KR100934089B1 - 복합조직 열연강판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복합조직 열연강판 제조방법에 관한 것으로, C : 0.0020 중량% 이하와, Mn : 0.20 내지 0.30 중량%와, S : 0.01 중량% 이하와, P : 0.01 내지 0.02 중량%와, Si : 0.02 중량% 이하와, B : 0.006 중량% 이하와, Al : 0.01 내지 0.02 중량%와, Cr : 0.03 중량% 이하와, N : 0.002 중량% 이하 및 잔량으로 철(Fe)을 함유하되, 상기 성분범위내에서 열간압연 개시는 1200℃의 온도로 일정시간 유지한 후 변태온도(890℃) 직전에 실시되고, 최종압연 전의 강판두께가 5 내지 7mm이고, 열간압연 압하율이 45 내지 50% 범위에 있고, 압연중 냉각속도가 800 내지 1,100^oC/sec로 조절됨으로써, 열연강판 성분 및 제조공정을 적절히 조절하여 기계적 특성을 만족하고 마스크 프레임(mask frame)과 같이 자기적 특성을 동시에 만족하도록 열연강판의 조직을 강판두께 방향으로 조절시켜 복합특성이 요구되는 부품을 제조할 수 있는 특징이 있다.

열연강판, 변태, 복합조직, 온도구배

Description

복합조직 열연강판 제조방법 {Method of manufacturing multi-matrix hot band}

도 1은 일반적인 열연공정을 나타내는 공정 개략도.

도 2는 열연 롤사이에서의 소재내부의 재결정 및 성장 모식도.

도 3은 재가열 후 압연전의 강판의 조대한 미세조직을 나타내는 사진.

도 4a는 오스테나이트 온도영역 압연 후 열연강판의 미세조직을 나타내는 사진.

도 4b는 페라이트 온도영역 압연 후 열연강판의 미세조직을 나타내는 사진.

도 5는 복합조직강 및 비교강의 열연 후 두께방향 미세조직을 나타내는 광학사진.

도 6은 열간압연시 마지막 압연조건에서의 시편온도변화를 나타내는 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 발명강의 인장-연신율 곡선을 나타내는 그래프.

도 8은 본 발명에 의한 발명강의 자기적 특성을 나타내는 그래프.

본 발명은 복합조직 열연강판 제조방법에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 기계적 특성 또는 자기적 특성을 동시에 확보 가능한 복합조직 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열연강판 성분 및 제조공정을 적절히 조절하여 기계적 특성을 만족하고 마스크 프레임(mask frame)과 같이 자기적 특성을 동시에 만족하도록 열연강판의 조직을 강판두께 방향으로 조절 시켜 복합특성이 요구되는 부품에 사용 가능한 복합조직 열연강판 제조방법에 관한 것이다.

통상의 열연강판은 제강공정에서 성분을 제어하고 고온상인 오스테나이트 (austenite)에서 저온 안정상인 페라이트(ferrite) 변태(transformation)가 있기 전 열간압연을 행하여 생산된다. 이 과정에서 성분이 결정되어있다면 열간압연 온도와 압연 후 냉각과정이 강판의 조직 및 특성을 결정하는 주요 변수가 되고 이 결과에 따라 강판의 특성을 결정하는 변태조직이나 석출물, 결정립계의 크기가 결정된다.

도 1은 일반적인 열연공정을 나타내는 공정 개략도이고, 도 2는 열연 롤사이에서의 소재내부의 재결정 및 성장 모식도이다. 변형이 롤에 의해 부가됨에 따라 변형에너지가 축적되고, 축적된 에너지는 재결정 및 결정립 성장으로 나타나게 된다. 또한, 도 1에 나타낸 바와 같이, 특히 열간압연의 마지막 공정인 상변태는 열연강판 미세조직을 결정하는 핵심적인 공정이다.

상변태가 원하는 시기에 일어나도록 하기 위해 수량을 적절히 조절하게 되는데 열간 마무리 압연단계에서 생성된 고온 변형조직 또는 재결정 조직으로부터 완전혀 새로운 조직으로 이 과정에서 변화하게 된다. 따라서 상변태의 제어는 열연 강판 제조공정에서 가장 중요하게 조절되어야 하며, 성분별 강종별의 상변태 온도 및 그 특성을 미리 이해하고 이를 조절해야 한다.

