KR100723200B1

KR100723200B1 - 연신율-신장플랜지성 및 신장플랜지성-피로특성 발란스가우수한 고강도 열연강판의 제조방법

Info

Publication number: KR100723200B1
Application number: KR1020050124291A
Authority: KR
Inventors: 오진근; 조열래; 홍영광
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-05-29

Abstract

본 발명은 멤버(member)류, 암(arm)류 및 휠디스크용 등의 가공성 및 내구성이 모두 요구되는 부품 소재로 적합한 열연강판에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.02~0.15%, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하(0%는 제외), S: 0.01%이하(0%는 제외), Sol.Al: 0.005~0.1%, N: 0.001~0.01%, Ca: 0.003% 이하(0%는 제외)와, Ti: 0.005~0.1% 및 Nb: 0.005~0.1%의 1 종 또는 2종, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 1100~1300℃로 재가열한 다음 Ar₃ 이상에서 마무리 열간압연하고, 이어 650~750℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 1차 냉각한 다음 1~10초간 공냉하며, 이어 300~500℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 2차 냉각한 다음 권취하는 것을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명은 인장강도 540MPa 이상의 고강도 열연강판을 제공하여 차체의 무게 감소, 성형성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 장점을 가진다.

멤버류, 암류, 휠디스크, 열연강판, 연신율, 신장플랜지성, 피로특성

Description

연신율-신장플랜지성 및 신장플랜지성-피로특성 발란스가 우수한 고강도 열연강판의 제조방법{A method for manufacturing high strenth hot rolled steel sheet having excellent balance of elongation-stretch flangeability and stretch flangeability-fatigue property}

도 1은 연신율-신장플랜지성 발란스와 (3.55×FDT + 4.27×CT)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 2는 신장플랜지성-피로특성 발란스와 (38.8×FDT + 54.0×CT)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.

도 3은 평면굽힘피로시험편의 개략도이다.

본 발명은 멤버(member)류, 암(arm)류 및 휠디스크용 등의 가공성 및 내구성이 모두 요구되는 부품 소재로 적합한 열연강판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연신율-신장플랜지성 및 신장플랜지성-피로특성 발란스가 우수한 자동차용 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차업계는 점차 엄격해지는 환경규제에 대응하기 위하여, 자동차 연비 향상이 요구되고 있으며, 이를 위해서 차체 경량화 및 이에 따른 자동차강판의 고강도화 연구가 진행되고 있다. 그러나, 자동차용 강판의 고강도화는 강판 성형성 및 신장플랜지성을 현저하게 저하시키는 문제가 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고강도이면서 성형성이 우수한 강판을 제조하는 방법으로서, 대한민국 공개특허공보 2004-0059356호 및 일본 공개특허공보 2001-303187호에 기재되어 있는 페라이트와 마르텐사이트로 이루어진 복합조직 강판이 있다. 그러나, 이러한 종래기술은 성형성이 우수한 강판을 제공할 수는 있으나, 암(arm)류나 휠디스크 부품에서 요구되는 신장플랜지성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 신장플랜지성을 확보하기 위한 방안으로는 대한민국 공개특허공보 2000-0043432호에 기재되어 있는 주상을 페라이트로 하면서 베이나이트로 강화된 페라이트와 베이나이트 복합조직 강판이 있다. 그러나, 상기 종래기술은 신장플랜지성이 우수한 강판을 제조할 수는 있으나, 자동차 구조용 부품에서 요구되는 내구성을 충분히 확보할 수 없는 문제점이 있다. 또한 신장플랜지성 및 피로특성이 우수한 강판을 제조하는 방법으로, Ti이나 Nb와 같은 미세 석출물을 다량으로 석출시키고, 베이나이틱 페라이트 조직을 80% 이상 함유하는 강판을 제조하는 방법이 일본 공개특허공보 2001-020039호에 제시되어 있지만, 다량의 Ti과 Nb을 첨가함으로써 제조원가 상승을 피할 수 없다.

