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1 대한기계학회논문집 A 권, 제35권제4 호, pp. 383~391, < 학술논문> DOI: /KSME-A ISSN 핫스탬핑용보론강판의열처리조건에따른재질분석및점용접특성연구 제환일손창석남기우 * 부경대학교대학원재료공학과( 현교토대학에너지과학연구과), ** 국방기술품질원, *** 부경대학교재료공학과 A Study on Spot-Welding Characteristics and Material Analysis of Boron Steel for Hot-Stamping under Different Heat-Treatment Conditions Hwan Il Je *, Chang Suk Son ** and Ki Woo Nam *** * Dept. of Materials Science and Engineering, Graduate School, Pukyong Nat l Univ. (Present Graduate School of Energy Science, Kyoto Univ.) ** Defence Agency for Technology and Quality, *** Dept. of Materials Science and Engineering, Pukyong Nat l Univ. (Received July 19, 2010 ; Revised October 12, 2010 ; Accepted January ) Key Words: Hot-Stamping( 핫스탬핑), Spot Welding( 점용접), Water Quenching( 수냉), Boron Steel( 보론강) 초록: 최근차체경량화를위한여러가지방법가운데고온에서가공하여성형성을확보하고, 이후열처리를통하여고강도를가질수있는프레스열간성형및핫스탬핑기술이각광을받고있으며, 이에따라핫스탬핑용재료인보론첨가강판의수요도늘어나고있는추세이다. 본연구에서는핫스탬핑용보론첨가강판의우수한경화능을보이는임계최적열처리조건을파악하고자, Al+Si 코팅이된보론강판을각기다른온도로열처리하여수냉조건에따른기계적특성및조직을관찰하였다. 또한, 이결과를토대로선별된기계적특성이우수한보론강시험편과일반냉연강판인 과 SPRC 종류의상대재를활용하여특정점용접조건에서용접을실시하고, 보론강및상대재의기계적특성변화에따른용접후의기계적특성및조직, 그리고코팅층유무에따른특성변화를연구하였다. Abstract: The hot-stamping technique is used to manufacture high-strength parts by press forming by heating at a temperature above the Austenite transformation temperature and then rapid cooling. Boron steel, which contains a very small amount of boron, is one of the materials used for hot stamping. The purpose of this study is to show the microstructures and to investigate the mechanical properties under different heat-treatment conditions. The heat treatment of water quenching was conducted at the various temperatures and different elapsed times. These can be practical data useful when boron steels are used for hot stamping. Furthermore, the microstructures and mechanical properties of the spot-welded specimen with coatings and counterpart materials (, SPRC 590) is investigated in order to determine the welding characteristics of boron steel at different welding condition. 