KR20010020169A - 성형성이 우수한 고강도 열연강판 - Google Patents
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Abstract
종래 강판을 상회하는 강도-연신 밸런스를 가지고, 그러면서도 우수한 연신 프랜지성을 겸하여 구비한 고강도 열연강판을 제공한다.
중량%로, C : 0.05 ~ 0.15%, Si : 0.5 ~ 2.0%, Mn : 0.5 ~ 2.0%, P : 0.05% 이하, S : 0.010% 이하, Al : 0.005 ~ 0.10% 미만 및 잔부 Fe와 불가피 불순물로 이루어지고, 마이크로 조직이 페라이트, 잔류 오스테나이트 및 베이나이트의 3상을 주체로 하며, 상기 페라이트량(F)이 60 ~ 95면적%, 상기 잔류 오스테나이트량 V()가 3 ~ 15체적%, 및 면적율로 상기 베이나이트량 V(B)가 V(B)>1.5×V(
Description
최근, 자동차 연료비용의 절약과 안전의 향상을 기한다는 점에서 자동차용 강판의 두께감소와 강도향상에 대한 요구가 끊임없이 있어 왔다. 그러나 자동차용 판소재로서의 박강판은 미리 지정된 형태로 프레스 성형되는데, 이 성형은 강도가 향상될수록 성형성이 나빠지게 되므로 성형성이 우수하면서도 고강도인 강판을 얻기 위한 여러가지 개발연구가 진행되어 왔다.
프레스 성형에는 여러가지 가공양식이 있으므로, 구하고저 하는 가공특성은 적용되는 부재에 따라 다르나, 고강도 열연강판에 요구되는 성형성의 지표로서는 연신율(El) 및 연신 프랜지성(λ)가 가장 중요하다. 연신율이 우수한 강판으로서는 근년, 예컨대 특개평7-252592호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 잔류 오스테나이트의 TRIP(Transformation Induction Plasticity), 즉 변태유기소성(變態誘起塑性)현상을 이용한 강판이 개발되어 있고, 강도-연신 밸런스(TS×E1)으로 20000N/㎟ㆍ% 이상이 얻어지고 있다.
한편, 어느 정도 이상의 연신율과 연신 프랜지성(stretch frangibility) 및 저항복비 특성을 겸한 강판으로서는 예컨대 특개소57-70257호 공보에 개시되어 있는 바와 같이, 페라이트-베이나이트-마르텐사이트의 3상으로 이루어지는, 소위 트리-페이즈(Tri-phase)강판이 개발되어 있다.
그러나, 상기 잔류 오스테나이트의 TRIP현상을 이용한 강판은, 강도-연신 밸런스는 비교적 양호하나, 연신 프랜지성에 관해서는 구멍확대율(stretch frangibility) λ는 40% 정도이고, 최종 사용자가 요구하는 레벨에는 이르지 않는다. 또한, 항복비도 비교적 높기 때문에, 형상동결성(形狀凍結性)이 떨어져서, 형상동결성이 요구되는 용도에는 적합치 않다.
형상동결성이란 가공이 구조에 따라 성형다이로부터 진행될 때 소량의 칫수변화를 가진 재료가 "만족할 만한 형상동결성 재료"라 부를 때의 칫수변화량( dimensional change)을 말한다. 다시 말해, 강판이 프레스 성형으로 제품으로 제조될 때 최종제품에 필요한 칫수정확도를 보증해주는 것이 중요하다. 이 경우, 프레싱기계로 가압되는 강판은 성형다이와 긴밀한 접촉을 가지고 성형다이에 맞춘 형상을 나타내는데, 단 잔류스트레스(residual stresses)를 풀어줌으로써 변형에 따른 형상으로 바꾸어 준다. 다시 말해, 어떤 강판이 가압다이부터 떨어져 상당한 칫수상의 변화를 일으킬 때, 그 칫수변화는 적은 것이 바람직하다. 즉, 형상동결성은 제품의 칫수정확도를 끌어내는데 필요한 척도이다. 재료강판의 항복강도는 형상동결성에 가장 중요한 효과를 가져다주며, 항복강도는 재료강판의 강도가 증가되면 따라서 증가되어, 이에 따라 형상동결성은 나빠지게 된다. 따라서, 고강도를 보증하면서도 극히 우수한 형상동결성을 가진 재료의 개발에 대한 요구가 강력히 대두되어 왔다.
