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WO2021246592A1 - 알루미늄계 도금 블랭크, 이의 제조방법 및 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치 - Google Patents

알루미늄계 도금 블랭크, 이의 제조방법 및 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치 Download PDF

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Publication number
WO2021246592A1
WO2021246592A1 PCT/KR2020/016350 KR2020016350W WO2021246592A1 WO 2021246592 A1 WO2021246592 A1 WO 2021246592A1 KR 2020016350 W KR2020016350 W KR 2020016350W WO 2021246592 A1 WO2021246592 A1 WO 2021246592A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
aluminum
joint
steel sheet
laser beam
blank
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/016350
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
이창용
김정석
김성률
권태우
Original Assignee
현대제철 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대제철 주식회사 filed Critical 현대제철 주식회사
Priority to CN202080041200.5A priority Critical patent/CN114096327B/zh
Priority to CN202311325029.2A priority patent/CN117363988A/zh
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Definitions

  • the present invention relates to an aluminum-based plated blank, a manufacturing method thereof, and an aluminum-based plated blank manufacturing apparatus.
  • Components having various strengths are used in vehicles. For example, relatively weak strength is required for parts that need to absorb energy during a vehicle collision or overturn, and strong strength is required for parts that require shape maintenance to secure a occupant's survival space.
  • Vehicles are continuously required to reduce weight and cost, and accordingly, it is necessary for one part to have different strengths.
  • Some sections of the part require high strength to protect occupants, but some sections require relatively low strength to absorb impact energy.
  • a typical example of such a part is the B-pillar of a passenger car.
  • the lower part of the B-pillar requires relatively low tensile strength, and the upper part requires high tensile strength.
  • the reason for the difference in strength is that the part that must maintain its shape with high strength when a vehicle crashes (the upper part that needs to support the roof in the event of a rollover) and the part that needs to absorb the shock while being crushed (lower that is likely to collide with other vehicles at the same time) because it is needed
  • the upper part of the B-pillar In addition, in order to secure a stable space to prevent injuries to passengers, the upper part of the B-pillar must be maintained in shape, so high strength is required. If the upper strength of the B-pillar is not secured, the roof will fall down if the vehicle rolls over, posing a great threat to the safety of passengers. However, since the lower part of the B-pillar must absorb impact energy while being deformed, relatively low strength is required. This is because, when the lower part of the B-pillar also has high strength, the impact energy is not absorbed during a side impact, and the impact is transmitted to other structural materials.
  • the specific required strength will vary depending on the type or shape of the vehicle, but a tensile strength of about 1500 MPa is required for the upper part of the B-pillar, whereas a tensile strength of about 500 to 1,000 MPa is required for the lower part of the B-pillar.
  • a Taylor welded blank is a part manufactured by joining two or more steel sheet materials having different materials and thicknesses.
  • a material for such a TWB steel sheet an Al-Si plating layer is used on the surface.
  • a filler wire containing carbon (C) and manganese (Mn) is injected at the same time as the laser bonding of the plated steel sheet to form aluminum (Al) on the surface of the steel sheet. Even if the components are mixed into the molten metal, it is possible to secure a full martensitic structure during hot stamping molding at 850 ⁇ 1000°C.
  • the components of the plating layer are penetrated into the molten pool of the joint (joint) part, so the joint part has different properties from the base material.
  • the plating layer is aluminum-silicon (Al-Si) or zinc (Zn)-based, the plating component is mixed into the joint during laser bonding, resulting in deterioration of mechanical properties.
  • the mixed plating layer component (Al) is evenly diluted with the base material depending on the material (material with a large amount of plating) and bonding conditions (high bonding speed) This may cause problems such as segregation and the like, so that the effect of the filler wire component alone may not be sufficient.
  • an aluminum-based plating blank capable of minimizing the deterioration of hardness and physical properties of the blank joint.
  • an aluminum-based plating blank capable of preventing the occurrence of defects such as segregation of the blank joint.
  • an aluminum-based plating blank capable of minimizing deterioration of the physical properties of the blank joint after the hot stamping process.
  • the aluminum-based plated blank is an aluminum-based plated blank including a joint where two or more aluminum-based plated steel sheets are connected to each other, wherein the aluminum-based plated steel sheet contains 0.01 to 0.5% by weight of carbon (C), and 0.01 to 0.5% by weight of silicon (Si).
  • C carbon
  • Si silicon
  • the base steel sheet may further include one or more of niobium (Nb), titanium (Ti), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and boron (B).
  • Nb niobium
  • Ti titanium
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • B boron
  • the plating layer is formed on the surface of the base steel sheet, the surface layer comprising 80% by weight or more of aluminum (Al); and an aluminum-iron (Al-Fe) and aluminum-iron-silicon (Al-Fe-Si) intermetallic compound formed between the surface layer and the base steel sheet, and containing 20 to 70 wt% of iron (Fe) It may include an alloying layer.
  • the joint portion may have a microstructure including 90% or more of martensite by area.
  • the method of manufacturing the aluminum-based plated blank includes a steel sheet alignment step of arranging the edge of one of the two or more aluminum-based plated steel sheets and the edge of the other plated steel sheet to face each other; and a steel plate bonding step of forming a joint by providing a filler wire to a portion of the aluminum-based plated steel sheet facing each other, and irradiating a laser beam from a laser head to melt the facing portion and the filler wire of the aluminum-based plated steel sheet
  • It is an aluminum-based plating blank manufacturing method comprising a, wherein when the steel sheet is joined, a laser beam is irradiated to form a pattern at a predetermined angle based on the formation direction of the joint, and the laser beam has a frequency of 100 to 1500 Hz, a power of 1 ⁇ 20kW, the speed of forming the joint is 15 ⁇ 170mm / sec, the aluminum-based plated
  • the average hardness of the joint is It may be greater than or equal to the average hardness of the base steel sheet.
  • the filler wire may include an austenite stabilizing element.
  • the pattern may be formed by movement of at least one of the plated steel sheet and the laser head when the laser beam is irradiated.
  • the joint formation speed is 15 to 120 mm/sec, and the frequency of the laser beam, the laser beam radius, and the joint formation speed may satisfy the relationship of Equation 1 below:
  • Equation 1 ⁇ is 0.7, f is the frequency (Hz) of the laser beam, r is the radius of the laser beam measured from the surface of the aluminum-based plated steel sheet (mm), and v is the joint is the rate of formation of the negative (mm/sec).
  • the apparatus for manufacturing an aluminum-based plated blank comprises: a laser oscillation unit for generating a laser light source, the apparatus for manufacturing an aluminum-based plated blank including a joint where two or more aluminum-based plated steel sheets are connected to each other; Two or more aluminum-based plated steel plates are disposed, the steel plate loading unit is disposed so that the edge of one plated steel plate and the edge of the other plated steel plate face each other; a wire supply unit for supplying a filler wire for forming a joint of the plated steel sheet; and a laser head that irradiates a laser beam to the supplied filler wire and to a portion facing each other of the aluminum-based plated steel sheet using the laser light source supplied from the laser oscillation unit; and, when the steel sheets are joined, the joint is formed It is bonded by irradiating a laser beam to form a pattern of a predetermined angle based on the direction, and the laser
  • the pattern may be formed by movement of at least one of the plated steel sheet and the laser head when the laser beam is irradiated.
  • the aluminum-based plated blank of the present invention is manufactured by bonding two or more aluminum-based plated steel sheets different in at least one of strength and thickness. It is possible to prevent the occurrence of defects, and it is possible to minimize the fracture of the joint caused by the segregation of the phase change to the Al-Fe intermetallic compound by the hot stamping process.
  • FIG 1 shows an aluminum-based plating blank according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 (a) shows the aluminum-based plating blank manufacturing process according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 (b) shows the aluminum-based plating blank manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
  • FIG 3 schematically shows a region in which the plating layer component is not sufficiently diluted in the base steel sheet component in the process of bonding the aluminum-based plated steel sheet by irradiating the laser beam.
  • FIG 4 shows an apparatus for manufacturing an aluminum-based blank according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 (a) shows a cross-section of the aluminum-based blank manufactured by the conventional method
  • Figure 5 (b) is an optical micrograph showing the cross-section of the aluminum-based blank of Example 1.
  • Figure 6 (a) is a graph showing the change in hardness of each part after hot stamping molding of the aluminum-based blank of Example 7
  • Figure 6 (b) is the change in hardness by part after hot stamping molding of the aluminum-based blank of Comparative Example 5 This is the graph shown.
  • FIG. 7(a) is a cross-section of the aluminum-based blank of Example 34
  • FIG. 7(b) is an optical micrograph showing a cross-section of the aluminum-based blank of Comparative Example 28.
  • FIG. 7(a) is a cross-section of the aluminum-based blank of Example 34
  • FIG. 7(b) is an optical micrograph showing a cross-section of the aluminum-based blank of Comparative Example 28.
  • the aluminum-based plated blank 100 is an aluminum-based plated blank including a joint 30 in which two or more aluminum-based plated steel sheets 10 and 20 are connected to each other.
  • C 0.01 to 0.5% by weight, silicon (Si) 0.01 to 1.0% by weight, manganese (Mn) 0.5 to 3.0% by weight, phosphorus (P) 0 to 0.05% by weight, sulfur (S) 0 to 0.01% by weight , aluminum (Al) more than 0 0.1% by weight or less, nitrogen (N) more than 0 0.001% by weight or less, the balance iron (Fe) and other unavoidable impurities containing the base steel sheet (12, 22); and plating layers 14 and 24 formed with an adhesion amount of 20-100 g/m 2 on at least one surface of the base steel plates 12 and 22, and including aluminum (Al).
  • the joint 30 includes 0.2 to 2.0% by weight of aluminum (Al), but among the two or more of the two or more aluminum-based plated steel sheets, ferrite is not formed above the Ac3 temperature of the highest aluminum-based plated steel sheet. made up of ingredients. Preferably, it may be made of a component system in which ferrite is not formed at 850° C. or higher.
  • the joint after the hot stamping process that is, the aluminum-based plating blank is heated to 850 ⁇ 1000 °C, press-formed, and then subjected to a hot stamping process of rapid cooling at an average cooling rate of 10 ⁇ 500 °C / s
  • the subsequent joint is made of a component system that can have a microstructure containing 90% or more of martensite as an area fraction.
  • it consists of a component system that can have a microstructure containing 90% or more and 100% or less of martensite.
  • the average hardness of the joint is the above two or more base steel sheets may be greater than or equal to the largest average hardness among the respective average hardnesses, and preferably, the minimum hardness of the joint is equal to or greater than the average hardness of the base steel sheet.
  • the hardness value of the aluminum-based plating blank may be a value measured by applying a load of 300 g according to KS B 0811 (Vickers hardness test method for metal materials).
  • the KS standard is a reference to the ISO 6507 international standard.
  • the average hardness value of the joint is calculated by measuring the hardness of 5 points spaced apart from each other at regular intervals in the joint of the aluminum-based plated blank subjected to the hot stamping heat treatment.
  • the average hardness value of the base steel sheet may be calculated by measuring the hardness of 5 points spaced apart at the same interval as when measuring the joint in the base steel sheet of the aluminum-based plated blank subjected to the hot stamping heat treatment. .
  • Ac3 temperature refers to the highest temperature at which complete transformation of a metal material (eg, steel) from ferrite to austenite occurs as the temperature rises (eg, heating) of the metal material. (highest temperature) or critical temperature (critical temperature).
  • the carbon (C) is a major element that determines the strength and hardness of steel, and is added for the purpose of securing the tensile strength of the steel after the hot stamping (or hot pressing) process. It is also added for the purpose of securing hardenability properties.
  • the carbon is included in an amount of 0.01 to 0.5% by weight based on the total weight of the base steel sheet. When the carbon is included in less than 0.01% by weight, it is difficult to achieve the mechanical strength of the present invention, and when it exceeds 0.5% by weight, a problem of lowering the toughness of the steel or a problem of controlling the brittleness of the steel may be caused.
  • Silicon (Si) acts as a ferrite stabilizing element in the steel sheet. By cleaning ferrite, ductility is improved, and carbon concentration in austenite can be improved by suppressing low-temperature region carbide formation. Furthermore, it is a key element in hot rolling, cold rolling, hot stamping, homogenization of texture (perlite, manganese segregation zone control) and fine dispersion of ferrite.
  • the silicon is included in an amount of 0.01 to 1.0% by weight based on the total weight of the base steel sheet.