본 발명은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하기 위한 것으로,암(arm)류나 휠디스크 부품등 에서와 같이 우수한 성형성 및 신장플랜지성 그리고 피로특성이 요구되는 부품에 적합한 인장강도 540MPa급 이상의 고강도 열연강판을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.02~0.15%, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하(0%는 제외), S: 0.01%이하(0%는 제외), Sol.Al: 0.005~0.1%, N: 0.001~0.01%, Ca: 0.003% 이하(0%는 제외)와, Ti: 0.005~0.1% 및 Nb: 0.005~0.1%의 1 종 또는 2종, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 1100~1300℃로 재가열한 다음 Ar₃ 이상에서 마무리 열간압연하고, 이어 650~750℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 1차 냉각한 다음 1~10초간 공냉하며, 이어 300~500℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 2차 냉각한 다음 권취하는 것을 포함하고,

상기 마무리 열간압연시 온도(FDT)와 권취온도(CT)가

4,600 ≤ 3.55×FDT + 4.27×CT ≤ 5,000

52,000 ≤ 38.8×FDT + 54.0×CT ≤ 60,000

의 관계를 만족함을 특징으로 하는 연신율-신장플랜지성 및 신장플랜지성-피로특성의 발란스가 우수한 고강도 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 강성분 및 제조공정으로 나누어 상세하게 설명한다.

[강성분]

C: 0.02~0.15중량%(이하, 단지 '%'로 기재함)

상기 C는 강판의 강도를 증가시키는 데에 필수적인 원소로서, 그 함량이 0.02% 미만에서는 원하는 강도를 확보하기 어렵고, 0.15%를 초과시에는 신장플랜지성을 떨어뜨리는 입계탄화물을 형성시키게 된다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.02~0.15%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.01~0.5%

상기 Si는 연성의 열화없이 강도를 증가시키는데 유효한 성분으로, 0.01% 미만에서는 첨가에 따른 상기 효과를 얻을 수 없고, 0.5%를 초과하면 피로특성을 열악하게 만드는 열연강판 표면에 산화스케일 결함을 유발시킨다. 따라서, 그 함량을 0.01~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

Mn: 0.5~2.5%

상기 Mn은 고용강화 효과가 있는 성분으로, 0.5% 미만에서는 원하는 강도를 확보할 수 없고, 2.5% 초과시에는 슬라브 균열 및 제조 비용상승이 초래된다. 따라서, 그 함량을 0.5~2.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.05% 이하(0%는 제외)

상기 P는 강을 강화시키는 효과가 있지만, 0.05%를 초과하여 과다하게 함유 되면 가공성이 열화되기 때문에 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.01% 이하(0%는 제외)

상기 S는 불순물로서 낮을수록 바람직하고, 특히 신장플랜지성을 떨어뜨리기 때문에 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.

Sol.Al: 0.005~0.1%

상기 Sol.Al은 탈산원소로서, 그 효과를 나타내기 위해서는 그 함량이 0.005% 이상이어야 하나, 0.1%를 초과하게 되면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 알루미나(Alumina) 등의 개재물을 증가시키기 때문에 0.1%를 상한으로 하는 것이 바람직하다.

N: 0.001~0.01%

상기 N은 고용강화 원소임과 동시에 Ti, Nb, Al 등과 결합하여 질화물을 형성하는 원소로서 신장플랜지성에 악영향을 미친다. 따라서, 신장플랜지성에 악영향을 미치지 않으면서 질화물 강화에 의한 피로특성 향상을 위해서는 N 함유량이 0.01% 이하임이 바람직하다. 또한, 상기 N 함유량이 0.001% 미만이려면 제조 비용의 급격한 상승을 야기하기 때문에 그 하한을 0.001%로 제한함이 바람직하다.

Ca: 0.003% 이하(0% 제외)

상기 Ca는 MnS 유화물을 구상화시켜, 신장플랜지성을 향상시키는 효과를 나타내지만, 그 함량이 0.003%를 초과하면 그러한 효과가 포화된다. 따라서, 그 함량을 0.003% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

Ti: 0.005~0.1% 및 Nb: 0.005~0.1%에서 선택된 1종 또는 2종

상기 Ti와 Nb는 석출물 또는 고용상태로 강판에 존재하여 강판의 강도를 상승시킬 뿐만 아니라 입경을 미세화시켜 피로특성을 향상시키는데에 유효한 원소이다. 상기 Ti 또는 Nb의 함량이 0.005% 미만에서는 이와 같은 효과를 얻을 수 없고, 0.1% 초과시 제조비용 상승 및 과다한 탄,질화물 생성으로 연성을 저하시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제조공정에 대하여 상세하게 설명한다.

