KR20150112508A - 고강도 냉연강판 제조 방법 - Google Patents

고강도 냉연강판 제조 방법 Download PDF

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KR20150112508A
KR20150112508A KR1020140036842A KR20140036842A KR20150112508A KR 20150112508 A KR20150112508 A KR 20150112508A KR 1020140036842 A KR1020140036842 A KR 1020140036842A KR 20140036842 A KR20140036842 A KR 20140036842A KR 20150112508 A KR20150112508 A KR 20150112508A
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현대제철 주식회사
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Abstract

형상동결성이 우수한 저항복비형 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 오스테나이트-페라이트 이상역 구간에서 소둔열처리하는 단계; 상기 소둔열처리된 강판을 480~520℃까지 1차 냉각하는 단계; 상기 1차 냉각된 판재를 항온 열처리하는 단계; 및 상기 항온 열처리된 강판을 마르텐사이트 영역까지 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 냉연강판 제조 방법 {HIGH STRENGTH COLD-ROLLED STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고강도 냉연강판 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 형상동결성이 우수한 저항복비형 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 부품의 대부분은 프레스 가공에 의해 성형되기 때문에 우수한 프레스 가공성이 요구된다. 특히, 자동차 디자인이 복잡해지고 소비들의 욕구가 다양화됨에 따라 고강도이면서 성형성이 우수한 강판을 요구하고 있다.
이에 멤버류, 필라류, 범퍼보강재 등 차량 충돌시 높은 에너지 흡수능이 요구되는 부품에는 이상조직(Dual Phase)을 이용한 고강도 강판이 사용되고 있다.
자동차용 고강도 강판의 제조공정은 크게 열간 압연, 냉간 압연 그리고 소둔공정으로 구분되는데, 페라이트와 펄라이트를 갖는 열간압연된 판재를 냉간압연하여 제품의 최종 두께로 가공한 후, A1 변태점 이상의 소둔온도로 가열하고 냉각함으로써 냉연강판이 제조된다.
이때 소둔과정에서 형성된 오스테나이트를 냉각과정에서 속도를 제어하여 마르텐사이트나 베이나이트로 변태시키게 되는데, 이때 마르텐사이트로 변태시키는 경우 이상조직강이라고 한다. 상기 이상조직강은 마르텐사이트의 분율이 증가할수록 강도가 증가하고 페라이트 비율이 증가할수록 연성이 증가한다. 이에 따라 이상조직강은 마르텐사이트와 페라이트의 분율을 최적화하여 인장강도와 항복강도를 확보하며 이러한 조직 분율의 최적화 연구하고 있다.
하지만 적정 마르텐사이트의 확보는 가능하나 높은 항복 강도 문제가 발생한다. 높은 항복강도는 프레스 가공시 스프링백(spring back) 현상이 발생하여 형상 동결성 확보가 어려우며, 고강도 냉연강판의 사용하는 범퍼 보강재, 멤버류, 필라류의 생산하는 부품제조회사에서는 어려움 겪고 있다.
본 발명과 관련된 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0063981호(2005.06.29. 공개)에 개시된 굽힘가공성이 우수한 초고강도의 제조방법이 있다.
본 발명의 목적은 인장강도 960MPa 이상의 고강도를 가지면서도 70% 이하의 저항복비를 가져, 형상동결성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 오스테나이트-페라이트 이상역 구간에서 소둔열처리하는 단계; 상기 소둔열처리된 강판을 480~520℃까지 1차 냉각하는 단계; 상기 1차 냉각된 판재를 항온 열처리하는 단계; 및 상기 항온 열처리된 강판을 마르텐사이트 영역까지 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 소둔열처리는 780~820℃에서 60~150초동안 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 1차 냉각은 10~50℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 항온 열처리와 상기 2차 냉각 사이에, 용융아연도금 단계가 더 포함될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 페라이트 및 마르텐사이트를 포함하는 복합조직을 가지며, 인장강도 960MPa 이상 및 항복비 70% 미만을 나타내는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 마르텐사이트 분율이 면적률로 38~40%일 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법에 의하면, 탄소, 망간, 크롬, 몰리브덴 등의 합금 성분을 통하여 펄라이트, 베이나이트 변태 지연, 오스테나이트-페라이트 이상역 구간에서의 소둔열처리 등을 통하여 960MPa 이상의 인장강도를 가지면서도 70% 미만의 저항복비를 갖는 냉연강판을 제조할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 형상 동결성이 우수하여 복잡한 형상을 갖는 자동차 부품 등에 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 2는 시편 5의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
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.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고강도 냉연강판
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하를 포함한다.
