KR20210151035A

KR20210151035A - 알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR20210151035A
Application number: KR1020210171784A
Authority: KR
Inventors: 황현석; 이석규; 오종기; 민광태; 신동석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2021-12-13
Also published as: JP2022550142A; WO2021125696A2; KR102560002B1; EP4079922A4; KR20210078277A; WO2021125696A3; US20220372608A1; JP2024041853A; CN114761601A; EP4079922A2

Abstract

본 발명은 알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자동차용 강판으로 바람직하게 적용할 수 있는 표면 품질 및 용접성이 우수한 알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

Description

알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법{ALUMINIUM ALLOY COATED STEEL SHEET, HOT FORMED PARTS AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}

알루미늄 도금강판은 희생방식성이 부재하여 스크래치 등에 의한 내식성이 열위하다. 또한 알루미늄 도금강판을 제조할 시에는 도금욕의 융점이 높아 생산시 도금욕에 침지되어 있는 싱크롤(Sink roll) 등의 설비가 도금욕에 침식되어 설비의 교체주기가 짧고 생산성이 떨어진다.

한편, 아연계 도금 강판은 내식성은 우수하지만 열간프레스 성형 후에는 도금층 표면에 아연 산화물이 두껍게 형성되어 용접성이 극히 열위하다. 아울러, 용접을 위해서는 도금층의 산화물을 제거하기 위한 숏 블라스팅(Shot blasting) 등 2차 가공이 필요하다.

본 발명의 일측면은 표면 품질 및 용접성이 우수한 알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄합금 도금층;을 포함하고, 상기 알루미늄합금 도금층은 중량%로, Zn: 21~35%, Si: 1~6.9%, Fe: 2~12%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판을 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄합금 도금층;을 포함하고, 상기 알루미늄합금 도금층은 중량%로, Zn: 21~35%, Si: 1~6.9%, Fe: 2~12%, Mg: 1.2%이하(0%를 포함), 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판을 열간 성형하여 얻어지는 열간성형 부재로서, 면적%로, 마르텐사이트: 90% 이상과, 잔부 페라이트, 베이나이트 중 1종 이상을 포함하는 미세조직을 갖는 열간성형 부재를 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 소지강판을 준비하는 단계; 및 상기 소지강판을 580~680℃인 도금욕에 침지하여 상기 소지강판의 표면에 알루미늄합금 도금층을 형성시키는 단계;를 포함하고, 상기 도금욕은 중량%로, Zn: 23~40%, Si: 1~8%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시형태는 전술한 알루미늄합금 도금강판의 제조방법을 통해 얻어진 알루미늄합금 도금강판을 Ac3 온도 이상으로 가열하는 단계; 상기 가열된 알루미늄합금 도금강판을 금형을 이용하여 열간 성형하여 열간성형 부재를 얻는 단계; 및 상기 성형 부재를 10℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 열간성형 부재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 표면 품질 및 용접성이 우수한 알루미늄합금 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법을 제공하고자 할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄합금 도금강판에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄합금 도금강판은 소지강판; 및 상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄합금 도금층;을 포함한다.

본 발명에서는 상기 소지강판의 종류나 그 함량에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 그 종류로는 열연강판, 열연산세강판, 냉연강판 등을 이용할 수 있고, 그 함량으로는 중량%로, C: 0.15~0.39%, Mn: 0.5~3%, B: 0.01%이하(0%를 포함), Ti: 0.1%이하(0%를 포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것일 수 있다. 더하여, 본 발명의 소지강판은 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 함량 범위로 Si나 Cr 등을 더 포함할 수 있다.

C: 0.15~0.39%

상기 C은 소재의 강도와 경도를 높이며, 고온으로 가열된 블랭크 상태에서 오스테나이트가 페라이트와 펄라이트로 변태하는 것을 억제하는 효과를 지니며, 열간 프레스 성형시 강도 확보에 도움을 준다. 또한, 마르텐사이트 변태 시작 온도를 낮추는 효과를 가져 금형의 냉각 효율에도 도움을 준다. 이러한 효과를 위해서 상기 C의 함량은 0.15% 이상인 것이 바람직하다. 그러나, C의 함량이 0.39%를 초과하는 경우에는 용접성을 저해시키는 요인이 되며, 최종 제품의 연성을 저해한다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.15~0.39%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 C 함량의 하한은 0.17%인 것이 보다 바람직하고, 0.19%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.21%인 것이 가장 바람직하다. 상기 C 함량의 상한은 0.37%인 것이 보다 바람직하고, 0.35%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.33%인 것이 가장 바람직하다.

Mn: 0.5~3%

상기 Mn은 소지강판의 경화능을 확보하고 오스테나이트 변태온도를 낮추는 효과가 있어 열간 프레스 성형 중 로(furnace)의 온도를 낮출 수 있게 한다. 또한, 베이나이트 형성을 억제하여 열간 프레스 성형 후 최종제품의 조직이 마르텐사이트로 형성되는 것을 도와주어 강도를 향상시키는데 이점이 있다. 더하여, 마르텐사이트 변태 시작 온도(Ms)온도를 낮출 수 잇다. 상기 Mn의 함량이 0.5% 미만인 경우에는 일반적인 로(furnace) 가열 중 충분한 오스테나이트 분율을 얻기가 어려워 열간 프레스 성형 후 경화능이 약화되어 충분한 강도 확보가 어려우며, 3%를 초과하는 경우에는 열간 프레스 가공 중 ??칭 과정에서 소재에 크랙이 발생할 위험이 있다. 있다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 0.5~3%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Mn 함량의 하한은 0.8%인 것이 보다 바람직하고, 1.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 1.2%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Mn 함량의 상한은 2.5%인 것이 보다 바람직하고, 2.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 1.8%인 것이 가장 바람직하다.

