KR101704316B1 - 자동차용 충돌에너지 흡수부재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 박강판을 성형 가공하여 이루어지는 자동차용 충돌에너지 흡수부재로서, 상기 박강판 및 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재 중 적어도 한쪽이, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

자동차용 충돌에너지 흡수부재 및 그 제조방법{VEHICLE COLLISION ENERGY ABSORBING MEMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 자동차의 충돌시에 축방향으로 눌려 부서져서(壓潰) 충돌에너지를 흡수하는 자동차용 충돌에너지 흡수부재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근, 지구 환경의 보전이라는 관점에서, 자동차 차체의 경량화가 요망되고 있다. 최근에는, 자동차 차체, 특히 객실(캐빈) 주변의 부품에는, 고강도 강판이 널리 사용되어, 박육화(薄肉化)에 따른 차체 경량화에 기여하고 있다. 이에 대해, 엔진 룸이나 트렁크의 프레임(프론트 프레임, 리어 프레임) 등에서는, 고강도 강판의 사용에 따른 고강도화는 780㎫급 강판의 사용에 머물고 있다. 이러한 것은, 프론트 프레임, 리어 프레임은, 충돌시에 크게 변형하여, 충돌에너지를 흡수하는 역할을 지닌 충돌에너지 흡수부재이지만, 소재인 강판을 고강도화하면 연성(延性)이 저하하여 파단이 현저해지거나, 충돌시의 변형 형상이 불안정해져 안정적인 좌굴(座屈)이 곤란하기 때문에, 국소적인 꺾임이 발생하기 쉬워지고, 고강도화한 것치고는, 충격에너지 흡수량이 높아지지 않는다는 문제가 있기 때문이다.
이러한 점에서, 프론트 프레임이나 리어 프레임 등의 충돌에너지 흡수부재의 고강도화를 추진하여, 한층 더 자동차 차체의 경량화를 달성하기 위해, 고강도화되고, 또한 충돌시의 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 특성을 갖는 충돌에너지 흡수부재가 요망되고 있다.
이러한 요망에 대해, 예를 들면 특허문헌 1에는, 오스테나이트가 면적비로 60% 이상인 조직으로 이루어지는 강판을 사용해서 구성되어 이루어지는 충돌에너지 흡수부재가 기재되어 있다. 그리고, 특허문헌 1에는, 오스테나이트가 면적비로 60% 이상인 조직으로 이루어지는 강판의 예로서, 18∼19%Cr-8∼12%Ni를 함유하는 오스테나이트계 스테인리스 강판이 기재되고, 이러한 강판을 사용한 충돌에너지 흡수부재에서는, 충돌시의 변형 전파 특성이 향상되어, 원하는 충돌에너지의 흡수 성능을 확보할 수 있다고 되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 높은 동적 변형 저항을 갖는 양호한 가공성의 고강도 강판이 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 고강도 강판은, 페라이트 및/또는 베이나이트를 포함하고, 이 중의 어느 것을 주상(主相)으로 하여, 체적분율로 3∼50%의 잔류 오스테나이트를 포함하는 제3상과의 복합 조직으로, 0% 초과 10% 이하의 예비 변형 후, 5×10-4∼5×10-3(1/s)의 변형속도로 변형된 준정적(準靜的) 변형강도 σs와, 5×102∼5×103(1/s)의 변형속도로 변형된 동적 변형강도 σd의 차:(σd-σs)가 60㎫ 이상을 만족시키고, 변형 5∼10%의 가공경화 지수가 0.130 이상을 만족시키는, 높은 동적 변형 저항을 갖는 강판이다. 특허문헌 2에 기재된 기술에 따르면, (σd-σs)가 60㎫ 이상인 강판을 사용해서 제조된 부재에서는, 소재 강판 강도로부터 예측되는 값에 비해, 충격시의 부재 흡수 에너지가 높아지게 되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 페라이트상과, 조직 전체에 대한 면적률로 30∼70%인 경질 제2상을 분산시킨 복합 조직을 갖고, 페라이트상 중의 결정립경 1.2㎛ 이하의 페라이트의 면적률이 15∼90%로, 결정립경 1.2㎛ 이하의 페라이트의 평균 입경 ds와 결정립경 1.2㎛를 초과한 페라이트의 평균 입경 dL과의 관계가, dL/ds≥3을 만족시키는 고강도 강판이 기재되어 있다. 특허문헌 3에 기재된 기술에 따르면, 프레스 성형시에 중요해지는 강도-연성 밸런스가 향상되고, 고속 변형시의 에너지 흡수성이 뛰어난 고강도 강판을 얻을 수 있고, 이러한 고강도 강판을, 높은 충격에너지 흡수 성능이 요구되는 자동차 차체에 적용할 수 있다고 되어 있다.
또한, 특허문헌 4 및 5에는, 오목부 도입 직사각형 통형(筒型) 부재를 사용하여 축 압궤(壓潰) 변형시에 붕괴나 균열 없이 변형될 수 있는 강판에 대해 검토한 결과, 페라이트, 베이나이트, 오스테나이트, 석출물의 양 및 사이즈를 제어함으로써, 충돌시의 변형 모드의 붕괴나 균열을 초래하는 일없이 변형될 수 있다고 되어 있다.
또한, 비특허문헌 1에는, 충격 압궤시에, 벨로우즈 형상으로 안정적으로 압궤되는 모자형 부재의 예가 나타나 있다. 이 부재는, 인장강도 1155㎫로, 초미세 결정립 복상(複相) 조직을 갖고, 진변형 5∼10%에서의 n값이 0.205인 박강판제이다. 비특허문헌 1에 기재된 박강판은, C:0.15%C-1.4%Si-4.0%Mn-0.05Nb계의 조성을 갖고, 서브미크론 사이즈의 페라이트와 제2상으로 이루어지는 미크로 조직을 가지며, 제2상으로서 12∼35%의 잔류 오스테나이트를 포함하며, n값이 높고 큰 가공경화 능력을 갖는 강판이라고 되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특개 2001-130444호 공보 특허문헌 2: 일본 특개 평11-193439호 공보 특허문헌 3: 일본 특개 2007-321207호 공보 특허문헌 4: 일본 특개 2008-214645호 공보 특허문헌 5: 일본 특개 2008-231541호 공보
비특허문헌 1: Y.Okitsu and N.Tsuji;Proceedings of the 2nd International Symposium on Steel Science(ISSS 2009), pp.253∼256, Oct.21-24, 2009, Kyoto, Japan:The Iron and Steel Institute of Japan.
