KR100400867B1 - 소성변형비이방성계수가작고가공성이우수한저탄소냉연강판및그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소성변형비가 작으므로 가공성이 우수한 냉연강판과 그 제조방법에 관한 것으로, 중량%로 C : 0.015∼0.050%, Mn : 0.10% 이하, Zr : 0.002∼0.030%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.04% 이하, N : 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 냉연강판과 상기 성분의 강을 먼저, 1050∼1300℃에서 재가열하는 단계와; 마무리 온도 890∼950℃, 권취온도 660∼750℃에서 열간압연하는 단계와; 압하율 65∼90%로 냉간압연하는 단계와; 균열대 온도 750∼870℃, 급냉대 냉각속도 20∼100℃/s, 과시효대 온도 350∼500℃에서 연속 어닐링하는 단계와; 1.0∼2.0%로 조질압연하는 단계로 이루어진 소성변형비 이방성계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판의 제조방법을 요지로 하므로, 소성변형비 및 연신율이 크고 소성변형비 이방성 계수가 작은 가공성이 우수한 저탄소 강판에 관한 것으로 자동차 부품에 적용될 수 있다.

Description

소성변형비 이방성 계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판 및 그 제조방법

본 발명은 소성변형비가 작으므로 가공성이 우수한 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이고, 특히 프레스 가공이 용이하여 복잡한 자동차 부품의 성형에 유리한 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래의 자동차 외판의 재료로 결함없이 프레스 성형을 실시하고 성형후 원하는 모양의 부품을 원활히 제작하기 위하여 자동차용 강판으로 가공성이 우수한 냉연강판이 요구된다.

연신률이 높고 소성변형비가 큰 냉연강판으로 자동차 외판을 성형하여야 원하는 모양의 부품을 제작할 수 있는 것이다. 연신율은 인장중에 연신되는 성질을 나타내는 값이므로 연신율이 크면 허용되는 강판의 변형이 크다고 할 수 있다. 또한, 소성변형비(r) 값은 두께 방향의 변형률에 대한 인장 방향의 변형률을 나타내는 값으로 판재를 일정량 인장하였을 때 두께 변화율을 나타내는 값이다.

소성변형비가 크다는 것은 일정량 판재를 인장하였을 때 두께가 적게 감소한다는 것이므로 큰 변형까지 재료의 네킹이 발생하지 않는다는 것을 의미한다. 결국판재의 가공성을 향상시키기 위하여는 연신율 및 소성변형비를 증가시켜야 한다.

이와 함께 가공성의 정도를 나타내는 중요한 기계적 성질로 소성변형비의 이방성이 있다. 소성변형비는 각 판재의 인장방향에 따라 달라진다. 즉, 인장방향에 따라 달라지는 소성변형비의 정도를 나타내는 것이 소성변형비 이방성계수이다. 일반적으로, 소성변형비를 측정하는 방법으로 각 판재의 r₀, r₄₅, r₉₀를 측정하여 다음식에 대입하여 소성변형비의 이방성계수,r을 구한다.

r= (r₀+r₉₀-2r₄₅)/2

여기서, r₀, r₄₅, r₉₀은 인장방향이 판재의 압연방향에 대하여 각각 0°, 45°, 90°일때의 소성변형비 값을 나타낸다. 이 값이 작기 위하여는 각 방향으로 인장하였을 때 소성변형비의 차이가 작아야 한다.

소성변형비의 이방성계수가 작다는 것은 프레스 성형시 변형의 분포가 균일하다는 것을 의미하므로 큰 변형까지 성형하는데 유리하다는 것을 의미한다.

종래의 자동차용 강판의 성형성을 향상시키기 위하여 극저탄소강에 Ti나 Nb를 첨가한 강을 개발하였다. 극저탄소강은 탄소의 함량이 0.007% 이하의 강종을 의미하며, 이러한 극저탄소강을 제조하기 위하여는 제강공정에서 장시간의 RH 작업을 실시하여야 한다.

제강공정에서 장시간의 RH 공정으로 탄소의 함량을 최소한 강에 C 석출원소인 Ti나 Nb 등을 첨가하는 것이다. 이러한 극저탄소강으로 제조된 냉연강판은 강중에 고용원소가 없으므로 2차 가공취성이 열등하고 BH성(Bake Hardening)이 없다는문제점을 안고 있다.

