KR102189424B1 - 프레스 성형-경화된 알루미늄 기반 코팅 강판으로 만들어진 부품 및 이 같은 부품을 생산하기 위한 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 프레스 성형-경화된 알루미늄 기반 코팅 강판으로 만들어진 부품에 관한 것으로, 상기 코팅은 열간 도금 공정에서 도포되는 알루미늄 및 실리콘을 함유하는 피복재를 구비하는 것을 특징으로 하며, 이때 강판과 피복재 사이의 전이 영역 내의 프레스 성형-경화된 부품은 확산 내 구역(I)을 가지며, 여기서 가열 및 프레스 경화 이전에 상기 피복재의 층 도포에 따라 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식을 따르는 것을 특징으로 한다:
I[㎛] < (1/35) x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + (19/7)
상기 식에서, 8 내지 50㎛의 평균 총 두께를 갖는 다양한 금속간 상을 구비한 구역이 상기 확산 내 구역(I) 상에 형성되며, 이어 이러한 구역 상에는 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께를 갖는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층이 배열된다. 또한 본 발명은 상술한 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
I[㎛] < (1/35) x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + (19/7)
상기 식에서, 8 내지 50㎛의 평균 총 두께를 갖는 다양한 금속간 상을 구비한 구역이 상기 확산 내 구역(I) 상에 형성되며, 이어 이러한 구역 상에는 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께를 갖는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층이 배열된다. 또한 본 발명은 상술한 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판으로 이루어진 부품에 관한 것으로, 상기 코팅은 열간 도금 공정에서 도포되고 알루미늄 및 실리콘을 함유하는 피복재를 포함한다. 또한 본 발명은 이 같은 부품을 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 특히 상기 코팅은 알루미늄-실리콘 피복재와 관련이 있다.
열간 성형된 강판(hot-formed steel sheet)은 특히 자동차 공학에서 사용 빈도가 증가하고 있는 것으로 알려져 있다. 프레스 경화(press-hardening)로서 정의된 공정에 의해 차체의 영역에서 주로 사용되는 고강도 부품을 생산하는 것이 가능하다. 프레스 경화는 2개의 상이한 방법 변형예, 즉 직접 또는 간접 방법에 의해 수행될 수 있다. 공정의 성형 및 경화 단계가 간접 방법에서 서로에 대해 개별적으로 수행되는 반면, 이들 단계는 직접 방법에서 하나의 공구 내에서 함께 일어난다. 하기에서는 상기 직접 방법만이 고려될 것이다.
직접 방법에서, 강판은 소위 오스테나이트화 온도(austenitization temperature; Ac3) 초과의 온도로 가열된다. 이어 이렇게 가열된 강판은 성형 공구(forming tool)로 전달되고, 최종 부품을 제조하기 위해 1단계 성형 단계에서 성형되며, 이러한 경우 경화된 부품이 생산되도록 냉각 성형 공구에 의해 강재의 임계 냉각 속도 초과의 속도로 동시에 냉각된다. 강판 자체는 전형적으로 코일로서 주로 권사(winding)되는 강재 스트립(steel strip)으로부터 절단된 후, 추가로 가공된다. 형성될 강판은 종종 플레이트로도 지칭된다.
이러한 응용 분야에 있어서 공지된 열간 성형 가능한 강재로는, 예를 들어 망간-붕소 강재인 "22MnB5"가 있고, 또한 최근에는 유럽 특허 제 EP 2 449 138 B1 호에 따른 공기 경화성 강재가 있다.
미코팅 강판 이외에도, 프레스 경화를 위한 스케일링 방지부(scaling protection)를 포함하는 강판이 또한 (예를 들어, 자동차 본체 구성을 위해) 사용된다. 여기서 이점은, 최종 부품의 내식성 증가 이외에도 플레이트 또는 부품은 가열로(furnace) 내에서 스케일링되지 않는다는 것이며, 이로 인해 박리된 스케일에 의한 압착 공구의 마모(wearing)가 감소하고, 종종 상기 부품은 추가의 가공 이전에 비용이 많이 드는 블라스팅(blasting)을 겪지는 않는다.
현재, 열간 도금(hot-dipping)에 의해 도포되는 하기 (합금) 코팅, 즉 알루미늄-실리콘(AS), 아연-알루미늄(Z), 아연-알루미늄-철(ZF/용용 아연 도금), 아연-마그네슘-알루미늄 (ZM) 및 아연-니켈 또는 아연의 전기 증착된 코팅은 프레스 경화로 알려져 있으며, 여기서 후자는 열간 성형 이전에 철-아연 합금 층으로 전환된다. 이들 부식 방지 코팅은 통상적으로 연속 피드스루 공정(continuous feed-through process)에서 열간 또는 냉간 스트립에 도포된다.
