KR20210154885A - 핫 스탬핑된 구성요소, 핫 스탬핑을 위해서 이용되는 예비코팅된 강 시트, 및 핫 스탬핑 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 핫 스탬핑된 구성요소, 핫 스탬핑을 위해서 이용되는 예비코팅된 강 시트, 및 핫 스탬핑 방법에 관한 것이다. 본 발명의 핫 스탬핑된 구성요소는 기본 강의 적어도 하나의 표면 상에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 코팅을 구비하고, 코팅은 기본 강과 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 예비코팅 사이의 상호확산에 의해서 생성되며, 코팅은 6 내지 26 ㎛의 두께를 갖는다.

Description

핫 스탬핑된 구성요소, 핫 스탬핑을 위해서 이용되는 예비코팅된 강 시트, 및 핫 스탬핑 방법{HOT STAMPED COMPONENT, PRECOATED STEEL SHEET USED FOR HOT STAMPING AND HOT STAMPING PROCESS}

본 발명은 핫 스탬핑된 구성요소, 핫 스탬핑용 예비고팅된 강 시트, 및 핫 스탬핑 방법에 관한 것이다.

최근 몇년간, 에너지 절약, 환경 보호, 및 차량 안전성의 개선에 관한 절박한 필요성으로 인해서, 자동차 경량화 및 안전성이 자동차 산업에서 집중적인 관심 사항 및 연구 대상이 되었다. 초-고강도 강은, 그 우수한 강도 특성으로 인해서 중량 감소를 달성할 수 있고, 그에 의해서 경량화 목표를 달성할 수 있다. 그러나, 고강도 강 부품의 제조는 통상적인 냉간 스탬핑에 의해서 달성하기 어렵다. 이러한 경우에, 핫 스탬핑 기술이 도입되었다.

핫 스탬핑 프로세스에서, 베어 시트(bare sheet)가 스탬핑에 의해서 형성되고, 이는, 산화물 스케일 및 탈탄을 방지하기 위해서 질소 또는 아르곤과 같은 보호 분위기 하에서 가열되나, 산화는 이송 및 형성 중에 불가피하다. 산화물 스케일은 시트 재료와 다이 사이의 접촉 계면의 상태에 영향을 미칠 것이고, 이는 다이와 시트 재료 사이의 접촉 열전달 계수를 감소시킬 뿐만 아니라, 강 시트와 다이 사이의 마찰 계수를 증가시킨다. 스탬핑될 때, 탈착된 산화물 스케일이 다이의 표면을 마모시킬 것이고, 다이의 부품 형성 품질 및 수명에 영향을 미칠 것이다. 보다 중요하게, 자동차 조립 및 페인팅에 진입하기 전에, 산화물 층을 제거할 필요가 있다. 그에 따라, 베어 시트의 핫 스탬핑된 구성요소는 산화물 층의 제거를 위해서 숏-피닝되거나(shot-peened), 산세되어야 하고, 이어서 자동차가 조립되고 페인팅된다. 이는 핫 스탬핑의 비용을 크게 높일뿐만 아니라, 숏 피닝은 부품의 잔류 응력의 방출로 인한 변형을 유발하여, 결과적으로 자동차의 조립 정확도의 감소를 초래하고; 산세 처리는 심각한 환경 문제를 유발하고 구성요소의 수소 유도 취화의 위험을 증가시킨다. 동시에, 자동차 부품은 일반적으로 특정 정도의 내식성을 가질 것이 요구된다. 그에 따라, 핫 스탬핑을 위한 코팅된 강 시트의 개발이 핫 스탬핑 기술의 개발을 위해서 긴급히 필요하게 되었다. 최근에, 세계적으로 주로 개발된 코팅은 순수 아연(GI), 합금화된 아연 철(GA), 핫 딥 용융도금된 알루미늄 규소(Zn-Al-Si) 및 알루미늄 규소(Al-Si) 및 기타를 포함한다. 이들 중에서, 핫 스탬핑 강을 위해서, 고내열성 알루미늄-규소 코팅이 널리 이용된다. Al-Si 코팅은 강 시트 표면의 산화 및 탈탄을 효과적으로 방지할 수 있고, 그에 따라 숏 피닝 및 샌드 블래스팅 프로세스를 생략할 수 있고, 내식성이 또한 개선된다. 코팅은 ArcelorMittal에 의해서 최초로 제안되었고 산업용 강 시트에 성공적으로 적용되었다. 전형적인 합금 조성(질량 %)은: 87% Al-10% Si-3% Fe이다.

점점 더 엄격해지는 자동차 경량화 및 충돌 안전 요건을 만족시키기 위해서, 더 높은 등급의 핫 스탬핑 강이 개발되었다. 그러나, 재료의 강도가 증가됨에 따라, 그 가소성 및 인성이 그에 따라 감소된다. 재료의 가소성 및 인성을 검출하기 위한 가장 전형적인 방법 중 하나는 정적 3-점 굽힘 테스트(VDA-238 표준)이다. 최대 하중 상태에서 재료의 굽힘 각도(최대 굽힘 각도)를 어떻게 개선하는지가 중요하고 어려운 연구 대상이다.

핫 스탬핑 강에서, 핫 스탬핑 이후에 베어 시트가 그 표면 상에서 특정 탈탄 층을 갖는다는 것이 알려져 있고, 그에 따라 그 최대 굽힘 각도는 동일 기본 재료의 그리고 동일한 제원의 알루미늄-규소 코팅된 시트의 최대 굽힘 각도보다 크다. 다시 말해서, 핫 스탬핑 이후의 베어 시트의 최대 파단 변형은 (알루미늄-규소 코팅된 시트에 비해서) 비교적 크고, 그에 의해서 충돌 이벤트 중에 부품의 국소적인 균열 실패에 대한 내성을 개선한다. 그러나, 전체 산업적 체인을 고려하면, 알루미늄-규소 코팅된 시트는 자동차 본체 부품의 생산 및 제조에 보다 도움이 된다. 그에 따라, 더 높은 등급의 핫 스탬핑 강을 개발하면서, 알루미늄-규소 코팅된 시트의 핫 스탬핑 후에 최대 파단 변형을 개선하도록 강 시트의 코팅 프로세스 및 성형 프로세스를 연구하는 것이 특히 중요하다.

CN101583486B(이하에서 특허 문헌 1로 지칭한다)는 핫 스탬핑 코팅된 강 시트 제품 및 그 제조 방법을 제공한다.

특허 문헌 1에서 이용된 핫 스탬핑 코팅된 강 시트는 20 내지 33 ㎛의 예비코팅 두께를 가지며, 25 ㎛ 두께의 예비코팅은 산업에서 일반적으로 이용된다. 핫 스탬핑 이후에, 구성요소는 30 내지 40 ㎛의 코팅으로 덮인다. 도 9에 도시된 바와 같이, 코팅은 4-층 구조를 가지며, 최외측 층으로부터 기재까지의 미세조직은: Al 산화물 및 취성 Fe₂Al₅ 상을 포함하는 연속적으로 분포된 표면 층(두께: 약 7 ㎛, 경도 값 HV10gf: 900 내지 1000, 평균 조성: 39 내지 47% Fe, 53 내지 61% Al, 0 내지 2% Si), 금속간 화합물 FeAl 층(두께: 약 8 ㎛, 경도 값 HV10gf: 580 내지 650, 평균 조성: 62 내지 67% Fe, 30 내지 34% Al, 2 내지 6% Si), 취성 Fe₂Al₅ 상을 포함하는 중간 층(두께: 약 8㎛, 경도 값 HV10gf: 900 내지 1000, 평균 조성: 39 내지 47% Fe, 53 내지 61% Al, 0 내지 2% Si), 상호확산 층(Al 또는 Si 부화(rich) α-Fe 상) 또는 금속간 화합물 FeAl 층(두께: 약 17 μm, 경도 값 HV10gf: 295 내지 407, 평균 조성: 86 내지 95% Fe, 4 내지 10% Al, 0 내지 5% Si)이다.

특허 문헌 1은, 예비코팅의 두께가 20 ㎛ 미만일 때, 형성된 합금화 층이 불충분한 조도를 가지며, 그에 따라 후속 페인팅 프로세스에서 표면 상의 페인트 접착이 약해진다는 것을 설명한다. 그러나, 본원의 발명자는, 합금화 층의 표면 조도가 합금화 층의 두께 및 조직에 의해서 결정되지 않는다는 것, 그리고 예비코팅이 가열 중에 액화되는 경우에 큰 표면 조도가 유발된다는 것을 발견하였다. 다른 한편으로, 표면 상의 페인트 접착이 큰 조도를 필요로 한다는 특허 문헌 1의 주장은, 특허 문헌 1에서 설명된 합금화 이후의 최외측 층이, 페인트가 용이하게 접착되지 않고 그에 따라 큰 조도가 요구되는, Fe₂Al₅의 금속간 화합물이라는 것에 기인한다. 대조적으로, 최외측 코팅의 조직이 변경되고 더이상 Fe₂Al₅가 아닌 경우에, 특허 문헌 1에서 고려되는 표면 조도는 페인팅을 위해서 더 이상 필요치 않다.

