KR20080063307A - 다상 조직을 갖는 열연 스트립의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

열간 압연 상태로부터 강도가 높으면서도 성형 특성이 매우 우수한 다상 조직을 갖는, TRIP 강으로 지칭되는 열연 스트립을 제조하기 위해, 본 발명에 따라 사용되는 강 등급의 화학 조성을 0.12~0.25%의 C; 0.05~1.8%의 Si; 1.0~2.0%의 Mn; 및 잔부 Fe와 통상적으로 수반되는 원소들로 이뤄진 조성 한계 내에서 미리 지정하고 압연 전략과 냉각 전략을 조합하여 40~70%의 페라이트, 15~45%의 베이나이트, 및 5~20%의 잔류 오스테나이트로 이뤄진 조직이 얻어지도록 열연 스트립을 제조하되, 최종 성형(6') 시에 준안정 오스테나이트의 영역에서 Ac₃의 바로 위쪽에 있는 770~830℃의 온도로 매우 미세한 오스테나이트 입자(d ＜ 8㎛)를 수립하기 위한 열연 스트립(7)의 마감 압연을 수행하고, 최종 롤 스탠드(6') 직후에, 냉각 곡선이 페라이트 영역에 들어가는 것에 의해 그 시작이 결정되고 오스테나이트가 40% 이상의 페라이트로 변태하는 것에 의해 그 지속 시간이 결정되는 약 650~730℃의 온도 유지 시간을 두면서 320~480℃의 베이나이트 형성 영역의 스트립 온도로 열연 스트립(7)의 2단계의 제어된 냉각(10, 11, 12)을 수행하는 방법을 제안한다.

강 등급, 화학 조성, 열연 스트립, 냉각 속도, 열연 스트립의 제조 방법, 열연 스트립, TRIP 강, 베이나이트, 잔류 오스테나이트.

Description

다상 조직을 갖는 열연 스트립의 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING HOT STRIP WITH A MULTIPHASE STRUCTURE}

본 발명은 최종 롤 스탠드 이후에 제어된 냉각을 통해 열간 압연 상태로부터 강도가 높으면서도 성형 특성이 매우 우수한 다상 조직을 갖는 열연 스트립, 즉 변태 유기 소성(Transformation Induced Plasticity; TRIP) 강으로 지칭되는 열연 스트립을 제조하는 방법에 관한 것이다.

TRIP 강에서는 강 조직을 수립하는 것이 복잡한 것으로 밝혀진 바, 그 이유는 페라이트와 베이나이트 이외에도 잔류 오스테나이트로서의 또는 연이은 성형 후의 마르텐사이트로서의 제3 상이 존재하기 때문이다. 오늘날, TRIP 강은 대부분 2단계 어닐링 사이클로 제조된다. 출발 재료는 이상역(intercritical) 상 공간에서의 어닐링 처리에 의해 약 50% α~ 50% γ의 출발 조직이 수립된 열연 스트립 또는 냉연 스트립이다. 탄소에 대한 오스테나이트의 용해성이 높기 때문에, 그러한 출발 재료에서는 높은 탄소 농도가 존재한다. 어닐링 처리 후에, 페라이트 영역 및 펄라이트 영역을 지나 베이나이트 영역으로 들어가는 급속 냉각을 수행하고, 베이나이트 영역에서 수 시간 동안 등온으로 유지한다. 오스테나이트가 부분적으로 베이나이트로 변태하고, 그와 동시에 잔류 오스테나이트가 탄소로 더 농축된다. 그 로 인해, 마르텐사이트 출발 온도(M_s)가 주위 온도 미만의 값으로 낮아지고, 그 결과 주위 온도에서도 잔류 오스테나이트가 그대로 잔존하게 된다. 최종 조직은 40~70% 페라이트, 15~40% 베이나이트, 및 5~20% 잔류 오스테나이트로 이뤄진다.

