WO2010126268A2 - 고강도 및 고연성을 갖는 고망간 질소 함유 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Definitions

  • the high manganese nitrogen-containing steel sheet is preferably a product of the tensile strength and the total elongation (TS ⁇ El) of 50,000MPa% or more.
  • the high manganese nitrogen-containing steel sheet according to the invention can be used in various ways, such as hot rolled steel sheet and cold rolled annealing steel sheet.
  • the high manganese nitrogen-containing steel sheet according to the first embodiment contains 0.02% to 0.30% by weight of nitrogen.
  • nitrogen is an invasive element that stabilizes the austenite phase. When the amount is increased, nitrogen increases the austenite stability and increases the strength by solid solution strengthening. In addition, nitrogen does not increase the stacking defect energy even if the content is increased may facilitate the creation of mechanical twins.
  • the comparative example illustrates the case where the steel is formed by melting in accordance with a conventional steelmaking method containing chromium and in a nitrogen atmosphere. It may be confirmed that the nitrogen content of the steel is smaller than that of the steel according to the present experimental example even if chromium is included and dissolved in a nitrogen atmosphere as in the comparative example. That is, when the steel containing 1.73% by weight of chromium was formed by dissolving as in the comparative example, the nitrogen content was 0.086% by weight, compared with 0.141% by weight of the nitrogen content of Experimental Example 10 containing a similar amount of chromium. It can be seen that the content is significantly less.

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Abstract

고망간 질소 함유 강판이 제공된다. 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 상온에서 오스테나이트 조직을 형성하고, 크롬과 질소의 첨가에 의하여 적층결함에너지가 효과적으로 조절된다. 따라서, 강의 소성변형중 기계적 쌍정이 발생되어 높은 가공 경화와 인장 강도 및 우수한 가공성을 갖는다.

Description

고강도 및 고연성을 갖는 고망간 질소 함유 강판 및 그 제조방법
본 발명은 고강도 및 고연성을 갖는 고망간 질소 함유 강판, 더욱 구체적으로는 높은 성형성이 요구되는 자동차용 강판, 및 자동차용 범퍼 보강재와 같은 충격 흡수재로 이용가능한 고망간 질소 함유 강판, 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 몸체 등에 이용되는 강판의 경우, 기본적으로 높은 성형성을 요구한다. 이러한 요구를 충족하기 위하여 종래에는 인장강도가 200~300MPa로 낮지만 성형성이 우수한 극저 탄소강이 자동차 강판으로 많이 사용되어 왔다. 그러나, 최근 들어 대기오염과 같은 환경문제가 부각되면서 자동차의 연비를 높이기 위한 많은 방법이 제기되고 있다. 특히, 자동차의 경량화가 연비 향상을 위하여 중요시되면서, 자동차 강판은 높은 성형성뿐만 아니라 높은 강도를 가질 것이 요구되고 있다.
또한, 자동차용 범퍼 보강재 또는 도어 내의 충격 흡수재와 같은 자동차 부품은 승객 안전과 직접적으로 관계되는 부품이므로, 인장강도가 통상적으로 780MPa 이상인 초고강도이면서도 동시에 높은 연신율을 갖는 강판이 사용될 필요가 있는 등 고강도 강의 상업화 필요성이 크게 증가하고 있다.
이러한 자동차용 고강도 강으로는, 예컨데, 이상조직(DP; Dual Phase)강, 변태유기소성(TRIP; TRansformation Induced Plasticity)강, 쌍정유기소성(TWIP ; TWin Induced Plasticity)강 등이 있다.
먼저, 이상조직강은 강을 열간 압연 후, 상온으로 냉각하는 과정에서 냉각 종료 온도를 마르텐사이트 변태 개시온도(Ms)보다 낮게 하여, 오스테나이트의 일부를 마르텐사이트로 변태시켜, 상온에서 오스테나이트로부터 변태된 마르텐사이트와 페라이트의 이상조직을 갖게 한 것이다. 이러한, 이상조직강(DP강)은 마르텐사이트와 페라이트 분율을 조절하여 다양한 기계적 성질을 얻을 수 있다.
