KR20100047008A - 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.
본 발명은 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb)을 첨가하지 않더라도 열간압연 이후의 냉각조건을 제어하는 계단식 열간압연을 실시하여 300MPa급 이상의 인장강도와 40% 이상의 연신율 및 비시효 특성이 확보되는 열연강판을 제조할 수 있다. 따라서 기존의 냉연강판을 대체하여 고성형을 요구하는 부품에 폭넓게 적용될 수 있는 이점이 있다.
열연강판, 비시효 특성, 가공성

Description

가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법{Non aging hot-rolled steel sheet having excellent formability, and method for producing the same}
본 발명은 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 냉연강판이 가지는 재질을 열간압연 단계에서 확보하도록 한 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기존 자동차 산업은 경쟁이 심화됨에 따라 자동차 품질에 대한 고급화, 다양화 요구가 높아지고 있으며, 강화되고 있는 안전 및 환경규제에 대한 법규를 만족시키기 위해 자체 강성을 증대시키고 연비 효율을 향상시키기 위한 노력을 하고 있다.
특히, 최근 철강업계 및 자동차 업계의 연구관심은 환경오염과 고강도, 경량화에 집중되고 있으며, 자동차 디자인이 복잡해지고 소비자의 욕구가 다양화됨에 따라 고강도이면서 가공성과 성형성이 우수한 강을 요구하고 있다.
가공성이 우수한 강판의 경우 열연강판이 아닌 냉연소둔강판 또는 냉연도금강판을 이용하여 자동차 및 여러 부분에서 사용되고 있다.
냉연소둔강판 또는 냉연도금강판 등의 냉연강판은 높은 연신율, r-value값 (이하 r값이라 칭함), 비시효 특성에 의해 우수한 가공성을 확보할 수 있기 때문에 자동차의 외판재 및 여러 산업 분야에서 사용되고 있다.
그러나 열연강판의 경우에는 소둔공정이 따로 없기에 가공성을 요하고 비시효 특성을 요구하는 부품에 사용하기 어려운 단점이 있었다. 따라서 우수한 가공성 및 비시효특성을 확보하기 위해서는 기본적으로 냉연강판이 사용된다.
그리고 침입형 원소이면서 고용강화 효과를 나타내는 원소인 탄소(C) 및 질소(N)는 가공성을 저하시키는 가장 큰 원인 중의 하나이고 또한 시효문제를 유발하여 강판의 곱쇠문제를 초래하므로 주로 극저탄소강을 이용하게 된다.
극저탄소강의 경우에는 탄질화물 형성원소인 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb) 등을 첨가하여 강 중에 존재하는 탄소와 질소를 석출물로 석출하여 가공성을 향상시키고 시효문제를 해결한다.
그러나 저탄소강의 경우 기존의 열간압연 공정을 이용하여 제조할 경우 강 중 존재하는 탄소에 의해 언제든지 항복점 연신현상이 나타날 수 있고, 그에 따라 시효문제가 발생하여 강판의 곱쇠문제를 초래하게 된다.
물론, 냉간압연 단계에서는 상소둔 방식과 연속소둔 방식에 의해 탄소를 충분히 석출시켜 가공성 및 시효문제를 해결할 수 있다. 하지만 열연강판의 경우에는 탄소를 석출시킬 시간이 충분하지 않다. 따라서 최종제품이 냉간압연 단계가 아닌 열간압연 단계에서 생산되는 경우에는 냉연소둔에서 얻어 수 있는 재질을 열간압연 공정에서 확보할 수 있도록 하는 방안이 절실히 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 합금원소의 조절과 열간압연 공정 제어를 통한 탄소(C)의 세멘타이트(Fe3C) 석출로 300MPa이상의 인장강도와 높은 연신율 및 비시효특성을 확보하는 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.
본 발명은 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 강슬라브를 Ac3점 이상의 온도로 재가열하여 1-2시간 동안 유지하고, Ar3점 이상의 온도인 900~950℃ 온도범위에서 열간압연을 마무리하여 300~500℃에서 권취한 후 공냉한다.
상기 열간압연 후에는 20~50℃/sec의 냉각속도로 680~720℃ 온도범위까지 냉각하여 5~10초 동안 유지하고, 이 후 20~50℃/sec의 냉각속도로 권취온도까지 냉각하는 계단냉각을 실시한다.
본 발명은 탄소 함량이 0.03wt% 이하인 저탄소강을 이용하되, 석출에 시간을 요하는 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb)을 첨가하지 않고 대신 열간압연 이후의 냉각조건을 제어하는 계단식 열간압연을 실시하여 강 중의 탄소(C)를 모두 세멘타이트(Fe3C)로 석출하여 우수한 연신율과 비시효 특성이 확보되는 열연강판을 제조한다.
