KR100270395B1 - 프레스 가공성이 우수한 저합금 복합조직형 고강도 냉연강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가공성이 우수하고, 프레스 가공시 균열발생이 없는 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 중량비로 탄소 0.05-0.1%, 질소 0.005% 이하, 황0.02%, 망간 1.2-1.7%, 실리콘 0.2-0.6%, 알루미늄 0.03-0.06%, 보론 0.0030-0.0080%를 첨가하되, 망간당량을 1.72%이상으로 조절하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄 킬드강을 1100-1250℃정도에서 균질화처리 후, 마무리 열간압연온도를 Ar₃변태점 직상인 900~930℃로 하며, 열연권취는 600~700℃의 온도범위에서 실시한 후, 냉간압하율을 40~80%로 압연을 실시하고, 소둔은 800~850℃범위에서 연속소둔을 실시하며, 급냉대의 냉각속도가 -40℃/sec이하에서도 복합조직강이 생성되도록 연속소둔을 실시하여서 된 것이다.

Description

프레스 가공성이 우수한 저합금 복합조직형 고강도 냉연강판의 제조방법

본 발명은 가공성이 우수하고, 프레스 가공시 균열발생이 없는 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 특히 저탄소 알루미늄 킬드(Al-killed)강에 망간(Mn), 실리콘(Si), 보론(B) 등의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절하여 복합조직형 고강도 냉연강판을 제조함으로써, 냉연강판에서 불연속항복거동을 보이는 항복점연신 현상이 없고, 항복비(항복강도/인장강도)가 낮아 프레스 가공성이 우수하여 자동차용 소재의 내,외판 등 높은 가공성이 필요한 제품의 소지강판으로 사용할 수 있고, 자동차용 강판의 보강재등 고강도를 요구하는 부품에도 사용할 수 있도록 한 것이다.

종래의 고강도 냉연강판은 저탄소 알루미늄킬드강에 고용강화원소인 망간(Mn), 실리콘(Si), 인(P)등을 첨가하여 이를 치환형 원소의 고용강화 효과를 이용하여 강도를 향상시키거나, 석출물 형성 원소인 나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V)등을 첨가하여 이들의 석출물을 이용하여 강도를 향상시켜 고강도 냉연강판을 제조하여 왔다.

그러나 망간(Mn), 실리콘(Si), 인(P)등을 첨가한 고용강화강의 경우 강도는 상승하지만 연신율이 감소하는 단점이 있고, 소둔후에는 고용탄소의 존재로 항복점연신이 나타나기 때문에 불연성 항복거동을 나타낸다.

이러한 항복점연신에 의한 불연속 항복거동과 높은 항복비(항복강도/인장강도)는 프레스 가공등 냉연강판의 가공시 강판표면에 스트레쳐 스트레인(stretcher strain) 결함이 나타나고, 항복점이 높기 때문에 스프링백(spring back)에 의해서 형상동결성이 나쁘다.

나이오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V)등을 첨가한 석출경화형강은 역시 항복점 연신현상이 나타나고, 항복점이 낮을 뿐만 아니라 동일 인장강도 수준에서 연신율이 매우 낮기 때문에 프레스 가공성이 나쁜 단점이 있다.

최근에는 저탄소 알루미늄 킬드강에 강화능이 큰 원소인 망간, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)등을 첨가하고, 연속 소둔공정의 급냉영역에서 냉각속도를 바르게 하여 마르텐사이트(Martensite)와 페라이트(Ferrite)가 동시에 존재한 복합조직강을 제조하고 있다.

그러나 이 방법의 경우 강화능이 큰 원소인 망간을 다량 첨가하여야 하기 때문에 강판의 제조원가가 매우 커지는 단점이 있을 뿐만 아니라 연속소둔공정의 급냉영역에서 냉각속도를 매우높게 해야 마르텐사이트가 생성되기 때문에 연속소둔설비에 부가적인 냉각설비가 필요하게 되어 제조원가를 상승시킨다.

