KR20240031793A - 핫 스탬핑 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄소(C): 0.15~0.27wt%, 실리콘(Si): 0.15~1.0wt%, 망간(Mn): 0.5~1.10wt%, 인(P): 0.018wt% 이하, 황(S): 0.005wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al): 0.1~1.0wt%, 티타늄(Ti): 0.015~0.080wt%, 니오븀(Nb): 0.015~0.080wt%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7wt%, 붕소(B): 0.001~0.008wt%, 질소(N): 0.005wt% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판을 포함하는 핫 스탬핑 부품에 있어서, 상기 베이스 강판은 마르텐사이트 조직을 포함하고, 상기 마르텐사이트 조직의 나노압입경도는 3.0GPa 이상 5.0GPa 이하이고, 상기 나노압입경도의 표준편차는 0.8GPa 이하인, 핫 스탬핑 부품을 제공한다.
Description
본 발명은 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다.
자동차용 부품에는 경량화 및 안정성을 위해서 고강도강이 적용된다. 한편, 고강도강은 중량 대비 고강도 특성을 확보할 수 있으나, 강도가 증가함에 따라 프레스 성형성이나 굽힘성이 저하되어 가공 중 소재의 파단이 발생하거나, 스프링 백 현상이 발생하여 복잡하고 정밀한 형상의 제품의 성형에 어려움이 있다.
이러한 문제점을 개선하기 위한 방안으로 핫 스탬핑 공법이 있으며 이에 대한 관심이 높아지면서 핫 스탬핑용 소재에 대한 연구도 활발히 이루어지고 있다. 예컨대, 한국 공개특허공보 제10-2017-0076009호 발명에 개시된 바와 같이, 핫 스탬핑 공법은 핫 스탬핑용 강판을 고온으로 가열 후 프레스 금형 내에서 성형과 동시에 급속 냉각하여 고강도 부품을 제조하는 성형기술이다. 구체적으로, 핫 스탬핑 공정은 일반적으로 가열/성형/냉각/트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태 및 미세조직의 변화를 이용할 수 있다. 핫 스탬핑 공정 중 가열 공정은 가열로 내에서 블랭크를 가열시키는 공정이며, 핫 스탬핑 공정 중 냉각 공정은 금형 내에서 핫 스탬핑된 성형체가 냉각되는 공정이다. 또한, 가열 공정을 통해 가열된 블랭크는 가열로로부터 금형으로 유입되는 사이에 상온에 노출되어 공랭될 수 있다.
이와 관련된 기술로서, 대한민국 특허등록공보 제10-2070579호(발명의 명칭: 핫 스탬핑 방법) 등이 있다.
본 발명의 실시예들은 마르텐사이트 조직의 나노압입경도의 균일도를 제어함으로써, 고강도, 고인성의 우수한 기계적 특성을 갖는 핫 스탬핑 부품을 제공하고자 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 탄소(C): 0.15~0.27wt%, 실리콘(Si): 0.15~1.0wt%, 망간(Mn): 0.5~1.10wt%, 인(P): 0.018wt% 이하, 황(S): 0.005wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al): 0.1~1.0wt%, 티타늄(Ti): 0.015~0.080wt%, 니오븀(Nb): 0.015~0.080wt%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7wt%, 붕소(B): 0.001~0.008wt%, 질소(N): 0.005wt% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판을 포함하는 핫 스탬핑 부품에 있어서, 상기 베이스 강판은 마르텐사이트 조직을 포함하고, 상기 마르텐사이트 조직의 나노압입경도는 3.0GPa 이상 5.0GPa 이하이고, 상기 나노압입경도의 표준편차는 0.8GPa 이하인, 핫 스탬핑 부품을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품의 굽힘각은 70°이상 85° 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 나노압입경도의 상기 표준편차를 상기 나노압입경도의 평균으로 나눈 값을 변동계수라고 할 때, 상기 변동계수는 0.2 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 마르텐사이트 조직의 탄소(C)의 함량의 표준편차는 0.04wt% 미만일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품은 상기 베이스 강판 내에 분포된 미세석출물들을 더 구비하고, 상기 미세석출물들은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 탄화물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 단위면적(100㎛2)당 분포된 상기 미세석출물들의 개수는 9,000개 이상 30,000개 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 미세석출물들의 평균 직경은 0.003㎛ 이상 0.006㎛ 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품의 인장 강도는 1,350MPa 이상 1,650MPa 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품의 항복 강도는 950MPa 이상 1,200MPa 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품의 연신율은 6% 이상일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 마르텐사이트 조직은 복수의 래스(Lath) 구조를 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 부품은 상기 베이스 강판 상에 배치된 도금층을 더 구비할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마르텐사이트 조직의 나노압입경도의 균일도를 제어함으로써, 핫 스탬핑 부품이 고강도, 고인성의 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정된 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계에 있어서, 복수의 구간을 구비한 가열로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 있어서 가열 시간에 따른 복수의 구간의 승온속도 변화율을 나타내는 도면이다.
도 5는 소재 두께에 따른 가열 시간 및 가열 온도에 따른 가열 시간을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 블랭크의 제조 방법을 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 10은 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계에 있어서, 복수의 구간을 구비한 가열로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 있어서 가열 시간에 따른 복수의 구간의 승온속도 변화율을 나타내는 도면이다.
도 5는 소재 두께에 따른 가열 시간 및 가열 온도에 따른 가열 시간을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 블랭크의 제조 방법을 구체적으로 도시한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
도 10은 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
이하의 실시예에서, 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 또한, 본 명세서에서 "A 및 B 중 적어도 어느 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.
이하의 실시예들에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다. 이하의 실시예들에서, "중첩"이라 할 때, 이는 "평면상" 및 "단면상" 중첩을 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계를 구체적으로 도시한 순서도이다. 이하에서는, 도 1 및 도 2를 참조하여 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 설명한다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 블랭크 투입 단계(S100), 가열 단계(S200), 이송 단계(S300), 성형 단계(S400), 및 냉각 단계(S500)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라 본 발명의 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 블랭크 준비 단계(S1)를 더 포함할 수 있다. 블랭크 준비 단계(S1)는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 핫 스탬핑용 블랭크(이하, 간략히 '블랭크'라 지칭할 수 있다.)를 제조하는 단계를 의미하며, 이에 관하여는 후술하는 도 6를 통해 상세히 설명한다.
먼저, 블랭크 투입 단계(S100)는 서로 다른 승온 속도 범위를 가지는 복수의 구간을 구비한 가열로 내로 블랭크를 투입하는 단계일 수 있다. 블랭크는 베이스 강판의 적어도 일면에 도금층이 형성된 형태로 구비될 수 있다. 베이스 강판은 소지 강판으로서 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 강 슬라브에 대해 열연 공정 및/또는 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다.
일 실시예에서, 블랭크 투입 단계(S100)에서는 가열로 내로 투입된 블랭크가 롤러에 실장된 후 이송 방향을 따라 이송될 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 블랭크 투입 단계(S100) 이후에, 가열 단계(S200)가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 가열 단계(S200)는 다단 가열 단계(S210) 및 균열 가열 단계(S220)를 포함할 수 있다. 따라서, 블랭크 투입 단계(S100) 이후에, 다단 가열 단계(S210)와 균열 가열 단계(S220)가 이루어질 수 있다. 다단 가열 단계(S210) 및 균열 가열 단계(S220)는 블랭크가 가열로 내에 구비된 복수의 구간을 통과하며 가열되는 단계일 수 있다.
일 실시예에서, 가열로 전체 온도는 680℃ 내지 1000℃ 일 수 있다. 구체적으로, 다단 가열 단계(S210) 및 균열 가열 단계(S220)가 수행되는 가열로 전체 온도는 680℃ 내지 1000℃ 일 수 있다. 이때, 다단 가열 단계(S210)가 수행되는 가열로의 온도는 680℃ 내지 Ac3 일 수 있고, 균열 가열 단계(S220)가 수행되는 가열로의 온도는 Ac3 내지 1000℃일 수 있다.
구체적으로, 다단 가열 단계(S210)에서는 블랭크가 가열로 내에 구비된 복수의 구간을 통과하며 단계적으로 승온될 수 있다. 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 다단 가열 단계(S210)가 수행되는 구간은 복수 개 존재할 수 있고, 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 높아지도록 각 구간별로 온도가 설정되어 블랭크가 단계적으로 승온될 수 있다.
다단 가열 단계(S210) 이후에 균열 가열 단계(S220)가 이루어질 수 있다. 균열 가열 단계(S220)에서는 다단 가열된 블랭크가 Ac3 내지 1000℃의 온도로 설정된 가열로의 구간을 통과하며 열처리될 수 있다. 바람직하게는, 균열 가열 단계(S220)에서는 다단 가열된 블랭크를 830℃ 내지 1000℃의 온도에서 균열 가열할 수 있다. 또한, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 균열 가열 단계(S220)가 수행되는 구간은 적어도 하나 이상일 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법의 가열 단계에 있어서, 복수의 구간을 구비한 가열로를 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 가열로는 서로 다른 온도 범위를 가지는 복수의 구간(P1, P2, P3, P4)을 구비할 수 있다. 보다 구체적으로, 가열로는 제1 온도 범위(T1)를 가지는 제1 가열 구간(P1), 제2 온도 범위(T2)를 가지는 제2 가열 구간(P2), 제3 온도 범위(T3)를 가지는 제3 가열 구간(P3) 및 제4 온도 범위(T4)를 가지는 제4 가열 구간(P4)을 구비할 수 있다. 이때, 제3 가열 구간(P3)은 서로 다른 온도 범위를 가지는 두 개의 구간을 구비할 수 있다. 제3 가열 구간(P3)은 제3-1 온도 범위(T3-1)를 가지는 제3-1 가열 구간(P3-1) 및 제3-2 온도 범위(T3-2)를 가지는 제3-2 가열 구간(P3-2)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 가열 구간(P2)은 서로 다른 온도 범위를 가지는 복수 개의 구간을 구비할 수 있다. 예컨대, 제2 가열 구간(P2)은 제2-1 온도 범위(T2-1)를 가지는 제2-1 가열 구간(P2-1) 및 제2-2 온도 범위(T2-2)를 가지는 제2-2 가열 구간(P2-2)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 가열 구간(P2)은 제2-1 온도 범위(T2-1)를 가지는 제2-1 가열 구간(P2-1) 내지 제2-n 온도 범위(T2-n)를 가지는 제2-n 가열 구간(P2-n)을 포함할 수 있다. 이때, n은 2 이상의 자연수일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 가열 구간(P1)도 서로 다른 온도 범위를 가지는 복수 개의 구간을 구비할 수 있다. 예컨대, 제1 가열 구간(P1)은 제1-1 온도 범위(T1-1)를 가지는 제1-1 가열 구간(P1-1) 및 제1-2 온도 범위(T1-2)를 가지는 제1-2 가열 구간(P1-2)을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 제1 가열 구간(P1)은 제1-1 온도 범위(T1-1)를 가지는 제1-1 가열 구간(P1-1) 내지 제1-n 온도 범위(T1-n)를 가지는 제1-n 가열 구간(P1-n)을 포함할 수 있다. 이때, n은 2 이상의 자연수일 수 있다.
