KR20240048616A

KR20240048616A - 내금형소착성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간 성형 부재 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR20240048616A
Application number: KR1020220128022A
Authority: KR
Inventors: 오꽃님; 황현석; 오지은; 조용균
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2022-10-06
Filing date: 2022-10-06
Publication date: 2024-04-16
Also published as: WO2024076133A1

Abstract

본 발명은 자동차 등에 사용되는 알루미늄 도금강판과 이를 이용하여 제조된 열간성형부재 및 이들은 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

내금형소착성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간 성형 부재 및 이들의 제조방법{ALUMINUM BASED PLATED STEEL SHEET HAVING EXCELEENT DIE POLLUTION RESISTANCE, HOT PRESS FORMED PART USING THE SAME AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 자동차 등에 사용되는 알루미늄 도금강판과 이를 이용하여 제조된 열간성형부재 및 이들을 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 강재에 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, 열간성형(Hot Press Forming) 공정이 제안된 바 있다. 상기 열간성형 공정은 열간 프레스 성형, 열간가공 등으로 불리기도 한다. 상기 열간성형 공정은 강재를 가공하기 좋은 고온(800℃ 이상)에서 가공한 후, 금형(mold)에서 프레스 성형을 하면서, 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 최소화할 수 있다.

이러한 열간성형을 이용하게 되면, 복잡한 형상도 쉽게 성형을 할 수 있을 뿐만 아니라, 제조된 부품(열간성형부재)는 높은 강도를 확보할 수 있는 장점이 있으므로, 최근 그 활용성이 높아지고 있는 실정이다. 특히, 강재 표면에 알루미늄, 아연 등을 이용한 도금강재를 사용함으로써, 높은 내식성도 확보할 수 있다. 일예로, 특허문헌 1은 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 성형 공정에 이용하는 내용이 개시되어 있다.

알루미늄, 아연 등이 도금된 강재를 열간 성형하기 위해 가열하는 경우, 소지철의 Fe가 도금층으로 확산되면서 알루미늄, 아연 등의 도금층과 합금화 반응이 일어나게 된다. 이런 경우, 도금층이 브리틀(brittle)해지고 표층부에 합금층 가루(파우더, powder)가 발생할 수 있다. 이러한 합금층 가루는 금형에서의 프레스 가공 시, 금형에 지속적으로 쌓이게 되어, 결국 금형 소착(燒着, Die Pollution)을 야기하는 문제를 발생시킨다.

금형에 상기 합금층 가루들이 쌓여 금속 소착을 야기하게 되면, 금형에서 성형된 열간성형부재에 찍힘 흔적이 발생하게 된다. 금형 소착에 의한 찍힘 흔적은 주변부와 달리 강재의 두께가 상대적으로 얇아, 고강도를 요구하는 차체 적용시 응력 집중을 받게 되고 쉽게 파괴가 일어날 수 있는 문제를 야기한다. 이러한 문제는 자동차에 적용될 경우, 안전과도 직결되는 문제이므로, 이를 해소하는 것이 필요하다.

상기 금형 소착 현상은 자동차 부품 제조사에서는 피할 수 없는 상황이므로, 자동차 부품 제조사들은 금형의 상태를 확인하면서 금형 소착이 발생하기 전, 금형에 쌓여있는 합금층 파우더들을 에어 블로우(Air Blower)로 불어주어 제거하거나, 금형 소착이 발생했을 때, 열간 성형 라인을 중단시키고 글라인더(Grinder) 등으로 제거해주는 작업을 수행하고 있다.

이와 같이 금형 소착으로 인한 문제 및 불편함은 제품의 품질과 생산성을 저하시키는 문제가 있으므로, 이를 개선하고자 하는 요구가 끊이지 않고 있는 실정이다.

미국 등록특허 제6,296,805호

본 발명의 일측면은 열간성형 등에 사용될 수 있는 알루미늄 도금강판에 관한 것으로서, 내금형소착 특성이 우수한 알루미늄 도금강판, 이를 이용한 열간성형부재, 그리고 이들을 제조하는 방법에 관한 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 소지강판 및 상기 소지강판 상에 형성된 Al 도금층을 포함하고,

상기 Al 도금층 표면으로부터 두께 방향으로 GDOES 분석 결과에서, Al 도금층 내 Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기가 13~26 wt.%/㎛ 이고,

상기 Al 도금층의 Fe 함량은 8~24 wt.% 인 알루미늄 도금강판에 관한 것이다.

본 발명의 다른 일태양은 소지강판을 실리콘(Si)을 포함하는 알루미늄(Al) 도금욕에 침지하여 도금액을 소지강판 표면에 부착시키는 단계;

상기 소지강판 표면의 도금 부착량을 에어 나이프(Air Knife, A/K)로 조절하는 단계; 및

도금액이 부착된 소지강판을 냉각수단으로 이송하여 냉각하는 단계를 포함하고, 하기 (식 2)의 조건을 만족하는 알루미늄 도금강판의 제조방법에 관한 것이다.

(식 2) K = 10⁶*(a*d)/(b*c*e)

여기서 a: 도금욕 Si 함량(wt.%), b: 라인 스피드(mpm), c: A/K 간격(mm), d: A/K 압력(kPa), A/K 높이(mm)임

본 발명의 또다른 일태양은 소지철, 상기 소지철 상에 형성된 Fe-Al 합금도금층 및 상기 소지철과 Fe-Al 합금도금층 사이에 형성된 확산층을 포함하고,

하기 (식 3)으로 정의되는 경질층률이 50~75%인 열간 성형 부재에 관한 것이다.