다른 한편으로, 예비코팅의 두께가 33 ㎛을 초과할 때, 강 시트 블랭크의 표면의 상이한 영역들 사이의 예비코팅의 두께차가 과다하게 클 수 있고, 블랭크가 가열될 때 코팅 합금화가 불균일해진다. 이는 주로, 특정의 국소적인 예비코팅 두께가 평균 예비코팅 두께를 초과하고, 그에 따라 기재와 금속 예비코팅 사이의 원소 확산 거리 또는 정도가 평균 값보다 상당히 더 작고, 결과적으로 금속들 사이의 불충분한 합금화 및 예비코팅의 균일 용융을 초래하고, 그에 따라, 더 큰 가열률에서 가장 발생하기 쉬운, 스케일이 퍼니스의 롤러 상에 형성되기 때문이다.

또한, 특허 문헌 1의 핫 스탬핑 프로세스에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 두께가 0.7 mm 내지 1.5 mm인 코팅된 강은 880 내지 930 ℃의 범위에서 가열되고, 가열 시간은 2.5 분 내지 12 분에서 제어되고, 바람직하게 930 ℃에서 3 분 내지 6 분, 그리고 880 ℃에서 4 분 내지 13 분 동안 가열되고 제어된다. 두께가 1.5 mm 내지 3 mm인 코팅된 강에서, 가열은 900 내지 940 ℃의 범위 내에서 실행되고, 가열 시간은 4.5 분 내지 13 분에서 제어되고, 바람직하게 940 ℃에서 4 분 내지 8 분, 그리고 900 ℃에서 6.5 분 내지 13 분으로 실행 및 제어되고, 200 내지 700 ℃에서의 가열률은 4 내지 12 ℃/s이고, 다이에 의한 스탬핑 이후에 이는 적어도 30 ℃/s의 냉각률에서 냉각된다.

그러나, 특허 문헌 1의 기술은 이하의 문제를 갖는다.

첫 번째로, 실제 생산 프로세스에서, 특허 문헌 1의 핫 스탬핑 코팅된 강 시트가 열간 스탬핑 후에 낮은 냉간 굽힘 성능(VDA-238 표준에 따른 굽힘 인성)을 갖는 문제가 있다는 것이 발견되었다.

냉간 굽힘 성능은 상온에서 파괴되지 않고 굽힘 하중을 견딜 수 있는 금속 재료의 능력을 특징화하는 특성이고, 테스트 단편의 굽혀진 위치의 소성 변형 능력을 잘 반영할 수 있다. 그 변형 모드는 충돌 이벤트 중의 자동차 구성요소의 실패 모드와 유사하다. 그에 따라, 스틸 시트의 핫 스탬핑에서, 그 냉간 굽힘 성능이 매우 중요하다. 일반적으로, 자동차 재료의 충돌 안전성은 최대 굽힘 하중 하에서 재료의 3-점 굽힘 각도를 검사하는 것에 의해서 평가되며, 이는 평면 변형 조건 하에서 파단 실패 변형의 크기를 반영한다. VDA(Verband der Automobilindustrie)가 발행한 테스트 표준 VDA238-100에 따른, 3-점 굽힘 테스트는 25 ㎛의 예비코팅을 갖는 핫 스탬핑 강에서 얻어진 형성 구성요소의 최대 굽힘 각도가 일반적으로 35 내지 55°라는 것을 보여주었고, 이는 일부 자동차 제조자의 요건의 하한선보다 낮고, 그에 따라 굽힘 조건에서 조기 균열 위험을 초래한다. 충돌 이벤트에서, 차의 구성요소는, 특히 측면 충격에서, 양호한 에너지 흡수 능력을 가질 것이 요구되고, 그에 따라 조기 균열에 의해서 유발되는 불충분한 에너지 흡수는 허용되지 않는다.

또한, 특허 문헌 1의 코팅된 강 시트의 핫 스탬핑은, 핫 스탬핑 이후에, 용접 전극을 악화시키는 그리고 스탬핑 다이의 마모를 가속하는 문제를 또한 갖는다. 예를 들어, 특허 문헌 1에서 설명된 예비코팅의 평균 두께가 약 25 ㎛일 때, 핫 스탬핑이후에, 코팅된 강 시트의 표면 층은 주로 두께가 7 ㎛ 초과인 취성 Fe₂Al₅ 상이며, 그 평균 경도 값은 850 내지 1000 HV10gf 정도로 높다. 표면 층의 큰 경도는 스탬핑 다이의 마모를 가속할 것이다. 강 시트가 용접될 때, 용접 전극의 수명이 저하될 것이고, 이는 비-코팅 시트의 수명의 약 1/4에 불과하다.

두 번째로, 특허 문헌 1의 코팅된 강 시트의 핫 스탬핑에서 비교적 두꺼운 예비코팅 두께는 낮은 핫-딥 코팅 생산 효율, 높은 합금 비용, 및 핫 스탬핑 중의 낮은 가열 효율을 초래한다.

구체적으로, 특허 문헌 1의 예비코팅은 20 내지 33 ㎛의 두께를 가지고, 실제 산업 생산에서 바람직하게 25 ㎛이다. 핫-딥 작업 온도가 일정할 때, 핫-딥 작업 시간이 증가될수록 예비코팅의 두께가 증가되고, 이러한 관계는 포물선 법칙을 따른다. 그에 따라, 예비코팅이 두꺼울수록, 더 긴 핫-딥 작업 시간이 요구되고, 효율은 더 낮아지며, 생산비는 더 올라간다. 또한, 합금 비용 측면으로부터, 예비코팅이 두꺼울수록, 소비되는 합금의 양이 더 많아지고, 합금 비용이 더 높아진다. 또한, 예비코팅 자체가 열 반사도를 가지며, 핫 스탬핑 중에 예비코팅이 두꺼울수록, 열 효율이 낮아진다.

다시, 특허 문헌 1의 핫 스탬핑 프로세스는, 가열 효율이 낮다는 문제를 갖는다.

구체적으로, 그러한 방법은 예비코팅된 강 시트를 가열하기 위해서 통상적인 가열 장치를 주로 이용한다. 통상적인 가열 퍼니스에서, 가열은 주로 열 복사 및 열 대류에 의해서 실시되고, 특허 문헌 1은, 강 시트의 두께 및 오스테나이트화 온도에 따라, 퍼니스 온도 및 가열 시간을 설정한다. 일반적으로, 평형 오스테나이트화 온도보다 50 내지 100 ℃ 더 높은 온도까지, 즉 880 내지 940 ℃까지 가열한 후에, 완전한 오스테나이트화, 입자 크기의 균일성 및 원소 분산을 달성하기 위해서, 추가적인 기간 동안 그 온도를 유지할 필요가 있다. 그러나, 통상적인 열 전도 공식 Φ=KAΔT(여기에서 Φ: 열 플럭스, K: 총 열 전도도, A: 열 전달 면적, ΔT: 온도차)에 따라, 열 전도도 및 열 전달 면적이 일정한 경우에, 온도차가 클수록, 열 전달 효율이 높아진다는 것이 알려져 있다. 특허 문헌 1의 가열 프로세스에서, 퍼니스 설정 온도가 단지 50 내지 100°만큼 평형 오스테나이트화 온도보다 높기 때문에, 강 시트의 표면 온도가 퍼니스의 설정된 온도에 도달하거나 그에 접근할 때, 강 시트의 내부 온도는 설정된 표면 온도에 확실히 도달하지 않는다. 또한, 온도차가 너무 작기 때문에, 열 전달 효율이 크게 감소되고, 완전한 오스테나이트화를 달성하기 위해서 긴 시간 동안 강 시트를 유지할 필요가 있다. 그러나, 유지 시간이 너무 길면, 이는 일부 입자의 비정상적인 성장을 유발할 수 있다.

또한, 특허 문헌 1에서 예비코팅이 20 내지 33 ㎛의 두꺼운 두께를 가짐에 따라, 이러한 특허는 제1 가열 스테이지에서의 가열률, 즉 200 내지 700 ℃의 스테이지에서의 가열률을 4 내지 12 ℃/s로 규정할 뿐만 아니라, 더 긴 유지 시간을 또한 규정한다. 기재의 오스테나이트화를 만족시키는 것에 더하여, 그 목적은 또한 예비코팅이 4-층 합금화 층을 형성하도록 완전히 합금화되게 하는 것이고, 그에 따라, 용접 요건을 보장하면서, 기재와 금속 예비코팅 사이의 불충분한 합금화로 인한 퍼니스 롤러의 스케일 형성 문제를 방지하는 것이다.

