KR20240081145A - 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 - Google Patents
핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판 상에 배치되며, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 구비하고, 상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층, 중간 합금층, 및 내식성 강화층을 포함하고, 상기 하부 합금층의 두께와 상기 중간 합금층의 두께의 비는 1:2 이하인, 핫 스탬핑 부품이 제공된다.
Description
본 발명은 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
근래 자동차 산업에서의 환경 규제와 안전기준이 강화됨에 따라, 자동차의 경량화 및 안정성을 위한 고강도 강의 적용이 늘어나는 추세이다. 한편, 고강도 강은 중량 대비 고강도 특성을 확보할 수 있으나, 가공 중 소재의 파단이 발생하거나, 스프링 백 현상이 발생하여 복잡하고 정밀한 형상의 제품의 성형에 어려움이 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 열간 프레스 성형(핫 스탬핑)의 적용이 확대되고 있다.
열간 프레스 성형은 고온에서 강판을 가열하여 프레스 가공하므로 강재의 성형이 용이하며, 금형을 통해 급랭을 실시하므로 성형품의 강도를 확보할 수 있다. 그러나, 열간 프레스 성형을 위해 강판을 고온으로 가열하므로, 강판의 표면이 산화되는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 미국 등록특허 제6,296,805호 발명은 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형하는 방법을 제안하고 있다. 미국 등록특허 제6,296,805호 발명에 의하면 알루미늄 도금층이 강판 표면에 존재하므로 강판의 가열에 의해 강판의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 알루미늄 도금층으로서, Al-Si계 도금이 핫 스탬핑에 적용되고 있다. 그러나 Al-Si계 도금은 내고온산화성은 우수하지만, 핫 스탬핑 후 높은 경도의 도금층과 도금표면에 존재하는 기공으로 인하여 가공 시 도금층 크랙 및 탈락을 유발하여 성형 작업성 감소 및 도금층 손실에 의한 내식성을 감소시키는 단점을 가지고 있다. 뿐만 아니라, 기존의 Al-Si계 핫스탬핑 도금재는 핫스탬핑 후 도금층이 가지는 내식성의 기능이 단순히 보호막으로만 작용하는 기능을 가지고 있어, 성형 시 마찰에 의해 손실된 도금층이 부식환경에 노출되었을 때 쉽게 적청이 발생하게 된다.
이러한 문제를 개선하기 위해서 도금층의 금속물이 희생방식성을 가지는 Zn계 핫스탬핑 도금기술이 개발되었으나 Zn이 가지는 고온의 핫스탬핑 공정에서 고휘발성과 고산화성 문제점과 고온 성형이 발생하는 액체 금속 취화 현상(LME, liquid metal embrittlement)으로 인해 상용화하는데 제약이 많은 실정이다.
본 발명의 실시예들은, 알루미늄계 도금층을 형성함에 있어서 Si, Zn 및 Mg를 적정 비율 첨가하여 희생방식성을 가지며 동시에 가공성이 우수한 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예는, 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판 상에 배치되며, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 구비하고, 상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층, 중간 합금층, 및 내식성 강화층을 포함하고, 상기 하부 합금층의 두께와 상기 중간 합금층의 두께의 비는 1:2 이하인, 핫 스탬핑 부품이 제공된다.
본 실시예에 있어서, 상기 도금층은 상기 내식성 강화층 상에 배치된 표면층을 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 표면층은 아연(Zn)계 산화물 및 마그네슘(Mg)계 산화물로 구비될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 하부 합금층은 Fe3Al 상과 α-Fe 상으로 구비될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 중간 합금층은 Fe2Al5 상으로 구비될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 내식성 강화층은 Fe-Al-Si 화합물 및 아연 농후(Zn-rich)상으로 구비될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 베이스 강판을 아연(Zn): 20 wt% 내지 55 wt%, 마그네슘(Mg): 0.5 wt% 내지 4 wt%, 실리콘(Si): 0.5 wt% 내지 3 wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 상기 베이스 강판 상 도금층이 형성된 핫 스탬핑용 강판을 제조하는 단계; 상기 핫 스탬핑용 강판을 860℃ 이상 960℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및 상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계;를 구비하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법이 제공된다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 성형 단계 후의 상기 도금층은 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 핫 스탬핑 성형 단계 후의 상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층, 중간 합금층, 및 내식성 강화층을 포함할 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 하부 합금층의 두께와 상기 중간 합금층의 두께의 비는 1:2 이하일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계는, 상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 금형으로 이송하는 단계; 및 상기 이송된 핫 스탬핑용 강판을 성형 및 냉각하는 단계;를 포함할 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, 알루미늄계 도금층을 형성함에 있어서 Si, Zn 및 Mg를 적정 비율 첨가하여 희생방식성을 가지며 동시에 가공성이 우수한 핫 스탬핑 부품을 제조할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 제조 단계를 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 단면을 기준으로 철(Fe) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 6은 도 4의 단면을 기준으로 알루미늄(Al) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 7은 도 4의 단면을 기준으로 아연(Zn) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 8은 도 4의 단면을 기준으로 실리콘(Si) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 9는 도 4의 단면을 기준으로 마그네슘(Mg) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 10은 도 4의 단면을 기준으로 산소(O) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 제조 단계를 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 4의 단면을 기준으로 철(Fe) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 6은 도 4의 단면을 기준으로 알루미늄(Al) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 7은 도 4의 단면을 기준으로 아연(Zn) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 8은 도 4의 단면을 기준으로 실리콘(Si) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 9는 도 4의 단면을 기준으로 마그네슘(Mg) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 10은 도 4의 단면을 기준으로 산소(O) 성분을 맵핑한 이미지이다.
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.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"은 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 그리고, "A 및 B 중 적어도 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 핫 스탬핑용 강판(10)은 베이스 강판(100) 및 베이스 강판(100)의 적어도 일면 상에 배치된 도금층(200)을 포함할 수 있다.