B: 0.01%이하(0%를 포함)

상기 B는 경화능을 효과적으로 확보하기 위한 원소이다. B은 매우 작은 양으로도 강도를 높일 수 있으며 페라이트와 펄라이트 형성을 억제하여 열간 프레스 성형 중 냉각시 마르텐사이트 분율을 높일 수 있는 효과를 지닌다. 그러나, 상기 B의 함량이 0.01%를 초과하는 경우에는 도금 과정을 위한 소둔 과정 중 보론이 표면 농화되어 산화물로 형성되어 도금욕에 대해 젖음성이 열위해져 미도금이 발생하기 쉽고 표면 품질이 열위해지는 단점이 있다. 따라서, 상기 B의 함량은 0.01%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 B 함량의 하한은 0.0005%(5ppm)인 것이 보다 바람직하고, 0.0010(10ppm)%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.0015%(15ppm)인 것이 가장 바람직하다. 상기 B 함량의 상한은 0.008%(80ppm)인 것이 보다 바람직하며, 0.005%(50ppm)인 것이 보다 더 바람직하다.

Ti: 0.1%이하(0%를 포함)

티타늄(Ti)은 질소(N)와 결합해 질화물을 형성하여 BN형성에 의한 담금질성 저하를 억제하는 효과를 가진다. 또한, Ti는 열간 프레스 성형을 위한 가열 시에 오스테나이트를 미세화하고 강판의 인성 등을 높이는 역할을 한다. 그러나, 상기 Ti의 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 상기 효과가 포화될 뿐만 아니라, Ti질화물이 과도하게 석출되어 강의 인성을 저하시킨다. 따라서, 상기 Ti의 함량은 0.1%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 Ti은 0.01%이상 포함되는 것이 보다 바람직하다.

상기 알루미늄합금 도금층은 중량%로, Zn: 21~35%, Si: 1~6.9%, Fe: 2~12%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

통상적으로 알루미늄 도금강판은 기본적인 희생방식성이 없기 때문에 아연을 첨가함으로써 내식성을 향상시킬 수 있으며, 도금욕의 융점을 낮추는 역할을 한다. 상기 Zn의 함량은 21~35%인 것이 바람직한데, 21% 미만인 경우에는 내식성이 충분히 확보되지 않는다는 단점이 있고, 35%를 초과하는 경우에는 도금욕의 융점은 낮아지고 Zn 함량은 상대적으로 높아지게 됨에 따라 Zn이 기화되어 증발하게 되는 단점이 있을 뿐만 아니라, 상기 증발된 Zn은 스나우트 내에 달라붙어 Zn 애쉬(ash)를 형성하게 되고, 이러한 Zn 애쉬는 도금 중에 소지강판의 표면에 달라붙어 심각한 표면 품질을 유발하게 된다. 따라서, 상기 Zn의 함량은 21~35%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Zn 함량의 하한은 22%인 것이 보다 바람직하고, 24%초과인 것이 보다 더 바람직하며, 25%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Zn 함량의 상한은 34%인 것이 보다 바람직하고, 33%인 것이 보다 더 바람직하며, 32%인 것이 가장 바람직하다.

규소는 도금욕의 알루미늄과 소지강판의 철이 반응하여 생성되는 금속간화합물층의 과도한 형성을 억제할 뿐만 아니라, 도금욕의 융점을 낮추는 역할을 한다. 상기 Si의 함량은 1~6.9%인 것이 바람직한데, 1% 미만인 경우에는 Si에 의한 합금화 반응 억제 효과가 일어나지 않아 알루미늄이 소지철로 확산해간 알루미늄 확산층이 소지철에 두껍게 형성되어 용접성을 열위하게 한다. 또한 소지철과 도금층의 계면이 불균일하게 형성되고 도금 표면에까지 영향을 미쳐 표면 품질을 저하시킨다. 규소의 함량이 많을 경우에는 도금욕의 융점을 높여 표면 결함을 유발하게 된다. 아연이 30% 함유된 알루미늄 도금욕에서 Si과 Al의 공정점은 6.9%로, 상기 Si의 함량이 6.9%를 초과하는 경우에는 아연을 포함한 Al-Si 공정상 조성을 넘어 Si이 증가할수록 도금욕의 융점이 급속히 높아지게 되고, 도금욕 온도가 높아지게 되면 도금욕의 애쉬 발생량이 급증하는 문제점이 있다. 또한 6.9%를 넘어서게 되면 도금욕에서 나온 소지강판의 표면에서 응고를 시작하는 도금층 내에 Al이 아닌 Si이 먼저 석출하게 되어 도금층의 표면이 불균일하게 된다. 따라서, 상기 Si의 함량은 1~6.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Si 함량의 하한은 1.1%인 것이 보다 바람직하고, 1.5%인 것이 보다 더 바람직하며, 2%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Si 함량의 상한은 6.5%인 것이 보다 바람직하고, 6.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 5.0%미만인 것이 가장 바람직하다.

