KR20140048350A

KR20140048350A - 공구로 열간 성형 이후 석출 및/또는 담금질을 통해 경화된 초고강도 및 연성을 갖는 압연 강 및 이를 제조하는 방법

Info

Publication number: KR20140048350A
Application number: KR1020147009034A
Authority: KR
Inventors: 올리비에 부아지즈; 다비 바르비에; 코랄리 쥔
Original assignee: 아르셀러미탈 인베스티가시온 와이 데살롤로 에스엘
Priority date: 2011-09-06
Filing date: 2011-09-06
Publication date: 2014-04-23
Also published as: BR112014005153B1; BR112014005153A2; ES2558110T3; US20150147589A1; EP2753723A1; MA35421B1; EP2753723B1; PL2753723T3; WO2013034815A1; MX359260B; CA2847809C; CA2847809A1; US9689050B2; UA109963C2; JP2014529688A; HUE027449T2; RU2578280C2; KR101485306B1; JP5897713B2; MX2014002694A

Abstract

본 발명은 압연 강 시트 또는 블랭크에 관한 것으로, 화학적 조성이 wt%로 C ≤ 0.1%, 0.5% ≤ Mn ≤ 7%, 0.5% ≤ Si ≤ 3.5%, 0.5% ≤ Ti ≤ 2%, 2% ≤ Ni ≤ 7%, Al ≤ 0.10%, Cr ≤ 2%, Cu ≤ 2%, Co ≤ 2%, Mo ≤ 2%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.03%, Nb ≤ 0.1%, V ≤ 0.1%, B < 0.005%, N ≤ 0.008% 이고, Si + Ti ≥ 2.5% 및

이며, 잔부는 Fe 및 프로세싱으로 인한 불가피한 불순물이다. 또한, 본 발명은 열간 스탬핑으로 상기 시트 또는 블랭크로부터 육상 자동차용 부품의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 부품은 마텐자이트와 1 ~ 5 % 면적 백분율을 갖는 Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 본질적으로 포함한다.

Description

공구로 열간 성형 이후 석출 및/또는 담금질을 통해 경화된 초고강도 및 연성을 갖는 압연 강 및 이를 제조하는 방법{ROLLED STEEL THAT HARDENS BY MEANS OF PRECIPITATION AFTER HOT-FORMING AND/OR QUENCHING WITH A TOOL HAVING VERY HIGH STRENGTH AND DUCTILITY, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}

본 발명은, 특히, 공구에서 열간 스탬핑(stamping) 및/또는 담금질 그리고 후속하는 열경화 처리 이후의 고강도 및 고성형성의 기계적 특성을 갖는 압연 강의 제조에 관한 것이다.

이러한 강재를 제조하는 것은 온실 가스 배출의 감소, 자동차 안전 규정의 엄격화 및 연료 가격에 대한 요구에서 기인한다. 이러한 세 가지의 제한으로 인하여, 자동차 개발자 및 제조자는 자동차 구조의 기계적 강도를 보존하고 향상시키면서도, 부품의 두께를 줄이고, 차량의 무게를 줄이기 위해 차체에 더 높은 기계적 강도를 갖는 강을 사용하여야 한다. 센터 필러(center pillar), 범퍼 크로스바(bumper crossbar), 침입 방지(anti-intrusion) 부품 및 다른 안전 부품들이 그 주요 기능을 수행하기 위한 높은 기계적 강도와 부품 형성을 위한 충분한 성형성을 요구하는 부품의 예이다.

높은 수준의 기계적 강도를 갖는 강의 성형은 최종 부품의 요구되는 기능적인 거동에 따라, 공지의 공정인 모상 오스테나이트의 생성, 상기 오스테나이트를 베이나이트 및/또는 마텐자이트로의 변태, 선택적으로 여러가지 고온 또는 열기계적 처리를 통해 상기 베이나이트 및/또는 마텐자이트의 기계적 특성, 특히, 경도를 조절하는 것이 요구된다.

특히, 마텐자이트의 기계적 거동은 탄소 함유량과 관계된다. 마텐자이트의 탄소 함유량이 커질수록, 마텐자이트는 더 단단해진다.

"Materials Science and Engineering"(G. Krauss 저, 1999년) A273-275의 40 내지 57페이지의 "Martensite in steel:Strength and structure" 문헌에는 탄소 함유량과 마텐자이트 경도와의 관계가 기재되어 있고, 이 관계는 탄소 함유량 (wt%) 의 제곱근에 대하여 준선형 (quasi-linear) 관계이다. 1500 ㎫ 을 훨씬 초과하는 기계적 강도는 탄소 함유량의 증가와 고용체의 경도를 향상시키는 다른 물질 또는 경화 첨가물의 조합으로 얻어낼 수 있다. 그러나, 이러한 고강도를 갖는 재료들이 구조 부품을 형성하는 경우 연성이 제한되며, 따라서, 현재 알려진 최적의 조합은 부품의 성형 후에 열간에서 행해질 수 있는 성형 공정을 통해 고강도 수준을 얻는 것이다. 성형 전에 저강도를 갖고, 따라서, 성형하는데 유용하도록 향상된 연성을 갖는 것이 매우 유리하다.

전술한 시도는 우수한 열처리 특성을 갖는 초고강도 강 시트와 관련하는 국제특허출원 WO2009145563호에 기재되어 있으며, 이러한 시트는 wt%로 C:0.2∼0.5%, Si:0.01∼1.5%, Mn:0.5∼2.0%, P:0초과 0.1%미만, S:0초과 0.03%미만, 용융 Al:0초과 0.1%미만, N:0.01∼0.1%, Cr:0.1∼2.0% 및 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 이러한 강 시트는 열간 성형 전에 800 ㎫ 이하의 인장 강도를 갖는다. 이러한 시트는 열간 성형되고 급랭되어, 1800 ㎫ 이상의 인장 강도를 갖게 된다.

