KR100347582B1 - 표면품질및재질이우수한연속소둔석출경화형고장력강판의제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자동차용 범퍼(BUMPER) 보강재 및 고강도와 가공성을 요구하는 부품에 사용되는 60Kg급 고장력 강판의 표면 품질 및 재질편차를 개선하고자 하는 것으로, 냉연 고장력강판에서의 성분을 중량비로 C:0.07-0.09%, Si:0.40-0.60%, Mn:1.45-1.55%, Sol-Al:0.02-0.05%, N:10-60ppm, Ti:0.035-0.050%, P:0.025%이하, S:0.01%이하로 하고, 나머지 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되어 있는 고강도 Al-Si 킬드강을 1200-1250℃에서 균질화 처리후 910-930℃에서 마무리 압연을 실시하고, 열연 냉각온도는 탄 질화물입자 성장억제 및 경화방지를 위해 600-650℃로 제한하며, 계속하여 50-75%의 냉간압연율로 압연후 연속소둔을 800-850℃범위로 행함을 특징으로 한다.

Description

표면품질 및 재질이 우수한 연속소둔 석출경화형 고장력강판의 제조방법{CONTINUOUS ANNEALING MANUFACTURING METHOD OF PRECIPITATION HARDNESS HIGH STRENGTH STEEL PLATE}
본 발명은 자동차용 범퍼(BUMPER) 보강재 및 고강도와 가공성을 요구하는 부품에 사용되는 60Kg급 고장력 강판의 표면 품질 및 재질편차를 개선하고자 하는 것으로서, 특히 각각의 첨가성분 범위 및 압연온도와 냉연 소둔온도의 범위를 제한함으로서, 강도 안정성 및 표면품질을 확보하는 석출경화형 60Kg급 고장력강판의 제조방법에 관한 것이다.
고장력강판의 제조방법으로는 Mn, Si, C, P등의 고용체강화 원소를 첨가하여 강화시키는 고용강화법, 소둔시 강을 오스테나이트(AUSTENITE)와 페라이트(FERRITE)가 공존하는 2상역까지 가열후 급냉시켜 경질의 말텐사이트(MARTENSITE)상을 다량 함유케 하는 복합조직강화법, Nb, Ti, V등 강한 탄 질화물 형성원소를 첨가하여 미세 석출물을 석출시킴으로서 경화하는 석출경화법이 있으며, 자동차 보강재로서 충돌시에 충격흡수에너지가 높고 고항복비형 냉연(냉간압연)강판이 요구되는 강재에는 Nb, Ti, V등을 첨가하여 강한 탄, 질화물을 석출시킴으로서 항복비(YP/TS)가 높은 석출경화형이 유리하다.
상소둔(배취소둔, BATCH ANNEALING) 방식에 의한 석출강화형 고강도 냉연강판 및 고용강화형 고강도 냉연강판의 제조가 먼저 추진되었으며, 연속소둔기술의 발전에 따라 페라이트 결정립 성장 및 석출물 조대화에 따른 강도확보가 힘든 상소둔 방식에서 짧은 시간으로 결정립 성장억제 및 석출물 미세화로 강도 및 표면품질의 균질한 확보가 가능한 연속소둔형 강판을 제조할 수 있게 되었다.
석출강화형의 강화기구는 다음과 같다.
미세합금 첨가강의 높은 강도는 폴리고날-페라이트(POLYGONAL-FERRITE)기지의 결정립 미세화에 의해 얻어진다.
미세합금원소를 첨가하여 재가열하는 경우 제 2상 입자에 의한 입계의 국부적인 이동에 의해 에너지(ENERGY)를 증가시켜 마그레팅(MIGRATING)입계에 드래그(DRAG)효과로 작용한다. 피닝(PINNING)입계의 이동에 수반되는 에너지 변화식은, Rcrit=σRo*f/π(1.5-2/Z)-1/2.
여기서, Rcrit : 구동력에 효율적으로 작용할 수 있는 제 2상 입자의 최대 사이즈
f : 제 2상 입자의 체적분율
Ro : 기지 결정립의 반경
Z : 성장하는 결정립과 기지 결정립의 반경비이다.
위 식에서 Rcrit는 제 2상의 입자 체적분율이 증가할수록, 기지상의 결정립 크기가 커질수록 더 커짐을 알 수 있다.
