KR20100097669A

KR20100097669A - 고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성 및 특정의 적합성을 갖는 밴드, 시트 또는 관을 포함하는 고강도 컴포넌트용 스틸

Info

Publication number: KR20100097669A
Application number: KR1020107012252A
Authority: KR
Inventors: 요아힘 쇠틀러; 폴케르 플락사
Original assignee: 잘쯔기터 플래시슈탈 게엠베하
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2008-11-05
Publication date: 2010-09-03
Also published as: DE102007058222A1; RU2010127341A; US20110024006A1; PL2227574T3; EP2227574A1; RU2472868C2; EP2227574B1; WO2009071046A1; ATE515583T1

Abstract

고강도 컴포넌트용 스틸을 제공하며, 고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성 및 적합성이 달성된다. 본 발명은 A_c3(약 900℃)보다 높은 고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성 및 특정의 적합성을 갖는 밴드, 시트 또는 관으로 이루어진 고강도 컴포넌트용 스틸로서, 이하의 원소(함유량은 질량％), 즉 0.07 내지 0.15 질량％의 C, 0.05 질량％ 이하의 Al, 0.80 질량％ 이하의 Si, 1.60 내지 2.10 질량％의 Mn, 0.020 질량％ 이하의 P, 0.010 질량％ 이하의 S, 0.50 내지 1.0 질량％의 Cr, 0.10 내지 0.30 질량％의 Mo, 48/14×[N] 질량％의 Ti_min, 0.03 내지 0.12 질량％의 V, 0.0015 내지 0.0050 질량％의 B, 통상의 스틸에 포함되는 원소를 포함하는 잔량의 철(iron)을 포함하는 스틸에 관한 것이다.

Description

고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성 및 특정의 적합성을 갖는 밴드, 시트 또는 관을 포함하는 고강도 컴포넌트용 스틸{STEEL FOR HIGH-STRENGTH COMPONENTS COMPRISING BANDS, SHEETS OR TUBES HAVING EXCELLENT FORMABILITY AND PARTICULAR SUITABILITY FOR HIGH-TEMPERATURE COATING PROCESSES}

본 발명은 청구항 1에 따른 고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성(formability) 및 특정의 적합성(suitability)을 갖는 밴드, 시트 또는 관으로 이루어진 고강도 컴포넌트용 스틸에 관한 것이다. 본 명세서에서의 고온이라는 표현은 A_c3(약 900℃)보다 높은 온도를 나타낸다.

최대의 중량 절감을 통해 최대의 가능한 자원 활용을 갖기 위한 스틸로 구성된 컴포넌트의 현재의 경량 구조는 고강도 스틸을 사용할 필요성이 증가하고 있다.

이것은 예컨대 주석도금 또는 위생 산업(tinplate or sanitary industry), 화학 장비의 구축, 파워 플랜트 기술, 및 보다 구체적으로는 집단 연료 소비(fleet fuel consumption)를 감소시키는 목적을 갖는 자동차 산업에 적용된다.

자동차 산업에서 채용되는 고강도 스틸로 구성되는 컴포넌트는 통상적으로 대부분 아연으로 구성되는 부식 방지 코팅으로 코팅된다. 전술한 응용 분야의 외에는, 부식 방지 코팅에 추가하여 에나멜 코팅도 사용된다.

이러한 응용 분야를 위한 종래의 고강도 스틸로 구성되는 밴드 또는 시트 등의 반제품 상품은 대부분이 열가공 압연(thermo-mechanical rolling)에 의해 제조된다. 이것은 스틸이 후속의 처리 단계에서 추가로 열처리되지 않도록 요구하며, 그 이유는 스틸이 후속의 처리 단계에 추가로 열처리되는 경우에 열가공 처리로 얻어진 기계적 특성이 손실될 것이기 때문이다.

에나멜 코팅, 또는 아연, 알루미늄 또는 이들의 합금으로 구성된 금속성 코팅 형태의 부식 방지층이 A_c3(약 900℃)보다 높은 값에 도달하는 처리 온도에 적용되는 후속의 열처리가 스틸에 가해지면, 이들 스틸은 자신의 원래의 강도를 잃게 된다. 이 상황은 용접 후의 유사하게 열처리된 영역에서도 발생한다.

