KR20180074063A - 도금강판의 핫스탬핑 방법 - Google Patents

Abstract

아연도금강판을 이용한 핫스탬핑 방법이 소개된다. 핫스탬핑을 위해 아연도금강판을 가열하기 전에 아연도금강판의 표면이 산성 용액으로 표면 처리된다. 핫스탬핑을 위한 가열과정에, 산처리된 아연도금강판의 표면에 안정적인 산화아연층이 형성된다. 이 산화아연층은 열간 프레스 성형과정에 표면 크랙이 발생되지 않는다.

Description

도금강판의 핫스탬핑 방법{HOT STAMPING METHOD FOR PLATED STEEL SHEETS}

본 발명은 도금강판, 특히 아연도금강판을 이용한 핫스탬핑 방법에 관한 것이다.

차량 제조업계의 가장 커다란 화두 중 하나는 경량화 및 고강도화이며, 최근 이러한 화두의 중심에 핫스탬핑 기술이 자리 잡고 있다. 핫스탬핑 기술 및 소재에 관해서는 영국특허 제1490535호에 소개된 바 있다.

핫스탬핑은 강판을 900~950℃의 고온으로 가열하여 오스테나이트화 한 후 프레스 내에서 성형과 동시에 급냉함에 의해 고강도 경량 부품을 제조한다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소를 함유하며 열처리 성능 향상 위한 원소로서 Mn, B를 사용하는 이른바 보론강이 사용된다.

이러한 핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하고 고강도 부품에서 특히 문제가 되는 스프링백이나 지연파괴가 현저하게 감소된다는 장점이 있다.

핫스탬핑은 공정에 비도금 강판을 사용하는 경우 성형 후 디스케일링 공정이 필요하다. 번거로운 디스케일링 공정의 생략을 위 Al이나 Zn 도금 강판이 제안되었다. 아연도금강판에 대해서는 미국특허 제6564604호, 일본공개특허 제2005-074464호 및 제2005-240072호 등이 참고될 수 있다.

미국특허 제6564604호는 강판가열 중 아연 도금층이 강판표면과의 작용으로 금속간화합물을 형성하는 경우 아연 도금층이 가열 및 성형과정 중에 소실되지 않고 강판의 부식 및 탈탄현상을 방지할 수 있다고 한다.

일본공개특허 제2005-074464호는 Fe-Zn의 금속간화합물은 아연 도금층에 존재하지 않아야 한다고 한다. 경질의 Fe-Zn 금속간화합물은 성형과정 중 박리되어 금형을 손상시키거나 성형품의 외관을 열악하게 하므로, 아연 도금층에는 금속간화합물이 없는 Fe-Zn 고용상만으로 이루어지도록 할 필요가 있다고 한다. Fe-Zn의 고용상 상부에는 5㎛ 이하의 산화아연층이 형성될 필요가 있다고 한다.

일본공개특허 제2005-240072에서 Zn-Fe의 합금화는 Zn도금층의 융점을 높일 수는 있으나, 900℃ 이상의 고온을 견디기는 어렵다는 전제하에, 모재와 도금층 간의 경계에 Fe를 50~80wt% 함유하는 Zn-Fe 합금층을 형성하고, 그 표층에는 Fe를 10~30wt% 함유하는 Zn-Fe 합금사의 매트릭스에 Fe를 50~80wt% 함유하는 구상의 Zn-Fe합금상을 분포시키는 것이 바람직하다고 한다.

차량용 강판으로 주로 용융아연도금강판(GI), 합금화아연도금강판(GA)이 사용된다. 합금화아연도금강판은 용융아연도금층을 재가열하여 아연도금층과 소지철 성분을 상호확산시켜 표면에 약 10%의 Fe를 함유하는 Fe-Zn 합금층을 형성시킨 강판이다. 스폿 용접과 도장 후 고내식성이 우수하여 차량 부품에 가장 널리 사용된다.

핫스탬핑용으로 개발된 아연도금강판은 주로는 Fe-Zn 고용상을 가지며 가열과정에 Fe-Zn 고용상에 산화아연층이 형성되도록 한다. 융점이 낮은 아연 특성으로 인해 고온 가열과정에 베이어층이 필요한데 이 역할을 산화아연층이 담당하도록 한 것이다. Al 도금강판의 경우도 표면 산화층의 기능은 유사하다.

아연도금강판은 이미 차량용 강판으로 사용되고 있기에 핫스탬핑에도 적용된다면 Al 도금강판보다는 비용절감이 가능하다. 그러나 핫스탬핑용 강판으로는 Al 도금강판이 사용되고 있다. 다른 문제도 있을 수 있으나, 가열과정에 아연도금강판의 표면에 형성된 아연산화물이 소지철에까지 침투하여 프레스 성형과정에 크랙을 발생시키는 문제가 있다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 고온 가열이 가능하며 열간 프레스 성형 과정에 크랙 발생이 여기되지 않는 도금강판, 특히 아연도금강판의 핫스탬핑 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 아연도금강판을 핫스탬핑에 적용할 수 있는 간단하고 비용효율적인 방안을 제공하고자 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명은 핫스탬핑을 위해 아연도금강판을 가열하기 전에 산성 용액으로 표면 처리하는 것을 특징으로 한다.