(식 3) 경질층률 =

본 발명의 또다른 일태양은 상기 알루미늄 도금강판을 이용하여 블랭크를 제조하는 단계;

상기 블랭크를 가열하는 단계; 및

가열된 블랭크를 금형에서 성형 및 냉각하는 단계를 포함하는 열간 성형 부재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 일예인 알루미늄 도금강판을 열간성형하는 경우에, 도금층의 합금화에 따른 도금층 가루로 인한 금형의 소착을 저감할 수 있다. 이로 인해, 열간성형부재의 품질의 저하를 막고, 제품의 안정성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 도금층 가루 제거 작업을 생략할 수 있어서, 제품의 생산성 및 비용을 절감할 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 실시예 중 발명예 2의 GDOES의 Fe Depth profile 결과이다.
도 2은 실시예에서 V 밴딩 실험 후 시편을 관찰한 사진이다.
도 3는 실시예에서 V 밴딩 실험 후 발생한 파우더양을 측정한 결과이다.
도 4은 실시예에서 경질층률을 측정한 결과이다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

본 발명에서 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.

본 발명에서 부재라 함은 열간 성형에 의해서 제조된 부품 또는 부품용 재료를 말한다. 또한, 강판은 열간 성형 전의 재료를 의미하고, 코일 등의 형태도 포함한다.

도금강재를 이용하여 열간성형을 행할 경우 도금층의 합금화로 인한 도금층 가루가 금형 소착의 주요 원인이므로, 열간성형 시 상기 도금층 가루를 최소화하는 소재의 개발이 중요하다는 것을 인지하게 되었다.

알루미늄 도금강재는 가열 시 소지철의 Fe가 Al 도금층으로 확산되어 Fe-Al 합금도금층이 형성되고, 상기 소지철과 Fe-Al 합금도금층 사이에 확산층이 형성된다. 상기 확산층과 Fe-Al 합금도금층은 Fe 함량에 따라 소지철 부분에서부터 Fe 함량이 높은 α-Fe부터 시작하여 Fe₃Al → FeAl → Fe₂Al₅ → FeAl₃ 형태로 Fe가 확산하면서 Fe-Al 합금을 형성하게 된다. Fe함량이 높은 α-Fe 및 Fe₃Al, FeAl이 많이 형성된 부분은 확산층이라고 하며, 이외 Al 함량이 상대적으로 높은 Fe₂Al₅, FeAl₃이 많이 형성된 부분을 Fe-Al 합금도금층이라고 한다. 상기 Fe-Al 합금에서 Fe₂Al₅ 및 FeAl₃은 α-Fe, Fe₃Al, FeAl 보다 경도가 높고 브리틀(Brittle)한 특성을 가지고 있기 때문에 열간 프레스 성형 시에 가루가 많이 발생하고, 이로 인한 열간성형 시 금형소착 문제의 주요 원인이 되고 있다.

이에 본 발명자들은 금형소착 문제를 개선하기 위해서, 알루미늄 도금강판의 열간성형 시 도금층의 합금화에서 Fe-Al 합금 중 Fe 함량이 높은 α-Fe, Fe₃Al, FeAl의 함량을 높이고, 반대로 Fe₂Al₅ 및 FeAl₃의 비율을 줄일 수 있는 방안을 깊이 연구하여, 본 발명에 이르게 되었다.

먼저, 본 발명 알루미늄 도금강판의 일구현예에 대해 상세히 설명한다.

상기 알루미늄 도금강판은 소지강판 및 상기 소지강판 상에 형성된 Al 도금층을 포함하고, 상기 Al 도금층은 상기 소지강판과의 계면에 형성된 합금층을 포함한다. 상기 합금층은 소지강판과 Al 도금층이 반응하여 합금화된 층을 의미한다. 상기 합금층이 형성되는 일예로서, 소지강판을 Al 도금욕에 침지하는 경우 소지강판과 Al 도금욕 성분이 먼저 반응하여 형성될 수 있다.

상기 Al 도금층 표면으로부터 소지강판 내부의 두께 방향으로 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, 글로우 방전 광학 분출 분광법) 분석 결과에서, Al 도금층 내 Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기가 13~26 wt.%/㎛을 포함한다.

앞서 설명한 바와 같이, 금형소착을 개선하기 위해서는 열간성형을 위한 가열 시, Al 도금층의 합금화 과정에서 Fe 함량이 적어 비교적 브리틀(Brittle)한 특성의 Fe₂Al₅, FeAl₃의 형성을 억제하고, 상대적으로 Fe 함량이 높은 α-Fe, Fe₃Al, FeAl의 함량을 높여야 한다. 이를 위해, 상기 열간성형 시, 단기간에 Fe를 Al 도금층으로 충분히 확산시켜 합금화를 행하는 것이 필요하다.

하기 (식 1)의 확산 제1법칙(Fick's first law)에 의하면, 확산은 농도가 높은 곳에서 농도가 낮은 곳으로 확산되며, 농도 구배가 클수록 확산되는 양이 많아지게 된다.

