KR100770950B1

KR100770950B1 - 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취 후 냉각방법

Info

Publication number: KR100770950B1
Application number: KR1020010080613A
Authority: KR
Inventors: 한흥남; 박성호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-18
Filing date: 2001-12-18
Publication date: 2007-10-26
Also published as: KR20030050213A

Abstract

본 발명은 열연 TRIP코일에 있어서 코일의 내권부의 잔류 오스테나이트양을 권취시점에 대해 50%이상을 함유하도록 내권부의 냉각속도를 2℃/min 이상이 되도록 하는 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취 후 냉각방법을 요지로 한다.

오스테나이트, 냉각, 권취

Description

폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취 후 냉각방법{cooling method after coiling to stabilize retained austenite level along transverse direction}

도 1은 열연 TRIP강의 권취 후 냉각속도에 따른 잔류오스테나이트 분율 변화를 도시한 그래프도.

도 2는 폭 950mm, 750mm 열연 TRIP코일의 권취후 공랭 및 수냉시 온도 이력을 도시한 그래프도.

도 3은 폭 950mm, 750mm 열연 TRIP코일의 권취후 공랭 및 수냉시 잔류오스테나이트 분율변화를 도시한 그래프도.

본 발명은 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취 후 냉각방법에 관한 것으로, 더욱 상세히는 열연 TRIP코일에 있어서 코일의 내권부의 잔류 오스테나이트양을 권취시점에 대해 50%이상을 함유하도록 수냉조건을 도입하거나 코일의 폭을 줄이는 등의 행위를 통해 내권부의 냉각속도를 2℃/min 이상이 되도록 하는 권취 이후의 냉각방법에 관한 것이다.

일반적으로 변태유기소성강 (TRIP강, 즉 TRansformation Induced Plasticity강의 약어임)은 고강도와 더불어 고연성을 보이고 있으므로 가공을 많이 받으면서 높은 강도를 요구받는 가공용 고강도 강재이다.

근래들어 자동차의 배기가스에 대한 환경오염 문제가 크게 대두되면서 연비향상은 자동차업계의 가장 중요한 기술개발 방향이 되었다. 이러한 연비향상을 위해서는 고강도 소재를 활용함으로서 자동차 경량화를 이루는 것이 매우 중요하다. 이 같이 고강도 소재를 사용하여 경량 자동차 부품을 개발하기 위해서는 강도뿐만 아니라 부품의 가공을 성공적으로 행할 수 있는 소재가공성이 요구된다.

변태유기소성강의 우수한 가공성은 강중에 함유되는 잔류오스테나이트에 기인되므로 이 상의 분율을 적절화하는 것이 매우 중요하다. 그런데, 열연강판을 생산하는데 있어 소재 성분과 패턴냉각의 적정화를 통하여 권취코일을 제조하더라도 권취후 완냉각이 되는 특성에 의해 잔류오스테나이트가 분해되어 없어져 버린다. 특히 권취코일은 벌크(bulk)재로서의 특성에 의해 부위별로 냉각속도가 크게 달라져, 폭중앙부에서는 잔류오스테나이트의 함유량이 크게 저하되어 재질의 불균일을 초래하게 된다.

고강도 고연성 열연강판은 상당히 많은 종류의 제조방법이 개발되어 실제 제품화에 응용되어 왔다. 기존의 고강도 고연성강의 개발은 80년대에 듀얼페이스(dual phase)강 (ferrite와 martensite의 복합조직), 트라이페이스(triphase)강 (ferrite, bainite 및 martensite의 복합조직), 페라이트-베이나이트(ferrite-bainite) 복합조직강 등에 대하여 주로 행해졌다. 이러한 강재는 인장강도가 약 60kg/mm²에 이르고 있으며, 연신율이 약 30%로 고강도와 더불어 고연성을 보이는 특성이 있다. 90년대에 들어 TRIP강이 개발되어 현재에는 상용화를 위해 노력하고 있는데, 본 강재의 특성은 인장강도가 약 80kg/mm²에 이르고 있으며, 고연성을 나타내는 것이다.

