KR100946065B1 - 자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법 - Google Patents

자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 외판용 초고강도 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 화학성분 중량비로 탄소 0.05 ~ 0.15%, 망간 1.2 ~ 1.8%, 실리콘 0.7 ~ 1.3%, 보론 0.003 ~ 0.007%, 몰리브덴 0.05 ~ 0.3%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.004% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 400 ~ 600o C에서 열연권취하는 단계; 이 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A1과 A3 사이의 2상역에서 소둔하는 단계; 및 이 강판을 700 ~ 620oC까지 -1oC/sec ~ -7oC/sec의 속도로 1차 서냉을 실시하고 2차로 450 ~ 350oC까지 -10oC/sec 이상의 속도로 급냉한 다음 450 ~ 350oC 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법이 제공된다.
본 발명은 인장강도가 높은 대신 항복강도가 낮지만 열경화 지수가 높고 균일 연신율이 우수하여 낮은 연신 변형을 주로 받는 자동차 외판용 재료로 사용할 수 있는 초고강도 냉연강판을 제조할 수 있도록 한다.
자동차 외판, 초고강도 냉연강판, 인장강도, 항복강도, 열경화 지수, 균일 연신율, 연신 변형, 내덴트성, 가공성

Description

자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법{Method for Manufacturing Ultra High Strength Cold-rolled Steel Sheets for Automotive Outer Panels}
도 1은 발명강과 비교강의 열경화 지수 차이를 나타내는 그래프
본 발명은 자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저탄소 알루미늄킬드강에 첨가되는 원소들의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절함으로써 인장강도가 높은 대신 항복강도가 낮지만 열경화 지수가 높고 균일 연신율이 우수하여 낮은 연신 변형을 받는 자동차의 문, 후드, 트렁크 등의 외판용 재료에 적용할 수 있는 초고강도 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
자동차 외판용 냉연강판은 가공성이 우수하여야 할 뿐 아니라 내덴트(dent)성이 높아야 한다. 특히, 낮은 변형을 받는 부분에서는 연신 변형이 우수하여야 하고 심가공을 받는 부품에서는 심가공성이 우수하여야 한다. 종래 자동차의 문, 후드, 트렁크 등의 외판에 사용되는 강은 인장강도 35 ~ 40kgf/mm2급 심가공용 고강도 냉연강판 또는 35kgf/mm2급 열경화형 냉연강판(BH강)이었다. 이들 강은 극저탄소강 에 망간, 인 등을 첨가하고 티타늄 또는 니오븀 등의 첨가량을 적절하게 조절하여 연속소둔설비를 통해 제조하여 왔다. 이 경우 강판의 항복강도가 낮아 가공성은 우수하지만 자동차 사에서 가공 및 도장 후 건조 공정에서 강판의 항복강도가 3 ~ 4 kgf/mm2 밖에 증가하지 않기 때문에 내덴트성이 그리 높지 않다. 따라서, 상기 극저탄소강을 자동차 외판에 적용하는 경우에는 경량화 효과도 낮고 내덴트 특성도 크게 향상시키지는 못한다.
최근에는 강판에 소량의 마르텐사이트를 함유하는 저탄소 복합조직강을 자동차 외판에 적용하고는 있으나, 이 강종은 가공성이 낮기 때문에 복잡하게 가공되는 외판 부분에서는 적용하기 어려운 단점이 있다. 그리고, 열경화 지수도 높지 않기 때문에 내덴트성이 좋지 않은 문제점이 있다.
