KR20140004048A - 고강도 강판 제조 방법 - Google Patents

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KR20140004048A
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이승하
도형협
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현대제철 주식회사
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Abstract

인장강도(TS) : 440MPa 이상을 가지면서도 가공경화지수(n-value) : 0.17 이상을 갖는 성형성이 우수한 하이드로포밍용 고강도 강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 40ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~950℃로 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 판재를 냉각하여, 권취 온도(Coiling Temperature : CT) : 550 ~ 650℃에서 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 강판 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF HIGH STRENGTH STEEL}
본 발명은 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 440 MPa급의 고강도를 가지면서도 0.17 이상의 가공경화지수(n-value)를 갖는 하이드로포밍(hydroforming)용 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차용 구조 부재로서 각종 단면 형상을 갖는 중공 부재가 사용되고 있다. 이러한 중공 부재는 주로 강판의 프레스 가공에 의해 성형된 부품끼리 스폿 용접(spot welding)으로 접합하여 제조하는 방법이 이용되었다.
최근, 자동차의 구조 부재용 중공 부재에는 충돌시 보다 높은 충격흡수 능력이 요구되어 더욱 고강도화된 소재가 요구되고 있다.
그러나, 종래의 프레스 성형에 의한 방법으로는 성형 결함이 없으면서 형상 및 치수 정밀도가 우수한 부재를 제조하는 것이 점점 어려워지고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 성형 방법으로써 하이드로포밍 기술이 주목받고 있다.
하이드로포밍은 강관 내부에 고압 액체를 주입하여 원하는 형상으로 성형하는 방법으로, 강관의 단면 치수를 확관 가공 등으로 변화시켜 복잡한 형상의 부재를 일체 성형할 수 있고, 강도 및 내성을 높일 수 있는 우수한 성형 방법이다.
이러한, 하이드로포밍에 적용되는 소재는 높은 성형성과 가공성을 가질 것이 요구된다.
관련 선행기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0507572호(2005.08.02)가 있다.
본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여 440 MPa급의 인장강도(TS)를 가지면서도 성형성이 우수한 하이드로포밍용 고강도 강판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어, 인장강도(TS) : 440 MPa 이상, 항복점(YP) : 260 ~ 310 MPa, 연신율(EL) : 35% 이상 및 가공경화지수(n-value) : 0.17 이상을 만족하는 하이드로포밍용 고강도 강판을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 40ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~950℃로 열간 압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간 압연된 판재를 냉각하여, 권취 온도(Coiling Temperature : CT) : 550 ~ 650℃에서 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 슬라브 판재에는 인(P) : 0.05 중량% 이하 및 황(S) : 0.01 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판은 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 40ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 인장강도 : 440 MPa 이상 및 항복점 : 260 ~ 310 MPa을 갖는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강판은 인(P) : 0.05 중량% 이하 및 황(S) : 0.01 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 강판 및 그 제조 방법은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 인장강도(TS) : 440 MPa 이상, 항복점(YP) : 260 ~ 310 MPa, 연신율(EL) : 35% 이상 및 가공경화지수(n-value) : 0.17 이상을 만족할 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 고강도 강판 및 그 제조 방법은 강도 및 연신율은 동시에 향상시키고 항복점은 낮춤으로써, 하이드로포밍을 위한 가공성의 확보로 고 성형성을 발휘할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 고강도 강판은 엔진 크래들(Engine Cradle), RR 액슬 프레임(RR Axle Frame), 트레일링 암(Trailing Arm) 등의 자동차용 부품에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고강도 강판
본 발명에 따른 고강도 강판은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 인장강도(TS) : 440 MPa 이상, 항복점(YP) : 260 ~ 310 MPa, 연신율(EL) : 35% 이상 및 가공경화지수(n-value) : 0.17 이상을 만족하는 것을 목표로 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 고강도 강판은 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 40ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
또한, 상기 강판은 인(P) : 0.05 중량% 이하 및 황(S) : 0.01 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 강판은 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함할 수 있다.
수학식 1 : 4 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 20
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
이하, 본 발명에 따른 고강도 강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소이다.
상기 탄소는 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.14 ~ 0.20 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 탄소 함량이 0.14 중량% 미만일 경우에는 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소 함량이 0.20 중량%를 초과할 경우에는 인성 저하를 야기할 수 있으며, 용접성의 저하를 가져오는 문제점이 있다.
실리콘( Si )
실리콘(Si)은 강도 확보에 기여하며, 특히, 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 실리콘은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일, 실리콘의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘의 함량이 0.30 중량%를 초과할 경우에는 용접성이 급격히 저하되며, 열간압연 시에 적 스케일(red scales)을 생성시킴으로써 표면 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
