KR102322713B1 - 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 재결정립 면적 분율이 5 면적% 이하이고, 전위밀도가 1x1015/m2 이하인 미세조직을 갖는다.

Description

내열성과 성형성이 우수한 냉연강판 및 그 제조방법{COLD-ROLLED STEEL SHEET HAVING EXCELLENT HEAT-RESISTANCE AND FORMABILITY AND MANUFACTURING METHOD THEROF}
내열성과 성형성이 우수한 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로 가공 후 열에 노출될 수 있는 환경에 사용하는 강판으로, 높은 온도에서도 본래의 강도를 유지할 수 있는 내열성과 각종 형태의 구조물로서 가공될 수 있는 성형성이 우수한 강판과 그 제조방법에 관한 것이다.
냉연강판은 각종 표면처리 후 건자재 등 많은 용도의 구조재로 사용되고 있다. 구조재로 사용시 강도가 높을 경우에 같은 단면적에 대해 높은 하중을 견딜 수 있기 때문에 소재의 사용량을 줄일 수 있는 이점이 있다. 특히, 변형이 시작되는 하중은 항복강도에 의해 결정되기 때문에 높은 항복강도를 갖는 것이 중요하다.
강판의 강도를 높이기 위한 방법으로서 고용강화, 석출강화, 가공경화, 경질상 제어 등 여러 가지 방법이 사용되고 있다. 그 중, 고용강화는 다량의 합금원소의 첨가를 필요로 하고, 경질상을 제어하는 방법도 경화능을 높이기 위하여 다량의 합금원소를 첨가하거나 소둔 후 급냉 공정을 필요로 하여 제조 시 경제성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 석출강화 역시 석출물을 형성하기 위해 고가의 합금원소 첨가를 필요로 하며, 과다하게 석출물을 형성시킬 경우 냉간압연성을 크게 떨어뜨리는 단점이 있다.
상기 방법들과는 달리 가공경화의 경우에는 합금원소를 첨가하지 않고 단순한 냉간압연에 의한 높은 전위 생성으로 강도를 향상시킬 수 있어, 경제적인 방법으로 활용될 수 있다. 하지만 가공경화 후 전위밀도가 높아 성형성이 크게 떨어지고 재결정 온도 이상의 온도에서 열처리 시 재결정에 의해 강도가 다시 떨어지기 때문에 내열성이 열위한 단점이 있다. 특히 내열성이 열위할 경우에는 Zn, Al 등 각종 용융도금을 위한 온도에 노출 시 강도가 감소하기 때문에 고온 배관 등의 내열성이 필요한 구조재로서 활용이 어렵다. 도금욕 중 비교적 온도가 높은 Al 도금욕에 일정 시간 노출시 강도 저하가 크지 않아야 한다.
이러한 점들을 극복하기 위한 방법으로서, 미세 석출물을 형성시킴으로써 재결정 온도를 높이고, 재결정 온도보다 낮은 온도에서 회복소둔을 실시함으로써 일정 이상의 연신율을 얻는 방법이 있다. 재결정 온도 향상 효과가 높은 Ti 및 Nb를 활용하여 TiN, NbC, TiC를 미세하게 석출시키고 회복소둔을 함으로써 고강도강을 제조하는 방법이 그것이다. 하지만 상기 기술은 높은 강도를 확보하고자 P를 다량첨가하고 있으나, P는 상온 인성을 저하시킴으로써 가공을 어렵게 하고 최종 제품의 조직의 균일성을 떨어뜨리는 단점이 있다. 또한 상기 기술에서는 Ti와 Nb의 비율로서 Ti와 Nb 첨가량을 제어하고 있으나, 석출물의 석출 거동은 Ti와 Nb 외에도 C와 N의 함량에 의해 결정되기 때문에 C와 N의 함량이 함께 제어되어야 할 필요성이 있다.
내열성과 성형성이 우수한 냉연강판 및 그 제조방법을 제공한다. 구체적으로 가공 후 열에 노출될 수 있는 환경에 사용하는 강판으로, 높은 온도에서도 본래의 강도를 유지할 수 있는 내열성과 각종 형태의 구조물로서 가공될 수 있는 성형성이 우수한 강판과 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 재결정립 면적 분율이 5 면적% 이하이고, 전위밀도가 1x1015/m2 이하인 미세조직을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, Si: 0.5% 이하(0%를 제외함), Al: 0.08% 이하(0%를 제외함), 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 하기 식 1로 정의되는 석출 지수가 10 이상일 수 있다.
[식 1]
석출 지수 = [Min([Ti], [N]) + 4 x Min([Nb], [C]) + 2 x Min([Ti]-[N], [C]-[Nb])] x 104
이때, 식 1에서, [Ti], [N], [Nb], [C]는 각 성분 함량의 중량%를 원자량으로 나눈 값이다. Min(A, B)는 A와 B 중 작은 값을 의미하고, Min(A, B)가 음의 값일 경우, 0을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 항복강도가 450MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 연신율이 4% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 표면에 알루미늄 또는 아연 도금층이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조 방법은, 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계; 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및 냉연강판을 500℃ 내지 RS의 온도에서 소둔하는 단계;를 포함한다.
