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1. WO2020222394 - HOT-STAMPED PART AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR

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명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

4  

과제 해결 수단

5   6   7   8   9   10   11  

발명의 효과

12  

도면의 간단한 설명

13   14   15   16   17   18   19  

발명의 실시를 위한 형태

20   21   22   23   24   25   26   27   28   29   30   31   32   33   34   35   36   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  

청구범위

1   2   3   4   5   6   7  

도면

1   2   3   4   5a   5b   6a   6b   7a   7b  

명세서

발명의 명칭 : 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법

기술분야

[1]
본 발명은 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 용접성과 내지연파괴 성능을 가지며 높은 인장강도를 가지는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법에 관한 것이다.

배경기술

[2]
현재 자동차 산업에서는 환경 및 연비 규제와 안전기준이 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라 초고강력강과 핫 스탬핑 강의 적용률이 꾸준히 증가하고 있는 추세로 특히 핫 스탬핑 강의 경우, 기존 1.5G 핫 스탬핑 강을 비롯하여 고인성 및 고강도화에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 핫 스탬핑 공정은 보편적으로 가열/성형/냉각/트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태 및 미세조직 변화를 이용하게 된다.
[3]
이에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제1020180095757(발명의 명칭 : 핫스탬핑 부품의 제조방법)이 있다.

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[4]
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 우수한 용접성과 내지연파괴 성능을 가지며 높은 인장강도를 가지는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

과제 해결 수단

[5]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품은 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 소지층으로 포함하며, 상기 소지층의 미세조직은 풀 마르텐사이트(full martensite)이다.
[6]
상기 핫 스탬핑 부품은 상기 소지층 상에 Ai-Si계 도금층을 더 포함하되, 상기 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 미만일 수 있다.
[7]
상기 핫 스탬핑 부품에서 상기 강재는 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상일 수 있다.
[8]
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 블랭크를 준비하는 단계; (b) 상기 블랭크를 가열하는 단계; (c) 상기 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계; 를 포함한다.
[9]
상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서, 상기 (b) 단계는 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우에는 I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하되, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 감소할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 감소한 시간 동안 가열하며, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 증가할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 증가한 시간 동안 가열할 수 있다.
[10]
상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서, 상기 블랭크를 가열하기 위한 승온 조건은 상기 블랭크의 두께당 6.0×10 5[℃·s/mm]이하로 설정될 수 있다.
[11]
상기 핫 스탬핑 부품의 제조방법의 상기 (d) 단계에서, 상기 성형체의 냉각은 최소 10℃/s 이상의 속도로 실시할 수 있다.

발명의 효과

[12]
본 발명의 실시예에 따르면, 우수한 용접성과 내지연파괴 성능을 가지며 높은 인장강도를 가지는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도면의 간단한 설명

[13]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
[14]
도 2는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 있어서 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계를 도시한 공정 순서도이다.
[15]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크를 가열하는 시간과 온도를 나타내는 도면이다.
[16]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크를 가열하고, 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하고, 성형체를 냉각하는 단계를 시간에 따른 온도의 관계 그래프 상에서 나타낸 도면이다.
[17]
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실험예 중에서 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율을 비교하기 위한 시편의 단면 사진이다.
[18]
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품을 육안으로 관찰한 사진이다.
[19]
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직을 촬영한 사진이다.

