KR101518580B1 - 강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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KR101518580B1 KR1020130109747A KR20130109747A KR101518580B1 KR 101518580 B1 KR101518580 B1 KR 101518580B1 KR 1020130109747 A KR1020130109747 A KR 1020130109747A KR 20130109747 A KR20130109747 A KR 20130109747A KR 101518580 B1 KR101518580 B1 KR 101518580B1
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Abstract

본 발명은 강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.5~2.5%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 부피 분율로 잔류 오스테나이트가 7~25%, 베이나이트가 75~93%인 미세조직을 포함하고, 상기 잔류 오스테나이트는 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 것이 80%이상이며, 인장강도가 1100MPa이상이고, 연신율이 12%이상인 강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 고가의 합금원소를 첨가하지 않더라도 강도와 연신율의 곱이 20,000MPa%이상으로서 매우 우수한 강도와 연성을 갖는 강판을 제공할 수 있다.

Description

강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법{STEEL SHEET HAVING EXCELLENT STRENGTH AND DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
강도 및 연성을 향상시키기 위해서, 특허문헌 1의 DP(Dual Phase)강이나 특허문헌 2의 TRIP(Transformation Induced Plasticity)강과 같이 페라이트, 베이나이트, 마르텐사이트 조직의 분율을 제어하거나, 특허문헌 3의 Mn이나 Ni 등의 합금원소 등을 활용하여 잔류 오스테나이트 분율을 제어하는 기술이 있었다.
그러나, DP강이나 TRIP강의 경우에는 강도와 연신율의 곱이 15,000~20,000MPa% 정도에 불과하며, Mn이나 Ni 등을 활용한 강들은 강도와 연신율의 곱은 우수하나 다량의 합금원소로 인한 가격 상승의 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제0782785호 한국 등록특허공보 제0270395호 한국 등록특허공보 제1054773호
본 발명은 합금조성과 열처리 공정을 제어하여 강도 및 연성이 우수한 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.5~2.5%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 부피 분율로 잔류 오스테나이트가 7~25%, 베이나이트가 75~93%인 미세조직을 포함하고, 상기 잔류 오스테나이트는 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 것이 80%이상이며, 인장강도가 1100MPa이상이고, 연신율이 12%이상인 강도 및 연성이 우수한 강판을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.5~2.5%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 준비하는 단계; 상기 강판을 오스테나이트 단상역에서 열처리하는 단계; 상기 열처리된 강판을 300~500℃까지 1차 냉각한 후, 30초~20분간 1차 항온 열처리하는 단계; 상기 1차 항온 열처리된 강판을 200~450℃까지 2차 냉각한 후, 2차 항온 열처리하는 단계; 및 상기 2차 항온 열처리된 강판을 상온까지 냉각하는 단계를 포함하는 강도 및 연성이 우수한 강판의 제조방법을 제공한다.
(단, 상기 2차 열처리 온도는 1차 열처리 온도보다 낮은 온도임.)
본 발명에 따르면, 고가의 합금원소를 첨가하지 않더라도 강도와 연신율의 곱이 20,000MPa%이상으로서 매우 우수한 강도와 연성을 갖는 강판을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 열처리 후의 비교예 3의 미세조직 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차/2차 열처리 후의 발명예 1의 미세조직 사진이다.
이하, 본 발명을 설명한다.
C: 0.25~0.45중량%
탄소(C)는 베이나이트의 탄화물량과 오스테나이트의 분율을 결정하는 성분이다. 만약 탄소(C)를 0.25%미만으로 함유할 경우, 베이나이트의 강도가 낮아지거나 오스테나이트의 분율 및 안정성이 낮아지는 원인이 된다. 탄소(C)를 0.45%를 초과하여 함유할 경우 베이나이트의 변태 속도가 매우 느려지거나 최종 제품의 용접성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 상기 탄소(C)는 0.25~0.45%의 범위로 함유하는 것이 바람직하다.
Si: 0.5~2.5중량%
규소(Si)는 강도를 향상시킬 뿐 아니라 상변태 중 탄화물의 형성을 억제하는 효과가 있다. 상기 효과를 위해서는 0.5%이상의 규소(Si)을 함유할 필요가 있다. 그러나 규소(Si)의 함량이 2.5%를 초과하는 경우에는 인성이 저하되거나 압연성이 저하되는 원인이 된다. 따라서 상기 규소(Si)는 0.5~2.5%의 범위로 함유하는 것이 바람직하다.
Mn: 0.5~3.0중량%
망간(Mn)은 강도를 향상시키며 오스테나이트를 안정화시켜 잔류 오스테나이트의 분율을 높이는 효과가 있다. 상기 효과를 위해서는 0.5%이상의 망간(Mn)을 함유할 필요가 있다. 그러나 망간(Mn)의 함량이 3.0%를 초과하는 경우에는 오스테나이트 분율이 지나치게 높아지거나 합금원소의 가격이 상승하는 원인이 된다. 따라서 상기 망간(Mn)은 0.5~3.0% 범위로 함유하는 것이 바람직하다.