1. 서론 온실가스에감축에대한관심이국내외적으 로높아짐에따라, 자동차생산업계에서는차체 의안전성을유지하면서차량의무게를줄임으로 써연비개선, 연료절감으로인한환경보호등 연쇄적인효과를기대할수있는방법을모색하 고있다. 그방법으로써알루미늄, 마그네슘합금 을이용하여재료자체의경량화를도모하는방 Corresponding Author, namkw@pknu.ac.kr C 2011 The Korean Society of Mechanical Engineers 법과고강도철강재료를사용하여재료의두께 를줄이는경량화방법등이각광을받고있다. 그러나재료자체경량화의경우, 알루미늄이 나마그네슘합금재료가고가이므로가격경쟁 력의약화를가져올수있으며, 고강도철강재 료는스프링백현상및고강도로인한가공또는 성형이어렵다는단점을극복해야한다. (1,2) 이러 한단점을보완하고자고온에서가공하여성형성 을확보하고, 이후에열처리를통하여고강도를 가질수있는프레스열간성형및핫스탬핑 (hot stamping) 기술이각광을받고있다. (3,4)

2 384 본연구에서는핫스탬핑용보론첨가강판의우수 한경화능을보이는임계최적열처리조건을파악 하고자, Al+Si 코팅이된보론강판을각기다른온 도로열처리하여수냉조건에따른기계적특성및 조직을관찰하였다. 또한, 이결과를토대로선별된 기계적특성이우수한보론강시험편과일반냉연 강판인 SPRC(steel plate rolled coil) 340과 SPRC 종류의상대재를활용하여특정점용접조건에서 용접을실시하고, 보론강및상대재의기계적특성 변화에따른용접후의기계적특성및조직, 그리 고코팅층유무에따른특성변화를연구하였다. Table 1 Chemical compositions of boron steel (wt.%) C Si Mn P S Cr Al Ti B Fe Bal. 2.1 재료 2. 재료및실험방법 본연구에사용된재료는보론강에산화피막 발생을방지하기위해 Al+Si을도금처리한 USIBOR 1500P 재료로서일반적으로 알려져있는보론첨가강을사용하였다. 보론강의화학조성은 Table 1 에나타내었다. 22MnB5로 사용된 Fig. 1 Schematic diagram of specimen for tensile test (unit : mm) 2.2 실험방법 열처리방법및조건 각각다른열처리조건에서수냉한보론강판 의기계적특성및미세조직을관찰하였다. 인 장시험편(Fig. 1) 은 800, 840, 870 및 900 의 4 조건에서안정화하고, 10분간열처리 한후수냉하기까지의대기시간(0, 5, 10 및 30 초) 을달리하는방법으로열처리하였다. 수냉까지의대기시간을달리한이유는핫스탬 핑용보론첨가강판이열처리된후, 이송시공 기중에노출되는시간및원하는형상으로의성 형되기까지소요되는시간이있기때문이다 인장시험 수냉조건에따른인장시험및이종재와의점 용접에따른전단인장시험(Fig. 2) 은 250 kn 용량 의 Zwick/Roell Z250 모델의만능시험기를사용하 였다. 인장시험조건은 pre-load를 50 N으로가한 상태에서시험속도를 미소경도측정 1 mm/min 로실시하였다. 미소경도는 2.94 N 하중으로 10초간압입하여 마이크로비커스경도측정을실시하였다. 수냉 조건에따른경도는시험편당 5회이상측정한 Fig. 2 Schematic diagram of spot welded specimen for shear tensile test (unit : mm) 후평균값을사용하였다. 이종재와의점용접에 따른경도측정은시험편횡단면의양쪽가장자 리에서중앙으로 미세조직관찰 0.2 mm 간격으로측정하였다. 미세조직은시험편을수직방향으로절단하여냉간 마운팅한시편을에머리페이퍼 로습식연마한후윤활제와입도가 #2000 까지단계적으 0.25 μm의다이아 몬드페이스트를사용하여미세연마하였다. 그후 에타놀 (97 ml) + HNO3 (3 ml) 의나이탈용액에 15 초간에칭하여광학현미경을이용하여관찰하였다 점용접 본연구에서는일반적으로널리알려진냉연강 판 SPRC340과 SPRC 590 2가지를상대재로활용 하여, 열처리및수냉조건을달리하여우수한 기계적특성을나타내는조건의보론강과점용접 을실시하였다. 여기에서사용된냉연강판 과 SPRC 590의기계적특성을아래의 Table 2 와같다.

