KR101304769B1 - 두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법 - Google Patents

두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나의 강판에서 총탄을 뭉그러뜨리는 두께 방향으로의 일면과 충격에너지를 흡수하는 타면을 구비하여, 날라오는 총탄을 효과적으로 방어하는 것이 가능한 두께 방향 강도 변화 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공하도록, 두께 방향으로 일면의 강도가 타면의 강도보다 크고, 타면의 연신율이 일면의 연신율보다 크도록 열처리된 두께 방향 강도 변화 강판 및 강판을 가열하는 가열공정; 가열공정에서 가열된 강판을 열처리하는 열처리 공정을 포함하며; 상기 열처리 공정은 강판의 두께 방향의 일측에서는 냉간금형을, 타측에서는 온간금형을 접촉시켜, 상기 일측의 온도가 상기 타측의 온도보다 낮게 유지되게 하는 두께 방향 강도 변화 강판의

Description

두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법{STEEL PLATE PRODUCING METHOD}
본 발명은 두께 방향으로 강도가 변화하는 강판 제조 방법에 대한 것으로, 구체적으로는 일면에서는 강도가 높으며 타면에서는 연신률이 높도록 두께 방향으로 강도가 변화하는 강판 제조 방법에 대한 것이다.
일반 산업에서는 강판이 사용되는 부재에 적용되는 소재의 강도는 면방 변화가 요구되기 때문에 TWB(Tailor Welded Blank) 나 TRB(Tailor Rolled Blank) 같은 공법이 개발되어 사용되었으나, 군수산업의 방탄용 소재는 총알의 관통에 대한 저항성 때문에 표면의 경도가 높아야 하지만, 폭발력에 대한 저항을 위하여는 연신율이 높아야 하는 특징이 있다.
즉, 도 1 에서 보이는 바와 같이, 총알(20)은 관통을 위하여 선단부(21)가 날카롭게 형성된다. 군수 산업에서는 이러한 총알(20)에 피격되더라도 총알(20)이 관통되지 않는 강판의 요구가 있다.
하지만, 도 2a 에서 보이듯이, 기존의 HPF(Hot Press Forming) 강 등의 열처리 방법은 판재 전체를 급냉시키기 때문에 전체가 마르텐사이트 상이 생성되고 경도가 원하는 수준으로 높아져 표면(11)에서 총알(20)의 선단부(21)를 뭉그러뜨리면서 관통력을 저하시킬 수 있으나, 연신율이 낮기 때문에 다른 면(12)에서 충격에너지를 흡수하지 못한다. 따라서, 강판(10), 총알(20)이 전달하는 충격에너지로 인하여 균열이 발생되며, 그에 따라서 강판(10)은 방탄 역할을 제대로 수행할 수 없다.
다르게는, 도 2b 에서 보이듯이, 연신율이 높은 강판(10)은 총알(20)충격에너지의 흡수는 가능할 수 있으나, 강판(10)의 표면(11)에서의 강도가 충분하지 못하여 총알(20)의 선단부(21)를 뭉그러뜨리지 못하며, 그로 인하여 총알(20)의 에너지가 선단부(21)에 집중되어 총알이 강판(10)을 관통해버리게 되어 방탄역할을 제대로 수행할 수 없다.
이러한 문제점 때문에, 연신율이 높은 소재 표면에 세라믹과 같은 고경도층을 붙여서 사용하기도 한다.
하지만, 고경도층을 붙여서 사용하는 것을 추가의 작업이 필요하며, 층간의 접합문제가 발생하며, 두 개의 소재가 필요하다는 점에서 제작이 어려울 뿐만 아니라, 비용이 증가한다는 문제점이 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 강판에서 총탄을 뭉그러뜨리는 두께 방향으로의 일면과 충격에너지를 흡수하는 타면을 구비하여, 날라오는 총탄을 효과적으로 방어하는 것이 가능한 두께 방향 강도 변화 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
나아가, 본 발명은 강의 특성을 활용하여 하나의 강판의 두께 방향에서 서로 다른 특성을 가지게 하는 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위와 같은 과제를 달성하기 위하여 다음과 같은 강판 및 그의 열처리 방법을 제공한다.
본 발명은 두께 방향으로 일면의 경도가 타면의 경도보다 크고, 타면의 연신율이 일면의 연신율보다 크도록 열처리된 두께 방향 강도 변화 강판을 제공한다.
이때, 상기 일면의 경도는 45HRC 이상인 것이 바람직하며, 상기 타면의 경도는 20HRC 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 일면의 표면은 마르텐사이트상 조직으로 형성되는 것이 바람직하며, 두께 방향을 따라서 상기 일면에서부터 상기 타면으로 갈수록 마르텐사이트상은 연속적으로 감소하며, 페라이트상 혹은 베이나이트상은 연속적으로 증가하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 강판은 두께가 3mm 이상인 것이 바람직하다.
다르게는 본 발명은 강판을 A3 온도 이상으로 가열하는 가열공정, 가열공정에서 가열된 강판을 열처리하는 열처리 공정을 포함하며, 상기 열처리 공정은 강판의 두께 방향 일측과 타측의 냉각속도를 달리하는 두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법을 제공한다.
