KR101657796B1 - 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 강판, 구조용 소재 등에 사용되는 고강도 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법 {HIGH STRENGTH STEEL SHEET HAVING EXCELLENT DELAYED FRACTURE RESISTANCE AND MEHTOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 자동차용 강판, 구조용 소재 등에 사용되는 고강도 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

자동차 차체의 경량화를 위하여 지속적으로 고강도 강판이 사용되어 왔으며, 최근에는 기존 석출강화 또는 고용강화강 대비 연신율이 우수한 변태유기소성강 (Transformation Induced Plasticity Steel, TRIP강)이 개발되어 사용되고 있다.

상기 변태유기소성강은 소둔과정에서 오스테나이트를 형성한 이후 냉각과정에서 냉각속도와 냉각종료온도 등을 제어하여 상온에서 오스테나이트를 일부 잔류 시킴으로써 강도와 연성을 동시에 향상시킬 수 있다. 즉, 준안정한 잔류 오스테나이트는 변형에 의하여 마르텐사이트로 변태되어 강도증가와 함께 국부적인 응력집중 완화 및 네킹(necking)을 지연함으로써 연신율을 증가시킨다. 따라서, 상기 변태유기소성강은 오스테나이트를 상온에서 일정 분율 이상 유지하는 것이 중요하다.

상기와 같이 잔류 오스테나이트를 포함하는 강을 제공하기 위한 방법으로는, 첫째 저탄소강에 Si, Al 및 Mn을 다량 첨가하여 소둔시 오스테나이트를 형성한 후 냉각과정에서 베이나이트 온도로 일정하게 유지함으로써 시멘타이트의 석출을 억제하고 강 중 탄소를 오스테나이트로 농화시켜 상온에서 오스테나이트를 잔류시키는 오스템퍼링(Austempering) 방법이 있다.

두 번째로는 판상의 마르텐사이트 사이에 래스(lath) 상의 잔류 오스테나이트를 형성시키기 위해 퀀칭 및 분배(Quenching & Partitioning, Q&P) 공정을 적용하는 방법이 있다. Q&P 공정은 소둔 후 퀀칭(quenching)을 통해 마르텐사이트 변태개시온도 이하의 QT(qhenching temperature)로 냉각하고, 이를 다시 가열하여 온도를 올리거나 또는 QT에서 유지하여 탄소의 재분배를 유도하는 분배(partitioning) 열처리를 행하여, 강 중 탄소를 오스테나이트로 농화시켜 상온에서 오스테나이트를 잔류시키는 방법이다.

세 번째로는 저탄소강에 오스테나이트 안정화 원소인 망간(Mn)을 4% 이상 첨가하고, 소둔조건을 제어하여 다량의 미세한 잔류 오스테나이트를 확보하는 방법으로, Mn을 다량 첨가한 강을 열연하여 얻어진 마르텐사이트 및 베이나이트의 저온조직을 냉연 후 소둔하여 전조직의 래스(lath) 경계에 미세한 오스테나이트를 역변태시킨 다음, 냉각 후 상온에서 잔류시키는 방법이다.

상술한 변태유기소성 강에 비해 더 높은 성형성을 갖추기 위해, C 및 Mn을 다량 첨가하여 상온에서 강의 상을 오스테나이트 단상으로 존재하도록 하는 소위 TWIP(Twinning Induced Plasticity) 강이 있다.

상기 TWIP 강의 경우, 변형 중에 쌍정(twinning) 현상을 일으키는 오스테나이트를 안정적으로 확보하여 인장강도와 연신율의 밸런스(TS×El)가 50,000MPa% 이상으로 극히 우수한 재질 특성을 보인다.

상술한 방법들에 의해 제조된 강, 즉 인장강도가 980MPa 이상이고, 강 내 오스테나이트를 다량 함유하는 강판은 드로잉 후 일정시간이 경과하면 균열 또는 파단이 발생하는 소위 지연파괴가 발생하는 문제가 있다.

특히, TRIP강의 지연파괴는 드로잉 가공에 의해 잔류 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태하여 강 내 수소 확산 속도가 증가하고, 체적팽창에 의한 내부응력이 수소의 응집을 위한 구동력으로 작용함에 따라, 주로 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 계면에서 지연파괴가 발생하는 것으로 알려져 있다 (비특허문헌 1).