일 실시예에서, 도 2 및 도 3을 참조하면, 다단 가열 단계(S210)에서는 블랭크가 가열로 내에 정의된 제1 가열 구간(P1), 제2 가열 구간(P2), 및 제3-1 가열 구간(P3-1)을 통과하며 단계적으로 가열(또는, 다단 가열)될 수 있다. 또한, 균열 가열 단계(S220)에서는 다단 가열된 블랭크가 제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)을 통과하며 균열 가열될 수 있다. 즉, 제1 가열 구간(P1), 제2 가열 구간(P2), 및 제3-1 가열 구간(P3-1)은 블랭크가 다단 가열되는 구간에 해당하고, 제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)은 블랭크가 균열 가열되는 구간에 해당한다.
일 실시예에서, 제4 가열 구간(P4)은 복수 개의 구간을 구비할 수 있다. 예컨대, 제4 가열 구간(P4)은 2개의 구간으로 구비되거나, 3개의 구간으로 구비되는 등 복수 개의 구간으로 구비될 수 있다. 이때, 제4 가열 구간(P4)에 구비된 복수 개의 구간들의 온도 범위(또는, 온도)는 동일할 수 있다.
제1 가열 구간(P1) 내지 제4 가열 구간(P4)은 차례대로 가열로 내에 배치될 수 있다. 제1 가열 구간(P1)은 블랭크가 투입되는 가열로의 입구와 인접하고, 제4 가열 구간(P4)은 블랭크가 배출되는 가열로의 출구와 인접할 수 있다. 따라서, 제1 온도 범위(T1)를 가지는 제1 가열 구간(P1)이 가열로의 첫 번째 구간일 수 있고, 제4 온도 범위(T4)를 가지는 제4 가열 구간(P4)이 가열로의 마지막 구간일 수 있다. 후술할 바와 같이, 가열로의 복수의 구간들 중 제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)은 다단 가열이 수행되는 구간이 아닌 균열 가열이 수행되는 구간일 수 있다.
가열로 내에 구비된 복수의 구간의 온도, 예컨대 제1 가열 구간(P1) 내지 제4 가열 구간(P4)의 온도는 블랭크가 투입되는 가열로의 입구로부터 블랭크가 취출되는 가열로의 출구 방향으로 증가할 수 있다. 또한, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 서로 인접한 두 개의 구간들 간의 온도 차는 0℃ 보다 크고 100℃ 이하일 수 있다. 예를 들어, 제1 가열 구간(P1)과 제2 가열 구간(P2)의 온도 차는 0℃ 보다 크고 100℃ 이하일 수 있다.
일 실시예로, 제1 가열 구간(P1)의 제1 온도 범위(T1)는 680℃ 내지 870℃일 수 있다. 제2 가열 구간(P2)의 제2 온도 범위(T2)는 700℃ 내지 930℃일 수 있다. 제3-1 가열 구간(P3-1)의 제3-1 온도 범위(T3-1)는 800℃ 내지 950℃일 수 있다. 제3-2 가열 구간(P3-2)의 제3-2 온도 범위(T3-2)는 AC3 내지 1000℃일 수 있다. 제4 가열 구간(P4)의 제4 온도 범위(T4)는 Ac3 내지 1,000℃일 수 있다. 바람직하게는, 제4 가열 구간(P4)의 제4 온도 범위(T4)는 830℃ 이상 1,000℃ 이하일 수 있다. 제3-2 가열 구간(P3-2)의 제3-2 온도 범위(T3-2)와 제4 가열 구간(P4)의 제4 온도 범위(T4)는 동일할 수 있다.
일 실시예에서, 제2 가열 구간(P2)이 전술한 서로 다른 온도 범위를 가지는 제2-1 가열 구간(P2-1) 및 제2-2 가열 구간(P2-2)을 포함하는 경우, 제2-1 온도 범위(T2-1)는 700℃ 내지 900℃ 일 수 있고, 제2-2 가열 구간(P2-2)의 제2-2 온도 범위(T2-2)는 750℃ 내지 930℃일 수 있다.
전술한 복수의 구간을 정의하는 경계값들에 관하여 설명한다. 경계값들은 그래프의 가로축으로서 가열 시간(s)을 나타낸다. 먼저, 제1 가열 구간(P1) 및 제2 가열 구간(P2)의 사이에 위치하는 제1 경계값(e1)은 약 30s 내지 약 50s일 수 있고, 약 40s일 수 있다. 제2 가열 구간(P2) 및 제3 가열 구간(P3)의 사이에 위치하는 제2 경계값(e2)은 약 80s 내지 약 130s일 수 있고, 약 85s일 수 있다. 제3-1 가열 구간(P3-1) 및 제3-2 가열 구간(P3-2)의 사이에 위치하는 제3 경계값(e3)은 약 110s 내지 약 180s일 수 있고, 약 120s일 수 있다. 제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)의 사이에 위치하는 제4 경계값(e4)은 약 140s 내지 약 230s일 수 있고, 약 150s일 수 있다.
일 실시예에서, 제2 가열 구간(P2)이 전술한 서로 다른 온도 범위를 가지는 제2-1 가열 구간(P2-1) 및 제2-2 가열 구간(P2-2)을 포함하는 경우, 제2-1 가열 구간(P2-1) 및 제2-2 가열 구간(P2-2)의 사이에 위치하는 제2-1 경계값(e2')은 약 50s 내지 약 110s일 수 있고, 약 60s일 수 있다.
도 3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 가열로가 대표적으로 서로 다른 온도 범위를 가지는 다섯 개의 구간(P1, P2, P3-1, P3-2, P4)을 구비한 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 가열로 내에는 서로 다른 온도 범위를 가지는 여섯 개, 일곱 개, 또는 여덟 개 등의 구간이 구비될 수도 있다.
일 실시예에서, 가열로는 블랭크의 이송 경로를 따라 20m 내지 40m의 길이를 가질 수 있다. 가열로는 서로 다른 온도 범위를 가지는 복수의 구간을 구비할 수 있고 복수의 구간 중 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이와 복수의 구간 중 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이의 비는 1:1 내지 4:1을 만족할 수 있다. 가열로 내에서 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이가 증가하여 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이와 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이의 비가 1:1을 초과할 경우, 균열 가열 구간에서 블랭크 내로 수소 침투량이 증가하여 지연파단이 증가할 수 있다. 반면에, 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이가 감소하여 블랭크가 다단 가열되는 구간의 길이와 블랭크가 균열 가열되는 구간의 길이의 비가 4:1 미만인 경우, 균열 가열 구간(시간)이 충분히 확보되지 않아 핫 스탬핑 부품의 제조 공정에 의해 제조된 핫 스탬핑 부품의 강도가 불균일할 수 있다.
일 실시예에서, 가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 균일 가열 구간의 길이는 가열로의 총 길이의 20% 내지 50%일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 있어서 가열 시간에 따른 복수의 구간의 승온속도 변화율을 나타내는 도면이다. 이때, 도 4는 가열 시간(s)에 따른 블랭크의 승온 속도(℃/s) 그래프를 나타낸다. 도 4에 도시된 복수의 구간 및 경계값들은 도 3에서 전술한 내용과 동일한 내용으로 설명을 간략히 하거나 생략할 수 있다.
도 4를 참조하면, 블랭크의 다단 가열이 수행되는 복수의 구간의 승온속도(℃/s) 또는 승온속도 변화율(℃/s2)의 분포는 후술하는 바와 같다. 이하, "승온속도 변화율"이라 함은 도 4에 도시된 그래프의 각 구간의 평균 기울기로서, 이하에서는 '평균 승온속도 변화율'로 설명할 수 있다. 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 승온속도 제1 제어 곡선(410) 및 비교 실시예에 따른 승온속도 제2 제어 곡선(420)이 도시되어 있다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 승온속도 제1 제어 곡선(410)에 대하여 설명한다.
제1 가열 구간(P1)은 제1 평균 승온속도 변화율(r1)을 가질 수 있다. 제1 가열 구간(P1) 이후에 위치하는 제2 가열 구간(P2)은 제1 평균 승온속도 변화율(r1)과 상이한 제2 평균 승온속도 변화율(r2)을 가질 수 있다. 제2 가열 구간(P2) 이후에 위치하는 제3 가열 구간(P3)은 제1 평균 승온속도 변화율(r1) 및 제2 평균 승온속도 변화율(r2)과 상이한 제3 평균 승온속도 변화율(r3)을 가질 수 있다. 이때, 제3 평균 승온속도 변화율(r3)은 양의 값에서 음의 값으로 변화하는 구간을 포함할 수 있다. 제3 가열 구간(P3) 이후에 위치하는 제4 가열 구간(P4)은 제1 평균 승온속도 변화율(r1), 제2 평균 승온속도 변화율(r2), 및 제3 평균 승온속도 변화율(r3)과 상이한 제4 평균 승온속도 변화율(r4)을 가질 수 있다.
제1 가열 구간(P1)은 일반 승온 구간일 수 있고, 제2 가열 구간(P2)에서는 승온속도가 제1 가열 구간(P1) 대비 완만하게 감소하여() 도금층의 합금화가 수행될 수 있다. 제3 가열 구간(P3)은 블랭크의 베이스 강판이 상변태하는 상변태 구간으로서, 제3-1 가열 구간(P3-1)은 양(+)의 승온속도 변화율을 가지고, 제3-2 가열 구간(P3-2)은 음(-)의 승온속도 변화율을 가질 수 있다. 제4 가열 구간(P4)은 블랭크가 균일한 온도로 균열 가열되는 안정화 구간일 수 있다.
제1 제어 곡선(410)을 참조하면, 제1 평균 승온속도 변화율(r1) 및 제2 평균 승온속도 변화율(r2)은 각각 음의 값을 가지고, 제1 평균 승온속도 변화율(r1)의 절대값은 제2 평균 승온속도 변화율(r2)의 절대값보다 클 수 있다(). 일 실시예에서, 제1 평균 승온속도 변화율(r1)은 약 -0.5 ℃/s2 이상 0 이하일 수 있다. 예컨대, 제1 평균 승온속도 변화율(r1)은 약 -0.3 ℃/s2 일 수 있다. 일 실시예에서, 제2 평균 승온속도 변화율(r2)은 약 -0.25 ℃/s2 이상 0 이하일 수 있다. 예컨대, 제2 평균 승온속도 변화율(r2)은 약 -0.07 ℃/s2 일 수 있다.
일 실시예에서, 제1 가열 구간(P1)과 제2 가열 구간(P2) 사이에서, 즉 제1 경계값(e1) 부근에서 제1 평균 승온속도 변화율(r1)로부터 제2 평균 승온속도 변화율(r2)로의 변화는 불연속적일 수 있다. 구체적으로, 제1 가열 구간(P1)에서 제1 평균 승온속도 변화율(r1)을 정의하는 제1 경계값(e1)에서의 승온속도(v1)와, 제2 가열 구간(P2)에서 제2 평균 승온속도 변화율(r2)을 정의하는 제1 경계값(e1)에서의 승온속도(v2)는 다른 값을 가질 수 있다. 다시 말해, 제1 평균 승온속도 변화율(r1)의 최종 승온속도(v1)와 제2 평균 승온속도 변화율(r2)의 최초 승온속도(v2)는 다른 값일 수 있다. 제1 경계값(e1) 부근에서 승온속도 변화율이 불연속적으로 변화할 때(r1 → r2)(410), 연속적으로 변화하는 경우(420)와 비교할 때 핫 스탬핑 부품의 용접성을 향상시킬 수 있다.
