KR0136157B1 - 연성이 우수한 열연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

연성이 우수한 열연강판 및 그 제조방법

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Abstract

본 발명은 강 조성을 적절히 제어하는 동시에 강의 미세조직을 페라이트-베이나이트-잔류 오스테나이트의 3상 조직으로 하고 이 조직중 잔류 오스테나이트를 10%이상 함유하도록 하므로서 용접성이 우수할 뿐만 아니라 우수한 가공성을 발휘할 수 있는 연성을 갖는 열연강판을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C:0.10-0.20%, Si:1.0-2.5%, Mn1.0-2.5%, S:0.01%이하, Al:0.01-0.04%, N:0.01-0.03% 및 기타 불가피한 불순원소로 조성되고, 강의 조직이 페라이트, 베이나이트 및 10% 이상의 잔류 오스테아니트로 구성되는 연성이 우수한 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

연성이 우수한 열연강판 및 그 제조방법
제1도는 발명재와 비교재에 대한 인장강도와 용접성지수와의 관계를 나타내는 그래프
본 발명은 자동차 또는 산업용기계등에 사용되는 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접성 뿐만아니라 고연성을 갖는 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 및 산업기계에 있어 컴팩트한 디자인 및 안전성 향상 추구에 따라 이들 제품에 사용되는 강판의 무게를 감소시키고 동시에 복잡한 형상을 손쉽게 만들어내기 위해 가공성이 우수한 고장력강판을 채용하려는 많은 시도가 이루어지고 있다.
이에 따라 고장력강판에 대한 가공성 향상에 대한 요구 역시 매우 높아 강도와 가공성을 동시에 만족시키는 강판이 절실히 요구되고 있다.
이러한 부품에 사용되는 고장력 강판으로는 페라이트와 마르텐사이트로 구성된 2상 조직 강판(dual-phase 강판)이 사용되고 있으나, 보다 우수한 강도 및 연성에 대한 요구를 만족시키기 못하는 실정이다.
이와같은 문제점을 해결하기 위해서 잔류오스테나이트의 가공유기소성 특성을 활용한 잔류 오스테나이트강이 개발되고 있는데, 그 일례로 일본특개소 64-79345 호에 제시된 바에 의하면, 0.15-0.4%C - 0.5-2.0%Si - 0.5-2.0%Mn - 0.01% 이하의 S로 조성된 강을 열간압연을 하고, 그 종료 온도를 Ar3± 50℃ 이상으로 한 후, Ar3로 부터 Ar1까지의 온도범위내에서, T1T2의 2개의 임의의 온도를 설정하여 T1까지는 냉각속도 40℃/S 이상으로 냉각하고 계속해서 냉각속도 40℃/S 미만으로 T2까지 냉각한 후 다시 냉각속도 40℃/S 이상으로 냉각하고 350-500℃에서 권취하여 잔류 오스테나이트가 함유된 열연강판을 제조하는 방법이 제안되어 있다.
그러나, 상기 방법은 C-Si-Mn 계의 성분만을 사용하므로, 고온조직인 오스테나이트를 잔류시키기 위해서는 최소0.15% 이상의 탄소량이 강중에 함유되어야 하며, 또한 강도를 증가시키기 위해서는 탄소량을 증가시켜야만 하기 때문에 자동차 및 산업용기계로 사용되기 위해서는 부적절한 면이 있다. 왜냐하면 이러한 용도로 사용되는 열연강판은 부품가공 전후에 용접이라는 공정이 존재하기 때문에 열연강판의 용접성 측면을 고려해 볼때 일반적으로 열연강판의 탄소량이 0.2% 이상이 되면 열연강판에 주로 적용되는 용접이 매우 어려워지므로 탄소량의 증가 또는 Si, Mn량의 과도한 증가에 기인하여 용접성이 크게 저하될 것임을 알 수 있기 때문이다.
