KR20180094025A - 복합강 - Google Patents

Abstract

얇은 강단층 또는 모노강판의 강성도를 향상시키기 위해, 스페이서로 분리된 적어도 2개의 외부 강층을 포함하는 복합강이 제공된다. 스페이서 재료는 강보다 밀도가 낮은 임의의 금속을 포함할 수 있거나, 또는 임의로 탄소 또는 유리 섬유, 또는 케블라 물질을 포함하는, 중합체 또는 수지를 포함할 수 있다. 이러한 복합강은 총 시트 두께가 동일한 모노강판보다 높은 강성도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 스페이서를 사용하여 강 재료를 중립축으로부터 떨어뜨려 놓음으로써, 굽힘시 변형률을 증가시켜 바람직한 중량 감소를 제공하면서도 강성도를 유지하는 고강도의 복합강을 제공할 수 있다.

Description

복합강

우선권

본 출원은 2015년 12월 11일에 출원된 발명의 명칭이 복합강(composite steel)인 미국 가출원 번호 62/266,314호의 우선권을 주장하며, 그 내용은 본원에 참고로 포함된다.

본 발명은 복합강에 관한 것이다.

고강도 강은 통상적으로 자동차 산업에서 차량 구성품으로 사용된다. 경우에 따라, 강의 강도를 증가시켜 강의 치수(gauge) 감소를 가능하게 함으로써 해당 자재의 중량 감소를 제공할 수 있었다. 자동차 구성품에서의 이러한 치수 감소는 자재의 강성도(stiffness)를 희생시킬 수 있다. 따라서, 경량 치수의 강의 사용을 가능하게 하면서도 강성도를 유지할 수 있는 구조재가 필요한 실정이다.

얇은 강판(thin sheet)의 강성도를 향상시키기 위해, 복합강판(composite steel sheet)은 적어도 하나의 스페이서로 분리될 수 있는 2개 이상의 강판을 포함한다. 스페이서 재료로는 경량 금속을 포함할 수 있거나, 또는 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 케블라 재료를 포함할 수 있는 충전제를 함유하거나 함유하지 않는, 중합체 또는 수지를 포함할 수 있다. 이러한 복합강판은 동일한 조성을 갖는 모노강판(또는 강단층)보다 높은 강성도를 제공할 수 있다. 예를 들어, 굽힘시, 시트 중간 두께, 또는 중립축에서는 낮은 변형률이 발생할 수 있다. 스페이서를 사용하여 강 재료를 중립축으로부터 떨어뜨려 놓음으로써, 굽힘시 변형률을 증가시켜 목적하는 중량 감소를 제공하면서도 강성도를 유지하는 고강도의 복합강을 제공할 수 있다.

첨부하는 도면과 함께 아래의 특정 실시예에 대한 설명을 보면 본 발명을 보다 잘 이해할 수 있을 것이라 생각하며, 상기 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 구성요소를 나타낸다.
도　1은 복합강의 실시양태에 대한 부분 단면도이다.
도 2는 모노강판으로부터 성형된 레일에 대한 상부 사시도를 나타낸 것이다.
도　3a는 도 2의 레일에 대한 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도　3b는 복합강으로부터 성형된 레일의 또 다른 실시양태에 대한 부분 단면도를 나타낸 것이다.
도　4는 0.059 인치의 두께를 갖는 강대(steel strip), 0.079 인치의 두께를 갖는 강대 및 중합체 복합강대에 대한 굽힘 하중-변위 곡선(bending load-displacement curve)을 나타낸 것이다.
도　5는 0.079 인치의 두께를 갖는 강대, 중합체 복합강대 및 탄소 섬유 복합강대에 대한 굽힘 하중-변위 곡선을 나타낸 것이다.
상기 도면들은 어떠한 식으로든 본 발명을 한정하려는 것은 아니며, 본 개시내용의 다양한 실시양태들은 본 도면에 꼭 나타낼 필요가 없는 것들을 비롯한 다양한 방식으로 수행될 수 있다. 본 명세서 내에 포함되어 명세서의 일부를 형성하는 하기에 첨부되는 도면들은 본 개시내용의 여러 양태들을 예시하면서, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리와 개념을 설명하는 기능을 하지만; 본 발명이 여기에 나타낸 바로 그 방식에만 한정되는 것은 아니다.

