KR102240850B1

KR102240850B1 - 생산성, 용접성 및 성형성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법

Info

Publication number: KR102240850B1
Application number: KR1020200101357A
Authority: KR
Inventors: 김홍기; 손현성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-07-10
Filing date: 2020-08-12
Publication date: 2021-04-16
Anticipated expiration: 2040-08-12
Also published as: WO2022010030A1; EP4180146A4; US20230158559A1; CN113909322B; US20220008978A1; JP2023534207A; MX2021000379A; CN113909322A; EP4180146A1; US11590549B2; KR20220007503A; JP2025000702A; JP7558380B2

Abstract

열간 프레스 성형 부재의 제조 방법으로서, 알루미늄계 도금 강판의 블랭크를 가열로에서 가열하는 단계; 가열된 블랭크를 가열로에서 취출하여 프레스에 장착된 금형의 상형 및 하형 사이로 이송하여 안착시키는 단계; 및 상기 금형의 상형이 상기 안착된 블랭크에 접촉한 후 성형이 수행되는 성형 단계;를 포함하고, 상기 가열로는 블랭크의 이송방향으로 순차로 구비되는 A 구간, B 구간 및 C 구간을 포함하는 연속식 가열로이고, 상기 A 구간에서의 가열은 약 a(0.2분, 750℃), b(1.0분, 750℃), c(1.0분, 800℃), d(1.5분, 900℃), e(0.2분, 900℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 abcde에 의해 규정되는 조건을 충족하고, 상기 B 구간에서의 가열은 약 f(

분, 930℃), g(

분, 930℃), h(

분, 960℃), i(

분, 960℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 fghi에 의해 규정되는 조건을 충족하고, 상기 C 구간에서의 가열은 약 j(

분, 870℃), k(

분, 870℃), l(

분, 940℃), m(

분, 940℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 jklm에 의해 규정되는 조건을 충족하되, 최고 분위기 온도는 상기 B 구간의 최고 분위기 온도보다 낮고, 하기 관계식 1을 충족하고, 상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간은 2초 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공한다.
[관계식 1]
T ≤ 8.2×t+(temp-900)/30
(상기 T는 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합을 나타내고, 단위는 s(초)이다. 상기 t는 블랭크의 두께를 나타내고, 단위는 mm 이다. 상기 temp는 가열로 추출온도를 나타내고, 단위는 ℃이다.)

Description

생산성, 용접성 및 성형성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF HOT FRESS FORMED PART HAVING EXCELLENT PRODUCTIVITY, WELDABILITY AND FORMABILITY}

본 발명은 생산성, 용접성 및 성형성이 우수한 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 관한 것이다.

차량 경량화 및 안전성 향상 요구에 따라 열간 프레스 성형 방법을 활용한 고강도강 적용이 활발하게 진행되고 있다. 열간 프레스 성형 공정에는 소재의 가열 및 급속 냉각 공정이 필수적이다. 고온에서 스케일 발생을 억제하기 위하여 알루미늄 도금 강재 혹은 알루미늄 합금 도금 강재가 사용된다. 알루미늄 도금 강재 혹은 알루미늄 합금 도금 강재는 급속 가열 시 도금층 용융의 문제가 있어, 일반적으로 분위기 가열로에서 느린 속도로 가열이 되고 있다.

이러한 분위기 가열로에서의 가열 방법은 동일한 분위기 온도로 설정된 가열로에서 가열을 하거나, 복수의 가열 존을 갖는 롤러 허스 퍼니스(roller hearth furnace)와 같은 연속식 가열로에서 순차적으로 분위기 온도를 상승하는 패턴으로 가열을 하는 경우가 있다. 하지만 이러한 방식으로는 느린 속도로 가열이 되다보니 목표로 한 온도에 도달하는 시간 확보를 위해서 일정 시간 동안 가열로 안에서 가열이 되어야 하고, 가열로 내 유지 시간의 증가에 따라 생산성이 나빠지는 문제가 있다.

이에, 가열로 내 유지 시간 단축을 위해서 가열 온도를 상승하는 방안이 적용되기도 하는데, 이러한 경우 가열 온도 상승에 의한 도금층 내 확산층 두께의 증가에 따라 용접성이 불리해지는 문제가 야기된다.

따라서, 생산성 향상을 위해서는 가열 속도를 더 빠르게 하여 로 내 유지 시간을 줄이는 방안이 요구되고, 생산된 성형품의 용접성 확보를 위해서는 블랭크의 가열 온도를 높게 유지하지 않도록 하여 확산층 두께를 최소화하는 방안이 요구된다.

하지만 통상적인 방법으로는 로 내 유지시간 단축과 가열온도 하강은 서로 반대의 효과를 주기 때문에 동시에 적용을 할 수 없다는 기술적인 문제가 존재한다.

한편, 전술한 문제에 더하여, 용접성의 향상을 위해 가열로의 온도를 계속 낮추면 추가적으로 성형성이 불량해질 수 있는 문제가 있다. 따라서, 우수한 생산성, 용접성 및 성형성을 모두 확보 가능한 기술은 지금까지 개발되지 않았다.

공개공보 제2006-0054479호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 개선된 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 과제는 전술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는 데 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일 측면은, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법으로서,

알루미늄계 도금 강판의 블랭크를 가열로에서 가열하는 단계;

가열된 블랭크를 가열로에서 취출하여 프레스에 장착된 금형의 상형 및 하형 사이로 이송하여 안착시키는 단계; 및

상기 금형의 상형이 상기 안착된 블랭크에 접촉한 후 성형이 수행되는 성형 단계;를 포함하고,

상기 가열로는 블랭크의 이송방향으로 순차로 구비되는 A 구간, B 구간 및 C 구간을 포함하는 연속식 가열로이고,

상기 A 구간에서의 가열은 약 a(0.2분, 750℃), b(1.0분, 750℃), c(1.0분, 800℃), d(1.5분, 900℃), e(0.2분, 900℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 abcde에 의해 규정되는 조건을 충족하고,

상기 B 구간에서의 가열은 약 f(

분, 930℃), g(

분, 930℃), h(

분, 960℃), i(

분, 960℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 fghi에 의해 규정되는 조건을 충족하고,

상기 C 구간에서의 가열은 약 j(

분, 870℃), k(

분, 870℃), l(

분, 940℃), m(

분, 940℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 jklm에 의해 규정되는 조건을 충족하되, 최고 분위기 온도는 상기 B 구간의 최고 분위기 온도보다 낮고,

하기 관계식 1을 충족하고,

상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간은 2초 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공한다.

[관계식 1]

T ≤ 8.2×t+(temp-900)/30

(상기 T는 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합을 나타내고, 단위는 s(초)이다. 상기 t는 블랭크의 두께를 나타내고, 단위는 mm 이다. 상기 temp는 가열로 추출온도를 나타내고, 단위는 ℃이다.)

본 발명의 일 측면에 따르면, 생산성, 용접성 및 성형성이 개선된 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않고, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재에 대한 가열 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 2는 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재에 대해 다양한 로 분위기 온도 조건에서의 승온 해석 실험치와 해석치의 비교를 보여주는 그래프이다.
도 3은 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재의 가열에 대한 본 발명의 바람직한 누적 로내 유지시간 대비 분위기 온도 조건을 나타낸 그래프이다.
도 4는 은 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재에 대해 몇가지 가열 조건으로 가열한 실험예의 도금층 관찰 결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 소재의 두께 변화까지 고려한 알루미늄 도금재의 가열에 대한 조건을 나타낸 것이다.
도 6은 소재 두께 0.9 및 1.8mm인 알루미늄 도금재의 가열로에서 추출 후 공기 중에서 냉각되는 시간에 따른 온도 변화에 대한 실험치와 해석치 비교를 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있고, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다.

이하, 본 발명의 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법에 대하여 자세히 설명한다. 본 명세서에서 특별히 달리 정의하지 않는 한, 당해 기술분야에서 통상적으로 사용되는 모든 용어 및 방법을 본 발명에도 적용 가능하다.

본 발명의 일 측면에 따른 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법은, 알루미늄계 도금 강판의 블랭크를 가열로에서 가열하는 단계; 가열된 블랭크를 가열로에서 취출하여 프레스에 장착된 금형의 상형 및 하형 사이로 이송하여 안착시키는 단계; 및 상기 금형의 상형이 상기 안착된 블랭크에 접촉한 후 성형이 수행되는 성형 단계;를 포함할 수 있다.

혹은, 상기 열간 프레스 성형 부재의 제조방법은, 상기 성형 단계에 후속하여, 상기 금형의 상형이 프레스 하사점에 도달한 후 유지함으로써 성형된 소재를 급냉하는 금형 내 냉각 단계; 및 냉각된 성형 부재를 취출하는 성형 부재의 취출 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 알루미늄계 도금 강판은 알루미늄 도금 강판 또는 알루미늄 합금 도금 강판일 수 있다. 이 때, 특별히 한정하는 것은 아니나, 일례로서 도금층의 조성이 중량%로, Si: 5~11%, Fe: 4.5% 이하, 잔부 Al, 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 소지강판의 조성은 중량%로, C: 0.1~0.5%, Si: 0.1~2%, Mn: 0.5~3%, Cr: 0.01~0.5%, Al: 0.001~1.0%, P: 0.05% 이하, S: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, B: 0.002~0.005%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열로는 블랭크의 이송방향으로 순차로 구비되는 A 구간, B 구간 및 C 구간을 포함하는 연속식 가열로일 수 있다. 이 때, 상기 A 구간, B 구간 및 C 구간은 블랭크의 이송방향으로 반드시 인접하여 구비될 필요는 없고, 블랭크의 이송방향을 따라 전술한 순서를 충족하면 족하다. 즉, 상기 A 구간, B 구간 및 C 구간은 각 구간이 하나의 가열 존으로 구성될 수도 있고, 각 구간 내에서도 여러 가열 존으로 구성될 수도 있다. 또한, 각 구간의 사이에(즉, A 구간과 B 구간의 사이, 또는 B 구간과 C 구간의 사이), 전후 단계의 온도 범위 사이의 온도로 설정된 추가의 구간을 더 포함할 수도 있다.

종래의 분위기 가열 방법으로는, 동일한 분위기 온도로 설정된 가열로에서 가열을 하거나, 복수의 가열 존을 갖는 롤러 허스 퍼니스(roller hearth furnace)와 같은 연속식 가열로로서 순차적으로 분위기 온도를 상승하는 패턴으로 가열을 하는 경우가 있다.

