KR100946066B1 - 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법 - Google Patents

자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 화학성분 중량비로 탄소 0.15 ~ 0.2%, 실리콘 0.3 ~ 0.8%, 망간 1.8 ~ 2.5%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 몰리브덴 0.1 ~ 0.4%, 니오븀 0.03 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.005% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 550 ~ 650oC에서 열연권취하는 단계; 이 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A3 온도 이상에서 연속소둔하는 단계; 및 이 강판을 600 ~ 700oC까지 1차 서냉을 실시하고 2차로 350 ~ 300oC까지 -10 ~ -50oC/sec의 냉각속도로 급냉한 다음 350 ~ 250oC 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법이 제공된다.
본 발명은 항복강도가 높고 굽힘 가공성이 우수하여 롤 가공과 같은 굽힘 가공을 주로 받는 자동차 범퍼 보강재에 적용할 수 있는 초고강도 냉연강판을 제조할 수 있도록 한다.
자동차 범퍼 보강재, 초고강도 냉연강판, 항복강도, 인장강도, 굽힘 가공성, 권취온도, 과시효 온도, 최소 굽힘반경

Description

자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법{Method for Manufacturing Ultra High Strength Cold-rolled Steel Sheets for Automotive Bumper Reinforcements}
도 1은 권취온도에 따른 발명강의 가장자리 균열이 발생하는 최대 압하율을 나타내는 그래프
도 2는 과시효 온도에 따른 발명강의 기계적 성질 변화를 나타내는 그래프
도 3은 과시효 온도에 따른 발명강의 최소 굽힘반경을 나타내는 그래프
본 발명은 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속소둔설비의 급속 냉각대에서 특별한 설비보강 없이도저탄소 알루미늄킬드강에 첨가되는 원소들의 첨가량 및 첨가비를 적절하게 조절함으로써 항복강도가 높고 굽힘 가공성이 우수한 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래 자동차 범퍼 보강재용 고강도강은 다량의 합금원소를 함유한 저탄소강을 연속소둔설비를 이용하여 제조하여 왔으며, 강판의 미세조직 중에 석출물과 베 이나이트, 잔류오스테나이트와 같은 다양한 상을 많이 생성시켜 가공성을 높여 왔다. 하지만, 이러한 강판은 가공성은 높지만 합금원소의 높은 첨가로 인해 용접성이 떨어지는 단점이 있었고 용접성이 나빠지면 강판을 생산하기 위한 제조공정에서 코일과 코일의 연결이 어렵기 때문에 작업성이 떨어질 뿐만 아니라 연속소둔설비와 같은 특정 공정에서는 제조가 불가능하였다. 합금원소를 절감하기 위해 수냉 급냉을 하고 다시 뜨임(tempering) 처리 또는 과시효(overaging) 처리를 하여 초고강도강을 제조하고 있으나 이 경우 뜨임 온도가 너무 낮으면 강판의 굽힘 가공성에 나쁜 영향을 미치는 탄화물이 다량 석출되어 강판의 굽힘 가공성이 저하되어 롤 가공용으로는 적용할 수 없고, 뜨임 온도를 증가시키면 급냉효과가 없어지고 강판의 강도가 급격히 감소하는 단점이 있다.
또한, 종래 자동차 범퍼 보강재로 적용되는 초고강도 냉연강판은 연속소둔설비와 수냉설비를 갖추고 수냉과 저온 과시효를 통하여 제조하여 왔다. 이 경우 굽힘 가공성이 낮고 수냉이라는 급속 냉각설비와 수냉 후 표면산세를 필요로 하기 때문에 제조원가가 높은 문제점이 있었다. 그리고, 기존의 연속소둔설비에서 일반재와 같은 방법으로 제조할 경우에는 합금원소가 매우 높아 용접성이 나쁘기 때문에 실제 라인에서 생산하기가 매우 어려웠다.
본 발명은 초고강도강에 첨가되는 합금원소를 크게 저감하여 항복강도가 높고 굽힘 가공성이 우수한 롤 가공용 자동차 범퍼 보강재의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다. 또한, 본 발명은 연속소둔설비의 급속 냉각대에서 특별한 설비보강 없이도 인장강도 120kgf/mm2 이상의 초고강도강을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판을 제조함에 있어서,
화학성분 중량비로 탄소 0.15 ~ 0.2%, 실리콘 0.3 ~ 0.8%, 망간 1.8 ~ 2.5%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 몰리브덴 0.1 ~ 0.4%, 니오븀 0.03 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.005% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 550 ~ 650oC에서 열연권취하는 단계;
상기 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A3 온도 이상에서 연속소둔하는 단계; 및
상기 강판을 600 ~ 700oC까지 1차 서냉을 실시하고 2차로 350 ~ 300oC까지 -10 ~ -50oC/sec의 냉각속도로 급냉한 다음 350 ~ 250oC 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 저탄소 알루미늄킬드강에 망간, 실리콘, 몰리브덴, 니오븀 등의 첨가량을 조절하여 연속소둔 열처리 후 최종적으로 페라이트상에 미량의 베이나이트상과 마르텐사이트상을 분포시켜 인장강도 및 항복강도가 높고 굽힘 가공성이 우수한 초고강도 냉연강판을 제조하는데 그 특징이 있다.
