KR100411670B1 - 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 중량 %로 C;0.0015-0.0025%, Mn;0.8-1.2%, P;0.08-0.1%, S;0.006%이하, N;0.003%이하, 산가용 A1;0.06%이하, Ti;0.01-0.016%, Nb;0.007-0.013%, B;0.001%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 Ti는 ((48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6))의 관계를 충족시키는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 상기 조성으로 이루어진 강의 슬라브를 910℃이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도조건에서 권취하며, 산세공정후에 77%이상의 냉간압하율로 냉간압연한 후 연속소둔로에서 840-860℃의 온도 범위로 재결정 소둔을 행하는 것을 특징으로 하는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판의 제조방법을 요지로 한다. 본 발명에 의하면, 특히 양호한 소부경화성을 가지면서도 내2차가공 취성 및 프레스 성형성이 매우 우수한 효과를 가진다.

Description

고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 그 제조방법{Bake hardening cold rolled steel with good formability and high strength and method of manufacturing the same}
본 발명은 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 양호한 소부경화성을 가지면서도 내2차가공 취성 및 프레스 성형성이 매우 우수한 고강도 냉연강판과 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 차량의 중량을 감소시키고, 연료소비를 줄이며, 안전성을 증가시키기 위해 더욱 강화된 자동차용 강판의 필요성이 증대되었다. 그 중에서도 특히, 자동차의 도어, 후드 및 펜더와 같은 외판용 고강도 냉연강판은 35㎏f/㎟ 이상의 인장강도를 가져야 하며, 특히 도장후 소부처리(baking treatment)에 의해 얻어지는 소부경화성 뿐만 아니라 프레스 성형성 또한 양호해야만 한다. 소부경화성이란 성형전에는 항복강도가 낮아 가공 및 형상동결성이 우수하고 성형후에는 높은 가공경화능으로 인해 항복강도가 증가하여 우수한 내덴트성(외부 압력(누름)에 대한 저항성)이 확보되는 특성을 말한다.
또한, 최근에는 자동차 연비 향상을 위한 경량화 대응의 일환으로 강판 두께의 감소가 요구된다. 그러나 자동차 외판재의 경우, 강판의 두께 감소는 내덴트성의 감소를 수반하므로 강판 두께 감소는 한계가 있다. 강판 두께 감소로 인한 내덴트성 저하를 보상하기 위하여 보다 높은 강도를 갖는 고강도강이 요구되지만 고강도강 적용시 가공성이 저하되어 심가공이 요구되는 부품의 적용은 불가능하다. 결국, 자동차 외판용 소부경화형 강판의 경우 고강도화는 한계가 있으며 성형시 문제가 되지 않는 범위인 인장강도 45㎏f/㎟이하의 고강도강이 개발되고 일부는 적용되고 있다. 따라서 어느 일정 수준 이상의 강도를 확보하면서 가공성을 현저히 개선 시킨 강판의 개발은 안전성 및 차체 경량화 측면에서 매우 필요하다.
종래에 소부경화형 강판으로써 대표적인 것으로 1982년 발행된 '철과 강' 紙 제 1276면에 기재된 바에 의하면 저탄소-망간-크롬계를 이용한 인장강도 40㎏f/㎟급의 복합조직형 소부경화형 강판이 있다. 이 소부경화형 강판은 항복비가 46%정도로 매우 낮고 가공경화지수값(n)이 0.28 정도로 매우 높을 뿐만 아니라, 소부경화능의 평가 지수인 BH(Bake Hardening)값 또한 5㎏f/㎟ 정도로 매우 우수한 것으로 나타났다. 하지만, 가공성 평가지수인 소성변형비 이방성지수(이하 'r값'이라고 칭한다) 가 1.4수준으로 매우 낮아 고성형성을 요구하는 부품에는 전혀 사용하지 못한다는 큰 결점을 안고 있다.
