KR20200000088A

KR20200000088A - 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20200000088A
Application number: KR1020180071945A
Authority: KR
Inventors: 유병길; 도형협; 송치웅
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2020-01-02
Also published as: KR102089154B1

Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 포함하는, 핫 스탬핑 부품을 제공한다.

Description

핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법{Hot stamping component and method of manufacturing the same}

본 발명은 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핫 스탬핑 공정의 공정 변수에 따른 재질편차를 최소화하면서 연신율 및 충격 흡수재로서의 성능을 향상시킨 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차 업계는 승객의 안전성 강화를 위해 엄격한 차체 충돌성능을 요구하고 있다. 또한, 환경에 대한 인식이 높아지면서 배기가스 규제에 따른 연비 기준이 강화되어 이에 따른 차체 경량화에 대한 필요성이 지속적으로 높아지고 있다. 이러한 충돌성능 향상과 경량화라는 요구를 동시에 만족하기 위한 노력의 일환으로 고강도 강판의 차체 적용이 지속적으로 증가하고 있다. 자동차의 차체 제조시, 측면충돌을 보강하기 위해 고강도의 부품을 적용하는데, 이는 측면 충돌시 운전자의 생존공간을 확보하는 데 매우 중요한 역할을 하기 때문이다. 차량의 충돌부재로 주로 사용되는 150K급 고강도 강재의 경우 차량의 측면 충돌시 운전자의 안전을 위협하는 취성파단 현상으로 인해, 취성이 발생하는 하단부에 테일러 웰디드 블랭크(Taylor Welded Blank; TWB) 공법으로 다른 부재를 연결하여 충격흡수 능력을 향상시키고 있다.

이에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제2016-0061560호(2016년 6월 1일 공개, 테일러 웰디드 블랭크 제조방법)가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 합금 성분의 조절 및 공정 조건의 제어를 통하여 재질 편차를 최소화하면서 연신율 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품은 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 포함한다.

상기 핫 스탬핑 부품에서, 상기 강재는 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상일 수 있다.

상기 핫 스탬핑 부품에서, 상기 강재는 베이나이트와 마르텐사이트의 듀얼 상 조직을 가질 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 이용한 제 1 블랭크와, 상기 제 1 블랭크와는 별도로 제공되는 강판을 재단하여 제 2 블랭크를 준비하는 단계; (b) 상기 제 1 블랭크 및 상기 제 2 블랭크를 테일러 웰디드 블랭크 방식으로 용접하여 접합강재를 형성하는 단계; (c) 상기 접합강재를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계; 를 포함한다.

상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법의 상기 (a) 단계는, (a-1) 상기 강 슬라브를 재가열온도(SRT): 1200 ~ 1250℃ 조건으로 가열하는 단계; (a-2) 상기 재가열된 강 슬라브를 마무리 압연온도(FDT): 860 ~ 920℃ 조건으로 마무리 열간압연하는 단계; (a-3) 상기 마무리 열간압연된 판재를 권취온도(CT): 620 ~ 660℃까지 냉각하여 권취하는 단계; (a-4) 상기 권취된 판재를 언코일링하고 냉간 압연하는 단계; 및 (a-5) 상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법의 상기 (c) 단계는, (c-1) 상기 접합강재를 850 ~ 950℃의 온도로 가열하는 단계; 및 (c-2) 상기 가열된 접합강재를 9 ~ 11 초의 이송시간으로 상기 프레스 금형으로 이송하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법의 상기 (d) 단계에서, 상기 성형체의 냉각은 30 ~ 120℃/s의 속도로 실시할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 합금 성분의 조절 및 공정 조건의 제어를 통하여 재질 편차를 최소화하면서 연신율 및 충돌 성능을 향상시킬 수 있는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 있어서 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계를 도시한 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 있어서 핫 스탬핑 공정 중 온도변화에 따른 미세조직 상변태 개념을 도해하는 도면이다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

