KR102459164B1 - 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법 - Google Patents

강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법 Download PDF

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이석빈
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전한솔
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울산과학기술원
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Abstract

본 발명은, 이상강과 복합상강의 기계적 특성을 이해하기 위한 간단하고 신뢰성있는 검사방법으로서 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법을 제공한다. 본 발명의 일실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법은, 강재를 제공하는 단계; 상기 강재에 형성된 홀을 이용하여 홀확장성 시험을 수행하는 단계; 상기 홀을 중심으로 변형된 영역에 대하여 나노 압입 시험을 수행하는 단계; 상기 나노 압입 시험에 의하여 대상 상(phase)에 형성된 나노 압흔의 깊이와 상기 나노 압흔의 중심으로부터 상기 대상 상에 접촉된 다른 상까지의 최단 이격 거리를 취득하는 단계; 및 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)를 이용하여, 상기 나노 압흔에 의하여 산출된 경도를 판단하는 단계;를 포함한다.

Description

강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법{Method of evaluation stretch flangeability for steel}
본 발명의 기술적 사상은 강재의 검사방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 관한 것이다.
이상강(dual-phase steel, DP)과 복합상강(complex-phase steel)은 구조재 물질로서 광범위하게 사용되고, 특히 자동차 산업에서의 광범위하게 사용된다. 상기 이상강은 페라이트 상과 마르텐사이트 상으로 구성되고, 상기 복합상강은 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 베이나이트 상으로 구성된다. 상기 이상강과 상기 복합상강은 적절한 강도 및 연성을 동시에 가지지만, 성형성이 낮은 문제가 있다. 구성 상에서의 다른 기계적 특성들에 기인한 변형률 차이는 상기 구성 상들의 계면 경계에서 응력 집중을 유발하게 되고, 따라서 낮은 성형성을 나타내게 된다. 따라서, 구성 상의 기계적 특성들에 대한 이해는 이상강 및 복합상강의 기계적 특성들을 설계하고 증가시키기에 중요한 요소이다.
이상강에 대한 종래의 연구 결과에서는, 인장 시험을 수행하는 동안 강한 마르텐사이트 상에 비하여 연한 페라이트 상에서 국부 변형률이 더 크게 되고, 결과적으로 마르텐사이트 상과 페라이트 상 사이에 변형률 차이를 크게 발생시키게 된다. 이러한 변형률 차이로부터 발생되는 응력 집중은 계면 경계에 공극들을 형성하고, 상기 계면 경계를 따라서 크랙의 핵생성과 전달을 발생시키게 된다. 후방산란전자회절 및 X-선 미세 토모그래피 결과로부터, 이러한 변형률 차이는 템퍼링 온도의 증가에 의하여 완화됨을 알 수 있고, 강한 상과 연한 상의 경도 차이는 계면 경계에서의 변형률 차이와 공극 형성을 결정하는 주요소임을 알 수 있다.
나노 기계적 시험들이 사용하여, 서브 마이크로 크기를 가지는 구성 상의 기계적 특성을 측정하였다. 집속 이온 빔(FIB) 밀링에 의하여 준비된 나노 필러의 인장 및 압축을 이용하여, 이상강을 구성하는 각각의 상의 단축 응력 변형률 곡선을 측정하였다. 상기 측정 결과로부터, 상기 구성 상의 강도와 변형 경화 속도를 취득하고, 컴퓨터 시뮬레이션과 결합하여, 이상강의 기계적 거동 및 성형성을 예측하였다. 그러나, 이러한 방법은 복잡하고 비용이 많이 요구되므로, 이상강과 복합상강의 기계적 특성을 이해하기 위한 간단하고 신뢰성있는 검사방법이 요구된다.
한국등록특허번호 제10-1607786호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상강과 복합상강의 기계적 특성을 이해하기 위한 간단하고 신뢰성있는 검사방법으로서 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법을 제공하는 것이다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법은, 강재를 제공하는 단계; 상기 강재에 형성된 홀을 이용하여 홀확장성 시험을 수행하는 단계; 상기 홀을 중심으로 변형된 영역에 대하여 나노 압입 시험을 수행하는 단계; 상기 나노 압입 시험에 의하여 대상 상(phase)에 형성된 나노 압흔의 깊이와 상기 나노 압흔의 중심으로부터 상기 대상 상에 접촉된 다른 상의 경계까지의 최단 이격 거리를 취득하는 단계; 및 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)를 이용하여, 상기 나노 압흔에 의하여 산출된 경도를 판단하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d > 10h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 상기 대상 상의 고유 경도로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 3h ≤ d ≤ 7h 의 관계이고, 상기 대상 상이 페라이트 상인 경우에는, 상기 경도를 기하적 필수 전위층의 경도로 판단할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d < 3h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 제외할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계는, 상기 강재의 압연 방향 및 폭 방향의 중심부에서 취득한 시편을 이용하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계는, 상기 홀로부터 20 μm 내지 100 μm 이격된 영역에서 나노 압입을 수행하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 나노 압흔의 깊이와 상기 최단 이격 거리를 취득하는 단계는, 주사전자현미경을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강재를 제공하는 단계는, 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계; 상기 강재를 800℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 열처리하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 페라이트-오스테나이트 미세조직으로 변화시키는 단계; 상기 강재를 마르텐사이트 변태개시온도 이하로 냉각하여 마르텐사이트 상을 형성하는 단계; 및 상기 강재를 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 템퍼링하여 템퍼드 마르텐사이트 상, 베이나이트 상 또는 이들 모두를 형성하는 단계; 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계는, 상기 강재의 구성 성분을 용융하고 주조하여 주조 잉곳을 제공하는 단계; 상기 주조 잉곳을 1100℃ 내지 1300℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계; 상기 주조 잉곳을 열간 압연하여 열연 강재를 형성하는 단계; 상기 열연 강재를 450℃ 내지 650℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계; 