RS는 재결정 개시 온도로서, 재결정립 면적 분율이 5면적%인 온도이다.
슬라브를 가열하는 단계에서, 슬라브를 1200℃ 이상 가열할 수 있다.
열연강판을 제조하는 단계에서, 마무리 압연 온도는 Ar3 이상일 수 있다.
Ar3 온도는 하기 식으로 계산될 수 있다.
Ar3 온도 = 910 - (310x[C]) - (80x[Mn]) - (20x[Cu]) - (15x[Cr]) -(55x[Ni])-(80x[Mo]) - (0.35x(25.4-8))
이때, [C], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo]는 각 원소의 중량%이다.
열연강판을 제조하는 단계 이후, 열연강판을 550 내지 750℃에서 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다.
냉연강판을 제조하는 단계는, 50 내지 95% 압하율로 냉간 압연하여 냉연강판을 제조하는 것일 수 있다.
냉연강판을 제조하는 단계 이후, 냉연강판 표면에 알루미늄 또는 아연을 도금하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은 고가의 합금 성분을 다량 첨가하지 않아 경제성을 가지면서도, 내열성과 성형성이 우수하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은 가공 후 열에 노출될 수 있는 환경에 사용하는 강판으로, 높은 온도에서도 본래의 강도를 유지할 수 있는 내열성과 각종 형태의 구조물로서 가공될 수 있는 성형성을 가진다.
도 1은 본 발명의 개발강 1에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판 단면의 광학 현미경 미세조직 관찰 결과 사진이다.
제1, 제2 및 제3 등의 용어들은 다양한 부분, 성분, 영역, 층 및/또는 섹션들을 설명하기 위해 사용되나 이들에 한정되지 않는다. 이들 용어들은 어느 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션을 다른 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션과 구별하기 위해서만 사용된다. 따라서, 이하에서 서술하는 제1 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 제2 부분, 성분, 영역, 층 또는 섹션으로 언급될 수 있다.
여기서 사용되는 전문 용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
또한, 특별히 언급하지 않는 한 %는 중량%를 의미하며, 1ppm 은 0.0001중량%이다.
본 발명의 일 실시예에서 추가 원소를 더 포함하는 것의 의미는 추가 원소의 추가량 만큼 잔부인 철(Fe)을 대체하여 포함하는 것을 의미한다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은 각종 구조재로 사용되는 냉연강판에 관한 것이다. 해당 용도의 소재는 형상을 만들기 위한 성형성과 구조물의 형태를 유지하기 위한 강도가 확보되어야 한다. 뿐만 아니라 충분한 내열성을 가져 도금, 코팅 등의 표면처리나 고온 사용시 강도의 저하가 일어나지 않아야 한다.
상기의 물성을 위해 합금원소를 과다하게 첨가할 경우 소재의 원가가 증가하여 경제성이 떨어지는 결과가 초래한다. 따라서 고가의 합금원소를 다량 첨가하지 않고 내열성 및 성형성을 동시에 확보할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 각 성분별로 상세하게 설명한다.
탄소(C): 0.002 내지 0.01 중량%
C는 함량이 낮을 경우 강도가 낮아 구조재로 사용되기 어렵고, 함량을 과도하게 낮추기 위해서는 정령 공정이 추가적으로 필요하여 생산성이 떨어진다. C는 Nb 및 Ti와 결합하여 석출함으로써 강도를 크게 향상시킬 수 있다. 본 발명에서는 NbC 및 TiC의 석출 효과를 얻기 위한 C의 함량은 상기의 함량으로 충분하다. C 함량이 과다할 경우 고용 탄소에 의한 시효를 막기 어려울 수 있다. 따라서, C를 0.002 내지 0.01 중량% 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 0.002 내지 0.0095 중량% 포함할 수 있다.
망간(Mn): 0.1 내지 1.0 중량%
Mn은 강 중 고용 S와 결합하여 MnS로 석출됨으로써 고용 S에 의한 적열취성(Hot shortness)을 방지하는 원소이다. 이러한 효과를 내기 위하여 Mn은 0.1 중량% 이상 포함될 수 있다. 하지만 Mn을 너무 많이 첨가하는 경우에는 재질이 경화되어 연성을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 Mn을 너무 적게 첨가하는 경우에는 고용된 S가 MnS로 충분히 석출되지 못하여 열간압연 시 취성이 현저히 증가하는 단점이 있다. 따라서, Mn을 0.1 내지 1.0 중량% 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, Mn을 0.15 내지 0.35 중량% 포함할 수 있다.
