KR101003254B1 - 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 중량 %로, 탄소(C) 0.15~0.30%, 실리콘(Si) 0.05~0.5%, 망간(Mn) 1.0~2.0%, 보론(B) 0.0005~0.0040%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강에 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 안티몬(Sb) 중 적어도 2종 이상이 추가로 함유한다. 본 발명은 합금원소제어로 고온연성이 향상되어 600~800℃범위에서 프레스 가공이 가능하므로 도금층이 보호되는 것은 물론, 가공후에도 1400MPa이상의 인장강도와 8%이상의 연신율을 확보할 수 있는 이점이 있다.

열처리 강화형 강판, 열간 프레스, 연신율

Description

열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법{Quenched steel sheet having excellent formability hot press, and method for producing the same}

본 발명은 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프레스 성형 후 1400MPa이상의 인장강도와 8%이상의 연신율이 확보되는 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업은 안전성 및 경량화 요구에 부응하기 위해 초고강도 강판의 적용이 증가하고 있다. 하지만 초고강도 강판의 경우 강판의 가공성형성이 저하되어 복잡한 형상으로의 가공이 필요한 자동차 부품에의 적용이 제한된다. 따라서 강판을 가열하고 고온상태에서 프레스 성형을 한 후 급냉하여 고강도를 확보할 수 있도록 한 열처리 강화형 강판에 대한 요구가 높아지고 있다.

기존의 열처리 강화형 강판은 보론(B)을 0.0005wt%이상 함유하고 탄소(C)와 망간(Mn)을 기본으로 한 소재를 700℃이상의 고온에서 프레스 성형하고 금형 내에서 급냉시켜 부품상태의 강도를 높이게 된다.

그리고, 냉각 중 퍼얼라이트나 베이나이트 등 제 2상의 생성을 억제하고 마르텐사이트 조직을 얻도록 변태를 지연하는 합금원소인 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등의 첨가하고 있다.

하지만 상기 원소들은 강중의 탄소 및 질소와 결합하여 석출물을 형성하므로 강판의 고온연성을 저하시킨다. 그리고 기존의 열처리 강화형 강판의 경우 불순물인 인(P)과 황(S)의 함량이 높아 열간 가공성을 저하시키는 원인이 되고 있다.

또한, 종래의 열처리 강화형 강판은 공정상의 문제점을 갖는다.

공정상의 문제점으로는 첫째, 열처리 강화형 강판은 가열로 추출 후 프레스 금형이라 불리우는 성형장치에 안착되어 부품으로 가공된다. 따라서 강판의 두께가 얇은 경우에는 가열로 추출 후 강판의 온도가 급격하게 냉각되어 연신율이 급격히 저하된다. 이에 따라 프레스 가공 후 강판의 특정부위에 파단이 발생되고 원하는 부품형상을 자유롭게 구현하기 어려운 경우가 발생한다.

둘째, 열처리 강화형 강판은 프레스 가공시 강판의 높은 성형성을 확보하기 위해 900℃ 이상으로 가열해야 한다. 이때, 강판은 미도금 또는 아연도금이 된 강판을 사용하게 되는데, 미도금 강판을 사용하는 경우에는 고온에 의해 강판 표면에 산화스케일이 생성되어 금형표면을 손상시키고, 아연도금 강판을 사용하는 경우에는 고온에 의해 도금층의 아연이 증발되고 합금화가 진행되어 도금층 박리가 일어나게 된다.

이를 해결하고자 일본특허공보 2000-38640에는 보론을 함유한 알루미늄-실리콘(Al-Si)도금 강판을 제조하여 가열 및 고온에서의 프레스 가공중 산화스케일 생 성을 억제하도록 하고 있다.

