KR20160113730A - 판상 강 제품, 판상 강 제품 제조 방법 및 부품 제조 방법 - Google Patents

판상 강 제품, 판상 강 제품 제조 방법 및 부품 제조 방법 Download PDF

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KR20160113730A
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토르스텐 쾰러
마리아 쾨이어
만프레드 뮐러
아셀 슈로텐
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티센크루프 스틸 유럽 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은, 열간 프레스 가공에 의하여 부품으로 성형하기 위하여 제공되고, 강으로 이루어진 기재 층을 구비하고, 그 위에 부식에 대하여 보호하기 위하여 Zn 또는 Zn 합금에 의해 형성된 금속 보호 피막이 도포되어 있는 판상 강 제품에 관한 것이다. 이는, 판상 강 제품의 자유 표면들 중 적어도 하나에, 비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물을 함유하는 별도의 덮개 층이 도포되는 본 발명에 따라 달성된다. 또한, 본 발명은 그와 같은 판상 강 제품의 제조를 가능하게 하는 방법과, 그와 같은 판상 강 제품으로부터 부품의 제조를 가능하게 하는 방법에 관한 것이다.

Description

판상 강 제품, 판상 강 제품 제조 방법 및 부품 제조 방법{FLAT STEEL PRODUCT, METHOD FOR PRODUCING A FLAT STEEL PRODUCT, AND METHOD FOR PRODUCING A COMPONENT}
본 발명은, 열간 프레스 가공(hot pressing)에 의하여 부품으로 성형하기 위하여 제공되고, 강으로 이루어진 기재 층(base layer)을 구비하고, 그 위에 부식에 대한 보호를 위하여 Zn 또는 Zn 합금에 의해 형성된 금속 보호 피막이 도포되어 있는 판상 강 제품에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 그와 같은 판상 강 제품의 제조를 위한 방법에 관한 것이다.
마지막으로, 본 발명은 본 발명에 따른 유형의 판상 강 제품으로부터 열간 프레스 가공된 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
여기서 "판상 강 제품"이라고 지칭되는 경우에, 이는 강 스트립과, 강 시트 또는 판재와, 그로부터 얻어진 유사물(similar)을 포함한다.
최근의 차체 구조(bodywork construction)에 필요한 낮은 중량, 최대 강도 및 보호 효과의 조합을 제공하기 위하여, 열간-프레스 가공되고 경화된 고강도 강으로 제조되는 근래의 부품들은, 충돌 시에 특히 높은 부하에 노출될 수 있는 차체의 분야에 사용된다.
열간-프레스 경화(hot-press hardening) 공정 중에, 냉간 또는 열간 압연 강 스트립으로부터 절단된 강 판재는 일반적으로 해당 강의 오스테나이트화 온도(austenising temperature)보다 높은 성형 온도까지 가열되고, 가열 상태에서 성형 프레스의 공구(tool) 내에 배치된다. 절단 판재 또는 그로부터 제조된 부품은 그 후의 성형 중에 차가운 공구와의 접촉에 의하여 급속히 냉각된다. 냉각 속도는 부품 내에 경화 조직이 발생하도록 설정된다.
열간-프레스 경화에 적합한 강의 대표적 예가 "22MnB5"라는 명칭으로 알려져 있고, 스틸 코덱스(Steel Codex) 2004 내에서 재료 번호 1.5528로 조회될 수 있다.
실용에 있어서, 열간-프레스 경화에 특히 적합한 MnB 강의 장점은, 망간을 함유하는 강이 일반적으로 부식성 침식에 민감하고 어렵게 부동태화될 수 있을 뿐이라는 단점에 의해 상쇄된다.
전술한 유형의 Mn-함유 강의 부식 저항성을 개선하기 위하여, 유럽 공개 특허 공보 제EP 1 143 029 B1호는, 우선 열간 프레스 가공용으로 의도된 강 시트에 Zn 피막을 도포하고 이를 열간 성형 전에 가열함으로써, 가열 중에 강 시트 상의 피막의 변태에 의하여 판상 강 제품 상에서 금속간 결합부(intermetallic connection)가 발생하도록 하는 것을 제안한다. 이러한 결합부는 부식 및 탈탄(decarbonisation)으로부터 강 시트를 보호하고, 열간 성형 중에 프레스 가공 공구 내에서 윤활 작용을 한다.
종래 기술에 있어서 금속간 보호 피막에 부여된 이러한 윤활 작용에도 불구하고, 공지의 방법으로 제조된 판재의 실제 성형 시에, 성형된 판상 제품과 이와 접촉하는 성형 공구 표면 사이의 마찰로 인하여 금속 피막과 판상 제품의 강 재료 사이에 높은 응력이 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 응력은 강 재료 내에 응력 균열(stress crack)이 발생할 정도로 클 수 있다.
미국 공개 특허 공보 제US 2010/0269558 A1호는, 금속 제품에 도포된 윤활성 덮개 층(cover layer)에 의하여 공구 내의 금속 가공물의 열간 프레스 가공 시에 발생하는 마찰을 감소시키는 것을 제안한다. 금속 제품은 덮개 층이 직접 도포된 Al 재료, Mg 재료, Ti 재료 또는 특수 강으로 이루어질 수 있다. 덮개 층은 BN, 흑연, WS2 또는 MoS2의 입자를 함유하는 수성 또는 알코올계 코팅 유체의 형태로 도포될 수 있다. 코팅 유체가 가공물에 특정 두께로 도포된 후에, 가공물의 표면으로의 피막의 부착이 이루어지도록, 가공물은 25℃ 내지 60℃에서 50% 내지 100%의 상대 습도의 분위기에 적어도 하루 동안 노출된다. 그 후에, 가공물은 열간 프레스 가공에 필요한 각각의 성형 온도까지 가열되고, 가열된 가공물은 성형 공구 내에서 성형된다. 이러한 방식으로, 성형 공구 내에서 가공물과 공구 사이에 발생하는 마찰을 감소시키는 것이 실제로 가능하다. 그러나, 정확히 미리 설정된 분위기에서 적어도 하루의 작업 시간을 필요로 하는 코팅 공정은 판상 강 제품의 대규모 생산에 적합하지 않으며, 경제적인 생산을 위해서는 중단 없는 연속적인 생산 공정이 필수적이다. 또한, 공지의 방법은 예를 들어 Zn 피막을 구비하는 판상 강 제품의 성형성(formability)을 향상시키는 데에는 적합하지 않다.
