KR20020046708A - 내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도저탄소 냉연강판의 제조 방법 - Google Patents

내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도저탄소 냉연강판의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강판의 연성이 우수하여 자동차의 차체의 멤버나 필라 같은 구조부재에 적용하는 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.03 ~ 0.10%, 실리콘 0.5 ~ 1.5%, 인 및 황 0.02% 이하, 질소 0.004%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 망간 1.0 ~ 2.0% 을 첨가하되 Si/C 중량비를 10 이상 조절하고 기타 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리하는 단계와; Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC로 마무리압연하는 단계와; 450 ~ 650oC의 온도범위에서 열연권취를 실시하는 단계와; 상기 권취된 열연강판을 냉간압하율을 40 ~ 80%로 하여 압연을 실시하는 단계와; 750 ~ 880oC 사이의 2상역에서 소둔처리를 실시하는 단계와;로 이루어진 것을 특징으로 하는 내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도 저탄소 냉연강판의 제조 방법을 개시한다.

Description

내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도 저탄소 냉연강판의 제조 방법{method of manufacturing cold rolled steel sheets with excellent anti-aging properties for automotive structural parts}
본 발명은 강판의 연성이 우수하여 자동차의 차체의 멤버나 필라 같은 구조부재에 적용하는 냉연강판의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저탄소 알루미늄 킬드강(Al-killed steel)에 환경 친화형 원소인 망간(Mn), 실리콘(Si)만의 첨가량과 첨가비를 적절하게 조절함으로써 페라이트상내에 마르텐사이트나 잔류오스테나이트와 같은 제2상의 분율을 적당량 생성시키고 페라이트상의 내의 고용탄소를 제2상으로 방출시키는 열처리를 실시함으로써 연성이 우수한 냉연강판을 제조하는 것이다. 제조된 냉연강판은 연성이 우수하고 내시효성이 우수하기 때문에 자동차의 멤버(member)와 필라(pillar)와 같은 구조부재뿐만 아니라 내외판재에도 적용할 수 있다.
종래의 자동차 구조부재용 고성형 고강도강은 극저탄소 알루미늄 킬드강에 고용강화원소인 인(P), 망간(Mn), 실리콘(Si)등을 첨가하여 인장강도45kgf/mm2급까지 제조하여 왔다. 그러나 다량의 고용강화형 원소의 첨가에 따른 연신율이 감소하여 성형성이 크게 저하 되었다. 그리고 극저탄소강을 이용하여 고용강화형 원소 첨가에 의해서는 인장강도 50kgf/mm2급 이상의 냉연강판의 제조는 어려운 것으로 알려져 왔다. 그리고 저탄소강에 경화능이 높은 망간(Mn)이나, 몰리브덴(Mo),크롬(Cr)같은 원소를 첨가하고 연속소둔공정의 급냉대를 이용하여 페라이트와 마르텐사이트로 구성된 복합조직강을 개발하여 왔다. 그러나 복합조직강은 급냉대의 냉각속도가 빨라야 하고, 과시효 온도가 낮아야 하기 때문에 일반재의 생산방식과 열처리 조건이 크게 다르다. 그리고 가공성이 비교적 낮기 때문에 상업적 생산이 보류된 실정이다. 저탄소강에 티타늄(Ti)이나 나이오븀(Nb)를 첨가한 석출경화형 고장력강이 개발되어 사용되어 왔으나 항복강도가 높고 재질편차가 심하기 때문에 프레스 가공이 어렵고, 스프링 백(spring back) 양의 조절이 어려워 프레스 가공 시 형상동결성이 나쁜 단점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고강도 이면서 연성이 우수하여 자동차의 차체의 멤버나 필라 같은 구조부재에 적용하는 냉연강판의 제조에 관한 것으로 보다 상세하게는 저탄소 알루미늄 킬드강(Al-killed steel)에 환경 친화형 원소인 망간(Mn), 실리콘(Si)만의 첨가량과 첨가비를 적절하게 조절함으로써 페라이트상내에 마르텐사이트나 잔류오스테나이트와 같은 제2상의 분율을 적당량 생성시키고 페라이트상의 내의 고용탄소를 제2상으로 방출시키는 열처리를 실시함으로써 연성이 우수한 냉연강판을 제조하는 것이다.
