KR20160031140A - 테일러 롤드 블랭크를 사용한 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품에 관한 것으로, 강판을 원하는 두께 프로파일로 압연하여 TRB를 형성하는 단계; TRB를 풀림하는 단계; TRB를 차등 가열하는 단계; 및 가열된 TRB를 열간 프레스 성형하여 제품을 형성하는 단계를 포함하여서, 제품의 설계 요구조건을 만족하는 범위에서 고강도화 및 두께 최적화로 경량화를 극대화할 수 있으며, 충돌시 이종강도 영역 중 저강도부의 변형을 통하여 제품의 크랙 발생을 억제하고 충격에너지 흡수능을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

Description

테일러 롤드 블랭크를 사용한 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품 {Multi-strength hot-press forming method using tailor rolled blank, and product thereof}

본 발명은 테일러 롤드 블랭크를 사용한 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가변두께 프로파일을 갖는 테일러 롤드 블랭크(Tailor Rolled Blank; 이하 TRB라 함)를 사용하고, 단일 제품에 2 이상의 이종강도를 부여하도록 차등 가열하여 열간 프레스 성형함으로써, 제품을 경량화하고 제품의 충격에너지 흡수능을 향상시킬 수 있는 테일러 롤드 블랭크를 사용한 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아님을 밝혀둔다.

자동차 제조사는 경량화를 통한 연비향상을 도모하고 있으며, 까다로운 안전 규제에 대응하기 위하여 충격에너지 흡수능이 우수한 부품을 개발하고 있다. 경량화 및 충격에너지 흡수능을 동시에 만족할 수 있는 대표적인 제조기술로는 가변두께와 이종강도가 조합된 열간 프레스 성형 기술이 있다.

열간 프레스 성형에서는 프레스 가공 전에 블랭크의 전체를 A_C3(850 ~ 1000℃)의 수준으로 가열하고, 가열된 블랭크는 수초 이내로 프레스 공간으로 이송된다. 이송된 블랭크는 프레스로 성형된 후 금형 내에서 바로 냉각된다. 가변두께 프로파일을 가지는 블랭크를 적용하고 열간 프레스 성형으로 1500MPa 이상의 인장강도를 확보함으로써, 제품의 경량화를 극대화할 수 있다. 또한, 충돌 하중이 가해지는 영역에 부분적으로 저강도 및 고인장 재질을 부여함으로써 높은 충격에너지 흡수능을 확보할 수 있다.

여기서, 가변두께 블랭크 제조방법은 이종두께의 강판을 용접하는 테일러 웰디드 블랭크(Tailor Welded Blank; 이하 TWB라 함) 기술이 있다. 하지만 TWB를 이용한 열간 프레스 성형 기술은 용접부의 재질 불량 또는 불연속적인 용접선의 존재로 충격 또는 피로내구성이 저하될 수 있으므로 용접부를 매우 신중히 관리해야 한다.

TWB의 단점을 극복할 수 있는 다른 가변두께 블랭크 제조방법이 TRB이다. 도 1은 TRB의 제작을 개략적으로 도시한 모식도로서, 이에 도시된 바와 같이 TRB(20)는 단일 두께의 강판(10)을 복수로 반복해서 압연하여 연속적으로 변하는 두께 프로파일을 갖게 된다.

TWB 대비 TRB(20)의 장점은 단일 강판(10)으로 복수의 두께조합을 만들 수 있으며, 두께 천이부가 연속적으로 이어져 있기 때문에 응력 집중이 상대적으로 완화된다는 점이다. 하지만, 복수의 압연시 가공 경화가 발생하여 열간 성형시 하중이 높아지고 성형불량이 발생할 우려가 있다.

도 2는 이종강도 열간 프레스 성형 제품 및 열처리 패턴의 모식도이다. 이에 도시된 바와 같이, 이종강도 열간 프레스 성형의 방법으로는 이종강도 TWB의 적용과, 패치워크(Patchwork)의 적용, 차등 가열이나 차등 냉각 또는 후열처리의 적용 등이 있다.

이종강도의 소재를 레이저로 용접한 TWB를 적용할 경우에는 용접선 관리의 문제가 여전히 남아있다. 또, 패치워크를 적용한 기술은 구조 강성 및 강도 향상의 효과는 있지만 제품의 무게가 증가하는 문제가 있다. 차등 냉각 또는 후열처리의 적용은 열처리 패턴 조절을 이용하여 저강도부를 얻을 수는 있지만 제품 생산성이 저하되는 문제가 있다.