3 385 Table 2 Mechanical properties of and SPRC 590 σ U (MPa) σ y (MPa) ε (%) SPRC Table 3 Test conditions and marking for specimen W.T* (sec) Heat treatment Heat treatment W.T* (sec) W.T* : Waiting time for water quenching after heat treatment 용접기는 NADEX사의점용접기를사용하였으 며, 선단지름 ϕ6을가진크롬동재를사용한 RF형 전극에냉각수를 10 L/min으로일정하게공급하 였다. 점용접은차체제조업체에서시뮬레이션한 결과, 최적용접조건인통전시간 20 cycle, 가압력 3.5 kn 및전류 9 ka로고정하여실시한후기 계적특성및조직을관찰하였다. 이러한용접조 건을고정한이유는동일용접조건에서보론강과 각기다른기계적특성을가진이종금속을접합 하였을때특성변화를비교관찰하기위함이다 실험결과 열처리및수냉조건에따른보론첨가재 료의특성 각각다른열처리조건에서수냉한보론강판 의기계적특성및미세조직을관찰함으로서재 료자체의특성을관찰하였다. 시험조건별시편의분류를 었다. Table 3에나타내 Fig. 3 Stress-strain curve of as-received boron steel Fig. 4 Micro-structure of as-received boron steel 보론첨가강모재의기계적특성및미세 조직 보론첨가강의열처리에따른기계적특성변 화를파악하기위하여모재상태의보론첨가강에 대한기계적특성및미세조직을관찰하였다. Fig. 3은 2회실시한보론강모재인장시험의 응력- 변형률곡선이다. 인장시험에서나타난보론 첨가강은항복강도 400 MPa, 인장강도 550 MPa 및연신율 30 % 이상이다. 또한 2.94 N 하중으로 10초간압입하여 5회측정한모재의비커스경도 는평균 이었다. Fig. 4는광학현미경으로 200배와 500배로관 찰한보론첨가강의미세조직이다. 일반적으로 보론강은페라이트와펄라이트의복합조직이존재하는것으로알려져있다. (5,6) Fig. 4로부터알 수있듯이모재의미세조직은대부분의페라이트 조직과미세한판상의펄라이트조직으로이루어 져있다 열처리및수냉조건에따른기계적특성 Table 4 는열처리및수냉조건을달리한보론 첨가강시험편을조건별로 2회에걸쳐인장시험 을실시한후, 그결과를평균값으로표시하였다.

4 386 Table 4 Mechanical properties obtained from room temperature tensile test according to the different waiting time for water quenching after heat treatment σ y (MPa) Fig. 5 는인장시험결과를열처리조건별로응 력- 변형률곡선으로분류하여나타내었다. Table 4 및 Fig 5 에서알수있듯이, 동일한열 처리조건에서수냉하기까지시간이길어짐에따 라인장및항복강도가낮아지는경향을나타내 었다. 그리고열처리온도가높아짐에따라수냉 까지시간이길어지더라도인장및항복강도는 낮아지는정도가감소하였다. σ U (MPa) 즉시수냉에따른 보론강재료의특성관찰결과, 840 이상의 온도에서열처리한후, 즉시수냉한시험편(840-0, 870-0, 900-0) 의경우는모두인장강도 1650 MPa 이상의기계적특성을나타내었다. 그러나 800 에서열처리후, 즉시수냉한시 험편(800-0) 의경우는인장강도가 1580 MPa로다 소낮은경향을보였다. 인장강도 1600 MPa 이상 의기계적특성을나타내는것은 ε (%) ,014 1, , ,264 1, ,285 1, , ,294 1, ,294 1, ,228 1, ,002 1, , , ,192 1, ,239 1, ,143 1, ,118 1, , , 열처리 후 5 초이내(840-0, 840-5), 870 열처리후 10 초이내(870-0, 870-5, ), 900 열처리후 (a) 800 (b) 840 (c) 870 (d) 900 Fig. 5 Stress-strain curve of the boron steel according to the different waiting time for water quenching after heat treatment at 800, 840, 870, 초이내에수냉한시험편(900-0, 900-5, , ) 이었다.

