KR100847032B1 - 성형성이 우수한 무방향성 고탄소 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0.4%이하, Cr: 0.5%이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며, {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 이상이고, 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이며, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하인 무방향성 고탄소 강판을 제공한다.

무방향성, 고탄소 강판, 집합조직, 소성 이방성 계수

Description

성형성이 우수한 무방향성 고탄소 강판 및 그 제조 방법 {A ISOTROPIC HIGH CARBON STEEL SHEET SUPERIOR IN FORMABILITY AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

도 1은 공정에 따른 비교예 및 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2는 비교예2 내지 비교예6의 f(g)값이다.

도 3은 비교예7 내지 비교예 11의 f(g)값이다.

도 4는 비교예12 내지 비교예14 및 실시예의 f(g)값이다.

도 5는 비교예들 및 실시예 γ-fiber의 f(g)값이다.

도 6은 비교예들 및 실시예의 방위분포함수 그래프이다.

도 7은 비교예1 내지 비교예6의 각도에 따른 R값이다.

도 8은 비교예7 내지 비교예11의 각도에 따른 R값이다.

도 9는 비교예12 내지 비교예14 및 실시예의 각도에 따른 R값이다.

본 발명은 고탄소 강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 집합조직을 이용하여 성형성이 우수하고, 무방향성인 고탄소 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

많은 강재들은 단순히 절단되어 사용되기 보다는 가공, 성형되어 최종 부품형상으로 제조 된다 이러한 형상성형을 용이하게 하기 위해 성형성이 요구되는데, 강재에서 성형성을 나타내는 여러가지 지표들이 존재하지만, 그 중 대표적인 지표가 소성이방성계수(Rankford Value: r값)이다. 이때 강재는 압연방향에 따라 성형성이 달라지는 현상을 나타낸다. 일반적인 저탄소강의 경우 압연방향 및 압연 직각방향과 압연45도 방향의 성형성 차이가 크게 나타난다. 이러한 현상을 소성이방성이라고 하며, 소성 이방성 계수(Rankford value: r값)의 차이(Δr)를 이용하여 하기 수학식 1과 같이 나타낸다.

평면이방성 계수

기존의 냉연 강재를 드로잉 가공 등 고변형의 가공을 행할 경우, 기존 강재는 압연방향에 따른 소성이방성에 의해 고르게 성형되지 못하는 단점이 있다. 평면이방성계수(Δr)의 차이가 큰 경우 드로잉 등을 통한 부품 제조시 귀(ear)가 생기는 등 문제를 발생시킨다. 특히 회전 구동 부품에 사용되는 강재의 경우, 귀(ear)가 생기면 귀(ear)를 잘라내는데 따른 생산성 저하 문제 이외에도 부품의 방향에 따른 질량차이로 인해 편심이 발생하여 완성 제품의 품질이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 부품의 생산성 향상을 위해 부품의 가공도는 점점 더 높아져가고 있는데, 이렇듯 드로잉비(Drawing Ratio)가 증가함에 따라 소성이방성이 더욱 커지는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 극저탄소 냉연강판을 기본으로 하는 무방향성 강재가 개발되었다. 그러나 기존의 무방향성 강재의 경우, 극저탄소강의 특성상, 강판의 소성가공에는 유리하나, 열처리가 불가능하므로 최종제품의 강도 및 내마모성 등에 한계를 지니고 있다.

특히, 자동차 공업의 발달과 더불어 자동차용 부품의 내구수명 또한 많은 증가 요구를 받고 있다. 기존에 사용되던 기계부품은 일반적으로 저탄소 계열의 강재로 소성가공 및 성형에 유리한 화학조성으로 제조되어 있다. 그러나 부품의 내구수명 증가요구를 따라가기에는 저탄소 조성의 강재로는 한계가 있기 때문에, 점차 내구성 및 내마모성을 요하는 부품은 다른 고강도 강재로 대체되고 있다. 고강도 부품을 손쉽게 제조할 수 있는 방법으로 열처리 강재를 이용하는 방법이 있다. 이는 강의 강화기구 중 가장 큰 강도향상효과를 나타내는 마르텐사이트 변태를 이용한 방법이다. 여러 부품의 고강도화 추세에 부응하여 기존의 저탄소강 부품이 고탄소 열처리 강재로 대체되고 있다. 결국 최근의 자동차 부품용강의 추세는 점차 고강도, 고성형성, 등방성을 동시에 만족시킬 수 있는 강재가 요구되고 있는 실정이다.

