KR20160045177A - 초고장력 강판의 온간 성형 방법 - Google Patents

Abstract

초고장력 강판의 가열 및 성형시 열적 조직안정성과 치수안정성을 확보하여 정확한 강도를 보증함과 동시에 생산성을 증가시킬 수 있는 초고장력 강판 온간성형 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 초고장력 강판 온간성형 방법은, 단일상 조직을 갖는 강판을 A1 변태 온도 이하로 가열하는 가열공정; 상기 가열된 강판을 가압하여 소정의 형상으로 성형하는 프레스 공정; 및 상기 프레스된 강판을 취출 후 냉각하는 냉각공정을 포함을 포함한다.

Description

초고장력 강판의 온간 성형 방법{METHOD FOR WARM FORMING OF SUPER HIGH TENSILE STRENGTH STEEL SHEET}

본 발명은 초고장력 강판의 온간 성형 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 강도 및 성형성을 동시에 확보할 수 있는 초고장력 강판의 온간 성형 방법에 관한 것이다.

최근 자동차산업의 발달로 인해 초고장력 강판의 사용량이 증대되고 있다. 초고장력 강판은 약 50kg/mm²의 항장력을 갖는 고장력 강판보다 더 높은 항장력을 갖는 강재로서, 가공경화(strain hardening), 담금질(quenching), 풀림(annealing), 뜨임(tempering), 불림(normalizing), 석출경화, 결정립 미세화, 고용체 강화 등의 다양한 강화기구를 통해 향상시킬 수 있지만, 강도의 향상과 반비례하여 성형성의 저하가 발생된다.

종래에는 초고장력 강판의 성형성 저하에 따른 복잡한 형상의 부품이나 성형깊이가 깊은 부품 등에 적용할 수 없는 문제점을 해결하기 위해, 가열을 통한 초고장력 강판의 성형성 향상에 관한 많은 시도들이 있었다.

하지만, 가열 후 발생하는 초고장력 강판의 강도 저하, 부재의 뒤틀림 및 치수변형으로 인하여 정확한 강도의 보증과 정밀한 치수안정성을 요구하는 자동차 부품에는 적용이 어려웠다.

최근에는 이러한 문제점을 해결하기 위해 핫스탬핑 공법을 적용하여 자동차 부품용 초고장력 강판을 제조하고 있는데, 핫스탬핑 공법은 강판의 성형단계에서 강판을 900℃이상의 온도로 가열하여 성형성을 향상시키고, 냉각수가 순환되는 특수금형을 이용하여 프레스성형과 동시에 강판을 급랭시켜 높은 강도를 얻는 공법이다.

이러한 핫스탬핑 공법은 강판의 오스테나이트 상을 마르텐사이트 상으로 변태시켜 150K 이상의 고강도를 얻을 수 있으며, 금형 내에서 부품이 고정된 상태로 냉각이 완전히 이루어지는 특성으로 인해 부품의 치수가 틀어지지 않고 취출 후에도 스프링백이 발생하지 않는 장점이 있다.

하지만, 냉각수가 순활될 수 있는 전용 금형을 사용해야하고, 드로우 패널의 레이저 트리밍이 필요하며, 금형 내에서 강판의 냉각이 완전히 이루어지기 때문에 생산성이 2SPM 수준으로 낮은 단점이 있다.

또한, 강판을 가열하는 온도가 오스테나이트의 A₃변태온도 이상으로 올라가기 때문에 석출경화를 통해 가공된 초고장력 강판의 경우 석출물에 의한 강화효과가 사라지게 된다.

즉, 강판에 가해지는 고온의 열에 의해 재결정이 진행되어 강화효과들이 대부분 풀리게 될 뿐만 아니라 결정상의 변화에 따라 격자구조 및 격자상수가 변형되어 강판의 치수 또한 변하게 된다.

이렇듯, 최근에 급속도로 적용 확대가 이루어지고 있는 핫스탬핑 공법 또한 자동차 부품용 초고장력 강판을 제조하기 위한 최적의 방안이 되지 못하는 바, 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결할 수 있는 방안을 제시한다.

강판의 성형성 저하를 방지하기 위한 방안이 종래의 "열처리특성이 우수한 자동차 보강재용 냉연강판과 그 제조방법(등록특허 10-0530068)" 및 "열처리 경화형 초고강도 강판, 이를 이용한 열처리 경화형부재와 그 제조방법(등록특허 10-0878614)"에 구체적으로 공지되어 있다.

