KR101683987B1 - 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법이 소개된다.
본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법은, 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속 주조하여 열간압연 후 권취하는 과정; 850 ~ 950℃ 온도에서 소둔하고 공냉하는 과정; 및 500 ~ 600℃ 온도에서 4 ~ 8시간 시효 후 공냉하는 과정을 포함한다.

Description

석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법{Precipitation hardening steels having low density, high strength and elongation and manufacturing method thereof}
본 발명은 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고강도 및 고연신, 저비중 특성을 갖는 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차는 CO2 저감 및 배기가스 규제 등의 환경 문제와 더불어 연비 성능 강화를 위해 경량화되고 있는 추세이다.
이를 만족시키기 위해 초고장력강의 적용 비율이 점차 증가하고 있는 추세인바, 고망간 TWIP강(Twinning Induced Plasticity Steel)과 같이 고강도, 고연신을 동시에 만족시키는 신강종이 개발되고 있다.
그러나, 초고장력강의 경우 낮은 성형성으로 인하여 차체 부품에 적용할 수 있는 부분이 매우 제한적이고, 고망간 TWIP강의 경우 기존 자동차 강판 대비 비중 감소율이 적어 재료 경량화 효과를 얻는데 한계가 존재하는바, 고강도 및 고연신 인장 성질을 동시에 만족시키는 자동차 부품을 얻는데 한계가 존재한다.
따라서, 고강도, 고연신의 인장 성질 및 자동차 부품 경량화를 실현시킬 수 있는 저비중강의 개발이 절실한 실정이다.
저비중 강판은 합금조성 측면에서 분류했을 때 두 가지 방향으로 개발되어 왔다.
개발 초기에는 18~32wt%의 망간(Mn), 8~12wt%의 알루미늄(Al),0.7~2wt%의 탄소(C) 합금조성을 갖는 오스테나이트계 고합금 저비중강이 개발되었는바, 약 1000MPa이 넘는 인장강도와 50% 이상의 연신율을 동시에 만족시키는 등, 이는 고강도 및 고연신을 동시에 만족시키는 합금이다.
이는 오스테나이트 결정립 내부에 (Fe,Mn)3AlC 조성을 갖는 k-carbide라는 석출물이 20~40nm의 미세한 사이즈로 석출되어 가공 경화율을 높이기 때문인 것으로 밝혀졌다. 그러나, 이러한 합금은 높은 합금 원소 함량으로 인하여 비싼 가결과 제조 공정 상의 문제점을 가지고 있는 단점이 존재하여 실용화하는데 한계를 가지고 있는 단점이 존재한다.
이후, 3~6wt% 망간, 5~7wt%의 알루미늄, 0.1~0.5wt%의 탄소 합금 조성을 갖는 페라이트계 저합금 저비중강이 개발되었는데, 이는 상대적으로 합금 원소의 비율이 낮아 고합금 저비중강에서 나타났던 문제점을 해결하면서 경량 원소인 알루미늄의 함량을 적정 수준 유지하여 경량화 효과를 기대하였으나, 연성이 매우 열위하여 심지어 열간 압연 중에도 강판에 크랙이 발생하는 문제점이 존재한다.
이는 결정립계를 따라 석출된 조대한 크기의 k-carbide가 변형 중 크랙의 진원지로 작용하여 연성을 저하시키는 역할을 하기 때문으로 밝혀졌다.
이를 극복하기 위해 특정 온도에서의 열처리를 통해 약 중반 수준의 연신율을 갖는 제품이 개발되었지만, 고합금 저비중강의 연신율과 비교하면 열위한 수준이다.
