KR20210080175A - 핫 스탬핑 부품, 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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KR20210080175A
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Abstract

본 발명의 일 실시예는, 소지 강판; 및 상기 소지 강판 상에 위치하며 순차적으로 적층된 제1 층, 및 제2 층을 구비하는 도금층;을 포함하고, 상기 도금층은 상기 제2 층 내에 아일랜드 형태로 배치되는 금속간 화합물부를 더 포함하고, 상기 제2 층에 대한 상기 금속간 화합물부의 면적분율은 20% 내지 60%인, 핫 스탬핑 부품을 개시한다.

Description

핫 스탬핑 부품, 및 이의 제조 방법{Hot stamping component and method of manufacturing the same}
본 발명은 핫 스탬핑 부품, 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
세계적으로 환경 규제, 및 연비 규제가 강화되면서 보다 가벼운 차량 소재에 대한 필요성이 증가하고 있다. 이에 따라, 초고강력강과 핫 스탬핑 강에 대한 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다. 이 중 핫 스탬핑 공정은 보편적으로 가열/성형/냉각/트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태, 및 미세조직의 변화를 이용하게 된다.
최근에는 핫 스탬핑 공정으로 제조된 핫 스탬핑 부품에서 발생하는 지연 파단, 내식성, 및 용접성을 향상시키려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이와 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2018-0095757호(발명의 명칭: 핫 스탬핑 부품의 제조방법) 등이 있다.
제10-2018-0095757호
본 발명의 실시예들은 수소취성, 내식성, 및 용접성이 향상된 핫 스탬핑 부품, 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 소지 강판; 및 상기 소지 강판 상에 위치하며 순차적으로 적층된 제1 층, 및 제2 층을 구비하는 도금층;을 포함하고, 상기 도금층은 상기 제2 층 내에 아일랜드 형태로 배치되는 금속간 화합물부를 더 포함하고, 상기 제2 층에 대한 상기 금속간 화합물부의 면적분율은 20% 내지 60%인, 핫 스탬핑 부품을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 제2 층은 FeAl3상, 및 Fe2Al5상 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 FeAl3상, 및 상기 Fe2Al5상의 평균 결정립 크기는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 금속간 화합물부는 상기 제2 층 내에서 불연속적으로 배치될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 금속간 화합물부는, 철(Fe): 62wt% 내지 67wt%, 실리콘(Si): 2wt% 내지 6wt%, 및 알루미늄(Al): 30wt% 내지 34wt%를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 금속간 화합물부의 알루미늄 함량은 상기 제2 층의 알루미늄 함량보다 높을 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 도금층은 상기 제2 층 상에 적층된 표면층을 더 포함하고, 상기 표면층의 평균두께는 100nm 내지 200nm일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 소지 강판, 탄소(C): 0.19wt% 내지 0.38wt%, 실리콘(Si): 0.1wt% 내지 1wt%, 망간(Mn): 1wt% 내지 2wt%, 인(P): 0 초과 0.03wt% 이하, 황(S): 0 초과 0.01wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1wt% 내지 0.6wt%, 티타늄(Ti): 0.01wt% 내지 0.05wt%, 보론(B): 0.001wt% 내지 0.005wt%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 알루미늄, 및 실리콘을 포함하는 도금욕에 소지 강판을 침지하여 도금 강판을 제조하는 단계; 상기 도금 강판 상에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일을 도포하는 단계; 상기 오일이 도포된 도금 강판을 재단하여 블랭크를 형성하는 단계; 및 상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계;를 포함하는 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개시한다.
본 실시예에 있어서, 상기 오일은 상기 도금 강판 상에 0.1g/m2 내지 10g/m2 도포될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 오일은, 10wt% 내지 30wt%의 수소처리된 중질 파라핀 정제유, 30wt% 내지 50wt%의 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유, 1wt% 내지 5wt%의 솔벤트-정제된 중질 파라핀 정제유, 및 10wt% 내지 40wt%의 에스테르계 화합물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계에 있어서, 상기 가열로는 서로 다른 온도 범위를 가진 복수의 구간을 구비하고, 상기 블랭크는 상기 가열로 내에서 단계적으로 가열될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계에 있어서, 상기 블랭크의 승온 속도는 4.5℃/s 내지 10℃/s일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계에 있어서, 상기 가열로 내에는 서로 다른 두께를 가지는 적어도 두 개의 블랭크가 동시에 이송될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 블랭크를 가열하는 단계 이후에, 상기 가열된 블랭크를 상기 가열로로부터 프레스 금형으로 이송하는 단계; 상기 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 형성된 성형체를 냉각하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 에스테르계 화합물을 포함하는 오일이 도포된 블랭크를 핫 스탬핑함으로써, 핫 스탬핑에 의해 제조된 부품의 수소취성, 내식성, 및 용접성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품에 포함된 제2 층의 내박리성 평가결과를 나타내는 표이다.
도 3은 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 이용되는 블랭크의 준비 공정을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 도 3의 블랭크 가열 단계를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6은 에스테르계 화합물을 포함하는 오일이 도포된 블랭크, 및 일반 오일이 도포된 블랭크의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 실시예 1과 비교예 1, 실시예 2와 비교예 2, 및 실시예 3과 비교예 3의 가열 탈가스 분석 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8a, 및 도 8b는 각각 실시예 1, 및 비교예 1의 표면층을 나타내는 사진이다.
도 9는 실시예 1, 및 비교예 1에 따른 핫 스탬핑 부붐의 점용접 시 저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 실시예 1, 및 비교예 1에 대한 내식성 평가 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과, 및 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기, 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(10)은 소지 강판(100), 및 상기 소지 강판(100)의 상에 위치한 도금층(200)을 포함할 수 있다.
소지 강판(100)은 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 강 슬라브에 대해 열연 공정, 및 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다. 일 예로, 소지 강판(100)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 티타늄(Ti), 보론(B), 잔부의 철(Fe), 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 소지 강판(100)은 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 및 알루미늄(Al) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
탄소(C)는 소지 강판(100)의 강도, 및 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑 공정 이후, 소지 강판(100)의 인장강도, 및 소입성 특성을 확보하기 위한 목적으로 첨가된다. 일 예로, 탄소는 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.19wt% 내지 0.38wt%로 포함될 수 있다. 탄소의 함량이 0.19wt% 미만인 경우, 소지 강판(100)의 기계적 강도를 확보하기 어려울 수 있다. 반면에 탄소의 함량이 0.38wt%를 초과하면, 소지 강판(100)의 인성이 저하되거나 취성 제어 문제가 야기될 수 있다.
실리콘(Si)은 고용 강화 원소로서 소지 강판(100)의 강도, 및 연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘은 수소 취성에 의한 균열의 기점이 되는 시멘타이트의 생성을 억제하는 역할을 수행할 수 있다. 이러한 실리콘은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 1wt%로 포함될 수 있다. 실리콘의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 상술한 효과를 얻기 어려우며, 반대로 실리콘의 함량이 1wt%를 초과하면, 소지 강판(100)의 도금 특성이 저하될 수 있다.
