KR102585250B1 - 인장강도 2000MPa급 방탄강판 및 그의 제조방법 - Google Patents

인장강도 2000MPa급 방탄강판 및 그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인장강도가 2000MPa급이고 브리넬 경도가 600급인 방탄강판을 공개하였으며, 화학원소의 질량 백분비가: C：0.35 내지 0.45%；Si：0.80 내지 1.60%；Mn：0.3 내지 1.0%；Al：0.02 내지 0.06%；Ni：0.3 내지 1.2%；Cr：0.30 내지 1.00% ；Mo：0.20 내지 0.80%；Cu：0.20 내지 0.60%；Ti：0.01 내지 0.05%；B：0.001 내지 0.003%이며; 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물이다. 강판의 인장강도는 2000MPa급에 도달하며, 브리넬 경도는 600급에 도달한다.

Description

인장강도 2000MPa급 방탄강판 및 그의 제조방법
본 발명은 일종의 강재료 및 그의 제조방법에 관한 것이며, 특히 방탄강판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
국내외 반테러 형세가 심각해짐에 따라, 방탄성능을 가진 장갑차량의 요구가 해마다 증가되고 있다. 또한, 더 높은 방탄레벨을 요구하는 장갑 강판의 요구도 잇따라 증가되고 있다. 그외에, 일상생활에서, 일부 강판은 또한 방탄, 방사격 기능을 가진 방탄문, 방탄투구, 방탄의, 방탄방패, 또는 은행카운터, 기밀캐비닛, 방폭차, 방탄 현금운송차량, 잠수함, 상륙용 함정, 밀수단속보트, 헬기 등 장치의 방탄부품으로 제조될 것을 수요로 한다.
공개번호가 CN101270439A이고, 공개일이 2008년 9월 24일이며, 명칭이 "일종의 고강도 열간압연 방탄강판 및 그의 제조방법"의 중국특허문헌은 고강도 열간압연 방탄강판 및 그의 제조방법을 공개하였다. 상기 고강도 열간압연 방탄강판의 제조방법은 하기 단계를 포함한다. 즉, 빌릿을 1150 내지 1250℃로 가열한 후 압연시키며, 압연 변형량은 80%보다 크고, 마무리 압연온도는 830 내지 900℃이며, 최종압연 후 강판은 20℃/S이상의 냉각속도로 460 내지 560℃로 냉각시켜 권취하며, 다시 실온으로 공기냉각시킨다. 상기 제조방법을 통해 얻은 방탄강판의 성분은 C：0.15 내지 0.22%，Si：0.2 내지 0.6%，Mn：1.6 내지 2.2%；P≤0.035%， S≤0.01%，Al：0.020 내지 0.06%，N≤0.006%，Ti：0.025-0.15%，Cu＜0.3%，Nb≤0.055% 및 /또는 V≤0.15% 또는 Cr＜0.3%，Mo＜0.3%，Ni＜0.2%，Ca＜0.0050% ，B＜0.0025%중의 한가지 또는 여러가지이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 상기 방탄강판의 두께는 3mm보다 크지 않으며, 인장강도가 상대적으로 높지 않다.
공개번호가 CN102181795A이고, 공개일이 2011년 9월 14일이며, 명칭이 "일종의 초고강도 방탄강판 및 그의 제조공정"인 중국특허문헌에는 일종의 초고강도 방탄강판 및 그의 제조성형공정이 공개되었다. 상기 초고강도 방탄강판중의 각 화학원소（wt.%）는: C：0.30 내지 0.5, Si：0.40 내지 0.60, Mn：1.50 내지 1.80, P≤0.025, S≤0.01, Cr+Ni+Mo≤2.5, Nb+V+Ti+B≤0.20이며, 잔부는 Fe이다. 상기 초고강도 방탄강판은 저합금성분 설계를 취하며, 1180 내지 1250℃ 가열, 1000 내지 1150℃ 시작 압연, 850 내지 900℃마무리 압연, 900 내지 950℃ 열처리를 경과하며, 물냉각을 통한 핫스탬핑공정을 취하며, 물이 금형에 진입하는 압력은 7 내지 8bar이며, 출구의 압력은 5.5 내지 7bar이며, 물흐름 속도는 1.5 내지 3m/s이며, 각항 기능을 만족시키는 동시에 판형의 조질도가 좋고, 표면에 산화스케일이 없으며, 두께가 2.2mm인 B급 초고강도 경량화 방탄강판 및 3.7mm인 C급 초고강도 경량화 방탄강판을 얻었다. 상기 특허문헌에서 공개한 방탄강판에는 Cu원소가 함유되지 않았으며, 상기 방탄강판의 두께는 3mm이하이다.