이하 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 저탄소 알루미늄킬드강을 이용하여 고강도이면서도 연성이 우수할 뿐만 아니라 내시효성도우수한 자동차의 차체의 멤버나 필라 같은 구조부재 및 내외판재에 적용하는 냉연강판의 제조에 관한 것으로, 그 제조방법은 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.03 ~ 0.10%, 실리콘 0.5 ~ 1.5%, 인 및 황 0.02% 이하, 질소 0.004%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 망간 1.0 ~ 2.0% 을 첨가하되 Si/C 중량비를 10 이상 조절하고 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 마무리 열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC로 하며, 열연권취는 450 ~ 650oC의 온도범위에서 실시하여 열연강판을 제조하고, 그 열연강판을 이용하여 냉간압하율을 40 ~ 80%로 하여 압연을 실시한 후, 소둔은 750 ~ 880oC 사이의 2상역에서 실시하는 것으로 구성되어 있다. 그리고 연속소둔의 서냉영역에서는 -7oC/sec이하를 유지하여야 하며, 과시효 온도는 500 ~ 350oC사이에서 실시하는 것으로 구성된다.
저탄소 알루미늄 킬드강(Al-killed steel)에 환경 친화형 원소인 망간(Mn), 실리콘(Si)만의 첨가량과 첨가비를 적절하게 조절함으로써 페라이트상내에 마르텐사이트나 잔류오스테나이트와 같은 제2상의 분율을 적당량 생성시키고 페라이트상의 내의 고용탄소의 제2상으로 방출하는 열처리를 실시함으로써 연성이 우수한 냉연강판을 제조하는 것이다. 종래의 냉연강판은 실리콘이 0.5% 수준으로 첨가 되었는데 이 범위에서는 실리콘의 첨가량이 증가할수록 연신율이 급격히 떨어지기 때문이 이었다. 그러나 실리콘의 첨가량을 탄소의 첨가량에 따라 그 양을 조절하여 첨가하면 실리콘과 탄소의 반발하는 성질을 이용하여 페라이트상내의 고용탄소의 양을 크게 낮출 수 있다. 실리콘과 탄소의 비가 10이상이 되면 페라이트상의 고용탄소가 급격히 감소하면서 연성도 크게 증가한다. 이 경우 오스테나이트와 페라이트상이 공존하는 2 상역 열처리와 서냉 의해서 적당량의 제 2상을 만들어 주어야 한다. 즉 제 2상에 탄소의 농화가 이루어 지게 하기위해서 이다. 그러나 열처리 과정에서 낮은 합금원소하에서도 제 2상을 만들기 위해서는 탄소의 양을 0.1% 이하로 유지함으로써 서냉 시 오스테나이트상의 빠른 변태를 일으키므로써 소량으로 존재하는 제2상의 안정도를 크게 높여주는 열처리가 필요하다. 서냉공정에서 페라이트 내의 탄소의 양을 최대한 낮추고 과시효 공정에서 탄소를 제2상 쪽으로 다시 농화시킴으로써 2상역 소둔 후 복합조직강의 제조와 같은 급냉 공정없이 가공성이 높은 고장력강을 제조할 수 있다. 즉 종래에는 2상역 소둔 후 급냉에 의해서 다량의 고온의 오스테나이트상을 과시효 공정에서 베이나이트 변태를 시키면서 탄소의 농화를 촉진했으나 본 발명은 실리콘과 탄소의 첨가비를 적절히 조절하고 2상역 소둔 후 서냉을 실시함으로써 페라이트상내의 탄소를 제2상으로 방출시켜 제 2상의 탄소를 농화시키고 대신에 페라이트상은 청정화 하는 열처리를 하는 것이다. 따라서 고용탄소의 양이 급격히 감소된 페라이트는 상당히 변형이 쉽게 되기 때문에 연성이매우 높게 되어 가공성이 증가한다.
강판의 제조에 있어서 탄소의 첨가는 입계의 제2상을 형성시킴으로써 결정립을 미세화하여 강도를 상승시키고자 함이다. 그러나 페라이트내에 고용상태로 존재하는 탄소는 강판의 연신율을 저하시키기 때문에 대부분의 탄소는 결정립계에 존재한 제2상에 농화되도록 열처리를 실시하여야 한다. 제2상에 탄소가 농화되도록 하기 위해서는 탄소와 실리콘의 첨가비를 적절하게 조절해 주어야 한다.실리콘/탄소의 첨가비가 10이상이 되면 페라이트의 청정화에 의해서 연성이 크게 향상되는 것으로 나타났다. 실리콘은 적은 양을 첨가하는 경우와 강에 제2상이 존재하지 않는 경우에는 고용강화 효과에 의해서 연성이 감소하지만 강에 제 2상이 생성되는 경우와 탄소와 첨가량의 비(실리콘/탄소)가 10이상이 되면 실리콘은 페라이트상내의 고용탄소를 오스테나이트 상으로 밀어내는 특성이 있다. 따라서 페라이트상이 매우 청정화 되기 때문에 연성이 크게 증가한다. 실리콘이 이러한 특성을 이용하여 2상역 소둔 후 서냉을 실시함으로써 매우 청정한 페라이트상과 탄소가 농축된 제2상을 얻을 수 있기 때문에 연성이 매우 높은 고강도강의 제조가 가능하다.
