KR101965147B1 - 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법 - Google Patents

고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

우수한 충격 특성을 갖는 80Kg급 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.5 ~ 3.0 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법{HIGH STRENGTH AND HIGH TOUGHNESS AUSTENITIC LIGHT-WEIGHT STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우수한 충격 특성을 갖는 80Kg급 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전세계적으로 환경오염에 대한 관심이 증가하면서 온실가스 배출규제 정책이 강화되고 있다. 또한, 유가 상승에 따른 소비자들의 연비 향상 요구에 따라 경량 철강 소재에 대한 개발 요구가 증가하고 있다.
이러한 요구에 따라 철강 업계에서는 경량화를 위해 기존의 철강재료 대비 경량화 원소인 알루미늄(Al)을 다량 첨가하여 쌍정유기소성(TWIP, TWin Induced Plasticity) 강을 개발하였으나 TWIP강의 경우 Al이 5 중량% 이상 첨가될 시 강의 적층 결함 에너지를 증가시켜 쌍정 변형을 억제시키므로 경량화에 한계가 있다.
이에 대한 대안으로, 최근에는 경량화 원소인 Al, Si 등을 다량 첨가하여 밀도 자체가 낮은 저비중 경량 강재에 대한 개발이 진행 중이다. 일 예로, 5 중량% 이상의 Al을 첨가한 경량 철강으로는 대표적으로 Frommeyer 등이 개발한 TRIPLEX 강이 있다. 이러한 경량 철강은 높은 강도 대비 우수한 연신율을 가짐으로써 필라류, 멤버류 등의 자동차 부품으로의 적용이 다양하게 검토되고 있다.
한편, 위와 같은 종래의 경량 철강은 높은 강도와 우수한 연신율을 가지는 반면에 충격특성이 열위하여 방탄특성이 요구되는 군수용 수송기기(장갑차 등)를 비롯한 타 구조용 소재산업으로의 적용확대에 있어서 한계를 가지고 있다.
본 발명의 목적은 우수한 충격 특성을 갖는 80Kg급 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.5 ~ 3.0 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법은 (a) 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.5 ~ 3.0 중량% 및 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하는 단계; (b) 상기 열간압연된 강재를 균질화 열처리하는 단계; 및 (c) 상기 균질화 열처리된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법은 기본 성분계인 Fe-C-Mn-Al 합금에 Mo를 최적의 함량비로 첨가하는 것에 의해 우수한 충격특성을 확보할 수 있으면서, 10wt% 이상의 Al 첨가를 통하여 낮은 밀도를 가짐에 따라 경량화를 도모할 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법은 인장강도(TS) : 780MPa 이상, 연신율(EL) : 50% 이상 및 25℃에서의 충격흡수에너지 100J 이상을 가지며, 순철 대비 밀도감소율 15% 이상을 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 2는 비교예 1 ~ 4에 따른 시편에 대한 SEM 사진.
도 3은 실시예 1 ~ 3에 따른 시편에 대한 SEM 사진.
도 4는 실시예 1에 따른 시편에 대한 TEM 사진.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 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 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
고강도- 고인성 오스테나이트계 경량 강재
본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 인장강도(TS) : 780MPa 이상, 연신율(EL) : 50% 이상 및 25℃에서의 충격흡수에너지 100J 이상을 가지면서, 7.0g/㎤ 이하의 밀도를 갖는 것을 목표로 한다.
이를 위해, 본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.5 ~ 3.0 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 강재에는 황(S) : 0.01 중량% 이하 및 인(P) : 0.02 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있을 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소이다. 이때, 본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 강재는 종래의 쌍정유기소성(TWIP, TWin Induced Plasticity) 강에 비해 페라이트 안정화 원소인 Al이 다량 첨가되어 있으며, 이로 인해 오스테나이트계 단상 조직을 갖는 오스테나이트계 경량 강재를 제조하기 위해서는 TWIP 강에 비해서 망간(Mn) 함량을 25 중량% 이상으로 증가시켜야 한다. 다만, 망간(Mn)의 첨가량이 35 중량%를 초과하여 과도하게 첨가될 경우에는 취약한 β-Mn 상의 생성을 촉진시켜서 연성과 인성을 저하시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 망간(Mn)은 본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 강재 전체 중량의 25 ~ 35 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 28 ~ 32 중량%를 제시할 수 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 경량화를 위해 필수적인 원소로서, Fe 원자에 비해서 가벼우면서 몰 당 부피가 커서 강의 밀도를 낮추는 효과가 있다.
상기 알루미늄(Al)은 본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 강재 전체 중량의 10 ~ 12 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 10.4 ~ 11.0 중량%를 제시할 수 있다. 알루미늄(Al)의 첨가량이 10 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 불충분하여 경량화 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 알루미늄(Al)의 첨가량이 12 중량%를 초과할 경우에는 오스테나이트 상의 안정성을 떨어뜨리고 페라이트 및 다량의 Fe3AlC 타입의 κ-carbide 석출물을 생성시킴에 따라 연신율을 저하시킬 수 있다.
