KR20230096257A - 액화금속취성(lme)에 대한 저항성이 우수한 도금강판 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자동차 차체 부품 등으로 사용되는 열간성형(Hot Press Forming, HPF)용 도금강판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 자동차 차체 부품 등으로 사용되는 열간성형(Hot Press Forming, HPF)용 도금강판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 자동차의 경량화를 통한 연비 향상을 도모하고 있다. 이를 위해 강재의 두께를 감소시킬 수 있으나, 두께를 감소시킬 경우에는 자동차의 안정성에 문제가 발생할 수 있으므로, 강재의 강도 향상이 뒷받침되어야 한다. 이러한 이유로 고강도 강판에 대한 수요가 지속적으로 발생하였고, 다양한 종류의 강재가 개발된 바 있다. 그러나, 이러한 강재는 높은 강도를 가지고 있기 때문에, 스프링백 현상과 같이 가공성이 불량하다는 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 열간성형법이 제안된 바 있다. 열간성형법은 강재를 가공하기 좋은 고온(800℃ 이상)에서 가공한 후, 이를 낮은 온도로 급냉함으로써 강재 내에 마르텐사이트 등의 저온 조직을 형성시켜, 최종 제품의 강도를 높이는 방법이다. 이와 같이 할 경우에는 높은 강도를 가지는 부재를 제조할 때 가공성의 문제를 최소화 할 수 있다.
그러나, 위와 같이, 강재를 고온으로 가열하다 보니, 표면에 Fe 산화물이 과다 발생하여 전착도장 및 용접 등의 후속 공정을 위해 표면 산화물을 제거해야 하는 샷 블라스팅(shot blasting) 등의 공정의 별도로 필요하여 비용상승의 원인이 될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 특허문헌 1은 Al계 도금을 행한 강판을 850℃ 이상으로 가열한 후 프레스에 의한 열간성형 및 급냉에 의해 부재 조직을 마르텐사이트로 형성시킴으로써, 강판 표면의 산화를 억제하고, Al의 부동태 피막 형성을 이용하여 내식성을 확보하고 하였다.
그러나, 위와 같은 Al 도금재는 도금층 자체는 부식에 강하나 희생방식성이 없기 때문에 부식환경에서 도금층은 유지되지만, 소지철 내부에서 부식이 발생하는 문제가 있다. 이러한, Al 도금재 내식성 문제를 개선하기 위해서, 아연 도금 열간 프레스 성형용 강판이 사용되고 있다. 그러나, 아연도금의 경우 Al에 비하여 고온에서 경도가 열위하고, 850℃ 이상의 고온 열처리 후 금형에서 가공시, 도금층에서 시작된 수백㎛ 깊이의 균열이 소지철까지 이어지게 되고, 열처리시 아연 도금층 내로 Fe의 확산이 충분하게 이뤄지지 않아, 고온에서 액체 상태로 존재하는 아연이 성형과정 중 인장 응력이 작용하는 소지철 표면에 접촉하여 취성을 유발하며, 이를 액화 금속 취성(Liquid Metal Embrittlement, LME)이라고 한다. 이러한 아연 도금 가공 부재의 크랙은 피로 파괴 성능을 저하시기고, 차체의 충돌 성능을 악화시킬 수 있다.
따라서, 이러한 액화 금속 취성(LME)에 대한 저항성을 향상시키 수 있는 열간 프레스 성형용 도금강판에 대한 요구가 높아지고 있는 실정이나, 생선성의 저하 없이 액화 금속 취성(LME)에 대한 저항성을 향상시키는 방안이 없는 상황이다.
본 발명의 일측면은 열간 프레스 성형시 발생하는 액화 금속 취화(LME)에 의해 소지철의 크랙을 억제할 수 있는 도금강판과 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일태양은 소지철;
상기 소지철 상에 형성된 아연도금층;
상기 소지철 및 상기 아연도금층 사이에 형성된 Fe 도금층;
상기 아연도금층과 상기 Fe 도금층 사이에 연속적으로 형성된 합금층; 및
상기 소지철 및 상기 Fe 도금층의 사이에 형성된 산화물을 포함하는 도금강판에 관한 것이다.
본 발명의 다른 일태양은 소지철을 준비하는 단계;
상기 소지철 상에 Fe 도금층을 형성하는 단계;
상기 Fe 도금층이 형성된 소지철을 소둔하는 단계; 및
상기 소둔 후 아연도금층을 형성하는 단계를 포함하는 도금강판의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일예인 열간성형용 도금강판을 열간성형하는 경우에, 액화 금속 취화(LME)에 의한 크랙 발생을 저감할 수 있는 도금강판과 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명 도금강판의 일예를 도식적으로 나타낸 모식도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.
