KR101066673B1 - 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 강슬라브를 1150~1250℃의 온도범위 내에서 재가열하여 균질화처리하는 단계와,상기 균질화 처리 후 880~920℃의 온도범위 내에서 마무리 열간압연한 다음 냉각하여 500~750℃의 온도범위에서 권취하여 열연강판을 제조하는 단계와, 상기 권취된 열연강판을 60~90%의 압하율로 냉간압연하는 단계와, 상기 냉간압연된 강판을 소둔 열처리하여서 강판의 표면층과 중앙층의 집합조직인 r-fiber({111}//압연면)분율편차가 5이하가 되도록 한다. 본 발명에 의하면, r-fiber의 집합조직이 냉연강판 전체에 걸쳐 균일하게 발달한 냉연강판을 제조할 수 있으므로 성형 후에도 표면품질이 우수한 외판재를 생산할 수 있어 제품신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

외판재, 냉연강판, 집합조직

Description

표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법{Method for producing of cold steel sheet having good surface quality}

본 발명은 자동차의 외판재로 사용되는 냉영강판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집합조직의 제어로 성형 후에도 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법에 관한 것이다.

최근 철강업계 및 자동차 업계의 연구관심은 환경오염과 고강도, 경량화에 집중되고 있으며, 자동차 디자인이 복잡해지고 소비자의 욕구가 다양화됨에 따라 고강도이면서 가공성과 성형성이 우수한 강을 요구하고 있다.

특히, 자동차의 외판재로 사용되는 냉연강판의 경우에는 시대적 흐름에 따라 강도향상을 통한 형상유지, 안전성, 에너지 절감이 중요시되고 있으며, 디자인에 대한 고객의 요구가 다양해지고 복잡해짐에 따라 충분한 성형성과 표면 품질이 기본적으로 확보된 고급강판을 요구하고 있다.

강종의 성형성을 평가하는 방법으로 가장 널리 사용되는 것이 소성변형비(r)값(Lankford Value)이다. r값은 드로잉시 폭 방향 변형을 두께 방향 변형으로 나누어 준 값을 의미한다. r값이 큰 경우 폭 방향 변형에 대한 두께 감소율이 적기 때 문에 드로잉성이 향상되며, 동일 성형에 필요한 판재의 두께를 감소시킴으로써 에너지 절감에 기여할 수 있다.

이러한 성형성 평가지수는 식(1)의 소성변형비(r), 식(2)의 평균소성변형비(r_m), 식(3)의 평면이방성계수(△r)와 같은 식으로 표현된다.

r=ε_w/ε_t 식(1)

r_m = (r₀ + 2r₄₅ + r₉₀) / 4 식(2)

△r = (r₀ - 2r₄₅ + r₉₀) / 2 식(3)

여기서 r₀는 압연방향, r₄₅압연의 대각선방향, r₉₀압연의 수직방향 값을 나타내며, ε_w는 폭방향 변형률, ε_t 는 두께 방향 변형률을 나타낸다.

이러한 r값은 강종의 집합조직에 크게 영향을 받는데, 극저탄소강의 집합조직 제어기술에서는 r값이 높은 r-fiber({111}//압연면)집합조직을 높게 발달시키고 r값을 악화시키는 α-fiber(<110>//압연방향)를 최대한 줄여 성형성을 향상시켜주는 방향의 연구가 진행되어 오고 있다.

철은 기본적으로 페라이트(BCC)상에서 압연시 α-fiber의 압연 집합조직이 발달하고, 이 압연 집합조직은 소둔 시 r-fiber 재결정 집합조직으로 발달한다.

집합조직의 제어를 통해 성형성을 개선하고자 하는 연구는 첫째 티타늄(Ti), 니오븀(Nb) 등의 강한 탄질화물 원소를 첨가하여 재결정 집합조직의 발달을 저해하는 고용탄소와 고용질소량을 제어하거나, 둘째 가열온도와 열간 마무리 압연온도를 제어하여 결정립 석출현상 및 결정립 크기를 제어하거나, 셋째 재결정 방위의 핵 생성을 유도하는 냉간압연 조건을 제어하거나, 넷째 재결정 집합조직을 발달시키기 위한 소둔 조건을 제어하는 방향으로 진행되어 왔다.

