WO2017196039A1 - 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법 - Google Patents

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김재성
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Definitions

  • the present invention relates to a high frequency heating method for a hot stamping process, and more particularly, to a high frequency heating method for a hot stamping process for heating a steel sheet to be processed into ultra high strength steel.
  • hot stamping technology is a molding technology in which a steel sheet is heated to an appropriate temperature (about 900 ° C.), molded at a time by press molding in a press mold, and then rapidly cooled to manufacture a high strength part.
  • the high frequency heater requires only a short installation line and can heat the steel sheet in a short time, which is efficient in terms of energy.
  • the present invention has been made to improve the problems of the conventional high frequency heating method for hot stamping as described above, and an object thereof is to provide a high frequency heating method for a hot stamping process capable of high frequency heating even at a temperature above the melting point of the coating film. .
  • the high-frequency heating method for the hot stamping process is a high frequency at a first temperature increase rate of the steel sheet formed with a coating film of aluminum (Al) on the iron (Fe) base material to the primary target temperature
  • a secondary heating step wherein in the second heating step, a compound is formed by the reaction of the coating material and the base material.
  • the second heating step it is also possible to adjust the applied current such that the electromagnetic force (F) generated during high frequency heating is smaller than the inter-bonding force of the coating film or the bonding force f between the coating film and the base material (F ⁇ f). It is possible.
  • the primary target temperature may be 530 ° C or more and 570 ° C or less, which is a temperature below the melting point of the coating film.
  • the secondary target temperature may be 730 ° C or more and 770 ° C or less, which is a temperature at which the steel sheet loses the properties of the ferromagnetic material.
  • the second temperature increase rate may be 6.4 °C / s or more, 24 °C / s or less.
  • the first heating step and the second heating step is a high frequency heating by the longitudinal magnetic field heating method (LFIH)
  • the third heating step may be a high frequency heating by the vertical magnetic field heating method (TFIH).
  • a coil having a wider width than that of the coil used in the primary heating step may be used, and the coils may be disposed at intervals wider than the interval of the coils arranged in the primary heating step.
  • the secondary heating step may be heated using a coil having a width of 70mm or more, 90mm or less.
  • the secondary heating step it is also possible to arrange the heating between the coils 50mm or more, 70mm or less.
  • a high frequency heating is performed without forming a compound layer between the coating film and the base material and the coating film is not pushed from the base material even when the high frequency heating is performed at a temperature above the melting point of the coating film. It can be effective.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating a high frequency heating method for a hot stamping process according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a time-temperature graph of a high frequency heating method for a hot stamping process according to an embodiment of the present invention
  • LFIH longitudinal magnetic field heating method
  • FIG. 5b is a conceptual diagram of a high frequency heating method of the vertical magnetic field heating method (TFIH) used in the present invention
  • Figure 6a is a conceptual diagram representing the magnitude of the electromagnetic force applied to the steel sheet during heating in the conventional heating method and the primary heating step (S10),
  • Figure 6b is a conceptual diagram representing the magnitude of the electromagnetic force applied to the steel sheet during heating in the second heating step (S20) of the present invention.
  • a high frequency heating method for a hot stamping process includes a first heating step S10, a second heating step S20, and a third heating step S30.
  • the first heating step S10 and the second heating step S20 are heated by a high frequency heating method of a longitudinal magnetic field heating method LFIH.
  • FIG. 5A shows a conceptual diagram of a high frequency heating method of a longitudinal magnetic field heating method (LFIH).
  • LFIH longitudinal magnetic field heating method
  • the steel plate 100 is formed of a coating film 120 of aluminum (Al) on the iron (Fe) -based base material 110 (see FIG. 2).
  • Iron has high tensile strength and can be made of ultra high strength steel of 150kg / mm2 or more when processed by hot stamping method.
  • the coating film 120 uses an aluminum material of silicon aluminum (Al-Si).
  • the first heating step (S10) is heated to a temperature below the melting point of the coating film 120 of the primary target temperature (T 1 ) for a time of more than 5 seconds, 10 seconds or less.
  • the temperature below the melting point of the coating film 120 is preferably 530 °C or more, 570 °C or less. If the temperature is less than 530 ° C., the time required for heating in the second heating step (S20) becomes long, and accordingly, an equipment line required for heating becomes long, which is inefficient. In addition, when the temperature exceeds 570 ° C, a problem may occur in which the coating film 120 is melted in advance.
  • the first heating rate (V 1 ) is 51 ° C. because the heating is performed at a temperature of 530 ° C. or more and 570 ° C. or less for a time of 5 seconds or more and 10 seconds or less. / s or more and 110 degrees C / s or less.
