KR101020546B1

KR101020546B1 - 초고강도 ｔｗｉｐ 강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101020546B1
Application number: KR1020080070011A
Authority: KR
Inventors: 홍승현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-07-18
Filing date: 2008-07-18
Publication date: 2011-03-09
Also published as: KR20100009222A; US20100012233A1

Abstract

중량%로, 탄소 0.15∼0.30%, 실리콘 0.01∼0.03%, 망간 15∼25%, 알루미늄 1.2∼3.0%, 인 0.020% 이하, 황 0.001∼0.002%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 전후방 인장력 180~220Mpa의 조건에서 패스 당 압하율 35~40%로 냉간 압연되어 평균 소성변형비가 1.2 이상인, 오스테나이트 기지조직의 초고강도 TWIP 강판이 소개된다. 이 TWIP 강판은 황동 방위 이외에 고스 방위의 집합조직이 발달되어 평균 소성변형비가 우수하며 성형성이 좋다.

TWIP 강, 트윈, 초고강도

Description

초고강도 ＴＷＩＰ 강판 및 그 제조방법{ULTRA-HIGH STRENGTH TWIP STEEL SHEETS AND THE METHOD THEREOF}

본 발명은 소성변형 시 슬립(slip)과 트윈(twin)이 동시에 변형기구로 작용하여 고강도 및 고가공성의 특징을 갖는 초고강도 TWIP(Twining Induced Plasticity) 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 소성변형비가 우수한 차체 부품용 초고강도 TWIP 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 차체 부품용 소재로 널리 적용되고 있는 고장력 강판은 인장강도 590~780MPa, 항복강도 270~350MPa, 연신률 25∼35%, 소성변형비 0.9~1.2 정도의 물성을 가지는 강판이 주를 이루고 있다.

그런데, 강판이 고장력화됨에 따라, 부품 프레스 성형시 터짐 및 주름 등의 연신률 부족 등으로 인하여 발생되는 제반 문제와 요구되는 부품 강성의 측면을 고려하여, 두께를 크게 하여 사용하고 있는 단점이 있다. 또한 연신률이 충분히 확보된다고 하더라도 부품의 복잡화와 다 기능화에 따라 성형이 어려운 경우가 대부분이라 금형 기술의 개발과 함께 현재의 소성변형비를 크게 증가시킬 필요가 있다.

위와 같은 요구에 따라, 본 출원인은 탄소 0.15∼0.30 중량%, 실리콘 0.01∼ 0.03 중량%, 망간 15∼25 중량%, 알루미늄 1.2∼3.0 중량%, 인 0.020 중량% 이하, 황 0.001∼0.002 중량%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 페라이트, 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트 상의 기지조직을 갖는 차체 부품용 초고강도 TWIP 강판을 제안(한국 공개특허 제2007-0018416호)한 바 있다.

그러나, 위 공개특허에서 제안된 강판의 획기적인 물성에도 불구하고, 복잡한 형상의 차체 부품 적용 요구가 증가하고 있는 현 시점에서는 성형성에 미치는 가장 큰 인자인 소성변형비를 더욱 향상시킬 필요가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 소성변형비가 향상된 초고강도 TWIP 강판 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 한국 공개특허 제2007-0018416호에서 제안된 TWIP 강판의 화학조성을 추가적으로 변화시키기보다는, 냉간 압연과정 중 집합조직의 제어를 통해 소성변형비를 획기적으로 향상시키는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판은, 중량%로, 탄소 0.15∼0.30%, 실리콘 0.01∼0.03%, 망간 15∼25%, 알루미늄 1.2∼3.0%, 인 0.020% 이하, 황 0.001∼0.002%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 전후방 인장력 180~220Mpa의 조건에서 패스 당 압하율 35~40%로 냉간 압연되어 평균 소성변형비가 1.2 이상이며, 오스테나이트 상의 기지조직을 갖는다.
여기서의 전후방 인장력은 당업계에서 주지되고 관용적으로 사용되는 바와 같이, 압연된 코일을 감는 전방 측에서 가해는 전방 인장력(front tension)과 압연될 코일이 풀리는 후방 측에서 가해지는 후방 인장력(back tension)에 의해 압연되는 코일에 가해지는 인장력을 말한다.

통상적으로 TWIP 강판과 같은 오스테나이트 기지의 금속 판재는 구리 방위(Copper Orientation), 고스 방위(Goss Orientation), 황동 방위(Brass Orientation), S 방위(S Orientation) 및 입방정 방위(Cube Orientation)로 구성된 결정학적인 집합조직(Textrure)을 나타내며, 이들 방위의 상대적인 부피 분률은 평균 소성변형비에 영향을 주게 된다.

압연으로 생산한 판재에서 결정의 방위는 압연 판재면과 압연 방향으로 정의 된다. 다시 말하면, 압연 면과 평행하게 놓인 결정의 면과, 압연 방향과 평행하게 놓인 결정의 방향으로 집합조직을 나타낼 수 있다. 결정의 면은 밀러지수 {hkl}로 표시되고, 방향은 <uvw>로 표시되는데, 구리 방위는 {112}<111>, 고스 방위는 {011}<100>, 황동 방위는 {112}<110>, S 방위는 {123}<634>, 입방정 방위는 {001}<100>로 표시될 수 있다.