특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 오스테나이트를 다량으로 포함하는 강판을 사용하여 충돌에너지 흡수부재를 구성하고 있다. 오스테나이트는, 결정 구조가 면심입방(fcc) 구조이기 때문에, 취화(脆化)되기 어렵고 파단되기 어렵다는 특성이 있으며, 충돌시의 흡수 에너지량을 어느 정도 높일 수 있다. 그러나, 특허문헌 1에 기재된 오스테나이트를 다량으로 포함하는 강판의 인장강도는, 780㎫ 정도로 낮고, 나아가 충돌시처럼 높은 변형 속도로 변형된 경우에는, 그 강도는 체심입방(bcc) 구조의 조직을 가진 강판과 비교해서 낮아, 자동차의 충격에너지 흡수부재용으로서는 강도가 불충분하게 된다. 덧붙여, 오스테나이트를 다량으로 함유하는 강판으로 하는 데에는, 다량의 Ni, Cr을 함유하는 조성으로 할 필요가 있어, 제조 비용이 높아진다. 이 점에서도, 자동차 차체용 부재로서는, 부적합하다는 문제가 있다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 기술은, 모자형 부재의 평가를 인장강도가 780㎫ 정도까지밖에 실시하지 않고 있다. 인장강도 980㎫ 미만의 강판을 소재로 하는 부재에서는, 충돌 변형시에, 파단, 꺾임을 발생시키는 일 없이 용이하게 벨로우즈 형상으로 변형하기 때문에, 소재 특성으로부터 부재의 충돌 변형시의 흡수 에너지를 예상할 수 있다. 이에 대해, 인장강도 980㎫ 이상의 강판을 소재로 하는 부재에서는, 충돌 변형시에 파단이나 꺾임이 발생하여 부재의 충돌 변형시의 흡수 에너지는, 소재 특성으로부터 예상되는 것보다도 낮은 수치를 나타내는 경우가 많다. 특허문헌 2에 기재된 기술에서는, 인장강도 980㎫ 이상의 고강도 강판제 부재의 고속 압궤시의 파단이나 꺾임을 억제하여, 고속 압궤시의 흡수 에너지를 안정적으로 향상시키는 것은 곤란하다.
또한, 특허문헌 3에 기재된 기술에 의하면, 나노 결정립과 미크로 결정립과의 혼합 조직으로 하고, 게다가 경질 제2상의 종류, 조직 분율의 적정화에 의해, 고강도이면서, 높은 연성을 갖는 고강도 강판이 얻어질 수 있다고 되어 있다. 그러나, 특허문헌 3에는, 이 강판을 사용하여 충돌에너지 흡수부재를 구성하는 것에 관한 기재가 없고, 인장강도 980㎫ 이상의 강판을 사용하여 제작한 부재의 경우에 문제가 되는, 충돌시의 부재 파단이나 꺾임을 억제하고, 축방향으로 벨로우즈 형상으로 안정적으로 좌굴해서, 충돌에너지를 효율 높게 흡수할 수 있기까지의 언급은 없어, 불명확하다.
또한, 특허문헌 4 및 5에 기재된 기술에 의하면, C, Si, Mn, 및 Ti 및 Nb의 1종 또는 2종을 적절한 양으로 첨가하여, 강판 조직의 페라이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트의 양과 그들의 입경이나, 잔류 오스테나이트 중의 C농도, 그리고 석출물의 사이즈 및 개수를 적절히 제어함으로써, 충돌에너지 흡수성이 뛰어난 부재로 할 수 있다고 되어 있다. 그러나, 특허문헌 4, 5에 기재된 기술에서는, 특히 인장강도 980㎫ 이상의 강판에 있어서, 가공 후의 부재로, 충돌시에 붕괴나 균열이 없는 축 압궤 변형을 안정적으로 달성하는 것이 곤란한 경우가 있다는 문제가 있었다.
또한, 비특허문헌 1에 기재된 기술에서는, 재료의 가공경화의 지표인 n치를 0.2 이상으로 향상시킨 강판제 부재로 함으로써, 인장강도 980㎫ 이상의 강판이라도 충돌시에 축방향으로 벨로우즈 형상으로 압궤되는 충돌에너지 흡수부재로 하는 것이 가능하다고 되어 있다. 그러나, n치를 0.2 이상의 강판으로 하기 위해서는, C나 Mn을 높게 함유시키는 것이 필수이며 용접성이 열화(劣化)하는 문제나, 또한, 열처리시에 정치(精緻)한 온도 제어가 필요하기 때문에, 수율이 저하하고, 비용이 높아진다는 문제가 있었다.
본 발명은, 상기한 종래 기술의 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 인장강도 TS가 980㎫ 이상인 고강도를 갖고, 게다가 충돌시의 축방향 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 자동차용 충돌에너지 흡수부재 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 여기서 말하는 「충돌시의 축방향 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어나다」란, 부재가 자동차의 충돌시에 축방향으로 안정적으로 좌굴해서 벨로우즈 형상으로 압궤 변형하여, 충돌에너지를 효율적으로 흡수할 수 있는 특성을 가진 것을 의미하며, 「축 압궤 안정성이 뛰어나다」라고도 한다.
본 발명자들은, 상기한 목적을 달성하기 위해, 인장강도 TS가 980㎫ 이상인 고강도 박강판을 사용하여, 모자형 단면의 부재를 제작하고, 그 부재를 축방향으로 충돌 변형시켰을 때의, 부재의 변형 거동에 관하여 예의 연구했다. 그 결과, 부재를 축방향으로 압궤했을 때에 발생하는 균열은, 주로 최초의 좌굴부에서 발생하고 있는 것을 찾아냈다. 그리고, 부재를 안정적으로 좌굴시키고, 벨로우즈 형상으로 압궤 변형시키기 위해서는, 이 최초의 좌굴부에서 발생하는 균열을 회피하는 것이 중요하다는 것을 찾아냈다. 그리고, 그러기 위해서는, 최초의 좌굴부에 파단 한계를 초과하는 변형이 집중되기 전에, 다음의 좌굴을 발생시키는 것이 긴요해진다는 점에 생각이 미쳤다.
먼저, 본 발명자들이 행했던 본 발명의 기초가 된 실험 결과에 관하여 설명한다. 인장강도 TS가 980㎫ 이상이 되는 고강도 박강판(판 두께:1.2㎜) A 및 B의 2종을 소재로 하여, 각각 굽힘 가공에 의해, 모자형의 단면 형상으로 성형했다. 또한, 성형한 것과 동일 종류의 강판을 등판(背板)으로 해서 스폿 용접에 의해 접합하여, 도 2에 나타내는 단면 형상의 부재(축방향 높이 H:230㎜)로 했다. 또한, 모자형으로 성형 후, 부재의 등판과 대향하는 위치에 있는 평면부로부터 인장방향이 부재의 축방향이 되도록, JIS 5호 인장시험편(GL:50㎜)을 채취하여, JIS Z 2241의 규정에 준거해서 인장시험을 실시하고, 인장강도 TS, 항복 연신율 Y-El을 측정했다. 강판 A는, TS:1249㎫, Y-El:4.3%이고, 강판 B는, TS:1215㎫, Y-El:0%이었다. 도 3에, 이들 강판의 응력-변형 곡선을 나타낸다.
이들 부재에, 축방향으로 시속 50㎞ 상당의 속도로 110㎏f의 추를 충돌시켜, 50㎜ 압궤했다. 압궤 후, 부재의 변형 상황을 육안으로 관찰했다. 부재의 변형 상황을 도 1에 나타낸다. 강판 A를 사용한 A부재의 경우에는, 부재의 평면부에 좌굴 기점이 복수 개소, 생성되어 있는 것에 대해, 강판 B를 사용한 B부재의 경우에는, 부재의 평면부에 좌굴 기점이 1개소만 생성되고, 균열이 발생해 있었다. 또한, 도 1에는, 160㎜ 압궤했을 때의 부재의 변형 상황도 나타낸다. A부재에서는, 벨로우즈 형상으로 압궤되어 있는 것에 대해, B부재에서는 찢김(균열)이 발생해 있다. 이 결과로부터, 부재로 사용하고 있는 박강판을 일정 이상의 항복 연신율을 발현할 수 있는 상태로 해 두면, 최초의 좌굴부에 균열이 발생하기 전에, 다음의 좌굴을 발생시킬 수 있어, TS:980㎫ 이상의 부재라도 벨로우즈 형상으로 압궤할 수 있는 것을 알았다.