도금층 변화에 많은 에너지가 요구되기 때문에 제1 가열 구간(P1) 및 제2 가열 구간(P2) 사이에서 평균 승온속도 변화율이 불연속적으로 변화될 수 있다. 베이스 강판의 Fe가 Al 도금층으로 확산이 이루어지고, 도금층 내에 Al-Fe 상이 초기 생성되고 성장하기 위해서는 이에 필요한 에너지가 공급되어야 한다. 또한, 베이스 강판으로 확산된 Fe는 시간이 경과함에 따라 Al-Fe-Si 합금층을 생성하는데, 제1 경계값(e1) 부근에서 승온속도 변화율의 변화가 불연속적일수록 표면까지의 확산이 균일하게 이루어지고 이에 따라 양호한 용접성을 얻을 수 있다. 반면, 변화가 연속적인 경우에는 Al-Fe-Si의 확산이 표면까지 빠르고 불균일하게 이루어지기 때문에 표면에 용접 저항이 높은 상들이 존재하여 용접성이 떨어지는 현상이 발생할 수 있다.
일 실시예에서, 제3 가열 구간(P3)은 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)을 가지는 제3-1 가열 구간(P3-1) 및 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)을 가지는 제3-2 가열 구간(P3-2)을 포함할 수 있다. 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)은 양의 값을 가지고, 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)은 음의 값을 가져, 제3 평균 승온속도 변화율(r3)은 양에서 음의 값으로 변화하는 구간을 가질 수 있다. 이때, 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)의 절대값은 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)의 절대값보다 작을 수 있다(). 일 실시예에서, 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)은 0 이상 약 0.25 ℃/s2 이하일 수 있다. 예컨대, 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)은 약 0.07 ℃/s2 일 수 있다. 일 실시예에서, 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)은 약 -0.3 ℃/s2 이상 0 이하일 수 있다. 예컨대, 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)은 약 -0.08 ℃/s2 일 수 있다.
제3-1 가열 구간(P3-1)에서 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)이 작을수록 제1 제어 곡선(410)의 기울기가 완만할 수 있고, 제1 제어 곡선(410)의 기울기가 완만할수록 혼입 수소량은 감소하고 이에 따라 수소취성은 개선될 수 있다. 이와 대비하여 제2 제어 곡선(420)은 제3-1 가열 구간(P3-1)에서 승온속도 변화율이 급격히 증가하거나 불연속으로 증가하는 형태를 가지는데, 이런 경우 혼입 수소량은 증가하고 이에 따라 수소취성은 열위해질 수 있다. 이와 같이, 제3 가열 구간(P3)에서는 제1 가열 구간(P1) 및 제2 가열 구간(P2) 사이에서와 달리, 베이스 강판의 상변태가 수행되는 구간으로서 급격한 온도 변화가 있을 경우 이로 인한 수소취성, 지연 파단 등의 문제가 있을 수 있으므로, 승온속도 변화율이 낮을수록 유리하다.
제2 가열 구간(P2)과 제3-1 가열 구간(P3-1) 사이에서, 즉 제2 경계값(e2) 부근에서 제2 평균 승온속도 변화율(r2)로부터 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)로의 변화는 음의 값으로부터 양의 값으로 변화할 수 있다. 즉, 승온속도가 감소하다가 증가하면서 베이스 강판의 상변태가 일어날 수 있다. 예컨대, 베이스 강판의 상변태 중 해당 구간에서 오스테나이트로 변태 시 흡열 반응이 일어나며 이를 위한 에너지 공급이 필요하므로 승온속도는 제3-1 가열 구간(P3-1)에서 다시 증가해야 오스테나이트로의 합리적인 수준의 상변태를 유도할 수 있다.
제3-1 가열 구간(P3-1)과 제3-2 가열 구간(P3-2) 사이에서, 즉 제3 경계값(e3) 부근에서 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1)로부터 제3-2 평균 승온속도 변화율(r3-2)로의 변화는 양의 값으로부터 음의 값으로 변화할 수 있다. 즉, 승온속도가 증가하다가 다시 감소하면서 베이스 강판의 상변태가 일어날 수 있다.
일 실시예에서, 제4 평균 승온속도 변화율(r4)의 절대값은 제1 평균 승온속도 변화율(r1), 제2 평균 승온속도 변화율(r2) 및 제3 평균 승온속도 변화율(r3) 각각의 절대값보다 작을 수 있다. 예컨대, 제4 평균 승온속도 변화율(r4)은 0에 가까운 값으로 제4 가열 구간(P4)은 균일한 온도로 균열 가열되는 구간일 수 있다.
제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)에서 블랭크가 가열되는 시간(t4)은 전체 가열 시간(t)의 약 50 % 이하일 수 있다. 이는 블랭크가 제1 가열 구간(P1), 제2 가열 구간(P2), 및 제3-1 가열 구간(P3-1)에서 다단 가열되는 시간(t1) 대비 제3-2 가열 구간(P3-2) 및 제4 가열 구간(P4)에서 균열 가열되는 시간(t4)이 길어질수록 용접성, 수소취성 및 굽힘 성능 등의 부품 특성이 열위해질 수 있기 때문이다.
이하, 전술한 제1 제어 곡선(410) 대비 제2 제어 곡선(420)의 특성에 대하여 설명하되, 제1 제어 곡선(410)과 다른 점을 위주로 설명한다. 제2 제어 곡선(420)을 참조하면, 제1 가열 구간(P1) 및 제2 가열 구간(P2) 사이에서 제1' 평균 승온속도 변화율(r1')은 연속적으로 변화할 수 있다. 구체적으로, 제1 가열 구간(P1)에서 제1' 평균 승온속도 변화율(r1')을 정의하는 제1 경계값(e1)에서의 승온속도와, 제2 가열 구간(P2)에서 제1' 평균 승온속도 변화율(r1')을 정의하는 제1 경계값(e1)에서의 승온속도(v1')는 같은 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 제1' 평균 승온속도 변화율(r1')은 약 -0.26℃/s2이상 0 이하일 수 있다. 예컨대, 제1' 평균 승온속도 변화율(r1')은 약 -0.2℃/s2 일 수 있다.
제2 제어 곡선(420)의 제3 가열 구간(P3)에서의 승온속도 변화율(r3'; r3-1', r3-2')의 변화 특성은 제1 제어 곡선(410)에서 설명한 것과 동일한 특성을 가질 수 있다. 다만, 제3-1' 승온속도 변화율(r3-1')은 제1 제어 곡선(410)의 제3-1 평균 승온속도 변화율(r3-1) 대비 불연속, 불안정한 값을 가질 수 있다. 이때, 제3-1' 승온속도 변화율(r3-1')은 제3-1 가열 구간(P3-1) 중 승온 속도가 증가 추세를 보이는 전단부에서의 변화율을 의미할 수 있다. 제3-1' 승온속도 변화율(r3-1')은 약 0.04℃/s2 이상 약 0.16℃/s2 이하일 수 있다. 예컨대, 제3-1' 승온속도 변화율(r3-1')은 약 0.1℃/s2 일 수 있다. 제3-2' 승온속도 변화율(r3-2')은 약 -0.16℃/s2 이상 약 -0.04℃/s2 이하일 수 있다. 예컨대, 제3-2' 승온속도 변화율(r3-2')은 약 -0.1℃/s2 일 수 있다. 제2 제어 곡선(420)의 제4 가열 구간(P4)은 제1 제어 곡선(410)과 마찬가지로 제4 평균 승온속도 변화율(r4)이 0에 근사한 값을 가지는 균열 가열 구간일 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법에 있어서, 전술한 바와 같은 복수의 구간 특성에 따른 구간 별로 승온속도 변화율을 제어함으로써 핫 스탬핑 부품의 초고강도 특성, 용접성, 수소취성, 굽힘 성능 등의 부품 특성을 정밀하게 제어하고 개선할 수 있다.
도 4의 가로축에 도시된 가열 시간(s)과 경계값들 간의 관계는 도 4에 도시된 바에 한정되지 않고, 본 개시의 핫 스탬핑용 부품의 부품 성능을 개선하는 범위에서 다양하게 변경 적용될 수 있다. 이상에서는 복수의 구간이 5개의 구간을 구비하는 것으로 설명하였으나, 승온속도 변화율의 분포에 따라 복수의 구간은 다르게 구분될 수 있다.
도 5는 소재 두께에 따른 가열 시간 및 가열 온도에 따른 가열 시간을 도시한 도면이다. 구체적으로, 도 5는 소재 두께에 따른 최소 가열 시간 및 가열 온도에 따른 최소 가열 시간을 설명하기 위해 도시한 그래프이다. 도 5에서 가열 온도는 균열 가열 단계(S220)의 균열 온도를 의미하고, 가열 시간은 가열 단계(S200)의 전체 가열 시간을 의미한다.
도 1, 도 2 및 도 5을 참조하면, 소재 두께가 동일한 경우, 가열 온도가 감소할수록 최소 가열 시간이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 가열 온도가 동일한 경우, 소재 두께가 증가할수록 최소 가열 시간이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
가열 단계(S200)에서 블랭크가 가열되는 가열 시간(예컨대, 전체 가열 시간)이 짧으면 블랭크에서 충분한 상변태가 이루어지지 못할 수 있다. 반면에, 가열 단계(S200)에서 블랭크가 가열되는 가열 시간이 과도하면 오스테나이트 결정립 조대화, 내수소취성 저하가 발생할 뿐만 아니라, 도금층의 두께가 두꺼워져 용접성이 저하될 수 있다. 그러므로, 가열 단계(S200)에서의 가열 시간을 조절할 필요가 있다. 다만, 가열 단계(S200)에서의 가열 시간을 조절하기 위해서는 가열 온도 및 블랭크의 두께(예컨대, 소재의 두께)뿐만 아니라, 가열로의 밀폐도, 분위기, 열원 등에 의해 발생하는 가열로 내의 열손실 및 블랭크의 성분 등 다양한 변수를 고려해야한다.
일 실시예에서, 가열 단계(S200)에서의 블랭크의 가열 시간은 하기 [수학식 2]를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
상기 수학식 2에서 λn은 가열 시간(s), an은 가열로 열손실 보정계수, Tn은 가열 온도(℃), bn은 Ac3 온도 보정계수, cn은 고온 소재 두께 민감도 보정계수, t는 소재 두께(mm)다. 이때, 소재는 블랭크를 의미할 수 있고, 가열 시간의 단위 s는 초를 의미할 수 있다.
가열로 타입 별로 상이한 열원이 이용되므로 가열로 타입 별로 발생하는 열손실도 다를 수 있다. an은 가열로의 열손실을 고려한 보정계수로서, 약 -0.60 이상 약 -0.55 이하의 값을 가질 수 있다. 이때, an은 s/(℃ xmm) 의 단위를 가질 수 있다.
