KR20100047017A - 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni) 0.01~2wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.10wt%, 구리(Cu) 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.20wt% 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진다.
본 발명의 열처리 경화형 강판은 열간 프레스 가공 후 도장 건조과정에서 건조조건 제어를 통해 항복강도 및 연신율을 향상시킨다. 이러한 열처리 경화형 강판은 기존의 열간 프레스 제품에 비해 우수한 항복강도 및 인성이 확보되므로 자동차의 프레임이나 충격부재에 안정적으로 사용될 수 있는 이점이 있다.
열처리 경화형 강판, 저온 충격인성, 연성

Description

연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법{Quenched hot-rolled steel sheet with excellent ductility, and method for producing the same}
본 발명은 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열간 프레스 가공에 의해 1200~1500MPa의 인장강도를 가지는 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 안전성 및 경량화 요구에 부응하기 위해 초고강도 강판의 적용이 증가하고 있다. 하지만 초고강도 강판의 경우 강판의 가공성형성이 저하되어 복잡한 형상으로의 가공이 필요한 자동차 부품에의 적용이 제한된다.
따라서 강판을 가열하고 고온상태에서 프레스 성형을 한 후 급냉하여 고강도를 확보할 수 있도록 한 열처리 강화형 강판에 대한 요구가 높아지고 있다.
열처리 경화형 강판은 보론(B)을 0.0005wt%이상 함유하고 탄소(C)와 망간(Mn)을 기본으로 한 소재를 900℃이상의 고온에서 프레스 성형하고 금형 내에서 급냉시켜 부품상태의 강도를 높이게 된다.
이러한 열처리 경화형 강판은 강도가 1,200MPa 이상으로 아주 높기 때문에 항복강도를 밀도로 나눈 비강도면에서 아주 우수하여 자동차의 경량화에 크게 기여 할 수 있으며, 또한 가공 후 형상변형(Springback)이 거의 없어서 성형이 어려운 초고강도 요구 부품에 적용되고 있다.
그런데, 자동차용으로 개발되는 열처리 경화형 강판은 대부분 자동차의 프레임이나 충격 부재용으로 사용되므로 자동차의 충돌시 운전자 및 승객을 보호하기 위한 충격인성이 요구되고 있다.
따라서 국내 특허 2006-0018860에서는 탄소(C), 망간(Mn), 크롬(Cr), 티타늄(Ti), 보론(B)을 기본으로 하고 실리콘(Si), 인(P), 니오븀(Nb) 중 1종 또는 2종 이상을 추가로 함유한 강재를 성형 후의 금형 냉각시에 Ms(오스테나이트로부터 마르텐사이트가 생성되기 시작하는 온도)점 이하의 온도역에서의 평균 냉각속도를 일정 범위 내로 억제함으로써 열간 프레스 성형에 의해 안정된 강도와 인성을 겸비하도록 하고 있다.
하지만, 상술한 종래의 열처리 경화형 강판은 저온 충격인성이 낮은 Hv로 450 이상의 마르텐사이트 조직을 가지는 고강도 강으로써 연성이 다소 낮은 문제점이 있다. 여기서, Hv는 온도별 경도를 의미한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 1200~1500MPa의 인장강도를 가지면서도 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni) 0.01~2wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.10wt%, 구리(Cu) 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.20wt% 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진다.
상기 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)은 식 Cr+3.5Mo+39V≥0.1를 만족하는 범위로 함유된다.
탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni) 0.01~2wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.10wt%, 구리(Cu) 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.20wt% 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어지되, 상기 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)은 식 Cr+3.5Mo+39V≥0.1를 만족하는 범위로 함유되는 강을 통상의 조건으로 열간압연 또는 냉간압연 실시한 다음, 가열로에서 900~1000℃의 온도로 가열하고 프레스 성형하여 Ms온도 이하인 150℃까지 50~150℃/s의 냉각속도로 냉각한 다음, 용접 조립 후 도장하고 170~250℃의 온도에서 10~20분 동안 건조한다.
본 발명은 합금원소의 조절과 열간 프레스 가공을 통하여 1200~1500MPa 정도의 인장강도를 확보하고, 이렇게 제조된 부품을 조립 후 도장 및 건조하는 과정에서 건조조건을 제어하여 소부경화 효과 및 템퍼링 효과가 나타나도록 한다.
