KR100622720B1 - 자동차 샤시부품용 이상형 초고강도 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 샤시부품용 이상(DP:Dual Phase)형 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강의 기지조직이 마르텐사이트 및 페라이트의 두 상으로 이루어지며, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 인(P) 및 황(S)의 함량을 적절히 조절함으로써, 소재의 기계적 물성치를 크게 향상시켜 자동차 샤시부품에 적용시킬 경우 10% 이상의 경량화는 물론 원가도 절감할 수 있는 효과가 있는 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

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Description

자동차 샤시부품용 이상형 초고강도 강판 및 그 제조방법{Dual-phase type ultra-high strength steel sheets and process of manufacturing the same}

본 발명은 자동차 샤시부품용 이상(DP:Dual Phase)형 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강의 기지조직이 마르텐사이트 및 페라이트의 두 상으로 이루어지며, 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 인(P) 및 황(S)의 함량을 적절히 조절함으로써, 소재의 기계적 물성치를 크게 향상시켜 자동차 샤시부품에 적용시킬 경우 10% 이상의 경량화는 물론 원가도 절감할 수 있는 효과가 있는 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

오늘날 자동차 사시부품용 소재로 널리 적용되고 있는 강판은 인장강도 38 ~ 45 kgf/㎟, 항복강도 27 ∼ 35 kgf/㎟, 신율 25 ∼ 35% 정도의 물성을 가지는 강판이며, 요구되는 부품 강성의 측면을 고려하여 두께를 크게 하여 사용하고 있다.

그리고, 상기 강판의 경우 조성 및 함량으로 탄소(C) 0.07 ∼ 0.09 중량%, 실리콘(Si) 0 ∼ 0.03 중량%, 망간(Mn) 0.4 ∼ 0.65 중량%, 인(P) 0.010 ∼ 0.015 중량%, 황(S) 0.002 ∼ 0.004 중량%를 포함하고 있다.

그러나, 상기와 같은 조성 및 함량의 결과로 얻어진 강판의 기계적 물성치는 소재 자체 강도의 한계로 인하여 자동차용으로 적용할 경우 부품 강성 측면에서 볼 때 차체 경량화를 위하여 더 이상 두께를 감소시킬 수가 없다.

즉, 상기 강판 소재의 물성치로는 샤시부품의 강성 향상 및 경량화를 이룰 수 없으며, 차량 경량화 요구에 대응할 수 없는 한계를 가지는 것이다.

따라서, 강판의 강도를 획기적으로 증가시켜 자동차 부품의 경량화를 극대화 할 수 있는 새로운 초고강도 강판에 대한 개발의 필요성이 절실히 대두되고 있는 실정이다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 종래 강판의 낮은 기계적 물성치의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 강판 내의 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn)의 함량을 적절히 조절하고, 특히 티타늄(Ti)과 바나듐(V) 성분을 추가로 첨가함으로써, 성형성의 과도한 열화를 방지하면서도 기계적 성질을 향상시켜 적정의 성형성과 높은 수준의 강도를 가지는 자동차 샤시부품용 초고강도 강판 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 자동차 샤시부품용 강판에 있어서,

탄소(C) 0.05 ∼ 0.20 중량%, 실리콘(Si) 0.10 ∼ 0.50 중량%, 망간(Mn) 1.00 ∼ 2.00 중량%, 티타늄(Ti) 0.12 ∼ 0.15 중량%, 바나듐(V) 0.05 ∼ 0.15 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.001 ∼ 0.002 중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 강의 기지조직이 마르텐사이트 및 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 마르텐사이트 및 페라이트 조직 내에 TiC 석출물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은, 자동차 샤시부품용 강판의 제조방법에 있어서,

탄소(C) 0.05 ∼ 0.20 중량%, 실리콘(Si) 0.10 ∼ 0.50 중량%, 망간(Mn) 1.00 ∼ 2.00 중량%, 티타늄(Ti) 0.12 ∼ 0.15 중량%, 바나듐(V) 0.05 ∼ 0.15 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.001 ∼ 0.002 중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강판 조성물을 용해시키고 연속주조한 후, 1100 ~ 1300 ℃에서 열간압연을 실시하고, 이어 급냉 후 권취하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 자동차 샤시부품용 이상(DP:Dual Phase)형 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 자동차 샤시부품에 사용하기 위한 새로운 강판재를 제조하기 위하여, 종래 강판 조성의 화학성분들의 함량을 적절히 조절하는 동시에 티타늄(Ti)과 바나듐(V) 성분을 일정량 추가로 첨가시킴으로써, 마르텐사이트 및 페라이트로 이루어진 상에서 기계적 물성을 극대화시킬 수 있는 석출물을 생성시켜 초고강도를 나타내게 한 자동차 샤시부품용 초고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

먼저, 본 발명에 따른 자동차 샤시부품용 초고강도 강판은, 그 조성 및 함량으로서 탄소(C) 0.05 ∼ 0.20 중량%, 실리콘(Si) 0.10 ∼ 0.50 중량%, 망간(Mn) 1.00 ∼ 2.00 중량%, 티타늄(Ti) 0.12 ∼ 0.15 중량%, 바나듐(V) 0.05 ∼ 0.15 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.001 ∼ 0.002 중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 것이며, 강의 기지조직이 마르텐사이트(Martensite) 및 페라이트(Ferrite)로 이루어진 것이다.

