KR101543899B1

KR101543899B1 - 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법

Info

Publication number: KR101543899B1
Application number: KR1020130163229A
Authority: KR
Inventors: 류주현; 이규영; 구민서; 안영상; 조항식; 곽재현; 배성범
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2015-08-11
Also published as: KR20150074961A

Abstract

본 발명은 서냉각 구간을 통해 강판의 판형상을 개선하는 방법에 관한 것으로써, 상기 서냉각 구간에서 페라이트가 생성되는 것을 방지하여, 강도를 확보하는 동시에, 형상 품질을 개선한 마르텐사이트계 강판의 제조방법이며, 이로부터 제조된 강판에 관한 것이다.

Description

형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING MARTENSITIC STEEL SHEET HAVING EXCELLENT SHAPE PROPERTY}

본 발명은 자동차 부재 등에 사용되는 마르텐사이트계 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 자동차의 경량화와 자동차의 충돌 안정성을 동시에 향상하기 위하여 자동차용 강판의 초고강도화가 지속적으로 이루어지고 있다. 이러한 초고강도 강판을 생산하기 위해서는 대부분 저온 변태조직을 활용하는 것이 일반적이며, 특히 1000 ㎫급 이상의 고강도 박강판의 경우 적은 합금 성분의 첨가량으로 용접성 향상 및 고강도를 동시에 달성하기 위하여, 강판을 오스테나이트 단상역 온도에서 균열 처리한 후, 급냉(quenching)하여 금속 조직을 마텐사이트 단상으로 하는 것이 유효하다.

그러나, 상기 급냉시 냉각에 따른 체적 수축과 마르텐사이트 상변태에 의한 체적 팽창 등은 강판의 폭방향, 길이방향 온도 편차에 의하여 강판 내 불균일하게 나타나며, 이는 강판의 내부응력 편중 및 형상품질 열위를 야기한다. 이러한 강판의 형상 악화는 연속 소둔 공정에서 조업성을 저해하며, 제품 가공을 위한 롤가공시 작업성 열화 및 제품의 치수 정밀도에 악영향을 미친다.

이를 해결하기 위해서, 형상이 우수한 초고강도 냉연강판 제조기술로 특허문헌 1 및 2가 있다. 상기 특허문헌 1은 1GPa이상의 강도를 가지면서 형상품질이 향상된 초고강도 냉연강판의 제조방법이 개시되어 있는데, 냉각 속도 및 합금성분을 제한하여 형상품질을 확보하고 있다. 그러나, 상기 기술은 통상적인 연속소둔라인에서의 서냉각 및 급냉각에 따른 2단 냉각 이후에 다시 서냉각 구간이 존재하여 추가 설비를 필요로 한다.

특허문헌 2는 템퍼링 마르텐사이트를 활용하여 고강도와 고연성을 동시에 얻으며 연속 소둔 후의 판형상도 뛰어난 냉연강판의 제조방법을 제공한다. 그러나, 상기 특허문헌 2는 탄소가 0.2%이상으로 높아서 용접성의 열위와 Si 다량 함유에 기인한 로내 덴트 유발 가능성이 염려되고, 페라이트를 포함하도록 제조되는 것으로써, 페라이트 생성에 따른 강도 하락이 우려된다.

한국 공개특허 제2012-0063198호 일본 공개특허 제2010-090432호

본 발명의 일측면은 서냉각 구간을 통해 강판의 판형상을 개선하는 방법에 관한 것으로써, 상기 서냉각 구간에서 페라이트가 생성되는 것을 방지하여, 강도를 확보하는 동시에, 형상 품질을 개선한 마르텐사이트계 강판의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일태양은 중량%로, C: 0.03~0.3%, Si: 0.5%이하 (0은 제외), Mn: 0.5~2.0%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.015%이하(0은 제외), Al: 0.01~0.1%, Cr: 0.5%이하(0은 제외), Ti: 48/14*[N] ~ 0.1%, Nb: 0.1 이하, B: 0.005%이하(0은 제외), N: 0.01%이하(0은 제외)를 포함하고 나머지는 Fe 및 기타의 불순물을 포함하는 강판을 준비하는 단계;

상기 강판을 소둔 열처리하는 단계;

상기 강판을 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 서냉온도(T)까지 서냉하는 단계; 및

상기 서냉 후 급냉하는 단계를 포함하는 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법을 제공한다.