즉, 1차 가공된 강판을 다시 2차로 가공할 때, 파괴가 일어나는 현상을 2차 가공 취성파괴라 하며, 강중에 고용원소가 적어서 결정립계가 약할때 발생하는 현상이다. 또한, BH성은 자동차 도장 공정시 강판이 가열될 때 강중의 고용원소가 성형중에 생기는 강 내부의 전위와 결합하면서 전위의 이동을 억제하여 항복강도가 상승하는 특성을 의미한다.

자동차 부품으로 사용되기 위하여 강판은 우수한 2차 가공취성 및 BH성이 요구된다. 하지만 극저탄소강 내에서 고용원소가 거의 존재하지 않으므로 2차 가공 취성이 열등하고 BH성이 나타나지 않는다.

반면, Fe₃C 탄화물이 석출될 수 있는 양이상의 C를 함유한 저탄소강의 내에는 고용탄소가 존재하므로 우수한 2차 가공취성 및 BH성을 나타낸다. 그러나, 이러한 저탄소강은 소성변형비가 작고 소성변형비 이방성계수가 크므로 가공성이 열등하다는 문제가 있다.

본 발명은 상기의 요망을 위하여 안출된 것으로서 연신율 및 평균 소성변형비가 크면서 소성변형비의 이방성이 작아 가공성이 우수하면서 우수한 2차 가공취성 및 BH성도 지닌 냉연강판 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고용탄소를 갖고 있으므로 2차가공취성이 우수하고 BH성이 있는 저탄소강판의 소성변형비를 증가시키고 소성변형비 이방성계수가 감소시켜 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판을 제공한다.

본 발명에 따르면, 소성 변형비 이방성계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판은 중량 %로 C : 0.015∼0.050%, Mn : 0.10% 이하, Zr : 0.002∼0.030%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.04% 이하, N : 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소성변형비 이방성계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판의 제조방법은 상기 조성으로 이루어진 성분의 강을 먼저, 1050∼1300℃에서 재가열하는 단계와; 마무리 온도 890∼950℃, 권취온도 660∼750℃에서 열간압연하는 단계와; 압하율 65∼90%로 냉간압연하는 단계와; 균열대온도 750∼870℃, 급냉대 냉각속도 20∼100℃/s, 과시효대 온도 350∼500℃에서 연속 어닐링하는 단계와; 1.0∼2.0%로 조질압연하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

즉, 본 발명에 따른 저탄소 냉연강판은 중량%로 C : 0.015∼0.050%, Mn : 0.10% 이하, Zr : 0.002∼0.030%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.04% 이하, N : 0.004% 이하, 나머지는 Fe와 불순물의 원소로 이루어진다.

이와 같은 성분의 강을 1050∼1300℃에서 재개열한 후 열간압연한다. 열간압연시 마무리 온도는 890∼950℃로 하고, 권취 온도는 660∼750℃로 한다. 열간 압연 강판을 냉간압연 공정에서 65∼90%의 압하율로 압연을 실시한 후 연속소둔을 실시한다. 연속소둔은 750∼870℃에서 열처리하고 20∼100℃/s의 냉각속도로 급냉한 후, 350∼500℃의 온도에서 과시효 열처리한다. 연속소둔된 냉간압연 강판은 1.0∼2.0%의 조질압연을 실시하여 항복점현상을 제거하여 준다.

이하, 본 발명에 따른 강의 조성범위 한정이유에 대하여 설명한다.

저탄소 강판의 성형성을 확보하기 위하여는 강중의 고용탄소를 최소화하여야 한다. 저탄소 강판의 고용탄소를 최소화하기 위하여는 Fe₃C의 형성을 최대한 많이 형성하여야 한다. C가 0.015% 이하에서는 강중에 Fe₃C 형성이 어려우므로 C는 0.015% 이상을 첨가되어야 한다. C의 함량이 0.05%를 초과하면 다량의 퍼얼라이트가 존재하므로 강도가 많이 상승하고 연신율이 저하되는 문제가 있으므로 C의 함량을 0.05% 이하로 한다.

