KR20200118443A

KR20200118443A - 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크로부터 물품을 성형하는 방법

Info

Publication number: KR20200118443A
Application number: KR1020207024104A
Authority: KR
Inventors: 라드하칸타 라나
Original assignee: 타타 스틸 이즈무이덴 베.뷔.
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-02-08
Publication date: 2020-10-15
Also published as: EP3749789A1; JP7354119B2; CN112074616B; MX2020008347A; WO2019155014A1; JP2021513604A; US20210032714A1; US11519044B2; CN112074616A; BR112020015728A2

Abstract

아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크로부터 물품을 성형하는 방법으로서, (a) 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철의 블랭크를 제공하는 단계; (b) 단계 (a)에서 얻은 블랭크를 강철의 Ac3-200℃ 범위의 재가열 온도(T_RH)로 재가열하는 단계; (c) 상기 재가열 온도(T_RH)에서 최대 3분 동안 상기 블랭크를 담그는(soaking) 단계; (d) 프레스에서 상기 물품을 성형하는 단계; 및 (e) 상기 물품을 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 강철은 C: 0.01-0.2 중량%; Mn: 3.1-9.0 중량%; Al: 0.5-3.0 중량%; 및 선택적으로 Si, Cr, V, Nb, Ti, 및 Mo로부터 선택된 추가의 합금 요소; 불가피한 불순물 및 나머지는 Fe이다.

Description

아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크로부터 물품을 성형하는 방법

본 발명은 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크(blank)로부터 물품을 성형하는 방법 및 성형된 물품에 관한 것이다.

열간 스탬핑(hot stamping), 프레스 스탬핑 및 프레스 경화로도 알려진 열간 프레스 성형은 강철 블랭크를 성형된 최종 물품 또는 부품으로 성형하고 경화시키는 기술이다. 일반적으로, 블랭크는 전형적으로 870-940℃ 범위의 오스테나이트화 온도로 재가열 및 소킹(soaking) 후에 이어서 프레스 다이에서 성형되고 프레스-담금질(press-quenching)된다. 강철을 완전히 오스테나이트화하고 모든 탄화물을 용해시키려면 고온이 필요하다. 담금질은 강철 기재(substrate)에 강력한 마르텐사이트 구조를 만든다. 이중상(dual phase) 구조를 개발하기 위해 임계 범위에서 열간 성형이 수행될 경우라도 재가열 온도는 760℃ 이상이다. 일반적으로 적용되는 가열로에서 총 재가열 시간은 비교적 길다. 가열로에서 총 3-10 분의 시간이 일반적 관행이다.

코팅되지 않은 강철 블랭크의 열간 성형은 산화를 유발하는 것으로 알려져 있다. 이 영향을 줄이기 위해 Zn 및 Al 기반 코팅이 적용되어 왔다. 내식성의 관점에서 Zn 기반 코팅은 갈바니(galvanic) 보호도 제공하므로 선호될 수 있다. 그러나 Zn 및 Zn-Fe 화합물의 낮은 용융 온도, 높은 재가열 온도와 느린 가열 속도 및 관련된 긴 총 가열 및 소킹 시간으로 인해 표면 균열이 열간 성형 중에 발생할 수 있으며, 여기서 균열은 액체 아연의 입자 경계 침투와 관련이 있었다. 이 문제를 해결하기위해 이용해 온 한 가지 방법은 Zn 코팅을 수정하는 것이다.

현재 (초)고강도의 열간 성형된 제품은 프레스 담금질로 인해 얻은 마르텐사이트 또는 마르텐사이트-베이나이트 미세구조로 인해 매우 낮은 가공 중 연성(in-service ductility)(< 8%)을 가진다. 열간 성형 제품의 마르텐사이트 미세구조는 주로 필요한 강도 수준(> 1000 MPa)을 제공하는 데 목적이 있다. 그러나 열간 성형 제품에 대한 이러한 미세구조는 약 6%의 최대 총 연신율을 제공할 수 있다. 단상 마르텐사이트 미세구조는 우수한 굽힘성을 제공할 수 있지만(예를 들어, 1000 MPa 수준의 경우 > 100°, 1500 MPa 수준의 경우 약 50°), 이들 제품에서의 충돌 에너지 흡수 능력은 낮은 총 연신율로 인해 낮다. US2016/0312323A1에서 특히 초고강도 강철 합금을 생산하는 방법이 알려져 있다. 이 공지된 방법은 탄소 및 2.5 중량% 초과의 망간을 포함하는 철 합금을 제공하는 단계, 상기 철 합금을 제1 온도에서 어닐링하여 어닐링된 합금을 형성하고, 상기 어닐링된 합금을 제2 온도에서 열간 성형하여 임계 간(intercritical) 또는 오스테나이트 구조를 형성하고, 이와 같이 어닐링된 오스테나이트 합금을 냉각하여 초고강도 강철을 형성하는 단계를 포함한다. 일 실시 예에서 상기 어닐링된 합금은 임계 간 어닐링 온도 범위에서 열간 성형된다. 다른 실시 예에서 열간 성형 온도는 오스테나이트화 어닐링 범위에 있다. 상기 소킹 시간은 약 1분에서 약 10분 사이이다. 실시 예들에서 열간 성형의 열적 사이클들은 냉간 압연된 시트의 연속 어닐링 단계 후에 실제 변형을 유도하지 않고 시뮬레이션되었다.