항복 연신율이 발현될 수 있는 상태의 박강판을 사용한 부재가, 복수의 좌굴 기점을 발생시켜 벨로우즈 형상으로 압궤되는 이유는 현재 시점에서 명확하지 않지만, 이하와 같이 짐작할 수 있다. 즉, 부재에 추가 최초로 충돌할 때에, 부재 중을 응력파가 전파하여, 부재 중에 일정 주기의 응력 분포가 발생한다. 박강판이 항복 연신율을 발생시키는 상태인 경우에는, 응력이 높은 부분만이 항복(즉, 소성 변형)함으로써, 좌굴 기점이 복수 발생한다고 생각된다. 한편, 박강판이 항복 연신율을 발생시키지 않는 상태인 경우에는, 응력이 높은 부분도 낮은 부분도 소성 변형될 수 있어, 소성 변형량의 불균일이 발생하기 힘들기 때문에, 좌굴 기점이 생기기 어렵다고 생각된다.
또한, 박강판 단계에서 항복 연신율이 발현될 수 없어도, 박강판을 성형 가공하여 자동차용 충돌에너지 흡수부재로 한 단계에서, 그 부재가 항복 연신율을 발현할 수 있으면, 동일한 작용효과를 얻을 수 있다. 본 발명자들은, 인장강도 TS:980㎫ 이상의 박강판을 성형 가공 후, 소정 조건의 열처리를 행함으로써, 부재의 인장강도 TS:980㎫ 이상을 유지하면서, 항복 연신율을 발현할 수 있는 상태로 할 수 있는 것을 찾아냈다.
이들 식견으로부터, 본 발명의 제 1 실시형태는, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 박강판을 성형 가공하여 이루어지는 자동차용 충돌에너지 흡수부재이다. 이 부재에 의하면, 최초의 좌굴부에 균열이 발생하기 전에, 다음의 좌굴을 발생시킬 수 있어, 벨로우즈 형상으로 압궤할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 실시형태는, 박강판을 성형 가공하여 이루어지며, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 가진 자동차용 충돌에너지 흡수부재이다. 이 부재에 의하면, 최초의 좌굴부에 균열이 발생하기 전에, 다음의 좌굴을 발생시킬 수 있어, 벨로우즈 형상으로 압궤할 수 있다.
본 발명은, 이러한 식견에 기초하여 완성된 것이다. 즉, 본 발명의 요지는 다음과 같다.
(1) 박강판을 성형 가공하여 이루어지는 자동차용 충돌에너지 흡수부재로서,
상기 박강판 및 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재 중 적어도 한쪽이, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(2) 상기 박강판이,
질량%로, C:0.05∼0.30%, Si:0.01∼1.6%, Mn:1.0∼3.5%, P:0.060% 이하, S:0.0050% 이하, Al:0.01∼1.5%, N:0.0060% 이하를 함유하고, 잔부(殘部) Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성과,
조직 전체에 대한 체적률로, 0∼95%의 페라이트상(相)과, 합계로 5∼100%의 소려(燒戾) 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상, 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직과,
인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 상기 (1)에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(3) 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 상기 (1)에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(4) 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 성형 가공 후 200℃ 이상 700℃ 미만의 온도 영역에서 열처리를 받은 것인 청구항 3에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(5) 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가,
질량%로, C:0.05∼0.30%, Si:0.01∼1.6%, Mn:1.0∼3.5%, P:0.060% 이하, S:0.0050% 이하, Al:0.01∼1.5%, N:0.0060% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(6) 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는 상기 (3)∼(5) 중 어느 한 항에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
(7) 인장강도 TS:980㎫ 이상의 강도를 갖는 박강판을 제조하는 공정과,
상기 박강판을 성형 가공하여, 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 형상으로 하는 공정과,
상기 성형 가공 후에, 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재에 대해, 가열온도:200℃ 이상 700℃ 미만의 온도 영역에서 50초 이상 유지하는 열처리를 실시하여, 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 인장 특성을, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상으로 하는 공정,
을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 제조방법.
(8) 상기 박강판이,
질량%로, C:0.05∼0.30%, Si:0.01∼1.6%, Mn:1.0∼3.5%, P:0.060% 이하, S:0.0050% 이하, Al:0.01∼1.5%, N:0.0060% 이하를 함유하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 상기 (7)에 기재된 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 제조방법.
본 발명의 일 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재는, 인장강도 TS가 980㎫ 이상인 고강도를 갖고, 게다가 충돌시의 축방향 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어나다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 제조방법에 의하면, 인장강도 TS가 980㎫ 이상인 고강도를 갖고, 게다가 충돌시의 축방향 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 자동차용 충돌에너지 흡수부재를 얻을 수 있다.
[도 1] 좌굴 후의 부재 외관 상황을 나타내는 설명도이다. A부재의 출발 강판 A에서는, 항복 연신율이 4.3%, B부재의 출발 강판 B에서는, 항복 연신율이 0%이다.
[도 2] 실시예에서 사용한 부재의 단면 형상을 모식적으로 나타내는 설명도이다.
[도 3] 강판 A(TS:1249㎫, Y-El:4.3%), 및 강판 B(TS:1215㎫, Y-El:0%)에 관한 응력-변형 곡선이다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 본 명세서에서, 자동차용 충돌에너지 흡수부재는 간단히 「부재」라고 칭하는 경우도 있다.
(제 1 실시형태)
이하에, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재를 설명한다.
먼저, 제 1 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 구성에 관하여 설명한다. 이 부재는, 박강판을 소재 강판으로 하여, 그 소재 강판을 소정 형상으로 성형 가공해서 이루어지는 부재이다. 여기서 말하는 「소정 형상」은, 특별히 한정할 필요는 없지만, 축방향으로 충돌시의 에너지를 효율적으로 흡수하는 것이 가능하도록 한, 원통 형상 혹은 다각형 단면 형상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 성형 가공 방법은, 특별히 한정할 필요는 없어, 프레스 성형, 굽힘 성형 등, 통상 사용하는 가공 방법이 모두 적용될 수 있다.
그리고, 소재 강판이 되는 박강판으로서는, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 박강판을, 선택해서 사용한다. 또한, 본 명세서에서 「박강판」이란, 판 두께 3.2㎜ 이하인 강판을 말하는 것으로 한다.
소재 강판의 항복 연신율이 2% 미만에서는, 부재를 축방향으로 압궤했을 때에, 최초 좌굴시에 굽힘 변형부(좌굴부)에 벌어짐(균열)이 생겨, 그 후에 벨로우즈 형상으로 좌굴이 진전되지 않기 때문에, 안정된 축 압궤(軸壓潰)가 이루어지지 않아, 원하는 고 충돌에너지 흡수 능력을 확보할 수 없다. 항복 연신율 Y-El이 2% 이상인 박강판이면, 충돌에너지 흡수부재로 가공되어, 부재가 축 압궤된 경우에도, 좌굴 기점이 복수 형성되고, 안정적으로 벨로우즈 형상으로 축 압궤되기 때문에, 뛰어난 충돌에너지 흡수 능력을 가진 부재가 된다. 또한, 항복 연신율 Y-El은, 해당 박강판으로부터 채취한 시험편(JIS 5호 인장시험편:GL 50㎜)을 사용하여, 변형속도:0.003∼0.004/s로 인장시험을 실시해서, JIS Z 2241의 규정에 준거하여 구하는 것으로 한다.