일반적으로, 저탄소강에서 Mn은 S의 석출을 위하여 첨가하는 원소이다. 강중에 고용 S가 존재하면 강의 열간압연중 적열취성에 의한 강판 표면의 균열을 발생시키므로 고용 S를 완전히 제거하여야 한다. 이러한 목적으로 종래의 저탄소강판에서 Mn은 0.01∼0.25%의 함량을 첨가하여 MnS를 석출하여 고용 S를 제거하였다.

하지만, Mn이 많이 첨가되면 강중에 고용으로 존재하는 Mn과 고용 C가 결합하는 Mn-C 쌍극자(dipole)를 형성한다. Mn-C 쌍극자가 형성되면 고용 C의 이동이 어려워지므로 C가 Fe₃C로 석출되는 것을 방해하여 소둔공정에서 압연판이 재결정될 때 {111} 집합 조직이 형성되는 것을 억제하므로 소성변형비가 감소한다.

Mn이 많이 첨가되면 소성변형비가 크게 감소함과 동시에 소성변형비 이방성계수가 증가한다. 이는 {111} 집합 조직 이외의 다른 집합 조직의 발달로 인하여 r₄₅의 값이 크게 감소하기 때문이다. 결국, 저탄소강에서 Mn이 많으면 가공성이 나빠진다.

따라서, 본 발명에서는 저탄소강판에서 가공성을 저해하는 Mn의 첨가를 최대한 줄이면서 S를 석출시키고자 하였다. 즉, Mn을 0.01% 이하로 최소화하여 가공성을 확보하고 적은 양의 Mn으로 존재하게 되는 잔류 S는 Zr로 석출시키고자 한다.

Zr 원소는 S의 일부를 석출시키는 역할을 하고 Zr에 의하여 석출되지 않은 S는 Mn에 의하여 석출되어 FeS 형성에 의한 적열취성을 방지하는 역할을 한다. FeS가 형성되면 고온에서 용융되어 균열을 발생시키는 적열취성의 원인이 되므로 S의 함량은 0.015% 이하로 최소화시킨다.

한편, 본 발명에서는 Zr을 첨가하는 다른 중요한 원인은 N 석출에 의한 이방성계수를 감소시키는 것이 있다. 저탄소강에 고용질소가 존재하고 있으면 재결정 과정에서 {111} 집합 조직의 양이 줄어든다. {111} 집합 조직의 양이 줄어들면 소성변형비 계수가 증가하는 원인이 된다. 이 때문에 종래에는 고용질소를 Al을 이용하여 AlN으로 석출시켰다. 하지만, AlN은 석출물의 크기가 미세하여 결정 성장을 억제하는 효과가 크다. 미세한 AlN 석출물 재결정 과정에서 {111} 방위의 결정 성장을 억제하므로 AlN이 많으면 {111} 집합 조직의 발달이 억제된다.

본 발명에서는 AlN에 의한 재결정 억제 효과를 없애기 위해 Al 대신 Zr으로 N을 ZrN으로 석출시킨다. ZrN은 석출물의 크기가 크고 석출물의 수가 적으므로 재결정시 재결정의 성장의 억제 효과가 AlN에 비하여 매우 적다. 재결정 성장이 억제 효과가 적으므로, {111} 집합 조직을 잘 발달시키게 되어 소성변형비를 증가시킴과 동시에 소성변형비 계수를 줄이는 효과가 생긴다. Zr을 너무 적게 첨가하면 Zr이 S와 N을 석출하는 효과가 줄어들고 Zr을 너무 많이 첨가하면 고용 Zr에 의하여 강도가 증가하고 가공성이 열화되므로 Zr의 함량을 0.002∼0.030%로 한다.

상술된 바와 같이, N은 Zr에 의하여 석출되므로, Al은 탈산을 위해서만 첨가된다. 즉, AlN의 석출을 고려하지 않으므로, Al의 첨가량은 0.04% 이하로 한다.

P가 많으면 항복강도가 증가하여 스프링백 현상이 커지므로, P는 0.02% 이하로 유지시킨다.

한편, Si함량도 많으면 항복강도가 증가하므로, Si함량은 0.015% 이하로 관리한다.