[제조공정]

본 발명의 제조공정은 상기 성분을 만족하는 강 슬라브를 재가열한 다음 열간압연하고, 이어 냉각후 권취하는 공정을 포함하여 이루어지며, 이하에서 상기 제조공정을 단계별로 나누어 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 강 슬라브를 재가열한 다음 열간압연한다. 상기 재가열시 재가열온도는 1100~1300℃로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 상기 재가열온도가 1100℃ 미만이면 충분한 조직 균일화 및 Ti, Nb 등의 재고용이 충분하지 않 고, 1300℃를 초과하면 강판 조직이 조대해지기 쉬울 뿐만 아니라 제조가 용이하지 않다. 또한, 상기 열간압연시 마무리 열간압연온도는 Ar₃ 이상으로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 Ar₃ 변태점 미만에서는 열간 변형 저항이 급격히 증가할 뿐만 아니라 제조에 어려움이 있기 때문이다.

이후, 상기와 같이 제조된 열연판을 냉각후 권취하게 된다. 상기 냉각시 냉각패턴은 650~750℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 1차 냉각한 다음 공냉하며, 이어 300~500℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 2차 냉각하게 된다. 이때 상기 1차 냉각속도가 10℃/초 미만에서는 조직이 조대해지기기 쉽고, 100℃/초를 초과하면 강판 형상이 불량해질 뿐만 아니라 제조가 용이하지 않다. 또한, 상기 1차 냉각 종료온도가 650℃ 미만이거나 750℃를 초과하면 충분한 페라이트가 생성되지 않기 때문에 연성 및 신장플랜지성이 저하된다. 상기 1차 냉각후 공냉시 공냉시간은 1~10초로 제한하는 것이 바람직한데, 그 이유는 공냉시간이 1초 미만에서는 페라이트 변태가 충분하게 진행되지 않은 상태에서 2차 냉각이 진행되어 침상페라이트를 함유한 조직이 형성되어 연신율이 급격히 저하되고, 10초를 초과하면 페라이트 외에 조대한 입계탄화물 및 펄라이트가 형성되어 신장플랜지성 및 피로특성을 저하시킨다. 또한, 상기 2차 냉각속도가 10℃/초 미만이면 펄라이트 변태에 의해 강도 및 신장플랜지성이 저하되고, 100℃/초를 초과하면 제조비용이 상승할뿐 아니라 마르텐사이트 변태로 인해 신장플랜지성이 저하된다. 마지막으로, 상기 권취온도가 300℃ 미만이면 과다한 베이나이트가 생성되고, 피로특성에 유리한 Ti와 Nb 탄질화물이 생성되기 어렵기 때문에 열연강판의 연신율 및 피로특성이 감소될 뿐만 아니라 제조가 용이하지 않고, 500℃를 초과하면 신장플랜지성을 떨어뜨리는 입계세멘타이트 또는 펄라이트가 생성되기 때문에 바람직하지 않다.

본 발명에서는 연신율과 신장플랜지성, 그리고 신장플랜지성과 피로특성의 발란스를 확보하기 위하여, 마무리 열간압연온도(FDT)와 권취온도(CT)가 하기 식을 만족하도록 제어하는 것이 필요하다.

4,600 ≤ 3.55×FDT + 4.27×CT ≤ 5,000

52,000 ≤ 38.8×FDT + 54.0×CT ≤ 60,000

상기 마무리 열간압연온도(FDT)와 권취온도(CT)의 상관관계를 제한하는 이유는 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같다. 즉, 연신율(El)과 신장플랜지성(HER) 발란스는 (3.55×FDT + 4.27×CT) 값이 4,500 이상 5,200 미만에서 2,000 이상의 값을 보이고, 신장플랜지성(HER)과 피로강도(FL) 발란스는 (38.8×FDT + 54.0×CT) 값이 52,000 이상 60,000 미만에서 20,000 이상의 값을 보이기 때문이다. 이와 같이, 열간압연 마무리온도와 권취온도를 복합적으로 제어함에 의하여 연신율과 신장플랜지성, 신장플랜지성과 피로강도 발란스가 확보되는 이유는 분명하지는 않지만, 열간압연 마무리온도와 권취온도가 너무 낮으면 이상 조대립 생성과 과다한 베이나이트 생성으로 발란스가 떨어지고, 반대로 너무 높으면 충분한 석출이 생성되지 않을 뿐만 아니라 입계세멘타이트 또는 펄라이트가 생성되기 때문에 발란스가 떨어지기 때 문인 것으로 판단된다.