통상 산서리 혹은 산세는 압연 전 열연코일의 스케일을 제거하거나 아연도금 전 강판의 표면 세척을 위해 사용되며, 도금강판의 표면 처리에, 특히 핫스탬핑을 위한 강판 표면의 전처리를 위해 사용된 바가 전혀 없다.

본 발명은 본 출원인의 한국특허출원 제2015-0183875호의 '차량용 경량 부품' 제조기술 개발 과정에 얻어진 것이다. 이 출원기술은 스틸에 경량합금을 주조함에 의해 경량 부품을 제조하는 기술로, 강판과 그 위에 주조된 경량합금 간의 접합력을 어떻게 향상시킬 것인가가 주요 이슈 중 하나이다.

본 발명은 위의 강판과 주조된 경량합금 간의 접합력 향상을 위해 여러가지의 실험을 하던 중 우연히 그러나 매우 중요한 기술진보의 단초를 발견한 것이 기초한다. 가열 전에 미리 아연도금강판의 표면을 산처리 함에 의해, 열간 프레스 성형에도 크랙 발생이 억제되거나 없는 안정적인 산화아연층을 형성시킬 수 있다.

본 발명에 의하면 아연도금강판의 종류에는 특별한 제한이 없다. 용융아연도금강판, 합금화아연도금강판, 전기아연도금강판, 플라즈마에 의한 건식아연도금강판, 고온 액상아연 스프레이에 의한 아연도금강판 등 대부분 사용될 수 있을 것으로 생각된다. 물론 핫스탬핑용으로 설계된 아연도금강판도 적용 가능하다.

본 발명에 따라 아연도금강판의 표면을 산처리하는 경우 핫스탬핑을 위한 가열과정에 표면에 산화아연층이 발생되어 아연도금층의 용융이나 기화가 억제되며 안정적인 고온 가열이 가능하다.

또한 본 발명에 의하면 아연도금강판의 열간 프레스 성형 과정에 표면 크랙이 억제되고 발생되지 않는다. 따라서, 본 발명에 의하면 아연도금강판의 핫스탬핑에 적용 가능성이 높다.

또한 본 발명에 의하면 핫스탬핑을 위한 별도의 복잡한 아연도금층 설계 없이도, 통상적으로 차량용 강판으로 사용되는 아연도금강판을 핫스탬핑에 적용할 수 있다. 본 발명에 의하면 가열 전 산세척이라는 비교적 익숙하고 간단하며 비용효율적인 공정을 통해 아연도금강판의 핫스탬핑 적용을 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫스탬핑 공정의 흐름도,
도 2a는 산세척 없는 아연도금강판의 핫스탬핑 후 사진, 도 2b는 도 2a의 크랙 부분의 광학현미경 사진,
도 3a는 본 발명의 실시예에 따라 산세척된 아연도금강판의 핫스탬핑 후 사진, 도 3b는 도 2b에 대응하는 부위의 광학현미경 사진이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 도금강판의 핫스탬핑 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

실시예에 의하면 아연도금강판의 종류에 특별한 제한을 두지 않는다. 하나의 예로서 일반적으로 사용되는 합금화아연도금강판이 적용될 수 있다.

실시예에 의하면 아연도금강판은 블랭킹된 강판, 즉 블랭크일 수 있다. 코일 상태의 아연도금강판을 산세 처리하는 것도 완전히 배제할 수는 없으나, 코일 강판의 블랭킹 후 표면을 산세처리 하는 것이 현실적이다.

실시예에 의하면 아연도금강판의 아연 도금층은 두께는 50~60㎛ 정도일 수 있다.

도 1을 참조하여 실시예에 따른 아연도금강판의 핫스탬핑 공정을 살펴본다.

산세 공정(S1)

아연도금강판은 산세 처리된다. 산세 처리는 다른 방법도 가능하겠지만 표면 처리의 균일성, 비용 및 양산성을 고려할 때 아연도금강판을 산성 용액에 침지시키는 것이 바람직하다.

산세 공정에 염산, 질산, 황산 등 강산이 사용될 수 있으며, 산성 용액의 농도는 5~15 vol% 정도가 바람직하다. 농도가 5 vol% 미만인 경우 반응성이 약하고 공정 속도가 지연될 수 있으며, 농도가 15 vol%를 초과하는 경우 아연도금강판의 엣지부에서 부식이 발생될 수 있다.