이와 같은 성분으로 용해한 강을 재가열한 후 열간압연한다. 여기서 재가열 온도가 1050℃ 미만이면 응고조직의 파괴가 불충분하여 중심편석이 발생하기 때문에 최종 형성된 결정립의 혼립이 발생하게 되고, 1300℃를 초과하면 산화스케일이 형성되므로 재가열온도는 1050∼1300℃가 바람직하다.

열간압연은 강의 Ar₃온도 이상에서 강의 조직이 오스테나이트 상태에서 압연한다. 페라이트 역에서 압연하면 {110}<001> 조직이 많이 형성되므로 최종적으로 가공성이 열화된다. 또한 이러한 현상을 방지하기 위하여, 열간압연 후 코일의 권취온도는 660∼750℃로 하여 권취 상태에서 원활히 탄화물을 형성하여 고용탄소를최소화시키고 ZrN도 최대한 석출시켜 고용원소를 최소화시킨다. 열간압연시의 마무리온도는 890℃ 미만이면 결정립의 조대화 및 혼립이 유발되어 가공성이 저하되고, 950℃를 초과하면 균일한 압연이 이루어지지 못하고 결정립의 미세화가 불충분하게 되므로 열간압연시 마무리온도는 890∼950℃가 바람직하다.

헌편, 고용탄소 및 고용질소를 최소하시키는 것은 열연강판을 압연한 후 소둔할 때 {111} 집합 조직을 잘 발달시키기 위한 것이다. 소둔중에 고용원소가 적어야 {111} 집합 조직이 발달한다. {111} 집합 조직이 잘 발달하면, 소성변형비가 증가하므로 프레스 가공에 유리하게 된다. 이러한 이유로 열연강판의 권취온도를 660∼750℃로 하였다. 다시 말하면 열간압연시의 권취온도가 660℃ 미만이면 강도의 증가가 과도하여 상대적으로 연신율의 급격한 저하를 초래하게 되고, 750℃를 초과하면 강판의 강도가 저하되므로 열간압연시의 권취온도는 660∼750℃가 바람직하다.

상온까지 냉각된 열연강판을 산세하고 냉간압연한 후 소둔한다. 소둔중에 재결정 형성이 쉽게 이루어지게 큰 압하율로 압연하며 {111} 재결정 집합 조직이 잘 발달되는 온도 영역에서 소둔한다. 냉간압연하는 공정에서 압연은 65∼90%의 압하율로 실시한다. 여기서 냉간압연시 압하율이 65% 미만이면 드로잉 가공성을 해치게 되고, 90%를 초과하면 냉간압연시 압연기의 부하가 증대되어 롤의 원단위가 떨어지게 되므로 냉간압연시 압하율은 65∼90%가 바람직하다.

연속 소둔 조건중 균열대 온도는 750∼870℃로 유지한다. 여기서 연속소둔시 균열대의 온도가 750℃ 미만이면 재결정 및 충분한 결정립 성장이 일어나지 않아가공성이 열화되고, 870℃를 초과하면 강도가 열화되므로 연속소둔시 균열대의 온도는 750∼870℃가 바람직하다. 균열대 이후에 강판은 급냉대 및 과시효대를 거치게 되는데, 이러한 과정은 탄화물을 형성시키고 일정량의 고용탄소를 강중에 존재시키는 과정이다. 급냉대에서 20∼100℃/s 속도로 냉각된 강내에 과잉의 고용탄소가 남아 있는다. 남아 있는 고용탄소에 의하여 강의 BH성이 생기는 것이다. 여기서 연속소둔시 급냉대의 냉각속도가 20℃/s 미만이면 결정립의 성장이 촉진되어 상대적으로 조대한 결정립이 형성되어 충격인성 및 강도저하가 발생되며, 100℃/s를 초과하면 과잉의 고용탄소가 존재하므로 연속소둔시 급냉대의 냉각속도는 20∼100℃/s 가 바람직하다. 과시효대는 탄화물을 안정적으로 석출시키는 온도에 유지되어야 하므로, 과시효대 온도를 350∼500℃로 유지한다. 여기서 연속소둔시 과시효대의 온도가 350℃ 미만이면 탄화물의 석출이 방해되고, 500℃를 초과하면 석출물의 결정립이 성장하여 {111}집합조직의 발달이 억제되므로 연속소둔시 과시효대의 온도는 350∼500℃가 바람직하다.

