KR100403962B1 - 초고성형,고강도소부경화형냉연강판및그제조방법 - Google Patents

초고성형,고강도소부경화형냉연강판및그제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인장강도 40kgf/mm2, 소성 이방성지수(r)≥2.1 BH값>kgf/mm2을 확보할 수 있는 초고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판에 관한 것으로서, C: 0.0020 내지 0.0030 중량 %, Mn: 1.0 내지 1.2 중량 %, P: 0.09 내지 0.11 중량 %, S: 0.008 중량 % 이하, N: 0.0040 중량% 이하, 산가용 Al: 0.06 중량 % 이하, Ti: 0.010 내지 0.020 중량 %, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되며, 여기서 Ti는 하기 식 1의 조건을 만족시킨다.
[수학식 1]
(tN)≤Ti≤(tN)+(tCt0.6)
본 발명의 냉연강판은 상술한 조성비를 갖는 소강성분의 슬라브를 910℃ 이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도조건에서 권취하며, 산세공정 후에 77% 이상의 냉간압하율로 냉간압연한 후 840 내지 860℃의 온도조건에서 연속소둔함으로서 제조된다.

Description

초고성형, 고강도 소부경화형 냉연강판 및 그 제조방법
본 발명은 소부경화형 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 성형성이 매우 우수하고 40kgf/mm2급의 인장강도를 갖는 초고성형, 고강도 소부경화형 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
냉연강판은 미려한 외관과 우수한 성형성, 그리고 저렴한 가격 등의 이유로 자동차용 소재로서 각광을 받고 있으며, 근래에는 고성형성의 확보, 고강도화를 통하여 낮은 두께 수준에서도 동일하거나 더욱 우수한 강도수준을 갖는 강판들이 개발되고 있다. 따라서 자동차 경량화를 통한 연비향상 및 환경개선 등에 대한 세계적인 추세에 부응하고 있다.
일반적으로 자동차용 강판은 용도에 따라 외판용, 내판용, 구조용, 보강용으로 대별되며, 구조용 강판은 차체의 뼈대가 되는 강판으로 주로 고강도의 열연강판이 사용된다. 또한 보강용 강판은 임팩트 빔과 같이 국부적으로 강도보강이 필요한 부분에 사용되며, 따라서 초고강도의 냉연강판이 사용되고 있다. 한편, 내판용 강판은 다양한 부품형상 때문에 고성형성이 주로 요구되고 있으며, 따라서 심가공용냉연강판이 주로 사용되고 있다.
그리고, 외판용 강판은 외부로 노출되는 부분에 사용되는 강판으로서 우수한 표면품질을 확보하여야 하며, 외부충격에도 어느 정도 견딜 수 있도록 강도를 가져야 한다. 최근에는 외판용 강판이 미려한 외관을 위해 다양한 모양의 성형이 이루어지고 있으므로 성형성 또한 매우 우수하여야 한다. 이밖에도 작은 돌들이 부딪힌다던가 손가락으로 눌렀을 때 원래의 형태로 복원이 되는 내덴트성(외부 압력에 대한 저항성)이 우수해야 하므로 최근에는 35kgf/mm2급의 고성형 강판이나, 소부경화형 냉연강판이 주로 사용된다.
이러한 외판용 소재는 기술개발을 통하여 최근 그 두께가 0.7 내지 0.8mm 까지 감소되어 있으나, 두께의 감소는 전술한 내덴트성의 감소를 수반하고 또한 고강도강의 적용은 성형성 감소를 수반하므로 더 이상의 두께감소는 쉽지 않다.
한편, 소부경화형 강판이란 자동차 제조공정중의 도장상태를 건조시키는 소부공정(약 180℃의 열처리 공정)중에 강중에 존재하는 침입형 고용원소(C, N)들에 의한 시효현상 발생으로 강도가 3kgf/mm2이상 증가하는 특성을 갖는 강판을 의미한다. 이러한 소부경화형 강판은 성형시에는 항복강도가 낮아 가공 및 형상 동결성이 우수하고, 성형 후에는 가공경화, 소부공정 후에는 시효경화로 인해 항복강도가 증가하며, 최종 제품에는 우수한 내덴트성이 확보되는 특성을 갖는다.