5 387 Vickers hardness () sec 5 sec 10 sec 15 sec 20 sec 30 sec Waiting time for water quenching 800 C 840 C 870 C 900 C Fig. 6 Vickers hardness according to waiting time for water quenching after heat treatment at 800, 840, 870, 900 (a) 800 (b) 840 일반적으로고강도자동차부품재료에서요구 하는인장강도 1450 ~ 1500 MPa 이상인시험편 은 800 열처리후즉시(800-0), 840 열처리 후 5 초이내(840-0, 840-5), 870 열처리후 15 초이내(870-0, 870-5, , ), 900 열 처리후 20 초이내에수냉한시험편(900-0, 900-5, , , ) 이었다. Fig. 6는 800, 840, 870 및 900 에서각각열 처리후수냉까지시간에따른경도측정을 이상한후, 그결과를평균으로나타낸것이다. 5회 인장시험결과와마찬가지로, 같은열처리조 건에서수냉까지시간이길어짐에따라비커스 경도가낮아지는경향을보였다. 그러나열처리 온도가높아짐에따라수냉까지시간이길어지더 라도경도가낮아지는정도가감소하였다. 특히 800 에서열처리후즉시수냉한시험편의경 우는 396 이고, 840, 870, 900 에서열처리한 후즉시수냉한시편의비커스경도는 470 이상으로큰차이를나타내었다. 또한 840 열처리후 5 초이내(840-0, 840-5), 870 열처리후 10 초이내(870-0, 870-5, ), 900 열처리후 15 초이내(900-0, 900-5, , ) 에수냉한시험편은 470 으로비교적일정한수준을나타났다 수냉조건에따른조직특성 핫스탬핑용보론강판의수냉조건에따른기 계적특성과미세조직과의상관관계를규명하고 자, 열처리온도별로수냉까지시간에따른미세 조직을 Fig. 7 에나타내었다. 즉시수냉한시험편의경우, 840, 870, 900 에서는대부분마르텐사이트조직을보였 다. 그러나 800 에서는오스테나이트화하지 못하여수냉에따른마르텐사이트조직이생성되 지않고페라이트기지가관찰되었다. 이것은 800 에서열처리한시험편의인장강도및경 도가나머지 840, 870, 900 에서열처리한시 험편보다현저히낮은경향을보이는것과잘 일치한다. (c) 870 (d) 900 Fig. 7 Microstructure of the specimen 또한 840 열처리후 5 초이내(840-0, 840-5), 870 열처리후 10 초이내(870-0, 870-5, ), 900 열처리후 15 초이내(900-0, 900-5, , ) 에수냉한시험편은모두 마르텐사이트조직이관찰되었다. 그러나이후의 시간에서는수냉에의한냉각속도보다상당히 느린공기중의냉각속도에영향을받아마르텐 사이트생성을위한냉각속도보다느려짐으로써 마르텐사이트조직은관찰되지않거나미량존재 하였다. 즉, 인장강도 1600 MPa 이상, 비커스경도 430 이상을가지는시험편은마르텐사이트조직으 로대부분변태되었음을의미한다.

6 388 Table 5 Test conditions of spot welded specimen according to the existence of coating and the counterpart materials. Heat treatment Coated(Al+ Si) or Non-coated Counter part material C C-590 SPRC 590 after 10sec N-340 from 870 Non-coated N-590 SPRC C C-590 SPRC 590 after 15sec N-340 from 870 Non-coated N-590 SPRC C C-590 SPRC 590 after 10sec N-340 from 900 Non-coated N-590 SPRC C C-590 SPRC 590 after 15sec N-340 from 900 Non-coated N-590 SPRC C C-590 SPRC 590 after 20sec N-340 from 900 Non-coated N-590 SPRC 590 Table 6 Maximum tensile shear load of the spot welded specimen according to the existence of coating and the counterpart materials Max. tensile shear load (kn) Max. tensile shear load (kn) C C N N C C N N C C N N C C N N C C N N 점용접에따른특성 본절에서는열처리및수냉조건에따라서 1450 MPa 이상의인장강도를나타는시험편 (870-10, , , , ) 을활용하 여 과 SPRC 590 2가지재료에점용접 을실시하였다또한, 보론첨가강은표면산화방 지를위하여 Al+Si 가코팅되어있으므로, 코팅유 무에따라점용접후의기계적특성을평가하였 다. Table 5는특정점용접조건에서보론강의 Al+Si 코팅유무및상대재의종류에따른실험조건 및시험편명칭을나타낸다. 여기서시험편명칭 에 C 는코팅이되어있는것이고, N은코팅이없 는것이다 MPa 점용접에따른인장특성 이상의인장강도를나타내는보론강과 일반냉연강판(, SPRC 590) 을점용접한후 에전단인장시험한결과를 Table 6 에나타내었다. 표에서 900 에서 20초후에수냉한보론강판과 점용접된시험편 ( C-340, N-340, C-590, N-590) 을제외하고, SPRC 590 과용접된시험편의최대전단인장하중은 4900 ~ 5880 N 이상높게나타났다. 따라서보론강판의물 성이동일할때, 코팅유무에관계없이용접되는상 대재의강도가접합후의기계적특성에영향을미 친다는것을알수있었다. Fig. 8(a) 는 재료에코팅된보론강판, (b) 는 재료에미코팅된보론강판, (c) 는 SPRC 590 재료에코팅된보론강판, (d) 는 SPRC 590 재료에미코팅된보론강판으로점용접한후, 전단인장시험한하중- 변형률곡선이다. 전단인 장시험에서재료의파괴는대부분냉연강판이 아닌보론강판에서일어났으며, 파괴기점은점 용접으로인하여용융되어발생한너겟부위의 가장자리부분즉, 보론강판과일반냉연강판의 경계부위에서파괴되었다. 이는전단인장시험 시보론강판과일반냉연강판의경계부에응력 이집중되어, 상대적으로연성이부족한보론강 판에서파괴된것으로판단된다. 그리고 Fig. 8의 (a) 와 (b) 및 (c) 와 (d) 를비교하면, 보론첨가강 판의표면산화발생을방지를위한 층은파괴에영향이없었다 점용접에따른경도및미세조직 Al+Si 코팅 점용접된시험편의용접부및용접열영향부 (HAZ : heat affected zone) 의경도값을 Table 7에 나타내었다.