상기와 같은 저탄소형 복합조직강의 성형성 문제를 해결하기 위하여 최근 탄소함량이 중량 %로 0.005%이하인 극저탄소강을 이용하여 탄질화물 형성원소인 Ti 혹은 Nb를 단독 혹은 복합첨가하여 제조함으로써 r값이 1.7이상의 높은 성형성을 갖는 강판 개발 기술이 대두되고 있지만 원하는 강도 및 성형성을 동시에 확보하는 차원에서 문제가 있었다. 상기와 같은 기술로써 공지된 대표적인 것으로 CAMP ISIJ Vol.5(1992) p.2051, CAMP ISIJ, 1991, P1934등이 있으며, 이는 중량 %로 C: 0.003% 이하의 극저탄소강에 Mn, P, Si, Ti, Nb등을 적절히 첨가하여 제조하고 있으나 900℃ 이상의 고온소둔 작업으로 인한 강판 표면 스케일(scale)형성, 성형성 미확보등의 문제점을 갖고 있기 때문에 실제로 조업적용이 어려운 실정이다.
또한 기출원(출원번호 : 10-1998-0053898)된 기술로써, Ti-Nb 복합계를 이용하여 인장강도 35㎏f/㎟급의 고성형 소부경화형 냉연강판 제조 기술을 개발하여 성형성 및 목적 인장강도는 확보되었으나, 강중 P함량이 높아 내2차가공 취성 열화의 문제점이 있고 인장강도도 다소 부족하다는 결점을 갖고 있다.
이에 본 발명은 상기의 결점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 강의 합금성분과 그 함량의 적절한 제어 및 열간압연-냉연-연속소둔의 제조기술을 제어함에 의하여 인장강도 40㎏f/㎟ 이상을 확보하면서도 동시에 r≥2.1, BH≥3㎏f/㎟이 확보되는 동시에 내2차가공 취성 특성 또한 우수한 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 그 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
도 1은 소둔온도에 따른 Q-1 max값의 변화를 도시하는 도면.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 중량 %로 C;0.0015-0.0025%, Mn;0.8-1.2%, P;0.08-0.1%, S;0.006%이하, N;0.003%이하, 산가용 A1;0.06%이하, Ti;0.01-0.016%, Nb;0.007-0.013%, B;0.001%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 Ti는 ((48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6))의 관계를 충족시키는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판 및 상기 조성으로 이루어진 강의 슬라브를 910℃이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도조건에서 권취하며, 산세공정후에 77%이상의 냉간압하율로 냉간압연한 후 연속소둔로에서 840-860℃의 온도 범위로 재결정 소둔을 행하는 것을 특징으로 하는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.
이하 본 발명강의 조성 및 성분에 대한 수치한정 이유를 설명한다.
먼저, 강중에 함유되는 C은 소부경화성을 증가시키는 역할을 한다. 또한 침입형 고용원소로서 냉연 및 소둔과정에서 강판의 집합조직 형성에 매우 큰 영향을 미친다. 강중 고용된 C함량이 증가할수록 가공성에 유리한 집합조직의 형성을 지연시켜 성형성을 열화시킨다. 종래 성형성 열화 방지를 위하여 강력한 탄,질화물 형성 원소인 Ti, Nb을 단독 혹은 복합 첨가하여 고용 C을 Ti(Nb)C로 석출(소위 IF(interstitial free)강이라 칭함)시켜 제조하는 방식이 주류를 이루어 왔다. 그러나 적절한 소부경화성(이하 BH(Bake Hardening)성이라 칭함)을 갖기 위해서는 고용 C함량을 어느 정도 잔존시켜야만 하므로 성형성 열화의 문제점을 적극적으로 해결하지 못했다. 즉, C 함량을 증가시킬 경우 BH성은 확보되지만 가공성이 열화되어 가공시 크랙 발생의 주요인으로 작용된다. 하지만, 본 발명강의 경우 C함량을 중량 %로 0.0025%이하로 관리하고, 기타 열간압연/냉간압연의 조업 특성을 제어함에 의해 목적하는 BH성(≥3㎏f/㎟) 뿐만 아니라, 가공성 평가 지수인 r값(≥2.1)를 동시에 확보할 수 있는 기술 개발이 가능하다. 반면, C함량이 0.0015% 이하의 경우 가공성에는 더욱 유리하지만 BH성 확보에 문제가 발생하여 그 적정 수준의 C함량을 0.0015-0.0025%로 관리함이 바람직하다.