상술한 극저탄소강에서 미세조직 및 집합조직을 제어하는 방법은 성형 전 평균소성변형비(r_m)를 높이고, 평면이방성계수(△r)를 낮추는 방법이다. 하지만 이러한 방법은 오렌지필(orange peel)과 같은 표면결함을 유발할 수 있으므로 도장 또는 도금으로 인하여 성형 후 우수한 표면상태를 유지해야하는 자동차용 외판재의 경우에는 성형성 향상만을 고려한 방법이라는 한계가 있다.

성형 후 강판의 표면상태가 악화되는 예로는 페라이트계 스테인레스강의 경우를 들 수 있다. 페라이트계 스테인레스강은 오스테나이트에서 페라이트로의 상변화가 발생하지 않아 주조시부터 존재하는 주상정 조직이 최종제품에 잔류한다.

이러한 주상정 조직은 압연시 중앙층은 압연재의 이론적 변형인 평면변형을 받게 되지만 압연롤과 가까운 표면 층은 압연롤의 기하학적 형태와 롤과 마찰에 의한 전단변형을 받는다. 주상정은 전단변형에 의해서는 파괴가 가능하나 평면변형에 대해 안정적이기 때문에 최종재의 중앙층에는 압연방향을 따라 긴띠의 형태로 {001}<110>방위로 잔류하게 된다. 이러한 α-fiber 방위는 성형성을 악화시키는 방위이기 때문에 압연과 소둔에 의해 생성된 주위의 r-fiber와 다른 변형을 하게 되고, 성형시 압연방향을 따라 15~25㎛ 높이의 요철 무늬 결합인 리징(Ridging)이 발생하게 된다.

극저탄소강의 경우 열간압연시 상변화가 발생하고 압연과 소둔을 통해 r-fiber가 강하게 발달하므로 주상정 조직의 잔류에 의한 리징과 같은 표면결함을 찾아보기 힘들다. 하지만 열간 압연시 표면층과 중앙층의 온도 편차 및 압연시 압하율과 롤 접촉면비에 의한 압연변형의 집중 등으로 인하여 압연재의 두께층에 따라 집합조직 및 미세조직의 편차가 발생한다.

이러한 집합조직 및 미세조직 편차는 성형 후 제품의 표면에 조도변화를 유도하며, 도장 소부 후 오렌지필과 같은 불규칙적인 난반사를 발생시켜 외판재의 광택성 및 표면품질에 악영향을 미치게 된다. 이러한 결함을 제거하기 위해 그라인딩을 실시하고 도장을 하는 경우 고른 도장이 얻어지지 않아 강판의 외관 품질을 악화시키는 원인이 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 미세조직과 r-fiber의 집합조직이 강판 전체에 균일하게 발달하도록 열간압연 공정에서 냉연압연, 소둔 공정까지 압연재 두께층의 미세조직 및 집합조직을 제어하는 공정을 실시하는 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 강슬라브를 1150~1250℃의 온도범위 내에서 재가열하여 균질화처리하는 단계와, 상기 균질화 처리 후 880~920℃의 온도범위 내에서 마무리 열간압연한 다음 냉각하여 500~750℃의 온도범위에서 권취하여 열연강판을 제조하는 단계와, 상기 권취된 열연강판을 60~90%의 압하율로 냉간압연하는 단계와, 상기 냉간압연된 강판을 소둔 열처리하여서 강판의 표면층과 중앙층의 집합조직인 r-fiber({111}//압연면)분율편차가 5이하가 되도록 한다.

상기 열간압연시에는 압연롤과 소재의 마찰계수(μ)가 0.15~0.25범위를 만족하는 윤활압연을 실시한다.

상기 소둔은 780~880℃에서 실시한다.

