KR101443447B1 - 고강도 강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

인장강도 780MPa 이상의 고강도를 나타내면서 소성유기변태(transformation induced plasticity; TRIP) 거동을 통하여 우수한 홀 확장성을 갖는 고강도 강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 860~900℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계; 및 (b) 상기 열간압연된 판재를 450~550℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하고, 상기 냉각은 1차 냉각 단계 및 2차 냉각 단계를 포함하되, 1차 냉각의 속도가 2차 냉각의 속도보다 빠른 것을 특징으로 한다.

Description

고강도 강판 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH STEEL SHEET AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 고강도 강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인장강도 780MPa 이상의 고강도를 나타내면서 소성유기변태(transformation induced plasticity; TRIP) 거동을 통하여 우수한 홀 확장성을 갖는 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
고유가 시대에 따라 자동차 산업에 있어서 차체 경량화는 필수적으로 이뤄져야하는 부분이 되었다. 이에 따라, 자동차의 각종 부품 역시 경량화하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
자동차 부품 중 로워암 등을 경량화를 위하여 단판으로 제조할 때, 부품의 특성상 홀확장부가 존재한다.
홀확장성은 강도가 높아질수록 감소하는 경향을 나타낸다. 통상 인장강도 590MPa 정도를 나타내는 강판의 경우, 80% 정도의 홀 확장성을 나타낸다. 반면, 인장강도 780MPa 이상을 나타내는 강판의 경우, 60% 이하의 상대적으로 낮은 홀 확장성을 나타낸다. 이러한 낮은 홀 확장성은 부품의 형상 유지나 내구성에 악영향을 미칠 수 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0033004호(2012.04.06. 공개)에 개시된 홀확장성이 우수한 저탄소 고강도 열연강판 및 그 제조 방법이 있다.
본 발명의 하나의 목적은 합금성분 및 공정 제어를 통하여 인장강도 780MPa 이상의 고강도를 나타내면서도 홀 확장성이 우수한 고강도 강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인장강도 780MPa 이상의 고강도를 나타내면서도 90% 이상의 우수한 홀 확장성을 갖는 강판을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 860~900℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계; 및 (b) 상기 열간압연된 판재를 450~550℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하고, 상기 냉각은 1차 냉각 단계 및 2차 냉각 단계를 포함하되, 1차 냉각의 속도가 2차 냉각의 속도보다 빠른 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 열간압연 이전에, 상기 슬라브 판재를 1150~1250℃로 재가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 1차 냉각은 상기 열간압연된 판재를 50℃/sec 이상의 냉각속도로 600~680℃까지 냉각하는 방식으로 수행되고, 상기 2차 냉각은 상기 1차 냉각된 판재를 30℃/sec 이하의 냉각속도로 450~550℃까지 냉각하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 인장강도 780~980MPa 및 홀 확장률 : 90~120%를 나타내는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강판은 주상이 페라이트이고, 잔류 오스테나이트가 10~20% 포함되는 미세조직을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법은 크롬(Cr), 보론(B) 등의 성분 조절과 열간압연 후 냉각 공정의 제어를 통하여, 침상형 페라이트를 기반으로 하며, 미세 석출물이 형성되어 있는 미세 조직을 갖는 고강도 강판을 제조할 수 있다.
그 결과, 제조된 본 발명에 따른 고강도 강판은 980MPa 이상의 인장강도를 가지면서도 50% 이상의 홀 확장률을 가질 수 있어, 고강도와 함께 고버링성을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 냉각 과정을 보다 구체적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 고강도 강판의 홀 확장성 향상의 원리를 나타내는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 강판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고강도 강판
본 발명에 따른 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005%를 포함한다.
상기 성분들 이외에 나머지는 철(Fe)과, 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 고강도 강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소이다.
상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.1~0.25중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우에는 980MPa 이상의 인장강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소의 첨가량이 0.25중량%를 초과하는 경우에는 용접성이 저하될 수 있으며, 홀 확장성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강도 확보에 기여하며, 또한 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 실리콘은 강판 전체 중량의 1.5~3.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 1.5중량% 미만일 경우에는, TRIP에 의한 상변태 효과를 충분히 발휘하기 어렵다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 3.0중량%를 초과할 경우에는 용접성 및 도금성이 저하되는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간의 첨가는 탄소의 첨가보다도 강도 상승시 연성의 저하가 적다.
상기 망간은 강판 전체 중량의 1.0~2.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간이 첨가량이 0.7중량% 미만일 경우에는 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.7중량%를 초과할 경우에는 MnS계 비금속 개재물이 과도하게 생성되어, 용접성이 저하될 수 있다.
인(P)
인(P)은 강도 향상에 기여하는 원소이다.