본 발명은 저탄소 알루미늄킬드강에 망간, 실리콘, 인, 몰리브덴 등의 첨가량을 적절히 조절하여 다량의 페라이트와 소량의 마르텐사이트 그리고 잔류오스테나이트가 동시에 형성되도록 열처리함으로써 강판의 항복강도를 감소시켜 가공성을 높이고, 또한 균일 연신율을 향상시켜 자동차의 문, 후드, 트렁크 등 연신 변형을 많이 받는 부품이나 복잡한 형상을 갖는 부품에 적용할 수 있는 초고강도 냉연강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 자동차 외판용 초고강도 냉연강판을 제조함에 있어서,
중량비로 탄소 0.05 ~ 0.15%, 망간 1.2 ~ 1.8%, 실리콘 0.7 ~ 1.3%, 보론 0.003 ~ 0.007%, 몰리브덴 0.05 ~ 0.3%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.004% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 400 ~ 600oC에서 열연권취하는 단계;
상기 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A1과 A3 사이의 2상역에서 소둔하는 단계; 및
상기 강판을 700 ~ 620oC까지 -1oC/sec ~ -7oC/sec의 속도로 1차 서냉을 실시하고 2차로 450 ~ 350oC까지 -10oC/sec 이상의 속도로 급냉한 다음 450 ~ 350o C 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
탄소(C)는 2상역 소둔시 오스테나이트상에 농화되어 서냉 및 급냉 후에도 오스테나이트 상이 변하지 않도록 하는 효과가 있고 그 자체의 강화효과도 있기 때문에 첨가된다. 탄소의 양이 0.05 중량%(이하, 전부 %라고만 함.) 미만이면 결정립이 성장할 뿐만 아니라 탄소에 의한 고용강화 효과와 석출강화 효과가 적기 때문에 충 분한 인장강도를 확보할 수 없다. 그리고, 통상적인 연속소둔 공정에서는 제2상을 형성하기 어렵기 때문에 탄소의 양은 0.05% 이상이 되어야 한다. 그러나, 탄소의 양이 0.15%을 초과하게 되면 항복강도 및 인장강도가 증가하고 가공성이 나빠지기 때문에 탄소의 상한 첨가량을 0.15%로 하였다. 따라서, 탄소의 첨가량은 0.05 ~ 0.15%로 제한하였다.
망간(Mn)은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 지연시키고 오스테나이트에서 페라이트로의 변태온도를 낮추는 효과가 크기 때문에 첨가량이 적절히 조절되어야 한다. 망간의 첨가량이 1.2% 미만이면 오스테나이트에서 퍼얼라이트로의 변태를 충분히 억제하지 못하여 강판의 최종 조직에서 마르텐사이트나 오스테나이트상과 같은 제2상을 충분히 확보하기 어렵기 때문에 강의 항복강도가 높고 연신율이 낮아 가공성이 낮아진다. 그리고, 망간은 고용강화 효과가 크기 때문에 충분한 인장강도를 확보하기 위해서는 1.2% 이상 첨가하여야 한다. 하지만, 망간 첨가량이 1.8%를 초과하게 되면 경화능이 너무 높아 강의 강도가 크게 증가하기 때문에 가공성이 감소한다. 따라서, 망간의 첨가량은 1.2 ~ 1.8%로 제한하였다.
실리콘(Si)은 고용강화 효과에 의해서 강판의 강도를 향상시키고 페라이트를 청정화하여 강의 연성을 향상시키는 효과가 있다. 따라서, Si의 하한 첨가량은 0.7%로 제한하였다. 그러나, Si의 첨가량이 증가하면 열간압연시 Si산화물이 존재하여 산세성을 나쁘게 할 뿐만 아니라 소둔시 강판의 표면산화에 의해서 강판의 표면품질이 나빠지는 단점이 있다. 따라서, Si의 상한 첨가량은 1.3%로 제한하였다.
보론(B)은 열연단계에서 강중에 존재하는 질소와 결합하여 BN화합물을 형성 하는데 이 경우 강의 결정립 크기를 조대화하여 냉연강판의 가공성을 크게 향상시킨다. 그리고, 잉여로 존재하는 보론은 오스테나이트에서 퍼얼라이트로 변태를 억제하기 때문에 강의 경화능을 향상시켜 항복강도를 저하시키고 인장강도를 상승시키는 장점이 있다. 따라서, 보론의 첨가량은 강중에 존재하는 질소와 결합할 수 있는 0.003% 이상이어야 한다. 보론의 첨가량이 너무 많으면 결정립 성장을 억제하여 강판의 가공성을 감소시키므로 상한 첨가량을 0.007%로 제한하였다.