유럽 공개 특허 공보 제EP 1 143 029 B1호 미국 공개 특허 공보 제US 2010/0269558 A1
전술한 종래 기술과 관련하여, 본 발명의 목적은 열간 프레스 가공을 위한 최적의 적합성을 갖는 Zn-계 피막을 구비하는 판상 강 제품을 생산하는 것이다. 또한, 그와 같은 판상 강 제품의 제조를 가능하게 하는 방법 및 그와 같은 판상 강 제품으로부터 부품의 제조를 가능하게 하는 방법이 제안된다.
판상 강 제품과 관련하여, 이러한 목적은 청구항 1에 제시된 특징을 구비하는 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 판상 강 제품의 제조를 위한 방법은 청구항 10에 제시된 방안을 포함한다.
본 발명에 따른 판상 강 제품으로부터 부품을 제조하기 위하여, 본 발명은 청구항 17에 제시된 방안을 제안한다.
본 발명의 바람직한 개선 형태 및 변형 형태들은 종속 청구항들에 제시되어 있고, 전반적인 본 발명의 사상과 함께 이하에 더욱 상세히 설명되어 있다.
열간 프레스 가공에 의해 부품으로 성형하기 위하여 제공되는 본 발명에 따른 판상 강 제품은 기재 층인 강을 구비하며, 그 위에 Zn 또는 Zn 합금으로 형성된 부식-방지 금속 층(corrosion-protective metallic layer)이 도포된다.
본 발명에 따르면, 판상 강 제품에는, 자유 표면들 중 적어도 하나에, 비금속(base metal)의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물을 함유하는 별도의 덮개 층이 또한 제공된다. 본 발명에 따르면, 덮개 층은 본 발명에 따른 판상 강 제품 상에 선택적으로 존재하는 다른 피막들과는 독립적이고 별도의 작업 공정에서 도포된다. 이 덮개 층은 윤활제 방식으로 작용하고, 따라서 열간 프레스 가공에 의하여 부품으로 성형하기 위한 본 발명에 따른 판상 강 제품의 적합성을 향상시킨다.
본 발명에 따라 존재하는 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물 또는 인산염 화합물은 비금속으로부터 형성되며, 비금속은 본 발명의 관점에서 통상의 조건에서도 대기의 산소와 반응하는 모든 금속을 포함한다. 또한, 비금속은 알칼리 토금속, 알칼리 금속 및 준금속(metalloid)라고도 지칭되는 반금속(semimetal), 및 천이 금속(transition metal)을 포함한다.
본 발명에 따라 제조된 판상 강 제품의 강 기재 층은, 종래 기술에서의 여러 실시 형태들에 이미 제공된 바와 같은 Mn-합금 강을 전형적으로 포함한다. 그와 같은 강은, 필요한 강도 수준을 달성하기 위하여, 0.1 중량% 내지 3 중량% Mn의 전형적인 함량과 B의 함량을 함유한다. 그와 같은 강으로 이루어진 그와 같은 판상 강 제품은 일반적으로 부식에 극히 민감하고, 따라서 부식으로부터의 보호를 위하여 Zn-계 금속 보호 층으로 코팅된다. 판상 강 제품의 강 기재 층에 Zn 또는 Zn 합금의 부식-방지 층이 도포되고 그 위에 덮개 층이 도포되는 경우에, 본 발명에 따른 덮개 층은 그와 같은 판상 강 제품의 열간 프레스 가공에 특히 유효한 것으로 입증되었다.
본 발명의 방식으로 금속 Zn 또는 Zn-합금 보호 층과 그 위에 존재하는 덮개 층을 구비하는 판상 강 제품의 열간 프레스 가공 시에는, 동일 보호 층을 구비하지만 본 발명에 따른 덮개 층을 구비하지 않는 비교 제품이 열간 프레스 가공될 때에 비하여, 대략 80% 적은 균열이 형성된다.
본 발명에 따라 제공된 덮개 층에 존재하는 화합물은, 예를 들면 Mg3Si4O10(OH)2, MgO 또는 CaO3와 같은 알칼리 토금속의 화합물, K2Co3 또는 Na2Ca3와 같은 알칼리 금속 화합물, BN, Al2O3(입방정), SiO2, SnS, SnS2와 같은 반금속의 화합물, 및 Cr2O3, Fe2O3, Mn2O3, ZnS와 같은 천이 금속의 화합물을 포함한다.
본 발명에 따른 덮개 층은, 각 성형 공구 내에서 본 발명에 따른 판상 강 제품의 성형 중에, 결정적인 마찰 감소를 일으킨다. 이는 특히 덮개 층 내에 본 발명에 따라 제공된 금속 화합물이 입자의 형태로 도포되는 경우에 적용되는데, 이 경우에는 입자들이 함께 치밀한 고밀도 덮개 층을 형성할 가능성이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 판상 강 제품의 성형 시에, 화합물 내의 입자의 평균 직경이 0.1㎛ 내지 3㎛에 이르면, 최적의 결과가 달성된다.
