KR101546140B1 - 강재 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

열처리에 의하여 다량의 석출물을 형성함으로써 강도가 향상될 수 있으며, 강 부품 제조시 우수한 가공성 및 금형 수명 특성을 향상시킬 수 있는 강재 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강재 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0.06% 이하, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 500~900℃에서 석출물을 형성하는 1종 이상의 석출물 형성 원소 0.1~0.5%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; (b) 상기 슬라브 판재를 950~750℃에서 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간압연된 판재를 150℃/sec 이상의 평균냉각속도로 450~600℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강재 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING STEEL}
본 발명은 강재 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열처리 전에는 석출물 형성 원소들이 고용된 상태로 있으며, 열처리 후에는 석출물을 형성함으로써 강도가 향상될 수 있는 강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 부품에 있어, 고강도가 필요한 부분과 충돌 흡수가 필요한 부분이 혼재하는 B 필러 등과 같은 부품이 있다.
이러한 이종 물성이 혼재하는 부품을 제조하기 위하여, 단일 소재를 이용하거나 2종 이상의 소재를 이용하고 있다.
이중 단일 소재를 이용하는 경우, 주로 열처리에 의해 강도가 향상되는 이른바 열처리 경화강을 이용하며, 금형 설계를 통하여 일부분만 열처리가 되도록하고 있다. 그러나, 이 방법의 경우, 금형 설계가 매우 복잡한 문제점이 있다. 또한, 고강도 강재를 열간 프레스 성형할 경우, 프레스 성형에 있어 가공성이 떨어지거나 금형의 수명이 단축되는 등의 문제가 발생할 수 있다.
이러한 문제점에서, 2종 이상의 소재를 용접한 상태에서 강 부품을 제조하는 방식이 이용되고 있다. 이때 주로 이용되는 소재는 열처리 과정에서 저온 변태 조직 형성을 통하여 강도가 급격히 상승하는 소재(이른바 열처리 경화강)와, 결정립 사이즈가 증가하면서 오히려 강도가 저하되는 소재이다. 이러한 소재들로 이루어진 강 부품의 경우, 두 소재의 강도 차이가 심하게 나타남으로써 충돌과 같은 높은 변형 에너지가 가해질 경우에 용접 부분 등에 변형이 국부적으로 발생하여 충돌 성능이 현저히 저하될 수 있다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2012-0134710호(2012.12.12. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 국부적으로 이종 강도를 갖는 차량용 B 필러 부품 제조방법이 개시되어 있다. 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 합금성분 조절 및 열연 공정 제어를 통하여 석출물 형성 원소를 함유하지만 석출되지 않은 상태로 유지할 수 있으며, 열처리시 석출물이 다량 형성되어 강도가 향상될 수 있는 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0% 초과 내지 0.06% 이하, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 황(S) : 0% 초과 내지 0.01% 이하, 500~900℃에서 석출물을 형성하는 1종 이상의 석출물 형성 원소 0.1~0.5%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계; (b) 상기 슬라브 판재를 950~750℃에서 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 열간압연된 판재를 150℃/sec 이상의 평균냉각속도로 450~600℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 (b) 단계는 상기 재가열된 슬라브 판재를 850~950℃에서 조압연하는 단계와, 상기 조압연된 판재를 750~850℃ 마무리압연온도 조건으로 사상압연하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 석출물 형성 원소는 중량%로, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0% 초과 내지 0.06% 이하, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 황(S) : 0% 초과 내지 0.01% 이하, 500~900℃에서 석출물을 형성하는 1종 이상의 석출물 형성 원소 0.1~0.5%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 열처리 전 인장강도 500~600MPa를 나타내고, 750~950℃에서 열처리 이후 인장강도 700~900MPa를 나타내는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강재는 열처리 전에 비하여 열처리 이후 석출물 생성량이 2배 이상 증가할 수 있다.
또한, 상기 석출물 형성 원소는 중량%로, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 강재 제조 방법에 의하면, 공정 제어를 통하여 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등의 석출물 형성 원소를 고용된 상태로 유지할 수 있으며, 열처리에 의하여 석출물이 형성될 수 있어 강도가 향상될 수 있다.
이를 통하여, 본 발명에 따른 강재는 열처리 이전에는 고강도화되지 않으며, 이에 따라 강도 향상을 위한 열처리 과정에서 가공성이 저하되거나 금형 수명이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 시편의 열처리 전 및 열처리 후의 석출물을 나타낸 것이다.