본 발명은 또한 (초)고강도 강철에 대한 아연계 코팅에 의해 제공되는 갈바니 보호의 이익을 얻고 (미세)균열 발생시키는 위험을 줄이는 것을 목표로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 열간 성형된 초고강도 강의 총 연신율을 개선하는 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크로부터 물품을 성형하는 방법에서, 상기 강철은(중량% 단위):

C : 0.01-0.2;

Mn : 3.1-9.0;

Al : 0.5-3.0;

선택적으로 다음 중에서 선택된 하나 이상의 추가 합금 요소(element);

Si : 1.5 미만,

Cr : 2.0 미만,

V : 0.1 미만,

Nb : 0.1 미만,

Ti : 0.1 미만,

Mo : 0.5 미만,

불가피한 불순물; 및

나머지는 Fe를 포함하며, 상기 방법은:

(a) 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철의 블랭크를 제공하는 단계;

(b) 단계 (a)에서 얻은 블랭크를 강철의 Ac3-200℃ 내지 Ac3 범위의 재가열 온도(T_RH)로 재가열하는 단계;

(c) 재가열 온도(TRH)에서 최대 3분 동안 상기 블랭크를 소킹을 실행하는 단계;

(d) 프레스에서 상기 물품을 성형하는 단계; 및

(e) 상기 물품을 냉각시키는 단계를 포함한다.

본 발명은 아연 또는 아연 합금 기반 코팅이 제공되는 강철 기재의 조성의 수정에 기초한다. Mn의 양이 많을수록 가열 시 오스테나이트 변형이 시작되고(Ac1)되고 완료되는(Ac3) 온도가 낮아진다. 재가열이 Ac3 아래에서 수행되어 오스테나이트에서 높은 Mn 농축(enrichment)을 가진 초미세 임계 간 구조를 얻는다. 사전 임계 간 어닐링 동안 Mn 강화로 인해, 오스테나이트는 실온에서 안정화되어 다량의 잔류 오스테나이트(20 체적% 이상)를 가진 초미세 미세구조를 제공한다. 아래에 설명된 바와 같이, 상기 사전 어닐링 온도와 유사한 온도에서 재가열하는 동안 블랭크의 실온 미세구조가 유연해지고, 오스테나이트로의 추가 Mn 분할(partitioning)은 재가열 및 소킹의 짧은 시간으로 인해 소량만 발생할 수 있으며, 이는 큰 대체 요소인 Mn의 확산이 많이 발생할 수 없기 때문이다. 실온으로 냉각하면 마찬가지로 높은 잔류 오스테나이트가 얻어진다. Mn 함량이 9 중량%를 초과하면 극심한 분리로 인해 강철의 연속 주조가 어려워지고, 3 중량% 미만의 함량은 실온에서 충분한 양의 잔류 오스테나이트를 얻기에 충분한 양의 Mn 농축을 오스테나이트에 제공하지 못할 것이다. 잔류 오스테나이트는 변형 중에 마르텐사이트로 변형되어 변형 유도된 가소성(TRIP: transformation induced plasticity) 효과를 유발한다. TRIP 효과로 인해 제품은 높은 총 연신율과 높은 굽힘성을 달성하다. 따라서 열간 성형된 초고강도 강의 총 연신율은 변형 유도된 가소성(TRIP) 효과를 유발하기 위해 다량의 잔류 오스테나이트를 포함하는 미세구조를 생성함으로써 본 발명에 따라 달성되는 것으로 여겨진다.

따라서, 강철 기재 조성의 이러한 수정은 두 가지 이유로 액체 아연 유도된 미세 균열을 방지할 수 있다. 먼저 재가열 온도(T_RH)가 비교적 낮기 때문에 Zn의 극심한 산화를 방지하고 두 번째 재가열 및 소킹의 총 시간이 짧아서 운동학적 관점에서 볼 때 코팅의 Zn이 액화하기에 충분한 시간을 얻지 못한다. 더욱이, 강철 조성은 고온 재가열 및 프레스 담금질의 필수적인 열간 성형 단계를 필요로하지 않고서 견고한 성형 공정을 적용할 수 있음이 밝혀졌다. 본 발명에 따른 상이한 기재 개념, 즉 중간 Mn 강철 개념을 채용함으로써, 높은 가공 중 연성(> 15%, 바람직하게는 > 20%)이 보장된다. 이것은 차례로 제품의 충돌 에너지 흡수 능력을 증가시키면서 굽힘성은 손상되지 않는다.