(식 1)

J_B: 단위시간당 단위 면적을 지나는 원자의 수를 나타내는 Flux

D_B: B 원자의 확산 계수

C: 농도

x: 방향

dC_B/dx: x방향으로의 농도 변화율

즉, 상기 (식 1)에 의하면, 열간성형 시 단시간 내에 소지강판의 Fe 확산량 내지 플럭스(Flux)양을 늘리는 방법은 상기 Al 도금강판에서 Al 도금층과 소지강판 사이에서 형성되는 Fe 농도 기울기가 클수록 가능하다. 상기 Fe 농도 기울기가 급격할수록 열간성형 시 단시간 내에 Fe 확산량을 높일 수 있고, 열간성형부재의 확산층 및 합금층의 Fe 함량이 높은 합금상이 더 많이 형성되고, 브리틀(Brittle)한 합금상의 비율은 줄어들게 된다.

상기 Al 도금층 표면으로부터 소지강판 내부의 두께 방향으로 GDOES 분석 결과에서, Al 도금층 내 Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기가 13~26 wt.%/㎛, 바람직하게는 13.5~23 wt.%/㎛ 인 것이 효과적이다. 이하, 도 1을 참고하여 상세히 설명한다. 도 1은 후술하는 실시예에서 제조된 발명예 2의 도금강판에 대해 표면으로부터 GDOES(Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy)의 Fe 농도 깊이 프로파일(depth profile)을 나타낸 그래프이다.

도 1에 나타낸 바와 같이 상기 Fe 농도 기울기는 Al 도금층 표면으로부터 소지강판 내부의 두께 방향으로 GDOES 깊이 프로파일(depth profile)로 분석한 경우, Al 도금층 표면으로부터 관찰되는 Fe 함량의 기울기는 완만하다가 급격히 증가하다가 다시 완만한 양상으로 변하게 된다. 이를 통해 소지강판과의 계면에 형성된 합금층이 확인되며, 상기 합금층의 두께는 약 2~6㎛로 확인될 수 있다. 즉, 합금층의 Fe 기울기와 도금층 내 Fe 기울기가 변하는 변곡점(도 1의 화살표 참고)이 GDOES 프로파일 상에서 확인된다. 상기 변곡점은 Al 도금층내에서 AlSi 도금층과 합금층(AlSiFe)을 구분할 수 있는 지표로 생각할 수 있으며, 상기 변곡점으로 합금층을 구분할 수 있다. 상기 GDOES 프로파일 상에서 Fe의 함량(wt.%) 프로파일 그래프에서 Fe 기울기가 변하는 변곡점의 위치는 주로 30 wt.%~60 wt.% 사이에서 존재한다. 따라서 상기 Fe 농도 기울기를 좀 더 상세하게 정의하기 위해서는 Fe 농도 기울기 값을 40 wt.% ~90 wt.% 사이로 한정하며, 40~90 wt.% Fe 구간의 농도 기울기 값을 측정한다.

상기 Al 도금층 내 Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기가 13 wt.%/㎛ 미만인 경우에는 통상적인 Al 도금 강판의 특성으로써 본 발명에서 개발하고자 하는 금형소착 개선 Al 도금강판이 아니며, 26 wt.%/㎛을 초과하는 경우에는 Al 도금강판 내 합금층의 두께가 너무 얇아 Al 도금강판 열간 성형 시 소지철의 Fe가 얇은 합금층을 쉽게 파괴하여 급격한 확산이 일어나게 되고, 이로 인하여 불균일한 합금층이 형성되어 내식성 저하가 야기될 수 있다.

상기 Al 도금층의 Fe 함량은 8~24 wt.%, 보다 바람직하게는 8.5~23 wt.% 인 것이 효과적이다.

상기 Al 도금층의 Fe 함량에 대한 측정방법의 일예로써, 반지름 25㎜의 원형의 도금층을 녹여 ICP(Inductively Couples Plasma)로 측정한다. 구체적인 방법으로, 반지름 25 mm의 원형의 Al 도금층을 20% NaOH 용액에 1차 용해를 행하고, HCl과 인히비터(Inhibitor)가 1:3 비율로 첨가된 용액에서 도금층을 모두 2차 용해한 다음, 상기 1차 용해액과 2차 용해액을 모두 합한 용액을 ICP로 분석하여 Al, Si 및 Fe의 함량을 측정하며 이 때의 Fe 함량이 본 발명에서는 8~24 wt.%, 보다 바람직하게는 8.5~23 wt.%가 되어야 효과적이다.

GDOES의 Fe 프로파일(Profile)에서 Fe 함량은 Fe 프로파일을 적분하여 구할 수도 있으나, GDOES 프로파일은 두께방향으로의 해당 위치의 Fe 함량을 나타내는 것으로, 도금층 전체에 포함된 성분의 함량을 관찰하는 것은 다소 곤란한 점이 있다. 이에 비해, ICP 분석은 도금층을 용해한 샘플에 대한 성분 분석으로, Al 합금층을 포함하는 도금층 전체에 포함된 Fe 함량을 구할 수 있으므로, 함량 측정 데이터의 신뢰도가 높다.

