KR20180131943A - 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판과 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판은 알루미늄 합금 도금 강판으로서, 도금층 내 Fe의 평균 함량이 40중량% 이상이고, 도금층의 표면에서부터 두께 방향으로 GDS 분석한 결과에서 도금층내에서 Fe함량이 45~80%인 구간에서의 농도경사가 7중량%/㎛ 이하일 수 있다.

Description

도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판 및 그 제조방법{STEEL SHEET FOR HOT PRESS FORMED MEMBER HAVING EXCELLENT COATING ADHESION AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판과 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유 에너지 자원의 고갈과 환경에 관한 높은 관심으로 인하여 자동차의 연비 향상에 대한 규제는 날로 강력해지고 있다.
재료적인 측면에서 자동차의 연비를 향상시키기 위한 한가지의 방법으로서 사용되는 강판의 두께를 감소시키는 것을 들 수 있으나, 두께를 감소시킬 경우 자동차의 안전성에 문제가 발생할 수 있으므로, 반드시 강판의 강도 향상이 뒷받침되어야 한다.
이와 같은 이유로 고강도 강판에 대한 수요가 지속적으로 발생하였으며, 다양한 종류의 강판이 개발된 바 있다. 그런데, 이들 강판은 그 자체로 높은 강도를 가지고 있기 때문에 가공성이 불량하다는 문제가 있다. 즉, 강판의 등급별로 강도와 연신율의 곱이 항상 일정한 값을 가지려는 경향을 가지고 있기 때문에, 강판의 강도가 높아질 경우에는 가공성의 지표가 되는 연신율이 감소하게 된다는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 열간 프레스 성형법이 제안된 바 있다. 열간 프레스 성형법은 강판을 가공하기 좋은 고온으로 가공한 후, 이를 낮은 온도로 급냉함으로써 강판 내에 마르텐사이트 등의 저온 조직을 형성시켜, 최종 제품의 강도를 높이는 방법이다. 이와 같이 할 경우에는 높은 강도를 가지는 부재를 제조할 때 가공성의 문제를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
그런데, 상기 열간 프레스 성형법에 의할 경우에는 강판을 고온으로 가열하여야 하기 때문에 강판 표면이 산화되고 따라서 프레스 성형 이후에 강판 표면의 산화물을 제거하는 과정이 추가되어야 한다는 문제가 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 미국 특허공보 제6,296,805호 발명이 제안된 바 있다. 상기 발명에서는 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형 또는 상온 성형 후 가열하고 급냉하는 과정(간략히 '후 열처리')에 이용하고 있다. 알루미늄 도금층이 강판 표면에 존재하기 때문에 가열시에 강판이 산화되지는 않는다.
그런데, 열간 프레스 성형된 부재는 둘 이상이 부재가 접착제에 의하여 접착되어 사용되는 경우가 있는데, 이러한 경우에는 충분한 접착강도를 유지할 필요가 있다. 접착강도를 확인하기 위하여 접착면에 수직한 방향으로 인장응력을 가하여 접착부가 높은 강도에도 용이하게 유지되는지를 판단하는 시험법이 종종 사용된다.
이때, 도금층 내부 또는 도금층과 소지강판 사이의 계면 등에서 도금층이 박리되는 경우가 종종 발생하는데 이러한 경우에는 낮은 응력에서도 두 부재가 분리되어 버리는 문제가 발생한다.
본 발명의 한가지 측면에 따르면 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제조할 수 있는 열간 프레스 성형용 강판과 상기 강판을 제조하기 위한 한가지 방법이 제공된다.
본 발명의 과제는 상술한 내용으로 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 해결하는데 아무런 어려움도 없을 것이다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판은 알루미늄 합금 도금 강판으로서, 도금층 내 Fe의 평균 함량이 40중량% 이상이고, 도금층의 표면에서부터 두께 방향으로 GDS 분석한 결과에서 도금층내에서 Fe함량이 45~80%인 구간에서의 농도경사가 7중량%/㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 농도경사는 5중량%/㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 알루미늄 합금 도금층은 Fe의 평균 함량이 50중량% 이상일 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한가지 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법은, 소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계; 알루미늄 도금 강판을 소둔하여 알루미늄 합금 도금 강판을 단계; 및 알루미늄 합금 도금 강판을 냉각하는 단계를 포함하는 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법으로서, 상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m2이고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하며, 권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm2으로 하며, 상기 소둔은 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분 ~ 50시간 실시되며, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 20~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고, 상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 할 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있다.
