KR101816439B1 - 고강도 저탄소 경량 강재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 차체등에 사용될 수 있는 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1GPa 이상의 고강도 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

Description

고강도 저탄소 경량 강재 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH LOW CARBON LIGHT-WEIGHT STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 차량의 차체등에 사용될 수 있는 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 κ-carbide의 석출경화에 의한 1GPa 이상의 고강도 저비중의 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차는 CO2 저감 및 배기가스 규제 등의 환경 문제와 더불어 연비 성능 강화를 위해 경량화되고 있는 추세이다.
기존 기술의 경우 설계 시 요구되는 하중을 만족하는 범위 내에서 경량화를 달성하기 위해 기존 소재 대비 고강도 소재 적용 후 제품 단면적 감소를 통해 총 중량을 줄이는 방식으로 경량화가 진행되었다.
그러나 이 경우 부품길이: 폭: 두께 비에 따라 좌굴 현상이 일어날 수 있기 때문에 적용에 한계가 있는 실정이다.
따라서, 저밀도의 Al을 첨가하여 고강도를 유지하면서 저밀도의 철강재가 개발되고 있다.
자동차용 기존 성분계에 첨가되는 Al은 제강공정에서 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된 후 슬래그로 모두 제거되거나, 보론 등 미량 첨가원소의 효과를 극대화 하기 위해 0.03% 전후로 추가되어 질소와 결합시키기 위한 목적으로 주로 사용되었다.
그러나 종래 기술의 경우 AlN등 Al계열 석출물로 인한 물성열화를 방지하기 위한 Al의 함량을 최대한 억제하여 Al을 이용한 경량철강 성분계 설계에 한계가 있었다.
대한민국 등록특허 제 10-0629988 (2006.09.22)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로 1 Gpa급 강도 수준을 유지하는 범위 내에서 Al의 최적 합금량을 결정하여, 제품 두께의 추가 감소 없이 경량화 할 수 있는 1GPa 이상의 고강도 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 저탄소 경량 강재는 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6%를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 강재는 Si: 0.5%이하, P: 0.03%이하, S: 0.03%이하, Ni: 0.2%이하, Cu: 0.2%이하, B: 10ppm 이하, Nb; 0.02%이하를 더 포함 할 수 있다.
또한, 상기 강재는 주상은 페라이트 이며, 2상으로 마르텐사이트, 잔류
오스테나이트, κ-carbide ((Fe,Mn)3AlC) 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 강재는 열간압연이 진행되는 900~1,100도 구간에서 오스테나이트 분율이 40~60% 인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 강재는 면적 분율로 하여, 상온 페라이트 분율, 잔류 오스테나이트 분율, 상온 κ-carbide분율, 상온 마르텐사이트 분율에 대한 A의 값이 1.00~2.00을 만족하는 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재.
A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)
또한, 상기 강재는 면적 분율로 하여 상온에서 κ-carbide분율이 20% 이상인
것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 강재는 면적 분율로 하여 상온에서 마르텐사이트 분율이 30% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 강재는 인장 강도가 1GPa 이상이고, 연신율이 7% 이상인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 저탄소 경량 강재 제조 방법은 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6% 를 더 포함하여 이루어지는 주괴를 열간 가공하는 단계; 상기 열간 가공하여 얻은 강재를 균질화 처리 하는 단계;및 수냉하는 단계를 포함 할 수 있다.
또한, 상기 열간가공 단계는 열간 압연 또는 열간 단조중 어느 하나의 방법으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 수냉된 강재를 추가로 시효 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 1 Gpa급 강도 수준을 유지하는 범위 내에서 Al의 최적 합금량을 결정하여, 제품 두께의 추가 감소 없이 경량화 할 수 있는 1GPa 이상의 고강도 저탄소 경량 강재 및 그 제조방법을 제공하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 있어서, 시효처리에 따라 κ-carbide가 석출된 조직 사진.
도 2는 도 1의 석출물을 확대한 조직 사진.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 저탄소 경량 강재는 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6%를 더 포함하여 구성된다.
또한, 강재는 Si: 0.5%이하, P: 0.03%이하, S: 0.03%이하, Ni: 0.2%이하, Cu: 0.2%이하, B: 10ppm 이하, Nb; 0.02%이하를 더 포함할 수 있다.
다만, 이들 원소들은 최적 경량 성분계의 핵심원소인 C-Mn-Al의 최적 분율에 영향을 주지 않도록 일반적인 관리 수준 이상 첨가하지 않도록 해야 하고, 특히 인(P) 및 황(S)은 강에 존재하는 대표적인 불순 원소로, 강 내부에 존재하는 경우 취성을 일으키는 등 연성에 악영향을 미치므로, 그 함량은 0.03% 이하로 제한 할 수 있다.