베이스 강판(100)은 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 강 슬라브에 대해 열연 공정 및 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다. 일 실시예에서, 베이스 강판(100)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 잔부의 철, 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 베이스 강판(100)은 wt%(중량%)로, 탄소(C) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 실리콘(Si) 0.01wt% 이상 3.0wt% 이하, 망간(Mn) 0.3wt% 이상 5.0wt% 이하, 인(P) 0 초과 0.1wt% 이하, 황(S) 0 초과 0.1wt% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 베이스 강판(100)은 보론(B), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 베이스 강판(100)은 wt%(중량%)로 보론(B) 0.0001wt% 이상 0.005wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 니오븀(Nb) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 및 니켈(Ni) 0.01wt% 이상 1.0wt% 이하 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
탄소(C)는 베이스 강판(100)의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑 공정 이후, 베이스 강판(100)의 인장강도를 확보하고, 소입성 특성을 확보하기 위한 목적으로 첨가된다. 이러한 탄소는 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 약 0.01wt% 내지 약 0.5wt%로 포함될 수 있다. 탄소의 함량이 약 0.01wt% 미만인 경우, 베이스 강판(100)의 기계적 강도를 확보하기 어려우며, 반면에 탄소의 함량이 약 0.5wt%를 초과하면, 베이스 강판(100)의 인성 저하 또는 취성 제어 문제가 야기될 수 있다.
실리콘(Si)은 베이스 강판(100) 내 페라이트 안정화 원소로 작용한다. 실리콘(Si)은 고용 강화 원소로서 베이스 강판(100)의 연성을 향상시키며, 저온역 탄화물의 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시킬 수 있다. 또한, 실리콘(Si)은 열연, 냉연, 열간 프레스 조직 균질화(펄라이트, 망간 편석대 제어) 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 이러한 실리콘은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 약 0.01wt% 내지 약 3.0wt% 포함될 수 있다. 실리콘이 약 0.01wt% 미만으로 포함되는 경우, 상술한 효과를 얻기 어려우며, 반대로 실리콘의 함량이 약 3.0wt%를 초과하면, 열연, 냉연 부하가 증가하며 열연 붉은형 스케일이 과다해지고 베이스 강판(100)의 도금 특성이 저하될 수 있다.
망간(Mn)은 열처리 시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 망간은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 약 0.3wt% 이상 약 5.0wt% 이하 포함될 수 있다. 망간의 함량이 0.3wt% 미만이면, 결정립 미세화 효과가 충분하지 못하여, 핫 스탬핑 후 성형품 내의 경질상 분율이 미달될 수 있다. 반면에, 망간의 함량이 5.0wt%를 초과하면, 망간 편석 또는 펄라이트 밴드에 의한 연성 및 인성이 저하될 수 있으며, 굽힘 성능 저하의 원인이 되고 불균질 미세조직이 발생할 수 있다.
인(P)은, 베이스 강판(100)의 인성 저하를 방지하기 위해, 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.1wt% 이하로 포함될 수 있다. 인이 0.1wt%를 초과하여 베이스 강판(100) 포함되면, 인화철 화합물이 형성되어 인성이 저하되고, 제조 공정 중 베이스 강판(100)에 크랙이 유발될 수 있다.
황(S)은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0 초과 0.1wt% 이하 포함될 수 있다. 황의 함량이 0.1wt%를 초과하면 열간 가공성이 저하되고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.
보론(B)은 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 베이스 강판(100)의 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가되며, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 보론은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.0001wt% 내지 0.005wt%로 포함될 수 있다. 보론이 상기 범위로 포함 시 경질상 입계 취성 발생을 방지하며, 고인성과 굽힘성을 확보할 수 있다.
티타늄(Ti)은 핫 스탬핑 열처리 후 석출물 형성에 의한 소입성 강화 및 재질 상향 목적으로 첨가될 수 있다. 또한, 고온에서 Ti(C,N) 등의 석출상을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적으로 기여한다. 티타늄은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.1wt% 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.
니오븀(Nb)은 마르텐사이트(Martensite) 패캣 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가된다. 니오븀은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.1wt 포함될 수 있다. 니오븀이 상기 범위로 포함시 열간압연 및 냉간 압연 공정에서 강재의 결정립 미세화 효과가 우수하고, 제강/연주시 슬라브의 크랙 발생과, 제품의 취성 파단 발생을 방지하며, 제강성 조대 석출물 생성을 최소화할 수 있다.
크롬(Cr)은 베이스 강판(100)의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.5wt% 포함될 수 있다. 크롬이 상기 범위로 포함시 베이스 강판(100)의 소입성 및 강도를 향상시키며, 생산비 증가와 강재의 인성 저하를 방지할 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 열간압연 및 열간 프레스 중 석출물의 조대화 억제 및 소입성 증대를 통해 베이스 강판(100)의 강도 향상에 기여할 수 있다. 이와 같은 몰리브덴(Mo)은 베이스 강판(100) 전체 중량에 대하여 0.01wt% 내지 0.5wt% 로 포함될 수 있다.
일 실시예에서, 베이스 강판(100)의 적어도 일면에는 도금층(200)이 형성될 수 있다. 도금층(200)은 실리콘(Si), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
실리콘(Si)은 베이스 강판(100)과 도금층(200)의 합금화를 제어하여 도금층(200)의 가공성을 향상시키는 목적으로 첨가될 수 있다. 실리콘(Si)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 0.5wt% 이상 약 3wt% 이하 포함될 수 있다. 실리콘(Si)의 함량이 약 0.5wt% 미만인 경우에는 핫 스탬핑 열처리 공정에서 합금과 억제 효과가 낮아 베이스 강판(100)에서 도금층(200)으로 Fe의 확산이 과도하게 일어날 수 있고, 가공 시 도금층(200)의 가공성이 감소할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)의 함량이 약 3wt%를 초과하는 경우 핫 스탬핑 열처리 시 하부 합금층의 두께가 감소하여 중간 합금층에서 발생한 균열이 베이스 강판(100)으로 전달되는 것을 방지하지 못하여 베이스 강판(100)에 균열이 발생할 수 있다.
아연(Zn)은 희생 방식 능력을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 아연(Zn)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 20wt% 내지 약 55wt% 포함될 수 있다. 아연(Zn)의 함량이 약 20wt% 미만인 경우 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 발현하기에 부족할 수 있다. 아연(Zn)의 ?t량이 약 55wt%를 초과하는 경우 핫 스탬핑 공정에서 아연 흄(Zn fume)이 발생할 수 있고, 액체 금속 취화 현상이 발생할 수 있다.
