KR102017103B1 - 핫스탬핑 부품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

500Mpa급 또는 그 이상의 초고강도를 갖는 핫스탬핑 부품의 트리밍 방법이 소개된다. 그 방법은 가열된 블랭크를 프레스 성형기 내에서 성형하는 단계; 및 성형된 블랭크를 프레스 성형기로부터 취출 후 이어서 트리밍 금형에서 절단하는 단계;를 포함한다. 트리밍 시 블랭크 온도는 170~350℃일 수 있다.

Description

핫스탬핑 부품의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HOT-STAMPED PARTS}

본 발명은 차량용 부품, 특히 핫스탬핑에 의해 1500Mpa급 또는 그 이상의 초고강도를 갖는 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

연비 규제나 안전법규의 강화 등으로 차량 부품의 경량화 및 고강도화에 대한 요구가 매우 높다. 그 결과 인장강도 1 GPa급의 초고강도강 부품의 상용화가 이루어졌고, 최근에는 2 기가급 강의 개발까지 추진되고 있다.

일반적으로 강판의 강도가 증가하면 연신율이 저하되어 가공성이 떨어진다. 이 문제의 해결을 위해 제안된 기술들 중 하나가 핫스탬핑 기술이다. 핫스탬핑 기술은 1970년대에 영국특허 제1490535호를 통해 공개되었다.

핫스탬핑 기술은 강판을 고온, 예로서 900℃ 이상으로 가열 후 프레스 성형함과 동시에 급냉하여 고강도 강부품을 제조하는 것을 특징으로 한다. 핫스탬핑의 소재로는 0.2중량% 내외의 탄소와, 열처리 성능 향상 위한 원소로 Mn, B 등을 함유하는 이른바 보론강이 사용된다.

핫스탬핑은 공정이 고온에서 이루어지므로 강판 표면의 산화가 문제된다. 이의 해결을 위해 제안된 것이 Al 도금강판이다. Al 도금강판에 관해서는 미국특허 제6296805호가 참고될 수 있으며, 대표적인 Al 도금강판의 예로는 22MnB5 보론강에 기반한 Usibor 1500이 있다.

(22MnB5의 개략적인 조성, 단위는 wt%)

C	Mn	Si	S	Cr	Al	B	Ti
0.21 ~0.25	1.10 ~1.35	0.15 ~0.40	≤ 0.010	0.10 ~0.25	≤ 0.080	0.0015 ~0.0040	0.15 ~0.045

핫스탬핑된 부품은 트리밍이 문제된다. 통상적인 차량 부품은 트리밍 금형을 이용하여 절단되나, 인장강도가 1500Mpa에 이르는 핫스탬핑 부품은 트리밍 금형을 이용하여 절단이나 피어싱 등을 하기에는 강도가 너무 높다.

핫스탬핑된 부품을 트리밍 금형을 이용하여 절단하기 위해서는 고가의 초고경도 공구강이 필요하다. 그러나 이마저도 트리밍 툴의 잦은 파손으로 인하여 양산에 적용하기에는 한계가 있다. 현재 핫스탬핑된 부품의 트리밍에는 레이저가 이용되고 있다.

레이저 절단기는 고가일 뿐만 아니라, 절단에 부품당 60초 정도의 시간이 소요되기에 생산성이 좋지 못하다.

한국공개특허 제2014-0077005호에서는 레이저 트리밍의 비효율성을 극복하기 위한 방안으로, 강판을 650~950℃에서 프레스 성형하면서 1차로 트리밍 라인에 전단변형을 시킨 후 2차로 상온에서 트리밍 라인을 따라서의 절단을 완료할 것을 제안하였다.

한국공개특허 제2014-0077005호의 방법은 불가능하지는 않겠으나, 양산 적용에 어려움이 있다. 이 특허에 의하면 프레스 성형기의 구성이 복잡지는 것은 물론, 트리밍이 깔끔하게 이루어지지 못하여 절단면을 후가공 해야할 가능성이 매우 높다.