P: 0.05중량%이하
인(P)은 강 제조 중에 유입되는 불순물로, 그 함량이 0.05%를 초과하는 경우에는 결정립계에 편석되어 연성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 상기 P는 0.05%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
본 발명이 제안하는 강판은 부피 분율로 잔류 오스테나이트가 7~25%, 베이나이트가 75~93%인 것이 바람직하다. 상기 잔류 오스테나이트가 7%미만일 경우에는 연성이 저하되는 원인이 된다. 반면, 25%를 초과하는 경우에는 잔류 오스테나이트의 분율이 지나치게 높아 강도를 크게 저하시킬 수 있으므로, 상기 잔류 오스테나이트는 7~25%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 잔류 오스테나이트는 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 것이 80%이상인 것이 바람직한데, 80%미만일 경우에는 오스테나이트 안정성이 저하되어 강도와 연성이 저하되는 원인이 되기 때문이다. 상기 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 잔류 오스테나이트는 가능한 높은 분율을 가질수록 바람직하므로, 그 상한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 상기 베이나이트가 75%미만일 경우에는 강도와 연성의 곱이 낮아지는 원인이 된다. 다만, 상기 베이나이트가 93%를 초과하는 경우에는 오스테나이트의 분율이 낮아 연성이 저하될 수 있으므로, 상기 베이나이트는 75~93%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제공되는 본 발명의 강판은 고가의 합금원소의 첨가없이도 인장강도와 연신율의 곱이 20,000MPa%이상으로서 기존의 DP강이나 TRIP강에 비하여 매우 우수한 강도와 연성을 갖는다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 전술한 합금조성을 갖는 강판을 준비한다. 이 때, 상기 강판은 열연강판 또는 냉연강판일 수 있다. 상기 열연강판은 통상의 방법으로 재가열한 뒤, 열간압연하여 얻을 수 있다. 상기 열간압연은 마무리 열간압연온도가 Ar3 온도 이상이 되도록 열간압연하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 냉연강판은 상기 얻어진 열연강판을 50%이상의 압하율로 냉간압연하여 얻을 수 있는데, 상기 압하율로 냉간압연함으로써 결정립 미세화 효과를 얻을 수 있다.
이후, 상기 강판을 오스테나이트 단상역에서 열처리한다. 상기 열처리를 통해 후속 열처리시 베이나이트와 잔류 오스테나이트가 안정적으로 확보될 수 있도록 할 수 있다.
상기 열처리된 강판을 300~500℃까지 1차 냉각한 후, 1차 항온 열처리한다. 상기 1차 항온 열처리 온도가 300℃미만일 경우에는 변태 시간이 오래 걸리거나 저온 조직이 형성되는 단점이 있을 수 있으며, 500℃를 초과하는 경우에는 1차 항온열처리에 의해 형성되는 베이나이트의 변태(이하 '1차 변태'라고도 함)가 충분히 일어나지 못하는 단점이 있을 수 있다. 따라서, 상기 1차 항온 열처리는 300~500℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 상기 1차 항온 열처리는 30초~20분 행하여지는 것이 바람직한데, 30초 미만일 경우에는 1차 변태가 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 20분을 초과하는 경우에는 1차 변태가 지나치게 이루어지는 단점이 있다. 상기 1차 항온 열처리를 거친 강판은 1차 변태가 즉, 상변태율이 30~60%인 것이 바람직하다. 상기 1차 변태시 상변태율이 30%미만일 경우에는 2차 변태 시간이 지나치게 길어지는 원인이 되고, 60%를 초과하는 경우에는 강도가 저하될 수 있다. 한편, 상기 1차 항온 열처리 전에는 오스테나이트가 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 등으로 변태하는 양이 10%미만인 것이 바람직하다. 즉, 상기 1차 냉각을 하는 동안에는 가능한 상변태를 하지 않는 것이 바람직한데, 이는 고온 변태 조직에 의해 강도가 저하될 수 있기 때문이다. 이를 위해, 상기 1차 냉각은 10℃/s이상의 냉각속도로 행하여지는 것이 바람직하다. 상기 1차 냉각 속도가 10℃/s미만일 경우에는 1차 항온 열처리 전에 상변태가 일어나 고온 변태 조직이 형성되어 강도가 저하되는 단점이 있을 수 있다. 이와 같이 냉각속도를 제어함으로써 1차 냉각 중 상변태가 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하나, 공정상의 불가피성을 이유로 상변태가 10%미만의 범위로 일어날 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 1차 냉각속도가 빠를수록 바람직하므로, 그 상한에 대해서 특별히 한정하지 않는다.