  • the secondary heating step (S20) is a high frequency heating of the steel sheet 100 passed through the primary heating step (S10) at a secondary temperature increase rate to the secondary target temperature by melting the coating film 120 by melting the coating film ( 120)
  • the compound 130 is formed by the reaction of the material and the base material 110.
  • the compound 130 may be formed on the surface of the base material 110 as shown in FIG. 2 or may be formed inside the coating film 120 although not shown in the drawing.
  • the coating layer 120 may be prevented from being aggregated or flowing down in the third heating step S30.
  • the coating film 120 is made of aluminum aluminum (Al-Si) -based aluminum material, and the steel sheet 100 is made of iron (Fe)
  • the compound 130 is Al 8 Fe 2 Si, Al 2 Fe 2 Si, or Fe 2 Al 5 / FeAl 2 It may be formed of at least one of the compounds.
  • Al 8 Fe 2 Si compound has a melting temperature of about 855 °C
  • Al 2 Fe 2 Si compound has a melting temperature of about 1050 °C
  • Fe 2 Al 5 / FeAl 2 Since the compound has a melting temperature of about 1156 ° C., such a compound is formed in the coating film 120 so that the melting temperature of the coating film 120 is increased so that the coating film 120 is agglomerated or flows in the third heating step S30. The phenomenon can be prevented.
  • the steel plate 100 that has passed through the first heating step S10 is heated at a second temperature rising rate V 2 to a second target temperature T 2 .
  • the applied current is adjusted so that the electromagnetic force (F) generated during high frequency heating is smaller than the coupling force (f) between the coating film 120 and the base material 110 (F ⁇ f).
  • the molten coating film 120 is moved by the electromagnetic force (F) may be separated from the base material 110, agglomeration or flow may occur. In this case, since the thickness of the coating film 120 is not constant, the surface of the steel sheet 100 is uneven (see FIG. 1).
  • the applied current is adjusted to be smaller than the bonding force between the particles of the coating film 120 or the bonding force (f) between the coating film 120 and the base material 110, and as a result the steel sheet
  • the eddy current I 2 generated at 100 becomes smaller, and the secondary temperature increase rate V 2 is reduced than the primary temperature increase rate V 1 .
  • the second heating step (S20) is heated to a temperature (Currie temperature) that loses the properties of the ferromagnetic material of the steel sheet 100, the secondary target temperature (T 2 ) for a time of 10 seconds or more, 25 seconds or less.
  • the coating film 120 may be separated from the base material 110 by the electromagnetic force (F), agglomeration or flow may occur, 25 seconds If the heating to the second target temperature (T 2 ) for a time exceeding the length of the equipment line required for heating is reduced efficiency.
  • the temperature at which the steel sheet 100 loses the properties of the ferromagnetic material is preferably 730 ° C or more and 770 ° C or less.
  • the time to be heated in the third heating step (S30) is long, and accordingly the equipment line required for heating is inefficient because it is long.
  • the steel sheet 100 loses the properties of the ferromagnetic material, causing a problem in that the heating efficiency rapidly decreases under the high frequency heating method of the longitudinal magnetic field heating method (LFIH).
  • the secondary target temperature (T 2 ) is heated from the primary target temperature (T 1 ) to the secondary target temperature (T 2 ) for a time of 10 seconds or more and 25 seconds or less, the secondary temperature increase rate (V 2 ) is 6.4 ° C./s or more and 24 ° C. less than / s
  • winding intervals (coil width and coil spacing) than the coil 210a used in the primary heating step (S10)
  • the large coil 210b is used for heating.
  • the coating film 120 may aggregate or flow down, and when the width of the coil is greater than 90mm or the spacing between the coils is greater than 70mm, heating may occur. It is inefficient because the required equipment line is long.
  • the spacing between the coils is less than 50mm.
  • a coil 210b having a wider width than that of the coil 210a used in the first heating step S10 is used, and is disposed in the first heating step S10.
  • the coil 210b may be disposed at an interval wider than that of one coil 210a to form the uniform coating layer 120.
  • the magnitude of the electromagnetic force F applied to the steel plate 100 by the coil 210a to which the conventional winding interval is applied is represented (arrow).
  • the magnitude of the electromagnetic force F per unit area applied to the steel sheet 100 is 1.29 ⁇ 10 7 to 9.09 ⁇ 10 7 (N / m 2 ). Is measured. That is, the electromagnetic force (F) applied to the steel sheet 100 is a deviation of up to seven times. This is a phenomenon caused by a high current-power density applied per unit area when the width of the coil 210a is narrow and the interval between the coils 210a is narrow. Therefore, a phenomenon in which the electromagnetic force F is not uniformly maintained and is concentrated in one place may occur, and the coating layer 120 may aggregate or flow down.