상기 인은 강판 전체 중량의 0.01~0.1중량%로 함유되도록 제어하는 것이 바람직하다. 인의 함량이 0.01중량% 미만일 경우에는 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 인의 함량이 0.1중량%를 초과할 경우에는 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 강판 재질에 악영향을 미친다.
황(S)
황(S)은 가공성 향상에 일부 기여한다.
상기 황은 강판 전체 중량의 0.001~0.01중량%로 함유되도록 제어하는 것이 바람직하다. 만일, 황의 함량이 0.001중량% 미만일 경우에는 황에 의한 가공성 향상 효과가 불충분하며, 또한, 황의 함량을 극소로 제어해야 하는 문제점이 있다. 반대로, 황의 함량이 0.01중량%를 초과하는 경우에는 용접성을 크게 저해하는 문제가 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 실리콘(Si)이나 망간(Mn)에 비해 우수한 탈산능을 가짐으로써 강 중 산소 제거에 효과적인 원소이다.
상기 알루미늄은 강판 전체 중량의 1.5~3.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 함량이 1.5중량% 미만일 경우, 탈산 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 함량이 3.0중량%를 초과할 경우 제조되는 강판의 인성을 저해시킬 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 알루미늄 등과 결합하여 질화물을 형성함으로써 오스테나이트 결정립 미세화에 따른 기계적 특성 향상에 기여한다. 그러나, 질소의 다량 첨가시 고용 질소가 증가하여 제조되는 강판의 성형성 등을 저하시킨다.
상기 질소는 강판 전체 중량의 0.001~0.005중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 질소의 첨가량이 0.001중량% 미만일 경우, AlN 형성이 불충분하며, 또한 질소를 극저로 관리하는데 비용이 증가할 수 있다. 반대로, 질소의 함량이 0.005중량%를 초과하는 경우, 강판의 성형성 등을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 고강도 강판은 상기의 조성 및 후술하는 공정을 통하여, 인장강도 780~980MPa 및 홀 확장률 : 90~120%를 나타낼 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 고강도 강판은 미세조직 측면에서, 주상이 페라이트이고, 잔류 오스테나이트가 10~20% 포함되는 미세조직을 나타낼 수 있다.
이러한 잔류 오스테나이트는 페라이트 기지 조직의 경도보다 10~100Hv 정도 높고, 잔류 오스테나이트로부터 변태된 마르텐사이트의 경도는 페라이트 기지 조직의 경도보다 100~300Hv 정도 높은 상태가 될 수 있다.
고강도 강판 제조 방법
도 1은 본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고강도 강판 제조 방법은 열간압연 단계(S110) 및 냉각/권취 단계(S120)를 포함한다.
열간압연
열간압연 단계(S110)에서는 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 열간압연한다.
이때, 열간압연 이전에 균질화 및 압연 부하 감소 등을 위하여, 슬라브 판재를 1150~1250℃에서 대략 1~3시간동안 재가열할 수 있다. 재가열 온도가 1250℃ 이상에서는 결정립 조대화로 인하여 충분한 강도 확보가 어려워질 수 있고, 재가열 온도가 1150℃ 미만일 경우, 압연 부하가 증가할 수 있다.
열간압연은 860~900℃의 마무리압연온도 조건으로 실시되는 것이 바람직하다. 마무리압연온도가 900℃를 초과하는 경우, 오스테나이트 결정립이 조대화되어 변태후 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않아 강도 확보가 어려워질 수 있다. 반대로, 마무리압연온도가 860℃ 미만인 경우, 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.
냉각/권취
다음으로, 냉각/권취 단계(S120)에서는 열간압연된 판재를 냉각하여 권취한다.
본 발명에서는 상기 냉각이 1차 냉각과 2차 냉각을 포함하고, 1차 냉각이 2차 냉각보다 빠른 냉각속도로 수행되는 것을 특징으로 한다.
권취 온도, 즉 냉각종료온도는 450~550℃인 것이 바람직하다. 냉각 종료 온도가 450℃ 미만인 경우에는 강도 확보에는 유리하나, 충분한 홀 확장성을 확보하기 어려워질 수 있다. 반대로, 냉각 종료 온도가 550℃를 초과하는 경우에는 인장강도 780MPa 이상의 충분한 강도를 확보하기 어려운 문제점이 있다.
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 냉각 과정을 보다 구체적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 냉각은 1차 냉각 단계(S121) 및 2차 냉각 단계(S122)를 포함할 수 있다.
1차 냉각 단계(S121)에서는 열간압연된 판재를 50℃/sec 이상의 냉각속도로 600~680℃까지 1차 냉각한다.
2차 냉각 단계(S122)에서는 1차 냉각된 판재를 30℃/sec 이하의 냉각속도로 450~550℃까지 2차 냉각한다.
상대적으로 빠른 냉각속도의 1차 냉각과 상대적으로 느린 냉각속도의 2차 냉각을 통하여 페라이트 기지 조직에 면적률로 10~20%의 오스테나이트가 잔류할 수 있다.
한편, 홀 확장의 경우, 국부적인 연신이 급속도로 일어나는 부위라 할 수 있으며, 넥킹(necking)의 시작으로 최종 파단이 나타날 때 홀확장 값을 측정한다. 이러한 홀확장 거동의 특성으로 볼 때, 응력-변형 곡선(strain-stress curve)에서 최대인장강도(ultimate tensile stress; UTS)점 이후 넥킹이 시작되는 부분의 거동과 같다고 볼 수 있다. 넥킹이 시작되는 부분의 경우 국부적인 연신이 일어남으로 단위 면적당 받는 스트레스의 비율이 급속도로 커지는 진 응력-변형(true stress-strain)이 일어난다고 볼 수 있다. 그 그래프는 단순한 진 응력-변형과 달리 국부적으로는 exponential하게 스트레스가 늘어난다고 볼 수 있다.
그 해당 부위에서는 최대인장강도 이상의 스트레스를 받게 되며, 최대인장강도 이상의 스트레스에서 변형유기 상변태가 일어날 경우 해당 부위가 경화되어 좀더 연질의 다른 부분에서 연신이 시작되는 양상을 띄게 된다. 이렇게 넥킹부위에서 급속도로 경화되어 다른 부위가 연신이 되도록 할 경우 2차적인 연신이 가능하게 되고 이러한 true strain-stress 양상은 홀확장 부위에서 전부위에 있어서 넥킹을 지연시키고 균일하게 연신을 유도함으로 결과적으로 홀확장성의 향상을 유도 시킨다.
도 3은 본 발명에 따른 고강도 강판의 홀 확장성 향상의 원리를 나타내는 도면이다.
즉, TRIP을 이용한 홀확장 향상 방법은 변형유기 상변태가 일어날 수 있는 강종에 있어서 변형유기 상변태가 시작되는 에너지가 넥킹이 일어나기 직전의 UTS만큼 해당 에너지를 받았을 때 초기 변형유기 상변태가 일어나도록 하는 것이라 할 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따른 시편을 제조하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112012061004929-pat00001
[표 2]
Figure 112012061004929-pat00002