차량의 충돌 부재용 중요 부품인 B-필러(Pillar)는 상부의 충돌 지지부와 하부의 충격 흡수부에 서로 다른 강도의 강재가 결합된 형태로, 두 강재를 용접한 후 성형하여 제작한다. 이때 주로 사용되는 테일러 웰디드 블랭크(TWB; Taylor Welded Blank) 공법은 두께, 강도 및 재질이 서로 다른 이종의 강판을 필요한 모양으로 재단하여 용접한 후 프레스 성형하여 부품을 제조하는 일련의 과정을 의미하는데, 이종의 두께 및 강재를 용접할 수 있어서 부위별로 요구되는 특성을 갖도록 할 수 있다. B-필러의 상부의 충돌 지지부에는 예를 들어 120~150K급 초고강도 강재를 사용하고, 응력이 집중되는 B-필러의 하단부에는 TWB 공법으로 충격 흡수성능이 좋은 부재를 연결하여 차량 충돌시 충격 흡수능력을 향상시키고 있는데, B-필러의 충격 흡수부에 사용되는 강재를 통상 TWB용 강이라 칭한다.

현재 개발된 TWB용 강은 열연, 냉연 공정 후 핫 스탬핑 공정을 통해 최종 페라이트 및 마르텐사이트(Ferrite-Martensite)의 듀얼 상(dual phase)을 가지며 70K급 인장강도를 갖는 강으로 개발되고 있다. B-필러를 형성하기 위해서는 상기 70K급의 TWB용 강과, 예를 들면, 150K급 강을 TWB 공법으로 용접한 후 핫 스탬핑하게 된다.

그런데 기존의 150K급 강은 핫 스탬핑 공정을 통해 100%의 마르텐사이트 조직을 얻기 때문에 핫 스탬핑 공정 중 재질변화가 일어나지 않지만, 70K급 TWB용 강의 경우 핫 스탬핑 공정의 여러 가지 변수, 예를 들어 강을 가열한 후 핫 스탬핑 금형으로 이송하는 데 걸리는 이송시간이나, 블랭크(blank) 또는 금형의 냉각 속도에 따라서 재질이 급격히 변하는 단점이 있다. 따라서, 상기 70K급 TWB용 강을 150K급 강과 용접하여 접합 강재를 형성하고, 그 접합 강재에 대해 핫 스탬핑을 진행하는 경우, 공정 변수의 제어가 매우 어려운 상황이기 때문에 핫 스탬핑 부품의 재질 편차가 나타나 자동차의 충돌 부재로는 적합하지 않게 된다. 이를 개선하기 위해 본 발명에서는 강재의 구성 성분 조절과 핫 스탬핑 공정 변수의 범위에서 강재의 재질 편차를 최소화함으로써 150K급 강과 용접할 수 있는 80 ~ 100K급 TWB용 강재인 핫 스탬핑 부품을 제공하고자 한다.

TWB용 강재

본 발명의 일 관점은 핫 스탬핑 공정을 거치는 TWB용 강재로서 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 일 구체예에서, 본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 부품은, 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.

상기 핫 스탬핑 부품은 핫 스탬핑 후 최종적으로 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상을 가지며, 베이나이트와 마르텐사이트의 듀얼 상 조직을 갖는다.

본 발명의 핫 스탬핑 부품은 TWB용 강재이며, 150k급 강재와 접합된 상태에서, 핫 스탬핑을 거친 후에, 80 ~ 100K급의 인장강도를 신뢰성있게 구현할 수 있다. 따라서, TWB용 강재는 150K급 강재와 접합된 부품 상태에서 종래의 70K급 강재보다 높은 강도를 가지면서 동시에 충격 흡수율을 높일 수 있다.

본 발명에 따른 TWB용 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

탄소(C)는 강재의 강도, 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑(또는 열간 프레스) 공정 이후, 강재의 인장강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 일 구체예에서, 탄소(C)는 TWB용 강재의 전체에 대하여 0.04 ~ 0.06 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)가 0.04 중량% 미만으로 첨가되는 경우 본 발명의 기계적 강도를 달성하기 어려우며, 0.06 중량%를 초과하여 첨가되는 경우 강재의 인성이 저하될 수 있다.

규소(Si)

규소(Si)는 열처리시 소프트한 저온상을 확보하기 위한 목적으로 첨가한다. 규소(Si)는 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0.4 ~ 0.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 규소(Si)의 함량이 0.4 중량% 미만일 경우에는 열처리시 소프트한 저온상을 확보하기 어려우며, 반대로, 규소(Si)의 함량이 0.6 중량%를 초과하는 경우에는 도금 특성이 저하되는 문제점이 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 망간(Mn)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 1.7 ~ 1.9 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 1.7 중량% 미만일 경우에는 결정립 미세화 효과가 불충분하다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.9 중량%를 초과하는 경우에는 중심부 편석 발생으로 인성이 열화되고 원가 측면에서 불리하다는 문제점이 있다.