본 발명은 저탄소 알루미늄킬드강을 이용하여 고강도이면서도 연성이 우수할 뿐만 아니라 내시효성도우수한 자동차의 차체의 멤버나 필라 같은 구조부재 및 내외판재에 적용하는 냉연강판의 제조에 관한 것으로, 그 제조방법은 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.03 ~ 0.10%, 실리콘 0.5 ~ 1.5%, 인 및 황 0.02% 이하, 질소 0.004%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 망간 1.0 ~ 2.0% 을 첨가하되 Si/C 중량비를 10 이상 조절하고 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리 후 마무리 열간압연온도를 Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC로 하며, 열연권취는 450 ~ 650oC의 온도범위에서 실시하여 열연강판을 제조하고, 그 열연강판을 이용하여 냉간압하율을 40 ~ 80%로 하여 압연을 실시한 후, 소둔은 750 ~ 880oC 사이의 2상역에서 실시하는 것으로 구성되어 있다. 그리고 연속소둔의 서냉영역에서는 -7oC/sec이하를 유지하여야 하며, 과시효 온도는 500 ~ 350oC사이에서 실시하는 것으로 구성된다.
탄소(C) 의 양이 0.04 중량%(이하 %라고 함) 이하가 되면 2상역 소둔온도가 높아지기 때문에 탄소를 농화시킬 제2상을 만들 수 없기 때문에 탄소의 하한 첨가량은 0.03%로 하였다. 탄소의 첨가량이 많아지면 소량의 실리콘 첨가에 의해서 페라이트상내의 고용탄소를 충분히 낮게 할 수 없기 때문에 강판의 연성이 감소한다. 즉 고용탄소에 의한 고용강화효과에 의해서 강판의 연성이 감소하는 것이다. 탄소의 첨가량이 증가하면 그에 따른 실리콘의 첨가량이 증가되어야 하는데 실리콘이 증가하면 열연단계에서 페이야라이트(FeSiO4)와 같은 산화물을 강판표면에 형성하여 산세를 어렵게 한다. 강판표면에 미산세로 남아 있는 산화층은 소둔공정에서 연속소둔내의 허스롤의 코팅층과 반응하여 빌드업( Build-up)을 형성한다. 형성된 빌드업은 강판표면에 미세한 덴트( dent)자국을 형성함으로 강판의 품질을 크게 떨어뜨린다. 따라서 탄소의 첨가량을 0.04 % ~ 0.10%로 제한 하였다.
실리콘(Si)은 페라이트 변태를 촉진시키는 페라이트 안정화원소로 알려져 있고, 탄소의 활동도를 증가시켜 소둔시 페라이트 내부에 존재하는 탄소를 오스테나이트로 방출하는 역할을 하여 페라이트상을 청정화시킨다. 낮은 탄소의 양에서는 오스테나이트상의 페로이트로의 변태를 빠르게 일으키기 때문에 최종적으로 형성된 제2상의 양이 크게 감소한다. 그러나 탄소의 양이 충분히 농화되기 때문에 상온까지 소량의 제2상을 유지할수 있다. 따라서 이 소량의 제2상과 청정화된 페라이트상은 연신율 향상에 큰 기여를 하기 때문에 냉연강판의 가공성을 크게 향상시키다. 실리콘의 양이 0.5% 이하가 되면 페라이트상의 청정화가 어렵고 실리콘에 의한 고용경화량이 적기 때문에 가공성과 연성을 모두 확보할 수 없다. 따라서 실리콘의 하한 첨가량을 0.5%로 제한 하였다. 실리콘의 첨가량이 1.5%이상이 되면 고용강화효과에 의해서 강도도 크게 증가하고 그에 따른 연신율의 감소도 커진다. 특히 실리콘이 증가하면 산세특성이 나빠지고, 산세와 압연을 위해서 실시하는 플래시버트 용접성을 크게 나쁘게 하기 때문에 그 상한 첨가량을 1.5%로 제한하였다.
