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1. WO2020116876 - HOT PRESS FORMING MEMBER HAVING EXCELLENT RESISTANCE TO HYDROGEN EMBRITTLEMENT, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14   15   16   17  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

18   19   20   21  

과제 해결 수단

22   23   24   25   26   27  

발명의 효과

28   29   30   31  

도면의 간단한 설명

32   33   34   35   36  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

37   38   39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64   65   66   67   68   69   70   71   72   73   74   75   76   77   78   79   80   81   82   83   84   85   86   87   88   89   90   91   92   93   94   95   96   97   98   99   100   101   102   103   104   105   106   107   108   109   110   111   112   113   114   115   116   117   118   119   120   121   122   123   124   125  

발명의 실시를 위한 형태

126   127   128   129   130   131   132   133   134   135   136   137   138   139   140   141   142   143   144   145   146   147   148   149   150   151  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7   8   9   10  

도면

1   2   3   4  

명세서

발명의 명칭 : 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재 및 그 제조방법

기술분야

[1]
본 발명은 내 수소취성이 우수한 열간 프레스 성형 부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

배경기술

[2]
최근 석유 에너지 자원의 고갈과 환경에 관한 높은 관심으로 인하여 자동차의 연비 향상에 대한 규제는 날로 강력해지고 있다. 재료적인 측면에서 자동차의 연비를 향상시키기 위한 하나의 방법으로서 사용되는 강판의 두께를 감소시키는 것을 들 수 있으나, 두께를 감소시킬 경우 자동차의 안전성에 문제가 발생할 수 있으므로, 반드시 강판의 강도 향상이 뒷받침되어야 한다.
[3]
[4]
이와 같은 이유로 고강도 강판에 대한 수요가 지속적으로 발생하였으며, 다양한 종류의 강판이 개발된 바 있다. 그런데 이들 강판은 그 자체로 높은 강도를 가지고 있기 때문에 가공성이 불량하다는 문제가 있다. 즉, 강판의 등급별로 강도와 연신율의 곱이 항상 일정한 값을 가지려는 경향을 가지고 있기 때문에, 강판의 강도가 높아질 경우에는 가공성의 지표가 되는 연신율이 감소하게 된다는 문제가 있었다.
[5]
[6]
이러한 문제를 해결하기 위하여 열간 프레스 성형법이 제안된 바 있다. 열간 프레스 성형법은 강판을 가공하기 좋은 고온에서 가공한 후 이를 낮은 온도로 급냉함으로써 강판 내에 마르텐사이트 등의 저온 조직을 형성시켜, 최종 제품의 강도를 높이는 방법이다. 이와 같이 할 경우에는 높은 강도를 가지는 부재를 제조할 때 가공성의 문제를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
[7]
[8]
그런데 상기 열간 프레스 성형법에 의할 경우에는 강판을 고온으로 가열하기 때문에 강판 표면이 산화되고 따라서 프레스 성형 이후에 강판 표면의 산화물을 제거하는 과정이 추가되어야 한다는 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 특허문헌 1 이 제안된 바 있다. 상기 특허문헌 1 에서는 알루미늄 도금을 실시한 강판을 열간 프레스 성형 또는 상온 성형 후 가열하고 급냉하는 과정(간략히 '후 열처리')에 이용하고 있고, 알루미늄 도금층이 강판 표면에 존재하기 때문에 가열 시에 강판이 산화되지는 않는다.
[9]
[10]
한편, 고강도 부재의 경우에는 소위 수소 취성이 문제되는 경우가 많다. 즉, 염화 칼슘 등과 같은 부식성이 높은 수용액과 부재가 접촉할 경우 수소가 소지강판에 침투한 다음 내부에서 집적하여 부재에 높은 압력을 가함으로써 부재의 파괴를 일으키는 수소 취성이 문제될 수 있다.
[11]
[12]
일반적으로, 열간 프레스 성형법은 소재(블랭크)의 연성이 증가하는 고온에서 소재를 가공하는 방법이기 때문에, 열간 프레스 성형법에 의해 제조된 부재는 냉간 성형법에 의해 제조된 부재에 비하여 내부에 잔류 응력이 작으며, 그 결과 내부에 수소가 집적하여 압력을 발생시킨다고 하더라도 파괴되지 않아서, 수소취성에 대한 우수한 저항성을 나타낸다는 장점이 있다. 그러나, 최근 자동차 부재의 강도에 대한 요구가 높아짐에 따라 열간 프레스 성형 부재의 수소취성에 대한 민감도도 더불어 높아지고 있으며, 열간 프레스 성형 후에 추가적인 냉간 가공이 수행되거나, 자동차의 운행 환경에서 응력이 가해지는 경우도 발생하고 있어서, 열간 프레스 성형 부재의 내수소취성을 향상시킬 필요성이 점점 더 증가되는 추세이다.
[13]
[14]
[선행기술문헌]
[15]
[특허문헌]
[16]
(특허문헌 1) 미국 특허공보 제6,296,805호
[17]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[18]
본 발명의 한가지 측면에 따르면 내 수소취성이 우수한 열간 프레스 성형 부재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
[19]
[20]
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
[21]