한편, 변태유기소성강(TRIP 강)은 조직 일부를 잔류 오스테나이트로 형성시킨 후, 부품성형 중 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변태를 이용하여 강의 가공성을 향상시킨 것이다. 이러한, TRIP 강은 마르텐사이트 변태에 의한 큰 가공 경화로 인해 높은 강도를 가는 장점이 있지만, 연신율이 너무 낮다는 단점이 있다.
즉, DP 강 및 TRIP 강의 경우 가공경화기구는 주로 경한 상인 마르텐사이트를 이용한 것인데, 이러한 마르텐사이트는 소성변형 중 높은 가공경화 증가율을 보여 고강도의 열연 강판을 제조할 수 있으나, 연성은 극히 낮으므로 30% 이상의 연신율을 확보하기 어렵다는 단점이 있다.
한편, 쌍정유기소성강(TWIP 강)은 망간을 다량 함유하여 상온에서 안정한 오스테나이트 단상을 가지고, 부품 가공 중 그 오스테나이트 조직 내에 기계적 쌍정을 형성함으로써 가공 경화를 증가시킨 것이다. 즉, TWIP 강은 기지조직이 페라이트가 아닌 오스테나이트이고 소성변형 중 오스테나이트 결정립 내에 기계적 쌍정을 꾸준히 발생시켜 전위의 이동을 방해함으로써 가공경화를 추가로 얻어 우수한 연신율을 갖게 한 것이다. 또한, TWIP 강은 높은 가공경화를 일으키는 기계적 쌍정이 형성되므로 높은 연신율 뿐만 아니라 높은 인장강도도 얻을 수 있다. 특히, TWIP 강은 연신율이 종래의 DP강이나 TRIP강 보다도 더 높은 50% 이상으로서 자동차용 강판 등으로 사용하기에 우수한 특성을 갖는다.
하지만, 현재까지 개발된 TWIP 강은 오스테나이트 안정성을 확보하고, 적층결함에너지를 조절하기 위한 망간의 함량이 18-30% 정도로 높을 뿐 아니라, 망간 이외에도 다량의 알루미늄이나 실리콘 등이 첨가되고 있어, 재료비 및 제조비용이 크게 상승한다는 단점이 있다. 또한, 제강 공정이나 연주 공정 중 망간의 휘발이나 온도 감소 등으로 인한 추가 제조비 부담도 크다는 단점이 있어서, 망간 함량을 줄인 TWIP 강의 개발이 요구되는 실정이다. 또한, 기계적 성질의 측면에서 현재까지 개발된 TWIP 강은 항복강도가 약 300MPa에 불과하고, 인장강도도 1GPa을 넘지 못한다는 단점이 있어서, 연신율은 유지하면서 강도를 더 높인 강판을 제공할 필요가 있다.
따라서, 본 발명은 종래의 DP 강, TRIP 강 및 TWIP 강이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명은 망간의 함량을 줄이면서도 동시에 고강도 및 고연성을 동시에 갖는 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 망간을 가격이 저렴한 원소로 대체하면서도, 망간이 다량 함유된 강판보다 강도 및 연성이 높고, 가공이 용이한 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 질소의 함량을 높일 수 있는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은:
0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또는, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은:
0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 4중량% 미만의 실리콘, 3중량% 미만의 알루미늄, 0.30중량% 미만의 니오븀, 0.30중량% 미만의 티타늄, 및 0.30중량% 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 질소의 적어도 일부는 아크멜팅(arc-melting)법에 의하여 상기 강판에 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고망간 질소 함유 강판은 인장강도와 총 연신율의 곱(TS× El)이 50,000MPa% 이상인 것이 바람직하다.
또한, 상기 망간은 15중량% 내지 18중량%로 포함되는 것이 더 바람직하다.
또한, 상기 질소는 0.10중량% 내지 0.3중량%로 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 강판은 열연 강판일 수 있다.
