KR101143084B1 - 가공성이 우수한 내시효 냉연강판과 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

자동차, 가전제품 등의 소재로 사용되는 냉연강판과 그 제조방법이 제공된다. 본 발명의 냉연강판은 중량%로 C:0.003%이하, Mn:0.05~0.2%, S:0.005~0.03%, Al:0.01~0.1%, N:0.004%이하, P:0.015%이하, Mo:0.01~0.2%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 Mn와 S의 중량비가 다음의 조건 0.58*Mn/S≤10를 만족하고, MnS석출물의 평균크기가 0.2㎛이하로 이루어진다. 본 발명에 의하면 Mo의 첨가에 의해 소성이방성지수가 높으며, 이와 함께 MnS석출물에 의해 항복강도가 높고 시효지수가 낮아진다.

냉연강판, 내시효, 몰리브덴(Mo), 소성이방성 지수, MnS석출물

Description

가공성이 우수한 내시효 냉연강판과 그 제조방법{COLD ROLLED STEEL SHEET HAVING AGING RESISTANCE SUPERIOR WORKABILITY AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}

도 1은 MnS석출물의 크기에 따른 결정립내 고용탄소량의 변화를 나타내는 그래프이다.

도 2는 냉각속도에 따른 MnS석출물의 크기를 나타내는 그래프로서,

도 2(a)는 0.58*Mn/S의 비가 10이하의 경우이고

도 2(b)는 0.58*Mn/S의 비가 10초과의 경우이다.

본 발명은 자동차, 가전제품 등의 소재로 사용되는 냉연강판과 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, Mo의 첨가에 의한 가공성이 개선되며, 또한, 미세한 MnS석출물에 의해 항복강도가 높고 내시효특성이 개선되는 냉연강판과 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차, 가전제품에 사용되는 냉연강판에는 강도와 성형성의 확보와 더불어 내시효특성이 요구된다. 시효는 시간이 경과하면서 침입형 고용원소인 C 및 N이 전위에 고착함에 따라 경화가 일어나면서 스트레쳐 스트레인(Stretcher Strain)이라는 결함을 유발하는 일종의 변형시효 현상이다.

냉연강판의 내시효성은 알루미늄 킬드강의 상소둔에 의해 확보 가능하나, 상소둔은 소둔시간이 길어 생산성이 낮고 부위별로 재질편차가 심하다는 단점이 있다. 따라서, Ti, Nb과 같은 강력한 탄, 질화물 형성 원소를 첨가하여 연속소둔하는 IF강(Interstitial Free Steel)을 주로 이용하고 있다.

IF강을 제조하기 위해서는 강력한 탄,질화물 형성원소인 Ti, Nb등을 첨가하는데 이들 원소는 재결정온도를 상승시키므로 고온에서 소둔해야 한다. 이 때문에 생산성이 낮아지고 에너지를 많이 사용하여 원가를 상승시킨다. 또한 고온에서 소둔을 하면 파인흠, 형상결함 등 여러가지 결함이 발생하기 쉬운 단점이 있다. 또한, Ti, Nb은 산화성이 강하기 때문에 제강중 많은 비금속 개재물을 생성하여 강판의 표면결함을 유발시킨다. 또한, IF강은 결정립계가 취약하여 가공후 취성이 발생하는 소위 2차가공취성이 발생하는 단점이 있어 이를 방지하기 위해서는 B등의 원소를 첨가하여 2차가공취성을 방지하는 노력을 하고 있다. 특히, IF강의 경우 도금 및 도장등의 표면처리를 하는 제품에서 많은 결함을 발생하는 단점이 있다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 Ti나 Nb을 첨가하지 않는 Ti, Nb 비첨가 강이 제안되어 있다. 그 예로, 일본 공개특허공보 평6-093376, 6-093377, 6-212354 호는 Ti, Nb을 첨가하지 않는 대신 B를 0.0001~0.003% 첨가한 강에 C:0.0001~0.0015%로 엄격히 관리하여 내시효성을 개선하는 기술이다. 그러나, 이 선행기술에서는 내시효성은 충분하지 않으며, 내시효성 확보를 위해 소둔후의 급냉을 추천하고 있는데, 이 경우 대부분은 수냉을 하므로 수냉시 발생하는 산화피막을 제거하기 위해 또 다시 산세처리를 하기 때문에 표면이 좋지 못하며 추가적인 비용이 든다. 또한 이들 강종은 강도가 낮은 단점이 있으며 면내이방성이 높아 주름이 발생하며 귀(ear) 발생이 높아 소재의 낭비가 많은 단점이 있다.

