KR101079383B1 - 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 멤버류 등의 구조부재로 주로 사용되는 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 발명으로써,

중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, N: 0.005%이하, Si: 0.1%이하, 산가용Al: 0.03~0.07%, Ti: 0.02~0.06%, Nb: 0.02~0.06%, V: 0.08~0.12%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 내부조직에 미세 석출물이 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판 및 그 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면 항복강도 420MPa이상 확보 가능하며, 연신율 45%이상인 고연신 석출경화형 냉연강판을 제공할 수 있다.

냉연강판, 항온열처리, 석출강화, 석출물, 항복강도, 연신율

Description

항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판 및 그 제조방법{THE PRECIPITATION HARDENING COLD ROLLED STEEL SHEET HAVING EXCELLENT YEILD STRENGTH AND DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 자동차용 멤버류 등의 구조부재로 주로 사용되는 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 항복강도 420MPa 이상 확보하고 연신율이 45% 이상인 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차의 충격 안정성 규제가 확산되면서 차체의 내충격성 향상을 위하여 멤버(Member), 빔(Beam) 및 필라(Pillar)등의 구조 부재에는 석출경화형 고강도 강판의 적용이 널리 이용되고 있다. 석출경화형 고강도 강판은 자동차의 충돌에너지를 흡수하기 위하여 설계되었기 때문에 인장강도(TS) 대비 항복강도(YS) 즉, 항복비(YS/TS)가 높은 것을 특징으로 하고 있다.

통상 강을 강화하는 방법에는 고용강화, 결정립 미세화에 의한 강화, 변태강화 및 석출강화 방법으로 요약할 수 있다.

하지만 고용강화 및 결정립 미세화 강화 방법은 인장강도 기준 490MPa급 이상의 고강도강을 제조하기가 매우 어렵고, 변태 강화 방법은 강도 확보 및 변태 조직 형성을 위해 다량의 합금 성분이 필요할 뿐만 아니라 그 하부 조직이 베이나이트 혹은 마르텐사이트로 이루어져 있기 때문에 인장강도 대비 항복강도, 즉 항복비가 낮아 충돌시 내충격성을 요구하는 부품의 적용은 적절하지 못하다는 결점을 안고 있다.

반면 석출강화형 고강도강은 주로 Cu, Nb, Ti, V 등과 같은 탄화물 또는 질화물 형성원소 첨가에 의한 석출 강화 효과 및 결정립 미세화 효과에 의해 강도를 향상시키는 강으로 낮은 제조 원가로도 용체와 처리를 행한 다음 냉각 중에 미세한 석출물들을 다수 형성시켜 석출물 주변의 응력장에 의해 강화되는 현상이다. 통상 이러한 미세 석출물들은 열간압연 후 권취 중에 다량 형성되므로 냉간압연 후 소둔시 미세 석출물들에 의한 재결정온도가 매우 급격히 상승하여 고온 소둔을 실시해야 하는 단점을 갖고 있다. 또한 미세 석출물에 의한 강화 효과와 더불어 Mn, P등을 첨가하여 고용강화 효과를 얻고자 다량의 합금원소를 첨가하여야 하는데 강중 P는 자동차사 금형 가공시 2차가공취성을 야기시켜 최근 자동차사에서 그 함량을 엄격히 제한시키기 때문에 강도 기여에 크게 기여하지 못한 실정이다. 한편 강중 Mn은 다량 첨가시 소둔과정의 재결정 온도를 상승시켜 고온 소둔이 절대적으로 필요하나 고온 소둔에 따른 표면 Mn계 산화물이 용출하여 표면 결함을 야기시키는 주요한 원인으로 작용하여 도금 특성을 저해하는 요소로 작용된다.