  • the silicon When the silicon is included in an amount of less than 0.01% by weight, the above-described function cannot be sufficiently exhibited, and when it exceeds 1.0% by weight, the hot-rolling and cold-rolling loads increase, the hot-rolled red scale becomes excessive, and the bondability may be deteriorated.
  • the manganese (Mn) is added for the purpose of increasing hardenability and strength during heat treatment.
  • the manganese is included in an amount of 0.5 to 3.0% by weight based on the total weight of the base steel sheet.
  • the manganese content is less than 0.5% by weight, it is highly likely that the material after hot stamping is insufficient (hard phase fraction is insufficient) due to insufficient hardenability, and when it contains more than 3.0% by weight, ductility and toughness due to manganese segregation or pearlite bands may be degraded, causing deterioration of bending performance, and inhomogeneous microstructure may occur.
  • the phosphorus (P) is an element that segregates easily and is an element that inhibits the toughness of steel.
  • the phosphorus (P) is included in an amount of more than 0 and 0.05 wt % or less based on the total weight of the base steel sheet. When included in the above range, it is possible to prevent deterioration of toughness. When the phosphorus is included in an amount exceeding 0.05 wt %, cracks may be caused during the process, and an iron phosphide compound may be formed, thereby reducing toughness.
  • the sulfur (S) is an element that inhibits processability and physical properties.
  • the sulfur may be included in an amount greater than 0 and 0.01 wt % or less based on the total weight of the base steel sheet.
  • the sulfur is included in an amount exceeding 0.01% by weight, the hot workability may be deteriorated, and surface defects such as cracks may occur due to the generation of giant inclusions.
  • the aluminum (Al) serves as a deoxidizer for removing oxygen in the steel.
  • the aluminum is included in an amount greater than 0 and 0.1 wt% or less based on the total weight of the base steel sheet. When aluminum is included in an amount exceeding 0.1 wt%, it may cause nozzle clogging during steel making, and hot brittleness may occur due to aluminum oxide during casting, resulting in cracks or reduced ductility.
  • the nitrogen (N) When the nitrogen (N) is added in a large amount, the amount of dissolved nitrogen increases, thereby reducing the impact properties and elongation of the steel sheet, and may greatly reduce the toughness of the joint.
  • the nitrogen is included in an amount greater than 0 and 0.001% by weight or less based on the total weight of the base steel sheet.
  • the nitrogen is included in an amount exceeding 0.001 wt %, the impact properties and elongation of the steel sheet may be deteriorated, and joint toughness may be reduced.
  • the base steel sheet may further include one or more of niobium (Nb), titanium (Ti), chromium (Cr), molybdenum (Mo), and boron (B).
  • Nb niobium
  • Ti titanium
  • Cr chromium
  • Mo molybdenum
  • B boron
  • Niobium is added for the purpose of increasing strength and toughness according to a decrease in the martensite packet size.
  • the niobium may be included in an amount of 0.005 to 0.1 wt % based on the total weight of the base steel sheet.
  • the crystal grain refining effect of the steel is excellent in the hot rolling and cold rolling process, cracks in the slab during steelmaking/playing, and brittle fracture of the product are prevented, and the generation of coarse precipitates in steelmaking can be minimized. .
  • the titanium (Ti) may be added for the purpose of strengthening hardenability by forming precipitates and raising the material after hot stamping heat treatment. In addition, it forms a precipitated phase such as Ti(C,N) at high temperature, effectively contributing to the refinement of austenite grains. In the present invention, it was attempted to secure the effect of hardening B through the formation of TiN and to set upper and lower limits of the amount added.
  • the titanium may be included in an amount of 0.005 to 0.1 wt% based on the total weight of the base steel sheet. When included in the above content range, it is possible to prevent poor performance and coarsening of precipitates, to easily secure the physical properties of the steel, and to prevent defects such as cracks on the surface of the steel.
  • the chromium (Cr) is added for the purpose of improving the hardenability and strength of the aluminum-based plated steel sheet.
  • the chromium may be included in an amount of 0.01 to 0.5% by weight based on the total weight of the base steel sheet. When included in the above range, it is possible to improve the hardenability and strength of the aluminum-based plated steel sheet, and to prevent an increase in production cost and a decrease in the toughness of the steel.
  • the molybdenum (Mo) may contribute to strength improvement by suppressing coarsening of precipitates during hot rolling and hot stamping and increasing hardenability.
  • Molybdenum (Mo) may be included in an amount of 0.001 to 0.008 wt% based on the total weight of the base steel sheet. When included in the above range, the effect of suppressing coarsening of precipitates during hot rolling and hot stamping and increasing hardenability may be excellent.
  • the boron (B) is added for the purpose of securing the hardenability and strength of the steel material by securing the martensite structure, and has a grain refinement effect by increasing the austenite grain growth temperature.
  • the boron may be included in an amount of 0.001 to 0.008% by weight based on the total weight of the base steel sheet. When included in the above range, it is possible to prevent the occurrence of brittleness at the hard phase grain boundary, and secure high toughness and bendability.
  • the aluminum-based plated steel sheet contains 0.01 to 0.5% by weight of carbon (C), 0.01 to 1.0% by weight of silicon (Si), 0.5 to 3.0% by weight of manganese (Mn), more than 0 to phosphorus (P) and 0.05% by weight or less , Sulfur (S) greater than 0 and less than 0.01 wt%, aluminum (Al) greater than 0 and less than or equal to 0.1 wt%, nitrogen (N) greater than 0 and less than or equal to 0.001 wt%, the remainder of a steel slab containing iron (Fe) and other unavoidable impurities reheat; finishing rolling the reheated slab; winding the hot-rolled steel sheet; cold rolling the wound steel sheet; annealing the cold-rolled sheet; And forming a plating layer on the surface of the annealed plate material; can be manufactured including.
  • the plating layer is formed on at least one surface of the base steel sheet with an adhesion amount of 20-100 g/m 2 on a single side basis, and includes aluminum (Al).
  • the plating layer is immersed in a plating bath containing at least one of molten aluminum and aluminum alloy at 600 to 800 ° C., and then cooling the base steel sheet at an average cooling rate of 1 to 50 ° C./s. may be formed including.
  • one or more of air and gas is sprayed on the surface of the base steel sheet to wipe the hot-dip plated layer, and the plating adhesion amount can be adjusted by adjusting the spray pressure.
  • the plating adhesion amount may be formed in a range of 20 to 150 g/m 2 on at least one surface of the base steel sheet. Preferably, at least one surface of the base steel sheet is formed in an amount of 20 to 100 g/m 2 .
  • the plating adhesion amount is less than 20 g/m 2 , corrosion resistance is lowered, and when it exceeds 100 g/m 2 , the amount of aluminum (Al) mixed into the joint when bonding the aluminum-based plated steel sheet increases, so that the strength of the joint after hot stamping is increased. may be lowered.
  • the plating layer may include: a surface layer formed on the surface of the base steel sheet and containing 80% by weight or more of aluminum (Al); and an aluminum-iron (Al-Fe) and aluminum-iron-silicon (Al-Fe-Si) intermetallic compound formed between the surface layer and the base steel sheet, and containing 20 to 70 wt% of iron (Fe) It may include an alloying layer.
  • the surface layer may contain 80 to 100% by weight of aluminum, and may have an average thickness of 10 to 40 ⁇ m.
  • the average thickness is less than 10 ⁇ m, the corrosion resistance of the aluminum-based plating blank is reduced, and when it exceeds 40 ⁇ m, the amount of aluminum (Al) mixed into the joint during bonding increases, and the mechanical properties of the joint after hot stamping are reduced.
  • the average thickness may be 10 ⁇ 30 ⁇ m.
  • the alloying layer may contain 20 to 70% by weight of iron (Fe). Under the above conditions, the alloying layer has a high melting point, so that the surface layer melts in a hot stamping furnace and penetrates into the structure of the base steel sheet, thereby preventing ⁇ Liquid Metal Embrittlement ⁇ from occurring.
  • the alloying layer may contain 20 to 60% by weight of iron (Fe).
  • the joint portion may be formed by aligning the aluminum-based plated steel sheets to face each other and then irradiating a laser to melt them, and among Ac3 of the two or more aluminum-based plated steel sheets, ferrite at the highest temperature of Ac3 of the aluminum-based plated steel sheet. It is made of a component system in which is not formed, and may contain more austenite stabilizing elements than the base steel sheet.
  • the austenite stabilizing element may include at least one of carbon (C) and manganese (Mn).
  • the joint includes 0.2 to 2.0 wt% of aluminum (Al).
  • the content of the aluminum may be the sum of aluminum (Al) of the molten base steel sheet and aluminum (Al) incorporated from the plating layer.
  • the aluminum (Al) content of the joint is less than 0.2 wt%, the process cost increases because the plating layer must be removed when bonding the aluminum-based plated steel sheet. The fraction is lowered and the mechanical properties are lowered.
  • the joint may contain 0.2 to 1.0 wt% of aluminum.
  • the joint contains more than 1.0 wt % of aluminum, there is a risk that a large amount of oxide film is formed on the surface of the joint.
  • the hot stamping member is press-formed after heating an aluminum-based plated blank including a joint, in which the two or more aluminum-based plated steel sheets and the plated steel sheets are connected to each other, to a temperature of Ac3 or higher, and then press-formed to a temperature of 300°C or lower. It can be prepared by cooling at an average cooling rate of ⁇ 500 °C / s.
  • a portion corresponding to the aluminum-based plated steel sheet and the joint portion of the hot stamping member has a higher tensile strength than the aluminum-based plated steel sheet and the joint portion of the blank.
  • the joint of the blank has a microstructure including 90% or more of martensite by area fraction.
  • the joint of the blank has a microstructure including 90% or more and 100% or less of martensite by area fraction.
  • the average hardness of the aluminum-based plated steel sheet of the present invention may be different from each other.
  • the average hardness value of the joint may be greater than the average hardness value of the largest aluminum-based plated steel sheet among the two aluminum-based plated steel sheets forming the joint, and preferably, the average hardness value of the joint is greater than the largest average hardness value.
  • the minimum hardness value of the joint may be larger.
  • two or more aluminum-based plated steel sheets different from each other in strength and thickness can be joined. When the strength is different, the average hardness value may be different from each other.
  • the average hardness of the joint is that of the two base steel sheets. greater than each average hardness value.
  • Another aspect of the present invention is to provide a method for manufacturing the aluminum-based plated blank.
  • the method for manufacturing the aluminum-based plating blank includes (S10) a steel plate alignment step and (S20) a steel plate bonding step.
  • the method of manufacturing the aluminum-based plated blank includes: (S10) a steel sheet alignment step of arranging the edge of one of the two or more aluminum-based plated steel sheets and the edge of the other plated steel sheet to face each other; and (S20) a filler wire is provided at a portion of the aluminum-based plated steel sheet facing each other, and a laser beam is irradiated from a laser head to melt the facing portion and the filler wire of the aluminum-based plated steel sheet to form a joint Including; a steel plate bonding step.
  • the step is a step of arranging the edge of one of the two or more aluminum-based plated steel sheet and the edge of the other plated steel sheet to face each other.
  • the two or more aluminum-based plated steel sheets may be different from each other at least one of strength and thickness.
  • the average hardness value may be different from each other.
  • the aluminum-based plated steel sheet contains 0.01 to 0.5 wt% of carbon (C), 0.01 to 1.0 wt% of silicon (Si), 0.5 to 3.0 wt% of manganese (Mn), 0.05 wt% or less of phosphorus (P) 0 and less, sulfur (S) ) more than 0 and 0.01% by weight or less, aluminum (Al) more than 0 and 0.1% by weight or less, nitrogen (N) more than 0 and 0.001% by weight or less, the remainder iron (Fe) and other unavoidable impurities; and a plating layer formed with an adhesion amount of 20-100 g/m 2 on at least one surface of the base steel sheet, and including aluminum (Al). Since the aluminum-based plated steel sheet may be the same as that described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • a filler wire is provided in a portion facing each other of the aluminum-based plated steel sheet, and a laser beam is irradiated from a laser head to melt the facing portion and the filler wire of the aluminum-based plated steel sheet to form a joint. to be.
  • the laser beam melts the filler wire, the plating layer of the aluminum-based plated steel sheet, and the base steel sheet to form a joint.
  • the filler wire may include an austenite stabilizing element.
  • the austenite stabilizing element may include at least one of carbon (C) and manganese (Mn).
