KR101985777B1 - 초소성을 갖는 중망간강과 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 알루미늄(Al): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe)과 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 규소(Si): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 것이 바람직하다.

Description

초소성을 갖는 중망간강과 그 제조 방법{MEDIUM MANGANESE STEEL HAVING SUPER PLASTICITY AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 초소성을 갖는 중망간강 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등 고가의 성분을 포함하지 않으며, 또한 복잡한 전처리과정을 거치지 않으면서도 초소성이 구현되는 중망간강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
세계 자동차 강판의 수요는 2015년 약 8000만톤에서 추후 계속 성장할 예정이고, 강화된 각국의 연비규제로 인해 차량 경량화에 대한 요구 역시 점점 높아져가고 있다. 이에 따라 차체 중량 절감의 목적에서 비철소재의 요구도가 증가하고 있다. 하지만, 기존의 철강재를 개량한 고성형성-고강도 강판의 경우, 중량뿐만 아니라 가공 용이성 및 경제적 이점으로 인하여, 향후에도 차 강판의 80% 이상의 비중을 차지할 전망이다. 본 발명을 통하여 제작된 철계 초소성 강판의 경우, 저렴한 생산비용과 고온에서의 뛰어난 성형성 및 성형이후 높은 강도로 인해 현 산업의 니즈에 부합하는 전망을 보일 것으로 기대된다.
자동차 강판의 성형성을 향상시키기 위한 관점에서, 초소성이 주목받고 있다. 초소성(superplasticity) 이란, 결정립 크기가 미세한 재료를 녹는점의 약 절반 이상의 온도에서 인장 변형 시, 기존 재료의 소성 변형 기구인 전위, 슬립이 아닌 결정립계 미끄러짐(grain boundary sliding)이 일어나, 매우 낮은 변형응력에 대하여 폭발적인 연신율(≥300%)을 보이는 현상을 의미한다. 즉, 재료가 초소성을 보이는 변형 온도에서는 강도가 낮고 연성은 매우 크기 때문에, 적은 힘으로도 복잡한 형상의 성형이나 가공이 가능해진다.
기존 초소성 재료에 대한 연구로는, 알루미늄 합금 및 아연 합금에 대하여 중점적으로 진행되었으며, 철강 합금에 대한 연구 역시 진행되어 왔다.
초소성을 보이는 철강 합금의 경우 크게 두 가지 합금이 주로 연구되어 왔다. 첫째는 높은 크롬(Cr) 함량과 니켈(Ni)로 인해 고온에서 결정립 크기가 미세한 페라이트(ferrite)-오스테나이트(austenite) 이상(dual-phase) 구조를 지니는 이상 스테인리스강(duplex stainless steel)이 있다. 둘째는 상온에서 강내 미세한 탄화물이 오스테나이트의 핵 생성처가 되어, 고온에서 결정립 크기가 미세한 고탄소강이 있다.
이전의 연구는 주로 초소성 발현을 위한 철강 합금의 조성에 대한 연구와 제조방법인 압연조건, 열처리 조건 등에 대해 집중적으로 이루어졌으며, 두 강종 모두 약 700℃-1200℃의 온도에서 변형 시, 최대 연신율 1000%를 넘는 뛰어난 성형성을 보이는 것으로 알려져있다.
하지만, 초소성 발현을 위해서는, 이상 스테인리스강(duplex stainless steel) 의 경우, 높은 함량의 Cr(23-34 중량%)과 Ni(4-22 중량%)를 함유해야 하고, 때로는 높은 냉간 압하율(약 90%)을 필요로 한다. 여기서 크롬(Cr)과 니켈(Ni)은 고가의 성분으로서 생산원가를 상승시키는 원인이 된다.
고탄소강의 경우, 합금원소의 총량은 이상 스테인리스강(duplex stainless steel)에 비하여 낮지만, 온간압연 및 반복 압연-열처리등의 복잡한 전처리 과정이 필요하다. 즉 기존의 철계 초소성 합금의 생산을 위해서는 경제적인 손실이 큰 문제점이 있다.