본 명세서의 하기의 상세한 설명과 실시양태들은 본 발명의 범위를 한정하는데 사용되어서는 안된다. 본 명세서의 다른 실시예, 특징, 측면, 실시양태 및 장점들은 하기의 상세한 설명으로부터 당업계의 숙련자에게는 명백해질 것이다. 알게 될 것이지만, 본 발명은 본 명세서의 범위를 벗어나지 않으면서 본원에 구체적으로 거론된 예시적인 실시양태들 이외의 대안적인 실시양태들도 고려할 수 있다. 따라서, 도면과 상세한 설명은 사실상 예시적인 것이지 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안된다.

복합강은 2개 이상의 외부 강층(steel layer)을 분리시키는 적어도 하나의 스페이서를 포함한다. 이러한 복합강은 바람직한 중량 감소를 제공하면서도 모노강의 고강도 및 강성도를 유지할 수 있다. 복합강판(10)의 한 실시양태를 도　1에 나타낸다. 도시된 바와 같이, 외부 강층(22)은 상기 강과 스페이서 사이에 우수한 전단 강도를 제공하는 접합된 스페이서(20)에 의해 분리되어 있어, 상기 외부 강층(22)이 강도를 유지하는 한편, 상기 스페이서(20)는 낮은 밀도를 가져 상기 강으로 하여금 충분한 강성도를 유지하도록 하면서도 중량을 감소시킬 수도 있다. 스페이서와 외부 강층이 굽힘시 상기 강과 스페이서 재료 사이에 미끄러짐이 일어나지 않도록 충분히 접합되어 있는 경우, 상기 스페이서는 굽힘시 외부 강층을 중립축(제로 변형률)(A)으로부터 이격시켜 놓게 된다.

임의 조성의 강판을 이 복합강에 사용할 수 있지만, 고강도, 또는 초고강도 강이 가장 유리하다. 이러한 강의 높은 인장 강도는 최종 부품의 두께를 감소시키면서 강성도를 유지할 수 있도록 해준다. 내부식성을 제공하는 스테인리스강도 복합강에 사용될 수 있다. 복합강의 외부 강층은 동일한 유형의 강을 포함할 수 있거나, 또는 이들은 서로 다른 유형의 강을 포함할 수도 있다. 이와 유사하게, 2개 이상의 외부 강층은 각각 동일한 두께를 가질 수 있거나, 또는 이들은 각기 서로 다른 두께를 가질 수 있다.

상기 스페이서(20)는 상기 외부 강층보다 가벼운 임의의 재료로 제조될 수 있다. 이는 마그네슘, 알루미늄, 또는 이들 각각의 합금을 비롯한 경량의 금속을 포함할 수 있다. 이는 탄소 또는 유리 섬유, 케블라(Kevlar) 등을 더 포함할 수 있는 다양한 중합체 또는 수지로부터 제조될 수 있다. 상기 스페이서(20)의 두께는 복합강의 총 두께(복합강들(10) 사이의 임의의 간격 포함)의 약 5% 내지 90% 범위일 수 있다.

상기 스페이서(20)에 의해 제공된 외부 강판들(22) 사이의 이격은 강성도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 상단 및 하단의 강 두께가 각각 0.5 mm로서 총 1.0 mm의 강 두께를 갖는 복합강은 강판의 총 두께가 1.0 mm로 동일한 모노강판보다 높은 강성도를 제공할 수 있다. 굽힘시, 시트 중간 두께, 또는 중립축(A)에서 낮은 변형률이 발생한다. 중립축으로부터 떨어져 있는 재료의 부피가 감소함에 따라 강성도는 감소하게 된다. 따라서, 재료를 중립축으로부터 떨어뜨려 놓는 것은 굽힘시 변형률을 증가시킨다.

도　1에 나타낸 바와 같이, 복합강(10)은 각 2개의 외부 강층(22) 사이에 스페이서가 존재하도록 상기 외부 강층에 스페이서 재료(20)를 삽입하여 제조될 수 있다. 생성된 복합강을 추가로 이용하기 전에, 상기 외부 강층(22)은 내부 스페이서 재료(20)에 접합시킬 수 있다. 이러한 접합은 상기 외부 강층과 스페이서 재료 사이에 광범위하게 다양한 접착제를 도포함으로써 형성될 수 있다. 별도의 접착제 대신에, 일부 실시양태에서는, 중합체 또는 수지와 같은 스페이서 재료가 추가의 접착제 사용없이 외부 강층에 접합될 수 있다. 상기 외부 강층(22)과 내부 스페이서 재료(20) 사이에 고강도 접합을 사용하여 굽힘 응력을 외부 강층(22)으로 전달시켜서 강성도를 유지시킬 수 있다.