산성 용액의 온도는 20~70℃, 침지시간은 30초~5분 정도가 적당하다. 산성 용액의 온도가 너무 낮으면 반응성이 약하고, 70℃를 초과하는 경우 반응성이 너무 강해서 부식이 문제된다. 침지시간의 경우, 30초 미만의 경우 반응성이 약하고, 5분을 초과하는 경우 부식이 문제된다.

중화/세척 공정(S2)

산처리된 아연도금강판은 산용액의 제거를 위해 물세척된다. 바람직하게는 물세척 전에, 산용액에 의한 부식 진행을 방지하기 위해 아연도금강판을 수산화나트륨 용액과 같은 염기성 용액에 침지시켜 먼저 중화 처리한다.

염기성 용액의 농도는 1~10 vol% 정도가 바람직하다. 농도가 1 vol% 미만인 경우 반응성이 약하고, 농도가 10 vol%를 초과하는 경우 반응성이 강해 균일한 중화 처리가 어렵다.

염기성 용액의 온도는 30~80℃, 침지시간은 30초~2분 정도가 적당하다. 온도가 30℃ 미만으로 너무 낮으면 반응성이 약해서 강판 중심부에서 부식이 발생될 수 있으며, 80℃를 초과하는 경우 반응성이 너무 강해서 부식이 문제된다. 침지시간의 경우, 30초 미만의 경우 반응성이 약하고 중화처리가 불균일 할 수 있고, 2분을 초과하는 경우 부식이 문제될 수 있다.

물세척 또한 아연도금강판을 수조에 침지시킴에 의해 가능하다. 중화 처리된 아연도금간판의 물세척 시, 수조 온도는 20~50℃, 침지시간은 10~30초 정도면 적당하다.

건조 공정(S3)

물세척된 아연도금강판은 가열 전 건조된다. 자연건조도 가능하겠지만, 공정의 신속화를 위해 송풍에 의해 건조하는 것이 바람직하다.

가열 공정(S4)

건조된 아연도금강판은 소지철의 오스테나이트화를 위해 약 850~950℃로 가열된다. 산세 처리된 아연도금강판의 표면에는 가열과정에 ZnO, ZnFe₂O₄, Fe₂O₃, Fe₃O₄와 같은 산화물을 갖는 산화물층이 형성된다.

가열과정에 형성된 산화물층은 아연 도금층 두께의 대략 1/2 깊이까지 형성되는 것이 바람직한 것으로 판단된다. 더 깊이 형성되는 경우 산화물의 소지철로의 침투나 성형 중 크랙이 문제될 수 있고, 너무 얕게 형성되는 경우 도금층의 용융이나 증발 등이 문제될 수 있다.

성형 및 냉각 공정(S5)

산세 후 고온 가열된 아연도금강판은 통상적인 방법에 따라 프레스 내에서 성형 및 냉각된다.

도 2a 및 도 2b에는 비교예에 따른 아연도금강판의 핫스탬핑 결과, 도 3a 및 도 3b에는 실시예에 따른 아연도금강판의 핫스탬핑 결과가 도시되어 있다.

도 2a 및 도 2b는 산세척 없이 일반 합금화아연도금강판을 핫스탬핑한 결과로서, 이들 도면에서 보듯이 성형부에 매크로한 크랙이 발생된다. 이 비교예에서 알 수 있듯이, 차량용 아연도금강판은 지금까지 핫스탬핑에 사용될 수 없었다.

도 3a 및 도 3b는 농도 8vo%의 염산 용액을 이용하여 일반 합금화아연도금강판의 표면을 1분간 산처리 후, 900℃로 가열하여 핫스탬핑한 결과로서, 이들 도면에서 확인할 수 있듯이 표면에 크랙이 발생되지 않으며, 양호한 품질의 성형품을 얻을 수 있었다.

이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 아연도금강판의 핫스탬핑 방법은 추가적으로 해석하거나 보완 해야할 과제가 있고 이에 대해서는 추가적인 특허출원이 되겠지만, 아연도금강판의 산세 처리에 의해 고온 가열이 가능하고 성형 중의 크랙 문제를 해결할 수 있으며, 아연도금강판의 핫스탬핑 적용을 실현할 수 있는 중요한 기술진보의 단초가 될 수 있다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

Claims (3)

1. a) 아연도금강판의 표면을 산성 용액으로 처리하는 단계;
   b) 산처리된 아연도금강판의 표면을 물세척하는 단계; 및
   c) 물세척된 아연도금강판을 가열하여 열간 프레스 성형 및 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 도금강판의 핫스탬핑 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 a) 단계에서,
   농도 5~15 vol%의 산성 용액에 아연도금강판을 침지시켜 산처리 하는 것을 특징으로 하는 도금강판의 핫스탬핑 방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 b) 단계의 물세척 전에,
   농도 1~10 vol%의 염기성 용액에 아연도금강판을 침지시켜 중화 처리하는 것을 특징으로 하는 도금강판의 핫스탬핑 방법.

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