상기 강재는 주상은 페라이트 이며, 2상으로 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, κ-carbide ((Fe,Mn)3AlC) 를 포함할 수 있다.
Fe-Mn-Al-C 경량강에서는 높은 Al 농도 때문에 ((Fe,Mn)3AlC) 의 화학 조성을 갖는 perovskite 구조의 κ-탄화물이 석출되고, 이 κ-탄화물 입자는 항복 및 인장 강도를 상승시키는 석출 경화 (precipitation hardening) 를 일으킨다.
Al을 이용한 경량 철강 성분계에서 물성을 확보하기 위해서는 고강도를 위해서는 오스테나이트에서 페라이트와 κ-carbide + 마르텐사이트로의 상변이 분율을 고려해야 하며, 연신율 확보하기 위해서는 페라이트와 상온 잔류 오스테나이트의 분율을 고려해야 하므로, 이들 두 가지의 요소를 동시에 고려할 필요가 있다.
이를 위해, 열연이 진행되는 900~1,100℃ 영역에서 오스테나이트의 분율을 면적분율로(이하 같다) 40~60% 확보하는 동시에, 상별 이론 강도를 고려하여 강도가 2500MPa 이상인 κ-carbide의 분율을 20% 이상, 강도가 1300MPa 이상인 마르텐 사이트의 분율이 30% 이상 일때 본 발명의 실시예에 다른 고강도 저탄소 경량 강재의 최종 강도를 1GPa 이상으로 확보할 수 있다. 따라서, (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite) = 1.00 ~ 2.00 의 수치 범위에 해당하도록 상기 상들의 분율 조정할 필요가 있다.
구체적으로, 망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로써 다량의 망간이 강에 첨가되면 오스테나이트 분율을 증가시켜 연신율을 증대시키고 망간은 철의 치환형 원소로써 격자 구조 내에서 치환형 고용체로 자리잡아 강도를 증가시키는 역할을 한다. 다만, 연신율 및 강도에 중요한 기능을 하는 원소인 반면, 함량이 증가하는 경우 원가가 상승하고, 용탕 온도가 저하되는 문제점도 존재한다.
<표 1>을 참고하여 설명하면, 망간이 3% 이하로 첨가되면 인장강도가 알루미늄의 함량에 따라 601~748MPa로 본 발명의 목적보다 강도가 현저히 낮고, 망간이 8% 내지 9% 이상으로 첨가된 경우는 상온 잔류 오스테나이트의 분율이 상대적으로 높아 연신율이 우수하나, 역시 알루미늄의 함량에 따라 인장강도가 784~876MPa로 충분한 고강도를 형성하지 못하는 것을 확인 할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 망간의 함량은 4~8%로 포함되고, 바람직하게는 Al등 다른 원소들의 첨가로 인한 망간함량의 변동을 고려하면, 4~6%로 한정하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al)은 그 비중이 약 2.7로써 철의 약 1/3에 해당하는 대표적인 경량원소이다. 이러한 알루미늄은 강력한 페라이트 안정화 원소로써 페라이트 분율을 증가시키고, 철(Fe)와 탄소(C)를 결합하여 적용 온도 대에서 석출물을 형성, 강도를 높이는 역할을 한다. 그러나 다량 첨가하면 카파 탄화물, FeAl, Fe3Al 등 금속간 화합물이 증가하여 강의 연성을 저하시키게 된다. 따라서, 경량화, 고강도화라는 장점 및 취성이라는 단점을 고려하여, 첨가되는 양을 조절하는 것이 바람직하다.
<표 2>를 참고하여 설명하면, 알루미늄이 3% 이하로 첨가되면 경량화 효과가 미미하고, (κ-carbide + martensite) / (상온 ferrite+잔류 austenite) 비율이 0.06 수준이고 잔류 austenite의 비율이 높아 강도 확보에도 어려움이 있다. 또한, 알루미늄이 7% 이상으로 첨가되는 경우도 k 탄화물이 석출되지 않았고, 잔류 오스테나이트의비율도 높아 강도확보에 어려움이 있으므로, 알루미늄의 함량은 4~6%가 바람직하다. 이때, Mn 6%, C 0.4%로 포함하였다.
탄소(C)는 강에 강도를 부여하기 위해 사용되는 원소로, 침입형 고용체의 역할을 하거나 탄화물을 석출시켜 강도를 높이는 역할을 한다.
