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KR102312431B1 - 용접성이 우수한 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법 - Google Patents

용접성이 우수한 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법 Download PDF

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KR102312431B1
KR102312431B1 KR1020190171796A KR20190171796A KR102312431B1 KR 102312431 B1 KR102312431 B1 KR 102312431B1 KR 1020190171796 A KR1020190171796 A KR 1020190171796A KR 20190171796 A KR20190171796 A KR 20190171796A KR 102312431 B1 KR102312431 B1 KR 102312431B1
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현대제철 주식회사
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Abstract

일 관점에 따른 핫 스탬핑 부품은, 모재 강판의 표면으로부터 순차적으로 형성된 상호확산층, 제1 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층, 및 제2 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층을 적어도 포함하는 다층 도금층을 포함하고, 상기 도금층은 30㎛ 미만의 두께를 가지며, 상기 상호확산층 및 Fe-리치(Fe-rich, FexAlySiz) 층은 면적분율로, 전체 도금층의 60% 이하이다.

Description

용접성이 우수한 핫스탬핑 부품 및 그 제조방법{HOT STAMPING PARTS WITH EXCELLENT WELDABILITY AND MANUFACTURING METHOD}
본 발명은 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 차량용 부재로 사용되는 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품 및 제조방법에 관한 것이다.
자동차 조립에 있어서 접합 및 용접은 필수적이다. 다양한 장점을 가진 저항 점 용접 공정은 차체 용접에 적합하여 가장 널리 적용되고 있는 용접법이다. 저항 점 용접부 품질은 차체 품질(강성 및 내구 특성 등)에 있어서 가장 중요한 관리 중점사항으로 용접 품질의 확보가 가장 중요한 과제이다.
최근 차체 경량화 및 안정성 확보를 위해 핫 스탬핑 강판의 적용 비율이 증대되는 상황에서 용접 품질 또한 이와 함께 확보되어야 하나, 실상 열간 성형용 핫 스탬핑 강의 용접특성은 열위한 실정이다. 고강도 강의 경우 높은 강성과 합금량으로 인해 접촉저항 및 체적저항이 높아 용접 전류 통전 시 발열 속도가 높다. 특히 알루미늄(Al)계 도금 핫 스탬핑 강판의 경우 핫 스탬핑 공법을 위한 가열로 열처리 공정에서 도금층 내 알루미늄(Al), 실리콘(Si)과 모재 내 철(Fe)의 확산으로 인해 합금화 반응이 나타나고, 이로 인해 상호 확산층(interdiffusion layer) 및 다양한 금속간 화합물(IMC) 층이 형성되어 표면 저항이 증가하여 용접시 날림(expulsion)이 발생하고 민감도가 매우 높아 용접성은 더욱 취약하다. 그래서 중간 날림(expulsion) 발생에 민감하고 중간 날림(expulsion) 발생으로 인해 너겟 성장에 한계를 보이는 등 내부 결함이 발생하여 품질 확보에 어려움이 있다.
이에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제1020180095757(발명의 명칭 : 핫스탬핑 부품의 제조방법)이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 용접성이 우수한 열간 성형용 강판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 부품은, 모재 강판의 표면으로부터 순차적으로 형성된 상호확산층, 제1 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층, 및 제2 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층을 적어도 포함하는 다층 도금층을 포함하고, 상기 도금층은 30㎛ 미만의 두께를 가지며, 상기 상호확산층 및 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층은 면적분율로, 전체 도금층의 60% 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%이고, 상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 x=40~60중량%, y=30~50중량%, z=0~20중량% 이고, 상기 제2 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%인 것이 바람직하다.
상기 제1 및 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층은 면적 분율로, 전체 도금층의 40% 이상인 것이 바람직하다.
상기 상호확산층의 Si 함량은 10.0 중량% 미만이고, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량%를 초과하며, 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층과 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량이 4.0 중량% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, (a) 핫 스탬핑용 강 블랭크를 준비하는 단계; (b) 상기 강 블랭크를 서로 다른 복수의 온도 유지 구간을 가지는 가열로 내부에서 다단 가열하여, 상기 블랭크 모재 강판의 표면으로부터 순차적으로 형성된 상호확산층, 제1 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층, 및 제2 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층을 적어도 포함하는 다층 도금층이 형성되도록 하는 단계; (c) 상기 가열된 블랭크를 상기 가열로로부터 취출하여 프레스 금형으로 이송한 후에 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및 (d) 상기 성형체를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 도금층은 30㎛ 미만의 두께를 가지며, 상기 상호확산층 및 Fe-리치(Fe-rich, FexAlySiz) 층은 면적 분율로, 전체 도금층의 60% 이하인 것이 바람직하다.