각 소재의 성분이 상이한 경우, 상변태가 일어나는 온도가 상이할 수 있다. bn은 소재 성분에 따른 Ac3 온도 차이를 고려한 보정계수로서, 약 700 이상 약 900 이하의 값을 가질 수 있다. 이때, bn은 s/mm 의 단위를 가질 수 있다.
소재의 두께에 따라 소재 내부에서 전달되는 열전도율이 달라질 수 있다. cn은 고온에서 소재의 두께에 따른 열전도율 차이를 고려한 보정계수로서, 약 0.7 이상 약 0.9 이하의 값을 가질 수 있다. 이때, 고온은 600℃ 이상을 의미할 수 있다. 다만, 고온은 500℃ 이상을 의미하거나, 700℃ 이상을 의미할 수도 있다.
가열 온도(Tn)는 균열 가열 단계(S220)의 균열 온도를 의미하고, 가열 온도(Tn)는 약 Ac3 이상 약 1000℃ 이하의 값을 가질 수 있다. 또한, 소재 두께는 약 1mm 이상 약 2.6mm 이하의 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 수학식에 따른 가열 시간(λn)은 약 100s 이상 약 900s 이하일 수 있다. 가열 시간(λn)이 100s 미만인 경우, 블랭크에서 충분한 상변태가 이루어지지지 않을 수 있다. 반면에, 가열 시간(λn)이 900s 초과인 경우, 오스테나이트 결정립 조대화, 내수소성 저하가 발생할 뿐만 아니라, 도금층의 두께가 두꺼워져 용접성이 저하될 수 있다. 따라서, 가열 시간(λn)이 약 100s 이상 약 900s 이하의 범위를 만족하는 경우, 블랭크에서 충분한 상변태가 이루어질 수 있고, 오스테나이트 결정립 조대화가 발생하는 것이 방지 또는 최소화될 수 있으며, 내수소취성 및/또는 용접성이 저하되는 것이 방지 또는 최소화될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 가열 단계(S200) 이후에 이송 단계(S300), 성형 단계(S400), 및 냉각 단계(S500)가 더 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 이송 단계(S300)는 가열된 블랭크를 가열로로부터 금형으로 이송하는 단계일 수 있다. 이때, 이송 단계(S300)에서는 가열된 블랭크가 금형으로 이송되면서 대기 온도(또는, 상온)에서 냉각될 수 있다. 가열된 블랭크는 이송 중 공랭될 수 있다. 가열된 블랭크가 공랭되지 않으면 금형 진입 온도(예컨대, 성형개시온도)가 높아져 제조된 핫 스탬핑 부품의 표면에 주름(또는, 굴곡)이 발생할 수 있다. 또한, 냉매를 사용시 후공정(핫 스탬핑)에 영향을 미칠 수 있으므로 이송 중 가열된 블랭크가 공랭되는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 성형 단계(S400)는 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 성형체를 성형하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 성형 단계(S400)에서는 금형으로 블랭크를 가압하여 성형체를 형성할 수 있다.
일 실시예에서, 냉각 단계(S500)는 성형된 성형체를 냉각하는 단계일 수 있다. 냉각 단계(S500)에서는 금형 내에서 이루어질 수 있다.
일 실시예에서, 가열된 블랭크는 이송 단계(S300)에서 대기 온도(또는, 상온)에서 냉각될 수 있다. 구체적으로, 이송 단계(S300)에서는 가열 단계(S200)를 통해 가열된 블랭크가 가열로에서 취출된 후, 금형으로 이송되는 동안 대기 온도(또는, 상온)에서 냉각될 수 있다. 이후, 성형 단계(S400)에서 대기 온도(또는, 상온)에서 냉각된 블랭크의 성형이 개시될 수 있다. 이때, 블랭크의 성형이 개시되는 온도를 성형 개시 온도라고 할 수 있다. 즉, 이송 단계(S300)에서는 가열 단계(S200)를 통해 가열된 블랭크는 가열로에서 취출된 후 대기 온도에서 성형 개시 온도까지 냉각될 수 있다.
일 실시예에서, 성형 개시 온도는 500℃ 이상 700℃ 이하일 수 있다. 성형 개시 온도가 500℃ 미만인 경우, 성형 개시 온도가 너무 낮아 블랭크의 성형성이 저하될 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 목표한 조직과 물성을 갖지 못할 수 있다. 반면에, 성형 개시 온도가 700℃ 초과인 경우, 제조된 핫 스탬핑 부품의 표면에 주름(또는 굴곡)이 발생할 수 있다. 또한, 블랭크의 도금층이 금형에 소착될 수 있다. 따라서, 성형 개시 온도가 500℃ 이상 700℃ 이하인 경우 블랭크의 성형성이 향상될 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 목표한 조직과 물성을 가질 수 있으며, 제조된 핫 스탬핑 부품의 표면에 주름(또는, 굴곡)이 발생하는 것이 방지 또는 최소화될 수 있다.
이후, 일 실시예에서, 성형 단계(S400)에서 이송 단계(S300)를 통해 금형으로 이송된 블랭크를 성형하여 성형체를 형성할 수 있고, 냉각 단계(S500)에서 성형된 성형체를 냉각할 수 있다. 이때, 성형된 성형체를 냉각하는 냉각 단계(S500)는 금형 내에서 이루어질 수 있다.
구체적으로, 금형에서 최종 부품형상으로 성형하는 것과 동시에 성형체를 냉각하여 최종 제품이 형성될 수 있다. 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 금형에 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매에 순환에 의해 성형체를 급랭시킬 수 있게 된다. 이때, 판재의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급랭을 실시할 수 있다. 성형체를 성형 및 냉각 조작을 함에 있어, 마르텐사이트 종료 온도까지 평균냉각속도를 최소 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있다.
일 실시예에서, 냉각 단계(S500)가 종료되는 금형 냉각 종료 온도는 약 상온 이상 약 200℃ 이하일 수 있다. 금형 냉각 종료 온도가 상온 미만인 경우 제조 공정의 생산성이 저하될 수 있다. 반면에, 금형 냉각 종료 온도가 200℃ 초과인 경우, 제조된 핫 스탬핑 부품이 상온에서 공랭되는데, 이때, 핫 스탬핑 부품에 뒤틀림이 발생할 수 있으며, 목표한 재질 확보가 어려울 수 있다. 따라서, 냉각 단계(S500)가 종료되는 금형 냉각 종료 온도가 상온 이상 약 200℃ 이하의 범위를 만족하는 경우, 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 상온에서 공랭되어 핫 스탬핑 부품에 뒤틀림이 발생하는 것이 방지 또는 최소화될 수 있다.
일 실시예에서, 이송 단계(S300)에서 블랭크가 냉각되는 공랭 시간은 약 5s 이상 약 20s 이하일 수 있다. 공랭 시간이 5s 미만인 경우 블랭크의 성형이 개시되는 성형 개시 온도가 지나치게 높아 블랭크의 성형이 높은 온도에서 진행되어 제조된 핫 스탬핑 부품에 주름(또는, 굴곡)이 발생할 수 있고, 설비 상 5s 미만의 공랭 시간을 구현하기 어려울 수 있다. 반면에, 공랭 시간이 20s 초과인 경우, 생산성이 저하될 뿐만 아니라 블랭크가 이송되는 과정에서 블랭크에서 상변태가 발생하여 블랭크의 성형성이 저하될 수 있고 제조된 핫 스탬핑 부품이 목표한 재질을 갖지 않을 수 있다. 따라서, 공랭 시간이 약 5s 이상 약 20s 이하의 범위를 만족하는 경우, 블랭크의 성형성 및 공정의 생산성을 향상시킬 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 목표한 재질을 갖도록 할 수 있다.
일 실시예에서, 냉각 단계(S500)에서 금형 냉각 시간은 약 6s 이상 약 40s 이하일 수 있다. 금형 냉각 시간이 6s 미만인 경우, 높은 온도에서 금형 냉각이 종료되어 긴 공랭을 수반할 수 있고 이로 인해 제조된 핫 스탬핑 부품에 뒤틀림이 발생하여 목표한 치수가 확보되지 않을 수 있다. 반면에, 금형 냉각 시간이 40s 초과인 경우, 생산성이 저하될 수 있다. 따라서, 금형 냉각 시간이 약 6s 이상 약 40s 이하의 범위를 만족하는 경우, 블랭크의 온도가 상온 이상 200℃ 이하일 때 금형 냉각이 종료되어 제조된 핫 스탬핑 부품에 뒤틀림이 발생하는 것이 방지 또는 최소화될 수 있고 제조 공정의 생산성이 향상될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품을 제조하기 위한 블랭크의 제조 방법을 구체적으로 도시한 순서도이다.
블랭크의 미세조직의 구성 중 펄라이트 영역의 크기, 밀도 및 면적분율 조건은 도 6에서 전술한 바에 따른 블랭크의 제조 공정들의 공정 조건을 조절함으로써 제어할 수 있다.
구체적으로, 블랭크의 미세조직은 페라이트 및 펄라이트를 포함할 수 있다. 한편, 펄라이트에는 탄소(C) 및/또는 망간(Mn)이 편석될 수 있다. 즉, 블랭크의 미세조직은 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트를 포함할 수 있다. 또한, 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트는 블랭크 내에서 국부적으로 집적될 수 있다. 즉, 블랭크의 미세조직은 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 "펄라이트 영역"을 포함할 수 있다. 펄라이트 영역은 페라이트와 시멘타이트(Fe3C)의 서로 다른 철강 조직이 서로 번갈아 층을 이루는 조직 형상(층상 조직)을 의미할 수 있다. 일 실시예로, 펄라이트 영역은 열간압연된 강판 내에서 띠 모양(또는 밴드 형태)으로 형성될 수 있다. 본 명세서에서, "펄라이트 영역" 에 대해 '펄라이트가 국부적으로 집적된 영역'이라 함은 펄라이트 영역 내의 페라이트와 시멘타이트(Fe3C) 각각이 띠 모양으로 형성될 때, 서로 다른 띠 간의 구분이 명확하여 층상 조직이 명확히 보이는 영역을 의미할 수 있다.
펄라이트 영역은 펄라이트 영역에 집적된 펄라이트가 포함하는 탄소(C)의 함량 및 망간(Mn)의 함량에 따라 핫 스탬핑 부품의 기계적 특성에 영향을 미치는 정도가 상이할 수 있다. 구체적으로, 핫 스탬핑 부품의 기계적 특성에 영향을 미치는 것은 0.19wt% 이상의 탄소와 0.8wt% 이상의 망간을 포함하는 펄라이트가 국부적으로 집중된 영역이다. 반면에, 탄소의 함량이 0.19wt% 미만이거나 망간의 함량이 0.8wt% 미만인 펄라이트가 국부적으로 집중된 영역은 핫 스탬핑 부품의 기계적 특성에 미치는 영향이 미미하다.
