KR20200036250A

KR20200036250A - AlSi 도금색상 변화를 활용한 열처리 조건 평가방법 및 이를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법

Info

Publication number: KR20200036250A
Application number: KR1020180115662A
Authority: KR
Inventors: 양원석; 김혜진; 김용희
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2020-04-07
Also published as: KR102110680B1

Abstract

일 측면에 따른 도금강판의 열처리 조건 평가방법은, 표면에 도금층이 형성된 도금강판을 준비하는 단계; 도금강판을 소정 시간 열처리하는 단계; 열처리된 도금강판의 표면 색상을 색차계를 이용하여 측정하는 단계; 및 색차계 측정값을 이용하여 도금강판의 열처리 조건을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

AlSi 도금색상 변화를 활용한 열처리 조건 평가방법 및 이를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법{EVALUATION METHOD OF HEAT TREATMENT CONDITION USING COLOR CHANGE ON AlSi COATING AND METHOD OF MANUFACTURING HOT STAMPING COMPONENT USING THE SAME}

본 발명은 열처리 조건 평가방법에 관한 것으로, 보다 상세하세는 AlSi 도금층의 색상 변화를 활용한 열처리 조건 평가방법 및 이를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 산업에서 안전규제법 강화와 CO2가스 배출 감소와 연비향상을 위해 차체의 경량화가 요구됨에 따라, 뛰어난 성형성과 함께 외부 충격에 의한 차체 비틀림 방지, 굽힘 강성, 강도(1.5GPa 이상)를 만족하는 핫 스탬핑 공정의 적용이 증가하고 있다. 하지만, 핫 스탬핑 단일 공정으로 생산된 차체 부품은 충돌 시 부품의 강도가 너무 높아 차량이 충격에너지를 흡수하는 역할을 하지 못하고 탑승객과 차량의 다른 부품들에 과도한 충격을 전달하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 핫 스탬핑 공정에 레이저 가공을 이용한 재단용접(TWB, Taylor Welded Blank)을 적용하여 핫 스탬핑의 장점은 그대로 가져가면서 충격에너지를 효과적으로 흡수하여 차량 충돌시 피해를 최소화하기 위한 연구가 진행 중이다.

핫 스탬핑은 기존의 냉간 상태에서 이루어지는 프레스 성형과 달리, 대부분 900℃ 이상의 고온에서 이루어지므로 차체 구성요소의 고온 안정성 확보와 그 표면 처리를 위해 일반적으로 알루미늄(Al) 합금이 도금된 도금강판을 이용한다. Al 합금 중에서는 Al-Si계, Al-Cu, Al-Zn계 합금 등이 유동성, 응고시의 수축성, 내식성 등 기계적 성질이 좋아 항공기나 자동차 등의 구조용 주물 및 코팅용 재료로서 많이 쓰이고 있으며 전술한 핫 스탬핑용 소재에도 널리 이용된다.

이에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제2012-0134709호(2012.12.12 공개, 알루미늄계 도금층을 포함하는 용융 도금 강판 및 그 제조 방법)가 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, AlSi 도금색상 변화를 이용하여 도금강판의 열처리 조건을 평가하는 방법 및 이를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 도금강판의 열처리 조건 평가방법은, 표면에 도금층이 형성된 도금강판을 준비하는 단계; 상기 도금강판을 소정 시간 열처리하는 단계; 상기 열처리된 도금강판의 표면 색상을 색차계를 이용하여 측정하는 단계; 및 상기 색차계 측정값을 이용하여 상기 도금강판의 열처리 조건을 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 도금강판의 표면 색상을 색차계를 이용하여 측정하는 단계에서, 그 측정값을, 적색도를 나타내는 값(a) 및 황색도를 나타내는 값(b)을 갖는 4분면 상의 좌표로서 나타낼 수 있다.

