KR20180111765A - 프레스 경화 부품 생산을 위한 부분 방사선 가열 방법 및 그러한 생산을 위한 장치 - Google Patents

프레스 경화 부품 생산을 위한 부분 방사선 가열 방법 및 그러한 생산을 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 블랭크가 처리되기 전에 블랭크(2)를 부분적으로 가열함으로써 상이한 조직의 영역을 구비하는 열처리 가능 재료로 이루어진 프레스 경화 부품(2')을 제조하는 방법 및 그러한 방법을 수행하기 위한 시스템에 관한 것이다. 방법(100)은 블랭크를 노(10)에 배치(104)하고, 블랭크를 블랭크의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열하여 블랭크를 오스테나이트 상에 진입시키는 단계, IR 가열 스테이션(10)에서 적외선(24)을 사용하여 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역(2a)을 부분적으로 가열(106)함으로써, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시키는 단계, 및 블랭크를 프레스 경화 부품으로 성형 및 담금질하기 위해 블랭크를 처리 유닛(30)에 배치(108)하는 단계를 포함한다.

Description

프레스 경화 부품 생산을 위한 부분 방사선 가열 방법 및 그러한 생산을 위한 장치
본 발명은 성형된 구성 요소의 생산, 특히 다양한 미세 조직 영역을 갖는 프레스 경화 부품의 생산에 관한 것이다.
일반적으로, 프레스 경화된 부품은 균일한 강도 분포를 나타낸다. 특히 충돌 성능과 관련하여 높은 요구사항을 갖는 안전 관련 부품의 경우, 이러한 균일 강도 분포로 인해 문제가 발생할 수 있다. 충돌이 있을 때, 예를 들어 B-필러는 더 많은 에너지를 흡수할 수 있으며, 하부가 상대적으로 유연한 경우에 중간부 및 상부는 객실로의 침입을 방지하기 위해 높은 인장강도를 가져야 한다. 프레스 경화된 부품들의 특성을 조절하는 방법이 공지되어 있다. 예를 들어, 테일러드 롤드 블랭크(TRB; tailored rolled blank) 공법, 테일러드 용접 블랭크(TWB; tailored welded blank) 공법, 프레스 경화 툴에서의 테일러드 템퍼링(tailored tempering) 및 테일러드 가열(tailored heating) 공법이 있다. 이러한 공법들은 프레스 경화된 부품 내에 연질/경질 영역을 형성하는 데 사용된다.
이러한 공법들 모두의 단점은 큰 면적의 특성들만 맞춤 설정할 수 있다는 것이다. 또한, 테일러드 용접 블랭크 및 테일러드 롤드 블랭크 공법의 단점은, 생산 비용이 높아, 부품 가격이 높아지고, 접촉압력이 높아야 하기 때문에 값비싼 툴이 필요하며, 엄격한 프로세스 윈도우 때문에 고급 공정 제어가 필요하다는 점이다.
툴에서의 테일러드 템퍼링은 부품 제거 후 부품의 변형 발생의 단점이 있어, 높은 툴 마모율을 유발하여 높은 툴 비용을 발생시킨다.
기존의 테일러드 가열 기술은 연질/경질 영역들 사이의 큰 전이 구역, 재현성의 어려움, 높은 공정 비용의 단점이 있고, 부품의 큰 면적(예를 들어, B-필러의 1/3)에 대해서만 적합하다.
결과적으로, 비용 효율적이고, 고급 공정 제어가 필요하지 않으며, 부품의 더 작은 면적의 특성을 조절할 수 있는, 프레스 경화 부품의 특성을 맞춤 설정하는 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 현재의 솔루션이 갖는 전술된 단점들을 완화시키는, 개선된 솔루션을 제공하는 것이다. 또한, 하나의 목적은 부분 방사선 가열을 사용한 프레스 경화 부품을 생산하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 양태에 따르면, 이는 블랭크가 처리되기 전에 블랭크를 부분적으로 가열함으로써, 서로 다른 조직의 영역을 갖는 열처리 가능한 재료의 프레스 경화된 부품을 제조하는 방법에 의해 제공된다. 방법은, 블랭크를 노 내에 배치하고, 블랭크를 블랭크 재료의 오스테나이트화 온도(austenitization temperature) 이상으로 가열하여, 블랭크를 오스테나이트 상으로 변화시키는 단계, 방사선 가열 스테이션에서 방사선을 이용하여 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 부분적으로 가열하고, 상기 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시키는 단계, 그리고 블랭크를 처리 유닛에 배치하여 블랭크를 프레스 경화된 부품으로 성형(forming) 및 담금질(quenching)하는 단계를 포함한다.