일본의 신일본제철의 경우는 0.06-0.10%C, 0.25-1.3%Si, 1.1-1.5%Mn강을 약 300℃이하에서 권취함에 의해 듀얼페이스(dual phase)강으로 제조할 수 있음을 보고한 바 있으며 (철과강, Vol. 68 (1982) No.9, p.1306),

또한 고베제강에서는 0.04-0.06%C, 0.5-1.0%Si, 1.5%Mn강에 0.5-1.5%Cr을 첨가하고 이 강을 약 850℃ 근방에서 압연을 종료하고 저온권취를 행함에 의해 (약 250℃) 페라이트(ferrite)를 기지조직으로 하고 10-20%의 베이나이트(bainite)와 3-5%의 마르텐사이트(martensite)를 함유한 트라이페이스(triphase)강을 제조할 수 있음을 발표한 바 있다 (철과강, Vol. 68 (1982) No.9, p.1185). 또한 고베제강에서는 0.05-0.07%C, Si 0.5%, 1.1-1.5%Mn강에 Nb을 0.04%이하 첨가함에 의해 페라이트 기지조직에 10-20%의 베이나이트를 함유한 인장강도 60kg/mm²급 페라이트-베이나이트 복합조직강을 제조할 수 있음을 발표하였으며 (Trans. ISIJ, Vol. 23 (1983), p.303), 스미토모금속에서는 이와 비슷한 기본성분계에 Nb과 Ti을 각각 0.04%, 0.06% 복합첨가함에 의해 인장강도를 70kg/mm²로 향상시킨 페라이트-베이나이트계 복합조직강을 개발한 바 있다 (CAMP-ISIJ, Vol. 1 (1988, p.881).

또한, 신일본제철에서는 0.06-0.22%C, 0.05-1.0%SI, 0.5-2.0%Mn과 0.25-1.5%Al을 함유한 강에 필요에 따라 0.03-0.30%Mo을 첨가하여 잔류오스테나이트를 3-20% 함유시킴에 따라 50kg/mm²이상의 고강도와 35%이상의 연신율을 보임에 의해 프레스가공성과 심가공성 및 굽힘성이 우수한 강에 대한 특허를 제출하고 있다 (일본공개특허공보 평6-145892). 이 강종에서 Al양은 0.6%Si ≤ %Al ≤ 3 - 12.5x%C의 범위에서 조정되며, 이 강종을 2상영역에서 열처리하는 방법 (650-900℃에서 10초 내지 3분간 유지후 350-600℃의 온도범위까지 4-200℃/sec로 냉각후 여기에서 5초 내지 10분간 유지한 다음 5℃/sec이상의 냉각속도로 250℃이하의 온도로 냉각하는 방법)으로 가공성이 우수한 강재를 생산하는 제조법에 대해서도 특허를 제출하고 있다 (일본공개특허공보, 평6-145788).

가와사키제철에서는 0.18%이하의 C, 0.5-2.5%Si, 0.5-2.5%Mn, 0.05%이하의 P, 0.02%이하의 S, 0.01-0.1%Al의 강에 0.02-0.5%Ti과 0.03-1.0%Nb를 단독 또는 복합적으로 첨가하며 (이때 C, Nb와 Ti의 첨가량은 %C > (%Ti/4) + (%Nb/8)의 범위내로 조정함), 이때 사상압연온도를 820℃이상에서 마친 다음 820-720℃의 온도구간에서 10초이상을 유지하고 이후 10℃/sec이상의 냉각속도로 냉각하여 500℃이하의 온도에서 권취하는 경우에 대하여 특허를 제출한 바 있다. 본 강재는 0.18%이하의 C양에서 인장강도가 70kg/mm²이상의 고강도가 유지되며, 또한 C양이 낮으므로 스팟(spot) 용접성과 피로특성 등이 우수한 장점을 보인다고 한다 (일본공개특허공보, 평5-179396). 또한 이강은 저항복비를 보이므로 종래의 석출강화형강이 항복비 가 높아 프레스 가공후 스프링 백(spring back)이 많아 생기는 문제를 해결할 수 있으며, 고강도와 더불어 고연성, 그리고 연신 플랜지성이 우수한 특성을 보인다고 한다.