다시말하면, 이와같은 성분계의 사용 및 제조방법의 적용은 열연강판의 용접성을 다소 손해보더라도 고연성을 얻기 위하여 잔류 오스테나이트의 체적율을 증가시키려는 것이기 때문에 종래의 방법은 조업 및 강판사용에 따른 문제점으로 인하여 바람직하지 않다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 강 조성을 적절히 제어하는 동시에 강의 미세조직을 페라이트-베이나이트-잔류 오스테나이트의 3상 조직으로 하고 이 조직중 잔류 오스테나이트를 10% 이상 함유하도록 하므로서 용접성이 우수할 뿐만 아니라 우수한 가공성을 발휘할 수 있는 연성을 갖는 열연강판을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명을 설명한다.
본 발명은 종량%로, C:0.10-0.20%, Si:1.0-2.5%, Mn:1.0-2.5%, S:0.01%이하, Al:0.01-0.04%, N:0.01-0.03% 및 기타 불가피한 불순원소로 조성되고, 강의 조직이 페라이트, 베이나이트 및 10% 이상의 잔류 오스테나이트로 구성되는 연성이 우수한 열연강판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기와 같이 조성되는 강을 800-850℃의 온도 범위로 마무리 압연한 다음, 700-750℃(Ar1온도직상)의 온도범위까지 수냉각하고, 이후 630-680℃(Ar1온도직하)의 온도범위까지 공랭한 후, 재차 수냉각하고 370-430℃의 온도범위에서 권취함을 포함하여 구성되는 연성이 우수한 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명강에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명강 중에 함유되는 C는 강을 강화시키는데 가장 경제적이며 효과적인 원소이며 동시에 오스테나이트를 잔류시키기 위한 필수적인 원소로소, C-Si-Mn계 강에서는 적어도 0.15중량%(이하, 단지 '%'라함) 이상을 첨가하여야 유효한 효과를 발휘한다. 그러나, 본 발명에서는 질소를 이용하여 탄소량을 감소시킬 수 있으나, 탄소량이 0.1% 미만이 되면 본 발명에서 추구하는 고강도에서 우수한 연성을 발휘시키기 위한 잔류 오스테나이트가 충분히 형성되지 않는다. 한편, 탄소를 과도하게 첨가 시키면(0.2%이상) 용접성이 저하되고 소재의 취성이 증가하기 때문에 C 첨가량은 0.1-0.2%로 제한함이 바람직하다.
상기 Si은 용강을 탈산시키기 위해서도 필요하고 고용강화원소로도 효과를 나타내지만, 무엇보다도 고강도-고연성의 복합조직강판을 제조하기 위해서는 C, N 등의 침입형 원소가 페라이트에 고용되지 않고, 미변태 오스테나이트 중에 농축되어 잔류 오스테나이트를 형성시켜야 하기 때문에 적어도 1.0% 이상 첨가되어야 하며, 2.5% 이상 첨가되면 강판의 표면에 박리성이 나쁜 스케일이 형성되고 용접성이 저하되기 때문에 상한을 2.5%로 정함이 바람직하다.
상기 Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서, 1.0% 이상 첨가되어야 소입성 증가효과와 더불어 오스테나이트를 안정화시켜 잔류 오스테나이트를 효과적으로 형성시킬 수 있다. 그러나, 2.5% 이상 첨가시키면, 제강공정에서 슬라브로 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 용접성을 해치기 때문에 바람직하지 않다.
상기 S는 강판의 연신율 및 성형성에 미치는 영향이 매우 크고, 특히 스트레치-플렌징성에 있어서는 크랙파괴의 원인으로 작용하기 때문에 첨가량은 낮으면 낮을수록 좋으나, 제강공정에서의 탈류능력을 감안하여 상한율 0.01%로 정하였다.