프레스 경화된 부품을 성형하는 동안, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역은 오스테나이트 상에 있을 수 있다. 블랭크는, 상기 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 있는 적어도 하나의 제2 영역으로, 상기 방사선에 노출되지 않는 제2 영역을 추가적으로 포함할 수 있다. 방사선 가열을 사용한 이러한 블랭크의 부분 가열은, 오스테나이트 상에 있는 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역에 대응하는, 프레스 경화된 영역 또는 영역들이 성형 및 담금질 될 때, 블랭크의 상기 적어도 하나의 제2 영역 부분과 상이한 조직을 가지도록 한다. 부분적으로 가열되는, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역은 처리 유닛에서 성형 및 담금질 될 때 경화될 수 있다. 즉, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역은 성형 및 담금질 되었을 때 마텐자이트(Martensite) 상에 진입할 수 있다. 블랭크의 적어도 하나의 제2 영역은 성형 및 담금질 될 때 경화되지 않거나, 적어도 하나의 제1 영역과 적어도 다른 내부 조직이 제공될 수 있다. 적어도 하나의 제2 영역은, 예를 들어 성형 및 담금질 될 때 페라이트(Ferrite) 및 펄라이트(Pearlite) 상에 진입할 수 있다. 상이한 내부 조직이란 상이한 내부 미세 조직일 수 있다.
방사선 가열 스테이션에서, 방사선원은 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역에 방사선을 제공하도록 배치될 수 있다. 방사선원의 배치는 적어도 하나의 제1 영역에만 방사선을 제공하도록 설계될 수 있다. 대안적으로, 방사선 가열 스테이션은 블랭크 전체를 덮도록 배치되는 방사선원들을 포함할 수 있으며, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역에 방사선을 제공하는 방사선원만이 활성화되어 적어도 하나의 제1 영역을 가열할 수 있다. 예를 들어, 방사선원은 매트릭스 패턴으로 배치되어, 방사선원을 이용하여 블랭크를 가열할 때, 블랭크를 특정 패턴으로 가열하기 위해, 특정 방사선원이 활성화되도록 제어될 수 있다.
노와 분리되어 있는 방사선 가열 스테이션에 블랭크를 배치함으로써, 블랭크의 부분 가열이 정확하게 제어될 수 있다. 일반적으로 노는 여러 방향으로부터 블랭크에 열을 제공하는, 블랭크의 주변 가열을 제공한다. 그러면, 블랭크의 오스테나이트화에 필요한 높은 온도로의, 시간 효율적인 가열이 제공될 수 있다. 따라서, 부분 가열을 위한 별도의 방사선 가열 스테이션을 구비하는 것이 에너지 효율적일 수 있고, 이러한 가열 스테이션은 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시킨다.
블랭크 전체가 오스테나이트 상으로 가열되고, 그 후에 적어도 하나의 제1 영역은 오스테나이트 상에 유지되고, 적어도 하나의 제2 영역은 오스테나이트 상에서 벗어나도록 냉각될 수 있는 방법을 사용함으로써, 블랭크의 성형 및 담금질 시, 제1 영역 및 제2 영역의 온도가 제어될 수 있다. 이로 인해, 프레스 경화되는 부품의 제1 영역 및 제2 영역의 내부 조직이 제어될 수 있다. 또한, 제1 영역과 제2 영역 모두를 오스테나이트 상으로 가열함으로써, 블랭크를 성형 및 담금질할 때, 적어도 하나의 제2 영역의 상을 제어하는 것이 용이해질 수 있다. 예를 들어, 블랭크를 성형 및 담금질할 때, 적어도 하나의 제2 영역을 페라이트, 펄라이트 또는 베이나이트(Bainite) 상에 있도록 또는 이러한 상과 오스테나이트 상의 혼합된 상에 있도록 희망할 수 있다. 이는, 블랭크의 모든 영역에 양호한 성형성(formability)을 제공할 수 있다. 이러한 상 혼합은 블랭크의 적어도 하나의 제2 영역의 재료의 강도를 제어하기 위해 추가로 필요할 수 있다.
블랭크의 제2 영역을 함께 오스테나이트 상으로 가열하지 않는 경우, 성형 및 담금질할 때 적어도 하나의 제2 영역의 온도를 제어하는 것이 어려울 수 있다. 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역과 적어도 하나의 제2 영역의 온도가 다를 경우, 적어도 하나의 제1 영역과 적어도 하나의 제2 영역 사이에 전이(transition) 영역이 생성될 수 있다. 블랭크는 이러한 전이 영역에서, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및/또는 오스테나이트의 혼합된 상에 있을 수 있다.
또한, 성형 및 담금질에 도달할 때, 제1 영역과 제2 영역 사이의 온도차가 매우 클 수 있다. 즉, 제2 영역이 매우 차가울 수 있다. 블랭크가, 예컨대 AlSi 코팅과 같이, 코팅된 재료로 제조되었을 경우, 블랭크의 코팅과 베이스 재료 사이에 필요한 반응을 제공하기 위해, 적어도 하나의 제2 영역, 즉 블랭크의 부분 중 경화되지 않을 부분도 오스테나이트 상으로 가열할 필요가 있을 수 있다. 블랭크는 강(steel) 블랭크일 수 있다.
블랭크는 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열되어, 블랭크의 재료가 오스테나이트 상으로 진입할 때까지 소정의 시간 동안 그 온도에 유지될 수 있다.
