KR20230024333A - 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
수소 지연파괴 특성이 향상된 열간 프레스 성형용 도금강판이 개시된다. 개시된 도금강판은 소지강판; 및 소지강판의 표면에 형성되고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, Fe: 4.0 내지 12.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금층을 포함한다.
Description
본 발명은 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 성분조건 및 열처리 조건을 최적화 함으로써, 수소 지연파괴 특성이 향상된 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 안전성 및 연비 효율성 등의 요구가 증가됨에 따라, 자동차의 경량화를 위한 고강도강의 활용이 늘어가고 있으나, 고강도강은 가공 중 소재의 파단이 발생하거나 가공 후 스프링 백의 현상이 발생함에 따라 복잡하고 정밀한 형상의 제품의 성형은 어렵다는 문제점이 있다.
열간 프레스 성형(Hot Press Forming, HPF)은 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 최근 적용이 확대되고 있다. 열간 프레스 강판은 통상 800~950℃로 가열한 상태에서 열간 가공을 함에 따라 성형이 용이하며, 금형을 통해 급냉시 성형품의 강도를 높게 만들 수 있는 장점이 있다.
하지만, 강재를 고온으로 가열할 경우에 강재 표면이 산화가 발생하고 따라서 프레스 성형 이후에 강판 표면의 산물을 제거하는 과정이 추가되어야 하는 문제가 있다. 이를 위해, 종래에는 열간 프레스 성형을 위한 소재로서 강판 표면에 알루미늄 도금층 또는 아연 도금을 도입하는 방안이 제시되어 왔다.
하지만, 고강도강 도금 강판은 수소에 의한 지연파괴 문제가 발생하여 사용이 제약되고 있다. 구체적으로, 지연파괴 수소가 강속으로 확산하여 부품의 성형이 끝난 후 강재의 연성과 인성을 저하시켜 소성변형 없이도 파괴가 발생하는 지연파괴 현상이다.
특히, 고강도강을 소지로 하는 알루미늄 도금강판에서는, Al 및 Al-Fe계 계면 합금층의 수소 확산 계수가 매우 낮아, 금속코팅이 도입되지 않은 강판에 비해 지연파괴의 문제가 더욱 심각한 실정이다.
따라서, 강도뿐만 수소 지연파괴 특성을 확보함으로써 자동차용 부품에 적용이 가능한 열간 프레스 성형용 도금강판의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예들은 수소 지연파괴 특성이 향상된 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판은, 소지강판; 및 상기 소지강판의 표면에 형성되고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, Fe: 4.0 내지 12.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소지강판은, 중량%로, C: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Si: 0.1 내지 0.8%, B: 0.01% 이하(0은 제외), Ti: 0.1% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소지강판의 표면에 부착되는 도금층의 부착량은, 40 내지 120g/m2일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도금층의 두께는 5 내지 40㎛일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 소지강판과 상기 도금층 사이에 형성되고, 중량%로, Al: 30.0 내지 60.0%, Si: 5.0 내지 20.0%를 포함하는 Al-Fe계 계면 합금층이 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도금층은, 실리콘 농도가 60%이상이고, 아연 농도가 20%미만이며, 장축의 길이 1㎛ 이상인 실리콘 결정을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법은, 소지강판을 마련하고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금액에 소지강판을 침지하여 도금강판을 제조하는 단계; 상기 도금강판을 800℃초과 1,100℃미만까지 가열하는 단계; 상기 도금강판을 열간 프레스 성형하는 단계; 및 상기 열간 프레스 성형된 도금강판을 냉각하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도금강판의 가열은, 2분 초과 15분 미만 동안 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도금강판의 가열은, 2℃/sec내지 15℃/sec속도로 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 열간 프레스 성형된 도금강판을 냉각하는 단계에서, 700℃내지 350℃ 온도구간에서 15℃/sec이상의 속도로 냉각할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수소 지연파괴 특성이 향상된 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있어, 자동차용 부품에 적용이 가능하다.
도 1은 실시예 1의 도금층 단면을 전자주사현미경으로 관찰한 사진이다.