본 발명의 한가지 구현례에서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한가지 측면에 따르면, 열간 프레스 성형용 강판이 Al-Fe계 도금층으로 도금되어 있어서, 후속되는 열간 프레스 성형 공정에서 도금층 내부에 공공이 발생할 가능성이 감소하며, 그에 따라 두 부재를 접착제로 접착한 경우에라도 공공에 의하여 도금층의 내부가 박리될 우려가 줄어들게 되며, 높은 접착강도를 가질 수 있게 된다.
도 1은 도금층 박리가 발생한 열간 프레스 성형된 부재의 도금층 단면을 관찰한 사진이다.
도 2는 발명예 1에 의하여 제조된 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석한 성분 프로파일이다.
도 3은 발명예 2에 의하여 제조된 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석한 성분 프로파일이다.
도 4는 비교예 1에 의하여 제조된 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석한 성분 프로파일이다.
도 5는 비교예 2에 의하여 제조된 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석한 성분 프로파일이다.
도 6은 비교예 3에 의하여 제조된 강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석한 성분 프로파일이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에서 부재라 함은 열간 프레스 성형에 의해서 제조된 부품 또는 부품용 재료를 말한다. 또한, 강판은 열간 프레스 성형 전의 것을 의미하고 이러한 강판은 제조 공정 중에 권취되어 코일 형태를 가지는 경우가 있는데 이때에는 코일이라고 부르기도 한다.
본 발명자들은 접착강도 저하를 일으키는 도금측 박리의 원인을 규명하기 위하여 다방면에 걸쳐서 연구를 진행한 바 있다. 그 결과, 도 1에 도시한 바와 같이 열간 프레스 성형된 부재의 도금층 단면의 하부에서 미세한 공공(void)이 존재하는 경우가 있었으며, 이러한 경우에 접착강도의 저하가 일어난다는 것을 알 수 있었다.
즉, 열간 프레스 성형 부재의 도금층 단면의 하부(도금층의 두께에 따라서 다르지만, 통상적인 도금량에서는 도금층과 소지철의 계면으로부터 15㎛까지의 지점) 에 존재하는 미세한 공공은 도금층의 결합 강도를 감소시키는 원인이 되며, 상기 공공을 기점으로 도금층 내에서 균열이 발생되고 전파하여 결국 도금층이 박리되는 것으로 이어지는 것으로 판단된다.
본 발명자들의 연구 결과, 열간 프레스 성형용 강판의 도금층의 형태를 어떻게 제어하는가에 따라 공공의 발생이 억제되거나 조장될 수 있다는 것이 밝혀졌으며, 본 발명에서는 이와 같이 공공이 발생되지 않도록 하는 도금층을 가지는 강판을 제공하고자 한다.
확실하시는 않으나 공공이 발생하는 기구는 열간 프레스 성형 부재의 공공은 비교적 빠른 속도로 가열하는 열간 프레스 성형 공정의 가열시 일어나는 소지철 중 Fe와 도금층 중 Al의 확산 속도의 불균형으로 인하여 발생되는 것으로 판단된다. 즉, Fe는 비교적 느린 속도로 확산되는 반면 Al은 상대적으로 빠르게 확산되는데, 그 결과 Al이 확산되어 제거된 자리를 Fe가 채워지지 못함으로써 공공이 발생되는 것으로 보인다.
본 발명에서는 이러한 문제를 방지하기 위해서, 강판의 도금층의 조성을 제어한다. 열간 프레스 성형 전의 강판의 도금층에 이미 Fe를 다량 확산시켜 둠으로써 열간 프레스 성형을 위한 가열시 Fe와 Al의 확산량이 크지 않도록 하여 확산량의 불균형의 크기를 줄이도록 하는 것이다.
