KR20200132983A - 핫 스탬핑용 강판 - Google Patents

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KR20200132983A
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Abstract

핫 스탬핑용 강판은, 질량%로, C: 0.25% 이상 0.4% 이하, Si: 1.05% 이상 1.4% 이하, Mn: 0% 이상 1.4% 이하, Cr: 0.6% 이상 3.0% 이하, P: 0% 이상 0.03% 이하, S: 0% 이상 0.02% 이하, Al: 0.01% 이상 1% 이하, N: 0% 이상 0.01% 이하, B: 0.0005% 이상 0.005% 이하, 및 Ti: 0.005% 이상 0.1% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이다. 이 핫 스탬핑용 강판은, [C]+2/9[Si]+7/9[Mn]+8/9[Cr]-7/4>0의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성도 우수한 것이다.

Description

핫 스탬핑용 강판
본 발명은 핫 스탬핑용 강판에 관한 것이다.
근년, 자동차의 충돌 안전성의 향상이 요구되고 있고, 그에 수반하여, 자동차에 있어서 강성이 필요해지는 부위에 이용되는 핫 스탬핑용 강판에도 더한층의 고강도화가 요구되고 있다. 그러나, 강판의 강도를 향상시키면 저온 인성이 열화되어 버리기 때문에, 강도와 인성의 밸런스가 부족하게 된다. 이에 대해, 비특허문헌 1에는, 핫 스탬핑 후의 구 오스테나이트립을 미세화하는 것에 의해, 강판의 강도와 인성의 밸런스를 개선하는 것에 대하여 제안되어 있다.
또한 핫 스탬핑에서는, 금형 온도의 상승이나 금형과 강판 사이의 클리어런스에 기인하여, 강판의 내부에서의 냉각 속도가 저하되는 경우가 있다. 강판의 냉각 속도가 임계 냉각 속도 이하가 되면, 페라이트나 베이나이트 등의 연질상이 석출되기 때문에, 강판의 경도가 저하된다. 또한 특히, Ms점 이하에서의 냉각 속도가 저하되는 것에 의해 오토템퍼가 촉진되고, 이것이 강판의 경도 저하의 요인이 된다.
비특허문헌 2에서는, 금형과 강판 사이의 클리어런스를 변화시켰을 때의 냉각 속도의 변화에 대하여 검토되어 있고, 이 클리어런스가 0.4mm인 경우에 냉각 속도가 약 15℃/s까지 저하되는 것이 나타나 있다.
비특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 핫 스탬핑용 강판의 일반적인 조직 설계 기술로서 강의 결정립을 미세화하는 방법이 있고, 이에 의해 강도와 인성의 밸런스가 우수한 강판을 얻을 수는 있다. 결정립을 미세화하는 방법으로서는, Nb, Ni, Ti 등의 원소를 첨가하는 방법이 있지만, 이 경우에는 강판의 경제성이 악화된다. 또한 결정립을 미세화한 강판은, 담금질성이 열화되기 때문에, 경도 안정성이 부족하게 된다.
이 과제에 대해서, 금형 온도의 상승이나 금형과 강판 사이의 클리어런스와 같은 경도 저하의 요인이 되는 프로세스상의 과제를 개선하는 것도 생각된다. 그러나, 그 경우에는, 금형을 반복해서 수정하는 것이나 특별한 금형을 준비하는 것이 필요해져, 다대한 노력, 비용을 요한다. 따라서, 종래의 핫 스탬핑용 강판에서는, 강도와 인성의 밸런스가 우수하고 또한 경도 안정성도 우수한 부재(성형품)를, 노력이나 비용을 증가시키지 않고서 얻는 것이 어렵다는 과제가 있다.
히키다 가즈오 등 저 「TS 1800MPa급 핫 스탬핑용 강판의 개발」 마테리아 제52권, 제2호 2013년 제68-70페이지 나카지마 가쓰지 저 「다이 ??치에 의한 강의 강화 기술과 바디 부품에의 적용」 CAMP-ISIJ Vol. 17 2004년 제980-983페이지
본 발명의 목적은, 핫 스탬핑 공정에 있어서의 노력이나 비용의 증대를 억제하면서, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성도 우수한 성형품을 얻을 수 있는 핫 스탬핑용 강판을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 국면에 따른 핫 스탬핑용 강판은,
질량%로,
C: 0.25% 이상 0.4% 이하,
Si: 1.05% 이상 1.4% 이하,
Mn: 0% 이상 1.4% 이하,
Cr: 0.6% 이상 3.0% 이하,
P: 0% 이상 0.03% 이하,
S: 0% 이상 0.02% 이하,
Al: 0.01% 이상 1% 이하,
N: 0% 이상 0.01% 이하,
B: 0.0005% 이상 0.005% 이하, 및
Ti: 0.005% 이상 0.1% 이하
를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이다. 이 핫 스탬핑용 강판은, C 함유량을 [C], Si 함유량을 [Si], Mn 함유량을 [Mn], Cr 함유량을 [Cr]로 했을 때에, 하기 (1)의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성이 우수한 것이다.