<표 3>을 참고하여 설명하면, 본 발명에서는 탄소를 0.3~0.5% 범위 내에서 첨가하는데, 0.3% 미만의 탄소 함량을 가질 경우 (κ-carbide + martensite) / (상온 ferrite+잔류 austenite) = 0.69 이하로 최적분율 확보가 어려워 인장강도가 727~831MPa로 강도 저하의 문제가 있음을 확인할 수 있고, 탄소 함량이 0.5% 초과하는 경우에는 (κ-carbide + martensite) / (상온 ferrite+잔류 austenite) = 1.0에 가깝지만, 연신율이 4.1%로 급격하게 감소하는 문제가 있다. 이는 강도가 저하되거나 연신율 증대 역할을 하는 주요 조직인 잔류 오스테나이트의 분율이 감소하기 때문인 것으로 보인다. 따라서, 탄소의 함량은 0.3~0.5%가 바람직하다.
인(P) 및 황(S)은 강에 존재하는 대표적인 불순 원소인데, 강 내부에 존재하는 경우 취성을 일으키는 등 연성에 악영향을 미치므로, 그 함량은 0.03% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 고강도 저탄소 경량 강재의 제조방법은 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6% 를 포함하며, Si: 0.5%이하, P: 0.03%이하, S: 0.03%이하, Ni: 0.2%이하, Cu: 0.2%이하, B: 10ppm 이하, Nb; 0.02%이하를 더 포함하여 이루어지는 주괴를 열간 가공하여 얻은 강재를 균질화 처리 및 수냉하고, 상기 균질화 처리 및 수냉된 강재를 추가로 시효처리 함으로써 제조할 수 있다.
이때, 상기 열간 가공은 열간 압연 또는 단조의 방법으로 진행될 수 있다.
연신율을 증대시키고, 석출물을 생성시키는 조직인 오스테나이트의 분율을 최대로 하기 위해 850℃ 이상의 온도에서 균질화를 진행하되, 결정립 크기가 과도하게 상승하여 강도 및 연신율에 악영향을 미치는 것을 방지하기 위해 균질화 온도는 950℃를 초과하지 않도록 한다.
균질화된 강을 수냉하여, 다시 500~600℃ 범위에서 4~8 시간 동안 시효를 실시한 후 공냉한다.
4 시간 미만으로 시효를 할 경우 석출경화 효과가 미미하고, 8 시간을 초과하여 시효를 할 경우 연신율 감소로 인해 성형성이 저하되기 때문에, 시효시간은 4~8 시간 범위에서 진행한다.
또한 시효 열처리가 500℃ 미만 혹은 600℃ 초과 범위에서 진행되면 석출물이 제대로 형성되지 않으므로, 시효 열처리 온도는 상술한 범위 내에서 진행되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 강재는 알루미늄의 경우 원자량 26.98, 밀도 2.70 g/㎤으로써 함량이 높아지면 합금의 밀도를 낮추는 효과가 있고, 0.4C-5Mn-6Al 기준 7.89→7.31 g/㎤ 로 밀도 감소하였으며, Al 함량이 4~6%로 변화(Mn 6%, C 0.4%)됨에 따라 7.45~7.20 g/㎤ 범위 내에서 밀도가 감소함을 확인 하였다.
도 1에 도시된 바와 같이, 시효 열처리 전 미세조직은 페라이트, 오스테나이트, 마르텐사이트를 포함하고 있다.
도 2 에 도시된 바와 같이, 상술한 온도 및 시간 범위 내에서 시효 열처리 후에는 페라이트 결정립계를 따라 K 탄화물이 석출된 모습을 살필 수 있다.
인장 시험은 국제 표준 ASTM E8에 의거하여 상온에서 지름 12.5±0.2㎜, 표점거리 50.0±0.1㎜ (평행부 56㎜)의 환봉 표준 시편을 선반가공 후 표면 연삭 공법을 이용해 제작한 후 5㎜/min의 속도로 시험을 진행하였다.