이때, 상기 열처리 공정은 강판의 두께 방향의 일측에서는 냉간금형을, 타측에서는 온간금형을 접촉시켜, 상기 일측의 온도가 상기 타측의 온도보다 낮게 유지되게 할 수 있다.
또, 상기 온간금형에는 가열부가 형성되며, 상기 열처리 공정에서, 상기 온간금형의 가열부는 상기 강판의 두께 방향 일측의 온도가 냉간 금형에 의해서 냉각됨에도, 상기 강판의 두께 방향 타측의 온도가 일정하게 유지되도록 동작될 수 있다.
또한, 상기 열처리 공정에서 상기 냉각금형은 상기 강판의 상기 일측 표면이 상기 강판의 MS점 미만의 온도를 유지하게, 상기 온간금형은 상기 강판의 상기 타측 표면이 상기 강판의 MS 점 이상의 온도를 유지하게 상기 강판을 열처리할 수 있다.
본 발명은 위와 같은 구성을 통하여 하나의 강판에서 총탄을 뭉그러뜨리는 일면과 충격에너지를 흡수하는 타면을 구비하여, 날라오는 총탄을 효과적으로 방어하는 것이 가능한 두께 방향 강도 변화 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공할 수 있다.
나아가, 본 발명은 강의 특성을 활용하여 하나의 강판의 두께 방향에서 서로 다른 특성을 가지게 하는 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1 은 종래의 강판에 총알이 날아오는 모습을 도시한 도면이며,
도 2a 및 2b 는 종래의 강판에 총알이 충돌하였을 때의 모습을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명의 강판을 열처리하는 모습을 도시한 도면이며,
도 4 는 본 발명의 강판을 열처리하는 과정에서 두께에 따른 온도 분포를 도시하는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 강판에 총알이 충돌하였을 때의 모습을 도시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참고로 하여, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
일반적으로 강은 A3 온도 이상에서는 오스테나이트 상을 유지하지만, 냉각 속도에 따라서 마르텐사이트 상이나 페라이트 또는 베이나이트 상으로 변태하게 된다. 마르텐사이트 상은 경도가 매우 높지만 연신율이 낮아서 쉽게 깨지는 단점이 있으며, 페라이트나 베이나이트 상은 마르텐사이트에 비하여 경도가 낮지만 연신율이 우수하다는 점이 있다.
본 발명에서, 냉각속도에 의해서 페라이트,베이나이트 혹은 마르텐사이트로 변할 수 있는 강판은 탄소의 함량이 100ppm 이상, 바람직하게는 0.1% 이상을 함유하고 있어서, 냉각속도에 의해서 마르텐사이트상으로 변화가 가능한 소재를 의미한다.
본 발명에서는 하나 성분을 가지는 강판에서 A3 온도 이상으로 가열된 후 열처리를 어떻게 하는지에 따라서, 경도가 높거나 연신율이 높아질 수 있다는 점에 착안하여, 두께 방향으로 다른 강도를 가지는 강판 및 그를 위한 열처리 방법을 제공한다.
본 발명에서는 가열로(미도시)에서 강판(30)을 A3 온도 이상으로 가열하며, 가열된 강판(30)의 냉각 속도를 조절하기 위하여 상측과 하측에 서로 다른 금형(40, 50)으로 강판(30)을 냉각시킨다.
강판(30)의 상면(31)측에서는 가열된 강판(30)의 냉각 속도를 빠르게 하여 오스테나이트상이 페라이트나 베이나이트상으로 되지 않고, 마르텐사이트상으로 되도록, 냉간금형(40)을 강판(30)의 상면(31)에 접촉시킨다.
냉간금형(40)은 내부에 냉각수관(41)이 배치되는 구조로 형성될 수 있으나, 냉매를 사용하는 냉각 방식등 다양한 냉각방식이 적용될 수 있음을 물론이다.
한편, 강판(30)의 하면(32)측에는 가열된 강판(30)의 냉각속도를 천천히 하여 오스테나이트상이 마르텐사이트상으로 되지 않고, 페라이트상이나 베이나이트상으로 되도록 온간금형(50)을 강판(30)의 하면(32)에 접촉시킨다.
온간금형(50)에서는 냉간금형(40)으로 빠져나가는 열을 보상하여 온간금형(50) 및 강판(30)의 하면(32)가 일정온도가 유지될 수 있도록 가열부(51)가 배치되며, 이 가열부(51)는 열선등의 다양한 방식이 적용될 수 있으며, 본 발명에서는 강판(30)의 하면(32)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다면 어떠한 방법을 사용하더라도 무방하다.
한편, 도 4 에는 온간금형(50)과 냉간금형(40) 사이의 강판(30)에서 두께 방향에 따른 온도가 도시되어 있다.
여기서, 두께는 강판(30)의 상면(31)에서의 두께방향 거리를 의미하는 것이며, MS 점은 마르텐사이트 변태온도를 의미하는 것으로, 강판의 특성에 따라서 변화되는 온도이다. 예를 들어, C가 0.3%인 강에서는 350℃가 MS 점이다.