본 성형 방법에 따르면, 정의된 바와 같은 강철 조성을 갖는 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철의 블랭크는 Ac3-200℃ 내지 Ac3 범위의 가열 온도(T_RH)로 재가열되고 이 온도에서 3분 미만의 짧은 시간 동안 유지된다. Mn 양으로 인해, 위에서 설명한 바와 같이, Ac1 및 Ac3가 억제된다. 따라서 Ac3-200℃ 내지 Ac3 범위의 재가열 온도(T_RH)는 비교적 낮다. 이 온도 범위에서 그리고 비교적 짧은 소킹 시간에서 블랭크는 기본적으로 후속 성형 단계를 용이하게 하기 위해서만 유연해지는 반면, 수신된 블랭크의 특성은 기본적으로 동일하게 유지되는데, 이는 시작 미세구조가 실질적으로 변경되지 않고 강철 기재 조성의 주요 합금 요소 망간이 크게 확산되지 않기 때문이다. 같은 이유로 아연 기반 코팅이 녹지 않고, Zn과 Fe 사이의 계면이 약해지지 않아서, 후속 성형 중에 하중 하에서 (미세) 균열이 발생하지 않는다. 이렇게 재가열된 블랭크는 변형을 위해 성형 도구, 일반적으로는 프레스로 옮겨지며, 여기서 블랭크는 원하는 모양으로 변형된다. 물품을 성형한 후 냉각한다. 다량의 Mn을 함유한 오스테나이트는 매우 안정적이고, 부분적으로 마르텐사이트로 변형될 때 매우 높은 경화성을 가져서 고속 프레스 담금질을 불필요하게 만들기 때문에 전통적인 열간 성형에서 필수적인 프레스 담금질이 필요하지 않다. 성형된 물품은 프레스로부터 제거되고 주변 대기에서 냉각될 수 있다. 공기를 이용한 강제 냉각 또는 공기 중 (강제) 냉각이 뒤따르는 복합 프레스 담금질도 가능하다.

유리한 실시 예에서 재가열 단계 (b)는 순간의 재가열 단계이고, 여기서 재가열 온도(T_RH)로 블랭크의 재가열은 용융 및 확산 과정이 발생하는 시간을 거의 남기지 않고 고속으로 수행된다. 유리하게는 재가열 속도는 30 ℃/s 이상이다. 일 실시 예에서 재가열 속도는 적어도 60 ℃/s 이상, 바람직하게는 100 ℃/s 이상이다. 현재 열간 성형을 위한 재가열은 긴(예를 들어, 약 60m) 가열로에서 수행되며, 여기서 재가열 시간은 덜 제어된다. 블랭크에서 블랭크까지 재가열 시간이 다르면 기재 강에서 Zn 코팅의 다양한 확산의 결과로서 차별적인 코팅 거동이 얻어진다.

상기 높은 재가열 속도는 유도 가열에 의해 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용되는 경우 유도로는 더 작게 설계될 수 있으며, 이는 블랭크에서 블랭크까지의 가열 시간에 대한 더 많은 제어를 제공한다. 또한 소형 유도로는 더 적은 재정적 투자를 요구한다.

일 실시 예에서 재가열 온도(T_RH)는 Ac3-100℃ 내지 Ac3의 범위, 또는 임계 간 온도 범위 Ac1-Ac3에 있다. 일 실시 예에서 재가열 온도(T_RH)는 700℃ 미만이다. 또 다른 실시 예에서는 Zn의 극심한 산화를 피하기 위해 675℃ 미만이다.

단계 (c)에서 재가열된 블랭크를 가능한 한 짧게 담근다. 위에서 설명한 바와 같이, 재가열 및 소킹의 목적은 강철을 연화시키고 수령한 블랭크의 미세구조를 변경하지 않는 것이다. 적절한 소킹 시간은 3분 미만이지만, 소킹 시간은 2분 미만이 유리하다. 바람직하게는 재가열된 블랭크는 1분 미만, 바람직하게는 30초 미만의 시간 동안 소킹이 실행된다. 재가열 및 소킹의 총 시간의 단축은 처리 시간을 크게 단축시켜 생산 속도를 더 높인다.

재가열된 블랭크는 가열로 또는 기타 가열 장비에서 변형을 위한 성형 도구로 이송된다. 전송 시간은 짧은 것이 바람직하며, 바람직하게는 10-15초 이내이다. 유리한 실시 예에서, 이송 중 온도 강하는 150℃를 초과하지 않는다. 바람직하게는 온도 강하는 100-150℃ 범위에 있다. 온도 강하가 더 높으면 블랭크가 너무 차가워 후속 성형 단계에서 변형할 수 없다.

본 공정은 프레스 담금질이 필요하지 않기 때문에 변형 직후 예를 들어 200-425℃와 같은 100-450℃ 범위의 출구 온도에서 성형 물품을 프레스에서 꺼낼 수 있도록 한다.

단계 (e)에서 약 3 내지 약 5 ℃/s 범위의 냉각 속도는 실질적인 값을 나타내며, 이는 성형 물품(두께 1-1.5 mm)의 공기 냉각 동안 얻을 수 있다.