  • the filler wire is melted into the joint, and the component system of the joint may be adjusted.
  • the pattern may be formed by movement of at least one of the plated steel sheet and the laser head when the laser beam is irradiated.
  • the laser beam may perform a pattern movement at a predetermined angle to the direction in which the joint is formed, and melt the filler wire, the plating layer of the aluminum-based plated steel sheet, and the base steel sheet to form the joint.
  • the joint portion, the laser beam is irradiated in a pattern movement, and at the same time, one or more of the plated steel sheet and the laser head may be formed by relative movement.
  • the "relative motion” means that at least one of the plated steel sheet and the laser head moves.
  • the plated steel sheet can form a joint by moving the laser head in a stationary state.
  • Figure 2 (a) shows the aluminum-based plating blank manufacturing process according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 (b) shows the aluminum-based plating blank manufacturing process according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 2( a ) schematically illustrates a process in which the aluminum-based plated steel sheets 10 and 20 are patterned to form the joint 30 as an example of the relative motion.
  • the laser head 300 is fixed, and the filler wire 200 is supplied toward the portion where the aluminum-based plated steel sheets 10 and 20 face each other, and the laser beam 310 is ) can be investigated.
  • the aluminum-based plated steel sheets 10 and 20 move in parallel (horizontally) in the opposite direction to the direction in which the joint 30 is formed (X), and at the same time, the laser beam 310 is patterned at a predetermined angle. and irradiated to form the joint 30 .
  • 2B is another example of the relative motion, and schematically shows a process in which the laser beam is patterned to form a joint.
  • the aluminum-based plated steel plates 10 and 20 are fixed, and the filler wire 200 is supplied toward the portion where the aluminum-based plated steel plates 10 and 20 face each other,
  • the laser head 300 may move to be irradiated with the laser beam 310 .
  • the laser head 300 moves in parallel (horizontally) in the same direction as the direction (X) in which the joint 30 is formed, and at the same time, the laser beam 310 is irradiated while performing a pattern movement at a predetermined angle to form the joint. (30) can be formed.
  • the laser beam may move in a direction different from that of the laser head.
  • the laser head may move at a constant angle to the movement direction of the laser head.
  • the pattern movement may be perpendicular to the movement direction of the laser head.
  • the laser beam when the laser head moves, the laser beam may perform a pattern movement of 45° or more and less than 90° with respect to the movement direction of the laser head.
  • the laser beam when the aluminum-based plated steel sheet is moved, the laser beam may perform a pattern movement of 45° or more and less than 90° with respect to the direction in which the joint is formed.
  • the laser beam when the laser beam is irradiated toward the surface of the aluminum-based plated steel sheet, by at least one of the plated steel sheet and the laser head, which makes a relative motion parallel (horizontally) to the formation direction (X) of the joint, the laser The beam may have a motion pattern having a predetermined angle with the direction (X) in which the joint is formed on the surface of the aluminum-based plated steel sheet.
  • the laser beam movement length in which the laser beam moves on the surface of the plated steel sheet becomes longer, so that the area that can transmit energy to the plated steel sheet becomes wider.
  • the laser beam movement path and the area to which energy is transmitted according to the radius of the laser beam may overlap each other, so that the component of the plating layer and the component of the filler wire are sufficiently diluted with the component of the base steel sheet to form a joint. can do.
  • the laser beam may have a frequency of 100 to 1500 Hz and a power of 1 to 20 kW.
  • the power of the laser beam may mean an output value of a laser oscillator, and the frequency of the laser beam may mean a frequency of the pattern movement of the laser beam.
  • the joint formation speed when the aluminum-based plating blank is manufactured, the joint formation speed must be 1 m/min or more, the laser frequency is 1500 Hz or less, and the laser beam power is 20 kW or less to ensure minimum productivity and business feasibility.
  • the joint formation speed refers to a displacement per unit time in which the laser head relatively moves parallel (horizontally) to the joint formation direction.
  • the speed of forming the joint may be 1 to 10 m/min.
  • the speed of forming the joint exceeds 10 m/min, the interval of the laser beam movement path is Since it becomes large, when the plating layer and the base steel sheet of the aluminum-based plated steel sheet are melted by the laser beam, there may be a portion in which the components of the plating layer are not sufficiently diluted with the components of the base steel sheet.
  • the speed of forming the joint is 15 to 170 mm/sec. Preferably, it may be 1-7 m/min.
  • the joint formation speed may be 15 to 120 mm/sec.
  • the laser beam may be irradiated with a radius of 0.1 to 1.0 mm.
  • the distance between the filler wire and the plated steel sheet and the laser head irradiating the laser beam must be close, so that the filler wire is the joint As the part is formed, it is mixed into the aluminum-based plated steel sheet and the length becomes shorter and shorter, and when replacement is required, the space to which the filler wire is supplied or the space to replace it when the filler wire is completely consumed may be insufficient.
  • FIG. 3 schematically shows a region in which the plating layer component is not sufficiently diluted in the base steel sheet component in the process of bonding the aluminum-based plated steel sheet by irradiating a laser beam having a laser beam radius of less than 0.1 mm.
  • the laser beam radius is less than 0.1 mm, even when the laser beam is irradiated with a frequency of 100 to 1500 Hz and a power of 1 to 20 kW, since the laser beam radius is small, the aluminum
  • the frequency of the laser beam is less than 100 Hz, the distance between the movement paths of the laser beam increases, so that a laser beam power of 1 to 20 kW, a laser beam radius of 0.1 to 1.0 mm, and a joint of 1 to 7 m/min are formed. Even if the speed condition is satisfied, when the plating layer and the base steel sheet of the aluminum-based plated steel sheet are melted by the laser beam, there may be a portion in which the components of the plating layer are not sufficiently diluted with the components of the base steel sheet.
  • the power of the laser beam is less than 1 kW
  • the energy reaching the surface of the plated steel sheet is Insufficient, that is, the energy density on the surface of the plated steel sheet is insufficient
  • the component of the plating layer is not sufficiently diluted with the component of the base steel sheet. may exist.
  • the first laser beam and the second laser beam spaced apart from each other may be irradiated.
  • the first laser beam melts the filler wire, the plating layer, and the base steel sheet, and the second laser beam maintains the molten state, so that the molten area is uniformly stirred to prevent segregation of the joint, Quality and mechanical properties may be excellent.
  • the sum of powers of the first laser beam and the second laser beam may be 1 to 20 kW.
  • the aluminum-based plated steel sheet is bonded within the above-described laser beam power, radius, frequency, and the joint formation speed range, and then heated to a high temperature and subjected to a heat treatment of rapid cooling, the average hardness of the joint is the aluminum-based plating It may be greater than or equal to the average hardness of the steel sheet, and preferably, the minimum hardness of the joint may be greater than or equal to the average hardness of the aluminum-plated steel sheet.
  • the average hardness of the joint is less than the average hardness of the aluminum-based plated steel sheet, when a tensile force is applied to the heat-treated blank, there is a possibility that the joint may break.
  • the average hardness of the joint is It is more than the average hardness of the base steel plate.
  • the speed of forming the joint is 15 to 120 mm/sec, and in this case, the frequency of the laser beam, the radius of the laser beam, and the speed of forming the joint may satisfy the relationship of Equation 1:
  • Equation 1 ⁇ is 0.7, f is the frequency (Hz) of the laser beam, r is the radius of the laser beam measured from the surface of the aluminum-based plated steel sheet (mm), and v is the joint is the rate of formation of negatives (mm/sec).
  • the frequency, power, radius, and joint formation speed of the laser beam of Equation 1 are controlled, in order to secure sufficient tensile strength of the joint, the aluminum (Al) segregation area fraction must be lowered.
  • the frequency, power, radius and speed of the joint formation of the laser beam but also the energy loss that occurs when the laser beam is irradiated from the laser head and transmitted to the steel sheet, the heat reflectance of the plating layer, the thermal conductivity of the steel sheet, and the base steel sheet Numerous variables such as thickness and thickness of the plating layer must be considered.
  • the energy density on the surface of the aluminum-based plated steel sheet must be considered, and the laser beam on the surface of the plated steel sheet is determined according to the frequency of the laser beam and the speed of forming the joint. There is a difficulty in ensuring that the energy is evenly transmitted to the joint in consideration of the movement path.
  • the present inventors through excessively repeated experiments, use the correction factor ( ⁇ ) in consideration of the various situations described above to ensure sufficient tensile strength of the joint only with the frequency and radius of the laser beam and the joint formation speed.
  • the aluminum (Al) segregation fraction can be lowered to 5% or less.
  • the speed of forming the joint is preferably 1 to 7 m/min, and more preferably 15 to 120 mm/sec.
  • the speed of forming the joint is fast, there is a problem in that the time for evenly transmitting energy to the joint is insufficient.
  • Al segregation of the joint may be excessively generated.
  • the pattern angle of the laser beam when the pattern angle of the laser beam is 45° or more and less than 90°, it is possible to prevent aluminum (Al) segregation from occurring at the interface between the joint and the base steel sheet.
  • the pattern angle means an angle between the joint formation direction (X) and the movement path (Y) of the laser beam on the surface of the plated steel sheet when the joint part is formed.
  • Another aspect of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing the aluminum-based plating blank.
  • 4 shows an apparatus for manufacturing an aluminum-based blank according to an embodiment of the present invention.
  • the apparatus 1000 for manufacturing an aluminum-based plated blank includes a laser oscillation unit 500 for generating a laser light source in the apparatus for manufacturing an aluminum-based plated blank including a joint where two or more aluminum-based plated steel sheets are connected to each other.
  • Two or more aluminum-based plated steel plates are disposed, the steel plate loading unit 400 is disposed to face the edge of one plated steel plate and the edge of the other plated steel plate; a wire supply unit 210 for supplying a filler wire 200 for forming a joint of the plated steel sheet; and a laser head 300 irradiating a laser beam to the supplied filler wire and to the portion facing each other of the aluminum-based plated steel sheet using the laser light source supplied from the laser oscillation unit 500 .
  • the laser head 300 is fastened to the robot arm 320 and can move in a direction opposite to the direction in which the joint is formed.
  • the aluminum-based plated steel sheet may be moved in the same direction as the direction in which the joint is formed by using the steel sheet loading unit 400 .
  • the bonding is performed by irradiating a laser beam to form a pattern at a predetermined angle based on the direction in which the joint is formed, and the laser beam has a frequency of 100 to 1500 Hz and a power of 1 to 20 kW.
  • the speed of forming the joint may be 1 to 10 m/min, preferably 15 to 170 mm/sec.
  • the aluminum-based plated steel sheet may be the same as that described above.
  • the pattern may be formed by pattern movement of one or more of the plated steel plate and the laser beam of the steel plate loading part.
  • the plating layer of the aluminum-based plated steel sheet may include a surface layer formed on the surface of the base steel sheet and containing 80% by weight or more of aluminum (Al); and an aluminum-iron (Al-Fe) and aluminum-iron-silicon (Al-Fe-Si) intermetallic compound formed between the surface layer and the base steel sheet, and containing 20 to 70 wt% of iron (Fe) alloying layer; was included.
  • Al aluminum-iron
  • Al-Si aluminum-iron-silicon
  • edge of one of the two or more aluminum-based plated steel plates and the edge of the other plated steel plate were disposed to face each other in the steel plate loading part of the apparatus for manufacturing an aluminum-based plated blank as shown in FIG. 4 .
  • a filler wire is provided from a wire supply unit to a portion of the aluminum-based plated steel sheet facing each other, and a laser beam is irradiated to melt the facing portion of the aluminum-based plated steel sheet and the filler wire to form a joint to form a joint.
  • a system plating blank was prepared.
  • the bonding was performed by irradiating a laser beam to form a pattern at a predetermined angle based on the direction in which the joint was formed. Specifically, while the laser head moved in parallel (horizontally) in the same direction as the joint formation direction, the laser beam was irradiated while performing a pattern movement at 60° with respect to the joint formation direction. In addition, the laser beam was irradiated with a frequency of 100 Hz, a beam power of 1 kW, and a beam radius of 0.1 mm, and the joint was formed at a forming rate of 1 m/min.
  • An aluminum-based plated blank was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the aluminum-based plated steel sheets were joined by applying the laser beam power, beam radius, frequency, and joint formation speed conditions of Table 1 below.
  • the hardness value of the aluminum-based plating blank was measured by applying a load of 300 g according to KS B 0811 (Vickers hardness test method for metal materials).
