KR102714164B1 - 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예는, 베이스 강판과, 상기 베이스 강판 상에 배치되며, 알루미늄(Al): 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si): 1.4wt% 내지 1.7wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 0.8wt%, 아연(Zn): 10.0wt% 내지 13.0wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층을 구비하고, 상기 도금층 표면의 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 직경을 갖는 구형 ZnO 입자의 상분율은 3% 내지 30%인, 핫 스탬핑 부품을 개시한다.
Description
본 발명의 실시예들은 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.
근래 자동차 산업에서의 환경 규제와 안전기준이 강화됨에 따라, 자동차의 경량화 및 안정성을 위한 고강도 강의 적용이 늘어나고 있다. 고강도 강은 중량 대비 고강도 특성을 확보할 수 있으나, 가공 중 소재의 파단이 발생하거나, 스프링 백 현상이 발생하여 복잡하고 정밀한 형상의 제품의 성형이 어려울 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 핫 스탬핑(열간 프레스 성형)이 적용되고 있다.
핫 스탬핑은 고온에서 강판을 가열하여 프레스 가공하므로 강재의 성형이 용이하며, 금형을 통해 급랭을 실시하므로 성형품의 강도를 확보할 수 있다. 그러나, 핫 스탬핑을 실시하기 위해 강판을 고온으로 가열하므로, 강판의 표면이 산화될 수 있다. 이러한 문제점를 해결하기 위해 미국 등록특허 제6,296,805호 발명은 알루미늄(Al) 도금한 강판을 핫 스탬핑하는 방법을 제안하고 있다. 미국 등록특허 제6,296,805호 발명에 의하면 알루미늄(Al) 도금층은 강판의 표면에 존재하므로, 강판의 가열에 의해 강판의 표면이 산화되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 알루미늄(Al) 도금층으로서, 내고온산화성이 우수한 Al-Si계 도금이 핫 스탬핑에 적용되고 있다. 그러나 Al-Si계 도금은 핫 스탬핑 후 높은 경도의 도금층과 도금층의 표면에 존재하는 기공으로 인하여, 가공 시 도금층에 크랙이 발생하거나 도금층의 탈락을 유발할 수 있다. 이에 따라 성형 작업성이 악화되고, 도금층의 손실에 의해 내식성이 악화될 수 있다. 뿐만 아니라 기존의 Al-Si계 핫 스탬핑 도금재는 핫 스탬핑 후 도금층이 가지는 내식성의 기능이 단순히 보호막으로만 작용하는 기능을 가지고 있어, 성형 시 마찰에 의해 손실된 도금층이 부식 환경에 노출될 경우 쉽게 적청이 발생할 수 있다.
이러한 문제를 개선하기 위해서, 도금층의 금속물이 희생방식성을 가지는 Zn계 핫 스탬핑 도금기술이 개발되었으나, Zn은 고온의 핫 스탬핑 공정에서 고휘발성과 고산화성의 문제점이 있다. 특히 핫 스탬핑 후 도금층 표면에 생성되는 구형의 ZnO 입자는 핫 스탬핑 가공 시 탈락되어 프레스 금형을 오염시킬 수 있다. 또한, 이러한 구형의 ZnO 입자로 인해 인산염 처리 시 도금층 표면에 인산염이 불균일하게 형성될 수 있다. 이에 따라 도장 시 도장막에 핀홀이 발생되어 도장품질 및 내식성을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 인산염 처리성과 내식성이 향상된 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법을 제공한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 베이스 강판과, 상기 베이스 강판 상에 배치되며, 알루미늄(Al): 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si): 1.4wt% 내지 1.7wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 0.8wt%, 아연(Zn): 10.0wt% 내지 13.0wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층을 구비하고, 상기 도금층 표면의 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 직경을 갖는 구형 ZnO 입자의 상분율은 3% 내지 30%인, 핫 스탬핑 부품이 제공된다.
상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 합금화 저지층, 중간 합금층 및 내식성 강화층을 포함하고, 상기 내식성 강화층은 아연(Zn): 30wt% 이상 70wt% 이하, 산소(O): 5wt% 이상 20wt% 이하, 철(Fe): 3wt% 이상 20wt% 이하, 마그네슘(Mg): 0.5wt% 이상 10wt% 이하, 알루미늄(Al): 0.5wt% 이상 20wt% 이하, 실리콘(Si): 0이상 5wt% 이하 및 스트론튬(Sr): 0이상 1wt% 이하를 포함하는 표면 산화층을 구비할 수 있다.
상기 표면 산화층의 평균 두께는 0㎛ 초과 10㎛ 미만일 수 있다.
상기 합금화 저지층은 철(Fe): 70wt% 내지 90wt%, 알루미늄(Al): 5wt% 내지 15wt% 및 실리콘(Si): 0.5wt% 내지 4wt%을 포함할 수 있다.
상기 중간 합금층은 철(Fe): 35wt% 내지 45wt%, 알루미늄(Al): 30wt% 내지 45wt%, 실리콘(Si): 0.5wt% 내지 5wt% 및 아연(Zn): 5wt% 내지 20wt%을 포함할 수 있다.
상기 내식성 강화층은 철(Fe): 20wt% 내지 45wt% 및 알루미늄(Al): 10wt% 내지 35wt%을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 실리콘(Si): 1.0wt% 내지 5.0wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 3.0wt%, 아연(Zn): 30.0wt% 내지 40.0wt%, 스트론튬(Sr): 0.01wt% 내지 0.5wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 550℃ 내지 650℃의 온도로 유지되는 도금욕에 베이스 강판을 침지하여, 상기 베이스 강판 상에 프리코팅층을 형성함으로써 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계와, 상기 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계와, 상기 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑하는 단계를 포함하고, 상기 핫 스탬핑하는 단계에서, 상기 프리코팅층의 성분과 상기 베이스 강판의 성분이 상호확산되어 상기 프리코팅층이 도금층을 형성하고, 상기 도금층 표면의 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 직경을 갖는 구형 ZnO 입자의 상분율은 3% 내지 30%인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법이 제공된다.
상기 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계는, 상기 프리코팅층이 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량을 갖도록 상기 베이스 강판 상에 상기 프리코팅층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계는, 상기 프리코팅층이 10㎛ 내지 60㎛의 평균 두께를 갖도록 상기 베이스 강판 상에 상기 프리코팅층을 형성하는 단계일 수 있다.
상기 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계는, 상기 핫 스탬핑용 강판을 850℃ 내지 960℃로 가열하는 단계일 수 있다.
상기 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑하는 단계는, 상기 핫 스탬핑용 강판을 프레스 금형을 이용하여 핫 스탬핑하는 단계와 상기 핫 스탬핑용 강판을 10℃/s 이상의 냉각 속도로 급랭시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 인산염 처리성과 내식성이 향상된 핫 스탬핑 부품 및 이의 제조 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2의 핫 스탬핑용 강판 형성 단계을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 3은 도 2의 핫 스탬핑용 강판 형성 단계을 개략적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 단면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 5는 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 표면을 촬영한 현미경 사진이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등의 부분이 다른 부분 위에 또는 상에 있다고 할 때, 다른 부분의 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 있는 경우도 포함한다.
