KR100470652B1 - 성형성이 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차의 구조용 부품으로 사용되는 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 냉간압연후 연속소둔시 소둔온도를 적절히 제어하여 적정한 양의 잔류 오스테나이트를 형성시키고 AlN을 석출시켜 오스테나이트 결정립을 미세화함으로써, 성형성을 향상시킬 수 있는 고강도 냉연강판의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.15~0.25 % , Si: 0.8~2.0%, Mn: 1.0~2.0 %, S: 0.020%이하, Al: 0.015 ~ 0.050%, N: 0.008 ~0.026% 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 1050~1300℃에서 재가열하고 890~940℃의 온도에서 마무리 열간압연한 다음 600~700℃로 권취하고, 40~70%의 압하율로 냉간압연한 후 563 + 651C[%] + 42Si[%] + 18Mn[%] ≤소둔온도 [℃] ≤ 850℃의 온도범위에서 50초 이상 연속소둔한 후 20~100℃/s의 속도로 400~450℃까지 냉각하고, 그 온도에서 350~400℃까지 200~500초 동안 냉각하는 오스템퍼링을 실시하는 것을 포함하여 이루어지는 성형성이 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

성형성이 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING HIGH STRENGTH COLD ROLLED STEEL SHEET WITH SUPERIOR FORMABILITY}

본 발명은 자동차의 구조용 부품으로 사용되는 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 70~90kgf/mm²급 인장강도를 제공함과 동시에 성형성도 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

환경이 사회적으로 중요한 문제로 부각되면서 세계적으로 자동차 배기가스 및 연비의 규제가 강화되고 있다. 또한, 자동차의 충돌 안정성에 대한 규제가 강화되면서 기존의 정면충돌, 측면충돌의 평가와 함께 기존 정면충돌 대비 엄격한 기준인 오프세트 충돌 평가시험을 추가되고 있는 실정이다. 이에 대응하여, 세계 각국의 자동차사는 가벼우면서 충돌 안전성이 우수한 자동차를 개발하고 있는데, 자동차 안정성에 있어서 범퍼의 에너지 흡수성이 중요하므로, 범퍼의 에너지 흡수성을 높이기 위하여 자동차 부품 재료의 강도를 증가시키고 있다.

한편, 종래 고강도 냉연강판은 다음과 같은 방법들로 제조되었다.

첫째, 냉간압연에 의한 가공경화를 이용하는 방법으로서, 이 방법에 의하면 냉간압연후 회복소둔을 실시하여 미재결정조직으로 강도를 증가시킴으로써, 첨가되는 합금의 양을 줄이고 우수한 용접성을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 연신율이 낮으므로 성형성이 나쁘다.

둘째, 냉간압연후 소둔온도를 A₁ 변태점 이상으로 가열하여 오스테나이트를 형성한 후 급랭하여 오스테나이트를 마르텐사이트나 베이나이트로 변태시켜서 재료의 강도를 증가시키는 방법이 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 열처리 공정에서 냉각속도가 빨라야 하므로 제조가 어렵고 연신율이 낮은 단점이 있다.

셋째, 잔류 오스테나이트를 강중에 존재시켜 연신율을 증가시키는 가공유기변태강의 제조방법을 들 수 있다. 이 방법에 의하면, 성형중 잔류 오스테나이트가 높은 강도의 마르텐사이트로 변태하면서 가공경화속도가 빨라져서 연신율이 증가되는데, 이와 같은 강종에 함유되는 성분으로는 C, Si, 및 Mn이 있다. 여기서, 상기 C은 마르텐사이트의 변태온도를 감소시켜 오스테나이트를 안정하게 하고 Si은 탄화물의 형성을 억제하여 잔류 오스테나이트 내의 고용 C 함량을 증가시키는 역할을 한다. Mn은 C과 함께 마르텐사이트 변태 온도를 하향하고 강도를 증가시키는 역할을 한다. 그러나, 자동차를 경량화하기 위하여 많은 부품에 적용하기 위하여는 단순 C-Si-Mn 계의 가공유기변태강보다 성형성이 증가되어야 한다. 더욱이 자동차의 형상이 복잡하여 지면서 기존의 성형성의 강으로는 많은 수의 자동차 부품에 적용되지 않는다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 성형성이 향상된 가공유기변태강이 제조되어야 한다.