그런데, 이러한 방식으로는 느린 속도로 가열이 진행되기 때문에, 목표 온도에 도달하는 시간의 확보를 위해서는 일정 시간 동안 가열로 안에서의 가열이 필수였고, 가열로 내 유지 시간의 증가에 따라 생산성이 불량해지는 문제가 있었다.

이에 본 발명자들은, B 구간의 승온되는 과정 중에 분위기 온도를 높게 설정하면 통상적인 가열로 설정 방법보다 가열이 빠르게 수행되어, 로 내 유지 시간은 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있음에 착안하였다. 또한, 동시에 후속하는 과정의 C 구간의 온도를 전술한 승온 과정인 B 구간의 온도보다 낮게 설정하면 최종 가열 온도는 낮게 설정되어 용접성이 불량해지는 문제도 해소할 수 있는 점에 착안하였다.

한편, 전술한 생산성을 결정하는 요인으로서, 900℃에 도달하는 시간의 최소화, 가열로에서 취출되는 구간에서의 소재의 온도가 가열로의 취출 온도에 도달하는 시간의 최소화, 혹은 가열로에서 소재가 취출될 때까지 가열로에서의 총 누적 유지 시간이 확산층 두께 15㎛가 되는 시간 이하인 지 여부 등이 있다. 전술한 시간들을 최소화함으로써 최종 제품인 성형 부재의 목적하는 물성을 확보 가능한 사이클 타임을 최소화할 수 있고, 이를 통해 생산성을 향상시킬 수 있다.

그런데, 앞서 언급한 높은 온도로 설정된 B 구간이 너무 넓으면, 높은 온도로 가열되어 유지되는 시간이 너무 길어짐에 따라 확산층 두께가 증가하여 용접성이 불량해지는 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 높은 온도로 설정된 B 구간이 너무 좁으면 가열이 빠르게 수행됨에 따른 생산성 향상의 효과를 얻을 수 없게 된다. 한편, 가열로의 초기 구간인 A 구간을 높은 온도로 유지하려면 에너지 소모가 많아지는 문제가 있고 승온되는 초기에는 불필요하게 높은 분위기 온도로 설정할 필요가 없다. 또한, 소재의 장입부의 오픈된 구조로 인한 열기 배출 및 차가운 소재의 투입으로 인해 처음부터 높은 분위기 온도로 설정할 수 없는 문제도 존재한다.

또한, 일단 충분한 온도까지 가열된 소재는 이미 오스테나이트로 변태가 완료되었기 때문에 도금층의 합금화만 충분히 얻어질 수 있는 온도 및 시간만 유지하면 된다. 이 단계에서까지 높은 분위기 온도를 유지할 경우, 확산층 두께의 과도한 증가에 따른 용접성 열위 문제가 발생하게 되므로 상대적으로 낮은 온도로 설정하여도 된다.

이와 같은 점을 고려하여, 본 발명에서는 일례로 소재 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재에 대해 도 1과 같은 가열 패턴을 실시하였다. 즉, 가열 초기인 A 구간에서는 에너지 절약 및 높은 분위기 온도로 설정 불가한 점을 고려하여 상대적으로 낮게 설정하였다. 이후, B 구간에서는 소재의 가열을 빠르게 하기 위해 가장 높은 온도로 설정하여, 소재가 충분한 온도에 도달하도록 설정하였다. 이어서, 소재가 충분한 온도에 도달한 후의 C 구간에서는 다시 B 단계보다는 낮은 온도로 설정하였다. 도 1과 같이 가열로를 구간별로 다르게 온도 설정한 경우, 1.2mm 소재는 취출되는 누적 가열로 유지 시간이 4.5분인 시점에서 900℃를 유지하고 있다. 이와 같은 결과는 가열로 분위기에서의 복사 및 대류 열전달에 대한 가열 해석 결과로부터 도출된 것이다. 이하에서는, 각 구간에서의 가열 조건에 대하여 보다 상세히 설명한다.

한편, 본 명세서에 있어서, 후술하는 각 구간에서의 분위기 온도는, 다수의 가열존을 포함하고 각 가열존에서 서로 구별되게 분위기 온도의 제어가 가능한 가열로에 있어서, 각 가열존에서의 분위기 유지 온도(즉, 하나의 가열존에서 실제 분위기 온도가 유지되는 영역의 온도)를 의미할 수 있다. 예를 들어, 하나의 가열존에서의 분위기 유지 온도는 실제 분위기 온도가 유지되는 영역의 대표 지점에서 측정한 온도일 수 있다. 특별히 한정하는 것은 아니나, 전술한 대표 지점의 일례로서, 하나의 가열존에 대하여 길이 방향으로 중앙(1/2)이고, 폭 방향으로 1/4이면서, 높이 방향으로 블랭크 위치 부분에서 250mm 떨어진 지점 등을 들 수 있다. 이 때, 각 구간에서의 분위기 온도는, 각 구간에 대응하는 각 가열존에서의 전술한 분위기 유지 온도로 유지되는 것으로 본다.

또한, 각 구간에서의 누적 로내 유지시간은, 전술한 다수의 가열존을 포함하고 각 가열존에서 서로 구별되게 분위기 온도의 제어가 가능한 가열로에 있어서, 가열로에 소재인 블랭크가 투입되는 시점에서부터 전술한 각 구간에 대응하는 가열존 중 마지막 가열존에서 소재인 블랭크가 취출되는 시점까지의 유지시간을 의미할 수 있다.

한편, 전술한 가열로에 있어서, 각 가열존은 격벽 등에 의해 구분되어 있을 수도 있고, 격벽 등이 없이 구분되어 있을 수도 있다. 따라서, 각 가열존이 격벽 등에 의해 구분될 수 있는 경우에는 전술한 방법을 그대로 적용한다.

반면, 전술한 가열로에 있어서, 격벽 등이 없는 경우에는 전체 가열로를 블랭크의 이송방향으로 n개 구역(예를 들어, 5개 이상)으로 등분하여, 각각의 등분된 구역을 하나의 구간으로 볼 수 있다. 본 발명의 한가지 구현례에서는 전체 가열로를 20개 구역으로 등분하여, 각각의 등분된 구역을 하나의 구간으로 볼 수 있다. 이 때, 하나의 구역에서는 전술한 바와 같이, 각 구역에 대하여 길이 방향으로 중앙(1/2)이고, 폭 방향으로 1/4이면서, 높이 방향으로 블랭크 위치 부분에서 250mm 떨어진 지점에서 측정한 온도를 각 구간에서의 분위기 유지 온도로 볼 수 있다.

일례로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 A 구간에서의 가열은 약 750~900℃의 분위기 온도로 설정하고, 상기 B 구간은 약 930~960℃의 분위기 온도로 설정하고, 상기 C 구간은 약 870℃이상이고 상기 B 구간에서 선택된 분위기 온도보다 낮은 분위기 온도로 설정할 수 있다. 이와 같은 방법을 활용하는 경우, 최종 온도의 단일한 온도로 설정한 경우에 비해 승온이 빨리 되어, 로내 유지 시간을 단축할 수 있다. 또한, 동시에 도금층의 합금화만 충분히 얻어질 수 있는 온도 및 시간의 적정 범위로 제어함으로써, 과도한 확산층이 생성됨으로 인한 용접성이 불량해지는 문제를 방지할 수 있다. 이에 따라, 우수한 생산성 및 용접성의 양립이 가능한 열간 프레스 성형 방법을 효과적으로 제공할 수 있다.

한편, 도 2는 앞서 언급한 가열 해석 기술의 타당성을 보여주는 것으로서, 소재 두께 1.2mm인 알루미늄 도금재에 대해 다양한 로 분위기 온도 조건에서의 가열 해석 실험치와 해석치의 비교를 보여주는 그래프이다. 실험치는 소재에 써모커플(thermocouple)을 붙인 것을 가열로 내에 유지한 후 1초당 1개씩의 온도 데이터를 확보하였다. 해석치는 이와 같은 조건에 대해 앞서 언급한 해석 기술로 예측한 결과로서, 도 2에서 보는 바와 같이 해석치는 실험치를 잘 표현하고 있음을 알 수 있다.

본 발명자들은 다양한 조건에서의 승온 양상을 분석함으로써, 소재의 승온 패턴은 소재의 두께, 분위기 온도 및 각 온도 영역별 유지 시간 등에 의존하는 것을 추가적으로 발견하였다. 앞서 언급한 바와 같이, 높은 분위기 온도 영역에서 머무르는 시간이 과도해지는 것을 피하고, 동시에 반대로 높은 분위기 온도 영역에서 머무르는 시간이 너무 좁아 빠른 가열 효과를 얻을 수 없는 것도 피하기 위해서는 소재의 두께와 분위기 온도와 각 분위기 온도에 머무르는 시간이 중요함을 알게 되었다. 이에, 본 발명자들은 소재의 두께와 분위기 온도에 따라 적절한 유지 시간을 선정하는 것이 필요하다는 점에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이하에서 상세히 설명한다.

구체적으로, 누적 로내 유지시간을 X축으로 하고, 가열로 내의 분위기 온도를 Y축으로 하는 그래프를 기준으로, 상기 A 구간에서의 가열은 약 a(0.2분, 750℃), b(1.0분, 750℃), c(1.0분, 800℃), d(1.5분, 900℃), e(0.2분, 900℃)의 누적 로내 유지시간 및 가열로 내 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 abcde에 의해 규정되는 조건을 충족하도록 할 수 있다.

먼저 A 구간에서의 가열은 가열로 앞부분의 온도 설정 영역으로 초기의 승온 속도에 영향을 미치므로, 상기 A 구간에서의 가열로 내 분위기 온도는 약 750~900℃ 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다. 상기 A 구간에서의 가열로 내 분위기 온도를 약 750℃ 미만으로 설정하면, 초기의 승온 속도가 너무 느려짐에 따라 생산성이 나빠지는 문제가 있다. 반면, 상기 A 구간에서의 가열로 내 분위기 온도를 약 900℃ 초과하여 설정하면, 가열로의 초기 영역을 높은 온도로 유지함으로써 에너지 소모가 많아지는 문제가 있다.