인(P): 0.01 중량% 미만 (0%를 제외함)
일정량 이하의 P 첨가는 강의 연성을 크게 감소시키지 않으며 강도를 올릴 수 있는 원소이지만, 많은 양의 P을 첨가하면 결정립계에 편석하여 강을 과도하게 경화시키고 연신율이 떨어지기 때문에, 0.01 중량% 미만으로 제한할 수 있다. 또한, 많은 양의 P를 첨가시키면, P가 상온 인성을 저하시킴으로써 가공을 어렵게 하고 최종 제품의 조직의 균일성을 떨어뜨리는 단점이 있기 때문에, 강판의 성형성 및 균일성을 떨어뜨릴 수 있다. 보다 구체적으로, 0.008 중량% 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로, 0.006 중량% 이하일 수 있다.
질소(N): 0.01 중량% 이하 (0%를 제외함)
N은 강 중에 불가피한 원소로서 함유되어 있으며, 본 발명에서 Ti와 결합하여 석출경화에 이용될 수 있다. 하지만 과다하여 석출되지 못하고 고용된 상태로 존재하는 N은 연성을 떨어뜨리고 내시효성을 악화시킬 뿐만 아니라 성형성을 떨어뜨린다. 따라서 Ti와 결합하여 모두 석출될 수 있는 함량을 고려하여 0.01 중량% 이하일 수 있다. 보다 구체적으로, 0.009 중량% 이하일 수 있다.
티타늄(Ti): 0.01 내지 0.08 중량%
Ti은 C 및 N과 결합하여 석출함으로써 강도 상승에 효과적으로 이용될 수 있다. 또한 이러한 석출물은 강 중에 미세하게 분산되어 냉간압연 후 소둔 시 석출물이 전위 및 결정립의 움직임을 방해함으로써 재결정 온도를 상승시킬 수 있다. 재결정 온도의 상승은 내열성의 향상에 직접적인 영향을 미치기 때문에 본 발명에서의 재결정 온도 상승은 매우 중요하다. 가시적인 효과를 얻기 위해서는 Ti는 0.01 중량% 이상 첨가될 수 있다. 너무 적게 첨가 시 석출물 형성량이 적어 강도 상승 및 내열성 향상의 효과가 미미한 단점이 있다. 과다하게 첨가 시 Ti는 C 및 N과 결합하지 않고 고용상태로 존재하며, 고용상태로 존재하는 Ti는 강도 향상 및 재결정 온도 상승 효과를 거의 가지지 못하고 경제성을 떨어뜨리기 때문에 그 상한은 0.08 중량%일 수 있다. 보다 구체적으로, 0.01 내지 0.07 중량%일 수 있다.
니오븀(Nb): 0.01 내지 0.05 중량%
Nb은 Ti와 같은 석출강화형 원소이며 Ti에 비해 상대적으로 강도 및 재결정 온도 상승 효과가 매우 크다. Ti와 함께 복합적으로 첨가될 경우, 강이 고온으로부터 냉각됨에 따라 TiN, NbC, TiC 순으로 석출된다. 이에 따라 강도 및 재결정 온도 상승 효과가 더욱 크게 나타난다. 본 발명에서는 성분계가 주어질 시, TiN, NbC, TiC의 함량의 계산과 각 석출물의 상대적 효과를 고려하여 석출물의 형성 정도와 비례하는 석출 지수를 개발하였다. 석출 지수에 관하여는 후술한다. 석출 지수로부터 재결정 온도의 상승 및 강도 상승 효과를 얻기 위한 성분계의 적절성을 1차적으로 검증할 수 있음을 확인하였다. Nb를 너무 적게 첨가할 경우 석출물의 형성이 적어 강도 향상 및 재결정 온도 상승 효과가 미미한 단점이 있다. 반면에 Nb가 과도하게 첨가될 경우 열간압연의 부하를 과하게 증가시키기 때문에, 그 함량을 0.05 중량%로 제한할 수 있다. 보다 구체적으로, 0.01 내지 0.045 중량%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은 Si: 0.5% 이하(0%를 제외함), Al: 0.08% 이하(0%를 제외함), 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함) 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
규소(Si): 0.5 중량% 이하 (0%를 제외함)
Si은 탈탄제로 사용될 수 있는 원소이며, 고용강화에 의한 강도의 향상에 기여할 수 있다. 하지만 과다할 경우, 소둔 시 표면에 Si계 산화물이 생성되어 도금 시 결함을 유발하여 도금성을 떨어뜨릴 수 있다. 보다 구체적으로, 0.3 중량% 이하일 수 있다. 더욱 구체적으로, 0.01 내지 0.1 중량% 일 수 있다.
알루미늄(Al): 0.08 중량% 이하 (0%를 제외함)
Al은 탈산 효과가 매우 큰 원소이며, 강 중의 N와 반응하여 AlN를 석출시킴으로써 고용 N에 의한 성형성이 저하되는 것을 방지한다. 하지만 다량 첨가될 경우, 연성이 급격히 저하될 수 있다. 보다 구체적으로, 0.01 내지 0.05 중량%일 수 있다.