Figure pct00001
본 발명에 의하면, 핫 스탬핑 공정에 있어서의 노력이나 비용의 증대를 억제하면서, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성도 우수한 성형품을 얻을 수 있는 핫 스탬핑용 강판을 제공할 수 있다.
도 1은 금형을 이용하여 평판을 담금질했을 때의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지와 10℃/s의 냉각 속도로 담금질했을 때의 경도의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 2는 핫 스탬핑의 프로세스를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 샤르피 진자식 충격 시험에 이용한 시험편의 각 치수를 나타내는 모식도이다.
도 4는 경도 시험에 이용한 시험편의 각 치수를 나타내는 모식도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판에 대하여 상세하게 설명한다.
(핫 스탬핑용 강판)
본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은,
질량%로,
C: 0.25% 이상 0.4% 이하,
Si: 1.05% 이상 1.4% 이하,
Mn: 0% 이상 1.4% 이하,
Cr: 0.6% 이상 3.0% 이하,
P: 0% 이상 0.03% 이하,
S: 0% 이상 0.02% 이하,
Al: 0.01% 이상 1% 이하,
N: 0% 이상 0.01% 이하,
B: 0.0005% 이상 0.005% 이하, 및
Ti: 0.005% 이상 0.1% 이하를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이다. 이 핫 스탬핑용 강판은, C 함유량을 [C], Si 함유량을 [Si], Mn 함유량을 [Mn], Cr 함유량을 [Cr]로 했을 때에, 하기 (1)의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성이 우수한 것이다.
Figure pct00002
본 발명자들은, 강도와 인성의 밸런스 및 경도 안정성의 양방이 우수한 핫 스탬핑용 강판을 얻기 위해, 강판의 성분 조성에 대하여 예의 연구를 행했다. 비특허문헌 2의 기재로부터, 핫 스탬핑 공정에서는, 금형과 강판 사이의 클리어런스나 금형 온도의 상승에 기인하여, 통상의 부재에서 30℃/s∼10℃/s의 범위로 냉각 속도의 변동이 발생하는 것이 예상되었다. 이 때문에, 본 발명자들은, 강도와 인성의 밸런스에 더하여, 냉각 속도의 변동이 발생하더라도 경도의 격차를 억제하는 것에 주목하여, 이를 달성하기 위한 강판의 성분계에 대하여 상세한 검토를 행했다. 그 결과, 본 발명자들은, 강판 중의 각 성분 조성이 상기 범위를 만족시킴과 함께, 상기 (1)의 관계식이 만족되도록 C, Si, Mn 및 Cr의 함유량의 밸런스를 조정하는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스 및 경도 안정성을 양립시킬 수 있는 것을 새로이 지견하여, 본 발명에 상도했다.
우선, 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판에 있어서의 각 성분 조성에 대하여 상세하게 설명한다.
[C(탄소): 0.25질량% 이상 0.4질량% 이하]
C 함유량은 금형 냉각 후에 있어서의 강판의 강도를 결정한다. 강판의 충분한 강도를 얻기 위해서, C 함유량은 0.25질량% 이상이 되어 있고, 0.255질량% 이상인 것이 바람직하며, 0.260질량% 이상인 것이 보다 바람직하다.
그러나, C 함유량이 과잉이 되면, 열연 후에 있어서의 강판의 강도가 상승하고, 냉연 시의 균열이나 용접성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 이 때문에, C 함유량은 0.4질량% 이하이고, 0.38질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.36질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
[Si(규소): 1.05질량% 이상 1.4질량% 이하]
Si는 템퍼링 연화 저항을 높이는 것에 의해, 강판의 경도 안정성에 기여한다. 또한 Si는, 강판의 표면에 도금을 실시하지 않는 경우에는, 금형 냉각 후에 있어서의 스케일 벗겨짐을 방지하는 효과도 갖는다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서, Si 함유량은 1.05질량% 이상이 되어 있다.
한편, Si는 잔류 오스테나이트(γ)를 생성하기 쉽게 함과 함께, 항복 강도(YS)의 저하나 Mn의 편석을 조장한다. 이 때문에, Si 함유량은 1.4질량% 이하가 되어 있고, 1.35질량% 이하인 것이 바람직하다.
[Mn(망가니즈): 0질량% 이상 1.4질량% 이하]
Mn은 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판에 포함되는 중요한 원소의 하나이고, 강판의 담금질성을 높이는 것에 의해 금형 냉각 후의 강판의 고강도화에 기여한다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Mn 함유량은 0.5질량% 이상인 것이 바람직하고, 0.6질량% 이상인 것이 보다 바람직하며, 0.8질량% 이상인 것이 더 바람직하다.
한편, 금형 냉각 후의 강판의 강도와 인성을 양립시키는 검토 중에, Mn이 과잉이면 금형 냉각 중에 조대한 탄화물이 석출되어, 저온 환경에서의 충격적인 응력이 부하된 경우, 취성적인 파괴를 야기하는 요인이 되는 것을 확인했다. 이 때문에, Mn 함유량은 1.4질량% 이하가 되어 있고, 1.35질량% 이하인 것이 바람직하며, 1.30질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, Mn은, 강판 중에 불가피적으로 혼입되는 원소이기 때문에, 함유량을 0질량%로 하는 것은 곤란하다.