한편, 본 발명자는 대한민국 공개특허공보 2000-0039137호에 Ti, Nb을 첨가하지 않으면서 연성을 향상시켜 장출가공특성이 우수한 냉연강판의 제조방법을 제안한 바 있다. 이 냉연강판의 제조방법은, 중량%로 C:0.0005~0.002%이하, Mn:0.05~0.3%, S:0.015%이하, P:0.015%이하, Al:0.01~0.08%, N:0.001~0.005%, 상기 C+N+S+P가 0.025%이하를 만족하고 나머지 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 강슬라브를 대상으로 한다. 이 냉연강판은 소성이방성 지수를 일정 수준이상으로 유지하면서도 내시효성 및 연성이 우수하다. 그러나, 이 냉연강판은 C+N+S+P를 0.025%로 제어하기 위해서 탈황 및 탈인능력을 강화하여야 하므로 생산성 및 원가측면에서 매우 불리하다. 또한 재질측면에서는 항복강도가 너무 낮아 보다 두꺼운 소재를 사용해야 하는 문제점이 있으며, 소성이방성지수가 1.8수준으로 가공성이 좋지 않다.

본 발명은 Ti, Nb을 첨가하지 않으면서 내시효특성을 갖고 소성이방성지수가 높아 가공성이 우수한 냉연강판과 그 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉연강판은, 중량%로 C:0.003%이하, Mn:0.05~0.2%, S:0.005~0.03%, Al:0.01~0.1%, N:0.004%이하, P:0.015%이하, Mo:0.01~0.2%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

나아가 본 발명의 냉연강판의 제조방법은, 중량%로 C:0.003%이하, Mn:0.05~0.2%, S:0.005~0.03%, Al:0.01~0.1%, N:0.004%이하, P:0.015%이하, Mo:0.01~0.2%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강을 1100℃이상의 온도로 재가열한 후 마무리 압연온도를 Ar₃변태점 이상으로 하여 열간압연하고 200℃/min이상의 속도로 냉각하고 700℃이하의 온도에서 권취한 다음, 냉간 압연하고, 연속소둔하는 것을 포함하여 이루어진다.

본 발명에서는, 상기 Mn와 S가 다음의 조건 0.58*Mn/S≤10(Mn, S는 중량%)를 만족하고, MnS석출물의 평균크기가 0.2㎛이하로 이루어지는 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 C는 0.002%초과~0.003%이하를 만족하는 것이 보다 바람직하다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 Ti, Nb을 첨가하지 않으면서 가공성을 개선하기 위한 연구과 정에서 다음과 같은 새로운 사실을 밝혀내었다.

Ti, Nb을 첨가하지 않는 내시효 냉연강판에 Mo를 첨가하는 경우에는 소성이방성지수가 현저하게 높아진다는 것이다. 나아가, Mo의 첨가한 강에서 미세한 MnS의 석출물은 내시효특성과 함께 석출강화에 의한 항복강도의 개선 그리고, 면내이방성 지수에도 영향을 미친다는 것이다.

도 1에 나타난 바와 같이, Mo의 첨가강에서 MnS의 석출물이 미세하게 분포할수록 결정립내의 고용탄소량이 줄어들어 내시효특성이 개선되는 것이다. 내시효특성의 확보를 위해서는 결정립내 고용탄소량이 약 15ppm이하가 되어야 하는데, 이를 위한 MnS의 미세석출물의 크기는 0.2㎛이하로 판단되었다. 이에 따라, 본 발명에서는 C의 함량을 제강공정에서 부하가 적은 0.003%까지로 확대할 수 있는 장점이 있다.

