KR20140042110A

KR20140042110A - 강 제품 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140042110A
Application number: KR1020120108432A
Authority: KR
Inventors: 이승하; 남승만; 도형협
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-04-07

Abstract

핫 스탬핑 이후, 인장강도 1470MPa 이상을 나타낼 수 있으면서도, 아연도금층을 유지할 수 있는 강 제품 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강 제품 제조 방법은(a) 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있는 강판으로부터 블랭크를 마련하는 단계; (b) 상기 블랭크를 가열하는 단계; 및 (c) 상기 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형한 후, 상기 강판의 Ms 온도 이하까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

강 제품 및 그 제조 방법 {STEEL PRODUCT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 핫 스탬핑을 이용한 강 제품 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 핫 스탬핑 후 인장강도 1470MPa 이상의 고강도와 함께 아연도금층이 유지될 수 있는 강 제품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차용 부품은 연비 개선을 위해 점차 경량화 및 고강도화되고 있다. 최근, 자동차 부품 제조 기술이 발달함에 따라, 열간 프레스 및 급냉을 이용한 고강도 강 제품 제조 기술이 많이 이용되고 있다.

이러한 열간 프레스 및 급냉 기술이 결합된 것을 핫 스탬핑(Hot Stamping)이라고 하며, 핫 스탬핑 기술은 인장강도 500MPa 정도의 소재를 950℃ 정도 가열한 상태에서 원하는 형상으로의 성형과 동시에 급냉하여 미세조직을 마르텐사이트화하여 고강도 강 제품을 제조할 수 있다. 핫 스탬핑 기술에 의하면, 1000MPa 이상의 인장강도를 갖는 고강도 강 제품까지 제조할 수 있다.

그러나, 950℃ 정도로 가열된 상태에서 핫 스탬핑을 수행하는 경우, 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 가열 온도가 높기 때문에, 강 제품 생산에 과다한 연료비를 수반한다.

또한, 강판에 아연 도금층이 형성되어 있을 경우, 아연의 기화온도가 907℃ 정도이므로, 아연의 기화온도보다 높은 가열에 의하여 아연 도금층이 제대로 유지되지 못하고, 아연이 기화되거나 국부적으로 도금층의 박리가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명과 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0067980호(2005.07.05. 공개)에 개시된 프레스 경화 공정용 아연 도금강판의 휘발 방지 방법이 있다.

본 발명의 목적은 아연을 포함하는 도금층이 형성된 블랭크를 핫 스탬핑하여 강 제품을 제조하되, 핫 스탬핑시 도금층에 포함된 아연 성분의 기화나 국부적인 아연도금층의 박리를 방지할 수 있는 강 제품 제조 방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 오스테나이트-페라이트 2상 영역에서 핫 스탬핑을 수행하더라도 인장강도 1470MPa 이상을 나타낼 수 있는 강 제품 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법은 (a) 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있는 강판으로부터 블랭크를 마련하는 단계; (b) 상기 블랭크를 가열하는 단계; 및 (c) 상기 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형한 후, 상기 강판의 Ms 온도 이하까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 (b) 단계는 상기 강판의 오스테나이트-페라이트 2상 영역까지 상기 블랭크를 가열하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 (b) 단계는 800~900℃까지 상기 블랭크를 가열하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 (c) 단계에서, 상기 냉각은 10~300℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품은 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있으며, 인장강도 1470MPa 이상을 나타내는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 강 제품 제조 방법에 의하면, 소재의 탄소(C), 망간(Mn), 니켈(Ni), 바나듐(V)의 합금 성분 조절을 통하여 A3 변태 온도를 낮출 수 있으며, 이에 따라 아연 기화온도보다 낮은 온도에서 핫 스탬핑을 수행할 수 있다. 따라서, 핫 스탬핑시에 아연을 포함하는 도금층의 박리 등의 문제점을 야기하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 강 제품 제조 방법에 의하면, 합금 성분 및 공정 조건 제어를 통하여 오스테나이트-페라이트 2상역에서 핫 스탬핑을 수행하더라도 인장강도 1470MPa 이상의 고강도 강 제품을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.

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 강 제품 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 강 제품의 소재가 되는 강판에 대하여 설명하기로 한다.

본 발명에 이용되는 강판은 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함한다.

또한, 본 발명에 이용되는 강판은 상기 성분들에 더하여, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함한다. 이때, 니켈과 바나듐은 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)을 만족하는 조건으로 포함된다.

상기 합금성분들 이외의 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.

또한, 본 발명에 이용되는 강판은 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있는 강판으로서, 용융아연도금강판, 합금화용융아연도금강판 등이 될 수 있다.

이하, 본 발명에 이용되는 강판에 포함되는 각 성분의 역할에 대하여 설명하기로 한다.

탄소(C)

탄소(C)는 강의 강도 확보를 위해 첨가한다. 또한 탄소는 오스테나이트 상에 농화되는 양에 따라 오스테나이트 상을 안정화시키는 역할을 한다.