TRIP 강의 특별한 작용은 외부 소성 변형이 일어날 경우에 준안정 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트로 변태시키는 작용이다. 오스테나이트로부터 마르텐사이트로의 변형 시에 체적 증가가 일어나는데, 이것은 오스테나이트 단독에 기인하는 것이 아니라 주위 조직 성분들에 기인하는 것이기도 하다. 페라이트 매트릭스가 소성화되고, 그것은 다시 높은 경화로 귀결되고, 전체적으로 더 높은 소성 팽창을 가져온다. 그와 같이 제조된 강에서는 높은 강도와 높은 연성의 비상한 조합이 생기게 되고, 이 때문에 이러한 강은 자동차 산업에 사용하기 매우 적합하다.

현재 TRIP 강 제조에 산업적으로 주로 사용되고 있는 전술된 공정 처리는 압연 과정 이후의 부가의 어닐링 처리와 냉각 처리로 인해 복잡하고 비용 집약적이며, 이 때문에 그러한 TRIP 강을 열연 스트립 제조용 산업 생산 시스템에서 열연 스트립으로서 직접 제조하려는 시도가 있었다. 즉, EP 1 396 549에는 펄라이트가 없고 TRIP 특성을 갖는 열연 강 스트립을 연속적으로 진행되는 작업 공정으로 제조하는 방법이 개시되어 있는데, 이 방법에서는 철과 불가피한 불순물 이외에 0.06~0.3%의 C; 0.1~3.0%의 Si; 0.3~1.1%의 Mn(여기서, Si와 Mn의 합은 1.5-3.5%); 및 0.005~0.15%의 Ti와 Nb 중의 하나 이상의 원소를 주된 성분으로 함유하고, 선택적으로 최대 0.8%의 Cr; 최대 0.8%의 Cu; 및 최대 1.0%의 Ni 중의 하나 이상의 원 소를 함유하는 용강을 박 슬래브로 주조한다. 그러한 박 슬래브를 850~1050℃에 달하는 유입 온도를 동반하여 어닐링 노에서 10 내지 60분의 어닐링 시간 동안 1000~1200℃의 온도로 어닐링한다. 이어서, 스케일 제거 후에 박 슬래브를 750~1000℃의 범위에서 마감 열간 압연하고, 그런 연후에 300 내지 530℃의 권취 온도로 냉각한다. 그 경우, 제1 단계의 냉각 속도를 150K/s 이상으로 하고 4 내지 8초 동안 냉각을 중단하는 방식으로 2단계의 제어된 냉각을 수행한다. 대안적으로, 온도 유지를 위한 중단 없이 10 내지 70K/s의 냉각 속도로 제어된 냉각을 연속적으로 수행하는 조치가 취해지기도 한다. 끝으로, 제3 방안으로서 제시되는 바는 제1 단계에서 열연 스트립이 1 내지 7초 이내에 약 80℃ 위의 온도로, 이어서 공냉에 의해 권취 온도로 냉각되도록 냉각을 제어하는 것이다. 또한, 전술된 방법 처리와 함께, Ti 및/또는 Nb의 존재가 중요한데, 왜냐하면 그 원소들은 열간 압연의 시작 시까지 용강 중에 남았다가 나중에 석출될 때에 특히 열연 스트립의 입자 미립도, 잔류 오스테나이트 함량의 상승 및 그 안정성을 개선하기 때문이다.

