KR20180054460A

KR20180054460A - 열간 프레스 성형 방법 및 열간 프레스 성형품

Info

Publication number: KR20180054460A
Application number: KR1020170148638A
Authority: KR
Inventors: 에이이치 오타; 야스히로 요고; 도모아키 이하라; 시노부 오쿠마
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2016-11-14
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-05-24
Also published as: JP2018079484A; JP6424195B2; EP3323524A1; US11118242B2; BR102017024184A2; US20180135147A1; RU2680486C1; CN108070698A; US20210340643A1

Abstract

본 발명의 열간 프레스 성형 방법은, 강판(1, 2)을 가열하여 강판(1, 2) 전체를 오스테나이트로 하는 제1 가열 공정과, 제1 가열 공정 후의 강판(1, 2)의 냉각 속도를 부분적으로 바꾸어 강판(1, 2)의 일부인 제1 영역(11, 21)을 마르텐사이트로 변태시킴과 함께 제1 영역 이외의 제2 영역(12, 22)을 오스테나이트인 채로 두는 제1 냉각 공정과, 강판(1, 2) 전체를 재가열하여 제1 영역(11, 21)을 템퍼링 마르텐사이트로 하는 제2 가열 공정과, 제2 가열 공정 후의 강판(1, 2) 전체를 냉각하는 제2 냉각 공정을 구비한다. 제1 냉각 공정과 제2 냉각 공정 중 적어도 한쪽은, 강판(1, 2)을 성형 형에 의해 프레스 성형하는 성형 공정으로서 이루어진다.

Description

열간 프레스 성형 방법 및 열간 프레스 성형품 {HOT-PRESS MOLDING METHOD AND HOT-PRESS MOLDED PRODUCT}

본 발명은, 열간 프레스 성형 방법과 열간 프레스 성형품에 관한 것이다.

자동차나 가전 등의 각종 분야에서 프레스 성형품이 다용되고 있다. 프레스 성형품은, 통상 다이의 주연부와 블랭크 홀더(「주름 방지구」 등이라고도 함)에 의해 끼움 지지된 금속판을, 다이의 성형 오목부와 펀치의 성형 볼록부 사이에서 전신 또는 연신시키면서 원하는 형상으로 소성 변형시킴으로써 얻어진다. 이러한 프레스 성형에 의해, 복잡한 형상의 부재도 효율적으로 양산될 수 있다.

특히 자동차 분야 등에서는, 안전성, 환경성(저연비화) 등의 관점에서, 더 고강도이며 경량인 열간 프레스 성형이 다용되고 있다. 열간 프레스 성형은, 예를 들어 오스테나이트 영역까지 가열된 강판을, 금형(다이와 펀치)으로 프레스 성형함으로써, 성형과 열처리를 동시에 행하는 성형 방법이다.

열간 프레스 성형에 의하면, 워크(강판)가 고온에서 소성 변형되기 쉽기 때문에 높은 성형성이 얻어짐과 함께, 성형과 동시에 ??칭도 이루어지기 때문에 성형품의 고강도화(예를 들어, 인장 강도가 1500㎫ 이상)도 도모된다. 또한, 열간 프레스 성형은, 핫 프레스, 핫 스탬프 등이라고도 불리고 있다.

그런데, 열간 프레스 성형품(단순히 「프레스 성형품」 또는 「성형품」이라고도 함)은 통상, 전체가 ??칭됨으로써, 거의 그 전체가 균일하게 고강도로 되기 쉽다. 그러나, 하나의 프레스 성형품에서도, 부위에 따라 요구되는 특성이 상이한 경우는 많다. 예를 들어, 고강도가 요구되는 부위와 강도보다 고연성 또는 고인성 등이 요구되는 부위의 공존이 요구된다. 이러한 경향은, 프레스 성형품이 대형으로 될수록 현저해진다. 그래서, 열간 프레스 성형을 사용하면서, 부위마다 특성(예를 들어, 고강도부와, 고연성부 또는 고인성부)을 구분하여 제작하는 것이 제안되어 있다. 이것에 관한 기재가 하기의 특허문헌에 있다.

일본 특허 공개 제2011-174115호에서는, 특정 조성으로 이루어지는 강판 전체를 오스테나이트 영역(Ac₃점 이상)까지 가열한 후, 부위에 따라 냉각 속도를 변화시킴으로써, 부위(급랭부와 완랭부)마다 강도가 상이한 열간 프레스 성형품을 얻고 있다.

일본 특허 공개 제2012-144773호에서는, 열방사 흡수성이 우수한 흑색 마킹을 부분적으로 실시한 강판을 복사 전열 가열하고, 미리 강판에 온도 분포를 부여한 후, 그 강판을 급랭함으로써, 상이한 강도부를 갖는 열간 프레스 성형품을 얻고 있다.

본 발명은, 종래와는 상이한 방법에 의해, 부위에 따라 특성이 상이한 열간 프레스 성형품을 얻는 열간 프레스 성형 방법과, 종래와는 특성이 상이한 열간 프레스 성형품을 제공한다.