일 실시예에서, 블랭크는 0.19~0.55wt%의 탄소(C)를 포함하는 펄라이트 및/또는 0.8~6.0wt%의 망간(Mn)을 포함하는 펄라이트가 국부적으로 집적된 제1영역들을 포함할 수 있다. 이러한 제1영역들의 크기, 밀도 및 면적분율은 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어될 수 있다.
구체적으로, 제1영역들의 장변을 상기 제1영역들의 길이로 정의할 시, 제1영역들의 평균 길이는 0.01㎛ 이상 300㎛ 이하를 만족하도록 제어될 수 있다. 또한, 제1영역들의 단변을 상기 제1영역들의 두께로 정의할 시, 제1영역들의 평균 두께는 0.01㎛ 이상 5㎛ 이하를 만족하도록 제어될 수 있다. 제1영역들의 단변 방향의 선밀도는 0.001/㎛ 이상 0.1/㎛ 이하를 만족하도록 제어될 수 있다. 제1영역들의 면적분율은 0.01% 이상 15% 이하를 만족하도록 제어될 수 있다.
한편, 블랭크는 0.55wt%를 초과하는 탄소(C)를 포함하는 펄라이트 및/또는 6.0wt%를 초과하는 망간(Mn)을 포함하는 펄라이트가 국부적으로 집적된 제2영역들을 더 포함할 수 있다. 이러한 제2영역들은 핫 스탬핑 부품의 인장 강도 및 굽힘 특성을 저하시킬 수 있는 바, 사전 설정된 면적분율 이하로 제어될 수 있다. 구체적으로, 제2영역들의 면적분율은 0% 이상 5% 이하를 만족하도록 제어될 수 있다.
즉, 블랭크가 포함하는 펄라이트는 면적분율로 0.01% 이상 15% 이하의 제1영역들 및 0% 이상 5% 이하의 제2영역들을 포함하도록 제어될 수 있다. 여기서 제1영역들은 0.19~0.55wt%의 탄소(C)를 포함하는 펄라이트 및/또는 0.8~6.0wt%의 망간(Mn)을 포함하는 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역이다. 또한, 제2영역들은 0.55wt%를 초과하는 탄소(C)를 포함하는 펄라이트 및/또는 6.0wt%를 초과하는 망간(Mn)을 포함하는 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역이다. 한편, 블랭크가 포함하는 펄라이트 중 상기 제1영역들 및 상기 제2영역들을 제외한 영역은 0.19wt% 미만의 탄소(C)와 0.8wt% 미만의 망간(Mn)을 포함하는 펄라이트로 이해될 수 있다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 블랭크의 제조 방법(혹은 블랭크 준비 단계; S1)은 재가열 단계(S10), 열간압연 단계(S20), 냉각/권취 단계(S30), 냉간압연 단계(S40), 소둔 열처리 단계(S50) 및 도금 단계(S60)를 포함할 수 있다.
참고로 도 6에는 S10 내지 S60 단계가 독립적인 단계로 도시되어 있으나, S10 내지 S60 단계 중 일부는 하나의 공정에서 수행될 수 있으며, 필요에 따라 S10 내지 S60 단계 중 일부가 생략되는 것도 가능하다.
먼저, 핫 스탬핑용 블랭크를 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬래브를 준비한다. 상기 슬래브는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 붕소(B), 질소(N) 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
재가열 단계(S10)는 열간압연을 위해 상기 조성을 갖는 슬래브를 소정의 슬래브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature: SRT) 범위에서 재가열하는 단계이다. 재가열 단계(S10)에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 슬래브를 소정의 온도 범위에서 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 슬래브 재가열 온도(SRT)는 오스테나이트 미세화 및 석출경화 효과 극대화를 위하여 사전 설정된 온도 범위 내로 제어될 수 있다.
일 실시예로, 슬래브 재가열 온도(SRT)는 1,100℃ 내지 1,300℃로 제어될 수 있다. 슬래브 재가열 온도(SRT)가 1,100℃ 미만인 경우에는 주조 시 편석된 성분(예컨대, Ti, Nb, Mo 등)이 충분히 재고용되지 못해 합금 원소의 균질화 효과를 크게 보기 어렵다는 문제점이 있다. 반면에, 슬래브 재가열 온도(SRT)는 고온일수록 균질화에 유리하나 1,300℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
열간압연 단계(S20)는 재가열 단계(S10)에서 재가열된 슬래브를 소정의 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT) 범위에서 열간압연하여 강판을 제조하는 단계이다.
일 실시예로, 마무리 압연 온도(FDT) 범위는 800℃ 내지 1000℃로 제어될 수 있다. 마무리 압연 온도(FDT)가 800℃ 미만인 경우, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직이 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있을 뿐만 아니라 급격한 상 변화에 의해 열간압연 중 통판성의 문제가 발생할 수 있다. 이와 반대로, 마무리 압연 온도(FDT)가 1000℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도 확보가 어려워질 수 있다.
일 실시예로, 열간압연 시 압하율은 90% 이상을 만족하도록 제어될 수 있다. 이를 통해, 제조된 블랭크의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)의 크기, 밀도 및 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어될 수 있다.
한편, 재가열 단계(S10) 및 열간압연 단계(S20)에서는 에너지가 불안정한 입계에서 미세석출물들의 일부가 석출될 수 있다. 이때, 입계에 석출된 미세석출물들은 오스테나이트의 결정립 성장을 방해하는 요소로 작용하여 오스테나이트 미세화를 통한 강도 향상의 효과를 제공할 수 있다.
냉각/권취 단계(S30)는 열간압연 단계(S20)에서 열간압연된 강판을 냉각하는 단계 및 냉각된 강판을 권취하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 열간압연된 강판을 냉각하는 단계는, 열간압연된 강판을 소정의 냉각 종료 온도 범위까지 사전 설정된 냉각 시간동안 ROT(Run out table) 냉각하는 단계일 수 있다.
일 실시예로, 상기 냉각 종료 온도 범위는 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 내지 펄라이트 변태 개시온도(Ps)+40℃이고, 상기 사전 설정된 시간은 30초 이하일 수 있다. 이러한 열간압연된 강판을 냉각하는 단계에서의 냉각 종료 온도 범위 및 냉각 시간은 제조된 블랭크의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)의 크기, 밀도 및 면적분율에 영향을 미친다. 구체적으로, 상기 냉각 종료 온도 범위 및 상기 냉각 시간을 만족하는 경우, 상기 펄라이트 영역의 크기, 밀도 및 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어될 수 있고, 페라이트 기지의 균일한 열연 조직이 형성될 수 있다. 반면에, 상기 냉각 종료 온도 범위를 초과하는 온도 범위에서 냉각이 종료되거나 상기 냉각 시간을 초과하는 경우, 상기 펄라이트 영역의 크기, 밀도 및/또는 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하지 못하여 강도 및 굽힘 특성 등이 저하될 수 있다.
상기 냉각된 강판을 권취하는 단계는 냉각된 강판을 소정의 권취 온도(Coiling Temperature: CT) 범위에서 권취하는 단계일 수 있다.
일 실시예로, 권취 온도(CT)는 Ms+50℃ 이상 650℃ 미만으로 제어될 수 있다. 권취 온도(CT)는 제조된 블랭크의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)의 크기, 밀도 및 면적분율에 영향을 미친다. 구체적으로, 권취 온도(CT)가 Ms+50℃ 이상 650℃ 미만을 만족하는 경우, 상기 펄라이트 영역의 크기, 밀도 및 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어될 수 있다. 반면에, 권취 온도(CT)가 Ms+50℃ 미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 강도 증가 및 냉간압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도가 650℃ 이상인 경우에는 상기 펄라이트 영역의 크기, 밀도 및/또는 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하지 못하여 강도 및 굽힘 특성 등이 저하될 수 있고, 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생하는 문제가 있다.
구체적으로, 권취 온도가 650℃ 이상인 경우 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)이 과도하게 넓은 면적에서 형성됨으로써 펄라이트 밴드가 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄소(C) 및/또는 망간(Mn)이 블랭크 내에 불균일하게 분포될 수 있다. 이는 핫 스탬핑 후의 성형 부품 내의 탄소(C)의 균일도 및/또는 망간(Mn)의 균일도에도 영향을 줄 수 있다. 따라서, 이는 핫 스탬핑 후의 성형 부품 내의 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도에 영향을 주어, 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 굽힙 특성 등이 저하될 수 있다.
이에 반해, 권취 온도(CT)가 Ms+50℃ 이상 650℃ 미만을 만족하는 경우, 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)이 상대적으로 적은 면적에서 형성되므로, 펄라이트 밴드가 형성되지 않거나 상대적으로 적은 면적에서 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄소(C) 및/또는 망간(Mn)이 블랭크 내에 균일하게 분포될 수 있다. 이는 핫 스탬핑 후의 성형 부품 내의 탄소(C)의 균일도 및/또는 망간(Mn)의 균일도에도 영향을 줄 수 있다. 따라서, 이는 핫 스탬핑 후의 성형 부품 내의 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도에도 영향을 주어, 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 굽힙 특성 등이 향상될 수 있다.
한편, 권취 온도(CT)가 Ms+50℃ 미만인 경우, 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)이 상대적으로 적은 면적에서 형성되나, 저온상 형성으로 냉연 공정 중 판재 형상 문제가 발생할 수 있으며, 판파단이 발생할 가능성이 증가할 수 있다.
냉간압연 단계(S40)는 냉각/권취 단계(S30)에서 권취된 강판을 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간압연하는 단계이다. 이때, 산세는 권취된 강판, 즉 상기의 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
일 실시예로, 냉간압연 시 압하율은 5% 내지 80%로 제어될 수 있다. 이를 통해, 제조된 블랭크의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)의 크기, 밀도 및 면적분율이 사전 설정된 조건을 만족하도록 제어될 수 있다. 예컨대, 압하율이 5% 미만인 경우, 펄라이트 간의 간격이 좁아져서 펄라이트가 국부적으로 집중된 영역이 증가할 수 있으며, 그로 인해 강도 및 굽힘 특성이 저하될 수 있다.
소둔 열처리 단계(S50)는 냉간압연 단계(S40)에서 냉간압연된 강판을 700℃ 이상의 온도에서 소둔 열처리하는 단계이다. 일 실시예로, 소둔 열처리 단계(S50)는 냉간압연된 강판을 Ae3±200℃의 온도 범위에서 소둔 열처리하는 단계일 수 있다. 한편, 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 소정의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 냉각속도는 1~40℃/sec일 수 있다.
도금 단계(S60)는 소둔 열처리된 강판에 대해 도금층을 형성하는 단계이다. 일 실시예로, 도금 단계(S60)는 소둔 열처리 단계(S50)에서 소둔 열처리된 강판 상에 Al-Si 도금층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
구체적으로, 도금 단계(S60)는 강판을 Bs±150℃ 범위의 온도를 가지는 도금욕에 침지시켜 강판의 표면에 용융도금층을 형성하는 단계 및 상기 용융도금층이 형성된 강판을 냉각시켜 도금층을 형성하는 냉각 단계를 포함할 수 있다. 이때, 도금욕은 첨가 원소로서 Si, Fe, Al, Mn, Cr, Mg, Ti, Zn, Sb, Sn, Cu, Ni, Co, In 및/또는 Bi을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도금욕은 5~12%의 Si, 1~4%의 Fe 및 그 외 Al을 포함할 수 있다. 또한, 전면 및 후면에 대한 도금량은 40 내지 200g/m2을 만족하도록 제어될 수 있다.