상기 열연 강재를 로내 냉각하는 단계; 및 상기 열연 강재를 냉간 압연하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 제공하는 냉연 강재를 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강재는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상으로 구성된 이상강을 포함하거나 또는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 템퍼드 마르텐사이트 상, 및 베이나이트 상으로 구성된 복합상강을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 강재는, 탄소(C): 0.12 중량% 내지 0.16 중량%, 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)의 합: 0.3 중량% 내지 1.6 중량%, 망간(Mn): 2.0 중량% 내지 2.4 중량%, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mn)의 합: 0.1 중량% 내지 0.5 중량%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법은, 이상강과 복합상강의 신장 플랜지성을 성형성의 척도로서 홀확장성 시험을 이용하여 측정하고, 홀확장성 시험 전후의 구성 상의 경도를 측정하도록 나노 압입 방법을 이용한다. 제1 이상강(DP1)과 제2 이상강(DP2)의 홀확장비는 51%와 126%이었고, 복합상(CP1)의 홀확장비는 136%이었다. 공극 형성의 주요 위치는 제1 이상강(DP1)에서는 계면 경계이고, 제2 이상강(DP2)에서는 마르텐사이트 상에 인접하고 많은 기하적 필수 전위가 형성된 페라이트 상이었고, 복합상(CP1)에서는 마르텐사이트 상으로 나타났다. 강한 상과 연한 상의 경도비는 성형성의 주요 지표이고, 강한 상과 연한 상의 계면 경계들에서의 변형률 차이에 의한 응력 집중을 유도한다. 여기에서, 구성 상의 변형 경화능이 기하적 필수 전위층의 경도에 의존하고, 변형 하에서의 변형률 차이가 기하적 필수 전위층의 경도와 강한 상과 연한 상의 경도비에 의하여 결정됨을 발견하였다. 이러한 결과로부터, 응력 분산층으로서 기하적 필수 전위층이 제안되고, 성형성의 중요한 기능으로서 연한 상의 기하적 필수 전위층들의 경도가 제안됨을 알 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법을 도시하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 홀확장성 시험을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에서 대상 상의 경도를 판단하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 형성된 나노 압흔의 구분법을 설명하기 위한 주사전자현미경 사진들이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행하기 전의 주사전자현미경 사진들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 EBSD 결과를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 주사전자현미경 사진들이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 공극 크기에 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 공극을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행하기 전의 경도 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 경도 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 홀확장비와 구성 상에 대한 경도 증가율을 나타내는 그래프들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재에 대하여 홀확장성 시험을 수행하기 전후의 구성 상에서의 경도 분포를 나타내는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명자들은, 강재를 구성하는 구성 상을 나노 압입(nanoindentation) 방법을 이용하여 경도를 측정한 결과, 변형률 차이에 기인하는 응력 집중이 좁은 범위의 경도 분포에서는 감소되며, 강한 상과 연한 상 사이의 중간 수준의 경도를 가지는 상은, 예를 들어 베이나이트 상과 템퍼드 마르텐사이트 상은, 강재의 성형성을 증가시킴을 발견하였다. 또한, 연한 상인 페라이트 상 내에의 불균일한 변형은 강한 상이 마르텐사이트 상에 인접한 인접 영역에 위치하는 페라이트 상에서 두드러지게 발생하고, 상기 마르텐사이트의 상 변태에 의한 부피 팽창에 기인하여 상기 인접 영역에서 기하적 필수 전위(geometrically necessary dislocation, GND)가 형성됨을 관찰하였다. 여기에서, 강한 상 및 연한 상과 비교하여, 연한 상 내에서 발생하는 기하적 필수 전위들은 계면 경계들에서 응력 분산을 야기시킬 수 있고, 성형성에 영향을 끼치게 된다.
이상강 및 복합상강에 대하여 홀확장성(HER) 시험을 수행한 후에, 형성되는 공극에 의하여 응력 집중 위치들을 관찰할 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이상강과 복합상강에 대하여 홀확장성 시험 전과 후에 나노 압입 시험을 각각 수행하여, 응력 집중 위치들을 관찰하였다.
상기 홀확장성 시험을 수행한 후에는, 구성 상과 기하적 필수 전위들을 가지는 기하적 필수 전위층의 경도가 증가되었고, 이러한 경도 증가는 불균일한 변형률 분포 하에서의 상기 구성 상의 변형 경화능을 나타내는 것으로 분석된다. 따라서, 상기 구성 상의 변형 경화능은 상기 기하적 필수 전위층의 경도 및 강한 상과 연한 상의 경도 비에 의존하는 것으로 분석된다.
상기 홀확장성 시험은 강재와 같은 시편에 원형으로 천공을 하여 홀을 형성하고, 상기 홀에 원추형, 원통형 또는 반구형 등의 형상을 가진 펀치를 삽입하여, 상기 홀 주위의 상기 시편의 엣지에서 두께를 관통하는 크랙이 발생할 때까지 상기 홀을 확장하여 성형하는 시험법이다. 상기 홀의 크기를 시험 전과 후에 측정하여 하기의 식을 이용하여 홀확장비(HER)를 산출한다.
본 발명의 기술적 사상은, 상기 홀확장성 시험에 따른 변형 후, 강재 시편에 대하여 나노 압입을 수행하여, 소재의 구성 상에 대한 경도를 명확하게 파악하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법(S100)을 도시하는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법(S100)은, 강재를 제공하는 단계(S110); 상기 강재에 형성된 홀을 이용하여 홀확장성 시험을 수행하는 단계 (S120); 상기 홀을 중심으로 변형된 영역에 대하여 나노 압입 시험을 수행하는 단계 (S130); 상기 나노 압입 시험에 의하여 대상 상(phase)에 형성된 나노 압흔의 깊이와 상기 나노 압흔의 중심으로부터 상기 대상 상에 접촉된 다른 상의 경계까지의 최단 이격 거리를 취득하는 단계(S140); 및 상기 나노 압흔의 깊이와 상기 최단 이격 거리를 이용하여, 상기 나노 압흔에 의하여 산출된 경도를 판단하는 단계(S150);를 포함한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 홀확장성 시험을 설명하는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 상기 홀확장성 시험은 강재로 구성된 대상 강재 시편의 홀을 통하여 원추형 팁을 삽입하고, 주 크랙이 생성되면 중단하는 방식으로 수행한다. 상기 홀확장성 시험 전 홀 직경과 홀확장성 시험 후 홀 직경을 이용하여 하기에 식에 따라 홀확장비를 계산할 수 있다. 상기 홀확장비를 이용하여 상기 대상 강재 시편의 신장 플랜지 성형성을 평가할 수 있다.