따라서, 본 발명의 열간 프레스 성형 강판은 알루미늄 합금 도금 강판으로서 도금층 내 Fe의 평균 함량이 40중량% 이상, 바람직하게는 50중량% 이상이고, 도금층의 표면에서부터 두께 방향으로 GDS 분석한 결과에서 도금층내에서 Fe함량이 45~80%인 구간에서의 농도경사가 7중량%/㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
Fe의 평균 함량이 낮을 경우에는 여전히 열간 프레스 성형 과정에서 확산되는 Al과 Fe의 양이 많기 때문에, 공공이 발생할 여지가 존재한다. 따라서, 도금층 내 Fe의 함량은 상술한 범위로 제한할 필요가 있다. Fe의 평균 함량의 상한은 특별히 정할 필요는 없으나, 합금화의 효율 등을 고려할 때 80중량% 이하로 정할 수도 있다. 여기서 Fe의 평균 함량은 전체 도금층 중의 Fe 함량의 평균을 의미하는 것으로서 측정 방법이 여러가지가 있을 수 있으나, 본 구현례에서는 글로우 방전 분광분석(Glow Discharge emission Spectrometry; 간략히 GDS)법으로 도금층의 표면부터 강판의 계면까지 분석하였을 때 나타나는 깊이(두께)에 따른 Fe의 함량 곡선을 적분한 후 이를 도금층 두께로 나눈 값으로 사용할 수 있다. 도금층과 강판의 계면을 판단하는 기준에는 여러가지가 있을 수 있으나, 본 구현례에서는 GDS 결과로부터 Fe의 함량이 모재 Fe 함량의 92%인 지점을 도금층과 강판의 계면으로 규정할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 공공의 형성을 줄이기 위해서는 도금층 내 Fe의 평균 함량을 제어하는 것에 더하여 공공이 주로 발생하는 위치에서의 Fe의 농도경사를 완만하게 함으로써 가능하다는 것을 알 수 있었다.
따라서, 본 발명의 열간 프레스 성형 강판은 알루미늄 합금 도금 강판으로서 GDS 분석 결과로부터 도금층내에서 Fe함량이 45~80%인 구간에서의 농도경사가 7중량%/㎛ 이하인 것을 특징으로 한다. 즉, Fe 함량이 상기 구간의 시점과 종점에서의 Fe 함량 차이(중량%)를 상기 구간의 길이(㎛)로 나눈 값이 7중량%/㎛ 이하일 경우 열간 프레스 성형을 위한 추가적인 가열 과정에서 Al과 Fe의 확산이 급격하지 않아서 공공의 발생을 억제할 수 있는 것이다. 또한 상기 구간 내에서 Fe의 증감이 변화하는(증가에서 감소로 또는 감소에서 증가로) 구간이 존재할 수는 있으나, 구간 내 모든 지점에서 Fe 함량은 45~80% 범위에 속해야 한다. 또한, 만약 도금층내 해당 구간이 여러군데로 나타날 경우에는 공공이 주로 발생하는 도금층내 가장 하단의 해당 구간(표면으로부터 가장 먼 구간)의 농도경사를 의미한다. 본 발명의 또한가지 구현례에 따르면 상기 농도 경사는 5중량%/㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 강판은 열간 프레스 성형용 강판으로서, 열간 프레스 성형에 사용된다면 그 조성을 특별히 제한하지 않는다. 다만, 본 발명의 한가지 측면에 따를 경우 중량%로(이하, 특별히 다르게 표현하지 않는 한 본 발명의 강판과 도금층의 조성은 중량을 기준으로 한다는 것에 유의할 필요가 있다), C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하 및 N: 0.02% 이하를 포함하는 조성을 가질 수 있다.
C: 0.04~0.5%
상기 C는 열처리 부재의 강도를 상향시키기 위해 필수적인 원소로서 적정한 양으로 첨가될 수 있다. 즉, 열처리 부재의 강도를 충분하기 확보하기 위해서 상기 C는 0.04% 이상 첨가될 수 있다. 한가지 구현례에서는 상기 C 함량의 하한은 0.1%일 수 있다. 다만, 그 함량이 너무 높으면 냉연재를 생산하는 경우 열연재를 냉간압연할 때 열연재 강도가 너무 높아 냉간압연성이 크게 열위하게 될 뿐만 아니라, 점용접성을 크게 저하시키기 때문에, 충분한 냉간압연성과 점용접성을 확보하기 위해 0.5% 이하로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 C 함량은 0.45% 이하 또한 0.4% 이하로 그 함량을 제한할 수도 있다.
