KR101153696B1 - 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.1%, 실리콘(Si): 0.1~2.5%, 망간(Mn): 0.1~2.3%, 크롬(Cr): 0.01~1.5%, 알루미늄(Al): 0.02~0.1%, 니오븀(Nb): 0.01~0.08%, 티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]% ~ 0.1%, 인(P): 0.05% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 질소(N): 0.015% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 베이나이트 30~95%, 도상 마르텐사이트 10% 이하 및 잔부 페라이트를 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판에 관한 것이다.
베이나이트, 항복강도, 신장 플래지성, 용접성

Description

항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판 및 그 제조방법{Steel Sheet having Excellent Yield Strength and Stretch Flange Ability and Manufacturing Method Thereof}
본 발명은 프레스 가공이나 롤 포밍등 다양한 성형방법에 의하여 성형되는 자동차부품 등에 적용될 수 있는 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 신장 플랜지성 및 고항복강도를 갖는 강판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근들어 자동차 산업은 보다 엄격해진 환경규제 및 안전성 평가에 따라, 부품의 두께 감소가 요구되고 있으며, 이를 뒷받침하기 위한 강판의 고강도화는 필수적이다.
일반적으로 강도를 높이기 위하여 페라이트기지의 석출강화강 혹은 페라이트/펄라이트강이 사용되어 왔는데, 이러한 강은 강도가 증가함에 따라서 연성 및 신장 플랜지성이 저하되는 문제가 있었다. 따라서, 이를 해결하기 위하여 등축 페라 이트 혹은 침상형 페라이트와 베이나이트로 구성된 혼합조직을 형성시킴으로서 신장 플랜지성과 연성을 확보하는 기술이 제시되었다.
이러한 기술로는 일본 공개특허공보 제1996-269538호를 들 수 있는데, 이 기술은 권취시 잔류 오스테나이트양을 가능한 억제하면서 저온 권취를 실시하여 P의 편석을 억제함으로서, 신장 플랜지성을 향상시키는 방안을 제시하고 있으며, 또한, 한국 공개특허공보 2003-55339호를 들 수 있는데 이 기술은 690MPa 이상의 강도를 가지며 연신율과 신장플랜지성이 동시에 우수한 열연강판에 관한 것으로서, 페라이트-베이나이트 조직을 주체로하며 이때 페라이트 비율은 80% 이상으로 하고, 결정입자의 짧은 직경(ds)과 긴직경(dl)의 비(ds/dl)가 0.1이상인 결정입자가 80% 이상되도록 제어하는 방안을 제시하고 있으나, 이와 같은 제조방법은 신장플랜지성의 향상에는 매우 효과적이나, 자동차 부품 적용시 용접성의 중요함이 간과되고 있으며, 열연공정상 발생 가능한 표면 탈탄에 의해 신장플랜지성이 열화되는 문제점이 있다.
다른 기술로서는 일본 공개특허공보 제2008-001984호를 들 수 있는데, 이 기술은 신장 플랜지성이 양호하고 성형가공성이 우수한 고강도 열연강판을 제조하기 위하여, 400℃미만의 온도에서 권취를 실시하는 것을 주요기술로 하고 있으나, 400℃ 미만에서 열전달계수가 급변하여 권취작업시 온도적중율이 저하되어 미세조직의 제어가 어렵다.
또 다른 기술로서는 일본 공개특허공보 제2008-069425호를 들 수 있는데, 신장플랜지성을 향상시키기 위하여 베이나이트의 분율을 90%이상으로 제어하고 있으나, 이 경우 연성이 하락하여 구멍확장성을 제외한 기타 성형성이 열화되는 단점이 있다.
본 발명은 상기 공지기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 경제적으로 제조할 수 있고 우수한 신장플랜지성 및 고 항복강도를 갖는 고강도 강판 및 이를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은 일 구현례로서, 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.1%, 실리콘(Si): 0.1~2.5%, 망간(Mn): 0.1~2.3%, 크롬(Cr): 0.01~1.5%, 알루미늄(Al): 0.02~0.1%, 니오븀(Nb): 0.01~0.08%, 티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]% ~ 0.1%, 인(P): 0.05% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 질소(N): 0.015% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 베이나이트 30~95%, 도상 마르텐사이트 10% 이하 및 잔부 페라이트를 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판을 제공한다.