Juornal of Alloys and Compounds vol. 574, 299p~304p에 실린 'Isothermal precipitation behavior of k-carbide in the Fe-9Mn-6Al-0.15C lightweight steel with a multiphase microstructure'에서는, Fe-9Mn-6Al-0.15C의 합금 조성을 갖는 강에서 등온 유지 시간에 따라 상변태 거동이 어떻게 진행되는지에 대하여 이론적으로는 규명하고 있을 뿐, 열처리 조건 및 미세조직에 따른 기계적 물성에 관하여는 어떠한 내용도 제시되어 있지 않는바, 본 발명자는 고강도, 고연신의 인장 성질 및 자동차 부품 경량화를 실현할 수 있는 방법에 대한 연구 끝에 본 발명에 이르게 되었다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
한국공개특허 제2002-0046988호(2002.06.21)
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 높은 경량 원소 함량을 통해 기존 강판 재료 대비 경량화되고, 항복, 인장강도가 상승되는 것은 물론, 높은 수준의 연신율을 확보할 수 있는 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판은, 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도 787MPa 이상이면서, 연신율 40% 이상인 것을 특징으로 한다.
상기 C : 0.15~0.25%, Mn : 9~10%, Al : 5~6%인 것을 특징으로 한다.
상기 C : 0.2~0.3%, Mn : 9.5~10.5%, Al : 6~7%인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판은 페라이트 결정립을 따라 K 탄화물이 존재하는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기 K 탄화물은 페라이트 조직과 층상 구조를 이루면서 형성된 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법은 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속 주조하여 열간압연 후 권취하는 과정; 850 ~ 950℃ 온도에서 소둔하고 공냉하는 과정; 및 500 ~ 600℃ 온도에서 4 ~ 8시간 시효 후 공냉하는 과정을 포함한다.
상기 C : 0.15~0.25%, Mn : 9~10%, Al : 5~6%인 것을 특징으로 한다.
상기 C : 0.2~0.3%, Mn : 9.5~10.5%, Al : 6~7%인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 기술적 구성으로 인해 아래와 같은 효과를 구현할 수 있게 된다.
첫째, 높은 경량 원소 함량을 통해 기존 강판 재료 대비 낮은 밀도의 경량화 된 강을 제조할 수 있는 이점이 있다.
둘째, 적정 시간 시효를 통한 석출 경화를 실현하여 항복, 인장강도를 상승시켜 강의 고강도화를 달성함과 동시에, 높은 수준의 연신율을 확보할 수 있는 이점이 있다.
셋째, 초고장력강의 성형성 부족으로 적용하기 어려웠던 부품에 적용할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법을 나타낸 도면,
도 2는 기존 시효 열처리 전 강판의 미세조직을 나타낸 도면,
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 온도 및 시간 범위 내에서 시효 열처리 후에는 페라이트 결정립계를 따라 K 탄화물이 석출된 모습을 살필 수 있다.
도 3은 본 발명의 온도 및 시간 범위 내에서 시효 열처리 후 페라이트 결정립계를 따라 K 탄화물이 석출된 모습
도 4는 본 발명의 온도 및 시간 범위 내에서 시효 열처리 후 페라이트 결정립계를 따라 K 탄화물이 석출된 모습을 고배율로 살펴본 모습을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판을 설명한다.
본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판은, 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로써 다량의 망간이 강에 첨가되면 오스테나이트 분율을 증가시켜 연신율을 증대시킨다. 또한, 망간은 철의 치환형 원소로써 격자 구조 내에서 치환형 고용체로 자리잡아 강도를 증가시키는 역할을 하는바, 본 발명에서는 망간 함량을 기존 저합금 저비중강(3~6wt%) 대비 증가시켜 합금을 설계하였다.
망간의 함량이 9% 미만일 경우 연신율이 감소하고, 10.5%를 초과하면 원가가 상승됨과 동시에, 제조과정 중 용탕 온도 저하 등의 문제가 야기되므로, 그 함량은 9~10.5%로 제한한다.
알루미늄(Al)은 그 비중이 약 2.7로써 철의 약 1/3에 해당하는 대표적인 경량원소이다. 이러한 알루미늄은 강력한 페라이트 안정화 원소로써 페라이트 분율을 증가시키고, 철(Fe)와 탄소(C)를 결합하여 적용 온도 대에서 석출물을 형성, 강도를 높이는 역할을 한다. 따라서, 알루미늄 함량을 최대화하여 경량화 및 고강도화를 구현하는 것이 바람직하다.