Si: 0.01~2%
상기 Si는 제강에서 탈산제로 첨가되어야 할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형 부재의 강도에 가장 크게 영향을 미치는 탄화물 생성을 억제할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형에 있어서 마르텐사이트 생성 후 마르텐사이트 래쓰(lath) 입계로 탄소를 농화시켜 잔류오스테나이트를 확보하기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 압연 후 강판에 알루미늄 도금을 행할때 충분한 도금성을 확보하기 위해서 상기 Si 함량의 상한을 2%로 정할 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 Si 함량을 1.5% 이하로 제한할 수도 있다.
Mn: 0.01~10%
상기 Mn은 고용강화 효과를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 열간 프레스 성형 부재에 있어서 마르텐사이트를 확보하기 위한 임계냉각속도를 낮추기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 강판의 강도를 적절하게 유지함으로써 열간 프레스 성형 공정 작업성을 확보하고, 제조원가를 절감하며, 점용접성을 향상시킨다는 점에서 상기 Mn 함량은 10% 이하로 할 수 있으며, 본 발명의 한가지 구현례에서는 9% 이하, 또는 8% 이하로 할 수 있다.
Al: 0.001~1.0%
상기 Al은 Si과 더불어 제강에서 탈산 작용을 하여 강의 청정도를 높일 수 있으므로 0.001% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, Ac3 온도가 너무 높아지지 않도록 하여 열간 프레스 성형시 필요한 가열을 적절한 온도범위에서 할 수 있도록 하기 위하여 상기 Al의 함량은 1.0% 이하로 할 수 있다.
P: 0.05% 이하
상기 P는 강내에 불순물로서 존재하며, 가급적 그 함량이 적을수록 유리하다. 따라서, 본 발명의 한가지 구현례에서 P는 0.05% 이하의 함량으로 포함될 수 있다. 본 발명의 다른 한가지 구현례에서 P는 0.03% 이하로 제한될 수도 있다. P는 적으면 적을수록 유리한 불순물 원소이기 때문에 그 함량의 상한을 특별히 정할 필요는 없다. 다만, P 함량을 과도하게 낮추기 위해서는 제조비용이 상승할 우려가 있으므로, 이를 고려할 경우에는 그 하한을 0.001%로 할 수도 있다.
S: 0.02% 이하
상기 S는 강 중에 불순물로서, 부재의 연성, 충격특성 및 용접성을 저해하는 원소이기 때문에 최대함량을 0.02%로 한다(바람직하게는 0.01% 이하). 또한 그 최소함량이 0.0001% 미만에서는 제조비용이 상승될 수 있으므로, 본 발명의 한가지 구현례에서는 그 함량의 하한을 0.0001%로 할 수 있다.
N: 0.02% 이하
상기 N은 강 중에 불순물로 포함되는 원소로서, 슬라브 연속주조시에 크랙 발생에 대한 민감도를 감소시키고, 충격특성을 확보하기 위해서는 그 함량이 낮을 수록 유리하며, 따라서 0.02% 이하로 포함할 수 있다. 하한을 특별히 정할 필요가 있으나, 제조비용의 상승 등을 고려하여 한가지 구현례에서 N 함량을 0.001% 이상으로 정할 수도 있다.
본 발명에서는 필요에 따라, 상술한 강 조성에 더하여 Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중에서 하나 이상을 추가로 첨가할 수 있다.
Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합 : 0.01~4.0%
상기 Cr, Mo 및 W은 경화능 향상과, 석출강화 효과를 통한 강도 및 결정립 미세화를 확보할 수 있으므로, 이들 1종 이상을 함량 합계 기준으로 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 또한, 부재의 용접성을 확보하기 위해서 그 함량을 4.0% 이하로 제한할 수도 있다. 또한, 이들 원소의 함량이 4.0%를 초과 하면 더이상의 효과 상승도 미약하기 때문에 함량을 4.0% 이하로 제한할 경우 추가적인 원소 첨가에 따른 비용 상승을 방지할 수도 있다.