2. 기계적 특성 평가
실시예 1~3 및 비교예 1~3에 따라 제조된 시편 각각의 인장시험 및 홀확장성을 평가하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.
표 2에서, 인장강도(TS), 항복강도(YS) 및 연신율(EL)은 JIS 5호 시험편에 의거한 인장시험을 통하여 측정하였다.
홀 확장률은(HER)은 초기 직경(d0:10mm)의 천공 구멍을 형성한 후, 60° 원추펀치로 확장시켜서, 크랙(crack)이 판을 관통한 시점의 구멍 직경(d)으로부터 구해지는 홀 확장률((d-d0)/d0 X 100)로 나타내었다.
표 2를 참조하면, 실시예 1~3에 따라 제조된 시편들의 경우, 인장강도(TS) 및 홀 확장률(HER)이 목표값을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.
반면, 실리콘의 함량이 부족한 비교예 1에 따른 시편의 경우, 인장강도가 상대적으로 낮았다. 또한, 알루미늄 함량이 부족한 비교예 2에 따른 시편의 경우, 홀 확장률이 상대적으로 낮았다. 또한, 냉각 조건이 본 발명에서 제시한 바를 벗어나는 비교예 3에 따른 시편의 경우, 홀 확장률이 상대적으로 낮았다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각/권취 단계
S121 : 1차 냉각 단계
S122 : 2차 냉각 단계

Claims (5)

  1. (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 860~900℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계; 및
    (b) 상기 열간압연된 판재를 450~550℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하고,
    상기 냉각은 1차 냉각 단계 및 2차 냉각 단계를 포함하되, 상기 1차 냉각은 50℃/sec 이상의 냉각속도로 600~680℃까지 수행되고, 상기 2차 냉각은 30℃/sec 이하의 냉각속도로 450~550℃까지 수행되는 것을 특징으로 하는 고강도 강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 강판 제조 방법은
    상기 열간압연 이전에, 상기 슬라브 판재를 1150~1250℃로 재가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 강판 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.25%, 실리콘(Si) : 1.5~3.0%, 망간(Mn) : 1.0~2.0%, 인(P) : 0.01~0.1%, 황(S) : 0.001~0.01%, 알루미늄(Al) : 1.5~3.0%, 질소(N) : 0.001~0.005% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고,
    인장강도 780~980MPa 및 홀 확장률 : 90~120%를 나타내는 것을 특징으로 하는 고강도 강판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강판은
    주상이 페라이트이고, 잔류 오스테나이트가 10~20% 포함되는 미세조직을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 강판.
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JPH0860305A (ja) * 1994-08-19 1996-03-05 Nippon Steel Corp 疲労特性に優れた耐熱軟化性を有する加工用熱延高強度鋼板およびその製造方法
JP2001294978A (ja) 2000-04-05 2001-10-26 Nippon Steel Corp 高い動的変形抵抗と良好な成形性を有する高強度熱延鋼板とその製造方法
KR20040013156A (ko) * 2001-07-25 2004-02-11 신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤 구멍 확장성이 우수한 복합 조직 강판 및 그 제조 방법

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