망간(Mn)은 오스테나이트에서 페라이트로의 변태를 지연시키고 오스테나이트에서 페라이트로의 변태온도를 낮추는 효과가 크기 때문에 첨가량이 적절히 조절되어야 한다. 망간의 첨가량이 1.0% 이하가 되면 인장강도의 확보가 어렵다. 그러나 망간이 2.0% 이상 다량 첨가되면 제조원가가 크게 상승하고, 열연판의 산세 및 압연 시 연속작업을 위한 용접을 어렵게 한다. 따라서 망간의 첨가량을 1.0 ~ 2.0%로 제한 하였다.
질소(N)는 강중에 불가피하게 첨가되는 원소이지만 첨가량이 너무 많게 되면질소에 의한 시효현상이 증가할 수 있으므로 질소의 하한 첨가량을 0.004% 이하로 제한 하였다.
알루미늄(Al)은 강의 탈산을 위하여 첨가되는데 알루미늄의 첨가량이 0.02% 이하가 되면 강중에 산소가 존재하여 제강 시 망간, 실리콘등의 산화물 형성원소가 첨가될 경우 망간산화물, 실리콘 산화물등을 형성하기 때문에 망간, 실리콘 등의 성분제어가 힘들게 된다. 그리고 알루미늄의 양이 0.06% 이상이 되면 알루미늄의 양이 필요이상으로 첨가되어 제조원가가 상승하고 강판의 표면결함을 다량 발생시키므로 알루미늄의 상한 첨가량을 0.06% 로 제한하였다.
일반적으로 황(S)과 인(P)은 강의 제조 시 불가피하게 함유되는 원소이므로 그 첨가범위를 0.02%이하로 제한하였다.
상기조성으로 용해된 강을 통상의 조건과 유사하게 1050 ~ 1300oC 정도에서 균질화 처리를 실시하고, 균질화 처리가 끝난 시편은 Ar3온도 직상인 850 ~ 950oC범위에서 통상의 조건으로 마무리 열간압연을 실시하고, 450 ~ 650oC에서 권취하는 열간압연을 실시한다. 열연권취온도가 너무 높으면 조대한 탄화물의 형성되어 소둔공정에서 탄화물이 충분히 분해되지 않기 때문에 열연권취온도를 450 ~ 650oC로 제한하였다. 열간압연이 끝나면 40 ~ 80%의 냉간합하율로 냉간압연을 실시한다.
냉간압연이 끝나면 소둔을 실시하는데 이때 소둔온도는 750 ~ 880oC범위에서 연속소둔을 실시한다. 연속소둔은 2상역에서 실시하여 페라이트내에 고용탄소를 오스테나이트로 배분하고, 서냉과정에서 다시 제 2상으로 페라이트내의 고용탄소를 방출하여 페라이트를 청정화 시킨다. 이때 서냉종점온도는 가능하면 낮으면 유리하나 600oC이상이 적당하다. 서냉과 급냉공정이 완료된 다음에는 350 ~ 500oC 구간에서 과시효 처리를 행한다. 과시효처리시에는 페라이트내에 존재한 탄소가 더욱 청정화 될수 있으므로 그 온도구간을 350 ~ 500oC로 제한 하였다.
이하의 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.
(실시예)
표 1은 본 발명강과 비교강의 화학성분을 나타낸 것으로 용해된 강의 강괴를 1250oC가열로에서 한시간 유지 후 열간압연을 실시하였다. 이때 열간압연 마무리 온도는 900oC, 권취온도는 600oC로 하였다. 냉간압하율을 50%로 하여 냉간압연을 실시하였다. 냉간압연되 시편을 소둔온도를 800oC로 하고 서냉대 냉각속도를 -7oC/sec로 하여 연속소둔을 실시하였다 이때 과시효온도는 400oC로 하였다. 연속소둔이 끝난 시편은 만능인장시험기를 이용하여 인장시험을 실시하였다.
표 2는 본 발명강과 비교강의 열처리조건 또는 제조조건에 따른 기계적성질의 변화를 나타낸 것이다. 본 발명강인 시료번호 1 ~ 4번강은 인장강도 50kgf/mm2이상, 연신율 37%이상, 항복점연신율 3%이하로 고강도강이면서도 우수한 연성과 내시효 특성을 보여주고 있다. 즉 인장강도가 높은데 비해서 연성이 높기 때문에 복잡한형상을 갖는 프레스가공 부품에 적용할 수 있다. 항복점연신율이 3%이하면 스킨패스 압연을 실시하면 시효에 의한 가공 후 표면불량을 방지 할수 있다.