상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%이고, 상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 x=40~60중량%, y=30~50중량% z=0~20중량% 이고, 상기 제2 알루미늄 리치층(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%인 것이 바람직하다.
상기 (b) 단계는 상기 블랭크를 950℃ ~ 1000℃의 온도에서 360초 이내로 균열 열처리하는 단계를 포함하는 것바람직하다.
상기 상호확산층의 Si 함량은 10.0 중량% 미만이고, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량%를 초과하며, 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층과 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량이 4.0 중량% 미만인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 프리코팅된 핫 스탬핑용 블랭크를 다단 가열방식으로 가열함으로써 다층의 도금층 구조를 형성하고, 도금층을 구성하는 각 층들의 분율을 제어함으로써 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품을 제공할 수 있다.
도 1은 핫 스탬핑 동종 용접 부위에서 용융물의 비산 흔적을 보여주는 사진이다.
도 2는 용융물의 비산으로 인해 기공이 형성되어 용접 품질에 편차가 발생한 예를 보여주는 사진이다.
도 3은 Al-Si 도금재 및 비도금재의 용접 과정을 보여주는 현미경 사진들이다.
도 4는 Al-Si 도금재의 핫스탬핑 전, 후의 동저항 거동을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 핫 스탬핑 부품의 도금층 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 7은 블랭크 가열 시간에 따른 도금층 구조의 변화를 관측하여 나타낸 현미경 사진들이다.
도 8은 가열 시간에 따른 동저항을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
저항 점 용접은 기본적으로 상, 하 두 전극으로 피 접합물을 가압한 후, 가압을 유지한 상태로 전극간에 전류를 통전시켜 피 접합물의 전기 저항열을 이용하여 용융시키는 용접법이다. 이때 접촉저항에 의해 접합면에서 발열이 시작된다. 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금재의 경우, 핫 스탬핑 공법을 위한 가열로 열처리 공정에서 도금층 내의 알루미늄(Al) 및 실리콘(Si)과 모재의 철(Fe)의 상호 확산에 의해 합금화 반응이 나타나고, 이로 인해 상호확산층 및 다양한 금속간 화합물(IMC)이 형성된다. 따라서, 용접부의 표면 접촉저항이 매우 증가하며, 도금층이 맞닿은 접합부 계면에서는 전기저항에 의한 발열속도가 매우 높아 먼저 용융 너겟이 생성되고, 이러한 너겟의 급격한 성장으로 중간 날림(expulsion)이 발생하는 문제가 심화되고 용접품질이 저하된다.
도 1은 핫 스탬핑 동종 용접 부위에서 용융물의 비산 흔적을 보여주는 사진이고, 도 2는 이러한 용융물의 비산으로 인해 기공이 형성되어 용접 품질에 편차가 발생한 예를 보여주는 사진이다. 이와 같이, 용융물의 비산으로 인해 핫 스탬핑 부품의 품질 확보 및 관리에 큰 어려움이 있다.
Al-Si 도금층이 용접 저항발열 및 너겟 성장에 미치는 영향을 보여주기 위한 것으로, 도 3은 Al-Si 도금재 및 비도금재의 용접 과정에서의 용접부위를 보여주는 현미경 사진들이고, 도 4는 Al-Si 도금재의 핫스탬핑 전, 후의 동저항 거동을 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 도금재의 경우 2-싸이클에서 도금층 표면에서 발열이 시작되고, 발열로 인해 3-싸이클에서는 용접부에서 시일(seal)이 형성되지 않았고, 4-싸이클 및 5-싸이클에서 발열이 더욱 심화되는 것을 보여준다. 반면, 비도금재의 경우, 2, 3, 4-싸이클이 진행되면서 서서히 시일(seal)이 형성되어 5-싸이클에서 접합면의 용융이 시작되어 안정적인 접합이 이루어지는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 핫 스탬핑 후(20)에 비해 핫 스탬핑 전의 동저항(10)이 낮게 관측되고 따라서 핫 스탬핑 전의 저항 용접시 발열이 낮음을 알 수 있다.
