KR20140090302A - 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일측면은 종래의 TWB 방식에 의해 확보되는 1500MPa 정도의 고강도부와 600MPa 정도의 저강도부를 갖는 열간프레스성형품 외에 다양한 강도의 조합을 가지는 열간프레스성형품을 제조하는 방법을 제공하고자 한다.

Description

다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING HOT PRESS FORMING PARTS HAVING VARIOUS DIFFERENT STRENGTH}

본 발명은 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 각 자동차 제조사들은 자동차에 부품을 적용함에 있어서 환경친화적인 연비절감 및 경량화를 위한 사회적 요구에 대응하기 위하여 고강도 소재의 이용을 늘려가고 있다. 하지만 고강도 소재의 성형은 스프링백 및 치수동결성 등의 문제점을 안고 있으며 이러한 성형의 난해성으로 인하여 그 사용이 제한적일 수 밖에 없는 것이 현실이다.

이러한 성형상 문제점은 소재를 성형성이 좋은 고온에서 성형하고, 성형과 동시에 금형 내에서 급냉하여 고강도 부품을 제조하는 방식으로 해결 할 수 있다. 이러한 방식을 열간프레스성형 공정이라고 한다. 이와 같은 공정에 의하면 통상 1500MPa의 강도를 갖는 부품을 성형할 수 있다.

그러나, 열간프레스성형 공정을 통하여 단일 강도만을 갖는 부품은 충돌 성능 등의 요구 성능을 만족시키기 위한 설계 측면에서 자유도가 떨어지게 되고, 이를 해결하기 위하여 상온성형에서 많이 사용되고 있는 맞춤재단용접(Tailor Welded Blanks, TWB) 기술을 접목한 열간프레스성형 기술이 개발되기도 하였다. 그러나 이러한 TWB 방식은 블랭크를 용접하는 공정이 추가되는 단점이 있으며, 용접부의 건전성이 부품 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 공정 관리 측면에서 많은 어려움을 안고 있다. 또한, 저강도부의 강도를 다양하게 제어하는 것이 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 일측면은 저강도부의 강도를 다양하게 제어할 수 있는 열간 프레스 성형품의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일측면인 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법은 다른 열처리 특성을 가지는 강을 2개 이상 준비하는 단계, 상기 준비된 강을 서로 맞춤재단용접을 행하여 블랭크를 제조하는 단계, 상기 제조된 블랭크 중 열처리에 의해 강도가 증가되는 강은 A3온도 이상으로 가열하여 고강도부를 형성하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 가열하여 저강도부를 형성하는 단계, 다른 온도로 가열된 상기 블랭크를 성형하는 단계 및 상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 영역별로 다양한 강도를 가지는 열간프레스성형품을 제공함으로써, 충돌성능이 최적화된 다양한 강도 조합의 이종강도 부품을 확보할 수 있다.

도 1은 저강도 부로써 TRIP780 소재와 고강도 부로써, PCT1470 각각에 대한 열처리 전후의 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신률(EL) 값을 나타낸 그림이다.
도 2는 저강도 부로써 DP590 소재와 고강도 부로써, DP780 각각에 대한 열처리 전후의 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신률(EL) 값을 나타낸 그림이다.

종래에는 맞춤재단용접 기술은 블랭크를 열처리 특성이 상이한 두 소재를 맞춤재단용접한 후 A₃ 이상의 온도로 가열, 성형 및 냉각 공정을 행하여 이종 강도 성형품을 확보하거나, 하나의 강으로 이루어진 단일 블랭크를 가열하는 단계에서 블랭크에 온도구배를 설정함으로써, 이종 강도 성형품을 확보하였다.

저강도부의 강도를 다양하게 제어하는 것이 어렵다는 문제가 있는 것을 발견하고 본 발명의 발명자들은 여러 가지 다양한 강도 조합의 이종 강도 성형품을 확보하기 위하여 하기와 같은 본 발명을 고안해 내었다.

이하, 본 발명의 일측면인 열간프레스성형품의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면인 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간 프레스 성형품의 제조방법은 다른 열처리 특성을 가지는 강을 2개 이상 준비하는 단계, 상기 준비된 강을 서로 맞춤재단용접을 행하여 블랭크를 제조하는 단계, 상기 제조된 블랭크 중 열처리에 의해 강도가 증가되는 강은 A3온도 이상으로 가열하여 고강도부를 형성하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 가열하여 저강도부를 형성하는 단계, 다른 온도로 가열된 상기 블랭크를 성형하는 단계 및 상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함한다.