본 발명자는, 이 과제를 해결하기 위해 예의 연구한 결과, 일부가 ??칭된 프레스 성형품을 재가열하고, 다시 그 전체를 프레스 성형함으로써, 부위마다 특성(강도, 경도 등)이 상이한 열간 프레스 성형품을 얻는 것에 성공하였다. 이 성과를 발전시킴으로써, 이후에 서술하는 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

《열간 프레스 성형 방법》

(1) 본 발명의 제1 양태는, 강판을 가열하여 당해 강판 전체를 오스테나이트로 하는 제1 가열 공정과, 당해 제1 가열 공정 후의 강판 냉각 속도를 부분적으로 바꾸어 당해 강판의 일부인 제1 영역을 마르텐사이트로 변태시킴과 함께 제1 영역 이외의 제2 영역을 오스테나이트인 채로 두는 제1 냉각 공정과, 당해 강판 전체를 재가열하여 당해 제1 영역을 템퍼링 마르텐사이트로 하는 제2 가열 공정과, 당해 제2 가열 공정 후의 강판 전체를 냉각하는 제2 냉각 공정을 구비하고, 상기 제1 냉각 공정과 상기 제2 냉각 공정 중 적어도 한쪽은, 상기 강판을 성형 형으로 프레스 성형하는 성형 공정 중에 이루어지는 열간 프레스 성형 방법에 관한 것이다.

본 발명의 열간 프레스 성형 방법(단순히 「성형 방법」이라고도 함)에 따르면, 다음과 같이 하여 부위에 따라 특성(금속 조직)이 상이한 열간 프레스 성형품(단순히 「성형품」이라고 함)이 얻어진다.

우선, 제1 가열 공정에서 강판의 조직 전체를 오스테나이트로 한 후, 제1 냉각 공정에서 제1 영역을 급랭(??칭)하여 마르텐사이트로 하는 한편, 제2 영역을 완랭 또는 서랭하여 오스테나이트(A₁점 이하이고 Ms점 초과인 과랭 오스테나이트를 포함함)인 채로 유지한다. 이때, 당연히, 제1 냉각 공정 직후, 제1 영역은 Ms점(마르텐사이트 변태 개시 온도) 미만의 저온 상태이고, 제2 영역은 Ms점 초과의 고온 상태로 되어 있다.

다음으로, 제2 가열 공정에서, 제1 냉각 공정 후의 강판을 재가열한다. 이에 의해 제1 영역의 마르텐사이트는 템퍼링되어 템퍼링 마르텐사이트로 된다. 한편, 제1 냉각 공정 후에 제1 영역보다 고온 상태에 있었던 제2 영역은, 제2 가열 공정 후에도 오스테나이트 상태 그대로이거나, 그 오스테나이트의 적어도 일부가 페라이트(단순히 「F」라고도 기재함), 펄라이트(단순히 「P」라고도 기재함) 또는 베이나이트(단순히 「B」라고도 기재함) 등으로 변태될 수 있다.

제2 영역의 조직이 오스테나이트 상태 그대로인지, 오스테나이트로부터 변화(변태)되는지 여부는, 제2 가열 공정 후의 제2 영역의 온도와 승온 과정(특히 가열 시간)에 따라 상이하다. 예를 들어, 제2 가열 공정에서, A₁점 초과까지 급가열된 제2 영역은 오스테나이트인 채로 유지되기 쉽지만, A₁점 미만에서 장시간(수 분 정도) 유지되면 제2 영역의 오스테나이트의 적어도 일부는 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 등으로 변화되기 쉬워진다.

또한 제2 냉각 공정에서, 그렇게 재가열된 강판을 냉각(특히 급랭)한다. 이에 의해, 제1 영역은 안정된 템퍼링 마르텐사이트로 되고, 제2 영역은 제2 가열 공정 후의 상태에 따른 조직이 된다. 예를 들어, 제2 가열 공정 후에 오스테나이트 상태였던 제2 영역은, 제2 냉각 공정에서 ??칭되어 마르텐사이트가 된다. 한편, 제2 가열 공정 후에 오스테나이트로부터 변화되어 있었던 제2 영역이면, 제2 냉각 공정 후에 안정된 다른 조직(페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 등의 단상 조직 또는 복상 조직)이 된다.

그리고, 상술한 제1 냉각 공정과 제2 냉각 공정 중 적어도 한쪽을, 강판을 성형 형으로 프레스 성형하는 성형 공정 중에서 행함으로써, 부위마다의 특성 변경과 형상 부여가 가능해진다. 예를 들어, 고강도부(경질부)와 고인성부 또는 고연성부(연질부)가 공존하는 원하는 형상의 성형품이 얻어진다.

또한, 상술한 제1 영역의 템퍼링 마르텐사이트는, 제2 영역의 조직에 대응하여, 경도가 큰 경질부로 되는 경우도 있는가 하면, 그보다 경도가 작은 연질부가 되는 경우도 있다. 예를 들어, 제2 영역이 마르텐사이트로 되는 경우라면, 제1 영역은 제2 영역보다 연질인(인성·연성이 높은) 템퍼링 마르텐사이트로 된다. 한편, 제2 영역이 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 등으로 되는 경우라면, 제1 영역은 제2 영역보다 경질인(고강도인) 템퍼링 마르텐사이트로 된다.