마그네슘(Mg)은 내식성을 향상시키는 목적으로 첨가될 수 있다. 마그네슘(Mg)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 0.5wt% 내지 약 4wt% 포함될 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 약 0.5wt% 미만인 경우 내식성 개선 효과가 충분히 발현되지 않을 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 약 4wt%를 초과하는 경우 과도한 마그네슘(Mg) 산화에 의해 조업성이 감소될 수 있고 도금 표면 품질이 저해될 수 있다.
한편, 도금층(200)에는 알루미늄(Al) 수지상 사이에 아연 농후(Zn-rich)상이 존재하고, 아연 농후(Zn-rich)상의 일부에 마그네슘(Mg)계 금속간 화합물 및 실리콘(Si) 단상이 존재할 수 있다. 이때, 마그네슘(Mg)계 금속간 화합물은 MgZn2상 및 Mg2Si상을 포함할 수 있다.
다른 표현으로, 도금층(200)에는 알루미늄 농후(Al-rich) 영역 사이에 아연 농후(Zn-rich) 영역이 존재할 수 있다. 이때, 알루미늄 농후(Al-rich) 영역은 알루미늄(Al)이 고비율로 집중된 영역을 의미하고, 아연 농후(Zn-rich) 영역은 아연(Zn)이 고비율로 집중된 영역을 의미할 수 있다. 또한, 아연 농후(Zn-rich) 영역의 일부에는 마그네슘(Mg)계 금속간 화합물 및 실리콘(Si) 단상이 존재할 수 있다. 이때, 마그네슘(Mg)계 금속간 화합물은 MgZn2상 및 Mg2Si상을 포함할 수 있다.
Mg2Si상은 도금층(200)에 포함된 실리콘(Si)과 마그네슘(Mg)이 반응하여 형성되는 것으로, Mg2Si상은 내식성을 향상시키는 석출상일 수 있다. Mg2Si상은 도금층(200)의 표면 및 내부에 모두 분포될 수 있다. 도금층(200)의 표면에는 Mg2Si상이 분포된다고 함은, 도금층(200)의 표면을 통해 Mg2Si상의 일부가 노출되는 것을 의미할 수 있다. Mg2Si상은 부식환경에서 아연 농화 영역(Zn-rich)으로 빠르게 관통되어 베이스 강판(100)을 향해 내려가는 부식 속도를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, Mg2Si상으로부터 용출되어 나오는 마그네슘(Mg)은 아연 산화물 중 내식성을 향상시키는 시몬콜라이트의 생성을 안정화시키는 역할을 하게 되어 도금층(200)의 내식성을 한층 더 강화할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 제조 단계를 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 2를 참조하면, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 핫 스탬핑용 강판 제조 단계(S100), 가열 단계(S200), 이송 단계(S300), 성형 단계(S400), 및 냉각 단계(S500)를 포함할 수 있다. 한편, 도 2에서는 S100 단계 내지 S500 단계가 독립적인 단계로 도시되어 있으나, S100 단계 내지 S500 단계 중 일부는 하나의 공정에서 수행될 수 있으며, 필요에 따라 일부가 생략되는 것도 가능하다.
또한, 도 3을 참조하면, 핫 스탬핑용 강판 제조 단계(S100)는 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120), 냉각/권취 단계(S130), 냉간압연 단계(S140), 소둔 열처리 단계(S150), 및 도금 단계(S160)를 포함할 수 있다. 한편, 도 3에서는 S110 단계 내지 S160 단계가 독립적인 단계로 도시되어 있으나, S110 단계 내지 S160 단계 중 일부는 하나의 공정에서 수행될 수 있으며, 필요에 따라 일부가 생략되는 것도 가능하다.
이때, S110 내지 S160을 통해 핫 스탬핑용 강판이 제조될 수 있고, S100 내지 S500을 통해 핫 스탬핑 부품이 제조될 수 있다..
본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑용 강판의 제조 방법은 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120), 냉각/권취 단계(S130), 냉간압연 단계(S140), 소둔 열처리 단계(S150), 및 도금 단계(S160)를 포함할 수 있다.
먼저, 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 강 슬라브를 준비한다. 강 슬라브는 탄소(C) 0.01wt% 내지 0.50wt%, 실리콘(Si) 0.01wt% 내지 3.0wt%, 망간(Mn) 0.3wt% 내지 5.0wt%, 인(P) 0 초과 0.1wt% 이하, 황(S) 0 초과 0.1wt% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 강 슬라브는 보론(B), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 강 슬라브는 보론(B) 0.0001wt% 이상 0.005wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 니오븀(Nb) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 및 니켈(Ni) 0.01wt% 이상 1.0wt% 이하 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
먼저, 재가열 단계(S110)에서는 먼저, 열간 압연을 위해 강 슬라브의 재가열이 수행될 수 있다. 재가열 단계(S110)에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 슬래브를 소정의 온도 범위에서 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 일 실시예에서, 슬라브 재가열 온도(slab reheating temperature, SRT)는 약 1200℃ 내지 약 1400℃ 일 수 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 약 1200℃ 보다 낮은 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못해 합금 원소의 균질화 효과를 크게 보기 어렵고, 티타늄(Ti)의 고용 효과를 크게 보기 어렵다는 문제점이 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)는 고온일수록 균질화에 유리하나 슬라브 재가열 온도(SRT)가 약 1400℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
열간 압연 단계(S120)에서는 재가열된 강 슬라브를 소정의 마무리 압연 온도에서 열간 압연할 수 있다. 일 실시예에서, 열간 압연 단계(S120)의 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT)는 약 880℃ 내지 약 950℃일 수 있다. 이때, 마무리 압연 온도(FDT)가 약 880℃ 보다 낮으면, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직이 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있을 뿐만 아니라 급격한 상 변화에 의해 열간 압연 중 통판성의 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 마무리 압연 온도(FDT)가 약 950℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화될 수 있다. 또한, TiC 석출물이 조대화되어 최종 부품 성능이 저하될 위험이 있다.