또한, TWIP 강의 지연파괴는 드로잉 가공에 의해 TRIP강과 같이 마르텐사이트 변태가 있거나, 또는 생성된 쌍정이 수소의 트랩(trap) 사이트 및 크랙 개시점으로 작용하여 지연파괴가 발생하는 것으로 현재까지 알려져 있다 (비특허문헌 2).

이러한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1 및 2에서는 강 중에 Al을 첨가하여 잔류 오스테나이트의 안정성 및 적층결함 에너지를 증가시켜 드로잉 가공에 의한 마르텐사이트 변태 및 쌍정 생성을 저감시킴으로써 TRIP강 및 TWIP강에서의 지연파괴를 억제한다고 개시하고 있다.

한편, 본 발명자들은 상술한 원인 이외에 소둔공정 중 강 내 유입된 수소가 TRIP강 또는 TWIP강에서 지연파괴를 유발하는 원인이 됨을 발견하였으나, 아직까지 이를 해결할 수 있는 방안에 대해 개시된 바 없다. 따라서, 이를 해결할 수 있는 방안의 개발이 요구된다.

한국 공개특허공보 제2009-0120759호 한국 공개특허공보 제2011-0009792호

Acta Materialia 60 (2012) 4085-4092 Proceedings of the Royal Society A, 469 (2013), 20120458

본 발명의 일 측면은, 인장강도 980MPa 이상의 고강도 강판의 성형 후 지연파괴에 대한 저항성이 우수한 강판 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 인장강도 980MPa 이상의 고강도 강판으로서, 상기 강판 내 수소량이 0.1ppmw 이하이고, 미세조직으로 면적분율 5% 이상으로 오스테나이트를 포함하는 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 인장강도 980MPa 이상이고, 미세조직으로 면적분율 5% 이상의 오스테나이트를 포함하는 고강도 강판을 준비하는 단계 및 상기 강판을 열처리하는 단계를 포함하고, 상기 열처리는 상기 강판 내 수소량이 0.1ppmw 이하가 되도록 행해지는 것인 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고강도 강판의 강 내 수소량을 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판을 제공할 수 있다.

강판을 소둔 처리하기 위한 소둔로는 이슬점에 따라 일정량의 수분(H₂O)을 포함하는데, 이러한 소둔로에서 소둔시 강 내에 함유된 Al, Si, Mn과 같은 강력한 산화 원소는 이슬점에 따라 존재하는 일정량의 수분(H₂O)과 반응하여 산화되고 (Proceedings of the Royal Society A 470 (2014) 20140108), 이때 분리된 수소는 소둔역의 페라이트 및 오스테나이트의 수소 용해도에 기인하여 강 내로 유입된다. 소둔이 완료된 후에는 강의 온도가 하강함에 따라 강 내 수소 용해도가 낮아지는데, 이때 상대적으로 수소의 용해도가 낮고 확산 속도가 빠른 BCC 구조의 페라이트 내 수소는 냉각 공정 중 또는 상온 대기 중에 대부분 강판 외부로 배출되는 반면, FCC 구조의 오스테나이트에서 수소의 용해도는 크고 확산속도는 느려 냉각 공정 중 배출되지 못한 수소가 상온에서 오스테나이트 내에 수시간~수일간 잔류하게 된다. 이러한 오스테나이트계 강판을 성형하게 되면 잔류응력이 형성되고, 이에 오스테나이트는 지속적으로 강판에 수소를 공급하게 되어 지연파괴를 유발하게 된다. 특히, TRIP강의 경우 드로잉 가공시 오스테나이트가 BCT(BCC 구조와 같이 수소 용해도 매우 낮음) 구조의 마르텐사이트로 변태되는데, 이러할 경우 수소 용해도는 감소하고 확산 속도는 증가하므로, 소둔 공정 중 오스테나이트에 유입된 수소에 의하여 지연파괴는 더욱 심화된다.