따라서 기존의 열간 프레스 제품에 비해 항복강도 및 연성이 향상된 열처리 경화형 강판을 제조할 수 있다. 따라서 충격 인성이 요구되는 자동차의 프레임이나 충격 부재에 보다 안정적으로 적용될 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명에 의한 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진다.
이러한 강슬라브를 열연강판, 냉연강판 또는 도금강판으로 제조한 후 가열로에서 오스테나이트 재결정온도 이상으로 가열하여 한 번에 프레스 금형에서 열간 프레스 가공하고, 이어서 도장 건조를 실시하되 170~250℃의 온도에서 베이킹(Bake)을 실시하여 제조한다.
더 상세히 설명하면, 열간 프레스 가공을 통해 1000~1200MPa의 항복강도와 1200~1500MPa의 인장강도를 확보하고, 도장 건조 공정에서 베이킹을 실시하여 소부경화(Bake Hardening) 및 템퍼링 효과(Tempering Effect)를 유도하는 것이다.
프레스 가공에 의해 제조된 부품은 도장 및 건조과정을 거치면서 항복강도가 50~150MPa 정도 향상되고 연성이 2~8% 향상된다.
이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.
탄소(C) 0.19~0.40wt%
탄소는 강판에 고강도를 부여하기 위한 불가결한 원소로서, 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후 강도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소는 오스테나이트를 안정화시켜 Ac3점을 내림으로써 담금질 처리 온도의 저온화를 촉진한다.
탄소는 소량 첨가되면 강도가 낮을 뿐 아니라 오스테나이트가 페라이트로 변태되어 마르텐사이트 분율 확보가 어렵다. 따라서 소재의 강도를 확보하기 위해 0.19wt% 이상은 첨가한다. 단 0.40wt%를 초과하면 담금질부의 인성열화가 현저해지므로, 그 상한치를 0.40wt%로 제한한다.
망간(Mn) 0.5~2.5wt%
망간은 고용강화 원소로서, 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후 강도를 안정적으로 확보하는데 효과적인 원소이다. 망간은 오스테나이트를 안정화하여 2상 영역 온도를 저하시키고 낮은 임계냉각속도에서도 오스테나이트가 펄라이트로 분해되는 것을 방지하여 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트가 생성되기 쉽게 한다.
망간은 0.5wt% 미만으로 첨가되면 마르텐사이트를 얻기 위한 빠른 냉각속도가 필요하여 펄라이트 생성을 막기가 산업적으로 불가능하고, 2.5wt%를 초과하여 첨가되면 망간 밴드 조직이 형성되고 편석이 급격하게 증가하여 강의 가공성 및 용접성을 저해한다.
크롬(Cr) 0.1~0.5wt%
크롬은 강판의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도를 안정적으로 확보하는데 효과적인 원소이다. 이러한 크롬은 0.1wt% 이상 첨가되어야 강도를 확보할 수 있으며, 0.5wt%를 초과하는 경우에는 그 효과가 증대되지 않는다.
보론(B) 0.0015~0.0040wt%
보론은 연속냉각 변태시 오스테나이트의 페라이트로 변태를 지연시킴으로써 강판의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도의 안정적인 확보 효과를 더욱 증대시킨다. 보론은 0.0015wt% 미만으로 첨가되면 그 효과가 없고, 0.0040wt%를 초과하여 첨가되면 그 효과가 포화된다. 따라서 0.0015~0.0040wt% 범위로 첨가한다.
실리콘(Si) 0.01~0.5wt% 이하
실리콘은 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는다. 실리콘은 담금질 효과를 위해서는 0.01wt% 이상은 첨가되어야 한다. 하지만 실리콘은 과다 첨가시 도금성 및 적스케일로 인한 표면 결함을 발생시키고, 도금부착성을 저하시켜 미도금 및 도금 박리현상 등의 문제를 발생시키므로 그 상한치를 0.5wt%로 제한한다.
인(P) 0.05wt% 이하
인는 강도확보에 유용한 원소이다. 그러나 다량으로 첨가하면 가공성을 저하할 뿐 아니라 용접성도 저하하므로 그 상한치를 0.05wt%로 제한한다.
황(S) 0.05wt% 이하
황은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 강판의 강도확보에 기여한다. 황은 과다 첨가시 조대한 개재물을 증가시켜 피로특성을 열화하므로 0.05wt% 이하의 범위로 규제한다.
