KR101461727B1 - 연성이 우수한 저비중 강재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연성이 우수한 저비중 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.4~1.0%, Mn: 20~30%, Al: 10~15%, Cr: 2.5~5.5%, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 연성이 우수한 저비중 강재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 카파 카바이드 석출물의 생성의 억제를 통해, 10%이상의 상온 연성과 15%이상의 경량화율을 갖는 강재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

Description

연성이 우수한 저비중 강재 및 그 제조방법{LOW GRAVITY STEEL MATERIAL HAVING EXCELLENT DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 연성이 우수한 저비중 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 경량화를 위해 자동차용 강재에 Al을 다량 첨가하게 되면, BCC 및 규칙상(B2, DO3)이 안정화되어 상온에서 상간 정합성이 낮아져 연성이 저하된다. 따라서, 자동차용 강재의 경량화를 위해서는 강중 Al 함량을 높여야 하나, 성형성의 문제로 인해 Al 첨가를 통한 경량화에는 한계가 있다. 도 1은 Fe-Al계 상태도인데, Al 첨가에 따른 결정구조는 도 1에 나타난 바와 같다. 도 1에서 알 수 있듯이, 미량의 Al을 첨가하여도 BCC가 안정화되며, 상온에 가까운 낮은 온도에서는 Al 함량이 중량%로 10% 이상이 되면 B2, DO3 규칙상이 형성되어 취성이 매우 높아지는 것으로 알려져 있다. 또한 BCC 내에서도 BCC와 B2, DO3 상간의 Anti-phase 경계에서 그 정합성이 낮아 연성이 매우 저하되어 소성변형이 발생하지 못하는 것으로 알려져 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 종래의 대표적인 기술은 특허문헌 1이 있다. 상기 기술은 FCC 안정화 원소인 Mn을 10~20중량%, C를 0.5~1.0중량% 첨가함과 동시에 Al의 첨가량을 2.5~5중량%로 제어함으로써 적층결함 에너지를 향상시켜 오스테나이트 단상의 안정성을 도모하여 7.6g/cm³이하의 비중과 70%이상의 균일 연신율을 갖는 강판의 제조방법에 관한 것이나, 900℃이상에서 열간압연한 후 1000℃이상 구간에서 균질화 처리를 실시하고, 냉간압연후에 1000℃이상에서 용체화처리 후 급냉하는 복잡한 프로세스를 이용하고 있을 뿐만 아니라, Al 첨가에 의한 경량화 효과가 7.5%이하인 단점이 있다.

또 다른 기술로는 비특허문헌 1이 있는데, 이 기술은 듀플렉스(duplex)나 트리플렉스(triplex) 상을 구성하는 방법으로서, 0.5~2중량%의 C와 18~35중량%의 Mn, 그리고 8~12중량%의 Al을 첨가하는 기술이다. 상기 기술의 경우, Al의 함량이 10% 이상으로 높은 수준이나, 제조 방법에 있어서, 1150℃에서 25분간 열처리 후 60%이상의 냉간압연을 실시한 후에 다시 1050℃에서 25분간 재결정을 일으킨 뒤 수냉을 통해 급냉하고, 800~1100℃에서 시효처리(aging)한 후에 수냉하는 매우 복잡한 공정을 개시하고 있는 바, 인장강도가 1500MPa이상, 연성이 48%이상 확보된다고 하여도 상용화하는 것은 매우 어렵다는 단점이 있다.

한국 공개특허공보 제2011-0115651호

[G. Frommeyer and U. Brux: "Microstructures and mechanical properties of high-strength Fe-Mn-Al-C light-weight TRIPLEX steels" Steel Res. Int., 77 (2006), No.9-10, pp.627-633]

본 발명은 합금조성 및 제조조건을 적절하게 제어하여 상온연성을 저하시키는 카파 카바이드 석출물의 생성을 억제하고, 규칙상과 BBC 상간의 정합성을 향상시킴으로써 Al이 10%이상 첨가되더라도 우수한 상온연성과 저비중을 갖는 강재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.4~1.0%, Mn: 20~30%, Al: 10~15%, Cr: 2.5~5.5%, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 연성이 우수한 저비중 강재를 제공한다.