성형 공구에서 열간 성형에 의한 프레스 경화성 강재로 이루어진 예비 생성물(pre-product)의 켄칭(quenching)에 통한 부품의 생산은 독일 특허 제 DE 601 19 826 T2 호에 공지되어 있다. 이 경우, 사전에 오스테나이트화 온도를 초과하여 800 내지 1,200℃까지 가열되고, 가능하게는 아연의 금속 피복재 또는 아연 기반 금속 피복재가 제공되는 시트 플레이트는 부품을 생산하기 위해 가끔 열간 성형에 의해 냉각 공구에서 형성되며, 이때 성형 도중에 급속 열 추출로 인해 상기 성형 공구 내의 시트 또는 부품은 켄치 경화(quench-hardening; 프레스 경화)를 겪게 되며, 얻어진 마르텐사이트계 경도 구조(martensitic hardness structure)로 인해 목적하는 강도 물성을 갖게 된다.
성형 공구에서 성형 공구에 의한 알루미늄 합금으로 코팅되고 프레스 경화성 강재로 이루어진 예비 생성물의 켄칭을 통한 부품의 생산은 독일 특허 제 DE 699 33 751 T2 호에 공지되어 있다. 이 경우, 알루미늄 합금으로 코팅된 시트는 성형 이전에 700℃ 초과의 온도까지 가열되며, 철, 알루미늄 및 실리콘 기반의 금속간 합금 화합물이 표면 상에 생성되고, 후속적으로 시트가 형성되며, 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각된다.
공개공보 문헌 제 US 2011/0300407 A1 호에는 자동차 산업에서 사용하기 위한 프레스 성형-경화된 강판을 생산하기 위한 방법이 개시되어 있다. 열간 도금 공정에서, 상기 강판에는 20 내지 80g/㎡의 층 도포량(layer support)을 갖는 알루미늄-실리콘(AS) 피복재가 제공되며, 상기 강판은 820℃ 초과의 온도까지 가열되고, 상기 온도는 특정 기간(대략 3분) 동안 유지된다. 그 결과, 상기 피복재에는 상이한 금속간 상, 예를 들어 Fe3Al, FeAl 또는 Fe-Al2O3이 형성된다. 프레스(press)에 의한 열간 성형 이후, 생성물은 여전히 프레스에 있는 동안에 냉각된다.
유럽 특허 출원 제 EP 2 312 011 A1 호에는 또한 자동차 산업에 사용하기 위한 주조 성형 부품 상에 금속 코팅을 생성하는 방법이 개시되어 있다. 이를 위해, 상기 주조 성형 부품에는 용해조에서 알루미늄 합금이 제공된 후, 고온 내성 산화알루미늄 층을 생성하기 위해 산화 분위기에서 열처리가 적용된다. 열처리 이후, 양극 산화가 또한 제공된다.
독일 특허 문헌 제 DE 198 53 285 C1 호에는 마르텐사이트계 강재 상에 보호층을 생성하는 방법이 제안되어 있다. 보호 가스 분위기(5% H2 함유 아르곤)에서, 코팅될 강재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금의 용융물에 침지되고, 냉각된 후, 여기에 오스테나이트화 온도에서 열간 등압 압착(hot isostatic pressing)이 적용된다. 이렇게 생성된 알루미늄 보호층은 100 내지 200㎛의 두께를 갖고, 이의 표면 상에는 두께가 대략 1㎛인 산화알루미늄 층을 구비하는 것으로 사료되지만, 이러한 층이 어떻게 생성되거나 수득되는 지에 관한 추가적인 상세 내용은 제공된 바 없다.
유럽 특허 출원 제 EP 2 017 074 A2 호에는 열간 도금 코팅에 의해 도포되는 알루미늄 층이 구비된 강재 파이프로 이루어진 자동차 배관이 개시되어 있다. 산화알루미늄 층의 두께는 알루미늄의 온도 및 산소 농도를 통해 코팅 공정 도중에 조절되지만, 이는 4 내지 30㎚이다.
아연 기반 피복재와 비교하여 알루미늄 기반 피복재의 이점은, 보다 넓은 공정 범위(process window; 예를 들어 가열 매개변수의 측면) 이외에도 최종 부품에는 추가의 가공 이전에 블라스팅이 적용되지 않는다는 사실에 있다. 더욱이, 알루미늄 기반 피복재의 경우에 액체 금속의 취화(embrittlement) 위험성이 존재하며, 전자의 오스테나이트 입계 상의 근저 지표 기질 영역에는 미세 균열이 형성되지 않을 수 있으며, 이는 10㎛ 초과의 깊이에서는 피로 강도에 악영향을 미칠 수 있다.
그러나, 예를 들어 알루미늄-실리콘(AS)으로 이루어진 알루미늄 기반 피복재를 사용하는데 있어서의 단점은, 프레스 경화를 위해 너무 짧은 가열 시간이 사용되었을 때 자동차의 경우에 일반적인 음극 침지 코팅(KTL)에서 성형된 부품의 래커 결합이 불충분하다는 것이다. 짧은 가열 시간에서는 표면은 불충분한 거칠기(roughness)를 가지며, 따라서 충분한 래커 결합이 구현되지 않는다.
