KR20200035259A

KR20200035259A - 열간 성형 부품을 제조하는 강 스트립, 시트 또는 블랭크, 부품, 및 블랭크를 부품으로 열간 성형하는 방법.

Info

Publication number: KR20200035259A
Application number: KR1020207001858A
Authority: KR
Inventors: 라드하칸타 라나
Original assignee: 타타 스틸 이즈무이덴 베.뷔.
Priority date: 2017-07-25
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-04-02
Also published as: JP2020528963A; MX2020000928A; EP3658692A1; BR112020000917A2; EP3658692B1; US20210156012A1; ES2899238T3; JP7326247B2; WO2019020575A1

Abstract

본 발명은 하기 조성(중량 %)을 가진 열간 성형된 부품을 제조하기 위한 강 스트립, 시트 또는 블랭크에 관한 것이다: C : 0.03 - 0.17, Mn : 0.65 - 2.50, Cr : 0.2 - 2.0, Ti : 0.01 - 0.10, Nb : 0.01 - 0.10, B : 0.0005 - 0.005, N : ≤ 0.01, 여기서 Ti/N ≥ 3.42. 본 발명은 또한 그러한 강 스트립, 시트 또는 블랭크로부터 제조된 열간 성형된 부품, 그러한 열간 성형된 부품의 사용, 및 그러한 강 블랭크 또는 그러한 블랭크로부터 만들어진 사전-성형된 부품을 부품으로 성형하는 방법에 관한 것이다.

Description

열간 성형 부품을 제조하는 강 스트립, 시트 또는 블랭크, 부품, 및 블랭크를 부품으로 열간 성형하는 방법.

본 발명은 열간 성형 부품을 제조하기 위한 강 스트립, 시트 또는 블랭크; 열간 성형 부품; 및 열간 성형 부품의 제조 방법에 관한 것이다.

연료 소비를 줄이기 위해 자동차 부품을 경량화 할 수 있는 동시에 승객에 대한 향상된 보호 기능을 제공하는 강 합금에 대한 수요가 증가하고 있다.

개선된 인장 강도, 에너지 흡수, 작업성(workability), 연성(ductility) 및 인성 (toughness)과 같은 개선된 기계적 특성의 측면에서 자동차 산업의 요구 사항을 충족시키기 위해, 이들 요구 사항을 충족시키는 강을 생산하기 위해 냉간 성형 및 열간 성형 공정이 개발되고 있다.

냉간 성형 공정에서, 강은 거의 실온에서 제품으로 성형된다. 이러한 방식으로 제조된 강 제품의 예로는 페라이트-마텐자이트 미세구조를 갖는 2상조직(DP: dual phase) 강이 있다. 이들 DP 강은 높은 최대 인장 강도를 나타내지만, 굽힘성 및 항복 강도는 낮으며, 이는 충돌 성능을 감소시키기 때문에 바람직하지 않다.

열간 성형 공정에서, 강은 재결정 온도 이상으로 가열되고, 일반적으로 마르텐자이트 변태에 의해, 원하는 재료 특성을 얻기 위해 담금질된다. 열간 성형 기술 및 이를 위해 사용되는 강 조성물의 기본은 이미 GB1490535에 기술되어 있다.

열간 성형에 일반적으로 사용되는 강은 22MnB5 강이다. 이 붕소 강은 노 가열 될 수 있으며 일반적으로 870-940 ℃에서 오스테나이트화되고, 노에서 성형 공구로 이송되고, 원하는 부품 형상으로 스탬핑며, 동시에 부품은 냉각된다. 이러한 방식으로 제조된 이러한 붕소 강 부품의 장점은 완전 마르텐자이트 미세구조로 인해 침입방지 내충돌성(anti-intrusive crashworthiness)을 위한 높은 최대 인장 강도를 나타내지만, 동시에 낮은 연성 및 굽힘성을 나타내며, 결과적으로 제한된 인성 및 미흡한 충격 에너지 흡수 내충돌성을 가진다.

파괴 인성 측정은 강의 충돌 에너지 흡수를 나타내는 유용한 도구이다. 파괴 인성 파라미터가 높으면, 일반적으로 양호한 충돌 거동이 얻어진다.

상기 관점에서, 우수한 최대 인장 강도를 나타내며, 동시에 우수한 연성 및 굽힘성, 및 우수한 충돌 에너지 흡수를 나타내는 강 부품이 필요하다는 것이 명백 할 것이다.

따라서, 본 발명의 목적은 우수한 최대 인장 강도, 연성 및 굽힘성의 조합을 가짐으로써, 기존의 냉간 성형 및 열간 성형 강과 비교할 때 우수한 충돌 에너지 흡수를 제공하는 부품으로 열간 성형될 수 있는 강 스트립, 시트 또는 블랭크를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 주제는 이러한 강 스트립, 시트 또는 블랭크로부터 제조된 열간 성형 부품, 및 차량의 구조적 부품으로서 이러한 열간 성형 부품의 사용을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 강 블랭크를 부품으로 열간 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

이들 목적은 탄소, 망간, 크롬, 티타늄 및 질소 외에 비교적 소량의 니오븀 및 붕소를 함유하는 낮은 합금 강으로 제조될 때 이들 목적이 확립될 수 있음이 밝혀졌다.

따라서, 본 발명은 하기 조성(중량 %)을 갖는 열간 성형 부품을 제조하기 위한 강 스트립, 시트 또는 블랭크에 관한 것이다:

C : 0.03 - 0.17,

Mn : 0.65 - 2.50,

Cr : 0.2 - 2.0,

Ti : 0.01 - 0.10,

Nb : 0.01 - 0.10,

B : 0.0005 - 0.005,

N : ≤ 0.01,

여기서 Ti/N ≥ 3.42,

그리고 선택사항으로 다음 중에서 선택된 원소들 중 하나 이상:

Si : ≤ 0.1,

Mo : ≤ 0.1, 8

Al : ≤ 0.1,

Cu : ≤ 0.1,

P : ≤ 0.03,

S : ≤ 0.025,

O : ≤ 0.01,

V : ≤ 0.15,

Ni : ≤ 0.15,

Ca : ≤ 0.05,

나머지는 철 및 불가피한 불순물이다.