홀확장비 = (df - d0)/ d0 x 100(%)
(여기에서, d0 : 홀확장성 시험 전 홀 직경, df : 홀확장성 시험 후 홀 직경)
상기 홀확장성 시험에서, 전기 방전 와이어 절단법을 이용하여 강판의 중간에 10 mm의 직경(d0)의 원형 홀을 형성하였다. 상기 전기 방전 와이어 절단법은, 기계적 펀칭법과는 다르게, 홀의 둘레에 심각한 전단 변형을 야기하지 않으며, 홀확장성 시험 동안에 변형 강화에 의하여 경도 증가가 발생할 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하면, 홀확장성 시험을 종료한 후의 대상 강재 시편의 사진이다. 상기 대상 강재 시편에는 주 크랙이 발생함을 알 수 있다. 상기 홀확장성 시험을 종료한 후에, 홀의 에지의 상부에서 주 크랙에 인접한 영역에 대하여 미세구조 관찰과 경도 측정을 수행하였다. 상기 홀로부터 예를 들어 20 μm 내지 100 μm 이격된 영역, 예를 들어 약 50 μm 이격된 영역에서 나노 압입을 수행할 수 있다. 상기 나노 압입이 수행되는 영역은 적색 점선으로 표시되어 있다. 상기 나노 압입이 수행되는 영역에서는 3축 응력 상태가 계면 경계들에서 주도적으로 변형률 차이에 의한 응력 집중을 증가시킴을 알 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에서 대상 상의 경도를 판단하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 나노 압입 시험에 의하여 강재의 대상 상에 형성된 나노 압흔은 나노 압흔의 깊이(h)를 가진다. 상기 나노 압흔의 깊이(h)의 3 배, 즉 3h의 반경에 해당되는 반구 영역은 상기 나노 압입에 의한 소성 변형 영역이 된다. 상기 나노 압흔의 깊이(h)의 10 배, 즉 10h의 반경에 해당되는 반구 영역은 상기 나노 압입에 의한 탄성 변형 영역이 된다. 상기 소성 변형 영역과 상기 탄성 변형 영역은 표면으로부터 깊이 방향뿐만 아니라 상기 표면으로부터 수평 방향으로도 형성되게 된다. 따라서, 상기 소성 변형 영역과 상기 탄성 변형 영역과 상기 대상 상의 결정립의 크기를 함께 고려할 필요가 있다. 예를 들어, 상기 소성 변형 영역에 비하여 상기 결정립의 크기가 작은 경우에는, 결정 입계에 의한 강도 증가가 발생하여 상기 대상 상의 고유 경도에 비하여 높은 경도가 측정될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 황색 삼각형으로 표시된 나노 압흔 및 상기 나노 압흔의 중심으로부터 상기 대상 상에 접촉된 다른 상의 경계까지의 최단 이격 거리(d)가 도시되어 있다.
상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)의 관계를 기준으로 상기 대상 상의 경도를 판단할 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계(S150)에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d > 10h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 상기 대상 상의 고유 경도로 판단할 수 있다.
상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계(S150)에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 3h ≤ d ≤ 7h 의 관계이고, 상기 대상 상이 약한 상, 예를 들어 페라이트 상인 경우에는, 상기 경도를 기하적 필수 전위층의 경도로 판단할 수 있다.
상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계(S150)에서, 상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d < 3h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 제외할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계(S130)는, 상기 강재의 압연 방향 및 폭 방향의 중심부에서 취득한 시편을 이용하여 이루어질 수 있다. 상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계(S130)는, 상기 홀로부터 20 μm 내지 100 μm 이격된 영역에서 나노 압입을 수행하여 이루어질 수 있다.
상기 나노 압흔의 깊이와 상기 최단 이격 거리를 취득하는 단계(S140)는, 주사전자현미경을 이용하여 수행될 수 있다.
상기 강재는 다양한 강재를 이용할 수 있고, 예시적으로 하기와 같은 방법을 이용하여 강재를 제공할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 강재를 제공하는 단계(S110)는, 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계; 상기 강재를 800℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 열처리하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 페라이트-오스테나이트 미세조직으로 변화시키는 단계; 상기 강재를 마르텐사이트 변태개시온도 이하로 20초 이내로 냉각하여 마르텐사이트 상을 형성하는 단계; 및 상기 강재를 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 템퍼링하여 템퍼드 마르텐사이트 상, 베이나이트 상 또는 이들 모두를 형성하는 단계; 포함할 수 있다.
상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계는, 상기 강재의 구성 성분을 용융하고 주조하여 주조 잉곳을 제공하는 단계; 상기 주조 잉곳을 1100℃ 내지 1300℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계; 상기 주조 잉곳을 열간 압연하여 열연 강재를 형성하는 단계; 상기 열연 강재를 450℃ 내지 650℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계; 상기 열연 강재를 로내 냉각하는 단계; 및 상기 열연 강재를 냉간 압연하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 제공하는 냉연 강재를 제공하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 강재는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상으로 구성된 이상강을 포함할 수 있다.
상기 강재는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 템퍼드 마르텐사이트 상, 및 베이나이트 상으로 구성된 복합상강을 포함할 수 있다.
상기 강재는, 탄소(C): 0.12 중량% 내지 0.16 중량%, 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)의 합: 0.3 중량% 내지 1.6 중량%, 망간(Mn): 2.0 중량% 내지 2.4 중량%, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mn)의 합: 0.1 중량% 내지 0.5 중량%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
실험예
이하에서는 본 발명의 이해를 돕기 위한 실험예에 대해서 설명한다. 하기의 실험예는 발명의 이해를 돕기 위해 제시되는 것이며, 본 발명의 하기 실험예로 한정되는 것은 아니다.
표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 화학 성분 및 함량(중량%)을 나타내는 표이다. 잔부는 철과 기타 불가피한 불순물로 구성된다.
C Si + Al Mn Cr + Mo Fe
제1 이상강(DP1) 0.12 1.1 2.2 0.5 잔부
제2 이상강(DP2) 0.16 1.6 2.2 0.1 잔부
복합상강(CP1) 0.12 0.3 2.2 0.5 잔부
제1 이상강(DP1)은 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 템퍼드 마르텐사이트 상으로 구성되었다. 복합상강(CP1)은 페라이트상, 마르텐사이트 상, 템퍼드 마르텐사이트 베이나이트 상으로 구성되었다. 제2 이상강(DP2)은 상업적으로 취득할 수 있는 이상강이고, 상 부피 분율, 상 크기, 및 경도 분포 등의 특성이 복합상강(CP1)과 유사하였다.
상기 표 1의 화학 조성을 가지는 강재들을 각각 진공 용융을 이용하여 용융시킨 후 주조하여, 45 mm 두께의 주조 잉곳들을 형성하였다. 이어서, 상기 주조 잉곳들을 1250℃에서 2 시간 동안 열처리하고, 열간 압연하여 3.2 mm 두께의 강판을 형성한 후에, 550℃에서 2 시간 동안 유지시킨 후, 로내 냉각하였다. 이어서, 냉간 압연을 6회 내지 8회로 수행하여, 두께를 약 50% 이하로 감소시켰다. 두께는 약 10 mm 이었다. 이에 따라, 상기 강재들은 미세 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가졌다.
이어서, 835℃에서 80 초 동안 열처리하여, 상기 페라이트-펄라이트로부터 페라이트-오스테나이트 미세조직으로 변화시켰다. 이어서, 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)로 30초 이내로 냉각하여 마르텐사이트 상을 형성하였다, 상기 마르텐사이트 상들을 템퍼링하기 위하여, 제1 이상강(DP1) 및 제2 이상강(DP2)은 320℃에서 240 초 동안 유지하고, 복합상강(CP1)은 385℃에서 240 초 동안 유지하였다. 상기 복합상강(CP1)에서는 베이나이트 상을 형성하기 위하여 냉각 속도를 낮게 하였다.
홀확장성 시험 및 나노 압입 시험을 위하여, 상기 이상강 및 복합상강의 벌크(bulk)로부터 압연 방향 및 폭 방향의 중심부에서 대상 강재 시편을 취득하였다.