인(P)

상기 인(P)은 편석이 잘 되는 원소로 강의 인성을 저해하는 원소이다. 인(P)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0 초과 0.018 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 포함시 인성 저하를 방지할 수 있다. 상기 인을 0.018 중량%를 초과하여 포함시, 공정 중 크랙을 유발하고, 인화철 화합물이 형성되어 인성이 저하될 수 있다.

황(S)

황(S)은 가공성 및 물성을 저해하는 원소이다. 황(S)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0 초과 0.003 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 황을 0.003 중량%를 초과하여 포함시 열간 가공성을 떨어뜨리고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 상기 강재의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0.1 ~ 0.3 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 소입성 및 강도를 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 0.3 중량%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되는 문제점이 있다.

붕소(B)

붕소(B)는 소프트한 마르텐사이트 소입성을 확보하고 결정립을 미세화하는 목적으로 첨가된다. 붕소(B)는 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0.0015 ~ 0.0025 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 붕소(B)의 함량이 0.0015 중량% 미만일 경우에는 소입성 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 붕소(B)의 함량이 0.0025 중량%를 초과하는 경우에는 연신율 열위 위험성이 증가하는 문제점이 있다.

티타늄(Ti)

티타늄(Ti)은 마르텐사이트 패킷 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가된다. 티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0.05 ~ 0.07 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우에는 결정립 미세화 효과가 불충분하다. 반대로, 티타늄(Ti)의 함량이 0.07 중량%를 초과하면 인성 저하를 초래할 수 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 마르텐사이트 패킷 크기 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가된다. 또한 니오븀(Nb)은 페라이트 영역의 안정적 확보를 통한 강재의 연신율 향상에 기여한다. 일 구체예에서, 니오븀(Nb)은 본 발명에 따른 TWB용 강재의 0.04 ~ 0.06 중량%의 함량으로 첨가된다. 니오븀(Nb)을 0.04 중량% 미만으로 첨가할 경우 열간 압연 및 냉간 압연 공정에서 강재의 결정립 미세화 효과가 미미하고, 0.06 중량%를 초과하여 첨가할 경우 제강성 조대 석출물이 생성될 수 있으며, 강재 연신율이 저하되고, 원가 측면에서 불리하다.

다음으로, 상기한 본 발명의 TWB용 강재를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

핫 스탬핑 부품의 제조방법

본 발명의 다른 관점은 TWB 공정을 거치는 TWB용 강재를 이용하여 핫 스탬핑 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 설명하기 위하여 도시한 공정 흐름도이고, 도 2는 도 1의 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계를 구체적으로 도시한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, 이종의 강재로 이루어진 핫 스탬핑용 블랭크들을 준비하는 단계(S110), 상기 핫 스탬핑용 블랭크들을 접합하여 접합강재를 형성하는 단계(S120), 상기 접합강재를 이용하여 핫 스탬핑을 실시하여 성형체를 형성하는 단계(S130), 및 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계(S140)를 포함하여 이루어진다.

핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)

상기 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)는, 핫 스탬핑 부품 형성을 위한 이종의 판재를 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여, 예를 들어 차량의 B-필라 형성을 위하여 충격 흡수부가 될 제 1 블랭크와 충돌 지지부가 될 제 2 블랭크를 각각 형성하는 단계이다.

상기 제 1 블랭크는 핫 스탬핑 후 B-필라의 충격 흡수부가 되는 부분으로, 차량 충돌시 운전자를 보호하기 위하여 적절한 강도를 갖되 충돌 시 충격을 흡수하여 운전자를 보호할 수 있는 연신율을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제 1 블랭크는 핫 스탬핑 후에 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상이고, 베이나이트와 마르텐사이트의 듀얼 상 조직을 갖는 강재로 이루어진다.

상기 제 2 블랭크는 핫 스탬핑 후 B-필라의 충돌 지지부가 되는 부분으로서, 차량 충돌시 운전자의 생존공간을 확보하여 운전자를 보호하기 위하여, 예를 들어 핫 스탬핑 후에 1,200~1,500MPa의 인장강도를 갖는 초고강도 강재로 이루어진다.