한편, A 구간에서의 가열은 분위기 온도뿐만 아니라, 유지 시간도 승온 속도에 영향을 미친다. 이 때, 가열 속도를 높이기 위하여, A 구간에서의 분위기 온도가 낮을 경우는 A 구간에서의 유지 시간을 작게 잡고, A 구간의 분위기 온도가 높을 경우에는 A 구간에서의 유지 시간을 길게 잡아도 무방하다. 이에, 본 발명자들은 A 구간에서의 가열에 대한 바람직한 가열로 내 분위기 온도 및 유지 시간에 대하여 예의 검토한 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 A 구간의 조건을 설정하는 것이 바람직함을 발견하였다. 즉, 상기 A 구간의 분위기 온도가 약 750℃로 낮은 온도인 경우에는 A 구간의 유지시간은 약 1분 이하로 짧게 잡고, A 구간의 분위기 온도가 약 900℃로 높은 온도인 경우에는 A 구간의 유지 시간은 약 1.5분 이하로 하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 A 구간은 가열로 입측의 통과하는 시간을 감안하여, A 구간의 유지 시간은 약 0.2분 이상일 수 있다.

전술한 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 외에도 소재의 두께 역시 영향을 미칠 수 있다. 그러나, 후술하는 B 구간과 C 구간에서의 가열에서 두께에 따른 영향을 반영하였고, 또한 A 구간에서의 영향은 다소 적으므로, 실용적인 관점에서 A 구간에서는 소재의 두께와 무관하게 설정할 수 있다(도 5(a) 참조).

이어서, 상기 B 구간에서의 가열은 약 f(

분, 930℃), g(

분, 930℃), h(

분, 960℃), i(

분, 960℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 fghi에 의해 규정되는 조건을 충족할 수 있다. 이 때, 상기 fghi의 좌표의 단위는 f(1.3[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×0.5[분], 930[℃]), g(3.8[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×0.5[분], 930[℃]), h(3.3[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×0.5[분], 960[℃]), i(0.8[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×0.5[분], 960[℃])이다.

B 구간에서의 가열은 가열로 내에서 가장 분위기 온도가 높은 영역으로서, 고온 영역에서의 소재의 승온 속도 및 최고 온도에 영향을 미친다. 상기 B 구간의 분위기 온도가 낮을 경우 최고 온도는 낮아지고 승온 속도도 낮아지는 반면, 상기 B 구간의 분위기 온도가 높을 경우 최고 온도도 높아지고 승온 속도도 높아진다. 따라서, B 구간의 분위기 온도는 가급적 높게 설정하는 것이 좋다. 다만, B 구간의 분위기 온도가 너무 높은 경우 소재가 너무 높은 온도까지 가열되어, 용접성이 불량해질 수 있으므로 바람직한 범위의 설정이 필요하다.

한편, 본 명세서에 있어서, 약 930℃ 이상의 분위기 온도를 갖는 구간에서부터 최고 분위기 온도(즉, 최고 분위기 유지 온도)를 갖는 구간까지를 B 구간으로 본다. 또한, 상기 최고 분위기 온도를 갖는 구간 이후에 후속되는 상기 최고 분위기 온도보다 낮은 분위기 온도를 갖는 구간부터를 상기 B 구간과는 구별되는 구간으로 본다. 예를 들어, 상기 B 구간이 약 930℃의 분위기 온도를 갖는 제1의 B 구간과, 약 950℃의 분위기 온도를 갖는 제2 B 구간으로 이루어지고, 이후 후속하여 약 935℃의 분위기 온도를 갖는 구간을 포함하는 경우, 상기 최고 분위기 온도인 약 950℃보다 낮은 분위기 온도 조건인 약 935℃의 분위기 온도를 갖는 구간부터를 C 구간으로 볼 수 있다.

이에, 본 발명에서는 상기 B 구간의 분위기 온도는 약 930~960℃의 범위로 설정할 수 있다. 상기 B 구간의 분위기 온도가 약 960℃를 초과하면, 가열로 장비의 한계도 있지만, 도금층 합금화 측면에서 너무 높은 온도로 설정이 되어 용접성이 열위해지는 문제가 있다. 또한, 상기 B 구간의 분위기 온도가 약 930℃ 미만이면, 승온 속도가 너무 낮아짐에 따라 목적하는 온도까지 도달하는 데 시간이 길어지고 사이클 타임의 증가에 따른 생산성이 나빠지는 문제가 있다.

상기 B구간에 있어서, 전술한 분위기 온도뿐만 아니라, B 구간의 유지 시간 역시 소재의 승온 속도 및 소재의 최고 가열 온도에 영향을 미친다. 즉, B 단계의 유지 시간이 너무 짧으면 충분한 승온 효과를 얻을 수 없고, B 단계의 유지 시간이 너무 길면 소재가 높은 온도에서 너무 장시간 유지가 되어 합금화가 과도하게 진행이 되고, 이에 따라 확산층의 두께가 증가되어 용접성이 불량해지는 문제가 있을 수 있다.

따라서, 특별히 한정하는 것은 아니나, 상기 B 구간에서 유지 시간의 하한은 빠른 승온에 의한 생산성 향상의 효과를 발휘하기 위해 약 0.5분 이상일 수 있다. 혹은, 합금화가 과도하게 진행되어 용접성이 불량해지는 것을 방지하기 위해, 유지 시간의 상한은 약 4.8분일 수 있다. 이 때, 상기 B 구간의 유지시간은 B 구간에서만 소재가 유지되는 시간을 의미하는 것으로서, 후술하는 로내 누적 로내 유지시간과는 구별되는 개념임을 유의할 필요가 있다.

한편, 상기 B 구간까지의 로 내 누적 유지 시간도 고온 영역에서 소재의 승온 속도 및 소재의 최고 가열 온도에 영향을 미친다. 충분한 온도까지 승온이 되기 위해서는 B 구간의 분위기 온도가 낮을 경우는 B 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간을 길게 잡아야 하고, B 구간의 분위기 온도가 높을 경우는 B 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간을 짧게 잡아도 무방하다.

여기서, 상기 로내 누적 유지 시간은 B 구간 자체의 유지 시간이 아니라, B 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간을 의미한다. 즉, B 구간 전에 선행하는 모든 로내 가열 유지 시간까지 포함하여 상기 B 구간이 끝날 때까지의 로내에서 가열된 누적 유지 시간을 말한다(예를 들어, B 구간 전에 A 구간만 있는 경우에는 A 구간 및 B 구간에서의 로내 유지 시간을 의미하고, A 구간과 B 구간 사이에 추가의 구간이 존재하는 경우에는 A 구간, B 구간 및 추가의 구간까지 모두 포함하는 로내 누적 시간을 의미한다). 이와 같이 누적 유지 시간이 중요한 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 예를 들어, A 구간의 유지 시간이 짧을 경우에는 충분한 온도까지 승온이 되기 위해서는 B 구간 자체의 유지 시간이 다소 길어져야 하고, 반대로 A 구간의 유지 시간이 길 경우에는 B 구간의 유지 시간은 다소 짧아져도 된다는 점을 고려할 필요가 있다. 즉, 본 발명에서 목적으로 하는 가열 시간 단축을 통한 생산성 향상을 위해서는 B 구간 자체의 유지 시간뿐만 아니라 B 구간 이전의 시간까지도 함께 고려하는 것이 필요하다.

한편, 상기 B 구간의 목적은 빠른 승온을 목적으로 하는 것으로서, 불필요하게 B 구간의 유지 시간을 길게 하여 높은 온도인 B 단계의 온도에서 장시간 머무르는 것을 피하는 것이 동일한 승온 효과를 얻으면서도, 용접성 측면에서 바람직하다. 따라서, 이와 같은 결과를 바탕으로 소재의 두께 영향을 고려하지 않았을 때(즉, 소재 두께 1.2㎜일 때를 기준), B 구간까지의 누적 로내 유지 시간은 B 구간의 온도가 약 930℃일 때 최대 약 3.8분 이하로 유지할 수 있다.

그런데, 추가적으로 소재의 승온 패턴은 소재의 두께에도 의존한다. 이에, 본 발명자는 다양한 두께에 대한 승온 분석을 통하여 도 5(b)와 같이 두께에 따라 B 구간까지의 누적 로내 유지 시간의 조정이 필요함을 알게 되었다. 즉, B 구간까지의 누적 로내 유지 시간은 도 3의 1.2㎜ 소재의 도형 fghi으로 규정되는 범위에서 소재 두께가 0.6㎜ 증가함에 따라 약 0.5분씩 비례적으로 증가하는 범위 안에서 실시하면 된다. 반대로, 소재 두께가 얇아지는 경우는 0.6㎜ 감소함에 따라 약 0.5분씩 비례적으로 감소하는 범위 안에서 실시하면 된다.

혹은, 본 발명자들은 생산성과 용접성을 보다 향상시키고자 하는 견지에서 추가적으로 예의 검토한 결과, 소재의 두께에 의한 영향을 고려하여, 소재의 두께 t가 1.5㎜일 때를 기준으로 B 구간에서의 가열 분위기 온도를 최적화된 조건으로 설정할 수 있음을 추가로 발견하였다.

구체적으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 t가 1.5㎜ 이하인 경우, 상기 B 구간의 분위기 온도는 약 930℃ 초과 940℃ 미만일 수 있다. 상기 B 구간은 소재의 빠른 승온을 얻기 위하여 높은 분위기 온도로 하여야 하지만, 실조업에서 작업 이상 조치 등으로 가열로 내 유지 시간은 다소 변동이 있을 수 있다는 점을 고려하면, 너무 높지 않는 분위기 온도로 가열하는 것이 좋다. 따라서, 소재의 두께가 1.5mm 이하인 경우에는 상기 B 구간의 분위기 온도가 전술한 범위로 제어하는 것이 용접성 불량 가능성 최소화 측면에서 가장 유리하다. 한편, 상기 t가 1.5㎜ 이하인 경우, 보다 바람직하게 상기 B 구간의 분위기 온도는 약 930℃ 초과 935℃ 미만일 수 있고, 가장 바람직하게 약 931~934℃일 수 있고, 이를 통해 용접성 불량 최소화의 효과를 보다 향상시킬 수 있다.

혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 t가 1.5㎜ 초과인 경우, 상기 B 구간의 분위기 온도는 약 930℃ 초과 950℃ 미만일 수 있다. 상기 B구간은 소재의 빠른 승온을 얻기 위하여 높은 분위기 온도로 하여야 하지만, 실조업에서 작업 이상 조치 등으로 가열로 내 유지 시간은 다소 변동이 있을 수 있다는 점을 고려하면, 너무 높지 않는 분위기 온도로 가열하는 것이 좋다. 따라서, 소재 두께가 1.5mm 초과인 경우에는 상기 B 구간의 분위기 온도를 전술한 범위로 제어하는 것이 용접성 불량 가능성 최소화 측면에서 가장 유리하다. 이는, 소재 두께가 두꺼워지는 경우 B 구간의 온도는 얇은 두께 소재에 비해 조금 더 높아져야 하는 점이 고려된 것이다. 혹은, 상기 t가 1.5㎜ 초과인 경우, 상기 B 구간의 분위기 온도는 보다 바람직하게는 약 930℃ 초과 945℃ 미만일 수 있고, 가장 바람직하게는 약 931~940℃일 수 있고, 이를 통해 용접성을 보다 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 t가 1.5㎜ 초과인 경우, 상기 B 구간의 분위기 온도는 빠른 승온에 의한 생산성 향상 및 굽힘성 향상의 견지에서 약 940℃ 초과 960℃ 이하로 제어될 수 있다. 안정적인 굽힘성 확보를 위해서는 전체 로내 누적 유지시간을 너무 짧지 않도록, 즉 가능하면 길게 확보하는 것이 바람직하다. 하지만, 생산성의 관점에서는 전체 로내 유지시간을 짧게 하는 쪽이 바람직하므로, 생산성과 굽힘성을 동시에 만족시키기 위해서는 상기 B 구간의 온도를 높게 하여 빠른 승온을 확보함으로써, 전체 로내 누적 유지시간을 증가시키지 않으면서, 가열 공정에서 보다 안정적인 오스테나이트 조직을 확보하여, 그 결과 보다 우수한 굽힘성을 확보할 수 있다.

혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 B 구간의 최고 분위기 온도(Tb)(즉, 최고 분위기 유지 온도)는 약 938℃ 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 935℃ 이하, 가장 바람직하게는 약 934℃ 이하일 수 있다. 이를 통해, 우수한 생산성 및 용접성의 양립을 도모할 수 있다.

상기 C 구간에서의 가열은 약 j(

분, 870℃), k(

분, 870℃), l(

분, 940℃), m(

분, 940℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 jklm에 의해 규정되는 조건을 충족하되, C 구간의 최고 분위기 온도(즉, C 구간의 최고 분위기 유지 온도)는 상기 B 구간의 최고 분위기 온도(즉, B 구간의 최고 분위기 유지 온도)보다 낮을 수 있다. 즉, 전술한 B 구간에 후속하여, 소재의 두께 영향까지 반영하여 상기 C 구간에서의 가열 시 분위기 온도 및 누적 로내 유지시간을 도형 jklm에 의해 규정되는 조건을 충족하도록 함으로써, 우수한 생산성 및 용접성의 양립이 가능해진다. 이 때, 상기 jklm의 좌표의 단위는 j(3.7[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}[분], 870[℃]), k(11.7[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×2[분], 870[℃]), l(7.03[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}×2[분], 940[℃]), m(2.53[분]+{(t[mm]-1.2[mm])/0.6[mm]}[분], 940[℃])이다.

상기 C 구간에서의 가열은 소재의 최종 유지 온도에 영향을 미친다. 상기 C 구간에서의 최고 분위기 온도를 상기 B 구간에서의 최고 분위기 온도보다 낮게 설정하는 이유는, C 구간에서의 분위기 온도가 B 구간만큼 높을 경우, 소재가 높은 온도에서 장시간 가열되어 용접성이 불량해지는 문제가 있기 때문이다. 즉, B 구간에서의 가열은 소재의 가열 속도를 증대시키기 위한 목적이 크기 때문에 높은 온도로 설정하는 것이고, C 구간에서의 가열은 소재의 최종 유지 온도를 제어하기 위한 목적이기 때문에 너무 높거나 너무 낮은 온도로 설정하지 않는 것이 바람직하기 때문이다.

한편, 상기 C 구간에서의 분위기 온도를 약 870℃ 미만으로 설정하면, 소재의 취출 온도가 너무 낮아서 이후 이송 단계 및 성형 전 냉각 단계에서 너무 낮은 온도로 냉각되어 성형 시 온도가 너무 낮아지는 문제가 발생하고, 이에 따라 성형성이 불량해질 수 있다.

혹은, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 C 구간의 분위기 온도는 용접성의 향상 측면에서 상기 B 구간의 분위기 온도보다 낮을 수도 있고, 혹은 상기 C 구간의 분위기 온도는 상기 B 구간의 최저 분위기 온도(즉, 최저 분위기 유지 온도)보다 낮도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 B 구간으로서, 약 930℃에서의 제1의 B 구간 및 960℃에서의 제2 B 구간을 포함하는 경우, 상기 C 구간은 약 870℃ 이상이면서, 상기 제1의 B 구간인 약 930℃보다 낮도록(즉, 930℃ 미만) 분위기 온도가 설정될 수도 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 C 구간의 최고 분위기 온도는, 상기 B 구간의 최고 분위기 온도(Tb)를 기준으로, 약 Tb-20℃ 이하로 설정할 수 있고, 혹은 약 Tb-30℃ 이하의 범위로 설정할 수도 있다(이 때, 상기 최고 분위기 온도는 전술한 바와 마찬가지로, 최고 분위기 유지 온도를 의미한다). B 구간과 C 구간의 온도 차이가 클수록, 빠른 승온과 확산층 두께 증가 억제에 따른 용접성 향상의 효과가 크다. 그러나, 이러한 차이를 크게 하기 위해서는 B 구간의 온도는 높아져야 하고 C 구간의 온도는 낮아져야 하는 관계로 작업 조건 설정 측면에서 범위가 너무 축소되는 문제와 더불어, C 구간까지의 온도에 도달하는데 시간이 너무 많이 소요되는 문제가 있다. 이에, 본 발명자들은 상기 B 구간과 C 구간의 온도 차이가 약 20℃ 수준일 경우, 빠른 시간 내(예를 들어, 약 30초 이하) 소재가 C 구간의 온도에 도달한다는 것을 확인하였다. 따라서, 상기 B 구간과 C 구간의 온도 차이는 약 20℃ 이상으로 하되, 상기 C 구간은 약 870℃ 이상으로 하는 것이 가장 바람직하다.

한편, C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간도 최종 유지 온도에 영향을 미친다. C 구간에서의 분위기 온도가 낮을 경우 C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간을 길게 잡아야 하고, C 구간에서의 분위기 온도가 높을 경우는 C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간을 짧게 잡아도 무방하다. 여기서, 상기 C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간 역시 C 구간 자체의 유지시간이 아니라, C 구간까지의 로내 누적 유지 시간을 의미한다. 이 때, 상기 로내 누적 유지 시간은 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.

이와 같이 누적 유지 시간이 중요한 것은 다음과 같은 이유 때문이다. 예를 들어, C 구간 바로 직전까지의 로내 유지 시간이 짧을 경우에는 충분한 합금화를 위해서는 C 구간 자체의 유지 시간이 다소 길어져야 하고, 반대로 C 구간 바로 직전까지의 로내 유지 시간이 길 경우에는 C 구간의 유지 시간은 다소 짧아져도 된다는 점을 고려할 필요가 있다. 즉, 본 발명에서 목적으로 하는 가열 시간 단축을 통한 생산성의 향상은 도모하되, 충분한 합금화를 위해서는 C 구간 자체의 유지 시간뿐만 아니라 C 구간 이전의 시간까지도 함께 고려하는 것이 필요하다. C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간은 이후 자세히 설명할 다양한 실시예들에 대한 분석을 통하여 도출이 되었다.

따라서, 본 발명의 일 측면에 따르면, 소재의 두께 영향을 고려하지 않고, 소재 두께 1.2㎜를 기준으로 할 때, C 구간이 끝날 때까지의 로내 누적 유지 시간은 분위기 온도가 약 870℃일 때 약 3.7~11.7분일 수 있고, 분위기 온도가 약 940℃일 때 약 2.53~7.03분일 수 있다. 구체적으로, 상기 C 구간에서의 분위기 온도가 높을 경우, C 구간이 끝날 때까지의 누적 로내 유지 시간이 너무 길어지면, 가열 시간이 너무 길게 되어 생산성이 나빠지고, 용접성도 불량해진다. 반면, C 구간의 분위기 온도가 낮을 경우에는 이를 보완하기 위해서 C 단계까지의 총 누적 로내 유지 시간이 커져야 한다.

추가적으로, 상기 B 구간과 마찬가지로, 상기 C 구간에서의 소재의 승온 패턴은 소재의 두께에도 의존한다. 따라서, 다양한 두께에 대한 승온 분석을 통하여 도 5(c)와 같이 두께에 따라 C구간이 끝날 때까지의 누적 로내 유지 시간의 조정이 필요함을 확인하였다.

즉, C 구간이 끝날 때까지의 누적 로내 유지 시간은 도 3의 1.2㎜ 소재의 도형 jklm으로 규정되는 범위에서, 소재 두께가 0.6㎜ 증가함에 따라, 최소 유지 시간은 1분씩 비례적으로 증가하고, 최대 유지 시간은 2분씩 비례적으로 증가하는 범위 안에서 실시할 수 있다. 반대로, 소재 두께가 얇아지는 경우는 0.6㎜ 감소함에 따라, 최소 유지 시간은 1분씩 비례적으로 감소하고 최대 유지 시간은 2분씩 감소하는 범위 안에서 실시할 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 전술한 두께의 영향까지 반영한 도형 jklm에 의해 규정되는 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도를 충족하도록 설정할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 C 구간에서의 가열은 약 935℃ 이하의 분위기 온도에서 수행되거나, 보다 바람직하게는 약 930℃ 이하의 분위기 온도에서 수행될 수 있다. 혹은, 상기 C 구간의 최고 분위기 온도(즉, 최고 분위기 유지 온도)는 약 935℃ 이하이거나, 보다 바람직하게는 약 930℃ 이하일 수 있고, 이를 통해 생산성 및 용접성을 보다 개선할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 C 구간에서의 유지 시간은 약 0.5분 이상일 수 있고, 상기 C 구간에서의 유지 시간이 약 0.5분 미만이면, 최종 유지 온도에 도달하지 못할 수 있으나, 특별히 이를 한정하는 것은 아니다.

한편, 발명의 일 측면에 따르면, 상기 t는 1.5㎜ 이하인 경우, 상기 C 구간의 분위기 온도는 약 870℃ 이상 880℃ 미만일 수 있다. 이는 가열 시 고온에서 유지하면 도금층 합금화가 훨씬 빨리 진행되기 때문에, 소재 두께가 1.5㎜ 이하일 경우 최종 유지 온도인 C 구간 온도는 약 870℃ 이상 880℃ 미만으로 낮게 유지하는 것이 용접성 측면에서 가장 유리하기 때문이다.