이와 같이 S10 내지 S60 단계를 거쳐 제조한 핫 스탬핑용 블랭크에 대하여 핫 스탬핑 공정을 수행함으로써, 요구되는 기계적 특성(예컨대, 인장강도, 항복강도, 굽힘 특성, 연신율 등)을 만족하는 핫 스탬핑 후의 성형 부품을 제조할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 일부를 개략적으로 도시하는 단면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)의 단면을 나타내는 현미경 사진이다. 도 8에 도시된 베이스 강판(10)은 도 1 내지 도 6을 참조하여 전술한 핫 스탬핑 부품의 제조 방법(예를 들어, 도 4의 410 곡선)에 의해 제조된 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)일 수 있다.
도 7를 참조하면, 핫 스탬핑 부품(1)은 베이스 강판(10) 및 베이스 강판(10) 상에 배치된 도금층(20)을 포함할 수 있다. 도금층(20)은 합금화층으로서 베이스 강판(10)의 적어도 일면에 형성되고, 알루미늄(Al), 철(Fe) 등을 포함할 수 있다. 도시되지는 않았으나, 도금층(20)은 베이스 강판(10) 상에 순차적으로 적층된 복수의 층들(미도시)을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 층들은 순차적으로 α-Fe상, Fe2Al5상, AlFe상 및 Fe2Al5상을 가질 수 있으나 복수의 층의 조성은 이에 한정되지 않는다.
베이스 강판(10)은 소지 강판으로서 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 강 슬라브에 대해 열연 공정, 및/또는 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 강판(10)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 붕소(B), 질소(N) 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
일 실시예로, 베이스 강판(10)은 탄소(C): 0.15~0.27wt%, 실리콘(Si): 0.15~1.0wt%, 망간(Mn): 0.5~1.10wt%, 인(P): 0.018wt% 이하, 황(S): 0.005wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al): 0.1~1.0wt%, 티타늄(Ti): 0.015~0.080wt%, 니오븀(Nb): 0.015~0.080wt%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7wt%, 붕소(B): 0.001~0.008wt%, 질소(N): 0.005wt% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예로, 베이스 강판(10)이 포함하는 탄소(C), 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 각각의 함유량을 wt%로 [C], [Mn], [Cr] 및 [Mo]로 나타내었을 때, 하기 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
370<539-423*[C]-30.4*[Mn]-12.1[Cr]-7.5[Mo]<470
이를 통해 취성 증가를 방지하고, 소입성을 향상시키며, 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 용접강도를 향상시킬 수 있다. 예컨대, 용접부의 십자인장강도(cross-tension strength, CTS)는 10kN/spot 이상을 만족할 수 있다.
탄소(C)는 베이스 강판(10) 내 오스테나이트 안정화 원소로 작용한다. 탄소는 베이스 강판(10)의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소이며, 열처리 시 소입성 및 강도 증가를 목적으로 첨가된다. 이러한 탄소는 베이스 강판(10)의 전체 중량에 대하여 0.15wt% 내지 0.27wt%로 포함될 수 있다. 탄소의 함량이 0.15wt% 미만인 경우, 경질상(예컨대, 마르텐사이트 등) 확보가 어려워 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 기계적 강도를 만족시키기 어렵다. 이와 반대로 탄소의 함량이 0.27wt%를 초과하는 경우, 베이스 강판(10)의 가공성 저하 또는 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 굽힘 성능 저하를 야기할 수 있다.
실리콘(Si)은 베이스 강판(10) 내 페라이트 안정화 원소로 작용한다. 실리콘은 고용 강화 원소로서 베이스 강판(10)의 강도를 향상시키며, 저온역 탄화물의 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시킨다. 또한, 실리콘은 열연, 냉연, 열간 프레스 조직 균질화 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 실리콘은 마르텐사이트 강도 불균질 제어 원소로 작용하여 충돌 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 실리콘은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.15wt% 내지 1.0wt% 포함될 수 있다. 실리콘의 함량이 0.15wt% 미만인 경우, 상술한 효과를 얻기 어려우며 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 마르텐사이트 조직에서 세멘타이트 형성 및 조대화가 발생할 수 있다. 이와 반대로 실리콘의 함량이 1.0wt%를 초과하는 경우, 열연, 냉연 부하가 증가하고, 베이스 강판(10)의 도금 특성이 저하될 수 있다.
망간(Mn)은 베이스 강판(10) 내 오스테나이트 안정화 원소로 작용한다. 망간은 열처리 시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 이러한 망간은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.5wt% 내지 1.1wt% 포함될 수 있다. 망간의 함량이 0.5wt% 미만인 경우, 경화능 효과가 충분하지 못하여, 소입성 미달로 핫 스탬핑 후의 성형 부품 내의 경질상 분율이 미달될 수 있다. 반면에, 망간의 함량이 1.1wt%를 초과하는 경우, 망간이 편석된 펄라이트가 집중된 영역이 발생하여 연성 및 인성이 저하될 수 있으며, 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 굽힘 성능 저하의 원인이 되고 불균질 미세조직이 발생할 수 있다.
인(P)은 강도 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 인은 베이스 강판(10)의 인성 저하를 방지하기 위해, 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.018wt% 이하로 포함될 수 있다. 인의 함량이 0.018wt%를 초과하는 경우, 인화철 화합물이 형성되어 인성 및 용접성이 저하되고, 제조 공정 중 베이스 강판(10)에 크랙이 유발될 수 있다.
황(S)은 가공성 향상에 기여하는 원소이다. 이러한 황은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.005wt% 이하 포함될 수 있다. 황의 함량이 0.005wt%를 초과하면 열간 가공성, 용접성 및 충격특성이 저하되고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.
알루미늄(Al)은 베이스 강판(10) 내 페라이트 안정화 원소로 작용한다. 알루미늄은 고용 강화 원소로서 베이스 강판(10)의 강도를 향상시키며, 저온역 탄화물의 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시킨다. 알루미늄은 마르텐사이트 강도 불균질 제어 원소로 작용하여 충돌 성능을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 알루미늄은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 1.0wt% 포함될 수 있다. 알루미늄의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 상술한 효과를 얻기 어려우며 핫 스탬핑 후의 성형 부품의 마르텐사이트 조직에서 세멘타이트 형성 및 조대화가 발생할 수 있다. 이와 반대로 알루미늄의 함량이 1.0wt%를 초과하는 경우, 열연, 냉연 부하가 증가하고, 강판의 도금 특성이 저하될 수 있다.
한편, 일 실시예로, 도금성 향상을 위하여 베이스 강판(10)이 포함하는 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al) 각각의 함량의 합은 사전 설정된 범위를 만족하도록 제어될 수 있다. 예컨대, 베이스 강판(10)이 포함하는 실리콘(Si), 알루미늄(Al) 각각의 함량의 합은 0.4~1.5wt%를 만족할 수 있다.
크롬(Cr)은 열처리 시 베이스 강판(10)의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬은 석출경화를 통한 결정립 미세화 및 강도 확보를 가능하게 한다. 이러한 크롬은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 1.0wt% 포함될 수 있다. 크롬의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 석출경화 효과가 저조하고, 이와 반대로, 크롬의 함량이 1.0wt%를 초과하는 경우, Cr계 석출물 및 매트릭스 고용량이 증가하여 인성이 저하되고, 원가 상승으로 생산비가 증가할 수 있다.
티타늄(Ti)은 고온에서 석출물을 형성하여 결정립 미세화에 효과적으로 기여할 수 있다. 이러한 티타늄은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.015wt% 내지 0.080wt% 포함될 수 있다. 티타늄이 상기 함량 범위로 포함되면, 연주 불량 및 석출물 조대화를 방지하고, 강재의 물성을 용이하게 확보할 수 있으며, 강재 표면에 크랙 발생 등의 결함을 방지할 수 있다. 티타늄의 함량이 0.015wt% 미만인 경우, 상기 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반면에, 티타늄의 함량이 0.080wt%를 초과하는 경우, 석출물이 조대화되어 연신율 및 굽힘성 하락이 발생할 수 있다.
티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 몰리브덴(Mo)은 질화물 또는 탄화물 형태의 미세석출물들을 형성함으로써, 핫 스탬핑, 담금질한 부재의 강도를 확보할 수 있다. 또한, 이들은 Fe-Mn계 복합 산화물에 함유되고, 내지연 파괴 특성 향상에 유효한 수소 트랩 사이트로서 기능하고, 내지연 파괴성을 개선하는 데 필요한 원소이다.
보다 구체적으로, 니오븀(Nb)은 마르텐사이트 패킷 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성을 증가시킬 수 있다. 이러한 니오븀은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.015wt% 내지 0.080wt% 포함될 수 있다. 니오븀이 상기 범위로 포함 시 열간압연 및 냉간압연 공정에서 베이스 강판(10)의 결정립 미세화 효과가 우수하고, 제강/연주시 슬래브의 크랙 발생과, 제품의 취성 파단 발생을 방지하며, 제강성 조대 석출물 생성을 최소화할 수 있다. 니오븀의 함량이 0.015wt% 미만인 경우, 상기 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반면에, 니오븀의 함량이 0.080wt%를 초과하는 경우, 니오븀 함량 증가에 따른 강도 및 인성은 더 이상 향상되지 않고 페라이트 내에 고용된 상태로 존재하여 오히려 충격인성을 저하시킬 위험이 있다.
몰리브덴(Mo)은 치환형 원소로써 고용강화 효과로 강의 강도를 향상시킨다. 몰리브덴은 석출물 조대화 억제 및 소입성 향상을 목적으로 첨가된다. 또한, 몰리브덴(Mo)은 강의 경화능을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 이러한 몰리브덴은 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.1wt% 내지 0.7wt% 포함될 수 있다. 몰리브덴의 함량이 0.1wt% 미만인 경우, 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반면에, 몰리브덴의 함량이 0.7wt%를 초과하는 경우, 압연 생산성 및 연신율 하락 위험이 있으며, 추가적인 효과없이 제조비용만 상승시키는 문제가 있다.