발명의 실시를 위한 형태

[20]
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인파이프용 강재의 제조방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
[21]
강재
[22]
본 발명의 일 관점은 핫 스탬핑 공정을 거치는 강재로서 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 일 구체예에서, 본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 부품은, 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.
[23]
본 발명에 따른 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
[24]
탄소(C)
[25]
탄소(C)는 강재의 강도, 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑(또는 열간 프레스) 공정 이후, 강재의 인장강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 일 구체예에서, 탄소(C)는 강재의 전체에 대하여 0.28 ~ 0.38 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)가 0.28 중량% 미만으로 첨가되는 경우 본 발명의 기계적 강도를 달성하기 어려우며, 0.38 중량%를 초과하여 첨가되는 경우 강재의 인성이 저하될 수 있으며 취성 제어가 어렵게 된다.
[26]
규소(Si)
[27]
규소(Si)는 열처리시 소프트한 저온상을 확보하기 위한 목적으로 첨가한다. 규소(Si)는 본 발명에 따른 강재의 0.1 ~ 0.4 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 규소(Si)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 열처리시 소프트한 저온상을 확보하기 어려우며, 반대로, 규소(Si)의 함량이 0.4 중량%를 초과하는 경우에는 도금 특성이 저하되는 문제점이 있다.
[28]
망간(Mn)
[29]
망간(Mn)은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 망간(Mn)은 본 발명에 따른 강재의 1.2 ~ 2.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 1.2 중량% 미만일 경우에는 결정립 미세화 효과가 불충분하다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 2.0 중량%를 초과하는 경우에는 중심부 망간편석 발생으로 인성이 열화되고 원가 측면에서 불리하다는 문제점이 있다.
[30]
인(P)
[31]
인(P)은 편석이 잘 되는 원소로 강의 인성을 저해하는 원소이다. 인(P)은 본 발명에 따른 강재의 0 초과 0.020 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 범위로 포함시 인성 저하를 방지할 수 있다. 상기 인을 0.020 중량%를 초과하여 포함시, 마르텐사이트 입계가 파괴되고, 공정 중 크랙을 유발하고, 인화철 화합물이 형성되어 인성이 저하될 수 있다.
[32]
황(S)
[33]
황(S)은 가공성 및 물성을 저해하는 원소이다. 황(S)은 본 발명에 따른 강재의 0 초과 0.003 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 황을 0.003 중량%를 초과하여 포함시 마르텐사이트 입계가 파괴되고, 열간 가공성을 떨어뜨리고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.
[34]
크롬(Cr)
[35]
크롬(Cr)은 상기 강재의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 강재의 0.1 ~ 0.5 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 소입성 및 강도를 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되는 문제점이 있다.
[36]
붕소(B)
[37]
붕소(B)는 소프트한 마르텐사이트 소입성을 확보하고 결정립을 미세화하는 목적으로 첨가된다. 붕소(B)는 본 발명에 따른 강재의 0.0015 ~ 0.0040 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 붕소(B)의 함량이 0.0015 중량% 미만일 경우에는 소입성 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 붕소(B)의 함량이 0.0040 중량%를 초과하는 경우에는 취성 위험성과 연신율 열위 위험성이 증가하는 문제점이 있다.
[38]
티타늄(Ti)
[39]
티타늄(Ti)은 핫 스탬핑 열처리 후 석출물 형성에 의한 소입성 강화 및 재질 상향 목적으로 첨가되며, 마르텐사이트 패킷 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가된다. 티타늄(Ti)은 본 발명에 따른 강재의 0.025 ~ 0.05 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄(Ti)의 함량이 0.025 중량% 미만일 경우에는 석출물 형성이 미미하며 결정립 미세화 효과가 불충분하다. 반대로, 티타늄(Ti)의 함량이 0.05 중량%를 초과하면 연신율 하락 위험성이 있으며 인성 저하를 초래할 수 있다.
[40]
상기 핫 스탬핑 부품은 상술한 조성을 가지는 강재를 소지층으로 포함하며, 상기 소지층의 미세조직은 풀 마르텐사이트(full martensite)로 이루어진다. 상기 핫 스탬핑 부품에서 상기 강재는 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상일 수 있다. 상기 핫 스탬핑 부품은 상기 소지층 상에 Ai-Si계 도금층을 더 포함하되, 상기 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 미만일 수 있다.
[41]
다음으로, 상기한 본 발명의 강재를 이용한 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
[42]
핫 스탬핑 부품의 제조방법
[43]
본 발명의 다른 관점은 상술한 조성을 가지는 강재를 이용하여 핫 스탬핑 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.
[44]
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이고, 도 2는 도 1의 본 발명의 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에 있어서 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계를 도시한 공정 순서도이다.
[45]