상기 강판은 안티몬(Sb): 0.005~0.05중량%를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 강판의 항복강도는 600MPa 이상, 인장강도는 780MPa 이상인 것이 바람직하다.
상기 강판은 열연강판 또는 산세강판일 수 있다.
본 발명은 다른 구현례로서, 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.1%, 실리콘(Si): 0.1~2.5%, 망간(Mn): 0.1~2.3%, 크롬(Cr): 0.01~1.5%, 알루미늄(Al): 0.02~0.1%, 니오븀(Nb): 0.01~0.08%, 티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]% ~ 0.1%, 인(P): 0.05% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 질소(N): 0.015% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열 후 Ar3 변태점 이상에서 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 강판을 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계 및 상기 냉각된 강판을 Ms(마르텐사이트 변태 개시온도) 이상 하기 식(1)의 값 이하의 온도에서 권취하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판의 제조방법을 제공한다.
식(1): 791.3-3454.3(탄소함량)-27.2(실리콘함량)+4.3(망간함량)
상기 강판은 안티몬(Sb): 0.005~0.05중량%를 추가적으로 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 상기 권취단계 후 산세하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 용접성이 우수하고, 항복강도가 높아서 구조부재에의 적용이 용이한 신장 플랜지성이 우수한 강판을 제공한다.
본 발명은 강판의 성분계 및 권취온도를 적절히 제어하여, 베이나이트를 주상으로 하고, 도상 마르텐사이트 분율을 10%이하로 형성하여, 신장 플랜지성 및 항복강도를 향상시킬 수 있으며, 탄소, 크롬, 망간 등 소입성이 우수한 성분을 적절 히 제어하여 용접성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명 강판의 성분계에 대하여 설명한다.
탄소(C): 0.02~0.1중량%
탄소는 탄화물 형성원소와 결합하여 탄화물로 석출되거나 페라이트에 고용되어 강도를 향상시키는 유용한 원소이다. 탄소의 함량이 0.02중량% 미만인 경우에는 자동차 부품용 소재로써 강도를 확보하기 어렵다. 반면에, 0.1중량%를 초과하는 경우에는 용접 후 급냉시 형성되는 마르텐사이트에 의하여 강도가 지나치게 증가하여 용접성이 저하된다.
실리콘(Si): 0.1~2.5중량%
실리콘은 고용강화에 의하여 페라이트의 강도를 향상시키고, 탄화물 석출을 억제하여 펄라이트의 군집 형성을 방지한다. 실리콘의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 반면에, 2.5중량%를 초과하는 경우에는 압연성이 매우 저하된다.
망간(Mn): 0.1~2.3중량%
망간은 강의 제조공정 중에 불가피하게 함유되는 황과 철이 결합한 FeS 형성에 의한 적열취성을 방지하고, 고용강화에 의하여 강의 강도를 향상시킨다. 망간의 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 반면에, 2.3중량%를 초과하는 경우에는 베이나이트 변태가 매우 지연되어 최종적으로 도상 마르텐사이트의 분율이 증가하는 문제가 있다.
크롬(Cr): 0.01~1.5중량%
크롬은 강재의 표면 탈탄을 방지하고, 냉각시 저온변태 조직을 확보하는데 기여하는 소입성 향상 원소이다. 그리고, 티타늄, 니오븀 등의 석출물 형성원소에 의한 석출물은 용접시 고온 급속가열 및 급속냉각에 의하여 용해 후 재석출이 쉽지 않아 용접 열영향부의 경도가 열화되는데, 저온변태 조직을 확보하여 이를 보상해 줄 수 있다. 크롬의 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 반면에, 1.5중량%를 초과하는 경우에는 연성이 저하되고 제조원가가 상승한다.
알루미늄(Al): 0.02~0.1중량%
알루미늄은 탈산제의 역할을 하고, 응고시 비금속 개재물이 형성되는 것을 방지하는 역할을 한다. 알루미늄의 함량이 0.02중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 반면에, 0.1중량%를 초과하는 경우에는 제조원가가 상승한다.