일단 복합강판이 제작되면, 이는 자동차와 같은 용도에 사용하기 위한 부품을 성형하는데 사용될 수 있다. 이러한 부품들의 성형을 향상시키기 위해, 강판(22)과 스페이서(20)는 이들을 성형하는 동안에 서로에 대하여 미끄러지도록 할 수 있다. 이러한 경우에는, 존재하는 경우의 접착제, 또는 수지는, 부품이 형성된 후까지도 완전히 고정시킬 수 없어, 2개의 외부 강층 사이에 상대적 미끄러짐을 허용하게 된다. 이는 제조 공정 동안에 각 외부 강층에서의 변형률을 최소로 유지하도록 해 줄 것이다. 상기 스페이서와 외부 강층 사이의 계면 접착은, 부품 성형 공정 후에, 부품 강성도를 향상시키기 위해 예를 들어 열을 가함으로써, 또는 일부 다른 경화 방법에 의해 강화될 수 있다. 이러한 가열은, 제조 공정 동안에는, 예컨대 가열 프레스를 사용하거나, 또는 제조 후의 후속 작업에서는, 예컨대 도장(painting) 단계 또는 경화 전용 공정에서 수행될 수 있다.

본원의 개시내용에 비추어 본다면, 복합강(10)을 제조하는 다른 방법들도 당업계의 숙련자에게는 명백할 것이다.

이러한 복합강(10)을 사용함에 있어서, 복합강 구조 내에 서로 다른 금속과 강을 사용하여 내부식성 또는 심미성과 같은 특성을 조절하는 것도 가능하다. 예를 들어, 내부식성 강층을 한 표면에 제공할 수 있는 한편, 강도를 부가하기 위해 덜 비싼 보호강(backing steel)을 반대쪽 표면 상에 사용할 수 있다. 예를 들어, 복합강의 한 면에는 스테인리스강 외부층을 사용하고, 복합강의 다른 한 면에는 탄소강 외부층을 사용할 수 있다. 복합강(10)의 강성도를 증가시키면 자동차 용도에서 진동으로 인한 소음을 감소시킬 수도 있다.

본원의 개시내용에 비추어 본다면, 복합강(10)의 다른 용도들도 당업계의 숙련자에게는 명백할 것이다.

실시예 1

도 2에 나타낸 구조 레일을 사용하여 복합강판의 성능을 모노강판과 비교하였다. 도　3a에 나타낸 모노강판은 약 2　mm 두께의 단일 DP600 강판이다. 도　3b에 나타낸 복합강은 스페이서에 의해 분리된 2개의 DP980 강판을 포함한다. 상기 DP980 강판은 각각 두께가 약 0.61 mm이다. 상기 DP600 강판의 인장 강도는 약 600 MPa이다. 따라서, DP600 레일의 1　mm 폭에서의 인장 하중 적재 능력(tensile load carrying capability)은 1200 N이다. 상기 DP980 강판의 인장 강도는 약 980 MPa이다. 두 DP980 강판의 1　mm 폭에서의 인장 하중 적재 능력도 약 1200 N이다. 따라서, 0.61 mm 두께의 DP980 재료의 두 강판은 1　mm 길이의 DP600 레일에 대한 인장 하중 적재 능력과 동등하다.

스페이서의 두께는 DP980 프레임의 강성도를 결정한다. 2　mm의 DP600 강판에 길이 1 mm 당 0.134 Nm의 토크를 가하면 약 0.1%의 표면 변형률을 초래한다. 이 변형률은 강에 1 m 반경의 만곡(curvature)을 유발한다. 1.22　mm 두께의 (2×0.61 mm) 단일 DP980 강판에 1　m 반경의 동일한 만곡을 유발하는데 필요한 토크는 길이 1 mm 당 0.031 Nm에 불과하다. 이는 두꺼운 DP600 강판의 25% 미만이다.

따라서, 0.61 mm 두께의 두 DP980 강판 사이에 스페이서를 삽입하면, 강을 중립축으로부터 떨어뜨려 놓음으로써 강성도를 증가시키고, 이로써 상기 1 m 반경의 만곡을 유발시키는데 더 큰 탄성 변형률이 필요하다. 상기 0.61 mm의 두 강판을 0.82 mm 만큼 이격시키는 것은 1 m 반경의 만곡으로 굽힐 때와 동일한 토크 요건을 유도하게 된다. 따라서, 두 DP980 강판 사이의 스페이서는 0.82 mm로서 두꺼운 DP600 부품과 동일한 강성도를 수득하게 된다. 복합강에서의 강은 2 mm의 두께로부터 1.22 mm (2×0.61 mm)의 두께로 감소되어, 0.78 mm가 감소 또는 약 39%가 감소된다. 따라서, 레일의 중량도 약 39%까지 감소된다.