상기 도금층의 Fe의 함량은 2~12%인 것이 바람직한데, 2% 미만인 경우에는 도금욕의 Al과 소지철의 Fe가 소지철 표면에 균일한 합금상이 아닌 불균일한 Al-Fe합금상이 형성되거나 합금상이 미형성되는데, 이러한 불균일한 합금상에 의해 도금 표면이 거칠어지고 도금 결함이 많아지는 단점이 있다. 12%를 초과하는 경우에는 과도한 Al-Fe 합금층이 형성되어 연성이 작은 표면 합금상에 의해 도금층 박리 발생 우려가 있다. 또한 도금시에 생긴 과도한 합금상은 열간 프레스 성형시 수행되는 열처리 공정에서 Fe의 확산을 억제하는 역할을 하게 되어 도금층이 액상상태로 오래 남게 되어 가열로 내에서 소착 문제를 발생하게 한다. 따라서, 상기 Fe의 함량은 2~12%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Fe 함량의 하한은 3%인 것이 보다 바람직하고, 4%인 것이 보다 더 바람직하며, 5%초과인 것이 가장 바람직하다. 상기 Fe 함량의 상한은 12%인 것이 보다 바람직하고, 11.5%인 것이 보다 더 바람직하며, 11%인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상기 Fe는 도금욕 내에는 포함되어 있지 않으나, 도금시 소지강판에 존재하는 Fe가 도금욕으로 용출됨에 따라, 알루미늄합금 도금층에 포함될 수 있다.

한편, 상기 알루미늄합금 도금층은 내식성 향상을 위하여, 선택적으로 Mg: 1.4%이하를 추가로 포함할 수 있다. 상기 Mg는 부식 환경에서 아연산화물이 추가로 분해되는 것을 억제하는 버퍼 역할을 수행하여 내식성을 향상시킨다. 따라서, 상기 Mg의 함량은 1.4%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 Mg의 함량이 1.4%를 초과하는 경우에는 용접성이 저하될 가능성이 높아지게 된다. 상기 Mg 함량의 하한은 0.05%인 것이 보다 바람직하고, 0.1%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.15%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Mg 함량의 상한은 1.2%인 것이 보다 바람직하고, 1.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.8%인 것이 가장 바람직하다.

또한, 상기 알루미늄합금 도금층은 Al/(Zn+Si)가 1.3~2.6일 수 있다. 상기 Al/(Zn+Si)의 제어는 용접성 및 내식성 확보를 위한 것이다. 아연은 첨가시 내식성을 향상시키나 과다할 경우 표면에 열간 프레스 공정후 아연 산화물을 형성하여 용접성을 저해시킨다. 규소의 경우 함량이 낮을 경우 알루미늄 확산층이 두껍게 형성되어 용접성이 저하되고 공정점 이상 넣을 경우 도금욕 융점을 상승시키게 된다. 상기 Al/(Zn+Si)가 1.3 미만인 경우에는 용접성이 열위해지는 단점이 있고, 2.6을 초과하는 경우에는 마그네슘을 첨가하지 않을시 내식성이 열위해지는 단점이 생긴다. 따라서, 상기 Al/(Zn+Si)는 1.3~2.6의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Al/(Zn+Si)의 하한은 1.35인 것이 보다 바람직하고, 1.40 인 것이 보다 더 바람직하며, 1.45인 것이 가장 바람직하다. 상기 Al/(Zn+Si)의 상한은 2.55인 것이 보다 바람직하고, 2.5인 것이 보다 더 바람직하며, 2.45인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상기 Al, Zn 및 Si의 함량 단위는 중량%이다.

전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 알루미늄합금 도금강판은 기본적으로 내식성이 우수할 뿐만 아니라, 표면 품질 및 용접성 또한 우수한 수준으로 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열간성형 부재에 대하여 설명한다.

본 발명의 일 실시형태에 따른 열간성형 부재는 전술한 특징들을 갖는 알루미늄합금 도금강판을 열간 성형하여 얻어지는 열간성형 부재로서, 면적%로, 마르텐사이트: 90% 이상과, 잔부 페라이트, 베이나이트 중 1종 이상을 포함하는 미세조직을 갖는 것이 바람직하다. 상기 마르텐사이트는 강도 확보에 매우 유리한 조직으로서, 본 발명에서는 그 분율을 90% 이상이 되도록 제어한다. 상기 마르텐사이트의 분율이 90% 미만인 경우에는 충분한 강도를 확보하기 곤란하다. 따라서, 상기 마르텐사이트의 분율은 90% 이상인 것이 바람직하다. 상기 마르텐사이트 분율은 93% 이상인 것이 보다 바람직하고, 95% 이상인 것이 보다 더 바람직하며, 97%인 것이 가장 바람직하다. 한편, 강도 확보 측면에서 상기 마르텐사이트는 100%인 것이 가장 바람직하나, 제조공정상 불가피하게 페라이트, 베이나이트 등의 미세조직이 불순 조직으로서 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 열간성형 부재는 인장강도가 1200MPa 이상으로서, 매우 우수한 강도를 확보할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 알루미늄합금 도금강판의 제조방법에 대하여 설명한다.

