KR100782758B1 - 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도 설정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변태유기소성강 (TRansformation Induced Plasticity강; TRIP강)의 열간압연시 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도를 설정하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 열연 변태유기소성강 코일에서 폭방향으로 임계량 이상의 잔류오스테나이트를 함유시킬 수 있는 권취온도를 설정하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 권취온도(T1)에서 변태유기소성강의 열연강판을 코일로 권취한 다음, 이 코일을 대기중에서 유지하여 코일폭방향으로 실제온도(T2)및 실제온도(T2)에서의 유지시간(t2)을 측정하고, 측정된 값을 이용하여 권취온도에서의 환산시간(t1)을 구한 후, 상기와 같이 구한 권취온도에서의 환산시간(t1)을 이용하여 권취온도별 유지시간과 잔류오스테나이트량과의 상관관계에 의해 잔류 오스테나이트 량을 구한 다음,

권취온도(T1)에서 구해진 폭방향으로의 잔류 오스테나이트 량 각각이 상기 목표 임계 잔류 오스테나이트 량이상이 되는 설정권취온도를 구하여 권취시 상기와 같이 구한 설정권취온도로 권취온도를 설정하는 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도 설정방법을 그 요지로 한다.

폭방향, 잔류오스테나이트, 안정화, 권취온도, 변태유기소성강

Description

폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도 설정 방법{Method for determination of coiling temperature to stabilize retained austenite level along transverse direction}

도 1은 유지시간별 권취온도에 따른 잔류오스테나이트양의 변화를 나타내는 그래프도 2는 권취온도별 유지시간에 따른 잔류오스테나이트 양의 변화를 나타내는 그래프

도 3은 유지시간에 따른 미세조직의 변화를 나타내는 사진

도 4는 냉각중 유지시간과 권취온도 환산시 유지시간를 나타내는 그래프로서,

(a)는 400℃에서 권취시의 경우를, 그리고 (b)는 370℃에서 권취시의 경우를 나타냄.

본 발명은 변태유기소성강 (TRansformation Induced Plasticity강; TRIP강)의 열간압연시 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도를 설정하는 방법에 관한 것이다.

변태유기소성강은 고강도와 더불어 고연성을 보이고 있으므로 가공을 많이 받으면 서 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 채용함으로서 자동차 경량화를 이루는 것이 매우 중요하다.

이와 같이 고강도 소재를 사용하여 경량 자동차 부품을 개발하기 위해서는 강도 뿐만 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.

종래의 고강도 고연성강의 개발은 80년대에 듀얼 페이스(dual phase)강 [페라이트(ferrite)와 마르텐사이트(martensite)의 복합조직], 트리 페이스

(triphase)강 [페라이트(ferrite), 베이나이트(bainite) 및 마르텐사이트 (martensite)의 복합조직], 페라이트-베이나이트(ferrite-bainite)복합조직강등에 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.

신일본제철(新日本製鐵)의 경우는 0.06-0.10%C, 0.25-1.3%Si, 1.1-1.5%Mn강을 약 300℃이하에서 권취함에 의해 듀얼 페이스(dual phase)강으로 제조할 수 있음을 보고한 바 있다(鐵と鋼, Vol. 68 (1982) No.9, p.1306).

또한, 고베철강(神戶製鋼)에서는 0.04-0.06%의 C, 0.5-1.0%의 Si, 1.5%의 Mn강에 0.5-1.5%의 Cr을 첨가하고 이 강을 약 850℃ 근방에서 압연을 종료하고 저온권취를 행함에 의해 (약 250℃) 페라이트(ferrite)를 기지조직으로 하고 10-20%의 베이나이트와 3-5%의 마르텐사이트를 함유한 트리페이스강을 제조할 수 있음을 발표한 바 있다 (鐵と鋼, Vol. 68 (1982) No.9, p.1185).

