KR101320281B1 - 하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

강도 및 성형성이 우수한 하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 페라이트 온도 영역까지 제1냉각속도로 1차 냉각하는 단계; 및 상기 1차 냉각된 판재를 580~660℃까지 상기 제1냉각속도보다 빠른 제2냉각속도로 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법{HOT-ROLLED STEEL FOR HYDRO-FORMING AND METHOD OF MANUFACTURING THE HOT-ROLLED STEEL}
본 발명은 하이드로포밍(hydro-forming)용 열연강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 540MPa 이상의 고강도를 가지면서도 성형성 및 가공성이 우수한 하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 차체의 고강도 및 경량화와 관련하여 기존의 프레스 방식과 다른 다양한 공법들로 차체제품을 생산하고 있다. 이중 가장 대표적인 방법이 하이드로포밍 방법이다.
하이드로포밍 방법이란 금형에 장착된 강관 혹은 박판의 소재에 고압의 액체를 가하여 원하는 형상을 만드는 제조 방법이다. 이러한, 하이드로포밍에 적용되는 소재는 높은 강도 및 성형성이 요구된다.
본 발명과 관련된 배경 기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2002-0036269호(2002.05.16. 공개)가 있다.
본 발명의 목적은 합금성분 및 공정 제어를 통하여 540MPa급의 인장강도를 가지면서도 성형성이 우수한 하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 판재를 페라이트 온도 영역까지 제1냉각속도로 1차 냉각하는 단계; 및 상기 1차 냉각된 판재를 580~660℃까지 상기 제1냉각속도보다 빠른 제2냉각속도로 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열간압연 전에 상기 슬라브 판재를 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열간압연은 860~900℃의 마무리 압연온도로 실시되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 1차 냉각은 5℃/sec 이하의 냉각 속도로 실시될 수 있으며, 상기 페라이트 영역에서 3초 이상 냉각하는 과정을 포함할 수 있다.
또한, 상기 2차 냉각은 5~100℃/sec의 냉각속도로 실시될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 하이드로포밍용 열연강판은 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 540MPa 이상, 연신율 25% 이상 및 가공경화지수(n-value) 0.15 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강판은 항복비 0.7 이하를 가질 수 있으며, 균일연신율(U-El) 13% 이상을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 방법으로 제조된 열연강판은 탄소(C), 망간(Mn), 알루미늄(Al) 등의 합금성분 조절과 냉각 등의 공정 제어를 통하여 인장강도가 540MPa 이상으로 고강도이면서도 25% 이상의 높은 연신율과 0.15 이상의 우수한 가공경화지수(n-value)를 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 방법으로 제조된 열연강판은 0.7 이하의 저항복비 및 0.15 이상의 가공경화지수(n-value)를 나타낼 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따라 제조된 열연강판은 고강도 및 고성형성이 요구되는 하이드로포밍용 소재로 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로포밍용 고강도 열연강판의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 적용되는 냉각 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이드로포밍용 열연강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 하이드로포밍용 열연강판은 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하를 포함한다.
상기 합금성분들 이외의 나머지는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 하이드로포밍용 열연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소이다.
상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.18~0.22중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소 함량이 0.18중량% 미만인 경우, 원하는 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소 함량이 0.22중량%를 초과하면 성형성이 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 탈산제로서 작용하나, 0.03중량%를 초과하여 과다 첨가시 용접성 저하 및 표면 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 실리콘은 강판 전체 중량의 0.03중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간의 첨가는 탄소의 첨가보다도 강도 상승에 대한 연성의 저하가 적다.
상기 망간은 강판 전체 중량의 0.75~0.95중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간이 함량이 0.75중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 함량이 0.95중량%를 초과할 경우, MnS계 비금속개재물의 양이 증가하여 용접시 크랙 발생 등의 결함이 발생하기 쉬운 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 강판 제조시 편석 가능성이 큰 원소로서, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 미친다. 이에, 본 발명에서는 인의 함량을 강판 전체 중량의 0.05중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 망간과 결합하여 MnS 와 같은 비금속개재물을 형성하여 조관 공정 중에 후크 크랙과 같은 결함을 발생시킨다. 이에, 본 발명에서는 황의 함량을 강판 전체 중량의 0.015 중량% 이하로 제한하였다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 실리콘과 함께 탈산제로 작용하며, 또한 연신율을 향상시키는 역할을 한다.
