KR20130014520A - 강, 강판 제품, 강 부품 및 강 부품의 제조 방법 - Google Patents

강, 강판 제품, 강 부품 및 강 부품의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 강, 강판 제품, 열간 성형과 후속 경화에 의해 강판 제품으로 제조된 강 부품, 및 강 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 강판 제품으로 제조된 부품이 높은 신뢰도로 매 경우마다 높은 강도값 및 증가된 파단 연신율을 갖는 것을 보장하기 위해, 본 발명에 따른 강은, 중량%로 C: 0.15 ~0.40 %, Mn: 1.0 ~ 2.0 %, Al: 0.2 ~ 1.6 %, Si: 0 ~ 1,4 %, Si와 Al의 총 함량: 0.25 ~ 1.6 %, P: 0 ~ 0.10 %, S: 0 ~ 0.03 %, Cr: 0 ~ 0.5 %, Mo: 0 ~ 1.0 %, N: 0 ~ 0.01 %, Ni: 0 ~ 2.0 %, Nb: 0.012 ~ 0.04 %, Ti: 0 ~ 0.40 %, B: 0.0010 ~ 0.0050 %, Ca: 0 ~ 0.0050 %, 잔부로서 철 및 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명에 따른 부품을 제조하기 위해, 본 발명에 따른 강으로 구성되는 강판 제품은 780 ~ 950℃의 온도로 가열되고, 그 다음 강 부품으로 열간 성형 된다. 이러한 방식으로 얻어진 강 부품은 가속 냉각되며, 냉각 처리 후 얻어진 강 부품은 적어도 고강도 강의 영역에서 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성되는 미세조직을 갖는다.

Description

강, 강판 제품, 강 부품 및 강 부품의 제조 방법{STEEL, FLAT STEEL PRODUCT, STEEL COMPONENT AND METHOD FOR PRODUCING A STEEL COMPONENT}
본 발명은 강, 강판 제품, 강판 제품으로 제조된 강 부품, 및 강 부품을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업이 법으로 충족시켜야 하는 요건들이 증가하였다. 한편으로는, 사고 발생시 향상된 승객 안전이 요구되고 있고, 다른 한편으로는, 이산화탄소(CO2) 배출 및 연료 소모를 최소화하기 위해서는 가벼운 구조가 중요한 필요조건이 되고 있다. 이와 동시에, 안락감 측면에서 사용자의 요구가 증가함에 따라 전자부품의 크기가 증가하는 결과로서 자동차 중량은 더욱 무거워졌다. 이러한 상충 요건들을 충족시키기 위해, 자동차 산업과 강판 산업은 차체 구조 분야에서 가벼운 차량 구조물에 많은 관심을 집중시켜왔다.
망간-붕소 강으로 구성된 열간 성형 프레스 경화 부품은 특히, 충돌사고 관련 자동차 부품에 적합하다. 이러한 강 품질 부품의 대표적인 예로서 지정 소재 "22MnB5"(소재 번호 1.5528)로 알려진 MnB강을 들 수 있다. MnB강으로 제조된 프레스 경화 부품의 응용예로는 자동차 차체의 B형 기둥, B형 기둥 보강재 및 범퍼를 들 수 있다. 복잡한 기하학적 구조 및 최대 강도(Rm: 약 1500 MP 0.2: 약 1100 MPa)를 갖는 부품은 열간 성형과 프레스 경화의 조합에 의해 제조될 수 있다.
이러한 방식으로 제조된 부품은 현저한 마르텐사이트 미세조직을 특징으로 한다. 이 부품의 고강도는 근본적으로 벽 두께가 크게 감소되도록 해주고, 그에 따라 부품의 중량 역시 감소하게 된다. 그러나, MnB강으로 열간 프레스 경화 처리된 부품은 통상적으로 낮은 연성(A80:약 5 ~ 6%)을 보인다. 따라서, 자동차 충돌시 파손을 방지하기 위해, 실제로는 열간 프레스 경화 처리된 부품의 판 두께는 안전상의 이유로 인해 그 강도를 고려하여 요구되는 두께보다 일반적으로 훨씬 두껍게 정해진다.