하지만 일본특허공보 2000-38640에 기재된 방법은, 고가의 Al-Si 도금공정이 필요하므로 전체적인 제조비용의 상승을 유발하고, 도금두께에 의하여 단위 중량당 부품의 강도가 낮아져 원하는 고강도를 확보하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 열처리 강화형 강판에서 프레스 가공이 용이하도록 고온연성이 향상되도록 한 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 미도금 강판의 산화스케일 발생 및 도금강판의 도금 표면손상이 방지되도록 600℃의 저온에서도 프레스가공이 가능한 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 중량 %로, 탄소(C) 0.15~0.30%, 실리콘(Si) 0.05~0.5%, 망간(Mn) 1.0~2.0%, 보론(B) 0.0005~0.0040%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강에 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 안티몬(Sb) 중 적어도 2종 이상이 추가로 함유된다.

상기 지르코늄(Zr)은 0.0005~0.1wt% 범위로 함유된다.

상기 코발트(Co)와 안티몬(Sb)의 함량은 0.0005% ≤(Co + Sb) ≤ 0.5%의 식을 만족한다.

상기 합금조성을 갖는 열연강판 또는 냉연강판 또는 도금강판을 600~800℃의 온도에서 열간 프레스 가공하여서 인장강도가 1400MPa이상, 연신율이 8%이상이 되도록 한다.

상기 열간 프레스 가공은 열연강판 또는 냉연강판 또는 도금강판을 700℃이상으로 가열한 후 금형에 추출하여 600~800℃의 온도에서 프레스 가공하고 동시에 금형에서 냉각한다.

본 발명은 열간 프레스 가공 과정에서 강판에 크랙을 발생하는 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr) 등을 첨가하지 않고, 대신 코발트(Co), 안티몬(Sb), 지르코늄(Zr) 중 적어도 2종 이상을 선택적으로 첨가하여서 고온연성을 확보한다. 따라서 종래보다 낮은 온도에서 프레스 가공이 가능하므로 에너지를 절감할 수 있는 것은 물론 도금강판의 경우 도금층을 보호하고, 미도금 강판의 경우 산화스케일 발생을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 종래의 알루미늄 대신 저가인 실리콘을 제강공정 중 탈산제로 사용하여 경제성을 극대화하였다.

이에 따라 비교적 저렴한 비용으로도 프레스 가공성이 우수하고 가공 후에도 1400MPa이상의 인장강도와 8%이상의 연신율을 만족할 수 있는 열처리 강화형 강판을 제조할 수 있는 효과를 가진다.

이하 본 발명에 의한 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 열처리 강화형 강판은 중량 %로, 탄소(C) 0.15~0.30%, 실리콘(Si) 0.05~0.5%, 망간(Mn) 1.0~2.0%, 보론(B) 0.0005~0.0040%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강에 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 안티몬(Sb) 중 적어도 2종 이상을 추가로 첨가하여 제조한다.

더 상세히 설명하면 열간 프레스 가공 과정에서 강판에 크랙을 발생하는 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr)을 첨가하지 않고, 대신 코발트(Co), 안티몬(Sb), 지르코늄(Zr) 중 적어도 2종 이상을 선택적으로 첨가하여서 고온연성이 확보되는 열처리 강화형 강판을 제조하는 것이다.

선택되는 2종 중 지르코늄(Zr)은 0.0005~0.1%의 범위로 첨가하고, 코발트와 안티몬은 식 0.0005% ≤(Co + Sb) ≤ 0.5% 범위를 만족하도록 한다.

이는 열간 프레스 가공 후의 강판 강도의 안정화를 높이도록 하기 위한 것으로 코발트와 안티몬의 합이 0.0005%미만이면 강도 안정화 효과가 없고, 0.5%를 초과하면 제강공정 제어가 어렵고, 강판이 열화되는 문제점이 있다.

그리고, 열간 가공성을 저해하는 불순물 원소인 인(P)과 황(S)의 함량을 일정 이하로 제어하여 열간 가공성이 향상되도록 한다.

즉, 본 발명은 Co, Zr, Sb, P, S의 함량과 성분비 조건제어를 통하여 600~800℃의 고온상태에서도 크랙발생 없이 열간 프레스 가공이 가능하도록 고온에서의 프레스 가공성을 향상시킨 것이다. 본 발명의 최종 미세조직은 마르텐사이트로서 1400MPa이상의 인장강도를 확보하고, 600~800℃의 고온상태에서 20%이상의 연 신율을 확보한다.