이 현상은 각각의 열처리된 영역에서의 용접 이음매의 교차(intersecting weld seam)가 이루어지면서 예컨대 열 코팅 방법으로 복수의 열처리가 수행되는 경우에는 반복되며, 마찬가지로 통상적으로 에나멜링(enameling) 도중에 수행되는 반복된 에나멜 연소 동안에는, 재료의 강도가 연속적으로 상실된다.

이하의 표 1은 420 MPa의 최소 항복 강도(minimum yield strength)에서 각각 3.0mm 및 8.0mm의 스틸 그레이드 S-420의 예에서의 이 현상을 보여준다.

[표 1]

각각 1회와 2회의 에나멜 연소 후의 S-420으로 구성된 시트의 기계적 특성의 변화

해당 열처리 후의 이러한 강도의 손실은 고강도 다상 스틸(high-strength multiphase steel)에서 더욱 드러나게 되며, 그 이유는 냉각이 조절되지 않고 강화되지 않은 경우에 원래의 마텐사이트 상 마찰(martensitic phase fraction)이 전이 온도 A_c3 위에서의 가열 동안에 사라지기 때문이다.

고강도 스틸로 발생할 수도 있는 또 다른 문제점은 A_c3 위에서의 가열 동안 수소에 대한 용해성(solubility)이 현저히 증가한다는 것이다. 그러므로, 수소는 가속된 냉각 동안에 재료 구조에 잔류되어, 재료의 크랙의 형성을 초래할 수도 있다.

상기한 이유로, 저속 냉각(예컨대, 대기 중에서의) 동안에도 단단한 구조를 발생시키는 스틸이 요망된다.

이들 스틸은 재료로부터의 수소의 회귀가 에나멜과 같은 두꺼운 보호층에 의해 저지된다는 또 다른 문제점을 가질 수도 있다. 이것이 발생하게 되면, 코팅은 부수어질 위험(피시 스케일(fish scale))에 놓이게 될 수도 있다.

피시 스케일은 에나멜 내에서의 결함을 나타내고, 더 이상 스틸 기판의 지속적인 보호를 보장하지 못한다. 따라서, 스틸을 에나멜링할 때에는 피시 스케일에 대한 에나멜 성분의 높은 저항성이 중요하다.

일반적으로, 피시 스케일의 발생은 노 분위기(furnace atmosphere)로부터 또한 에나멜링 공정 동안의 에나멜 슬러리로부터의 습기와 스틸 표면의 접촉에 의해 야기된다.

물과 스틸 표면의 반응은 연소 공정 동안 스틸 내로 확산하는 원자 수소의 형성을 야기한다.

에나멜을 약 900℃에서 연소하고 후속하여 냉각시킨 후에는, 스틸 내의 수소의 용해성이 감소하며, 이 수소는 스틸의 외부로 빠져나와 스틸/에나멜의 경계의 재료에서 재결합하여 분자 수소를 형성한다.

이 반응은 볼륨의 증가에 의해 수반되며, 국부적으로는 높은 압력이 생성될 수 있고, 최종적으로는 복합 에나멜/스틸의 항복 강도가 초과되고 또한 반구형 에나멜 조각(half-moon-shaped enamel splinters)(피시 스케일)이 그 동안 고형화된 에나멜에서 발생할 정도로 매우 크게 된다.

냉간 압연 스틸 및 열간 압연 스틸에 대해, 피시 스케일의 형성에 저항성을 갖는 다수의 종래의 스틸이 알려져 있다. 빈번하게 요구되는 특정의 딥드로잉(deepdrawing) 특성 때문에, 이들 스틸은 통상적으로 저강도 IF 스틸로서 설계되고(예컨대, EP 0 386 758 B1), 그레인 바운더리(grain boundary)에서의 냉간 압연에 의해 절단되는 시멘타이트 석출물(cementite precipitate)에 의해 피시 스케일 저항이 발생되는 합금 방법(alloy concept)을 기반으로 하며, 이때 원자 수소가 시멘타이트 석출물에 축적되어 피시 스케일 형성에 대해서는 무해하게 된다.