본 발명에 따른 강판의 조성에 있어서, 탄소(C)는 소재에 강도를 부여하기 위하여 첨가되는 것으로, 그 함량과 제조방법에 따라 소재 조직 내부에서 고용탄소가 되기도 하고, 탄소와 결합하려는 성질이 아주 높은 원소인 티타늄(Ti) 등과 결합하여 탄화물을 형성하게 된다.

상기 탄소는 0.05 ∼ 0.20 중량%로 사용하며, 이때 탄소 사용량이 상기 범위 보다 적으면 강도가 떨어지는 문제가 있고, 상기 범위를 초과하게 되면 용접성이 열화되는 문제가 생기므로 바람직하지 않다.

특히, 본 발명의 강판은 종래의 소재와는 달리 티타늄(Ti)을 0.12 ∼ 0.15 중량% 첨가함으로써, 금속조직 내부의 페라이트(Ferrite)상 중에 TiC(티타늄 카바이드) 석출물을 석출시켜, 소재의 기계적 강도를 향상시킨다.

또한, 본 발명은 바나듐(V)을 0.05 ∼ 0.15 중량% 첨가함으로써, 상기 TiC와 같이 금속조직 내부의 페라이트(Ferrite)상 중에 미세 석출상을 형성시켜, 역시 소재의 기계적 강도를 향상시킬 수 있게 하는 특징이 있다.

즉, 본 발명의 강판에서는 금속조직 내에 마르텐사이트(Martensite)상과 페라이트(Ferrite)상이 동시에 공존하도록 함으로써, 강도가 뛰어난 마르텐사이트(Martensite)상과 자체 강도가 낮은 페라이트(Ferrite)상 내부에 TiC 등의 석출물을 생성시키고, 이로써 소재를 강화시키는 메카니즘을 이루는 것이다.

재료가 어떤 응력을 받아 변형이 시작되게 되면 금속조직 내부에서는 전위(dislocation)가 이동하게 되는데, TiC와 같은 석출물들이 이러한 전위들의 이동시에 전위의 진행방향에 존재하여 걸림돌 역할을 하게 되어, 결과적으로 전위의 이동을 어렵게 만들어 조직의 강도를 향상시키게 되는 것이다.

금속조직 내에 존재하는 전위들이 외부의 적은 응력으로도 쉽게 이동할 수 있다면 그 소재는 강도가 약한 것이나, 외부의 응력에 대하여 전위의 이동이 어려울수록 재료의 강도는 높아지게 된다.

본 발명에서 티타늄과 바나듐을 각각 상기의 범위보다 적게 첨가하게 되면 탄화물의 생성이 적어 석출경화에 의한 강도 증가의 효과가 적어지게 되고, 상기 범위를 초과하게 되면 탄화물량이 너무 많아 성형성이 감소하게 된다.

한편, 망간(Mn)은 강 중에 존재하는 황의 유해함을 방지하기 위하여 적정량 첨가한다.

바람직하게는, 소재 내의 망간은 조직의 매트릭스 내에 들어가 치환형 고용체로 자리잡음으로 인해 강판의 강도를 증가시키는 효과가 있는 바, 1.00 ∼ 2.00 중량%로 첨가하며, 이때 그 함량이 1.00 중량 미만이면 강도 향상의 효과가 적어지게 되고, 2.00 중량%를 초과하게 되면 성형성의 감소를 초래하게 되므로 신중한 관 리가 필요하다.

그리고, 실리콘(Si) 역시 치환형 고용체 원소로서 0.10 ∼ 0.50 중량%로 소량만을 첨가하는데, 이는 소재를 용해온도 이상까지 가열한 후 급냉시키는 경우 고용체 조직상태를 그대로 상온까지 유지 지속시켜서 소재의 강도를 향상시키게 된다.

이때, 함량이 0.10 중량% 미만이면 고용효과가 떨어져 강도 향상이 적어지게 되고, 0.50 중량%를 초과하면 용접시에 많은 결함을 유발시킨다.

또한, 본 발명의 강판에 있어서, 인(P)은 0.020 중량% 이하로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 황(S)은 소재의 조직 내에서 취성을 나타내어 소재의 결함을 유발시키므로 0.002 중량% 이하로 엄격히 제한하여야 하며, 0.001 ∼ 0.002 중량%로 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 성분들 외에 기타 불가피한 불순물과 함께 나머지 성분은 철(Fe)로 이루어진다.

한편, 본 발명에 따라 초고강도 강판을 제조하기 위해서는 먼저 상기 강판 조성물을 전로에서 용해하고 연속주조한 후, 1100 ~ 1300 ℃에서 열간압연을 실시하여 강판을 오스테나이트 조직으로 만들고, 이 상태에서 급냉하여 마르텐사이트 조직으로 만든 다음, 600 ~ 900 ℃에서 권취하여 강판을 제조한다.