혹은, 발명의 일 측면에 따르면, 상기 t는 상기 t가 1.5㎜ 초과인 경우, 상기 C 구간의 분위기 온도가 약 870℃ 이상 900℃ 미만일 수 있다. 이는 가열 시 고온에서 유지하면 도금층 합금화가 훨씬 빨리 진행되기 때문에, 소재 두께가 1.5㎜ 초과일 경우 최종 유지 온도인 C 구간 온도는 약 870℃ 이상 900℃ 미만으로 낮게 유지하는 것이 용접성 측면에서 가장 유리하기 때문이다. 이는 소재 두께가 두꺼워지는 경우 C 구간의 온도는 얇은 두께 소재에 비해 조금 더 높아져야 하는 점을 고려한 것이다.

즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 목적하는 효과를 발휘하기 위하여, 각 B 및 C 구간에서의 유지 시간은 각각 약 0.5분 이상인 것이 바람직하다. 이 때, 각 B 및 C 구간에서의 유지 시간이라 함은, 누적 시간을 의미하는 것이 아니고, 각 B 구간 자체의 유지시간 및 C 구간 자체의 유지시간을 의미한다. 상기 B 구간 및 C 구간 중 적어도 하나의 구간에서 유지 시간이 약 0.5분 미만이면, B 구간에서의 빠른 승온과 C 구간에서의 낮은 최종 유지 온도 도달의 효과를 기대하기 어려울 수 있으나, 특별히 이를 한정하는 것은 아니다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 가열하는 단계는 하기 관계식 2의 값이 2 이상을 충족하도록 수행될 수 있다. 이 때, 상기 관계식 2의 값은 경험적인 수치이므로, 특별히 단위를 정하지 않는다.

[관계식 2]

(상기 관계식 2에 있어서, 상기 T_n은 블랭크의 이송방향으로 n번째 구간에서의 가열로 분위기 온도를 나타내고, 단위는 ℃이다. 상기 t_n은 블랭크의 이송방향으로 n번째 구간에서의 가열로 유지 시간을 나타내고, 단위는 분이다. 상기 t_total은 가열로에서의 총 유지 시간을 나타내고, 단위는 분이다. x는 가열로에서 특정 분위기 온도로 유지되는 구간의 개수를 나타낸다. 상기 k는 B 구간 중 최종 구간인 경우에 3의 정수이고, B 구간 이후의 구간인 경우에 -1의 정수이고, 이외의 경우에 1의 정수이다. 상기 t는 블랭크의 두께를 나타내고, 단위는 mm 이다.)

한편, 가열로에 있어서, n번째 구간이라 함은, 특정 분위기 온도로 유지되는 구간으로서, 블랭크의 이송방향으로 n번째에 존재하는 구간을 말하고, 블랭크의 이송방향으로 존재하는 각 구간은 분위기 온도로 구분될 수 있다. 이 때, 상기 n번째 구간에서의 가열로 유지 시간은 가열로에서의 누적 유지 시간이 아니라, 각 구간 자체의 유지 시간을 의미한다.

이 때, 가열로 및 각 구간에 대한 설명은, 후술하는 각 구간에서의 유지 시간을 제외하고, 전술한 설명을 동일하게 적용할 수 있다.

또한, 각 구간에서의 유지 시간은, 전술한 다수의 가열존을 포함하고 각 가열존에서 서로 구별되게 분위기 온도의 제어가 가능한 가열로에 있어서, 각 구간에 대응되는 각 가열존에서의 유지시간을 의미할 수 있다. 예를 들어, 하나의 구간에 하나의 가열존이 대응되는 경우로서, 상기 하나의 가열존에서 소재가 유지되는 시간은, 소재인 블랭크가 투입되는 시점에서부터 상기 하나의 가열존에서 블랭크가 취출되는 시점까지를 의미할 수 있다.

또한, 전술한 바에 의하면, 상기 B 구간은 약 930℃ 이상의 분위기 온도를 갖는 구간에서부터 최고 분위기 온도를 갖는 구간까지를 의미하므로, 상기 B 구간 중 최종 구간은 최고 분위기 온도(즉, 최고 분위기 유지 온도)를 갖는 구간을 의미한다. 이 때, 상기 B 구간 이후라 함은, B 구간을 제외하고 블랭크의 이송방향으로 B 구간 이후부터 가열로분위기 온도로 구분되어 존재하는 구간을 의미한다.

일례로, A 구간(분위기 온도: T1, 유지 시간: t1), B 구간(분위기 온도: T2, 유지 시간: t2), 제1 C 구간(분위기 온도: T3, 유지 시간: t3), 제2 C 구간(분위기 온도: T4, 유지 시간: t4)이 존재하는 경우를 설명한다. 이 경우, 상기 관계식 2는, [{(T1-870)×t1/t_total×0.1334×1} + {(T2-870)×t2/t_total×0.1334×3} + {(T3-870)×t3/t_total×0.1334×(-1)} + {(T4-870)×t4/t_total×0.1334×(-1)}]/t일 수 있다.

본 발명자들은 가열 단계에 있어서, 가열로의 온도 및 시간에 대한 패턴에 대해 예의 검토한 결과, 생산성, 용접성, 성형성에 추가하여, 제품의 형상 정밀도까지 보다 향상시킬 수 있는 방법을 추가적으로 연구하였다.

즉, 가열하는 단계에서 각 구간에서의 870℃를 기준으로 한 가열 분위기 온도의 차를 전체 공정 중에 각 구간이 차지하는 시간 비율과, 0.1334를 곱한 값(V_cal)을 기준으로 성형 부재에 미치는 영향을 연구하였다. 구체적으로, 최고 분위기 온도로 유지되는 구간 이전에는 생산성의 측면에서 값이 큰 것이 바람직하므로 상기 V_cal값이 (+)부호를 가지고(즉, k가 (+1)에 해당), 이들 중 최고 분위기 온도로 유지되는 구간의 영향이 가장 크므로 상기 V_cal값이 (+3)배의 영향을 받는다(즉, k가 3의 정수에 해당). 또한, B 구간 이후의 구간에서는 상기 V_cal값이 작은 것이 확산층의 두께를 감소시켜 용접성 측면에서 바람직하므로 (-)부호의 값을 가진다. 이러한 각 구간에서의 V_cal값들의 합을 두께의 영향을 고려하여 t로 나눈 값이 2 이상을 충족함으로써, 전술한 생산성, 용접성, 성형성에 더하여, 적정 조건의 가열로 구간의 조합으로부터 제품의 취출 후 공기 중에서 냉각될 때 뒤틀림 현상이 줄어들어, 제품의 형상 정밀도를 보다 향상시킬 수 있음을 발견하였다.

또한, 본 발명자는 열간 프레스 성형 공정에서 냉각 공정에 대한 자세한 공정 분석을 통하여 다음과 같은 사항을 알게 되었다. 가열된 블랭크는 가열로에서 추출된 후 프레스에 설치된 금형으로 이송된다. 이러한 이송 과정 중에서는 공냉으로 냉각된다. 이어서, 하형 금형에 블랭크를 안착시킨 후, 블랭크 공급 지그가 프레스 작동 범위 내에서 회피를 하고 나면 프레스 슬라이드가 하강되기 시작하고 일정 시간이 지나서 상형 금형이 블랭크에 접촉되기 시작한다. 성형은 이러한 상형 금형이 블랭크에 접촉하고 난 후 실질적으로 시작이 된다. 이와 같이, 상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지 일정 시간이 소요된다. 그런데, 이러한 시간 중에는 블랭크 전체적으로 공냉이 될 뿐만 아니라, 하형 금형 혹은 하형 금형의 블랭크를 지지해주는 리프터 같은 구조물과 접촉하여 이 부분에서 급냉이 발생하게 된다. 따라서, 전체적으로 안전한 성형성의 확보를 위해서는 공냉이 주로 일어나는 이송 과정의 소요 시간뿐만 아니라, 상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 최소화도 필요함을 알게 되었다. 물론 일반적으로 잘 알려진 바와 같이, 성형이 완료된 후 금형이 완전히 밀착된 상태에서의 급냉은 물성 확보 측면에서 중요하다는 것은 당연하여 본 발명에서 추가적으로 설명하지는 않고자 한다. 본 발명에서는 이송 과정 중 공냉 시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 관리가 물성 확보 및 성형성 확보 측면에서 중요하다는 것을 알고 다음과 같은 분석을 실시하였다.

한편, 도 6은 소재 두께 0.9 및 1.8㎜인 알루미늄 도금 강판에 대해 900℃로 가열한 후 가열로에서 추출 후 공기 중에서 냉각되는 시간에 따른 온도 변화에 대한 실험치와 공냉 과정에 대한 해석치의 비교 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이 해석치는 실험치를 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.

본 발명에서는 이러한 해석 기술을 활용하여, 다양한 소재 두께, 가열로 취출 온도, 및 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합 간의 상관관계에 대하여 예의 검토한 결과, 하기 관계식 1을 충족해야 함을 발견하였다.

[관계식 1]

T ≤ 8.2×t+(temp-900)/30

(상기 T는 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합을 나타내고, 단위는 s(초)이다. 상기 t는 소재의 두께를 나타내고, 단위는 ㎜이다. 상기 temp는 가열로 추출온도를 나타내고, 단위는 ℃이다.)

이 때, 상기 관계식 1은 경험적으로 얻어지는 값이므로 특별히 단위를 정하지 않을 수 있고, T의 단위는 s(초)이고, t는 mm이고, temp의 단위는 ℃을 충족하면 충분하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 T는 약 10초 초과일 수 있고, 보다 바람직하게는 약 11초 이상일 수 있다. 즉, 본 발명에 있어서, 상기 T가 약 10초를 초과하더라도 우수한 성형성의 확보가 가능하고, 이를 통해 이송장치 속도가 다소 느린 설비에서도 적용 가능하여 불필요한 설비 투자가 요구되지 않아 경제성의 확보가 가능해진다.

한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 특별히 한정하는 것은 아니나, 본 발명에서 상기 소재의 두께(t)는 약 0.6~2.6mm 범위일 수 있다. 상기 소재의 두께가 약 0.6mm 미만이면 소재가 너무 얇아져서 연속 가열로 안에서 이송 시 처짐의 문제 등이 발생할 수 있고, 약 2.6mm 초과이면 소재가 너무 두꺼워져서 알루미늄 도금재의 생산이 용이하지 않을 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 냉각은 이송 과정 중의 공냉과, 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 하형 금형에 의한 냉각의 단계로 실시된다. 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전의 단계에서는 하형 금형 혹은 하형 금형의 블랭크를 지지해주는 리프터 같은 구조물과 접촉하는 부위는 접촉이 되지 않고 공냉되는 부위에 비해서 보다 빠른 냉각이 실시된다. 따라서, 블랭크 전체적 공냉 측면에서는 상기 관계식 1-1[T ≤ 8.2×t]만을 만족하면 되지만, 하형 금형에 블랭크의 안착된 후 상형 금형이 접촉하여 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간도 크지 않도록 하는 것이 중요하다는 점을 알게 되었다.