일 실시 예에서, 냉각 단계 (d)는 프레스에서, 유리하게는 100-250℃ 범위, 바람직하게는 150-200℃ 범위의 온도까지 프레스 담금질에 의해 수행된다. 최소 3 ℃/s의 담금질 속도가 경화성의 관점에서 적합하다. 재가열 시간이 짧더라도 블랭크의 마르텐사이트는 재가열 중에 오스테나이트로 변형되지만, 상대적으로 느린 냉각 속도는 오스테나이트가 성형 물품에서 다시 마르텐사이트로 전환되는 것을 보장하다. 유리하게는 담금질 속도는 최소 5 ℃/s이다. 프레스에서 제거한 후 성형 물품을 주위 온도까지 더 냉각시킨다.

공기 냉각 또는 강제 공기 냉각과 같은 프레스 담금질을 위한 대안도 고려된다.

강철 블랭크 조성물의 화학적 성질로 인해 위에서 설명한 바와 같이, 재가열 및 소킹 단계 조건은 Zn 액화에 유리한 상황을 피하고 결과적으로 후속 성형 단계 동안 미세 균열에 유리한 조건을 피하다. 더욱이, 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크의 미세구조는 이러한 단계들 동안 본질적으로 변경되지 않는다.

바람직한 실시 예에서, 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크는 단계 (a)에서 아연 또는 아연 합금 코팅된, 임계 간 어닐링된, 냉간 압연된 또는 열간 압연된 스트립으로부터 얻어진다.

일 실시 예에서 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크는 다음 공정에 의해 제조된다 :

(1) 예를 들어 컨버터 또는 전기로에서 정제한 다음 진공 탈가스로에서의 2차 정제에 의한 제강 공정;

(2) 예를 들어 직접 스트립 주조 또는 슬라브 주조와 같은 주조에 의한 슬라브(slab)의 준비 공정;

(3) 필요한 경우 상기 슬라브를 재가열하는 공정;

(4) 스트립 형태로 열간 압연하는 공정;

(5) 냉각 및 코일링(coiling)하는 공정;

(6) 선택적으로 배치(batch) 어닐링하는 공정;

(7) 산세(pickling) 공정;

(8) 냉간 압연 공정;

(9) 임계 간 어닐링(연속 또는 배치 방식); 및

(10) 예를 들어 핫딥(hot dip) 아연도금, 전기 아연도금 또는 갈바닐링(galvannealing)과 같은 Zn 코팅 공정.

단계 (4)에서 얻은 열간 압연된 스트립은 단계 (9) 및 (10)을 직접 거칠 수도 있다.

상기 임계 간 어닐링 단계 (9)는 일반적으로 700℃ 미만의 어닐링 온도에서 수행된다. 바람직하게는 본 발명에 따른 방법의 단계 (b) 및 (c)에서 재가열 온도(T_RH)는 단계 (9)에서 적용되는 임계 간 어닐링 온도와 동일하거나 더 낮다.

본 발명에 따른 방법에 사용되는 강은 탄소, 망간 및 알루미늄을 주성분으로 포함하는 중간 Mn 강이다. 선택적으로 실리콘, 크롬, 바나듐, 니오븀, 티타늄 및 몰리브덴으로부터 선택된 다른 합금 요소가 존재할 수 있다. N, P, S, O, Cu, Ni, Sn, Sb 등과 같은 불가피한 불순물(강 조성물을 제조하기 위한 출발 물질로부터 유래)이 존재할 수 있다. 그들은 의도적으로 추가되거나 미리 정해진 제한 내에서 특별히 제어되지 않는다. 강철 조성의 균형은 철이다.

탄소는 0.01-0.2 중량%, 예를 들어 0.05-0.20 중량%, 바람직하게는 0.07-0.20 중량%의 양으로 존재하다. 탄소는 오스테나이트 안정화에 기여하지만 주로 강도 측면에서 추가된다. 본 조성에서 망간의 오스테나이트 안정화 효과는 높은 비율로 인해 훨씬 더 두드러진다. 탄소에 대한 바람직한 범위는 0.1-0.2 중량%이고, 보다 바람직한 범위는 0.1-0.19 중량%이다. C가 너무 적으면 원하는 강도 수준인 980 MPa 또는 바람직하게는 1000 MPa를 얻을 수 없으며, C가 0.2보다 높으면 성형 부품의 용접성이 나빠질 수 있다.

망간은 3.1-9.0 중량%의 양으로 존재한다. 망간은 Ac1 및 Ac3 온도를 낮추고, 오스테나이트를 안정화하며, 강도와 인성(靭性, toughness)을 높이고, 오스테나이트를 실온 미세구조에서 안정화시켜 TRIP 효과를 유발한다. 3.1 중량% 미만 수준에서, 목적하는 효과는 달성되지 않지만 9.0 중량% 초과의 양에서는 주조 및 분리의 문제가 발생할 것이다. 또한 변형 메커니즘은 변형 유도된 가소성(TRIP)에서 쌍둥이 유도된 가소성(TWIP: twinning induced plasticity)으로 변경될 것이다. Mn 함량이 너무 낮으면, 불충분한 오스테나이트가 실온에서 유지되고 유지된 오스테나이트의 안정성이 너무 낮아 결과적으로 연성 이점을 얻을 수 없다. 바람직하게는 Mn 함량은 3.5-9.0 중량% 범위이다. 한 실시 예에서 Mn 함량은 5.0-9.0 중량%에 이른다. 다른 실시 예에서 Mn 함량은 5.5-8.5 중량%이고, 예를 들면 6.0-7.5 중량%이다. 또 다른 실시 예에서 Mn은 7.0-9.0 중량%, 예를 들면 7.2-8.8 중량% 범위로 존재한다.