특히, 상기 급냉과정에서 750 ~ 850 ℃에서 냉각을 시작하여 60 ℃/sec 이상의 속도로 냉각시킬 경우 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변환시키는 데 매우 효율적이다.

상기 열간 압연온도가 1100 ℃ 미만에서는 롤 힘(roll force)이 증대되어 생산비가 상승하고, 롤의 마모가 크며, 녹의 제거가 힘들게 되어 강판 표면의 품질이 저하된다.

또한, 1300 ℃를 초과하는 경우에는 강판이 죽(mush state)상태가 되어 압연시 두께 제어와 형상 고정이 안되어 판 파단의 위험이 있게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 강판의 경우, 인장강도 60 kgf/㎟ 이상이고, 항복강도가 40 kgf/㎟ 이상으로서, 초고강도를 나타내어 기계적 물성이 매우 우수하므로 자동차의 샤시부품에 사용하면 부품 강성도 향상되고, 결국 차체 경량화도 이룰 수 있어 경제적이다.

이하, 본 발명을 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명하고자 한다.

그러나, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 이들 실시예에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 ~ 2 및 비교예 1 ~ 2

다음의 표 1에 나타낸 바와 같은 강판 조성물을 전로에서 용해시킨 뒤 연속주조한 후, 1200 ℃에서 열간압연을 실시하여 오스테나이트 조직으로 만들고, 이 상태에서 급냉하여 마르텐사이트 조직으로 만든 다음, 750 ℃에서 권취하여 각각의 강판을 제조하였다.

이렇게 제조된 강판에 대하여 기계적 성질, 즉 인장강도, 항복강도, 신율을 측정하고, 실제 자동차 부품인 프론트 서브프레임의 프레스 성형 및 용접 후 부품의 단품 내구성 평가를 실시하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

이때, 시험방법으로서, 강판의 소재 평가의 경우 시험편 규격 및 방법은 KS 규격에 따랐으며, 제조된 강판으로 KS 5호의 인장 시험편을 만들고, 25톤 즈빅(ZWICK 25TOM) 만능 인장시험기를 사용하여 인장속도 YP(항복강도)까지 5 mm/min, 파단까지 20 mm/min으로 시험하여 나온 값을 취하였다.

또한, 용접성 평가 및 성형성 평가는 현재 양산 중인 부품의 금형을 사용하여 평가하였고, 프레스 조건 등은 현 양산조건을 거의 따르되 소재의 강도가 높은 특성상 프레스 압을 일정부분 높여서 평가하였다.

또한, 부품 내구성 평가는 기준 내구횟수에 준하여 평가하였다.

실시예 2는 실시예 1과 동일한 조성 및 함량의 시편이고, 비교예 2는 비교예 1과 동일한 조성 및 함량의 시편이다.

상기 표 1에서 보는 바와 같이, 인장강도는 약 50%, 항복강도는 30% 증가하였으며, 신율은 5 ∼ 6% 미만으로 약간 감소 추세를 보이지만 성형성 평가 결과 종래 양산품과 동일한 성형성 평가 결과를 보이므로 성형성 악화는 거의 없는 것으로 평가되었다.

또한, 피로내구성의 평가 결과를 볼 때 종래의 소재보다 30% 정도를 상회하는 결과를 얻을 수 있었는 바, 차량 샤시부품용 재질로 사용할 경우 차량의 내구안전성 향상은 물론, 소재 두께를 감소시킬 수 있을 것으로 보이며, 차량 경량화 효과도 커져 연비 향상에도 크게 기여할 것으로 판단된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 강판 내의 탄소(C), 실리콘 (Si), 망간(Mn)의 함량을 적절히 조절하고, 특히 티타늄(Ti)과 바나듐(V)의 성분을 추가로 첨가함으로써, 성형성의 과도한 열화를 방지하면서도 기계적 성질을 향상시켜 적정의 성형성과 높은 수준의 강도를 가지는 초고강도 강판을 제조할 수 있으며, 이러한 초고강도 강판을 자동차의 샤시부품용 소재로 적용하는 경우 부품의 두께를 감소시키면서도 강성 및 피로내구성을 만족시킬 수 있고, 또한 차량의 경량화를 이룰 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 탄소(C) 0.05 ∼ 0.20 중량%, 실리콘(Si) 0.10 ∼ 0.50 중량%, 망간(Mn) 1.00 ∼ 2.00 중량%, 티타늄(Ti) 0.12 ∼ 0.15 중량%, 바나듐(V) 0.05 ∼ 0.15 중량%, 인(P) 0.020 중량% 이하, 황(S) 0.001 ∼ 0.002 중량%, 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 강의 기지조직이 마르텐사이트 및 페라이트로 이루어진 자동차 샤시부품용 이상형 초고강도 강판에 있어서,

   상기 마르텐사이트 및 페라이트 조직 내에 TiC 석출물을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 자동차 샤시부품용 이상형 초고강도 강판.
3. 삭제