탄소(C)
탄소(C)는 오스테나이트 안정화 원소로서, 오스테나이트계 경량 강재의 제조를 위해 필요하며, 또한 탄화물 형성을 통한 석출강화 효과로 인장강도 증가에 기여한다.
상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 강재 전체 중량의 1.0 ~ 1.2 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 1.05 ~ 1.15 중량%를 제시할 수 있다. 탄소(C)의 첨가량이 1.0 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 불충분하여 강도 향상 효과를 제대로 발휘하는데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 첨가량이 1.2 중량%를 초과할 경우에는 다량의 Fe3AlC 타입의 κ-carbide 석출물 생성에 따라 인성을 떨어뜨리고 압연 시 균열발생의 원인으로 작용할 수 있다.
몰리브덴( Mo )
몰리브덴(Mo)은 오스테나이트 내에서 k-carbide의 석출을 지연시키는 원소로서 경량 강재의 인성을 향상시키는데 기여한다.
상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 오스테나이트계 경량 강재 전체 중량의 1.5 ~ 3.0 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직한 범위로는 1.7 ~ 2.97 중량%를 제시할 수 있다. 몰리브덴(Mo)의 첨가량이 1.5 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘하기 어렵다. 반대로, 몰리브덴(Mo)의 첨가량이 3.0 중량%를 초과할 경우에는 Mo 탄화물(Mo-enriched carbide)을 형성시킴으로써 강도를 급격하게 증가시키고 인성을 떨어뜨리는 문제를 유발할 수 있다.
황(S), 인(P)
황(S)과 인(P)은 제강 및 연주 시에 잉곳에 편석을 유발하여 강재의 충격인성을 저하시키며, 특히 황(S)의 경우 망간(Mn)과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여 강의 연성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 황(S)과 인(P)은 포함되지 않는 것이 바람직하고, 불가피하게 불순물로 포함되더라도 황(S) : 0.01 중량% 이하, 인(P) : 0.02중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
고강도- 고연성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법
도 1은 본 발명에 따른 고강도-고연성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고강도-고연성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 균질화 열처리 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.
열간압연
열간압연 단계(S110)에서는 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.5 ~ 3.0 중량% 및 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연한다. 이때, 강재에는 황(S) : 0.01 중량% 이하 및 인(P) : 0.02 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있을 수 있다.
열간압연 단계(S110) 이전에는 대략 1,150 ~ 1,250℃에서 1 ~ 3시간 동안 재가열하는 단계가 더 실시될 수 있다.
본 단계에서, 열간압연은 900℃ 이상의 마무리 압연온도 조건으로 실시하는 것이 바람직하며, 보다 바람직한 범위로는 900 ~ 1,150℃를 제시할 수 있다. 마무리 압연온도가 900℃ 미만일 경우에는 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 문제가 있다. 반대로, 마무리 압연온도가 1,150℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도 확보가 어려워질 수 있다.
균질화 열처리
균질화 열처리 단계(S120)에서는 열간압연된 강재를 1,000 ~ 1,100℃에서 1 ~ 3시간 동안 균질화 열처리한다. 이때, 균질화 처리 온도가 1,000℃ 미만일 경우에는 균질화 효과가 불충분하다. 반대로, 균질화 열처리 온도가 1,100℃를 초과할 경우에는 결정립 조대화로 인하여 강도 및 인성이 저하될 수 있다.
냉각
냉각 단계(S130)에서는 균질화 열처리된 강재를 300 ~ 350℃/sec의 속도로 상온까지 냉각한다. 이때, 냉각 속도가 300℃/sec 미만일 경우에는 냉각시 다량의 조대한 탄화물이 생성될 수 있다. 반대로, 냉각 속도가 350℃/sec를 초과할 경우에는 강도는 증가하는 반면 목표로 하는 인성 확보에 어려움이 따를 수 있다. 본 단계에서 냉각은 수냉 방식으로 실시하는 것이 바람직하고, 상온은 1 ~ 40℃일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기의 과정(S110 ~ S130)에 의해 제조되는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 기본 성분계인 Fe-C-Mn-Al 합금에 Mo를 최적의 함량비로 첨가하는 것에 의해 우수한 충격특성을 확보할 수 있으면서, 10wt% 이상의 Al 첨가를 통하여 낮은 밀도를 가짐에 따라 경량화를 도모할 수 있다.
이 결과, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재는 인장강도(TS) : 780MPa 이상, 연신율(EL) : 50% 이상 및 25℃에서의 충격흡수에너지 100J 이상을 가지며, 순철 대비 밀도감소율 15% 이상을 나타낸다.