정리하면, 기존의 철계 초소성 강판 중 스테인레스강의 경우, 일반적인 열처리 과정으로 처리되므로 복잡한 전처리 과정이 불필요한 장점은 있으나, 고가의 Cr, Ni를 사용하므로 생산원가가 매우 상승하는 단점이 있다. 고탄소강의 경우, 고가의 Cr, Ni를 사용하지 않으므로 생산원가가 저감되는 장점은 있으나, 복잡한 전처리 과정을 거쳐야 하는 단점이 있다.
이에 본 발명은 위 방법들의 장점만을 취하여, 즉 고가의 Cr, Ni를 사용하지 않음으로써 생산원가가 저감되면서도, 복잡한 전처리 과정 대신 일반적 열처리과정을 수행하면서도 초소성이 구현되는 강판을 제안하고자 한다.
(문헌 1) 한국등록특허 제1387551호 (2014.04.15)
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강과 그 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등 고가의 성분을 포함하지 않고도, 초소성을 구현하고자 한다.
둘째, 복잡한 전처리과정을 거치지 않고도, 초소성을 구현하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 알루미늄(Al): 3 중량%이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe)과 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 열간압연 후의 냉각 단계 및 냉간압연 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, 열처리 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, 열처리 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 규소(Si): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며, 열간압연 후의 냉각 단계 및 냉간압연 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, 열처리 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, 열처리 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 중망간강은 니오븀(Nb): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 중망간강은 보론(B): 0.03 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 중망간강은 탄소(C): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 중망간강은 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위내에서 열처리되어, 페라이트와 오스테나이트가 형성된다.
본 발명에 있어서, 이상(dual-phase) 영역의 온도범위는 600℃-900℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 이상(dual-phase) 영역에서 형성된 페라이트와 오스테나이트의 각 결정립의 평균 직경은 2㎛ 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법은 본 발명에 따른 조성을 가진 중망간강을 용해한 후, 균질화하는 S1 단계; 균질화된 중망간강을 열간 압연하는 S2 단계; 열간 압연된 강판을 냉각하는 S3 단계; 냉각된 강판을 냉간 압연하는 S4 단계; 및 기 설정된 열처리온도로 승온하여, 열처리를 하는 S5 단계를 포함하며, S3 단계 및 S4 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, S5 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, S5 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, S1 단계의 균질화 온도는 1200℃이며, 용해온도는 균질화온도 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, S2 단계의 열간 압연 온도는 1000℃-1200℃인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, S3 단계는 수냉, 유냉 또는 공냉 중 적어도 어느 하나의 냉각방식으로 가능하다.
본 발명에 있어서, S4 단계에서 압하율은 90%이하(0%는 불포함)인 것이 바람직하며, 압하율은 60-80%인 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 있어서, S4 단계에서 냉간 압연 온도는 상온에서 가능하다.
본 발명에 있어서, S5 단계의 이상(dual-phase)은 페라이트와 오스테나이트인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, S5 단계의 열처리 온도는 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위 이내인 것이 바람직하며, 이상 영역의 온도범위는 600℃-900℃가 바람직하다. 본 발명에 따른 S5 단계의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위에서 초소성 성형 후 상온으로 냉각되는것이 바람직하다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강과 그 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 기존 초소성강판에서 요구되던 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등 고가의 성분을 포함하지 않고도, 초소성을 구현하는 효과가 있다. 이로써 생산원가가 저감되는 효과도 부수적으로 있다.
둘째, 기존의 고탄소 초소성 강판에서 수행되던 복잡한 전처리과정을 거치지 않고도, 초소성을 구현하는 효과가 있다. 즉 일반적인 공정 절차로 초소성을 구현함으로써, 실제 산업 적용성이 향상되며, 생산성이 증가되는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 발명강 1에 있어서, 압하율 60% 냉간 압연 실시 후, 850℃에서 5분동안 유지하고 수냉한 시편의 미세조직이다.
도 2는 발명강 1에 있어서, 850℃에서 5분동안 유지한 시편에서 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선이다.
도 3은 발명강 1에 있어서, 850℃에서 다양한 변형률속도로 인장 실험을 실시한 시편의 사진이다.
도 4는 발명강 1에 있어서, 850℃에서 1×10-3 s-1 조건에서 인장 실험을 실시한 시편의 미세조직이다.