이와 같은 새로운 사실에 주목하여 Mo첨가강에서 MnS를 미세하게 분포시키는 방안에 대하여 연구하게 되었다. 그 결과, (1) Mn의 함량을 0.05~0.2%로 하고 S의 함량을 0.005~0.03%로 하면서 이들의 관계가 0.58*Mn/S≤10(Mn, S는 중량%)를 만족하는 것이 바람직하며, (2) 이와 함께 압간압연이 끝난 후 냉각속도를 200℃/min이상으로 하면 0.2㎛이하의 미세한 MnS의 석출물을 얻을 수 있다는 것이다.

즉, 도 2(a)는 0.0015%C-0.1%Mn-0.008%P-0.015%S-0.043%Al-0.0023%N-0.074%Mo인 강으로 0.58*Mn/S가 3.87인 조성의 강을 열간압연후 냉각속도에 따른 석출물의 크기를 조사한 그래프이다. 도 2(a)의 그래프를 보면, Mn과 S가 조건 0.58*Mn/S≤10를 만족하는 경우에 대해 냉각속도를 조절하면 MnS의

석출물 크기가 0.2㎛이하를 만족할 수 있음을 확인할 수 있다.

이러한 본 발명의 냉연강판과 그 제조방법을 이하에서 구체적으로 설명한다.

[본 발명의 냉연강판]

탄소(C)의 함량은 0.003%이하가 바람직하다.

탄소의 함량이 0.003%이상의 경우 강중 고용탄소의 양이 많아 내시효성의 확보가 곤란하고 소둔판의 결정립이 미세하게 되어 연성이 크게 낮아진다. 따라서, 탄소(C)의 함량은 0.003%이하로 하는 것이 바람직한데, 보다 바람직하게는 탄소(C)의 함량이 0.0005~0.003%로 하는 것이다. 탄소(C)의 함량이 0.0005%미만의 경우에는 열연판의 결정립이 조대하여 강도가 낮아지고 면내이방성이 높아지기 때문이다. 본 발명에서는 MnS석출물에 의해 결정립내 고용탄소량을 낮출수 있으므로 탄소의 함량을 0.003%까지 높일 수 있어서 탄소의 함량을 극력으로 낮추기 위한 탈탄처리를 생략할 수 있는데, 그러한 탄소의 함량은 0.002%초과~0.003%이하의 범위이다.

망간(Mn)의 함량은 0.05~0.2%가 바람직하다.

망간은 강중 고용황을 MnS로 석출하여 고용 황에 의한 적열취성(Hot shortness)을 방지하는 원소로 알려져 있다. 본 발명에서는 망간과 황의 함량을 적절해지는 경우에 매우 미세한 MnS가 석출되어 내시효성을 기본적으로 확보해주면서 항복강도, 면내이방성을 개선한다는 연구결과에 기초하여 망간의 함량을 0.05~0.2%로 하는 것이 바람직하다. 망간의 함량이 0.05%미만의 경우에는 고용 상태로 잔존 하는 황의 함량이 많기 때문에 적열취성이 발생할 수 있으며, 망간의 함량이 0.2% 초과의 경우에는 망간의 함량이 높아 조대한 MnS석출물이 생성되어 내시효성이 열악해진다.

황(S)의 함량은 0.005~0.03%가 바람직하다.

황(S)의 함량이 0.005%미만의 경우에는 MnS 석출량이 적을 뿐만 아니라 석출되는 MnS의 크기가 매우 조대해져 내시효성이 좋지 않다. 황의 함량이 0.03% 초과의 경우에는 고용된 황의 함량이 많아 연성 및 성형성이 크게 낮아지며, 적열취성의 우려가 있기 때문이다. 황의 함량은 0.005~0.03%의 범위일 때 MnS의 석출물 크기를 원하는 범위로 조절하기가 용이해진다. 보다 바람직한 S의 함량은 0.016~0.03%이다.