전술한 문제점을 해결하기 위하여, 집합조직을 제어하여 성형성이 우수하고, 소성이방성의 차이가 적은 무방향성 고탄소 강판 및 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 고탄소 강판은, 중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0.4%이하, Cr: 0.5%이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며, {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 이상이다. 여기서 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이고, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 무방향성 고탄소 강판의 제조방법은, ⅰ) 중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0.4%이하, Cr: 0.5%이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강재를 제조하는 단계, ⅱ) 제조된 강재를 열간 압연하는 단계, ⅲ) 열연강판을 구상화 소둔 없이 산세하여 70%이상으로 냉간 압연하는 단계, ⅳ) 상기 냉연강판을 결정소둔하는 단계를 포함한다.

또한, 이러한 방법으로 만들어진 무방향성 고탄소 강판은{111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 이상이며, 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이고, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하일 수 있다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고탄소 강판의 화학조성을 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 탄소(C)의 함량은 0.2~0.5%로 한다. 이와 같이 탄소(C)의 함량을 한정한 이유는 탄소의 함량이 0.2% 미만인 경우에는 담금질에 의한 경도 상승, 즉 우수한 내구성을 확보하기 어렵다. 또한, 탄소(C)가 0.5%를 넘는 경우에는 제2 상인 세멘타이트의 절대량의 증가로 인하여 구상화 소둔 후 드로잉성 등의 가공성이 열화된다. 따라서 탄소(C)의 함량은 0.2~0.5%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 0.1~1.2%로 한다. 이와 같이 망간(Mn)의 함량을 한정한 이유는 망간(Mn)의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 강의 제조공정 중 불가피하게 함유되는 황(S)과 철(Fe)이 결합한 황화철(FeS)의 형성에 의한 적열취성이 발생된다. 또한, 망간(Mn)이 1.2%를 넘는 경우에는 중심 편석 혹은 미소 편석 등의 편석이 심해지게 되는데, 망간(Mn)은 세멘타이트의 구성 원소이므로, 편석대에서의 탄화물의 밀도나 크기가 크게 되어 성형성을 저해하게 된다.

규소(Si)의 함량은 0.4% 이하로 한다. 규소(Si)의 함량이 0.4%를 넘는 경우, 열처리시 탈탄의 가능성이 높고, 스케일결함의 증가로 인하여 표면 품질의 저하를 초래한다.

크롬(Cr)의 함량은 0.5% 이하로 한다. 크롬(Cr)은 붕소(B)와 마찬가지로 강의 소입성을 향상시키는 원소로 알려져 있어 붕소(B)와 복합 첨가되는 경우 상변태 제어에 효과적일 수 있다. 그러나 크롬(Cr)이 0.5%를 넘는 경우, 구상화 속도를 지연시킬 수 있다.

황(S)의 함량은 0.02% 이하로 한다. 황(S)의 함량이 0.02%를 넘는 경우에는 황화망간(MnS)이 석출되어 냉연강판의 성형성이 악화된다. 따라서 황(S)의 함량은 0.012% 이하로 한다.

인(P)의 함량은 0.02% 이하로 한다. 인(P)의 함량이 0.02%를 넘는 경우에는 결정립계에 편석 되어 인성을 저하시킨다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 고탄소 강판의 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.

먼저, 중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0.4%이하, Cr: 0.5%이하 를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강재를 제조한다. 이와 같은 강재의 화학 조성을 한정한 이유는 전술한 바와 같으므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.

다음으로, 제조된 강재를 열간 압연하여 열연강판을 제조한다.

다음으로, 열연강판을 구상화 소둔 없이 산세하여 냉간 압연한다. 구상화 소둔을 생략하여 열연과정에서 생성된 집합조직을 최종 제품에서도 이용할 수 있다. 반면에, 냉간압연을 용이하게 하기 위하여 강재를 냉간압연전 구상화 소둔하는 경우, 열연과정에서 생성된 집합조직이 소멸된다. 따라서 냉연공정만을 이용해서는 목표로 하는 집합조직의 강도를 얻을 수 없다. 더욱이, 구상화 소둔공정은 추가적인 비용을 필요로 하는 공정이므로, 구상화 소둔을 생략하면 공정에 필요한 비용을 줄일 수 있다.