니오븀(Nb): 0.01~0.08중량%
니오븀은 탄소와 결합하여 미세탄화물로 석출되고, 이를 통하여 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 니오븀의 함량이 0.01중량% 미만인 경우에는 상기와 같은 효과가 미미하다. 반면에, 0.08중량%를 초과하는 경우에는 연성이 저하되고 제조원가가 상승한다.
티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]중량%~0.1중량%
티타늄은 질소와 결합하여 TiN을 석출시켜 강도를 향상시키는 역할을 한다. 이러한 효과를 나타내기 위하여는 화학양론 기대값인 48/14*[질소함량]중량%의 50% 이상은 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나. 0.1중량%를 초과하는 경우에는 TiC가 다량 형성되어 오히려 연성이 저하되고 제조원가가 상승한다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
다만, 그 중 질소, 인 및 황은 일반적으로 많이 언급되는 불순물이기 때문에 이에 대하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
질소(P): 0.015중량% 이하
질소는 불가피하게 함유되는 불순물로써, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바 람직하다. 이론상 질소의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 질소 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
인(P): 0.05중량% 이하
인은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 강 중에 포함되어 용접성 저하시키므로, 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 인의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 인 함량의 상한은 0.05중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
황(S): 0.015중량% 이하
황은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 망간과 반응하여 MnS를 형성하여 석출물의 함량을 증가시키므로 그 함량을 최대한 억제하는 것이 바람직하다. 이론상 황의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서 상기 황 함량의 상한은 0.015중량%로 한정하는 것이 바람직하다.
더불어, 본 발명의 강재는 하기 설명하는 안티몬(Sb)을 추가적으로 첨가하는 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
안티몬(Sb): 0.005~0.05중량%
안티몬은 탈탄을 억제하고 스케일 박리성을 향상시키는 등 표면 품질을 향상시키는데 유용한 원소이다. 0.005중량% 미만인 경우에는 상기 효과가 미미하다. 반면에, 0.05중량%를 초과하는 경우에는 제조원가가 상승하는데 비하여 그 효과상승은 크지 않다.
상술한 성분계를 가지는 강판으로서, 항복강도, 신장 플랜지성이 우수한 강판이 되기 위한 바람직한 조건으로 강판의 미세조직에 대하여 한정할 필요가 있다.
본 발명 강판의 미세조직의 주상은 베이나이트이며, 면적분율로 30~95% 범위로 포함된다. 상기 범위의 베이나이트 조직에 의하여, 강판의 강도, 연성 등을 향상시킬 수 있다. 베이나이트가 30% 미만인 경우에는 강도가 하락한다. 또한, 도상 마르텐사이트는 면적분율로 10%이하로 포함된다. 10%를 초과하여 포함되는 경우에는 항복강도가 저하되고, 연신율은 향상되지만 구멍확장성이 저하된다. 하기 설명하는 권취공정의 적절한 실시로 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트의 분율은 10%이하로 한정할 수 있다. 더불어 상기 조직 이외의 잔부는 페라이트로 이루어진다.
상기 성분계를 만족하는 강판은 인장강도가 780MPa 이상이고, 항복강도는 600MPa 이상이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 목적을 충족하는 강판을 제조하기 위하여 본 발명자들에 의해 도출된 가장 바람직한 방법에 대하여 아래에서 설명한다.
본 발명의 제조방법은 개략적으로는 본 발명의 강 조성을 갖는 슬라브를 가열한 후, 상기 가열된 슬라브를 Ar3 변태점 이상에서 열간 압연한 후, 냉각 및 권취한다. 이 때, 슬라브를 가열하는 단계는 통상적인 가열공정에 해당한다.
이하, 각 단계별 상세한 조건에 대하여 설명한다.
열간압연: Ar3 이상의 온도에서 사상압연 종료
본 발명에서 2상역 압연이 실시될 경우 혼립조직이 형성되어 미세조직이 균일하지 못하여 가공성이 저하될 수 있으므로, Ar3 이상의 온도에서 사상압연을 종료하는 것이 바람직하다.
