KR101105052B1

KR101105052B1 - 코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법

Info

Publication number: KR101105052B1
Application number: KR1020040082628A
Authority: KR
Inventors: 김성일; 홍영광
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2012-01-16
Also published as: KR20060033489A

Abstract

본 발명은 자동차의 휠, 림, 시트프레임 등의 용도로 사용되는 열연강판에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.07~0.09%, Si: 0.3% 이하, Mn: 1.1~1.3%, P: 0.03% 이하, S: 0.010% 이하, Al: 0.005~0.10%, N: 0.0020~0.0080%, Ti: 0.025~0.06%, Nb: 0.03~0.045%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 마련하는 단계;상기 마련된 강 슬라브를 1250~1300℃의 온도에서 재가열한 다음 1030℃ 이상의 온도에서 조압연하는 단계;상기 조압연된 강판을 960℃ 이상의 온도에서 압하율 150% 이상으로 마무리열간압연한 다음 850~900℃의 온도에서 압연을 종료하는 단계; 및 상기 마무리압연된 강판을 550~650℃의 온도에서 권취하는 단계;를 포함하여 이루어지는 코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 슬라브 재가열조건, 열간압연조건 및 권취조건을 제어함에 의하여 열연강판의 길이방향 재질편차를 최소화할 수 있는 고강도 열연강판을 제공한다.

열연강판, 석출강화, 항복강도, 재질편차, 동적재결정

Description

코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법{Method for manufacturing high strength hot rolled steel sheet having excellent uniformity in coil}

도 1은 동적재결정발생 가능온도를 측정하기 위한 고온압축시험법을 나타내는 개략도이다.

도 2는 고온압축시험법에 의하여 얻어진 응력-온도 곡선 그래프이다.

도 3은 발명예2 및 비교예2의 코일길이별 인장강도 및 항복강도 분포를 나타내는 그래프이다.

본 발명은 자동차의 휠, 림, 시트프레임 등의 용도로 사용되는 열연강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 페라이트 결정립과 석출물 형성에 의하여 코일 길이방향 항복강도 편차를 감소시킬 수 있는 고강도 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

최근 재결정, 석출 및 냉각시 변태현상을 이용하여 열연강판을 제조하는 다양한 기술들이 개발되고 있다. 이러한 기술들의 예로는 미국특허 5,514,227호, 일본 공개특허공보 2000-334466호, 일본 공개특허공보 2001-333376호, 미국 공개특허 2002-108691호, 대한민국 공개특허공보 1998-59811호, 일본 공개특허공보 평5-308808호, 일본 공개특허공보 평5-279379호, 일본 공개특허공보 평9-143570호 및 미국특허 6,290,784호가 있다.

상기 종래기술들중 미국특허 5,514,227호는 Ti와 V을 미량첨가하여 이들 원소의 탄질화물을 석출시킴으로써 항복강도 50ksi 이상인 열연강판을 제공하는 것을 특징으로 하고 있다. 또한, 일본 공개특허공보 2000-334466호는 Ti, Nb 및 W을 미량 첨가하여 이들 원소의 석출강화를 활용한 열연강판의 제조기술이고, 일본 공개특허공보 2001-333376호와 미국 공개특허 2002-108691호는 Ti와 Mo을 첨가하여 이들 원소의 석출강화를 활용한 열연강판의 제조기술에 관한 것이다. 또한, 대한민국 공개특허공보 1998-59811호는 Ti와 Nb을 첨가하고 3단으로 나누어 냉각함에 의하여 페라이트와 베이나이트로 이루어진 열연강판을 제조하는 기술이며, 일본 공개특허공보 평5-308808호와 평5-279379호는 Ti와 Nb가 특정한 수식을 만족하도록 미량 첨가되고 등축정 페라이트가 80% 이상인 미세조직을 갖는 열연강판의 제조기술에 관한 것이다. 또한, 일본 공개특허공보 평9-143570호와 미국특허 6,290,784호는 석출강화형 열연강판의 제조방법중 하나로 Nb, Ti첨가강을 미재결정역에서 40% 이상으로 대압하하여 미세결정립을 형성하는 기술에 관한 것이다.