과제 해결 수단

[22]
본 발명의 일 측면은 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하고, 부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 보았을 때, 상기 합금 도금층은 합금 도금층의 면적 대비 크기 5㎛ 이하의 기공이 차지하는 면적의 비율이 3~30%이 되도록 기공을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제공한다.
[23]
[24]
본 발명의 다른 측면은, 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하고, 부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 보았을 때, 상기 합금 도금층은 합금 도금층의 면적을 크기 5㎛ 이하의 기공의 개수로 나눈 값인 기공의 수밀도가 5 x 10 3 ~ 2 x 10 6개/mm 2이 되도록 기공을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제공한다.
[25]
[26]
본 발명의 또다른 한가지 측면은, 소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계; 알루미늄 도금 강판을 소둔하여 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻는 단계; 및 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금 강판을 Ac3~950℃ 의 온도범위에서 1~15분간 열처리한 후 열간 프레스 성형하는 단계를 포함하는 열간 프레스 성형 부재의 제조방법으로서, 상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m 2이고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하고, 권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm 2으로 하며, 상기 소둔은 수소를 체적분율로 50% 이상 포함하는 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분~50시간 실시되며, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 10~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고, 상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조방법을 제공한다.
[27]

발명의 효과

[28]
본 발명의 일 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재 및 그 제조방법은 성형 부재 표면에 형성되는 합금 도금층 내의 기공의 형태를 적절하게 제어함으로써 수소가 소지강판으로 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있어 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제공할 수 있다.
[29]
[30]
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
[31]

도면의 간단한 설명

[32]
도 1 은 ISO 7539-2 시험법에 따라 시편에 굽힘응력을 가하는 장치,
[33]
도 2는 비교예 1(a)와 발명예 1(b)의 단면을 광학현미경으로 관찰한 사진,
[34]
도 3은 비교예 1와 발명예 1을 FIB(Focused Ion Beam)로 가공한 단면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진, 그리고
[35]
도 4는 비교예 1과 발명예 1에 대하여 응력부식균열 시험을 행하였을 때 시편에 파단이 발생하였는지를 관찰한 사진이다.
[36]