망간(Mn)은 열처리시 소입성, 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 망간은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 1wt% 내지 2wt%로 포함될 수 있다. 망간의 함량이 1wt% 미만인 경우, 결정립 미세화 효과가 충분하지 못하여, 핫 스탬핑 부품의 경질상 분율이 미달될 수 있다. 반면에, 망간의 함량이 2wt%를 초과하면, 망간 편석 또는 펄라이트 밴드에 의한 연성 및 인성이 저하될 수 있으며, 굽힘 성능 저하의 원인이 되고 불균질 미세조직이 발생할 수 있다.
인(P)은 소지 강판(100)의 인성이 저하되는 것을 방지하기 위해 첨가된다. 인은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.03wt% 이하로 포함될 수 있다. 인의 함량이 0.03wt%를 초과하면, 인화철 화합물이 형성되어 인성이 저하되고, 제조 공정 중 소지 강판(100)에 크랙이 유발될 수 있다.
황(S)은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.01wt% 이하로 포함될 수 있다. 황의 함량이 0.01wt%를 초과하면, 열간 가공성이 저하되고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.
크롬(Cr)은 소지 강판(100)의 소입성, 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 0.6wt%로 포함될 수 있다. 크롬의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 소입성, 및 강도 향상의 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면에 크롬의 함량이 0.6wt%를 초과하면, 생산비 증가와 소지 강판(100)의 인성이 저하될 수 있다.
티타늄(Ti)은 핫 스탬핑 열처리 후 석출물 형성에 의한 소입성 강화, 및 재질 상향 목적으로 첨가된다. 또한, 티타늄은 고온에서 Ti(C,N) 등의 석출상을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적으로 기여할 수 있다. 티타늄은 소지 강판 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.05wt%로 포함될 수 있다. 티타늄의 함량이 0.01wt% 미만인 경우, 석출물 형성이 미미하며 결정립 미세화 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면에 티타늄이 0.05wt% 초과인 경우, 연신율 하락, 및 인성 저하가 발생될 수 있다.
보론(B)은 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 소지 강판(100)의 소입성, 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가되며, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 보론은 소지 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.001wt% 내지 0.005wt%로 포함될 수 있다. 보론의 함량이 0.001wt% 미만인 경우, 소입성 향상 효과가 충분하지 않을 수 있다. 반면에 보론의 함량이 0.005wt%를 초과하는 경우, 취성 위험성과 연신율 열위 위험성이 증가할 수 있다.
일 예로, 제조된 핫 스탬핑 부품의 인장강도가 1680Mpa 이상을 목표로 하는 경우, 소지 강판(100)은 탄소(C): 0.20wt% 내지 0.50wt%, 실리콘(Si): 0.15wt% 내지 0.70wt%, 망간(Mn): 0.5wt% 내지 2.0wt%, 인(P): 0 초과 0.05wt% 이하, 황(S): 0 초과 0.01wt% 이하, 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 선택적으로, 붕소(B): 0.001wt% 내지 0.005wt%, 크롬(Cr): 0.05wt% 내지 0.5wt%, 몰리브덴(Mo): 0.05wt% 내지 0.3wt%, 니켈(Ni): 0.05wt% 내지 0.6wt%, 중 하나 이상을 포함할 수 있고, 또한, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 및 바나듐(V) 중 하나 이상을 총 0 초과 0.1wt% 이하로 포함할 수 있다.
도금층(200)은 소지 강판(100)의 적어도 일면에 10㎛ 내지 50㎛의 두께로 형성되며 알루미늄(Al)을 포함한다. 여기서 도금층(200)의 두께는 도금층(200) 전체 면적에 걸친 도금층(200)의 평균 두께를 의미한다. 도금층(200)의 두께가 10㎛ 미만인 경우 내식성이 저하되며, 도금층(200)의 두께가 50㎛를 초과하면 핫 스탬핑 부품(10)의 생산성이 저하되고, 핫 스탬핑 공정 중 롤러 또는 금형에 도금층(200)이 부착되어 소지 강판(100)으로부터 도금층(200)이 박리될 수 있다.
도금층(200)은 소지 강판(100) 상에 순차적으로 적층된 제1 층(210), 및 제2 층(220)을 포함할 수 있다. 또한, 도금층(200)은 제2 층(220)층 상에 적층된 표면층(240)을 더 포함할 수 있다. 표면층(240)은 알루미늄(Al)을 80wt% 이상 포함하는 층으로, 소지 강판(100) 상에 표면층(240)이 배치됨으로써, 소지 강판(100)이 산화되는 것을 방지할 수 있다. 일 예로, 소지 강판(100) 상에 배치된 표면층(240)의 평균 두께는 100nm 내지 500nm일 수 있다.
제1 층(210), 및 제2 층(220)은 다결정으로 이루어질 수 있다. 일 예로, 제2 층(220)은 제1 층(210)에 비해 두껍게 구비될 수 있다. 예컨대, 제2 층(220)의 두께는 제1 층(210)의 두께의 1.6배 내지 3.6배 두껍게 구비될 수 있다. 도금층(200)은 후술하는 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에서, 핫 스탬핑 공정의 블랭크 가열 과정에서 열 반응에 의해, 최종적으로 실리콘(Si)이 고용된 철-알루미늄(Fe-Al)계 도금층으로 형성될 수 있다.
도금층(200)은 소지 강판(100) 상에 위치하는 제1 층(210)을 포함할 수 있다. 제1 층(210)은 핫 스탬핑 제조 공정 시 열 확산에 의해 서로 혼합된 철(Fe), 알루미늄(Al), 및 실리콘(Si)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제1 층(210)은 α-Fe상 또는 Fe3Al2상을 가질 수 있다. 또한, 제1 층(210)은 보이드를 더 포함할 수 있다.
도금층(200)은 제1 층(210) 상에 위치하는 제2 층(220)을 포함할 수 있다. 또한, 도금층(200)은 제2 층(220) 내에 아일랜드 형태로 배치되는 금속간 화합물부(230)를 더 포함할 수 있다. 제2 층(220)은 FeAl3상, 및 Fe2Al5상 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 FeAl3상, 및 상기 Fe2Al5상의 평균 결정립 크기는 3㎛ 내지 15㎛일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품에 포함된 제2 층의 내박리성 평가결과를 나타내는 도면이다. 구체적으로, 도 2는 돌리 테스트(dolly test)를 통해 제2 층(220)이 소지 강판(100)으로부터 박리되는 강도를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 3㎛인 경우(a의 경우)에는 접착강도가 6.52Mpa이고, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 7㎛인 경우(b의 경우)에는 접착강도가 6.09Mpa이며, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 10㎛인 경우(c의 경우)에는 접착강도가 5.37Mpa이고, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 15㎛인 경우(d의 경우)에는 접착강도가 5.21Mpa인 것을 확인할 수 있다. 또한, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 17㎛인 경우(e의 경우)에는 접착강도가 3.94Mpa이고, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 20㎛인 경우(f의 경우)에는 접착강도가 3.85Mpa인 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 15㎛를 초과하는 경우 제2 층(220)의 접착 강도가 낮아지는 것을 알 수 있다.