그리고 저속의 냉각속도하에서 마르텐사이트를 형성시키기 위하여 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo)을 망간과 함께 복합첨가하는 경우도 있지만, 이 경우 다량의 크롬과 몰리브덴 첨가에 의한 제강에서의 성분 조정이 어렵고 냉연강판의 표면 성질을 나쁘게 할 뿐만 아니라 제조원가를 크게 상승시키는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 저탄소 알루미늄 킬드(Al-killed)강에 망간, 실리콘, 보론(B)등의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절함으로써, 고강도 냉연강판에서 불연속항복거동을 보이는 항복점연신현상이 없고, 항복비가 낮은 프레스 가공시 형상동결성이 우수하여 자동차용 소재의 내,외판등 높은 가공성이 필요한 고강도 냉연강판으로 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하여 제조된 강은 인장강도가 높기 때문에 자동차의 범퍼등 고강도가 요구되는 부품에 적용할 수 있다. 그리고 복합조직강을 제조하기 위해서는 종래에는 연속소둔라인의 급냉영역에서 급속냉각을 실시하거나, 합금원소의 다량첨가에 의해 제조되었지만, 본 발명강을 이용할 경우 복합조직강의 제조에 있어서 통상의 연속소둔설비를 이용하여 급냉대에서 급속냉각설비의 부가적인 설치없이 -40℃/sec이하의 냉각속도로 복합조직강의 제조가 가능하기 때문에 낮은 제조원가로 가공성이 우수한 고강도 냉연강판을 제조하여 제공함에 그 목적과 특징이 있는 것이다.

제1a, b, c, d도는 보론 첨가량에 따른 기계적 성질의 변화를 나타낸 그래프.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 프레스 가공성이 우수한 저합금 복합조직형 고강도 냉연강판의 제조방법은 가공성이 우수하고, 프레스 가공시 균열발생이 없는 고강도 냉연강판을 제조함에 있어서, 중량비로 탄소 0.05~0.1%, 질소 0.005% 이하, 황0.02%, 망간 1.2~1.7%, 실리콘 0.2~0.6%, 알루미늄 0.03~0.06%, 보론 0.0030~0.0080%를 첨가하되, 망간당량을 1.72% 이상으로 조절하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄 킬드강을 1100~1250℃ 정도에서 균질화처리 후, 마무리 열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 900~930℃로 하며, 열연권취는 600~700℃의 온도범위에서 실시한 후, 냉간압하율을 40~80%로 압연을 실시하고, 소둔은 800~850℃ 범위에서 연속소둔을 실시하며, 급냉대의 냉각속도가 -40℃/sec 이하에서도 복합조직강이 생성되도록 연속소둔을 실시하는 것을 특징으로 한다.

이때 연속소둔의 급냉영역에서 냉각속도가 -40℃/sec이하에서도 복합조직강이 제조되어져야 한다.

강판의 제조에 있어서, 망간의 첨가는 오스테나이트(Austenite)에서 페라이트로의 변태를 억제하여 강중에 단단한 상으로 알려진 마르텐사이트를 형성시켜 재질을 강화하는 작용을 한다. 망간의 첨가에 의해서 재질을 강화하기 위해서는 연속소둔공정의 급냉영역에서 수냉(냉각속도-2000℃/ sec)과 같은 매우빠른 냉각설비가 필요하거나, 다량의 망간이 첨가되어야 한다.

그러나 망간을 첨가한 저탄소 알루미늄강에 미량의 보론을 B/N비가 1이상이 되도록 첨가하면 일부의 보론을 보론나이트를 형성하여 강중의 질소를 없애주는 효과가 있고, 질소와 결합하지 않은 나머지 보론은 결정입계에 편석되어 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 억제시키는 역할을 한다. 오스테나이트에서 페라이트로의 변태 억제는 마르텐사이트 변태를 촉진하기 때문에 미량의 보론 첨가에 의해서 급냉영역에서 낮은 냉각속도(-40℃/ sec이하) 연속소둔설비를 이용하여 상온에서 마르텐사이트와 페라이트의 복합조직강을 제조할 수 있다.

따라서 낮은 냉각소둔라인의 급냉대에서 급속냉각을 위한 부가적인 설비가 필요없다. 복합조직강은 소성변형시 연속항복거동을 나타내고, 항복비가 낮기 때문에 프레스 가공시 형상동결성이 우수하다. 따라서 본 발명강의 경우 고강도강임에도 불구하고 프레스 가공성이 매우 쉬워진다.

그리고 상온에서 마르텐사이트 조직이 형성되기 때문에 인장강도가 매우 높다. 상온 페라이트 조직의 고용탄소가 매우 작기때문에 연신율 및 가공경화능이 매우 높은 재질이 얻어진다.