그러나, 이 문헌에 기재된 탄소의 수준(0.2∼0.5%)은 자동차의 차체(body-in-white)의 스팟 용접 측면, 즉, 구조 조립에서 문제점이 있는 것이 알려져 있다.

또한, 국제특허출원 WO200136699호는 석출 경화 마텐자이트 스테인리스강제품의 조성 및 제작과 관련이 있고, 이러한 조성은 wt%로 Cr:0.5% 이상, Mo:0.5% 이상, Cr+Ni+Fe:50% 초과를 포함하고 있다. 얻어진 미세조직은 50% 이상의 마텐자이트를 함유하고, 그 후, 결정질에 가까운 입자를 석출하기 위해 425∼525℃의 시효처리 (aging) 를 실시하게 된다. 이러한 재료는 내침식성, 고강도 및 양호한 인성 요구를 만족한다. dl 발명의 실시예는 1820 ㎫ 의 탄성 한계와 6.7%의 총연신율을 갖는 강에 관한 것이다. 만일, 얻어진 재료가 1800 ㎫ 범위의 기계적 강도를 갖는 고강도의 재료라면, 강도가 높으면 연성이 낮은 것은 당연하고, 성형성이 요구되는 부품에 대한 조치의 여지가 거의 없기 때문에, 이러한 고강도 시트로 복잡한 부품을 성형할 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 경화 열처리 이후 열간 스탬핑되는 부품이 고강도와 고연성을 갖도록 하여, 산업 조건하에서 용이하게 용접될 수 있는 유용한 강을 제조하여 이러한 문제점을 해결하는 것이다. 이를 달성하기 위해, 본 발명은 열간 스탬핑과 석출 열처리 이후에 1300 ㎫ 이상의 탄성 한계와 4 % 이상의 파단 연신율을 갖는 유용한 압연강을 제조하는 것을 목표로 한다. 또한, 본 발명은 이러한 특성들을 얻기 위해, 고가의 합금 성분을 과량으로 첨가할 필요성을 제거하는 것을 목표로 한다.

본 발명에 있어서, "블랭크(blank)"는 시트를 절단한 조각을 의미하고, "부품"은 시트 또는 블랭크를 스탬핑한 결과물을 의미한다.

본 발명의 목적은, 화학적 조성이, wt%로, C ≤ 0.1%, 0.5% ≤ Mn ≤ 7%, 0.5% ≤ Si ≤ 3.5%, 0.5% ≤ Ti ≤ 2%, 2% ≤ Ni ≤ 7%, Al ≤ 0.10%, Cr ≤ 2%, Cu ≤ 2%, Co ≤ 2%, Mo ≤ 2%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.03%, Nb ≤ 0.1%, V ≤ 0.1%, B < 0.005%, N ≤ 0.008% 를 포함하고, Si + Ti ≥ 2.5%,

이며, 상기 조성의 잔부는 Fe 및 프로세싱으로 인한 불가피한 불순물인 압연 강 시트 또는 블랭크이다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 상기 시트 또는 블랭크의 화학적 조성은, wt%로, C ≤ 0.050%, 3% ≤ Mn ≤ 5%, 1.0% ≤ Si ≤ 3.0%, 0.5% ≤ Ti ≤ 1.5%, 2.5% ≤ Ni ≤ 3.5%, Al ≤ 0.10%, Cr ≤ 1%, Cu ≤ 0.05%, Co ≤ 1%, Mo ≤ 2%, S ≤ 0.005%, P ≤ 0.03%, Nb ≤ 0.1%, V ≤ 0.1%, B < 0.005%, N ≤ 0.008% 이고, Si + Ti ≥ 2.5%,

이며, 상기 조성의 잔부는 Fe 및 프로세싱으로 인한 불가피한 불순물이다.

본 발명의 다른 목적은, 시트 또는 블랭크로 제조된 부품으로서, 상기 시트 또는 블랭크의 미세조직이 적어도 95%의 마텐자이트 및 Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 포함하는, 시트 또는 블랭크로 제조된 부품이다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 금속간 석출물의 면적 백분율은 1 ~ 5 % 이다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 금속간 석출물의 평균 반경이 1 ~ 10 ㎚ 이다.

바람직한 일 실시형태에 있어서, 강 부품의 탄성 한계가 1300 ㎫ 이상이고, 강 부품의 파단 연신율이 4 % 이상이다.

바람직한 일 실시형태에 있어서, 강 부품은 아연, 아연 합금 또는 아연계 합금을 함유하는 코팅을 포함한다.

본 발명의 일 변경예에 있어서, 강 부품은 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 알루미늄계 합금을 함유하는 코팅을 포함한다.

본 발명의 다른 목적은 전술한 화학적 조성을 갖고, Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 표면 백분율로 1 % 미만 포함하는 미세조직을 갖는 압연 강 시트를 준비되어, 선택적으로 용접될 수 있는 블랭크를 얻기 위해 상기 시트는 절단된다. 상기 블랭크는 전체 오스테나이트 조직을 형성하기 위해 노 (furnace) 에서 시간 t_γ 동안 온도T_γ 가 된다. 선택적으로, 상기 블랭크는 제거될 수 있으며, 온도 Ms 초과의 온도에서 열간 스탬핑될 수 있다. 오스테나이트 모상 조직으로부터 필수 마텐자이트 조직을 얻기 위해 속도 V_ref1 로 공랭되거나 공구 내에서 담금질되며, 스탬핑 단계 이후의 냉각은 온도 Ms 미만이 될 것이다. "필수 마텐자이트" 조직은 적어도 95 %의 마텐자이트를 포함하는 조직을 의미한다. 최종적으로, Fe₂TiSi 유형의 금속간물질을 표면 백분율로 1 % ~ 5 % 석출시키기 위한 열처리는 부품을 경화시키고 본 발명의 기술 범위 내에서 요구되는 기계적 특성을 발현하도록 시간 t_OA 동안 온도 T_OA 에서 수행된다.