대표적인 석출강화형 고강도강 제조방법으로 일본 공개특허공보 56-84422에서는 C가 0.15이하인 저탄소강을 기본 성분계로 하여 Ti, Nb, V 등을 1종 또는 2종 이상 함유하고 최종 열간압연 마무리 온도를 750~950℃의 범위로, 권취온도를 450℃이하로 관리하여 석출강화형 고강도강을 제조하고 있으나, 이 경우 권취온도가 너무 낮음으로 인해 극미세 석출물을 형성하여 강도 기여 효과는 높으나 열여판 형상 불량 뿐만 아니라 석출물 주변의 잔류 응력의 증가로 냉간압연시 과부하 현상이 종종 발생하는 결점을 가지고 있다.

한편 일본 특개평 4-221015에서는 Nb 혹은 V의 석출물 형성 원소를 이용하고 열간압연 후 가속 냉각에 의해 강도 상승 효과가 우수한 석출강화강의 제조방법을 제시하고 있으나 이의 경우도 권취온도 400℃이하로 설정되어 있어서 앞서 언급한 문제 이외에 균일한 페라이트 조직 형성 대신 베이나이트 혹은 마르텐사이트 조직이 형성되어 항복비 즉, 항복강도가 저하되는 결점을 가지고 있다.

또한 Cu석출물을 이용한 석출강화형 고강도강 제조방법으로 일본 공개특허공보 3-140412 및 11-241119에서 Cu를 0.8중량% 이상 첨가하여 제조하고 있으나, Cu계 석출물에 의한 도금 강판의 합금화 불량 및 용접성에 문제가 있을 뿐만 아니라, 항복강도를 상승시키기 위해 석출강화형 원소(Ti, Nb, V)등을 첨가하여 강도를 상승시킬지라도 연신율은 30%내외로 가공성을 크게 요구하는 자동차 휠 하우스(wheel house)등의 고연신 부품에는 적용에 많은 제약이 따르고 있다.

따라서 높은 항복강도를 가지며 동시에 연신율이 우수한 석출경화형 냉연강판을 제공할 수 있는 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 미량의 Nb, Ti, V를 적절히 첨가하여 열간압연시 제어냉각을 통해 결정입내 미세 석출물을 분포시킴으로써, 항복강도가 높은 강을 제조하고 적절한 소둔 열처리를 통해서 우수한 연신특성을 확보할 수 있는 석출경화형 냉연강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, N: 0.005%이하, Si: 0.1%이하, 산가용Al: 0.03~0.07%, Ti: 0.02~0.06%, Nb: 0.02~0.06%, V: 0.08~0.12%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 내부조직에 미세 석출물이 분포되어 있는 것을 특징으로 하는 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조성을 만족하는 강슬라브를 Ar3변태점 이상에서 마무리 열간압연하는 단계;

상기와 같이 열간압연된 열연강판을 580~620℃의 온도범위까지 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 권취하는 단계;

상기 열연강판을 압하율 50% 이상으로 냉간압연하는 단계; 및

상기와 같이 냉간압연된 냉연강판을 650~720℃의 온도범위로 재결정 소둔하고 450~550℃의 온도범위에서 2~4시간동안 항온열처리는 단계

를 포함하는 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명은 미량의 Nb, Ti 및 V를 적절히 제어하여 함금하고, 제어냉각 및 항온 열처리를 통하여 결정입내 미세 석출물을 분포시키므로써, 항복강도 420MPa이상을 가지는 동시에 연신율 45%이상의 냉연강판을 제공할 수 있다. 또한 이러한 냉연강판을 제공함으로써 내충격성이 우수한 자동차 부품을 제공할 수 있다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

이하 본 발명의 조성범위에 대하여 상세히 설명한다(이하, 중량%).

탄소(C)의 함량은 0.08~0.12%로 한다. C는 석출물 형성 원소로 중요한 역할을 하며, 그 함량이 0.08% 미만인 경우에는 충분함 석출 효과를 얻을 수 없어 충분한 강도 확보가 불가능할 뿐만 아니라, TiC 또는 NbC 탄화물이 조대화되어 항복비가 낮아지는 경향을 갖는다. C의 함량이 0.12%를 초과하는 경우에는 제강 연주 공정에서 주편 크랙 발생 가능성이 높아질 뿐만 아니라, 열간압연 후 권취시에 베이나이트 조직이 형성되어 열연판의 강도를 현저히 상승시켜 냉간압연 부하를 가져오므로 그 함량을 0.08~0.12%로 한정한다.