이와 같이, 비도금재와 달리 도금재의 경우 열처리 후 합금화된 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 도금층으로 인해 용접시 국부적으로 급속히 과다 발열이 일어나거나 하는 발열 양상 및 패턴, 이로 인한 용접부의 용융속도가 변화하게 된다. 이러한 현상은 열처리 전 알루미늄(Al) 도금층과 달리 합금화된 도금층에 기인된 것으로, 도금층의 Fe-Si 합금화 과정 중에 형성되는 IMC의 제어가 용접성에 가장 중요한 인자임을 확인하였다.
본 발명은 도금층 내 용접성 열위의 원인을 분석하였고, 이를 통해 용접에 불리한 IMC를 규명하였으며, 이를 제어 및 용접공정을 최적화하기 위한 핫스탬핑 부품의 제조방법과 그에 따른 핫 스탬핑용 강판의 구조를 제시한다.
핫 스탬핑 부품
본 발명의 일 관점은 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 상기 핫 스탬핑 부품은 모재 표면의 부식을 방지하기 위하여 형성된 알루미늄(Al)계 도금층을 포함하고, 상기 도금층은 핫 스탬핑을 위한 열처리 공정에서의 금속간 합금화, 오스테나이트화 및 핫 스탬핑을 통하여 만들어진 다층의 구조를 가지며, 상기 다층의 도금층 구조는 적어도 네 개의 층으로 이루어지고 우수한 용접성을 갖도록 각 층들의 분율이 제어된 구조를 갖는다.
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 핫 스탬핑 부품의 도금층 구조를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 핫 스탬핑 부품의 도금층은 모재(30)로부터 상호확산층(31), 제1 알루미늄-리치(Al-rich)층(32), Fe-rich 층(33), 및 제2 알루미늄-리치(Al-rich)층(34)이 순차적으로 배치된다. 상기 제2 알루미늄-리치(Al-rich)층(34) 위에 다른 층이 더 배치될 수도 있다.
제1 알루미늄-리치(Al-rich FexAlySiz, x=30~50wt%, y=50~70wt.%, z=0~10wt%) 층(32)은 Fe: 30 ~ 50중량%, Al: 50 ~ 70중량%, Si: 0 ~ 10중량%의 조성을 갖는다.
Fe-rich(Fe-rich FexAlySiz, x=40~60wt%, y=30~50wt.%, z=0~20wt%) 층(33)은 Fe: 40 ~ 60중량%, Al: 30 ~ 50중량%, Si: 0 ~ 20중량%의 조성을 갖는 층이다.
제2 알루미늄-리치(Al-rich FexAlySiz, x=30~50wt%, y=50~70wt.%, z=0~10wt%) 층(34)은 Fe: 30 ~ 50중량%, Al: 50 ~ 70중량%, Si: 0 ~ 10중량%의 조성을 갖는 층이다.
모재(30)의 표면에 형성된 상기 상호확산층(31)과 중간에 위치하는 Fe-rich FexAlySiz 층(33)은 고저항 상(phase)을 갖는 층으로, 용접시 높은 저항으로 인해 용접성에 불리하고, Al-rich FexAlySiz층(32, 34)은 저저항의 상(phase)을 갖는 층으로, 용접성에 유리하다. 도금층의 전기 저항, 즉 접촉 저항은 구성 상의 전기적 특성 및 분율과 밀접한 관련이 있다. 따라서, 이러한 고저항의 층(31, 33)과 저저항의 층(32, 34)은 분율을 최적화함으로써 핫 스탬핑 부품의 용접성을 극대화할 수 있다. 본 발명의 바람직한 구체예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 용접성을 극대화하기 위하여, 상기 다층의 도금층 구조에서, 저저항층인 Al-rich FexAlySiz층(32, 34)이 면적 분율로, 전체 도금층의 40% 이상을 포함하고, 고저항층인 상호확산층(31) 및 Fe-rich FexAlySiz층(33)의 합계 면적 분율이 전체 도금층의 약 60% 이하로 제어되는 것이 바람직하다.