한국특허 제1575557호에서는 강판을 프레스 성형하면서 트리밍을 완료하는 방안을 제안하였다. 이 특허에서 제시한 바람직한 트리밍 온도는 500~600℃이다.

상기 한국특허들은 고온에서 오스테나이트상을 갖는 강판이 마르텐사이트상으로 변태되기 전, 아직 강판의 강도가 낮을 때 트리밍을 부분적으로 혹은 완전히 완료하고자 하는 것이다. 하지만 이들 특허에 의할 경우, 프레스 성형기의 구성이 복잡해지고 절단 품질도 보장되지 않는다.

현재 인장강도 1500Mpa급의 핫스탬핑 부품은 레이저 트리밍된다. 프레스 성형기에서 성형이 완료된 부품들은 성형기 부근에 적재되어 상온으로 냉각된 후, 일괄 이송되어 트리밍 라인에서 레이저 트리밍된다.

본 발명은 위와 같은 종래기술에 대한 인식에 기초한 것으로 1500Mpa급 또는 그 이상의 초고강도 핫스탬핑 부품을 경제적으로 트리밍 및 제조할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 레이저 트리밍을 대체할 수 있도록 생산성이 우수하며 비용 절감이 가능한 핫스탬핑 부품의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 반드시 위에 언급된 사항에 국한되지 않으며, 미처 언급되지 않은 또 다른 과제들은 이하 기재되는 사항에 의해서도 이해될 수 있을 수 있을 것이다.

위 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 핫스탬핑 부품의 제조방법은, 가열된 블랭크를 프레스 성형기 내에서 성형하는 단계; 및 성형된 블랭크를 200℃를 초과하는 온도에서 프레스 성형기로부터 취출 후 이어서 블랭크의 온도가 170℃ 미만으로 떨어지기 전에 트리밍 금형에서 절단하는 단계;를 포함한다.

실시예에 의하면 절단 시 블랭크의 온도는 170~350℃, 바람직하게는 190~320℃, 더 바람직하게는 195~310℃이다.

종래에 있어 핫스탬핑 시 블랭크를 프레스 성형기에서 100~200℃로 냉각된다. 그래야 한다는 것은 핫스탬핑 분야에서는 당연한 상식이고, 이 상식에 대해서 지금까지 아무도 의문을 제기한 바 없었다.

종래기술에 따르면 프레스 성형기에서 200℃ 이하, 실제로는 150℃ 정도로 냉각된 블랭크는 프레스 성형기 주변에 적재되어 상온까지 냉각되며, 이후 트리밍 라인으로 이송되어 레이저 커팅된다.

22MnB5 보론강의 마르텐사이트 변태 종료온도(Mf)는 대략 220~230℃이다. 연속냉각변태로 인해 블랭크의 Mf는 다소 상승할 수 있을 것이나, 핫스탬핑 시 블랭크를 150℃로 냉각함에 의해 거의 100%에 이르는 마르텐사이트상을 얻을 수 있다고 믿어져왔다.

그러나 본 발명의 실시예에 의하면 블랭크는 프레스 성형기에서 200℃ 이하 온도까지 냉각될 필요가 없다. 블랭크는 200℃를 초과하는 온도에서 프레스 성형기로부터 취출될 수 있으며, 이어서 트리밍 금형으로 이송되어 190~350℃, 바람직하게는 190~320℃, 더 바람직하게는 195~310℃ 온도범위에서 절단될 수 있다.

프레스 성형 후 이어서 트리밍을 수행하는 것이 중요하다. 프레스 성형 후 상온까지 냉각된 블랭크를 다시, 예로서 190~350℃ 온도로 가열되더라도, 전단하중의 감소는 미미하다.

본 발명은 핫스탬핑에 의해 1500Mpa급 인장강도가 얻어지는 보론강 블랭크가, 프레스 성형 후 대략 195~310℃에서, 전단하중이 인장강도 1180Mpa급 부품의 전단하중 수준(이하, 편의 및 직관적인 단순 비교를 위해 전단하중과 인장강도의 단위를 함께 혼용한다)으로 저하되며, 이 온도범위에서 트리밍 및 공냉되더라도 거의 100% 마르텐사이트상을 갖는 1500Mpa급의 초고강도 부품을 얻을 수 있다는 새로운 발견에 기초한다.