도 4 에서 확인할 수 있듯이, 온간금형(50)의 경우에는 강판(30)의 하면(32) 이 MS 점 이상의 온도 유지하게 가열부(51)가 동작되며, 그에 따라서, 강판(30)의 하면(32)에는 마르텐사이트상이 아닌 페라이트나 베이나이트상이 형성되게 된다. 하면(32)에서는 주로 페라이트에 일부 베이나이트 상이 형성될 수 있으며, 소량의 마르텐사이트 상이 형성될 수도 있다.
반대로, 냉간금형(40)의 경우에는 강판(30)의 상면(31)이 MS 점 이하의 온도가 유지되게 냉각되며, 그에 따라서, 강판(30)의 상면(31)에는 마르텐사이트상이 형성될 수 있다. 상면(31)의 최외곽 표면에서는 마르텐사이트상으로만 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 강판(30)의 상면(31)과 하면(32) 사이에서는 열전달로 인하여 대략 선형적인 온도 변화가 있게 되며, 그에 따라서, 강판(30)의 중간 일지점에서 MS점의 온도가 나오게 된다. 따라서, 강판(30)은 상면(31)에서 하면(32)로 갈수로 강의 상이 변화하게 된다. 즉, 강판(30)의 중앙부에서는 페라이트, 베이나이트, 및 마르텐사이트상이 공존할 수 있다.
이때, 두께 방향을 따라서, 일면에서부터 타면으로 갈수록 마르텐사이트상은 연속적으로 감소하며, 페라이트상 혹은 베이나이트상은 연속적으로 증가할 수 있다.
본 발명에서 방탄기능을 수행할 수 있도록 상면(31)의 경도는 로크웰 경도계로 45 HRC 이상이 되는 것이 바람직하다. 또, 상면(31)의 경도는 50HRC 이상이 더욱 바람직하며, 55HRC 이상이 가장 바람직하다.
또한, 본 발명에서 하면(32)의 경도는 충격을 흡수할 수 있는 연신율을 가질 수 있도록 20HRC 이하가 되는 것이 바람직하다.
또, 본 발명에서 강판(30)의 두께(t)는 3mm 이상이 되어야 양면 차등 냉각의 수행이 가능하며, 바람직하게는 6mm, 더욱 바람직하게는 9mm 이상이면 좋다.
본 발명에서는 강판(30)은 오스테나이트 상태에서 냉각시킬 때 냉각속도에 따라서 마르텐사이트상이나 페라이트, 베이나이트상이 생기는 소재이며, 보다 바람직하게는 마르텐사이트가 빨리 생성되는 HPF강(Hot Press Forming Steel)이 바람직하다.
도 5 에는 본 발명에 의해서 열처리된 강판(30)에 총알(20)이 충돌하였을 때의 모습이 도시되어 있다.
도 5 에서 보이듯이, 총알(20)의 날카로운 선단부(21)는 강판(30)에서 마르텐사이트상이 형성된 면(31)에 부딪히면서 뭉그러지며, 그로 인하여 관통력이 저하된다. 또한, 총알(20)의 충격에너지는 베이나이트나 페라이트상이 형성된 면(32)이 연신되면서 흡수되어 충격에너지로 의한 파단까지 막아서, 우수한 방탄 효과를 낼 수 있다.
특히, 하나의 소재에 의해서 총알(20)의 관통력 저하 및 충격에너지 흡수가 가능하기 때문에, 기존의 방탄 강판에 비하여 우수한 성능을 제공할 수 있다. 또한, HPF강을 사용하는 경우에 강도까지 우수해질 수 있다.
30: 강판 31: 상면
32: 하면 40: 냉간금형
41: 냉각수관 50: 온간금형
51: 가열부

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  8. 강판을 A3 온도 이상으로 가열하는 가열공정,
    가열공정에서 가열된 강판을 열처리하는 열처리 공정을 포함하며;
    상기 열처리 공정은 강판의 두께 방향 일측과 타측의 냉각속도를 달리하며,
    상기 열처리 공정은 강판의 두께 방향의 일측에서는 냉간금형을, 타측에서는 온간금형을 접촉시켜, 상기 일측의 온도가 상기 타측의 온도보다 낮게 유지되게 하는 두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 온간금형에는 가열부가 형성되며,
    상기 열처리 공정에서, 상기 온간금형의 가열부는 상기 강판의 두께 방향 일측의 온도가 냉간금형에 의해서 냉각됨에도, 상기 강판의 두께 방향 타측의 온도가 일정하게 유지되도록 동작되는 것을 특징으로 하는 두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 열처리 공정에서 상기 냉간금형은 상기 강판의 상기 일측 표면이 상기 강판의 MS점 미만의 온도를 유지하게, 상기 온간금형은 상기 강판의 상기 타측 표면이 상기 강판의 MS 점 이상의 온도를 유지하게 상기 강판을 열처리하는 것을 특징으로 하는 두께 방향 강도 변화 강판 제조 방법.
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