대안적으로, 본 발명에 따른 덮개 층은 용액으로 도포될 수도 있으며, 건조 중에 용액으로부터 금속 염이 형성되어 판상 강 제품 상에 결정질 피막을 형성시킨다.
이와 관련하여 본 발명에 따른 덮개 층의 조성의 특별한 장점은, 본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품의 열간 성형이 실시되는 고온에서도, 그 효과를 신뢰적으로 발휘한다는 점이다. 본 발명에 따라 도포된 덮개 층은 특별한 조치를 필요로 하지 않고 각각의 강 기판(steel substrate)에 견고히 부착됨으로써, 판재의 가열을 위하여 사용된 노 내에서 그리고 성형 공구 내에서 최소 마멸 및 미약한 점착만이 일어난다.
후자의 특성은, 연속 통과로(continuous passage oven) 내에서 회전하는 노 롤러 상에서, 본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품이 전진하여 성형 온도까지 가열되는 경우에, 특히 바람직한 것으로 입증되었다. 여기에서, 본 발명에 따른 판상 강 제품 상에 본 발명에 따라 구성된 덮개 층은 노 롤러에 미약한 정도로 점착될 뿐이고, 따라서 롤러 상에서의 마모 및 유지를 위해 필요한 비용이 최소화된다.
이와 관련된 실제 실험에 의하면, 열간 프레스 가공에 전형적인 온도 범위인 700℃ 내지 950℃에서 직접적인 온도 응력을 받은 후에도, 본 발명에 따라 구성된 덮개 층은 충분히 장시간 동안 모든 필요 물성을 유지하고, 특히 본 발명에 따라 코팅된 각각의 판상 강 제품의 성형을 완료하기에 충분한 장시간 동안 고온에서 안정성을 유지하는 것으로 밝혀졌다.
본 발명에 따른 덮개 층은, 열간 성형을 위한 가열 단계 중에 금속 Zn-계 피막의 바람직한 산화물 형성에 악영향을 미치지는 않는다. 또한, 본 발명에 따른 덮개 층의 존재는 후속 처리에 있어서 단점을 야기하지도 않는다. 특히, 본 발명에 따른 덮개 층은 용접성, 접착성, 도장성 또는 다른 피막의 도포 적합성을 방해하지 않는다. 결과적으로, 열간 프레스 가공 단계와 제조된 부품에 후속하여 실시되는 작업 단계 사이에, 본 발명에 따른 덮개 층을 제거할 필요가 없다.
본 발명에 따라 도포된 덮개 층은, 후속 열간 프레스 가공을 위한 가열 중에, 판상 강 제품의 각각의 표면에 형성되는 실질적인 기부 조도(base roughness)를 브리징한다. 이와 관련된 실제 실험에 의하면, 본 발명에 따라 도포된 덮개 층은 가능한 한 얇아야 하고, 특히 0.1㎛ 내지 5㎛ 두께에 불과하여야 하는 것으로 밝혀졌다.
특히, 본 발명에 따라 판상 강 제품의 보호 피막에 도포되는 덮개 층의 코팅 중량은, 마무리된 제품 상에서 15g/m2에, 특히 5g/m2까지 달하여야 한다. 첫 번째로, 그와 같은 코팅 중량에 의하여, 성형 공구 내에서 덮개 층의 마찰 감소 효과가 최대한으로 활용될 수 있다. 두 번째로, 본 발명에 따른 얇은 덮개 층에 의하여, 본 발명에 따른 판상 강 제품의 추가 처리에서 실시되는 작업 단계들에 미치는 악영향들이 특히 신뢰적으로 배제된다.
Mn-함유 강 기판에 Zn 또는 Zn-합금 피막이 높은 정밀도로 도포될 수 있으므로, 0.3 중량% 내지 3 중량% Mn을 함유하는 강에 ZnNi-합금 피막과 같은 Zn-합금 피막이 전해 도포되어 있는 판상 강 제품을 본 발명에 따라 코팅하여 성형함에 있어서, 최적의 작업 결과가 달성된다. 열간 프레스 가공 시에, 그와 같은 판상 강 제품은, 본 발명의 방식으로 마찰-감소 덮개 층이 제공되면, 균열에 대한 최소 감수성을 나타낸다.
따라서, 본 발명에 의하여, 응력 균열이 발생할 위험이 최소한으로 감소된 판상 강 제품이 제공된다.
생산성의 이유에서, 본 발명에 따른 덮개 층의 결정적 장점은, 판상 강 제품의 강 기재 층의 금속 보호 피막에 도포하는 공정이 연속 제조 공정 내에 용이하게 병합될 수 있다는 것이다.
전술한 판상 강 제품의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법은 적어도 이하의 작업 단계들을 포함한다.
- 표면들 중 적어도 하나에 Zn 또는 Zn 합금으로 형성된 금속 보호 층으로 코팅되어 있는 강 기재 층을 포함하는 판상 강 제품을 준비하는 단계와,
- 판상 강 제품의 금속 보호 층에, 중량%로, 5% 내지 50%의 비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물, 1% 내지 20%의 결합제 및 잔부 용제로 이루어진 코팅 유체를 도포함으로써, 판상 강 제품에 덮개 층을 도포하는 단계와,
- 덮개 층의 두께를 설정하는 단계와,
- 덮개 층을 건조하는 단계.
본 발명에 따른 판상 강 제품의 코팅을 위하여 제공된 작업 단계들은, 금속 Zn-계 보호 층의 도포에 필요한 공정 단계 후에, 금속 Zn-계 보호 층의 도포에 필요한 작업 구역(workstation)과 정렬되어 위치하고 그러한 작업 구역의 최후방에서 나오는 판상 강 제품이 중단 없는 연속 이동 공정에 의해 진입하는 코팅 설비 내에서, 예를 들면 용융 침지 코팅(hot dip coating) 또는 전해 코팅(electrolytic coating) 장치 내에서 실시될 수 있다. 당연히, 덮개 층은 별도의 연속 작업 설비에서 도포될 수도 있다.
