KR20010060647A

KR20010060647A - 가공성이 우수한 인장강도 780㎫급 자동차용 열연강판 및그 제조방법

Info

Publication number: KR20010060647A
Application number: KR1019990063053A
Authority: KR
Inventors: 조열래; 김진철
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2001-07-07
Also published as: KR100340580B1

Abstract

본 발명은 자동차용 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명은 적정량의 실리콘을 첨가하고, 열간압연후 냉각조건을 제어함으로써, 높은 인장강도, 우수한 연신율 및 신장플랜지성을 동시에 제공할 수 있는 가공성이 우수한 780MPa급 자동차용 열연강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 중량%로 탄소 : 0.06∼0.10%, 실리콘 : 0.5∼1.0%, 망간 : 1.5∼2.0%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.0005% 이하, 알루미늄: 0.010∼0.050%, 티타늄: 0.050∼0.10%, 니오븀 : 0.020∼0.040%, 질소 : 60ppm 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판, 및 그 제조방법을, 그 기술적 요지로 한다.

Description

가공성이 우수한 인장강도 780㎫급 자동차용 열연강판 및 그 제조방법{A TENSILE STRENGTH OF 780MPa GRDE HOT ROLLED STEEL SHEET FOR AUTOMOBILE AND A METHOD FOR MANUFACTURING IT}

본 발명은 자동차의 프레임 또는 바퀴 및 그 주변부품 등의 강도부재로 적용되는 고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 Si의 함량을 높이고 3단 제어냉각을 적용함으로써, 높은 인장강도와 우수한 연신율 및 신장플랜지성을 동시에 보유할 수 있는 인장강도 780 MPa급 고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근, 탄소세 부가 및 자동차 배기가스의 총량 규제법안 등 지구환경을 보존하기 위한 규제가 강화되면서, 차체 경량화에 필요한 고강도 강재 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 자동차 휠 혹은 멤버류와 같이 차체하부에 사용되는 열연강판의 고강도화는 자동차 경량화에 크게 기여할 것으로 예상되고 있다.

현재 자동차 휠 디스크 또는 멤버류의 소재는 주로 인장강도 540, 580MPa급 열연강판이 사용되고 있으나, 강도가 높아지면 가공성 즉, 열연강판의 연신율과 신장플랜지성이 저하되는 문제점이 있기 때문에, 강도 외에 볼트홀 및 패드부 성형에 요구되는 연신율과 허브홀의 버링성형에 견딜수 있는 신장플랜지성을 개선할 필요가 있다.

최근에 개발되는 인장강도 780 MPa급 이상의 고강도 열연강판은 압연후 냉각제어를 행함으로써 변태조직을 이용하여 제조되고 있는데, 그 예로서 다음의 기술들이 있다.

일본특허 공개공보(소)61-15128호에 개시된 이상강(dual phase steel)은 석출강화형 열연강판에 비해, 강도-연신율 밸란스 특성이 우수하나 신장플랜지성은 베이나이트 단상강에 비하여 열위인 것으로 알려져 있다.

일본특허 공개공보91-358007호에서는 종래의 이상강과는 달리 TiC 탄화물로 석출강화된 페라이트와 제 2상을 마르텐사이트로 조직제어함으로써, 연신율 및 피로특성이 우수한 저항복비형 고강도 열연강판의 제조를 가능하게 한 기술이 제안되어 있다.

일본특허 공개공보(평) 3-10049호에는 상기 이상강에 비해 더욱 고연성을 갖는 인장강도 780∼980MPa의 잔류 오스테나이트강이 제안되어 있는데, 이 잔류오스테나이트강은 인장강도-연신율 밸란스가 극히 우수하나 인장특성이 잔류오스테나이트량에 의하여 크게 좌우되기 때문에, 열연강판의 폭방향, 길이방향으로 균일한 재질을 얻기가 어려운 제조상의 단점을 가지고 있다.

그러나, 상기한 이상강 또는 잔류오스테나이트강은 강도×연신율 발란스 측면에서는 대단히 우수하나, 성형단계에서 잔류오스테나이트가 마르텐사이트로 유기변태되는 과정에서 구성 상간의 경도차이가 증가하기 때문에, 기존의 페라이트-퍼얼라이트 조직강 혹은 페라이트 단상강에 비해 신장플랜지성이 나쁘고 전단가공이 최종 가공면일 경우 굽힘성 역시 열위인 것으로 알려져 있다.