냉각/권취 단계(S130)에서는 열간 압연된 강판을 소정의 권취 온도(Coiling Temperature: CT)까지 냉각하여 권취할 수 있다. 일 실시예에서, 냉각/권취 단계(S130)에서의 권취 온도는 약 550℃ 내지 약 800℃ 일 수 있다. 냉각/권취 단계(S130)에서의 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 약 550℃ 미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 강도 증가 및 냉간압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하될 수 있다. 반대로, 권취 온도가 약 800℃를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생할 수 있다.
냉간 압연 단계(S140)에서는 권취된 강판을 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연할 수 있다. 이때, 산세는 권취된 강판, 즉 전술한 열연 과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
소둔 열처리 단계(S150)는 냉간 압연된 냉연 강판을 약 700℃ 이상의 온도에서 소둔 열처리할 수 있다. 일 실시예에서, 소둔 열처리 온도는 약 700℃ 내지 약 850℃ 일 수 있다. 소둔 열처리 단계(S240)는 수소 10% ~ 30%, 질소 70% ~ 90%로 구성된 환원 분위기에서 실시될 수 있다. 소둔 열처리는 냉연 강판을 가열하고, 가열된 냉연 강판을 소정의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
도금 단계(S160)는 소둔 열처리된 강판에 대해 도금층을 형성하는 단계이다. 도금 단계(S350)에서, 소둔 열처리된 강판, 즉, 베이스 강판(100) 상에 도금층(200)을 형성할 수 있다.
구체적으로, 도금 단계(S350)는 베이스 강판(100)을 약 520℃ 내지 약 660℃, 더욱 바람직하게는 약 550℃ 내지 약 660℃의 온도를 가지는 도금욕에 침지시켜 베이스 강판(100)의 표면에 용융도금층을 형성하는 단계와 용융도금층이 형성된 베이스 강판(100)을 냉각시켜 도금층(200)을 형성하는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
도금욕은 실리콘(Si), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도금욕은 아연(Zn): 약 20 wt% 내지 약 55 wt%, 마그네슘(Mg): 약 0.5 wt% 내지 약 4 wt%, 실리콘(Si): 약 0.5 wt% 내지 약 3 wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
실리콘(Si)은 베이스 강판(100)과 도금층(200)의 합금화를 제어하여 도금층(200)의 가공성을 향상시키는 목적으로 첨가될 수 있다. 실리콘(Si)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 0.5wt% 이상 약 3wt% 이하 포함될 수 있다. 실리콘(Si)의 함량이 약 0.5wt% 미만인 경우에는 합금화 억제 효과가 낮아 베이스 강판(100)에서 도금층(200)으로 Fe의 확산이 과도하게 일어날 수 있고, 가공 시 도금층(200)의 가공성이 감소할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)의 함량이 약 3wt%를 초과하는 경우 핫 스탬핑 열처리 시 하부 합금층의 두께가 감소하여 중간 합금층에서 발생한 균열이 베이스 강판(100)으로 전달되는 것을 방지하지 못하여 베이스 강판(100)에 균열이 발생할 수 있다.
아연(Zn)은 희생 방식 능력을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 아연(Zn)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 20wt% 내지 약 55wt% 포함될 수 있다. 아연(Zn)의 함량이 약 20wt% 미만인 경우 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 발현하기에 부족할 수 있다. 아연(Zn)의 ?t량이 약 55wt%를 초과하는 경우 핫 스탬핑 공정에서 아연 흄(Zn fume)이 발생할 수 있고, 액체 금속 취화 현상이 발생할 수 있다.
마그네슘(Mg)은 내식성을 향상시키는 목적으로 첨가될 수 있다. 마그네슘(Mg)은 도금층(200) 전체 중량에 대하여 약 0.5wt% 내지 약 4wt% 포함될 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 약 0.5wt% 미만인 경우 내식성 개선 효과가 충분히 발현되지 않을 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 약 4wt%를 초과하는 경우 과도한 마그네슘(Mg) 산화에 의해 조업성이 감소될 수 있고 도금 표면 품질이 저해될 수 있다.
용융도금층이 형성된 베이스 강판(100)을 냉각시키는 냉각 단계는, 베이스 강판(100)을 도금욕의 온도에서 상온까지 평균냉각속도로 냉각하는 냉각 단계를 거칠 수 있는데, 이때 도금욕의 온도에서 상온까지 냉각하는 전체 평균냉각속도는 약 5℃/s 내지 약 30℃/s일 수 있다.
전술한 공정을 거쳐 형성된 도금층(200)은 Al-Si-Zn-Mg계 도금층일 수 있으며, 베이스 강판(100)의 적어도 일면 상에 20g/m2 내지 100g/m2의 부착량으로 형성될 수 있다. 도금층(200)의 두께는 용융도금층이 형성된 베이스 강판(100)을 냉각하기 전에, 공기 또는 가스를 베이스 강판(100) 상에 분사하여 용융도금층을 와이핑함으로써, 용융도금층의 두께를 조절할 수 있다.
이와 같이, S110 단계 내지 S160 단계를 통해 핫 스탬핑용 강판(10, 도 1 참조)이 제조될 수 있다. 이때, 제조된 핫 스탬핑용 강판은 베이스 강판(100, 도 1 참조) 및 베이스 강판(100)의 적어도 일면 상에 형성된 도금층(200, 도 1 참조)을 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 핫 스탬핑용 강판 제조 단계(S100) 이후에 가열 단계(S200)가 수행될 수 있다. 가열 단계(S200)에서는 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내로 투입되고, 가열로 내로 투입된 핫 스탬핑용 강판이 가열(또는, 열처리)될 수 있다.
일 실시예에서, 가열 단계(S200)에서는 핫 스탬핑용 강판을 Ac3 이상의 온도로 가열할 수 있다. 구체적으로, 가열 단계(S200)에서는 핫 스탬핑용 강판을 약 860℃ 이상 약 960℃ 미만의 온도로 가열할 수 있다. 이때, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 약 860℃ 미만인 경우 제조된 핫 스탬핑 부품이 요구되는 특성(예컨대, 강도 등)을 갖지 않을 수 있다. 반면에, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 약 960℃ 이상인 경우 과도한 합금화가 발생하고 산화로 인해 가공성이 저하될 수 있다. 따라서, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 약 860℃ 이상 약 960℃ 미만인 경우, 합금화 반응이 제어되어 미세균열의 발생 및 전파가 억제될 수 있다.
