KR20200050239A - 도어 임팩트 빔 제조방법 및 도어 임팩트 빔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강판을 단면이 원형인 강관 형태로 조관하는 단계, 상기 조관하는 단계를 거친 강관의 표면부를 연질화하는 탈탄 처리 단계, 상기 탈탄 처리 단계를 거친 강관을 고주파 가열하는 단계 및 상기 강관을 냉각시키는 단계를 포함하는 도어 임팩트 빔 제조방법으로서, 본 발명의 제조방법에 의하면 소재 전체의 강도를 저하시키지 않으면서 충돌체에 의한 충격시 크랙 발생을 억제할 수 있는 도어 임팩트 빔을 제조할 수 있다.

Description

도어 임팩트 빔 제조방법 및 도어 임팩트 빔{MANUFACTURING METHOD FOR A DOOR IMPACT BEAM AND THE DOOR IMPACT BEAM}

본 발명은 차량의 도어에 적용되는 도어 임팩트 빔을 제조하는 방법 및 그것에 의해 제조되는 도어 임팩트 빔에 관한 것이다.

자동차 산업의 동향은 연비 향상을 위한 부품 경량화와 더불어서 충돌에 대한 안정성 향상을 위해 차체 및 샤시 부품에 초고장력 강판을 적용하고 있다.

초고장력 강판은 일반적으로 인장 강도가 590MPa 이상인 강종을 뜻하며, 충돌 성능이 요구되는 센터 필러 보강재, 범퍼 백빔, 그리고 도어 임팩트 빔 등에 주로 적용되고 있다.

이 중 도어 임팩트 빔은 도어 내부에 장착되는 충돌 부재로서, 차량의 측면 충돌시 충격 흡수 및 침입 방지 역할을 하여 승객을 보호하는 중요한 부품으로, 일반적으로 강관 타입의 도어 임팩트 빔이 적용되고 있다.

도어 임팩트 빔에는 직관 타입, 열간성형 타입, 멤버 타입 등이 있으며, 직관 타입의 경우를 예로 들면, 약 1,500MPa급의 강도를 가질 수 있도록 고주파 열처리에 의해 제조되며, 도 1과 같은 공정에 의해 제조된다.

즉, 강판을 강관 형태로 조관한 뒤, 고주파에 의한 가열 및 냉각을 통해 강도를 확보하고, 양단에 브라켓을 용접한 후 빔 어셈블리를 조립하여 완성된다.

이러한 도어 임팩트 빔은 소재의 취성이 없어야 하며, 충돌 시 파단이 발생하지 않을 것이 요구되는데, 재질이나 용접 불량 뿐 아니라 파단이 발생하는 사례로 빈번하게 발생하고 있다.

도어 임팩트 빔의 파단은 도 2에서 참조되는 바와 같이, 고강도의 도어 임팩트 빔에 충돌체가 충돌하면, 표면부에 크랙이 발생하여 크랙의 전파에 의해서 발생하게 된다.

이는 도어 임팩트 빔이 응력이 크고 변형이 작기 때문에, 충돌시 변형이 거의 없어서 충돌체에 의해 도어 임팩트 빔의 국부 영역에 응력이 집중되기 때문에 한계 응력을 돌파하면 크랙이 발생하는 것이다.

도 3과 함께 보다 자세히 살펴보면, 기존의 도어 임팩트 빔의 미세조직은 고강도, 저연성, 고취성의 마르텐사이트 조직인데, 충돌 초기에는 Full Martensite 조직의 높은 취성과, 국부 영역에 대한 응력 집중으로 인해 크랙이 생성되고, 충돌 중기 및 말기에는 생성된 크랙을 기점으로 크랙이 전파되어 부재가 완전히 파단되게 되는데, 일단 크랙이 생성되게 되면 파단을 방지하기는 불가능하다.

