WO2016104879A1

WO2016104879A1 - 프레스성형시 내파우더링성이 우수한 hpf 성형부재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: WO2016104879A1
Application number: PCT/KR2015/004321
Authority: WO
Inventors: 손일령; 배대철; 김흥윤
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2016-06-30
Also published as: CN106164317A; US20180223387A1; US20160362764A1; EP3239336A1; WO2016104879A8; US10808292B2; JP6437635B2; US9963758B2; ES2875073T3; JP2017535666A; KR101569509B1; MX2017003310A; CN106164317B; CN108893694A; EP3239336A4; EP3239336B1

Abstract

프레스성형시 내파우더링성이 우수한 HPF 성형부재 및 이들의 제조방법이 제공된다. 본 발명은, 소지 강판의 표면에 Al을 포함하는 용융도금층이 형성되어 있는 HPF 성형 부재에 있어서, 상기 소지강판은, 중량%로 C : 0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 0.9~1.5%, P : 0.03% 이하, S : 0.01%이하, Al : 0.01~0.05%, Cr : 0.05~0.5%, Ti : 0.01~0.05%, B : 0.001~0.005, N : 0.009%이하, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 포함하고; 상기 용융도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고; 상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고 상기 합금층은 그 두께가 35㎛ 이하가 되도록, 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성됨을 특징으로 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재에 관한 것이다.

Description

프레스성형시 내파우더링성이 우수한 HPF 성형부재 및 이의 제조방법

본 발명은 그 표면에 알루미늄 도금층을 갖는 HPF 성형부재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 프레스 성형시 도금층의 파괴 및 파우더링화를 최소화하여 프레스성형시 우수한 내파우더링성을 갖는 HPF 성형부재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

알루미늄 도금 HPF(HOT PRESS FORMING)용 강판은 통상 Al을 베이스로 하는 도금욕에 소입성이 큰 강판을 침지하여 도금처리함으로써 제조되며, 그 표면에 Al 도금층을 갖는 도금강판은 후속하여 열간프레스 처리되어 형상이 복잡하며 강도가 1300MPa 이상인 자동차용 부재의 제조에 널리 사용되고 있다.

그런데 HPF 열처리 과정에서 상기 도금층은 FeAl, 혹은 Fe2Al5 등으로 이루어진 금속간 화합물을 포함하는 합금화층을 상층으로 하고, Fe 80~95 중량%(이하 강성분은 모두 중량%임)로 구성된 확산층을 하층으로 하는 구성을 지니게 된다. 그런데, 상기 도금층 중 상부의 합금화층은 확산층에 비하여 취성을 갖고 있기 때문에, 프레스 성형시 도금층으로부터 탈락하여 프레스면에 흡착되어 연속적인 프레스 성형을 어렵게 하는 단점이 있다.

즉, Al 도금재를 통상 900~930℃의 가열로에서 가열하여 프레스 성형을 하게 되면 표면 마찰이 심한 부위에서 도금층의 탈락이 발생하게 되는데, 이때 상기 부위에서는 합금화층의 전체 혹은 국소부위가 탈락하게 되어 탈락된 도금층이 프레스 금형의 표면에 접착하게 되는 문제가 발생하게 되는 것이다.

따라서 상술한 바와 같은 문제를 극복하고 우수한 프레스 성형성을 갖는 HPF 성형부재에 대한 개발요구가 대두되고 있다.

따라서 본 발명은 상술한 한계를 극복하기 위한 것으로, 특히 합금화층의 두께와 도금층 내 타우상의 분율 및 Si, Cr의 함량을 최적화 함으로서 프레스 성형시 도금층이 탈락되어 금형 표면에 흡착되는 것을 최소화할 수 있는 HPF 성형부재를 제공함에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 상기 HPF 성형부재를 제조하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

소지 강판의 표면에 Al을 포함하는 용융도금층이 형성되어 있는 HPF 성형 부재에 있어서, 상기 소지강판은, 중량%로 C : 0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 0.9~1.5%, P : 0.03% 이하, S : 0.01%이하, Al : 0.01~0.05%, Cr : 0.05~0.5%, Ti : 0.01~0.05%, B : 0.001~0.005 , N : 0.009%이하, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하고;

상기 용융도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고;

상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고

상기 합금층은 그 두께가 35㎛ 이하가 되도록, 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성됨을 특징으로 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재에 관한 것이다.

상기 소지강판은 냉연강판 또는 열연강판일 수가 있다.

상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~2.0 %, 잔여 Fe 및 Al을 포함하여 조성됨이 바람직하다.

상기 용융도금층에서 합금층/확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함이 바람직하다.

상기 타우상은 상기 합금층과 확산층의 경계 및 상기 합금층 내부에 형성되며, 상기 합금층 내부에 형성되는 타우상은 도금층 두께에 수직 방향으로 50% 이상의 구간에서 서로 연결된 띠 형태를 이루고 있는 것이 바람직하다.