또한, 고베철강(神戶製鋼)에서는 0.05-0.07%의 C, 0.5%의 Si, 1.1-1.5%의 Mn강에 Nb을 0.04%이하 첨가함에 의해 페라이트(ferrite) 기지조직에 10-20%의 베이나이트(bainite)를 함유한 인장강도 60kg/mm²급 페라이트-베이나이트 복합조직강을 제조할 수 있음을 발표한 바 있다.(Trans. ISIJ, Vol. 23 (1983), p.303)

또한, 스미토모(住友金屬)에서는 이와 비슷한 기본성분계에 Nb과 Ti을 각각 0.04% 및 0.06% 복합첨가함에 의해 인장강도를 70kg/mm²로 향상시킨 페라이트-베이나이트계 복합조직강을 개발한 바 있다 (CAMP-ISIJ, Vol. 1 (1988, p.881).

또한, 신일본제철(新日本製鐵)에서는 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 프레스(press)가공성과 심가공성 및 굽힘성이 우수한 강을 개발하였다. (일본 공개특허공보 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 제조방법을 개발하였다. (일본공개특허공보 평6-145788).

가와사끼제철(川崎製鐵)에서는 0.18%이하의 C, 0.5-2.5%의 Si, 0.5-2.5%의 Mn, 0.05%이하의 P, 0.02%이하의 S, 0.01-0.1%의 Al의 강에 0.02-0.5%의 Ti과 0.03-1.0%의 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 강재의 제조방법을 개발하였다.

상기 강재는 0.18%이하의 C양에서 인장강도가 70kg/mm²이상의 고강도가 유지되며, 또한 C양이 낮으므로 스폿(spot)용접성과 피로특성 등이 우수한 장점을 보인다고 한다 (일본공개특허 평5-179396).

또한, 이 강재는 저항복비를 보이므로 종래의 석출강화형강이 항복비가 높아 프레스(press)가공후 스프링 백(spring back)이 많아 생기는 문제를 해결할 수 있으며, 고강도와 더불어 고연성, 그리고 연신 플랜지(flange)성이 우수한 특성을 보인다고 개시하고 있다.

또한, 스미토모 금속(住友金屬)에서는 0.05-0.25%의 C, 0.05-1.0%의 Si, 0.8-2.5%의 Mn, 0.8-2.5%의 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 방법을 개발하였다. (일본특허공개공보 소 5-112846)

이 강재는 Si양이 많은 경우 경질의 마르텐사이트(martensite)의 양이 늘어나 연신 플랜지(flange)성이 나빠지므로, 석출한 다각형 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 런아웃테이블(ROT)에서의 냉각제어조건을 적정화하는 것임을 알 수 있다.

그러나, 아무리 성분과 냉각제어조건을 최적화하더라도, 실제 대형 크기의 코일을 제조할 때에는 코일의 위치별 냉각속도의 차이에 따라 잔류오스테나이트가 분해되 는 거동도 달라져 코일의 위치별 재질편차의 발생이 커지게 된다.

따라서, 권취이후 잔류오스테나이트의 분해거동을 고려한 권취온도의 설정은 상업적인 품질을 확보하기 위하여 반드시 필요한 내용이나, 상기한 바와 같이 종래기술은 이러한 내용을 포함하고 있지 않음을 알 수 있다.

본 발명은 열연 변태유기소성강 코일에서 폭방향으로 임계량 이상의 잔류오스테나이트를 함유시킬 수 있는 권취온도를 설정하는 방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 변태유기소성강의 열연강판에 대하여 목표로 하는 임계 잔류오스테나이트 량을 설정하는 단계;

권취온도별 열연코일 유지시간과 잔류오스테나이트 량과의 상관관계를 구하는 단계;

권취온도(T1)에서 열연강판을 코일로 권취한 다음, 이 코일을 대기중에서 유지하여 코일폭방향으로 실제온도(T2)및 실제온도(T2)에서의 유지시간(t2)을 측정하고, 측정된 값을 이용하여 하기 식(1)에 의하여 권취온도에서의 환산시간(t1)을 구하는 단계;