냉각: 20℃/s 이상의 냉각속도
사상압연된 강판을 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각을 개시하여 하기 설명하는 권취온도에서 냉각을 종료한다. 20℃/s 미만의 속도로 냉각을 실시하는 경우 페라이트 변태가 크게 일어나 페라이트의 분율이 증가하여 강도를 하락시키는 문제가 있다.
권취: Ms(마르텐사이트 변태개시 온도)~식(1)
식(1): 791.3-3454.3(탄소함량)-27.2(실리콘함량)+4.3(망간함량)
본 발명에서 권취온도는 강판의 미세조직을 제어하는 중요한 요소이다. 만약 마르텐사이트 변태개시 온도 미만에서 권취를 실시하는 경우에는 귄취초기부터 마르텐사이트가 형성되어 강의 연성을 하락시킬 수 있다. 상기 권취온도의 상한은 탄소, 실리콘, 망간의 조성변화에 따른 무확산 변태온도를 써모캘크(THERMOCALC® TCFE5) 데이터를 활용하여 도출하였다.
이후 추가적으로, 상기 열연강판을 산세공정을 통하여 산세강판으로 제조할 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
진공 유도 용해에 의해 표1에 나타낸 조성을 만족하는 강슬라브를 두께 30mm, 폭 175mm로 제조하고 1200℃에서 1시간 재가열한 후 열연 두께 2.5mm가 되도록 열간압연을 한다. 여기서, 열간압연 마무리 온도는 Ar3 변태점 이상이다. 상기 압연 후 하기 표2에 기재되어 있는 냉각속도로 냉각하고, 권취온도에서 권취한다. 권취 후 항복강도(YS), 인장강도(TS), 연신율(EL) 및 구멍확장율(HER: hole expanding ratio)를 측정하여 하기 표2에 함께 나타내었다.
신장 플랜지성을 평가하는 지수인 구멍확장성은 시편에 원형의 구멍을 타발한 후 이를 원추형 펀치를 이용하여 확장시킬 때, 구멍의 가장자리에 발생한 균열이 적어도 한 곳에서 두께방향으로 관통할 때까지 구멍확대량을 초기 구멍의 크기에 대한 비율로서 나타낼 수 있으며, 구체적으로 구멍확장율은 하기 식2에 의하여 도출할 수 있다.
(식2) λ= (Dh-Do)/Do*100
(λ는 구멍확장율(%), Do는 초기 구멍직경(mm), Dh는 파단 후 구멍직경(mm))
초기 구멍을 펀칭할때의 클리어런스(clearance)의 정의도 구멍확장성을 평가하기 위하여 필요하며, 이는 다이와 펀치의 간격을 시험편의 두께에 대한 비율로 표시한 것으로써, 아래의 (식3)에 의하여 정의되며, 본 발명의 실시예에서는 10%의 클리어런스를 이용하였다.
(식3) C = 0.5*(dd-dp)/t * 100 (%)
(C는 클리어런스(clearance)(%), dd는 타발 다이의 내경(mm), dp는 타발 펀치의 직경 (dp=10mm), t는 시험편의 두께(mm))
또한, 발명예2의 미세조직 사진을 도1에 나타내었고, 비교예1의 미세조직 사진을 도2에 나타내었다.