본 발명에 따른 강 스트립, 시트 또는 블랭크로부터 제조된 열간 성형 부품은 인장 강도, 연성 및 굽힘성의 개선된 조합을 나타내며, 그에 따라 종래의 열간 성형된 붕소 강과 비교할 때 충돌 인성을 나타낸다.

이 강에 대해 두 가지 자동차 부품, 즉 전면 세로 막대와 B-필러(pillar)가 고려된다. 전면 세로 막대의 경우, 현재 냉간 성형된 2상조직 강(DP800)이 사용되며 B-필러의 경우 열간-스탬핑 22MnB5 강이 사용된다. DP 강은 에너지 흡수가 낮으며, 고강도 강(최대 인장 강도 > 800 MPa)을 사용하면 두께감소(down-gauging)을 통한 더 많은 중량 감소와 더 높은 충돌 에너지 흡수에 의한 승객 안전이 향상될 수 있다. 다른 한편으로, B-필러의 경우, 현재 사용되는 하나의 솔루션은 두 가지 유형의 강을 사용하는 것이다 - 상부 부분에는 초 고강도(~ 1500 MPa) 22MnB5를 사용하고 하부 부분에는 저 강도(500 MPa) 강을 사용함. 열간 스탬핑 전에 두 강 블랭크는 레이저 용접으로 결합된 다음 결합된 블랭크를 B 필러로 스탬핑한다. 이 솔루션을 사용하면, 충돌하는 동안 상부 부분이 침입에 저항하는 반면 하부 부분은 높은 연성으로 인해 에너지를 흡수한다. 본 발명은 보다 우수한 성능 및 중량 감소 가능성을 제공한다: 발명된 고강도 강은 하부 부분의 저 강도 강을 보다 높은 에너지 흡수 능력으로 대체할 수 있다.

바람직하게는, 전술한 바와 같이 열간 성형 부품을 제조하는 강 스트립, 시트 또는 블랭크는 하기 조성(중량 %)을 포함한다:

C : 0.05 - 0.17, 바람직하게는 0.07 - 0.15, 및/또는

Mn : 1.0 - 2.10, 바람직하게는 1.20 - 1.80, 및/또는

Cr : 0.5 - 1.7, 바람직하게는 0.8 - 1.5, 및/또는

Ti : 0.015 - 0.07, 바람직하게는 0.025 - 0.05, 및/또는

Nb : 0.02 - 0.08, 바람직하게는 0.03 - 0.07, 및/또는

B : 0.0005 - 0.004, 바람직하게는 0.001 - 0.003, 및/또는

N : 0.001 - 0.008, 바람직하게는 0.002 - 0.005,

그리고 선택사항으로 다음으로부터 선택된 원소들 중 하나 이상:

Si : ≤ 0.1, 바람직하게는 ≤ 0.05,

Mo : ≤ 0.1, 바람직하게는 ≤ 0.05,

Al : ≤ 0.1, 바람직하게는 ≤ 0.05,

Cu : ≤ 0.1, 바람직하게는 ≤ 0.05,

P : ≤ 0.03, 바람직하게는 ≤ 0.015,

S : ≤ 0.025, 바람직하게는 ≤ 0.01,

O : ≤ 0.01, 바람직하게는 ≤ 0.005,

V : ≤ 0.15, 바람직하게는 ≤ 0.05,

Ca : ≤ 0.01,

나머지는 철과 불가피한 불순물이다.

탄소는 우수한 기계적 성질을 확보하기 위해 첨가된다. C는 고강도를 달성하고 강의 경화성을 증가시키기 위해 0.03 중량 % 이상의 양으로 첨가된다. 탄소를 너무 많이 첨가하면 강판의 인성 및 용접성이 열화될 우려가 있다. 따라서 본 발명에 따라 사용되는 C의 양은 0.03 - 0.17 중량 %, 바람직하게는 0.05 - 0.17 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.07 - 0.15 중량 %의 범위이다.

망간은 경화성을 촉진하고 고용체 강화를 제공하기 때문에 사용된다. Mn 함량은, 캐스팅 동안 Mn의 분리를 최소화하면서 또한 자동차 저항 스폿-용접 기술에 대해 충분히 낮은 탄소 당량을 유지하면서, 적절한 치환 고용체 강화 및 적절한 담금질 경화성을 제공하기 위해 0.65 중량 % 이상이다. 또한, Mn은 Ac3 온도를 낮추는 데 유용한 원소이다. 더 높은 Mn 함량은 열간 프레스 성형에 필요한 온도를 낮추는 데 유리하다. Mn 함량이 2.5 중량 %를 초과하면, 강판은 용접성 및 열간 및 냉간 압연 특성이 열악하여 강 가공성에 영향을 줄 수 있다. 본 발명에 따라 사용된 Mn 양은 0.65 - 2.5 중량 %, 바람직하게는 1.0 - 2.1 중량 %, 더욱 바람직하게는 1.2 - 1.8 중량 %의 범위이다.

크롬은 강의 경화성을 향상시키고 프레스 담금질 동안 페라이트 및/또는 펄라이트의 형성을 방지한다. 이와 관련하여 미세구조 내 페라이트 및/또는 펄라이트의 존재가 본 발명에서 목표 미세구조에 대한 기계적 특성에 해롭다는 것이 관찰된다. 본 발명에 사용된 Cr의 양은 0.2 - 2.0 중량 %, 바람직하게는 0.5 - 1.8 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.8 - 1.5 중량 %의 범위이다.