그러한 선행 기술로부터 출발하고 있는 본 발명의 목적은 어닐링 처리 및 그 밖의 경우에 무조건으로 필요한 것이 아닌 합금 원소들의 첨가를 완전히 생략할 수 있는, 기존 시스템에서 TRIP 강을 간단하고도 경제적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

설정된 그러한 목적은 청구항 1에 특징져진 특징들에 따라 사용되는 강 등급의 화학 조성을 0.12~0.25%의 C; 0.05~1.8%의 Si; 1.0~2.0%의 Mn; 및 잔부 Fe와 통상적으로 수반되는 원소들로 이뤄진 조성 한계 내에서 미리 지정하고 압연 전략과 냉각 전략을 조합하여 40~70%의 페라이트, 15~45%의 베이나이트, 및 5~20%의 잔류 오스테나이트로 이뤄진 조직이 얻어지도록 박 슬래브 연속 주조 및 압연 시스템(CSP 시스템)에서 열연 스트립을 제조하되,

최종 성형 시에 준안정 오스테나이트의 영역에서 Ac₃의 바로 위쪽에 있는 770 내지 830℃의 온도로 매우 미세한 오스테나이트 입자(d ＜ 8㎛)를 수립하기 위한 열연 스트립의 마감 압연을 수행하고,

최종 롤 스탠드 직후에, 냉각 곡선이 페라이트 영역에 들어가는 것에 의해 그 시작이 결정되고 오스테나이트가 40% 이상의 페라이트로 변태하는 것에 의해 그 지속 시간이 결정되는 약 650~730℃의 온도 유지 시간을 두면서 320~480℃의 베이나이트 형성 영역의 스트립 온도로 열연 스트립의 2단계의 제어된 냉각을 수행하도록 함으로써 달성되게 된다.

전술된 통상의 처리 방식과는 대조적으로, 본 발명의 범위에서는 오스테나이트계로 마감 압연된 열연 스트립에서 최종 롤 스탠드 직후에 냉간 구간에서의 2단계의 냉각을 통해 TRIP 강에 전형적인 조직이 수립되게 된다. 그와 관련하여, 그러한 해당 조직의 수립에는 해박한 공정 노하우가 요구되고, 필요한 공정 온도를 매우 정확히 지키는 것이 요구된다. 열연 광폭 스트립 트레인에서 TRIP 강을 제조하기 위한 공차 범위가 좁음으로 해서, 박 슬래브 연속 주조 및 압연 기술의 도입 이래로 TRIP 강을 열연 스트립으로 제조함에 있어 종래의 열연 스트립 트레인에 비해 훨씬 더 양호한 전제 조건을 제공하는 시스템 구성이 제공되기에 이르렀다. 즉, 두께, 폭, 및 길이에 걸친 온도 균일성이 높기 때문에, 일정한 기계 특성을 갖는 TRIP 강이 재현 가능하게 제조될 수 있다. 기존의 연속 주조 및 압연 시스템에서는, TRIP 강의 제조에 사용되는 종래의 냉각 구간의 길이가 짧기 때문에, 특수한 압연 전략과 냉각 전략에 의해서만 TRIP 조직을 갖는 열연 스트립의 제조가 가능케 된다.

본 발명에 따른 압연 전략은 최종 성형 시에 매우 미세한 오스테나이트 입자(d ＜ 8㎛)를 수립하기 위한 역할을 하고, 그것은 후속된 냉각 구간에서 페라이트 변태를 가속화시키는 작용을 한다. 따라서, 준안정 오스테나이트의 영역에서 Ac₃의 바로 위쪽에 있는 770~830℃의 온도로 스트립의 마감 압연을 수행한다.

냉각 전략의 성공적인 수행은 제공되는 짧은 총 냉각 시간 내에 원하는 변태 정도를 얻기 위해 화학 조성의 정해진 한계치를 강제적으로 지킬 것을 그 전제로 한다. 따라서, TRIP 강의 제조를 위해 제안되는 화학 분석치는 0.12~0.25%의 C; 0.05~1.8%의 Si; 1.0~2.0%의 Mn; 및 잔부 Fe와 통상적으로 수반되는 원소들로 이뤄진 조성 한계 내에서 움직인다.