본 발명에 의하면, 압연 및 열처리 공정조건의 제어로 강판(압연재)의 중간 층과 표면층간의 집합조직을 제어하고 열간압연시 압연롤과 압연재의 마찰계수를 고려한 압연으로 집합조직인 r-fiber({111}//압연면)분율편차가 5이하가 되도록 한다. 따라서, r-fiber의 집합조직이 냉연강판 전체에 걸쳐 균일하게 발달한 냉연강판을 제조할 수가 있다. 따라서 성형 후에도 표면품질이 우수한 외판재를 생산할 수 있어 제품신뢰도를 향상시키는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 니오븀(Nb)을 기본성분으로 한 강슬라브를 열간압연, 냉간압연, 소둔 공정을 거쳐 냉연강판으로 제조하되, 압연 및 열처리 공정조건을 제어하여 r-fiber의 집합조직이 냉연강판 전체에 걸쳐 균일하게 발달하도록 한다.

보다 상세하게는 미세조직 및 집합조직을 제어하여 가공 후 냉연강판의 표면품질을 향상시키는 것이다.

소둔전 열간압연 및 냉간압연에 의해 판재에 형성된 미세조직 및 집합조직은 소둔 이후 성형성을 최적화 시키는 r-fiber({111}//압연면)재결정 집합조직의 구동력이 된다. 따라서 소둔전 열간압연과 냉간압연 과정에서 미세조직과 집합조직을 균일하게 발달시키는 것이 중요하다.

미세조직과 집합조직은 첫째 열간 압연시 압연재의 표면층과 중앙층의 온도편차, 둘째 압연시 압하율과 롤 접촉면비에 의한 압연변형의 집중, 세째 압연시 롤 과 소재간의 마찰에 의한 변형상태 변화, 넷째 압연시 롤의 기하학적 형태에 의한 변형상태 변화, 다섯째 소둔 공정에서 미세조직 집합조직과 같이 기존 공정에서 축적된 r-fiber 핵생성 및 성장 구동력 변화, 여섯째 합금원소 변화의 효과 등에 의해 압연재의 두께층에 따라 편차가 발생한다.

상술한 이유로 미세조직 및 집합조직은 재가열, 열간압연, 권취 단계에서 미세조직과 집합조직이 냉간압연시 소재의 집합조직 및 미세조직에 큰 영향을 미치게 된다. 이에 따라 열간압연 공정에서 냉연압연, 소둔 공정까지 압연재 두께층의 미세조직 및 집합조직을 제어하기 위한 공정조건이 필요하다.

이때, 집합조직은 r-fiber(<20°)분율차(압연재의 표면층과 중앙층의 {111}//ND 분율편차)가 5미만이 되도록 한다. r-fiber(<20°)분율차가 5이상 차이가 날 경우에는 급격한 표면조도 증가로 오렌지필과 같은 표면결함이 발생한다. 집합조직은 r-fiber(<20°)분율차는 압연롤과 압연 소재의 마찰계수 등을 고려한 압연조건에 의해 제어한다.

미세조직 및 집합조직을 균일하게 발달시키기 위한 공정조건은 아래와 같다.

[슬라브 재가열 공정]

슬라브를 재가열하는 공정은 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위한 것이다. 재가열은 1150~1250℃의 온도범위로 가열한다. 재가열 온도가 낮으면 결정립 사이즈 감소로 소부경화능 및 성형성 등 많은 물성이 향상되나 과도하게 낮을 경우에는 균일한 오스테나이트 결정립이 되지 못하고 혼립이 발생하므로 최종재의 두께층에 따른 집합조직 및 미세조직 편차를 유발한다.

[열간압연 공정]

재가열된 슬라브를 880~920℃에서 열간압연을 마무리한다. 열간압연 마무리 온도는 920℃보다 높으면 비정상적인 결정입자 성장에 의해 압연재의 표면층부터 매우 조대한 결정립이 성장한다. 그리고 열간압연 마무리 온도가 880℃보다 낮으면 연간압연 중 압연재의 상부와 하부가 단상영역으로 되어 상변화를 발생하지 않는다. 그리고 상변화를 발생하지 않는 압연재의 상부와 하부는 열간압연시 집합조직이 다량 잔류하여 최종재의 두께층에 따른 집합조직 및 미세조직 편차를 유발한다.