우선, 소지강판을 준비한다. 상기 소지강판 준비시, 오일 등 강판 표면에 묻어있는 불순물들을 제거함으로써 상기 소지강판의 표면 청정화를 위하여, 탈지, 세정 또는 산세 공정을 행할 수 있다.

이후, 상기 소지강판을 650~850℃에서 열처리할 수 있다. 상기 열처리는 재결정 이상 온도에서 실시하여 연속도금 공정에서 소재의 가공경화를 방지하고 소지강판을 도금욕보다 높은 온도로 유지하여 도금성을 좋게 하기 위한 것이다. 상기 열처리 온도가 650℃ 미만인 경우에는 연속공정과 같은 롤을 통과시 가공경화에 의한 소재 변형 및 사행이 있을 수 있는 단점이 있으며, 850℃를 초과하는 경우에는 소지내에 존재하는 Mn 및 Si이 소지표면으로 농화되어 산화물을 형성하여 도금성을 열위하게 하는 단점이 있다. 따라서, 상기 열처리 온도는 650~850℃인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도의 하한은 680℃인 것이 보다 바람직하며, 700℃인 것이 보다 더 바람직하고, 730℃인 것이 가장 바람직하다. 상기 열처리 온도의 상한은 850℃인 것이 보다 바람직하며, 830℃인 것이 보다 더 바람직하고, 810℃인 것이 가장 바람직하다.

상기 열처리는 부피%로, 25%이하(0%를 포함)의 수소 가스 및 잔부 질소 가스로 구성되는 환원성 분위기에서 행하여질 수 있다. 고순도의 질소가스를 사용하지 않을 경우 열처리로 내의 환원분위기가 유지되기 어려워 소지강판의 표면 청정화가 어려울 수 있으나, 이 경우 수소 가스를 첨가하게 되면 열처리로 내의 이슬점을 낮출 수 있고 환원 분위기를 유지하여 소지철의 추가 산화를 방지하고 소지 표면을 청정화시킬 수 있다. 다만, 상기 수소 가스의 분율이 25%를 초과하는 경우에는 대기로 누출시 산소와의 접촉으로 열처리로 폭발위험성이 있다. 상기 수소 가스 함량의 상한은 20%인 것이 보다 바람직하며, 15%인 것이 보다 더 바람직하고, 10%인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상기 수소 가스 함량의 하한은 0.5%인 것이 보다 바람직하며, 1%인 것이 보다 더 바람직하고, 2%인 것이 가장 바람직하다.

이후, 상기 소지강판을 560~680℃인 도금욕에 침지하여 상기 소지강판의 표면에 알루미늄합금 도금층을 형성시킨다. 상기 도금욕의 온도가 560℃ 미만인 경우에는 도금욕의 온도가 낮아 점성이 증가하여 도금욕 내에 침지되어 있는 싱크롤 등의 설비의 구동이 어려워지고 이로 인해 조업성이 열위해지는 단점이 있으며, 680℃를 초과하는 경우에는 아연이 포함된 도금욕으로 인하여 애쉬로 인한 제품의 표면 품질 저하를 유발할 뿐만 아니라, 싱크롤 등의 설비가 도금욕에 의해 급속히 침식되어 설비 교체 주기가 짧아진다는 단점이 있다. 따라서, 상기 도금욕의 온도는 560~680℃인 것이 바람직하다. 상기 도금욕의 온도의 하한은 565℃인 것이 보다 바람직하고, 570℃인 것이 보다 더 바람직하며, 575℃인 것이 가장 바람직하다. 상기 도금욕의 온도의 상한은 675℃인 것이 보다 바람직하고, 665℃인 것이 보다 더 바람직하며, 650℃인 것이 가장 바람직하다.

이 때, 상기 도금욕은 중량%로, Zn: 23~40%, Si: 1~8%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 Zn의 함량은 23~40%인 것이 바람직한데, 23% 미만인 경우에는 내식성이 충분히 확보되지 않는다는 단점이 있고, 40%를 초과하는 경우에는 도금욕의 융점이 낮아지게 됨에 따라 Zn이 기화되어 증발하게 되는 단점이 있을 뿐만 아니라, 상기 증발된 Zn은 스나우트 내에 달라붙어 Zn 애쉬(ash)를 형성하게 되고, 이러한 Zn 애쉬는 도금 중에 소지강판의 표면에 달라붙어 심각한 표면 품질을 유발하게 된다. 따라서, 상기 Zn의 함량은 23~40%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Zn 함량의 하한은 24%인 것이 보다 바람직하고, 25%인 것이 보다 더 바람직하며, 26%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Zn 함량의 상한은 39%인 것이 보다 바람직하고, 38%인 것이 보다 더 바람직하며, 37%인 것이 가장 바람직하다. 한편, 상기 도금욕 내 Zn 함량은 알루미늄합금 도금층에 포함되는 Zn 함량 대비 높은 수준인데, 이는 알루미늄합금 도금층에 도금욕 내 Zn 대신 소지강판으로부터 용출된 Fe가 포함되기 때문이다. 즉, 본 발명이 제안하는 수준의 알루미늄합금 도금층 내 Zn 함량을 충족하기 위해서는, 도금욕 내 Zn 함량이 알루미늄합금 도금층 내 Zn 함량 보다 높은 수준이어야 할 필요가 있다.