상기 제 1 블랭크를 형성하는 공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 열간압연 단계(S210), 냉각/권취 단계(S220), 냉간압연 단계(S230) 및 소둔 열처리 단계(S240)를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 상기 제 1 블랭크를 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는, 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.

열간 압연을 위해 상기 슬라브 판재의 재가열 단계가 진행된다. 슬라브 재가열 단계에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1200 ~ 1250℃로 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1200℃ 미만일 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못해 합금 원소의 균질화 효과를 크게 보기 어렵고, 티타늄(Ti)이나 니오븀(Nb)의 고용 효과를 크게 보기 어렵다는 문제점이 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)는 고온일수록 균질화에 유리하나 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 소부경화능 및 내시효성도 감소하고, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.

열간 압연 단계(S210)에서는 재가열된 슬라브 판재를 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT) : 860 ~ 920℃의 조건으로 마무리 열간 압연한다. 이때, 마무리 압연 온도(FDT)가 860℃ 미만으로 너무 낮으면, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직이 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있을 뿐만 아니라 급격한 상 변화에 의해 열간압연중 통판성의 문제가 발생한다. 마무리 압연 온도(FDT)도 SRT와 마찬가지로 고온일수록 균질화에 유리하며 SRT 및 패스(pass) 수에 따라 결정되나, 마무리 압연 온도(FDT)가 920℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화되어 소부경화능 및 내시효성이 감소한다.

냉각/권취 단계(S220)에서는 열간 압연된 판재를 권취 온도(Coiling Temperature: CT) : 620 ~ 660℃까지 냉각하여 권취한다. 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 620℃ 미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 니오븀(Nb) 첨가에 의한 강도 증가 및 냉간압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도가 660℃를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생하는 문제가 있다.

냉간 압연 단계(S230)에서는 권취된 판재를 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연한다. 이때, 산세는 권취된 판재, 즉 상기의 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.

상기 냉간 압연은 산세 처리된 판재를 냉간 압하율 : 60 ~ 80%로 냉간 압연하는 것이 바람직하다. 냉간 압하율이 60% 미만일 경우에는 열연 조직의 변형효과가 작다. 반대로, 냉간 압하율이 80%를 초과하는 경우에는 냉간 압연에 소요되는 비용이 상승할 뿐만 아니라, 드로잉성을 저해하고 강판의 가장자리에 균열의 발생으로 강판이 파단되는 문제를 야기할 수 있다.

소둔 열처리 단계(S240)는 상기 냉연 판재를 소둔 열처리하는 단계이다. 일 구체예에서 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 20~50℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다. 일 구체예에서, 소둔 열처리시 냉연 판재를 700~900℃에서 가열할 수 있다. 상기 범위로 가열시 공정 효율성과, 강재의 강도 및 성형성이 동시에 우수할 수 있다.

냉연 판재를 20℃/s 미만의 냉각속도로 냉각시 강재의 생산성이 저하되며, 50℃/s를 초과하는 냉각속도로 냉각시 강재의 균일한 미세 조직의 확보가 어려울 수 있다. 예를 들면 30~40℃/s의 냉각속도로 냉각할 수 있다.

한편, 후술하는 도 1의 핫 스탬핑 단계(S130)에서는, 성형 대상인 접합 강재를 고온으로 가열하여 연화시켜 프레스 가공한 다음 냉각한다. 따라서, 접합 강재를 고온으로 가열하여 연화시키므로 용이하게 프레스 가공할 수 있고 성형 후의 냉각에 의한 켄칭(quenching)에 의해 강재의 기계적 강도가 높아진다. 그러나, 800℃ 이상의 고온으로 강재를 가열하므로 강재 표면의 철(Fe)이 산화되어 산화물(스케일)이 발생한다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 소둔 열처리 이후에, 상기 냉연 강판에 소정의 피복을 실시할 수 있는데, 유기계 피복이나 아연(Zn)계 피복에 비해 융점이 높은 알루미늄(Al)계 금속 피복, 예를 들어 알루미늄(Al)-실리콘(Si)계 도금처리를 실시할 수도 있다. 상기 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금된 냉연 강판은 부식을 방지하고 프레스로 이동시 뜨거운 강판 표면에서의 스케일의 생성을 방지할 수 있다.