상기 Mn은 고용체 강화 원소로 강도를 확보하는데 필수적인 원소이다. 특히 열간 취성의 주요인으로 적용하는 강중 S를 MnS로 전부 석출시키는 역할을 하는 반면, TiS로서의 석출을 지연시켜 C함량 관리에 필요한 유효 Ti함량 범위 설정에 매우 유리한 원소로서 S함량의 변화와 관계없이 Ti를 강중 C와 N만을 고려하여 적정 범위로 설정하므로 제강 조업의 부하가 절감되고 안정된 BH성이 확보되는 장점이 있다. Mn함량이 0.8%이하의 경우에는 상기 언급한 효과를 얻을 수 없을 뿐만 아니라 강도 확보에도 문제가 있다. 한편, 1.2%이상의 경우에는 목적강도와 MnS석출은 완벽하게 이루어지지만 잔류된 Mn이 불순물로 작용하여 재질열화를 가져오고 또한 소둔중 강판 표면에 Mn 농화층이 발생하여 내산화성에 문제가 발생될 가능성이 높아지므로 그 함량을 0.8-1.2%로 관리함이 바람직하다.
상기 P는 성형성을 해치지 않고도 강도 확보가 매우 유리한 원소이므로 가능한 다량 첨가하는 것이 목적 강도 확보에 유리하지만, 너무 과잉으로 첨가시 성형시 2차 가공취성이란 결함이 발생하여 크랙 발생의 주원인이 되므로 본발명에서는 목적강도와 크랙 발생 방지에 유리한 P함량 범위를 0.08∼0.1%로 제한하였다.
상기 Ti은 본 발명에서 성형성 및 소부경화성 측면에서 중요한 원소이다. 첨가되는 Ti는 강중 포함된 C 및 N 함량을 고려하여 첨가되는데, Ti함량이 원자 당량비로 ((48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6))의 관계의 조건을 만족하는 범위내에서 첨가되도록 하여 0.01-0.016%로 제한 하였다. 즉, 위의 식은 3.43N≤Ti≤(3.43N+2.4C)로 나타낼 수 있는 바, 이 식에 N:0.003과 C:0.0015~0.0025를 각각 대입하면 0.01≤Ti≤(0.014~0.016)로 나타낼 수 있다. 0.01%미만의 Ti함량의 경우 강중 질소와 결합할 유효 Ti함량의 부족으로 성형성 측면에서 불리하며, 0.016%초과의 Ti함량은 강중에 잔존된 미량의 고용탄소 마저 완벽하게 석출시켜 BH성이 나타나지 않으므로 상기와 같이 설정하였다.
상기 Nb는 열간압연중 고용 C의 일부를 NbC로 석출시켜 소둔중에 집합조직 형성에 유리한 역할을 하여 성형성을 향상시키는 원소이다. 상기 Nb함량이 0.007%이하의 경우 NbC를 거의 석출 시키지 못하여 집합조직 형성에 불리하고, 0.013%이상의 경우에는 고용 C의 잔존량이 적어 충분한 BH성을 얻지 못하므로 Nb적정 함량을 0.007-0.013%로 제한함이 바람직하다.
상기 A1은 강의 입도 미세화와 탈산을 위해 첨가되는 원소로서 그 함량은 통상 첨가되는 범위인 0.06%이하가 바람직하다.
상기 B은 강중 결정립계에 고용상태로 존재하여 결정립계를 강화시키는 원소이다. 즉, 강중 P성분에 의해 열화된 내2차가공 취성을 적극적으로 해결할 수 있는 원소이다. 따라서 B 첨가에 의해 강도 확보가 매우 용이한 P함량을 좀더 증가 시켜도 큰 재질 열화를 수반하지 않는다. 하지만, B함량이 0.001%이상 첨가될 경우 성형성이 매우 열화되는 결점을 갖고 있으므로 그 함량을 0.001%이하로 관리함이 바람직하다.