망간( Mn )
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간의 첨가는 탄소의 첨가보다도 강도 상승시 연성의 저하가 적다.
상기 망간은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.5 ~ 1.5 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 망간의 함량이 0.5 중량% 미만일 경우에는 탄소 함량이 높아도 충분한 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간의 함량이 1.5 중량%를 초과할 경우에는 MnS계 비금속개재물의 양이 증가하여 용접시 크랙 발생 등의 결함이 발생하는 문제가 있다.
한편, 본 발명에 따른 고강도 강판은 하기 수학식 1을 만족하는 범위 내로 상기 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 첨가하는 것이 더 바람직하다.
수학식 1 : 4 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 20
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
이는 용접시, Mn/Si비가 4 ~ 20사이로 일정 범위 내에 들어야 용접부 균열 발생이 현저히 감소하기 때문이다. 만일, Mn/Si 비율이 4 미만일 경우 또는 20을 초과할 경우, 고온에서 안정한 MnO, SiO2 산화물을 생성시킴으로써 용접시 훅 크랙(Hook crack)을 유발하여 용접부 품질을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
알루미늄( Al )
알루미늄(Al)은 실리콘(Si)이나 망간(Mn)에 비해 우수한 탈산능을 가짐으로써 제강공정 시 용강 중에 산소 제거에 효과적인 원소이다.
상기 알루미늄은 본 발명에 따른 강판 전체 중량의 0.01 ~ 0.06 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 만일, 알루미늄의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 충분한 탈산 효과를 발휘하기 어렵다. 반대로, 알루미늄의 함량이 0.06 중량%를 초과할 경우에는 펄라이트 변태시 시멘타이트의 구상화를 방해함으로써 제조되는 강판을 이용한 부품 제작시 절삭성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
질소(N)
질소(N)는 불가피한 불순물로서, 다량 첨가시 고용 질소가 증가하여 강판의 연신율 및 성형성이 저하되는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명에서는 질소의 함량을 강판 전체 중량의 40ppm 이하로 제한하였다.
인(P)
인(P)은 시멘타이트 형성을 억제하고, 강도를 증가시키기 위해 첨가된다.
그러나, 인은 용접성을 악화시키고, 슬라브 중심 편석(slab center segregation)에 의해 최종 재질 편차를 발생시키는 원인이 된다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 강판 전체 중량의 0.05 중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 강판의 인성 및 용접성을 저해하고, 망간과 결합하여 MnS 비금속 개재물을 형성함으로써 강판의 가공 중 크랙을 발생시키는 원소이다.
따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 강판 전체 중량의 0.01 중량% 이하로 제한하였다.
고강도 강판 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 고강도 강판 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120) 및 냉각/권취 단계(S130)를 포함한다. 이때, 슬라브 재가열 단계(S110)는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위하여 슬라브 재가열 단계(S110)를 실시하는 것이 더 바람직하다.
슬라브 재가열
슬라브 재가열 단계(S110)에서는 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 40ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 재가열한다.
이때, 상기 슬라브 판재에는 인(P) : 0.05 중량% 이하 및 황(S) : 0.01 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함될 수 있다.
한편, 상기 슬라브 판재는 하기 수학식 1을 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함할 수 있다.
수학식 1 : 4 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 20
(여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)
여기서, 상기 조성을 갖는 슬라브 판재는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다. 이때, 슬라브 재가열 단계(S110)에서는 연속주조공정을 통해 확보한 슬라브 판재를 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용한다.
이때, 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature : SRT)는 1150 ~ 1250℃에서 실시하는 것이 바람직하다. 만일, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1150℃ 미만일 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 강판의 제조 비용만 상승할 수 있다.
열간압연
열간압연 단계(S120)에서는 재가열된 슬라브 판재를 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature : FDT) : 850 ~ 950℃로 열간 압연한다.
만일, 마무리 압연 온도(FDT)가 950℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다. 반대로, 마무리 압연 온도가 850℃ 미만으로 너무 낮으면, 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
냉각/ 권취
냉각/권취 단계(S130)에서는 열간 압연된 판재를 냉각하여, 권취 온도(Coiling Temperature : CT) : 550 ~ 650℃에서 권취한다. 이때, 냉각은 열간 압연된 판재를 권취 온도까지 서냉시키는 공냉으로 실시하는 것이 적절하다.
본 발명에서 권취 온도는 상대적으로 높은 온도 영역에 해당하는 550 ~ 650℃에서 실시되는 데, 권취 온도가 높아지면 페라이트 결정립 크기가 증가하고 가공경화지수(n-value)가 증가하게 된다.
만일, 권취 온도가 650℃를 초과할 경우, 결정립 크기가 매우 커지게 되어 강도가 저하되는 문제가 생길 수 있다. 반대로, 권취 온도가 550℃ 미만일 경우에는 페라이트 결정립 크기의 감소와 더불어 페라이트 내의 탄소 고용도가 증가하게 되고, 또한 미세립의 형상도 침상(acicular) 타입으로 바뀌면서 강도는 증가하나, 이에 따라 연신율이 감소하는 문제가 있다.
상기의 과정으로 제조되는 고강도 강판은 인장강도(TS) : 440 MPa 이상 및 항복점(YP) : 260 ~ 310 MPa을 가질 수 있다. 또한, 상기 고강도 강판은 가공경화지수(n-value) : 0.17 이상 및 연신율 : 37% 이상을 가질 수 있다.
여기서, 본 발명에 따른 고강도 강판이 440 MPa 이상의 인장강도를 가지면서도 높은 연신율과 가공경화지수를 갖는 것은 합금 성분 조절과 열간 압연시 마무리 압연온도(FDT) 및 권취 온도(CT)의 설정을 통한 미세조직 제어에 의한 것이라 볼 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편을 제조하였다.
이때, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따른 시편의 경우, 각각의 조성을 갖는 잉곳을 제조하고, 이를 압연모사시험기를 이용하여 가열, 열간압연 및 냉각의 열연공정을 모사하고 권취로에 장입하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002

