KR101070094B1

KR101070094B1 - 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101070094B1
Application number: KR1020080128893A
Authority: KR
Inventors: 김성규; 황현규; 진광근; 김교성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2011-10-04
Also published as: KR20100070256A

Abstract

본 발명은, 중량%로, C: 0.05~0.15%, Si: 0.3~1.0%, Mn: 1.0~1.7%, Cr: 0.5~1.5%, Al: 0.1~0.4%, S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하여, Si 및 Mn을 제어함으로써 전기 저항 용접성을 향상시킨 고강도 열연 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 이 경우, 상기 열연 강판은 냉각 조건을 제어하여 기지 조직으로 페라이트 조직을 포함하며 잔부는 베이나이트 및 마르텐사이트의 저온 변태 조직으로 이루어지는 고강도 열연 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 700MPa 이상의 높은 인장 강도와 15% 이상의 연신율을 나타내어 안전성과 성형성이 우수함은 물론 전기 저항 용접성이 향상된 강재를 제공할 수 있다.

전기 저항 용접, 열연 강판, 베이나이트, 연신율, 인장 강도, 마르텐사이트

Description

전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판 및 그 제조방법{High Strength Steel Sheet with Excellent ERW Properties and Manufacturing Method Thereof}

본 발명은 자동차의 파이프 소재에 사용 가능한 초고강도 자동차용 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연신율이 우수하여 부품 성형이 용이하면서도 높은 강도를 구비하여 자동차용 소재로 사용이 가능하고, 전기 저항 용접성도 우수한 고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차 부품에 사용되는 파이프는 액압 성형(HF; Hydro Forming) 공정에 이용되는 기본 소재이다. 액압 성형 공정이란, 차량의 경량화, 충돌성의 개선 등에 유용한 성형 공정 중 하나로 주로 파이프를 제조한 후 액체의 압력으로 균일한 변형을 가해 부품을 제조하는 방법을 의미한다.

이러한 액압 성형 공정을 적용하기 위해서는 먼저 파이프를 제조해야 하는데, 액압 성형 공정에 사용되는 파이프는 통상 판재를 적당한 폭으로 전단한 후 원 통형으로 성형하고, 접합부를 용접하여 제조하게 된다.

이 때, 용접은 주로 전기 저항 용접에 의하여 이루어진다. 전기 저항 용접은 가격이 저렴하고 생산이 용이한 가장 일반적인 공정으로 널리 사용되고 있지만, 고강도강의 성형성을 향상하기 위해 첨가되는 Mn, Si, Al 등의 합금 원소가 포함되는 경우에는 전기 저항 용접에는 다소 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 이러한 성분들은 다량 첨가되는 경우 용접성이 좋지 않기 때문인 바, 고강도강에 대한 전기 저항 용접을 용이하게 하기 위한 연구가 끊임없이 이루어지고 있는 실정이었다.

특히, 차량의 충돌과 같은 긴급 상황에서 승객의 안전과 직접적으로 관련이 있는 부품들에는 인장강도 780MPa 이상의 초고강도 열연 강판이 주로 사용되고 있는데, 이러한 강판은 고강도강으로서 전기 저항 용접에는 적합하지 않을 수 있다. 나아가 단순히 높은 인장 강도만 구비하는 것 만으로는 경쟁력이 떨어지며, 보다 우수한 성형을 위한 높은 연신율 역시 요구된다.

이러한 목적을 위해 복합조직(Multi-Phase Steel)강, 변태유기 소성강(TRIP; Transformation Induced Plasticity), 이상조직강(DP; Dual Phase) 등이 나타난 바 있다.

하지만 상기 이상조직강과 같은 경우에는 전체 조직 중 마르텐사이트의 비율 이 증가할수록 강도가 증가하고 페라이트 비율이 증가할수록 연성이 증가하는 마르텐사이트-페라이트 2상 조직을 가지는데, 강도 상승을 위하여 마르텐사이트 비율을 너무 높이면 상대적으로 페라이트 비율이 감소하여 연성이 저하될 수 있으며, 저온에서 마르텐사이트를 형성하기 위해서 냉각속도를 급격하게 상승시켜야 하기 때문에 냉각시 공정 부하가 크다는 단점이 있다.