상기 Si의 함량은 1~6.9%인 것이 바람직한데, 1% 미만인 경우에는 Si에 의한 합금화 반응 억제 효과가 일어나지 않아 알루미늄이 소지철로 확산해간 알루미늄 확산층이 소지철에 두껍게 형성되어 용접성을 열위하게 한다. 또한 소지철과 도금층의 계면이 불균일하게 형성되고 도금 표면에까지 영향을 미쳐 표면 품질을 저하시킨다. 규소의 함량이 많을 경우에는 도금욕의 융점을 높여 표면 결함을 유발하게 된다. 아연이 30% 함유된 알루미늄 도금욕에서 Si과 Al의 공정점은 6.9%로, 상기 Si의 함량이 6.9%를 초과하는 경우에는 아연을 포함한 Al-Si 공정상 조성을 넘어 Si이 증가할수록 도금욕의 융점이 급속히 높아지게 되고, 도금욕 온도가 높아지게 되면 도금욕의 애쉬 발생량이 급증하는 문제점이 있다. 또한 6.9%를 넘어서게 되면 도금욕에서 나온 소지강판의 표면에서 응고를 시작하는 도금층 내에 Al이 아닌 Si이 먼저 석출하게 되어 도금층의 표면이 불균일하게 된다. 따라서, 상기 Si의 함량은 1~6.9%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 Si 함량의 하한은 1.1%인 것이 보다 바람직하고, 1.5%인 것이 보다 더 바람직하며, 2%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Si 함량의 상한은 6.5%인 것이 보다 바람직하고, 6.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 5.0%미만인 것이 가장 바람직하다.

한편, 상기 도금욕은 내식성 향상을 위하여, 선택적으로 Mg: 1.4%이하를 추가로 포함할 수 있다. 상기 Mg는 부식 환경에서 아연산화물이 추가로 분해되는 것을 억제하는 버퍼 역할을 수행하여 내식성을 향상시킨다. 따라서, 상기 Mg의 함량은 1.4%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 한편, 상기 Mg의 함량이 1.4%를 초과하는 경우에는 용접성이 저하될 가능성이 높아지게 된다. 상기 Mg 함량의 하한은 0.05%인 것이 보다 바람직하고, 0.1%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.15%인 것이 가장 바람직하다. 상기 Mg 함량의 상한은 1.2%인 것이 보다 바람직하고, 1.0%인 것이 보다 더 바람직하며, 0.8%인 것이 가장 바람직하다.

상기 도금욕의 온도는 도금액 융점+20℃~도금액 융점+80℃인 것이 바람직하다. 이와 같이, 도금욕의 온도를 도금액의 용점 보다 20~80℃ 높게 관리함으로써 도금욕 내 싱크롤의 구동성을 향상시킬 수 있다. 통상적으로, 도금액의 점도는 도금욕 온도와 반비례 관계를 가지며, 온도가 높아질수록 점도가 하락하여 도금 작업성이 좋아지게 된다. 만일, 상기 도금욕의 온도가 도금액 온도+20℃ 미만일 경우에는 싱크롤의 구동성이 열위해져 롤의 텐션(tension) 관리가 어렵고, 싱크롤의 진동 등에 의한 제품 표면 결함이 발생할 가능성이 있다. 반면, 도금액 온도+80℃를 초과하는 경우에는 아연의 증발에 의한 표면결함이 발생할 가능성이 있으며, 고온으로 인해 기기 설비가 열화될 가능성이 있다.

상기 소지강판을 도금욕에 침지할 때, 상기 소지강판의 도금욕 인입온도는 도금욕 온도+5℃~도금욕 온도+50℃일 수 있다. 이와 같이, 소지강판의 도금욕 인입온도를 도금욕 온도 보다 5~50℃ 높게 관리함으로써 도금욕 온도의 하락을 방지할 수 있다. 만일, 상기 소지강판의 도금욕 인입온도가 도금욕 온도+5℃ 미만일 경우에는 도금욕과 소지철의 합금화 반응이 지연되어 도금밀착성이 열위해질 수 있는 단점이 있으며, 도금욕 온도+50℃를 초과하는 경우에는 소지철 잠열에 의한 도금욕 온도 상승에 따라 도금욕 온도관리가 어려운 단점이 있다.