또는, 상기 강판은 냉연 소둔 강판일 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판의 제조방법은:
전해철, 전해망간 및 탄소 분말을 챔버 내부에 배치하는 단계;
상기 챔버를 아르곤-질소 분위기로 충전하는 단계; 및
상기 전해철, 전해망간 및 탄소 분말을 아크멜팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 아크멜팅은 복수회 반복하여 수행되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 질소-아르곤 분위기는 질소 분율이 0.2 내지 0.8인 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법은 상기 고질소 강판을 900℃ 이상에서 열간 압연하는 단계; 및 상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 방법은 상기 냉각된 강판을 50% 이상의 두께 감소율로 상온에서 냉간 압연하는 단계; 상기 냉간 압연된 강판을 800℃ 이상에서 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법에서 상기 챔버 내부에 배치되는 원료는 크롬을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 방법에서 상기 챔버 내부에 배치되는 원료는 크롬과 실리콘, 알루미늄, 니오븀, 티타늄, 및 바나듐 중 적어도 하나를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 4중량% 미만의 실리콘, 3중량% 미만의 알루미늄, 0.30중량% 미만의 니오븀, 0.30중량% 미만의 티타늄, 및 0.30중량% 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 상온에서 오스테나이트 조직을 형성하고, 크롬과 질소의 첨가에 의하여 적층결함에너지가 효과적으로 조절된다. 따라서, 강의 소성변형중 기계적 쌍정이 발생되어 높은 가공 경화와 인장 강도 및 우수한 가공성을 갖는다. 즉, 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 인장강도와 총 연신율의 곱(TS× El)이 50,000MPa% 이상으로 매우 높은데, 이는 종래의 TWIP 강에 비하여 인장강도와 총 연신율의 곱은 더 크면서, 제조원가는 더욱 저렴한 것이다.
또한, 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 열연 강판 및 냉연 소둔 강판 등 다양한 방식으로 이용가능하다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판의 전자현미경 사진이다.
도 2는 실험예 9에 따라 형성된 강의 인장커브를 도시하는 도면이다.
본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 이하에서 설명한다.
본 발명은 망간을 20중량% 포함한 종래의 쌍정유기소성(TWIP) 강에 비하여 망간 함량을 10~20%로 낮게 하는 대신, 탄소와 질소를 첨가하여 상온에서 오스테나이트 단상을 얻도록 하였다. 특히, 질소는 고용강화의 효과 이외에 적층결함에너지에도 영향을 주어 기계적 쌍정의 형성을 유도한다.
따라서, 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 상기 합금 원소들을 포함하여, 망간이나 알루미늄과 같은 고가의 합금원소의 함량을 기존 TWIP 강보다 적게 하면서도, 연신율은 50% 이상으로 유지되고, 동시에 종래의 TWIP 강보다 높은 항복강도 및 인장강도를 가질 수 있다.
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함한다.
구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 망간을 10중량% 내지 20중량% 포함한다. 즉, TWIP 강은 상온의 오스테나이트 기지에서 소성변형 중 기계적 쌍정이 형성되는 것이므로, 일단 합금원소를 첨가하여 철-탄소 상태도 상에서 고온의 오스테나이트 영역을 상온까지 확장시켜야 한다. 본 실시예는 이를 위한 오스테나이트 안정화 원소로서 망간을 이용하였다.
또한, 본 실시예에서, 망간의 함량은 15중량% 내지 18중량%인 것이 더욱 바람직하다. 즉, 망간의 함량이 15중량%가 될 경우, 오스테나이트 안정성을 확보할 수 있으며, 적층결함에너지를 효과적으로 낮추어 소성변형 중 기계적 쌍정의 생성이 활발하기 때문에 인장강도×연신율도 매우 우수하게 나타난다.
한편, 망간의 함량이 10중량% 미만이면, 오스테나이트 상의 안정성이 크게 떨어져서 열간 압연 후 오스테나이트 영역에서 냉각 중에 페라이트, 혹은 마르텐사이트 상이 생길 수 있다. 또한, 망간의 함량이 10중량% 미만이면, 오스테나이트 상의 적층결함에너지가 너무 높아져서 기계적 쌍정을 형성하기 곤란하다는 단점이 있다.
또한, 망간의 함량이 20중량%를 초과하는 경우, 적층결함에너지가 너무 커져서 트윈이 형성되지 않고 오스테나이트 상의 소성변형이 일어나므로 기계적 성질이 나빠진다.
또한, 본 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 탄소를 0.5중량% 내지 1.0중량% 포함한다. 즉, 망간의 함량이 20중량% 이하인, 철-망간 이원계 합금은 상온에서 오스테나이트 단상을 얻을 수 없고, ε 마르텐사이트나 α’마르텐사이트가 일부 형성된다. 따라서, 본 실시예에 따르면 상온에서 오스테나이트 단상조직을 얻기 위해서는 값싸면서도 강력한 오스테나이트 안정화 원소인 탄소를 첨가하였다.