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[37]
이하 본 발명의 일 측면에 따른 알루미늄-철 합금 도금 강판에 대하여 자세히 설명한다. 본 발명에서 각 원소를 함량을 나타낼 때 특별히 달리 정하지 아니하는 한, 중량%를 의미한다는 것에 유의할 필요가 있다. 또한, 결정이나 조직의 비율은 특별히 달리 표현하지 아니하는 한 면적을 기준으로 한다.
[38]
[39]
열간 프레스 성형 부재는 성형을 위한 가열 과정 또는 그 전의 강판 준비 과정에서 소지강판과 도금층 사이의 합금화 반응에 의하여 형성된 합금층을 표면에 포함한다. 다시 말하면, 본 발명의 열간 프레스 성형 부재는 소지강판 및 상기 소지강판의 표면에 형성된 합금 도금층을 포함한다.
[40]
[41]
본 발명의 발명자들의 연구 결과에 따르면 표면에 형성된 합금층을 잘 제어 할 경우 수소가 소지강판에까지 침투하는 것을 효과적으로 방지할 수 있어서 수소취성에 대한 저항성(내 수소취성)이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 얻을 수 있다.
[42]
[43]
수소는 대략 다음과 같은 과정에 의하여 강판 내에 집적하여 압력을 발생시킴으로써 수소 취성을 유발한다(다만, 이하의 설명은 대략적인 수소 취성 현상을 설명하기 위한 것에 불과할 뿐 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다).
[44]
[45]
: ① 강판 표면에서 용액 중 수분이 수소와 산소로 분해 된 후, ② 상기 수소가 원자 상태로 소지강판으로 침투 한 후, ③ 소지강판 내에서 수소가 집적하여 압력을 발생시킨다.
[46]
[47]
본 발명은 상술한 수소취성의 메커니즘에서 수소가 소지강판으로 침투하는 과정을 최대한 차단함으로써 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재를 제공하고자 한다.
[48]
[49]
즉, 본 발명의 한가지 구현례에서는 소지강판과 상기 소지강판의 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하는 열간 프레스 성형 부재로서, 상기 합금 도금층이 기공을 포함할 수 있다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 비록 부재의 표면에서 수소가 발생되어 소지강판으로 이동한다고 하더라도, 이동 과정에 기공이 존재할 경우 수소가 합금 도금층의 기공 내에 다량 집적하게(트랩되게) 되어 결과적으로 소지강판까지 도달하는 수소의 양을 크게 줄일 수 있다.
[50]
[51]
또한, 합금 도금층 내에는 잔류 응력이 특별하게 존재하지 않을 뿐만 아니라, 혹여 수소의 압력이 작용한다고 하더라도 소지강판에서 작용하는 것과는 달리 부재 전체의 파괴에까지 이르지는 않는다.
[52]
[53]
따라서, 본 발명에서는 이러한 효과를 얻기 위하여 합금 도금층의 내부에 수소의 집적이 가능한 미세 기공을 다량 형성시키고자 한다. 본 발명에서 기공이라 함은 이미지 분석기(Image Analyzer)로 분석하였을 때, 크기가 5㎛ 이하의 것을 의미한다. 조대한 하나의 기공이 형성되어 있을 경우에는 사용과정에서 파괴 되어 기공의 역할을 하지 못할 수 있으며, 비표면적이 작아서 수소를 포집하기에 적절하지 못할 수 있으므로, 5㎛ 이하의 것을 대상으로 한다. 기공의 크기는 작을 수록 유리하므로, 상기 특별히 제한하지 아니하나, 일반적인 경우를 고려할 때에는 상기 기공의 크기는 통상 0.1㎛ 이상으로 나타날 수 있다. 또한, 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 미세 기공의 분율(면적율), 및 개수 중에서 적어도 하나 이상의 인자를 적절하게 제어하여야 하는데 이하에서는 이에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 한가지 구현례에 따르면 상기 기공의 크기는 원상당 직경을 기준으로 할 수 있다.
[54]
[55]
기공의 분율: 전체 합금 도금층의 면적 대비 3~30%
[56]
부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 관찰하였을 때, 상기 기공의 분율은 전체 합금 도금층의 면적 대비 3% 이상의 비율을 가질 수 있다. 기공의 분율을 상술한 비율로 함으로써 충분한 수소 집적 효과를 거둘 수 있다. 다만, 기공의 비율이 너무 높을 경우에는 합금 도금층이 취약해지는 문제가 있으므로, 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 기공의 분율을 30% 이하로 정할 수 있다. 본 발명의 다른 한가지 구현례에서는 상기 기공의 분율을 5~20%로 정할 수도 있다.
[57]
[58]
기공의 수밀도: 5 x 10 3 ~ 2 x 10 6개/mm 2
[59]
수소의 집적 사이트를 제공하기 위하여 상기 기공은 5 x 10 3 개/mm 2 이상 존재하는 것이 바람직하다. 다만, 기공의 개수가 과다할 경우에는 합금 도금층이 취약해지는 문제가 있으므로 본 발명의 한가지 구현례에서는 상기 기공의 개수는 2 x 10 6 개/mm 2 이하로 제한할 수 있다. 본 발명에서 상기 기공의 수밀도는 기공의 개수를 합금 도금층의 면적으로 나눈 값을 의미한다. 본 발명의 다른 한가지 구현례에서는 상기 기공의 수밀도를 9 x 10 3~ 1 x 10 6개/mm 2으로 정할 수 있다.
[60]
[61]