이하 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.15~0.30 wt%

탄소(C)는 강판에 고강도를 부여하기 위한 불가결한 원소이다. 하지만 강판의 열처리 경화능을 향상시키기 위해서는 적절한 탄소(C) 함량 조절이 필요하다. 탄소(C)는 함량이 0.15wt% 미만이면 강의 열처리 경화능이 낮아져 열처리 후 충분한 마르텐사이트 형성을 통한 인장강도를 확보할 수 없다.

그리고 탄소(C)는 함량이 0.30 wt% 이상인 경우에는 열처리 경화능의 향상에 의하여 충분한 인장강도를 확보할 수 있으나, 강의 열처리 이전 강도가 증가되어 제품의 성형에 어려움이 있다.

실리콘(Si): 0.05~0.5 wt%

실리콘(C)은 제강공정에서 강중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 그리고 실리콘은 담글질성을 향상시키는 기능도 수반한다. 하지만 과다 첨가되면 강판 표면에 산화물을 형성하여 도금특성을 저해하고 부품 제조공정 중 트리밍(Trimming)공정에서 용융금속의 점도를 높여 강판 절단면에 문제를 야기하므로 상한치를 0.5wt%로 제한한다. 그리고 실리콘은 함량이 0.05% 미만인 경우 그 효과를 얻을 수 없다.

망간(Mn): 1.0~2.0 wt%

망간(Mn)은 펄라이트 생성을 억제하고 오스테나이트 형성 및 내부에 탄소농화를 촉진하여 잔류 오스테나이트 형성에 기여하며, 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후에 강판의 강도를 안정적으로 확보하는 기능을 갖는다. 망간은 1.0wt% 이상을 첨가하여야 1400MPa 이상의 인장강도를 확보할 수 있다. 하지만 2.0wt%이상 첨가시에는 내식성과 용접성이 저하되므로 2.0wt%이상은 첨가하지는 않는 것이 바람직하다.

보론(B): 0.0005~0.0040 wt%

보론(B)은 오스테나이트의 페라이트 변태를 지연시킴으로써 강판의 담금질성을 높이기 위해 첨가된다. 따라서 담금질 후 높은 인장강도의 제품을 얻을 수 있다. 보론은 강판의 담금질성을 높이기 위해서 0.0005wt%이상은 첨가되어야 한다. 그러나 0.0040 wt%를 초과하여 첨가되면 제강 공정제어가 어려워져 열처리 후 재질편차가 발생되므로 0.0040 wt%를 초과하여 첨가하는 것은 바람직하지 않다.

황(S): 0.015wt% 이하, 바람직하게는 0.003 wt% 이하

황(S)은 탈황공정 후 용강에 0.015wt%정도 함유된다. 황은 인과 마찬가지로 고온상태에서 강의 열간 가공성을 저하시키므로 고온 가공성 향상을 위하여 극미량 제어가 바람직하다. 최근의 제강기술의 발달로 인하여 0.003wt% 이하 제어가 가능하므로 바람직하게는 0.003 wt% 이하로 제어한다.

인(P): 0.020wt% 이하, 바람직하게는 0.012 wt% 이하

인(P)은 탈린공정 후 용강에 0.020wt%정도 함유된다. 하지만 인은 고온상태에서 강의 열간 가공성을 저하하므로 고온 가공성 향상을 위하여 극미량 제어가 바람직하다. 최근의 제강기술의 발달로 인하여 0.012wt% 이하 제어가 가능하므로 바람직하게는 0.012 wt% 이하로 제어한다.

지르코늄(Zr): 0.0005~0.1wt%

지르코늄(Zr)은 질소를 제거할 목적으로 첨가된다. 제강공정 중에 포함되어 있는 강중의 질소는 불가피한 원소이다. 강중의 질소는 보론과 결합하여 BN화합물로 석출되면 담금질성을 저하시키게 된다. 따라서 강중에 질소가 단독으로 존재하는 것을 최대한 억제하기 위해 고온에서 질소와 화합물을 형성하는 지르코늄이 첨가된다. 지르코늄은 0.0005wt% 이상 되어야 효과가 기대되며, 0.1wt% 이상 첨가시에는 상업적인 의미를 잃게 되므로 제한한다.