한편, 강도×신장플랜지성 발란스 측면에서는 일본강관(NKK) 등에서 제안된 페라이트-베이나이트 복합조직강이 가장 우수한 것으로 알려져있다. 이 강은 열간압연후 런 아웃 테이블(run out table) 상에서 3단 제어냉각패턴을 적용하고 450∼500℃의 온도 범위에서 권취를 행하여 제조함으로써, 페라이트 기지와 제 2상간의 경도차가 작고, 입계 세멘타이트의 생성이 억제되되어 강도×연신플랜지성 발란스가 우수한 열연강판을 제조하고자 하였다. 그러나, 가공용 용도에서 비교적 낮은 값인 18% 전후의 연신율을 가지는 것이 단점으로 지적되고 있다.

이에, 본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 적정량의 실리콘을 첨가하고, 열간압연후 냉각조건을 제어함으로써, 높은 인장강도, 우수한 연신율 및 신장플랜지성을 동시에 제공할 수 있는 가공성이 우수한 780MPa급 자동차용 열연강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도1은 본 발명의 3단 제어냉각을 나타내는 개념도

도2는 Si첨가에 따른 기계적 성질변화를 나타내는 그래프

도3은 3단 제어냉각의 중간온도역 유지시간이 기계적성질에 미치는 영향을 나타내는 그래프

본 발명은 중량%로 탄소 : 0.06∼0.10%, 실리콘 : 0.5∼1.0%, 망간 : 1.5∼2.0%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.0005% 이하, 알루미늄: 0.010∼0.050%, 티타늄: 0.050∼0.10%, 니오븀 : 0.020∼0.040%, 질소 : 60ppm 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 중량%로 탄소 : 0.06∼0.10%, 실리콘 : 0.5∼1.0%, 망간 : 1.5∼2.0%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.0005% 이하, 알루미늄: 0.010∼0.050%, 티타늄: 0.050∼0.10%, 니오븀 : 0.020∼0.040%, 질소 : 60ppm 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강 슬라브를 재가열한 후 오스테나이트 온도역에서 마무리열간압연하고, 1차 수냉각을 650∼700℃ 범위까지 행한 다음 이 온도역(중간온도역)에서 5초 이상 공냉상태로 유지하고 베이나이트 변태온도 이하인 450~500℃의 온도범위까지 2차 수냉각한 후, 이 온도범위에서 권취하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 탄소(C)는 열연강판의 강도를 얻는데 기본적으로 필요한 원소인데, 본 발명강에서는 신장플랜지성을 저하시키는 입계 세멘타이트의 저감 및 티타늄-니오비움 탄화물의 석출에 필요한 최소량으로 제어하기 위하여, 그 함량을 0.06∼0.10%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 고용강화에 유효한 원소로, 그 함량이 1.5% 미만인 경우에는 기대되는 강도가 얻어지지 않고, 2.0%를 초과하면 강도는 780MPa 이상이나 연신율이 급격히 감소된다. 즉, 망간 함유량이 증가하면 강의 소입성이 증가되어 베이나이트 단상화의 가능성이 높아지고, 티타늄 탄화물의 석출이 억제되어 강도가 오히려 저하되기 때문에, 상기 망간의 함량은 1.4∼2.0%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 규소(Si)는 기본적으로 고용강화에 기여하며, 강도 상승에 비해 연신율 저하에 비교적 작은 영향을 미치는 원소이다. 본 발명에서는 이와 같은 특성 외에, 페라이트 변태를 촉진시킨다는 점을 이용하여 제어냉각된 페라이트-베이나이트 복합조직강의 연신율을 향상시키는 목적으로 Si을 첨가한 것이다.

그러나, 규소는 슬라브 가열단계 및 열간압연과정에서 실리콘산화물(페욜라이트)을 형성하여 열연강판의 표면결함을 유발시키기 때문에, 그 상한은 1.0%로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 함량에 따른 기계적 성질을 나타낸 도2에 나타난 바와 같이, 그 함량이 1.0%를 초과하는 경우에는 인장강도 및 연신율이 더 이상 증가되지 않았다. 반면에, 0.5% 이하의 첨가에서는 페라이트 분율의 증가에 의한 연신율 상승 효과가 거의 없기 때문에 그 하한은 0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 니오븀(Nb)은 열간압연동안 석출되거나 고용상태로 존재하면서 오스테나이트의 결정립 미세화에 기여할 뿐만 아니라 페라이트상의 석출강화에도 유효한 원소이기 때문에, 본 발명에서는 니오븀이 0.20% 이상 첨가된다. 그러나, 그 첨가량이 과다하면 연속주조 슬라브의 제조과정에서 주편크랙을 생성시킬 가능성이 높아지기 때문에, 그 함량은 0.04% 이하로 규제하는 것이 바람직하다.

