KR20200125702A - 열간 프레스 성형품의 제조 방법, 프레스 성형품, 다이 금형 및 금형 세트 - Google Patents

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KR20200125702A
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소시 후지타
요시아키 나카자와
히데아키 이리카와
마사히로 후다
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닛폰세이테츠 가부시키가이샤
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Abstract

Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판(10)에 다이 금형(11)을 사용하여 열간 프레스 성형하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법이며, 다이 금형(11)은, 다이 구멍(11D)의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 Al 도금 강판(10)과 접촉하는 강판 접촉면(11A) 중, 다이 숄더부(11B)에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍(11D)의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층(11C)를 갖는 열간 프레스 성형품의 제조 방법.

Description

열간 프레스 성형품의 제조 방법, 프레스 성형품, 다이 금형 및 금형 세트
본 개시는 열간 프레스 성형품의 제조 방법, 프레스 성형품, 다이 금형 및 금형 세트에 관한 것이다.
근년, 환경 보호와 지구 온난화의 방지를 위하여 화학 연료의 소비를 억제하는 데에 대한 요청이 높아지고 있다. 이 요청은 다양한 제조업에 대하여 영향을 주고 있다. 자동차에 대해서도 예외는 아니어서, 차체의 경량화 등에 의한 연비의 향상 등이 요구되고 있다. 단, 자동차에서는 차체의 경량화와 안전성을 양립시킬 필요가 있다.
자동차의 차체 구조의 대부분은 철, 특히 강판에 의하여 형성되어 있다. 이 강판에 의한 구조재의 강도를 유지하면서 중량을 저감하는 것이 차체의 경량화에 요구된다. 이와 같은 강판에 대한 요청은 자동차 제조업뿐 아니라 다양한 제조업에서도 마찬가지로 이루어지고 있다. 따라서 강판의 기계적 강도를 높임으로써, 종래 사용되고 있던 강판보다 얇게 하더라도 구조재의 기계적 강도를 유지 또는 높이는 것이 가능해진다.
일반적으로 높은 기계적 강도를 갖는 재료는, 굽힘 가공 등의 성형 가공에 있어서 형상 동결성이 저하되는 경향이 있다. 즉, 복잡한 형상으로 가공하는 경우, 가공 자체가 곤란해진다. 이 성형성에 따른 문제를 해결하는 수단의 하나로서, 이른바 「열간 프레스 성형(핫 프레스법, 고온 프레스법, 다이 ??치법)」을 들 수 있다. 이 열간 프레스 성형에서는, 성형 대상인 강판을 일단 고온으로 가열하고, 가열에 의하여 연화된 강판에 대하여 프레스 가공을 행하여 성형한 후에 냉각한다.
이 열간 프레스 성형에 따르면, 강판을 일단 고온으로 가열하여 연화시키므로 그 강판을 용이하게 프레스 가공할 수 있다. 또한 성형 후의 냉각에 의한 ??칭 효과에 의하여 강판의 기계적 강도를 높일 수 있다. 따라서 이 열간 프레스 성형에 의하여, 양호한 형상 동결성과 높은 기계적 강도를 양립시킨 성형품이 얻어진다.
그러나, 예를 들어 강판을 800℃ 이상의 고온으로 가열함으로써, 강판의 표면이 산화되어서 스케일(산화물)이 발생한다. 내식성을 확보하기 위하여 도장이나 도금하는 경우, 스케일은 방해가 된다. 따라서 열간 프레스 성형을 행한 후에 이 스케일을 제거하는 공정(디스케일링 공정)이 필요해진다. 즉, 생산성이 나쁘다.
이와 같은 스케일 생성을 피하는 방법으로서, 열간 프레스 성형 전의 강판에 피복을 실시하는 방법을 들 수 있다. 강판에 대하여 희생 방식 작용이 있는 아연을 도금한 아연(Zn)계 도금 강판이, 그 방식 성능과 강판 생산 기술의 관점에서 자동차 강판 등에 널리 사용되고 있다. 그러나 열간 프레스 성형에 있어서의 가열 온도(700 내지 1000℃)는 아연의 비점보다도 높아서, 열간 프레스 성형을 위하여 가열하였을 때, 표면의 도금층이 증발하여 표면 성상의 현저한 열화의 원인으로 되는 경우가 있다.
따라서 고온으로 가열하는 열간 프레스 성형을 행하는 강판에 대해서는, Zn계의 금속 피복에 비해 비점이 높은 Al계의 금속 피복한 강판, 이른바 알루미늄(Al) 도금 강판을 사용하는 것이 바람직하다.
Al계의 금속 피복을 실시함으로써 강판 표면에 스케일이 부착되는 것을 방지할 수 있어서, 디스케일링 공정 등의 공정이 불필요해지기 때문에 생산성이 향상된다. 또한 Al계의 금속 피복에는 방청 효과도 있으므로 도장 후의 내식성도 향상된다.
Al계의 금속 피복을 실시한 경우, 프레스 성형 전의 예비 가열의 조건에 따라서는, Al 피복은 먼저 용융되고, 그 후 강판으로부터의 Fe 확산에 의하여 알루미늄-철 합금층으로 변화된다. 또한 알루미늄-철 합금층이 성장하여 강판의 표면까지 알루미늄-철 합금층으로 되는 경우가 있다. 이후, 알루미늄-철 합금을 「Al-Fe 합금」 또는 「합금」이라고도 칭한다. 이 합금층은 극히 경질이기 때문에, 프레스 가공 시의 금형과의 접촉에 의하여 가공 흠집이 형성된다. 이 가공 흠집의 억제가, Al 도금 강판을 열간 프레스 성형하는 경우의 과제이다.
그에 대하여 특허문헌 1에는, 가공 흠집의 발생을 방지하기 위하여, 열간 윤활성과 함께 화성 처리성 및 내식성을 개선할 목적으로 산화아연 피막(이하, 「ZnO 피막」이라고도 칭함) 등의 우르츠광형 화합물의 피막을 Al 도금 강판의 표면에 형성하는 방법이 개시되어 있다.
한편, 특허문헌 2에는, 프레스 성형 시의 ZnO 피막의 밀착성을 높일 목적으로, 수산화 Zn, 인산 Zn 및 유기산 Zn으로 이루어지는 군에서 선택된 하나 이상의 Zn 화합물의 피막을 Al 도금 강판의 표면에 형성하는 방법이 개시되어 있다. 특허문헌 2의 방법에서는, Zn 화합물의 피막이 형성된 Al 도금 강판을 열간 프레스 성형할 때의 열로 ZnO의 피막을 생성하여, 밀착성이 우수한 ZnO 피막을 형성하여, 열간 윤활성, 피막 밀착성, 스폿 용접성 및 도장 후 내식성을 향상시킬 수 있다.
또한 특허문헌 3에는, 물리 증착법에 의한 피복층을 표면에 갖는 금형이 개시되어 있다. 그리고 해당 피복층은, 최표층에 a층, 모재 바로 위에 c층, a층과 c층 사이에 b층이라는 적어도 3층이 피복되어 있으며, 해당 3층의 경도 기호 HV 0.025에 의한 경도 및 층 두께를 특정 관계로 조정한 소성 가공용 금형이 개시되어 있다.
국제 공개 제2009/131233호 일본 특허 공개 제2014-139350호 공보 일본 특허 제4771223호 공보
여기서, 특허문헌 1 내지 2의 도금 강판은 모두 열간 윤활성이 우수하고, 가공 흠집의 발생을 억제할 수 있다.
그런데, 일반적으로 비도금재나 도금 강판을 사용하여 열간 프레스 성형하였을 때, 프레스 성형품의 종벽부 및 플랜지부로 되는 부분 등, 도금 강판이 미끄럼 이동하는 열간 프레스 성형용 금형의 미끄럼 이동면에 마모가 발생한다. 이 때문에 열간 프레스 성형의 고면압부에 있어서는, 금형의 미끄럼 이동면에 생기는 마모 대응으로서 금형 손질이 필요하다. 특허문헌 1 내지 2의 도금 강판에 의하여 금형 마모가 경감될 것으로 기대되었지만, 특허문헌 1 내지 2라 하더라도 다른 비도금재나 도금 강판과 마찬가지로 금형 마모를 해결할 수 없었다.
또한 특허문헌 3에 기재된 바와 같이 표면에 피복층을 구비한 소성 가공용 금형을 사용하더라도, 열간 프레스 성형의 고면압부에 있어서는 금형의 미끄럼 이동면에 생기는 마모를 해결할 수 없었다.
본 개시의 과제는, Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 열간 프레스 성형할 때의, 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모의 발생을 억제하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 개시의 과제는, 미끄럼 이동면의 마모의 발생을 억제하는 다이 금형, 다이 금형과 펀치 금형의 금형 세트, 및 다이 금형과 강판 압박 금형의 금형 세트를 제공하는 것이다.
또한 본 개시의 과제는, 표면 품위가 우수하고 또한 지연 파괴의 발생이 억제된 프레스 성형품을 제공하는 것이다.
본 개시의 요지는 이하와 같다.
<1>
Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 다이 금형을 사용하여 열간 프레스 성형하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법이며,
상기 다이 금형은, 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 상기 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<2>
상기 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, <1>에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<3>
상기 경질층은, 질화층과, 상기 질화층의 표면에 있는 경질 코팅층을 포함하는 층인, <1> 또는 <2>에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<4>
상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, <3>에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<5>
상기 경질 코팅층이 Cr을 함유하는 층인, <4>에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<6>
상기 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, <3>에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<7>
상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, <3> 내지 <6> 중 어느 하나에 기재된 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
<8>
경도 Hv_Parts가 HV 400 이상인 강 모재와, 상기 강 모재 상에 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 최표층으로서 산화아연층을 갖고,
천장판부와, 상기 천장판부에 제1 능선부를 개재하여 접속되는 종벽부와, 상기 종벽부에 제2 능선부를 개재하여 접속되는 플랜지부를 갖고,
상기 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이고,
프레스 성형품의 횡단면을 관찰한 경우에 상기 제2 능선부의 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면에 있어서, 상기 천장판부의 횡단면 폭 방향에서의 중심 개소 PA1min에서의 평활도[SaA1]와, 상기 종벽부의 횡단면 높이 방향에서의 중심 개소 PA2min에서의 평활도[SaA2]의 차[SaA1-SaA2]가 0.20㎛ 이상이고,
상기 천장판부에 있어서의 상기 개소 PA1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA1]와, 상기 종벽부에 있어서의 상기 개소 PA2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA2]의 차[StrA1-StrA2]가 0.50 이하인 프레스 성형품.
<9>
경도 Hv_Parts가 HV 400 이상인 강 모재와, 상기 강 모재 상에 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 최표층으로서 산화아연층을 갖고,
천장판부와, 상기 천장판부에 제1 능선부를 개재하여 접속되는 종벽부와, 상기 종벽부에 제2 능선부를 개재하여 접속되는 플랜지부를 갖고,
상기 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이고,
측면측으로부터 관찰한 경우에 상기 플랜지부의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min에 대응하는 상기 천장판부에 있어서의 폭 방향에서의 중심 개소 PB1min에서의 평활도[SaB1]와, 측면측으로부터 관찰한 경우에 상기 개소 PB0min에 대응하는 상기 종벽부에 있어서의 높이 방향에서의 중심 개소 PB2min에서의 평활도[SaB2]의 차[SaB1-SaB2]가 0.30㎛ 이상이고,
상기 천장판부에 있어서의 상기 개소 PB1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB1]와, 상기 종벽부에 있어서의 상기 개소 PB2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB2]의 차[StrB1-StrB2]가 0.50 이하인 프레스 성형품.
<10>
다이 구멍의 외측의 표면 및 다이 숄더부에 인접하는 다이 숄더 인접면 중, 상기 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는 다이 금형.
<11>
상기 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, <10>에 기재된 다이 금형.
<12>
상기 경질층은, 질화층과, 상기 질화층의 표면에 있는 경질 코팅층을 포함하는 층인, <10> 또는 <11>에 기재된 다이 금형.
<13>
상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 3200 이하인, <12>에 기재된 다이 금형.
<14>
상기 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, <13>에 기재된 다이 금형.
<15>
상기 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, <12>에 기재된 다이 금형.
<16>
상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, <12> 내지 <15> 중 어느 하나에 기재된 다이 금형.
<17>
<10> 내지 <16> 중 어느 하나에 기재된 다이 금형과, 펀치 금형을 구비하고,
상기 펀치 금형은, 상기 다이 금형의 상기 다이 숄더 인접면에 대향하는 대향면 중, 상기 다이 금형이 상기 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는 금형 세트.
<18>
상기 제2 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, <17>에 기재된 금형 세트.
<19>
상기 제2 경질층은, 제2 질화층과, 상기 제2 질화층의 표면에 있는 제2 경질 코팅층을 포함하는 층인, <17> 또는 <18>에 기재된 금형 세트.
<20>
상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, <19>에 기재된 금형 세트.
<21>
상기 제2 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, <20>에 기재된 금형 세트.