상기 소지강판은 Mo + W : 0.001~0.5%로 추가로 포함함이 바람직하다.

또한 상기 소지강판은 Nb, Zr　또는 V 중 1종 이상의 합: 0.001~0.4% 범위로 추가로 포함함이 바람직하다.

또한 상기 소지강판은 Cu + Ni: 0.005~2.0% 범위로 추가로 포함함이 바람직하다.

아울러, 상기 소지강판은 Sb, Sn 또는 Bi 중 1종 이상을 0.03% 이하로 추가로 포함함이 바람직하다.

또한 본 발명은,

상기와 같은 강 조성성분을 갖는 강판을 마련하는 공정;

상기 강판을 550~850℃의 온도로 가열한 후, 640~680℃로 유지되고, 그 조성성분이 중량%로, Si 9~11%, Fe:3% 미만, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 용융알루미늄 도금욕에 침지하여 용융알루미늄 도금처리하는 공정;

상기 용융알루미늄 도금강판을 880~930℃의 온도로 가열한 후, 일정시간 유지함으로써 그 표면의 용융알루미늄 도금층을 합금화시키는 공정; 및

상기 합금화된 용융알루미늄 도금강판을 열간성형함과 동시에, 300℃이하의 온도범위까지 급냉시킴으로써 HPF 성형품을 제조하는 공정;을 포함하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에서는 상기 용융도금 후 도금층이 응고될 때까지의 15℃/s 이상의 평균 냉각속도로 냉각함이 바람직하다.

또한 본 발명에서는, 상기 합금화된 용융알루미늄 도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고; 상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고 상기 합금층은 그 두께가 35㎛ 이하가 되도록, 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성되어 있음이 바람직하다.

상기 강판은 냉연강판 또는 열연강판일 수가 있다.

상기 용융알루미늄 도금층에서 합금층/확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함이 바람직하다.

또한 상기 합금화된 용융알루미늄 도금강판을 열간성형에 앞서, 700~780℃의 온도 범위까지 냉각하는 공정;을 추가로 포함할 수 있다.

이때, 그 냉각속도를 20~100℃/s 범위로 제어함이 바람직하다.

또한 본 발명은,

상기와 같은 강 조성성분을 갖는 소지강판 표면에 용융알루미늄 도금층이 형성된 용융알루미늄 도금강판을 마련하는 공정;

상기 강판은 냉연강판 또는 열연강판일 수가 있다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 용융알루미늄 도금층을 이루는 합금화층의 두께, 도금층 내 타우상의 분율 및 타우상 조성 등을 최적화 함으로서 프레스 성형시 도금층이 탈락되어 금형 표면에 흡착되는 것을 최소화할 수 있는 HPF 성형부재를 효과적으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서 열간 프레스 후의 도금층의 단면을 보여주는 조직사진이다.

도 2는 비교예에 있어서 열간 프레스 후의 도금층의 단면을 보여주는 조직사진이다.

이하, 본 발명을 설명한다.

일반적으로 용융알루미늄도금강판을 HPF 열처리하면, 열간 프레스 후 도금층이 탈락되어 프레스 금형 표면에 달라붙어 프레스 성형성을 저하시킨다는 문제가 있다. 본 발명자들은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하였으며, 그 결과, 상기 용융알루미늄 도금층에서 취성을 갖는 합금화층의 두께를 가능한한 줄이는 방안을 모색하였다. 아울러, 상기 합금화층의 두께가 합금화층 내에 타우상 면적분율과 타우상의 조성에 밀접하게 관련되어 있다는 것을 확인하였다.

상세하게 설명하면, 상기 합금화층에는 Fe2Al5상으로 이루어진 취성을 갖는 기지에 연성을 갖는 FeAl상이라는 타우상이라 분포되어 있다. 그리고 상기 합금화층의 하부에는 소지강판과의 계면에 연질층이 형성되어 있다.

본 발명자들은 상기 합금화층을 이루는 타우상의 조성성분(Si, Cr의 함량)이 중요하며, 특히, 타우상이 그 자체중량%로 Si은 10%이상, Cr은 0.2%이상을 함유하고 있을 때 상기 전체 합금화층 내 타우상의 분율이 10 %이상을 가지도록 분포될 뿐만 아니라 합금화층의 두께가 35㎛ 이내가 되도록 하여 줌으로써 프레스 성형시 도금층의 탈락 현상을 최소화할 수 있음을 확인하고 본 발명을 제시하는 것이다. 다시 말하면, HPF 열처리 후 상기 합금화층 내 타우상의 분율과 타우상내 Si, Cr의 함량이 도금층의 프레스 성형성에 영향을 미침을 발견하여 본 발명을 제시하는 것이다.