황(S): 0.01 중량% 이하 (0%를 제외함)
S는 고용시 적열취성을 유발하는 원소이지만 제강 공정에서 완전히 제거하는 것이 어렵기 때문에 Mn의 첨가를 통해 MnS의 석출이 유도되어야 한다. 과다한 MnS의 석출은 강을 경화시키기 때문에 바람직하지 못하다. 생산성과 물성을 고려하였을 때 구체적으로는 0.002 내지 0.009 중량% 일 수 있다.
전술한 합금 조성 이외에 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 다만, 본 발명의 일 실시예에서 다른 조성의 첨가를 배제하는 것은 아니다. 상기 불가피한 불순물은 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않게 혼입될 수 있는 것으로, 이를 배제할 수는 없다. 상기 불가피한 불순물은 통상의 철강제조 분야의 기술자라면 이해할 수 있다. 예컨대, Cr: 0.02 중량% 이하, Ni: 0.02 중량% 이하, Cu: 0.02 중량% 이하, 및 Mo: 0.01 중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 재결정립 면적 분율이 5 면적% 이하이고, 전위밀도가 1x1015/m2 이하인 미세조직을 갖는다.
재결정립 면적 분율이란, 냉연강판의 단면의 전체 면적 대비 재결정립의 면적 분율을 의미한다. 단면의 전체 면적 및 재결정립의 면적은 강판 단면의 광학 미세조직 관찰 및 EBSD(Electron backscatter diffraction) 관찰로부터 측정할 수 있다.
여기서, 재결정립(Recrystallized grain)이란, 재결정에 의해 형성된 결정립(grain)을 의미한다. 본 발명에서는 냉연강판의 소둔에 의해 재결정된 결정립을 의미한다.
소둔에 의해 재결정된 결정립을 제외한 부분은 미재결정립으로 정의할 수 있고, 결정립과 미재결정립의 구분은 형상 및 방위적 특징으로 구분할 수 있다. 미재결정립은 압연방향으로 길게 연신된 특징을 갖고 있으며 결정립 내에서 방위가 불분명한 반면, 재결정립은 상대적으로 구형에 가까운 특징이 있으며 결정립의 방위가 분명하다.
한편, 전위밀도란, 단위면적을 관통하는 전위 수를 의미한다. 전위밀도는 XRD를 통해 측정할 수 있으며, 전위밀도에 따른 Peak의 위치 및 폭의 변화로부터 정량적으로 측정할 수 있다.
후술하는 냉연강판의 소둔 온도(500℃ 내지 RS; 여기서 RS는 재결정 개시온도로서, 냉연강판 소둔 시, 재결정립 면적 분율이 5면적%인 온도를 의미한다.)에서 회복소둔하는 경우, 재결정립 면적 분율은 5면적% 이하이며, 전위밀도가 1x1015/m2 이하이다. 재결정이 과하게 진행되어 재결정립 면적 분율이 높으면, 강판의 강도가 낮아지는 단점이 있다. 또한, 재결정립 면적 분율이 5 면적% 이하이더라도, 전위밀도가 너무 크면, 강판의 강도는 높지만 연신율이 낮아 성형성이 떨어지는 단점이 있다.
재결정립 면적 분율은 보다 구체적으로, 4.7면적% 이하일 수 있다.
전위밀도는 보다 구체적으로, 9x1014/m2 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 하기 식 1로 정의되는 석출 지수가 10 이상일 수 있다.
[식 1]
석출 지수 = [Min([Ti], [N]) + 4 x Min([Nb], [C]) + 2 x Min([Ti]-[N], [C]-[Nb])] x 104
식 1에서, [Ti], [N], [Nb], [C]는 각 성분 함량의 중량%를 원자량으로 나눈 값이다. Min(A, B)는 A와 B 중 작은 값을 의미하고, Min(A, B)가 음의 값일 경우, 0을 의미한다.
구체적으로, [Ti]는 (Ti의 함량)/ 47.867, [N]은 (N의 함량)/14.007, [Nb]는 (Nb의 함량)/92.906, [C]는 (C의 함량)/12.011를 의미한다.
본 발명에서는 합금성분으로서 Nb 및 Ti를 첨가하는데, Nb 및 Ti는 강이 고온으로부터 냉각됨에 따라 TiN, NbC, TiC 순으로 석출된다. 이에 따라 강도 및 재결정 온도 상승 효과가 더욱 크게 나타난다. 본 발명에서는 성분계가 주어질 시, TiN, NbC, TiC의 함량의 계산과 각 석출물의 상대적 효과를 고려하여 석출물의 형성 정도와 비례하는 석출 지수를 개발하였다. 즉, 석출 지수는 석출물의 형성 정도와 비례할 수 있다. 석출 지수로부터 재결정 온도의 상승 및 강도 상승 효과를 얻기 위한 성분계의 적절성을 1차적으로 검증할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판은, 항복강도가 450MPa 이상일 수 있으며, 연신율이 4% 이상일 수 있다. 또한, 냉연강판의 표면에 알루미늄 또는 아연이 도금층이 형성된 도금강판일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법은 슬라브를 가열하는 단계; 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및 냉연강판을 500℃ 내지 RS의 온도에서 소둔하는 단계;를 포함한다.