<22>
상기 제2 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, <19>에 기재된 금형 세트.
<23>
상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, <19> 내지 <22> 중 어느 하나에 기재된 금형 세트.
<24>
<10> 내지 <16> 중 어느 하나에 기재된 다이 금형과, 강판 압박 금형을 구비하고,
상기 강판 압박 금형은, 상기 다이 금형의 상기 다이 숄더 인접면에 대향하는 대향면 중, 상기 다이 금형이 상기 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치 삽입 관통부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는 금형 세트.
<25>
상기 제2 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, <24>에 기재된 금형 세트.
<26>
상기 제2 경질층은, 제2 질화층과, 상기 제2 질화층의 표면에 있는 제2 경질 코팅층을 포함하는 층인, <24> 또는 <25>에 기재된 금형 세트.
<27>
상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, <26>에 기재된 금형 세트.
<28>
상기 제2 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, <27>에 기재된 금형 세트.
<29>
상기 제2 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, <26>에 기재된 금형 세트.
<30>
상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, <26> 내지 <29> 중 어느 하나에 기재된 금형 세트.
본 개시에 따르면, Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 열간 프레스 성형할 때의, 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모의 발생을 억제하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 개시에 따르면, 미끄럼 이동면의 마모의 발생을 억제하는 다이 금형, 다이 금형과 펀치 금형의 금형 세트, 및 다이 금형과 강판 압박 금형의 금형 세트를 제공할 수 있다.
또한 본 개시에 따르면, 표면 품위가 우수하고 또한 지연 파괴의 발생이 억제된 프레스 성형품을 제공할 수 있다.
도 1은 다이 금형, 홀더(강판 압박 금형) 및 펀치에 의하여 열간 프레스 성형되는 도금 강판의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 2a는 도 1에 도시하는 열간 프레스 성형에서 얻어지는 프레스 성형품의 일례를 모식적으로 도시하는 사시도이다.
도 2b는 도 2a에 도시하는 프레스 성형품의 측면도이다.
도 3a는 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형에서 얻어지는 프레스 성형품의 다른 일례를 모식적으로 도시하는 측면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시하는 프레스 성형품의 단면도이다.
도 4a는 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형으로 얻어지는 프레스 성형품의 다른 일례를 모식적으로 도시하는 상면도이다.
도 4b는 도 4a에 도시하는 프레스 성형품의 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시하는 열간 프레스 성형에서 얻어지는 성형품의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 6은 다이 금형 및 펀치 금형에 의하여 열간 프레스 성형되는 도금 강판의 일례를 도시하는 모식도이다.
도 7은 본 실시 형태에 사용되는 Al 도금 강판의 일례를 도시하는 개략 단면도이다.
도 8은 열간 윤활성의 평가 장치를 도시하는 개략 구성도이다.
다음으로, 본 개시에 대하여 상세히 설명한다.
이하에, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시 형태에 대하여 상세히 설명한다. 또한 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일한 번호를 붙임으로써, 중복 설명을 생략하는 경우가 있다.
<열간 프레스 성형품의 제조 방법>
본 개시의 일 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법은, Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 다이 금형을 사용하여 열간 프레스 성형하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법이다.
그리고 상기 다이 금형은, 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 상기 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는다.
본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법은 상기 구성에 의하여, 열간 프레스 성형 시에 고면압부에서 생기는 다이 금형의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생을 억제한다. 그리고 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법은, 이하에 나타내는 지견에 의하여 발견되었다.
종래의 열간 프레스 성형용 Al 도금 강판(강판의 양면에 Al 도금층이 마련된 도금 강판)을 열간 프레스 성형하면, Al 도금층의 알루미늄과 다이 금형의 소재(철)가 반응하는 시징이 생긴다. 이 시징에 의하여 생성되는 금속 간 화합물(알루미늄 응착물)이 다이 금형의 표면에 다량으로 응착되는 경우가 있었다.
다이 금형에의 알루미늄 응착물의 응착을 억제할 목적으로 특허문헌 1 및 2에서는, 강판의 양면에 마련한 Al 도금층의 표면에 각각 ZnO 피막을 형성한 도금 강판(이하, 「ZnO 피막을 갖는 Al 도금 강판」)이 제안되어 있다.
ZnO 피막을 갖는 Al 도금 강판은, Al 도금층의 표면이 ZnO 피막으로 덮여 있기 때문에, 열간 프레스 성형하였을 때도 시징에 의한 알루미늄 응착물의 다이 금형의 표면에의 응착이 억제된다. 그 결과, 다이 금형의 표면과의 마찰 계수가 저감된다.
그러나 ZnO 피막이 있더라도 금형은 마모된다. 다이 구멍의 외측의 표면이고, 열간 프레스 성형 시에, 도금 강판과 미끄럼 이동하는 표면의 다이 숄더부에 인접하는 영역에는, 고면압이 걸린다. 그 때문에 ZnO 피막의 유무에 관계없이, Al 도금 강판을 사용하였을 때 다이 금형의 미끄럼 이동면에 마모가 발생하는 경우가 있다.
이에 비해, 본 실시 형태에서는, 다이 금형의 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에 경질층을 갖는다. 그리고 이 경질층의, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하이다.
여기서 스큐니스 Rsk란, JIS B 0601(2001년)에 정의되어, 평균선에 대한 산부와 골부의 대칭성을 나타내는 지표이다. 이 Rsk가 정(0<Rsk)일 때는, 산부 및 골부가 평균선보다도 하측에 편재되어 있는 상태를 나타낸다. 한편, 이 Rsk가 부(Rsk<0)일 때는, 산부 및 골부가 평균선보다도 상측에 편재되어 있는 상태를 나타낸다. 즉, Rsk가 부(Rsk<0)인 경우, 표면에 돌출하는 산부가 적은 상태로 되어 있다. 스큐니스(Rsk)가 상기 범위라는 것은, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향에 있어서, 경질층의 표면이 돌출하는 산부가 적은 상태이다. 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형에 대하여 Al 도금 강판이 미끄럼 이동하는 방향에 있어서, 경질층의 표면이 돌출하는 산부가 적은 상태로 되어 있다. 이것에 의하여, 도금 강판과 미끄럼 이동하는 표면의 다이 숄더부에 인접하는 영역, 즉, 고면압이 걸리는 개소에 있어서도 마모가 억제된다.
또한 상기 경질층은, 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상이다. 최표면층인 경질층의 경도가 상기 범위임으로써, 경질인 Al 도금 강판과의 미끄럼 이동에 의해서도 경질층 자체의 마모가 억제되어서 다이 금형의 마모가 억제된다.
이하, 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법은, 도금 강판을 가열한 후, 다이 금형에 의하여 프레스하여 열간 프레스 성형하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법이다. 그리고 열간 프레스 성형에서는, 고온으로 가열한 도금 강판을 금형에 의하여 프레스 성형한다. 그 후 냉각함으로써, 목적으로 하는 형상의 프레스 성형품이 얻어진다.
-열간 프레스 성형-
프레스 성형에서는, 강판이 다이 금형의 다이 구멍에 인입되어서 성형된다. 다이 구멍의 에지(다이 숄더부)가 다이 구멍의 외측을 향하여 튀어나와 만곡되어 있는 경우, 강판은 다이 구멍에 인입될 때 수축 플랜지 변형된다.
드로잉 성형의 경우, 수축 플랜지 변형에서는, 강판이 다이 구멍의 에지(다이 숄더부)에 접근함에 따라 두께가 증가한다. 강판의 두께가 증가하면 강판에 높은 면압이 부여된다.
굽힘 성형의 경우, 축소 플랜지 변형에서는, 강판이 다이 구멍의 에지(다이 숄더부)에 접근함에 따라 강판에 주름이 발생한다. 강판에 주름이 발생하면, 다이 구멍의 근방에서 주름진 강판이 다이 금형에 접촉하고, 접촉한 개소가 고면압으로 된다.
이들은 열간 프레스 성형이라도 동일하다. 본 실시 형태의 다이 금형은, 높은 면압이 생기는 개소에 경질층을 구비한다.
도 1에, 다이 금형, 홀더(강판 압박 금형) 및 펀치에 의하여 열간 프레스 성형되는 도금 강판을 도시한다. 또한 도 2a 및 도 2b에, 도 1의 다이 금형에 의하여 성형되는 열간 프레스 성형품을 도시한다. 또한 도 1은, 도 2a에 도시하는 열간 프레스 성형품(30)을 다이 금형에 의하여 성형할 때의, y 방향의 단면에 상당하는 단면도이다. 또한 도 2a 및 도 2b에서는, 열간 프레스 성형품(30)의 긴 쪽 방향을 x 방향으로 하고, x 방향에 직교하는 방향 중 종벽부(33)측으로부터 관찰하는 방향을 y 방향으로 하며, x 방향 및 y 방향에 직교하는 방향이자 천장판부(31)측으로부터 관찰하는 방향을 z 방향으로 한다.
도 2a 및 도 2b에 도시하는 열간 프레스 성형품(30)은, 2개의 종벽부(33)와, 2개의 종벽부(33)를 제1 능선부(32)를 개재하여 잇는 천장판부(31)와, 2개의 종벽부(33)에 대하여 각각 제2 능선부(34)를 개재하여 천장판부(31)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(35)를 갖는다. 또한 열간 프레스 성형품(30)을 측면측으로부터 관찰한 경우, 즉, 도 2b에 도시한 바와 같이 y 방향으로부터 관찰한 경우, 플랜지부(35) 중 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min을 갖는 형상이다. 즉, 플랜지부(35)가, 긴 쪽 방향(x 방향)에 있어서 만곡되는 개소를 갖고 있으며, 플랜지부(35) 전체로서 곡률 반경이 일정하지 않은 형상이다. 또한 플랜지부(35)와 마찬가지로 천장판부(31)도, 긴 쪽 방향(x 방향)에 있어서 만곡되는 개소를 갖고 있다.
또한 본 실시 형태에 따른 다이 금형에 의하여 성형되는 열간 프레스 성형품은, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 형상의 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 천장판부 및 플랜지부가 평탄한 형상의 성형품이어도 된다. 또한 도 3b는, 도 3a에 있어서의 A-A' 단면도이다.
도 3a 및 도 3b에서는, 열간 프레스 성형품(40)의 긴 쪽 방향을 x 방향으로 하고, x 방향에 직교하는 방향 중 종벽부(43)측으로부터 관찰하는 방향을 y 방향으로 하며, x 방향 및 y 방향에 직교하는 방향이자 천장판부(41)측으로부터 관찰하는 방향을 z 방향으로 한다.
도 3a 및 도 3b에 도시하는 열간 프레스 성형품(40)은, 2개의 종벽부(43)와, 2개의 종벽부(43)를 제1 능선부(42)를 개재하여 잇는 천장판부(41)와, 2개의 종벽부(43)에 대하여 각각 제2 능선부(44)를 개재하여 천장판부(41)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(45)를 갖는다. 또한 이 열간 프레스 성형품(40)에서는, 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면, 예를 들어 도 3b에 도시하는 단면 등)을 관찰한 경우에, 어떤 곳에서 절단한 횡단면을 관찰하더라도 제2 능선부(44)의 곡률 반경이 동일한 값으로 되는 형상이다. 또한 어떤 곳에서 절단한 횡단면을 관찰하더라도 좌우 대칭의 형상으로 되어 있다.
또한 본 실시 형태에 따른 다이 금형에 의하여 성형되는 열간 프레스 성형품은, 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이 횡단면에 있어서의 형상이 좌우 대칭인 것에 한정되지 않으며, 예를 들어 도 4a 및 도 4b에 도시하는 센터 필러와 같이 횡 단면에서 보아서 좌우가 다른 형상의 성형품이어도 된다. 또한 도 4b는, 도 4a에 있어서의 B-B' 단면도이다.
도 4a 및 도 4b에서는, 열간 프레스 성형품(50)의 긴 쪽 방향을 x 방향으로 하고, x 방향에 직교하는 방향 중 종벽부(53a) 측으로부터 관찰하는 방향을 y 방향으로 하며, x 방향 및 y 방향에 직교하는 방향이자 천장판부(51)측으로부터 관찰하는 방향을 z 방향으로 한다.
도 4a 및 도 4b에 도시하는 열간 프레스 성형품(50)은, 2개의 종벽부(53a, 53b)와, 2개의 종벽부(53a, 53b)를 각각 제1 능선부(52a, 52b)를 개재하여 잇는 천장판부(51)와, 2개의 종벽부(53a, 53b)에 대하여 각각 제2 능선부(54a, 54b)를 개재하여 천장판부(51)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(55a, 55b)를 갖는다. 또한 이 열간 프레스 성형품(50)에서는, 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면)을 관찰한 경우에 좌우의 형상이 대칭이 아닌 개소가 존재한다. 예를 들어 도 4b에 도시하는 횡단면에서는, 평탄한 천장판부(51)의 양측에 존재하는 2개의 제1 능선부(52a, 52b)의 z 방향 높이가 다르며, 우측의 제1 능선부(52a) 쪽이 좌측의 제1 능선부(52b)보다도 z 방향으로 솟아올라 높아진 형상이다. 또한 도 4b에 도시하는 횡단면에서는, 2개의 플랜지부(55a, 55b)의 z 방향 높이도 다르며, 우측의 플랜지부(55a) 쪽이 좌측의 플랜지부(55b)보다도 높은 형상이다. 그리고 이 열간 프레스 성형품(50)에서는, 횡단면을 관찰한 경우에 절단하는 개소에 따라 제2 능선부(54a, 54b)의 곡률 반경이 다른 형상이며, 도 4b에 도시하는 횡단면에서의 제2 능선부(54a)의 곡률 반경이 최소로 되는 형상이다.