발명의 실시를 위한 최선의 형태
본 발명의 일 실시예에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판은, 소지강판; 및 상기 소지강판의 표면에 형성되고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, Fe: 4.0 내지 12.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 포함한다.
발명의 실시를 위한 형태
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
열간 프레스 성형(HPF)은, 강판의 온도가 높아짐에 따라 연질화 되는 특성을 활용하여 고온에서 복잡한 형상으로 가공하는 방법으로, 보다 구체적으로는 강판을 오스테나이트 영역 이상 즉, 상전이가 가능한 상태로 가열한 후, 가공과 동시에 급냉을 실시하여 강판의 조직을 마르텐사이트로 변태시킴으로써, 고강도의 정밀한 형상을 갖는 제품을 제조할 수 있는 방법이다.
고강도강을 고온으로 가열하게 되면 강 표면에 부식이나 탈탄 등과 같은 표면결함이 발생할 우려가 있어, 이를 방지하기 위한 목적에서 그 표면에 아연계 또는 알루미늄계 도금을 실시한 다음, 열간 프레스 성형을 수행하고 있다. 이때, 도금층으로 사용된 아연(Zn)이나 알루미늄(Al)은 외부 환경으로부터 강판을 보호하는 역할을 하기 때문에, 강판의 내식성을 향상시킬 수 있다.
알루미늄 도금강판은 아연 도금강판에 비해, Al의 높은 융점과 도금층 상부에 형성되는 치밀하고도 얇은 Al 산화막으로 인해 고온에서도 도금층에 두꺼운 산화피막을 형성시키지 않는 장점을 가지고 있다.
하지만, 알루미늄 도금강판을 열간 프레스 성형할 경우, 가열 단계에서 대기중의 수분이 강판의 표면에 흡착되고 수소로 해리됨에 따라, 지연파괴가 쉽게 발생한다. 모재 표면에 금속 코팅이 도입되지 않은 강판에서는, 모재의 표면에서 수소가 대기중으로 확산 가능하지만, 알루미늄 도금강판은 모재에서 외부로 수소가 빠져나가기 어려워 지연 파괴가 발생하기 쉽다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 도금과정에서 소지금속에 흡착된 수소가 외부로 용이하게 빠져 나갈 수 있는 도금층 구조를 도입하면서도, 제조과정에서 수소 흡착을 억제하여 알루미늄 도금강판의 수소 지연파괴 특성을 향상시킬 수 있음을 확인하고 본 발명을 도출하게 되었다.
이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판은 소지강판과 상기 소지강판의 표면에 형성된 알루미늄계 도금층을 포함한다.
본 발명의 소지강판은 열간 프레스 성형용 도금강판의 제작에 이용되는 소지강판이며, 열간 프레스 성형시 마르텐사이트 변태가 되는 강종이면 적용이 가능하다. 예를 들어, 소지강판은 중량%로, C: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Si: 0.1 내지 0.8%, B: 0.01% 이하(0은 제외), Ti: 0.1% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.1 내지 0.4%이다.
탄소(C)는 오스테나이트상 안정화 원소로, 수소 지연파괴 특성을 향상시키기 위해 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 전기 비저항이 증가하여 용접성이 열위해지는 문제점을 고려하여 그 상한을 0.4%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.5 내지 3.0%이다.
망간(Mn)는 탄소와 함께 오스테나이트 조직을 안정화시키는 원소로, 가공 중 α'-마르텐사이트 조직의 형성을 억제하기 위해 0.5% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 비용의 상승뿐만 아니라 강도 향상의 효과가 포화되는 점을 고려하여, 그 상한을 3.0%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 0.1 내지 0.8%이다.
실리콘(Si)은 탈산제로서 사용되는 원소로, 고용강화에 의한 강의 항복강도 및 인장강도를 향상시키기 위해 0.1% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 열간 압연시 표면에 실리콘 산화물이 다량 형성되어 산세성이 저하되고 전기 비저항이 증가하여 용접성이 열위해지는 문제가 있어, 그 상한을 0.8%로 한정할 수 있다.
B의 함량은 0.01% 이하(0은 제외)이다.