한편으로는, 전술한 타입의 강으로 제조된 부품의 경량 구조 가능성을 이용하고, 다른 한편으로는, 충돌 사고시 요구되는 변형 거동을 보장하기 위해, 자동차 차체 부품은 소위 "테일러드 블랭크(tailored blanks)"로 제조된다. 이 테일러드 블랭크는 서로 다른 강재 등급의 예비 절단 판재(pre-cut sheets)로 구성되는 판재 블랭크이다. 이러한 방식으로, "테일러드 블랭크"는 예컨대 자동차 차체의 B형 기둥을 제조하기 위해 제공되는데, B형 기둥의 상부에 할당되는 테일러드 블랭크 영역은 22MnB5 강으로 구성된다. B형 기둥의 베이스에 할당되는 테일러드 블랭크 영역에는, 열간 프레스 경화 이후 높은 연성을 갖는 등급의 강재가 제공된다. 이를 위해, 적합한 강재로는 지정 소재 H340LAD(소재 번호 1.0933)가 알려져 있다.
테일러드 블랭크로 제조된 부품의 최적 성능 특성과 함께 상당한 중량 감소가 테일러드 블랭크를 이용함으로써 달성될 수 있기는 하지만, 연성이 높은 소재로 구성된 차체 영역은 정상 작동시 부품에 가해지는 응력을 흡수할 수 있도록 일반적으로 각 부품의 주요 영역에서 더욱 두꺼운 판재로 만들어져야 한다. 결과적으로, 이것은 전체 부품의 중량이 무거워진다는 것을 의미한다.
따라서, 특히 자동차 차체에 사용되는 것과 같이, 높은 응력을 받는 부품은 높은 강도와 더불어 양호한 연신 특성이 조합된 강판 재료로 제조되어야 할 필요성이 있다.
이러한 요건을 충족시키기 위해서, 첫째로, 개발 방향의 목적을 제조공정을 최적화하는데 두고 있다. 따라서, 냉각속도의 제어를 통해, 마르텐사이트 미세조직 및 향상된 파단 연신율을 갖는 등급의 강재가 제조될 수 있다. 이러한 공정의 일례가 EP 1642991에 개시되어 있고, 이 문헌에는 마르텐사이트 중지 온도에 도달할 때까지 빠른 냉각속도가 제공되고, 후속하여 느린 냉각속도가 제공된다. 이러한 방식으로, 향상된 파단 연신율을 갖는 자체 템퍼드 마르텐사이트(self-tempered martensite)가 제조된다.
또 다른 대체 개발 방향은 소위 "온간 성형"을 통해 다상(multi-phase) 미세조직을 갖는 등급의 강재를 제조하기 위한 방법의 최적화를 포함한다. 이 방법에서, 각각의 부품으로 성형될 강판 제품은 Ac1 온도와 Ac3 온도 사이의 온도로 가열되는데, 이 온도에서 강재는 2상 미세조직을 갖는다. 만약, 이러한 방식으로 가열된 부품이 열간 프레스 경화처리되면, 냉각 후의 완성 부품은 종래의 오스테나이트화 경화 부품에 비해, 페라이트 및 오스테나이트와 같이 연성이 높은 상의 비율은 높고 마르텐사이트의 비율은 낮다. 이와 동시에, 이 부품은 여전히 비교적 높은 강도를 갖는다. 따라서, 온간 성형처리된 부품을 통해서, 초기 상태에 비해 단지 약간 감소된 파단 연신율(A80 약 10 ~ 20%)을 나타내며 800 ~ 1,000 MPa의 인장 강도(Rm)가 얻어진다. 이러한 방식은, 예컨대 WO 2007/034063 A1에 개시되어 있다.
WO 2008/102012에는 유사한 개념이 개시되어 있지만, 특히 부식 방지를 위해 도포되는 코팅층의 형성이 강조되고 있다. 이러한 종래기술에서는, 부품이 형성되는 강판 부품의 Zn계 코팅층의 코팅 및 입자 성장의 가능성을 고려하여 Ac1 온도 이상의 가열 온도가 선택된다는 내용만이 언급되어 있다. 각각 처리된 강판 제품은 서로 다른 합금 개념에 따라 구성된다. 따라서, 이 강은 중량%로, 0.15 ~ 0.25%의 탄소(C), 1.0 ~ 1.5%의 망간(Mn), 0.1 ~ 0.35%의 실리콘(Si), 최대 0.8%의 크롬(Cr), 특히 0.1 ~ 0.4%의 크롬(Cr), 최대 0.1%의 알루미늄(Al), 최대 0.05%의 니오븀(Nb), 특히 최대 0.03%의 니오븀(Nb), 최대 0.01%의 질소(N), 0.01 ~ 0.07%의 티타늄(Ti), 0.05% 이하의 인(P), 특히 0.03% 이하의 인(P), 0.03% 이하의 황(S), 0.0005 ~ 0.008% 이하의 붕소(B), 특히 적어도 0.0015%의 붕소(B), 및 잔부로서 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있고, 여기서 티타늄(Ti) 함량은 질소(N) 함량의 3.4배를 초과해야 한다.