이하, 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 본 발명의 HPF 성형부재를 설명한다.

본 발명의 HPF 성형부재는 소지강판의 표면에 용융아루미늄 도금층이 형성되어 있는 용융알루미늄 도금강판을 열간성형하여 제조되는 성형부재를 말한다. 본 발명에서 상기 소지강판은 통상의 냉간압연된 냉연강판을 이용할 수도 있으나, 열간압연된 열연강판을 이용할 수도 있다.

본 발명의 HPF 성형부재를 이루는 소지강판은, 중량%로, C:0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn:0.9~1.5%, P:0.03% 이하, S:0.01%이하, Al:0.01~0.05%, Cr:0.05~0.5%, Ti:0.01~0.05%, B:0.001~0.005, N:0.009%이하를 포함하며 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 조성된다. 상기 소지강판의 강 조성성분 및 그 제한사유를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.

C:0.18~0.25%

상기 C는 마르텐사이트의 강도를 증가시키는 필수적인 원소이다. C 함유량이 0.18% 미만에서는 내충돌특성 확보를 위한 충분한 강도를 얻기가 어렵다. 또한 0.25%를 초과하여 함유하면 슬라브의 충격 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, HPF 성형부재의 용접성이 저하될 수 있다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 C의 함량을 0.18~0.25중량%(이하, 단지 %라 한다)로 제한함이 바람직하다.

Si: 0.1~1.0%

상기 Si는 HPF 후 강재의 재질 균일화에 효과적일 뿐 아니라, HPF 열처리 과정에서 도금층으로의 확산에 의하여 도금층의 타우상 생성에 기여할 수 있다. Si 함유량이 0.1% 미만에서는 재질 균일화 및 도금층에로의 확산에 충분한 효과를 이룰 수 없고, 1.0%를 초과하면 소둔 중 강판 표면에 생성되는 Si 산화물에 의하여 양호한 용융알루미늄도금 표면 품질을 확보하기 어려울 수 있기 때문에 1.0% 이하를 첨가한다.

Mn: 0.9~1.5%

상기 Mn은 Cr, B 등과 같이 강의 경화능을 확보하기 위하여 첨가된다. Mn 함유량이 0.9% 미만에서는 충분한 경화능을 확보하기 어려워 베이나이트가 생성될 수 있어 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 또한 그 함량이 1.5%를 초과하게 되면 강판 제조 비용이 상승될 뿐만 아니라, 강재 내부에 Mn이 편석됨에 따라 HPF 성형부재의 굽힘성을 현저히 저하시킬 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Mn 함유량을 0.9~1.5% 범위로 제한함이 바람직하다.

P:0.03% 이하(0%는 포함하지 않음)

상기 P는 입계편석 원소로서 HPF 성형부재의 많은 특성을 저해시키는 원소로서 가능하면 적게 첨가되는 것이 바람직하다. P 함량이 0.03% 초과하면 성형부재의 굽힘특성, 충격특성 및 용접성 등이 열화되기 때문에 그 상한을 0.03%로 제한함이 바람직하다.

S: 0.01% 이하(0%는 포함하지 않음)

상기 S는 강 중에 불순물로서 존재하여, 성형부재의 굽힘 특성 및 용접성을 저해하는 원소로서 가능하면 적게 첨가되는 것이 바람직하다. S 함량이 0.01% 초과 하면 성형부재의 굽힘 특성 및 용접성 등이 나빠지기 때문에 그 상한을 0.01%로 제한함이 바람직하다.

Al: 0.01~0.05%

상기 Al은 Si과 비슷하게 제강에서 탈산 작용을 목적으로 첨가된다. 이 목적을 달성하기 위하여 Al은 0.01% 이상이 첨가되어야 하고, 그 함량이 0.05% 초과하게 되면 그 효과는 포화될 뿐만 아니라, 도금재의 표면 품질을 열위하게 만들기 때문에, 그 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

Cr: 0.05~0.5%

상기 Cr은 Mn, B 등과 같이 강의 경화능을 확보하기 위하여 첨가된다. 상기 Cr 함유량이 0.05%미만에서는 충분한 경화능을 확보하기 어렵고, 그 함량이 0.5% 초과하게 되면 경화능은 충분히 확보 가능하나, 그 특성이 포화될 뿐만 아니라 강재 제조 비용이 상승할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 Cr의 함유량을 0.05~0.5% 범위로 제한함이 바람직하다.

Ti: 0.01~0.05%

상기 Ti는 강에 불순물로 잔존하는 질소와 결합하여 TiN을 생성시킴으로써, 경화능 확보에 필수적인 고용 B을 잔류시키기 위하여 첨가된다. 상기 Ti 함유량이 0.01% 미만에서는 그 효과를 충분히 기대하기 어렵고, 그 함량이 0.05% 초과하게 되면 그 특성이 포화될 수 있을 뿐만 아니라 강재 제조 비용이 상승할 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 Ti의 함유량을 0.01~0.05% 범위로 제한함이 바람직하다.

