KR20180009774A - 오스테나이트 강으로 만들어진 부품의 제조 방법 - Google Patents

오스테나이트 강으로 만들어진 부품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TWIP 효과를 이용하여 오스테나이트 망간 합금강으로 만들어진 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 부품(1)은 부품(1)의 각 구역(A, B, C, D)에서 0.5 내지 2 밀리미터의 범위에서의 본질적으로 동일한 두께를 갖지만, 부품(1)이 상이한 기계적 특성 값을 갖는 적어도 2 개의 구역을 구비하도록, 상기 부품(1)이 변형된다.

Description

오스테나이트 강으로 만들어진 부품의 제조 방법
본 발명은 전체 부품에 대해 본질적으로 동일한 두께이지만 상이한 기계적 특성 값을 갖는 구역들을 구비한 부품을 달성하기 위하여 강의 트윕(TWIP : Twinning-Induced Plasticity) 효과를 이용하여 오스테나이트 망간 합금강으로 만들어진 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
승용차, 트럭, 버스, 철도 또는 농업용 차량과 같은 운송 시스템용 부품을 제조할 때, TRIP(Transformation induced plasticity)을 실현하는 오스테나이트 또는 페라이트 강들이 사용된다. 안전 요건을 충족시키는 데 얼마나 높은 강도 및 재료 두께가 필요한지가 계산된다. 그러나 요구되는 것보다 더 큰 두께를 갖는 부품의 구역들이 존재할 경우, 이것은 "과도하게 설계된" 것으로 형성된다. 따라서, 올바른 장소에 적절한 재료가 있도록 하는 배치가 이용된다. 이러한 가능성을 맞춤형 롤 포밍(tailored roll forming), 맞춤형 템퍼링(tailored tempering) 또는 맞춤형 용접 블랭크와 같은 "다중 재료 설계" 또는 "맞춤형 제품"이라 지칭한다. 이것은 실제로 균일한 재료 특성으로 계산되며 따라서 동일한 두께로만 구성하거나 다른 재료와 시트를 함께 구성하는 것을 의미한다.
US 2013048150호는 고망간 합금강의 TRIP 경화 효과를 이용하여, 특수한 탈탄 어닐링 공정에 의해 벽 또는 스트립 두께를 가로질러 조절 가능한 특성을 갖는 소재를 제조하는 방법을 개시하고 있다.
WO 2014180456호는 단지 하나의 재료의 오스테나이트 경량 구조용 강으로, 상이한 재료 특성을 갖는 부품을 제조하는 방법을 기술한다. 코어는 오스테나이트 경량 구조용 강이 변형 중에 온도 의존적인 변태 유기 소성(TRIP) 및/또는 쌍정 유기 소성(TWIP) 효과를 갖게 되는 특별한 성형에 의해 도달된다. 이 부품은 실온보다 높은 40 내지 160℃의 온도 변화 동안 높은 인성을 얻으며 실온보다 낮은 -65℃ 내지 0℃의 온도 변화 중에 높은 강도를 얻도록 만들어진다. 또한, US 2014328715호에는 0.018 중량% 미만의 C, 0.25 내지 0.75 중량%의 Si, 1.5 내지 2 중량%의 Mn, 17.80 내지 19.60 중량%의 Cr, 24.00 내지 25.25 중량%의 Ni, 3.75 내지 4.85 중량%의 Mo, 1.26 내지 2.78 중량%의 Cu, 0.04 내지 0.15 중량%의 N, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 TWIP 및 나노 쌍정 오스테나이트 스테인리스 강을 제조하는 방법에서의 극저온 처리가 개시되어 있다.
TWIP 효과는 화학적 조성, 오스테나이트 미세조직 경화 효과 및 적층 결함 에너지(20 - 30 mJ/m2)에 의존한다. TWIP 효과에서, 많은 양의 변형이 변형 쌍정의 형성에 의해 유도된다. 쌍정은 미세 구조가 더 미세하고 미세해질 때 높은 값의 순간 경화율을 유발한다. 결과적인 쌍정 경계는 결정립계 처럼 작용하며 강을 강화시킨다. 경화율 값은 약 30%의 공칭 변형에서 0.4의 값으로 증가한 후, 균일 연신율및 총 연신율이 모두 50%에 도달할 때까지 일정하게 유지된다.
또한, 상이한 화학 조성으로 TWIP 효과를 갖는 강의 제조 방법이 예를 들어 CN 103556052호, CN 102312158호, EP 2649214호, KR 20100028310호 및 KR 20100009222호에 개시되어 있다.
WO 2014/097184호는 에너지 흡수, 구조 보강 및/또는 딥 드로잉의 적용을 위한 복잡한 형상을 가지며 내식성이 요구되는 자동차 부품을 제조하기 위해, 중량%로 0.01 - 0.050 %의 C, 0.001 - 0.5 %의 Si, 6 - 12 %의 Mn, 11 - 20 %의 Cr, 0.01 - 6.0 %의 Ni, 0.01 - 2.0 %의 Mo, 0.01 - 2.0 %의 Co, 0.01 - 6.0 %의 Cu, 0.11 - 0.50 %의 N, 0.001 - 0.5 %의 Nb, 0.001 - 2.0 %의 Al, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 함유하는 TWIP 효과를 갖는 오스테나이트 스테인리스 강의 사용에 관한 것이다.
종래 기술은 TWIP 경화 효과를 갖는 강을 생산하거나 제조하는 방법 및 강에 대한 특별한 화학적 분석 방법을 기술하는 데 집중하고 있다. WO 2014/097184호는 자동차 부품용 강의 용도를 언급하고 있지만, WO 2014/097184호는 그 오스테나이트 계 스테인리스 강을 사용하여 어떻게 부품이 제조되는지를 기술하고 있지 않다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 제거하고, TWIP 효과를 이용하여 본질적으로 동일한 두께를 갖는 반제품을 상이한 기계적 특성 값을 갖는 구역들을 구비한 부품으로 성형하는 것에 의해 오스테나이트 망간 합금강으로 만들어진 부품을 제조하는 방법을 확립하는 것이다. 본 발명의 본질적인 특징들은 첨부된 청구 범위에 기재되어 있다.