  • KS B 0811 Vanickers hardness test method for metal materials.
  • the KS standard is a reference to the ISO 6507 international standard.
  • the average hardness value of the joint portion was calculated by measuring the hardness of five points spaced apart at regular intervals in the joint portion of the aluminum-based plating blank, and the average hardness value of the base steel sheet is, the base of the aluminum-based plating blank In the steel plate, the hardness of 5 points spaced apart at the same interval as when measuring the joint was measured and the average value was calculated.
  • energy density in the present invention is “a value obtained by dividing the beam power P (kW) of the laser oscillator by the laser beam area ( ⁇ r 2 ) on the surface of the steel plate (provided that r is the radius of the laser beam)” assume that
  • the minimum hardness of the joint was found to be greater than or equal to the average hardness of the base steel sheet.
  • Equation 1 ⁇ is 0.7, f is the frequency (Hz) of the laser beam, r is the radius of the laser beam measured from the surface of the aluminum-based plated steel sheet (mm), and v is the joint is the rate of formation of negatives (mm/sec).
  • the measurement of the area fraction of aluminum (Al) segregation of the joint was expressed as an average value of the area fraction of Al segregation in three specimens, and the tensile test result was that after a tensile force was applied to the specimen, all three specimens were fractured at the joint. A case in which this does not occur is marked as Pass, and a case in which fracture occurs more than once at the joint is marked as Fail.
  • the aluminum-based plated steel sheets were joined by applying the laser beam power, joint formation speed, beam radius, and frequency according to Tables 6 and 7 below, and the laser head moved parallel (horizontally) in the same direction as the joint formation direction.
  • An aluminum-based plating blank was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the laser beam was irradiated at a pattern angle of the conditions of Tables 6 and 7 with respect to the direction in which the joint was formed.
  • the pattern angle means an angle between the joint formation direction (X) and the movement path (Y) of the laser beam on the surface of the plated steel sheet when the joint part is formed.
  • the measurement of the area fraction of aluminum (Al) segregation in the joint was expressed as an average value of the area fraction of Al segregation in three specimens. The case where this did not occur was judged as x, and the case where fracture occurred more than once at the joint was judged as ⁇ .
  • FIG. 5(a) is a cross-section of an aluminum-based blank manufactured by a conventional method that is bonded with a laser beam, but does not apply a predetermined pattern angle to the laser beam
  • FIG. 5(b) is an aluminum-based blank of Example 1 It is an optical micrograph showing the cross section of the blank. 5 when the conventional method that does not apply a predetermined pattern angle to the laser beam is applied, the component of the plating layer is not sufficiently diluted with the component of the base steel sheet, so the area fraction of aluminum segregation at the joint increases, but the In the case of Example 1, it was found that the components of the plating layer were sufficiently diluted with the components of the base steel sheet, so that the occurrence of aluminum segregation in the joints could be minimized.
  • FIG. 6 (a) is a graph showing the change in hardness of each part after hot stamping molding of the aluminum-based blank of Example 7, and FIG. 6 (b) is a graph showing the change in hardness of the aluminum-based blank of Comparative Example 5 by part.
  • the minimum hardness of the joint after hot stamping molding was greater than or equal to the average hardness of the base steel sheet. It was found that the minimum hardness was less than the average hardness of the base steel sheet.
  • FIG. 7(a) is a cross-section of the aluminum-based blank of Example 34
  • FIG. 7(b) is an optical micrograph showing a cross-section of the aluminum-based blank of Comparative Example 28.

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Abstract

알루미늄계 도금 블랭크, 이의 제조방법 및 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치와 관련한 발명이 개시된다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크는 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크로서, 상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함한다.

Description

알루미늄계 도금 블랭크, 이의 제조방법 및 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치
본 발명은 알루미늄계 도금 블랭크, 이의 제조방법 및 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치에 관한 것이다.
차량에는 다양한 강도를 갖는 부품들이 사용된다. 예를 들어 차량 충돌 또는 전복시 에너지를 흡수해야 하는 부분들은 비교적 약한 강도가 요구되며, 탑승자의 생존공간 확보를 위해 형상유지가 필요한 부분은 강한 강도가 요구된다.
충돌시 에너지를 흡수해야 하는 부분이 강도가 지나치게 높으면 충격에너지를 적절하게 흡수하지 못하고 다른 부분으로 그대로 전달하게 되어, 오히려 탑승객과 차량의 다른 부품들에 과도한 충격을 전달하는 문제점을 가져오기 때문이다.
차량은 지속적으로 경량화와 원가절감이 요구 되고 있으며, 이에 따라 하나의 부품이 부분적으로 서로 다른 이종강도를 갖는 것이 필요하게 되었다.
부품의 일부 구간은 탑승자 보호를 위해 고강도가 요구되지만, 일부 구간은 충격 에너지 흡수를 위해 상대적으로 낮은 강도가 요구되는 것이다.
이러한 부품에는 대표적으로 승용차의 B 필러를 예로 들 수 있다. 상기 B 필러는 하부는 상대적으로 낮은 인장강도가 요구되고, 상부는 높은 인장강도가 요구된다. 강도의 차이가 필요한 이유는 차량 충돌시 고강도로 형상이 유지되어야 하는 부분(전복시 루프를 지탱해야 하는 상부)과 찌그러지면서 충격을 흡수해야 하는 부분(타 차량과 측면 충돌 가능성이 높이 하부)이 동시에 필요하기 때문이다.
또한 탑승객의 부상을 방지할 수 있는 안정된 공간을 확보하기 위하여 B 필러의 상부는 형상이 유지되어야 하므로 고강도가 요구된다. B 필러의 상부 강도가 확보되지 않으면 차량 전복될 경우 루프가 내려 앉아 탑승객의 안전에 큰 위협이 된다. 그러나 B 필러의 하부는 변형이 되면서 충격에너지를 흡수해야 하므로 상대적으로 낮은 강도가 요구된다. B 필러의 하부도 고강도를 가지게 되면 측면 충돌시 충돌에너지의 흡수가 이루어지지 않아 다른 구조재에 충격이 전달되기 때문이다.
구체적인 요구 강도는 차량의 종류나 형태에 따라 다르겠지만, B 필러의 상부의 경우 약 1500MPa의 인장강도가 요구되는 반면에, B 필러의 하부의 경우에는 약 500~1,000MPa의 인장강도가 요구된다.
종래에는 저강도의 소재로 부품을 형성한 후, 고강도가 요구되는 부분에 별도의 보강재를 부착하는 방식을 사용하기도 하였으나, 하나의 부품이 구간적으로 다른 강도가 요구되는 경우 상부는 경화능이 높은 소재(또는 두께가 두꺼운 소재)를 사용하고, 하부는 강도가 낮고 경화능이 낮은 소재(또는 두께가 얇은 소재)를 사용하여 두 소재를 레이저로 접합하여 블랭크를 만들고 핫스탬핑 공정을 거쳐 최종 제품을 제작하고 있었다.
한편 테일러 웰디드 블랭크(TWB)는 재질 및 두께가 상이한 2 이상의 강판 소재를 접합하여 제조되는 부품이다. 이러한 TWB용 강판 소재로는 표면에 Al-Si 도금층이 사용된다. 한편, 이러한 도금강판 소재를 이용한 테일러 웰디드 블랭크 제조시에는 상기 도금강판의 레이저 접합과 동시에, 탄소(C) 및 망간(Mn) 성분이 함유 된 필러와이어를 주입하여, 강판 표면의 알루미늄(Al) 성분이 용융금속 내부로 혼입되더라도 850~1000℃에서 핫스탬핑 성형시 풀마르텐사이트 조직을 확보 가능하다.
그러나 도금강판 소재를 레이저로 접합하게 되면, 도금층의 성분이 접합(이음)부의 용융풀 내로 용입되기 때문에 접합부는 모재와 다른 물성을 가지게 된다. 도금층이 알루미늄-실리콘(Al-Si) 또는 아연(Zn)계 인 경우, 레이저 접합시에 도금성분이 접합부로 혼입되어 기계적 물성 저하를 가져오게 된다.
이에 필러 와이어의 성분에 의해 접합부의 강도 저하현상을 해결하거나 최소화 할 수 있으나, 소재(도금 부착량이 많은 소재) 및 접합조건(고 접합속도)에 따라서 혼입된 도금층 성분(Al)이 골고루 모재와 희석되지 못하여 편석이 발생하는 등의 문제가 발생하여, 필러 와이어 성분에 의한 효과만으로는 불충분할 수 있다.
본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1637084호(2016.07.06. 공고, 발명의 명칭: 필러와이어 및 이를 이용한 맞춤용접블랭크 제조방법)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 블랭크 이음부의 경도 및 물성 저하를 최소화할 수 있는 알루미늄계 도금 블랭크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 블랭크 이음부의 편석 발생 등의 결함 발생을 방지할 수 있는 알루미늄계 도금 블랭크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 핫스탬핑 공정 이후 블랭크 이음부의 물성 저하를 최소화할 수 있는 알루미늄계 도금 블랭크를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 관점은 알루미늄계 도금 블랭크에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크는 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크로서, 상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하고, 상기 이음부는 알루미늄(Al) 0.2~2.0 중량%를 포함하되, 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판의 Ac3 중, 가장 높은 Ac3 온도 이상에서 페라이트가 형성되지 않는 성분계로 이루어지며, 상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우, 상기 이음부의 평균 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상이다.
한 구체예에서 상기 베이스 강판은 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 보론(B) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 도금층은 상기 베이스 강판의 표면에 형성되며 알루미늄(Al)을 80 중량% 이상 포함하는 표면층; 및 상기 표면층과 베이스 강판 사이에 형성되며 알루미늄-철(Al-Fe) 및 알루미늄-철-실리콘(Al-Fe-Si) 금속간 화합물을 포함하며, 철(Fe)을 20~70 중량% 포함하는 합금화층;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 핫스탬핑 성형 후 상기 이음부는 마르텐사이트를 90 면적% 이상 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법을 제공하는 것이다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법은 2 이상의 알루미늄계 도금강판 중 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치하는 강판 정렬 단계; 및 상기 알루미늄계 도금강판이 서로 마주보는 부위에 필러 와이어가 제공되고, 레이저 헤드에서 레이저 빔을 조사하여, 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 필러 와이어를 용융하여 이음부를 형성하는 강판 접합 단계;를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법이며, 상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합되며, 상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW이며, 상기 이음부의 형성 속도는 15~170mm/sec 이고, 상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함한다.
한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우, 상기 이음부의 평균 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상일 수 있다.
한 구체예에서 상기 필러 와이어는 오스테나이트 안정화 원소를 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 패턴은 상기 레이저 빔이 조사시, 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하여 이루어질 수 있다.
한 구체예에서 상기 이음부 형성 속도는 15~120mm/sec이고, 상기 레이저 빔의 주파수, 레이저 빔 반경 및 상기 이음부 형성 속도는 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000001
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.7이고, 상기 f는 상기 레이저 빔의 주파수(Hz), 상기 r은 알루미늄계 도금강판의 표면에서 측정한 상기 레이저 빔의 반경(mm) 및 상기 v는 상기 이음부의 형성 속도(mm/sec)이다).
본 발명의 또 다른 관점은 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치를 제공하는 것이다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치는 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치에 있어서, 레이저 광원을 생성하는 레이저 발진부; 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 배치되되, 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치되는 강판 로딩부; 상기 도금강판의 이음부를 형성하기 위한 필러 와이어를 공급하는 와이어 공급부; 및 상기 레이저 발진부로부터 공급된 레이저 광원을 이용하여 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 상기 공급된 필러 와이어에 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드;를 포함하며, 상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합되며, 상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW 이며, 상기 이음부의 형성 속도는 15~170mm/sec 이다.
한 구체예에서 상기 패턴은 상기 레이저 빔이 조사시, 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 알루미늄계 도금 블랭크는 강도 및 두께 중 하나 이상이 서로 다른 2 이상의 알루미늄계 도금강판을 접합하여 제조하는 것으로, 블랭크 이음부의 경도 및 물성 저하를 최소화할 수 있으며, 블랭크 이음부의 편석 발생 등의 결함 발생을 방지할 수 있고, 상기 편석이 핫스탬핑 공정에 의해 Al-Fe 금속간 화합물로 상변화하여 발생하는 이음부 파단을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크를 나타낸 것이다.
도 2(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크 제조 과정을 나타낸 것이며, 도 2(b)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크 제조 과정을 나타낸 것이다.