또한, 상온에서 페라이트, 마르텐사이트와 일부 베이나이트 및 마르텐사이트/오스테나이트 혼합상을 형성함으로써, 강도와 연성을 동시에 개선한 복합조직강은 변태유기 소성강의 강도 및 연성을 더 향상시킨 강종으로, 높은 항복강도를 가지는 장점이 있으나 성형성에 있어서 불리하다는 문제가 나타났다. 또한, 복합조직강은 일정 분율 이상의 페라이트를 유지하는 것이 중요한데, 이를 위해서 Si, Mn 등을 첨가하며, Nb, Ti 등을 미량 첨가하여 결정립을 미세하게 하는 것이 중요한데, 충분한 전기 저항 용접성을 얻기 위해 Si의 첨가량을 정밀하게 제어해야 한다는 점도 문제가 된다.

따라서, 본 발명자들은 종래 기술의 문제점을 해결하고 전기 저항 용접성이 우수하여 용접 작업이 용이하며, 동시에 안전성의 보증이 가능한 수준으로 강도가 높으며 나아가 복잡한 자동차 부품의 성형이 용이하도록 성형성도 구비한 고강도 열연강판을 안정적이고 용이하게 제공하고자 한다.

본 발명은, 중량%로, C: 0.05~0.15%, Si: 0.3~1.0%, Mn: 1.0~1.7%, Cr: 0.5~1.5%, Al: 0.1~0.4%, S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판을 제공한다. 상기 열연 강판은 추가적으로 Nb: 0.01~0.1% 및/또는 Ti: 0.01~0.1%를 포함할 수 있으며, 기지 조직으로 50~60%의 페라이트 조직과 베이나이트 및 마르텐사이트의 저온 변태 조직을 포함할 수 있다.

나아가, 본 발명은, 중량%로, C: 0.05~0.15%, Si: 0.3~1.0%, Mn: 1.0~1.7%, Cr: 0.5~1.5%, Al: 0.1~0.4%, Nb: 0.01~0.1%, Ti: 0.01~0.1%, S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1180~1220℃에서 가열, Ar3~Ar3+60℃ 범위에서 열간 마무리 압연, 400~500℃의 냉각 종료 온도까지 급냉하는 단계를 포함하여 전기 저항 용접성이 우 수한 고강도 열연 강판을 제조할 수 있는 방법을 제공한다. 이 경우, 상기 제조방법은 냉각 종료 전 5~10초간의 중간 공냉 단계를 포함하여 페라이트 조직을 형성할 수 있다.

페라이트 기지 조직을 형성하기 위해서는 주로 Si가 첨가된다. Si는 탈산 효과와 더불러 페라이트 조직 형성에 기여하지만, Si의 첨가가 적절히 이루어지지 않는다면 강판의 전기 저항 용접성이 급격히 저하될 수 있다.

따라서, 본 발명자들은 연구를 거듭하여, 주로 Si, Mn 등의 주요 합금 원소의 첨가량을 최적화하는 방법으로 우수한 전기 저항 용접성을 구비하는 방법을 도출하였다. 이를 바탕으로 본 발명자들은 ERW 용접이 가능한 연신율 15% 이상의 고강도 이상조직강 및 그 제조방법을 완성하기에 이르렀다.

이하 본 발명의 강판을 구성하는 성분계에 관하여 보다 상세히 설명한다. 단, 이하 성분계의%는 중량%를 의미한다.

C: 0.05~0.15%

강 중 C는 철강 재료에서 가장 중요한 성분으로 강도는 물론 인성, 내식성 등의 모든 물리적, 화학적 특성과 밀접한 관계를 가지는 원소이다. 이러한 특징 때문에, C의 양이 너무 적으면 제2상의 분율이 감소하여 강 자체의 강도가 감소할 수 있으므로 본 발명에서는 C를 0.05% 이상으로 포함하도록 한다. 하지만, C가 과다하게 첨가되어 0.15%를 초과하면 용접성이 저하될 수 있고, 제2상의 분율이 급격하게 증가함으로써 제품의 성형성에 좋지 않으므로 C의 함량은 0.05~0.15%로 한정한다.