아연 기반 피복재와는 대조적으로, 알루미늄 기반 피복재는 인산염 처리(phosphatizing)될 수 없거나 충분히 인산염 처리될 수 없으며, 따라서 인산염 처리 단계에 의해 래커 결합에서의 개선이 달성되지 않을 수 있다. 이러한 이유로, 최근까지 알루미늄 기반 피복재로 플레이트를 가공하는 경우에 최소 가열 시간이 유지되어야 하며, 이로 인해 상기 피복재는 철로 충분히 합금되며, 상기 성형된 부품을 래커링(lacquering)하는 경우 충분한 래커 결합이 구현되는 굴곡 표면 지형(rough surface topography)을 형성한다.
그러나 상기 피복재를 철로 충분히 합금하고 래커링될 수 있는 표면 지형을 형성하면 전형적으로 사용되는 롤러 화로(roller hearth furnace)에서 상응하게 긴 체류 시간이 요구되며, 이는 주기 시간(cycle time)을 상당히 증가시키고, 프레스 성형 경화 공정의 경제성을 감소시킨다. 따라서 최소 체류 시간은, 목적하는 오스테나이트화 온도를 구현하는 것만이 필수적일 수 있는 주요 재료에 의해서 결정되는 것이 아니라, 상기 피복재에 의해 결정된다. 또한, 상기 합금 층 내의 알루미늄 함량이 가열로 체류 시간 동안에 감소하고 철 함량은 증가하기 때문에 철에 의한 합금이 보다 많이 이루어지기 때문에 내식성이 감소한다. AS 플레이트에 있어서, 목적하는 가열로 체류 시간에도 불구하고 높은 주기 속도(cycle rate)를 구현하기 위해서는 전형적으로 개조된 보다 긴 가열로가 사용된다. 그러나 이들은 구매하여 작동시키기에는 너무 비싸면서도 매우 많은 공간을 차지한다. AS 피복재의 추가적인 단점은, 매우 짧은 어닐링 시간(annealing time)과 함께 점용접 공정(spot-welding process)에서의 용접 성능이 매우 빈약하다는 사실에 있다. 이는, 예를 들어 매우 작은 용접 면적에서 나타난다. 이에 대한 원인으로는 무엇보다도 짧은 어닐링 시간과 함께 매우 낮은 전이 내성(transition resistance)에 있다.
따라서 본 발명의 목적은 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판으로 이루어진 부품을 제공하는 것으로, 이때 강판은 생산하는데 있어 비용 효율적이며, 우수한 래커링 성능 및 용접 성능, 특히 저항점 용접 성능을 갖는다. 또한 이 같은 부품을 생산하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 교시에는 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판으로 이루어진 부품이 포함되며, 이때 상기 코팅은 열간 도금 공정에서 도포되고 알루미늄 및 실리콘을 함유하는 피복재를 포함하며, 여기서 상기 프레스 성형-경화된 부품은 상기 강판과 피복재 사이의 전이 영역에서 확산 내 구역(inter-diffusion zone; I)을 구비하고, 이때 가열 및 프레스 경화 이전에 상기 피복재의 층 도포량(layer support)에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식을 만족시키는 것을 특징으로 한다:
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7
상기 식에서, 8 내지 50㎛의 평균 전체 두께를 갖는 상이한 금속간 상을 갖는 구역이 상기 확산 내 구역(I) 상에 형성되며, 이어 상기 구역이 그 상부에 배열되는 피복층을 구비하며, 이때 상기 피복층은 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께로 함유한다.
이하, 알루미늄 기반 피복재는 금속 피복재인 것으로 이해되며, 여기서 알루미늄은 주요 구성성분이다(단위: 질량%). 알루미늄 기반 피복재의 가능한 예로는 알루미늄-실리콘(AS), 알루미늄-아연-실리콘(AZ), 및 부가적인 성분, 예를 들어 마그네슘, 전이 금속(망간), 티타늄 및 희토류의 혼합물이 구비된 동일한 피복재가 있다. 본 발명에 따른 강판의 피복재는, 예를 들어 Si 함량이 8 내지 12중량%이고, Fe 함량이 1 내지 4중량%이며, 나머지가 알루미늄인 용해조에서 생산된다. 일 실시예에서, 상기 강판의 피복재는 Si 함량이 8 내지 12중량%이고, Fe 함량이 1 내지 4중량%이며, 나머지가 알루미늄 및 불가피한 불순물인 용해조에서 생산될 수 있다.
상기 강판 또는 강재 스트립의 알루미늄 기반 코팅 상에 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 소정의 피복층을 형성하면 알루미늄 기반 코팅에 대한 상술한 악영향을 상당히 감소시킬 수 있거나, 심지어는 완전히 예방할 수 있다.