본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.4~1.0%, Mn: 20~30%, Al: 10~15%, Cr: 2.5~5.5%, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강괴를 1100~1250℃에서 열간압연하고, 고용처리하여 강재를 얻는 단계; 및 상기 강재를 550℃이하로 급냉하는 단계를 포함하는 연성이 우수한 저비중 강재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 카파 카바이드 석출물의 생성의 억제를 통해, 1000MPa이상의 인장강도, 10%이상의 상온 연성과 15%이상의 경량화율을 갖는 강재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.

도 1은 Fe-Al계 상태도이다.
도 2는 Fe-Mn계 상태도이다.
도 3은 발명예 1의 미세조직 사진이다.
도 4는 비교예 10의 미세조직 사진이다.

본 발명자들은 저비중 강재를 제조함에 있어, Al의 다량 첨가시 발생하는 규칙상의 안정화에 의한 상간 정합성 저하 및 카파(κ) 카바이드의 형성으로 인해 연성이 저하되는 문제점을 해결하기 위하여 연구를 행하던 중, 적정량의 Cr을 첨가하는 경우 규칙상과 BCC간의 상간 정합성(anti-phase boundary)이 향상될 뿐만 아니라, 카파(κ) 카바이드의 형성 또한 억제되어 강재의 연성이 향상됨을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명을 설명한다.

먼저, 본 발명 강재의 합금조성에 대하여 설명한다.

C: 0.4~1.0중량%

본 발명에서 확보하고자 하는 10%이상의 상온 연신율을 얻기 위해서는 미세조직 내에 일정량 이상의 오스테나이트가 존재하여야 하며, 이를 위해서 FCC 안정화에 기여하는 C가 0.4%이상 첨가될 필요가 있다. 다만, 1.0%를 초과하는 경우에는 입계에 매우 단단한 카파(κ) 카바이드가 형성되어 연성이 저하되며, 또한 입내에 강도를 급격히 증가시켜 연성을 감소시키므로, 상기 C의 함량은 0.4~1.0중량%의 범위를 만족하는 것이 바람직하다.

Mn: 20~30중량%

Mn은 고용강화 및 경화능 향상에 효과가 있으면서도 FCC를 안정화시키는 원소로서, Al 첨가에 따른 BCC 및 B2/DO3의 형성을 억제하고 적정 오스테나이트 분율을 확보하는데 유리한 원소이다. 일정량 이상의 오스테나이트를 확보하기 위해서, 상기 Mn은 20% 이상 포함될 필요가 있으나, 30%를 초과할 경우에는 Fe-Mn계 상태도인 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 국부적으로 베타-Mn 등의 규칙상을 형성하여 연성을 저하시키고, 강도를 지나치게 높이는 현상이 발생할 수 있으므로, 상기 Mn의 함량은 20~30중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Al: 10~15중량%

Al은 경량화 및 강도 향상을 목적으로 첨가되는데, Al은 Fe, Mn 및 C와 결합하여 카파(κ) 카바이드 석출물을 형성하거나 Fe 내에 고용되어 Fe-Al 규칙상인 B2/DO3상을 형성한다. 상기 Al은 Fe 내 용해도가 경량원소 중 Mg나 Ti에 비하여 매우 높아 경량화 원소로서 효율적으로 활용이 가능하며, 이를 효과적으로 이용하기 위해서는 10%이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 15%를 초과하는 경우에는 규칙상에 의한 연성 감소 문제가 발생하므로, 상기 Al은 10~15중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

Cr: 2.5~5.5중량%

Cr은 강 중에서 BCC를 안정화시켜서 FCC 분율을 감소시키는 역할을 하나, 입계에 생성되는 카파(κ) 카바이드를 억제하며, 또한 상온에서 anti-phase boundary 간의 정합성을 높여 상온 인성을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 역할을 이용하기 위해서는 Cr이 2.5% 이상 첨가되는 것이 바람직하나, 5.5%를 초과하는 경우에는 BCC를 지나치게 조장하여 오히려 연성을 감소시키는 작용을 하므로, 상기 Cr은 2.5~5.5중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