이하에서는 각 단계별로 구체적으로 설명한다.
먼저 슬라브를 가열한다.
슬라브의 합금 조성에 대해서는 전술한 냉연강판에서 설명하였으므로, 중복되는 설명은 생략한다. 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판의 제조 과정에서 합금성분이 실질적으로 변동되지 않으므로, 냉연강판의 합금 조성과 슬라브의 합금 조성은 실질적으로 동일하다.
슬라브의 가열 온도는 1200℃ 이상이 될 수 있다. 강 중에 존재하는 석출물을 대부분 재고용시켜야 하기 때문에 1200℃ 이상의 온도가 필요할 수 있다. 더욱 구체적으로 슬라브 가열 온도는 1250℃ 이상이 될 수 있다.
다음으로, 슬라브를 열간 압연하여 열연강판을 제조한다.
이 때, 마무리 압연 온도는 Ar3 이상일 수 있다.
Ar3 온도는 하기 식으로 계산될 수 있다.
Ar3 온도 = 910 - (310x[C]) - (80x[Mn]) - (20x[Cu]) - (15x[Cr]) -(55x[Ni])-(80x[Mo]) - (0.35x(25.4-8))
이때, [C], [Mn], [Cu], [Cr], [Ni], [Mo]는 각 원소의 중량%이다.
이는 오스테나이트 단상영역에서 압연을 하기 위함이다.
열연강판을 제조하는 단계 이후, 열연강판을 550 내지 750℃에서 권취하는 단계를 더 포함할 수 있다. 550℃ 이상에서 권취함으로써 고용된 상태로 남아있는 N을 AlN으로 추가적으로 석출시킬 수 있기 때문에 우수한 내시효성을 확보할 수 있다. 550℃ 미만에서 권취할 경우에는 AlN으로 석출되지 않고 남아있는 고용 N에 의해 가공성이 떨어질 위험이 있다. 750℃ 이상에서 권취할 경우에는 결정립이 조대화되여 냉간압연성을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다.
열연강판을 제조하는 단계 이후, 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조한다. 이때, 압하율은 50 내지 95%일 수 있다. 상기 압하율은 냉연강판의 최종 두께를 결정하는 것으로서 압하율 50% 미만인 경우에 최종 목표 두께를 확보하기 어렵고, 95%를 초과하는 경우 압연 부하가 커서 냉간압연이 어려울 수 있다.
냉연강판을 제조하는 단계 이후, 냉연강판을 500℃ 내지 RS의 온도에서 소둔한다. 이때의 소둔은 회복소둔을 의미할 수 있다. 또한, RS는 재결정 개시 온도로서, 재결정립 면적 분율이 5면적%인 온도로 정의한다. 상기 RS는 냉간압연된 냉연강판의 소둔 온도에 따른 재결정립 분율을 측정함으로써 확인할 수 있다. 재결정 소둔 온도 이하의 온도에서 회복소둔함으로써 냉간압연 시 축적된 전위가 상당량 제거된다. 이로 인해, 연신율이 향상된다. 너무 낮은 온도에서 소둔할 경우에는 냉간압연 시 생긴 전위들이 충분히 없어지지 않아 연성이 떨어질 수 있다. 반면, RS 이상에서 소둔할 경우에는 재결정에 의해 연신율은 크게 향상되지만 강도가 급격하게 떨어질 수 있다. 보다 구체적으로, 소둔 온도는 600 내지 800 ℃일 수 있다.
또한, 500℃ 내지 RS의 온도에서의 소둔 시간은 10 내지 300 초일 수 있다. 보다 구체적으로는 20 내지 60 초일 수 있다. 소둔 시간이 너무 짧으면 전위가 제거되기 어려운 단점이 있고, 반면에 소둔 시간이 너무 길면 재결정 분율이 증가하여 연질화되는 단점이 있다.
한편, 상기 소둔 공정은 상소둔 또는 연속소둔 공정을 수 있다.
또한, 상기 소둔 후에는 2% 이하의 정정압연을 실시하여 형상을 교정할 수 있으나, 정정압연을 하지 않아도 물성의 구현을 가능하다.
이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 그러나 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실시예
하기 표 1의 조성을 갖는 강을 제조하였으며, 성분은 실적치를 표기한 것이다. 이러한 표 1의 조성을 갖는 강 슬라브를 1250℃로 재가열하여, 900℃ 이상에서 열간압연을 실시하고, 650℃에서 권취하고, 70%의 압하율로 냉간압연하였다.