[Cr(크로뮴): 0.6질량% 이상 3.0질량% 이하]
Cr은 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판에 있어서의 중요한 원소의 하나이다. 금형 냉각 후의 강판의 강도와 인성을 양립시키는 검토 중에, Cr은 저 냉각 속도(예를 들면 10℃/s)에서의 경도의 확보에 기여함과 함께, 금형 냉각 중에 있어서 조대한 탄화물의 석출의 억제에 기여함으로써, 저온 환경에서의 충격적인 응력이 부하된 경우의 취성적인 파괴를 억제하고 있는 것이 확인되었다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서, Cr 함유량은 0.6질량% 이상이 되어 있고, 0.8질량% 이상인 것이 바람직하며, 1.05질량% 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 강판 중에 Cr이 과잉으로 포함되면, 열연 후의 강판의 강도가 상승하여, 냉연 시의 강판의 균열이나 열연 후의 산세성의 열화를 초래한다. 이 때문에, Cr 함유량은 3.0질량% 이하가 되어 있고, 2.5질량% 이하인 것이 바람직하다.
[P(인): 0질량% 이상 0.03질량% 이하]
P는, 부재의 용접성, 인성 및 표면 흠집 방지의 관점에서, 함유량의 상한을 규정할 필요가 있다. 이 때문에, P 함유량은 0.03질량% 이하가 되어 있고, 0.025질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.02질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, P는, 강판 중에 불가피적으로 혼입되는 원소이기 때문에, 함유량을 0질량%로 하는 것은 곤란하다.
[S(황): 0질량% 이상 0.02질량% 이하]
S는 MnS를 생성하는 것에 의해 Mn의 농도 분포의 균일성을 저하시키고, 또한 강판의 용접성을 열화시킨다. 이 때문에, S 함유량은 0.02질량% 이하가 되어 있고, 0.018질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.015질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
한편, S는, P와 마찬가지로 강판 중에 불가피적으로 혼입되는 원소이기 때문에, 함유량을 0질량%로 하는 것은 곤란하다.
[Al(알루미늄): 0.01질량% 이상 1질량% 이하]
Al은 탈산제로서 작용하는 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Al 함유량은 0.01질량% 이상이 되어 있고, 0.015질량% 이상인 것이 바람직하다.
그러나, 강판 중에 Al이 과잉으로 포함되면, 금형 냉각 후의 경도가 저하되고, 또한 Al2O3이 과잉으로 생성되는 것에 의해 저온 인성이 열화된다. 이 때문에, Al 함유량은 1질량% 이하가 되어 있고, 0.8질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.1질량% 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 여기에서 말하는 Al 함유량은 고용 상태인 Al(sol. Al)의 함유량을 의미한다.
[N(질소): 0질량% 이상 0.01질량% 이하]
N은 강판 중에 불가피적으로 혼입되는 원소이다. 강판 중에 N이 과잉으로 포함되면, N이 붕화물을 생성하는 것에 의해 강판 중의 고용 B의 양이 저하되어, 담금질성의 열화를 초래한다. 이 때문에, N 함유량은 0.01질량% 이하가 되어 있고, 0.008질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.005질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
[B(붕소): 0.0005질량% 이상 0.005질량% 이하]
B는 강판의 담금질성을 향상시키기 위해서 중요한 원소이다. 강판에 B를 적량 첨가하여 담금질성을 높이는 것에 의해, 금형 냉각 후에 있어서의 강판의 강도를 안정되게 높일 수 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, B 함유량은 0.0005질량% 이상이 되어 있고, 0.0010질량% 이상인 것이 바람직하며, 0.0015질량% 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 강판 중에 B가 과잉으로 포함되면, 조대한 철 보론 화합물이 석출되어, 인성의 저하를 초래한다. 이 때문에, B 함유량은 0.0050질량% 이하가 되어 있고, 0.0045질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.0030질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
[Ti(타이타늄): 0.005질량% 이상 0.1질량% 이하]
Ti는 TiN을 생성하는 것에 의해 강판 중에 있어서의 BN의 생성량을 적게 한다. 이에 의해, 강판 중에 있어서의 고용 B의 양이 증가하여, B에 의한 담금질성 향상의 효과를 높일 수 있다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Ti 함유량은 0.0050질량% 이상이 되어 있고, 0.010질량% 이상인 것이 바람직하며, 0.015질량% 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 강판 중에 Ti가 과잉으로 포함되면, 결정 입계에 탄화물이 석출되어, 강판의 담금질성이 열화된다. 이 때문에, Ti 함유량은 0.1질량% 이하가 되어 있고, 0.08질량% 이하인 것이 바람직하며, 0.06질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은, 상기의 성분 조성에 더하여, Mo, Nb 및 V로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 함유하고 있어도 되고, Cu 및 Ni로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 추가로 함유하고 있어도 된다. 이들 성분 조성의 범위에 대하여 이하 설명한다. 한편, 이들 원소는 본 발명의 핫 스탬핑용 강판에 있어서의 필수 원소는 아니고, 첨가되지 않아도 된다.