B: 0.001~0.005%

상기 B는 Mn 및 Cr과 마찬가지로 HPF 성형부재에 있어서 경화능을 확보하기 위하여 첨가된다. 상기 목적을 이루기 위하여 0.001% 이상 첨가되어야 하고, 그 함량이 0.005%를 초과하면 그 효과는 포화될 뿐만 아니라, 열간압연성을 현저히 떨어뜨린다. 따라서 본 발명에서는 상기 B 함유량을 0.001~0.005% 범위로 제한함이 바람직하다.

N: 0.009%이하

상기 N은 강 중에 불순물로서 존재하며 가능하면 적게 첨가되는 것이 바람직하다. N 함량이 0.009%초과 하게 되면 강재 표면불량을 야기할 수 있을 있기 때문에 그 상한을 0.009%로 제한함이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 HPF 성형부재를 이루는 소지강판은 아래의 성분들을 추가적으로 함유함이 보다 바람직하다.

Mo + W : 0.001~0.5%

상기　Mo와 W은 경화능 및 석출강화 원소로, 고강도를 더욱 확보할 수 있는데 효과가 크다. 　Mo와 W의 첨가량의 합이 0.001% 미만에서는 충분한 경화능 및 석출강화 효과를 얻을 수 없고, 0.5% 초과하면 그 효과가 포화 될 뿐만 아니라 제조 비용이 상승할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 Mo + W의 함유량을 0.001~0.5% 범위로 제한함이 바람직하다.

Nb, Zr　또는 V 중 1종 이상의 합: 0.001~0.4%

상기　Nb, Zr 및 V은 강판의 강도 상승, 결정립 미세화 및 열처리 특성을 향상시키는 원소이다. 상기　Nb, Zr 및 V 중 1종 이상의 함량이 0.001% 미만이면 상기와 같은 효과를 기대하기 어렵고, 그 함량이 0.4%를 초과하면 제조 비용이 과도하게 상승하게 된다. 따라서 본 발명에서는 이들 원소의 함량을 0.001~0.4%로 제한하는 것이 바람직하다

Cu + Ni: 0.005~2.0%

상기 Cu는 미세한 Cu 석출물을 생성하여 강도를 향상시키는 원소이며, 상기 Ni은 강도 상승 및 열처리성을 향상시키는데 유효한 원소이다. 만일 상기 성분들의 합이 0.005% 미만이면 충분히 원하는 강도를 얻을 수 없고, 2.0%를 초과하면 조업성을 열위되고 제조비용을 상승시킬 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 Cu + Ni: 0.005~2.0%로 제어함이 바람직하다.

Sb, Sn 또는 Bi 중 1종 이상 0.03% 이하

상기 Sb, Sn 및 Bi는 입계 편석 원소로 HPF 가열시 도금층과 소지철 계면에 농화되어 도금층 밀착성을 향상시킬 수 있다. 도금층의 밀착력을 향상시킴으로서 열가 성형시 도금층의 탈락 방지에 일조할 수 있다. Sb, Sn 및 Bi는 유사한 특성을 지니고 있기 때문에 3개 원소를 혼합하여 사용하는 것도 가능하며, 이때, 1종 이상의　합을 0.03% 이하로 하는 것이 바람직하다.　　만일 상기 성분들의 합이 0.03%를 초과하면 열간 성형시 소지철의 취성이 악화될 우려가 있기 때문이다.

본 발명의 HPF 성형부재는 상술한 강 조성성분을 갖는 소지강판 표면에 형성된 용융알루미늄 도금층을 갖고 있으며, 이러한 도금층은 알려진 바와 같이, 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어져 있다. 그리고 상기 합금화층은 취성을 갖는 Fe2Al5 기지상과 연성을 갖는 타우상(FeAl)을 포함하여 구성되어 있다. 이때, 본 발명에서 상기 타우상은 상기 합금층과 확산층의 경계 및 상기 합금층 내부에 형성되어 있으며, 상기 합금층 내부에 형성되는 타우상은 도금층 두께에 수직 방향으로 50% 이상의 구간에서 서로 연결된 띠 형태를 이루고 있을 수 있다.

본 발명에서는 상기 합금층에는 타우상(FeAl)이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있음이 바람직하다. 만일 타우상이 면적율이 10% 미만이면 도금층이 기계적으로 취약하여 프레스 가공시 도금층의 탈락이 많아지고, 30%를 초과하면 용접성이 열위해질 수 있기 때문이다.

