KR20070007034A - 경량 구조강의 핫 스트립의 제조 방법 - Google Patents

경량 구조강의 핫 스트립의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 높은 인장 강도 및 우수한 TRIP 및/또는 TWIP 특성을 가지며, Si, Al, 및 Mn을 주 원소로 함유하는, 특히 용이하게 냉간 디프 드로잉될 수 있는 작업성이 향상된 경량 구조강으로부터 제조된 핫 스트립의 제조 방법에 관한 것이다. 상기 강은 질량%로, C를 0.04 내지 ≤1.0, Al을 0.05 내지 <4.0, Si를 0.05 내지 ≤6.0, Mn을 9.0 내지 ≤30.0, 및 부수적인 강 원소를 포함하는 철로 이루어진 잔사를 포함한다. 상기 강으로부터 제조된 멜트는 최종 크기에 근접하도록 하기 위하여, 정적인 플로우에서 굽힘 가공 없이 수평 스트립 주조 유닛에서 주조됨으로써, 6 내지 15mm의 프리-스트립을 생성하며, 이어서 상기 프리-스트립은 추가 가공을 위하여 제공된다.
핫 스트립, 멜트, TRIP, TWIP, 경량, 구조강

Description

경량 구조강의 핫 스트립의 제조 방법{METHOD FOR THE GENERATION OF HOT STRIPS OF LIGHT GAUGE STEEL}
본 발명은, 특히 용이하게 냉간 디프 드로잉(cold deep-drawing)될 수 있는 청구항 제1항에 따른 작업성이 향상된 경량 구조강(lightweight construction steel)의 핫 스트립(hot strip)의 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 시장의 경쟁이 치열해짐에 따라서, 되도록 편안함을 유지하면서 플릿(fleet)의 소비를 낮추기 위한 노력이 계속되고 있다. 여기에서, 중량을 감소시키는 것이 중요하다. 이를 해결하기 위하여, 특히 차체(body) 공급 업자들은 강도가 높으며, 좌굴 저항(buckling resistance)뿐만 아니라 디프 드로잉 및/또는 인장 성형(stretch forming) 및 코팅의 작업성에 악영향을 미치지 않는 강을 사용하고 있다.
EP 0 889 144 A1에는, 용이하게 디프 드로잉되며, 1100MPa 이하의 인장 강도를 가진 냉간-작업성 오스테나이트 경량 구조강을 사용함으로써 이에 대한 해결책을 제안하고 있다. 이와 같은 강은, 주 원소로서, 1 내지 6%의 Si, 1 내지 8%의 Al, 및 10 내지 30%의 Mn의 범위로, Si, Al, 및 Mn을 함유하며, 잔사로서 통상적으로 부수적인 강 원소를 함유하는 철을 포함한다.
높은 변형 정도(deformation degree)는 강의 TRIP(transformation induced plasticity; 변태 유기 소성) 및 TWIP(twinning induced plasticity; 쌍정 유기 소성) 특성에 의하여 실현된다. Mn의 함량이 높은 강은 종래의 압출 가공에 있어서, 굽힘(bending), 스트랜드(strand)의 좌굴, 침전정(sedimentation) 및 섬프 피크 영역에서의 흡인(suction)에 의한 편석(segregation)으로 인하여 편석이 발생하는 경향이 있다.
이러한 과정에서 생성되는 거시편석(macrosegregation) 및 생성될 가능성이 있는 금속간 상(intermetallic phase)은, 열간 압연(hot rolling) 공정에서 주요한 스트립 결함을 초래한다.
일반적으로, 고합금 강은 내부에 크랙이 발생하는 경향이 있으며, 이는 궁극적으로 거시편석 결함을 나타내기도 한다. 이러한 결함은 제조 과정에서의 굽힘 응력(bending stress) 등에 의한 것이다.
본 발명의 목적은, 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특히 용이하게 냉간 디프 드로잉될 수 있는 작업성이 향상된 경량 구조강으로부터 핫 스트립을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 강은 질량%로서,
C 0.04 내지 ≤1.0
Al 0.05 내지 <4.0
Si 0.05 내지 ≤6.0
Mn 9.0 내지 ≤30.0
와, 그 나머지로서 통상의 부수적인 강 원소를 포함하는 철을 함유하며, 상기 멜트를 최종 크기에 근접하도록 하기 위하여, 정적인 플로우(calm flow)에서 굽힘 가공(bending) 없이 수평 스트립 주조 유닛에서 6 내지 15mm의 프리-스트립으로 주조되며, 이어서 추가 가공을 위하여 공급된다. 상기 강 멜트에는 필요에 따라서 Cr, Cu, Ti, Zr, V, 및 Nb를 선택적으로 추가할 수도 있다.