상기 도금강판의 열처리 조건을 판단하는 단계에서, 상기 a≥2이고, b≥-5이면 수소취화의 우려가 높은 것으로 판단하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, 도금층이 형성된 이종의 도금강판 블랭크를 준비하는 단계; 상기 이종의 도금강판 블랭크를 접합하여 접합강판을 형성하는 단계; 상기 접합강판을 910℃ ~ 950℃의 온도에서 5~10분간 가열하는 단계; 상기 가열된 접합강판을 스탬핑 금형에서 성형하여 성형부품을 형성하는 단계; 상기 성형부품을 냉각하는 단계; 및 색차계를 사용하여 상기 성형부품의 표면 색상을 측정하여 상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계에서, 그 측정값을, 적색도를 나타내는 값(a) 및 황색도를 나타내는 값(b)을 갖는 4분면 상의 좌표로서 나타내는 것이 바람직하다.

상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계에서, 상기 색차계의 측정값(a, b)이, a≥2이고, b≥-5이면 수소취화의 우려가 높은 불량품으로 판정할 수 있다.

본 발명에 따르면, 도금층의 색상 변화를 색차계로 측정하여 데이터화함으로써 AlSi 도금층의 열처리 조건을 용이하게 평가할 수 있으며, 색차계 측정값을 데이터화하여 데이터베이스를 구축할 경우 AlSi 도금층의 색상을 관찰하고 해당 색상에 따른 데이터베이스 상의 색차계 값 및 수소 민감도를 알 수 있으므로, 열처리 조건을 더욱 용이하게 평가할 수 있다. 또한, 핫 스탬핑 부품의 제조공정에 적용할 경우, 핫 스탬핑 부품의 수소취화 민감도를 평가할 수 있으므로 수소취화가 발생할 가능성이 높은 부품을 선별하여 제품에 적용되지 않도록 할 수 있다.

도 1 및 도 2는 핫 스탬핑 블랭크를 930℃에서 300초 및 600초간 열처리한 후 AlSi 도금층의 표면을 관찰한 광학 현미경 사진들이다.
도 3은 열처리 시간에 따른 AlSi 도금층과 도장재와의 접착력을 나타낸 그래프이다.
도 4는 열처리 시간에 따른 AlSi 도금층의 색상변화를 나타낸 시편의 표면 사진들이다.
도 5는 도 4의 시편들의 색상을 색차계(chroma meter)로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

차량용 부품 제조를 위한 핫 스탬핑 공정은, 핫 스탬핑용 블랭크를 용접한 후 열간 성형을 하기 위해서 910 ～ 950℃의 고온 가열로에서 약 4 ～ 10분 정도 가열하고, 가열된 블랭크를 금형에 넣고 프레스로 성형한 뒤 급속냉각시켜 예를 들어 차량용 부품과 같은 고강도 부품을 만드는 공정이다.

핫 스탬핑용 블랭크를 성형하기 위하여 고온 열처리하는 과정에서 블랭크의 미세조직이 오스테나이트로 상 변태를 하는데, 열처리 시간이 흐름에 따라 오스테나이트 결정립의 크기(Austenite Grain Size: AGS)가 조대화될 수 있다. 오스테나이트 결정립의 크기가 조대화되면, 핫 스탬핑 부품의 굽힘성이 열화되고 수소취성에 취약하여 지연파단이 발생할 가능성이 높아진다. 특히, 차량 부품의 경량화를 위해 박물재의 적용이 증가하고 있는 추세에서 이러한 지연파단(delayed fracture)은 부품의 경량화에 큰 걸림돌이 되고 있다. 더욱이 핫 스탬핑 공정의 지연파괴는 소재에서부터 가열 공정, 성형 공정, 트림 공정, 부품 적재 상태 및 조립 공정까지 핫 스탬핑 전 공정에 영향을 미친다. 이에 본 발명의 발명자들은 핫 스탬핑 공정에서 실시하는 열처리 공정이 강판에 미치는 영향을 밝혀내고자 하였다.

핫 스탬핑 공정에서 블랭크를 스탬핑하기 전에 실시하는 열처리 공정은 충분한 오스테나이트 조직을 만들기 위한 중요한 공정으로, 대기조건에서 실시된다. 이때, 공기 중의 산소가 모재와 반응할 경우 고온부식이 일어나는데, 이를 방지하기 위하여 10%의 실리콘(Si)이 첨가된 알루미늄(Al) 도금이나 아연(Zn) 도금을 모재의 표면에 형성하여 산소와의 반응을 억제하는 차폐도금으로 사용한다.