탄소(C)의 양이 0.15중량%(이하, %라고만 함) 미만이면 결정립이 성장할 뿐만 아니라 탄소에 의한 고용강화 효과와 석출강화 효과가 적어지기 때문에 충분한 인장강도를 확보할 수 없다. 그러나, 탄소의 양이 0.20%를 초과하게 되면 인장강도는 증가하지만 가공성이 나빠질 뿐만 아니라 강의 용접성이 급격히 떨어져 연속소둔설비와 같이 연속적으로 작업을 하는 경우 전후 작업코일을 연결하는 용접부에서 판파단이 발생하여 작업성이 크게 떨어진다. 따라서, 탄소의 첨가량은 0.15 ~ 0.20%로 제한하였다.
실리콘(Si)은 고용강화 효과에 의해서 강판의 강도를 향상시키고 페라이트를 청정화하여 강의 연성을 향상시키는 효과가 있다. 그러나, Si의 첨가량이 증가하면 열간압연시 Si산화물이 형성되어 산세성을 나쁘게 할 뿐만 아니라 소둔시 냉연강판에 농화되어 강판의 표면품질을 나쁘게 하고 용접성도 나쁘게 하는 단점이 있다. 따라서, Si의 첨가량은 0.3 ~ 0.8%로 제한하였다.
망간(Mn)은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 지연시키고 오스테나이트에서 페라이트로의 변태온도를 낮추는 효과가 크다. Mn의 첨가량이 1.8% 미만이면 A3 온도가 높아져 오스테나이트 단상역 소둔이 어렵게 되고 그 경우 열연강판의 대 상조직이 그대로 존재하기 때문에 굽힘 가공성이 크게 저하된다. 또한, Mn은 고용강화 효과가 크기 때문에 충분한 인장강도를 확보하기 위해서도 1.8% 이상 첨가되어야 한다. 그러나, Mn 첨가량이 2.5%를 초과하게 되면 경화능이 너무 높아 낮은 냉각속도 하에서도 쉽게 마르텐사이트상이 형성되기 때문에 열연강판에서 마르텐사이트상이 형성되어 냉간압연시 부하를 주고 다량의 마르텐사이트가 형성되면 내지연 파괴현상도 일어난다. 따라서, Mn의 첨가량은 1.8 ~ 2.5%로 제한하였다.
알루미늄(Al)은 강의 탈산을 위해 첨가되는데 Al의 첨가량이 0.02% 미만이면 강중에 산소가 존재하여 제강시 망간, 실리콘 등의 산화물 형성원소가 첨가될 경우 망간산화물, 실리콘산화물 등을 형성하기 때문에 망간, 실리콘 등의 성분제어가 힘들게 된다. 그러나, Al의 양이 0.06%를 초과하게 되면 필요 이상으로 많이 첨가되어 제조원가가 상승하고 강판의 표면결함을 다량 발생시킨다. 따라서, Al의 첨가량은 0.02 ~ 0.06%로 제한하였다.
몰리브덴(Mo)은 경화능을 크게 할 뿐만 강판의 인성을 증가시키기 때문에 높은 충돌에너지 흡수성을 요구하는 강판에 첨가하면 그 효과가 매우 크다. 따라서, 제2상의 형성에 의한 굽힘 가공성 저하를 방지하기 위해서는 Mo이 반드시 첨가되어야만 하며 그 범위는 0.1 ~ 0.4%로 제한하였다. Mo의 첨가량이 0.4%를 초과하게 되면 다량의 마르텐사이트가 생성되기 때문에 다량의 마르텐사이트에 의한 굽힘 가공성의 열화 및 내지연파괴가 발생할 수 있으므로 범퍼 보강재와 같은 충돌흡수 부재에는 적용하기 어렵다.
니오븀(Nb)은 석출경화형 원소로서 강판의 항복강도를 향상시키는 역할을 한 다. 범퍼 보강재와 같은 재료는 가공성과 함께 가공 후 높은 항복강도를 요하고 있으므로 가공 전에도 항복강도가 높아야 한다. 따라서, Nb의 첨가범위는 0.03 ~ 0.06%로 제한하였다. 니오븀의 첨가량이 0.06%를 초과하게 되면 재결정온도가 급격히 상승하여 고온의 소둔에서 완전한 재결정이 일어나지 않기 때문에 강판의 굽힘 가공성이 감소한다.
일반적으로 황(S)과 인(P)은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가범위를 모두 0.02% 이하로 제한하였다. 질소(N)도 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가범위를 0.005% 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 550 ~ 650oC에서 권취하는 열간압연을 실시한다. 열연권취온도가 너무 낮으면 열연강판에서 베이나이트나 마르텐사이트가 생성되어 열연강판의 강도가 상승하여 냉간압연을 어렵게 할 뿐만 아니라 냉간압연시 가장자리에 균열이 발생하여 판파단이 일어난다. 따라서, 열연권취온도를 550oC 이상으로 제한하였다. 반면, 권취온도가 증가하면 열연강판의 강도는 나아지지만 조대한 퍼얼라이트가 형성되어 압연시 가장자리에서 균열이 발생하여 냉간압연시 판파단이 일어난다. 따라서, 열연권취온도를 650oC 이하로 제한 하였다.
열간압연이 끝나면 강판의 형상과 두께를 맞추기 위해 냉간압연을 실시한다. 자동차용 부품은 높은 두께의 균일성을 요구하므로 균일한 두께의 냉간압연판이나 소둔강판으로 제작하여야 한다. 소둔온도가 너무 낮으면 충분한 가공성과 굽힘 가공성을 확보하기 어렵기 때문에 오스테나이트 단상역에서 소둔이 되도록 소둔온도를 A3 온도 이상으로 제한하였다.
A3 온도 이상에서 고온소둔 후 350 ~ 300oC까지 -10 ~ -50oC/sec의 냉각속도로 급냉하고 350 ~ 250oC에서 서냉하면서 1분 이상 유지되도록 한다. 냉각속도를 -10 ~ -50oC/sec로 제한하는 것은 냉각시 미량의 베이나이트가 생성하도록 하기 위함인데, 미량으로 형성된 베이나이트는 마르텐사이트의 분율을 감소시킬 뿐만 아니라 저온에서 형성되는 탄화물의 석출을 억제하기 때문에 굽힘 가공성을 크게 향상시킨다. 이 구간의 냉각속도는 일반적인 연속소둔설비의 설비보강 없이 얻을 수 있는 것이기 때문에 연속소둔설비의 개조 없이도 초고강도강을 제조할 수 있게 된다. 그리고, 급냉한 강판을 350 ~ 250oC 사이에서 서냉으로 1분 이상 유지하는 것은 형성된 마르텐사이트를 풀어줌으로써 가공성을 높이기 위함이다.
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 Nb Mo
1 0.18 0.50 2.20 0.01 0.010 0.047 0.0021 0.045 0.21 발명강
2 0.17 0.50 2.30 0.009 0.011 0.041 0.0025 0.040 0.30 발명강
3 0.16 0.50 2.13 0.011 0.011 0.041 0.0030 0.040 - 비교강
4 0.17 0.50 1.60 0.007 0.009 0.040 0.0031 0.044 - 비교강
5 0.16 - 2.2 0.011 0.011 0.040 0.0025 0.037 0.20 비교강
6 0.08 1.0 2.0 0.08 0.010 0.026 0.0024 0.024 0.20 비교강
7 0.17 0.50 2.2 0.030 0.009 0.043 0.0024 - 0.20 비교강