공개번호가 CN103993235A이며, 공개일이 2014년 8월 20일이며, 명칭이 "일종의 고강도 열간압연 방탄강판의 제조방법"인 중국특허문헌에는 고강도 열간압연 방탄강판의 제조방법이 공개되었다. 상기 고강도 열간압연 방탄강판의 제조방법은 하기 단계를 포함한다. 즉, 1)성분에 따라 제련 주조하여 성분이 합격된 연속주조 빌릿을 얻으며, 상기 연속주조 빌릿을 가열로에 보내 가열한다; 2)연속 가열 후의 빌릿에 대해 열간압연을 진행한다; 3)열간 압연 후의 연속주조 빌릿을 냉각시킨다; 4)냉각 후의 연속주조 빌릿에 대해 권취하여 열간 압연판을 얻는다; 5)열간 압연판에 대해 열처리를 진행하여 방탄강판을 얻는다. 상기 제조방법을 통해 얻은 방탄강판중의 각 화학원소는 C：0.08 내지 0.12%，Si：0.7 내지 1.3%，Mn：1.30 내지 1.8%，Al：0.01 내지 0.06%，P≤0.02%，S≤0.004%，N≤0.004%，O≤0.015%，Gr：0.3 내지 1.0%，Ti+Nb≤0.2%，B：0.0015 내지 0.0025%이며, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다. 상기 특허문헌에 기재된 방탄강판의 두께는 3mm를 초과하지 않으며, 동시에 상기 방탄강판의 담금질+소둔 처리후의 브리넬 경도가 500급정도에 불과하다.
본 발명의 목적은 일종의 인장강도가 2000MPa급 및 브리넬 경도가 600급인 비교적 높은 인장강도 및 브리넬 경도를 가진 방탄강판을 제공하는 것이다. 또한, 상기 방탄강판은 양호한 대기부식 내성을 구비하고 있다.
상기 목적을 실현하기 위하여, 본 발명은 인장강도가 2000MPa급 및 브리넬 경도가 600급인 방탄강판을 제안하였으며, 화학원소 질량백분비는 하기와 같다:
C：0.35 내지 0.45%；
Si：0.80 내지 1.60%；
Mn：0.3 내지 1.0%；
Al：0.02 내지 0.06%；
Ni：0.3 내지 1.2%；
Cr：0.30 내지 1.00%；
Mo：0.20 내지 0.80%；
Cu：0.20 내지 0.60%；
Ti：0.01 내지 0.05%；
B：0.001 내지 0.003%；
잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다.
본 발명의 상기 인장강도가 2000MPa급 및 브리넬 경도가 600급인 방탄강판 중의 각 화학원소의 설계원리는 하기와 같다.
탄소: C는 강중에서 고용강화작용을 일으키며, 강의 강도를 높이는데 있어서 최대 공헌을 하며, 또한 C 역시 원가가 제일 낮은 강화원소이다. 일정한 경도 레벨에 도달하기 위해, 강은 비교적 높은 함량의 C를 함유해야 한다. 그러나, C함량이 너무 높으면, 강판의 용접성 및 인성에 대해 모두 불리하다. 강판의 강도 인성의 매칭성을 고려하여, 본 발명의 상기 방판강판 중의 C함량은 0.35 내지 0.45%로 제어해야 한다.
