KR20110091009A - 항복강도가 높은 강 제품 - Google Patents

항복강도가 높은 강 제품 Download PDF

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하랄트 호프만
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티센크루프 스틸 유럽 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 경량 강으로 이루어진 강 제품 및 그 강제품을 신뢰성 있게 생산하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강은 고 항복강도에서 등방적인 변형 거동을 나타내며 저온에서 연성이 우수하다. 강 제품 특히 강 스트립 또는 강 시트를 제조하기 위한 본 발명의 방법에 따르면, 중량%로, C: 1.00% 이하, Mn: 7.0% 내지 30.00%, Al: 1.00% 내지 10.00%, Si: 2.50% 초과 8.00% 이하, Al+Si: 3.50% 초과 12.00% 이하, B: 0.01% 미만, Ni: 8.00% 미만, Cu: 3.00% 미만, N: 0.60% 미만, Nb: 0.30% 미만, Ti: 0.30% 미만, V: 0.30% 미만, P: 0.01% 미만 및 잔부로서 Fe와 불가피한 불순물을 함유하는 강 스트립 또는 강 시트를 생산한다. 이어서, 2%와 25%의 사이의 냉간 성형도로 실시하는 냉간 성형에 의하여 강 제품을 제조한다.
[색인어]
강 제품, 고 항복강도, 열간 압연, 냉간 압연, 재결정 소둔, 냉간 성형

Description

항복강도가 높은 강 제품{STEEL PRODUCT HAVING HIGH YIELD STRENGTH}
본 발명은 항복강도가 높은 강 제품을 제조하는 방법 및 항복강도가 높은 강 제품에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제품은 특히 강 시트 또는 강 스트립일 수 있다.
본체 구성부재의 제조에 사용되는 극저온 용도의 경량 강(light steel)이 독일 특허공보 제DE 197 27 759 C2호에 공지되어 있다. 이 강은 Fe 이외에도 10% 내지 30%의 Mn, 1% 내지 8%의 Al 및 1% 내지 6%의 Si를 함유하며, Al과 Si의 함량 합계는 12%를 초과하지 않는다. 이 공지된 강에 최대로 함유되는 C 함량은 불순물 범위 내이다.
반면에, 독일 특허공보 제DE 199 00 199 A1호에 개시되어 있는 경량 구조용 강에는, C가 선택적 합금 원소로서 함유된다. 공지의 경량 강은 7% 초과 27% 이하의 Mn, 1% 초과 10% 이하의 Al, 0.7% 초과 4% 이하의 Si, 0.5% 미만의 C, 10% 미만의 Cr, 10% 미만의 Ni 및 0.3% 미만의 Cu를 함유한다. V, Nb, Ti, P 및 N이 강 내에 함유될 수도 있으며, 이 원소들의 합량은 2%를 초과하지 않아야 한다.
전술한 유형의 강은 TWIP(Twin Induced Plasticity, 쌍정 유기 소성) 특성을 갖는다. 이러한 특성은, 강이 고연성을 나타내고 그와 동시에 경량이면서 양호한 강성을 갖는다는 것을 의미한다. 따라서, TWIP 경량 구조용 강에 대해서는 인장강도와 연성이 극히 우수한 제품이 확보될 수 있다. 공지의 TWIP 경량 구조용 강으로부터 생산된 강 시트의 경우에, 최소 항복강도는 통상적으로 260 ㎫ 내지 330 ㎫의 범위이다.
예를 들면, TRIP 강(Trasnformation Induced Plasticity steel, 변태 유기 소성 강) 또는 TWIP 특성과 TRIP 특성이 조합되어 존재하는 강인 경우에, 우수한 연성을 유지하면서 그와 동시에 더욱 높은 항복강도가 얻어질 수 있다. 그러나, 이러한 유형의 경량 구조용 강으로 제조되는 다양한 공지의 시트 모두는, 항복강도가 330 ㎫을 초과하는 경우에는 바람직하지 않는 특정 성질을 나타낸다. 예를 들면, 취성-연성 천이 온도의 편차, 온도 의존 특성 또는 이방적인 변형 거동이 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 항복강도가 높더라도 등방적 변형 거동과 저온에서의 연성을 겸비하는 경량 강의 강 제품을 신뢰성 있게 제조할 수 있도록 하는 방법 및 항복강도가 높은 강 제품을 제공하는 것이다.