알루미늄(Al)의 함량은 0.01~0.1%가 바람직하다.

알루미늄은 탈산제로 첨가하는 원소이지만 본 발명에서는 강중 질소를 석출하여 고용질소에 의한 시효를 완전히 방지하기 위해 첨가한다. 알루미늄의 함량이 0.01%미만의 경우에는 고용질소의 양이 많아 시효 현상을 완전히 방지 할 수 없고, 알루미늄의 함량이 0.1%초과의 경우에는 고용 상태로 존재하는 알루미늄의 양이 많아 연성을 저하한다.

질소(N)의 함량은 0.004%이하가 바람직하다.

질소는 제강중 불가피하게 첨가되는 원소로 0.004%초과의 경우에는 시효지수가 높아지므로 0.004%이하가 바람직하다.

인(P)의 함량은 0.015%이하가 바람직하다.

인의 함량이 0.015% 초과의 경우에는 연성 및 성형성이 저하하므로 0.015%이하로 하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)의 함량은 0.01~0.2%가 바람직하다.

몰리브덴은 소성이방성지수를 높이는 원소로서 첨가되는데, 그 함량이 0.01%이상되어야 소성이방성지수가 커지며, 0.2%를 초과하면 소성이방성지수는 더 이상 커지지 않고 열간취성을 일으킬 우려가 있다.

상기 Mn와 S가 조건 0.58*Mn/S≤10를 만족하는 것이 바람직하다.

망간과 황은 결합하여 MnS로 석출되는데, 이 MnS석출물은 망간과 황의 첨가량에 따라 석출상태가 달라져 시효지수, 항복강도, 면내이방성 지수에 영향을 미친다. 본 발명의 연구에 따르면 망간과 황의 첨가비(0.58*Mn/S, 여기서, Mn, S의 함량은 중량%)가 10초과의 경우에는 MnS석출물이 조대하여 시효지수가 커지며, 항복강도, 면내이방성 지수의 특성이 좋지 않다.

MnS석출물의 평균크기는 0.2㎛이하가 바람직하다.

본 발명의 연구결과에 따르면 MnS석출물의 크기가 시효지수와 항복강도, 면내이방성 지수에 직접적으로 영향을 미치는데, MnS의 평균크기가 0.2㎛ 초과의 경우에는 특히 시효지수가 급격히 높아지고 면내이방성지수도 높아진다. 따라서, MnS 석출물의 평균크기는 0.2㎛ 이하가 바람직하다.

[냉연강판의 제조방법]

본 발명은 상기한 강조성을 만족하는 강을 열간압연과 냉간압연을 통해 냉간압연판에 MnS석출물의 평균크기가 0.2㎛ 이하를 만족하도록 하는데 특징이 있다. 냉간압연판의 MnS석출물의 크기는 Mn/S의 비와 제조공정에 영향을 받으나 특히 열간압연후의 냉각속도에 직접적인 영향을 받는다.

[열간압연조건]

본 발명에서는 상기한 강조성을 만족하는 강을 재가열하여 열간압연한다. 재가열온도는 1100℃이상이 바람직하다. 재가열온도가 1100℃미만의 경우에는 재가열온도가 낮아 연속주조중에 생성된 조대한 MnS가 완전히 용해되지 않은 상태로 남아있어 열간압연후에도 조대한 MnS가 많이 남아있기 때문이다.

열간압연은 마무리압연온도를 Ar₃변태온도 이상의 조건에서 행하는 것이 바람직하다. 마무리압연온도가 Ar₃변태온도 미만의 경우에는 압연립의 생성으로 가공 성이 저하할 뿐만아니라 연성이 크게 저하기 때문이다.