또한, 냉각 전략은 선택적으로 상이한 냉각 속도를 갖는 2단계의 냉각을 제안하고 있다. 650~730℃로 온도를 유지하는 시간은 냉각 곡선이 페라이트 영역에 들어가는 것에 의해 결정된다. 그 경우, 그러한 후속된 짧은 냉각 중단 시에, 목표로 하는 오스테나이트로부터 40% 이상의 페라이트로의 변태가 이뤄지게 된다. 이어서, 그러한 온도 유지 시간에 바로 뒤이어 320~480℃의 온도로 열연 스트립을 냉각하는 제2 냉각 단계를 수행한다. 그러한 온도에서는, 오스테나이트로부터 15% 이상의 베이나이트로의 변태가 이뤄지게 된다.

냉각 전략은 짧은 온도 유지 시간을 통과하는 것 이외에도, 2개의 냉각 단계에 대해 정확하게 정의되어 미리 주어지는 냉각 속도에 의해 결정된다. 그러한 냉각 속도는 열연 스트립 기하 형태 및 사용되는 강 등급의 화학 조성에 의거하여 V = 30K/s와 V = 150K/s 사이, 바람직하게는 V = 50K/s와 V= 90K/s 사이에 놓인다. 그러한 냉각 속도에 대해 언급하고자 하는 바는 연속 주조 및 압연 시스템의 종래의 냉각 구간에서의 짧은 가용 시간으로 인해 30K/s 미만의 냉각 속도가 불가능한 한편, 서로 간격을 두고 연이어 배치된 수냉 구역들로 이뤄진 그러한 냉각 구간에서는 150K/s를 넘는 냉각 속도도 역시 얻을 수 없다는 것이다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 TRIP 강 특성을 갖는 열연 스트립은 항복점/인장 강도의 비(R_{p0 .2}/R_m)가 0.45 내지 0.75 범위에 있는 상이한 강도 레벨에 대해 다음에 기술되는 인장 강도(R_m):와

R_m = 600 ~ 700MPa ⇒ A ＞ 25%

R_m = 700 ~ 800MPa ⇒ A ＞ 23%

R_m = 800 ~ 900MPa ⇒ A ＞ 21%

R_m = 900 ~ 1000MPa ⇒ A ＞ 18%

R_m ＞ 1000MPa ⇒ A ＞ 15%

파단 연신율(A)의 특성 조합을 갖는다.

이하, 본 발명의 또 다른 명세 및 이점을 첨부 도면들에 도시된 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 첨부 도면들 중에서,

도 1은 CSP 시스템을 나타낸 도면이고,

도 2는 CSP 시스템의 개조된 냉각 구간을 나타낸 도면이며,

도 3은 이중 상 강과 TRIP 강에 대한 냉각 곡선을 ZTU(time-temperature transition) 도표로 나타낸 도면이다.

- 부호의 설명 -

1 CSP 시스템 2 2개의 빌렛

3 빌렛 가이드 4 균질화로

5 노 페리 6 다단 롤 스탠드 압연기

6' 마감 롤 스탠드 7 열연 스트립

8 코일러 9 온도 측정

10 냉각 구간 11_1-7, 12 수냉 구역

13 물 분사 헤드 20 Ac₃-온도 곡선

21 Ac₁- 온도 곡선 22 마르텐사이트 시작 온도

23 실온 24 마르텐사이트 시작 온도

25 이중 상 강의 제조에 대한 냉각 곡선

26 TRIP 강 제조에 대한 냉각 곡선

27 변태 곡선들에 대한 수평 이동 화살표들

28 온도 곡선들에 대한 수직 이동 화살표들

도 1에는, 종래의 CSP 시스템(1)의 레이아웃이 개략적으로 도시되어 있다. 그러한 CSP 시스템(1)은 도시된 예에서는 이송 방향(도면에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 향한 방향)으로 주요 구성 요소들, 즉 2개의 빌렛(2)을 갖는 주조 시스템, 빌렛 가이드(3), 노 페리를 구비한 균질화로(4), 다단 롤 스탠드 압연기(6), 냉각 구간(10), 및 코일러(8)로 이뤄진다.