N: 0.01중량%이하

N은 그 첨가량이 낮을수록 바람직하나, 불가피하게 강 중에 남는 불순물이다. N의 함량이 0.01%를 초과하는 경우에는 석출물의 수가 많아져서 강도를 높이나 연성을 저하시키는 문제가 발생할 수 있으므로 그 함량이 0.01중량%이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 합금조성을 제어하고 특히 Cr을 첨가함으로써, 강재의 입내 및 입계에 생성되는 카파(κ) 카바이드의 생성을 억제하는 것을 주된 특징으로 한다. 또한, 상기 Cr 첨가를 통해 Al에 의해 쉽게 형성되는 BCC 및 B2/DO3간의 정합성을 높이고 입계에 형성되는 카파(κ) 카바이드의 생성량을 줄여 인장시에 입계를 따라 진전하는 크랙의 생성을 억제한다. 다만, 제조공정상 상기 카파(κ) 카바이드를 완전히 제거하는 것이 매우 어려우며, 결국 강재 내에 미량으로 존재하게 된다. 그러나, 상기 카파(κ) 카바이드는 강도 확보에는 유리한 석출물이어서, 상기와 같이 미량으로 존재하는 카파(κ) 카바이드 석출물에 의해 강판의 강도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기한 바와 같이, 강재의 입내 및 입계에 조대하게 발생하는 카파 카바이드는 매우 취성이 강하여 강재의 연성확보를 저해하는데, 전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 강재는 카파 카바이드 석출물의 발생이 억제되어 내우 우수한 연성을 갖게 된다.

본 발명이 제공하는 강재는 열연강판, 냉연강판 또는 도금강판일 수 있다.

상기와 같은 조건을 만족하는 본 발명의 강재는 1000MPa 이상의 인장강도, 10%이상의 연성(연신율), 일반 탄소강 대비 15%이상의 경량화율을 가져, 경량화와 우수한 성형성이 요구되는 자동차 등과 같은 기술분야에 바람직하게 적용될 수 있다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

우선, 상기와 같은 합금조성을 만족하는 강괴를 1100~1250℃에서 열간압연하여 강재를 얻는다. 상기 열간압연 온도가 1100℃ 미만일 경우에는 열간압연성이 저하된다는 단점이 있으며, 1250℃를 초과하는 경우에는 Al의 융점이 낮아 입계편석 등이 발생하여 고온압연성이 오히려 저하되는 것이 우려될 수 있다. 따라서, 상기 열간압연온도는 1100~1250℃에 행하여지는 것이 바람직하다. 한편, 상기 강재의 한 가지 측면은 강판의 형태를 갖는다.

이후, 상기 강재를 상기 열간압연온도 범위에서 고용처리하는 것이 바람직하며, 이를 통해 압연 및 냉각시에 발생한 카파 카바이드 석출물을 기재 내에 고용시킬 수 있다. 상기 고용처리 온도가 1100℃ 미만일 경우에는 석출된 카파 카바이드가 기지내에 고용되기 어려우며, 1250℃를 초과하는 경우에는 Al의 용융점이 낮아 입계 편석 등이 발생하여 재질을 저하시키는 현상이 발생될 수 있다.

이 때, 상기 가열은 1~2시간 동안 행하여지는 것이 바람직한데, 1시간 미만으로 행하질 경우에는 카파 카바이드 석출물이 충분히 고용되기 어려울 수 있으며, 2시간을 초과할 경우에는 탈탄이 진행되어 FCC확보에 유리한 원소인 C의 양이 강재 전체 및 표면부에서 급격히 감소하여 오스테나이트 분율을 감소시켜 상온 연성이 저하될 우려가 있다.

이후, 상기 가열된 강재를 550℃이하로 급냉하는 것이 바람직한데, 상기 급냉을 통해 FCC 입내와 입계에 형성되는 카파 카바이드 석출물의 양을 감소시킬 수 있으며, 또한 최종 제품이 오스테나이트를 40%이상 확보하도록 할 수 있다. 이를 통해, 최종 제품에서 10%이상의 상온 연성을 확보할 수 있다. 상기 급냉 정지 온도가 550℃를 초과할 경우에는 기지 내에 고용된 카파 카바이드가 다시 석출되거나 BCC 형성량이 증가하여 상온 인성을 저하시킬 우려가 있다. 한편, 상기 급냉은 상온 이상의 온도에서 정지되기만 하면 본 발명이 얻고자 하는 특성을 얻을 수 있으므로, 상기 급냉정지온도의 하한에 대해서는 특별히 한정하지 않는다.