강종 성분 (중량%)
C Si Mn Al P S N Nb Ti
A 0.0035 0.068 0.186 0.046 0.0044 0.0032 0.0037 0.020 0.033
B1 0.0011 0.045 0.220 0.046 0.0041 0.0056 0.0038 0.020 0.029
B2 0.0058 0.062 0.209 0.032 0.0059 0.0035 0.0029 0.017 0.027
B3 0.0090 0.065 0.185 0.030 0.0047 0.0062 0.0027 0.022 0.028
B4 0.0115 0.053 0.219 0.029 0.0054 0.0063 0.0032 0.021 0.030
C1 0.0034 0.060 0.802 0.024 0.0047 0.0066 0.0022 0.025 0.028
C2 0.0028 0.058 1.352 0.031 0.0051 0.0062 0.0033 0.021 0.032
C3 0.0031 0.064 0.051 0.036 0.0041 0.0045 0.0033 0.020 0.031
D1 0.0030 0.044 0.216 0.048 0.0155 0.0044 0.0036 0.017 0.029
D2 0.0033 0.054 0.187 0.033 0.0238 0.0066 0.0023 0.017 0.034
E1 0.0033 0.042 0.218 0.042 0.0049 0.0052 0.0080 0.023 0.033
E2 0.0026 0.062 0.212 0.034 0.0048 0.0063 0.0112 0.020 0.033
F1 0.0030 0.038 0.188 0.047 0.0055 0.0054 0.0024 0.005 0.034
F2 0.0029 0.043 0.191 0.027 0.0057 0.0070 0.0031 0.020 0.027
F3 0.0025 0.044 0.188 0.048 0.0059 0.0038 0.0033 0.040 0.028
F4 0.0031 0.052 0.199 0.035 0.0054 0.0061 0.0035 0.083 0.032
G1 0.0026 0.050 0.183 0.045 0.0042 0.0031 0.0021 0.020 0.005
G2 0.0034 0.065 0.213 0.033 0.0052 0.0069 0.0037 0.019 0.015
G3 0.0028 0.066 0.184 0.023 0.0053 0.0038 0.0038 0.021 0.068
제조된 냉연강판에 대해 하기 표 2와 같이 RS(재결정 개시 온도)를 측정하였다. 상기 재결정 개시 온도는 재결정립 면적 분율이 5면적%인 온도로 정한다. 재결정 온도를 고려하여 소둔 온도를 설정하여 소둔을 실시, 소둔 강판을 제조하였다. 강 성분이 다르기 때문에 재결정 개시 온도의 차이가 있는 것을 확인 할 수 있다.
구분 강종 RS (℃) 소둔 온도 (℃)
개발강1 A 670 665
비교강1 A 670 480
개발강2 A 670 630
비교강2 A 670 680
비교강3 A 670 700
비교강4 B1 610 605
개발강3 B2 690 685
개발강4 B3 720 715
비교강5 B4 715 710
개발강5 C1 670 665
비교강6 C2 660 655
비교강7 C3 660 665
비교강8 D1 680 675
비교강9 D2 680 675
개발강6 E1 700 695
비교강10 E2 690 685
비교강11 F1 620 615
개발강7 F2 660 655
개발강8 F3 655 650
비교강12 F4 680 675
비교강13 G1 640 635
개발강9 G2 665 660
개발강10 G3 665 660
제조된 상기 소둔 강판에 대해서 석출 지수, 재결정 면적 분율, 전위밀도, 항복강도, 연신율, 시효성, 내열성을 계산 및 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
석출 지수는 하기 식 1을 통해 계산하였다.
[식 1]
석출 지수 = [Min([Ti], [N]) + 4 x Min([Nb], [C]) + 2 x Min([Ti]-[N], [C]-[Nb])] x 104
식 1에서, [Ti], [N], [Nb], [C]는 각 성분 함량의 중량%를 원자량으로 나눈 값이다. Min(A, B)는 A와 B 중 작은 값을 의미하고, Min(A, B)가 음의 값일 경우, 0으로 계산하였다.
구체적으로, [Ti]는 (Ti의 함량)/ 47.867, [N]은 (N의 함량)/14.007, [Nb]는 (Nb의 함량)/92.906, [C]는 (C의 함량)/12.011로 계산하였다.
소둔 후 재결정립의 면적 분율은 강판 단면의 광학 미세조직 관찰 결과로부터 측정하였다. 도 1은 본 발명의 일 실시예의 광학 미세조직 관찰 결과 사진이다. 도 1에서 구상의 밝은 영역이 재결정된 부분이다. 이의 면적 분율을 구하였다.
전위밀도는 XRD(X-ray Diffraction)을 통해 측정하였으며, 측정된 Peak의 폭의 변화로부터 측정하였다.
항복강도 및 연신율은 상온 인장시험을 통해 측정하였으며, 압연 방향의 판형 시편을 인장시험하여 측정하였다.
시효에 대한 건전성을 확인하기 위해 100℃에서 1시간동안 유지하여 하항복강도가 30MPa 이하 상승시 양호, 초과 상승 시 불량으로 표시하였다.
