KR20190042563A

KR20190042563A - 핫 스탬핑 성형을 위한 강재, 핫 스탬핑 성형 공정 및 핫 스탬핑 성형 부재

Info

Publication number: KR20190042563A
Application number: KR1020197003787A
Authority: KR
Inventors: 홍량 이; 홍량 리우; 지위엔 창; 디 우; 지안 황; 구오동 왕
Original assignee: 노스이스턴 유니버시티; 벤강 스틸 플레이츠 씨오., 엘티디.
Priority date: 2016-07-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2019-04-24
Also published as: EP3483299A1; JP2022023165A; US20190309385A1; KR102544667B1; EP3483299A4; CN106399837A; JP7207660B2; WO2018006490A1; CN106399837B; US11377703B2; JP2019529717A

Abstract

초미세 입자를 갖는 핫 스탬프 성형을 위한 강재, 그것을 위한 제조 방법, 핫 스탬프 성형 방법, 및 핫 스탬프 성형 부재가 제공된다. 핫 스탬프 성형을 위한 강재는, 중량으로, 0.27 내지 0.40%의 C; 0.2 내지 3.0%의 Mn; 0.11 내지 0.4%의 V; 0 내지 0.8%의 Si; 0 내지 0.5%의 Al; 0 내지 2%의 Cr; 0 내지 0.15%의 Ti; 0 내지 0.15 %의 Nb; 0 내지 0.004%의 B; 상기 강재의 경화능 향상에 도움되는, 총 함량으로 2% 미만의 Mo, Ni, Cu와 같은 합금 성분, 및 기타 불순물 원소들을 포함한다. 핫 스탬핑 성형 또는 상응한 열 처리를 실행한 핫 스탬핑 성형 요소 또는 그 강재를 핫 스탬프 담금질을 실행한 후(템퍼링 없이), 1300 내지 1700MPa의 항복 강도, 1800 내지 2200MPa의 인장 강도 및 6 내지 9%의 연신율이 달성될 수 있고, 이러한 특성은 직접적인 담금질 없이(템퍼링 없이) 종래의 요소들의 강재에 의해서는 달성될 수 없다. 템퍼링 처리 후, 1500MPa-1900MPa-8% 및 1600MPa-2100MPa-7%가 바람직하게 달성될 수 있다.

Description

핫 스탬핑 성형을 위한 강재, 핫 스탬핑 성형 공정 및 핫 스탬핑 성형 부재

본 발명은 초미세 입자를 갖는 핫 스탬프 성형(hot stamp forming)을 위한 강재, 핫 스탬프 성형 공정 및 핫 스탬프 성형 부재에 관한 것이다.

전 세계적인 에너지 절약과 방출 감소 및 환경친화적 경제를 위한 시급한 필요성으로 인하여, 자동차 산업은 경량화를 지향하여 발전하고 있지만, 자동차의 경량화는 안전을 희생시키지는 않는다. 반대로, 자동차에 관한 충돌 안정성 요건은 더욱 높아지고 있다. 현재, 자동차용 고강도 및 초고강도 강재는 그것의 고강도 및 경량화 특성 덕분에 자동차 산업계에서 더욱 주목되고 있다. 고강도를 위해서는 콜드 스탬핑(cold stamping) 방식이 채택됨으로써, 성형 특성이 저하되고, 큰 스탬핑 힘이 요구되며, 크래킹이 쉽게 발생한다. 또한, 성형 후 해당 부품이 크게 반동하여, 그의 형상 및 치수 정확성이 거의 보장될 수 없다.

유럽에서 유래한 핫 스탬핑 성형기술(hot stamp forming technology)은 전술한 문제를 해결하는 새로운 성형기술이다. 이 기법은 블랭크(balnk)를 완전한 오스테나이트(austenitized) 상태로 가열하고, 그것을 균일한 냉각 시스템을 갖는 금형(die)에 신속하게 전달하여 급속으로 스탬프 성형이 되도록 하고, 한편으로는 냉각 담금질(cooling quenching) 처리를 실행하여 균일한 마르텐사이트(martensite) 구조를 갖는 초고강도 강재 부품을 얻는 성형기술이다. 고온에서, 상기 재료는 우수한 스탬핑 성형성을 가지며, 복잡한 부재로 스탬프 성형이 될 수 있고, 그와 동시에 리바운드 충격을 제거함으로써 해당 부품이 고정밀도 및 양호한 품질을 갖게 된다. 현재 유럽과 미국의 주요 자동차 제조업체들은 고강도 강재 핫 스탬프 성형 기술을 자동차의 A-필러(A-pillar), B-필러, 범퍼, 루프 프레임, 차체 하부 프레임 및 도어 충돌 방지 바(door anti-collision bar)와 같은 부재들의 제조에 성공적으로 적용하고 있다. 마르텐사이트 구조의 존재와 그 강도로 인해, 자동차 충돌 안전성 측면에서 핫 스탬프 성형용 강의 성능은 그것의 인성, 냉간 굽힘 특성 및 지연 균열에 대한 저항성에 의존한다. 현재, 자동차 산업에서 광범위하게 사용되는 핫 스탬프 성형용 강은 22MnB5로 대표되는 구조 합금강인데, 이것은 높은 오스테나이트화 온도(austenitizing temperature)(약 850℃의 AC3), 낮은 담금질 경화능(low hardenability), 불량한 성형후 인성(poor toughness after forming), 제한된 냉간 굽힘 성능(limited cold bending performance) 및 지연 균열(delayed cracking) 같은 문제들을 갖는다.

