KR20220158157A - 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 차체부품 등으로 사용되는 열간성형(Hot Press Forming, HPF)용 도금강판 및 열간성형 부재와 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판, 열간성형 부재 및 이들의 제조방법{PLATED STEEL SHHET FOR HOT PRESS FORMING HAVING EXCELLENT HYDROGEN EMBRITTLEMENT RESISTANCE, HOT PRESS FORMED PARTS, AND MANUFACTURING METHODS THEREOF}

본 발명은 자동차 차체부품 등으로 사용되는 열간성형(Hot Press Forming, HPF)용 도금강판 및 열간성형 부재와 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다.

열간성형 부재는 최근 자동차 경량화를 통한 연비 향상 및 승객 보호 등의 목적으로 자동차 등의 구조 부재에 많이 사용되고 있고, 특히 초고강도 또는 에너지 흡수능이 크게 요구되는 범퍼, 도어 또는 필러 보강재 등에 많이 활용되고 있다. 특히 열간성형 부재를 이용하는 경우에 내식성 등을 확보하기 위해서 표면이 도금된 도금강판을 많이 사용하고 있다.

이러한 열간성형 기술에 관한 대표적인 기술로는 특허문헌 1이 있다. 특허문헌 1은 Al-Si 도금강판을 850℃ 이상 가열한 후 프레스에 의한 열간성형 및 급냉에 의한 부재의 조직을 마르텐사이트로 형성시켜, 초고강도를 확보할 수 있다. 이러한 열간성형 기술을 이용하여 초고강도를 확보할 경우, 고온에서 성형하기 때문에 복잡한 형상도 쉽게 성형을 할 수 있다. 또한, 금형 내 급냉에 따른 강도 상승을 통해 고강도화와 동시에 경량화 효과를 기대할 수 있다.

그러나, 상기 마르텐사이트 조직은 수소 취성에 대한 저항성이 낮은 것으로 알려져 있다. 특히, 열간성형 후 제조된 부품은 가열 후 급냉에 따른 잔류 응력이 존재하고 강 중 확산성 수소량이 증가할 경우, 수소 취성에 의한 지연파괴가 일어날 수 있으므로, 부품 적용이 제한되는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 방안이 요구되고 있는 실정이다.

미국등록특허 제6296805호

본 발명의 일측면은, 열간성형 부재의 수소 취성에 의한 지연파괴 발생을 저감시킬 수 있어 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판과 이를 이용하여 제조된 열간성형 부재, 그리도 이들을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일태양은 소지강판; 및

상기 소지강판 표면에 형성된 Al계 도금층을 포함하고,

상기 Al계 도금층 내 Ni 평균 함량은 0.05~0.35 중량%인 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판에 관한 것이다.

본 발명의 다른 일태양은 소지강판을 준비하는 단계;

상기 준비된 소지강판을 도금 부착량 150~2500㎎/㎡로 Ni 플래쉬 도금하는 단계; 및

상기 Ni 플래시 도금된 냉연강판을 연속소둔하고 Al계 도금하는 단계;

를 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 일태양은 소지철; 및

상기 소지철 상에 형성된 합금 도금층을 포함하고,

상기 합금 도금층의 표면에서 깊이방향으로 15㎛까지, Ni 함량이 가장 높은 지점(Nimax)에서의 Ni 함량이 0.1~0.75 중량%인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 일태양은 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 Al계 도금층을 포함하고, 상기 Al계 도금층 내 Ni 평균 함량은 0.05~0.35 중량%인 블랭크를 제공하는 단계;

상기 블랭크를 Ac3~975℃의 온도범위로 가열하는 단계; 및

상기 가열된 블랭크를 프레스로 이송하여 성형하고, 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;

를 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형 부재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 열간성형용 도금강판을 열간성형하는 경우에, 강중 확산성 수소량을 저감시켜, 내수소취성이 우수한 열간성형 부재를 제공할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 실시예 중 발명예 1의 열간성형용 도금강판에서 Al계 도금층의 Fe와 Ni 함량을 글로 방전 분광법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GDS)으로 분석한 그래프이다.
도 2는 실시예 중 발명예 3의 열간성형 부재의 합금 도금층에서 Ni 함량을 GDS 분석한 그래프로서, 이를 통해 Ni 농화층을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 중 발명예 1 내지 3 및 비교예 2의 열간성형 부재의 합금 도금층에서의 Ni 함량을 GDS 분석한 그래프이다.
도 4는 실시예 중 발명예 1 내지 8, 비교예 1 내지 2의 열간성형 부재에서의 Nimax 지점에서의 Ni 함량과 각 부재의 확산성 수소량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.

본 발명의 발명자들은 열간성형 부재의 수소취성에 대해 깊이 연구한 결과, 열간성형시 알루미늄 등의 도금층을 갖는 블랭크(열간성형용 도금강판으로부터 제조)를 가열하는 단계 중에, 열처리로 안에 존재하는 수증기가 블랭크 표면에서 흡착된다. 이어서, 물이 해리되면서 발생되는 수소는 고온에서 수소 용해도가 높은 오스테나이트 상을 가지는 강 중에 흡장된다.