핫스탬핑 시 블랭크를 200℃ 이하까지 냉각시켜야 한다는 기존의 확고한 믿음에 비추어 볼때, 본 발명에 이르기 위해서는 본 발명의 방식이 핫스탬핑된 부품에 마르텐사이트 외에 이상(異相)을 야기하여 부품의 강도나 연신율을 저하시키거나, 품질이 불균일 할 것이라거나, 그 온도범위에서 트리밍 하중이 크게 감소되지 않을 것이라는 등의 고정관념의 극복이 요구된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 트리밍 온도의 하한은 190℃ 수준 이하, 170℃까지 내려갈 수 있다. 프레스 성형 후 170℃ 부근에서 부품의 전단하중은 1300Mpa 중반급 수준을 나타낸다. 1180Mpa급보다 강도가 높은 편이나, 인장강도 1500Mpa급 부품을 트리밍 금형으로 절단하는 것보다는 훨씬 수월하며, 양산 적용 시 경제성도 어느 정도 확보할 수 있을 것으로 생각된다. 종래에 있어 블랭크를 프레스 성형 후에 곧 이어 트리밍 금형을 이용하여 절단 작업을 수행한 예는 없었다.

지금까지 위와 같은 고정관념을 넘어선 시도는 없었다. 단지 앞서 살펴본 한국공개특허 제2014-0077005호, 한국특허 제1575557호에서와 같이 마르텐사이트 변태 전에 성형과 동시에 트리밍을 하려는 시도 정도가 있었을 뿐이다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 1500Mpa급 또는 그 이상의 초고강도 핫스탬핑 부품을 경제적으로 트리밍할 수 있다. 트리밍 금형은 1회 스트로크 시간이 몇 초 정도로 짧아 생산성이 우수하며, 비용도 저렴하다.

또한 본 발명에 의하면 종래 자동차 강판이나 부품의 절단에 사용되는 상용의 트리밍 금형을 별다른 설계변경 없이 그대로 사용할 수 있으며, 고비용의 레이저 트리밍을 금형을 이용한 트리밍으로 대체할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 공정을 보인 흐름도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 장치의 구성을 설명하기 위한 개략도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 1차 트리밍 온도에 따른 시험시편의 전단하중 변화를 보인 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 2차 트리밍 온도에 따른 시험시편의 전단하중 변화를 보인 그래프이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 도면들에서 동일한 구성요소 또는 부품들은 설명의 편의를 위해 가능한 한 동일한 참조부호로 표시된다.

도 1 내지 도 2를 참조하여 실시예에 따른 핫스탬핑 부품의 제조공정을 살펴본다.

블랭크 가열(S1)

블랭크의 소재로는 22MnB5 보론강이 사용될 수 있다. 하나의 예로서 아르셀로미탈에서 제안한 Usinbor 1500의 Al 도금강판이 사용될 수 있다.

(Usibor 1500의 개략적인 조성, 단위는 wt%)

C	Mn	Si	S	Cr	Al	B	Ti
0.2 ~0.25	1.10 ~1.35	0.15 ~0.35	≤ 0.008	0.15 ~0.30	0.02 ~0.06	0.002 ~0.004	0.02 ~0.05

블랭크의 가열에는 전기로, 가스로, 미국공개특허 제2010/0086002호에서 제안된 것과 같은 하이브리드 가열로 등이 이용되거나, 직접적인 통전에 의한 저항가열, 고주파 가열 등 핫스탬핑에 적용 가능한 다양한 가열방식이 이용될 수 있다.

블랭크는 오스테나이트화 온도(A₃), 예로서 880~950℃로 가열될 수 있다. 하나의 예로서 블랭크는 상온에서 페라이트-펄라이트(ferritic-pearlitic) 미세구조를 가질 수 있으며, 오스테나이트화 온도 이상에서 오스테나이트 단일상을 가질 수 있다.