상기 N은 탄소와 마찬가지로 오스테나이트 안정화 원소로서, 고강도-고연성의 복합조직 강판을 제조하기 위해서는 잔류 오스테나이트 형서이 원활이 이루어져야 하기 때문에 첨가된다. 통상의 철강제조 공정에서는 질소 함유량이 약 0.01% 이하인데 반해, 본 발명에서는 오히려 질소를 다소 첨가한다. 질소첨가에 의한 효과는, 첫째로 질소의 고용강화 능력이 탄소에 비해 매우 크기 때문에 탄소에 비해 소량 첨가하더라도 소재의 강도를 크게 증가시킬 수 있으며, 둘째로 열간압연 공정 중에 오스테나이트를 안정화시키므로써 이후 변태되는 페라이트의 결정립 크기를 미세하게하므로서 기지(matrix)의 강도를 향상시키는 한편 강중에 존재하는 알루미늄(Al)과 결합하여 AlN으로 석출하므로써 석출강화에 의한 강도증각가 매우 크다. 마지막으로 질소는 오스테나이트의 마르텐사이트 변태온도를 저하시키므로써 오스테나이트 잔류를 안정화시킨다. 이를 위해 N은 적어도 0.01% 이상 첨가되어야 하며, 실용적으로 제강공정에서 N을 0.03% 이상 첨가하기는 매우 어려우며 또한 0.03% 이상 첨가되면 N첨가에 의한 취성이 증가하여 소재의 인성이 급격하게 저하되기 때문에 상한율 0.03%로 제한함이 바람직하다.
상기 Al은 탈산원소로서 강의 불순물을 저감시키는 역할을 한다. 이를 위해 Al은 통상 0.01% 이상 첨가되지만 다량 첨가되면 강 중에 존재하는 질소(N)와 결합하여 AlN을 형성시킴에 따라 오스테나이트를 잔류시키는 역할을 하는 고용질소량을 감소시키기 때문에 본 발명에서는 Al의 첨가량의 상한율 0.04%로 제한하여 강의 청정성을 향상시키도록 하였다.
이와같이, 잔류 오스테나이트 형성을 촉진시키는 원소인 N을 적정량 첨가하여 조성되는 본 발명강은 고연성을 얻기 위하여 잔류 오스테나이트의 제적율을 증가시키는데 그 특징이 있다. 즉, 동일한 제조공정을 사용하더라도 본 발명에 따르면 잔류 오스테나이트의 형성이 보다 원활해지며 강도도 크게 향상되는 것이다.
따라서, 본 발명강은 상기한 조성을 만족하면서 강의 조직이 페라이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트로 구성되어야만 하며, 특히, 종래의 기술에 의해 제조된 강의 품질한계를 넘어서서 인장강도 100kg/㎟급으로 TSxEL 2700을 얻기 위해서는 강의 미세조직 중에 오스테나이트를 적어도 10% 이상을 잔류시키는 것이 필요하며, 이에 따라 극히 우수한 가공성을 발휘하게 된다.
이하, 본 발명강을 제조하는 방법에 대하여 보다 상세하게 설명한다.
우선, 상기 성분계를 갖는 강을 열간압연함에 있어 800-850℃ 온도범위로 마무리압연하면, 오스테나이트로부터 페라이트로 변태하기 위한 구동력을 증가시키고 이에 따라 이후의 냉각과정에서 형성되는 페라이트의 미세화 및 핵생성 수를 증가시키는 역할을 하게 된다.
상기와 같은 마무리 압연조건에서 압연하여 페라이트를 미세화시키면서 동시에 그 체적율을 증가시키기 위해서는 저온압연, 대압하압연, Ar3변태점까지의 급냉, 페라이트 변태 노즈부(nose)에서의 서냉, 페라이트 변태후의 급냉 방법이 유효하다.
이와같은 개념에 의해 본 발명은 다음과 같은 냉각방식을 사용한다.