또한, 본 실시형태에서, 박강판은, 특정 조성 및 조직을 갖고, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El이 2% 이상인 인장 특성을 갖는다. 소재 강판의 선택에 있어서는, 해당 박강판으로부터, JIS Z 2201의 규정에 준거하여 시험편을 채취하고, JIS Z 2241의 규정에 준거하여 인장시험을 실시해서, 항복 연신율 Y-El과, 인장강도 TS를 측정하는 정도면 된다. 특별히 복잡한 시험을 행할 필요는 없다.
다음으로, 본 실시형태의 부재의 제조방법에 관하여 설명한다. 본 실시형태에서는, 박강판을 소재 강판으로 사용하며, 그 소재 강판으로 프레스 성형, 굽힘 성형 등의 통상 공지의 성형 가공을 실시해서, 소정 치수 형상의 부재로 가공하여, 자동차용 충돌에너지 흡수부재로 한다.
다음으로, 본 실시형태에서 사용하는 박강판의 조성에 관하여 설명한다. 이하, 조성에 있어서의 질량%는, 간단히 %로 기재한다.
C:0.05∼0.30%
C는, 소입성(燒入性) 향상을 통해 경질상 분율(硬質相分率)을 증가시켜, 강의 강도를 증가시키는 작용을 가진 원소이다. 원하는 고강도를 확보하기 위해서는, 0.05% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 0.30%를 초과하는 함유는, 스폿 용접성의 현저한 열화나, 굽힘 특성의 현저한 저하를 초래하는 경향이 있다. 이 때문에, C는 0.05∼0.30% 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.22% 이하이다.
Si:0.01∼1.6%
Si는, 고용(固溶) 강화에 의해 강도 향상에 기여함과 아울러, 연성을 향상시켜, 성형성을 향상시키는 원소로, 부재 성형이 보다 용이해진다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.6%를 초과하여 함유하면, 강판 표면에 Si산화물이 농화하여, 화성 처리 불량이나 도금 불량의 원인도 된다. 이 때문에, Si는 0.01∼1.6% 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.1∼1.0%이다.
Mn:1.0∼3.5%
Mn은, 강도 향상에 유효하게 기여한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는, 1.0% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 3.5%를 초과해서 과도하게 함유하면, 용접성 저하가 현저해진다. 또한, Mn은, 강판 표면에 산화물로서 농화하여, 도금 불량의 원인도 된다. 이러한 이유에서, Mn은 1.0∼3.5% 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 1.5∼2.8%이다.
P:0.060% 이하
P는, 강도 향상에 기여하는 한편으로, 용접성을 열화시킨다. 이러한 악영향은, 0.060%를 초과하는 함유에서 현저해진다. 이 때문에, P는 0.060% 이하로 한정했다. 또한, 과도한 P 저감은, 제강 공정에서의 비용 증가를 수반하기 때문에, P는 0.001% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는 0.025% 이하, 보다 바람직하게는 0.015% 이하이다.
S:0.0050% 이하
S는, 적열취성(赤熱脆性)을 불러 일으키는 원소로, 다량으로 함유하면, 제조 공정상 결함을 발생시키는 경우가 있다. 또한, S는 MnS을 형성하여, 냉간 압연 후에 판상의 개재물로서 존재하기 때문에, 특히 재료의 극한 변형 능력을 저하시켜, 성형성을 저하시킨다. 이러한 S의 악영향은 0.0050%를 초과하는 함유에서 현저해진다. 이 때문에, S는 0.0050% 이하로 한정했다. 또한, 과도한 저감은, 제강 공정에서의 탈황 비용의 증가를 수반하기 때문에, S는 0.0001% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직하게는, 0.0030% 이하이다.
Al:0.01∼1.5%
Al은, 제강 공정에서 탈산제로서 유효하게 작용하며, 또한 성형성을 저하시키는 비금속 개재물을 슬래그 중으로 분리하는 점에서도 유용한 원소이다. 또한, Al은, 오스테나이트 중에 C를 농화시켜, 오스테나이트를 안정화시키는 작용을 갖고, 이에 의해, 연신율 및 n치를 향상시킴으로써 성형성을 향상시킨다. 이러한 효과를 얻는 데에는, 0.01% 이상의 함유를 필요로 한다. 한편, 1.5%를 초과하는 함유는, 재료 비용의 증대를 초래할 뿐 아니라, 용접성을 현저히 저하시킨다. 이 때문에, Al는 0.01∼1.5% 범위로 한정했다. 또한, 바람직하게는 0.02∼1.0%이다.
N:0.0060% 이하
N은, 고용되어 강의 강도를 증가시키는 원소이지만, 다량의 함유는 연성을 저하시킨다. 페라이트를 청정화하고 연성을 향상시킨다는 관점에서, N은, 될 수 있으면 적은 편이 바람직하지만, 0.0060% 이하이면 본 발명의 효과를 훼손하지 않기 때문에, N은 0.0060% 이하로 한정했다. 또한, 과도한 저감은 제강 비용의 앙등을 초래하기 때문에, 0.0001% 이상으로 하는 것이 바람직하다.
상기한 성분 외의 잔부는, Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
다음으로, 박강판의 조직에 관하여 설명한다. 박강판의 조직으로서는, 조직 전체에 대한 체적율로 0∼95%의 페라이트상과, 합계로 5∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직으로 한다.
TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상을 확보할 수 있는 박강판의 조직으로서는, 경질상인, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상, 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 합계로 5% 이상 함유하는 것이 바람직하며, 이들을 주된 조직으로 하지만, 페라이트상을 체적율로 0∼95% 포함해도 된다. 페라이트상을 포함할 경우에는, 페라이트상과 경질상의 복합 조직이 되기 때문에, 연신율이나 장출성(張出性)이 높아져, 특히 연신 성형이나 장출 성형이 필요한 부품을 제조할 경우에 적합하다.
페라이트상의 분율이 체적율로 95%를 초과하면, TS:980㎫ 이상을 확보하는 것이 곤란해진다. 그 때문에, 페라이트상 분율은, 0%를 포함하는, 95% 이하로 한다. 또한, 페라이트상의 입경은 특별히 한정하지 않지만, 원하는 항복 연신율을 확보한다는 관점에서는, 미세한 편이 바람직하며, 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상, 베이나이트상 및 페라이트상 이외의 잔부는, 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상을 합계로, 체적율로 0∼5% 포함해도 된다. 소려되어 있지 않은 마르텐사이트상은 생성시에 가동 전위(可動轉位)를 도입하고, 또한 잔류 오스테나이트상은, 변형 개시 응력이 낮기 때문에 항복점이 발생하기 힘들어, 원하는 항복 연신율의 확보에 대해 악영향을 미친다. 그 때문에, 어느 것이나 0%를 포함하여 2% 이하로, 될 수 있는 한 적게 하는 것이 바람직하다. 또한, 펄라이트, 시멘타이트는, 연성을 저하시킨다. 이러한 점에서, 함유할 경우에는 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상을 합계로, 5% 이하로 한다.
또한, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상의 평균 입경은, 특별히 한정할 필요는 없지만, 각각 10㎛ 이하로 하는 것이, 항복 연신율의 확보라는 관점에서 바람직하다. 또한, 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트의 평균 입경도 특별히 한정할 필요는 없지만, 항복 연신율의 확보라는 관점에서 각각 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 각 상의 평균 입경은, SEM에 의해 500∼3000배로 촬영한 사진을 사용해서 각 상으로 분류한 뒤, 각각의 상에 관하여 절단법에 따라, 구할 수 있다.