실시예 2

두 18 Cr-Cb™ 강판을 섬유 유리 매트릭스에 함침된 에폭시 수지(중합체)를 사용하여 상기 중합체의 각 면에 접합시켜 복합강을 형성하였다. 상기 복합강을 해당 구조에 작은 하중을 가하면서 경화되도록 하였다. 각 강판은 두께가 약 0.018 인치였다. 이후, 상기 복합강을 약 0.059 인치 두께 및 약 0.079 인치 두께의 18 Cr-Cb 모노강판과 비교하였다. 샘플을 2 인치×6 인치로 전단시켰다. 상기 18 Cr-Cb 0.059 인치 두께의 모노강판의 중량은 약 88 그램이었다. 상기 18 Cr-Cb 0.079 인치 두께의 모노강판의 중량은 약 120 그램이었다. 복합강의 중량은 약 72 그램이었는데, 이는 0.079 인치 두께의 강판보다 약 40% 더 가벼운 것이었다.

3접점 굽힘 시험(three-point bend test)에서 각 샘플에 굽힘 하중을 가하였다. 각 샘플을 0.75 인치의 다이 반경을 갖는 4 인치 다이의 중간에 위치시켰다. 12　mm의 반경을 갖는 중앙에 위치한 펀치를 분당 1.0 인치의 속도로 각 샘플에 대하여 하중을 부과하였다. 펀치 변위의 함수로서 굽힘 하중을 측정하였다.

복합강판은 도 4에 나타낸 것과 같이 모노강판보다 더 큰 하중을 취급할 수 있었다. 예를 들어, 0.05 인치의 변형(deflection)에 있어서, 복합강판의 하중은 약 67 lbs.였던 반면에, 0.079 인치 두께의 모노강판의 하중은 약 30 lbs.였고, 0.059 인치 두께의 모노강판의 하중은 약 15 lbs.였다. 복합강은 낮은 중량으로도 높은 강성도를 나타냈다.

실시예 3

다음으로, 탄소 섬유를 함유하는 복합강판에 대하여 평가하였다. 상기 탄소 섬유는 결합 수지를 사용하여 사전에 함침시켰다. 310 유형의 강판을 탄소 섬유의 각 면에 위치시켜 가열판이 있는 유압 프레스 중에서 400℉로 경화시켰다. 각 강판의 두께는 약 0.010 인치였고, 복합강은 약 76 그램으로 칭량되었다. 실시예 2에서의 복합강과 비교한, 탄소 섬유 복합강의 향상된 하중 적재 능력을 도 5에 나타내었다. 예를 들어, 상기 탄소 섬유 복합강은 0.05 인치의 굽힘 변형에 있어서 107 lbs.를 취급할 수 있었다.

Claims (14)

1. 적어도 2개의 외부 강층(steel layer) 및 상기 적어도 2개의 외부 강층을 서로 분리시키는 적어도 하나의 스페이서를 포함하는 복합강(composite steel).
2. 제1항에 있어서, 상기 외부 강층 각각과 스페이서 사이에 도포된 접착제를 더 포함하는 복합강.
3. 제1항에 있어서, 상기 2개의 외부 강층 중의 적어도 하나가 스테인리스강을 포함하는 것인, 복합강.
4. 제1항에 있어서, 상기 스페이서가 강보다 밀도가 낮은 금속을 포함하는 것인, 복합강.
5. 제4항에 있어서, 상기 스페이서가 알루미늄, 마그네슘, 또는 알루미늄 또는 마그네슘의 합금을 포함하는 것인, 복합강.
6. 제1항에 있어서, 상기 스페이서가 중합체 또는 수지를 포함하는 것인, 복합강.
7. 제6항에 있어서, 상기 스페이서가 탄소 섬유, 유리 섬유, 또는 케블라(Kevlar) 물질을 더 포함하는 것인, 복합강.
8. 적어도 2개의 외부 강층에 적어도 하나의 스페이서를 삽입하여 상기 적어도 하나의 스페이서가 상기 각 외부 강층을 분리시키는 단계를 포함하는 복합강의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 각 외부 강층에 상기 스페이서를 접합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 접합은 상기 복합강을 가열함으로써 달성되는 것인, 방법.
11. 제8항의 복합강으로부터 부품을 성형하는 단계를 포함하는, 성형 부품의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 성형 공정 동안에 상기 외부 강층 각각에 상기 스페이서를 접합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 성형 공정 이후에 후속 단계에서 상기 외부 강층 각각에 상기 스페이서를 접합시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 후속 단계가 도장(painting) 단계 또는 가열 단계인 것인, 방법.

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