KR102015200B1 - 열간 프레스용 도금 강판, 도금 강판의 열간 프레스 방법 및 자동차 부품 - Google Patents

Abstract

보다 적은 부착량으로 우수한 윤활성을 갖고, 열간 프레스 가공에 있어서의 성형성 및 생산성을 향상시키고, 열간 프레스 성형 후의 화성 처리성을 개선하는 것이 가능한, 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법과, 이 열간 프레스 방법에 의해 제조된 자동차 부품을 제공하기 위해, 강판의 편면 또는 양면에, 적어도 Al을 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유하는 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 적층되어 있고, 적어도 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 형성한다.

Description

열간 프레스용 도금 강판, 도금 강판의 열간 프레스 방법 및 자동차 부품 {PLATED STEEL SHEET FOR HOT PRESSING, PROCESS FOR HOT-PRESSING PLATED STEEL SHEET AND AUTOMOBILE PART}

본 발명은 열간 프레스용 도금 강판, 도금 강판의 열간 프레스 방법 및 자동차 부품에 관한 것이다.

최근, 환경 보호 및 지구 온난화의 억제를 위해, 화석 연료의 소비를 억제하는 요청이 높아지고 있고, 이 요청은, 다양한 제조업에 대해 영향을 미치고 있다. 예를 들어, 이동 수단으로서 매일의 생활이나 활동에 없어서는 안 되는 자동차에 대해서도 예외는 아니고, 차체의 경량화 등에 의한 연비의 향상 등이 요구되고 있다. 그러나, 자동차에서는 단순히 차체의 경량화를 실현하는 것은 제품 품질상 허용되지 않고, 적절한 안전성을 확보할 필요가 있다.

자동차의 구조의 대부분은, 철, 특히 강판에 의해 형성되어 있고, 이 강판의 중량을 저감시키는 것이, 차체의 경량화에 있어서 중요하다. 그러나, 상술한 바와 같이 단순히 강판의 중량을 저감시키는 것은 허용되지 않고, 강판의 기계적 강도를 유지하는 것이 요구된다. 이러한 강판에 대한 요청은, 자동차 제조업뿐만 아니라, 다양한 제조업에서도 마찬가지로 높아지고 있다. 따라서, 강판의 기계적 강도를 높임으로써, 이전 사용되고 있었던 강판보다 얇게 해도 기계적 강도를 유지 또는 높이는 것이 가능한 강판에 대해, 연구 개발이 행해지고 있다.

일반적으로 높은 기계적 강도를 갖는 재료는, 굽힘 가공 등의 성형 가공에 있어서, 성형성, 형상 동결성이 저하되는 경향이 있고, 복잡한 형상으로 가공하는 경우, 가공 자체가 곤란해진다. 이 성형성에 관한 문제를 해결하는 수단의 하나로서, 소위 「열간 프레스 방법(핫 스탬프법, 핫 프레스법, 다이 퀀치법, 프레스 하드닝이라고도 불림)」을 들 수 있다. 이 열간 프레스 방법에서는, 성형 대상인 재료를 일단 고온(오스테나이트 영역)으로 가열하여, 가열에 의해 연화된 강판에 대해 프레스 가공을 행하여 성형한 후에 냉각한다. 이 열간 프레스 방법에 따르면, 재료를 일단 고온으로 가열하여 연화시키므로, 그 재료를 용이하게 프레스 가공할 수 있고, 또한 성형 후의 냉각에 의한 켄칭 효과에 의해, 재료의 기계적 강도를 높일 수 있다. 따라서, 이 열간 프레스 가공에 의해, 양호한 형상 동결성과 높은 기계적 강도를 양립한 성형품을 얻을 수 있다.

그러나, 이 열간 프레스 방법을 강판에 적용한 경우, 예를 들어 800℃ 이상의 고온으로 가열함으로써, 표면의 철 등이 산화되어 스케일(산화물)이 발생한다. 따라서, 열간 프레스 가공을 행한 후에, 이 스케일을 제거하는 공정(디스케일링 공정)이 필요해져, 생산성이 저하된다. 또한, 내식성을 필요로 하는 부재 등에서는, 가공 후에 부재 표면에 대해 방청 처리나 금속 피복을 행할 필요가 있고, 표면 청정화 공정 및 표면 처리 공정이 필요해져, 역시 생산성이 저하된다.

이러한 생산성의 저하를 억제하는 방법의 예로서, 강판에 피복을 실시하는 방법을 들 수 있다. 일반적으로 강판 상의 피복으로서는, 유기계 재료나 무기계 재료 등 다양한 재료가 사용된다. 그 중에서도 강판에 대해 희생 방식 작용이 있는 아연계 도금 강판이, 그 방식 성능과 강판 생산 기술의 관점에서, 자동차 강판 등에 널리 사용되고 있다. 그러나, 열간 프레스 가공에 있어서의 가열 온도(700∼1000℃)는, 유기계 재료의 분해 온도나 Zn의 비점 등보다도 높고, 열간 프레스로 가열하였을 때에 표면의 도금층이 증발하고, 표면 성상이 현저한 열화의 원인으로 되는 경우가 있다.

그로 인해, 고온으로 가열하는 열간 프레스 가공을 행하는 강판에 대해서는, 예를 들어 유기계 재료 피복 및 Zn계의 금속 피복에 비해 비점이 높은 Al계의 금속 피복한 강판, 소위 Al 도금 강판을 사용하는 것이 바람직하다. Al계의 금속 피복을 실시함으로써, 강판 표면에의 스케일의 부착을 방지할 수 있고, 디스케일링 공정 등의 공정이 불필요해지므로, 생산성이 향상된다. 또한, Al계의 금속 피복에는 방청 효과도 있으므로, 도장 후의 내식성도 향상된다. 이상 설명한 바와 같은, Al계의 금속 피복을 소정의 강 성분을 갖는 강에 실시한 Al 도금 강판을 열간 프레스 가공에 사용하는 방법이, 하기의 특허문헌 1에 기재되어 있다.

Al계의 금속 피복을 실시한 경우, 열간 프레스 가공의 전단계에서의 예비 가열의 조건에 따라서는, Al 피복은, 우선 용융된 후, 강판으로부터의 Fe 확산에 의해 Al-Fe 화합물로 변화한다. 이 Al-Fe 화합물은 성장되어 가고, 강판의 표면에 이르기까지 Al-Fe 화합물로 된다. 이하, 이 화합물층을 합금층이라 칭하는 것으로 한다. 이 합금층은, 극히 경질이므로, 프레스 가공 시에 있어서의 금형과의 접촉에 의해, 가공 흠집이 형성된다.

즉, 원래 Al-Fe 합금층은, 비교적 표면이 미끄러지기 어렵고, 윤활성이 나쁘다. 또한, Al-Fe 합금층은, 비교적 단단하므로 깨지기 쉽고, 도금층에 금이 가거나, 파우더 형상으로 박리되기 쉽다. 또한, 박리된 Al-Fe 합금층이 금형에 부착되거나, Al-Fe 표면이 강하게 찰과되어 금형에 부착되거나, 금형에 Al-Fe가 응착·퇴적되어, 프레스품의 품위를 저하시키게 된다. 그로 인해, 보수 시에 금형에 응착된 Al-Fe 합금의 분말을 제거할 필요가 있어, 생산성 저하나 비용 증대의 한 원인으로 되어 있다.