보론(B)은 오스테나이트에서 페라이트 변태를 지연시키데 효과적인 원소이다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 열간 가공성을 저하시키는 문제가 있어, 본 발명에서는 보론 함량을 0.01% 이하로 한정하고자 한다.
Ti의 함량은 0.1% 이하(0은 제외)이다.
티타늄(Ti)은 강 중 질소와 반응하여 질화물을 형성함으로써 강의 성형성을 향상시키며, 강 중 탄소와 반응하여 탄화물을 형성함으로써 강의 강도를 향상시키는 원소이다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 석출물이 과도하게 형성되어 강의 피로 특성을 열화시키는 문제가 있어, 본 발명에서는 티타늄 함량을 0.1% 이하로 한정하고자 한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
다음으로, 상기와 같은 소지강판을 열간 프레스 성형을 위한 강판으로 적용하기 위해서는 상기 소지강판 상에 도금층을 도입하는 것이 바람직하다. 상기 도금층은 통상의 알루미늄계 도금층일 수 있으며, 보다 구체적으로, 용융알루미늄 도금층 또는 용융알루미늄합금 도금층일 수 있다.
알루미늄 도금층 내에 존재하는 순수한 Al과 Al-Fe계 계면 합금층은 수소의 확산계수가 낮아 지연 파괴가 발생하기 쉽다.
본 발명에서는 알루미늄 도금층에 Si을 도입하여 Al-Fe 합금상의 형성을 억제하고, 알루미늄 도금층에 Zn를 고용시켜 도금층 내 수소가 외부 대기 환경으로 확산이 용이하도록 하였다.
본 발명의 알루미늄계 도금층은, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, Fe: 4.0 내지 12.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 소지강판의 표면에 형성되어, 강판의 내식성 및 수소 지연파괴 특성 향상에 기여하는 도금층 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다.
Si의 함량은 5.0 내지 15.0%이다.
실리콘(Si)은 도금층에 포함되는 Al과 소지강판에 포함되는 Fe의 합금화를 조절하기 위해 첨가되는 원소이다. Si 함량이 낮을경우 소지철의 Fe와 도금욕의 Al의 반응이 과도하게 발생하여 취성이 큰 Al-Fe상을 형성하게 되고 이러한 취성이 높은 상이 과도하게 포함된 도금층은 Blank가공이나 도금강판 취급중에 도금층의 박리가 쉽게 발생하게 된다. 또한 순수한 Al에 Si을 첨가할 경우 도금욕의 융점 저하를 유발하여 도금욕의 온도를 낮출 수 있다. 그에 따라 첨가된 아연의 애쉬(ash) 발생 등의 결함을 효과적으로 억제하기 위해 5.0% 이상 첨가할 수 있다. 다만 Si 함량이 공정조성을 넘어 과도할 경우, 도금욕 온도를 급격하게 상승시키게 된다. 이는 높은 도금욕 온도를 유지할 수 밖에 없어 조업중 도금욕조내의 싱크롤등 고온에 의한 구조물 열화를 불러일으키고 조업성을 열위하게 하므로 그 상한을 15.0%로 한정할 수 있다.
Zn의 함량은 10.0 내지 30.0%이다.
아연(Zn)은 희생방식성 효과가 있는 원소로, 도금층의 기본적인 내식성을 향상키키며, 도금층내에서 알루미늄 도금층보다 수소의 확산이 촉진하게 하는 원소이다. 또한 아연은 열간 성형중에 표면에 아연산화물을 형성하며, 이러한 산화물은 치밀한 알루미늄 산화물 대비 공간이 비어있는 다공질형태를 지닌다. 알루미늄만 포함된 강판의 경우 표면의 치밀하고 단단한 알루미늄 산화물만 있는 구조에서 아연 산화물이 표면에 생성될 경우 도금층 외부로 수소가 확산할 수 있는 구조를 형성하여 도금층내 수소의 방출을 도와주는 역활을 한다. 이를 위해 도금층내 아연을 15.0% 이상 함유할 수 있으며, 바람직하게 18%이상 함유할 수 있으며, 보다 바람직하게는 22%이상 함유할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 용접시 아연에 의한 액화금속취성(Liquid Metal Embrittlement, LME)이 발생하는 문제가 있어, 그 상한을 도금층내 35.0%로 한정할 수 있으며 바람직하게는 30%로 한정할 수 있으며 보다 바람직하게는 27%로 한정할 수 있다.