특허공보 제 CN100370054C호는 알루미늄 합금으로 코팅된 핫 스탬프 성형용 고강도 강재를 개시한다. 상기 특허문헌에서는 1000MPa 이상의 강도를 요구하고 있는바, 여기서 탄소 함유량이 0.35%인 경우 강도는 1800MPa이고, 탄소 함유량이 0.5% 초과일 경우 그 강도가 1900 내지 2100MPa 또는 그 이상이지만, 상기 특허문헌은 그것의 연신율(elongation) 및 인성(toughness)에 대해서는 언급하지 않고 있다. 실제로, 합금 구성을 가지는 재료는 전술한 강도 값을 달성하기 위해 템퍼링(tempering) 열처리가 필요하며, 좋지 않은 인성을 갖는데, 이것은 핫 스탬프 성형 된 강철과 그 부재들의 1800MPa를 초과하는 연신율 및 인성 요건에 부합할 수가 없으며, 그리고 높은 탄소 함유량은 용접 성능에 해롭다.

특허공보 제CN101583486A호는 코팅된 스트립 및 이것의 열간 스탬프 된 제품을 제조하는 방법을 개시한다. 이 특허문헌의 바람직한 실시 예는 그 기계적 성질이 1200MPa의 항복 강도 및 1500MPa 초과의 인장 강도에 도달할 수 있도록 핫 스탬프 성형 후에 열처리가 요구된다는 것을 언급하고 있지만, 연성(ductility)에 대해 정량적으로 자세히 설명하지는 않는다. 그것은 단지 연성을 보장하고 황화물 개재물(sulfide inclusions)에 의한 균열의 전파를 회피하기 위해 황 함량을 조절(0.002wt% 미만의 황 함량이 요구됨)하는 것을 제안하고 있지만, 황 함량을 20ppm 미만으로 조절하는 것은 어렵고 비용이 많이 든다. 따라서, 낮은 연성의 문제를 상기한 황 원소 함량을 조절함으로써 완전히 해결할 수는 없을 것이다.

따라서, 종래 기술에서의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적들 중의 하나는 핫 스탬프 성형을 위한 통상적인 강재, 핫 스탬프 성형 공정 및 핫 스탬프 성형 된 부재의 결점을 개선하고, 또한 핫 스탬프 성형 공정에 더 유리한 합금 조성물을 갖는 핫 스탬프 성형용 강재를 제공할 뿐만 아니라, 템퍼링(tempering)과 같은 열 처리가 필요 없이 핫 스탬프 성형 후에 높은 인성(toughness)과 지연 균열(delayed crack) 저항성을 갖는 강재 또는 성형 부재를 생산할 수 있는 더 간단한 성형 공정을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중량으로, 0.27 내지 0.40%의 C; 0.2 내지 3.0%의 Mn; 0.11 내지 0.4%의 V; 0 내지 0.8%의 Si; 0 내지 0.5%의 Al; 0 내지 2%의 Cr; 0 내지 0.15%의 Ti; 0 내지 0.15 %의 Nb; 0 내지 0.004%의 B; 합계 2% 미만의 Mo, Ni, Cu 및 경화능(hardenability) 향상에 도움되는 기타 합금 원소들, 및 기타 불순물 원소들을 포함하는 핫 스탬프 성형을 위한 강재가 제공된다.

본 발명의 핫 스탬프 성형을 위한 강재는 핫 스탬핑 공정 중 800 내지 920℃의 가열 온도 범위를 가지며, 바람직하게는, 오스테나이트화(austenitizing) 공정 중 오스테나이트 결정립계(grain boundary)에서 VC 카바이드(carbide of VC) 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드(composited carbide of V with Ti, Nb)를 갖는다. 본 발명의 핫 스탬프 성형을 위한 강재의 오스테나이트화 가열 공정에서, 오스테나이트 결정립계에서의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 바나듐 합성카바이드의 석출 입경(precipitated particle size)는 바람직하게는 1 내지 80nm이다. 핫 스탬프 공정에서 본 발명의 핫 스탬프 성형을 위한 강재는 오스테나이트화 후의 냉각 중에 결정립계를 포함하는 오스테나이트 결정에서 특정 양의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 바나듐 합성 카바이드를 석출시키고, 또한 오스테나이트 결정에서의 카바이드 입경(입자 크기)은 0.1 내지 20㎚이다. 본 발명의 핫 스탬프 성형을 위한 강재에서의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드의 체적 분율은 0.1%보다 크다.