따라서 이종강도 열간 프레스 성형의 방법으로는 차등 가열을 적용하는 것이 생산성 측면에서 가장 효율적이다.

일반적인 동일 두께의 판재를 차등 가열하여 열간 프레스 성형을 할 경우, 저강도부는 변태점 이하의 낮은 온도로 가열된 후 성형 및 냉각을 거치기 때문에 상변태가 발생하지 않는다. 즉, 가열 전 모강판의 저강도 및 고연신(20% 이상) 상태에서 출발하여 열간 프레스 성형을 거치는 동안 낮은 상태의 강도 및 높은 연신율 수준이 계속 유지되어 원하는 제품을 얻기가 용이하다.

이렇게 제조된 제품은 충격에너지 흡수능이 우수하지만, 경량화 측면에서는 단일강도 열간 프레스 성형품의 수준밖에 얻을 수 없다. 이에 따라, 충격에너지 흡수능과 더불어, 경량화를 극대화(최적화)하기 위한 이종강도 열간 프레스 성형 방법이 요구되었다.

이에 본 발명은, 제품 내 두께분포를 최적화하고, 단일 제품에 2 이상의 이종강도를 부여하여, 제품의 경량화 및 충격에너지 흡수능을 향상시킬 수 있는 테일러 롤드 블랭크를 사용한 이종강도 열간 프레스 성형 방법 및 성형 제품을 제공하는 데에 그 주된 목적이 있다.

본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 방법은, 강판을 원하는 두께 프로파일로 압연하여 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 단계; 상기 테일러 롤드 블랭크를 풀림(Annealing)하는 단계; 상기 테일러 롤드 블랭크를 차등 가열하는 단계; 및 가열된 상기 테일러 롤드 블랭크를 열간 프레스 성형하여 제품을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 제품은, 동일 강종으로 제조되고, 상대적으로 두께가 두꺼운 제1부분 및 두께가 얇은 제2부분을 가지며, 상기 제1부분과 상기 제2부분은 강도가 서로 상이한 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, TRB를 사용하고 복수의 영역에 서로 상이한 강도가 부여되도록 열처리(풀림)를 하여 열간 프레스 성형하게 됨으로써, 제품의 설계 요구조건을 만족하는 범위에서 고강도화 및 두께 최적화로 경량화를 극대화할 수 있으며, 충돌시 이종강도 영역 중 저강도부의 변형을 통하여 제품의 크랙 발생을 억제하고 충격에너지 흡수능을 향상시킬 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 TRB의 제작을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 2는 이종강도 열간 프레스 성형 제품 및 열처리 패턴의 모식도이다.
도 3은 TRB에서 압연된 부분의 가공 경화 영향을 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 방법을 개략적으로 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 복수의 가열로를 사용한 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다.
도 6은 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 멀티 챔버형 가열로를 사용한 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다.
도 7은 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 일부 영역의 열접촉을 차단하는 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

우선, 경량화를 극대화(최적화)하기 위해서는 가변두께 TRB의 경량화 효과와 더불어, 열간 프레스 성형의 고강도화에 의한 경량화 효과를 복합적으로 이용할 수 있다.

가변두께 TRB를 차등 가열하여 열간 프레스 성형을 할 경우, 저강도부는 두께가 얇아진 부분에 할당되는 것이 충격에너지 흡수능의 향상에 바람직하다. 하지만, 두께가 얇아진 부분은 복수의 압연시 가공 경화가 발생하여 강도가 높아지고 연신율이 크게 저하된 상태이다. 이 상태에서 변태점 이하의 낮은 온도로 가열된 후 성형 및 냉각을 거치게 되면, 성형시 변형저항도 커서 파단 발생의 가능성이 높다. 결국, 최종 제품에서 저강도부의 강도가 원하는 수준보다 높게, 그리고 연신율은 매우 낮게 형성될 우려가 있다. 이는 두께 최적화를 차치하더라도 충돌시 파단 발생의 가능성이 높아져서 충격에너지 흡수능의 향상을 원천적으로 얻기 어렵게 된다.