또한, 이러한 Al-Fe 합금층은, 통상의 인산염 처리와의 반응성이 낮고, 전착 도장의 전처리인 화성 처리 피막(인산염 피막)이 생성되지 않는다. 화성 처리 피막이 부착되지 않더라도, 도료 밀착성은 양호하며, Al 도금의 부착량을 충분한 양으로 하면 도장 후 내식성도 양호해진다. 그러나, Al 도금의 부착량을 증대시키는 것은, 상술한 금형 응착을 열화시키는 경향이 있다. 응착에는, 박리된 Al-Fe 합금층이 부착되는 경우나 Al-Fe 표면이 강하게 찰과되어 부착되는 경우가 있는 취지를 먼저 설명하고 있다. 여기서, 표면 피막의 윤활성 향상에 의해, Al-Fe 표면이 강하게 찰과되어 부착되는 경우에 대해서는 개선되지만, 박리된 Al-Fe 합금층이 부착되는 경우에 대한 개선 효과는 비교적 작다. 박리된 Al-Fe 합금층의 부착을 개선하기 위해서는, Al 도금의 부착량 저감이 가장 유효하다. 그러나, 부착량을 저하시키면, 상기한 바와 같이 내식성이 저하되어 버린다.

이에 반해, 가공 흠집의 발생 방지 등을 목적으로 한 강판이, 하기 특허문헌 2에 기재되어 있다. 이 특허문헌 2에 따르면, 소정의 강 성분을 갖는 강판 상에, Al계의 금속 피복을 실시하고, 또한 Al계의 금속 피복 상에, Si, Zr, Ti 혹은 P 중 적어도 하나를 함유하는 무기 화합물 피막, 유기 화합물 피막, 또는, 이들의 복합 화합물 피막을 형성하는 것이 제안되어 있다. 이러한 표면 피막이 형성된 강판에서는, 가열 후의 프레스 가공 시에도 표면 피막이 잔류하고 있고, 프레스 가공 시의 가공 흠집의 형성을 방지할 수 있다. 또한, 이 표면 피막은, 프레스 가공 시의 윤활제로서의 역할도 할 수 있고, 성형성을 향상시킬 수 있다고 되어 있다. 그러나, 실제는 충분한 윤활성이 얻어지지 않아, 새로운 윤활제나 대체 수단이 요구되고 있다.

또한, 하기 특허문헌 3에는, 아연 도금 강판의 열간 프레스에 있어서, 표면 아연 도금층의 증발에 의한 표면 열화를 해결하는 방법이 개시되어 있다. 이 특허문헌 3에 기재된 방법은, 아연 도금층의 표면에 고융점의 산화아연(ZnO)층을 배리어층으로서 생성시킴으로써, 하층의 아연 도금층의 증발 유출을 방지하는 것이다. 그러나, 특허문헌 3에 개시된 방법은, 아연 도금층을 전제로 한 것이다. 특허문헌 3에서는, Al에 관해서는 0.4％의 함유까지 허용하고 있지만, Al 농도는 낮은 쪽이 좋다고 되어 있고, 실질 Al을 상정하고 있지 않은 기술이다. 이 문헌에서의 기술 과제가 Zn의 증발이므로, 비점이 높은 Al 도금에서는 당연히 일어날 수 없는 과제이다.

또한, 하기 특허문헌 4에는, 울츠광형의 화합물을 함유하는 표면 피막층을 Al 도금 강판 표면에 형성한 후에, 열간 프레스 가공하는 방법이 개시되어 있다. 하기 특허문헌 4에서는, 이러한 표면 피막층을 형성함으로써, 열간 윤활성과 화성 처리성을 개선하고 있다. 이 기술은, 윤활성 향상에 유효하며, 도장 후 내식성의 향상 효과도 인정된다. 그러나, 이 기술에 의해 Al 도금의 열간 윤활성을 향상시키기 위해서는, 동 문헌의 실시예에 따르면 울츠광형의 화합물을 2∼3g/㎡ 부여할 필요가 있고, 비교적 다량의 화합물이 필요하였다.

또한, 하기 특허문헌 5에는, 열간 프레스 전의 가열 시에 스케일의 생성이 억제되고, 또한 열간 프레스 시에 금형에 도금이 응착하는 일 없는 열간 프레스용 강판을 얻는 방법이 개시되어 있다. 하기 특허문헌 5에서는, 강판 표면에, Al:20∼95질량％, Ca:0.01∼10질량％ 및 Si를 함유하는 Al-Zn계 합금 도금층을 형성함으로써, 가열 시에 있어서의 스케일 생성의 억제와, 열간 프레스 시에 있어서의 금형에의 도금의 응착의 방지를 실현하고 있다. 그러나, 하기 특허문헌 5에 개시되어 있는 Al-Zn계 합금 도금층은 Zn을 함유하고 있으므로, 열간 프레스 가공 시에 금속 취화 균열을 일으키기 쉽고, 또한 열간 프레스 가공 시에 Zn의 산화물이 생성됨으로써, 스폿 용접성이 저하되어 버린다.

또한, 하기 특허문헌 6에는, 도금 결함이 적은 용융 Al 도금 강판을 효율적으로 제조하는 방법이 개시되어 있다. 하기 특허문헌 6에서는, 도금 결함이 적은 용융 Al 도금 강판을 제조하기 위해, 소정의 조건에서 가열된 강판을, Mg, Ca, Li의 1종 이상의 원소를 함유하는 Al 도금욕에 소정 시간 침지한다. 그러나, 하기 특허문헌 6에 기재된 제조 방법은, 열간 프레스 가공용 강판을 제조하는 것은 의도하고 있지 않으므로, 제조되는 강판에 대해서도, 열간 프레스 가공 시에 있어서의 여러 특성에 대해서는 개선의 여지가 있다. 또한, 하기 특허문헌 6에는, 도금욕 중에 Zn을 첨가하는 경우에 대해서도 개시되어 있지만, 도금욕 중에 Zn을 첨가한 경우에는, 상기한 바와 마찬가지로, 열간 프레스 가공 시에 금속 취화 균열을 일으키기 쉽고, 스폿 용접성이 저하되어 버린다.

(특허문헌 1) 일본 특허 출원 공개 제2000-38640호 공보

(특허문헌 2) 일본 특허 출원 공개 제2004-211151호 공보

(특허문헌 3) 일본 특허 출원 공개 제2003-129209호 공보

(특허문헌 4) 국제 공개 제2009/131233호

(특허문헌 5) 일본 특허 출원 공개 제2012-112010호 공보

(특허문헌 6) 일본 특허 제4264373호

이상 설명한 바와 같이, 비교적 고융점의 Al을 도금한 Al 도금 강판은, 자동차 강판 등의 내식성을 요구하는 부재로서 유망시되고, Al 도금 강판의 열간 프레스 처리에의 적용에 대해 다양한 제안이 이루어져 있다. 그러나, 열간 프레스 처리에 있어서, Al-Fe 합금층에 양호한 윤활성이 얻어지지 않는 것 등으로부터, Al 도금 강판을 복잡 형상의 열간 프레스 처리에 적용하지 못하고 있는 것이 실태이다. 또한, 자동차 용도로서 성형 후에 도장 처리를 행하는 것이 많고, Al 도금 강판의 열간 프레스 처리 후의 화성 처리성(도장성), 도장 후 내식성도 희구되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제에 비추어 이루어진 것이며, 본 발명의 목적으로 하는 바는, 보다 적은 부착량으로 우수한 윤활성을 갖고, 열간 프레스 가공에 있어서의 성형성 및 생산성을 향상시키고, 열간 프레스 성형 후의 화성 처리성을 개선하는 것이 가능한, 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법과, 이 열간 프레스 방법에 의해 제조된 자동차 부품을 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명자들은 예의 검토한 결과, 강판의 편면 또는 양면에 형성된 Al 도금층 중에, Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 첨가하고, 또한 그 표면에 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 형성함으로써, 상기한 과제를 모두 해결할 수 있는 것을 발견하고, 본 발명을 이루는 것에 이르렀다. 그리고, 그 요지는, 이하와 같다.

(1) 강판의 편면 또는 양면에 형성되어 있고, 적어도 Al을 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유하는 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 적층되어 있고, 적어도 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 갖는 열간 프레스용 도금 강판.

(2) 상기 강판의 편면측에서의 상기 표면 피막층의 양은, 금속 Zn량으로서, 0.3∼4g/㎡인, (1)에 기재된 열간 프레스용 도금 강판.