한편, 상기 Al 도금층의 Fe 함량이 8 wt.% 미만인 경우에는 통상적인 Al 도금강판의 특성으로써 본 발명에서 개발하고자 하는 금형소착 개선 Al 도금강판이 아니며, 24 wt.%를 초과하는 경우에는 도금층 내 Fe 함량과 소지강판의 Fe 함량 차이가 충분히 클수록 열간 성형 시 Fe 확산을 촉진시킬 수 있으나, 도금층 내 Fe 함량이 24 wt.%를 초과하게되면 오히려 소지강판의 Fe와 도금층의 Fe의 함량에 큰 차이가 없게 되어, 열간 성형 시 소지철의 Fe가 Al 도금강판으로 확산이 느려지는 문제를 야기할 수 있다.

상기 Al 도금층은 본 발명이 속하는 열간성형용 도금강판의 기술분야에 통상의 기술자에 의해 행해지는 열간성형용 도금강판에서 널리 사용되는 Al계 도금이면 충분하고, 그 성분의 함량이나 종류를 특별히 한정하지 않는다. 순수 Al 도금뿐만 아니라, Al에 일부 Si을 포함하여 행해지는 도금, Al에 일부 Zn을 포함하여 행해지는 도금, Al에 일부 Si, Mg, Zn, Fe 등 어느 하나 이상을 포함하여 행해지는 도금 등을 모두 포함할 수 있다.

상기 Al 도금층의 두께는 3㎛ ~ 30㎛, 보다 바람직하게는 4㎛ ~ 26㎛ 인 것이 효과적이다.

상기 Al 도금층의 두께가 3㎛ 미만인 경우에는 도금층의 두께가 너무 얇아 Al 도금강판 표면에 미도금이 다량 발생하여 열간 성형 후 부품의 내식성에 영향을 미칠 수 있으며, 30㎛를 초과하는 경우에는 열간 성형 시 소지철의 Fe가 빠른 확산을 하더라도 도금층의 두께가 두꺼워 브리틀(brittle)한 상들의 분율이 높아 금형소착을 개선하기 어려운 문제점이 있을 수 있다.

한편, 상기 소지강판은 열간성형에 사용될 수 있는 강판이면 대상을 특별히 한정하지 않는다. 열연강판, 냉연강판 등 제조공정상 분류뿐만 아니라, 이상조직강(Dual Phase, DP), 복합조직강, TRIP강, TWIP강 등 강종, 합금의 성분계를 특별히 제한하지 않는다.

구체적인 일예로서, 22MnB5 강종이 대표적이고, 이는 wt.%(중량%)로 탄소(C): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 1.0~2.0%, 실리콘(Si): 0.02~0.30%, 보론(B): 5~45 ppm을 함유하고, 나머지는 불가피한 불순물과 철(Fe)을 포함하는 강종일 수 있다.

또한, 상기 소지강판은 화학 조성이, wt.％로, 탄소(C): 0.02 내지 0.6％, 실리콘(Si): 0.001 내지 2％, 알루미늄(Al): 0.001 내지 1%, 망간(Mn): 0.1 내지 4％, 인(P): 0.05％ 이하, 황(S): 0.02％ 이하, 질소(N): 0.02％ 이하, 티타늄(Ti): 0 내지 0.1％, 보론(B): 0.0001 내지 0.01％, 구리(Cu): 0 내지 1.00％, 몰리브덴(Mo): 0 내지 1.00％, 크롬(Cr): 0 내지 1.00％, 니켈(Ni): 0 내지 1.00％, 바나듐(V): 0 내지 1.00％, 칼슘(Ca): 0 내지 0.01％, 니오븀(Nb): 0 내지 0.1％, 주석(Sn): 0 내지 1％, 텅스텐(W): 0 내지 1％, 안티몬(Sb): 0 내지 1％, 마그네슘(Mg): 0 내지 0.1%, 코발트(Co): 0 내지 1%, 비소(As): 0 내지 1%, 지르코늄(Zr): 0 내지 1%, 비스무스(Bi): 0 내지 1%, 희토류금속(REM): 0 내지 0.3％, 나머지 Fe 및 불순물로 이루어지는 강종일 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일예에 따른 알루미늄 도금강판 제조방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 상기 알루미늄 도금강판 제조방법은 소지강판을 도금욕에 침지하여 도금액을 소지강판 표면에 부착시키는 단계; 상기 소지강판 표면의 도금 부착량을 조절하는 단계; 및 도금액이 부착된 소지강판을 냉각수단으로 이송하는 단계를 포함한다. 이하, 각 단계에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 소지강판을 도금욕에 침지하여 도금액을 소지강판 표면에 부착한다.

상기 소지강판은 앞서 설명한 바와 같이, 열간성형부재로 사용될 수 있는 것이면 그 대상, 강종 등을 특별히 한정하지 않는다. 상기 소지강판을 도금욕에 침지하기 전에 소지강판을 일정한 온도(인입온도)로 가열할 수 있다. 이때 인입온도는 620~680℃인 것이 효과적이다. 상기 소지강판을 인입온도로 가열하여, 용융된 알루미늄이 강판 표면에서 급속히 응고되어, 유동성 감소에 따라 도금 부착량의 편차 발생하거나 미도금되는 문제 등을 방지할 수 있다. 다만, 과도한 가열시에는 오히려 강판의 용해를 촉지하여 드로스 발생을 가속화할 수 있다.