도 3은 레이저 빔을 조사하여 알루미늄계 도금 강판을 접합하는 과정에서, 도금층 성분이 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 영역을 모식적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 블랭크의 제조장치를 나타낸 것이다.
도 5(a)는 종래 방법으로 제조된 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 것이며, 도 5(b)는 실시예 1의 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 6(a)는 실시예 7의 알루미늄계 블랭크의 핫스탬핑 성형 후 부위별 경도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 6(b)는 비교예 5의 알루미늄계 블랭크의 핫스탬핑 성형 후 부위별 경도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7(a)는 실시예 34 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 것이며, 도 7(b)는 비교예 28의 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
알루미늄계 도금 블랭크
본 발명의 하나의 관점은 알루미늄계 도금 블랭크에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크를 나타낸 것이다. 상기 도 1을 참조하면, 알루미늄계 도금 블랭크(100)는 2 이상의 알루미늄계 도금강판(10, 20)이 서로 연결된 이음부(30)를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크로서, 상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판(12, 22); 및 베이스 강판(12, 22)의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층(14, 24);을 포함한다.
한 구체예에서 이음부(30)는 알루미늄(Al) 0.2~2.0 중량%를 포함하되, 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판의 Ac3 중, 가장 높은 알루미늄계 도금강판의 Ac3 온도 이상에서 페라이트가 형성되지 않는 성분계로 이루어진다. 바람직하게는, 850℃ 이상에서 페라이트가 형성되지 않는 성분계로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 핫스탬핑 공정을 거친 후의 이음부, 즉, 상기 알루미늄계 도금 블랭크를 850~1000℃까지 가열한 후 프레스 성형을 하고 10~500℃/s의 평균냉각속도로 급냉하는 핫스탬핑 공정을 거친 후의 이음부가 면적분율로 90% 이상의 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있는 성분계로 이루어진다. 예를 들면 90% 이상 100% 이하의 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있는 성분계로 이루어진다.
상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우, 상기 이음부의 평균 경도는, 상기 2 이상의 베이스 강판의 각 평균 경도 중 가장 큰 평균 경도 이상일 수 있고, 바람직하게는, 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상이다.
본 명세서에서, 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 경도값은 KS B 0811 (금속재료의 비커스 경도 시험 방법) 규격에 따라 하중 300g의 조건을 인가하여 측정한 값일 수 있다. 또한 상기 KS 규격은 ISO 6507 국제 규격을 인용한 것이다.
한 구체예에서 상기 이음부의 평균 경도값은 상기 핫스탬핑 열처리 된 알루미늄계 도금 블랭크의 이음부에서, 일정 간격으로 이격된 5 지점의 경도를 측정하여 평균값을 계산한 것이다.
한 구체예에서 상기 베이스 강판의 평균 경도값은, 상기 핫스탬핑 열처리된 알루미늄계 도금 블랭크의 베이스 강판에서, 상기 이음부 측정시와 동일한 간격으로 이격된 5 지점의 경도를 측정하여 평균값을 계산할 수 있다.
또한 본 명세서에서, 용어 "Ac3 온도"는 금속 재료(예를 들면, 스틸)의 온도 상승(예를 들면, 가열)에 따라, 상기 금속 재료의 페라이트 상에서 오스테나이트 상으로의 완전한 변태가 이루어지는 최고 온도(highest temperature) 또는 임계온도(critical temperature) 이다.
베이스 강판
이하, 상기 베이스 강판의 합금 성분에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
탄소(C)
상기 탄소(C)는 강의 강도, 경도를 결정하는 주요 원소이며, 핫 스탬핑(또는 열간 프레스) 공정 이후, 강재의 인장강도를 확보하는 목적으로 첨가된다. 또한 소입성 특성을 확보하기 위한 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 탄소는 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.01~0.5 중량%로 포함된다. 상기 탄소가 0.01 중량% 미만으로 포함되는 경우, 본 발명의 기계적 강도를 달성하기 어려우며, 0.5 중량%를 초과하는 경우, 강재의 인성 저하 문제 또는 강의 취성 제어 문제가 야기될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강판 내 페라이트 안정화 원소로 작용한다. 페라이트를 청정하게 해줌으로써 연성을 향상시키며, 저온역 탄화물 형성을 억제함으로써 오스테나이트 내 탄소 농화도를 향상시키는 기능을 수행할 수 있다. 나아가, 열연, 냉연, 핫 스탬핑 조직 균질화(펄라이트, 망간 편석대 제어) 및 페라이트 미세 분산의 핵심 원소이다. 한 구체예에서 상기 실리콘은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.01~1.0 중량% 포함된다. 상기 실리콘이 0.01 중량% 미만으로 포함되는 경우, 상술한 기능을 충분히 발휘하지 못하며, 1.0 중량%를 초과하는 경우, 열연 및 냉연 부하가 증가하며 열연 붉은형 스케일이 과다해지고 접합성이 저하될 수 있다.
망간(Mn)
상기 망간(Mn)은 열처리시 소입성 및 강도 증가 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 망간은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.5~3.0 중량% 포함된다. 상기 망간을 0.5 중량% 미만으로 포함시 소입성 미달로 핫스탬핑 후 재질이 미달(경질상 분율 미달)할 가능성이 높으며, 3.0 중량%를 초과하여 포함시 망간 편석 또는 펄라이트 밴드에 의한 연성 및 인성이 저하될 수 있으며, 굽힘 성능 저하의 원인이 되며 불균질 미세조직이 발생할 수 있다.
인(P)
상기 인(P)은 편석이 잘 되는 원소로 강의 인성을 저해하는 원소이다. 한 구체예에서 상기 인(P)은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0 초과 0.05 중량% 이하로 포함된다. 상기 범위로 포함시 인성 저하를 방지할 수 있다. 상기 인을 0.05 중량%를 초과하여 포함시, 공정중 크랙을 유발하고, 인화철 화합물이 형성되어 인성이 저하될 수 있다.
황(S)
상기 황(S)은 가공성 및 물성을 저해하는 원소이다. 한 구체예에서 상기 황은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0 초과 0.01 중량% 이하 포함될 수 있다. 상기 황을 0.01 중량%를 초과하여 포함시 열간 가공성을 떨어뜨리고, 거대 개재물 생성에 의해 크랙 등 표면 결함이 발생할 수 있다.
알루미늄(Al)
상기 알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다. 한 구체예에서 상기 알루미늄은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0 초과 0.1 중량% 이하 포함된다. 상기 알루미늄을 0.1 중량%를 초과하여 포함시 제강 시 노즐 막힘의 원인이 되며, 주조시 알루미늄 산화물 등에 의해 열간 취성이 발생하여 크랙이 발생하거나, 연성이 저하될 수 있다.
질소(N)
상기 질소(N)는 다량 첨가시 고용 질소량이 증가하여 강판의 충격특성 및 연신율을 떨어뜨리고 이음부의 인성을 크게 저하시킬 수 있다. 한 구체예에서 상기 질소는 상기 베이스 강판 전체 중량에 대하여 0 초과 0.001 중량% 이하 포함된다. 상기 질소를 0.001 중량%를 초과하여 포함시 강판의 충격특성 및 연신율이 저하되며, 이음부 인성이 저하될 수 있다.
한 구체예에서 상기 베이스 강판은 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 보론(B) 중 하나 이상의 성분을 더 포함할 수 있다.
니오븀(Nb)
니오븀(Nb)은 마르텐사이트(Martensite) 패캣 크기(Packet size) 감소에 따른 강도 및 인성 증가를 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 니오븀은 상기 베이스 강판 전체 중량에 대하여 0.005~0.1 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 열간압연 및 냉간 압연 공정에서 강재의 결정립 미세화 효과가 우수하고, 제강/연주시 슬라브의 크랙 발생과, 제품의 취성 파단 발생을 방지하며, 제강성 조대 석출물 생성을 최소화할 수 있다.
티타늄(Ti)
상기 티타늄(Ti)은 핫 스탬핑 열처리 후 석출물 형성에 의한 소입성 강화 및 재질 상향 목적으로 첨가될 수 있다. 또한, 고온에서 Ti(C,N) 등의 석출상을 형성하여, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적으로 기여한다. 본 발명에서는 TiN 형성을 통한 B 소입성 효과를 확보하고 첨가량 상하한을 설정하고자 하였다. 한 구체예에서 상기 티타늄은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.005~0.1 중량% 포함될 수 있다. 상기 함량범위로 포함시, 연주 불량 및 석출물 조대화를 방지하며, 강재의 물성을 용이하게 확보할 수 있고, 강재 표면에 크랙 발생 등의 결함을 방지할 수 있다.
크롬(Cr)
상기 크롬(Cr)은 상기 알루미늄계 도금강판의 소입성 및 강도를 향상시키는 목적으로 첨가된다. 한 구체예에서 상기 크롬은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.01~0.5 중량% 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 상기 알루미늄계 도금강판의 소입성 및 강도를 향상시키며, 생산비 증가와 강재의 인성 저하를 방지할 수 있다.
몰리브덴(Mo)
상기 몰리브덴(Mo)은 열간압연 및 핫스탬핑 중 석출물의 조대화 억제 및 소입성 증대를 통해 강도 향상에 기여할 수 있다. 몰리브덴(Mo)은 상기 베이스 강판 전체 중량에 대하여 0.001~0.008 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 열간압연 및 핫스탬핑 중 석출물의 조대화 억제 및 소입성 증대 효과가 우수할 수 있다.
보론(B)
상기 보론(B)은 마르텐사이트 조직을 확보함으로써, 상기 강재의 소입성 및 강도를 확보하는 목적으로 첨가되며, 오스테나이트 결정립 성장 온도 증가로 결정립 미세화 효과를 가진다. 한 구체예에서 상기 보론은 상기 베이스 강판 전체중량에 대하여 0.001~0.008 중량%로 포함될 수 있다. 상기 범위로 포함시 경질상 입계 취성 발생을 방지하며, 고인성과 굽힘성을 확보할 수 있다.
한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 재가열하고; 상기 재가열한 슬라브를 마무리압연하고; 상기 열간압연된 강판을 권취하고; 상기 권취된 강판을 냉간압연하고; 상기 냉간압연된 판재를 소둔 처리하고; 그리고 상기 소둔 처리된 판재의 표면에 도금층을 형성하는 단계;를 포함하여 제조할 수 있다.
도금층
상기 도금층은, 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 편면 기준 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함한다. 한 구체예에서 상기 도금층은 600~800℃의 용융 알루미늄 및 알루미늄 합금중 하나 이상을 포함하는 도금욕에, 상기 베이스 강판을 침지한 다음, 평균 1~50℃/s의 냉각 속도로 냉각시키는 단계를 포함하여 형성될 수 있다.
한 구체예에서 상기 베이스 강판을 도금욕에 침지 후, 상기 베이스 강판의 표면에 공기 및 가스 중 하나 이상을 분사하여 용융 도금층을 와이핑 하며, 분사 압력을 조절함으로써 도금 부착량을 조절할 수 있다.
상기 도금 부착량은 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~150g/m 2로 형성될 수 있다. 바람직하게는 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2로 형성된다. 상기 도금 부착량을 20g/m 2 미만으로 형성시 내식성이 저하되며, 100g/m 2을 초과시 상기 알루미늄계 도금강판을 접합시 이음부로 혼입되는 알루미늄(Al) 량이 증가하여, 핫스탬핑 후 이음부의 강도가 저하될 수 있다.
한 구체예에서 상기 도금층은, 상기 베이스 강판의 표면에 형성되며 알루미늄(Al)을 80 중량% 이상 포함하는 표면층; 및 상기 표면층과 베이스 강판 사이에 형성되며 알루미늄-철(Al-Fe) 및 알루미늄-철-실리콘(Al-Fe-Si) 금속간 화합물을 포함하며, 철(Fe)을 20~70 중량% 포함하는 합금화층;을 포함할 수 있다.
한 구체예에서 상기 표면층은 알루미늄을 80~100 중량% 포함할 수 있고, 평균두께가 10~40㎛ 일 수 있다. 상기 평균두께가 10㎛ 미만인 경우, 알루미늄계 도금 블랭크의 내식성이 저하되며, 40㎛를 초과하는 경우, 접합시 이음부로 혼입되는 알루미늄(Al) 량이 증가하여, 핫스탬핑 후 이음부의 기계적 물성이 저하된다. 예를 들면 평균두께가 10~30㎛일 수 있다.