Si: 0.3~1.0%

Si은 페라이트에 고용되는 페라이트 안정화 원소로 강도에 기여하며, 용강에 탈산제로 첨가되는 경우가 일반적이다. 또한, Si는 용강의 유동성을 증대시키는 원소로 Mn이 다량 첨가된 강에서 MnS 개재물의 부상 및 분리에 효과적이다. 특히, Si은 복합조직강에서 냉각시 오스테나이트-페라이트 변태를 촉진시키는 역할을 하므로 페라이트 분율을 증가시키는 역할을 한다. 따라서, Si이 0.3% 미만이면 페라이트 분율이 감소하고, 탄화물 억제 효과가 저하되어 문제가 될 수 있다. 반면, 과량의 Si는 열연 스케일을 유발하고 용접성의 열화를 초래할 수 있으므로 그 상한을 1.0%로 엄격하게 제한할 필요가 있다.

Mn: 1.0~1.7%

Mn은 침상(acicular) 페라이트 및 베이나이트와 같은 저온 변태 조직의 형성을 용이하게 하므로 경화능을 크게 하여 강도를 증가시킨다. 특히, 오스테나이트 안정화 원소로도 잘 알려져 있다. 따라서, C와 Si의 첨가량을 고려하여 본 발명의 목적을 이루기 위해서는 1.0% 이상의 Mn을 첨가한다. 하지만, Mn이 과도하게 다량 첨가되면 오히려 용접성이 저하될 수 있고, 개재물이 다량 형성되어 수소 유기 균열(HIC)이 발생하여 열간 압연시 판재 중앙에 편석대가 형성될 수 있다. 따라서, Mn의 상한은 1.7%로 한정한다.

Cr: 0.5~1.5%

Cr은 오스테나이트의 안정도를 향상시켜 높은 온도에서 권취해도 오스테나이트가 베이나이트로 변태하지 않고, 마르텐사이트를 형성할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한, 높은 강도에도 기여를 하기 때문에, 본 발명에서는 Cr을 0.5% 이상 첨가한다. 하지만, 과도하게 다량으로 Cr이 첨가되면 용접성이 저하될 수 있고, 페라이트 분율이 낮아져 연신율 및 성형성이 낮아질 수 있으므로 Cr 첨가량의 상한은 1.5%로 제한한다.

Al: 0.1~0.4%

Al은 Si과 같이 페라이트에 고용되는 페라이트 안정화 원소로 강도 향상에 기여하며, 저렴한 탈산제로도 널리 사용된다. 특히, Al은 열간 압연 후 냉각시 오 스테나이트-페라이트 변태를 촉진시켜 페라이트 분율을 증가시키는 기능이 Si보다 오히려 뛰어나다. 따라서, 본 발명에서는 Al을 0.1% 이상 첨가하여 페라이트 형성을 도모한다. 하지만, Al이 0.1%를 초과하여 첨가되면 용접성이 저하될 수 있으므로 그 상한을 0.4%로 한정한다.

S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하

S를 비롯한 P, N은 철강에 함유되는 불순물 원소로서 그 함량을 최대한 저감하는 것이 필요하다. 특히, S가 0.005%를 초과하여 첨가되면 열연 강판에 조대한 TiS, MnS 등이 생성되어 가공성과 인성이 저하되며, P, N도 본 발명에서는 0.03% 이하 및 0.008% 이하로 제어할 필요가 있다.

본 발명은 상술한 필수 성분들을 포함하면 소기의 목적을 달성할 수 있으나, 필요할 경우 후술하는 선택적 첨가 원소들을 추가적으로 포함하여 더욱 우수한 물성의 향상을 얻을 수 있다.

Nb: 0.01~0.1%

일반적으로 Nb은 열간 압연시 오스테나이트에 고용되거나 석출상을 형성하여 오스테나이트의 결정립을 작게 함으로써 결과적으로는 페라이트 결정립을 미세화시킨다. 따라서, 본 발명에서는 고용 및 석출 효과를 위하여 0.01% 이상의 Nb를 첨가한다. 하지만, Nb가 0.1%를 초과하여 지나치게 과도하게 첨가되면 연속 주조시 크 랙을 유발할 수 있으며, 제조 원가의 상승을 피할 수 없으므로, Nb는 0.01~0.1%로 한정한다.