본 발명의 다른 목적은 연속적인 단계를 포함하는 강 부품의 제조 방법으로서, 압연 강 시트는 전술한 조성을 갖고, Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 표면 백분율로 적어도 1 % 포함하는 미세조직을 갖는 압연 강 시트를 준비한 후, 상기 시트는 선택적으로 용접될 수 있는 블랭크를 얻기 위해 절단된다. 상기 블랭크는 냉간 스탬핑되어, 부품 또는 요구되는 최종 부품의 프리폼이 얻어진다. 선택적으로 제거되어 최종 형상을 이루도록 열간 스탬핑되기 전에, 상기 부품 또는 프리폼은 전체 오스테나이트 조직을 형성하도록 노에서 시간 t_γ 동안 특정 온도 T_γ 에서 속도 V_C1 로 재가열된다. 오스테나이트 모상 조직으로부터 필수 마텐자이트 조직을 얻도록 상기 부품은 V_ref1 냉각 속도로 공랭되거나 공구 내에서 담금질되며, 상기 스탬핑 단계 이후의 냉각은 Ms 온도 미만이 될 것이다. 최종적으로, Fe₂TiSi 유형의 금속간물질을 1 % ~ 5 % 표면 백분율로 석출시키기 위한 열처리는, 상기 부품을 경화시키도록 그리고 본 발명의 기술 범위 내에서 요구되는 기계적 특성을 발현하도록 t_OA 시간 동안 T_OA 온도에서 수행된다.

바람직한 일 실시형태에 있어서, 온도 T_γ 는 700 ~ 1200 ℃ 이고, 특히, 바람직하게 880 ~ 980 ℃ 이다.

유지 시간 t_γ 은 바람직하게는 60 ~ 360 초이다.

열간 스탬핑 단계 이후, 온도 T_γ 와 마텐자이트 변태 온도 Ms 사이의 냉각 속도 (V_ref1) 는 바람직하게는 10 ℃/s ~ 70 ℃/s 이다.

특정한 일 실시형태에 있어서, 금속간물질을 석출시키는 상기 열처리는 상기 부품을 시간 t_OA 동안 유지 온도 T_OA 로 특정 속도 V_c2 로 가열하는 단계와 상기 부품에 요구되는 기계적 특성을 부여하도록 1℃/s 초과의 속도(V_ref2)로 냉각하는 단계로 구성될 것이다. 특히, 바람직한 냉각은 공랭이다.

바람직한 일 실시형태에 있어서, 유지 온도 T_OA 는 400 ~ 600 ℃ 이다.

바람직한 일 실시형태에 있어서, 온도 T_OA 에서의 유지 시간 t_OA 은 30 ~ 600 분이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에서 청구되는 부품으로서, 시간 t_OA 동안 온도 T_OA 로 가열되고, 아연, 아연 합금 또는 아연계 합금으로 코팅되는 부품이다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명에서 청구되는 부품으로서, 시간 t_OA 동안 온도 T_OA 로 가열되고, 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 알루미늄계 합금으로 코팅되는 부품이다.

본 발명의 다른 목적은 자동차의 구조적 또는 안전 부품의 제조에서의 본 발명에서 청구되는 부품의 사용이다. 특히, 침식 방지 부품들이 본 발명의 목적에 해당된다.

본 발명의 다른 특성과 이점은 첨부된 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 통해 설명된다.

도 1은 실시예의 표 3에서 주물 1 및 시험 A로 제조된 본 발명의 강의 기계적 거동을 나타내는 두 개의 통상적인 인장 강도 곡선이다. 점선으로 나타난 곡선은 T_γ=950℃ 온도에서 t_γ=180초 동안 오스테나이트화하여, Ms 온도 미만의 주변 온도로 30℃/s의 속도(V_ref1)로 냉각된 이후, 1축 인장력을 가했을 때 기계적 거동을 나타낸다. 실선으로 나타난 곡선은 T_OA=500℃ 온도에서 t_OA=180분 동안 ㎚ 의 범위로 금속간물질 석출이 발생하도록 열처리를 실시한 이후, 1축 인장력을 가했을 때 기계적 거동을 나타낸다.
도 2는 30℃/s의 속도(V_ref1)로 냉각한 이후, 전체 마텐자이트의 중간상 미세조직의 사진이다. 또한, 상기 도면은 도 1의 점선 곡선에 대응하는 미세조직을 나타낸다.
도 3은 금속간물질 석출이 발생하도록 열처리를 실시한 이후 본 발명의 강의 미세조직의 사진이다. 본 사진의 화살표는 Fe₂TiSi 석출물을 나타낸다. 또한, 본 도면은 도 1의 실선 곡선에 대응하는 미세조직을 나타낸다.

본 발명에서 청구되는 강의 화학적 조성의 양은 wt%로 나타낸다.

탄소 함유량은 wt%로 0.1% 이하이며, 그 이유는 이 한계값 초과에서 본 발명의 강 매트릭스를 구성하는 저탄소 마텐자이트의 인성값이 감소하기 시작하기 때문이다. 또한, 성형성에 악영향을 끼치고, 티탄을 구속하는 탄화티탄(TiC)의 형성을 억제하는 것이 바람직하다. 취성 마텐자이트가 형성되는 것을 최대한으로 억제하기 위해 탄소 함유량을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간의 함유량은 0.5 ∼ 0.7 % 일 것이다. 이 성분은 환원제의 역할을 하며, 소정의 기계적 특성을 얻기 위한 고용체 형성의 결과로써 경도 특성을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 한편, 예를 들어, 공랭 과정에서 모상의 오스테나이트로부터 마텐자이트 조직을 얻기 위해 경도면에서 유리한 효과를 나타낸다. 따라서, 본 발명에서는 0.5 % 의 하한값이 바람직하다. 본 발명에서 7%의 상한값은 주변 온도에서 재료의 취성 거동을 제한하기 위해 설정된다. 바람직하게, 본 발명의 목적과 관련한 최적의 결과를 얻기 위해 3 % 의 하한 및 5 % 의 상한이 관찰될 수 있다.

