KR100957975B1

KR100957975B1 - 피로특성이 우수한 고망간형 고강도강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100957975B1
Application number: KR1020070138530A
Authority: KR
Inventors: 강수창; 서민홍; 김광천; 원민희
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2010-05-17
Also published as: KR20090070501A

Abstract

본 발명은 C: 0.3~0.85%, Mn: 15~25%, Si: 0.1~0.5%, Al: 0.1~4.0%, Cr: 0.9% 이하, 상기 Al과 Al × N < 0.013의 관계를 만족하는 N, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강을 제공하기 위한 것으로, 이를 위하여 출강 후 Al을 제외한 합금원소들을 LF(Ladle Furnace) 또는 전로(전기로)의 용강 내에 미리 장입하고 상기 용강을 진공 처리 설비로 이송한 후 불활성 분위기를 형성한 후에 Al을 장입하는 방법으로 AlN의 양을 제어할 수 있는 고망간형 고강도강을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고강도 특성을 가지며 동시에 개재물 및 석출물을 최소화함으로써 피로특성이 우수한 자동차용 고강도 고망간강을 제공할 수 있다.

고망간강, AlN, 피로특성, 오스테나이트, Ladle Furnace, VTD

Description

피로특성이 우수한 고망간형 고강도강 및 그 제조방법{ High Manganese High Strength Steel Sheets with Excellent Fatigue Resistance and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 고강도 및 우수한 피로 특성을 갖는 고망간강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차용 차량 경량화를 위해 피로 및 내구 특성을 석출물 및 개재물의 미세 제어에 의하여 강화시킨 고강도 자동차용 고망간강에 관한 것이다.

자동차용 강판 분야에서는 일반적으로 높은 성형성과 동시에 우수한 강도를 가진 강재를 필요로 한다. 또한, 자동차용 강판은 차체의 중량을 경감시켜 연료 효율이 좋도록 충분히 얇은 두께를 가질 것이 요구된다.

이러한 자동차용 강판의 성형성과 강도를 유지하면서 그 중량을 경감하는 것은 자칫하면 강재의 피로 및 내구특성의 저하로 이어져 차체의 안정성 측면에서 심각한 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 약 480MPa 미만의 피로강도 한계를 나타내는 AHSS강이 개발되었으나, 이러한 AHSS강의 경우에도 자동차 충돌 특성 시험에서 피로강도의 문제점이 나타나는 등 개선해야 할 점이 나타났다.

또한, 피로강도를 향상시키기 위한 페라이트 구조를 가지는 초저탄소강이 개발된 바 있으나, 페라이트 초저탄소강은 성형성이 어느 정도 보장될 수는 있었지만, 항장력 및 강도가 충분하지 않아, 차체의 중량 경감이 어렵고 자동차의 안전성을 보증할 수가 없다는 문제점이 제기되었다. 나아가, 이러한 항장력 및 강도의 보완을 위하여 탄소를 더 첨가하는 경우에는 탄화물 또는 산화물이 형성될 수 있어 성형성 및 피로특성이 저하될 수 있는 문제점도 존재한다.

따라서, 이러한 고강도와 높은 성형성을 갖추기 위하여 개발된 강종으로 강중에 망간(Mn)을 15~35 중량%만큼 포함하는 고망간강이 존재한다. 이러한 고망간강은 다량의 망간의 첨가로 ε-마르텐사이트의 형성 및 전위로 인한 슬립 변형을 억제함으로써 우수한 강도를 가지며 및 연신율(성형성)도 함께 확보할 수 있따는 장점을 갖는다.

하지만, 종래에 나타난 고망간강도 강도 및 연신율에 대해서만 고려했을 뿐, 장시간 응력이 집중되는 자동차용 부재의 특성상, 자동차의 안전성을 보증할 수 있는 피로 특성의 향상에 대해서는 언급하지 않았다.