바람직하게는, 망간 및 크롬은 Mn + Cr < 2.7, 바람직하게는 Mn + Cr이 0.5 - 2.5의 범위이고 , 보다 바람직하게는 Mn + Cr이 2.0 - 2.5에있는 양으로 사용된다.

티타늄은 강 용융물이 냉각되는 동안 고온에서 TiN 침전물을 형성하여 N을 제거하기 위해 첨가된다. TiN의 형성은 저온에서 B₃N₄의 형성을 금지하여 본 발명의 필수 요소인 B가 보다 효과적이 되도록 한다. 화학양론적으로, Ti 대 N(Ti/N) 첨가 비율은 3.42보다 커야 한다. 본 발명에 따르면, 티타늄의 양은 0.01 - 0.1 중량 %, 바람직하게는 0.015 - 0.07 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.025 - 0.05 중량 %의 범위이다.

니오븀은 강화 침전물 및 정제 미세구조를 형성하는 효과가 있다. Nb는 입자 정제 및 침전 경화에 의해 강도를 증가시킨다. 입자 정제는 특히 매우 국지적인 변형이 도입될 때 열간 거동을 개선시키는 보다 균질한 미세구조를 초래한다. 미세하고 균일한 미세구조는 또한 굽힘 거동을 향상시킨다. 본 발명에 사용된 Nb의 양은 0.01 - 0.1 중량 %, 바람직하게는 0.02 - 0.08 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.03 - 0.07 중량 %의 범위이다.

붕소는 강판의 경화성을 높이고 담금질 후 강도를 안정적으로 보장하는 효과를 더욱 높이는 데 중요한 원소다. 본 발명에 따르면, B는 0.0005 - 0.005 중량 %, 바람직하게는 0.0005 - 0.004 중량 %, 더욱 바람직하게는 0.001 - 0.003 중량 %의 양으로 존재한다.

질소는 C와 비슷한 효과가 있다. N은 티타늄과 적절히 결합하여 TiN 침전물을 형성한다. 본 발명에 따른 N의 양은 최대 0.01 중량 %이다. 바람직하게는 N의 양은 0.001 - 0.008 중량 %의 범위이다. 적합하게는, N은 0.002 - 0.005 중량 % 범위의 양으로 존재한다.

본 발명에 따르면, Mn, Cr 및 B는 (B x 1000)/(Mn + Cr)이 0.185 - 2.5의 범위, 바람직하게는 0.2 - 2.0의 범위, 및 더욱 바람직하게는 0.5 - 1.5의 범위인 양으로 사용된다. 본 발명에 따라 적용된 (B x 1000)/(Mn + Cr) 비는 강의 적절한 경화성을 확립한다.

존재하는 경우 Si, Mo, Al, Cu, P, S, O, V, Ni 및 Ca의 양은 모두 낮아야 한다.

또한, 실리콘은 경화성 및 적절한 치환 고용체 강화를 촉진하기 위해 첨가된다. 본 발명에 사용된 Si 양은 최대 0.1 중량 %, 바람직하게는 최대 0.5 중량 %이다.

강을 탈산시키기 위해 알루미늄이 첨가된다. Al 양은 최대 0.1 중량 %, 바람직하게는 최대 0.05 중량 %이다.

몰리브덴은 강의 경화성을 개선하고 베이나이트의 형성을 촉진하기 위해 첨가된다. 본 발명에 따라 사용된 Mo 양은 최대 0.1 중량 %, 바람직하게는 최대 0.05 중량 %이다.

구리는 경화성을 향상시키고 강의 강도를 높이기 위해 첨가된다. 존재하는 경우, Cu는 본 발명에 따라 최대 0.1 중량 %, 바람직하게는 최대 0.05 중량 %의 양으로 사용된다.

P는 강의 임계 온도 간 범위를 넓히는 것으로 알려져 있다. P는 또한 원하는 보유 오스테나이트를 유지하는데 유용한 원소이다. 그러나, P는 강의 작업성을 악화시킬 수 있다. 본 발명에 따르면, P는 최대 0.03 중량 %, 바람직하게는 최대 0.015 중량 %의 양으로 존재해야 한다.

황의 양은 유해한 비금속 개재물(inclusions)을 줄이려면 최소화해야 한다. S는 MnS와 같은 황화물계 개재물을 형성하며, 이것은 균열을 일으키고 가공성을 악화시킨다. 따라서, S의 양을 가능한 한 감소시키는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면, S의 양은 최대 0.025 중량 %, 바람직하게는 최대 0.01 중량 %의 양이다.

산소는 인장 강도, 연성, 인성 및/또는 용접성과 같은 다양한 특성을 감소시키기 때문에 강 제품의 탈산이 필요하다. 따라서, 산소의 존재를 피해야 한다. 본 발명에 따르면, O의 양은 최대 0.01 중량 %, 바람직하게는 최대 0.005 중량 %이다.

바나듐은 V(C, N) 침전물을 형성하여 강 제품을 강화시키기 위해 첨가될 수있다. 바나듐의 양은, 존재한다면, 최대 0.15 중량 %, 바람직하게는 최대 0.05 중량 %이다.

니켈은 최대 0.15 중량 %의 양으로 첨가될 수 있다. 강의 강도와 인성을 높이기 위해 Ni를 첨가할 수 있다.

칼슘은 0.05 중량 % 이하, 바람직하게는 0.01 중량 % 이하의 양으로 존재할 수 있다. Ca는 황 함유 개재물을 구상화하고 연신된 개재물의 양을 최소화하기 위해 첨가된다. 그러나, CaS 개재물의 존재는 여전히 매트릭스에서 불균일성을 야기할 것이다; 따라서 S의 양을 줄이는 것이 가장 좋다.