상술한 바와 같이, 본 발명자들은 미세조직으로 오스테나이트상을 포함하는 인장강도 980MPa 이상의 고강도 강의 경우 소둔 중에 강 내 수소가 유입되고, 이러한 수소는 도금 후에도 강 내에 잔류하여 성형 후 지연파괴를 유발함을 확인하였으며, 이에 강 내 수소량을 효과적으로 저감시킬 수 있는 방안을 연구하였다.

특히, 본 발명자들은 소둔 공정 이후 강 내 유입된 수소를 저감시킬 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 소둔처리된 강판 또는 도금처리된 강판에 열처리를 행하는 것에 의해 강 내 수소농도를 저감시킬 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 강 내 수소량이 0.1ppmw 이하이고, 미세조직으로 면적분율 5% 이상으로 오스테나이트를 포함하는 인장강도 980MPa 이상의 고강도 강판을 제공한다.

상기 고강도 강판으로는 특별히 한정하지 아니하며, 미세조직으로 5% 이상으로 오스테나이트를 포함하면서, 인장강도가 980MPa 이상인 것이라면 어떠한 것이라도 무방하나, 고강도이면서 오스테나이트를 포함하는 강으로 잘 알려진 TRIP강 또는 TWIP강 일 수 있다.

일 예로, 중량%로, 탄소(C): 0.05~1.0%, 망간(Mn): 1~30%, 알루미늄(Al): 10% 이하(0은 제외), 실리콘(Si): 3.0% 이하(0은 제외), 인(P): 0.03% 이하(0은 제외), 황(S): 0.015% 이하(0은 제외), 질소(N): 0.02% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 강판을 이용할 수 있다.

상술한 성분들 이외에, 강의 물성을 향상시키기 위한 목적에서 Ti, Nb, V, Cr 등의 성분을 더 포함할 수 있으며, 이들은 기존 TRIP강 또는 TWIP강 내 함유될 수 있는 수준으로 포함되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 고강도 강판은 미세조직으로 면적분율 5% 이상의 오스테나이트를 포함하는 것으로서, 오스테나이트 단상 조직을 갖는 고강도 강판일 수도 있다.

상기 고강도 강판의 미세조직 중 오스테나이트 분율이 100% 미만인 경우에는 잔부로 페라이트, 마르텐사이트, 베이나이트 등의 상을 포함할 수 있다.

이와 같은 미세조직을 갖는 고강도 강판은 냉연강판일 수 있으며, 상기 냉연강판에 도금처리를 행한 도금강판일 수 있다.

본 발명의 고강도 강판은 강 내 수소량이 0.1ppmw 이하인 것이 바람직한데, 이와 같이 강 내 수소량이 극미량으로 존재하는 본 발명의 고강도 강판은 지연파괴에 대한 저항성이 우수하다.

상술한 바와 같은 본 발명의 고강도 강판은 다음과 같은 과정을 통해 제조될 수 있다.

간략히 설명하면, 먼저 미세조직으로 일정 분율의 오스테나이트를 포함하는 고강도 강판을 준비한 후, 상기 고강도 강판을 열처리함으로써 본 발명에서 목표로 하는 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판을 제조할 수 있다.

보다 구체적으로, 먼저 인장강도가 980MPa 이상이고, 미세조직으로 5% 이상의 오스테나이트를 포함하는 강판을 준비한다.

이때, 상기 강판은 일 예로, 중량%로, 탄소(C): 0.05~1.0%, 망간(Mn): 1~30%, 알루미늄(Al): 10% 이하(0은 제외), 실리콘(Si): 3.0% 이하(0은 제외), 인(P): 0.03% 이하(0은 제외), 황(S): 0.015% 이하(0은 제외), 질소(N): 0.02% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 강판을 이용할 수 있다.

이후, 상기 고강도 강판에 열처리를 행하는 것이 바람직하며, 이때 열처리는 상기 고강도 강판 내 수소량이 0.1ppmw 이하가 되도록 실시하는 것이 바람직하다.

이때, 열처리는 고온에서 단시간 또는 상대적으로 낮은 온도에서 장시간 행함에 의하여, 수소량을 목표로 하는 정도로 저감시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 특별히 열처리 시간, 온도 조건에 대해서 한정하지 아니한다.