산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층은 후속적인 래커링, 특히 음극 침지 코팅(KTL)을 위한 이상적인 접착 촉진제(adhesion promoter)로서의 이들의 메시 유사 구조(mesh-like structure)로 인해 프레스 성형 경화에 의해 성형된 부품에 작용한다. 따라서 철을 이용하여 가열로에서 알루미늄 기반 코팅의 합금을 통한 연장(protraction)이 더 이상 불필요하며, 그 결과 강판을 성형 온도까지 가열하기 위한 가열로를 통한 통과 시간(passage time)이 상당히 단축될 수 있다. 예를 들어, 이전에는 1.5㎜의 시트 두께에 대해 950℃의 가열로 온도에서 롤러 화로에서의 적어도 4분의 어닐링 시간은 철로 코팅을 충분히 합금하고 래커링될 수 있는 표면 지형을 형성하기 위해 요구되었지만, 본 발명에 따른 방법에서는 1.5㎜의 시트 두께에 대해 단지 2 내지 3분의 어닐링 시간이 요구되며, 따라서 어닐링 시간이 유의하게 감소된다. 최대 가능한 가열로 시간(furnace time)은 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층에 의해 변경되지 않는다. 따라서 보다 짧은 가열로 시간에 가열을 위한 공정 범위가 크게 확장된다.
보다 두꺼운 시트에 있어서, 가열로 시간은 강재 재료의 보다 느린 가열 속도로 인해 상응하게 연장된다. 또한 900 내지 950℃의 전형적인 가열로 온도는 본원에서 유지되어야 한다. 높은 주기 시간 동안에는 930 내지 950℃의 가열로 온도가 유리한다.
게다가, 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄으로 이루어진 본 발명에 따른 피복층은 전이 내성이 증가하고, 따라서 효과적인 저항 가열이 달성되기 때문에 짧은 가열로 시간과 함께 저항점 용접 성능에 대한 유리한 효과를 갖는다. 따라서 적어도 0.05㎛의 이러한 피복층의 두께는 짧은 가열 시간 이후에 양호한 용접 성능에 대해 바람직한 것으로 입증되었다.
실험에 따르면 래커 결합이 보다 양호하며, 부식성 공격(corrosive attack)으로 인해 박리(disbonding)가 적을수록 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층이 보다 두꺼운 것으로 나타났다. 한편, 이러한 피복층이 너무 두꺼운 경우, 저항점 용접에 대한 전이 내성이 너무 높고, 그 결과 용접 성능이 다시 손상될 수 있다. 따라서 5㎛의 피복층의 최대 두께를 초과해서는 안 된다.
용접 적합성(welding suitability)과 래커 결합 사이의 양호한 타협을 이루기 위해, 상기 피복층은 0.10 내지 3㎛의 두께를 가져야 한다.
효과적인 래커 결합과 함께 우수한 용접 적합성을 위해 0.15 내지 1㎛의 평균 두께를 갖는 피복층이 특히 유리하다. 일 실시예에서, 본 발명의 부품은 자동차를 제조하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명에 따르면, 본 발명은 또한 래커링에 특히 적합하고 저항점 용접에 특히 적합하게 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판으로부터 부품, 특히 특허청구범위 제 1 항에 따른 부품을 생산하기 위한 방법을 포함하며, 이때 상기 코팅으로서 알루미늄 기반 피복재는 열간 도금 공정에서 강판 상에 도포되며, 이때:
- 열간 도금 공정 이후 및 성형 공정 이전에 상기 피복재가 구비된 강판 또는 강재 스트립에는 양극 산화 및/또는 플라즈마 산화에 의한 처리 및/또는 열수 처리 및/또는 적어도 가변적 비율의 산소, 증기를 함유하는 분위기에서의 처리가 적용되고;
- 상기 열수 처리 또는 증기에 의한 처리는 적어도 90℃, 유리하게는 적어도 95℃의 온도에서 수행되고;
- 산화물 또는 수산화물을 형성함으로써 상기 피복재의 표면 상의 처리 도중에 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하고 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 두께를 갖는 피복층이 형성되고;
- 상기 강판 또는 강재 스트립은 오스테나이트화 온도 초과의 온도까지 적어도 부분적으로 가열되고;
- 이어 상기 가열된 강판 또는 강재 스트립이 형성되고, 후속적으로 적어도 부분적으로는 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, "적어도 부분적으로"란 표현은 상기 처리된 강판 또는 강재 스트립의 국소 부분의 측면에서 이해되어야 하며, 따라서 표적 방식으로 국소적으로 서로에 대해 편차가 있는 미세 구조 및 물성을 갖는 강판 또는 강재 스트립이 생산될 수 있다.
상기 피복층은 바람직하게는 연속 공정으로 상기 피복재의 표면 상에 도포된다.