상기 1차 항온 열처리된 강판을 200~450℃까지 2차 냉각한 후, 2차 항온 열처리한다. 상기 2차 항온 열처리 온도가 200℃미만일 경우에는 변태 시간이 오래 걸리거나 저온 조직이 형성되는 단점이 있을 수 있으며, 450℃를 초과하는 경우에는 2차 항온열처리에 의해 형성되는 베이나이트의 변태(이하 '2차 변태'라고도 함)가 충분히 일어나지 못하는 단점이 있을 수 있다. 또한, 상기 2차 항온 열처리는 5분~3시간 행하여지는 것이 바람직한데, 5분 미만일 경우에는 2차 변태가 충분히 이루어지지 않을 수 있고, 3시간을 초과하는 경우에는 2차 변태가 지나치게 이루어지거나 프로세스 시간이 길어져 효율이 저하된다는 단점이 있다. 상기 2차 항온 열처리를 거친 강판은 2차 변태가 즉, 상변태율이 75%이상인 것이 바람직하다. 상기 2차 변태시 상변태율이 75%미만일 경우에는 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하거나 잔류 오스테나이트 분율이 지나치게 높아져 우수한 강도 및 연성 확보에 불리할 수 있다. 한편, 상기 2차 변태는 2차 항온 열처리시 일어나는 것이 바람직하다. 즉, 1차 항온 열처리 후 2차 냉각을 하는 동안에는 가능한 상변태를 하지 않는 것이 바람직한데, 이는 2차 항온 열처리에 의한 2차 변태가 충분히 일어나야 강도와 연성을 확보할 수 있는데, 냉각 중 변태가 일어나게 되면 2차 항온 열처리 보다 높은 온도에서 변태가 일어나게 되어 강도 및 연성이 저하될 수 있기 때문이다.
이를 위해, 상기 2차 냉각은 10℃/s이상의 냉각속도로 행하여지는 것이 바람직하다. 상기 2차 냉각 속도가 10℃/s미만일 경우에는 상술한 바와 같이 냉각 중에 변태가 일어나 강도와 연성이 저하될 수 있기 때문이다. 한편, 본 발명에서는 상기 2차 냉각속도가 빠를수록 바람직하므로, 그 상한에 대해서 특별히 한정하지 않는다.
상기와 같이 1차 열처리시 일부 베이나이트 변태가 일어나도록 하고, 상기 2차 열처리를 통해 남은 오스테나이트 상이 추가적으로 베이나이트로 변태됨과 동시에 오스테나이트의 크기가 작게 되도록 하고 안정성을 높여, 강도와 연신율 모두 우수한 강판을 제조할 수 있다.
이후, 상기 2차 항온 열처리된 강판을 상온까지 냉각한다. 전술한 제조방법을 통해 부피 분율로 잔류 오스테나이트가 7~25%, 베이나이트가 75~93%인 미세조직을 가지며, 상기 잔류 오스테나이트는 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 것이 80%이상인 강판을 제조할 수 있다. 상기 강판은 인장강도가 1100MPa이상이고, 연신율이 12%이상이며, 나아가, 인장강도와 연신율의 곱이 20,000MPa%이상으로서 매우 우수한 강도와 연성을 갖는다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지 않는다.
(실시예)
하기 표 1의 합금조성을 갖는 강 슬라브를 1200℃로 재가열한 뒤, 열연압연하고, 상온까지 냉각하여 열연강판을 제조하였다. 이렇게 제조된 열연강판을 930℃로 재가열한 뒤, 하기 표 2의 조건으로 열처하였다. 이와 같이 얻어진 강판에 대하여 미세조직과 강도 및 연신율을 측정한 뒤, 하기 표 3에 그 결과를 나타내었다.