따라서, 강도 및 성형성이 우수하면서 아울러 높은 피로강도를 확보할 수 있는 자동차용 강판의 제조가 가능한 강재의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하며, 고강도 및 높은 피로 특성을 가지며 자동차용 강재, 구조용 부재 등으로 널리 사용될 수 있는 고망간강 및 그의 제조 기술을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 본 발명은 C: 0.3~0.85%, Mn: 15~25%, Si: 0.1~0.5%, Al: 0.1~4.0%, Cr: 0.9% 이하, 상기 Al과 Al × N < 0.013의 관계를 만족하는 N, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강을 제공한다.

상기 고망간강은 0.2% 이하의 Nb와 0.5% 이하의 V 중 선택된 1종 또는 2종 모두를 추가적으로 포함할 수 있다.

나아가 본 발명은 출강 후 Al을 제외한 합금원소들을 LF(Ladle Furnace) 또는 전로(전기로)의 용강 내에 미리 장입하고 상기 용강을 VTD와 같은 진공 처리 설비로 이송한 후 Ar 기체 등을 이용하여 불활성 분위기를 형성한 후에 Al을 장입하는 방법으로 AlN의 양을 제어할 수 있는 고망간형 고강도강을 제공한다.

본 발명은, 강재 제조시 첨가된 C, Mn, Al 등에 의해 적절한 적층결함 에너지(stacking fault energy)를 갖도록 하여, 변형시 쌍정(twin)이 활발하게 생성되도록 한다. 이러한 쌍정의 생성은 결정립도를 미세화하는 효과와 동일한 효과를 발휘할 수 있기 때문에 높은 연신율을 가짐과 동시에 자동차용 강재로 사용될 수 있을만큼 충분한 강도를 확보할 수 있게 된다. 특히, 본 발명에서는 이러한 고망간강에 대하여 Al 및 N의 관계를 제어함으로써 피로특성을 대폭 향상시킨 고망간강을 제공한다.

이하 본 발명의 고망간강을 구성하는 성분계에 관하여 상세히 설명한다(이하 중량%).

C: 0.3~0.85%

C는 강 내에 오스테나이트 조직을 확보하는데 필요한 원소로서 강재의 강도 증가에 기여하기 위하여 0.3% 이상을 첨가한다. 하지만 C의 양이 0.85%를 초과하는 경우에는 강중의 Al계 질화물(AlN)이 과도하게 석출되어 가공성이 저하될 수 있을 뿐만 아니라 주조성이 열화될 수 있다는 문제점이 있다. 따라서 C의 범위는 0.3~0.85%로 제한한다.

Mn: 15~25%

Mn은 강도를 개선하며 오스테나이트상을 안정화시키는 역할을 하는 중요한 성분으로 본 발명에서는 15% 이상을 첨가한다. 만일 15% 미만으로 첨가되면 α'-마르텐사이트상이 형성되어 성형성이 저하될 수 있으며, 반면 25%를 초과하면 생산단가가 상승할 뿐만 아니라 열간압연 단계에서 가열시 내부산화가 심하게 발생되어 표면품질이 저하될 수 있다. 따라서 Mn은 15~25%의 범위로 첨가한다.

Si: 0.1~0.5%

Si는 탈산 및 용액 경화(solution hardening) 효과에 의한 강도 개선을 위하여 0.1% 이상 첨가된다. 하지만 그 첨가량이 0.5%를 초과하면 강중의 N 용해도를 저하시켜 동일한 N 용해도 상에서도 Al계 질화물이 쉽게 정출된다. 이와 같은 경우에서는 열연, 냉연 공정에서의 크랙이 발생할 수 있으며, 제품 가공에서의 연신율을 저하시키는 문제점을 나타낼 수 있다. 따라서 Si의 첨가량은 0.1~2.0%로 제한한다.