상기 나노 압입 시험을 위한 상기 대상 강재 시편의 상부 표면은 기계적 연마하여, 두께를 1.6 mm에서 0.8 mm로 감소시키고, 두께 방향의 중심에서 나노 압입 시험을 수행하였다.
주사전자현미경 관찰은 2차 전자(second electron, SE) 모드를 이미징하는 FE-SEM (Quanta 3D FEG, FEI)를 이용하여 수행하였다, 상기 주사전자현미경 사진에 의하여 미세구조, 공극 형성, 및 잔류 압흔이 나타났다.
상기 나노 압입 시험은 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)에 대하여 수행하였으며, 상기 홀확장성 시험 전과 후에 수행하였다. 상기 나노 압입 시험을 위한 강재 시편은 0.25 μm의 입자 크기를 가지는 다이아몬드 서스펜션을 사용하여 기계적 연마와 과염소산 10%와 아세트산 90%를 이용하여 전해 연마를 수행하여 준비하였다. 나노 압입 시험은, CSM(continuous stiffness measurement) 모드에서 베르코비치(Berkovich) 압입기를 가지는 G200 나노 압입기를 이용하여 0.05 s-1 의 압입 변형률 속도로 각각의 강재 시편에 대하여 적어도 200개의 나노 압입들을 수행하였다. 최대 나노 압흔의 깊이는 100 nm 이었고, 나노 압흔 사이의 거리는 약 5 μm 이었다.
모든 나노 압흔들은 FE-SEM (Quanta 3D FEG, FEI)을 이용하여 관찰하여, 결정 내부에서의 나노 압흔 위치와 결정입계에서의 나노 압흔 위치를 구분하였다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 형성된 나노 압흔의 구분법을 설명하기 위한 주사전자현미경 사진들이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 이상강 강재 시편에 형성된 9개의 나노 압흔들이 나타나 있다. 상기 강재 시편의 구성 상들의 경도를 분석하기 위하여, 결정입계들 또는 계면 경계들의 영향을 제거할 필요가 있고, 이에 따라 위치 2, 위치 4, 위치 5, 위치 6, 및 위치 8의 나노 압흔들과 같이 결정입계 또는 계면 경계에 형성된 나노 압흔들은 제외하였다.
도 4의 (b)는 위치 3의 마르텐사이트 상의 나노 압흔이다. 도 4의 (c)는 위치 7의 템퍼드 마르텐사이트 상의 나노 압흔이다. 도 4의 (d)는 위치 9의 템퍼드 마르텐사이트 상에 인접한 페라이트 상의 나노 압흔이고, 기하적 필수 전위층에 해당된다. 도 4의 (e)는 페라이트 상의 나노 압흔이다.
복합상강(CP1)의 경우에는, 템퍼드 마르텐사이트 상과 베이나이트 상의 경도와 미세구조가 유사하므로, 베이나이트 상의 나노 압흔은 모두 템퍼드 마르텐사이트 상으로 분류하였다.
또한, 페라이트 상과 마르텐사이트 상의 결정입계들에 인접하여 형성된 기하적 필수 전위층들의 경도는 마르텐사이트 상으로부터 300 nm 내지 700 nm의 거리에 위치하는 페라이트 상 내에서 형성된 나노 압흔을 이용하여 측정하였다. 상기 기하적 필수 전위층은 상기 도 4의 (d)에 나타나 있다. 상기 기하적 필수 전위층은 마르텐사이트 상 변태의 부피 팽창에 의하여 페라이트 상 내에 형성되며, 그 이유는 페라이트 상에 비하여 마르텐사이트의 경도가 더 크기 때문이다. 상기 기하적 필수 전위층은 마르텐사이트 상 변태에 의하여 마르텐사이트 상으로부터 두께(dGND) 내에 형성된다. 상기 두께(dGND)는 dGND = 0.25 dM 의 관계를 가지며, 여기에서 dM 은 마르텐사이트 상의 크기이다. 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)에서는 약 1 μm 의 dGND 이 측정되며, 이는 마르텐사이트 상의 크기가 4 μm 이상이기 때문이고, 700 nm 이상의 범위는 기하적 필수 전위층으로 정의한다. 마르텐사이트 상에 인접한 페라이트 상의 에지에서의 영역이 성형성 약화에 민감하므로, 상기 영역의 경도 변화가 매우 중요하다. 홀확장성 시험 동안에 상기 기하적 필수 전위층에 주 크랙들이 형성될 수 있고, 그 이유는 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)에서 페라이트 상이 가장 약하고 마르텐사이트 상이 가장 강하기 때문이다.
또한, 마르텐사이트 변태 동안에 발생하는 상기 기하적 필수 전위층에 의한 변형 경화가 상기 영역에서 주로 발생하고, 따라서 변형률 기울기가 전반적으로 형성된다. 기하적 필수 전위층들의 경도는 나노 압흔 위치에 의존하는 계면 경계들에 의하여 강화될 수 있음에 유의한다. 예를 들어, 정확한 베르코비치(Berkovich) 압입기에서는 탄성-완전-소성 물질 내의 소성 영역 반경(c)을 압입 깊이(δ)의 5.9 배로 결정할 수 있다. 100 nm의 최대 압입 깊이(즉, 나노 압흔의 깊이)와 결정입계들로부터 300 nm 내지 700 nm 범위의 거리를 가지고, 일부의 소성 영역들은 결정입계들을 포함할 수 있다. 각각의 샘플에 대해 20개 이상의 나노 압흔을 이용하여 기하적 필수 전위층들의 경도를 분석하였다. 따라서, 상기 기하적 필수 전위층들에 대한 경도 결과는 통계적으로 분석할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행하기 전의 주사전자현미경 사진들이다.
도 5를 참조하면, 홀확장성 시험을 수행하기 전의 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)의 주사전자현미경 사진이 나타나있다. 상기 강재들은 아세트산계 용액을 이용하여 전해 연마하여 준비하였고, 여기에서, 페라이트, 마르텐사이트, 템퍼드 마르텐사이트, 및 템퍼드 마르텐사이트/베이나이트는 각각 "F", "M", "TM", 및 "TM/B"로 표시되어 있다, 전해 연마한 강재 표면의 주사전자현미경 사진들에서, 페라이트 상(청색 화살표로 표시됨), 마르텐사이트 상(황색 화살표로 표시됨), 및 템퍼드 마르텐사이트 상(녹색 화살표로 표시됨)이 명확하게 구분됨을 알 수 있다.
전해 연마 동안에 상기 페라이트 상의 식각 속도가 다른 상들에 비하여 빠르므로, 상기 페라이트 상은 움푹 파인 표면으로 나타난다. 반면, 마르텐사이트 상의 표면은 미끄럽게 나타나고, 템퍼드 마르텐사이트 상 및 베이나이트 상 의 표면은 기지 내에 삽입된 세멘타이트 석출물들에 의하여 거칠게 나타나거나, 전해 연마 중에 세멘타이트 석출물들의 제거에 의하여 형성된 구멍들이 나타나게 된다.
