KR102415764B1 - 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법 - Google Patents

오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일측면은, 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트 및 30면적%이상의 퍼얼라이트로 이루어지는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법을 제공한다.

Description

오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법{HOT ROLLED STEEL SHEET, ANNEALED HOT ROLLED STEEL SHEET, PARTS HAVING EXCELLENT AUSTAMPERING HEAT TREATMENT PROPERTY AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 차체 구성 부품 중에서 피로 내구성이 요구되는 샤시용 부품은 강관 또는 복잡한 형상으로 냉간성형 후 열처리하거나 또는 열간성형하여 제조되고 있다. 상기 냉간성형 및 열처리를 통해 제조되는 강관 등의 부품의 경우에는 원소재의 폭 에지부 강도가 상대적으로 높아서 강관의 직진성(Straightness)이 열위하여 강관 자체의 휨(bending) 발생으로 인한 추가적인 교정과정이 필요하며 이 과정에서 크랙이 발생하는 문제가 있다. 복잡한 형상 부품을 냉간에서 제조하는 과정에서도 유사한 성형 크랙 발생이 되고 있다. 이에 따라, 부품 소재로 사용되는 열연강판은 냉간성형에 적합하도록 낮은 수준의 강도와 강도 편차를 확보하는 것이 필요하며, 열처리 후에는 고강도 및 원하는 피로수명을 갖도록 할 필요가 있다.
열연강판의 낮은 강도를 위해 일반적으로 코일 형태의 강판으로 제조한 후에 박스 가열로, 보열로 또는 연속소둔로를 이용하여 연질화 소둔(Soft Annealing) 열처리를 실시한다. 특히, 열연/냉연 코일 자체의 강도를 감소시키는 방법, 열연강판 또는 냉연강판의 강도를 감소시키는 효과적인 연질화 소둔 방법 및 소둔강판을 이용하여 후열처리를 실시하는 방법 등에 대한 다양한 연구가 진행되어 왔다. 또한, 연질화 소둔 과정을 거친 열연강판 또는 열연소둔강판을 담금질 열처리를 하는 경우에는 열처리 강도가 하락하는 것으로 잘 알려져 있다.
특허문헌 1에서는 0.15~0.37%의 탄소(C) 함량을 갖는 강에 보론(B) 합금 원소를 첨가한 강을 고온 압연한 뒤, 50℃/sec이상의 냉각속도로 냉각하여 550~650℃에서 권취하고, 640℃~AC1 온도 구간에서 어닐링 열처리를 실시하는 방법으로 열연소둔강판을 제조하는 경우에, 열연 강도가 낮아 냉간 가공성이 우수하며, ??칭 열처리후에는 550Hv이상의 경도를 갖는 강판을 제조할 수 있다는 것을 제시하였다. 특히, 상기 열연소둔강판의 열처리 후 ??칭 경화능을 증대하기 위해 강에 0.0010~0.0050%의 보론(B) 및 0.1% 이하의 알루미늄(Al)을 첨가하여 강 중에 고용 보론(B)의 함량을 적절하게 제어하는 것이 필요한 것으로 명시하고 있다. 그러나, 상기와 같이 다량의 알루미늄(Al)을 첨가하는 경우, 슬라브 제조 과정에서 상대적으로 빠르게 냉각되는 슬라브의 에지부에 다량의 미세 AlN 석출물이 형성되어 슬라브의 고온 연성을 열화시켜 크랙을 유발할 수 있으며, 이로 인해 표면 품질이 양호한 슬라브를 제조하기에 어려움이 있을 수 있다. 또한, 상기 합금성분으로 설계한 열연강판을 어닐링 열처리하여 제조한 열연소둔강판을 870℃에서 가열한 뒤에 수냉하는 경우에는 상기 언급한 경도 값을 확보할 수는 있으나, 높은 탄소 함량으로 인해 수냉시 ??칭 크랙이 발생하여 조기 파단이 될 수 있고, 유냉하는 경우에는 목표로 하는 ??칭 강도를 확보하는데 어려움이 있을 수 있다. 특히, ??칭 강도에 하락이 발생하는 것은 어닐링 열처리된 열연소둔강판 내에 존재하는 구상의 Fe3C 입자가 870℃의 온도에서 짧은 시간 내에 충분하게 페라이트 기지에 고용되지 않아 ??칭후 마르텐사이트 상 내부에 잔존하는 것과 연관된 것으로 보여진다. 특히, ??칭 강도에 하락이 발생하는 것은 어닐링 열처리된 열연소둔강판 내에 존재하는 구상의 Fe3C 입자가 870℃의 온도에서 짧은 시간 내에 충분하게 페라이트 기지에 고용되지 않아 ??칭후 마르텐사이트 상 내부에 잔존하는 것과 연관된 것으로 보여진다. 따라서, 열연소둔강판을 이용하여 소재 자체 또는 부품을 가열 및 ??칭 열처리하는 경우에는 라멜라 또는 구상 Fe3C 입자가 충분하게 고용될 수 있도록 가열 온도를 적정하게 제어할 필요가 있다.
특허문헌 2에서는 0.1~0.4%의 탄소(C)와 크롬(Cr) 및 몰리브텐(Mo) 등의 다양한 합금 원소를 첨가한 강을 열간압연하고, 500~700℃에서 권취한 후에 650~780℃에서 4~16시간 동안 어닐링 열처리를 실시하여 10~30%의 퍼얼라이트와 잔부 페라이트 및 구상화된 Fe3C 상을 갖도록 하는 열연 소둔 강판을 제조하는 방법을 제시하였다. 특히, 목표하는 미세조직의 구성을 위해 5~15T 범위의 자기장을 인가하여 Fe3C 상의 구상화를 촉진할 수 있음을 제안하고 있다. 한편, Fe3C 구상화를 위한 어닐링 온도가 790℃ 경우 페라이트 조직 내에 오스테나이트 형성으로 인해 최종 냉각 후 미세조직 내에 베이나이트 또는 마르텐사이트 상이 형성될 수 있음을 나타내었다. 다만, 790℃미만의 온도에서는 상기 경(Hard)한 조직이 형성되지 않는 지에 대한 언급은 없다.
상기 특허문헌들에 제안된 어닐링 열처리를 실시한 열연소둔강판의 제조 및 자동차 샤시 부품의 제조 공정을 검토하여 보면, 수냉 ??칭-템퍼링 열처리 후에도 1100MPa이상의 항복강도, 1400MPa이상의 인장강도 및 350Hv이상의 경도를 갖는 부재 및 이를 제조할 수 있는 강판에 대한 제안은 개시되어 있지 않다.
일본 공개특허공보 제2010-255066호 한국 등록특허공보 제10-1889173호
본 발명의 일측면은, 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판, 부재 및 이들의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트 및 30면적%이상의 퍼얼라이트로 이루어지는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트 및 세멘타이트로 이루어지며, 상기 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량이 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판을 제공한다.
[관계식 1] 3.8 ≤ Mn+Si+Ni ≤ 6
(여기서, 각 원소의 함량은 중량%를 의미함.)