또한 본 발명에서는 상기 타우상이, 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상을 포함(잔여 성분은 Al 및 Fe 임)하여 조성되는 것이 바람직하다. 상기 타우상의 조성성분을 상기와 같이 제어함으로써 취성을 갖는 상기 합금층의 두께를 35㎛ 이하가 되도록 제어가 가능할 뿐만 아니라 타우상의 면적분율도 제어할 수 있어 본 발명에서 요구하고 있는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재를 제공할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~ 2.0 %, 잔여 Al 및 Fe를 포함하여 조성되도록 하는 것이다.

또한 본 발명에서는 상기 용융알루미늄 도금층에서 상기 경질의 합금층/연질의 확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함이 보다 바람직하다.

상술한 바와 같은 소지강판의 강 조성성분과 도층층의 구성으로 인하여, 본 발명의 HPF 성형부재는 열간성형시 도금층탈락 등과 같은 결함을 방지할 수 있어 내파우더링성을 개선할 수 있다.

다음으로, 프레스 성형시 내파우더링성이 우수한 본 발명의 HPF 성형부재의 제조방법에 대해 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 상술한 바와 같은 강 조성성분을 갖는 강판을 마련한다. 본 발명에서는 상기 강판으로서 냉연강판을 이용할 수 있을 뿐만 아니라 열연강판을 이용할 수도 있다.

구체적으로, 상기 강판으로서 스케일이 제거된 열연강판, 또는 상기 열연판을 냉연한 후 얻어지는 냉연강판을 이용할 수 있다. 그리고 이때 상기 냉연강판으로는 열연강판을 냉연한 후, 750~850℃의 환원성 가스분위기에서 소둔 열처리를 한 경우도 포함된다.

이어, 본 발명에서는 상기 강판을 550~850℃의 온도로 가열한 후, 640~680℃로 유지되고, 그 조성성분이 중량%로, Si 9~11%, Fe:3% 미만, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 용융알루미늄 도금욕을 침지하여 용융알루미늄 도금한다.

즉, 용융 알루미늄 도금을 위하여, 본 발명에서는 상기 강판을 가열로에 장입하여 가열하는데, 이때 그 가열온도 범위를 550~850℃로 제한함이 바람직하다. 상기 강판의 가열 온도가 550℃ 미만이면, 도금욕과의 온도차이가 과도하여 용융 도금시 도금욕의 온도를 냉각시켜 도금 품질이 저하될 우려가 있으며, 850℃를 초과하면 고온에 의한 설비 열화가 우려되기 때문이다.

이어, 640~680℃로 유지되고, 그 조성성분이 중량%로, Si 9~11%, Fe:3% 미만, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 용융알루미늄 도금욕에 상기 가열된 강판을 침지하여 용융알루미늄 도금처리한다. 만일 상기 도금욕의 온도가 640℃ 미만이면 도금층 두께 형성의 균질화가 저하되고, 680℃를 초과하면 고온에 의한 침식현상으로 도금욕의 포트(port)가 열화될 우려가 있기 때문이다.

한편, 본 발명에서는 상기 용융알루미늄 도금욕 조성성분을, 중량%로, Si 9~11%, Fe:3% 미만, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성될 것이 요구된다.

만일 Si 함량이 9% 미만이면, 도금층의 형성이 불균일화 할 뿐 아니라 HPF 가열시 도금층의 타우상 형성이 미비하여 프레스시 도금층의 파손이 우려될 수 있다. 반면에 Si의 함량이 11%를 초과하면 도금욕의 용해 온도가 올라가서 도금욕 관리 온도를 상향시켜야 하는 문제점이 있다.

그리고 도금욕 중 Fe는 도금 과정에서 강판으로부터 도금욕에 용해가 된다. 그러나 도금욕 중 Fe의 함량이 3% 이상이면 도금욕에 드로스라고 하는 FeAl 화합물 덩어리 형성이 용이하여 도금 품질을 저해하기 때문에 3% 미만으로 관리할 필요가 있다.

한편 용융도금 후, 응고과정에서 응고조직이 결정되는데, 이때의 응고조직은 HPF 가열 과정에서 합금화와 타우상의 생성에 중요한 영향을 미치므로 응고 속도를 제어할 필요가 있다. 응고 후 Al 도금층은 Hv 70~100 범위의 경도를 갖는 Al상과 Hv 800~1000의 경도를 갖는 FeAlSi 3원 합금상이 혼재된 조직을 갖게 되는데, 이 조직이 불균일할 경우 HPF 가열 과정에서 타우상의 생성이 충분하지 않거나 연속성을 갖지 않기 때문에 도금층 취화를 억제하는데 좋지 않다.

