KR20100001335A

KR20100001335A - 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그제조방법

Info

Publication number: KR20100001335A
Application number: KR1020080061197A
Authority: KR
Inventors: 이승하; 김성주; 김택준
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2010-01-06
Also published as: KR101008820B1

Abstract

본 발명은 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는, 중량 %로, 탄소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo): 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 된 강을, 오스테나이트 재결정 온도 이상으로 가열 유지한 후, 열간성형을 통하여 Ms점 온도 이하까지 평균 냉각 속도 50 ~ 150 ℃/s로 냉각하는 담금질 처리를 행하여 제조된다. 본 발명에 의하면, 1200 ~ 1500 MPa의 높은 인장강도를 가지면서 -80 ℃이하의 천이온도 영역을 가지는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판을 얻을 수 있다.

Description

저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법{Heat-treatment Hardening Steel-sheet having Excellent Low-temperature impact toughnss, and method for producing the same}

본 발명은 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간성형법에 의해 강도가 우수하고 저온충격 인성이 우수하여 차량용 구조부품 등을 비롯한 각종 기계구조 부품에 적용가능한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

철강산업은 국가의 대표적인 기간산업으로써, 전자, 조선, 자동차 산업은 물론 자국의 산업경쟁력과도 밀접한 관계를 가진다. 그중에서도 자동차 산업은 기계, 재료, 전자 등 다양한 분야의 기술이 집적된 산업으로서 공업전반에 걸쳐 수많은 업체가 관련되어 있다. 따라서 자동차 산업이 국내 제조업에 미치는 영향은 어떤 산업보다도 파급효과가 크며 자동차 산업의 경기는 국내 제조업의 경기와 직결된다. 그러나 현재 범세계적인 환경규제 강화, 공급과잉에 의한 경쟁 심화 등으로 여러가지 어려움을 겪고 있다. 이 중 환경규제는 자동차 업계가 당면한 가장 큰 문제 점으로, 환경오염 물질인 CO₂ 배기가스 량에 대한 국제적인 규제 강화는 갈수록 높아지는 추세이며 필연적으로 연비가 높은 차량 개발이 요구되고 있다. 이에 자동차 업계에서는 경량화를 위한 구조변경과 소재 개발 등을 추진하고 있으며 일반 고강도 프레스 강판에 비해 강도가 우수한 열간프레스 강판(열간성형 강판)을 적용하고 있다.

차량용으로 개발된 열간프레스 강판은 대부분 차량의 프레임이나 충격부재용으로 사용되는데, 프레임이나 충격부재는 자동차 충돌시 운전자 및 승객을 보호하기 위한 것으로서 충격 인성이 요구된다고 할 수 있다.

한국특허공개 제2006-0018860호에는 성형후의 냉각시, 예를 들면 금형냉각시에 Ms점(오스테나이트로부터 마르텐사이트가 생성되기 시작하는 온도) 이하의 온도역에서 평균 냉각속도를 일정 범위 내로 억제함으로써 열간성형에 의해 안정된 강도 및 인성을 겸비하는 열간성형부재를 제조하는 기술이 개시되어 있다. 이 종래 발명은 질량 %로 C : 0.15 ~ 0.45%, Mn : 0.5 ~ 3.0%, Cr : 0.1 ~ 0.5 %, Ti : 0.01 ~ 1.0 %, B : 0.0002 ~ 0.004 %, Si : 0.5 % 이하, P : 0.05 % 이하, 및 Nb : 1 % 이하를 비롯한 다수의 합금 원소를 1종 또는 2종 이상 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 강 조성을 갖는 강판을, Ac₃ 점 이상으로 가열하여 일정시간 유지한 뒤, 최종 제품형상으로 열간 성형을 하는 기술이다.