붕소(B)는 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 변태를 억제하여 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 열처리 시 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 또한, 붕소는 결정입계에 편석되어 입계 에너지를 낮추어 소입성을 증가시키고, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 이러한 붕소는 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.001wt% 내지 0.008wt% 포함될 수 있다. 붕소가 상기 범위로 포함시 경질상 입계 취성 발생을 방지하며, 고인성과 굽힘성을 확보할 수 있다. 붕소의 함량이 0.001wt% 미만인 경우, 소입성 효과가 부족하고, 이와 반대로, 붕소의 함량이 0.008wt%를 초과하는 경우, 고용도가 낮아 열처리 조건에 따라 결정립계에서 쉽게 석출되어 소입성이 열화되거나 고온 취화의 원인이 될 수 있고, 경질상 입계 취성 발생으로 인성 및 굽힘성이 저하될 수 있다.질소(N)는 베이스 강판(10) 전체 중량에 대하여 0.005wt% 이하로 포함될 수 있다. 질소의 함량이 0.005wt%를 초과하는 경우, 조대한 TiN 개재물이 생성되어 굽힘성이 감소할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)은 미세석출물을 포함할 수 있다. 즉, 베이스 강판(10) 내에 미세석출물들이 분포될 수 있다. 전술한 베이스 강판(10)에 포함된 원소들 중 일부는 미세석출물들 형성에 기여하는 질화물 또는 탄화물 생성 원소일 수 있다. 구체적으로, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 몰리브덴(Mo)은 질화물 또는 탄화물 형태의 미세석출물들을 형성할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)은 베이스 강판(10) 내에 분포된 미세석출물들을 포함할 수 있으며, 이러한 미세석출물들은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 질화물 또는 탄화물을 포함할 수 있다. 이러한 미세석출물들은 핫 스탬핑 부품(1)의 굽힘 변형 시 크랙의 전파를 억제할 수 있다. 다시 말해, 굽힘 변형 시 전위가 이동하는 과정에서 미세석출물들에 의해 전위(dislocation)의 이동이 제한될 수 있다.
미세석출물들이 베이스 강판(10) 내에 형성되는 개수 및 미세석출물들의 평균 직경은 사전 설정된 범위를 만족하도록 제어될 수 있다. 일 실시예로, 약 0.02㎛ 이하의 직경을 갖는 미세석출물들은 베이스 강판(10) 내에 단위면적(100㎛2)당 9,000개/100㎛2 이상 30,000개/100㎛2 이하로 분포될 수 있다. 또한, 일 실시예로, 베이스 강판(10) 내에 분포하는 미세석출물들의 평균 직경은 0.006㎛ 이하일 수 있으며, 바람직하게는 0.003㎛ 이상 0.006㎛ 이하일 수 있다.
이와 같은 미세석출물들의 개수와 평균 직경은 크랙 전파 억제에 영향을 줄 수 있다. 미세석출물들의 개수 및 평균 직경이 전술한 범위로 형성되면, 핫 스탬핑 후 요구되는 인장강도를 확보하고 굽힘성을 향상시킬 수 있다. 한편, 단위면적(100㎛2)당 미세석출물들의 개수가 9,000개/100㎛2 미만인 경우 핫 스탬핑 부품의 강도가 저하될 수 있다. 단위면적(100㎛2)당 미세석출물들의 개수가 30,000개/100㎛2를 초과하는 경우, 핫 스탬핑 부품의 굽힘성이 저하될 수 있다. 한편, 미세석출물들의 평균 직경이 약 0.003㎛ 미만인 경우, 미세석출물들의 크기가 작아서 전위(dislocation)의 이동을 제한하기 어려울 수 있다. 미세석출물들의 평균 직경이 약 0.006㎛를 초과하는 경우, 미세석출물의 개수가 상대적으로 감소하여 전위(dislocation)의 이동의 제한이 효과적이지 않을 수 있다.
한편, 베이스 강판(10)은 미세 구조가 분포된 마르텐사이트 조직을 포함할 수 있다. 마르텐사이트 조직은 냉각 중 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms) 아래에서 오스테나이트γ의 무확산 변태 결과이다. 마르텐사이트 조직 내에 미세 구조는 초기 오스테나이트 결정립계(prior austenite grain boundary, PAGB) 라는 결정립내 급냉 중 만들어지는 무확산 변태 조직으로, 복수의 래스(lath) 구조를 포함할 수 있다. 복수의 래스 구조는 나아가 블록(Block), 패킷(Packet)과 같은 단위체를 구성할 수 있다. 보다 상세하게, 복수의 래스 구조는 블록을 형성하고, 복수의 블록은 패킷을 형성하며, 복수의 패킷은 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB)를 형성할 수 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)은 복수의 블록을 갖는 마르텐사이트 조직을 포함할 수 있다. 이러한 복수의 블록들은 패킷을 형성할 수 있으며, 이러한 복수의 블록들 각각은 일 방향으로 배향된 길고 얇은 로드(rod) 형태의 래스에 의해 형성될 수 있다. 다시 말해, 마르텐사이트 조직은 복수의 래스 구조를 포함할 수 있다.
이러한 복수의 블록, 복수의 패킷 또는 복수의 래스에 의해 마르텐사이트 조직 내에 단위조직들간 경계가 형성될 수 있다. 구체적으로, 복수의 래스들에 의해 래스들 간의 경계인 래스경계(lath boundary)가 마르텐사이트 조직 내에 형성될 수 있다. 유사하게, 복수의 블록들에 의해 블록들 간의 경계인 블록경계(block boundary)가 마르텐사이트 조직 내에 형성될 수 있으며, 복수의 패킷들에 의해 패킷경계(Packet boundary)가 마르텐사이트 조직 내에 형성될 수 있다. 즉, 본 명세서에서 단위조직들간 경계는 래스경계, 블록경계 또는 패킷경계일 수 있다. 이러한 단위조직들간 경계는 외부 변형에 저항하는 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 핫 스탬핑 부품(1)의 굽힘 변형 시 생성되는 크랙은 전위(dislocation)라는 1차원적 결함이 마르텐사이트 조직 내에서 상호작용을 통해 이동함에 따라 발생될 수 있다. 따라서, 굽힘 변형 시 전위가 마르텐사이트 조직 내에서 이동하는 과정에서 단위조직들간 경계에서 전위(dislocation)의 이동이 제한될 수 있다.
한편, 단위조직들간 경계에 인접한 마르텐사이트 조직 내 영역들의 경도가 상이한 경우, 이러한 단위조직들간 경계에서 외부 변형에 저항하는 특성이 약화될 수 있다. 다시 말해, 마르텐사이트 조직 내의 경도, 예컨대 나노압입경도의 차이가 클수록 이러한 단위조직들간 경계에서 외부 변형에 저항하는 특성이 약화될 수 있다. 즉, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도가 일정 수준 이상으로 균일하게 형성되는 경우, 핫 스탬핑 부품은 굽힘성을 확보할 수 있다. 따라서, 마르텐사이트 내의 나노압입경도의 균일도를 적절히 제어할 필요가 있다.
[표 1]은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 나노압입경도, 나노압입경도의 표준편차, 나노압입경도의 평균, 변동계수 및 굽힘각을 나타낸다.
나노압입경도는 나노인덴터(nanoindenter)를 이용하여 측정되었다. 구체적으로, 나노압입경도는 큐브-코너 팁(cube-corner tip: 중심선에서 면간 각도(centerline-to-face angle)=35.3°, 압입 변형율(indentation strain rate)=0.22)을 나노인덴터로 사용하여, 하나의 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB) 내의 상이한 20개 이상의 포인트에서 측정되었다. 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 베르코비치 팁(Berkovich tip: 중심선에서 면간 각도=65.3°, 압입 변형율=0.072)을 나노인덴터로 사용할 수도 있다.
이러한 나노압입경도들을 이용하여, 나노압입경도의 평균과 표준편차가 계산되었다. 변동계수는 나노압입경도의 표준편차를 나노압입경도의 평균으로 나눈 값으로 정의될 수 있다. 따라서, 변동계수도 나노압입경도의 균일도를 나타낼 수 있다. 나노인덴터를 이용한 나노압입경도의 측정은 나노압입경도의 측정에서 일반적인 내용이므로, 자세한 설명은 생략한다.
한편, [표 1]의 나노압입경도들은 하나의 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB)에서 측정되었으나, [표 1]과 관련된 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB) 이외의 다른 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB)에서도 동일하거나 유사한 나노압입경도가 측정되었다. 따라서, [표 1]의 나노압입경도, 나노압입경도의 표준편차, 나노압입경도의 평균 및 변동계수는 마르텐사이트 조직에서의 나노압입경도, 나노압입경도의 표준편차, 나노압입경도의 평균 및 변동계수를 나타낸다. 전술한 나노압입경도의 균일도는 이러한 나노압입경도의 표준편차 또는 변동계수를 통해 평가될 수 있다.
한편, 핫 스템핑 부품의 굽힘 성능은 굽힘각에 의해 평가될 수 있다. 본 명세서에서 "굽힘각"은 압연 방향(rolling direction, RD)의 V-벤딩각을 의미할 수 있다. V-벤딩각은 핫 스탬핑 부품의 굽힘 성능에서 나타나는 변형 중 최대 하중 구간들에서의 굽힘 변형 물성을 평가하는 파라미터이다. 즉, 핫 스탬핑 부품(1)의 하중-변위 평가에 따른 거시적, 미시적 크기에서의 굽힘 시 인장 변형 영역을 살펴보면, 국부적인 인장영역에서 미세 크랙이 발생, 전파되면 V-벤딩각이라 불리는 굽힘 성능이 평가될 수 있다.
상기 [표 1]를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서 나노압입경도는 3.0GPa 이상 5.0GPa 이하일 수 있다. 바람직하게는, 나노압입경도는 3.05GPa 이상 4.95GPa 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는 3.18GPa 이상 4.95GPa 이하일 수 있다. 나노압입경도의 표준편차는 0GPa 초과 0.8GPa 이하일 수 있다. 바람직하게는, 나노압입경도의 표준편차는 0.2GPa 이상 0.6GPa 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 나노압입경도의 표준편차는 0.28GPa 초과 0.59GPa 미만일 수 있다. 변동계수는 0 초과 0.2 이하일 수 있다. 바람직하게는, 변동계수는 0.05 이상 0.15 이하일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 변동계수는 0.06 이상 0.14 이하일 수 있다.
비교예들의 경우 나노압입경도가 2.4GPa 이상 5.2GPa 이하이고, 나노압입경도의 표준편차가 0.8GPa를 초과하며, 변동계수가 0.2를 초과하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 비교예들은 상대적으로 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 실시예들에 비해 낮아서, 단위조직들간 경계에서 외부 변형에 저항하는 특성이 열위할 수 있다. 따라서, 미세 크랙의 발생 및/또는 전파가 용이하므로, 70° 미만의 상대적으로 낮은 굽힘성 특성을 가지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도가 일정 수준 이상으로 균일하게 형성되는 경우, 핫 스탬핑 부품(1)은 굽힘성을 확보할 수 있다. 본 발명의 실시예들의 핫 스탬핑 부품(1)의 굽힘각은 70° 이상 85° 이하일 수 있다. 한편 나노압입경도의 표준편차나 변동계수가 전술한 범위를 초과하는 경우, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 저하되어, 핫 스탬핑 부품(1)은 충분한 굽힘성을 확보하기 어려울 수 있다. 나노압입경도의 표준편차나 변동계수가 전술한 범위 미만인 경우, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 증가되기는 하나, 핫 스탬핑 부품(1)의 제조 비용이 과도하게 증가할 수 있다.
이러한 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도는 마르텐사이트 조직 내의 탄소의 함량의 균일도 및 망간의 함량의 균일도에 영향을 받을 수 있다. 즉, 마르텐사이트 조직 내의 탄소 함량 및 망간의 함량이 균일하게 형성되는 경우, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도도 균일하게 형성될 수 있다.