이러한 목적은,
중량%로, C: 1.00% 이하, Mn: 7.0% 내지 30.00%, Al: 1.00% 내지 10.00%, Si: 2.50% 초과 8.00% 이하, Al+Si: 3.50% 초과 12.00% 이하, B: 0.01% 미만, Ni: 8.00% 미만, Cu: 3.00% 미만, N: 0.60% 미만, Nb: 0.30% 미만, Ti: 0.30% 미만, V: 0.30% 미만, P: 0.01% 미만, 및 잔부로서 Fe와 불가피한 불순물을 함유하는 강을 가지고 제조한 강 스트립을 냉간 압연하여 냉연 스트립으로 제조하고, 이 냉연 스트립을 2.5% 내지 25%의 냉간 성형도로 냉간 성형시켜 제조한 항복강도가 높은 강 제품 및 그 제조 방법에 의하여 달성된다.
본 발명에 따르면, 마무리된 강 제품의 고 항복강도는, 강 스트립이 통상의 강 스트립 제조 단계를 거친 후에 강 스트립에 실시되는 냉간 성형 공정에 의하여 조정된다. 본 발명에 따라 규정된 조성의 경량 강에 기초하여, 본 발명에 따른 방법으로 냉연 스트립으로부터, 높은 항복강도와 우수한 연성을 겸비하는 강 제품을 제조할 수 있다. 본 발명에서는, 충분한 변형도로 냉간 성형을 실시하여 제조를 완료하는 것이 필수적이다.
본 발명에 따른 냉간 성형은, 예를 들면 냉연 스트립의 조질 압연(skin pass rolling) 또는 신장기-롤러 평탄화 교정(stretcher-and-roller levelling)에 의해 실시된다. 이 경우에, 본 발명에 따라 제조된 제품은 항복강도가 일반적으로 330 ㎫을 초과하는 냉연 강 스트립 또는 시트이다.
마찬가지로 소정치를 신뢰성 있게 유지하는 이러한 항복강도는, 본 발명에 따라 실시되는 냉간 성형이 마무리된 형상의 구성부재를 제조하기 위한 공정의 일부인 경우에도 달성될 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 방법의 최종 단계에서 완료되는 냉간 성형은, 예를 들면 딥 드로잉, 신장 성형 또는 액압 성형으로서 실시될 수도 있다. 필수적인 유일한 요건은, 종래의 조질 압연에서의 성형도를 상회하는 적정 성형도가 달성되어야 한다는 점이다.
경이롭게도, 본 발명에 따라 사용된 강 합금에 기초하여, 후속되는 반복 소둔 없이 제조 공정을 완료하기 위하여 실시되는 냉간 성형에 의해 명확한 항복강도의 증가가 일어나고, 그에 따라 발생하는 재료의 등방성 저하 또는 연성 저하가 현저하지 않다는 점이 밝혀졌다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 제품, 특히 시트 또는 스트립은 연성 항복(ductile yield)과 항복강도의 조합이 최적이라는 점이 특징이며, 또한 TWIP 특성을 나타낸다. 본 발명에 따른 제품은 종래의 방법으로 제조된 종래 조성의 경량 강 제품에 비하여 우수하다는 점은 명확하다. 따라서, 본 발명에 따른 방법에 의하여, 항복강도가 높고 경량이면서 연성이 우수한 특징을 갖는 경량 강 제품을 간단하게 생산할 수 있다.
본 발명에 따라 실시되는 작업 결과에 의해 달성될 수 있는 신뢰성은, 냉간 성형도가 최대 15%, 특히 최대 10%인 경우에 개선된다.