일본 특개평 8-269615호에는 C : 0.18 ~ 0.30 %, Si : 0.01 ~ 1.0 %, Mn : 0.2 ~ 1.5 %, P : 0.03 % 이하, S : 0.02 % 이하, Al :0.08 % 이하, Cr : 0.1 ~ 0.5 %, B : 0.0006 ~ 0.0040 %, N : 0.01 % 이하를 함유하고, 경우에 따라 Cu : 0.5 % 이하, Ni : 0.3 % 이하, Ti : 0.01 ~ 0.05 % 중 적어도 1종을 더 함유하고 잔부 Fe로 이루어지는 강판이 개시되어 있으며, 이 강판을 냉간가공한 후, 고온으로 가열하여 프레스 (금형 내 급냉)로 성형하여 고강도화 시킨다.

그런데, 종래 열간 성형법(열간 프레스법)으로 제작하는 기술은 저온충격 인성이 낮은 Hv 450 이상의 마르텐사이트 조직을 가지는 고강도 강으로써 저온 충격에 대한 인성이 낮다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서 본 발명의 목적은 1200 ~ 1500 MPa의 높은 인장강도를 가지면서 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 의한 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판은, 중량 %로 탄소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 1.0 %를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 조성에, 니켈(Ni): 2.0 wt% 이하, 니오븀(Nb): 0.10 wt% 이하, 및 구리(Cu): 1.0 wt% 이하를 1종 또는 2종 이상 추가로 함유할 수도 있다.

또한 상기 조성에, 질소(N): 0.008 ~ 0.012 wt%, 및 티타늄(Ti): 0.02 ~ 0.05 wt%가 추가될 수도 있다.

본 발명에 의한 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판은, 중량 %로 탄 소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 이루어지는 강을, 오스테나이트 재결정 온도 이상으로 가열 유지한 후, 열간성형을 통하여 Ms점 온도 이하까지 평균 냉각 속도 50 ~ 150 ℃/s로 냉각하는 담금질 처리를 행하여 제조된다.

본 발명에 의하면, 1200 ~ 1500 MPa의 높은 인장강도를 가지면서 -80 ℃이하의 천이온도 영역을 가지는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판을 얻을 수 있다.

이하 본 발명에 의한 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명의 열처리 경화형 강판은 중량(wt) %로 탄소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 이루어진다.

이와 같은 조성을 갖는 강판을 가열로에서 오스테나이트 재결정 온도 이상 (약 950℃) 으로 가열 유지한 후, 열간성형을 통하여 Ms점 온도 이하(약 150℃)까지 평균 냉각 속도 50 ~ 150 ℃/s로 냉각하는 담금질 처리를 행하여 제조된다.

본 발명에서는 담금질성을 향상하기 위해, 니켈(Ni): 2 wt% 이하, 니오븀(Nb): 0.10 wt% 이하, 및 구리(Cu): 1.0 wt% 이하를 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유할 수도 있다.

또한 상기 조성에 질소(N): 0.008 ~ 0.012 wt%, 및 티타늄(Ti): 0.02 ~ 0.05 wt%가 추가될 수도 있는데, 상기 티타늄(Ti)은 질소(N)가 Al-N의 석출로 인해 담금질성을 감소시키지 못하도록 TiN을 형성하는 역할을 하여 오스테나이트 결정립 크기를 증대시켜 담금질성을 향상하게 한다.

이하, 본 발명에 의한 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판의 강 조성 및 제조조건을 더욱 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.19 ~ 0.40 wt%

탄소는 강판에 고강도를 부여하기 위해 불가결한 원소로써, 강판의 담금질 성을 높이고, 담금질 후 강도를 결정하는 주요원소이다. 오스테나이트를 안정화시키켜 Ac₃ 점을 내림으로써 담금질 처리 온도의 저온화를 촉진한다. 탄소 함유량이 0.15 wt% 미만에서는 그 효과가 충분하지 않고 0.45 wt%를 넘으면 담금질부의 인성열화가 현저해진다. 바람직하게는 0.19 ~ 0.40 wt% 이다.