도 5a 내지 도 5e는 발명강 1에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 다양한 온도, 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 6a 내지 도 6c는 발명강 2에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 다양한 온도, 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 7은 발명강 3에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 850℃에서 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 8은 발명강 4에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 850℃에서 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 중망간강의 제조방법을 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 기존 철계 초소성 강판의 문제점을 보완하는 새로운 철계 초소성 강판의 제조방법으로서, 합금조성 범위, 전처리 과정, 초소성 발현 조건을 포함한다.
본 발명에 따른 중망간강은 아래 표 1과 같은 다양한 실시예가 가능하다. 다만, 본 명세서에서는 아래 발명강 1-4의 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하고자 한다.
Fe-Mn-Al계 (발명강1) Fe-Mn-Si계(발명강2)
Fe-Mn-Al-Nb계 (발명강3) Fe-Mn-Si-Nb계
Fe-Mn-Al-B계 (발명강4) Fe-Mn-Si-B계
Fe-Mn-Al-C계 Fe-Mn-Si-C계
Fe-Mn-Al-Nb-C계 Fe-Mn-Si-Nb-C계
Fe-Mn-Al-B-C계 Fe-Mn-Si-B-C계
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 알루미늄(Al): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe)과 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 것이 가능하다. 이는 Fe-Mn-Al계 실시예에 해당된다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 망간(Mn): 4-8 중량% 및 규소(Si): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 것이 가능하다. 이는 Fe-Mn-Si계 실시예에 해당된다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 상기 실시예에 따른 조성의 각 중망간강에 니오븀(Nb): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다. 이는 Fe-Mn-Al-Nb계 및 Fe-Mn-Si-Nb계 실시예에 해당된다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 상기 실시예에 따른 조성의 중망간강에 보론(B): 0.03 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다. 이는 Fe-Mn-Al-B계 및 Fe-Mn-Si-B계 실시예에 해당된다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 상기 실시예에 따른 조성의 중망간강에 탄소(C): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것이 가능하다. 이는 Fe-Mn-Al-C계, Fe-Mn-Al-Nb-C계, Fe-Mn-Al-B-C계, Fe-Mn-Si-C계, Fe-Mn-Si-Nb-C계 및 Fe-Mn-Si-B-C계 실시예에 해당된다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강은 페라이트와 오스테나이트의 이상 영역의 온도범위인 600℃-900℃에서 열처리되어, 페라이트와 오스테나이트가 형성된다.
본 명세서에서는 고온에서 변형시 초소성을 나타내는 (1) 중망간계 합금 설계와 (2) 제조 방법 및 (3) 인장 조건을 제시한다. 이하, 본 발명을 상세하게 설명한다.
(1) 중망간계 초소성 합금 설계
본 발명의 합금은, Mn, Al, Si, Nb, B, C, 잔부의 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 다양한 실시예로 구현된다(표 1 참조). 이하, 상기한 강의 화학성분 범위의 한정 이유에 대하여 설명한다.
망간(Mn) : 4-8 중량%
Mn은 본 발명의 필수 구성요소이다. Mn은 경화능을 상승시키는 원소로, 열간 압연 이후 냉각 시 오스테나이트(austenite)에서 페라이트(ferrite)로의 변태를 억제하고 대부분 마르텐사이트(martensite) 조직을 구현한다. Mn을 포함하는 마르텐사이트 조직은 냉간 압연 이후 초소성 변형을 위해 고온으로 가열했을 때, 기존 초소성 철계 합금과는 다르게, 오스테나이트와 페라이트의 Mn 분배 차이로 2 ㎛ 이하의 미세한 조직을 갖게 되어 초소성 발현에 적합하다.
Mn 함량이 4 중량% 미만이면, 강의 경화능이 감소하여, 열간 압연 이후 냉각 도중 페라이트가 생성되므로, 상온에서 페라이트 단상 또는 마르텐사이트와 페라이트 이상 조직이 나타나는 문제점이 있다. 냉각 도중 생성된 페라이트는 냉간 압연 이후 고온 변형 시, 빠른 회복 및 결정립 성장으로 초소성 현상을 억제시킬 가능성이 있다.