본 발명에 따른 강 제품을 제조하는 데 있어서는 열연 스트립이나 냉연 스트립을 출발 소재로 사용할 수 있다. 열연 스트립의 제조에는 통상의 공정 단계가 포함된다. 따라서, 본 발명에 따른 조성을 갖는 강을 주조하여 슬라브, 박슬라브 또는 주조 스트립으로 형성시킬 수 있다. 이어서 이와 같이 제조된 제품을 열간 압연하여 열연 스트립으로 제조하여서 코일로 권취한다.
권취 후에, 열연 스트립을 우선 냉간 압연하여서 냉연 스트립으로 제조하고, 이어서 본 발명에 따른 최종 단계로서의 2.5% 내지 25%의 냉간 성형도로 냉간 성형하기 전에 필요에 따라 재결정 소둔 처리를 한다.
특히 슬라브를 사용하는 경우에서처럼 열간 압연하기 전에 재가열이 필요한 경우, 재가열 온도는 1100℃이하로 되어서는 안 된다. 한편, 주조 후에 출발 소재를 열간 압연 작업 단계로 연속 작업 순서로 보내게 되는 경우, 그 출발 소재는 중간 재가열을 하지 않고 바로 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르면 열연 스트립이 약 800℃의 최종 열연 온도에서 열간 압연되고 저온에서 권취되므로, 탄소의 긍정적인 효과와 특히 붕소가 있는 경우는 그 붕소의 긍정적인 효과가 완전히 이용된다. 따라서 이와 같은 범위에서 열간 압연된 강 스트립에 있어서, 붕소와 탄소는, 허용 가능한 파단 연신율을 유지하면서 보다 높은 인장강도값과 항복강도값을 유발시킨다. 최종 열연 온도가 증가함에 따라, 인장강도와 항복강도는 감소하고 반면에 연신율은 증가한다. 본 발명에 따라 규정된 구성 내에서 최종 압연 온도를 변화시키게 되면, 얻어지는 강 스트립 또는 시트의 소망 특성을 목적에 따라 간단한 방식으로 변경시킬 수 있다.
권취 온도를 최대 700℃로 제한하게 되면 재료의 취성을 신뢰성 있게 피할 수 있다. 권취 온도를 높이면 취성 상(brittle phase)이 형성되고, 이는 일례로 재료의 박리를 야기하여 가공 처리를 어렵게 하거나 심지어는 불가능하게 한다는 사실이 밝혀졌다.
본 발명에 따른 최종 강 제품의 최적 연성과 강성 특성을 얻기 위해서는 재결정 소둔 이전 단계의 냉간 압연 중의 냉간 압연율이 30% 내지 75%인 것이 바람직하다.
재결정 소둔 중의 소둔 온도는 600℃ 내지 1100℃의 범위인 것이 바람직하다. 소둔은 600℃ 내지 750℃의 온도 범위에서 벨형(bell-type) 소둔로에서 실시하거나 750℃ 내지 1100℃의 온도에서 연속 소둔로에서 실시할 수 있다.
Si 함량을 2.5중량% 이상, 바람직하기로는 2.7 중량% 이상으로 제한한 결과, 본 발명에 따른 강 시트는 저 Si 함량의 경량 강 시트 또는 강 시트에 비해 냉간 압연 수용력이 향상되었다. Si을 많이 첨가하면 보다 균일한 항복강도 값과 인장강도 값을 나타내며 또한 보다 높은 파단 연신율과 균일 연신율 값을 나타낸다. 더욱이, 본 발명에 따른 강에 있어서 Si은 보다 높은 r값과 n값을 유발하고 기계적 특성의 등방적 변형성을 형성한다. Al과 Si 함량 합계의 상한은 12%이며, Al과 Si 함량 합계가 이 상한을 초과하면 취성(embrittlement)이 야기되는 위험이 있다.
새로 발견된 놀라운 사실은, 본 발명에 따른 강에 붕소를 목적하는 바대로 첨가하게 되면 특성과 생산성이 향상될 수 있다는 점이다. 따라서, 본 발명의 바람직한 구성에 의하면, 붕소를 포함하는 강이 제공된다. 항복강도와 연성의 조정을 향상시키기 위해 붕소가 첨가되는 경우, 이러한 점과 관련한 붕소의 함량은 0.002 중량% 내지 0.01 중량%로 하고, 특히 바람직하기로는 0.003 중량% 내지 0.008 중량%로 한다.