도 2에는, CSP 시스템(1)의 개조된 냉각 구간(10)이 도시되어 있는데, 그러한 냉각 구간(10)은 본 발명에 따른 냉각을 수행하는데 필요하고, EP 1 108 072 B1로부터 이중 상 강을 제조하기 위한 것으로 이미 공지되어 있다. 마지막 마감 롤 스탠드(6')의 하류에 배치되는 그러한 CSP 시스템(1)의 개조된 냉각 구간(10)은 서로 간격을 두고 연이어 배치되고 물 분사 헤드(13)가 달린 다수의 제어 가능한 수냉 구역들(11_1-7, 12)을 구비하고, 물 분사 헤드(13)에 의해 열연 스트립(7)의 스트립 표면 및 스트립 하면에 일정한 수량의 물이 균일하게 분사된다. 냉각 구간(10) 내에서의 수냉 스테이지들(11_1-7, 12)의 위치 설정, 그 개수, 및 그 상호 간격과 수냉 스테이지(11_1-7, 12)당 물 분사 헤드(13)의 개수는 2개의 냉각 단계의 목표로 하 는 냉각 속도가 미리 가변적으로 설정되어 수냉 스테이지들(11_1-7, 12)을 설정된 냉각 조건에 최적으로 맞출 수 있도록 선택된다. 따라서, 분사되는 수량을 제어함으로써, 냉각 중에도 냉각 속도를 필요한 대로 변경할 수 있게 된다.

제1 냉각 단계의 마지막 수냉 스테이지(11₇)에 대해 더 큰 간격을 두고 추가의 수냉 스테이지(12)가 배치되는데, 그 추가의 수냉 스테이지(12)에 의해 제2 냉각 단계가 수행된다. 그러한 수냉 스테이지(12)에는, 제1 냉각 단계의 수냉 구역들(11_1-7)에 비해 훨씬 더 많은 개수의 물 분사 헤드(13)가 배치되어 짧은 노정 중에 집약적인 냉각이 강제적으로 수행되도록 한다. 제1 냉각 단계의 마지막 수냉 스테이지(11₇)과 제2 냉각 단계의 수냉 스테이지(12) 사이의 공간 간격은 미리 정해진 스트립 속도에서 본 발명에 따른 오스테나이트로부터 40% 이상의 페라이트로의 변태에 필요한 온도 유지 시간이 설정되도록 하는 크기로 선택된다.

도 3은 페라이트, 펄라이트, 및 베이나이트에 대한 변태 곡선들과 Ac₃, Ac₁, 및 M_s에 대한 온도 곡선들(20, 21, 22, 24)을 갖는 ZTU 도표이다. 변태 곡선들에 대한 수평 이동 화살표들(27)과 온도 곡선들에 대한 수직 이동 화살표들(28)에 의해, 존재하거나 첨가되는 합금 원소들이 ZTU 도표에서 그러한 변태 곡선들 내지 온도 곡선들의 위치에 어떤 영향을 미치는지를 알려주고 있다. 그러한 ZTU 도표에는, 예컨대 이중 상 강의 제조에 대한 냉각 곡선(25)과 본 발명에 따른 TRIP 강 제조에 대한 냉각 곡선(26)이 기입되어 있다. 냉각 시작 시의 출발 온도(Ac₃의 위쪽) 와 유지 시간 온도(Ac₁의 위쪽)를 대략 동일하게 할 경우, 상이한 냉각 경과 및 출발 강의 상이한 조성에 의해 현격히 상이한 조직 조성이 얻어지게 된다. 기입된 이중 상 강에 대한 냉각 곡선(25)과 상응하게, 그 냉각 곡선(25)은 페라이트 영역에서만 안내되다가 실온(23)의 훨씬 위쪽에 있는 마르텐사이트 시작 온도(22)의 아래쪽에서 종료되고, 그 때문에 그 냉각 곡선에서는 원하는 바대로 페라이트와 마르텐사이트로만 이뤄진 이중 조직이 얻어지게 된다. 그 반면에, 본 발명에 따른 TRIP 강의 제조에 대한 냉각 곡선(26)은 먼저 페라이트 영역을 통해, 이어서 베이나이트 영역을 통해 안내되다가 실온(23)의 아래쪽에 있는 마르텐사이트 시작 온도(24)의 위쪽에서 종료되고, 그에 따라 냉각 시에 마르텐사이트 변태가 일어나지 않고, 페라이트, 베이나이트, 및 일부의 잔류 오스테나이트로 이뤄진 본 발명에 따른 조직이 얻어지게 된다.