본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우, 또는/및 막, 영역, 구성요소들 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다. 예컨대, 본 명세서에서 막, 영역, 구성 요소 등이 전기적으로 연결되었다고 할 때, 막, 영역, 구성 요소 등이 직접 전기적으로 연결된 경우, 및/또는 그 중간에 다른 막, 영역, 구성 요소 등이 개재되어 간접적으로 전기적 연결된 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 "A 및/또는 B"은 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다. 그리고, "A 및 B 중 적어도 하나"는 A이거나, B이거나, A와 B인 경우를 나타낸다.
본 명세서에서 x축, y축 및 z축은 직교 좌표계 상의 세 축으로 한정되지 않고, 이를 포함하는 넓은 의미로 해석될 수 있다. 예를 들어, x축, y축 및 z축은 서로 직교할 수도 있지만, 서로 직교하지 않는 서로 다른 방향을 지칭할 수도 있다.
본 명세서에서 어떤 실시예가 달리 구현 가능한 경우에 특정한 공정 순서는 설명되는 순서와 다르게 수행될 수도 있다. 예를 들어, 연속하여 설명되는 두 공정이 실질적으로 동시에 수행될 수도 있고, 설명되는 순서와 반대의 순서로 진행될 수 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(10)의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(10)은 베이스 강판(100) 및 베이스 강판(100) 상에 위치한 도금층(200)을 포함할 수 있다.
베이스 강판(100)은 소정의 합금 원소를 소정 함량 포함하도록 주조된 강 슬라브에 대해 열연 공정 및 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다. 예컨대, 베이스 강판(100)은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 및 철(Fe)을 소정 함량 포함하도록 주조된 슬래브에 대해 열연 공정 및/또는 냉연 공정을 진행하여 제조된 강판일 수 있다.
도금층(200)은 베이스 강판(100)의 적어도 일 면에 배치되어서 핫 스탬핑 부품(10)의 내식성 등을 향상시킬 수 있다. 도금층(20)은 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn), 산소(O), 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 소정 함량 포함할 수 있다. 도 1에는 도금층(20)이 베이스 강판(100)의 일 면에만 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도금층(200)은 베이스 강판(100)의 일 면, 그 반대면, 및 측면 상에도 배치될 수 있다. 즉 도금층(200)은 베이스 강판(100)의 모든 면들을 덮을 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법을 개략적으로 도시한 순서도이고, 도 3은 도 2의 핫 스탬핑용 강판 형성 단계(S110)를 개략적으로 도시한 순서도이다. 이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 핫 스탬핑 부품의 제조 방법을 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조 방법은 핫 스탬핑용 강판 형성 단계(S110), 가열 단계(S120), 및 핫 스탬핑 단계(S130)를 포함할 수 있다.
핫 스탬핑용 강판 형성 단계(S110)는 도 3에 도시된 바와 같이, 강 슬라브의 열간 압연 단계(S111), 냉각/권취 단계(S112), 냉간 압연 단계(S113), 소둔 열처리 단계(S114), 및 용융 도금 단계(S115)를 포함할 수 있다.
먼저, 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 공정의 대상이 되는 반제품 상태의 강 슬라브를 준비한다. 상기 강 슬라브는 탄소(C): 0.15wt% 이상 0.4wt% 이하, 실리콘(Si): 0.05wt% 이상 1.0wt% 이하, 망간(Mn): 0.1wt% 이상 3.0wt% 이하, 인(P): 0wt% 초과 0.05wt% 이하, 황(S): 0wt% 초과 0.03wt% 이하, 알루미늄(Al): 0wt% 초과 0.1wt% 이하, 붕소(B): 0.0005wt% 이상 0.01wt% 이하, 잔부의 철(Fe), 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
열간 압연을 위해 상기 강 슬라브의 재가열 단계가 진행된다. 상기 강 슬라브 재가열 단계에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 강 슬라브를 소정의 온도로 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 일 실시예에서, 슬라브 재가열 온도(slab reheating temperature, SRT)는 1200℃ 내지 1400℃일 수 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1200℃보다 낮은 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못해 합금 원소의 균질화 효과를 크게 보기 어렵고, 티타늄(Ti)의 고용 효과를 크게 보기 어렵다는 문제점이 있다. 슬라브 재가열 온도(SRT)는 고온일수록 균질화에 유리하나 1400℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정 입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 뿐만 아니라 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
열간 압연 단계(S111)에서는 재가열된 강 슬라브를 소정의 마무리 압연 온도에서 열간 압연한다. 일 실시예에서, 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT)는 880℃ 내지 950℃일 수 있다. 이때, 마무리 압연 온도(FDT)가 880℃보다 낮으면, 이상영역 압연에 의한 혼립 조직의 발생으로 강판의 가공성 확보가 어렵고, 미세조직 불균일에 따라 가공성이 저하되는 문제가 있을 뿐만 아니라 급격한 상 변화에 의해 열간 압연 중 통판성의 문제가 발생할 수 있다. 마무리 압연 온도(FDT)가 950℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화될 수 있다. 또한, TiC 석출물이 조대화되어 최종 부품 성능이 저하될 위험이 있다.
냉각/권취 단계(S112)에서는 열간 압연된 강판을 소정의 권취 온도(Coiling Temperature: CT)까지 냉각하여 권취한다. 일 실시예에 있어서, 상기 권취 온도는 550℃ 내지 800℃일 수 있다. 상기 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 550℃미만일 경우에는 과냉으로 인한 저온상 분율이 높아져 강도 증가 및 냉간 압연 시 압연부하가 심화될 우려가 있으며, 연성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도가 800℃를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생하는 문제가 있다.
냉간 압연 단계(S113)에서는 권취된 강판을 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연한다. 이때, 산세는 권취된 강판, 즉 상기의 열연 과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
소둔 열처리 단계(S114)는 상기 냉간 압연된 강판을 700℃ 이상의 온도에서 소둔 열처리하는 단계이다. 일 실시예에서 소둔 열처리 온도는 700℃ 내지 850℃일 수 있다. 소둔 열처리는 수소 10vol% 내지 30vol% 및 질소 70vol% 내지 90vol%로 구성된 환원 분위기에서 실시될 수 있다. 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 소정의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
용융 도금 단계(S115)는 소둔 열처리된 강판에 대해 프리코팅층을 형성하는 단계이다. 용융 도금 단계(S115)에서, 상기 소둔 열처리된 강판, 즉, 베이스 강판(100) 상에 프리코팅층을 형성할 수 있다.
후술할 바와 같이, 핫 스탬핑 단계(S130)에서 핫 스탬핑용 강판의 베이스 강판(100)이 포함하는 성분과 프리코팅층이 포함하는 성분은 상호 확산되며, 이에 따라 프리코팅층은 핫 스탬핑 부품(10)이 포함하는 도금층(200)의 성분 및 함량과 상이한 성분 및 함량을 가질 수 있다. 따라서, 본 명세서에서는 편의상, 베이스 강판(100)의 표면에 도금된 층으로서 핫 스탬핑 공정을 거치지 않은 층을 프리코팅층이라 지칭하며, 베이스 강판(100)의 표면에 도금된 층으로서 핫 스탬핑 공정을 거친 층을 도금층(200)이라 지칭한다. 즉, 도금층(200)은 핫 스탬핑 공정을 거친 프리코팅층일 수 있다.
다만, 베이스 강판(100)은 도금층의 두께와 비교하여 매우 두꺼우므로, 베이스 강판(100)이 포함하는 성분과 프리코팅층이 포함하는 성분이 상호 확산되더라도 핫 스탬핑 공정 전후로 베이스 강판(100)의 성분 및 함량은 거의 변하지 않는다. 따라서, 본 명세서에서는 핫 스탬핑 공정을 거치지 않은 베이스 강판도 베이스 강판(100)이라고 지칭한다.