판상 강 제품의 금속 Zn-계 보호 층에 도포되는 코팅 유체의 추가 구성물의 양에 의존하여, 본 발명에 따른 처리에 있어서, 20% 내지 98%의 해당 비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물 및 다른 성분들의 잔부로 이루어진 덮개 층이 형성된다.
본 발명에 따라 도포된 코팅 유체 내에 함유된 각각의 비금속의 화합물은 열간 프레스 가공 중에 공구 내에 존재하는 마찰의 최소화에 중요한 기여를 하며, 코팅 유체 내에 또한 존재하는 결합제(binder)는, 코팅 유체에 의해 형성된 덮개 층이 판상 강 제품 상에 Zn 또는 Zn 합금으로 이루어진 금속 보호 층에 충분히 견고하게 결합되는 것을 보장한다.
상기 결합제는 예를 들면 물 유리(water glass) 또는 셀룰로오스와 같은 유기 또는 무기 결합제일 수 있다. 상기 결합제는 본 발명에 따라 도포된 피막을 Zn-계 보호 층에 고정하고, 본 발명에 따라 도포된 피막이 시트 성형 공정 전에 탈락하는 것을 방지한다.
천연 또는 합성 유기 결합제가 사용되면, 코팅 유체용 용제로서 물이 문제없이 사용될 수 있도록, 결합제는 수용성이고 용이하게 분산될 수 있는 것이 바람직하다. 해당 유기 결합제의 예는 셀룰로오스 에스테르, 질산셀룰로오스(cellulose nitrate), 셀룰로오스 아세토부티레이트, 스티렌 아크릴아세테이트, 아세트산 폴리비닐, 폴리아크릴레이트, 실리콘 수지(silicone resin) 및 폴리에스테르 수지이다. 유기 결합제는, 코팅 유체의 도포 또는 건조 중에 또는 열간 성형을 위하여 실시되는 가열 중에, 최소 잔사(residue)를 남기고 연소되도록 선정되어야 한다. 이는 결합제가 용접성에 신뢰적으로 악영향을 미치지 않는다는 장점이 있다. 또한, 유기 결합제는 연소 공정(열간 성형) 중에 유해한 폭발성 또는 부식성 화합물의 방출을 초래할 수 있는 불소, 염소 또는 브롬과 같은 할로겐을 함유하지 않아야 한다.
무기 결합제가 사용되면, 특히 양호한 코팅 결과가 또한 나타난다. 가열 및 프레스 경화 공정 후에, 이러한 무기 결합제는 판상 강 제품 상에 잔류함으로써, 마무리된 제품의 덮개 층 내에 흔히 검출하기도 한다. 해당 유형의 무기 결합제의 전형적인 예는 실리잔(silizane), 규산칼륨(potssium silicate)(K2O-SiO2), 규산나트륨(sodium silicate)(Na2O-SiO2), (H2SiO3) 또는 SiO2이다.
본 발명에 따라 도포된 코팅 유체의 다른 구성물들을 함유하는 용제인 액상 담체(liquid carrier)는, 덮개 층의 건조 중에 용이하게 증발하고 환경적으로 무해한 처리에 의해 저비용으로 수증기로 추출될 수 있는 물인 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 도포된 코팅 유체의 용제 양은 전형적으로 15 중량% 내지 80 중량%이고, 특히 일반적으로 50 중량%를 초과한다. 용제로서 물 대신에, 급속히 증발하고 도포 영역 내에서 사람이나 설비에 위험하지 않다면, 유류 또는 알코올이 사용될 수도 있다.
금속 Zn-계 보호 층에 본 발명에 따라 도포된 코팅 유체는, 주요 구성물인 "비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물" 및 결합제와 함께, 예를 들면 젖음성(wetting property) 또는 본 발명에 따라 함유된 화합물의 분산성을 향상시키는 구성물을 함유할 수 있다.
실제 실험에 의하면, 코팅 유체가 5 중량% 내지 35 중량%의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물 성분을 함유하는 경우에, 최적의 코팅 결과가 달성되는 것을 밝혀졌다. 코팅 유체 내의 그와 같은 해당 화합물 성분의 양에 의하여, 94 중량%까지의 비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물로 이루어진 덮개 층이 달성된다.
공정 시간의 최소화 및 코팅 결과의 최적화와 관련하여, 도포 시의 코팅 유체의 온도가 20℃ 내지 90℃, 특히 60℃ 내지 90℃이면 바람직하다. 코팅 유체의 도포 시에 판상 강 제품의 온도가 5℃ 내지 150℃, 특히 40℃ 내지 120℃이면, 동일한 목적이 달성된다. "덮개 층의 도포" 작업 단계에 바람직한 판상 강 제품의 온도는, 작업 단계들의 적절한 근접 연속에 의하여, 선행 "금속 보호 층의 도포" 작업 단계의 전방에서 달성될 수 있다. 이 경우에, 추가 가열 장치가 필요하지 않게 된다.
대안적으로, 열간 프레스 가공 전의 준비 작업 단계 중에, 본 발명에 따른 덮개 층을 도포하는 것도 가능하다. 여기에서, 열간 프레스 가공에 필요한 가열은 덮개 층을 건조하는 데에 이용될 수 있다. 판상 강 제품을 Zn 보호 층으로 코팅한 후에 우선 후속 처리 구역으로 이송하고, 그 곳에서 판상 강 제품이 열간 성형에 필요한 온도까지 가열되는 열간 성형로(hot forming oven)에 진입하기 직전에, 덮개 층을 도포하는 것도 적절할 수 있다.