한편, 상기 알루미늄합금 도금층을 형성시키는 단계 후에는 상기 알루미늄합금 도금층의 도금부착량을 제어하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 도금부착량 제어는 에어 나이프(Air knife)라는 가스를 분수하는 노즐에 의해 이루어질 수 있다. 상기 도금부착량 제어시, 상기 도금부착량은 편면 기준 15~150g/m²일 수 있다. 상기 도금부착량이 15g/m²미만인 경우에는 충분한 내식성을 확보하기 어려울 수 있고, 150g/m²을 초과하는 경우에는 흐름무늬 등에 의한 부착량 편차로 국부적인 합금화 불균일로 인해 표면 결함 및 도금층의 금형 소착 문제등이 발생할 수 있다. 상기 도금부착량의 하한은 25m²인 것이 보다 바람직하며, 상기 도금부착량의 상한은 100m²인 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열간성형 부재의 제조방법에 대하여 설명한다.

우선, 전술한 바와 같이 제안된 방법을 통해 얻어진 알루미늄합금 도금강판을 Ac3 온도 이상으로 가열한다. 상기 가열은 알루미늄합금 도금강판의 미세조직이 오스테나이트가 되도록 하기 위한 것이다. 만일, 가열온도가 Ac3 미만인 경우에는 오스테나이트+페라이트 이상역에서 가열되어 오스테나이트화가 충분히 이루어지지 않는다. 한편, 상기 가열은 1~15분간 행하여질 수 있는데, 상기 유지 시간이 1분 미만인 경우에는 오스테나이트화가 충분히 이루어지지 않을 수 있으며, 15분을 초과하는 경우에는 이미 오스테나이트화 변태가 완료되어 더 이상의 가열이 필요없는 부재를 계속 가열하게 되어 생산비가 올라가고 부품 생산의 시간이 오래 걸려 생산성이 하락하는 단점이 있다. 상기 가열시간의 하한은 1.5분인 것이 보다 바람직하며, 2분인 것이 보다 더 바람직하고, 2.5분인 것이 가장 바람직하다. 상기 가열시간의 상한은 12분인 것이 보다 바람직하며, 10분인 것이 보다 더 바람직하고, 8분인 것이 가장 바람직하다.

한편, 상기 가열 전에는 상기 알루미늄합금 도금강판을 블랭크로 제작하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 블랭크 제작은 최종적으로 원하는 형상에 따라 이루어질 수 있으므로, 본 발명에서는 상기 블랭크 제작 공정에 대해서 특별히 한정하지 않는다.

상기 가열 공정 이후에는 상기 가열된 알루미늄합금 도금강판을 금형을 이용하여 열간 성형하여 열간성형 부재를 얻는다. 본 발명에서는 상기 열간 성형 공정에 대해서 특별히 한정하지 않으며, 당해 기술분야에서 통상적으로 이용되는 모든 공정을 이용할 수 있다.

한편, 상기 가열된 알루미늄합금 도금강판을 금형으로 이송시, 상기 이송시간은 20초 이내일 수 있다. 상기 이송시간이 20초를 초과하는 경우에는 가열된 알루미늄합금 도금강판의 온도가 이송 중에 하락하여 금형에 도달하였을 때 Ms온도 이하로 도달하여 마르텐사이트 변태가 원활하지 못해 강도 확보가 어려울 수 있다. 상기 이송시간은 18초 이내인 것이 보다 바람직하고, 16초 이내인 것이 보다 더 바람직하며, 15초 이내인 것이 가장 바람직하다.

이후, 상기 성형 부재를 10℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한다. 상기 냉각속도가 10℃/s 미만인 경우에는 마르텐사이트가 충분히 형성되지 않아 목표로 하는 인장강도를 확보하기 어렵다. 상기 냉각속도는 15℃/s 이상인 것이 보다 바람직하고, 18℃/s 이상인 것이 보다 더 바람직하며, 20℃/s 이상인 것이 가장 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예)

중량%로, C: 0.23%, Mn: 1.3%, B: 0.002%. Ti: 0.03%, Si: 0.25%, Cr: 0.15%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판을 질소와 5%의 수소 혼합 분위기에서 800℃로 열처리한 후, 아래 표 1에 기재된 조건으로 도금욕에 침지하여 상기 강판 상에 알루미늄합금 도금층을 형성시켰다. 이후, 에어 나이프를 통해 하기 표 1에 기재된 조건으로 도금부착량을 제어하여 알루미늄합금 도금강판을 제조하였다. 상기 알루미늄합금 도금층의 합금조성과 도금부착량은 상기 알루미늄합금 도금층을 용해한 후, ICP-OES (Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectroscopy)를 통해 측정하였다.

이후, 상기 제조된 알루미늄합금 도금강판에 대해서 시편을 채취한 후 블랭크로 전단하고, 900℃의 로(furnace)에 넣어 상기 블랭크 시편이 900℃에 도달한 후 2분간 유지하였다. 이후, 상기 가열된 블랭크 시편을 20초 이내에 금형으로 이송한 뒤, 상기 금형을 이용하여 열간 성형함으로써 열간성형 부재를 얻고, 이 열간성형 부재를 20℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 이와 같이 제조된 열간성형 부재에 대하여 미세조직, 표면 품질, 내식성 및 용접성을 평가한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

표면품질은 도금시에 발생하는 아연 애쉬에 의한 표면 결함 발생량과 스나우트 설비에 별도로 부착한 시편에 증착된 애쉬량을 측정하여 비교하였다. 아연 애쉬 발생량은 도금욕 온도와 아연 함량에 밀접한 관계를 가지나, 도금욕 온도에 더 큰 영향을 받으므로, 도금욕 온도가 가장 낮은 비교예 9를 기준으로 하여 아래와 같이 평가하였다.