상술한 바와 같이, 구멍확대율 λ는 다음 관계식으로 값이 결정된다.
λ= (D-D0) ×100/D0(%)
여기에서, D는 균열이 판두께를 관통하는 시점에서의 구멍 직경을 말하는데, 구멍 직경 D0의 초기구멍에 정각(apex angle) 60°의 원추펀치를 장입하여 구멍을 눌러 넓힌다.
또한, 트리패이즈 강판은 연신 프랜지성 및 저항복비 특성에 관해서는 잔류 오스테나이트를 함유하는 강판에 비하여 우수하나, 거꾸로 강도-연신 밸런스가 충분하다고는 할 수 없다.
한편, 잔류 오스테나이트를 함유하고, 또한 연신 프랜지성을 개선하는 수단으로서는, 예컨대 특개평5-105986호 공보 등에, 강에 Al을 0.10% 이상 첨가하는 방법이 제안되어 있으나, Al을 다량 첨가하면 게재물 기인에 따른 표면결함과 연성(延性)의 열화가 문제로 되기 때문에 회수율이 저하하고, 생산성이 떨어지는 경우가 있다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하도록 한 것으로, 본 발명은 종래의 강판에 비하여 우수한 강도- 연신 밸런스를 가지고, 또한 우수한 연신 프랜지성을 가진 고강도 열연강판을 제공하는데 목적이 있다.
발명의 개시
앞서의 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명상의 열연강판은
C : 0.05 ~ 0.15%
Si : 0.5 ~ 2.0%
Mn : 0.5 ~ 2.0%
P : 0.05% 이하
S : 0.010% 이하
Al : 0.005 ~ 0.10% 미만
의 성분과, 잔부 Fe 및 불가피 불순물로 이루어진다. 또한, 마이크로 조직이 페라이트, 잔류 오스테나이트 및 베이나이트의 3상을 주체로 하고, 상기 페라이트량 Ⅴ(F)는 60 ~ 95면적(area)%, 상기 잔류 오스테나이트량 Ⅴ()는 3 ~ 15체적(vol.)%, 상기 베이나이트량 Ⅴ(B)는 면적비율로 Ⅴ(B)>1.5×Ⅴ()이며, 베이나이트의 평균경도는 240 ~ 400 Hv이다.
본 발명상의 열간압연강판에서는, 페라이트의 평균입경(平均粒徑)이 가급적 5.0㎛ 이상의 것이 특히 선호되는데, 적절한 량의 Cr, 또는 적절한 량의 Ca 및/또는 희토류금속(REM), 또한 Nb, Ti, V, Ni, Mo, B 및 Cu로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함함으로써 물리적 성질을 향상시키는 것이 효과적이다.
본 발명상의 열연강판은 종래의 열연강판에 비하여 인장강도(TS)×연신율 (El)이 22,000N/㎟ㆍ% 이상으로 높다.
본 발명은 예컨대 자동차용 강판에 적합한 성형성이 우수한 고강도 열연강판에 관한 것이다.
제 1 도는 실시예 상의 베이나이트 면적율 V(B)/잔류 오스테나이트 체적율 V()와 구멍확대율 λ와의 관계를 나타내는 그래프이다.
제 2 도는 마무리 압연 후의 냉각패턴을 나타내는 개념도이다.
발명을 이루기 위한 최량의 형태
본 발명자들은 전술한 과제를 해결하기 위하여, 잔류 오스테나이트를 함유하는 여러가지 열연강판의 마이크로 조직을 조사한 바, 강도-연신 밸런스는 종래의 생각과 같이 잔류 오스테나이트의 체적율과 비교적 양호한 상관이 있고, 잔류 오스테나이트 체적율이 높을수록 좋아진다는 점, 그러나 연신 프랜지성은 잔류 오스테나이트 체적율이 높아도 항상 양호하다고 할 수 없다는 점이 판명되었다.