한편, 탄소의 함량이 0.5중량% 미만이면, 오스테나이트의 안정도가 여전히 충분하지 않아서 열간 압연 후 냉각하는 과정에서 오스테나이트 단상을 얻기 힘들거나, 혹은 상온에서 오스테나이트 단상을 얻었다 할지라도 소성변형시 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변태가 일어나 변태유기소성강(TRIP강)이 되고, 쌍정유기소성강(TWIP강)을 얻을 수 없다.
또한, 탄소 함량이 1.0중량%를 초과하면 상온에서 안정한 오스테나이트를 얻을 수는 있지만, 시멘타이트 석출이 발생하여 연신율을 감소시키거나, 용접성이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 탄소 함량이 1.0중량%를 초과하면 적층결함에너지가 너무 커져서, 변형 중에 기계적 쌍정의 생성이 어려워지는 단점이 있다.
또한, 제 1 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 질소를 0.02중량% 내지 0.30중량% 포함한다. 구체적으로, 질소는 오스테나이트 상을 안정화시키는 침입형 원소로서, 첨가량이 많아지면 탄소와 마찬가지로 오스테나이트 안정성을 높이고, 고용강화에 의하여 강도가 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 질소는 함량이 증가하더라도 적층결함에너지를 증가시키지 않으므로 기계적 쌍정의 생성을 용이하게 할 수 있다.
한편, 본 실시예에 따르면, 질소의 함량이 0.10중량% 이상인 경우, 고용강화 효과가 커지고, 결국 항복강도가 크게 높아지므로 더욱 바람직하다.
또한, 질소의 함량이 0.02중량% 미만인 경우는 통상적인 강판 형성 시 불순물로서 첨가되는 정도로서 오스테나이트의 안정성 향상을 이루기 어렵고, 열간압연 후 상온에서 페라이트나 마르텐사이트 상이 형성될 수 있고, 적층결함에너지를 조절하는 기능을 얻기 어렵다는 단점이 있다. 한편, 크롬과 같은 추가 원소를 첨가하지 않고 질소의 함량을 높이는 것은 매우 어려운 기술인데, 본 발명에 따르면 특히 뒤에서 설명하는 아크멜팅법을 이용함으로써 질소의 함량을 0.1중량% 이상, 더욱 바람직하게는 0.2중량% 이상으로 높일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와 4중량% 이하의 크롬과, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함한다.
먼저, 크롬은 강의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라, 질소의 고용도를 높여준다. 또한, 크롬은 탄소의 첨가로 인하여 증가되는 적층결함에너지를 감소시켜 기계적 쌍정의 형성을 촉진시킨다. 하지만, 크롬은 페라이트 안정화 원소로서 4.0중량%를 초과하여 첨가하면, 열간 압연 중 일부 페라이트가 생성될 수 있다. 또한, 크롬은 고급 재료로서 너무 많이 사용될 경우 제조원가가 너무 커지는 단점이 있으므로, 함량을 4중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 질소의 함량이 0.30중량%를 초과하는 경우, 질소를 강판 내부에 다량으로 고용시키기 위하여 크롬의 첨가량 역시 크게 높아져야 하는데, 이는 제작비용을 증가시키는 것이므로 바람직하지 않다.
또한, 그 외의 다른 성분의 함량범위를 제한한 이유는 제 1 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
다음으로, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 4중량% 미만의 실리콘, 3중량% 미만의 알루미늄, 0.30중량% 미만의 니오븀, 0.30중량% 미만의 티타늄, 및 0.30중량% 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함한다.
구체적으로, 4중량% 이하의 실리콘을 첨가할 경우 실리콘에 의한 고용강화 효과에 의해 결정립도를 줄임으로써, 결국 항복강도를 증가시켜 강도의 향상을 얻울 수 있다. 또한, 실리콘의 첨가는 강의 적층결함에너지를 낮추어 소성변형중 기계적 쌍정의 생성을 원활하게 한다.
