KR101054773B1 - Ｔｗｉｐ형 초고강도 강판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 알루미늄(Al), 몰리브덴(Mo), 인(P) 및 황(S)의 함량이 적절히 조절된 TWIP형(TWinning Induced Plasticity) 초고강도 강판의 항복강도, 인장강도 및 연신율을 높일 수 있는 제조방법이 소개된다. 이러한 제조방법의 특징은 전위와 트윈 간의 결합을 유도하여 오스테나이트 기지의 결정립 내에 아결정립의 발생이 촉진될 수 있도록 냉간 압연 중간에 200~220℃에서 회복 열처리를 시행하고, 이후 700~850℃에서 소둔 열처리를 단시간 시행하여 결정립 크기를 2~3㎛로 미세화하는 것이다.
트윕강, 결정립, 미세화, 열처리

Description

ＴＷＩＰ형 초고강도 강판의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING TWINNNING INDUCED PLASTICITY TYPE ULTRA-HIGH STRENGTH STEEL SHEET}
본 발명은 TWIP형 초고강도 강판의 제조방법에 관한 것으로, 차체 부품용으로 유용한 TWIP형 초고강도 강판의 항복강도와 인장강도, 및 연신율을 모두 높일 수 있는 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 차량의 차체 부품용 소재로 널리 적용되고 있는 고장력 강판은 인장강도 590~780MPa, 항복강도 270~350MPa, 연신율 25∼35%, 소성변형비 0.9~1.2 정도의 물성을 가지는 강판이 주를 이루고 있다. 강판이 고장력화됨에 따라 부품 프레스 성형시 연신율 부족 등으로 인하여 발생되는 터짐 및 주름 등의 현상과, 요구되는 부품 강성의 측면을 고려하여 고장력 강판의 두께를 두껍게 제조하여 사용하고 있었다.
하지만, 고장력 강판의 연신율이 충분히 확보된다고 하더라도 오늘날 부품이 복잡화되고 다 기능화됨에 따라 고장력 강판에 대한 성형이 어려운 경우가 대부분이어서 금형 기술의 개발과 함께 고장력 강판의 물성을 개선할 필요가 있었다.
그리하여, 초고장력 및 고 연신율이 보장될 수 있도록 하기 위해 탄소(C)와 망간(Mn)을 기본으로 하되, 탄소(C) 0.15∼0.30 중량%, 실리콘(Si) 0.01∼0.03 중량%, 망간(Mn) 15∼25 중량%, 알루미늄(Al) 1.2∼3.0 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.001∼0.002 중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 강의 기지조직이 오스테나이트 상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 TWIP(TWin Induced Plasticity)형 초고강도 강판이 개발되어 차체 경량화 요구에 대응하기 위한 시도를 하고 있다.(KR 1020070018416)
그러나, 상기 강판 소재의 획기적인 물성에도 불구하고 높은 충돌 강성이 확보되어야 한다는 요구와, 복잡한 형상을 갖는 차체 부품으로 사용될 수 있어야 한다는 요구 등이 증가하고 있는 현 시점에서는 위 TWIP(Twin Induced Plasticity)형 초고강도 강판의 항복강도와, 인장강도, 및 연신율을 모두 향상시켜야 할 필요가 있었다. 왜냐하면, 연신율이 낮을 경우 제품 성형 중 불량률이 높아지는 문제가 발생하기 때문이다.
이를 위해서는 다양한 합금 원소의 첨가가 요구되었으나, 원자재 가격 급등에 대한 대응책 마련과, 친환경 소재를 사용해야할 시대적 요구 등의 이유로 합금 원소를 줄이는 방향이 최근 연구 추세인 바, 조성물의 변동없이 물성을 획기적으로 향상시키는 방법을 개발할 필요가 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점의 해결과 필요성의 충족을 위하여 제안된 것으로서, 위 TWIP(TWin Induced Plasticity)형 초고강도 강판의 항복강도와 인장강도를 높이면서도 연신율을 높일 수 있는 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 TWIP(TWin Induced Plasticity)형 초고강도 강판의 제조방법은 탄소(C): 0.15~0.30중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.03중량%, 망간(Mn): 15~25중량%, 알루미늄(Al): 1.2~3.0중량%, 인(P): 0.020중량% 이하, 황(S): 0.001~0.002중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 열연 강판에 대해 4패스 이상으로 이루어진 냉간압연을 실시하되, 3 패스 후에 200~220℃에서 회복 열처리를 시행하고, 이후 소둔 열처리를 시행하는 것을 특징으로 한다.
상기 회복 열처리는 5~6분간 시행되는 것이 바람직하다.