본 발명의 또 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적%로, 5%미만의 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 중 1종이상과 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하며, 상기 템퍼드 마르텐사이트 내에 0.01㎛이상의 세멘타이트 입자를 평균 10개/100㎛2이상 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재를 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는 단계; 및 상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는 단계;를 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는 단계; 상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는 단계; 및 상기 권취코일을 630~740℃에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리하는 단계;를 포함하고, 상기 BAF 소둔 열처리는 630℃이상으로 가열한 후 5~15시간 유지하는 제1 균열 단계; 상기 제1 균열 처리된 권취코일을 650~740℃의 온도범위로 가열한 후 15~65시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제2 균열 단계; 및 상기 제2 균열 처리된 권취코일을 630℃이상의 온도에서 3~15시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제3 균열 단계;를 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시형태는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는 단계; 상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는 단계; 상기 권취코일을 630~740℃에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리하는 단계; 상기 BAF 소둔 열처리된 권취코일을 성형하여 부재를 얻는 단계; 상기 부재를 860~970℃로 가열하여 1분이상 등온 유지한 후 10℃/s이상의 냉각속도로 250~400℃까지 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 부재를 250~400℃의 온도 범위로 열처리한 후 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하고, 상기 BAF 소둔 열처리는 630℃이상으로 가열한 후 5~15시간 유지하는 제1 균열 단계; 상기 제1 균열 처리된 권취코일을 650~740℃의 온도범위로 가열한 후 15~65시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제2 균열 단계; 및 상기 제2 균열 처리된 권취코일을 630℃이상의 온도에서 3~15시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제3 균열 단계;를 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 소둔 열처리 후에는 낮은 강도를 가져 상온에서도 양호한 부품 성형성을 확보할 수 있는 열연강판을 제공할 수 있으며, 오스템퍼링 열처리 후에는 고강도 및 고경도를 갖는 부재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 1 내지 6 및 비교예 2 내지 5에 대하여 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량과 △TS×부재 경도(Hv)/100 값의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 1을 SEM으로 관찰한 사진이며, (a)는 열연소둔강판, (b)는 부재의 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 1의 부재를 TEM으로 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발명예 4 및 비교예 2, 4의 열연소둔강판을 SEM으로 관찰한 사진이며, (a)는 3000배율, (b)는 5000배율로 관찰한 사진이다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연강판, 열연소둔강판 및 부재에 대하여 설명한다. 먼저, 본 발명 강재의 합금조성에 대해 설명한다. 다만, 하기 설명되는 합금조성의 함량은 특별한 언급이 없는 한, 중량%를 의미한다.
C: 0.3~0.5%
상기 탄소(C)은 강의 강도를 높이는데 효과적인 원소로서 오스템퍼링 열처리후 경도를 증가시킨다. 그 함량이 0.3%미만에서는 오스템퍼링 열처리후 350Hv이상의 충분한 경도를 확보하기 어려운 반면에 0.5%를 초과하는 경우에는 경도 확보는 용이하나 용접에 어려움이 있으며, 오스템퍼링 열처리 전에 용접부에서 균열이 발생할 수 있다. 따라서 탄소(C) 함량은 0.30~0.50%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 C 함량의 하한은 0.32%인 것이 보다 바람직하고, 0.34%인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 C 함량의 상한은 0.45%인 것이 보다 바람직하고, 0.43%인 것이 보다 더 바람직하다.
Mn: 0.7~1.4%
상기 망간(Mn)는 강의 경화능을 높이는데 필수적인 원소로서 강의 오스템퍼링 열처리후 경도를 증가시킨다. 그 함량이 0.7%이하에서는 오스템퍼링 열처리후 350Hv이상의 경도를 확보하기 어렵다. 반면에 1.4%를 초과하면 열연강판 내에 망간 편석대가 현저히 높아지거나 또는 퍼얼라이트가 매우 조밀해진다. 이러한 편석대 또는 미세 퍼얼라이트를 세멘타이트로 균일하게 분산시키기 위해서는 고온 및 장시간의 소둔 열처리를 요구하기에 열처리 원단위를 증가시킨다. 또한, 이 경우에 현재의 소둔 열처리로 열연강도를 감소시키거나 또는 목표하는 구멍확관성을 확보하는데 제약이 있을 수 있다. 따라서 망간(Mn) 함량은 0.7~1.4%의 범위를 갖는 바람직하다. 상기 Mn 함량의 하한은 0.9%인 것이 보다 바람직하고, 1.1%인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 Mn 함량의 상한은 1.3%인 것이 보다 바람직하고, 1.2%인 것이 보다 더 바람직하다.
Si: 0.4% 이하(0%는 제외)
상기 규소(Si)는 강도 또는 연성을 향상시키기 위해 첨가하는 원소로서, 열연 강판 및 열연산세강판의 표면 스케일 문제가 현저하지 않은 범위에서 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 Si의 함량이 0.4%를 초과하는 경우, 산세에 의한 제거가 쉽지 않은 실리콘 산화물 생성으로 표면 결함을 발생시킨다. 또한, 본 발명에서는 0.4% 초과시 현재의 소둔 열처리로 열연강판의 강도를 감소시키는 데 어려움이 있다. 따라서, 상기 규소(Si)의 함량은 0.4% 이하인 것이 바람직하다. 상기 Si 함량은 0.3% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.2% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
P: 0.03% 이하(0%는 제외)
상기 인(P)은 오스테나이트 결정립계 및/또는 상간 입계에 편석되어 취성을 유발할 수 있다. 따라서, 인(P)의 함량은 기능한 낮게 유지하는 것이 바람직하며, 그 함량은 0.03% 이하인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.02% 이하로 제어하는 것이 유리하다.
S: 0.01% 이하(0%는 제외)
상기 황(S)은 강 중에 MnS 비금속 개재물 또는 연주 응고 중에 편석되어 고온 크랙을 유발할 수 있다. 또한 오스템퍼링 열처리 후 강판의 인성을 열화시킬 수 있기 때문에 가능한 낮게 제어하는 것이 필요하다. 따라서, 황(S) 함량은 가능한 낮게 유지하는 것이 바람직하며, 그 함량은 0.01% 이하인 것이 바람직하다.
Al: 0.05% 이하(0%는 제외)
상기 알루미늄(Al)은 탈산제로 첨가되는 원소이다. 한편, 상기 Al은 강 중에 질소(N)와 반응하여 AlN으로 석출이 되는데, 슬라브 제조시 상기 AlN 석출물이 형성되는 경우 슬라브 크랙을 유발하여 주편 또는 열연강판의 품질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 가능한 낮게 유지하는 것이 바람직하며, 그 함량은 0.05% 이하인 것이 바람직하다.
