KR20170007355A - 금속 코팅을 갖는 강 시트의 열간 성형에 의해 성형되는 강 부품을 제조하는 방법, 이러한 강 시트, 및 열간 성형 공정에 의해 상기 강 시트로부터 제조된 강 부품 - Google Patents

금속 코팅을 갖는 강 시트의 열간 성형에 의해 성형되는 강 부품을 제조하는 방법, 이러한 강 시트, 및 열간 성형 공정에 의해 상기 강 시트로부터 제조된 강 부품 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속 코팅을 가지며 가열되고 나서 이어서 열간 성형 공정에 의해 강 부품으로 성형되는 강 시트로부터 3차원적으로 성형된 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 이때 사용되는 강 시트는 금속 코팅으로서 Fe-Al-기반 합금을 갖는다. 강 시트 또는 강 부품을 스케일 형성으로부터 보호하기 위해, Fe-Al-기반 합금은 갈바니 코팅 공정 및/또는 물리적 증기상 증착에 의해 강 시트 상에 직접 적용되고, 여기서 이러한 방식으로 제조된 코팅은 30 내지 60 중량%의 Fe, 잔여부의 Al, 및 임의로 0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는 0.1 내지 5 중량%의 Ti 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Si 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Ca를 함유하고, 합금은 열간 성형 공정을 위해 수행될 코팅된 강 시트의 가열 공정 전에 900℃ 초과에 대해 안정한 Fe-Al 상을 갖는다. 또한, 본 발명은 열간 성형 공정에 의해 제조되는 하나 이상의 강 부품을 제조하기 위한 상응하게 코팅된 강 시트에 관한 것이다.

Description

금속 코팅을 갖는 강 시트의 열간 성형에 의해 성형되는 강 부품을 제조하는 방법, 이러한 강 시트, 및 열간 성형 공정에 의해 상기 강 시트로부터 제조된 강 부품 {METHOD FOR PRODUCING A STEEL COMPONENT WHICH IS SHAPED BY HOT-FORMING A STEEL SHEET WHICH HAS A METAL COATING, SUCH A STEEL SHEET, AND A STEEL COMPONENT PRODUCED FROM SAID STEEL SHEET BY MEANS OF A HOT-FORMING PROCESS}
본 발명은 금속성 코팅을 가지며 가열되고 나서 이어서 열간 성형에 의해 강 부품으로 형성되는, 금속성 코팅으로서 Fe-Al-기반 합금을 갖는 강 시트로부터 3차원적으로 성형된 강 부품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 추가로 열간 성형에 의해 제조되는 하나 이상의 강 부품을 제조하기 위한, Fe-Al-기반 합금으로 구성된 금속성 코팅이 제공된 강 시트에 관한 것이다. 부가적으로, 본 발명은 이러한 유형의 강 시트의 열간 성형에 의해 제조된 성형된 강 부품에 관한 것이다.
강은 산소-함유 분위기에서 약 500℃ 초과의 온도로 가열되면, 소위 스케일로서 공지되어 있는 산화물 층이 강 표면 상에 형성된다. 스케일 형성은 큰 문제를 일으키기 때문에 일반적으로 바람직하지 않다. 따라서, 강 시트의 성형 동안의 스케일의 압입에 의해 표면 자국 및 불만족스럽거나 심지어 허용 불가능한 표면 품질이 초래될 수 있다. 이의 높은 경도 때문에, 스케일은 성형될 강 시트를 운반하는 이송 롤러 및 또한 성형 도구의 마모를 증가시킨다. 스케일을 제거하려고 하면 부가적인 비용이 유발된다.
본 발명의 목적은 스케일 형성 문제를 상당 부분 회피하는, 서두에 언급된 유형의 방법을 제공하는 것이다. 특히 본 발명의 목적은 스케일에 대해 보호를 제공하는 금속성 코팅이 제공되고 부품이 열간 성형을 통해 제조되도록 특수하게 설계된 강 시트를 이용 가능하게 하는 것이다.