알루미늄이 5% 미만으로 첨가되면 경량화 및 고강도화에 미치는 영향이 미미하며, 7%를 초과하여 첨가되면, FeAl 또는 Fe2Al5 등의 경한 금속간 화합물을 형성하여 취성을 일으키는 문제점이 존재하는바, 이를 감안하여 알루미늄 함량은 5~7% 첨가한다.
탄소(C)는 강에 강도를 부여하기 위해 사용되는 원소로, 침입형 고용체의 역할을 하거나 탄화물을 석출시켜 강도를 높이는 역할을 한다. 본 발명에서는 탄소를 0.15~0.3% 범위 내에서 첨가하는데 , 0.15% 미만의 탄소 함량을 가질 경우 강도가 저하되거나 연신율 증대 역할을 하는 주요 조직인 오스테나이트의 분율이 감소하는 문제가 생기고, 탄소의 농도가 0.3%를 초과하면 용접성의 문제가 생기므로 상술한 범위 내에서 탄소의 농도를 조절하여 첨가한다.
인(P) 및 황(S)은 강에 존재하는 대표적인 불순 원소인데, 강 내부에 존재하는 경우 취성을 일으키는 등 연성에 악영향을 미치므로, 그 함량은 0.03% 미만으로 제한한다.
본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판의 탄소는 0.2~0.3%, 망간은 9.5~10.5%, 알루미늄은 6~7%로 첨가할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 망간은 연신율 및 강도에 중요한 기능을 하는 원소인 반면, 함량이 증가하는 경우 원가가 상승하고, 용탕 온도가 저하되는 문제점도 존재한다. 이러한 점을 고려하여 연신율을 극대화할 필요가 있는 경우에는 망간 함량을 9.5% 이상으로 조절하되, 그 단점을 고려하여 10.5%는 초과하지 않도록 한다.
알루미늄 역시 경량화, 고강도화라는 장점 및 취성이라는 단점을 고려하여, 첨가되는 양을 조절할 수 있는데, 경량화 및 고강도 구현을 위해 7% 범위까지 첨가량을 증가시킬 수도 있다.
탄소는 강도 및 연신율을 고려하여 그 하한치를 0.2% 이상으로 조절할 수도 있다.
본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판의 탄소는 0.15~0.25%, 망간은 9~10%, 알루미늄은 5~6%로 조절하여 첨가할 수도 있다.
연신율보다 용탕 온도 제어 및 경제성을 고려한다면, 망간 함량은 9~10% 범위로 조절될 수도 있다. 다만, 9% 범위는 목표로 하는 연신율을 얻기 위한 최소한의 하한치이다.
알루미늄 역시 경량화 및 고강도, 취성과 관련된 기준을 보다 엄격하게 제어할 필요가 있는 경우 그 함량을 6%이하로 제한하는 것이 바람직하다.
탄소 함량은 오스테나이트 분율 및 용접성 등의 문제를 고려하여 0.15~0.25% 범위로 조절할 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법은, 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속 주조하여 열간압연 후 권취하고, 850 ~ 950℃ 온도에서 소둔, 공냉한 후, 500 ~ 600℃ 온도에서 4 ~ 8시간 시효 후 공냉하는 과정을 포함한다.
상술한 바와 같이, 탄소는 0.2~0.3%, 망간은 9.5~10.5%, 알루미늄은 6~7%로 조절되어 첨가될 수 있고, 탄소는 0.15~0.25%, 망간은 9~10%, 알루미늄은 5~6%로 조절하여 첨가될 수도 있다.
연신율을 증대시키고, 석출물을 생성시키는 조직인 오스테나이트의 분율을 최대로 하기 위해 850℃ 이상의 온도에서 소둔을 진행하되, 결정립 크기가 과도하게 상승하여 강도 및 연신율에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해 소둔 온도는 950℃를 초과하지 않도록 한다.
소둔된 강을 다시 500~600℃ 범위에서 4~8 시간 동안 시효를 실시한 후 공냉한다.