《열간 프레스 성형품》

상술한 성형 방법을 근거로 하여, 본 발명은, 다음과 같은 종래와는 상이한 새로운 성형품으로서도 파악할 수 있다.

본 발명의 제2 양태는, 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역과, 마르텐사이트로 이루어지는 제2 영역을 구비하는 열간 프레스 성형품에 관한 것이다.

또한 본 발명의 제3 양태는, 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역과, 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 중 1종 이상(단일 조직 또는 복합 조직)으로 이루어지는 제2 영역을 구비하는 열간 프레스 성형품에 관한 것이다.

제1 영역과 제2 영역의 상위는, 상술한 조직의 상위로서뿐만 아니라, 예를 들어 특성을 대표하는 지표값인 경도의 상위로서도 파악할 수 있다. 구체적으로 말하면, 제1 영역 및 제2 영역의 범위 내에서, 최소 경도(Hs)에 대한 최대 경도(Hh)의 비인 연경비(Hh/Hs)가 1.3 이상, 1.5 이상, 1.8 이상, 더욱이 2 이상이어도 된다.

또한, 연경비 대신에, 또는 연경비와 함께, 연경차를 사용하여 본 발명의 열간 프레스 성형품을 파악해도 된다. 구체적으로 말하면, 본 발명은, 제1 영역 및 제2 영역의 범위 내에서, 최대 경도(Hh)와 최소 경도(Hs)의 차인 연경차(Hh-Hs)가 100HV 이상, 130HV 이상, 170HV 이상, 200HV 이상, 더욱이 300HV 이상이어도 된다.

본 발명에서 말하는 템퍼링 마르텐사이트는, 오스테나이트를 Ms점 이하, 더욱이 Mf점(마르텐사이트 변태 완료 온도) 이하로 급랭하여 얻어진 ??칭 마르텐사이트(Full martensite/단순히 「Full M」이라고도 기재함)를 A₁점 미만의 온도에서 템퍼링하여 얻어지는 조직이다. 따라서, 본 발명에서 말하는 템퍼링 마르텐사이트는, 저온(예를 들어, 150∼250℃)에서 템퍼링하여 얻어지는 좁은 의미의 템퍼링 마르텐사이트에 한정되지 않고, 중온(예를 들어, 400∼550℃)에서 템퍼링하여 얻어지는 트루스타이트, A₁점에 가까운 고온(예를 들어, 550∼650℃)에서 템퍼링하여 얻어지는 솔바이트 등이어도 된다.

연질인(인성·연성이 높은) 템퍼링 마르텐사이트는, 마르텐사이트(Full M)를 비교적 고온에서 템퍼링함으로써 얻어지고, 예를 들어 주로 솔바이트로 이루어지면 바람직하다. 반대로, 경질인(강도가 높은) 템퍼링 마르텐사이트는, 마르텐사이트(Full M)를 비교적 저온에서 템퍼링함으로써 얻어지고, 예를 들어 주로 트루스타이트나 좁은 의미의 템퍼링 마르텐사이트로 해도 된다.

또한, ??칭 마르텐사이트(Full M)와 템퍼링 마르텐사이트는 모두 마르텐사이트 상으로 이루어지기 때문에, 조직 사진만으로는 식별이 용이하지 않은 경우도 있지만, 탄화물의 석출 등을 관찰함으로써 양자의 식별은 가능하다.

《기타》

본 명세서에서 말하는 「온도」는, 특별히 언급하지 않는 한, 강판 또는 각 영역의 온도이다. 구체적인 온도의 특정은, 강판 측면에 용착시킨 열전대에 의해 측정하여 이루어진다. 각 영역의 온도는, 각 영역의 중앙에서 측정한 온도를 대표 값으로서 채용한다. 간이적으로는, 해당 영역을 방사 온도계에 의해 측정하여 얻은 온도 분포로부터 구해지는 최대 온도와 최소 온도를 상가 평균하여 구한 온도를, 당해 영역의 온도로 해도 된다.

강판의 변태 온도(A₁점, A₃점, Mf점, Ms점 등)는, 강판의 성분 조성에 의해 정해지는 물성값이다. 변태 온도는, 엄밀하게 말하면, 승온 과정(가열 공정)과 강온 과정(냉각 공정)에서 상이하다. 이 때문에, 적절하게, 각 온도에 첨자 「c」(승온 과정, 가열 공정)와 「r」(강온 과정, 냉각 공정)을 붙인다. 단, 오해를 발생시키지 않는 한, 본 명세서에서는 「c」, 「r」을 붙이지 않고 간결한 표기로 하였다.

본 명세서에서는, 승온 과정인지 강온 과정인지를 막론하고, 어느 온도 「미만」은 그 온도보다 저온을 의미하고, 어느 온도 「초과」는 그 온도보다 고온을 의미한다.