그러나, 열간성형에 의한 급냉이 발생하여 마르텐사이트상으로 변화하면 수소의 용해도는 급격히 떨어지게 되고, 도금층이 합금화되면서 형성된 합금 도금층은 수소를 방출하기 힘들도록 막는 방해물 역할을 하게 된다는 것을 알게 되었다. 따라서, 상당량의 확산성 수소 함량이 강 중 남게 되고, 이에 따라 수소 지연 파괴로 인한 크랙 생성 가능성이 높아진다. 이에 열처리시 흡장되는 확산성 수소량을 줄이는 것이 중요하다는 것을 알게 되었다.

본 발명자들은 열간성형용 강재에서 수소취성에 영향을 일으키는 강 중 확산성 수소량에 대한 분석을 수행하면서 Ni 플래쉬 도금을 통해 확산성 수소량을 감소시킬 수 있다는 효과를 발견하였고, 본 발명에 이르게 되었다.

이하 본 발명에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명의 일태양인 열간성형용 도금강판은 소지강판, 상기 소지강판 상에 형성된 Al계 도금층을 포함하며, 상기 Al계 도금층 내 Ni 함량이 0.05 중량% 이상인 것이 바람직하다.

상기 Al계 도금층은 상기 Ni을 제외하면, 본 발명이 속하는 열간성형용 도금강판의 기술분야에 통상의 기술자에 의해 행해지는 열간성형용 도금강판에서 널리 사용되는 Al계 도금이면 충분하고, 그 성분의 함량이나 종류를 특별히 한정하지 않는다. 예를 들면, 순수 Al 도금뿐만 아니라, Al에 일부 Si을 포함하여 행해지는 도금 등을 모두 포함할 수 있다.

상기 Al계 도금층은 Al-리치(rich)층과 농도구배층을 포함할 수 있다. 상기 농도구배층은 소지강판을 가지고 Al계 도금을 행하는 과정에서 소지강판의 Fe와 Al 도금욕 성분이 상호 반응하여 Fe를 포함하여 형성된 구간이다. 상기 Al계 도금층에서 상기 Al-리치층과 농도구배층의 경계를 명확히 구별하는 것은 용이하지 않다. 다만 상기 Al-리치층에서 Fe 함량이 농도구배층에서의 Fe 함량 보다 적다. 일예로 상기 Al계 도금층에서 Fe의 함량이 약 2중량% 이상이 되면, 도금 성분보다는 소지강판에서 확산된 Fe의 함량이 많아지는 것으로 이해될 수 있어, Al-리치층과 농도구배층의 경계로 여길 수 있고, 상기 농도구배층과 소지강판의 경계는 Fe 함량이 대략 80중량%가 되는 지점까지로 볼 수 있으나, 반드시 이에 명확히 구별되는 것은 아니다.

일예로 도 1을 참고하면, 도 1은 하기 실시예 중 발명예 1의 열간성형용 도금강판을 표면부터 깊이 방향으로 글로 방전 분광법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GDS)을 행한 분석 결과로서, 이를 통해 상기 Al계 도금층은 Al-리치층과 Fe 함량이 80중량%까지인 농도구배층을 포함하는 것으로 이해할 수 있다.

상기 열간성형용 도금강판에서 상기 Al계 도금층은 Ni의 평균함량이 0.05 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 Al계 도금층에 포함된 Ni은 깊이방향으로 분포되어 있는 것이 바람직하다. 다만, 도 1을 참고하면, 상기 Ni의 함량은 도금강판의 표면으로부터 도금층 깊이방향으로 일정하지 않다. 상기 평균 함량은 표면에서부터 Al계 도금층 깊이방향으로 분석한 결과의 평균을 의미한다. 이를 측정하는 바람직한 일예로서, 도 1과 같은 GDS 분석 Ni 프로파일에서 그래프의 평균값으로 도출할 수 있다. 상기 Al계 도금층에 포함된 Ni은 후술하는 바와 같이, 열간성형 과정에서 형성되는 합금 도금층 내에 Ni 농화층 형성을 도모하며, 이렇게 형성된 Ni 농화층이 열간성형을 위한 열처리 과정에서 흡장될 수 있는 외부 수소가 소지강판으로 침투하는 것을 막는 역할을 한다. 이를 통해 열간성형 부재의 내수소취성을 개선할 수 있는 역할을 한다.

상기 Ni 함량이 0.05 중량% 미만에서는 열간성형시 충분한 Ni 농화층이 형성되지 않으며, 이에 따라 열간성형 열처리 중 흡장되는 외부 수소를 효과적으로 막기 어렵다. 한편, 상기 Ni 함량이 높을수록 외부 수소를 막는 효과를 증가한다. 그러나, Ni 함량이 0.35 중량%를 초과하는 경우에는 Ni 부착량 증가에 따른 원가 상승 및 폭방향의 불균일도 증가로 인해 균질한 강판을 제조하기 어려우므로, 상기 Ni 함량은 0.35 중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 보다 바람직한 범위는 0.055~0.335 중량%이다.