열처리된 냉각압연판에 있는 고용원소에 의해 항복점현상이 발생한다. 항복점현상이 있는 강판으로 자동차 부품을 성형하면, 스트레쳐 스트레인 결함이 발생할 가능성이 있으므로 조질압연에 의하여 항복점현상을 제거하여야 한다. 조질압연의 압하율이 작으면 항복점현상을 완전히 제거할 수 없고 항복점 현상이 너무 크면 항복강도가 증가하여 스프링백이 커지므로, 적정한 압하율로 조질압연을 실시하여야 한다. 다시말하면 조질압연시 압하율이 1.0% 미만이면 전위부족에 의한 항복 강도의 부족이 일어나고, 2.0%를 초과하면 압연기의 작업부하 및 재질열화가 일어나므로 조질압연시 압하율은 1.0∼2.0% 가 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 조질압연시 1.0∼2.0%의 압하율로 조질압연을 실시하여 항복점현상을 제거한다.

하기 [표 1] 성분의 각각의 강을 용해하고 열간압연을 실시하였다. 열간압연시 재가열 온도는 1250℃, 마무리 온도는 910℃, 권취온도는 710℃로 유지하였다. 열간압연 강판의 표면 산화층을 산세로 제거한 후 75%의 압하율로 냉간압연을 실시하였다. 냉간압연한 강판을 연속 어닐링에서 열처리하였다. 열처리시 균열대의 온도는 760℃이고, 균열대에서 유지시간은 28초로 하였다. 과시효대 온도는 400℃ 이었다. 열처리 후 1.4%의 압하율로 조질압연을 실시하였다.

[표 1]

[표 2]는 [표 1]의 성분으로 제조한 냉연강판의 재질을 측정한 결과이다. 본 발명에 의한 강의 소성변형비(r) 값 및 연신율이 비교재의 소성변형비 값 및 연신율보다 큰 것을 알 수 있다. 냉연강판의 가공성은 소성변형비와 연신율로 나타나므로 이 값이 크면 프레스성 성형성이 우수하다고 말할 수 있다.

또한, 비교재에 비하여 본 발명강의 소성변형비의 이방성 계수가 매우 작은것을 알 수 있다. 비교재에 비하여 소성변형비의 이방성 계수가 작으므로 프레스 성형시 균일한 변형 분포를 얻을 수 있게 되어 안정하게 부품성형을 할 수 있다.

[표 2]

상기와 같이 본 발명은 소성변형비 및 연신율이 크고 소성변형비 이방성 계수가 작은 가공성이 우수한 저탄소 강판에 관한 것으로 자동차 부품에 적용될 수 있다. 본 발명에 의한 강을 사용하여 자동차 부품을 성형할 때 우수한 가공성으로 인하여 복잡한 모양의 부품을 용이하게 가공할 수 있다. 또한, 저탄소 강판의 우수한 BH성 및 2차 가공취성으로 인하여 자동차 부품의 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량 %로 C : 0.015∼0.050%, Mn : 0.010% 이하, Zr : 0.002∼0.030%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.04% 이하, N : 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것을 특징으로 하는 소성변형비 이방성계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판.
2. 중량%로 C : 0.015∼0.050%, Mn : 0.010% 이하, Zr : 0.002∼0.030%, P : 0.020% 이하, S : 0.015% 이하, Al : 0.04% 이하, N : 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 성분의 강판을 1050∼1300℃에서 재가열하는 단계와;

   마무리 온도 890∼950℃, 권취온도 660∼750℃에서 열간압연하는 단계와;

   65∼90%의 압하율로 냉간압연하는 단계와;

   균열대온도 750∼870℃, 급냉대 냉각속도 20∼100℃/s, 과시효대 온도 350∼500℃에서 연속소둔하는 단계와;

   1.0∼2.0%의 압하율로 조질압연하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 소성변형비 이방성계수가 작고 가공성이 우수한 저탄소 냉연강판의 제조방법.