이러한 소부경화형 강판은 강중 침입형 고용원소의 양을 정밀히 제어함으로서 얻어지며, 시효발생을 이용하는 강이므로 자연시효발생전(약 3 내지 6개월)에성형을 해야한다는 불리한 점이 있지만 최근에는 상술한 우수한 점들 때문에 자동차 외판용 소재로서 주목을 받고 있다.
이와 같은 소부경화형 강판의 개발사례중의 하나는 1982년 발행된 '철과 강'지(紙) 제 1276면에 기재된 저탄소-망간-크롬계를 이용한 인장강도 40kgf/mm2급의 복합조직형 소부경화형 강판이다. 이 소부경화형 강판은 항복비가 46%로 매우 낮으며, 가공경화지수(n)가 0.28 정도로 매우 높을 뿐만 아니라, 소부경화능의 평가지수인 BH(bake hardening) 값 또한 5kgf/mm2정도로 매우 우수하다. 그러나, 가공성 평가지수인 소성변형비 이방성지수(이하 'r 값'이라 칭한다)가 1.2 수준으로 매우 낮아 고성형성을 요구하는 부품에는 사용하지 못한다는 큰 결점을 갖고 있다.
상기와 같은 저탄소형 복합조직강의 성형성 문제를 해결하기 위하여 근래에는 탄소함량이 0.002 중량% 이하인 극저탄소강을 이용하여 탄질화물 형성원소인 Ti 혹은 Nb를 단독 혹은 복합첨가하여 제조함으로서 r값이 1.7 내지 1.8 정도의 높은 성형성을 갖는 강판이 개발된 바 있으나, 강도 및 성형성을 도시에 확보한다는 차원에서 문제가 있다.
이러한 기술로서 대표적인 것으로 CAMP ISIJ 5권 (1992년) 2051면, CAMP (1991년) 1934면에 기재된 강이 있다. 이 강은 C의 함량이 0.003 중량% 이하인 극저탄소강에 Mn, P, Si, Ti, Nb 등을 적절히 첨가하여 제조하고 있으나, 900℃ 이상의 고온소둔 작업으로 인한 강판표면 스케일 형성, 성형성 확보 등의 문제점을 갖고 있어 실조업 적용에 어려운 실정이다.
결국 외판용 소재의 경량화를 위하여 일정수준 이상의 고강도를 확보하면서 가공성을 현저히 개선시킬 수 있는 강판의 개발이 필요하다.
따라서, 본 발명은 강의 합금성분과 그 함량의 적절한 제어 및 열간압연, 냉연, 연속소둔의 제조과정을 제어함으로서 인장강도 40kgf/mm2이상의 고강도를 확보함과 동시에 소성변형비 이방성지수(r값)≥2.1, BH≥3kgf/mm2을 확보할 수 있는 초고성형, 고강도 소부경화형 냉연강판 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 인장강도 40kgf/mm2, 소성변형비 이방성지수(r)≥2.1, BH값>3kgf/mm2을 확보할 수 있는 초고성형, 고강도 소부경화형 냉연강판에 관한 것으로서, C: 0.0020 내지 0.0030 중량 %, Mn: 1.0 내지 1.2 중량 %, P: 0.09내지 0.11 중량 %, S: 0.008 중량 % 이하, N: 0.0040 중량% 이하, 산가용 Al: 0.06 중량 % 이하, Ti: 0.010 내지 0.020중량 %, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되며, 여기서 Ti는 하기 식,
(48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6),
의 조건을 만족시킨다.
본 발명의 냉연강판은 상술한 조성비를 갖는 강의 슬라브를 910℃ 이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도조건에서 권취하며, 산세공정후에 77% 이상의 냉간압하율로 냉간압연한 후 840 내지 860℃의 온도조건에서 연속소둔함으로서 제조된다.
이하, 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명에 따른 강의 조성성분을 상술한 바와 같이 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.