전술한 종래기술의 배경에 대해, 본 발명의 목적은 강으로 제조된 부품이 매 경우마다 고강도 값 및 증가된 파단 연신율을 갖는 것을 높은 신뢰도로 보장할 수 있는 강을 제조하는 것이다. 이러한 강을 이용하여 제조된 강판 제품, 강판 제품으로 제조된 강 부품, 및 이러한 강 부품을 제조하는데 적합한 방법이 특정된다.
강과 관련하여, 본 발명의 목적은 청구항 1에 따라 합금된 강에 의해 달성된다.
강판 제품과 관련하여, 전술한 목적은 청구항 6에 따라 강판 제품을 형성함으로써 본 발명에 따라 달성된다.
강 부품과 관련하여, 전술한 목적은 청구항 9에 따라 강 부품을 형성함으로써 달성된다.
마지막으로, 강 부품을 제조하기 위한 방법과 관련하여, 전술한 목적은 청구항 13에 명시된 방법에 의해 본 발명에 따라 달성된다.
본 발명의 유리한 실시형태는 종속 청구항에서 특정되고, 독립 청구항의 발명의 대상은 이하에서 상세히 설명된다.
본 발명은 적절한 합금을 선택하고 적절한 미세조직 조성물을 설정함으로써, 오스테나이트화, 열간 성형 및 경화공정 이후에 매 경우 신뢰성 있게 적어도 1,000 MPa의 고강도 및 6% 이상의 파단 연신율(A80)을 갖는 강이 제공될 수 있다는 인식으로부터 출발한다. 이를 위해, 본 발명에 따른 강은 중량%로, 0.15 ~ 0.40%의 탄소(C); 1.0 ~ 2.0%의 망간(Mn); 0.2 ~ 1.6 %의 알루미늄(Al); 최대 1.4%의 실리콘(Si); 실리콘(Si)과 알루미늄(Al)의 총 함량은 0.25 ~ 1.6%; 최대 0.10%의 인(P); 0 ~ 0.03%의 황(S); 최대 0.5%의 크롬(Cr); 최대 1.0%의 몰리브덴(Mo); 최대 0.01%의 질소(N); 최대 2.0%의 니켈(Ni); 0.012 ~ 0.04%의 니오븀(Nb); 최대 0.40%의 티타늄(Ti); 0.0015 ~ 0.0050 %의 붕소(B); 최대 0.0050%의 칼슘(Ca); 잔부로서 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에 따른 강판 제품은 본 발명에 따른 강으로 구성되는 적어도 하나의 영역을 갖는다. 따라서, 본 발명에 따른 강판 제품은 테일러드 블랭크로서 형성될 수 있는데, 이 테일러드 블랭크의 한쪽 영역은 본 발명에 따른 강으로 제조되는 반면, 다른 영역은 다른 강으로 제조된다. 이때, 본 발명에 따른 강으로 제조되는 본 발명에 따른 테일러드 블랭크의 영역은 강판 제품으로 제조되는 완성된 강 부품에 고강도 영역을 형성하는데, 고강도와 더불어 양호한 파단 연신율이 조합되어 있다. 물론, 본 발명에 따른 강판 제품은 강판이나 강재 스트립으로부터 절단된 절단 블랭크의 형태로서 본 발명에 따른 강으로 균일하게 제조될 수도 있다. 이러한 본 발명에 따른 강판 제품으로 제조된 강 부품은 어디에서나 본 발명에 따른 강 합금에 의해 얻어지는 고강도와 양호한 연성의 유리한 조합을 갖는다.
그에 따라, 본 발명에 따른 강 부품은, 적어도 한쪽 영역에서 본 발명에 따른 강으로 구성되고 그 미세조직는 본 발명에 따른 고강도 강의 영역에서 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 강 부품을 제조하기 위한 방법에서, 우선 강판 제품이 제공된다. 이러한 강판 제품은 780 ~ 950℃의 온도로 가열된다. 이 방식으로, 오스테나이트 비율이 적어도 80%로 설정됨으로써, 열간 성형 이후에 본 발명에 따른 강은 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성된다. 이 공정에 필요한 유지 시간은 통상 2 ~ 10분이다.
후속하여, 강판 제품은 통상 열간 성형 처리되는 열간 성형기(hot forming tool)로 이송된다. 강판 제품의 이송중에 지나치게 냉각되지 않도록 하기 위해, 이송 시간은 5 ~ 12초로 제한되어야 한다. 열간 성형 자체는 공지된 방식의 프레스 성형으로 수행될 수 있다.