Fe의 함량은 4.0 내지 12.0%이다.
철(Fe)은 Al-Fe계 계면 합금층을 형성하는 원소로, 도금층의 Al과 소지철의 Fe가 확산하여 Al-Fe계 합금상을 소지금속 표면에 균일하게 형성하여 도금층에 존재하게 된다. 이러한 합금층이 없을 경우 Fe의 지속적인 확산에 의해 계면층이 두꺼워져 도금층의 취성이 증가할 우려가 있어 4%이상 포함되는 것이 바람직하다. 다만 도금층내 Fe 함량이 과도할 경우, Fe-Al계 금속간 화합물 중 FeAl2, FeAl3 및 Fe2Al5 이외의 합금상이 형성되는 문제가 있어, 그 상한을 12.0%로 한정할 수 있다.
상기 도금층의 두께는 5 내지 40㎛인 것이 바람직하며, 상기 도금층의 평균 두께가 5㎛ 미만이면 도금강판의 내식성을 충분히 확보할 수 없게 되며, 반면 40㎛를 초과하게 되면 내식성 확보 측면에서는 유리하나, 도금량이 과다하게 증가함과 더불어 강판 제조비용이 상승하는 문제가 있다.
본 발명의 열간 프레스 성형용 도금강판은, 경우에 따라, 소지강판과 알루미늄계 도금층의 계면에 형성된 Al-Fe계 계면 합금층을 더 포함할 수 있고, 이 경우, Al-Fe계 계면 합금층은 중량%로, Al: 30.0 내지 60.0%, Si: 5.0 내지 20.0%를 포함할 수 있다. 합금층 내 함유된 Fe 및 Mn은 용융 도금시 도금욕 성분으로부터 기인한 것이거나 소지강판으로부터 확산된 것일 수 있다.
또한, 상기 도금층은, 실리콘 농도가 60%이상이고, 아연 농도가 20%미만이며, 장축의 길이 1㎛ 이상인 실리콘 결정을 포함할 수 있다.
상기 실리콘 결정은, 도금층 안에서 다각형의 모양 등으로 나타날 수 있으며, 다각형에 있어서 장축은 다각형 내에서 꼭지점 사이의 거리가 가장 긴 길이를 의미한다.
또한, 상기 도금층의 장축의 길이의 상한은, 도금층 두께의 4/5 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 실리콘 결정의 길이가 도금층 두께와 유사할 경우, 표면 불량 또는 도금층 박리를 야기할 수 있기 때문이다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법은, 소지강판을 마련하고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금액에 소지강판을 침지하여 도금강판을 제조하는 단계; 상기 도금강판을 800℃초과 1,100℃미만까지 가열하는 단계; 상기 도금강판을 열간 프레스 성형하는 단계; 및 상기 열간 프레스 성형된 도금강판을 냉각하는 단계;를 포함한다.
합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
상기 준비된 소지강판을 알루미늄-실리콘, 아연 합금 도금욕에 침지함으로써, 상기 소지강판의 적어도 일면에 도금층을 형성한다.
이후, 도금욕에 침지된 소지강판은 싱크롤을 거쳐 아연도금욕 외부로 나오게 된다. 이때, 에어 나이프에서 분사된 기체의 유량과 유속을 제어하여, 소지강판 표면의 도금층의 부착량을 조절할 수 있다. 이 때, 소지강판의 표면에 부착되는 도금층의 부착량은, 40 내지 120g/m2로 제어할 수 있다.
또한, 상기 도금강판을 제조하는 단계에는, 실리콘 결정을 성장시키기 위해, 600℃에서 450℃까지, 10 내지 35℃/s의 냉각속도로 냉각하는 공정을 포함할 수 있다. 에어 나이프에서 분사된 기체만으로는 도금층의 과냉을 충분히 유도하기 어렵다. 따라서, 상기 냉각하는 공정을 통해 도금층의 과냉을 유도하고, 최초 석출된 실리콘 결정의 성장이 이루어질 수 있다.