상기 급냉시 냉각 속도는 100~500℃/s의 범위를 갖는 것이 바람직한데, 100℃/s미만일 경우에는 늦은 냉각속도로 인하여 확산현상이 발생하여 고용된 카파 카바이드가 다시 석출되거나 BCC 변태량이 증가할 우려가 있다. 500℃/s를 초과할 경우에는 급냉으로 인한 열응력이 발생하여 오히려 상온인성을 저하시킬 우려가 있다.

상기 급냉 공정 후에는 강재의 항온변태를 위하여 상기 급냉정지온도 범위에서 1~3시간동안 유지하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 항온변태시간이 1시간 미만인 경우에는 급냉시 발생한 열응력을 해소하기에 부족하며, 3시간을 초과하는 경우에는 장시간 확산으로 인해 카파 카바이드가 조대하게 재석출되거나 BCC변태가 발생하여 상온인성이 저하될 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명의 보다 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하지는 않는다.

(실시예)

진공 유도 용해를 통해 하기 표 1에 기재된 합금조성을 갖는 강괴를 두께 60mm, 폭 175mm로 제조하고, 이 강괴를 1250℃에서 1시간 재가열을 실시한 후, 1100℃에서 열간압연하여 7mm 두께의 열연강판을 제조하였다. 이후, 상기 열연강판을 하기 표 2에 기재된 조건으로 1시간 동안 고용처리하고, 염욕열처리를 통해 급냉 및 유지하였으며 이 때, 유지시간은 2시간이었다. 이렇게 제조된 강재를 ASTM subsize 인장시편으로 가공하여 상온인장시험을 실시하여 인장강도와 연신율을 하기 표 2에 나타내었다. 또한, 상기 시편의 비중을 측정한 뒤, 7.83g/cm³의 비중을 갖는 탄소강과 비교하여 경량화율을 하기 표 2에 나타내었다.

구분	화학조성(중량%)
	C	Mn	Al	Cr	N
발명강1	0.80	28.1	11.9	3.12	0.0045
비교강1	0.79	28.2	12.0	0.5	0.0044
비교강2	0.80	27.8	12.2	2.2	0.0088
발명강2	0.82	28.3	11.8	2.8	0.0022
발명강3	0.78	27.7	12.1	3.4	0.0045
발명강4	0.82	27.9	12.0	4.1	0.0053
발명강5	0.78	28.2	12.1	5.2	0.0032
비교강3	0.78	27.9	12.2	5.8	0.0063
비교강4	0.82	27.6	12.1	7.1	0.0070
비교강5	0.80	2.1	8.1	2.9	0.0057
비교강6	0.82	28.3	9.3	2.9	0.0090
발명강6	0.78	28.5	10.4	2.8	0.0069
발명강7	0.83	28.3	12.7	3.0	0.0016
비교강7	0.81	28.0	15.5	3.0	0.0054
비교강8	0.81	27.8	16.9	3.0	0.0039

강종No.	구분	열처리 조건		기계적 물성
		가열온도 (℃)	급냉정지온도 (℃)	인장강도 (MPa)	연신율 (%)	경량화율 (%)
발명강1	비교예1	901	501	1061	4	17.9
	비교예2	903	553	1044	3	17.9
	비교예3	904	604	1073	5	17.9
	비교예4	906	652	1132	3	17.9
	비교예5	1003	502	1046	7	17.9
	비교예6	1005	547	1061	5	17.9
	비교예7	1002	603	1098	4	17.9
	비교예8	1005	654	1124	6	17.9
	발명예1	1101	503	1036	12	17.9
	발명예2	1105	546	1042	11	17.9
	비교예9	1102	603	1034	6	17.9
	비교예10	1106	655	1044	7	17.9
비교강1	비교예11	1103	532	948	4	18.0
비교강2	비교예12	1108	525	972	8	18.3
발명강2	발명예3	1106	526	1002	10	17.7
발명강3	발명예4	1112	531	1009	12	18.2
발명강4	발명예5	1108	529	1051	11	18.0
발명강5	발명예6	1104	519	1103	10	18.2
비교강3	비교예13	1113	541	1121	5	18.3
비교강4	비교예14	1106	535	1140	2	18.2
비교강5	비교예15	1114	532	923	48	12.2
비교강6	비교예16	1107	529	965	41	14
발명강6	발명예7	1104	530	1014	31	15.6
발명강7	발명예8	1106	519	1026	13	19.1
비교강7	비교예17	1105	525	1055	7	23.3
비교강8	비교예18	1111	526	1108	4	25.4

상기 표 1 및 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금조성을 만족하는 발명강 1을 이용하여 제조된 비교예 1 내지 8의 경우에는 고용처리온도가 1100℃보다 낮아, 이후에 어떠한 급냉정지온도 및 유지(항온변태 유지) 조건을 적용하더라도 입계에 카파 카바이드가 생성되는 것을 억제하지 못하여 10% 이상의 연신율(연성)이 얻어지지 않음을 알 수 있다.