하지만 실리콘을 4중량%를 초과하여 첨가할 경우 표면에 실리콘 산화층을 형성하여 용융 도금성을 떨어뜨린다. 또한, 강의 적층결함에너지를 과다하게 낮추어 오스테나이트 안정성이 떨어질 경우에는 ε 마르텐사이트의 생성을 촉진시킬 수 있기 때문에, 실리콘의 함량은 4중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
또한, 알루미늄을 3중량% 이하로 첨가할 경우 탈산 효과를 얻을 수 있다. 또한, 알루미늄은 슬립면에서 적층결함에너지를 증가시켜 ε 마르텐사이트의 생성을 억제함으로써 연성을 증가시킨다. 뿐만 아니라, 알루미늄은 망간 첨가량이 적은 경우에도 ε 마르텐사이트의 생성을 억제할 수 있으므로, 강의 제조 시 망간의 함량을 최소화하고 가공성을 향상시킬 수 있다.
하지만 알루미늄의 함량이 3중량%를 초과하는 경우에는 적층결함에너지가 너무 높아져 쌍정의 발생을 억제하여 연성을 감소시키고, 연속 주조시 주조성을 나쁘게 할 수 있다. 또한, 열간 압연시 표면 산화가 심하여 제품의 표면 품질을 저하시킨다.
또한, 니오븀, 타이타늄 및 바나듐은 탄소와 결합하여 탄화물을 형성하는 강탄화물 형성원소로서, 이때 역성된 탄화물은 결정립 성장을 막아 결정립도 미세화에 효과적이며, 석출상 형성에 의한 석출 강화 효과를 얻을 수 있다. 하지만, 니오븀, 타이타늄 또는 바나듐 0.30중량%를 초과하여 첨가할 경우 니오븀, 타이타늄, 바나듐이 결정립계에 편석하여 입계취를 일으키거나, 석출상이 과도하게 조대화되어 결정립 성장 효과를 떨어뜨릴 수 있다. 따라서 니오븀, 타이타늄 또는 바나듐은 0.30중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
또한, 그 외의 다른 성분의 함량범위를 제한한 이유는 제 1 및 제 2 실시예에서 설명한 것과 실질적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고망간 질소 함유 강판의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판의 형성방법은 다음과 같다. 먼저, 챔버 내부에 전해철, 전해망간, 탄소 분말을 배치한다. 이때, 챔버 내부에 투입되는 각각의 재료의 양을 조절함으로서 완성품인 강판의 조성을 조절할 수 있다. 이어서, 챔버 내부를 진공으로 만든 후, 아르곤-질소 분위기로 충전한다. 이때 아르곤과 질소는 전체가 1기압이고, 그 중 질소의 분압이 0.2~0.8기압의 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 질소의 비율이 20중량% 미만이면 아크멜팅 시 강으로 질소의 첨가량이 너무 적게 되어 효율이 떨어진다. 또한, 질소의 비율이 80중량%를 넘으면 불활성 기체인 아르곤의 압력이 너무 낮아져서 망간에 의한 흄이 심하게 발생하여 챔버 내부가 심하게 오염되는 단점이 있다. 또한, 질소 비율이 너무 높을 경우 텅스텐 전극봉의 용융으로 인하여 원재료의 비산이 심해져 아크멜팅 후 강판의 표면 상태가 매우 거칠어지는 단점이 있다. 이어서, 챔버 내부의 자료들을 전극봉을 이용하여 아크멜팅하고, 적당한 시간 동안 냉각하여 강판을 완성한다. 또한, 상기 아크멜팅-냉각 과정은 1회로 완성될 수도 있지만, 복수 회 반복되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 아크멜팅-냉각 과정을 반복할수록 질소의 함량은 더욱 높아진다.
특히, 통상적인 방법으로 TWIP 강을 형성할 경우 질소의 함량은 0.02중량% 내지 0.1 중량%에 그치게 되므로, 크롬과 같은 질소의 고용을 촉진시킬 수 있는 원소를 포함하지 않고서 상기 제 1 실시예에 따른 조성을 갖는 고망간 질소 함유 강판을 형성하는 것은 매우 어렵다. 하지만, 위와 같이 아르곤-질소 분위기에서 아크멜팅을 하여 강판을 형성할 경우 크롬과 같은 고가의 원소를 첨가하지 않고서도 통상적인 방법에 의하여 강판을 형성하는 경우보다 다량의 질소를 포함시킬 수 있으므로, 특히 제 1 실시예의 조성을 갖는 고망간 질소 함유 강판의 형성에 특히 바람직하다. 하지만, 상기 아크멜팅을 이용한 방법은 반드시 상기 제 1 실시예의 조성을 갖는 강판을 형성하는 경우에만 사용되는 것은 아니고, 다른 다양한 조성을 갖는 강판의 형성에 다양하게 사용가능하다.