다만, 통상 열처리 온도가 높아질수록 인장강도의 감소가 커지고, 오스테나이트의 분해로 인한 연신율의 하략이 발생하므로, 고객사에서 요구하는 인장강도 및 연신율의 수준에 맞추어 열처리 온도와 시간을 고려하여 설정하는 것이 바람직하며, 보다 유리하게는 300℃ 이하의 온도에서 실시함이 바람직하다.

또한, 상시 열처리시 분위기 가스를 제어하는 것이 수소 저감에 더 효과적인데, 바람직하게는 상기 분위기 가스 내 수소량이 7부피% 이하를 만족하는 분위기에서 열처리를 실시하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 고강도 강판이 냉연강판인 경우 상기 냉연강판을 제조하는 공정 즉, 냉간압연 및 소둔공정을 거친 후 상술한 열처리 공정을 행할 수 있다.

다만, 상기 고강도 강판이 도금강판인 경우에는 도금을 행한 직후에 상술한 열처리 공정을 행하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 도금은 특별히 한정하지 아니하며, 예컨대 용융아연도금, 용융알루미늄도금, 전기아연도금 등의 공정으로 행할 수 있다.

본 발명에 따라 열처리를 행함으로써 고강도 강판의 강 내 수소량을 0.1ppmw 이하로 저감시키게 되면, 성형 이후 시간 경과에 따른 균열 또는 파단의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

하기 표 1에 나타낸 성분조성을 갖는 강 슬라브를 통상의 TRIP강 또는 TWIP강을 제조하는 공정 즉, 압연공정 및 열처리를 통상의 조건으로 행하여 오스테나이트를 함유하는 냉연강판을 각각 제조하였다. 상기 각 냉연강판의 강도 및 오스테나이트 분율을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

이후, 상기 제조된 냉연강판을 수소량이 7% 이하인 분위기 가스로 제어되는 소둔로에서 하기 표 2에 나타낸 각각의 조건으로 열처리를 행한 다음, 강 내 잔류 수소량을 측정하였다. 이때, 강 내 잔류 수소량은 가스크로마토그래피의 TDA(thermal desorption analysis)를 활용하여 300℃ 이하에서 방출되는 확산성 수소량을 하기 표 2에 나타내었다.

상기 열처리 후 드로잉 도중 균열 및 파단이 일어나지 않는 최대조건으로 드로잉을 실시하여 300일 이내 지연파괴의 발생 여부를 관찰하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

강종	성분조성(중량%)
	C	Mn	Al	Si	P	S	N
1	0.24	2.0	0.05	1.6	0.01	0.009	0.008
2	0.41	3.1	6.3	0.01	0.009	0.007	0.007
3	0.61	19.1	1.45	0.01	0.008	0.007	0.005

강종	도금 여부	인장강도 (MPa)	γ분율 (%)	열처리 조건		잔류 수소량	드로잉비	지연파괴 발생일	구분
				온도	시간
1	×	1134	2	미실시		0.04	1.4	미발생	비교예1
1	×	1197	8	미실시		0.19	1.6	2일	비교예2
1	×	1014	12	미실시		0.27	1.8	2일	비교예3
2	×	798	32	미실시		0.32	2.0	미발생	비교예4
3	×	989	100	미실시		0.35	1.8	36일	비교예5
1	×	1014	12	100	1	0.17	1.8	14일	비교예6
1	×	1014	12	150	1	0.13	1.8	123일	비교예7
1	×	1014	12	150	3	0.08	1.8	미발생	발명예1
1	×	1014	12	200	1	0.06	1.8	미발생	발명예2
3	×	989	100	200	10	0.18	1.8	176일	비교예8
3	×	989	100	200	20	0.08	1.8	미발생	발명예3
1	○	1023	11	미실시		0.36	1.8	1일	비교예9
1	○	1023	11	200	1	0.30	1.8	1일	비교예10
1	○	1023	11	200	10	0.12	1.8	175일	비교예11
1	○	1023	11	200	15	0.09	1.8	미발생	발명예4
1	○	1023	11	200	24	0.04	1.8	미발생	발명예5

(상기 표 2에서 'γ'는 오스테나이트를 의미한다.