또한, 페라이트상을 극력 적게 한 조직으로 하면, TS:980㎫ 이상을 확보하는 것이 용이하게 되지만, 페라이트상을 5% 이하 정도 존재시킴으로써, 신장플랜지성이나 굽힘성(曲性)이 뛰어나기 때문에, 특히 신장플랜지 성형이나 굽힘 성형이 필요한 부품을 제조할 경우에 적합하다.
다음으로, 본 실시형태에서 사용하는 박강판의 바람직한 제조방법에 관하여 설명한다.
상기 조성의 강 소재에, 열간 압연 공정을 실시하여 얇은 열연 강판으로 하거나, 혹은 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정, 소둔 공정을 이 순서로 실시하여, 박강판으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 그 후 필요에 따라 도금을 실시할 수 있다.
강 소재의 제조방법은, 특별히 한정할 필요는 없고, 전로(轉爐) 등의 상용의 용제법을 이용하여, 상기 조성의 용강을 용제하고, 연속주조법, 조괴(造塊)-분괴(分塊) 압연 등의 상용의 주조방법에 따라, 원하는 두께의 슬래브(강 소재)로 한다. 또한, 얻어진 슬래브(강 소재)를, 냉각 후, 재가열한 뒤, 혹은 주조 후 재가열처리를 거치지 않고 그대로, 열간 압연 공정을 실시하는 것이 바람직하다.
열간 압연 공정에서의 가열온도는, 1000∼1300℃로 하는 것이 바람직하다. 가열온도가 1000℃ 미만에서는, 균질화(均質化)가 불충분해진다. 한편, 1300℃를 초과하여 고온이 되면, 산화 로스가 현저해지고, 수율 저하를 초래하는데 더해, 항복 연신율을 발현시키기 위한 조건을 제한하기 쉽다.
열간 압연 공정에서는, 조 압연(粗壓延), 마무리 압연을 실시해서 열연판으로 하여, 코일 상으로 권취한다.
조 압연 조건은, 원하는 치수 형상의 시트 바아로 행할 수 있으면 되어, 특별히 한정할 필요는 없다. 또한, 마무리 압연은, 마무리 압연 종료 온도를 850∼950℃로 하는 압연으로 하는 것이 바람직하다. 마무리 압연 종료 온도가, 상기한 범위를 벗어나면, 열연판 조직의 균일화가 이루어지지 않게 되어, 연신, 굽힘 특성 등의 가공성이 저하한다.
마무리 압연 종료 후, 750℃까지의 온도범위의 평균 냉각속도를 5∼200℃/초로 하는 냉각을 실시하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 페라이트상과 펄라이트상의 2상으로 이루어지는 밴드상(狀) 조직의 생성을 억제할 수 있다.
권취 온도는, 350∼650℃ 범위의 온도로 하는 것이 바람직하다. 권취 온도가 350℃ 미만에서는, 강판 강도가 너무 높아져, 다음 공정에의 통판(通板)이나 냉간 압연이 곤란해진다. 한편, 650℃을 초과하면, 강판 표면에 내부 산화층이 과도하게 생성되어, 성형성이 현저히 저하한다.
이어서, 열연판에 산세(酸洗)를 실시한 후, 냉간 압연을 행하여, 냉연판으로 하는 냉간 압연 공정을 실시한다. 냉간 압연에서의 냉연 압하율(壓下率)은, 조직의 미세화를 위해, 30% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 냉간 압연 부하가 큰 경우에는 열연판을 소둔(燒鈍)하여 연질화해도 된다. 또한, 냉연 압하율은, 너무 크면 압연 하중이 커지고 냉간 압연이 곤란해지기 쉽기 때문에, 70% 이하로 하는 것이 바람직하다.
이어서, 냉연판에, 소둔을 실시하여, 냉연 소둔판으로 하는 소둔 공정을 실시한다. 소둔 공정에서는, 소둔시의 페라이트 및 오스테나이트 분율을 제어한 뒤, 냉각하여, 최종적으로 얻어지는 페라이트 분율을 최적화시키고, 냉각을 행함으로써, 조직 분율 및 조직의 종류를 제어한다.
본 실시형태에서는, 소둔 온도는 750∼900℃까지로 하는 것이 바람직하다. 소둔 온도가 750℃ 미만에서는, 냉연시의 변형이 잔류하여 성형성이 저하한다. 한편, 900℃을 초과하는 고온에서는 조직 변화는 작고, 비용 상승의 원인이 된다.
또한, 상기한 소둔 온도 영역에, 10∼600초 유지하는 것이 바람직하다. 유지 시간이 10초 미만에서는, 냉연시의 변형이 잔류하고, 성형성이 저하한다. 한편, 600초를 초과하는 장시간 소둔을 하여도 조직의 변화는 거의 알아차릴 수 없고, 소둔 공정에서의 생산성이 저하한다.
상기한 소둔 온도로 유지한 뒤, 200℃ 이하의 온도 영역까지의 평균 냉각속도는, 1∼2000℃/초로 하는 것이 바람직하다. 평균 냉각속도가 1℃/초 미만에서는, 냉각에 장시간을 필요로 하여 비용 상승을 초래한다. 한편, 2000℃/초를 초과하는 급속 냉각을 실현하려면, 다대(多大)한 설비가 필요하게 되어, 비용 상승의 요인이 된다. 또한, 소둔 온도로부터의 냉각을 350∼500℃ 온도 영역까지 행하고, 이어서, 350∼500℃ 온도 영역에서 10초 이상, 바람직하게는 120초 이상 유지한 뒤, 실온까지 냉각하는 과시효(過時效) 처리를 실시해도 된다.
과시효 처리를 행하지 않는 경우는, 소둔 냉각 후에 계속해서 소려 처리를 행한다. 소려 처리는, 100∼600℃ 범위의 온도에서 가능하지만, 항복 연신율 Y-El:2% 이상을 실현하기 위해서는, 400℃ 이상에서는 360초 이상, 200℃ 이상 400℃ 미만에서는 더 장시간인 900초 이상, 행하는 것이 바람직하다.
또한, 소둔 공정의 냉각 중에, 박강판을 용융 아연 욕(浴)에 침지하고, 가스 와이핑 등에 의해 아연 도금 부착량을 조정한 뒤, 또는 소정 온도로 더 가열하여, 도금층의 합금화를 행하는 합금화 처리를 행해도 된다. 또한, 소둔 공정 후에, 강판에 아연이나 니켈 등, 자동차용 강판에 통상 사용되는 전기 도금이나 스킨 패스 압연을 실시해도 아무런 문제 없다.
상기한 공정을 거쳐, 얻어지는 냉연 강판은, 인장강도 TS:980㎫ 이상인 높은 강도를 갖고, 항복 연신율 Y-El:2% 이상인 박강판이다.
(제 2 실시형태)
이하에, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재 및 그 제조방법을 설명한다.
먼저, 제 2 실시형태에 따른 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 구성에 관하여 설명한다. 이 부재는, 박강판을 소재 강판으로 하며, 그 소재 강판을 소정 형상으로 성형 가공해서 이루어지는 부재이다. 「소정 형상」 및 성형 가공 방법에 관해서는, 제 1 실시형태와 동일하다.