바람직한 실시 예에 따르면, 1000*B를 Mn과 Cr의 합으로 나눈 값은 0.185와 2.5 사이, 바람직하게는 0.5와 1.5 사이여야 한다. 이 제한은 강의 경화성을 향상시킨다.

바람직하게는, 강 스트립, 시트 또는 블랭크에는 아연계 코팅, 알루미늄계 코팅 또는 유기계 코팅이 제공된다. 이러한 코팅은 열간 성형 공정 동안 산화 및/또는 탈탄(decarburization)을 감소시킨다.

아연계 코팅이 0.2 - 5.0 중량 % Al, 0.2 - 5.0 중량 % Mg, 선택사항으로 최대 0.3 중량 %의 하나 이상의 추가 원소를 함유하는 코팅제인 경우, 나머지는 아연 및 불가피한는 불순물인 것이 바람직하다. 상기 추가 원소는 Pb 또는 Sb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Ni, Zr 또는 Bi를 포함하는 그룹에서 선택될 수 있다. Pb, Sn, Bi 및 Sb는 일반적으로 스팽글(spangles)을 형성하기 위해 추가된다.

바람직하게는, 아연 합금에서 추가 원소의 총량은 최대 0.3 중량 %이다. 이러한 소량의 추가 원소는 일반적인 적용에 있어 코팅 또는 조(bath)의 특성을 유의미한 정도로 변화시키지 않는다.

하나 이상의 추가 원소가 아연 합금 코팅에 존재할 때, 각각은 바람직하게는 최대 0.03 중량 %의 양으로 존재하고, 바람직하게는 각각은 최대 0.01 중량 %의 양으로 존재한다. 추가 원소들은 핫딥 아연도금을 위해 용융된 아연 합금으로 조에서 드로스(dross) 형성을 방지하거나, 코팅층에 스팽글(spangle)을 형성하기 위해서만 보통 첨가된다.

본 발명에 따른 강 스트립, 시트 또는 블랭크로부터 제조된 열간 성형 부품은 최대 60 % 베이나이트를 포함하는 미세구조를 가지며, 나머지는 마르텐자이트이다. 바람직하게는, 상기 미세구조는 최대 50 체적 %의 베이나이트를 포함하고, 나머지는 마텐자이트이다. 더욱 바람직하게는, 미세구조는 최대 40 체적 %의 베이나이트를 포함하고, 나머지는 마텐자이트이다. 마르텐자이트는 고강도를 제공하는 반면, 더 부드러운 베이나이트는 연성을 향상시킨다. 마르텐자이트와 베이나이트 사이의 작은 강도 차이는 약한 위상 계면의 부족으로 인해 높은 굽힘성을 유지하는 데 도움이 된다.

본 발명에 따른 열간 성형 부품은 우수한 기계적 특성을 나타낸다. 상기 부품은 750 MPa 이상, 바람직하게는 800 MPa 이상, 보다 바람직하게는 900 MPa 이상의 인장 강도(TS)를 가지며, 추가로 최대 1400 MPa의 인장 강도를 갖는다.

상기 부품은 바람직하게는 5 % 이상, 바람직하게는 5.5 % 이상, 보다 바람직하게는 6 % 이상, 가장 바람직하게는 7 % 이상의 총 연신률(TE: total elongation) 및/또는 1.0 mm 두께에서 100°이상, 바람직하게는 115°이상, 더욱 바람직하게는 130°이상, 가장 바람직하게는 140°이상의 굽힘 각도(BA: bending angle)를 갖는다.

본 발명에 따른 강 제품은 우수한 충돌 에너지 흡수를 나타내는 것이 명백할 것이다.

본 발명은 또한 차량의 차체 내의 구조적 부품으로서, 전술한 바와 같은 열간 성형된 부품의 사용에 관한 것이다. 이러한 부품은 본 발명의 강 스트립, 시트 또는 블랭크로 제조된다. 이들 부품은 높은 강도, 연성 및 굽힘성을 가진다. 특히 차량의 구조적 부품 형태의 부품은 우수한 충돌 에너지 흡수성을 보이고, 따라서 기존의 열간 성형된 붕소 강 및 냉간 성형된 다상조직 강의 사용에 비해 내충돌성에 기반한 두께감소 및 경량화 기회를 제공하기 때문에 매우 매력적다.

본 발명은 또한 본 발명에 따른 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

따라서, 본 발명은 또한 강 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 부품으로 열간 성형하는 방법에 관한 것이며, 다음 단계를 포함한다:

(a) 전술한 바와 같이 블랭크 또는 블랭크로부터 제조된 사전-성형된 부품을 온도(T1)까지 가열하고, 가열된 블랭크를 시간(t1) 동안 온도(T1)에서 유지하는 단계 - 여기서 T1은 강의 Ac3 온도보다 높고, t1은 최대 10분임;

(b) 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 이송 시간(t2) 동안 열간 성형 공구에 이송하는 단계 - 여기서 상기 이송 시간(t2) 동안 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품의 온도는 온도(T1)에서 온도(T2)로 감소하며, T2는 Ar3보다 높고, 이송 시간(t2)은 최대 20초임;

(c) 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 가열된 물품으로 열간 성형하는 단계;

(d) 상기 열간 성형 공구 내 상기 부품을 30 ℃/s 이상의 냉각 속도(V3)로 강의 Mf 온도 미만의 온도까지 냉각시키는 단계.