성분/온도별
Austenite 분율		 900℃ 1000℃ 1100℃ 상온 잔류 austenite 분율 상온 κ-carbide 분율 상온
Martensite 분율		 항복/인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 A
Mn 3% Al 4% 56±2.2 66±0.9 70±0.5 <1% 7±1.1 27±1.1 561/748 15.7 0.52
Al 5% 43±1.4 53±1.7 61±1.0 <1% 5±0.8 35±0.8 497/681 14.6 0.67
Al 6% 35±2.0 49±1.6 52±1.2 <1% 9±2.7 34±2.7 453/601 21.4 0.75
Mn 6% Al 4% 69±1.7 77±2.0 86±3.1 7±2.1 25±0.5 36±3.0 689/1014 13.3 1.56
Al 5% 58±1.5 72±0.8 81±4.0 9±2.7 28±0.3 34±2.3 715/1071 12.1 1.63
Al 6% 45±2.7 56±1.2 70±1.7 2±1.7 33±0.9 27±1.8 669/1007 16.3 1.50
Mn 9% Al 4% 82±0.5 91±0.5 99±0.5 41±2.1 <1% 4±1.3 767/876 57.3 0.05
Al 5% 73±1.0 84±0.7 89±1.5 25±1.4 <1% 5±2.7 670/973 37.4 0.06
Al 6% 60±1.7 71±2.3 80±2.1 19±3.7 <1% 4±1.3 502/784 48.7 0.05
A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)
성분/온도별
Austenite 분율		 900℃ 1000℃ 1100℃ 상온 잔류 austenite 분율 상온 κ-carbide 분율 상온
Martensite 분율		 항복/인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 A
Al 3% 95±2.2 100 100 20±2.7 5±0.3 - 497/681 15.7 0.05
Al 4% 69±1.7 77±2.0 86±3.1 7±2.1 25±0.5 36±3.0 689/1014 13.3 1.56
Al 5% 58±1.5 72±0.8 81±4.0 9±2.7 28±0.3 34±2.3 715/1071 12.1 1.63
Al 6% 45±2.7 56±1.2 70±1.7 2±1.7 33±0.9 27±1.8 669/1007 16.3 1.50
Al 7% 40±0.5 43±0.5 49±0.5 31±1.2 - 4±1.3 567/876 57.3 0.04
A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)
xC-6%Mn-5%Al 상온
κ-carbide 분율		 상온
martensite 분율		 항복/인장강도
(MPa)		 연신율
(%)		 A
0.1%C 5.2±0.7 15.7±2.2 469 / 727 25.7 0.26
0.2%C 13.3±1.5 27.7±3.2 515 / 831 21.3 0.69
0.3%C 25.7±0.2 30.7±4.1 687 / 1001 16.1 1.29
0.4%C 28.3±0.3 32.1±2.1 723 / 1145 11.1 1.53
0.5%C 30.2±1.3 22±4.1 770 / 1192 7.2 1.09
0.7%C 33.7±0.5 16±3.2 1002 / 1238 4.1 0.99
A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 (이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예 일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경 가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.

Claims (11)

  1. 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6%를 더 포함하는 저탄소 경량 강재로서,
    상기 강재는 면적 분율로 하여, 상온 페라이트 분율, 잔류 오스테나이트 분율, 상온 κ-carbide분율, 상온 마르텐사이트 분율에 대한 A의 값인 A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)이 1.00~2.00을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 강재는 인장 강도가 1GPa 이상이고, 연신율이 7% 이상인 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 Si: 0.5%이하, P: 0.03%이하, S: 0.03%이하, Ni: 0.2%이하, Cu: 0.2%이하, B: 10ppm 이하, Nb; 0.02%이하를 더 포함하는 저탄소 경량 강재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 주상은 페라이트 이며, 2상으로 마르텐사이트, 잔류 오스테나이트, κ-carbide ((Fe,Mn)3AlC) 를 포함하는 저탄소 경량 강재.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 열간압연이 진행되는 900~1,100도 구간에서 오스테나이트 분율이 40~60% 인 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 면적 분율로 하여 상온에서 κ-carbide분율이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 강재는 면적 분율로 하여 상온에서 마르텐사이트 분율이 30% 이상인 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재.
  8. 삭제
  9. 철(Fe)을 주 재료로 하고, 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 4~8%, Al: 4~6% 를 포함하며, Si: 0.5%이하, P: 0.03%이하, S: 0.03%이하, Ni: 0.2%이하, Cu: 0.2%이하, B: 10ppm 이하, Nb; 0.02%이하를 더 포함하여 이루어지는 주괴를
    열간 가공하는 단계;
    상기 열간 가공하여 얻은 강재를 균질화 처리 하는 단계;및
    수냉하는 단계를 포함하고,
    상기 강재는 면적 분율로 하여, 상온 페라이트 분율, 잔류 오스테나이트 분율, 상온 κ-carbide분율, 상온 마르텐사이트 분율에 대한 A의 값인 A = (κ-carbide +martensite)/(상온 ferrite+잔류 austenite)이 1.00~2.00을 만족하는 것을 특징으로 하고,
    상기 강재는 인장 강도가 1GPa 이상이고, 연신율이 7% 이상인 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열간가공 단계는 열간 압연 또는 열간 단조중 어느 하나의 방법으로 이루어지는 저탄소 경량 강재 제조 방법.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 수냉된 강재를 추가로 시효 처리하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 저탄소 경량 강재 제조 방법.

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