Ti: 0.01~0.1%

Ti는 Nb와 마찬가지로 오스테나이트에 고용되거나 석출상을 형성하여 페라이트 결정립을 미세화시키는데 기여하는 원소이다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 고용 및 석출 효과를 위해 0.01% 이상의 Ti를 첨가한다. 하지만, Ti가 지나치게 과다하게 첨가되면 제조 원가의 상승을 피할 수 없고 Ti의 높은 융점에 기인하여 재가열 온도를 과도하게 상승시켜야 하므로 공정의 부하가 커질 수 밖에 없으므로 그 상한을 0.1%로 제한한다.

상술한 조성을 포함하는 슬라브는 제강 공정을 통해 용강 형태를 거쳐 다시 연속 주조 공정 등에 의하여 제조된다. 본 발명에서는 이와 같이 제조된 슬라브를 이용하여 우수한 열연 강판을 제조하는 조건을 제시하는 바, 이하 본 발명의 제조방법에 관하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서 슬라브는 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위하여 재가열하는 가열로 공정, 판재의 두께를 제어하는 열간 압연 공정, 재질을 확보하고 상온으로 판재를 냉각하기 위한 냉각 공정 및 강판을 권취하는 권취 공정으로 구분되며, 각 각의 조건은 다음과 같다.

가열로 공정:재가열 온도는 1180~1220℃

슬라브를 재가열하는 공정은 주조시 편석된 성분들을 재고용하기 위한 것으로, 이러한 재가열 온도가 낮으면 편석된 성분을 재고용시키는 효율이 떨어지게 된다. 반면 온도가 과다하게 높다면 오스테나이트 결정립이 성장할 수 있는 여건이 조성되어 페라이트 결정립도 함께 조대화되어 결정립 미세화가 어려워져 제품의 강도가 감소될 수 있다. 따라서 본 발명에서의 재가열 온도는 1180~1220℃ 범위에서 제어하며, 바람직하게는 1200~1220℃로 재가열한다.

열간 압연 공정:Ar ₃ ~Ar ₃ +60℃ 범위에서 열간 마무리 압연

재가열 공정을 거친 슬라브는 Ar₃~Ar₃+60℃의 온도 범위에서 열간 마무리 압연 공정을 실시한다. Ar₃ 수준에서 마무리 압연을 실시하면 압연롤의 부하가 크게 증가하여 작업 시간이 증가하고 설비 수명이 감소할 수 있으며, Ar₃ 이하에서 압연하면 열간 압연 중에 형성된 페라이트 내에 많은 전위가 도입되고 이러한 페라이트가 냉각 혹은 권취 중에 성장하므로 표면 조대립이 형성될 수 있다. 반면, 마무리 압연 온도가 지나치게 높으면 페라이트 결정립이 성장할 수 있으므로 결정립 미세화가 어려워지므로 열간 마무리 압연은 Ar₃~Ar₃+60℃ 범위에서 실시한다.

냉각 및 권취공정:공냉 구간 설정, 냉각 종료 온도는 400~500℃

상기 열연판은 강도와 연신율이 동시에 확보되어야 하므로, 강도는 베이나이트와 마르텐사이트의 분율로 제어하고, 연신율은 주로 페라이트 분율로 제어하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 충분한 연신율 확보를 위해서는 페라이트상이 부피 분율로 50~60%가 요구되는바, 압연 후 수냉시 일정시간, 바람직하게는 5~10초간의 중간 공냉 구간을 확보하여 적정량의 페라이트 분율을 얻고, 다시 수냉한다.

또한, 일정 분율 이상의 베이나이트를 얻기 위해 연속 냉각 곡선 상에서 베이나이트 변태 구간을 통과하도록 하며, 냉각 종료시의 온도를 400~500℃로 하여 적정량의 마르텐사이트 조직을 형성한다. 냉각 종료 온도가 400℃ 미만이면 과도하게 많은 마르텐사이트가 형성되어 강도는 높으나 연신율이 감소하고, 500℃를 초과하면 탄화물이 너무 조대해져 연신율은 높으나 마르텐사이트 분율이 감소할 수 있어 강도가 저하될 수 있다.

이와 같이 제조된 강재는 높은 강도와 연신율을 구비하면서도 우수한 전기 저항 용접성을 가지게 된다.

이하 본 발명을 하기 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1에 나타난 합금 원소를 첨가하여 강 슬라브를 제조하였다. 하기 표 1 중 1~3은 본 발명의 성분계를 벗어난 비교재이며, 나머지는 발명재에 해당된다.