방법의 측면에서, 이러한 목적은 청구항 제1항에 명시된 특징을 갖는 방법에 의해 달성된다. 본 발명의 방법의 유리하고 바람직한 실시양태는 제1항을 인용하는 청구항에 명시된다. 강 시트의 측면에서, 상기에 언급된 목적은 청구항 제7항에 명시된 특징을 갖는 강 시트에 의해 달성된다. 본 발명의 강 시트의 유리하고 바람직한 실시양태는 제7항을 인용하는 청구항에 명시된다.
강 시트 또는 이로부터 열간 성형(프레스 경화)에 의해 제조된 강 부품을 스케일 형성으로부터 보호하기 위해, Fe-Al-기반 합금이 갈바니 코팅 공정 및/또는 물리 증착에 의해 강 시트에 직접 적용되고, 여기서 이러한 방식으로 제조된 코팅은 30 내지 60 중량%의 Fe, 잔여부의 Al 및 임의로 0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는 0.1 내지 5 중량%의 Ti 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Si 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Ca를 함유하고, 심지어는 열간 성형을 위해 수행될 코팅된 강 시트의 가열 전에도, 900℃ 초과에 대해 안정한 Fe-Al 상을 갖는다.
"예비 어닐링"에 의해 제조된 금속간 합금 층을 갖는 코팅과 대조적으로, Fe-기반 또는 Fe-Al-기반 합금이 본 발명에 따라 직접 적용된다. 갈바니 코팅 공정 및 물리 증착(PVD 공정으로서 공지됨)은 이러한 목적에 특히 적합하다. 상기 공정은 둘 다 연속 코팅 공정을 허용한다. 두 가지 코팅 공정의 조합 및 또한 고온 침지 공정과의 조합은 Fe-Al-기반 코팅의 달성에 있어서 본 발명의 범주 내에 있다.
본 발명에 따른 코팅은 하기 이점을 갖는다:
1. 코팅과 열간 성형 설비의 퍼니스 부품들(furnace components), 특히 세라믹 이송 롤러의 반응은 안정화된 Fe-Al 상에 의해 방지된다. 이로 인해 코팅된 강 시트의 표면 품질에 긍정적인 영향이 미치고 퍼니스의 정비 필요성이 감소된다.
2. 사전에 예비합금화된 코팅은 개선된 방사(흡수능)로 인해 훨씬 더 빠르게 가열될 수 있고, 이로 인해 열간 성형 공정은 단축 가능하게 된다. 이로 인해 제조된 프레스-경화된 강 부품에 있어서 생산성의 증진 및 제조 비용의 감소가 초래된다.
3. 성형 도구의 마모는 미처 완전히 합금화되지 않은 ("반죽 같은") 코팅 성분으로 인한 고결(bake-on) 물질의 감소에 의해 감소된다. 이로 인해 또한 종료 시간이 단축되고 비용이 절감된다.
임의적 합금화 성분인 마그네슘, 티탄, 규소, 리튬 및 칼슘은 철보다 더 높은 부식 전위를 가지며, 이로 인해 프레스-경화된 코팅의 임의의 손상된 영역에서 특정한 정도의 캐소드화 보호가 달성된다. 알루미늄과의 저융점 상의 형성 경향 및 이와 연관된 액체 상 유발된 균열 위험 때문에, 아연은 본 발명의 코팅에서 합금화 원소로서 사용되지 않는다.
본 발명의 특정한 실시양태는 Fe-Al-기반 합금이 28 중량% 이상의 Al, 특히 바람직하게는 38 중량% 이상의 Al을 함유하는 것을 특징으로 한다. 이로 인해 기본 물질에 해로운 영향이 미치지 않고서 스케일 형성에 대한 보호 효과가 증진된다.