규소: Si는 탈산화원소이다. 또한 Si는 페라이트에 용해되어, 고용강화 작용을 일으키며, 진일보 현저하게 강판의 강도와 경도를 제고시킨다. Si가 일으키는 고용강화 작용은 탄소, 질소, 인 버금으로 가며, 기타 합금원소를 초과한다. Si의 고용강화 작용을 충분히 이용하기 위해, 일반적으로 Si 함량은 0.6%이상이다. 본 발명의 방탄강판에 있어서, Si함량을 0.8 내지 1.60%의 범위내에 제어시켜 고용강화 작용을 일으키게 한다.
망간: Mn은 임계 냉각속도를 저하시키며, 담금질성을 대폭 제고시킨다. 동시에, Mn은 강판에 대해 고용강화 작용을 갖고 있다. Mn함량이 너무 높으면, 마르텐사이트의 변태온도가 너무 낮아져, 실온 잔류 오스테나이트의 증가를 초래하여, 강판의 강도의 증가에 불리하다. 또한, 주조 빌릿 중심의 편석부위에 조대한 MnS이 생성되어 판두께 중심의 인성이 저하되게 한다. 본 발명의 기술방안에 따라, 상기 방탄강판 중의 Mn함량을 0.30 내지 1.00%로 설정해야 한다.
알루미늄: Al도 탈산소원소이다. Al은 질소와 함께 미세한 난용성 AlN과립을 형성할 수 있으며, 강판의 미세 조직을 미세화시킨다. 또한, Al원소는 BN의 생성을 억제할 수도 있으며, B를 고용상태로 존재하게 하며, 이로써 강판의 담금질성을 확보한다. Al원소의 함량이 너무 높을 경우, 강중에 조대한 산화알루미늄 불순물이 생성한다. 이에 따라, 본 발명의 상기 방탄강판중의 Al함량은 0.02 내지 0.06%여야 한다.
닛켈: Ni은 강중에서 기질 상 페라이트와 오스테나이트에만 용해되며, 탄화물을 형성하지 않는다. Ni의 오스테나이트의 안정화 작용은 매우 강하며, 강판의 고 인성을 확보하는 주요 원소이기도 하다. Ni원소가 본 발명의 방탄강판중에서 일으키는 작용 및 합금원소의 첨가 원가 요소를 종합적으로 고려해 보면, Ni의 함량은 0.3 내지 1.2%의 범위사이로 설정해야 한다.
크롬: Cr은 오스테나이트 상 영역을 축소시키는 원소일뿐만 아니라 페라이트에 용해될 수 있다. Cr은 오스테나이트의 안정성을 제고시킬 수 있으며, C곡선을 오른쪽으로 이동시키며, 이로써 임계 냉각속도를 저하시켜, 강의 담금질성을 제고시킨다. 본 발명의 상기 방탄강판에 있어서, Cr함량을 0.30 내지 1.00%로 제어해야 한다.
몰리브덴: Mo은 강중에서 고용체 상중에 존재하기에, 몰리브덴 원소를 첨가하면 강판이 고용강화 작용을 갖게 되어, 강의 경도와 강도를 높이는 작용을 한다. 본 발명의 방탄 강판중의 Mo 원소 함량을 0.20 내지 0.80%로 설정한다.
동: Cu은 강중에서 주로 고용태 형식으로 존재하며, 고용강화 작용을 일으킨다. 동시에, 본 발명의 방탄강판에 0.20 내지 0.60%의 Cu을 첨가하면, 강판의 대기부식성 내성을 현저히 제고시킬 수 있다.
티타늄: Ti은 강중의 C, N과 작용하여 탄화티탄, 질화티탄 또는 탄질화티탄을 형성하며, 빌릿의 가열 압연단계에서 오스테나이트의 결정립을 미세화시키는 작용을 하여, 강판의 강도와 인성을 제고시킨다. 그러나, 과도한 Ti은 비교적 많은 조대한 질화티타늄을 형성하여, 강판의 강도와 인성에 모두 불리한 영향을 끼치게 된다. 따라서, 본 발명의 방탄강판중의 Ti함량을 0.01 내지 0.05%로 제어해야 한다.