본 발명은 망간 및 실리콘의 첨가량 및 보론과 질소의 비를 적절하게 조절하여 첨가함으로써 연속소둔설비의 급냉대의 낮은 냉각속도하에서도 상온에서 마르텐사이트와 페라이트의 복합조직이 형성되어 프레스 가공성이 우수한 고가공용 냉연강판을 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.

이하에서는 본 발명에서의 수치한정 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C)의 양이 0.05중량%(이하, %라고 함) 이하가 되면 소둔시에 오스테나이트상에 탄소의 양이 충분히 농화되지 않기 때문에 오스테나이트에서 페라이트로의 변태시 마르텐사이트로의 변태가 어렵게 된다. 이 경우 상온에서의 재질은 항복점 연신이 나타나는 불연속항복거동을 보이고, 프레스 가공시 형상동결성이 낮아진다.

그리고 상온에서 마르텐사이트가 생성되지 않기 때문에 인장강도가 높지 않다. 탄소의 양이 0.1% 이상이 되면 상온에서 존재하는 마르텐사이트의 양이 증가하기 때문에 인장강도는 상온에서 존재하는 마르텐사이트의 양이 증가하기 때문에 인장강도는 크게 증가하지만 연신율이 감소하여 가공성이 감소한다.

그리고 탄소의 양이 0.1% 이상이 되면 연주주편의 모서리에서 균열이 발생하기 때문에 탄소의 첨가량을 0.05~0.1%로 제한하였다.

망간은 1.2% 이하로 첨가시 상온에서 마르텐사이트를 형성시키지 못한다. 마르텐사이트가 형성되지 못하면, 가공시 불연속항복거동을 나타내고, 항복비가 높아형상동결성이 나쁘기 때문에 프레스 가공성이 매우 나빠진다.

그리고 망간의 첨가량이 1.7% 이상이 되면 상온에서 마르텐사이트 형성은 쉬워지지만, 보론과 동시에 첨가될 경우 상온에서 마르텐사이트의 분율이 증가하여 인장강도는 크게 증가하지만 연신율이 감소하여 가공성이 크게 저하된다.

그리고 다량의 망간 첨가는 제조원가의 큰 상승을 의미하므로 고망간 복합조직강은 상업적으로 사용되기 어렵다. 일반적으로 황은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가 범위를 0.02% 이하로 제한하였다.

실리콘은 페라이트 변태를 촉진시키는 페라이트를 안정화 원소로 알려져 있지만, 치환형 원소이기 때문에 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 억제시키는 역할을 한다. 실리콘의 양이 0.2% 이하가 되면 상온에서 마르텐사이트를 형성하기가 힘들기 때문에 마르텐사이트와 페라이트의 복합조직강을 얻을 수 없다. 실리콘의 양이 0.6% 이상이 되면 상온에서 복합조직강을 얻을 수 있지만, 강판의 용접성이 매우 열화되기 때문에 상한 첨가량을 0.6%로 제한하였다.

알루미늄은 강중에 탈산을 위하여 첨가되는데는 알루미늄의 첨가량이 0.03%이하가 되면, 강중에 산소가 존재하여 제강시 망간이나 보론등 산화물 형성원소가 첨가될 경우 망간산화물, 보론산화물등을 형성하기 때문에 미량으로 첨가되는 보론의 성분제어가 힘들게 된다. 그리고 알루미늄의 양이 0.06% 이상이 되면 알루미늄의 양이 필요이상으로 첨가되어 제조원가가 상승하므로 알루미늄의 상한 첨가량을 0.06%로 제한하였다.

저탄소강에 보론이 단독으로 첨가될 경우 보론은 강중에 존재하는 질소와 결합하여 보론질화물(BN)을 형성한다. 보론의 첨가량이 0.003% 이하가 되면 강중에 존재하는 질소를 충분히 제거하기가 힘들기 때문에 보론이 고용상태로 존재하기가 어렵다. 강중에 고용상태를 존재하는 보론은 결정입계에 편석되어 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 억제하기 때문에 상온에서 복합조직강을 형성하기 위한 고용보론의 역할은 대단히 중요하다. 따라서 보론의 하한 첨가량을 0.003%로 제한하였다. 도 1은 보론의 첨가량에 따른 기계적 성질의 변화를 보여준다. 보론의 첨가량이 0.003% 이상이 되면 항복점연신현상이 없어지고, 항복비가 0.6 이하가 된다. 상온에서 강중에 마르텐사이트가 생성되어서 소성변형시 가동전위를 발생시키기 때문이다.