도 1 및 도 2는 핫 스탬핑 블랭크를 930℃에서 300초 및 600초간 열처리한 후 AlSi 도금층의 표면을 관찰한 광학 현미경 사진들이다.

AlSi 도금층이 적용된 부품이 완성차로 조립된 후에는 전착도장이라는 공정을 거치는데, 이때 열처리 중의 고정 효과(Anchoring Effect)에 의해 도장과의 물리적인 접착이 이루어지게 된다. 930℃에서 300초간 열처리한 AlSi 도금층의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 35 ~ 45㎛의 적절한 도금층 두께와 적절한 거칠기의 표면을 가져 도장재와의 접착력이 양호하다.

그러나, 열처리 시간이 증가할수록 알루미늄(Al)의 과확산(over diffusion)이 일어나, 도 2에 도시된 바와 같이, AlSi 도금층의 표면 거칠기가 감소하고 도금층 표면에 산화물과 공공이 증가하게 되므로 도장재와의 접착력이 감소한다. 모재의 내부에서는 오스테나이트 그레인 사이즈가 조대해지고 성형성이 떨어지며 지연파단이 일어날 수 있다. 반대로, 열처리 시간이 불충분할 경우, 강의 오스테나이트로의 변태가 불충분하여 기계적 강도가 저하되고, 알루미늄(Al)의 확산이 덜 일어나 도금층 표면에 알루미늄이 잔류하여 도장재와의 접착력이 떨어지게 된다.

도 3은 열처리 시간에 따른 AlSi 도금층과 도장재와의 접착력을 나타낸 그래프이다.

도 3을 참조하면, 열처리 시간이 5~10분일 때 도금층의 표면은 거칠고 도장 접착력(wet paint adhesion)이 좋은 반면, 2~3분일 경우 표면 거칠기가 낮고 접착력도 낮으며, 반대로 12~30분으로 길어질 경우 도금층 표면에 공공이 증가하여 다공성 표면이 되면서 도장재와의 밀착력도 감소하게 된다.

따라서, 도금층의 내식성과 함께 도장재와의 접착력을 확보하기 위해서는 적절한 열처리 시간을 확보하는 것이 매우 중요하다. 그러나 실제 강재의 제조 현장에서는 열처리 가열로 이후의 공정에 문제가 발생하면 블랭킹재가 가열로에 장시간 머무르며 가열되게 된다. 이때, 수소지연파괴(수소취성)가 발생할 우려가 높다.

핫 스탬핑 블랭크에 대한 열처리 공정은 대기조건에서 이루어지는데, 이때 고온 열처리로 인해 강 내부에 인장응력이 있으면 균열에 이르는 경우가 많은데, AlSi 도금층이 형성된 블랭크가 수소 등의 환원 분위기 속에서 고온 가열되었을 때 수소의 확산으로 인하여 강의 연성 또는 인성이 저하되는 수소취화(Hydrogen Embrittlement)가 일어난다. 이때, 수소의 양이 많을수록 취화의 정도가 심해지는데, 이는 수소 확산의 지연으로 인한 것으로 알려져 있다. 즉, 원자상의 수소는 전위(轉位) 등의 격자결함의 주위에 집결하는 경향이 있으며, 소성 변형 중 전위가 이동함에 따라서 수소도 이동하여 이 틈에 침입하여 국부적으로, 또는 일시적으로 과포화 상태가 되고 압력이 증가하여, 틈새의 주변에 취화를 일으킨다. 이러한 수소취화는 수소 민감 지수(H sensitivity index; SI)와 관련이 있다.

수소 민감 지수(SI)는 하기의 수학식 1에 제시되는 바와 같이 대기 중의 강의 연신율(El_air)과 음극 충전(cathodic charging)시의 연신율(El_ch)의 차를 대기중 연신율로 나눈 값이다.

핫 스탬핑 블랭크의 열처리 시간과 수소 민감도의 상관관계를 알아보기 위하여 다음과 같은 실험을 실시하였다.