본 발명에서 상기 소지강판의 종류, 합금의 성분계는 특별히 한정하지 않으며, 열간성형 부재로서 사용될 수 있는 것이면 그 종류를 가리지 않는다. 바람직한 일예로, 본 발명에서 상기 소지강판은 중량%로, 탄소(C): 0.07~0.5%, 실리콘(Si): 0.05~1%, 망간(Mn): 0.5~4%, 인(P): 0.001~0.015%, 황(S): 0.0001~0.02%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 크롬(Cr): 0.01~1%, 질소(N): 0.001~0.02%, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 추가적으로, 티타늄(Ti): 0.1% 이하(0 포함), 보론(B): 0.01% 이하(0 포함)을 포함할 수 있다. 이하, 각 합금 성분에 대해 간략히 설명한다.

탄소(C): 0.07~0.5 중량% (이하, %)

상기 C는 열간성형 부재의 강도 및 경화능을 향상시키는 원소로서, 강도 조절을 위해 필수적인 원소로 적정하게 포함되어야 한다. 상기 C 함량이 0.07% 미만에서는 경화능이 낮아 냉각속도 감소시 충분한 마르텐사이트를 확보하지 못하고, 페라이트 생성으로 원하는 강도를 확보하기 어려우므로 0.07% 이상 포함하는 것이 바람직하고, 0.5%를 초과하게 되면 강도가 과하게 상승되고 취성을 유발하며 용접성이 저하되므로 0.5%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.05~1%

상기 Si는 제강에서 탈산제로 첨가되어야 할 뿐만 아니라, 고용강화 원소이고, 탄화물 생성을 억제하며, 내부 조직 균일화에 효과적이다. 또한, 열간성형 부재의 강도 상승에 기여하며 재질 균일화에 효과적인 원소이다. 다만, 그 함량이 0.05% 미만에서는 상기 효과를 기대하기 어렵고, 1%를 초과하게 되면 소둔 중 강판 표면에 생성되는 과도한 Si 산화물로 인하여 도금성이 크게 저하되기 때문에 1% 이하인 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.5~4%

상기 Mn은 고용강화 효과 인하여 원하는 강도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 경화능 향상을 통하여 열간성형시 페라이트 형성을 억제하기 위해 필요한 원소이다. 상기 Mn 함량이 0.5% 미만에서는 충분한 경화능 효과를 얻기 어렵고, 부족한 경화능을 위해서 다른 고가의 합금원소가 과다하게 필요하여 제조원가가 크게 증가하는 문제가 발생된다. 한편, Mn 함량이 4%를 넘게 되면 미세조직상 압연방향으로 배열된 밴드(band)성 조직이 심화되어 내부 조직의 불균일성을 유발하게 되고 이에 따른 내충돌성을 열위시킬 수 있으므로, 4% 이하인 것이 바람직하다.

인(P): 0.001~0.015%

상기 P는 강 중 불순물로 존재하며 그 최소 함량이 0.001% 미만을 위해서는 많은 제조비용이 요구되므로 바람직하지 않고, 최대 함량이 0.015%를 초과하게 되면 열간성형 부재의 용접성 및 고온 입계 편석에 따른 재질 물성이 열화되므로 0.015%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

황(S): 0.0001~0.02%

상기 S는 불순물로서, 부재의 연성, 충격특성 및 용접성을 저해하는 원소이기 때문에 최대함량을 0.02%로 하는 것이 바람직하다. 또한, 최소 함량을 0.0001% 미만으로 하기 위해서는 제조비용이 크게 상승하므로 바람직하지 않다.

알루미늄(Al): 0.01~0.1%

상기 Al은 Si와 더불어 제강에서 탈산 작용을 하여 강의 청정도를 높이는 원소이다. 상기 Al 함량이 0.01% 미만에서는 이러한 효과를 얻기 어렵고, 0.1%를 초과하는 경우에는 연주공정 중 형성되는 과다한 AlN 석출물에 따른 고온연성이 저하되어 슬라브 크랙이 발생하여 제조상 문제를 유발할 수 있으므로, 그 상한은 0.1%인 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.01~1%

상기 Cr은 Mn과 같이 강의 경화능을 확보하여 열간성형 후 페라이트 생성을 억제하기 위한 원소로서 첨가된다. 상기 Cr 함량이 0.01% 미만에서는 상기 효과를 확보하기 어렵고, 1%를 초과하게 되면 첨가량 대비 경화능 향상 효과가 미미할 뿐만 아니라 조대한 철탄화물이 과다하게 형성되어 응력 작용시 크랙이 유발될 수 있어 재질을 열위하게 할 수 있으므로 1%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

질소(N): 0.001~0.02%

상기 N은 강 중에 불순물로 포함된다. 상기 N 함량이 0.001% 미만을 위해서는 과도한 제조비용이 수반되고, 그 함량이 0.02% 초과하게 되면 첨가된 Al과 같이 AlN 형성에 따른 슬라브 크랙이 발생하기 쉬워지므로 0.02%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.1% 이하 (0 포함)