본 명세서에서 말하는 각 영역의 존재나 범위는, 조직이나 경도의 분포 경향에 주목함으로써 거의 특정할 수 있다. 또한, 각 영역의 외연이나 경계를 엄밀하게 정하는 것은 반드시 용이한 것은 아니며, 본 발명을 파악하는 데 있어서 그다지 중요하지도 않다. 굳이 말하자면, 연경차가 100HV 이상인 각 영역을, 본 발명에서 말하는 제1 영역과 제2 영역으로 하면 된다.

성형 후의 금속 조직(상)은, 나이탈에서 부식시켜 표출시킨 대상 부위(영역)를, 주사형 전자 현미경(SEM)에 의해 관찰하여 얻어진 현미경 화상에 기초하여 판단할 수 있다. 성형 중의 금속 조직은, 강판의 조성과 대상 영역의 온도에 기초하여 판단할 수 있다.

특별히 언급이 없는 한 본 명세서에서 말하는 「x∼y」는, 하한값 x 및 상한값 y를 포함한다. 본 명세서에 기재된 다양한 수치 또는 수치 범위에 포함되는 임의의 수치를 새로운 하한값 또는 상한값으로 하여 「a∼b」와 같은 범위를 신설할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호로 나타낸 첨부 도면을 참조로 하여 후술될 것이다.

도 1a는 제1 실시예(제1 패턴)의 성형 방법에 있어서의 각 공정과 각 공정 중의 온도 변화를 나타내는 모식도이다.
도 1b는 제1 실시예에 관한 성형품의 경도 분포를 나타내는 분산도이다.
도 2a는 제2 실시예(제2 패턴)의 성형 방법에 있어서의 각 공정과 각 공정 중의 온도 변화를 나타내는 모식도이다.
도 2b는 제2 실시예에 관한 성형품의 경도 분포를 나타내는 분산도이다.

본 명세서 내로부터 임의로 선택한 하나 또는 2 이상의 기재 사항을 본 발명의 구성 요소로 할 수 있다. 본 명세서의 기재 내용은 성형 방법뿐만 아니라 성형품에도 해당될 수 있다. 「방법」에 관한 기재 내용도 「물」에 관한 구성 요소가 될 수 있다. 어느 실시 형태가 최선인지 여부는, 대상, 요구 성능 등에 따라 상이하다.

《강판》

본 발명에 관한 강판은, 탄소(C)를 함유한 철 합금으로 이루어지고, ??칭 가능하면, 탄소 강판, 합금 강판 외에, 스테인리스 강판(특히 마르텐사이트계 스테인리스 강판) 등이어도 된다. C는, 이론상, 페라이트(α)의 고용 상한인 0.02질량％(적절하게 단순히 「％」라고 함)로부터 오스테나이트(γ)의 고용 상한인 2.14％의 범위 내에서 함유될 수 있지만, 성형성, 강도, 인성 등을 고려하여, 강판 전체를 100％로 하였을 때에 C: 0.1∼0.6％, 더욱이 0.15∼0.4％이면 바람직하다.

또한 강판은, ??칭성을 높이는 합금 원소(Mn, Cr, B 또는 Mo 등)를 함유하고 있으면 바람직하다. 이 경우, 예를 들어 망간(Mn): 0.5∼3％, 더욱이 1∼2.5％, Cr: 0.05∼3％, 더욱이 0.1∼1％, 붕소(B): 0.001∼0.01％이면 바람직하다. 물론, 이들 합금 원소 이외에, 성형품의 사양에 따라서, 실리콘(Si)이나 알루미늄(Al) 등의 원소를 각각 0.001∼0.5％, 더욱이 0.02∼0.05％ 정도 포함해도 된다.

또한, 강판의 두께(판 두께)는, 프레스 성형품의 사양에 따라서 적절하게 선택될 수 있지만, 열처리(??칭, 템퍼링)나 성형 등의 관점에서, 4㎜ 이하, 3㎜ 이하, 2㎜ 이하, 더욱이 1.5㎜ 이하이면 바람직하다. 그 하한값은 불문하지만, 프레스 성형품의 강성, 강도 등을 확보하기 위해, 0.3㎜ 이상, 0.6㎜ 이상, 더욱이 1㎜ 이상이면 바람직하다.

《제1 가열 공정》

제1 가열 공정은, 성형 전 또는 켄칭 전에, 강판 전체를 가열하여 오스테나이트(상태 또는 상)로 하는 공정이다. 구체적으로 말하면, 제1 가열 공정은, 강판 전체를 오스테나이트 변태 완료 온도(Ac₃점) 이상의 초기 온도(Ti)까지 가열하는 공정이면 된다. Ti는, 예를 들어 850∼950℃이다.

《제1 냉각 공정》

제1 냉각 공정은, 오스테나이트 상태에 있는 강판을 냉각하여, 그 일부인 제1 영역을 마르텐사이트로 변태시킴과 함께, 그 타부인 제2 영역을 오스테나이트인 채로 두는 공정이다. 구체적으로 말하면, 제1 냉각 공정은, 제1 영역을 급랭시킴과 함께, 제2 영역을 완랭 또는 서랭하여, 가열된 강판의 냉각 속도를 부분적으로 바꾸는 공정이다.