통상적으로, 오스테나이트에서 실시되는 열간압연은 때로 페라이트역에서 실시되기도 하는데 이는 열연강판을 이용해 보다 성형성이 우수한 냉연강판을 제조하기 위함이다.

상기 기술한 종래의 압연방법을 통해 비교적 균일한 조직을 얻을 수 있고, 안정된 기계적 특성 및 성형성을 가지는 강판을 제조할 수 있다. 그러나, 열연강판의 용도가 복합적으로 사용됨에 따라 성형성과 피로특성, 자기특성과 용접성 또는 성형성과 자기적 특성과 같이 두 가지 특성을 동시에 요구하는 부품이 등장하게 되었다. 예를 들어, 브라운관에 사용되는 프레임재의 경우엔 전단(shearing)성과 자기적 특성 또는 용접성을 만족해야 하는 부품이며, 이들 특성을 만족시키기 위해 엄격한 성분 및 조직의 제어를 통해 열연강판을 제조하여 왔다.

자기적 특성은 브라운(Braun)관의 화질을 확보하기 위해 요구되는 특성으로 전자총에서 나온 전자빔의 궤도이탈을 막아주는 데 필요한 특성이다. 이의 원리는 브라운관을 구성하는 강판이 쉽게 자화되어 브라운관 내부의 자장을 없애주는 데 있다. 다시 말하면 외부의 자계를 효과적으로 차폐하여 내부는 외부자계의 영향을 받지 않도록 해주는 것으로서, 소재의 자기적 특성은 쉽게 자화되기 쉬운 조건, 즉 소재의 자기이력곡선(magnetic hysteresis)에서 보자력(coercive force, Hc)값으로 평가되며 낮은 보자력을 갖는 소재가 우수한 외부자계 차폐성을 갖는다.

이러한 특성을 만족시키기 위해 종래에는 주로 성분을 엄격히 제어한 단일조직의 열연강판이 사용되었으며 프레임재의 경우 자기적 특성이 비교적 낮은 일반 저탄소강이 사용되었다. 그러나 근래에 이르러 텔레비전의 대형화 및 고화질화의 추세에 따라 프레임재에도 높은 자기적 특성이 요구되게 이르렀으며 용접성, 전단성, 성형성 등도 동시에 만족되는 소재의 필요성이 증가되었다.

이에 본 발명자는 현재 사용되는 단일조직의 열연강판 개념을 넘어선 복합조직 열연강판의 적용이 필요하여, 그 제조원가의 상승이 없이 위에서 열거한 특성을 만족하면서도 용이하게 생산 가능한 성형성, 용접성, 자기차폐성이 우수한 복합조직 열연강판을 제조하기 위해 금속야금학적, 열연공정 분석과 실험을 수행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 되었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 창출된 본 발명의 목적은, 극저탄소 알루미늄 킬드강을 기본 성분으로 하여 규소(Si)와 보론(B)의 첨가량을 제어하고 열연압연 조건, 즉 마지막 압연 개시온도, 소재두께, 압하율 등 주요변수를 제어하여 그 제조방법을 설정하여 표층부와 중심부는 미세한 페라이트, 표층부와 중심부 사이의 구역에서는 성장된 변태조직을 만들어 각 조직이 주는 복합적인 특성을 모두 갖는 복합조직 열연강판 제조방법을 제공함에 있다.