망간(Mn)의 함량은 1.0~1.8%로 한다. Mn은 고용강화 원소로 강도 상승에 기 여할 뿐만 아니라 강중 S를 MnS로 석출시켜 열간압연시 S에 의한 판파단 발생 및 고온취화를 억제시키는 중요한 역할을 한다. 그 함량이 1.0% 미만일 경우에는 항복강도 420MPa급을 확보하기 위한 고용강화 효과가 적어 목표로 하는 강도 확보가 곤란하다. 그러나 1.8%를 초과하게 되면 목적하는 강도는 확보되나 연신율의 급격한 감소를 가져오고, 소둔시 Mn산화물이 강판표면으로 용출되는 것이 심하여 표면 청정도 및 내산화성에 미치는 영향이 클 뿐만 아니라, C당량 용접지수(C+Mn/6)가 증가하여 용접성에 문제가 발생하므로, 그 함량을 1.0~1.8%로 한정한다.

인(P)의 함량은 0.02%이하(0은 제외)로 한다. P는 성형성을 크게 해치지 않으면서 강도 확보를 현저히 높여 열간압연 도중 슬라브의 판파단의 발생가능성이 증가될 뿐 아니라, 도금 표면 특성을 저해하는 원소로 작용하므로 그 상한을 0.02%로 한정한다.

황(S)의 함량은 0.005%이하로 한다. S는 강중 불순물 원소로써 불가피하게 첨가되는 원소이기 때문에 가능한 낮게 관리하는 것이 중요하다. 또한 우수한 용접 특성을 확보하기 위하여 그 함량들을 가능한한 적게 관리함이 바람직하나 강의 정련 비용이 높아지는 문제가 있으므로, 조업조건이 가능한 범위인 0.005%이하로 한정한다.

질소(N)의 함량은 0.005%이하로 한다. N은 상기 S와 동일한 이유로 그 상한 을 0.005%로 한정한다.

산가용Al의 함량은 0.03~0.07%로 한다. 산가용 Al은 강의 입도 미세화와 탈산을 위해서 첨가되는 원소이다. 그 함유량이 산가용Al 함량으로 0.03% 미만인 경우에는 통상의 안정된 상태로 Al-killed강을 제조할 수 없고, 그 함량이 0.07%를 초과하게 되면 결정립 미세화 효과로 강도 상승에는 유리하지만 제강 연주 조업시 개재물 과다 형성으로 인한 도금 강판 표면 불량 발생 가능성이 높아질 뿐만 아니라 제조원가 상승을 가져오므로 그 함량을 0.03~0.07%로 한정한다.

니오븀(Nb) 및 티타늄(Ti)의 함량은 각각 0.02~0.06%로 한다. Nb 및 Ti는 열간압연중 고용C와 작용하여 (Ti, Nb)C복합 석출물을 형성하여 단독 석출물 대비 재결정 온도를 현저히 낮추어 저온 재결정 소둔이 가능하게 함으로써, 도금 표면 특성을 확보할 수 있는 원소들이다. Ti 및 Nb의 함량이 0.02% 미만일 경우에는 강도 확보를 위한 미세 석출물들이 충분히 석출되지 못하여 목적하는 강도를 확보할 수 없고, 그 함량이 0.06%를 초과하게 되면 도금 표면 특성 확보에 불리하고 냉간압연시 다량의 미세 석출물들에 의한 압연 부하가 증가하므로 그 함량을 제한한다.