상기 알루미늄은 강판 전체 중량의 0.01~0.06중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.06중량%를 초과하는 경우, 슬라브내 AlN을 형성하여 열연 크랙을 유발하는 문제점이 있다.
질소(N)
질소(N)는 불가피한 불순물로서, 다량 함유시 알루미늄과 같은 질소 화합물 형성 원소의 첨가에도 불구하고, 고용 질소가 증가하여 강판의 성형성 등을 저하시킨다. 이에, 본 발명에서는 질소의 함량을 강판 전체 중량의 0.01중량% 이하로 제한하였다.
본 발명에 따른 열연강판은 상술한 합금성분 및 후술하는 공정조건 제어를 통하여 인장강도 540MPa 이상, 연신율 25% 이상, 항복비 0.7 이하 및 가공경화지수(n-value) 0.15 이상을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 열연강판은 고강도 및 고성형성이 요구되는 하이드로포밍용 소재로 활용하기에 적합하다.
또한, 본 발명에 따른 열연강판은 균일연신율(U-El) 13% 이상을 가질 수 있다. 이를 통하여, 하이드로포밍시 국부적 크랙을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하이드로포밍용 열연강판의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 본 발명에 따른 하이드로포밍용 고강도 열연강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 1차 냉각 단계(S120) 및 2차 냉각 단계(S130)를 포함한다.
열간압연 단계(S110)에서는 상술한 조성을 갖는 슬라브 판재를 열간압연한다. 이때, 열간압연 단계에서 마무리압연온도는 860~900℃인 것이 바람직하다. 마무리압연온도가 900℃를 초과하면 압연 후의 오스테나이트의 결정립이 조대화되어 540MPa 이상의 강도 확보가 어렵다. 반면, 마무리압연온도가 860℃ 미만인 경우, 이상역 압연에 의한 혼립 조직의 발생하는 등 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 열간압연 전에 슬라브 판재를 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계(S105)를 더 포함할 수 있다. 슬라브 재가열에 의하여 주조시 편석된 성분이 재고용될 수 있다. 슬라브 재가열 온도가 1150℃ 미만인 경우, 편석된 성분의 재고용이 불충분해질 수 있으며, 압연 부하가 커질 수 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립이 조대화되어, 강도 확보가 어려운 문제점이 있다.
열간압연 후에는 목표로 하는 물성을 확보하기 위하여 냉각을 실시한다.
도 2는 본 발명에 적용되는 냉각 방식을 개략적으로 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에서는 페라이트 영역까지는 상대적으로 느린 속도로 1차 냉각(S120)하고, 이후 1차 냉각 속도보다 빠른 속도로 2차 냉각(S130)하는 방식을 적용한다.
1차 냉각 단계(S120)에서는 열간압연된 판재를 페라이트 온도 영역까지 제1냉각속도로 1차 냉각한다. 본 발명에서 1차 냉각을 실시하는 이유는 페라이트 변태를 충분히 발생시켜 연신율을 확보하고, 아울러 페라이트 결정립 사이즈를 증가시켜 최종 제조되는 열연강판의 고성형성을 확보하기 위함이다.
이를 위하여, 1차 냉각은 5℃/sec 이하의 냉각 속도로 실시되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 공냉 방식이 적용될 수 있다. 1차 냉각 속도가 5℃/sec를 초과하면 페라이트 변태가 불충분하거나, 결정립 사이즈 증대 효과가 불충분할 수 있다.
또한, 1차 냉각은 페라이트 영역에서 3초 이상 냉각하는 과정을 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 1차 냉각에 페라이트 영역에서 3초 이상, 보다 바람직하게는 5~10초동안 서냉하는 과정을 포함할 경우, 상기와 같은 페라이트 변태 및 결정립 사이즈 증대 효과를 충분히 얻을 수 있다.
2차 냉각 단계(S130)에서는 1차 냉각된 판재를 페라이트 영역에서부터 580~660℃까지 제1냉각속도보다 빠른 제2냉각속도로 2차 냉각한다.