한편, 상기 제 2 블랭크는 열간압연 단계, 냉각/권취 단계, 냉간압연 단계 및 소둔 열처리 단계를 진행함으로써 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서, 상기 제 2 블랭크를 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 강 슬라브는, 중량%로 탄소(C): 0.20~0.50%, 실리콘(Si): 0.05~1.00%, 망간(Mn) : 0.10~2.50%, 인(P): 0 초과 0.015% 이하, 황(S): 0 초과 0.005% 이하, 크롬(Cr): 0.05~1.00%, 보론(B): 0.001~0.009%, 티타늄(Ti): 0.01~0.09% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 열간압연 단계는, 상기 강 슬래브를 1200~1250℃의 온도로 재가열하는 단계, 상기 재가열한 슬라브를 900~950℃의 온도에서 마무리압연하는 단계; 상기 열간압연된 강판을 680℃ 내지 800℃까지 냉가 후 권취하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 상기 냉간 압연 단계는 상기 권취된 강판을 산세 후 냉간압연하는 단계를 포함할 수 있다. 이어서, 소둔 열처리 단계는 상기 냉간압연된 판재를 740℃ ~ 820℃에서 소둔 처리하는 단계를 포함할 수 있다. 소둔 열처리된 판재는 일 예로서, 5 ~ 50℃/sec로 냉각 속도로 상온까지 냉각될 수 있다.

접합강재를 형성하는 단계(S120)

상기 이종의 제1 및 제 2 블랭크를 TWB 공정을 통해 접합하여 접합강재를 형성한다. 일 구체예에 있어서, 제 1 블랭크를 B-필라의 하단의 충격 흡수부가 되고, 제 2 블랭크를 상부의 충돌 지지부가 되게 배치한 다음, 예를 들어 레이저를 이용하여 맞대기 방식으로 용접할 수 있다.

핫 스탬핑 단계(S130)

상기 접합강재를 가열로에서 약 850 ~ 950℃의 온도로 가열한다. 일 예로서, 상기 가열은 930℃의 온도에서 약 5분간 진행될 수 있다. 이어서, 가열된 접합강재를 프레스 금형으로 이송한다. 이때, 약 9 ~ 11초 정도의 이송시간이 소요될 수 있다. 핫 스탬핑용 프레스 금형에서 최종 부품형상으로 성형된 후 약 30 ~ 120℃/sec의 냉각 속도로 성형체를 급냉하여 최종 제품을 형성한다.

도면으로 도시하지는 않았지만, 프레스 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매에 의한 순환에 의해 가열된 블랭크를 신속히 급냉시킬 수 있게 된다. 이때, 접합강재의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 프레스 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급냉을 실시할 수 있다.

상기한 과정(S110 ~ S140)으로 제조되는 핫 스탬핑 부품은, 상기 충격 흡수부에 사용되는 상기 제 1 블랭크에 대응되는 강재 부분에 포함되는 탄소(C)의 함량을 0.04 ~ 0.06 중량%로 제한하고, 붕소(B)의 함량을 0.0015 ~ 0.0025 중량%으로 확대함으로써 핫 스탬핑 공정 변수 범위에서 재질편차 최소 성분계를 구현할 수 있음을 아래에서 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 있어서 핫 스탬핑 공정 중 온도변화에 따른 미세조직 상변태 개념을 도해하는 도면이다. 블랭크/금형 냉각 곡선은 도 3의 ① 또는 ② 곡선과 같이 급냉하는 과정에서 페라이트 상변태 라인, 베이나이트 상변태 라인 및/또는 마르텐사이트 상변태 라인을 지날 수 있다. 점선으로 표시된 상변태 라인은 70K급 TWB용 강(비교예)에 관한 것이며, 붉은색 실선으로 표시된 상변태 라인은 80 내지 100K급 TWB용 강(실시예)에 관한 것이다. 구체적으로, 80 내지 100K급 TWB용 강(실시예)은 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재인 반면에, 70K급 TWB용 강(비교예)는 탄소(C): 0.06 ~ 0.09 중량%, 규소(Si): 0 초과 0.06 중량% 이하, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0 초과 0.1 중량% 이하, 붕소(B): 0 초과 0.001 중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 몰리브덴(Mo): 0.15 ~ 0.20 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재이다.

