KR102178439B1 - 고망간 강판의 연성 향상 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면은, 생산성의 저하 및 원가 상승 등의 문제를 일으키지 않으면서 고강도 냉연강판의 연성을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하고자 하는 것이다.

Description

고망간 강판의 연성 향상 방법 {MANUFACURING METHOD FOR IMPROVING DUCTILITY OF HIGH-MANGANESE STEEL SHEET}
본 발명은 LNG 저장탱크, 자동차 부품 등의 소재로 사용되는 고망간 강재의 연성을 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
1GPa 정도의 높은 인장강도를 가지는 고망간강은 TWIP(TWinning Induced Plasticity) 강의 일종으로, 소성변형 중 변형 쌍정(Twin)의 형성으로 인하여 높은 연신율을 얻을 수 있기 때문에, 강도가 높음에도 성형성이 우수한 특성을 가진다.
이러한 고망간 TWIP강은 오스테나이트 단상조직을 가지며, 극저온에서도 마르텐사이트 변태와 같은 상 변태가 발생하지 않으므로 자동차 부품, 변압기뿐만 아니라 극저온에 노출되는 LNG 저장탱크에도 적용 가능성이 높아지고 있는 실정이다.
한편, 자동차 등의 구조부재 등에 사용되는 강판의 경우, 높은 항복강도와 더불어 경량화 문제가 고려되어야 하는 바, 비강도(중량 대비 강도)가 높은 냉연강판이 사용되고 있다.
일반적으로 냉연강판은 고온에서 열간압연된 일정 두께의 강판을 실온에서 재압연하여 변형을 줌으로써 항복강도 및 인장강도를 향상시키는 공정을 거치게 된다. 하지만, 냉연강판은 냉간압연을 행하기 전에 비해 높은 강도가 얻어지는 반면, 연성은 감소하는 문제가 있다.
소재를 개발하는 측면에서, 강의 강도와 연성을 우수하게 양립시키기 위하여 다양한 방법이 제안되어 왔다.
구체적으로, 항복강도와 연신율을 양립시키기 위한 방법으로서 (i) 결정립 미세화, (ii) 집합조직의 제어, (iii) 이상 조직(dual-phase) 또는 복합 조직(multi-phase)의 형성 등이 고안되었다. 하지만, 위 방안들은 초강가공 또는 후열처리 공정을 포함함에 따라, 생산성 저하 및 원가 상승을 유발하는 단점이 있다.
특히, 고망간 TWIP강과 같이 오스테나이트 단상을 가지는 소재의 연신율을 개선하기 위해서는 일반적인 소둔 열처리를 통하여 내부 전위의 소멸이나 결정립 조대화가 행해질 수 밖에 없다. 이는, 추가적인 열처리 공정이 요구되는 것이며, 이러한 열처리 중 불필요한 상 변태가 발생할 가능성이 높아지고, 결정립 성장시 결정립 크기가 불균일해져 균일한 기계적 특성이 소실될 우려가 있다.