구체적으로, 용융 도금 단계(S115)는 베이스 강판(100)을 500℃ 내지 660℃, 더욱 바람직하게는 550℃ 내지 650℃의 온도를 가지는 도금욕에 침지시켜 베이스 강판(100)의 표면에 용융도금층을 형성하는 단계와 상기 용융도금층이 형성된 상기 베이스 강판(100)을 냉각시켜 프리코팅층을 형성하는 냉각 단계를 포함할 수 있다.
프리코팅층은 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량을 갖도록 베이스 강판(100) 상에 형성될 수 있다. 프리코팅층의 두께는 용융도금층이 형성된 베이스 강판(100)을 냉각하기 전에, 공기 또는 가스를 베이스 강판(100) 상에 분사하여 용융도금층을 와이핑함으로써, 프리코팅층의 두께를 조절할 수 있다.
일 실시예로, 도금욕은 실리콘(Si): 1.0wt% 내지 5.0wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 3.0wt%, 아연(Zn): 30.0wt% 내지 40.0wt%, 스트론튬(Sr): 0.01wt% 내지 0.5wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 바람직하게, 도금욕은 실리콘(Si): 1.0wt% 내지 3.0wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 1.0wt%, 아연(Zn): 30.0wt% 내지 40.0wt%, 스트론튬(Sr): 0.02wt% 내지 0.3wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
도금욕에 포함된 실리콘(Si)은 도금 시 합금층의 성장을 감소시킴으로써 도금층(200)의 가공성을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 구체적으로, 실리콘(Si)은 베이스 강판(100)과 프리코팅층 사이의 계면에 존재하면서 베이스 강판(100)에서 프리코팅층으로 확산하는 철(Fe)의 양을 감소시키고 프리코팅층에서 베이스 강판(100)으로 확산하는 알루미늄(Al)의 양을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 합금층의 두께가 감소하면서 도금층(200)의 굽힘 밀착성이 향상되고, 도금층(200)의 가공성을 향상시킬 수 있다. 실리콘(Si)의 함량이 1.0wt% 미만인 경우에는 합금층 성장을 제어하는데 불충분하여 도금층(200)의 가공성이 감소할 수 있다. 또한, 실리콘(Si)의 함량이 5.0wt%를 초과하는 경우 실리콘(Si) 단상이 다량 생성되어서 도금층(200) 표면에 편석이 과도하게 존재하므로 도금층(200)의 가공성 및 내식성이 저하될 수 있다.
도금욕에 포함된 마그네슘(Mg)은 내식성을 향상시키는 목적으로 첨가될 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 0.2wt% 미만인 경우 내식성 개선 효과가 충분히 발현되지 않을 수 있다. 마그네슘(Mg)의 함량이 3.0wt%를 초과하는 경우 과도한 마그네슘(Mg) 산화에 의해서 도금 시 표면 품질이 저해될 수 있다.
도금욕에 포함된 아연(Zn)은 희생 방식 능력을 향상시키기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 아연(Zn)의 함량이 30.0wt% 미만인 경우 도금층(200)에 포함되는 아연(Zn)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 발현하기에 부족할 수 있다. 아연(Zn)의 ?t량이 40.0wt%를 초과하는 경우 도금층(200) 표면에 존재하는 구형의 ZnO 입자의 상분율이 증가하게 되어서 도금층(200)의 인산염 처리성을 감소시킬 수 있다. 한편, 도금욕의 온도는 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량에 따라 달라질 수 있다. 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량이 30.0wt% 미만인 경우 도금욕의 온도를 과도하게 상승시켜야 한다. 이에 따라, 아연(Zn)의 기화량이 증가하여 Zn Ash가 대량으로 발생할 수 있다. 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 ?t량이 40.0wt%를 초과하는 경우 도금욕의 온도를 낮출 수 있으나, 아연(Zn)의 ?t량이 증가하므로 Zn Ash의 양이 증가할 수 있다. 이에 따라, Zn Ash에 의해서 도금 시 표면 품질이 저해될 수 있다.
도금욕에 포함된 스트론튬(Sr)은 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율을 제어하기 위한 목적으로 첨가될 수 있다. 일반적으로, 프리코팅층은 아연(Zn)을 포함하고, 핫 스탬핑 부품(10)의 제조과정에서 프리코팅층의 일부가 산화될 수 있으므로, 핫 스탬핑 공정을 거친 프리코팅층인 도금층(200)은 아연(Zn)의 산화물을 포함할 수 있다. 다만, 도금층(200) 표면이 균일한 경우 인산염 처리성이 향상되며, 도금층(200) 표면에 존재하는 아연(Zn)의 산화물은 인산염 처리성에 영향을 줄 수 있다. 특히, 표면에 존재하는 아연(Zn)의 산화물 중 구형의 ZnO 입자는 인산염 처리성에 큰 영향을 줄 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 "ZnO 상분율"은 도금층(200) 표면에 존재하는 구형의 ZnO 입자의 상분율을 의미한다. 즉, 본 명세서에서 "ZnO 상분율"은 도금층(200)의 표면 전체의 면적에서 구형의 ZnO 입자가 차지하는 면적의 비율을 의미한다.
스트론튬(Sr)은 도금 시 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn) 보다 먼저 산화되어 견고하고 얇은 산화막을 형성함으로써 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)의 산화를 최소화시킬 수 있다. 또한, 스트론튬(Sr) 산화막은 치밀하여 핫 스탬핑 공정에서 외부로부터 핫 스탬핑용 강판으로 유입되는 산소를 차단하므로, 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율을 감소시킬 수 있다. 스트론튬(Sr)의 함량이 0.01wt% 미만인 경우 스트론튬(Sr) 첨가에 따른 마그네슘(Mg) 및 아연(Zn)의 산화 감소 효과가 충분히 발현되지 않을 수 있고, 스트론튬(Sr)의 함량이 0.5wt%를 초과하는 경우 과도한 스트론튬(Sr) 산화물 생성으로 인해 도금 시 일부 영역이 미도금되거나 도금층(200)의 외관이 저해될 수 있다.
도금욕의 나머지 성분은 알루미늄(Al)이다. 다만, 통상의 도금욕 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술 분야 통상의 기술자가 용이하게 인식할 수 있으므로, 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
용융도금층이 형성된 상기 베이스 강판(100)을 냉각시키는 냉각 단계는, 베이스 강판(100)을 도금욕의 온도에서 상온(예컨대, 25℃)까지 평균냉각속도로 냉각하는 냉각단계를 거칠 수 있는데, 이때 도금욕의 온도에서 상온까지 냉각하는 전체 평균냉각속도는 5℃/s 내지 30℃/s일 수 있다.
상술한 공정을 거쳐 형성된 프리코팅층은 Al-Si-Zn-Mg-Sr계 도금층일 수 있다. 프리코팅층은 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량으로 베이스 강판(100) 상에 형성될 수 있다. 프리코팅층의 부착량이 20g/m2 미만인 경우 도금층(200)의 내식성이 저하될 수 있다. 프리코팅층의 부착량이 300g/m2를 초과하는 경우 핫 스탬핑용 강판의 생산성이 저하되고, 핫 스탬핑 공정 중 롤러 또는 금형에 프리코팅층이 부착되어 베이스 강판(100)으로부터 프리코팅층이 박리될 수 있다. 프리코팅층은 10㎛ 내지 60㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 프리코팅층은 약 25㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 프리코팅층의 평균 두께가 10㎛미만인 경우 도금층(200)이 내식성을 발휘하기 충분치 않고, 프리코팅층의 두께가 60㎛를 초과하는 경우 핫 스탬핑 공정 중 프리코팅이 박리될 우려가 있을 수 있다.