유리한 방식으로, 상기 처리는 1차, 2차 또는 3차 지방족 아민(NH2R, NHR2, NR3)의 기본 성분, 바람직하게는 암모니아(NH3)를 다양한 비율로 또한 함유하는 분위기에서 일어난다.
공정 기술 측면에서, 양극 산화(박층 아노다이징(thin-layer anodising)), 플라즈마 산화에 의해 얇은 산화물 피복층이 유리하게는 생성될 수 있으며, 수산화물을 함유하는 피복층은 적어도 90℃, 유리하게는 적어도 95℃의 온도에서 알루미늄 기반 코팅의 열수 처리 및/또는 적어도 90℃, 유리하게는 적어도 95℃의 온도에서 증기에 의한 처리에 의해 생성될 수 있다.
아노다이징에 대한 대안으로서, AS 표면에 대한 기상 처리에 의해 동일한 목적이 또한 달성된다. 이를 위해, AS 표면은 산소, 증기를 적어도 가변적 비율로 함유할 수 있고, 임의적으로는 1차, 2차 또는 3차 지방족 아민의 기본 부품, 특히 암모니아를 다양한 비율로 함유할 수 있는 분위기로 처리된다. 이러한 처리는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층의 시간 또는 온도 제어 성장을 초래한다. 더욱이, 이러한 피복층의 층 두께 성장을 제어하기 위해 상기 기상의 조성물이 사용될 수 있다. 상기 처리는 40℃ 내지 100℃, 바람직하게는 90℃ 내지 100℃의 온도에서 수행된다. 처리 온도가 낮을수록 처리 기간은 더욱 길어지며, 처리 온도가 100℃를 초과하는 경우는 가능하게는 압력 용기가 요구된다.
아노다이징 및 또한 기상 처리로 인해 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 피복층은 그 표면 상에 메시 유사 또는 니들 유사 구조(needle-like structure)를 갖게 된다. 이로 인해 연관된 표면적의 증가는 후속적인 음극 침지 코팅의 접착력을 개선시킨다.
래커링될 수 있는 표면 지형을 형성하기 위해 보다 긴 가열 시간을 제공하는 것이 더 이상 불필요하기 때문에 상기 코팅의 부식 방지가 향상된다. 롤러 화로에서는 짧은 어닐링 시간이 요구됨에 따라 알루미늄 및 철의 확산이 보다 적다는 점에서 이를 설명할 수 있다. 또한 이는 그 중에서도 상대적으로 작은 확산 내 구역을 초래한다. 일례로, 이는 150g/㎡(AS150)의 출발 물질의 AS 도포량에 대해 7㎛ 두께 미만이다.
실험에서, 150g/㎡의 AS 도포량을 갖는 플레이트를 사용할 때의 가열로 체류 시간에 따라 최종 부품 상에 5㎛ 미만, 심지어는 4㎛ 미만의 확산 구역의 두께가 달성될 수도 있다.
80g/㎡(AS80)의 AS 도포량을 갖는 플레이트를 사용할 때, 이러한 경우 본 발명을 따르지 않는 피복재의 경우에는 가열로 시간이 또한 약간 감소하고, 심지어 결과적으로는, 예를 들어 5㎛의 보다 두꺼운 확산층을 초래하는 것 알려져 있다. 실험에 따르면 이러한 경우에 본 발명에 따른 용액을 사용함으로써 가열로 시간이 더욱 더 감소될 수 있으며, 그 결과 최종 부품 상에 5㎛ 미만의 확산층의 두께가 달성될 수도 있는 것으로 나타났다. 추가의 실험에서, 가열로에서의 가열 시간을 추가로 감소시킴으로써 상기 최종 부품 상의 3㎛ 미만, 심지어는 2㎛ 미만의 확산층 두께의 추가의 감소가 달성될 수 있다.
AS80 내지 AS150의 층 도포량을 갖는 플레이트 및 S80 미만 또는 AS150 초과의 층 도포량을 갖는 플레이트를 사용할 때, 상기 출발 물질의 층 도포량에 대한 본 발명에 따른 확산 내 층(I)의 두께가 프레스 경화 이후에 시트 두께에 따른 상이한 가열 시간에 대한 하기 일반식에 따라 선형 상관관계(linear correlation)로부터 생성된다:
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7(짧은 가열 시간)
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 5/7(매우 짧은 가열 시간)
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] - 2/7(극히 짧은 가열 시간)
본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 피복재는 래커링될 수 있는 표면을 생성하기 위해 가열로 내에서 임의의 체류 시간을 요구하지 않기 때문에 가열로에서의 목적하는 가열 시간은 시트 두께에만 의존한다. 따라서 시트가 두꺼울수록 보다 얇은 시트보다 가열을 위해 더욱 긴 가열 시간이 요구된다.