상기 Ti는 강에 불순물로 잔존하는 질소와 결합하여 TiN을 생성시킴으로써, 경화능 확보를 위한 B가 화합물이 되지 않도록 보호할 수 있다. 이를 위해 상기 Ti가 추가로 포함될 수 있다. 또한, TiC 석출물 형성을 통하여 석출강화 및 결정립 미세화 효과를 기대할 수 있다. 다만 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 오히려 조대한 TiN이 다량 형성되어, 강의 재질을 열위하게 하므로 그 상한은 0.1%를 넘지 않는 것이 바람직하다.

보론(B): 0.01% 이하 (0 포함)

상기 B는 경화능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 원소로서, 구오스테나이트 결정립계에 편석되어 불순물인 P 및/또는 S의 입계편석에 따른 열간성형 부재의 취성을 억제할 수 있으므로, 추가로 포함될 수 있다. 다만, 상기 B가 0.01%를 초과하게 되면 Fe₂₃CB₆ 복합화합물의 형성으로 열간압연에서 취성을 야기시킬 수 있기 때문에 그 상한은 0.01% 인 것이 바람직하다.

나머지는 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함한다. 불가피한 불순물은 통상의 철강 제조공정에서 의도되지 않게 혼입될 수 있는 것으로, 이를 전면 배제할 수는 없으며, 통상의 철강제조 분야의 기술자라면 그 의미를 쉽게 이해할 수 있다. 또한, 본 발명은, 앞서 언급한 강 조성 이외의 다른 조성의 첨가를 전면적으로 배제하는 것은 아니다.

다음으로, 본 발명의 다른 일태양인 열간성형용 도금강판의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 설명되는 제조방법은 전술한 열간성형용 도금강판을 제조하는 바람직한 일예로서, 반드시 이로 제조해야만 하는 것은 아니다.

상기 제조방법은 소지강판을 준비하는 단계; 상기 준비된 소지강판 표면을 Ni 플래쉬 도금하는 단계; 및 상기 Ni 플래쉬 도금된 소지강판을 연속소둔하고, Al계 도금을 행하는 단계를 포함한다.

상기 소지강판은 전술한 바와 같으며, 상기 소지강판을 준비하는 과정은 전술한 강조성을 만족하는 강슬라브를 가열한 후, 열간압연, 권취, 냉간압연하여 얻어질 수 있다.

전술한 조성을 만족하는 강슬라브를 1050~1300℃로 가열한 후 열간압연을 실시한다. 상기 가열온도가 1050℃ 미만에서는 강슬라브 조직이 충분히 균질화되지 않으므로, 석출원소를 활용할 경우 재고용시키기 어렵고, 1300℃를 초과하는 경우에는 과다한 산화층이 형성되어 산화층 제거를 위한 제조비용 증가를 초래하고, 열간압연 후 표면 결함이 발생할 가능성이 높아진다.

상기 열간압연의 마무리 압연온도는 800~950℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 마무리 압연온도가 800℃ 미만에서는 이상역 압연이 진행되어, 강판 표층부에 페라이트가 도입되며 판형상 제어가 어렵다. 반면 950℃를 초과하는 경우에는 열간압연 결정립의 조대화가 발생할 수 있다.

열간압연 이후에는 500~700℃의 온도범위에서 귄취를 행한다. 상기 권취온도가 500℃ 미만에서는 강판의 전체 또는 부분적으로 마르텐사이트가 형성되어 코일의 형상 제어가 어려울 뿐만 아니라 열연강판의 과도한 강도 상승으로 후속하는 냉간압연성이 저하되는 문제가 있다. 반면, 700℃를 초과하는 경우에는 조대한 탄화물이 과다 형성되고 열간성형부재의 응력 발생시 크랙 발생이 촉진되므로 내충돌성이 저하될 우려가 있다.

이후, 냉간압연 공정을 행한다. 다만, 냉간압연 전에 표면 산화물을 제거하기 위해서 산세 공정을 더 행할 수 있다. 필요에 따라서는 냉간압연을 행하지 않고, 도금을 행하여 열간성형용 소지강판으로 사용될 수 있다.

상기 냉간압연시 냉간압하율은 소정의 두께를 얻기 위해서 행해지는 것으로서, 30~80%의 압하율로 행하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 준비된 소지강판 표면에 Ni 플래쉬 도금을 행한다. 상기 Ni 플래쉬 도금은 소둔 이전에 행해지는 일종의 전기도금 방식의 하나로서, Ni 전해액을 사용하여, 전기도금간 전류량 등을 조절함으로써, 표면에 150~2500㎎/㎡의 부착량으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 Ni 플래쉬 도금으로 행해진 Ni 도금 부착량은 150~2500㎎/㎡인 것이 바람직하다. 상기 Ni 도금 부착량이 150㎎/㎡ 미만일 경우에는 열간성형을 위한 열처리에서 도금층에 Ni 농화가 되지 못하여 본 발명의 효과를 충분히 발휘하지 못하며, 2500㎎/㎡을 초과하는 경우에는 전기도금간 과도한 전류 집중으로 강판 내부 국부적인 미도금이 발생할 뿐만 아니라, Ni 도포를 위한 전기도금용 용액을 과도하게 사용하는 등 제조 원가 비용이 과도하게 상승하므로, 2500㎎/㎡ 이하로 행하는 것이 바람직하다. 한편, 보다 바람직한 Ni 도금 부착량은 200~2000㎎/㎡이 바람직하다.