또한, 상기 열처리 조건에서 온도의 단위는 '℃'이고, 시간의 단위는 'hour'이고, 잔류 수소량의 단위는 'ppmw'이다.)

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 비교예 1은 강 중 오스테나이트 분율이 5% 미만으로 소둔공정에 의해 유입 및 잔류하는 수소량이 적은 경우로서, 열처리를 행하지 않고 드로잉을 실시하더라도 지연파괴가 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 4와 같이 강의 강도가 980MPa 미만인 경우에는 잔류 수소량이 상대적으로 많더라도 지연파괴가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

하지만, 비교예 2, 3 및 5와 같이 강 중 오스테나이트 분율이 5%를 초과하는 경우에는 소둔공정 후 잔류하는 수소량이 증가하며, 이러한 강에 열처리를 실시하지 않고 드로잉 가공을 행할 경우 지연파괴가 발생함을 확인할 수 있다.

한편, 지연파괴가 발생하지 않는 잔류 수소량을 정량적으로 평가하기 위하여 드로잉 가공 전 여러 조건으로 열처리를 행하였다.

그 결과, 비교예 6 내지 8 및 발명예 1 내지 3과 같이 열처리 온도 및 시간이 증가할수록 강 내 수소를 효과적으로 배출할 수 있다. 다만, 열처리 후 잔류 수소량이 0.1ppmw 이하인 경우에서만 지연파괴가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

상기 열처리시 온도가 높으면 수소배출에는 효율적이나, 강 내 오스테나이트의 재분해에 의해 강의 강도 및 연신율이 하락할 우려가 있으므로, 이를 고려하여 열처리 온도를 300℃ 이하로 제한할 수 있다.

또한, 비교예 9 내지 11과 발명예 4 내지 5와 같이 도금이 행해진 경우에도 강 내에 상당량의 수소가 잔류하고 있음을 확인할 수 있으며, 도금처리를 행하지 않은 냉연강판 대비 잔류 수소량을 낮추기 위해서는 상대적으로 장시간의 열처리가 요구되나, 상기 냉연강판과 유사하게 잔류 수소량이 0.1ppmw 이하로 제어되는 경우에만 지연파괴가 효과적으로 억제되었다.

이를 통해 볼 때, 미세조직으로 오스테나이트를 5% 이상 포함하고, 인장강도가 980MPa 이상인 고강도 강판의 열처리에 의해 강 내 잔류 수소량을 0.1ppmw 이하로 제어할 수 있으며, 이러한 고강도 강판은 내지연파괴 특성이 우수하여 자동차용 강판, 구조용 소재 등에 적합하게 적용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 인장강도 980MPa 이상이고, 중량%로, 탄소(C): 0.05~1.0%, 망간(Mn): 1~30%, 알루미늄(Al): 10% 이하(0은 제외), 실리콘(Si): 3.0% 이하(0은 제외), 인(P): 0.03% 이하(0은 제외), 황(S): 0.015% 이하(0은 제외), 질소(N): 0.02% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하는 고강도 강판으로서,
   상기 강판 내 수소량이 0.1ppmw 이하이고, 미세조직으로 면적분율 5% 이상으로 오스테나이트를 포함하는 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판.
   
2. 삭제
3. 인장강도 980MPa 이상이고, 중량%로, 탄소(C): 0.05~1.0%, 망간(Mn): 1~30%, 알루미늄(Al): 10% 이하(0은 제외), 실리콘(Si): 3.0% 이하(0은 제외), 인(P): 0.03% 이하(0은 제외), 황(S): 0.015% 이하(0은 제외), 질소(N): 0.02% 이하(0은 제외), 잔부 Fe 및 기타 불순물을 포함하며, 미세조직으로 면적분율 5% 이상의 오스테나이트를 포함하는 고강도 강판을 준비하는 단계 및 상기 강판을 열처리하는 단계를 포함하고,
   상기 열처리는 상기 강판 내 수소량이 0.1ppmw 이하가 되도록 행해지는 것인 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 열처리는 분위기 가스 내 수소량이 7부피% 이하인 것인 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
   
5. 제 3항에 있어서,
   상기 열처리 전 상기 강판에 도금을 행하는 단계를 더 포함하는 것인 내지연파괴 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.