KR101316321B1 - 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 ｂ 필러 부품 제조방법 및 이를 이용한 차량용 ｂ필러 부품 - Google Patents

Abstract

경화능을 가지는 강판을 성형하여 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적인 템퍼링에 의하여 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법에 관하여 개시한다.
본 발명은 경화능을 갖는 소재를 마련하는 소재마련 단계; 상기 소재를 가열하여 고온 성형성을 확보하는 가열 단계; 상기 가열된 소재를 금형 장치에서 프레스 성형하는 성형 단계; 상기 금형 장치를 닫은 상태에서 급냉하여 소재에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 강도향상 열처리단계; 및 소재의 인성이 요구되는 부위를 국부적으로 템퍼링 하여 국부적으로 강도를 감소시키고 인성을 증가시키는 인성향상 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법을 제공한다.

Description

국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 Ｂ 필러 부품 제조방법 및 이를 이용한 차량용 Ｂ필러 부품{B PILLAR HAVING HYBRID-STRENGTH FOR VEHICLE AND IT'S MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 경화능을 가지는 강판을 성형하여 부품을 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적인 템퍼링(tempering)에 의하여 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법에 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.

도 1은 자동차의 차체 구조와 B 필러 부분을 확대해서 나타낸 사시도이다.

차량의 B 필러(1)는 승용차량의 프런트 도어(front door)와 리어 도어(rear door) 사이에서 차체의 바닥면과 루프(roof)를 연결하는 부분을 말한다.

B 필러(1)는 하부(1b)는 상대적으로 낮은 인장강도가 요구되고, 상부(1a)는 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.

탑승객의 부상을 방지할 수 있는 안정된 공간을 확보하기 위하여 B 필러(1)의 상부(1a)는 형상이 유지되어야 하므로 고강도가 요구된다. B 필러(1)의 상부(1a) 강도가 확보되지 않으면 차량 전복될 경우 루프가 내려 앉아 탑승객의 안전에 큰 위협이 된다. 그러나 B 필러(1)의 하부(1b)는 변형이 되면서 충격에너지를 흡수해야 하므로 상대적으로 낮은 강도가 요구된다. B 필러(1)의 하부(1b)도 고강도를 가지게 되면 측면 충돌시 충돌에너지의 흡수가 이루어지지 않아 다른 구조재에 충격이 전달되기 때문이다.

구체적인 요구 강도는 차량의 종류나 형태에 따라 다르겠지만, B 필러(1)의 상부(1a)의 경우 약 1500MPa의 인장강도가 요구되는 반면에, B 필러(1)의 하부(1b)의 경우에는 약 600MPa의 인장강도가 요구된다.

종래에는 저강도의 소재로 부품을 형성한후, 고강도가 요구되는 부분에 별도의 보강재를 부착하는 방식을 사용하기도 하였으나, 하나의 부품이 구간적으로 다른 강도가 요구되는 경우 상부는 경화능이 높은 소재를 사용하고, 하부는 강도가 낮고 경화능이 낮은 소재를 사용하여 두 소재를 레이저로 용접하여 블랭크를 만들고 핫스탬핑 공정을 거쳐 최종 제품을 제작하고 있었다.

그런데, 이렇게 이종의 소재를 용접하여 사용하는 것은 용접공정 추가에 의한 제조비용 상승이 불가피하며, 특히 핫스탬핑 후 용접부에서 강도가 저하되거나 터짐이 발생하는 등의 심각한 문제발생 우려가 잔존하게 된다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여, 본 발명은 단일한 소재를 사용하여 구간 별로 다른 강도를 갖는 차량용 B 필러 부품을 제조할 수 있는 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 국부적으로 다른 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 별도의 용접없이 단일 소재를 사용하여 국부적으로 다른 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 고강도가 요구되는 부분의 미세조직은 마르텐사이트로 구성되고, 상대적으로 낮은 강도와 높은 인성이 요구되는 부분의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)로 구성되는 차량용 B 필러 부품을 제조하기 위한 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 경화능을 갖는 소재를 마련하는 소재마련 단계; 상기 소재를 가열하여 고온 성형성을 확보하는 가열 단계; 상기 가열된 소재를 금형 장치에서 프레스 성형하는 성형 단계; 상기 금형 장치를 닫은 상태에서 급냉하여 소재에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 강도향상 열처리단계; 및 소재의 인성이 요구되는 부위를 국부적으로 템퍼링 하여 국부적으로 강도를 감소시키고 인성을 증가시키는 인성향상 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법을 제공한다.