본 발명의 핫 스탬프 성형을 위한 강재는, 핫 스탬프 성형 후, 템퍼링 없이 1300 내지 1700Mpa의 항복 강도(yield strength), 1800 내지 2200MPa의 인장 강도(tensile strength), 및 6 내지 9%의 연신율(elongation)을 달성할 수 있고, 또한 템퍼링 열처리 후에는 1350 내지 1800MPa의 항복 강도, 1700 내지 2150MPa의 인장 강도, 및 7 내지 10%의 연신율을 달성할 수 있다.

본 발명의 강재는 열간압연 강판(hot-rolled steel plate), 열간압연 산세 강판(hot-rolled pickled steel plate), 냉간압연 강판(cold-rolled steel plate) 또는 코팅층을 갖는 강판을 포함한다. 코팅층을 갖는 강판은 열연강판 또는 냉연강판으로서 금속 아연층이 그 위에 형성된 아연 도금 강판이며, 여기서 상기 아연 도금 강판은 용융 아연 도금(hot dip galvanizing), 아연 도금 어닐링(galvanizing annealing), 아연 도금(zinc plating), 또는 아연-철 도금(zinc-iron plating)으로부터 선택된 적어도 하나를 포함한다. 상기 코팅층을 갖는 강판은 열간압연 강판 또는 알루미늄-실리콘의 층이 형성된 냉간압연 강판, 또는 유기 코팅층을 갖는 강판이다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 다음의 과정들을 포함할 수 있는 핫 스탬프 성형 공정이 제공된다:

(a) 강재 오스테나이트화(steel material austenitizing): 전기한 합금 조성물 또는 그의 예비 성형 부재(preformed member)를 갖는 핫 스탬프 성형용 강재를 제공하고, 이것을 800 내지 920℃로 가열하고, 1 내지 10000초 동안 그 온도를 유지하는 과정(여기서, 그 과정에서의 가열 방식은, 예컨대, 롤러형 가열로(heating furnace), 상자형 가열로(box-type heating furnace), 유도 가열(induction heating), 저항 가열 등일 수 있지만, 이들에만 한정되는 것은 아님);

(b) 강재 이송(steel material transferring): 금형(die)으로 이송할 때 그 강재가 550℃ 초과의 온도를 갖는 것을 보장하면서 상기 가열된 강재를 핫 스탬프 성형 금형에 이송하는 과정; 및

(c) 핫 스탬프 성형(hot stamp forming): 전술한 강철 블랭크(steel blank) 크기에 따라 적당한 프레스 톤수(press tonnage)를 설정하되, 그 스탬프 압력은 1 내지 40MPa이고, 플레이트의 두께에 따라 체류시간(dwell time)을 결정하되, 그 체류시간은 금형이 개방될 때 부재의 온도가 250℃ 미만이 되도록 하기 위해 4 내지 40초에서 조절되어, 예를 들어, 두께가 1.2mm인 블랭크는 5 ~ 15초의 체류시간을 가지며, 두께가 1.8mm인 블랭크는 7 ~ 20초의 체류시간을 가지며, 금형의 냉각 시스템을 통해 금형 표면 온도를 200℃ 미만으로 제어함으로써, 금형 내의 강재가 10℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 250 ℃ 아래로 급속 냉각되도록 하는 과정.

본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 하기의 과정들을 포함하는 템퍼링 공정이 제공된다:

(a) 본 발명에 따른 핫 스탬프 성형 공정에 의해 성형 된 부재를 획득하는 과정; 및

(b) 코팅 공정 중, 상기 성형 된 부재를 150 내지 200℃로 가열하고, 10 내지 40분 동안 상기 온도를 유지하거나; 또는 상기 성형 된 부재를 0.001 내지 100℃/s의 가열 속도로 150 내지 280℃로 가열하고 0.5 내지 120분 동안 그 온도를 유지하고, 이어서 임의의 방식으로 냉각시키는 과정.

본 발명의 핫 스탬프 성형 공정에 의해 형성된 핫 스탬프 성형 부재는 자동차의 A-필러(A-pillar), B-필러(B-pillar), 범퍼, 지붕, 하체 프레임, 및 도어 범퍼 바를 포함하는(그러나 이들에만 한정되는 것은 아님) 자동차용 고강도 부재들에 사용할 수 있다.

핫 스탬프 성형 또는 상응한 열처리 후, 본 발명의 강재는 직접 핫 스탬프 담금질(quenching)(템퍼링 없는) 1300 내지 1700MPa의 항복 강도, 1800 내지 2200MPa의 인장 강도 및 6 내지 9%의 연신율을 달성하는 것이 가능하다. 본 발명의 템퍼링 처리 후, 바람직하게는, 1500MPa - 1900MPa - 8% 및 1600MPa - 2100MPa - 7%에 도달될 수 있다. 이러한 특성은 종래 기술에서 조성물의 직접적인 담금질(템퍼링 없는)에 의해서는 달성될 수 없을 것이다.