제1 이상강(DP1) 및 제2 이상강(DP2)에서는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상은 명확하게 분리할 수 있다. 반면, 복합상강(CP1)에서는 세멘타이트 석출물들의 분포에 기반하여 상기 템퍼드 마르텐사이트 상과 상기 베이나이트 상을 구분하기 어려우므로, 상기 복합상강(CP1) 에서 상기 템퍼드 마르텐사이트 상과 상기 베이나이트 상을 함께 "TM/B"로 지칭하였다.
표 2는 상기 주사전자현미경 사진을 이용하여 산출한, 상기 제1 이상강(DP1), 상기 제2 이상강(DP2), 및 상기 복합상강(CP1)의 구성 상의 부피 분율을 나타내는 표이다.
페라이트 상 마르텐사이트상 템퍼드
마르텐사이트상		 베이나이트상
제1 이상강(DP1) 37 30 33 -
제2 이상강(DP2) 27 13 60 -
복합상강(CP1) 14 19 67
표 2를 참조하면, 상기 제1 이상강(DP1)에서는, 구성 상 각각이 약 30% 수준의 부피 분율을 가졌다. 상기 제2 이상강(DP2)과 상기 복합상강(CP1)에서는, 상기 페라이트 상과 상기 마르텐사이트 상은 각각 약 20% 수준의 부피 분율을 가지며, 상기 템퍼드 마르텐사이트 상은 베이나이트 상과 함께 50% 이상의 부피 분율을 가졌다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 EBSD 결과를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)에 대한 밴드 콘트라스트, 역극점도, 및 커넬 평균 오방위(kernel average misorientation, KAM) 맵을 포함하는 EBSD 결과가 나타나 있다. BCC 구조를 가지는 페라이트 상을 참조 결정 구조로서 입력하였다. BCT 구조를 가지는 마르텐사이트 상에서는 역극점도에서의 신뢰지수(confidence index, C.I.)가 0.1 미만이고, 상기 커넬 평균 오방위 맵에서는 희색 점으로 나타나있다. BCC 구조를 가지는 템퍼드 마르텐사이트 상에서는, 역극점도에서의 신뢰지수가 0.1에 비하여 크며, 커넬 평균 오방위 맵에서 매우 진한 오방위를 나타낸다.
상기 제1 이상강(DP1)과 상기 제2 이상강(DP2)에서는, 페라이트 상은 마르텐사이트 상과 템퍼드 마르텐사이트 상과는 구분되고, 상기 커넬 평균 오방위 맵에서 주황색 점선으로 나타나있다. 마르텐사이트 상과 템퍼드 마르텐사이트 상으로 둘러싸인 페라이트 상에서 오방위가 관찰되었고, 이는 마르텐사이트 상 변태의 부피 팽창에 의하여 기하적 필수 전위들이 형성됨을 의미한다.
반면, 상기 복합상강(CP1)에서는, 구성 상이 구분되지 않고, 이는 균일하게 분포된 오방위와 0.1 미만의 신뢰지수를 가지는 지점이 거의 없다. 이는 상기 복합상강(CP1)에 대한 적절한 템퍼링 처리가 상기 마르텐사이트 상과 상기 템퍼드 마르텐사이트 상 내에서의 탄소 확산을 증가시키고, 이에 따라 상기 마르텐사이트 상, 상기 템퍼드 마르텐사이트 상, 상기 베이나이트 상 및 상기 페라이트 상의 결정 구조에 거의 변화가 없게 된다. 그럼에도 불구하고, 상기 기하적 필수 전위들에 의한 오방위는 페라이트 상과 다른 상에 분포함을 알 수 있다.
이어서, 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)에 대하여 홀확장성 시험을 수행하였다. 상기 제1 이상강(DP1)의 최종 홀 직경(df)은 15.1 (±0.2) mm, 상기 제2 이상강(DP2)의 최종 홀 직경(df)은 22.6 (±1.0) mm, 상기 복합상강(CP1)의 최종 홀 직경(df)은 23.6 (±0.5) mm 이었다. 상기 제1 이상강(DP1)의 홀확장비는 51.0 (±2.5)%, 상기 제2 이상강(DP2)의 홀확장비는 126.4 (±10.0)%, 상기 복합상강(CP1)의 홀확장비는 136.2 (±5.0)% 이었다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 주사전자현미경 사진들이다.
도 7을 참조하면, 홀확장성 시험을 수행한 후의 제1 이상강(DP1), 제2 이상강(DP2), 및 복합상강(CP1)의 주사전자현미경 사진이 나타나있다. 상기 사진들에서 수직축은 홀확장성 시험에서 원주 방향(circumferential)에 대응되고, 수평축은 홀확장성 시험에서 반경 방향(radial)에 대응된다. 홀확장성 시험을 수행하기 전에는 도 5에 나타난 바와 같이 구성 상이 대칭적인 표면 형상을 가지는 반면, 상기 홀확작성 시험을 수행한 후에는 상기 제1 이상강(DP1)에서는 마르텐사이트 상을 제외한 구성 상은 원주 방향을 따라서 더 신장되었다, 이러한 신장은 홀확장성 시험을 수행하는 동안에 홀의 에지에 발생되는 3축 응력 상태로 반경 방향 및 두께 방향에 비하여 원주 방향으로 더 큰 변형률이 나타나기 때문이다. 상기 제1 이상강(DP1)에서는, 마르텐사이트의 변형이 두드러지지 않고, 페라이트 상과 템퍼드 마르텐사이트 상의 변형에 의하여 변형되는 것으로 분석된다. 반면, 상기 제2 이상강(DP2)과 상기 복합상강(CP1)의 변형은 모든 구성 상에서 균일하게 발생되었다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 공극 크기에 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 8을 참조하면, 공극들은 홀의 에지로부터 약 50 μm 이격된 영역에서 관찰하였다. 상기 제1 이상강(DP1)은 홀확장비가 51%, 상기 제2 이상강(DP2)은 126.4%, 상기 복합상강(CP1)은 136.2%이었고, 주 크랙 전파 이전의 응력 집중을 나타낸다.
상기 공극의 크기 분포를 분석하기 위하여 전체 100 μm x 100 μm 면적을 주사전자현미경을 이용하여 관찰하였다. 응력 집중의 파라미터로서, 공극 크기는 원주 방향의 개별 공극들의 가장 높은 지점과 가장 낮은 지점의 길이를 정의한다. 그 이유는 홀확장성 시험 동안에 원주 방향에서의 변형률이 가장 크기 때문이다. 신장된 공극 모폴로지가 추가적인 응력 집중에 기여할 수 있으나, 원주 방향의 더 큰 변형률이 공극 크기에 대한 모폴로지 영향을 주지 않는다. 탄화물 석출물들과 식각 패턴 등과 같은 다른 인공물의 영향을 제거하기 위하여, 공극들의 크기 분포는 100 nm 에 비하여 큰 공극들을 포함한다. 그럼에도 불구하고, 여전히 수치에 대하여 정확하지 않는 부분이 있고, 이는 분석을 수작업 및 제한된 배율에서 수행하였기 때문이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 공극을 나타내는 주사전자현미경 사진들이다.