알루미늄(Sol.Al) 0.03wt%
알루미늄은 주로 탈산제로 사용되는 원소이다. 알루미늄은 실리콘과 마찬가지로 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후의 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는 다. 하지만 알루미늄은 0.03wt%를 초과하여 첨가되면 강도가 저하된다.
질소(N) 0.001~0.020wt%
질소는 고로 또는 전기로 공정에서 불가피하게 첨가되는 원소로 제어 대상이다. 질소는 함유량이 너무 많으면 상온 내시효성을 확보가 어려워지고 가공성이 악화되므로 상한치를 0.020wt%로 한다. 바람직하게는 0.002~0.008wt%를 함유하는 것이 좋다.
또한, 질소는 알루미늄과 결합하여 AlN을 형성한다. 따라서 소부경화(BH)에 기여하는 질소를 확보하기 위하여 0.52Al/N<5를 만족한다. 바람직하게는 0.52Al/N<3를 만족한다. 이는 AlN형성을 최대한 억제하여 고용질소를 확보하도록 한다.
여기서, 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)은 Cr+3.5Mo+39V≥0.1를 만족하는 범위로 함유된다. 크롬, 몰리브덴, 바나듐은 소부경화를 손상하지 않고 상온 내시효성을 얻는 것이 가능한 원소로, 상술한 범위를 만족하는 것이 담금질성을 높이고 담금질 후 강도를 안정적으로 확보하는데 효과적이다.
그리고, 니켈(Ni), 니오븀(Nb), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo) 중 1종 또는 2종 이상은 강판의 담금질성을 높이고 담금질 후의 강도의 안정화를 높이기 위해 함유된다.
이때, 니켈(Ni)은 0.01~2wt%, 니오븀(Nb)은 0.01~0.10wt%, 구리(Cu)는 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo)은 0.01~0.20wt%의 범위로 함유된다. 이들 원소들은 최소 0.01wt% 이상 첨가되어야 담금질 향상효과가 있고 각각의 상한을 넘으면 그 효과가 표화된다.
본 발명의 강판은 상기 성분들을 함유하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세량 혼입도 허용된다.
상기한 바와 같은 조성을 갖는 슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 주괴 또는 연속주조공정을 통해 제조되며, 여기서는 열간압연, 냉간압연을 거쳐 강판 형태로 제조된 후에, 열간 프레스 가공과 도장 및 건조과정을 거치면서 소부경화처리되는 아래의 공정을 거치게 된다.
각 공정은 아래와 같다.
[열간 프레스 가공 공정]
열간압연 또는 냉간압연 된 강판을 재결정 온도 이상인 900~1000℃, 바람직하게는 950℃의 고온에서 가열한 후 프레스 금형에서 한 번에 프레스 성형하고 금형내에서 Ms점 온도 이하인 150℃까지 50~150℃/s의 냉각속도로 급냉하여 부품형상으로 제조한다.
이때, 가열온도는 900℃보다 낮으면 오스테나이트상 확보가 어려워 강도확보가 어렵고, 1000℃보다 높으면 표면 산화문제 및 가공성이 열화되는 문제점이 있다. 그리고, 냉각속도는 50℃/s보다 느리면 담금질성이 낮아 강도확보가 어렵고, 150℃/s보다 빠르면 표면균열이 발생할 우려가 있다.
[도장, 건조 공정]
열간 프레스 가공 공정 후 도장, 건조 공정을 실시한다. 이 과정에서 건조온도 및 유지시간을 제어하여 소부경화(BH:Bake Hardening)를 부여한다.
도장 후 건조는 170~250℃에서 10~20분간 유지한다. 이는 강도의 큰 저하없이 항복강도 및 연성이 향상되는 효과를 나타낸다.
도 1 및 도 2에서 확인되는 바와 같이, 170℃ 미만의 온도에서는 소부경화 및 템퍼링 효과를 보이지 않으며, 250℃를 초과하는 온도에서는 강도가 저하된다. 유지시간은 10분 이상 유지하는 것이 바람직하나, 20분이 초과되면 강도가 저하된다.
본 발명에 사용되는 강판은 열간 프레스 가공에 앞서 가열시에 오스테나이트 온도역으로 가열하여 오스테나이트 변태를 시키므로 가열 전의 실온에서의 기계적 성질은 중요하지 않다. 하지만 코일로 권취가 가능한 강도로 제조한다.
또한 가열 전의 금속조직은 특별히 제한되지 않으나 앞서 기술한 바와 같이 AlN형성을 억제하면 오스테나이트 결정립 크기를 최대한 증대시킴으로써 담금질성을 높이고 인성을 높일 수 있다.