(실험예 1)

AlSi층이 도금된 1.2mm 두께의 22MnB5 강의 시편들을 준비하고, 930℃의 핫 스탬핑 가열로에서 각각 260초, 600초 및 1,200초 동안 열처리를 실시하였다. 각각 열처리된 시편들을 수소발생용액(3%NaCl+0.3%NH₄SCN)에 5시간 및 24시간 침지하여 음극차징(cathodic charging)한 후 그 결과를 하기의 표 1에 나타내었다.

		H/S 열처리 시간			비고
		260s	600s	1200s
H 민감 지수 (H SI)	5h	10.1	32.5	60.3	SI=(El _air -El _ch )/El _air
	24h	10.3	85.0	88.5
EL (air) (%)		8.9	8.0	7.8
EL (5h 음극충전후) (%)		8.0	5.4	3.1	RT, 3.5%NaCl+0.3%NH4SCN
EL (24h 음극충전후) (%)		7.9	1.2	0.9

표 1을 참조하면, 열처리 시간이 증가할수록, 수소발생용액에 침지한 시간이 길수록 수소 민감지수(SI)는 증가하는 것을 볼 수 있었다. 구체적으로, 상기 시편을 260초, 600초 및 1,200초간 각각 열처리한 경우, 5시간 음극차징을 실시했을 때 수소 민감지수는 10.1, 32.5 및 60.3으로 나타냈으며, 24시간 음극차징을 실시했을 때 수소 민감지수는 10.3, 32.5 및 88.5로 나타났다. 따라서, 이 실험의 결과로부터, 수소 민감지수는 열처리 온도에 영향을 받는데, 열처리 시간이 증가할수록 민감지수도 증가함을 알 수 있었다. 또한, 수소 민감지수는 수소에 영향을 받는데, 수소발생용액에의 침지시간이 증가할수록 민감지수도 증가함을 알 수 있었다.

전술한 바와 같이, 핫 스탬핑 공정에서는 열처리 수준에 따라 강의 지연파괴성에 영향을 미치므로, 이에 대한 판단기준을 마련하는 것이 중요하다. 기존에는 핫 스탬핑 과정에서의 열 이력을 확인할 수 없었기 때문에, 수소 민감지수가 높아 수소취화 가능성이 높은 부품을 판별하여 제품에 적용되지 않도록 선별해낼 수 없었다.

본 발명에서는 열처리 시간에 따라 AlSi 도금층의 색상이 변화하는 것을 확인하고, 이를 핫스탬핑 부품의 평가에 이용함으로써 수소취화 가능성이 높은 부품을 판별하여 제품에 적용되지 않도록 함으로써 제품의 신뢰도를 높일 수 있는 열처리 평가 방법을 제시한다.

AlSi 도금층의 색상변화는 도금층 내의 이온성분 및 조성변화에 따른 것으로, 밴드 갭 에너지의 영향을 받는다. 열처리 과정에서 AlSi 도금층은 색차계(chroma meter)로 측정하였을 때 도 4 및 도 5와 같은 색상의 변화를 나타낸다.

도 4는 AlSi 도금층이 형성된 시편들을 준비하고 이 시편들을 시간을 달리하여 열처리한 후 열처리 시간에 따른 AlSi 도금층의 색상변화를 나타낸 시편의 표면 사진들이다.

도 4를 참조하면, A는 300℃ 미만의 온도에서 열처리한 시편, B 및 C는 300℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편들, D는 300℃ 초과 350℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편, E는 350℃ 초과 400℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편, F는 400℃ 초과 450℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편, G는 450℃ 초과 500℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편, H는 500℃ 초과 550℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편, 그리고 I는 550℃ 초과 600℃ 이하의 온도에서 열처리한 시편을 각각 나타낸다.

도 5는 상기 시편들의 색상을 색차계(chroma meter)로 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

색차계는 물체의 색을 측정하는 기구로서, 표준색을 기준으로 하고 그것과의 비교치를 측정하여 색차를 수량적으로 나타낸다. 색차계의 측정값은 L(명도), a(적색도) 및 b(황색도) 값으로 표시하며, a 및 b의 값에 따라 도 5에 도시된 것과 같이 4개의 사분면 상의 좌표로 나타낼 수 있다.