상기 다층 도금층을 구성하는 인자들을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
40% < VAl-rich FexAlySiz , 60%> V상호확산층 + VFe-rich FexAlySiz = 1- VAl-rich FexAlySiz
40% < VAl-rich FexAlySiz (Al-rich FexAlySiz 에서 50wt% < y < 70wt%, 30wt% < x+z < 50wt%)
60% > V상호확산층 + VFe-rich FexAlySiz (Fe-rich FexAlySiz 에서 30wt% < y < 50wt%, 50wt% < x+z < 70wt%)
한편, 본 발명의 발명자들은 도금층의 전기 저항이 도금층 내의 실리콘(Si)의 함량과 밀접한 관계가 있는 것을 확인하였다. 즉, 도금층은 층 수와 관계없이 크게 실리콘(Si)의 함량이 4.0 중량%를 초과하는 Fe-Al-Si 도금층과 실리콘(Si)의 함량이 4.0 중량% 미만의 Fe-Al-Si 도금층으로 나눌 수 있으며, 이때 실리콘(Si)의 함량이 4.0 중량%를 초과하는 Fe-Al-Si 도금층의 두께 비율이 전체 도금층의 60% 미만일 때, 바람직하게는 35 ~ 55% 또는 40 ~ 50%일 때 양호한 용접성을 나타낼 수 있다. 실리콘(Si)의 함량이 4.0 중량% 미만의 Fe-Al-Si 도금층의 두께 비율을 40% 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 4.0중량%를 초과하는 Fe-Al-Si 도금층의 두께 비율이 60% 미만인 경우, 도금층의 전기 저항이 상승하는 것을 방지하고, 점 용접 과정에서 스패터를 감소시키며 용접 강도를 확보할 수 있다.
또한, 바람직하게, 본 발명에서, 상기 상호확산층의 실리콘(Si) 함량은 10.0중량% 미만, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량%를 초과, 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층과 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량% 미만으로 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 핫 스탬핑 부품의 도금층은 적어도 네 개 이상의 층으로 이루어지고, 전체 도금층의 두께는 30㎛ 미만이 바람직하다. 핫 스탬핑을 위한 블랭크 가열온도 및 가열시간이 과다하게 증가할 경우 과가열로 인해 상호확산층(31) 및 Fe-rich 층(33)의 성장이 촉진되어 총 도금층 두께가 증가하고 이로 인해 용접성이 열위해지므로, 도금층의 총 두께는 30㎛ 미만으로 제어하는 것이 바람직하다. 도금층의 총 두께를 30㎛ 미만으로 제어하면, 승온이 용이하고, 빠른 상변태에 진입할 수 있으며 과가열을 방지할 수 있으며, 더불어, 핫 스탬핑 금형에 대한 도금층의 이물 소착을 감소시킬 수 있다.
상술한 도금층을 포함하는 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품은 핫 스탬핑을 위해 블랭크를 다단 가열함으로써 다층 도금층을 갖도록 하는 제조공정에 의해 획득할 수 있다. 이하에서는, 일 예에 따른 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 상세히 설명한다.
핫 스탬핑 부품의 제조방법
도 6은 본 발명의 일구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 나타낸 공정 순서도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 구체예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법은, 핫 스탬핑용 강 블랭크를 준비하는 단계(S110), 상기 블랭크를 가열하는 단계(S120), 상기 가열된 블랭크를 프레스 금형으로 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계(S130), 및 상기 성형체를 냉각하여 핫 스탬핑 부품을 형성하는 단계(S140)를 포함한다.
핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)
상기 핫 스탬핑용 블랭크를 준비하는 단계(S110)는, 핫 스탬핑 부품 형성을 위한 판재 준비하고, 상기 판재를 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여, 블랭크를 형성하는 단계이다.
상기 판재를 준비하는 과정은, 핫 스탬핑 용으로 적용되는 공지의 조성을 가지는 강 슬라브를 준비하고, 상기 강 슬라브를 공지의 열간압연 및 냉간압연 중 적어도 하나를 수행한 후에 소둔 열처리함으로써, 강판재를 제조하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 소둔 열처리 후에, 상기 강판재 상에 Al-Si계 도금층 또는 Zn 도금층을 공지의 방법에 의해 형성할 수 있다. 구체적인 일 예에서, 상기 강판재에 Al-Si계 도금층을 형성하되, 전체 도금층의 두께를 30㎛ 미만, 바람직하게는 20 ~ 29㎛의 두께로 형성한다. 도금층이 너무 두꺼우면 합금화 열처리 과정에 필요한 열량이 증가하고 균열온도에 도달하는 시간이 지연될 수 있으며, 가열 시간 증대 및 과가열로 이어질 수 있다. 또한, 도금층이 두꺼우면 핫 스탬핑 성형 시 금형에 도금층 이물이 소착될 가능성이 있다.