본 발명의 미세 기공은 합금층 내에 형성되어 있고, 상술한 조건을 충족한다면 그 분포나 존재 형태에 대해서는 원칙적으로 제한하지 아니한다. 다만, 미세 기공이 소지강판에 근접하게 존재할 경우에는 수소가 기공에 의해 트랩된다고 하더라도, 다시 소지강판으로 이동할 가능성이 존재하므로, 본 발명의 한가지 구현례에서는 면적 기준으로 크기 5㎛ 이하의 전체 기공 중 70% 이상의 기공이 합금 도금층의 표층부에 존재할 수 있다. 이와 같이 함으로써 일단 트랩된 수소가 소지강판으로 이동할 가능성을 한층 더 차단할 수 있다. 트랩된 수소의 이동방지라는 측면에서는 표층부에 존재하는 기공의 면적 비율은 높을 수록 유리하므로 상한을 특별히 제한하지 아니한다(100%도 포함). 본 발명의 다른 한가지 구현례에서는 표층부에 존재하는 상기 기공의 면적 비율을 80% 이상으로 정할 수도 있다.
[62]
[63]
본 발명의 한가지 구현례에서 상기 합금 도금층의 표층부라 함은 합금 도금층의 두께 방향으로 보았을 때, 두께의 중심선의 위쪽 부분, 즉 표면(free surface)에 가까운 부분을 의미할 수 있다. 만일 합금 도금층의 표면 또는 합금 도금층과 소지강판의 계면이 평탄하지 않다고 하더라도, 중심선은 각 지점에서의 두께 방향 중심점을 연결한 것으로 얻어질 수 있다.
[64]
[65]
본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 상기 합금 도금층은 알루미늄 도금층에 소지강판 중의 Fe가 주로 확산되어 형성된 도금층을 의미할 수 있으며, 중량 비율로 Al이 30~55%, Fe가 35~60%, 그리고 나머지 도금층이나 소지강판에서 유래한 성분들이 더 포함될 수 있다.
[66]
[67]
상술한 바와 같이, 본 발명의 열간 프레스 성형 부재는 소지강판과 상기 소지강판의 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하는 것으로서, 합금 도금층의 기공을 제어함으로써 우수한 수소취성에 대한 저항성을 가질 수 있다. 본 발명의 열간 프레스 성형 부재에 포함되는 소지강판에 대해서는 열간 프레스 성형 부재에 적합한 소지강판의 조성을 가지는 것이라면 특별히 제한하지는 않으나, 본 발명의 한가지 구현례에 따른 소지강판은 중량%로 C : 0.04~0. 5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 조성을 가질 수 있다. 이하 각 원소의 함량을 정하는 이유에 대해 상세히 설명한다.
[68]
[69]
C : 0.04~0.5%
[70]
상기 C 는 열처리 부재의 강도를 상향시키기 위해 필수적인 원소로서 적정한 양으로 첨가될 수 있다. 즉, 열처리 부재의 강도를 충분하기 확보하기 위해서 상기 C는 0.04% 이상 첨가될 수 있다. 바람직하게는 상기 C 함량의 하한은 0.1%이상일 수 있다. 다만, 그 함량이 너무 높으면 냉연재를 생산하는 경우 열연재를 냉간압연할 때 열연재 강도가 너무 높아 냉간압연성이 크게 열위하게 될 뿐만 아니라, 점용접성을 크게 저하시키기 때문에, 충분한 냉간압연성과 점용접성을 확보하기 위해 0.5% 이하로 첨가될 수 있다. 또한, 상기 C 함량은 0.45% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.4% 이하로 그 함량을 제한할 수도 있다.
[71]
[72]
Si : 0.01~2%
[73]
상기 Si 는 제강에서 탈산제로 첨가되어야 할 뿐만 아니라, 열간 프레스 성형 부재의 강도에 가장 크게 영향을 미치는 탄화물 생성을 억제하는 역할을 한다. 본 발명에서는 열간 프레스 성형에 있어서 마르텐사이트 생성 후 마르텐사이트 라스(lath) 입계로 탄소를 농화시켜 잔류오스테나이트를 확보하기 위하여 0.01% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 압연 후 강판에 알루미늄 도금을 행할 때 충분한 도금성을 확보하기 위해서 상기 Si 함량의 상한을 2%로 정할 수 있다. 바람직하게는 상기 Si 함량을 1.5% 이하로 제한할 수도 있다.
[74]
[75]
Mn : 0.1~5%
[76]
상기 Mn 은 고용강화 효과를 확보할 수 있을 뿐만 아니라 열간 프레스 성형 부재에 있어서 마르텐사이트를 확보하기 위한 임계냉각속도를 낮추기 위하여 0.1% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, 강판의 강도를 적절하게 유지함으로써 열간 프레스 성형 공정 작업성을 확보하고, 제조원가를 절감하며, 점용접성을 향상시킨다는 점에서 상기 Mn 함량은 5% 이하로 제한 할 수 있다.
[77]
[78]
P : 0.001~0.05%
[79]
상기 P 는 강 내에 불순물로서 존재하며, 가급적 그 함량이 적을수록 유리하다. 따라서, 본 발명에서 P 함량을 0.05% 이하로 제한할 수 있으며, 바람직하게는 0.03% 이하로 제한될 수도 있다. P는 적으면 적을수록 유리한 불순물 원소이기 때문에 그 함량의 상한을 특별히 정할 필요는 없다. 다만, P 함량을 과도하게 낮추기 위해서는 제조비용이 상승할 우려가 있으므로, 이를 고려할 경우에는 그 하한을 0.001%로 할 수 있다.
[80]
[81]
S : 0.0001~0.02%
[82]
상기 S 는 강 중에 불순물로서, 부재의 연성, 충격특성 및 용접성을 저해하는 원소이기 때문에 최대함량을 0.02%로 제한하며, 바람직하게는 0.01% 이하로 제한할 수 있다. 또한 그 최소함량이 0.0001% 미만에서는 제조비용이 상승될 수 있으므로, 그 함량의 하한을 0.0001%로 할 수 있다.
[83]
[84]
Al : 0.001~1%
[85]
상기 Al 은 Si 과 더불어 제강에서 탈산 작용을 하여 강의 청정도를 높일 수 있으며, 상기 효과를 얻기 위해 0.001% 이상의 함량으로 첨가될 수 있다. 또한, Ac3 온도가 너무 높아지지 않도록 하여 열간 프레스 성형시 필요한 가열을 적절한 온도범위에서 할 수 있도록 하기 위하여 상기 Al의 함량은 1% 이하로 제한할 수 있다.