또한, 가열 단계(S200)에서는 핫 스탬핑용 강판이 약 180초 이상 360초 이하 동안 가열될 수 있다. 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 체류하는 시간이 약 180초 미만일 경우, 목적하는 균열 온도에서 충분히 균열되기 어려울 수 있다. 반면에, 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 체류하는 시간이 약 360초를 초과할 경우, 핫 스탬핑용 강판 내부로 침투하는 수소의 양이 증가하여 지연 파단의 위험이 높아지고, 제조된 핫 스탬핑 부품의 내식성이 저하될 수 있다. 다만 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 가열로는 서로 다른 온도 범위를 갖는 복수의 구간으로 구비될 수 있다. 이 경우, 가열 단계(S200)는 다단 가열 단계 및 균열 가열 단계를 포함할 수 있다. 다단 가열 단계 및 균열 가열 단계에서 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 구비된 복수의 구간을 통과하며 가열될 수 있다. 다단 가열 단계는 핫 스탬핑용 강판을 단계적으로 가열하는 단계일 수 있다. 다단 가열 단계에서는 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 구비된 복수의 구간을 통과하며 단계적으로 승온될 수 있다. 또한, 균열 가열 단계는 균일한 온도로 다단 가열된 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계일 수 있다.
가열로 내에 구비된 복수의 구간 중 다단 가열 단계 및 균열 가열 단계가 수행되는 구간은 각각 복수의 구간으로 구비될 수 있다. 다단 가열 단계가 수행되는 복수의 구간 중 각 구간의 온도는 핫 스탬핑용 강판이 투입되는 가열로의 입구로부터 핫 스탬핑용 강판이 취출되는 가열로의 출구 방향으로 높아지도록 설정될 수 있다. 다단 가열 단계 이후에 균열 가열 단계가 이루어질 수 있다. 균열 가열 단계에서는 다단 가열된 블랭크가 약 860℃ 이상 약 960℃ 미만의 온도로 설정된 가열로의 구간을 통과하며 열처리될 수 있다.
일 실시예에서, 핫 스탬핑용 강판은 가열로 내에서 약 180초 내지 약 360초 동안 체류할 수 있다. 즉, 핫 스탬핑용 강판이 다단 가열 및 균열 가열되는 시간은 약 180초 내지 약 360초일 수 있다. 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 체류하는 시간이 약 180초 미만일 경우, 목적하는 균열 온도에서 충분히 균열되기 어려울 수 있다. 반면에, 핫 스탬핑용 강판이 가열로 내에 체류하는 시간이 약 360초를 초과할 경우, 핫 스탬핑용 강판 내부로 침투하는 수소의 양이 증가하여 지연 파단의 위험이 높아지고, 제조된 핫 스탬핑 부품의 내식성이 저하될 수 있다.
일 실시예에서, 가열 단계(S200) 이후에 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계가 수행될 수 있다. 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계는 이송 단계(S300), 성형 단계(S400), 및 냉각 단계(S500)를 포함할 수 있다.
먼저, 가열 단계(S200) 이후에 이송 단계(S300)가 수행될 수 있다. 구체적으로, 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계 이후에 가열된 핫 스탬핑용 강판을 금형으로 이송하는 단계가 수행될 수 있다. 즉, 이송 단계(S300)에서는 가열된 핫 스탬핑용 강판이 가열로로부터 금형으로 이송될 수 있다. 이송 단계(S300)에서는 가열된 핫 스탬핑용 강판이 약 10초 내지 약 15초 동안 공랭될 수 있다. 가열된 핫 스탬핑용 강판이 공랭되지 않으면 금형진입온도(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 핫 스탬핑용 강판이 공랭되는 것이 바람직할 수 있다.
일 실시예에서, 성형 단계(S400)는 이송된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑하여 성형체를 성형하는 단계일 수 있다. 구체적으로, 성형 단계(S400)에서는 금형으로 핫 스탬핑용 강판을 가압하여 성형체를 성형할 수 있다.
일 실시예에서, 성형개시온도는 약 500℃ 이상 약 700℃ 이하일 수 있다. 성형개시온도|가 약 500℃ 미만인 경우, 성형 개시 온도가 너무 낮아 핫 스탬핑 강판의 성형성이 저하될 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 목표한 조직과 물성을 갖지 못할 수 있다. 반면에, 성형개시온도가 약 700℃ 초과인 경우, 제조된 핫 스탬핑 부품의 표면에 주름(또는 굴곡)이 발생할 수 있다. 또한, 도금층이 금형에 소착될 수 있다. 따라서, 성형개시온도가 약 500℃ 이상 약 700℃ 이하인 경우 핫 스탬핑 강판의 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.
일 실시예에서, 냉각 단계(S500)는 성형된 성형체를 냉각하는 단계일 수 있다. 냉각 단계(S500)에서는 블랭크를 가압한 금형 내에서 이루어질 수 있다. 즉, 핫 스탬핑용 강판의 성형과 냉각은 거의 동시에 이루어질 수 있다. 구체적으로, 금형에서 최종 부품의 형상으로 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 약 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있다.
일 실시예에서, 냉각 단계(S500)가 종료되는 냉각종료온도는 상온 이상 약 200℃ 이하일 수 있다. 냉각종료온도가 상온 미만인 경우 제조 공정의 생산성이 저하될 수 있다. 반면에, 냉각종료온도가 약 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 냉각종료온도가 상온 이상 약 200℃ 이하의 범위를 만족하는 경우, 제조 공정의 생산성을 향상시킬 수 있고, 제조된 핫 스탬핑 부품에 뒤틀림이 발생하는 것이 방지 또는 최소화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(20)은 베이스 강판(300) 및 도금층(400)을 포함할 수 있다. 핫 스탬핑 부품은 도 2의 공정을 통해 제조된 핫 스탬핑용 강판을 도 3의 공정을 통해 핫 스탬핑 함으로써, 제조될 수 있다.