따라서, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 15㎛를 초과하는 경우 도금층(200)이 소지 강판(100)으로부터 쉽게 박리될 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 15㎛를 초과하는 경우 제2 층(220)의 접착 강도가 낮아져, 제2 층(220)이 소지 강판(100), 및/또는 제1 층(210)으로부터 쉽게 박리될 수 있다.
또한, 후술하는 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 이용하는 경우 평균 결정립 크기를 3㎛ 미만으로 형성하기 어려울 수 있다.
따라서, 제2 층(220)의 평균 결정립 크기가 3㎛ 내지 15㎛를 만족하는 경우, 제2 층(220)을 포함하는 도금층(200)의 접착 강도가 향상되어 도금층(200)의 내박리성이 향상될 수 있다.
제2 층(220) 내에는 금속간 화합물부(230)가 위치할 수 있다. 금속간 화합물부(230)는 제2 층(220) 내에 아일랜드 형태로 분포할 수 있다. 금속간 화합물부(230)는 제2 층(220) 내에 불연속적으로 배치될 수 있다. 제2 층(220) 내에 금속간 화합물부(230)가 아일랜드 형태로 배치됨으로써, 핫 스탬핑 부품의 용접성, 및 내박리성이 향상될 수 있다.
제2 층(220) 내에 불연속적으로 배치되는 각각의 금속간 화합물부(230)는 1㎛ 내지 5㎛의 크기를 가질 수 있다. 금속간 화합물부(230)는 제2 층(220)의 전체 단면적에 대해 20% 내지 60%의 분율로 분포할 수 있다. 즉, 제2 층(220)에 대한 금속간 화합물부(230)의 면적분율은 20% 내지 60%일 수 있다. 후술하는 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 이용하는 경우 제2 층(220)에 대한 금속간 화합물부(230)의 면적분율을 20% 미만으로 형성하기 어렵고, 제2 층(220)에 대한 금속간 화합물부(230)의 면적분율이 60%를 초과하는 경우 핫 스탬핑 부품의 용접성이 저하될 수 있다.
금속간 화합물부(230)는 철-알루미늄(Fe-Al) 화합물을 포함하며, 금속간 화합물부(230)에 포함된 알루미늄의 함량은 제2 층(220)에 포함된 알루미늄의 함량보다 높을 수 있다.
일 예로, 제1 층(210)은 철(Fe): 82wt% 내지 90wt%, 실리콘(Si): 0 초과 5wt% 이하, 및 알루미늄(Al): 9wt% 내지 15wt%를 포함할 수 있고, 제2 층(220)은 철(Fe): 39wt% 내지 47wt%, 실리콘(Si): 0 초과 2wt% 이하, 및 알루미늄(Al): 53wt% 내지 61wt%를 포함할 수 있으며, 상기 금속간 화합물부(230)는 철(Fe): 62wt% 내지 67wt%, 실리콘(Si): 2wt% 내지 6wt%, 및 알루미늄(Al): 30wt% 내지 34wt%를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 4는 도 3의 도금 강판을 제조하는 공정을 개략적으로 도시한 순서도이다. 이하에서는 도 3, 및 도 4를 참조하여 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 설명한다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 도금 강판 제조 단계(S110), 오일 도포 단계(S120), 블랭크 형성 단계(S130), 블랭크 가열 단계(S140), 블랭크 이송 단계(S150), 성형체 형성 단계(S160), 및 성형체 냉각 단계(S170)를 포함할 수 있다.
일 예로, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 오일 도포 단계(S120), 블랭크 형성 단계(S130), 블랭크 가열 단계(S140), 블랭크 이송 단계(S150), 성형체 형성 단계(S160), 및 성형체 냉각 단계(S170)를 포함할 수 있다.
일 예로, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에서 블랭크 형성 단계(S130)가 수행된 후, 오일 도포 단계(S120)가 수행될 수 있다. 즉, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 블랭크 형성 단계(S130), 오일 도포 단계(S120), 블랭크 가열 단계(S140), 블랭크 이송 단계(S150), 성형체 형성 단계(S160), 및 성형체 냉각 단계(S170) 순서로 수행될 수도 있다.
도금 강판 제조 단계(S110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 강 슬라브의 열간 압연 단계(S210), 냉각/권취 단계(S220), 냉간 압연 단계(S230), 소둔 열처리 단계(S240), 및 용융 도금 단계(S250)를 포함할 수 있다.
먼저, 도금 강판을 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 강 슬라브를 준비한다. 이때, 상기 강 슬라브는 탄소(C): 0.19wt% 내지 0.38wt%, 실리콘(Si): 0.1wt% 내지 1wt%, 망간(Mn): 1wt% 내지 2wt%, 인(P): 0 초과 0.03wt% 이하, 황(S): 0 초과 0.01wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1wt% 내지 0.6wt%, 티타늄(Ti): 0.01wt% 내지 0.05wt%, 보론(B): 0.001wt% 내지 0.005wt%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
열간 압연을 위해 상기 강 슬라브의 재가열 단계가 진행된다. 강 슬라브 재가열 단계에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 강 슬라브를 소정의 온도로 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 일 예로, 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)는 1,200℃ 내지 1,400℃일 수 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1,200℃보다 낮은 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못해 합금 원소의 균질화 효과를 크게 보기 어렵고, 티타늄(Ti)의 고용 효과를 크게 보기 어려울 수 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 높을수록 균질화에 유리하나, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1,400℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용이 상승할 수 있다.
열간 압연 단계(S210)에서는 재가열된 강 슬라브를 소정의 마무리 압연 온도에서 열간 압연한다. 일 예로, 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT)는 880℃ 내지 950℃일 수 있다. 이때, 마무리 압연 온도(FDT)가 880℃보다 낮으면, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직이 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있을 뿐만 아니라 급격한 상 변화에 의해 열간 압연 중 통판성의 문제가 발생할 수 있다. 마무리 압연 온도(FDT)가 950℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화될 수 있다. 또한, TiC 석출물이 조대화되어 핫 스탬핑 부품의 성능이 저하될 수 있다.
냉각/권취 단계(S220)에서는 열간 압연된 강판을 소정의 권취 온도(Coiling Temperature: CT)까지 냉각하여 권취한다. 일 예로, 상기 권취 온도는 550℃ 내지 800℃일 수 있다. 상기 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 550℃ 미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 강도가 증가할 수 있고, 냉간 압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하될 수 있다. 반대로, 권취 온도가 800℃를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성, 및 강도 열화가 발생할 수 있다.