이 열간 성형공정 이후에, 강 부품은 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성되는 미세조직을 갖는 강 부품이 얻어지기에 충분하도록 신속하게 냉각된다. 이를 위해 통상 요구되는 냉각속도는 적어도 25℃/s이다. 여기서, 열간 성형 및 냉각은 단일 단계 또는 2 단계로 수행될 수 있다. 단일 단계의 열간 프레스 성형 경화에서, 열간 성형 및 경화는 단일 기계에서 한꺼번에 수행된다. 이와는 반대로, 2 단계 방식에서는, 우선적으로 냉간 성형이 수행(최대 100%)되고 그 이후에는 미세조직의 형성을 포함하는 최종 열간 성형만이 수행된다.
만약, 각각 처리된 강판 제품이 전술한 온도에서 오스테나이트화되면, 본 발명에 따라 얻어진 강 부품은 본 발명에 따른 강으로 구성되는 영역에서 열간 성형 및 가속 냉각 이후에 경질상(hard phase)(마르텐사이트)과 적어도 하나 이상의 연질상(ductile phase)(오스테나이트 및 페라이트)의 조합을 특징으로 하는 미세조직을 갖는다. 여기서, 페라이트 비율은 본 발명에 따라 특정되는 강의 조성에 의해 20 면적%로 제한하는데, 그 이유는 오스테나이트에 의한 연신율 값의 향상 및 에너지 흡수율의 증가가 바람직하기 때문이다. 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트의 조합에 의해 780 ~ 950℃, 특히 850 ~ 950℃에서 본 발명에 따라 수행되는 오스테나이트화 공정의 전체 온도범위에 걸쳐 본 발명에 따른 부품의 기계적 기술적 특성이 신뢰성있게 얻어진다.
본 발명에 따라 제조된 강 부품의 기계적 기술적 특성의 안정성은 본 발명에 따른 분석 개념에 의해 보장된다. 경질상(마르텐사이트)과 연질상(오스테나이트 및 페라이트)의 조합으로 구성되는, 본 발명에 따른 강 부품의 미세조직은 자동차 충돌시 부품이 응력을 받을 때 최적의 거동을 보장해준다. 열간 성형 부품의 변형시 발생하는 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상 변태는, 자동차 충돌시 높은 운동 에너지에 의해 부품이 변형될 때 부품의 경도 증가를 야기한다.
본 발명이 목표로 하는 고강도 영역에서의 고강도, 양호한 파단 연신율 및 최적의 충돌 거동의 조합은 특히, 본 발명에 따른 강 부품의 미세조직의 마르텐사이트 함량이 관련 고강도 영역에서 적어도 75 면적%인 경우에 신뢰성 있게 달성된다. 요구되는 높은 파단 연신율은 본 발명에 따른 강 부품의 미세조직 중에 오스테나이트 함량이 적어도 2 면적%인 것에 의해 보장될 수 있다.
본 발명에 따른 강으로 제조된 강 부품의 인장 강도는 그 고강도 영역에서 1,000 MPa 이하가 되어서는 안 된다. 본 발명에 따른 강 합금은 적어도 0.15 중량%의 탄소(C) 함량을 포함함으로써, 이러한 목적을 위해 요구되는 마르텐사이트 경도를 얻을 수 있다. 이와 동시에, 본 발명에 따른 강의 탄소(C) 함량은 0.4 중량%로 설정된 상한치를 가짐으로써 실제로 충분한 용접성이 보장된다.
본 발명에 따른 미세조직의 설정과 관련하여, 본 발명에 따라 사용되는 강의 합금 원소 Mn, Si 및 Al은 실온에서 오스테나이트를 안정화시키기 때문에 상기 합금 원소들은 특히 중요하다.
본 발명에 따른 강에 적어도 1.0 중량%의 양으로 존재하는 망간(Mn)은 강의 Ac3 온도를 감소시켜 오스테나이트 형성 원소의 역할을 수행한다. 그 결과, 열간 성형 이후 실질적으로 오스테나이트와 마르텐사이트로 구성되는 미세조직이 형성된다. 이와 동시에, 각각의 적용을 위한 최적의 용접성을 보장하기 위해 망간(Mn)의 함량은 최대 2 중량%로 제한된다.