이들 열간 프레스 성형품(예를 들어 열간 프레스 성형품(30))의 성형에서는, 도 1에 도시한 바와 같이, 열간 프레스 성형 시, 정상면이 평탄한 펀치(13)를 도금 강판(10)에 가압하여 다이 구멍(11D)에 삽입 관통시키면, 도금 강판(10)은 다이 구멍(11D) 내로 유입된다. 이때, 도금 강판(10)이 다이 구멍(11D)에 접근함에 따라 수축 플랜지 변형되어서 열간 프레스 성형품(20)의 판 두께가 두꺼워진다. 도 1에 있어서, 다이 금형(다이스)(11)은, 다이 구멍(11D)의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 도금 강판(10)과 접촉하는 강판 접촉면(11A) 중, 다이 숄더부(11B)에 인접하는 전체 영역에 경질층(11C)을 갖는다.
이 경질층(11C)이 상기 스큐니스(Rsk) 및 경도 Hv_Die를 만족시킴으로써, Al 도금 강판을 열간 프레스 성형할 때, 고면압부에서 생기는 다이 금형(11)의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생이 억제된다.
또한 홀더(강판 압박 금형)(12)는, 다이 금형(11)의 강판 접촉면(11A)에 대향하는 대향면 중, 다이 금형(11)이 경질층(11C)을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에 제2 경질층(12C)을 갖는 것이 바람직하다.
이 제2 경질층(12C)이 상기 스큐니스(Rsk) 및 경도 Hv_Die를 만족시킴으로써, Al 도금 강판을 열간 프레스 성형할 때, 고면압부에서 생기는 홀더(12)의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생이 억제된다.
또한 다이 금형(11)의 마모 억제의 관점에서는, 경질층(11C)은 다이 숄더부(11B)를 따라 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다. 한편, 비용 등의 관점에서 형성할 영역을 저감하는 경우, 특히 높은 면압이 생기는 개소를 선택하여 경질층(11C)을 형성해도 된다.
또한 홀더(12)의 마모 억제의 관점에서는, 제2 경질층(12C)은, 다이 금형(11)의 다이 숄더부(11B)에 대향하는 개소를 따라 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있는 것이 바람직하다. 한편, 비용 등의 관점에서 형성할 영역을 저감하는 경우, 특히 높은 면압이 생기는 개소를 선택하여 제2 경질층(12C)을 형성해도 된다.
또한 본 실시 형태에서는, 성형하는 열간 프레스 성형품의 형상은, 도 2a 및 도 2b, 도 3a 및 도 3b, 도 4a 및 도 4b 등에 도시하는 형상에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 도 5에 도시하는 해트형의 형상인 프레스 성형품 등, 다른 다양한 형상의 프레스 성형품을 제조할 수 있다.
그리고 그 프레스 성형에 사용하는 다이 금형으로서, 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk) 및 경도 Hv_Die가 상기 범위를 만족시키는 경질층을 갖는 다이 금형을 적용함으로써, 고면압부에서 생기는 다이 금형의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생이 억제된다.
또한 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 있어서, 열간 프레스 성형에서는, 예를 들어 필요에 따라 블랭킹(펀칭 가공)한 후, 고온으로 가열하여 도금 강판을 연화시킨다. 그리고 금형을 사용하여, 연화된 도금 강판을 프레스하여 성형하고, 그 후 냉각한다. 이와 같이 열간 프레스 성형에서는, 도금 강판을 일단 연화시킴으로써, 후속되는 프레스를 용이하게 행할 수 있다. 또한 열간 프레스 성형된 프레스 성형품은 가열 및 냉각에 의하여 ??칭되어서 약 1500㎫ 이상의 높은 인장 강도의 성형품으로 된다.
열간 프레스 성형을 위한 가열 방법으로서는, 통상의 전기로, 라디언트 튜브 로에 더해, 적외선 가열, 통전 가열, 유도 가열 등에 의한 가열 방법을 채용하는 것이 가능하다. 가열은 산화 분위기에서 행해진다.
-다이 금형-
이어서, 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 사용되는 다이 금형에 대하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 따른 다이 금형은, 특별히 그 용도가 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 행하기 위한 다이 금형 등으로서 사용할 수 있다.
그리고 다이 구멍의 외측의 표면 및 다이 숄더부에 인접하는 다이 숄더 인접면 중, 상기 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는다.
또한 이 다이 금형이 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 사용되는 경우, 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는다.
·스큐니스 Rsk
다이 금형이 구비하는 경질층의, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하임으로써, 열간 프레스 성형 시에 고면압부에서 생기는 다이 금형의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생이 억제된다.
경질층의 스큐니스(Rsk)는 보다 바람직하게는 1.0 이하이고, 더욱 바람직하게는 0.8 이하이다.
또한 경질층의 스큐니스(Rsk)의 하한값은, 스큐니스(Rsk)를 낮게 하기 위한 표면 제어에 의한 제조 시의 비용 증대를 억제하는 관점에서 -5.0 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 -3.0 이상이다. 또한 경질층의 스큐니스(Rsk)의 하한값은, 금형으로의 응착을 억제하는 관점에서는 0 이상인 것이 바람직하다.
경질층의 스큐니스(Rsk)의 범위로서는 0 이상 1.3 이하가 바람직하고, 0 이상 1.0 이하가 보다 바람직하고, 0 이상 0.8 이하가 더욱 바람직하다.
여기서, 스큐니스 Rsk는 JIS B 0601(2001년)에 준하여 측정한다. 구체적으로는, 스큐니스 Rsk는 JIS B 0601(2001년)에 준하여 다음의 측정 조건에서 측정한다.
(측정 조건)
측정 장치: 가부시키가이샤 미쓰토요 제조의 「표면 조도·윤곽 형상 측정기 폼트레이서」
측정 길이 L: 9.6㎜
컷오프 파장 λc: 0.8㎜
촉침 선단 형상: 선단 각도 60° 원추
촉침 선단 반경: 2㎛
측정 속도: 1㎜/sec
경질층에 있어서의 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)를 상기 범위로 제어하는 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 형성된 경질층의 표면을 연마함과 함께, 이 연마 시에 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향(즉, 열간 프레스 성형 시에 도금 강판이 미끄럼 이동하는 방향)을 향하여 연마를 행한다. 예를 들어 연마 시트를 미끄럼 이동시켜서 연마하는 경우이면, 해당 연마 시트를 미끄럼 이동시키는 방향을, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 하는 방법을 들 수 있다.
또한 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에 대하여 스큐니스(Rsk)를 측정한다는 것은, 다이 숄더부에 인접하는 영역을, 20㎜ 이하의 밀한 피치로 스큐니스(Rsk)를 측정하는 것을 의미한다.
·경도 Hv_Die
다이 금형이 구비하는 경질층의, 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상임으로써, 열간 프레스 성형 시에 고면압부에서 생기는 다이 금형의 미끄럼 이동면에서의 마모의 발생이 억제된다.
또한 후술하는 바와 같이 경질층이, 질화층과 해당 질화층의 표면에 있는 경질 코팅층을 포함하는 층인 경우, 경질 코팅층의 경도 Hv_Die는 HV 3200 이하인 것이 바람직하다. HV 3200 이하임으로써, Al 도금 강판에 있어서의 Al 도금 및 아연 화합물층 또는 금속 아연층의 깎임이 억제되고, 또한 다이 금형으로의 응착이 억제된다.
또한 특히 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인 경우에는, 특히 경도 Hv_Die가 3200 이하인 것이 바람직하다.
한편, 경질 코팅층이, Ti를 함유하는 층인 경우, 경도 Hv_Die는 HV 3160 이하인 것이 보다 바람직하다. HV 3160 이하임으로써, Al 도금 강판에 있어서의 Al 도금 및 아연 화합물층 또는 금속 아연층의 깎임이 억제되고, 또한 다이 금형으로의 응착이 억제된다.
경질 코팅층의 경도 Hv_Die는, HV 2500 이상 HV 3000 이하인 것이 보다 바람직하다. 경질 코팅층의 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하임으로써 금형으로의 응착이 억제된다.
또한 경도 Hv_Die란, JIS-Z-2244(2009년)에서 지정되는 비커스 경도를 가리키며, 본 명세서에 있어서는, 비커스 경도 시험 방법에 있어서 시험 하중 0.2452N에 의한 경도값이다.
마이크로비커스 시험기로는 가부시키가이샤 미쓰토요 제조의 HM-115를 사용한다.
·경질층의 형성
본 실시 형태에서는, 다이 금형에 형성되는 경질층은, 전술한 스큐니스 Rsk 및 경도 Hv_Die를 만족시키는 것이면 그 재질이나 형성 방법에 제한은 없다.
예를 들어 물리 증착법(PVD법)에 의한 경질 코팅층(증착막)을 들 수 있으며, 구체적으로는 Ti, Cr 및 Al로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 주체로 하는 질화막, 탄화막, 탄질화막, 다이아몬드 라이크 카본(DLC)막 등을 들 수 있다.
본 실시 형태에 있어서의, 다이 금형에 대한 경질층의 형성 방법으로서는, 물리 증착에 의한 증착막의 형성법을 들 수 있다. 물리 증착법의 종류에 대해서는 특별히 제한은 없다. 또한 화학 기상 성장(CVD)법을 사용해도 된다. 물리 증착법으로서, 예를 들어 아크 이온 플레이팅법 및 스퍼터링법이 바람직하다.
그 중에서도 경질 코팅층으로서의 증착막으로서는, Ti 및 Cr 중 적어도 한쪽을 포함하는 막인 것이 바람직하다. 예를 들어 그 금속 원소 부분이, Ti, Cr 및 Al로부터 선택한 1종 혹은 2종 이상을 주체로 하는 질화물, 탄화물, 탄질화물 중 어느 것임이 바람직하다. 나아가 그 금속 원소 부분이, Ti 또는 Cr을 주체로 하는 질화물, 탄화물, 탄질화물 중 어느 것임이 보다 바람직하다.
또한 그 주체로 하는 것에 대해서는, 질소 및 탄소를 제외한 금속(반금속을 포함함) 조성부만의 비율로, Ti, Cr 혹은 Al(또는 Ti 혹은 Cr)이 70(원자%) 이상, 나아가 90(원자%) 이상으로 하는 것이 좋다(실질 100(원자%)을 포함함).
예를 들어 금속 성분의 증발원인 각종 금속제 타깃 및 반응 가스(N2 가스, CH4 가스 등)를 사용하여, 온도, 가스 압력을 조정하고 Bias 전압을 걸어줌으로써 다이 금형의 모재의 표면에 PVD막을 성막할 수 있다.
또한 다이 금형에 물리 증착법(PVD법)에 의한 경질 코팅층(증착막)을 형성 하기 전에, 하층으로 되는 질화층을 형성(질화 처리와 같은, 확산을 이용한 표면 경화 처리)하는 것이 바람직하다.
질화층의 형성은, 다이 금형의 모재에, 예를 들어 이온 질화 처리, 즉, 소정 농도의 N2 및 H2 가스 분위기 중에서 온도를 조정하여 이온 질화 처리를 실시함으로써 행해진다.
이때, 질화 처리에서 형성되는, 백색층이라 칭해지는 질화물층과 같은 화합물층은, 밀착성을 저하시키는 원인으로 되기 때문에, 처리 조건의 제어에 의하여 형성시키지 않도록 하거나 혹은 연마 등에 의하여 제거하는 것이 바람직하다.
·모재
다이 금형의 모재의 금속 재질에 대해서는 특별히 정하는 것은 아니며, 예를 들어 냉간 다이스강, 열간 다이스강, 고속도강 및 초경합금 등의 공지된 금속 재료를 사용할 수 있다. 이것에 대해서는, JIS 등에 의한 규격 금속종(강종)을 포함하여, 종래 금형에 대한 사용이 가능한 강종으로서 제안되어 온 개량 금속종도 적용할 수 있다.
-금형 세트-
이어서, 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 사용되는 금형 세트에 대하여 상세히 설명한다. 금형 세트란, 다이 금형과, 다이 금형의 다이 구멍에 대응하는 볼록부를 구비함과 함께, 다이 금형의 강판 접촉면(다이 숄더 인접면)에 대향하는 대향면을 구비하는 펀치 금형의 조합이다. 또한 금형 세트란, 다이 금형과, 다이 금형의 강판 접촉면(다이 숄더 인접면)에 대향하는 대향면을 구비함과 함께, 다이 구멍에 삽입 관통되는 펀치가 통과하는 구멍을 구비하는 강판 압박 금형(홀더)의 조합도 포함한다.