규소와 관련하여, 목표 함유량은 0.5∼3.5%이다. 이 성분은 강의 경도면에서 유리한 효과를 나타내며, 본 발명에서는 Fe₂SiTi 유형의 금속간물질의 미세 석출을 촉진하는데 사용된다. 하한값 0.5%는 금속간물질 Fe₂SiTi를 형성하기 위해 충분한 양의 Si 를 획득하기 위해 필요하다. 그럼에도 불구하고, Si 는 압연을 곤란하게 하는 취화를 야기하는 것으로 알려져 있어, 3.5 % 초과인 경우, 산업적 프로세스를 방해할 수 있는 균열이 나타날 수 있다. 바람직하게, Fe₂TiSi 금속간 석출물의 크기, 표면 밀도 및 분포의 면에서 최적의 결과를 얻기 위해, 1.0 % 이상 3.0 % 이하의 규소 함량이 추천된다.

티탄의 함유량은 3원 Fe-Si-Ti계를 균형잡기 위해, 즉, 본 발명에서 청구되는 Fe₂SiTi 화합물의 형성에 화학량론적으로 유리하도록 0.5 ∼ 2 % 가 될 것이다. 0.5 % 의 티탄 하한값은 충분한 미세 금속간 Fe₂SiTi 석출물을 형성하기 위해 필요하다. 그러나, 2 % 를 초과하는 경우에는, 조대 탄화티탄이 형성될 위험이 너무 커지는데, 이러한 탄화물들은 성형성에 악영향을 끼치고, 티탄을 구속시키기 때문이다. 따라서, 티탄 함유량의 최대값은 2%로 특정된다. 바람직하게, Fe₂SiTi 금속간 석출물의 크기, 표면 밀도 및 분포의 면에서 최적의 결과를 얻기 위해, 0.5 % 이상 1.5 % 이하의 티탄 함량이 추천된다.

니켈 함유량은 2∼7%가 될 수 있다. 이 성분은 오스테나이트 범위의 크기를 증가시키고, 내식 특성을 향상시키며, 재료의 인성을 향상시키는 것을 가능하게 한다. 이 성분의 가격 때문에 7%로 제한할 필요가 있다. 2% 미만인 경우, 전술한 유리한 효과가 줄어든다. 바람직하게, 본 발명에서 특정한 목적을 이루기 위해, 니켈 함유량은 2.5∼3.5%가 될 것이다.

본 발명에 있어서, 알루미늄 함유량은 0.10%로 제한된다. 알루미늄이 매우 α성이 되기 쉬운(alpha-genic), 즉, 전체 오스테나이트 범위가 얻어지는 온도를 증가시키는 경향이 있는 것으로 알려져 있지만, 강의 매트릭스가 완전히 오스테나이트화 되도록 T_γ로의 가열 동안 완전한 오스테나이트화가 요구된다. 알루미늄을 다량 함유한 강의 더 어려운 주조 특성과 같은 다른 특성들은 본 발명에서는 제한되며, 이러한 특성의 결과로서 알루미늄 함유량을 0.10%로 제한하는 것에 중점을 두기로 한다.

크롬의 함유량은 2% 이하이다. 본 발명에 있어서, 이 성분은 기본적인 경화 효과의 이유로 망간을 대체하는 고가의 대체 성분 또는 추가적인 경화 성분이 된다. 크롬의 함유량은 바람직하게 1 % 로 제한될 것이다.

구리 함유량은 2% 이하이다. 이 성분은, 표면 균열이 발생할 수도 있고, 열간 단조 특성에 악영향을 미칠 수도 있지만, 망간을 대체하는 매력적이지만 고가의 대체 성분이 될 수 있다.

코발트의 함유량은 2%로 제한될 것이다. 구조 부품의 최종 성형 이후 반드시 이루어지는 금속간물질 석출 열처리의 시간이 이 성분을 첨가하여 줄어들 수 있으며, 인성면에서도 유리한 효과를 나타낸다. 따라서, 코발트는 경화 금속간물질의 석출 동역학을 가속하기 위해 첨가될 수 있지만, 이 성분은 고가이므로, 2 %, 심지어 1 % 로 사용이 제한된다.

몰리브덴은 고가의 성분이므로, 본 발명에 있어서, 몰리브덴의 첨가는 2 % 로 제한되지만, 고용체의 강도를 증가시키기 위해 또는 경화능의 면에서 유리한 효과를 위해 첨가될 수 있다.

붕소는 엄격하게 0.005% 미만이 되어야 하며, 그 이유는 이 제한값을 초과하는 경우, 액체 단계(stage)에서 TiB₂ 또는 심지어 질화붕소를 형성할 위험이 있기 때문이다. 이러한 유형의 석출은 Fe₂TiSi보다 덜 경화되기 때문에, 티탄의 일부가 더 이상 강을 충분하게 경화시키는데 이용될 수 없다.

질소 함유량은 성형성에 바람직하지 않은 효과를 미치는 조대한 질화티탄(TiN)이 형성되는 것을 방지하기 위해 0.008%로 제한된다.