실리콘(Si)은 본 발명에 따른 강에 최대 1.4 중량%의 양으로 존재한다. 이 실리콘은 경화능에 영향을 끼치고 본 발명에 따른 부품의 강을 용융시킬 때 탈산제 역할을 한다. 동시에, 실리콘(Si)은 항복 강도를 증가시키고, 실온에서 페라이트 및 오스테나이트를 안정화시키고, 냉각중에 오스테나이트에 불필요한 탄화물 석출을 방지한다. 그러나, 실리콘(Si)의 함량이 너무 높으면 표면 결함이 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 강의 실리콘(Si) 함량은 1.4 중량%로 제한된다.
실리콘(Si)과 마찬가지로, 본 발명에 따른 강에 함유된 알루미늄(Al)은 실온에서 페라이트 및 오스테나이트의 안정화에 기여하고, 입자크기의 제어에 영향을 끼친다. 이들 효과는 알루미늄의 함량이 본 발명에 따른 방식으로 0.2 ~ 1.6 중량%로 제한되는 경우에 신뢰성 있게 달성되고, 적어도 0.4 중량%의 알루미늄의 함량은 본 발명에 따른 부품의 특성에 대해 특히 긍정적인 효과를 갖는다. 열처리 중의 탄화물 형성은 0.4 중량% 이상의 알루미늄 함량에 의해 억제되고, 그에 따라 본 발명에 따라 제공되는 바람직하게는 적어도 2 면적%의 오스테나이트 비율이 열간 성형된 미세조직에서 안정화된다.
본 발명에 따른 상 배치로 인해, 오스테나이트화, 열간 성형 및 냉각처리에 따른 본 발명에 의한 강의 기계적 특성의 산포를 감소시킬 수 있다. 여기서, 놀랍게도 본 발명에 따라 제조된 부품의 기계적 특성은, 강판 제품 처리시 이 제품이 가열되는 비교적 넓은 온도범위에 걸쳐 높은 신뢰도로 얻어질 수 있다는 것이 확인되었다. 따라서, 앞서 언급된 바 있는 가열온도의 설정시 실제 어쩔 수 없이 발생하는 허용 오차에도 불구하고, 본 발명에 따른 부품이 추구하는 특성은 매우 신뢰성 있고 안정화된 제조 결과로 보장될 수 있다.
표면 상태에 대한 실리콘(Si) 및 알루미늄(Al)의 부정적인 효과는 본 발명에 따른 강 또는 그 강으로 제조되는 부품의 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)의 총 함량을 0.25 ~ 1.6 중량%로 제한함으로써 방지된다. 본 발명에 따른 강 부품의 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)의 총 함량을 적어도 0.5 중량%로 증가시킴으로써, 알루미늄(Al)과 실리콘(Si)이 동시에 존재하는 긍적적인 효과가 특히 신뢰성 있게 이용될 수 있다.
몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 강에 최대 1.0 중량%의 양으로 존재할 수 있다. 몰리브덴(Mo)의 존재는 마르텐사이트의 형성을 촉진하고 강의 인성을 향상시킨다. 그러나, 몰리브덴(Mo)의 함량이 너무 높으면 저온 균열이 야기된다.
본 발명에 따른 강 합금에 최대 0.5 중량%의 크롬(Cr)을 첨가함으로써, 경화능이 증가될 수 있다. 그러나, 표면 결함을 방지하기 위하여 크롬(Cr)의 함량이 0.5 중량%를 초과해서는 안된다. 이들 효과는 크롬(Cr)의 함량이 0.1 중량%로 제한되면 신뢰성 있게 달성될 수 있다.
항복 강도를 증가시키고 그에 따라 기계적 특성을 확보하기 위해 인(P)을 최대 0.10 중량%의 양으로 합금으로 첨가할 수 있다. 그러나, 인(P) 함량이 너무 높으면, 본 발명에 따라 얻어진 강의 연성 및 인성에 손상을 줄 수 있다.
최대 0.40 중량%의 티타늄(Ti)은 석출물 형성(예컨대, 티타늄(Ti)의 탄소 질화물) 및 용존에 의해 항복 강도를 증가시킨다. 티타늄(Ti)은 질소(N)와 결합하여 질화티타늄(TiN)을 형성하고, 이러한 방식으로 상 변환 거동의 관점에서 붕소(B)의 유효성을 촉진시켜 준다. 이러한 효과는 하기 조건을 충족시키는 본 발명에 따른 강의 티타늄(Ti) 함량에 의해 보장될 수 있다.
%Ti - (3.42 × %N) > 0.005 중량%,
여기서, %Ti는 각각의 티타늄(Ti) 함량을 나타내고, %N은 각각의 질소(N) 함량을 나타낸다.