4 시간 이하로 시효를 할 경우 석출경화 효과가 미미하고, 8 시간을 초과하여 시효를 할 경우 연신율 감소로 인해 성형성이 저하되기 때문에, 시효시간은 4~8 시간 범위에서 진행한다.
또한 시효 열처리가 500℃ 미만 혹은 600℃ 초과 범위에서 진행되면 석출물이 제대로 형성되지 않으므로, 시효 열처리 온도는 상술한 범위 내에서 진행되어야 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 시효 열처리 전 미세조직은 페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트를 포함하고 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상술한 온도 및 시간 범위 내에서 시효 열처리 후에는 페라이트 결정립계를 따라 K 탄화물이 석출된 모습을 살필 수 있다.
또한 오스테나이트와 마르텐사이트로 구성된 영역에 검은색 형태로 새로운 상이 형성되는 것을 살필 수 있는데, 이는 K 탄화물과 페라이트가 층상 구조로 존재하는 것이다.
본 발명자는 인장 시험을 통하여 본 발명의 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법에 의해 생산된 강판의 물성을 나타내었다.
인장시편은 ASTM E8M 규격의 서브 사이즈(subsize) 시편으로 제작하였고, 인장시험은 INTRON 3382 시험기를 이용하여 10-3/S 스트레인 레이트(strain rate)로 진행하였다.
Figure 112014099267710-pat00001
실시예 1 내지 실시예 3에 나타난 바와 같이, 787~833MPa 수준의 인장강도와, 40~50% 수준의 연신율을 동시에 확보할 수 있었다.
시효 열처리를 진행하지 않은 비교예 1의 경우, 60% 정도의 연신율을 확보할 수는 있었지만, 인장강도는 633MPa로 실시예 대비 열위함으로 알 수 있었다. 시효 시간을 4시간 미만으로 진행한 비교예 2의 경우 석출 경화가 충분하게 진행되지 않아 강도가 700MPa로 실시예보다 열위하였다.
비교예 3 및 비교예 4와 같이, 8시간을 초과하여 시효 열처리를 진행하는 경우 인장강도가 900MPa 이상 수준으로 확보되나, 연신율이 급격하게 감소됨을 알 수 있었다.
비교예 5 내지 비교예 8과 같이, 망간 또는 알루미늄 함량이 본 발명의 수치범위와 다른 경우, 인장강도 및 연신율 모두 실시예 대비 낮은 수준으로 형성되고, 비교예 9와 같이 탄소 함량이 낮은 경우 강도 및 연신율 모두 열위하였으며, 비교예 10과 같이 탄소 함량이 높을 경우에는 강도는 실시예와 동등 수준으로 형성되나, 연신율이 저하되었다.
비교예 11과 같이 현재 부품으로 적용되는 강판의 물성을 고려한다면, 고강성화 및 경량화를 동시에 만족할 수 있는 강판을 부품에 적용할 수 있을 것으로 예측된다.
본 발명은 특정한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도 787MPa 이상이면서, 연신율 40% 이상인 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.

  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 C : 0.15~0.25%, Mn : 9~10%, Al : 5~6%인 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 C : 0.2~0.3%, Mn : 9.5~10.5%, Al : 6~7%인 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    페라이트 결정립을 따라 K 탄화물이 존재하는 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 K 탄화물은 페라이트 조직과 층상 구조를 이루면서 형성된 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판.
  7. 중량%로, C : 0.15~0.3%, Mn : 9~10.5%, Al : 5~7%, P : 0.03%이하(0은 제외), S : 0.03%이하(0은 제외), 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강을 연속 주조하여 열간압연 후 권취하는 과정;
    850 ~ 950℃ 온도에서 소둔하고 공냉하는 과정; 및
    500 ~ 600℃ 온도에서 4 ~ 8시간 시효 후 공냉하는 과정을 포함하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 C : 0.15~0.25%, Mn : 9~10%, Al : 5~6%인 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 C : 0.2~0.3%, Mn : 9.5~10.5%, Al : 6~7%인 것을 특징으로 하는, 석출 경화형 고강도 및 고연신 저비중 강판 제조방법.
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