Cr: 0.3% 이하(0%는 제외)
상기 크롬(Cr)은 오스테나이트의 페라이트 변태를 지연시켜 강의 오스템퍼링 열처리시 열처리후 경도를 향상시키는 원소이다. 상기 Cr이 0.3%를 초과하는 경우에는 소둔 열처리를 통한 열연강판의 강도를 감소시키기에 어려움이 있다. 따라서, 상기 크롬(Cr)의 함량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. 상기 Cr 함량은 0.20% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.15% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
Mo: 0.3% 이하(0%는 제외)
상기 몰리브덴(Mo)은 강의 소입성을 증가시키고 미세 석출물을 형성하여 오스테나이트의 결정립을 미세화시키는 원소이다. 또한, 강의 오스템퍼링 열처리후 경도를 향상시키는데 효과가 있다. 그러나, 그 함량이 0.3%를 초과시에는 강의 제조 비용을 증가시키는 단점이 있다. 따라서, 상기 몰리브덴(Mo)의 함량은 0.3% 이하인 것이 바람직하다. 상기 Mo 함량은 0.20% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.10% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
Ni: 0.7%이하(0%는 제외)
상기 니켈(Ni)은 강의 소입성 및 인성을 동시에 증가시키는 원소이다. 한편, 본 발명에서 기본 성분에 니켈(Ni) 함량을 증가시키는 경우에 열연소둔강판의 미세조직을 구성하는 세멘타이트 내의 합금성분 농도를 증가시켜 고온 가열시에도 소지철 내에 세멘타이트가 고용되는 것을 감소시킬 수 있다. 다만, 그 함량이 0.7%를 초과하는 경우에는 세멘타이트의 평균 간격을 증가시킬 수 있고, 강의 제조 비용을 증가시키며, 상기 언급된 효과에 변화가 크지 않다. 따라서, 상기 니켈(Ni)의 함량은 0.7%이하인 것이 바람직하다. 상기 Ni 함량은 0.35% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.15% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
Ti: 0.05% 이하(0%는 제외)
상기 티타늄(Ti)은 열연강판 내에 석출물(TiC, TiCN, TiNbCN) 형성하는 원소로서 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하여 열연강판의 강도를 증가시킨다. 그 함량이 0.05%를 초과하면 급격한 강도 증가로 항복비가 너무 높거나 또는 연신율이 급격하게 감소한다. 따라서, 상기 티타늄(Ti)의 함량은 0.05% 이하인 것이 바람직하다. 상기 Ti 함량은 0.04% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.02% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
B: 0.005% 이하(0%는 제외)
상기 보론(B)은 낮은 함량에도 강의 경화능을 매우 증가시키는 유익한 원소이다. 적정한 함량 첨가되면 페라이트 형성을 억제하여 경화능 증대에 효과적이지만, 과다 함유되면 오스테나이트 재결정 온도를 상승시키며 용접성을 나쁘게 한다. 상기 보론(B)의 함량이 0.005%를 초과하면 상기 경화능 향상 효과가 포화되거나 또는 적절한 강도 및 인성을 확보하는데 어려움이 있다. 따라서, 상기 보론(B)의 함량은 0.005% 이하인 것이 바람직하다. 상기 B 함량은 0.0025% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.002% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
N: 0.008%미만(0%는 제외)
상기 질소(N)는 오스테나이트 안정화 및 질화물 형성 원소이다. 상기 질소(N)의 함량이 0.008%를이상인 경우에는 조대한 AlN 질화물을 형성하여 강판 또는 열처리 부품의 피로 크랙 생성 기점으로 작용하여 피로 내구성을 열화시킬 수 있다. 또한, 보론(B) 원소가 함께 첨가되는 경우에는 유효 보론(B) 함량을 증가시키기 위해 가능한 질소(N) 함량을 낮게 제어하는 것이 필요하다. 따라서, 상기 질소(N)의 함량은 0.008%미만인 것이 바람직하다. 상기 N 함량은 0.006% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.004% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
본 발명 강판의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 철강제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
본 발명에 따른 열연강판, 열연소둔강판 및 부재는 하기 식 1로 표현되는 Ceq가 0.45~0.90의 범위를 만족할 수 있다. 상기 Ceq 값이 0.45미만이면 강도가 저하될 우려가 있으며, 0.90을 초과하게 되면 합금성분의 함량이 과도하게 되어 오스템퍼링 열처리 과정에서 수냉각시 ??칭 크랙이 발생할 수 있으며, 강의 용접성이 저하되고 합금원가가 증가할 우려가 있다.
[식 1] Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
(여기서, 각 원소의 함량은 중량%를 의미함.)
본 발명의 일 실시형태에 따른 열연강판의 미세조직은 페라이트 및 30면적%이상의 퍼얼라이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 페라이트 조직은 열연강판의 연성 증가와 같은 효과를 발휘하며, 상기 퍼얼라이트 조직은 열연강판의 강도 증가와 같은 효과를 발휘한다. 상기 퍼얼라이트의 분율이 30면적% 미만인 경우에는 수냉-??칭-템퍼링 열처리 후에 목적하는 강도 또는 경도를 확보하는데 어려움이 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 퍼얼라이트 분율의 상한에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 그 분율이 86면적% 초과하는 경우에는 수냉-??칭-템퍼링 열처리 후에 목적하는 연성을 확보하기 어렵거나, 열연소둔강판의 Fe3C 입자의 면적분율이 높아져 소둔 열처리 전후의 강도 차이가 작고 경도 값이 상대적으로 높은 단점이 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 열연소둔강판의 미세조직은 페라이트 및 세멘타이트로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 세멘타이트는 구상화된 것일 수 있다. 상기와 같이 미세조직을 제어함으로써, 열연소둔강판의 강도를 충분히 낮게 함으로써 후공정인 성형 공정시 양호한 성형성을 갖도록 하여 부재로의 성형이 원활하게 이루어질 수 있다. 한편, 상기 세멘타이트의 분율은 3~30면적%일 수 있다. 상기 세멘타이트 분율의 하한은 5면적%인 것이 보다 바람직하며, 상기 세멘타이트 분율의 상항은 20면적%인 것이 보다 더 바람직하다.
상기 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량은 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. 상기 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 합량이 3.8미만인 경우에는 열연강판을 Ac1이상의 온도에서 소둔하는 경우에 세멘타이트가 소지철 내에 쉽게 고용될 수 있기 때문에 미고용 세멘타이트 이외에 냉각중 새롭게 형성되는 미세 세멘타이트를 확보하는데 어려움이 있으며, 그 결과로 소둔 열처리 전후에 열연강판의 강도차이(△TS)가 상대적으로 작아 열연소둔강판의 양호한 성형성을 확보하는데 어려움이 있다. 반면, 6을 초과하는 경우에는 Ac1이상의 온도에서 소둔하는 경우에도 세멘타이트를 전체적으로 미세화하는데 어려움이 있어 열연강도를 감소시키는데 제약이 있다.