예컨대 에나멜링 동안, 고온 처리에 적합한 용이하게 성형할 수 있는 고강도의 스틸이 아직까지는 알려져 있지 않다. 항상 동시에 충족될 필요는 없는 고강도 스틸에 대한 조건은 전술한 응용 분야에서는 다음과 같이 요약될 수 있다:

- 성형 및 900℃보다 높은 온도에서 열처리한 후의 컴포넌트의 높은 재료 강도

- 에나멜링 후의 피시 스케일 저항

- 우수한 성형성

- 전반적으로 우수한 용접 가능성(weldability)

- 관의 제조 시의 우수한 고주파 인덕션(high-frequency induction, HFI) 및 레이저 용접 가능성

- 컴포넌트의 아연 도금에 대한 적합성

본 발명은 고온 코팅 방법에 대하여 우수한 성형성 및 적합성을 갖는 동시에 전반적인 용접 가능성 및 구체적으로는 HFI 용접 가능성을 보장하는 밴드, 시트 또는 관으로 이루어진 고강도 컴포넌트용의 저렴한 스틸을 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 교시에 따라, 상기한 목적은 질량％ 단위의 이하의 조성을 갖는 스틸로 달성된다:

0.07 내지 0.15 질량％의 C

0.05 질량％ 이하의 Al

0.80 질량％ 이하의 Si

1.60 내지 2.10 질량％의 Mn

0.020 질량％ 이하의 P

0.010 질량％ 이하의 S

0.50 내지 1.0 질량％의 Cr

0.10 내지 0.30 질량％의 Mo

48/14×[N] 질량％의 Ti_min

0.03 내지 0.12 질량％의 V

0.0015 내지 0.0050 질량％의 B

통상의 스틸에 포함되는 원소를 포함하는 잔량의 철(iron)

도 1은 보일러 테스트 에나멜(boiler test enamel)을 이용한 피시 스케일 테스트의 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 에나멜링(연소 온도 900℃) 후의 요구된 최소 항복 강도와 비교한 항복 강도 R_p0 _.2의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3은 에나멜링(연소 온도 900℃) 후의 요구된 최소 신장 강도와 비교한 신장 강도 R_m의 변화를 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 고강도 스틸은 공기 또는 필적하는 냉각 구배를 갖는 매질 내에서 경화될 수 있는 열처리된 스틸로서 설계된다. 이 스틸은 900℃보다 높은 처리 온도에서도 예컨대 에나멜링 또는 아연 도금 시에 고온 코팅 방법에 특히 적합하며, 코팅 후의 냉각 동안 강도를 잃지 않고, 열처리의 결과로 더욱 강하게 된다는 점에서 구별된다. 광범위한 시험 항목에서, 먼저 본 발명의 합금 조성을 갖는 스틸이 뛰어난 에나멜링 성능 및 피시 스케일 저항 모두를 갖는 동시에 에나멜링 연소 동안 또는 아연 도금 동안의 열처리의 결과로 높은 강도를 갖는다는 것을 알 수 있다.

이러한 비용 효율이 매우 높은 합금 방법, 구체적으로는 낮은 탄소 함유량을 갖는 합금 방법은 "연성(soft)"의 초기 상태에서 뛰어난 냉간 성형 특성(cold-forming property)을 발생하며, 이것은 예컨대 온수 히터용의 위생 설비, 보일러 장치, 화학 장비의 구조물, 또는 자동차 새시(chassis)의 구조물에서 딥드로잉 처리된 부품과 함께 사용하는데 특히 중요하다.

상대적으로 낮은 탄소 당량(equivalent) 또한 우수한 전반적인 용접 가능성을 보장한다. 용접 가능성은 예컨대 관의 제조에 사용될 시에는 고주파 유도 용접(HFI 용접)으로 이루어질 때에 우수하게 되며, 그 이유는 원하지 않은 크롬 카바이드 석출물을 방지하는 용접 이음매(weld seam)에서의 크롬 함유량이 상대적으로 적기 때문이다.

스틸의 피시 스케일 저항은 크롬과 바나듐의 첨가를 통해 본 발명에 의해 달성되며, 탄화크롬 및 탄화바나듐 또는 질화탄소 및 질화티타늄의 미세하게 분산된 석출물이 단단한 구조의 스틸에 수소 트랩(hydrogen trap)을 형성하며, 에나멜링 동안에 형성된 원자 수소가 에나멜에 손상을 주지않고 수소 트랩에 축적된다.