Ti, Nb, Zr 및 V로 이루어진 그룹 중 선택된 1종 이상의 합 : 0.001~0.4%
상기 Ti, Nb 및 V은 미세 석출물 형성으로 열처리 부재의 강판 향상과, 결정립 미세화에 의해 잔류 오스테나이트 안정화와 충격인성 향상에 효과가 있으므로 이들 중 1종 이상을 함량의 합계로 0.001% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 그 첨가량이 0.4%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 과다한 합금철 첨가로 비용 상승을 초래할 수 있다.
Cu + Ni: 0.005~2.0%
상기 Cu와 Ni는 미세 석출물을 형성시켜 강도를 향상시키는 원소이다. 상술한 효과를 얻기 위해서 이들 중 하나 이상의 성분의 합을 0.005% 이상으로 할 수 있다. 다만, 그 값이 2.0%를 초과하면 과다한 비용 증가가 되기 때문에 그 상한을 2.0%로 한다.
Sb + Sn: 0.001~1.0%,
상기 Sb와 Sn은 Al-Si도금을 위한 소둔 열처리 시, 표면에 농화되어 Si 또는 Mn 산화물이 표면에 형성되는 것을 억제하여 도금성을 향상시킬 수 있다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서 0.001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 그 첨가량이 1.0%를 초과하면 과다한 합금철 비용 뿐만 아니라 슬라브 입계에 고용되어 열간압연 시 코일 에지(edge) 크랙을 유발시킬 수 있기 때문에 그 상한을 1.0%로 한다.
B: 0.0001~0.01%
상기 B은 소량의 첨가로도 경화능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구오스테나이트 결정립계에 편석되어 P 또는/및 S의 입계 편석에 의한 열간 프레스 성형 부재의 취성을 억제할 수 있는 원소이다. 따라서 B는 0.001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간압연에서 취성을 초래하므로 그 상한을 0.01%로 할 수 있으며, 한가지 구현례에서는 상기 B 함량을 0.005% 이하로 할 수 있다.
상술한 성분 이외의 잔부로서는 철 및 불가피한 불순물을 들 수 있으며, 열간 성형용 강판에 포함될 수 있는 성분이라면 특별히 제한하지 않는다.
이하, 본 발명의 일측면에 따른 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법의 한가지 예를 설명하면 아래와 같다. 다만, 하기하는 열간 프레스 성형용 강판의 제조방법은 한가지 예시로서 본 발명의 열간 프레스 성형용 강판이 반드시 본 제조방법에 의해 제조되어야 한다는 것은 아니며, 어떠한 제조방법이라도 본 발명의 청구범위를 충족하는 방법이라면 본 발명의 각 구현례를 구현하는데 사용함에 아무런 문제가 없다는 것에 유의할 필요가 있다.
본 발명의 강판은 열간 압연 또는 냉간 압연된 소지강판을 이용하며, 상기 소지강판의 표면에 용융 알루미늄 도금을 실시하고, 도금 강판에 소둔 처리를 함으로써 얻을 수 있다.
[알루미늄 도금 공정]
본 발명의 한가지 구현례에서는 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면을 적절한 조건으로 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판(코일)을 얻는 과정이 수행된다.
한쪽면 당 30~200g/m 2 의 도금량으로 소지강판 표면을 알루미늄 도금
압연된 강판의 표면에 알루미늄 도금 처리를 할 수 있다. 알루미늄 도금은 통상 type I 이라고 명명되는 AlSi 도금(80% 이상의 Al과 5~20%의 Si를 포함, 필요에 따라 추가적인 원소도 포함 가능)이나, type II라고 명명되는 Al을 90% 이상 포함하고 필요에 따라 추가적인 원소를 포함하는 도금 모두 사용할 수 있다. 도금층을 형성하기 위해 용융 알루미늄 도금을 행할 수 있으며, 도금전에 강판에 대한 소둔 처리를 할 수도 있다. 도금시 적절한 도금량은 한쪽면 기준으로 30~200g/m2 이다. 도금량이 너무 많을 경우에는 표면까지 합금화하는데 시간이 과다하게 소요될 수 있으며, 반대로 도금량이 너무 적을 경우에는 충분한 내식성을 얻기 어렵다.