이에, 본 발명자들은 상기한 종래 방법들의 제반문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 냉간압연후 연속소둔시 소둔온도를 적절히 제어하여 적정한 양의 잔류 오스테나이트를 형성시키고 AlN을 석출시켜 오스테나이트 결정립을 미세화함으로써, 성형성을 향상시킬 수 있는 고강도 냉연강판의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.15~0.25 % , Si: 0.8~2.0%, Mn: 1.0~2.0 %, S: 0.020%이하, Al: 0.015 ~ 0.050%, N: 0.008 ~0.026% 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 1050~1300℃에서 재가열하고 890~940℃의 온도에서 마무리 열간압연한 다음 600~700℃로 권취하고, 40~70%의 압하율로 냉간압연한 후 563 + 651C[%] + 42Si[%] + 18Mn[%] ≤소둔온도 [℃] ≤ 850℃의 온도범위에서 50초 이상 연속소둔한 후 20~100℃/s의 속도로 400~450℃까지 냉각하고, 그 온도에서 350~400℃까지 200~500초 동안 냉각하는 오스템퍼링을 실시하는 것을 포함하여 이루어지는 성형성이 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명자는 용강의 성분, 열처리 조건에 따른 냉연강판의 재질 변화를 관찰하여 성형성이 우수한 자동차 구조용 냉연강판을 개발하였다. 이하에서는, 본 발명의 냉연강판에서 요구되는 성분범위에 대하여 설명한다.

이하, 강 성분 및 제조공정에 대하여 설명한다.

C은 마르텐사이트 변태온도를 낮추어 오스테나이트를 안정하는 원소로서, 그 함량이 많으면 상온에서 잔류오스테나이가 형성되어 재료의 연신율이 증가하는데, 이와 같은 효과를 얻기 위해서는 0.1% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, 그 함량이 0.25% 이상이면 용접성이 열화되어 냉연강판제조시 강판의 용접 및 자동차 부품의 용접 공정에 불리하므로, 상기 C 함량의 상한은 0.25%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si은 오스템퍼링 과정에서 탄화물 형성을 억제하는 원소로서, 이와 같이 탄화물 형성이 억제되면 고용 C의 양을 증가되어 많은 고용 C가 잔류 오스테나이트로 확산되기 때문에, 잔류 오스테나이트는 안정화된다. 상기 Si의 함량이 0.8%미만이면 탄화물의 형성이 억제되기 어렵고, 2.0% 이상이면 용접성이 급격히 감소하여 냉연공정중 용접과 자동차 부품으로 성형한 후의 용접이 어렵게 되므로, 상기 Si의 함량은 0.8~2.0%의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

Mn은 재료의 강도를 증가시키고, C과 같이 마르텐사이트의 변태온도를 감소시켜 오스테나이트를 안정화시키는 원소로서, 그 함량이 1.0% 미만이면 강도가 낮아지고 잔류 오스테나이트가 불안정해진다. 한편, 페라이트가 많이 형성되어 많은 양의 고용 C이 잔류 오스테나이트로 확산되어 들어가면, 잔류 오스테나이트가 안정화되기 때문에 적당한 양의 페라이트를 형성하는 것이 중요한데, 상기 Mn의 함량이 2.0%이상이면 페라이트의 변태속도가 너무 느려져 냉각중에 형성되는 페라이트가 적어진다. 또한, Mn이 과잉 첨가되면 냉각중 페라이트로 변태하지 못한 오스테나이트가 오스템퍼링온도에서 높은 분율의 베이나이트가 형성되어 강도가 증가하면서 연신율이 감소하는 문제도 있다. 따라서, 상기 Mn의 함량은 1.0~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