본 발명에 따른 강 시트의 기계적 특성에 대해서 위와 같은 합금에 의해 미치게 되는 바람직한 영향은, 본 발명에 따른 강 내에서의 탄소의 최소 함량이 0.10%로 검출될 수 있는 경우에는 더욱 향상된다.
본 발명에 따르면, 항복강도가 높더라도 등방적 변형 거동과 저온에서의 연성을 겸비하는 경량 강의 강 제품을 신뢰성 있게 제조할 수 있도록 하는 방법 및 항복강도가 높은 강 제품이 제공된다.
특별한 물성 범위에 의하여, 충돌과 관련된 차체 부품과, 지지와 특히 관련된 차제 부품은, 특히 본 발명에 따른 방식으로 제조된 냉연 스트립으로 제조할 수 있다. 이와 같은 차체 부품들은 중량이 가벼워서 일례로 차량의 승객 보호에 특히 효과적으로 사용할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 제품에 있어서의 이와 관련한 특징은 갑작스럽게 하중을 받는 경우에도 에너지 흡수 능력이 특히 높다는 것이다.
양호한 연성과 강성을 동시에 가지면서도 중량이 낮으므로 본 발명에 따라 제조된 제품을 가지고 차량, 특히 자동차용 휠을 제조할 수 있게 된다.
저온 기술 분야에서 사용되는 부품들도 본 발명에 따라 제조된 제품을 가지고 제조할 수 있다. 본 발명에 따라 제조된 냉연 스트립 제품의 유리한 물성 범위는 저온 기술 분야에서 통상적인 저온에서 조차도 유지된다.
또한, 본 발명에 따른 제조 방법에서 달성된 양호한 에너지 흡수 능력은, 충격 형태의 하중에 대한 보호를 위한 목적의 보호 요소를 제조하는 데 사용되는 제품의 제조용으로도 특히 적합하다.
이하에서는 실시예를 참고하여 본 발명을 설명한다.
중량%로, 0.0070% C, 25.9% Mn, 0.013% P, 0.0006 % S, 2.83% Si, 2.72% Al, 0.0045% N를 포함하고, 잔부가 철과, 일례로 소량의 Cu, Cr, Ni, As, Sn, Ti, V, Nb, B 및 Mg을 포함하는 불가피한 불순물로 이루어진 경량 강을 주조하여 슬라브를 형성한다.
1,150℃ 까지 재가열한 후에 슬라브를 850℃의 최종 열간 압연 온도에서 열간 압연하여 열연 스트립을 형성하였고, 그 다음에 500℃의 권취 온도에서 권취하였다. 그 후에 열연 스트립을 65%의 성형도로 냉간 압연하여 1mm 두께의 냉연 스트립을 형성하였다. 냉간 압연 후에는, 냉연 스트립을 950℃의 온도로 연속 소둔로 내에서 재결정 소둔하였다.
이 상태에서 냉연 스트립은 등방성이었다. 각 경우에 종방향으로 조사된 기계적 특성을 표 1에 나타낸다(냉간 성형도 = 0%).
냉간 성형율 Rp0 .2 Rm Ag A80 n r
[%] [㎫] [㎫] [%] [%]
0 326 657 52.8 58.8 0.373 0.93
2.5 400 675 47.5 53.4 0.307 0.90
5 464 699 41.8 48.2 0.257 0.85
10 568 748 30.9 40.5 0.199 0.80
30 870 1039 3.0 12.1 - -
50 1051 1225 2.9 5.4 - -
본 발명의 효과를 증명하기 위하여, 재결정 소둔 후에 냉연 스트립의 일부를 2.5%, 5%, 10%, 30% 및 50%의 성형도로 냉간 압연하였다. 각 경우에 종방향에서 조사된 기계적 특성을 표 1에 표시하였다.