상기 합금성분들 외 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명에 따른 냉연강판은 순수한 의미의 냉연강판이거나, 강판 표면에 용융아연도금층이 형성된 용융아연도금강판 혹은 합금화용융아연도금강판의 형태일 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소[C]: 0.10~0.14 중량%
탄소(C)는, 복합조직강에서 마르텐사이트 분율 및 경도를 결정하는 중요한 원소로 0.10중량%미만 첨가시 강도확보가 용이하지 못하다. 또한 탄소를 0.14중량%초과 첨가시 강도 증가에 따른 연성 및 스트레치 - 플렌지성이 저하되어 그 상한치를 0.14중량%로 제한하였다.
실리콘[Si]: 0.25~0.35 중량%
실리콘(Si)은, 고용강화 원소로서 강의 청정화 및 오스테나이트 내의 탄소 농화를 촉진하며 적정 Mn을 첨가하는 강중에서 용접시 용융 금속의 유동성을 좋게하여 용접부내 개재물 잔류를 최대한 감소하는 원소이며 항복비, 연신율의 균형을 저해하지 않으면서 강도를 향상하며 페라이트내 탄소의 확산 속도를 느리게 하기 때문에 탄화물 성장을 억제하며 페라이트를 안정화하여 연신율을 향상시킨다. 상기 효과는 실리콘이 0.25중량% 이상일 때 현저하다. 다만, 실리콘의 함량이 0.35중량%를 초과하는 경우, 용접성 등이 저하되는 문제점이 있다.
망간[Mn]: 2.2~2.4 중량%
망간(Mn)은, 고용강화 원소로서, 오스테나이트를 안정화하여 이상역 소둔 온도를 저하시키며 낮은 임계냉각속도에서도 마르텐사이트가 생성되기 쉽게 한다. 다만, 망간의 첨가량이 2.2중량% 미만으로 소량 첨가시 소둔 열처리 구간중 오스테나이트가 베이나이트 및 펄라이트로 변태되어 강도를 저하시키는 원인이 된다. 반면, 망간의 첨가량이 2.4중량%를 초과하여 과다하게 첨가될 경우, 소재 두께 중심부에서 망간 밴드가 발달하여 연신율이 저하되는 문제점이 있다.
인[P] : 0.03중량% 이하
인(P)는 고용강화에 의하여 강판의 강도을 높이는 원소이며 , 탄화물 형성의 억제 효과적인 원소로 과시효대 구간에서의 탄화물 형성에 의한 연신율 저하를 방지하는 역할을 수행한다. 또한 망간 당량을 향상하여 마르텐사이트를 얻기에 효과적이다. 과다 첨가시 Fe3P의 스테다이트를 형성하여 열간취성의 원인이 되기 때문에 그 첨가량을 0.03중량%이하로 제한하였다.
황[S] : 0.005중량%이하
황(S)은 인성 용접성을 저해하고 MnS 비금속 개재물을 증가시켜 Mn의 소입성 효과를 저해하고 가공 크랙을 발생한다. 과다 첨가시 조대한 개재물을 증가시켜 피로특성을 열화 하므로 그 상한치를 0.005%이하로 제한하였다.
알루미늄 [Al] : 0.02 ~ 0.06 중량%
알루미늄(Al) 원소는 탈산제로 주로 사용하는 원소로서, 페라이트를 청정화 하여 연신율을 향상시키며 오스테나이트내 탄소 농화량을 증진하여 오스테나이트를 안정화 시킨다. 또한 철과 아연도금층 사이에 레이어로 작용 하여 도금성을 개선하는 원소이며 열연 코일내 망간 밴드의 형성을 억제하는데 효과적인 원소이다. 이상의 효과를 얻기 위하여 그 첨가량을 0.02중량% 이상이 바람직하나, 0.06중량%를 초과하여 과다 첨가시 연주성을 저하 시키며 슬라브내 AlN을 형성하여 열연 크랙을 유발하므로 알루미늄 첨가량을 0.02~0.06중량%로 제한하였다.