[Mo(몰리브데넘): 0질량% 이상 1.0질량% 이하]
Mo는 강판의 담금질성의 향상에 기여하는 원소이다. 이 효과를 발휘시키기 위해서, Mo 함유량은 0.01질량% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, 강판 중에 Mo가 과잉으로 포함되면, 열간 성형 전의 강판의 강도를 상승시켜 버린다. 이를 막기 위해서, Mo 함유량은 1.0질량% 이하인 것이 바람직하다.
[Nb(나이오븀), V(바나듐): 0질량% 이상 0.1질량% 이하]
Nb 및 V는 미세한 탄화물을 형성하고, 핀 고정 효과에 의해 강의 조직을 미세화하는 효과를 갖는다. 또한 V는, 템퍼링 시에 석출되는 것에 의해 2차 경화의 작용도 갖는다. 이들 효과를 발휘시키기 위해서, Nb, V 함유량은 모두 0.0008질량% 이상인 것이 바람직하다.
그러나, 강판 중에 Nb 및 V가 과잉으로 포함되면, 조대한 탄화물이 형성되고, 이것이 파괴의 기점이 되어 인성의 열화를 초래한다. 따라서, Nb, V 함유량은 모두 0.1질량% 이하인 것이 바람직하고, 0.08질량% 이하인 것이 보다 바람직하며, 0.07질량% 이하인 것이 더 바람직하다.
[Cu(구리), Ni(니켈): 0질량% 이상 0.5질량% 이하]
Cu 및 Ni는 부재의 지연 파괴 특성을 개선할 필요가 있는 경우에 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 강판 중에 Cu 및 Ni가 과잉으로 포함되면, 강판의 표면, 최종적으로는 부재의 표면에 있어서의 흠집 발생의 원인이 될 수 있다. 이 때문에, Cu 및 Ni는 단독의 함유량이 각각 0.5질량% 이하인 것이 바람직하고, 합계의 함유량이 0.5질량% 이하인 것이 보다 바람직하다.
본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은, C, Si, Mn 및 Cr의 함유량의 밸런스 조정에 의해 하기 (1)의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성이 우수한 것이 되고 있다. 이 관계식(1)에 있어서, [C]는 핫 스탬핑용 강판의 C 함유량(질량%)을 나타내고 있다. [Si]는 핫 스탬핑용 강판의 Si 함유량(질량%)을 나타내고 있다. [Mn]은 핫 스탬핑용 강판의 Mn 함유량(질량%)을 나타내고 있다. [Cr]은 핫 스탬핑용 강판의 Cr 함유량(질량%)을 나타내고 있다.
Figure pct00003
각 성분 조성이 청구항의 성분 범위를 만족시킴과 함께 상기의 관계식(1)을 만족시키는 것에 의해, 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은, 금형 냉각에 의한 담금질 후의 강도와 저온 인성의 밸런스가 우수한 강판이 되고 있음과 함께, 경도 안정성도 우수한 것이 되고 있다. 구체적으로는, 금형을 이용하여 평판을 담금질했을 때의 -40℃의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지를 A(J/cm2), 핫 스탬핑용 강판을 오스테나이트역까지 가열한 후 10℃/s의 냉각 속도로 실온까지 냉각하여 담금질했을 때의 경도를 B(Hv), 핫 스탬핑용 강판을 오스테나이트역까지 가열한 후 30℃/s의 냉각 속도로 실온까지 냉각하여 담금질했을 때의 경도를 C(Hv)로 했을 때에, 하기 (2), (3) 및 (4)의 관계식이 모두 만족된다.
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
상기 관계식(2)는, 본 발명자들이 새로이 고안한 강판의 강도와 인성의 밸런스의 지표가 되는 것이고, 핫 스탬핑용 강판의 강도와 인성의 밸런스를 생각함에 있어서 중요한 개념이다. 본 발명자들은, 강도와 인성의 밸런스를 검토하던 중에, 냉각 속도가 10℃/s일 때의 경도와 평판을 금형 냉각한 후의 인성에 주목했다. 평판의 금형 냉각은, 핫 스탬핑 공정에 있어서 금형과 강판 사이에 클리어런스가 발생하지 않는 이상적인 냉각 조건을 고려한 것이다. 상기 관계식(2)를 이용하는 것에 의해, 핫 스탬핑용 강판이 부재(성형품)로 가공되었을 때의 강도와 인성의 밸런스를 보다 충실히 평가할 수 있다.
도 1의 그래프는, 금형을 이용하여 평판을 담금질했을 때의 -40℃의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지 A와(가로축), 10℃/s의 냉각 속도로 담금질했을 때의 강판의 경도 B(세로축)의 관계를 나타내고 있고, 동 그래프 중의 직선(1)이 관계식(2)에 상당한다. 또한 동 그래프 중의 직선(2)는 B=516의 식에 상당한다.
도 1의 그래프의 가로축(A)는, 금형 냉각 후의 부재에 있어서의 가장 취성인 부분의 인성을 상정한 것이다. 즉, 평판을 금형 냉각한 경우에는, 금형과 강판이 이상적인 상태로 접촉하기 때문에, 냉각 속도가 높아진다. 이 때문에, 냉각 후의 강도는 높아지지만, 한편으로 매우 취성이 된다. 즉, 이 가로축은, 핫 스탬핑용 강판이 부재(성형품)로 성형되었을 때의 가장 취성인 부분에 있어서의 인성으로서의 의미를 갖는다.