(3) 상기 강판은, 질량％로, C:0.1∼0.4％, Si:0.01∼0.6％, Mn:0.5∼3％, Ti:0.01∼0.1％, B:0.0001∼0.1％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강판인, (1) 또는 (2)에 기재된 열간 프레스용 도금 강판.

(4) 강판의 편면 또는 양면에 형성되어 있고, 적어도 Al을 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유하는 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 적층되어 있고, 적어도 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 갖는 도금 강판을 가열하고, 가열된 상기 도금 강판을 프레스하여 성형하는, 도금 강판의 열간 프레스 방법.

(5) 상기 도금 강판을 가열할 때, 상기 도금 강판의 온도가 50℃인 상태로부터 최고 도달 판 온도보다 10℃ 낮은 온도까지의 평균 승온 속도를, 10∼300℃/초로 하는 것을 특징으로 하는, (4)에 기재된 도금 강판의 열간 프레스 방법.

(6) 상기 표면 피막층의 양을, 상기 강판의 편면당, 금속 Zn량으로서, 0.3∼4g/㎡로 하는, (4) 또는 (5)에 기재된 도금 강판의 열간 프레스 방법.

(7) 상기 강판은, 질량％로, C:0.1∼0.4％, Si:0.01∼0.6％, Mn:0.5∼3％, Ti:0.01∼0.1％, B:0.0001∼0.1％를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강판인, (4)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 도금 강판의 열간 프레스 방법.

(8) (4)∼(7) 중 어느 하나에 기재된 열간 프레스 방법으로 제조된, 자동차 부품.

(9) 1500㎫ 이상의 기계적 강도를 갖는, (8)에 기재된 자동차용 부품.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 도금 강판의 Al 도금층 중에 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유시키고, Al 도금층 상에 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 형성함으로써, 열간 프레스 가공에 있어서의 성형성 및 생산성을 향상시키고, 열간 프레스 성형 후의 화성 처리성을 개선하는 것이 가능한 열간 프레스용 도금 강판 및 열간 프레스 방법과, 이 방법에 의해 제조된 자동차 부품을 제공하는 것이 가능해진다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 Al 도금 강판을 설명하기 위한 설명도이다.
도 1b는 동 실시 형태에 관한 Al 도금 강판을 설명하기 위한 설명도이다.
도 2는 실시예에 대해 설명하기 위한 그래프도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 상세하게 설명한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 기능 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 부여함으로써 중복 설명을 생략한다.

(제1 실시 형태)

이하에서는, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법에 대해, 상세하게 설명한다. 본 실시 형태에 관한 열간 프레스용 도금 강판은, 소정의 성분을 함유하는 Al 도금층과, 이 Al 도금층 상에 형성된 ZnO를 주체로 하는 표면 피막층을 구비하는 것이다. 또한, 본 실시 형태에 관한 도금 강판의 열간 프레스 방법은, 소정의 성분을 함유하는 Al 도금층과, 이 Al 도금층 상에 형성된 ZnO를 주체로 하는 표면 피막층을 구비하는 특정한 Al 도금 강판을, 열간 프레스 가공하는 것이다.

<도금 강판에 대해>

우선, 본 실시 형태에 관한 도금 강판에 대해, 도 1a 및 도 1b를 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 1a 및 도 1b는, 본 실시 형태에 관한 도금 강판의 층 구조를 모식적으로 도시한 모식도이다.

본 실시 형태에 관한 도금 강판은, 열간 프레스용 도금 강판이며, 예를 들어 자동차 부품용에 이용하는 것이 가능한, 높은 기계적 강도를 갖는다. 이 도금 강판은, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 모재로 되는 강판(101)과, 강판(101)의 표면에 형성된 Al 도금층(103)과, Al 도금층(103) 상에 적층된 표면 피막층(105)을 구비한다. 여기서, Al 도금층(103) 및 표면 피막층(105)은, 도 1a에 도시한 바와 같이, 강판(101)의 편면에 형성되어 있어도 되고, 도 1b에 도시한 바와 같이, 강판(101)의 양면에 형성되어 있어도 된다. 이하, 본 실시 형태에 관한 Al 도금 강판(10)을 구성하는 각 층에 대해, 상세하게 설명한다.

[강판(101)에 대해]

본 실시 형태에 관한 강판(101)으로서는, 예를 들어 높은 기계적 강도(예를 들어, 인장 강도·항복점·연신율·드로잉률·경도·충격값·피로 강도·크리프 강도 등의 기계적인 변형 및 파괴에 관한 여러 성질을 의미함)를 갖도록 형성된 강판을 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 강판(101)을 사용함으로써, 후술하는 바와 같은 Al 도금층(103) 및 표면 피막층(105)을 갖는 Al 도금 강판(10)을 열간 프레스 가공함으로써, 높은 기계적 강도를 갖는 자동차 부품을 제조하는 것이 가능해진다.

본 실시 형태에 관한 열간 프레스 가공 처리에서는, 높은 기계적 강도를 갖는 강판이라면 공지의 강판을 이용 가능하지만, 이러한 높은 기계적 강도를 실현하는 강판(101)으로서, 이하와 같은 성분을 갖는 강판을 들 수 있다. 또한, 이하에 나타내는 강 성분은 어디까지나 일례이며, 본 실시 형태에 관한 열간 프레스 가공에 이용 가능한 강판이 이하로 한정되는 것은 아니다.

이러한 강판(101)은, 예를 들어 질량％로,

C:0.1∼0.4％

Si:0.01∼0.6％

Mn:0.5∼3％

Ti:0.01∼0.1％

B:0.0001∼0.1％

를 함유하고, Cr, P, S, Al, N 등의 원소를 더 포함하고 있어도 되고, 잔부는, Fe 및 불순물로 이루어진다.

이하, 강 중에 첨가되는 각 성분에 대해 설명한다.

C는, 목적으로 하는 기계적 강도를 확보하기 위해 첨가된다. C의 함유량이 0.1％ 미만으로 되는 경우에는, 충분한 기계적 강도의 향상이 얻어지지 않고, C를 첨가하는 효과가 부족해지므로 바람직하지 않다. 한편, C의 함유량이 0.4％ 초과로 되는 경우에는, 강판을 더욱 경화시킬 수 있지만, 용융 균열이 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다. 따라서, C는, 질량％로 0.1％ 이상 0.4％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

Si는, 기계적 강도를 향상시키는 강도 향상 원소의 하나이며, C와 마찬가지로, 목적으로 하는 기계적 강도를 확보하기 위해 첨가된다. Si의 함유량이 0.01％ 미만인 경우에는, 강도 향상 효과를 발휘하기 어렵고, 충분한 기계적 강도의 향상이 얻어지지 않으므로 바람직하지 않다. 한편, Si는, 산화 용이성 원소이기도 하므로, Si의 함유량이 0.6％ 초과로 되는 경우에는, 용융 Al 도금을 행할 때에, 습윤성이 저하되고, 비도금이 발생할 가능성이 있어 바람직하지 않다. 따라서, Si는, 질량％로 0.01％ 이상 0.6％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

Mn은, 강을 강화시키는 강화 원소의 하나이며, 켄칭성을 높이는 원소의 하나이기도 하다. 또한, Mn은, 불순물의 하나인 S에 의한 열간 취성을 방지하는 것에도 유효하다. Mn의 함유량이 0.5％ 미만인 경우에는, 상기한 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 한편, Mn의 함유량이 3％ 초과로 되는 경우에는, 잔류 γ상이 지나치게 많아져 강도가 저하될 가능성이 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, Mn은, 질량％로 0.5％ 이상 3％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