Al: 0.1~4.0%

Al은 오스테나이트상을 안정화시키고 냉간압연 환경에서도 쌍정 형성에 기여 한다. 또한, 본 발명에서는 Al이 질화물을 생성하여 피로특성을 저하시키는 문제점을 나타내지만, 기타 다른 특성을 위해서는 중요한 원소로 작용하는바, 0.1% 이상 첨가되어야 한다. 하지만, 4.0%를 초과하여 첨가하는 경우에는 도금성이 악화될 수 있으므로 Al의 첨가량은 0.1~4.0%로 제한된다.

또한, 본 발명의 강재에 첨가되는 상기 Al 및 불순물 중의 N은 농도는 Al × N < 0.013의 관계식을 유지하여야 한다. Al × N의 값이 0.013 이상으로 높은 경우에서는 용강 단계에서 Al계 질화물이 형성되어 마치 용강 중의 탈산성 개재물과 같은 형태로 존재하게 된다. 이와 같은 질화물들은 응고 과정 중에서 MnS나 기타 석출물의 핵생성 site의 역할을 수행하므로 조대한 탄화물 및 질화물 또는 석출물의 형성을 야기시킨다. 따라서, 제강 공정에서는 이러한 질화물들이 생성되지 않도록 용강 성분을 제어할 필요성이 존재한다.

Nb: 0.2% 이하

Nb는 결정립도 미세화 및 석출강화를 통해 강도를 개선하기 위하여 첨가할 수 있는 성분이다. 단, Nb의 함유량이 0.2%를 초과하면 열간 압연시 크랙이 발생할 수 있으므로 Nb를 첨가하는 경우, 그 첨가량은 0.2%를 상한으로 한다.

V: 0.5% 이하

V도 석출강화를 통한 강도 개선을 위하여 첨가할 수 있는 성분이다. 하지 만 V의 첨가량이 0.5%를 초과하게 되면 저융점 화합물이 발생하여 열간 압연 품질이 저하될 수 있으므로 V의 상한은 0.5%로 제한한다.

Cr: 0.9% 이하

Cr은 석출강화를 위해 첨가하는 원소로 0.9%까지 첨가할 수 있다. Cr의 첨가량이 0.9%를 넘으면 강화효과가 포화되어 더 이상 증가하지 않으며, 또한 V에 비해 고온에서 형성되는 탄화물을 만들어 첨가되는 오히려 V의 효과를 감소시킬 수 있다. 따라서, Cr을 V와 함께 첨가하는 경우, Cr의 함량은 0.9% 이하로 제한하는 것이 필요하다.

이하 본 발명의 강재를 생산하는 방법에 관하여 상세히 설명한다.

상술한 성분계를 포함하는 강 슬라브 연속 주조, 열간 압연, 냉간 압연 등의 공정을 거치고 최종적으로 자동차 등에 사용될 수 있는 고망간형 고강도강재가 제조된다.

상기 강을 생산하는 제강공정에서는 가능한 제강 공정 내에서의 석출물이 형성이 되지 않도록 주의하여야 한다. 용강 중의 석출물 또는 개재물을 최소화하기 위해서는 여러 가지 정련 공정이 필요하다.

본 발명의 강재는 생산시, 강중에 존재하는 Al에 의해서 여러가지 산화물 및 질화물이 형성된다. Al을 용강에 투입하는 경우, 강중에 존재하는 용존 산소가 제거되면서 탈산성 개재물을 형성하며, 용강 중의 존재하는 Al의 농도가 높은 경우에서는 대기에서 공급되는 N에 의해서 Al계 질화물이 형성되어 강재 중의 불순물인 N의 농도를 지속적으로 상승시키는 문제점을 나타낸다.

따라서, 본 발명에서는 가능한 Al에 의한 산화물과 질화물의 발생을 막기 위해서 제강 공정시 다음과 같은 방법이 필요하다.