[관계식 1] 3.8 ≤ Mn+Si+Ni ≤ 6
상기 세멘타이트의 평균 크기는 0.25~0.65㎛일 수 있다. 상기 세멘타이트의 평균 크기가 0.25㎛미만인 경우에는 열연소둔강판의 최종 강도를 낮게 확보하는데 효과적일 수 있는 반면에, 0.65㎛를 초과하는 경우에는 열연소둔강판의 강도를 하향시키는데 어려움이 있을 수 있다. 또한, 후속적으로 성형 부재의 오스템퍼링 열처리 과정 중 고온 가열시 상대적으로 조대한 FeC3 입자의 일부가 소지철에 불충분하게 고용될 수 있어 최종 열처리 부재의 경도를 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
상기 세멘타이트의 평균 간격은 0.4~0.7㎛일 수 있다. 상기 세멘타이트의 평균 간격이 0.4㎛미만인 경우에는 열연소둔강판의 강도가 높거나, 소둔 열처리 전 및 후에 따른 강도 차이(△TS)를 크게 하는데 어려움이 있을 수 있으며, 0.7㎛를 초과하는 경우에는 Fe3C 입자의 평균 크기가 증가하는 경향이 있어 열처리 후 부재의 경도를 확보하는데 어려움이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이 제공되는 본 발명의 열연소둔강판은 530MPa 이하의 인장강도를 가질 수 있고, 소둔 열처리 전 대비 즉, 열연강판 대비 인장강도가 110MPa이상 저하될 수 있으며, 이를 통해, 양호한 성형성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 부재의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트를 주상으로 포함하며, 5%미만의 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 중 1종이상을 포함할 수 있다. 상기와 같이 템퍼드 마르텐사이트를 주조직으로서 포함함으로써, 우수한 강도 및 경도를 확보할 수 있다. 본 발명에서는 템퍼트 마르텐사이트 단상 조직을 포함하는 것이 바람직하나, 제조공정상 불가피하게 5%미만의 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 중 1종이상을 포함할 수 있다.
상기 템퍼드 마르텐사이트 내에는 0.01㎛이상의 세멘타이트 입자를 평균 10개/100㎛2이상 포함될 수 있다. 이와 같이, 0.01㎛이상의 크기를 갖는 세멘타이트 입자의 수를 증가시킴으로써 오스템퍼링 열처리 부재의 높은 항복강도 또는 높은 항복비를 얻을 수 있다. 상기 템퍼드 마르텐사이트 내에 포함되는 0.01㎛이상의 세멘타이트 입자의 수가 10개/100㎛2미만인 경우에는 템퍼드 마르텐사이트 내에 석출하는 Fe3C 분율이 낮아 높은 항복강도를 확보하는데 제약이 있다. 한편, 상기 세멘타이트 입자의 크기는 장축 방향을 기준으로 0.01~0.5㎛일 수 있다. 이와 같이, 길이방향 기준으로 세멘타이트 입자의 크기가 0.01㎛ 미만인 경우에는 냉각정지온도가 본 발명에서 제시된 온도보다 낮은 경우에 해당하는 것으로 이 경우에 인장강도가 매우 높아 열처리 후 8% 이상의 인장강도 증가율을 확보하는데 어려움이 있으며, 크기가 0.5㎛를 초과하는 경우에는 냉각정지온도가 본 발명에서 제시된 온도보다 높아 1400MPa 이상의 인장강도를 확보하는 데 제약이 있다.
전술한 바와 같이, 제공되는 본 발명의 부재는 1100MPa이상의 항복강도, 1400MPa이상의 인장강도 및 350Hv이상의 경도를 가질 수 있으며, 이를 통해, 고강도 및 고경도가 요구되는 스프링 또는 트레일링 링크 등의 자동차 샤시 부품과 같은 제품으로 바람직하게 사용될 수 있다. 본 발명의 부재는 보다 바람직하게는 400Hv 이상의 경도를 가질 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열연강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
우선, 전술한 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열한다. 상기 재가열은 강 슬라브 내에 균일한 조직 및 성분 분포를 갖도록 하기 위한 것으로서, 상기 슬라브 가열 온도가 1150℃미만인 경우에는 강 슬라브에 형성된 석출물이 미고용되거나 성분 균일성을 확보할 수 없다. 반면에 상기 슬라브 가열온도가 1300℃를 초과하는 경우에는 탈탄 깊이의 과도한 증가 및 결정립 성장이 발생하기 때문에 열연강판의 목표 재질 및 표면 품질을 확보하기에 어려움이 있다. 따라서, 상기 슬라브 가열 온도는 1150~1300℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 슬라브 가열 온도의 하한은 1200℃인 것이 보다 바람직하다. 상기 슬라브 가열 온도의 상한은 1250℃인 것이 보다 바람직하다.
이후, 상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는다. 상기 열간 마무리 압연 온도가 Ar3미만인 경우에는 오스테나이트 중의 일부가 페라이트로 변태하여 열간압연에 대한 소재의 변형 저항성이 불균일하게 되어 강판의 직진성을 포함한 통판성이 나빠져 판파단 등의 조업 불량이 발생할 가능성이 높다. 반면, 상기 열간 마무리 압연 온도가 950℃를 초과하는 경우에는 스케일 결함 등이 발생할 가능성이 높다. 따라서, 상기 열간 마무리 압연 온도는 Ar3~950℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 열간 마무리 압연 온도의 하한은 850℃인 것이 보다 바람직하고, 880℃인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 열간 마무리 압연 온도의 상한은 900℃인 것이 보다 바람직하다.
이후, 상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는다. 상기 권취온도를 제어하는 이유는 열연강판의 균일 재질성, 양호한 형상 및 산세강판의 표층부 탈탄깊이를 저감하기 위한 것이다. 상기 권취온도가 600℃미만인 경우에는 열연강판의 폭 또는 길이 방향으로 강도 편차가 증가하거나 또는 상대적으로 높은 열연 강도로 인하여 후속 BAF 소둔 열처리시 강도 감소 또는 연신율 증가에 한계가 있으며, 또한 소둔 시간의 증가를 초래할 수 있다. 반면에 680℃를 초과하는 경우에는 강판의 내부 산화가 조장되거나 조대한 퍼얼라이트가 형성되어 장시간 소둔에도 판상 형태의 세멘타이트를 구상 입자로 형성시키는데 어려움이 있다. 아울러, 이로 인해, 열연강판의 산세 이후 표면 조도가 나빠질 수 있다. 따라서, 상기 권취온도는 600~680℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 권취온도의 하한은 620℃인 것이 보다 바람직하다. 상기 권취 온도의 상한은 660℃인 것이 보다 바람직하다. 한편, 본 발명에서는 상기 열간압연 후 상술한 권위온도 범위까지의 냉각에 대해서는 특별히 한정하지 아니하나, 상기 냉각은 런아웃테이블(ROT)에서 행할 수 있으며, 10~50℃/s의 냉각속도로 행할 수 있다.
상기 권취 공정 후에는 권취코일을 산세 처리하여 열연산세강판으로 제조할 수 있는데, 본 발명에서는 당해 기술분야에서 일반적으로 열연산세공정에서 사용되는 산세처리 방법이라면 어떠한 방법으로도 가능하기에 특정 방법을 제한하지는 않는다. 한편, 본 발명에서는 상술한 일련의 공정을 거쳐 제조된 권취코일에 대해서 후기 언급되는 BAF 소둔 열처리 공정을 거칠 수 있으며, 이때 상기 권취코일을 산세 처리한 이후에 BAF 소둔 열처리 공정을 행할 수 있다. 즉, 본 발명은 권취 공정까지 완료한 권취코일뿐만 아니라, 권취 후 산세 공정을 행한 산세권취코일에 대해서도 BAF 소둔 열처리 공정을 행할 수 있으며, 본 발명에서는 이들을 통틀어 권취코일로 칭함을 밝혀둔다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 열연소둔강판의 제조방법에 대하여 설명한다.