크롬[Cr] : 0.35~0.45중량%
크롬 (Cr)은 오스테나이트 안정화 원소로 소입성 효과를 지닌다. 0.35중량% 미만으로 소량 첨가시 그 효과가 미비하며, 0.45중량%를 초과하여 과다 첨가시 도금성을 저해할 수 있다.
몰리브덴[Mo] : 0.06~0.09 중량%
몰리브덴(Mo)은 오스테나이트 안정화 원소로 소입성 효과를 지닌다. 몰리브덴은 0.06중량% 이상 첨가시 강도 증가의 효과가 현저하다. 다만, 몰리브덴 함량이 0.09중량%를 초과하더라도 더 이상의 효과 향상없이 경제성만 저하될 수 있다.
질소[N] : 0.006%이하
질소(N)은 AlN의 형성으로 결정립을 미세화하나 용융아연도금시 아연 도금층의 합금화 공정에서 냉각시 과포화 되어 균일 연신율이 저하되므로, 0.006중량%이하로 제한하였다.
상기 합금성분을 갖는 본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 후술하는 제조 공정을 통하여 페라이트 및 마르텐사이트를 포함하는 복합조직을 가지며, 인장강도 960MPa 이상 및 항복비 70% 미만을 나타낼 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 소둔열처리시 대략 면적률로 대략 83%의 오스테나이트 분율 확보를 통하여 상기 마르텐사이트 분율이 면적률로 38~40%일 수 있다.
고강도 냉연강판 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 고강도 냉연강판 제조 방법은 소둔열처리 단계(S110), 1차 냉각 단계(S120), 항온 열처리 단계(S130), 2차 냉각 단계(S140)를 포함한다. 항온 열처리 단계(S130)과 2차 냉각 단계 사이에는 용융아연도금 단계(S135)가 더 포함될 수 있고, 용융아연도금 후에는 합금화열처리가 더 수행될 수 있다.
우선, 소둔열처리 단계(S110)에서는 전술한 합금조성을 가지며, 냉간압연된 냉간압연된 강판을 가열하여 소둔열처리한다. 본 발명에서는 오스테나이트-페라이트 이상역에서 소둔열처리를 실시한다. 이상역 소둔열처리를 통하여 강판의 결정립 조대화를 방지할 수 있으며, 이를 통하여 강도 및 연신율이 우수한 냉연강판 제조가 가능하다.
소둔열처리를 통하여 오스테나이트 상분율을 제어할 수 있으며, 이를 통하여 후술하는 1차 냉각(S120), 항온 열처리(S130) 및 2차 냉각(S140)을 통하여 마르텐사이트 분율이 면적률로 38~40%인 페라이트-마르텐사이트 이상조직을 갖는 냉연강판 제조가 가능하다.
소둔열처리는 보다 바람직하게는 780~820℃에서 60~150초동안 수행되는 것을 제시할 수 있다. 상기 온도 및 시간 범위에서 면적률로 대략 83% 정도의 오스테나이트를 확보할 수 있으며, 이로부터 최종 미세조직에 면적률로 38~40%의 마르텐사이트를 형성할 수 있다.
1차 냉각 단계(S120)에서는 소둔열처리된 강판을 480~520℃까지 1차 냉각한다.
1차 냉각은 롤 퀀칭(Roll Quenching) 방식, 가스젯(Gas Jet) 방식 등이 이용될 수 있다.
1차 냉각을 통하여 페라이트가 면적률로 대략 60% 정도 생성된다. 이때, 본 발명에서는 탄소, 망간, 크롬, 몰리브덴 첨가에 따라 연속냉각변태 곡선(CCT Curve)을 우측으로 이동시킬 수 있어, 펄라이트, 베이나이트 변태를 지연시킬 수 있다.
한편, 1차 냉각은 10~50℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다. 1차 냉각이 10℃/sec 미만의 평균냉각속도로 수행될 경우, 펄라이트, 베이나이트 변태가 다량 발생할 수 있다. 또한, 1차 냉각이 50℃/sec를 초과하는 경우, 충분한 페라이트 변태가 발생하지 않을 수 있으며, 급속 냉각에 따라 재질 편차가 발생할 수 있다.