도 9를 참조하면, 상기 제1 이상강(DP1)에서는, 공극 크기는 100 nm 내지 6 μm 범위를 가졌다. 공극들의 79%는 3 μm에 비하여 크며, 계면 경계들에 위치하였다, 공극들의 3% 및 18%는 각각 페라이트 상과 마르텐사이트 상에서 관찰되었다.
상기 제2 이상강(DP2) 및 상기 복합상강(CP1)에서는, 3 μm에 비하여 작은 공극들이 관찰되었고, 이는 상기 제1 이상강(DP1)에 비하여 낮은 응력 집중을 가짐을 의미한다.
상기 제2 이상강(DP2)에서는, 공극들의 38%가 페라이트상과 마르텐사이트 상의 계면 경계들에 위치하였다. 이러한 공극들의 크기는 100 nm 내지 2.4 μm 범위를 가지며, 대부분은 1 μm 이하이었다. 공극들의 53%는 원주 방향을 따라서 페라이트 상에 위치하였다. 상기 공극들의 일부는 마르텐사이트 상에 인접한 계면 경계들에 가깝게 위치하였다. 상기 위치에서는 마르텐사이트 상 변태에 의하여 상당한 기하적 필수 전위들이 축적되어 있으므로, 기하적 필수 전위층들에 형성된다. 공극들의 9%는 마르텐사이트 상 내에서 관찰되고, 약 300 nm의 크기를 가졌다.
상기 복합상강(CP1)에서는, 가장 큰 홀확장비로 변형되고, 관찰된 공극들의 총수는 상기 제1 이상강(DP1) 및 상기 제2 이상강(DP2)에 비하여 매우 적으며, 공극 크기도 일반적으로 작게 나타났다. 대부분의 공극들은 마르텐사이트 상으로 고려되는 강한 상 사이에서 신장된 형상을 가지며, 이러한 결과는 원주 방향으로 신장된 강한 상 사이의 공극들은 마르텐사이트 상에서의 넥킹의 결과로 분석된다. 공극 크기는 300 nm 내지 2.4 μm 범위이었다. 페라이트 상과 마르텐사이트 상 사이의 계면 공극들이 관찰되었고, 크기는 1 μm 미만이었다.
마르텐사이트 상이 거의 신장되지 않고, 계면 경계들에서 주로 공극 형성된 상기 제1 이상강(DP1)과는 상이하게, 상기 제2 이상강(DP2)와 상기 복합상강(CP1)에서는 계면이 공극 형성의 주요 위치가 아님을 알 수 있다. 반면, 기하적 필수 전위층 및 마르텐사이트 상들이 공극 형성의 주요 위치로 작용하는 것으로 분석된다. 따라서, 상기 제2 이상강(DP2) 및 상기 복합상강(CP1)에서는 기하적 필수 전위층 및 마르텐사이트 상이 주요한 응력 집중 위치로서 작동하는 것으로 분석된다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행하기 전의 경도 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 경도 분포를 나타내는 그래프들이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 베이나이트 상/템퍼드 마르텐사이트 상에 대응하는 나노 압입 힘, 나노 압흔의 깊이 및 경도가 각각 청색, 적색, 및 녹색으로 표시되어 있다. 도 10 및 도 11에서, (a)와 (d)는 제1 이상강(DP1), (b)와 (e)는 제2 이상강(DP2), (c)와 (f)는 복합상강(CP1)에 해당된다.
도 10 및 도 11의 결과로부터 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상의 평균 경도와 경도비(HM / HF)를 산출하였다.
표 3은 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상(베이나이트 상을 포함함)의 평균 경도 및 경도비가 나타나 있다.
홀확장성
시험 전		 페라이트 상
(HF)		 마르텐사이트 상
(HM)		 템퍼드
마르텐사이트 상
(HTM)		 경도비
(HM / HF)
제1 이상강(DP1) 2.96 (±0.50) 8.69 (±1.30) 4.82 (±0.93) 2.94
제2 이상강(DP2) 3.86 (±0.22) 6.15 (±1.00) 5.96 (±1.04) 1.59
복합상강(CP1) 3.54 (±0.34) 5.76 (±0.39) 5.53 (±0.70) 1.63
홀확장성시험 후 페라이트 상
(HF)		 마르텐사이트 상
(HM)		 템퍼드
마르텐사이트 상
(HTM)		 HM / HF
제1 이상강(DP1) 4.49 (±0.76) 9.57 (±0.87) 8.14 (±1.52) 2.13
제2 이상강(DP2) 5.08 (±0.92) 8.63 (±0.05) 7.57 (±1.47) 1.70
복합상강(CP1) 6.60 (±1.12) 8.91 (±1.05) 7.77 (±1.01) 1.35
표 3을 참조하면, 홀확장성 시험을 수행하기 전의 제1 이상강(DP1)에서는, 페라이트 상과 템퍼드 마르텐사이트 상의 평균 경도는 마르텐사이트 상에 비하여 매우 낮으므로 경도 분포가 넓게 나타나고, 가장 강한 상(마르텐사이트 상)과 가장 연한 상(페라이트 상)의 경도비(HM/HF)가 2.94 정도로 높게 나타났다.
홀확장성 시험을 수행하기 전의 제2 이상강(DP2)과 복합상강(CP1)에서는, 경도 분포가 좁게 나타나고, 경도비(HM/HF)는 각각 1.59 및 1.63 이었다, 상기 경도비는 상기 제1 이상강(DP1)에 비하여 낮으며, 또한 이전의 연구 결과인 1.7 내지 2.6 범위에 비하여 낮게 나타났다. 마르텐사이트 상의 평균 경도(HM)와 템퍼드 마르텐사이트 상의 평균 경도(HTM)는 거의 유사하게 나타났고, 이러한 결과는 상기 제2 이상강(DP2)와 상기 복합상강(CP1)의 적절한 템퍼링에 기인한 것으로 분석된다.
홀확장성 시험을 수행한 후에, 상기 제1 이상강(DP1)에서는, 홀확장성 시험 전과 유사한 경도 분포를 나타내었다. 반면, 상기 제2 이상강(DP2) 및 상기 복합상강(CP1)에서는 모든 구성 상이 상당하게 변형되어 강화되었고, 구성 상의 경도 분포의 폭이 넓어짐을 확인하였다.