프레스 성형 및 냉각(S2)

가열된 블랭크는 프레스 성형기에서 성형과 함께 급냉된다. 성형개시온도는 블랭크의 마르텐사이트 변태 시작온도(Ms) 이상의 600~900℃, 바람직하게는 650~850℃ 정도이다.

위 온도범위에서 블랭크는 성형 개시되어 Ms 이하 온도로 전체적으로 냉각된다.

블랭크의 냉각속도는 25℃/sec 이상, 바람직하게는 27℃/sec 이상, 더 바람직하게는 30℃/sec 이상이다. 냉각채널을 갖는 프레스 성형기 내에서 블랭크는 약 200℃/sec의 속도로 급냉될 수 있다.

급냉된 블랭크는 200℃를 초과하는 온도, 바람직하게는 220~350℃의 온도에서 프레스 성형기로부터 취출되어, 프레스 성형기 후단에 배치된 트리밍 금형으로 이송된다. 블랭크는 로봇을 이용하여 상온 대기조건에서 이송될 수 있다.

한편 프레스 성형기에서 급냉된 블랭크는 200℃ 이하에서 취출될 수도 있을 것이다. 프레스 성형된 블랭크를 170℃에서 트리밍하는 경우 전단하중이 1300Mpa 중반대이므로, 성형된 블랭크의 강도가 조금 높긴 하지만, 트리밍 금형의 적용이 가능할 수 있다.

트리밍(S3~S4)

트리밍은 성형된 부품의 가장자리를 원하는 형상라인을 따라 커팅하는 것으로, 별도로 설명되지 않았지만 트리밍 과정에 피어싱 등이 함께 수행될 수 있다.

프레스 성형에 이어 블랭크는 트리밍 금형에서 절단, 즉 트리밍된다. 트리밍 시 블랭크 온도는 170~350℃, 바람직하게는 190~350℃, 더 바람직하게는 190~320℃, 더 바람직하게는 195~310℃이다. 1180Mpa 이하의 전단하중을 목표로 할 경우, 안전하게는 200~300℃의 범위에서 트리밍 공정을 수행할 수 있다.

트리밍 시 블랭크 온도가 195℃ 미만, 특히 190℃ 미만인 경우, 블랭크 전단하중은 1300Mpa 중후반급으로 증가한다. 트리밍 시의 블랭크 온도가 350℃를 초과하는 경우, 1500Mpa 급의 인장강도가 얻어지지 않는다. 또한 트리밍 온도가 상승하는 경우 열부하로 인해 트리밍 툴의 손상이 문제되므로, 트리밍 시의 블랭크 온도는 320℃, 더 바람직하게는 310℃ 이하, 더 바람직하게는 300℃ 이하이다.

트리밍은 부품에 따라서는 1회로 완료될 있으나, 칩(chip)의 분리나 절단라인을 고려하여 2회 또는 그 이상에 걸쳐 수행될 수 있다. 도 2에서 보듯이, 프레스 성형기(200) 후단에 2개의 트리밍 금형(300,400)이 순차 배치될 수 있다.

도 1에서 보듯이, 1차 트리밍 시 블랭크 온도는 220~320℃, 2차 트리밍 시 블랭크 온도는 190~300℃일 수 있다.

위 온도 조건은 프레스 성형기(200)과 1차 트리밍 금형(300) 사이, 그리고 제1 및 제2 트리밍 금형(300,400) 사이의 이송시간, 각 트리밍 금형에서의 절단시간, 각종의 가능한 시간 지연, 핫스탬핑 부품의 품질 등을 고려하여 최적 조건이 도출된 것이다. 블랭크의 온도를 트리밍 온도 범위로 유지하기 위한 수단은 별도로 고려되지 않았다.

트리밍 금형들(300,400)에는 위 온도조건의 체크를 위해 각각 온도센서가 장착될 수 있다. 블랭크의 온도를 위 조건으로 유지하기 위한 히터의 장착이 고려될 수 있으나, 다수의 실험결과에 의하면 히터 장착은 필요없다. 히터의 장착을 위해서는 상용의 트리밍 금형에 대한 설계변경이 필요하고, 이는 제조 및 유지비용의 상승을 야기하므로, 크게 선호되지는 않는다.