스미토모금속에서는 0.05-0.25%C, 0.05-1.0%Si, 0.8-2.5%Mn, 0.8-2.5%Al을 함유하는 강에 Nb, Ti 및 V 등의 석출강화 원소를 첨가한 강을 780-840℃의 온도범위에서 압연을 종료한 다음 10℃/sec이상의 냉각속도로 600-700℃의 온도까지 냉각한후 2-10초의 공냉을 거친후 220℃/sec의 냉각속도로 300-450℃의 온도에서 가속냉각을 마침으로서 5%이상의 잔류오스테나이트를 함유시킨 강으로 제조하는 방법에 대한 특허도 제출하였다 (일본공개특허공보, 평5-112846). 본 강재는 Si양이 많은 경우 경질의 마르텐사이트의 양이 늘어나 연신 플랜지성이 나빠지므로, 석출한 폴리고날 페라이트(polygonal ferrite)내 고용강화하는데 필요한 양인 1.0%이하로 Si을 제한한 것이다.

이와 같이 여러가지의 변태유기소성강 제조방법이 보고되고 있으나, 대부분의 기술이 소재 성분을 적정화하고 ROT에서의 냉각제어조건을 적정화하는 것임을 알 수 있다. 그러나, 아무리 성분과 냉각제어조건을 최적화하더라도, 실제 대형 크기의 코일을 제조할 때에는 코일의 위치별 냉각속도의 차이에 따라 잔류오스테나이트가 분해되는 거동도 달라져 코일의 위치별 재질편차의 발생이 커지게 된다. 따라서 권취이후 잔류오스테나이트의 분해거동을 고려한 권취 이후 냉각속도의 결정은 상업적인 품질을 확보하기 위하여 반드시 필요한 내용이나, 앞에서 거론한 바와 같이 기존의 공지기술은 이러한 내용을 포함하고 있지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 상기의 요망에 의하여 안출된 것으로써, 열간압연에 의해, 기타의 열처리공정이 없이, 실기 생산이 가능하며 코일로 권취후 폭방향 위치별 냉각속도의 차이가 발생하더라도 이로 인한 내권부의 잔류 오스테나이트 분해를 권취시점에 대해 50%이하로 억제하는 코일의 냉각속도를 제공하는데 그 목적이 있다. 즉, 본 발명은 열연 변태유기소성강 코일에서 폭방향으로 권취시점의 잔류오스테나이트의 50%이상을 함유시킬 수 있는 권취 후 냉각속도를 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

잔류오스테나이트 양의 변화는 기본적으로 잔류오스테나이트의 상분해과정에 의해 발생되는 것으로, 이러한 상분해과정은 그 분해과정이 발생되는 온도와 그 온도에서의 유지시간에 의존하게 된다. 일정한 온도에서의 상분해과정은 다음과 같이 표현되는 소위 Avrami식으로 잘 표현된다고 알려져 있다.

(1)

여기서 X는 항온유지시간 t에서의 상변태 분율을 나타내며 속도상수 k 와 시간지수 n은 상변태속도를 결정짓는 재료상수이다. Xe는 주어진 온도에서 열역학적으로 안정한 변태상의 분율을 의미하며 열역학적 평형상태도로부터 결정되는 값이다. 냉각중에 일어나는 상분해 거동은 상변태의 변수로서 시간뿐이 아니라 온도라 는 새로운 변수가 도입된다. 이러한 변태거동을 예측하기 위한 방법으로 냉각과정을 미소시간 혹은 온도구간으로 나누어 각 미소시간에서의 변태거동을 항온 변태거동으로 취급하는 가산법칙을 사용하면, i번째 시간간격까지의 변태분율, X_i,는 다음과 같이 표현된다.

(2)

여기서 t'는 i번째 시간간격에 해당하는 온도에서 X_i-1만큼 변태되는데 필요한 유효시간을 의미하며, t는 i번째 시간간격이다. 각 온도에서 베이나이트 변태에서의 k값과 n값은 상변태 실험을 통해 결정하였다. 상기 식을 사용하여 열연 TRIP코일의 권취 후 냉각속도에 따른 잔류오스테나이트 분율변화를 구하면 도 1과 같다. 권취 직후의 잔류 오스테나이트의 함량은 20%로 하였다.

도면에서 알 수 있듯이 열연 TRIP강의 권취 후 냉각속도를 가장 느린 냉각속도를 나타내는 코일의 중심내권부를 기준으로 450℃~350℃ 온도구간에서 2℃/min이상 확보하지 않으면 상온에서의 잔류 오스테나이트 분율을 권취시점의 50%이상으로 가져가는 것은 불가능해 진다.

상기 결과를 바탕으로 아래와 같은 실시예의 조사를 수행하였다.