그리고, 본 실시형태에서 사용하는 박강판은, 부재 제작 후에, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상을 확보할 수 있는 것이라면 되고, 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 부재 성형 후, 항복 연신율을 확보하기 위해, 열처리를 실시할 경우는, 열처리 후에 2% 이상의 항복 연신율을 확보할 수 있는 것이라면, 성형 전의 박강판으로서는, 항복 연신율은 2% 미만이어도 되고, 0%이어도 된다.
충돌시에 안정적으로 벨로우즈 형상으로 압궤해서 충돌에너지를 흡수하여, 축방향의 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 부재로 하기 위해, 박강판은 부재 제작 후에, 2% 이상의 항복 연신율 Y-El을 갖는 것이 필요해진다. 한편, 부재 성형의 관점에서는, 소재인 박강판의 항복 연신율은, 낮은 편이 바람직하다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 박강판의 항복 연신율 Y-El은 2% 미만으로 하는 것이 바람직하다. 또한, 박강판의 인장강도 TS는, 부재 제작 후에 980㎫ 이상의 강도를 확보할 수 있도록, 980㎫ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
부재의 항복 연신율 Y-El이 2% 미만에서는, 부재를 축방향으로 압궤함에 있어서, 최초 좌굴시에 굽힘 변형부에 벌어짐(균열)을 발생시켜, 그 후에 좌굴이 벨로우즈 형상으로 진전하지 않기 때문에, 부재의 안정적인 좌굴을 확보할 수 없게 된다. 그 때문에, 자동차용 충돌에너지 흡수부재로서, 충돌에너지를 효율 높게 흡수할 수 없게 된다.
또한, 항복 연신율은, 해당 부재로부터 채취한 인장시험편을 사용하여, 변형속도:0.003∼0.004/s로 인장시험을 실시하고, JIS Z 2241 규정에 준거해서 구하는 것으로 한다. 또한, 시험편 채취 방향은 부재의 길이방향이 시험편 길이방향과 평행하게 가까워지는 방향이 바람직하다. 시험편 채취 위치 및 시험편 형상은 지정하지 않지만, 최대한 평행부 길이 10㎜ 이상, 평행부 폭 2㎜ 이상의 시험편으로 하여, 평탄한 부분에서 채취하는 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태의 부재는, 그 조성, 조직 등을 특별히 한정할 필요는 없지만, 부재로서 980㎫ 이상의 인장강도 TS를 확보하기 위해서는, 그 부재가 제 1 실시형태와 동일한 조성을 갖는 것이 바람직하다.
다음으로, 본 실시형태의 부재의 적합한 조직에 관하여 설명한다. 본 실시형태의 부재는, 상기한 조성을 갖고, 부재로부터 잘라낸 인장시험편을 사용한 인장시험에 의해 얻어진 응력-변형 곡선에서 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 나타낸다.
이러한 특성을 갖는 부재는, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는다.
페라이트상 분율이, 체적율로 80%를 초과하면, 부재로서 TS:980㎫을 확보하는 것이 곤란해진다. 이 때문에, 페라이트상 분율은 80% 이하로 하는 것이 바람직하다. 페라이트상의 입경은 특별히 한정할 필요는 없지만, 항복 연신율을 2% 이상 확보하기 위해서는, 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, 본 실시형태는, 페라이트상을 포함하지 않는 경우(0%)도 포함하는 것으로 한다.
페라이트상 이외에는, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 것이 바람직하다. 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상은, 모두 경질상으로, 원하는 부재 강도(인장강도 TS:980㎫ 이상)를 확보하기 위해, 합계로, 체적율로 20% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 소려 마르텐사이트상 및 소려 베이나이트상, 베이나이트상은, 탄화물 석출을 수반하고 있는 라스상(狀) 조직으로서 관찰되지만, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상은, 현미경 아래에서의 형태가 매우 비슷하여, 각각을 체적율로 엄밀히 구별하는 것은 어렵기 때문에, 그들의 합계량으로 취급하는 것으로 했다. 한편, 소려되어 있지 않은 마르텐사이트상 및 잔류 오스테나이트상은 어느 것이나 탄화물 석출을 수반하고 있지 않다.
원하는 인장강도와 항복 연신율을 겸비하기 위해서는, 그 중에서도 페라이트상과 소려 마르텐사이트상으로 이루어지는 조직으로 하는 것이 바람직하다. 원하는 인장강도를 확보하기 위해서는, 마르텐사이트상 등의 저온 변태상을 활용하는 것이 바람직하지만, 마르텐사이트상은 조직 중에의 가동 전위나 잔류 응력의 도입에 의해 항복 연신율을 저감시키기 때문에, 항복 연신율 Y-El을 2% 이상 확보하는 것은 어려워진다. 마르텐사이트상을 소려한 소려 마르텐사이트상은, 소려시에 마르텐사이트상 중의 고용 탄소가 전위 상으로 고착 혹은 석출하여 가동 전위가 감소하고, 또한 잔류 응력도 완화되기 때문에, 원하는 항복 연신율 Y-El을 확보하기 쉬워진다.
페라이트상, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 이외의 잔부는, 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트의 1종 또는 2종 이상으로 이루어진다. 또한 이들은, 합계로 0∼5%로 하는 것이 바람직하다. 그러나, 2% 이상의 항복 연신율을 확보하기 위해서는, 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상은 어느 것이나 될 수 있는 한 적게 하는 것이 바람직하고, 각각 체적률로, 2% 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 또한, 펄라이트, 시멘타이트는, 연성을 저하시키기 때문에, 성형성 향상의 관점에서는 될 수 있는 한 적게, 각각 2% 이하로 제한하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상의 평균 입경은, 특별히 한정할 필요는 없지만, 10㎛ 이하로 하는 것이, 항복 연신율 확보의 관점에서 바람직하다. 또한, 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상 등의 평균 입경도 특별히 한정할 필요는 없지만, 항복 연신율 확보의 관점에서 각각 10㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다. 여기서, 각 상의 입경이란, 육안으로 각각의 상의 영역을 판단하고, 입계(粒界) 혹은 이상 경계(異相境界)를 육안으로 판정해서 구할 수 있는 입경을 의미한다.
본 실시형태의 부재는, 바람직하게는 상기한 조성과 상기한 조직을 갖고, 부재로부터 잘라낸 인장시험편을 사용한 인장시험에 의해 얻어진 응력-변형 곡선에서 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 나타내며, 축방향의 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 부재이다.
다음으로, 본 실시형태의 부재의 바람직한 제조방법에 관하여 설명한다. 본 실시형태의 부재는, 소재 강판으로 성형 가공하여 이루어지는 부재이다. 소재 강판이, 바람직하게는 상기한 조성을 갖고, 인장강도 TS:980㎫ 이상인 박강판인 경우에는, 소재 강판으로 성형 가공을 실시하여 소정 형상의 부재로 하고, 그 성형 가공 후에, 그 부재에 대해, 가열온도:200℃ 이상 700℃ 미만의 온도 영역에서 가열하여, 그 온도 영역에서 50초 이상 유지하는 열처리를 실시하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 100초 이상이다. 또한, 열처리시에는, 부재의 변형을 방지하기 위해, 금형 등으로 고정해 두어도 된다.