2차 냉각의 냉각종료온도는 580~660℃인 것이 바람직하다. 2차 냉각의 냉각종료온도가 660℃를 초과하는 경우, 결정립 크기가 지나치게 조대해져서 540MPa 이상의 인장강도를 확보하기 어렵다. 반면, 2차 냉각의 냉각종료온도가 580℃ 미만인 경우, 인장강도는 향상시킬 수 있으나, 연성이 저하되어 고성형성을 확보하기 어려는 문제점이 있다.
또한, 상기 2차 냉각은 5~100℃/sec의 냉각속도로 실시되는 것이 바람직하며, 수냉 방식이 적용될 수 있다. 2차 냉각 속도가 5℃/sec 미만이면 강도 확보가 문제될 수 있으며, 2차 냉각 속도가 100℃/sec를 초과하면 성형성이 문제될 수 있다.
상기 2차 냉각 후, 강판의 최종 미세조직은 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(pearlite)를 포함하는 복합 조직이 될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 열연시편의 제조
표 1에 기재된 조성을 갖는 실시예 1~3 및 비교예 1~2에 따른 각각의 시편을 진공 용해로에서 용해하여 잉곳트(ingot)로 제작한 후, 마무리 압연온도 880℃로 열간압연하고, 750℃까지 공냉(1차 냉각)한 후, 640℃까지 10℃/sec로 수냉(2차 냉각)하였다.
또한, 표 1에 기재된 조성을 갖는 비교예 3에 따른 시편을 동일한 과정으로 열간압연한 후, 1차 냉각과정없이 바로 640℃까지 10℃/sec로 수냉하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112011075685894-pat00001

2. 기계적 특성 평가
표 2는 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 제조된 시편 각각의 기계적 특성 평가 결과를 나타낸 것이다.
[표 2]
Figure 112011075685894-pat00002
표 2를 참조하면, 실시예 1~3에 따른 시편의 경우, 인장강도(TS) 540MPa 이상, 연신율(El) : 25% 이상, 가공경화지수(n-value) : 0.15 이상, 항복비(YP/TS) 0.7 이하 및 균일연신율(U-El) 13% 이상을 모두 만족하여, 고강도 및 고성형성이 요구되는 하이드로포미용 소재로 활용하기에 적합하였다.
반면, 본 발명에서 제시한 합금성분과 상이한 비교예 1에 따른 시편의 경우 인장강도가 부족하였다.
또한, 알루미늄을 첨가하지 않고, 실리콘을 다소 높은 함량비로 첨가하였으며, 크롬을 첨가한 비교예 2에 따른 시편의 경우, 강도 및 가공경화지수는 목표치를 만족하였으나, 항복비, 연신율 및 균일연신율이 목표치에 미달하였다.
또한, 실시예 1과 조성은 동일하나, 1차 냉각과정을 실시하지 않은 비교예3의 경우 강도 특성은 우수하였으나, 연신율, 가공경화지수 등이 목표치에 미달하였다. 비교예 3의 이러한 결과는 1차 냉각과정을 생략함으로써 페라이트 변태의 불충분 혹은 결정립 사이즈 증대 효과가 불충분하였기 때문이라 볼 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S105 : 슬라브 재가열 단계
S110 : 열간압연 단계
S120 : 1차 냉각 단계
S130 : 2차 냉각 단계

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 열간압연하는 단계; 및
    상기 열간압연된 판재를 페라이트 온도 영역까지 5℃/sec 이하의 제1냉각속도로 1차 냉각하는 단계; 및
    상기 1차 냉각된 판재를 580~660℃까지 상기 제1냉각속도보다 빠른 제2냉각속도로 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열간압연 전에 상기 슬라브 판재를 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열간압연은
    860~900℃의 마무리 압연온도로 실시되는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 1차 냉각은
    상기 페라이트 영역에서 3초 이상 냉각하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 2차 냉각은
    5~100℃/sec의 냉각속도로 실시되는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판 제조 방법.
  7. 중량%로, 탄소(C): 0.18~0.22%, 실리콘(Si) : 0.03% 이하, 망간(Mn) : 0.75~0.95%, 인(P) : 0.05% 이하, 황(S) : 0.015% 이하, 알루미늄(Al) : 0.01~0.06%, 질소(N) : 0.01% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고,
    인장강도 540MPa 이상, 연신율 25% 이상 및 가공경화지수(n-value) 0.15 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 강판은
    항복비 0.7 이하를 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 강판은
    균일연신율(U-El) 13% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 하이드로포밍용 열연강판.
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