이러한 열연강판은 300MPa급 이상의 인장강도와 40% 이상의 연신율 및 시효지수(Al) 5MPa 이하의 비시효 특성을 갖는다. 따라서 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도 종래의 냉연강판을 대체하는 것이 가능하므로 보다 저렴한 비용으로 고성형성을 요구하는 부품에 폭넓게 적용할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 의한 가공성이 우수한 비시효 열연강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는다.
이러한 조성을 가진 강슬라브를 Ac3점 이상의 온도로 재가열하여 1~2시간 유지하고, Ar3점 이상에서 열간압연을 마무리한다. 열간압연 후에는 680~720℃의 온도범위에서 5~10초 유지한 후 급냉한다. 이후 300~500℃의 온도에서 권취하고 공냉한다.
본 발명은 상기 중량 %의 합금원소 및 불가피하게 포함되는 불순물을 포함하는 강슬라브를 재가열, 열간압연 하여서 300MPa급 이상의 인장강도와 40% 이상의 연신율 및 5MPa이하의 시효지수(Al)를 갖도록 한다.
더 상세히 설명하면, 탄소 함량이 0.03wt% 이하인 저탄소강을 이용하되, 석출에 시간을 요하는 탄화물 형성원소인 티타늄(Ti)과 니오븀(Nb)을 첨가하지 않고, 대신 열간 마무리 압연 후의 냉각조건을 제어하여 강 중의 탄소(C)가 모두 세멘타이트(Fe3C)로 석출되도록 한다. 이는 강 중의 탄소(C)를 저감시켜 가공성 및 비시효 특성을 확보한다.
본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.
탄소(C):0.03wt% 이하
탄소(C)는 강판 내에 고용원소로 존재하여 냉연 가공 및 소둔 시 강판의 집합조직의 형성과정에서 가공성에 유리한 (111) 집합조직의 형성을 저해하여 강의 가공성 및 성형성을 저하시킨다. 또한, 탄소가 강 중에 고용원소로 존재하는 경우 시효문제를 일으켜 스트레쳐 스트레인(Stretcher Strain)이라는 결함을 유발한다.
따라서 탄소는 함량이 적을수록 유리하다. 하지만 강의 도금특성이 취약해지고 강도가 낮아지는 제강기술의 한계 및 입계취화 현상이 발생할 수 있는 문제점이 존재하므로 0.03wt% 이하로 제한한다.
질소(N):0.01wt% 이하
질소(N)는 탄소(C)와 마찬가지로 강 중에 고용원소로 존재하여 연신율과 r값을 감소시켜 강판의 가공성 및 성형성을 저하시킨다. 질소(N)는 함량이 적으면 적을수록 성형성에는 유리하나 제강수준 및 원가를 고려하면 어렵다. 따라서 질소(N)는 제강수준 및 원가를 고려하여 0.01wt% 이하로 제한한다.
황(S):0.01wt% 이하
황(S)은 함량이 증가하면 유화물계(MnS 등) 개재물을 형성하고, FeS를 형성하여 에지크랙 등을 발생시키므로, 0.01wt% 이하의 범위 내로 규제한다. 특히, 황은 제강탈질시 황이 강의 표면에 위치하고 있어 탈질효과를 저하시키므로 그 상한을 규제해야 한다.
망간(Mn):0.15wt% 이하
망간(Mn)은 강도향상과 함께 강에 고용된 황(S)을 MnS로 석출하여 황(S)에 의한 크랙발생을 방지한다. 망간(Mn)은 함유량이 0.15%이상 초과시에는 망간(Mn)의 입계편석에 의해 가공성 및 성형성을 저하시킨다. 본 발명에서는 강도상승의 효과 보다는 가공성 향상이 목적이므로 상한값을 0.15wt% 이하로 제한한다.
인(P):0.01wt% 이하
인(P)은 고용강화 효과가 높으면서 r값(소성변형비)의 저하가 적은 원소로 소량첨가에 의한 효과가 상당하다. 인은 IF강에서 강도상승의 목적으로 많이 첨가된다. 인(P)은 함량이 증가할 경우 결정입계에 편석되어 2차가공취성을 발생시킨다. 본 발명에서는 강도상승의 효과보다는 가공성 향상을 목적으로 하므로 인의 함량을 0.01 wt% 이하로 규제한다.