Mn, Cr, Mo, V 및 B를 기반으로 하는 합금 방법은 관련 변형점(relevant transformation point)에서의 이로운 시프트를 통한 공기 중에서의 냉각에 필적하는 냉각 구배를 이미 갖는 스틸의 완만한 경화를 가능하게 한다.

이것은, 본 발명에 따라, 스틸에 존재하고 있는 질소가 질화붕소 석출물을 방지하고 이에 의해 첨가 붕소의 효과를 보장하기 위한 티타늄의 첨가를 통해 질화티타늄의 형태로 완전하게 결합됨에 의한 것으로 추정된다.

본 발명의 이로운 실시예에 따라, 스틸은 아연 도금을 위해서는 0.30％ 이하의 낮은 Si 함유량을 가지며, 이에 의해 예컨대 자동차 산업에서의 응용을 위한 아연 도금에 대한 적합성을 보장한다.

요구된 재료 특성을 실현하기 위해 예컨대 컴포넌트의 열처리 후의 공기 중의 스틸의 냉각에 의해서만 경화가 달성되는 종래의 완만하게 경화되는 스틸이 알려져 있다.

스틸이 열간 압연 후에 적어도 부분적으로 공기 중에서 매우 빠르게 냉각되어 공기 경화 효과(air hardening effect)가 이루어지면, 예컨대 후드 타입 어닐링 노(hood-type annealing furnace)에서의 후속 연성 어닐링 공정(soft-annealing process)을 통해 또는 균일 어닐링(homogenizing annealing)에 의해 냉각 성형성(cold-formability)이 달성될 수 있다. 이와 달리, 열간 압연 후의 냉각 성형성은 또한 필요에 따라 특수한 절연 후드에서 적절하게 촘촘히 감겨진 코일을 저속으로 냉각함으로써 달성될 수도 있다.

냉각 성형 후, 완만한 경화 조건은 후속의 열처리를 통해 다시 조정될 수 있다.

냉각 성형이라는 표현은 이하의 공정 변형(process variants)을 지칭한다:

a) 필요에 따라 열처리가 후속되는 딥드로잉 등에 의한 고온 밴드로부터의 해당 컴포넌트의 직접적인 제조.

b) 적합한 드로잉 및 어닐링 공정을 이용한, 관으로의 추가의 처리(further processing into pipe). 후속하여 관 자체가 예컨대 벤딩, 내부 고압 성형(IHU) 등과 그에 후속하는 완만한 경화에 의해 컴포넌트로 만들어짐.

c) 어닐링 및 성형 공정이 후속되는 고온 밴드의 냉각 밴드로의 추가의 처리. 냉각 밴드는 a) 또는 b)에서 설명된 바와 같이 딥드로잉 등에 의해 후속 처리됨.

이하의 표 2는 열간 압연 및 냉간 압연 시트 또는 밴드를 위한 본 발명에 따른 스틸의 샘플과 이로부터 제조되는 관에 대해 측정된 파라미터가 나열되어 있다:

[표 2]

에나멜링 후의 본 발명의 스틸의 기계적 파라미터의 변화

본 발명의 스틸로 구성된 시트와 더 높은 강도를 갖는 3개의 비교 스틸의 피클링 제거(pickling removal) 및 피시 스케일 저항이, 에나멜링에 대한 적합성에 대하여 검사되었다.

에나멜링을 위한 본 발명의 스틸의 적합성에 대한 검사 결과를, 강도가 더 높은 타입의 다른 스틸과 비교하여 아래의 표 3에 요약되어 있다. 시트의 피클링 제거 및 피시 스케일 저항에 대한 검사는 EN 10209 규격에 따라 수행되었다.

피시 스케일 저항을 검사하기 위해, 콜드-밴드 테스트 프릿 페로 2290(cold-band test frit Ferro 2290)에 추가하여 보일러 테스트 에나멜(boiler test enamel)이 사용되었다.

[표 3]

에나멜링 결과의 비교

테스트 결과는 비교 스틸 TRIP HXT800이 허용된 값보다 매우 높은 피클링 제거를 가지며, 이로써 피시 스케일 저항이 테스트될 수 없다는 것을 보여준다.

2개의 비교 스틸에 대한 피클링 제거는 타겟 값에 대한 한계 내에 있지만, 피시 스케일 저항은 없다.

피시 스케일 테스트의 결과가 도 1의 a 내지 c에 도시되어 있다.