이하에서 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조방법 중 가열, 열간 프레스 성형, 냉각 시 열처리 조건에 대하여 상세히 설명한다.
열간 프레스 성형 과정 중, 가열 조건은 강판의 수소를 외부로 확산시키는 주요 인자이다. 본 발명에서는 수소 지연파괴를 저감시키기 위한 방법으로, 열간 프레스 성형 과정 중, 가열 조건을 최적화함으로써 강판 내 흡착된 수소를 외부로 방출하고자 하였다.
열처리 시 온도범위가 과도하게 낮으면 오스테나이트 변태가 충분하지 않아 강도를 확보할 수 없고, 수소의 외부로의 확산이 충분히 진행되지 않는 문제가 있어, 본 발명에서는 가열 온도를 800℃초과로 제어하고자 한다. 이에 비해, 열처리 시 온도범위가 과도하게 높으면, 강판의 수소 고용도가 높아지는 문제가 있어, 가열 온도를 1,100℃미만으로 제어하고자 한다. 가열온도는, 바람직하게 850 내지 1,000℃, 더욱 바람직하게, 870 내지 970℃로 제어할 수 있다.
한편, 가열시간이 긴 경우에는, 결정 크기가 지속적으로 성장하여 수소 지연 파괴에 취약해지는 문제가 있다. 또한, 표면에 수분이 흡착하여 산화물이 형성되면서 산소는 산화물 형태로 남아있지만, 해리된 수소는 강판 내에 잔존하여 지연 파괴가 발생하기 쉽다. 전술한 사항을 고려하여, 본 발명에서는 가열 시간을 2분 초과 15분 미만으로 제어하고자 하였다. 가열시간은, 바람직하게 2분 내지 12분, 더욱 바람직하게, 3분 내지 10분으로 제어할 수 있다.
한편, 열간 프레스 공정에서는 생산성을 향상을 위해 소재의 가열시간을 줄일 필요가 있다. 이를 위해, 통전가열이나 고주파 유도가열 등을 사용한다.
그러나, 급속 가열방법은 모두 강판에 전류가 흐름으로서 강판의 저항에 의해 온도가 상승하는 원리를 도입한 것으로, 강판에 흐르는 전류에 의해 다시 자계가 발생하고, 이에 모재 표면의 용융된 금속이 이동하게 된다.
전류가 아닌 IR 등을 활용하여 급속 가열하는 경우에도, 표면부터 가열되는 IR의 원리를 고려하면, 도금층 표면이 먼저 용융되어 도금층이 흘러내리고, 결국 표면이 불균일해 진다.
본 발명에서는 수소 지연파괴를 저감시키기 위한 방법으로, 도금강판의 가열 시, 승온 조건을 2℃/sec내지 15℃/sec속도로 최적화함으로써 강판 내 수소를 외부로 방출하고자 하였다.
마지막으로, 열간 프레스 성형을 수행하고, 냉각하는 과정을 거친다.
이 때, 도금강판에서 60% 이상의 마르텐사이트 조직을 확보하도록, 700℃내지 350℃ 온도구간에서 15℃/sec이상의 속도로 냉각할 수 있다.
이와 같이, 도금층 합금성분 및 열간 프레스 성형 시, 가열 조건을 제어하는 경우, 알루미늄 도금강판의 수소 지연파괴 특성을 향상시킬 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
중량%로, C: 0.2%, Mn: 2.0%, Si: 0.5%, B: 0.005%, Ti: 0.05%를 포함하는 냉연강판을 하기 표 1의 조성을 갖는 도금욕에 각각 투입하고, 도금욕 온도는 융점보다 40℃높은 온도를 유지하여 도금을 실시하였다. 도금욕에 침지된 시편은 연속적으로 에어나이프를 통해 여분의 도금층을 제거하여 도금량을 조절하였다.