홀확장성 시험 전후에서의 기하적 필수 전위층의 경도를 측정하였다. 상기 제1 이상강(DP1)은 시험 전에는 4.36 (±1.03) GPa 이고, 시험 후에는 5.52 (±0.99) GPa 이었다. 상기 제2 이상강(DP2)은 시험 전에는 4.47 (±0.65) GPa 이고, 시험 후에는 및 6.03 (±1.29) GPa 이었다. 상기 복합상강(CP1)은 시험 전에는 4.36 (±0.91) GPa 이고, 시험 후에는 7.36 (±1.12) GPa 이었다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재의 홀확장성 시험을 수행한 후의 홀확장비와 구성 상에 대한 경도 증가율을 나타내는 그래프들이다.
도 12를 참조하면, 홀확장성 시험 후에 구성 상의 경도와 기하적 필수 전위층의 경도가 증가됨을 알 수 있다. 이러한 경도의 증가는 홀확장성 시험 동안에 발생하는 변형 강화의 양과 관련되는 것으로 분석된다.
상기 제1 이상강(DP1)에서는, 상기 페라이트와 상기 템퍼드 마르텐사이트 상에서 경도 증가가 두드러지게 나타났고, 반면, 마르텐사이트 상에서의 경도 증가는 상대적으로 낮게 나타났다. 이러한 결과는 상술한 바와 같이, 마르텐사이트 상의 신장이 두드러지지 않고, 계면 경계에 공극들이 주도적으로 변형된 것에 상응한다. 이러한 결과는 상기 제1 이상강(DP1)의 홀확장비가 51%로 다른 강에 비하여 낮은 수치에 대응되고, 높은 경도비와 큰 변형률 차이에 기여한다.
상기 제2 이상강(DP2)와 상기 복합상강(CP1)에서는, 경도가 기하적 필수 전위층을 포함하여 모든 구성 상에서 전체적으로 증가하였고, 변형률이 전체적으로 분포되고, 상술한 결과와 일치한다. 구성 상의 좁은 경도 분포와 약 1.6 수준의 낮은 경도비는 응력 분산과 증가된 홀확장비에 기여한다. 상기 제2 이상강(DP2)과 상기 복합상강(CP1)이 유사한 경도 분포와 상 부피 분율을 가지지만, 상기 제2 이상강(DP2)에 비하여 상기 복합상강(CP1)이 홀확장비가 10% 크고, 공극 밀도가 낮다. 또한, 기하적 필수 전위층들의 경도의 증가 정도는 복합상강(CP1), 제2 이상강(DP2), 및 제1 이상강(DP1)의 순서로 감소되었고, 이와 동일한 순서로 홀확장비가 감소되고 구성 상의 경도 분포가 좁아짐을 알 수 있다.
강재의 성형성은 기하적 필수 전위층의 변형 경화도에 상당한 수준으로 의존하는 것으로 분석된다. 상기 기하적 필수 전위층은 상기 제2 이상강(DP2)에서 주 공극이 형성되는 위치로서 작동된다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법에 사용된 강재에 대하여 홀확장성 시험을 수행하기 전후의 구성 상에서의 경도 분포를 나타내는 개략도이다.
도 13을 참조하면, (a)는 상기 제2 이상강(DP2)의 경도 분포이고, (b)는 상기 복합상강(CP1)의 경도 분포이다. 상기 구성 상은 마르텐사이트 상, 페라이트 상, 및 그 사이의 기하적 필수 전위층을 포함한다. 상기 마르텐사이트 상과 상기 기하적 필수 전위층 사이의 계면의 경도 기울기는 영역 1에 표시되고, 상기 기하적 필수 전위층과 상기 페라이트 상 사이의 계면의 경도 기울기는 영역 2에 표시되어 있다. 홀확장성 시험 전의 경도는 황색으로 표시되어 있고, 홀확장성 시험 후의 경도는 청색으로 표시되어 있다.
홀확장성 시험을 수행하기 전에는, 상기 페라이트 상의 경도에 비하여 상기 기하적 필수 전위층의 경도는 상기 제2 이상강(DP2)에서는 15.8% 크고, 상기 복합상강(CP1)은 23.2% 크게 나타났다. 상기 제2 이상강(DP2)에서는 HGND = 0.27 (HM-HF) 의 관계를 가지고, 상기 복합상강(CP1)에서는 HGND = 0.37 (HM-HF) 의 관계를 가진다. 여기에서, 여기에서, HGND 는 기하적 필수 전위층의 경도이고, HM 는 마르텐사이트 상의 경도이고, HF 는 페라이트 상의 경도이다.
홀확장성 시험을 수행한 후에는, 상기 제2 이상강(DP2)에서는, 상술한 바와 동일하게, HGND = 0.27 (HM-HF) 의 관계를 가지지만, 상기 복합상강(CP1)은 HGND = 0.33 (HM-HF) 의 관계를 가진다. 이러한 결과는, 상기 제2 이상강(DP2)에 비하여 상기 복합상강(CP1)이 더 큰 평균 경도를 가지고, 상기 영역 2에서 더 가파른 경도 기울기를 가지기 때문이다. 즉, 상기 복합상강(CP1)에서 페라이트 상이 더 크게 변형되는 것은 상기 기하적 필수 전위층의 더 큰 변형과 관련되고, 페라이트 상에 걸쳐서 변형률 분포를 증가시킬 수 있는 공극들이 없음을 의미한다.
상기 기하적 필수 전위층에서의 더 큰 변형이 나타나는 것은 상기 마르텐사이트 상에서 기하적 필수 전위층으로의 상기 영역 1에 대한 경도 기울기와 상기 기하적 필수 전위층에서 상기 페라이트 상으로의 상기 영역 2에 대한 경도 기울기를 가지기 때문이다. 상기 제2 이상강(DP2)은 상기 영역 2에 비하여 상기 영역 1에서 더 가파른 경도 기울기를 가지고 있고, 이는 상기 영역 2에 비하여 상기 영역 1에서 응력 집중이 더 크게 나타남을 의미한다. 변형이 되는 동안에, 상기 기하적 필수 전위층 내의 변형률은 상기 영역 1에 국한되게 되고, 따라서 상기 영역 1에서의 경도 기울기는 상기 영역 2에 비하여 매우 더 크다. 이와 같이 증가된 응력 기울기는 기하적 필수 전위층에 응력 집중을 야기하고, 상기 기하적 필수 전위층 내에 1 μm 미만의 수 많은 공극들이 형성된다. 이에 따라, 변형이 진행됨에 따라 기하적 필수 전위층에서 응력 집중이 증가됨에 따라 상기 기하적 필수 전위층의 변형 경화가 감소된다.
반면, 상기 제2 이상강(DP2)에 비하여 상기 복합상강(CP1)은 상기 영역 1 및 상기 영역 2에서 경도 기울기의 차이가 작으며, 이는 상기 영역 1의 응력 집중이 상대적으로 작음을 의미한다. 결과적으로, 상기 페라이트 상의 내부가 변형됨에 따라 상기 기하적 필수 전위층이 변형되어 경화되고, 홀확장성 시험 동안에 변형률 분포가 유지될 수 있다. 동시에, 상기 페라이트 상 경계를 둘러싸는 고밀도의 기하적 필수 전위들이 상기 페라이트 상의 내부로부터 상 경계로의 전위 이동을 억제할 수 있고, 이를 역응력이라고 지칭한다. 상기 기하적 필수 전위층의 증가된 경도에 의한 상기 역응력의 증가는 상기 기하적 필수 전위층을 포함하여 상기 페라이트 상의 균일한 변형을 증가시킨다.