따라서, 상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간은 2초 이하일 수 있다. 본 발명자들은 1.2mm 두께 소재를 가열하여 900℃로 추출한 후, 8초 동안 이송하고 1초 동안 하형 리프터에 접촉한 조건과, 7초 동안 이송하고 2초 동안 하형 리프터에 접촉한 조건과, 6초 동안 이송하고 3초 동안 하형 리프터에 접촉한 조건에서, 각각 리프터에 접촉한 부위의 온도를 관찰하였다. 그 결과, 하형 리프터에 2초 초과로 접촉한 경우, 해당 부위는 미접촉한 부위에 비해 50℃ 이상 더 냉각되는 것을 확인하였다. 따라서, 성형 단계 전 금형의 상형이 접촉하기 전까지 금형의 하형만으로 냉각되는 시간(즉, 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간)이 2초를 초과하는 경우, 금형의 하형에 접촉되지 않은 블랭크 부위는 700℃ 수준이 된다. 다만, 금형의 하형과 접촉하는 부위는 650℃ 수준까지 냉각이 되어, 통상의 열간 프레스 성형 공정 관리에서 작업 불가 판단 온도 수준으로 냉각이 될 수 있다. 이에 따라, 성형 작업이 실시되지 않고 스크랩이 되는 문제가 발생할 여지가 있다.

따라서, 가장 바람직하게는 가열된 블랭크가 상형 금형이 접촉하여 성형이 시작되기까지 상기 관계식 1을 충족하도록 공정이 수행되면서, 전술한 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간이 2초 이하로 제어될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 블랭크의 도금층 두께는 20㎛ 이상일 수 있다. 상기 블랭크의 도금층 두께가 20㎛ 미만이면, 블랭크의 도금층 두께가 얇은 상태에서 가열이 수행되고, 합금화가 빨리 진행되어 확산층의 증가도 더욱 빨라지게 된다. 즉, 도금량이 적어지면 확산층의 두께 증가 속도가 증가하여 본 발명의 목적하는 물성을 기대하기 어려울 수 있으므로, 블랭크의 도금층 두께는 20㎛ 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 혹은, 상기 블랭크의 도금층 두께는 보다 바람직하게는 25㎛ 이상일 수 있고, 이를 통해 확산층 두께 증가의 속도를 억제하여 용접성이 보다 개선될 수 있다. 한편, 상기 블랭크 도금층 두께의 상한을 특별히 한정하는 것은 아니나, 도금층 두께가 불필요하게 증가될 경우, 도금층 합금화 속도가 느려지는 문제가 생길 수 있으므로, 산업적으로 많이 적용되고 있는 33㎛ 이하 수준이면 충분하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성형 부재의 확산층 두께는 15㎛ 이하일 수 있다. 상기 확산층은 전도성이 좋지 않아 저항이 크므로, 확산층의 두께가 너무 두꺼우면, 용접 시 국부적인 발열이 크게 일어남으로 인해 스패터 발생의 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 상기 확산층의 두께를 15㎛ 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 한편, 상기 성형 부재의 확산층은, Fe와 Al의 금속간 화합물을 포함하는 층을 의미할 수 있고, Fe와 Al의 금속간 화합물로는 FeAl, Fe₃Al 등을 들 수 있다. 그 밖에도 도금층에서 유래되는 성분들의 일부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성형 부재의 합금층 두께는 27~50㎛일 수 있다. 성형 부재의 합금층 두께가 27㎛ 미만이면, 내식성이 부족한 문제가 있을 수 있고, 합금층 두께가 50㎛ 초과이면, 성형 시 금형에 도금층의 소착 문제가 심화될 여지가 있다. 전술한 효과를 보다 향상시키고자 하는 견지에서, 상기 성형 부재의 합금층 두께는 있고, 보다 바람직하게는 35~50㎛일 수 있다. 한편, 상기 성형 부재의 합금층 두께는 확산층을 포함하는 코팅의 총 두께를 의미한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성형 부재의 합금층 두께에 대한 상기 성형 부재의 확산층의 두께의 비(확산층 두께/합금층 두께)는 0.5 이하일 수 있고, 보다 바람직하게는 0.33 이하일 수 있다. 전술한 조건을 충족함으로써, 성형 부재의 합금층 두께 대비 확산층의 두께가 너무 두꺼워짐으로 인한 스패터 발생에 의한 용접성이 불량해지는 문제를 방지할 수 있다.

(실시예)

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기의 실시예는 예시를 통하여 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에서 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실험예 1)

중량%로, C: 0.22%, Si: 0.3%, Mn: 1.2%, Cr: 0.2%, Al: 0.03%, P: 0.01%, S: 0.001%, N: 0.003%, B: 0.003%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 소지강판에 대해 도금욕 Al-Si9%-Fe3%에 침지하여 도금 강판을 얻었다. 이렇게 얻어진 두께 1.2mm의 알루미늄 도금 강판에 대하여, 하기 표 1, 2에 기재된 조건을 충족하도록 블랭크를 가열로에서 가열하고, 금형의 상형 및 하형 사이로 이송한 후 하형 금형 안착에 의한 냉각, 성형 및 취출의 단계를 거쳐 열간 프레스 성형 부재를 제조하였다. 이 때, 다수의 가열존을 포함하고 각 가열존에서 서로 구별되게 분위기 온도가 제어되는 가열로에 대하여, 각 가열존에서의 분위기 유지 온도를 써모커플(thermocouple)로 측정하여 하기 표 1의 각 구간에서의 분위기 유지 온도로 나타내었다. 또한, 각 구간에서의 유지 시간은, 상기 각 구간에 대응하는 각 가열존을 기준으로 소재인 블랭크의 투입 시점에서부터 취출 시점까지를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 또한, 각 구간에서의 누적 유지 시간은, 가열로에 소재인 블랭크가 투입되는 시점에서부터 각 가열로에 대응하는 각 가열존에서 소재인 블랭크가 취출되는 시점까지의 시간을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

한편, 하기 표 1, 2에 기재된 각 발명예 및 비교예에 대하여, 하기의 기준으로 특성을 평가하였다.

<900℃에 도달하는 시간>

가열로에 투입된 소재의 온도를 앞서 언급한 해석적 방법으로 계산한 결과를 활용하여, 900℃에 최초로 도달하는 시간에 따라 하기와 같이 분류하였고, 이를 통해 생산성을 판단하였다.

○: 900℃에 도달하는 시간이 180초 이하인 경우

×: 900℃에 도달하는 시간이 180초 초과인 경우

<용접성>

용접성은 저항용접 시 용접전류범위 값(최소 너겟경을 확보할 수 있는 최소 전류값에서 스패터가 발생하는 최대 전류값 사이 범위값)에 따라 하기와 같이 분류하였다. 이 때, 용접전류 범위는 확산층 두께와 용접전류 범위와의 상관 관계식을 활용하였다.

AA: 용접전류범위가 2.3KA 이상인 경우

A: 용접전류범위가 2.0KA 이상 2.3KA 미만인 경우

A-: 용접전류범위가 1.5KA 이상 2.0KA 미만인 경우

B: 용접전류범위가 1.0KA 이상 1.5KA 미만인 경우

C: 용접전류범위가 1.0KA 미만인 경우

<성형성>

성형성은 제품의 불량률 발생을 억제하기 위한 관리의 기준이 되는 성형 전 블랭크 온도 650℃를 기준으로, 하기와 같이 분류하였다.

○: 성형 직전 블랭크 온도가 650℃ 이상인 경우

×: 성형 직전 블랭크 온도가 650℃ 미만인 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
1	1.2	870	1.0	940	2.0	3.0	900	1.5	4.5	발명예 1
1A	1.2	900	1.0	900	2.0	3.0	900	1.5	4.5	비교예 1
1B	1.2	940	1.0	940	2.0	3.0	940	1.5	4.5	비교예 2
1C	1.2	870	1.0	900	2.0	3.0	940	1.5	4.5	비교예 3
2	1.2	700	1.0	940	2.0	3.0	900	1.5	4.5	비교예 4
2B	1.2	800	1.0	940	2.0	3.0	900	1.5	4.5	발명예 2
2A	1.2	750	1.0	940	2.0	3.0	900	1.5	4.5	발명예 3
3	1.2	750	1.5	940	1.5	3.0	900	1.5	4.5	비교예 5
3A	1.2	800	1.5	940	1.5	3.0	900	1.5	4.5	비교예 6
3B	1.2	900	1.5	940	1.5	3.0	900	1.5	4.5	발명예 4
4	1.2	870	1.0	920	2.0	3.0	900	1.5	4.5	비교예 7
4A	1.2	870	1.0	930	2.0	3.0	900	1.5	4.5	발명예 5
5	1.2	900	1.5	933	1.5	3.0	900	1.5	4.5	발명예 6
6	1.2	750	1.0	940	2.0	3.0	900	1.5	4.5	비교예 8

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	900℃에 최초 도달 시간 [초]	생산성	용접성	성형성	구분
1	1.0	9	9.8	167	○	A	○	발명예 1
1A	1.0	9	9.8	205	Х	A	○	비교예 1
1B	1.0	9	11.2	157	○	C	○	비교예 2
1C	1.0	9	11.2	186	Х	B	○	비교예 3
2	1.0	9	9.8	200	Х	A	○	비교예 4
2B	1.0	9	9.8	176	○	A	○	발명예 2
2A	1.0	9	9.8	178	○	A	○	발명예 3
3	1.0	11	9.8	225	Х	A	Х	비교예 5
3A	1.0	9	9.8	210	Х	A	○	비교예 6
3B	1.0	9	9.8	166	○	A	○	발명예 4
4	1.0	9	9.8	184	Х	A	○	비교예 7
4A	1.0	9	9.8	177	○	A	○	발명예 5
5	1.0	9	9.8	171	○	AA	○	발명예 6
6	3.0	9	9.8	178	○	A	Х	비교예 8

S1*: 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간 [초]

S2*: 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합 [초]

상기 표 1, 2에서 볼 수 있듯이, 가열로 전체를 900℃의 단일한 분위기 온도로 설정한 비교예 1에 비해, 발명예 1 및 발명예 2의 경우, 최종 유지 온도에 도달하는 시간을 보다 단축할 수 있었고, 이로 인해 전체적인 사이클 타임의 단축이 가능함을 확인하였다. 이를 통해, 생산성이 보다 개선됨을 확인하였다.