Ac1-Ac3 온도 범위를 확장하여 산업 응용 측면에서 공정의 견고성을 높이기 위해 알루미늄이 추가된다. Al은 0.5-3.0 중량%, 예를 들면 0.6-2.9 중량%, 바람직하게는 1.0-2.25 중량% 범위의 양으로 존재한다.

실리콘은, 존재하는 경우, 고용체 강화에 의해 강도를 높이기 위해 1.5 미만의 양으로 첨가된다. 존재한다면, 상기 양은 일반적으로 0.01 중량% 초과 1.4 중량% 미만이다. 바람직한 범위는 0.15-1.0 중량%이다.

Al과 Si는 모두 시멘타이트 침전을 억제하여 연성 저하를 방지하는데 기여한다. 또한, Al과 Si 모두 실온에서 가장 많은 양의 잔류 오스테나이트를 얻기 위해 피크 어닐링 온도를 증가시킨다. 따라서, 임계 간 어닐링 동안 Mn의 확산은 오스테나이트에서 효과적인 Mn 분할을 갖도록 촉진된다.

V, Nb, Ti, Mo 및 Cr 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 추가 미세합금 요소가 선택적으로 존재한다. 이들 미세합금 요소는 탄화물, 질화물 또는 탄질화물에 의한 석출 경화를 통해 강도를 증가시킨다. Cr은 또한 실온에서 가장 많은 양의 잔류 오스테나이트를 얻기 위해 피크 어닐링 온도를 증가시키고 어닐링 온도에 따라 잔류 오스테나이트 함량의 민감도를 감소시킨다. 이것들로 인해 오스테나이트에서 효과적인 Mn 분할이 발생하고 어닐링 중에 공정 견고성이 증가한다. 존재한다면, 바람직한 첨가물은 다음과 같다:

V : 0.01-0.1 중량%; 및/또는

Nb : 0.01-0.1 중량%; 및/또는

Ti : 0.01-0.1 중량%; 및/또는

Mo : 0.05-0.5 중량%; 및/또는

Cr : 0.1-2.0 중량%.

아연 또는 아연 합금 코팅의 조성은 제한되지 않는다. 상기 코팅은 다양한 방법으로 적용될 수 있지만, 표준 Gl 코팅 욕조를 사용하는 핫딥 아연도금이 선호된다. 다른 Zn 코팅도 적용될 수 있다. 일 예는 WO 2008/102009에 따른 아연 합금 코팅, 특히 0.3-4.0 중량% Mg 및 0.05-6.0 중량% Al, 및 선택적으로 불가피한 불순물과 함께 최대 0.2 중량%의 하나 이상의 추가 요소 그리고 나머지는 아연으로 이루어지는 아연 합금 코팅 층이다. 0.2 중량% 미만의 소량으로 통상 첨가되는 추가 요소는 Pb, Sb, Ti, Ca, Mn, Sn, La, Ce, Cr, Ni, Zr 및 Bi를 포함하는 그룹으로부터 선택될 수 있다. Pb, Sn, Bi 및 Sb는 일반적으로 스팽글을 형성하기 위해 추가된다. 바람직하게는, 아연 합금 내의 추가 요소의 총량은 최대 0.2 중량%이다. 이들 소량의 추가 요소는 일반적인 응용에서 코팅이나 욕조의 특성을 크게 변경하지 않는다. 바람직하게는, 하나 이상의 추가 요소가 코팅에 존재할 때, 각각은 < 0.02 중량%의 양으로 존재하고, 바람직하게는 각각은 < 0.01 중량%의 양으로 존재한다. 추가 요소는 핫딥 아연도금을 위한 용융된 아연 합금으로 욕조에 찌꺼기(dross) 형성을 방지하거나, 코팅 층에 스팽글을 형성하기 위해 추가된다.

생성된 성형 물품이 바람직하게는 다음을 포함하는 삼중 또는 이중 미세구조를 갖는다(체적% 단위):

페라이트 : 30% 이상, 바람직하게는 40% 이상;

오스테나이트 : 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상;

마르텐사이트 : 0%를 포함하여 50% 이하, 바람직하게는 0%를 포함하여 30% 이하.

유리하게는 얻어진 성형 물품은 다음과 같은 특성을 갖는다:

항복 강도 : 800 MPa 이상, 바람직하게는 850 MPa 이상, 가장 바람직하게는 900 MPa 이상;

인장 강도 : 980 MPa 이상, 바람직하게는 1000 MPa 이상;

총 연신율 : 15% 이상, 바람직하게는 25% 이상;

최소 굽힘 각도(1.0mm 두께에서) : 90°이상, 바람직하게는 100°이상.