　구분 C Si Mn P S Al Cr Ti Nb N Sb
발명강1 0.04 1.01 1.68 0.006 0.0021 0.035 0.71 0.06 0.033 0.0052 　
발명강2 0.07 1.06 2.00 0.007 0.0026 0.021 0.864 0.038 0.034 0.0047 0.023
발명강3 0.07 1.51 1.99 0.009 0.0029 0.029 0.681 0.041 0.034 0.0046 0.023
발명강4 0.07 1.08 1.97 0.008 0.0013 0.031 0.85 0.06 0.028 0.0049 0.018
비교강1 0.14 1.50 2.01 0.007 0.0031 0.028 - - 0.032 0.0056 0.022
비교강2 0.14 1.49 2.00 0.009 0.0028 0.029 - - - 0.0056 0.020
시편
번호		 강종 냉각속도
(℃)		 권취온도상한
(℃)		 권취온도(℃) YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 El
(%)		 HER
(%)
발명예1 발명강1 40 633 400 697 795 19.2 96
비교예1 발명강1 15 633 400 497 650 24.0 105
발명예2 발명강2 40 529 400 842 959 14.3 86
발명예3 발명강2 40 529 520 743 937 15.4 58
비교예2 발명강2 40 529 580 682 968 16.9 38
발명예4 발명강3 40 517 460 697 947 16.1 53
비교예3 발명강4 40 529 300 951 1125 8.5 60
발명예5 발명강4 40 529 400 887 984 11.7 72
발명예6 발명강4 40 529 460 827 1006 13 63
발명예7 발명강4 40 529 520 771 1021 12.8 53
비교예4 비교강1 40 275 520 627 837 18.6 37
비교예5 비교강2 40 276 520 547 713 21.8 46
상기 표2에 나타낸 바와 같이, 비교예1은 냉각속도가 너무 낮아 항복강도 및 인장강도가 저하되었다. 비교예2는 권취온도가 본 발명의 권취온도 상한을 넘어 도상 마르텐사이트 분율이 10%를 초과하여 항복강도가 저하되었고, 연신율은 증가하였으나, 구멍 확장율이 저하되었다. 도2에 나타난 바와 같이, 도상 마르텐사이트가 10%이상 포함되었음을 확인할 수 있다. 비교예3은 마르텐사이트가 형성되어 강도는 증가하였으나, 연신율은 저하되었다. 비교예4 및 5는 탄소의 함량이 높아 구멍 확장율이 저하되었다.
이에 반하여, 발명예1 내지 7은 항복강도 600MPa 이상, 인장강도 780MPa 이상, 연신율 10% 이상, 구멍확장율 50%이상을 만족하여 비교예 보다 강도 및 신장 플랜지성이 향상되었음을 확인할 수 있다. 또한, 도1을 통하여 발명예2의 경우 도상 마르텐사이트가 10% 이하로 형성되었음을 확인할 수 있다.
도1은 발명예2의 미세조직 사진이다.
도2는 비교예2의 미세조직 사진이다.

Claims (8)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.1%, 실리콘(Si): 0.1~2.5%, 망간(Mn): 0.1~2.3%, 크롬(Cr): 0.01~1.5%, 알루미늄(Al): 0.02~0.1%, 니오븀(Nb): 0.01~0.08%, 티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]% ~ 0.1%, 인(P): 0.05% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 질소(N): 0.015% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 베이나이트 30~95%, 도상 마르텐사이트 10% 이하 및 잔부 페라이트를 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강판은 안티몬(Sb): 0.005~0.05중량%를 추가적으로 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판.
  3. 제1항에 있어서, 상기 강판의 항복강도는 600MPa 이상인 것을 특징으로 하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판.
  4. 제1항에 있어서, 상기 강판의 인장강도는 780MPa 이상인 것을 특징으로 하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판.
  5. 제1항에 있어서, 상기 강판은 열연강판 또는 산세강판인 것을 특징으로 하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판.
  6. 중량%로, 탄소(C): 0.02~0.1%, 실리콘(Si): 0.1~2.5%, 망간(Mn): 0.1~2.3%, 크롬(Cr): 0.01~1.5%, 알루미늄(Al): 0.02~0.1%, 니오븀(Nb): 0.01~0.08%, 티타늄(Ti): 0.5*48/14*[질소함량]% ~ 0.1%, 인(P): 0.05% 이하, 황(S): 0.015% 이하, 질소(N): 0.015% 이하, 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열 후 Ar3 변태점 이상에서 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 강판을 20℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 강판을 Ms(마르텐사이트 변태 개시온도) 이상, 하기 식(1)의 값 이하의 온도에서 권취하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판의 제조방법.
    식(1): 791.3-3454.3(탄소함량)-27.2(실리콘함량)+4.3(망간함량)
  7. 제6항에 있어서, 상기 강판은 안티몬(Sb): 0.005~0.05중량%를 추가적으로 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 제조방법은 상기 권취단계 후 산세하는 단계를 추가적으로 포함하는 항복강도 및 신장 플랜지성이 우수한 강판의 제조방법.
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