상기 도금욕은 Al계 도금욕일 수 있으며, 상기 Al계 도금욕은 Al 도금층을 형성하기 위한 것으로서, 열간성형용 도금강판에 적용될 수 있는 도금이라면 본 발명에도 제한없이 적용될 수 있다. 바람직한 일예로서, 상기 도금욕 조성은 실리콘(Si): 6~12 wt.%, 철(Fe): 1~4 wt.%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

상기 도금욕의 온도는 630~680℃인 것이 효과적이다. 상기 도금욕의 온도가 너무 낮게 되면 도금욕 내 도금액의 유동성이 저하될 수 있은 반면, 그 온도가 너무 높으면 도금욕 내 드로스 발생이 많아질 수 있다.

다음으로, 상기 소지강판의 도금 부착량을 조절한다. 상기 도금 부착량을 조절하는 수단 내지 방법은 특별히 한정하지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적으로 행해지는 방법으로 행할 수 있다. 일예로서 에어 나이프(Air Knife, A/K)를 이용한다.

상기 도금 부착량은 편면 기준 8~80g/m², 도금층 두께는 3~30㎛인 것이 효과적이다. Al 도금의 도금 부착량은 통상적으로 도금층 두께 × 2.7을 하였을 때 도금 부착량으로 환산할 수 있으며, 3~30㎛의 도금층 두께를 도금 부착량으로 환산 시 약 8~80 g/m² 이다. 보다 바람직한 두께는 4~26㎛ 이고, 도금 부착량은 10~70 g/m²이다.

상기 도금 부착량이 조절된 소지강판은 냉각수단으로 이송되어 냉각된다. 도금액이 부착된 소지강판이 냉각수단에 진입하게 되면 급격한 냉각이 시작되고, Al 도금층에서의 합금층의 반응이 멈출 수 있다. 상기 냉각수단의 일예로 쿨링타워(cooling tower)가 있다.

상기 제조방법은 하기 식 2로 정의되는 K 값이 200~400인 것이 효과적이다.

상기 식 2는 하기와 같이 계산될 수 있다.

(식 2) K = 10⁶*(a*d)/(b*c*e)

여기서 a: 도금욕 Si 함량(wt.%), b: 라인 스피드(mpm), c: A/K 간격(mm), d: A/K 압력(kPa), A/K 높이(mm) 이며, 라인 스피드는 도금욕을 통과하여 이송되는 속도를 의미하고, 도금 부착량을 조절하기 위한 에어 나이프(A/K)의 간격은 강판과 에어 나이프 사이의 간격을 의미하며, A/K 높이는 도금욕으로부터 A/K까지의 거리를 의미한다.

상기 (식 2)는 금형의 내소착성을 향상시키는 도금강판을 제조하기 위해 도금층의 특성을 결정짓는 여러가지 변수들에 대한 각각의 특성을 고려한 것으로써, 내소착성 개선 목적을 위해 도금강판 제조 시 영향을 미치는 인자와 이들의 상관관계를 고려한 점에서 기술적 의미를 갖는다.

금형의 내소착성을 향상시키기 위한 강판을 제조하기 위해 도금욕 Si 함량, 도금욕 온도, 인입온도, Line Speed, A/K 간격, A/K 압력, A/K 높이, Cooling Tower 냉각속도 등의 여러 공정 인자를 고려한 결과, 도금욕 Si 함량, Line Speed, A/K 간격, A/K 압력, A/K 높이를 최적화하는 것이 필요하고, 이를 상기 (식 2)로 도출하였으며, 상기 (식 2)의 K값이 200~400일 때, 금형의 내소착성이 향상될 수 있다.

구체적으로, 상기 K값이 200 미만일 경우, A/K 압력이 내금형소착성을 향상시킬 만큼 높지 않거나 혹은 Line Speed, A/K 간격, A/K 높이가 낮기 때문에 소착성 향상에 어려움이 있으며, K값이 400 초과일 경우 A/K 압력이 너무 높거나 혹은 Line Speed, A/K 간격, A/K 높이가 적정 값보다 높기 때문에 소착성 향상이 곤란하다.

상기 소지강판을 도금욕에 침지하기 앞서, 다양한 방식으로 제공될 수 있다. 일예로, 강슬라브를 가열한 후, 열간압연, 권취, 냉간압연, 소둔 등의 공정을 포함하여 제조될 수 있다. 여기서 요구되는 강슬라브의 가열, 열간압연, 권취, 냉간압연, 소둔 등의 구체적인 공정 조건은 소지강판에 요구되는 특성에 따라 달라질 수 있으므로, 특별한 한정하지 않는다.

다음으로, 본 발명 열간성형부재의 일구현예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 열간성형부재는 소지철, 상기 소지철 상에 형성된 Fe-Al 합금도금층을 포함하고, 상기 Fe-Al 합금도금층과 소지철 사이에 형성된 확산층을 포함한다.

상기 Fe-Al 합금도금층 및 확산층은 알루미늄 도금강판를 가열하는 과정에서 도금층 성분과 소지철 성분의 상호 확산 및 반응으로 합금화된 것을 말한다. 확산층과 Fe-Al 합금도금층은 Fe함량이 높은 α-Fe, Fe₃Al 및 FeAl이 많이 형성된 부분을 확산층이라고 하며, 이외 Al 함량이 상대적으로 높은 Fe₂Al₅, FeAl₃이 많이 형성된 부분을 Fe-Al 합금도금층이라고 한다. 확산층과 Fe-Al 합금도금층은 열간성형부재의 단면을 Nital 에칭을 통해 광학으로 확인 가능하며, 확산층은 마르텐사이트로 변태된 소지철 바로 위에 존재하는 첫번째 층이며, 이후의 두번째 층부터는 Fe-Al 합금도금층으로 볼 수 있다.