본 발명에 따른 강은, 안정화된 γ 결정을 가지는 구조이거나, 또는 부분적으로 복수의 TRIP 효과를 나타내며, 피정의 적층 결함 에너지(defined stacking-fault energy)를 가지는 부분적으로 안정화된 γ 혼합 결정을 가지는 구조이다.
전술한 효과란, 면심 γ 혼합 결정이, 스피어(sphere)가 최밀 육방정 패킹되면서 마텐자이트(martensite) ε-구조로 변태하는 것으로서, 이어서 체심 α-마텐자이트 및 잔여 오스테나이트로 부분적으로 변태한다.
Figure 112006044129291-PCT00001
fcc = 면심 입방
bcc = 체심 입방
hcp = 조밀 육방정 패킹
Al, Si 및 Mn 사이의 복잡한 상호 작용에는 탄소의 함량이 중요한 요소임이 여러 가지 시험 결과를 통하여 확인되었다. 탄소의 함량은 한편으로는 적층 결함 에너지를 증가시키며, 다른 한편으로는 준안정(metastable) 오스테나이트 영역을 확장시킨다. 결과적으로, 상기 변태는 마텐자이트의 생성을 유발하며, 따라서 이에 수반되는 고화(solidification)가 방지되어서, 연성(ductility)도 증가시킨다.
구리 및/또는 크롬을 목표량만큼 첨가하면 추가적인 개선도 실현 가능하다. 구리를 첨가하면 ε-마텐자이트가 안정화되며, 아연 도금 능력(galvanizing capability)이 향상된다. 또한, 크롬은 ε-마텐자이트를 안정화시키며, 내식성을 개선한다.
본 발명의 경량 구조강의 장점은, 합금의 조성을 조절하고, 변형 정도, 열처리 등과 같은 공정의 매개 변수를 선택함으로써, 인장 강도가 1400MPa까지 이르는 넓은 범위의 강도 및 연성 요구에 부합할 수 있다는 것이다. 여기에서, 탄소의 첨가가 중요한 역할을 한다.
여태까지는, κ-카바이드의 생성을 방지하기 위하여, 탄소의 함량을 가능한 0까지 감소시켜야 하는 것으로 여겨져 왔다. 본 발명은 망간과 마그네슘의 비율을 조절하여, 탄소를 목표로 하는 양만큼 첨가할 수 있도록 함으로써 이러한 선입견을 극복하였다.
TRIP 특성이 우세한 강에서 발생할 수도 있는 "지체 파괴(delayed fracture)" 현상 때문에, 강에서의 수소의 함량이 중요한 역할을 한다. 이러한 현상이 존재는, 예를 들면 디프 드로잉 컵(cup)의 에지 영역에서 크랙이 곧 이어서 발생하는 것으로서 명백히 알 수 있다. 크랙이 생성되는 공정은 며칠 동안 계속될 수도 있다.
상기 이유로, 수소의 함량은 <20ppm, 바람직하게는 <5ppm으로 제한되는 것이 바람직하다. 이는 용용시키는 동안에, 소정의 세척(rinsing) 및 진공 처리 등의 신중한 처리를 통하여 수행될 수 있다.
소정의 목적에 따라서, TRIP 또는 TWIP 특성이 우수한 경량 구조강을 제공할 필요도 있다. 이는, 가장 간단하게는 Mn의 함량을 조절함으로써 수행할 수 있다. 약 9-18%의 낮은 범위를 선택할 경우, 최종 생성물에 있어서의 TRIP 특성이 현저하게 우세해질 수 있으며, 약 22-30%의 더욱 높은 바람직한 범위를 선택할 경우에는 TWIP 특성이 현저하게 우세해지게 된다. 상술한 바와 같이, 이러한 조절은 다른 원소, 특히 탄소의 첨가를 조절함으로써 행해질 수도 있다. 이러한 관계에 있어서는, 내식성이 충분한 범위 내에서, Mn의 함량 범위가 낮으면 Cr의 함량을 높게 하고, Mn의 함량 범위가 높으면 Cr의 함량을 낮게 선택해야 함을 주지해야 한다.