<실시예>

화학조성이 표 1과 같은 강을 용해하여 슬라브 (slab)를 제조하였다. 이 슬라브는 1200℃에서 재가열한 후 열간압연을 행하여 최종두께가 3.0mm인 열연강판으 로 제조되었다. 코일의 폭은 폭 950mm, 750mm로 각각 달리하였다. 열간압연 마무리온도 (FDT)는 850~900℃, 열간압연후 즉시 수냉을 개시하여 중간공냉온도 (680℃)까지 급랭한 다음 여기에서 약 6초간 공냉을 실시하였다. 공냉이후 설정된 권취온도인 420℃까지 다시 수냉을 실시하는 패턴냉각을 적용한 후 열연강판을 제조하였다. 생산된 각각의 코일은 수냉 및 공랭을 통해 상온까지 냉각되었다. 수냉방법은 스프레이를 이용하여 야적된 코일의 옆면을 향해 물을 분사하는 형식으로 이루어졌다. 또한 각 냉각 방법이 잔류 오스테나이트 분해에 미치는 영향을 권취온도에 따라서도 관찰하였다.

먼저 폭 950mm 및 750mm열연 TRIP강을 권취 후 공랭 및 수냉시 온도 및 잔류 오스테나이트 분율 이력을 각각 도 2와 도 3에 나타내었다. 도면에서 보듯이 권취 후 950mm폭의 코일을 공랭한 경우, 냉각초기에 내권부에는 냉각이 거의 이루어 지지않음을 확인할 수 있으며, 또 상당량의 잔류 오스테나이트가 베이나이트로 변태하고 있음도 알 수 있다. 약 1시간이 경과하면 내권부의 경우는 잔류 오스테나이트가 거의 존재하지 않으며, 선미단과 에지(edge)쪽의 잔류 오스테나이트의 양은 빠른 냉각속도에 의해 베이나이트로의 변태가 억제되어 다소 많은 것을 확인할 수 있다. 이 열연 TRIP코일에 대해 권취 후 수냉을 한 경우는 공랭의 경우에 비해 온도 및 잔류 오스테나이트의 위치별 편차는 상당히 줄어 들고 있음을 확인할 수 있다. 그러나 코일의 반지름 방향으로의 열전달 효과가 다소 미약하여 수냉효과가 내권부까지 그리 크게 미치지 못하고 있음을 확인할 수 있다. 반면 폭을 750mm로 하여 수냉하였을 때, 이 코일 내권부의 잔류오스테나이트의 분율은 권취시점의 절반정도는 유지하고 있음을 확인할 수 있다. 이것은 코일폭이 줄어들므로서 코일의 폭방향 열전달이 활발해져 내권부의 열이 강화된 수냉열전달로 인해 잘 빠져나갔기 때문이다. 이때의 냉각속도는 도 1에서 구한 바와 같이 450℃~350℃ 온도구간에서 2℃/min이상을 유지함을 확인할 수 있다. 따라서 권취온도부근에서 잔류오스테나이트가 베이나이트로 변태할 시간과 온도를 확보할 수 없게하여 효과적으로 잔류오스테나이트를 남게하는 효과가 있으며, 이러한 권취 후 냉각속도의 확보는 권취 후 수냉 및 폭 저감등에 의해 가능하다.

표 1은 용해된 강제의 성분표를 도시한다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Al	N
trip강	0.16~0.20	1.63~1.80	1.49~1.60	0.012	0.002	0.031	0.0048~0.0106

상술한 바와 같이, 잔류오스테나이트는 온도가 낮아지면 상분해가 이루어지는데, 이러한 상분해과정이 냉각속도가 가장 느린 내권부에서 최대가 된다. 이렇게 불균일한 잔류오스테나이트의 분포는 재질의 불안정을 초래한다. 본 발명은 열간압연에 의해, 기타의 열처리공정이 없이, 실기 생산이 가능하며 코일로 권취후 폭방향 위치별 냉각속도의 차이가 발생하더라도 이로 인한 내권부의 잔류 오스테나이트 분해를 권취시점에 대해 50%이하로 억제하는 코일의 냉각속도를 제공하며, 이에 따라 열연 TRIP강의 품질안정을 이룰 수 있는 효과를 갖는다.

Claims

열연 TRIP코일에 있어서 코일의 내권부의 잔류 오스테나이트양을 권취시점에 대해 50%이상을 함유하도록 내권부의 냉각속도를 2℃/min 이상이 되도록 하는 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취 후 냉각방법.