블랭크를 가열하는 단계(S120)
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 블랭크를 가열하는 단계는, 서로 다른 복수의 온도 유지 구간을 가지는 가열로 내부에서 다단계 가열하는 과정으로 진행될 수 있다. 상기 블랭크를 롤러에 실장하여 상기 가열로 내부를 통과하도록 이동시킨다. 상기 블랭크는 상기 가열로의 입측으로 유입된 후에 상기 가열로의 내부를 지나면서 가열되어, 상기 가열로의 출축으로 인출될 수 있다. 이때, 상기 서로 다른 복수의 온도 구간의 각각의 온도는 상기 블랭크가 유입되는 입구로부터 상기 블랭크가 인출되는 출구 방향으로 증가하도록 각각 설정될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 블랭크를 가열하는 단계는 상기 블랭크를 950℃ ~ 1,000℃의 온도에서 균열 열처리하는 단계를 포함하도록 진행될 수 있다. 상기 균열 열처리 온도가 950℃ 미만일 경우, 가열된 블랭크가 가열로에서 인출된 후, 공랭 노출 시간에 의해 프레스 성형 시작 온도가 과도하게 낮아져서, 가열된 블랭크의 연신율이 감소하여 성형 중 두께 감소가 발생하거나 파단이 발생할 수 있다. 또한, 상기 공랭 노출 시간 동안 냉각됨으로써, 블랭크의 강도가 상승하여 복수의 블랭크를 동시 성형하는데 큰 힘이 필요하여 프레스 설비에 과부하가 걸릴 수 있다. 반면에, 상기 균열 열처리 온도가 1,000℃를 초과하는 경우, 블랭크 내의 Ti, V, Nb, Mo 등의 탄화물 형성 원소나 질화물 형성 원소가 모재로 용해(dissolution)되어 결정립 조대화를 억제하기 어렵다.
일 실시 예에 있어서, 상기 블랭크를 가열하는 단계는 상기 가열로 내부를 가열로 내부를 이슬점 0℃ 이하로 유지시킨 상태에서 진행될 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 블랭크를 가열하는 단계는 상기 블랭크를 상기 가열로 내에서 180초 ~ 360초 동안 체류하도록 하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 체류 시간이 180초 미만일 경우, 목적하는 균열 온도에서 충분한 균열 시간을 가지기 어렵다. 상기 체류 시간이 360초를 초과할 경우, 블랭크 내부로 침투하는 수소의 양이 증가하여 지연 파단의 위험이 높아지고, 핫 스탬핑 후의 내식성이 저하될 수 있다.
상기 블랭크 가열 단계(S130)를 진행함에 따라 도금층의 Al, Si과 강판재의 Fe의 내부 확산으로 인해 합금화 반응이 나타나고, 이로 인해 도금층은 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이, 4층 이상의 다층 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 도금층은 모재(30)로부터 상호확산층(31), 제1 알루미늄-리치(Al-rich)층(32), Fe-rich 층(33), 및 제2 알루미늄-리치(Al-rich)층(34)이 순차적으로 배치되고, 상기 제2 알루미늄-리치(Al-rich)층(34) 위에 다른 층이 더 배치될 수도 있다.
제1 알루미늄-리치(Al-rich FexAlySiz)층(32)은 Fe: 30 ~ 50중량%, Al: 50 ~ 70중량%, Si: 0 ~ 10중량%의 조성을 갖는 층이고, Fe-rich(Fe-rich FexAlySiz) 층(33)은 Fe: 40 ~ 60중량%, Al: 30 ~ 50중량%, Si: 0 ~ 20중량%의 조성을 갖는 층이며, 제2 알루미늄-리치(Al-rich FexAlySiz)층(34)은 Fe: 30 ~ 50중량%, Al: 50 ~ 70중량%, Si: 0 ~ 10중량%의 조성을 갖는 층이다.
이때, 고저항의 층(31, 33)과 저저항의 층(32, 34)은 각각 그 면적 분율을 최적화함으로써 핫 스탬핑 부품의 용접성을 극대화할 수 있다. 바람직한 구체예에 따르면, 핫 스탬핑 부품의 용접성을 극대화하기 위하여, 상기 다층의 도금층 구조에서, 저저항층인 Al-rich FexAlySiz층(32, 34)이 면적 분율로, 전체 도금층의 40% 이상을 포함하고, 고저항층인 상호확산층(31) 및 Fe-rich FexAlySiz층(33)의 합이 면적 분율로, 전체 도금층의 약 60% 이하로 제어될 수 있다.
상기 도금층의 구조는 블랭크 열처리 시간과 밀접한 관련이 있다.