7 389 Table 7 Vickers hardness of the spot welded specimen according to the existence of coating and the counterpart materials (a) to coated boron steel (weld ed zone) (HAZ on the boron stee) (weld ed zone) (HAZ on the boron steel) C C N N C C N N C C N N C C N N C C N N (b) to non-coated boron steel (c) SPRC 590 to coated boron steel Fig. 9 Vickers hardness of N-340 and N-590 (d) SPRC 590 to non-coated boron steel Fig. 8 Load-strain curve of the spot welded specimen according to the existence of coating and the counterpart materials Fig. 9 은점용접에따른경도변화를관찰하기 위하여 N-340과 N-590 시험편의비 커스경도를나타낸다. Table 7과 Fig. 9에나타난

8 390 의경도를나타내다가급격히경도가 270 ~ 320 으로떨어지는경향을보였다. 이는핫스탬핑 용보론강판이용접열영향에의하여용접부와 가까운부분에서마르텐사이트변태효과로경도 가상승하였다가용접부와멀어지면서효과를상 실한결과로판단된다. SPRC 590 재료의경도( 180) 가 재료의경도( 100) 보다높고, 점용접에사용된 각기다른열처리의보론강판의물성이상이함 에도불구하고, 용접부및용접열영향으로인한 열화부의경도는특이한경향이없이일정하였 다. Fig. 10 에점용접된시험편의대표적인미세조 직을나타내었다. Fig. 8 에나타낸것처럼, 수냉 처리된보론강판(a) 는대부분마르텐사이트조직 을보이다가, 보론강판과용접열영향부경계(b) 에서는상당량의페라이트조직이관찰되었다. 보론강판의열영향부(c) 는다시미세한마르텐사 이트조직이관찰되었다. 그리고용접부(d) 는일 반냉연강판과보론강이용융후냉각되면서수 냉처리된보론강판의마르텐사이트조직과는상이한마르텐사이트조직을보였다. (7,8) 이는핫스탬핑용보론강판이용접열영향에의 하여용접부와가까운부분에서마르텐사이트변 태효과로경도가상승하였다가용접부와멀어지 면서효과를상실한결과를보인경도측정결과 (Fig. 9) 와같은경향을보였다. 또한냉연강판의 용접열영향부(e) 에서냉연강판모재(g) 로갈수록 특이한조직의변화없이페라이트조직이커지 는경향을관찰할수있었다. 4. 결론 Fig. 10 Microstructure of spot welded specimen 것과같이용접으로인하여용융되어보론첨가 강판과일반냉연강판이접합된부위는비커스 경도값이 400 전후로일정하게나타났다. 그 리고냉연강판은용접부를거쳐열영향부를지 나냉연강판까지의경도값은냉연강판자체의 비커스경도수준( : 100 정도, SPRC 590 : 180 정도) 으로지속적으로낮아 지는경향을보였다. 그러나보론강판의경우열 영향부에서용접부보다다소높은 450 이상 본연구에서는 Al+Si 코팅된핫스탬핑용보론강판을각기다른온도로열처리하여수냉조건에따른기계적특성및조직을관찰하였다. 그리고이결과를토대로선별된기계적특성이우수한조건인보론강시험편과일반냉연강판인 과 SPRC 590 2종류의상대재를사용하여점용접을실시하였다. 보론강및상대재의기계적특성변화에따른용접후의기계적특성및조직, 그리고코팅층유무에따른특성변화등을연구한결과아래와같은결론을얻었다. (1) 즉시수냉을하였을경우의조직관찰및