사실상, 실제 생산에서, 특허 문헌 1에서 제공된 방법에 따라 핫 스탬핑이 실행될 때, 두꺼운 예비코팅 및 하나의 고정된 가열 프로세스는 불충분한 합금화의 문제를 일으키기 쉽고, 이는 최종적으로 퍼니스 롤러 상의 스케일 형성을 초래한다는 것이 발견되었다. 이러한 경우에, 핫 스탬핑된 구성요소의 제조자는 퍼니스 롤러를 주기적으로 교체하여야 한다. 비용과 관련하여, 퍼니스 롤러의 비싼 가격으로 인해서, 생산비가 크게 증가되고; 품질과 관련하여, 제품의 품질이 저하되고, 결과적으로 결함 제품 비율의 증가를 초래하고, 이는 또한 생산비를 증가시킨다.

본 발명은 종래 기술의 전술한 문제를 고려하여 만들어졌고, 그 목적은 VDA 굽힘 인성이 개선된 핫 스탬핑된 구성요소를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 핫 스탬핑된 구성요소를 포함하는 모터 차량을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 핫 스탬핑 후에 VDA 굽힘 인성을 개선할 수 있는 예비코팅된 강 시트를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 VDA 굽힘 인성이 개선된 핫 스탬핑된 구성요소를 획득할 수 있는 핫 스탬핑 방법을 제공하는 것이다.

냉간 굽힘 성능 테스트 결과에 영향을 미치는 많은 인자가 있다. 냉간 굽힘 성능 테스트 결과에 중요한 영향을 미치는 냉간 굽힘 샘플의 방향을 제외하고(길이방향은 압연 방향에 평행하고 횡방향은 압연 방향에 수직이다), 냉간 굽힘 테스트 속력, 지지 롤러들 사이의 걸쳐진 거리(span), 테스트 단편의 폭, 및 굽힘 중심부의 직경 모두가 냉간 굽힘 성능 테스트 결과에 다른 영향들을 미친다. 그러나, 이러한 인자들 모두는 기술 검사 표준에서 특정되어 있고 또한 이를 따라야 한다. 예를 들어, VDA에 의해서 발행된 VDA238-100 표준은 냉간 굽힘 샘플의 크기 및 걸쳐진 거리를 특정한다. 그에 따라, 냉간 굽힘 테스트의 결과에 영향을 미치는 다른 인자(표면 코팅, 탈탄 층, 및 샘플의 조직 등)를 분석하고 논의하는 것이 중요하다.

25 ㎛의 예비코팅을 갖는 통상적인 예비코팅된 강 시트에서, 핫 스탬핑 가열 및 오스테나이트화 프로세스 중에, 기재 내의 Fe 원자가 예비코팅을 향해서 확산되고 예비코팅 내의 Al은 기재 내로 확산되며, 기재/코팅의 경계는 기재측을 향해서 이동될 것이다. 집중적인 연구 이후에, 본 발명자는, 기재와 코팅 사이의 경계가 이동될 때, 기재 내의 C 원자가 확산될 것이고; 기재 내의 C 원자의 용해도가 매우 높고(이는 가열될 때 C의 높은 포화 용해도를 갖는 오스테나이트이다), 코팅(알루미늄-함유 페라이트 및/또는 철-알루미늄 화합물) 내의 C 원자의 용해도가 매우 낮기 때문에, C 원자가 코팅측을 향해서 확산되기 어려울 수 있고, 기재와 (기재측 상의) 코팅 사이의 경계 부근에서 필연적으로 축적되어, 구분된 C-부화 구역을 형성한다는 것을 발견하였다. 핫 스탬핑 및 냉각 후에, C-부화 구역은 C 함량이 많은, 매우 취성적인, 마텐자이트 조직을 형성할 것이고, 그에 따라 강 시트가 굽혀질 때, 균열 실패가 먼저 C-부화 취성 마텐자이트 영역 내에서 발생되고, 그에 따라 VDA 굽힘 인성이 감소된다. 그에 따라, 본 발명자는, 종래 기술에서의 VDA 성능 약점을 해결하는데 있어서의 돌파구가, 코팅 또는 코팅과 기재 사이의 관계를 개선하는 것에 의한 C 부화의 정도를 감소시키는 것, 그리고 또한 해당 영역 내의 마텐자이트의 취성을 감소시키는 것임을 깨달았다.

이러한 발견을 기초로, 본 발명의 제1 양태는 핫 스탬핑된 구성요소를 제공하고, 핫 스탬핑된 구성요소는 기본 강의 적어도 하나의 표면 상에서 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 코팅을 구비하고, 코팅은 기본 강과 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 예비코팅 사이의 상호확산에 의해서 생성되며, 코팅은 6 내지 26 ㎛의 두께를 갖는다.

본 발명에 따라, 코팅의 두께는, 종래 기술에 비해서, 감소된다. 그에 따라, 비교적 얇은 예비코팅을 갖는 예비코팅된 강 시트를 이용함으로써, 본 발명의 형성된 구성요소가 제조될 수 있다. 구체적으로, 예비코팅의 두께는 3 내지 19 ㎛까지, 바람직하게 5 내지 18 ㎛, 그리고 더 바람직하게 12 내지 18 ㎛까지 감소될 수 있다. 더 얇은 예비코팅 내의 Al 원소의 총 함량이 비교적 적고, 그에 따라 Fe 및 Al의 상호확산의 총량이 적어지고, 이는 기재측을 향하는 기재/코팅의 경계의 이동이 작아지게 한다. 따라서, 기재와 (기재측 상의) 코팅 사이의 경계 부근의 C 원자의 축적 정도가 작고, 20 ㎛ 이상의 두께를 갖는 예비코팅과 비교할 때, 그 C 원자의 편석 정도가 상당히 감소된다. 3-점 굽힘(VDA238-100 표준) 테스트가 실시될 때, (20 ㎛ 이상의 예비코팅된 강 시트의 예비코팅 두께에 상응하는) 30 ㎛ 이상의 코팅 두께를 갖는 통상적으로 형성된 구성요소와 비교하여, 본 발명에 따른 형성된 구성요소의 파단 실패 변형이 크게 개선되고, 최대 굽힘 각도는 1 내지 7°만큼 증가된다. 예를 들어, 본 발명의 강 시트의 (14 ㎛의 예비코팅 두께에 상응하는) 21 ㎛ 코팅 두께를 갖는 구성요소에서, VDA 표준에 따른 최대 굽힘 각도는, 종래 기술에서 (25 ㎛의 예비코팅 두께에 상응하는) 34 ㎛의 코팅 두께를 갖는 현재 도포된 구성요소에서보다, 4° 더 크고, 이러한 방식으로 핫 스탬핑된 구성요소의 충격 인성이 크게 개선될 수 있다.

또한, 특허 문헌 1은, 예비코팅의 두께가 20 ㎛ 미만일 때, 내식성이 낮아진다고 언급하고 있다. 그러나, 사실상, 예비코팅은 핫 스탬핑 중에 합금화되고, 합금화 후의 최내측 층은(특허 문헌 1의 층)은, 많은 양의 Al(및 Si)가 고용되는(solid dissolved) BCC 철의 조직을 가지고; 외부 측면의 합금화 층은 Fe 및 Al의 금속간 화합물(특허 문헌 1의 층 b, c, 및 d)이며, 경도는 650 내지 1000 HV 정도로 높고, 그에 따라 모든 합금화 층은 핫 스탬핑 중에 많은 수의 미세균열을 형성하기 쉽고, 그러한 미세균열은 깊이 방향으로 표면 상의 금속간 화합물 층을 통해서 침투한다. 특허 문헌 1의 공개로부터 몇년 후에, 이러한 문제가 핫 스탬핑 산업 및 자동차 산업에서 세계적으로 발견되었다. 그러한 미세균열은 내식성의 감소를 유발할 것이다. 다시 말해서, 특허 문헌 1의 관점에서, 예비코팅된 강 시트의 예비코팅 두께 및 형성된 구성요소의 코팅 두께 모두가 두껍도록 보장하는 것에 의해서 내식성을 개선한다는 것은 지지될 수 없다. 본원의 발명자는, 코팅된 핫 스탬핑된 구성요소의 내식성은 합금화 층의 금속간 화합물과 관련이 없고, 단지 그 층에만 관련되는 것으로 생각하였다. 그에 따라, 본 발명은 층 a의 형성만을 제어하고, 층 b, c, 및 d가 존재하거나 그렇지 않거나 간에, 그리고 그들이 어떻게 존재하든지 간에, 코팅된 구성요소의 내식성에 영향을 미치지 않는다. 즉, 비록 본 발명은 형성된 구성요소의 코팅 두께를 얇게 하지만, 이는 내식성을 낮추지 않는다.

바람직하게, 코팅은 기본 강에 근접한 측면 상에 위치된 제1 층, 즉 최내측 층만으로 구성되고, 제1 층은 6 내지 14 ㎛의 두께를 갖는 상호확산 층이다. 상호확산 층의 조성은 α-Fe 함유 Al 및 Si이고, Fe 함량은 70 중량% 이상이다.