종래의 "열처리특성이 우수한 자동차 보강재용 냉연강판과 그 제조방법(등록특허 10-0530068)"에서는 알루미늄 킬드강을 1050~1300℃에서 균질화처리하여 Ar₃변태점 직상인 850~950℃의 마무리 압연온도조건으로 열간압연하고 650~800℃의 온도범위에서 권취한 다음, 30~80%의 냉간압하율로 냉간압연하는 것을 포함하여 이루어지는 열처리특성이 우수한 자동차 보강재용 냉연강판의 제조방법을 제시하였다.

또한, 종래의 "열처리 경화형 초고강도 강판, 이를 이용한 열처리 경화형부재와 그 제조방법(등록특허 10-0878614)"에서는 열처리 경화에 의해 높은 인장강도를 확보한 다음에 도장 열처리 후 높은 항복강도 상승을 갖는 열처리 경화형 강판 및 이를 이용한 열간성형 부재와 그 제조방법을 제시 하였다.

하지만, 종래의 "열처리특성이 우수한 자동차 보강재용 냉연강판과 그 제조방법(등록특허 10-0530068)" 및 "열처리 경화형 초고강도 강판, 이를 이용한 열처리 경화형부재와 그 제조방법(등록특허 10-0878614)"으로는 상술한 문제점인 전용금형 사용 및 금형 내에서의 급냉으로 인한 생산성 감소, 재결정으로 인한 강화효과 풀림, 격자상수 및 격자구조 변화 등의 문제점을 해결할 수 없다.

한국등록특허 10-0530068 (2005. 11. 14) 한국등록특허 10-0878614 (2009. 01. 07)

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해, 초고장력 강판의 가열 및 성형시 열적 조직안정성과 치수안정성을 확보하여 정확한 강도를 보증함과 동시에 생산성을 증가시킬 수 있는, 초고장력 강판의 온간성형 방법를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초고장력 강판 온간성형 방법은, 단일상 조직을 갖는 강판을 A1 변태 온도 이하로 가열하는 가열공정; 상기 가열된 강판을 가압하여 소정의 형상으로 성형하는 프레스 공정; 및 상기 프레스된 강판을 취출 후 냉각하는 냉각공정을 포함을 포함한다.

상기 강판은, 단일상의 마르텐사이트 조직의 강판 또는 단일상의 페라이트 조직의 강판인 것을 특징으로 한다

상기 단일상의 페라이트 조직의 강판은 석출경화를 통해 강도가 향상된 것을 특징으로 한다.

상기 프레스 공정시 사용되는 몰드는 별도의 가열, 냉각 없이 상기 가열된 강판에서 전달된 열에 의해 온도가 조절되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 하기와 같은 다양한 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 상변화가 발생되지 않아 별도의 냉각공정이 필요하지 않으므로 생산성을 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은 A₁ 변태온도 이하로 가열하기 때문에 가열시간 및 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.

셋째, 본 발명은 복잡한 형상을 가지는 부품을 제조함과 동시에 높은 강도를 확보할 수 있다.

넷째, 본 발명은 치수안정성 및 열적 조직안정성이 뛰어난 초고장력 강판을 제조할 수 있다.

다섯째, 본 발명은 강판에 가해진 가공경화 효과를 유지할 수 있다.

도 1은 강화기구를 통해 강화된 다상 조직을 갖는 강판의 온도별 연신율 및 강도를 나타낸 그래프,
도 2는 다상 조직을 갖는 강판과 단일상 조직을 갖는 강판을 약 400℃~700℃로 가열한 후 냉각하였을 때 강판의 강도가 변하는 것을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 온간성형시 초고장력 강판의 온도변화, 강도변화 및 연신율 변화를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 설명하며, 배경기술 및 이미 설명한 구성의 도면번호는 특별한 언급이 없다면 동일하게 적용된다.

이하에서 설명되는 본 발명의 초고장력 강판 온간성형 방법에 관한 설명은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 그 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현할 수 있다.

일반적으로, 탄성 및 소성 변형하는 금속의 강도를 향상시키기 위한 가장 기본적인 원리는 원자의 이동을 막는 것이며, 이를 위해 격자 내 원자이동을 어렵게 하기 위한 가공경화(strain hardening), 담금질(quenching), 풀림(annealing), 뜨임(tempering), 불림(normalizing), 석출경화, 결정립 미세화, 고용체 강화 등의 다양한 강화기구가 사용된다.

이러한 강화기구를 강판에 적용하면 강판 내부에서는 상변화 및 조직변화가 발생하게 되어 강판의 강도가 급격히 증가하게 되지만, 강화기구를 통해 향상된 강도에 반비례하여 성형성이 감소하게 되며, 복잡한 형상을 갖는 부품을 제조하기에는 부적합한 특성을 가지게 된다.