몰리브덴(Mo)은 강의 경화능을 크게 하기 때문에 인장강도는 증가시키지만 항복강도는 감소시키는 효과가 있어 자동차 외판과 같이 변형이 적은 부품에서의 가공에 매우 유리한 장점이 있다. 따라서, 강도향상과 가공성 확보를 위해서는 몰리브덴의 첨가가 필요하며 그 하한 첨가량은 0.05%로 하였다. 반면, 몰리브덴의 첨가량이 0.3%를 초과하게 되면 다량의 마르텐사이트가 생성되고 마르텐사이트에 의한 강도의 상승으로 가공성이 감소하기 대문에 그 상한 첨가량은 0.3%로 제한하였다.
알루미늄(Al)은 강의 탈산을 위하여 첨가되는데 알루미늄의 첨가량이 0.02% 미만이면 강중에 산소가 존재하여 제강시 망간, 실리콘, 보론, 몰리브덴 등의 산화물 형성원소가 첨가될 경우 망간산화물, 실리콘산화물, 보론산화물, 몰리브덴산화물 등을 형성하기 때문에 망간, 실리콘, 보론, 몰리브덴 등의 성분제어가 힘들게 된다. 그리고, 알루미늄의 양이 0.06%를 초과하게 되면 필요 이상이어서 제조원가가 상승하고 강판의 표면결함을 다량 발생시키므로 그 상한 첨가량은 0.06%로 제한하였다.
일반적으로 황(S)과 인(P)은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가범위를 각각 0.02% 이하로 제한하였다. 질소(N) 역시 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로서 보론과 결함하기 때문에 그 첨가량이 많으면 B의 첨가효과가 감소하므로 그 첨가량을 0.004% 이하로 제한하였다.
상기와 같은 조성으로 용해된 강을 통상의 조건과 유사하게 1050 ~ 1300oC 정도에서 균질화 처리를 실시하고, 균질화 처리가 끝난 시편은 Ar3 온도 직상인 850 ~ 950oC 범위에서 통상의 조건으로 마무리 열간압연을 실시하고, 400 ~ 600oC에서 권취하는 열간압연을 실시한다. 열연권취온도가 너무 낮으면 열연강판에서 베이나이트나 마르텐사이트가 생성되어 열연강판의 강도가 상승하고 형상이 나빠지기 때문에 냉간압연을 어렵게 한다. 따라서, 열연권취온도는 400oC 이상으로 제한하였다. 반면, 열연권취온도가 너무 높으면 열연강판에 조대한 퍼얼라이트가 형성되어 소둔과정에서 재용해가 잘 일어나지 않기 때문에 균일한 조직의 소둔강판을 얻을 수 없고 결국 냉연강판의 가공성을 감소시킨다. 따라서, 열연권취온도 상한은 600oC로 제한하였다.
열간압연이 끝나면 강판 형상과 두께를 맞추기 위해서 냉간압연을 실시한다. 자동차용 부품은 높은 두께의 균일성이 요구되므로 균일한 두께의 냉간압연판이나 소둔강판으로 제작하여야 한다. 소둔온도가 너무 낮으면 충분한 가공성을 확보하기 어렵고 저온에서 오스테나이트상을 유지할 수 있을 만큼 탄소가 충분히 농화되지 않기 때문에 오스테나이트와 페라이트 2상역에서 소둔이 되도록 소둔온도를 800oC 이상으로 제한하였다. 또한, 충분한 가공성을 확보하기 위해 열간압연단계에서 형성된 퍼얼라이트를 완전히 재용해시켜 냉각중 제2상이 균일하게 분포하도록 하기 위해서도 800oC 이상의 고온소둔이 필요하다.
800oC 이상에서 고온소둔 후 620 ~ 700oC까지 서냉이 필요하다. 이 때의 냉각속도는 -1oC/sec ~ -7oC/sec사이에서 유지되어야 충분한 양의 페라이트를 확보할 수 있어 가공성을 증가시킨다. 상기 온도에서 450 ~ 350oC까지 -10oC/sec 이상의 속도로 급냉하고, 450 ~ 350oC 범위에서 서냉하면서 1분 이상 유지한다. 이 온도에서 1분 이상 유지하는 것은 잔류된 오스테나이트를 베이나이트로 변태시키고 미량의 잔류오스테나이트와 마르텐사이트를 확보하기 위해서이다. 미량으로 형성된 잔류오스테나이트와 마르텐사이트는 항복강도를 감소시키고 인장강도를 증가시키며 균일 연신율을 증가시키는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
(실시예)
하기 표 1은 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것이다.
