어 전반적인 강도가 저하되는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 최적의 레이저 열처리 온도와 레이저 열처리 속도는 및 냉각 속도 등을 통하여 고장력강의 성형성을 향상시키는데, 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직이 포함된 고장력강의 블랭크(blank) 표면에 레이저를 조사하여 열처리를 함으로써 상기 마르텐사이트 조직의 분율이 감소하고 페라이트 조직의 분율이 증가하는 제1단계; 상기 열처리된 블랭크의 템퍼링 또는 어닐링 효과를 위해 서냉하는 제2단계; 및 상기 서냉된 블랭크을 냉간 프레스 성형하는 제3단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저는 소정거리만큼 이격된 상태로 이동하는 6축 로봇과 연동된 레이저빔 헤드를 통해 조사되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 고장력강은 2상 조직강(dual phase steels, DP), TRIP 강(transformation induced plasticity steels, TRIP), 페라이트-베이나이트계 강(ferrite-bainitic steels, FB), 복합상 조직강(complex phase steels, CP) 또는 마르텐사이트계 강(martensitic steels, MS) 등인 것이 바람직하다.
여기서, 상기 열처리의 온도는 약 500~800℃인 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 열처리 속도는 약 5~20mm/s인 것이 바람직하다.
또한, 상기 블랭크의 서냉 속도는 약 20℃/s 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 열처리 방법은 자동차용 고장력강에 적용되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 성형 난이부에 최적의 레이저 열처리 온도 범위와 레이저 열처리 속도 및 냉각 속도 등을 통하여 고장력강의 성형성이 향상되기 때문에 상기 고장력강의 적용을 용이하게 할 수 있다.
자동차의 성형 난이부에 고장력강을 적용할 수 있음에 따라 경량화를 가능하게 하고, 연비 향상의 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 충돌 성능을 향상시킬 수 있다.
상기 고장력강의 성형성 향상에 따라 냉간 프레스 가공 시 크렉, 네크 및 스프링백 등이 감소되고, 금형의 마모가 감소되어 금형의 사용 수명이 향상되어 생산 원가를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 블랭크의 성형 난이부에 레이저가 조사되는 레이저빔 헤드의 위치를 보여주는 모식도이다.
도 2는 실시예 및 비교예의 연신율을 비교한 그래프이다.
도 3은 비교예의 미세조직 사진이다.
도 4는 실시예의 미세조직 사진이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명은 성형성 향상을 위한 고장력강의 레이저 열처리 방법에 관한 것으로 이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 곡률부, 소재 유입부, 스트레칭부 및 트림부 등과 같은 성형 중 크랙 발생 등이 빈번한 고장력강의 성형 난이부를 레이저를 이용하여 국부적 열처리를 통하여 연화시켜 성형성이 향상된 이종강도를 가지게 하는 방법이다. 상기 레이저는 급속 가열이 가능하며, 다양한 레이저빔 사이즈를 보유하고 있어서 열처리의 정도를 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기 고장력강은 자동차용 고장력강인 것이 바람직하고, 일반적으로 50kgf/mm2이상 및 항복강도 30kgf/mm2 이상인 강을 말하며, 상기 고장력강은 2상 조직강(dual phase steels, DP), TRIP 강(transformation induced plasticity steels, TRIP), 페라이트-베이나이트계 강(ferrite-bainitic steels, FB), 복합상 조직강(complex phase steels, CP) 또는 마르텐사이트계 강(martensitic steels, MS) 등인 것이 더욱 바람직하다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 레이저 열처리 방법은 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직이 포함된 고장력강의 블랭크(blank) 표면에 레이저를 조사하여 열처리를 함으로써 상기 마르텐사이트 조직의 분율이 감소하고 페라이트 조직의 분율이 증가하는 제1단계; 상기 열처리된 블랭크의 템퍼링 또는 어닐링 효과를 위해 서냉하는 제2단계; 및 상기 서냉된 블랭크을 냉간 프레스 성형하는 제3단계; 등을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1단계에서 정확한 위치에 블랭크 표면의 열처리를 위하여 상기 블랭크는 지그(jig)에 고정되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 제1단계의 레이저를 조사하는 고장력강인 블랭크 열처리의 온도는 약 500~800℃인 것이 바람직하다. 상기 온도에서 고장력강인 블랭크는 템퍼링(tempering) 및 어닐링(annealing) 효과로 상기 블랭크의 내부응력의 저감과 인성의 증가를 가능하게 하고, 상기 고장력강인 블랭크의 마르텐사이트 조직은 오스테나이트화 온도 도달 후 상변태 과정을 거친 후 냉각되어 연성 등을 확보할 수 있다.
즉, 상기 온도의 열처리를 통하여 강도가 높은 마르텐사이트 조직은 내부 응력이 저감되고 연성이 향상된 템퍼드 마르텐사이트 조직을 형성하여, 강도가 높아 성형성이 낮은 상기 마르텐사이트 조직의 분율은 감소되는 동시에 상대적으로 강도가 낮아 성형성이 높은 페라이트 조직의 분율이 증가되어 연성 및 성형성 등이 향상되는 것이다.
반면, 상기 제1단계의 열처리의 온도가 500℃ 미만일 경우, 고장력강인 블랭크의 내부응력을 충분히 제거할 수 없으며, 마르텐사이트 조직이 페라이트 조직으로 상변태가 어려울 수 있고, 상기 열처리의 온도가 800℃ 초과일 경우, 약 15~20℃인 상온과 큰 온도 차이로 인하여 냉각 시 급랭으로 인한 내부응력 등의 발생에 의해 고장력강인 블랭크의 강도를 더욱 상승시킬 수 있다.
