KR101572318B1 - 강 제품 제조 방법 - Google Patents

Abstract

공정을 단순화할 수 있으며, 최종 형상 제어가 용이한 강 제품 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강 제품 제조 방법은 석출물 형성원소가 고용상태로 있으며, 인장강도 700MPa 이하를 갖는 블랭크를 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 열처리하여 석출물 형성원소가 석출되도록 하여 인장강도 780MPa 이상의 강 제품을 제조하는 것을 특징으로 한다.

Description

강 제품 제조 방법 {METHOD OF MANUFACTURING STEEL PRODUCT}

본 발명은 강 제품 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량 메인프레임과 같이 많은 롤포밍을 요구하며, 최종 형상 제어가 어려운 강 제품을 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 차량용 메인프레임은 780MPa 이상의 인장강도를 갖는 열연강판을 15 단계 이상의 롤포밍을 통해 'ㄷ' 자 형태로 성형하는 과정을 거쳐 제조되었다.

상기와 같은 제조 방법에서 15 단계 이상의 롤포밍을 거쳐야하는 이유는 강판 자체의 강도가 높기 때문에 강판에 존재하는 잔류응력이나 웨이브가 높아 최종 형상으로 바로 성형하기 어렵고, 스프링백 현상으로 인하여 최종 형상 제어가 어렵다.

또한, 15단계 이상의 롤포밍을 거치기 위해서는 15단 이상의 많은 롤포밍 금형이 필요하게 된다. 금형의 개수가 증가함에 따라 유지비용이 많이 들며, 강도의 미세한 변화에 따라 그 부품의 최종 형태 혹은 치수가가 쉽게 변할 수 있어 최종 형상 제어가 어렵다. 또한, 각각의 롤포밍 그형 역시 공정 부하가 심하기 때문에 유지 보수 주기가 짧다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공개공보 제10-2011-0000430호(2011.01.03. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 자동차의 프론트사이드멤버 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

본 발명의 목적은 차량 메인프레임과 같은 강 제품을 제조함에 있어, 제조 공정을 단순화할 수 있으며, 최종 형상 제어가 용이한 강 제품 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법은 석출물 형성원소가 고용상태로 있으며, 인장강도 700MPa 이하를 갖는 블랭크를 성형하여 성형체를 형성한 후, 상기 성형체를 열처리하여 석출물 형성원소가 석출되도록 하여 인장강도 780MPa 이상의 강 제품을 제조하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 성형체는 'ㄷ'자 형태이고, 상기 성형은 복수의 롤포밍 금형을 이용한 다단 롤포밍 성형법으로 수행될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 강 제품 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0초과~0.03%, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0초과~0.02%, 황(S) : 0초과~0.01%, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하고, 950~750℃에서 열간압연한 후, 150℃/sec 이상의 평균냉각속도로 500~600℃까지 냉각하고 권취하여, 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판으로부터 블랭크를 형성하는 단계; 상기 블랭크를 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 열간압연 단계는 상기 재가열된 슬라브 판재를 850~950℃에서 조압연하는 단계와, 상기 조압연된 판재를 750~850℃ 마무리압연온도 조건으로 사상압연하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 강 제조 방법은 상기 열처리에 의해, 상기 티타늄, 바나듐 및 니오븀 중 하나 이상의 원소가 석출물을 형성할 수 있다.

또한, 상기 열처리는 600~950℃에서 10~20분간 수행되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 성형체는 열처리 전 700MPa 이하의 인장강도를 갖고, 열처리 후 780MPa 이상의 인장강도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 강 부품 제조 방법에 의하면, 열연공정 제어를 통하여 니오븀(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V) 등의 석출물 형성 원소를 고용된 상태로 유지하여 강 제품 제조시 성형성을 높일 수 있으며, 강 제품 성형이 완료된 후에 열처리에 의하여 석출강화가 이루어지도록 함으로써, 목표하는 강도를 갖는 강 제품을 쉽게 제조할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 강 부품 제조 방법에 의하면, 저강도 상태에서 성형을 수행하므로, 최종 형상까지 성형 과정을 단순화할 수 있으며 또한 최종 형상 제어가 용이하다.

도 1은 본 발명에 적용되는 열연강판 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 강 제품 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따른 강 제품 제조 방법을 설명하기 앞서, 소재가 되는 열연강판의 합금성분에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 열연강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0초과~0.03%, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0초과~0.02%, 황(S) : 0초과~0.01%, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%, 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)는 강의 강도 증가에 기여하는 원소이다. 상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.03 ~ 0.1 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소 첨가량이 0.03 중량% 미만인 경우, 열처리에 의하여도 목표하는 780MPa 이상의 인장강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소 첨가량이 0.1 중량%를 초과하는 경우, 연신율 및 버링성이 저하되는 문제점이 있다.

실리콘(Si)은 강도 확보에 기여하며, 또한 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다. 상기 실리콘은 강판 전체 중량의 0초과~0.03중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, 도금성 및 용접성이 저하되는 문제점이 있다.

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 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)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 0초과~0.02중량%로 제한하였다.

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 0초과~0.01중량%로 제한하였다.