Claims (4)

1. 최종 롤 스탠드(6') 이후에 제어된 냉각을 통해 열간 압연 상태로부터 강도가 높으면서도 성형 특성이 매우 우수한 다상 조직을 갖는 진보된 형태의 이중 상 강, 즉 변태 유기 소성 강으로 지칭되는 열연 스트립을 제조하는 방법에 있어서,

   사용되는 강 등급의 화학 조성을 0.12~0.25%의 C; 0.05~1.8%의 Si; 1.0~2.0%의 Mn; 및 잔부 Fe와 통상적으로 수반되는 원소들로 이뤄진 조성 한계 내에서 미리 지정하고 압연 전략과 냉각 전략을 조합하여 40~70%의 페라이트, 15~45%의 베이나이트, 및 5~20%의 잔류 오스테나이트로 이뤄진 조직이 얻어지도록 박 슬래브 연속 주조 및 압연 시스템(CSP 시스템)(1)에서 열연 스트립(7)을 제조하되,

   최종 성형 시에 준안정 오스테나이트의 영역에서 Ac₃의 바로 위쪽에 있는 770~830℃의 온도에서 매우 미세한 오스테나이트 입자(d ＜ 8㎛)를 얻기 위한 열연 스트립(7)의 마감 압연을 수행하고,

   최종 롤 스탠드(6') 직후에, 냉각 곡선(26)이 페라이트 영역에 들어가는 것에 의해 그 시작이 결정되고 오스테나이트가 40% 이상의 페라이트로 변태하는 것에 의해 그 지속 시간이 결정되는 약 650~730℃의 온도 유지 시간을 두면서 320~480℃의 베이나이트 형성 영역의 스트립 온도로 열연 스트립(7)의 2단계의 제어된 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 열연 스트립의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   사용되는 강 등급의 화학 조성 및 열연 스트립의 기하학적 형태에 따라, 냉각 속도를 V = 30~150K/s, 바람직하게는 V = 50~90K/s로 설정하는 것을 특징으로 하는 열연 스트립의 제조 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   서로 간격을 두고 연이어 배치된 수냉 구역들(11_1-7, 12)로 이뤄진 냉각 구간(10)에서 열연 스트립(7)의 2단계의 제어된 냉각을 수행하는 것을 특징으로 하는 열연 스트립의 제조 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중의 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 TRIP 강 특성을 갖는 열연 스트립(7)에 있어서,

   화학 조성이 0.12~0.25%의 C; 0.05~1.8%의 Si; 1.0~2.0%의 Mn; 및 잔부 Fe와 통상적으로 수반되는 원소들로 이뤄진 조성 한계 내에 있고;

   항복점/인장 강도의 비(R_{p0 .2}/R_m)가 0.45~0.75 범위에 있으며;

   가능한 강도 레벨에 대해 다음과 같은 인장 강도(R_m):와

   R_m = 600~700MPa ⇒ A ＞ 25%

   R_m = 700~800MPa ⇒ A ＞ 23%

   R_m = 800~900MPa ⇒ A ＞ 21%

   R_m = 900~1000MPa ⇒ A ＞ 18%

   R_m ＞ 1000MPa ⇒ A ＞ 15%

   파단 연신율(A)의 특성 조합을 갖는 것을 특징으로 하는 열연 스트립.

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