상기 티타늄(Ti)은 본 발명강에 있어 중요한 원소로, 열간압연후 냉각과정에서 페라이트 조직내 티타늄-니오비움 탄화물로 석출하여 페라이트 기지의 강화에 기여하게 된다. 그 함량이 적으면 석출강화효과를 충분히 기대할 수 없으며, 반대로 그 함량이 0.1%를 초과하면 석출강화효과가 포화되기 때문에, 상기 티타늄의 첨가량은 0.05∼0.1%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같이 조성된 강 슬라브를 재가열한 후 열간압연하는데, Ar₃이상인 840℃ 이상에서 마무리열간압연하고, 3단 제어냉각을 실시한 후 권취하는 것이 중요하다.

즉, 상기 3단 제어냉각은, 1차 수냉각-공냉-2차 수냉각으로 이루어지는데, 1차 수냉각은 페라이트 변태개시온도 이하인 650∼700℃의 온도범위까지 행하고, 공냉은 최소 5초 이상으로 하며, 2차 수냉각은 베이나이트변태 온도(Bs) 이하인 450~500℃의 온도범위까지 실시하는 것이 바람직하다. 이 때, 1차 수냉각 온도역(이하, '중간온도역'이라 함)이 페라이트 변태개시온도보다 높으면, 최종조직이 베이나이트 단상조직으로 되어 연신율이 저하되고, 반대로 650℃ 미만이면 등축페라이트 분율이 감소되어 목표로 하는 기계적성질을 얻을 수 없게 된다. 또한, 상기 권취온도는 450~500℃의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 본 발명의 3단 제어냉각은 중간온도 및 유지시간이 페라이트 변태 분율 및 티타늄, 니오븀 등 석출원소의 석출에 영향을 미치게 되어, 최종 열연강판의 기계적 성질에도 영향을 미치게 된다.

한편, 본 발명은 강중 규소의 함량을 높이고, 열간압연후 3단 제어냉각을 실시함으로써, 기계적 성질 향상시키는 것을 특징으로 하는데, 이것은 도2를 통해 확인할 수 있다. 즉, 본 발명에서는 도1에 나타난 바와 같이, 전단냉각을 실시하여 권취하는 종래법과는 달리 3단 제어냉각을 행하기 때문에, 도2에 나타낸 바와 같이, 실리콘 첨가량이 증가함에 따라 연신율은 상승하며 동시에 인장강도 역시 상승하는 경향이 있음을 알 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명의 열연강판은, 최종조직에서 등축화된 페라이트 기지에15~20%의 베이나이트가 형성된 미세조직을 갖고, 기계적성질에 있어서는 인장강도 780 MPa 이상, 항복강도 680 MPa 이상, 인장강도×연신율 발란스가 15600 MPa·% 이상, 버링성형에 요구되는 신장플랜지성 80% 이상과 동시에 인장강도×신장플랜지성 발란스 62400MPa·% 이상의 우수한 특성을 제공할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

하기 표1의 화학성분을 갖는 강 슬라브를 하기 표2의 조건으로 열간압연하여 냉각한 후 권취온도를 달리하여, 최종 판 두께가 3.2∼6.0mm인 열연강판을 제조하였다.

그 후, 제조된 열연강판의 기계적성질을 측정하고, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

이 때, 인장강도는 압연방향에 대하여 수직인 방향으로 JIS 5호 인장시편을 제작한 후 상온에서 10mm/min의 속도로 인장하여 평가하였다.

굽힘시험은 압연 직각방향의 35W×240L×t(mm) 크기의 시편의 버(burr) 발생부위를 굽힘부의 외측에 오도록하여 굽힘부 크랙이 발생되는 최소 반경을 측정하였다.

또한, 신장플랜지성은 120W×120L×t(mm) 크기의 시편중앙에 지름 18mm의 구멍을 타발한후 반경 25mm의 구두형 펀치로 확장하여 다음식으로 구멍확장비(HoleExpansion Ratio ; HER)를 평가하였다.