Ti는, 강도 강화 원소의 하나이며, 강판 표면에 형성되는 Al 도금층(103)의 내열성을 향상시키는 원소이기도 하다. Ti의 함유량이 0.01％ 미만인 경우에는, 강도 향상 효과나 내산화성 향상 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 한편, Ti는 지나치게 첨가되면, 예를 들어 탄화물이나 질화물을 형성하여, 강을 연질화시킬 우려가 있는 원소이기도 하다. 특히, Ti의 함유량이 0.1％ 초과로 되는 경우에는, 목적으로 하는 기계적 강도를 얻을 수 없을 가능성이 높으므로 바람직하지 않다. 따라서, Ti는, 질량％로 0.01％ 이상 0.1％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

B는, 켄칭 시에 작용하여 강도를 향상시키는 효과를 갖는 원소이다. B의 함유량이 0.0001％ 미만인 경우에는, 이러한 강도 향상 효과가 낮으므로 바람직하지 않다. 한편, B의 함유량이 0.1％ 초과로 되는 경우에는, 개재물을 형성하여 취화되고, 피로 강도를 저하시킬 가능성이 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, B는, 질량％로 0.0001％ 이상 0.1％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

Cr은, Al 도금층을 합금화하여 Al-Fe 합금층을 형성할 때에, Al 도금층과 강판 모재의 계면에 생성됨으로써 도금층 박리의 원인으로 되는, AlN의 생성을 억제하는 효과가 있는 원소이다. 또한, Cr은, 내마모성을 향상시키는 원소의 하나이며, 켄칭성을 높이는 원소의 하나이기도 하다. Cr의 함유량이 0.05％ 미만으로 되는 경우에는, 상기한 효과를 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 또한, Cr의 함유량이 2％ 초과로 되는 경우에는, 이들 효과가 포화되고, 또한 비용도 상승하므로 바람직하지 않다. 따라서, Cr은, 질량％로 0.05％ 이상 2％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

P는, 불가피적으로 함유되는 원소인 한편 고용 강화 원소이기도 하며, 비교적 저렴하게 강판의 강도를 향상시키는 것이 가능하지만, 경제적인 정련 한계로부터 함유량의 하한을 0.001％로 하는 것이 바람직하다. 또한, 인의 함유량이 0.1％ 초과로 되는 경우에는, 강판의 인성이 저하될 가능성이 있으므로 바람직하지 않다. 따라서, P는, 질량％로 0.001％ 이상 0.1％ 이하인 것이 바람직하다.

S는, 불가피적으로 함유되는 원소이며, MnS로서 강 중의 개재물로 되어 파괴의 기점으로 되고, 연성이나 인성을 저해하여 가공성 열화의 요인으로 되므로, 함유량은 낮을수록 바람직하고, 함유량의 상한을 0.1％로 하는 것이 바람직하다. 한편, S의 함유량을 저하시키기 위해서는 제조 비용의 증가가 예상되므로, 함유량의 하한은 0.001％로 하는 것이 바람직하다.

Al은, 탈산제로서 강 중에 함유되는 성분이지만, 도금성 저해 원소이기도 하므로, 함유량의 상한을 0.1％로 하는 것이 바람직하다. 한편, Al의 함유량의 하한은 특별히 규정하는 것은 아니지만, 경제적인 정련 한계로부터, 예를 들어 0.001％로 하는 것이 바람직하다.

N은, 불가피적으로 함유되는 원소이며, 특성의 안정화의 관점에서는 고정하는 것이 바람직하고, Ti, Al 등의 원소에 의해 고정하는 것이 가능하다. 한편, N의 함유량이 증가하면, 고정용에 첨가하는 원소가 다량으로 되고, 제조 비용의 증가가 예상되므로, 함유량의 상한은 0.01％로 하는 것이 바람직하다.

또한, 강판(101)은, 상기한 원소에 더하여, 제조 공정 등에서 혼입되어 버리는, 그 밖의 불순물을 포함해도 된다. 이러한 불순물로서는, 예를 들어 Ni, Cu, Mo, O 등을 들 수 있다.

또한, 이러한 강판에 대해, 상기한 원소에 더하여, W, V, Nb, Sb 등과 같은 원소를 선택적으로 첨가해도 된다.

이러한 성분으로 형성되는 강판은, 열간 프레스 방법 등에 의한 가열에 의해 켄칭되어, 약 1500㎫ 이상의 기계적 강도를 가질 수 있다. 이와 같이 높은 기계적 강도를 갖는 강판이기는 하지만, 열간 프레스 방법에 의해 가공하면, 가열에 의해 연화된 상태에서 프레스 가공을 행할 수 있으므로, 용이하게 성형할 수 있다. 또한, 강판은, 높은 기계적 강도를 실현할 수 있고, 나아가서는 경량화를 위해 얇게 하였다고 해도 기계적 강도를 유지 또는 향상시킬 수 있다.

[Al 도금층(103)에 대해]

Al 도금층(103)은, 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 강판(101)의 편면 또는 양면에 형성된다. 이 Al 도금층(103)은, 예를 들어 용융 도금법에 의해 강판(101)의 표면에 형성하는 것이 바람직하다. 그러나, Al 도금층(103)의 형성 방법은 이러한 예에 한정되는 것이 아니라, 전기 도금법, 진공 증착법, 클래드법 등과 같은 공지의 방법을 이용하는 것이 가능하다.

이 Al 도금층(103)은, 성분으로서는, Al을 적어도 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상을, 합계로 0.02∼2질량％ 함유한다.

본 발명자들은, Al 도금을 합금화한 후의 고온에서의 마찰 계수에 관해 검토를 진행시킨 결과, 합금화 후의 표면 형상이 마찰 계수에 영향을 미치는 것을 밝혔다. 즉, 합금화 후의 표면 조도가 크면 고온에서의 마찰 계수가 커지므로, 가능한 한 합금화 후의 표면 조도는 작게 하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 상온에서의 프레스 성형에 있어서는, 표면 조도가 큰 쪽이 저마찰 계수로 되는 경향이 인정된다. 이 경향은, 표면 조도가 큰 쪽이 보다 윤활유가 공급되기 쉬워지기 때문이라고 설명되고 있다. 한편, 본 실시 형태에서 착안하는 열간 프레스와 같은 고온에서의 프레스 성형에 있어서는, 상온에서의 프레스 성형과 같은 윤활유도 존재할 수 없고, 금속간 또는 산화물간의 접촉으로 된다. 이러한 열간 프레스 성형의 경우에는, 표면 조도가 작은 쪽이 미끄러지기 쉬워진다. 이 이유는 명확하지는 않지만, 고온에서 항복 응력도 저하되어 있으므로, 표면 조도가 큰 경우에 경도가 높은 Al-Fe 화합물의 선단이 부분적으로 금형에 파고들어가 미끄럼 이동하기 어렵게 되어 있기 때문은 아닌지 추정하고 있다.

또한, 본 발명자들은, Al 도금층(103) 중에, Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상을 첨가함으로써, 합금화 후의 표면 조도를 저감시킬 수 있는 것도 발견하였다. 이들 원소는, 알칼리 금속 원소 또는 알칼리 토금속 원소에 해당하는 원소이다. 이들 원소가 Al 도금층(103) 중에 함유됨으로써 합금화 후의 표면 조도가 저하되는 이유는 명확하지는 않지만, Al-Si 도금이 가열되었을 때에 600℃ 부근에서 용융되고, 용융의 결과 생성되는 Al-Si 융액의 표면 에너지가 영향을 미치고 있다고 추정하고 있다. 또한, 상기 특허문헌 6에 있어서의 Al계 도금 강판의 제조 방법에서는, 제조에 이용하는 Al 도금욕 중에 Mg, Ca, Li의 1종 이상이 함유되어 있지만, 이러한 제조 방법으로 제조되는 Al 도금 강판은 열간 프레스 가공용 강판은 아니므로, 상기 특허문헌 6에 있어서는, 형성된 도금층이 열간 프레스 가공 시에 용융되는 것은 의도하고 있지 않다. 따라서, 상기 특허문헌 6에서는, 본 발명자들에 의해 처음으로 발견된, 도금층의 용융에 의한다고 생각되는 표면 조도의 저하에 대해서는, 전혀 시사되어 있지 않은 점에 주의바란다.