상기 열간성형부재는 하기 (식 3)으로 정의되는 경질층률이 50~75%인 것이 효과적이다.

(식 3) 경질층률 =

상기 경질층률이 75% 초과인 경우 열간 성형 시의 가열 시간이 더 늘어나야 하기 때문에 부품 성형재의 생산성 저하를 야기할 수 있으며, 따라서 통상적인 가열시간에서 생산성을 저하시키지 않은 범위 내 경질층률이 가장 낮을 수 있는 75% 이하인 것이 효과적이다. 한편, 상기 경질층률이 50%를 미만인 경우에는 통상 Al 도금강판의 열간성형 부재에서 나타날 수 있는 경질층률로써 내금형소착성이 개선된 Al 도금강판의 열간성형 부재로 보기 어렵다.

열간성형 부재의 소지철은 앞서 설명한 열간성형용 도금강판의 소지강판과 비교할 때, 합금조성에 있어서는 차이가 크지 않으나, 미세조직 상에 차이가 있을 수 있으므로 이를 구별하는 것이 바람직하다. 이에 본 발명에서도 소지강판은 열간성형용 도금강판에서 사용되는 것이고, 열간성형 부재에서는 소지철인 것으로 구별하였다. 한편, 열간성형용 도금강판의 소지강판의 경우에는 페라이트와 펄라이이트 조직을 이루고 있으나, 열간성형을 거친 형성된 열간성형 부재의 소지철에서는 주상으로 마르텐사이트가 형성되고 일부 베이나이트가 형성될 수 있다.

다음으로, 본 발명 열간성형부재 제조방법의 일구현예에 대해 상세히 설명한다. 이를 위해, 블랭크를 제공한다. 상기 블랭크의 일예로서, 앞서 설명한 알루미늄 도금강판을 이용하여 제조할 수 있다.

상기 제공된 블랭크를, 오스테나이트 단상역 온도 이상, 보다 구체적으로 Ac3~975℃의 온도범위로 가열하는 것이 바람직하다. 상기 가열온도가 Ac3 온도 미만에서는 이상역 구간에 따른 미변태된 페라이트의 존재로 인하여 강도 및 내충돌성을 확보하기 어렵다. 반면 가열온도가 975℃를 초과하게 되면 부재 표면에 과다한 산화물이 생성되어 점용접성의 확보가 어렵고, 높은 온도 유지를 위한 제조비용이 상승한다. 이와 같이 가열된 블랭크는 상기 온도범위에 1~1000초가 유지하는 것이 바람직하다. 유지시간이 1초 미만에서는 블랭크 전체에서의 균일한 온도 분포가 힘들어 위치별 재질 편차를 유발할 수 있으며, 1000초를 초과하게 되면 표면에 과도한 산화물 생성에 따른 점용접성 확보가 어려울 뿐만 아니라 부재의 제조 비용 증가를 유발할 수 있다.

상기 가열된 블랭크를 프레스로 이송하여 성형 및 냉각하는 공정을 행한다. 이때 냉각속도는 20℃/s이상인 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 20℃/s 미만에서는 냉각 중 페라이트 상이 도입되어 결정립계에 생성되고 강도, 내충돌성 등 물성을 열화시킬 수 있다. 상기 블랭크의 이송, 성형 및 냉각의 과정을 특별히 제한되지 않으며, 열간성형 공법에 대해 통상적으로 활용되는 것을 그대로 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명의 권리범위는 하기 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

(실시예)

본 발명의 실시예에서는 통상적인 22MnB5 소지강판을 준비하여, 약 9~10 wt.%의 Si을 포함하고 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지하여 알루미늄 도금강판을 제조하였다. 이때 도금욕의 온도는 640~670℃ 이고, 소지강판의 인입온도는 650~680℃로 행하였다.

상기 도금강판을 제조하기 위해서, 이때 도금욕 중 Si 함량, 강판 이송속도(라인 스피드) 및 10~80g/㎡으로 편면 도금 부착량을 조절하였다. 상기 도금 부착량은 에어 나이프(Air Knife, A/K)로 조절하고, 냉각수단인 쿨링 타워(cooling tower)로 이송하여 냉각을 행하였다. 이때 공정 조건을 표 1에 나타내었다.

구분	도금욕 Si 함량 (wt.%)	라인 스피드 (mpm)	에어 나이프(A/K)			쿨링 타워 냉각속도 (℃/s)	식 2
구분	도금욕 Si 함량 (wt.%)	라인 스피드 (mpm)	A/K 간격 (mm)	A/K 압력 (kPa)	A/K 높이 (mm)	쿨링 타워 냉각속도 (℃/s)	식 2
비교예 1	7.5	120	15	11	900	15	51
비교예 2	7.5	100	14	11	1000	13	59
비교예 3	7.5	75	9	11	900	14	136
비교예 4	7.5	75	11	13	800	14	148
비교예 5	9.5	90	10	10	1000	15	106
비교예 6	9.5	90	9	11	900	16	143
비교예 7	9.5	80	10	11	900	15	145
비교예 8	9.5	75	12.5	10	1000	15	101
비교예 9	9.5	120	15	12	1000	14	63
비교예 10	9.5	120	15	11	900	15	65
비교예 11	9.5	100	14	11	1000	13	75
발명예 1	9.5	75	7.5	11	900	14	206
발명예 2	9.5	75	10	13	800	14	206
발명예 3	9.5	65	8	13	800	15	297
발명예 4	9.5	60	9	13	800	15	286
발명예 5	9.5	60	7.5	12	700	14	362
비교예 12	9.5	55	7.5	12	600	15	461
비교예 13	11.5	60	5.5	13	900	16	503
비교예 14	11.5	70	7.5	15	800	14	411
비교예 15	11.5	65	5	12	1000	13	425
비교예 16	11.5	50	7.5	11	800	15	422
비교예 17	11.5	60	5	12	1000	14	460

상기 식 2는 하기와 같이 계산될 수 있다.