아연 도금층을 갖는 열간 프레스 성형(HPF)용 강재에서, 소지철 크랙이 발생하는 원인은 금형에서 HPF 성형되는 도중 도금층에 존재하는 액상 아연이 잔존하기 때문이다. 도금층으로 사용되는 아연의 용융점은 420℃이며, HPF 가열로의 온도는 850℃ 이상이므로 가열 초기 도금층이 용융되어 액상상태로 존재한다. 소지철에서 액상으로 확산해오는 Fe가 액상 아연과 반응하여 순차적으로 합금상을 만들어가고 이러한 합금상은 소지철 계면에서 도금층 표층으로 성장하는 과정을 통해 도금층 표층까지 고상화가 이루어진다. 그러나 가열중 소지철 계면에서 Fe의 확산이 불균일하게 이루어진다면 합금화된 도금층 사이로 합금화가 되지 못한 액상 아연이 군데군데 존재하게 되고, 이러한 액상 아연은 소지철 계면에서 액상 취성 파괴의 원인이 된다. 이에 대해 깊이 연구한 결과, 위와 같은 불균일 합금화의 원인은 도금층과 소지철 사이의 형성되는 억제층(inhibiton layer)이라 불리우는 Fe-Al 합금상이 계면에서 불균일하게 형성되기 때문인 것을 밝혀냈다.
통상적인 연속 아연도금 공정에서 도금욕에는 알루미늄이 일부 포함되어 있으며, 이는 도금욕 침지시 소지철과 반응하여 소지철과 도금층 계면에 억제층(Fe2Al5)을 형성하게 된다. 이러한 합금상은 도금층의 밀착성을 향상시켜주는 역할을 하나, 억제층이라는 의미처럼 Fe가 액상아연속으로 추가적으로 확산하지 못하게 하는 역할을 한다. 이러한 억제층이 얇고 균일하게 형성되어 있으면, 열간 프레스 성형을 하는 중 온도가 올라감에 따라 억제층이 동시에 균일하게 파괴되고 소지철에서 액상 아연의 Fe 확산에 의해 도금층의 합금화가 균일하게 이루어진다.
이러한 상태에서는 액상 아연이 도금층내에 고립되어 형성되지 않아 LME의 발생을 억제할 수 있다. 그러나 열간 프레스 강재는 강성분 중 Mn과 Si이 포함되어 있고, 이러한 산화성 성분은 소둔과정중 강표면으로 확산되어 도금욕 침지 직전 소지철 표면에 산화물 형태로 농화되게 된다. 이러한 표면의 Mn, Si 산화물은 소지철이 도금욕에 침지될 때 억제층의 형성을 방해하여, 균일한 억제층 형성을 방해한다. 이러한 산화물은 열간 프레스 성형을 위한 가열 중 억제층보다 쉽게 파괴가 되지 않고 Fe의 확산을 방해하는 역할을 하여 결과적으로 도금층의 불균일 합금화를 야기하게 되고, 도금층내에 불균일한게 잔존되어 있는 아연을 형성하게 되어 결과적으로 LME 등을 유발하게 된다.
이에 본 발명자들은 소지철 내 산화원소의 표면 확산을 억제하고, 도금 강재의 억제층을 균일하고 ?瘠? 만들어 LME 저감할 수 있는 아연도금 강판을 개발하여 본 발명에 이르게 되었다.
이하 본 발명에 대해 구체적으로 상세히 설명한다.
본 발명의 일태양인 도금강판에 대해, 도 1을 참고하여 상세히 설명한다. 도 1은 상기 도금강판의 단면을 도식적으로 나타낸 모식도이다.
상기 도금강판은 소지철, 상기 소지철 상에 형성된 아연도금층, 상기 소지철 및 상기 아연도금층 사이에 형성된 Fe 도금층, 상기 아연도금층과 상기 Fe 도금층 사이에 연속적으로 형성된 합금층 및 상기 소지철 및 상기 Fe 도금층의 사이에 형성된 산화물을 포함한다.
상기 소지철은 열간 프레스 성형용 강재로서 사용될 수 있는 것이면, 냉연강판, 열연강판 등 그 종류를 특별히 한정하지 않는다.
상기 소지철의 일예로써, 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.4%, 실리콘(Si): 2% 이하 (0%는 제외), 망간(Mn): 0.1~3.0%을 포함하고, 추가적으로, 질소(N): 0.001~0.02%, 보론(B): 0.0001~0.01%, 티타늄(Ti): 0.001~0.1%, 니오븀(Nb): 0.001~0.1%, 바나듐(V): 0.001~0.1%, 크롬(Cr): 0.001~1.0%, 몰리브덴(Mo): 0.001~1.0%, 안티몬(Sb): 0.001~0.1% 및 텅스텐(W): 0.001~0.3%으로 이루어지는 그룹 중 선택된 1종 이상을 더 포함할 수 있다. 나머지는 철(Fe)와 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 아연도금층은 소지강판 상에 형성된다.
상기 소지강판과 상기 아연도금층 사이에 Fe 도금층이 구비된다. 상기 Fe 도금층은 환원된 Fe 도금층인 것이 보다 효과적이다. 상기 Fe 도금층은 후술하는 바와 같이, 산소 함량을 가진 Fe 도금층을 형성하게 되고, 이어서 환원 분위기의 소둔 과정을 거쳐 제조된다.