공정을 수행하기 위하여, 이상적인 상황에서 멜트 유입물의 속도를 순환 컨베이어 밴드의 속도와 일치시키는 전자기 브레이크(electromagnetic brake)를 공동으로 운용함으로써, 정적인 플로우가 실현되도록 하는 것이 바람직하다.
고화되는 동안에, 차례로 배치된 복수의 롤러 상에서 멜트의 밑면을 수용하는 주조 밴드(casting band)를 지지(supporting)함으로써 유해한 밴딩을 방지할 수 있다. 주조 밴드 영역을 감압시켜서 주조 밴드를 롤러에 단단하게 밀착시킴으로써 지지를 더욱 강화할 수 있다.
고화의 임계 상(critical phase) 동안에 상기 조건을 유지하기 위하여, 프리-스트립에서 편향(deflection)이 발생하기 전에 컨베이어 밴드의 말단에서 프리-스트립이 실질적으로 완전히 고화되도록 컨베이어 밴드의 길이가 선택되어야 한다.
균질화 영역(homogenization zone)은 컨베이어 밴드의 말단에서 이어지며, 온도를 보상하고, 장력이 발생할 경우 이를 감소시키는 데에 이용된다. 프리-스트립의 직접 코일화나, 또는 적어도 50%, 바람직하게는 >70%로 필요한 만큼 변태시키기 위한 선행하는 압연 공정과 같은 추가적인 처리 이후에 균질화 영역이 이어진다.
프리-스트립의 직접 코일화는, 후속되는 압연 공정의 사이클에 상관없이 고화를 위한 최적의 조건을 실현할 수 있는 주조 속도를 선택할 수 있다는 장점이 있다.
한편, 전체적으로 또는 부분적으로 인라인(inline)으로 주조한 후에, 본 발명의 재료를 직접 압연하여 최종적인 두께로 하는 것은 경제적인 이유(높은 생산성)로 특히 유리할 수도 있다.
고화의 시작 지점에서 스트랜드 셀이 형성되면, 스트랜드 셀이 스트립 주조 유닛의 회전 밴드로부터 국부적으로 분리될 수도 있다. 프리-스트립의 밑면이 허용될 수 없을 만큼 불균일하면 이러한 분리가 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는, 컨베이어 밴드를 폭으로 가로지르는 스트립의 스트랜드 셀을 형성하는 모든 표면 원소에 대하여 가능한 동일한 냉각 조건을 보장하는 것이 필요하다. 이는, 예를 들면 구조를 조절하거나, 또는 단열 분리층을 사용함으로써 회전 밴드의 최상면을 적절한 구조로 함으로써 가능해질 수도 있다.
상기와 같이 구조화하는 수단 중의 하나는, 예를 들면 회전 밴드의 최상면을 샌드 블래스팅(sand blasting) 또는 브러싱(brushing)하는 것이다. 단열 분리층으로서는, 산화알루미늄, 산화지르코늄 등으로 플라즈마 스프레이 코팅하는 것을 예로 들 수 있다. 구조화하기 위해서는, 너브(nub) 사이의 간격이 수 ㎜인, 높이 수백 ㎛, 직경 수 ㎜의 상방향 너브와 같은 너브 구조를 예로 들 수 있다.
구현예로서 하기의 값들을 들 수 있다. 강을 분석하여 얻은 것이며, 핫 스트립은 2.5㎜의 두께로 제조되었다.
C = 0.06%
Mn = 15.5%
Al = 2.0%
Si = 2.6%
H2 = 4ppm
압연 방향으로 위치시킨 장력 시편의 인장 강도는 1046MPa이고 연신성(A80)은 35%였다. 변형 정도 및 열처리에 따라서, 인장 강도는 약 1100MPa, 연신성(A80)은 약 40%까지 증가할 수도 있다.
제2 실시예는, Mn의 함량을 거의 동일하게 하면서 탄소 함량을 증가시킴으로써 강도 및 연성 특성을 변화시킬 수 있음을 보여준다.
구현예의 강은 함량은 하기와 같다.
C = 0.7%
Mn = 15%
Al = 2.5%
Si = 2.5%
H2 = 3ppm
이러한 강으로 제조된 1.0㎜의 냉간 스트립은, 불활성 가스하에서 1050℃에서 체류 시간 15분 동안 재결정화를 위하여 어닐링(annealing)된다. A80 연신성은 60%로 증가했지만, 인장 강도는 817MPa로 낮아졌다. 이는, Mn의 함량이 낮지만 탄소를 보다 많이 첨가한 결과, 강이 TWIP 특성을 가지는 범위로 더욱 이동했음을 의미한다.