C : 강중에 함유되는 C는 침입형 고용원소로서, 냉연 및 소둔 과정에서 강판의 집합조직 형성에 매우 큰 영향을 미친다. 강중에 고용된 C의 양이 많을수록 가공성에 유리한 집합조직의 형성을 지연시켜 성형성을 열화(劣化)시키므로 종래 탄화물 또는 질화물 형성원소인 Ti 혹은 Nb를 단독 또는 복합첨가하여, 고용 C를 TiC 또는 NbC로 석출(이하 'IF강'이라 칭함)시켜 제조하는 방식이 주류를 이루어 왔다.
그러나, 소부경화 특성을 갖기 위해서는 고용 탄소량을 일정수준으로 잔존시켜야만 하므로 Ti 또는 Nb 함량을 적정수준 이하로 첨가하거나, 또는 탄소의 함량을 0.002 중량% 이상 첨가함으로서 목적하는 소부경화 특성을 확보하였다. 이때, 상술한 바와 같이, C의 함량을 증가시켜 소부경화 특성을 확보할 수 있지만 가공성이 열화되어 가공시 크랙 발생등의 불량요인으로 작용한다. 따라서, 본 발명강의 경우에는 C의 함량을 0.003 중량 % 이하로 관리함으로서 목적하는 소부경화 특성(BH값≥3kgf/mm2)도 확보할 수 있을 뿐만 아니라 가공성 평가지수인 r 값도 매우 높아 소부경화성 및 성형성을 동시에 확보할 수 있다.
한편, C의 함량이 0.0020 중량% 이하의 경우 가공성 확보에는 유리하지만 소부경화성이 확보되지 못하는 문제점이 발생하므로, C 함량의 적정 수준을 0.0020 내지 0.0030 중량 %로 관리하는 것이 바람직하다.
Mn : Mn은 고용강화 원소로서, 강도를 확보하는데 있어 필수적인 원소이다. 특히, 본 발명강의 경우 Mn은 열간압연동안 강중에 잔존된 S를 MnS로 전부 석출시켜 TiS의 석출을 지연시킴으로써, C 함량 관리에 필요한 유효 Ti 함량 범위 설정에 매우 유리하다. 즉, S를 석출시키기에 필요한 유효 Ti 함량이 필요하지 않기 때문에 S 함량의 변화에 상관없이 Ti는 강중 C와 N만을 고려하여 적정범위를 설정할 수 있으므로 제강조업의 부하를 줄일 수 있으며, 안정적인 소부경화 특성을 확보할 수 있다.
이때, Mn 함량이 1.0 중량 % 이하의 경우에는 40 kgf/mm2의 인장강도를 확보할 수 없고, Mn 함량이 1.2 중량 % 이상의 경우에는 잔류된 Mn이 불순물로 작용하여 재질열화를 가져오고, 소둔중 강판 표면에 Mn 농화층이 발생하여 내산화성이 열화되는 문제가 발생될 가능성이 높아지므로 Mn의 함량을 1.0 내지 1.2 중량%로 관리하는 것이 바람직하다.
P : P는 성형성을 저하시키지 않고 강도 확보가 매우 유리한 고용강화 원소이므로 가능한 다량 첨가하는 것이 강도 확보에 유리하지만, 과잉으로 첨가할 경우에는 편석 및 2차 가공취성 결함의 발생 원인이 된다. 따라서 본 발명에서는 P 함량의 범위를 편석 및 2차 가공취성이 발생하지 않는 최대범위인 0.11 중량%를 상한으로 하고 강도확보를 위하여 그 하한을 0.09 중량%로 하였다.
Ti : Ti는 본 발명에서 성형성 및 소부경화성 확보 측면에서 매우 중요한 원소이다. 첨가되는 Ti는 강중에 포함된 C 및 N의 함량을 고려하여 첨가되며, Ti의 함량이 원자 당량비로 하기 식,
(48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6),
의 조건을 만족하도록 첨가하였다. 따라서, Ti의 함량은 상기 조건을 만족하는 범위 내에서 0.01 내지 0.02 중량 %로 제한하였다.