상기 인성향상 열처리 단계의 템퍼링(tempering) 온도는 300~400℃ 인 것이 바람직하며,

상기 인성향상 열처리 단계에서 템퍼링된 부분은 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직을 가지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 인성향상 열처리 단계는 유도 가열 방식을 사용하여 국부적으로 가열하는 방법을 사용하거나,

상기 인성향상 열처리 단계는 인성향상이 요구되는 부분을 가열함과 동시에, 나머지 부분을 냉각하는 방법을 사용할 수 있다.

또한, 상기 인성향상 열처리 단계에서의 냉각은 냉각유체의 분사에 의하여 이루어지거나, 냉매에 침지하여 이루어질 수 있다.

이러한 방법으로, 본 발명은 인장강도 1400~1600 MPa이며 마르텐사이트 조직을 가지는 고강도부와, 인장강도 500~700 MPa이며 템퍼트 마르텐사이트 조직을 가지는 저강도부를 구비하는 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품을 제공한다.

본 발명은 경화능을 가지는 소재를 이용하여 차량용 B 필러 부품을 제조하되, 전체적으로 열간 성형하고 급냉하여 전체 부품의 강도를 향상시킨 후, 국부적인 열처리를 통하여 국부적으로 인성을 향상시키는 방법을 제공하여, 국부적으로 이종강도가 요구되는 차량용 B 필러 부품을 하나의 소재로 제조할 수 있게 해주는 효과를 가져온다.

따라서, 이종의 소재 또는 이종 두께의 소재를 레이저 용접하하여 가공하던 것에 비하여 생산성을 향상하고 원가를 절감하는 효과를 가져온다.

도 1은 자동차의 차체 구조와 B 필러 부분을 확대해서 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법을 나타낸 공정순서도,
도 3은 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 1 실시예를 나타낸 개념도,
도 4는 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 2 실시예를 나타낸 개념도,
도 5는 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 3 실시예를 나타낸 개념도임.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 Ｂ 필러 부품 제조방법 및 이를 이용한 차량용 Ｂ 필러 부품에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명의 장점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

또한, 도면에서 발명을 구성하는 구성요소들의 크기는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어 기술된 것이며, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재된 경우, 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소와 접하여 설치될 수 있고, 소정의 이격거리를 두고 설치될 수도 있으며, 이격거리를 두고 설치되는 경우엔 상기 어떤 구성요소를 상기 다른 구성요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제3의 수단에 대한 설명이 생략될 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법은, 다음과 같은 5 단계로 이루어진다.

먼저, 경화능을 갖는 소재를 마련하는 소재 마련 단계(S-21)와 상기 소재를 가열하여 고온 성형성을 확보하는 가열 단계(S-22)와, 상기 가열된 소재를 금형 장치에서 프레스 성형하는 성형 단계(S-23)와, 상기 금형 장치를 닫은 상태에서 급냉하여 소재에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 강도향상 열처리단계(S-24)가 이루어진다. 앞의 4 단계는 소재 전체에 걸쳐서 균일하게 이루어진다.

소재 마련 단계(S-21)는 경화능을 가지는 소재를 사용한다. 경화능을 가지는 소재로는 붕소와 같은 원소를 포함하는 철강재가 있다.

종래에는 이종의 소재를 마련하여 레이저 용접으로 연결한 후, 블랭킹 작업을 수행하였으나, 본원발명은 단일 소재를 블랭킹 작업으로 절단하여 소재를 마련한다. 이종의 소재를 접합하는 경우 접합라인이 특정한 위치에 놓이도록 블랭킹 해야 하므로, 소재의 낭비가 발생하였으나 단일 소재를 블랭킹 하는 경우 그러한 제한이 없어 자원의 효율적인 활용이 가능하다.