입자의 조대화 속도는 미세합금화원소들의 탄질화물과 평행을 이루는 미세합금화 원소와 용질원소간의 함량에 비례한다. 슬라브재가 열온도에서 용해되지 않은 석출물들은 초기 오스테나이트 결정립의 미세화에 기여하며, 0.02%이상의 Ti을 첨가한 강의 경우 결정립 조대화가 일어나는 온도가 1250℃로 매우 높아, 강의 응고시 형성되는 매우 안정한 TiN석출물들에 의한 오스테나이트의 고착(STICKING)현상에 기여한다.
이들을 바탕으로 페라이트결정립 크기가 항복강도에 미치는 영향은 홀패치(HALL PATCH)식에 의해 정량적으로 표현된다.
σy=σi=Kd-1/2
여기서 σi는 응력상수,
비례정수 K는 결정립 크기계수로서 페라이트결정립 크기가 미세할수록, 강의 항복강도는 증가한다.
석출경화원소로서의 Nb사용은 강의 연성을 저하시킴으로서 소재의 코너크랙(COURNER CRACK)을 조장시킬 수 있으며, 이는 δ→γ변태시의 오실레이션 마크(OSCILLATION MARK)에 따라 열흐름 차이가 존재하며 2차 냉각시 취성영역(720∼850℃)을 통과할 때 강중의 Nb와 탄소가 결합하여 오스테나이트 입계에 석출하게 되고, 그 온도구역에서 연주주편의 벤딩(BENDING) 및 언벤딩(UNBENDING)작업과정에서 오스테나이트 입계에 석출되었던 NbC의 석출물 근방에서 입자간 공간이 발생하여 이를 기점으로 크랙이 발생한다.
Nb계 고장력강판에서는 N2함량을 30ppm이하로 관리함으로서 질화물의 입계석출량 저하로 면가로 크랙을 감소시킬 수 있으나, 석출강화 효과의 저하로 강도확보가 힘들다. 또한 Ti을 사용할 경우 Ti의 첨가량에 따라 강도의 변화가 심하므로 적정량의 관리가 필요하다.
본 발명은 소재의 표면 크랙 발생개선 및 전두께에서의 강도 안정성을 확보한 것으로 즉, 첨가성분의 범위를 제한 및 열연 FT(압연온도), CT(냉연온도), 냉연소둔온도 범위를 제한함으로서, 표면 품질 및 강도를 안정적으로 확보한 품질이 우수한 60KG급 연속소둔 석출경화형 고장력강판을 제조함에 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 갖는 본 발명은 냉연고장력강판에서의 성분을 중량비로 C:0.07-0.09%, Si:0.40-0.60%, Mn:1.40-1.60%, Sol-Al:0.02-0.05%, N:10-60ppm, Ti:0.035-0.050%, P:0.025%이하, S:0.01%이하로 관리하고, 나머지 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되어 있는 고강도 Al-Si 킬드강을 1200-1250℃에서 균질화 처리후 910-930℃에서 마무리 압연을 실시하고, 열연 냉각온도는 탄 질화물입자 성장억제 및 경화방지를 위해 600-650℃로 제한하며, 계속하여 50-75%의 냉간압연율로 압연후 연속소둔을 800-850℃범위로 행함을 특징으로 한다.
본 발명은 고장력강에 있어서 강의 성분을 중량비로 C:0.070-0.090%, Si: 0.40-0.60% Mn:1.40-1.60%, Sol-Al:0.02-0.05%, N:10-60ppm Ti:0.035-0.050%,P:0.025%이하, S:0.01%이하로 관리하고 나머지는 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성한다.
또한 상기의 조성을 갖도록 한 Si-Mn-Ti 타입 Al-Si 킬드강을 1200-1250℃에서 균질화 처리후 910-930℃에서 마무리 압연을 실시하고, 열연 냉각온도를 석출물이 조대화되지 않도록 600-650℃의 온도에서 작업한 후 고장력강임을 감안, 두께를 50-75%의 냉간압하율로 압연후 800-850℃범위에서 연속소둔을 행하는 표면품질 및 강도수준이 우수한 연소소둔 석출경화형 60Kg급 고장력 강판을 제조한다.