[86]
[87]
N : 0.001~0.02%
[88]
상기 N은 강 중에 불순물로 포함되는 원소로서, 슬라브 연속주조 시에 크랙 발생에 대한 민감도를 감소시키고, 충격특성을 확보하기 위해서는 그 함량이 낮을 수록 유리하며, 따라서 0.02% 이하로 포함할 수 있다. 하한을 특별히 정할 필요가 있으나, 제조비용의 상승 등을 고려하면 N 함량을 0.001% 이상으로 정할 수도 있다.
[89]
[90]
본 발명의 일 측면에 따른 알루미늄-철 합금 도금 강판은 상술한 합금조성 이외에 추가로, B : 0.0001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
[91]
[92]
B : 0.0001~0.01%
[93]
상기 B 은 소량의 첨가로도 경화능을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구오스테나이트 결정립계에 편석되어 P 및/또는 S 의 입계 편석에 의한 열간 프레스 성형 부재의 취성을 억제할 수 있는 원소이다. 따라서 B는 0.0001% 이상 첨가될 수 있다. 다만, 0.01%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라, 열간압연에서 취성을 초래하므로 그 상한을 0.01%로 할 수 있으며, 바람직하게는 상기 B 함량을 0.005% 이하로 할 수 있다.
[94]
[95]
Cr : 0.01~1%
[96]
상기 Cr 은 Mn 과 유사하게 고용강화 효과와 열간성형 시의 경화능을 향상시키기 위하여 첨가하는 원소로서, 상기 효과를 얻기 위해 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만, 부재의 용접성을 확보하기 위해서 그 함량을 1% 이하로 제한할 수 있으며, 또한 1%를 초과하면 첨가량 대비 경화능 향상 효과도 미약하기 때문에 원가 측면에서도 불리하다.
[97]
[98]
Ti : 0.001~0.2%
[99]
상기 Ti 는 미세 석출물 형성으로 열처리 부재의 강도 상승과 결정립 미세화에 따른 부재의 충돌성능 향상에 효과가 있을 뿐만 아니라, B 이 첨가되는 경우에는 N 와 우선 반영하여 B 의 첨가 효과를 극대화 시키는 효과가 있다. 상기 효과를 얻기 위해 Ti 는 0.001%이상 첨가할 수 있다. 다만, Ti 함량이 증가함에 따라 야기되는 조대한 TiN 형성은 부재의 충돌성능을 열위하게 하기 때문에 그 함량을 0.2% 이하로 제한할 수 있다.
[100]
[101]
상술한 성분 이외의 잔부로서는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 들 수 있으며, 또한 열간 프레스 성형용 강판에 포함될 수 있는 성분이라면 특별히 추가적인 첨가를 제한하지 않는다.
[102]
[103]
통상의 알루미늄 도금 열간성형용 강판은 알루미늄 도금층의 융점이 열간성형을 위한 가열온도보다 낮아 내열성이 부족하며, 이로 인하여 열간성형을 위해 가열 중 도금층이 용융되어 가열로 내 롤을 오염시키거나, 급속가열이 불가능한 단점이 있다. 하지만 본 발명에 따라 제조된 열간 프레스 성형용 강판의 경우 알루미늄-철 합금화 도금층을 가지며, 상기 합금화 도금층의 융점은 약 1160℃ 이상으로서 열간성형을 위한 가열온도 보다 높기 때문에 우수한 내열성을 나타낼 수 있다.
[104]
[105]
이하, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재의 제조방법에 대해 자세히 설명한다. 다만, 하기의 열간 프레스 성형 부재의 제조방법은 일 예시일 뿐이며, 본 발명의 열간 프레스 성형 부재가 반드시 본 제조방법에 의해 제조되어야 한다는 것은 아니며, 어떠한 제조방법이라도 본 발명의 청구범위를 충족하는 방법이라면 본 발명의 각 구현례를 구현하는데 아무런 문제가 없다는 것에 유의할 필요가 있다. 열간 프레스 성형 부재를 제조하기 위해서는 열간 프레스 성형에 사용되는 강판을 제조하는 단계와 열간 프레스 성형하는 단계를 거쳐야 하기 때문에, 이하에서는 두 단계로 나누어서 본 발명의 열간 프레스 성형 부재의 제조방법을 설명한다.
[106]
[107]
[알루미늄-철 합금 도금 강판의 제조방법]
[108]
본 발명의 한가지 구현례에 따르면, 알루미늄 도금강판을 사용하는 통상의 열간 프레스 성형 공정과는 달리, 알루미늄-철 합금 도금강판을 열간 프레스 성형 공정에 사용함으로써 본 발명의 유리한 열간 프레스 성형 부재를 제공할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 열간 프레스 성형 부재에 적합한 알루미늄-철 합금 도금 강판은 열간 압연 또는 냉간 압연된 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면에 용융 알루미늄 도금을 실시한 후, 도금 강판에 합금화를 위한 소둔 처리를 함으로써 얻을 수 있다. 이하, 각 공정 별로 상세히 설명한다.
[109]
[110]
알루미늄 도금 공정
[111]
상술한 합금조성을 가지는 소지강판을 준비하고, 상기 소지강판의 표면에 적절한 조건으로 알루미늄 도금하고, 이를 권취하여 알루미늄 도금 강판(코일)을 얻는 과정이 수행된다.
[112]