따라서, 잔류 오스테나이트 이외의 조직인자의 영향을 조사한 바, 연신 프랜지성은 특히 베이나이트에 크게 영향을 받는 것임이 밝혀졌다. 이 결과를 기초로 다시 조사를 진행하고, 잔류 오스테나이트를 함유한 상태에서, 어느 정도 이상의 량을 가진 베이나이트가 함유되고, 또한 그 베이나이트의 경도가 소정 범위 내에 있는 경우에 한하여, 강도-연신 밸런스를 열화시킴이 없이, 연신 프랜지성을 개선시킬 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 페라이트의 입경을 적정범위로 함으로써 연신 프랜지성을 더욱 향상시켜, 저항복비 특성도 부여할 수가 있음이 나타나게 되었다.
먼저, 본 발명상의 열연강판의 성분한정이유에 대해서는, 다음과 같이 설명할 수 있다. 중량%로,
C : 0.05 ~ 0.15%
C는 잔류 오스테나이트 및 베이나이트를 얻는데 필수적인 원소이며, 0.05% 미만에서는 소망하는 조직이 얻어지지 않고, 한편 0.15%를 넘어 첨가하면 성형성, 특히 연신 프랜지성이 열화하기 때문에, 하한을 0.05%, 상한을 0.15%로 한다.
Si : 0.5 ~ 2.0%
Si는 열연 후의 냉각과정에서 페라이트 변태를 촉진하여 60% 이상의 면적율을 얻는데 유효하다. 또한, 페라이트 중의 고용탄소(solid solubilized C)를 배출하고, 오스테나이트 중으로 농축하는 작용이 있기 때문에, 페라이트의 청정성을 높여 성형성을 향상시킨다. 또한, 탄화물의 생성을 억제함으로써, 오스테나이트를 잔류시키는 효과를 가지고 있다. 이들 작용을 유효히 발현시키기 위해서는 0.5% 이상의 첨가를 필요로 한다. 한편, 과도하게 첨가하면 성형성이 열화하는 외에도, 용접성 표면성상도 열화되므로, 상한을 2.0%로 한다.
Mn : 0.5 ~ 2.0%
망간(Mn)은 강도 향상 외에도, 퍼얼라이트의 생성을 억제하고, 베이나이트와 잔류 오스테나이트를 얻기 위해 유효하다. 이 효과를 유효히 발휘시키는데는 적어도 0.5% 이상 첨가할 필요가 있으나, 너무 많이 첨가하면, 연성(延性)을 저하시킬 뿐 아니라, 용접성도 해치므로, 그 상한을 2.0%로 한다.
P : 0.05% 이하
P는 과잉으로 함유하면 가공성, 인성을 열화시키기 때문에, 0.05% 이하로 규제된다.
S : 0.010% 이하
S는 가공성, 특히 연신 프랜지성의 개선을 위해, 0.010% 이하로 규제된다.
Al : 0.005 ~ 0.10% 미만
Al은 탈산을 목적으로 하여 0.005% 이상 첨가하나, 과잉으로 첨가하면 다량의 개재물이 생성되고, 표면결함과 성형성 열화의 원인이 되기 때문에, 0.10% 미만에 그쳐야 한다.
본 발명상의 고강도 열연강판은 상기 기본조성 및 잔부가 실질적으로 Fe로 이루어지며, 소정의 조직을 보다 용이하게 얻기 위해 또는 특성의 향상을 위해 상기 기본성분에 덧붙여 다음 성분이 필요하다.
Cr : 0.01 ~ 1.0%
Cr은 소정의 베이나이트를 얻기 위해 유효하다. 0.01% 이상의 첨가에 따라 소정 경도의 베이나이트를 안정적으로 얻는데 효과가 있다. 단, 1.0%를 넘게 첨가하면 마르텐사이트가 생성되기 쉬워, 연신 프랜지성이 열화하게 되므로, 상한을 1.0%로 한다.
Ca : 0.01% 이하, 희토류 원소(REM) : 0.05% 이하
Ca와 REM은 유화물의 형태제어를 통하여, 연신 프랜지성을 개선하는 효과를 가진다. 이를 위해 Ca 0.0005% 이상, REM 0.005% 이상의 첨가가 바람직스러우나, 어느 정도 첨가하면, 효과가 포화되고, 또한, 코스트가 높아지기 때문에, 상한을 Ca 0.01%, REM 0.05%로 한다.