도 5를 참조하면, 색차계의 값을 나타내는 그래프의 가로축은 색의 적색도를 나타내는 a의 값으로, "0"을 기준으로 왼쪽으로 갈수록 녹색(Green)이 큰 값을, 오른쪽으로 갈수록 적색(Red)이 큰 값을 나타낸다. 세로축은 색의 황색도를 나타내는 b의 값으로, "0"을 기준으로 위로 갈수록 황색(Yellow)이 큰 값을, 아래쪽으로 갈수록 청색(Blue)이 커지는 값을 나타낸다.

AlSi 도금층의 색상은 열처리시 시간이 흐름에 따라 청색 → 녹색 → 황색 → 적색의 패턴으로 변화하는 특성이 있으며, 색차계로 측정하였을 때 그 수치는 명확하게 차이가 난다. 도 4의 각각의 시편들에 대한 색차계의 측정값은 도 5에 도시된 것과 같이 사분면 상의 좌표로 나타낼 수 있다.

도 5에 도시된 각 시편의 색차계의 값을 하기의 표 2에 나타내었다.

시편	A	B	C	D	E	F	G	H	I
a	+2	+2	-1.8	-3	-1.7	+4	+2	+4	+7.2
b	-9	-8	-8	+2.5	+10.3	+13	+3	-2.5	-3

실험 및 연구 결과에 의하면, 상기 색차계의 측정값이 a≥2이고, b≥-5이면 수소취성이 매우 민감해지는 상태로 민감도(Sensitivity Index; SI)가 30% 이상이 되어 수소취성의 우려가 매우 높은 강재라 할 수 있다. 따라서, 핫 스탬핑 후 성형된 부품의 색차계의 측정값이 a≥2이고, b≥-5이면 불량(bad)으로 판정한다. 이러한 도금층의 색상과 색차계 측정값을 데이터화하여 데이터베이스를 구축할 경우 AlSi 도금층의 색상을 관찰함으로써 해당 색상에 따른 데이터베이스 상의 색차계 값 및 수소 민감도를 알 수 있으므로, 판정을 용이하게 할 수 있다. 또한, 핫 스탬핑 부품의 수소취화 민감도를 평가할 수 있으므로 수소취화가 발생할 가능성이 높은 부품을 선별하여 제품에 적용되지 않도록 할 수 있다.

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

표면에 도금층이 형성된 도금강판을 준비하는 단계;
상기 도금강판을 소정 시간 열처리하는 단계;
상기 열처리된 도금강판의 표면 색상을 색차계를 이용하여 측정하는 단계; 및
상기 색차계 측정값을 이용하여 상기 도금강판의 열처리 조건을 판단하는 단계를 포함하는,
도금강판의 열처리 조건 평가방법.
제1항에 있어서,
상기 도금강판의 표면 색상을 색차계를 이용하여 측정하는 단계에서,
그 측정값을, 적색도를 나타내는 값(a) 및 황색도를 나타내는 값(b)을 갖는 4분면 상의 좌표로서 나타내는,
도금강판의 열처리 조건 평가방법.
제2항에 있어서,
상기 a≥2이고, b≥-5이면 수소취화의 우려가 높은 것으로 판단하는,
도금강판의 열처리 조건 평가방법.
도금층이 형성된 이종의 도금강판 블랭크를 준비하는 단계;
상기 이종의 도금강판 블랭크를 접합하여 접합강판을 형성하는 단계;
상기 접합강판을 910℃ ~ 950℃의 온도에서 5~10분간 가열하는 단계;
상기 가열된 접합강판을 스탬핑 금형에서 성형하여 성형부품을 형성하는 단계;
상기 성형부품을 냉각하는 단계; 및
색차계를 사용하여 상기 성형부품의 표면 색상을 측정하여 상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계를 포함하는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계에서,
그 측정값을, 적색도를 나타내는 값(a) 및 황색도를 나타내는 값(b)을 갖는 4분면 상의 좌표로서 나타내는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 성형부품의 불량 여부를 평가하는 단계에서,
상기 색차계의 측정값(a, b)이,
a≥2이고, b≥-5이면 수소취화의 우려가 높은 불량품으로 판정하는,
핫 스탬핑 부품의 제조방법.