먼저 압연된 강판의 표면에 편면기준 30~200g/m 2의 도금량으로 알루미늄 도금 처리를 할 수 있다. 알루미늄 도금은 통상 type I 이라고 명명되는 AlSi 도금(80% 이상의 Al과 5~20%의 Si를 포함, 필요에 따라 추가적인 원소도 포함 가능)이나, type II라고 명명되는 Al을 90% 이상 포함하고 필요에 따라 추가적인 원소를 포함하는 도금 모두 사용할 수 있다. 도금층을 형성하기 위해 용융 알루미늄 도금을 행할 수 있으며, 도금 전에 강판에 대한 소둔 처리를 실시할 수도 있다. 도금 시 적절한 도금량은 한쪽면 기준으로 30~200g/m 2 이다. 도금량이 너무 많을 경우에는 표면까지 합금화하는데 시간이 과다하게 소요될 수 있으며, 반대로 도금량이 너무 적을 경우에는 충분한 내식성을 얻기 어렵다.
[113]
다음으로 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하여 냉각할 수 있다. 알루미늄 도금 후 냉각속도는 도금층과 소지철 사이에 확산 억제층 형성에 영향을 주며, 알루미늄 도금 후 냉각속도가 너무 빠르면, 확산 억제층이 균일하게 형성되지 못하여 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동이 불균일해 질 수 있다. 따라서, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도는 20℃/초 이하로 할 수 있다.
[114]
도금 후 강판을 권취하여 코일을 얻을 때, 코일의 권취 장력을 0.5~5 kg/mm 2 로 조절할 수 있다. 코일의 권취 장력의 조절에 따라 이후 행해지는 소둔 처리 시 코일의 합금화 거동과 표면 품질이 달라질 수 있다.
[115]
[116]
소둔 공정
[117]
알루미늄 도금된 강판에 대하여 다음과 같은 조건으로 소둔 처리를 실시하여 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻을 수 있다.
[118]
알루미늄 도금 강판(코일)은 상소둔로(BAF, Batch annealing furnace)에서 가열된다. 강판을 가열할 때, 열처리 목표 온도와 유지 시간은 강판 온도를 기준으로 550~750℃인 범위 내(본 발명에서는 이 온도 범위에서 소재가 도달하는 최고 온도를 가열 온도라고 함)에서 30분~50시간 유지하는 것이 바람직하다. 여기서 유지시간이라 함은 코일온도가 목표 온도에 도달한 후 냉각개시까지의 시간이다. 합금화가 충분하게 이루어지지 않을 경우에는 롤 레벨링 시 도금층이 박리될 수 있으므로 충분한 합금화를 위해서 가열 온도를 550℃ 이상으로 할 수 있다. 또한, 표층에 산화물이 과다하게 생성되는 것을 방지하고 점 용접성을 확보하기 위해서 상기 가열 온도는 750℃ 이하로 할 수 있다. 또한, 도금층을 충분하게 확보하는 동시에 생산성의 저하를 방지하기 위하여 상기 유지 시간은 30분~50시간으로 정할 수 있다. 경우에 따라서는 강판의 온도는 가열 온도에 도달할 때까지 냉각 과정 없이 온도가 계속 상승하는 형태의 가열 패턴을 가질 수도 있고, 목표온도 이하의 온도에서 일정시간 유지 후 승온하는 형태의 가열 패턴을 적용할 수도 있다.
[119]
상술한 가열 온도로 강판을 가열할 때, 충분한 생산성을 확보하고 전 강판(코일)에서 도금층을 균일하게 합금화시키기 위해서는 전체 온도 구간(상온부터 가열 온도까지의 구간)에 대한 강판(코일) 온도 기준으로 평균 승온 속도가 10~100℃/h로 되도록 할 수 있다. 전체적인 평균 승온 속도는 위와 같은 수치 범위에서 제어할 수 있지만, 본 발명의 일 구현례에서는 압연 시 혼입된 압연유가 기화되는 상기 온도구간에서 압연유가 잔존하여 표면 얼룩 등을 야기하는 것을 방지하면서 충분한 생산성을 확보하기 위하여 승온 시 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하여 가열할 수 있다.
[120]
상소둔로 내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 할 수 있다. 일반적인 상소둔로의 가열은 강판(코일)을 직접 가열하는 방식보다는 소둔로 내 분위기 온도 상승을 통하여 강판(코일)을 가열하는 방식을 취한다. 이런 경우에 분위기 온도와 코일 온도 간의 차이는 피할 수 없으나, 강판 내 위치별 재질 및 도금 품질 편차를 최소화 하기 위해서는 열처리 목표 온도 도달시점을 기준으로 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 80℃ 이하로 할 수 있다. 온도차이는 가능한 작게 하는 것이 이상적이나 이는 승온속도를 느리게 하여 전체 평균 승온 속도 조건을 충족하기 어려울 수도 있으므로 이를 고려한다면 5℃ 이상으로 할 수 있다. 여기서, 강판의 온도는 장입된 강판(코일) 바닥부(코일 중에서 가장 낮은 부분을 의미한다)의 온도를 측정한 것을 의미하며, 분위기 온도는 가열로의 내부 공간의 중심에서 측정한 온도를 의미한다.
[121]
본 발명의 한가지 구현례에 따르면 열간 프레스 성형 부재 내에 기공을 많이 형성시키기 위해서는 소둔시 분위기를 수소 분위기로 조절할 수 있다. 본 발명자들의 연구결과에 따르면 수소 분위기로 함으로써 기공이 보다 용이하게 형성될 수 있다. 본 발명에서 수소 분위기라 함은 수소의 체적비율이 50% 이상인 분위기를 의미하며(100%도 포함), 수소외 나머지 가스는 특별히 제한하지 아니하나, 질소나 불활성 가스등이 있을 수 있다.
[122]
[123]
[열간 프레스 성형 공정]
[124]
상술한 제조방법에 의해 제조된 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금 강판에 대해 열간 프레스 성형을 행하여 열간 프레스 성형 부재를 제조할 수 있다. 이때, 열간 프레스 성형은 당해 기술분야에 일반적으로 이용되는 방법을 이용할 수 있으며, 비제한적인 일 구현례로서 Ac3~950℃ 의 온도범위에서 1~15분간 열처리한 후 열간 프레스 성형할 수 있다.
[125]