  • the magnitude of the electromagnetic force (F) per unit area applied to the steel sheet 100 is 1.29 ⁇ 10 7 to 2.59 ⁇ 10 7 (N / m 2 ) . That is, in the present embodiment, the width of the coil 210b is widened and the interval between the coils 210b is widened to reduce the variation of the electromagnetic force F per unit area to two times or less. Therefore, according to the present exemplary embodiment, since the relatively uniform electromagnetic force F is applied to the steel sheet 100, the coating layer 120 may be prevented from agglomerating or flowing down.
  • the electromagnetic force F measured at the side end portion of the steel sheet 100 in the advancing direction shown in FIG. 6B is independent of agglomeration and dripping of the coating layer 120 with the force received by the entire steel sheet 100. Do.
  • the steel plate 100 that has passed through the second heating step S20 is heated at a third temperature increase rate V 3 to a third target temperature T 3 .
  • the tertiary heating step (S30) is a high frequency heating by a vertical magnetic field heating method (TFIH).
  • FIG. 5B is a conceptual diagram of the high frequency heating method of the vertical magnetic field heating method (TFIH).
  • the vertical magnetic field heating method (TFIH) is described.
  • Two vertical coils 220 are disposed vertically and vertically along the transfer path of the steel plate 100, and the steel plate 100 is disposed. Pass it through.
  • the ferromagnetic material such as iron (Fe) absorbs the magnetic field generated by the coil 210 to facilitate heating, while having the property of nonmagnetic material. If there is, the magnetic field generated by the coil 210 is not absorbed and the heating efficiency is lowered.
  • the high-frequency heating in the longitudinal magnetic field heating method (LFIH), and after reaching the Curie temperature vertical magnetic field Heating efficiency can be maximized by high frequency heating with a heating method (TFIH).
  • the third heating step (S30) is heated to 900 ° C or more, 950 ° C or less, which is the third target temperature (T 3 ) for 2 seconds or more, 5 seconds or less. Therefore, since the second target temperature (T 2 ) is heated to the third target temperature (T 3 ) for a time of 2 seconds or more and 5 seconds or less, the third heating rate (V 3 ) is 26 °C / s or more 110 °C less than / s
  • the third heating step (S30) of the present invention is not limited to the third target temperature (T 3 ), it is possible to increase the temperature to a higher temperature as needed, after the third heating step (S30) It is also possible to add additional processing of the steel sheet 100 to the.
  • the first temperature increase rate (V 1 ) is the slope of the interval 0 ⁇ t 1 of the graph
  • the second temperature increase rate (V 2 ) is the slope of the interval t 1 ⁇ t 2 of the graph
  • the third temperature increase rate (V 3 ) is the slope of the interval t 2 ⁇ t 3 of the graph.
  • the high frequency heating method for hot stamping process can introduce a high frequency heating method with high energy efficiency to heat the steel plate 100 at a rate of 110 °C / s,
  • the coating film 120 may be prevented from being pushed, and the heating efficiency may be reduced in a section of 750 ° C. or more.
  • the steel sheet is heated by using a coil 210b having a larger winding distance (the width of the coil and the gap between the coils) than the coil 210a used in the first heating step S10.
  • a coil 210b having a larger winding distance (the width of the coil and the gap between the coils) than the coil 210a used in the first heating step S10.

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Abstract

본 발명은 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법에 관한 것으로, 철(Fe)계 모재에 알루미늄(Al) 소재의 코팅막이 형성된 강판을 1차 목표온도까지 1차 승온속도로 고주파 가열하는 1차 가열 단계, 상기 1차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 2차 목표온도까지 2차 승온속도로 고주파 가열하여 상기 코팅막을 용융시키되 상기 2차 승온속도가 상기 1차 승온속도보다 작도록 가열하는 2차 가열 단계, 및 상기 2차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 3차 목표온도까지 3차 승온속도로 고주파 가열시키되 상기 3차 승온속도가 상기 2차 승온속도보다 크도록 가열하는 3차 가열 단계를 포함하고, 상기 2차 가열 단계에서는 상기 코팅막 소재와 상기 모재 소재의 반응에 의해 화합물이 형성되어 코팅막의 용융점 이상의 온도에서 고주파 가열을 하여도 코팅막이 모재에서 밀리지 않는 효과가 있다.

Description

핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법
본 발명은 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강판을 가열하여 초고강력강으로 가공시키는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법에 관한 것이다.