본 실시 형태에 따른 제1 금형 세트는, 전술한 본 실시 형태에 따른 다이 금형과, 펀치 금형을 구비한다.
펀치 금형은, 다이 금형의 다이 숄더 인접면(강판 접촉면)에 대향하는 대향면 중, 다이 금형이 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는다.
예를 들어 도 6에 도시되는 다이 금형(다이스)(111)은, 다이 구멍(111D)의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 도금 강판(10)과 접촉하는 강판 접촉면(111A) 중, 다이 숄더부(111B)에 인접하는 전체 영역에 경질층(111C)을 갖는다. 또한 펀치(펀치 금형)(113)은, 다이 금형(111)의 강판 접촉면(111A)에 대향하는 대향면 중, 다이 금형(111)이 경질층(111C)을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에 제2 경질층(113C)을 갖는 것이 바람직하다. 제2 경질층(113C)이 있는 개소에, 성형 하사점에 접근하였을 때 주름진 도금 강판(10)이 접촉하기 때문이다.
본 실시 형태에 따른 제2 금형 세트는, 전술한 본 실시 형태에 따른 다이 금형과, 강판 압박 금형을 구비한다.
강판 압박 금형은, 다이 금형의 다이 숄더 인접면(강판 접촉면)에 대향하는 대향면 중, 다이 금형이 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치 삽입 관통부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는다.
이미 설명한 바와 같이, 예를 들어 도 1에 도시되는 홀더(강판 압박 금형)(12)는, 다이 금형(11)의 강판 접촉면(11A)에 대향하는 대향면 중, 다이 금형(11)이 경질층(11C)을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에 제2 경질층(12C)을 갖는 것이 바람직하다.
또한 본 실시 형태에 따른 제1 금형 세트가 구비하는 펀치 금형에 있어서의 제2 경질층, 및 제2 금형 세트가 구비하는 강판 압박 금형에 있어서의 제2 경질층의 바람직한 양태로서는, 전술한 본 실시 형태에 따른 다이 금형이 구비하는 경질층에 있어서 설명한 바람직한 양태가 그대로 적용된다.
이어서, 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 사용되는 Al 도금 강판의 상세에 대하여 설명한다.
(도금 강판)
Al 도금 강판은, Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는다.
예를 들어 도 7에 도시되는 도금 강판(10)과 같이, 강판(112)의 양면(상면 및 하면)에 알루미늄 도금층(114A, 114B)을 구비하고, 또한 알루미늄 도금층(114A, 114B) 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층(116A, 116B)을 구비한다.
도금을 얹는 강판(도금 전의 강판)은, 예를 들어 높은 기계적 강도(예를 들어 인장 강도, 항복점, 신장, 드로잉, 경도, 충격값, 피로 강도, 크리프 강도 등의 기계적인 변형 및 파괴에 관한 여러 성질을 의미함)를 갖는 강판이 바람직하다. 본 실시 형태에 따른 도금 강판에 사용되는, 높은 기계적 강도를 실현하는 강판(도금 전의 강판)의 일례는 이하와 같다.
또한 %의 표기는, 특별히 단서가 없는 경우에는 질량%를 의미한다. 또한 본 명세서에 있어서 「내지」를 사용하여 나타나는 수치 범위는, 「내지」의 전후에 기재되는 수치를 하한값 및 상한값으로서 포함하는 범위를 의미한다.
강판은, 질량%로, C: 0.01 내지 0.6%, Si: 0.01 내지 0.6%, Mn: 0.5 내지 3%, Ti: 0.01 내지 0.1%, 및 B: 0.0001 내지 0.1% 중의 적어도 하나 이상을 함유하고, 또한 잔부: Fe 및 불순물만을 포함하는 것이 바람직하다.
C는, 목적으로 하는 기계적 강도를 확보하기 위하여 함유시킨다. C가 0.01% 미만인 경우에는 충분한 기계적 강도의 향상이 얻어지지 않아서, C를 함유하는 효과가 부족해진다. 한편, C가 0.6%를 초과하는 경우에는, 강판을 더 경화시킬 수 있기는 하지만 용융 균열이 생기기 쉬워진다. 따라서 C 함유량은 0.01% 이상 0.6% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Si는, 기계적 강도를 향상시키는 강도 향상 원소의 하나이며, C와 마찬가지로 목적으로 하는 기계적 강도를 확보하기 위하여 함유시킨다. Si가 0.01% 미만인 경우에는, 강도 향상 효과를 발휘하기 어려워서 충분한 기계적 강도의 향상이 얻어지지 않는다. 한편, Si는 산화 용이성 원소이기도 하다. 따라서 Si가 0.6%를 초과하는 경우에는, 용융 알루미늄 도금을 행할 때 습윤성이 저하되어서 부도금이 생길 우려가 있다. 따라서 Si 함유량은 0.01% 이상 0.6% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Mn은, 강을 강화시키는 강화 원소의 하나이며 ??칭성을 높이는 원소의 하나이기도 하다. 또한 Mn은, 불순물의 하나인 S에 의한 열간 취성을 방지하는 데도 유효하다. Mn이 0.5% 미만인 경우에는 이들 효과가 얻어지지 않으며, 0.5% 이상에서 상기 효과가 발휘된다. 한편, Mn이 3%를 초과하는 경우에는, 잔류 γ상이 지나치게 많아져서 강도가 저하될 우려가 있다. 따라서 Mn 함유량은 0.5% 이상 3% 이하로 하는 것이 바람직하다.
Ti는 강도 강화 원소의 하나이며, Al 도금층의 내열성을 향상시키는 원소이기도 하다. Ti가 0.01% 미만인 경우에는 강도 향상 효과나 내산화성 향상 효과가 얻어지지 않으며, 0.01% 이상에서 이들 효과가 발휘된다. 한편, Ti는, 너무 지나치게 함유하면, 예를 들어 탄화물이나 질화물을 형성하여 강을 연질화시킬 우려가 있다. 특히 Ti가 0.1%를 초과하는 경우에는, 목적으로 하는 기계적 강도가 얻어지지 않을 가능성이 높다. 따라서 Ti 함유량은 0.01% 이상 0.1% 이하로 하는 것이 바람직하다.
B는, ??칭 시에 작용하여 강도를 향상시키는 효과를 갖는다. B가 0.0001% 미만인 경우에는 이와 같은 강도 향상 효과가 낮다. 한편, B가 0.1%를 초과하는 경우에는, 개재물을 형성하고 취화되어서 피로 강도를 저하시킬 우려가 있다. 따라서 B 함유량은 0.0001% 이상 0.1% 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한 이 강판은, 기타 제조 공정 등에서 혼입되어 버리는 불순물을 포함해도 된다.
이와 같은 화학 성분으로 형성되는 강판은, 열간 프레스 성형 등에 의한 가열에 의하여 ??칭되어서 약 1500㎫ 이상의 기계적 강도를 가질 수 있다. 이와 같이 높은 기계적 강도를 갖는 강판이기는 하지만 열간 프레스 성형에 의하여 가공하면, 가열에 의하여 연화된 상태에서 열간 프레스 성형을 행할 수 있으므로 용이하게 성형할 수 있다. 또한 강판은 높은 기계적 강도를 실현할 수 있으며, 나아가 경량화를 위하여 얇게 하였다고 하더라도 기계적 강도를 유지 또는 향상시킬 수 있다.
(Al 도금층)
Al 도금층에 대하여 설명한다.
Al 도금층의 성분 조성은, Al을 50% 이상 함유하고 있으면 된다. Al 이외의 원소는 특별히 한정되지 않지만, 이하의 이유에서 Si를 적극적으로 함유시켜도 된다.
Al 도금층에 Si를 함유시키면 도금과 지철의 계면에 Al-Fe-Si 합금층이 생성되어서, 용융 도금 때 생성되는 무른 Al-Fe 합금층의 생성을 억제할 수 있다. Si가 3% 미만인 경우에는, 알루미늄 도금을 실시하는 단계에서 Al-Fe 합금층이 두껍게 성장하여 가공 시에 도금층 균열을 조장하여, 내식성에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 한편, Si가 15%를 초과하는 경우에는, 반대로 Si를 포함하는 층의 체적률이 증가하여 도금층의 가공성 및 내식성이 저하될 우려가 있다. 따라서 Al 도금층 중의 Si 함유량은 3 내지 15%로 하는 것이 바람직하다.
Al 도금층은 강판의 부식을 방지한다. 또한 Al 도금층은, 도금 강판을 열간 프레스 성형에 의하여 가공하는 경우에는, 고온으로 가열되더라도 표면이 산화되어서 스케일(철의 산화물)이 발생하는 일도 없다. Al 도금층에서 스케일 발생을 방지함으로써, 스케일을 제거하는 공정, 표면 청정화 공정, 표면 처리 공정 등을 생략할 수 있어서 성형품의 생산성이 향상된다. 또한 Al 도금층은, 유기계 재료에 의한 도금층이나 다른 금속계 재료(예를 들어 Zn계 재료)에 의한 도금층보다도 비점 및 융점이 높다. 따라서 열간 프레스 성형에 의하여 성형할 때, Al 도금층이 증발하기 어렵기 때문에 높은 온도에서의 열간 프레스 성형이 가능해진다. 그 때문에, 열간 프레스 성형에 있어서의 성형성을 더 높여서 용이하게 성형할 수 있게 된다.
Al 도금층의 표면에 극히 얇은(예를 들어 두께 0.1㎛) 산화 Al 피막이 존재하는 경우가 있다. 이 경우, 산화 Al 피막은 없는 것으로 간주한다. 왜냐하면, 열간 프레스 성형 전의 이 산화 Al 피막은 열간 프레스 성형과 열간 프레스 성형품에 특별히 영향을 미치지 않기 때문이다.
용융 도금 시 및 열간 프레스 성형에 수반하는 가열에 의하여 Al 도금층은 강판 중의 Fe와 합금화될 수 있다. 따라서 Al 도금층은, 반드시 성분 조성이 일정한 단일 층으로 형성된다고는 할 수 없으며, 부분적으로 합금화된 층(합금층)을 포함하는 것으로 된다.
Al 도금층의 부착량은, Al양 환산으로 20 내지 100g/㎡인 것이 바람직하다. Al 도금층의 부착량을 20g/㎡ 이상으로 함으로써, 다이 금형의 미끄럼 이동면에 적당한 양의 알루미늄 응착물을 응착시켜서 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모 억제 효과가 높아진다. 또한 프레스 성형품의 내식성도 높아진다. 한편, Al 도금층의 부착량을 100g/㎡ 초과로 하면, 하측 금형의 미끄럼 이동면에 다량의 알루미늄 응착물이 응착되어서 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모가 발생하는 경향이 높아진다.
Al 도금층의 부착량은, Al양 환산의 부착량으로 평가한다. Al 도금층의 부착량의 측정은, 형광 X선법을 이용한다. 구체적으로는 형광 X선법에 의하여, Al 도금층의 부착량(Al양 환산)이 기지인 몇 종류의 표준 시료를 사용하여 검량선을 작성한다. 그리고 검량선에 의하여, 측정 대상인 시료의 Al 강도를 Al 도금층의 부착량으로 환산하여 Al 도금층의 부착량을 구한다.
(아연(Zn) 화합물층 또는 금속 아연(Zn)층)
Zn 화합물층 또는 금속 Zn층은, ZnO 피막, 또는 열간 프레스 성형 시에 ZnO 피막으로 되는 층이다. 열간 프레스 성형 전에 도금 강판은 산화 분위기에서 가열된다. 이때 ZnO 피막 이외의 Zn 화합물층 또는 금속 Zn층은 산화되어서 ZnO 피막으로 된다. ZnO 피막 이외의 Zn 화합물층 또는 금속 Zn층은, 산화되어서 ZnO 피막으로 되는 것이면 특별히 종류는 관계없다. ZnO 피막 이외의 Zn 화합물층으로는 인산 아연층, Zn계 금속 비누층 등을 예시할 수 있다. 또한 Zn 화합물과 금속 Zn은, 가열에 의하여 타서 없어지는 수지와 혼합하여 ZnO 피막 이외의 Zn 화합물층 또는 금속 Zn층으로 해도 된다. Zn 화합물층 또는 금속 Zn층에 포함되는 Zn의 양은, 목표로 하는 제품의 ZnO 피막의 부착량에 따라 조절한다.
(ZnO 피막)
ZnO 피막은, 다이 금형과 접촉하는 면이자, 프레스 성형품의 외측의 면으로 되는 피막이다.
ZnO 피막의 형성 방법은 특별히 제한은 없으며, 예를 들어 특허문헌 1 및 2에 기재된 방법에 의하여 Al 도금층 상에 형성 가능하다.