시료번호 5번, 6번강은 실리콘의 의 첨가량이 낮기 때문에 실리콘/탄소의 비가 낮다. 따라서 소둔과정에서 페라이트의 청정화가 충분히 일어나지 않기 때문에 연성이 매우 낮다.
시료번호 7번강은 강중에 실리콘의 첨가량은 많지만 탄소의 첨가량이 높기 때문에 실리콘/망간 비가 낮다. 따라서 소둔공정중에서 실리콘에 의한 페라이트의 청정화가 어렵기 때문에 연신율이 높지 않고 강도만 증가한 것이다.
시료번호 8번강은 첨가된 탄소의 양이 적기 때문에 소둔 시 제 2상을 확보하기 어렵기 때문에 제2상으로의 탄소의 농화가 일어나지 않는다. 그 결과 강중에 탄소의 농도가 증가하여 페라이트상이 강화됨으로써 연성이 감소한다. 특히 실리콘이 다량 첨가된 강에서는 세멘타이트의 석출이 어렵기 때문에 탄소에 의한 고용경화가 더욱 촉진된다.
강번 비고
C Si Mn P S Al N Si/C
1 0.063 1.01 1.53 0.011 0.007 0.030 0.0021 16.0 발명강
2 0.060 1.51 1.52 0.008 0.005 0.043 0.0022 25.2 발명강
3 0.084 1.01 1.52 0.010 0.005 0.043 0.0025 12.0 발명강
4 0.079 1.48 1.50 0.011 0.005 0.030 0.0021 18.7 발명강
5 0.080 0.40 1.52 0.01 0.012 0.040 0.0022 5.0 비교강
6 0.080 0.40 1.00 0.060 0.011 0.045 0.0029 5.0 비교강
7 0.203 1.61 1.50 0.008 0.009 0.045 0.0025 8.05 비교강
8 0.021 1.55 1.48 0.009 0.012 0.033 0.0022 73.8 비교강
강번 기계적성질 비 고
항복강도(kgf/mm2) 인장강도(kgf/mm2) 연신율(%) 항복점 연신율(%)
1 38.1 52.1 39.9 2.7 발명강
2 40.2 56.6 38.6 2.3 발명강
3 38.24 54.51 39.02 2.0 발명강
4 39.7 58.2 37.5 2.2 발명강
5 41.0 50.1 32.0 3.4 비교강
6 38.0 50.1 32.9 3.5 비교강
7 40.3 80.4 26.4 2.0 비교강
8 40.2 51.3 30.1 4.0 비교강
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 환경친화형 원소인 망간과 실리콘만을 이용함으로써 강판의 재활용을 높게 할뿐만 아니라 열처리 방식이 기존의 일반재의 열처리 방식과 거의 유사하기 때문에 강의 제조에 있어서 편리함을 더해 준다. 강판의 페라이트상에 함유한 고용탄소의 양을 최대한 낮추기 때문에 소둔 후 항복점 연신율이 3% 이하로 제조된 강판은 연성이 우수하고 내시효성이 우수하다. 따라서 제조된 강판은 자동차의 멤버(member)와 필라(pillar)와 같은 다소 많은 가공성을 요구하는 구조부재뿐만 아니라 가공 후 표면에 스트레쳐 스트레인 같은 표면결함이 발생하지 않기 때문에 자동차의 내외판재에도 적용할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (2)

  1. 화학성분에 있어서 중량비로 탄소 0.03 ~ 0.10%, 실리콘 0.5 ~ 1.5%, 인 및 황 0.02% 이하, 질소 0.004%이하, 알루미늄 0.02 ~ 0.06%, 망간 1.0 ~ 2.0% 을 첨가하되 Si/C 중량비를 10 이상 조절하고 기타 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소를 포함한 알루미늄킬드강을 1050 ~ 1300oC에서 균질화 처리하는 단계와; Ar3변태점 직상인 850 ~ 950oC로 마무리압연하는 단계와; 450 ~ 650oC의 온도범위에서 열연권취를 실시하는 단계와; 상기 권취된 열연강판을 냉간압하율을 40 ~ 80%로 하여 압연을 실시하는 단계와; 750 ~ 880oC 사이의 2상역에서 소둔처리를 실시하는 단계와;로 이루어진 것을 특징으로 하는 내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도 저탄소 냉연강판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 연속소둔의 서냉영역에서는 -7oC/sec이하를 유지하며, 과시효 공정은 500 - 350℃에서 실시하는 것을 특징으로 하는 내시효성이 우수한 자동차 구조부재용 고성형 고강도 저탄소 냉연강판의 제조 방법.
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