따라서, 강화기구를 통해 제조된 강판을 복잡한 형상의 부품에 적용하기 위해서는 별도의 가열공정을 통해 성형성을 향상시키게 된다. 즉, 고온으로 가열하여 강판의 연신율을 향상시킨 후 프레스 성형을 실시함으로써 소정의 형상을 갖는 부품을 제조하게 되는 것이다.

하지만, 강판에 가해지는 고열에 의해 강판 내부의 상변화, 조직변화, 격자구조 변화 등이 발생되어 강화기구가 풀리게 되며, 강판의 강도를 확보하기 위해 냉각수가 흐르는 금형을 이용하여 프레스 성형과 동시에 담금질을 실시하게 된다.

본 발명은 종래의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 강화기구 및 격자구조가 온도에 민감하게 반응하지 않고, 담금질 또는 수냉과 같은 별도의 인위적인 냉각공정이 필요없는 초고장력 강판 온간성형 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 초고장력 강판 온간성형 방법은, 가열공정, 프레스 공정 및 냉각공정을 포함한다.

가열공정은, 강판의 성형성을 향상시킬 수 있도록 강판을 가열하되 강판의 가열온도를 A₁ 변태 온도 이하로 하는 공정이다.

강판의 기계적 물성은 가열 온도에 따라 급격히 변하게 되는데, 강판의 온도가 상승하게 되면 격자 진동에너지가 상승하여 탄소성 거동이 점탄성 거동으로 변하게 되어 도 1에 도시된 바와 같이 연신율이 증가하게 된다.

도 1은 강화기구를 통해 강화된 다상 조직을 갖는 강판의 온도별 연신율 및 강도를 나타낸 그래프이며, 각각 상온, 300℃, 400℃, 500℃, 600℃ 일때 연신율 및 강도의 변화를 나타내고 있다.

이를 보면, 강판의 온도가 상온일 때 약 1200MPa의 강도를 가지고 있지만 온도가 증가할 수록 강도가 낮아지는 것을 알 수 있으며, 그와 반비례하여 연신율은 증가하는 것을 알 수 있다.

강판의 연신율이 증가한다는 것은 성형성이 향상된다는 것을 의미하며, 성형성이 향상되면 프레스 성형을 통해 복잡한 형상을 갖는 부품을 용이하게 제조할 수 있다.

하지만, 페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트 등과 같은 상들이 혼재되어 있는 다상 조직의 강판은 온도 상승시 상변화, 조직변화, 격자구조 변화 등이 발생되어 강판의 온도가 증가할 수록 강도가 감소하기에 종래의 문제점을 해결할 수 없다.

따라서, 본 발명에 따른 가열공정에서는 다상이 아닌 단일상 조직을 갖는 강판을 적용하였으며, 이러한 단일상 강판을 A₁ 변태 이하로 가열하였다.

도 2는 다상 조직을 갖는 강판과 단일상 조직을 갖는 강판을 약 400℃~700℃로 가열한 후 냉각하였을 때 강판의 강도가 변하는 것을 나타낸 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 단일상 조직을 갖는 강판은 냉각 후 최종 강도가 가열 전 초기 강도에 비해 크게 변하지 않으며, 다상 조직을 갖는 강판은 가열온도가 상승할 수록 냉각 후 최종 강도는 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.

즉, 다상 조직을 갖는 강판이 아닌 단일상 조직을 갖는 강판을 강화기구를 통해 강화한 후 A₁ 변태온도 이하로 가열한다면 높은 강도와 함께 성형성을 동시에 확보할 수 있는 것이다.

이때, 가열하는 온도를 강판의 A₁ 변태온도 이하로 한정하는 것은 단일상 조직을 갖는 강판에 가해진 A₁ 변태온도 이상의 고열에 의해 상변태, 조직변화, 격자구조 변화, 격자상수 변화 등의 현상이 발생되어 치수안정성이 저하되는 것을 방지하고, 강판에 적용된 강화기구가 풀려 강도가 저하되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이러한 단일상 조직을 갖는 강판은 초고장력 강판이 요구하는 높은 강도를 만족하기 위해 마르텐사이트 또는 페라이트의 단일상 조직을 갖는 것이 바람직하다. 마르텐사이트는 침상형 구조로 이루어져 있으며 강도가 매우 높아 초고장력 강판에 적합하다.

페라이트는 마르텐사이트에 비하여 상대적으로 낮은 강도를 가지지만 다양한 강화기구를 통해 강도의 향상이 가능한 바, 본 발명에 따른 초고장력 강판 온간성형 방법에 적용 가능하다.

또한, 페라이트 조직을 갖는 강판 중 석출경화를 통해 강도가 향상된 강판을 적용하는 것이 초고장력 강판에서 요구하는 높은 강도를 확보하는데 효과적일 것이며, 가열온도 또한 A₁ 변태온도 이하이기 때문에 석출경화 효과가 풀리지 않고 유지될 수 있다.