노에서의 오스테나이트화 이후에, 테일러드 가열에 대한 솔루션으로서 부분 방사선 가열을 사용함으로써, 특성이 다른 매우 큰 영역과 상이한 강도/특성을 갖는, 매우 정확하게 정의되는 영역을 생성할 수 있게 된다. 또한, 프레스 경화된 부품을 제조하는 동안에, 높은 강도는 문제를 발생시킬 수 있다. 경화 공정 이후에 트리밍을 수행할 때, 툴의 내구성이 제한된다. 연질 영역, 즉 블랭크 중 상기 적어도 하나의 제1 영역 외측의 영역은 절단 툴의 마모를 감소시키고, 필요한 기계력을 감소시키며, 처리 유닛의 수명을 증가시킬 수 있다.
부분 방사선 가열을 사용하는 본 방법은 기존의 프레스 경화 라인에 통합될 수 있다. 베이스 재료는 변경될 필요가 없다. 부품의 특성이 매우 국부적으로 조절될 수 있기 때문에 충돌 하중 경로의 관점에서 새로운 방식의 생각이 가능하다. 부분 방사선 가열을 가용한 방법은 블랭크의 국부 가열 및 큰 면적의 가열 모두를 가능하게 할 수 있다. 이는, 선택된 적어도 하나의 제1 영역의 온도를 유지하기 위해 방사선을 사용하기 때문이다. 방사선은 블랭크의 특정 영역, 특정 면적 또는 특정 경로에만 제공될 수 있다. 따라서, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역의 온도가 제어될 수 있다. 그 다음, 블랭크가 툴에 의해 성형되기 위해 처리 유닛에 배치될 때, 방사선 가열에 의해 오스테이트 상에 유지되는 적어도 하나의 제1 영역은 경화되고, 오스테나이트 상 밖으로 냉각된 블랭크의 다른 영역은 경화되지 않을 수 있다.
블랭크 전체가 처리 유닛에서 형성 및 담금질 될 수 있다. 즉, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역과 블랭크의 나머지 부분이 성형 및 담금질 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 하나 이상의 블랭크가 동시에 노에서 가열되고 및/또는 방사선 가열 스테이션에서 부분적으로 가열될 수 있다. 노는, 각각이 블랭크를 수용하도록 구성되는 복수의 가열 체임버를 포함할 수 있다. 방사선 가열 스테이션은 부분 방사선 가열을 위해 하나 이상의 블랭크를 동시에 수용하도록 구성될 수 있다. 이로 인해, 제조 공정의 효율이 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 방사선 가열 스테이션은 적외선 가열 스테이션일 수 있고, 적어도 하나의 제1 영역을 부분적으로 가열하는 단계는 방사선을 이용하여 수행될 수 있다. 방사선은 적어도 하나의 제1 영역을 가열하는 효과적인 방법일 수 있다. 적외선 가열 스테이션에는 적어도 하나의 제1 영역에 (적외선을) 방출하기 위해 사용되는 복수의 적외선 소스(infrared light source)이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 적외선이란 주로 0.7㎛ 내지 1㎜ 사이의 파장을 갖는 전자기 방사선을 의미하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 주로 0.8㎛ 내지 3㎛ 사이의 파장을 갖는 적외선이 사용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 주로 0.8㎛ 내지 1.5㎛ 사이의 파장을 갖는, 소위 근적외선(NIR or IR-A) 스펙트럼에 있는 적외선이 사용될 수 있다. NIR 스펙트럼에 있는 적외선은 높은 에너지 밀도에 도달하기 때문에, 블랭크의 방사선 가열에 효과적일 수 있다. 하나의 대안으로, 1.4㎛ 내지 3㎛ 사이의 파장을 갖는 단-파장 적외선(SWIR 또는 IR-B) 스펙트럼에 있는 적외선이 있을 수 있다. 단-파장 적외선 또한, 높은 에너지 밀도를 갖는 적외선을 제공하므로 블랭크 적외선 가열에 효과적일 수 있다. 이는, 3㎛ 미만의 파장, 바람직하게는 2㎛ 미만의 파장을 갖는 적외선이 보다 높은 에너지 밀도를 제공하거나, 바람직하게는 0.7㎛ 내지 2㎛ 범위에서 가장 효과적인 블랭크 가열이 수행되는 것으로 요약될 수 있다. 가장 바람직하게는, 특정 금속 재료에 가장 효율적이기 위해, 피크가 0.8㎛에 있는 파장 스펙트럼이 사용될 수 있다.