본 방법에 따르면, 가열된 블랭크를 전술한 바와 같은 부품으로 형성함으로써, 향상된 기계적 특성을 갖는 복잡한 형상의 부품이 수득될 수 있음이 밝혀졌다. 특히, 부품은 우수한 충돌 에너지 흡수를 나타내므로, 종래의 열간 성형된 붕소 강 및 냉간 성형된 다상조직 강의 사용에 비해 내충돌성에 기초하여 두께감소 및 경량화 기회를 허용한다.

부품을 Mf 온도 미만의 온도로 냉각시킨 후, 부품은 예를 들어 공기 중에서 실온으로 추가로 냉각되거나, 실온으로 강제 냉각될 수 있다.

본 발명에 따른 방법에서, 단계 (a)에서 가열될 블랭크는 후속 단계를 위한 중간체로서 제공된다. 블랭크가 제조되는 강 스트립 또는 시트는 표준 캐스팅(casting) 공정에 의해 수득될 수 있다. 바람직한 실시 예에서, 강 스트립 또는 시트는 냉간 압연된다. 강 스트립 또는 시트는 강 블랭크로 적절히 절단될 수 있다. 사전 형성된 강 부품이 또한 사용될 수도 있다. 사전-성형된 부품은 바람직하게는 주위 온도에서 원하는 형상으로 부분적으로 또는 전체적으로 형성될 수 있다.

강 블랭크는 단계 (a)에서 시간 t1 동안 온도 T1로 가열된다. 바람직하게는, 단계 (a)에서 온도 T1은 강의 Ac3 온도보다 50-100 ℃ 높고, 및/또는 온도 T2는 Ar3 온도보다 높다. T1이 Ac3 온도보다 50-100 ℃ 높으면, 시간 t1 내에 강이 완전히 또는 거의 완전히 오스테나이트화되고, 단계 (b) 동안의 냉각이 용이하게 가능하다.

상기 미세구조가 균질한 오스테나이트 미세구조인 경우 성형성이 향상된다.

바람직하게는, 시간 t1은 1분 이상 7분 이하이다. 시간 t1이 너무 길면 오스테나이트 입자가 거칠어지며 이는 최종 기계적 성질을 저하시킬 수 있다.

단계 (a)에서 사용되는 가열 장치는 예를 들어 전기 또는 가스 이용 가열로, 전기 저항 가열장치, 적외선 유도 가열장치일 수 있다.

단계 (b)에서, 가열된 강 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 이송 시간(transport time) t2 동안 열간 성형 공구에 이송되며, 이 시간(t2) 동안 상기 가열된 강 블랭크 또는 사전-성형된 부품의 온도는 온도 T1에서 온도 T2로 감소하며, 여기서 시간 t2는 최대 20초다. 시간 t2는 가열된 블랭크를 가열 장치로부터 열간 성형 공구(예를 들어, 프레스)로 그리고 열간 성형 장치가 닫힐 때까지 이송하는데 필요한 시간이다. 블랭크 또는 사전-성형된 부품의 이송 동안 부품은 자연 공랭 및/또는 임의의 다른 이용 가능한 냉각 방법에 의해 온도 T1에서 온도 T2로 냉각될 수 있다. 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 자동화된 로봇 시스템 또는 임의의 다른 이송 방법에 의해 가열장치로부터 성형 공구로 이송될 수 있다. 시간 t2는 또한 성형 및 담금질의 시작에서 강의 미세구조적 진화를 제어하기 위해 T1, t1 및 T2와 조합하여 선택될 수 있다. 적합하게는, t2는 12초 이하, 바람직하게는 t2는 10초 이하, 보다 바람직하게는 t2는 8초 이하, 가장 바람직하게는 6초 이하이다. 단계 (b)에서, 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 온도 T1에서 10 ℃/s 이상의 냉각 속도(V2)로 T2 온도로 냉각될 수 있다. V2는 바람직하게는 10 - 15 ℃/s의 범위이다. 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 사전 냉각해야 하는 경우, 냉각 속도는 더 높아야 하며, 예를 들면 20 ℃/s 이상, 50 ℃/s 이하, 또는 그 이상다.

단계 (c)에서, 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 원하는 형상을 갖는 부품으로 성형된다. 성형된 부품은 바람직하게는 차량의 구조적 부품이다.

단계 (d)에서, 열간 성형 공구에서 성형된 부품은 적어도 30 ℃/s의 냉각 속도(V3)로 강의 Mf 온도 미만의 온도까지 냉각된다. 바람직하게는, 단계 (d)에서의 냉각 속도(V3)는 30 - 150 ℃/s의 범위, 보다 바람직하게는 30 - 100 ℃/s의 범위이다.

본 발명은 열간 성형 작업 동안 원하는 베이나이트 상을 강 미세구조 내로 도입하는 개선된 방법을 제공한다. 본 방법은 고강도, 높은 연성 및 높은 굽힘성의 우수한 조합을 나타내는 열간 성형된 강 부품의 제조를 가능하게 한다.

본 발명에 따른 방법의 하나 이상의 단계는 상기 강의 산화 및/또는 탈탄을 방지하기 위해 수소, 질소, 아르곤 또는 임의의 다른 불활성 가스의 제어된 불활성 분위기에서 수행된다.

도 1은 본 발명에 따른 방법의 일 실시 예의 개략도를 도시한다.
도 2는 축방향 충돌 시험을 위한 낙하 탑(drop tower)의 단면을 보여준다.

도 1에서, 가로축은 시간 t를 나타내고, 세로축은 온도 T를 나타낸다. 시간 t 및 온도 T는 도 1에서 도식적으로 표시되어 있다. 도 1로부터 값을 도출할 수는 없다.