도금량과 도금층의 성분은, 도금층을 NaOH용액으로 표면 산화물을 제거하고 염산으로 도금층을 용해하여 ICP(Inductively Coupled Plasma Spectrometer) 분석을 통해 측정하여 표 1에 기재하였다.
한편, 도금층에 포함된 Si 결정은, 전자주사현미경(SEM)으로, 3000배율에서, 에너지분산X선분광법(EDS)를 통해 분석했다.
다음으로, 도금된 시편을 열간 프레스 성형 하기 위해 200mm*120mm 시편으로 가공하여 분위기 온도 900℃로 설정된 박스 가열로에 장입하고, 5분 동안 가열하였다. 이 때, 박스 가열로의 분위기는 대기 분위기였으며 분위기 온도는 열전대를 측정하여 전력량을 조절하여 균일하게 유지하였다. 가열된 시편은 냉각수가 흐르는 금형을 이용하여 급냉을 실시하여 마르텐사이트 변태를 완료하였다.
이후, 지연파괴 특성을 평가하였다. 구체적으로, 급냉된 테스트 시편을 길이 180mm, 폭 30mm로 가공하여 항복강도의 80%정도의 변위가 걸리도록 bending을 실시하고, 0.2N 염산용액에 120시간 동안 침지한 후, 시편의 크랙 여부를 육안으로 관찰하여 아래 표 1에 기재하였다. 표 1에서, 균열이 발생한 경우는 'O'로, 균열이 발생하지 않은 경우를 'X'로 기재하였다.
균열이 발생한 경우는, 항복강도 이내의 조건에서 균열이 발생하였으므로 지연 파괴가 발생한 것이다.
| 도금층 성분(질량%) | 편면 부착량 |
가열 온도 | 가열 시간 |
균열 발생 여부 | ||||
| Al | Si | Zn | Fe | |||||
| 발명강 1 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 900℃ | 5분 | X |
| 발명강 2 | 69.9 | 5.3 | 20.6 | 3.8 | 70.0 | 900℃ | 5분 | X |
| 발명강 3 | 62.4 | 10.2 | 17.5 | 9.6 | 50.0 | 900℃ | 5분 | X |
| 발명강 4 | 55.0 | 12.0 | 27.0 | 6.0 | 105.0 | 900℃ | 5분 | X |
| 비교강 1 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 900℃ | 5분 | O |
| 비교강 2 | 64.4 | 2.2 | 21.8 | 11.5 | 35.0 | 900℃ | 5분 | O |
| 비교강 3 | 50.3 | 4.7 | 39.5 | 5.5 | 55.0 | 900℃ | 5분 | O |
| 비교강 4 | 0.4 | 0.0 | 99.4 | 0.2 | 60.0 | 900℃ | 5분 | O |
표 1을 참조하면, 같은 열처리 조건에서 도금층의 조성이 변화함에 따라 지연파괴 특성이 상이하게 도출되었다. 도 1은 실시예 1의 도금층 단면을 전자주사현미경으로 관찰한 사진이다.구체적으로 표 1 및 도 1을 참조하면, 도금층의 조성이 본 발명이 제시하는 합금 조성을 만족하여 균열이 발생하지 않은 발명강 1 내지 4의 경우, 도금층은 알루미늄 속에 아연이 고용된 형태로 존재하였으며, 실리콘은 일부 결정을 형성하여 도금층 내에 장축의 길이가 1㎛ 이상으로 석출되었다.
이는 도금층 내의 다양한 결정이 존재함에 따라, 표면과 소지금속 사이에 다양한 입계를 확보할 수 있고, 이러한 입계는 가열과정 중 수소가 확산할 수 있는 통로를 제공하여 수소에 의한 지연파괴 특성을 향상시킨 것으로 판단하였다. 또한 아연이 고용된 알루미늄은 알루미늄 결정 격자를 왜곡하여 원자 크기가 작은 수소가 격자 사이로 이동하는데 도움을 주고, 수소가 표면까지 확산하여 방출되는 효과를 가져왔다.
비교예 1은 Zn을 포함하지 않는 경우로 알루미늄 도금층에 Zn를 고용시킬 수 없었고, 비교예 2 내지 비교예 4는 Si 함량이 5.0%에 미달하는 경우로 Al-Fe 합금상의 형성을 억제할 수 없어, 지연파괴 실험 시 균열이 발생하였다.