니오븀 및 바나듐과 같은 미세 합금 성분은 0.1 % 까지로 제한된 농도로 존재한다. 이들은 기계적 강도를 향상시키기 위해 오스테나이트 입자 크기를 줄이는데 사용될 수 있다. 그러나, 이러한 성분들이 석출되는 범위가 냉각시 마텐자이트 변태의 온도보다 더 높은 온도에서 일어나기 때문에, 열처리시 석출 경화를 위해 이용될 수 없다. 또한, 균열이 발생하지 않고 부품을 스탬핑할 수 있는 효과를 줄이는 니오븀계 및 바나듐계 석출물들을 포함할 수 있기 때문에, 스탬핑 이전이더라도 성형성이 낮은 경질 강이 얻어질 위험이 있다.

황 및 인과 같은 성분들은 산업적 스케일에서 불순물의 레벨로 제한되며, 따라서, 0.005 % 및 0.03 % 미만으로 표시되는 최대 한계값을 갖는다.

본 발명의 강과 블랭크의 매트릭스는 본질적으로 마텐자이트이다. 이러한 마텐자이트는 공칭 농도와 동일한 탄소 농도를 갖고, 하기의 설명에서는 저탄소 마텐자이트로 칭하기로 한다. 표면 백분율로 5% 이하의 잔류 오스테나이트가 미세조직면에서 용인될 수 있다.

이러한 매트릭스는 Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 포함한다. 본 발명에서 특정된 목적을 이루기 위해, 석출 열처리 결과로서 부품에서 그리고 후술하는 조합에 의해 얻어지는 Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물의 특정 크기, 밀도 및 분포를 가질 필요가 있다:

- 규소와 티탄의 wt% 의 합계가 2.5 % 이상임.

- 규소의 wt% 에 대한 티탄의 wt% 의 비율이 0.3 이상임.

본 발명의 시트는 임의의 적절한 공정을 통해 제조될 수 있다. 그러나, 다수의 단계를 포함하는 본 발명의 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

우선, 본 발명에서 청구되는 조성을 갖는 시트 또는 상기 시트에서 절단된 블랭크가 준비된다. 예를 들어, 냉각되어 슬래브 (slab) 를 제조하는 액체강을 주조하여 상기 시트가 제조될 수 있다. 상기 슬래브는 슬래브의 모든 지점에서 균일한 온도가 되기에 충분한 시간 동안 1100∼1275℃ 온도로 재가열된다. 재가열 후 슬래브의 온도가 균일하게 되면, 슬래브는 890℃ 이상의 압연 출구 온도(T_fl)에서 열간 압연되고, 이를 통해, 압연이 오스테나이트화 범위에서 수행되어야 하기 때문에, 온도의 목표는 Ar₃ 초과이어야 한다.

이러한 열간 압연에 후속하여 본 발명의 중요한 단계는, 금속간물질의 임의의 조기 석출을 방지하기 위해 강을 400℃ 미만의 권취 온도(T_bob)로 냉각시키는 것으로 구성된다. 권취 온도(T_bob)로의 냉각 속도(V_bob)는 30℃/s 내지 150℃/s이어야 한다. 상기 강은 상기 권취 온도(T_bob)로부터 주변 온도까지 공랭됨으로써 선택적으로 권취된다.

본 발명의 변형예에 있어서, 블랭크는 오스테나이트화와 스탬핑 이전에 좀 더 복잡한 조직을 형성하도록 다른 강 구성부품에 용접될 수 있다. 실제로, 용도에 따라, 부품의 나머지 부분과는 상이한 기계적 특성 또는 두께가 필요할 수도 있는 부품의 특정 영역이 존재할 수 있다는 점은 알려져 있다. 예를 들어, 무게를 줄이고 효율성을 높인 주요 대상물의 경우, 특정 부품들이 다른 강 및/또는 다른 두께로 제조될 수 있으며, "테일러드(tailored) 블랭크"로 불리우는 형태 또는 압연을 달리하여 제조되는 다양한 두께를 갖는 블랭크의 형태로 조립될 수 있다. 상기 용접은 기존 모든 기술(레이저 용접, 아크 용접, 저항점 용접 등)을 사용하여 수행될 수 있으며, 다양한 두께를 갖는 블랭크는 압연 롤 사이에 다양한 간극을 갖는 열간 압연 또는 변형된 냉간 압연이 요구된다.

본 발명의 추가적인 변형예에 있어서, 시트 또는 블랭크를 가열하기 전에, 블랭크는 최종 부품의 부분적으로 대략적인 형상으로 냉간 성형되거나, 또는 열간 스탬핑에 요구되는 특별한 문제점이 없다면, 부품은 미리 냉간 성형될 수 있다. 최종적으로, 이러한 냉간 변형 단계를 통해, 다음의 냉각 공구에 좀 더 적합한 프리폼을 제조할 수 있으며, 상기 공구와 부품 사이를 좀 더 밀착하여 냉각이 좀 더 균일하게 그리고 빠르게 이루어질 수 있다. 이러한 냉간 성형의 목적은 강의 두께를 간단히 더 줄이는 것이다.

공정에서 선택적이고 조합될 수 있는 이러한 두 개의 변형된 단계 다음으로, 시트 또는 블랭크는 열처리 노에서 오스테나이트화 온도(T_γ)로 불리며 Ac3 온도보다 더 높은 온도까지 가열된다. Ac3 온도는 재료의 미세조직이 전체적으로 오스테나이트가 되기 시작하는 온도에 해당한다. 오스테나이트 어닐링 온도(T_γ)는 700℃∼1200℃ 이어야 한다. 균질화를 촉진하기 위하여, 오스테나이트 범위에서 가열되는 영역 또는 강은 바람직하게는 60 초 ~ 360 초의 시간 (t_γ) 동안 온도 T_γ 에서 유지될 것이다. 주요 목적이 블랭크의 균일한 온도(T_τ)를 달성하는 것이기 때문에, 시간이 길어질수록 산업적 스케일 면에서 경제적으로 적합하지 않다. 오스테나이트 어닐링 온도(T_γ)는 바람직하게 880℃∼980℃ 일 것이다.