번호	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Nb	Ti
1	0.080	1.5	1.5	0.03	0.003	0.2	0.7	0.03
2	0.085	0.2	1.5	0.03	0.003	0.2	0.7	0.05
3	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.05
4	0.085	0.7	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.05
5	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.04	0.01
6	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.04	0.02
7	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.03	0.03
8	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.04	0.02
9	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.04	0.02
10	0.085	0.5	1.6	0.03	0.003	0.2	0.7	0.04	0.02
11	0.085	0.7	1.6	0.03	0.003	0.15	0.8	0.04	0.02
12	0.08	0.3	1.5	0.03	0.003	0.2	1.0

상기 표 1로 이루어진 각각의 강 슬라브를 1200℃에서 1시간 동안 가열하고 860℃에서 마무리 열간 압연한 다음, 700℃로 급냉하여 약 6초 정도 유지하여 공냉시키고 다시 수냉으로 마무리 하였다. 수냉 후 냉각 종료 온도를 제어하여 제조된 시편을 이용하여 항복 강도, 인장 강도, 연신율 및 전기 저항 용접성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

번호	냉각종료 온도(℃)	항복 강도 (MPa)	인장 강도 (MPa)	균일 연신율 (%)	총 연신율 (%)	비고
1	420	488.0	797.8	13.1	20.8	용접성불량
2	420	729.4	817.7	7.1	12.7	연신율불량
3	420	696.9	804.1	7.7	13.4	연신율불량
4	420	703.5	786.7	9.0	15.1	양호
5	420	665.3	772.4	8.4	15.0	양호
6	420	655.1	770.0	8.8	15.2	양호
7	420	606.1	746.9	8.3	15.4	양호
8	420	647.5	752.1	11.3	19.2	양호
9	420	610.4	757.8	13.5	21.3	양호
10	420	630.5	755.4	11.9	19.3	양호
11	420	555.0	800.0	13	21.0	양호
12	420	492.0	700.0	16	27.0	양호
4	450	659.6	770.9	9.5	17.3	양호
5	450	651.9	773.0	11.4	17.2	양호
6	450	642.6	763.9	10.5	17.7	양호
7	450	594.6	755.5	5.6	11.2	양호
8	450	627.7	759.2	10.1	18.0	양호
9	450	631.0	778.5	11.8	18.7	양호
10	450	610.6	759.0	12.0	19.8	양호

상기 표 2에서 볼 수 있듯이, 본 발명의 성분 조건을 만족하는 발명재로 제조된 강재는 강도 특성, 연신율 특성은 물론 용접성 역시 양호하였지만, 비교재로 제조된 강재는 용접성이나 연신율이 좋지 않다는 사실을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명에 의할 경우, 700MPa 이상의 인장 강도를 구비하며 15% 이상의 연신율을 나타내어 성형성이 우수함은 물론 전기 저항 용접이 용이한 강재를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims

중량%로, C: 0.05~0.15%, Si: 0.3~1.0%, Mn: 1.0~1.7%, Cr: 0.5~1.5%, Al: 0.1~0.4%, S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 기지 조직으로 페라이트 조직을 부피 분율로 50~60% 포함하며, 잔부는 베이나이트 및 마르텐사이트의 저온 변태 조직으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판.
제1항에 있어서, 상기 열연 강판은 Nb: 0.01~0.1% 및 Ti: 0.01~0.1% 중 1 이상의 합금 원소를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판.
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제1항에 있어서, 상기 열연 강판은 700MPa 이상의 인장 강도 및 15% 이상의 연신율을 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강 판.
중량%로, C: 0.05~0.15%, Si: 0.3~1.0%, Mn: 1.0~1.7%, Cr: 0.5~1.5%, Al: 0.1~0.4%, S:0.005% 이하, P:0.03% 이하 및 N:0.008% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브에 대하여,

1180~1220℃에서 가열하는 재가열 단계;

Ar3~Ar3+60℃ 범위에서 열간 마무리 압연하는 열간 압연 단계; 및

400~500℃의 냉각 종료 온도까지 급냉하는 냉각 단계

를 포함하며, 상기 냉각 단계는 냉각 종료 전 5~10초간의 중간 공냉 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 열연 강판은 Nb: 0.01~0.1% 및 Ti: 0.01~0.1% 중 1 이상의 합금 원소를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 저항 용접성이 우수한 고강도 열연 강판의 제조방법.
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