상기 권취 공정 또는 산세 공정 이후, 상기 권취코일을 630~740℃에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리한다. 본 발명에서는 상기 권취코일을 BAF 소둔 열처리함으로써 열연강판 또는 열연산세강판의 페라이트 결정립 크기를 조대화하거나 또는 퍼얼라이트 내에 판상의 세멘타이트의 형상을 구상으로 변형시킨 열연소둔강판을 제조할 수 있다. 본 발명에서는 BAF 소둔 온도 및 시간을 적절하게 제어하여 통 코일 형태의 열연강판 또는 열연산세강판의 강도를 최소화하고자 한다. 본 발명에서는 상기 BAF 소둔 열처리시, 소둔로 내 분위기 가스의 종류에 특별한 제한은 없지만, 수소 또는 수소와 질소 혼합 가스가 사용될 수 있다. 한편, 권취코일의 강도를 최소화하기 위해서는 권취코일을 균일하게 가열 및 균열할 수 있도록 소둔 열처리 패턴의 최적 설정이 매우 중요하다. 이에 따라, 본 발명에서는 권취코일을 630~740℃의 온도 범위에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리하고, 이 때, 크게 3단계의 균열 과정을 거치도록 함으로써 530MPa 이하의 강도를 확보하고자 한다.
한편, 상기 BAF 소둔 열처리 온도가 630℃미만이면 권취코일의 외권부(Outer)와 내권부(Inner) 및 에지부(Edge)와 중심부(Certer)에서 코일의 온도 편차를 감소시키기 위한 균열 온도가 불충분할 수 있으며, 또한 판상의 세멘타이트를 구상으로 변화시키는데에 어려움이 있고, 균열 시간이 과도하게 길어지는 문제가 있다. 반면, 상기 BAF 소둔 열처리 온도가 740℃를 초과하게 되면 권취코일의 온도가 충분히 높아 위치에 따른 온도 편차는 적으나, 구상 세멘타이트가 조대해지거나 또는 미고용 세멘타이트가 과다하게 용해될 수 있어 세멘타이트의 적정 분율을 확보하기 어려워 냉간 가공시 페라이트와 세멘타이트 계면에서 크랙이 쉽게 형성되어 가공 크랙이 발생할 수 있다. 특히, 구멍확장성은 현저하게 감소하게 된다. 또한, 상술한 온도범위에서의 BAF 소둔 열처리시 소둔 시간(균열 시간)은 권취코일을 소둔로에 장입하여 인출하기까지의 총 시간을 기준으로 하며, 이때의 균열 시간이 35시간미만이면 권취코일의 위치에 따른 온도 편차를 낮추기에 충분한 균열이 이루어지지 못하게 된다. 반면, 그 시간이 75시간을 초과하게 되면 판상 또는 구상 세멘타이트, Fe3C 또는 M3C (M = Fe, Mn, Cr, Si, Ni, Cu)의 조대화를 초래할 수 있고, 제조비용의 상승을 유발한다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 권취코일을 균일하게 가열 및 균열할 수 있도록 상기 BAF 소둔 열처리의 패턴을 설정할 수 있다. 구체적으로, 균열 시간의 패턴에 따른 가열 속도, 균열 시간 및 냉각속도는 제조되는 강판의 미세조직 상의 형태 및 크기에 영향을 주므로, 적정 조건으로 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 경우에는 균열을 위한 온도까지의 가열 속도에 대해서는 특별히 한정하지 아니하나, 균열 온도 및 냉각속도에 대해서는 그 조건을 설정할 수 있으며, 하기에 구체적으로 설명한다.
보다 상세하게는, 상기 BAF 소둔 열처리는 630℃이상으로 가열한 후 5~15시간 유지하는 제1 균열 단계; 상기 제1 균열 처리된 권취코일을 650~740℃의 온도범위로 가열한 후 15~65시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제2 균열 단계; 및 상기 제2 균열 처리된 권취코일을 630℃이상의 온도에서 5~15시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제3 균열 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제1 균열시 균열 시간이 5시간 미만이면 권취코일의 위치별 온도를 균일하게 유지하기 어려워 초기 권취코일의 강도 편차를 감소시키는데에 한계가 있으며, 반면 그 시간이 15시간을 초과하게 되면 후속하는 2단계 균열 시간이 충분하지 못하여 구상 세멘타이트를 충분히 형성할 수 없어 열연 강도를 감소시키는데에 한계가 있다. 한편, 상기 제1 균열시 균열 온도의 상한은 670℃일 수 있다.
상기 제1 균열을 완료한 후 제2 균열을 행함에 있어서, 제1 균열이 완료된 권취코일의 가열 속도에 대해서는 특별히 제한하지 아니하나, 적어도 2시간 이내에 목표 온도까지 가열을 완료하는 것이 바람직하다.
상기 제2 균열시 균열 시간이 15시간 미만이면 전체 균열 시간이 부족하여 권취코일의 온도를 균일하게 제어하기 어려우며, 제조되는 강판의 고연신율과 확공성을 확보할 수 없게 된다. 반면, 그 시간이 65시간을 초과하게 되면 구상화된 세멘타이트가 조대화되고 페라이트 결정립도 조대화되어 제조되는 강판의 인장 물성과 확공성을 확보할 수 없게 된다. 상기 제2 균열을 완료한 이후에는 상온까지 냉각할 수 있으며, 이때 상기 제2 균열을 행한 온도가 높을수록 상대적으로 느리게 냉각하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 5℃/s이하(0℃/s 제외)로 냉각을 행할 수 있으며, 보다 더 바람직하게는 1℃/s이하(0℃/s 제외)로 행할 수 있다. 상기 냉각시 냉각속도가 5℃/s를 초과하게 되면 페라이트에서 오스테나이트로의 가열 또는 균열 과정에서 역변태로 형성된 오스테나이트가 냉각 과정에서 페라이트 및 펄라이트로 변태되지 않고 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 변태상으로 형성되어, 제조되는 강판의 강도가 높아지고, 강도 편차도 증가하게 되는 문제가 있다.
상기 제3 균열시에는 앞서 언급한 제1 균열 온도를 적용하되, 균열 시간은 3~15시간으로 하고, 냉각은 상온까지 5℃/s 이하의 냉각속도로 행하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 5℃/s를 초과하게 되면 가열 또는 균열 과정에서 역변태로 형성된 오스테나이트가 냉각 과정에서 페라이트 및 펄라이트로 변태되지 않고 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 변태상으로 형성되어, 제조되는 강판의 강도가 높아지고, 강도 편차도 증가하게 되는 문제가 있다. 또한, 코일 외권부와 내권부의 온도가 증가하게 되어 코일 길이방향 전체적으로 균일한 강도를 확보하는데 어려움이 있다. 한편, 상기 냉각속도는 1℃/s 이하인 것이 보다 바람직하다.
이와 같이, 3단계의 균열 공정을 거치는 경우, 상대적으로 권취코일의 Coldest 위치와 Hottest 위치의 온도 편차를 감소시킬 수 있으며, 따라서 보다 균일한 미세조직을 갖는 열연소둔강판의 길이 방향 및 폭 방향의 강도 편차를 감소시킬 수 있다.