이러한 경우에, 코팅 조직은 상호확산 층만을 포함한다. 상호확산 층의 두께는, 특정 전이 층의 형성을 보장하여 균열이 기재를 향해서 확장되는 것을 방지하기 위해서, 6 ㎛ 초과이고; 그 두께는 합금화 층의 과다하게 두꺼운 총 두께를 방지하기 위해서 14 ㎛ 미만이고, 과다하게 두꺼운 총 두께는 과다한 C 확산을 초래할 것이고 그에 의해서 C 부화를 유발할 것이다.

또한, 상호확산 층은 Al 및 Si 내의 α-Fe 부화이고, 즉 Fe는 체심입방(BCC) 결정 구조를 가지며, Fe 함량은 70 중량% 이상이다. 전술한 제1 층은, Fe₃Al 또는 기타와 같은, 20 부피% 이하의 금속간 화합물상을 포함할 수 있다. 제1 층 내에서, 또한 중간 층의 외부 측면을 두께가 1 내지 2 ㎛인 FeAl 층으로 덮을 수 있다. 제1 층의 경도 값 HV10gf는 220 내지 410이다.

코팅 조직이 중간 층만을 포함하는 경우에, 층의 α-Fe가 산화되지 않도록 보장하기 위해서, 상호확산 층의 외부 측면을 Al의 산화물로 덮는다.

다른 바람직한 실시예로서, 코팅은 제1 층 및 제2 층으로 구성되고, 제2 층은 제1 층의 외측에 위치되고, 제2 층은 0 내지 8 ㎛의 두께를 갖는다. 제2 층의 조직은 Fe, Al, 및 Si의 금속간 화합물이고, Fe 함량은 30 중량% 내지 47.9 중량%이다.

이러한 경우에, 제2 층은 제1 층의 외부 측면 상에 포함되고, 제2 층은 Fe₂Al₅ 및 FeAl₃와 같은 연속적인 취성 금속간 화합물 상을 포함하고, 경도 값 HV10gf은 800 내지 960이다.

추가적인 바람직한 실시예로서, 코팅은 제1 층, 제2 층 및 제3 층으로 구성되고, 제3 층은 제2 층의 외측에 위치되고, 제3 층의 두께는 0 내지 10 ㎛이고, 제3 층의 조직은 Fe, Al 및 Si의 금속간 화합물이고, Fe 함량은 48 중량% 내지 69 중량%이다.

이러한 경우에, 제3 층은 제2 층의 외부 측면 상에 포함되고, 제3 층은 FeAl 또는 FeAl₂의 상이고, 10 중량% 미만의 Si를 또한 포함할 수 있고, 경도 값 HV10gf은 400 내지 630이다.

추가적인 바람직한 실시예로서, 코팅은 제1 층, 제2 층, 제3 층, 및 불연속적으로 분포된 표면 층으로 구성되고, 그러한 표면 층은 제3 층의 외측에 위치된다. 표면 층은 0 내지 4 ㎛의 두께를 가지고, 표면 층은 제2 층 조직 및 제3 층 조직을 포함하고, 표면 층은 제3 층 조직의 적어도 30 부피%를 포함한다.

이러한 경우에, 불연속적으로 분포된 표면 층은 제3 층의 외부 측면에 존재하고, 표면 층 내의 제2 층 조직(Fe₂Al₅, FeAl₃, 등과 같은 금속간 화합물 상)의 함량은 70% 미만이고, 경도 값 HV10gf은 650 내지 850이다.

즉, 본 발명의 형성된 구성요소는 핫 스탬핑 이후에 표면 층을 가지나, 이는 불연속적으로 분포되고, 연속적으로 분포된 표면 층을 갖는 통상적인 코팅 조직과 비교할 때, 경도가 낮아진다. 그 주 이유는, 통상적인 코팅 표면 층이 90% 초과의 Fe₂Al₅를 포함하는 한편, Fe₂Al₅ 상이 높은 경도를 가지기 때문이고, 경도 값은 약 900 내지 1000 HV10gf이다. 대조적으로, 본 발명의 제품에서, 최외측 불연속적 표면 층 내의 Fe₂Al₅는 70 부피% 미만이고, 두께는 단지 0 내지 4 ㎛이고, 다시 말해서, 적어도 30 부피%를 가지는 FeAl 상이 존재하고(Fe 함량은 48 중량% 내지 69 중량%이다), 바람직하게 Fe₂Al₅를 포함하지 않는다. 또한, FeAl 상은 낮은 경도(약 400 내지 630 HV10gf의 경도) 및 큰 부피%를 가지며, 그에 따라, 본 발명의 코팅 조직의 표면 경도가 낮아진다.

코팅이 얇아짐에 따라, 그 미세조직이 개선되고 코팅의 표면 경도가 또한 개선된다는 것을 주목하여야 한다. 예를 들어, 코팅이 제1 층, 제2 층, 제3 층, 및 불연속적으로 분포된 표면 층으로 구성되는 경우에, 표면 경도는 650 내지 850 HV10gf까지 낮아진다. 코팅이 제1 층, 제2 층 및 제3 층으로 구성되는 경우에, 표면 경도는 400 내지 630 HV10gf까지 낮아진다. 다른 예에서, 코팅이 제1 층만으로 구성되는 경우에, 표면 경도는 220 내지 410 HV10gf까지 낮아진다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 핫 스탬핑된 구성요소의 표면 경도는, 코팅의 두께가 감소됨에 따라, 감소되고, 이는 스탬핑 다이의 마모를 줄일뿐만 아니라, 용접 전극의 수명 연장에 또한 기여한다.

본 발명의 제2 양태는 제1 양태에 따른 핫 스탬핑된 구성요소를 포함하는 모터 차량을 제공한다.

예를 들어, 핫 스탬핑된 구성요소는 안전 구조 구성요소, 보강 구조 구성요소, 바퀴 구성요소, 고강도 및 고인성 자동차 구조 구성요소, 또는 육지 차량의 샤시 구조 구성요소로서 이용될 수 있다.

본 발명의 제3 양태는 핫 스탬핑을 위한 예비코팅된 강 시트를 제공하고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 예비코팅이 기본 강의 적어도 하나의 표면 상에 제공되고, 핫 스탬핑을 위한 예비코팅된 강 시트의 총 두께는 0.5 mm 내지 3.0 mm이고, 예비코팅의 두께는 3 내지 19 ㎛, 바람직하게 5 내지 18 ㎛, 그리고 더 바람직하게 12 내지 18 ㎛이다.

본 발명에 따라, 예비코팅의 두께는, 통상적인 예비코팅된 강 시트에 비해서, 얇아지고, 그에 따라 제1 양태의 핫 스탬핑된 구성요소를 형성하기 위해서 이용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 예비코팅된 강 시트의 이용은 핫 스탬핑 이후에 VDA 굽힘 인성을 개선할 수 있고, 동시에, 표면 층의 경도를 감소시킬 수 있으며, 그에 의해서 스탬핑 다이의 마모를 감소시킬 수 있고, 그리고 용접 전극의 수명을 연장하는데 있어서 유리하다.

또한 예비코팅의 두께가 얇기 때문에, 코팅 비용이 감소되는 한편, 강 시트의 신속한 가열을 달성하는데 도움을 준다.

바람직한 실시예로서, 기본 강은, 중량%로, 이하의 성분을 포함한다: 0.28 내지 0.4%의 C; 0.6 내지 3.5%의 Mn; 0 내지 0.004%의 B; 0 내지 0.4%의 Nb+Ti+V, 0.05 내지 1%의 Si, 0.01 내지 1%의 Al; 총 5% 미만의 함량의 Cr, Mo, Ni, Cu; 및 불가피한 불순물 원소.

이러한 경우에, 생산된 핫 스탬핑된 구성요소는 1700 MPa 이상의 인장 강도를 갖는다. 그에 의해서, VDA 굽힘 인성을 개선하면서 그리고 표면 경도를 감소시키면서, 양호한 기계적 특성이 얻어질 수 있다.

추가적인 바람직한 실시예로서, 기본 강은, 중량%로, 이하의 성분을 포함한다: 0.19 내지 0.29%의 C; 0.6 내지 3.5%의 Mn; 0 내지 0.004%의 B; 0 내지 0.4%의 Nb+Ti+V, 0 내지 2% Si, 0 내지 2% Al; 총 5% 미만의 함량의 Cr, Mo, Ni, Cu; 및 불가피한 불순물 원소.

이러한 경우에, 얻어진 핫 스탬핑된 구성요소는 1400 MPa 내지 1800 MPa의 인장 강도를 갖는다.

더 바람직하게, 기본 강은 0.1 내지 0.4 중량%의 V를 포함한다.