초기 크랙은 강도가 높을수록 더 잘 생성되기 때문에, 기존에는 초기 크랙 생성을 억제하기 위해 취성이 낮은 소재를 채용하거나, 후열처리를 통해 취성을 완화하여 이를 보완하여 왔다.

그러나, 소재의 취성이 낮으면 그만큼 강도도 낮기 때문에 충돌체의 침입을 저지시키기 위한 도어 임팩트 빔으로서의 기능에 충실하지 못하게 되므로, 추가로 보강재를 필요로 하게 된다.

또한, 후열처리를 통해서 취성을 완화하기 위해서는 추가적인 공정에 따른 시간과 비용이 발생하게 된다.

이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

한국등록특허공보 제10-1180561호 미국공개특허공보 제2010-0047609호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 소재 전체의 강도를 저하시키지 않으면서 충돌체에 의한 충격시 크랙 발생을 억제할 수 있는 도어 임팩트 빔 제조방법 및 도어 임팩트 빔을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 관점에 의한 도어 임팩트 빔 제조방법은, 강판을 단면이 원형인 강관 형태로 조관하는 단계, 상기 조관하는 단계를 거친 강관의 표면부를 연질화하는 탈탄 처리 단계, 상기 탈탄 처리 단계를 거친 강관을 고주파 가열하는 단계 및 상기 강관을 냉각시키는 단계를 포함한다.

구체적으로, 상기 탈탄 처리 단계는 상기 강관에 산소 가스를 분사하여 상기 표면부를 연질화하는 것을 특징으로 한다.

이러한 상기 탈탄 처리 단계는 상기 강관을 650℃ 이상 가열하여 처리하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 고주파 가열하는 단계는 900℃ 이상의 온도로 상기 강관을 가열하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 냉각시키는 단계는 200℃ 이하의 온도로 상기 강관을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 탈탄 처리 단계는 상기 산소 가스의 분압이 150torr 이상이 유지되도록 상기 산소 가스를 분사하는 것을 특징으로 한다.

그래서, 상기 탈탄 처리 단계는 상기 연질화된 표면부의 두께가 30㎛ 이상이 되도록 상기 표면부를 탈탄 처리하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 본 발명에 의한 도어 임팩트 빔은 강관 형태이되, 표면부와 심부의 강도가 상이한 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 표면부는 탈탄 처리에 의해 연질화된 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 이러한 상기 연질화된 표면부의 두께는 30㎛ 이상인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 도어 임팩트 빔 제조방법에 의하면, 충돌체의 응력이 집중되는 표면 영역의 탄소를 선택적으로 제거하여 취성이 낮은 페라이트 미세조직이 형성되게 함으로써 충돌체의 충돌시 눌림 변형에 의해 응력 집중을 감소시켜 최대한 크랙 방생을 억제시킬 수가 있다.

그리고, 탈탄 처리되는 두께를 제어함으로써 도어 임팩트 빔에 요구되는 강성을 유지시킴으로써 차량 및 탑승자의 안전에 저해되지 않게 한다.

또한, 기존의 취성이 낮은 소재를 채용함으로써 후열 처리 공정을 추가하는 것에 비해 단순한 공정에 의해 제조가 가능하다.

도 1은 종래의 도어 임팩트 빔의 제조공정을 단순화하여 도시한 것이다.
도 2는 기존 도어 임팩트 빔에 충돌체가 충돌시 상태를 도시한 것이다.
도 3은 소재의 탄소량에 따른 물성을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 표면 탈탄 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 표면 탈탄 제어에 의한 미세조직을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 도어 임팩트 빔 제조방법의 일 부분을 도시한 것이다.
도 7은 도 6의 Ⅵ 부분의 폭 방향 단면 구성을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 의한 도어 임팩트 빔에 충돌체 충돌시의 상태를 나타낸 것이다.
도 9는 소재의 강도와 연신율의 관계를 나타낸 것이다.
도 10은 표면탈탄 반응 현상을 자세히 도시한 것이다.
도 11은 탈탄반응을 위한 CO₂와 CO의 평형분압을 나타낸 것이다.
도 12는 탈탄층 두께와 굽힘 각도 및 지지 하중의 관계를 나타낸 것이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.