상기한 바와 같은 효과를 발휘하기 위해, 본 실시 형태에서는, 이들 원소를, 합계로 0.02질량％ 이상 첨가한다. 한편, 이들 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토금속 원소는, 극히 산화되기 쉬운 원소이므로, Al 도금욕 중에서 산화되기 쉽다. 이들 원소의 첨가량이 합계로 2질량％ 초과로 되는 경우에는, 이들 원소의 산화막에 기인하는 외관 모양이 발생하므로, 이들 알칼리 금속 원소 및 알칼리 토금속 원소의 첨가량의 상한은, 2질량％로 한다.

이상과 같은 성분을 Al 도금층(103) 중에 함유시킴으로써, Al 도금층(103)의 표면 조도는, 예를 들어 산술 평균 조도 Ra로, 0.4∼1.0㎛ 정도로, 작은 값을 실현하는 것이 가능해진다.

본 실시 형태에 관한 Al 도금층(103)을 용융 도금법에 의해 형성하는 경우, 상기한 바와 같은 성분을 포함하는 도금욕을 사용하는 것이 가능하지만, 도금욕에 대해, 또한, 3∼15질량％의 Si를 적극적으로 첨가해도 된다. Si는, 용융 도금 금속 피복 시에 생성되는 합금층의 성장을 억제하는 효과가 있기 때문이다. Si의 첨가량이 3질량％ 미만인 경우에는, Fe-Al 합금층이 Al 도금을 실시하는 단계에서 두껍게 성장해 버리고, 가공 시의 도금 균열을 조장하여 가공성 및 내식성에 악영향을 미칠 가능성이 있으므로 바람직하지 않다. 한편, Si의 함유량이 15질량％ 초과로 되는 경우에는, 도금층 중에 조대 결정으로서 Si가 정출되고, 내식성이나 도금의 가공성을 저해하므로 바람직하지 않다. 따라서, Si는, 질량％로 3％ 이상 15％ 이하의 함유량으로 첨가되는 것이 바람직하다.

이러한 도금욕에는, 불순물로서, 강판으로부터 용출된 Fe 등이 혼입되어 있다. 또한, 이러한 도금욕에는, Al을 주체로 한 후에, 첨가 원소로서, Mn, Cr, Ti, Zn, Sb, Sn, Cu, Ni, Co, In, Bi, Mo, 미슈 메탈 등을 첨가해도 된다. 특히, 내식성 향상에 효과가 있는 원소가 Mn, Cr, Mo이며, 이들 원소를 소량 첨가하는 것도 가능하다.

Al 도금층(103)의 부착량은, 양면당 60∼140g/㎡인 것이 바람직하다. 부착량이 60g/㎡ 미만인 경우에는, 상술한 바와 같은, Al계의 금속 피복에 기인하는 각종 효과를 충분히 얻을 수 없어 바람직하지 않다. 또한, 부착량이 140g/㎡ 초과로 되는 경우에는, 표면의 요철이 커지고, 본 발명에서 설명한 미끄럼 이동성의 개선 효과가 얻어지지 않으므로 바람직하지 않다. 또한, Al 도금층(103)의 부착량은, 보다 바람직하게는, 양면당 80∼120g/㎡이다.

이러한 성분으로 형성되는 Al 도금층(103)은, 강판(101)의 부식을 방지할 수 있다. 또한, 강판을 열간 프레스 방법에 의해 가공할 때에는, 고온으로 가열된 강판의 표면이 산화됨으로써 발생하는 스케일(철의 산화물)의 발생을, 방지 가능하다. 따라서, 이러한 Al 도금층(103)을 형성함으로써, 스케일을 제거하는 공정, 표면 청정화 공정, 표면 처리 공정 등을 생략할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, Al 도금층(103)은, 유기계 재료에 의한 도금 피복이나 다른 금속계 재료(예를 들어 Zn계 등)에 의한 도금 피복보다도 비점 등이 높으므로, 열간 프레스 방법에 의해 성형할 때에 높은 온도에서의 가공이 가능해져, 열간 프레스 가공에 있어서의 성형성을 더욱 높이고, 또한 용이하게 가공할 수 있게 된다.

또한, 강판(101)이 화학 성분으로서 B를 함유함으로써, 켄칭 시에 있어서의 강판의 강도 향상이 실현될 뿐만 아니라, Al 도금층(103)과 상승적으로 기능함으로써, 열간 프레스 가공 시에 있어서의 도금 강판의 여러 특성을 더욱 향상시키는 것이 가능해진다.

상술한 바와 같이, 용융 도금 금속 피복 시나 열간 프레스에 의한 가열 공정 시 등에 있어서, 이 Al 도금층(103)에 포함되는 Al의 일부는, 강판 중의 Fe와 합금화할 수 있다. 따라서, 이 Al 도금층(103)은, 반드시 성분이 일정한 단일의 층으로 형성된다고는 한정하지 않고, 부분적으로 합금화한 층(합금층)을 포함하는 것으로 된다.

[표면 피막층(105)에 대해]

본 실시 형태에 관한 표면 피막층(105)은, Al 도금층(103)의 표면에 적층되는, ZnO(산화아연)를 주체로 하는 피막층이다. 표면 피막층(105)은 예를 들어 물이나 유기 용매 등의 각종 용매 중에 미립자를 현탁시킨 액을 사용하여 형성할 수 있다. 이러한 표면 피막층(105)은, 열간 프레스 가공에 있어서의 윤활성이나 화성 처리액과의 반응성을 개선하는 효과가 있다.

또한, 표면 피막층(105)을 형성하기 위한 현탁액에는, ZnO 이외의 성분으로서, 예를 들어 유기물의 바인더 성분을 첨가해도 된다. 이러한 유기성 바인더 성분으로서, 예를 들어 공지의 폴리우레탄계 수지, 폴리에스테르계 수지, 아크릴계 수지, 실란 커플링제 등과 같은 수용성 수지를 들 수 있다. 또한, ZnO 이외의 산화물로서, 예를 들어 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃ 등을 첨가해도 된다.

이러한 표면 피막층(105)은, 공지의 도포 방법에 의해 형성하는 것이 가능하다. 도포 방법으로서, 예를 들어 상기한 현탁액을 소정의 유기성 바인더 성분과 혼합하여 Al 도금층의 표면에 롤 코터 등으로 도포하는 방법, 분체 도장에 의한 도포 방법 등을 들 수 있다.

여기서, 이용하는 ZnO의 입경은, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 직경 50∼1000㎚ 정도인 것이 바람직하다. ZnO의 입경을 상기한 범위로 함으로써, 피막으로서의 밀착성을 확보하는 것이 가능해진다. 또한, ZnO의 입경의 정의는, 가열 처리를 한 후의 입경으로서 정의한다. 대표적으로는, 900℃에서 노 내에 5∼6분 보정한 후에 금형에서 급냉하는 프로세스를 거친 후의 입경을, 주사형 전자 현미경(Scanning Electron Microscope:SEM) 등으로 관찰하여 정하는 것으로 한다. 이때, 바인더의 유기 성분은 분해되므로, 관찰 샘플 내에는, 산화물만이 잔존하고 있다.

한편, 수지 성분 또는 실란 커플링제 등과 같은 유기성 바인더 성분의 함유량은, ZnO에 대한 질량비로, 3∼30％ 정도로 하는 것이 바람직하다. 함유량이 3％ 미만인 경우에는, 바인더 효과가 충분히 얻어지지 않고, 가열 전의 도막이 박리되기 쉬워지므로 바람직하지 않다. 바인더 효과를 안정적으로 얻기 위해서는, 유기성 바인더 성분의 함유량을 질량비로 10％ 이상으로 하는 것이 보다 바람직하다. 한편, 유기성 바인더 성분의 함유량이 질량비로 30％ 초과로 되는 경우에는, 가열 시의 냄새 발생이 현저해지므로 바람직하지 않다.