ZnO 피막의 부착량은, 제품의 내식성의 관점에서는 Zn양 환산으로 0.4 내지 4.0g/㎡로 하는 것이 바람직하다. ZnO 피막의 부착량이 Zn양 환산으로 0.4g/㎡ 이상으로 하면 프레스 성형품의 내식성이 높아진다. ZnO 피막의 부착량이 Zn양 환산으로 4.0g/㎡를 초과하는 경우에는, Al 도금층 및 ZnO 피막의 두께가 지나치게 두꺼워져서 용접성, 도료 밀착성이 저하되는 일이 있다. ZnO 피막의 부착량은, Zn양 환산으로 0.4 내지 2.0g/㎡가 보다 바람직하다. 금형 마모의 관점에서는, Al 도금층의 부착량이 낮은 경우, ZnO 피막의 부착량은 상기 범위 내에서도 높은 것이 바람직하다.
또한 ZnO 피막의 부착량의 측정 방법으로서는 형광 X선법을 이용한다. 구체적으로는 형광 X선법에 의하여, ZnO 피막의 부착량(Zn양 환산)이 기지인 몇 종류의 표준 시료를 사용하여 검량선을 작성하고, 측정 대상인 시료의 Zn 강도를 ZnO 피막의 부착량으로 환산하여 ZnO 피막의 부착량을 구한다.
(프레스 성형품)
이어서, 본 실시 형태에 따른 프레스 성형품에 대하여 상세히 설명한다.
본 실시 형태에 따른 프레스 성형품은, 강 모재와, 강 모재 상에 합금화 용융 아연 도금(Al 도금)층과, Al 도금층 상에 최표층으로서 산화아연(ZnO)층을 갖는다.
최표층으로서의 산화아연(ZnO)층은, Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 실시할 때의 가열에 의하여 형성된다.
강 모재(강판)는, 높은 기계적 강도를 얻는다는 관점에서 그 경도 Hv_Parts가 HV 400 이상이며, HV 450 이상인 것이 바람직하고, HV 550 이상인 것이 보다 바람직하다.
또한 본 실시 형태에 따른 프레스 성형품은, 천장판부와, 천장판부에 제1 능선부를 개재하여 접속되는 종벽부와, 종벽부에 제2 능선부를 개재하여 접속되는 플랜지부를 갖는 형상이다. 예를 들어 도 3a 및 도 3b에 도시하는 형상을 갖는 천장판부가, 평탄한 해트 형상 단면을 갖는 열간 프레스 성형품(40)이나, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 형상을 갖는 열간 프레스 성형품(30)이다.
-제1 양태에 따른 프레스 성형품-
먼저, 제1 양태에 따른 프레스 성형품으로서, 측면측으로부터 관찰한 경우에 플랜지부의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min을 갖는 형상의 프레스 성형품에 대하여 설명한다. 또한 제1 양태에 따른 프레스 성형품의 일례로서, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 성형품을 예로 든다.
도 2a 및 도 2b에 도시하는 열간 프레스 성형품(30)은, 2개의 종벽부(33)와, 2개의 종벽부(33)를 제1 능선부(32)를 통해 잇는 천장판부(31)와, 2개의 종벽부(33)에 대하여 각각 제2 능선부(34)를 통해 천장판부(31)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(35)를 갖는다. 또한 천장판부(31)는, 열간 프레스 성형 시에 펀치의 정상면에 상당하는 부분이고, 종벽부(33)는, 펀치 및 다이 금형과 미끄럼 이동하는 부분이며, 플랜지부(35)는, 열간 프레스 성형에 의한 성형이 행해지지 않는 부분이다. 또한 제1 능선부(32)는, 천장판부(31)와 종벽부(33)를 잇는 만곡부이고, 제2 능선부(34)는, 종벽부(33)와 플랜지부(35)를 잇는 만곡부이다.
또한 열간 프레스 성형품(30)을 측면측으로부터 관찰한 경우, 즉, 도 2b에 도시한 바와 같이 y 방향으로부터 관찰한 경우, 천장판부(31), 종벽부(33) 및 플랜지부(35)가 모두 일부에서 만곡되어 있고, 천장판부(31)의 외측 방향을 향하여 일부가 부푼 형상이다. 그 때문에, 이 부푼 개소의 플랜지부(35)에서는, 곡률 반경이 최소로 되는 개소(즉, 굽힘이 가장 격심한 개소) PB0min이 존재하며, 측면측으로부터 관찰한 경우에 플랜지부(35) 전체로서 곡률 반경이 일정하지 않고, 또한 천장판부(31)도 전체로서 곡률 반경이 일정하지 않은 형상이다.
·제2 능선부에서의 곡률 반경(제1 양태)
그리고 제1 양태에 따른 프레스 성형품에서는, 제2 능선부(34)에 있어서 곡률 반경이 가장 작게 되는 개소(즉, 굽힘이 가장 격심한 개소)에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이다. 여기서, 제2 능선부(34)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]이 10 미만인 것은, Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 행하여 프레스 성형품(30)을 제조할 때, 종벽부(33)로 되는 개소에 고면압이 걸려 있는 것을 나타낸다. 그 때문에, 고면압이 걸리는 종벽부(33)에 있어서, 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬운 조건에서 열간 프레스 성형이 실시된 프레스 성형품이라고 할 수 있다. 또한 제2 능선부(34)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]의 상한값이 8㎜ 이하이면, 종벽부(33)에 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 더 발생하기 쉽다고 할 수 있다.
한편, 제2 능선부(34)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]의 하한값은, 프레스 성형 시의 균열 방지의 관점에서 3㎜ 이상이며, 바람직하게는 4㎜ 이상이다.
여기서, 곡률 반경은 다음과 같이 측정한다. 먼저, 제2 능선부(34)의 외측의 면, 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형과 접촉한 쪽의 면에 있어서의 3차원 형상을 3차원 형상 측정기에 의하여 측정한다. 그리고 횡단면에 있어서 곡률 반경이 가장 작게 되는 개소에서의 곡률 반경[Rmin]을 얻는다.
·천장판부와 종벽부의 평활도의 차(제1 양태)
또한 제1 양태에 따른 프레스 성형품은, 천장판부(31)와 종벽부(33)에 있어서 평활도에 차가 생긴다. 구체적으로는, 천장판부(31)에 관해서는, 측면측으로부터 관찰한 경우(즉, 도 2b에 도시한 바와 같이 y 방향으로부터 관찰한 경우)에, 플랜지부(35)에서의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min에 대응하는 위치(즉, 도 2b에 도시한 바와 같이 y 방향부터 관찰한 경우에, 플랜지부(35) 상의 개소 PB0min에 대하여 z 방향으로 어긋나게 하기만 하면, x 방향으로는 어긋나게 하지 않고 도달할 수 있는 천장판부(31) 상의 위치)이고, 또한 천장판부(31)에 있어서의 폭 방향(즉, y 방향)에서의 중심 개소 PB1min에 있어서 평활도[SaB1]를 측정한다. 또한 종벽부(33)에 관해서는, 측면측으로부터 관찰한 경우에 개소 PB0min에 대응하는 개소(즉, 도 2b에 도시한 바와 같이 y 방향부터 관찰한 경우에, 플랜지부(35) 상의 개소 PB0min에 대하여 z 방향으로 어긋나게 하기만 하면, x 방향으로는 어긋나게 하지 않고 도달할 수 있는 종벽부(33) 상의 위치)이고, 또한 종벽부(33)에 있어서의 높이 방향(즉, z 방향)에서의 중심 개소 PB2min에 있어서 평활도[SaB2]를 측정한다. 또한 개소 PB1min 및 개소 PB2min 중 어느 곳에 있어서도 외측의 면, 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형과 접촉한 쪽의 면에 있어서 측정한다.
그리고 이 차[SaB1-SaB2]가 0.30㎛ 이상이다.
여기서, 천장판부(31)와 종벽부(33)의 평활도의 차[SaB1-SaB2]가 상기 범위인 것은, Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 행하여 프레스 성형품(30)을 제조할 때, 종벽부(33)로 되는 개소에 비해, 천장판부(31)로 되는 개소보다도 고면압이 걸려 있는 것을 나타낸다. 종벽부(33)에 고면압이 걸려서 미끄럼 이동함으로써, 천장판부(31)보다도 종벽부(33)의 표면 쪽이 평활해지기 때문이다. 그리고 고면압이 걸리는 종벽부(33)에 있어서, 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬운 조건에서 열간 프레스 성형이 실시된 프레스 성형품이라고 할 수 있다. 또한 평활도의 차[SaB1-SaB2]가 0.35㎛ 이상이면, 종벽부(33)에 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 더 발생하기 쉬운 조건에서 성형되어 있다고 할 수 있다.
한편, 평활도의 차[SaB1-SaB2]의 상한값으로서는, 도장 후의 선예성의 관점에서 2.0㎛ 이하가 보다 바람직하다.
또한 평활도[SaB1] 및 [SaB2]는, ISO25178-2(2012)에 규정되는 산술 평균 높이 Sa(단위: ㎛)를 가리킨다. 측정 장치 및 측정 조건 등은 이하와 같다.
측정 장치: (주) 키엔스 제조의 VK-X250/150 형상 해석 레이저 현미경
측정 범위: PB1min, PB2min의 중심점을 중심으로 하여 5㎜×5㎜
측정 조건: 가우스 필터를 사용
S 필터: 사용 없음
L 필터: 4㎜
·천장판부와 종벽부의 표면 성상의 애스펙트비의 차(제1 양태)
또한 제1 양태에 따른 프레스 성형품은, 천장판부(31)와 종벽부(33)에 있어서 표면 성상의 애스펙트비의 차가 작다. 구체적으로는, 천장판부(31) 및 종벽부(33) 중 어느 것에 관해서도, 상기 평활도와 마찬가지로 개소 PB1min 및 개소 PB2min에 있어서 표면 성상의 애스펙트비[StrB1] 및 표면 성상의 애스펙트비[StrB2]를 측정한다. 또한 평활도와 마찬가지로 모두 외측의 면, 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형과 접촉한 쪽의 면에 있어서 측정한다.
그리고 이 차[StrB1-StrB2]가 0.50 이하이다.
여기서, 천장판부(31)와 종벽부(33)의 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrB1-StrB2]가 작을수록, 열간 프레스 성형 시에 종벽부(33)로 되는 개소에 비해, 천장판부(31)로 되는 개소보다도 고면압이 걸려 있음에도 불구하고, 종벽부(33)에 있어서 미끄럼 이동에 의한 긁힘의 발생이 억제된 프레스 성형품인 것을 나타낸다. 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 현저히 발생한 경우, 그 긁힘은 줄무늬상이기 때문에 그 부분의 표면 성상의 애스펙트비 Str이 저하된다. 또한 긁힘이 발생한 부분은, 도장 전에 있어서는 광택부로 된다. 또한 도장 후에 있어서는 광택도에 차가 나타나기 때문에 문양처럼 시인되어서 표면 품위가 떨어진다. 그러나 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrB1-StrB2]를 작게 함으로써, 도장 후의 광택도의 차가 25 이하인 제1 양태에 따른 프레스 성형품을 실현할 수 있어서, 우수한 표면 품위를 구비한다.
또한 경도 Hv_Parts가 HV 400 이상으로 고경도인 강 모재를 사용한 프레스 성형품에서는, 특히 프레스 성형 시에 응력이 집중적으로 걸린 개소에 있어서, 수소 취화 등의 이유에 의하여 지연 파괴가 발생하기 쉽다. 그러나 이에 비해, 제1 양태에 따른 프레스 성형품은, 상기와 같이 종벽부(33)에 있어서의 긁힘의 발생이 억제되어 있는 점에서 종벽부(33)로의 응력의 집중도 억제되어 있다고 할 수 있다. 그 때문에, 응력 집중 개소에서 생기기 쉬운 지연 파괴도 억제된다.
또한 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrB1-StrB2]는, 우수한 표면 품위 및 지연 파괴의 억제의 관점에서 0.50 이하인 것이 바람직하고, 0.40 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한 표면 성상의 애스펙트비[StrB1] 및 [StrB2]는, ISO25178-2(2012)에 규정되는 표면 성상의 애스펙트비 Str을 가리킨다. 측정 장치 및 측정 조건 등은 이하와 같다.
측정 장치: (주) 키엔스 제조의 VK-X250/150 형상 해석 레이저 현미경
측정 범위: PB1min, PB2min의 중심점을 중심으로 하여 5㎜×5㎜
측정 조건: 가우스 필터를 사용
S 필터: 사용 없음
L 필터: 4㎜
또한 천장판부(31)와 종벽부(33)의 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrB1-StrB2]를 상기 범위로 제어하는 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 전술한 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 의하여 프레스 성형품을 성형하는 방법을 들 수 있다.
본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 의하여 프레스 성형품을 성형함으로써, 다이 금형으로의 응착이 억제된다. 응착물이 다량으로 부착되면 마찰 계수가 상승하여 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬워지지만, 상기와 같이 응착물이 저감됨으로써 마찰 계수의 상승도 억제되어서 종벽부(33)에서의 미끄럼 이동에 의한 긁힘의 발생이 억제된다. 그 결과, 표면 성상의 애스펙트비의 차[Str1-Str2]를 상기 범위로 제어할 수 있을 것으로 생각된다.