이러한 경우에, VC 석출물의 고용해도 제품(solid solubility product)을 위한 조건에 따라, 오스테나이트 입계가 오스테나이트화 프로세스에서 특정 양의 VC 및/또는 (V, Ti)C 및/또는 (V, Ti, Nb)C의 복합 탄화물을 가질 수 있다. 제2 상 입자는 오스테나이트 입자를 효과적으로 고정하고, 이는 이전의 오스테나이트 입자를 미세화(refine)할 것이다. 그에 따라, VC의 석출은 이전의 오스테나이트 입자 크기의 제어에 중요한 영향을 미친다. 더 중요하게, 석출 온도는 핫 스탬핑 프로세스와 커플링된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 본 발명은 중량%로 이하의 성분을 포함하고: 0.35% C; 1.35% Mn; 0.002% B; 0.04% Ti; 0.2% V; 0.2% Si, 0.05% Al; 0.2% Cr, 본 발명에 따른 강의 핫 스탬핑에 의해서 획득된 이전의 오스테나이트 입자 크기는 2.2 내지 7 ㎛이고, 입자 미세화는 강도를 개선할 뿐만 아니라 인성을 또한 개선한다. 또한, 오스테나이트 입자 내에서, 입자 크기가 0.1 내지 20 nm인 VC 및/또는 (V, Ti)C 및/또는 (V, Ti, Nb)C의 복합 탄화물이 얻어질 수 있고; 재료의 강도는 나노 탄화물의 석출 경화를 통해서 더 개선될 수 있다. 핫 스탬핑 및 페인트 베이킹 및 템퍼링 이후에, 구성요소의 강도는 1950 MPa에 도달하고 연신률은 8%이다.

본 발명의 제4 양태는 핫 스탬핑 방법을 제공하고, 그러한 방법은: 제3 양태에 따른 핫 스탬핑용 예비코팅된 강 시트 또는 그 예비형성된 구성요소를 840 ℃ 이상까지 다수-스테이지 가열하는, 강 시트 오스테나이트화 단계; 가열된 예비코팅된 강 시트를 핫 스탬핑 다이까지 전달하는 강 시트 전달 단계로서, 다이로 전달될 때, 예비코팅된 강 시트의 온도가 550 ℃ 초과가 되도록 보장되는, 단계; 핫 스탬핑된 구성요소를 획득하기 위해서 전달된 예비코팅된 강 시트를 다이 내에서 스탬핑하는, 핫 스탬핑 단계를 포함한다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 제3 양태에 따른 예비코팅된 강 시트를 위한 다수-스테이지 신속 가열 해결책을 혁신적으로 제안한다. 첫 번째로, 예비코팅의 두께가 감소되고, 총 열 전달 효율이 개선되고, 강 시트의 오스테나이트화를 신속하게 달성하는 것이 보다 용이하다. 두 번째로, 단편적인 온도 제어가 채택되고, 온도 차가 크며, 가열 효율이 크게 개선되고, 신속한 가열이 실현된다. 프로세스는, 고온 섹션 내의 긴-기간의 소킹(soaking)으로 인해서 오스테나이트 입자가 비정상적으로 성장하는 것을 방지하면서, 생산 효율을 개선할 수 있다. 또한, 더 얇은 예비코팅 및 다수-스테이지 가열 배열은 기재와 금속 코팅 사이에서 보다 완전한 합금화를 달성할 수 있게 하고, 그에 의해서 퍼니스 롤러의 용접 및 스케일링과 같은 일련의 문제를 방지할 수 있게 한다. 퍼니스 롤러의 서비스 수명이 효과적으로 개선될 뿐만 아니라, 제품의 품질보장 비율이 개선되고, 생산비가 크게 절감된다는 것이 입증되었다. 롤러 허스 퍼니스(roller hearth furnace)를 설정하는 것 또는 유도 가열 장치를 제공하는 것에 의해서, 다수-스테이지 가열이 달성될 수 있다.

또한, 핫 스탬핑 이후의 마감된 제품 시트의 VDA 최대 굽힘 각도는, 예비코팅 두께가 감소된 예비코팅된 강 시트의 이용에 의해서, 현저하게 증가될 수 있고, 그 인성이 또한 개선될 수 있다. 동시에, 이는 스탬핑 다이의 마모를 효과적으로 줄일 수 있고, 용접 전극의 수명을 연장시킬 수 있고, 자동차 본체 부품의 충돌에 대한 안전성 및 에너지 흡수 효과를 큰 정도로 개선할 수 있고, 추가적으로 자동차 재료의 개발을 촉진하며, 그리고 에너지 절감 및 방출가스 감소에 더 도움이 된다.

또한, 더 중요하게, 신속한 가열은 Fe 및 Al의 확산 시간이 단축될 수 있게 하고, 그에 따라 기재측을 향한 기재와 코팅 사이의 경계의 이동이 추가적으로 감소된다. 그에 따라, 기재와 (기재측 상의) 코팅 사이의 경계 부근의 C 원자의 축적 정도가 더 작아지고, 이는 VDA 굽힘 인성의 개선에서 보다 유리하다.

바람직하게, 강 시트의 오스테나이트화 단계에서, 다수-스테이지 가열은 이하의 방식으로 실시된다: 0.5 내지 1.5 mm 두께의 예비코팅된 강 시트에서, 가열 온도는 코팅 합금화를 위한 예열 스테이지에서 700 내지 875 ℃로 설정되고, 오스테나이트화 가열의 제1 스테이지에서의 가열 온도는 920 내지 940 ℃로 설정되고, 제2 스테이지에서의 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제3 스테이지에서의 가열 온도는 920 내지 940 ℃로 설정되고, 제4 스테이지는 소킹 스테이지이고, 온도는 900 내지 920 ℃로 설정된다. 두께가 0.5 내지 1.0 mm인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간(스테이지 1 내지 4)은 90 초 내지 140 초로 설정되고; 두께가 1.0 mm 초과 1.5 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 120 초 내지 180 초로 설정되고; 두께가 1.5 mm 초과 3.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 가열 온도는 코팅 합금화를 위한 예열 스테이지에서 700 내지 895 ℃로 설정되고, 오스테나이트화의 제1 스테이지에서의 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제2 스테이지에서의 가열 온도는 950 내지 970 ℃로 설정되고, 제3 스테이지에서의 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제4 스테이지는 소킹 스테이지이고, 온도는 920 내지 940 ℃로 설정되며, 두께가 1.5 mm 초과 2.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 180 초 내지 220 초로 설정되고; 두께가 2.0 mm 초과 2.5 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 180 초 내지 260 초로 설정되고, 두께가 2.5 mm 초과 3.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 200 초 내지 300 초로 설정된다.

전술한 프로세스 단계는 본 발명의 예비코팅된 강 시트와 합치된다. 예비코팅된 Al 또는 합금 도금 층의 용융 온도는 약 600 ℃이고, 그에 따라 코팅의 표면은 가열 프로세스의 시작에서 액화되고, 액체 Al 또는 Al-합금이 롤러 허스 퍼니스의 롤러와 반응할 것이고 롤러에 접착되어 롤러의 수명에 영향을 미칠 것이다. 액체 Al 또는 Al-합금의 생성을 줄이기 위해서, 본 발명은 코팅 합금화를 위한 예열 스테이지를 포함하고, 그 목적은 예비코팅 내의 Al 또는 Al-합금과 기재 내의 Fe 사이의 충분한 합금화를 실현하고 그에 따라 강 시트의 표면 상의 액체 Al 또는 Al 합금과 퍼니스 롤러 사이의 반응을 감소시키기 위한 것이다.

전술한 프로세스 단계는 본 발명의 예비코팅된 강 시트와 합치되고, 제1 양태의 형성된 구성요소를 위해서 요구되는 코팅 조직이 얻어질 수 있고, VDA 굽힘 인성의 증가 및 표면 경도의 감소 등의 효과가 달성될 수 있으며, 희망하는 기계적 특성이 얻어질 수 있다.

바람직하게, 강 시트 전달 단계 후에, 페인트 베이킹 단계가 추가적으로 포함된다. 페인트 베이킹 단계에서, 핫 스탬핑된 구성요소가 130 내지 200 ℃까지 가열되고 5 내지 60분 동안 유지되며 이어서 임의의 방식으로 냉각된다.

페인트 베이킹 단계 이후에, 핫 스탬핑된 구성요소의 기계적 특성이 더 개선된다. 예를 들어, 170 ℃/20 분의 베이킹 후에, 핫 스탬핑된 구성요소의 항복 강도가 50 내지 150 MPa만큼 증가되고, 인장 강도는 약 50 내지 120 MPa만큼 감소되고, 연신률은 약 0 내지 3%만큼 증가되며, 충격 인성 값은 5 내지 20J/cm²만큼 증가되고, 그에 따라 재료의 충돌 에너지 흡수 효과가 개선된다.