도 1에서, 강 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 특정 (재)가열 속도로 Ac1보다 높은 오스테나이트화 온도까지 (재)가열된다. 일단 Ac1이 초과되면 블랭크 또는 사전-성형된 부품이 Ac3보다 높은 온도에 도달할 때까지 (재)가열 속도가 낮아진다. 그런 다음 스트립, 시트 또는 블랭크가 이 특정 온도에서 일정 시간 동안 유지된다. 이어서, 가열된 블랭크가 노에서 열 성형 공구로 이송되고, 그 동안 공기에 의한 블랭크의 냉각이 어느 정도 일어난다. 그 후, 블랭크 또는 사전-성형된 부품은 부품으로 열간 성형되고 적어도 30 ℃/s의 냉각 속도로 냉각(또는 담금질)된다. 강의 Mf 온도 미만의 온도에 도달한 후, 열간 성형 공구가 개방되고 성형된 물품이 실온으로 냉각된다.

특허 출원 전반에 걸쳐 사용된 다양한 온도들이 아래에 설명되어 있다.

- Ac1: 가열 동안, 오스테나이트가 형성되기 시작하는 온도.

- Ac3 : 가열 동안, 페라이트가 오스테나이트로 변태를 시작하는 온도.

- Ar3 : 냉각 동안, 오스테나이트가 페라이트로 변태를 시작하는 온도.

- MS : 냉각 동안, 오스테나이트가 마르텐자이트로 변태를 시작하는 온도.

- Mf : 냉각 동안, 오스테나이트가 마르텐자이트로 변태를 종료하는 온도.

본 발명은 하기 비 제한적인 실시 예를 참조하여 설명될 것이다.

실시예

강 조성물 A (본 발명에 의함)

치수가 220 mm x 110 mm x 1.5 mm 인 강 블랭크를 표 1에 나타낸 조성을 갖는 냉간 압연 강판으로부터 준비하였다. 이들 강 블랭크 핫딥 어닐링 시뮬레이터(HDAS: hot dip annealing simulator) 및 SMG 프레스에서 열간 성형 열적 사이클을 수행한다. 느린 냉각 속도(30 - 80 ℃/s)에 대해 HDAS를 사용하고 가장 빠른 냉각 속도(200 ℃/s)에 대해 SMG 프레스를 사용했다. 강 블랭크를 각각 900 ℃(Ac3보다 36 ℃ 높음) 및 940 ℃(Ac3보다 76 ℃ 높음)의 T1까지 재가열하고, 표면 열화를 최소화하기 위해 질소 분위기에서 5분 동안 소킹(soaking)했다. 이어서, 10초 동안 약 120 ℃의 온도 강하를 위해 12 ℃/s의 냉각 속도(V2)로 블랭크를 이송 냉각시킨 다음, 30, 40, 50, 60, 80, 200 ℃/s의 냉각 속도(V3)로 160 ℃까지 냉각시켰다. 열 처리된 샘플로부터, 50 mm 게이지 길이 및 12.5 mm 폭을 갖는 세로 방향 인장 시편(A50 시편 형상)을 준비하고 준 정적 변형률(quasistatic strain rate)로 시험했다. 미세구조는 RD-ND 평면으로부터 특징지어졌다. 평행 및 가로 방향으로부터 압연 방향으로 굽힘 시편(40mm x 30mm x 1.5mm)을 각 조건에서 준비하고 VDA 238-100 표준에 설명된대로 3점 굽힘 시험에 의해 파단까지 시험했다. 압연 방향에 평행한 굽힘 축을 갖는 샘플은 세로 방향(L) 굽힘 시편으로 식별되는 반면, 압연 방향에 수직인 굽힘 축을 갖는 샘플은 수직(T) 굽힘 시편으로 표시되었다. 1.5 mm 두께에서 측정된 굽힘 각도는 1 mm 두께에 대한 각도로 변환되었다(= 원래 굽힘 각도 x 원래 두께의 제곱근). 각 유형의 시험에 대해, 세 번의 측정이 수행되었으며 세 번의 시험의 평균값이 각 조건에 대해 제시된다.

선택된 조건(940 ℃에서 재가열된 SMG 프레스 샘플)에 대해, J-적분 파괴 인성 및 낙하 탑 축방향 충돌 시험이 수행되었다. NFMT76J 표준에 따른 소형 인장 시편은 파단 인성 시험을 위해 길이 방향과 횡 방향 모두에서 준비되었다. 횡 방향 시편의 경우, 균열은 압연 방향을 따라 진행하고 하중은 압연 방향에 대해 횡 방향인 반면 세로 방향 시편에서는 반대이다. 시편을 실온에서 ASTM E1820-09 표준에 따라 시험 하였다. 사전-균열이 피로 하중에 의해 도입되었다. 최종 시험은 시트 재료의 평면 응력을 유지하기 위해 버클 방지 평면들에 의한 인장 하중으로 수행되었다. 각 조건에 대한 3 가지 시험이 수행되었으며 BS7910 표준의 지침에 따라 다양한 파괴 인성 파라미터에 대한 3 개의 등가물의 최소값(MOTE 값)이 제시된다. 파괴 인성 파라미터에 대한 간략한 설명은 다음과 같다. 균열 선단 개방 변위(CTOD: crack tip opening displacement) 고장(부서지는 경우) 또는 최대 하중에서 균열이 얼마나 많이 열리는지의 척도이다. J는 J-적분이며 에너지를 고려한 인성의 척도이므로, 곡선 아래의 영역에서 고장 또는 최대 하중까지 계산된다. KJ는 KJ=[J(E/(1-v²))]^0.5로 주어진 식을 사용하여 J 적분에서 결정된 응력 강도 계수이며, 여기서 E는 영률(= 207 GPa)이고 v는 포아송 비(= 0.03)이다. Kq는 하중 Pq에서 측정된 응력 강도 계수의 값다. Pq는 하중 선(loading line)의 탄성 기울기를 취한 다음 기울기가 5 % 적은 선을 취하고 이 직선이 하중 선과 교차하는 하중으로 Pq를 정의하여 결정된다.