관계식 1: 589-198C+500Si-53Mn+262Al-0.68T ≤ 0

본 발명에 의하면, 마르텐사이트 변태를 위한 급냉처리시에 페라이트 변태가 일어나지 않아, 강도 하락의 우려가 없으면서, 강판 형상 품질이 향상된 초고강도 강판을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 마르텐사이트계 강판의 제조방법은 중량%로, C: 0.03~0.3%, Si: 0.5%이하 (0은 제외), Mn: 0.5~2.0%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.015%이하(0은 제외), Al: 0.01~0.1%, Cr: 0.5%이하(0은 제외), Ti: 48/14*[N] ~ 0.1%, Nb: 0.1 이하, B: 0.005%이하(0은 제외), N: 0.01%이하(0은 제외)를 포함하고 나머지는 Fe 및 기타의 불순물을 포함하는 강판을 준비하는 단계; 상기 강판을 소둔 열처리하는 단계; 상기 강판을 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 서냉온도(T)까지 서냉하는 단계; 및 상기 서냉 후 급냉하는 단계를 포함한다.

관계식 1: 589-198C+500Si-53Mn+262Al-0.68T ≤ 0

먼저, 본 발명 강판의 조성에 대해 상세히 설명한다(이하, 중량%)

탄소(C)의 함량은 0.03~0.3%가 바람직하다. 일반적으로 C는 마르텐사이트 강도 확보를 위하여 0.03% 이상 필요하나, 0.3%를 초과하면 연성과 굽힘가공성 및 용접성이 감소하여 프레스 성형 및 롤가공성이 나빠지는 단점이 있다.

실리콘(Si)의 함량은 0.5%이하 (0은 제외)가 바람직하다. Si은 페라이트 안정화 원소로써, 서냉각 구간이 존재하는 본 발명에서 소둔 후 서냉시 페라이트 생성을 촉진함에 의하여 강도를 약화시키는 단점이 있다. 또한, Si은 Ac3 변태점을 상승시키는 원소이기도 하므로, 오스테나이트 단상을 얻기 위한 소둔 온도의 상승으로 소둔 비용의 상승을 초래하기 때문에, 0.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)의 함량은 0.5~2.0%가 바람직하다. 강중 Mn은 페라이트 형성을 억제하고 오스테나이트를 안정하게 하는 경화능 증가 원소로 잘 알려져 있는데, Mn이 0.5% 미만인 경우에는 서냉각시 페라이트 생성이 용이하며, 강도의 확보가 어렵다. Mn이 2.0%를 초과하는 경우에는 편석에 의한 밴드형성 및 전로 조업시 합금 투입량 과다에 의한 합금철 원가 증가의 요인이 되며, 조대한 소둔농화물 형성으로 도금강판의 표면결함을 유발하기도 한다.

인(P)의 함량은 0.03%이하(0은 제외)가 바람직하다. 강중 P는 불순물 원소로서 그 함량이 0.03%를 초과하면 용접성이 저하되고 강의 취성이 발생할 위험성이 커지며, 덴트 결함 유발 가능성이 높아지기 때문에 그 상한을 0.03%로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S)의 함량은 0.015%이하(0은 제외)가 바람직하다. S는 P와 마찬가지로 강중 불순물 원소로서, 강판의 연성 및 용접성을 저해하는 원소이다. 그 함량이 0.015%를 초과하면 강판의 연성 및 용접성을 저해할 가능성이 높기 때문에 그 상한을 0.015%로 한정하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)의 함량은 0.01~0.1%가 바람직하다. Al은 제강 공정에서 탈산을 위해 첨가되는 원소이며, 충분한 탈산 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상 첨가할 필요가 있다. 또한, Al은 페라이트역을 확대하는 합금원소로써, Ac1 변태점을 낮추어 소둔 비용을 저감하는 장점이 있다. 그러나, 본 발명과 같이 서냉각이 존재하는 공정을 활용하는 경우에는 페라이트 형성을 촉진하는 단점이 있으며, AlN 형성에 의한 고온 열간압연성 저하가 가능하므로 상한을 제한한다.