코발트(Co)+안티몬(Sb): 0.0005~0.5 wt%

이들 원소들은 강판의 담금질성을 높이고 열간 프레스 가공 후 강판 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는다. 따라서 고온상태의 내산화성을 확보하고 연신율을 향상시킬 목적으로 첨가된다.

코발트와 안티몬은 합이 0.0005wt%이상이 첨가되어야 효과가 유효하며 0.5wt% 초과시에는 제강공정 제어가 어렵고 강판이 열화된다. 그리고, 코발트와 안티몬 중 어느 한 원소가 첨가되는 경우에도 동일한 이유로 상술한 범위가 적용된다.

본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 질소(N),산소(O) 등 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용된다.

상술한 바와 같은 조성을 갖는 강슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 주괴 또는 연속주조공정을 통해 제조되며, 여기서는 열간압연하고 냉간압연한 후 열간 프레스 가공하여 열처리 강화형 강판으로 제조되는 아래의 공정을 거치게 된다.

[열처리 강화형 강판의 제조방법]

본 발명의 강슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 주괴 또는 연속주조공정을 통해 제조된다. 이 슬라브를 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위하여 가열로에서 1100℃이상의 온도에서 재가열하고 Ar3~Ar3+50 온도에서 열간압연을 마무리하여 단상의 열연코일을 제조한다. 권취는 냉간압연을 용이하게 하기 위하여 400℃~700℃의 코일링 온도(CT)로 마무리한다. 그리고 강판 표면을 피클링하여 산화물을 제거한다.

다음으로 냉간압연을 실시한다. 냉간압연은 50%정도의 압하율로 실시하며, 냉간압연된 강판은 미도금 상태로 사용하거나 산화방지를 위하여 도금한다. 도금은 용융아연도금, 전기아연도금, 용융 알루미늄도금, 고분자 내산화 도료 도장 등 다양한 도금방법이 채택될 수 있다.

이후 최종 원하는 형상의 부품으로 가공하기 위해 열간 프레스 가공을 실시한다. 열간 프레스 가공은 Ar3 이상 온도인 700℃ 이상으로 가열한 후 600~800℃ 온도에서 프레스를 실시하여 부품을 제조한다. 냉각은 프레스 가공과 동시에 이루어진다.

이때, 강판은 통상적인 가열온도보다 낮은 600~800℃범위로 가열하더라도 Co, Zr, Sb, P, S의 함량과 성분비 조건제어에 의해 고온상태에서 20%이상의 연신율이 확보가능하다.

그리고, 상술한 함금원소의 성분비를 제어하여 600~800℃의 범위에서 열간 프레스 가공이 가능하도록 하는 것은 도금강판의 경우 고온에 의한 도금박리를 방지하고, 미도금 강판의 경우 고온에 의한 강판 표면 산화스케일 생성을 방지할 수 있도록 하기 위함이다. 그리고 열간 프레스 가공은 600℃ 미만에서 실시하면 요구되는 프레스 가공성을 확보하기 어렵다.

이하, 상술한 열간 프레스 가공성이 우수한 열처리 강화형 강판 및 그 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

[실시예]

아래의 표 1의 합금설계를 강슬라브를 1100℃이상의 온도에서 2시간 가열하고, 약 900℃전후의 온도에서 마무리 압연한 다음 400~700℃에서 권취하고, 권취 1시간 후 상온까지 노냉하여 냉간압연한 강판을 700℃ 이상으로 가열한 후 600~800 ℃ 온도에서 열간 프레스 가공을 실시하고 금형에서 냉각하였다.