먼저, 강중의 용존 산소를 낮추기 위해서 탈산 능력을 가지고 있는 C, Mn 및 Si은 가능한 출강 후에 용강 중에 빨리 장입하여 용존 산소를 낮춘다. 이를 위해서 이차정련 공정의 하나인 레이들 퍼니스(ladle furnace, 이하 LF) 또는 전로(전기로)에서 Al을 제외한 합금원소를 투입한다. 이와 같은 경우, 용강 중의 Mn과 Si에 의해서 용존 산소가 매우 낮게 유지할 수 있게 된다. 또한, 투입되는 Al에 의해서 알루미나와 같은 탈산성 개재물의 생성량이 대폭 감소하게 된다. 하지만, 용강의 탈산이 이루어지는 단계에서는 대기로부터 흡질 현상이 빠르게 진행되고 N의 함량이 급격하게 증가할 수 있으므로 LF 또는 전로에 Al을 첨가하지 않는 것이다.

이와 같이, LF 또는 전로에서 Al을 제외한 합금 성분을 제어한 후에 이 용강을 VTD(Vacuum Tank Degasser, 진공탈가스설비)와 같은 진공처리가 가능한 설비 로 이송시킨다. VTD에서는 진공도를 높게 유지시키면서 레이들 하부에 부착된 포러스 플러그를 이용하여 불활성 가스인 Ar을 취입함으로써 탱크 내부에 불활성 분위기를 유지한 이후에 Al을 첨가하게 된다. 따라서 이러한 방법에 의할 경우, 용강이 대기와 차단될 수 있어 대기에 의한 용강 흡질을 방지할 수 있으며, 또한 Al계 질화물의 생성을 최대한 억제할 수 있다.

이하 하기의 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예 1)

본 실시예에서는 용강 중의 Al과 N의 농도를 변화시키면서 AlN이 석출되는 온도를 측정하였다. 그 온도가 용강의 응고 온도보다 높은 영역, 즉, AlN이 정출되는 온도에서는 강중에 알루미나계 질화물이 형성되어 개재물과 같은 형태로 존재하며, 이와 같은 경우 석출물의 형태도 커지게 된다.

AlN이 정출이 되지 않는 조건을 확보하기 위해서는 도 1에서 나타낸 바와 같이 Al × N의 값이 0.013 이하로 유지되어야 한다. 또한, 도 2에 a는 Al × N이 0.013 이하인 경우의 강중의 개재물 및 석출물의 형상을 나타낸 것이며, 도 2의 b는 Al × N이 0.013 이상인 경우의 개재물 및 석출물의 형상을 나타낸 것이다.

각 도면에서 볼 수 있듯이, Al × N의 비율이 낮은 경우에는 개재물의 크기 와 석출물의 크기가 모두 작으며 그 양도 적다는 것을 알 수 있으나, Al × N의 값이 큰 경우에는 미세한 AlN 및 석출물들이 조대한 클러스터(cluster) 형태로 군집되어 있는 것을 볼 수 있으며, 이러한 경우 강의 피로 특성에 좋지 않은 영향을 미친다.

(실시예 2)

본 실시예는 강중에 존재하는 탄소의 영향을 파악하기 위해서 수행된 것으로 0.2Si-18Mn-1.5Al-0.03Nb-0.1V 성분계인 강에 탄소 농도를 변화시키면서 AlN의 정출 여부를 확인하였다.

본 실험 결과, 하기 표 1에서 보는 바와 같이 탄소 농도가 0.7%를 초과한 경우 AlN의 정출이 발생되는 것을 볼 수 있었다. 하지만, 통상적인 제강 조업에서는 액상 응고 온도 대비 약 25도 이상을 유지하기 때문에 탄소 농도가 0.85%에서는 AlN이 정출되지 않는 것을 알 수 있었다. 물론 탄소가 매우 낮은 경우(비교예 1)에서는 AlN의 정출이 발생하지는 않지만 강의 강도를 확보할 수 없기 때문에 본 발명에서의 탄소 농도는 0.3~0.85%로 한정하였다.