붕소: 비교적 적은 양의 B를 첨가하여, 강의 담금질성을 현저하게 제고시키며, 비교적 쉽게 마르텐사이트 조직을 얻게 된다. 본 발명의 방탄강판에 있어서, B원소를 너무 많이 첨가하면 안되며, 그 원인은 B와 결정입계 사이에 비교적 강한 결합력이 있어, 쉽게 결정입계에 편석누적되어 강판의 성능에 영향주기 때문이다. 따라서, 본 발명의 방탄강판에 있어서, 0.001 내지 0.003%의 B를 첨가하면, 강판의 담금질성을 제고시킬 뿐만 아니라 상응한 마르텐사이트의 미세 조직을 얻을 수 있다.
진일보, 본 발명의 상기 방탄강판의 미세 조직은 템퍼링된 마르텐사이트+극소량의 잔류 오스테나이트이다. 템퍼링된 마르텐사이트는 과포화도가 좀 낮은 마르텐사이트와 극미세한 ε-탄화물로 조성된다.
더 진일보, 본 발명의 상기 방탄강판에 있어서, 상기 잔류 오스테나이트의 조직의 비율은 1부피%미만이다.
진일보, 본 발명의 상기 방탄강판에 있어서, 불가피한 불순물 중의 P≤0.010%이며, S≤0.005%이다. 본 발명의 기술방안에 있어서, 불가피한 불순물은 주로 S와 P이다.
진일보, 본 발명의 방탄 강판의 두께는 6 내지 22mm이다.
본 발명의 다른 한 목적은 일종의 방탄강판의 제조방법을 제공하는 것이다. 상기 제조방법을 통해 얻은 방탄강판은 비교적 높은 인장강도와 비교적 큰 브리넬 경도를 가지고 있으며, 인장강도는 2000MPa급에 달하며, 브리넬 경도는 600급에 도달한다. 또한, 상기 제조방법으로 얻은 방탄강판은 우수한 대기부식 내성을 가지고 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 공개된 방탄강판의 제조방법에 있어서, 순서대로, （1）제련 및 주조; （2）가열; （3）압연; （4）냉각;（5）담금질;（6）저온템퍼링 단계를 포함한다.
진일보, 상기 방탄강판의 제조방법의 단계(2)에 있어서, 가열온도는 1130 내지 1250℃이며, 가열시간은 120 내지 180분이다.
더 진일보, 상기 방탄강판의 제조방법의 단계(3)에 있어서, 압연 마무리 온도를 950 내지 1050℃로 제어하여, 압연단계의 변형항력을 저하시킨다.
진일보, 상기 방탄강판의 제조방법의 단계(4)에 있어서, 냉각방식은 공기냉각이다.
진일보, 상기 방탄강판의 제조방법의 단계(5)에 있어서, 담금질온도는 880 내지 930℃이며, 보온시간은 판두께Х（2 내지 3）min/mm이며, 이로써 강판이 오스테나이트 영역에 진입하도록 확보한다.
더 진일보, 상기 방탄강판의 제조방법의 단계(6)에 있어서, 템퍼링온도는 180 내지 220℃이고, 보온시간은 판두께Х（3 내지 5）min/mm이며, 이로써 응력의 작용을 제거하는 목적에 도달한다.
합금원소를 합리적인 설계에 따라 첨가하여, 본 발명의 상기 방탄강판은 인장강도가 높아 2000 MPa급에 도달한다. 동시에, 상기 방탄강판의 브리넬 경도가 커서, 600급에 도달한다.
또한, 본 발명의 상기 방탄강판은 대기부식 내성을 갖고 있다.
또한, 현존기술의 두께가 3mm를 초과하지 않는 방탄강판에 비해, 본 발명의 상기 방탄강판의 두께는 6 내지 22mm에 도달하며, 이로써, 상기 강판의 방탄, 방투과 능력이 더 좋다.