스트립에서 절단된 블랭크를 재가열하기 전에 위에서 설명한 바와 같이 강철 스트립을 제조할 때 임계 간 어닐링 단계를 사용함으로써, 페라이트에서 오스테나이트로 Mn 분할이 발생하여 임계 간 오스테나이트를 더욱 안정하게 만든다. 임계 간 어닐링 후 냉각하는 동안 임계 간 오스테나이트는 낮은 Ms로 인한 높은 안정성때문에 마르텐사이트로 크게 변형되지 않고, 페라이트 및 잔류 오스테나이트의 이중 미세구조를 제공하다. 낮은 Mn 함량의 경우, 예를 들어 7% 미만에서, 일부 임계 간 오스테나이트가 마르텐사이트로 변형될 수 있지만, 마르텐사이트 함량은 50 체적% 이하일 것이다. 따라서 Mn의 수준을 높이면, 낮은 재가열 온도(T_RH)(예컨대, 700℃ 미만)와 다량의 잔류 오스테나이트(20 체적% 이상)를 보장할 수 있다. 이 많은 양의 잔류 오스테나이트는 성형 단계에서 변형 중에 부분적으로 마르텐사이트로 변형되어, 변형 유도된 가소성(TRIP) 효과를 일으켜 높은 변형 경화 속도(= 높은 연신율)를 제공한다.

강철 스트립이 700℃ 이하의 온도에서 임계 간 어닐링(배치 또는 연속)될 때, 상기 스트립은 많은 양의 잔류 오스테나이트의 존재로 인해 높은 강도와 높은 연성을 가진다. 700℃ 미만의 임계 온도 범위에서도 후속 플래시 재가열 동안, 블랭크는 변형을 촉진하기 위해 단지 부드러워진다. 재가열 및 소킹 시간이 매우 짧기 때문에 상대적으로 큰 크기의 대체 요소인 Mn은 상당한 정도로 확산될 수 없으므로, 기계적 특성은 실질적으로 변하지 않는다. 바람직하게는, 재가열 단계를 위한 동일하거나 더 낮은 온도가 임계 간 어닐링에 사용되어, 오스테나이트에서 페라이트로의 Mn 분포가 본질적으로 동일하게 유지되고, 페라이트 함량도 재가열로 인해 변하지 않도록 보장한다. 마르텐사이트는 존재한다면 약간 템퍼링(tempering)될 수 있지만, 훨씬 더 높은 연신율 값에 기여할 것이다.

물품의 잔류 연신율(또는 가공 중 연성)은 기재 합금 조성의 디자인 때문에 바람직하게는 25% 이상이다. 중간 Mn 강철 접근법의 임계 간 재가열 단계는 바람직하게는 초미세 페라이트(0.5-2.0 미크론)와 마르텐사이트 및 높은 잔류 오스테나이트 영역의 혼합 미세구조를 얻기 위해 사용된다. 따라서 공급된 스트립에서 개발된 높은 연성이 유지된다.

추가 측면에서, 본 발명은 다음으로 이루어진(중량% 단위) 강철 조성물로부터 특히 본 발명에 따른 방법에 의해 얻어진 성형 물품에 관한 것이다:

C 0.01-0.2;

Mn 3.1-9.0;

Al 0.5-3.0;

선택적으로 다음 중에서 선택된 하나 이상의 추가 합금 요소;

Si 1.5 미만,

Cr 2.0 미만,

V 0.1 미만,

Nb 0.1 미만,

Ti 0.1 미만,

Mo 0.5 미만,

불가피한 불순물; 및

나머지는 Fe이다.

바람직하게는 상기 성형 물품은 상기 개략 설명된 바와 같은 미세구조 및 기계적 특성을 갖는다. 다양한 요소들에 대한 바람직한 조성 범위도 적용할 수 있다.

바람직한 성형 물품은 섀시의 구조 부품과 같은 자동차 부품, 특히 고강도와 결합된 높은 에너지 흡수를 필요로 하는 부품이다. 비제한적인 예로는 B-필러(pillars) 및 (전면) 길이 방향 막대를 포함한다.

도 1은 열간 성형된 부품의 단면을 보여준다.

본 발명이 후술하는 실시 예를 참조하여 설명될 것이다.

도 1은 열간 성형된 부품의 단면을 보여준다.

강철 샘플은 표 1과 같은 조성으로 실험실 규모로 만들어졌다. 탄소, 망간, 실리콘 및 알루미늄은 강철에 첨가된 요소이다. 다른 요소는 강철에 불가피한 불순물이다.

강철 샘플들은 다음 공정 단계를 사용하여 만들어졌다. 진공 유도로에서 200mm x 100mm x 100mm의 잉곳을 만들었다. 그것들을 1250℃에서 2 시간 동안 재가열하고, 25mm 두께로 거칠게 압연하였다. 그런 다음, 스트립을 1250℃에서 30 분 동안 다시 재가열하고, 3mm 두께로 열간 압연했다. 그 후, 열간 압연된 강을 실온에서 공기 냉각시켰다.