핫 스탬핑용 강판 형성 단계(S110) 이후에, 가열 단계(S120)가 이루어 질 수 있다. 가열 단계(S120)는 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계일 수 있다. 가열 단계(S120)에 있어서, 핫 스탬핑용 강판을 850℃ 내지 960℃로 가열할 수 있다. 이러한 핫 스탬핑용 강판의 가열은 3분 내지 10분동안 유지될 수 있다. 핫 스탬핑용 강판이 가열되는 온도가 850℃미만인 경우, 최종 미세조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되지 않아 핫 스탬핑 부품의 강도 확보가 어려울 수 있다. 핫 스탬핑용 강판이 가열되는 온도가 960℃초과인 경우, 오스테나이트 결정립이 과대하게 성장하여 핫 스탬핑 부품의 강도가 저하될 수 있다.
가열 단계(S120) 이후에 핫 스탬핑 단계(S130)가 이루어 질 수 있다. 핫 스탬핑 단계(S130)는 핫 스탬핑용 강판을 프레스 금형을 이용하여 핫 스탬핑하는 단계일 수 있다. 먼저 핫 스탬핑용 강판을 가열로로부터 프레스 금형으로 이송할 수 있다. 이러한 이송 과정에서 핫 스탬핑용 강판은 10초 내지 15초동안 공랭될 수 있다.
이어 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑할 수 있다. 이러한 핫 스탬핑의 실시와 동시에 핫 스탬핑용 강판은 급랭될 수 있다. 구체적으로, 프레스 금형에는 내부에 냉매가 순환하는 냉각 채널이 구비될 수 있다. 프레스 금형에 구비된 냉각 채널을 통하여 공급되는 냉매의 순환에 의해 핫 스탬핑용 강판은 급랭될 수 있다. 이때, 핫 스탬핑용 강판의 스프링 백(spring back) 현상을 방지함과 더불어 원하는 형상을 유지하기 위해서 프레스 금형을 닫은 상태에서 가압하면서 급랭을 실시할 수 있다. 핫 스탬핑용 강판은 마르텐사이트 종료 온도까지 평균냉각속도를 최소 10℃/s 이상으로 급랭될 수 있다. 핫 스탬핑용 강판은 프레스 금형 내에서 3초 내지 20초동안 유지될 수 있다. 프레스 금형 내 유지 시간이 3초 미만일 경우, 소재의 충분한 냉각이 이뤄지지 않아 제품의 잔존 열과 부위별 온도편차에 의해 열 변형이 발생하여 치수 품질이 저하될 수 있다. 프레스 금형 내 유지 시간이 20초를 초과하는 경우, 프레스 금형 내 유지 시간이 길어져 생산성이 저하될 수 있다.
이하에서는, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나, 하기의 실시예는 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다. 하기의 실시예는 본 발명의 범위 내에서 당업자에 의해 적절히 수정, 변경될 수 있다.
<평가 방법>
실시예로 사용된 베이스 강판(100)은 탄소(C): 0.15wt% 이상 0.4wt% 이하, 실리콘(Si): 0.05wt% 이상 1.0wt% 이하, 망간(Mn): 0.1wt% 이상 3.0wt% 이하, 인(P): 0wt% 초과 0.05wt% 이하, 황(S): 0wt% 초과 0.03wt% 이하, 알루미늄(Al): 0wt% 초과 0.1wt% 이하, 붕소(B): 0.0005wt% 이상 0.01wt% 이하, 잔부의 철(Fe), 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상술한 성분 및 함량을 포함하는 베이스 강판(100)을 50℃의 알칼리 용액에 30분동안 침지시킨 후 물로 베이스 강판(100)을 세정하였다. 이어 베이스 강판(100)을 소둔 처리하였다. 베이스 강판(100)의 소둔 처리는 10vol% 내지 30vol%의 수소와 70vol% 내지 90vol%의 질소로 구성된 환원 분위기에서 700℃ 내지 850℃의 온도로 실시되었다.
소둔 처리한 베이스 강판(100)을 도금욕의 온도로 냉각시킨 후, 베이스 강판(100)을 도금욕에 약 2초동안 침지시켰다. 도금욕은 실리콘(Si) 1.0wt% 내지 5.0wt%, 아연(Zn) 30.0wt% 내지 40.0wt%, 마그네슘(Mg) 0.2wt% 내지 3.0wt%, 스트론튬(Sr) 0.01wt% 내지 0.5wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 550℃ 내지 650℃의 온도로 유지되었다.
이어 도금욕에 침지시킨 베이스 강판(100)을 도금욕 외부로 이동시키고 5℃/s 내지 30℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각하여서 베이스 강판(100) 상에 프리코팅층을 형성하였다. 베이스 강판(100)을 냉각하기 전에, 질소 가스를 이용하여 베이스 강판(100)을 와이핑함으로써, 베이스 강판(100) 상에 형성되는 프리코팅층의 평균 두께를 25㎛ 내외로 제어하였다. 프리코팅층을 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량으로 베이스 강판(100) 상에 형성함으로써 핫 탬핑용 강판을 형성하였다.
이어 핫 스탬핑용 강판을 850℃ 내지 960℃로 3분 내지 10분 가열한 후, 가열된 핫 스탬핑용 강판을 프레스 금형으로 핫 스탬핑하였다. 이때, 핫 스탬핑과 동시에 25℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫 스탬핑 부품(10)을 제조하였다.
| 구분 | Al(wt%) | Zn(wt%) | Si(wt%) | Mg(wt%) | Sr(wt%) |
| 비교예 1 | 잔부 | 10 | |||
| 비교예 2 | 잔부 | 25 | 3 | 0.8 | 0.05 |
| 비교예 3 | 잔부 | 45 | 3 | 0.8 | 0.05 |
| 비교예 4 | 잔부 | 38 | 3 | 4 | 0.05 |
| 비교예 5 | 잔부 | 38 | 3 | 0.2 | 0.05 |
| 비교예 6 | 잔부 | 38 | 3 | 0.8 | 0.005 |
| 비교예 7 | 잔부 | 38 | 3 | 0.8 | 0.6 |
| 비교예 8 | 잔부 | 40 | 5.3 | 1 | 0.05 |
| 실시예 1 | 잔부 | 32 | 3 | 0.5 | 0.05 |
| 실시예 2 | 잔부 | 32 | 3 | 1.5 | 0.05 |
| 실시예 3 | 잔부 | 38 | 3 | 0.5 | 0.05 |
| 실시예 4 | 잔부 | 38 | 3 | 0.5 | 0.02 |
| 실시예 5 | 잔부 | 40 | 3 | 1 | 0.3 |
[표 1]은 비교예 1 내지 비교예 8 및 실시예 1 내지 실시예 5의 베이스 강판(100)들이 침지된 도금욕들의 성분 및 함량을 나타낸다. 전술한 바와 같이, 베이스 강판(100)들은 탄소(C): 0.15wt% 이상 0.4wt% 이하, 실리콘(Si): 0.05wt% 이상 1.0wt% 이하, 망간(Mn): 0.1wt% 이상 3.0wt% 이하, 인(P): 0wt% 초과 0.05wt% 이하, 황(S): 0wt% 초과 0.03wt% 이하, 알루미늄(Al): 0wt% 초과 0.1wt% 이하, 붕소(B): 0.0005wt% 이상 0.01wt% 이하, 잔부의 철(Fe), 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 이러한 베이스 강판(100)들을 실리콘(Si): 1.0wt% 내지 5.0wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 3.0wt%, 아연(Zn): 30.0wt% 내지 40.0wt%, 스트론튬(Sr): 0.01wt% 내지 0.5wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 550℃ 내지 650℃의 온도로 유지되는 도금욕에 침지하고 상온까지 냉각시킴으로써 베이스 강판(100)들 상에 프리코팅층들을 형성하였다. 이에 의해 형성된 핫 스탬핑용 강판들을 프레스 금형으로 핫 스탬핑 성형함으로써 실시예들을 제작하였다.