이러한 표면 피막층(105)의 도포량(부착량)은, 강판의 편면측의 표면 피막층(105)에 있어서, 금속 Zn량 환산으로 0.3∼4g/㎡로 한다. ZnO의 함유량이 금속 Zn으로서 0.3g/㎡ 이상인 경우에는, 윤활 향상 효과 등을 효과적으로 발휘할 수 있다. 한편, ZnO의 함유량이 Zn으로서 4g/㎡ 초과로 되는 경우에는, 상기 Al 도금층(103) 및 표면 피막층(105)의 두께가 지나치게 두꺼워지고, 용접성이나 도료 밀착성이 저하된다. 표면 피막층(105)의 부착량은, 더욱 바람직하게는, 0.5∼2g/㎡ 정도이다. 이러한 범위의 부착량으로 함으로써, 열간 프레스 시의 윤활성의 확보에 더하여, 용접성이나 도료 밀착성도 양호해진다.

여기서, 표면 피막층(105)의 금속 Zn량은, 일반적으로 사용되고 있는 소위 습식법이나 건식법의 어느 분석 방법을 이용해도 측정하는 것이 가능하다. 예를 들어 습식법을 이용하는 경우에는, Al 도금 강판(10)을 염산, 황산 또는 질산 등의 산에 침지하여 도금층을 용해시키고, 도금층의 용해된 액을 고주파 유도 결합 플라즈마(Inductively coupled plasma:ICP) 발광 분석법에 의해 Zn을 정량하는 등과 같은 방법을 이용함으로써 측정 가능하다. 또한, 예를 들어 건식법을 이용하는 경우에는, Al 도금 강판(10)을 소정의 사이즈로 잘라낸 후, 형광 X선 분석법으로 Zn을 정량하는 등과 같은 방법을 이용함으로써 측정 가능하다.

도포 후의 베이킹·건조 방법으로서는, 예를 들어, 열풍로·유도 가열로·근적외선로 등의 공지의 방법을, 단독으로 이용하거나 조합하여 이용하는 것이 가능하다. 이때, 도포에 사용되는 바인더의 종류에 따라서는, 도포 후의 베이킹·건조 대신에, 예를 들어 자외선·전자선 등에 의한 경화 처리가 행해져도 된다.

또한, 유기성 바인더 성분을 사용하지 않는 경우에는, Al 도금층(103) 상에 도포한 후, 가열 전의 밀착성이 약간 낮고, 강한 힘으로 문지르면 부분적으로 박리될 가능성이 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 관한 표면 피막층(105)은, 열간 프레스 가공에서의 윤활성을 향상시키는 등과 같은 효과를 발휘함으로써, 프레스 가공 시의 성형성 및 프레스 가공 후의 내식성을 향상시킬 수 있다. 또한, 표면 피막층(105)은 윤활성이 우수하고, 금형에의 응착을 억제한다. 가령 Al 도금층(103)이 파우더링한 경우라도, 표면 피막층(105)이, 후속의 프레스 가공에 사용되는 금형에 파우더(Al-Fe 분말 등)가 응착되는 것을 방지한다. 따라서, 금형에 응착된 Al-Fe 분말을 제거하는 공정 등을 행하는 일 없이, 더욱 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 표면 피막층(105)은, 강판(101) 및 Al 도금층(103)에 프레스 가공 시에 발생할 수 있는 흠집 등을 방지하는 보호층으로서의 역할도 할 수 있고, 성형성을 높이는 것도 가능하다. 나아가서는, 이 표면 피막층(105)은, 스폿 용접성, 도료 밀착성 등의 사용 성능을 저하시키는 일도 없다. 따라서, 도장 후 내식성은 대폭으로 개선되고, 도금의 부착량을 더욱 저감시키는 것도 가능하다. 그 결과, 급속 프레스에서의 응착을 더욱 저감시키게 되고, 생산성은 더욱 높아지게 된다.

이상, 도 1a 및 도 1b를 참조하면서, 본 실시 형태에 관한 열간 프레스 방법에 사용되는 Al 도금 강판(10)에 대해, 상세하게 설명하였다.

<열간 프레스 방법에 의한 가공에 대해>

계속해서, 상기 구성을 갖는 Al 도금 강판(10)을 열간 프레스 방법에 의해 가공하는 방법에 대해 설명한다.

본 실시 형태에 관한 열간 프레스 방법에서는, 우선, 필요에 따라 블랭킹된 Al 도금 강판(10)을 고온으로 가열하여, 강판을 연화시킨다. 그리고, 연화된 Al 도금 강판(10)을 프레스 가공하여 성형하고, 그 후, 성형된 Al 도금 강판(10)을 냉각한다. 이와 같이 강판을 일단 연화시킴으로써, 후속되는 프레스 가공을 용이하게 행할 수 있다. 또한, 상기 성분을 갖는 강판은, 가열 및 냉각됨으로써, 켄칭되어 약 1500㎫ 이상의 높은 기계적 강도를 실현할 수 있다.

본 실시 형태에 관한 Al 도금 강판(10)은, 열간 프레스 가공을 실시함에 있어서 가열된다. 이때의 가열 방법으로서는, 특별히 한정되는 것이 아니라, 통상의 전기로, 라디언트 튜브로에 더하여, 적외선 가열 등과 같은 공지의 방법을 이용할 수 있다.

Al 도금 강판(10)은, 가열되었을 때에 융점 이상에서 용융되고, 동시에 Fe와의 상호 확산에 의해, Al-Fe 합금층이나, Al-Fe-Si 합금층으로 변화한다. Al-Fe 합금층이나, Al-Fe-Si 합금층의 융점은 높고, 1150℃ 정도이다. 이러한 Al-Fe 화합물이나 Al-Fe-Si 화합물은 복수 존재하고, 고온 가열 혹은 장시간 가열하면, 보다 Fe 농도가 높은 화합물로 변태해 간다. 최종 제품으로서 바람직한 표면 상태는, 표면까지 합금화된 상태이며, 또한 합금층 중의 Fe 농도가 높지 않은 상태이다. 미합금의 Al이 잔존하면, 이 부위만이 급속하게 부식되어 도장 후 내식성에 있어서 도막 팽창이 극히 일어나기 쉬워지므로 바람직하지 않다. 반대로, 합금층 중의 Fe 농도가 지나치게 높아져도 합금층 자체의 내식성이 저하되어 도장 후 내식성에 있어서 도막 팽창이 일어나기 쉬워진다. 이것은, 합금층의 내식성은 합금층 중의 Al 농도에 의존하기 때문이다. 따라서, 도장 후 내식성 상 바람직한 합금화 상태가 있고, 합금화 상태는, 도금 부착량과 가열 조건으로 결정된다.

본 실시 형태에 관한 도금 강판의 열간 프레스 방법에 있어서, Al 도금 강판(101)을 가열할 때, 50℃로부터 최고 도달 판 온도보다 10℃ 낮은 온도까지의 고온하에 있어서의 평균 승온 속도를, 10℃∼300℃/초로 설정할 수 있다. 가열의 평균 승온 속도는, 도금 강판의 프레스 가공에 있어서의 생산성을 좌우하지만, 일반적인 평균 승온 속도로서는, 예를 들어 분위기 가열의 경우에는 고온하에서 약 5℃/초 정도이다. 100℃/초 이상의 평균 승온 속도는, 통전 가열 혹은 고주파 유도 가열로 달성 가능하다.