HER = (D_f-D_o)/D_o× 100(%)

(D_o: 타발구멍의 초기 지름,

D_f: 확장에서 크랙이 두께를 관통할 때 펀치의 상승을 정지하여 측정한 구멍지름)

강종	화학성분(wt%)
강종	C	Mn	Si	P	S	Al	Nb	Ti	Mo	N(ppm)
종래강1	0.073	1.44	0.09	0.012	0.002	0.021	0.043	－	－	32
종래강2	0.074	1.67	0.10	0.013	0.004	0.040	0.043	0.080		36
비교강1	0.069	1.71	0.08	0.012	0.005	0.025	0.024	0.058		29
비교강2	0.078	1.77	0.39	0.012		0.048	0.029	0.069		30
발명강1	0.077	1.70	0.71	0.013		0.031	0.027	0.062		33
발명강2	0.078	1.70	0.98	0.012		0.025	0.024	0.059		37
비교강3	0.076	1.72	1.35			0.035	0.024	0.059		32
발명강3	0.077	1.71	0.50		0.003	0.044	0.025	0.057		26
발명강4	0.074	1.59	0.73		0.005	0.040	0.024	0.061		30
종래강3	0.073	1.63	0.03		0.005	0.037	0.027	0.074	0.020	39
비교강4	0.150	1.68	1.95		0.004	0.023	－	－	－	35

구분	①(℃)	3단 제어냉각	②(℃)	인장성질	신장플랜지성(%)	③	④	⑤
구분	①(℃)	중간온도(℃)	②(℃)	유지시간(초)	신장플랜지성(%)	③	④	⑤	YS(MPa)	TS(MPa)	El(%)
종래재1	종래강1	843	675±10	4.5	450	575	629	21.6	99.1	양호	13590	62350
종래재2	종래강2	852		4.7	450	714	763	45.0	86.0		11451	65654
비교재1	비교강1	838		5.0	500	655	705	16.1	89.6		11344	63134
비교재2	비교강2	850				674	746	18.9	90.9		14095	67791
발명재1	발명강1	852				728	805	19.6	87.0		15770	69998
발명재2	발명강2	854				718	800	19.7	81.4		15754	65094
비교재3	비교강3	846				701	789	18.6	84.2		14674	66426
비교재4	발명강3	837		4.0	450	686	744	17.7	107.6		13166	80035
발명재3		850		6.0	450	721	794	21.6	97.4		17146	77316
발명재4		844		8.0	450	721	792	22.8	98.8		18054	78234
비교재5	발명강4	849		5.0	600	670	764	23.0	68.0	불량	17581	51979
비교재6		842			550	687	778	20.8	75.5	불량	16185	58748
발명재5		850			500	722	799	19.6	81.0	양호	15655	64695
발명재6		841			450	745	817	18.4	85.0		15033	69472
비교재7		844			400	735	823	15.0	98.0		12348	80674
비교재8		828	750		450	679	774	15.0	96.0		11613	73549
비교재9		840	600		450	661	755	16.0	87.0		12074	65650
종래재3	종래강3	855	675±10		450	669	723	15.9	92.6		11500	66972
종래재4	종래강3	850		0.0	600	730	784	18.0	76.3	불량	14112	59819
비교재10	비교강4	859		5.0	400	537	766	28.0	57.9	불량	21458	44372
*①: 마무리압연온도, ②: 권취온도, ③: 굽힘성질,④: TS×El(MPa·%), ⑤: TS×HER(MPa·%)

상기 표2에 나타난 바와 같이, 실리콘이 적게 첨가된 비교강(1)로 제조된 비교재(1)의 경우에는 인장강도, 연신율이 본 발명의 제안 범위를 충족시키지 못하였고, 반대로 Si이 과잉첨가된 비교강(2)로 제조된 비교재(2)는 인장강도는 780 MPa 이상이나 연신율 및 인장강도×연신율 발란스가 역시 충족되지 않는다.

한편, 종래의 인장강도 780MPa급에 해당하는 종래강(3)을 이용하여 고온에서 권취한 종래재(3)은 인장강도는 만족하나 신장플랜지성이 제안범위를 벗어났으며, 상기 종래강(3)을 이용하고 본 발명의 권취온도를 적용한 종래재(4)는 신장플랜지성은 대단히 우수하나 강도 및 연신율은 고온권취의 경우에 비하여 저하되어 본 발명의 인장강도×연신율 발란스에 미달되었다.