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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강재 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
강재
본 발명에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0% 초과 내지 0.06% 이하, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 황(S) : 0% 초과 내지 0.01% 이하, 500~900℃에서 석출물을 형성하는 1종 이상의 석출물 형성 원소 0.1~0.5%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5%를 포함한다.
상기 합금 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 발생하는 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소이다.
상기 탄소는 본 발명에 따른 강재 전체 중량의 0.03 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소 첨가량이 0.03 중량% 미만인 경우, 목표하는 780MPa 이상의 인장강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소 첨가량이 0.1 중량%를 초과하는 경우, 연신율 및 버링성이 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강도 확보에 기여하며, 또한 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 실리콘은 본 발명에 따른 강재 전체 중량의 0중량% 초과 내지 0.06중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.06중량%를 초과하는 경우, 도금성 및 용접성이 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 본 발명에 따른 강재 전체 중량의 0.7~2.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간이 첨가량이 0.7중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 2.0중량%를 초과하는 경우, MnS계 비금속개재물을 과다하게 생성하여, 용접시 크랙 발생 등 용접성을 저하시키는 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 강도 향상에 기여하나, 다량 포함될 경우, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 주며, 또한 용접성을 악화시킬 수 있다.
이에 본 발명에서는 인의 함량을 강재 전체 중량의 0중량% 초과 내지 0.02중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 망간과 결합하여 비금속 개재물을 형성하고, 이러한 비금속 개재물은 인성, 용접성 등을 저하시키는 요인이 된다.
이에 본 발명에서는 황의 함량을 강재 전체 중량의 0중량% 초과 내지 0.01중량% 이하로 제한하였다.
석출물 형성 원소
본 발명에서 석출물 형성 원소는 500~900℃에서 석출물을 형성하는 원소로서, 대표적으로 니오븀(Nb), 티타늄(Mo), 바나듐(V)이 여기에 해당할 수 있다. 이러한 석출물 형성 원소는 1종 혹은 2종 이상 포함될 수 있다.
상기 석출물 형성 원소는 강재 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 석출물 형성원소의 함량이 0.1중량% 미만일 경우, 석출강화에 의한 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 석출물 형성원소의 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우, 과다한 석출물 형성으로 인하여 가공성, 표면결함 등이 문제될 수 있다.
한편, 티타늄(Ti) 석출물은 대략 900~1000℃ 부근에서 석출이 이루어지고, 니오븀의 경우, 600~800℃ 부근에서 석출이 이루어지며, 또한, 바나듐의 경우, 대략 400~600℃에서 석출이 이루어진다. 이러한 석출물 형성 온도를 고려하여 열처리 온도에 적합한 석출물 형성 원소를 포함할 수 있다. 특히, 열처리시 다양한 온도에서 석출이 지속적으로 이루어지도록 니오븀, 티타늄, 바나듐이 모두 포함되는 것이 가장 바람직하다.
석출물 형성 원소에 니오븀, 티타늄 및 바나듐이 모두 포함될 경우, 이들 각각의 원소는 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%으로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 니오븀, 티타늄의 경우, 각각 0.03중량% 이상 첨가될 때 석출강화 효과를 발생시키되, 0.1중량% 이상 첨가되면 가공성이나 표면품질이 저하되는 점을 고려한 것이고, 바나듐의 경우 0.08중량% 이상 첨가될 때 석출강화 효과를 발생시키되, 0.3중량%를 초과하는 경우, 가공성이 저하되는 점을 고려한 것이다.
알루미늄(Al)
본 발명에서 알루미늄(Al)은 탈산제로서 작용하며, 또한 도금성을 향상시키는 역할을 한다.
상기 알루미늄은 본 발명에 따른 강재 전체 중량의 0.3~1.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.3중량% 미만일 경우, 탈산 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 알루미늄의 함량이 1.0 중량%를 초과할 경우 강재의 인성을 저해할 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성 향상에 기여한다.
상기 몰리브덴은 강재 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.5중량%를 초과하는 경우, 강재의 성형성, 버링성 등이 저하될 수 있다.
본 발명에 따른 강재는 전술한 석출물 형성원소 등의 합금조성 및 후술하는 열연공정을 통하여, 석출물의 석출을 최대한 억제한 상태로 유지함으로써 인장강도 500~600MPa를 나타낼 수 있으며, 750~950℃에서 열처리 후에는 석출을 통하여 인장강도 700~900MPa를 나타낼 수 있다. 이는 도 2에서도 볼 수 있는 바와 같이, 열처리 전에 비하여 열처리 이후 석출물 생성량이 2배 이상 증가함으로써 달성될 수 있다.
강재 제조 방법
이하, 본 발명에 따른 강재 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강재 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 강재 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.