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. 시편 제조
표 1에 기재된 화학성분을 갖는 잉곳을 진공유도용해로에서 제조한 후, 잉곳을 1,150℃에서 2시간 동안 재가열하고, 1,000℃의 마무리 열간압연 조건으로 12mm의 두께가 되도록 열간압연을 실시하였다. 이후, 1,050℃에서 2시간 동안 균질화 열처리를 실시한 후, 상온(15℃)까지 냉각하여 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 4에 따른 시편을 제조하였다. 이때, 균질화 열처리 후 수냉을 실시하였으며, 냉각속도는 310±10℃/sec으로 측정되었다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112017111320820-pat00001
2. 미세조직 및 기계적 물성 평가
표 2는 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 4에 따른 시편에 대한 미세조직 및 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것이다. 또한, 도 2는 비교예 1 ~ 4에 따른 시편에 대한 SEM 사진이고, 도 3은 실시예 1 ~ 3에 따른 시편에 대한 SEM 사진이다.
[표 2]
Figure 112017111320820-pat00002
표 1 및 표 2와 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 4에 따른 시편에 대한 밀도측정 결과, 10wt% 이상의 Al 첨가에 의해 순철 대비 약 16% 이상 비중이 낮은 경량 강재를 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.
이때, 실시예 1 ~ 3 및 비교예 1 ~ 4에 따른 시편은 균질화 열처리 후 미세조직이 오스테나이트 단상으로 구성되어 있으며, 오스테나이트 상의 입내에는 Fe3AlC 타입의 κ-carbide가 규칙상으로 발달해 있는 것을 확인할 수 있다.
특히, 실시예 1 ~ 3에 따른 시편은 목표값에 해당하는 인장강도(TS) : 780MPa 이상, 연신율(EL) : 50% 이상 및 25℃에서의 충격흡수에너지 100J 이상을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.
이때, 실시예 1 및 비교예 2 ~ 3에 따른 시편에 대한 인장시험 결과에서 확인할 수 있듯이, 실시예 1에 따른 시편은 비교예 2 ~ 3에 따른 시편과 실질적으로 동일 또는 유사한 함량으로 C, Mn, Al이 첨가됨에도, Mo의 첨가량 증가로 Mo 원자에 의한 고용강화 효과에도 불구하고, 항복강도는 저하되는 반면에 연신율 및 충격 인성 값이 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 Mo이 κ-carbide의 생성을 지연 및 억제시킨 결과인 것으로 파악된다.
그리고, 비교예 1 ~ 3에서 보듯이 Mo가 첨가되지 않거나 Mo가 1.5wt% 이하로 첨가된 경우에는 Mo 첨가 효과가 미미하여, 충격 인성 값이 목표 값에 미달하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 비교예 4에서 보듯이 C이 1.2wt%를 초과하여 과도하게 첨가된 경우에는 낮은 충격 인성 값을 갖는 것을 확인할 수 있는데, 이는 κ-carbide가 다량 생성된 영향인 것으로 파악된다.
한편, 도 4는 실시예 1에 따른 시편에 대한 TEM 사진이다. 이때, 도 4의 (a)는 명시야상(Bright-field image)을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 암시야상(dark-field image)를 나타낸 것이며, 도 4의 (c)는 SAD(selected area electron diffraction) 패턴 분석 결과(z=[011])를 나타낸 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1에 따른 시편의 경우, 균질화 열처리 후의 미세조직이 오스테나이트 단상으로 구성되어 있으며, 오스테나이트 상의 입내에는 Fe3AlC 타입의 κ-carbide가 격자 구조의 규칙상으로 석출되어 있는 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 열간압연 단계
S120 : 균질화 열처리 단계
S130 : 냉각 단계

Claims (8)

  1. 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.7 ~ 2.97 중량% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재에는
    황(S) : 0.01 중량% 이하 및 인(P) : 0.02 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 강재는
    인장강도(TS) : 780MPa 이상, 연신율(EL) : 50% 이상 및 25℃에서의 충격흡수에너지 100J 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 강재는
    7.0g/㎤ 이하의 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재.
  6. (a) 망간(Mn) : 25 ~ 35 중량%, 알루미늄(Al) : 10 ~ 12 중량%, 탄소(C) : 1.0 ~ 1.2 중량%, 몰리브덴(Mo) : 1.7 ~ 2.97 중량% 및 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 열간압연하는 단계;
    (b) 상기 열간압연된 강재를 균질화 열처리하는 단계; 및
    (c) 상기 균질화 열처리된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 균질화 열처리는
    1,000 ~ 1,100℃에서 1 ~ 3시간 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 냉각은
    300 ~ 350℃/sec의 속도로 상온까지 실시하는 것을 특징으로 하는 고강도-고인성 오스테나이트계 경량 강재 제조 방법.
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