강중에 존재하는 고용보론을 오스테나이트 결정입계에 편석되어 변태를 억제 시키기 때문에 연속소둔의 급냉구간에서 냉각속도 -40℃/sec 이하에서도 마르텐사이트의 생성이 가능해진다. 보론이 0.008% 이상이 되면 보론 탄소화물을 형성하여 석출강화가 일어나고, 고용보론의 증가로 인장강도가 필요이상으로 증가하고 연신율이 급격히 떨어지기 때문에 상한 첨가량을 0.008%로 하였다.

강중에 존재한 질소는 보론과 결합하여 고용보론의 양을 감소시키기 때문에 보론과 질소의 원자비가 항상 1 이상이 되도록 질소의 양을 감소시키거나, 보론의 양을 증가시켜야 한다. 그러나 질소의 량이 증가하면, 보론질화물의 양의 증가로 고용보론을 형성시키기 위한 보론의 첨가량이 증가되기 때문에 강중 질소의 양은 0.005%이하로 제한하였다.

상기 조성으로 용해된 강을 1100-1250℃ 정도에서 균질화처리를 실시한다. 균질화처리 온도가 1250℃ 이상이 되면, 주로 미세한 석출물이 석출되므로 가공성이 나빠진다. 따라서 균질화처리 온도범위는 1100~1250℃로 제한하였다.

균질화 처리가 끝난 시편은 Ar3온도 직상인 900~930℃에서 마무리 열간압연을 실시하고, 660~700℃에서 권취하므로 미세한 열연판 조직을 얻을 수 있고, 강중에 존재하는 질소가 보론과 결합하여 보론질화물을 형성하여 강중에 잔류 보론이 존재하도록 한다. 열연권취온도를 600℃이상으로 하여 알루미늄나이트라이드의 생성을 촉진하여 강중에 존재하는 고용보론의 양을 증가시켜 첨가되는 보론의 양을 감소시킨다.

권취온도가 700℃ 이상이 되면 결정립의 조대해지고, 석출물의 크기가 증가하기 때문에 냉강강판에서 고강도를 얻기가 힘들어진다.

따라서 열연강판의 권취온도를 600~700℃로 제한하였다. 압하율이 재질에 미치는 영향을 크지 않지만 압하율이 충분하지 않으면, 가공성이 낮기 때문에 압하율의 하한율 40%로 하였고, 압하율이 증가하면 결정립이 미세해지고 가공성이 증가하지만, 고강도강의 경우 압하율이 80% 이상이 되면 냉간압연시 압연기의 부하가 크게 걸리기 때문에 압하율 상한을 80%로 설정하였다.

냉간압연이 완료된 강판은 소둔온도 800℃ 이상에서 30초 이상을 유지하고, 680℃까지 서냉을 실시한 후, -40℃/sec 이하의 냉각속도로 급냉을 실시하고, 450~350℃구간에서 120초 이상 과시요 처리를 실시하는 연속소둔을 실시한다.

이하에 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

하기 표 1은 본 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것으로, 용해된 강의 강괴를 1250℃ 가열로에서 한시간 유지후 열간압연을 실시하였다. 이때 열간압연 마무리 온도는 900℃, 권취온도 620℃로 하였으며, 냉간압하율을 55~75%로 하여 냉간압연한 후 소둔온도를 780, 800, 830℃로 하여 연속소둔을 실시하였다. 연속소둔시 급냉대의 냉각속도는 -25℃/sec로 하였다. 연속소둔이 끝난 시편은 만능인장시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였다.

하기 표 2는 본 발명강과 비교강의 소둔온도에 다른 기계적 성질의 변화를 나타낸 것이다.

상기 표 2에서 본 발명강인 시료번호 1과 2는 인장강도 50kgf/㎟이상, 연신율 30%이상 항복비 0.60이하, 항복강도와 인장강도의 곱이 1800 이상으로 고강도를 갖으면서 가공성이 우수한 특성을 보여주고 있다. 인장곡선에서 항복점연신율이 나타나지 않으며, 항복비가 0.6 이하로 프레스 가공시 형상동결성이 우수하다.