본 발명의 방법에 따라, 망간 합금강으로 제조된 소재(workpiece)는 본질적으로 동일한 두께를 갖는 부품을 달성하기 위해 강의 TWIP 효과를 이용하여 변형되는데, 균일한 두께의 범위는 0.5 - 2.0 밀리미터이지만 부품에는 상이한 기계적 특성 값을 나타내는 적어도 2 개의 구역이 있다. 각 구역에 대한 바람직한 기계적 특성 값은 소재에 대해 실행되는 변형 수준 또는 변형 정도에 의존한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 예를 들어 강성, 에너지 흡수, 충돌 저항의 관점에서 상이한 거동을 나타내는 구역들을 갖는 부품을 달성하는 것이 가능하다.
TWIP 효과에서, 경화 수준은 변형 정도 또는 변형 수준(자연 변형률)에 의존하지만 변형 과정과는 무관하다. 따라서 DIN 8582에 따른 모든 성형 공정이 가능하다.
본 발명의 방법에서 변형되는 소재는 18 내지 30 mJ/m2의 적층 결함 에너지를 갖는 오스테나이트 강으로 만들어진다. 강의 망간 함량은 10 - 25 중량%, 바람직하게는 15 - 20 중량%이다. 바람직하게는 강은 탄소 함량과 질소 함량 (C + N)의 합이 적어도 0.4 중량%, 그러나 1.2 중량% 미만이 되도록 침입형의 분리된 질소 및 탄소 원자를 함유하고, 강은 유리하게 또한 10.5 중량% 이상의 크롬을 함유하며 오스테나이트 스테인리스 강이다. 강이 예를 들어 크롬과 같은 적어도 하나의 페라이트 형성제의 필수 성분을 함유하고 있는 경우, 강의 미세 조직에서 오스테나이트의 균형 잡힌 유일한 함량을 갖도록 망간, 탄소, 질소, 니켈 또는 구리와 같은 오스테나이트 형성제의 함량으로 보상이 이루어질 것이다.
본 발명에 따라 변형될 소재는 유리하게는 시트, 튜브, 프로파일, 와이어, 결합 리벳 또는 임의의 유사한 형상의 형태이며, TWIP 효과에 의해 변형하는 것에 의해서 변형 수준 또는 변형 정도에 따른 기계적-기술적 값의 국부적인 설정을 달성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 강의 경도 및 강도는 본 발명의 방법에 의해 증가한다.
본 발명의 일 실시예로서 변형 중에 TWIP 효과와 관련하여, 강은 오스테나이트의 마르텐사이트 상으로의 변태에 기초한 TRIP 효과를 또한 이용할 수 있다. 이 TRIP 효과는 적층 결함 에너지에 의존한다. 적층 결함 에너지가 18 - 20 mJ/m2의 범위에 있을 때, 변형 동안 TRIP 효과가 존재할 수 있는데, 이 경우에 일부 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태될 것이지만, 또한 이 경우에 대부분의 오스테나이트는 어떠한 상 변태도 없이 TWIP 효과를 나타낼 것이다.
본 발명에 따른 소재의 변형은 본질적으로 모든 일반적인 변형 공정으로 실행될 수 있다. 압연, 압인, 프레싱, 펀칭, 절단, 스탬핑 또는 잭킹과 같은 압력 변형 공정뿐만 아니라 딥 드로잉, 컵핑, 하이드로 포밍, 고압 성형, 칼라 성형 또는 벌징과 같은 푸시-풀 성형 공정(push-pull forming process)이 본 발명의 방법을 위해 적합하다. 엠보싱과 같은 인장 성형 공정 그리고 굽힘, 컬링, 밀봉 컬링 또는 좌굴에 의한 굽힘과 같은 굽힘 성형 공정이 이용될 수 있다. 또한, 전단 성형, 표면 뒤틀림 또는 폭발 성형과 같은 특수 성형 공정이 적합하다. 또한, 클린싱 또는 리벳팅과 같은 성형에 의존하는 결합 공정이 본 발명으로 이용될 수 있다.
변형 중에 본 발명의 소재는 부품 기능의 이용에 기초하여 부품에 대해 요구되는 형태 또는 기하학적 형상으로 변형된다. 대표적인 형태는 주름, 깃 가장자리, 접힘, 프레스 절단 및 절단 가장자리일 수 있다. 또한 부품의 형태 또는 기하학적 형상은 부품이 유리한 방식으로 다른 부품과 기계적으로 결합할 수 있도록 선택될 수 있다.
본 발명에 따라 소재를 원하는 부품으로 변형하는 것은 0 내지 400℃, 바람직하게는 20 내지 80℃의 온도 범위에서 실행된다.
본 발명에 따라 변형된 부품은 자동차, 트럭, 버스, 철도 또는 농업용 차량과 같은 운송 시스템뿐만 아니라 자동차 산업 및 바닥 패널과 같은 건물 및 철 구조물에 적용될 수 있다.
부품은 예컨대 다음과 같은 것으로 사용될 수 있다.
- 철도 차량에서의 측벽, 바닥 패널, 지붕, 계단 발판 또는 입구 부품,
- 승용차에서의 범퍼, 크로스 부재, 종방향 부재, 전방 벽, 휠 하우스, 대시보드 카울, 필러, 채널
- 농기계, 버스 또는 트럭에서의 성형 시트(sheet), 튜브 또는 프로파일
본 발명의 방법에 의해 제조된 부품을 사용하면, 연성이 있고 경화된 구역이 필요하다는 사실에 기초하여 부품의 구역을 한정하는 것에 의해 재료 특성으로서 충돌 중에 침입을 제어할 수 있다.
본 발명의 방법에 따라, 연성의 연한 재료로 성형 툴 내에 들어가서 고강도 부품이 얻어지는 것은 유리하다. 통상적으로, 종래 기술에서는 고강도 부품을 원할 경우, 동일한 고강도 재료로 성형 툴에 들어가고 빠져 나와야한다. 이 경우, 재료에 대한 변형 정도가 너무 크기 때문에 성형 공정 중에 재료 표면에 균열이 발생할 가능성이 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명된다.
도 1은 자동차의 b-필러로서 적용되는 부품에 대한 본 발명의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 부품의 구역들에서 측정된 인장 강도에 기초한 결과를 나타낸 도면이다.
도 1에서, 자동차의 b-필러(1)는 0.08 중량%의 탄소, 21 중량%의 망간, 13 중량%의 크롬, 0.5 중량% 미만의 니켈 및 0.40 - 0.45 중량%의 질소를 함유하고 1.0 mm의 균일한 두께를 갖는 오스테나이트 TWIP 강 시트로 제조된다. b- 필러(1)는 각각 30%, 30 - 35%, 7%, 15%의 변형율을 갖는 A, B, C, D의 4 개의 구역이 존재하도록 변형된다. 구역 A에는 5 개의 측정 지점 (1 ~ 5), 구역 B에는 5 개의 측정 지점 (6 ~ 10), 구역 C에는 7 개의 측정 지점 (11 ~ 17), 구역 D에는 7 개의 측정 지점 (18 ~ 24)이 있다.
도 2는 b-필러(1)의 각 측정 지점 (1 ~ 24)에서의 인장 강도 값을 나타낸다. 결과적으로, 변형율이 더 높은 구역이 인장 강도가 더 높다는 것을 알 수 있다.