-제2 양태에 따른 프레스 성형품-
이어서, 제2 양태에 따른 프레스 성형품에 대하여 설명한다. 또한 제2 양태에 따른 프레스 성형품의 일례로서, 도 3a 및 도 3b, 그리고 도 4a 및 도 4b에 도시하는 성형품을 예로 든다.
도 3a 및 도 3b에 도시하는 열간 프레스 성형품(40)은, 2개의 종벽부(43)와, 2개의 종벽부(43)를 제1 능선부(42)를 개재하여 잇는 평탄한 천장판부(41)와, 2개의 종벽부(43)에 대하여 각각 제2 능선부(44)를 개재하여 천장판부(41)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(45)를 갖는다. 또한 천장판부(41)는, 열간 프레스 성형 시에 펀치의 정상면에 상당하는 부분이고, 종벽부(43)는, 펀치 및 다이 금형과 미끄럼 이동하는 부분이며, 플랜지부(45)는, 열간 프레스 성형에 의한 성형이 행해지지 않는 부분이다. 또한 제1 능선부(42)는, 천장판부(41)와 종벽부(43)를 잇는 만곡부이고, 제2 능선부(44)는, 종벽부(43)와 플랜지부(45)를 잇는 만곡부이다.
또한 열간 프레스 성형품(40)을 측면측으로부터 관찰한 경우, 즉, 도 3a에 도시한 바와 같이 y 방향으로부터 관찰한 경우, 천장판부(41), 종벽부(43) 및 플랜지부(45)가 모두 평탄한 형상이다. 그리고 이 열간 프레스 성형품(40)에서는, 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면, 예를 들어 도 3b에 도시하는 단면 등)을 관찰한 경우에, 어떤 곳에서 절단한 횡단면을 관찰하더라도 좌우 대칭의 형상으로 되어 있다. 또한 열간 프레스 성형품(40)은, 어떤 곳에서 절단한 횡단면을 관찰하더라도 제2 능선부(44)의 곡률 반경이 동일한 값으로 되는 형상이다. 즉, 어떤 곳에서 절단한 횡단면에 있어서도 제2 능선부(44)의 곡률 반경은 일정하며, 달리 말하면, 어떤 곳에서 절단한 횡단면에 있어서도 제2 능선부(44)의 곡률 반경은 최솟값이다.
도 4a 및 도 4b에 도시하는 열간 프레스 성형품(50)은 자동차용 센터 필러이며, 2개의 종벽부(53a, 53b)와, 2개의 종벽부(53a, 53b)를 제1 능선부(52a, 52b)를 각각 개재하여 잇는 평탄한 천장판부(51)와, 2개의 종벽부(53a, 53b)에 대하여 각각 제2 능선부(54a, 54b)를 개재하여 천장판부(51)와는 반대측에서 접속되는 플랜지부(55a, 55b)를 갖는다. 또한 천장판부(51)는, 열간 프레스 성형 시에 펀치의 정상면에 상당하는 부분이고, 종벽부(53a, 53b)는, 펀치 및 다이 금형과 미끄럼 이동하는 부분이며, 플랜지부(55a, 55b)는, 열간 프레스 성형에 의한 성형이 행해지지 않는 부분이다. 또한 제1 능선부(52a, 52b)는, 천장판부(51)와 종벽부(53a, 53b)를 잇는 만곡부이고, 제2 능선부(54a, 54b)는, 종벽부(53a, 53b)와 플랜지부(55a, 55b)를 잇는 만곡부이다.
이 열간 프레스 성형품(50)에서는, 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면)을 관찰한 경우에 좌우의 형상이 대칭이 아닌 개소가 존재한다. 예를 들어 도 4b에 도시하는 횡단면에서는, 평탄한 천장판부(51)의 양측에 존재하는 2개의 제1 능선부(52a, 52b)의 z 방향 높이가 다르며, 우측의 제1 능선부(52a) 쪽이 좌측의 제1 능선부(52b)보다도 z 방향으로 솟아올라 높아진 형상이다. 또한 도 4b에 도시하는 횡단면에서는, 2개의 플랜지부(55a, 55b)의 z 방향 높이도 다르며, 우측의 플랜지부(55a) 쪽이 좌측의 플랜지부(55b)보다도 높은 형상이다. 그리고 이 열간 프레스 성형품(50)에서는, 횡단면을 관찰한 경우에 절단하는 개소에 따라 제2 능선부(54a, 54b)의 곡률 반경이 다른 형상이며, 도 4b에 도시하는 횡단면(도 4a의 B-B' 단면)에서의 제2 능선부(54a)의 곡률 반경이 최소로 되는 형상이다.
·제2 능선부에서의 곡률 반경(제2 양태)
그리고 제2 양태에 따른 프레스 성형품에서는, 제2 능선부(44, 54a, 또는 54b)에 있어서 곡률 반경이 가장 작게 되는 개소(즉, 굽힘이 가장 격심한 개소)에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이다. 여기서, 제2 능선부(44, 54a 또는 54b)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]이 10 미만인 것은, Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 행하여 프레스 성형품(40, 50)을 제조할 때, 종벽부(43, 53a 또는 53b)로 되는 개소에 고면압이 걸려 있는 것을 나타낸다. 그 때문에, 고면압이 걸리는 종벽부(43, 53a 또는 53b)에 있어서, 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬운 조건에서 열간 프레스 성형이 실시된 프레스 성형품이라고 할 수 있다. 또한 제2 능선부(44, 54a 또는 54b)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]의 상한값이 8㎜ 이하이면, 종벽부(43, 53a 또는 53b)에 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 더 발생하기 쉽다고 할 수 있다.
한편, 제2 능선부(44, 54a 또는 54b)에서의 최소 곡률 반경[Rmin]의 하한값은, 프레스 성형 시의 균열 방지의 관점에서 3㎜ 이상이며, 바람직하게는 4㎜ 이상이다.
또한 곡률 반경의 측정은, 전술한 제1 양태에 있어서의 제2 능선부에서의 곡률 반경의 측정 방법에 준하여 행한다.
·천장판부와 종벽부의 평활도의 차(제2 양태)
또한 제2 양태에 따른 프레스 성형품은, 천장판부와 종벽부에 있어서 평활도에 차가 생긴다. 구체적으로는, 프레스 성형품의 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면)을 관찰한 경우에 제2 능선부의 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면을 측정 대상으로 한다. 즉, 도 3a 및 도 3b에 도시하는 프레스 성형품(40)이면, 어떤 곳에서 절단한 횡단면에 있어서도 제2 능선부(44)의 곡률 반경은 최솟값으로 되기 때문에 어떤 횡단면을 측정 대상으로 해도 되며, 바람직하게는 긴 쪽 방향(x 방향)의 중심 위치에서의 횡단면이 권장된다. 또한 도 4a 및 도 4b에 도시하는 프레스 성형품(50)이면, 도 4b에 도시하는 횡단면(도 4a의 B-B' 단면)에서의 제2 능선부(54a)의 곡률 반경이 최소로 되기 때문에, 이 도 4b에 도시하는 횡단면을 측정 대상으로 한다. 그리고 이 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면에 있어서, 천장판부(41, 51)의 횡단면 폭 방향에서의 중심 개소(예를 들어 도 3b이면, 천장판부(41)의 y 방향 길이 W의 한가운데(W/2)의 개소) PA1min에 있어서 평활도[SaA1]를 측정한다.
또한 종벽부에 관해서도, 마찬가지로 프레스 성형품의 긴 쪽 방향(x 방향)에 직교하는 방향의 단면(횡단면)을 관찰한 경우에 제2 능선부의 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면을 측정 대상으로 한다. 그리고 이 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면에 있어서, 종벽부(43, 53a)의 횡단면 높이 방향에서의 중심 개소(예를 들어 도 3b이면, 종벽부(43)의 z 방향 길이 H의 한가운데(H/2)의 개소) PA2min에 있어서 평활도[SaA2]를 측정한다.
또한 개소 PA1min 및 개소 PA2min 중 어느 곳에 있어서도 외측의 면, 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형과 접촉한 쪽의 면에 있어서 측정한다.
그리고 이 차[SaA1-SaA2]가 0.20㎛ 이상이다.
여기서, 천장판부와 종벽부의 평활도의 차[SaA1-SaA2]가 상기 범위인 것은, Al 도금 강판에 열간 프레스 성형을 행하여 프레스 성형품을 제조할 때, 종벽부로 되는 개소에 비해, 천장판부로 되는 개소보다도 고면압이 걸려 있는 것을 나타낸다. 종벽부에 고면압이 걸려서 미끄럼 이동함으로써, 천장판부보다도 종벽부의 표면 쪽이 평활해지기 때문이다. 그리고 고면압이 걸리는 종벽부에 있어서, 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬운 조건에서 열간 프레스 성형이 실시된 프레스 성형품이라고 할 수 있다. 또한 평활도의 차[SaA1-SaA2]가 0.30㎛ 이상이면, 종벽부에 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 더 발생하기 쉬운 조건에서 성형되어 있다고 할 수 있다.
한편, 평활도의 차[SaA1-SaA2]의 상한값으로서는, 도장 후의 선예성의 관점에서 2.0㎛ 이하가 보다 바람직하다.
또한 평활도[SaA1] 및 [SaA2]는, ISO25178-2(2012)에 규정되는 산술 평균 높이 Sa(단위: ㎛)를 가리킨다. 측정 장치 및 측정 조건 등은 이하와 같다.
측정 장치: (주) 키엔스 제조의 VK-X250/150 형상 해석 레이저 현미경
측정 범위: PA1min, PA2min의 중심점을 중심으로 하여 5㎜×5㎜
측정 조건: 가우스 필터를 사용
S 필터: 사용 없음
L 필터: 4㎜
·천장판부와 종벽부의 표면 성상의 애스펙트비의 차(제2 양태)
또한 제2 양태에 따른 프레스 성형품은, 천장판부와 종벽부에 있어서 표면 성상의 애스펙트비의 차가 작다. 구체적으로는, 천장판부(도 3b에 있어서의 41, 도 4b에 있어서의 51) 및 종벽부(도 3b에 있어서의 43, 도 4b에 있어서의 53a) 중 어느 것에 관해서도, 상기 평활도와 마찬가지로 개소 PA1min 및 개소 PA2min에 있어서 표면 성상의 애스펙트비[StrA1] 및 표면 성상의 애스펙트비[StrA2]를 측정한다. 또한 평활도와 마찬가지로 모두 외측의 면, 즉, 열간 프레스 성형 시에 다이 금형과 접촉한 쪽의 면에 있어서 측정한다.
그리고 이 차[StrA1-StrA2]가 0.50 이하이다.
여기서, 천장판부와 종벽부의 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrA1-StrA2]가 작을수록, 열간 프레스 성형 시에 종벽부로 되는 개소에 비해, 천장판부로 되는 개소보다도 고면압이 걸리고 있음에도 불구하고, 종벽부에 있어서 미끄럼 이동에 의한 긁힘의 발생이 억제된 프레스 성형품인 것을 나타낸다. 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 현저히 발생한 경우, 그 긁힘은 줄무늬상이기 때문에 그 부분의 표면 성상의 애스펙트비 Str이 저하된다. 또한 긁힘이 발생한 부분은, 도장 전에 있어서는 광택부로 된다. 또한 도장 후에 있어서는 광택도에 차가 나타나기 때문에 문양처럼 시인되어서 표면 품위가 떨어진다. 그러나 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrA1-StrA2]를 작게 함으로써, 도장 후의 광택도의 차가 25 이하인 제2 양태에 따른 프레스 성형품을 실현할 수 있어서, 우수한 표면 품위를 구비한다.
또한 경도 Hv_Parts가 HV 400 이상으로 고경도인 강 모재를 사용한 프레스 성형품에서는, 특히 프레스 성형 시에 응력이 집중적으로 걸린 개소에 있어서, 수소 취화 등의 이유에 의하여 지연 파괴가 발생하기 쉽다. 그러나 이에 비해, 제2 양태에 따른 프레스 성형품은, 상기와 같이 종벽부에 있어서의 긁힘의 발생이 억제되어 있는 점에서 종벽부로의 응력의 집중도 억제되어 있다고 할 수 있다. 그 때문에, 응력 집중 개소에서 생기기 쉬운 지연 파괴도 억제된다.
또한 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrA1-StrA2]는, 우수한 표면 품위 및 지연 파괴의 억제의 관점에서 0.50 이하인 것이 바람직하고, 0.40 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한 표면 성상의 애스펙트비[StrA1] 및 [StrA2]는, ISO25178-2(2012)에 규정되는 표면 성상의 애스펙트비 Str을 가리킨다. 측정 장치 및 측정 조건 등은 이하와 같다.
측정 장치: (주) 키엔스 제조의 VK-X250/150 형상 해석 레이저 현미경
측정 범위: PA1min, PA2min의 중심점을 중심으로 하여 5㎜×5㎜
측정 조건: 가우스 필터를 사용
S 필터: 사용 없음
L 필터: 4㎜
또한 천장판부와 종벽부의 표면 성상의 애스펙트비의 차[StrA1-StrA2]를 상기 범위로 제어하는 방법으로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 전술한 본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 의하여 프레스 성형품을 성형하는 방법을 들 수 있다.