제1 영역의 급랭은, 제1 냉각 공정을 프레스 성형으로서 행하는 경우라면, 예를 들어 강판의 제1 영역을 성형 형(금형)의 성형면에 직접 접촉시킴으로써 행할 수 있다.

제2 영역의 완랭 또는 서랭은, 제1 냉각 공정을 프레스 성형으로서 행하는 경우라면, 예를 들어 강판의 제2 영역을 성형 형(금형)의 성형면에 접촉시키지 않도록 하여 행할 수 있다. 제2 영역과 금형의 성형면에 접촉시키는 경우라면, 열전달성을 저하시키는 구조(예를 들어, 요철 모양의 부여)를 성형면에 설치하거나, 히터 등의 온도 조정 수단을 성형면의 근방에 내장하거나 하면 된다.

또한, 본 명세서에서 말하는 급랭의 냉각 속도는, 굳이 말하면, 예를 들어 10∼300℃/sec이다. 또한, 완랭 또는 서랭의 냉각 속도는, 굳이 말하면, 예를 들어 1∼30℃/sec이다. 바람직한 냉각 속도의 범위는, 예를 들어 각종 강판에 대응한 연속 냉각 변태 선도(CCT도)와 연속 냉각 곡선에 기초하여 정할 수 있다.

《제2 가열 공정》

제2 가열 공정은, 제1 냉각 공정 후의 강재(전체)를 재가열하여, 적어도 제1 영역의 마르텐사이트를 템퍼링하는 공정이다. 이때의 가열 온도, 승온 속도 또는 유지 시간 등을 조정함으로써, 각 영역의 조직 제어가 가능해진다. 예를 들어, 다음과 같은 2개의 패턴이 생각된다.

(1) 제1 패턴

제1 영역의 온도가 A₁점 미만이고, 제2 영역의 온도가 A₁점 이상으로 되도록 강판을 재가열한다. 이 강판을 후속의 제2 냉각 공정에서 급랭하면, 제2 영역은 ??칭되어 마르텐사이트로 된다. 또한, 제1 영역의 마르텐사이트는, A₁점 미만(바로 아래)으로부터의 급랭이기 때문에, 템퍼링된 마르텐사이트로 된다.

여기서 제2 영역의 승온이 더디면, 제2 영역의 오스테나이트의 일부가 페라이트나 펄라이트 등으로 변태될 수 있다. 이 경우, 제2 영역을 A₃점 이상까지 재가열하지 않는 한, 제2 영역 전체가 오스테나이트로는 되지 않고, 급랭해도 제2 영역 전체를 완전한 마르텐사이트로는 할 수 없다. 그래서 제2 가열 공정은, 단시간에 급가열하는 공정이면 바람직하다. 예를 들어, 가열 개시로부터 가열 완료까지의 가열 시간이 10∼240초간, 30∼120초간, 더욱이 45∼90초간 정도로 하면 된다.

(2) 제2 패턴

제1 영역과 제2 영역을 A₁점 미만의 온도까지 재가열한다. 이때, 완만하게 승온하거나, 원하는 온도에서 소정 시간 유지한다. 이에 의해, 제1 영역의 마르텐사이트는 충분히 템퍼링됨과 함께, 제2 영역의 오스테나이트도 페라이트나 펄라이트 등으로 충분히 변태될 수 있다. 그래서 제2 가열 공정은, 가열 개시로부터 가열 완료까지의 가열 시간이 1∼12분간, 더욱이 2∼6분간이면 바람직하다.

또한, 제1 영역과 제2 영역을 모두 A₁점 미만의 온도까지 급가열한 후, 제2 냉각 공정에서 급랭하면, 특성(경도 등)은 상이하다고 해도, 제1 패턴의 경우와 마찬가지인 경향의 조직(제1 영역이 템퍼링 마르텐사이트이고 제2 영역이 마르텐사이트)으로 될 수 있다.

《제2 냉각 공정》

제2 냉각 공정은, 제2 가열 공정에서 재가열한 강판(전체)을 재냉각하는 공정이다. 제2 냉각 공정에서의 냉각 속도를 조정함으로써, 제2 가열 공정과 아울러, 각 영역의 조직 제어를 행할 수 있다. 단, 통상, 취화나 균열 등을 억제하기 위해 제2 냉각 공정은 급랭된다. 이러한 제2 냉각 공정은, 프레스 성형(성형 공정)으로서 이루어지면 바람직하다. 강판 전체면이 성형 형 내에 보유 지지된 상태 그대로 급랭됨으로써, 부위마다 상이한 특성을 부여할 수 있을 뿐만 아니라, 치수 정밀도가 우수한 성형품이 얻어진다.

《프레스 성형품》

본 발명의 프레스 성형품은, 그 형태나 용도를 불문하지만, 예를 들어 차량 보디, 범퍼, 오일 팬, 이너 패널, 필러, 휠 하우스 등으로서 사용된다. 또한, 본 발명의 프레스 성형품은, 또 다른 열처리 등이 실시되는 것을 배제하는 것은 아니다.