이러한 본 발명의 목적은, C : 0.0020 중량% 이하와, Mn : 0.20 내지 0.30 중량%와, S : 0.01 중량% 이하와, P : 0.01 내지 0.02 중량%와, Si : 0.02 중량% 이하와, B : 0.006 중량% 이하와, Al : 0.01 내지 0.02 중량%와, Cr : 0.03 중량% 이하와, N : 0.002 중량% 이하 및 잔량으로 철(Fe)을 함유하되, 상기 성분범위내에서 열간압연 개시는 1200℃의 온도로 일정시간 유지한 후 변태온도(890℃) 직전에 실시되고, 최종압연 전의 강판두께가 5 내지 7mm이고, 열간압연 압하율이 45 내지 50% 범위에 있고, 압연중 냉각속도가 800 내지 1,100^oC/sec인 것을 특징으로 하는 복합조직 열연강판 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

강중의 탄소(C)는 강판의 특성을 결정하는 가장 중요한 원소로서 탄화물로 존재하거나 고용상태의 원소로 존재하게된다. 탄소가 0.002 중량% 이하가 되면 강중의 탄화물 석출이 힘들어지고 우수한 성형성을 얻을 수 있으나 이 이상의 함량에서는 불균일 변형과 시효(aging) 현상에 의해 성형성이 저하되고 시간에 따른 자성열화 또는 자기시효가 발생한다. 이러한 이유로 탄소함량은 0.002 중량% 이하로 하는 것이 바람직하다.

강중의 망간(Mn)은 통상 강판의 제조공정에서 발생하는 황에 의한 적열취성을 방지하기 위해 0.20 내지 0.30 중량% 범위를 설정해 모든 S 가 MnS의 형태의 석출물로 존재하도록 하였다.

황(S)은 위에서 설명한 망간 화합물로의 완전한 석출을 위해 0.01 중량% 이하로 하여 가능한 낮게 첨가되었으며 이는 기존의 설비에서 무리 없이 생산할 수 있는 성분범위이다.

인(P)은 강판의 전단성 또는 타발성을 우수하게 하기 위해 첨가되었으며 고 용강화를 심하게 일으키지 않는 0.01 내지 0.02 중량% 범위로 설정되었다.

규소(Si)는 첨가시 강판의 비저항을 증가시켜 자성을 좋게 하나, 지나치게 첨가되면 고용강화에 의한 강도상승 또는 변태조직의 성장이나 재결정 성장을 억제하는 역할을 하게 되므로 0.02 중량% 이하로 제한하였다. 또한 규소는 강의 오스테나이트 페라이트 변태온도를 상승시키는 원소이기 때문에 열연공정 중에서 변태온도를 제어하기 위해서는 그 함량이 적절히 조절되어야 한다.

보론(B)의 경우 오스테나이트 입계에 존재하여 강의 페라이트 변태를 늦추어 강의 경화능을 향상시키는 원소이다. 이러한 변태온도 저하효과는 변태조직의 성장을 보론이 방해하기 때문에 나타나는 현상이며 보론(B)/질소(N)의 비가 1에 근접할 때까지 이러한 효과는 지속된다. 그러나, 보론/질소의 비가 1 이상이 되면 질화물로 존재하지 않는 보론의 양이 증가되어 오스테나이트 결정립 미세효과가 생기기 때문에 변태 핵생성이 용이해지는 효과가 있다. 이에 따라 본 발명강에서는 보론의 첨가량을 0.006 중량% 이하로 제한하였고 이 이상의 보론첨가량에서는 복합조직 열연강판 제조가 불가능하다.

알루미늄(Al)의 경우 제강공정에서 강중의 산소를 제거하기 위해 첨가하게 되나, 과도한 첨가 시 압연성이 저하되고 석출물이 증가되므로 0.01 내지 0.02 중량% 범위로 제한하였다.

크롬(Cr)은 강판의 부식을 막기 위해 부품 장착 후 행하여지는 흑화막 처리 시 그 말착성을 증가시키는 원소이지만 과도한 첨가 시 자성열화를 일으키므로 0.03 중량% 이하로 설정하였다.

질소(N)는 앞에서 기술한 바와 같이 보론과 질화물을 형성하는 원소이기 때문에 간접적으로 페라이트변태와 연관을 지니게 되므로 0.002 중량% 이하로 하였다.

본 발명에서는 상기와 같은 조성범위를 만족하도록 알루미늄 킬드강을 조성한 후, 복합조직강을 제조하기 위해 다음과 같은 조건을 만족하도록 열간압연을 실시하였다.

전술된 조성으로 용해된 강을 1,100~1,200^oC 온도범위에서 균질화처리한다. 이 처리과정에서 연주시 생성된 조직을 재처리 시켜 열연공정에 적합한 내부조직으로 변화시키며 또한 고온에서 생성되는 황화합물을 형성시킨다.