다음으로, 22MnB5 냉연강판에 대해 하기 표 1의 조성을 갖도록 도금을 실시하고, 열간 프레스 성형 과정 중, 하기 표 2의 조건에서 가열을 실시하여 표면 재질 및 지연파괴 특성을 평가하였다.
하기 표 2에서, 통상적인 열간 프레스 공정 후, 인장 강도의 85% 미만일 경우를 불합격으로 판정하였으며, 합격은 O, 불합격은 X 로 표기하였다.
| 도금층 성분(질량%) | 편면 부착량 |
가열 온도 | 가열 시간 |
균열 발생 여부 | 재질평가 (TS) |
||||
| Al | Si | Zn | Fe | ||||||
| 비교예 1 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 800℃ | 2분 | X | X |
| 비교예 2 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 800℃ | 5분 | O | X |
| 비교예 3 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 800℃ | 15분 | O | O |
| 비교예 4 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 900℃ | 2분 | X | X |
| 비교예 5 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 900℃ | 5분 | O | O |
| 비교예 6 | 84.3 | 7.0 | 0.0 | 8.6 | 60.0 | 900℃ | 15분 | O | O |
| 비교예 7 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 800℃ | 2분 | X | X |
| 비교예 8 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 800℃ | 5분 | X | X |
| 비교예 9 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 800℃ | 15분 | O | O |
| 비교예 10 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 900℃ | 2분 | X | X |
| 실시예 1 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 900℃ | 5분 | X | O |
| 비교예 11 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 65.0 | 900℃ | 15분 | O | O |
공정조건을 확인하기 위해 실험에 사용된 도금층은 알루미늄과 실리콘이 주성분인 도금강판과 알루미늄과 아연 및 실리콘이 첨가된 도금강판을 사용하였다. 가열온도는 퍼니스의 분위기 온도를 의미 하며, 가열시간은 상온의 도금강판을 정해진 가열온도의 퍼니스에 시편을 넣은 뒤 경과된 시간을 의미한다.표 2를 참조하면, 두 종류의 도금강판에서, 공통적으로 가열로 분위기 온도가 낮고 가열시간이 짧은 경우 내지연 파괴성이 양호하게 도출되었다. 이는 강 중 수소의 영향보다는 재질이 목표한 값에 미달하여 소재가 충분한 인장강도를 확보하지 못하였기 때문이다.
도금층에 실리콘과 아연을 도입하고, 열간 프레스 성형 과정 중, 가열 조건을 만족하는 실시예의 경우, 강판 내 수소를 외부로 방출하여 강도뿐만 아니라 지연파괴 특성을 확보할 수 있었다.
이에 비해, 비교예 7 내지 9는 가열온도가 850℃미만으로, 비교예 10은 가열시간이 2분으로 충분히 가열되지 못하여, 급냉시 인장강도가 낮아 지연파괴가 발생하지 않았다.
한편, 비교예 11는 가열시간이 긴 경우로 결정 크기가 지속적으로 성장하여 지연 파괴가 발생하였다.
다음으로, 22MnB5 냉연강판에 대해 하기 표 3의 조성을 갖도록 동일하게 도금을 실시하고, 열간프레스 성형 조건의 가열로서 200*100mm의 시험편으로 열전대를 부착하여 IR히터를 사용하여 가열하였다. 이 때, 열전대의 온도를 받아 IR히터의 전력을 조절하여 하기 표 3의 조건으로 승온속도를 조절하였다.
구체적으로, 열전대를 통해 얻어진 강판의 온도를 측정하여 강판온도가 900℃에 도달했을 경우, 승온을 멈추고 900℃를 유지하였고, 시편 승온을 시작한 시점을 기준으로 가열시간을 측정하였다. 하기 표 3에서, 강판의 평균 승온 속도는 900℃에 도달했을 때까지 걸린 시간을 기준으로 나타낸 것이다.