상기 표 1은 용해된 강의 강괴를 1250oC 가열로에서 1시간 유지한 후 열간압연을 실시하였다. 이 때의 열간압연 마무리 온도는 900oC이고 권취온도는 600oC로 하였다. 다음, 열간압연을 한 강판을 산세하고 냉간압하율 50%로 냉간압연을 실시하였다. 그 다음, 냉간압연된 시편을 소둔온도를 830oC로 하고 과시효 온도를 300oC로 하여 연속소둔을 실시하였다. 연속소둔 후 만능인장시험기를 이용하여 인장시험을 실시하고 V-굽힘시험기를 이용하여 굽힘시 균열이 발생하지 않는 최소 반경을 구하였다.
하기 표 2는 본 발명강과 비교강의 열처리조건 또는 제조조건에 따른 기계적성질의 변화를 나타낸 것이다.
표 2. 발명강과 비교강의 기계적 성질
강 번 제조조건 기계적 성질 비 고
항복강도 (kgf/mm2) 인장강도 (kgf/mm2) 연신율(%) 최소굽힘 반경(mm)
1 연속소둔재 72.5 126.9 10.3 1 발명강
2 연속소둔재 74.3 128.1 10.1 1 발명강
3 연속소둔재 67.3 115.3 10.1 1 비교강
4 연속소둔재 62.5 97.3. 14 1 비교강
5 연속소둔재 62.3 120.3 8.2 3 비교강
6 연속소둔재 59.3 92.3 14.4 0 비교강
7 연속소둔재 56.9 110.2 14.3 1 비교강