본 발명에 따른 강의 경화능은 0.00010 ~ 0.0050 중량% 붕소에 의해 냉각시 페라이트 변태를 보다 긴 변태 시간의 방향으로 지연시킴으로써 향상될 수 있다. 이와 동시에, 본 발명에 따른 강에 존재하는 붕소(B)는 열간 성형 공정시 넓은 온도범위에 걸려 기계적 특성을 안정화시킨다.
최대 0.01 중량%의 질소(N)는 오스테나이트를 안정화시키고 본 발명에 따른 강의 항복 강도를 증가시킨다. 만약, 본 발명에 따라 합금 처리되는 강에 존재하는 질소(N)가 티타늄(Ti)에 의해 충분히 결합되지 못하면, 질소는 붕소와 결합하고 반응하여 질화붕소를 형성하게 된다. 이들 질화붕소는 원래의 미세조직의 결정립이 미세화되도록 해줌으로써 열간 성형된 마르텐사이트 미세조직이 미세화된다. 그 결과, 본 발명에 따라 처리된 강의 균열에 대한 민감성이 이러한 방식으로 감소하게 된다. 이와 동시에, 질화붕소는 실질적으로 본 발명에 따른 강의 강도의 증가에 기여한다.
만약, 붕소(B)와 결합하는 질소(N)가 질화붕소를 형성함으로써 결정립을 미세화시키고 강도를 증가시키는데 사용되게 하려면, 티타늄(Ti)과 결합하지 않고 이러한 목적을 위해 필요한 질소(N)의 함량은:
만약, 티타늄(Ti) 함량에 대해, %Ti - (3.42 × %N) ≤ 0.005 중량%가 적용되면,
하기 조건이 충족되게 구체적으로 설정될 수 있고,
0.0015 ≤ %N - %Ti/3.42 ≤ 0.0060 중량%,
여기서, %Ti는 티타늄(Ti) 함량을 나타내고, %N은 질소(N) 함량을 나타낸다.
본 발명에 따라 합금 처리된 강에 0.012 ~ 0.04 중량%의 니오븀(Nb)을 추가 첨가함으로써 높은 인장 강도값과 증가된 파단 연신율의 조합을 지원하고, 그 결과, 전반적으로 본 발명에 따라 얻어진 강 부품의 에너지 흡수 능력이 증가하게 된다. 본 발명에 따라 구성된 강에서, 니오븀(Nb)은 탄화물 석출에 의해 항복 강도를 증가시켜 및 오스테나이트 결정립 미세화에 의해 균열 전파에 대해 매우 안정적인 마르텐사이트 미세조직을 형성시키게 된다. 또한, 니오븀(Nb) 석출물은 수소 트랩(hydrogen traps)으로 작용할 수 있으므로, 수소 유기 균열에 대한 민감성이 감소될 수 있다.
최대 2.0 중량%의 니켈(Ni) 함량은 항복 강도 및 파단 연신율의 증가에 기여한다.
황(S)은 용접성 및 표면 처리에 대해 매우 부정적인 효과를 갖기 때문에, 본 발명에 따른 부품의 강에서 황(S) 함량은 0.03 중량% 이하로 제한된다. 이러한 함량 제한의 목적은 가늘고 긴 황화 망간(MnS) 석출물의 형성을 방지하기 위한 것이다.
황화물 형성의 제어를 위해 본 발명에 따른 강에 최대 0.0050 중량%의 칼슘(Ca)이 첨가될 수 있다. 따라서, 칼슘 황화물은 압연 과정에서 칼슘(Ca)의 존재하에서 형성되고, 이는 잠재적으로 형성될 수도 있는 가늘고 긴 황화 망간(MnS) 석출물과는 대조적으로 본 발명에 따른 강 특성의 높은 등방성을 촉진시킨다.
본 발명에 따른 강 부품의 자유 표면상에는 산화방지 코팅층이 코팅될 수 있다. 이 코팅층은 부품이 열간 성형되는 재료인 강판 제품상에 이미 존재하는 것이 바람직하다. 산화방지 코팅층은 가열 및 열간 성형 중에 스케일의 형성을 방지 및/또는 처리공정 중 혹은 실제 사용시 부식을 방지하도록 설계될 수 있다. 이를 위해, 금속, 유기 또는 무기 계열 코팅층 및 이들 코팅층의 조합이 사용될 수 있다.