상술한 BAF 소둔 열처리 공정을 완료함으로써 본 발명에서 의도하는 미세조직과 물성을 가지는 강재 즉, 열연소둔강판을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시형태에 따른 부재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 부재는 열연소둔강판을 성형한 후 오스템퍼링 열처리를 행함으로써 제조할 수 있다.
보다 상세하게는, 전술한 바와 같이, 상기 BAF 소둔 열처리된 권취코일을 성형하여 부재를 얻는다. 본 발명에서 열연소둔강판을 성형하는 공정에 대해서는 특별히 한정하지 아니하며, 상기 열연소둔강판을 조관한 후 용접하여 강관으로 제조할 수도 있고, 목표하는 크기로 블랭킹한 후 스탬핑 공정과 같은 냉간 성형을 통해 복잡한 형상을 갖는 부품으로 제조할 수도 있다. 아울러, 상기 성형 공정 후에는 특정 부품 형상을 얻기 위하여, 용접을 수행할 수도 있으며, 본 발명에서는 상기 용접 방법에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, GMAW, CO2 용접, 점용접 등의 방법을 이용할 수 있고, 용접 재료를 사용하여 용접하는 경우에는 동종 또는 이종 소재를 이용한 가열 용접을 이용할 수도 있다. 한편, 상기 강관으로 제조하는 경우에는 경제적으로 유리한 전기저항용접(ERW)을 행할 수 있으며, 이때 90~190KW 정도의 입열량으로 행할 수 있다.
이후, 상기와 같은 성형 공정을 통해 얻어지는 강관 또는 부품(성형품) 등의 부재를 열처리하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 오스템퍼링(austempering) 열처리 공정을 행할 수 있다. 본 발명에서 상기 오스템퍼링 열처리 공정은 특정 온도범위로 가열, 유지 및 냉각한 다음, 다시 특정 온도범위로 가열 및 유지 후 냉각하는 공정이며, 각 조건에 대해서는 하기에 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 부재를 860~970℃로 가열하여 1분이상 등온 유지한 후 10℃/s이상의 냉각속도로 250~400℃까지 냉각한다. 상기 ??칭 공정시 870℃ 이상의 온도로 가열을 행함으로써 부재의 미세조직을 오스테나이트화하고 성분을 균일하게 할 수 있다. 만일, 그 온도가 870℃ 미만이면 가열되는 부재의 전 두께에 걸쳐 오스테나이트 상이 불충분하게 형성되어 열처리 이후 목표로 하는 강도를 확보할 수 없다. 반면, 그 온도가 970℃를 초과하게 되면 부재의 오스테나이트 결정립 크기가 조대해짐에 따라 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 상기 ??칭시 가열온도는 860~970℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 ??칭시 가열온도의 하한은 870℃인 것이 보다 바람직하고, 880℃인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 ??칭시 가열온도의 상한은 950℃인 것이 보다 바람직하고, 930℃인 것이 보다 더 바람직하며, 900℃인 것이 가장 바람직하다. 상술한 온도범위로 가열을 행함에 있어서, 충분한 오스테나이트화를 위하여 1분 이상 그 온도에서 유지할 수 있다. 만일, 유지 시간이 1분 미만이면 부재의 오스테나이트 조직과 성분의 균일 분포가 불균일해질 수 있다. 상기 유지 공정은 부재의 오스테나이트화가 충분히 이루어지는 시간 동안 행할 수 있는 바, 그 시간의 상한에 대해서는 특별히 한정하지 아니하며, 소재의 두께에 따라 적절히 선택할 수 있을 것이다. 상기 가열 및 유지를 행한 부재를 250~400℃까지 냉각할 수 있으며, 이때 냉각된 부재의 조직이 마르텐사이트 상을 주상으로 가지도록 10℃/s 이상의 냉각속도로 행하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 냉각속도가 10℃/s 미만이면 의도하는 미세조직을 형성할 수 없다. 상기 냉각 공정시 냉각속도의 상한은 특별히 한정하지 아니하나, 설비 사양을 고려하여 100℃/s 이하로 행할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 상기 냉각시 방법에 대해서 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 상기 부재를 오일 또는 염욕 냉매를 담구는 것으로 행하여질 수 있다. 상기 냉각정지온도가 250℃ 미만인 경우에는 마르텐사이트 상이 형성되기 쉽기 때문에 오스템퍼링 열처리후에 350Hv 이상의 경도값을 확보하기에는 용이하나, 충분한 인성 또는 연성을 확보하는데 어려움이 있다. 반면, 냉각정지온도가 400℃를 초과하는 경우에는 마르텐사이트 조직 형성에 어려움이 있어 열처리후 350Hv 이상의 경도를 확보하기가 어렵다. 따라서, 상기 냉각정지온도는 250~400℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 냉각정지온도의 하한은 300℃인 것이 보다 바람직하다. 상기 냉각정지온도의 상한은 350℃인 것이 보다 바람직하다.
이후, 상기 냉각된 부재를 250~400℃의 온도 범위로 열처리한 후 상온까지 냉각한다. 상기 열처리 온도가 250℃ 미만이면 마르텐사이트 내에 미세 탄화물이 석출되는 양이 부족하여 강의 인성이 열화되고, 목표 수준의 항복강도를 확보하는데에 어려움이 있다. 반면, 그 온도가 400℃를 초과하게 되면 ??칭된 부재의 강도가 감소하거나 조대한 Fe3C 상이 석출되어 템퍼드 마르텐사이트 취성이 발생할 가능성이 높아진다. 따라서, 상기 열처리 온도는 250~400℃의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도의 하한은 300℃인 것이 보다 바람직하다. 상기 열처리 온도의 상한은 350℃인 것이 보다 바람직하다.
상기 열처리시 유지 시간은 1~60분일 수 있다. 상술한 온도범위에서 열처리시 유지 시간이 1분 미만이면 마르텐사이트 상으로부터 Fe3C 상의 석출이 부족하여 항복강도 및 인성을 충분히 확보할 수 없고, 반면 그 시간이 60분을 초과하게 되면 Fe3C 석출물이 조대해질 우려가 있어, 목표 수준의 강도 확보가 어려울 수 있다. 상기 열처리시 유지 시간의 하한은 5분인 것이 보다 바람직하고, 10분인 것이 보다 더 바람직하다. 상기 유지 또는 가열 온도의 상한은 30분인 것이 보다 바람직하다.
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 기재된 합금조성을 갖는 강 슬라브를 1200±20℃에서 200분 가열하여 균질화처리하였으며, 상기 강 슬라브를 Ar3~950℃에서 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻은 뒤, 600~680℃에서 권취하여 2.5mm 두께의 열연강판(권취코일)을 제조하였다. 이후, 상기 열연강판을 산세 처리한 뒤, 하기 표 2에 개시된 조건으로 BAF 소둔 열처리하여 열연소둔강판을 제조하였다. 상기와 같이 제조된 열연강판 및 열연소둔강판에 대하여 미세조직을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 또한, 상기 열연소둔강판에 대하여 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량을 측정하고, 기계적 물성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
이 때, 미세조직의 측정은 광학현미경(OM), 주사전자현미경(SEM), EBSD(Electron Back-Scattering Diffraction) 및 XRD(X-ray Diffractometer) 분석 장비를 이용하였다.