내열성은 650℃에서 10분간 유지 후 500MPa 이상의 항복강도를 가질 경우 양호, 미만일 경우 불량으로 표시하였다.
구분 석출지수
(식1)		 재결정립 면적분율
(면적%)		 전위밀도
(X1014/m2)		 항복강도
(MPa)		 연신율
(%)		 시효성 내열성
개발강1 12.77 4.407 8.5 538.0 5.4 양호 양호
비교강1 12.77 0.000 14.2 658.0 1.8 양호 양호
개발강2 12.77 0.000 8.2 558.0 4.1 양호 양호
비교강2 12.77 10.200 2.1 400.2 11.2 양호 불량
비교강3 12.77 85.200 0.1 320.5 27.2 양호 불량
비교강4 6.38 3.390 6.6 500.6 5.2 양호 불량
개발강3 15.39 3.300 6.5 512.2 6.3 양호 양호
개발강4 19.24 4.107 5.2 531.8 5.2 양호 양호
비교강5 19.29 3.127 6.2 535.2 4.2 불량 양호
개발강5 12.61 4.563 5.5 572.2 5.2 양호 양호
비교강6 11.54 4.210 8.8 610.2 3.5 양호 양호
비교강7 11.82 4.252 6.6 540.0 4.6 양호 양호
비교강8 11.23 2.118 7.8 550.6 3.8 양호 양호
비교강9 10.80 1.525 8.5 571.1 2.7 양호 양호
개발강6 16.16 3.863 5.2 533.4 7.4 양호 양호
비교강10 15.50 4.173 8.9 507.7 5.6 불량 양호
비교강11 7.79 3.717 6.6 525.3 6.0 양호 불량
개발강7 11.35 3.158 7.1 529.0 6.9 양호 양호
개발강8 10.68 3.998 7.2 532.2 6.5 양호 양호
비교강12 12.82 4.512 5.6 680.1 3.8 양호 양호
비교강13 9.66 4.330 4.8 513.0 7.9 불량 불량
개발강9 11.81 4.079 6.6 529.7 6.7 양호 양호
개발강10 11.90 3.796 7.5 535.5 5.6 양호 양호
상기 표 3의 개발강 1 내지 10은 10 이상의 석출지수를 가지며 상기 표 2와 같이 냉연강판에 대해 500℃ 내지 RS의 온도에서 소둔 시 재결정립 면적 분율이 5% 이하이다. 재결정립 면적 분율이 낮아 항복강도가 500MPa로서 높음에도 불구하고 전위밀도가 1.0X1015/m2 이하로 낮아 연신율이 4% 이상으로서 구조재로서 강도와 가공성이 동시에 확보된다. 또한 시효성 및 내열성이 양호하여 고강도 내열 소재로서 특성을 모두 충족한다.
비교강 1은 개발강 1과 성분계가 동일하지만 소둔온도가 500℃ 미만으로서 상당히 낮게 제조하였다. 그 결과 재결정립 면적 분율이 0%로서 재결정이 전혀 일어나지 않았고 전위밀도가 14.2X1014/m2으로서 매우 높아 항복강도는 650MPa 이상으로 높지만 연신율이 2% 미만으로서 매우 낮아 가공이 어렵다.
비교강 2 내지 3 역시 성분계는 개발강 1과 같지만 소둔온도가 680℃ 이상으로서 재결정 개시 온도를 초과하여 제조되었다. 이로 인해 재결정립 면적 분율이 10% 이상으로 높고 전위 밀도가 3X1014/m2 미만으로 낮아 연신율은 10% 이상으로 높지만 항복강도가 450MPa 이하로 낮아 구조재로 사용하기에 강도가 부족하다.
비교강 4는 C의 함량이 0.0011%로서 매우 낮다. 이로 인해 탄화물로서 석출될 수 있는 C 함량이 낮아 석출지수가 6.4로 매우 낮고 재결정 개시 온도가 610℃로 낮다. 그 결과 소둔을 재결정 온도 이하에서 할 경우에 제조 직후에 항복강도나 연신율은 적정 수준이 확보되지만 650℃에서 열처리 시 재결정이 일어남으로 인해 항복강도가 크게 떨어져 내열성이 불량하다.
반면 비교강 5는 C의 함량이 높아 석출지수가 높고 재결정 개시 온도도 높아 강도, 연신율, 내열성 모두 양호하지만 석출되지 않고 남는 고용 C로 인해 시효성이 불량하다. 시효성이 불량할 경우에는 시효에 의해 연신율이 점차 감소하여 가공이 어려워지게 된다.
비교강 6은 Mn이 1% 이상으로 매우 높다. Mn의 첨가로 인해 고용강화에 의한 강도의 상승 효과가 나타나 항복강도가 600MPa 이상으로 높다. 하지만 연신율이 4% 미만으로 낮아 과도한 Mn의 첨가는 지양되어야 한다.
비교강 7은 Mn의 함량이 낮은 경우이다. 다른 물성은 만족하지만 열연 취성이 발생한다는 단점이 있었다.