상기와 같이 제조된 본 발명의 열연강판의 조직은 주상을 페라이트로 하고, 제2상으로는 5~30%의 체적분율을 갖는 베이나이트로 구성된 복합조직강으로 이루어진다. 상기와 같은 복합조직강은 제2상으로 주상 페라이트와 경도차이가 보다 적은 베이나이트를 이용함으로써 신장플랜지성을 향상시킬 수 있으며, 또한 제2상으로서 마르텐사이트 또는 펄라이트 또는 세멘타이트가 이용되면 신장플랜지성을 저하시키기 때문에 그 생성을 가급적 억제시키는 것이 바람직하지만 소량 포함되는 것은 가능하다. 상기 베이나이트의 체적 분율이 5% 미만에서는 원하는 강도를 확보할 수 없고, 30%를 초과하면 연성이 급격히 저하되기 때문에 상기 베이나이트 분율은 5~30%로 제한하는 것이 바람직하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하나, 이러한 실시예는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 바람직한 일실시예일뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

[실시예]

하기 표 1은 본 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것으로, 하기 표 1의 성분을 갖는 강 슬라브를 가열로에서 재가열온도 1150~1250℃의 온도 범위로 1시간 가열한 다음 하기 표 2의 조건으로 열간압연하였다. 이후, 하기 표 2의 1차 냉각 종료온도(MT)까지 1차냉각속도(CR1)로 1차냉각하고, 3~6초동안 공냉한 다음 하기 표 2의 권취온도(CT)까지 2차냉각속도(CR2)로 2차냉각한 후 권취하였다. 이렇게 제조된 열연강판의 최종 판 두께는 2.3~4.5mm이었다.

강종	성분함량(중량%)
강종	C	Si	Mn	P	S	Sol.Al	N	Ti	Nb	Ca
발명강A	0.077	0.10	1.46	0.014	0.002	0.021	0.004	-	0.047	0.002
발명강B	0.068	0.11	1.67	0.013	0.001	0.026	0.005	0.014	0.043	0.001
비교강A	0.073	0.72	1.41	0.021	0.003	0.035	0.003	-	-	-

구분	강종	두께 (mm)	제조조건					식(1)	식(2)
구분	강종	두께 (mm)	FDT (℃)	MT (℃)	CT (℃)	CR1 (℃/초)	CR2 (℃/초)	식(1)	식(2)
비교재1	발명강A	3.2	849	698	641	50	10	5751	67555
비교재2		2.3	848	621	518	50	30	5222	60874
비교재3		4.5	768	690	403	30	50	4447	51560
발명재1		4.5	834	659	388	40	40	4617	53311
발명재2		2.3	823	714	449	40	50	4839	56178
비교재4	발명강B	4.5	826	701	585	50	30	5430	63639
비교재5		3.2	773	686	407	30	40	4482	51970
비교재6		2.3	836	702	593	40	30	5500	64459
발명재3		3.2	850	670	456	50	40	4965	57604
발명재4		2.3	838	710	498	40	50	5101	59406
비교재7	비교강A	2.3	862	675	297	50	120	4328	49484
비교재8	비교강A	3.2	851	671	223	50	110	3973	45061
- 식(1) = 3.55×FDT+4.27×CT, 식(2) = 38.8×FDT+54.0×CT

상기와 같이 제조된 열연강판의 기계적 성질은 압연방향에 대하여 수직인 방향으로 JIS Z 2001 5호 인장시편을 제작한 후 상온에서 10mm/분의 속도로 인장하여 평가하였다. 신장플랜지성은 120mm×120mm 크기의 시편중앙에 지름 10mm의 구멍을 타발한 후 반경 25mm의 구두형 펀치로 확장한 다음, 아래의 식을 이용하여 구멍확장비(Hole Expansion Ratio:HER)를 평가하였다.