상기 S 및 N는 강중 불순물로서 가능한 한 낮게 관리 하는 것이 중요하며 그 함량을 각각 0.006%이하, 0.003%이하로 유지되도록 함이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 제조방법을 설명하기로 한다.
상기와 같은 특성을 갖도록 조성된 합금 성분계를 통상의 조건으로 열간압연을 행한 뒤, 910℃이상에서 마무리 열간 압연하고, 이어 700℃ 이상의 고온권취를 행하여 강중 C을 Ti(Nb)C 형태의 석출물로 석출시켜 고용 C를 거의 잔류치 않게 함으로써 소둔시 가공성에 유리한 (111)집합조직을 발달시켜 성형성을 확보한다. 반면 700℃이하의 저온권취를 행할 경우 결정입도를 미세화하여 내2차가공 취성 특성에는 유리하지만 고용 C을 완전히 석출시키지 못하여 성형성 확보 문제를 야기 시킨다. 산세-냉연을 행함에 있어 이때 냉간압하율은 높을수록 성형성에 유리하지만 현장조업이 가능한 77%이상에서 행함을 전제로 하고, 이어 연속식 소둔로에서 840-860℃의 온도 범위로 재결정 소둔을 행하는 것이 바람직하다. 이때 상기 소둔온도 범위는 통상 작업이 용이한 구간으로 이보다 낮은 온도는 재결정 성장 둔화로 인한 성형성 확보에 문제가 있을 뿐만 아니라 이미 석출된 (Ti, Nb)C석화물이 재용해되지 않아 목적하는 소부경화성을 확보하는데 문제가 있다. 반면, 860℃이상의 온도는 고온 소둔에 따른 형상 및 스케일 형성에 문제가 발생할 가능성이 크므로 840-860℃의 온도 범위에서 열처리하는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
(실시예)
표 1은 본 발명강과 비교강의 성분을 나타내는 도표이고, 표 2는 본 발명강과 비교강의 재질특성 비교 값을 나타내는 도표이다.
하기 표 1과 같이 조성되는 발명강(3,4,5)과 비교강(1,2)의 슬라브를 열간압연하여 910℃이상에서 마무리 열간압연-권취를 행한 다음 산세하고 적정 냉간압하율을 적용하여 두께 0.8mm의 크기의 냉연판을 제작하여 임의의 소둔온도를 적용하여 열처리를 행하고, 하기 표 2에서 나타낸 바와 같이 소둔판의 재질특성(BH, r값, 인장특성) 및 커핑 테스트(Cupping Test)로 성형성 등을 평가했다. 이때 비교강 1은 C함량이 발명강과 비교하여 높은 경우이며, 비교강 1, 2는 발명강 대비 B를 첨가하지 않아 내2차가공 취성이 열화될 것으로 예상되는 강이다. 소둔판 재질특성은 ASTM STD 사이즈(size)를 이용하여 압연방향, 45도 방향, 90도 방향의 각각에 대하여 조건당 3개씩 실험을 행하고, 그 평균값을 구하여 그 각종조건에 대한 대표값으로 취하였다. 성형성 평가는 커핑 테스트(Cupping Test)로 행하였으며 이때 성형조건을 펀치스피드;300mm/min, 펀치직경;40mm, 다이직경;43mm, 드로잉비;2.45, 시편유지압력(BHF):0.5톤의 조건으로 행하여 성형 가능 유무로 성형성을 판단했다.
하기 표 2에서 발명예는 기본적으로 인장강도≥40㎏f/㎟, r값≥2.1, BH성≥3㎏f/㎟, DBTT(연성-취성 천이온도, Ductile-Brittle Trandition Temperature)≤-40℃ 조건은 만족하고 성형시 크랙발생이 없는 조건이다. 이때 비교강 및 본발명강에 있어서 상기 조건에 부적합한 경우를 ※로 표시 했으며, 발명강중 발명예의 경우는 어느 경우나 상기의 조건이 만족됨을 보여주고 있다. 반면에 비교강(1,2)의 비교예(1,2)는 C함량이 높은 경우, B를 첨가하지 않은 경우, 소둔온도가 낮은 경우중 어느 한 경우로 상기 조건에 부적합함을 알 수 있다. 또한 권취온도가 낮을 경우(발명강1/비교예3), 냉간압하율이 낮을 경우(발명강2/비교예4) 및 소둔온도가 낮을 경우(발명강2/비교예5), 권취온도가 낮을 경우(발명강2/비교예5) 목표 대비 r값이 미달되어 성형시 크랙발생 가능성이 높다.