한편, 도 1의 그래프의 세로축(B)는, 금형 냉각 후의 부재에 있어서의 가장 연화된 부분의 경도를 상정한 것이다. 전술한 대로, 핫 스탬핑 공정에서는, 금형과 강판 사이에 클리어런스가 발생하고, 또한 금형 온도가 상승하는 경우가 있다. 이 때문에, 금형 냉각 후의 부재에는, 저 냉각 속도에 의해 냉각된 경도(강도)가 낮은 부분이 존재한다. 비특허문헌 2의 기재로부터, 금형 냉각 시에 있어서의 최저 냉각 속도는 10℃/s 정도로 상정된다. 따라서, 이 세로축은, 금형 냉각 후의 부재(성형품)에 있어서의 가장 연화된 부분에 있어서의 경도(강도)로서의 의미를 갖는다. 따라서, 이들 2개의 축을 이용하는 것에 의해, 성형 후의 부재에 충격적인 응력을 부가했을 때의 가장 약한 부분의 인성, 및 당해 부재에 정적인 응력을 부가했을 때의 가장 약한 부분의 강도를 평가할 수 있다.
통상, B가 516Hv 이상이 되는 경도 영역에서는, 강판의 강도와 인성이 트레이드 오프의 관계에 있기 때문에, 강판의 강도를 향상시키면 인성이 열화되는 경향이 있다. 즉, 강판의 강도와 인성의 양방을 향상시키는 것은 곤란하고, 도 1의 그래프 중의 직선(1)보다도 하측의 영역에 A·B의 분포가 존재하는 것이 통상이다.
또한 직선(2)는, 경도 안정성을 나타내는 하나의 지표가 되는 것이다. 핫 스탬핑 공정에 있어서의 금형의 연속 조업 중에는, 금형의 온도가 상승하고, 또한 금형과 강판 사이에 클리어런스가 생기는 경우가 있다. 이들 요인에 의해 담금질 시의 강판의 냉각 속도가 저하되고, 담금질 후의 강판의 경도가 냉각 속도의 저하에 수반하여 낮아진다. 통상, 결정립의 미세화에 의해 강도와 인성의 밸런스가 향상된 강판이어도, 저 냉각 속도 영역(10℃/s)에서 담금질했을 때의 경도가 516Hv 이상의 범위를 만족시키는 것은 곤란하다. 따라서, 결정립의 미세화에 의해 강도와 인성의 밸런스가 향상된 강판이어도, 도 1 중의 직선(2)보다도 하측의 영역에 A·B의 분포가 존재하는 것이 통상이다.
이에 대해, 본 발명자들이 예의 연구를 행한 결과, 상기 관계식(1)을 만족시키는 핫 스탬핑용 강판에 있어서는, A·B의 분포가 도 1 중의 직선(1) 및 직선(2)보다도 상측의 영역에 위치하는 것이 분명해졌다. 따라서, 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성도 우수한 것이 되고 있다. 즉, 이 핫 스탬핑용 강판은, 상기 관계식(2)를 만족시키는 강도와 인성의 밸런스가 우수한 것이고, 또한 최저 냉각 속도인 10℃/s로 냉각되었을 때에도 일정 이상의 경도를 실현 가능한 것이다.
상기 관계식(4)는, 다른 하나의 강판의 경도 안정성의 지표가 되는 것이다. 핫 스탬핑에 있어서 금형 온도가 상승하거나 또는 금형과 강판 사이에 클리어런스가 발생한 경우에는, 강판의 냉각 속도가 저하되어, 담금질 후의 강판의 경도가 불안정해지는 경우가 있다. 또한 전술한 대로, 결정립을 미세화하면 경도 안정성이 저하되기 때문에, 상기 관계식(4)를 만족시키는 것은 통상 곤란하다.
이에 대해, 본 발명자들이 예의 연구를 행한 결과, 상기 관계식(1)을 만족시킴과 함께, 각 성분이 청구항의 성분 범위를 만족시키는 핫 스탬핑용 강판에 있어서는, 냉각 속도가 10℃/s인 저 냉각 속도역에서도 516Hv를 초과하는 담금질 후의 경도가 얻어짐과 함께, 냉각 속도가 30℃/s인 경우와 10℃/s인 경우의 경도차를 35Hv 이하로 억제할 수 있는 것이 분명해졌다. 30℃/s는 실험 등에 의해 확인된 금형 냉각 시의 이상적인 냉각 속도이고, 한편으로 10℃/s는 전술한 대로 예상되는 최저 냉각 속도이다. 즉, 상기 관계식(4)는, 핫 스탬핑에 있어서 상정되는 냉각 속도의 상하한의 사이에서 담금질 후의 경도의 차(격차)가 작은 것을 나타내는 지표이다. 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판에 의하면, 금형의 온도 상승이나 금형과 강판 사이의 클리어런스의 발생에 상관없이, 상기 관계식(4)를 만족시킬 정도로 담금질 후의 강판의 경도를 안정시키는 것이 가능해진다.