전술된 바와 같이, 균질화처리 후 강은 열간압연을 통해 원하는 두께로 압연되는데 복합조직강을 제조하기 위해서는 상기 성분범위의 강의 변태온도와 압연온도가 적절히 조절되어야 한다. 도 2에 보인 바와 같이 변태가 일어나기 전엔 오스테나이트 역에서 압연(도 3a)이 된다면 통상의 강판과 같은 균일한 단일조직이 얻어지며 변태, 발생한 후 페라이트 역에서 압연(도 3b)된다면 재결정이 완전히 일어나지 않은 페라이트 변형조직이 얻어진다.

이러한 과정에서 열간압연 마지막 압연과정이 변태온도 직전에서 시작되고 롤 사이의 압연 시 변태가 발생하면 도 2의 경우와 다른 조직이 나타나게 된다.

즉, 압연롤 틈에서 소재에 많은 변형 및 온도구배가 생기게 되고 이 온도구배를 따라 변태조직이 순간적으로 성장하여 복합조직강 제조가 가능하다. 이를 위 해서는 온도가 낮은 롤과 높은 온도인 소재간의 충분한 열전달을 위한 열연압연 조건이 필요하며 야금학적으로는 온도구배가 존재하는 시간동안에 충분한 변태조직의 성장이 이루어질 수 있는 성분계가 전제되어야 한다. 열간압연 조건의 측면에서는 압연개시 온도가 오스테나이트 변태 직상에서 이루어져야 하며 적정한 온도구배를 위해 45% 이상의 열연압하율로 롤과 소재의 접촉면적이 증대되는 조건이어야 한다. 온도가 높은 소재와 온도가 낮은 롤과의 열전달은 기본적으로 접촉면적에 의존한다. 실제적인 접촉면적은 압하율에 의존하는 함수로서 압하율이 증대될수록 실접촉면적이 증가되어 소재에서 롤로의 열전달이 용이해 진다.

아하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

실시예

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 강의 슬라브를 1,200^oC 의 온도로 2 시간 유지한 후 열간압연을 실시하였다. 이 때 열간 마무리 압연온도는 각 강종의 변태온도 직전에서 실시하여 마지막 압연롤 사이에서 변태가 발생하도록 유도하였다. 열간압연후 권취된 열연강판은 700 ^oC 온도로 권취하여 공냉을 실시하였다.

여기서, 질소(N)는 0.002 중량%이고 잔량은 철(Fe)이며 단위는 중량%이다.

이와 같이 압연된 강종에 대한 압연 전(도 4)과 압연 후(도 5)의 미세조직을 도 3과 4에 나타내었다. 도 4에서 볼 수 있듯이 초기 재가열후의 조직은 균일한 조대한 결정립으로 구성되어있으며 도 5는 열간압연후 미세조직은 변형과 재결정 그리고 변태에 의해 완전히 다른 조직상태로 바뀜을 알 수 있다.

발명강 1 내지 4의 경우는 도 5에서 볼 수 있듯이 표면과 중심부에 미세한 페라이트로 구성되고, 표면과 중심부 사이에는 두께방향의 타원형 결정립이 형성된 복합조직강의 형태로 되어있다. 이의 형성은 롤 사이에 존재하는 온도구배에 따라 변태조직이 순간적으로 성장했기 때문이며 이를 위해서는 변태조직의 이동속도가 빠른 성분계의 강이 요구된다.

이러한 성분계가 만족되지 않으면 복합조직강이 제조되지 않는데 비교강 5 및 6에서 볼 수 있듯이 고용된 보론이나 과도한 규소가 함유됨에 따라 변태입계가 쉽게 성장하지 못하게 된다.

도 6은 압연시 강 시편에 열전대를 삽입하여 측정한 마지막 압연시 온도이력을 나타내었다. 변태온도(890^oC) 직전에서 압연이 개시되었으며 변태가 롤사이, 즉 압연도중에 발생했음을 보여준다. 따라서 압연롤 사이에서의 온도구배는 복합조직강을 제조하는 데 중요한 변수이며 이를 위해서는 45% 이상의 압연량이 필요하다. 그 이유로는 롤사이에 위치하는 소재의 내부의 온도구배가 상대적으로 낮은 온도인 롤과 소재와의 접촉에 의한 열 전달에 기인하기 때문이다.