한편, 상기 아크멜팅을 이용하여 고망간 질소 함유 강판을 형성한 경우, 이어서, 상기 강판을 900℃ 이상에서 열간 압연한 후, 상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 열간 압연하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 열간 압연 및 냉각된 강판은 50% 이상의 두께 감소율로 상온에서 냉간 압연하고, 냉간 압연된 강판을 800℃ 이상에서 소둔 열처리한 후, 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 것이 더욱 바람직하다.
또는, 본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 통상적인 방법을 이용해서도 형성가능하다.
구체적으로, 통상적인 방법에 따른 강판은 먼저, 원하는 함량의 강판을 1100℃ 이상으로 가열하고, 상기 가열된 강판을 900℃ 이상에서 열간 압연한 후, 상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 통하여 형성가능하다. 또한, 상기 열간압연 및 냉각 절차에 이어서 상기 냉각된 강판을 50% 이상의 두께 감소율로 상온에서 냉간 압연하고, 냉간 압연된 강판을 800℃ 이상에서 소둔 열처리한 후, 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
실험예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6은 표 1에 나타난 화학조성을 갖는 강을 각각 1100℃ 이상으로 가열하고 900℃ 이상에서 열간 압연하여 두께 3mm 판을 만든 후 공냉시켜 시편을 제조한 것이다. 또한, 실험예 4는 특히 발명예 3의 두께 3mm인 열연판을 1.5mm로 냉간압연하고, 800℃에서 10분간 소둔 열처리 후 공냉한 냉연소둔시편이다.
표 1
구분 조성(중량%) 비고
C Mn Cr N Al Si
실험예 1 0.594 14.96 1.83 0.068 - 열연 강판
실험예 2 0.618 15.03 1.82 0.086 - - 열연 강판
실험예 3 0.560 14.90 2.51 0.210 - - 열연 강판
실험예 4 0.560 14.90 2.51 0.210 - 냉연 소둔 강판
실험예 5 0.580 17.05 0.209 0.023 0.005 1.59 열연 강판
실험예 6 0.610 19.01 0.302 0.020 0.96 - 열연 강판
비교예 1 0.607 9.00 1.73 0.060 - - 열연 강판
비교예 2 0.0006 23.8 - - 2.70 3.0 열연 강판
비교예 3 0.580 17.49 - - 1.50 - 열연 강판
비교예 4 0.933 12.76 - - - 0.010 열연 강판
비교예 5 1.16 9.87 - - - 0.066 열연 강판
비교예 6 1.19 8.08 - - - 0.067 열연 강판
다음으로, 상기 공정을 통해 제조된 시편을 이용하여 강도 및 연신율을 측정하였으며, 그 결과는 아래의 표 2와 같다.