상기 열처리에 의해, TS:980㎫ 이상의 고강도를 유지하면서, 부재 중의 C를 성형 가공시에 도입된 전위에 고착시켜, 항복 연신율을 발현시킬 수 있어, 부재의 어느 부분에서라도 항복 연신율이 발현하게 된다. 이에 의해, 부재의 압궤시에, 다수의 좌굴 기점이 발생하기 쉬워져, 부재를 안정적으로 벨로우즈 형상으로 압궤하기 쉬워진다.
열처리의 가열온도가, 700℃ 이상의 고온이 되면, 부재의 강도가 저하하기 쉬워, TS:980㎫ 이상의 고강도를 유지할 수 없게 된다. 이 점에서, 열처리의 가열온도는 저온으로 하는 것이 바람직하지만, 200℃ 미만에서는, 부재 중 C의 확산속도(이동속도)가 느려, 성형 가공시에 도입한 전위를 충분히 고착할 때까지 장시간을 요한다. 이 때문에, 열처리의 가열온도는 200℃ 이상 700℃ 미만으로 한정했다. 또한, 바람직하게는 250℃ 이상 600℃ 이하이다. 또한, 아연 도금을 실시한 강판에서는, 도금 성상(性狀)의 관점에서, 500℃ 이하의 저온으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열처리의 가열온도에서의 유지 시간은 50초 이상으로 하는 것이 바람직하다. 유지 시간이 50초 미만에서는, 성형 가공시에 도입한 전위를 충분히 고착할 수 없다. 보다 바람직하게는 100초 이상, 더욱 바람직하게는 300초 이상, 1800초 이하이다.
다음으로, 본 실시형태에서 사용하는, 바람직하게는 인장강도:980㎫ 이상을 갖는 박강판의 바람직한 제조방법에 관하여 설명한다.
바람직하게는 상기한 조성의 강 소재로, 열간 압연 공정, 냉간 압연 공정, 소둔 공정을 이 순서로 실시하여, 인장강도 TS가 980㎫ 이상인 고강도 박강판으로 한다.
강 소재의 제조방법은, 특별히 한정할 필요는 없다.
열간 압연 공정에서의 가열온도는, 특별히 한정하지 않지만, 바람직한 범위는 제 1 실시형태와 동일하다.
열간 압연 공정에서는, 조 압연, 마무리 압연을 실시하여 열연판으로 하고, 코일상으로 권취한다. 조건은 특별히 한정하지 않지만, 바람직한 범위는 제 1 실시형태와 동일하다.
이어서, 열연판에 산세를 실시한 후, 냉간 압연을 행하여, 냉연판으로 하는 냉간 압연 공정을 실시한다. 조건은 특별히 한정하지 않지만, 바람직한 범위는 제 1 실시형태와 동일하다.
이어서, 냉연판에, 소둔을 실시하여, 냉연 소둔판으로 하는 소둔 공정을 실시한다. 소둔 공정에서는, 소둔시의 페라이트 및 오스테나이트 분율을 제어한 뒤, 냉각한다. 소둔 온도, 유지 시간, 평균 냉각속도 및 과시효 처리의 조건은, 특별히 한정하지 않지만, 바람직한 범위는 제 1 실시형태와 동일하다.
또한, 소둔 냉각 후에 소려 처리를 행해도 된다. 소려 처리는 100∼600℃ 온도 영역의 온도에서, 5∼1800초 유지하는 처리로 하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 400℃ 이상, 60초 이상이다.
도금층의 합금화 처리 등의 추가 처리를 해도 되는 것에 관해서는, 제 1 실시형태와 동일하다.
실시예
(제 1 실시예)
이하에, 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 실시예를 나타낸다.
표 1에 나타내는 조성, 표 3에 나타내는 인장 특성을 갖는 박강판을 준비했다. 또한, 이들 박강판은, 다음과 같은 공정을 거쳐 제조된 것이다. 표 1에 나타내는 조성의 용강(溶鋼)을 용제하고, 주조하여 두께:300㎜의 슬래브(강 소재)로 했다. 이어서, 이들 슬래브를, 표 2에 나타내는 가열온도로 가열한 뒤, 표 2에 나타내는 조건으로 마무리 압연을 포함하는 열간 압연을 실시한 뒤, 표 2에 나타내는 조건으로 냉각하고, 표 2에 나타내는 권취 온도로 권취하여, 열연판(판 두께:2.4㎜)로 했다. 이어서, 얻어진 열연판에, 표 2에 나타내는 냉연 압하율로 냉간 압연을 실시하여 냉연판(판 두께:1.2㎜)로 했다. 이어서, 이들 냉연판에 표 2에 나타내는 조건으로 소둔 처리를 실시했다.
얻어진 박강판(냉연 소둔판)에 관하여, 조직 관찰, 인장시험을 실시했다. 시험방법은 다음과 같이 했다.
(1) 조직 관찰
얻어진 박강판으로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취하고, 압연 방향에 평행한 판 두께 방향 단면을 연마하여, 3vol% 나이탈액으로 부식하고, 주사형 전자현미경(배율:500∼5000배)을 사용해서, 판 두께 1/4위치의 조직을 관찰하고, 촬영했다. 얻어진 조직 사진을 사용하여, 조직의 동정(同定) 및 체적률, 평균 결정 입경을 구했다.
페라이트상의 평균 입경은, 촬영한 조직 사진을 사용하여 절단법으로 측정했다. 또한, 페라이트상의 체적률은, 촬영한 조직 사진을 사용하여 시판 중인 화상처리 소프트웨어(Paint Shop Pro Ver.9, 코렐 코포레션사제)에 의해, 페라이트상과 제2상을 2치화하고, 페라이트상 분율을 측정하여, 이를 페라이트상의 체적율로 했다.
제2상인 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상, 펄라이트, 시멘타이트는, 촬영한 조직 사진에 관하여 육안에 의해 분류하고, 상기 화상 처리 소프트웨어에 의해 체적률을 구했다. 또한, 베이나이트상, 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상은, 각각의 체적률을 정확히 측정하는 것은 곤란하기 때문에, 합계량으로 구했다.
또한, 잔류 오스테나이트상의 체적률은, X선 회절법을 사용해서 측정했다. 강판을 판 두께 1/4위치까지 연삭한 후, 화학 연마에 의해 0.1㎜ 더 연마한 면에 대해, X선 회절 장치에서 Mo의 Kα선을 사용하여, fcc철의 (200), (220), (311)면과 bcc철의 (200), (211), (220)면의 적분 강도를 측정하고, 이들로부터, 잔류 오스테나이트의 체적률을 구했다. 전체(100%)에서, 상기한 조직을 뺀 나머지 체적률을, 마르텐사이트의 체적율로 했다.
(2) 인장시험
얻어진 박강판으로부터, JIS Z 2201에 준거하여, 압연방향과 90°인 방향을 길이방향(인장방향)으로 하는 JIS 5호 시험편을 채취해서, 인장속도 10㎜/min로 인장시험을 실시하고, JIS Z 2241에 준거하여, 인장 특성(인장강도 및 항복 연신율)을 측정했다. 얻어진 결과를 표 3에 나타낸다.
Figure 112015037577807-pct00001
Figure 112015037577807-pct00002
Figure 112015037577807-pct00003
이들 박강판을 소재 강판으로 하여, 굽힘 성형에 의해, 도 2에 나타내는 단면 형상의 부재를 제작하고, 축 압궤 시험을 실시했다. 시험방법은 다음과 같다.