발명의 실시를 위한 형태

[126]
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
[127]
[128]
(실시예)
[129]
먼저 소지강판으로 하기 표 1 의 조성(Ac3: 830℃)을 가지는 열간 프레스 성형용 냉간압연 강판을 준비하고, 강판의 표면에 Al-8%Si-2.5%Fe 조성을 가지는 type I 도금욕으로 강판 표면을 도금하였다. 도금 시 도금량은 한쪽 면당 65g/m 2으로 조절하였고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 8℃/초로 냉각한 후, 권취장력을 2.4kg/mm 2으로 조절하여 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻었다.
[130]
[131]
[표1]
원소 C Si Mn Al P S N Cr Ti B
함량(%) 0.2 0.25 1.23 0.04 0.012 0.0022 0.0055 0.22 0.03 0.003

[132]
[133]
이후 도금된 강판에 대하여 하기 표 2 의 조건으로 상소둔로에서 합금화 열처리 및 열간 프레스 성형을 실시하여 열간성형 부재를 얻었다(발명예 1-3, 교예 3). 표 2에서 분위기 중 H 2를 제외한 나머지는 질소(N 2)가 되도록 분위기를 조절하였다.
[134]
[135]
한편, 추가적인 비교예로서 상술한 알루미늄 도금 강판에 대하여 별도의 합금화 열처리를 실시하지 않고, 하기 표 2 의 조건으로 열간 프레스 성형을 실시하여 열간성형 부재를 얻었다(비교예 1, 2).
[136]
[137]
[표2]
구분 합금화 열처리 조건 열간 프레스 성형 조건
온도(℃) 평균승온속도(℃/h) 400~500℃ 온도 구간의 평균 승온 속도(℃/h) 가열 온도에서 분위기와 강판 사이의 온도 차이(℃) 분위기 중 H 2 분율(%) 시간 (h) 온도(℃) 시간(min)
발명예1 650 25 12 30 100 10 900 6
발명예2 600 22 14 35 100 18 930 5
발명예3 680 30 15 38 100 6 930 6
발명예4 590 18 8 25 55 28 930 7
비교예1 - - - - - - 900 6
비교예2 - - - - - - 930 5
비교예3 520 27 12 25 100 6 930 5

[138]
[139]
이후 각 발명예 및 비교예에서 얻어진 열간성형 부재의 단면을 주사전자현미경으로 관찰하여 합금 도금층내 기공의 분율(합금 도금층 전체 면적 대비 기공의 면적의 비율) 및 수밀도를 측정하여 표 3 에 나타내었다. 또한 각 발명예 및 비교예에서 얻어진 열간성형 부재에 대하여 수소 취성 발생 여부를 평가하기 위하여, 평면부에서 3개의 시편을 채취하고, 도 1에 나타낸 바와 같이 ISO 7539-2 시험법에 따라 곡률반경 50R로 U벤딩을 한 후 0.1N HCl 용액에 침지하여 300시간을 유지하는 조건으로 응력부식균열 평가를 실시하여 부재의 무게감소량 및 크랙 발생 유무를 육안으로 확인하고 그 결과를 표 3 에 함께 나타내었다.
[140]
[141]
[표3]
구분 도금층 내기공의 분율 (%) 도금층 내 기공의 수밀도 (개/mm 2) 표층부에 존재하는 기공의 비율(%) 응력부식균열 평가
무게감소량(g) 크랙 발생유무
발명예1 9.4 1.9 x 10 4 87.0 1.87 미발생
발명예2 8.2 1.6 x 10 4 90.1 2.23 미발생
발명예3 17.6 3.6 x 10 4 91.2 2.53 미발생
발명예4 3.9 9.6 x 10 3 88.7 1.96 미발생
비교예1 0.5 0.9 x 10 3 56.3 1.85 크랙
비교예2 1.4 1.1 x 10 3 37.7 2.12 크랙
비교예3 2.3 1.4 x 10 3 42.3 2.22 크랙