그 후 스트립을 650℃에서 96 시간 동안 어닐링하고 실온으로 공기 냉각시켰다. 그런 다음 스트립을 HCl 산에서 산세하여 산화물을 제거하고 1.5mm 두께로 냉간 압연했다. 그 후 샘플들을 675℃에서 5 분 동안 연속 어닐링하고 Rhesca 어닐링/핫딥 아연 도금 시뮬레이터를 사용하여 460℃에서 Zn-0.4Al 중량% 욕조에서 핫딥 아연도금했다.

그런 다음 표 2에 주어진 열적 사이클을 사용하여 Schuler SMG GmbH & Co. KG에서 공급하는 열간 성형 프레스에서 200mm x 100mm 치수의 Zn 코팅된 스트립을 열간 성형했다. 두 가지 유형의 성형 도구가 사용되었다: 인장, 굽힘 및 미세구조 표본(specimens)을 얻기 위한 평평한 도구와, 미세균열 조사를 위한 오메가 모양의 프로파일을 얻기 위한 모자형 도구(hat-top tool).

표 2의 재가열 시간은 스트립을 실온에서 재가열 온도까지 가열하는 데 필요한 시간과 소킹 시간의 합이다. 스트립을 실온에서 재가열 온도까지 가열하는 데 걸리는 시간은 약 8 초이다. 재가열 온도에 도달 한 후, 스트립은 3초 내에 열간 성형 프레스로 이송된 다음 열간 프레스되고 200℃ 미만의 온도로 냉각되며, 프레스에서 제거되고 추가로 공기 중에서 냉각된다.

인장 시험은 NEN10002 표준에 따라 수행하였다. 인장 표본은 50mm 게이지 길이와 20mm 폭을 가졌다. 굽힘 시험은 40mm x 30mm x 1.5mm 표본에 대해 VDA 238-100 표준에 따라 이루어졌다.

표 3은 열간 성형 전의 기계적 특성 결과를, 표 4는 열간 성형 후의 그 결과를 보여준다. 표 3과 4에서, Rp = 항복 강도, Rm = 궁극 인장 강도, Ag = 균일한 연신율, At = 총 연신율, BA = 굽힘 각도, L = 굽힘 축이 압연 방향과 평행한 경우에 종 방향 표본, T = 굽힘 축이 압연 방향에 수직인 경우의 횡 방향 표본. 1.5 mm 두께에서 측정된 굽힘 각도는 다음 공식을 사용하여 1 mm 등량으로 변환되었다: BA @ 1.0 mm 두께 = 측정된 BA x 두께의 제곱근.

샘플의 미세구조는 다음과 같이 결정되었다. 잔류 오스테나이트의 양은 샘플의 1/4 두께 위치에서 X-선 회절(XRD)에 의해 결정되었다. XRD 패턴은 Panalytical Xpert PRO 표준 분말 회절계 (CoK_a-방사선)에서 45 내지 165 °(2θ) 범위에서 기록되었다. Rietveld 정제를 위해 Bruker Topas 소프트웨어 패키지를 사용하여 Rietveld 분석에 의해 위상 비율의 정량적 결정을 수행했다. 마르텐사이트 함량은 회절도 내의 페라이트 회절 위치들에서 피크-분할로부터 결정되었다.

미세구조 부품은 열간 성형 전 블랭크의 경우 표 5에, 열간 성형 후 부품의 경우 표 6에 나타나 있다.

모자형 도구에서 형성된, 표 3에 주어진 재가열 온도에서 강철 S2로부터 만들어진 부품을 그 단면을 만들어 조사했다. 모자 모양의 측면 부분을 현미경으로 검사했다. 두 기재 조성물 S2에 대한 단면 사진이 도 1에 도시되어 있다. 두 사진 모두 기재가 균열이 전혀 없는 아연 코팅으로 덮여 있음을 보여준다. 따라서 이들 부품은 우수한 내식성을 가질 것이다.

비교해 보면, 도 1의 상단 사진은 아연 코팅된 22MnB5 기재로 만든 모자형의 단면을 보여주며, 상기 기재는 블랭크를 약 850℃까지 가열하고, 약 5분 동안 오스테나이트화하고, 프레스에 이송한 후 전술한 바와 같이 열간 프레스를 수행하는 표준 열간 성형 사이클을 사용하여 열간 성형한 것이다. 상기 22MnB5 샘플은 단면에서 많은 미세 균열을 명확하게 보여준다.