표 1. 발명강과 비교강의 화학성분
강 번 화학성분 비고
C Si Mn P S Al N B/Mo/Ti
1 0.079 1.00 1.50 0.011 0.010 0.043 0.0021 0.0051B 발명깅
2 0.080 0.98 1.52 0.008 0.005 0.043 0.0022 0.0043B 발명강
3 0.10 0.99 1.43 0.010 0.011 0.043 0.0025 0.0055B 발명강
4 0.079 1.00 1.50 0.011 0.011 0.053 0.0021 0.020Mo 발명강
5 0.079 1.10 1.52 0.010 0.012 0.040 0.0022 0.040Mo 비교강
6 0.085 1.01 1.54 0.012 0.012 0.059 0.0028 - 비교강
7 0.082 0.50 2.03 0.074 0.011 0.030 0.0029 - 비교강
8 0.082 0.80 2.08 0.077 0.009 0.027 0.0025 - 비교강
9 0.021 1.00 1.48 0.009 0.012 0.033 0.0022 비교강
10 0.190 1.55 1.48 0.009 0.012 0.033 0.0022 비교강
11 0.08 1.0 1.53 0.011 0.010 0.043 0.0031 0.040Ti 비교강

상기 용해된 강의 강괴를 1250oC 가열로에서 1시간 유지한 후 열간압연을 실시하였다. 이 때의 열간압연 마무리 온도는 900oC이고 권취온도는 600oC로 하였다. 다음, 냉간압하율을 50%로 하여 냉간압연을 실시하였다. 그 다음, 냉간압연된 시편을 소둔온도를 830oC로 하고 서냉대 냉각속도를 -3oC/sec, 급냉대 냉각속도를 -30oC/sec로 하여 연속소둔을 실시하였다. 이 때의 과시효온도는 400oC로 하였다.
연속소둔이 끝난 시편은 만능인장시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였으며, 하기 표 2는 본 발명강과 비교강의 열처리조건 또는 제조조건에 따른 기계적 성질의 변화를 나타낸 것이다.

표 2. 발명강과 비교강의 기계적 성질
강 번 기계적 성질 비 고
항복강도 (kgf/mm2) 인장강도 (kgf/mm2) 균일연신율(%) 연신율(%) 항복점 연신율(%) 시효지수 (kgf/mm2)
1 37.0 56.1 24.5 35.9 0 2.2 발명강
2 39.2 53.6 24.5 37.6 1.3 2.3 발명강
3 36.4 57.5 25.3 35.02 1.0 2.2 발명강
4 35.7 58.2 23.2 33.5 0.2 2.8 발명강
5 34.3 60.1 18.4 29.0 0 2.8 비교강
6 43.3 55.0 19.3 30.9 3.5 3.3 비교강
7 42.2 66.8 16.3 27.0 0 2.5 비교강
8 40.3 68.4 15.7 26.4 0 2.3 비교강
9 40.2 45.3 20.1 34.1 4.2 4.2 비교강
10 45.3 75.2 15.3 30.3 0 2.8 비교강
11 52.1 62.7 14.5 24.3 2.3 3.5 비교강

상기 표2에서 시효지수는 7.5% 예비변형(prestrain) 후 100oC에서 1시간 유지한 후 항복강도 변화를 측정한 값이다. 본 발명강인 시료번호 1 내지 4번강은 인장강도 50kgf/mm2 이상, 연신율 30% 이상, 항복점 연신율 2% 이하, 시효지수 3kgf/mm2 이하로서 고강도강이면서도 연성이 우수하고, 특히 균일 연신율이 높고 시효지수가 낮은 특성을 보여주고 있다. 즉, 인장강도에 비해서 항복강도가 낮고, 연성 특히 균일 연신율이 높기 때문에 자동차 외판과 같은 낮은 변형을 갖는 프레스가공 부품에 적용할 수 있다. 항복점 연신율이 3% 이하가 되면 스킨패스(skin pass) 압연을 실시하면 시효에 의한 가공 후 표면불량을 방지할 수 있다.