또한, 방사선 가열 스테이션에서의 부분 가열 단계는 블랭크의 상기 적어도 하나의 제1 영역 외측에 방사선이 도달하는 것을 차단하기 위해 방사선원과 블랭크 사이에 마스크를 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 마스크는 적어도 하나의 제1 영역에 희망하는 형태를 제공하기 위해 특정 패턴으로 형성(formed)될 수 있다. 마스크의 패턴은 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역의 희망하는 형상에 대응할 수 있다. 마스크는, 방사선이 통과하여 블랭크의 상기 적어도 하나의 제1 영역에 도달하는 적어도 하나의 개구를 구비하는 시트형 방사선 마스크로서 형성될 수 있다. 방사선 가열 스테이션에는, 블랭크의 한쪽 면, 예를 들어 상부면을 향해 방사선을 제공하는 방사선원이 제공될 수 있다. 마스크는 방사선원과 블랭크의 상부면 사이에 배치될 수 있다. 블랭크의 하부면은, 방사선 가열 스테이션에서 방사선 노출로부터 실질적으로 자유로울 수 있다. 블랭크는 하부면에 방사능 차폐를 제공하는 지지부에 배치될 수 있다.
마스크의 배치를 이용한 이러한 방법을 사용함으로써, 공지된 방법이 가능했던 것에 비해, 방사선에 의해 가열되는 블랭크의 적어도 하나의 영역의 매우 자세하고 복잡한 패턴이 제공될 수 있다. 따라서, 프레스 경화되는 부품의 조직은 대응하는 자세하고 복잡한 방식으로 맞춰질 수 있다. 블랭크의 희망하는 면적 또는 경로의 외측에 방사선이 도달하는 것을 차단하기 위해 마스크를 사용할 때, 특정 방사선원의 제어가 필요하지 않다. 모든 방사선원이 활성화되어 있더라도, 마스크는 블랭크의 의도되는 적어도 하나의 제1 영역에만 방사선이 도달하도록 할 것이다. 마스크는 블랭크로 통과하는 방사선의 양을 제어하기 위해 반사율이 높은 재료로 제공될 수 있다. 이러한 재료는 알루미늄 또는 스테인레스 강일 수 있으며, 이들은 연마되는 것이 바람직하다. 또한, 마스크의 재료에는 크로뮴(chromium) 층이 제공될 수 있다. 일 실시예에서, 마스크는 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 적외선이 도달하는 것을 차단하도록 구성될 수 있다. 또한, 마스크는 블랭크와 직접적으로 접촉하도록 위치설정 될 수 있다. 블랭크의 평평한 상부 표면은 마스크의 평평한 하부 표면과 접촉할 수 있다.
일 실시예에서, 마스크는 방사선 가열 스테이션에서 블랭크와 실질적으로 평행하게 배치되거나, 방사선의 방향에 실질적으로 수직으로 배치될 수 있다. 이로 인해, 방사선이 블랭크의 희망하는 면적 외측, 즉 오스테나이트 상에 유지되어야 하는 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 도달하는 것을 효과적으로 차단할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 마스크는 블랭크의 외부 경계부를 덮도록 배치될 수 있으며, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역에 방사선이 도달하도록 하는 개구 및/또는 리세스를 구비한다. 이로 인해, 블랭크 전체의 가열이 희망하는 가열 패턴을 제공하도록 맞춰질 수 있다.
또 다른 실시예에서, 마스크는 블랭크와 직접적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 이는, 블랭크의 제1 영역의 외측으로 방사선이 더 적게 누출(escape)되는, 향상된 IR 가열을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 블랭크의 평평한 상부 표면은 마스크의 평평한 하부 표면과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이로 인해, 블랭크와 마스크는 평행하게 서로 직접적으로 접촉하도록 배치될 수 있다. 마스크의 외부 경계부는 블랭크의 외부 경계부의 외측으로 연장할 수 있다. 블랭크와 마스크의 평평한 표면 사이의 직접적인 접촉은, 자세하게 제어되는 적어도 제1 영역의 IR 가열을 제공하여, 제1 영역 및 제2 영역의 고해상도 패턴을 가능하게 한다.
일 실시예에서, 블랭크는 8초 내지 100초의 시간 동안 적외선 가열 스테이션에서 유지되고, 냉각 속도에 따라 550℃ 내지 750℃ 사이로 블랭크 제2 영역의 냉각이 제공될 수 있다. 블랭크가 IR 스테이션에 유지되는 시간은 IR 스테이션에서 달성될 수 있는 냉각 속도에 따라 선택될 수 있다. 블랭크가 약 8초 동안 유지될 때, 급냉은 약 550℃의 제2 영역의 온도를 요구할 수 있다. 이러한 냉각 속도에서, 블랭크의 재료에서 필요한 변형은 약 550℃에서 일어난다. 블랭크가 더 낮은 냉각 속도로, IR 스테이션에 더 오랜 시간 동안, 예를 들어 약 100초 동안 유지되는 경우, 동일한 변형이 약 750℃에서 일어나기 때문에 제2 영역에 더 높은 온도가 허용될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따르면, 다양한 조직의 영역을 갖는 열 처리 가능한 재료로 이루어진 프레스 경화된 부품을 생성하기 위한 장치가 제공될 수 있다. 장치는, 블랭크를 수용하고, 블랭크를 블랭크 재료의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열하여 블랭크를 오스테나이트 상으로 만들도록 구성되는 노, 방사선을 이용하여 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 부분적으로 가열하여 상기 블랭크의 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시키도록 구성되는 방사선 가열 스테이션, 및 부분적으로 가열된 블랭크를 수용하여 블랭크를 프레스 경화된 부품으로 성형 및 담금질하도록 구성되는 처리 유닛을 포함한다. 장치는 전술된 프레스 경화된 부품 제조 방법을 수행하도록 구성될 수 있다. 장치는 전술된 방법에 대해 제시된 것과 유사한 특징 및 이점을 가질수 있다.