(식 2) K = 10⁶*(a*d)/(b*c*e)

여기서 a: 도금욕 Si 함량(wt.%), b: 라인 스피드(mpm), c: A/K 간격(mm), d: A/K 압력(kPa), A/K 높이(mm) 임

상기와 같이 제조된 알루미늄 도금강판에 대해, Al 도금층에서의 Fe 농도 기울기와 Al도금층의 합금성분을 측정하여 이를 표 2에 함께 나타내었다.

상기 Fe 농도 기울기는 제조된 알루미늄 도금강판의 Al 도금층 표면으로부터 깊이 방향을 GDOES 분석한 결과에서, Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기를 구하였다. 상기 합금성분은 Al 도금층을 20% NaOH 용액에 1차 용해를 행하고, HCl과 인히비터(Inhibitor)가 1:3 비율로 첨가된 용액에서 도금층을 모두 용해(2차)한 다음, 상기 1차 용해액과 2차 용해액을 모두 합한 용액을 ICP로 분석하여 Al, Si 및 Fe의 함량을 측정하였다.

구분	Al 도금층 조성(wt.%)			Fe 농도 기울기 (wt.%/㎛)
구분	Al	Si	Fe	Fe 농도 기울기 (wt.%/㎛)
비교예 1	83.70	7.10	5.2	7.53
비교예 2	84.60	7.60	6.8	8.01
비교예 3	86.30	7.90	5.8	8.32
비교예 4	79.50	7.60	6.0	8.76
비교예 5	84.40	8.80	5.1	9.65
비교예 6	85.00	9.10	5.9	10.23
비교예 7	84.40	8.70	6.9	11.11
비교예 8	84.10	8.80	7.1	11.43
비교예 9	82.90	9.30	7.8	11.78
비교예 10	83.70	9.10	7.2	10.91
비교예 11	84.60	8.60	6.8	10.43
발명예 1	82.60	8.90	8.5	13.04
발명예 2	79.50	8.60	11.9	14.57
발명예 3	78.40	8.80	12.8	15.83
발명예 4	76.30	9.40	14.3	16.98
발명예 5	74.30	9.90	15.8	18.08
비교예 12	75.50	10.20	14.3	9.29
비교예 13	85.00	10.50	5.9	10.23
비교예 14	84.40	11.10	6.9	11.11
비교예 15	78.40	10.80	12.8	9.93
비교예 16	76.30	11.70	14.3	9.98
비교예 17	79.50	11.30	6.0	8.76

도 1은 상기 표 2에서 발명예 2의 GDOES Fe 농도 프로파일을 나타낸 그래프이다.

상기 표 1 및 2과 같이 제조된 알루미늄 도금강판에 대해, 내금형소착 특성을 평가하여, 그 결과를 하기 도 2 내지 도 3 및 하기 표 3에 나타내었다. 특히, 상기 실시예 중 비교예 1 및 4와 발명예 1 및 3에 대하여, 내금형소착 특성을 평가한 사진을 도 2와 표 3에 나타내었다. 도 2의 (a) 및 (b)는 상기 비교예 1과 비교예 4의 사진이고, (c) 및 (d)는 발명예 1과 발명예 3의 사진이다.

상기 내금형소착 특성을 확인하기 위해, 각 시편을 900℃에서 5분간 열처리한 부재를 만들고, 열처리한 부재에 대해 V-bending 실험법(조건: 20°, 2R)으로 파우더링성 평가를 행하였다. 소착의 원인은 금형(mold) 프레스 시에 많은 양이 도금층에서 떨어진 가루(powder)가 쌓임과 이를 제 때 제거하지 못함으로써 발생한다. 따라서, 파우더링성을 평가를 통해 내금형소착 특성을 확인할 수 있다.

상기 파우더링성 평가는 상기와 열처리한 시편은 60×30 mm로 전단 후 V 밴딩 실험을 행하였다. 이때 실험조건은 20°, 2R 로 수행하였으며, 실험 전과 후의 무게를 측정하여 그 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 도 2에서는 하기 표 3의 일부 시편의 V 밴딩 시험 결과 후 사진을 나타내었고, 도 3는 표 2의 각 시편에서의 파우더 발생량(감량된 평균 무게)를 그래프로 나타내었다.