열간 프레스 성형품의 제조 및 평가를 통해, 본 발명을 구체적으로 설명한다.

《프레스 성형 장치(금형)》

성형 오목부를 갖는 다이와, 그것에 헐겁게 끼워지는 성형 볼록부를 갖는 펀치와, 다이에 대향하여 배치된 블랭크 홀더와, 블랭크 홀더를 상하 이동 가능하게 지지하는 다이 쿠션과, 다이 쿠션을 지지하는 베이스와, 다이를 구동하는 유압 프레스기를 구비한 열간 프레스 성형 장치(단순히 「성형 장치」 또는 「금형」이라고도 함)를 준비하였다. 또한, 이 성형 장치에서는, 펀치는 베이스에 고정되어 있다.

다이는, 일 방향으로 연장되는 홈 형상의 성형 오목부를 갖는다. 다이는, 연장 방향으로 대략 동일 길이인 제1 형부(제1 영역(11, 21)에 상응/도 1a, 도 2a 참조)와 제2 형부(제2 영역(12, 22)에 상응/도 1a, 도 2a 참조)로 이루어진다. 제1 형부와 제2 형부 사이에는 단열재가 개재 장착되어 있다.

제1 형부에는, 적어도 워크를 급랭하기 위한 냉각수를 유도하는 수로가 내부에 배치되어 있다. 제2 형부는, 그 수로 외에도, 적어도 워크의 냉각 속도를 조정하는 전열 히터가 내부에 배치되어 있다. 또한, 제1 형부와 제2 형부에는, 각 부의 금형 온도(특히 강판에 접촉하는 표면 근방의 온도)를 검출하는 열전대(온도 검출 수단)와, 그 검출 결과에 따라서, 수로에 공급하는 냉각수량이나 전열 히터에 공급하는 전력량 등을 조정하는 제어 장치(온도 제어 수단)를 구비한다.

《워크》

시판되고 있는 열간 프레스 성형용 강판을 준비하였다. 이 강판의 조성은, C: 0.19질량％, Mn: 2.0질량％, Cr: 0.25질량％, 잔부: Fe 및 불가피 불순물이었다. 또한, 이 강판은, A₃점: 820℃, A₁점: 730℃, Ms점: 360℃, Mf점: 280℃이다. 이들 온도는 상 변태에 수반하여 발생하는 체적 변화를 측정함으로써 특정된다. 또한, 강판의 초기 경도는 190HV였다.

《열간 프레스 성형/제1 실시예》

[시료의 제조]

도 1a에 나타낸 바와 같은 열간 프레스 성형(제1 패턴)을 행하였다. 이하에 각 공정의 상세를 설명한다. 또한, 도 1a에는, 각 공정에서 발생하는 강판(1)의 제1 영역(11)과 제2 영역(12)의 온도 변화(열 이력)도 함께 나타냈다. 각 부의 온도는 열전대를 강판 측면에 용착하여 측정하였다. 또한 도 1a에는, 다음과 같은 표기로, 각 공정에서 생성되는 강판(1)의 조직을 나타냈다.

γ: 오스테나이트, Supercooled γ: 과랭 오스테나이트, M: 마르텐사이트, Full M: ??칭 마르텐사이트, Tempered M: 템퍼링 마르텐사이트, F: 페라이트, P: 펄라이트,

(1) 제1 가열 공정

강판(1)을 가열로(제1 가열로)에 넣고, 그 전체를 Ac₃점 이상인 초기 온도(Ti)까지 가열하였다. 또한, 본 실시예에서는 Ti＝900℃로 하였다.

(2) 제1 성형 공정(제1 냉각 공정)

가열로로부터 꺼낸 강판을 즉시 상술한 성형 장치 내에 적재하고, 프레스 성형을 행하였다. 이때, 금형(제1 성형 형)의 제1 형부와 제2 형부의 온도는 각각 독립적으로 제어하여, 도 1a에 나타낸 바와 같이 제1 영역(11)의 온도(T1)와 제2 영역(12)의 온도(T2)를 변화시켰다. 구체적으로 말하면, 가열된 강판(1)의 일부인 제1 영역(11)을 Mf점 이하의 제1 냉각 온도(T1r)까지 냉각한다. 또한, 강판(1)의 타부인 제2 영역(12)을 Ar₁점 미만이고 Ms점 초과인 제2 냉각 온도(T2r)까지 냉각한다. 또한, 본 실시예에서는 T1r＝100℃, T2r＝580℃로 하였다.

이와 같이 하여 제1 영역(11)은 거의 완전한 마르텐사이트(Full M) 상이 되고, 제2 영역(12)은 과랭 오스테나이트(Supercooled γ) 상이 된다. 또한, 본 공정에서는, 제1 영역(11)도 제2 영역(12)도 금형에 직접 접촉시켜 성형하였다. 이때, 제1 영역(11)은 수랭된 제1 형부와 접촉하여 급랭되고, 제2 영역(12)은 소정 온도로 예열된 제2 형부에 접촉하여 완랭(서랭)되었다. 이때, 금형에 의한 강판(1)의 성형 시간(접촉 시간)은 10∼20초였다.