이때, 냉간압연시의 압하율은 70%이상으로 한다. 압하율이 70% 미만인 경우, 성형성 및 등방성을 향상시키는데 필요한 {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8미만이 된다. 따라서 원하는 물성을 얻을 수 없다.

다음으로, 냉간압연이 끝나면 670℃ ~ A₁ 온도범위에서 8시간이상 재결정 소둔한다. 재결정 소둔은 탄화물을 구상화하여 강판의 성형성을 증가시킬 뿐만 아니라 집합조직을 강화시킨다.

이와 같이 {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 이상이며, 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이고, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하인 무방향성의 고탄소 강판을 제조한다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실험예는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예

하기 표 1과 같은 조성을 가지는 강을 제조한다. 실시예 및 비교예는 조성이 동일하다.

C	Mn	Si	Cr	Al	S	나머지
0.34	0.73	0.20	0.15	0.030	0.0027	잔부 Fe 및 기타 불가 피한 불순원소

제조된 열연강판을 이용하여 통상의 구상화 소둔 없이 산세 후 70%이상 냉간압연한다. 냉간압연 후 통상의 조건으로 재결정을 한 후 각 단계에서 채취한 시편을 분석하여 집합조직의 강도와 물성을 측정한다. 비교예는 각 제조 단계에서의 공정조건 (구상화열처리, 냉간압하량, 재결정열처리)의 차이를 두어 제조하였다. 제조된 비교예를 이용하여 공정에 따른 집합조직의 변화를 해석하였다. 또한 상계해석법으로 모든 슬립계를 사용하여 소성이방성계수를 계산하였다. 집합조직 해석을 위하여 판재 중심층(S=0.0)에서 극점도를 측정하였고, Random, Background 보정을 실시하였다. 이때 X선 회절시험을 위해 Mo-Target과 Zr Filter를 사용하였으며, 40kV, 30mA 조건으로 실험을 실시하였다.

도 1은 각 공정 단계별로 비교예 및 실시예의 선정단계를 나타낸다. 실시에의 경우, 구상화 열처리 없이 70%의 압하률로 냉간압연을 실시한 경우이다.

도2 내지 도4는 도 1에서의 비교예2 내지 비교예14 및 실시예의 α-fiber의 면방향에 따른 f(g) 값을 나태낸다. 도 5는 비교예5, 6, 10, 11, 14 및 실시예의 γ-fiber의 면방향에 따른 f(g)값을 나타낸다. 실시예와 비교예의 차이에서 알 수 있듯이 구상화 열처리를 하지 않고 냉간압연 후 재결정열처리 하는 것이 구상화 열처리하는 것보다 {111}<110> 집합조직이 강하게 발달함을 알 수 있다.

구상화열처리는 구상화판재의 집합조직에는 영향을 미치지는 않으나 냉연판재와 재결정판재의 집합조직을 변화시킨다. 구상화 열처리를 하지 않은 판재의 집합조직이 가장 강하게 발달하였으며 구상화 열처리를 한 경우에는 냉연판재에서는 저온으로 열처리한 것이 더 강하게 발달하였고, 재결정판재에서는 고온에서 열처리한 것이 더 강하게 발달하였다.

또한 {111}<110> 집합조직은 냉간압하량에 따라 크게 변화함을 알 수 있다. 따라서 {111}<110> 집합조직을 발달시켜 성형성을 증가시키고, 소성이방성을 줄여 평면등방성을 구현하기 위해서는 구상화 열처리를 실시하지 않고, 냉간압하량을 증가시킬수록 유리하며, 70% 이상의 고압하 조건으로 냉간압연 해야 함을 알 수 있다.

도 6은 실시예 및 비교예들의 방위분포함수(ODF)를 Ψ₂=45°에서 측정한 그림이다. 구상화 소둔 없이 70% 냉간압연 후 재결정소둔한 경우(실시예)에서 {111}<110> 집합조직이 가장 강하게 발달함을 알 수 있다. 또한 재결정 열처리에 의해 α-fiber 집합조직이 감소하고, γ-fiber 집합조직이 증가함을 알 수 있다. 도 6의 ⓐ는 실시예를 나타낸다.