한국 공개특허공보 제2017-0075916호
본 발명의 일 측면은, 생산성의 저하 및 원가 상승 등의 문제를 일으키지 않으면서 고망간 강판의 연성을 향상시킬 수 있는 방안을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 본 발명 명세서 전반에 걸친 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 고망간 강판을 준비하는 단계; 상기 강판을 -150℃ 이하로 냉각하여 1분 이상 유지하는 단계; 및 상기 냉각된 강판을 상온으로 자연 승온처리하는 단계를 포함하는 고망간 강판의 연성 향상 방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 기존 고망간 TWIP강 대비 연신율이 더욱 향상된 고망간 강판을 제공할 수 있으며, 프레스(press) 가공 등에 의해 연성이 저하된 부재(또는 부품) 등의 연성을 효과적으로 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 저비용으로 고망간 강판의 연신율을 향상시킬 수 있으므로, 경제적으로도 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간 냉연강판을 가공하기 전(a), 가공한 후(b), 가공 및 초저온 냉각한 후(c)의 조직 상태를 EBSD로 측정한 결과를 나타낸 것이다.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간 냉연강판 시편의 온도 및 변형(strain) 값의 변화를 초저온 냉각을 행한 시간 경과에 따른 결과로서, 실시간으로 측정한 데이터를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고망간 냉연강판 시편 중 10% 압하율로 가공된 시편의 초저온 냉각 여부에 따른 조직 변화를 TEM으로 관찰한 결과를 나타낸 것이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 가공 및 초저온 냉각을 모두 행한 고망간 냉연강판 시편에 대해서 가공시 적용된 압하율과 초저온 냉각 시간에 따른 항복강도, 인장강도 및 연신율 변화를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
본 발명자들은 종래 고망간 TWIP강의 연신율을 개선하기 위하여 원가 상승이 동반되는 초강가공 또는 후열처리(ex, 소둔 열처리) 등이 요구될 뿐만 아니라, 이 경우 생산성이 저하되고, 열처리 중 불필요한 상(phase) 변태가 발생하거나 결정립 크기가 불균일해지는 문제가 있음을 확인하였다.
이에, 본 발명자들은 고망간 TWIP강의 연신율을 향상시킬 수 있는 방안으로서 추가적으로 발생되는 공정 비용을 최소화함에 따라 경제적으로 유리하면서 변형 쌍정의 분율을 감소시켜 연신율을 효과적으로 향상시킬 수 있는 방안을 새롭게 도출하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
특히, 본 발명에 의할 경우 고망간 냉연강판을 제조하기 위해 일반적으로 행해지는 소둔 열처리 공정을 생략할 수 있음에 기술적 의의가 있다 할 것이며, 이와 같이 소둔 열처리 공정을 생략함에 의해 제조비용을 크게 절감할 수 있는 바, 경제적으로도 유리한 효과가 있다 할 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고망간 강판의 연성을 향상시키기 위한 방법은 일련의 공정을 거쳐 제조된 고망간 강판을 초저온으로 냉각하는 단계 및 상기 냉각된 강판을 자연 승온시키는 단계를 포함할 수 있다.
우선, 상기 고망간 강판은 후술하는 합금조성을 가지는 강 슬라브를 [가열 - 열간압연 - 권취]하는 일련의 공정을 거쳐 제조할 수 있고, 여기에 추가로 냉간압연을 행하여 냉연강판을 제조할 수 있다. 상기 공정들은 통상의 고망간 강판(냉연강판 포함)을 제조하는 조건에 의해 행해질 수 있는 바, 각 공정의 조건에 대해서 특별히 한정하지 아니한다.
다만, 하나의 예로서 상기 강 슬라브를 1000~1300℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 850℃ 이상에서 마무리 열간압연하여 열연강판으로 제조하는 단계; 및 상기 열연강판을 권취하는 단계를 포함하여 행할 수 있으며, 앞서 언급한 바와 같이 상기 열연강판을 냉간압연하여 목적하는 두께의 냉연강판으로 제조하는 단계를 더 포함하여 행할 수 있다. 이때, 상기 권취시 온도에 대해서는 특별히 한정하지 아니하나, 700℃ 이하에서 행할 수 있다.
또한, 상기 고망간 강판은 고망간 TWIP강의 성질(미세조직, 물성 등)을 가지도록 설계된 합금조성인 것이라면 모두 가능한 바, 그 조성에 대하여 특별히 한정하지 아니한다.
다만, 일 예로서 상기 고망간 강판은 중량%로 탄소(C): 0.30~0.55%, 망간(Mn): 20~30%, 실리콘(Si): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 2.0~5.0%, 황(S): 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
이러한 고망간 강판은 -196℃에서 횡축의 샤르피 충격에너지가 22J 이상이고, 종축의 샤르피 충격에너지가 41J 이상으로 극저온에서도 인성을 우수하게 가지는 것이다.
