KR20120138900A - 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

인장강도 980MPa 이상의 고강도를 가지면서, 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 재가열, 열간 압연, 냉각 및 권취하여 열연 강을 형성하는 열연 단계; 상기 열연 강을 산세처리 후, 냉간 압연하여 냉연 강을 형성하는 냉연 단계; 상기 냉연 강을 760 ~ 840℃에서 열처리하는 열처리 단계; 및 상기 열처리된 강을 300 ~ 540℃까지 냉각한 후, 300 ~ 460℃ 온도에서 항온 열처리하는 항온 열처리 단계;를 포함하여, 제조되는 강이 인장강도 : 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법.

Description

성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH COLD-ROLLED STEEL SHEET FOR AUTOMOBILE WITH EXCELLENT FORMABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE STEEL SHEET}
본 발명은 냉연강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분 및 열처리 조건 제어를 통하여 980MPa 이상의 인장강도를 가지면서도 성형성이 우수한 냉연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
현재 자동차 부품은 연비 향상을 위하여 점차 고강도화되는 추세에 있다.
이러한 자동차 부품을 제조하기 위한 강판은 합금 성분, 제조 공정, 최종 미세조직 등에 따라서 IF(Interstitial Free) 강판, 마일드(Mild) 강판, IF-HSS(Interstitial Free High Strength Steel), BH(Bake Hardening) 강판, DP(Dual Phase) 강판, TRIP(Transformation Induced Plasticity) 강판 등 여러 종류로 분류될 수 있다.
도 1은 강판의 종류에 따른 기계적 성질을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 인장강도와 연신율은 대체로 반비례하는 관계에 있는 것을 볼 수 있다. 특히, 980MPa 이상의 인장강도를 갖는 강판의 경우, 극히 제한적인 경우에만 충분한 연신율을 확보할 수 있다.
통상의 인장강도 980MPa급 강판은 낮은 연신율, 높은 항복비로 인하여 성형성이 부족하다.
따라서, 인장강도 980MPa이상을 가지면서, 아울러 성형성이 우수한 고강도 강판의 개발이 요구된다.
본 발명의 목적은 합금 성분 제어 및 냉간압연 후 열처리 공정 제어를 통하여 강도 및 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 인장강도 980MPa 이상의 고강도를 가지면서도, 17% 이상의 연신율과 함께 항복비가 0.6 이하로서 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법은 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 재가열, 열간 압연, 냉각 및 권취하여 열연 강을 형성하는 열연 단계; 상기 열연 강을 산세처리 후, 냉간 압연하여 냉연 강을 형성하는 냉연 단계; 및 상기 냉연 강을 760 ~ 840℃에서 열처리하는 열처리 단계;을 포함하여, 제조되는 강이 인장강도 : 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 고강도 냉연강판은 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되며, 인장강도 : 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 실리콘(Si), 망간(Mn) 등의 합금 성분 제어와 함께 열처리 공정 제어를 통하여, 인장강도 980MPa 이상을 가지면서도 0.6 이하의 저항복비와 17% 이상의 고연신율을 갖는 자동차용 냉연 강판을 제조할 수 있다.
도 1은 강판의 종류에 따른 기계적 성질을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들 및 도면을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하, 본 발명에 따른 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
자동차용 고강도 냉연강판
본 발명에 따른 자동차용 고강도 강판은 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하를 포함한다.
상기 합금 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 강의 제조 과정에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판에 포함되는 각 성분의 함량 및 첨가 이유에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 강의 강도 확보를 위해 첨가한다. 또한 탄소는 오스테나이트 상에 농화되는 양에 따라 오스테나이트 상을 안정화시키는 역할을 한다.
상기 탄소는 강 전체 중량의 0.05 ~ 0.25 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.05 중량% 미만일 경우 본 발명에 따른 강판에서 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 탄소의 함량이 0.25 중량%를 초과하면 강도는 증가하나 인성 및 용접성이 크게 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 강 중 탈산제 역할을 하며, 페라이트 안정화 원소로서 강도 확보에 기여한다.