낙하 탑 축방향 충돌 시험은 200 kg의 하중이 50 km/시간의 하중 속도로 500 mm 높이(압연 방향에 대해 가로 방향)를 가진 모자 모양의 닫힌 충돌 상자(도 2 참조)에 부딪치는 SMG-가압된 조건에서 수행되었다. 롤링 방향으로 가로 방향). 낙하 탑의 단면 치수는 도 2에 밀리미터 단위로 제공된다(t = 1.5 mm, Ro = 3 mm). 100 mm 폭의 후면 판을 측면판에 스폿-용접하여 충돌 상자를 준비하였다.

또한, 일부 선택된 조건에 대해, 페인트 소성 열적 사이클이 샘플에 주어졌으며, 시험 결과로부터 직접 반영될 시험이 수행되었다.

강 조성물 B 및 C (본 발명에 의하지 않음)

비교를 위해, 상업적으로 이용 가능한 냉간 성형된 CR590Y980T-DP (강 조성물 B 및 일반적으로 DP1000 강으로 알려짐)도 본 발명에 따른 강 블랭크와 유사한 강도 수준을 갖기 때문에 시험했다. 또한, 비교를 위해, 표준 열간 성형된 22MnB5 강 제품(강 조성물 C)을 시험 하였다.

표 1에는, 강철 조성물 A-C의 화학적 조성(중량 %)이 명시되어 있다.

표 2에는, 강 조성물 A의 변태 온도가 제시되어 있다.

다양한 시험의 결과는 표 3 내지 8에 제시되어 있다.

표 3에는, 항복 강도(YS: yield strength), 최대 인장강도: yield strength), 최대 인장강도(UTS), 균일 연신율(UE: uniform elongation) 및 총 연신율(TE)이 제시되어 있다. 또한, 표 3은 마르텐자이트(M) 및 베이나이트(B)의 관점에서 미세구조를 나타낸다. 상이한 냉각 속도(V3)들에서 800 MPa 초과의 최대 인장강도가 달성되었음을 표 3으로부터 명백히 알 수 있다.

표 4에는, 1.0 mm 두께에서의 굽힘 각도(BA)가 상이한 냉각 속도(V3)들 후에 얻어진 강 조성물 A에 대해 제시되어 있다.

세로 방향(L) 및 횡 방향(T) 모두에 대해 130°초과의 높은 굽힘 각도가 달성되었음을 표 4에서 명백히 알 수 있다.

표 5에는, 강 조성물 A에 대해 자동차 제조 과정에서 사용된 페인트 소성(paint baking) 처리를 시뮬레이션하는 열간 성형 및 소성 처리한 후의 강 조성물 A의 다양한 기계적 특성이 제시되어 있다. 강 조성물 A를 900 ℃로 가열하고 5 분 동안 소킹한 다음, 이송 냉각에 이어서 200 ℃/s의 V3에서 냉각했다. 상기 소성 처리는 180 ℃에서 20 분 동안 수행되었다. 표 5로부터, 강 조성물 A가 소성 처리된 후에 대략 동일한 최소 레벨의 항복 강도(YS), 최대 인장강도(UTS), 최대 연신율(UE: ultimate elongation), 총 연신율(TE: total elongation) 및 굽힘 각도(BA) 또한 달성된다는 것이 명백하다. 이는 자동차 제조에서 페인트 소성 후에, 주장된 특성들이 서비스 조건에서 보장됨을 의미한다.

표 6에는, 강 조성물 B(DP1000) 및 C(22MnB5)의 다양한 기계적 특성이 제시되어 있다. 이들 강 조성물 B 및 C는 강 조성물 A와 동일한 시험 조건 하에서 시험되었다. 표 4 및 6의 내용을 비교할 때, 본 발명에 따른 강 부품 (강 조성물 A)이 종래의 냉간 성형 강 제품 DP1000(강 조성물 B) 및 종래의 열간 성형 강 제품 22MnB5(강 조성물 C)와 비교할 때 굽힘성 측면에서 주된 개선을 구성한다는 것이 즉시 명백해질 것이다.

또한, 표 7로부터, 본 발명에 따른 강 부품(강 조성물 A)의 파괴 인성 매개변수가 DP1000으로 만들어진 블랭크(강 조성물 B)의 파괴 인성 매개변수보다 높다는 것이 명백하다.

표 8에는, 강 조성물 A 및 B의 충돌 거동이 제시되어 있다. 표 8로부터, 강 조성물 A의 충돌 거동은 열간 프레스 조건과 열간 프레스 및 소성 조건 모두에서 DP1000(강 조성물 B)의 충돌 거동보다 우수하다는 것이 명백하다. 소성 조건은 위에서 설명한 것과 동일하다. 강 조성물 A의 충돌 상자는 시험 후 어떤 균열의 징후도 나타내지 않은 반면, DP1000(강 조성물 B)의 충돌 상자는 접힘부에서 심한 균열을 나타냈다. 또한, 강 조성물 A는 더 높은 에너지 흡수 능력을 나타낸다.

유사한 강도를 갖는 종래의 강 제품과 비교할 때 본 발명에 따른 열간 성형 된 강 조성물 A의 개선된 높은 충돌 거동은 더 높은 굽힘 각도 및 높은 파괴 인성 특성 때문이다. 이와 관련하여, 충돌 동안, 강 컴포넌트는 그 굽힘성에 의해 결정되는 접힘이 필요한 반면, 파괴 전 에너지 흡수 능력은 그 파괴 인성 매개변수에 의해 결정된다는 것이 관찰된다.