즉, Ti의 함량이 0.01 중량% 이하인 경우 강중 고용원소인 질소 또는 탄소와 결합하게 되는 유효 Ti의 함량 부족으로 과다한 고용원소가 강중에 존재하게 되며, 이에 의해서 높은 소부경화성을 확보할 수 있으나, 시효발생으로 인한 불량 및 성형성 측면에서 불리하다. 또한 Ti의 함량이 0.020 중량% 이상인 경우, 강중에 존재하는 침입형 고용원소인 질소 또는 탄소 모두를 석출시키게 되어 소부경화성 특성이 나타나지 않게 된다. 따라서 본 발명에서는 3 kgf/mm2의 BH값을 확보하기 위하여 Ti의 함량을 0.01 내지 0.02 중량 %로 설정하였다.
Al, S 및 N : Al은 강의 입도 미세화와 탈산을 위해 첨가되는 원소로서, 그 함량은 통상 첨가되는 범위인 0.06 중량% 이하가 바람직하다. 한편, S 및 N은 강중 불순물로서 가능한 한 낮게 관리하는 것이 중요하다. 즉, S 와 N 각각의 함량은 통상의 극저탄소강 수준인 0.008 중량 % 이하와 0.004 중량 % 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
이상과 같은 조성비를 갖는 본 발명강의 제조과정은 다음과 같다.
상술한 특성을 갖도록 조성된 합금 성분의 슬라브를 통상의 조건으로 열간압연한 뒤 910℃ 이상에서 마무리 열간압연한다. 그리고 700℃ 이상의 온도에서 권취하여 TiC의 석출과 결정입도 성장을 꾀함으로써 성형성을 확보한 열연강판을 제조한다.
이후 공정으로서, 산세후 냉간압연을 하게 되며 이때 77% 이상의 높은 냉간압하율을 적용하여 성형성에 유리한 재결정 집합조직을 형성시킨다. 냉간압하율이 높을수록 성형성 확보에는 유리하나, 설비부하 및 연신율을 고려할 때 냉간압하율은 77 내지 80%가 적당하다.
이와 같이 제조된 냉연강판에 대해서 840 내지 860℃의 온도범위에서 연속소둔방식으로 재결정 소둔을 실시한다. 상기 소둔온도 범위는 통상 작업이 용이한 구간에서 이루어진다. 즉, 840℃ 보다 낮은 온도에서의 소둔은 재결정 성장 둔화 및 유리한 집합조직의 미생성으로 인하여 성형성 확보에 문제가 있고, 860℃ 이상의 고온 소둔은 형상 및 스케일 형성에 문제가 발생할 가능성이 크므로, 소둔온도 범위는 840 내지 860℃의 온도범위에서 유지되는 것이 바람직하다.
[실시예]
이상과 같은 본 발명을 하기 실시예를 통하여 설명한다.
하기 표 1은 본 발명의 성분조건을 만족시킨 본 발명강(1)과, 만족시키지 않는 비교강(2 내지 9)의 성분조성표이다.
[표 1]
상기 표 1의 성분으로 이루어진 각각의 강은 진공용해를 통하여 슬라브로 제작되며, 하기 표 2에 나타낸 바와 같은 조건에서 열간압연한 후 910℃ 이상에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도에서 권취를 행한 다음, 산세하고 77%의 압하율로 냉간압연하여 두께 0.8mm의 냉연강판으로 제작되었다.
[표 2]
또한, 여러 소둔온도에서 연속소둔 열처리를 행하고, 강판의 기계적 성질(BH값, r 값, 인장값)을 측정하였으며, 성형성 측정을 위하여 커플링 테스트(coupling test)를 실시하였다.
소둔판 재질특성은, ASTM STD 규격의 인장시편을 이용하여, 압연방향, 45 ° 방향, 90 °방향 각각에 대하여 조건당 3개씩 실험을 행하고 그 평균값을 구하여 그 강종조건에 대하여 대표값을 취하였다.