반면, Mn 함량이 8 중량%를 초과한다면, 재료비 및 제조비용의 증가를 가져올 뿐 아니라, 용접성이 저하되고 다량의 게재물인 MnS가 형성되는 문제가 발생할 수 있다. 또, 다량의 Mn은 페라이트-오스테나이트 이상 영역의 온도를 저하시켜, 초소성 발현온도인 녹는점의 약 절반 보다 높은 온도 영역에서 오스테나이트 단상을 야기하여, 빠른 결정립 성장으로 인한 결정립 조대화를 일으킬 수 있다. 따라서 본 발명에서는 Mn 함량을 4-8 중량%로 하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 3 중량% 이하(0%는 불포함)
Al이 포함된 실시예에 해당된다. Mn과 마찬가지로, Al도 변형 온도에서 오스테나이트와 페라이트 상들 간에 분배가 일어나게 되어, 미세한 결정립 크기를 구현하는데 기여한다. Al은 페라이트 안정화 원소로 알려져 있고, 페라이트-오스테나이트 이상 온도 영역을 상승시켜, 초소성 발현 온도에서 변형 시 페라이트-오스테나이트 이상을 가능하게 한다. 초소성 발현 온도에서 이상 구조를 갖는 재료는 상간 경계가 많고, 상간 경계는 변형 도중 결정립 성장을 저하하는데 효과가 있다.
반면 Al 함량이 3 중량%를 초과하면, 재료비 및 제조비용의 증가, 연속주조의 어려움, 용접성의 저하 등의 문제를 가져온다.
또, 다량의 Al 첨가는 열간 압연 온도에서 페라이트를 생성시키는데, 그 페라이트는 냉간 압연 이후 고온 변형 시 빠른 회복 및 결정립 성장으로 조대한 결정립을 야기 시킬 가능성이 있다. 따라서 본 발명에서는 Al 함량을 3 중량% 이하(0%는 불포함)로 하는 것이 바람직하다.
규소( Si ) : 3 중량% 이하(0%는 불포함)
Si가 포함된 실시예에 해당된다. Al과 마찬가지로, Si는 페라이트 안정화 원소이며, 강한 고용체 강화 원소로 알려져 있다. 고용체 강화 효과를 통하여 고온에서 결정립 내부의 강도를 높여 결정립계의 미끄러짐을 촉진시킬 것으로 기대된다. 또한, Si은 시멘타이트 석출 억제 효과가 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 고온에서 C에 의해 석출될 수 있는 시멘타이트에 의한 결정립계 미끄러짐 방해를 억제시킬 것으로 기대된다.
반면, Si 함량이 3 중량%를 초과하면, 재료비 및 제조비용의 증가, 냉간 압하율 저하, 용접성의 저하 등의 문제를 가져온다. 따라서 본 발명에서는 Si 함량을 3 중량% 이하(0%는 불포함)로 하는 것이 바람직하다.
니오븀( Nb ) : 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)
Nb가 포함된 실시예에 해당된다. Nb는 냉간 압연 이후 재결정된 결정립의 성장을 억제하는 원소로 알려져 있다. Nb첨가는 보다 미세한 결정립을 구현하여 다수의 결정립계를 형성시켜 결정립계 미끄러짐을 촉진시킬 것으로 기대된다.
반면, Nb 함량이 0.2 중량%를 초과하면, 재료비의 증가, 제 2상의 석출, 재결정 속도 저하 등의 문제를 가져온다. 따라서 본 발명에서는 Nb 함량을 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)로 하는 것이 바람직하다.
보론(B) : 0.03 중량% 이하(0%는 불포함)
B가 포함된 실시예에 해당된다. 고온에서 변형 중 입계에 지나치게 많은 공공이 발생하면, 공공이 성장하여 균열이 생성 및 전파하여 낮은 연신율을 초래할 가능성이 있다. B는 고온에서 결정립계로 편석되어 결정립계에서의 원자밀도를 높이므로, 균열 발생을 억제시킬 것으로 기대된다.
반면, B 함량이 0.03 중량%를 초과하면, 고온에서 결정립계로 편석되는 B의 량이 많아지게 되고, 결정립계 미끄러짐을 방해할 가능성이 있다. 뿐만 아니라, 고온에서 보라이드 석출로 인해 변형 시 응력집중을 야기하여, 낮은 연신율을 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 B 함량을 0.03 중량% 이하(0%는 불포함)로 하는 것이 바람직하다.