상기 탄소는 강판 전체 중량의 0.2~0.4중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.2중량% 미만일 경우 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소의 함량이 0.4중량%를 초과하면 강도는 증가하나 인성 및 용접성이 크게 저하될 수 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)은 탈산제로 작용하며, 고용강화에 의하여 강의 강도 향상에 기여한다.

상기 실리콘은 강판 전체 중량의 0.02~0.4중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.02중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.4중량%를 초과하는 경우, 용접성 및 도금 특성이 저하될 수 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 오스테나이트 안정화를 통하여 강 제품의 강도 향상에 기여한다.

상기 망간은 강판 전체 중량의 망간(Mn) : 1.0~4.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.0중량% 미만일 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 4.0중량%를 초과하는 경우, 용접성이 저하되고 인성이 열화되는 문제점이 있다.

인(P), 황(S)

인(P)은 강도 향상에 일부 기여하나, 과다 함유될 경우, 편석에 의하여 강 재질을 열화시키며, 용접성을 악화시킬 수 있다. 이에 본 발명에서는 인의 함량을 강판 전체 중량의 0.2중량% 이하로 제한하였다.

또한, 황(S)은 가공성 향상에 일부 기여하나, 과다 함유될 경우, MnS 개재물의 과다 생성이 문제시된다. 이에, 본 발명에서는 황의 함량을 강판 전체 중량의 0.1중량% 이하로 제한하였다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 페라이트 결정립을 안정화하여 연신율을 향상시키며, 오스테나이트 상 내 탄소 농화량을 증진하여 오스테나이트 상을 안정화시킴으로써 강도 향상에 기여한다.

상기 크롬은 강판 전체 중량의 0.2~1.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.2중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 1.0중량%를 초과하면, 열처리 후 충분한 항복강도를 확보하기 어려우며, 도금성이 저하되는 문제점이 있다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 수소취성을 방지하는 역할을 하며, 연성 및 도금성 향상에 유효하다.

상기 알루미늄은 강판 전체 중량의 0.01~0.1%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.1중량%를 초과하하는 경우, 과다한 개재물을 형성하여 강 제품의 연성 및 인성을 저해할 수 있다.

티타늄(Ti)

티타늄(Ti)은 탄질화물 형성 원소로서, 강도 향상에 기여한다.

상기 티타늄은 강판 전체 중량의 0.02~0.2%로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.02중량% 미만일 경우 그 첨가량이 불충분하다. 반대로, 티타늄의 첨가량이 0.2 중량%를 초과하면 인성 저하를 초래할 수 있다.

보론(B)

보론(B)은 강력한 소입성 원소로서 0.002 중량% 이상만 첨가되어도 열처리 후 강도 향상에 기여한다.

상기 보론은 강판 전체 중량의 0.002~0.005중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 보론의 첨가량이 0.002중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 보론의 첨가량이 0.005중량%를 초과하는 경우, 과도한 소입성 상승으로 강 제품의 인성이 크게 저하되는 문제점이 있다.

니켈(Ni), 바나듐(V)

니켈(Ni)과 바나듐(V)은 A3 온도를 낮추는데 기여한다. 이와 같이 A3 온도가 낮아지면 핫 스탬핑을 아연 기화 온도보다 낮은 온도에서 수행할 수 있어 아연도금층의 유지가 가능하다.

상기 니켈과 바나듐은 어느 1종만 첨가되거나 혹은 2종 모두 첨가될 수 있다. 이때, 니켈과 바나듐의 합산 첨가량([Ni]+[V])은 강판 전체 중량의 0.03중량% 이상인 것이 바람직하다. 니켈과 바나듐이 첨가되지 않거나, 합산 첨가량([Ni]+[V])이 0.03중량% 미만일 경우, 이러한 A3 온도가 낮아지는 효과가 충분히 발휘되지 못하였다.

한편, 니켈이 첨가되는 경우 강판 전체 중량의 2.0중량% 이하로 그 첨가량이 제한되는 것이 바람직하고, 바나듐이 첨가되는 경우 강판 전체 중량의 1.5중량% 이하로 그 첨가량이 제한되는 것이 바람직하다. 니켈의 함량이 2.0중량%를 초과하거나, 바나듐의 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우, 강 제품의 인성을 저해하며, 강 제조 비용을 크게 상승시킬 수 있다.

한편, 상기 합금성분들을 포함하는 강판을 이용한 결과, 오스테나이트-페라이트 2상 영역에서 핫 스탬핑을 수행하더라도 1470MPa 이상의 인장강도를 나타낼 수 있었다.

강 제품 제조 방법

도 1을 참조하면, 도시된 강 제품 제조 방법은 블랭크 마련 단계(S110), 블랭크 가열 단계(S120) 및 열간 프레스 성형 / 냉각 단계(S130)를 포함한다.

여기서, 강 제품이라 함은 도어 빔과 같은 자동차용 부품이 될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

블랭크 마련 단계(S110)에서는 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있는 강판으로부터 블랭크를 마련한다.