표 2
구분 항복강도(YS)(MPa) 인장강도(TS)(MPa) 총연신율El(%) TS×El(MPa%) 비고
실험예 1 361.4 900.9 60.0 54054 열연 강판
실험예 2 366.3 880.1 62.4 54918 열연 강판
실험예 3 653.1 1050.6 59.6 62616 열연 강판
실험예 4 607.7 1155.3 61.3 70820 냉연 소둔 강판
실험예 5 343.2 803.2 68.2 53413 열연 강판
실험예 6 358.4 818.3 66.5 54417 열연 강판
비교예 1 650.1 928.7 15.5 14395 열연 강판
비교예 2 339.0 666.0 67.0 44622 열연 강판
비교예 3 313.3 711.4 61.4 43680 열연 강판
비교예 4 387.0 1021.2 33.9 34619 열연 강판
비교예 5 461.2 908.8 7.61 6916 열연 강판
비교예 6 470.5 937.3 5.04 4724 열연 강판
표 2에서 보듯이, 실험예 1 내지 실험예 4는 항복강도(YS)가 300MPa보다 크고, 인장강도(TS)도 880Mpa 이상으로 큰 것을 볼 수 있다. 또한, 총연신율(EL)도 약 60%로서, 인장강도와 연신율의 곱(TS×EL)이 50,000MPa%로 매우 큰 것을 볼 수 있다. 즉, 상기 발명예에 따른 강들은 종래의 TWIP 강(비교강 2,3)에 비하여 연신율이 대등하면서도 항복강도와 인장강도가 더 높음을 알 수 있다. 특히, 실험예 3에서 보듯이, 질소의 함량이 0.2중량%를 넘을 경우 질소의 고용강화 효과에 의해 항복강도 및 인장강도 값이 매우 높은 것을 확인할 수 있다. 즉, 실험예 3에 따른 강판은 인장강도가 1GPa보다 높으면서도 60%에 가까운 연신율을 가져서, 인장강도와 연신율의 곱(TS×EL)도 60,000MPa%보다 큰 것을 볼 수 있다. 또한, 실험예 4는 실험예 3에 따른 열연 강판을 냉연 소둔 처리한 냉연 소둔강판으로서, 인장강도와 연신율이 모두 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상기 기계적 쌍정의 형성은 도 1에서도 확인할 수 있다. 즉, 도 1은 실험예 3에 따른 강판의 전자현미경 사진으로서, 도 1에서 보듯이 실험예 3에 따른 강판은 기계적 쌍정이 형성되어 있음을 볼 수 있다.
또한, 알루미늄 및 실리콘을 더 첨가한 실험예 5 및 알루미늄을 더 첨가한 실험예 6의 경우 실험예 1 내지 실험예 4의 경우와 비교하여, 크롬의 함량을 크게 줄였음에도 불구하고 다량의 질소를 포함하고 있으며, 그에 따라 항복강도 및 인장강도 값도 우수함을 볼 수 있다.
반면, 종래의 방법에 따라 형성된 비교강은 본 발명에 비하여 인장강도 또는 연신율이 낮음을 알 수 있다. 먼저, TRIP 강인 비교예 1은 인장강도는 928.7MPa로 우수하지만, 총연신율이 15.5%로 취약함을 알 수 있다. 또한, 질소를 함유하지 않은 종래의 방법에 따른 TWIP 강(비교예 2, 3)의 경우, 총연신율은 60% 이상으로 우수하지만, 인장강도가 700MPa 정도로 상대적으로 약하고, 결국 인장강도와 연신율의 곱(TS×EL)도 40,000MPa% 정도에 머무는 것을 볼 수 있다. 또한, 탄소의 함량을 증가시킨 비교예 4 내지 비교예 6의 경우, 탄소의 함량이 증가함에 따라 연신율이 급격하게 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
다음으로, 실험예 7 내지 실험예 9는 아크멜팅법을 이용하여 강판을 형성한 경우를 예시한다. 즉, 챔버 내부에 소정의 비율로 전해철, 전해망간, 탄소 분말을 배치하고, 챔버를 진공으로 만든 후, 챔버 내부를 아르곤-질소 분위기로 충전하였다. 이때 아르곤과 질소는 전체가 1기압이고, 그 중 질소의 분압이 0.2~0.8기압의 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 본 실험에서는 30분간 400A 조건에서 아크 전극봉을 시편과 2~5cm 이격시킨 후 전진시키는 방법으로 아크멜팅하고 30분간 냉각하였다. 또한, 상기 아크멜팅과 냉각 과정은 3회 반복하였다.
다음으로, 실험예 10에 따른 강판은 챔버 내부에 전해철, 전해망간, 탄소 분말 외에 크롬을 더 포함시켜서 아크멜팅한 강판이다. 이하의 강판 형성방법은 실험예 1 내지 실험예 3의 경우와 동일하게 수행하였다.
다음으로, 비교예 7에 따른 강판은 상기 방법에 따른 아크멜팅을 수행하지 않고 질소 분위기에서 원료를 용해하여 강을 형성한 경우를 예시한다.
상기 방법을 통하여 형성된 실험예 7 내지 실험예 10 및 비교예 7에 따른 고망간 강판의 구체적인 조성은 다음과 같다.