S은 Mn과 결합하여 MnS의 석출물을 형성하는데, 상기 MnS는 개재물로 형성되어 균열의 시작점으로 작용할 수 있으므로, 상기 S의 함량은 0.020%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Al은 강중 O와 반응하여 슬래그를 만들고 용강 상부에서 형성된 슬래그를 제거하여 강중의 O를 없애는 역할을 하는 탈산 원소이다. 본 발명에서는, 강중 O를 제거하고 잔류하는 Al을 이용하여 AlN 석출물을 형성시키고, 잔류 오스테나이트의 결정립을 감소시켜서 연신율을 향상하도록 하였다. 이와 같은 효과를 얻기 위해서, 상기 Al은 0.015%이상 첨가되어야 하지만, 그 함량이 지나치게 많으면 AlN 석출물이 조대화되어 연신율 향상에 불리하므로, 그 상한은 0.050%로 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 일반적으로 같은 양의 잔류 오스테나이트가 존재하는 경우, 결정립 크기가 작으면서 많은 수의 오스테나이트가 분포하면, 변형중 마르텐사이트로 변태하면서 가공경화속도를 빠르게 하는 효과가 크므로 연신율이 향상되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 잔류 오스테나이트의 크기를 줄이는 것이 바람직한데, 이를 위해서는 소둔중 오스테나이트의 크기를 감소시켜야 한다.

상기한 바와 같이, 소둔중 오스테나이트의 크기를 감소시키는 방법으로는, 석출물을 형성시켜 결정립 성장을 억제하는 방법이 있는데, 이 때 석출물이 과다하게 많게 되면 석출경화에 의하여 강도가 증가하고 연신율이 감소하므로, 석출물의 양을 줄이면서 오스테나이트의 결정립 크기를 효과적으로 줄이는 것이 중요하다.

일반적으로, 석출경화의 효과를 얻기 위하여 주로 사용되는 Nb, Ti, V 석출물은, 그 크기가 클 뿐 아니라 오스테나이트 안정화 원소인 C결합해 NbC, TiC, VC 등을 형성하여 고용 C의 함량을 줄이므로 가공유기변태강에는 적당하지 않다.

따라서, 가공유기변태강에서 연신율을 증가시키기 위해서는 C과 결합하지 않으면서 크기가 작은 석출물을 형성시켜야 되는데, 본 발명에서는 AlN 석출물을 이용한 것이다. 상기 AlN 석출물은 C의 고용도가 없으며 석출물의 크기가 TiC, NbC, VC 등의 석출물에 비하여 매우 작은 것으로 알려 있다.

N은 일반적인 제철소 제강공정에서는 불순물로서 관리되는 성분이지만, 본 발명에서는 AlN 석출물을 형성시켜 결정립을 미세화시키기 위해 첨가된다. 상기 N은 AlN 형태로 석출되므로 원자량과 Al의 함량을 고려하여 0.008~0.026%로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기한 범위에서 N가 첨가되면, 적정량의 AlN이 형성되어 잔류 오스테나이트의 결정립크기를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 연신율을 증가시킬 수 있는 것이다.

상기한 바와 같이 조성된 강을 이용해 냉연강판으로 제조하는데, 본 발명에서는 통상의 조건을 이용할 수 있다. 즉, 상기와 같이 조성된 강을 1050~1300℃에서 재가열한 후 890~940℃로 열간압연을 마무리하고 600~700℃에서 권취한 다음 40~70%의 압하율로 냉간압연한다. 이후, 상기 냉연판을 연속소둔하는데, 이하에서는 본 발명의 연속소둔조건에 대하여 설명한다.