[142]
[143]
도 2와 도 3에 본 발명의 비교예 1(a)과 발명예 1(b)의 열간 프레스 성형 부재의 단면을 관찰한 사진을 나타내었는데, 이들은 각 비교예와 발명예에서 나타나는 단면의 전형적인 형태이다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 비교예 1의 경우에는 합금 도금층에 기공이 많이 존재하지 않는 반면, 발명예 1의 경우에는 합금 도금층에 많은 수의 기공이 존재하는 것을 알 수 있다. 이러한 기공 형성 정도의 차이는 표 3에서 볼 수 있듯이 응력 부식 균열 정도(수소 취성의 정도)의 차이로 나타난다. 각 발명예와 비교예는 약간의 정도 차이는 있었으나, 무게 감소량이 유사한 수준으로서 수소 발생의 원인이 되는 부식 정도에는 특별한 차이가 없었음에도 불구하고, 수소 취성에 큰 차이가 있었다는 것을 알 수 있다.
[144]
[145]
즉, 상기 표 3에서 볼 수 있듯이, 도금층 내 기공의 분율 또는 도금층 내 기공의 수밀도가 본 발명의 범위를 충족하는 발명예 1 내지 3의 경우에는 수소 취성의 척도가 되는 응력부식균열에 따른 크랙이 전혀 발생하지 않았으나, 충분한 기공이 형성되지 않았던 비교예 1 내지 3의 경우에는 모두 크랙이 발생한 것을 알 수 있었다.
[146]
[147]
도 4는 비교예 1과 발명예 1의 응력부식균열 결과를 나타낸 것으로서, 비교예 1의 경우는 응력부식균열 시험 후 3개의 시편 중 2개가 파단되었으나, 발명예 1의 경우에는 전혀 시편의 파단이 일어나지 않았다는 것을 나타낸다.
[148]
[149]
또한, 발명예의 경우에는 모두 기공이 표층에 다수 존재함으로써 트랩된 수소가 소지강판에 전달될 가능성을 최소화 하고 있다는 것도 확인할 수 있었다.
[150]
[151]
따라서, 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.

청구범위

[청구항 1]
소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하고, 부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 보았을 때, 상기 합금 도금층은 합금 도금층의 면적 대비 크기 5㎛ 이하의 기공이 차지하는 면적의 비율이 3~30%이 되도록 기공을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 2]
소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 합금 도금층을 포함하고, 부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 보았을 때, 상기 합금 도금층은 합금 도금층의 면적을 크기 5㎛ 이하의 기공의 개수로 나눈 값인 기공의 수밀도가 5 x 10 3 ~ 2 x 10 6개/mm 2이 되도록 기공을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 3]
제 1 항에 있어서, 면적 기준으로 크기 5㎛ 이하의 전체 기공 중 70% 이상의 기공이 합금 도금층의 표층부에 존재하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 4]
제 2 항에 있어서, 면적 기준으로 크기 5㎛ 이하의 전체 기공 중 70% 이상의 기공이 합금 도금층의 표층부에 존재하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 5]
제 2 항에 있어서, 부재를 두께 방향으로 절단한 단면에서 보았을 때, 상기 합금 도금층은 합금 도금층의 면적 대비 크기 5㎛ 이하의 기공이 차지하는 면적의 비율이 3~30%이 되도록 기공을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 6]
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 소지강판은 중량%로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 7]
제 6 항에 있어서, 상기 소지강판은 중량%로, B : 0.0001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재.
[청구항 8]
소지강판 표면을 알루미늄 도금하고 권취하여 알루미늄 도금 강판을 얻는 단계; 알루미늄 도금 강판을 소둔하여 알루미늄-철 합금 도금 강판을 얻는 단계; 및 열간성형용 알루미늄-철 합금 도금 강판을 Ac3~950℃ 의 온도범위에서 1~15분간 열처리한 후 열간 프레스 성형하는 단계를 포함하는 열간 프레스 성형 부재의 제조방법으로서, 상기 알루미늄 도금량은 강판의 한쪽면 기준으로 30~200g/m 2이고, 알루미늄 도금 후 250℃까지의 냉각속도를 20℃/초 이하로 하고, 권취 시 권취 장력을 0.5~5kg/mm 2으로 하며, 상기 소둔은 수소를 체적분율로 50% 이상 포함하는 상소둔 로에서 550~750℃의 가열 온도 범위에서 30분~50시간 실시되며, 상기 소둔 시 상온에서 상기 가열 온도까지 가열할 때, 평균 승온 속도를 10~100℃/h로 하되, 400~500℃ 구간의 평균 승온 속도를 1~15℃/h로 하고, 상기 상소둔 로내 분위기 온도와 강판 온도간 차이를 5~80℃로 하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.
[청구항 9]
제 8 항에 있어서, 상기 소지강판은 중량 %로, C : 0.04~0.5%, Si : 0.01~2%, Mn : 0.1~5%, P : 0.001~0.05%, S : 0.0001~0.02%, Al : 0.001~1%, N : 0.001~0.02%, 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.
[청구항 10]
제 9 항에 있어서, 상기 소지강판은 중량%로, B : 0.0001~0.01%, Cr : 0.01~1%, Ti : 0.001~0.2% 중 1종 이상을 더 포함하는 수소취성에 대한 저항성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]