(3) 제2 가열 공정

제1 성형 공정에서 원하는 형상으로 성형된 강판(1)을 금형으로부터 재빨리 꺼내어, 즉시 가열로(제2 가열로)에 넣었다. 이때의 로 내 온도: 1000℃, 유지 시간: 55초간으로 하였다.

이와 같이 하여 제1 성형 공정(제1 냉각 공정)에서 냉각된 강판(1)은, 전체가 급속하게 재가열되었다. 이에 의해, 제1 영역(11)은 Ac₁점 미만의 제1 가열 온도(T1c)까지 승온하여 템퍼링된 마르텐사이트(Tempered M)가 된다. 한편, 본 공정 전에 제1 영역(11)보다 고온 상태에 있었던 제2 영역(12)은 Ac₁점 이상의 제2 가열 온도(T2c)까지 승온하여 전체가 오스테나이트인 채로 유지된다. 또한, 본 실시예에서는 T1c＝680℃, T2c＝840℃로 하였다.

(4) 제2 성형 공정(제2 냉각 공정)

가열로로부터 꺼낸 강판을 즉시, 다시 상술한 성형 장치 내에 적재하고, 프레스 성형을 행하였다. 이때, 금형(제2 성형 형)의 제1 형부와 제2 형부는 모두, 충분히 냉각된 상태로 해 두었다.

이와 같이 하여 제2 가열 공정에서 재가열된 강판(1) 전체를, Mf점 이하의 최종 온도(Tf)까지 급랭하였다. 이에 의해, 안정된 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역(11)과, 오스테나이트로부터 상 변태된(??칭된) 마르텐사이트(Full M)로 이루어지는 제2 영역(12)을 갖는 열간 프레스 성형품이 얻어졌다. 또한, 본 실시예에서는 Tf를 실온으로 하였다.

[시료의 측정]

상술한 성형품의 각 부의 비커스 경도를 측정한 결과를 도 1b에 나타냈다. 도 1b로부터 명백한 바와 같이, 상대적으로 제1 영역(11)은 연질이고, 제2 영역(12)은 경질로 되는 것이 확인되었다. 바꾸어 말하면, 경도(또는 조직)가 충분히 상위한 부위가 공존하는 열간 프레스 성형품이 얻어졌다.

구체적으로 말하면, 제1 영역(11) 내에 있어서의 최소 경도(Hs)는 약 300HV 정도이고, 제2 영역(11) 내에 있어서의 최대 경도(Hh)는 약 600HV 정도로 되었다. 즉, 양자의 연경비(Hh/Hs)는 약 2 정도, 연경차는 약 300HV 정도로 되었다.

《열간 프레스 성형/제2 실시예》

[시료의 제조]

도 2a에 나타낸 바와 같은 열간 프레스 성형(제2 패턴)을 행하였다. 이하에 각 공정의 상세를 설명한다. 도 2a에도, 각 공정에서 발생하는 강판(2)의 제1 영역(21)과 제2 영역(22)의 온도 변화(열 이력)를 함께 나타냈다. 또한, 제1 실시예와 마찬가지인 내용에 대해서는, 적절하게 설명을 생략 또는 간략화하였다.

(1) 제1 실시예(제1 패턴)와 마찬가지로, 제1 가열 공정과 제1 성형 공정(제1 냉각 공정)을 행하였다.

(2) 제2 가열 공정

제1 성형 공정에서 원하는 형상으로 성형된 강판(2)을 금형으로부터 꺼내어 가열로(제2 가열로)에 넣었다. 이때의 로 내 온도: 550℃, 유지 시간: 4분간으로 하였다. 이에 의해 제1 성형 공정(제1 냉각 공정)에서 냉각된 강판(2)을 전체적으로 재가열하였다. 이에 의해, 제2 영역(22)은 Ac₁점 미만의 제2 가열 온도(T2c)까지 승온한다. 한편, 본 공정 전에 제2 영역(22)보다 저온 상태에 있었던 제1 영역(21)도, 당연히 Ac₁점 미만의 제1 가열 온도(T1c)까지 승온한다. 그러나, 본 공정에서는, 강판(2)이 그다지 고온이 아닌 로 내에 비교적 길게 유지되기 때문에, 제1 영역(21)과 제2 영역(22)의 각 온도는 거의 동등해진다(T1c≒T2c). 또한, 본 실시예에서는 T1c(≒T2c)＝550℃로 하였다.

이때 제1 영역(21)은, 그다지 높지 않은 온도에서 템퍼링되기 때문에, 제1 실시예의 경우보다 경질인 템퍼링된 마르텐사이트(Tempered M)로 된다. 한편, 제2 영역(22)은 상술한 바와 같이 A₁점 미만에서 장시간 유지되기 때문에, 오스테나이트(γ)로부터 페라이트(F)로 변태된다. 이것은, 도 2a에 나타낸 바와 같이, 제2 영역(22)의 온도 변화선이 변태선(γ to F transformation line)과 교차하는 것으로부터도 알 수 있다. 이때, 제2 영역(22)의 오스테나이트 중에 고용되어 있던 C는, 시멘타이트 θ(Fe₃C)로서 석출되어, θ과 F에 의해, 펄라이트(P) 또는 베이나이트(B)라고 하는 조직을 생성한다.