탄소(C) : 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)
C가 포함된 실시예에 해당된다. C는 오스테나이트 안정화 원소로, 고온에서 페라이트-오스테나이트 함량을 조절한다. 또한, C는 오스테나이트 강화 원소로 결정립 내부를 강화하여, 결정립계 미끄러짐의 촉진을 기대할 수 있다. 반면, C는 페라이트와 오스테나이트에서 확산이 빠른 원소로, 고온에서 결정립계로 편석되는 경우가 많다. 편석량은 합금원소량 대비 약 최대 4배 이상으로 결정립계에서 특히 높은 편석량을 나타낸다.
만약, C 함량이 0.2 중량%를 초과하면, 고온에서 결정립계로 편석되는 C의 함량이 많아지게 되고, 결정립계 미끄러짐을 방해할 가능성이 있다. 또한, 초소성 발현온도인 녹는점의 약 절반 이상온도에서 시멘타이트로 석출하게 되어, 변형 시 응력집중을 야기하여, 낮은 연신율을 초래할 가능성이 있다. 한편, 높은 C 함량은 용접성의 저하를 초래할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 C 함량을 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)로 하는 것이 바람직하다.
표 2에는 각 강종에서의 고온에서 변형 시 나타나는 인장 성질에 대해 나타내었다. 변형온도는 각 강종에서 페라이트와 오스테나이트 분율이 약 1:1인 온도로 정하였다.
구 분 조성 (중량%) 변형 온도 (℃) 변형률 속도
(s-1)		 연신율
(%)		 전처리
Mn Al

발명강1
6.6
2.3
850		 1×10-1 241 1. 냉간압하율 60%


2. 변형 온도에서 5분 유지 후 변형
1×10-2 596
1×10-3 1014

비교강1
6.7
0.1
645		 1×10-1 30
1×10-2 78
1×10-3 233
비교강2 8.5 0.1 620 1×10-3 137
표 3에는 본 발명의 방법으로 제조한 강판에서 고온 변형 시 나타나는 인장 성질에 대해 정리하였다.
구 분 조성 (중량%) 변형 온도
(℃)		 변형률 속도
(s-1)		 연신율
(%)		 전처리
Mn Al Si Nb B









발명강1








6.6








2.3








0








0








0		 650 1×10-1 100







1. 냉간압하율 80%

2. 변형 온도에서 5분 유지 후 변형
1×10-2 186
1×10-3 450
700 1×10-1 158
1×10-2 306
1×10-3 705
800 1×10-1 247
1×10-2 867
1×10-3 1196
850 1×10-1 337
1×10-2 1113
1×10-3 1314
1×10-4 848
900 1×10-1 382
1×10-2 962
1×10-3 971
발명강2 7.02 0 2.04 0 0 600 1×10-1 48
1×10-2 58
1×10-3 387
650 1×10-1 124
1×10-2 269
1×10-3 871
700 1×10-1 204
1×10-2 610
1×10-3 1000
발명강3 6.67 2.26 0 0.05 0 850 1×10-1 291
1×10-2 745
1×10-3 1072
발명강4 6.69 2.28 0 0 0.003 850 1×10-1 278
1×10-2 770
1×10-3 1003
(2) 제조 방법
이하에서, 본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법을 설명하고자 한다. 도 9는 본 발명에 따른 중망간의 제조방법을 나타낸다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 종래 철계 초소성 강판 중 스테인레스강 및 고탄소강의 장점만을 취하여, 즉 고가의 Cr, Ni를 사용하지 않음으로써 생산원가가 저감되면서도, 복잡한 전처리 과정 대신 일반적 열처리과정을 수행하면서도 초소성이 구현되는 강판을 제조하는 방법이다. 본 발명에 따른 조성을 가진 중망간강을 복잡한 전처리과정을 거치지 않고, 일반적 열처리 과정으로 제조하는 것이 기술적 특징이다.