시간 t_γ 동안 온도 T_γ 로 가열된 블랭크 또는 시트는 선택적으로 가열노에서 제거된 후, 최종 부품을 얻도록 열간 성형될 수 있다. 냉간 프리폼이 이미 제조되었다면, 최종 형상이 주어지고, 부품과 냉각 공구 사이의 접촉이 더 양호할 것이다.

바람직하게, Ac₃ 초과로 가열한 후 그리고 열간 스탬핑 이전에 얻어진 모상 오스테나이트의 평균 입자 크기는 30㎛ 미만이다.

강은 10∼70℃/s 사이에서 안정한 기계적 특성들을 나타내며, 이는 냉각될 부품의 두께와 관계 없이, 동일한 냉각 또는 담금질 공구의 사용이 가능하다는 산업상 이점이 있다. 또한, 공구내에 유지시켜 냉각함으로써 부품의 기하학적 형상을 더 양호하게 제어할 수 있다.

시트의 전달을 생략하고 가열 직후의 스탬핑 및 노 내의 온도의 균질화를 가능하게 하는 기술은 산업 생산성 면에서 유리하다.

이러한 기술을 사용함이 없이 블랭크를 스탬핑용 프레스로 전달하면, 열간 스탬핑 공구는 전도에 의해 냉각될 수 있고, 냉각률과 냉각 균일성은 시트의 두께, 온도(Ty), 및 노와 열간 성형 공구 사이의 전달 시간 및 상기 공구의 냉각 시스템의 함수이다. 본 발명의 강의 경도는 공랭이 주변 온도에서 본질적으로 마텐자이트 조직을 형성하는데 그리고 5 % 미만의 오스테나이트를 안정화시키기에 충분한 정도이다. 이는 온도 Ms 까지의 공랭 속도보다 큰 임의의 속도를 통해 본질적으로 마텐자이트 조직을 형성할 수 있고, 그 결과, 균일성을 향상시키도록 그리고 산업적 제조의 현실을 고려하도록 70℃/s 한계값이 설정된다는 것을 의미한다. 또한, 공구 내에서의 유지를 통한 냉각은 부품의 형상 제어를 향상시킨다는 이점이 있다. 마텐자이트 변태가 시작되는 온도는 "Journal of Alloys Compound. 220"(1995년, K. Ishida 저) 문헌 126페이지의 아래 공식을 통해 계산될 것이고,

여기서, 함유량은 wt%로 나타낸다.

상기 온도(Ms) 미만으로의 냉각 속도는 마텐자이트의 템퍼링에 의해 마텐자이트의 기계적 특성에 영향을 미치며, Ms 미만으로의 냉각을 느리게 하면, 경도가 감소한다. 적어도 공랭과 동일한 냉각 속도를 갖는 것이 바람직하다. T_int 는 스탬핑을 정지하고 금속간물질 석출 열처리 단계 이전에 냉각이 실시되는 Ms 미만의 온도이다.

그리고 나서, 시트 또는 블랭크는 나노미터 범위에서 Fe₂TiSi의 형태로 경화하는 금속간물질의 석출을 촉진하는 열처리를 거친다. 이 열처리는 400∼600℃의 온도(T_OA)에서 이루어지며, 이 온도 간격은 전술한 석출물들에 해당한다. 이러한 온도(T_OA)에서의 유지는 30 내지 600분의 시간(t_OA) 동안 이루어질 것이다. M_s 미만의 온도로 상기 부품을 냉각하는 단계 이후에, 주변 온도에 도달함이 없이 직접 전술한 열처리가 이루어질 수 있다. 이러한 경화 열처리는 열간 스탬핑 또는 냉간 스탬핑 이후에 수행되고, 도 1의 점선 곡선으로 도시된 바와 같이, 금속간 석출 이전의 기계적 강도가 1000 ㎫ 미만이 된다는 점에서 유리하다. 이를 통해, 스탬핑 이전에라도 경화된 조직을 갖는 강보다 더 높은 연성을 나타낼 수 있으며, 그 결과 복잡한 부품들을 제조할 수 있다.

본 발명의 미세조직은 층상 구조의 섬 형태로 존재하는 저탄소 마텐자이트 매트릭스를 포함하고, 그 내부에는 1 내지 5%의 면적 백분율과 평균 석출물 반경이 1 내지 10 ㎚ 인 Fe₂TiSi 유형의 석출물이 존재한다. 이 후자의 기준과 관련하여, 상기 석출물은 원형에 가깝고, 그 반경이 측정된다.

따라서, 형성된 부품들은 더 크고 복잡한 조직을 형성하도록 크기, 형상, 두께 및 조성이 상이한 다른 부재에 용접으로 조립될 수 있다. 또한, 특정한 내식성 또는 심미적인 특성이 요구되는 경우, 부품은 전기 분해법을 통해 적절한 코팅으로 침지 코팅 또는 코팅될 수 있다.

본 발명의 추가적인 이점은 비제한적인 실시예로서 하기에 기재된 시험을 통해 입증된다.

세 가지의 화학 조성으로 주물되었으며, 첫 번째(강 1)는 본 발명에 해당하고, 나머지 둘(강 2 및 강 3)은 비교예로서 사용된다. 목표는 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 본 발명의 성능을 나타내는 것으로, 이는 저렴한 등급으로서 1300 ㎫ 이상의 탄성 한계를 달성할 수 있고, 4% 이상의 파단 연신율을 달성할 수 있다. 강 2 는 마레이징(maraging) 강이다. 강 3 은 22MnB5로 지정되는 열간 스탬핑용 강이다.