본 발명의 추가의 유리한 실시양태에서, Fe-Al-기반 합금은 0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는 0.1 내지 5 중량%의 Ti를 함유한다. 합금화 성분인 마그네슘 및 티탄은 코팅의 표면에 긍정적인 영향을 미친다. 실험을 통해, 첫째로 감소된 기본 조도 (Ra, Rz)로 인한 개선된 부식 보호를 초래하고 둘째로 증가된 피크 카운트 (RPc)를 제공함으로써 전기영동 코팅 공정에서 적용되는 표면 코팅의 접착을 개선하는 최적의 조도가 추가의 공정 윈도우에서 설정된다는 것을 알게 되었다.
추가의 바람직한 실시양태에서 Fe-Al-기반 합금이 0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Ca를 함유하는 것이 또한 유리하다. 실험을 통해, 이에 의해 캐소드화 부식 보호가 현저하게 개선될 수 있다는 것을 알게 되었다. 이는 특히 마그네슘의 첨가에도 적용된다.
추가의 바람직한 실시양태에서 Fe-Al-기반 합금이 20 중량% 이하, 특히 15중량% 이하, 바람직하게는 12 중량% 이하의, Mg, Ti, Si, Li 및 Ca로 이루어진 군으로부터의 합금화 원소를 함유할 때, 스케일 형성 및 부식에 대한 보호 효과에 있어서 특히 우수한 결과가 달성될 수 있다.
PVD 공정의 사용 전 사전에 코팅된 또는 코팅되지 않은 강 기재의 열 처리, 또는 250 내지 500℃로의 후속적인 가열로 인해, 층 접착의 개선이 이루어진다. 고온 침지 코팅이 이어지는 경우에, 부가적인 가열이 불필요해진다.
매우 우수한 기계적 특성을 갖는 중량-감소된 강 부품을 제조하기 위해, 본 발명의 방법의 추가의 실시양태에서, 강 시트는 열간 성형 동안에 및/또는 열간 성형 후에 급속 냉각에 의해 경화될 수 있다.
본 발명은 하기에 실시예(실험)를 통해 예시될 것이다.
실험 1:
기본 물질, 예를 들어 유형 22MnB5의 프레스-경화 가능한 강을 연속 코팅 공정에서 물리 증착(PVD)을 통해 약 60 중량%의 Al 및 약 39 중량%의 Fe + 약 1 중량%의 Ti로 코팅하였다. 이를 전자 빔 증발기에 의한 철과 티탄의 동시 증착 및 개별 열적 PVD 공정 단계에서의 알루미늄의 증착을 통해 달성하였다. 약 8 ㎛의 층 두께를 수득하였다. 이러한 층을 후속하여 연속 퍼니스에서 약 500℃에서 약 60초의 처리 시간(유지 시간) 동안에 열적으로 후-치밀화시켰다. 열적 후-치밀화는 층의 접착 및 또한 고체 확산에 의한 초기 합금 형성을 개선하는 역할을 한다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 강 스트립을 후속적으로 소비자에 따른 추가의 공정에 따라 절단하여 금속 블랭크를 수득하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3분으로 단축된 가열 상에서, 약 55 중량%의 Fe 및 약 45 중량%의 Al을 함유하는 금속성 코팅 (코팅) 및 또한 단지 약 150 ㎚의 두께를 갖는 산화알루미늄 및 산화티탄 층이 형성되었다. 코팅은 추가의 가공, 특히 페인팅에 매우 적합한 기본 조도 Ra = 0.8 내지 1　㎛ 및 RPC = 150 내지 200을 가졌다.
연속 퍼니스의 세라믹 이송 롤러 또는 성형 도구 중 어느 것에서도 알루미늄의 고결은 관찰되지 않았다는 것이 밝혀졌다.
놀랍게도, 알루미늄-규소 코팅을 갖는 참조용 시트에 비해 감소된 기본 조도가 전기영동 코팅 공정에서 코팅된 강 부품 상에서의 부식 보호의 개선을 초래한다는 것이 또한 밝혀졌다.