본 발명에서 석출물 형성 원소는 500~900℃에서 석출물을 형성하는 원소로서, 니오븀(Nb), 티타늄(Mo), 바나듐(V)이 이에 해당한다. 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. 본 발명에서는 열처리시 다양한 온도에서 석출이 지속적으로 이루어지도록, 니오븀, 티타늄, 바나듐을 모두 포함한다.

니오븀, 티타늄 및 바나듐 각각은 니오븀(Nb) : 0.03~0.1중량%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1중량% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 이는 니오븀, 티타늄의 경우, 각각 0.03중량% 이상 첨가될 때 석출강화 효과를 발생시키되, 0.1중량% 초과 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.

본 발명에서 알루미늄(Al)은 탈산제로서 작용하며, 또한 도금성을 향상시키는 역할을 한다. 상기 알루미늄은 강판 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)은 강도 및 인성 향상에 기여한다. 상기 몰리브덴은 강판 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 열연강판은 전술한 석출물 형성원소 등의 합금조성 및 후술하는 열연공정을 통하여, 석출물의 석출을 최대한 억제한 상태로 유지함으로써 인장강도 500~600MPa를 나타낼 수 있으며, 600~950℃에서 열처리 후에는 석출을 통하여 인장강도 780MPa 이상을 나타낼 수 있다. 이는 열처리 전에 비하여 열처리 이후 석출물 생성량이 크게 증가함으로써 얻어질 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여, 상기의 합금성분을 갖는 열연강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.

우선, 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.

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℃에서 사상압연하는 것을 제시할 수 있다. 사상압연 종료온도가 850℃를 초과하는 경우, 결정립 조대화로 인하여 강재의 강도 및 성형성이 저하될 수 있다. 반대로, 사상압연 종료온도가 750℃ 미만일 경우 이상역 압연으로 혼립조직이 발생할 수 있다.

다음으로 냉각 단계(S130)에서는 150℃/sec 이상의 평균 냉각 속도로 500~600℃까지 냉각한다. 이러한 빠른 냉각속도 및 낮은 냉각종료온도를 통하여 열연강판에서는 석출이 최대한 발생하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이, 석출물 형성원소가 고용상태로 있으며, 인장강도 700MPa 이하를 갖는 강판으로부터 얻어진 블랭크를 성형하여 성형체를 형성한 다음, 성형체를 열처리하여 석출물 형성원소가 석출되도록 하여 인장강도 780MPa 이상의 강 제품을 제조한다.

이때, 성형체는 'ㄷ'자 형태이고, 성형은 복수의 롤포밍 금형을 이용한 다단 롤포밍 성형법으로 수행될 수 있다. 본 발명의 경우, 저강도 및 고성형성을 갖는 상태에서 롤 포밍을 수행하는 바, 차량 메인프레임 제조시 롤 포밍 횟수를 종래 15회에서 5회로 감소시킬 수 있으며, 또한 최종 형상 제어가 용이하다.

또한, 열처리에 의해, 티타늄, 바나듐 및 니오븀 중 하나 이상의 원소가 석출물을 형성하여 석출경화가 이루어짐으로써, 최종 제조된 강 제품의 경우 인장강도 780MPa 이상을 가질 수 있다.

상기 열처리는 600~950℃에서 10~20분간 수행되는 것이 보다 바람직하다. 열처리 온도가 600℃ 미만이거나 열처리 시간이 10분 미만일 경우 석출강화 효과가 불충분할 수 있으며, 열처리 온도가 950℃를 초과하거나 열처리 시간이 20분을 초과하여도 더 이상의 효과 향상없이 생산성만 저하될 수 있다.

상기 조건의 열처리를 통하여, 상기 성형체는 열처리 전 700MPa 이하의 인장강도를 갖고, 열처리 후 780MPa 이상의 인장강도를 가질 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 550℃까지 냉각한 후, 550℃에서 30초 유지 후 자연냉각하여 강재 시편을 제조하였다.

이후, 시편을 500℃, 700℃ 및 900℃로 가열한 후, 퀀칭하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

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%)

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 (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 중량%로, 탄소(C) : 0.03~0.1%, 실리콘(Si) : 0초과~0.03%, 망간(Mn) : 0.7~2.0%, 인(P) : 0초과~0.02%, 황(S) : 0초과~0.01%, 니오븀(Nb) : 0.03~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.03~0.1% 및 바나듐(V) : 0.08~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.3~1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~0.5% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 슬라브 판재를 재가열하고, 950~750℃에서 열간압연한 후, 150℃/sec 이상의 평균냉각속도로 500~600℃까지 냉각하고 권취하여, 열연강판을 제조하는 단계;
   상기 열연강판으로부터 블랭크를 형성하는 단계;
   상기 블랭크를 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
   상기 성형체를 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
   
4. 제3항에 있어서,
   열간압연 단계는
   상기 재가열된 슬라브 판재를 850~950℃에서 조압연하는 단계와,
   상기 조압연된 판재를 750~850℃ 마무리압연온도 조건으로 사상압연하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 열처리에 의해, 상기 티타늄, 바나듐 및 니오븀 중 하나 이상의 원소가 석출물을 형성하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 열처리는
   600~950℃에서 10~20분간 수행되는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 성형체는
   열처리 전 700MPa 이하의 인장강도를 갖고,
   열처리 후 780MPa 이상의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.

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