냉간 압연 단계(S230)에서는 권취된 강판을 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연한다. 이때, 산세는 권취된 강판, 즉 상기의 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
소둔 열처리 단계(S240)는 상기 냉연 강판을 700℃ 이상의 온도에서 소둔 열처리하는 단계이다. 일 예로, 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 소정의 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
용융 도금 단계(S250)는 소둔 열처리된 강판에 대해 도금층을 형성하는 단계이다. 일 예로, 용융 도금 단계(S250)에서, 상기 소둔 열처리된 강판, 즉, 소지 강판(100) 상에 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층(200)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 용융 도금 단계(S250)에서 상기 소지 강판(100)을 8wt% 내지 12wt%의 실리콘(Si), 및 여분의 알루미늄(Al)을 포함하는 용융 도금욕에 침지시킬 수 있다. 이때, 용융 도금욕은 400℃ 내지 700℃의 온도를 유지할 수 있다. 도금층(200)은 상기 소지 강판(100)의 양면 기준 40 ~ 180 g/m2으로 도금됨으로써 형성될 수 있다.
오일 도포 단계(S120)는 알루미늄, 및 실리콘을 포함하는 도금욕에 소지 강판(100)을 침지하여 제조된 도금 강판 상에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일을 도포하는 단계이다. 상기 오일은 10wt% 내지 30wt%의 수소처리된 중질 파라핀 정제유, 30wt% 내지 50wt%의 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유, 1wt% 내지 5wt%의 솔벤트-정제된 중질 파라핀 정제유, 및 10wt% 내지 40wt%의 에스테르계 화합물을 포함할 수 있다. 일 예로, 상기 오일은 수소처리된 중질 파라핀 정제유 10wt% 내지 30wt%, 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유 30wt% 내지 50wt%, 솔벤트-정제된 중질 파라핀 정제유 1wt% 내지 5wt%; 및 폴리 에스테르 3wt% 내지 40wt%를 포함할 수 있다. 상기 에스테르 성분은 상기 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유, 및 상기 폴리 에스테르에 포함될 수 있다. 다른 실시예로, 상기 오일은 수소처리된 중질 파라핀 정제유 10wt% 내지 30wt%, 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유 30wt% 내지 50wt%, 솔벤트-정제된 중질 파라핀 정제유 1wt% 내지 5wt%; 및 메틸 에스테르 3wt% 내지 40wt%를 포함할 수 있다. 상기 에스테르 성분은 상기 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유, 및 상기 메틸 에스테르에 포함될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 상기 오일은 퀘이커(Quaker)사의 상용 제품인 "FERROCOTEⓡ 6130"이 적용될 수 있다.
오일 도포 단계(S120)에 있어서, 오일은 도금 강판 상에 0.1g/m2 내지 10g/m2 도포될 수 있다. 오일이 도금 강판 상에 0.1g/m2 내지 10g/m2 도포됨으로써, 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층의 표면에 유막이 형성될 수 있다. 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층 표면에 형성된 유막은 후술하는 블랭크의 가열 시에 소지 강판과 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층 사이의 반응에 영향을 미칠 뿐만 아니라, 블랭크의 가열 시에 외부로부터 소지 강판으로 유입되는 수소의 양을 감소시킬 수 있다. 도금 강판 상에 도포되는 오일의 양이 0.1g/m2 미만인 경우 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 의해 제조된 부품의 표면이 부식될 수 있다. 반면에, 도금 강판 상에 도포되는 오일의 양이 10g/m2 초과인 경우 코일이 반경방향으로 변형(좌굴, bucking)되는 경우가 발생할 수 있다.
일 예로, 핫 스탬핑용 도금 강판의 제조 방법은 도금 강판 제조 단계(S110), 및 오일 도포 단계(S120)를 포함할 수 있다. 도금 강판 제조 단계(S110), 및 오일 도포 단계(S120)를 포함하는 핫 스탬핑용 도금 강판의 제조 방법을 통해 표면에 오일이 도포된 핫 스탬핑용 도금 강판이 제조될 수 있다.
블랭크 형성 단계(S130)는 오일이 도포된 도금 강판을 재단하여 블랭크를 형성하는 단계이다. 블랭크 형성 단계(S130)에서는 표면에 오일이 도포된 도금 강판을 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여 블랭크를 형성하는 단계이다. 표면에 오일이 도포된 도금 강판을 재단함으로써, 핫 스탬핑용 블랭크가 제공될 수 있다.
일 예로, 블랭크 형성 단계(S130)가 수행된 후, 오일 도포 단계(S120)가 수행될 수도 있다. 이 경우, 블랭크 형성 단계(S130)에서는 도금 강판을 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여 블랭크를 형성할 수 있다. 또한, 오일 도포 단계(S120)에서는, 블랭크 형성 단계(S130)를 통해 형성된 블랭크 상에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일을 도포할 수 있다. 오일 도포 단계(S120)에 있어서, 오일은 블랭크 상에 0.1g/m2 내지 10g/m2 도포될 수 있다.
블랭크 가열 단계(S140)는 재단된 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 블랭크 가열 단계(S140)는 재단된 블랭크를 800℃ 내지 1,000℃로 유지되는 가열로에서 가열하는 단계일 수 있다.
일 예로, 블랭크 형성 단계(S130)가 수행된 후, 오일 도포 단계(S120)가 수행되는 경우, 블랭크 가열 단계(S140)는 오일이 도포된 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 블랭크 가열 단계(S140)는 블랭크 형성 단계(S130), 및 오일 도포 단계(S120)가 순차적으로 수행된 블랭크를 800℃ 내지 1,000℃로 유지되는 가열로에서 가열하는 단계일 수 있다.
일 예로, 블랭크 가열 단계(S140)는 다단 가열 단계, 및 균열 가열 단계를 포함할 수 있다. 다단 가열 단계에서는 블랭크가 단계적으로 가열될 수 있고, 균열 가열 단계에서는 균일한 온도로 블랭크가 가열될 수 있다. 구체적으로, 다단 가열 단계에서는 블랭크가 가열로 내에 구비된 복수의 구간을 통과하며 단계적으로 승온될 수 있다. 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 다단 가열 단계가 수행되는 구간은 복수 개 존재할 수 있고, 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 높아지도록 각 구간별로 온도가 설정되어 블랭크를 단계적으로 승온시킬 수 있다. 다단 가열 단계 이후에 균열 가열 단계가 이루어질 수 있다. 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크가 Ac3 내지 1,000℃의 온도로 설정된 가열로의 구간을 통과하며 열처리될 수 있다. 바람직하게는 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크를 930℃ 내지 1,000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크를 950℃ 내지 1,000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 또한, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 균열 가열 단계가 수행되는 구간은 적어도 하나 이상일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 블랭크 가열 단계에 있어서, 복수의 구간을 구비한 가열로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 가열로는 서로 다른 온도 범위를 가지는 복수의 구간을 구비할 수 있다. 보다 구체적으로, 가열로는 제1 온도 범위(T1)를 가지는 제1 구간(P1), 제2 온도 범위(T2)를 가지는 제2 구간(P2), 제3 온도 범위(T3)를 가지는 제3 구간(P3), 제4 온도 범위(T4)를 가지는 제4 구간(P4), 제5 온도 범위(T5)를 가지는 제5 구간(P5), 제6 온도 범위(T6)를 가지는 제6 구간(P6), 및 제7 온도 범위(T7)를 가지는 제7 구간(P7)을 구비할 수 있다.