알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 함
알루미늄 도금 후 냉각속도는 도금층과 소지철 사이에 확산 억제층 형성에 영향을 주며, 알루미늄 도금 후 냉각속도가 너무 빠르면, 확산 억제층이 균일하게 형성되지 못하여 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동이 불균일 해 질 수 있다. 따라서, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도는 20℃/초 이하로 할 수 있다.
도금 후 권취 장력을 0.5~ 5 kg / mm 2 로 함
도금 후 강판을 권취하여 코일을 얻을 때, 코일의 권취 장력을 조절할 수 있다. 코일의 권취 장력의 조절에 따라 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동과 표면 품질이 달라질 수 있다.
[소둔 처리 공정]
상술한 과정에 의해 알루미늄 도금된 강판에 대하여 다음과 같은 조건으로 소둔 처리를 실시하여 알루미늄 합금 도금 강판을 얻는다.
상소둔 로에서 550~750℃의 범위에서 30분 ~ 50시간 실시
알루미늄 도금 강판(코일)은 상소둔 로(Batch annealing furnace)에서 가열된다. 강판을 가열할 때, 열처리 목표 온도와 유지 시간은 강판 온도를 기준으로 550~750℃인 범위 내(본 발명에서는 이 온도 범위에서 소재가 도달하는 최고 온도를 가열 온도라고 함)에서 30분~50시간 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 유지시간이라 함은 코일온도가 목표 온도에 도달한 후 냉각개시까지의 시간이다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 합금화가 충분하게 이루어지지 않을 경우에는 롤 레벨링시 도금층이 박리될 수 있으므로 충분한 합금화를 위해서 가열 온도를 550℃ 이상으로 할 수 있다. 또한, 표층에 산화물이 과다하게 생성되는 것을 방지하고 점 용접성을 확보하기 위해서 상기 가열 온도는 750℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 도금층을 충분하게 확보하는 동시에 생산성의 저하를 방지하기 위하여 상기 유지 시간은 30분~50시간으로 정할 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 강판의 온도는 가열 온도에 도달할 때까지 냉각 과정 없이 온도가 계속 상승하는 형태의 가열 패턴을 가질 수 있다.
평균 승온 속도를 20~100℃/h로 하여 가열 온도까지 가열
상술한 가열 온도로 강판을 가열할 때, 충분한 생산성을 확보하고 전 강판(코일)에서 도금층을 균일하게 합금화 시키기 위해서는 전체 온도 구간(상온부터 가열 온도까지의 구간)에 대한 강판(코일) 온도 기준으로 평균 승온 속도가 20~100℃/h로 되도록 할 수 있다. 또한, 전체적인 평균 승온 속도는 위와 같은 수치 범위에서 제어할 수 있지만, 본 발명의 한가지 구현례에서는 후술하는 바와 같이 특정 온도 구간의 승온 속도도 함께 제어하여 본 발명의 과제를 달성할 수 있도록 하였다.
승온시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열
본 발명의 한가지 구현례에서는 압연시 혼입된 압연유가 기화되는 상기 온도구간에서 압연유가 잔존하여 표면 얼룩 등을 야기하는 것을 방지하면서 충분한 생산성을 확보하기 위하여 승온시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열할 수 있다.