즉, 실시예들은 상술한 함량의 범위 내이지만 서로 함량이 다른 도금욕들에, 상술한 베이스 강판(100)들을 각각 침지하고 상온까지 냉각시킴으로써 베이스 강판(100)들 상에 프리코팅층들을 형성하였다. 이에 의해 형성된 핫 스탬핑용 강판들을 프레스 금형으로 핫 스탬핑 성형함으로써 베이스 강판(100)과 베이스 강판(100) 상의 도금층(200)을 포함하는 핫 스탬핑 부품(1)들을 제작하였다.
비교예들로서, 실시예들과 동일한 성분 및 함량을 포함하는 베이스 강판들을 각각 성분 및 함량이 다른 도금욕들에 침지하고 상온까지 냉각시킴으로써 베이스 강판 상에 프리코팅층들을 형성하였다. 이에 의해 형성된 핫 스탬핑용 강판들을 프레스 금형으로 핫 스탬핑 성형함으로써 베이스 강판과 베이스 강판 상의 도금층을 포함하는 핫 스탬핑 부품들을 제작하였다.
| 구분 | Al(wt%) | Si(wt%) | Mg(wt%) | Zn(wt%) | O(wt%) | Fe(wt%) |
| 비교예 1 | 38.5 | 6.1 | 1.2 | 잔부 | ||
| 비교예 2 | 36.1 | 1.5 | 0.3 | 7.3 | 2 | 잔부 |
| 비교예 3 | 20.3 | 1.6 | 0.4 | 17.8 | 2.5 | 잔부 |
| 비교예 4 | 25.3 | 1.8 | 2.1 | 12.1 | 2.3 | 잔부 |
| 비교예 5 | 27.5 | 1.6 | 0.1 | 13.4 | 1.6 | 잔부 |
| 비교예 6 | 26.2 | 1.5 | 0.4 | 12.6 | 2.5 | 잔부 |
| 비교예 7 | 26.8 | 1.8 | 0.4 | 11.2 | 1.6 | 잔부 |
| 비교예 8 | 29.2 | 3.2 | 0.5 | 12.7 | 2 | 잔부 |
| 실시예 1 | 30.3 | 1.5 | 0.2 | 10.2 | 2.1 | 잔부 |
| 실시예 2 | 29.5 | 1.4 | 0.7 | 10.4 | 2.3 | 잔부 |
| 실시예 3 | 27.1 | 1.7 | 0.3 | 12.3 | 2 | 잔부 |
| 실시예 4 | 27.4 | 1.6 | 0.3 | 12.5 | 1.9 | 잔부 |
| 실시예 5 | 26.3 | 1.6 | 0.4 | 12.8 | 2.2 | 잔부 |
[표 2]는 [표 1]의 도금욕을 이용하여 제조된 비교예 1 내지 비교예 8 및 실시예 1 내지 실시예 5의 성분 및 함량을 나타낸다. 베이스 강판(100)들을 [표 1]의 도금욕들에 침지함으로써 형성된 핫 스탬핑용 강판의 프리코팅층들은 [표 1]의 도금욕들의 성분 및 함량과 동일하거나 유사한 성분 및 함량을 가질 수 있다. 그러나, 이러한 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑함으로써 제작된 핫 스탬핑 부품(10)들의 도금층(200)들은 [표 1]의 도금욕들의 성분 및 함량과 상이한 성분 및 함량을 가질 수 있다. 구체적으로, 핫 스탬핑을 실시하기 위해 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 경우, 핫 스탬핑용 강판의 베이스 강판(100)이 포함하는 성분과 핫 스탬핑용 강판의 프리코팅층이 포함하는 성분은 상호 확산될 수 있다. 즉, 핫 스탬핑용 강판의 베이스 강판(100)이 포함하는 성분은 핫 스탬핑용 강판의 프리코팅층으로 확산되며, 핫 스탬핑용 강판의 프리코팅층이 포함하는 성분은 핫 스탬핑용 강판의 베이스 강판(100)으로 확산될 수 있다.
베이스 강판(100)으로부터 프리코팅층으로 철(Fe)이 확산되므로, 도금층(200)은 철(Fe)을 포함할 수 있다. 이와 함께, 도금층(200)이 포함하는 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등의 함량은 도금욕이 포함하는 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 마그네슘(Mg), 아연(Zn) 등의 함량보다 줄어들 수 있다. 도금욕이 미량의 스트론튬(Sr)을 포함하므로, 도금층(200)은 극미량의 스트론튬(Sr)을 포함할 수 있으며, 이에 따라, 도금층(200)의 포함하는 스트론튬(Sr)의 함량은 측정이 용이하지 않을 수 있다. 핫 스탬핑을 실시하기 위해 핫 스탬핑용 강판을 가열하므로, 프리코팅층의 일부가 산화되어서 도금층(200)은 산소(O)를 포함할 수 있다. 한편, 핫 스탬핑 부품의 제조 과정에서 불순물들이 도금층(200)에 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술 분야 통상의 기술자가 용이하게 인식할 수 있으므로, 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
일 실시예로, 도금층(200)은 알루미늄(Al): 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si): 1.4wt% 내지 1.7wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 0.8wt%, 아연(Zn): 10.0wt% 내지 13.0wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 한편, 도금욕에서 각 성분의 첨가 이유 및 함량 한정 이유에 대하여 전술한 내용은 도금층(200)에서 각 성분의 첨가 이유 및 함량 한정 이유에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 이와 관련하여 중복되는 내용은 생략한다.
구체적으로, 도금욕에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 1.0wt% 내지 5.0wt%이며, 도금층(200)에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 1.4wt% 내지 1.7wt%이다. 도금욕에 포함된 실리콘(Si)의 함량이 1.0wt% 미만인 경우에는 합금층 성장을 제어하는데 불충분하여 도금층(200)의 가공성이 감소할 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 1.0wt% 이상이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 1.4wt% 이상이다.
또한, 도금욕에 포함된 실리콘(Si)의 함량이 5.0wt%를 초과하는 경우 실리콘(Si) 단상이 다량 생성되어서 도금층(200) 표면에 편석이 과도하게 존재하므로 도금층(200)의 가공성 및 내식성이 저하될 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 5.0wt% 이하이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 실리콘(Si)의 함량은 1.7wt% 이하이다.