한 구체예에서 상기 합금화층은 철(Fe)을 20~70 중량% 포함할 수 있다. 상기 조건에서 상기 합금화층은 높은 융점을 가지게 되어 핫스탬핑 가열로에서 상기 표면층이 용융되어 상기 베이스 강판의 조직으로 침투하게 되는 액체 금속 취화 현상 {Liquid Metal Embrittlement}이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 예를 들면 상기 합금화층은 철(Fe)을 20~60 중량% 포함할 수 있다.
이음부
상기 이음부는 상기 알루미늄계 도금강판을 서로 마주보게 정렬한 후, 레이저를 조사하여 용융시켜 형성할 수 있으며, 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판의 Ac3 중, 가장 높은 알루미늄계 도금강판의 Ac3 온도 이상에서 페라이트가 형성되지 않는 성분계로 이루어지고, 오스테나이트 안정화 원소를 상기 베이스 강판 보다 더 많이 포함할 수 있다. 상기 오스테나이트 안정화 원소는 탄소(C) 및 망간(Mn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 이음부는 알루미늄(Al) 0.2~2.0 중량%를 포함한다. 상기 알루미늄의 함량은 용융된 베이스 강판의 알루미늄(Al) 및 도금층으로부터 혼입되는 알루미늄(Al)의 합일 수 있다. 상기 이음부의 알루미늄(Al) 함량이 0.2 중량% 미만시, 알루미늄계 도금강판을 접합시 도금층을 제거하여야 하므로 공정원가가 상승하게 되며, 2.0 중량%를 초과하여 포함시, 핫스탬핑 이후 이음부의 마르텐사이트 분율이 저하되어 기계적 성질이 저하된다. 더 바람직하게 상기 이음부는 알루미늄을 0.2~1.0 중량% 포함할 수 있다. 한편 상기 이음부는 알루미늄을 1.0 중량% 초과하여 포함시, 이음부 표면에 산화막이 다량 형성될 우려가 있다.
한 구체예에서 핫스탬핑 부재는 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판과 상기 도금강판이 서로 연결된, 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상의 온도까지 가열한 후 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하 온도까지 10~500℃/s의 평균냉각속도로 냉각하여 제조할 수 있다.
상기 핫스탬핑 부재 중 상기 알루미늄계 도금강판 및 상기 이음부에 상응하는 부분은, 상기 블랭크의 알루미늄계 도금강판 및 이음부 보다 인장강도가 높아진다. 특히, 상기 블랭크의 이음부는, 면적분율로 90% 이상의 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가진다. 예를 들면 상기 블랭크의 이음부는 면적분율로 90% 이상 100% 이하의 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가진다.
본 발명의 알루미늄계 도금강판의 평균 경도는 서로 상이할 수 있다. 한 구체예에서 이음부를 형성하는 두 개의 알루미늄계 도금강판 중, 가장 큰 알루미늄계 도금강판의 평균 경도값보다, 상기 이음부의 평균 경도값이 더 클 수 있고, 바람직하게는 상기 가장 큰 평균 경도값보다, 이음부의 최소 경도값이 더 클 수 있다. 본 발명은, 강도 및 두께 중 하나 이상이 서로 다른 2 이상의 알루미늄계 도금강판을 접합할 수 있다. 강도가 상이한 경우, 평균 경도값이 서로 다를 수 있다.
상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우, 상기 이음부의 평균 경도는, 상기 두 베이스 강판의 각 평균 경도값보다 크다.
알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법
본 발명의 다른 관점은 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법을 제공하는 것이다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법은 (S10) 강판 정렬단계 및 (S20) 강판 접합단계;를 포함한다.
보다 구체적으로 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조방법은, (S10) 2 이상의 알루미늄계 도금강판 중 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치하는 강판 정렬 단계; 및 (S20) 상기 알루미늄계 도금강판이 서로 마주보는 부위에 필러 와이어가 제공되고, 레이저 헤드에서 레이저 빔을 조사하여, 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 필러 와이어를 용융하여 이음부를 형성하는 강판 접합 단계;를 포함한다.
이하, 상기 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법을 단계별로 상세히 설명하도록 한다.
(S10) 강판 정렬단계
상기 단계는 2 이상의 알루미늄계 도금강판 중 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치하는 단계이다.
상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판은, 강도 및 두께 중 하나 이상이 서로 다를 수 있다. 강도가 상이한 경우, 평균 경도값이 서로 다를 수 있다.
상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함한다. 상기 알루미늄계 도금강판은 전술한 바와 동일한 것을 사용할 수 있으므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
(S20) 강판 접합단계
상기 단계는 상기 알루미늄계 도금강판이 서로 마주보는 부위에 필러 와이어가 제공되고, 레이저 헤드에서 레이저 빔을 조사하여, 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 필러 와이어를 용융하여 이음부를 형성하는 단계이다. 상기 레이저 빔은 상기 필러 와이어와, 알루미늄계 도금강판의 도금층 및 베이스 강판을 용융시켜 이음부를 형성하게 된다.
필러 와이어
한 구체예에서 상기 필러 와이어는 오스테나이트 안정화 원소를 포함할 수 있다. 예를 들면 상기 오스테나이트 안정화 원소는 탄소(C) 및 망간(Mn) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 필러 와이어는 상기 이음부에 용입되며, 상기 이음부의 성분계를 조절할 수 있다.
상기 베이스 강판의 표면에 형성된 도금층의 알루미늄(Al)이 이음부의 용융풀에 혼입되더라도 필러 와이어에 첨가되어 있는 오스테나이트 안정화 원소의 함량이 많기 때문에 이음부의 미세조직이 핫스탬핑 후 풀 마르텐사이트 조직을 가지게 되는 것이다. 즉, 도금층을 제거하지 않고 도금층의 성분이 용접부로 혼입되더라고 경도/강도 저하를 방지할 수 있게 되므로 용접부의 물성이 모재부의 물성과 차이를 가지지 않게 되므로 용접부 파단 현상을 방지할 수 있다.
한편 상기 필러 와이어에 의해 도금층 성분을 희석시키더라도, 접합 조건에 따라 필러 와이어의 성분과 도금층 성분을 베이스 강판 성분에 고르게 분포시키지 못할 수 있다. 이를 방지하기 위해 상기 도금강판의 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합된다.
한 구체예에서 상기 패턴은 상기 레이저 빔이 조사시, 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하여 이루어질 수 있다.
예를 들면 상기 레이저 빔은 상기 이음부가 형성되는 방향과 소정의 각도로 패턴 운동하며, 상기 필러 와이어와 상기 알루미늄계 도금강판의 도금층 및 베이스 강판을 용융시켜 상기 이음부를 형성할 수 있다.
또한, 상기 이음부는, 상기 레이저 빔이 패턴 운동하며 조사됨과 동시에, 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 상대 운동하여 이루어질 수 있다. 본 명세서에서 상기 “상대 운동”은 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하는 것을 의미한다. 바람직하게는 상기 도금강판은 정지된 상태로 상기 레이저 헤드가 운동을 하여 이음부를 형성할 수 있다.
도 2(a)는 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크 제조 과정을 나타낸 것이며, 도 2(b)는 본 발명의 다른 구체예에 따른 알루미늄계 도금 블랭크 제조 과정을 나타낸 것이다.
보다 구체적으로 상기 도 2(a)는 상기 상대 운동의 일 예로서, 알루미늄계 도금강판(10, 20)이 패턴 운동하여 이음부(30)를 형성하는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 2(a)를 참조하면, 레이저 헤드(300)는 고정된 상태로 상기 알루미늄계 도금강판(10, 20)이 서로 마주보는 부위를 향하여 필러 와이어(200)가 공급되며, 레이저 빔(310)이 조사될 수 있다. 이때, 알루미늄계 도금강판(10, 20)은 이음부(30)가 형성(X)되는 방향에 대하여 반대 방향으로 평행(수평)하게 이동하면서, 동시에 레이저 빔(310)이 소정의 각도로 패턴 운동을 하며 조사되어 이음부(30)를 형성할 수 있다.
상기 도 2(b)는 상기 상대 운동의 다른 예로서, 상기 레이저 빔이 패턴 운동하여 이음부를 형성하는 과정을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 2(b)를 참조하면, 알루미늄계 도금강판(10, 20)은 고정된 상태로, 알루미늄계 도금강판(10, 20)이 서로 마주보는 부위를 향하여 필러 와이어(200)가 공급되며, 레이저 헤드(300)가 운동하여 레이저 빔(310)이 조사될 수 있다. 이때 레이저 헤드(300)는 이음부(30)가 형성되는 방향(X)과 동일한 방향으로 평행(수평)하게 이동하면서, 동시에 레이저 빔(310)이 소정의 각도로 패턴 운동을 하며 조사되어 이음부(30)를 형성할 수 있다.
한 구체예에서 상기 레이저 빔은 상기 레이저 헤드의 운동방향과 다른 방향으로 운동할 수 있다. 바람직하게는, 상기 레이저 헤드의 운동 방향과 일정한 각도를 이루며 운동할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 레이저 헤드의 운동 방향과 수직으로 패턴 운동할 수 있다.
한 구체예에서 상기 레이저 헤드가 운동하는 경우, 레이저 빔은 상기 레이저 헤드의 운동방향에 대하여 45° 이상 90° 미만으로 패턴 운동할 수 있다.
다른 구체예에서 상기 알루미늄계 도금강판이 이동하는 경우, 상기 레이저 빔은 상기 이음부 형성방향에 대하여, 45° 이상 90° 미만으로 패턴 운동할 수 있다.
결과적으로, 상기 레이저 빔이 알루미늄계 도금강판 표면을 향하여 조사될 때, 상기 이음부의 형성 방향(X)과 평행(수평)하게 상대 운동을 하는 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상에 의해, 상기 레이저 빔은 상기 알루미늄계 도금강판의 표면에서 상기 이음부의 형성 방향(X)과 소정의 각도를 가지는 운동 패턴을 가질 수 있다.
따라서 레이저 빔이 이음부 형성 방향과 동일한 방향으로 조사되는 경우 보다, 상기 도금강판 표면에서 상기 레이저 빔이 이동하는 레이저 빔 이동 길이가 더 길어지게 되므로 상기 도금강판에 에너지를 전달할 수 있는 면적이 넓어지게 될 뿐만 아니라, 상기 레이저 빔 이동 경로와 상기 레이저 빔 반경에 따라 에너지가 전달되는 영역이 중첩될 수도 있는 바, 상기 도금층의 성분 및 필러 와이어의 성분을 상기 베이스 강판의 성분에 충분히 희석시켜 이음부를 형성할 수 있다.
한 구체예에서 상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW 일 수 있다. 한 구체예에서 상기 레이저 빔의 파워는, 레이저 발진부의 출력값을 의미할 수 있고, 상기 레이저 빔의 주파수는, 상기 레이저 빔의 패턴 운동이 가지는 주파수를 의미할 수 있다.
한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크 제조시, 이음부의 형성 속도는 1m/min 이상, 레이저 주파수는 1500Hz 이하, 레이저 빔 파워는 20kW 이하가 되어야 최소한의 생산성 및 사업성 확보가 가능할 수 있다. 상기 레이저 주파수와 레이저 빔 파워는 높을수록 좋지만, 1500Hz를 초과하는 주파수 및 20kW를 초과하는 파워를 구현하기 위해서는 고성능의 설비가 필요하므로 설비 크기가 커지고 설비 가격이 비싸지는 문제가 있다. 또한, 최소한의 생산성 확보를 위해서는 상기 알루미늄계 도금강판의 접합속도, 즉 이음부가 형성되는 속도를 1m/min 이상으로 유지할 필요가 있다. 상기 이음부 형성 속도는 상기 레이저 헤드가 상기 이음부 형성 방향과 평행(수평)하게 상대 운동한 단위 시간당 변위를 의미한다.
한 구체예에서 상기 이음부의 형성 속도는 1~10m/min일 수 있다. 상기 이음부의 형성 속도가 10m/min를 초과하는 경우, 레이저 빔을 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW의 파워 및 0.1~1.0mm의 빔 반경 조건으로 조사하여도, 상기 레이저 빔 이동 경로의 간격이 커지게 되므로, 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄계 도금강판의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재할 수 있다. 한 구체예에서 상기 이음부의 형성 속도는 15~170mm/sec 이다. 바람직하게는 1~7m/min 일 수 있다. 바람직하게는 상기 이음부 형성 속도는 15~120mm/sec 일 수 있다.