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, 상술한 조성을 가지는 강재인 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110); (b) 상기 블랭크를 가열하는 단계(S120); (c) 상기 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계(S130); 및 (d) 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계(S140);를 포함한다.
[46]
핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)
[47]
상기 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)는, 핫 스탬핑 부품 형성을 위한 판재를 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여, 블랭크를 형성하는 단계이다.
[48]
상기 블랭크를 형성하는 공정은 도 2에 도시된 바와 같이, 열간압연 단계(S210), 냉각/권취 단계(S220), 냉간압연 단계(S230) 및 소둔 열처리 단계(S240)를 포함할 수 있다.
[49]
본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 상기 블랭크를 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는, 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.
[50]
열간 압연을 위해 상기 슬라브 판재의 재가열 단계가 진행된다. 슬라브 재가열 단계에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 슬라브 판재를 소정의 제 1 온도범위를 가지는 SRT(Slab Reheating Temperature)로 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 상기 소정의 제 1 온도범위 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 상기 소정의 제 1 온도범위를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 소부경화능 및 내시효성도 감소하고, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
[51]
열간 압연 단계(S210)에서는 재가열된 슬라브 판재를 소정의 제 2 온도범위를 가지는 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT)의 조건으로 마무리 열간 압연한다. 이때, 마무리 압연 온도(FDT)가 상기 소정의 제 2 온도범위 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 열간압연중 통판성의 문제가 발생한다. 마무리 압연 온도(FDT)도 SRT와 마찬가지로 고온일수록 균질화에 유리하며 SRT 및 패스(pass) 수에 따라 결정되나, 마무리 압연 온도(FDT)가 상기 소정의 제 2 온도범위를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화되어 소부경화능 및 내시효성이 감소한다.
[52]
냉각/권취 단계(S220)에서는 열간 압연된 판재를 소정의 제 3 온도범위를 가지는 권취 온도(Coiling Temperature: CT)까지 냉각하여 권취한다. 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 소정의 제 3 온도범위 미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 강도 증가 및 냉간압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도가 소정의 제 3 온도범위를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생하는 문제가 있다.
[53]
냉간 압연 단계(S230)에서는 권취된 판재를 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연한다. 이때, 산세는 권취된 판재, 즉 상기의 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
[54]
소둔 열처리 단계(S240)는 상기 냉연 판재를 소둔 열처리하는 단계이다. 일 구체예에서 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 소정의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
[55]
한편, 후술하는 도 1의 핫 스탬핑 단계(S130)에서는, 성형 대상인 블랭크를 고온으로 가열하여 연화시켜 프레스 가공한 다음 냉각한다. 따라서, 강재를 고온으로 가열하여 연화시키므로 용이하게 프레스 가공할 수 있고 성형 후의 냉각에 의한 켄칭(quenching)에 의해 강재의 기계적 강도가 높아진다. 그러나, 800℃ 이상의 고온으로 강재를 가열하므로 강재 표면의 철(Fe)이 산화되어 산화물(스케일)이 발생한다. 따라서, 본 발명의 일 구체예에 있어서, 상기 소둔 열처리 이후에, 상기 냉연 강판에 소정의 피복을 실시할 수 있는데, 유기계 피복이나 아연(Zn)계 피복에 비해 융점이 높은 알루미늄(Al)계 금속 피복, 예를 들어 알루미늄(Al)-실리콘(Si)계 도금처리를 실시할 수도 있다. 상기 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금된 냉연 강판은 부식을 방지하고 프레스로 이동시 뜨거운 강판 표면에서의 스케일의 생성을 방지할 수 있다. 구체적으로, 양면 기준 100~180g/m 2 의 AlSi 도금처리된 Manganese boron steel 강판을 사용하며 소지철의 조성은 상술한 바와 같이, 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)로 이루어진다.
[56]
블랭크를 가열하는 단계(S120)
[57]
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크를 가열하는 시간과 온도를 나타내는 도면이다.
[58]
도 3을 참조하면, 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우에는 I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열한다. 즉, 블랭크를 가열하는 시간 및 온도는 도형 I-II-III-IV 의 내부 영역과 경계선에 해당하는 시간 및 온도를 포함한다. 한편, 도 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 감소할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 감소한 시간 동안 가열한다. 이에 따라, 제1 화살표(310) 방향으로 가열 시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형이 이동할 수 있다. 또한, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 증가할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 증가한 시간 동안 가열한다. 이에 따라, 제2 화살표 방향(330)으로 가열 시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형이 이동할 수 있다.