크롬(Cr)의 함량은 0.5%이하(0은 제외)가 바람직하다. Cr은 경화능 증가원소로서, 본 발명과 같이 서냉각이 존재하는 공정을 활용하는 경우에는 페라이트의 형성을 억제하는 장점이 있으나, 0.5%를 초과하는 경우에는 합금 투입량 과다에 의한 합금철 원가증가로 제한한다.

티탄(Ti)의 함량은 48/14*[N] ~ 0.1%가 바람직하다. Ti은 질화물 형성원소로써, 강 중 N의 농도를 감소하는 효과가 있으며, 이를 위해서는 화학당량적으로 48/14*[N]이상을 첨가할 필요가 있다. Ti 미첨가시 AlN 형성에 의한 열간 압연성 크랙 발생이 염려되며, 또한 BN의 형성으로 B 첨가에 의한 경화능 증가 효과를 저감한다. 0.1%를 초과하면 고용 N의 제거외에 추가적인 탄화물 석출에 의한 마르텐사이트의 탄소 농도 및 강도 감소가 이루어지므로 제한한다.

니오븀(Nb)의 함량은 0.1%이하(0은 제외)가 바람직하다. Nb은 오스테나이트 입계에 탄화물 형태로 편석되어 소둔열처리시 오스테나이트 결정립의 조대화를 억제하여 강도를 증가시키며, 0.1%를 초과하는 경우에는 합금 투입량 과다에 의한 합금철 원가증가로 제한한다.

보론(B)의 함량은 0.005%이하(0은 제외)가 바람직하다. 강중 B은 오스테나이트 입계를 안정화하여 페라이트의 핵 생성을 억제하는 장점이 있어, 본 발명의 서냉각시에 경화능을 향상하는 장점이 있다. 상기 B의 함량이 0.005%를 초과하게 되면 오히려 Fe₂₃(C,B)₆의 석출에 의하여 페라이트 형성이 촉진되는 문제가 있어서 제한한다.

질소(N)의 함량은 0.01%이하(0은 제외)가 바람직하다. N은 0.01%를 초과하면 AlN의 형성에 의하여 연주시 크랙이 발생할 위험성이 크게 증가하며, 또한 BN의 형성으로 B의 경화능 효과를 저감하므로 그 상한을 0.01%로 한정하는 것이 바람직하다.

나머지는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다. 본 발명의 기술 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 합금원소의 추가를 배제하는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 제조방법의 공정에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 상기 조성을 만족하는 강판을 준비한다. 상기 강판은 열연강판, 냉연강판, 도금강판 등이 적용될 수 있으며, 이들의 제조방법은 본 발명이 속하는 기술분야에서 행해지는 통상의 방법에 의한다.

상기 준비된 강판에 대해 소둔 열처리를 행한다. 상기 소둔 열처리는 강판의 미세조직을 오스테나이트 단상으로 만들기 위한 것으로서, Ac3~900℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다. Ac3 미만의 온도에서 소둔시 오스테나이트외 페라이트가 잔류하여 강판의 강도를 저하시키며, 900℃를 초과하게 되면 소둔 중 산화 증가에 따른 강판 표면 품질의 열위가 발생할 수 있다.

상기 소둔 열처리 후 서냉각을 행한다. 서냉각은 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 서냉온도(T)까지 행하며, 이때 냉각속도는 13~16℃로 하는 것이 바람직하다.

관계식 1: 589-198C+500Si-53Mn+262Al-0.68T ≤ 0

상기 관계식 1은 서냉각 도입에 의한 인장강도의 감소량을 의미하며, 서냉각 도중 페라이트의 변태를 고려하기 위하여 서냉각 온도 및 경화능에 영향을 미치는 오스테나이트 안정화 원소인 C과 Mn 및 페라이트 안정화 원소인 Si과 Al을 인자화하여 도출된 것이다. 따라서, 상기 관계식 1의 값이 0을 초과하는 경우에는 서냉각 중 페라이트가 발생되어, 강판의 강도를 저하시키는 원인이 된다.

한편, 상기 냉각속도가 13℃/s 미만이 경우에는 변태냉각곡선상 페라이트상으로 변태될 가능성이 높아지며, 16℃/s를 초과하는 경우에는 급격한 마르텐사이트상의 변태로 인해, 체적 수축과 팽창에 의해 강판의 불균일이 발생하여 형상 품질을 저하시킬 가능성이 높다.