도 3 및 도 4를 참조하여 실시예에 따른 트리밍 온도 조건에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다. 다수의 실험예 중 설명을 위해 일부만 발췌하여 나타낸 것임이 이해될 필요가 있다. 실험에는 인장강도 1500Mpa급 22MnB5 보론강 소재의 Al 도금강판 시편이 사용되었다.

도 3은 1차 트리밍 시의 블랭크 온도별 전단하중 변화를 보인 그래프이다. 도 3에서 보듯이, 240~310℃의 온도범위에서 시편들의 전단하중은 1180Mpa 이하 수준으로 유지된다. 조성에 따라 다소 다를 수 있겠으나, 프레스 성형 후 블랭크 온도가 320℃, 더 나아가 330℃, 더 나아가서는 350℃에서 시편들은 1180Mpa 이하 전단하중을 보이고, 상온 냉각 시 1500Mpa급의 인장강도를 보인다.

도 4는 2차 트리밍 시의 블랭크 온도별 전단하중 변화를 보인 그래프이다. 도 4에서 보듯이, 195~290℃의 온도범위에서 시편들의 전단하중은 1180Mpa 이하로 유지된다. 블랭크의 온도 유지를 위해 2차 트리밍 금형에 히터가 설치된 경우, 위 온도범위는 변경될 수 있을 것이다.

위의 1차 및 2차 트리밍의 완료 후 공냉된 부품은 목표로 했던 1500Mpa 급, 보다 구체적으로는 1480Mpa 이상의 초고강도를 가지면서도 6% 이상의 연신율을 나타냈다. 이 결과는 실시예에 따라 핫스탬핑된 부품은 거의 100% 근접한 마르텐사이트상을 갖는다는 것을 보여준다.

한편 종래기술에 따라 프레스 성형기에서 200℃ 이하로 냉각된 후 상온까지 냉각된 핫스탬핑 부품은, 이후에 본 발명의 실시예에 따른 트리밍 온도범위로 재가열되더라도, 1400Mpa 중후반급의 강도가 유지되며 1180Mpa 수준의 강도 저하는 얻어지지 않는다.

이상 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명은 다양하게 수정 또는 변형될 수 있다는 것이 이해될 필요가 있다.

20: 프레스 성형기 30,40: 트리밍 금형

Claims (4)

1. (a) 블랭크를 해당 블랭크의 오스테나이트화 온도 이상으로 가열하는 단계;
   (b) 가열된 블랭크를 프레스 성형기 내에서 성형하는 단계, 여기서 블랭크는 600~900℃의 온도에서 성형 개시되어 25℃/sec 이상의 속도로 해당 블랭크의 마르텐사이트 변태 시작온도(Ms) 이하로 냉각됨; 및
   (c) 성형된 블랭크를 200℃를 초과하는 온도에서 프레스 성형기로부터 취출 후 이어서 블랭크의 온도가 170℃ 미만으로 떨어지기 전에 트리밍 금형으로 절단하는 단계, 여기서 절단 시 블랭크의 온도는 170~350℃임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 부품의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계에서 성형된 블랭크를 200℃를 초과하는 온도에서 프레스 성형기로부터 취출 후 이어서 트리밍 금형에서 블랭크를 절단할 때 블랭크 온도는 190~320℃인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 부품의 제조방법.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 (c) 단계에서 블랭크는 적어도 2개의 트리밍 금형을 이용하여 절단되며,
   프레스 성형 후 첫 번째 트리밍 금형에서 절단되는 블랭크의 온도는 220~320℃이며, 두 번째 트리밍 금형에서 절단되는 블랭크 온도는 190~300℃이고,
   트리밍 금형들 사이에 이송되는 과정이나 각 트리밍 금형에서의 절단 과정에 블랭크는 가열되지 않는 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 부품의 제조방법.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 (c)단계에서,
   블랭크는 220~350℃의 온도에서 프레스 성형기로부터 취출되며, 절단 시 블랭크의 온도는 190~320℃인 것을 특징으로 하는 핫스탬핑 부품의 제조방법.

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