도 1은 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 핫 스탬핑 전의 코팅 조직의 도면이다.
도 2는 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 핫 스탬핑 후의 코팅 조직의 도면이다.
도 3은 핫 스탬핑 후의 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 미세경도 테스트 위치를 보여주는 개략도이다.
도 4는 핫 스탬핑 후의 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 미세경도 경향 도면이다.
도 5는 1.2 mm 두께의 22MnB5 강의 핫 스탬핑 후의 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 3-점 굽힘 성능 곡선으로서, 우측의 사진은 좌측의 사진의 부분적 확대도이다.
도 6은 Al-Si 예비코팅을 갖는 22MnB5 강의 핫 스탬핑 이후의 코팅과 기재 사이의 경계에서의 C 부화를 보여주는 도면이다.
도 7은 0.5 내지 1.5 mm의 시트의 핫 스탬핑 프로세스 매개변수를 보여주는 도면이다.
도 8은 1.5 내지 3.0 mm의 시트의 핫 스탬핑 프로세스 매개변수를 보여주는 도면이다.
도 9는 종래 기술의 강 시트의 핫 스탬핑 후의 코팅의 조직을 보여주는 도면이다.
도 10은 종래 기술의 핫 스탬핑 프로세스를 보여주는 도면이다.

이하에서, 예시적인 실시예를 참조하여 본 발명을 더 구체적으로 설명할 것이다. 이하의 실시예 또는 실험 데이터는 본 발명을 예시하기 위한 것이고, 본 발명이 이러한 실시예 또는 실험 데이터로 제한되지 않는다는 것이 당업자에게 자명할 것이다.

첫 번째로, 본 발명의 핫 스탬핑용 예비코팅된 강 시트는 0.5 내지 3.0 mm의 두께를 가지고, 예비코팅은 3 내지 19 ㎛의 두께를 가지며, 본 실시예에서, 두께가 5 ㎛ 및 14 ㎛인 예비코팅을 각각 가지는 핫 스탬핑용 예비코팅된 강 시트가 제공되고, 예비코팅은 강 시트의 상부 및 하부 표면에 형성된다. 또한, 두께가 25 ㎛인 예비코팅을 갖는 핫 스탬핑용 예비코팅된 강 시트가 비교를 위해서 제공된다.

여기에서, 강 시트의 기본 강은, 중량%로, 이하의 성분을 포함하고: 0.28 내지 0.4% C; 0.6 내지 3.5% Mn; 0 내지 0.004% B; 0 내지 0.4% Nb+Ti+V, 0.05 내지 1% Si, 0.01 내지 1% Al; 총 5% 미만의 함량의 Cr, Mo, Ni, Cu; 및 불가피한 불순물 원소, 여기에서 V는 바람직하게 0.1 내지 0.4%이다. 대안적으로, 기본 강은, 중량%로, 이하의 성분을 포함한다: 0.19 내지 0.28%의 C; 0.6 내지 3.5%의 Mn; 0 내지 0.004%의 B; 0 내지 0.4%의 Nb+Ti+V, 0 내지 2% Si, 0 내지 2% Al; 총 5% 미만의 함량의 Cr, Mo, Ni, Cu; 및 불가피한 불순물 원소.

예를 들어, 바람직한 실시예로서, 기본 강은, 중량%로, 이하의 성분을 포함한다:0.35% C; 1.35% Mn; 0.002% B; 0.04% Ti; 0.2% V; 0.2% Si, 0.05% Al; 0.2% Cr.

본 발명의 예비코팅된 강 시트의 예비코팅은, 예를 들어, 핫-딥 코팅에 의해서 형성될 수 있고, 전형적인 핫-딥 코팅 용액의 기본 조성은 일반적으로 (중량%)로: 8 내지 11% Si, 2% 내지 4% Fe를 포함하고, 나머지는 Al 또는 Al 합금 및 불가피한 불순물이다. 그러나, 본 발명은 이러한 조성으로 제한되지 않고 다양한 알루미늄 또는 알루미늄 합금 코팅이 이용될 수 있다. 이들 중에서, Si는 주로 금속간 화합물의 형성을 억제하기 위한 것이다. 규소 함량이 낮은 경우에, 알루미늄-부화 금속간 화합물 Al₂Fe 상이 오스테나이트화 프로세스의 2분 이내에 용이하게 형성되고, 이는 오스테나이트화 이후 2 내지 6분 이내에 Fe₂Al₅ 상으로 용이하게 변환되고; 이러한 층은 취성 상이고 그에 따라 핫 스탬핑 다이 및 용접 전극에 바람직하지 않다. 그에 따라, Si 함량은 일반적으로 8 내지 11%에서 제어된다. 코팅의 고온 안정성 및 내산화성은 주로 Al에 의해서 제공되고, 즉 얇고 조밀한 Al₂O₃가 보호 막으로서 이용된다. 이러한 방식으로 형성된 예비코팅 내의 알루미늄 함량은 일반적으로 60% 이상이다.

예로서 기본 강 및 예비코팅은 표 1에 기재된 조성을 갖는다.

여기에서, Bal.은 다른 원소 이외의 나머지를 나타낸다.

22MnB5 강 시트의 예비코팅 조직이 도 1에 도시되어 있다. 여기에서, 좌측 강 시트(본 발명의 강 시트)는 5 ㎛ 두께의 예비코팅을 가지고, 중간 강 시트(본 발명의 강 시트)는 14 ㎛ 두께의 예비코팅을 가지며, 우측 강 시트(통상적인 강 시트)는 25 ㎛ 두께의 예비코팅을 갖는다. 각각의 강 시트를 위한 기재는 페라이트 및 펄라이트 조직이고, 예비코팅은 (기재측으로부터) 금속간 화합물 층(Fe₂Al₅, Fe₂Al₈Si), 알루미늄 코팅의 조직을 갖는다.

예비코팅 조직의 분석은, 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 핫 스탬핑용 강 시트의 금속간 화합물 층 두께가 대략적으로 동일하고, 모두가 약 4.5 ㎛이며, 차이는 주로 알루미늄 코팅의 두께에 있다는 것을 보여준다. 전술한 각각의 강 시트 내의 알루미늄 코팅의 두께는 각각 0.5 ㎛, 9.5 ㎛, 및 20.5 ㎛이다.

예를 들어, 본 발명에 따른 3 내지 19 ㎛의 예비코팅을 갖는 핫 스탬핑용 강 시트가 이하의 프로세스에 의해서 생산될 수 있다.

(1) 전술한 화학적 조성에 따른 강 제조, 진공 유도 퍼니스, 전기 퍼니스 또는 컨버터에 의한 용해; 슬라브를 생산하기 위한 연속 주조 기술의 이용, 또는 얇은 슬라브 연속 주조 및 압연 프로세스의 직접적인 이용.

(2) 슬라브의 균일한 가열, 용해된 슬라브의 1150 내지 1340 ℃의 온도까지의 가열, 및 이를 20 내지 2000 분 동안 이러한 온도에서 유지하는 것.

(3) 열간 압연, 슬라브는 1020 내지 1280 ℃에서 조압연되고, 강 시트의 총 프레스량은 50% 이상이고, 열간-압연된 강 시트를 획득하기 위해서 마감 온도는 500 ℃ 이상으로 제어되고; 열간-압연된 제품이 840 ℃ 미만의 온도 구역에서 코일 작업되고, 이어서 산세를 실시하여 열간-압연되고 산세된 강 시트를 획득할 수 있다. 최종 조직은 펄라이트+페라이트, 또는 펄라이트+페라이트+적은 양의 베이나이트, 또는 펄라이트+페라이트+적은 양의 마텐자이트이다.

(4) 전술한 열간-압연된 강 시트를 냉간 압연하여 냉간-압연된 강 스트립을 획득할 수 있다.

(5) 냉간-압연된 강 시트의 표면에서 Al-Si 예비코팅을 코팅하기 위한 상이한 프로세스들을 실시하여 Al-Si 예비코팅된 강 시트를 획득한다.

다음에, 전술한 예비코팅된 강 시트에 핫 스탬핑을 실시하고, 예를 들어, 이하의 핫 스탬핑 방법을 이용할 수 있다.

(a) 강 시트 오스테나이트화: 예비코팅된 강 시트를 절단하여 미리 결정된 크기 및 형상의 강 시트를 획득; 박스 퍼니스, 롤러 허스 퍼니스 또는 유도 가열 등과 같은 가열 장치를 이용하는, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 가열 과정으로서, 핫 스탬핑용 강 시트 또는 그 예비형성된 구성요소가 700 내지 970 ℃까지 신속하게 가열되고 0.5 내지 15 분 동안 유지된다.

(b) 강 시트 전달: 가열된 강 시트가 핫 스탬핑 다이로 전달되고, 다이로 전달될 때 강 시트의 온도가 550 ℃ 이상이 되도록 보장된다.

(c) 핫 스탬핑: 시트의 크기에 따라, 합리적인 프레스 톤수가 스탬핑을 위해서 설정되고; 유지 시간은 시트 두께에 따라 결정되며, 다이 표면 온도가 냉각 시스템에 의해서 제어될 수 있고, 그에 따라 다이 내의 강 시트가 10 ℃/s 이상의 평균 냉각률로 250 ℃ 이하까지 냉각되고, 이어서 임의의 방식으로 상온까지 냉각되어 상응하는 핫 스탬핑된 구성요소를 획득한다.