소지강판으로서는 열연강판, 냉연강판, 도금강판 중 어느 것을 사용해도 무방하다. 하지만 열간 프레스 가공시 냉각속도를 만족하는 두께의 강판을 사용한다. 도금 강판으로서는 알루미늄계 도금강판, 아연계 도금강판, 전기 도금강판, 용융 도금강판, 합금화 아연 도금강판 등이 사용 가능하다.
아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 본 발명의 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.
구분 TS(MPa) YS(MPa) EL(%)
1 BH전 물100% 1590 1190 5.8
2 물50%, 오일50% 1480 990 7.9
3 BH후 물100% 1570 1220 7.6
4 물50%, 오일50% 1480 1150 11
[BH(Baking Hardering):소부경화, TS:인장강도, YS:항복강도, EL:연신율]
표 1은 강판을 가열로에서 오스테나이트 재결정 온도 이상인 950℃에서 가열한 후 자동차용 부품용으로 프레스 가공을 실시하여 Ms점 온도 이하인 150℃까지 50℃의 냉각속도로 냉각하는 담금질 처리를 실시후, 강판을 용접 조립하고 도장한 다음 건조과정에서 170~250℃의 온도에서 10~20분 유지하는 소부경화를 실시하였다. 그리고, 건조과정에서 소부경화를 실시한 경우와 그렇지 않은 경우의 인장강도 및 항복강도 연신율을 측정하였다.
여기서, BH란 자동차 제조 프레스 성형에 이어지는 도장 소부에 의한 강판의 기계적 강도의 증가를 인장시험에 의하여 간이적으로 평가한 것이다. 우선 인장시험에 의하여 강판에 2%의 인장변형을 가하여 유동응력을 측정한다. 이어서 소정의 열처리를 가한 후, 다시 인장시험을 하고 상항복 응력을 측정한다.
표 1 및 도 3을 살펴보면, 소부경화를 통해서 항복강도가 50~150MPa 정도 향상되고, 연신율도 2~8%정도 향상됨을 알 수 있다. 그리고, 열간 프레스 성형에 의해 확보된 인장강도는 저하되지 않음을 알 수 있다.
표 1과 도 3의 결과를 통해서, 열간 프레스 성형 후 도장 건조과정에서 베이킹(baking)을 거치는 본 발명의 방법이 열처리 경화형 강판의 인장강도를 저해하지 않으면서 항복강도 및 연성을 증대시키는 방법임을 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 소부경화시 온도별 유지시간에 따른 인장강도 변화를 나타낸 그래프.
도 2는 소부경화시 온도별 유지시간에 따른 연신율 변화를 나타낸 그래프.
도 3은 표 1의 조건으로 실험한 결과 소부경화시 항복강도 및 연신율이 향상되는 것을 나타낸 그래프.

Claims (3)

  1. 탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni) 0.01~2wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.10wt%, 구리(Cu) 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.20wt% 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 열처리 경화형 강판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)은 식 Cr+3.5Mo+39V≥0.1를 만족하는 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 열처리 경화형 강판.
  3. 탄소(C) 0.19~0.40wt%, 망간(Mn) 0.5~2.5wt%, 크롬(Cr) 0.1~0.5wt%, 보론(B) 0.0015~0.0040wt%, 실리콘(Si) 0.01~0.5wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.05wt% 이하, 알루미늄(Sol.Al) 0.03wt% 이하에 니켈(Ni) 0.01~2wt%, 니오븀(Nb) 0.01~0.10wt%, 구리(Cu) 0.01~1wt%, 몰리브덴(Mo) 0.01~0.20wt% 중 1종 또는 2종 이상이 기본조성으로 함유되고, 나머지 잔부가 철(Fe)과 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 이루어지되, 상기 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 바나듐(V)은 식 Cr+3.5Mo+39V≥0.1를 만족하는 범위로 함유되는 강을 통상의 조건으로 열간압연 또는 냉간압연 실시한 다음,
    가열로에서 900~1000℃의 온도로 가열하고 프레스 성형하여 Ms온도 이하인 150℃까지 50~150℃/s의 냉각속도로 냉각한 다음, 용접 조립 후 도장하고 170~250℃의 온도에서 10~20분 동안 건조하는 것을 특징으로 하는 연성이 우수한 열처리 경화형 강판 및 그 제조방법.
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