9 391 경도측정결과, 800 ~ 840 구간에서마르텐 사이트변태가일어남을알수있었다. (2) 열처리및수냉조건에따른기계적특성치 측정결과, 초이내에, 초이 내에수냉한보론첨가강판의인장강도는 1450 MPa 이상, 비커스경도는 400 이상을나타냄 으로서열처리에의한고장력강판의특성을나 타내었다. (3) 점용접후전단인장하중측정결과, 코팅의 유무와는무관한것으로나타났으며, 보론강판의 물성이동일할때용접되는상대재의강도가접 합후의기계적특성에영향을미친다는것을알 수있었다. (4) 점용접후경도측정결과, 보론강판의경 도특성과상관없이점용접부의경도는 SPRC 340보다 SPRC 590과용접하였을때가약간높은 경향을보이긴하였으나 380 정도로일정한 경향을보였다. (5) 점용접후경도측정및미세조직관찰결 과, 열처리된보론강판과용접부그리고열영향 부에서는마르텐사이트조직을보였으나, 용접 열영향부와열처리된보론강판사이에서는페라 이트조직이관찰되었으며이는경도측정결과 와동일한경향을보여주었다. (6) 보론강판의용접열영향부경도측정결과 모두 280 이상으로 모재의경도인 100 수준, SPRC 590 모재의경도인 180 수준보다 100이상높은것으로보아 280 수준의냉연강판을용접상대재로사용할경우 상당한강도개선효과를볼일것으로판단된다. 후기 본연구는 2009년동남광역경제권선도산업 육성사업의지원으로수행된연구임. 참고문헌 (1) Ji, M. W., Kang, K. P., Lee, K. H., Kim, Y. S. and Suh, Y. S., 2009, "Application and Verification of Virtual Manufacturing to Hot Press Forming Process with Boron Steel," Proceedings of the KSME KSAE 2009 Spring Annual Meeting, pp. 13~14. (2) Jang, J. M., Kim, Y. G. and Moon, M. B., 2009, "A Study on Rear impact inprovement of Passenger Car by Hot stamping Process," Proceedings of the KSME 2009 Spring Annual Meeting, pp. 205~208. (3) Altan, T., 2006, "Hot-Stamping Boron-Alloyed Steels for Automotive Prats, Part I : Process Methods and Uses" Stamping Journal, pp. 40~41. (4) Engels, H., Schalmin, O. and Muller-Bollenhagen, C., 2006, Controlling and Monitoring of the Hottamping Process of Boron-Alloyed Heat-Treated Steels The International Conference New Development in Sheet Metal Forming Technology pp.135~150. (5) Lee, M. K., Kim, S. J. and Jeong, W. C., 2008, "Technology of Press Hardening for Manufacturing Ultra-high Strength Automobile Parts, Machine and Materials, pp. 83~86. (6) Choi, Y. S., Jung, W. S., Park, I. M., Kwon, K. W., Jee, Y. K. and Yoo, I. S., 1996, "Boron Distribution Behavior and Property of Boron Treated Steel" Proceedings of the KSME 2009 Spring Annual Meeting, pp. 740~744. (7) Lee, H. W., Kim, Y. H. and Lee, S. H., 2007, Effect of Boron Contents on Weldability in High Strength Steel, Journal of Mechanical Science and Technology 21, pp. 772~778. (8) Hovanski, Y., Santella, M. L. and Grant, G. J., 2007, Friction Stir Spot Welding of Hot-Stamped Boron Steel, Scripta Materialia, Vol. 57, pp. 873~876.