본 발명자들의 확인결과, 용융도금 후 도금층이 응고될 때까지의 냉각 속도가 평균 15℃/s 이내일 경우 도금층 조직이 불균일하나, 평균 속도가 평균 15℃ 이상일 경우 도금층 중심부에 중심부에 Al상 이외에 FeAlSi 합금상이 존재하지 않는 영역이 평균 50㎛ 이내로 균일하게 제어가 된다. 국부적으로라도 도금층 중심부에 FeAlSi 합금상이 석출하지 않는 Al상 영역이 커지게 되면 도금층의 강도 불균일이 발생한다. 이 경우 열간 프레스 이전에 도금 소재 코일을 풀거나 절단작업을 할 때, 접촉롤에 도금층이 흡착되는 등의 문제가 발생하여 작업에 곤란을 초래하기도 한다. 따라서 도금층 중심부에 FeAlSi상이 석출되는 영역의 길이가 평균 50㎛ 이내가 되고 최대 100㎛를 넘지 않는 것이 필요하다. 더욱 바람직하게는 평균 30㎛ 이내가 바람직하고 최대 50㎛를 넘지 않는 것이 좋다.

이러한 냉각속도를 확보하기 위하여, 용융도금 직후 응고에 이르기까지 수증기를 사용하여 급냉하는 것이 바람직하다. 이때 수증기 이외에 금속편이나 액적(liquid droplet)이 직접 도금 표면을 냉각시키게 되는 경우 도금 조직의 불균일성을 초래할 수 있기 때문이다.

이때, 본 발명에서는 상기 용융알루미늄 도금으로 형성되는 도금층 두께를 25~35㎛ 이내가 되도록 제어함이 바람직하다. 용융도금의 결과, 도금층의 두께가 25㎛ 미만이면 도금층에 의한 부재의 보호가 충분하지 않고, 35㎛ 이상에서는 가열후 도금층의 기계적 물성이 취화하여 도금층에 파우더링이 발생할 수 있기 때문이다.

그리고 본 발명에서는 상기 용융알루미늄 도금강판을 880~930℃의 온도로 가열한 후, 일정시간 유지함으로써 그 표면에 형성된 용융알루미늄 도금층을 합금화시킨다. 본 발명에서는 상기 용융도금강판을 최소 880℃ 이상으로의 가열이 필요하다. 도금강판의 온도가 880℃미만에서는 강 조직의 오스테나이트 균질화가 저하될 우려가 있기 때문이다. 반면에 강판의 온도가 930℃를 초과하면 도금층의 열적 열화의 우려가 있다.

이러한 가열처리로 인하여, 상기 용융알루미늄 도금층은 합금화된다. 즉, 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어진 용융알루미늄 도금층을 얻을 수 있으며, 상기 합금층은 취성을 갖는 Fe2Al5 기지상과 연성을 갖는 타우상(FeAl)을 포함하여 구성되어 있다.

본 발명에서는 상기 합금층에는 타우상(FeAl)이 면적%로 10~30% 범위로 존재함이 바람직하다. 또한 상기 타우상이, 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상을 포함(잔여 성분은 Al 및 Fe 임)하여 조성됨이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~ 2.0 %, 잔여 Al 및 Fe를 포함하여 조성되도록 하는 것이다.

아울러, 본 발명에서는 상기 합금화된 용융알루미늄 도금층에서 상기 경질의 합금층/연질의 확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함이 보다 바람직하다.

한편 본 발명에서 상기 유지시간은 10분을 넘지 않도록 관리함이 바람직하다.

후속하여, 본 발명에서는 상기 합금화된 용융도금강판을 열간성형함과 동시에, 300℃이하의 온도범위까지 급냉시킴으로써 HPF 성형품을 제조한다. 즉, 합금화처리된 강판은 내부가 수냉되는 프레스 성형 금형으로 성형처리되며, 강판의 온도가 300℃ 이하가 된 이후에 금형에서 가공 부재를 꺼냄으로서 HPF 가공을 마무리한다. 열간 프레스 후, 강판의 온도가 300℃ 이상에서 성형부재를 금형에서 꺼내면 열응력에 의한 변형의 우려가 있다.

또한, 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 가열된 강판을, 금형에 의한 열간성형에 앞서, 상기 가열된 강판을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 냉각 과정을 통하여 도금층에 응력이 쌓이지 않게 하여 금형에 의한 성형시 도금층의 균열을 억제하는 효과가 있음을 확인하였다. 다만, 본 단계는 본 발명의 효과를 극대화하기 위한 것일 뿐, 필수적으로 수행되어야 하는 것은 아니다.

상기 냉각시, 냉각속도는 20~100℃/s인 것이 바람직하다. 만약, 냉각속도가 20℃/s 미만인 경우에는 냉각 효과를 기대할 수 없으며, 반면, 100℃/s를 초과할 경우에는 과냉에 의하여 열간 프레스에 의한 마르텐사이트 변태 효과가 감소할 우려가 있다.