본 발명의 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 블랭크는 조성이 상이하여 열처리 후 상이한 강도를 갖는 2 종류 이상의 강이 맞춤재단용접된 것이 바람직하다. 상기 블랭크에 적용되는 강은 특별히 한정되지 않으며, 이를 포함하는 상기 블랭크는 영역별로 강도를 달리하는 것이 필요한 부품에 적용될 수 있는 것이면 충분하다.

즉, 저강도부로 사용되는 강은 가공전의 강도가 설계강도에 대응하는 소재를 사용하고, 고강도부로 사용되는 소재로는 열처리에 의해 강도가 증가되는 강을 사용한다. 이에 따라, 다양한 이종 강도 분포를 가지는 열간 프레스 성형품을 제공할 수 있다.

또한, 상기 서로 다른 열처리 특성을 가지는 강은 서로 같은 두께를 가질 수도 있고, 서로 다른 두께를 가질 수도 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 열간 프레스 성형품을 제조하기 위한 블랭크의 강종은 특별히 한정되지 않으며, 영역별로 강도를 달리하는 것이 필요한 자동차용 부품에 적용될 수 있는 것이면 충분하다.

보다 바람직하게는 비도금재, Al-Si계 및 Zn계 도금물질로 도금된 블랭크이면 충분하다. 보다 더 바람직하게는 Al-Si계 및 Zn계 도금물질로 도금된 블랭크이면 충분하다.

상기와 같이 준비된 블랭크는 열처리에 의해 강도가 증가되는 강을 사용한 부분을 A₃ 이상의 온도로 가열하고, 나머지 부분을 A₁ 이하의 온도로 가열하는 것이 바람직하다.

상기 열처리에 의해 강도가 증가되는 강을 사용한 부분을 A₃ 이상의 온도로 가열함으로써, 충분한 오스테나이트 변태를 발생시켜 후속되는 급냉에 의해 열처리 후 마르텐사이트 조직을 충분히 확보하여 높은 강도를 확보할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 A₃ 이상의 온도로 가열하고 충분한 오스테나이트 변태가 이루어지도록 일정시간 유지한다. 이때, 블랭크내 온도의 균일성 확보, 블랭크 소재내 탄소의 확산을 촉진하여 최종 성형품의 강도 및 균일성을 확보하기 위하여 일정시간 유지하는 것이 바람직하다. 상기 유지시간을 특별히 한정하지 않으며, 상기와 같은 효과를 발현할 수 있을만한 시간 동안 행하는 것이 바람직하다.

상기 A₃ 이상의 온도로 가열된 영역 이외의 부분은 A₁ 이하의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. A₁ 이하의 온도영역에서 가열을 행하는 경우에는 가열에 의한 변태가 발생하지 않아 초기 원소재 강도에 의존하여 상기 A₃ 이상의 온도영역에서 가열한 영역과 대비하여 상대적으로 낮은 강도 또는 원하는 강도 형성이 가능하다.

상기와 같은 온도구배를 가지는 블랭크 전체에 대하여 열간프레스 성형을 행하고 냉각하는 공정을 행한다. 이와 같은 방법을 통하면 초기 블랭크의 온도가 상이하기 때문에 유사한 급속 냉각속도를 갖더라도 A₃ 이상으로 가열된 부분은 냉각 후 마르텐사이트 조직을 갖고, A₁ 이하로 가열된 부분은 냉각 후, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트의 조직을 갖게 되어 최종 물성이 다른 부품을 얻게 된다.

보다 바람직하게는 열처리에 의해 강도가 증가되는 강의 임계냉각속도 이상으로 냉각을 실시한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

(실시예 1)

저강도부로써 TRIP780를 고강도부로써 22MnB5를 준비한 후, 맞춤재단용접(TWB)한 블랭크를 준비하였다. 상기 TWB된 블랭크 중 저강도 영역인 TRIP780부분은 A₁ 이하의 온도로 가열하고, 고강도 영역인 PCT1470 부분은 A₃ 이상의 온도로 가열을 행한다. 그 후, 상기와 같은 온도구배를 유지한 채 성형 및 냉각을 실시하였다. 이때, 냉각속도는 50℃/초로 행하였다.