일 예로, 블랭크 가열 단계(S140) 중 다단 가열 단계에서는 블랭크가 가열로 내에 정의된 복수의 구간(예를 들어, 제1 구간(P1) 내지 제4 구간(P4))을 통과하며 단계적으로 다단 가열될 수 있다. 또한, 블랭크 가열 단계(S140) 중 균열 가열 단계에서는 제1 구간(P1) 내지 제4 구간(P4)에서 다단 가열된 블랭크가 제5 구간(P5) 내지 제7 구간(P7)에서 균열 가열될 수 있다.
제1 구간(P1) 내지 제7 구간(P7)은 차례대로 가열로 내에 배치될 수 있다. 제1 온도 범위(T1)를 가지는 제1 구간(P1)은 블랭크가 투입되는 가열로의 입구와 인접하고, 제7 온도 범위(T7)를 가지는 제7 구간(P7)은 블랭크가 배출되는 가열로의 출구와 인접할 수 있다. 따라서, 제1 온도 범위(T1)를 가지는 제1 구간(P1)이 가열로의 첫 번째 구간일 수 있고, 제7 온도 범위(T7)를 가지는 제7 구간(P7)이 가열로의 마지막 구간일 수 있다. 가열로의 복수의 구간들 중 제5 구간(P5), 제6 구간(P6), 및 제7 구간(P7)은 다단 가열이 수행되는 구간이 아닌 균열 가열이 수행되는 구간일 수 있다.
가열로 내에 구비된 복수의 구간의 온도, 예컨대 제1 구간(P1) 내지 제7 구간(P7)의 온도는 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 증가할 수 있다. 다만, 제5 구간(P5), 제6 구간(P6) 및 제7 구간(P7)의 온도는 동일할 수도 있다. 또한, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 서로 인접한 두 개의 구간들 간의 온도 차는 0℃ 보다 크고 100℃ 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 구간(P1)과 제2 구간(P2)의 온도 차는 0℃ 보다 크고 100℃ 이하일 수 있다.
일 예로, 제1 구간(P1)의 제1 온도 범위(T1)는 840℃ 내지 860℃일 수 있고, 835℃ 내지 865℃일 수 있다. 제2 구간(P2)의 제2 온도 범위(T2)는 870℃ 내지 890℃일 수 있고, 865℃ 내지 895℃일 수 있다. 제3 구간(P3)의 제3 온도 범위(T3)는 900℃ 내지 920℃일 수 있고, 895℃ 내지 925℃일 수 있다. 제4 구간(P4)의 제4 온도 범위(T4)는 920℃ 내지 940℃일 수 있고, 915℃ 내지 945℃일 수 있다. 제5 구간(P5)의 제5 온도 범위(T5)는 Ac3 내지 1,000℃일 수 있다. 바람직하게는 제5 구간(P5)의 제5 온도 범위(T5)는 930℃ 이상 1,000℃이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는 제5 구간(P5)의 제5 온도 범위(T5)는 950℃ 이상 1,000℃이하일 수 있다. 제6 구간(P6)의 제6 온도 범위(T6), 및 제7 구간(P7)의 제7 온도 범위(T7)는 제5 구간(P5)의 제5 온도 범위(T5)와 동일할 수 있다.
도 5에서는 일 실시예에 따른 가열로가 서로 다른 온도 범위를 가지는 일곱 개의 구간을 구비한 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 가열로 내에는 서로 다른 온도 범위를 가지는 다섯 개, 여섯 개, 또는 여덟 개 등의 구간이 구비될 수도 있다.
일 예로, 블랭크가 다단 가열된 이후에 블랭크가 균열 가열될 수 있다. 블랭크의 균열 가열은 가열로에 구비된 복수의 구간들 중 마지막 부분에서 수행될 수 있고 Ac3 내지 1,000℃의 온도에서 이루어질 수 있다.
균열 가열 단계는 가열로의 복수의 구간 중 마지막 부분에서 이루어질 수 있다. 일 예로, 균열 가열 단계는 가열로의 제5 구간(P5), 제6 구간(P6), 및 제7 구간(P7)에서 이루어질 수 있다. 가열로 내에 복수의 구간이 구비되는 경우, 하나의 구간의 길이가 길면 상기 구간 내에서 온도 변화가 생기는 등의 문제점이 존재할 수 있다. 따라서, 균열 가열 단계가 수행되는 구간은 제5 구간(P5), 제6 구간(P6), 및 제7 구간(P7)으로 구분되되, 상기 제5 구간(P5), 제6 구간(P6), 및 상기 제7 구간(P7)은 가열로 내에서 동일한 온도 범위를 가질 수 있다.
균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크를 Ac3 내지 1,000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 바람직하게는 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크를 930℃ 내지 1,000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 더욱 바람직하게는 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크를 950℃ 내지 1,000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다.
일 예로, 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이(D1)와 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이(D2)의 비는 1:1 내지 4:1일 수 있다. 보다 구체적으로, 블랭크가 다단 가열되는 구간인 제1 구간(P1) 내지 제4 구간(P4)의 길이의 합과 블랭크가 균열 가열되는 구간인 제5 구간(P5), 내지 제7 구간(P7)의 길이의 합의 비는 1:1 내지 4:1을 만족할 수 있다. 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이가 증가하여 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이(D1)와 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이(D2)의 비가 1:1을 초과할 경우, 균열 가열 구간에서 오스테나이트(FCC) 조직이 생성되어 블랭크 내로 수소 침투량이 증가하여 지연파단이 증가할 수 있다. 또한, 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이가 감소하여 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이(D1)와 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이(D2)의 비가 4:1 미만인 경우, 균열 가열 구간(시간)이 충분히 확보되지 않아 핫 스탬핑 부품의 제조 공정에 의해 제조된 부품의 강도가 불균일할 수 있다.
일 예로, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 균일 가열 구간의 길이는 가열로의 총 길이의 20% 내지 50%의 길이를 가질 수 있다.
또한, 블랭크 가열 단계(S140)에서, 가열로 내에는 서로 다른 두께를 가지는 적어도 두 개의 블랭크가 동시에 이송될 수 있다.