상기 냉각시, 냉각종료온도는 700~780℃인 것이 바람직하다. 만약, 냉각종료온도가 700℃ 미만일 경우 열간 프레스에 의한 마르텐사이트 변태 효과가 감소할 우려가 있으며, 반면, 780℃를 초과하는 경우 냉각에 의한 도금층 균열 억제 효과가 감소할 우려가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

(실시예)

먼저, 중량%로 0.227C-0.26Si-1.18Mn-0.014P-0.0024S-0.035Al-0.183Cr-0.034 Ti-0.0023B-0.0040N 조성을 갖는 두께 1.4mm의 냉연강판을 준비한 후, 상기 냉연강판 표면의 기름 및 오염물질을 세척하여 제거하였다.

상기 냉연강판을 760℃로 가열한 후, 660℃로 유지되는 도금욕에 침적하여 강판 위에 용융알루미늄 도금층을 형성시켰다. 이때, 도금욕중 Al이외의 성분은 Si 8-11%로 변동하였으며, Fe의 함량은 1.7~2.5% 범위내에서 평가하였다. 이후, 이와 같이, 용융알루미늄 도금층이 형성된 도금강판을 냉각하였으며, 이때의 냉각속도는 하기 표 1에서 발명예1, 발명예2, 발명예3, 비교예1 및 비교예2를 각각 15℃/s, 35℃/s, 45℃/s, 14℃/s 및 12℃/s로 제어하였다.

이어, 상기 냉각된 도금강판을 하기 표 1과 같이, 900~930℃의 가열로에서 5~6분 장입하여 가열 후에 HPF을 연속하여 실시하였다. 이때, 성형 부재 표면에 도금층에서 탈락된 잔해가 만드는 결함이, 폭 0.5mm 이상이고 그 개수가 5개 이상이 될 때까지 연속작업을 수행하였다.

하기 표 1은 프레스 성형성 평가에 사용된 도금강판 제조에 사용된 도금욕 조성 및 도금층 두께, 그리고 열처리 후의 타우상의 분율, 조성 두께 등을 나타내고 있으며, 아울러, 연속 조업이 가능한 횟수를 요약하여 나타내고 있다. 단, 금형의 형상 및 재질에 따라 연속 조업 횟수의 절대값은 달라질 수 있으나, 본 실시예에서는 합금층의 구조와 조성에 따라 연속조업 횟수의 증감이 확연하게 달라짐을 알 수 있다.

표 1

구분	도금욕 조성(wt%)			가열온도(℃)	가열시간(min)	타우상 분율(%)	타우상의 조성(wt%)				합금층 두께(㎛)	합금층/확산층) 비	연속조업횟수
구분	Al	Si	Fe	가열온도(℃)	가열시간(min)	타우상 분율(%)	Al	Si	Cr	Mn	합금층 두께(㎛)	합금층/확산층) 비	연속조업횟수
발명예1	88.5	9.7	1.8	900	5	21	22.6	10.29	0.28	1.3	30.5	2.8	255
발명예2	88.5	9.7	1.8	930	6	27	23.5	10.50	0.23	1.4	30.2	1.75	290
발명예3	87.0	11	2.0	900	6	19	21.1	11.5	0.25	1.2	29.4	2.2	260
비교예1	89.1	8.8	2.0	900	6	7.2	28.5	8.34	0.15	1.1	36	9.5	80
비교예2	89.5	8.0	2.5	900	6	5.9	29.5	8.11	0.18	1.0	37	8.2	85

*표 1에서 타우상의 분율은 합금층 내 타우상 분율을 의미하며, 타우상의 조성은 자체 중량%를 의미한다(잔여 Fe).

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 합금층을 이루는 타우상의 조성성분에서 Si 을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상으로 함유하고 있는 발명예 1-3의 경우, 모두 합금층 두께가 35㎛이하이고, 아울러, 연속조업횟수도 255 이상으로 우수함을 알 수 있다.

한편 도 1은 본 발명예 1의 도금층 단면을 나타내는 사진이다. 도 1에 나타난 바와 같이, HPF 가공 후 도금층은 합금층 및 확산층으로 구성되어 있고, 타우상은 합금층내 색상이 짙은 부위로 나타남을 알 수 있다.

이에 반하여, 합금층을 이루는 타우상의 조성성분에서 Si 을 10% 미만으로 함유하고 있는 비교예 1-2는 모두 합금층 두께가 35㎛를 초과하고, 아울러, 연속조업횟수도 85 이하로 나쁨을 알 수 있다. 도 2는 본 비교예 1의 도금층 단면을 보이는 조직 사진이다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

소지 강판의 표면에 Al을 포함하는 용융도금층이 형성되어 있는 HPF 성형 부재에 있어서, 상기 소지강판은, 중량%로 C : 0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 0.9~1.5%, P : 0.03% 이하, S : 0.01%이하, Al : 0.01~0.05%, Cr : 0.05~0.5%, Ti : 0.01~0.05%, B : 0.001~0.005 , N : 0.009%이하, 잔부 Fe 및 기타 불순물로 포함하고;