Claims (13)

  1. TWIP 효과를 이용하여 오스테나이트 망간 합금강으로 만들어진 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    부품(1)은 부품(1)의 각 구역(A, B, C, D)에서 0.5 내지 2 밀리미터의 범위에서의 본질적으로 동일한 두께를 갖지만, 부품(1)이 상이한 기계적 특성 값을 갖는 적어도 2 개의 구역을 구비하도록, 상기 부품(1)이 변형되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    부품(1)의 각 구역(A, B, C, D)에 대해 요구되는 기계적 특성 값은 변형율에 의존하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    변형은 0 내지 400℃, 바람직하게는 20 내지 80℃의 온도 범위에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
    변형은 압력 변형 공정에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
    변형은 푸시-풀 성형 공정에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
    변형은 인장 성형 공정에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항 또는 제2항 또는 제3항에 있어서,
    변형은 굽힘 성형 공정에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강은 시트, 튜브, 프로파일, 와이어, 결합 리벳의 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강은 10 내지 25 중량%, 바람직하게는 15 내지 20 중량%의 망간을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강의 탄소 함량 및 질소 함량의 합(C + N)은 0.4 중량% 초과 1.2 중량% 미만인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강은 10.5 중량% 초과의 크롬을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강의 적층 결함 에너지는 18 - 30 mJ/m2인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    변형될 오스테나이트 강의 적층 결함 에너지는 18 - 20 mJ/m2이고, TWIP 효과와 관련하여 변형 중에 강에서 TRIP 효과가 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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