상기 실리콘은 강 전체 중량의 1.9 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 1.9 중량% 미만일 경우 상기의 실리콘 첨가 효과를 제대로 얻을 수 없다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 2.5 중량%를 초과하는 경우, 표면에 Mn2SiO4 등과 같은 산화물을 다량 형성하는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 고용강화 및 소입성을 통하여 강의 강도 향상에 기여한다.
상기 망간은 강 전체 중량의 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 함량이 1.5 중량% 미만일 경우에 그 첨가 효과가 불충분하여 인장강도 980MPa 이상의 강도 확보가 어렵다. 반대로, 망간의 첨가량이 2.5 중량%를 초과하면 망간밴드 조직이 형성되고 편석이 급격히 증가하여 강의 가공성 및 용접성을 저해시킨다.
인(P)
인(P)은 고용강화에 의하여 강의 강도를 향상시키는데 기여한다.
상기 인은 강 전체 중량의 0.01 ~ 0.05 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 인의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 그 첨가에 따른 효과가 불충분하다. 반대로, 인의 함량이 0.05 중량%를 초과하여 과다 첨가되는 경우, 열간 취성의 원인이 되며, 용접성을 악화시킨다.
황(S)
황(S)은 강의 인성과 용접성을 저해하고, 강중 MnS 비금속 개재물을 증가시킨다.
따라서, 본 발명에서는 상기와 같은 점을 고려하여 황의 함량을 강 전체 중량의 0.003 중량% 이하로 제한하였다.
질소(N)
질소(N)는 연신율을 저해하여 강의 성형성을 열화시킨다. 따라서, 질소의 함량은 낮으면 낮을수록 좋으나, 지나치게 낮은 함량으로 관리하는 경우 강 제조 비용 역시 크게 증가할 수 있다.
따라서, 질소의 함량은 강 전체 중량의 60ppm 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
상기 합금성분들로 이루어지는 본 발명에 따른 냉연강판은 미세조직 측면에서, 페라이트가 면적률로 50% 이상 포함되고, 잔류 오스테나이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 제2상이 면적률로 40% 미만 포함되며, 펄라이트가 면적률로 1% 이하인 복합조직을 가질 수 있다. 이러한 복합조직은 열처리를 통하여 실리콘, 망간 등에 의하여 각 상들의 분율이 제어됨으로써 형성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 냉연강판은 기계적 특성 측면에서, 인장강도 980MPa 이상, 항복비(YP/TS) 0.6 이하, 및 연신율 17% 이상을 가질 수 있다.
자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법
이하에서는 상기 특성을 나타낼 수 있는 고강도 냉연강판 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 도시된 냉연강판 제조 방법은 열연 단계(S210), 냉연 단계(S220) 및 열처리 단계(S130)를 포함한다.
열연 단계
열연 단계(S210)에서는 본 발명에 따른 고강도 강판의 합금 성분, 즉 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 재가열, 열간 압연, 냉각 및 권취하여 열연 강을 형성한다.
강 슬라브는 제강 공정을 통해 용강을 얻은 다음에 연속주조 공정을 통하여 제조된다.
슬라브 재가열은 주조시 편석된 성분을 재고용하고, 강 슬라브를 균질화하기 위하여 실시된다. 슬라브 재가열은 슬라브 재가열 온도(SRT) : 1150 ~ 1250℃의 온도에서 실시될 수 있다. 슬라브 재가열 온도가 1150℃ 미만이면 편석된 성분이 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도가 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 사이즈가 증대되어 페라이트의 결정립을 조대화시켜 강도 확보가 어려워질 수 있다.
또한, 슬라브 재가열은 주조시 편석된 성분의 재고용 및 강 슬라브의 균질화가 충분히 이루어질 수 있도록, 상기 온도 범위에서 대략 2시간 이상 실시될 수 있다.
열간 압연은 마무리 압연 온도(FDT)가 800 ~ 900℃가 되도록 실시될 수 있다. 마무리 압연 온도가 800℃ 미만이면 압연시 과도한 전위가 페라이트 내에 도입되어 냉각 또는 권취 중에 강의 표면에 조대한 결정립이 형성될 수 있다. 반대로, 마무리 압연 온도가 900℃를 초과하면 페라이트 결정립의 사이즈가 증가하여 강도가 감소될 수 있다.