도 3은 TRB에서 압연된 부분의 가공 경화 영향을 나타낸 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이 압연량이 많을수록(두께 감소량이 클수록) 가공 경화가 커져서 인장강도는 높아지고 연신율이 급격히 저하되는 것을 볼 수 있다.

요약하자면, 이렇게 가공 경화를 받은 부분이 최종 제품에서 저강도부에 해당할 경우 다음의 2가지 문제를 발생시키게 된다. 첫째로, 저강도부의 통상적인 가열 조건은 A_C1 온도 이하이므로 차등 가열 후에 열간 성형시 파단이 발생할 수 있다. 둘째로, 최종 제품에서 저강도부의 강도가 원하는 수준(통상 600MPa)보다 높게 형성될 수 있어 충격에너지 흡수능의 개선 정도가 부족할 수 있다.

따라서 본 발명은 TRB에서 발생한 가공 경화를 풀어주는 풀림 단계를 차등 가열 전에 배치하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 방법을 개략적으로 도시한 모식도로서, 이에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 방법은, 강판(10; 도 1 참조)을 원하는 두께 프로파일로 압연하여 TRB(20)를 형성하는 단계; TRB(20)를 풀림하는 단계; TRB(20)를 차등 가열하는 단계; 가열된 TRB(20)를 열간 프레스 성형하여 제품(30)을 형성하는 단계; 및 제품(30)을 냉각하는 단계를 포함하고 있다.

TRB(20)는 비도금 강판 또는 도금 강판이 모두 적용될 수 있지만, AlSi계 도금 강판의 경우 압연시 도금층이 부서지거나 박리되어 성형에 문제가 될 수도 있어 주의가 필요하다.

TRB(20)의 모재 성분은 중량%로 C: 0.1~0.4%, Si: 1.5% 이하, Mn: 3.0% 이하, Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지는 것이 유리하다. 그리고 N: 0.001~0.02%, B: 0.0001~0.01%, Ti: 0.001~0.1%, Nb: 0.001~0.1%, V: 0.001~0.1%, Cr: 0.001~1.0%, Mo: 0.001~1.0%, Sb: 0.001~0.1% 및 W: 0.001~0.3%으로 이루어지는 그룹 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다.

풀림하는 단계의 열처리 조건은 온도와 시간으로 부여된다. 열처리 온도는 대략 400℃ 이상에서 A_C1 이하의 범위로 한다. 유지 시간은 두께 압하량에 따라 달라질 수 있지만, 압연 후 TRB의 얇은 부분의 두께가 1.3mm 이상인 경우에 최소 150초 이상 유지하는 것이 좋다. 압연 후 TRB의 얇은 부분의 두께가 1.3mm 미만인 경우에는 압하량이 커서 가공 경화가 많더라도 자체의 승온 및 열분배 속도가 빠르기 때문에 최소 100초 이상 유지하는 것이 바람직하다.

차등 가열하는 단계에서, 상대적으로 두께가 두꺼운 부분 즉 고강도부를 A_C3 이상에서 1000℃ 이하의 범위로 가열하고, 두께가 얇은 부분 즉 저강도부를 상온 이상에서 A_C1 이하의 범위로 가열한다.

차등 가열의 단계는 그 가열 방식을 특별히 한정하지 않으며, 본 발명의 기술분야에서 TRB 또는 강판을 차등적으로 가열할 수 있는 방식이라면 어느 것이든 적용될 수 있음이 당연하다.

일례로, 도 5는 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 복수의 가열로를 사용한 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다. 이에 도시된 바와 같이, 복수의 가열로를 사용하여 제1가열로(51)에서 전체를 A_C1 이하의 특정 온도로 가열한 후 제2가열로(52)에서 일부를 A_C3 이상의 수준으로 가열한다.

다른 예로, 도 6은 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 멀티 챔버형 가열로를 사용한 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다. 이에 도시된 바와 같이, 서로 다른 온도로 유지되는 멀티 챔버형 가열로(60)를 사용하여, 두께가 얇은 부분을 A_C1 이하의 온도로 가열하고, 두께가 두꺼운 부분을 A_C3 이상의 온도로 가열할 수 있다.

또 다른 예로, 도 7은 본 발명의 열간 프레스 성형 방법 중 일부 영역의 열접촉을 차단하는 차등 가열 단계를 나타낸 모식도이다. 이와 같이, 예컨대 단열 블록 등과 같은 차폐부재(80)를 사용하여 TRB의 두께가 얇은 부분의 열접촉을 차단함으로써, 해당 영역의 온도 상승을 지연시키거나, TRB의 영역별로 표면 방사율을 상이하게 하여 차등적으로 가열할 수 있다.