전술한 스탬핑에 의해서 얻어진 형성된 구성요소에 대해서 이하의 처리를 더 실시할 수 있다:

(d) 페인트 베이킹: 구성요소 페인트 베이킹 프로세스 중에, 형성된 구성요소가 130 내지 200 ℃까지 가열되고, 5 내지 60 분 동안 유지되고, 이어서 임의의 방식으로 냉각된다.

강 시트의 오스테나이트화 단계에서, 0.5 내지 1.5 mm 두께의 예비코팅된 강 시트의 경우에, 가열 온도는 코팅 합금화를 위한 예열 스테이지에서 700 내지 875 ℃로 설정되고, 이는 오스테나이트화 스테이지에서의 840 ℃ 이상까지 가열되고; 구체적으로, 오스테나이트화의 제1 가열 스테이지에서 가열 온도는 920 내지 940 ℃로 설정되고, 제2 스테이지에서 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제3 스테이지에서 가열 온도는 920 내지 940 ℃로 설정되고, 제4 스테이지는 열 보전 스테이지이고, 여기에서 온도는 900 내지 920 ℃로 설정된다. 두께가 0.5 내지 1.0 mm인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간(스테이지 1 내지 4)은 90 초 내지 140 초로 설정되고, 두께가 1.0 mm 초과 1.5 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 120 초 내지 180 초로 설정되고, 두께가 1.5 mm 초과 3.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 가열 온도는 코팅 합금화를 위한 예열 스테이지에서 700 내지 895 ℃로 설정되고, 오스테나이트화 가열 프로세스에서, 제1 스테이지에서 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제2 스테이지에서 가열 온도는 950 내지 970 ℃로 설정되고, 제3 스테이지에서 가열 온도는 940 내지 960 ℃로 설정되고, 제4 스테이지는 열 보전 스테이지이고, 온도는 920 내지 940 ℃로 설정된다. 두께가 1.5 mm 초과 2.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 180 초 내지 220 초로 설정되고, 두께가 2.0 mm 초과 2.5 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 180 초 내지 260 초로 설정되고, 두께가 2.5 mm 초과 3.0 mm 이하인 예비코팅된 강 시트에서, 총 가열 시간은 200 초 내지 300 초로 설정된다. 총 가열 시간 요건이 만족되는 경우에, 각각의 스테이지 내의 가열 시간은 강 시트의 두께 또는 기타에 따라 분포될 수 있다.

예를 들어, 전술한 강 시트의 오스테나이트화 단계에서의 매개변수가 표 2에 도시된 바와 같이 설정될 수 있다.

이어서, 전술한 프로세스에 의해서 획득된 형성 구성요소의 코팅을 분석한다.

표 3은 상이한 예비코팅 두께들을 갖는 강 시트의 핫 스탬핑 이전 및 이후의 코팅 두께의 변동을 도시하고, 여기에서 IS1 및 IS2는 본 발명의 예비코팅된 강 시트를 나타내고, CS1는 통상적인 예비코팅된 강 시트를 나타낸다.

두께가 각각 5 ㎛, 14 ㎛, 및 25 ㎛인 예비코팅을 갖는 전술한 핫 스탬핑용 예비코팅된 강 시트에서, 핫 스탬핑 후에, 코팅 두께는 각각 10 ㎛, 21 ㎛, 및 34 ㎛로 변화되었고, 코팅 조직은 도 2에 도시된 바와 같다. 미세경도가 각각의 층에 대해서 측정되었고, 측정 위치 및 결과가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

구체적으로, 이하의 층들이 기부로부터 외측까지 순차적으로 배열된다:

(a) 제1 층: 두께가 6 내지 14 ㎛이고, 도시된 예에서, 8 내지 12 ㎛인 상호확산 층. 특정 전이 층이 형성되어 기재에 균열이 전파되는 것을 방지하도록 보장하기 위해서 상호확산 층의 두께는 6 ㎛보다 두꺼워야 할 필요가 있고; C의 과다 확산으로 인한 C 부화를 방지하기 위해서 두께는 주로 14 ㎛ 이하이다. 상호확산 층은 Al 및 Si 내의 α-Fe 상이고, Fe 함량은 70 중량% 이상이다. 또한, 상호확산 층은, Fe₃Al 나노입자와 같은, Fe 및 Al의 금속간 화합물 상을 포함할 수 있다. 또한, 상호확산 층의 표면은 1 내지 2 ㎛의 금속간 화합물 FeAl 층에 의해서 추가적으로 덮일 수 있다. Fe₃Al 및 FeAl와 같은 금속간 화합물의 양은 제1 층 내에서 20 부피% 이하이다. 제1 층의 경도 값 HV10gf는 220 내지 410이다.

예비코팅의 두께가 얇을 때, 본 발명의 강이 핫 스탬핑된 후에, 표면 층의 경도가 크게 감소된다. 구체적으로, 코팅이 제1 층만으로 구성되는 경우에, 표면 경도는 220 내지 410 HV10gf이다. 상호확산 층이 Fe₃Al 상을 포함하는 경우에도, 본 발명의 코팅이 얇고 Fe₃Al 상 함량이 극도로 적기 때문에, 코팅 경도는 일반적으로 410 HV10gf 이하이다. 대조적으로, 통상적인 강 시트의 핫 스탬핑 이후의 표면 층은 연속적으로 분포된 Fe₂Al₅ 상이고, Fe₂Al₅ 상 자체의 파단 인성 값은

이고, 경도 값은 900 내지 1150 HV10gf 정도로 높다.

(b) 제2 층: 이는 주로, 연속적인 취성 Fe₂Al₅, FeAl₃, Si를 포함하는 Fe 및 Al의 금속간 화합물과 같은, 금속간 화합물 상이다. 제2 층의 두께는 0 내지 8 ㎛이고, 도시된 예에서 5 내지 7 ㎛이고, Fe 함량은 30 중량% 내지 47.9 중량%이고, 경도 값 HV10gf은 800 내지 960이다.

(c) 제3 층: 이는 주로 FeAl 또는 FeAl₂와 같은 금속간 화합물 상이다. 제3 층의 두께는 약 0 내지 10 ㎛이고, 도시된 예에서 4 내지 7 ㎛이고, Fe 함량은 48 중량% 내지 69 중량%이고, 경도 값 HV10gf은 400 내지 630이다.

(d) 불연속적으로 분포된 표면 층으로서, 제3 층 조직, 즉 FeAl, FeAl₂와 같은 금속간 화합물 상, 및 제2 층 조직, 즉 Fe₂Al₅, FeAl₃, 등과 같은 금속간 화합물 상을 포함하고, 제3 층 조직의 함량은 적어도 30 부피%이고, 제2 층 조직은 70% 이하이고, 바람직하게 제2 층 조직을 가지지 않는다. 표면 층의 두께는 약 0 내지 4 ㎛이고, 도시된 예에서 이는 0 내지 3 ㎛이고, 경도 값 HV10gf은 650 내지 850이다.

예비코팅 두께 및 예비코팅된 강 시트의 가열 과정에 따라, 형성된 구성요소의 코팅 조직이 또한 상이하고, 본 발명에 따른 예비코팅된 강 시트 및 가열 프로세스는, 형성된 구성요소가 본 발명이 요구하는 코팅 조직을 갖도록 보장한다는 것을 주목하여야 한다. 예를 들어, 예비코팅의 두께가 5 ㎛일 때, 본 발명의 프로세스에 의한 스탬핑 후의 코팅의 두께는 10 ㎛이 되고; 도 2의 좌측의 사진에 도시된 바와 같이, 코팅 조직은 층, 즉 상호확산 층만을 포함하고, 도면의 CT^*는 핫 스탬핑 이후의 코팅의 두께를 나타낸다. 예비코팅 두께가 14 ㎛일 때, 도 2의 중간 사진에 도시된 바와 같이, 본 발명의 스탬핑 프로세스 이후의 코팅의 두께는 21 ㎛으로 변화되고, 코팅 조직은 층 a, b, c 및 불연속적인 층 d를 포함한다.

또한, 코팅이 얇아짐에 따라, 그 미세조직이 점진적으로 개선되고 코팅의 표면 층의 경도가 또한 점진적으로 개선된다는 것이 강조되어야 한다. 예를 들어, 예비코팅의 두께가 14 ㎛인 시트가 핫-스탬핑되고 그 코팅 조직은 층 a, b 및 c로 구성된다. 최외측 층은 취성 Fe₂Al₅ 상으로 주로 구성되지 않고, 주로 FeAl 또는 FeAl₂ 상으로 구성되며, 그에 따라 표면 층의 경도는 그에 상응하여 크게 감소되고, 경도 값 HV10gf은 400 내지 630이고, 심지어 적은 양의 Fe₂Al₅ 상을 포함하는 경우에도, 경도 값 HV10gf은 630을 초과하지 않는다.