조질 압연 후에 얻어진 냉간 스트립 제품에서는, 냉간 스트립의 조질 압연 시에 10%의 냉간 성형도가 유지되었다면 연신율 한계와 항복강도의 최적의 조합을 얻는 것으로 보인다. 따라서 냉간 성형도 10%까지는 항복강도(Rp0 .2)는 70% 이상 증가될 수 있고, 인장강도(Rm)는 10% 이상 개선될 수 있다. 균일 신장(Ag), A80 신장, r값 및 n 값은, 비교 가능한 항복강도를 가진 종래의 강에서 달성되는 수준을 넘는 수준으로 유지된다. 오직 30%의 냉간 성형도에서만 신장 특성의 급격한 감소가 발생한다.
추가 테스트에서는, 재결정 소둔의 종료시까지 완료되는 작업 단계 및 조성에 관하여, 전술한 냉연 스트립에 대응하는 추가 냉연 스트립을 제조하였다. 이러한 냉연 스트립의 일부분으로부터 사전 냉간 성형 없이 중공 프로파일의 충돌체(crash body)를 제조하였다. 재결정 풀림된 냉연 스트립의 추가적인 부분은 대조적으로 7%의 냉간 성형도로써 본 발명에 따른 방식으로 조질 압연에 의하여 냉간 성형하였다. 중공 프로파일의 충돌체는 마찬가지로 이러한 방식으로 본 발명에 따라 제조된 냉연 스트립으로부터 제조되었다.
그 다음에 50 km/h의 낙하 속도로 장애물에 충돌하는 낙하 테스트에서 무게가 약 150kg인 두 개의 충돌체의 에너지 흡수 용량에 관한 조사를 하였다. 본 발명에 따라 조질 압연된 냉연 스트립 제품으로부터 제조된 충돌체는, 추가적인 냉간 성형 때문에 다른 충돌체와 비교하여 벽 두께가 많이 감소하였음에도 불구하고 훨씬 나은 에너지 흡수 용량을 가지는 것으로 보였다.
마지막으로, 세번째 테스트에서, 다시 전술한 조성에 기초하여, 이미 설명된 방법 단계를 사용해서 재결정 풀림된 냉연 스트립이 제조되었다. 그렇게 만들어진 냉연 스트립은 신장 성형(stretch forming)에 의하여 본 발명에 따른 방식으로 냉간 성형되었다. 그 공정에서 달성된 냉간 성형도는 10% 였다. 이러한 냉간 성형의 결과 320 ㎫의 항복강도가, 재결정 소둔에 이어지는 냉간 성형 후에 오직 재결정 소둔된 상태에서 520 ㎫로 증가될 수 있었다. 동시에 인장강도는 640 ㎫로부터 710 ㎫로 증가하였다. r 값은 거의 영향을 받지 않았다. 성형도의 증가에 따라 연신율 값은 60%에서 약 50%로 감소하였고 n 값은 0.39에서 0.27로 감소하였지만, 이러한 값조차도 강성이 더 높고 항복강도가 동급인 종래 방식으로 제조된 비교 가능한 강에서 정하여지는 연신율 특성 및 n 값보다 훨씬 높았다. 조절 압연에 의한 냉연 스트립의 냉간 성형의 경우에도, 얻어진 제품은 항복강도 값과 연신율 값의 최적의 조합을 가졌다.

Claims (1)

  1. 중량%로,
    Mn: 7.00% 내지 30.00%,
    Al: 1.00% 내지 10.00%,
    Si: 2.50% 초과 8.00% 이하,
    Al+Si: 3.50% 초과 12.00% 이하를 함유하고,
    C: 1.00% 이하,
    B: 0.01% 미만,
    Ni: 8.00% 미만,
    Cu: 3.00% 미만,
    N: 0.60% 미만,
    Nb: 0.30% 미만,
    Ti: 0.30% 미만,
    V: 0.30% 미만, 및
    P: 0.01% 미만 중에서 1종 이상을 선택적으로 함유하며
    잔부로서 Fe와 불가피한 불순물을 함유하는 강을 가지고 제조한 강 스트립을 냉간 압연하여 냉연 스트립으로 제조하고, 이 냉연 스트립을 2.5% 내지 25%의 냉간 성형도로 냉간 성형시켜 제조한, 항복강도가 높은 강 제품.
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