일례로, 1.5㎜의 두께를 갖는 시트에 있어서, 표 1에는 롤러 화로에서의 전형적인 가열 시간(360초)에 비해 짧은 가열 시간(220초), 매우 짧은 가열 시간(180초) 및 극히 짧은 가열 시간(150초)이 나열되어 있다.
짧은 가열 시간에 대한 추가의 긍정적인 효과는 합금 층 및 확산 구역 내에서 공극률이 상당히 감소한다는 것이다. 기공은, 예를 들어 커켄달 효과(Kirkendall effect)에 의해 보다 긴 어닐링 시간에 걸쳐 생성된다. 실험에 따르면 짧은 어닐링 시간으로 인해 전체 공극률이 6% 미만의 값, 심지어는 4% 미만 또는 2% 미만의 값까지 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 이는, 예를 들어 용접 적합성에 대한 유리한 효과를 가질 수 있다.
알루미늄-실리콘 코팅이 구비된 플레이트에 대한 프레스 성형 경화에 있어서, 이제는 가열로에서 강판의 긴 체류 시간을 고수할 필요성이 더 이상은 없다. 상기 강판은 여전히 목적하는 성형 온도까지 가열되어야만 하고, 상기 성형 온도에 도달하는 즉시 성형 프레스에 공급하고, 성형하고, 켄칭할 수 있다.
그 결과, 유리하게는 이전에 사용된 것보다 짧은 롤러 화로가 사용될 수 있다. 더욱이, 예를 들어 유도성 또는 전도성 급속 가열을 위해 기타 유형의 가열로의 사용이 가능하며, 이때 상기 가열된 플레이트는 래커링될 수 있는 표면 지형을 형성하기 위한 온도로 유지될 필요는 없다.
더욱이, 현재는 플레이트를 부분적으로만 가열하고 경화하는 것이 가능하며, 이로 인해 열 효과가 낮은 영역에서도 양호한 점용접 성능 및 음극 침지 코팅을 구현할 수 있다.
이하, 본 발명은 예시된 도면을 참고하여 더욱 상세하게 개시될 것이다.
도 1은 선행 기수분야에 따라 철로 피복재를 충분히 합금하는 것을 달성하기 위해 AS로 이루어진 코팅을 구비한 프레스 성형-경화된 부품 상의 코팅의 층 구조 및 전형적인 긴 가열 시간을 개략적으로 나타낸다. 상기 부품에 있어서, AS150로 이루어진 피복재를 구비한 강판, 즉 피복재의 층 도포량이 150g/㎡인 강판이 사용되었다. 상기 마르텐사이트계 강재 기재 상에는 7 내지 14㎛의 두께를 갖는 확산 내 구역 Fe(Al, Si)이 형성되고, 그 상부에 상이한 금속간 상(예를 들어, Fe2SiAl2 및 FeAl2)을 갖는 구역이 형성되었으며, 여기서 이러한 구역 내의 개별 상은 선의 형태 또는 클러스터의 형태로도 분포되어 있을 수 있다. 가열로에서의 산화에 의해, 그리고 프레스 내로의 전달 도중에 0.05㎛ 미만의 두께를 갖는 매우 얇은 산화알루미늄 층만이 형성되었다. 상이한 구역에 형성된 기공이 또한 관찰될 수 있다.
이와 반대로, 도 2는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 적어도 0.05㎛의 두께로 함유하는 본 발명에 따른 피복층이 형성되는 AS 코팅을 구비한 프레스 성형-경화된 부품 상의 본 발명에 따른 코팅의 층 구조를 나타내며, 여기서 상기 부품은 선행 기술분야에 비해 감소된 가열 시간 내에 생산되었다. 상기 강판과 코팅 사이의 전이 영역에는 알루미늄 및 실리콘이 강재 Fe(Al, Si) 내로 확산되는 확산 내 구역(I)이 형성되었다. 단지 가열로에서 요구되는 오스테나이트화 온도까지의 매우 짧은 가열 시간으로 인해, 이러한 층은, 예를 들어 S150에 대해 평균 7㎛ 미만의 두께를 갖는다. 가열 도중에는 이러한 층 상에 상이한 금속간 상(예를 들어, Fe2SiAl2 및 FeAl2)을 갖는 추가의 층이 형성되며, 여기서 이러한 구역 내의 개별 상은 선의 형태 또는 클러스터의 형태로도 분포되어 있을 수 있으며, 그 상부에는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하고 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께를 갖는 피복층이 배열된다.