상소둔로내 분위기온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 함
일반적인 상소둔로의 가열은 강판(코일)을 직접 가열하는 방식보다는 소둔로내 분위기 온도 상승을 통하여 강판(코일)을 가열하는 방식을 취한다. 이런 경우에 분위기 온도와 코일 온도 간의 차이는 피할 수 없으나, 강판 내 위치별 재질 및 도금 품질 편차를 최소화 하기 위해서는 열처리 목표온도 도달시점을 기준으로 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 80℃ 이하로 할 수 있다. 온도차이는 가능한 작게 하는 것이 이상적이나 이는 승온속도를 느리게 하여 전체 평균 승온 속도 조건을 충족하기 어려울 수도 있으므로 이를 고려한다면 5℃ 이상으로 할 수 있다. 여기서, 강판의 온도는 장입된 강판(코일) 바닥부(코일 중에서 가장 낮은 부분을 의미한다)의 온도를 측정한 것을 의미하며, 분위기 온도는 가열로의 내부 공간의 중심에서 측정한 온도를 의미한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항 및 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
(실시예)
강판의 제조
발명예 1
하기 표 1의 조성을 가지는 열간 프레스 성형용 냉간압연 강판을 준비하였다. 강판의 표면에 Al-9%Si-2.5%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판을 표면을 도금하였다. 도금시 도금량은 한쪽 면당 50g/m2으로 조절하였고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 8℃/초로 냉각한 후, 권취장력을 2.8kg/mm2으로 조절하였다.
원소 C Si Mn Al P S N 추가 원소
함량(%) 0.24 0.1 1.2 0.03 0.008 0.002 0.003 Cr 0.15, B 0.003
도금된 강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 650℃까지 가열하였다.
650℃까지의 전체 평균 승온 속도: 25℃/h
400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 5℃/h
가열 온도에서 분위기와 강판 사이의 온도 차이: 15℃
가열 후 동일한 온도에서 20시간 유지하였으며, 이후 강판을 공냉하여 열간프레스 성형용 강판을 얻었다.
강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 2과 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 이를 토대로 계산된 평균 Fe 함량은 59.4중량% 이었다. 또한, 도금층내에서 Fe함량이 45~80중량%인 구간에서의 농도경사는 3.6%/㎛ 이었다.
발명예 2
상기 표 1의 조성을 가지는 강판의 표면에 Al-9%Si-2.5%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판을 표면을 도금하였다. 도금시 도금량은 한쪽 면당 70g/m2으로 조절하였고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 11℃/초로 냉각한 후, 권취장력을 3.2kg/mm2으로 조절하였다.
이후 도금된 강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 700℃까지 가열하였다.
700℃까지의 전체 평균 승온 속도: 30℃/h
400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 7℃/h
가열 온도에서 분위기와 강판 사이의 온도 차이: 30℃
가열 후 동일한 온도에서 10시간 유지하였으며, 이후 강판을 공냉하여 열간프레스 성형용 강판을 얻었다.
강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 3과 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 이를 토대로 계산된 평균 Fe 함량은 63.7중량% 이었다. 또한, 도금층내에서 Fe함량이 45~80중량%인 구간에서의 농도경사는 1.5%/㎛ 이었다.
비교예 1
상기 발명예 1과 동일하되 도금만 실시하고 가열 및 냉각은 실시하지 않은 알루미늄 도금 강판을 비교예 1로 하였다.
강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 4와 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 이를 토대로 계산된 평균 Fe 함량은 22.6중량% 이었다. 또한, 도금층내에서 Fe함량이 45~80중량%인 구간에서의 농도경사는 10.1%/㎛ 이었다.
비교예 2
상기 발명예 2와 동일하되 도금만 실시하고 가열 및 냉각은 실시하지 않은 알루미늄 도금 강판을 비교예 2로 하였다.
강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 5와 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 이를 토대로 계산된 평균 Fe 함량은 18.3중량% 이었다. 또한, 도금층내에서 Fe함량이 45~80중량%인 구간에서의 농도경사는 11.1%/㎛ 이었다.
비교예 3
상기 표 1의 조성을 가지는 강판의 표면에 Al-9%Si-2.5%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판을 표면을 도금하였다. 도금시 도금량은 한쪽 면당 70g/m2으로 조절하였고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 25℃/초로 냉각한 후, 권취장력을 3.8kg/mm2으로 조절하였다.
이후 도금된 강판을 상소둔 로에서 다음과 같은 조건으로 600℃까지 가열하였다.
600℃까지의 전체 평균 승온 속도: 150℃/h
400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도: 100℃/h
가열 온도에서 분위기와 코일 사이의 온도 차이: 50℃
가열 후 동일한 온도에서 2시간 유지하였으며, 이후 강판을 공냉하여 열간프레스 성형용 강판을 얻었다.