다음으로, 성형을 위해 수냉이 되는 금형사이에서 압착함으로써 급냉을 실시하였고, 표면 재질, 도금 표면 품질 및 지연파괴 특성을 평가하였다.
| 도금층 성분(질량%) | 평균 승온 속도 (℃/s) |
가열 시간 |
균열 발생 여부 | 도금 표면 품질 | 재질평가 (TS) |
||||
| Al | Si | Zn | Fe | ||||||
| 비교예 12 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 2.0 | 5분 | X | O | X |
| 비교예 13 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 15.0 | 5분 | X | X | O |
| 실시예 2 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 3.0 | 5분 | X | O | O |
| 실시예 3 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 4.0 | 5분 | X | O | O |
| 실시예 4 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 6.0 | 5분 | X | O | O |
| 실시예 5 | 61.2 | 8.8 | 24.8 | 5.2 | 10.0 | 5분 | X | O | O |
표 3을 참조하면, 승온속도가 3 내지 10℃/s인 실시예 2 내지 4의 경우, 강판 내 수소를 외부로 방출하여 강도뿐만 아니라 지연파괴 특성을 모두 확보할 수 있었다.이에 비해, 승온속도가 2℃/s로 낮은 비교예 12의 경우, 지연파괴 실험 시 균열이 발생하지 않았으나, 5분동안 가열해도 강판의 오스테나이트 변태 온도에 이르지 못하여 소재의 인장강도를 확보하지 못하였다.
또한, 승온속도가 15℃/s인 비교예 13의 경우, 표면에서 용융된 도금층이 흘러내리는 현상이 발생하여 도금층의 표면 단차 및 색상 불균일이 발생하였다.
개시된 실시예에 따르면, 도금층 합금성분 및 열간 프레스 성형 시, 가열 조건을 최적화함으로써 알루미늄 도금강판의 수소 지연파괴 특성을 향상시킬 수 있다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 예에 따르면, 수소 지연파괴 특성이 향상된 열간 프레스 성형용 도금강판 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.
Claims (10)
- 소지강판; 및
상기 소지강판의 표면에 형성되고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, Fe: 4.0 내지 12.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 포함하는 열간 프레스 성형용 도금강판. - 제1항에 있어서,
상기 소지강판은, 중량%로, C: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.5 내지 3.0%, Si: 0.1 내지 0.8%, B: 0.01% 이하(0은 제외), Ti: 0.1% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 열간 프레스 성형용 도금강판. - 제1항에 있어서,
상기 소지강판의 표면에 부착되는 도금층의 부착량은, 40 내지 120g/m2인 열간 프레스 성형용 도금강판. - 제1항에 있어서,
상기 도금층의 두께는 5 내지 40㎛인 열간 프레스 성형용 도금강판. - 제1항에 있어서,
상기 소지강판과 상기 도금층 사이에 형성되고,
중량%로, Al: 30.0 내지 60.0%, Si: 5.0 내지 20.0%를 포함하는 Al-Fe계 계면 합금층이 마련되는 열간 프레스 성형용 도금강판. - 제1항에 있어서,
상기 도금층은, 실리콘 농도가 60%이상이고, 아연 농도가 20%미만이며, 장축의 길이 1㎛ 이상인 실리콘 결정을 포함하는 열간 프레스 성형용 도금강판. - 소지강판을 마련하고, 중량%로, Si: 5.0 내지 15.0%, Zn: 10.0 내지 30.0%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금액에 소지강판을 침지하여 도금강판을 제조하는 단계;
상기 도금강판을 800℃초과 1,100℃미만까지 가열하는 단계;
상기 도금강판을 열간 프레스 성형하는 단계; 및
상기 열간 프레스 성형된 도금강판을 냉각하는 단계;를 포함하는 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
도금강판의 가열은, 2분 초과 15분 미만 동안 수행되는 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
도금강판의 가열은, 2℃/sec내지 15℃/sec 속도로 수행되는 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
열간 프레스 성형된 도금강판을 냉각하는 단계에서,
700℃내지 350℃온도구간에서 15℃/sec 이상의 속도로 냉각하는 열간 프레스 성형용 도금강판의 제조 방법.
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-
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