표 3
구분 조성(중량%) 비고
C Mn Cr N
실험예 7 0.003 11.95 - 0.093 아크멜팅
실험예 8 0.760 14.27 - 0.109 아크멜팅
실험예 9 0.570 16.47 - 0.090 아크멜팅
실험예 10 0.004 14.42 1.99 0.141 아크멜팅
비교예 7 0.618 15.03 1.82 0.086 질소 분위기 용해
실험예 7 내지 10과 같이 크롬이 포함되지 않은 강을 아르곤-질소 분위기에서 아크멜팅함으로써 질소의 함량이 높은 강을 형성할 수 있었다. 또한, 실험예 4와 같이 크롬이 포함된 강을 아르곤-질소 분위기에서 아크멜팅함으로써 질소의 함량이 더욱 높은 강을 형성할 수 있었다.
한편, 비교예는 크롬을 포함하고 질소 분위기에서 통상적인 제강방법에 따라 용해에 의하여 강을 형성한 경우를 예시한다. 비교예와 같이 크롬을 포함하고, 질소 분위기에서 용해를 하더라도 강의 질소 함량은 본 실험예에 따른 강에 비하여 질소의 함량이 적은 것을 확인할 수 있다. 즉, 비교예와 같이 크롬을 1.73중량% 포함한 강을 용해에 의하여 형성할 경우 질소의 함량은 0.086중량%로서, 비슷한 양의 크롬을 포함한 실험예 10의 질소 함량인 0.141중량%와 비교하여 질소의 함량이 크게 적은 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 2는 실험예 9에 따라 형성된 강의 인장커브롤 도시하는 도면이다. 도 2에서 보듯이, 실험예 9에 따른 강은 강도와 연성이 각각 985MPa, 56%로 매우 우수하게 나타났으며, 강도와 연신율의 곱도 약55,000MPa%의 수준인데, 이는 망간을 20중량% 이하로 포함하고, 크롬을 포함하지 않는 고망간강에 비하여 매우 높은 값으로서, 망간을 20중량%를 초과하여 함유하거나 크롬과 같은 고가의 금속을 더 포함하는 고망간강과 비슷한 정도의 값이므로 매우 유용한 것이다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 및 고연성을 갖는 고망간 질소 함유 강판 및 그 제조방법을 상세하게 설명하였다. 하지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예에 대한 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해서만 한정된다.

Claims (19)

  1. 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  2. 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  3. 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 4중량% 미만의 실리콘, 3중량% 미만의 알루미늄, 0.30중량% 미만의 니오븀, 0.30중량% 미만의 티타늄, 및 0.30중량% 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소의 적어도 일부는 아크멜팅(arc-melting)법에 의하여 상기 강판에 포함되는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고망간 질소 함유 강판은 인장강도와 총 연신율의 곱(TS× El)이 50,000MPa% 이상인 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  6. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 망간은 15중량% 내지 18중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  7. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 질소는 0.10중량% 내지 0.3중량%로 포함되는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  8. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강판은 열연 강판인 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  9. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 강판은 냉연 소둔 강판인 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판.
  10. 전해철, 전해망간 및 탄소 분말을 챔버 내부에 배치하는 단계;
    상기 챔버를 아르곤-질소 분위기로 충전하는 단계; 및
    상기 전해철, 전해망간 및 탄소 분말을 아크멜팅하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 아크멜팅은 복수회 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  12. 제 10항에 있어서, 상기 질소-아르곤 분위기는 질소 분율이 0.2 내지 0.8인 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  13. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 고질소 강판을 900℃ 이상에서 열간 압연하는 단계; 및 상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 방법은 상기 냉각된 강판을 50% 이상의 두께 감소율로 상온에서 냉간 압연하는 단계; 상기 냉간 압연된 강판을 800℃ 이상에서 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  15. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  16. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서 상기 챔버 내부에 배치되는 원료는 크롬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.2중량%의 질소와, 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  18. 제 10항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법에서 상기 챔버 내부에 배치되는 원료는 크롬과 실리콘, 알루미늄, 니오븀, 티타늄, 및 바나듐 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 방법에 의하여 형성된 강판은 0.5중량% 내지 1.0중량%의 탄소와, 10중량% 내지 20중량%의 망간과, 4.0중량% 이하의 크롬과, 0.02중량% 내지 0.3중량%의 질소와, 4중량% 미만의 실리콘, 3중량% 미만의 알루미늄, 0.30중량% 미만의 니오븀, 0.30중량% 미만의 티타늄, 및 0.30중량% 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.
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