한편, 본 발명의 고망간 강판은 상온에서 안정한 오스테나이트 상(단상 조직)을 가지며, 상기 오스테나이트 상의 결정립 크기는 1~35㎛의 분포를 가지며, 5~6㎛의 평균 결정립 크기를 가질 수 있다.
본 발명은 상술한 바에 따라 얻어지는 고망간 강판의 연신율을 향상시키고자 하는 목적을 달성하기 위하여, 상기 고망간 강판을 초저온으로 냉각하여 일정 시간 유지시킨 후 상온으로 자연 승온하는 것이 바람직하다.
구체적으로, 상기 냉각은 -150℃ 이하에서 1분 이상 유지함으로써 행할 수 있다. 즉, 상기 고망간 강판의 온도가 -150℃ 이하가 되는 순간부터 1분 이상 유지하는 것이 바람직하다.
상기 고망간 강판을 초저온, 바람직하게 -150℃ 이하로 냉각할 수 있는 방법으로는 순간적으로 상기 강판을 초저온으로 냉각할 수 있는 수단이라면 어떠한 방법도 사용할 수 있으므로 특별히 한정하지 아니하나, 바람직하게는 상기 고망간 강판을 액체질소가 담겨진 용기에 침지함으로써 의도하는 냉각 공정을 수행할 수 있다.
이후, 상기 용기로부터 고망간 강판을 분리한 후 대기 중에 방치시켜 상온까지 자연 승온할 수 있다.
상기 액체질소는 질소를 액화한 것으로 대기 압력 하에서 -196℃에서 액체로 존재하는 물질이다.
본 발명의 고망간 강판은 일정량 이상으로 C와 Mn을 함유함에 따라 오스테나이트 상 안정성이 매우 우수하며, 이로 인해 초저온의 액체질소에 침지하여 급속 냉각을 시키더라도 상 변태가 발생하지 않고, 결정립 크기에도 변화가 없다.
따라서, 본 발명에 의해 상기 고망간 강판을 초저온으로 냉각하더라도 강도 등의 물성에는 변화가 없는 반면, 연신율은 향상되는 효과를 얻을 수 있다 (도 4a 내지 4c 참조).
본 발명에 따라 상기 고망간 강판을 초저온 냉각하여 연신율을 향상시키고자 함에 있어서, 상기 고망간 강판은 열연강판을 일정의 압하율로 냉간압연하여 얻은 냉연강판뿐만 아니라, 상기 냉연강판을 소둔 열처리 및 프레스 가공 등의 공정을 거쳐 제조된 부재(부품)일 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 초저온 냉각 공정으로부터 연신율을 향상시키는 방법은 강판뿐만 아니라 가공된 부재에도 적용할 수 있는 것이다. 특히, 프레스 가공 등의 공정으로 가공된 부재는 직접적으로 가공이 행해진 부위에서의 연신율이 급격히 하락된 상태인 바, 상기 가공 부위의 연신율을 향상시키기 위한 방안으로서 본 발명의 초저온 냉각은 매우 적합한 수단이다 할 것이다.
상기 냉연강판의 소둔 열처리는 통상의 조건으로 행할 수 있으며, 하나의 구현예로서 600~900℃의 온도범위에서 행할 수 있다.
구체적으로, 상기에 언급한 고망간 강판을 초저온으로 냉각할 경우 고망간 강판을 제조하는 과정 중 또는 강도 향상 목적에서 추가적으로 행해지는 가공에 의해 형성된 변형 쌍정의 분율이 감소되어 연신율 향상을 도모할 수 있는 것이다.
보다 구체적으로, 상기 고망간 강판을 초저온으로 냉각한 후 자연 승온을 행함으로써 KAM(Kemel Average Misorientation) 값을 0.47~0.56으로 확보할 수 있다.
위 KAM에 대해서는 후술하는 예시를 통해 더욱 구체적으로 설명할 것이다.