시료번호 5번강은 몰리브덴의 첨가량이 높기 때문에 인장강도는 증가하지만 강의 연성이 감소하기 때문에 비교적 복잡한 형상의 자동차 외판용 재료로는 적용 할 수 없다.
시료번호 6번강은 보론이나 몰리브덴이 첨가되지 않았기 때문에 연성은 높지만 시효지수가 높은 특징이 있어 자동차용 외판재로는 적용하기 어렵다.
시료번호 7번강은 실리콘의 첨가량이 낮기 때문에 실리콘/탄소의 비가 낮다. 따라서, 소둔과정에서 페라이트의 청정화가 충분하게 일어나지 않기 때문에 연성이 매우 낮다.
시료번호 8번강은 강중에 실리콘의 첨가량은 많지만 탄소의 첨가량이 높기 때문에 실리콘/망간 비가 낮다. 따라서, 소둔공정중에서 실리콘에 의한 페라이트의 청정화가 어렵기 때문에 연신율이 높지 않고 강도만 증가한 것이다.
시료번호 9번강은 첨가된 탄소의 양이 적기 때문에 소둔시 제2상을 확보하기 어렵기 때문에 제2상으로의 탄소의 농화가 일어나지 않는다. 그 결과, 강중에 탄소의 농도가 증가하여 페라이트상이 강화됨으로써 연성이 감소한다.
시료번호 10번강은 탄소의 함량이 너무 높아 재질 확보는 가능하지만 용접성이 나쁘기 때문에 자동차 외판용 재료로 적용하기 어려운 단점이 있다.
시료번호 11번강은 실리콘의 첨가량이 높지만 석출물 형성원소인 티타늄이 첨가되어 강중에 티타늄 석출물이 형성되어 연성을 크게 감소시키다.
도 1은 발명강의 열경화 지수(BH)를 일반적으로 생산되는 복합조직형 고강도 냉연강판(DP강) 및 석출경화형 고강도 냉연강판의 그것과 비교하여 나타낸 그래프로서, 발명강은 상기 표 1과 2의 강번 1, 비교강1은 일반적으로 생산되는 복합조직강, 비교강2는 일반적으로 생산되는 석출경화형 고강도강이고, 열경화 지수(BH)는 각각의 예비변형 후 170oC에서 20분간 유지한 후 강도변화를 측정한 값이다. 상기 도 1을 통해 발명강의 열경화 지수가 비교강들에 비해 2kgf/mm2이상 높다는 것을 알 수 있으며 이것은 발명강의 내덴트성이 우수하다는 것을 보여준다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 저탄소 알루미늄킬드강에 탄소, 망간, 실리콘 등을 첨가하고 특수 원소인 보론 또는 몰리브덴 등의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절하여 압연을 가함으로써 인장강도가 높은 대신 항복강도가 낮지만 열경화 지수가 높고 균일 연신율이 우수하여 낮은 연신 변형을 주로 받는 자동차 외판용 재료로 사용할 수 있는 초고강도 냉연강판을 제조할 수 있도록 한다.

Claims (1)

  1. 자동차 외판용 초고강도 냉연강판을 제조함에 있어서,
    중량비로 탄소 0.05 ~ 0.15%, 망간 1.2 ~ 1.8%, 실리콘 0.7 ~ 1.3%, 보론 0.0043 ~ 0.007%, 몰리브덴 0.05 ~ 0.3%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.004% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 400 ~ 600oC에서 열연권취하는 단계;
    상기 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A1과 A3 사이의 2상역에서 소둔하는 단계; 및
    상기 강판을 700 ~ 620oC까지 -1oC/sec ~ -7oC/sec의 속도로 1차 서냉을 실시하고 2차로 450 ~ 350oC까지 -10oC/sec 이상의 속도로 급냉한 다음 450 ~ 350oC 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 외판용 초고강도 냉연강판 제조방법
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