앞서 살펴본 바와 같이, 도어 임팩트 빔은 요구되는 강도 조건의 확보가 필요하고, 취성에 따라 충돌 초기 크랙 발생 정도가 달라지게 된다.

이러한 강도와 취성은 강재의 탄소량(탄소당량)에 의해 결정된다.

도 3은 소재의 탄소량에 따른 물성을 나타낸 것으로서, 탄소량이 많은 마르텐사이트 미세조직의 경우에는 고강도, 저연성, 고취성의 물성을 가지고, 탄소량이 적은 페라이트 미세조직의 경우에는 저강도, 고연성, 저취성의 물성을 가지게 된다.

즉, 탄소량이 많으면 강도와 선재용 강재가 증가하게 되고, 반면 연신율은 낮아지고 취성은 높아지게 된다.

그러므로, 도어 임팩트 빔의 크랙 방지를 위해서 단순히 취성이 낮은 소재로 제조하게 되면 강성 유지를 위해 추가 공정 등을 요하게 되는 것이다.

그런데, 크랙은 빔의 표면부에서부터 발생하게 되고, 표면부의 취성만을 부분적으로 낮출 수 있다면 심부의 소재 특성에 의해 강성을 유지하면서 충돌시 크랙 발생을 최대한 억제할 수 있을 것이다.

본 발명은 이에 착안하여 도어 임팩트 빔의 표면에서부터의 두께별로 강도를 차등 부여함으로써 강도 및 크랙 방지의 목적을 달성하고자 한다.

본 발명은 이를 위해 표면 영역을 탈탄 처리함으로써 표면 영역의 탄소를 선택적으로 제거하여 표면 영역의 강도를 제어한다.

즉, 도 4에서 참조되는 바와 같이, 산소 분위기에서 소재를 가열하게 되면, 다음과 같이 표면 영역이 탈탄 처리가 된다.

C(in Fe) + O2(at atmosphere) → CO₂(gas)

탈탄시킬 두께는 가열 온도와 시간 제어를 통해 결정하게 된다.

본 발명은 이와 같이 표면 탄소량 제어를 통해서 도 5(우측 도면은 확대도)에서 확인되는 바와 같이, 표면은 경도 200Hv 이하의 페라이트 조직이 생성되게 하고, 심부는 경도 400Hv 이상의 마르텐사이트 조직이 형성되도록 미세조직을 제어하여 기계적 물성의 제어가 가능하게 한다.

기존의 도어 임팩트 빔 제조는 조관, 고주파 가열 및 냉각, 브라켓 용접 및 어셈블리 조립에 의해 이루어졌는데, 본 발명은 도 6 및 도 7에서 참조되는 바와 같이, 조관 후 투입된 강관을 탈탄 처리 공정을 실시(도 6 실선 부분)한 후 고주파 가열 공정(도 6 점선 부분)을 거치도록 함으로써 표면 영역을 탈탄시킨다.

즉, 밀폐 챔버에 투입된 가열 상태의 강관 표면에 노즐을 통해 에어(또는 산소 가스)를 분사함으로써 표면 영역이 탈탄될 수 있게 한다.

이러한 탈탄 처리 단계는 650℃ 이상의 온도를 유지시키고, 산소 분압조건에 따른 체류시간만큼 탈탄 처리 단계를 거쳐서 표면 영역에 페라이트 등의 미세조직이 나타나도록 연질화시키는 것이다.

그리고, 고주파 가열 단계는 900℃ 이상의 온도에서 20초 전후로 실시하고, 200℃ 이하, -27℃/s 이상의 속도로 20초 이내에서 냉각시킴으로써 풀 마르텐사이트 조직으로 변태시킨다. 이를 통해 표면 영역은 페라이트와 마르텐사이트의 이중 조직이 형성된다.