일반적으로 핫스탬핑(hot stamping) 기술은 강판을 적정온도(약 900℃)로 가열하여 프레스 금형 내에서 프레스 성형으로 한번에 성형한 후, 급속 냉각하여 고강도 부품을 제조하는 성형기술이다.
종래의 핫스탬핑 공정에서는 전기로를 이용하여 소재를 가열하였다. 그러나 전기로를 이용한 가열 방식은 가열을 위하여 긴 설비 라인을 갖추어야 하고, 전기로 자체의 온도를 상승시키는 데에 에너지 소모가 크며, 비가동시에도 전기로의 온도를 유지시키기 위하여 계속적으로 에너지를 사용하여야 하므로 에너지 효율이 낮은 문제점이 발생하였다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여 먼저 고주파 가열기로 가열하는 방법이 도입되었다. 이 경우 고주파 가열기는 짧은 설비 라인만 요구되고, 짧은 시간에 강판을 가열할 수 있으므로 에너지 면에서 효율성이 좋다.
도 1을 참고하면, 종래의 고주파 가열 방법에 의하면 고주파 가열기의 코일에서 발생하는 전자기력(로렌츠 힘)이 존재하므로 코팅막이 용융되는 온도 이후부터는 코팅막에 이온화가 일어나고, 극성을 갖는 이온은 로렌츠 힘에 의하여 밀리며, 결국 코팅막이 뭉치고 흘러내리는 현상이 발생한다. 따라서 코팅막이 용융되는 온도 이후에는 고주파 가열기를 활용하지 못하고 전기로를 통하여 가열하여야 하는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법이 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 코팅막의 용융점 이상의 온도에서도 고주파 가열이 가능한 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법은 철(Fe)계 모재에 알루미늄(Al) 소재의 코팅막이 형성된 강판을 1차 목표온도까지 1차 승온속도로 고주파 가열하는 1차 가열 단계, 상기 1차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 2차 목표온도까지 2차 승온속도로 고주파 가열하여 상기 코팅막을 용융시키되, 상기 2차 승온속도가 상기 1차 승온속도보다 작도록 가열하는 2차 가열 단계, 및 상기 2차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 3차 목표온도까지 3차 승온속도로 고주파 가열시키되 상기 3차 승온속도가 상기 2차 승온속도보다 크도록 가열하는 3차 가열 단계를 포함하고, 상기 2차 가열 단계에서는 상기 코팅막 소재와 상기 모재 소재의 반응에 의해 화합물이 형성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2차 가열 단계에서는 고주파 가열시 발생되는 전자기력(F)이 상기 코팅막의 입자간 결합력 또는 상기 코팅막과 상기 모재 사이의 결합력(f)보다 작도록(F<f) 인가전류를 조정하는 것도 가능하다.
또한 상기 1차 목표온도는 상기 코팅막의 용융점 이하의 온도인 530℃이상, 570℃이하인 것도 가능하다.
이때, 상기 2차 목표온도는 상기 강판이 강자성체의 성질을 잃는 온도인 730℃이상, 770℃이하인 것도 가능하다.
또한, 상기 2차 승온속도는 6.4℃/s 이상, 24℃/s 이하인 것도 가능하다.
한편, 상기 1차 가열 단계 및 상기 2차 가열 단계는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)으로 고주파 가열하고, 상기 3차 가열 단계는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)으로 고주파 가열하는 것도 가능하다.
한편, 상기 2차 가열 단계에서는 상기 1차 가열 단계에서 사용한 코일보다 폭이 넓은 코일을 사용하고, 상기 1차 가열 단계에서 배치한 코일의 간격보다 넓은 간격으로 코일을 배치하는 것도 가능하다.
이때, 상기 2차 가열 단계에서는 폭이 70mm 이상, 90mm 이하인 코일을 사용하여 가열하는 것도 가능하다.
또한, 상기 2차 가열 단계에서는 코일 사이의 간격을 50mm 이상, 70mm 이하로 배치시켜 가열하는 것도 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법에 의하면, 코팅막과 모재 사이에 화합물층을 형성하여 코팅막의 용융점 이상의 온도에서 고주파 가열을 하여도 코팅막이 모재에서 밀리지 않고 고주파 가열을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 고주파 가열에 의한 코팅막의 밀림이 나타난 사진,
도 2는 핫스탬핑 공정에 의한 강판의 단면사진,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법을 나타낸 흐름도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법에 대한 시간-온도 그래프,
도 5a는 본 발명에서 사용된 종방향 자계 가열 방식(LFIH)의 고주파 가열 방식에 대한 개념도,
도 5b는 본 발명에서 사용된 수직형 자계 가열 방식(TFIH)의 고주파 가열 방식에 대한 개념도,
도 6a는 종래의 가열 방법 및 1차 가열 단계(S10)에서 가열 시 강판에 가해지는 전자기력의 크기를 표현한 개념도,
도 6b는 본 발명의 2차 가열 단계(S20)에서 가열 시 강판에 가해지는 전자기력의 크기를 표현한 개념도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법은, 1차 가열 단계(S10), 2차 가열 단계(S20) 및 3차 가열 단계(S30)를 포함한다.