또한, 본원 발명에 의한 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1을 모두 충족하는 발명예 3~6의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 우수함을 확인하였다.

또한, B 구간의 분위기 온도가 930℃ 초과 940℃ 미만을 충족하는 발명예 6의 경우, 다른 발명예들에 비해 용접성이 보다 향상됨을 확인하였다.

반면, 가열로 전체를 940℃의 단일한 온도로 설정한 비교예 2의 경우는 더 빠른 승온 효과를 얻을 수 있기는 하지만, 최종 유지 온도가 940℃로 높은 온도로 유지가 되어 용접성이 열위하였다.

또한, 다른 방법으로 가장 높은 온도인 940℃를 가장 뒷부분에 배치를 하는 방법의 비교예 3의 경우, 최종 유지 온도에 도달하는 시간이 많이 걸려 생산성이 열위할 뿐만 아니라, 최종 온도도 940℃로 되어 용접성이 열위하였다.

또한, A 구간의 분위기 온도만 700℃로 변경한 비교예 4의 경우, 900℃에 도달하는 시간이 200초가 되어, B 단계가 끝날때까지도 승온이 완료되지 않아, 생산성이 열위한 문제가 있었다.

반면, 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1 중 하나 이상의 조건을 충족하지 않는 비교예 5~8의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성 중 하나 이상의 조건이 열위함을 확인하였다.

(실험예 2)

하기 표 3, 4의 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 열간 프레스 성형 부재를 제조하였다. 또한, 생산성과 관련하여 하기 방법으로 평가한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 기준으로 특성을 평가하였다.

<추가 가열 과정이 필요한 지 여부>

가열로에 투입된 소재의 온도를 앞서 언급한 해석적 방법으로 계산한 결과를 활용하여, 하기와 같이 분류하여 생산성을 판단하였다.

○: 소재의 취출 시 소재의 온도가 설정된 C 구간의 분위기 온도까지 도달한 경우

×: 소재의 취출 시 소재의 온도가 설정된 C 구간의 분위기 온도까지 도달하지 못한 경우로서, 목표하는 물성 확보를 위해 추가 가열 과정이 필요한 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
7	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	935	2.0	4.5	발명예 7
8	1.2	900	0.5	930	0.5	1.0	900	2.5	3.5	비교예 9
9	1.2	900	0.5	930	1.0	1.5	900	2.0	3.5	발명예 8
10	1.2	900	0.5	930	1.0	1.5	900	1.5	3.0	비교예 10
11	1.2	900	0.2	960	0.5	0.7	930	2.5	3.2	비교예 11
12	1.2	900	0.2	960	0.8	1.0	930	2.2	3.2	발명예 9
13	1.2	900	0.2	960	0.8	1.0	930	1.5	2.5	비교예 12
14	1.2	750	1.0	930	1.0	2.0	870	1.0	3.0	비교예 13
15	1.2	750	1.0	930	1.0	2.0	870	2.0	4.0	발명예 10
16	1.2	900	0.5	950	1.0	1.5	900	2.0	3.5	발명예 11
17	1.8	900	0.5	950	1.0	1.5	900	2.0	3.5	비교예 14
18	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	900	1.5	4.0	비교예 15
19	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	900	2.0	4.5	발명예 12
20	1.8	900	0.5	900	2.0	2.5	900	2.0	4.5	비교예 16
21	0.8	900	0.5	950	0.5	1.0	900	1.0	2.0	비교예 17
22	0.8	900	0.5	950	0.5	1.0	900	2.0	3.0	발명예 13
23	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	900	2.0	4.5	비교예 18
24	0.8	900	0.5	950	0.5	1.0	900	2.0	3.0	비교예 19
25	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	870	6.5	9.0	비교예 20

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	추가 가열이 불필요한 지 여부	용접성	성형성	구분
7	1.0	9	15.9	○	A-	○	발명예 7
8	1.0	9	9.8	Х	A	○	비교예 9
9	1.0	9	9.8	○	A	○	발명예 8
10	1.0	9	9.8	Х	A	○	비교예 10
11	1.0	9	10.8	Х	A	○	비교예 11
12	1.0	9	10.8	○	A	○	발명예 9
13	1.0	9	10.8	Х	A	○	비교예 12
14	1.0	9	8.8	Х	A	Х	비교예 13
15	1.0	8	8.8	○	AA	○	발명예 10
16	1.0	9	9.8	○	A	○	발명예 11
17	1.0	9	14.8	Х	A	○	비교예 14
18	1.0	9	14.8	Х	A	○	비교예 15
19	1.0	14	14.8	○	A	○	발명예 12
20	1.0	9	14.8	Х	A	○	비교예 16
21	1.0	9	6.6	Х	A	Х	비교예 17
22	1.0	6	6.6	○	A	○	발명예 13
23	1.0	16	14.8	○	A	Х	비교예 18
24	1.0	8	6.6	○	A	Х	비교예 19
25	1.0	10	8.8	○	A	Х	비교예 20

상기 표 3, 4에서 볼 수 있듯이, 본원 발명의 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1을 모두 충족하는 발명예 7~13의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 우수함을 확인하였다.

특히, C 구간의 최고 분위기 온도가 B 구간의 최고 분위기 온도(Tb)를 기준으로 Tb-20℃ 이하를 충족하는 발명예 8~13의 경우, 이를 충족하지 못하는 발명예 7에 비해 용접성이 보다 향상됨을 확인하였다.

또한, C 구간의 분위기 온도가 870℃ 이상 880℃ 미만을 충족하는 발명예 10의 경우, 다른 발명예들에 비하여 용접성이 보다 향상됨을 확인하였다.

반면, 전술한 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1 중 하나 이상의 조건을 충족하지 못하는 비교예 9~17의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성 중 하나 이상의 조건이 열위함을 확인하였다.

특히, 비교예 18~20의 경우, 전술한 관계식 1의 조건을 충족하지 못함으로써, 발명예들에 비해 성형성이 열위함을 확인하였다.

(실험예 3)

하기 표 5, 6의 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 열간 프레스 성형 부재를 제조하였다. 또한, 생산성과 관련하여 하기 방법으로 평가한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 기준으로 특성을 평가하였다.

블랭크 소재가 B 구간의 설정된 최고 분위기 온도까지 가열된 후, 그 온도에서 유지되는 시간이 B 구간에 존재하는 지 여부에 따라 하기와 같이 분류하였고, 이를 통해 생산성을 평가하였다. 이는 B 구간에서는 승온 속도를 높이는 측면의 효과만 달성하면 되므로 불필요하게 높은 온도 영역에서 장시간 유지하지 않는 것이 바람직하기 때문이다.

○: 추가적으로 유지하는 시간이 존재하지 않는 경우

×: 추가적으로 유지하는 시간이 존재하는 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
26	1.2	750	1.0	930	2.5	3.5	900	0.5	4.0	발명예 14
27	1.2	750	1.0	930	3.0	4.0	900	0.5	4.5	비교예 21
28	1.2	750	1.0	960	2.0	3.0	900	0.5	3.5	발명예 15
29	1.2	750	1.0	960	2.5	3.5	900	0.5	4.0	비교예 22

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	B 구간에서 소재 온도의 유지 시간이 부존재하는지 여부	용접성	성형성	구분
26	1.0	9	9.8	○	A	○	발명예 14
27	1.0	9	9.8	Х	A	○	비교예 21
28	1.0	9	9.8	○	A	○	발명예 15
29	1.0	9	9.8	Х	A	○	비교예 22

상기 표 5, 6에서 볼 수 있듯이, 본원 발명의 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1을 모두 충족하는 발명예 14 및 15의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 우수함을 확인하였다.

반면, 전술한 가열로에서의 가열 조건을 충족하지 못하는 비교예 21 및 22의 경우, 생산성이 열위함을 확인하였다.

(실험예 4)

하기 표 7, 8의 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 방법으로 열간 프레스 성형 부재를 제조하였다. 또한, 생산성과 관련하여 하기 방법으로 평가한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 기준으로 특성을 평가하였다.

<확산층 두께가 15㎛가 되는 시간에 도달하는 지 여부>

통상 자동차사가 물성 확보를 위해 규제하는 확산층 두께가 15㎛가 되는 지점의 시간을 기준으로, 하기와 같이 분류하여 생산성을 평가하였다.

○: 가열로에서 소재가 취출될 때까지의 총 누적 유지 시간이 상기 확산층 두께가 15㎛가 되는 시간 이하인 경우

×: 가열로에서 소재가 취출될 때까지의 총 누적 유지 시간이 상기 확산층 두께가 15㎛가 되는 시간을 초과하는 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
30	1.2	960	1.0	960	1.5	2.5	960	3.5	6.0	비교예 23
31	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	930	3.5	6.0	발명예 16
32	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	930	6.5	9.0	비교예 24
33	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	870	6.5	9.0	발명예 17

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	확산층 두께 [㎛]	확산층 두께가 15㎛가 되는 시간 이하인지 여부	용접성	성형성	구분
30	1.0	9	11.8	17.5	Х	C	○	비교예 23
31	1.0	10	10.8	10.2	○	A	○	발명예 16
32	1.0	12	10.8	19.3	Х	C	Х	비교예 24
33	1.0	8	8.8	8.0	○	A	○	발명예 17

상기 표 7, 8에서 볼 수 있듯이, 본원 발명의 가열로에서의 가열 조건, 하형 금형 안착 냉각 조건, 관계식 1을 모두 충족하는 발명예 16 및 17의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 우수함을 확인하였다.

반면, 전술한 가열로에서의 가열 조건을 충족하지 못하는 비교예 23의 경우, 생산성 및 용접성이 열위함을 확인하였다.

또한, 전술한 가열로에서의 가열 조건 및 하형 금형 안착 냉각 조건을 충족하지 못하는 비교예 24의 경우, 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 열위하였다.

한편, 전술한 실험예들에 대하여 그 도금층의 주사전자현미경(SEM) 사진을 도 4에 나타내었다.

(실험예 5)

하기 표 9, 10의 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 4과 동일한 방법으로 열간 프레스 성형 부재를 제조하였고, 실험예 4과 동일한 기준으로 특성을 평가하였다.