일 예로, 블랭크는 가열로 내에서 180초 내지 500초 동안 체류할 수 있다. 보다 구체적으로, 가열로 내에서 블랭크가 다단 가열, 및 균열 가열되는 시간은 180초 내지 500초일 수 있다. 블랭크가 가열로 내에 체류하는 시간이 180초 미만일 경우, 목적하는 균열 온도에서 충분히 균열되기 어려울 수 있다. 또한, 블랭크가 가열로 내에 체류하는 시간이 500초를 초과할 경우, 블랭크 내부로 침투하는 수소의 양이 증가하여 지연 파단의 위험이 높아지고, 핫 스탬핑 후의 내식성이 저하될 수 있다.
도 6은 에스테르계 화합물을 포함하는 오일이 도포된 블랭크, 및 일반 오일이 도포된 블랭크의 시간에 따른 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 에스테르계 화합물을 포함하는 오일이 도포된 블랭크(310)와 일반 오일이 도포된 블랭크(320)의 경우, 상온에서 600℃까지는 실질적으로 동일한 승온 속도를 보이고 있으나, 600℃ 내지 900℃에서는 에스테르계 화합물을 포함하는 오일이 도포된 블랭크(310)의 승온 속도가 일반 오일이 도포된 블랭크(320)의 승은 속도보다 빠른 것을 확인할 수 있다. 즉, 에스테르계 화합물이 10wt% 내지 40wt% 포함된 오일이 도포된 블랭크(310)의 승온 속도가 일반 오일이 도포된 블랭크(320)의 승온 속도보다 빠른 것을 확인할 수 있다.
에스테르계 화합물의 가수분해 반응은 블랭크 온도가 600℃ 내지 900℃인 구간에서 일어나는데, 상기 에스테르계 화합물의 가수분해 반응은 흡열반응으로써, 해당 구간에서의 가열로 온도를 높여서 가수분해 반응을 촉진시킴으로써, 블랭크 내로 수소가 유입되는 것을 차단하고, 도 1에서 전술한 바와 같이 제1 층(210), 제2 층(220), 및 상기 제2 층(220) 내에 아일랜드 형태로 구비된 금속간 화합물부(230)를 포함하는 도금층(200)이 소지 강판(100) 상에 형성될 수 있다. 이때, 에스테르 화합물이 10wt% 내지 40wt% 포함된 오일이 도포된 블랭크(310)의 온도가 600℃ 내지 900℃인 구간에서의 블랭크의 평균 승온 속도는 4.5℃/s 내지 10℃/s일 수 있다.
일 예로, 오일에는 에스테르계 화합물이 10wt% 내지 40wt% 포함될 수 있다. 오일에 에스테르계 화합물이 10wt% 내지 40wt% 포함됨으로써, 확산성 수소량이 감소되어 수소지연파괴 성능이 향상되고, 에스테르계 화합물의 가수분해 반응에 의해 치밀한 산화막이 형성될 수 있다. 오일에 에스테르계 화합물이 10wt% 미만으로 포함되는 경우, 확산성 수소량이 증가하여 수소지연파괴가 발생할 수 있다. 반면에, 오일에 에스테르계 화합물이 40wt% 초과하여 포함되는 경우, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 의해 제조된 부품의 표면에 얼룩이 존재할 수 있다.
블랭크 이송 단계(S150)는 가열된 블랭크를 가열로로부터 프레스 금형으로 이송하는 단계이다. 블랭크 이송 단계(S150)에서 가열된 블랭크는 10초 내지 15초 동안 공랭될 수 있다.
성형체 형성 단계(S160)는 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계이다. 성형체 냉각 단계(S170)는 형성된 성형체를 냉각하는 단계이다.
프레스 금형에서 최종 부품형상으로 성형하는 것과 동시에 성형체를 냉각하여 최종 제품이 형성될 수 있다. 프레스 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 프레스 금형에 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매에 순환에 의해 가열된 블랭크를 급랭시킬 수 있게 된다. 이때, 판재의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 프레스 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급랭을 실시할 수 있다. 가열된 블랭크를 성형 및 냉각 조작을 함에 있어, 마르텐사이트 종료 온도까지 평균냉각속도를 최소 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있다. 블랭크는 프레스 금형 내에서 3초 내지 20초간 유지될 수 있다. 프레스 금형 내 유지 시간이 3초 미만일 경우, 소재의 냉각의 충분히 이뤄지지 않아 잔존 열에 의한 부위 별 온도 편차로 취수 품질에 영향을 줄 수 있다. 또한, 충분한 양의 마르텐사이트가 생성되지 않아 기계적 물성이 확보되지 않을 수 있다. 반면에, 프레스 금형 내 유지 시간이 20초를 초과하는 경우, 프레스 금형 내 유지 시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다.
상술한 조성과 공정 조건을 적용하여 내지연파괴 성능을 가지는 핫 스탬핑 부품(부재)을 구현할 수 있다. 상기 핫 스탬핑 부품의 소지층 미세조직은 풀 마르텐사이트(Full Martensite) 조직을 가지며, 항복강도 900MPa 이상, 인장강도 1,350MPa 이상, 연신율 5% 이상을 만족할 수 있다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
성분(wt%)
C Si Mn P S Cr Ti B
성분계 1 0.23 0.24 1.17 0.014 0.002 0.17 0.03 0.002
성분계 2 0.29 0.21 1.39 0.01 0.001 0.19 0.031 0.002
성분 오일 다단 가열 실시 여부 균열 온도(℃) 가열로 체류
시간(s)
실시예 1 성분계 1 오일 1 O 950 300
실시예 2 성분계 1 오일 1 O 950 420
실시예 3 성분계 2 오일 1 O 900 300
비교예 1 성분계 1 오일 2 O 950 300
비교예 2 성분계 1 오일 2 O 950 420
비교예 3 성분계 2 오일 2 O 900 300
비교예 4 성분계 1 오일 1 X 950 300
비교예 5 성분계 2 오일 1 X 900 420
표 1은 본 발명의 실험예에 따른 소지 강판의 조성을 나타낸 표이고, 표 2는 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품 제조를 위한 강재 성분, 오일 조건, 다단 가열 실시 여부, 균열 온도, 및 가열로 체류 시간을 나타낸 표이다.
표 1의 성분계 1은 인장강도 1,350MPa 이상을 목표로 설정되었으며, 성분계 2는 인장강도 1,680MPa 이상을 목표로 설정되었다.
표 1, 및 표 2를 참조하면, 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2, 및 비교예 4의 강재는 표 1의 성분계 1의 조성과 여분의 철을 포함할 수 있고, 실시예 3, 비교예 3, 및 비교예 5의 강재는 표 1의 성분계 2의 조성과 여분의 철을 포함할 수 있다. 실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5의 조성을 가지는 강재에 대해 동일한 조건으로 열간 압연, 냉각/권취, 냉간 압연, 소둔 열처리, 및 용융 도금 처리를 수행하였다.