도 3은 하기 관계식에 따라 50g/㎡ 내지 180g/㎡의 출발 물질의 층 도포량에 대해 본 발명에 따른 확산 내 구역(I)의 두께에 대한 그래프를 나타낸다.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7
도 1은 선행 기수분야에 따라 철로 피복재를 충분히 합금하는 것을 달성하기 위해 AS로 이루어진 코팅을 구비한 프레스 성형-경화된 부품 상의 코팅의 층 구조 및 전형적인 긴 가열 시간을 개략적으로 나타낸다. 상기 부품에 있어서, AS150로 이루어진 피복재를 구비한 강판, 즉 피복재의 층 도포량이 150g/㎡인 강판이 사용되었다. 상기 마르텐사이트계 강재 기재 상에는 7 내지 14㎛의 두께를 갖는 확산 내 구역 Fe(Al, Si)이 형성되고, 그 상부에 상이한 금속간 상(예를 들어, Fe2SiAl2 및 FeAl2)을 갖는 구역이 형성되었으며, 여기서 이러한 구역 내의 개별 상은 선의 형태 또는 클러스터의 형태로도 분포되어 있을 수 있다. 가열로에서의 산화에 의해, 그리고 프레스 내로의 전달 도중에 0.05㎛ 미만의 두께를 갖는 매우 얇은 산화알루미늄 층만이 형성되었다. 상이한 구역에 형성된 기공이 또한 관찰될 수 있다.
이와 반대로, 도 2는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 적어도 0.05㎛의 두께로 함유하는 본 발명에 따른 피복층이 형성되는 AS 코팅을 구비한 프레스 성형-경화된 부품 상의 본 발명에 따른 코팅의 층 구조를 나타내며, 여기서 상기 부품은 선행 기술분야에 비해 감소된 가열 시간 내에 생산되었다. 상기 강판과 코팅 사이의 전이 영역에는 알루미늄 및 실리콘이 강재 Fe(Al, Si) 내로 확산되는 확산 내 구역(I)이 형성되었다. 단지 가열로에서 요구되는 오스테나이트화 온도까지의 매우 짧은 가열 시간으로 인해, 이러한 층은, 예를 들어 S150에 대해 평균 7㎛ 미만의 두께를 갖는다. 가열 도중에는 이러한 층 상에 상이한 금속간 상(예를 들어, Fe2SiAl2 및 FeAl2)을 갖는 추가의 층이 형성되며, 여기서 이러한 구역 내의 개별 상은 선의 형태 또는 클러스터의 형태로도 분포되어 있을 수 있으며, 그 상부에는 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하고 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께를 갖는 피복층이 배열된다.
도 3은 하기 관계식에 따라 50g/㎡ 내지 180g/㎡의 출발 물질의 층 도포량에 대해 본 발명에 따른 확산 내 구역(I)의 두께에 대한 그래프를 나타낸다.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7
표 1에는 940℃의 가열로 온도에서 상이한 가열 시간 동안 프레스-경화된 AS150 샘플의 래커 결합(자동차의 경우에 일반적인 인산염 처리 및 음극 침지 코팅; DIN EN ISO 6270-2:2005 CH에 따라 일정한 응축수 분위기에서 72시간 이후에 시험) 및 용접 적합성(저항점 용접)에 대한 실험이 요약되어 있다. 샘플의 시트 두께는 1.5㎜이다. 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 본 발명에 따른 피복층이 제공되는 경우에 양호한 래커 결합 및 용접 적합성이 오직 220초 이하의 가열 시간에 구현된다는 것을 확인할 수 있다. 220초 이하의 짧은 가열 시간에는 두께가 7㎛ 미만인 확산 내 층이 프레스 경화된 부품 상에 또한 생성된다. 이에 반해, 선행 기술분야의 일부이고 본 발명에 따르지 않는 360초의 긴 가열 시간에는 상기 피복재를 철로 충분히 합금하였기 때문에 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하는 본 발명에 따른 피복층이 없는 샘플에서도 양호한 래커 결합 및 용접 적합성이 구현된다. 360초의 가열 시간 이후에 상기 확산 내 층의 두께는 명백히 7㎛를 초과한다.