추가적인 실시예에서는 Mn 함량을 높이고, 탄소 함량을 낮춘 예를 나타낸다. 함량은 아래와 같다.
C = 0.041%
Mn = 25%
Al = 3.4%
Si = 2.54%
H2 = 4ppm
상기와 유사한 열처리를 행한 후, 인장 강도는 평균 632MPa이고, A80 연신성은 57%였다. 탄소 함량이 낮은 한, 강도가 희생되었지만, 높은 Mn 함량을 가지면서 연신성이 상당히 증가함을 본 실시예를 통해서도 명확하게 알 수 있다.
요약하면, 상기 3개의 실시예를 통하여 강도와 연신성을 폭넓게 변화시키기 위해서는 Mn과 C의 함량이 중요한 역할을 함을 알 수 있다. 어닐링 및/또는 결합된 냉간 성형(예를 들면, 압연, 스트레칭, 디프 드로잉) 및 단속적인 어닐링 또는 최종 어닐링의 형태로 핫 스트립을 처리함에 따라서, 분석 결과가 달라질 수도 있다.

Claims (23)

  1. 질량%로서,
    C 0.04 내지 ≤1.0
    Al 0.05 내지 <4.0
    Si 0.05 내지 ≤6.0
    Mn 9.0 내지 ≤30.0와
    그 나머지로서 부수적인 강(steel) 원소를 포함하는 철
    을 함유하며, TRIP 및/또는 TWIP 특성을 가지며, Si, Al, 및 Mn을 주 원소로 함유하는 고인장 강도의 경량 구조강(lightweight construction steel)의 멜트(melt)를 제공하는 단계;
    상기 멜트를 최종 크기에 근접하도록 성형하기 위하여, 정적인 플로우(calm flow)에서 굽힘 가공(bending) 없이 상기 멜트를 수평 스트립 주조 유닛(horizontal strip casting unit)에서, 6 내지 15mm의 프리-스트립(pre-strip)을 제조하는 단계; 및
    추가 가공을 위하여 상기 프리-스트립을 이송하는 단계
    를 포함하는 핫 스트립(hot strip)의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 함량은 0.06 내지 0.7%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 강은 Cr을 ≤6.5% 함유하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mn 함량은 9-18%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mn 함량은 18-22%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Cr 함량은 0.3-1.0%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Mn 함량은 22-30%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  8. 제3항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Cr 함량은 0.05-0.2%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Si 함량은 2.0-4.0%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 Al 함량은 2.0-3.0%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 수소 함량은 <20ppm인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수소 함량은 <5ppm인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    Cu가 ≤4% 선택적으로 함유되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    티타늄 및 지르코늄이 합계 ≤0.7% 선택적으로 함유되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  15. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    니오븀 및 바나듐이 합계 ≤0.06% 선택적으로 함유되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    티타늄, 지르코늄, 니오븀 및 바나듐이 합계 ≤0.8% 선택적으로 함유되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멜트의 공급 속도가 회전 컨베이어 밴드의 속도와 동일한 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨베이어 밴드를 폭 방향으로 가로지르는 스트립의 스트랜드 셀(strand shell)이, 상기 스트랜드 셀의 모든 표면 원소가 실질적으로 동일하게 냉각되는 조건에서 고화(solidification)가 개시되면서 성형되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컨베이어 밴드 상에 위치하는 상기 멜트는 상기 컨베이어 밴드의 말단에서 실질적으로 완전히 고화되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 완전 고화가 수행된 후 및 추가적인 가공이 시작되기 전에, 상기 프리-스트립이 균질화 영역(homogenization zone)을 통해 이송되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 추가적인 가공은 상기 프리-스트립의 코일링화를 포함하는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  22. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프리-스트립은 인라인(inline)으로 압연 공정을 거친 후 코일링되는 것을 특징으로 하는 제조 방법.
  23. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    변형 정도(deformation degree)가 50% 이상, 바람직하게는 >70%인 것을 특징으로 하는 제조 방법.
KR1020067012471A 2003-12-23 2004-12-22 경량 구조강의 핫 스트립의 제조 방법 KR101178775B1 (ko)

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