본 실시 형태에 따른 열간 프레스 성형품의 제조 방법에 의하여 프레스 성형품을 성형함으로써, 다이 금형으로의 응착이 억제된다. 응착물이 다량으로 부착되면 마찰 계수가 상승하여 미끄럼 이동에 의한 긁힘이 발생하기 쉬워지지만, 상기와 같이 응착물이 저감됨으로써 마찰 계수의 상승도 억제되어서 종벽부에서의 미끄럼 이동에 의한 긁힘의 발생이 억제된다. 그 결과, 표면 성상의 애스펙트비의 차[Str1-Str2]를 상기 범위로 제어할 수 있을 것으로 생각된다.
·산화아연층의 평균 두께(제1 및 제2 양태)
제1 및 제2 양태에 따른 프레스 성형품에서는, 최표층인 산화아연(ZnO)층의 평균 두께가 0.3㎛ 이상 2.0㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.4㎛ 이상 1.5㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다.
또한 여기서 말하는 평균 두께란, 열간 프레스 성형 시에 미끄럼 이동이 적은 개소, 구체적으로는, 도 2a, 도 3b, 또는 도 4b에 도시하는 프레스 성형품(30, 40, 또는 50)이면, 천장판부(31, 41, 또는 51)의 내측에 있어서의 ZnO층의 두께를 가리킨다.
ZnO층의 평균 두께가 0.3㎛ 이상임으로써, 열간 프레스 성형 시의 다이 금형으로의 응착이 억제된다. 한편, ZnO층의 평균 두께가 2.0㎛ 이하임으로써, 우수한 용접성이 얻어지고, 또한 Al 도금층이 지나치게 얇아지지 않기 때문에 높은 내식성도 유지된다.
또한 ZnO층의 평균 두께는, 열간 프레스 성형 시의 가열의 유지 시간이나, 성형 전의 ZnO 피막의 도포에 따라 조정할 수 있다.
ZnO층의 평균 두께는, 상기와 같이 열간 프레스 성형 시에 미끄럼 이동이 적은 개소에서 측정한다. 구체적으로는 이하의 방법에 의하여 두께를 측정한다.
프레스 성형품을 횡단면에서 절단하고, 단면의 천장판부의 최표층에 있어서의 도금층 구조를 니혼 덴시 제조의 전자 현미경 JSM-7001F를 사용하여 관찰·분석한다. 그리고 최표면에 존재하는 ZnO층의 두께의 최대부의 판 두께 방향 두께를 측정한다.
또한 무작위로 선택한 천장판부의 내측 3개소에 대하여 측정하고 그 평균값을 취한다.
실시예
다음으로, 실시예를 나타내면서 본 개시를 더 설명한다. 또한 본 개시가, 다음에 나타내는 실시예에 한정되는 일은 없다.
≪도금 강판의 제작≫
<Al 도금 강판(A1)>
판 두께 1.6㎜의 냉연 강판(질량%로, C: 0.21%, Si: 0.12%, Mn: 1.21%, P: 0.02%, S: 0.012%, Ti: 0.02%, B: 0.03%, Al: 0.04%, 그리고 잔부: Fe 및 불순물)의 양면에 센지미어법으로 Al 도금층을 형성하였다. 어닐링 온도는 약 800℃로 하며, Al 도금욕은 Si를 9질량% 함유하고, 그 외에 냉연 강판으로부터 용출되는 Fe를 함유하고 있었다. 도금 후의 Al 도금층의 부착량(단위 면적당 중량)을 가스 와이핑법으로 조정하여, 냉연 강판의 양면(상면 및 하면)에 형성하는 Al 도금층의 부착량(단위 면적당 중량)을 모두 40g/㎡로 한 후, 냉각하였다. 그 후, 양면의 Al 도금층 상에 약액(씨아이 가세이(주)사 제조의 nanotek slurry, 산화아연 입자의 입경=70㎚)을 롤 코터로 도포하고 약 80℃에서 시징하는 작업을 각각 실시하여, 부착량(Zn 환산량) 0.8g/㎡의 ZnO 피막을 양면에 형성하였다.
이와 같이 하여 Al 도금 강판(A1)의 공시재를 얻었다.
<Al 도금 강판(A2, M3, K4 및 Z5)>
Al 도금층의 상면 및 하면에서의 부착량(단위 면적당 중량), 피막의 유무, 피막의 재질, 피막의 상면 및 하면에서의 부착량(Zn 환산량)을, 각각 하기 표 1에 기재된 바와 같이 변경한 것 이외에는, Al 도금 강판(A1)과 마찬가지로 하여 Al 도금 강판의 공시재를 얻었다.
Figure pct00001
-실시예 A-
≪다이 금형의 제작≫
·모재
표 1에 기재되는 재질의 강을 준비하여, 어닐링 상태에서 도 8에 도시하는 상형(102A) 및 하형(102B)에 근사한 형상으로 조가공하고, 진공 중 1180℃의 가열 유지로부터 질소 가스 냉각에 의하여 ??칭 후, 540 내지 580℃에서의 템퍼링에 의하여 64HRC로 조질하였다. 그 후, 마무리 가공을 행하여 다이 금형의 모재를 얻었다.
·질화층의 형성
이어서, 상형(102A) 및 하형(102B)에 있어서의 도금 강판(10)과 접촉(미끄럼 이동)하는 강판 접촉면에 질화층을 형성하였다.
상기 모재에, 다음에 나타내는 조건에서 이온 질화 처리를 실시하였다. 즉, 유량비 5% N2(잔 H2) 분위기 중에서, 500℃, 5시간 유지의 조건에서 이온 질화 처리를 실시한 후, 각각의 시험면을 연마에 의하여 마무리하여 질화층을 형성하였다.
·PVD막의 형성
모재의 질화층을 형성한 개소에, 아크 이온 플레이팅 장치를 사용하여, 압력 0.5㎩의 Ar 분위기 중에서 모재에 -400V의 Bias전압을 인가하고 60분의 열 필라멘트에 의한 플라스마 클리닝을 행하였다. 이후, 금속 성분의 증발원인 각종 금속제 타깃 및 반응 가스로서 N2 가스를 베이스로 하여, 필요에 따라 CH4 가스를 사용하여 모재 온도 500℃, 반응 가스 압력 3.0㎩, -50V의 Bias 전압으로 PVD막의 성막을 행하였다.
(실시예 1)
상기 ≪다이 금형의 제작≫에 기재된 방법에 준하여 PVD막의 조성을 하기 표 2에 기재된 것으로 하고, 또한 그 PVD막의 경도를 하기 표 2에 기재된 값으로 되도록 조정하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
얻어진 다이 금형의 강판 접촉면에 대하여, 접촉(미끄럼 이동)하는 도금 강판(10)의 미끄럼 이동 방향에 있어서의 스큐니스(Rsk)를 전술한 방법에 의하여 측정하였다. 또한 얻어진 다이 금형의 강판 접촉면에 대하여, 경도 Hv_Die를 전술한 방법에 의하여 측정하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
(실시예 2 내지 21)
상기 ≪다이 금형의 제작≫에 기재된 방법에 준하여 PVD막의 조성을 하기 표 2에 기재된 것으로 하고, 또한 그 PVD막의 경도를 하기 표 2에 기재된 값으로 되도록 조정하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
또한 실시예 5(조건 번호 7)에 있어서의 「DLC막」은, PVD법으로는 충분한 막 두께를 확보할 수 없었기 때문에 플라스마 CVD법을 사용하여 막 두께 2㎛의 경질층을 형성하였다.
또한 실시예 11(조건 번호 13) 및 실시예 20(조건 번호 25)에서는, AlCrN막 상에 AlVN막을 적층하여 적층막을 형성하였다.
(비교예 1)
다이 금형의 제작에 있어서, 질화층 및 PVD막을 형성하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
(비교예 2)
다이 금형의 제작에 있어서, PVD막을 형성하지 않은 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
(비교예 3)
다이 금형의 제작에 있어서, AlCrN의 PVD막 상에 「WC막」을 더 형성한 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지로 하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
(비교예 4, 5)
상기 ≪다이 금형의 제작≫에 기재된 방법에 준하여 PVD막의 조성을 하기 표 2에 기재된 것으로 하고, 또한 그 PVD막의 경도를 하기 표 2에 기재된 값으로 되도록 조정하여 다이 금형(상형(102A) 및 하형(102B))을 제작하였다.
표 2에 나타내는 도금 강판 및 다이 금형을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
<평가>
·금형 마모
먼저, 열간 윤활성의 평가 장치를 준비하였다. 도 8에 도시하는 열간 윤활성의 평가 장치는, 근적외선 가열로(100)와, 상형(102A) 및 하형(102B)만으로 이루어지는 금형을 구비하고 있다. 상형(102A) 및 하형(102B)은, 도금 강판의 인발 방향에 직교하는 방향으로 신장된 폭 10㎜의 볼록부를 갖고 있으며, 서로의 볼록부의 정상면에서 공시재를 끼워넣음으로써 소정의 가압 하중을 건다. 또한 열간 윤활성의 평가 장치에는, 근적외선 가열로(100)에서 가열한 도금 강판, 및 금형에서 끼워넣을 때의 도금 강판의 온도를 측정하기 위한 열전대(도시하지 않음)도 마련되어 있다. 또한 도 8 중, 10은 도금 강판의 공시재를 나타낸다.
도 8에 도시하는 열간 윤활성의 평가 장치를 사용하여, 근적외선 가열로(100)에 의하여 질소 분위기에서 30㎜×500㎜의 공시재를 920℃로 가열한 후, 약 700℃로 된 공시재를, 상형(102A) 및 하형(102B)만으로 이루어지는 금형에서 3kN의 가압 하중을 가하면서(즉, 공시재를 금형으로 미끄럼 이동시키면서) 인발하였다. 또한 인발 길이는 100㎜, 인발 속도는 40㎜/s로 하였다. 또한 920℃로 가열할 때의 평균 승온 속도는 7.5℃/초로 하였다.
상기 열간 윤활성의 평가 시험 전후에 있어서의 「열간 윤활성의 측정 장치의 금형」의 도금 강판(10)과 접촉(미끄럼 이동)하는 강판 접촉면의 표면 형상 차분을 분석함으로써 금형의 마모량을 측정하였다. 구체적으로는, 접촉식 형상 측정기를 사용하여, 미끄럼 이동 전후의 미끄럼 이동부에 있어서의 금형 표면의 프로파일을 계측하여 금형 마모량을 측정하였다. 또한 금형 마모량은, 상형 및 하형의 각각의 표면의 프로파일로부터 평균 마모량을 산출하고 그것들의 평균값으로 하였다.
얻어진 금형 마모량으로부터 이하의 평가 기준에 의하여 평가하였다.
A: 금형 마모량 0.5㎛ 이하
B: 금형 마모량 0.5㎛ 초과 1㎛ 이하
C: 금형 마모량 1㎛ 초과 2㎛ 이하
D: 금형 마모량 2㎛ 초과
·응착
금형으로의 응착에 대하여, 이하의 시험에 의하여 평가하였다.
상기 열간 윤활성의 평가 시험 전후에 있어서의 「열간 윤활성의 측정 장치의 금형」의 도금 강판(10)과 접촉(미끄럼 이동)하는 강판 접촉면의 표면 형상 차분을 분석함으로써 금형의 응착량을 측정하였다. 구체적으로는, 접촉식 형상 측정기를 사용하여, 미끄럼 이동 전후의 미끄럼 이동부에 있어서의 금형 표면의 프로파일을 계측하여, 응착물 부착부의 높이가 최대로 되는 위치에서의 응착 높이(이하, 금형 최대 응착 높이)를 측정하였다. 또한 금형 최대 응착 높이는, 상형 및 하형의 응착 높이 중의 최대값으로 하였다.
얻어진 금형 최대 응착 높이로부터 이하의 평가 기준에 의하여 평가하였다.
A: 금형 최대 응착 높이 0.5㎛ 이하
B: 금형 최대 응착 높이 0.5㎛ 초과 1㎛ 이하
C: 금형 최대 응착 높이 1㎛ 초과 3㎛ 이하
D: 금형 최대 응착 높이 3㎛ 초과
Figure pct00002
표 2로부터, 실시예 1 내지 18에서는, 다이 금형의 강판 접촉면에, 미끄럼 이동 방향으로의 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 형성한 것에 의하여, 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모를 저감할 수 있는 것을 확인하였다.
또한 실시예 8 내지 11, 16 내지 20에서는, 다이 금형의 강판 접촉면에, 미끄럼 이동 방향으로의 스큐니스(Rsk)가 0 이상 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인 경질층을 형성한 것에 의하여, 다이 금형의 미끄럼 이동면의 마모를 저감하면서 또한 금형으로의 응착도 억제할 수 있는 것을 확인하였다.