상기 종래기술들은 Ti, Nb, V, Mo, W 등의 원소를 미량 첨가하여 이들 원소 들에 의하여 열연후 냉각중에 석출물을 발생시킴으로써, 열연강판의 강도를 향상시키는 것을 그 기술적 요지로 하고 있다. 그러나, 이러한 종래기술들은 조압연과 사상압연중 동적재결정에 대한 고려가 부족할 뿐만 아니라 석출물들의 형성원소 설정이 미흡하여 압연후 코일내 재질편차가 비교적 큰 문제점이 있다. 즉, 이와 같은 Nb과 Ti을 함유한 강재들의 경우, 압연중 재결정 현상이 지연되어 오스테나이트 결정립이 심하게 변형되고 연신되어 압연두께방향으로의 조직이 불균일하여 열연코일 선단부와 후단부간에 재질편차가 큰 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 슬라브 재가열조건, 열간압연조건 및 권취조건을 제어함에 의하여 열연강판의 길이방향 재질편차를 최소화할 수 있는 고강도 열연강판의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.07~0.09%, Si: 0.3% 이하, Mn: 1.1~1.3%, P: 0.03% 이하, S: 0.010% 이하, Al: 0.005~0.10%, N: 0.0020~0.0080%, Ti: 0.025~0.06%, Nb: 0.03~0.045%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 마련하는 단계;

상기 마련된 강 슬라브를 1250~1300℃의 온도에서 재가열한 다음 1030℃ 이 상의 온도에서 조압연하는 단계;

상기 조압연된 강판을 960℃ 이상의 온도에서 압하율 150% 이상으로 마무리열간압연한 다음 850~900℃의 온도에서 압연을 종료하는 단계; 및

상기 마무리압연된 강판을 550~650℃의 온도에서 권취하는 단계;를 포함하여 이루어지는 코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 강조성 성분 및 그 제한사유를 설명한다.

C: 0.07~0.09중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)

상기 C는 강을 강화시키는데 가장 경제적이며 효과적인 원소로서, 그 함량이 0.07% 미만이면 동일한 강도를 확보하기 위하여 다른 합금원소를 다량으로 첨가하여야 하며, 0.09%를 초과하면 용접성, 성형성 및 인성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.07~0.09%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.3% 이하

상기 Si는 용강을 탈산시키고 고용강화효과를 발휘하는데 유효한 성분으로, 그 함량이 0.3%를 초과하면 열간압연시 강판표면에 Si에 의한 붉은색 스케일이 형성되어 강판표면 형상이 매우 나빠질 뿐만 아니라 연성도 저하되는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.3% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 1.1~1.3%

상기 Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서, 그 함량이 1.1% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 1.3%를 초과하면 제강공정에서 슬라브 주조시 두께중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 용접성을 해치는 문제점이 있다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 1.1~1.3%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.03% 이하

상기 P는 강중에 존재하는 불순물로써, 그 함량이 0.03%를 초과하면 Mn등과 결합하여 비금속개재물을 형성하며 이에 따라 강의 인성 및 강도를 크게 떨어뜨리게 된다. 따라서, 상기 P는 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.010% 이하

상기 S는 강중에 존재하는 불순물로써, 그 함량이 0.010%를 초과하면 Mn등과 결합하여 비금속개재물을 형성하며 이에 따라 강의 인성 및 강도를 크게 떨어뜨리는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.010% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.005~0.10%

상기 Al은 탈산을 위하여 첨가하는 성분으로, 그 함량이 0.005% 미만이면 첨가에 따른 효고가 부족하고, 0.10%를 초과하면 그 효과가 포화되어 오히려 제조비용을 상승시키는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.005~0.10%로 제한하는 것이 바람 직하다.