표 1 은 wt%로 상기 강들의 화학적 조성을 나타내며, 본 발명과 해당하지 않는 구성 성분의 함유량은 밑줄로 나타내었다.

표 2 는 표 1 에 나타낸 화학적 조성의 Si + Ti 합계량, Si/Ti 비 및 마텐자이트 변태 온도를 나타낸다.

이러한 3 개의 조성은 하기의 조건하에서 압연되는 슬래브를 형성하도록 주물되었다:

- 45분간 1200℃로 재가열

- 900℃의 밀 출구 온도로 열간 압연하여 90% 두께 감소

- 최종 압연 밀 롤로부터의 출구에서 200℃로 강을 냉각

- 900℃의 밀 출구 온도(T_fl)로부터 200℃의 권취 온도(T_bob)로의 냉각 속도는 100℃/s이었고, 그 후 공랭이 행해졌다.

- 산화된 열간 압연 시트를 화학적 산세 공정을 사용하여 주변 온도에서 산세하였다.

- 냉간 압연에 의해 상기 시트의 두께는 70% 만큼 감소되었다. 얻어진 시트의 두께는 0.8 내지 2.4 ㎜ 이었다.

얻어진 시트들은 블랭크를 형성하도록 절단되었고, 이러한 블랭크들은 표 3에 요약된 열처리를 거쳤고, 각 값들은 다음을 나타낸다:

- 가열 속도: V_C1 (℃/s)

- 오스테나이트화 온도: T_γ (℃)

- 오스테나이트화 시간: t_γ (초)

- 평균 냉각 속도: V_ref1 (℃/s)

- 냉각(V_ref1)이 정지될 때의 온도: T_int

- 석출 열처리를 실시하기 위한 2차 가열 속: V_C2 (℃/s)

- 석출 유지 온도: T_OA (℃)

- 석출 유지 시간: t_OA (분)

- 최종 공랭: V_ref2

시험 A 및 시험 B 에 있어서, 블랭크는 냉각 V_ref1 이전에 5 분 동안 950 ℃ 에서 오스테나이트화된 후 스탬핑되었다. 이를 통해, 센터 필러를 형성할 수 있었고, 본 발명의 강의 열간 스탬핑 성능을 나타낼 수 있었다. 그 다음으로, 3시간(180분) 동안 500℃에서의 열처리를 통해, 1300 ㎫ 초과의 탄성 한계 수준을 달성할 수 있었고, 표 4에 나타낸 바와 같이, 시험 A의 강 1로부터 제작된 부품보다 4% 더 높은 총 연신율을 얻을 수 있었다.

시험 A가 실시된 강 1의 시편은 아연 합금으로 침지 코팅되었고, 욕 (bath) 은 Al : 0.208%, Fe : 0.014%, Zn : 잔부인 조성을 가졌다. 따라서, Fe₂Al₅(Zn) 의 계면층이 형성되었고, 상기 욕의 조성과 거의 동일한 조성을 갖는 아연 합금층이 최상부에 형성되었다. 얻어진 코팅은 접착성이 있으며, 양호한 피복성 (coverage) 을 가졌다.

본 발명에 따라 설계된 강의 기계적 성능과 관련한 정보를 추가적으로 나타내기 위해, 표 4는 시험 A 내지 E가 수행된 때에 얻어진 기계적 성능을 요약하였다.

시험 B는 본 발명에 부합하지 않고 마레이징 강을 사용했기 때문에 불충분한 파단 연신율을 나타낸다. 또한, 기계적 강도는 스탬핑 전에도 높고, 이는 스탬핑 작업시 성형성을 감소시킨다.

주물 3으로 제조된 강으로 수행된 시험 C는 그 화학적 조성이 4% 총 연신율로 1500 ㎫ 의 탄성 한계를 달성하는데 필요하고 명시된 모든 기술적 특성들을 갖게 할 수 없기 때문에, 본 발명에서 요구되는 기계적 특성에 부합하지 못한다. 탄소 함유량이 너무 높고, 규소 및 티탄의 함유량은 본 발명에서 명시된 경화 석출물을 형성할 수 없다. 따라서, 탄성 한계는 1300 ㎫ 보다 현저히 더 적다.

시험 D와 E는 명시된 범위 내에서 T_OA 의 하한값(400℃)과 상한값(600℃)을 포함하고 있다. 이 경우에는 마텐자이트 템퍼링과 관련된 문제이고, 이 때문에 기재된 범위에서 온도가 증가하는 경우, 조직이 연화되기 때문에, 이들 온도로는 탄성 한계면에서 목표를 이루지 못하였다.

또한, 본 발명에 의하면, 선택적으로 전기 분해법을 통해 침지 코팅 또는 코팅될 수 있으며, 경화 열처리 후에 탄성 한계가 1300 ㎫ 이상이고, 파단 연신율이 4%이상인 기계적 특성들을 갖는 부품들을 제조할 수 있다. 이러한 열처리를 통해, 최종 부품이나, 예를 들어, 테일러드 블랭크의 경우 열처리가 이루어질 대상 영역에서 안정되고 매우 높은 기계적 특성을 얻을 수 있다.

일부 비제한적인 실시예들만을 응용하여, 이러한 부품들은 자동차 구조용으로서 안전, 침입 방지 또는 강화 부품으로서 유리하게 사용될 수 있다.

이러한 부품들은 다른 강들과 용접하거나, 본 발명의 강의 압연 방법을 변경, 즉, 압연 완료시 시트가 적어도 두 가지의 다른 두께를 가질 수 있도록, 다양한 간극을 갖는 두 개의 압연 롤 사이에 단일 시트를 압연하여 다양한 두께를 가질 수 있다.