본 실시 형태에 관한 Al 도금 강판(10)은, 상술한 바와 같이 높은 평균 승온 속도를 실현하는 것이 가능하므로, 생산성을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 평균 승온 속도는, 합금층의 조성이나 두께를 좌우하는 등, 도금 강판에 있어서의 제품 품질을 제어하는 중요한 요인의 하나이다. 본 실시 형태에 관한 Al 도금 강판(10)의 경우, 승온 속도를 300℃/초에까지 높일 수 있으므로, 보다 광범위한 제품 품질의 제어가 가능하다. 최고 도달 온도에 대해서는, 열간 프레스의 원리로부터 오스테나이트 영역에서 가열할 필요가 있으므로, 통상 약 900∼950℃ 정도의 온도가 채용되는 경우가 많다. 본 실시 형태에 있어서 최고 도달 온도는 특별히 한정하지 않지만, 850℃ 이하에서는 충분한 켄칭 경도가 얻어지지 않을 가능성이 있어 바람직하지 않다. 또한 Al 도금층(103)은 Al-Fe 합금층으로 변화할 필요가 있고, 이 관점에서도 850℃ 이하는 바람직하지 않다. 1000℃를 초과하는 온도에서 합금화가 지나치게 진행되면, Al-Fe 합금층 중의 Fe 농도가 상승하여 도장 후 내식성의 저하를 초래하는 경우가 있다. 이것은 승온 속도나 Al 도금 부착량에도 의존하므로 일률적으로는 말할 수 없지만, 경제성을 고려해도 1100℃ 이상의 가열은 바람직하지 않다.

<열간 프레스 방법에 의한 효과의 일례에 대해>

이상, 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법에 대해 설명하였다. 본 실시 형태에 관한 도금 강판(10)은, Al 도금층(103) 중에, 알칼리 토금속 원소 및 알칼리 금속 원소로부터 선택된 적어도 하나의 원소를 더 함유하고, 또한 ZnO 등을 주체로 하는 표면 피막층(105)을 가짐으로써, 상술한 바와 같이, 예를 들어 높은 윤활성을 실현하고, 화성 처리성이 개선된다.

ZnO에 의해 화성 처리 피막이 부착되는 이유는 현단계에서는 불분명하지만, 화성 처리 반응은 산에 의한 소재에의 에칭 반응을 발단으로 하여 반응이 진행되는 것인 한편, ZnO는, 양성 화합물이므로 산에 용해되기 때문에, 화성 처리액과 반응하기 때문이라고 생각하고 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 관한 도금 강판의 열간 프레스 방법에 대해, 상세하게 설명하였다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 나타내면서, 본 발명에 관한 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법에 대해, 구체적으로 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시예는, 본 발명에 관한 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법의 어디까지나 일례이며, 본 발명에 관한 열간 프레스용 도금 강판 및 도금 강판의 열간 프레스 방법이 이하에 나타내는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

이하의 표 1에 나타내는 강 성분의 냉연 강판(판 두께 1.4㎜)을 사용하고, 냉연 강판의 양면을 Al 도금하였다. 이때의 어닐링 온도는, 약 800℃였다. Al 도금욕에는, Si:9질량％가 첨가되어 있고, 이외에 강대로부터 용출되는 Fe가 함유되어 있었다. 이 Al 도금욕 중에, Ca, Mg 등의 원소를 첨가하였다. 욕 중에 첨가한 원소와 첨가량은, 이하의 표 2에 나타냈다. 도금 후의 부착량을, 가스 와이핑법으로 양면 120g/㎡로 조정하였다. 냉각 후의 Al 도금 강판에 대해, 아크릴계 바인더를 ZnO량에 대해 20질량％ 함유하는 ZnO 현탁액을 롤 코터로 도포하고, 약 80℃로 베이킹하였다.

이와 같이 하여 제조한 공시재의 특성을, 이하에 나타내는 방법으로 평가하였다.

(1) 열간 윤활성

상기한 공시재에 대해, 열간에서 금형 인발 시험을 행함으로써, 열간 윤활성을 평가하였다. 보다 상세하게는, 30㎜×350㎜의 Al 도금 강판을 900℃로 가열 후, 약 700℃에서 SKD11제의 평금형을 강판의 양측으로부터 압박하고, 인발 가공을 하였다. 압박 하중과 인발 하중을 측정하고, 인발 하중/(2×압박 하중)으로 얻어지는 값을 열간 마찰 계수로 하였다.

(2) 스폿 용접 조인트 강도

상기한 공시재를 노 내에 삽입하고, 900℃에서 재로 6분 가열하고, 취출한 후 즉시 스테인리스제 금형에 끼워 급냉하였다. 이때의 냉각 속도는, 약 150℃/초였다. 다음으로, JIS Z3137에 따라, 십자 인장 강도를 측정하였다. 이때의 용접 조건은, 이하와 같다. 또한, 시험은 N＝3으로 행하고, 조인트 강도의 평균값을 산출하였다.

전극:크롬 구리제, DR(선단 8㎜φ가 40R)

가압:880kgf(1kgf는, 약 9.8N임)

통전 시간:업 슬로프 3사이클-통전 22사이클(60㎐)

용접 전류:9.5㎄

(3) 도장 후 내식성

상기한 공시재를 노 내에 삽입하고, 900℃에서 재로 6분 가열하고, 취출한 후 즉시 스테인리스제 금형에 끼워 급냉하였다. 이때의 냉각 속도는, 약 150℃/초였다. 다음으로, 냉각 후의 공시재를 70㎜×150㎜로 전단하고, 니혼 파카라이징(주)사제 화성 처리액(PB-SX35)으로 화성 처리 후, 니혼 페인트(주)사제 전착 도료(파워 닉스 110)를 막 두께가 15㎛로 되도록 도장하고, 170℃에서 베이킹하였다.

도장 후 내식성 평가는, 자동차 기술회 제정의 JASO M609에 규정하는 방법으로 행하였다. 즉, 도막에 미리 커터로 크로스컷을 넣고, 부식 시험 180사이클(60일）후의 크로스컷으로부터의 도막 팽창의 폭(편측 최댓값)을 계측하였다. 비교재로서 편면 45g/㎡의 합금화 용융 아연 도금 강판도 평가하였다. 이 비교재보다도 도장 후 내식성이 양호하면, 방청 강판으로서 사용 가능하다고 판단할 수 있지만, 이 비교재의 팽창 폭은 5㎜였다.

또한, 이때 900℃로 설정한 대기로 내에 열전대를 용접한 70㎜×150㎜의 공시재를 삽입하고, 50℃∼890℃로 될 때까지의 온도를 계측하고, 평균 승온 속도를 산출한 바, 4.7℃/초였다.

도금 조성과 얻어진 평가 결과를, 이하의 표 2에 정리하여 나타냈다. 또한, 이하의 표 2에 있어서, 표면 피막층의 피막량은, 형광 X선 분석법에 의해 측정한 금속 Zn으로서의 양을 기재하고 있다. 또한, 열간 윤활성은, 측정한 동마찰 계수를 기재하고 있고, 스폿 조인트 강도는, 측정한 십자 인장 강도값을 기재하고 있고, 도장 후 내식성은, 크로스컷으로부터의 편측 최대 팽창 폭의 값을 기재하고 있다.

번호 1∼5의 공시재는, 도금욕 중에의 Mg, Ca 등의 첨가 원소가 없는 것이며, 피막을 많게 한 쪽이 열간 윤활성 및 내식성은 개선되지만, 한편 조인트 강도가 저하되는 것을 알 수 있었다. 이와 같이, 번호 1∼5의 공시재에서는, 모든 특성을 만족시키는 것은 곤란하였다. 또한, 번호 6의 공시재는, 도금욕 중에 Mg를 첨가하는 한편, 표면 피막층을 형성하지 않은 것이지만, 도장 후 내식성이 저하되는 것을 알 수 있었다. 이에 반해, 번호 7∼12의 공시재의 평가 결과가 나타내는 바와 같이, 욕 중에 Mg를 첨가함으로써 열간 윤활성 및 내식성이 모두 개선되고, 피막의 필요량이 보다 낮은 쪽으로 변화한다. 그 결과로서, 조인트 강도의 저하가 작아지고, 모든 특성을 만족시킬 수 있게 되었다.