○: 양호 (비교예 9 대비 애쉬 발생량이 130%미만)

△: 보통 (비교예 9 대비 애쉬 발생량이 130~200%미만)

×: 불량 (비교예 9 대비 애쉬 발생량이 200%이상)

내식성은 염수분무시험기로 부식환경을 조성하여 소지강판이 부식될 때까지 실험을 진행하여 상대적인 비교를 하였다. 열간 프레스 강판이 자동차에서 주로 구조부재로 사용되고, 강재가 부식될 경우 가장 얇은 부분에서 파단이 일어나는 현상을 고려하여 시편에서 최대로 침식된 부식깊이를 내식성 평가기준으로 설정하였다. 이때, 시편마다 약간식 다른 부착량 차이를 상쇄하기 위해 소지강판의 크랙 깊이를 도금부착량으로 normalized한 다음 가장 깊은 크랙이 발생한 비교예 1을 기준으로 비교값(Normailzed Crack Depth,NCD)을 작성하였다. 이때, 기준인 비교예 1의 NCD 값은 1이었으며, NCD값이 작을수록 내식성이 좋다고 판단할 수 있다.

◎: 0.5이하

○: 0.5초과~0.7

△: 0.7초과~0.9

×: 0.9초과~1.0

용접성 평가는 50Hz 점용접기를 사용하여 수행되었으며, SEP 1220 규정에 따라 평가를 진행하였다. 용접성은 최대 용접전류와 최소 용접전류의 간격으로 평가하였다. 최대 용접전류는 용접부 내 판재들 간에 스플레쉬가 발생한 경우이며, 이 경우 100A씩 내려 3번의 연속된 실험에서도 스플레쉬가 발생하지 않는 전류를 지칭한다. 최소 용접전류는 점용접부 직경이 4t^0.5이하(t= 강재 두께)일 때의 전류를 지칭하이며, 100A씩 전류를 올려 5번의 용접을 행하여 확인하였다. 최대 용접전류와 최소 용접전류간의 간격이 넓을수록 용접성이 양호하다고 판단할 수 있다.

◎: 1kA이상

○: 0.6kA~1kA미만

△: 0kA초과~0.6kA미만

×: 스플레쉬 발생 등으로 인해 전류범위 측정 불가

구분	도금욕							소지강판 인입온도 (℃)	도금부착량 (g/m²)
	합금조성(중량%)					융점(℃)	온도(℃)
	Al	Zn	Mg	Si	Al/(Zn+Si)	융점(℃)	온도(℃)
비교예1	91.1	0	0	8.9	10.21	606	660	685	82
비교예2	72.4	22	0	5.6	2.62	583	630	640	62
비교예3	71.8	21	0.2	6.7	2.59	581	620	630	57
비교예4	72.6	20.8	1.6	5	2.81	578	630	650	66
발명예1	69.8	26	0	4.2	2.31	574	620	640	70
비교예5	70.2	29	0	0.8	2.36	594	640	660	54
비교예6	60.5	30.5	0	9	1.53	620	670	690	62
발명예2	65.6	29.8	1.1	3.5	1.97	574	620	640	55
발명예3	60	35	0	5	1.50	549	590	610	67
비교예7	55	41	0	4	1.22	546	590	600	49
비교예8	0.2	99.8	0	0	0	411	460	465	60

구분	알루미늄합금 도금강판						열간성형 부재		품질특성
	알루미늄합금 도금층 합금조성(중량%)						미세조직(면적%)		표면품질	내식성	용접성
	Al	Zn	Mg	Si	Fe	Al/(Zn+Si)	M	잔부	표면품질	내식성	용접성
비교예1	86.0	0	0	6.3	7.7	13.65	99	F:1%	○	×	○
비교예2	70.4	20.8	0	4.9	3.9	2.74	99	B:1%	○	△	○
비교예3	69.6	20.6	0.2	5.3	4.0	2.69	99	F:1%	○	△	○
비교예4	69.3	20.0	1.5	5.0	4.2	2.77	98	B:2%	○	○	×
발명예1	67.3	25.0	0	3.7	4.0	2.34	98	F:1%+B:1%	○	○	○
비교예5	58.2	29.0	0	0.7	12.1	1.96	98	F:1%+B:1%	△	○	△
비교예6	57.8	29.0	0	8.5	4.7	1.54	99	B:1%	×	○	○
발명예2	59.3	29.0	1.1	3.1	7.5	1.85	98	F:2%	○	○	○
발명예3	55.6	33.1	0	4.8	6.5	1.47	99	F:1%	○	○	○
비교예7	52.5	39.6	0	3.7	4.2	1.21	99	F:1%	×	◎	×
비교예8	0.3	99.5	0	0	0.2	0	99	B:1%	○	◎	×
M: 마르텐사이트, F: 페라이트, B:베이나이트

상기 표 1 및 2를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 조건을 모두 만족하는 발명예 1 내지 3의 경우에는 표면품질, 내식성 및 용접성이 모두 양호한 것을 알 수 있다.