한편, 본 발명의 핫 스탬핑용 강판은, 도금 처리가 표면에 실시되어 있지 않은 소지 강판이어도 되고, 도금 처리가 표면에 실시된 도금 강판이어도 된다.
(핫 스탬핑용 강판의 제조 방법)
다음으로, 상기 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판을 제조하기 위한 방법에 대하여 설명한다.
우선, 슬래브 제조 공정이 행해진다. 이 공정에서는, 통상적 방법에 따라서 강을 용제하고, 용융 상태의 강을 주형에 흘려 넣고 연속 주조하는 것에 의해, 슬래브가 얻어진다. 이 공정에서는, 슬래브에 포함되는 각 성분 조성이 상기 범위를 만족시킴과 함께 C, Si, Mn 및 Cr의 함유량이 상기 관계식(1)을 만족시키도록, 용제 시에 강의 성분 조성을 조정한다.
다음으로, 열간 압연 공정이 행해진다. 이 공정에서는, 우선, 상기 공정에서 얻어진 슬래브를 가열로 내에 배치하여 소정의 온도(예를 들면 1200℃)로 가열하고, 당해 가열 온도에서 소정 시간(예를 들면 30분간) 유지한다.
다음으로, 가열 상태의 슬래브가 열연 라인의 상류에 올려진다. 그리고, 당해 슬래브를 조(粗)압연기 및 마무리 압연기의 압연 스탠드의 롤 사이에 순차적으로 통과시키면서 하류를 향해 흘려 보내는 것에 의해, 당해 슬래브가 소정의 판 두께를 갖는 강판으로 압연 가공된다. 그리고, 열연 후의 강판이 냉각 장치에 있어서 소정의 온도까지 냉각된 후, 코일러에 의해 권취된다.
다음으로, 냉간 압연 공정이 행해진다. 이 공정에서는, 우선, 상기 열간 압연 공정에 있어서 강판의 표면에 생긴 스케일(철의 산화물)을 산에 의해 씻어낸 후(산세), 판 두께가 더 작아지도록 열연 강판을 추가로 압연 가공한다. 구체적으로는, 산세 후의 열연 강판을 압연 스탠드의 롤 사이에 통과시키는 것에 의해, 당해 열연 강판을 더 얇게 되도록 가공한다. 이상의 프로세스에 의해 얻어지는 냉연 강판이 상기 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판이다.
(핫 스탬핑)
다음으로, 상기 프로세스에 의해 제조된 강판을 이용한 핫 스탬핑에 대하여, 도 2를 참조하여 설명한다. 우선, 상기 프로세스에 의해 제조된 핫 스탬핑용 강판(1)을 소정의 가열로(2) 내에서 오스테나이트 변태 온도 이상으로까지 가열한다. 그리고, 당해 가열 후의 핫 스탬핑용 강판(1)을 금형(3, 4) 사이에 설치하고, 당해 핫 스탬핑용 강판(1)을 금형(3, 4)에 의해 원하는 형상으로 프레스 성형한다. 이때, 핫 스탬핑용 강판(1)이 금형(3, 4)과 접촉하는 것에 의해 냉각되어, 성형과 동시에 담금질이 행해진다. 그리고, 담금질 후의 강판이 성형품(5)(성형 부재)으로서 금형(3, 4)으로부터 취출된다.
성형품(5)은, 전술한 본 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판(1)과 동일한 성분 조성을 갖고, 또한 상기 관계식(1)을 만족시키도록 C, Si, Mn 및 Cr의 함유량의 밸런스가 조정된 것이다. 이 때문에, 당해 성형품(5)은, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성도 우수한 것이어서, 자동차용 부재를 비롯한 여러 가지 용도에 이용할 수 있다.
한편, 상기 실시형태를 개략 설명하면, 이하와 같다.
상기 실시형태에 따른 핫 스탬핑용 강판은,
질량%로,
C: 0.25% 이상 0.4% 이하,
Si: 1.05% 이상 1.4% 이하,
Mn: 0% 이상 1.4% 이하,
Cr: 0.6% 이상 3.0% 이하,
P: 0% 이상 0.03% 이하,
S: 0% 이상 0.02% 이하,
Al: 0.01% 이상 1% 이하,
N: 0% 이상 0.01% 이하,
B: 0.0005% 이상 0.005% 이하, 및
Ti: 0.005% 이상 0.1% 이하
를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이다. 이 핫 스탬핑용 강판은, C 함유량을 [C], Si 함유량을 [Si], Mn 함유량을 [Mn], Cr 함유량을 [Cr]로 했을 때에, 하기 (1)의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성이 우수한 것이다.
Figure pct00007
상기 핫 스탬핑용 강판은,
질량%로,
Mo: 0% 이상 1.0% 이하,
Nb: 0% 이상 0.1% 이하, 및
V: 0% 이상 0.1% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고 있어도 된다.
상기 핫 스탬핑용 강판은,
질량%로,
Cu: 0% 이상 0.5% 이하, 및
Ni: 0% 이상 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하고 있어도 된다.