코팅 유체는 침지(dipping), 분사 또는 종래의 기타 도포 공정에 의하여 도포될 수 있다.
층 두께는, 압착-압연(squeeze-rolling), 송풍에 의한 과잉 유체의 제거(blow off), 코팅 유체의 고형 비율의 변경, 또는 코팅 유체의 온도 변경에 의한 일반적인 방법으로, 미리 정해진 각각의 층 두께, 바람직하게는 0.1㎛ 내지 5㎛의 범위 내로 설정될 수 있다.
본 발명에 따라 도포된 덮개 층은 전형적으로 100℃ 내지 300℃에서 건조되며, 전형적인 건조 시간은 5초 내지 180초의 범위이다. 건조 온도와 건조 시간 모두는, 각각의 판상 강 제품이 연속적인 공정으로 안내되어 통과하는 일반적인 건조 장치 내에서 용이하게 실시될 수 있도록 설정된다.
본 발명의 방식으로 코팅된 강 스트립은 그 후에 코일로 권취되고 추가 처리를 위하여 이송될 수 있다. 본 발명에 따른 판상 강 제품으로부터 부품을 제조하기 위하여 필요한 추가 공정 단계들은, 별도의 위치와 시간에 추가 처리 구역에서 실시될 수 있다.
성형 중에 성형 공구와 본 발명에 따른 덮개 층을 구비하는 판상 강 제품의 접촉에 의해 발생하는 마찰이 최소화되므로, 본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품으로부터, 성형을 위하여 높은 신장 성형도(degree of stretching) 또는 복잡한 구조의 변형을 필요로 하는 무-균열 부품(crack-free component)이 열간 프레스 가공에 의하여 제조될 수 있다. 여기에서, 열간 프레스 가공된 부품의 제조를 위한 본 발명에 따른 방법에 있어서는, 공지의 방식으로, 예를 들면 레이저 절단에 의하여 또는 다른 일반적인 절단 장치의 사용에 의하여, 본 발명에 따른 유형의 덮개 층을 구비하는 판상 강 제품으로부터 판재가 절단된 후에, 그 판재는 700℃를 초과하는 성형 온도까지 가열되고 성형 공구 내에서 부품으로 성형된다. 실용적으로, 전형적인 성형 온도는 700℃ 내지 950℃의 범위이고, 가열 시간은 3분 내지 15분이다.
기재 층이 0.3 중량% 내지 3 중량% Mn을 함유하는 강으로 이루어진 판상 강 제품을 처리하는 경우에, 최적의 작업 결과는 예를 들어 판재 또는 부품의 온도가 최대 920℃, 특히 830℃ 내지 905℃일 때에 달성된다. 이는, 특히 판재 또는 부품 온도까지의 가열 후에, 가열된 판재("직접적인" 방법) 또는 가열된 강 부품("간접적인" 방법)이 그 후에 소정의 온도 손실과 함께 사용되는 성형 공구 내에 배치되어, 강 부품의 성형이 열간 성형으로서 실시되는 경우에 적용된다. 가열로를 떠날 때의 판재 또는 부품 온도가 850℃ 내지 880℃에 이르면, 각각의 최종 열간 성형은 특히 신뢰적으로 실시될 수 있다. 이송 경로, 이송 시간 및 주위 조건에 의존하여, 실제로 공구 내의 부품 온도는 가열로를 떠날 때의 온도보다 일반적으로 100℃ 내지 150℃ 낮다.
그와 같은 높은 온도에서 성형에 의해 제조된 부품은, 부품 내에 경화 조직을 생성하고 따라서 최적의 부하-지지 능력(load-bearing capacity)을 달성하도록, 공지의 방법으로 각각의 성형 온도에서부터 가속 방식으로 냉각될 수 있다.
본 발명에 따라 도포된 덮개 층에 의하여 성형 공구 내에서 감소된 마찰은, 본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품의 강 기판의 균열 및 마멸에 대한 감수성 둔화에 의하여, 본 발명에 따른 판상 강 제품이 1단(single-stage) 열간 프레스 가공에 적합해질 수 있게 한다. 상기 1단 열간 프레스 가공에 있어서, 강 부품의 열간 성형 및 냉각은 미리 실시된 가열로부터의 열을 활용하여 각각의 성형 공구 내에서 하나의 공정으로 실시된다.
본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품의 특성은 2단 열간 프레스 경화에도 마찬가지로 바람직한 효과를 물론 미친다. 이러한 공정 변형 형태에 있어서는, 우선 판재가 성형된 후에 이 판재로부터 중간 열처리 없이 강 부품이 성형된다. 여기에서, 강 부품은 전형적으로 1회 이상의 냉간-성형 작업이 실시되는 냉간-성형 공정에 의해 성형된다. 냉간 성형도는 제조된 강 부품이 실질적으로 완전히 성형되도록 높을 수 있다. 그러나, 예비 성형(preforming)으로서 제1 성형을 실시하고, 가열 후에 최종적으로 성형 공구 내에서 강 부품을 성형하는 것도 가능하다. 이러한 최종 성형은, 적절한 성형 공구 내에서 성형 경화(form hardening)로서 경화가 실시되는 경화 공정과 조합될 수 있다. 강 부품은 최종 마무리 형상이 반영된 공구 내에 배치되고, 바람직한 경화 또는 소둔 조직이 형성되도록 충분히 급속하게 냉각된다. 따라서, 성형 경화는 강 부품의 특히 양호한 형상 안정성(form stability)을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법의 2가지 실시 형태들 중에서 어느 것이 사용되는지와는 무관하게, 경화 또는 소둔 조직을 형성하기 위하여 필요한 성형 또는 냉각은, 종래 기술과는 구별되는 특별한 방식으로 실시될 필요가 있는 것은 아니다. 널리 공지되어 있는 방법 및 기존의 설비가 이러한 목적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따라 제조된 부품은 그 후에 일반적인 접합 및 코팅 공정에 제공될 수 있다.