표 1은 본 발명과 종래의 합금설계안을 비교예와 발명예로 구분하여 나타낸 것이고, 표 2는 표 1의 합금설계안에 따라 제조된 강판의 고온 및 상온 부품에서의 기계적 성질의 결과치를 나타낸 것이다. (참고로, P는 0.020wt% 이하, S는 0.015wt% 이하로 제어하였다.)

(강판의 최종 합금성분 wt% : 잔부 Fe)

구분	C	Si	Mn	P	S	N	Al	Ti	Cr	Co	Zr	Sb	B	비고
비교예1	0.20	0.3	1.2	0.018	0.006	40ppm	0.02	0.035	0.2	-	-	-	0.002	Al 탈산
발명예1	0.23	0.3	1.2	0.005	0.001	40ppm	-	-	-	0.10	0.03	0.02	0.002	Si 탈산
발명예2	0.23	0.3	1.5	0.007	0.002	15ppm	-	-	-	0.05	-	0.03	0.002	Si 탈산
발명예3	0.23	0.3	1.5	0.014	0.005	80ppm	-	-	-	0.20	0.05	-	0.002	Si 탈산

온도	600℃		700℃		800℃		상온 부품
	인장강도	연신율	인장강도	연신율	인장강도	연신율	인장강도	연신율
비교예1	228	16	132	17	104	22	1520	6
발명예1	223	22	153	24	106	28	1550	10
발명예2	232	20	169	23	118	26	1507	9
발명예3	201	20	128	21	98	23	1560	8

[MPa:인장강도, EL(%):연신율]

표 1과 표 2를 살펴보면, 알루미늄(Al), 티타늄(Ti), 크롬(Cr) 대신 코발트(Co), 안티몬(Sb), 지르코늄(Zr) 중 선택되는 2종 이상을 첨가한 경우 600~800℃ 범위의 고온에서도 강의 연신율이 20%이상 확보됨을 확인할 수 있다.

그리고, 고온 연신율이 20%이상 확보된 강판을 열간 프레스 가공한 상온 부품의 경우 금형냉각 후 1400MPa의 인장강도와 8%이상의 연신율을 확보함을 알 수 있다.

상술한 과정에 의해 진행되는 열간 프레스 가공은 열연강판, 냉연강판, 도금강판 등 다양한 강판에 적용될 수 있다. 도금강판으로는 알루미늄계 도금강판과 아연계 도금강판 및 전기 도금강판, 융융 도금강판, 합금화 용융아연 도금강판 등이 적용될 수 있다. 또한 고분자 내산화 도료를 도포한 냉연강판도 적용가능하다.

그리고, 상술한 방법에 의해 제조된 열처리 강화형 강판은 600~800℃범위의 열간 프레스 가공이 가능하므로 도금층 보호하고 산화스케일 발생을 방지하면서도 높은 인장강도를 확보할 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 중량 %로, 탄소(C) 0.15~0.30%, 실리콘(Si) 0.05~0.5%, 망간(Mn) 1.0~2.0%, 보론(B) 0.0005~0.0040%, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 가지는 강에 코발트(Co), 지르코늄(Zr), 안티몬(Sb) 중 적어도 2종 이상이 추가로 함유되고,

   상기 코발트(Co)와 안티몬(Sb)의 함량은 0.0005% ≤(Co + Sb) ≤ 0.5%의 식을 만족하는 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 열처리 강화형 강판.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 지르코늄(Zr)은 0.0005~0.1wt% 범위로 함유됨을 특징으로 하는 열처리 강화형 강판.
3. 삭제
4. 청구항 1 또는 청구항 2의 합금조성을 갖는 열연강판 또는 냉연강판 또는 도금강판을 600~800℃의 온도에서 열간 프레스 가공하여서 인장강도가 1400MPa이상, 연신율이 8%이상이 되도록 한 것을 특징으로 하는 열처리 강화형 강판의 제조방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 열간 프레스 가공은 열연강판 또는 냉연강판 또는 도금강판을 700℃이상으로 가열한 후 금형에 추출하여 600~800℃의 온도에서 프레스 가공하고 동시에 금형에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 열처리 강화형 강판의 제조방법.