도 1은 핫 스탬프 성형 후의 본 발명에 따른 강재의 종래의 오스테나이트 결정립계 형태를 도시한다.
도 2는 핫 스탬프 성형 후의 본 발명에 따른 강재의 석출된 입자 형태 및 크기를 도시한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예의 핫 스탬핑 공정도를 도시한다.

이하, 본 발명을 예시적인 실시 예들을 참조하여 더 상세히 설명할 것이다. 하기 실시 예들 또는 실험 데이터는 본 발명을 단지 예시적으로 예시하기 위한 것으로서, 당해 기술분야의 전문가라면 본 발명이 이들 실시 예 또는 실험 데이터에만 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 할 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 질량으로, 0.27 내지 0.40%의 C; 0.2 내지 3.0%의 Mn; 0.11 내지 0.4%의 V; 0 내지 0.8%의 Si; 0 내지 0.5%의 Al; 0 내지 2%의 Cr; 0 내지 0.15%의 Ti; 0 내지 0.15%의 Nb; 0 내지 0.004%의 B; 총 2% 미만의 담금질 경화능(hardenability) 향상에 유리한 Mo, Ni, Cu 및 기타 합금 원소뿐만 아니라, 기타 불순물 원소들을 포함하는 핫 스탬프 성형용 강재가 제공된다.

마르텐사이트 강도는 탄소 함량의 증가에 따라 향상되지만, 높은 탄소 함량은 쌍정 마르텐사이트(twinned martensite)의 형성을 유도하여 재료의 인성을 감소시킨다. 상기 쌍정 마르텐사이트는 깨지기 쉬운 균열을 방지하기 위해 템퍼링 되어야만 한다. 본 발명의 강재는 특정 조성의 바나듐(V) 원소를 합금 조성물에 첨가하되, 핫 스탬프 공정 중의 완전한 오스테나이트화 가열 온도 범위를 800 내지 920℃로 한다. VC 석출(precipitation)의 용해성 생성물의 조건에 따라, 0.11% 초과의 V 및 0.27% 초과의 C가 재료에 첨가되기 때문에, 오스테나이트화 공정 중 오스테나이트 입자 경계에서 특정 양의 VC 및/또는 (V, Ti, Nb)C의 합성 카바이드가 존재할 것이며, 그리고 2상 입자들은 오스테나이트 결정 입자들을 효과적으로 고정(pin)시키고, 이것은 이전의 오스테나이트 입자들을 정제할 것이다. 따라서, VC의 석출은 이전의 오스테나이트 입자들의 크기를 조절하는데 중요하게 영향을 미친다. 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따르면, 종래의 오스테나이트 입자 크기는 3 내지 6㎛이며, 그러한 결정립 미세화 및 강화는 항복 강도를 향상시킬 뿐만 아니라 인성을 증가시킬 수 있다. 도 1은 핫 스탬프 성형 후의 본 발명의 강재의 종래의 오스테나이트 결정 입계 형태를 나타낸다.

1800MPa 초과의 인장 강도의 달성이 높은 탄소 첨가에만 의존한다면, 그 형성된 마르텐사이트는 쌍정 마르텐사이트를 함유함으로써, 좋지 못한 인성을 가지며 템퍼링 처리 후에만 연성 파괴(ductile fracture)를 가질 수 있을 것이다. 170℃에서 20분간의 템퍼링(자동차 코팅용으로는 보통 170 ~ 200℃, 10 ~ 30분) 후 해당 재료의 항복 강도는 50 ~ 100MPa 만큼 증가하고, 그 인장 강도는 약 50MPa 정도 감소하며, 그리고 연신율은 5% 넘게 증가할 수 있다. 종래 기술(예를 들어, Nippon Steel Corporation에 의해 공표된 재료 조성 및 특성)에 있어, Fe-0.31C-1.3Mn-Ti-B%는 핫 스탬핑 상태(담금질)에서 1700MPa의 강도에서의 취성 파괴(brittle fracture) 시 약 3.5%의 연신율을 가지며, 또한 170℃에서 20분간 템퍼링 한 후, 1785MPa의 강도 및 7%의 연신율을 갖는다. 템퍼링 전의 불량한 인성은 해당 부재의 지연 균열(delayed cracking)의 위험성을 증가시키며, 더욱이, 자동차 부재는 코팅 절차에 들어가기 전에 용접되므로, 이것은 고온의 스탬프 된 상태(템퍼링 되지 않은)에서의 해당 부재의 열악한 인성으로 인하여 용접 조립 공정에서 균열(crack)을 야기하는 경향이 있다.