상기 소둔 열처리는 700~850℃에서 5~6분간 시행되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같은 TWIP형 초고강도 강판의 제조방법에 따르면, 항복강도와 인장강도를 높이면서도 동시에 연신율을 높일 수 있게 되고, 이에 따라 부품 성형 불량률을 현저히 낮출 수 있게 된다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TWIP형 초고강도 강판의 제조방법에 대하여 살펴본다.
위 TWIP형 초고강도 강판은, 탄소(C): 0.15~0.30중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.03중량%, 망간(Mn): 15~25중량%, 알루미늄(Al): 1.2~3.0중량%, 인(P): 0.020중량% 이하, 황(S): 0.001~0.002중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강판 조성물로 이루어진다.
본 발명의 실시예에 따른 TWIP형 초고강도 강판의 제조방법은 상기와 같은 조성 및 함량을 갖는 강판 조성물을 전로에서 용해시키고 연속주조한 후, 1100∼1300 ℃에서 열간압연을 실시한 다음 600∼900 ℃에서 권취하는 단계까지는 기존의 제조방법과 동일하다.
이후 총 5 패스로 이루어진 냉간압연을 실시하되, 3 패스 후에 200~220℃에서 회복 열처리를 시행한다. 이후 700~850℃에서 소둔 열처리를 시행한다. 이 경우 상기 회복 열처리는 5~6분간 시행되는 것이 바람직하고, 상기 소둔 열처리도 5~6분간 시행되는 것이 바람직하다.
여기서, 회복 열처리를 시행하는 것은 전위와 트윈 간의 결합을 유도하여 오스테나이트 기지의 결정립 내에 아결정립(subgrain)의 발생이 촉진될 수 있도록 하기 위함이다. 구체적으로는, 냉간압연의 3 패스 후에 시행되는 회복 열처리를 통해 전위와 트윈 간의 결합이 유도되고 4 패스와 5 패스의 냉간압연을 통해 결합된 전위와 트윈이 오스테나이트 결정립 내에서 아결정립으로 생성되도록 유도된다.
상기 5 패스로 이루어진 냉간압연은 매 패스당 20~30% 압하율로 시행하는 것이 바람직한데, 이는 5~7 패스로 이루어진 종래의 냉간압연이 매 패스당 30% 내외의 압하율로 시행되는 것과 흡사하며 이러한 압하율로 냉간압연을 하는 것은 트윕강 뿐만 아니라 재료 전반에 걸쳐 적용되고 있는 방법이다.
TWIP형 초고강도 강판의 변형기구(Deformation Mechanism)는 일반적인 강판과는 달리 트윈과 슬립이 동시에 일어나기 때문에 결정립 미세화를 위해서는 냉간압연 중간에 회복 열처리과정이 도입되어야 한다는 것이 발명자의 연구를 통해 확인되었다. 따라서, 상기와 같이 총 5 패스로 이루어진 냉간압연 실시 중 3 패스 후에 회복 열처리를 도입한 것이다.
냉간압연의 1 패스 혹은 2 패스 후에 회복 열처리를 시행하는 경우 미처 발달하지 못한 아결정립으로 인해 소기의 목적을 달성할 수 없으며, 4 패스 후에 회복 열처리를 시행하는 경우 발달한 아결정립간의 방위차(misorientation)가 저경각으로 되어 소둔 열처리 시 원하는 목표 물성을 달성할 수 없기 때문에 냉간압연의 3 패스 후에 회복 열처리를 시행하는 것이 바람직하다.
한편, 위 중간 열처리가 도입된 냉간안연 후 700~850℃에서 단시간 동안 소둔 열처리를 시행하는 것은 결정립 크기를 2~3㎛로 미세화하기 위함이다. 이와 같이 결정립을 미세화함으로써, 연신율을 높일 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 실시예와 비교예의 대비를 통해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예와 비교예는 하기의 표 1의 조성 및 함량으로 TWIP형 초고강도 강판을 제조한 후 인장시험을 통해 기계적 물성을 측정하였고, 광학 현미경과 이미지 분석기와, EBSD(Electron Back Scattered Diffraction) 측정을 통해 결정립 크기 등을 분석하였다. 이와 같은 측정과 분석을 통한 결과는 하기의 표 2와 같다.
실시예는 전로에서의 용해 및 연속주조를 통해 제조한 슬라브를 1300 ℃에서 열간 압연을 시작하여 1100 ℃에서 최종 압연하고, 900℃에서 600℃까지 40℃/sec의 속도로 냉각한 후 권취하고, 이후 5패스에 걸쳐 매 패스당 30%이하의 압하율로 냉간압연을 실시하되, 3패스 후 200~220℃에서 5분간 열처리한 후 나머지 2패스를 시행하여 5패스를 완성한 뒤, 연속소둔로를 사용하여 700~850℃에서 5분간 소둔 열처리를 시행하여 결정립을 미세화한 것이다.