구분 합금조성(중량%)
C Mn Si P
비교강1 0.209 1.93 1.52 0.012
발명강1 0.306 2.00 1.50 0.010
발명강2 0.410 2.04 1.50 0.010
구분 강종No. 1차 냉각
속도(℃/s)		 1차 항온
열처리
온도(℃)		 1차 항온
열처리
시간(초)		 2차 냉각
속도(℃/s)		 2차 항온
열처리
온도(℃)		 2차 항온
열처리
시간(분)
비교예1 비교강1 20 500 1800 - - -
비교예2 비교강1 20 500 30 20 400 5
비교예3 발명강1 20 450 1800 - - -
비교예4 발명강1 20 350 600 - - -
발명예1 발명강1 20 450 180 20 400 60
비교예5 발명강2 20 450 1800 - - -
비교예6 발명강2 20 350 1800 - - -
발명예2 발명강2 20 450 600 20 350 120
발명예3 발명강2 20 400 600 20 350 60
발명예4 발명강2 20 350 600 20 250 60
구분 미세조직 인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 인장강도×
연신율
(MPa%)
γ 분율
(부피%)		 B 분율
(부피%)		 결정립 크기가 5㎛이하인 γ분율(%)
비교예1 0.4 99 62 861 18.1 15584
비교예2 8.0 92 71 1008 19.5 19656
비교예3 9.4 90 69 1243 11.7 14543
비교예4 5.0 95 76 1301 10.2 13270
발명예1 14.3 85 85 1148 21.4 24567
비교예5 10.3 89 75 1364 5.0 6820
비교예6 14.9 85 78 1407 13.4 18854
발명예2 23.9 76 86 1193 30.8 36744
발명예3 17.5 82 87 1349 23.6 31836
발명예4 8.1 91 89 1612 12.9 20795
단, γ는 잔류 오스테나이트, B는 베이나이트임.
본 발명이 제안하는 합금조성과 제조조건을 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우에는 적정 분율의 미세 오스테나이트와 베이나이트를 확보함으로써 인장강도×연신율의 곱이 20,000MPa%이상의 높은 수준임을 알 수 있다.
그러나, 비교예 1 및 2의 경우에는 탄소 함량이 낮아 강도가 낮은 수준이며, 특히 미세 오스테나이트 분율이 적정 수준으로 확보되지 않음으로써 연신율 또한 높지 않은 것을 알 수 있다.
비교예 3 내지 6의 경우에는 본 발명의 합금조성을 만족하나 2차 열처리를 수행하지 않음에 따라 강도는 높은 값을 지니고 있으나, 미세 오스테나이트를 적정 분율 확보하지 못함으로써 연신율이 낮은 값을 보이고, 결국 인장강도×연신율의 곱이 낮은 수준임을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 열처리 후의 비교예 3의 미세조직 사진이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차/2차 열처리 후의 발명예 1의 미세조직 사진이다. 도 1에 나타나 있듯이, 1차 열처리만 수행한 비교예 3의 경우에는 잔류 오스테나이트의 크기가 클 뿐만 아니라 덩어리 모양으로 잔류하고 있음을 알 수 있다. 반면, 도 2에 나타나 있듯이, 발명예 1의 경우에는 잔류 오스테나이트가 미세하고 길쭉한 형태로 잔류하고 있다. 이러한 차이에 의해 오스테나이트 안정성 또한 차이를 가지게 되고, 결국, 비교예 3의 잔류 오스테나이트는 안정성이 떨어져 외부 응력에 의해 쉽게 마르텐사이트로 변태가 일어나 연성 확보에 불리하게 된다. 그러나, 발명예 1의 경우에는 미세하고 길쭉한 형태의 안정된 잔류 오스테나이트를 확보함으로써 연성 확보에 유리하다.

Claims (7)

  1. 중량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.5~2.5%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며,
    부피 분율로 잔류 오스테나이트가 7~25%, 베이나이트가 75~93%인 미세조직을 포함하고,
    상기 잔류 오스테나이트는 5㎛이하의 결정립 크기를 갖는 것이 80%이상이며,
    인장강도가 1100MPa이상이고, 연신율이 12%이상인 강도 및 연성이 우수한 강판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강판은 인장강도와 연신율의 곱이 20,000MPa%이상인 강도 및 연성이 우수한 강판.
  3. 중량%로, C: 0.25~0.45%, Si: 0.5~2.5%, Mn: 0.5~3.0%, P: 0.05중량%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 준비하는 단계;
    상기 강판을 오스테나이트 단상역에서 열처리하는 단계;
    상기 열처리된 강판을 300~500℃까지 1차 냉각한 후, 30초~20분간 1차 항온 열처리하는 단계;
    상기 1차 항온 열처리된 강판을 200~450℃까지 2차 냉각한 후, 2차 항온 열처리하는 단계; 및
    상기 2차 항온 열처리된 강판을 상온까지 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 2차 항온 열처리는 60분~3시간 행하여지는 것을 특징으로 하는 강도 및 연성이 우수한 강판의 제조방법.
    (단, 상기 2차 열처리 온도는 1차 열처리 온도보다 낮은 온도임.)
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 강판을 오스테나이트 단상역에서 열처리하는 단계 전, 상기 강판을 50%이상의 압하율로 냉간압연하는 단계를 추가로 포함하는 강도 및 연성이 우수한 강판의 제조방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 1차 냉각은 10℃/s이상의 냉각속도로 행하여지는 강도 및 연성이 우수한 강판의 제조방법.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 2차 냉각은 10℃/s이상의 냉각속도로 행하여지는 강도 및 연성이 우수한 강판의 제조방법.
  7. 삭제
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