본 발명에 따르면, 상기한 강재 합금 조성물에는 0.11% 초과의 V 및 0.27% 초과의 C가 추가되고, 0.1%를 초과하는 체적 분율(volume fraction)을 갖는 VC 또는 (V, Ti, Nb)C가 오스테나이트화 처리 후 및 핫 스탬핑 금형의 급속 냉각 전에 3 내지 30초 동안의 냉각 공정 중에 더욱 석출되며, 여기서 균일한 미세 2상 입자는 인장 강도를 100MPa가 넘게 증가시킬 수 있고, 바람직하게는, 그 석출된 입자 크기(입경)는 1 ~ 20nm이고, 평균 입경은 4.5nm, 체적 분율은 약 0.22 %인바(0.22%는 2차원에서 3차원으로의 전환에 의한 카본 레플리카 시료(carbon replica sample)에서의 석출량으로부터 계산되며, 그 계산된 Thermal-Cac의 체적 분율은 0.28%임), 여기서 1 ~ 10nm의 발생 빈도는 94.4% 정도로 높고, 석출 강화 메커니즘에 따르면, 그의 석출 강화의 향상은 240MPa에 달할 수 있다. VC 또는 (V, Ti)C의 석출은 오스테나이트 내의 탄소를 소비하고 그의 탄소 함량을 감소시킴으로써, 상 변화 후 마르텐사이트에 형성된 쌍정 마르텐사이트 분율을 감소시키며, 따라서, 본 발명의 VC 석출에 기초하여, 마르텐사이트 자체의 인성이 향상될 수 있고, 마르텐사이트의 강도는 그것의 탄소 함유량의 감소로 인해 저하되지만, 해당 물질의 강도는 종래의 오스테나이트 입자들의 VC 석출 강화 및 미세 입자 강화에 의해 향상된다. 도 2는 핫 스탬프 성형 후의 본 발명의 강재의 석출된 입자 형태 및 크기를 나타낸다.

또한, VC 및 H는 높은 결합 에너지를 가지며, 비가역적인 수소 트랩(hydrogen trap)이며, 그 주위의 수소 원자를 쉽게 고정시킬 수 있어, 이것은 해당 물질의 수소-유도(hydrogen-induced) 지연 균열 능력을 향상시킬 수 있다(참조: Harshad Kumar Dharamshi Hansraj BHADESHIA. "강에서의 수소 취화 현상의 방지(Prevention of Hydrogen Embrittlement in Steels)". ISIJ International, Vol.56 (2016), No.1, pp. 24-36).

핫 스탬프 성형 또는 상응한 열처리 후, 본 발명의 강재는 직접 핫 스탬핑 담금질 후에 템퍼링 없이, 1800 내지 2200MPa의 인장 강도, 1300 내지 1700MPa의 항복 강도, 및 9 내지 6%의 연신율을 달성할 수 있다. 바람직하게는, 그것은 1400MPa-1900MPa-8%, 1450MPa-2100MPa-7%에 이르며, 그 특성은 직접 담금질(템퍼링 없이) 시에 선행 기술의 합금 조성으로 달성될 수는 없는 바, 용접 공정에서 부품의 취성 파괴(brittle fracture)가 발생하지 않는 용접 요건을 충족시키기 위해서는, 그 코팅 공정이 템퍼링 처리의 기능을 구현할 수 있다고 하더라도, 핫 스탬핑 후에 템퍼링 열처리가 수행되어야 한다. 대조적으로, 본 발명의 주된 이점은 템퍼링 열처리의 공정 과정이 제거됨으로써 그 성형 공정을 단순화한다는 것이다.

본 발명의 핫 스탬프 성형용 강재의 구체적인 제조 공정은 다음과 같다.

(1) 진공 유도로(vacuum induction furnace) 또는 변환기(converter)에 의해 상기 조성에 따라 엄격하게 제련하는 제련 과정;

(2) 상기한 용강 블랭크(smelted steel blank)를 1100 내지 1260℃의 온도로 가열하고 30 내지 600분 동안 상기 온도를 유지하는 가열 과정;

(3) 상기 강 블랭크를 1200℃ 미만의 온도에서 압연하고, 최종 압연 온도를 800℃가 넘도록 제어하여 열간압연 강재를 획득하는 열간 압연 과정; 및

(4) 750℃ 미만의 온도 영역에서 상기 열간압연 강재를 압착하는 압착(crimping) 과정으로서, 그 구조는 주로 페라이트 및 펄라이트인 과정. 실제의 필요성에 따라, 상기한 열간압연 강재를 산세 처리하여 열간압연 된 산세(pickled) 강재를 얻을 수도 있다.