N: 0.0020~0.0080%

상기 N의 성분함량은 하기 Ti의 함량에 기인한 것이다. 일반적으로, N은 강중에 고용되었다가 석출되어 강의 강도를 증가시키는 역할을 하며, 이러한 효과는 탄소보다 우수하다. 그러나, 한편으로는 강중에 질소의 양이 증가될수록 인성이 크게 떨어지는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 적정량의 질소를 강중에 존재시킴으로써, TiN을 형성시켜 재가열과정에서의 결정립 성장을 억제하는 역할을 하게 된다. 상기 N의 함량이 0.0020% 미만이면 TiN 형성에 부족하고 제강시 제조비용의 상승을 초래하고, 0.0080%를 초과하면 인성이 크게 떨어져 가공성이 나빠지는 문제점이 있다. 따라서, 그 함량을 0.0020~0.0080%로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.025~0.06%

상기 Ti는 결정립을 미세화시키는데 유효한 성분으로, 강중에 TiN으로 존재하여 열간압연을 위한 가열과정에서 결정립이 성장되는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한, 질소와 반응하고 남은 Ti이 강중에 고용되어 탄소와 결합함으로써 TiC 석출물이 형성되어 강의 강도를 대폭적으로 향상시키는데 유용한 성분이다. 상기 Ti의 함량이 0.025% 미만이면 상기와 같은 오스테나이트 결정립 성장 억제효과 및 TiC 형성에 의한 강도증가 효과를 얻을 수 없고, 0.06%를 초과하면 강판을 용접하여 강관으로 제조시 용융점까지 급열됨에 의하여 TiN이 재고용됨으로써 용접 열영 향부의 인성이 저하되는 문제점이 있으므로, 그 함량을 0.025~0.06%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb: 0.03~0.045%

상기 Nb은 결정립을 미세화시키는데 유효할 뿐만 아니라 강의 강도를 크게 향상시키는데에도 유효한 성분이다. 상기 Nb의 함량이 0.03% 미만이면 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.045%를 초과하면 과도한 Nb 탄질화물의 석출에 기인하여 오스테나이트 미재결정온도를 지나치게 높임으로써 재질이방성을 증가시키는 문제점이 있다. 따라서, 상기 Nb의 함량은 0.03~0.045%로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명에서 석출강화원소로 Nb과 Ti을 동시에 사용하는 이유는 두 원소의 석출물 형성온도가 상이하여 열간압연후 냉각조건과 권취조건에 대해 비교적 둔감해짐으로써 높은 석출강화효과를 얻을 수 있기 때문이다.

상기한 성분 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

이하, 본 발명의 강판 제조공정을 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 슬라브를 재가열하여 열간압연하고 권취하게 되는데, 이때 열연코일의 길이방향 항복강도 편차는 열간압연중에 생성된 미세조직 및 권취 전후에 형성된 석출물에 의하여 결정된다는 점을 고려하여, 슬라브의 재가열온도, 열간압연조건 및 권취조건을 제어함으로써 열연코일의 길이방향 항복강도 편차를 감소시키게 된다.

먼저, 상기와 같이 조성되는 강 슬라브를 마련한다.

이후, 상기 마련된 강 슬라브를 1250~1300℃의 온도에서 재가열한 다음 1030℃ 이상의 온도에서 조압연한다. 이때 상기 재가열온도가 1250℃ 미만이면 석출물이 충분히 재고용되지 않아 열간압연 이후의 공정에서 NbC 등의 석출물이 감소하게 되며, 1300℃를 초과하면 오스테나이트 결정립의 이상입성장에 의하여 강도가 저하되므로, 상기 재가열온도는 1250~1300℃로 제한하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 조압연온도가 1030℃ 이상이면 열간압연중 오스테나이트 결정립에 동적재결정이 발생하여 균일하고 미세한 오스테나이트 결정립을 형성할 수 있어 바람직하다.

보다 바람직하게는 상기와 같이 재가열한 후, 1190~1250℃ 이상의 온도에서 슬라브를 추출하게 되면, 추출물의 재고용을 조장하고 적당한 크기의 오스테나이트 결정입도를 유지함으로써 소재의 강도수준을 보다 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 코일의 길이방향으로 균일한 미세조직을 얻는데 보다 유리하다.

이후, 상기 조압연된 슬라브를 960℃ 이상의 온도에서 150% 이상의 압하율로 마무리열간압연한 다음 850~900℃의 온도에서 압연을 종료한다. 본 발명에서 제시한 조성의 강은 동적 재결정 발생가능 온도가 960℃이므로, 그 이상의 온도에서 압하율 150% 이상으로 마무리압연하게 되면 동적재결정이 잘 발달된 열연판을 제조하는 것이 가능하게 된다.