본 발명에 따른 중망간강의 제조방법은 전술한 여러 실시예의 조성을 가진 각 중망간강을 용해한 후, 균질화하는 S1 단계; 상기 균질화된 중망간강을 열간 압연하는 S2 단계; 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 S3 단계; 상기 냉각된 강판을 냉간 압연하는 S4 단계; 및 기 설정된 열처리온도로 승온하여 열처리를 하는 S5 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 S1 단계의 균질화 온도는 1200℃이며, 용해온도는 균질화온도 이상인 것이 바람직하다. S1 단계에 해당하는 온도는 일반적으로 통용되는 온도로써, 본 발명에서도 균질화온도를 1200℃로 설정하였다. 본 발명에 따른 중망간강의 일 실시예에서는, 용해 이후 주조된 괴를 1200℃에서 12시간 동안 균질화 하였고, 오스테나이트 단상영역인 약 1000℃-1200℃에서 열간 압연하였다. 열간 압연 이후 냉각 도중 페라이트 생성을 막기 위하여 수냉 또는 공냉을 하였다. 이때 열간 압연판은 대부분 마르텐사이트 조직을 가진다. 열간 압연 이후 조직이 대부분 마르텐사이트를 가져야, 이후 냉간 압연 및 열처리를 통해 본 발명에서 제안하는 초소성을 구현할 수 있는 가능성이 높아진다.
본 발명에 있어서, 상기 S2 단계의 열간 압연 온도는 1000℃-1200℃인 것이 바람직하다. 열간 압연 온도가 1200℃를 초과하면, 열간 압연을 진행함에 있어, 에너지 손실을 초래할 수 있다. 열간 압연 온도가 1000℃ 미만이면, 열간 압연 도중 페라이트 상이 생길 수 있고, 이때 생성된 페라이트는 추후 초소성 변형 시 조대한 결정립 크기로 성장할 가능성이 있다. 이는 본 발명에서 얻고자 하는 초소성 성능을 저해할 수 있기 때문에, 위와 같이 1000℃-1200℃ 범위의 열간 압연 온도가 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 S3 단계는 수냉, 유냉 또는 공냉 중 적어도 어느 하나의 냉각방식인 것이 바람직하다. 본 발명에서 일 실시예로 수냉방식을 선택하였다. 이는 열간 압연 이후 냉각 중 페라이트의 변태를 피하고 마르텐사이트 조직을 얻고자 함이다. 그런데 실제로, 냉각속도에 따른 열간 압연 이후 미세조직의 차이를 살펴보았을 때, 수냉방식 뿐만 아니라, 유냉방식 및 공냉방식도 모두 열간 압연 이후 냉각 중 페라이트 변태가 진행되지 않고, 대부분 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있었다. 본 발명에서는 수냉방식, 유냉방식 또는 공냉방식을 조합하여 냉각효율을 증가시키는 것도 포함한다. 한편, 공냉방식으로 초소성이 구현되는 점에서 실제 산업에의 적용성이 매우 높다고 볼 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 S4 단계에서 압하율은 90% 이하(0%는 불포함)인 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 중망간강은 열간 압연 이후 열적으로 변태한 마르텐사이트 조직을 가진다. 냉간 압연을 진행하는 도중에 마르텐사이트 내부에 전위 등의 변형이 도입됨으로써, 냉간 압연 이후 이상 온도에서 미세한 결정립을 갖는 조직을 구현할 수 있다. 또한, 냉간 압하율이 높을수록, 보다 미세한 결정립을 얻을 수 있기 때문에, 상기 압하율은 60-80%인 것이 더욱 바람직하다. 일 실시예로서, 열간 압연판은 각각 60%, 80%의 압하율로 상온에서 냉간 압연 하였다.
본 발명에 있어서, 상기 S4 단계에서 냉간 압연 온도는 상온에서 가능하다. 상온은 일반적으로 판재를 냉간 압연 진행할 때 사용되는 온도이고, 냉간 압연에 별다른 추가 공정을 필요로 하지 않다. 이에 본 발명에서의 냉간 압연 온도는 상온이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 S5 단계의 열처리 온도는 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위 이내인 것이 바람직하다. 본 발명의 중망간강은 열처리를 진행하면, 마르텐사이트 조직에서 역변태가 진행되어, 페라이트 또는 오스테나이트 조직을 갖는다. 온도가 이상 영역보다 높으면, 오스테나이트 단상을 가지고, 온도가 이상 영역보다 낮으면, 페라이트 단상을 갖게 된다. 이상 영역의 온도범위에서는 페라이트와 오스테나이트 이상을 갖게 되고, 이때 결정립 및 상간 계면이 많아진다.