[59]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서 블랭크를 가열하고, 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하고, 성형체를 냉각하는 단계를 시간에 따른 온도의 관계 그래프 상에서 나타낸 도면이다. '① 가열'은 핫 스탬핑 전 블랭크를 가열하는 단계에 해당하며, '② 냉각'은 핫 스탬핑으로 성형하고 성형체를 냉각하는 단계에 해당한다.
[60]
도 4를 참조하면, 상기 블랭크를 가열하기 위한 승온 조건은 상기 블랭크의 두께당 6.0×10 5[℃·s/mm]이하로 설정될 수 있다. 즉, 블랭크의 가열방식과 승온속도에 대한 제약은 없으나 도 3의 승온곡선의 아래 부분의 소재 두께당 해당면적의 비는 6.0×10 5[℃·s/mm]이하로 제한된다. 이를 초과하여 소재가 필요 이상으로 가열되면 차체 부품에 적용함에 있어 바람직한 용접성과 내수소취성을 얻을 수 없다.
[61]
핫 스탬핑 단계(S130) 및 냉각 단계(S140)
[62]
상술한 조건으로 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 이송한다. 핫 스탬핑용 프레스 금형에서 최종 부품형상으로 성형된 후 성형체를 냉각하여 최종 제품을 형성한다. 프레스 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매에 의한 순환에 의해 가열된 블랭크를 신속히 급냉시킬 수 있게 된다. 이때, 강재의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서는 프레스 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급냉을 실시할 수 있다. 가열된 소재를 성형 및 냉각 조작을 함에 있어, 마르텐사이트 종료온도까지 평균냉각속도를 최소 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있다. 이보다 냉각속도가 느릴 경우, 페라이트나 베이나이트가 생성됨에 따라, 예를 들어, 인장강도 1700MPa 이상의 기계적 물성을 만족할 수 없게 된다.
[63]
상술한 조성과 공정 조건을 적용하여 우수한 용접성과 내지연파괴 성능을 가진 핫 스탬핑 부품(부재)을 구현할 수 있다. 상기 핫 스탬핑 부품의 소지층 미세조직은 풀 마르텐사이트(Full Martensite) 조직을 가지며, 인장강도 1700MPa 이상, 연신율 6% 이상을 만족한다.
[64]
현재 자동차 산업에서는 환경 및 연비 규제와 안전기준이 강화되고 있는 실정이다. 이에 따라 초고강력강과 핫 스탬핑 강의 적용율이 꾸준히 증가하고 있는 추세로 특히 핫 스탬핑 강의 경우, 기존 1.5G 핫 스탬핑 강을 비롯하여 고인성 및 고강도화에 대한 연구개발이 이루어지고 있다. 핫 스탬핑 공정은 보편적으로 가열/성형/냉각/트림으로 이루어지며 공정 중 소재의 상변태 및 미세조직 변화를 이용하게 된다.
[65]
본 발명은 종래의 핫스탬핑강의 고강도를 위해 변경된 소재성분에 맞는 핫 스탬핑 공정을 적용함으로써 의도에 부합하는 성능을 확보하고자 한다. 그러나, 앞에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품 강종(1.8G 핫스탬핑 강종)에 종래의 1.5G 핫스탬핑 공정 조건을 적용 시 과도한 가열에 따른 다양한 문제점이 발생한다. 즉, 오스테나이트 그레인 크기(AGS)가 조대화 및 불균일화되어 기계적 물성이 열화되는 문제점과 외관색상이 변화하고 및 용접성능이 열위해지는 문제점과 수소혼입량 증가에 따른 수소취성 민감도가 상승하는 문제점이 발생한다.
[66]
여기에서, 종래의 1.5G 핫스탬핑 공정 조건은 ① 20 ~ 700℃ 사이에서 4 ~ 12℃/s의 평균 승온속도로 블랭크를 승온시키는 단계, ② 강판 두께가 0.7 ~ 1.5㎜ 인 경우에는 A(3분, 930℃), B(6분, 930℃), C(13분, 880℃), D(4.5분, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 A-B-C-D 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하며, 강판 두께가 1.5 ~ 3.0㎜인 경우에는 E(4분, 940℃), F(8분, 940℃), G(13분, 900℃), H(6.5분, 900℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 E-F-G-H에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하는 단계, ③ 400℃까지 적어도 30℃/s의 평균 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
[67]
이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 핫 스탬핑 부품의 조성과 공정 조건을 적용한 경우, 우수한 용접성과 내지연파괴 성능을 가지며 높은 인장강도를 가지는 핫 스탬핑 부품 및 그 제조방법을 구현할 수 있다.
[68]
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직상 PAGS(Prior Austenite Grain Size)는 내지연파괴 성능확보를 위해 평균 25㎛ 이하를 가지며, 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상의 기계적 물성을 구현하게 되어, 오스테나이트 그레인 크기(AGS)가 조대화 및 불균일화되어 기계적 물성이 열화되는 문제점을 극복할 수 있다.
[69]
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 육안으로 관찰한 색상이 붉은 계열색(Redish)을 띄지 않는 바, 이는 불필요한 가열로 인하여 소지층의 철(Fe)이 도금층으로 과도하게 확산되는 것을 방지하고, 도금층 내부 Fe-Al-Si계 금속간화합물의 그 분율을 40% 미만으로 제어하여 용접성을 확보할 수 있게 되므로, 외관색상이 변화하고 및 용접성능이 열위해지는 문제점을 극복할 수 있다.
[70]
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품에 대해 4점 굽힘시험을 통한 지연파괴 평가 시 100시간 이내에 파단이 발생하지 않음을 확인하였는 바, 수소혼입량 증가에 따른 수소취성 민감도가 상승하는 문제점을 극복할 수 있다.
[71]
실험예
[72]
이하, 본 발명의 실험예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
[73]
[표1]
성분(wt%)
C Si Mn P S Cr Ni Ti Nb B Mo
성분계1 0.3 0.2 1.4 0.01 0.001 0.2 - 0.03 - 0.002 -
성분계2 0.3 0.5 0.6 0.01 0.001 0.3 0.4 0.015 0.05 0.002 0.2