또한, 비교강(4)로 제조된 비교재(10)은 연신율 및 강도×연신율 발란스가 극히 우수하나, 강도×신장플랜지성 발란스가 대단히 낮은 수준에 있음을 나타내고 있다.

발명강(4) 이용하고 3단 제어냉각에서의 중간온도를 750℃로 한 비교재(8)은 베이나이트 분율이 증가되면서 연신율이 저하되었고, 반대로 중간온도를 600℃로 한 비교재(9)는 미세한 페라이트 기지조직은 얻어졌으나, 역시 베이나이트 분율이 20% 이상으로 증가되면서 강도 및 연신율이 저하되어 본 발명의 기계적성질 제안 범위에 도달하지 않는다.

한편, 발명강(4)를 이용하고 권취온도를 400℃로 하여 권취한 비교재(7)은 신장플랜지성은 양호하나 연신율이 저하되었고, 반대로 권취온도가 높은 비교재(5),(6)은 조대한 입계 세멘타이트를 포함한 페라이트-퍼얼라이트조직이 형성되면서 신장플랜지성은 급격히 저하되어 본 발명의 기계적 성질을 충족시키지 못하였다.

그러나, 본 발명강의 성분계 및 제조조건을 만족하는 발명재(1)~(6)의 경우에는, 780 MPa 이상의 인장강도를 보유하며, 인장강도×연신율, 인장강도×신장플랜지성 발란스가 본 발명의 제안 범위를 충족시키고 있어서, 연신율과 신장플랜지성이 동시에 우수한 페라이트-베이나이트 복합조직 열연강판을 제조할 수 있었다.

(실시예2)

상기 표1의 발명강(3)을 이용하여 3단 제어냉각후 650∼700℃ 온도범위까지 1차 수냉각하고, 이 중간온도역에서 유지시간을 변화시킨 경우의 기계적성질을 측정하고, 그 결과를 도3에 나타내었다.

도3에 나타난 바와 같이, 유지시간이 길어짐에 따라 인장강도 및 연신율은 동시에 상승하였는데, 그 이유는 유지시간이 길어질수록 페라이트 체적분율이 증가되고, 이 페라이트조직내에 (Ti,Nb)C 석출이 진행되기 때문이다.

일례로, 중간온도역에서 8초 유지한 후 450℃에서 권취하여 제조한 경우에는 15∼20%의 베이나이트를 함유하는 페라이트-베이나이트 복합조직강이 제조되어, 23% 정도의 연신율과 790MPa 이상의 인장강도, 인장강도×연신율 및 인장강도×신장플랜지성 발란스가 각각 17000MPa·%, 77000MPa·% 이상인 페라이트-베이나이트 복합조직 열연강판의 제조가 가능하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 강성분을 조정하고 3단 제어냉각을 행함으로써, 연신율과 신장플랜지성이 동시에 우수한 인장강도 780MPa급 페라이트-베이나이트 복합조직강을 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

중량%로 탄소 : 0.06∼0.10%, 실리콘 : 0.5∼1.0%, 망간 : 1.5∼2.0%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.0005% 이하, 알루미늄: 0.010∼0.050%, 티타늄: 0.050∼0.10%, 니오븀 : 0.020∼0.040%, 질소 : 60ppm 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판
제1항에 있어서, 상기 열연강판의 최종 조직분율이 80~85%페라이트와 15~20%베이나이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열연강판의 인장강도가 780 MPa이상이고, 항복강도가 680 MPa 이상이며, 인장강도×연신율이 15000MPa·%이상, 인장강도×신장플랜지성이 62400 MPa·% 이상인 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판
중량%로 탄소 : 0.06∼0.10%, 실리콘 : 0.5∼1.0%, 망간 : 1.5∼2.0%, 인 : 0.02% 이하, 황 : 0.0005% 이하, 알루미늄: 0.010∼0.050%, 티타늄: 0.050∼0.10%, 니오븀 : 0.020∼0.040%, 질소 : 60ppm 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 함유하는 강 슬라브를 재가열한 후 오스테나이트 온도역에서 마무리열간압연하고,1차 수냉각을 650∼700℃ 범위까지 행한 다음 이 온도역(중간온도역)에서 5초 이상 공냉상태로 유지하고 베이나이트 변태온도 이하인 450~500℃의 온도범위까지 2차 수냉각한 후, 이 온도범위에서 권취하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 인장강도 780 MPa급 자동차용 열연강판의 제조방법