도 7 내지 도 9는 측정된 실시예 및 비교예들의 집합조직을 이용하여 상계해법을 사용하여 방향에 따른 소성이방성계수(r값)의 계산결과이다. 비교를 위해 기존에 소성가공부품에 많이 사용되는 IF강과 집합조직 강화를 통해 강도를 향상시킨 Texture Hardening Steel(THS)의 집합조직 분석결과를 추가하였다. 도 7 내지 도 9를 참조하면, 실시예의 소성이방성계수는 기존의 IF강이나 기타 공정조건이 다른 고탄소강(비교예)에 비해 매우 높다. 더욱이, 평면이방성계수(Δr) 또한 적다.

실시예, THS 집합조직, 및 비교예들을 살펴보면 집합조직의 강도는 발달하였으나 THS의 경우처럼 평면이방성계수(Δr)가 큰 경우가 있다. 이런 경우 평면등방성을 얻을 수 없다. 따라서 집합조직이 발달하여도 실시예와 같이 이상적인 섬유집합조직이 형성되어야 평면등방성을 얻을 수 있다. 이때 이상적인 평면등방성을 얻기 위해서는 α-fiber를 억제하고 γ-fiber를 고르게 발달시켜야 한다. 특히 {111}<110>집합조직의 강도를 높게 발달시킨 경우에 보다 우수한 평면등방성을 얻는다.

실시예와 다른 공정조건은 동일하고 냉간압하량이 적은 경우 (비교예14), 방향에 관계없이 매우 균일한 소성이방성계수(r값)를 보인다. 따라서 평면이방성계수(Δr)가 매우 낮은 값으로 나타난다. 하지만, 이 경우 평면등방성은 실시예보다 우수하지만, 성형성에 큰 영향을 주는 소성이방성계수(r값)가 충분히 높지 못한 문제점이 있다.

이와 같이, {111}<110>집합조직의 강도를 f(g) > 8 이상으로 하여, 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이고, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하인 집합조직을 이용한 무방향성 고탄소 강판을 제조할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판은, 통상의 구상화 소둔과정을 거치지 않고, 70%이상의 압하률로 냉간압연한다. 따라서 {111}<110>집합조직을 발달시킬 수 있고, 집합조직의 강도가 f(g) > 8 이상이 된다.

또한, 추가 비용이 들어가는 구상화 소둔 과정을 거치지 않으므로, 보다 경제적으로 고탄소 강판을 제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판은, {111}<110>집합조직이 발달되어있고, 집합조직의 강도가 f(g) > 8 이상이 된다. 따라서 소성이방성계수(r값)가 1.5 이상이고, 평면이방성계수(Δr)가 0.3 이하인 집합조직을 가지고, 방향성이 없다.

또한, 고탄소 강판이 무방향성이므로, 이를 이용하여 드로잉 부품 제조시 귀(ear)발생을 방지할 수 있으므로 추가 절단공정을 생략함에 의해 생산성을 향상 시킬 수 있다.

또한, 회전부품의 경우, 소성이방성의 편차에 기인한 편심을 방지할 수 있으므로, 품질이 우수한 회전 부품을 제조할 수 있다.

Claims (4)

1. 중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0 보다 크고 0.4%이하, Cr: 0 보다 크고 0.5%이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며, {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 내지 11이고,

   상기 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 내지 2이고, 평면이방성계수(Δr)가 0 보다 크고 0.3 이하인 무방향성 고탄소 강판.
2. 삭제
3. 중량 %로 C: 0.2 ~ 0.5%, Mn: 0.1~1.2%, Si: 0 보다 크고 0.4%이하, Cr: 0 보다 크고 0.5%이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강재를 제조하는 단계,

   상기 제조된 강재를 열간 압연하는 단계,

   상기 열연강판을 구상화 소둔 없이 산세하여 70%이상으로 냉간 압연하는 단계,

   상기 냉연강판을 결정소둔하는 단계를 포함하는 {111}<110>집합조직의 강도(f(g))가 8 내지 11이며, 상기 집합조직의 소성이방성계수(r값)가 1.5 내지 2이고, 평면이방성계수(Δr)가 0 보다 크고 0.3 이하인 무방향성 고탄소 강판의 제조 방법.
4. 삭제

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