상기 Ni 플래쉬 도금된 소지강판을 연속소둔하고 Al계 도금을 행한다. 상기 소둔 시 소둔온도는 740~860℃인 것이 바람직하다. 상기 소둔온도가 740℃ 미만인 경우에는 냉간압연된 조직의 재결정이 충분히 완료되지 않으므로, 판형상이 불량할 수 있고, 도금 후 강도가 지나치게 높기 때문에 블랭킹 공정 중 금형 마모를 유발할 수 있다. 반면, 860℃를 초과하는 경우에는 소둔공정 중 표면 산화물 형성이 촉진되어 Al계 도금시 도금 표면에 결함을 유발할 수 있다. 또한, 소둔 열처리시 분위기는 비산화성 분위기로 하는 것이 바람직하고, 수소-질소 혼합가스 등을 사용할 수 있다. 이때 분위기 가스의 이슬점 온도(Dew point)는 -75~-20℃인 것이 바람직하다. 상기 이슬점 온도가 -75℃ 미만이 되기 위해서는 이슬점 온도 제어를 위한 부가 설비가 요구되므로, 제조비용이 상승하는 문제가 있고, -20℃를 초과하게 되면 소둔 중 강판 표면에 소둔산화물이 형성되어 미도금 등의 표면 품질 불량을 초래할 수 있다.

상기 소둔 후 Al계 도금을 행한다. 상기 Al계 도금은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 도금을 의미하며, 열간성형용 도금 강판에 적용되는 도금층이라면 본 발명에도 제한없이 적용될 수 있다.

상기 Al계 도금은 Al계 도금욕에 침지하여 행하는 것이 바람직하며, 바람직한 일예로서, 상기 도금욕 조성은 실리콘(Si): 6~12 중량%, 철(Fe): 1~4 중량%, 나머지는 알루미늄(Al) 및 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 Al계 도금시 도금부착량은 편면 기준 20~140g/㎡로 하는 것이 바람직하다. 편면 기준 도금부착량이 20g/㎡ 미만에서는 원하는 열간성형 부재의 내식성을 확보하기 어렵다. 반면, 140g/㎡을 초과하는 경우에는 과도한 도금 부착량에 따른 제조원가가 상승할 뿐만 아니라, 도금층을 균일하게 코일 전폭 및 길이 방향으로 도금하기 용이하지 않다.

다음으로, 본 발명의 또다른 일태양인 열간성형 부재에 대해 상세히 설명한다. 바람직한 일예로, 상기 열간성형 부재는 전술한 열간성형용 도금강판을 열간성형하여 얻어질 수 있다.

상기 열간성형 부재는 소지철 및 상기 소지철 상에 형성된 합금 도금층을 포함하고, 상기 합금 도금층은 그 표면에서 15㎛까지 Ni 함량을 측정한 결과, Ni 함량이 가장 높은 지점(Nimax)에서의 Ni 함량은 0.1 중량% 이상인 것이 바람직하다. 상기 Nimax 에서의 Ni 함량이 0.1 중량% 미만이면, Ni 농화층이 충분히 형성되지 않아, 열간성형간 외부 수소의 흡장을 효과적으로 방해하지 못하여, 내수소취성을 확보하기 어렵다. 상기 Nimax 에서의 Ni 함량은 높은수록 수소 흡장을 억제하는 효과는 높아지나, 그 함량이 과도하면 Ni 부착량 증가에 따른 원가 증가가 우려되고, 용접시 환경적 문제가 발생할 우려가 있으므로, 0.75 중량%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

상기 합금 도금층은 상기 Al계 도금층이 열간성형에 의한 가열과정에서, 도금층의 성분, 소지철 등이 상호반응하여 합금화되어 얻어진 층으로서, 본 발명에서는 상기 합금 도금층에 대해 특별히 한정하지 않는다.

한편, 상기 합금 도금층 내에 Ni 농화층을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 Ni 농화층을 확인하는 방법은 다양한 방법이 있을 수 있다. 바람직한 일예로 상기 합금 도금층 표면에서 부재의 두께방향으로 글로 방전 분광법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GDS)을 이용하여 도출된 농도 프로파일의 그래프를 이용할 수 있다. 상기 농도 프로파일 그래프에서, Ni의 함량이 가장 높은 지점(Nimax)에서 상기 부재의 표면방향으로 그래프의 기울기가 O이 되는 첫번째 지점(Nio) 및 상기 Nimax에서 상기 부재의 깊이방향으로 상기 Nio와 동일한 함량을 갖는 지점(Nio') 사이의 폭을 상기 Ni 농화층으로 규정할 수 있다.