[74]
[표2]
소재 핫스탬핑 가열조건
조성 두께(mm) 가열온도(℃) 가열시간(초)
실시예1 성분계1 1.2 830 240
실시예2 성분계1 1.2 830 600
실시예3 성분계1 1.2 850 300
실시예4 성분계1 1.2 870 180
실시예5 성분계1 1.2 870 360
비교예1 성분계1 1.2 850 180
비교예2 성분계1 1.2 800 600
비교예3 성분계1 1.2 900 480
비교예4 성분계1 1.2 850 1200
실시예6 성분계1 1.0 850 360
실시예7 성분계1 1.8 850 300
비교예5 성분계2 1.2 850 180
비교예6 성분계2 1.2 900 300
비교예7 성분계2 1.2 930 600

[75]
표 1은 본 발명의 실험예에 따른 성분계 조성을 나타낸 것이다. 표 1을 참조하면, 성분계1은 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)의 조성을 만족한다. 이에 반하여, 성분계2는 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%의 조성을 만족하지 못하며, 성분계1과 달리, 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo)을 더 함유한다.
[76]
표 2는 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품의 강재 조성과 핫 스탬핑 가열조건을 나타낸 것이다.
[77]
표 2 및 도 3을 참조하면, 실시예1 내지 실시예7은 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)의 조성을 만족하는 성분계1의 조성을 가진다. 또한, 실시예1 내지 실시예5는 핫 스탬핑 가열조건으로서 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우로서, I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열된다.
[78]
실시예6은, 블랭크의 두께가 1.0 mm인 경우로서, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜인 핫 스탬핑 가열 조건을 기준으로 0.1mm만큼씩 감소할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 감소한 시간 동안 가열되는 경우이다. 즉, I(151초, 880℃), II(186초, 820℃), III(721초, 820℃) 및 IV(431초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형에 의해 핫 스탬핑 가열 조건이 결정된다. 실시예7은, 블랭크의 두께가 1.8 mm인 경우로서, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 증가할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 증가한 시간 동안 가열되는 경우이다. 즉, I(247초, 880℃), II(282초, 820℃), III(817초, 820℃) 및 IV(527초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형에 의해 핫 스탬핑 가열 조건이 결정된다.
[79]
이와 달리, 비교예1 내지 비교예4는 핫 스탬핑 가열조건으로서 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우에는 I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하지 못한다.
[80]
비교예5 내지 비교예7의 조성은 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%의 조성을 만족하지 못하며, 성분계1과 달리, 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo)을 더 함유하며, 핫 스탬핑 가열조건으로서 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우 I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하는 조건을 만족하지 못한다.
[81]
[표3]
기계적물성 및 미세조직 적용성능
항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%) 미세조직 PAGS(㎛) 지연파괴시험결과 도금층 내 Fe-Al-Si계 금속간 화합물 분율(%)
실시예1 1271 1797 6.3 Full Martensite 10.4 미파단 ~ 11
실시예2 1293 1841 6.2 Full Martensite 12.2 미파단 ~ 13
실시예3 1288 1823 6.4 Full Martensite 11.0 미파단 ~ 21
실시예4 1263 1811 6.4 Full Martensite 17.3 미파단 ~ 15
실시예5 1313 1896 6.1 Full Martensite 19.3 미파단 ~ 28
비교예1 1092 1689 6.1 Ferrite + Martensite - - -
비교예2 1108 1502 4.4 Ferrite + Martensite - - -
비교예3 1297 1839 6.7 Full Martensite 26.2 파단 ~ 42
비교예4 1301 1813 6.2 Full Martensite 13.8 파단 ~ 48
실시예6 1267 1855 6.3 Full Martensite 13.6 미파단 ~ 17
실시예7 1249 1836 6.5 Full Martensite 12.3 미파단 ~ 12
비교예5 747 1469 7.9 Ferrite + Martensite - - -
비교예6 1274 1766 6.5 Full Martensite 10.8 미파단 ~ 41
비교예7 1287 1788 6.3 Full Martensite 13.1 미파단 ~ 51