한편, 도 1은 블랭크(100)의 성형 난이부(200)에 레이저가 조사되는 레이저빔 헤드(300)의 위치를 보여주는 모식도이다.
본 발명에 따른 열처리를 위한 레이저는 소정거리만큼 이격된 상태로 이동하는 6축 로봇과 연동된 상기 레이저빔 헤드(300)를 통해 조사되는 것이 바람직하며, 상기 레이저빔 헤드(300)에서 성형 난이부(200)의 열처리를 위한 레이저가 조사된다. 상기 6축 로봇과 연동한 레이저는 정밀한 온도 및 정밀한 제어가 가능하여 원하는 부위에 원하는 열처리가 가능한 장점이 있다.
보다 상세하게, 상기 제1단계의 레이저 열처리 속도 즉, 레이저빔 헤드(300)의 이송속도는 약 5~20mm/s인 것이 바람직하다. 상기 이송속도가 5mm/s 미만일 경우, 고장력강인 블랭크의 지나친 온도 상승으로 유도되는 급랭으로 인한 내부응력 발생에 의해 블랭크의 강도가 더욱 상승되어 성형성이 저감될 수 있으며, 상기 이송속도가 20mm/s 초과일 경우, 충분한 온도의 열처리가 이루어지지 못하여 마르텐사이트 조직의 상변태가 일어나기 어렵기 때문에 블랭크의 성형성이 향상되기 어렵다.
또한, 상기 제2단계의 서냉(slow cooling)은 템퍼링 또는 어닐링 효과를 위하여 고장력강인 블랭크를 상온에서 공냉시키는 것이 바람직하며, 상기 냉각 속도는 20℃/s 이하인 것이 보다 바람직하다. 이 때, 상기 냉각 속도가 20℃/s 초과일 경우, 유도되는 급랭으로 인해 고장력강인 블랭크의 기지조직 내의 탄소 확산이 충분히 이루어지지 못하여 상기 고장력강인 블랭크의 강도가 더욱 상승하여 연성의 감소로 성형성이 저하될 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지 않는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
자동차 충돌 부재로 많이 사용되고 있는 인장강도 980MPa급의 고장력강에 본 발명에 따른 레이저 열처리 방법을 적용한 실시예와, 상기 레이저 열처리 방법이 적용되지 않은 비교예의 연신율을 비교하였다.
보다 구체적으로, 도 2는 실시예 및 비교예의 연신율을 비교한 그래프이며, 상기 실시예의 열처리 온도는 650℃였으며, 열처리 속도 즉, 레이저빔 헤드의 이송속도는 약 10mm/s였다.
상기 도면을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 열처리 방법이 적용된 실시예의 연신율이 약 18%로서 비교예의 연신율 약 14%보다 높다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 열처리에 의하여 실시예의 고장력강 내부 응력이 줄어들고, 마르텐사이트 조직의 상변태가 발생하였기 때문이며, 상기 연신율이 높다는 것은 고장력강의 성형성이 높다는 것을 뜻한다.
또한, 도 3은 비교예의 미세조직 사진이고, 도 4는 실시예의 미세조직 사진이다. 상기 도 3의 비교예는 어두운 색의 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직이 포함된 밝은 색의 펄라이트 조직이 균일하게 분포하지만, 본 발명에 따른 레이저 열처리로 인하여 어두운 색의 마르텐사이트 조직은 감소하였고 페라이트 조직이 포함된 밝은 색의 펄라이트 조직이 증가한 도 4를 통해, 성형성이 낮은 마르텐사이트 조직의 분율이 감소하고 성형성이 높은 페라이트 조직의 분율이 증가하였다는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 본 발명에 따른 레이저 열처리 방법에 의한 고장력강을 냉간 프레스 가공을 실시하면, 종래 고장력강의 성형 난이부에서 종종 발생하였던 낮은 성형성으로 인한 크랙 및 네크 등과 같은 불량문제가 감소될 수 있으며, 항복강도가 낮아지므로 치수안정성에 영향을 미치는 스프링백(Springback) 효과 등도 감소시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 레이저 열처리 방법은 고장력강의 성형 난이부의 성형성을 효율적으로 높이는 방법이라는 것을 알 수 있었다.
이상 본 발명의 구체적 실시형태와 관련하여 본 발명을 설명하였으나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 설명된 실시형태를 변경 또는 변형할 수 있으며, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
100 : 블랭크
200 : 성형 난이부
300 : 레이저빔 헤드

Claims (7)

  1. 마르텐사이트 조직과 페라이트 조직이 포함된 고장력강의 블랭크(blank) 표면에 레이저를 조사하여 열처리를 함으로써 상기 마르텐사이트 조직의 분율이 감소하고 페라이트 조직의 분율이 증가하는 제1단계;
    상기 열처리된 블랭크의 템퍼링 또는 어닐링 효과를 위해 서냉하는 제2단계; 및
    상기 서냉된 블랭크을 냉간 프레스 성형하는 제3단계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저는 소정거리만큼 이격된 상태로 이동하는 6축 로봇과 연동된 레이저빔 헤드를 통해 조사되는 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고장력강은 2상 조직강(dual phase steels, DP), TRIP 강(transformation induced plasticity steels, TRIP), 페라이트-베이나이트계 강(ferrite-bainitic steels, FB), 복합상 조직강(complex phase steels, CP) 또는 마르텐사이트계 강(martensitic steels, MS)인 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열처리의 온도는 500~800℃인 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열처리의 속도는 5~20mm/s인 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 서냉 속도는 20℃/s 이하인 것을 특징으로 하는 고장력강의 레이저 열처리 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 레이저 열처리 방법이 적용되는 자동차용 고장력강.
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