반면, 비교예 1의 경우에는 Zn가 포함되지 않음에 따라 내식성이 불량한 수준임을 알 수 있다. 비교예 2 및 3의 경우에는 Zn가 본 발명이 제안하는 범위 보다 낮은 수준이어서 충분한 내식성을 확보하지 못하였다. 비교예 4의 경우에는 Zn가 본 발명이 제안하는 범위 보다 낮은 수준이지만 Mg의 첨가로 인해 내식성은 양호하였다. 그러나, 과도한 Mg 첨가로 인해 용접성이 불량한 것을 확인할 수 있다. 비교예 5는 Si가 본 발명이 본 발명이 제안하는 범위 보다 낮은 수준이어서 양호한 표면 품질 및 용접성을 확보하고 있지 못하였다. 비교예 6은 Si가 본 발명이 본 발명이 제안하는 범위 보다 높은 수준이어서 양호한 표면 품질을 확보하고 있지 못하였다. 비교예 7은 Zn가 본 발명이 제안하는 범위 보다 높은 수준이어서 양호한 표면 품질 및 용접성을 확보하지 못하였다. 비교예 8은 통상의 아연계 도금 강판으로서, 내식성은 우수하지만 아연 산화물로 인하여 용접성이 불량한 것을 알 수 있다.

Claims

소지강판; 및
상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄합금 도금층;을 포함하고,
상기 알루미늄합금 도금층은 중량%로, Zn: 21~35%, Si: 1~6.9%, Fe: 2~12%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
상기 알루미늄합금 도금층은 Al/(Zn+Si)가 1.3~2.6인 알루미늄합금 도금강판.
(단, 상기 Al, Zn 및 Si의 함량 단위는 중량%임.)
청구항 1에 있어서,
상기 소지강판은 중량%로, C: 0.15~0.39%, Mn: 0.5~3%, B: 0.01%이하(0%를 포함), Ti: 0.1%이하(0%를 포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판.
청구항 1에 있어서,
상기 알루미늄합금 도금층은 Mg: 1.4%이하를 추가로 포함하는 알루미늄합금 도금강판.
소지강판; 및 상기 소지강판 상에 형성된 알루미늄합금 도금층;을 포함하고, 상기 알루미늄합금 도금층은 중량%로, Zn: 21~35%, Si: 1~6.9%, Fe: 2~12%, Mg: 1.2%이하(0%를 포함), 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판을 열간 성형하여 얻어지는 열간성형 부재로서,
면적%로, 마르텐사이트: 90% 이상과, 잔부 페라이트, 베이나이트 중 1종 이상을 포함하는 미세조직을 갖는 열간성형 부재.
청구항 4에 있어서,
상기 열간성형 부재는 1200MPa 이상의 인장강도를 갖는 열간성형 부재.
소지강판을 준비하는 단계; 및
상기 소지강판을 580~680℃인 도금욕에 침지하여 상기 소지강판의 표면에 알루미늄합금 도금층을 형성시키는 단계;를 포함하고,
상기 도금욕은 중량%로, Zn: 23~40%, Si: 1~8%, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며,
상기 도금욕은 Al/(Zn+Si)가 1.3~2.6인 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
(단, 상기 Al, Zn 및 Si의 함량 단위는 중량%임.)
청구항 6에 있어서,
상기 소지강판은 중량%로, C: 0.15~0.39%, Mn: 0.5~3%, B: 0.01%이하(0%를 포함), Ti: 0.1%이하(0%를 포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 도금욕은 Mg: 1.4%이하를 추가로 포함하는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 알루미늄합금 도금층을 형성시키는 단계 전, 상기 소지강판을 650~850℃에서 열처리하는 단계를 추가로 포함하는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 9에 있어서,
상기 열처리는 부피%로, 25%이하(0%를 포함)의 수소 가스 및 잔부 질소 가스로 구성되는 환원성 분위기에서 행하여지는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 도금욕의 온도는 도금액 융점+20℃~도금액 융점+80℃인 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 소지강판의 도금욕 인입온도는 도금욕 온도+5℃~도금욕 온도+50℃인 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 알루미늄합금 도금층을 형성시키는 단계 후, 상기 알루미늄합금 도금층의 도금부착량을 제어하는 단계를 추가로 포함하는 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 13에 있어서,
상기 도금부착량은 편면 기준 15~150g/m²인 알루미늄합금 도금강판의 제조방법.
청구항 6 내지 14 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 얻어진 알루미늄합금 도금강판을 Ac3 온도 이상으로 가열하는 단계;
상기 가열된 알루미늄합금 도금강판을 금형을 이용하여 열간 성형하여 열간성형 부재를 얻는 단계; 및
상기 성형 부재를 10℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 열간성형 부재의 제조방법.
청구항 15에 있어서,
상기 가열 전, 상기 알루미늄합금 도금강판을 블랭크로 제작하는 단계를 추가로 포함하는 열간성형 부재의 제조방법.
청구항 15에 있어서,
상기 가열은 1~15분간 행하여지는 열간성형 부재의 제조방법.
청구항 15에 있어서,
상기 가열된 알루미늄합금 도금강판을 금형으로 이송시, 상기 이송시간은 20초 이내인 열간성형 부재의 제조방법.