열간압연시 압연롤과 소재간의 마찰계수 및 롤의 기하학적 형태에 의해 압연재의 표면층에는 전단변형이 작용하고, 중앙층에는 평면변형이 작용한다. 압연롤과 소재간의 마찰계수가 낮은 경우에는 이 변형상태가 어느 정도 균일해져 압연재의 불균일 변형을 줄이나, 압연롤과 소재간의 마찰계수가 높은 경우에는 압연재의 표면층에 발생하는 전단변형 집합조직에 의해 최종재의 두께층에 따른 집합조직 및 미세조직 편차를 발생시킨다.

이에 따라 열간압연시 윤활압연을 실시한다. 윤활조건은 압연롤과 소재(압연재)간의 마찰계수(μ)가 0.25이하가 되도록 제어한다. 마찰계수가 너무 낮은 경우에는 소재의 치입이 어려워지므로 하한치를 0.15이상으로 제한한다.

여기서, 마찰계수 μ는 소재 외면과 압연롤 표면 사이의 미끄럼계수에 의존하는 값이다.

[권취 공정]

권취는 500~750℃에서 실시한다. 권취는 고성형성을 얻기 위해 고온권취를 실시한다. 고온권취를 통해 석출물의 조대화를 도모하게 되는데, 그 온도가 과도하게 높을 경우에는 이상립성장이 발생하므로 500~750℃ 범위로 실시한다.

[냉간압연 공정]

권취와 산세가 마무리된 열연강판은 최종 원하는 두께를 얻고 원하는 재질을 확보하기 위해 냉간압연 한다. 냉간압연은 60~90%의 압하율로 실시한다.

냉간압연시에는 상변화가 전혀 없기 때문에 압연시 집합조직 발달이 더욱 강하게 나타난다. 냉간압연시 압하율이 증가할수록 최종재의 결정립 크기가 감소하고<110>//RD압연 집합조직이 발달하여 소둔 이후 성형성을 최적화시키는 {111}//ND재결정 집합조직이 발달하게 된다. 하지만 재결정시 균일한 미세조직과 집합조직을 발달시키기 위해 열간압연과 같은 이유로 마찰계수를 제어한다.

압연재의 전층에 상대적으로 균일한 구동력을 형성시켜 주기 위하여 충분한 압하율을 가해 주어야 하므로 60% 이상의 압하를 실시하며, 압하율이 90%를 초과하면 소둔 재결정립의 과도한 미세화로 성형성이 저하되고 재결정시 표면층에 혼립이 발생하는 경우가 발생하므로 60~90%로 제어한다.

[소둔 공정]

소둔은 780~880℃에서 실시한다. 소둔온도가 과도하게 낮은 경우에는 재결정 집합조직의 발달이 부족하여 성형성이 저하되고, 소둔온도가 과도하게 높은 경우에는 이상결정립 성장이 발생하므로 소둔온도를 780~880℃로 제한한다.

이하, 이하, 상술한 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법을 종래와 대비하여 설명하기로 한다.

탄소:0.003wt%, 실리콘:0.2wt%, 망간:0.5wt%, 인:0.05wt%, 황:0.08wt%, 니오븀:0.018wt% 함량의 극저탄소강을 공정조건을 변화시키면서 압연재의 두께 층에 따른 미세조직과 집합조직을 제어하여 XRD와 EBSD를 이용하여 집합조직을 측정하였다. 그리고, 1~2㎛ 이하의 수준으로 표면연마를 마친 후 10%까지 인장시험을 하여 표면조도(거칠기)를 측정하였다. 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다.

그리고 도 1 및 도 2에는 표 1의 case1과 case2의 시료에 대하여 XRD와 EBSD로 중앙층 집합조직을 측정한 결과를 나타내었다.