[82]
표 3은 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 부품의 기계적 물성 및 미세조직과 적용성능을 나타낸 것이다.
[83]
표 3을 참조하면, 실시예1 내지 실시예7은 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상인 기계적 물성을 모두 만족하며, 미세조직은 풀 마르텐사이트(full martensite)이며, 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직상 PAGS(Prior Austenite Grain Size)는 내지연파괴 성능확보를 위해 평균 25㎛ 이하를 가지며, 지연파괴 시험결과 파단이 발생하지 않으며, 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 미만임을 확인할 수 있다.
[84]
이에 반하여, 비교예1 및 비교예5는 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상인 기계적 물성을 만족하지 못하며, 미세조직이 풀 마르텐사이트(full martensite)가 아니라 페라이트와 마르텐사이트로 이루어짐을 확인할 수 있다. 비교예2는 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상인 기계적 물성을 만족하지 못하며, 미세조직이 풀 마르텐사이트(full martensite)가 아니라 페라이트와 마르텐사이트로 이루어짐을 확인할 수 있다. 비교예3은 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직상 PAGS(Prior Austenite Grain Size)가 평균 25㎛를 초과하며, 지연파괴 시험결과 파단이 발생하며, 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 이상임을 확인할 수 있다. 비교예4는 지연파괴 시험결과 파단이 발생하며, 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 이상임을 확인할 수 있다. 비교예6 및 비교예7은 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 이상임을 확인할 수 있다.
[85]
도 5는 본 발명의 실험예 중에서 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율을 비교하기 위한 시편의 단면 사진이다. 도 5의 (a)는 표 3의 실시예3에 해당하는 시편의 단면 사진이고, 도 5의 (b)는 표 3의 비교예3에 해당하는 시편의 단면 사진이다.
[86]
도 5의 (a)와 같이, 핫스탬핑 조작을 거친 최종 부품의 도금층 단면은 바람직한 용접성 확보를 위해 Fe-Al-Si계 금속간화합물층이 전체 도금층의 40% 미만의 분율을 가져야 한다. 표 1의 조성계1과 표 2의 공정조건을 만족하는 경우 상기 분율 범위를 만족할 수 있음을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 도 5의 (b)를 참조하면, Fe-Al-Si계 금속간화합물층이 두껍게 성장하여 40%를 상회할 경우에는 용접저항이 높아져 스패터나 쇠가시 발생할 확률이 증가하게 되고 결과적으로 용접성을 저하시킨다.
[87]
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품을 육안으로 관찰한 사진이다. 도 6의 (a)는 표 3의 실시예2에 해당하는 시편의 단면 사진이고, 도 6의 (b)는 표 3의 비교예6에 해당하는 시편의 단면 사진이다.
[88]
도 6의 (a)와 같이, 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 육안으로 관찰한 색상은 붉은 계열색(Redish)을 띄지 않아야 한다. 표 1의 조성계1과 표 2의 공정조건을 만족하는 경우 육안으로 관찰한 색상은 붉은 계열색(Redish)을 띄지 않음을 확인할 수 있다. 즉, 도 6의 (a)에서는 외관 색상이 블루 계열색이 관찰된다. 반면에, 도 6의 (b)의 경우, 육안으로 관찰한 색상은 붉은 계열색을 띠는 것을 확인할 수 있다. 외관 색상이 도금층 내부 Fe-Al-Si계 금속간화합물과 직접적인 연관성은 없지만, 도 6의 (b)와 같이, 불필요한 가열로 인하여 소지층의 Fe가 도금층으로 충분히 확산되었음을 이해할 수 있다. 이 때의 도금층 내부 Fe-Al-Si계 금속간화합물의 그 분율이 40% 이상으로 많아지면 용접성이 나빠지게 된다.
[89]
도 7은 본 발명의 실험예에 따른 핫 스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직을 촬영한 사진이다. 도 7의 (a)는 표 3의 실시예2에 해당하는 시편의 미세조직 사진(평균 PAGS = 12.2㎛)이고, 도 7의 (b)는 표 3의 비교예3에 해당하는 시편의 미세조직 사진(평균 PAGS = 26.2㎛)이다.
[90]
도 7의 (a)와 같이, 핫스탬핑 공정을 거친 최종 부품의 미세조직상 PAGS는 내지연파괴 성능확보를 위해 평균 25㎛ 이하를 가져야 한다. 표 1의 조성계1과 표 2의 공정조건을 만족하는 경우 상기 PAGS 범위를 만족할 수 있음을 확인할 수 있다. 이에 반하여, 도 7의 (b)를 참조하면, 가열공정 중 오스테나이트 상변태가 종료된 이후로 추가적인 가열이 진행될수록 오스테나이트 결정립 성장이 발생하여 점차 조대화되고 불균일해짐을 확인할 수 있다. 오스테나이트 결정립도가 조대하고 불균일할수록 냉각조작으로 인한 마르텐사이트 변태가 종료된 후 부품의 내지연파괴 성능이 저하된다. 본 발명의 실시예에서는 Nb, Mo, V 과 같은 결정립미세화를 위한 원소에 크게 의존하지 않고 바람직한 핫 스탬핑 조작을 통해 해당 성능들을 도출하는 것이 발명의 주요한 목적 중의 하나이다.
[91]
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