Claims

아연 또는 아연 합금 코팅된 강철 블랭크로부터 물품을 성형하는 방법으로서, 상기 강철은:
C 0.01-0.2 중량%;
Mn 3.1-9.0 중량%;
Al 0.5-3.0 중량%;
선택적으로 다음 중에서 선택된 하나 이상의 추가 합금 요소;
Si 1.5 중량% 미만,
Cr 2.0 중량% 미만,
V 0.1 중량% 미만,
Nb 0.1 중량% 미만,
Ti 0.1 중량% 미만,
Mo 0.5 중량% 미만,
불가피한 불순물; 및
나머지는 Fe로 이루어지며,
상기 방법은:
(a) 아연 또는 아연 합금 코팅된 강철의 블랭크를 제공하는 단계;
(b) 단계 (a)에서 얻은 블랭크를 강철의 Ac3-200℃ 내지 Ac3 범위의 재가열 온도(T_RH)로 재가열하는 단계;
(c) 상기 재가열 온도(T_RH)에서 최대 3분 동안 상기 블랭크를 소킹(soaking)하는 단계;
(d) 프레스에서 상기 물품을 성형하는 단계; 및
(e) 상기 물품을 냉각시키는 단계;
를 포함하는, 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 재가열 단계 (b)는 30 ℃/s 이상의 속도, 유리하게는 최소 60 ℃/s의 속도, 바람직하게는 100 ℃/s 이상의 속도로 온도를 상기 재가열 온도(T_RH)까지 상승시키는 과정을 포함하는, 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 재가열 온도(T_RH)가 Ac3-100℃ 내지 Ac3 범위, 또는 임계 간 온도 범위 Ac1 내지 Ac3, 또는 700℃ 미만, 또는 675℃ 미만인, 방법.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (c)에서 상기 재가열된 블랭크를 2분 미만, 바람직하게는 1분 미만, 더 바람직하게는 30초 미만의 시간 동안 담그는, 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (e)는 유리하게는 100-250℃ 범위, 바람직하게는 150-200℃ 범위의 온도까지, 바람직하게는 3 ℃/s 이상의 담금질 속도, 더 바람직하게는 5 ℃/s 이상의 담금질 속도에서 프레스 담금질하는 과정을 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (e)는 주위 온도로의 공기 냉각을 포함하는, 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (c)와 (d) 사이에서 상기 가열된 물품이 바람직하게는 10-15초 내에 프레스로 이송되고, 유리하게는 상기 온도의 강하는 150℃를 초과하지 않고, 바람직하게는 상기 온도의 강하는 100-150℃ 범위인, 방법.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단계 (a)에서 블랭크는, 바람직하게는 700℃ 미만의 어닐링 온도에서 임계 간 어닐링을 거치고 임계 간 어닐링되고 아연 또는 아연 합금 코팅된 냉간 압연 또는 열간 압연 강철 스트립으로부터 얻어지는, 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 재가열 온도(T_RH)가 상기 어닐링 온도보다 낮은, 방법.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강철은 C 함량이 0.05-0.20 중량%, 바람직하게는 0.07-0.20 중량%, 더 바람직하게는 0.1-0.2 중량%, 가장 바람직하게는 0.1-0.19 중량% 범위이고, 및/또는 Mn 함량이 3.5-9.0 중량%, 5.0-9.0 중량% 또는 5.5-9.0 중량% 또는 5.5-8.5 중량% 또는 6.0-7.5 중량% 또는 7.0-9.0 중량% 또는 7.2-8.8 중량% 범위이고, 및/또는 Al 함량이 0.6-2.9 중량%, 바람직하게는 1.0-2.25 중량%인, 방법.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 얻어진 성형 물품이 다음 조성(체적% 단위)을 포함하는 미세구조를 갖는, 방법:
페라이트 30% 이상, 바람직하게는 40% 이상;
오스테나이트 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상;
마르텐사이트 0% 포함한 50% 이하, 바람직하게는 O% 포함한 30% 이하.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 얻어진 성형 물품은:
항복 강도가 800 MPa 이상, 바람직하게는 850 MPa 이상, 가장 바람직하게는 900 MPa 이상;
인장 강도가 980 MPa 이상, 바람직하게는 1000 MPa 이상;
총 연신율이 15% 이상, 바람직하게는 25% 이상;
최소 굽힘 각도가 1.0mm 두께에서 90°이상, 바람직하게는 100° 이상인 특성을 가지는, 방법.
다음으로 이루어진 강철 조성의 성형 물품:
C 0.01-0.2 중량%;
Mn 3.1-9.0 중량%;
Al 0.5-3.0 중량%;
선택적으로 다음 중에서 선택된 하나 이상의 추가 합금 요소;
Si 1.5 중량% 미만,
Cr 2.0 중량% 미만,
V 0.1 중량% 미만,
Nb 0.1 중량% 미만,
Ti 0.1 중량% 미만,
Mo 0.5 중량% 미만,
불가피한 불순물; 및
나머지는 Fe.
제 13 항에 있어서,
상기 성형 물품은:
항복 강도가 800 MPa 이상, 바람직하게는 850 MPa 이상, 가장 바람직하게는 900 MPa 이상;
인장 강도가 980 MPa 이상, 바람직하게는 1000 MPa 이상;
총 연신율이 15% 이상, 바람직하게는 25% 이상;
최소 굽힘 각도가 1.0 mm 두께에서 90°이상, 바람직하게는 100°이상인 특성을 가지며, 및/또는
다음 성분(체적% 단위)을 포함하는 미세구조를 가지는, 성형 물품:
페라이트 30% 이상, 바람직하게는 40% 이상;
오스테나이트 20% 이상, 바람직하게는 30% 이상;
마르텐사이트 0% 포함한 50% 이하, 바람직하게는 0% 포함한 30% 이하.
제 13 항 및 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
자동차 부품인 성형 물품.