도 3을 참조하면, 핫스탬핑 공정 중 변수(가열 후 이송시간, 금형 냉각 속도)에 의해 70K급 TWB용 강(비교예)은 가열 후 이송 시간이 빠르거나 느림 혹은 핫스탬핑 중 블랭크/금형 냉각 속도에 따라 마르텐사이트와 페라이트의 분율이 급격히 변하게 되어 재질 편차가 날 수 있다. 이러한 결과로 나타나는 재질 편차는 자동차 충돌 부재용 특성으로 부적합 할 수 있다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 핫스탬핑 공정 변수는 제어하기 쉽지 않은 상황이기 때문에 본 발명의 실시예에서는 소재 설계 컨셉 변경을 통하여 극복하고자 하였다. 즉, 본 발명의 실시예에서는 탄소(C)의 함량을 0.04 ~ 0.06 중량%로 제한하고, 붕소(B)의 함량을 0.0015 ~ 0.0025 중량%으로 확대함으로써 최종 조직이 베이나이트와 마르텐사이트의 듀얼 상 조직을 가지도록 하여 핫 스탬핑 공정 변수 범위에서 재질편차 최소 성분계를 구현하였다.

실험예

이하, 본 발명의 실험예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

표 1 내지 표 3은 각각 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 붕소(B)의 조성 범위에 따른 핫 스탬핑 부품의 물성과 특성을 나타낸 것이다. 강재의 기본 성분은 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%을 함유한다. 또한, 핫 스탬핑 공정은 930℃의 온도에서 5분 동안 가열 후 평균 냉각속도를 약 70 ℃/s로 수행하였다.

	Nb량(wt%)	YP_MPa	TS_MPa	El_%	결정립크기
비교예 1-1	0.02	850	950	6	20um
비교예 1-2	0.03	870	970	6	17um
실시예 1-1	0.04	885	1010	8	11um
실시예 1-2	0.05	900	1015	8	9um
실시예 1-3	0.06	920	1018	8	7um
비교예 1-3	0.07	950	1040	5	5um

표 1을 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품은 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 붕소(B): 0.002 중량%, 티타늄(Ti): 0.06 중량%을 함유하되, 니오븀(Nb)의 함량을 0.02 중량%, 0.03 중량%, 0.04 중량%, 0.05 중량%, 0.06 중량%, 0.07 중량%으로 나누어 평가하였다. 이에 따르면, 니오븀(Nb)의 함량이 0.04 중량% 보다 작은 경우(비교예 1-1, 비교예 1-2), 항복강도(YS)가 880 MPa 보다 작으며 연신율(El)이 8% 보다 작음을 확인할 수 있다. 또한, 니오븀(Nb)의 함량이 0.06 중량% 보다 큰 경우(비교예 1-3), 연신율(El)이 8% 보다 작음을 확인할 수 있다. 즉, 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상의 특성을 만족하는 핫 스탬핑 부품을 구현하기 위하여, 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 붕소(B): 0.002 중량%, 티타늄(Ti): 0.06 중량%을 함유하되, 니오븀(Nb)의 함량은 0.04 ~ 0.06 중량%인 것이 바람직함을 확인할 수 있다(실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3).

	Ti량(wt%)	YP_MPa	TS_MPa	El_%	결정립크기
비교예 2-1	0.03	860	930	8	10um
비교예 2-2	0.04	870	966	8	9um
실시예 2-1	0.05	881	1003	8	9um
실시예 2-2	0.06	900	1015	8	9um
실시예 2-3	0.07	910	1019	8	8um
비교예 2-3	0.08	920	1029	5	7um

표 2를 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품은 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 붕소(B): 0.002 중량%, 니오븀(Nb): 0.05 중량%을 함유하되, 티타늄(Ti)의 함량을 0.02 중량%, 0.03 중량%, 0.04 중량%, 0.05 중량%, 0.06 중량%, 0.07 중량%으로 나누어 평가하였다. 이에 따르면, 티타늄(Ti)의 함량이 0.05 중량% 보다 작은 경우(비교예 2-1, 비교예 2-2), 항복강도(YS)가 880 MPa 보다 작고, 인장강도(TS)가 1000MPa 보다 작음을 확인할 수 있다. 또한, 티타늄(Ti)의 함량이 0.07 중량% 보다 큰 경우(비교예 2-3), 연신율(El)이 8% 보다 작음을 확인할 수 있다. 즉, 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상의 특성을 만족하는 핫 스탬핑 부품을 구현하기 위하여, 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 붕소(B): 0.002 중량%, 니오븀(Nb): 0.05 중량%을 함유하되, 티타늄(Ti)의 함량은 0.05 ~ 0.07 중량%인 것이 바람직함을 확인할 수 있다(실시예 2-1, 실시예 2-2, 실시예 2-3).