구분	비교예1	발명예1	발명예 2	발명예 3	발명예 4	발명예 5	발명예 6	발명예 7	발명예 8	비교예4	비교예5
C	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.75	0.8	0.85	0.9	1
액상온도	1449	1443	1437	1430	1424	1417	1413	1410	1406	1403	1396
AlN 온도	1416	1415	1415	1415	1415	1416	1418	1422	1426	1430	1438
AlN 정출여부	×	×	×	×	×	×	△	△	△	○	○

(실시예 3)

본 실시예는 강중 Si의 영향을 파악하기 위해서 수행된 것으로 0.6C-18Mn-1.5Al-0.03Nb-0.1V성분계의 강에 Si의 농도를 변화시키면서 AlN의 정출여부를 확인하였다. 표 2에서 보는 바와 같이 강중의 Si이 0.5%이상인 경우에서는 AlN이 정출되는 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 현상은 Si가 증가함에 따라 강 중의 평형 N 농도가 낮아지기 때문에 동일한 N 농도에서도 쉽게 AlN이 형성되기 때문이다. 따라서 본 발명에서의 Si의 함량을 0.5%미만으로 한정하였다.

구분	발명예8	발명예9	발명예10	발명예11	발명예12	비교예6	비교예7	비교예8	비교예9	비교예10	비교예11
[Si]농도	0	0.1	0.2	0.3	0.4	0.5	0.6	0.7	0.8	0.9	1
액상온도	1428	1426	1424	1422	1419	1417	1415	1413	1410	1408	1406
AlN_온도	1412	1414	1415	1417	1418	1421	1426	1430	1435	1439	1444
AlN정출여부	×	×	×	×	×	○	○	○	○	○	○

(실시예 4)

본 실시예는 Cr의 영향을 파악하기 위해서 수행된 것으로 0.6C-0.2Si-18Mn-1.5Al-0.03Nb-0.1V인 강에 Cr의 농도를 변화시키면서 탄화물의 석출온도를 측정하였다. 도 3과 같이 Cr의 농도가 증가하는 경우 V계 탄화물의 석출온도가 감소하며 Cr 탄화물의 석출 온도가 증가하는 현상을 보이고 있다. 특히 Cr의 함량이 0.9% 이상인 영역에서는 Cr탄화물의 석출온도가 V탄화물의 석출 온도에 비해서 높게 나타난다. 이와 같은 경우 석출강화를 목적으로 투입된 V의 효과가 없어지며 Cr계 탄화물이 고온에서 석출하여 다른 탄화물 형성을 억제하는 문제를 야기시킨다.

Cr계 탄화물이 미세하게 석출하여 석출강화 효과를 얻을 수 있다면 V을 대신하여 Cr을 첨가하여 강도 증가의 효과를 얻을 수도 있으나, Cr에 의한 강도 개선 효과는 V에 비해 적기 때문에 바람직하게는 Cr을 별도로 첨가하기 보다는 V를 이용한다. 따라서, Cr의 함량은 0.9% 이하에서 제어하는 것이 필요하다.

(실시예 5)

본 실시예는 제강 공정 단계에서의 AlN의 정출을 방지하기 위한 적정 조업 조건을 도출하기 위해서 실시한 것으로, 제강 공정에서의 Al계 질화물이 형성되기 위해서는 강 중의 Al과 N이 존재하여야 한다. 하지만, 전술한 바와 같이 Al은 용강의 탈산 및 재질 확보를 위해서 반듯이 투입을 해야 하는 원소이다. 제강 공정에서 Al의 투입 위치를 LF 또는 RH(Ruhrstahl Heraeus) 또는 VTD(Vacuum Tank Degasser)와 같은 진공 탈가스 설비에서 투입할 수 있으며, 다른 합금철도 동일한 위치에서 투입할 수 있다. 따라서, Al을 다양한 정련 설비에서 투입하여 용강 성분을 제어하면서 질화물의 생성 여부를 확인하였다. 또한, 일반적인 제강 공정에서는 진공 탈가스 설비에서 N을 가스상태로 제거하는 방법을 사용하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 N을 제어할 목적으로 진공 탈가스 설비를 이용하여 탈질 공정을 추가적으로 수행하는 경우의 강 중의 개재물 및 정출물의 존재를 조사하였으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