구분	밴딩 전 (g)	밴딩 후 (g)	무게 감량 (mg)	평균 (mg)
비교예 1	16.8168	16.8053	11.5	9.73
	16.7302	16.723	7.2
	16.8058	16.7953	10.5
비교예 4	16.2243	16.2193	5.0	6.13
	16.3358	16.3318	4.0
	16.5039	16.4945	9.4
발명예 1	16.4125	16.4102	2.3	2.63
	16.2917	16.2883	3.4
	16.3992	16.3970	2.2
발명예 3	16.2142	16.2121	2.1	1.83
	16.1682	16.1662	2.0
	16.0855	16.0841	1.4

상기 표 3과 도 2 내지 3의 결과에서 볼 수 있듯이, 본 발명에서 제시된 범위를 만족하는 발명예에 해당되는 알루미늄 도금강판은 열간 성형 과정에서 도금 파우더 발생이 현저히 감소한 것을 알 수 있다.

한편, 상기 열처리한 표 2의 각 시편에 대해, 합금화된 도금층이 확산층과 Fe-Al 합금도금층을 형성함을 확인하고, 이에 대한 경질층률을 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 상기 경질층률을 측정하기 위해, 각 시편을 단면 광학으로 관찰하여 Fe-Al 합금도금층과 확산층의 두께를 측정하였다. 상기 경질층률은 하기 (식 3)으로 계산하였다.

(식 3) 경질층률 =

상기 도 4의 결과를 보면, 발명예에 비해, 비교예는 경질층률이 높은 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 발명예는 도금강판에서 많은 양의 Fe가 도금층 내에 존재할 뿐만 아니라 합금층 내 Fe 기울기가 크기 때문에 많은 양의 Fe가 확산할 수 있기 때문에 열처리 후의 확산층의 비율이 높아 경질층률이 낮아지게 되어 파우더링 발생량이 저하되었다.

Claims

소지강판 및 상기 소지강판 상에 형성된 Al 도금층을 포함하고,
상기 Al 도금층 표면으로부터 두께 방향으로 GDOES 분석 결과에서, Al 도금층 내 Fe 함량이 40~90 wt.% 인 구간에서의 Fe 농도 기울기가 13~26 wt.%/㎛ 이고,
상기 Al 도금층의 Fe 함량은 8~24 wt.% 인 알루미늄 도금강판.
청구항 1에 있어서,
상기 Al 도금층은 소지강판과의 계면에 형성된 합금층을 포함하고, 상기 합금층의 두께는 2~6㎛인 알루미늄 도금강판.
청구항 1에서,
상기 Fe 농도 기울기는 13.5~23 wt.% 인 알루미늄 도금강판.
청구항 1에 있어서,
상기 Al 도금층의 Fe 함량은 8.5~23 wt.% 인 알루미늄 도금강판.
청구항 1에 있어서,
상기 Al 도금층의 두께는 3~30㎛인 알루미늄 도금강판.
청구항 1에 있어서,
상기 소지강판은 wt.%로 C: 0.02 내지 0.6％, Si: 0.001 내지 2％, Al: 0.001 내지 1%, Mn: 0.1 내지 4％, P: 0.05％ 이하, S: 0.02％ 이하, N: 0.02％ 이하, Ti: 0 내지 0.1％, B: 0.0001 내지 0.01％, Cu: 0 내지 1.00％, Mo: 0 내지 1.00％, Cr: 0 내지 1.00％, Ni: 0 내지 1.00％, V: 0 내지 1.00％, Ca: 0 내지 0.01％, Nb: 0 내지 0.1％, Sn: 0 내지 1％, W: 0 내지 1％, Sb: 0 내지 1％, Mg: 0 내지 0.1%, Co: 0 내지 1%, As: 0 내지 1%, Zr: 0 내지 1%, Bi: 0 내지 1%, REM: 0 내지 0.3％, 나머지 Fe 및 불순물로 이루어지는 알루미늄 도금강판.
소지강판을 실리콘(Si)을 포함하는 알루미늄(Al) 도금욕에 침지하여 도금액을 소지강판 표면에 부착시키는 단계;
상기 소지강판 표면의 도금 부착량을 에어 나이프(Air Knife, A/K)로 조절하는 단계; 및
도금액이 부착된 소지강판을 냉각수단으로 이송하여 냉각하는 단계를 포함하고, 하기 (식 2)의 조건을 만족하는 알루미늄 도금강판의 제조방법.
(식 2) K = 10⁶*(a*d)/(b*c*e)
여기서 a: 도금욕 Si 함량(wt.%), b: 라인 스피드(mpm), c: A/K 간격(mm), d: A/K 압력(kPa), A/K 높이(mm)임
청구항 7에 있어서,
상기 소지강판의 도금욕 인입온도는 620~680℃인 알루미늄 도금강판의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 도금 부착량은 8~80g/m²인 알루미늄 도금강판의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 도금욕은 실리콘(Si): 6~12 wt.%, 철(Fe): 1~4 wt.%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 알루미늄 도금강판의 제조방법.
청구항 7에 있어서,
상기 도금욕의 온도는 630~680℃인 알루미늄 도금강판의 제조방법.
소지철, 상기 소지철 상에 형성된 Fe-Al 합금도금층 및 상기 소지철과 Fe-Al 합금도금층 사이에 형성된 확산층을 포함하고,
하기 (식 3)으로 정의되는 경질층률이 50~75%인 열간 성형 부재.
(식 3) 경질층률 =
청구항 1 내지 6 중 어느 하나의 알루미늄 도금강판을 이용하여 블랭크를 제조하는 단계;
상기 블랭크를 가열하는 단계; 및
가열된 블랭크를 금형에서 성형 및 냉각하는 단계
를 포함하는 열간 성형 부재의 제조방법.