도 7은 블랭크 가열 시간에 따른 도금층 구조의 변화를 관측하여 나타낸 현미경 사진들이고, 도 8은 가열 시간에 따른 동저항을 나타낸 그래프이다. 이때, Si: 5 ~ 10중량%를 포함하는 Al계 프리코팅층이 100g/cm2 ㅁ 20로 형성된 22MnB5 소재의 블랭크를 사용하여 950℃ 다단 가열방식을 사용하여 블랭크를 가열하였다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 첫 번째 열처리 전 원소재로부터, 60초가 경과하면 Al-rich FexAlySiz 층이 형성되고 분율이 증가할수록 저항이 감소하는 것을 관측할 수 있었다. 120초경부터는 상호확산층 및 Fe-rich FexAlySiz 층이 형성되면서 저항 급격하게 증가한다. 600초 후에는 상호확산층 및 Fe-rich FexAlySiz 층의 두께 분율이 대폭 증가하여 저항이 매우 높아지며, 용접성이 열위해진다.
따라서, 용접성에 유리한 도금층을 구현하기 위하여 Al-rich FexAlySiz 층의 분율이 일정 수준 이상 확보되어야 한다. 또한, 950℃의 가열 온도에서 가열 시간은 360초 이내로 한정하는 것이 바람직하며, 재질의 물성 등을 감안하여 하한 온도 및 가열 시간을 설정하는 것이 바람직하다.
핫 스탬핑 단계(S130) 및 냉각 단계(S140)
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 블랭크를 성형 및 냉각 조작을 함에 있어, 마르텐사이트 종료온도까지 평균냉각속도를 최소 10℃/s 이상으로 냉각할 수 있다. 상기 블랭크는 상기 프레스 금형 내에서 3 ~ 20 초간 유지될 수 있다. 상기 금형 내 유지시간이 3초 미만일 경우, 충분한 양의 마르텐사이트가 생성되지 않아 기계적 물성을 확보하기 어렵다. 상기 금형 내 유지시간이 20 초를 초과하는 경우, 유의미한 차이점이 발생하지 않아 생산성 측면에서 3 ~ 20 초의 냉각 유지 시간을 설정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 프리코팅된 핫 스탬핑용 블랭크를 다단 가열방식으로 가열함으로써 다층의 도금층 구조를 형성하고, 도금층을 구성하는 각 층들의 분율을 제어함으로써 용접성이 우수한 핫 스탬핑 부품을 제공할 수 있다.
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.

Claims (9)

  1. 모재 강판의 표면으로부터 순차적으로 형성된 상호확산층, 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층, 및 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층을 적어도 포함하는 다층 도금층을 포함하고,
    상기 도금층은 30㎛ 미만의 두께를 가지고,
    상기 상호확산층 및 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층은 면적분율로, 전체 도금층의 60% 이하이며,
    상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%이고,
    상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 x=40~60중량%, y=30~50중량%, z=0~20중량% 이고,
    상기 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%인 것을 특징으로 하는, 핫 스탬핑 부품.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층은 면적분율로, 전체 도금층의 40% 이상인 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상기 상호확산층의 Si 함량은 10.0 중량% 미만이고,
    상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량%를 초과하며,
    상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층과 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량이 4.0 중량% 미만인 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품.
  5. (a) 핫 스탬핑용 강 블랭크를 준비하는 단계;
    (b) 상기 강 블랭크를 서로 다른 복수의 온도 유지 구간을 가지는 가열로 내부에서 다단 가열하여 상기 블랭크 모재 강판의 표면으로부터 순차적으로 형성된 상호확산층, 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층, Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층, 및 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층을 적어도 포함하고, 상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%이고, 상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 x=40~60중량%, y=30~50중량%, z=0~20중량%이고, 상기 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 x=30~50중량%, y=50~70중량%, z=0~10중량%인 다층 도금층이 형성되도록 하는 단계;
    (c) 상기 가열된 블랭크를 상기 가열로로부터 취출하여 프레스 금형으로 이송한 후에 핫 스탬핑하여 성형체를 형성하는 단계; 및
    (d) 상기 성형체를 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도금층은 30㎛ 미만의 두께를 가지며,
    상기 상호확산층 및 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층은 면적분율로 전체 도금층의 60% 이하인 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 블랭크를 950℃ ~ 1000℃의 온도에서 360초 이내로 균열 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 상호확산층의 Si 함량은 10.0 중량% 미만이고,
    상기 Fe-리치(Fe-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량은 4.0 중량%를 초과하며,
    상기 제1 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층과 제2 알루미늄 리치(Al-rich FexAlySiz) 층의 Si 함량이 4.0 중량% 미만인 것을 특징으로 하는,
    핫 스탬핑 부품의 제조방법.

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