실시예
이하, 실시예에 기초하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명은, 이하의 실시예에 의해 제한되는 것은 아니고, 전후기의 취지에 적합할 수 있는 범위에서 적당히 변경을 가하여 실시하는 것도 가능하며, 그들은 모두 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
<핫 스탬핑용 강판의 제조>
우선, 하기의 표 1의 No. 1∼17에 나타내는 성분 조성을 갖는 강(잔부는 철 및 불가피 불순물)을 용제하는 것에 의해, 슬래브를 제조했다. 이 용제 슬래브를 1200℃까지 가열한 후 30분간 유지하고, 그 후 열간 압연을 행했다. 마무리 온도는 900±20℃로 하고, 마무리 판 두께는 2.8mm로 했다. 그 후, 열연 강판을 권취 온도(CT 온도)까지 20∼30℃/s의 냉각 속도로 냉각하고, 650℃에서 30분간 유지한 후, 노냉을 행했다. 그 후, 열연 강판의 산세를 행하고, 냉간 압연에 의해 판 두께가 1.4mm가 되도록 강판을 가공했다.
<샤르피 충격 시험>
우선, 상기 수순으로 제작한 냉연 강판을 절단하고, 담금질을 행했다. 담금질은 금형을 모의한 평판을 이용한 다이 ??치법을 이용하여 하기의 조건에서 행했다(시험기: JIS 샤르피 충격 시험기(300J)).
[담금질 조건]
담금질 전 강판 치수: 1.4mm×70mm×150mm
강판 온도: 900℃
강판이 900℃에 이른 후의 강판 온도 유지 시간: 100초
방랭 시간: 약 15초
다이 ??치 개시 온도: 700℃
다이 ??치 하중: 2000kgf
하사점 유지 시간: 30초
다음으로, 상기 담금질 후의 냉연 강판을 이용하여, 샤르피 진자식 충격 시험을 행했다. 이 시험은 시험편의 치수를 제외하고 JIS 2242의 「금속재용의 샤르피 충격 시험 방법」에 준거하여 행했다. 본 시험에 있어서 이용한 시험편의 치수는 하기와 같다. 한편, 각 치수를 나타내는 부호는 도 3 중에 나타낸 부호에 대응한다.
[시험편 치수]
시험편 높이 h1: 10mm±0.05mm
시험편 길이 L: 55mm±0.6mm
시험편 폭 b: 1.4mm±0.05mm
노치 형상: V 노치
노치 각도: 45°±2°
노치 바닥 반경: 0.25mm±0.025mm
노치 아래 높이 h2: 8mm±0.05mm
시험편 길이 방향과 노치 대칭면의 각도: 90°±2°
파면을 제거하는 서로 이웃하는 면 사이의 각도: 90°±2°
상기 치수의 시험편을 -40℃±1℃의 온도로 조정된 액체 질소 중에 배치하고, 적어도 10분간 유지했다. 그 후, 시험편을 액체 질소 중으로부터 취출하여 지지대 상에 재치하고, 시험편에 충격을 주었다. 이때, 시험편을 지지대 상에 재치한 후 충격을 줄 때까지의 시간을 5초 이하로 했다.
시험기로서는 JIS 샤르피 충격 시험기(300J)를 사용하고, 충격 칼날은 반경 2mm의 것을 이용했다. 또한 시험편의 수는 2개로 하고, 2개의 측정치의 평균치를 이용하여 평가했다.
<스케일 밀착성의 평가>
상기 샤르피 충격 시험 시와 동일한 조건에서 다이 ??치법에 의한 담금질을 행한 후, 강판의 표면에 있어서의 스케일의 벗겨짐 상태를 육안 확인하는 것에 의해, 스케일의 밀착성을 평가했다. 강판의 표면에 있어서 스케일 벗겨짐이 생긴 면적률이 14% 이하인 경우는 「○」로 평가하고, 당해 면적률이 14%를 초과하는 경우는 「×」로 평가했다.
<경도 시험>
우선, 상기 수순으로 제작한 냉연 강판을 도 4에 나타내는 형상의 시험편으로 가공했다. 도 4 중의 L1이 10mm, L2가 2mm, L3이 1.4mm, L4가 0.7mm, L5가 3mm, L6이 1mm이다. 이 시험편을 이용하여, 하기의 조건에서 담금질을 행했다.
[담금질 조건]
오스테나이트화할 때의 승온 속도: 10℃/s
고온 유지: 900℃에서 100초간 유지
냉각 속도: 900℃부터 실온까지 10℃/s 또는 30℃/s로 등속 냉각
상기 담금질 후의 시험편을 이용하여, JIS Z 2244에 규정되는 「비커스 경도 시험 방법」에 준거한 경도 시험을 행했다. 이 시험에서는, 시험편의 표면으로부터 판 두께의 1/4의 위치에 있어서 9.8N의 시험 하중으로 5점 측정을 행하고, 그들의 평균치를 이용하여 평가했다.