이상 영역의 온도범위 중 낮은 온도범위에서는 페라이트의 분율이 많고, 온도가 증가할수록 페라이트 분율이 감소하고 오스테나이트의 분율이 증가한다.
일반적으로 결정립계 미끄러짐이 활성화되었을 때 초소성이 촉진되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 본 발명에서는 다수의 결정립계를 만들어서 초소성을 구현하고자, 열처리 온도를 이상 영역의 온도범위로 설정하였다. 일 실시예로서, 초소성 변형을 위한 이상 영역의 온도범위는 600℃-900℃로 설정할 수 있다.
(3) 인장 조건
인장 온도는 표 2의 비교강의 실험결과와 합금의 녹는점인 약 1773K(1500 ℃)를 참고하여, 600℃-900℃로 정하였다. 주어진 온도 구간 중, 페라이트와 오스테나이트의 분율이 약 1:1이 되는 지점에서 가장 높은 연신율이 기대된다. 그 이유는 다수의 페라이트-오스테나이트 상간 경계가 변형 도중 결정립 성장을 방해하기 때문이다. 또한, 다수의 상간 경계 및 결정립계가 결정립계 미끄러짐을 촉진시키기 때문이다.
변형 온도까지 승온 이후 변형 전 5분간 유지함으로써, 오스테나이트 역변태가 충분히 일어나게 하였다. 이때 고온에서의 미세조직은 약 0.3㎛ - 2㎛의 결정립 크기를 가지는 페라이트-오스테나이트 이상 조직을 나타내었다. 이때, 결정립 크기는 페라이트와 오스테나이트의 각 결정립의 평균 직경(diameter)을 의미한다.
이하에서는, 도면을 중심으로 본 발명을 설명하고자 한다.
도 1은 발명강 1을 열간 압연 이후 60% 압하율로 냉간 압연을 실시한 후, 850 ℃에서 5분간 유지한 후 수냉하였을 때의 미세조직이다. 도 1에서 α는 페라이트를, α'F은 고온의 오스테나이트가 냉각 도중 변태한 마르텐사이트를 의미한다. 이때 페라이트와 오스테나이트의 결정립 크기는 2㎛ 이하이다. 이를 통해 본 발명에서 제안한 제조방법으로 제작된 시편은 미세한 결정립 크기를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 2는 발명강 1의 850℃ 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선이다. 이때, 변형률속도는 초당 변형률로 1×10-1 s-1 이하의 변형률속도로 정했다. 도 2의 조건으로 실시한 인장 실험 후 시험편의 모습을 도 3에 나타내었다. 도 2와 도 3을 통하여, 본 제조방법과 인장 조건에서 발명강 1은 초소성이 발현되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 2의 결과를 참고하여 볼 때, 특히 1×10-3 s-1 이하의 느린 변형률속도에서 높은 연신율이 기대되는데, 그 이유는 느린 변형률 속도로 인해 결정립계 미끄러짐이 충분히 일어나기 때문으로 생각된다.
도 4는 발명강 1을 850 ℃ 1×10-3 s-1 조건에서 인장 실험을 실시한 시편의 미세조직이다. 이때, 결정립이 변형 이전(도 1)과 비슷한 등축정 모양을 나타내는 것을 통해, 고온에서 인장 변형 중 결정립 미끄러짐이 활발히 일어났다는 것을 증명한다. 이러한 이유로 발명강 1은 고온에서 초소성 발현이 가능하게 된다.
도 5a 내지 도 5e는 발명강 1을 압하율 80% 냉간 압연 후, 다양한 온도와 변형률속도 조건에서의 인장 곡선과 인장 실험 후 시험편의 사진이다. 도 5a 내지 도 5e를 통해 위의 제조공정과 변형 조건에서 발명강 1이 초소성이 발현되는 것을 확인할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 발명강 2에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 다양한 온도, 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 7은 발명강 3에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 850℃에서 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
도 8은 발명강 4에 있어서, 압하율 80% 냉간 압연 실시 후, 850℃에서 다양한 변형률속도에서의 인장 곡선과 시편의 사진이다.