한 구체예에서 상기 레이저 빔은 반경 0.1~1.0mm 조건으로 조사될 수 있다. 상기 레이저 빔이 상기 도금강판의 표면에 1.0mm를 초과하는 반경으로 조사되는 경우, 상기 필러 와이어와 상기 도금강판과 상기 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드 간의 거리가 가까워야 하므로, 상기 필러 와이어가 상기 이음부가 형성됨에 따라 상기 알루미늄계 도금강판으로 혼입되어 길이가 점점 짧아져 교체가 필요한 경우, 상기 필러 와이어가 공급되는 공간 또는 상기 필러 와이어가 완전 소비된 경우 이를 교체할 공간이 불충분 할 수 있다.
도 3은 레이저 빔 반경이 0.1mm 미만인 레이저 빔을 조사하여 알루미늄계 도금 강판을 접합하는 과정에서, 도금층 성분이 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 영역을 모식적으로 나타낸 것이다. 상기 도 3을 참조하면, 상기 레이저 빔 반경이 0.1mm 미만인 경우에는, 레이저 빔을 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW의 조건으로 조사하여도, 레이저 빔 반경이 작기 때문에 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄계 도금강판(10, 20)의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 영역(S)이 존재할 수 있다.
상기 레이저 빔의 주파수가 100Hz 미만이 되면, 상기 레이저 빔의 이동 경로의 간격이 커지게 되므로, 1~20kW의 레이저 빔 파워, 0.1~1.0mm의 레이저 빔 반경 및 1~7m/min의 이음부 형성 속도 조건을 만족하여도 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄계 도금강판의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때, 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재할 수 있다.
상기 레이저 빔의 파워가 1kW 미만인 경우에는, 레이저 빔의 주파수 100~1500Hz, 빔 반경 0.1~1.0mm 및 이음부 형성 속도 1~7m/min 조건을 만족하여도, 상기 도금강판 표면에 도달하는 에너지가 부족하여, 즉 상기 도금강판 표면에서의 에너지 밀도가 부족하여 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄계 도금강판의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재할 수 있다.
한 구체예에서 상기 레이저 빔 조사시 서로 이격된 제1 레이저빔 및 제2 레이저빔을 조사할 수 있다. 예를 들면 상기 제1 레이저빔이 필러 와이어와 도금층 및 베이스 강판을 용융시키며, 제2 레이저빔으로 상기 용융된 상태를 유지시켜, 용융된 부위의 균일한 교반이 이루어져 이음부의 편석 발생을 방지하며, 품질 및 기계적 물성이 우수할 수 있다. 한편, 상기 제1 레이저 빔 및 제2 레이저 빔을 사용하는 경우, 상기 제1 레이저 빔 제2 레이저 빔의 파워의 합이 1~20kW 일 수 있다.
또한, 상기 알루미늄계 도금 강판은 상술한 레이저 빔 파워, 반경, 주파수 및 상기 이음부 형성 속도 범위 안에서 접합한 후 고온으로 가열하고 급냉하는 열처리를 수행했을 때, 상기 이음부의 평균 경도가 상기 알루미늄계 도금강판의 평균 경도 이상일 수 있고, 바람직하게는 상기 이음부의 최소 경도가 상기 알루미늄계 도금 강판의 평균 경도 이상일 수 있다. 상기 이음부의 평균 경도가 상기 알루미늄계 도금강판의 평균 경도 미만인 경우는 상기 열처리된 블랭크에 인장력이 가해진 경우, 상기 이음부에서 파단이 발생할 가능성이 있다. 한 구체예에서 상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우, 상기 이음부의 평균 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상이다.
한 구체예에서 상기 이음부의 형성속도는 15~120mm/sec 이며, 이때 상기 레이저 빔의 주파수, 레이저 빔 반경 및 상기 이음부 형성 속도는 하기 식 1의 관계를 만족할 수 있다:
[식 1]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000002
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.7이고, 상기 f는 상기 레이저 빔의 주파수(Hz), 상기 r은 알루미늄계 도금강판의 표면에서 측정한 상기 레이저 빔의 반경(mm) 및 상기 v는 상기 이음부의 형성 속도(mm/sec)이다).
상기 식 1의 레이저 빔의 주파수, 파워, 반경 및 상기 이음부 형성속도를 제어하더라도, 이음부의 충분한 인장 강도를 확보하려면, 알루미늄(Al) 편석 면적분율을 낮추아야 한다. 그러기 위해서는 상기 레이저 빔의 주파수, 파워, 반경 및 상기 이음부 형성속도 뿐만 아니라, 상기 레이저 빔이 레이저 헤드에서 조사되어 강판까지 전달되면 발생하는 에너지 손실, 도금층의 열 반사율, 강판의 열전도율, 베이스 강판의 두께 및 도금층의 두께 등 수 많은 변수를 고려해야 한다.
또한, 상기 레이저 빔의 반경을 제어시에는 상기 알루미늄계 도금강판 표면에서의 에너지 밀도를 고려해야 할 뿐만 아니라, 상기 레이저 빔의 주파수와 상기 이음부 형성 속도에 따라 결정되는 상기 도금강판 표면에서의 레이저 빔 이동 경로도 고려하여 이음부에 고르게 에너지가 전달되도록 하여야 하는 어려움이 있다.
이에, 본 발명자는 과도하게 반복된 실험을 거쳐 상술한 다양한 상황을 고려한 보정계수(α)를 사용하여 레이저 빔의 주파수와 반경 및 이음부 형성 속도 만으로 이음부의 충분한 인장강도를 확보할 수 있는 조건을 도출했다.
상기 식 1에 따른 조건 만족시 알루미늄(Al) 편석 분율을 5% 이하로 낮출 수 있다. 다만, 이때 상기 이음부의 형성속도는 1~7m/min인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 15~120mm/sec일 수 있다. 상기 이음부 형성 속도가 빠른 경우, 상기 이음부에 고르게 에너지가 전달될 수 있는 시간이 부족한 문제가 있다. 예를 들면 120~170mm/s의 이음부 형성속도 조건에서는, 상기 식 1을 만족하여도 이음부의 Al 편석이 과도하게 발생할 수 있다.
한편 상기 이음부의 알루미늄(Al) 편석 면적분율이 5% 이하를 만족하여도, 상기 이음부와 베이스 강판의 경계면에 알루미늄(Al) 편석이 발생하는 경우에는 이음부, 구체적으로는 이음부 및 강판의 경계면에서 파단이 발생할 가능성이 높다.
한 구체예에서 상기 레이저 빔의 패턴 각도를 45° 이상 90° 미만으로 실시하는 경우 상기 이음부와 베이스 강판의 경계면에 알루미늄(Al) 편석이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 상기 패턴 각도는 상기 이음부가 형성될 때 상기 도금강판의 표면에서, 상기 이음부 형성 방향(X)과 상기 레이저 빔의 이동 경로(Y)가 이루는 각도를 의미한다.
알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치
본 발명의 또 다른 관점은 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치를 제공하는 것이다. 도 4는 본 발명의 한 구체예에 따른 알루미늄계 블랭크의 제조장치를 나타낸 것이다. 상기 도 4를 참조하면, 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치(1000)는 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치에 있어서, 레이저 광원을 생성하는 레이저 발진부(500); 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 배치되되, 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치되는 강판 로딩부(400); 상기 도금강판의 이음부를 형성하기 위한 필러 와이어(200)를 공급하는 와이어 공급부(210); 및 상기 레이저 발진부(500)로부터 공급된 레이저 광원을 이용하여 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 상기 공급된 필러 와이어에 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드(300);를 포함한다.
한 구체예에서 레이저 헤드(300)는 로봇 암(320)에 체결되어, 상기 이음부가 형성되는 방향에 대하여 반대 방향으로 이동할 수 있다.
한 구체예에서 상기 강판 로딩부(400)를 이용하여 알루미늄계 도금강판을 상기 이음부가 형성되는 방향과 동일한 방향으로 이동할 수 있다.
상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합되며, 상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW 이다. 상기 이음부의 형성 속도는 1~10m/min, 바람직하게는 15~170mm/sec 일 수 있다.
상기 알루미늄계 도금강판은 전술한 것과 동일한 것을 사용할 수 있다.
한 구체예에서 상기 패턴은 상기 강판 로딩부의 도금강판 및 레이저빔 중 하나 이상이 패턴 운동하여 이루어질 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되지는 않는다.
실시예 및 비교예
실시예 1
탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하되, 서로 강도 및 두께가 각각 다른 2 이상의 알루미늄계 도금강판을 준비하였다. 상기 알루미늄계 도금강판의 도금층은, 각각 상기 베이스 강판의 표면에 형성되며 알루미늄(Al)을 80 중량% 이상 포함하는 표면층; 및 상기 표면층과 베이스 강판 사이에 형성되며 알루미늄-철(Al-Fe) 및 알루미늄-철-실리콘(Al-Fe-Si) 금속간 화합물을 포함하며, 철(Fe)을 20~70 중량% 포함하는 합금화층;을 포함하였다.
그리고 도 4와 같은 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치의 강판 로딩부에 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판 중 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치하였다. 그 다음에 상기 알루미늄계 도금강판이 서로 마주보는 부위에 와이어 공급부로부터 필러 와이어를 제공하고, 레이저 빔을 조사하여, 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 필러 와이어를 용융하여 이음부를 형성하여 알루미늄계 도금 블랭크를 제조하였다.
상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합하였다. 구체적으로 레이저 헤드는 이음부 형성 방향과 동일한 방향으로 평행(수평)하게 이동하면서, 레이저 빔은 상기 이음부 형성 방향에 대해 60°로 패턴 운동을 하며 조사되었다. 또한, 상기 레이저 빔은 주파수 100Hz, 빔파워 1kW, 빔반경 0.1mm로 조사하였으며, 이음부는 1m/min의 형성 속도로 형성하였다.
실시예 2~16 및 비교예 1~12
하기 표 1 조건의 레이저 빔 파워, 빔 반경, 주파수, 이음부 형성 속도 조건을 적용하여 알루미늄계 도금강판을 접합한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 도금 블랭크를 제조하였다.
실험예 (1) 경도 테스트: 상기 실시예 1~16 및 비교예 1~12의 알루미늄계 도금 블랭크 시편을 각각 3개씩 제조한 후, 각 시편을 오스테나이트 단상역 온도 이상(Ac3 이상)으로 가열하고 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각 후 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 이음부와 상기 알루미늄 도금 블랭크 베이스 강판 부위의 평균 경도값을 측정하였다.
상기 알루미늄계 도금 블랭크의 경도값은 KS B 0811 (금속재료의 비커스 경도 시험 방법) 규격에 따라 하중 300g의 조건을 인가하여 측정하였다. 또한 상기 KS 규격은 ISO 6507 국제 규격을 인용한 것이다.
상기 이음부의 평균 경도값은 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 이음부에서, 일정 간격으로 이격된 5 지점의 경도를 측정하여 평균값을 계산하였으며, 상기 베이스 강판의 평균 경도값은, 상기 알루미늄계 도금 블랭크의 베이스 강판에서, 상기 이음부 측정시와 동일한 간격으로 이격된 5 지점의 경도를 측정하여 평균값을 계산하였다.
상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상인 경우는 Pass, 평균 경도 미만인 경우를 Fail로 판정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
[표 1]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000003
이하, 본 발명에서 “에너지 밀도”는 “레이저 발진기의 빔 파워 P(kW)를 강판 표면에서의 레이저 빔 면적(π·r 2)으로 나눈 값(단, 상기 r은 레이저 빔의 반경임)”으로 가정한다.
상기 표 1의 결과를 참조하면, 본 발명의 레이저 빔 조사 및 이음부 형성 속도를 만족하는 실시예 1~16의 경우, 상기 이음부의 최소 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상임을 알 수 있었다.
반면 비교예 1, 2, 7 및 8의 경우, 에너지 밀도는 충분하나, 이음부 형성 속도를 최소로 했음에도 레이저 빔의 반경이 작기 때문에 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄 도금강판의 도금층 및 베이스 강판의 용융시 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재하여, 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 미만으로 형성되었다.
비교예 3, 4, 9 및 10의 경우, 레이저 빔 반경 값을 최대(1.0mm)로 하고, 이음부 형성 속도를 최소(1m/min)로 했음에도, 주파수가 낮기 때문에 상기 레이저 빔 이동 경로의 간격이 커지고, 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄 도금강판의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재하여, 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 미만으로 형성되었다.