본 발명에 따라, 열간 프레스 가공을 위한 최적의 적합성을 갖는 Zn-계 피막을 구비하는 판상 강 제품을 제공할 수 있다.
성형 중에 성형 공구와 본 발명에 따른 덮개 층을 구비하는 판상 강 제품의 접촉에 의해 발생하는 마찰이 최소화되므로, 본 발명에 따라 코팅된 판상 강 제품으로부터, 성형을 위하여 높은 신장 성형도 또는 복잡한 구조의 변형을 필요로 하는 무-균열 부품이 열간 프레스 가공에 의하여 제조될 수 있다
본 발명은 예시적 실시 형태와 관련하여 이하에 더욱 상세히 설명되어 있다.
<실험 1>
냉간-압연되고 재-결정 소둔된 강 스트립으로서, "22MnB5"라는 명칭으로 공지되어 있고 스틸 코덱스 2004에 재료 번호 1.5528로 기재되어 있는 강으로 이루어지고 예를 들어 두께가 1.5mm인 강 스트립으로부터, 열간-프레스 가공된 부품의 제조를 위하여, 강 스트립은 인-라인 세정 처리에 의해 세정되었다. 그와 같은 세정 처리는, 브러시(brush)를 사용하는 분사 세정에 의한 알칼리 세정욕, 전해 탈지(electrolytic degreasing), 다시 브러시를 사용하여 실시되는 청정수 세척, 염산에 의한 산세(pickling) 및 추가 수세를 포함한다.
이러한 방식으로 미리 처리된 강 스트립에는, 부식 및 기타 침식으로부터 강 기판을 보호하는 Zn 또는 Zn-합금 피막을 형성하는 ZnNi-합금 피막이 전해 코팅 장치 내에서 코팅되었다. 여기에서 실시된 방안은 PCT 출원 공보 제PCT/EP2010/052326호에 상세히 설명되어 있으며, 그 내용이 본 출원 명세서 내에 이와 관련하여 개시 내용을 보완하기 위하여 포함된다.
그와 같이 10㎛ 두께의 ZnNi 보호 층으로 전해 코팅되고 120℃로 가열된 스트립 강은, 그 후에 본 발명에 따라 비금속의 탄산염으로서 20 중량%의 탄산칼슘과, 결합제로서 5 중량%의 규산염 화합물 K2O-SiO2와, 잔부 물을 함유하는 코팅 유체 내에 침지되었다. 이러한 방식으로 강 스트립의 ZnNi 보호 층에 도포된 덮개 층의 두께는, 아직 액상인 코팅 유체를 압착함으로써 설정되었으며, 그 후에 덮개 층은 건조로 내에서 건조되었다. 침지-코팅 후에 설정된 덮개 층의 두께는, 건조 공정의 종료 시에 강 스트립의 각 면에서 덮개 층 두께가 2㎛가 되도록 그 크기가 결정되었다. 건조로를 통과하여 이루어지는 건조는 120℃의 노 온도에서 5초 이내로 실시되었다. 층 두께는 대안적으로 비금속 화합물의 비율 변경, 욕 온도의 변경 또는 송풍에 의한 제거에 의해 설정될 수도 있다.
이러한 방식으로 코팅된 강 스트립으로부터 판재가 절단되었고 그 후에 열간 성형 온도까지 가열되었는데, 예를 들어 가열로를 떠날 때에 880℃에 달하였으며, 일반적인 1단 열간 프레스 경화 공구 내에서 강 부품으로 열간 프레스 가공된 후에, 강 기판 내에 경화 조직이 형성되도록 급속히 냉각되었다. 열간-프레스 가공되고 경화되어 제조된 강 부품에는 균열이 발생하지 않았다.
<실험 2>
제2 실험에서는, 강 재료 22MnB5로 이루어지고 용융 침지 코팅과 후속 갈바닐링(galvannealing)에 의하여 일반적 방식으로 10㎛ 두께의 Ze-Fe 보호 층으로 코팅된 강 스트립으로부터, 판재가 절단되었다.
판재는 그 후에 120℃의 판재 온도에서 분사에 의하여 코팅 유체로 코팅되었으며, 코팅 유체는, 물과 함께, 본 발명에 따른 성형 보조제(forming aid)로서 단사정계 활석(monoclinic talc) 형태의 15 중량%의 비금속 수화물과, 덮개 층을 금속성 보호 피막에 결합시키는 무기 결합제로서 추가된 10%의 규산염 화합물 Na2O-SiO2를 함유하였다.
이러한 방식으로 도포된 덮개 층의 두께를 압착에 의하여 설정한 후에, 판재를 건조로에서 건조하였다. 층의 두께는 건조 후에 마무리된 덮개 층 두께가 면당 1.5㎛가 되도록 설정되었다. 건조는 NIR 건조 라인 내의 연속 통로 내에서 8초 이내로 실시되었다.
이와 같이 코팅된 판재는 가열로를 떠날 때의 판재 온도가 890℃에 이르는 조건으로 가열된 후에, 열간 프레스 가공에 의해 성형되고 후속 경화에 의하여 무-균열 강 부품이 제조되었다.
<실험 3>
용융 침지 및 후속 열처리에 의한 갈바닐링 공정에 의하여 10㎛ 두께의 Zn-Fe 보호 피막이 제공된 22MnB5 강의 강 스트립에, 보호 피막의 도포에 사용된 갈바닐링 코팅 설비로부터의 출구에서, 시간적으로 그리고 장소적으로는 용융-침지 공정 직후에, 60℃의 강 스트립 온도에서 코팅 유체의 분사에 의하여 덮개 층이 제공되었다. 본 발명에 따른 코팅 유체는, 질산붕소 형태의 15 중량%의 반금속 질화물과, 덮개 층과 강 스트립의 Zn-Fe 보호 피막을 결합시키는 무기 결합제로서 추가된 5 중량%의 규산염 화합물(Na2O-SiO2, K2O-SiO2)과, 잔부 물을 함유하였다.