상기 서냉각을 행한 후, 급냉(Quenching)을 행한다. 상기 급냉은 본 발명이 속하는 기술분야에서 행해지는 통상의 방법에 의하며, 통상적으로 수냉의 방법으로 행한다. 이때 급냉시 냉각속도는 100℃/s 이상으로 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 강판은 마르텐사이트 단상 조직을 가지며, 페라이트상이 형성되지 않는 것이 바람직하다. 상기 페라이트상이 형성되면 강도의 하락이 발생할 수 있다. 본 발명의 강판은 서냉각을 실시하지 않고, 급냉처리만으로 행해진 경우에 비해, 강도하락의 폭이 40MPa 이하로써, 강도하락이 크지 않으면서도, 급냉처리만 행한 경우에 비해, 형상 품질이 개선되는 특징이 있다.

본 발명의 강판은 700MPa 이상의 항복강도를 가지며, 900MPa 이상의 인장강도를 갖는다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것이며, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.

(실시예)

하기 표 1의 조성(중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물)을 갖는 강을 34kg의 잉곳으로 진공용해한 후, 사이징 압연을 통하여 열연 슬래브를 제조하였다. 이를 활용하여 1200℃의 온도에서 1시간 유지 후, 880℃에서 마무리압연 후 680℃로 미리 가열된 로에 장입하여 1시간 유지 후 로냉함에 의하여 열연권취를 모사하였다. 이후, 산세 및 55% 냉간압연을 행하고, 860℃까지 소둔처리를 하였다.

이후, 강판의 형상 품질을 위해서, 서냉각을 실시한 후, 급냉을 하였다. 하기 표 1의 서냉온도까지 14℃/s로 냉각하는 서냉각을 실시하고, 이후 150℃/s의 냉각속도로 수냉각처리를 하였고, 이에 대한 관계식 1을 계산하여 표 1에 함께 나타내었다.

상기와 같이, 열처리된 강판의 인장강도를 평가하고, 미세조직을 관찰하여 그 결과를 표 2에 나타내었다. 한편, 상기 서냉각을 실시하지 않고, 급냉처리만을 했을 경우의 인장강도를 측정하여, 본 발명의 결과와 비교하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Ti	Nb	B	N	서냉온도(℃)	식 1
비교예1	0.052	0.096	1.91	0.010	0.003	0.031	0.100	0.020	0.015	0.0010	0.0040	750	24
비교예2	0.050	0.096	1.94	0.010	0.003	0.030	0.099	0.020	0.015	0.0010	0.0045	750	22
발명예1	0.050	0.096	1.94	0.010	0.003	0.030	0.099	0.020	0.015	0.0010	0.0045	800	-12
발명예2	0.061	0.095	1.68	0.009	0.003	0.032	0.098	0.019	0.015	0.0010	0.0033	800	0
발명예3	0.071	0.089	1.96	0.010	0.003	0.036	0.096	0.020	0.015	0.0009	0.0032	800	-19
비교예3	0.080	0.088	1.78	0.010	0.003	0.036	0.098	0.019	0.015	0.0009	0.0036	750	22
발명예4	0.082	0.090	1.69	0.010	0.003	0.033	0.097	0.020	0.015	0.0010	0.0037	800	-7
발명예5	0.117	0.091	1.94	0.010	0.003	0.037	0.100	0.020	0.015	0.0009	0.0035	800	-26
발명예6	0.127	0.097	1.49	0.009	0.002	0.029	0.098	0.019	0.014	0.0009	0.0031	800	-3
발명예7	0.128	0.090	1.66	0.010	0.002	0.035	0.098	0.020	0.015	0.0009	0.0032	800	-14
비교예4	0.128	0.090	1.66	0.010	0.002	0.035	0.098	0.020	0.015	0.0009	0.0032	750	20
발명예8	0.190	0.090	1.65	0.009	0.003	0.042	0.096	0.019	0.015	0.0009	0.0037	800	-24
비교예5	0.190	0.090	1.65	0.009	0.003	0.042	0.096	0.019	0.015	0.0009	0.0037	700	43
비교예6	0.190	0.090	1.65	0.009	0.003	0.042	0.096	0.019	0.015	0.0009	0.0037	750	10
발명예9	0.186	0.090	1.97	0.010	0.003	0.040	0.098	0.020	0.015	0.0009	0.0045	750	-7
비교예7	0.259	0.090	1.98	0.011	0.003	0.041	0.099	0.020	0.015	0.0009	0.0038	700	13
발명예10	0.259	0.090	1.98	0.011	0.003	0.041	0.099	0.020	0.015	0.0009	0.0038	750	-21
비교예8	0.266	0.094	1.67	0.010	0.003	0.032	0.097	0.018	0.013	0.0009	0.0038	700	27
발명예11	0.266	0.094	1.67	0.010	0.003	0.032	0.097	0.018	0.013	0.0009	0.0038	750	-7
비교예9	0.286	0.095	0.81	0.010	0.002	0.039	0.099	0.020	0.015	0.0011	0.0031	800	3