가열 단계(S-22)에서는 각 소재의 특성에 맞게 고온 성형성이 확보할 수 있는 온도까지 가열하게 된다. 마르텐사이트 조직을 얻기 위해서는 Ar3 온도 이상으로 가열하는 것이 바람직하다.

성형 단계(S-23)에서는 가열된 소재를 금형에서 열간 성형하여 완제품 형상으로 가공하게 된다.

다음으로 강도 향상 열처리 단계(S-24)가 이루어지는데, 강도 향상 열처리 단계는 고온에서 성형된 부품을 급냉하여 마르텐사이트 조직을 얻기 위한 것이다. 그런데 급속한 냉각시에 부품의 변형이 발생할 수 있으므로, 금형으로 부품을 구속한 상태에서 급냉하는 것이 바람직하다. 급냉시의 냉각속도는 -20℃/sec ~ -60℃/sec 범위로 하는 것이 바람직하다. 냉각속도가 -20℃/sec 보다 느리게 되면 원하는 강도 향상 효과를 얻을 수 없으며, -60℃/sec 보다 빠르게 되면 비용이 많이 소요되어 경제적이지 못하다.

강도 향상 열처리 단계(S-24)까지 거친 차량용 B 필러 부품은 형상이 완제품 형상으로 성형된 상태이고, 부품 전체가 균일한 고강도를 가지고 있는 상태이다.

강도 향상 열처리 단계(S-24)를 마친 부품은 인성 향상 열처리 단계(S-25)를 거치면서 국부적으로 강도는 저하되고, 인성은 향상되어 완제품이 된다.

인성 향상 열처리 단계(S-25)는 소재의 인성이 요구되는 부위를 국부적으로 템퍼링 하여 국부적으로 강도를 감소시키고 인성을 증가시킨다.

인성향상 열처리 단계(S-25)의 인성이 요구되는 부위는 300~400℃ 의 템퍼링(tempering) 온도에서 템퍼링을 거치게 된다.

템퍼링 온도가 300℃ 미만인 경우 탄화물 등의 석출이 원활하지 않아 마르텐사이트의 템퍼링 효과를 충분히 얻을 수 없고, 템퍼링 온도가 400℃ 초과하는 경우 강도가 지나치게 낮아질 수 있다.

강도 향상 열처리 단계(S-24)를 거친 차량용 B 필러 부품은 마르텐사이트 조직을 가지게 되고, 인성 향상 열처리 단계(S-25)를 거치게 되면, 마르텐사이트 조직이 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 변화하게 된다. 템퍼드 마르텐사이트 조직은 마르텐 사이트 조직에 비하여 강도는 감소하게 되나 인성이 증가하게 된다.

차량용 B 필러 부품은 상술한 바와 같이, 상부 영역은 전복시나 측면 충돌시 탑승자의 거주공간을 확보하기 위하여 고강도가 요구되고, 하부 영역은 측면 충돌시 탑승자에게 전달되는 충격을 완화할 수 있도록 상대적으로 낮은 강도와 높은 인성이 요구된다.

예를 들어, 상부 영역은 인장강도 1400~1600MPa 범위가 요구되지만 하부 영역은 인장강도 500~700MPa 범위가 요구된다.

인성 향상 열처리 단계(S-25)는 단일 소재의 부품의 일부부분만 템퍼링 하는 것으로, 부품의 일부분만 순간적으로 가열하는 방법을 택해야 한다. 가열로와 같은 가열수단을 이용하는 경우 가열에 비교적 긴 시간이 필요하기 국부적인 열처리가 곤란하다.

따라서, 본 발명에 따른 인성 향상 열처리 단계(S-25)는 유도 가열 방식을 사용하여 순간적으로 국부적인 가열이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 1 실시예를 나타낸 개념도이다.