한편, 비교예는 통상적으로 제조방법을 따른 것이며, 구체적으로는 열간압연 까지는 위 실시예와 동일하며, 냉간압연은 매 패스당 30% 이하의 압하율로 총 5패스로 이루어진 냉간압연을 시행한 후, 상자로를 사용하여 850℃에서 8~10시간 소둔 열처리를 시행한 것이다.
한편, 본 발명의 실시예에 적용하기 위한 소둔 열처리 온도를 정하기 위해 상기 TWIP형 초고강도 강판을 600℃부터 920℃까지 5분간 열처리하여 결정립 크기를 측정하였으며, 이는 도 1에 도시된 바와 같다. 도 1을 참조하면, 700℃에서 850℃구간에서는 결정립 크기가 2~3㎛ 내외임을 알 수 있다.

화학 성분 (wt%)		 C Si Mn Al P S Fe
0.15
~0.30		 0.01
~0.03		 15.0
~25.0		 1.20
~3.00		 0.020
이하 		0.001
~0.002		 remain
회복 열처리 온도, ℃ 회복 열처리 시간, 분 회복 열처리 시행 패스 소둔 열처리 온도, ℃ 소둔 열처리 시간, 분 항복강도, MPa 인장강도, MPa 연신율, % 평균결정립도, ㎛
실시예 1
200
5
3
700
5
580
1020
53
2.1
실시예 2
200
5
3
750
5
580
1020
53.2
2.3
실시예 3
200
5
3
800
5
560
992
52.1
2.5
실시예 4
200
5
3
850
5
520
989
52.1
2.9
실시예 5
220
5
3
700
5
592
1008
52.3
2.0
실시예 6
220
5
3
750
5
590
1010
52.2
2.12
실시예 7
220
5
3
800
5
577
998
52.8
2.6
실시예 8
220
5
3
850
5
580
992
53.1
2.88
비교예 1
-
-
-
850
480
510
978
48.2
6.83
비교예 2
-
-
-
850
540
502
978
48.5
9.35
비교예 3
-
-
-
850
600
490
950
48.8
12.1
비교예 4
200
5
3
850
480
505
980
48
7.0
비교예 5
200
5
3
850
540
493
960
48.2
11.1
비교예 6
200
5
3
800
600
462
963
48.5
12.4
비교예 7
220
5
3
850
480
499
942
46.5
8.3
비교예 8
220
5
3
850
540
493
931
47.3
9.2
비교예 9
220
5
3
800
600
460
922
48.1
12.4
비교예 10
200
4
3
700
5
530
980
42.1
3.3
비교예 11
200
4
3
850
5
510
977
43.2
4.2
비교예 12
220
4
3
700
5
523
977
42.8
3.5
비교예 13
220
4
3
850
5
499
963
44.6
3.9
비교예 14
200
7
3
700
5
510
977
41.2
3.8
비교예 15
200
7
3
850
5
503
973
40.2
4.1
비교예 16
220
7
3
700
5
511
974
45.1
3.9
비교예 17
220
7
3
850
5
482
958
42.6
4.7
한편, 700℃미만의 온도에서는 재결정이 일어나지 않음을 확인하였고, 이 경우 최종 제품의 연신율이 20%에도 미치지 못함을 별도로 확인하였기에, 700℃미만의 온도에서의 소둔 열처리는 배제하였다.
표 2에 나타난 결과를 살펴보면, 본 발명의 실시예에 의할 경우 비교예1~3 대비 항복강도가 최소 30MPa 이상 최대 100MPa 내외로 증가하였고, 연신율도 3~4% 이상 증가한 것을 확인할 수 있다. 통상적으로 강도가 높아지면 연신율은 낮아지게 되는데, 본 발명의 실시예의 경우 중간 열처리에 의해 생성된 아결정립 내의 트윈의 존재로 인하여 강도와 연신율이 모두 높아질 수 있게 되는 것이다.
한편, 비교예4~9에서 보듯이, 냉간압연 중 중간 열처리를 상기 실시예와 동일하게 하더라도 소둔 열처리 조건이 기존과 동일한 경우에는 전혀 효과가 없음을 볼 수 있다.
또한, 비교예10~17에서 보듯이, 냉간압연 중 중간 열처리 시간은 5분 정도가 가장 효과가 큼을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 소둔 열처리 시간을 5분으로 정한 이유는 그 이하의 열처리 시간에서는 재결정이 일어나지 않기 때문이며, 이러한 경우 연신율의 상승을 기대할 수 없기 때문이다.