알루미늄(Al):0.01~0.06wt%
알루미늄(Al)은 탈산제로서의 역할을 하는 성분으로서, 강 중 용존 산소량을 충분히 낮은 상태로 유지한다. 또한, 알루미늄은 고용원소인 질소와 반응하여 AlN의 석출물을 생성하여 고용원소를 제거한다.
알루미늄은 탈산제의 역할로서는 상한 이상 첨가하면 연주시 문제가 발생할 수 있고 0.01% 미만으로 첨가하면 AlN의 석출량이 감소되어 충분한 강도를 확보할 수 없다. 따라서 알루미늄의 함량은 0.01~0.06 wt% 범위가 적당하다.
보론(B) 0.001wt% 이하
보론(B)의 가장 대표적인 역할은 2차 가공취성유발의 억제이다. IF강에서 보론은 인의 입계편석을 방지하는 역할을 하여 인편석에 의한 2차 가공취성유발을 억 제한다. 보론의 함량이 높을 경우 강도상승이 유발되기에 그 상한값을 0.001wt%로 둔다.
기타 불순물 원소:(Cu, Sn, Ni , Cr : 0.08wt%이하)
Tramp 원소로 강의 기계적 성질을 저하시키는 원인이기에 가능한 최소한으로 규제한다. 주로 구리(Cu), 주석(Sn)은 가공성 향상에 있어 악영향을 미치는 원소들이다. 구리의 경우 r값을 저하 시킬 뿐 아니라 표면품질을 저하시키기에 강중의 함량을 최소화 시켜야 한다. 주석의 경우 타 Tramp 원소보다 r값에 치명적이기에 최소화시켜야한다. 특히, 본 발명강은 강도 상승의 목적보다는 성형성 향상에 목적이 있으므로 강도상승을 유발하는 상기 불순물 원소를 0.08wt%이하로 규제한다.
본 발명은 상기 합금강의 성분들을 포함하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 실리콘(Si), 산소(O) 등 불가피한 불순물의 미세한 혼입도 허용된다.
상기와 같이 조성을 갖는 슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 주괴 또는 연속주조공정을 통해 제조된다. 여기서는 열간압연 공정을 거쳐 강판 형태로 제조되는 아래의 공정을 거치게 된다.
[재가열 공정]
상기와 같은 조성을 갖는 강슬라브는 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위하여 가열로에서 Ac3이상의 온도인 1100~1300℃에서 1~2시간 동안 가열한다.
이때, 재가열 온도가 낮으면 MnS 및 AlN 석출이 용이하여 강 중의 S와 N 등을 석출물 형태로 석출시켜 강의 가공성 향상에 기여할 수 있다.
[열간압연 공정]
가열로 공정에서 재가열된 강슬라브를 Ar3점 온도 이상에서 열간압연을 마무리하고, 열간압연 후에는 20~50℃/s의 냉각속도로 680~720℃까지 냉각하여 5~10초 동안 유지한다. 이후 20~50℃/s의 냉각속도로 권취온도까지 냉각하고 공냉한다.
본 발명강의 종래와 큰 차이점은 열간압연 방법에 있다. 일반 IF강의 압연법은 주로 Ar3 이상의 온도에서 열간압연을 실시하고 냉간압연 및 소둔과정을 거쳐서 (111)집합조직을 충분히 발달시켜 r값을 상승시킨다. 이에 따라 강 중의 C와 N가 석출물 형태로 존재하여 시효문제를 해결한다.
이에 반해, 본 발명은 열간압연 단계에서 차후 공정을 거쳐 얻어지는 모든 재질값을 확보해야 하므로 Ar3 이상의 온도인 900~950℃에서 열간압연을 실시하고, 680~720℃의 온도범위에서 5~10초 동안 유지하는 계단 열간압연을 시행한다.
열간 마무리 압연온도는 열간압연 후 냉각전까지 강판의 조직이 오스테나이트 조직을 갖도록 한다.
이때, 냉각속도는 20℃/s 보다 느리면 그래인 사이즈(grain size)가 급속히 증가하고, 50℃/s 보다 빠르면 그래인 사이즈(grain size)가 너무 미세하여 강도를 상승시켜 연신율이 감소되므로 20~50℃/s의 범위를 준수한다.
열간압연 마무리 후 680~720℃ 온도범위에서 5~10초 동안 유지하는 것에서 강 중의 탄소(C)가 최대로 과포화된 세멘타이트(Fe3C)조직을 얻는다.