장치는 블랭크를 노, 방사선 가열 스테이션 및 처리 유닛 사이에서 이송하도록 구성되는 이송 유닛을 포함할 수 있다. 이송 유닛은 블랭크의 열 손실이 최대한 낮도록, 블랭크를 이송하도록 구성될 수 있다. 전술된 방법과 관련하여 설명한 것과 유사하게, 장치는 노에서의 가열 및/또는 방사선 가열 스테이션에서의 부분 가열을 위해, 하나 이상의 블랭크를 동시에 수용할 수 있다.
일 실시예에서, 방사선 가열 스테이션은 적외선을 사용하여 블랭크를 부분적으로 가열하도록 구성되는 적외선 가열 스테이션일 수 있다. 적외선은 적어도 하나의 제1 영역을 가열하는 효과적인 방법일 수 있다. 적외선 가열 스테이션에는 적어도 하나의 제1 영역에 (적외선을) 방사하기 위해 사용되는 복수의 적외선 소스가 제공될 수 있다. 적외선 외에도, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상 온도로 가열하기에 적절한 임의의 유형의 방사선이 사용될 수 있다. 이러한 다른 유형의 방사선은 저항 열 방사선(resistant heat radiation) 또는 복사열 방사선(radiant heat radiation)일 수 있다.
일 실시예에서, 방사선 가열 스테이션은 방사선원과 블랭크 사이에 배치되는 마스크를 포함할 수 있으며, 마스크는 블랭크의 상기 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 방사선이 도달하는 것을 차단하도록 구성된다. 이러한 마스크의 배치는, 전술한 바와 같이, 적어도 하나의 영역 및 최종 프레스 경화된 부품의 조직의 희망하는 특정 패턴 또는 경로를 생성하기 위해 사용될 수 있다.
일 실시예에서 마스크는 방사선 가열 스테이션에서 블랭크와 평행하게 배치될 수 있다. 이로 인해, 마스크는 블랭크에 도달할 수 있는 모든 방사선을 제어할 수 있다. 마스크에는 적어도 하나의 개구 또는 리세스도 제공될 수 있다. 개구 또는 리세스의 설계는 블랭크에 도달할 수 있는 방사선의 희망하는 패턴 또는 경로, 그리고 이로 인해 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역의 패턴 또는 경로를 제공할 수 있다.
전술된 바와 같이, 마스크는 블랭크와 직접적으로 접촉하도록 배치될 수도 있다. 또한, 전술된 바와 같이, 마스크의 평평한 하부 표면은 IR 가열 스테이션에서 수용되는 블랭크의 평평한 상부 표면과 직접적으로 접촉하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여, 이하에서 보다 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 프로세스 동안의 블랭크의 내부 구조에 대한 개략적인 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략적인 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 개략적인 블록도이다.
도 5b 는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 일부에 대한 개략적인 측면도이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세하게 본 발명이 설명될 것이다. 하지만, 본 발명은 많은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 제한되는 것으로 이해되어서는 안된다. 오히려, 이들 실시예는 본 발명을 철저하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달할 수 있도록 제공된다. 도면에서, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 프레스 경화된 부품의 제조 방법(100)을 나타낸다. 방법(100)은 블랭크를 노에 배치하는 단계(102)를 포함한다. 노에서, 블랭크는, 블랭크의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열된다(104). 이러한 가열로 인해 블랭크가 오스테나이트 상에 놓여진다. 블랭크 전체가 노에서 가열되거나, 블랭크의 일부가 노에서 가열될 수 있다. 예를 들어, 블랭크의 제1 섹션이 노에 삽입되어 가열되고, 이러한 가열 동안 블랭크의 제2 섹션은 노 외부로 연장될 수 있다. 블랭크는 블랭크의 제2 섹션을 지지하는 장치에 의해 노 내에서 제자리에 유지될 수 있다.
상기 방법(100)은, 방사선 가열을 사용하여 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상을 위한 온도에 유지하는 단계(106)를 추가적으로 포함한다. 동시에, 블랭크의 부분 중 상기 적어도 하나의 제1 영역의 외측 부분은 오스테나이트 상을 벗어나는 온도로 냉각될 수 있다.
적어도 하나의 제1 영역의 방사선 가열 단계(106) 이후에, 블랭크는 담금질 되어 프레스 경화된 부품으로 성형되는 처리 유닛에 배치(108)된다. 블랭크가 성형될 때, 적어도 하나의 제1 영역은 오스테나이트 상에 있다. 또한, 처리 유닛에서 성형될 때, 블랭크는 냉각되어, 오스테나이트 상에 있는 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역이 경화되도록 한다.