세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량의 측정은 SEM-EDS 분석장비를 이용하였다.
세멘타이트의 평균 크기는 광학현미경을 이용하여 ×1000 배율에서 미세조직을 3회 측정하고 각 관찰된 미세조직을 image analyzer를 이용하여 정량적으로 측정하였다.
세멘타이트의 평균 간격은 SEM 분석장비를 이용하여 ×1000 및 ×3000 배율에서 관찰한 개별 미세조직을 image analyzer를 이용하여 측정하였다.
상기 기계적 물성 측정시 인장강도는 JIS 5로 규격의 시편을 폭 w/4 지점(여기서, w는 강의 폭 길이를 의미함)에서 압연방향에 평행한 방향으로 채취한 다음, 인장시험기를 이용하여 측정하였다.
상기 기계적 물성 측정시 경도는 비커스 경도계를 이용하여 시편 두께의 t/4 위치를 따라 총 20 points 측정한 다음 그 평균값으로 계산하였다.
이후, 상기 BAF 소둔 열처리된 권취코일을 오스템퍼링 열처리를 실시하거나 냉간 스탬핑 방법을 이용하여 부재로 제조한 후 오스템퍼링 열처리를 실시하였으며, 이 때, 오스템퍼링 열처리 조건은 하기 표 4에 나타내었다. 이와 같이 오스템퍼링 열처리된 부재에 대하여 미세조직과 인장강도, 항복강도, 연신율 및 경도 등의 기계적 물성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 5에 나타내었다. 이 때, 미세조직 및 기계적 물성 측정은 열연소둔강판과 동일하게 진행하였다.
강종 합금조성(중량%)
C Mn Si P S Al Cr Mo Ti Ni B N Ceq
1 0.345 1.28 0.128 0.01 0.0015 0.032 0.148 0.104 0.027 0.100 0.0022 0.0043 0.62
2 0.407 1.01 0.119 0.01 0.0015 0.036 0.148 0.104 0.029 0.028 0.0020 0.0042 0.63
3 0.431 1.02 0.125 0.009 0.0013 0.027 0.132 0.092 0.025 0.032 0.0018 0.0045 0.65
4 0.425 1 0.098 0.01 0.002 0.016 0.198 0.102 0.030 0.304 0.0019 0.0038 0.67
5 0.424 1.03 0.097 0.0097 0.002 0.03 0.198 0.103 0.031 0.505 0.0020 0.0035 0.69
6 0.427 1 0.095 0.01 0.002 0.028 0.197 0.101 0.030 0.710 0.0020 0.0036 0.70
7 0.42 1 0.095 0.009 0.0018 0.022 0.198 0.102 0.028 0.924 0.018 0.0032 0.71
8 0.34 0.67 0.2 0.012 0.001 0.04 0.190 0 0 0 0 0.0047 0.49
9 0.44 0.67 0.2 0.012 0.001 0.042 0.190 0 0 0 0 0.0050 0.59
Ceq= C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
구분 강종 1차 균열 2차 균열 3차 균열
온도
(℃)
유지시간
(시간)
온도
(℃)
유지시간
(시간)
냉각속도
(℃/s)
온도
(℃)
유지시간
(시간)
냉각속도
(℃/s)
발명예1 1 650 7 740 13 0.02 650 3 0.06
발명예2 2 650 8 740 13 0.02 650 3 0.06
발명예3 3 650 7 740 13 0.02 650 3 0.06
발명예4 4 650 7 740 13 0.02 650 3 0.06
발명예5 5 650 7 740 13 0.02 650 3 0.06
발명예6 6 630 7 680 13 0.01 630 3 0.04
비교예1 7 650 7 740 13 0.02 670 3 0.06
비교예2 8 650 7 740 13 0.02 670 3 0.06
비교예3 8 630 7 680 20 0.05 - - -
비교예4 9 650 7 740 13 0.02 670 3 0.06
비교예5 9 630 7 680 20 0.05 - - -
구분 열연강판 열연소둔강판 △TS
(MPa)
미세조직
(면적%)
미세조직
(면적%)
세멘타이트 내 Mn+ Si+Ni 함량
(중량%)
세멘타이트
평균 크기
(㎛)
세멘타이트
평균 간격
(㎛)
인장
강도
(MPa)
경도
(Hv)
F P F Fe3C
발명예1 56.8 43.2 89.0 11.0 4.4 0.34 0.61 513 147 112
발명예2 27.7 72.3 87.8 12.2 5.1 0.37 0.56 522 156 156
발명예3 28.8 71.2 89.3 10.7 4.0 0.33 0.65 511 161 161
발명예4 29.7 70.3 86.4 13.6 3.9 0.59 0.70 499 167 158
발명예5 28.5 71.5 87.1 12.9 4.0 0.49 0.65 501 163 149
발명예6 26.0 74.0 85.9 14.1 4.7 0.49 0.53 525 171 152
비교예1 25.9 74.1 79.4 20.6 4.8 0.58 0.24 572 185 195
비교예2 58.3 41.7 89.1 11.0 3.7 0.44 0.75 439 108 103
비교예3 58.3 41.7 81.2 18.8 3.1 - 0.23 464 141 78
비교예4 45.4 54.6 88.6 11.4 3.6 0.68 0.98 517 110 128
비교예5 45.4 54.6 85.3 14.7 2.1 - 0.27 542 157 90
F: 페라이트, P: 퍼얼라이트, Fe3C: 세멘타이트
△TS: 열연강판 인장강도 - 열연소둔강판 인장강도
구분 가열온도
(℃)
유지시간
(분)
냉각속도
(℃/s)
냉각정지온도
(℃)
열처리온도
(℃)
유지시간
(분)
발명예1 870 5 30 300 350 7.3
발명예2 870 10 30 250 350 5.2
발명예3 870 10 30 250 350 5.2
발명예4 880 10 30 300 400 1.3
발명예5 870 5 40 300 350 7.3
발명예6 880 7 40 300 350 7.3
비교예1 850 7 35 300 350 7.2
비교예2 870 7 30 300 350 5.2
비교예3 870 5 30 300 350 5.2
비교예4 870 7 30 300 350 5.2
비교예5 870 5 30 300 350 5.2
구분 미세조직(면적%) 항복강도(MPa) 인장강도(MPa) 연신율(%) 경도(Hv)
발명예1 TM:98, B+A:2 1305 1402 9.1 425
발명예2 TM:98, B+A:2 1216 1495 9.0 453
발명예3 TM:97, B+A:3 1424 1522 9.3 461
발명예4 TM:98, B+A:2 1208 1431 8.9 434
발명예5 TM:97, B+A:3 1328 1445 8.8 438
발명예6 TM:97, B+A:3 1313 1453 8.8 440
비교예1 TM:97, B+A:3 1298 1465 8.1 445
비교예2 F:89, P:11 375 565 29.9 171
비교예3 F:81, P:19 399 607 28.7 184
비교예4 F:89, P:10 539 715 21.3 217
비교예5 F:85, P:5 535 717 20.3 217
TM: 템퍼드 마르텐사이트, B: 베이나이트, A: 잔류 오스테나이트
상기 표 1 내지 5를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 합금조성 및 제조조건을 부합하는 발명예 1 내지 6의 경우에는 열연강판, 열연소둔강판 및 부재의 미세조직이 본 발명이 제안하는 범위를 충족하며, 이에 따라, 열연소둔강판의 강도가 낮거나 △TS의 값이 높아, 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 것을 알 수 있다. 더하여, 상기 열연소둔강판을 이용하여 제조된 부재의 경우, 항복강도: 1100MPa이상, 인장강도: 1400MPa이상 및 경도: 400 Hv이상인 조건을 만족하여 우수한 기계적 물성을 확보하고 있을을 알 수 있다.