상기와 같은 강도 조합은 도 1에 나타난 바와 같이 저강도부는 800MPa, 고강도부는 1500MPa를 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 1에 나타난 바와 같이, 저강도 영역인 TRIP780을 A₃ 이상으로 가열 후 성형하면, 이 부위의 강도가 1400MPa로 올라가고 연신율은 10% 미만으로 떨어지는 문제가 있다. 반면 본 발명에서 제안하는 바와 같이 A₁ 이하로 가열 후 성형하는 경우 초기 물성을 유지하여 800MPa 수준에 연신율은 20% 이상을 확보하여 저강도부 에너지 흡수능을 확보할 수 있게 된다.

따라서, 저강도부로써, TRIP 780 소재를 사용하고, 고강도부로써, PCT1470 소재를 사용하여 TWB된 블랭크를 제조한 뒤, 저강도부를 A₁ 이하의 온도로 가열하고, 고강도부를 A₃ 이상의 온도로 가열한 후 성형과 냉각을 행하여 800MPa-1500MPa 강도의 조합을 확보할 수 있다.

(실시예 2)

저강도부로써 DP590를 고강도부로써, DP780을 준비한 후, TWB한 블랭크를 준비하였다. 상기 TWB된 블랭크 중 저강도 영역인 DP590부분은 A₁ 이하의 온도로 가열하고, 고강도 영역인 DP780부분을 A₃ 이상의 온도로 가열하였다. 상기와 같이 온도구배를 유지한 채 성형 및 냉각을 실시하였다. 이때, 냉각속도는 50℃/초로 행하였다.

상기와 같은 강도 조합은 도 2에 나타난 바와 같이 저강도부는 600MPa, 고강도부는 1200MPa를 갖는 것을 확인할 수 있다. 도 2에 나타난 바와 같이, 저강도 영역인 DP590을 A₃ 이상으로 가열 후 성형하면 이 부위의 강도가 1000MPa로 올라가고 연신율은 5% 수준으로 떨어지는 문제가 있다. 반면 본 발명에서 제안하는 바와 같이 A₁ 이하로 가열 후 성형하는 경우 초기 물성을 유지하여 600MPa 수준에 연신율은 20% 이상을 확보하여 저강도부가 에너지 흡수능을 확보할 수 있게 된다.

따라서, 저강도부로써, DP590 소재를 사용하고, 고강도부로써, DP780 소재를 사용하여 TWB된 블랭크를 제조한 뒤, 저강도부를 A₁ 이하의 온도로 가열하고, 고강도부를 A₃ 이상의 온도로 가열한 후 성형과 냉각을 행하여 600MPa-1200MPa 강도의 조합을 확보할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

1. 서로 다른 열처리 특성을 가지는 강을 2개 이상 준비하는 단계;
   상기 준비된 강을 서로 맞춤재단용접을 행하여 블랭크를 제조하는 단계;
   상기 제조된 블랭크 중 열처리에 의해 강도가 증가되는 강은 A3온도 이상으로 가열하여 고강도부를 형성하고, 나머지 부분에 대해서는 A₁ 이하의 온도로 가열하여 저강도부를 형성하는 단계;
   다른 온도로 가열된 상기 블랭크를 성형하는 단계; 및
   상기 성형된 블랭크를 냉각하는 단계를 포함하는 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간프레스성형품의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 냉각하는 단계에서 냉각은 열처리에 의해 강도가 증가되는 강의 임계냉각속도 이상으로 냉각하는 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간프레스성형품의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 서로 다른 열처리 특성을 가지는 강은 서로 다른 두께를 가지는 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간프레스성형품의 제조방법.
   
4. 제 1 항에 있어서, 상기 A3 이상으로 가열되는 부분은 성형 후 마르텐사이트 조직을 가지며, 상기 A1 이하로 냉각되는 부분은 성형후 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트 중에서 선택된 1종 이상의 조직을 갖는 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간프레스성형품의 제조방법.
   
5. 제 1 항에 있어서, 상기 블랭크는 Al-Si계 또는 Zn계 도금물질로 도금된 것인 다양한 이종 강도 영역을 갖는 열간프레스성형품의 제조방법.

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