| 번호 | 재료 | 두께 | 도포량 | 피복층 | 가열로 온도 | 가열로 체류 시간 | 용접 면적 | 음극 침지 코팅 | 확산층의 두께 | 본 발명에 따름 |
| 1 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 부재 | 940℃ | 150초 | 불량 | 불량 | < 7㎛ | 아니오 |
| 2 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 a | 940℃ | 150초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 3 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 b | 940℃ | 150초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 4 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 c | 940℃ | 150초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 5 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 부재 | 940℃ | 180초 | 불량 | 불량 | < 7㎛ | 아니오 |
| 6 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 a | 940℃ | 180초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 7 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 b | 940℃ | 180초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 8 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 c | 940℃ | 180초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 9 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 부재 | 940℃ | 220초 | 불량 | 불량 | < 7㎛ | 아니오 |
| 10 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 a | 940℃ | 220초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 11 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 b | 940℃ | 220초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 12 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 c | 940℃ | 220초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 예 |
| 13 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 부재 | 940℃ | 360초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 아니오 |
| 14 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 a | 940℃ | 360초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 아니오 |
| 15 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 b | 940℃ | 360초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 아니오 |
| 16 | 22MnB5 | 1.5㎜ | AS150 | 증착 시간 c | 940℃ | 360초 | > 1Ak (양호) | 양호 | < 7㎛ | 아니오 |
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Claims (17)
- 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판으로 이루어진 부품으로서,
상기 코팅은 열간 도금 공정(hot-dipping process)에서 도포되고 알루미늄 및 실리콘을 함유하는 피복재를 포함하며, 여기서 상기 프레스 성형-경화된 부품은 상기 강판과 피복재 사이의 전이 영역에서 확산 내 구역(inter-diffusion zone; I)을 구비하며, 여기서 가열 및 프레스 경화 이전에 상기 피복재의 층 도포량(layer support)에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 부품:
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7
상기 식에서, 8 내지 50㎛의 평균 전체 두께를 갖는 상이한 금속간 상을 갖는 구역이 상기 확산 내 구역(I) 상에 형성되며, 이어 상기 구역이 그 상부에 배열되는 피복층을 구비하며, 여기서 상기 피복층은 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 평균 두께로 함유한다. - 제 1 항에 있어서, 상기 피복재의 층 도포량에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 부품.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 5/7 - 제 1 항에 있어서, 상기 피복재의 층 도포량에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 부품.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] - 2/7 (여기서, 양 측면 상의 도포량은 10 g/㎡을 초과함) - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 평균 층 두께는 적어도 0.10㎛ 내지 최대 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복층의 평균 층 두께는 적어도 0.15㎛ 내지 최대 1.0㎛인 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피복재는 0 초과 6% 미만의 전체 공극률을 갖는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 6 항에 있어서, 상기 피복재는 0 초과 4% 미만의 전체 공극률을 갖는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 6 항에 있어서, 상기 피복재는 0 초과 2% 미만의 전체 공극률을 갖는 것을 특징으로 하는 부품.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강판의 피복재는 Si 함량이 8 내지 12중량%이고, Fe 함량이 1 내지 4중량%이며, 나머지가 알루미늄 및 불가피한 불순물인 용해조에서 생산되는 것을 특징으로 하는 부품.
- 래커링(lacquering) 및 저항점 용접을 위해 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판 또는 강재 스트립으로부터 부품을 생산하기 위한 방법으로서,
상기 코팅으로서 알루미늄 기반 피복재는 열간 도금 공정에서 상기 강판 또는 강재 스트립 상에 도포되며, 여기서:
- 열간 도금 공정 이후 및 성형 공정 이전에 상기 피복재가 구비된 강판 또는 강재 스트립에는 양극 산화 및 플라즈마 산화 중 적어도 하나에 의한 처리, 열수 처리 및 소정의 비율의 산소, 증기를 함유하는 분위기에서의 처리 중 적어도 하나가 적용되고;
- 상기 열수 처리 또는 증기에 의한 처리는 90℃ 내지 100℃의 온도에서 수행되고;
- 산화물 또는 수산화물을 형성함으로써 상기 피복재의 표면 상의 처리 도중에 산화알루미늄 및/또는 수산화알루미늄을 함유하고 적어도 0.05㎛ 내지 최대 5㎛의 두께를 갖는 피복층이 형성되고;
- 상기 강판 또는 강재 스트립은 오스테나이트화 온도 초과의 온도까지 적어도 부분적으로 가열되고;
- 이어 상기 가열된 강판 또는 강재 스트립이 형성되고, 후속적으로 적어도 부분적으로는 임계 냉각 속도 초과의 속도로 냉각되는 것을 특징으로 하는, 알루미늄 기반 코팅이 구비된 프레스 성형-경화된 강판 또는 강재 스트립으로부터 부품을 생산하기 위한 방법. - 제 10 항에 있어서, 상기 피복층은 연속 공정으로 상기 피복재의 표면 상에 도포되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 부품은 상기 강판 또는 강재 스트립과 피복재 사이의 전이 영역에서 확산 내 구역(I)를 구비하며,
상기 피복재의 층 도포량에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 방법:
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 19/7
상기 식에서, 8 내지 50㎛의 두께를 갖는 상이한 금속간 상을 구비한 구역이 형성되는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 12 항에 있어서, 상기 피복재의 층 도포량에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] + 5/7 - 제 13 항에 있어서, 상기 피복재의 층 도포량에 따라 상기 확산 내 구역(I)의 두께는 하기 일반식에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
I[㎛] < 1/35 x 양 측면 상의 도포량[g/㎡] - 2/7 (여기서, 양 측면 상의 도포량은 10 g/㎡을 초과함) - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 처리는 기본 성분을 소정의 비율로 함유하는 분위기에서 일어나는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 상기 기본 성분은 암모니아(NH3), 1차, 2차 또는 3차 지방족 아민(NH2R, NHR2)인 것을 특징으로 하는 방법
- 자동차를 제조하기 위해 사용되는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 부품.
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