그러나, 1100℃ 이상에서 고용처리하고, 급냉정지온도 또한 본 발명이 제안하는 조건을 만족하는 발명예 1 및 2의 경우에는 입계에 생성되는 카파 카바이드의 양이 감소하여 상온 연성이 10%이상으로 증가하였음을 알 수 있다.

다만, 1100℃ 이상의 고용처리 조건을 만족하더라도, 급냉정지온도가 550℃를 초과하는 비교예 9 및 10의 경우에는 입계에 다시 카파 카파이드가 생성되어 오히려 연신율이 저하되는 것을 알 수 있다.

도 3은 발명예 1의 미세조직 사진이며, 도 4는 비교예 10의 미세조직 사진이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 발명예 1의 경우에는 카파 카바이드가 거의 형성되지 않았으나, 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예 4의 경우에는 입내 및 입계에 카파 카바이드 석출물이 형성된 것을 확인할 수 있다.

한편, 발명예 3 내지 6과 비교예 11 내지 14는 Cr 함량 변화에 따른 기계적 물성 측정 결과를 알아보기 위한 것인데, Cr 함량이 2.5%미만인 비교예 11 및 12의 경우에는 인장강도와 연신율 모두 낮은 수준임을 알 수 있다. 그러나, 본 발명이 제안하는 Cr함량을 만족하는 발명예 3 내지 6의 경우에는 10%이상의 연신율이 얻어질 뿐만 아니라, 1000MPa이상의 고강도를 확보하고 있으나, 5.5%를 초과하는 비교예 13 및 14의 경우에는 오히려 연신율이 저하되었음을 알 수 있다. 이는 Cr에 의한 BCC 형성이 가속화되어 상온연성 확보에 필요한 오스테나이트 분율이 지나치게 감소하였기 때문이다.

발명예 7 및 8과 비교예 15 내지 18은 Al 함량 변화에 따른 기계적 물성 측정 결과를 알아보기 위한 것인데, Al 함량이 10% 미만인 비교예 15 및 16의 경우에는 상온연성은 우수하나, 경량화율이 낮은 수준임을 알 수 있다. 그러나, 본 발명이 제안하는 Al함량 범위를 만족하는 발명예 7 및 8의 경우에는 15%이상의 경량화율과 1000MPa이상의 인장강도 및 10%이상의 연신율과 같이 우수한 기계적 물성이 확보되나, Al이 과도하게 첨가된 비교예 17 및 18의 경우에는 연성이 급격히 저하됨을 알 수 있다.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.4~1.0%, Mn: 20~30%, Al: 10~15%, Cr: 2.5~5.5%, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 상기 Cr은 카파 카바이드의 억제를 위해 포함되며,
   강재는 인장강도가 1000MPa이상이며, 연신율이 10%이상이고, 탄소강 대비 15%이상의 경량화율을 갖는 연성이 우수한 저비중 강재.
2. 삭제
3. 중량%로, C: 0.4~1.0%, Mn: 20~30%, Al: 10~15%, Cr: 2.5~5.5%, N: 0.01%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강괴를 1100~1250℃에서 열간압연하는 단계;
   상기 열간압연 된 강재를 1100~1250℃에서 1~2시간동안 가열하여 카파 카바이드 석출물이 고용처리된 강재를 얻는 단계; 및
   상기 강재를 550℃이하로 급냉하는 단계를 포함하고,
   인장강도가 1000MPa이상이며, 연신율이 10%이상이고, 탄소강 대비 15%이상의 경량화율을 갖는 강재를 제조하는 연성이 우수한 저비중 강재의 제조방법.
4. 삭제
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 급냉은 100~500℃/s의 속도로 행하여지는 연성이 우수한 저비중 강재의 제조방법.
6. 청구항 3에 있어서,
   상기 급냉 후, 상기 강재를 1~3시간동안 유지하는 단계를 추가로 포함하는 연성이 우수한 저비중 강재의 제조방법.

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