하기의 표 1 및 표 2는, No. 1∼17의 각 강판에 대하여, 성분 조성(질량%), -40℃의 샤르피 충격 시험에 있어서의 흡수 에너지 A(J/cm2), 냉각 속도가 10℃/s인 경우의 비커스 경도 B(Hv), 냉각 속도가 30℃/s인 경우의 비커스 경도 C(Hv), 냉각 속도가 10℃/s인 경우와 30℃/s인 경우의 경도차(Hv), 상기 관계식(1)의 좌변의 값, 상기 관계식(2)의 좌변으로부터 우변을 뺐을 때의 값, 및 스케일 밀착성의 평가를 각각 나타내고 있다.
또한 도 1의 그래프 중, No. 1∼17의 강판의 각 데이터를 플롯하고 있다. No. 1∼9 및 14∼17의 데이터는 검은 원으로 기재하고, No. 10∼13의 데이터는 흰 원으로 기재하고 있다.
Figure pct00008
Figure pct00009
<고찰>
상기 표 1 및 표 2에 기초하여, 이하와 같이 고찰할 수 있다.
No. 1∼9 및 14∼17은, 강판 중의 C, Si, Mn, Cr, P, S, Al, N, B 및 Ti의 함유량이 각각 본 발명의 범위를 만족시킴과 함께, C, Si, Mn 및 Cr의 함유량이 상기 관계식(1)을 만족시키는 것이었다. 이 경우, 「B+4A-627」의 값이 양의 값이 되어, 상기 관계식(2)를 만족시키기 때문에, 강도와 인성의 밸런스가 우수한 강판이 되었다. 게다가, No. 1∼9 및 14∼17에서는, 「B≥516」 및 「C-B≤35」가 되어, 상기 관계식(3), (4)도 만족시키기 때문에, 경도 안정성도 우수한 강판이 되었다. 이는, 도 1의 그래프에 있어서, No. 1∼9 및 14∼17의 데이터(검은 원)가 직선(1), (2)보다도 상측의 영역에 존재하고 있는 것으로부터 분명하다. 또한 스케일 밀착성의 평가에 대해서도 모두 「○」였다.
이에 비해, 본 발명에서 규정한 요건을 만족시키지 않는 No. 10∼13에서는, 이하와 같이 강도와 인성의 밸런스 및 경도 안정성의 양방이 우수한 강판은 얻어지지 않았다. 도 1의 그래프대로, No. 10∼13의 데이터(흰 원)는, 모두 직선(1), (2)보다도 하측의 영역에 존재하고 있었다.
No. 10에서는, Si 함유량이 1.05질량% 미만이고, 또한 「[C]+2/9[Si]+7/9[Mn]+8/9[Cr]-7/4」의 값이 음의 값이 되었기 때문에, 「B+4A-627」의 값이 음의 값이 되어, 강도와 인성의 밸런스가 뒤떨어졌다. 또한 냉각 속도가 10℃/s인 경우의 경도 B가 516Hv에 미치지 않고, 냉각 속도가 10℃/s인 경우와 30℃/s인 경우의 경도차도 35Hv를 초과해 있어, 경도 안정성도 뒤떨어졌다. 또한 스케일 밀착성의 평가도 「×」였다.
No. 11∼13에서는, Cr 함유량이 0.6질량% 미만이고, 「[C]+2/9[Si]+7/9[Mn]+8/9[Cr]-7/4」의 값이 음의 값이 되었기 때문에, 「B+4A-627」의 값이 음의 값이 되어, 강도와 인성의 밸런스가 뒤떨어졌다. 또한 냉각 속도가 10℃/s인 경우의 경도 B가 516Hv에 미치지 않고, 냉각 속도가 10℃/s인 경우와 30℃/s인 경우의 경도차도 35Hv를 초과해 있어, 경도 안정성도 뒤떨어졌다.
금회 개시된 실시형태 및 실시예는 모든 점에서 예시이고, 제한적인 것은 아니라고 해석되어야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

Claims (3)

  1. 질량%로,
    C: 0.25% 이상 0.4% 이하,
    Si: 1.05% 이상 1.4% 이하,
    Mn: 0% 이상 1.4% 이하,
    Cr: 0.6% 이상 3.0% 이하,
    P: 0% 이상 0.03% 이하,
    S: 0% 이상 0.02% 이하,
    Al: 0.01% 이상 1% 이하,
    N: 0% 이상 0.01% 이하,
    B: 0.0005% 이상 0.005% 이하, 및
    Ti: 0.005% 이상 0.1% 이하
    를 함유하고, 잔부가 철 및 불가피 불순물이고,
    C 함유량을 [C], Si 함유량을 [Si], Mn 함유량을 [Mn], Cr 함유량을 [Cr]로 했을 때에, 하기 (1)의 관계식을 만족시키는 것에 의해, 강도와 인성의 밸런스에 더하여 경도 안정성이 우수한 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑용 강판.
    Figure pct00010
  2. 제 1 항에 있어서,
    질량%로,
    Mo: 0% 이상 1.0% 이하,
    Nb: 0% 이상 0.1% 이하, 및
    V: 0% 이상 0.1% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑용 강판.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    질량%로,
    Cu: 0% 이상 0.5% 이하, 및
    Ni: 0% 이상 0.5% 이하로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑용 강판.
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