[관계식 1]

t₁ = t₂ * exp {B* (1/T₁-1/T₂)}

(여기서, T₁ : 권취온도, T₂: 냉각중 특정온도, t₁ : 권취온도 환산시간, t₂: 냉각중 특정온도 (T₂)에서의 상분해시간. B: 상수)

상기와 같이 구한 권취온도에서의 환산시간(t1)을 이용하여 상기 권취온도별 유지시간과 잔류오스테나이트량과의 상관관계에 의해 잔류 오스테나이트 량을 구하는 단계;

권취온도(T1)에서 구해진 폭방향으로의 잔류 오스테나이트 량 각각이 상기 목표 임계 잔류 오스테나이트 량이상이 되는 설정권취온도를 구하는 단계; 및

권취시 상기와 같이 구한 설정권취온도로 권취온도를 설정하는 단계를 포함하는 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도 설정방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

하기 표 1과 같은 화학조성을 갖는 강을 용해하여 슬라브 (slab)를 제조하였다.

	C	Si	Mn	P	S	Al	N
A	0.16	1.80	1.49	0.012	0.002	0.031	0.0048
B	0.20	1.63	1.60	0.013	0.003	0.033	0.0106

상기와 같이 제조된 슬라브를 1200℃에서 재가열한 후 열간압연을 행하여 최종두께가 3.0mm인 열연강판으로 제조하였다.

열간압연 마무리온도 (FDT)는 850~900℃, 열간압연후 즉시 수냉을 개시하여 중간공냉온도 (680℃)까지 급냉한 다음, 여기에서 약 6초간 공냉을 실시하였다.

공냉이후 설정된 권취온도까지 다시 수냉을 실시하는 패턴냉각을 적용하여 열연강 판을 제조하였다.

이후, 권취온도별 유지시간에 따른 평균 잔류오스테나이트 양을 측정하고, 그 결과를 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타난 바와 같이, 권취온도가 낮으면 유지시간의 변화에 따라 남게 되는 잔류오스테나이트 양의 차이가 적어지는 경향이 있으며, 권취온도가 높으면 유지시간의 변화에 따라 잔류오스테나이트의 양이 크게 차이가 나는 것을 알 수 있다.

또한, 각 권취온도별 유지시간에 따른 잔류오스테나이트 양의 변화를 조사하고, 그 결과를 도 2에 나타내고, 유지시간에 따른 미세조직변화를 관찰하고, 그 결과를 도 3에 나타내었다.

도 2에 나타난 바와 같이, 권취온도가 너무 높으면 유지시간에 따라 잔류오스테나이트가 급격히 감소되는데 반해, 권취온도가 낮아지면 잔류오스테나이트가 유지시간에 따라 약간 증가하다가 감소되는 경향을 보임을 알 수 있다.

이와 같은 거동은 도 3에 나타난 바와 같이 권취후 유지시간이 경과함에 따라 발생되는 미세조직의 변화로부터도 관찰되는데, 이는 잔류오스테나이트가 분해되는 과정이 다르기 때문이다.

미세조직의 변화로부터, 권취온도가 높으면 같은 유지시간에서도 미세조직의 변화가 크며 권취온도가 낮으면 그 변화가 작음을 알 수 있다.

이렇게 적정한 권취온도에서 잔류오스테나이트의 양이 유지시간에 따라 약간 증가하다가 감소되는 이유는 다음과 같다.

즉, 유지시간이 너무 짧은 경우에는 남아 있는 잔류오스테나이트가 베이나이트로 변태할 시간이 없으므로 잔류오스테나이트에 충분한 카본(carbon)이 농축되지 못하므로 준안정 상태로 존재하다가 온도가 낮아짐에 따라 많은 부분이 마르텐사이트로 변태하기 때문이며, 유지시간이 너무 긴 경우에는 잔류오스테나이트가 과도하게 베이나이트로 분해되어 그 양이 줄어들기 때문이다.

따라서, 유지시간이 적정한 경우에 미변태되어 남아 있던 잔류오스테나이트의 일부가 베이나이트로 분해되면서 잔류오스테나이트에 카본(carbon)을 추가로 농축시켜 잔류오스테나이트를 안정화하며 더 이상의 베이나이트 변태가 억제됨으로서 잔류오스테나이트의 양을 증가시키게 된다.