이하에서, 차량의 B 필러 부품(100) 중 고강도가 요구되는 부분(B 필러 부품의 상부)을 고강도부(102)로 칭하고, 충격 흡수를 위하여 낮은 강도가 요구되는 부분을 저강도부(104)로 칭한다. 저강도부(104) 인성향상 열처리에 의하여 템퍼트 마르텐사이트 조직으로 변화함으로써 고강도부에 비하여 상대적으로 낮은 강도와 높은 인성을 가지게 된다.

제 1 실시예는 차량용 B 필러 부품(100)의 저강도부(104)인성 향상이 필요한 부위(해칭으로 표시, 도 4 내지 도 5에서도 동일)에만 유도 가열 수단(110)을 배치하여, 국부적인 가열이 가능하도록 한 것이다. 이러한 방법으로 차량용 B 필러 부품(100)의 하부만이 유도 가열 수단(110)에 의하여 가열할 수 있다.

순간적으로 B 필러 부품의 인성 향상이 필요한 저강도부(104)만을 국부적으로 가열한 후, 서서히 냉각하여 부분적인 탬퍼링을 수행할 수 있다.

도 4는 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 2 실시예를 나타낸 개념도이다.

제 2 실시예는 인성의 향상이 필요한 차량용 B 필러 부품의 저강도부(104)는 가열수단(120)에 의하여 가열되도록 하고, 동시에, 고강도부(102)는 분사노즐(130)에서 분사되는 냉각유체에 의하여 냉각되도록 함으로써, 국부적인 탬퍼링을 가능하게 한 것이다.

차량용 B 필러 부품이 단일 소재로 이루어지므로, 국부적으로 가열한다고 해도 전도에 의하여 다른 부분에 열이 전달된다. 제 2 실시예는 고강도가 필요한 부위가 탬퍼링 온도까지 상승하지 않도록, 고강도부(102)에 냉각 유체를 분사하는 것을 특징으로 한다. 분사되는 냉각유체로는 물, 압축공기 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 제 2 실시예와 같이 국부적으로 냉각을 가해주는 경우, 가열수단은 반드시 유도가열 방식에 한정되지 않는다.

도 5는 본 발명의 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법의 인성 향상 열처리 단계의 제 3 실시예를 나타낸 개념도이다.

제 3 실시예는 고강도부(102)가 욕조(140)에 담겨진 냉매(142)에 침지되도록 하고, 인성 향상이 필요한 저강도부(104)를 가열수단(120)으로 가열하는 방식으로 국부적인 탬퍼링을 수행하는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

S-21 : 소재 마련 단계
S-22 : 가열 단계
S-23 : 성형 단계
S-24 : 강동향상 열처리 단계
S-25 : 인성 향상 열처리 단계

Claims (8)

1. 경화능을 갖는 소재를 마련하는 소재마련 단계;
   상기 소재를 가열하여 고온 성형성을 확보하는 가열 단계;
   상기 가열된 소재를 금형 장치에서 프레스 성형하는 성형 단계;
   상기 금형 장치를 닫은 상태에서 급냉하여 소재에 마르텐사이트 조직을 형성시키는 강도향상 열처리단계; 및
   소재의 인성이 요구되는 부위를 국부적으로 템퍼링 하여 국부적으로 강도를 감소시키고 인성을 증가시키는 인성향상 열처리 단계;를 포함하며,
   상기 인성향상 열처리 단계는 인성향상이 요구되는 부분을 가열함과 동시에, 나머지 부분을 냉매에 침지하여 냉각하는 방식으로 수행되며, 고, 템퍼링(tempering) 온도는 300~400℃ 이며, 템퍼링된 부분은 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직인 것을 특징으로 하는 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품 제조방법.
   
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3. 삭제
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6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항의 방법으로 제조되어,
   인장강도 1400~1600 MPa이며 마르텐사이트 조직을 가지는 고강도부와,
   인장강도 500~700 MPa이며 템퍼드 마르텐사이트 조직을 가지는 저강도부를 구비하는 국부적으로 이종 강도를 가지는 차량용 B 필러 부품.

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