망간(Mn) : 0.5 ~ 2.5 wt%

망간은 펄라이트상 생성을 억제하고 오스테나이트 형성 및 내부에 탄소 농화 를 촉진하여 잔류 오스테나이트 형성에 기여하며, 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후에 강도를 안정적으로 확보하는데, 효과적인 원소이다. 그러나 망간 함량이 0.5 wt% 미만시 매우 빠른 냉각속도가 필요하며 펄라이트 생성을 막기가 산업적으로 불가능하고, 2.5 wt% 초과시 망간 밴드 조직이 형성되고 편석이 급격하게 증가하여 강의 가공성 및 용접성을 저해하므로, 망간 함량은 0.5 ~ 2.5 wt%로 규제한다.

크롬(Cr) : 0.1 ~ 0.5 wt%

크롬은 강판의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도를 안정적으로 확보하는데 효과적인 요소이다. 그러나 크롬 함유량이 0.1 wt% 미만에서는 그 효과는 충분하지 않고 크롬 함유량이 0.5 wt%를 넘으면 그 효과는 증대하지 않는다.

티타늄(Ti) : 0.02 ~ 0.05 wt%

티타늄은 강판의 담금질성을 높이고 강도를 안정적으로 확보하는데 효과적인 원소이며, 강 중에 TiN을 형성하여 담금질성을 감소시키는 Al-N 석출을 방지하는 원소이다. N : 0.008 ~ 0.012 wt% 를 가지는 조성에 대해서는 Ti : 0.02 ~ 0.05 wt%를 함유하는 것이 바람직하다.

보론(B) : 0.0015 ~ 0.0040 wt%

보론은 연속냉각변태시 오스테나이트가 페라이트로 변태됨을 지연시킴으로써 강판의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도의 안정적인 확보 효과를 더욱 증대시키는 원소이다. 보론 함유량이 0.0040 wt% 를 초과하면 그 효과는 포화하며 비용증가를 초래한다.

실리콘(Si):0.5 % 이하, 인(P):0.05% 이하, 황(S):0.05% 이하, 알루미늄(Al):0.03 % 이하

이들 원소들은 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후의 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는다. 그러나 이들의 함유량이 각각 상한을 넘으면 그 효과는 포화하며 비용증가를 초래한다.

니켈(Ni):2 wt% 이하, 니오븀(Nb):0.10 wt% 이하, 구리(Cu):1.0 wt% 이하의 1종 또는 2종 이상

이들 원소들도 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후의 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는다. 그러나 이들의 함유량이 각각 상한을 넘으면 그 효과는 포화하며 비용증가를 초래한다.

상기 몰리브덴은 몰리브덴(Mo): 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유할 수 있으나, 상한치는 0.2 wt%로 하는 것이 바람직하다. 0.2 wt%이상에서는 천이온도의 변화가 거의 없이 포화하며, 1.0 wt% 이상에서는 비용증가로 인해 경제적이지 못하다.

본 발명에서 사용하는 강판은 열간 성형에 앞서 가열시에 오스테나이트 온도역으로 가열하여, 오스테나이트 변태를 시키므로 가열 전의 실온에서의 기계적 성질은 중요하지 않으나 코일로 권취가 가능한 강도로 제조한다. 가열 전의 금속조직은 특별히 제한하지 않으나 앞서 기술한 바와 같이 강중의 Al-N의 형성을 억제하면 오스테나이트 결정립의 크기를 최대한 증대시킴으로써 담금질성을 높이고 인성을 높일 수 있다. 강판으로서는 열연강판, 냉연강판, 도금강판 중 어느 것을 사용해도 무방하지만, 열간 프레스 가공시 냉각 속도를 만족하는 두께의 강판를 사용한다. 도금강판으로서는 알루미늄계 도금 강판과 아연계 도금강판이 예시된다. 도금 강판은 전기도금 강판, 용융도금 강판 및 합금화 용융 도금 강판도 사용할 수 있다.

열간 성형(열간 프레스 성형)시의 금형 냉각에 있어서 성형부재 즉, 열간 프레스 부재로 성형후 담금질 처리를 하기 위해서는 우선 강판을 오스테나이트 온도역(Ac₃ 점 이상, 950 ℃가 바람직)까지 가열하고, 그 온도에서 통상의 조건에서는 1분 이상 유지한다. 유지시간의 상한은 특별히 설정하지는 않지만, 실제의 생산상의 효율을 고려해서, 유지시간의 상한을 10분 정도 하는 것이 바람직하다.