청구범위

[청구항 1]
탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 소지층으로 포함하며, 상기 소지층의 미세조직은 풀 마르텐사이트(full martensite)인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 소지층 상에 AiSi 도금층을 더 포함하되, 상기 도금층 내에서 Fe-Al-Si계 금속간화합물층의 분율이 40% 미만인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품.
[청구항 3]
제 1 항에 있어서, 상기 강재는 인장강도(TS): 1700MPa 이상, 항복강도(YS): 1200MPa 이상, 및 연신율(El): 6% 이상인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품.
[청구항 4]
(a) 탄소(C): 0.28 ~ 0.38 중량%, 규소(Si): 0.1 ~ 0.4 중량%, 망간(Mn): 1.2 ~ 2.0 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 중량%, 붕소(B): 0.0015 ~ 0.0040 중량%, 티타늄(Ti): 0.025 ~ 0.05 중량%, 및 잔부의 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 블랭크를 준비하는 단계; (b) 상기 블랭크를 가열하는 단계; (c) 상기 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계; 를 포함하는, 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
[청구항 5]
제 4 항에 있어서, 상기 (b) 단계는 블랭크의 두께가 1.2㎜인 경우에는 I(175초, 880℃), II(210초, 820℃), III(745초, 820℃) 및 IV(455초, 880℃)의 가열시간 및 온도 좌표를 꼭지점으로 가지는 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 동안 그리고 이와 같이 규정된 온도로 예열된 노에서 블랭크를 가열하되, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 감소할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 감소한 시간 동안 가열하며, 상기 블랭크의 두께가 1.2㎜를 기준으로 0.1mm만큼씩 증가할 경우 상기 도형 I-II-III-IV 에 의해 규정되는 시간 보다 12초 만큼 증가한 시간 동안 가열하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
[청구항 6]
제 5 항에 있어서, 상기 블랭크를 가열하기 위한 승온 조건은 상기 블랭크의 두께당 6.0×10 5[℃·s/mm]이하로 설정되는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품의 제조방법.
[청구항 7]
제 6 항에 있어서, 상기 (d) 단계에서, 상기 성형체의 냉각은 최소 10℃/s 이상의 속도로 실시하는 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품의 제조방법.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5a]

[도5b]

[도6a]

[도6b]

[도7a]

[도7b]