실험 2:
기본 물질, 예를 들어 유형 22MnB5의 프레스-경화 가능한 강을 연속 코팅 공정에서 물리 증착을 통해 약 50 중량%의 Al 및 약 45 중량%의 Fe + 약 5 중량%의 Mg로 코팅하였다. 이를 개별 도가니로부터의 제트-PVD에 의한 알루미늄과 마그네슘의 동시 증착 및 또한 분리 코팅 단계에서 전자 빔 증발에 의한 철의 증착을 통해 달성하였다. 이러한 방식으로 수득된 층 두께는 약 8 ㎛였다. 이러한 층을 후속적으로 연속 퍼니스에서 약 400℃에서 약 60초 동안에 열적으로 후-치밀화시켰다. 열적 후-치밀화는 층의 접착 및 또한 고체 확산에 의한 초기 합금 형성을 개선하는 역할을 한다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 강 스트립을 후속적으로 소비자에 따른 추가의 공정에 따라 절단하여 금속 블랭크를 수득하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3.5분으로 단축된 가열 상에서, 약 55 중량%의 Fe, 약 42 중량%의 Al 및 약 3 중량%의 마그네슘을 함유하는 금속성 코팅 및 또한 약 1 ㎛의 두께를 갖는 산화알루미늄 및 산화마그네슘 층이 형성되었다. 코팅은 추가의 가공, 특히 페인팅에 매우 적합한 기본 조도 Ra = 1 내지 2.2　㎛ 및 RPC = 100 내지 120을 가졌다.
연속 퍼니스의 세라믹 이송 롤러 또는 성형 도구 중 어느 것에서도 알루미늄의 고결은 관찰되지 않았다는 것이 밝혀졌다.
놀랍게도, 전기영동 코팅 공정에서 코팅된 부품에 대해 자동차 분야에서 전형적인 바와 같은 베인 자국 및 시트 가장자리의 검사에 의해 결정된 강 시트 내로의 부식 깊이는, 존재하는 마그네슘으로 인해, 표준 알루미늄-규소 코팅을 갖는 얇은 강 시트의 경우에서보다 훨씬 더 얕다는 것이 또한 밝혀졌다.
실험 3:
약 4 ㎛ 두께의 Fe 층을 먼저 전해를 통해 기본 물질, 예를 들어 유형 22MnB5의 프레스-경화 가능한 강에 적용하였다. 이어서, 기재를 350℃로 가열한 후에, 약 6 ㎛ 두께의 알루미늄-마그네슘 층을 열적 PVD 공정을 통해 적용하였다. 두 가지 합금화 성분(Al 및 Mg)을 두 개의 개별 도가니로부터 동시에 증착시켰다. 그 결과의 Al 층은 약 10 중량%의 Mg 함량을 가졌다. 이러한 층은 또한 일반적으로 프레스-경화된 부품의 강 기재 상에서의 장기간의 수동적 부식 보호를 제공한다.
이러한 방식으로 연속 스트립 코팅 공정에서 제조된 강 스트립을 후속적으로 소비자에 따른 추가의 공정에 따라 절단하여 금속 블랭크를 수득하고 프레스 경화 공정에 보냈다. 실험실 프레스 경화 퍼니스에서 6분으로부터 3.5분으로 단축된 가열 상에서, 약 60 중량%의 Fe, 약 37 중량%의 Al 및 약 3 중량%의 마그네슘을 함유하는 금속성 피복물(코팅) 및 또한 약 1 ㎛의 두께를 갖는 산화알루미늄 및 산화마그네슘 층이 형성되었다. 코팅은 추가의 가공, 특히 페인팅에 매우 적합한 기본 조도 Ra = 1 내지 2.2　㎛ 및 RPC = 100 내지 120을 가졌다.