슬라브 재가열
슬라브 재가열 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 반제품 상태의 슬라브 판재를 재가열한다. 슬라브 재가열은 예를 들어, 1200℃ 이상의 온도에서 80분 이상 가열하는 방식으로 수행될 수 있다. 슬라브 재가열을 통하여 티타늄, 니오븀, 바나듐 등의 석출물 형성 원소가 재고용될 수 있다.
열간압연
다음으로, 열간압연 단계(S120)에서는 재가열된 슬라브 판재를 열간압연한다.
열간압연은 석출을 억제하기 위하여 950~750℃에서 수행되는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 850~950℃에서 조압연을 수행하여 고온에서 석출될 수 있는 석출물을 최대한 억제하고, 이후, 750~850℃의 마무리압연온도 조건으로 사상압연하는 것을 제시할 수 있다. 마무리압연온도가 850℃를 초과하는 경우, 결정립 조대화로 인하여 강재의 강도 및 성형성이 저하될 수 있다. 반대로, 마무리압연온도가 750℃ 미만일 경우 이상역 압연으로 혼립조직이 발생할 수 있다.
냉각
다음으로 냉각 단계(S130)에서는 150℃/sec 이상의 평균 냉각 속도로 450~600℃까지 냉각한다. 이러한 빠른 냉각속도 및 낮은 냉각종료온도를 통하여 열연재에서는 석출이 최대한 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
이후, 강 부품 제조시에는 750~950℃ 정도로 가열하는 과정을 거치면서 석출이 다량 발생하여, 강재의 인장강도가 700~900MPa로 상승할 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. 강재 시편의 제조
표 1에 기재된 조성을 갖는 잉곳을 제조한 후, 1250℃에서 120분동안 재가열하였다. 이후, 약 900℃에서 조압연을 수행한 후, 800℃ 마무리압연온도 조건으로 사상압연하였다. 이후, 200℃/sec의 평균냉각속도로 450℃까지 냉각한 후, 450℃에서 30초 유지 후 자연냉각하여 강재 시편을 제조하였다.
이후, 시편을 500℃, 700℃ 및 900℃로 가열한 후, 퀀칭하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112013079562445-pat00001

2. 석출물 및 기계적 특성
도 2는 실시예 1에 따른 시편의 열처리 전후의 석출물을 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 열처리 이전에 비하여, 500℃ 열처리, 700℃ 열처리, 900℃ 열처리 이후 석출물 생성량이 증가하는 것을 볼 수 있고, 특히 열처리 온도가 상승할수록 석출물 생성량은 보다 증가하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 이는 열처리시에 온도가 상승하면서, 바나듐 석출물, 니오븀 석출물 및 티타늄 석출물이 순차적으로 형성되었기 때문이라 볼 수 있다.
표 2는 실시예 1~3 및 비교예 1에 따른 시편의 열처리 전 및 900℃ 열처리 이후의 인장강도를 나타낸 것이다.
[표 2] (단위 : 중량%)
Figure 112013079562445-pat00002
표 2를 참조하면, 실시예 1~3 및 비교예 1에 따른 시편 모두 , 열처리 이전에는 500~600MPa 정도의 인장강도를 나타내었다. 그러나, 실시예 1~3에 따른 시편의 경우, 열처리 이후 인장강도가 비교예 1에 따른 시편에 비하여 현저히 높았는데, 이는 열처리 과정에서 다량의 석출이 발생하였기 때문이라 볼 수 있다.
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 : 슬라브 재가열 단계
S120 : 열간압연 단계
S130 : 냉각 단계

Claims (6)

  1. (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0% 초과 내지 0.06% 이하, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 황(S) : 0% 초과 내지 0.01% 이하, 500~900℃에서 석출물을 형성하는 1종 이상의 석출물 형성 원소 0.1~0.5%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하는 단계;
    (b) 상기 슬라브 판재를 950~750℃에서 열간압연하는 단계;
    (c) 상기 열간압연된 판재를 150℃/sec 이상의 평균냉각속도로 450~600℃까지 냉각하여 인장강도 500~600MPa를 갖도록 하는 단계; 및
    (d) 750~950℃에서 열처리하여 인장강도 700~900MPa를 갖도록 하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계에 비하여 상기 (d) 단계에서 석출물 생성량이 2배 이상 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는 강재 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 재가열된 슬라브 판재를 850~950℃에서 조압연하는 단계와,
    상기 조압연된 판재를 750~850℃ 마무리압연온도 조건으로 사상압연하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 석출물 형성 원소는
    중량%로, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재 제조 방법.
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