열간압연후 권취전 냉각속도는 200℃/min이상으로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따라 Mn과 S가 조건 0.58*Mn/S≤10을 만족 하더라도 냉각속도가 200℃/min미만이면 MnS의 석출물 크기가 0.2㎛를 초과해 버린다. 즉, 냉각속도가 빨라질수록 많은 수의 핵이 생성하여 MnS석출물이 미세해지기 때문이다. Mn과 S가 조건 0.58*Mn/S>10의 경우에는 재가열공정에서 미용해된 조대한 MnS석출물이 많아 냉각속도가 빨라지더라도 새로운 핵이 생성되는 수가 적어 석출물은 미세해지지 않는다. (도 2b, 0.0024%C-0.43%Mn-0.011%P-0.009%S-0.035%Al-0.0043%N-0.05%Mo). 도 2의 그래프를 보면, 냉각속도가 빨라질수록 MnS석출물의 크기가 미세해지므로 냉각속도의 상한을 제한할 필요는 없으나, 냉각속도가 1000℃/min이상이라도 석출물 미세화 효과가 더 이상 커지지 않으므로 냉각속도는 200~1000℃/min가 보다 바람직하다.

[권취조건]

상기와 같이 열간압연한 다음에는 권취를 행하는데, 권취온도는 700℃이하가 바람직하다. 권취온도가 700℃초과의 경우에는 MnS석출물이 너무 조대하게 성장하여 내시효성을 저하한다.

[냉간압연조건]

냉간압연은 50~90%의 압하율로 행하는 것이 바람직하다. 냉간압하율이 50%미만의 경우에는 소둔재결정 핵생성양이 적기 때문에 소둔시 결정립이 너무 크게 성장하여 소둔 재결정립의 조대화로 강도 및 성형성이 저하한다. 냉간압하율이 90%초과의 경우에는 성형성은 향상되지만 핵생성 양이 너무 많아 소둔 재결정립은 오히려 너무 미세하여 연성이 저하한다.

[연속소둔]

연속소둔 온도는 제품의 재질을 결정하는 중요한 역할을 한다. 본 발명에서는 500~900℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. 연속소둔 온도가 500℃미만의 경우에는 재결정립이 너무 미세하여 목표로 하는 연성값을 확보할수 없으며, 소둔온도가 900℃초과의 경우에는 재결정립의 조대화로 강도가 저하된다. 연속소둔시간은 재결정이 완료되도록 유지하는데, 약 10초이상이면 재결정이 완료된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표 1의 강슬라브를 1200℃에서 재가열하고 마무리열간압연한 후 200℃/min의 속도로 냉각하여 650℃로 권취한 다음, 75%의 압하율로 냉간압연하고 연속소둔처리하였다. 이때의 마무리압연온도는 Ar₃변태점이상인 910℃이며, 연속소둔은 10℃/초의 속도로 750℃로 40초 동안 가열하여 행하였다. 얻어진 소둔판은 기계적 특성 을 조사하기 위해 ASTM규격(ASTM E-8 standard)에 의한 표준시편으로 가공하였다. 시편은 인장시험기(INSTRON사, Model 6025)를 이용하여 항복강도, 인장강도, 연신율, 소성이방성 지수(r_m값), 면내이방성 지수(△r) 및 시효지수(AI, Aging Index)를 측정하였다. 여기서 r_m=(r₀+2r₄₅+r₉₀)/4, △r=(r₀-2r ₄₅+r₉₀)/2이다.

구분	화학성분(중량%)
	C	Mn	P	S	Al	Mo	N	0.58*Mn/S
본발명범위	≤0.003	0.05-0.2	0.015≤	0.005-0.03	0.01 -0.1	0.01- 0.2	≤0.004	≤10
1	0.0013	0.09	0.01	0.008	0.033	0.03	0.025	6.53
2	0.0022	0.15	0.012	0.011	0.025	0.053	0.0022	7.91
3	0.0015	0.10	0.008	0.015	0.043	0.074	0.0023	3.87
4	0.0025	0.1	0.009	0.021	0.034	0.11	0.0028	2.76
5	0.0022	0.12	0.009	0.014	0.03	0.15	0.0021	4.97
6	0.0025	0.18	0.012	0.008	0.04	0.06	0.0018	13.1
7	0.0022	0.4	0.009	0.009	0.032	0.25	0.0033	25.8
8	0.0023	0.08	0.01	0.005	0.04	0	0.0015	9.28
9	0.0018	0.10	0.011	0.012	0.05	0	0.0026	4.83
10	0.0018	0.15	0.008	0.015	0.03	0	0.0012	5.8
11	0.0027	0.09	0.012	0.025	0.035	0	0.0018	2.09