방법(100)은 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지하기 위한 방사선 가열로서, 적외선 가열을 사용할 수 있다.
도 2는 도 1의 방법(100)의 또 다른 실시예로, 방사선원과 방사선 가열 스테이션에 있는 블랭크 사이에 마스크를 배치(105)하는 단계를 추가적으로 포함하는 방법을 나타낸다. 마스크 및 이러한 마스크의 사용은 이하에서 더 설명될 것이다.
상기 방법(100)은 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지하기 위한 방사선 가열로서 적외선 가열을 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 방법을 사용하여, 강 블랭크의 내부 구조가 다양한 영역에서 어떻게 변하는지를 나타낸다. 도면에는, 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 있는 블랭크(2)의 제2 영역(2b)의 온도와 블랭크(2)의 적어도 하나의 제1 영역(2a)의 온도가 도시되어 있다. 제1 스테이지(210)에서, 블랭크 전체가 노에서 오스테나이트 상으로 가열된다. 이는, 블랭크의 AC3 온도이상의 온도로 블랭크를 가열하는 것과, 블랭크를 일정시간 동안, 이 온도에 유지하는 것을 포함한다. 제2 스테이지(220)에서, 블랭크는 적어도 하나의 제1 영역(2a)이 오스테나이트 상에 있도록 하는 온도에 유지되는 방사선 가열 스테이션으로 이동되어 있다. 이러한 온도는 AC3 온도보다 높을 수 있다. 제2 영역(2b)은 냉각되어 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 상에 도달한다. 제3 스테이지(230)에서는, 블랭크(2)가 처리 유닛에서 성형 및 담금질 된다. 적어도 하나의 제1 영역(2a)이 오스테나이트 상으로부터 급냉되면 마텐자이트 상에 도달한다. 제2 영역(2b)이 담금질 될 때, 이는 이전에 냉각되었을 때 도달했던 펄라이트 상에 유지된다. 하지만, 제2 영역(2b)은 담금질 되기 전에, 페라이드, 펄라이트, 베이나이트 및/또는 오스테나이트의 혼합물을 가질 수 있다. 담금질 전 제2 영역(2b) 상의 조성에 따라, 내부 조직 및 재료 강도 수준이 달라진다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치(1)를 나타내며, 도 4b는 동일한 실시예에 따른 적외선 가열 스테이션(20)의 상세도를 나타낸다. 장치(1)는 블랭크(2) 또는 여러 블랭크들을 동시에 수용하도록 구성되는 노(10)를 포함한다. 블랭크(2)는 노(10)에서, 블랭크(2) 재료의 오스테나이트화 온도 이상의 온도로 가열된다. 이로 인해, 블랭크(2)의 재료는 재료의 오스테나이트 상에 놓여지게 된다.
장치(1)는 노 내부(12)의 블랭크(2)를 수용하도록 구성되는 적외선 가열 스테이션(20)을 추가적으로 포함한다. 이하에서는, 적외선 가열 스테이션을 포함하여 적외선 가열을 사용하는 장치(1)의 일 실시예가 설명될 것이다. 하지만, 이하에 설명되는 것은 블랭크의 부분 가열을 위해 다른 종류의 방사선 및 방사선 가열 스테이션을 사용하는 실시예에도 적용될 수 있다.
노(10)에서 가열된 블랭크(2)는 적외선 가열 스테이션(20)으로 이동된다. 적외선 가열 스테이션(20)에서, 적어도 하나의 제1 영역(2a)은 적외선 소스(22)로부터의 적외선(24)에 노출된다. 이 실시예에서, 적어도 하나의 제1 영역은 IR 가열 영역 또는 영역들로 칭해지기도 한다. 이로 인해, IR 가열 영역(2a)은 가열되어 오스테나이트 상에 유지된다. 블랭크(2) 중 적외선(24)에 노출되지 않는 제2 영역 또는 영역들(2b)은 오스테나이트화 온도보다 낮은 온도로 냉각되어 오스테나이트 상을 빠져나갈 수 있다.
적외선 가열 스테이션은 복수의 적외선 소스를 포함한다. 블랭크가 방사선에 노출될 때, 적외선 소스는 제1 영역(2a)에 방사선을 제공하도록 제어될 수 있다. 적어도 하나의 제1 영역(2a)의 희망하는 패턴을 생성하기 위해, 특정 방사선원이 희망하는 패턴으로 활성화될 수 있다.
또한, 장치(1)는 가열된 블랭크(2)를 수용하도록 구성되는 처리 유닛(30)을 포함한다. 부분적으로 가열된 블랭크(2)는 바람직하게는 신속하게 적외선 가열 스테이션(20)으로부터 처리 유닛(30)으로 이동된다. 처리 유닛(30)에서, 블랭크(2)는 툴(32)에 배치된다. 가압력(F)에 의해 가압되고 담금질 됨으로써, 블랭크(2)는 프레스 경화된 부품(2')으로 성형된다. 프레스 경화된 부품(2')은 블랭크(2)의 IR 가열 영역(2a)에 대응하는 경화된 영역(2a')을 구비한다.