보호 피막에 도포된 덮개 층의 두께는, 건조 상태에서 덮개 층의 두께가 면당 0.1㎛ 내지 5㎛이고 평균 1㎛가 되도록, 덮개 층이 아직 습윤 상태일 때에 설정되었다. 덮개 층의 두께는 분사 압력의 변경 및 코팅 설비로부터 나오는 강 스트립의 속도에 의하여 설정되었다.
덮개 층은 코팅 설비에 정렬되어 배치된 대류 건조기 내에서 120℃에서 180초 이내에 건조되었으며, 스트립은 건조기를 통과하여 코팅 설비까지 연속적으로 이동하였다. 따라서, 부식-방지 피막 및 덮개 층은 중단 없는 연속적인 통로 내에서 특히 경제적으로 도포될 수 있었다.
코팅된 강 스트립으로부터 판재가 절단되고 가열되었고, 가열로를 떠날 때에 판재 온도가 890℃이었으며, 그 후에 열간 프레스 가공과 후속 경화에 의하여 무-균열 강 부품으로 성형되었다.
<실험 4>
10㎛ 두께의 Zn-Ni 부식-방지 피막으로 전해 코팅된 22MnB5 강의 시트 강 판재에, 보호 피막의 제조로부터 시간적 및 장소적으로 분리된 공정에서 코팅 유체의 분사에 의하여, 판상 강 제품의 열간 프레스 가공에 필요한 890℃까지의 가열 직전에 덮개 층이 제공되었다. 이 경우에, 코팅 유체는 본 발명에 따른 방식으로 황화아연 형태의 25 중량%의 비금속 황화물과, 덮개 층을 금속성 보호 피막에 결합시키는 결합제로서 추가된 2% 실리잔과, 잔부로서 고휘발성 광유(mineral oil)를 함유하였다.
이러한 방식으로 도포되어 아직 습윤 상태의 덮개 층의 두께는, 판재의 각 면에 1㎛ 내지 6㎛이고 평균 3㎛가 되도록 설정되었다. 층 두께는 분사 압력 및 열간 프레스 가공을 위하여 필요한 열간 성형 온도까지 판재가 가열되는 가열 라인으로의 입구에서의 기판 속도의 변경에 의하여 설정되었으며, 가열 라인을 떠날 때의 온도는 880℃이었다. 덮개 층은 가열 라인의 제1 구획 내에서 건조되었으며, 이 구획은 나머지 가열 라인과는 별도로 또는 함께 설계될 수 있다.
이러한 방식으로 코팅된 강 판재는 그 후에 가열되었고, 가열로를 떠날 때에 판재 온도가 860℃이었으며, 열간 프레스 가공과 후속 경화에 의하여 무-균열 강 부품으로 성형되었다.
<실험 5>
22MnB5 강으로 이루어진 1.5mm 두께의 강 시트가 전해 코팅 및 후속 열처리에 의하여 10㎛ 두께의 갈바닐링된 Zn-Fe 보호 층으로 코팅되었으며, 120℃의 시트 온도에서 코팅 유체 내에 침지되어 덮개 층이 코팅되었다.
여기에서, 코팅 유체는, 물과 함께, 본 발명에 따라, 탄산칼슘(CaCO3) 형태의 25 중량%의 알칼리 토금속 탄산염과, 덮개 층을 금속 보호 피막에 결합시키기 위하여 코팅 유체의 물에 용해된 결합제로서 8 중량%의 셀룰로오스 에스테르를 함유하였다. 물의 증발 후에, 유기 필름 형성제(organic film former)는 Zn-계 보호 피막 상의 탄산칼슘 입자의 양호한 부착성과 투묘성(anchoring)을 보장하였으며, 강 시트로부터 열간-프레스 가공된 부품의 특히 양호한 용접성에 기여하였다.
이 경우에 보호 피막에 도포된 덮개 층의 두께는, 건조 후에 덮개 층이 면당 0.1㎛과 5㎛ 사이이고 평균 2.5㎛의 두께가 되도록, 습윤 상태에서 설정되었다. 습윤 덮개 층의 층 두께는, 과잉 코팅 유체를 송풍에 의해 제거함으로써 설정되었다. 여기에서도, 전술한 다른 예시적 실시 형태들 모두에서와 마찬가지로, 대안적으로 또는 부가적으로, 덮개 층의 두께는 코팅 유체의 고형 비율 또는 욕 온도의 변경에 의하여 설정될 수 있다. 층 두께의 설정 후에, 덮개 층은 연속 통과로(continuous passage oven) 내에서 150℃에서 5초 이내에 건조되었다.
보호 피막과 그 위에 본 발명에 따른 덮개 층을 구비하는 시트 강은 그 후에 가열로에서 가열되었고, 가열로를 떠날 때의 판재 온도가 880℃이었으며, 열간 프레스 가공과 후속 경화에 의하여 무-균열 강 부품으로 성형되었다.
<실험 6>
22MnB5 강으로 이루어진 시트 강이 용융-침지 코팅에 의하여 10㎛ 두께의 Zn-Ni 부식-방지 피막으로 코팅되었다. 그 후에, 부식-방지 피막을 구비하는 20℃ 온도의 시트 강 판재에, 본 발명에 따른 방식으로 단사정계 활석 형태로 15 중량%의 비금속 수화물을 함유하는 코팅 유체가 분사되어 덮개 층이 도포되었다.