HER(%) = (D_f-D₀)/D₀×100

여기에서 D₀는 타발구멍의 초기지름이며, D_f는 확장에서 크랙이 두께를 관통할 때 펀치의 상승을 정지하여 측정한 구멍지름이다.

또한, 피로시험은 도 3에 나타낸 바와 같이, 길이 120mm, 폭 60mm, 최소 단면부의 폭이 30mm, 노치 곡률 반경이 30mm인 평면 굽힘시험편에, 25Hz 주기로 완전 평면굽힘 피로시험을 행하였다. 강판의 피로특성은 10⁷ 사이클에서의 피로강도(FL)를 평가하였다. 또한, 페라이트 및 제2상 면적분율은 이미지 분석기를 통하여 분석하였다.

이와 같이 측정 및 분석된 데이타를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	강종	미세조직		기계적 성질
구분	강종	F(%)	제2상	TS(MPa)	El(%)	HER(%)	El×HER (%·%)	HER×FL (%·MPa)
비교재1	발명강A	92	P	545	25.2	59	1487	12272
비교재2		86	B+P	612	24.2	79	1913	19355
비교재3		85	B	610	22.0	77	1694	16401
발명재1		82	B	621	24.7	98	2421	24500
발명재2		81	B	624	25.7	97	2494	24056
비교재4	발명강B	90	P	570	27.6	64	1766	13824
비교재5		87	B	611	22.5	88	1980	19536
비교재6		92	P	575	26.6	57	1516	12540
발명재3		86	B	598	26.1	92	2401	21988
발명잴4		87	B	616	25.3	85	2149	20825
비교재7	비교강A	92	M	627	28	61	1708	15860
비교재8	비교강A	93	M	619	30	52	1560	13780
- F: 페라이트, M: 마르텐사이트, B: 베이나이트, P: 펄라이트 또는 세멘타이트

비교강A로 제조된 비교재7 및 비교재8은 다량의 Si과 낮은 권취온도로 인하여 연신율은 높은 반면 신장플랜지성이 낮게 나타났으며, 이로 인하여 El×HER과 HER×FL 발란스가 떨어졌다. 또한, 비교재1~6은 식(1) 및 식(2)의 값이 본 발명의 범위를 벗어나는 실시예로서, El, HER 그리고 FL 발란스가 떨어졌다.

그러나, 본 발명의 범위를 만족하는 발명재1~4는 El×HER 발란스 2,000 이상, 그리고 HER×FL 발란스 20,000 이상을 확보할 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 멤버(member)류, 암(arm)류 및 휠디스크용 등의 가공성 및 내구성이 모두 요구되는 부품에 적합한 인장강도 540MPa 이상의 고강도 열연강판을 제조함으로써, 차체의 무게 감소, 성형성 및 내구성을 크게 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims

중량%로, C: 0.02~0.15%, Si: 0.01~0.5%, Mn: 0.5~2.5%, P: 0.05% 이하(0%는 제외), S: 0.01%이하(0%는 제외), Sol.Al: 0.005~0.1%, N: 0.001~0.01%, Ca: 0.003% 이하(0%는 제외)와, Ti: 0.005~0.1% 및 Nb: 0.005~0.1%의 1 종 또는 2종, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강 슬라브를 1100~1300℃로 재가열한 다음 Ar₃ 이상에서 마무리 열간압연하고, 이어 650~750℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 1차 냉각한 다음 1~10초간 공냉하며, 이어 300~500℃까지 10~100℃/초의 냉각속도로 2차 냉각한 다음 권취하는 것을 포함하고,

상기 마무리 열간압연시 온도(FDT)와 권취온도(CT)가

4,600 ≤ 3.55×FDT + 4.27×CT ≤ 5,000

52,000 ≤ 38.8×FDT + 54.0×CT ≤ 60,000

의 관계를 만족하고,

주상이 페라이트 조직이고, 주상 이외의 나머지는 5~30% 비율의 베이나이트조직인 것을 특징으로 하는 연신율-신장플랜지성 및 신장플랜지성-피로특성의 발란스가 우수한 고강도 열연강판의 제조방법.