TWIP 강과 같은 적층결함에너지(SFE; Stacking Fault Energy)가 낮은 금속은 냉간 압연시 황동 방위가 발달하게 되나, 압연 방향 대비 90°에서의 소성변형비가 낮기 때문에 평균 소성변형비가 낮고, 따라서, 성형시 터짐 현상 등의 문제가 발생하게 된다. 그러나, 위와 같은 본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판은, 황동 방위 이외에, 압연 방향에 대한 90°방향의 소성변형비를 향상시키는 고스 방위 집합조직이 발달되어 1.2 이상, 나아가, 1.5 이상의 평균 소성변형비를 갖게 되며, 프레스 성형성이 향상된다.

한편, 본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판 제조방법은, 상기된 조성을 갖는 오스테나이트 기지조직의 열간압연강판을, 전후방 인장력 180~220Mpa의 조건에서 패스 당 압하율 35~40%로 냉간 압연하는 공정, 850~900℃에서 소둔하는 공정을 포함한다. 상기 열간압연강판은, 연속 주조된 슬라브를 1100∼1300℃에서 열간 압연 후, 마르텐사이트 조직이 발생되지 않도록 60℃/sec 이하의 속도로 서냉시켜 얻어질 수 있다.

종래에 TWIP 강판의 냉간 압연은, 5~7 패스에 걸쳐, 120MPa 정도의 전후방 인장력을 가하면서 매 패스 당 20~30%의 압하율로 실시되었다. 종래에는 상기 전후 방 인장력은 120MPa 보다 높이지 않았는데, 그 이유는, 전후방 인장력이 증가함에 따라 압하량이 작아져서 매 패스 당 압하량 30%를 맞추기 어려워 공정이 길어지게 되고, 또한, 전후방 인장력이 증가함에 따라 소둔 후 집합조직을 제어하기 어렵기 때문이었다. 한편, TWIP 강과 같이 초고장력강은 강도가 높아 고압하율로 냉간 압연하는 것은 불가능하다는 것이 현재까지의 통설이라고 할 수 있는데, 본 발명에서와 같이 200Mpa 내외의 전후방 인장력을 가하게 되면, 압연으로 인한 응력이 풀어져 패스 당 40% 내외의 고압하율로 냉간 압연을 실시할 수 있게 된다. 또한, 냉간 압연의 패스 수로 줄일 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 고스 방위 집합조직이 발달되어 평균 소성변형비가 우수한 초고강도 TWIP 강판을 제공할 수 있다.

또한, 패스 수를 줄이면서도 고압하율로 냉간 압연할 수 있고, 평균 소성변형비를 1.2배 이상, 나아가 1.5배 이상 향상시켜 프레스 성형성을 확보할 수 있는 초고강도 TWIP 강판을 제공할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 초고강도 TWIP 강판 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.

본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판은 한국 공개특허 제2007-0018416호에서 제안된 TWIP 강판의 조성을 가지며, 각 합금 성분의 함량 한정 이유는 상기 공개특허의 명세서에 기재된 것과 다르지 않다. 정리해 보면, 본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판은 아래의 표 1에 기재된 바와 같이 망간을 15~25wt% 포함하는 고망간의 TWIP 강 조성을 갖는다.

성분	C	Si	Mn	Al	P	S	Fe
함량 (wt%)	0.15 ~0.30	0.01 ~0.03	15.0 ~25.0	1.20 ~3.00	0.020 이하	0.001 ~0.002	나머지

본 발명에 따른 초고강도 TWIP 강판의 물성 확인을 위해 위의 표 1에 기재된 조성범위를 갖는 다수의 TWIP 강판을 제조한 후, 평균 소성변형비를 측정하였다. TWIP 강판 제조공정은 다음과 같다.

표 1에 기재된 조성 범위를 갖는 조성물을 전로에 용해시키고 연속 주조하여 얻어진 슬라브를 1300℃에서 열간 압연을 시작하여 1100℃에서 최종 압연을 마쳤다. 그리고, 마르텐사이트가 발생하지 않도록 900~600℃까지 40℃/sec의 속도로 서냉하여 권취하였으며, 이렇게 제조된 열연코일을 냉간 압연한 후 850℃에서 10시간 동안 소둔하였다. 본 발명에 따른 TWIP 강판의 기지조직은, 매우 부분적으로 마르텐사이트나 페라이트가 존재할 수 있으나, 거의 오스테나이트 단상을 갖는다.