냉각 이후 이루어지는 권취는 권취 온도(CT) : 500 ~ 650℃에서 실시될 수 있으며, 더욱 바람직하게는 600±20℃를 제시할 수 있다. 권취 온도가 650℃를 초과하면 망간, 실리콘 등이 편석될 수 있다. 반대로 권취 온도가 500℃ 미만이면, 연성이 저하되고 가공성을 확보하기 어려워질 수 있다.
냉연 단계
냉연 단계(S220)에서는 열연 강을 산세처리 후, 냉간 압연하여 냉연 강을 형성한다. 냉간 압연시 압하율은 대략 50% 이상이 될 수 있다.
열처리 단계
본 발명에서 열처리 단계(S230)에서는 냉연 강을 열처리하여 오스테나이트 상분율을 제어한다.
열처리 온도는 760 ~ 840℃인 것이 바람직하다. 열처리 온도가 760℃ 미만인 경우 0.6 이하의 저항복비를 얻기 어려워질 수 있다. 반대로, 열처리 온도가 840℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 크기 증가로 인하여 강판의 물성이 저하될 수 있다.
냉각/항온열처리 단계
상기의 열처리 단계(S230) 종료 후에는, 최종 재질, 즉 인장강도 980MPa 이상, 항복비 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 확보하기 위하여, 롤 퀀칭(Roll Quenching) 방식 등을 이용하여 열처리된 강을 냉각한 후, 항온 열처리를 실시한다.(S240)
이때, 냉각 종료 온도는 300 ~ 540℃인 것이 바람직하다. 냉각 종료 온도가 540℃초과하는 경우, 펄라이트 변태를 유발할 수 있다. 반대로, 냉각 종료 온도가 300℃미만일 경우, 충분한 연신율을 확보하기 어려운 문제점이 있다. 냉각 속도는 대략 5 ~ 50℃/sec가 될 수 있다.
또한 항온 열처리 온도는 300 ~ 460℃인 것이 바람직하다. 항온 열처리 온도가 460℃를 초과하는 경우, 충분한 인장강도를 확보하기 어렵다. 반면, 항온 열처리 온도가 300℃ 미만일 경우, 저항복비 및 고연신율을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
항온 열처리 이후, 마르텐사이트 상분율을 높여 강도를 향상시키기 위하여 대략 10~50℃/sec 냉각속도로 150~200℃까지 냉각하는 과정을 더 수행할 수 있다.
상기의 열연 단계(S210), 냉연 단계(S220), 열처리 단계(S230) 및 냉각/항온열처리 단계(S240)를 통하여 제조되는 냉연 강판의 경우, 인장강도(TS) : 980 ~ 1113MPa, 항복비(YP/TS) : 0.55 ~ 0.59, 연신율 : 17.8 ~ 21.6%를 나타낼 수 있었다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 강판의 제조
표 1에 기재된 조성을 갖는 강 슬라브를 1200℃에서 2시간 동안 재가열하고, 850℃에서 마무리 열간 압연한 후, 600℃까지 냉각하여 권취하였다. 이후, 산세처리 후 50%의 압하율로 냉간 압연을 실시하였다.
이후, 열처리 온도에 따른 기계적 특성을 살펴보기 위하여, 각 시편에 대하여 표 2에 도시된 열처리 온도(SS)에서 열처리를 각각 수행한 후, 430℃까지 냉각한 후 430℃에서 항온 열처리를 수행하였다.
또한, 냉각/항온열처리 온도에 따른 기계적 특성을 살펴보기 위하여, 각 시편에 대하여 800℃에서 열처리를 수행한 후, 표 3에 도시된 냉각 종료 온도(RQS) 및 항온 열처리 온도(OAS) 조건으로 냉각/항온열처리를 실시하였다.
모든 시편에 대하여, 열처리는 100초 동안 실시하였고, 냉각은 35초 동안 실시하였으며, 항온열처리는 160초 동안 실시하였다.
[표 1]
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002
[표 3]
Figure pat00003

2. 기계적 특성 평가 결과
표 2 및 표 3을 참조하면, 실시예에 해당하는 시편 5의 경우, 열처리 온도가 800℃ 및 840℃인 경우, 그리고, 냉각 종료 온도 - 항온 열처리 온도가 300℃-300℃, 430℃-430℃, 540℃-430℃인 경우 모두 인장강도(TS) : 980 ~ 1113MPa, 항복비(YP/TS) : 0.55 ~ 0.59, 연신율 : 17.8 ~ 21.6%를 나타내어, 목표로 하는 인장강도 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 확보할 수 있었다.