상기 1차 가열 단계(S10)와 상기 2차 가열 단계(S20)는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)의 고주파 가열 방식에 의해 가열된다.
도 5a에는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)의 고주파 가열 방식에 대한 개념도가 도시되어 있다. 고주파 가열은 고주파수(1KHz 이상)의 전류가 흐르는 코일(210) 안으로 상기 강판(100)을 놓고, 이를 통과시키면 전자기유도현상에 의하여 상기 코일(210)로부터 발생하는 자계를 상쇄하는 방향으로 상기 강판(100)에 자계를 유도하는 와전류(I1)가 발생한다. 이때 이 전류에 의하여 상기 강판(100) 자체의 저항(R)과의 관계에서 전력량(단위 시간에 따른 에너지 소모량) P1=I1 2R의 전기 에너지가 열로 전환되면서 상기 강판(100)의 온도가 상승된다.
상기 1차 가열 단계(S10)에서는 강판(100)을 1차 목표온도(T1)까지 1차 승온속도(V1)로 고주파 가열한다. 이때 본 발명에서 상기 강판(100)은 철(Fe)계 모재(110)에 알루미늄(Al) 소재의 코팅막(120)이 형성되어 있다(도 2 참조). 철은 높은 인장강도를 가지고 있고, 핫스탬핑 공법에 의하여 가공할 경우 150kg/㎟ 이상의 초고강력강으로 만들 수 있다. 또한, 본 발명에서 상기 코팅막(120)은 규소알루미늄(Al-Si) 계열의 알루미늄 소재를 사용한다.
상기 1차 가열 단계(S10)에서는 5초 이상, 10초 이하의 시간동안 1차 목표온도(T1)인 상기 코팅막(120)의 용융점 이하의 온도까지 가열한다. 한편, 본 발명에서는 상기 코팅막(120)의 용융점 이하의 온도는 530℃이상, 570℃이하의 온도인 것이 바람직하다. 530℃ 미만의 경우에는 상기 2차 가열 단계(S20)에서 가열을 하여야 하는 시간이 길어지고, 그에 따라 가열에 필요한 설비라인이 길어지므로 비효율적이다. 또한, 570℃를 초과하는 경우에는 상기 코팅막(120)이 미리 용융되는 문제가 발생될 수 있다.
결과적으로, 상온(20℃)에서 가열을 시작한다고 가정하면, 5초 이상 10초 이하의 시간동안 530℃이상, 570℃이하의 온도까지 가열하므로, 상기 1차 승온속도(V1)는 51℃/s이상 110℃/s이하가 된다.
상기 2차 가열 단계(S20)는 상기 1차 가열 단계(S10)를 통과한 상기 강판(100)을 2차 목표온도까지 2차 승온속도로 고주파 가열하여 상기 코팅막(120)을 용융시킴으로써 상기 코팅막(120) 소재와 상기 모재(110) 소재의 반응에 의해 화합물(130)이 형성된다. 상기 화합물(130)은 도 2에 도시된 바와 같이 모재(110)의 표면에 형성될 수도 있고, 도면에 도시하지는 않았지만 상기 코팅막(120)의 내부에 형성될 수도 있다. 이렇게 형성된 상기 화합물(130)에 의해 3차 가열 단계(S30)에서 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내리는 현상을 방지할 수 있다.
여기서, 상기 코팅막(120)이 규소알루미늄(Al-Si) 계열의 알루미늄 소재이고, 상기 강판(100)이 철(Fe)로 마련되므로, 상기 화합물(130)은 Al8Fe2Si, Al2Fe2Si, 또는 Fe2Al5/FeAl2 화합물 중 적어도 어느 하나의 화합물로 형성될 수 있다. Al8Fe2Si 화합물은 용융온도가 약 855℃이고, Al2Fe2Si 화합물은 용융온도가 약 1050℃이고, Fe2Al5/FeAl2 화합물은 용융온도가 약 1156℃이므로 상기 코팅막(120)에 이러한 화합물이 형성되어 있어 상기 코팅막(120)의 용융 온도를 상승시켜 3차 가열 단계(S30)에서 상기 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내리는 현상을 방지할 수 있다.