상기 C 함량은 강의 강도를 좌우하는 주요성분으로서 함량이 부족하면, 탄화물석출부족으로 강도확보가 난이하며, 함량이 높을 경우 소재 크랙발생 및 가공성이 불량해지는 단점이 있다.
즉 C 함량이 0.07% 미만이 되면 탄화물 석출이 부족하여, 적정수준의 강도 확보가 어려우며, 0.09%초과시에는 연주주조시 크랙에 민감한 중탄소구역으로, 크랙 발생 가능성이 높고 탄소당량이 증가되어 소재 가공성이 저하되므로 C 함량은 0.07-0.09%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si 및 Mn은 강의 강도를 증대시키며, Ar3점의 강하를 가져오는 효과를 가져 열간 마무리압연시 냉각속도가 빠른 에지부가 γ영역에서 안정적으로 압연되어 전 코일에 걸쳐 고른 조직을 확보하도록 적정량을 첨가한다.
Si는 0.60% 초과하여 다량 첨가될 경우 가공성 열화를 가져오고 0.40%미만의 경우 강도상승의 제약이 되므로 0.40-0.60%로 제한함이 바람직하며,
Mn 함량은 가공성 저하없이 강도를 향상시킬수 있으나 고가로서 다량 첨가시 원가상승의 요인이되므로 1.45-1.55%로 제한함이 바람직하다.
P 및 S는 불순물로서 열간취성을 일으키므로 성분 제한을 낮게 관리할수록 유리하나, 공정상의 부하를 고려, P는 0.025%, S는 0.01%를 상한값으로 관리함이 바람직하다.
N 의 경우 60ppm을 초과하여 첨가될 경우 (111) 집합조직을 억제하여 가공성을 해치고, 입자성장 방해로 연신율을 저하시켜 바람직하지 않으며, 10ppm 미만으로 소량첨가의 경우 석출경화 효과의 부족으로 강도확보가 난이하므로, 범위를 10-60ppm, 목표를 30ppm으로 관리함이 바람직하다.
Sol-Al(고용 알루미늄)은 강의 탈탄을 위해 첨가되는 성분으로 첨가량이 0.050%초과의 경우 재질경화 현상의 원인이 되며, 0.02%미만의 경우 산소의 적정한 콘트롤이 불가하여 Al함량을 0.02-0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 성분구성의 강은 그 특징이 소재 표면크랙을 방지함과 동시에 석출경화 효과를 확보할 수 있는 Ti 성분의 조정에 있으며, Ti이 0.05%초과의 경우 강도의 상승이 커져, 성형성 저하를 가져오며, Ti 함량이 0.035%미만의 경우 강도확보가 난이하여, 후물재(1.0t이상)의 강도의 안정적 확보를 위해 Ti의 성분을 적절히 조정해야 하고, 0.035-0.050%로 제한하는 것이 바람직하다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
[표 1]
Figure pat00001
상기 표 1은 발명강 및 비교강의 전로작업후 로외정련을 거치고 난 뒤 연속주조하여 강의 슬라브(SLAB)를 제조하였고 이때 나타난 화학성분은 모두 로외정련후의 최종 소재의 성분을 나타낸다.
발명강(1),(2)는 최종의 적정성분계 C:0.07-0.09%, Ti:0.035-0.05%로 설정한 후 출강된 소재 성분을 나타내며, 비교강(3),(4)는 C 목표가 0.10% 및 Nb 타입으로 출강된 것이며, 비교강(5)(6)(7)은 전부 Ti 첨가강으로 설계하였으며, 비교강(5)는 C 목표0.01%, Ti 0.055%로 작업되었고, 비교강(6),(7)은 C가 0.08%, 0.068%로 작업되었고, Ti이 각각 0.055% 및 0.033%으로 작업되었다.
또한 상기 표 1의 조성을 갖는 강 슬라브의 숙열을 위해 1200-1250℃로 균질화 처리후 균일한 오스테나이트역에서의 압연을 위해 Ar3온도 상부인 910-930℃에서 마무리 열간 압연을 행한 후 냉각온도를 620℃목표로 작업하였다.