즉, 본 발명에서는 Ar1직상온도인700-750℃까지 수냉각하는 것이 바람직한데, 그 이유는 오스테나이트/페라이트 변태개시를 가능한한 낮은 온도에서 일어나도록 함으로써 미세한 페라이트를 형성시키고, 한편으로 고연성을 나타내는데 절대적인 역할을 하는 오스테나이트를 적정량 미변태시키기 위함이다. 이후, 630-680℃의 온도범위(Ar1온도직하)까지 공냉하므로써 강중에 첨가되어 있는 합금성분의 역할에 의해 오스테나이트를 보다 안정화시키고, 또한 Si에 의해 안정화된 오스테나이트로 C 및 N 을 확산이동시키므로서 미변태 오스테나이트 중의 탄소 및 질소 함유량을 증가시켜 이 부분의 Ms 온도(마르텐사이트 개시온도)를 저하시켜 이후 계속되는 과정중에 오스테나이트가 변태되지 않도록 한다.
그다음, 계속적으로 공냉하면 펄라이트 및 베이나이트가 과도하게 형성되기 때문에 재차 수냉각하므로써 우선 펄라이트의 형성을 억제시키고, 수냉각 정지온도인 권취 온도를 조절하므로써 베이나이트 분율을 제어한다.
한편, 권취온도가 450℃이상이 되면 권취후 베이나이트 변태가 과도하게 진행되거나 펄라이트가 발달되기 때문에 체적율 10% 이상의 잔류 오스테나이트를 함유시키기 위해서는 상한을 430℃로 한정하고, 또한, 350℃이하로 권취하게되면 연성 향상에 크게 기여하는 잔류 오스테나이트 대신에 마르텐사이트가 형성되기 때문에 하한을 370℃로 한정함이 바람직하다.
이와같이, 본 발명 방법에 따르면, 페라이트-베이나이트-잔류 오스테나이트의 3상 조직을 형성시킬수 있고, 이러한 3상 조직강은 잔류 오스테나이트가 10% 이상 함유되어 있어 종래의 2상 조직강보다도 연성이 우수하여 인장강도 x 연신율 2700 인물성을 나타낸다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예]
하기표 1과 같은 화학성분을 지닌 발명강과 비교강을 용해하여 잉고트(ingot)로 제조한 후, 열간압연하여 두께 3.0㎜의 판재로 제조하였다. 이때 제조조건은 하기표2와 같이, 열간압연 마무리온도는 800-870℃의 범위에서 변화시켰으며, 열간압연후의 런 아웃 테이블(run-out table)에서의 수냉각속도는 실제 현장생산공정에서의 냉각속도와 동일하게 하였고, 권취온도는 300-500℃의 범위에서 제어하였다. 이와같이 제조된 열연강판에 대하여 기계적 물성을 평가하고, 그 결과를 하기표 3에 나타내었다. 또한, 각각의 열연강판에 대하여 용접특성을 평가하기 위하여 Pcm = C + Si/30 + (Mn + Cu + Cr)/20 + Ni/60 + Mo/15 + V/10 + 5B로 정의되는 용접성 지수를 계산하고, 인장강도에 따른 용접성 지수값을 제1도에 나타내었다.
상기 표1에서 A강은 다른 성분들은 본 발명강(C)와 유사하나 질소함유량이 적기 때문에(N=0.06%), B강은 A강보다 탄소량을 증가시켰으나 여전히 질소첨가량이 적기 때문에(N=0.06%), D강 및 E강은 탄소첨가량이 과도하기 때문에(각각 C=0.23, 0.4%) 하기표 3 및 제1도에 나타난 바와같이 목적으로 하는 특성이 나타나지 않아 비교강으로 선정된 것이다. 즉, 본 발명에서는 질소첨가가 적정량의 잔류 오스테나이트를 형성시키기 위한 필수적인 원소인데, 본 발명범위에 벗어나면 목적으로 하는 기계적성질을 만족시키지 않음을 알 수 있다. 반면에 C강은 본 발명의 성분제한 범위를 만족시키는 강이다.