베이스 강판(300)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 잔부의 철, 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 구체적으로, 베이스 강판(100)은 탄소(C) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 실리콘(Si) 0.01wt% 이상 3.0wt% 이하, 망간(Mn) 0.3wt% 이상 5.0wt% 이하, 인(P) 0 초과 0.1wt% 이하, 황(S) 0 초과 0.1wt% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
또한, 베이스 강판(100)은 보론(B), 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 니켈(Ni) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 베이스 강판(100)은 보론(B) 0.0001wt% 이상 0.005wt% 이하, 티타늄(Ti) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 니오븀(Nb) 0.01wt% 이상 0.1wt% 이하, 크롬(Cr) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 몰리브덴(Mo) 0.01wt% 이상 0.5wt% 이하, 및 니켈(Ni) 0.01wt% 이상 1.0wt% 이하 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 도금층(400)은 실리콘(Si), 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 도금층(400)은 베이스 강판(300)으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층(410), 중간 합금층(420), 내식성 강화층(430), 및 표면층(440)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 하부 합금층(410)은 베이스 강판(300)과 최인접하게 배치된 층으로서, 도금층(400) 내에서 철(Fe) 성분의 함량이 가장 높은 층일 수 있다. 하부 합금층(410)은 Fe3Al 상과 α-Fe 상으로 구비될 수 있다. 하부 합금층(410)에 존재하는 α-Fe 상은 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si) 함량이 적어 현저히 낮은 경도값을 가지며 균열 전파로부터 완충 작용을 할 수 있다. 구체적으로, 하부 합금층(410)은 중간 합금층(420)에서 발생한 균열이 베이스 강판(300)으로 전파되는 것을 방지하여 베이스 강판(300)을 보호할 수 있고, 베이스 강판(300)이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 하부 합금층(410) 상에는 중간 합금층(420)이 위치할 수 있다. 중간 합금층(420)은 Fe2Al5 상으로 구비될 수 있다. 균열은 대부분 취성을 갖는 Fe2Al5 상이 존재하는 중간 합금층(420)으로부터 전파될 수 있다. 이에 대해서는 아래에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
일 실시예에서, 중간 합금층(420) 상에는 내식성 강화층(430)이 위치할 수 있다. 내식성 강화층(430)은 도금층(400) 전체의 내식성을 형성하는데 주된 역할을 하는 층으로서, 도금층(400)에 포함된 다른 층들에 비해 상대적으로 아연(Zn)을 다량 함유할 수 있다. 내식성 강화층(430)에 포함된 다량의 아연(Zn)을 통해 도금층(400)의 내식성이 향상될 수 있다. 내식성 강화층(430)은 Fe-Al-Si 화합물 및 아연 농후(Zn-rich)상으로 구비될 수 있다. 구체적으로, 내식성 강화층(430)은 Fe-Al-Si 상이 구형 또는 타원형으로 아연 농후(Zn-rich)상과 혼재되어 존재할 수 있다.
일 실시예에서, 내식성 강화층(430) 상에는 표면층(440)이 위치할 수 있다. 표면층(440)은 아연(Zn)계 산화물 및 마그네슘(Mg)계 산화물로 구비될 수 있다. 표면층(440)은 실질적으로 도금층(400)의 표층부에 구비되어 선결적으로 내식성을 담당할 수 있다.
전술한 바와 같이, 균열은 대부분 취성을 갖는 Fe2Al5가 존재하는 중간 합금층(420)에서부터 전파될 수 있고, 이때, 하부 합금층(410)에 존재하는 α-Fe는 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si) 함량이 적어 현저히 낮은 경도값을 나타내며 균열 전파로부터 완충 작용을 할 수 있다. 따라서, 하부 합금층(410)의 두께는 증가시키고 중간 합금층(420)의 두께는 감소시키는 경우 균열로 부터 베이스 강판(300)을 보호할 수 있고, 베이스 강판(300)이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위해, 하부 합금층(410)의 두께와 중간 합금층(420)의 두께의 비는 1:2 이하일 수 있다. 구체적으로, 하부 합금층(410)의 두께와 중간 합금층(420)의 두께의 비는 1:0.5 이상 1:2 이하일 수 있다. 하부 합금층(410)의 두께와 중간 합금층(420)의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하를 만족하는 경우, 중간 합금층(420)에서 발생한 균열이 베이스 강판(300)으로 전파되는 것이 방지될 수 있다.
일 실시예에서, 핫 스탬핑용 강판(10, 도 1 참조)의 도금층(200, 도 1 참조)의 실리콘(Si) 함량을 한정하여 철(Fe)이 과도하게 확산되는 것을 방지할 수 있고 핫 스탬핑 공정 후의 하부 합금층(410)의 두께를 증가시켜 하부 합금층(410)의 두께와 중간 합금층(420)의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하가 되도록 함으로써, 중간 합금층(420)에서 발생한 균열이 베이스 강판(300)으로 전파되는 것이 방지될 수 있다. 구체적으로, 핫 스탬핑용 강판(10, 도 1 참조)의 도금층(200, 도 1 참조)의 실리콘(Si) 함량은 약 0.5wt% 이상 약 3wt% 이하일 수 있다. 실리콘(Si) 함량이 약 0.5wt% 미만인 경우, 합금화 억제 효과가 낮아 베이스 강판에서 도금층으로 Fe의 확산이 과도하게 일어날 수 있고, 핫 스탬핑 이전의 가공성이 열위할 수 있다. 반면에, 실리콘(Si) 함량이 약 3wt% 초과인 경우, 하부 합금층(410)의 두께가 감소하여 중간 합금층(420)에서 발생한 균열이 베이스 강판(100)으로 전달될 수 있다.
또한, 가열 단계(S200)에서의 열처리 온도를 약 860℃ 이상 약 960℃ 미만으로 한정함으로써, 중간 합금층(420)이 과도하게 성장하는 것을 억제할 수 있다.
즉, 핫 스탬핑용 강판(10, 도 1 참조)의 도금층(200, 도 1 참조)의 실리콘(Si) 함량 및 가열 단계(S200)에서의 열처리 온도를 한정함으로써, 중간 합금층(420)의 과도한 성장을 억제하여 중간 합금층(420)이 얇게 형성되도록 하고, 하부 합금층(410)이 두껍게 형성되도록 하여, 하부 합금층(410)의 두께와 중간 합금층(420)의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하를 만족하도록 할 수 있다.