상기 2차 가열 단계(S20)에서는 상기 1차 가열 단계(S10)를 통과한 상기 강판(100)을 2차 목표온도(T2)까지 2차 승온속도(V2)로 고주파 가열한다. 이때, 본 발명에서는 상기 코일(210)에 인가되는 전류를 상기 1차 가열 단계(S10)보다 낮추어 상기 강판(100)에서 발생하는 와전류(I2)를 낮춘다. 따라서 상기 강판(100)에서 열 에너지로 전환되는 전력량 P2=I2 2R이 감소하고, 상기 2차 승온속도(V2)는 상기 1차 승온속도(V1)보다 작아진다.
한편, 본 발명에서는 고주파 가열시 발생되는 전자기력(F)이 상기 코팅막(120)과 상기 모재(110) 사이의 결합력(f)보다 작도록(F<f) 인가전류를 조정한다.
금속에 고주파 가열을 하는 경우에는 전자기유도현상에 의한 금속의 가열이 가능한 반면, 상기 코일(210)에 인가되는 전류에 의하여 자기장(B)이 생성되고, 속도(v)로 이송되는 금속의 전하(q)에 전자기력(로렌츠 힘:F＝qv×B)이 가해진다. 금속이 고체상태일 경우에는 전자기력(F)이 가해진다고 하더라도 입자간 결합력이 강하여 영향이 없으나, 금속이 용융된 후에는 전자기력(F)에 의하여 액체상태의 금속의 전하(q)가 이동된다. 따라서 상기 코팅막(120)의 용융점을 초과하는 온도에서 고주파 가열하면 용융된 상기 코팅막(120)이 전자기력(F)에 의하여 이동되면서 상기 모재(110)와 분리되어 뭉치거나 흘러내리는 현상이 발생할 수 있다. 이 경우 상기 코팅막(120)의 두께가 일정하지 않아 상기 강판(100)의 표면이 울퉁불퉁하게 된다(도 1 참조).
따라서 본 발명에서는 전자기력(F)을 낮추어 상기 코팅막(120)의 입자간 결합력 또는 상기 코팅막(120)과 상기 모재(110) 사이의 결합력(f)보다 작도록 인가전류를 조정하고, 그 결과 상기 강판(100)에서 발생하는 와전류(I2)가 작아지며, 상기 2차 승온속도(V2)는 상기 1차 승온속도(V1)보다 감소된다.
상기 2차 가열 단계(S20)에서는 10초 이상, 25초 이하의 시간동안 2차 목표온도(T2)인 상기 강판(100)의 강자성체의 성질을 잃는 온도(큐리온도)까지 가열한다. 10초 미만의 시간동안 상기 2차 목표온도(T2)까지 가열하면 상기 코팅막(120)이 전자기력(F)에 의하여 상기 모재(110)와 분리되어 뭉치거나 흘러내리는 현상이 발생할 수 있고, 25초를 초과하는 시간동안 상기 2차 목표온도(T2)까지 가열하면 가열에 필요한 설비라인이 길어지므로 효율성이 떨어진다.
한편, 본 발명에서 상기 강판(100)이 강자성체의 성질을 잃는 온도(큐리온도)는 730℃이상, 770℃이하가 바람직하다. 730℃ 미만의 경우에는 상기 3차 가열 단계(S30)에서 가열을 하여야 하는 시간이 길어지고, 그에 따라 가열에 필요한 설비라인이 길어지므로 비효율적이다. 또한, 770℃를 초과하는 경우에는 상기 강판(100)이 강자성체의 성질을 잃게되어 종방향 자계 가열 방식(LFIH)의 고주파 가열 방법 하에서는 가열 효율이 급격히 감소되는 문제가 발생한다.
따라서 상기 1차 목표온도(T1)에서부터 10초 이상 25초 이하의 시간동안 상기 2차 목표온도(T2)까지 가열하므로, 상기 2차 승온속도(V2)는 6.4℃/s이상 24℃/s이하가 된다.
한편, 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 본 발명의 상기 2차 가열 단계(S20)에서는 상기 1차 가열 단계(S10)에서 사용한 코일(210a)보다 권선간격(코일의 폭 및 코일 간의 간격)이 큰 코일(210b)을 사용하여 가열한다. 이때 본 실시예에서는 폭이 70mm 이상, 90mm 이하인 코일(210b)을 사용하고, 코일(210b) 사이의 간격을 50mm 이상, 70mm 이하로 배치시켜 가열하는 것이 바람직하다.
코일의 폭이 70mm 미만이거나 코일 간의 간격이 50mm 미만인 경우에는 상기 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내리는 현상이 발생될 수 있고, 코일의 폭이 90mm 초과이거나 코일 간의 간격이 70mm 초과인 경우에는 가열에 필요한 설비라인이 길어지므로 비효율적이다.