도 2는 하기 실시예 중 발명예 3의 열간성형 부재에서의 Ni 함량을 GDS 분석한 농도 프로파일 그래프이다. 상기 도 2에서 상기 Nimax, Nio, Nio'을 도출하여, 이로부터 Ni 농화층을 확인할 수 있다.

상기 Ni 농화층의 두께는 특별히 한정되지 않고, 도금, 열간성형 시 열처리 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 구체적인 일예로, 상기 Ni 농화층의 두께는 1~15㎛인 것이 바람직하다. 상기 Ni 농화층의 두께가 1㎛ 미만이면, 충분한 내수소취성 효과를 확보하기 곤란하며, 15㎛ 를 초과하게 되면 과도한 Ni 플래쉬 도금을 행해야 하며, 원가증가 및 용접시 환경문제 등을 유발할 수 있다.

상기 열간성형 부재의 확산성 수소량은 0.3 중량ppm 이하인 것이 바람직하다. 상기 열간성형 부재의 확산성 수소량은 TDA(Thermal Desortion Analysis) 장비를 이용하여 측정이 가능하며, 구체적인 방식으로는 약 400℃까지 20℃/s 승온속도로 승온하고, 확산성 수소 피크(peak)가 충분히 나오도록 시간을 유지하여 확산수소 커브(curve)를 측정하였고, 이러한 커브를 적분하여 얻어진 값이다.

열간성형용 도금강판의 소지강판과 열간성형 부재의 소지철은 합금조성에 있어서는 차이가 크지 않으나, 미세조직 상에 차이가 있을 수 있으므로, 이를 구별하는 것이 바람직하다. 이에 본 발명에서도 소지강판은 열간성형용 도금강판에서 사용되는 것이고, 열간성형 부재에서는 소지철인 것으로 구별하였다. 한편, 열간성형용 도금강판의 소지강판의 경우에는 페라이트와 펄라이이트 조직을 이루고 있으나, 열간성형을 거친 형성된 열간성형 부재의 소지철에서는 주상으로 마르텐사이트가 형성되고 일부 베이나이트가 형성될 수 있다.

이하, 본 발명의 또다른 일태양인 열간성형 부재의 제조방법에 대해 설명한다. 이를 위해, 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 Al계 도금층을 포함하고, 상기 Al계 도금층 내 Ni 평균 함량은 0.05~0.35 중량%인 블랭크를 제공한다. 상기 블랭크를 제공하기 위한 일예로 전술한 열간성형용 도금강판을 이용하여 블랭크를 제조할 수 있다.

상기 제공된 블랭크를, 오스테나이트 단상역 온도 이상, 보다 구체적으로 Ac3~975℃의 온도범위로 가열하는 것이 바람직하다. 상기 가열온도가 Ac3 온도 미만에서는 이상역 구간에 따른 미변태된 페라이트의 존재로 인하여 강도 및 내충돌성을 확보하기 어렵다. 반면 가열온도가 975℃를 초과하게 되면 부재 표면에 과다한 산화물이 생성되어 점용접성의 확보가 어렵고, 높은 온도 유지를 위한 제조비용이 상승한다. 이와 같이 가열된 블랭크는 상기 온도범위에 1~1000초가 유지하는 것이 바람직하다. 유지시간이 1초 미만에서는 블랭크 전체에서의 균일한 온도 분포가 힘들어 위치별 재질 편차를 유발할 수 있으며, 1000초를 초과하게 되면 표면에 과도한 산화물 생성에 따른 점용접성 확보가 어려울 뿐만 아니라 부재의 제조 비용 증가를 유발할 수 있다.

상기 가열된 블랭크를 프레스로 이송하여 성형 및 냉각하는 공정을 행한다. 이때 냉각속도는 20℃/s 이상인 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 20℃/s 미만에서는 냉각 중 페라이트 상이 도입되어 결정립계에 생성되고 강도, 내충돌성 등 물성을 열화시킬 수 있다. 상기 블랭크의 이송, 성형 및 냉각의 과정을 특별히 제한되지 않으며, 열간성형 공법에 대해 통상적으로 활용되는 것을 그대로 적용할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 해석하기 위한 것이 아니다.

(실시예)

먼저, 하기 표 1의 강조성(단위는 중량%임)을 만족하는 강슬라브를 두께 60㎜로 진공 용해 하여 제조하였다. 이때, 표 1에서 기재하지 않은 강조성의 나머지는 Fe와 불가피한 불순물이다. 이렇게 준비된 강슬라브를 1200℃로 가열하여 1시간 유지한 후 열간압연을 수행하였고, 900℃의 열간압연 종료 온도에서 마무리하고, 600℃의 온도에서 권취하였다. 이후 냉간압연을 행하여 두께 1.5㎜의 냉연강판을 제조하였다.