예시적인 실시예에서, 블랭크(2)는 노에서 약 930℃의 온도로 가열되고, 오스테나이트 상에 놓여지도록 그 온도에 유지될 수 있다. 블랭크(2)의 오스테나이트화 온도는 일반적으로 약 850℃일 수 있다. 적외선 가열을 사용하여, 블랭크의 IR 가열된 영역(2a)은 오스테나이트 상에 유지되며, 성형 및 담금질을 위한 처리 유닛(30)에 도달할 때 약 780℃의 온도에 도달할 수 있다. 즉, 여전히 오스테나이트 상에 있을 수 있다.
도 5a는 본 발명의 대안적인 실시예에 따른 장치(1)를 도시하며, 적외선 가열 스테이션(20)은 방사선 마스크(26)를 추가적으로 포함한다. 도 5b는 동일한 실시예에 따른 적외선 가열 스테이션(20)의 상세도를 나타낸다. 방사선 마스크(26)는 적외선 소스(22)와 블랭크(2) 사이에 배치된다. 적외선 마스크(26)에는 하나 이상의 개구 또는 리세스(26a)가 제공된다. 이로 인해, 방사선 마스크(26)는 적외선(24)이 블랭크(2)까지 연장하는 개구(26a)를 제외하고, 적외선이 블랭크(2)에 도달하는 것을 차단한다.
방사선 스크(26)의 개구(26a)는, 방사선(24)에 노출되어 성형 및 담금질 될 때 경화되도록 희망하는 블랭크(2)의 특정 제1 영역 또는 영역들(2a)에 대응하는 패턴으로 설계될 수 있다. 이로 인해, 블랭크(2)의 제1 영역(2a)이 가열되는 동안, 제1 영역(2a)의 외측에 있는 제2 영역(2b)은 가열되지 않는다. 그 이후에 블랭크(2)는 처리 유닛(30)으로 이동되어 프레스 경화된 부품(2')으로 성형되면, 블랭크(2)의 서로 다른 영역(2a, 2b)의 서로 다른 온도에 의해, 서로 다른 영역(2a, 2b)은 서로 다른 조직으로 이루어진다. 서로 다른 온도란 오스테나이트 상에 있거나 그렇지 않은 영역(2a, 2b)의 재료와 관련될 수 있다. 블랭크(2)의 서로 다른 조직의 영역(2a, 2b)은 프레스 경화된 부품(2')에서 서로 다른 조직 또는 서로 다른 경화된 영역(2a', 2b')을 형성한다.
이는, 도 6 및 도 7에 더 도시되며, 마스크(26)는 적외선 소스(22)로부터의 적외선(24)이 블랭크(2)의 의도된 IR 가열 영역(2a)에 도달할 수 있도록 하는 개구/리세스(26a)를 구비하고, 의도된 IR 가열 영역(2a)의 외측(2b)에 방사선(24)이 도달하는 것을 차단한다. 마스크(26)는 블랭크(2)와 평행인 평면에 배치된다. 마스크(26)의 크기는 블랭크(2) 전체를 테일러드 가열할 수 있도록 블랭크(2)의 크기보다 크다. 마스크(26)에는 블랭크(2)에 IR 가열 영역 또는 영역들(2a)의 상세한 테일러링을 제공하기 위해, 작을 수 있는 개구 및 리세스(26a)가 제공된다. 하지만, 일부 실시예에서, 개구 및 리세스(26a)는 클 수 있다. 즉, 블랭크(2)의 면적 대부분이 마스크(26)에 의해 덮이지 않고, 단지 작은 면적들만 마스크에 의해 덮어져 냉각된 연질 영역을 제공한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예는 블랭크(2)의 일부 위에만 방사선원(22)이 연장하는 방사선 가열 스테이션(20)을 포함할 수 있다. 이로 인해, 방사선(24)은 블랭크(2) 중 경화될 제1 영역(2a)에만 도달할 것이다. 경우에 따라서는, 의도된 제1 영역(2a) 외측에 방사선(24)이 도달하는 것을 차단하기 위해 차폐부가 사용될 수 있다. 이로 인해, 제2 영역(2b)은 방사선 노출로부터 보호되어, 방사선(24)에 의해 가열되지 않는다.
도 9의 실시예에 도시된 바와 같이, 방사선 가열 스테이션(20)은 블랭크(2)와 직접적으로 접촉하는 평행한 평면에 있는 마스크(26)를 포함한다. 이로 인해, 개구(26a)는 방사선원(22)으로부터 블랭크(2)의 제1 영역(2a)으로의 방사선의 연장을 매우 자세하게 제어한다. 마스크(26)는 또한, 방사선원(22)과 직접 접촉하는 평면에 있을 수 있다.