상기의 블랭크 소재가 되는 강판은 열연 또는 냉연 용융아연도금강판, 열연 또는 냉연 합금화용융아연도금강판 등이 될 수 있다.

도금층은 핫 스탬핑 공정에서 표면에 탈탄 및 산화가 발생하는 것을 방지하고, 강 제품의 내식성을 향상시키는 데 기여한다. 본 발명에서 아연을 포함하는 도금층을 적용하는 이유는 Al-Si계 도금층에 비하여 내식성 등이 보다 우수하기 때문이다.

한편, 블랭크 소재가 되는 강판은 인장강도 400~900MPa, 항복강도 370~600MPa 및 연신율 20~50%를 갖고, 열처리에 의해 강도가 업그레이드될 수 있는 것을 제시할 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로, 블랭크 가열 단계(S120)에서는 블랭크를 핫 스탬핑 온도까지 가열한다.

이때, 가열은 오스테나이트 단상 영역에서 수행될 수 있으나, 이 경우 아연을 포함하는 도금층의 박리 문제 등이 발생할 수 있기 때문에, 오스테나이트-페라이트 2상 영역까지 블랭크를 가열하는 것이 보다 바람직하고, 800~900℃까지 가열하는 것이 더욱 바람직하고, 810~840℃까지 가열하는 것이 가장 바람직하다.

블랭크는 핫 스탬핑 온도까지 완전히 가열된 후에 핫 스탬핑이 수행되는 금형으로 투입될 수 있으며, 또한 핫 스탬핑 온도보다 50~200℃ 정도 낮은 온도까지 가열되어 금형으로 투입된 후 금형 내부에서 핫 스탬핑 온도까지 가열이 수행될 수도 있다.

다음으로, 핫 스탬핑, 즉 열간 프레스 성형 및 냉각 단계(S130)에서는 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형하고, 이와 동시에 혹은 직후에 Ms온도 이하까지 냉각한다.

냉각은 핫 스탬핑이 수행되는 금형 내에서 이루어질 수 있다.

냉각은 10~300℃/sec의 평균냉각속도로 Ms온도 이하에 해당하는 대략 80~300℃ 정도까지 실시되는 것이 보다 바람직하다. 평균냉각속도가 10℃/sec 미만일 경우, 페라이트, 펄라이트 변태 등에 의하여 제조되는 강 제품이 인장강도 1470MPa 이상을 확보하기 어렵다. 반대로, 평균냉각속도가 300℃/sec를 초과하는 경우, 제조되는 강 제품의 인성 및 연성이 크게 저하될 수 있다.

냉각 이후에는 레이저 가공 등을 이용한 후처리 공정이 수행될 수 있다.

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. 시편의 제조

합금 성분에 따른 열처리 경화 특성을 살펴보기 위하여, 표 1에 기재된 조성을 갖는 시편 1~18을 830℃로 가열하여 열간 프레스 성형 후, 50℃/sec의 평균냉각속도로 200℃까지 냉각하였다.

[표 1] (단위 : 중량%, 보론 : ppm)

표 1을 참조하면, 본 발명의 합금 조성을 만족하는 시편 7~18의 경우, 830℃에서 핫 스탬핑을 수행하더라도 인장강도 1470MPa 이상을 나타내는 것을 볼 수 있다. 반대로, 탄소, 니켈, 바나듐 등의 합금 성분이 불충분한 시편 1~6의 경우, 830℃에서 핫 스탬핑을 수행한 결과 목표로 하는 강도를 나타내지 못하였다.

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.

S110 : 블랭크 마련 단계
S120 : 블랭크 가열 단계
S130 : 열간 프레스 성형 / 냉각 단계

Claims

(a) 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있는 강판으로부터 블랭크를 마련하는 단계;
(b) 상기 블랭크를 가열하는 단계; 및
(c) 상기 가열된 블랭크를 열간 프레스 성형한 후, 상기 강판의 Ms 온도 이하까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는
상기 강판의 오스테나이트-페라이트 2상 영역까지 상기 블랭크를 가열하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는
800~900℃까지 상기 블랭크를 가열하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서, 상기 냉각은
10~300℃/sec의 평균냉각속도로 수행되는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
중량%로, 탄소(C) : 0.1~0.4%, 실리콘(Si) : 0.02~0.4%, 망간(Mn) : 1.0~4.0%, 인(P) : 0.2% 이하, 황(S) : 0.1% 이하, 크롬(Cr) : 0.2~1.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.1%, 티타늄(Ti) : 0.02~0.2% 및 보론(B) : 0.002~0.005%를 포함하고, 니켈(Ni) : 2.0% 이하 및 바나듐(V) : 1.5% 이하 중 1종 이상을 더 포함하되 [Ni]+[V] ≥ 0.03 ([ ]는 각 성분의 중량%)이며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 표면에 아연을 포함하는 도금층이 형성되어 있으며,
인장강도 1470MPa 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 강 제품.