또한, 표 3을 참조하면, 시편 5의 경우, 냉각 종료 온도 540℃ - 항온 열처리 온도 540℃인 경우에는 인장강도가 980MPa에 미치지 못하고, 또한 항복비도 0.6을 초과하였다. 즉, 동일한 냉각 종료 온도에 대하여, 항온 열처리가 과도하게 높을 경우, 강도 특성이 열화되는 것을 볼 수 있다. 이러한 데이터들을 기준으로 본 발명에서는 항온 열처리 온도는 300 ~ 460℃로 제한하였다.
그러나, 시편 1 및 시편 4의 경우, 연신율은 우수하였으나, 인장강도가 980MPa에 미치지 못하였다.
또한, 시편 2의 경우, 인장강도가 980MPa에 미치지 못하였으며, 냉각 종료 온도 300℃ - 항온 열처리 온도 300℃인 경우에도 항복비가 0.6을 초과하였다.
또한, 시편 3의 경우, 대체로 인장강도가 980MPa에 미치지 못하였으며, 인장강도가 980MPa를 만족하는 경우에도 연신율이 17%에 미치지 못하였다.
또한, 시편 6의 경우, 인장강도는 우수하였으나, 냉각 종료 온도 430℃ - 항온 열처리 온도 430℃인 경우를 제외하고는, 연신율이 17%에 미치지 못하였다.
또한, 시편 7 및 시편 8의 경우, 연신율은 우수하였으나, 냉각 종료 온도 540℃ - 항온 열처리 온도 430℃인 경우를 제외하고는 인장강도가 980MPa에 미치지 못하거나 항복비가 0.6을 초과하였다.
또한, 시편 9의 경우, 열처리 온도가 840℃ 경우에만 인장강도, 항복비 및 연신율을 충족하였으며, 열처리 온도가 800℃인 경우에는 연신율 또는 항복비가 목표치에 미달하였다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
S210 : 열연 단계
S220 : 냉연 단계
S230 : 열처리 단계
S240 : 냉각/항온열처리 단계

Claims (6)

  1. 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 재가열, 열간 압연, 냉각 및 권취하여 열연 강을 형성하는 열연 단계;
    상기 열연 강을 산세처리 후, 냉간 압연하여 냉연 강을 형성하는 냉연 단계;
    상기 냉연 강을 760 ~ 840℃에서 열처리하는 열처리 단계; 및
    상기 열처리된 강을 300 ~ 540℃까지 냉각한 후, 300 ~ 460℃ 온도에서 항온 열처리하는 항온 열처리 단계를 포함하여,
    제조되는 강이 인장강도 : 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열연 단계에서,
    상기 재가열은 슬라브 재가열 온도(SRT) : 1150 ~ 1250℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열연 단계에서,
    상기 열간 압연은 마무리압연온도(FDT) : 800 ~ 900℃로 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열연 단계에서,
    상기 권취는 권취온도(CT) : 500 ~ 650℃에서 실시되는 것을 특징으로 하는 자동차용 고강도 냉연강판 제조 방법.
  5. 탄소(C) : 0.05 ~ 0.25 중량%, 실리콘(Si) : 1.9 ~ 2.5 중량%, 망간(Mn) : 1.5 ~ 2.5 중량%, 인(P) : 0.01 ~ 0.05 중량%, 황(S) : 0.003 중량% 이하, 질소(N) : 60 ppm 이하 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되며,
    인장강도 : 980MPa 이상, 항복비 : 0.6 이하 및 연신율 17% 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 냉연강판.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 강판은
    페라이트가 면적률로 50% 이상 포함되고, 잔류 오스테나이트, 베이나이트 및 마르텐사이트를 포함하는 제2상이 면적률로 40% 미만 포함되며, 펄라이트가 면적률로 1% 이하로 포함되는 복합조직을 갖는 것을 특징으로 하는 자동차용 냉연강판.
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