또한, 번호 13의 공시재는 Mg를 2％ 이상 첨가한 경우이지만, 이때에는 욕면의 산화가 격렬하고, 충분한 외관을 갖는 Al 도금이 불가능하였다. 번호 14∼22의 공시재는, 욕 중에의 첨가 원소종 또는 첨가량을 바꾼 경우이지만, 모두 양호한 특성이 얻어졌다.

번호 1∼10의 공시재에 착안하고, 측정된 열간 마찰 계수의 값의 Zn 부착량에 의한 변화의 모습을, 도 2에 정리하였다.

도 2로부터 명백해진 바와 같이, 도금욕 중에 Mg를 첨가하여, Al 도금 강판에 대해 표면 피막층(105)을 형성함으로써, 도금욕 중에 소정의 성분을 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 열간 마찰 계수의 값을 보다 작은 값으로 하는 것이 가능해진다. 또한, 표면 피막층(105)의 피막량이 동일한 정도인 경우에는, Mg를 첨가한 도금욕을 사용함으로써, 보다 작은 열간 마찰 계수를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다. 이 결과는, Mg 등의 소정의 첨가 원소가 첨가된 도금욕을 사용함으로써, 어느 열간 마찰 계수의 값을 실현하는 경우에, 표면 피막층(105)의 피막량을 보다 얇게 하는 것이 가능한 것을 나타내고 있다.

<실시예 2>

실시예 1의 번호 2 및 번호 7의 공시재를 사용하여, 원적외선에 의한 가열을 행하였다. 이때, 승온로와 보정로의 2존을 갖는 노를 사용하고, 존간의 이동은 수작업으로 행하였다. 승온로를 1000℃∼1150℃에서 변화시켜, 승온 속도를 변화시켰다. 보정로는 900℃로 설정하고, 70㎜×150㎜의 공시재에 열전대를 용접하고, 승온로에서 850℃에 달하였을 때에 보정로로 이동시켰다. 이때, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 50∼890℃의 평균의 승온 속도를 계산하였다. 켄칭은, 실시예 1과 마찬가지로 행하고, 그 후의 평가도, 실시예 1과 마찬가지로 행하였다. 얻어진 평가 결과를, 이하의 표 3에 나타냈다.

상기 표 3 및 표 2를 비교하면 명백해진 바와 같이, 승온 속도가 클 때에는, 열간 윤활성과 도장 후 내식성의 향상이 확인되었다. 급속하게 승온하는 경우에는, 표면 조도가 작아지고, 또한 합금화 후의 조직이 변화하고 있었다. 이들 현상이, 특성에 영향을 미쳤다고 생각된다.

<실시예 3>

통전 가열에 의한 급속 가열을 시도하였다. 실시예 1의 번호 7의 공시재에 대응하는 도금욕을 사용하고, Al 도금의 부착량은 양면 80g/㎡로 하고, 그 표면에 ZnO를 1g/㎡ 부여한 시료를 사용하였다. 얻어진 100×300㎜의 강판의 양단부를 전극으로 사이에 끼우고, 통전 가열하였다. 이때, 50∼890℃의 평균 승온 속도는, 88℃/s였다. 이 시료를 실시예 1과 마찬가지로 평가한 바, 열간 윤활성은 0.41, 스폿 조인트 강도는 7.3㎄, 도장 후 내식성은 3.6㎜를 나타냈다. 이 결과로부터, 통전 가열에 의한 급속 가열에서도 마찬가지의 효과가 얻어지는 것이 확인되었다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해, Al 도금 강판을 열간 프레스할 때에, 윤활성이 좋고, 가공성이 개선되었으므로, 종래에 비해 복잡한 프레스 가공이 가능해졌다. 또한, 열간 프레스의 보수 점검의 생력화도 가능해지고, 생산성의 향상도 도모되는 것이 가능해졌다. 열간 프레스 후의 가공 제품에 있어서도 화성 처리성이 좋으므로, 최종 제품의 도장, 내부식성도 향상되는 것이 확인되고 있다. 이상의 내용으로부터, 본 발명에 의해 Al 도금강의 열간 프레스의 적용 범위가 확대되고, 최종 용도인 자동차나 산업 기계에의 Al 도금 강재의 적용 가능성을 높이는 것이라고 확신한다.

이상, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 적합한 실시 형태에 대해 설명하였지만, 본 발명은 이러한 예에 한정되지 않는 것은 물론이다. 당업자라면 특허 청구 범위에 기재된 범주 내에 있어서, 각종 변경예 또는 수정예에 상도할 수 있는 것은 명백하며, 그들에 대해서도 당연히 본 발명의 기술적 범위에 속하는 것이라고 이해된다.

10 : Al 도금 강판
101 : 강판
103 : Al 도금층
105 : 표면 피막층

Claims (9)

1. 강판의 편면 또는 양면에 형성되어 있고, 적어도 Al을 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유하는 Al 도금층과,
   상기 Al 도금층 상에 적층되어 있고, 적어도 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 갖고,
   상기 ZnO의 입경은 50∼1000㎚이고,
   상기 강판의 편면측에서의 상기 표면 피막층의 양은, 금속 Zn량으로서, 0.3∼1.1g/㎡이고,
   상기 Al 도금층은 표층까지 합금화되어 있지 않은, 열간 프레스용 도금 강판.
2. 제1항에 있어서, 상기 강판은, 질량％로,
   C:0.1∼0.4％,
   Si:0.01∼0.6％,
   Mn:0.5∼3％,
   Ti:0.01∼0.1％,
   B:0.0001∼0.1％
   를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강판인, 열간 프레스용 도금 강판.
3. 제1항에 있어서, 상기 Al 도금층의 표면조도가 산술 평균 조도 Ra로 0.4∼1.0㎛인, 열간 프레스용 도금 강판.
4. 강판의 편면 또는 양면에 형성되어 있고, 적어도 Al을 함유하고, 또한 Mg, Ca, Sr, Li, Na, K의 1종 또는 2종 이상의 원소를 합계로 0.02∼2질량％ 함유하는 Al 도금층과, 상기 Al 도금층 상에 적층되어 있고, 적어도 ZnO를 함유하는 표면 피막층을 갖고, 상기 ZnO의 입경이 50∼1000㎚이고, 상기 강판의 편면측에서의 상기 표면 피막층의 양은, 금속 Zn량으로서, 0.3∼1.1g/㎡인 도금 강판을 가열하고,
   가열된 상기 도금 강판을 프레스하여 성형하고,
   가열 전의 상기 도금 강판의 상기 Al 도금층은 표층까지 합금화되어 있지 않은, 도금 강판의 열간 프레스 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 도금 강판을 가열할 때, 상기 도금 강판의 온도가 50℃인 상태로부터 최고 도달 판 온도보다 10℃ 낮은 온도까지의 평균 승온 속도를, 10∼300℃/초로 하는, 도금 강판의 열간 프레스 방법.
6. 제4항에 있어서, 상기 강판은, 질량％로,
   C:0.1∼0.4％,
   Si:0.01∼0.6％,
   Mn:0.5∼3％,
   Ti:0.01∼0.1％,
   B:0.0001∼0.1％
   를 함유하고, 잔부가 Fe 및 불순물로 이루어지는 강판인, 도금 강판의 열간 프레스 방법.
7. 제4항에 있어서, 가열 전의 상기 도금 강판의 상기 Al 도금층의 표면조도가 산술 평균 조도 Ra로 0.4∼1.0㎛인, 도금 강판의 열간 프레스 방법.
8. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 열간 프레스 방법으로 제조된, 자동차 부품.
9. 제8항에 있어서, 1500㎫ 이상의 인장 강도를 갖는, 자동차 부품.
   

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