이러한 결과로부터, 상기 페라이트 상과 관련되어 경도가 높은 상기 기하적 필수 전위층은 공극 형성에서 응력 분산층으로서 기능할 수 있다. 따라서, 상기 제2 이상강(DP2) 및 상기 복합상강(CP1)은 강한 상과 연한 상의 경도비가 낮으며, 홀확장비가 증가될 수 있다. 상기 기하적 필수 전위층의 경도는 페라이트 상의 경도와 유사하다. 응력은 페라이트 상과 마르텐사이트 상 사이의 계면 경계들에 더 집중된다. 상기 기하적 필수 전위층의 경도가 상기 마르텐사이트 상과 상기 페라이트 상의 평균 경도와 유사한 경우에는, 상기 기하적 필수 전위층이 계면 경계에서 응력 집중을 분산시킬 수 있고, 상기 기하적 필수 전위층은 상기 페라이트 상에 비하여 증가된 변형 경화도를 가질 수 있고, 따라서 성형성을 증가시킬 수 있다.
결론
이상강과 복합상강에서의 기하적 필수 전위층의 경도 및 계면 경계의 경도비에 대한 구성 상의 변형 경화능의 의존성 및 성형성과의 상관관계를 분석하였다. 상기 이상강과 상기 복합상강은 템퍼링 공정을 이용하여 다양한 경도 분포를 가지도록 준비하였다. 상기 이상강과 상기 복합상강의 성형성은 홀확장성 시험을 이용하여 측정하였고, 홀확장성 시험 전후에 구성 상의 경도를 나노 압흔을 이용하여 측정하였다.
상기 제1 이상강(DP1)에서는, 홀확장비가 51% 이었고, 공극은 계면에서 주로 이루어졌고, 이러한 공극 형성은 페라이트 상과 마르텐사이트 상 사이의 높은 경도비에 기인하는 것으로 분석된다.
상기 제2 이상강(DP2) 및 상기 복합상강(CP1)에서는, 페라이트 상과 마르텐사이트 상 사이에 낮은 경도비를 가지며, 계면에서의 공극 형성이 억제되었고, 홀확장비는 각각 126.4% 및 136.2% 이었다. 상기 제2 이상강(DP2)에서는, 기하적 필수 전위층과 계면 경계들에 많은 공극들이 관찰되었고, 영역 1에서 높은 경도 기울기에 기인한다. 상기 복합상강(CP1)에서는, 기하적 필수 전위층에서 더 큰 변형 강화가 발생하였다. 이러한 결과는, 마르텐사이트 상과 페라이트 상에 비하여 기하적 필수 전위층이 중간 수준의 경도를 가지는 것에 기인한다. 상기 기하적 필수 전위층이 응력 분산층으로 동작하므로, 계면 경계에서 응력 집중 및 변형률 차이가 완화된다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (11)

  1. 강재를 제공하는 단계;
    상기 강재에 형성된 홀을 이용하여 홀확장성 시험을 수행하는 단계;
    상기 홀을 중심으로 변형된 영역에 대하여 나노 압입 시험을 수행하는 단계;
    상기 나노 압입 시험에 의하여 대상 상(phase)에 형성된 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 나노 압흔의 중심으로부터 상기 대상 상에 접촉된 다른 상의 경계까지의 최단 이격 거리(d)를 취득하는 단계; 및
    상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)를 이용하여, 상기 나노 압흔에 의하여 산출된 경도를 판단하는 단계;를 포함하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서,
    상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d > 10h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 상기 대상 상의 고유 경도로 판단하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서,
    상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 3h ≤ d ≤ 7h 의 관계이고, 상기 대상 상이 페라이트 상인 경우에는, 상기 경도를 기하적 필수 전위층의 경도로 판단하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 대상 상의 경도를 판단하는 단계에서,
    상기 나노 압흔의 깊이(h)와 상기 최단 이격 거리(d)가 d < 3h 의 관계인 경우에는, 상기 경도를 제외하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계는,
    상기 강재의 압연 방향 및 폭 방향의 중심부에서 취득한 시편을 이용하여 이루어지는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 압입 시험을 수행하는 단계는,
    상기 홀로부터 20 μm 내지 100 μm 이격된 영역에서 나노 압입을 수행하여 이루어지는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 압흔의 깊이와 상기 최단 이격 거리를 취득하는 단계는,
    주사전자현미경을 이용하여 수행되는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재를 제공하는 단계는,
    페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계;
    상기 강재를 800℃ 내지 900℃ 범위의 온도에서 열처리하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 페라이트-오스테나이트 미세조직으로 변화시키는 단계;
    상기 강재를 마르텐사이트 변태개시온도 이하로 냉각하여 마르텐사이트 상을 형성하는 단계; 및
    상기 강재를 300℃ 내지 400℃ 범위의 온도에서 템퍼링하여 템퍼드 마르텐사이트 상, 베이나이트 상 또는 이들 모두를 형성하는 단계; 포함하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 강재를 제공하는 단계는,
    상기 강재의 구성 성분을 용융하고 주조하여 주조 잉곳을 제공하는 단계;
    상기 주조 잉곳을 1100℃ 내지 1300℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계;
    상기 주조 잉곳을 열간 압연하여 열연 강재를 형성하는 단계;
    상기 열연 강재를 450℃ 내지 650℃ 범위의 온도에서 열처리하는 단계;
    상기 열연 강재를 로내 냉각하는 단계; 및
    상기 열연 강재를 냉간 압연하여 상기 페라이트-펄라이트의 미세 조직을 가지는 제공하는 냉연 강재를 제공하는 단계;를 포함하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 및 템퍼드 마르텐사이트 상으로 구성된 이상강을 포함하거나 또는 페라이트 상, 마르텐사이트 상, 템퍼드 마르텐사이트 상, 및 베이나이트 상으로 구성된 복합상강을 포함하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재는, 탄소(C): 0.12 중량% 내지 0.16 중량%, 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)의 합: 0.3 중량% 내지 1.6 중량%, 망간(Mn): 2.0 중량% 내지 2.4 중량%, 크롬(Cr)과 몰리브덴(Mn)의 합: 0.1 중량% 내지 0.5 중량%, 및 잔부는 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는, 강재의 신장 플랜지 성형성 평가방법.
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'980 MPa급 이상조직강의 신장 플랜지성에 미치는 템퍼링의 영향', 이건희 등, 한국재료학회지, 30(6), 2020.5. 292-230

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