	B량(wt%)	YP_MPa	TS_MPa	El_%	굽힘각
비교예 3-1	0.0005	611	766	17	110ㅀ
비교예 3-2	0.0010	690	850	13	110ㅀ
실시예 3-1	0.0015	895	1000	9	100ㅀ
실시예 3-2	0.0020	900	1015	8	100ㅀ
실시예 3-3	0.0025	935	1045	8	100ㅀ
비교예 3-3	0.0030	950	1070	6	90ㅀ

표 3을 참조하면, 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품은 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 티타늄(Ti): 0.06 중량%, 니오븀(Nb): 0.05 중량%을 함유하되, 붕소(B)의 함량을 0.0005 중량%, 0.0010 중량%, 0.0015 중량%, 0.0020 중량%, 0.0025 중량%, 0.0030 중량%으로 나누어 평가하였다. 이에 따르면, 붕소(B)의 함량이 0.0015 중량% 보다 작은 경우(비교예 3-1, 비교예 3-2), 항복강도(YS)가 880 MPa 보다 작고, 인장강도(TS)가 1000MPa 보다 작음을 확인할 수 있다. 또한, 붕소(B)의 함량이 0.0025 중량% 보다 큰 경우(비교예 3-3), 연신율(El)이 8% 보다 작음을 확인할 수 있다. 즉, 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상의 특성을 만족하는 핫 스탬핑 부품을 구현하기 위하여, 탄소(C): 0.05 중량%, 규소(Si): 0.5 중량%, 망간(Mn): 1.8 중량%, 크롬(Cr): 0.2 중량%, 티타늄(Ti): 0.06 중량%, 니오븀(Nb): 0.05 중량%을 함유하되, 붕소(B)의 함량은 0.0015 ~ 0.0025 중량%인 것이 바람직함을 확인할 수 있다(실시예 3-1, 실시예 3-2, 실시예 3-3).

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims

탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 포함하는,
핫 스탬핑 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 강재는 인장강도(TS): 1000MPa 이상, 항복강도(YS): 880 MPa 이상, 및 연신율(El): 8% 이상인 것을 특징으로 하는,
핫 스탬핑 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 강재는 베이나이트와 마르텐사이트의 듀얼 상 조직을 가지는 것을 특징으로 하는,
핫 스탬핑 부품.
(a) 탄소(C): 0.04 ~ 0.06 중량%, 규소(Si): 0.4 ~ 0.6 중량%, 망간(Mn): 1.7 ~ 1.9 중량%, 인(P): 0 초과 0.018 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.3 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0025 중량%, 티타늄(Ti): 0.05 ~ 0.07 중량%, 니오븀(Nb): 0.04 ~ 0.06 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 이용한 제 1 블랭크와, 상기 제 1 블랭크와는 별도로 제공되는 강판을 재단하여 제 2 블랭크를 준비하는 단계;
(b) 상기 제 1 블랭크 및 상기 제 2 블랭크를 테일러 웰디드 블랭크 방식으로 용접하여 접합강재를 형성하는 단계;
(c) 상기 접합강재를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및
(d) 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계; 를 포함하는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 (a) 단계는,
(a-1) 상기 강 슬라브를 재가열온도(SRT): 1200 ~ 1250℃ 조건으로 가열하는 단계;
(a-2) 상기 재가열된 강 슬라브를 마무리 압연온도(FDT): 860 ~ 920℃ 조건으로 마무리 열간압연하는 단계;
(a-3) 상기 마무리 열간압연된 판재를 권취온도(CT): 620 ~ 660℃까지 냉각하여 권취하는 단계;
(a-4) 상기 권취된 판재를 언코일링하고 냉간 압연하는 단계; 및
(a-5) 상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계; 를 포함하는
핫 스탬핑 부품의 제조방법.
제 4 항에 있어서,
상기 (c) 단계는
(c-1) 상기 접합강재를 850 ~ 950℃의 온도로 가열하는 단계; 및
(c-2) 상기 가열된 접합강재를 9 ~ 11 초의 이송시간으로 상기 프레스 금형으로 이송하는 단계를 포함하는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.
제 6 항에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
상기 성형체의 냉각은 30 ~ 120℃/s의 속도로 실시하는 것을 특징으로 하는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.