또한 비교예 5, 6, 11 및 12의 경우, 에너지 밀도는 충분하고, 빔 반경도 최대로 했으나 속도가 너무 빨라서, 상기 레이저 빔 이동 경로의 간격이 커지고, 상기 레이저 빔에 의해 상기 알루미늄 도금강판의 도금층 및 베이스 강판이 용융될 때 상기 도금층의 성분이 상기 베이스 강판 성분에 충분히 희석되지 못하는 부분이 존재하여, 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 미만으로 형성되었다.
실시예 17~68 및 비교예 13~52
하기 표 2 내지 표 5에 따른 레이저 빔 파워, 빔 반경, 주파수, 이음부 형성속도와, 하기 식 1에 따른 조건을 적용하여 알루미늄계 도금강판을 접합하였으며, 레이저 헤드는 이음부 형성 방향과 동일한 방향으로 평행(수평)하게 이동하면서, 레이저 빔은 상기 이음부 형성 방향에 대해 45°의 패턴 운동을 하며 조사한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 도금 블랭크를 제조하였다.
[식 1]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000004
(상기 식 1에서, 상기 α는 0.7이고, 상기 f는 상기 레이저 빔의 주파수(Hz), 상기 r은 알루미늄계 도금강판의 표면에서 측정한 상기 레이저 빔의 반경(mm) 및 상기 v는 상기 이음부의 형성 속도(mm/sec)이다).
실험예 (2) 이음부의 알루미늄(Al) 편석분율(%) 및 인장 테스트: 상기 실시예 17~68 및 비교예 13~52의 블랭크 시편을 각각 3개씩 제조한 후, 각 시편을 오스테나이트 단상역 온도 이상(Ac3 이상)으로 가열하고 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 그 다음에, 상기 각 시편의 이음부의 알루미늄 편석 면적 분율과 인장 테스트를 실시하여 그 결과를 하기 표 2 내지 표 5에 나타내었다. 구체적으로 상기 이음부의 알루미늄(Al) 편석의 면적 분율 측정은 3개 시편에서의 Al 편석 면적 분율의 평균값으로 나타내었으며, 상기 인장 시험 결과는 시편에 인장력을 가한 후 3개의 시편 모두 상기 이음부에서 파단이 일어나지 않은 경우를 Pass, 이음부에서 1회 이상 파단이 발생한 경우를 Fail로 표시한 것이다.
[표 2]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000005
[표 3]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000006
[표 4]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000007
[표 5]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000008
상기 표 2 내지 표 5의 결과를 참조하면, 본 발명의 실시예 17~68의 경우, 식 1의 조건을 만족하였으며, 이음부의 알루미늄 편석 면적분율이 5% 이하를 만족하였고, 인장 테스트결과 이음부에서 파단이 발생하지 않았다(PASS). 그러나, 본 발명의 조건을 벗어난 비교예 13~52의 경우, 본 발명의 식 1의 조건을 만족하지 못하는 경우 이음부의 알루미늄 편석 면적분율이 5%를 초과하였으며, 인장 테스트시 이음부에서 파단이 발생하였다. 또한, 식 1을 만족하더라도 이음부 형성속도가 7m/min을 초과하는 경우 이음부 형성 속도가 빨라서 레이저 빔이 베이스 강판의 내부까지 충분히 교반하지 못하여 알루미늄 편석이 과도하게 발생하였으며, 인장 테스트시 이음부에서 파단이 발생하였다.
실시예 69~98 및 비교예 53~72
하기 표 6 및 표 7에 따른 레이저 빔 파워, 이음부 형성속도, 빔 반경, 주파수를 적용하여 알루미늄계 도금강판을 접합하였으며, 레이저 헤드는 이음부 형성 방향과 동일한 방향으로 평행(수평)하게 이동하면서, 레이저 빔은 상기 이음부 형성 방향에 대해 하기 표 6 및 표 7 조건의 패턴 각도로 조사한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 알루미늄계 도금 블랭크를 제조하였다. 이때 상기 패턴 각도는 상기 이음부가 형성될 때 상기 도금강판의 표면에서 상기 이음부 형성방향(X)과 상기 레이저 빔의 이동 경로(Y)가 이루는 각도를 의미한다.
실험예 (3) 이음부의 알루미늄(Al) 편석분율(%), 이음부 경계면의 알루미늄 편석 및 이음부 파단여부 확인: 상기 실시예 69~98 및 비교예 53~72의 블랭크 시편을 각각 3개씩 제조한 후, 각 시편을 오스테나이트 단상역 온도 이상(Ac3 이상)으로 가열하고 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 그 다음에, 상기 각 시편의 이음부의 알루미늄 편석 면적 분율, 이음부 경계면의 알루미늄 편석발생 여부와, 인장 테스트를 결과를 하기 표 6 및 표 7에 나타내었다. 구체적으로 상기 이음부의 알루미늄(Al) 편석의 면적 분율 측정은 3개 시편에서의 Al 편석 면적 분율의 평균값으로 나타내었으며, 상기 인장 시험 결과는 시편에 인장력을 가한 후 3개의 시편 모두 상기 이음부에서 파단이 일어나지 않은 경우를 x, 이음부에서 1회 이상 파단이 발생한 경우를 ○로 판정하였다.
[표 6]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000009
[표 7]
Figure PCTKR2020016350-appb-img-000010
한편 상기 이음부의 알루미늄 편석의 면적 분율이 5% 이하를 만족하여도, 상기 이음부와 베이스 강판의 경계면에 알루미늄(Al) 편석이 발생하는 경우에는, 이음부, 구체적으로 이음부 및 강판의 경계면에서 파단이 발생할 가능성이 높다. 상기 표 6 및 표 7의 결과를 참조하면, 패턴 각도를 45° 이상 90°미만으로 적용한 실시예의 경우 이음부의 알루미늄 편석이 면적분율 5% 이하로 형성되며, 이음부와 베이스 강판의 경계면에 알루미늄(Al) 편석이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 인장시험시 이음부의 파단이 방지되는 것을 알 수 있었다. 반면, 45° 미만의 패턴 각도를 적용한 비교예 53~72의 경우 이음부 경계면에 알루미늄 편석이 발생하며 이음부의 파단이 발생함을 알 수 있었다.
하기 도 5(a)는 레이저 빔으로 접합하되, 레이저 빔을 소정의 패턴 각도를 적용하지 않은 종래 방법으로 제조된 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 것이며, 도 5(b)는 실시예 1의 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다. 상기 도 5를 참조하면, 레이저 빔을 소정의 패턴 각도를 적용하지 않은 종래 방법을 적용시, 도금층의 성분이 베이스 강판의 성분에 충분히 희석되지 못하여, 이음부 알루미늄 편석의 면적분율이 증가하였으나, 상기 실시예 1의 경우, 도금층의 성분이 베이스 강판의 성분에 충분히 희석되어, 이음부에 알루미늄 편석 발생을 최소화할 수 있음을 알 수 있었다.
도 6(a)는 실시예 7의 알루미늄계 블랭크의 핫스탬핑 성형 후 부위별 경도 변화를 나타낸 그래프이며, 도 6(b)는 비교예 5의 알루미늄계 블랭크의 부위별 경도 변화를 나타낸 그래프이다. 상기 도 6을 참조하면, 실시예 7은 핫스탬핑 성형 후 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상을 가졌으나, 본 발명의 조건을 벗어난 비교예 5의 경우 핫스탬핑 성형 후 상기 이음부의 최소 경도가 상기 베이스 강판의 평균 경도 미만인 것을 알 수 있었다.
도 7(a)는 실시예 34 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 것이며, 도 7(b)는 비교예 28의 알루미늄계 블랭크의 단면을 나타낸 광학현미경 사진이다. 상기 도 7을 참조하면, 실시예 34의 알루미늄계 블랭크는 이음부의 알루미늄 편석을 최소화하였으나, 본 발명의 식 1의 조건을 벗어난 비교예 28의 경우, 상기 실시예 34에 비해 이음부의 알루미늄 편석 발생이 증가한 것을 알 수 있었다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (11)

  1. 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크로서,
    상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하고,
    상기 이음부는 알루미늄(Al) 0.2~2.0 중량%를 포함하되, 상기 2 이상의 알루미늄계 도금강판의 Ac3 중, 가장 높은 Ac3 온도 이상에서 페라이트가 형성되지 않는 성분계로 이루어지며,
    상기 이음부의 평균 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 강판은 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 및 보론(B) 중 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도금층은, 상기 베이스 강판의 표면에 형성되며 알루미늄(Al)을 80 중량% 이상 포함하는 표면층; 및
    상기 표면층과 베이스 강판 사이에 형성되며 알루미늄-철(Al-Fe) 및 알루미늄-철-실리콘(Al-Fe-Si) 금속간 화합물을 포함하며, 철(Fe)을 20~70 중량% 포함하는 합금화층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핫스탬핑 성형 후 상기 이음부는,
    마르텐사이트를 90 면적% 이상 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크.
  5. 2 이상의 알루미늄계 도금강판 중 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치하는 강판 정렬 단계; 및
    상기 알루미늄계 도금강판이 서로 마주보는 부위에 필러 와이어가 제공되고, 레이저 헤드에서 레이저 빔을 조사하여, 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 필러 와이어를 용융하여 이음부를 형성하는 강판 접합 단계;를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법이며,
    상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합되며,
    상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW이며, 상기 이음부의 형성 속도는 15~170mm/sec 이고,
    상기 알루미늄계 도금강판은 탄소(C) 0.01~0.5 중량%, 실리콘(Si) 0.01~1.0 중량%, 망간(Mn) 0.5~3.0 중량%, 인(P) 0 초과 0.05 중량% 이하, 황(S) 0 초과 0.01 중량% 이하, 알루미늄(Al) 0 초과 0.1 중량% 이하, 질소(N) 0 초과 0.001 중량% 이하, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 베이스 강판; 및 상기 베이스 강판의 적어도 일면에 20~100g/m 2의 부착량으로 형성되며, 알루미늄(Al)을 포함하는 도금층;을 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 알루미늄계 도금 블랭크를 Ac3 이상으로 가열하여 프레스 성형을 하고, 300℃ 이하까지 10~500℃/s의 냉각속도로 냉각하여 핫스탬핑 성형한 경우,
    상기 이음부의 평균 경도는, 상기 베이스 강판의 평균 경도 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 필러 와이어는 오스테나이트 안정화 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 패턴은 상기 레이저 빔이 조사시, 상기 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 이음부 형성 속도는 15~120mm/sec이고,
    상기 레이저 빔의 주파수, 레이저 빔 반경 및 상기 이음부 형성 속도는 하기 식 1의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조방법:
    [식 1]
    Figure PCTKR2020016350-appb-img-000011
    (상기 식 1에서, 상기 α는 0.7이고, 상기 f는 상기 레이저 빔의 주파수(Hz), 상기 r은 알루미늄계 도금강판의 표면에서 측정한 상기 레이저 빔의 반경(mm) 및 상기 v는 상기 이음부의 형성 속도(mm/sec)이다).
  10. 2 이상의 알루미늄계 도금강판이 서로 연결된 이음부를 포함하는 알루미늄계 도금 블랭크의 제조장치에 있어서,
    레이저 광원을 생성하는 레이저 발진부;
    2 이상의 알루미늄계 도금강판이 배치되되, 하나의 도금강판의 가장자리와 다른 하나의 도금강판의 가장자리를 서로 마주보도록 배치되는 강판 로딩부;
    상기 도금강판의 이음부를 형성하기 위한 필러 와이어를 공급하는 와이어 공급부; 및
    상기 레이저 발진부로부터 공급된 레이저 광원을 이용하여 상기 알루미늄계 도금강판의 서로 마주보는 부위 및 상기 공급된 필러 와이어에 레이저 빔을 조사하는 레이저 헤드;를 포함하며,
    상기 강판 접합시, 상기 이음부의 형성 방향을 기준으로 소정 각도의 패턴을 이루도록 레이저 빔을 조사하여 접합되며,
    상기 레이저 빔은 주파수 100~1500Hz, 파워 1~20kW 이며, 상기 이음부의 형성 속도는 15~170mm/sec 인 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 패턴은 상기 레이저 빔이 조사시, 상기 강판 로딩부의 도금강판 및 레이저 헤드 중 하나 이상이 운동하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 알루미늄계 도금 블랭크 제조장치.
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