다음 그룹으로 이루어지는 원소 중 하나 이상의 원소로 선택 구성된다.
Nb : 0.005 ~ 0.1% Ti : 0.005 ~ 0.2%
V : 0.01 ~ 0.5% Ni : 0.01 ~ 2.0%
Mo : 0.05 ~ 1.0% B : 0.0005 ~ 0.01%
Cu : 0.05 ~ 1.5%
이들 원소는 강판의 강도를 향상시키는 작용을 가진다. 각 원소의 하한치 미만에서는 관련된 작용이 과소하고, 한편 상한치를 초과하면 가공성, 특히 연신 프랜지성이 열화된다.
다음, 본 발명강판의 마이크로 조직에 대해 설명한다.
본 발명강판은 페라이트ㆍ잔류 오스테나이트 및 베이나이트의 3상을 주체로 한 것이다.
페라이트는 그 자체가 높은 연성을 가지고 있는 위에 오스테나이트에 C을 분배함으로써, 잔류 오스테나이트의 생성을 촉진하는 효과를 가지고 있고, TS ×El이 22000N/㎟ㆍ% 이상의 강도-연신 밸런스를 확보하는 데는 면적율로 60% 이상이 필요하다. 특히 충분한 연신율을 확보하면서도 22000N/㎟ㆍ% 이상의 강도-연신 밸런스를 학보하기 위한, 페라이트의 면적율은 가급적 75% 이상, 그 중에서도 특히 80% 이상이 바람직하다. 그러나, 페라이트의 면적율이 95%를 넘으면, 경질상(硬質相 : 베이나이트, 잔류 오스테나이트)가 부족하게 되고, 충분한 강도를 확보할 수 없게 된다. 이 때문에 페라이트량은 면적%로 하한치가 60%, 가급적 75%, 더욱 바람직하게는 80%가 하한치로서 바람직하고, 상한치로서는 95%, 가급적 90% 이상이 바람직하다.
또한, 형상동결성을 중시할 경우에는, 페라이트 입경을 5.0㎛보다 크게 하는 것이 바람직하다. 5㎛ 이하의 미세립이 되면 항복비가 상승하고, 형상동결성이 열화된다. 또한, 후술하는 잔류 오스테나이트, 베이나이트 조직의 기본에는, 페라이트 입경을 5㎛ 초과, 가급적 6.0㎛ 이상으로 하면, 연신 프랜지성도 더욱 향상하게 된다.
잔류 오스테나이트는 체적율(X선 해석으로 구한 점유율)로 3 ~ 15%로 할 필요가 있다. 3% 미만에서는 22000N/㎟ㆍ% 이상의 TS-El 밸런스를 확보하기가 곤란하고, 한편 15%를 넘으면 전단 가공시의 전단 단면의 경도상승이 과대하게 되며, 연신 프랜지성이 열화된다. 특히 연신 프랜지성이 요구되는 경우에는 10% 이하로 제한하는 것이 바람직하고 특히 9% 이하로 할 것이 요구된다.
베이나이트는 베이나이트 면적율을 V(B)로 하고, 잔류 오스테나이트의 체적율을 V()로 한 때에는 V(B)>1.5×V()로 함이 필요하다. V(B)1.5×V()인 경우, 연신 프랜지성이 열화된다. 그 이유는 다음과 같은 것으로 생각되고 있다.
즉, 베이나이트량이 V(B)>1.5×V()을 만족할 경우, 잔류 오스테나이트는 베이나이트와 접하고, 또는 베이나이트 중의 라스(lath) 사이에 존재하는 경향이 높아진다. 잔류 오스테나이트는 극한 변형시에는 많은 부분이 마르텐사이트로 변태하여, 연질의 페라이트와 접하고 있는 것보다 베이나이트와 접하는 쪽이 계면에서의 균열발생이 억제되고, 극한변형능(極限變形能)이 향상하기 때문이라 생각된다.