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	유지 시간 [분]	온도 [℃]	유지 시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	유지 시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
34	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	930	3.5	6.0	발명예 18
35	1.2	900	1.0	960	1.5	2.5	930	3.5	6.0	발명예 19

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	블랭크	성형 부재		생산성	용접성	성형성	구분
No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	도금층 두께 [㎛]	확산층 두께 [㎛]	합금층 두께 [㎛]	생산성	용접성	성형성	구분
34	1	10	10.8	28	10.2	37.7	○	A	○	발명예 18
35	1	10	10.8	13	11.9	20.1	○	B	○	발명예 19

상기 표 9, 10에서 볼 수 있듯이, 블랭크의 도금층 두께 20㎛ 이상, 성형 부재의 확산층 두께 15㎛ 이하, 성형 부재의 합금층 두께는 27~50㎛, 및 부재의 도금층 두께에 대한 상기 성형 부재의 확산층의 두께의 비(확산층 두께/합금층 두께)는 0.33 이하를 모두 충족하는 본원 발명예 18의 경우, 전술한 조건 중 하나 이상을 충족하지 않는 발명예 19에 비해, 용접성이 보다 개선됨을 확인하였다.

(실험예 6)

하기 표 11~13의 조건을 충족하도록 열간 프레스 성형 부재를 제조한 것 외에는, 전술한 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여 도금강판의 블랭크를 성형하였다. 또한, 용접성 및 성형성의 효과는 전술한 실험예 1과 평가방법을 동일하게 적용하였고, 추가적으로 성형 부재의 형상 정밀도를 측정하였다.

<가열로에서 취출 시, 소재의 온도가 가열로 취출 온도에 도달했는 지 여부>

또한, 가열로에서 취출 시, 소재의 온도가 가열로 취출 온도에 도달했는 지 여부에 따라, 하기 기준으로 생산성을 평가하였다.

○: 가열로 취출 시, 소재의 온도가 가열로 취출 온도에 도달한 경우

×: 가열로 취출 시, 소재의 온도가 가열로 취출 온도에 도달하지 못한 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
36	1.2	870	1.0	933	2.0	3.0	875	1.0	4.0	발명예 20
37	1.6	900	1.0	935	2.5	3.5	878	1.0	4.5	발명예 21
38	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	935	2	4.5	발명예 22
39	1.2	900	1.0	930	1.5	2.5	916	4.0	6.5	발명예 23

No.	소재 두께 [mm]	제1 구간		제2 구간		제3 구간		제4 구간		제 5 구간		누적 유지 시간 [분]	구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
40	1.5	875	1.5	935	0.5	960	0.5	940	0.5	920	1.5	4.5	비교예 25
41	2	895	2	945	0.67	970	0.67	950	0.67	930	1.67	5.67	비교예 26

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	관계식 2의 값	가열로 취출 시 소재 온도가 가열로 취출 온도에 도달 여부	용접성	성형성	구분
36	1	9	9.0	10.4	○	AA	○	발명예 20
37	1	9	12.4	9.4	○	AA	○	발명예 21
38	1	9	15.9	6	○	A-	○	발명예 22
39	1	9	10.4	2	○	A	○	발명예 23
40	1	9	13.0	1.3	Х	A	○	비교예 25
41	1	9	17.4	1.7	Х	C	○	비교예 26

상기 표 11~13에서 볼 수 있듯이, 본원 발명예 20~23의 경우, 본원의 관계식 2를 충족하지 못하는 비교예 25 및 26과 비교하여, 생산성 및 용접성 중 하나 이상의 특성이 보다 우수하였다.

뿐만 아니라, 각 발명예 및 비교예들로부터 얻어지는 성형 부재에 대한 동일한 측정 부위 10개 지점에서 checking fixture를 이용하여 형상 정밀도를 측정하였고, 통상적인 형상정밀도 요구 범위인 +/-0.5mm보다 더 가혹한 조건인 +/-0.4mm 내를 만족하는 측정 지점의 개수를 측정하였다. 그 결과, 비교예 25를 기준으로 하여, 상대적인 형상 정밀도 개선 효과를 평가하였을 때, 발명예 20~22의 경우, 비교예 25에 비해 25% 형상 정밀도가 개선됨을 확인하였다. 반면, 비교예 26의 경우에는 비교예 25를 기준으로 동일한 수준임을 확인하였다.

(실험예 7)

하기 표 14의 조건으로 변경한 것 외에는, 전술한 실험예 3과 동일한 방법으로 열간 프레스 성형 부재를 제조하였다. 또한, 굽힘성과 관련하여, 하기 방법으로 평가한 것 외에는, 전술한 실험예 3과 동일한 기준으로 특성을 평가하였다.

<굽힘성>

굽힘성은 3점 굽힘 시험으로 실시하였고, 최대하중 발생 시 굽힘각을 측정하여 아래와 같은 기준으로 분류하였다.

AA: 최대하중 굽힘각도 50도 초과인 경우

A: 최대하중 굽힘각도가 45~50도인 경우

No.	소재 두께 [mm]	A 구간		B 구간			C 구간			구분
No.	소재 두께 [mm]	온도 [℃]	시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	온도 [℃]	시간 [분]	누적 유지 시간 [분]	구분
42	1.8	900	0.5	950	2.0	2.5	900	2.0	4.5	발명예 24
43	1.8	900	0.5	930	2.0	2.5	900	2.0	4.5	발명예 25

No.	S1*	S2*	관계식 1의 값	추가 가열이 불필요한 지 여부	용접성	성형성	굽힘성	구분
42	1.0	14	14.8	○	A	○	AA	발명예 24
43	1.0	14	14.8	○	A	○	A	발명예 25

상기 표 14 및 15에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 따른 열간 프레스 성형 부재의 제조 조건을 충족하는 발명예 24, 25는 생산성, 용접성 및 성형성이 모두 우수하였다. 특히, 블랭크의 두께가 1.5㎜ 초과인 경우로서, 상기 B 구간의 온도가 940℃ 초과 960℃ 이하를 충족하는 발명예 24는, 이를 충족하지 못하는 발명예 25에 비해서, 전술한 생산성, 용접성 및 성형성에 부가하여, 굽힘성이 보다 우수함을 확인하였다.

Claims

열간 프레스 성형 부재의 제조 방법으로서,
알루미늄계 도금 강판의 블랭크를 가열로에서 가열하는 단계;
가열된 블랭크를 가열로에서 취출하여 프레스에 장착된 금형의 상형 및 하형 사이로 이송하여 안착시키는 단계; 및
상기 금형의 상형이 상기 안착된 블랭크에 접촉한 후 성형이 수행되는 성형 단계;
를 포함하고,
상기 가열로는 블랭크의 이송방향으로 순차로 구비되는 A 구간, B 구간 및 C 구간을 포함하는 연속식 가열로이고,
상기 A 구간에서의 가열은 a(0.2분, 750℃), b(1.0분, 750℃), c(1.0분, 800℃), d(1.5분, 900℃), e(0.2분, 900℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 abcde에 의해 규정되는 조건을 충족하고,
상기 B 구간에서의 가열은 f(
분, 930℃), g(
분, 930℃), h(
분, 960℃), i(
분, 960℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 fghi에 의해 규정되는 조건을 충족하고,
상기 C 구간에서의 가열은 j(
분, 870℃), k(
분, 870℃), l(
분, 940℃), m(
분, 940℃)의 누적 로내 유지시간 및 분위기 온도 좌표를 가지는 도형 jklm에 의해 규정되는 조건을 충족하되, 최고 분위기 온도는 상기 B 구간의 최고 분위기 온도보다 낮고,
하기 관계식 1을 충족하고,
상기 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간은 2초 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
[관계식 1]
T ≤ 8.2×t+(temp-900)/30
(상기 T는 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합을 나타내고, 단위는 s(초)이다. 상기 t는 블랭크의 두께를 나타내고, 단위는 mm 이다. 상기 temp는 가열로 추출온도를 나타내고, 단위는 ℃이다.)
청구항 1에 있어서,
상기 C 구간에서의 가열은 930℃ 이하의 분위기 온도에서 수행되는, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 C 구간의 최고 분위기 온도는 상기 B 구간의 최고 분위기 온도(Tb)를 기준으로 Tb-20℃ 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 t가 1.5㎜ 이하이고, 상기 B 구간의 분위기 온도는 930℃ 초과 940℃ 미만인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 t는 1.5㎜ 이하이고, 상기 C 구간의 분위기 온도는 870℃ 이상 880℃ 미만인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 t가 1.5㎜ 초과이고, 상기 C 구간의 분위기 온도가 870℃ 이상 900℃ 미만인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 t가 1.5㎜ 초과이고, 상기 B 구간의 분위기 온도가 940℃ 초과 960℃ 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 이송하여 안착시키는 단계의 소요시간과 블랭크의 안착 후 성형이 수행되기 전까지의 소요 시간의 합은 10초 초과인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 블랭크의 도금층 두께는 25㎛ 이상인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 성형 단계에 후속하여, 상기 금형의 상형이 프레스 하사점에 도달한 후 유지함으로써 성형된 소재를 급냉하는 금형 내 냉각 단계; 및
냉각된 성형 부재를 취출하는 성형 부재의 취출 단계;
를 더 포함하고,
상기 성형 부재의 확산층 두께는 15㎛ 이하이고,
상기 성형 부재의 합금층 두께는 35~50㎛인, 열간 프레스 성형 부재의 제조 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 성형 단계에 후속하여, 상기 금형의 상형이 프레스 하사점에 도달한 후 유지함으로써 성형된 소재를 급냉하는 금형 내 냉각 단계; 및
냉각된 성형 부재를 취출하는 성형 부재의 취출 단계;
를 더 포함하고,
상기 성형 부재의 합금층 두께에 대한 상기 성형 부재의 확산층의 두께의 비(확산층 두께/합금층 두께)는 0.33 이하인, 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 가열하는 단계는 하기 관계식 2의 값이 2 이상을 충족하도록 수행되는, 열간 프레스 성형 부재의 제조방법.
[관계식 2]

(상기 관계식 2에 있어서, 상기 T_n은 블랭크의 이송방향으로 n번째 구간에서의 가열로 분위기 온도를 나타내고, 단위는 ℃이다. 상기 t_n은 블랭크의 이송방향으로 n번째 구간에서의 가열로 유지 시간을 나타내고, 단위는 분이다. 상기 t_total은 가열로에서의 총 유지 시간을 나타내고, 단위는 분이다. x는 가열로에서 특정 분위기 온도로 유지되는 구간의 개수를 나타낸다. 상기 k는 B 구간 중 최종 구간인 경우에 3의 정수이고, B 구간 이후의 구간인 경우에 -1의 정수이고, 이외의 경우에 1의 정수이다. 상기 t는 블랭크의 두께를 나타내고, 단위는 mm 이다.)