(3) 축 압궤 시험
각 부재에, 축방향으로 시속 50㎞ 상당의 속도로, 110㎏f의 추를 충돌시켜, 160㎜까지 압궤했다. 압궤 후, 부재의 변형 상태를 육안으로 확인함과 아울러, 소정 압궤량까지의 흡수에너지를 산출했다. 또한, 본 발명예는, 소재 강판으로서, 인장강도 TS:980㎫ 이상이고, 항복 연신율 Y-El:2% 이상인 박강판을 사용했다. 한편, 비교예는, 인장강도 TS:980㎫ 이상이고, 항복 연신율 Y-El:2% 미만의 박강판을 사용했다. 얻어진 결과를 표 4에 나타낸다.
Figure 112015037577807-pct00004
본 발명예는 어느 것이나, 축방향으로 안정적으로 좌굴하여, 벨로우즈 형상으로 압궤 변형해 있고, 게다가, 충돌시의 흡수에너지도 7.5kJ 이상으로 높아져 있어, 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 부재가 되어 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 부재의 축방향의 압궤시에, 꺾임이 발생하여, 벨로우즈 형상으로 압궤 변형하지 않고, 충돌시의 흡수에너지도 7.5kJ 미만으로, 충돌에너지 흡수 능력이 낮은 부재가 되어 있다.
(제 2 실시예)
이하에, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 실시예를 나타낸다.
표 5에 나타내는 조성의 용강을 용제하고, 주조하여 두께:300㎜의 슬래브(강 소재)로 했다. 이들 슬래브를 사용하여, 열간 압연, 냉간 압연, 소둔의 각 공정을 거쳐, 박강판(냉연 소둔판)으로 했다. 얻어진 박강판의 인장 특성을 표 5에 병기하여 나타낸다.
이들 박강판을 소재 강판으로 하여, 굽힘 성형에 의해, 도 2에 나타내는 단면 형상의 부재를 제작했다. 또한, 부재의 제작에 있어서는, 박강판의 압연방향이 부재의 축방향이 되도록 했다.
다음으로, 얻어진 부재에, 표 6에 나타내는 조건으로 열처리를 실시했다.
이어서, 열처리를 받은 부재에 관하여, 축 압궤 시험을 실시했다. 또한, 얻어진 부재의 평면부로부터, 축방향이 인장방향이 되도록 JIS 5호 인장시험편을 채취하고, JIS Z 2241 규정에 준거하여 인장시험을 실시했다. 또한, 부재의 조직 관찰을 행했다. 시험방법은 다음과 같이 했다.
(1) 축 압궤 시험
각 부재에, 축방향으로 시속 50㎞ 상당의 속도로, 110㎏f의 추를 충돌시켜, 160㎜까지 압궤했다. 압궤 후, 부재의 변형 상태를 육안으로 확인함과 아울러, 소정 압궤량까지의 흡수에너지를 산출했다.
(2) 인장시험
얻어진 부재의 평면부로부터, JIS Z 2201 규정에 준거해서, 인장방향이 축방향이 되도록 JIS 5호 시험편을 채취하여, 인장속도:10㎜/min로 인장시험을 실시하고, JIS Z 2241 규정에 준거하여, 인장 특성(인장강도 및 항복 연신율)을 측정했다.
(3) 조직 관찰
얻어진 부재의 평면부로부터, 조직 관찰용 시험편을 채취하고, 제 1 실시예에 기재한 방법과 동일한 방법으로, 조직의 동정 및 체적률, 평균 결정 입경을 구했다.
얻어진 결과를 표 7에 나타낸다.
Figure 112015037577807-pct00005
Figure 112015037577807-pct00006
Figure 112015037577807-pct00007
본 발명예는 어느 것이나, 인장강도 TS:980㎫ 이상의 고강도와 항복 연신율이 2% 이상을 갖고, 축방향으로 안정적으로 좌굴하여, 벨로우즈 형상으로 압궤 변형하며, 게다가, 충돌시의 흡수에너지도 7.5kJ 이상으로 높아, 뛰어난 충돌에너지 흡수 능력을 갖는 부재가 되어 있다. 한편, 본 발명의 범위를 벗어나는 비교예는, 축방향의 압궤시에, 꺾임이 발생하고, 게다가 충돌시의 흡수에너지도 7.5kJ 미만으로, 충돌에너지 흡수 능력이 낮은 부재가 되어 있다.
본 발명에서는, 인장강도 TS:980㎫ 이상이어도, 충돌시에 안정적으로 벨로우즈 형상으로 압궤하여 충돌에너지를 흡수해서, 축방향의 충돌에너지 흡수 능력이 뛰어난 자동차용 충돌에너지 흡수부재를 얻을 수 있어, 산업상 현격한 효과를 나타낸다. 또한, 본 발명의 자동차용 충돌에너지 흡수부재를 프론트 프레임이나 리어 프레임 등으로서 사용함으로써, 자동차 차체의 경량화에 기여할 수 있다.

Claims (10)

  1. 박강판(薄鋼板)을 성형 가공하여 이루어지는 자동차용 충돌에너지 흡수부재로서,
    상기 박강판이,
    질량%로,
    C:0.05∼0.30%,
    Si:0.01∼1.6%,
    Mn:1.0∼3.5%,
    P:0.060% 이하,
    S:0.0050% 이하,
    Al:0.01∼1.5%,
    N:0.0060% 이하
    를 함유하고, 잔부(殘部)가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 가지며,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 박강판이, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼95%의 페라이트상(相)과, 합계로 5∼100%의 소려(燒戾) 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상, 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직과,
    인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상의 인장 특성을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 성형 가공 후 200℃ 이상 700℃ 미만의 온도 영역에서 열처리를 받은 것인 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가,
    질량%로,
    C:0.05∼0.30%,
    Si:0.01∼1.6%,
    Mn:1.0∼3.5%,
    P:0.060% 이하,
    S:0.0050% 이하,
    Al:0.01∼1.5%,
    N:0.0060% 이하
    를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가,
    질량%로,
    C:0.05∼0.30%,
    Si:0.01∼1.6%,
    Mn:1.0∼3.5%,
    P:0.060% 이하,
    S:0.0050% 이하,
    Al:0.01∼1.5%,
    N:0.0060% 이하
    를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재가, 조직 전체에 대한 체적률로, 0∼80%의 페라이트상과, 합계로 20∼100%의 소려 마르텐사이트상, 소려 베이나이트상 및 베이나이트상 중의 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 잔부가 합계로 0∼5%의 마르텐사이트상, 잔류 오스테나이트상, 펄라이트, 시멘타이트 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 조직을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재.
  10. 인장강도 TS:980㎫ 이상의 강도를 갖는 박강판을 제조하는 공정과,
    상기 박강판을 성형 가공하여, 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 형상으로 하는 공정과,
    상기 성형 가공 후에, 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재에 대해, 가열온도:200℃ 이상 700℃ 미만의 온도 영역에서 50초 이상 유지하는 열처리를 실시하여, 상기 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 인장 특성을, 인장강도 TS:980㎫ 이상, 또, 항복 연신율 Y-El:2% 이상으로 하는 공정을 가지며,
    상기 박강판이,
    질량%로,
    C:0.05∼0.30%,
    Si:0.01∼1.6%,
    Mn:1.0∼3.5%,
    P:0.060% 이하,
    S:0.0050% 이하,
    Al:0.01∼1.5%,
    N:0.0060% 이하
    를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 조성을 갖는 자동차용 충돌에너지 흡수부재의 제조방법.
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