본 발명의 방탄강판의 방탄성능은 유럽연맹 기준EN.1063중의 FB5급 기준 요구를 만족시킨다.
본 발명의 상기 방탄강판의 제조방법을 통해 인장강도가 높고 브리넬 경도가 큰 방탄강판을 얻을 수 있다.
도1은 실시예4의 방탄강판이 광학현미경하에서 500배의 금속 조직을 나타낸다.
도2는 실시예4의 방탄강판이 주사전자현미경하에서 5000배 금속 조직을 나타낸다.
하기 도면설명 및 구체적인 실시예를 결부하여 본 발명의 상기 방탄강판 및 그의 제조방법을 진일보 해석하고 설명한다. 그러나 상기 해석과 설명은 본 발명의 기술방안을 부당하게 한정하지 않는다.
실시예1 내지 6
표1은 실시예1 내지 6의 방탄강판중의 각 화학원소의 질량백분비를 열거하였다.
（wt.%，잔부는 Fe 및 불가피한 불순물이다）
번호 C Si Mn Al Ni Cr Mo Cu Ti B 판두께（mm）
1 0.36 1.55 0.41 0.034 0.40 0.39 0.30 0.40 0.023 0.0015 6
2 0.38 0.95 0.64 0.047 0.55 0.94 0.55 0.26 0.034 0.0022 8
3 0.40 1.36 0.80 0.038 0.46 0.46 0.28 0.55 0.034 0.0026 10
4 0.42 1.45 0.95 0.042 0.33 0.76 0.34 0.48 0.015 0.0016 15
5 0.42 0.85 0.50 0.045 0.97 0.95 0.67 0.39 0.045 0.0019 18
6 0.44 1.50 0.65 0.040 1.17 0.70 0.75 0.25 0.028 0.0020 22
상기 실시예1 내지 6중의 방탄강판은 순서대로 아래 단계를 통해 얻는다.
(1)제련과 주조;
(2)가열: 가열온도는 1130 내지 1250℃이며, 가열시간은 120 내지 180분이다;
(3)압연: 압연 마무리온도는 950 내지 1050℃이다;
(4)냉각: 냉각방식은 공기냉각이다;
(5)담금질: 담금질온도는 880 내지 930℃이며, 보온시간은 판두께Х（2 내지 3）min/mm이다;
(6)저온 템퍼링: 템퍼링 온도는 180 내지 220℃이며, 보온시간은 판두께Х（3 내지 5）min/mm이다.
표2는 실시예1 내지 6중의 방탄강판의 제조방법의 구체적인 공정 파라미터를 열거하였다.
번호 단계（2） 단계（3） 단계（5） 단계（6）
가열온도（℃） 가열시간（min） 압연 마무리온도（℃） 담금질 온도（℃） 보온시간*（min） 담금질 온도（℃） 보온시간*（min）
1 1250 120 980 900 12 200 20
2 1250 180 1000 890 18 190 30
3 1200 120 1010 880 30 180 40
4 1200 150 980 920 30 210 60
5 1180 180 980 930 40 220 70
6 1130 120 975 900 50 210 80
주:단계(5)중의 보온시간은 판두께Х（2 내지 3）min/mm이며, 단계（6）에서 보온시간은 판두께Х（3 내지 5）min/mm이다.
실시예1 내지 6의 방탄강판을 샘플링한 후, 샘플에 대해 유럽연맹 기준EN.1063중의 FB5급 요구에 따라 강판사격테스트를 진행하였으며, 테스트조건과 테스트결과는 모두 표3에 열거하였다.
표3은 실시예1 내지 6의 방탄강판의 사격테스트 후의 결과이다.
번호 사격거리/m 사격속도/m/s 결과
1 10 982/984/981 미투과
2 10 983/984/981 미투과
3 10 983/982/981 미투과
4 10 985/983/984 미투과
5 10 980/982/981 미투과
6 10 983/985/984 미투과
표3으로부터, 실시예1 내지 6의 방탄강판은 사격테스트중에서 모두 투과되지 않았음을 알수 있으며, 상기 실시예중에서 방탄강판은 모두 유럽연맹 기준EN.1063중의 FB5급의 요구에 부합된다.