상기 관점에서, 본 발명에 따른 강 제품은 종래 공지된 냉간 성형 및 열간 성형 강 제품에 비해 상당한 개선을 구성한다는 것이 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

Claims

하기 조성(중량 %)을 가진 열간 성형된 부품을 제조하기 위한 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
C : 0.03 - 0.17,
Mn : 0.65 - 2.50,
Cr : 0.2 - 2.0,
Ti : 0.01 - 0.10,
Nb : 0.01 - 0.10,
B : 0.0005 - 0.005,
N : ≤ 0.01,
여기서 Ti/N ≥ 3.42,
그리고 선택사항으로,
Si : ≤ 0.1,
Mo : ≤ 0.1,
Al : ≤ 0.1,
Cu : ≤ 0.1,
P : ≤ 0.03,
S : ≤ 0.025,
O : ≤ 0.01,
V : ≤ 0.15,
Ni : ≤ 0.15,
Ca : ≤ 0.05
중에서 선택된 원소들 중 하나 이상,
나머지는 철 및 불가피한 불순물.
제1항에 있어서,
하기 조성을 가진 열간 성형된 부품을 제조하기 위한 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
C : 0.05 - 0.17, 바람직하게는 0.07 - 0.15, 및/또는
Mn : 1.0 - 2.10, 바람직하게는 1.20 - 1.80, 및/또는
Cr : 0.5 - 1.7, 바람직하게는 0.8 - 1.5, 및/또는
Ti : 0.015 - 0.07, 바람직하게는 0.025 - 0.05, 및/또는
Nb : 0.02 - 0.08, 바람직하게는 0.03 - 0.07, 및/또는
B : 0.0005 - 0.004, 바람직하게는 0.001 - 0.003, 및/또는
N : 0.001 - 0.008, 바람직하게는 0.002 - 0.005,
Ca : ≤ 0.01.
제1항 또는 제2항에 있어서,
Mn 및 Cr의 양의 합계는 2.7 미만이고, 바람직하게는 0.5 - 2.5 범위이고, 보다 바람직하게는 2.0 - 2.5의 범위인, 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
Mn, Cr 및 B는 (B x 1000)/(Mn + Cr)이 0.185 - 2.5의 범위, 바람직하게는 0.2 - 2.0의 범위, 및 보다 바람직하게는 0.5 - 1.5 범위인 양으로 사용된, 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
아연계 코팅, 알루미늄계 코팅 또는 유기계 코팅이 제공된, 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
제5항에 있어서,
상기 아연계 코팅이 0.2 - 5.0 중량 % Al, 0.2 - 5.0 중량 % Mg, 선택적으로 최대 0.3 중량 %의 하나 이상의 추가 원소, 및 나머지 아연 및 불가피한 불순물을 함유하는 코팅물인, 강 스트립, 시트 또는 블랭크.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 의한 강 스트립, 시트 또는 블랭크로부터 제조된 열간 성형된 부품으로서,
상기 부품의 인장 강도 (TS)는 750 MPa 이상, 바람직하게는 800 MPa 이상, 더욱 바람직하게는 900 MPa 이상이며, 추가로 최대 1400 MPa의 인장 강도를 가지는, 열간 성형 부품.
제7항에 있어서,
총 연신율(TE: total elongation)은 5 % 이상, 바람직하게는 5.5 % 이상, 더욱 바람직하게는 6 % 이상, 가장 바람직하게는 7 % 이상이고, 및/또는
1.0 mm 두께에서 굽힘 각도(BA: bending angle)는 100 °이상, 바람직하게는 115 °이상, 더욱 바람직하게는 130 °이상, 가장 바람직하게는 140 °이상인, 열간 성형 부품.
제7항 또는 제8항에 있어서,
상기 부품은 최대 60 %의 베이나이트와 나머지 마르텐자이트를 포함하는 미세구조를 가지며, 바람직하게는 상기 미세구조는 최대 50 %의 베이나이트를 포함하고, 더욱 바람직하게는 상기 미세구조는 최대 40%의 마텐자이트를 포함하는, 열간 성형 부품.
차량의 차체 내 구조적 부품으로서 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 열간 성형 부품의 사용.
강 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 부품으로 열간 성형하는 방법으로서,
(a) 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 의한 블랭크 또는 블랭크로부터 제조된 사전-성형된 부품을 온도(T1)까지 가열하고, 가열된 블랭크를 시간(t1) 동안 온도(T1)에서 유지하는 단계 - 여기서 T1은 강의 Ac3 온도보다 높고, t1은 최대 10 분임;
(b) 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 이송 시간(t2) 동안 열간 성형 공구에 이송하는 단계 - 여기서 상기 이송 시간(t2) 동안 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품의 온도는 온도(T1)에서 온도(T2)로 감소하며, 이송 시간(t2)은 최대 20 초임;
(c) 상기 가열된 블랭크 또는 사전-성형된 부품을 부품으로 열간 성형하는 단계; 및
(d) 상기 열간 성형 공구 내 상기 부품을 30 ℃/s 이상의 냉각 속도로 강의 Mf 온도 미만의 온도까지 냉각시키는 단계;
를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서,
상기 단계 (a)에서의 온도(T1)는 Ac3보다 50 - 100℃ 더 높고, 및/또는
온도(T2)는 Ar3보다 더 높은, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 단계 (a)에서의 시간(t1)은 1분 이상 7분 이하이며, 및/또는
상기 단계 (b)에서의 시간(t2)은 12초 이하이고, 바람직하게는 2초와 10초 사이인, 방법.
제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 부품은 단계 (d)에서 30 - 150 ℃/s 범위, 보다 바람직하게는 30 - 100 ℃/s 범위의 냉각속도로 냉각되는, 방법.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 하나 이상의 부품 및 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 의한 방법에 따라 제조된 부품 중 하나 이상을 포함하는 차량.