상기 Fe 도금층의 도금량은 0.5~4.0g/m2 인 것이 효과적이다.
상기 아연도금층과 상기 Fe 도금층 사이에 합금층(억제층)이 형성되어 있으며, 상기 합금층은 연속적이고 균일하게 형성되는 것이 효과적이다. 상기 합금층이 연속적이고 균일하게 형성될 경우, 도금층의 밀착력이 우수하고, 열간 프레스 성형 가열시 소지철에서 도금층으로 확산해가는 Fe가 균일하게 확산되어, 도금층 전체에 합금화가 되면서, 액상 아연이 소지철과 접촉하는 것을 차단하여 액화 금속 취화에 의한 파괴를 억제할 수 있다.
상기 Fe 도금층과 합금층 사이에는 산화물이 일부 포함될 수 있다.
상기 소지철과 상기 Fe 도금층 계면에 산화물이 형성되어 있으며, 상기 산화물은 불연속적으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 상기 산화물을 강 중 합금성분인 Mn, Si 등이 Fe 도금 과정에서 산소와 결합하여 형성된 것으로서, 상기 Si, Mn 등의 성분이 도금층으로 확산되는 것을 저지하여, 연속적이고 균일한 상기 합금층(억제층)이 형성될 수 있다.
다음으로 본 발명 도금강판 제조방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 상기 도금강판 제조방법은 소지철을 준비하는 단계; 상기 소지철을 표면에 Fe 도금층을 형성하는 단계; 상기 Fe 도금층이 형성된 소지철을 소둔하는 단계; 및 아연도금층을 형성하는 단계를 포함한다.
소지철의 준비
앞서 설명한 소지철에 대해, Fe 도금을 행하기 전에, 소지철 표면에 존재하는 오염물을 제거하기 위해, 세척, 탈지 등의 공정이 행해질 수 있다.
Fe 도금층 형성
상기 준비된 소지철의 표면에 Fe 도금층을 형성한다. 상기 Fe 도금층은 산소 함량을 가진 Fe 도금층을 형성하는 것이 효과적이다. 상기 Fe 도금층을 형성하는 방법은 한정하지 않으나, 전기도금을 사용하여 행하는 것이 효과적이다.
이때 도금량은 0.5~4.0g/m2 인 것이 효과적이다.
소둔
상기 Fe 도금층이 형성된 소지철을 소둔한다. 상기 소둔은 일반적으로 가열대, 균열대, 냉각대를 포함한다.
상기 가열대 공정은 소지철을 650~850℃의 온도범위까지 1.6~6.5℃/s 의 승온속도로 가열한다. 가열대 공정은 질소(N2) 분위기에서 행하는 것이 효과적이다.
상기 균열대 공정은, 이슬점 온도가 -60℃~-10℃로 제어되고, 수소(H2)가 2~50 부피% 나머지 질소(N2) 가스 분위기에서 650~850℃로 10~120초동안 유지하여 행하는 것이 효과적이다.
상기 전기도금에 의해 형성된 Fe도금층은 전기도금 과정중 다량의 산소를 Fe 도금층에 포함하고 있으나, 균열대에서 산소 일부는 소지철에서 올라오는 Si,Mn에게 산소를 넘겨주어 산화물로 형성되고, 나머지는 균열대의 환원분위기에서 점차 산소가 없는 Fe로 변화함에 따라 소지강판과의 밀착력을 향상시킬 수 있다.
아연 도금
상기 소둔 후 소지철에 아연도금을 행한다. 아연도금은 소지철을 430~500℃ 아연 도금욕에 침지하여 행하는 것이 효과적이다.
Claims (5)
- 소지철;
상기 소지철 상에 형성된 아연도금층;
상기 소지철 및 상기 아연도금층 사이에 형성된 Fe 도금층;
상기 아연도금층과 상기 Fe 도금층 사이에 연속적으로 형성된 합금층; 및
상기 소지철 및 상기 Fe 도금층의 사이에 형성된 산화물
을 포함하는 도금강판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 Fe 도금층은 환원된 Fe 도금층인 도금강판.
- 청구항 1에 있어서,
상기 소지철은 중량%로, 탄소(C): 0.1~0.4%, 실리콘(Si): 2% 이하 (0%는 제외), 망간(Mn): 0.1~3.0%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금강판.
- 소지철을 준비하는 단계;
상기 소지철 상에 Fe 도금층을 형성하는 단계;
상기 Fe 도금층이 형성된 소지철을 소둔하는 단계; 및
상기 소둔 후 아연도금층을 형성하는 단계
를 포함하는 도금강판의 제조방법.
- 청구항 4에 있어서,
상기 소둔은,
이슬점 온도가 -60℃~-10℃이고, 수소(H2)가 2~50 부피% 나머지 질소(N2)인 가스 분위기에서 650~850℃의 온도범위에서 10~120초동안 유지하는 공정을 포함하는 도금강판의 제조방법.
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2021
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