강판 제품은 종래 방법에 의해 코팅될 수 있다. 용융도금에서의 표면 처리가 바람직하다. 선택적으로 도금되는 금속 코팅층은 아연, 알루미늄(Al), 아연(Zn)-알루미늄(Al), 아연(Zn)-마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)-마그네슘(Mg), 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 및 아연(Zn)-알루미늄(Al)-마그네슘(Mg) 계열 및 이들의 불가피한 불순물에 기초한다. 본 발명에서 알루미늄(Al)-실리콘(Si) 계열의 코팅층이 특히 성공적인 것으로 판명되었다.
강 표면에 코팅층을 결합 및 강 표면의 품질을 향상시키기 위해, 용융도금 공정의 상류 쪽에 예비산화 단계를 추가하는 것이 유리할 수 있다. 정해진 방식으로 강판 제품 표면에 10 ~ 1,000 nm 두께의 산화층이 형성되는데, 만약 이 산화층의 두께가 70 ~ 500 nm이면 특히 양호한 코팅품질이 얻어진다. 이 산화층의 두께는 예컨대, WO 2007/124781 A1에 개시된 바와 같이 산화 챔버(oxidation chamber)에서 설정된다. 용융도금 또는 표면처리 공정 이전에, 산화철층은 어닐링 분위기의 수소에 의해 감소된다. 합금 원소의 산화물은 표면상에 10 ㎛의 깊이까지 존재할 수 있다.
또한, 본 발명에 따라 처리되는 강판 제품은 연속식 어닐링 장치 또는 배치식(batch) 어닐링 장치에서 어닐링될 수 있고, 하류 쪽의 오프라인 표면처리 장치에 의해서 코팅될 수 있다. 이를 위해 상이한 방법들이 사용될 수 있다.
각각의 코팅층을 도포하기 위해서는 전해 코팅 방법이 특히 적합하다. 만약, Zn, ZnFe, ZnMn 또는 ZnNi 계 또는 이들의 조합이 코팅 물질로서 사용되면 특히 양호한 결과가 얻어진다.
그러나, 물리 기상 증착(PVD) 또는 화학 기상 증착(CVD) 코팅 공정에 의해 코팅층을 도포하는 것도 가능하다.
Zn, Zn-Ni, Zn-Fe 계열 및 그 조합의 무전해 또는 화학적 금속(합금) 코팅층 뿐만 아니라 유기/금속-유기/무기 코팅층이 코일 코팅 공정, 스프레이 또는 용융도금 공정의 코일 코팅 장치에서 마찬가지로 적합할 수 있다. 여기서 설명된 방식을 이용하여 형성될 수 있는 통상적인 코팅층의 두께는 1 ~ 15 ㎛이다.
본 발명을 이하에서 예시적인 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
종래 방식으로 냉간 압연되는 강판이 강 E1 내지 E6으로 제조되었으며, 그 조성은 표 1에 명시되어 있다. 많은 수의 판재 블랭크는 각각의 강 E1 내지 E6로 균일하게 구성된 각각의 강판으로부터 절단되었다.
비교를 위해, 상응하는 방식으로, 강판이 표 1에 명시된 조성을 갖는 비교 강 V로 제조되었고, 많은 수의 판재 블랭크는 비교 강 V로 균일하게 구성된 강판으로부터 절단되었다.
강 E1 내지 E6 및 V로 구성되는 블랭크는 매 경우마다 코팅되지 않은 상태에서 880 ~ 925℃의 온도로 가열된 다음, 후속하여 열간 성형기에 배치된 다음 부품으로 열간 성형 처리되었다. 열간 성형 이후에, 블랭크로 각각 열간 성형된 부품들은 매 경우마다 적어도 25℃/s의 냉각속도로 실온으로 냉각되어 이들 부품에 마르텐사이트 조직이 형성되었다. 실질적인 열간 성형 이후, 추가로 시료들은 170℃에서 20분 지속되는 소부 처리(baking treatment)를 포함하는 음극 침적 도장 처리를 거쳤다.