아래의 표 2에 위와 같이 제조된 실시예 1~6과 비교예 1~15 각각에 대한 구체적인 냉간 압연 조건 및 측정된 평균 소성변형비가 기재되어 있다. 냉간 압연 조건은, 실시예들의 경우 전후방 인장력은 180~220Mpa, 매 패스 당(총 5 패스) 압하율은 30~40%이었으며, 비교예들의 경우 전후방 인장력은 120~230Mpa, 매 패드 당(총 7 패스)은 압하율 20~45%였다. 평균 소성변형비는 압연방향에 대하여 각각 0°, 45°및 90°방향의 소성변형비를 측정하여 계산된 것이다.

구분	인장력(MPa)	압하량(%)	소둔온도(℃)	소둔시간	평균소성변형비
실시예 1	180	35	850	10	1.521
실시예 2	180	40	850	10	1.611
실시예 3	200	35	850	10	1.64
실시예 4	200	40	850	10	1.66
실시예 5	220	35	850	10	1.542
실시예 6	220	40	850	10	1.533
비교예 1	120	30	850	10	0.83
비교예 2	120	35	850	10	0.81
비교예 3	120	40	850	10	파단, 측정불가
비교예 4	140	30	850	10	0.78
비교예 5	140	35	850	10	0.79
비교예 6	140	40	850	10	파단, 측정불가
비교예 7	170	20	850	10	0.61
비교예 8	170	30	850	10	0.68
비교예 9	170	35	850	10	0.71
비교예 10	170	40	850	10	파단, 측정불가
비교예 11	180	30	850	10	0.72
비교예 12	180	45	850	10	파단, 측정불가
비교예 13	220	45	850	10	파단, 측정불가
비교예 14	230	20	850	10	파단, 측정불가
비교예 15	230	30	850	10	파단, 측정불가

위의 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 비교예 1~15의 경우 평균 소성변형비는 0.83 내외로서 1을 넘지 못하였을 뿐만 아니라 강판 파단이라는 불량이 발생되었고, 이에 비하여 실시예 1~5는 모두 1.5 이상의 우수한 평균 소성변형비를 나타냈다.

이와 같은 결과는 냉간 압연 시 특정한 범위의 전후방 인장력하에서만 압하율이 증가될 수 있음을 보여준다. 이는 트윈 발생과 관련된 것으로 판단된다. 즉, 적층결함에너지가 낮은 금속인 TWIP 강판의 경우 특정 응력 범위에서 트윈이 변형기구로 작용하여 변형이 극대화되며, 그 범위 외에서는 트윈 발생이 억제되고 슬립에 의해서만 변형이 발생되어 외부변형을 수용하는 데 한계가 있기 때문인 것으로 판단된다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 상기 실시예 1과 비교예 1의 집합조직 및 소성변형비를 비교해 본다.

상기 비교예 1의 경우 황동 방위가 주방위로 발달(도 1에 도시된 ODS 즉, 방위분포함수 참조)된다. 이의 평균 소성변형비는 0.83이며, 압연방향에 대한 90°방향의 소성변형비가 상당히 낮은 0.7 이하의 값을 갖는다(도 2 참조).

이러한 비교예 1에 대하여, 실시예 1은 황동 방위가 발달됨은 물론 고스 방위의 발달이 현저하게 증가한다(도 3d에 도시된 ODS 참조). 이러한 결과로, 압연방향에 대한 90°방향의 소성변형비가 현저하게 증가(도 4 참조)하며, 또한 평균 소성변형비는 1.521 정도로 비교예 1 대비 160% 이상 향상된다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.

도 1은 비교예에 따른 TWIP 강판의 집합조직(방위 분포)을 보인 도면,

도 2는 도 1에 도시된 비교예의 압연 방향에 따른 소성변형비의 변화를 보인 그래프,

도 3은 실시예에 따른 TWIP 강판의 집합조직(방위 분포)을 보인 도면,

도 4는 도 3에 도시된 실시예의 압연 방향에 따른 소성변형비의 변화를 보인 그래프이다.

Claims

중량%로, 탄소 0.15∼0.30%, 실리콘 0.01∼0.03%, 망간 15∼25%, 알루미늄 1.2∼3.0%, 인 0.020% 이하, 황 0.001∼0.002%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 갖는 오스테나이트 기지조직의 열간압연강판을, 전후방 인장력 180~220Mpa의 조건에서 패스 당 압하율 35~40%로 냉간 압연하는 과정과,

전 과정에서 냉간 압연된 강판을 850~900℃에서 소둔하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 초고강도 TWIP 강판 제조방법.
청구항 1에 있어서, 상기 열간압연강판은, 연속 주조된 슬라브를 1100∼1300℃에서 열간 압연 후, 60℃/sec 이하의 속도로 냉각시켜 얻어진 것임을 특징으로 하는 초고강도 TWIP 강판 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 따른 제조방법에 의해 제조된 초고강도 TWIP 강판으로서,

중량%로, 탄소 0.15∼0.30%, 실리콘 0.01∼0.03%, 망간 15∼25%, 알루미늄 1.2∼3.0%, 인 0.020% 이하, 황 0.001∼0.002%, 나머지 철 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 평균 소성변형비가 1.2 이상인, 오스테나이트 기지조직의 초고강도 TWIP 강판.