에나멜링 동안의 본 발명의 스틸의 기계적 파라미터의 변화를 강도가 더 높은 다른 스틸과 비교하여 첨부 도면에 예시하였다. 비교 스틸 HXT800에 대해서는 이 스틸이 과도한 피클링 제거로 인해 에나멜될 수 없기 때문에 에나멜링 후의 값은 결정되지 않는다.

이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 스틸의 장점은 이하와 같이 요약될 수 있다:

- 900℃보다 높은 열처리 후의 높은 재료 강도

- 컴포넌트의 에나멜링 후의 피시 스케일 저항

- 완성된 컴포넌트의 현저히 증가된 강도 및 그에 따른 종래의 에나멜 처리된 스틸에 비교하여 두께를 감소시킴으로써의 경량 구조에 대한 가능성

- 구체적으로 관 제조의 면에서 HFI 용접을 이용한, 스틸의 매우 우수한 용접 가능성

- 완만하지 않은 경화 상태에서의 스틸의 뛰어난 냉각 성형성 및 그에 따른 복합 컴포넌트의 제조를 위한 가능성

- 스틸을 아연 도금할 수 있음

- 비금속성 보호층에 대한 적합성

본 발명의 스틸에 대하여, 소프트 어닐링된 상태의 열간 압연 또는 냉각 압연 시트 및 관에 대한 이하의 대표적인 파라미터는 아래와 같다:

열처리된 상태에서, 예컨대 900℃보다 높은 에나멜링 또는 아연도금 후에, 이하의 기계적 파라미터의 예가 달성되었다:

본 발명에 따른 스틸은 밴드, 시트, 열간 압연, 냉간 압연, 또는 용접되어 이음매없는 관의 형태로 다수의 어플리케이션에 사용될 수 있다.

냉간 압연 또는 냉각 성형 제품에 대하여는, 두께 범위 또는 벽두께 범위가 예컨대 0.5∼4mm일 수도 있다. 열간 압연 또는 고온 성형 제품에 대한 해당 값은 약 1.5∼8mm이다.

Claims

A_c3(약 900℃)보다 높은 고온 코팅 공정에 대해 우수한 성형성(formability) 및 특정의 적합성(suitability)을 갖는 밴드, 시트 또는 관으로 이루어진 고강도 컴포넌트용 스틸로서, 이하의 원소(함유량은 질량％), 즉
0.07 내지 0.15 질량％의 C
0.05 질량％ 이하의 Al
0.80 질량％ 이하의 Si
1.60 내지 2.10 질량％의 Mn
0.020 질량％ 이하의 P
0.010 질량％ 이하의 S
0.50 내지 1.0 질량％의 Cr
0.10 내지 0.30 질량％의 Mo
48/14×[N] 질량％의 Ti_min
0.03 내지 0.12 질량％의 V
0.0015 내지 0.0050 질량％의 B
통상의 스틸에 포함되는 원소를 포함하는 잔량의 철(iron)
을 포함하는 스틸.
제1항에 있어서,
상기 스틸은 0.08 내지 0.10 질량％의 C 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 스틸은 0.30 질량％ 이하의 Si 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 1.80 내지 2.0 질량％의 Mn 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 0.70 내지 0.80 질량％의 Cr 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 0.15 내지 0.25 질량％의 Mo 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 0.02 내지 0.03 질량％의 Ti 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 0.05 내지 0.10 질량％의 V 함유량을 갖는, 스틸.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스틸은 0.0025 내지 0.0035 질량％의 B 함유량을 갖는, 스틸.
청구항 1 내지 청구항 11 중의 적어도 하나에 따른 스틸로 구성된 용이하게 성형 가능한 밴드, 시트 또는 관으로 형성되는 컴포넌트로서, 상기 컴포넌트는 성형 후에 A_c3(약 900℃)보다 높은 온도에서 열처리되고, 냉각 후 최소 항복 강도가 450 MPa인, 컴포넌트.
제12항에 있어서,
상기 열처리는 하나 이상의 연소로 에나멜링하는 것을 포함하는, 컴포넌트.
제12항에 있어서,
상기 열처리는 금속성 코팅을 포함하는, 컴포넌트.
제14항에 있어서,
상기 코팅은 아연 도금인, 컴포넌트.