상기 표 2에서 발명강인 시료번호 1,2번강은 연속소둔 후 인장시험결과 인장강도 120kgf/mm2이상, 항복강도 70kgf/mm2이상, 연신율 10% 이상인 냉연강판으로 자동차 범퍼의 보강재로서 적절한 재질임을 알 수 있다. 또한, 균열이 발생하지 않는 최소 반경이 1mm 이하로 롤 가공과 같은 굽힘 가공을 받는 제품의 소재 강판으로 적합한 재질이다.
시료번호 3번강은 경화능이 큰 원소인 몰리브덴의 첨가량이 낮기 때문에 충분한 인장강도를 확보하지 못하여 높은 강도를 필요로 하는 자동차 부품의 보강재로는 적합하지 않다.
시료번호 4번강은 경화능이 큰 원소인 망간과 몰리브덴의 첨가량이 낮기 때문에 충분한 인장강도를 확보하지 못하여 높은 강도를 필요로 하는 자동차 부품의 보강재로는 적합하지 않다.
시료번호 5번강은 강중에 실리콘의 첨가량이 적기 때문에 충분한 강도와 연성을 확보할 수 없고 균열이 나타나는 최소 굽힘반경도 높아 롤 가공용 재료로는 적합하지 않다.
시료번호 6번강은 가공성은 매우 좋지만 강도가 낮기 때문에 높은 강도를 필요로 하는 자동차 부품의 보강재로는 적합하지 않다.
시료번호 7번강은 항복강도를 향상시키는 석출물 형성 원소인 니오븀이 첨가되지 않았기 때문에 항복강도가 낮아 보강재용 재료로는 적합하지 않다.
도 1은 상기 시료번호 1번강인 발명강을 이용하여 권취온도의 변화에 따른 압연시 가장자리에서 균열이 발생하는 최대 압하율의 변화를 나타낸 그래프이다. 권취온도 600oC에서는 80% 이상 압연을 실시할 경우에만 강판에 균열이 발생하지만 권취온도 700oC 이상에서는 낮은 압하율에서도 강판의 가장자리에서 쉽게 균열이 발생되는 것을 알 수 있다. 따라서, 열연강판의 권취온도를 550 ~ 650oC로 제한하면 초고강도강의 가장자리에서 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 과시효 온도에 따른 상기 시료번호 1번강인 발명강의 기계적 성질의 변화를 나타낸 그래프이고 도 3은 과시효 온도에 따른 상기 강의 굽힘 가공시 균열이 발생하는 최소 굽힘반경을 나타낸 그래프이다. 도 2에서 냉연강판의 인장강도는 과시효 온도가 300oC 이하가 되면 급격히 증가하여 120kgf/mm2 이상 확보할 수 있고, 이 때 도 3에서와 같이 최소 굽힘반경이 1 이하로서 굽힘 가공성도 우수하다. 그러나, 과시효 온도가 너무 높은 경우 굽힘 가공성은 우수하지만 인장강도가 낮기 때문에 보강재용 소재로 적합하지 않다. 한편, 과시효 온도가 200oC 이하가 되면 인장강도는 증가하지만 최소 굽힘반경이 급격히 증가하기 때문에 롤 가공용 소재로 사용할 수 없다. 따라서, 적절한 과시효 온도는 250 ~ 350oC로 제한하였다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연속소둔설비의 급속 냉각대에서 특별한 설비보강 없이 저탄소 알루미늄킬드강에 첨가되는 합금원소를 크게 저감하여 항복강도가 높고 굽힘 가공성이 우수하여 롤 가공이 가능한 자동차 범퍼 보강재를 제조할 수 있다.

Claims (1)

  1. 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판을 제조함에 있어서,
    화학성분 중량비로 탄소 0.15 ~ 0.2%, 실리콘 0.3 ~ 0.8%, 망간 1.8 ~ 2.5%, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 몰리브덴 0.21 ~ 0.4%, 니오븀 0.04 ~ 0.06%, 황 0.02% 이하, 인 0.02% 이하, 질소 0.005% 이하를 첨가하고 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 Ar3 변태점 직상인 850 ~ 950oC에서 마무리 열간압연한 다음 550 ~ 650oC에서 열연권취하는 단계;
    상기 강판을 30 ~ 80%의 냉간압하율로 냉간압연한 다음 A3 온도 이상에서 연속소둔하는 단계; 및
    상기 강판을 600 ~ 700oC까지 1차 서냉을 실시하고 2차로 350 ~ 300oC까지 -10 ~ -50oC/sec의 냉각속도로 급냉한 다음 350 ~ 250oC 사이에서 서냉하면서 1분 이상 유지하는 단계를 포함하는 자동차 범퍼 보강재용 초고강도 냉연강판 제조방법
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