-실시예 B-
≪다이 금형의 제작≫
상기 「실시예 A」에 있어서의 조건 번호 1, 3, 6, 10, 11, 14, 15, 17 및 19에서 제작한 다이 금형에 있어서, 그 형상을, 도 2a 및 도 2b에 도시하는 프레스 성형품을 성형할 수 있는 형상의 것으로 함과 함께, 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 하기 표 3 및 표 4에 기재된 값으로 되는 형상의 것으로 변경하고, 또한 모재를, 종벽부에서의 경도 Hv_Die가 하기 표 3 및 표 4에 기재된 것으로 변경한 것 이외에는, 「실시예 A」에 있어서의 각 조건 번호와 마찬가지로 하여 다이 금형을 제작하였다.
또한 질화층 및 PVD막의 성형 개소는, 프레스 성형 시에 금형과 재료가 접촉할 것으로 상정되는 전역에 걸쳐 형성하였다.
≪프레스 성형품의 제작≫
표 3 및 표 4에 기재된 조건 번호의 다이 금형을 사용하여, 노온 설정: 920℃, 재로 5분(성형품 번호 11만 재로 6분), 성형 개시 온도: 700℃에서 열간 프레스 성형을 행하였다.
얻어진 프레스 성형품에 대하여, 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin], 프레스 성형품의 횡단면을 관찰한 경우에 제2 능선부의 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면에 있어서 천장판부의 횡단면 폭 방향에서의 중심 개소 PA1min에서의 평활도[SaA1], 종벽부의 횡단면 높이 방향에서의 중심 개소 PA2min에서의 평활도[SaA2], 천장판부에 있어서의 개소 PA1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA1], 종벽부에 있어서의 개소 PA2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA2]를 전술한 방법에 의하여 측정하였다. 측정 결과를 표 3에 나타낸다.
또한 얻어진 프레스 성형품에 대하여, 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin], 측면측으로부터 관찰한 경우에 플랜지부의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min에 대응하는 천장판부에 있어서의 폭 방향에서의 중심 개소 PB1min에서의 평활도[SaB1], 측면측으로부터 관찰한 경우에 개소 PB0min에 대응하는 종벽부에 있어서의 높이 방향에서의 중심 개소 PB2min에서의 평활도[SaB2], 천장판부에 있어서의 개소 P1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB1], 종벽부에 있어서의 개소 PB2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB2]를 전술한 방법에 의하여 측정하였다. 측정 결과를 표 4에 나타낸다.
또한 표 3 및 표 4에 나타내는 프레스 성형품을 사용하여, 후술하는 평가를 실시하였다.
<평가>
·종벽부의 표면 품위
얻어진 각 성형품 번호의 프레스 성형품에 대하여 막 두께 15㎛의 전착 도장, 및 막 두께 20㎛의 오버코팅을 실시한 후의 제품에 대하여, 종벽부에서의 표면 품위를 이하의 기준에 의하여 판정하였다.
A: 표면 품위 우수(광택도 차<15, 표면에 흠집 없음)
B: 표면 품위 OK(15≤광택도 차<30, 표면에 흠집 없음)
C: 표면 품위 NG(광택도 차≥30, 표면에 흠집 없음)
D: 표면 결함 있어서 NG(제품 표면에 줄무늬상의 흠집 있음)
·광택도 차
천장판부 중 측면측으로부터 관찰한 경우에 플랜지부의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min에 대응하는 천장판부에 있어서의 폭 방향에서의 중심 개소 PB1min과, 종벽부 중 측면측으로부터 관찰한 경우에 개소 PB0min에 대응하는 종벽부에 있어서의 높이 방향에서의 중심 개소 PB2min의 광택도를 각각 이하의 방법에 의하여 측정하고, 이 2개소에서의 광택도의 차를 산출하였다.
또한 광택도의 측정은, JIS Z 8741(1997)에 규정되는, 흑색 경면 유리 n=1.567의 반사율을 기준 100으로 한 반사율의 상대값을, 광의 입사 각도 60°에서 계측하였다.
Figure pct00003
Figure pct00004
·성형품 번호 1
제2 능선부에서의 최소 곡률 반경[Rmin]이 커서, 종벽부에 걸리는 면압이 낮을 것으로 생각되고, 평활도의 차[SaB1-SaB2]가 작게 되어 있다.
·성형품 번호 2, 10
제2 능선부에서의 최소 곡률 반경[Rmin]이 성형품 번호 1보다 작아서, 종벽부에 걸리는 면압이 높을 것으로 생각되고, 평활도의 차[SaB1-SaB2]가 크게 되어 있다.
경도 Hv_Die가 HV 2000 미만이라는 조건 및 스큐니스(Rsk)가 1.3 초과라는 조건 중 적어도 한쪽을 만족시키는 금형을 사용한 열간 프레스 성형에서는, 금형으로의 도금 응착이 발생하고 종벽에 스크래치 흠집이 발생하기 때문에, 표면 상태의 이방성을 나타내는 파라미터인 종벽부 표면 성상의 애스펙트비[StrA2], [StrB2]가 크게 저하되어서 0에 가깝게 되어 있다.
또한 종벽부의 스크래치 흠집 부분과 ZnO층의 광의 반사 정도에 차가 있기 때문에 광택도의 차가 크게 되어 있다.
·성형품 번호 3 내지 9
제2 능선부에서의 최소 곡률 반경[Rmin]이 성형품 번호 1보다도 작아서, 종벽부에 걸리는 면압이 높을 것으로 생각되고, 평활도의 차[SaB1-SaB2]가 크게 되어 있다.
그러나 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하라는 조건 및 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상 HV 3200 이하라는 조건의 양쪽을 만족시키는 금형을 사용한 열간 프레스 성형에서는, 종벽부에서의 스크래치 흠집의 발생이 억제되고, 표면 상태의 이방성을 나타내는 파라미터인 종벽부 표면 성상의 애스펙트비[StrA2], [StrB2]의 저하도 억제된다.
그 때문에 종벽부와 천장판부의 광택도의 차는 작게 되어 있다.
·성형품 번호 8 내지 10
프레스 성형품의 모재 강도가 다른 예이다.
·성형품 번호 11
피막종이 다른 예이다.
또한 표 3 및 표 4에 기재된 「모재 종벽부 HV_Parts(HV, 20℃)」는, 프레스 성형품의 종벽부의 판 두께의 1/4의 위치로부터 채취하여 측정한 경도 HV_Parts이다.
이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 개시의 적합한 실시 형태에 대하여 상세히 설명하였지만, 본 개시는 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 본 개시가 속하는 기술의 분야에 있어서의 통상의 지식을 갖는 자이면, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상의 범위 내에 있어서 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 이들에 대해서도 당연히 본 개시의 기술적 범위에 속하는 것으로 이해된다.
또한 일본 출원 제2018-077794의 개시는, 그 전체가 참조에 의하여 본 명세서에 도입된다.
본 명세서에 기재된 모든 문헌, 특허 출원 및 기술 규격은, 개개의 문헌, 특허 출원 및 기술 규격이 참조에 의하여 도입되는 것이 구체적이고 개개에 기재된 경우와 동일한 정도로 본 명세서 중에 참조에 의하여 도입된다.
10: 도금 강판
11, 111: 다이 금형(다이스)
11A, 111A: 강판 접촉면
11B, 111B: 다이 숄더부
11C, 111C: 경질층
11D, 111D: 다이 구멍
12: 홀더(강판 압박 금형)
12C: 제2 경질층
13: 펀치
100: 근적외선 가열로
102A: 상형
102B: 하형
112: 강판
113: 펀치 금형
113C: 제2 경질층
114A, 114B: 알루미늄 도금층
116A, 116B: 아연 화합물층 또는 금속 아연층

Claims (30)

  1. Al 도금층 상에 최표층으로서 아연 화합물층 또는 금속 아연층을 갖는 Al 도금 강판에 다이 금형을 사용하여 열간 프레스 성형하는 열간 프레스 성형품의 제조 방법이며,
    상기 다이 금형은, 다이 구멍의 외측의 표면이고, 또한 열간 프레스 성형되기 전의 상기 Al 도금 강판과 접촉하는 강판 접촉면 중, 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 경질층은, 질화층과, 상기 질화층의 표면에 있는 경질 코팅층을 포함하는 층인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 경질 코팅층이 Cr을 함유하는 층인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, 열간 프레스 성형품의 제조 방법.
  8. 경도 Hv_Parts가 HV 400 이상인 강 모재와, 상기 강 모재 상에 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 최표층으로서 산화아연층을 갖고,
    천장판부와, 상기 천장판부에 제1 능선부를 개재하여 접속되는 종벽부와, 상기 종벽부에 제2 능선부를 개재하여 접속되는 플랜지부를 갖고,
    상기 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이고,
    프레스 성형품의 횡단면을 관찰한 경우에 상기 제2 능선부의 곡률 반경이 최소로 되는 횡단면에 있어서, 상기 천장판부의 횡단면 폭 방향에서의 중심 개소 PA1min에서의 평활도[SaA1]와, 상기 종벽부의 횡단면 높이 방향에서의 중심 개소 PA2min에서의 평활도[SaA2]의 차[SaA1-SaA2]가 0.20㎛ 이상이고,
    상기 천장판부에 있어서의 상기 개소 PA1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA1]와, 상기 종벽부에 있어서의 상기 개소 PA2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrA2]의 차[StrA1-StrA2]가 0.50 이하인, 프레스 성형품.
  9. 경도 Hv_Parts가 HV 400 이상인 강 모재와, 상기 강 모재 상에 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 최표층으로서 산화아연층을 갖고,
    천장판부와, 상기 천장판부에 제1 능선부를 개재하여 접속되는 종벽부와, 상기 종벽부에 제2 능선부를 개재하여 접속되는 플랜지부를 갖고,
    상기 제2 능선부에 있어서 곡률 반경이 최소로 되는 개소에서의 해당 곡률 반경[Rmin]이 3㎜ 이상 10㎜ 미만이고,
    측면측으로부터 관찰한 경우에 상기 플랜지부의 곡률 반경이 최소로 되는 개소 PB0min에 대응하는 상기 천장판부에 있어서의 폭 방향에서의 중심 개소 PB1min에서의 평활도[SaB1]와, 측면측으로부터 관찰한 경우에 상기 개소 PB0min에 대응하는 상기 종벽부에 있어서의 높이 방향에서의 중심 개소 PB2min에서의 평활도[SaB2]의 차[SaB1-SaB2]가 0.30㎛ 이상이고,
    상기 천장판부에 있어서의 상기 개소 PB1min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB1]와, 상기 종벽부에 있어서의 상기 개소 PB2min에서의 표면 성상의 애스펙트비[StrB2]의 차[StrB1-StrB2]가, 0.50 이하인, 프레스 성형품.
  10. 다이 구멍의 외측의 표면 및 다이 숄더부에 인접하는 다이 숄더 인접면 중, 상기 다이 숄더부에 인접하는 전체 영역에, 다이 구멍의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 경질층을 갖는, 다이 금형.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, 다이 금형.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 경질층은, 질화층과, 상기 질화층의 표면에 있는 경질 코팅층을 포함하는 층인, 다이 금형.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 3200 이하인, 다이 금형.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, 다이 금형.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, 다이 금형.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, 다이 금형.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 다이 금형과, 펀치 금형을 구비하고,
    상기 펀치 금형은, 상기 다이 금형의 상기 다이 숄더 인접면에 대향하는 대향면 중, 상기 다이 금형이 상기 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는, 금형 세트.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제2 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, 금형 세트.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 제2 경질층은, 제2 질화층과, 상기 제2 질화층의 표면에 있는 제2 경질 코팅층을 포함하는 층인, 금형 세트.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, 금형 세트.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, 금형 세트.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, 금형 세트.
  23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, 금형 세트.
  24. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 기재된 다이 금형과, 강판 압박 금형을 구비하고,
    상기 강판 압박 금형은, 상기 다이 금형의 상기 다이 숄더 인접면에 대향하는 대향면 중, 상기 다이 금형이 상기 경질층을 갖는 개소와 대향하는 전체 영역에, 펀치 삽입 관통부의 외측으로부터 내측을 향하는 방향으로 측정한 스큐니스(Rsk)가 1.3 이하, 또한 경도 Hv_Die가 HV 2000 이상인 제2 경질층을 갖는, 금형 세트.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 제2 경질층의 상기 스큐니스(Rsk)가 -5.0 이상인, 금형 세트.
  26. 제24항 또는 제25항에 있어서,
    상기 제2 경질층은, 제2 질화층과, 상기 제2 질화층의 표면에 있는 제2 경질 코팅층을 포함하는 층인, 금형 세트.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 3200 이하인, 금형 세트.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층이, Cr을 함유하는 층인, 금형 세트.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층이, Ti를 함유하고 또한 경도 Hv_Die가 HV 3160 이하인 층인, 금형 세트.
  30. 제26항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 경질 코팅층은, 경도 Hv_Die가 HV 2500 이상 HV 3000 이하인, 금형 세트.
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