시료번호	기계적 성질						석출물의 평균크기 (㎛)	비고
	항복강도 (MPa)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	소성이방성 지수(rm)	면내이방성 지수 (△r)	시효지수 (AI-(MPa)
1	213	311	50	2.24	0.31	15	0.06	발명강
2	209	307	53	2.15	0.25	25	0.11	발명강
3	219	318	49	2.34	0.28	16	0.12	발명강
4	220	321	49	2.25	0.24	26	0.13	발명강
5	234	328	49	2.20	0.31	24	0.14	발명강
6	219	309	50	2.13	0.33	35	0.35	비교강
7	241	333	47	2.01	0.43	42	0.54	비교강
8	211	309	49	1.83	0.28	23	0.05	비교강
9	209	311	52	1.93	0.34	22	0.12	비교강
10	201	295	54	1.94	0.31	21	0.15	비교강
11	223	319	48	1.88	0.23	27	0.14	비교강

표 1, 2에 나타난 바와 같이, 시료번호 1~5는 본 발명을 만족하는 발명강으로 항복강도가 높고 소성이방성지수가 높으며 MnS석출물의 크기가 0.2㎛이하로서 시효지수도 30 MPa미만으로 만족한다.

한편 비교강인 시료번호 6, 7은 Mo가 첨가되어 소성이방성비는 높지만, Mn/S비가 높아 시효지수가 30MPa이상으로 시효보증이 곤란하고 시료번호 8~11의 경우 Mo이 첨가되지 않은 강으로 소성이방성지수가 1.9수준이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 제공되는 냉연강판은 소성이방성 지수가 2.1이상으로 가공성이 우수하고 항복강도도 높아 판두께를 줄일수 있어 경량화효과가 있다.

Claims (6)

1. 중량%로 C: 0.003%이하(0은 제외), Mn: 0.05~0.2%, S: 0.005~0.03%, Al: 0.01~0.1%, N: 0.004%이하(0은 제외), P: 0.015%이하(0은 제외), Mo:0.01~0.2%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며,

   상기 Mn와 S가 조건 0.58*Mn/S≤10(Mn, S는 중량%)를 만족하고, MnS석출물의 평균크기가 0.2㎛이하이며, 소성이방성지수가 2.1 이상인 가공성이 우수한 내시효 냉연강판.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 C는 0.002%초과~0.003%이하임을 특징으로 하는 가공성이 우수한 내시효 냉연강판.
4. 중량%로 C: 0.003%이하(0은 제외), Mn: 0.05~0.2%, S: 0.005~0.03%, Al: 0.01~0.1%, N: 0.004%이하(0은 제외), P: 0.015%이하(0은 제외), Mo:0.01~0.2%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되며, 상기 Mn와 S가 조건 0.58*Mn/S≤10(Mn, S는 중량%)를 만족하는 강을 1100℃이상의 온도로 재가열한 후 마무리 압연온도를 Ar₃변태점 이상으로 하여 열간압연하고 200℃/min이상의 속도로 냉각하고 700℃이하의 온도에서 권취한 다음, 냉간 압연하고, 연속소둔하는 것을 포함하며, MnS석출물의 평균크기가 0.2㎛이하이며, 소성이방성지수가 2.1 이상인 가공성이 우수한 내시효 냉연강판의 제조방법.
5. 삭제
6. 제 4항에 있어서, 상기 C는 0.002%초과~0.003%이하임을 특징으로 하는 가공성이 우수한 내시효 냉연강판의 제조방법.

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