열간 프레스 중(금형 내) 또는 열간 프레스 후(탈형 후)의 냉각속도는, 열간 프레스 부재에 있어서 안정된 강도 및 인성을 얻기 위해서 대단히 중요한 역할을 하는 파라미터이다. 본 실시예에서는 Ms점 온도 이하인 약 150℃까지 평균 냉각 속도 50 ~ 150 ℃/s로 냉각한다.

본 발명에 실시예에 의하면, 1200 ~ 1500 MPa의 높은 인장강도를 가지면서 -80 ℃ 이하의 천이온도 영역을 가지는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판을 얻을 수 있다.

이하, 상술한 고강도 강판 및 그 제조방법을 발명예를 통해 비교예와 비교하여 설명하기로 한다.

표 1은 본 발명의 발명 예와 비교 예의 강판의 성분비를 나타낸 것이다.

구분	화학조성(wt%)									비고
구분	C	Mn	Cr	B	Si	P	S	Al	Mo	비고
시편1	0.21	1.2	0.2	0.002	0.25	0.008	0.002	0.02	-	비교예
시편2	0.21	1.2	0.2	0.002	0.25	0.008	0.002	0.02	0.05	발명예
시편3	0.21	1.2	0.2	0.002	0.25	0.008	0.002	0.02	0.10	발명예
시편4	0.21	1.2	0.2	0.002	0.25	0.008	0.002	0.02	0.20	발명예

표 2는 표 1의 발명 예와 비교 예의 조성에 의한 강판(두께 1.0mm)을 950℃에서 약 5분간 가열 유지한 후, 프레스 가공을 통하여 150 ℃까지 냉각속도 100 ℃/s으로 냉각하는 담금질 처리를 하여, 저온 충격시험을 실시한 결과로서 (연성-취성) 천이온도 영역을 나타낸 표이다. 저온 충격시험은 공지의 일반적인 시험방법을 이용했다.

구분	온도(℃)							비고
구분	-60	-70	-80	-90	-100	-105	-110	비고
시편1	○	×	×	×	×	×	×	비교예
시편2	○	○	○	×	×	×	×	발명예
시편3	○	○	○	○	×	×	×	발명예
시편4	○	○	○	○	○	○	×	발명예

표2에 나타낸 바와 같이 Mo 0.05 wt%를 함유한 시편2는 천이온도가 -80℃이고, Mo 0.10 wt%를 함유한 시편3는 천이온도가 -90℃이고, Mo 0.2 wt%를 함유한 시편4는 천이온도가 -105℃임을 알 수 있다. Mo 0.2 wt% 이상의 시편에서는 천이온도의 변화가 거의 없었다.

Claims

중량 %로 탄소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 된 것을 특징으로 하는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판.
청구항 1에 있어서,

니켈(Ni): 2 wt% 이하, 니오븀(Nb): 0.10 wt% 이하, 및 구리(Cu): 1.0 wt% 이하를 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

질소(N): 0.008 ~ 0.012 wt%, 및 티타늄(Ti): 0.02 ~ 0.05 wt%가 추가로 함유하는 것을 특징으로 하는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판.
중량 %로, 탄소(C): 0.19 ~ 0.40 %, 망간(Mn): 0.5 ~ 2.5 %, 크롬(Cr): 0.1 ~ 0.5 %, 보론(B): 0.0015 ~ 0.0040 %, 실리콘(Si): 0.5 % 이하, 인(P): 0.05% 이하, 황(S) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al): 0.03 % 이하의 조성에, 몰리브덴(Mo) 0.05 ~ 1.0%를 추가로 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피 불순물로 본질적으로 이루어지는 조성으로 된 강을,

오스테나이트 재결정 온도 이상으로 가열 유지한 후, 열간성형을 통하여 Ms점 온도 이하까지 평균 냉각 속도 50 ~ 150 ℃/s로 냉각하는 담금질 처리를 행하여 제조하는 것을 특징으로 하는 저온충격 인성이 우수한 열처리 경화형 강판의 제조방법.