한편, 실시예 1 내지 실시예 3, 비교예 4, 및 비교예 5의 경우, 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층의 표면에 0.1g/m2의 오일 1을 도포하여 유막을 형성하였고, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우, 알루미늄-실리콘(Al-Si) 도금층의 표면에 0.1g/m2의 오일 2를 도포하여 유막을 형성하였다. 이때, 오일 1은 퀘이커(Quaker) 사의 "Ferrocote 6130" 제품을 사용하였고, 오일 2는 범우 사의 상용제품인 "BW-80HG"를 사용하였다. 오일 1에는 폴리 에스테르가 10wt% 내지 40wt% 포함되어 있지만, 오일 2에는 에스테르계 화합물이 10wt% 미만으로 포함되어 있다.
이어서, 표면에 오일 1이 도포된 실시예 1 내지 실시예 3, 및 표면에 오일 2가 도포된 비교예 1 내지 비교예 3의 블랭크를 상기 표 2의 조건에 따라 가열하고, 상기 가열된 블랭크를 성형 몰드로 이송하여 프레스 성형을 수행하고 10℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각함으로써, 핫 스탬핑 부품을 제조하였다. 또한, 표면에 오일 1이 도포된 비교예 4, 및 비교예 5의 블랭크는 상기 표 2의 조건에 따라 균일한 온도로 가열(단일 가열)하고, 상기 가열된 블랭크를 성형 몰드로 이송하여 프레스 성형을 수행하고 10℃/s 이상의 냉각 속도로 냉각함으로써, 핫 스탬핑 부품을 제조하였다.
<인장 강도 검사>
표 3의 실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5의 핫 스탬핑 부품을 제조한 후, 상온에서의 항복강도, 인장강도, 및 연신율을 측정하였다.
재질 특성
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%)
실시예 1 908 1413 8.3
실시예 2 912 1432 8.1
실시예 3 1058 1713 7.3
비교예 1 905 1409 8.1
비교예 2 910 1428 8.0
비교예 3 1031 1704 7.1
비교예 4 901 1356 8.2
비교예 5 1027 1684 7.2
표 3은 실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5의 상온에서의 항복강도, 인장강도, 및 연신율을 나타낸 표이다. 표 4를 참조하면, 실시예 1, 및 실시예 2의 항복강도가 900MPa, 이상이고, 인장강도가 1,350MPa 이상이며, 연실율이 5% 이상인 것을 확인할 수 있다. 또한, 실시예 3의 인장강도가 1,680MPa 이상이고 항복강도가 1,000Mpa 이상인 것을 확인할 수 있다.
따라서, 도금층 상에 에스테르계 화합물이 10wt% 내지 40wt% 포함된 오일(오일 1)이 도포된 블랭크로 핫 스탬핑 부품을 제조한 경우에도 미리 설정된 목표(예컨대, 1,350MPa 또는 1,680MPa) 이상의 인장강도를 가질 수 있다.
<확산성 수소량, 및 수소지연파괴특성 평가>
실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5에 대해 가열 탈가스 분석(Thermal Desoprtion Spectroscopy)을 실시하였다. 보다 구체적으로, 20℃/min의 가열 속도로 상온에서 500℃ 까지 승온시키면서, 350℃ 이하에서 핫 스탬핑 부품으로부터 방출되는 확산성 수소량을 측정하였다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5에 대해 수소지연파괴 평가를 수행하였다. 상기 수소지연파괴 평가는 4점 굴곡 시험(4 point bending test) 방법으로 수행하였다. 상기 4점 굴곡 시험은 부식 환경에 노출시킨 상태를 재현하여 제조된 시편의 특정 지점에 탄성 한계 이하 수준의 응력을 가하여, 응력부식균열의 발생 여부를 확인하는 시험 방법이다. 이때, 응력부식균열은 부식과 지속적인 인장응력이 동시에 작용할 때, 발생하는 균열을 의미한다.
구체적으로, 인장강도가 1,350Mpa 이상인 실시예 1, 실시예 2, 비교예 1, 비교예 2, 비교예 4는 각각의 샘플에 대하여 공기 중에서 1,000Mpa의 응력을 100시간 동안 인가하여 파단 발생 여부를 확인한 결과이다. 또한, 인장강도가 1,680Mpa 이상인 실시예 3, 비교예 3, 및 비교예 4는 각각의 샘플에 대하여 공기 중에서 1,200Mpa의 응력을 100시간 인가하여 파단 발생 여부를 확인한 결과이다.
확산성 수소량
(wppm)		 수소지연파괴
실시예 1 0.41 미파단
실시예 2 0.46 미파단
실시예 3 0.346 미파단
비교예 1 0.66 파단
비교예 2 0.92 파단
비교예 3 0.528 파단
비교예 4 0.79 파단
비교예 5 0.61 파단
도 7a 내지 도 7c는 각각 실시예 1과 비교예 1, 실시예 2와 비교예 2, 및 실시예 3과 비교예 3의 가열 탈가스 분석 결과를 나타내는 그래프이고, 표 4는 실시예 1 내지 실시예 3, 및 비교예 1 내지 비교예 5으로부터 방출되는 확산성 수소량, 및 수소지연파괴 평과 결과를 나타내는 표이다.
도 7a, 및 표 4를 참조하면, 300℃ 이하의 온도에서 실시예 1으로부터 방출되는 확산성 수소량이 비교예 1으로부터 방출되는 확산성 수소량에 비해 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 수소지연파괴 평과 결과 실시예 1은 파단이 발생하지 않았지만, 비교예 1은 파단이 발생하였다.
도 7b, 및 표 4를 참조하면, 300℃ 이하의 온도에서 실시예 2로부터 방출되는 확산성 수소량이 비교예 2로부터 방출되는 확산성 수소량에 비해 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 수소지연파괴 평과 결과 실시예 2는 파단이 발생하지 않았지만, 비교예 2는 파단이 발생하였다.
도 7c, 및 표 4를 참조하면, 300℃ 이하의 온도에서 실시예 3으로부터 방출되는 확산성 수소량이 비교예 3으로부터 방출되는 확산성 수소량에 비해 적은 것을 확인할 수 있다. 또한, 수소지연파괴 평과 결과 실시예 3은 파단이 발생하지 않았지만, 비교예 3은 파단이 발생하였다.
따라서, 도금층의 표면에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일(오일 1)을 도포하는 경우, 외부로부터 수소 유입량이 감소하였고, 이에 따라 수소지연파괴에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
또한, 다단 가열을 수행한 실시예 1, 및 실시예 3으로부터 각각 방출되는 확산성 수소량이 단일 가열을 수행한 비교예 4, 및 비교예 5로부터 각각 방출되는 확산성 수소량에 비해 적으며, 수소지연파괴 평과 결과 실시예 1, 및 실시예 3은 파단이 발생하지 않았지만, 비교예 4, 및 비교예 5는 파단이 발생하였다.
따라서, 다단 가열을 수행하는 경우 단일 가열을 수행하는 경우에 비해, 외부로부터 수소 유입량이 감소하였고, 이에 따라 수소지연파괴에 대한 저항성이 우수한 것으로 나타났다.