다른 한편으로, 예비코팅의 두께가 5 ㎛인 시트의 핫-스탬핑 이후에, 최종 코팅 조직은 두께가 약 10 ㎛인 상호확산 층 만을 가지며, 상호확산 층은 Al 및 Si 내의 α-Fe 부화로 주로 구성된다. 이러한 경우에, 최외측 층의 경도 값 HV10gf는 220 내지 410이다.

대조적으로, 예비코팅의 두께가 25 ㎛인 통상적인 강의 경우에, 핫 스탬핑 이후의 최종 코팅 두께는 약 34 ㎛이고, 최외측 층은 경도가 약 950 HV10gf인 연속적으로 분포된 Fe₂Al₅ 상이다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 예비코팅된 강 시트가 핫 스탬핑된 후에, 코팅의 두께가 감소됨에 따라 표면 경도가 점진적으로 감소된다. 이러한 방식으로, 스탬핑 다이의 마모 정도가 감소될 뿐만 아니라, 용접 전극의 수명이 또한 연장된다.

굽힘 테스트는 VDA238-100 표준에 구체적으로 기술된 굽힘 테스트 장치에서 실시된다. 샘플이 2개의 롤러 상에 배치되고, 설치된 롤러가 가능한 한 마찰을 가지지 않도록 보장된다. 예비하중 문턱값이 30 N으로 설정된다. 예비하중은 10 mm/분의 빔 변위 속력으로 실행된다. 설정된 값에 도달한 후에, 이는 20 mm/분의 빔 변위 속력으로 하향 프레스된다. 테스트 마감을 위한 표준은, 압력이 최대 값에 도달한 후에, 압력이 30 내지 60 N 강하되는 것이다.

3-점 굽힘 테스트의 테스트 결과는, 도 5에 도시된 바와 같이, 예비코팅 두께가 각각 5 ㎛, 14 ㎛ 및 25 ㎛인 1.2 mm 두께의 22MnB5 시트가 핫 스탬핑된 후에, 압연 방향을 따른 최대 굽힘 각도(α_max)가 65±0.3°, 62±0.4°, 58±2.0°인 것을 보여준다.

다시 말해서, 1.2 mm 두께의 시트에서, 5 ㎛의 예비코팅을 가지는 본 발명의 시트는 핫 스탬핑 이후에 약 65도의 VDA 최대 굽힘 각도를 가지는 반면, 25 ㎛의 예비코팅을 갖는 통상적인 시트는 핫 스탬핑 이후에 약 58 도의 VDA 최대 굽힘 각도만을 가지며, 그 데이터의 차이는 크다. 본 발명의 3 내지 19 ㎛ 두께의 예비코팅을 갖는 강 시트가, 통상적인 예비코팅된 강 시트와 비교할 때, 약 7 도만큼 최대 3-점 굽힘 각도를 증가시킬 수 있다는 것이 분명하다. 본 발명의 강 시트가 VDA 굽힘 인성을 개선하는 이유는 다음과 같다.

본 발명자는, 전자 프로브 선형 스캐닝 기능을 이용하여, 기재 내의 코팅 및 원소의 분포를 분석하였고, 핫 스탬핑 이후에 22MnB5 코팅된 시트의 C 원소 분포를 검출하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 가열 및 오스테나이트화 프로세스에서, C 원자가 기재 내로 확산되고 상호확산 층과 기재 사이의 경계 부근에서 1 내지 4 ㎛ 두께의 C-부화 구역을 형성하였고, 급냉 후에 C-부화 구역은 기재와 상호확산 층 사이의 계면 부근에서 유지되어, 높은 C의 마텐자이트를 형성하고, 이는 취성이고, 냉간 굽힘 중의 이러한 위치에서의 조기 실패는 열등한 냉간 굽힘 성능의 중요 원인이라는 것을 발견하였다.

본 발명자는 또한 연구를 통해서, 예비코팅의 두께를 감소시키는 것에 의해서 C 원자 편석의 양이 감소될 수 있고, 그에 의해서 냉간 굽힘 성능을 개선할 수 있다는 것을 발견하였다. 실시예의 실험 데이터에 따른 계산을 통해서, 25 ㎛ 두께의 예비코팅을 갖는 통상적인 강 시트의 합금화 층의 계면이 핫 스탬핑 이후에 9 ㎛만큼 기본 강 측을 향해서 이동되고; 대조적으로, 본 발명에 따른 14 ㎛ 및 5 ㎛ 두께의 예비코팅을 갖는 강 시트의 합금화 층의 계면은 핫 스탬핑 이후에 기본 강 측을 향해서 각각 7 ㎛ 및 5 ㎛만큼 이동된다. 그에 따라, 핫 스탬핑 이후에 코팅과 기재 사이의 경계 부근의 기본 강 내의 C 원자의 총 부화량은, 25 ㎛의 예비코팅을 갖는 통상적인 강 시트에서, 본 발명에 따른 14 ㎛ 및 5 ㎛의 예비코팅을 갖는 강 시트에서의 부화량의 1.8 및 1.4배이다.

또한, 표 3에 기재된 예비코팅된 강 시트의 핫 스탬핑을 통해서 형성된 구성요소에 대해서 기계적 특성을 테스트하였다. 테스트 결과가 이하의 표 4에 기재되어 있다. 형성된 구성요소(ISP1, ISP2, 및 CSP1)는 순차적으로 예비코팅된 강 시트(IS1, IS2, CS1)에 상응하고; TS는 인장 강도를 나타내고, YS는 항복 강도를 나타내며, TE는 총 연신률을 나타내고; α_max는 최대 굽힘 각도(최대 굽힘력 하의 굽힘 각도)를 나타내고, TD는 압연 방향에 수직인 방향을 나타내고, RD는 압연 방향에 평행한 방향을 나타낸다.

상기의 표로부터 확인될 수 있는 바와 같이, 통상적인 예비코팅된 강 시트와 비교할 때, 본 발명의 예비코팅된 강 시트는 최대 굽힘 각도를 증가시킬 수 있고 냉간 굽힘 성능을 개선할 수 있으며; 동시에, 이는 또한, 통상적인 예비코팅된 강 시트와 유사한 또는 그보다 높은, 인장 강도, 항복 강도 및 연신률을 달성할 수 있다.

본 발명의 핫 스탬핑된 구성요소는, 비제한적으로 A-필라, B-필라, 자동차 범퍼, 지붕 프레임, 샤시 프레임, 및 자동차 도어 충돌-대비 막대를 포함하는, 안전 구조 구성요소, 보강 구조 구성요소, 바퀴 구성요소, 고강도 자동차 구조 구성요소 또는 모터 차량의 샤시 구조 구성요소로서 이용될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고도 임의의 가능한 변화 또는 치환이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해하여야 한다.

예를 들어, 전술한 실시예에서, 예비코팅된 강 시트가 상부 및 하부 표면 모두에서 예비코팅을 가지는 경우를 설명하였지만, 예비코팅이 하나의 표면에 형성될 수 있다.

또한, 실시예에서 설명된 데이터 및 여러 매개변수는 단지 예시적인 것이고 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.

Claims (4)

1. 핫 스탬핑된 구성요소에 있어서,
   핫 스탬핑된 구성요소는 예비코팅된 강 시트를 핫 스탬핑함으로써 얻어지고, 예비코팅된 강 시트의 총 두께는 0.5 mm 내지 3.0 mm이고, 예비코팅된 강 시트에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 예비코팅이 기본 강의 적어도 하나의 표면 상에 제공되고, 예비코팅의 평균 두께는 5 내지 14 ㎛이고,
   핫 스탬핑된 구성요소에는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 코팅이 기본 강의 적어도 하나의 표면 상에 제공되고, 코팅은 기본 강과 예비코팅 사이의 상호확산에 의해서 형성되고, 코팅의 평균 두께는 10 내지 21 ㎛이고,
   코팅의 제1 층은 기본 강에 근접한 측면 상에 위치된, 즉 최내측 층이고, 제1 층은 외부 측면 상에 FeAl 층으로 덮이는 상호확산 층이고, 상호확산 층의 조성은 α-Fe 함유 Al 및 Si이고, Fe 함량은 70 중량% 이상이고,
   예비코팅의 평균 두께와 코팅의 평균 두께의 차이는 5 ㎛ 이상 9 ㎛ 미만인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑된 구성요소.
2. 제1항에 있어서,
   예비코팅의 평균 두께와 코팅의 평균 두께의 차이는 5 ㎛ 이상 7 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑된 구성요소.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   코팅은 제1 층의 외측에 위치되는 제2 층을 포함하고, 제2 층은 Fe, Al, 및 Si의 금속간 화합물로 구성되고, Fe 함량은 30 중량% 내지 47.9 중량%인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑된 구성요소.
4. 제3항에 있어서,
   코팅은 제2 층의 외측에 위치되는 제3 층을 포함하고, 제3 층은 Fe, Al, 및 Si의 금속간 화합물로 구성되고, Fe 함량은 48 중량% 내지 69 중량%인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑된 구성요소.

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