KR20230103522A - 고강도의 차량 바디 부품 제조방법 - Google Patents

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Abstract

전체적으로 고강도를 갖거나 국부적으로 고강도 영역을 갖는 차량 바디 부품을 제조하는 방법이 소개된다. 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크를 냉간 프레스 성형하여 부품을 얻는 단계 및 부품에 레이저를 조사하여 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 에어로 급냉시키는 단계를 포함한다. Al-Fe 합금화 도금층은 기재 스틸을, 중량%로, Si: 6~12%, Fe: 1~4% 포함하는 도금욕에 침지시켜 도금 후, 650~800℃ 비산화성 분위기에서 1시간~100시간 상소둔함에 의해 얻어진다.

Description

고강도의 차량 바디 부품 제조방법{Method For Manufacturing A High-Strength Body Part Of Vehicles}
본 발명은 고강도를 갖는 차량 바디 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
전세계적인 환경규제 및 안전법규의 강화 추세에 따라 차량 산업 분야에서 경량화 및 고강도화 요구가 높다. 전통적인 내연기관 차량은 물론 전기차, 수소차 등 소위 친환경 차량에 있어서도 경량화는 필수이며, 경량화와 더불어 안전성 보장을 위해 부품들의 고강도화가 필요하다.
고강도 차량 부품의 제조를 위해 초고장력강이 사용되고 있으나, 초고장력 강판은 성형성이 열악하여 그 적용범위에 한계가 있다. 고강도와 고성형성의 동시 구현을 위해 핫스탬핑 기술이 개발되어 그 적용이 널리 확대되고 있다.
핫스탬핑은 강판을 오스테나이트화 온도(AC3) 이상, 예로서 900℃ 이상의 고온으로 가열한 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급냉시켜 1400Mpa급 이상의 고강도 부품을 얻고자 하는 기술이다. 핫스탬핑 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소(C)와 열처리 성능 향상 위해 망간(Mn), 보론(B)이 소량 함유된 이른바 보론강이 사용된다.
핫스탬핑은 성형 및 열처리가 동시에 수행되므로 생산성이 우수할 뿐만 아니라 고온에서 강판이 성형되므로 성형성 및 치수 정밀도가 우수하다. 또한 핫스탬핑은 초고장력 강판의 냉간 성형 시 특히 문제되는 스프링백이나 지연파괴를 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.
핫스탬핑 시 강판은 900℃ 이상의 고온으로 가열되므로, 비도금 강판 이용 시 강판 표면의 산화 및 탄화가 문제된다. 산화 및 탄화로부터 강판을 보호하기 위해 제안된 것이 Al, Zn 도금층을 갖는 강판이다. Al 도금강판에 관해서는 미국특허 제6296805호가 참고될 수 있다.
최근 차량 충돌 시, 캐빈 내로 차체가 심하게 밀려들지 않으면서도 충돌로 인한 충격을 흡수하여 탑승객을 보호하기 위해 다양한 기술이 적용되고 잇다. 예로서 측면충돌은 정면충돌에 비해 충돌에너지를 흡수할 수 있는 구조물이 많지 않고, 운전자와 차량 사이에 제한된 공간으로 인하여 운전자에게 치명적인 상해를 줄 수 있다. 측면 충돌 성능의 향상을 위해 센터필러와 같은 측면 부재는 최적 변형이 유도되도록 설계 및 제조된다.
차량 경량화 및 국부적으로 강도가 강화된 영역을 갖는 바디 부품의 제조를 위한 기술로 맞춤식 재단용접(Tailor Welded Blank, TWB), 맞춤형 재단 블랭크(Tailor Rolled Blank, TRB). 패치워크 등이 알려져 있다.
TWB는 차체 부품에 요구되는 다양한 특성을 충족시킬 수 있도록, 두께나 강도가 서로 다른 블랭크들을 서로 맞대기 용접하여 TWB 블랭크를 만드는 기술이다. TWB 블랭크를 핫스탬핑에 적용함으로써 바디 부품들의 경량화 및 충돌성능 향상이 가능하다. TWB는 핫스탬핑용 도금 강판, 예로서 Al 도금강판에 적용하기에 한계가 있다. 레이저 용접 시 Al 도금층으로 인해 용접부에 상당한 강도 저하가 발생되기 때문이다.
TRB는 코일 강판의 압연과정에 상하 롤의 갭을 조정하면서 구역에 따라 두께가 다른 강판을 제조하는 기술이다. TRB에 의해서는 하나의 방향, 즉 코일을 압연하는 방향으로만 강판에 두께 변화를 줄 수 있을 뿐이다. 또한 TRB 강판은 제강업체에서 일률적으로 제조되기 때문에, 다양한 차량 부품의 제조에 적용하기에는 한계가 있다.
패치워크는 블랭크의 특정 영역에 별도의 작은 블랭크를 용접한 후, 이 용접된 블랭크를 핫스탬핑하여 국부적으로 강도가 다른 차체 부품을 얻는 기술이다.
핫스탬핑에 의해 고강도 차체 부품을 얻을 수 있으나, 프레스 성형되는 블랭크를 전기 가열로 등에서 전체적으로 균일하게 승온 후 이송하여 프레스 성형해야 하는 등, 공정시간이 길고 대규모 설비가 필요하며 고비용이라는 한계가 있다. TWB, TRB, 패치워크 또한 기본적으로 핫스탬핑에 기반해 있을 뿐만 아니라, 각각의 블랭크 준비를 위해 공정이 추가되는 등의 한계가 있다. 보다 간단하고 비용경제적으로 경량의 고강도 차량 바디 부품을 제조하는 방법의 개발이 요구된다.