(3) 제1 실시예(제1 패턴)와 마찬가지로, 제2 성형 공정(제2 냉각 공정)을 행하였다. 이에 의해, 안정되고 경질인 템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역(21)과, 오스테나이트로부터 상 변태된 페라이트와 펄라이트(P) 또는 베이나이트(B)의 혼합 조직으로 이루어지는 제2 영역(22)을 갖는 열간 프레스 성형품이 얻어졌다.

[시료의 측정]

상술한 성형품의 각 부의 비커스 경도를 측정한 결과를 도 2b에 나타냈다. 도 2b로부터 명백한 바와 같이, 제1 실시예의 경우와는 반대로, 제1 영역(21)은 경질이고 제2 영역(22)은 연질로 되는 것이 확인되었다. 구체적으로 말하면, 제1 영역(21) 내에 있어서의 최대 경도(Hh)는 약 360HV 정도이고, 제2 영역(22) 내에 있어서의 최소 경도(Hs)는 약 220HV 정도가 되었다. 이들로부터, 양자의 연경비(Hh/Hs)는 약 1.6 정도이고, 연경차는 약 140HV 정도로 되었다. 이와 같이 본 실시예에서도, 경도(또는 조직)가 충분히 상위한 부위가 공존하는 열간 프레스 성형품이 얻어졌다.

제1 실시예와 제2 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 부위에 따라 특성(경도, 강도 등)이 상이한 성형품을 얻을 수 있음과 함께, 그 열처리 과정을 변화시킴으로써, 각 부의 특성(경도 등), 그것들의 배치 등의 조정이 가능해지는 것도 확인할 수 있었다.

Claims

열간 프레스 성형 방법이며,
강판(1, 2)을 가열하여 당해 강판(1, 2) 전체를 오스테나이트로 하는 제1 가열 공정과,
당해 제1 가열 공정 후의 강판(1, 2)의 냉각 속도를 부분적으로 바꾸어 당해 강판(1, 2)의 일부인 제1 영역(11, 21)을 마르텐사이트로 변태시킴과 함께 상기 제1 영역(11, 21) 이외의 제2 영역(12, 22)을 오스테나이트인 채로 두는 제1 냉각 공정과,
당해 강판(1, 2) 전체를 재가열하여 당해 제1 영역(11, 21)을 템퍼링 마르텐사이트로 하는 제2 가열 공정과,
당해 제2 가열 공정 후의 강판(1, 2) 전체를 냉각하는 제2 냉각 공정을 포함하고,
상기 제1 냉각 공정과 상기 제2 냉각 공정 중 적어도 한쪽은, 상기 강판(1, 2)을 성형 형에 의해 프레스 성형하는 성형 공정 중에 이루어지는, 열간 프레스 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 가열 공정은, 상기 제1 영역(11)을 오스테나이트 변태 개시 온도 미만으로 하는 공정이고,
상기 제2 냉각 공정은, 당해 제2 영역(12)을 마르텐사이트로 변태시키는 공정인, 열간 프레스 성형 방법.
제2항에 있어서,
상기 제2 가열 공정은, 가열 개시로부터 가열 완료까지의 가열 시간이 10∼240초간인, 열간 프레스 성형 방법.
제1항에 있어서,
상기 제2 가열 공정은, 상기 제1 영역(21) 및 상기 제2 영역(22)을 오스테나이트 변태 개시 온도 미만으로 하여, 당해 제2 영역(22)을 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트로 변태시키는 공정인, 열간 프레스 성형 방법.
제4항에 있어서,
상기 제2 가열 공정은, 가열 개시로부터 가열 완료까지의 가열 시간이 1∼12분간인, 열간 프레스 성형 방법.
템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역(11)과, 마르텐사이트로 이루어지는 제2 영역(12)을 구비하는, 열간 프레스 성형품.
템퍼링 마르텐사이트로 이루어지는 제1 영역(21)과, 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트 중 1종 이상으로 이루어지는 제2 영역(22)을 구비하는, 열간 프레스 성형품.
제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 제1 영역(11, 21) 및 상기 제2 영역(12, 22)의 범위 내에서, 최소 경도에 대한 최대 경도의 비인 연경비가 1.3 이상인, 열간 프레스 성형품.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 영역(11, 21) 및 상기 제2 영역(12, 22)의 범위 내에서, 최대 경도와 최소 경도의 차인 연경차가 100HV 이상인, 열간 프레스 성형품.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 템퍼링 마르텐사이트는, 솔바이트 또는 트루스타이트로 이루어지는, 열간 프레스 성형품.
제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열간 프레스 성형품은, 상기 열간 프레스 성형품 전체를 100질량％로 하여, 탄소: 0.1∼0.6％와, 망간: 0.5∼3％ 및/또는 크롬: 0.05∼3％를 함유하는 강판(1, 2)인, 열간 프레스 성형품.