도면과 명세서에는, 본 발명의 바람직한 실시예들 및 예시가 개시되어 있으며, 특정 용어가 사용되었지만 이들은 일반적인 설명을 위한 용도로만 사용되었을 뿐, 제한의 목적으로 사용된 것이 아니다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 기재되어 있다.

Claims (15)

  1. 블랭크(2)를 처리하기 전에 블랭크(2)를 부분적으로 가열함으로써 서로 다른 조직으로 된 영역(2a, 2b)을 구비하는, 열처리 가능 재료로 이루어진 프레스 경화 부품을 제조하는 방법에 있어서,
    상기 프레스 경화 부품 제조 방법은,
    블랭크가 오스테나이트 상이 되도록 하기 위해, 블랭크를 블랭크 재료의 오스테나이트화 온도로 또는 오스테나이트화 온도를 상회하는 온도로 블랭크를 가열(104)하기 위한, 블랭크를 노(10)에 배치(102)하는 단계,
    가열된 블랭크를 적외선(IR) 가열 스테이션(20)에 배치하는 단계,
    적외선(IR radiation)(24)이 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역(2a)의 외측에 도달하는 것을 차단하기 위해, 적외선 소스(IR source)(22)와 블랭크(2) 사이에 마스크(26)를 배치(105)하는 단계,
    적외선(24)을 사용하여 블랭크의 상기 적어도 하나의 제1 영역(2a)을 부분적으로 가열(106)함으로써, 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시키고, 상기 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 있는 블랭크의 제2 영역은 오스테나이트화 온도 미만으로 냉각시키는 단계, 및
    블랭크를 성형(forming) 및 담금질(quenching)하여 프레스 경화 부품(2')으로 만들기 위해, 블랭크를 처리 유닛(30)에 배치(108)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    마스크(26)는 적외선 가열 스테이션(20)에서 블랭크(2)와 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적외선(24)이 통과하여 블랭크(2)에 도달하도록 하는 하나 이상의 개구 또는 리세스(26a)가 마스크(26)에 제공되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  4. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    마스크(26)는 블랭크(2)와 직접적으로 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    블랭크(2)의 평평한 상부 표면이 마스크(26)의 평평한 하부 표면과 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    적외선은 0.7 내지 3㎛, 바람직하게는 0.7 내지 2㎛ 사이의 스펙트럼 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    적외선은, 0.8 내지 1.5㎛ 사이의 파장을 갖는 근-적외선(NIR) 스펙트럼에 있는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    블랭크(2)는 8 내지 100초 사이의 시간 동안 IR 가열 스테이션에 유지되어, 냉각 속도에 따라 550℃ 내지 750℃ 사이로 블랭크 제2 영역을 냉각시키는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 방법.
  9. 서로 다른 조직으로 된 영역(2a', 2b')을 구비하는 열처리 가능 재료로 이루어진 프레스 경화 부품(2')을 제조하는 장치(1)로,
    상기 프레스 경화 부품 제조 장치는,
    블랭크(2)를 수용하고, 블랭크를 블랭크 재료의 오스테나이트화 온도로 또는 오스테나이트화 온도를 상회하는 온도로 가열하여, 블랭크를 오스테나이트 상에 진입시키도록 구성되는 노(10),
    가열된 블랭크를 수용하도록 구성되는 적외선(IR) 가열 스테이션(20)으로, IR 가열 스테이션(20)은 적외선 소스(22)와 블랭크(2) 사이에 배치되는 마스크(26)를 포함하고, 마스크는 적외선(24)이 블랭크의 적어도 하나의 제1 영역(2a)에 도달하는 것을 차단하도록 구성되며, 적외선(24)을 사용하여 블랭크의 상기 적어도 하나의 제1 영역(2a)을 부분적으로 가열하여 상기 블랭크의 상기 제1 영역을 오스테나이트 상에 유지시키고, 상기 적어도 하나의 제1 영역의 외측에 있는 블랭크의 제2 영역은 오스테나이트화 온도 아래로 냉각시키도록 구성되는 IR 가열 스테이션, 및
    부분적으로 가열된 블랭크(2)를 수용하여, 블랭크를 성형 및 담금질하여 프레스 경화된 부품(2')으로 만들도록 구성되는 처리 유닛(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화된 부품 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    마스크(26)는 IR 가열 스테이션(20)에서 수용되는 블랭크와 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장지.
  11. 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    마스크(26)에는 적외선이 통과하여 블랭크(2)에 도달하도록 하는 하나 이상의 개구 또는 리세스(26a)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    마스크(26)는 블랭크(2)와 직접적으로 접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    마스크(26)의 평평한 하부 표면은 IR 가열 스테이션에서 수용되는 블랭크의 평평한 상부 표면과 직접적으로 접촉하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장치.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    적외선 소스는 0.7 내지 3㎛, 바람직하게는 0.7 내지 2㎛ 사이의 스펙트럼 범위에 있는 적외선을 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    적외선은 0.8 내지 1.5㎛ 사이의 파장을 갖는, 근-적외선(NIR) 스펙트럼에 있는 것을 특징으로 하는, 프레스 경화 부품 제조 장치.
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