구분	항복강도(MPa)	연신율(%)	인장강도(MPa)	수냉시 인장강도(MPa)	인장강도 차(MPa)	페라이트 분율(%)
비교예1	767	7.6	957	1031	74	5
비교예2	802	7.1	975	1033	58	3
발명예1	857	4.3	998	1033	35	0
발명예2	804	6.6	990	1027	37	0
발명예3	930	6.1	1103	1113	10	0
비교예3	861	5.7	1045	1131	86	6
발명예4	923	6.7	1096	1116	20	0
발명예5	1079	6.4	1297	1308	11	0
발명예6	1059	4.3	1268	1303	35	0
발명예7	1101	5.9	1303	1320	17	0
비교예4	1103	6.0	1247	1320	73	6
발명예8	1218	5.4	1465	1497	32	0
비교예5	1125	5.9	1419	1497	78	6
비교예6	1204	5.4	1442	1497	55	5
발명예9	1254	4.9	1513	1553	40	0
비교예7	1405	5.0	1749	1790	41	3
발명예10	1436	5.7	1758	1790	32	0
비교예8	1359	5.4	1724	1791	67	4
발명예11	1417	5.9	1755	1791	36	0
비교예9	1298	4.3	1668	1715	47	2

상기 본 발명의 실시예에 개시된 발명예와 비교예는 모두 서냉각을 실시하여, 우수한 품질 형상을 확보할 수 있었다. 그러나, 본 발명의 조건을 만족하는 서냉각을 실시한 발명예들은 페라이트상이 발생하지 않아, 일반적인 수냉으로 급냉만을 실시한 경우에 비해, 강도의 저하가 크지 않음을 알 수 있었다.

그러나, 본 발명의 조건을 벗어나는 경우에는 페라이트 상이 관찰되었으며, 이로 인해, 강판의 강도가 크게 하락하는 것을 알 수 있다. 급냉으로 제조된 경우에 비해, 40MPa 넘는 강도 차를 보이는 것을 알 수 있었다.

Claims

중량%로, C: 0.03~0.3%, Si: 0.5%이하 (0은 제외), Mn: 0.5~2.0%, P: 0.03%이하(0은 제외), S: 0.015%이하(0은 제외), Al: 0.01~0.1%, Cr: 0.5%이하(0은 제외), Ti: 48/14*[N] ~ 0.1%, Nb: 0.1 이하(0은 제외), B: 0.005%이하(0은 제외), N: 0.01%이하(0은 제외)를 포함하고 나머지는 Fe 및 기타의 불순물을 포함하는 강판을 준비하는 단계;
상기 강판을 Ac3~900℃의 온도범위에서 소둔 열처리하는 단계;
상기 강판을 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 서냉온도(T)까지 서냉하는 단계; 및
상기 서냉 후 100℃/s 이상의 냉각속도로 급냉하는 단계
를 포함하는 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법.
관계식 1: 589-198C+500Si-53Mn+262Al-0.68T ≤ 0
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 서냉은 13~16℃/s 냉각속도로 행하는 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 강판은 열연강판, 냉연강판 및 도금강판 중 어느 하나인 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판의 제조방법
청구항 1, 3 및 5 중 어느 하나의 제조방법으로 제조된 강판으로서,
미세조직은 마르텐사이트 단상인 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판.
청구항 6에 있어서,
상기 강판은 급냉 처리된 강판 대비 인장강도 하락율이 40MPa 이하인 형상 품질이 우수한 마르텐사이트계 강판.