구분		집합조직최대강도 (F(g)max)	γ-fiber 분율(%)	결정립 크기	평균 r값	인장 전 표면조도 (㎛),Ra	10%인장 후 표면조도 (㎛),Ra
			<20°
case1 (본발명)	중앙층	12.07	79	14	2.13	<1~2㎛ 이내로 연마	2.3
	중앙층~표면층	13.79	82	15
	표면층	12.60	80	15
case2 (종래기술)	중앙층	12.31	70	15	2.01		5.8
	중앙층~표면층	10.29	68	14
	표면층	7.85	60	13
case3 (본발명)	중앙층	9.35	67	13	1.86		2.6
	중앙층~표면층	9.66	66	14
	표면층	9.65	66	13

여기서, r-fiber 결정립 분율은 EBSD를 이용하여 측정한 면적에 대해 20°이내의 방위차를 가진 결정립의 분율로 표시하였다.

표 1을 살펴보면, 전체적인 r-fiber의 집합조직 강도가 증가할 경우 평균 r값이 상승하여 성형성이 향상됨을 알 수 있다.

그리고 도 1을 살펴보면, 성형성 평가의 기준이 되는 중앙층 집합조직을 측정한 결과 그 차이점을 찾기 힘들다.

하지만, 표 1과 도 2의 case1과 case2에서 확인되듯이, 압연재의 두께층별 집합조직 편차가 발생함에 따라 r-fiber({111}//압연면)에서 벗어난 방위의 밀도가 증가하게 되고, 성형후 표면의 거칠기가 변하여 표면품질이 저하되는 것을 확인할 수 있다.

또한, case3의 경우 r-fiber의 집합강도가 낮아도 평균 r값은 감소하나 집합조직이 균일하게 발달하여 성형 후에도 표면조도가 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 한편, 집합조직 편차에 따른 인장 후 거칠기의 변화를 알아보기 위해 다양한 시료에 대하여 표 1과 동일한 측정을 하였다. 집합조직 강도는(F(g)max)만으로는 그 차이가 적어 특성을 정의하기 어려우므로 r-fiber({111}//압연면)이내의 집합조직 분율을 대표값으로 설정하고 성형 후 거칠기와 비교하였다. 그 결과를 도 3에 표시하였다.

도 3에 의하면, r-fiber(<20°)분율차가 5이상 차이날 경우 급격한 표면조도 증가현상을 보임을 알 수 있다. r-fiber(<20°)분율차는 0일 경우 r-fiber의 집합조직이 냉연강판 전체에 걸쳐 가장 균일하게 발달한 것으로 볼 수 있다.

위 결과로 부터 외판재로써 표면의 품질이 엄격히 제한되어야 하는 냉연강판에 대해서는 성형성을 향상시키기 위하여 높은 집합 조직 강도를 유지하되 압연재의 중앙층과 표면층 간의 집합조직을 제어하고, r-fiber(<20°)분율차(압연재의 표면층과 중앙층의 {111}//ND 분율편차)가 5 미만이 되도록 압연롤과 압연 소재간의 마찰계수를 고려한 압연공정을 수행해야 함을 알 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도 1은 표 1의 case1과 case2 압연재의 중앙층 EBSD 측정결과 사진.

도 2는 표 1의 case1과 case2 압연재의 중앙층 XRD 집합조직 측정결과 사진.

도 3은 다양한 압연재의 10% 인장 후 집합조직 편차에 따른 거칠기 변화를 보인 그래프.

Claims (3)

1. 강슬라브를 1150~1250℃의 온도범위 내에서 재가열하여 균질화처리하는 단계와,

   상기 균질화 처리 후 880~920℃의 온도범위 내에서 마무리 열간압연한 다음 냉각하여 500~750℃의 온도범위에서 권취하여 열연강판을 제조하는 단계와,

   상기 권취된 열연강판을 60~90%의 압하율로 냉간압연하는 단계를 포함하고,

   상기 냉간압연된 강판을 소둔 열처리하여서 강판의 표면층과 중앙층의 집합조직인 r-fiber({111}//압연면)분율편차가 5이하가 되도록 하며,

   상기 열간압연시에는 균일한 미세조직과 집합조직을 발달시키기 위해 압연롤과 소재의 마찰계수(μ)가 0.15~0.25범위를 만족하는 윤활압연을 실시하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 소둔은 780~880℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 표면품질이 우수한 냉연강판의 제조방법.

Images