프레스 공정은, 가열공정을 통해 가열된 강판을 소정의 형상으로 성형하는 공정으로서, 본 발명에 따른 온간성형 방법의 적용시 강판의 강도, 상, 조직, 격자구조, 격자상수 등이 변하지 않기 때문에 종래의 방법과는 달리 담금질이 필요하지 않다.

이러한 프레스 공정은, 강판을 성형시키기 위해 다양한 방법을 적용할 수 있겠지만 일반적으로 몰드를 이용하며, 본원발명에서는 프레스 성형시 냉각을 같이 실시하지 않기 때문에 강판의 냉각이 완료될 때까지 대기하지 않아도 된다.

또한, 별도의 가열, 냉각 없이 가열된 강판에서 전달된 열에 의해 몰드의 온도가 조절되므로 종래와 같은 냉각수가 구비된 전용금형이 아닌 일반적인 금형을 사용할 수 있다.

공냉공정은, 프레스 공정이 완료된 강판을 취출 후 냉각하는 공정으로서, 종래에는 프레스된 강판의 형상이 변화되는 것을 방지하고 강도가 감소하는 것을 방지하기 위해 금형 내에서 냉각한 후 취출하였지만, 본 일 실시예에서는 프레스 공정이 완료된 후 별도의 냉각을 실시하지 않고 그대로 취출하여 냉각한다.

또한, 상술한 바와 같이 강판의 강도, 상, 조직, 격자구조, 격자상수 등의 변화가 없기에 수냉, 담금질과 같은 장시간 소요되는 냉각방법이 아닌 공냉을 적용할 수 있다.

즉, 가열 및 프레스된 강판이 냉각될 때까지 기다리지 않고 즉시 취출하여 공냉시킴으로써 생산속도를 급격히 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 온간성형시 초고장력 강판의 온도변화, 강도변화 및 연신율 변화를 나타낸 그래프이며, 본 발명의 일 실시예에서는 온간성형시 일반적으로 사용하는 200℃~600℃의 온도범위를 적용하였으며, 이러한 온도는 적용된 강판의 A₁ 변태온도 보다 낮은 온도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 강판의 온도를 증가시키면 강도가 일정 수준까지 점차적으로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 그와 반비례하여 연신율은 향상되는 것을 알 수 있다.

하지만, 가열된 강판을 이송하여 몰드에 장착하면 강판의 온도가 급격히 낮아지는 것을 알 수 있는데, 이는 몰드에 별도의 가열장치가 구비되어 있지 않아 몰드의 온도가 가열된 금형의 온도보다 낮은 상태로 있기 때문에 가열된 강판이 몰드와 접촉되면 급격히 온도가 감소되는 것이다.

또한, 이와 반대로 감소되었던 강도는 다시 증가하여 일정 수준을 유지하게 되고, 연신율은 급격히 감소하다 일정수준을 유지하게 된다.

프레스 공정시 연신율이 급격히 감소하다 일정수준을 유지하는 것은 강판의 온도가 급격히 감소하다 일정수준을 유지하기 때문인데, 연신율이 감소되었기에 프레스 완료된 강판이 쉽게 변형되지 않고 형상을 유지할 수 있는 것이다.

프레스 완료된 강판을 별도의 조치없이 즉시 취출한 후 공냉을 실시하게 되면 시간이 지남에 따라 강판의 온도가 상온까지 감소하게 되며, 이와 반대로 강도는 더욱 증가하고, 연신율은 더욱 낮아져 성형이 어려워지게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 초고장력 강판 온간성형 방법에 의하면 복잡한 형상의 부품을 성형함과 동시에 높은 강도를 확보할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

상기에서 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

Claims (4)

1. 단일상 조직을 갖는 강판을 A₁ 변태 온도 이하로 가열하는 가열공정;
   상기 가열된 강판을 가압하여 소정의 형상으로 성형하는 프레스 공정; 및
   상기 프레스된 강판을 취출 후 냉각하는 냉각공정을 포함하는 초고장력 강판 온간성형 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 강판은, 단일상의 마르텐사이트 조직의 강판 또는 단일상의 페라이트 조직의 강판인 것을 특징으로 하는, 초고장력 강판 온간성형 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 단일상의 페라이트 조직의 강판은 석출경화를 통해 강도가 향상된 것을 특징으로 하는, 초고장력 강판 온간성형 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 프레스 공정시 사용되는 몰드는 별도의 가열, 냉각 없이 상기 가열된 강판에서 전달된 열에 의해 온도가 조절되는 것을 특징으로 하는, 초고장력 강판 온간성형 방법.
   

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