유사하게, 도금욕에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량은 0.2wt% 내지 3.0wt%이며, 도금층(200)에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량은 0.2wt% 내지 0.8wt%이다. 도금욕에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량이 0.2wt% 미만인 경우에는 내식성 개선 효과가 충분히 발현되지 않을 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량은 0.2wt% 이상이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량은 0.2wt% 이상이다.
또한, 도금욕에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량이 3.0wt%를 초과하는 경우 과도한 마그네슘(Mg) 산화에 의해서 도금 시 표면 품질이 저해될 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량은 3.0wt% 이하이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 마그네슘(Mg)의 함량은 0.8wt% 이하이다.
유사하게, 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량은 30.0wt% 내지 40.0wt%이며, 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량은 10.0wt% 내지 13.0wt%이다. 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량이 30.0wt% 미만인 경우에는 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 발현하기에 부족할 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량은 30.0wt% 이상이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량은 10.0wt% 이상이다.
또한, 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량이 40.0wt%를 초과하는 경우 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율이 증가하게 되어서 도금층(200)의 인산염 처리성을 감소시킬 수 있다. 따라서, 도금욕에 포함된 아연(Zn)의 함량은 40.0wt% 이하이어야 하며, 이러한 도금욕으로부터 형성된 도금층(200)에 포함된 아연(Zn)의 함량은 13.0wt% 이하이다.
한편, 도금층(200) 표면은 구형의 ZnO 입자를 포함할 수 있다. 바꾸어 말하면, 도금층(200) 표면에는 구형의 ZnO 입자가 존재할 수 있다. 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율은 3% 내지 30%일 수 있다. 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율이 30.0% 초과하는 경우, 도금층(200) 표면이 불균일하므로, 인산염 처리성이 저하될 수 있다. 즉, 과도한 아연(Zn) 산화에 의해 구형의 ZnO 입자가 도금층(200)의 표면에 다량으로 발생하므로, 인산염 처리가 균일하게 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 도금층(200)의 내식성이 저하될 수 있다.
도금층(200) 표면의 ZnO 상분율이 3.0% 미만인 경우, 도금층(200)이 부분적으로 탈락할 수 있다. 구체적으로, 핫 스탬핑을 위하여 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 과정에서 프리코팅층 표면에 구형의 ZnO 입자가 생성될 수 있다. 프리코팅층의 표면에 생성된 구형의 ZnO는 핫 스탬핑용 강판과 프레스 금형 사이의 마찰계수를 줄여줌으로써 핫 스탬핑 시 프리코팅층이 탈락하는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율은 3.0% 미만인 경우에는 핫 스탬핑용 강판과 프레스 금형 사이의 마찰계수를 줄여주는 정도가 불충분할 수 있다. 따라서, 핫 스탬핑 과정에서 프리코팅층이 부분적으로 탈락할 수 있다. 바꾸어 말하면, 핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200)이 부분적으로 탈락할 수 있다. 이에 따라, 인산염 처리 시 불균일한 인산염 표면이 생성되므로 인산염 처리성이 저하되며, 도장 내식성이 낮을 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 도금층(200)은 핫 스탬핑 공정을 거친 프리코팅층이므로, 프리코팅층과 유사하게, 도금층(200)은 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량을 가질 수 있으며, 10㎛ 내지 60㎛의 평균 두께를 가질 수 있다. 도금층(200)의 부착량이 20g/m2미만인 경우 도금층(200)의 내식성이 저하될 수 있다. 도금층(200)의 부착량이 300g/m2를 초과하는 경우 핫 스탬핑용 강판의 생산성이 저하되고, 핫 스탬핑 공정 중 롤러 또는 금형에 프리코팅층이 부착되어 베이스 강판(100)으로부터 프리코팅층이 박리될 수 있다. 도금층(200)의 평균 두께가 10㎛미만인 경우 도금층(200)로서의 내식성을 발휘하기 충분치 않고, 도금층(200)의 두께가 60㎛를 초과하는 경우 핫 스탬핑 공정 중 프리코팅층이 박리될 우려가 있을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(10)의 단면을 촬영한 현미경 사진이다. 도 4를 참조하면, 도금층(200)은 베이스 강판(100) 상에 순차적으로 적층된 합금화 저지층(210), 중간 합금층(220) 및 내식성 강화층(230)을 포함할 수 있다.
합금화 저지층(210)은 베이스 강판(100) 과 최인접하게 배치된 층으로서, 도금층(200) 내에서 철(Fe) 성분의 함량이 가능 높은 층일 수 있다. 합금화 저지층(210)은 베이스 강판(100) 내의 철(Fe) 성분과 도금층(200) 내의 알루미늄(Al) 성분의 상호 확산에 의해 생성되는 층으로, Fe-Al 및/또는 Fe-Al-Si 화합물을 포함할 수 있다. 이러한 합금화 저지층(210)은 내식성 강화층(230)에 비해 높은 융점을 가지므로 핫 스탬핑 공정 시 내식성 강화층(230)이 용융되어 알루미늄(Al)이 베이스 강판(100)의 조직 내로 침투하게 되는 액체 금속 취화 현상(Liquid Metal Embrittlement)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
합금화 저지층(210)의 두께는 20㎛이하, 보다 바람직하게 15㎛이하로 구비될 수 있다. 합금화 저지층(210)의 두께가 20㎛를 초과하여 형성되는 경우, 핫 스탬핑 공정 시 가공 부위의 프리코팅층이 탈락되는 문제가 발생할 수 있다. 합금화 저지층(210)의 두께는 실리콘(Si)의 함량이나 열처리 조건에 의해 제어될 수 있다. 일 실시예로, 합금화 저지층(210)은 철(Fe): 70wt% 이상 90wt% 이하, 알루미늄(Al): 5wt% 이상 15wt% 이하 및 실리콘(Si): 0.5wt% 이상 4wt% 이하를 포함할 수 있다.
중간 합금층(220)은 도금층(200) 전체의 내식성을 형성하는데 주된 역할을 하는 층으로서, 합금화 저지층(210)에 비해 상대적으로 아연(Zn)을 다량 함유할 수 있다. 중간 합금층(220)에 포함된 다량의 아연(Zn)을 통해 도금층(200)의 내식성을 향상 수 있다. 일 실시예로, 중간 합금층(220)은 철(Fe): 35wt% 이상 45wt% 이하, 알루미늄(Al): 30wt% 이상 45wt% 이하, 실리콘(Si): 0.5wt% 이상 5wt% 이하, 및 아연(Zn): 5wt% 이상 20wt% 이하를 포함할 수 있다.
내식성 강화층(230)은 실질적으로 도금층(200)의 표층부에 구비되어 선결적으로 내식성을 담당하는 층으로서, 표면에 산소 침투를 억제하는 치밀한 조직을 형성함으로써 초기 부식 반응에서의 희생 방식 능력을 향상시킬 수 있다. 일 실시예로, 내식성 강화층(230)은 철(Fe): 15wt% 이상 50wt% 이하 및 알루미늄(Al): 10wt% 이상 35wt% 이하를 포함하고, 아연(Zn), 마그네슘(Mg) 및 스트론튬(Sr)을 포함할 수 있다.