또한, 상기한 제조 공정은 다음과 같은 하나 또는 다수의 과정들을 더 포함할 수도 있다:

(5) 상기 열간압연 강재를 산세 처리하여 냉간압연 한 후에 냉간 압연 강재가 획득될 수 있다;

(6) 상기 냉간 압연 강재를 어닐링 한 후에 냉간압연 어닐링 처리된 강판을 제조할 수 있다;

(7) 상기 냉간 압연 강재의 표면에 코팅 처리를 수행하여 코팅된 강재를 획득할 수 있다;

(8) 상기 열간압연 산세(hot-rolled pickled) 처리된 강재의 표면에 코팅을 실시하여 코팅된 강재를 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예의 핫 스탬핑 공정도를 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 본 발명의 핫 스탬핑 공정은 다음의 과정들을 포함할 수 있다:

(a) 강재 오스테나이트화(austenitizing) 과정: 본 발명의 제1 측면에 따른 임의의 종류의 핫 스탬프 성형을 위한 강재 또는 그의 예비 성형 부재를 제공하고, 그것을 800 내지 920℃로 가열하고, 1 내지 10000초 동안 그 온도를 유지하는 과정으로서, 그 가열 방식은 특별히 제한되지는 않지만, 롤러형 가열로, 상자형 가열로, 유도 가열, 저항 가열 등을 들 수 있다.

(b) 강재 이송(transferring) 과정: 예를 들어, 가열된 강재는 통상적으로 강재가 이송될 때 550℃를 넘는 온도를 갖는 것을 보장하도록 매니플레이터(manipulator) 또는 로봇(이들에만 한정되지는 않음)을 사용하여 핫 스탬프 성형 금형으로 이송된다.

(c) 핫 스탬프 성형(forming) 과정: 전술한 강철 블랭크 크기에 따라 적절한 프레스 톤수를 설정하되, 스탬프 압력은 1 내지 40MPa이고, 강판의 두께에 따라 체류 시간을 결정하고, 그 체류 시간은 금형이 개방될 때 그 강재의 온도가 250℃ 미만이 되도록 4 내지 40초간 조절하며, 예를 들어, 1.2mm 두께의 블랭크는 5 ~ 15초의 체류 시간을 가지며, 1.8mm 두께의 블랭크는 7 ~ 20초의 체류 시간을 가지며, 또한 금형의 담금질 냉각 시스템을 통해 금형 표면의 온도를 200℃ 아래로 조절하되, 금형 내의 강재를 10℃/s 이상의 평균 냉각 속도에서 250℃ 미만으로 급속 냉각시킨다.

다음은 본 발명에 따른 강재의 전형적인 실험 데이터이다. 당해 기술분야의 전문가라면, 이들 데이터는 단지 예시적인 것으로서 본 발명의 특정 구성 요소 및 제조 공정이 이들에만 한정되는 것은 아니라는 것을 자명하게 이해할 것이다.

본 발명에 따른 강재(UFT-PHS1800)의 전형적인 구성 성분

강 번호	화학적 성분( 중량 % )
강 번호	C	Mn	Si	V	Ti / Nb / Mo
IS1	0.31	1.52	0.21	0.11
IS2	0.29	1.62	0.22	0.16	0.02Ti
IS3	0.30	1.65	0.19	0.16
IS4	0.31	1.09	0.17	0.18	0.2Mo
IS5	0.32	1.65	0.21	0.18
IS6	0.33	1.62	0.20	0.25
IS7	0.36	1.45	0.16	0.39	0.03Nb
CS1(비교 강재)	0.31	1.65	0.2

핫 스탬핑 공정의 파라미터(1.5mm 두께 강판)

강 번호	샘플 번호	오스테나이 즈화 온도 및 열 절연시간	프레스 톤수 및 금형 온도	금형 개방시 샘플 온도/℃	체류 시간/s	금형 폐쇄시 샘플 온도/℃	170℃ /20분 또는 아님
IS1	ISP1	850℃/5분	200톤/60℃	687	10S	87	No
	ISP2	900℃/5분	200톤/60℃	703	10S	95	No
IS2	ISP3	850℃/5분 minutes	200톤/60℃	708	10S	96	No
	ISP4	900℃/5분	200톤/60℃	688	10S	111	No
IS3	ISP5	850℃/5분	200톤/60℃	697	10S	122	No
	ISP6	900℃/5분	200톤/60℃	714	10S	122	No
	ISP7	850℃/5분	200톤/60℃	683	10S	155	Yes
	ISP8	900℃/5분	200톤/60℃	745	10S	126	Yes
IS4	ISP9	850℃/5분	200톤/60℃	709	10S	126	No
	ISP10	900℃/5분	200톤/60 ℃	706	10S	126	No
IS5	ISP11	850℃/5분	200톤/60℃	673	10S	139	No
	ISP12	900℃/5분	200톤/60℃	721	10S	136	No
IS6	ISP13	850℃/5분	200톤/60℃	659	10S	121	No
	ISP14	900℃/5분	200톤/60℃	683	10S	143	No
IS7	ISP15	850℃/5분	200톤/60℃	688	10S	91	No
	ISP16	900℃/5분	200톤/60℃	695	10S	103	No
CS1	CSP1	850℃/5분	200톤/60℃	677	10S	125	No
	CSP2	900℃/5분	200톤/60℃	650	10S	114	No
	CSP3	850℃/5분	200톤/60℃	677	10S	125	Yes
	CSP4	900℃/5분	200톤/60℃	650	10S	114	Yes