상기에 따라 고망간 강판을 초저온으로 냉각시 냉각온도가 -150℃를 초과하거나, 냉각 시간이 1분 미만이면 변형 쌍정이 충분히 감소되지 못하여 의도하는 수준으로 연신율을 확보할 수 없다.
한편, 상기 고망간 강판을 초저온으로 냉각하기에 앞서 일정 압하율로 압연을 행하는 공정을 더 행할 수 있다.
상기 압연은 상온에서 20% 이하의 압하율로 행할 수 있으며, 이와 같은 공정을 통해 고망간 강판의 조직 내에 변형 쌍정을 더 부여함으로써 항복강도를 더욱 향상시킬 수 있다. 상기 공정은 냉간압연을 거쳐 제조된 냉연강판에 추가로 행할 수도 있고, 통상의 냉간압연 공정을 대체할 수도 있음을 밝혀둔다.
상술한 공정에 의할 경우 항복강도는 더욱 향상되는 반면, 연신율은 저하되는 경향을 보이나, 이후 본 발명에 따른 초저온 냉각 및 자연 승온 공정을 거침으로써 저하된 연신율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 고망간 냉연강판(중량%로 0.45%C-24.6%Mn-0.27%Si-3.6%Cr-잔부 Fe 및 불순물)을 가공하기 전, 가공한 후, 가공 및 초저온 냉각한 후의 조직 상태를 EBSD로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 여기서, 가공은 특정 압하율로 압연을 행하는 공정을 의미한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 고망간 냉연강판을 10%의 압하율로 압연하기 전에 비해 압연을 행한 후 변형 쌍정이 다량 형성되어 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 가공(압연) 전(a) KAM(Kernel Average Misorientation) 값이 0.48인 반면, 가공(압연) 후(b)에는 그 값이 0.64로 증가하였다.
상술한 바와 같이, 가공에 의해 변형 쌍정이 다량 형성된 고망간 냉연강판을 액체질소에 침지하여 초저온으로 냉각한 경우(c) 변형 쌍정의 분율이 감소하였으며, KAM 값도 가공 전의 수준인 0.48 정도로 낮아진 것을 확인할 수 있다.
본 발명자들은 위와 같은 결과가 얻어지는 원리에 대하여 확인하기 위하여, 다음과 같은 실험을 진행하였다.
고망간 TWIP강(중량%로 0.45%C-24.6%Mn-0.27%Si-3.6%Cr-잔부 Fe 및 불순물)의 시편을 준비한 다음, 0.5~20%의 압하율로 서로 다르게 가공한 다음 액체질소가 담겨진 용기에 각각의 시편을 침지한 후 0.5~30분 내로 유지함으로써 초저온 냉각을 모사하였다. 이때, 상기 각각의 시편 표면에 RTD(Resistance Temperature Detector)와 변형 게이지(strain gauge)를 부착하여 실시간으로 시편의 온도와 변형(strain) 값을 측정하였다.
도 2a 내지 도 2d는 시편의 온도 및 변형(strain) 값의 변화를 액체질소에 침지한 시간 경과에 따른 결과에 대해 실시간으로 측정한 데이터를 나타낸 것이다.
도 2a 내지 2d에 나타낸 바와 같이, 모든 시편에서 최초 온도가 감소함에 따라 시편의 부피가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그런데, 시편의 온도가 -100℃~-140℃로 낮아졌을 때에는 그 경향이 역전되어 약 -150℃ 이하에서는 온도가 낮아질수록 변형(strain) 값이 증가하며, 약 -170℃ 이하에서는 변형(strain)값이 냉각 전과 동일한 값인 0으로 회복되는 것을 확인할 수 있다. 이후, -196℃에 가까워질수록 시편의 부피가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이러한 결과로 볼 때, 고망간 냉연강판에 행해진 가공(압연)에 의해 내재된 압축 응력이 본 발명에서의 초저온 냉각에 따른 부피 증가에 의해 인장 응력의 발생으로 해소되면서, 연신율이 향상되는 것으로 해석할 수 있다.