그러나 비교강인 시료번호 3의 경우 보론의 첨가량이 충분하지 않기 때문에 상온에서 항복점연신 현상을 제거할 충분한 가동전위를 발생할 수 있는 마르텐사이트가 생성되지 않았기 때문에 복합조직강이 형성되지 않은 것으로 추정된다. 강중에 존재하는 질소가 보론을 모두 보론질화물로 석출시키기 때문에 고용보론이 존재하지 않게 된다. 따라서 오스테나이트에서 페라이트로의 변채를 지연시키는 원소가 강중에 존재하지 않기 때문에 상온에서 연속항복거동을 나타낼 수 있는 충분한 양의 마르텐사이트가 생성되지 않게 된다.

* 열연조건 : 슬라브재가열온도 : 1250℃, 열간압연마무리온도 : 900℃

권취온도 : 620℃

* 냉연조건 : 냉간압하율 : 55%

* 소둔조건 : 소둔시간 :30초, 급냉속도 : -25℃/sec

* 항복비 = 항복강도 /인장강도

시료번호 4의 경우 망간의 양이 충분하지 않기 때문에 낮은 냉각속도 하에서 마르텐사이트가 생성되기 어렵다. 연속소둔의 급냉영역에서 냉각속도가 -40℃이하일때 마르텐사이트가 생성될 수 있는 임계 망간당량은 1.72 정도로 보고 되고 있다. 시료번호 4의 경우 망간의 함량이 낮기 때문에 망간당량의 1.30으로 마르텐사이트가 생성되기 어렵다. 따라서 이 경우 상온에서 복합조직강이 형성되지 않고 프레스 가공시 형상동결성이 나빠진다.

시료번호 5의 경우 강중에 실리콘이 첨가되지 않았기 때문에 낮은 냉각속도하에서 상온에서 마르텐사이트를 형성할 수 있는 필요 망간당량에 비해서 계산된 망간당량의 값이 다소 낮다. 따라서 이 경우 시료번호 4의 경우와 같이 상온에서 복합조직강이 형성되지 않고 프레스 가공성이 나빠지게 된다.

시료번호 6과 7의 경우 상온에서 마르텐사이트를 형성할 수 있는 망간당량이상 망간과 실리콘, 인등이 첨가되었지만, 변태억제 원소인 고용보론이 강중에 존재하지 않기때문에 -40℃/sec 이하의 낮은 냉각속도 하에서는 상온에서 복합조직강을 형성하기 어렵다.

따라서 상온재질의 인장강도는 50kgf/㎟ 정도로 높지만 연신율이 높지 않다. 그리고 항복점연신율이 나타나고, 항복비가 0.7 정도로 비교적 높기 때문에 프레스 가공시 형상동결성이 비교적 나쁘다.

이상과 같은 본 발명은 저탄소 알루미늄 킬드강에 망간, 실리콘, 보론 등의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절하여 복합조직형 고강도 냉연강판을 제조함으로써, 냉연강판에서불연속항복거동을 보이는 항복점연신 현상이 없고, 항복비가 낮아 프레스 가공성이 우수하여 자동차용 소재의 내,외판 등 높은 가공성이 필용한 제품의 소지강판으로 사용할 수 있고, 자동차용 강판의 보강재등 고강도를 요구하는 부품에도 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 가공성이 우수하고, 프레스 가공시 균열발생이 없는 고강도 냉연강판을 제조함에 있어서, 중량비로 탄소 0.05~0.1%, 질소 0.005% 이하, 황0.02%, 망간 1.2~1.7%, 실리콘 0.2~0.6%, 알루미늄 0.03~0.06%, 보론 0.0030~0.0080%를 첨가하되, 망간당량을 1.72% 이상으로 조절하고, 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄 킬드강을 1100~1250℃ 정도에서 균질화처리 후, 마무리 열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 900~930℃로 하며, 열연권취는 600~700℃의 온도범위에서 실시한 후, 냉간압하율을 40~80%로 압연을 실시하고, 소둔은 800~850℃ 범위에서 연속소둔을 실시하며, 급냉대의 냉각속도가 -40℃/sec 이하에서도 복합조직강이 생성되도록 연속소둔을 실시하는 것을 특징으로 하는 프레스 가공성이 우수한 저합금 복합조직형 고강도 냉연강판의 제조방법.