얻어진 부품에 대해 기계적 특성인 항복 강도(Rp0 .2) 인장 강도(Rm) 및 연신율(A80)이 측정되었다. 강 E1 내지 E6 및 V로 제조된 강 부품에 대한 각각의 평균값 Rp0.2, Rm 및 A80 뿐만 아니라, 관련 표준 편차 σRp0 .2, σRm 및 σA80이 표 2에 명시되어 있다. 또한, 강 E1 내지 E6 및 V로 구성되는 강 부품에 대한 인장 강도(Rm)와 연신율(A80)의 곱, 각각의 시험 시료가 상호 이격된 두 개의 지지대 위에 배치되어 압입자를 이용하여 중앙 부위에서 응력이 가해지는 3점 굽힘 시험의 결과가 표 2에 기록되어 있다. 표 2에서 "3점 굽힘 시험에서의 에너지 흡수" 열(column)의 항목은 파괴될 때까지의 에너지 흡수를 의미한다. 또한, 강 E1, E2 및 V로 제조된 부품에 대한 미세조직의 비율이 표 2에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 강 E1 내지 E6으로 구성되는 부품은 인장 강도(Rm)와 연신율(A80)의 곱에 대한 큰 값에 의해서 특징지어지는 일관되게 높은 잔류 변형능력 및 수반되는 높은 에너지 흡수능력을 갖는 것으로 판명되었다. 동시에, 시험 결과는 본 발명에 따른 강 E1 내지 E6으로 제조된 부품의 기계적 특성 Rp0 .2, Rm 및 A80은 비교 강 V로 제조된 부품의 경우에 비해 각각의 표준편차의 값이 낮은 것에 의해서 특징지어지는 상당히 높은 신뢰도를 가지고 재현될 수 있다는 것을 보여준다.
Figure pct00001
Figure pct00002

Claims (14)

  1. 열간 성형과 후속 경화에 의해 강 부품을 제조하기 위한 강으로서,
    중량%로,
    C : 0.15 ~ 0.40 %,
    Mn : 1.0 ~ 2.0 %,
    Al : 0.2 ~ 1.6 %,
    Si : 0 ~ 1,4 %,
    Si와 Al의 총 함량 : 0.25 ~ 1.6 %,
    P : 0 ~ 0.10 %,
    S : 0 ~ 0.03 %,
    Cr : 0 ~ 0.5 %,
    Mo : 0 ~ 1.0 %,
    N : 0 ~ 0.01 %,
    Ni : 0 ~ 2.0 %,
    Nb : 0.012 ~ 0.04 %,
    Ti : 0 ~ 0.40 %,
    B : 0.0010 ~ 0.0050 %,
    Ca : 0 ~ 0.0050 %,
    잔부로서 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강.
  2. 제1항에 있어서,
    실리콘과 알루미늄의 총 함량은 적어도 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  3. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 함량은 적어도 0.4 중량%인 것을 특징으로 하는 강.
  4. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서,
    티타늄 함량은,
    %Ti - (3.42 × %N) > 0.005 중량%의 조건을 만족하고,
    여기서, %Ti는 각각의 티타늄 함량을 나타내고 %N은 각각의 질소(N) 함량을 나타내는 것을 특징으로 하는 강.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    만약 티타늄 함량이, %Ti - (3.42 × %N) ≤ 0.005 중량%의 조건에 해당하는 경우에는,
    0.0015 ≤ %N - %Ti/3.42 ≤ 0.0060 중량%의 조건을 만족하고,
    여기서, %Ti는 각각의 티타늄 함량을 나타내고, %N은 각각의 질소 함량을 나타내는 것을 특징으로 하는 강.
  6. 강 부품을 제조하기 위한 강판 제품으로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 고강도 강으로 구성되는 적어도 하나의 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 강판 제품.
  7. 제6항에 있어서,
    강판 제품은 고강도 강으로 균일하게 구성되는 것을 특징으로 하는 강판 제품.
  8. 선행 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 한쪽 표면이 산화 방지 코팅으로 코팅된 것을 특징으로 하는 강판 제품.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 강판 제품으로 제조된 강 부품으로서, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 고강도 강의 영역에서 미세조직은 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성되는 것을 특징으로 하는 강 부품.
  10. 제9항에 있어서,
    고강도 강의 영역에서 미세조직의 마르텐사이트 함량은 적어도 75 면적%인 것을 특징으로 하는 강 부품.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    고강도 강의 영역에서 미세조직의 오스테나이트 함량은 적어도 2 면적%인 것을 특징으로 하는 강 부품.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    표면이 산화 방지 코팅으로 코팅된 것을 특징으로 하는 강 부품.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따라 얻어진 강 부품을 제조하기 위한 방법으로서,
    - 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따라 형성된 강판 제품을 제공하는 단계,
    - 강판 제품을 780 ~ 950℃의 온도로 가열하는 단계,
    - 강판 제품을 강 부품으로 열간 성형하는 단계,
    - 강 부품을 가속 냉각하여, 냉각 후 얻어진 강 부품이 적어도 고강도 강의 영역에서 마르텐사이트, 오스테나이트 및 최대 20 면적%의 페라이트로 구성되는 미세조직를 갖도록 하는, 상기 가속 냉각 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 부품 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    강 부품의 냉각하는 동안의 냉각 속도는 적어도 25℃/s인 것을 특징으로 하는 강 부품 제조 방법.
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