위와 같은 실험과 데이터를 통해, 최종적으로 초소성을 갖는 중망간강(발명강 1-4)을 개발하였음을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강 강판은 합금원소 총량이 약 10 중량% 이하로 기존의 이상 스테인리스강(duplex stainless steel)의 절반 이하이므로, 매우 경제적이며 한정적인 천연 자원 절감에도 효과적이다. 또한, 제조방법이 기존의 상용강판 생산과정인 열간압연 이후 냉간압연 공정으로 간소화되어 실제 산업 적용에 용이하다.
뿐만 아니라, 약 600℃-900℃의 온도에서 연신율 1000% 이상을 나타냄으로써, 기존의 철계 초소성 합금과 대등한 성형성을 보인다. 그리고 고온 성형 이후, 냉각 도중 오스테나이트가 경한 마르텐사이트로 변태하여, 상온에서 높은 강도를 가지는 장점이 있다. 즉, 본 발명은 초소성 구현 온도범위에서 원하는 형상으로 초소성 성형을 한 후, 냉각을 시키면서 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시켜서 고강도를 부여하는 것이다.
본 발명에 따른 초소성을 갖는 중망간강 강판은 고강도-고성형성이 필요한 터빈블레이드 등의 항공재료, 복잡한 형상의 건설용 내외강재 및 자동차 후드, 트렁크, 필러 등 차체용 강판에도 폭넓게 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (21)

  1. 망간(Mn): 4-8 중량% 및 알루미늄(Al): 3 중량%이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe)과 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며,
    열간압연 후의 냉각 단계 및 냉간압연 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, 열처리 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, 열처리 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  2. 망간(Mn): 4-8 중량% 및 규소(Si): 3 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 함유하고, 잔부인 철(Fe) 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되며,
    열간압연 후의 냉각 단계 및 냉간압연 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, 열처리 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, 열처리 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조성의 중망간강에 니오븀(Nb): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조성의 중망간강에 보론(B): 0.03 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 조성의 중망간강에 탄소(C): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 조성의 중망간강에 탄소(C): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 조성의 중망간강에 탄소(C): 0.2 중량% 이하(0%는 불포함)의 성분을 더 함유하는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 중망간강은 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위내에서 열처리되는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 이상(dual-phase) 영역의 온도범위는 600℃-900℃인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 이상(dual-phase) 영역에서 형성된 페라이트와 오스테나이트의 각 결정립의 평균 직경은 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강.
  11. 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 조성을 가진 중망간강을 용해한 후, 균질화하는 S1 단계; 상기 균질화된 중망간강을 열간 압연하는 S2 단계; 상기 열간 압연된 강판을 냉각하는 S3 단계; 상기 냉각된 강판을 냉간 압연하는 S4 단계; 및 기 설정된 열처리온도로 승온하여, 열처리를 하는 S5 단계를 포함하며,
    S3 단계 및 S4 단계에서의 미세조직은 마르텐사이트이며, S5 단계에서는 마르텐사이트가 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase)으로 역변태되며, S5 단계 후의 냉각시에 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되어, 최종 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 S1 단계의 균질화 온도는 1200℃이며, 용해온도는 균질화온도 이상인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  13. 청구항 11에 있어서,
    상기 S2 단계의 열간 압연 온도는 1000℃-1200℃인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  14. 청구항 11에 있어서,
    상기 S3 단계는 수냉, 유냉 또는 공냉 중 적어도 어느 하나의 냉각방식인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 S4 단계에서 압하율은 90%이하(0%는 불포함)인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 압하율은 60-80%인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 S4 단계에서 냉간 압연 온도는 상온인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 S5 단계의 열처리 온도는 페라이트와 오스테나이트의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위 이내인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 이상(dual-phase) 영역의 온도범위는 600℃-900℃인 것을 특징으로 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  20. 청구항 11에 있어서,
    상기 페라이트와 오스테나이트의 각 결정립의 평균 직경은 2㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
  21. 청구항 18에 있어서,
    S5 단계의 이상(dual-phase) 영역의 온도범위에서 초소성 성형 후 상온으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 초소성을 갖는 중망간강의 제조방법.
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