본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로, 새로운 고강도 차량 바디 부품 제조방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 간단하고 비용경제적으로 고강도 차량 바디 부품을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 국부적으로 고강도 영역을 갖는 경량의 차량 바디 부품을 제조하는 새로운 방법을 제공하고자 한다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 것이다.
위 목적들은 청구범위에 기재된 발명들, 구성들에 의해 달성된다. 본 발명의 특별한 특징들 중 하나는 핫스탬핑용 강판을 바람직하게는 냉간 성형 후, 부품 또는 조립품에 대해 레이저 열처리함에 의해 전체적으로 또는 국부적으로 고강도 영역을 갖는 차량 바디 부품을 제조한다는 점이다. 강판은 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는다.
본 발명에 따른 차량 바디 부품 제조방법은 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크를 냉간 프레스 성형하여 부품을 얻는 단계, 이 Al-Fe 합금화 도금층은 기재 스틸을, 중량%로, Si: 6~12%, Fe: 1~4%, 나머지 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 도금한 후, 650~800℃ 비산화성 분위기에서 1시간~100시간 상소둔함에 의해 얻어짐; 및 부품에 레이저를 조사하여 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 에어로 급냉시키는 단계를 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 고강도 차량 바디 부품의 제고가 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 간단하고 비용경제적으로 고강도 차량 바디 부품의 제조가 가능하다.
또한 본 발명에 의하면, 국부적으로 고강도 영역을 갖는 경량의 차량 바디 부품의 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량 바디 부품 제조공정을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 제조되는 차량 바디 부품의 예를 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량 바디 부품 제조방법의 시험 예를 보여준다.
도 4는 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 차량 바디 부품 제조공정을 보여준다.
이하 본 발명의 여러 특징적인 측면들을 이해할 수 있도록 실시예들을 들어 보다 구체적으로 살펴본다. 도면들에서 동일 또는 동등한 구성요소들은 동일한 부호로 표시될 수 있고, 도면들은 본 발명의 특징들에 대한 직관적인 이해를 위해 과장되거나 개략적으로 도시될 수 있다.
본 문서에서, 별도 한정이 없거나 본질적으로 허용될 수 없는 것이 아닌 한, 두 요소들 간의 관계를 설명하기 위한 표현들, 예로서 '상', '연결'과 같은 표현들은 두 요소가 서로 직접 접촉하는 것은 물론 제1 및 제2 요소의 요소 사이에 제3의 요소가 개재되는 것을 허용한다. 전후, 좌우 또는 상하 등의 방향 표시는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 실시에에 따른 차량 바디 부품 제조공정에 대해 살펴본다.
블랭크 준비(S1)
표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크가 사용된다. 블랭크는 열처리에 의해 저온 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있는 핫스탬핑용 스틸이 기재로 사용되며, 예로서, 중량%로, C: 0.01~0.5%, Si: 0.01~2%, Mn: 0.01~10%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 기재 스틸은 또한, 중량%로, Cr, Mo 및 W으로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상의 합: 0.01~4.0%, Ti, Nb, Zr 및 V으로 이루어진 그룹에서 1종 이상의 합: 0.001~0.4%, Cu+Ni: 0.005~2.0%, Sb+Sn: 0.001~1.0% 및 B: 0.0001~0.01% 중 에서 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
블랭크 표면의 Al-Fe 합금화 도금층은 기재 스틸을, 중량%로, Si: 6~12%, Fe: 1~4%, 나머지 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 도금(Al 도금)한 후, 수소 및/또는 질소 등의 비산화성 분위기에서 상소둔(bath annealing)함에 의해 얻어진다. 상소둔은 650~800℃의 온도 범위에서 1시간~100시간 수행된다. 승온 속도는 Al 도금의 합금화가 균일하게 충분히 이루어질 수 있도록 평균 1~100℃/h에서 제어된다. 상소둔 전의 Al 도금은 Al 주상에 Al-Si 공정상이 분포된 조직 구조를 갖는다. 상소둔 과정에 기재 스틸로부터 활발한 Fe 확산이 진행되고 Al과의 합금화가 이루어져, Al 도금은 Fe2Al5 등 다양한 합금상을 갖게 된다. Al-Fe 합금화 도금층은 60㎛ 이하의 두께를 갖는다.