다음으로, 항온 열처리 단계(S130)에서는 1차 냉각된 판재를 항온 열처리한다. 항온 열처리를 통하여 강판의 연신율을 향상시킬 수 있다. 항온열처리는 1차 냉각된 판재를 1차 냉각 종료온도 부근에서 대략 100~400초동안 유지하는 방식으로 수행될 수 있다.
항온 열처리 이후에는 용융아연도금 단계(S135)가 더 수행될 수 있다. 본 발명에서는 다량 첨가시 도금성을 저해할 수 있는 원소들인 실리콘, 망간 및 크롬 함량을 각각 0.3중량%, 2.3중량% 및 0.4중량% 정도로 제한함으로써 도금성 저하를 방지하였다.
다음으로, 2차 냉각 단계에서는 항온 열처리 혹은 용융아연도금된 강판을 마르텐사이트 영역까지 2차 냉각하여 페라이트 및 마르텐사이트를 포함하고, 마르텐사이트 분율이 면적률로 38~40%인 최종 미세조직을 형성한다. 최종 냉각은 대략 10~100℃/sec 정도의 평균냉각속도로 수행될 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. 시편의 제조
중량%로, 탄소(C) : 0.12%, 실리콘(Si): 0.3%, 망간(Mn) : 2.3%, 인(P) : 0.01% 이하, 황(S) : 0.003중량%, 알루미늄(Al) : 0.03%, 크롬(Cr) : 0.4%, 몰리브덴(Mo) : 0.07%, 질소(N) : 0.004% 및 나머지 철과 불가피한 불순물로 이루어진 냉연 시편을 표 1에 기재된 조건으로 100초동안 소둔열처리 및 20℃/sec의 평균 냉각 속도로 1차 냉각하였다. 이후 1차 냉각 종료온도에서 200초동안 항온 열처리를 수행한 후, 50℃/sec의 평균 냉각속도로 250℃까지 최종 냉각하고, 공냉하였다.
[표 1]
Figure pat00001

2. 기계적 특성 평가
제조된 시편 1~9에 대하여 인장시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
표 1을 참조하면, 본 발명에서 제시한 소둔열처리 온도 및 1차 냉각 종료 온도 조건을 만족하는 시편 1~9 모두 인장강도 760MPa 이상 및 항복비 70% 미만을 나타내고, 마르텐사이트 분율 또는 면적률로 38~40% 범위에 있는 것을 볼 수 있다.
또한, 표 1을 참조하면, 소둔 온도가 낮을수록 항복비가 감소하는 경향을 나타내는 것을 볼 수 있으며, 65% 이하의 저항복비를 얻는 데에는 780~800℃에서 소둔열처리를 수행하는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 이러한 저항복비는 우수한 형상동결성 확보에 기여하고, 또한 고강도를 통하여 자동차 부품 등의 경량화가 가능하다.
도 2는 시편 5의 미세조직 사진을 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 제조된 시편 5의 경우, 페라이트와 마르텐사이트 복합 조직을 갖는 것을 볼 수 있다. 전술한 바와 같이, 시편 5의 경우, 마르텐사이트 분율 측정 결과 38.3vol%를 나타내었다.
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.

Claims (6)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강판을 오스테나이트-페라이트 이상역 구간에서 소둔열처리하는 단계;
    상기 소둔열처리된 강판을 480~520℃까지 1차 냉각하는 단계;
    상기 1차 냉각된 판재를 항온 열처리하는 단계; 및
    상기 항온 열처리된 강판을 마르텐사이트 영역까지 2차 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소둔열처리는 780~820℃에서 60~150초동안 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1차 냉각은 10~50℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 항온 열처리와 상기 2차 냉각 사이에, 용융아연도금 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  5. 중량%로, 탄소(C) : 0.10~0.14%, 실리콘(Si): 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 2.2~2.4%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.005중량% 이하, 알루미늄(Al) : 0.02~0.06%, 크롬(Cr) : 0.35~0.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.06~0.09%, 질소(N) : 0.006% 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고,
    페라이트 및 마르텐사이트를 포함하는 복합조직을 가지며, 인장강도 960MPa 이상 및 항복비 70% 미만을 나타내는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마르텐사이트 분율이 면적률로 38~40%인 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
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