금속과 금속 사이의 열전달 현상은 기본적인 열적상수 이외에 접촉면적에 비례하는데 압하량이 많을수록 접촉량이 증가하여 고온 상태의 소재로부터 저온상태인 롤로의 열이 전달되게 된다. 이때 필연적으로 온도구배가 생기게 되며 이는 압하량의 함수이다. 따라서, 압연전의 두께가 너무 얇게 되면 시편으로부터 롤로의 열전달에 의해 시편이 급냉되어서 요구되는 온도구배를 얻을 수 없게 되기 때문에 일정한 범위의 시편이 두께가 요구된다.

이는 시편이 가지는 열량과 관련되는 문제로서 실험실적 확인결과 5 내지 7mm 두께가 최종 압연전 되어야 한다. 이러한 조건에서 측정된 열이력과 비교시 압연 중 냉각속도를 계산해 보면 800 내지 1,100^oC/sec가 되는 조건에서 복합조직강이 생성되었다.

이러한 냉각속도는 압연시 온도감소(DT)와 접촉시간(tc)의 비, (DT/tc)로 계산되어지는데 롤과의 짧은 접촉시간(~0.06sec)에 의해 압연중 60 ^oC 정도의 온도감 소에도 ~1,000 ^oC 정도의 냉각속도가 얻어진다.

이와 같은 롤에 의한 냉각효과가 소재내부까지 영향을 미치는 조건을 만족하기 위해서는 압연전 소재의 두께가 중요한 고려대상이다. 만일 소재가 충분히 두꺼운 경우 롤에 의한 냉각은 표층부에만 국한 될 것이고 원하는 복합조직을 얻지 못하게 될 것이다. 따라서 압연전 5 내지 7mm 범위의 시편 두께 확보가 요구된다. 한편, 50%가 넘어가는 압하량은 실제 열연작업성을 해치므로 상한선으로 제한하였다.

한편, 도 7은 발명강의 대표적인 기계적인 특성을 나타내었는데 매우 낮은 항복강도와 30% 이상의 연신율을 나타내어 부품성형성이 확보될 수 있음을 보여준다.

도 8은 발명강의 자기적 특성을 나타낸 것으로 기존 프레임재 대비 동등이상의 자기적 성질을 보여주며 이는 표층부와 중심부의 미세한 페라이트 조직 그리고 표층과 중심부 사이에 위치하는 두께 방향으로 성장된 복합조직강이 갖는 특성이다.

이상에서 설명된 본 발명은 일실시예에 한정되어 설명되었지만, 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 분야의 통상적인 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있는 정도의 변형은 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것임은 자명하다.

이상의 구성을 갖는 본 발명은 열연강판 성분 및 제조공정을 적절히 조절하 여 기계적 특성을 만족하고 마스크 프레임(mask frame)과 같이 자기적 특성을 동시에 만족하도록 열연강판의 조직을 강판두께 방향으로 조절시켜 복합특성이 요구되는 부품을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. C : 0.0020 중량% 이하와, Mn : 0.20 내지 0.30 중량%와, S : 0.01 중량% 이하와, P : 0.01 내지 0.02 중량%와, Si : 0.02 중량% 이하와, B : 0.006 중량% 이하와, Al : 0.01 내지 0.02 중량%와, Cr : 0.03 중량% 이하와, N : 0.002 중량% 이하 및 잔량으로 철(Fe)을 함유하되,

   상기 성분범위내에서 열간압연 개시는 1200℃의 온도로 일정시간 유지한 후 변태온도(890℃) 직전에 실시되고, 최종압연 전의 강판두께가 5 내지 7mm이고, 열간압연 압하율이 45 내지 50% 범위에 있고, 압연중 냉각속도가 800 내지 1,100^oC/sec인 것을 특징으로 하는 복합조직 열연강판 제조방법.

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