즉, 열연코일에서 잔류오스테나이트의 양은 권취온도에 따라 매우 민감하게 변화하는데, 이를 활용하면 열연코일의 위치별 냉각속도가 다르게 되어도 잔류오스테나이트 양을 임계치 이상으로 존재시킬 수 있는 권취온도를 설정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따라 열간압연시 열연권취온도를 적절히 제어하므로써 열간압연에 의해, 기타의 열처리공정이 없이, 실기 생산이 가능하고 코일로 권취후 폭방향 위치별 냉각속도의 차이가 발생하더라도 잔류오스테나이트 평균분율이 임계량 이상이 되는 열연 변태유기소성강을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명의 작용에 대하여 상세히 설명한다.

잔류오스테나이트 양의 변화는 기본적으로 잔류오스테나이트의 상분해과정에 의해 발생되는 것으로, 이러한 상분해과정은 그 분해과정이 발생되는 온도와 그 온도에서의 유지시간에 의존하게 된다.

상분해과정은 확산에 의해 반응이 지배되므로 온도와 유지시간의 영향을 t = A * exp (B/T)의 형식으로 표현할 수 있다.

여기서 t는 반응시간이며 T는 반응온도, 그리고 A와 B는 상수이다.

본 발명에 바람직하게 적용되는 성분계에서는 잔류 오스테나이트 양은 좋은 제어조건에서는 10%내외에서 변화하고 있는데, 이 경우에는 최소 8% 이상이 되는 조건을 잔류오스테나이트의 임계량으로 잡는 것이 바람직하다.

이때 잔류오스테나이트를 8% 이상으로 유지할 수 있는 최대 유지시간은 각각의 온도에 따라 달라지는데, 도 2로부터 구한 각 온도별 잔류오스테나이트 임계량을 정리하면 하기 표 2와 같다.

온도	유지시간 (분)
500℃	2
450℃	10
400℃	48
350℃	100

상기 표 2의 데이터를 활용하여 상기 식(1)의 상수 A와 B를 구하면 각각 0.00033 및 4543.3이 된다.

따라서 잔류오스테나이트 상분해과정의 온도와 유지시간의 영향은 t = 0.00033 * exp (4543.3/T)의 꼴로 나타내어 지며, 이를 활용함에 의해 임의의 온도에서 잔류오스테나이트가 8%이상이 잔류되는 최대 유지시간을 구할 수 있다.

실제 열연코일의 냉각속도는 폭910mm를 기준으로 측정한 결과 평균 냉각속도가 폭방향 위치별로 하기 표 2와 같다.

위치	평균냉각속도 (℃/min)
	400℃ 권취시	350℃ 권취시
Edge	0.56	0.48
W/4	0.34	0.32
W/2	0.29	0.28

상기 표 3에서와 같이 다른 냉각속도로 냉각중의 잔류오스테나이트 양의 변화를 알기 위해서 상기 식(1)을 변형함으로서 온도의 효과를 감안한 시간으로 바꿀 수 있다.

즉, t₁ = t₂ * exp {B* (1/T₁-1/T₂)}의 꼴로 변환될 수 있어 냉각중 각각의 온도에서의 상분해거동의 권취온도에 대한 의존도로 표시할 수가 있다.

여기서 t₁은 권취온도에서의 환산유지시간이며, t₂는 냉각중 순간온도에서의 유지시간, 그리고 T₁은 권취온도이며 T₂는 순간온도를 표시한다.

즉, 냉각중 각 온도에서의 유지시간은 권취온도에서의 유지시간으로 환산될 수 있다.

상기 표 3에서 400℃로 권취한 열연코일을 냉각하는 경우 코일의 위치별 냉각속도는 폭방향 edge부, W/4 및 W/2위치로 가면서 0.56~0.29℃/min으로 변화하고 있는데, 이러한 냉각속도로 냉각되는 과정에서의 유지시간은 권취온도 환산유지시간으로 바꾸게 되면 도 4에 나타난 바와 같이,폭방향 edge, W/4 및 W/2에 대하여 400℃의 권취온도에서 각각 63분, 92분 및 109분을 유지하는 결과와 동등함을 알 수 있다.