상기 1차 가열 단계(S10) 및 종래의 가열 방식에서는 10mm 내지 20mm의 폭을 가진 코일을 사용하고, 코일 사이의 간격을 50mm 미만으로 배치시켰다. 반면, 본 발명의 상기 2차 가열 단계(S20)에서는 상기 1차 가열 단계(S10)에서 사용한 코일(210a)보다 폭이 넓은 코일(210b)을 사용하고, 상기 1차 가열 단계(S10)에서 배치한 코일(210a)의 간격보다 넓은 간격으로 코일(210b)을 배치하여 균일한 상기 코팅막(120)을 형성시킬 수 있다.
도 6a에는 종래의 권선간격을 적용한 코일(210a)이 상기 강판(100)에 가하는 전자기력(F)의 크기가 표현(화살표)되어 있다. 종래의 권선간격을 사용하여 상기 강판(100)을 가열할 경우에는 상기 강판(100)에 가해지는 단위면적당 전자기력(F)의 크기가 1.29×107 내지 9.09×107(N/m2)로 측정된다. 즉, 상기 강판(100)에 가해지는 전자기력(F)은 최대 7배의 편차가 발생되는 것이다. 이는 코일(210a)의 폭이 좁고, 코일(210a) 간의 간격이 좁은 경우에 단위 면적당 가해지는 전류-전력 밀도가 높아져 발생되는 현상이다. 따라서, 전자기력(F)이 균일하게 유지되지 않고 순간적으로 한 곳으로 집중되는 현상이 발생하여 상기 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내릴 수 있다.
반면, 도 6b에서 도시한 바와 같이, 본 실시예를 적용한 경우에는 상기 강판(100)에 가해지는 단위면적당 전자기력(F)의 크기가 1.29×107 내지 2.59×107(N/m2)이다. 즉, 본 실시예에서는 코일(210b)의 폭을 넓히고, 코일(210b) 사이의 간격을 넓혀 단위면적당 전자기력(F)의 편차를 2배 이하로 감소시켰다. 따라서 본 실시예에 의하여 상기 강판(100)에는 상대적으로 균일한 전자기력(F)이 가해지므로 상기 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내리는 것을 방지할 수 있다.
참고로, 도 6b에 도시된 상기 강판(100)의 진행방향의 측단부에서 측정되는 전자기력(F)은 상기 강판(100) 전체가 받는 힘으로 상기 코팅막(120)의 뭉침 및 흘러내림과는 무관하다.
상기 3차 가열 단계(S30)에서는 상기 2차 가열 단계(S20)를 통과한 상기 강판(100)을 3차 목표온도(T3)까지 3차 승온속도(V3)로 고주파 가열한다. 이때 상기 3차 가열 단계(S30)에서는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)으로 고주파 가열한다.
도 5b에는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)의 고주파 가열 방식에 대한 개념도가 도시되어 있다. 도 5b를 참조하여 수직형 자계 가열 방식(TFIH)을 설명하면, 상기 강판(100)의 이송경로와 수직하게 두 개의 수직코일(220)을 이송경로의 상하로 배치시키고, 상기 강판(100)을 그 사이로 통과시킨다. 이때, 상기 수직코일(220)은 상기 강판(100)을 향하여 개방되어 있는 원형의 코일 형태이다. 따라서 전류가 인가되면, 상기 수직코일(220)들 사이에서 자기장이 발생되고, 이를 통과하는 상기 강판(100)에 전자기유도현상에 따른 와전류(I3)가 발생하며, 전력량 P3=I3 2R만큼의 에너지가 열로 변환되며 상기 강판(100)의 온도가 상승된다.
본 발명에서는 상기 1차 가열 단계(S10) 및 상기 2차 가열 단계(S20)에서는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)으로 고주파 가열하고, 상기 3차 가열 단계(S30)에서는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)으로 고주파 가열한다. 종방향 자계 가열 방식(LFIH)의 경우에는 철(Fe)과 같이 강자성체의 성질을 가지고 있는 경우에는 상기 코일(210)에서 발생되는 자기장을 잘 흡수하여 쉽게 가열이 이루어지는 반면, 비자성체의 성질을 가지고 있는 경우에는 상기 코일(210)에서 발생되는 자기장이 흡수되지 않아 가열 효율이 떨어진다. 한편, 수직형 자계 가열 방식(TFIH)의 경우에는 상기 강판(100)에 비자성체가 사용되더라도 상기 수직코일(220)에서 발생되는 자기장과 상기 강판(100)이 만나는 자기장의 수(자속)를 증가시켜 가열 효율을 증가시키는 효과가 있다.