기계적 특성 결과치(1.5 mm 두께 강판, 샘플 JIS5)

강 번호	샘플 번호	TS	SY	ET	Α max(RD/TD)
IS1	ISP1	1870±20	1262±37	7.0±0.89	48±54
	ISP2	1822±9	1204±1	7.4±0.14	56±60
IS2	ISP3	1891±4	1338±33	7.9±0.2	44±55
	ISP4	1919±9	1315±9	7.1±0.29	52±61
IS3	ISP5	1924±1	1360	7.1±0.3	45±56
	ISP6	1873±10	1341	7.2±0.16	54±63
	ISP7	1870±23	1431	7.5±0.24	45.5±58.9
	ISP8	1818±1	1425	7.3±0.09	53.7±73.9
IS4	ISP9	1689±11	1125±5	8.2±0.54	56±62
	ISP10	1678±8	1178±15	8.3±0.21	58±67
IS5	ISP11	1944±32	1258±8	7.2±0.38	57.9±62.9
	ISP12	1990±8	1364±12	7±0.31	51±63.5
IS6	ISP13	1989±2	1360±66	7.7±0.59	49.7±51.5
	ISP14	2020±2	1336±1	8±0.1	52.1±62.3
ISP7	ISP15	2202±15	1508±32	6.9±0.42	47±55
	ISP16	2185±26	1486±45	7.0±0.34	48.5±57
CS1	CSP1	1857±39	1359	5.9±0.11	50±41
	CSP2	1798±23	1238	5.2±0.04	41.5±52.5
	CSP3	1796±1	1369	6.92±0.66	42±51
	CSP4	1702±20	1374	6.3±0.16	43±53
22MnB5(Al-Si)	No tempering	1565±29	1132±27	7.5±0.49	51.1±59.6

핫 스탬핑 후 30MnBV 강의 U자형 시편의 다양한 부분들의 기계적 특성 결과치(1/5mm 두께 강판, 템퍼링 처리 없음, 핫 스탬프 상태)

위치	가열 온도 (℃)	열 절연 시간 (분)	금형 온도 (℃)	체류 시간 (s)	인장 강도 ( MPa )	항복 강도 ( MPa )	연신율 (%)
플랜지	850	5	80	12	1836±3	1233	7.8±0.8
벽 부분	850	5	80	12	1801±1	1213	8.0±0.2
바닥 부분	850	5	80	12	1869±12	1243	6.9±0.6

핫 스탬핑 후의 부품(도어 충돌방지 빔)의 시편의 여러 가지 부분들의 기계적인 특성 결과치(1.5mm 두께 강판, 시뮬레이션 코팅 공정인 템퍼링 공정, 170℃에서 가열하고 20분 동안 상기 온도 유지함)

위치	가열 온도 (℃)	열 절연 시간(분)	금형 온도 (℃)	체류 시간 (s)	템퍼링 여부	인장 강도 ( MPa )	항복 강도 ( MPa )	연신율 (%)
바닥 부분	850	5	80	10	Not tempered	2030±10	1424±21	6.1±0.1(A50)
바닥 부분	850	5	80	10	Tempered	1922±4	1514±19	7.2±0.02(A50)
바닥 부분	875	5	80	10	Not tempered	2010±8	1414±16	6.9±0.1(A50)
바닥 부분	875	5	80	10	Tempered	1921±7	1510±29	8.3±0.1(JIS5)

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예들이 기술되었으나, 당해 기술분야의 전문가라면 본 발명의 개념으로부터 이탈함이 없이 이루어지는 임의의 변형 또는 대체가 본 발명의 보호 범위에 속한다는 것을 이해할 것이다.