[표 2]는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 탄소 함량 및 탄소 함량의 표준편차를 나타낸다.
탄소 함량은 하나의 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB) 내의 상이한 20개 이상의 포인트에서 측정되었다. 한편, [표 2]의 탄소 함량들은 하나의 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB)에서 측정되었으나, [표 2]와 관련된 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB) 이외의 다른 초기 오스테나이트 결정립계(PAGB)에서도 동일하거나 유사한 탄소 함량이 측정되었다. 따라서, [표 1]의 탄소 함량 및 탄소 함량의 표준편차는 마르텐사이트 조직에서의 탄소 함량 및 탄소 함량의 표준편차를 나타낸다. 전술한 탄소 함량의 균일도는 이러한 탄소 함량의 표준편차를 통해 평가될 수 있다.
상기 [표 2]를 참조하면, 본 발명의 실시예들에서 탄소 함량은 0.14wt% 이상 0.22wt% 이하일 수 있다. 탄소 함량의 표준편차는 0wt% 초과 0.04wt% 미만일 수 있다. 바람직하게는, 탄소 함량의 표준편차는 0.01wt% 이상 0.03wt% 이하일 수 있다.
비교예들의 경우 탄소 함량이 0.11wt% 이상 0.23wt% 이하이고, 탄소 함량의 표준편차가 0.04wt% 이상인 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 비교예들은 상대적으로 마르텐사이트 조직 내의 탄소 함량의 균일도가 실시예들에 비해 낮을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)의 단면을 나타내는 현미경 사진이다. 도 10은 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 단면을 나타내는 현미경 사진이다. 구체적으로, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)의 망간 함량의 균일도를 설명하기 위한 현미경 사진이며, 도 10은 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판의 망간 함량의 균일도를 설명하기 위한 현미경 사진이다. 도 9과 도 10은 망간의 함량에 따라 해당 영역의 색이 달라질 수 있다. 즉, 붉은색을 띄는 영역의 망간 함량이 푸른색을 띄는 영역의 망간 함량보다 상대적으로 높을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(1)의 베이스 강판(10)은 전체적으로 도 9에 도시된 것과 같은 푸른색을 띄는 영역이 관찰되었다. 그러나, 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판은 일부 영역에서 도 10에 도시된 것과 같은 붉은색 또는 노란색을 띄는 영역이 관찰되었다. 즉, 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 베이스 강판은 일부 영역에서 망간 함량이 높으므로, 비교예들은 상대적으로 마르텐사이트 조직 내의 망간 함량의 균일도가 실시예들에 비해 낮을 수 있다.
전술한 바와 같이, 비교예들은 상대적으로 마르텐사이트 조직 내의 탄소 함량의 균일도 및 망간 함량의 균일도가 실시예들에 비해 낮을 수 있다. 이에 따라, 비교예들은 마르텐사이트 조직 내에 탄소와 망간이 균일하게 분포되지 않으므로, 비교예들은 상대적으로 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 실시예들에 비해 낮을 수 있다. 한편, 탄소 함량의 표준편차가 전술한 범위를 초과하는 경우, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 저하되어, 핫 스탬핑 부품(1)은 충분한 굽힘성을 확보하기 어려울 수 있다. 탄소 함량의 표준편차가 전술한 범위 미만인 경우, 마르텐사이트 조직 내의 나노압입경도의 균일도가 증가되기는 하나, 핫 스탬핑 부품(1)의 제조 비용이 과도하게 증가할 수 있다.
한편, 이러한 베이스 강판(10)의 나노압입경도 및 나노압입경도의 표준편차는 전술한 핫 스탬핑 부품의 제조 공정들의 공정 조건을 조절함으로써 제어할 수 있다. 물론, 탄소 함량 및 탄소 함량의 표준 편차는 나노압입경도 및 나노압입경도의 표준편차와 관련되므로, 탄소 함량 및 탄소 함량의 표준 편차도 핫 스탬핑 부품의 제조 공정들의 공정 조건을 조절함으로써 제어될 수 있다.
[표 3]은 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 베이스 강판들 각각이 포함하는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 붕소(B) 및 질소(N)의 함량을 나타낸다.
본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 베이스 강판들은 전술한 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 크롬(Cr), 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 붕소(B) 및 질소(N)의 함량의 범위를 만족한다. 즉, 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 베이스 강판들 각각은 탄소(C): 0.15~0.27wt%, 실리콘(Si): 0.15~1.0wt%, 망간(Mn): 0.5~1.10wt%, 인(P): 0.018wt% 이하, 황(S): 0.005wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al): 0.1~1.0wt%, 티타늄(Ti): 0.015~0.080wt%, 니오븀(Nb): 0.015~0.080wt%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7wt%, 붕소(B): 0.001~0.008wt%, 질소(N): 0.005wt% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
[표 4]는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 제조 공정들의 공정 조건들을 나타낸다. 구체적으로, [표 4]는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 제조 공정들 중 재가열 단계(S10)에서의 슬래브 재가열 온도(SRT), 열간압연 단계(S20)에서의 마무리 압연 온도(FDT), 냉각/권취 단계(S30)에서의 권취 온도(CT) 및 소둔 열처리 단계(S50)의 소둔 온도를 나타낸다.
본 발명의 실시예들 및 비교예들의 핫 스탬핑 부품들은 1,100℃ 내지 1,300℃의 슬래브 재가열 온도(SRT)를 갖는 재가열 단계(S10), 800℃ 내지 1000℃의 마무리 압연 온도(FDT)를 갖는 열간압연 단계(S20) 및 Ae3±200℃의 소둔 온도를 갖는 소둔 열처리 단계(S50)을 거쳐 제조된다. 다만, 본 발명의 실시예들은 Ms+50℃ 이상 650℃ 미만의 권취 온도(CT)를 갖는 냉각/권취 단계(S30)를 거쳐 제조되나, 비교예들은 650℃ 초과의 권취 온도(CT)를 갖는 냉각/권취 단계(S30)를 거쳐 제조된다. 즉, 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 제조 공정들은 권취 온도 이외에 다른 공정 조건들은 동일하거나 유사하다. 한편, 본 발명의 실시예들 및 비교예들의 핫 스탬핑 부품들 모두 도금 단계(S60)를 거쳐 제조되므로, 본 발명의 실시예들 및 비교예들의 핫 스탬핑 부품들 모두 Al-Si 도금층을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 블랭크 내에 존재하는 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량이 상대적으로 높은 펄라이트가 국부적으로 집적된 영역(펄라이트 영역)의 크기, 밀도 및 면적분율은 권취 온도(CT)에 영향을 받는다. 즉, 블랭크 내의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량의 균일도는 권취 온도(CT)에 영향을 받는다. 이러한 펄라이트 영역은 블랭크 준비 단계(S1) 이후의 가열 등에 의해 핫 스탬핑 부품에서는 없거나 최소화될 수 있다. 그러나, 블랭크 내의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량은 핫 스탬핑 부품(1) 내의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량에 일정한 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 블랭크 내의 탄소(C)의 함량 및/또는 망간(Mn)의 함량은 핫 스탬핑 부품(1) 내의 나노압입경도 및 굽힘각에도 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 핫 스탬핑 부품들의 제조 공정들 중 냉각/권취 단계(S30)에서의 권취 온도(CT)를 제어함으로써, 핫 스탬핑 부품(1)의 마르텐사이트 조직 특성을 최적화하여 핫 스탬핑 부품(1)의 고강도, 고인성의 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있다. 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 권취 온도(CT) 이외의 핫 스탬핑 부품의 제조 공정들의 공정 조건들을 제어함으로써, 전술한 범위의 나노압입경도 및 나노압입경도의 표준편차를 갖는 핫 스탬핑 부품(1)을 제조할 수 있다.
이를 통해 핫 스탬핑 부품(1)의 인장강도, 항복강도, 굽힘 특성, 연신율 등의 기계적 특성을 제어할 수 있다. 예컨대, 핫 스탬핑 부품(1)의 인장강도는 1,350MPa 이상을 만족할 수 있고, 바람직하게는 1,350MPa 이상 1,650MPa 이하를 만족할 수 있다. 또한, 핫 스탬핑 부품(1)의 항복강도는 950MPa 이상을 만족할 수 있고, 바람직하게는 950MPa 이상 1,200MPa 이하를 만족할 수 있다. 또한, 핫 스탬핑 부품(1)은 70° 이상 85° 이하의 굽힘각을 만족하고, 6% 이상의 연신율을 가질 수 있다. 바람직하게는 핫 스탬핑 부품(1)은 6% 이상 9% 이하의 연신율을 가질 수 있다.
[표 5]는 본 발명의 실시예들 및 비교예들에 따른 핫 스탬핑 부품들의 인장강도, 항복강도 및 연신율을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 핫 스탬핑 부품들 각각은 1,350MPa 이상 1,650MPa 이하의 인장강도, 950MPa 이상 1,200MPa 이하의 항복강도 및 6% 이상 9% 이하의 연신율을 가질 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 핫 스탬핑 부품
10: 베이스 강판
20: 도금층
10: 베이스 강판
20: 도금층
Claims (12)
- 탄소(C): 0.15~0.27wt%, 실리콘(Si): 0.15~1.0wt%, 망간(Mn): 0.5~1.10wt%, 인(P): 0.018wt% 이하, 황(S): 0.005wt% 이하, 크롬(Cr): 0.1~1.0wt%, 알루미늄(Al): 0.1~1.0wt%, 티타늄(Ti): 0.015~0.080wt%, 니오븀(Nb): 0.015~0.080wt%, 몰리브덴(Mo): 0.1~0.7wt%, 붕소(B): 0.001~0.008wt%, 질소(N): 0.005wt% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판을 포함하는 핫 스탬핑 부품에 있어서,
상기 베이스 강판은 마르텐사이트 조직을 포함하고,
상기 마르텐사이트 조직의 나노압입경도는 3.0GPa 이상 5.0GPa 이하이고,
상기 나노압입경도의 표준편차는 0.8GPa 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 부품의 굽힘각은 70°이상 85° 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 나노압입경도의 상기 표준편차를 상기 나노압입경도의 평균으로 나눈 값을 변동계수라고 할 때, 상기 변동계수는 0.2 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트 조직의 탄소(C)의 함량의 표준편차는 0.04wt% 미만인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 강판 내에 분포된 미세석출물들을 더 구비하고,
상기 미세석출물들은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 및 몰리브덴(Mo) 중 적어도 어느 하나의 탄화물을 포함하는, 핫 스탬핑 부품. - 제5항에 있어서,
단위면적(100㎛2)당 분포된 상기 미세석출물들의 개수는 9,000개 이상 30,000개 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제5항에 있어서,
상기 미세석출물들의 평균 직경은 0.003㎛ 이상 0.006㎛ 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 부품의 인장 강도는 1,350MPa 이상 1,650MPa 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 부품의 항복 강도는 950MPa 이상 1,200MPa 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 부품의 연신율은 6% 이상인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트 조직은 복수의 래스(Lath) 구조를 포함하는, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 베이스 강판 상에 배치된 도금층;을 더 구비하는, 핫 스탬핑 부품.
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