바나듐(V)의 함량은 0.08~0.12%로 한다. V는 Ti 및 Nb와 함께 석출 효과를 나타내는 것으로 본 연구에서 중요한 원소이다. 통상 V의 경우 VC로 석출하게 되는데, 그 함량이 많을 경우 Ti, Nb에 의한 탄화물 석출보다 우선적으로 석출하여 강 의 강도에 기여한다. 게다가 저온에서 항온변태를 행할 경우 VC의 재용해가 TiC 또는 NbC보다 어려워 석출효과를 상당히 유지시켜 주는 원소로 작용한다. 그 함량이 0.08% 미만일 경우에는 Ti, Nb에 비해 충분한 석출 효과가 없고, 0.12%를 초과하게 되면 과잉 첨가에 의한 재결정 온도가 급격히 상승할 뿐만 아니라, 제강 및 연주 공정에서의 제조원가 상승 효과를 야기시키므로 그 함량을 0.08~0.12%로 한정한다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기의 조성을 만족하는 강 슬라브를 Ar3변태점 이상에서 마무리 열간압연한다.

열간압연을 종료하고 580~620℃의 온도범위까지 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 권취한다. 권취온도가 낮을수록 강도확보엔 유리하지만 너무 낮을 경우에는 과냉각에 따른 설비문제가 발생할 우려가 있으며, 620℃를 초과한 온도에서 권취할 경우에는 약 20㎚이하의 극미세 석출물을 입내 혹은 입계에 다량 석출시킬 수 없어 충분한 강도를 확보하지 못한다.

통상 냉각속도가 높을수록 석출물의 크기가 작아지나 30℃/sec를 초과한 냉각속도에서는 판 형상의 뒤틀림 현상이 자주 발생하여 설비 트러블을 야기시킬 가 능성이 매우 높고 10℃/sec 미만의 냉각속도에서는 목표로 하는 20㎛이하의 극미세 석출물을 기대할 수 없어 강도 상승에 불리하다.

상기 권취 후 압하율 50% 이상으로 냉간압연한다. 냉간압하율이 증가함에 따라 재결정 온도는 현저하게 감소하여 낮은 재결정 소둔이 가능하여 도금 표면 특성을 확보하는데 중요한 역할을 한다. 따라서 그 압하율이 50% 미만의 경우 재결정 온도를 충분히 낮추는 효과가 없을 뿐만 아니라, 석출물 형성을 위한 임계 핵생성 사이트의 감소로 충분한 석출물이 형성되지 않아 그 압하율을 제한한다.

상기 냉간압연 후 650~720℃의 온도범위로 재결정 소둔하고 450~550℃의 온도범위에서 2~4 시간동안 항온열처리한다. 냉간압연한 강판을 연속소둔이 아닌 상소둔로에서 열처리를 행하는데 이는 항온열처리에 의하여 미세석출물의 재용해 없이 결정립을 충분히 성장시켜 연신율을 확보하는데 목적이 있다.

상소둔로에서 항온 열처리 온도 범위는 450~550℃로 한정하며 그 유지시간은 2시간 이상을 전제로 한다. 열처리 온도가 450℃ 미만의 경우는 결정립의 성장이 충분치 않을 뿐만 아니라, 조대한 Fe₃C 탄화물이 입계에 다량 석출하여 오히려 연신율의 저하를 가져오고, 550℃를 초과하게 되면 이미 메트릭스에 미세하게 석출 분포된 석출물들의 재용해가 일부 일어나 항복강도가 감소하는 경향을 갖는다. 따라서 항복강도의 큰 저하없이 연신율을 상승시키기 위해서 항온 열처리 온도를 450~550℃로 한정하는 것이 바람직하다.

또한 열처리 시간은 길수록 연신특성에는 유리하지만 2시간 미만의 상기 효과가 충분히 나타나지 않으며, 너무 길어질 경우에는 제조원가 측면에서 바람직하지 않으므로 최소 2시간 이상 유지하는 것이 바람직하다. 이때 항온 열처리 시간이 4시간을 초과하는 경우에는 결정립 성장에 의한 연신 특성이 우수해지지만 일부 결정립계에서 석출물의 조대화가 일어나 오히려 강도가 급격히 낮아지는 현상이 나타나 상한을 4시간으로 한정한다.

이하 본 발명의 미세 석출물에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 미세 석출물의 크기는 20㎚이하가 바람직하다. 이때의 미세 석출물들은 (Nb, Ti)C 및 VC가 단독 또는 복합적으로 이루어진 미세 탄화물이 바람직하다.