반면, 비교예 1 내지 5의 경우에는 본 발명이 제안하는 합금조성 또는 제조조건에 부합하지 않음에 따라, 이에 따라, 열연소둔강판의 강도가 높거나 △TS의 값이 낮아, 오스템퍼링 열처리 특성이 양호하지 않음을 알 수 있다. 이로 인해, 상기 열연소둔강판을 이용하여 제조된 부재의 경우, 본 발명이 제안하는 기계적 물성을 확보하고 있지 못하고 있음을 알 수 있다. 한편, 비교예 3 및 5의 경우에는 열연소둔강판의 세멘타이트가 과도하게 미세하여 그 크기를 측정하기 곤란하였다.
도 1은 발명예 1 내지 6 및 비교예 2 내지 5에 대하여 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량과 △TS×부재 경도(Hv)/100 값의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 1을 통해 알 수 있듯이, 발명예 1 내지 6의 경우에는 비교예 2 내지 5에 비하여 본 발명이 제안하는 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량 범위를 만족함에 따라 △TS×부재 경도(Hv)/100 값이 높은 수준임을 알 수 있다.
도 2는 발명예 1을 SEM으로 관찰한 사진이며, (a)는 열연소둔강판, (b)는 부재의 사진이다. 도 3은 발명예 1의 부재를 TEM으로 관찰한 사진이다. 도 2 및 3을 통해 알 수 있듯이, 발명예1의 경우에는 본 발명이 제안하는 적정 분율의 미세조직을 확보하고 있음을 알 수 있다.
도 4는 발명예 4 및 비교예 2, 4의 열연소둔강판을 SEM으로 관찰한 사진이며, (a)는 3000배율, (b)는 5000배율로 관찰한 사진이다. 도 4를 통해 알 수 있듯이, 발명예 4의 경우에는 본 발명이 제안하는 세멘타이트 평균 크기 및 간격을 만족하고 있으나, 비교예 2, 4의 경우에는 세멘타이트 평균 크기 또는 간격이 본 발명의 조건을 만족하고 있지 않음을 알 수 있다.

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 페라이트 및 세멘타이트로 이루어지며,
    상기 세멘타이트 내에 존재하는 Mn, Si 및 Ni의 함량이 하기 관계식 1의 조건을 만족하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
    [관계식 1] 3.8 ≤ Mn+Si+Ni ≤ 6
    (여기서, 각 원소의 함량은 중량%를 의미함.)
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열연소둔강판은 하기 식 1로 표현되는 Ceq가 0.45~0.90인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
    [식 1] Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
    (여기서, 각 원소의 함량은 중량%를 의미함.)
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 세멘타이트의 분율은 3~30면적%인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 세멘타이트의 평균 크기는 0.25~0.65㎛인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 세멘타이트의 평균 간격은 0.4~0.7㎛인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 열연소둔강판은 530MPa 이하의 인장강도를 갖는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
  9. 청구항 3에 있어서,
    상기 열연소둔강판은 소둔 열처리 전 대비 인장강도가 110MPa이상 저하되는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판.
  10. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 면적%로, 5%미만의 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 중 1종이상과 잔부 템퍼드 마르텐사이트를 포함하며,
    상기 템퍼드 마르텐사이트 내에 0.01㎛이상의 세멘타이트 입자를 평균 10개/100㎛2이상 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 부재는 하기 식 1로 표현되는 Ceq가 0.45~0.90인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재.
    [식 1] Ceq = C + Mn/6 + (Cr+Mo+V)/5 + (Ni+Cu)/15
    (여기서, 각 원소의 함량은 중량%를 의미함.)
  12. 삭제
  13. 청구항 10에 있어서,
    상기 부재는 항복강도: 1100MPa이상, 인장강도: 1400MPa이상 및 경도: 400 Hv이상인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재.
  14. 삭제
  15. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열하는 단계;
    상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는 단계;
    상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는 단계; 및
    상기 권취코일을 630~740℃에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 BAF 소둔 열처리는 630~670℃로 가열한 후 5~15시간 유지하는 제1 균열 단계; 상기 제1 균열 처리된 권취코일을 680~740℃의 온도범위로 가열한 후 15~65시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제2 균열 단계; 및 상기 제2 균열 처리된 권취코일을 630℃이상의 온도에서 3~15시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제3 균열 단계;를 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 열연소둔강판의 제조방법.
  16. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Mn: 0.7~1.4%, Si: 0.4% 이하(0%는 제외), P: 0.03% 이하(0%는 제외), S: 0.01% 이하(0%는 제외), Al: 0.05% 이하(0%는 제외), Cr: 0.3% 이하(0%는 제외), Mo: 0.3% 이하(0%는 제외), Ni: 0.7%이하(0%는 제외), Ti: 0.05% 이하(0%는 제외), B: 0.005% 이하(0%는 제외), N: 0.008%미만(0%는 제외), 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1150~1300℃에서 가열하는 단계;
    상기 가열된 강 슬라브를 Ar3~950℃의 온도로 열간 마무리 압연하여 열연강판을 얻는 단계;
    상기 열연강판을 600~680℃에서 권취하여 권취코일을 얻는 단계;
    상기 권취코일을 630~740℃에서 35~75시간 동안 BAF 소둔 열처리하는 단계;
    상기 BAF 소둔 열처리된 권취코일을 성형하여 부재를 얻는 단계;
    상기 부재를 860~970℃로 가열하여 1분이상 등온 유지한 후 10℃/s이상의 냉각속도로 250~400℃까지 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각된 부재를 250~400℃의 온도 범위로 열처리한 후 상온까지 냉각하는 단계;를 포함하고,
    상기 BAF 소둔 열처리는 630~670℃로 가열한 후 5~15시간 유지하는 제1 균열 단계; 상기 제1 균열 처리된 권취코일을 680~740℃의 온도범위로 가열한 후 15~65시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제2 균열 단계; 및 상기 제2 균열 처리된 권취코일을 630℃이상의 온도에서 3~15시간 유지한 다음 5℃/s이하의 냉각속도로 상온까지 냉각하는 제3 균열 단계;를 포함하는 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재의 제조방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 냉각된 부재의 열처리시 유지시간은 1~60분인 오스템퍼링 열처리 특성이 우수한 부재의 제조방법.

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