상기 용융도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고;

상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고

상기 합금층은 그 두께가 35㎛ 이하가 되도록, 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성됨을 특징으로 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 소지강판은 냉연강판 또는 열연강판인 것을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~2.0 %, 잔여 Fe 및 Al을 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 용융도금층에서 합금층/확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 타우상은 상기 합금층과 확산층의 경계 및 상기 합금층 내부에 형성되며, 상기 합금층 내부에 형성되는 타우상은 도금층 두께에 수직 방향으로 50% 이상의 구간에서 서로 연결된 띠 형태를 이루고 있음을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 소지강판은 Mo + W : 0.001~0.5%로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 소지강판은 Nb, Zr　또는 V 중 1종 이상의 합: 0.001~0.4% 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 소지강판은 Cu + Ni: 0.005~2.0% 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
제 1항에 있어서, 상기 소지강판은 Sb, Sn 또는 Bi 중 1종 이상을 0.03% 이하로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재.
중량%로 C : 0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 0.9~1.5%, P : 0.03% 이하, S : 0.01%이하, Al : 0.01~0.05%, Cr : 0.05~0.5%, Ti : 0.01~0.05%, B : 0.001~0.005 , N : 0.009%이하, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 강판을 마련하는 공정;

상기 강판을 550~850℃의 온도로 가열한 후, 640~680℃로 유지되고, 그 조성성분이 중량%로, Si 9~11%, Fe:3% 미만, 잔부 Al 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 용융알루미늄 도금욕에 침지하여 용융알루미늄 도금처리하는 공정;

상기 용융알루미늄 도금강판을 880~930℃의 온도로 가열한 후, 일정시간 유지함으로써 그 표면의 용융알루미늄 도금층을 합금화시키는 공정; 및

상기 합금화된 용융알루미늄 도금강판을 열간성형함과 동시에, 300℃이하의 온도범위까지 급냉시킴으로써 HPF 성형품을 제조하는 공정;을 포함하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 합금화된 용융알루미늄 도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고; 상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성되어 있음을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~2.0 %, 잔여 Fe 및 Al을 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 합금화 용융알루미늄 도금층에서 합금층/확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 강판은 냉연강판 또는 열연강판인 것을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 용융알루미늄 도금 후, 도금층이 응고될 때까지의 15℃/s 이상의 평균 냉각속도로 냉각함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 합금화된 용융알루미늄 도금강판을 열간성형에 앞서, 700~780℃의 온도 범위까지 20~100℃/s의 냉각속도로 냉각하는 공정;을 추가로 포함하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 강판은 Mo + W : 0.001~0.5%로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 강판은 Nb, Zr　또는 V 중 1종 이상의 합: 0.001~0.4% 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 강판은 Cu + Ni: 0.005~2.0% 범위로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 10항에 있어서, 상기 강판은 Sb, Sn 또는 Bi 중 1종 이상을 0.03% 이하로 추가로 포함함을 특징으로 하는 프레스성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
중량%로 C : 0.18~0.25%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 0.9~1.5%, P : 0.03% 이하, S : 0.01%이하, Al : 0.01~0.05%, Cr : 0.05~0.5%, Ti : 0.01~0.05%, B : 0.001~0.005 , N : 0.009%이하, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 소지강판 표면에 용융알루미늄 도금층이 형성된 용융알루미늄 도금강판을 마련하는 공정;

상기 용융알루미늄 도금강판을 880~930℃의 온도로 가열한 후, 일정시간 유지함으로써 그 표면의 용융알루미늄 도금층을 합금화시키는 공정; 및

상기 합금화된 용융알루미늄 도금강판을 열간성형함과 동시에, 300℃이하의 온도범위까지 급냉시킴으로써 HPF 성형품을 제조하는 공정;을 포함하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 21항에 있어서, 상기 합금화된 용융알루미늄 도금층은 연질의 확산층과 경질의 합금층으로 이루어지고; 상기 합금층에는 타우상이 면적%로 10~30% 범위로 존재하고 있으며; 그리고 상기 합금층은 그 두께가 35㎛ 이하가 되도록, 상기 타우상이 자체 중량%로, Si을 10% 이상, Cr을 0.2% 이상 포함하여 조성되어 있음을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 21항에 있어서, 상기 소지강판은 냉연강판 또는 열연강판인 것을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 22항에 있어서, 상기 타우상은 자체 중량%로 Si:10~12%, Mn+Cr:1.3~2.0 %, 잔여 Fe 및 Al을 포함하여 조성됨을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.
제 22항에 있어서, 상기 용융알루미늄 도금층에서 합금층/확산층의 두께비가 1.5~3.0를 만족함을 특징으로 하는 프레스 성형시 내파우더링이 우수한 HPF 성형 부재의 제조방법.