또한, 연신 프랜지성에는 베이나이트 자체의 경도도 영향을 주며, 양호한 연신 프랜지성을 확보하기 위해서는 베이나이트의 평균경도를 240 ~ 400Hv(빅카스 경도)로 할 필요가 있다. 주로 잔류 오스테나이트로 구성되어 있는 강판에서는, 잔류 오스테나이트의 존재는 연신 프랜지성을 떨어뜨리는 주요원인을 제공한다. 환언하면, 구멍확대테스트에서, 확공(hole enlargement)은 펀칭된 구멍틈을 만들어 행한다. 구멍이 펀칭으로 틈형성되면 구멍의 가장자리가 강하게 형성되기 때문에, 잔류 오스테나이트가 구멍 가장자리에서 마르텐사이트로 변태되어 경도를 크게 증가시킨다. 그렇게 되면, 마르텐사이트의 경도와 페라이트의 경도가 마트릭스 기지에서 서로 크게 다르기 때문에, 두 가지 상(phases) 사이에 있는 경계면을 따라 페라이트측에 집중적으로 비틀림이 생겨 균열로 발전하게 된다. 베이나이트가 마르텐사이트와 페라이트 사이의 경계면에서 완충기능을 부여하기 때문에, 베이나이트의 경도는 완충효과를 효과적으로 나타내기 위해 마르텐사이트 경도와 페라이트 경도의 중간값을 가지게 된다. 이 효과는 극히 유연할 경우 기대치에 이르지 못한다. 따라서, 베이나이트의 평균경도에 대한 하한치는 240Hv로 볼 수 있는데, 보다 바람직하게는 250Hv, 더욱 바람직한 경도의 하한치는 260Hv이다. 그 반면, 베이나이트의 경도가 400Hv를 초과하면, 거꾸로 베이나이트ㆍ페라이트 계면이 균열의 기점이 되어 오히려 연신 프랜지성을 열화시키게 된다. 따라서, 상한치는 400Hv로 하되, 가급적 380Hv 이상이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명강판은 페라이트ㆍ잔류 오스테나이트 및 베이나이트의 3상을 주체로 하며, 이 3상 이외의 상(퍼얼라이트와 마르텐사이트)은 극력 억제하는 것이 바람직하다. 본 발명의 특성에 영향을 미치지 않는 범위 내에서 면적율로 2% 이하이면 허용가능하다.
본 발명을 보다 구체적으로 실시예로 상세히 설명코저 한다. 단, 본 발명은 다음의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 전술한 바에서의 목적과 범위 내에서 변경은 본 발명의 기술적 범위에 포함하는 것임을 천명한다.
표 1에 나타나 있는 화학성분의 강을 진공용해로에서 용제하고, 주조하여 얻어진 슬라브를 조압연으로 30㎜ 두께로 한 후, 1150 ~ 1300℃로 가열하고, 마무리 압연온도를 780 ~ 920℃로 하여 압연을 끝내고, 3.0㎜의 강판을 얻었다. 다음 표 2 및 제 2 도의 냉각조건으로 냉각 후, 권취온도에 상당하는 온도(100 ~ 600℃)로 30분간 보지한 후 로냉하였다. 그 후 연신율 0.6% 정도의 조질압연을 실시하였다.
표 1
표2
얻어진 열연강판으로부터 조직시험편을 채취하여, 마이크로 조직을 광학현미경과 SEM으로 사진촬영 후, 화상해석으로 각 상(相)의 면적율을 구하였다. 단, 잔류 오스테나이트량에 대해서는, X선 해석에 의해 체적율을 구하였다. 또한, JIS 5호 인장시험편을 채취하고, 인장시험으로 기계적 성질을 조사하였다.
또한, 연신 프랜지성을 조사하기 위해 구멍확대시험을 행하였다. 구멍확대시험은 시료강판에 구멍직경 D0= 10mm 경을 클리어런스 12%에서 펀칭해내어 초기구멍을 연 후, 초기구멍(穴)의 버르(burr)를 다이측(펀치 반대측)으로 하여 정각(apex angle) 60°의 원추펀치(cone punch)를 초기구멍에 장입하여, 구멍을 넓히고, 균열이 판두께를 관통하는 시점에서의 구멍직경 D를 구하고, 구멍확대율 λ(%)를 다음 식으로 구하였다.