강판의 도금층을 GDS 분석기로 분석해 본 결과 도 6과 같은 형태의 성분 프로파일을 얻을 수 있었으며, 이를 토대로 계산된 평균 Fe 함량은 36.6중량% 이었다. 또한, 도금층내에서 Fe함량이 45~80중량%인 구간에서의 농도경사는 8%/㎛ 이었다.
열간 프레스 성형
상기 발명예 1, 2 및 비교예 1, 2, 3의 강판을 승온속도 6.2℃/s로 하여 950℃로 가열한 후 상기 온도에서 5분간 유지하였으며, 이후 프레스에 의하여 가압하면서 급냉하는 열간 프레스 성형을 실시하여 열간 프레스 성형 부재를 얻었다.
얻어진 부재의 일부를 채취하여 단면을 관찰하였으며, 강판과 도금층의 경계에서부터 15㎛까지의 지점 (도금층 단면의 하부)까지의 위치에서 단위 면적당 공공 발생 개수를 측정하였다.
또한, 부재의 접착면을 25.4mm x 12.7mm 로 하여 동일한 발명예 또는 비교예의 부재 두 매를 구조용 접착제로 접착한 후, 접착면에 대하여 수직인 방향으로 해당 접착제의 허용 접착강도의 90% 수준의 부하를 가하고 접착면이 분리되는지 여부를 관찰하였다.
구분 하부 단면적 1000㎛2 당 공공 개수 접착면 분리 여부
발명예 1 공공 관찰되지 않음 분리되지 않음
발명예 2 공공 관찰되지 않음 분리되지 않음
비교예 1 16.3 분리됨
비교예 2 18.1 분리됨
비교예 3 10.6 일부 분리됨
상기 표 2에서 확인할 수 있듯이, 발명예 1과 발명예 2의 강판으로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재는 공공이 거의 발생하지 않았던 반면, 비교예 1, 2의 강판으로부터 제조된 열간 프레스 성형 부재는 단면적 1000㎛2 당 16.3개 이상의 공공이 발생하고 있었고, 그 결과 접착면이 분리되는 현상이 나타났다. 다만, 접착면을 관찰한 결과 접착제 층에서 분리가 일어나는 것이 아니라, 도금층 내에서 분리가 일어난 것을 알 수 있었다. 비교예 3은 비교예 1 또는 2 보다는 공공의 숫자가 적었으나 공공이 다수 존재하였던 경우로서, 부하를 가하였을 때 접착면이 분리되지는 않았다. 다만 시험 후, 용제를 이용하여 접착제를 제거하고 난 후 접착면을 관찰한 결과 도금층에서 일부 분리가 일어났다는 것을 관찰할 수 있었다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 열간 프레스 성형용 강판내 Fe 함량을 일정 수준 이상 확보해 두는 것이 도금 밀착성의 확보에 유리하다는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (8)

  1. 알루미늄 합금 도금 강판으로서,
    도금층 내 Fe의 평균 함량이 40중량% 이상이고,
    도금층의 표면에서부터 두께 방향으로 GDS 분석한 결과에서 도금층내에서 Fe함량이 45~80%인 구간에서의 농도경사가 7중량%/㎛ 이하인 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 농도경사는 5중량%/㎛ 이하인 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 알루미늄 합금 도금층은 Fe의 평균 함량이 50중량% 이상인 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지는 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함하는 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판.
  6. 소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계;
    알루미늄 도금 강판을 소둔하여 알루미늄 합금 도금 강판을 단계; 및
    알루미늄 합금 도금 강판을 냉각하는 단계를 포함하는 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법으로서,
    상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m2이고,
    알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하고,
    권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm2으로 하며,
    상기 소둔은 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분 ~ 50시간 실시되며,
    상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 20~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고,
    상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 하는 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 소지강판이 중량%로 C: 0.04~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지는 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 소지강판의 조성은 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu + Ni: 0.005~2.0%, Sb + Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함하는 도금 밀착성이 우수한 열간 프레스 성형 부재용 강판의 제조방법.
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