내식성 강화층(230)의 표면에는 스트론튬(Sr)이 산화되어 생성된 표면 산화층이 구비될 수 있다. 일 실시예로, 표면 산화층의 평균 두께는 0㎛ 초과 10㎛ 미만, 보다 구체적으로는 100nm 내지 10㎛일 수 있다. 이러한 표면 산화층은 치밀한 조직으로 형성되어 외부로부터 유입되는 산소를 차단함으로써, 도금층(200) 표층부로의 산소 침투를 억제하고 표면 산화층 자체의 두께가 두꺼워지는 현상을 방지할 수 있다. 일 실시예로, 표면 산화층은 아연(Zn): 30wt% 이상 70wt% 이하, 산소(O): 5wt% 이상 20wt% 이하, 철(Fe): 3wt% 이상 20wt% 이하, 마그네슘(Mg): 0.5wt% 이상 10wt% 이하, 알루미늄(Al): 0.5wt% 이상 20wt% 이하, 실리콘(Si): 0이상 5wt% 이하 및 스트론튬(Sr): 0이상 1wt% 이하를 포함할 수 있다.
<프리코팅층 외관 평가>
핫 스탬핑 전 프리코팅층 표면의 Zn ash 또는 Mg산화물에 의한 산화물 흡착과 미도금을 기준으로 핫 스탬핑 전 프리코팅층의 외관을 평가하였다. 산화물 흡착과 미도금이 없는 경우 우수(○), 산화물 흡착이 간헐적으로 관찰될 경우 열위(△), 산화물 흡착과 미도금이 다량 발생했을 경우 매우 열위(x)로 평가하였다.
<도금층 표면의 ZnO 상분율 평가>
핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200) 표면에 구형의 ZnO 입자가 존재하는 면적을 측정하는 방식으로 ZnO 상분율을 평가하였다. 구체적으로, 주사전자현미경(SEM)의 후방산란전자 이미지(BSE)로 촬영한 후 이미지분석기(Image Analyzer)를 사용하여 직경 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 구형의 ZnO 입자가 존재하는 면적을 구하였다.
<인산염 처리성 평가>
핫 스탬핑 부품(10)을 인산염 처리한 후, 핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200) 표면에 인산염이 균일하게 형성된 면적을 측정하는 방식으로 인산염 처리성을 평가하였다. 구체적으로, 통상적인 인산염 처리제를 이용하여 핫 스탬핑 부품(10)을 인산염 처리하였다. 이후, 주사전자현미경(SEM)의 후방산란전자 이미지(BSE)로 촬영한 후 이미지분석기(Image Analyzer)를 사용하여 인산염 처리된 핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200) 표면에서 인산염이 균일하게 형성된 면적을 구하였다. 인산염이 균일하게 형성된 면적이 도금층의 전체 표면의 80% 이상인 경우 매우우수(◎), 인산염이 균일하게 형성된 면적이 도금층의 전체 표면의 60% 이상 80% 미만인 경우 우수(○), 인산염이 균일하게 형성된 면적이 도금층의 전체 표면의 60% 미만인 경우 열위(△), 인산염 처리가 불가능한 경우 불가(X)로 평가하였다.
<내식성 평가>
핫 스탬핑 부품(1)을 인산염 처리한 후, 전착 도장을 하고 5%의 염수분무실험(salt spray test, SST)으로 도장 내식성을 평가하였다. 구체적으로, 도장막에 스크래치를 형성한 다음, 5% NaCl의 염수를 분사하고, 표면에 발생한 적청 발생 영역을 측정하였다. 통상의 용융알루미늄도금강판(예, Al-10wt%Si 도금강판)과 비교하여 도장 내식성을 평가하였다. 통상의 용융알루미늄도금강판(예, Al-10wt%Si 도금강판)인 비교예 1은 적청 발생 영역이 매우 많으므로 매우 열위(X)로 평가하였으며, 적청 발생 영역이 매우 적은 경우에는 매우 우수(◎), 적청 발생 영역이 적은 경우에는 우수(○), 적청 발생 영역이 많은 경우에는 열위(△)로 평가하였다.
| 구분 | 프리코팅층 외관 | 도금층 표면의 ZnO 상분율(%) |
인산염 처리성 |
도장 내식성 |
|
| 비교예 1 | ○ | - | X | X | |
| 비교예 2 | X | 13 | △ | △ | |
| 비교예 3 | △ | 33 | △ | △ | |
| 비교예 4 | △ | 20 | △ | △ | |
| 비교예 5 | ○ | 7 | ○ | △ | |
| 비교예 6 | ○ | 42 | △ | △ | |
| 비교예 7 | △ | 2 | △ | △ | |
| 비교예 8 | ○ | 10 | △ | △ | |
| 실시예 1 | ○ | 5 | ◎ | ○ | |
| 실시예 2 | ○ | 7 | ◎ | ◎ | |
| 실시예 3 | ○ | 7 | ◎ | ◎ | |
| 실시예 4 | ○ | 13 | ○ | ○ | |
| 실시예 5 | ○ | 9 | ○ | ◎ | |
[표 3]은 비교예 1 내지 비교예 8 및 실시예 1 내지 실시예 5의 핫 스탬핑 전 프리코팅층 외관, 핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200) ZnO 상분율, 인산염 처리성 및 도장 내식성을 나타낸다. 상기 [표 3]에서 알 수 있는 바와 같이, Al-10wt%Si 도금강판인 비교예 1의 경우 희생 방식 능력을 가지고 있는 금속을 도금층에 포함하고 있지 않기 때문에 내식성 평가에서 가장 열위한 결과를 나타내고 있다. 반면, 아연(Zn) 및 마그네슘(Mg)을 포함하는 도금강판인 비교예 2 내지 비교예 8의 경우 비교예 1 보다는 우수한 내식성을 나타내었으나, 스트론튬(Sr)을 포함하는 도금욕에 의해 형성된 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 5 보다는 열위한 결과를 나타냄을 확인할 수 있다.
이러한 평가 결과는 도금층(200)이 포함하는 성분들의 함량들 또는 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율과 관련이 있다.
비교예 2의 도금층이 포함하는 아연(Zn)의 함량은 10.0wt% 미만이며, 비교예 3의 도금층이 포함하는 아연(Zn)의 함량은 13.0wt% 초과일 수 있다. 구체적으로, 비교예 2의 도금층이 포함하는 아연(Zn)의 함량은 7.3wt%이며, 비교예 3의 도금층이 포함하는 아연(Zn)의 함량은 17.8wt%일 수 있다. 이에 따라, 비교예 2는 도금층이 포함하는 아연(Zn)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 충분히 발현하지 못할 수 있다. 비교예 3은 도금층(200) 표면의 ZnO 상분율이 증가하게 되어서 도금층(200)의 인산염 처리성 감소될 수 있다. 이에 따라 도장 내식성이 낮을 수 있다.
비교예 4의 도금층이 포함하는 마그네슘(Mg)의 함량은 0.8wt% 초과이며, 비교예 5의 도금층이 포함하는 마그네슘(Mg)의 함량은 0.2wt% 미만일 수 있다. 구체적으로, 비교예 4의 도금층이 포함하는 마그네슘(Mg)의 함량은 2.1wt%이며, 비교예 5의 도금층이 포함하는 마그네슘(Mg)의 함량은 0.1wt%일 수 있다. 이에 따라, 과도한 마그네슘(Mg) 산화에 의해서 비교예 4는 도금 시 표면 품질이 저하되며 이에 따라 내식성이 낮을 수 있다. 또한, 비교예 5의 도금층은 포함하는 마그네슘(Mg)의 함량이 부족하여 희생 방식성을 통한 내식성을 충분히 발현하지 못할 수 있다.