λ= (D-D0)×100/D0
이들 조사결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 마이크로 조직이 페라이트(F), 잔류 오스테나이트() 및 베이나이트(B)의 3상으로 된 것으로, 페라이트 면적율 V(F), 잔류 오스테나이트 체적율 V(), 베이나이트 평균경도 Hv(B)가 본 발명조건을 만족하는 시료 No.1 ~ 9 및 20에 대해, 구멍확대율 λ와 베이나이트 면적율 V(B)로 한 때 V(F)+V(B)+V()가 100%를 넘는 경우가 있으나, 이는 V(B)의 측정 시에 B상 중에가 생성되어 있는 것에 대해서는을 제외하는 일 없이 측정한 것이기 때문이다.
표 3
제 1 도로 부터, 마이크로 조직이 F ++ B의 3상으로 이루어지는데, V(F), V(), Hv(B)가 본 발명조건을 만족하는 것만으로는, 양호한 연신 프랜지성이 얻어지지 않으나, 베이나이트 면적율 V(B)가 1.5 ×V(F)를 넘는 량을 가지는 것으로 양호한 연신 프랜지성이 얻어지는 것을 알 수 있다. 또한, 표 3으로부터, 본 발명예에서는, 양호한 연신 프랜지성 뿐 아니라, 590N/㎟ 이상의 고강도를 가지고, TS ×El22000N/㎟ㆍ%로, 그러면서도 TS ×λ50000N/㎟ㆍ%를 달성하고, 극히 우수한 성형성을 가지고 있다. 또한, 페라이트 입경이 5㎛ 초과의 경우에는 항복비 YR도 70% 이하이고, 형상동결성도 양호하다.
발명의 효과
본 발명의 열연강판에 의해, 소정성분하에, 마이크로 조직을 페라이트, 잔류 오스테나이트 및 베이나이트의 3상을 주체로 하고, 베이나이트의 평균경도 및 각 상의 점유율을 소정량으로 한 것으로, 고강도이면서 TS ×El 값이 22000N/㎟ㆍ% 이상으로, 그러면서도 양호한 연신 프랜지성을 구비하면서 우수한 성형성을 가지게 된다.
Claims (6)
- 중량%로,C : 0.05 ~ 0.15%Si : 0.5 ~ 2.0%Mn : 0.5 ~ 2.0%P : 0.05% 이하S : 0.010% 이하Al : 0.005 ~ 0.10% 미만및 잔부 Fe와 불가피 불순물로 이루어지고, 그마이크로 조직은 페라이트, 잔류 오스테나이트, 베이나이트의 3상을 주체로 하며, 상기 페라이트량 V(F)가 60 ~ 95 면적%, 상기 잔류 오스테나이트량 V()가 3 ~ 15 체적%, 면적율로 상기 베이나이트량 V(B)가 V(B)>1.5×V()이고, 또한 베이나이트의 평균경도가 240 ~ 400Hv인 성형성이 우수한 고강도 열연강판.
- 제 1 항에 있어서, 상기 페라이트의 평균입경은 5.0㎛ 이상인 성형성이 우수한 고강도 열연강판.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 화학성분 외에 또한 Cr : 0.01 ~ 1.0%를 함유하는 성형성이 우수한 고강도 열연강판.
- 제 1 항 또는 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 성분에 또한 Ca : 0.01% 이하, REM : 0.05% 이하의 성분을 함유하는 고강도 열연강판.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 성분에 또한 Nb : 0.005 ~ 0.1%, Ti : 0.005 ~ 0.2%, V : 0.01 ~ 0.5%, Ni : 0.01 ~ 2.0%, Mo : 0.05 ~ 1.0%, B : 0.0005 ~ 0.01%, Cu : 0.05 ~ 1.5%의 1 종 또는 2 종의 성분을 함유하는 고강도 열연강판.
- 제 1 항 또는 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 인장강도(TS) ×연신율(El)의 지수는 22,000N/㎟ㆍ% 이상인 고강도 열연강판.
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