*FDT : 마무리 열간압연온도
T1 : 1차 수냉각 정지온도
T2 : 2차 수냉각 정지온도
CT : 권취온도
또한, 발명강과 비교강의 열연조건 및 냉각조건을 나타낸 상기표 2에서 비교예 (1-2), (9-10)은 비교강인 A, B, D, E강을 사용하여 본 발명조건으로 열간압연한 것이고, 다른 조건은 본 발명 조성강을 사용하여 열간압연 조건을 변화시킨 것이다. 즉, 비교예(7)은 본 발명강(C)를 열간압연함에 있어 수냉각방법 및 권취온도는 발명조건으로 하고 열간압연 마무리온도(FDT) 만을 발명조건보다 높게 실시한 경우이며, 비교예(3)은 권취온도를 높게한 경우이고, 비교예(6)은 권취온도가 낮은 경우, 비교예(8)은 냉각패턴을 사용함에 있어 1차 수냉각 정지온도(T1) 및 2차 수냉각 개시온도(T2)가 상이한 경우이고, 발명예(4)(5)는 발명조성의 강을 발명조건으로 압연한 경우를 나타낸다.
* TXxEL : (인장강도x연신율)값
F : 페라이트
B : 베이나이트
M : 마르텐사이트
RA : 잔류 오스테나이트
상기 표3은 발명예와 비교예의 기계적 성질 및 미세조직의 변화를 나타낸 것으로서 상기표3에 나타난 바와같이, 비교예(1)의 경우에는 탄소함량이 0.16%로 대부분 화학조성이 본 발명강과 유사하나 각각 질소함유량이 적기 때문에(N=0.06%) 압연 및 냉각조건을 발명범위내로 하더라도 본 발명강에 비해 인장강도가 작고 TSxEL 값도 최대 2300 수준에 머무르고 있음을 알 수 있다. 또한, 탄소첨가를 0.16%로 부터 0.19%로 증가시킨 비교강(B)를 본 발명압안법으로 제조한 경우인 비교예(2)의 경우에는 인장강도가 69.1kg/㎟으로 증가하며 잔류 오스테나이트 량도 8.1%에 이르고 있으나, 탄소량이 작은 본 발명강에 비해 인장강도가 여전히 작으며, 특히 제1도에 도시된 바와같이 용접성 지수(Pcm)가 크기 때문에 용접성이 있어 불리한 것을 알 수 있다. 또한 탄소함량을 더욱 증가시킨 비교강(D)를 사용한 비교예(9)의 경우에는 인장강도가 75.3kg/㎟으로 본 발명강과 대등하였으며 이로부터 본 발명강과 유사한 인장강도를 나타나게 하기 위해서는 탄소첨가량을 매우 크게 증가시켜야 하기 때문에 제1도에서 알 수 있는 바와같이, 용접성이 본 발명강에 비해 크게 저하되어 적합치 않은 것을 알 수 있다. 특히, 탄소량을 더욱 증가시킨 비교강(E)의 경우 비교예(10)에서 알 수 있는 바와같이 인장강도 101.4kg/㎟ 정도로 매우 높은 것을 알 수 있으나, 탄소량이 0.4%로 매우 높기 때문에 적합치 않음을 알 수 있다.
이상과 같이, 비교강의 특성을 살펴본 결과, 잔류 오스테나이트를 원활히 형성시키고 또한 잔류 오스테나이트가 유사한 분율로 형성되어 있다 하더라도 잔류 오스테나이트의 안정도를 증가시켜 높은 연성을 발휘시키기 위해서는 탄소첨가량을 증가시켜야 함을 알 수 있다. 즉, 상기 표3에 나타낸 바와같이, 비교예(2)의 조건으로 형성된 잔류 오스테나이트량은 8.1%이며, 비교예(9)의 경우에서는 8.5%였다. 그러나, 탄소함량이 높은 비교예(9)의 경우 탄소함량이 낮은 비교예(2)에 비해 인장강도의 증가와 더불어 연성도 오히려 증가하였는데, 이는 탄소함량 증가에 따른 잔류 오스테나이트 안정도 증가에 기인한다고 할 수 있다. 따라서, 탄소에 비해 고용강화 및 오스테나이트 안정성 증가능력이 매우큰 질소를 소량 사용함에 따라 목적으로 하는 잔류 오스테나이트 형성 및 강도증가가 매우 원활한 것임을 알 수 있다.