이때, 상기 압하율을 마무리압연공정의 첫번째부터 세번째 압연 스탠드까지의 압하율의 합으로 설정하면, 동적재결정이 보다 잘 발달된 열연판을 제조하는 것이 가능하다. 이때, 각각의 압연 스탠드의 압하율은 하기 수학식 1~3과 같은 식으로 부터 구한 값(Ec)보다 크게 설정하면 된다.

Ec = 4.75×10^-4(Strain Rate ×Exp(Q/RT))^0.17

(단, Q는 활성화 에너지, R은 압연롤 반경(mm), T는 압연온도)

Strain Rate = [(strain ×U)/{(α×60×R)/1000}]

(단, U는 압연속도, R은 압연롤 반경(mm))

α= cos^-1[1-{(H-h)/2R}]

(단, H는 압연전 압연판의 두께, h는 압연후 압연판의 두께, R은 압연롤 반경(mm))

또한, 상기 압연종료온도는 Nb와 Ti이 복합첨가되어 있는 본 발명의 강판이 석출원소의 석출강화에 의하여 강도가 증대되는 효과를 발휘하는데 기여하게 된다.

상기 압연종료온도가 850℃ 미만이면 열간압연 도중 오스테나이트에 강한 변형집합조직이 형성되며 NbC 석출물이 가공유기 석출되어 조대한 석출물로 성장함으로써 석출강화에 기여할 수가 없게 되고, 900℃를 초과하면 오스테나이트 결정립내에 변형조직이 발달하지 못하여 페라이트의 결정립이 미세화되지 못하며, 그 결과 원하는 강도수준을 얻을 수가 없게 된다.

이때, 상기 동적 재결정 발생가능 온도를 결정하는 방법으로 다음의 방법을 이용하는 것이 가능하다. 도 1에 따른 고온압축시험은 일반적인 열간압연 온도영역에서의 유동응력에 대한 재결정 및 변태현상을 확인하는 방법으로, 1200℃로 가열된 시편을 1100℃에서 600℃로 시편의 온도를 연속적으로 냉각시키는 동시에 0.8의 유효변형량(E)을 일정한 변형속도로 가하게 된다. 이와 같은 압축시험으로부터 얻은 응력-온도 곡선을 도 2에 나타내었다. 도 2에서 응력은 온도가 감소함에 따라 증가하게 되며, 야금학적으로 변화가 없다면 일정한 기울기를 가지고 증가하게 된다. 그러나, 결정립의 크기, 전위밀도, 상변화 등의 야금학적인 변화가 발생하게 되면, 기울기가 변화하게 된다. 도 2에서 나타난 첫번째 변곡점은 재결정현상이 지연되기 시작하는 온도, 즉 동적재결정 미발생온도(T_ndrx)이며, 두번째 변곡점은 오스테나이트 상에서 페라이트 상으로 상변태가 발생하기 시작하는 온도(A_r3)가 된다. 상기 유효변형량(E)는 다음의 수학식 4로 부터 구할 수 있다.

E = (2/3^1/2)×Ln(H/h)

(단, H는 압연전 압연판의 두께, h는 압연후 압연판의 두께)

이어, 상기 마무리압연된 강판을 550~650℃의 온도에서 권취한다. 이때, 상기 권취온도가 550℃ 미만이면 석출물이 미쳐 형성되지 못하며 저온조직인 베이나이트 변태가 일어나 강도는 증가하게 되나 연성이 저하되고, 650℃를 초과하면 미세조직이 조대한 페라이트와 펄라이트로 형성되고 석출물이 조대화되어 강도가 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 열간압연후 공냉시 강판의 길이방향으로 선단부(코일 최선단으로부터 30m 이내), 후단부(코일 최후단으로부터 30m 이내), 중심부(선단부와 후단부의 사이)의 냉각이력이 서로 다르게 된다. 즉, 대기와 직접 접촉하는 선단부와 후단부의 냉각속도가 대기와 접촉하지 않는 중심부의 냉각속도보다 빠르게 되며, 그 결과 열연코일 권취후 미세 Nb, Ti 석출물의 양이 코일 부위별로 달라지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 권취시 열연강판의 길이방향으로 선단부 및 후단부가 중앙부보다 30℃ 이상 높은 상태가 유지되도록 제어하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 강 슬라브를 하기 표 2의 조건으로 슬라브 재가열, 열간압연 및 권취하여 강판을 제조하였다.