실시예1 내지 6의 방탄강판을 샘플링한 후, 샘플에 대해 인장강도 및 브리넬 경도를 테스트하였으며, 테스트결과는 모두 표4에 열거되었다.
표4는 실시예1 내지 6의 방탄강판의 인장강도 및 브리넬 경도를 열거하였다.
번호 브리넬경도（MPa） 인장강도（MPa）
1 590 2030
2 587 2020
3 594 2120
4 600 2140
5 592 2038
6 598 2136
표4로부터, 실시예1 내지 6의 방탄강판의 브리넬 경도가 모두 600급에 도달하며, 인장강도가 2000MPa이상에 도달함을 알수 있다.
도1과 도2는 각각 실시예4의 광학 현미경하에서 500배 및 주사전자현미경하에서 5000배 금속 조직을 나타내며, 도1과 도2에서 그들의 미세 조직이 주로 템퍼링 마르텐사이트이며, 잔류 오스테나이트의 함량이 아주 낮음을 알수 있다.
따라서, 본 발명의 기술방안은 합금원소설계+합리적인 제조공정을 통해, 인장강도와 브리넬 경도가 아주 높은 방탄강판을 얻었다.
주의해야 할 점은, 상기 열거한 것은 본 발명의 구체적인 실시예에 불과하며, 본 발명은 상기 실시예에만 국한되지 않으며, 따라서 많은 유사한 변화가 있다. 당업자들은 본 발명에서 공개한 내용으로부터 모든 변형을 직접 유출하거나 연상할 수 있으며, 모두 본 발명의 보호범위에 속한다.

Claims (12)

  1. 방탄강판으로서,
    화학원소가 질량 백분비로 다음으로 이루어지며: C：0.35 내지 0.45%；Si：0.80 내지 1.60%；Mn：0.3 내지 1.0%；Al：0.02 내지 0.06%；Ni：0.3 내지 1.2%；Cr：0.30 내지 1.00% ；Mo：0.20 내지 0.80%；Cu：0.20 내지 0.60%；Ti：0.01 내지 0.05%；B：0.001 내지 0.003%; 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물;
    인장강도가 2000MPa 이상이고 브리넬 경도가 587MPa 이상이며;
    미세 조직은 템퍼링 마르텐사이트+잔류 오스테나이트로 이루어지며, 상기 잔류 오스테나이트의 조직 비율은 1부피% 미만인 것을 특징으로 하는, 방탄강판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 불가피한 불순물중에서 P≤0.010%，S≤0.005%인 것을 특징으로 하는, 방탄강판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    두께는 6 내지 22mm인 것을 특징으로 하는, 방탄강판.
  6. 청구항 1에 있어서,
    미세 조직은 템퍼링 마르텐사이트+ 잔류 오스테나이트이며, 그중 잔류 오스테나이트 조직의 비율은 1부피% 미만이고, 상기 방탄강판의 두께는 6 내지 22mm인 것을 특징으로 하는, 방탄강판.
  7. 순서대로:
    （1）제련 및 주조 단계;
    （2）가열 단계로서, 가열온도는 1130 내지 1250℃이며, 가열시간은 120 내지 180분인, 가열 단계;
    （3）압연 단계로서, 압연 마무리 온도를 950 내지 1050℃로 제어하는, 압연 단계;
    （4）냉각 단계로서, 냉각방식이 공기냉각인, 냉각 단계;
    （5）담금질 단계로서, 담금질 온도는 880 내지 930℃이며, 보온시간은 판두께Х（2 내지 3）min/mm인, 담금질 단계;
    （6）저온템퍼링 단계로서, 템퍼링 온도는 180 내지 220℃이며, 보온시간은 판두께Х（3 내지 5）min/mm인, 저온템퍼링 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 청구항 1 및 4-6 중의 임의의 항의 방탄강판의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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