그러므로 본 발명에서는, 큐리온도에 도달하기 전인 상기 1차 가열 단계(S10) 및 상기 2차 가열 단계(S20)에서는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)으로 고주파 가열하고, 큐리온도 도달 후에는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)으로 고주파 가열함으로써 가열 효율을 극대화시킬 수 있다.
상기 3차 가열 단계(S30)에서는 2초 이상, 5초 이하의 시간동안 3차 목표온도(T3)인 900℃ 이상, 950℃이하까지 가열한다. 따라서 상기 2차 목표온도(T2)에서부터 2초 이상 5초 이하의 시간동안 상기 3차 목표온도(T3)까지 가열하므로, 상기 3차 승온속도(V3)는 26℃/s이상 110℃/s이하가 된다.
한편, 본 발명의 상기 3차 가열 단계(S30)는 3차 목표온도(T3)에 한정되지 않고, 필요에 따라 그 이상의 온도까지 온도를 상승시킬 수 있으며, 상기 3차 가열 단계(S30) 이후에 추가적인 상기 강판(100)의 가공과정을 추가시키는 것도 가능하다.
도 4의 그래프는 시간-온도 그래프로서, 시간의 흐름에 따라 상기 강판(100)의 승온 패턴을 나타내고 있다. 이때, 상기 1차 승온속도(V1)는 그래프의 0~t1구간의 기울기이고, 상기 2차 승온속도(V2)는 그래프의 t1~t2구간의 기울기이며, 상기 3차 승온속도(V3)는 그래프의 t2~t3구간의 기울기이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법은 에너지 효율이 높은 고주파 가열방법을 도입하여 110℃/s의 속도로 상기 강판(100)을 가열시킬 수 있고, 고주파 가열시 상기 코팅막(120)이 밀리는 현상을 방지할 수 있으며, 750℃이상의 구간에서 가열 효율이 감소하는 문제점을 극복할 수 있다.
또한, 상기 2차 가열 단계(S20)에서는 상기 1차 가열 단계(S10)에서 사용한 코일(210a)보다 권선간격(코일의 폭 및 코일 간의 간격)이 큰 코일(210b)을 사용하여 가열함으로써 상기 강판(100)에 가해지는 전자기력(F)의 편차를 감소시켜 상기 코팅막(120)이 뭉치거나 흘러내리는 현상을 방지시킬 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

Claims (9)

  1. 철(Fe)계 모재에 알루미늄(Al) 소재의 코팅막이 형성된 강판을 1차 목표온도까지 1차 승온속도로 고주파 가열하는 1차 가열 단계;
    상기 1차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 2차 목표온도까지 2차 승온속도로 고주파 가열하여 상기 코팅막을 용융시키되, 상기 2차 승온속도가 상기 1차 승온속도보다 작도록 가열하는 2차 가열 단계; 및
    상기 2차 가열 단계를 통과한 상기 강판을 3차 목표온도까지 3차 승온속도로 고주파 가열시키되, 상기 3차 승온속도가 상기 2차 승온속도보다 크도록 가열하는 3차 가열 단계;를 포함하고,
    상기 2차 가열 단계에서는 상기 코팅막 소재와 상기 모재 소재의 반응에 의해 화합물이 형성되는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계에서는,
    고주파 가열시 발생되는 전자기력(F)이 상기 코팅막의 입자간 결합력 또는 상기 코팅막과 상기 모재 사이의 결합력(f)보다 작도록(F<f) 인가전류를 조정하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 목표온도는,
    상기 코팅막의 용융점 이하의 온도인 530℃이상, 570℃이하인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 2차 목표온도는,
    상기 강판이 강자성체의 성질을 잃는 온도인 730℃이상, 770℃이하인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 승온속도는,
    6.4℃/s 이상, 24℃/s 이하인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 가열 단계 및 상기 2차 가열 단계는 종방향 자계 가열 방식(LFIH)으로 고주파 가열하고, 상기 3차 가열 단계는 수직형 자계 가열 방식(TFIH)으로 고주파 가열하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계에서는,
    상기 1차 가열 단계에서 사용한 코일보다 폭이 넓은 코일을 사용하고, 상기 1차 가열 단계에서 배치한 코일의 간격보다 넓은 간격으로 코일을 배치하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계에서는,
    폭이 70mm 이상, 90mm 이하인 코일을 사용하여 가열하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계에서는,
    코일 사이의 간격을 50mm 이상, 70mm 이하로 배치시켜 가열하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법.
PCT/KR2017/004758 2016-05-09 2017-05-08 핫스탬핑 공정용 고주파 가열 방법 WO2017196039A1 (ko)

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