도 5는 도 4의 단면을 기준으로 철(Fe) 성분을 맵핑한 이미지이고, 도 6은 도 4의 단면을 기준으로 알루미늄(Al) 성분을 맵핑한 이미지이며, 도 7은 도 4의 단면을 기준으로 아연(Zn) 성분을 맵핑한 이미지이고, 도 8은 도 4의 단면을 기준으로 실리콘(Si) 성분을 맵핑한 이미지이며, 도 9는 도 4의 단면을 기준으로 마그네슘(Mg) 성분을 맵핑한 이미지이고, 도 10은 도 4의 단면을 기준으로 산소(O) 성분을 맵핑한 이미지이다.
도 5를 참조하면, 철(Fe)은 베이스 강판(300, 도 4 참조) 도금층(400, 도 4 참조)으로 확산될 수 있다. 도금층(400)에 포함된 층들 중 하부 합금층(410)에서의 철(Fe) 함량이 가장 높을 수 있다.
도 6을 참조하면, 중간 합금층(420)과 내식성 강화층(430)에 알루미늄(Al)이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 반면에, 중간 합금층(420)과 내식성 강화층(430)에 비해 하부 합금층(410)에는 상대적으로 알루미늄(Al)이 적게 포함된 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참조하면, 아연(Zn)은 주로 중간 합금층(420)과 내식성 강화층(430)에 분포된 것을 확인할 수 있다. 또한, 아연(Zn)의 일부는 도금층(400)의 표층부인 표면층(440)에 분포하는 것을 확인할 수 있다.
도 8을 참조하면, 실리콘(Si)은 주로 내식성 강화층(430)에 많이 분포된 것을 확인할 수 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 마그네슘(Mg)과 산소(O)는 도금층(400)의 표층부인 표면층(440)에 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 표면층(440)은 아연(Zn)계 산화물 및 마그네슘(Mg)계 산화물로 구비되어 선결적으로 내식성을 담당할 수 있다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
먼저, 실리콘(Si) 함량이 서로 다른 도금욕에 실시예 1 내지 실시예 6 및 비교예 1 내지 비교예 6의 시편들을 침지한 후 가공성 평가를 실시하였다.
베이스 강판으로 하기 표 1의 조성을 갖는 냉연강판을 준비하고, 베이스 강판의 표면에 하기 표 2에 나타낸 도금욕 조성으로 도금을 실시하여 핫 스탬핑용 강판을 제조하였다. 이때, 도금욕에 포함된 아연(Zn) 함량과 마그네슘(Mg) 함량은 각각 약 40wt% 및 약 1wt%이고, 도금욕의 온도는 약 550℃이다. 즉, 실리콘(Si) 함량만 서로 다른 도금욕에서 도금을 수행하였다.
이후, 제조된 핫 스탬핑용 강판을 910℃의 온도에서 270초 동안 가열한 후, 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하여 핫 스탬핑 부품을 제조하였다.
이후, 제조된 핫 스탬핑 부품에서 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께를 측정하여 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비를 도출하였고, 제조된 핫 스탬핑 부품에 대해 가공성 평가를 실시하였다. 이때, 가공성은 3R V-Bending 시험을 수행한 후에, 가공부의 크랙 발생 정도에 따라 아래와 같은 판단 기준으로 평가하였다.
O: 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 단면상 크랙이 베이스 강판에 도달하지 않거나 도달하였지만 베이스 강판의 파괴가 일어나지 않음
X: SEM 단면상 크랙이 베이스 강판까지 이어져 파괴가 일어남
| 성분(wt%) | |||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | Cr | Ti | Mo | Nb | Al | N | B |
| 0.19 | 0.5 | 0.8 | 0.001 | 0.005 | 0.4 | 0.03 | 0.2 | 0.05 | 0.1 | 0.005 | 0.0023 |
| 구분 | Si 함량(wt%) | 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비 | 가공성 |
| 실시예 1 | 0.6 | 1:1.2 | O |
| 실시예 2 | 1.2 | 1:1.3 | O |
| 실시예 3 | 1.7 | 1:1.4 | O |
| 실시예 4 | 2.2 | 1:1.6 | O |
| 실시예 5 | 2.5 | 1:1.8 | O |
| 실시예 6 | 2.8 | 1:2 | O |
| 비교예 1 | 0 | 1:1 | X |
| 비교예 2 | 0.2 | 1:1 | X |
| 비교예 3 | 3.3 | 1:2.5 | X |
| 비교예 4 | 3.7 | 1:2.7 | X |
| 비교예 5 | 4.5 | 1:3 | X |
| 비교예 6 | 5.1 | 1:3.8 | X |
표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 6은 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1: 2 이하를 만족하고, 우수한 가공성을 나타내었다. 즉, 도금욕 내의 실리콘(Si) 함량이 0.5wt% 이상 3wt% 이하를 만족하는 경우, 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1: 2 이하를 만족하고, 우수한 가공성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
다만, 비교예 1 및 비교예 2를 참조하면, 도금욕 내의 실리콘(Si) 함량이 0.5wt% 보다 낮은 경우, 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1: 2 이하를 만족하지만, 합금화 억제 효과가 낮아 베이스 강판에서 도금층으로 Fe의 확산이 과도하게 일어날 수 있고, 핫 스탬핑 이전의 가공성이 열위할 수 있다.
또한, 비교예 3 내지 비교예 6을 참조하면, 도금욕 내의 실리콘(Si) 함량이 3wt% 초과인 경우, 하부 합금층의 두께가 감소하여 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1: 2 이하를 만족하지 못하고, 이로 인해 열위한 가공성을 갖는 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예 3 내지 비교예 6의 경우 도금층에서 발생한 크랙이 베이스 강판까지 이어져 파괴가 일어나는 등 가공성이 열위하였다.
다음으로, 서로 다른 가열 온도로 실시예 7 내지 실시예 10 및 비교예 7 내지 비교예 10의 시편들을 가열한 후 재질 평가 및 가공성 평가를 실시하였다.