이때, 유지온도는 680℃보다 낮으면 세멘타이트 조직이 취약하여 연신율이 약화되고, 720℃보다 높으면 항복강도가 저하된다. 그리고 유지온도는 5초 미만이면 탄소(C)의 세멘타이트(Fe3C) 석출이 미비하여 비시효 특성이 확보되기 어렵고, 10초를 초과하면 그래인 사이즈(grain size)가 급속히 증가할 수 있다.
[권취온도]
권취는 300~500℃의 온도범위에서 실시하고, 권취후에는 공냉(Air cooling)한다. 이는 탄소를 충분히 제어시켜 비시효특성을 나타낸다.
이하, 표 1은 본 발명의 발명 예와 비교 예의 성분비를 나타낸 것이고, 표 2는 표 1의 발명 예와 비교 예에 의해 제조된 시편의 기계적 성질을 측정한 결과를 나타낸 것이다.
(단위:wt%, 잔부 Fe)
구분 합금성분
C Mn P S Al N
비교예1 0.020 0.20 0.015 0.008 0.040 0.0050
비교예2 0.025 0.20 0.015 0.008 0.040 0.0050
비교예3 0.030 0.20 0.015 0.008 0.040 0.0050
실시예1 0.020 0.10 0.010 0.008 0.040 0.0060
실시예2 0.025 0.10 0.010 0.008 0.040 0.0060
실시예3 0.030 0.10 0.010 0.008 0.040 0.0060
표 2의 비교예는 표 1의 비교예의 조성에 해당되는 잉곳을 1220℃에서 2시간 가열하여 Ar3점 이상의 온도에서 마무리 열간 압연한 다음에 통상의 권취온도인 500℃에서 권취한 시편의 재질을 측정한 것이고,
표 2의 실시예는 표 1의 실시예의 조성에 해당되는 잉곳을 1220℃에서 2시간 가열하여 Ar3점 이상의 온도에서 마무리 열간 압연한 다음에 700℃에서 10초 동안 유지한 후 500℃에서 권취한 시편의 재질을 측정한 것이다.
구분 YP (MPa) TS (MPa) EL (%) 시효지수 (Al,MPa)
비교예1 230 329 37 30
비교예2 239 338 38 28
비교예3 220 334 38 29
실시예1 180 310 44 3
실시예2 181 309 43 3
실시예3 179 318 43 4
[TS(MPa):인장강도, YS(MPa):항복강도, EL(%):연신율,Al(MPa):시효지수]
표 1과 표 2를 살펴보면, 비교예 1 내지 비교예 3에서와 같이 기존의 Ar3점 이상의 온도에서 열간 압연을 마무리하고 권취하는 경우 연신율 및 시효지수가 낮음을 알 수 있다.
반면, 실시예 1 내지 실시예 3에서와 같이, 기존의 Ar3점 이상의 온도에서 열간 압연을 마무리하더라도 탄소(C)가 세멘타이트(Fe3C)로 석출될 수 있는 유지시간을 준 경우에는 40%이상의 연신율이 확보되고, 시효지수(Al)도 낮음을 알 수 있다.
즉, 비교예와 실시예로 부터 본 발명강은 티나늄과 니오븀을 첨가하지 않더라도 열간압연 마무리 온도와 열간압연 이후의 냉각조건을 제어하는 계단식 열간압연에 의해 300MPa 이상의 인장강도를 확보하면서도 우수한 연신율과 비시효 특성이 확보할 수 있음이 확인된다. 따라서 냉간압연 단계를 거치지 않고도 가공성 및 비시효특성이 우수한 열연강판을 생산할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 가공성이 우수한 비시효 열연강판을 제조하기 위한 열간압연 방법을 보인 사이클도.

Claims (3)

  1. 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 비시효 열연강판.
  2. 본 발명은 탄소(C) 0.03wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 망간(Mn) 0.15wt% 이하, 인(P) 0.01wt% 이하, 알루미늄(Al) 0.01~0.06wt%, 보론(B) 0.001wt% 이하, 기타 불순물 원소(구리(Cu), 니켈(Ni), 주석(Sn), 크롬(Cr)) 0.08wt% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물의 합금조성을 갖는 강슬라브를
    Ac3점 이상의 온도로 재가열하여 1-2시간 동안 유지하고, Ar3점 이상의 온도인 900~950℃ 온도범위에서 열간압연을 마무리하여 300~500℃에서 권취한 후 공냉하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 비시효 열연강판의 제조방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열간압연 후에는 20~50℃/sec의 냉각속도로 680~720℃ 온도범위까지 냉각하여 5~10초 동안 유지하고, 이 후 20~50℃/sec의 냉각속도로 권취온도까지 냉각 하는 계단냉각을 실시하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 비시효 열연강판의 제조방법.
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