Claims

압연 강 시트 또는 블랭크로서, 상기 시트 또는 블랭크의 화학적 조성이, wt%로,
C ≤ 0.1%,
0.5% ≤ Mn ≤ 7%,
0.5% ≤ Si ≤ 3.5%,
0.5% ≤ Ti ≤ 2%,
2% ≤ Ni ≤ 7%,
Al ≤ 0.10%,
Cr ≤ 2%,
Cu ≤ 2%,
Co ≤ 2%,
Mo ≤ 2%,
S ≤ 0.005%,
P ≤ 0.03%,
Nb ≤ 0.1%,
V ≤ 0.1%,
B < 0.005%,
N ≤ 0.008%
를 포함하고, 규소와 티타늄의 레벨이
Si + Ti ≥ 2.5%

이며, 상기 조성의 잔부는 Fe 및 프로세싱으로 인한 불가피한 불순물인, 압연 강 시트 또는 블랭크.
제 1 항에 있어서,
상기 화학적 조성은, wt%로,
C ≤ 0.050%,
3% ≤ Mn ≤ 5%,
1.0% ≤ Si ≤ 3.0%,
0.5% ≤ Ti ≤ 1.5%,
2.5% ≤ Ni ≤ 3.5%,
Al ≤ 0.10%,
Cr ≤ 1%,
Cu ≤ 0.05%,
Co ≤ 1%,
Mo ≤ 2%,
S ≤ 0.005%,
P ≤ 0.03%,
Nb ≤ 0.1%,
V ≤ 0.1%,
B < 0.005%,
N ≤ 0.008%
를 포함하고, 규소와 티타늄의 레벨이
Si + Ti ≥ 2.5%

이며, 상기 조성의 잔부는 Fe 및 프로세싱으로 인한 불가피한 불순물인, 압연 강 시트 또는 블랭크.
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 시트 또는 블랭크로 제조된 강 부품으로서,
상기 시트 또는 블랭크의 미세조직이 적어도 95%의 마텐자이트 및 Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 포함하는, 강 부품.
제 3 항에 있어서,
상기 금속간 석출물의 면적 백분율이 1 ~ 5 % 인, 강 부품.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 금속간 석출물의 평균 반경이 1 ~ 10 ㎚ 인, 강 부품.
제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 강 부품의 탄성 한계가 1300 ㎫ 이상이고, 상기 강 부품의 파단 연신율이 4 % 이상인, 강 부품.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
아연, 아연계 합금 또는 아연 합금을 함유하는 코팅을 포함하는, 강 부품.
제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
알루미늄, 알루미늄계 합금 또는 알루미늄 합금을 함유하는 코팅을 포함하는, 강 부품.
강 부품의 제조 방법으로서,
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 조성을 갖고, Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 표면 백분율로 1 % 미만 포함하는 미세조직을 갖는 압연 강 시트를 준비하는 단계;
상기 시트를 절단하여 블랭크를 얻는 단계;
노 (furnace) 에서 시간 t_γ 동안 온도 T_γ 로 상기 블랭크를 가열하여, 상기 블랭크에 전체 (fully) 오스테나이트 조직을 형성하는 단계;
온도 Ms 초과의 온도에서 상기 블랭크를 공구로 스탬핑하여 부품을 얻는 단계;
평균 냉각 속도 V_ref1 로 온도 Ms 미만의 온도까지 상기 부품을 냉각시켜 마텐자이트 매트릭스를 형성하는 단계;
Fe₂TiSi 유형의 금속간물질을 1 % 내지 5 % 표면 백분율로 석출시켜 특정 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 유지 시간 t_OA 동안 상기 강 부품을 유지 온도 T_OA 까지 가열하는 단계
를 포함하는, 강 부품의 제조 방법.
강 부품의 제조 방법으로서,
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 조성을 갖고, Fe₂TiSi 유형의 금속간 석출물을 표면 백분율로 1 % 미만 포함하는 미세조직을 갖는 압연 강 시트를 준비하는 단계;
상기 시트를 절단하여 블랭크를 얻는 단계;
상기 블랭크를 스탬핑하는 단계;
노에서 시간 t_γ 동안 온도 T_γ 로 상기 블랭크를 가열하여, 전체 오스테나이트 조직을 형성하는 단계;
상기 블랭크를 상기 노에서 제거하는 단계;
온도 Ms 초과의 온도에서 상기 블랭크를 공구로 스탬핑하여 부품을 얻는 단계;
평균 냉각 속도 V_ref1 로 온도 Ms 미만의 온도까지 상기 부품을 냉각시키는 단계;
Fe₂TiSi 유형의 금속간물질을 1 % 내지 5 % 표면 백분율로 석출시켜 특정 기계적 특성을 얻을 수 있도록, 유지 시간 t_OA 동안 상기 강 부품을 유지 온도 T_OA 까지 가열하는 단계
를 포함하는, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
상기 온도 T_γ 는 700 ~ 1200 ℃ 인, 강 부품의 제조 방법.
제 11 항에 있어서,
상기 온도 T_γ 는 880 ~ 980 ℃ 인, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유지 시간 t_γ 은 60 ~ 360 초인, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 속도 V_ref1 는 10 ~ 70 ℃/s 인, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유지 시간 t_OA 은 400 ~ 600 ℃ 인, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 유지 시간 t_OA 은 30 ~ 600 분인, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
시간 t_OA 동안 온도 T_OA 까지 가열된 피이스 (piece) 는 후속하여 아연, 아연 합금 또는 아연계 합금으로 코팅되는, 강 부품의 제조 방법.
제 9 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
시간 t_OA 동안 온도 T_OA 까지 가열된 피이스는 후속하여 알루미늄, 알루미늄 합금 또는 알루미늄계 합금으로 코팅되는, 강 부품의 제조 방법.
육상 자동차의 구조적 또는 안전 부품의 제조를 위한, 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 기재되거나 제 9 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 제조된 부품의 용도.