Claims

핫 스탬프 성형을 위한 강재에 있어서,
중량으로, 하기의 성분들:
0.27 내지 0.40%의 C;
0.2 내지 3.0%의 Mn;
0.11 내지 0.4%의 V;
0 내지 0.8%의 Si;
0 내지 0.5%의 Al;
0 내지 2%의 Cr;
0 내지 0.15%의 Ti;
0 내지 0.15 %의 Nb;
0 내지 0.004%의 B;
합계 2% 미만의 Mo, Ni, Cu; 및
불가피한 불순물 원소들;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제1항에 있어서, 상기 핫 스탬프 성형을 위한 강재는 핫 스탬프 성형 공정 중 800 내지 920℃의 가열 온도 범위를 가지며, 오스테나이트화 공정 중 오스테나이트 결정립계에서 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드를 가지는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제2항에 있어서, 상기 핫 스탬프 성형을 위한 강재의 오스테나이트화 공정에서, 오스테나이트 결정립계에서의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드의 석출 입자 크기는 1 내지 80 nm인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 공정에서, 상기 핫 스탬프 성형을 위한 강재는 오스테나이트화 후의 냉각 중에 결정립계를 포함하는 오스테나이트 결정에서 특정 양의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드를 석출시키고, 또한 상기 오스테나이트 결정에서의 카바이드 입경은 0.1 내지 20 ㎚인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 핫 스탬프 성형을 위한 강재에서의 VC 카바이드 및/또는 Ti, Nb 함유 V 합성 카바이드의 체적 분율은 0.1%보다 큰 것을 특징으로 하는 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 핫 스탬프 성형을 위한 강재는, 상기 핫 스탬프 성형 후, 템퍼링 없이 1300 내지 1700 Mpa의 항복 강도(yield strength), 1800 내지 2200 MPa의 인장 강도(tensile strength), 및 6 내지 9%의 연신율(tensile strength)을 달성하고, 또한 템퍼링 열처리 후에는 1350 내지 1800 MPa의 항복 강도, 1700 내지 2150 MPa의 인장 강도, 및 7 내지 10%의 연신율을 달성하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강재.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 강재는 열간압연 강판, 열간압연 산세(pickled) 처리 강판, 냉간압연 강판, 또는 코팅층을 갖는 강판을 포함하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강판.
제7항에 있어서, 코팅층을 갖는 상기 강판은 열간압연 강판 또는 냉간압연 강판으로서 금속 아연층이 그 위에 형성된 아연 코팅 강판이며, 상기 아연 코팅 강판은 용융 아연 도금(hot dip galvanizing), 아연도금 어닐링(galvanizing annealing), 아연 도금(zinc plating), 또는 아연-철 도금(zinc-iron plating)으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강판.
제7항에 있어서, 코팅층을 갖는 상기 강판은 열간압연 강판 또는 알루미늄-실리콘 층이 그 위에 형성된 냉간압연 강판, 또는 유기 코팅층을 갖는 강판인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형을 위한 강판.
(a) 강재 오스테나이트화: 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 따른 핫 스탬프 성형을 위한 강재 또는 그것의 예비 성형 부재(preformed member)를 제공하고, 그것을 800 내지 920℃로 가열하고, 1 내지 10000초 동안 상기 온도를 유지하는 과정;
(b) 강재의 이송: 금형에 이송될 때 상기 강재가 550℃ 초과의 온도를 갖도록 하는 것을 보장하면서 상기 가열된 강재를 핫 스탬프 성형을 위한 금형에 이송하는 과정;
(c) 핫 스탬프 성형: 상기한 강철 블랭크 크기에 따라 적당한 프레스 톤수를 설정하고, 그 스탬핑 압력은 1 내지 40MPa이고, 강판의 두께에 따라 체류 시간을 결정하되, 그 체류 시간은 4 내지 40초에서 조절되며, 그리고 상기 금형의 냉각 시스템을 통해 금형 표면 온도를 200℃ 미만으로 조절하여, 상기 금형에서의 강재가 10℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 250℃ 아래로 급속 냉각되도록 하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형 방법.
제10항에 있어서, 상기 과정(a)에서의 가열 방법은 롤러형 가열로, 상자형 가열로, 유도 가열, 저항 가열을 포함하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형 방법.
(a) 제1항 내지 제10항 중의 어느 한 항에 따른 핫 스탬프 성형 방법에 의해 성형 부재를 획득하는 과정;
(b) 코팅 공정 중, 상기 성형 부재를 150 내지 200℃로 가열하고, 10 내지 40분 동안 상기 온도를 유지하거나; 또는 상기 성형 부재를 0.001 내지 100℃/s의 가열 속도로 150 내지 280℃로 가열하고, 0.5 내지 120분 동안 그 온도를 유지하고, 이어서 임의의 방식으로 그것을 냉각시키는 과정을 포함하는, 템퍼링 방법.
제10항 또는 제11항에 다른 핫 스탬프 성형 방법을 통해서 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 따른 강재에 의해 제조되는 것으로, 그 특성은 1300 내지 1700 MPa의 항복 강도, 1800 내지 2200 MPa의 인장 강도 및 6 내지 9%의 연신율을 달성하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형 부재.
제13항에 있어서, 상기 핫 스탬프 성형 부재는 제12항에 따른 템퍼링 방법에 의해 처리되고, 그 특성은 1350 내지 1800 MPa의 항복 강도, 1700 내지 2150 MPa의 인장 강도, 및 7 내지 10%의 연신율을 달성하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형 부재.
제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 핫 스탬프 성형 부재는 자동차의 A-필러, B-필러, 범퍼, 루프 프레임, 하체 프레임, 및 도어 범퍼 바를 포함하는 자동차용 고강도 부재들에 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬프 성형 부재.