비교예 8의 도금층이 포함하는 실리콘(Si)의 함량은 1.7wt% 초과일 수 있다. 구체적으로, 비교예 8의 도금층이 포함하는 실리콘(Si)의 함량은 3.2wt%일 수 있다. 이에 따라, 실리콘(Si) 단상이 다량 생성되어서 도금층(200) 표면에 편석이 과도하게 존재하므로 비교예 8은 내식성이 낮을 수 있다.
비교예 6 및 비교예 7 각각의 도금층은 알루미늄(Al) 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si) 1.4wt% 내지 1.7wt%, 아연(Zn) 10.0wt% 내지 13.0wt%, 마그네슘(Mg) 0.2wt% 내지 0.8wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함할 수 있다. 그러나, 비교예 6의 도금층 표면의 ZnO 상분율은 30.0% 초과이며, 비교예 7의 도금층 표면의 ZnO 상분율은 3.0% 미만일 수 있다. 구체적으로, 비교예 6의 도금층 표면의 ZnO 상분율은 42.0%이며, 비교예 7의 도금층 표면의 ZnO 상분율은 2.0%일 수 있다.
도 5는 비교예에 따른 핫 스탬핑 부품의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 구체적으로, 도 5는 비교예 6의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 도 4를 참조하면, 비교예 6의 도금층 표면에는 구형의 ZnO 입자가 다량 존재한다. 이에 따라, 도금층 표면이 불균일하므로, 인산염 처리성이 저하될 수 있다. 즉, 과도한 아연(Zn) 산화에 의해 구형의 ZnO 입자가 도금층의 표면에 다량으로 발생하므로, 비교예 6은 인산염 처리성이 저하될 수 있다. 따라서, 비교예 6은 도장 내식성이 낮을 수 있다. 또한, 비교예 7의 도금층은 마찰계수가 증가하여 핫 스탬핑 과정에서 프리코팅층이 부분적으로 탈락할 수 있다. 바꾸어 말하면, 핫 스탬핑 부품(10)의 도금층(200)이 부분적으로 탈락할 수 있다. 이에 따라, 인산염 처리 시 불균일한 인산염 표면이 생성되므로 인산염 처리성이 저하되며, 도장 내식성이 낮을 수 있다.
반면, 실시예 1 내지 실시예 5 각각의 도금층은 알루미늄(Al) 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si) 1.4wt% 내지 1.7wt%, 아연(Zn) 10.0wt% 내지 13.0wt%, 마그네슘(Mg) 0.2wt% 내지 0.8wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함할 수 있다. 또한, 실시예 1 내지 실시예 5 각각의 도금층 표면의 ZnO 상분율은 3.0% 내지 30.0%이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 핫 스탬핑 부품(10)의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 구체적으로, 도 6은 실시예 1의 표면을 촬영한 현미경 사진이다. 도 6을 참조하면, 실시예들은 비교예들과는 달리 도금층(200) 표면에 구형의 ZnO 입자가 거의 존재하지 않는다. 따라서, 실시예들의 도금층(200) 표면은 균일하며 실시예들은 우수한 인산염 처리성을 가질 수 있다. 이에 따라 비교예 1 내지 비교예 7 대비 내식성이 우수한 결과를 나타낸다. 즉, 도금층(200) 표면이 균일하므로 인산염 처리에 의한 표면 처리시 도금층(200)의 표면에 인산염이 균일하게 형성될 수 있다. 그 결과, 도장 시 도장막이 치밀하게 형성됨으로써, 핫 스탬핑 부품(10)의 내식성이 향상될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 핫 스탬핑 부품
100: 베이스 강판
200: 도금층
100: 베이스 강판
200: 도금층
Claims (11)
- 베이스 강판; 및
상기 베이스 강판 상에 배치되며, 알루미늄(Al): 25.0wt% 내지 31.0wt%, 실리콘(Si): 1.4wt% 내지 1.7wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 0.8wt%, 아연(Zn): 10.0wt% 내지 13.0wt%, 산소(O): 1.5wt% 내지 2.5wt%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 도금층;을 구비하고,
상기 도금층 표면의 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 직경을 갖는 구형 ZnO 입자의 상분율은 3% 내지 30%인, 핫 스탬핑 부품. - 제1항에 있어서,
상기 도금층은 상기 베이스 강판으로부터 순차적으로 적층된 합금화 저지층, 중간 합금층 및 내식성 강화층을 포함하고,
상기 내식성 강화층은 아연(Zn): 30wt% 이상 70wt% 이하, 산소(O): 5wt% 이상 20wt% 이하, 철(Fe): 3wt% 이상 20wt% 이하, 마그네슘(Mg): 0.5wt% 이상 10wt% 이하, 알루미늄(Al): 0.5wt% 이상 20wt% 이하, 실리콘(Si): 0이상 5wt% 이하 및 스트론튬(Sr): 0이상 1wt% 이하를 포함하는 표면 산화층을 구비하는, 핫 스탬핑 부품. - 제2항에 있어서,
상기 표면 산화층의 평균 두께는 0㎛ 초과 10㎛ 미만인, 핫 스탬핑 부품. - 제2항에 있어서,
상기 합금화 저지층은 철(Fe): 70wt% 내지 90wt%, 알루미늄(Al): 5wt% 내지 15wt% 및 실리콘(Si): 0.5wt% 내지 4wt%을 포함하는, 핫 스탬핑 부품. - 제2항에 있어서,
상기 중간 합금층은 철(Fe): 35wt% 내지 45wt%, 알루미늄(Al): 30wt% 내지 45wt%, 실리콘(Si): 0.5wt% 내지 5wt% 및 아연(Zn): 5wt% 내지 20wt%을 포함하는, 핫 스탬핑 부품. - 삭제
- 실리콘(Si): 1.0wt% 내지 5.0wt%, 마그네슘(Mg): 0.2wt% 내지 3.0wt%, 아연(Zn): 30.0wt% 내지 40.0wt%, 스트론튬(Sr): 0.01wt% 내지 0.5wt%, 잔부의 알루미늄(Al) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 550℃ 내지 650℃의 온도로 유지되는 도금욕에 베이스 강판을 침지하여, 상기 베이스 강판 상에 프리코팅층을 형성함으로써 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계;
상기 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계; 및
상기 핫 스탬핑용 강판을 핫 스탬핑하는 단계;를 포함하고,
상기 핫 스탬핑하는 단계에서, 상기 프리코팅층의 성분과 상기 베이스 강판의 성분이 상호확산되어 상기 프리코팅층이 도금층을 형성하고,
상기 도금층 표면의 0㎛ 초과 100㎛ 이하의 직경을 갖는 구형 ZnO 입자의 상분율은 3% 내지 30%인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계는,
상기 프리코팅층이 편면 기준 20g/m2 내지 300g/m2의 부착량을 갖도록 상기 베이스 강판 상에 상기 프리코팅층을 형성하는 단계인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법. - 제7항에 있어서
상기 핫 스탬핑용 강판을 형성하는 단계는,
상기 프리코팅층이 10㎛ 내지 60㎛의 평균 두께를 갖도록 상기 베이스 강판 상에 상기 프리코팅층을 형성하는 단계인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법. - 제7항에 있어서,
상기 핫 스탬핑용 강판을 가열하는 단계는,
상기 핫 스탬핑용 강판을 850℃ 내지 960℃로 가열하는 단계인, 핫 스탬핑 부품의 제조방법. - 삭제
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