C, Si, Mn을 함유한 강을 이용하여 연신율을 증가시키기 위해서는, 잔류 오스테나이트의 함량을 증가시켜야 한다. 잔류 오스테나이트를 증가시키기 위하여는, 열처리 사이클을 성분에 적합하게 설정하여야 하는데, 연속소둔로를 이용하여 소둔하는 경우 잔류 오스테나이트를 만들기 위해서는, 어닐링하여 오스테나이트를 만들고 오스템퍼링 온도까지 냉각하여 오스템퍼링하여 베이나이트를 형성하면서 고용 C을 잔류 오스테나이트로 확산시켜서 오스테나이트를 안정화시켜야 한다. 이 때, 소둔온도를 잘 설정하는 것이 중요하다. 즉, 소둔온도가 너무 낮으면 열연강판에 존재하는 펄라이트가 용해되지 못하여 오스테나이트의 안정성을 저하시키고, 소둔온도가 너무 높으면 오스테나이트가 너무 많이 형성되고 페라이트가 적어지므로 최종적으로 베이나이트가 많이 형성되어 강도가 증가하고 연신율이 감소한다.

본 발명의 발명자들은, 이러한 사실을 고려하여 각 성분의 강에 대한 최적의 소둔온도를 설정하기 위한 연구 및 실험을 거듭한 결과, 도 1(a),(b),(c)의 결과를 얻게 된 것이다.

도 1(a),(b),(c)는 C, Si, Mn 의 함량을 변화시키면서 소둔온도에 따른 오스테나이트의 양을 나타낸 그래프로서, 같은 성분을 강을 이용하는 경우 잔류 오스테나이트의 양을 증가시키려면 소둔온도를 증가시켜야 하는 것을 알 수 있다. 이와 같이, 소둔온도를 증가시키면 최대 페라이트를 형성시켜서 오스테나이트에 최대의 고용 C을 확산시킬 수 있는데, 이 때, 페라이트의 분율을 최대로 증가시키면서 퍼얼라이트는 반드시 용해되어야 한다. 그 이유는, 상기 퍼얼라이트에는 탄화물이 다량 존재하므로 퍼얼라이트가 존재하면 오스테나이트로 확산되어 가는 고용 C이 줄어들기 때문이다. 이와 같은 퍼얼라이트를 완전히 용해시키기 위해서는, C의 함량이 0.1, 0.15, 0.20%인 각각의 강에서 오스테나이트의 양이 19, 28, 38%가 되어야 한다. 이 이상의 오스테나이트를 형성하게 되면 페라이트의 양이 줄어들기 때문에 잔류 오스테나이트를 많이 형성시키기 어렵다.

이러한 조건을 통해, 본 발명의 발명자들은 펄라이트를 완전히 용해시키는 소둔온도는 최소 563 + 651C[%] + 42Si[%] + 18Mn[%] 이상이 되어야 함을 알아내었다. 그러나, 상기 소둔온도가 850℃ 이상이면 오스테나이트가 너무 많이 형성되기 때문에, 상한은 850℃ 로 설정한 것이다.

또한, 상기한 소둔온도에서 적정한 오스테나이트를 형성시키기 위해, 소둔시간은 50초 이상 으로 설정하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 하여 소둔구간에서 오스테나이트가 형성된 재료에 퍼얼라이트가 형성되지 않도록, 20~100℃/s 냉각속도로 오스템퍼링 개시온도인 400~450℃ 까지 급랭하는 것이 바람직하다.

이후, 실시되는 오스템퍼링은 통상의 방법을 이용할 수 있는데, 400~450℃의 온도범위에서 오스템퍼링을 개시하고 350~400℃까지 200~500s 동안에 냉각하는 식으로 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같은, 오스템퍼링시에는, 소둔구간에서 형성된 오스테나이트의 일부가 베이나이트로 형성되고 고용 C이 잔류 오스테나이트로 확산되어 잔류 오스테나이트가 안정화된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표1과 같이 조성되는 강을 1250℃로 재가열한 다음, 910℃에서 열간압연을 마무리하고, 600℃로 권취하였다. 그 후, 열간압연판의 표면 산화층을 산세로 제거한 후 50% 냉간압연을 실시하여 1.4mm 두께의 내연강판을 제조하였다. 그 다음, 상기 냉연판을 연속소둔로에서 열처리하고 오스템퍼링을 300초로 실시하였다. 이 때, 냉연판에 대한 연속소둔시 소둔온도 및 시간, 그리고 오스템퍼링 온도를 하기 표 2와 같이 변화시켰다.