또한, 상기 도 2와 동일한 시편에 대해 압하율 10%로 가공을 행한 다음, 초저온 냉각 여부(액체질소 내 침지 여부)에 따른 조직 변화를 관찰하기 위하여, 각 시편에서 변형 쌍정으로 보이는 영역을 FIB 가공하여 TEM 샘플을 제작한 후 관찰하였다. 그 결과는 하기 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 초저온 냉각 전의 시편(a)에서는 변형 쌍정이 뚜렷이 확인되는 반면, 초저온 냉각을 행한 후의 시편(b)에서는 저배율에서 변형 쌍정으로 보이는 조직이 관찰되기는 하나, 그 길이가 초저온 냉각 이전에 비해 상당히 짧고 회절 패턴에서는 변형 쌍정이 확인되지 않음을 확인할 수 있다.
나아가, 가공 및 초저온 냉각을 모두 행한 시편에 대하여 가공시 적용된 압하율과 초저온 냉각 시간에 따른 항복강도, 인장강도 및 연신율의 변화를 관찰해본 결과 도 4a 내지 도 4c와 같이 나타났다.
구체적으로, 인장강도는 압하율이 상승하더라도 큰 변화가 없는 반면, 항복강도는 압하율 상승에 비례하여 높아지는 것을 확인할 수 있다. 한편, 연신율의 경우에는 압하율이 높아질수록 저하되는 경향을 보이기는 하나, 압하율 10% 정도까지는 초저온 냉각 시간에 따라 연신율이 향상되는 경우도 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에 따라 초저온 냉각 및 자연 승온을 거친 고망간 강판은 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 800~970MPa, 연신율 22% 이상으로 기존 고망간 TWIP강 대비 연신율이 우수한 특성을 가질 수 있다. 이는, 고망간 강판에 20% 이하의 압하율로 압연하는 가공 공정을 거친 경우에도 유사한 수준으로 물성을 얻을 수 있다.

Claims (10)

  1. 중량%로 탄소(C): 0.30~0.55%, 망간(Mn): 20~30%, 실리콘(Si): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 2.0~5.0%, 황(S): 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 고망간 강판을 준비하는 단계;
    상기 강판을 -150℃ 이하로 냉각하여 1분 이상 유지하는 단계; 및
    상기 냉각된 강판을 상온으로 자연 승온처리하는 단계를 포함하며,
    상기 냉각 및 자연 승온 후 KAM(Kemel Average Misorientation) 값이 0.47~0.56인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각은 상기 강판을 액체질소에 침지하여 행하는 것인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각 전 상기 고망간 강판을 20% 이하의 압하율로 압연하는 단계를 더 포함하는 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 냉각 및 자연 승온된 고망간 강판은 항복강도 400MPa 이상, 인장강도 800~970MPa, 연신율 22% 이상인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고망간 강판을 준비하는 단계는,
    중량%로 탄소(C): 0.30~0.55%, 망간(Mn): 20~30%, 실리콘(Si): 0.5% 이하, 크롬(Cr): 2.0~5.0%, 황(S): 0.01% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 가열하는 단계;
    상기 가열된 강 슬라브를 마무리 열간압연하여 열연강판으로 제조하는 단계; 및
    상기 열연강판을 권취하는 단계를 포함하는 것인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 강 슬라브를 가열하는 단계는 1000~1300℃의 온도범위에서 행하는 것인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 권취하는 단계를 거친 후 냉간압연하여 냉연강판으로 제조하는 단계를 더 포함하는 것인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 냉연강판을 600~900℃의 온도범위에서 소둔 열처리를 행한 후 프레스 가공하는 단계를 더 포함하는 것인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 고망간 강판은 -196℃에서 횡축의 샤르피 충격에너지가 22J 이상이고, 종축의 샤르피 충격에너지가 41J 이상인 고망간 강판의 연성 향상 방법.
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