상기 냉연강판에 대해 Ni 플래쉬 처리를 행하였다. 이때 Ni 도금량 부착량은 표 1에 나타내었다. 상기 Ni 플래쉬 처리는 Ni 전해액을 이용한 전기도금으로써, 전기도금간 전류량을 조절하여 상기 부착량을 조절하였다.

상기 Ni 플리쉬 처리된 냉연강판을 소둔하고, Si 9중량%, Fe 2중량%, 나머지는 Al 및 불가피한 불순물을 포함하는 Al계 도금욕을 사용하여, 도금온도 약 660℃로, 도금부착량은 편면 기준 75g/m²으로 행하였다. 상기 연속소둔은 800℃의 온도에서 수행하였다.

위와 같이 제조된 도금강판의 Al계 도금층 내 분포된 Ni의 함량을 측정하여 표 2에 나타내었다. 전술한 바와 같이 Al계 도금층은 도금층과 농도구배층(Al계 도금층에 Fe 함량이 80중량% 이하가 되는 지점까지)을 포함하여 측정하였으며, 글로 방전 분광법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GDS)을 활용하여 분석하였다.

또한, Ni 전기도금 후 도금 밀착성을 살펴보기 위하여 생산된 도금강판을 육안으로 살펴보아 강판에서 박리된 부위의 장축 길이를 측정하였으며, 하기와 같은 기준으로 평가 및 표 2에 나타내었다.

○: 박리된 부위의 장축 길이가 3mm 이하

Х: 박리된 부위의 장축 길이가 3mm 초과

상기 도금강판을 이용하여 블랭크를 제조하고, 이를 900℃로 가열하고, 6분간 유지하였으며, 10초내로 금형으로 이송하여 성형 및 냉각을 진행하였다. 이때 냉각은 20~40℃/s의 냉각속도로 냉각하였다. 이렇게 제조된 열간성형 부재에서 합금 도금층의 표면에서 깊이방향으로 15㎛까지 Ni 함량이 가장 높은 지점(Nimax)의 Ni 함량을 상기 GDS 분석하여 그 결과를 표 2에 나타내었고, 그리고 부재내 확산성 수소량을 측정하여 마찬가지로 표 2에 나타내었다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	N	Ti	B	Ni 부착량 (㎎/㎡)
A	0.218	0.31	1.1	0.012	0.001	0.028	0.19	0.0042	0.027	0.0026	300
B	0.222	0.4	1.2	0.013	0.001	0.023	0.08	0.0035	0.029	0.0026	200
C	0.105	0.26	1.6	0.01	0.001	0.034	0.4	0.0046	0.031	0.0027	500
D	0.310	0.35	2.1	0.011	0.001	0.029	0.2	0.004	0.03	0.0025	400
E	0.325	0.61	2.1	0.011	0.001	0.026	0.19	0.0049	0.031	0.0025	1000
F	0.071	0.58	3.6	0.011	0.001	0.023	0.17	0.0053	0.032	0.0025	2000
G	0.147	0.60	1.1	0.011	0.002	0.031	0.21	0.0041	0.027	0.003	800
H	0.343	0.90	0.6	0.013	0.001	0.05	0.3	0.0043	0.029	0.0029	1500
I	0.230	0.52	1.2	0.008	0.001	0.025	0.3	0.0047	0.025	0.0025	100
J	0.208	0.31	1.2	0.009	0.002	0.033	0.31	0.0029	0.03	0.0026	10
K	0.237	0.20	1.4	0.008	0.002	0.042	0.21	0.0027	0.028	0.0026	2550
L	0.327	0.28	1.0	0.008	0.002	0.030	0.10	0.0027	0.028	0.0026	2700

구분	도금강판 도금층 내 Ni 평균 함량 (중량%)	도금강판의 도금 밀착성	열간성형 부재 내 합금 도금층 표면에서 15㎛까지 최대 Ni 지점의 Ni 함량 (중량%)	열간성형 부재 내 확산성 수소량 (ppm)	비고
A	0.112	○	0.123	0.2407	발명예 1
B	0.055	○	0.104	0.2872	발명예 2
C	0.186	○	0.251	0.1880	발명예 3
D	0.153	○	0.208	0.2106	발명예 4
E	0.264	○	0.359	0.1331	발명예 5
F	0.335	○	0.734	0.1204	발명예 6
G	0.207	○	0.316	0.1570	발명예 7
H	0.306	○	0.503	0.1301	발명예 8
I	0.037	○	0.065	0.3231	비교예 1
J	0.001	○	0.003	0.3610	비교예 2
K	0.393	Х	0.837	0.1116	비교예 3
L	0.403	Х	0.861	0.1051	비교예 4

한편, 도 1은 상기 발명예 1의 열간성형용 도금강판의 Al계 도금층에서의 Fe와 Ni 함량을 GDS 분석한 그래프이다. 또한, 도 2는 발명예 1 내지 3, 비교예 2의 열간성형 부재에서 합금 도금층에서의 Ni 함량을 GDS 분석한 그래프이다. 도 3은 상기 발명예 1 내지 8 및 비교예 1 내지 2의 열간성형 부재에서 합금 도금층에서 Ni 최대함량과 확산성 수소량을 나타낸 그래프이다.