균질화 처리온도가 1200℃ 미만이면, 슬라브의 숙열부족으로 균질한 입자형성이 미흡하고, TiN, TiC의 강중 고용이 미흡하여 불균질한 재질이 형성되므로 바람직하지 않으며, 만약 1250℃를 초과하면, 가열시 표면 스케일이 과다하게 형성되어 표면품질 확보가 곤란하고, 입자의 조대화가 진행되게 되어 바람직하지 않다.
마무리 압연은 강의 이상역(오스테나이트, 페라이트)에서 압연시 가공성에 불리한 밴드조직이 형성되므로, 이를 피하고, 압연후 입자의 재성장을 방지하기 위하여 910-930℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
냉각온도가 650℃를 초과하는 경우 탄질하물의 성장으로 강도효과가 저감되며, 600℃미만의 경우 내부응력에 의한 경화현상이 발생되어, 냉각온도를 600-650℃로 제한한다.
또한 권취후 산세를 행한 후 산세된 열연강판을 압연능력범위인 두께별 차등화한 50-75%로 냉간압연하여 연신율 향상을 위해 고온의 연속소둔 작업이 필요한바, 소둔온도를 800-850℃로 제한하여, 최종 0.6-1.2T두께의 강판을 제작하였다. 하기 표 2는 발명강 및 비교강의 기계적 성질 및 소재크랙여부에 대한 결과를 나타낸다.
냉간 압연율은 입자의 미세화를 위해 높을수록 좋으나, 통상 압연기의 능력내 상한으로 작업하고 있으며, 강판의 칫수에 따라 차별화된 압연율을 적용하고 있으나, 본 발명의 경우 강종의 칫수를 고려하여 50-75%범위가 적당하다.
연속소둔온도가 800℃ 미만이면, 냉간압연시 형성된 불균일 조직의 균일화 진행이 미흡하여 제품내 재질편차 발생 및 가공성이 저하되고, 850℃를 초과하면, 입자의 성장이 진행되어 강도의 저하가 초래되어 각각 바람직하지 않다.
[표 2]
Figure pat00002
상기 표 2에서 보는바와 같이 Nb를 석출경화 원소로 선택한 비교강(3)(4)의 경우 강도는 안정하나, σ→γ 변태시의 열흐름의 차이발생 및 2차 냉각(720-850℃)통과시 NbC개재물형성과 개재물주위의 입자간 공간이 발생되어 주편 코너부에 크랙이 발생하는 바 Nb계는 본 연구에서 제외한 Ti함량이 높은 비교강(5),(6)은 크랙안정성은 있으나, 강도가 높고 연신율이 낮아 가공시 크랙발생 가능성이 크며, 규격조건인 TS 60-70범위를 벗어나므로 Ti〉0.05%은 본 연구에서 제외한다.
비교강(7)은 크랙안정성이 있고 연신율이 높은 수준이나 C 및 Ti이 낮아 강도(TS)가 규격기준이하로 떨어지므로, C〈0.07% 및 Ti〈0.035%는 본 연구에서 제외한다.
이상과 같은 본 발명은 소재의 표면 크랙 발생개선 및 전두께에서의 강도 안정성을 확보한 것으로 즉, 첨가성분의 범위를 제한 및 열연 FT(압연온도), CT(냉각온도), 냉연소둔온도 범위를 제한함으로서, 표면 품질 및 강도를 안정적으로 확보한 품질이 우수한 60KG급 연속소둔 석출경화형 고장력강판을 제조할수 있는 효과가있다.

Claims (1)

  1. 냉연 고장력강판에서의 성분을 중량비로 C:0.07-0.09%, Si:0.40-0.60%, Mn:1.45-1.55%, Sol-Al:0.02-0.05%, N:10-60ppm, Ti:0.035-0.050%, P:0.025%이하, S:0.01%이하로 하고, 나머지 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되어 있는 고강도 Al-Si 킬드강을 1200-1250℃에서 균질화 처리후 910-930℃에서 마무리 압연을 실시하고, 열연 냉각온도는 탄 질화물입자 성장억제 및 경화방지를 위해 600-650℃로 제한하며, 계속하여 50-75%의 냉간압연율로 압연후 연속소둔을 880-850℃범위로 행함을 특징으로 하는 표면품질 및 재질이 우수한 연속소둔 석출경화형 고장력강판의 제조방법.
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