본 발명의 냉연강판은 420MPa 이상의 항복강도와 70% 이상의 항복비를 갖고, 연신율이 45% 이상이다.

이하 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 조성을 갖는 강을 하기 표 2의 제조방법에 따라 냉연강판을 제 조한 후, 각각의 재질특성을 알아보기 위해서, 항복강도, 항복비 및 연신율을 측정하여 그 결과를 표 2에 나타내었다.

또한 도 1에서는 발명강에 대한 크기에 따른 미세 석출물들의 분포를 나타내었다. 도 1에 의하면 20㎚이하의 미세 석출물들이 60% 이상 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 이때 각각의 미세석출물의 분포는 분석부위를 6개 임의 선택하여 그중에 분포하고 있는 석출물들의 분포도를 종합적으로 나타낸 것이다.

구분	C	Mn	P	S	N	Si	Ti	Nb	V	산가용Al
발명강1	0.11	1.25	0.015	0.0045	0.0028	0.08	0.027	0.02	0.092	0.05
발명강2	0.09	1.16	0.018	0.0045	0.0027	0.09	0.024	0.035	0.102	0.042
비교강1	0.07	1.9	0.015	0.0048	0.004	0.08	0.045	0.06	-	0.055
비교강2	0.12	0.6	0.016	0.0046	0.0028	0.09	0.064	0.023	-	0.041

구분	권취냉각속도(℃/sec)	항온열처리온도(℃)	항온열처리시간(h)	20㎛이하 미세석출물비율(%)	재질특성			비고
					항복강도(MPa)	항복비(%)	연신율(%)
발명강1	18	480	3	73	435	77	47	발명재1
	22	500	3	74	442	75	48	발명재2
	24	520	-	76	445	77.5	42	비교재1
발명강2	23	350	3	73	472	80.3	39	비교재2
	23	480	3	64	429	77.5	47	발명재3
	23	610	3	56	395	80.3	48	발명재4
비교강1	24	480	2	58	445	77	42	비교재3
	23	475	3	63	430	76	41	비교재4
비교강2	25	510	2	62	415	77	39	비교재5
	24	520	3	55	417	79	38	비교재6

발명강은 본 발명의 조성을 만족하는 것이고, 비교강은 본 발명의 조성범위를 벗어난 것이다. 비교강 1은 V를 첨가하지 않은 경우로써, 본 발명에서 요구하는 항복강도는 만족하나 연신율이 45%미만이며, 비교강 2는 Mn, Ti 및 V가 본 발명의 범위를 벗어난 경우로써, 항복강도 및 연신율이 낮은 것을 알 수 있다.

비교재 1은 발명강 1을 항온열처리를 하지 않은 것으로 연신율이 본 발명에서 요구하는 특성을 만족하지 못하는 것을 알 수 있다. 또한 비교재 2는 발명강 2를 본 발명의 범위를 벗어나는 항온열처리를 행한 것으로, 본 발명에서 요구하는 연신율을 만족하지 못하는 것을 알 수 있다.

도 1은 본 발명강에 대한 미세 석출물의 크기에 따른 분포를 나타낸 그래프이다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 중량%로, C: 0.08~0.12%, Mn: 1.0~1.8%, P: 0.02%이하, S: 0.005%이하, N: 0.005%이하, Si: 0.1%이하, 산가용Al: 0.03~0.07%, Ti: 0.02~0.06%, Nb: 0.02~0.06%, V: 0.08~0.12%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강슬라브를 Ar3변태점 이상에서 마무리 열간압연하는 단계;

   상기와 같이 열간압연된 열연강판을 580~620℃의 온도범위까지 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 권취하는 단계;

   상기 열연강판을 압하율 50% 이상으로 냉간압연하는 단계; 및

   상기와 같이 냉간압연된 냉연강판을 650~720℃의 온도범위로 재결정 소둔하고 450~550℃의 온도범위에서 2~4시간동안 항온열처리는 단계

   를 포함하는 항복강도 및 연신특성이 우수한 석출경화형 냉연강판의 제조방법.

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