한편, 본 발명조성강을 사용하여 제조조건을 변경한 경우를 살펴보면 다음과 같다. 즉, 열간압연 마무리온도(FDT)를 높게 실시한 비교예(7)의 경우 FDT 증가에 따라 오스테나이트 결정립이 조대하여 이후 따르는 냉각과정에서 오스테나이트의 잔류가 어려워져 잔류 오스테나이트의 체적율이 4.8% 정도에 불과하므로 소재의 강도 및 연성이 우수하지 않았다. 또한, 권취온도가 높은 비교예(3)의 경우에는 고온에서 권취하므로써 베이나이트가 과도하게 형성되고 잔류 오스테나이트 역시 5% 미만으로 형성되었고 따라서 TSxEL 값도 2300 수준에 머무르고 있다. 또한, 권취온도가 본 발명 범위보다 낮은 비교예(6)의 경우에는 저온권취에 따라 상당량의 마르텐사이트가 존재하여 인장강도는 다소 증가하였으나 연성이 저하하였다. 그리고, ROT 냉각패턴이 본 발명범위와 상이한 비교예(8)의 경우 역시 부적정한 냉각패턴에 따라 잔류 오스테나이트 형성량이 작았으며 이에 따라 TSxEL 역시 최대 2500 수준에 머무르고 있음을 알 수 있다.
반면에, 발명강의 조성범위와 발명조건으로 열간압연한 경우인 발명예(4)(5)의 경우에는 전부 잔류 오스테나이트 량이 10% 이상으로 안정적으로 형성되어 있으며, TSxEL 2700으로 발명범위의 미세조직이 형성된 경우만이 본 발명에 부합되는 강이 제조됨을 알 수 있었다.
상술한 바와같이 본 발명은 강의 화학성분을 조절하고 열간압연 및 권취조건을 적절히 제어하므로써, 페라이트-베이나이트-잔류 오스테나이트의 삼상조직을 형성시킬 수 있고, 이러한 질소가 첨가된 삼상조직강은 종래의 C-Si-Mn계의 삼상조직강보다 적은 탄소를 사용하여도 높은 강도를 용이하게 얻을 수 있으며, 극히 우수한 연성을(TSxEL 2700) 발휘하는 특성을 나타낸다. 또한, 본 발명으로 제조된 강은 용접성이 매우 우수하므로 부품 제조시의 실수율 및 생산성을 향상시킬 수 있어, 본 발명을 적용하면 제조원가의 저하를 도모할 수 있는 등, 그 효과가 매우 크다.

Claims (3)

  1. 중량%로, C:0.10-0.20%, Si:1.0-2.5%, Mn:1.0-2.5%, S:0.01%이하, Al:0.01-0.04%, N:0.01-0.03% 및 기타 불가피한 불순원소로 조성되고, 강의 조직이 페라이트, 베이나이트 및 10% 이상의 잔류 오스테나이트로 구성됨을 특징으로 하는 연성이 우수한 열연강판.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강의 (인장강도x연신율)값이 2700 이상임을 특징으로 하는 열연강판.
  3. 중량%로, C:0.10-0.20%, Si:1.0-2.5%, Mn:1.0-2.5%, S:0.01%이하, Al:0.01-0.04%, N:0.01-0.03% 및 기타 불가피한 불순원소로 조성되는 강을 800-850℃의 온도범위로 마무리 압연한 다음, 700-750℃(Ar1온도직상)의 온도범위까지 수냉각하고, 이후 630-750℃(Ar1온도직하)의 온도범위까지 공랭한 후, 재차 수냉각하고 370-430℃의 온도범위에서 권취함을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 열연강판의 제조방법.
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