구분	제조 공정	Al투입 위치	N 농도	개재물 종류	처리 시간(비율)
비교예12	LF -> RH	LF	130 ppm	AlN	150
비교예13	LF -> RH	RH	100 ppm	MnOAl₂O₃	180
비교예14	VTD -> LF	LF	110 ppm	AlN	110
비교예15	LF -> VTD	LF	120 ppm	AlN	90
발명예13	LF-> VTD	VTD	60 ppm	MnOAl₂O₃	100 (기준)

표 3에서 보는 바와 같이 Al 투입을 VTD 나 RH 단계와 같은 진공 탈가스 처리에서 실시한 것의 N 용해도가 낮은 것을 알 수 있다. 또한, 용강 중의 개재물도 AlN이 없는 형태로 존재하였다. 한편, 진공처리를 먼저하는 경우(VTD-> LF)에서도 N 농도가 높은 것을 볼 수 있었다. 이와 같은 현상은 Al이 투입되고 대기에서의 처리 시간이 길어지는 경우 공기중의 N이 용강 내로 흡수되어 N 농도가 증가하며, 이로 인하여 AlN이 정출되기 때문이다.

따라서, 가능한 AlN을 낮게 유지하기 위해서는 진공 상태에서의 Al을 첨가하는 공정을 사용하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다. RH와 VTD를 비교하는 경우, RH에서는 VTD보다 N 농도가 높으며 처리 시간이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 RH 설비 특성상 합금철을 과도하게 투입할 수 없으며, 레이들 쪽에 대기와 접촉하기 때문에 발생하는 현상으로 볼 수 있다.

(실시예 6)

본 실시예에서는 본 발명에 의한 발명예와 타 강재간의 피로 특성을 측정하였다. 특히, 본 실시예에서는 TRIP강 1종(780MPa)와 극저고장력강 2종(590MPa, 540MPa)과 본 발명 강재의 고주기 피로 특성을 비교하였으며, 그 결과를 하기 도 4에 나타내었다. 하기 도 4에서 보는 바와 같이 기존의 강재들 480MPa 미만의 피로강도 한계를 가지고 있으나, 본 발명의 강재에서는 500MPa 이상의 고주기 피로강도를 나타내고 있음을 알 수 있었다.

도 1은 강중의 Al × N의 값에 따른 AlN의 정출 여부를 나타낸 그래프.

도 2은 강중의 Al × N에 따른 개재물의 형상을 나타낸 사진.

도 3은 Cr 및 V계 탄화물의 석출 온도를 비교한 그래프.

도 4은 본 강재와 비교 강재의 고주기 피로를 비교한 그래프

Claims

C: 0.3~0.85%, Mn: 15~25%, Si: 0.1~0.5%, Al: 0.1~4.0%, Cr: 0.9% 이하,

상기 Al과 Al × N < 0.013의 관계를 만족하는 N,

기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강.
제1항에 있어서, 상기 고망간강은 0.2% 이하의 Nb와 0.5% 이하의 V 중 선택된 1종 또는 2종 모두를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고강도강은 500MPa 이상의 고주기 피로강도를 가지는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강.
제강 공정, 강 슬라브 연속 주조, 열간 압연, 냉간 압연 공정을 포함하는 고망간형 고강도강의 제조방법에 있어서, 상기 제강 공정은,

출강 후 Al을 제외한 합금원소들을 LF(Ladle Furnace) 또는 전로(전기로)의 용강 내에 장입하는 단계;

상기 용강을 진공 처리 설비로 이송하는 단계; 및

상기 진공 처리 설비에 불활성 기체를 취입하여 불활성 분위기를 형성한 후에 Al을 장입하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간형 고강도강의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 진공 처리 설비는 VTD임을 특징으로 하는 고망간형 고강도강의 제조방법.
제4항에 있어서, 상기 불활성 기체는 Ar임을 특징으로 하는 고망간형 고강도강의 제조방법.