연속 퍼니스의 세라믹 이송 롤러 또는 성형 도구 중 어느 것에서도 알루미늄의 고결은 관찰되지 않았다는 것이 밝혀졌다.
또한, 놀랍게도, 전기영동 코팅 공정에서 코팅된 부품에 대해 자동차 분야에서 전형적인 바와 같은 베인 자국 및 시트 가장자리의 검사에 의해 결정된 강 기재 내로의 부식 깊이는, 존재하는 마그네슘으로 인해, 표준 알루미늄-규소 코팅을 갖는 얇은 강 시트의 경우에서보다 훨씬 더 얕다는 것이 밝혀졌다.

Claims (12)

  1. 금속성 코팅을 가지며 가열되고 나서 이어서 열간 성형에 의해 강 부품으로 형성되는 강 시트로부터 3차원적으로 성형된 강 부품을 제조하는 방법이며, 이때 사용되는 강 시트는 Fe-Al-기반 합금을 금속성 코팅으로서 갖는, 방법에 있어서,
    상기 Fe-Al-기반 합금은 갈바니 코팅 공정 및/또는 물리 증착에 의해 강 시트에 직접 적용되고, 이때 이러한 방식으로 제조된 코팅은
    30 내지 60 중량%의 Fe,
    잔여부의 Al 및 임의로
    0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는
    0.1 내지 5 중량%의 Ti 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Si 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Ca
    를 함유하고, 심지어는 열간 성형을 위해 수행될 코팅된 강 시트의 가열 전에도 900℃ 초과에 대해 안정한 Fe-Al 상을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 28 중량% 이상, 바람직하게는 38 중량% 이상의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는 0.1 내지 5 중량%의 Ti를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Ca를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 20 중량% 이하의, Mg, Ti, Si, Li 및 Ca로 이루어진 군으로부터의 합금화 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 강 시트를 열간 성형 동안에 및/또는 열간 성형에 이어서 급속 냉각에 의해 경화시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 열간 성형에 의해 제조되는 하나 이상의 강 부품을 제조하기 위한, Fe-Al-기반 합금으로 구성된 금속성 코팅이 제공된 금속 시트에 있어서,
    상기 Fe-Al-기반 합금은 갈바니 코팅 공정 및/또는 물리 증착에 의해 강 시트에 직접 적용된 것이고, 이러한 방식으로 제조된 코팅은
    30 내지 60 중량%의 Fe,
    잔여부의 Al 및 임의로
    0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는
    0.1 내지 5 중량%의 Ti 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Si 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는
    0.1 내지 10 중량%의 Ca
    를 함유하고, 여기서 코팅은 심지어는 열간 성형을 위해 수행될 코팅된 강 시트의 가열 전에도 900℃ 초과에 대해 안정한 Fe-Al 상을 갖는 성질을 갖는 것을 특징으로 하는 강 시트.
  8. 제7항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 28 중량% 이상, 바람직하게는 38 중량% 이상의 Al을 함유하는 것을 특징으로 하는 강 시트.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 0.1 내지 10 중량%의 Mg 및/또는 0.1 내지 5 중량%의 Ti를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 시트.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 0.1 내지 10 중량%의 Li 및/또는 0.1 내지 10 중량%의 Ca를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 시트.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, Fe-Al-기반 합금이 20 중량% 이하의, Mg, Ti, Si, Li 및 Ca로 이루어진 군으로부터의 합금화 원소를 함유하는 것을 특징으로 하는 강 시트.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 강 시트의 열간 성형에 의해 제조된, 3차원적으로 성형된 강 부품.
KR1020167034268A 2014-05-12 2015-04-29 금속 코팅을 갖는 강 시트의 열간 성형에 의해 성형되는 강 부품을 제조하는 방법, 이러한 강 시트, 및 열간 성형 공정에 의해 상기 강 시트로부터 제조된 강 부품 Withdrawn KR20170007355A (ko)

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