이때 성형조건은 펀치 스피드 300 mm/min, 펀치 직경 40mm, 다이직경 43mm,드로잉비 2.45, 시편유지압력(BHF) 0.5톤의 조건을 행하여 성형가능성 유무로 성형성을 판단하였다.
상기 표 2에서, 시편 1-1은 본 발명의 성분 범위 및 제조조건을 만족시키는 발명강으로서, 41kgf/mm2의 인장강도에 r 값이 2.2를 넘는 초고성형성을 확보하였으며, 또한 BH 값도 3.5kgf/mm2를 갖는 매우 우수한 재질 특성을 나타내었다.
또한 시편 1-2 및 1-3은 그 성분조건이 본 발명의 범위를 만족시키나, 각각의 열연 권취온도 및 냉간압하율이 낮은 경우이다. 두 경우에서는 성형성에 유리한 열연 석출물 및 냉연접합조직을 형성하지 못하였고, 그 결과 r값이 저하되어 성형성평가시에 크랙이 발생되었다.
시편 1-4 및 1-5는 그 성분조건이 본 발명의 범위를 만족시키나, 각각 소둔온도가 낮거나 높은 경우로서, 시편 1-4는 저온소둔으로 인하여 충분한 재결정 성장이 이루어지지 않았으므로 성형성을 확보하지 못하였고, 1-5는 고온소둔으로 인한 표면형상불량 및 C 석출물의 재용해로 인하여 고용원소의 증가로 시효현상이 발생하였다.
시편 2 내지 9에서, 열연, 냉연 및 소둔 조건은 본 발명의 조건을 만족하나, 표 1에 나타난 바와 같이, 그 성분조건이 본 발명의 성분조성 범위를 벗어난 시편들이다. 즉, C의 함량이 부족한 경우(시편 2) 및 Ti의 함량이 과다한 경우(시편 9)는 고용원소를 전부 석출시키게 되어 높은 성형성을 얻을 수 있으나, 원하는 BH 값을 얻을 수 없다. 또한 C의 함량이 과다한 경우(시편 3)와 Ti의 함량이 부족한 경우(시편 8)는 과다한 고용원소의 잔류로 인하여 원하는 성형성 확보가 어려우며, 특히 시효발생으로 가공시에 스트레처 스트레인(stretcher strain)의 불량현상이 발생하였다.
이밖에, 주요 강화원소인 Mn 및 P의 함량이 부족한 경우(시편 4, 6)에는, 원하는 강도를 얻을 수 없었으며, Mn이 함량이 과다한 경우(시편 5)에는 원하는 성형성을 얻을 수 없었다. 특히 성형성을 많이 해치지 않는 P의 함량이 과다한 경우(시편 7)에는 성형시 표면 굴곡 및 크랙이 발생하였다.
이상과 같이, 본 발명에 따른면 성분함량과 열연, 냉연 및 소둔조건을 적절히 제어함으로써, 성형성과 소부경화성이 동시에 우수한 초고성형 소부경화형 냉연강판을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명에 따라 제조된 강판은 현재 사용중인 자동차 외판재 보다 두께를 감소시켜 경량화에 크게 기여할 수 있으며, 더욱이 높은 강도와 초고성형성을 제공함으로서 복잡한 형상을 갖는 부재의 소재로 사용하기에 적합하다.

Claims (2)

  1. C: 0.0020 내지 0.0030 중량 %, Mn: 1.0 내지 1.2 중량 %, P: 0.09 내지 0.11 중량 %, S: 0.008 중량 % 이하, N: 0.0040 중량% 이하, 산가용 Al: 0.06 중량 % 이하, Ti: 0.010 내지 0.020 중량 %, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되며, Ti는 하기 식,
    (48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6),
    의 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 초고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판.
  2. 청구항 1의 조성비를 갖는 강의 슬라브를 910℃ 이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃이상의 온도조건에서 권취하고, 산세공정 후에 77% 이상의 냉간압하율로 냉간압연하고, 840 내지 860℃의 온도조건에서 연속소둔하는 것을 특징으로 하는 초고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 제조방법.
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