이후, 상기 냉연판에 대한 기계적 특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

강종	C	Mn	Si	P	S	S-Al	N
발명강1	0.19	1.59	1.56	0.012	0.005	0.047	0.0096
발명강2	0.19	1.58	1.49	0.012	0.005	0.049	0.0140
발명강3	0.20	1.48	1.65	0.011	0.003	0.034	0.0120
발명강4	0.20	1.46	1.60	0.015	0.003	0.034	0.0110
발명강5	0.20	1.49	1.61	0.015	0.003	0.037	0.0140
비교강1	0.10	2.35	1.44	0.011	0.009	0.035	0.0020
비교강2	0.14	1.79	1.43	0.013	0.011	0.039	0.0036
비교강3	0.20	1.33	1.50	0.011	0.009	0.037	0.0020

구분	소둔조건		오스템퍼링	기계적 특성			사용강종
	온도(℃)	시간(s)	오스템퍼링개시온도(℃)	항복강도(kgf/㎟)	인장강도(kgf/㎟)	연신율(%)
발명재1	800	51	400	42.02	79.14	32.32	발명강1
발명재2	830	51	400	39.71	79.53	30.17
발명재3	800	51	450	43.99	76.01	29.14
발명재4	830	51	450	42.74	79.13	28.38
발명재5	800	102	400	40.90	79.60	28.10
발명재6	800	51	400	45.98	71.16	29.53	발명강2
발명재7	830	51	400	44.23	71.13	29.34
발명재8	830	51	450	47.10	70.44	27.93
발명재9	800	102	400	43.90	75.90	28.30
발명재10	830	51	400	45.91	79.26	29.35	발명강3
발명재11	830	51	400	43.06	80.90	30.31	발명강4
발명재12	830	51	400	46.01	80.24	28.08	발명강5
비교재1	800	51	400	41.10	83.80	21.60	비교강1
비교재2	800	51	450	40.30	92.10	17.40
비교재3	800	51	500	41.50	85.30	16.20
비교재4	800	102	450	40.30	92.10	17.40
비교재5	800	51	400	42.60	76.10	23.10	비교강2
비교재6	800	51	450	36.50	82.50	23.80
비교재7	800	51	500	47.00	68.50	23.20
비교재8	800	102	450	36.50	82.50	23.80
비교재9	800	51	450	47.80	71.00	20.80	비교강3
비교재10	800	51	500	55.60	70.80	23.20
비교재11	800	102	450	47.80	71.00	20.80

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 강 성분 및 제조조건으로 제조된 발명재(1)~(12)의 경우에는, 항복강도와 인장강도가 비교재와 유사한 수준이거나 그 이상이면서, 연신율도 높은 것을 알 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 연신율이 높아서 성형성이 우수한 고강도 강판을 제조할 수 있어서, 자동차 구조용 부품에 적용할 수 있고, 또한 자동차용 강판으로 적용되는 경우 충돌시 에너지 흡수성이 우수하여 자동차의 안정성도 확보할 수 있는 효과가 있는 것이다.

도 1(a),(b),(c)는 C, Si, Mn 의 함량을 변화시키면서 소둔온도에 따른 오스테나이트의 양을 나타낸 그래프

Claims (1)

1. 중량%로, C: 0.15~0.25 % , Si: 0.8~2.0%, Mn: 1.0~2.0 %, S: 0.020%이하, Al: 0.015~0.050%, N: 0.008~0.026% 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 1050~1300℃에서 재가열하고 890~940℃의 온도에서 마무리 열간압연한 다음 600~700℃로 권취하고, 40~70%의 압하율로 냉간압연한 후 563 + 651C[%] + 42Si[%] + 18Mn[%] ≤소둔온도[℃] ≤ 850℃의 온도범위에서 50초 이상 연속소둔한 후 20~100℃/s의 속도로 400~450℃까지 냉각하고, 그 온도에서 350~400℃까지 200~500초 동안 냉각하는 오스템퍼링을 실시하는 것을 포함하여 이루어지는 성형성이 우수한 고강도 냉연강판의 제조방법.