이 같은 고주파 가열 단계는 탈탄층에 대한 정밀 제어를 요하는 경우에 한해 담금질 가열영역의 분위기 제어 목적 등의 경우에는 밀폐 챔버에서 진행할 수도 있으나, 반드시 밀폐 챔버에서 진행되어야 하는 것은 아니다.

이와 같이 표면 영역이 연질화되어 도 8과 같이 도어 임팩트 빔이 표면부에는 저강도 영역이 형성되고, 심부에는 고강도 영역이 형성되면, 충돌체 충돌시 표면부에 크랙이 발생하지 않게 된다.

즉, 도 9에서 참조되는 바와 같이, 저강도의 소재는 연신율이 커짐으로써 연질화된 표면부에 눌림 변형이 발생하고, 하중의 인가 영역이 증대하여 응력 집중이 감소되어 크랙이 발생하지 않게 된다.

도 10은 표면탈탄 반응 현상을 자세히 도시한 것이며, 도 11은 탈탄반응을 위한 CO₂와 CO의 평형분압을 나타낸 것이다.

도 10 및 도 11을 참조하여, 탈탄 현상을 보다 상세히 검토함으로써 탈탄 처리 단게의 반응 요구 조건을 설명하도록 한다.

도시와 같이 요구되는 화학반응은 다음과 같다.

(1) O₂(gas) + C(in Fe) → CO₂

(2) O₂(gas) + 2C(in Fe) → 2CO

(3) CO₂(gas) + C(in Fe) → 2CO

평형 분압을 통해 알 수 있듯이, 탈탄반응 가속(CO 안정) 조건 상 탈탄 처리 단계의 온도는 650℃ 이상이 요구된다.

또한, 안정적 산소 공급을 위한 O₂ 분압 조건은 150torr 이상이 요구된다.

그리고, 탈탄층의 두께의 결정은 표면부 탈탄층의 지지하중을 고려하고, 굽힘성 실험을 통해 연화 정도를 고려함으로써 실험적으로 결정하였다.

즉, 도 12에 도시한 바와 같이, 30㎛ 이상의 탈탄층 두께에서 강도 저하 없이 굽힘성이 개선됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에서 탈탄 처리 단계를 통해 표면부 탈탄층은 외경으로부터 30㎛ 이상이 되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고, 빔 전체 두께의 10%를 초과하지 않는 것이 강도 유지상 바람직하다.

이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

1. 강판을 단면이 원형인 강관 형태로 조관하는 단계;
   상기 조관하는 단계를 거친 강관의 표면부를 연질화하는 탈탄 처리 단계;
   상기 탈탄 처리 단계를 거친 강관을 고주파 가열하는 단계; 및
   상기 강관을 냉각시키는 단계를 포함하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 탈탄 처리 단계는 상기 강관에 산소 가스를 분사하여 상기 표면부를 연질화하는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 탈탄 처리 단계는 상기 강관을 650℃ 이상 가열하여 처리하는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 고주파 가열하는 단계는 900℃ 이상의 온도로 상기 강관을 가열하는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각시키는 단계는 200℃ 이하의 온도로 상기 강관을 냉각시키는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 탈탄 처리 단계는 상기 산소 가스의 분압이 150torr 이상이 유지되도록 상기 산소 가스를 분사하는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 탈탄 처리 단계는 상기 연질화된 표면부의 두께가 30㎛ 이상이 되도록 상기 표면부를 탈탄 처리하는 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔 제조방법.
8. 강관 형태이되, 표면부와 심부의 강도가 상이한 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 표면부는 탈탄 처리에 의해 연질화된 것을 특징으로 하는,
   도어 임팩트 빔.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 연질화된 표면부의 두께는 30㎛ 이상인 것을 특징으로 하는,
    도어 임팩트 빔.

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