도시되지는 않았지만, 적외선(근적외선) 히터, 유도가열기, 저항가열 히터 등을 채용하여 일부 영역을 급속히 가열할 수도 있다.

가열된 TRB(20)를 열간 프레스 성형 장치(90)에서 성형한 다음, 성형된 제품(30)을 금형 내에서 냉각하여, 원하는 제품을 얻게 된다.

본 발명에 따른 이종강도 열간 프레스 성형 제품은, 전술한 성형 방법에 의해 동일 강종으로 제조되고, 상대적으로 두께가 두꺼운 제1부분(도 1의 t₀ 참조) 및 두께가 얇은 제2부분(도 1의 t₁ 또는 t₂ 참조)을 가지며, 제1부분과 제2부분은 강도가 서로 상이하게 된다. 특히, 상대적으로 두께가 두꺼운 제1부분이 고강도를 갖게 되며, 두께가 얇은 제2부분은 저강도를 갖게 된다.

여기서, 저강도를 갖는 제2부분은 상변태를 겪지 않으므로 제품의 입도(Grain Size)는 성형 전 TRB(20)의 모재가 갖는 입도와 유사하며, 예컨대 그 입도가 동일 위치에서 오차범위 20% 이내에 있게 된다. 또, 저강도를 갖는 제2부분에서는 TRB(20)의 모재에 존재하는 펄라이트(Pearlite)계　Mn　밴드가 열처리 후에도 존재하는 특징이 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 제품의 설계 요구조건을 만족하는 범위에서 고강도화 및 두께 최적화로 경량화를 극대화할 수 있는 장점과, 충돌시 이종강도 영역 중 저강도부의 변형을 통하여 제품의 충격에너지 흡수능을 향상시킬 수 있는 장점을 동시에 얻는 효과가 있게 되는 것이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 강판
20: TRB
30: 제품

Claims (10)

1. 강판을 원하는 두께 프로파일로 압연하여 테일러 롤드 블랭크를 형성하는 단계;
   상기 테일러 롤드 블랭크를 풀림(Annealing)하는 단계;
   상기 테일러 롤드 블랭크를 차등 가열하는 단계; 및
   가열된 상기 테일러 롤드 블랭크를 열간 프레스 성형하여 제품을 형성하는 단계
   를 포함하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 풀림하는 단계의 온도는 400℃ 이상에서 A_C1 이하의 범위로 하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 차등 가열하는 단계에서, 상대적으로 두께가 두꺼운 부분을 A_C3 이상에서 1000℃ 이하의 범위로 가열하고,
   두께가 얇은 부분을 상온 이상에서 A_C1 이하의 범위로 가열하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 차등 가열하는 단계는, 제1가열로에서 상기 테일러 롤드 블랭크의 전체를 A_C1 이하의 온도로 가열한 후 제2가열로에서 일부를 A_C3 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 차등 가열하는 단계는, 멀티 챔버형 가열로를 사용하여, 상기 두께가 얇은 부분을 A_C1 이하의 온도로 가열하고, 상기 두께가 두꺼운 부분을 A_C3 이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
6. 제3항에 있어서,
   상기 차등 가열하는 단계는, 상기 두께가 얇은 부분의 열접촉을 차단함으로써, 상기 두께가 얇은 부분의 온도 상승을 지연시키거나, 표면 방사율을 상이하게 하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제품을 형성하는 단계는, 상기 제품을 금형 내에서 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종강도 열간 프레스 성형 방법.
8. 동일 강종으로 제조되고,
   상대적으로 두께가 두꺼운 제1부분 및 두께가 얇은 제2부분을 가지며,
   상기 제1부분과 상기 제2부분은 강도가 서로 상이한 열간 프레스 성형 제품.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2부분이 상대적으로 낮은 강도를 갖게 되며,
   상기 제2부분에서 상기 제품의 입도는 성형 전 모재가 갖는 입도에 대해 오차범위 20% 이내에 있는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
10. 제8항에 있어서,
    상기 제2부분이 상대적으로 낮은 강도를 갖게 되며,
    상기 제2부분에서 Mn 밴드가 존재하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 성형 제품.
    

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