베이스 강판으로 하기 표 1의 조성을 갖는 냉연강판을 준비하고, 베이스 강판의 표면에 도금을 실시하여 핫 스탬핑용 강판을 제조하였다. 이때, 도금욕에 포함된 아연(Zn) 함량, 마그네슘(Mg) 함량, 실리콘(Si) 함량은 각각 약 40wt%, 약 1wt%, 약 2wt%이고, 도금욕의 온도는 약 550℃이다. 즉, 도금 조건은 동일하다.
이후, 제조된 핫 스탬핑용 강판을 각각 표 3의 가열 온도에서 약 270초 동안 가열한 후, 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하여 핫 스탬핑 부품을 제조하였다.
이후, 제조된 핫 스탬핑 부품에서 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께를 측정하여 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비를 도출하였고, 제조된 핫 스탬핑 부품에 대해 가공성 평가를 실시하였다. 이때, 가공성은 3R V-Bending 시험을 수행한 후에, 가공부의 크랙 발생 정도에 따라 아래와 같은 판단 기준으로 평가하였다.
O: 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM) 단면상 크랙이 베이스 강판에 도달하지 않거나 도달하였지만 베이스 강판의 파괴가 일어나지 않음
X: SEM 단면상 크랙이 베이스 강판까지 이어져 파괴가 일어남
| 구분 | 가열 온도(℃) | 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비 | 재질 특성 | 가공성 |
| 실시예 7 | 860 | 1:1.1 | O | O |
| 실시예 8 | 880 | 1:1.2 | O | O |
| 실시예 9 | 900 | 1:1.6 | O | O |
| 실시예 10 | 930 | 1:1.8 | O | O |
| 비교예 7 | 800 | 1:1 | X | O |
| 비교예 8 | 830 | 1:1 | X | O |
| 비교예 9 | 960 | 1:2.3 | O | X |
| 비교예 10 | 990 | 1:3.8 | O | X |
표 3을 참조하면, 실시예 7 내지 실시예 10은 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하를 만족하고, 요구되는 재질(예컨대, 강도 등) 특성을 가지며, 우수한 가공성을 나타내었다. 즉, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 860℃ 이상 960℃ 미만을 만족하는 경우, 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하를 만족하고, 제조된 핫 스탬핑 부품이 요구되는 재질 특성을 가지며 우수한 가공성을 갖는 것을 확인할 수 있다.
다만, 비교예 7 및 비교예 8을 참조하면, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 860℃ 미만인 경우, 제조된 핫 스탬핑 부품이 요구되는 재질(예컨대, 강도 등) 특성을 갖지 않을 수 있다.
또한, 비교예 9 및 비교예 10을 참조하면, 가열 단계(S200)의 가열 온도가 960℃ 이상인 경우, 제조된 핫 스탬핑 부품이 요구되는 재질 특성을 만족하지만, 과도한 합금화 및 산화가 발생하여 하부 합금층의 두께와 중간 합금층의 두께의 비가 1:0.5 이상 1:2 이하를 만족하지 못하고 열위한 가공성을 갖는 것을 확인할 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.
10: 핫 스탬핑용 강판
20: 핫 스탬핑 부품
100: 베이스 강판
200: 도금층
300: 베이스 강판
400: 도금층
410: 하부 합금층
420: 중간 합금층
430: 내식성 강화층
440: 표면층
20: 핫 스탬핑 부품
100: 베이스 강판
200: 도금층
300: 베이스 강판
400: 도금층
410: 하부 합금층
420: 중간 합금층
430: 내식성 강화층
440: 표면층
Claims (11)
- 베이스 강판; 및
상기 베이스 강판 상에 배치되며, 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 구비하고,
상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층, 중간 합금층, 및 내식성 강화층을 포함하고,
상기 하부 합금층의 두께와 상기 중간 합금층의 두께의 비는 1:2 이하인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 도금층은 상기 내식성 강화층 상에 배치된 표면층을 더 포함하는, 핫 스탬핑 부품. - 제2항에 있어서,
상기 표면층은 아연(Zn)계 산화물 및 마그네슘(Mg)계 산화물로 구비되는, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 하부 합금층은 Fe3Al 상과 α-Fe 상으로 구비되는, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 중간 합금층은 Fe2Al5 상으로 구비되는, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 내식성 강화층은 Fe-Al-Si 화합물 및 아연 농후(Zn-rich)상으로 구비되는, 핫 스탬핑 부품. - 베이스 강판을 아연(Zn): 20 wt% 내지 55 wt%, 마그네슘(Mg): 0.5 wt% 내지 4 wt%, 실리콘(Si): 0.5 wt% 내지 3 wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕에 침지시켜 상기 베이스 강판 상 도금층이 형성된 핫 스탬핑용 강판을 제조하는 단계;
상기 핫 스탬핑용 강판을 860℃ 이상 960℃ 미만의 온도로 가열하는 단계; 및
상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계;
를 구비하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 성형 단계 후의 상기 도금층은 아연(Zn), 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 알루미늄(Al), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법. - 제8항에 있어서,
상기 핫 스탬핑 성형 단계 후의 상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 하부 합금층, 중간 합금층, 및 내식성 강화층을 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법. - 제9항에 있어서,
상기 하부 합금층의 두께와 상기 중간 합금층의 두께의 비는 1:2 이하인, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법. - 제7항에 있어서,
상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑 성형하는 단계는,
상기 가열된 핫 스탬핑용 강판을 금형으로 이송하는 단계; 및
상기 이송된 핫 스탬핑용 강판을 성형 및 냉각하는 단계;를 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220165119A KR20240081145A (ko) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220165119A KR20240081145A (ko) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20240081145A true KR20240081145A (ko) | 2024-06-07 |
Family
ID=91479868
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220165119A KR20240081145A (ko) | 2022-11-30 | 2022-11-30 | 핫 스탬핑용 강판, 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20240081145A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6296805B1 (en) | 1998-07-09 | 2001-10-02 | Sollac | Coated hot- and cold-rolled steel sheet comprising a very high resistance after thermal treatment |
-
2022
- 2022-11-30 KR KR1020220165119A patent/KR20240081145A/ko unknown
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6296805B1 (en) | 1998-07-09 | 2001-10-02 | Sollac | Coated hot- and cold-rolled steel sheet comprising a very high resistance after thermal treatment |
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