또한, 덮개 층을 금속 보호 피막에 결합시키기 위하여, 코팅 유체는 결합제로서 수중 분산으로 중합된 10 중량%의 아세트산비닐을 추가로 함유하였다. 이러한 유기 결합제는 가교(cross-linking)에 의하여 Zn-계 피막으로의 마그네슘-규산염-수화물의 양호한 투묘성을 보장하였다. 코팅 유체의 잔부는 물로 이루어졌다.
덮개 층의 두께는, 아직 액상인 덮개 층을 압착함으로써 설정되었다. 압착 후에, 140℃의 건조 온도에서 8초 이내로 건조가 실시되었다. 보호 피막에 도포된 덮개 층의 두께는, 건조 상태에서 덮개 층이 면당 0.1㎛과 5㎛ 사이이고 평균 2㎛의 두께가 되도록, 습윤 상태에서 설정되었다.
시트 강 판재는 그 후에 920℃의 판재 온도까지 가열되어 가열로를 떠났으며, 열간 프레스 가공과 후속 경화에 의하여 무-균열 강 부품으로 성형되었다.
<실험 7>
10㎛ 두께의 Zn-Mg 부식-방지 피막으로 전해 코팅된 28MnB5 강으로 이루어진 시트 강 판재에, Zn-Mg 보호 피막의 제조 후에 바로, 시간과 장소에 있어서 분리된 공정에서 코팅 유체가 분사되어 덮개 층이 코팅되었다.
이 경우에, 코팅 유체는, 물과 함께, 황산아연 형태의 25 중량%의 비금속의 황화물과, 덮개 층을 금속 보호 피막에 결합시키는 결합제로서 추가된 7%의 실리잔을 함유하였다. 이러한 방식으로 도포된 습윤 층은 그 후에 NIR 건조기 내에서 건조되었다. 습윤 층은 면당 3㎛의 건조 층을 제공하도록 설정되었다. 건조는 연속 통로 내에서 3초의 시간 내로 실시되었다.
이러한 방식으로 코팅된 판재는, 가열로를 떠날 때에 판재 온도가 890℃에 이르는 조건으로 가열된 후에, 열간 프레스 가공과 후속 경화에 의하여 무-균열 부품이 제조되었다.

Claims (18)

  1. 열간 프레스 가공에 의하여 부품으로 성형하기 위하여 제공되며,
    강으로 이루어진 기재 층을 구비하고, 그 위에 부식에 대한 보호를 위하여 Zn 또는 Zn 합금에 의해 형성된 금속 보호 피막이 도포되어 있는 판상 강 제품에 있어서,
    판상 강 제품의 자유 표면들 중 적어도 하나에는, 비금속(base metal)의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물을 함유하는 별도의 덮개 층이 도포되어 있고, 화합물의 비금속은 "Na, K, Mg, Ca, B, Al, Sn, Cr, Mn"의 그룹에 속하며, 덮개 층은 두께가 0.1㎛ 내지 5㎛인 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  2. 제1항에 있어서,
    화합물의 비금속은 알칼리 토금속의 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  3. 제1항에 있어서,
    화합물의 비금속은 알칼리 금속의 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  4. 제1항에 있어서,
    화합물의 비금속은 반금속의 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  5. 제1항에 있어서,
    비금속은 천이 금속의 그룹에 속하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  6. 제1항에 있어서,
    덮개 층 내에 존재하는 화합물은 입자 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  7. 제6항에 있어서,
    화합물 입자의 평균 직경은 0.1㎛ 내지 3㎛인 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  8. 제1항에 있어서,
    덮개 층은 20% 내지 98%의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  9. 제1항에 있어서,
    판상 강 제품이 0.3 중량% 내지 3 중량% 망간을 함유하는 강 재료로 제조된 것을 특징으로 하는 판상 강 제품.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따라 구성된 판상 강 제품의 제조 방법으로서,
    - Zn 또는 Zn 합금으로 형성된 금속 보호 층을 구비하는 판상 강 제품을 준비하는 작업 단계와,
    - 중량%로, 5% 내지 50%의 비금속의 산화물, 질화물, 황화물, 탄화물, 수화물 또는 인산염 화합물과, 1% 내지 20%의 결합제와, 잔부 용제를 함유하는 코팅 유체를 판상 강 제품의 금속 보호 층에 도포함으로써, 판상 강 제품에 덮개 층을 도포하는 작업 단계로서, 화합물의 비금속은 "Na, K, Mg, Ca, B, Al, Sn, Cr, Mn"의 그룹에 속하며, 두께가 0.1㎛ 내지 5㎛인 상기 덮개 층을 도포하는 작업 단계와,
    - 덮개 층의 두께를 설정하는 단계와,
    - 덮개 층을 건조시키는 단계를 포함하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    코팅 유체는 5 중량% 내지 35 중량%의 화합물을 함유하는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    용제는 물인 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    도포 시의 코팅 유체의 온도는 20℃ 내지 90℃인 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    코팅 유체의 도포 시의 판상 강 제품의 온도는 5℃ 내지 150℃인 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    덮개 층은 100℃ 내지 300℃에서 건조되는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    덮개 층은 5초 내지 180초 이내에 건조되는 것을 특징으로 하는 판상 강 제품의 제조 방법.
  17. 열간 프레스 가공된 부품의 제조 방법으로서,
    제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 따라 구성된 판상 강 제품으로부터 판재를 절단하고, 700℃를 초과하는 성형 온도까지 판재를 가열하고, 성형 공구 내에서 판재를 부품으로 성형하는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 가공된 부품의 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    성형된 부품은, 부품 내에 경화 조직이 생성되도록, 성형 온도로부터 가속 방식으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 열간 프레스 가공된 부품의 제조 방법.
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