따라서, 이 경우 열연코일내에 존재할 수 있는 잔류오스테나이트양은 도 2로부터 각각 7.5%, 5.5% 및 5.0%로 되어 모든 위치에서는 임계치 이하로 잔류오스테나이트 의 함량이 떨어지게 된다.

권취온도를 350℃로 변경하는 경우에 대하여 구하면, 이때 권취온도가 하향됨에 따라 각 부위별 냉각속도는 상기 표 3에서 보인 바와 같이 0.48~0.29℃/min로 약간 저하되는데, 이때 냉각중의 유지시간을 폭방향 위치별로 권취온도에서의 환산유지시간으로 바꾸게 되면 각각 63분, 88분 및 99분에 해당된다. 이때 열연코일내 잔류오스테나이트의 함량은 9.0%, 8.3% 및 8.1%가 되어 냉각과정의 차이가 발생하더라도 상당히 안정적인 잔류오스테나이트를 함유하게 됨을 알 수 있다.

즉, 권취온도를 350℃로 유지하는 경우 열연코일이 완냉각되면서 폭방향으로 냉각속도의 차이가 발생되어도 잔류오스테나이트의 분해과정을 거쳐 8%이상의 잔류오스테나이트를 전폭에 걸쳐 균일하게 유지할 수 있도록 반응이 진행됨을 알 수 있다.

잔류오스테나이트는 온도가 낮아지면 상분해가 이루어지는데, 이러한 상분해과정이 불균일할 경우 잔류오스테나이트의 함량이 크게 변화하여 재질의 불안정을 초래한다. 특히 상업생산되는 열연코일은 벌크(bulk)재로서의 특성으로 인하여 폭방향 위치별 냉각속도가 다르므르 이에 따라 잔류오스테나이트의 상분해가 달라지고 따라서 재질편차가 발생된다.

본 발명은 이와 같이 냉각속도가 다른 경우에도 냉각중의 유지시간을 권취온도에서의 환산유지시간으로 환산하여 잔류오스테나이트를 안정적으로 함유시킬 수 있는 권취온도를 설정할 수 있는 방법을 제공하며, 이에 따라 열연 TRIP강의 품질안정을 이룰 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 변태유기소성강의 열연강판에 대하여 목표로 하는 임계 잔류오스테나이트 량을 설정하는 단계;

   권취온도별 열연코일 유지시간과 잔류오스테나이트 량과의 상관관계를 구하는 단계;

   권취온도(T1)에서 열연강판을 코일로 권취한 다음, 이 코일을 대기중에서 유지하여 코일폭방향으로 실제온도(T2)및 실제온도(T2)에서의 유지시간(t2)을 측정하고, 측정된 값을 이용하여 하기 식(1)에 의하여 권취온도에서의 환산시간(t1)을 구하는 단계;

   [관계식 1]

   t₁ = t₂ * exp {B* (1/T₁-1/T₂)}

   (여기서, T₁ : 권취온도, T₂: 냉각중 특정온도, t₁ : 권취온도 환산시간, t₂: 냉각중 특정온도 (T₂)에서의 상분해시간. B: 상수)

   상기와 같이 구한 권취온도에서의 환산시간(t1)을 이용하여 상기 권취온도별 유지시간과 잔류오스테나이트량과의 상관관계에 의해 잔류 오스테나이트 량을 구하는 단계;

   권취온도(T1)에서 구해진 폭방향으로의 잔류 오스테나이트 량 각각이 상기 목표 임계 잔류 오스테나이트 량이상이 되는 설정권취온도를 구하는 단계; 및

   권취시 상기와 같이 구한 설정권취온도로 권취온도를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 폭방향 잔류오스테나이트 안정화를 위한 권취온도 설정방법

Images