비교강 8 내지 9는 P의 함량이 0.015% 이상으로 높다. P의 함량이 증가함에 따라 항복강도의 상승 효과가 나타남을 확인할 수 있다. P는 소량의 첨가로도 큰 강도 향상 효과를 얻을 수 있는 원소이지만 과다하게 첨가 시 상온 취성이 증가하여 연신율이 떨어진다. 0.015% 이상 첨가 시 연신율이 4% 미만으로 감소하는 것을 확인할 수 있어 가공성 측면에서 P의 함량은 0.01% 미만이 바람직하다.
비교강 10은 N이 0.01%를 초과하여 다량 첨가되었다. N은 고온에서 Ti와 결합하여 TiN으로 석출되지만 N이 과다할 경우 Ti가 상대적으로 부족하여 N이 고용상태로 잔존할 수 있다. 이러한 이유로 비교강 9는 시효가 발생하는 단점이 있다. TiN도 석출물로서 재결정 온도를 증가시켜 내열성을 높이는 데 기여하지만 다른 석출물에 비해 그 효과가 상대적으로 작고 TiN의 석출량 증가는 TiC의 석출량 감소를 가져오기 때문에 N의 함량은 0.01%를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
비교강 11은 Nb의 함량이 0.01% 미만으로 매우 작아 석출지수가 10 미만이다. Nb는 NbC로서 석출하여 결정립 크기를 줄이고 재결정 온도를 향상시키는 데 크게 기여하는데, 비교강 11의 경우 Nb의 양이 작아 그 효과가 미미하다. 그 결과 재결정 개시온도가 620℃로 낮다. 낮은 재결정 온도로 인해 고온 열처리 시 재결정이 일어나 내열성이 불량한 것을 확인할 수 있다.
반면에 비교강 12는 Nb 함량이 너무 많아 연신율이 3.8%로 작은 편이다. 또한, 공정시 열간압연의 부하를 과하게 증가시켰다는 것을 확인할 수 있었다.
비교강 13은 Ti의 함량이 0.01% 미만으로 작다. 앞서 기술한 바와 같이 Ti는 TiN 및 TiC로 석출하여 재결정 향상에 기여하는데 그 양이 미미할 경우 그 효과가 떨어져서 내열성이 떨어진다. 또한 N을 TiN으로서 충분히 석출시키지 못하여 N이 고용상태로 남아 시효가 발생한 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (12)

  1. 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    재결정립 면적 분율이 5 면적% 이하이고, 전위밀도가 1x1015/m2 이하인 미세조직을 가지며,
    하기 식 1로 정의되는 석출 지수가 10 이상인 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판.
    [식 1]
    석출 지수 = [Min([Ti], [N]) + 4 x Min([Nb], [C]) + 2 x Min([Ti]-[N], [C]-[Nb])] x 104
    (식 1에서, [Ti], [N], [Nb], [C]는 각 성분 함량의 중량%를 원자량으로 나눈 값이다. Min(A, B)는 A와 B 중 작은 값을 의미하고, Min(A, B)가 음의 값일 경우, 0을 의미한다.)
  2. 제1항에 있어서,
    Si: 0.5% 이하(0%를 제외함), Al: 0.08% 이하(0%를 제외함), 및 S: 0.01% 이하(0%를 제외함) 중 1종 이상을 더 포함하는 내열성 및 성형성이 우수한 냉연강판.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    항복강도가 450MPa 이상인 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판.
  5. 제1항에 있어서,
    연신율이 4% 이상인 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 냉연강판은 표면에 알루미늄 또는 아연 도금층이 형성된 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판.
  7. 중량%로, C: 0.002 내지 0.01%, Mn: 0.1 내지 1.0%, P: 0.01% 미만(0%를 제외함), N: 0.01% 이하(0%를 제외함), Nb: 0.01 내지 0.05%, 및 Ti: 0.01 내지 0.08%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 가열하는 단계;
    상기 슬라브를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연하여 냉연강판을 제조하는 단계; 및
    상기 냉연강판을 630℃ 내지 RS의 온도에서 소둔하는 단계;를 포함하는 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
    (여기서, RS는 재결정 개시 온도로서, 재결정립 면적 분율이 5면적%인 온도이다.)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 슬라브를 가열하는 단계에서,
    상기 슬라브를 1200℃ 이상 가열하는 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열연강판을 제조하는 단계에서,
    마무리 압연 온도는 Ar3 이상인 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 열연강판을 제조하는 단계 이후,
    상기 열연강판을 550 내지 750℃에서 권취하는 단계를 더 포함하는 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 냉연강판을 제조하는 단계는,
    50 내지 95% 압하율로 냉간 압연하여 냉연강판을 제조하는 것인 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 냉연강판을 제조하는 단계 이후,
    상기 냉연강판 표면에 알루미늄 또는 아연을 도금하는 단계;를 더 포함하는 내열성과 성형성이 우수한 냉연강판의 제조방법.
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