<표면층의 두께 관찰>
도 8a, 및 도 8b는 각각 실시예 1, 및 비교예 1의 표면층을 나타내는 사진이다. 도 8a, 및 도 8b는 실시예 1, 및 비교예 1의 단면을 TEM으로 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 8a, 및 도 8b를 참조하면, 실시예 1의 표면층(240)의 두께는 약 165nm이고, 비교예 1의 표면층(450)의 두께는 약 92nm이다. 따라서, 실시예 1이 비교예 1에 비해 두꺼운 표면층을 가지며, 이는 도 6에서와 같이, 실시예 1의 블랭크의 승온 속도와 비교예 1의 블랭크의 승온 속도 차이에 의해 발생되는 것으로 판단된다. 실시예 1의 표면층(240)이 비교예 1의 표면층(450)에 비해 두껍게 구비되므로, 도금층 상에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일(오일 1)이 도포되는 경우 더욱 효과적으로 소지 강판(100)이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
<용접성 평가>
실시예 1, 및 비교예 1에 대해 용접성 평가를 실시하였다. 상기 용접성 평가는 930℃ 4min 동안 6mm의 용접 팁을 가압력 350kgf로 용접부에 인가한 상태에서, 전류를 인가한 상태에서 접촉 저항을 측정하였다.
도 9는 실시예 1, 및 비교예 1에 대한 점용접 시 저항 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 실시예 1의 접촉 저항이 비교예 1의 접촉 저항에 비해 낮은 것을 확인할 수 있다. 특히, 용접 초기 5ms 내외에서의 실시예 1의 접촉 저항이 비교예 1의 접촉 저항보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예 1의 접촉 저항이 비교예 1의 접촉 저항에 비해 낮으므로, 실시예 1의 핫 스탬핑 부품이 비교예 1의 핫 스탬핑 부품에 비해 용접성이 우수함을 확인할 수 있다.
<내식성 평가>
실시예 1, 및 비교예 1의 핫 스탬핑 부품에 대해 내식성 평가 실험을 수행하였다. 상기 내식성 평가는 작업전극(working electrode)으로 시편을, 상대전극(counter electrode)으로 고순도 탄소봉을, 기준전극(reference electrode)으로 포화감홍전극(saturated calomel electrode)을 사용하여 3전극 전기화학 셀을 구성하여 동 전위 분극 시험을 진행하였다. 동 전위 분극 시험은 3.5%NaCl 용액에서 개방회로전위(open-circuit potential, OCP)를 10시간 동안 측정하여 전기화학적 안정화를 확인한 후에 진행하였으며, 부식전위(Ecorr) 기준-250mV 부터 0mVSCE까지 0.166mV/s의 주사 속도로 전위를 인가하였다.
도 10은 실시예 1, 및 비교예 1에 대한 내식성 평가 실험 결과를 나타내는 그래프이다. 도 10의 그래프는 실시예 1, 및 비교예 1의 부식 전류 측정 결과이며, 상기 부식 전류는 안정적으로 유지되던 전위(Potential)의 분기가 발생하는 시점의 전류 밀도에 대응되는 수치이다.
도 10을 참조하면, 실시예 1의 부식 전류는 5X10-4A로 측정되었으며, 비교예 1의 부식 전류는 5.5X10-4A로 측정되었다. 이를 통해, 실시예 1의 부식과 관련된 전류 밀도가 비교예 1의 부식과 관련된 전류 밀도에 비해 낮을 것을 확인할 수 있다. 따라서, 실시예 1의 내식성이 비교예 1의 내식성에 비해 우수함을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 소지 강판; 및
    상기 소지 강판 상에 위치하며 순차적으로 적층된 제1 층, 및 제2 층을 구비하는 도금층;을 포함하고,
    상기 도금층은 상기 제2 층 내에 아일랜드 형태로 배치되는 금속간 화합물부를 더 포함하고,
    상기 제2 층에 대한 상기 금속간 화합물부의 면적분율은 20% 내지 60%인, 핫 스탬핑 부품.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층은 FeAl3상, 및 Fe2Al5상 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 FeAl3상, 및 상기 Fe2Al5상의 평균 결정립 크기는 3㎛ 내지 15㎛인, 핫 스탬핑 부품.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속간 화합물부는 상기 제2 층 내에서 불연속적으로 배치되는, 핫 스탬핑 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 금속간 화합물부는, 철(Fe): 62wt% 내지 67wt%, 실리콘(Si): 2wt% 내지 6wt%, 및 알루미늄(Al): 30wt% 내지 34wt%를 포함하는, 핫 스탬핑 부품.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속간 화합물부의 알루미늄 함량은 상기 제2 층의 알루미늄 함량보다 높은, 핫 스탬핑 부품.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 도금층은 상기 제2 층 상에 적층된 표면층을 더 포함하고, 상기 표면층의 평균 두께는 100nm 내지 200nm인, 핫 스탬핑 부품.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 소지 강판, 탄소(C): 0.19wt% 내지 0.38wt%, 실리콘(Si): 0.1wt% 내지 1wt%, 망간(Mn): 1wt% 내지 2wt%, 인(P): 0 초과 0.03wt% 이하, 황(S): 0 초과 0.01wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1wt% 내지 0.6wt%, 티타늄(Ti): 0.01wt% 내지 0.05wt%, 보론(B): 0.001wt% 내지 0.005wt%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는, 핫 스탬핑 부품.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 핫 스탬핑 부품의 제조 방법으로,
    알루미늄, 및 실리콘을 포함하는 도금욕에 소지 강판을 침지하여 도금 강판을 제조하는 단계;
    상기 도금 강판 상에 에스테르계 화합물을 포함하는 오일을 도포하는 단계;
    상기 오일이 도포된 도금 강판을 재단하여 블랭크를 형성하는 단계; 및
    상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계;
    를 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 오일은 상기 도금 강판 상에 0.1g/m2 내지 10g/m2 도포되는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 오일은, 10wt% 내지 30wt%의 수소처리된 중질 파라핀 정제유, 30wt% 내지 50wt%의 솔벤트-탈왁스된 중질 파라핀 정제유, 1wt% 내지 5wt%의 솔벤트-정제된 중질 파라핀 정제유, 및 10wt% 내지 40wt%의 에스테르계 화합물을 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계에 있어서,
    상기 가열로는 서로 다른 온도 범위를 가진 복수의 구간을 구비하고, 상기 블랭크는 상기 가열로 내에서 단계적으로 가열되는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 블랭크를 가열로 내에서 가열하는 단계에 있어서,
    상기 가열로 내에는 서로 다른 두께를 가지는 적어도 두 개의 블랭크가 동시에 이송되는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 블랭크를 가열하는 단계 이후에,
    상기 가열된 블랭크를 상기 가열로로부터 프레스 금형으로 이송하는 단계;
    상기 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및
    상기 형성된 성형체를 냉각하는 단계;를 더 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
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