도 1은 소둔온도 변화에 따른 Q-1 max값을 나타낸 그림이다. 여기서 Q-1 max값은 강중 미석출 고용 탄소함량을 나타내는 수치로 이 값이 높을수록 고용 C함량이 높아 소부경화성이 우수함을 의미한다. 그림에서 소둔온도가 높아짐에 따라 Q-1 max값도 증가하여 목적하는 소부경화성(BH≥3㎏f/㎟)을 확보하기 위해서는 840℃의 온도에서 소둔이 이루어지는 것이 바람직 하다는 것을 보여주고 있다.
구 분 성 분 계 (WT%) 비 고
C Mn P Ti Nb S N B
비교강1 0.0034 0.9 0.053 0.018 0.011 0.008 0.003 - 고C강-B 무첨가강
비교강2 0.0018 0.95 0.085 0.016 0.009 0.006 0.0028 - 고P-B 무첨가강
발명강1 0.0017 0.8 0.08 0.013 0.009 0.0055 0.0026 0.0008 발명강
발명강2 0.0022 1.0 0.087 0.017 0.011 0.0057 0.0027 0.0007 발명강
발명강3 0.0023 1.1 0.096 0.014 0.013 0.0060 0.0027 0.001 발명강
구 분 열연조건 냉연조건 재질특성 성형성●:양호 ▲:보통 ×:미흡 비고
℃ CT 압하량 소둔 TS r값 BH DBTT
비교강1 비교예1 910 723 77% 813※ 38.2※ 1.72※ 4.5 -40 × 크랙 r값
비교강2 비교예2 915 700 77% 840 40.3 2.15 2.3※ -10※ ● 성형 BH성,취성
발명강1 비교예3 917 630※ 77% 833 41.9 1.95※ 3.2 -45 ▲ 크랙 r값
발명예1 916 706 77% 846 40.1 2.18 3.5 -40 ● 성형 OK
발명강2 비교예4 915 705 68%※ 847 41.6 2.02※ 3.6 -45 ▲ 크랙 r값
비교예5 918 680※ 77% 800※ 40.8 1.95※ 2.2※ -50 × 크랙 r값, BH성
발명예2 922 709 80% 852 40.2 2.21 3.2 -40 ● 성형 OK
발명강3 발명예3 920 713 80% 849 41.7 2.18 3.6 -45 ● 성형 OK
발명예4 915 706 77% 856 40.3 2.13 3.1 -50 ● 성형 OK
상술한 바와 같이 본 발명은 강성분을 적절히 조합하고, 열연조건 및 소둔온도를 제어함으로써 성형성과 내2차가공 취성이 우수한 초고성형 소부경화형 냉연강판을 얻을 수 있으며, 또한 본 발명에 의해 제공된 강판은 자동차 외판재의 고성형을 요구하는 부품의 소재로 사용하기에 적합한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 중량 %로 C;0.0015-0.0025%, Mn;0.8-1.2%, P;0.08-0.1%, S;0.006%이하, N;0.003%이하, 산가용 A1;0.06%이하, Ti;0.01-0.016%, Nb;0.007-0.013%, B;0.001%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 Ti는 하기의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판.
    ((48/14×N)≤Ti≤(48/14×N)+(48/12×C×0.6))
  2. 청구항 1의 조성비를 갖는 강의 슬라브를 910℃이상의 온도조건에서 마무리 열간압연하고, 700℃ 이상의 온도조건에서 권취하며, 산세공정후에 77%이상의 냉간압하율로 냉간압연한 후 연속소둔로에서 840-860℃의 온도 범위로 재결정 소둔을 행하는 것을 특징으로 하는 고성형성 소부경화형 고강도 냉연강판의 제조방법.
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