그런데, 소둔 열처리 시간이 5분을 상당히 초과하는 경우에는 연신율의 상승을 기대할 수는 있으나 결정립이 과다 성장하여 항복강도의 급격한 저하를 초래하기에 바람직하지 못하다. 이는 700℃에서 시간에 따른 항복강도의 감소를 나타낸 도 2를 통해 확인할 수 있다.
따라서, 소둔 열처리 시간은 5분에서 6분 사이인 것이 바람직하며, 이는 도 3에 나타난 연신율 변화를 통해서도 확인 가능하다. 즉, 도 3을 참조하면, 5분 이상 6분 미만의 열처리 시간에서만 50% 이상의 양호한 연신율이 확보될 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 하기의 표 3은 위 실시예에서의 조성 및 함량으로 TWIP형 초고강도 강판을 제조한 후 냉간압연 중 중간 열처리를 시행하는 시점에 따른 물성 변화를 확인하기 위해 표 2에 제시된 실시예 중 일부와 다른 비교예를 나타낸 것이다. 표 3을 참조하면, 비교예19~22 및 비교예23~26에서 보듯이, 4 패스 후 또는 2 패스 후 중간 열처리를 시행하는 것은 물성에 전혀 영향을 주지 못한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 중간 열처리의 시행 시점은 냉간압연의 3 패스 후가 가장 바람직하다.
회복 열처리 온도, ℃ 회복 열처리 시간, 분 회복 열처리 시행 패스 소둔 열처리 온도, ℃ 소둔 열처리 시간, 분 항복강도, MPa 인장강도, MPa 연신율, % 평균결정립도, ㎛
실시예 1
200
5
3
700
5
580
1020
53
2.1
실시예 4
200
5
3
850
5
520
989
52.1
2.9
실시예 5
220
5
3
700
5
592
1008
52.3
2.0
실시예 7
220
5
3
800
5
577
998
52.8
2.6
비교예 19
200
5
4
700
5
492
977
46.3
4.1
비교예 20
200
5
4
850
5
488
976
46.3
3.9
비교예 21
220
5
4
700
5
479
943
45.5
4.0
비교예
22
220
5
4
800
5
482
930
46.1
4.6
비교예 23
200
5
2
700
5
490
975
47.1
3.7
비교예 24
200
5
2
850
5
490
975
47.3
3.6
비교예 25
220
5
2
700
5
483
950
43.5
4.2
비교예 26
220
5
2
800
5
480
945
46.2
3.9
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 TWIP형 초고강도 강판의 제조방법에 따르면 TWIP형 초고강도 강판의 항복강도를 기존 대비 최대 100MPa까지 높일 수 있고, 이와 더불어 연신율이 기존 대비 3~4% 가량 상승하여 연신율이 50%이상이 될 수 있게 되며, 인장강도 역시 980MPa 이상이 될 수 있게 된다. 따라서, 충돌 성능에 부합하는 강성이 확보되면서도 복잡한 성형이 가능한 TWIP형 초고강도 강판을 제조할 수 있게 된다. 이와 같은 사항은 실시예와 비교예의 항복강도 및 연신율을 나타낸도 4를 통해 확인할 수 있다. 도 4를 참조하면, 실시예의 항복강도 및 연신율 데이타(A)는 실시예에 따른 따른 TWIP형 초고강도 강판의 항복강도가 520~592MPa 임을 나타내고 있고, 연신율은 50% 이상임을 나타내고 있다. 이에 반해, 비교예의 항복강도 및 연신율 데이타(B)는 비교예에 따른 TWIP형 초고강도 강판의 항복강도가 520MPa 이하임을 나타내고 있고, 연신율은 50% 이하임을 나타내고 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도 1은 TWIP형 초고강도 강판의 소둔 열처리 시간에 따른 결정립 크기를 나타낸 그래프.
도 2는 실시예의 소둔 열처리 시간에 따른 항복강도를 나타낸 그래프.
도 3은 실시예의 소둔 열처리 시간에 따른 연신율을 나타낸 그래프.
도 4는 실시예와 비교예의 항복강도 및 연신율을 나타낸 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
A : 실시예의 항복강도 및 연신율 데이타
B : 비교예의 항복강도 및 연신율 데이타

Claims (3)

  1. 탄소(C): 0.15~0.30중량%, 실리콘(Si): 0.01~0.03중량%, 망간(Mn): 15~25중량%, 알루미늄(Al): 1.2~3.0중량%, 인(P): 0.020중량% 이하, 황(S): 0.001~0.002중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 열연 강판에 대해 4패스 이상으로 이루어진 냉간압연을 실시하되, 3 패스 후에 200~220℃에서 5분간 회복 열처리를 시행하고, 이후 700~850℃에서 5~6분간 소둔 열처리를 시행하는 것을 특징으로 하는 TWIP(TWin Induced Plasticity)형 초고강도 강판의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
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