이후, 각 권취된 시편의 위치별 인장강도 및 항복강도를 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 3과 같다. 이때 이용한 인장시험은 JIS 5호 규격에 따라 실시하였다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Al	N	Ti	Nb
A	0.072	0.02	1.19	0.012	0.002	0.029	0.0038	0.032	0.036
B	0.082	0.02	1.22	0.013	0.003	0.030	0.0035	0.030	0.035
C	0.088	0.03	1.19	0.011	0.001	0.028	0.0041	0.048	0.041

구분	강종	재가열 온도 (℃)	슬라브 추출 온도 (℃)	조압연 온도 (℃)	마무리압연		압연종료 온도 (℃)	권취 온도 (℃)	선후단부~ 중앙부 온도차이 ≥30℃
구분	강종	재가열 온도 (℃)	슬라브 추출 온도 (℃)	조압연 온도 (℃)	압연 온도 (℃)	압하율 (%)	압연종료 온도 (℃)	권취 온도 (℃)	선후단부~ 중앙부 온도차이 ≥30℃
발명예1	A	1280	1200	1037	975	192	885	620	ㅇ
발명예2	B	1290	1210	1040	970	180	880	615	ㅇ
비교예2		1280	1195	1035	968	145	885	608	ㅇ
비교예3		1295	1205	1040	983	175	875	612	×
발명예3	C	1280	1200	1030	980	178	880	614	ㅇ
비교예4		1290	1200	1040	975	130	890	622	ㅇ
비교예5		1296	1205	1035	980	180	885	618	×

구분	인장강도(MPa)			항복강도(MPa)			재질 균일성
구분	선단부	중앙부	후단부	선단부	중앙부	후단부	재질 균일성
발명예1	587	589	585	530	529	537	우수
발명예2	605	595	600	546	538	550	우수
비교예2	578	585	615	515	535	561	불량
비교예3	580	595	620	524	535	580	불량
발명예3	622	631	645	562	560	572	우수
비교예4	605	610	639	530	550	585	불량
비교예5	600	628	650	543	566	610	불량

상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위를 만족하는 발명예(1~3)의 경우 선단부, 중앙부 및 후단부에서의 인장강도 및 항복강도의 값이 균일하여 재질균일성이 우수하게 나타나는 것을 알 수 있다.

그러나, 비교예(2~5)의 경우 선단부, 중앙부 및 후단부에서의 인장강도 및 항복강도의 값이 균일하게 나타나지 않음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 슬라브 재가열조건, 열간압연조건 및 권취조건을 제어함에 의하여 열연강판의 길이방향 재질편차를 최소화할 수 있는 고강도 열연강판의 제조방법을 제공하는 유용한 효과가 있다.

Claims

중량%로, C: 0.07~0.09%, Si: 0.3% 이하, Mn: 1.1~1.3%, P: 0.03% 이하, S: 0.010% 이하, Al: 0.005~0.10%, N: 0.0020~0.0080%, Ti: 0.025~0.06%, Nb: 0.03~0.045%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 마련하는 단계;

상기 마련된 강 슬라브를 1250~1300℃의 온도에서 재가열한 다음 1030℃ 이상의 온도에서 조압연하는 단계;

상기 조압연된 강판을 960℃ 이상의 온도에서 압하율 150% 이상으로 마무리열간압연한 다음 850~900℃의 온도에서 압연을 종료하는 단계; 및

상기 마무리압연된 강판을 550~650℃의 온도에서 권취하는 단계;를 포함하여 이루어지는 코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 재가열후 슬라브 추출시, 그 추출온도를 1190~1250℃로 제어하는 것을 특징으로 하는 코일내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 권취시 열연판의 길이방향으로 선단부(코일 최선단으로부터 30m이내)와 후단부(코일 최후단으로부터 30m이내)의 온도가 중앙부(선단부와 후단부의 사이)의 온도보다 30℃ 이상 높게 제어되는 것을 특징으로 하는 코일 내 재질균일성이 우수한 고강도 열연강판의 제조방법.