상기 실시예를 통해 얻어진, 상기 표 2 및 도 1 내지 4의 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명의 범위에 속하는 발명예들은 도금강판에서 우수한 도금 밀착성을 갖고, 이를 열간성형하였을 때, 우수한 내수소취성을 갖는 것을 알 수 있다.

그러나, 본 발명의 범위를 벗어나서, Ni 플래시 도금을 하지 않거나, 적게 행한 비교예 1 및 2에서는 열간성형 후에서 합금도금층에서도 충분한 Ni이 확보되지 않아, 본 발명에서 요구되는 내수소취성을 확보하기 어려운 것을 알 수 있었다.

반면, Ni 플래시 도금량을 과하게 행한 비교예 2 및 3에서는 내수소취성은 확보할 수 있으나, 도금시 강판 내 버닝 현상으로 인하여, 미도금이 발생하여 도금 밀착성이 열위해지는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (13)

1. 소지강판; 및
   상기 소지강판 표면에 형성된 Al계 도금층을 포함하고,
   상기 Al계 도금층 내 Ni 평균 함량은 0.05~0.35 중량%인 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판.
   
2. 상기 청구항 1에 있어서,
   상기 소지강판은 중량%로, C: 0.07~0.5%, Si: 0.05~1%, Mn: 0.5~4%, P: 0.001~0.015%, S: 0.0001~0.02%, Al: 0.01~0.1%, Cr: 0.01~1%, N: 0.001~0.02%, Ti: 0.1% 이하, B: 0.01% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판.
   
3. 상기 청구항 1에서
   상기 Al계 도금층은 Al-리치층과 농도구배층을 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판.
   
4. 소지강판을 준비하는 단계;
   상기 준비된 소지강판을 도금 부착량 150~2500㎎/㎡로 Ni 플래쉬 도금하는 단계; 및
   상기 Ni 플래시 도금된 냉연강판을 연속소둔하고 Al계 도금하는 단계;
   를 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판의 제조방법.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 소지강판을 준비하는 단계는,
   중량%로, C: 0.07~0.5%, Si: 0.05~1%, Mn: 0.5~4%, P: 0.001~0.015%, S: 0.0001~0.02%, Al: 0.01~0.1%, Cr: 0.01~1%, N: 0.001~0.02%, Ti: 0.1% 이하, B: 0.01% 이하를 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강슬라브를 준비하는 단계;
   상기 강슬라브를 1050~1300℃로 가열하는 단계;
   상기 가열된 강슬라브를, 800~950℃의 온도범위에서 마무리 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계;
   상기 열연강판을 500~700℃의 온도범위에서 권취하는 단계; 및
   상기 권취 후 산세하고 30~80%의 압하율로 냉간압연하는 단계;
   를 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판의 제조방법.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 연속소둔은 740~860℃의 온도범위, 이슬점 온도 -75~-25℃에서 행하는 내수소취성이 우수한 열간성형용 도금강판의 제조방법.
   
7. 소지철; 및
   상기 소지철 상에 형성된 합금 도금층을 포함하고,
   상기 합금 도금층의 표면에서 깊이방향으로 15㎛까지, Ni 함량이 가장 높은 지점(Nimax)에서의 Ni 함량이 0.1~0.75 중량%인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 합금 도금층은 Ni 농화층을 포함하고,
   상기 Ni 농화층은 글로 방전 분광법(Glow Discharge Optical Emission Spectrometry, GDS)을 이용하여, 상기 합금 도금층의 Ni 함량을 도출한 농도 프로파일 그래프에서, Ni의 함량이 가장 높은 지점(Nimax)에서 상기 부재의 표면방향으로 그래프의 기울기가 O이 되는 지점(Nio) 및 상기 Nimax에서 상기 부재의 깊이방향으로 상기 Nio와 동일한 함량을 갖는 지점(Nio') 사이의 폭인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재.
   
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 Ni 농화층의 두께는 1~15㎛인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 열간성형 부재의 확산성 수소량은 0.3 중량ppm 이하인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재.
    
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 소지철의 주상은 마르텐사이트인 내수소취성이 우수한 열간성형 부재.
    
12. 소지강판 및 상기 소지강판 표면에 형성된 Al계 도금층을 포함하고, 상기 Al계 도금층 내 Ni 평균 함량은 0.05~0.35 중량%인 블랭크를 제공하는 단계;
    상기 블랭크를 Ac3~975℃의 온도범위로 가열하는 단계; 및
    상기 가열된 블랭크를 프레스로 이송하여 성형하고, 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계;
    를 포함하는 내수소취성이 우수한 열간성형 부재의 제조방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 온도범위에서 1~1000초가 유지하는 내수소취성이 우수한 열간성형 부재의 제조방법.

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