프레스 성형(S2)
Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 블랭크를 냉간 프레스 성형하여 부품이 얻어진다. 블랭크의 기재 스틸은 예로서 22MnB5 소재로서 펄라이트와 페라이트의 주상에 매우 부분적으로 마르텐사이트를 갖는 등 복합상을 가지며, 상온에서 프레스 성형함에 의해 용이하게 부품 제조가 가능하다.
레이저 열처리(S3)
얻어진 부품은 지그에 로딩되어 레이저로 열처리된다. 열처리 시 레이저 포인트에서의 온도는 오스테나이트화 온도 이상, 예로서 900℃ 이상, 바람직하게는 950~1350℃이다. 이를 위해 레이저의 출력 및 이송 속도가 제어된다. 레이저 출력은 1.5kW, 이송 속도는 1~20m/sec에서 제어된다.
도 2를 참조하면, 부품(10)의 레이저 열처리는 국부적인 영역(11)에 대해 수행된다. 필요한 경우 레이저 열처리는 부품 전체에 대해 수행된다. 열처리를 위한 레이저 조사 패턴은 다양할 수 있다. 바둑판 형태의 상하좌우 혹은 사선방향 등 조사 라인을 서로 촘촘히 교차시키면서 레이저 열처리가 수행된다.
도 3을 참조하면, 열처리 부위(2)는 에어 냉각된다. 작업 대상(1)에 레이저(21)를 조사하는 과정에 레이저(21)와 함께 볼텍스 노즐(22)을 이동시키면서, 열처리 부위(2)를 급냉시킨다.
핫스탬핑용 강판의 대표적인 예로 아르셀로 미탈이 제공하는 Usibor 강판이 있다. 이 강판은 표면에 Al-Si 용융도금이 된 것으로, 레이저를 이용하여 열처리에 필요한 충분한 온도로 가열되지 않는다. 이는 Al-Si 도금층의 Al 함량이 높아 레이저 반사율이 높기 때문으로 판단된다. 이와 달리 실시예에 따라 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 블랭크는 상소둔 과정에 Fe 함량이 높아지고, 도금층의 색상이 짙게 변하게 된다. 실시예에 따른 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크는 레이저 출력 1.5kW 수준에서 열처리에 필요한 온도인 1,000℃ 이상으로 충분히 가열될 수 있다.
도 4는 또 하나의 실시예에 따른 차량 바디 부품 제조공정을 보여준다.
블랭크 준비(S10), 프레스 성형(S20) 및 레이저 열처리(S40)는 앞서 실시예에서 설명된 바와 같다. 이 실시예에서는 프레스 성형(S20)에 의해 얻어진 부품은 타부품과 접합(S30) 후에 레이저 열처리(S40) 수행된다. 접합(S30)은 용접, 리벳팅 및 체결 기구적인 구속 등을 포함한다. 프레스 성형 후의 단독 부품에 대한 레이저 열처리(S3)가 아닌, 복수 부품들의 조립체에 대해 레이저 열처리(S40)가 수행된다. 부품이나 조립체 또는 제품에서 요구되는 특성, 작업조건, 경제성 등을 고려하여 레이저 열처리 시점이 선정된다.
이상 본 발명의 실시예들이 설명되었고, 이들 실시예는 본 발명의 다양한 측면들과 특징들을 이해하는데 도움이 될 것이다. 이 실시예들에서 소개된 특징들 또는 요소들은 다양한 형태로 조합될 수 있고, 이러한 조합에 의해 본 문서에서는 미처 설명되지 못한 또 다른 실시예가 제시될 수 있다.
보호하고자 하는 발명의 범위가 청구항들에 기재된다. 청구항에 기재된 요소는, 발명의 본질 또는 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서, 다양하게 변경 및 수정되고 등가물로 대체될 수 있다. 청구항에 기재된 도면부호들은, 만일 기재되어 있다면, 청구된 발명들이나 그 요소들에 대한 쉽고 그리고 직관적인 이해를 돕기 위한 것일 뿐 청구된 발명들의 권리범위를 한정하지 않는다.
1: 블랭크 10: 부품
11: 열처리 영역 21: 레이저 장치
22: 볼텍스 노즐

Claims (2)

  1. 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크를 냉간 프레스 성형하여 부품을 얻는 단계, 이 Al-Fe 합금화 도금층은 기재 스틸을, 중량%로, Si: 6~12%, Fe: 1~4%, 나머지 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 도금한 후, 650~800℃ 비산화성 분위기에서 1시간~100시간 상소둔함에 의해 얻어짐; 및
    상기 부품에 레이저를 조사하여 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 에어로 급냉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도의 차량 바디 부품 제조방법
  2. 표면에 Al-Fe 합금화 도금층을 갖는 스틸 블랭크를 냉간 프레스 성형하여 제1 부품을 얻는 단계, 이 Al-Fe 합금화 도금층은 기재 스틸을, 중량%로, Si: 6~12%, Fe: 1~4%, 나머지 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 도금한 후, 650~800℃ 비산화성 분위기에서 1시간~100시간 상소둔함에 의해 얻어짐;
    상기 제1 부품을 제2 부품과 접합하여 조립체를 얻는 단계; 및
    상기 조립체에 레이저를 조사하여 오스테나이트화 온도 이상으로 가열 후 에어로 급냉시키는 단계를 포함하는 고강도의 차량 바디 부품 제조방법.
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