2. 기계적 물성 평가
표 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 3에 따라 제조된 시편들에 대한 기계적 물성에 대한 측정 결과를 나타낸 것이다.
[표 3]
표 1 내지 표 3을 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편들의 경우, 항복점(YP) : 290 ~ 295 MPa, 인장강도(TS) : 450 ~ 460 MPa, 연신율(EL) : 37 ~ 38%, 가공경화지수(n-value) : 0.18 ~ 0.19로 각각 측정되었으며, 이는 목표값을 모두 만족한다는 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편들의 경우, 모두 균일 연신율 : 21%로 각각 측정되었다.
반면, 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분 및 공정 조건은 유사하나, 질소(N)의 함량이 본 발명에서 제시하는 범위를 벗어나는 비교예 1에 따라 제조된 시편의 경우, 인장강도(TS)는 목표값을 만족하는 470 MPa로 측정되었으나, 항복점(YP), 연신율(EL), 가공경화지수(n-value) 및 균일 연신율(U-EL)이 목표값에 모두 미달하는 것을 알 수 있다.
또한, 실시예 1에 따라 제조된 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분 및 공정 조건은 유사하나, 니오븀(Nb)이 더 첨가되는 비교예 1에 따라 제조된 시편과, 실시예 1에 따라 제조되는 시편과 비교하여 대부분의 합금 성분 및 공정 조건은 유사하나, 탄소(C)의 함량이 본 발명에서 제시하는 범위를 벗어나며, 니오븀(Nb)이 더 첨가되는 비교예 2에 따라 제조된 시편의 경우, 인장강도(TS)는 목표값을 만족하는 475 MPa 및 480 MPa로 각각 측정되었으나, 항복점(YP), 연신율(EL), 가공경화지수(n-value) 및 균일 연신율(U-EL)이 목표값에 모두 미달하는 것을 알 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 고강도 강판은 440 MPa 이상의 인장강도(TS)를 가지면서도, 가공성 및 성형성이 우수하므로, 하이드로포밍이 적용되는 자동차용 부품 등의 경량화에 기여할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 슬라브 재가열 단계
S120 : 열간압연 단계
S130 : 냉각/권취 단계

Claims (1)

  1. (a) 탄소(C) : 0.14 ~ 0.20 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 0.5 ~ 1.5 중량%, 알루미늄(Al) : 0.01 ~ 0.06 중량%, 질소(N) : 0 중량% 초과 ~ 0.04 중량% 이하, 인(P) : 0 중량% 초과 ~ 0.05 중량% 이하 및 황(S) : 0 중량% 초과 ~ 0.01 중량% 이하 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진 슬라브 판재를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계;
    (b) 상기 재가열된 판재를 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 850 ~ 950℃로 열간 압연하는 단계; 및
    (c) 상기 열간 압연된 판재를 냉각하여, 권취 온도(Coiling Temperature : CT) : 550 ~ 650℃에서 권취하는 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서, 상기 슬라브 판재는 4 ≤ [Mn]/[Si] ≤ 20 (여기서, [ ]는 각 원소의 중량%)의 함량비를 만족하는 범위에서 실리콘(Si) 및 망간(Mn)을 포함하고,
    상기 (c) 단계 이후, 상기 판재는 항복점(YP) : 290 ~ 295MPa, 인장강도(TS) : 450 ~ 460MPa, 연신율(EL) : 37 ~ 38% 및 가공경화지수(n-value) : 0.18 ~ 0.19을 가지며,
    상기 (c) 단계에서, 상기 냉각은 공냉 방식으로 상기 열간 압연된 판재를 상기 권취 온도까지 냉각하는 것을 특징으로 하는 고강도 강판 제조 방법.
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