KR20150013891A

KR20150013891A - 강재

Info

Publication number: KR20150013891A
Application number: KR1020147036128A
Authority: KR
Inventors: 가오리 가와노; 마사히토 다사카; 요시아키 나카자와; 야스아키 다나카; 도시로 도미다
Original assignee: 신닛테츠스미킨 카부시키카이샤
Priority date: 2012-07-20
Filing date: 2013-07-22
Publication date: 2015-02-05
Also published as: US10378090B2; CA2878685A1; CN104471094A; RU2599933C2; EP2876178A1; JP5660250B2; IN2014DN08577A; EP2876178A4; EP2876178B1; WO2014014120A1; US20150071812A1; MX2015000770A; ES2828084T3; PL2876178T3; CA2878685C; TWI484049B; RU2015105394A; JPWO2014014120A1; CN104471094B; BR112015000845A2

Abstract

화학 조성이, 질량％로, C:0.05％ 초과∼0.2％, Mn:1％∼3％, Si:0.5％ 초과∼1.8％, Al:0.01％∼0.5％, N:0.001％∼0.015％, Ti 혹은 V과 Ti의 합계:0.1％ 초과∼0.25％, Ti:0.001％ 이상, Cr:0％∼0.25％, Mo:0％∼0.35％, 잔량부:Fe 및 불순물이고, 강 조직이, 50면적％ 이상의 페라이트를 포함하는 주상과, 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 제2 상을 갖는 복상 조직이고, 상기 제2 상의 평균 나노 경도가 6.0㎬ 미만이고, 결정의 방위차가 2° 이상으로 되는 경계를 입계로 정의하고, 이 입계로 둘러싸이는 영역을 결정립으로 정의한 경우에 있어서, 상기 주상 및 상기 제2 상의 전체 결정립의 평균 입경이 3㎛ 이하이고, 전체 입계의 길이에 차지하는 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율이 15％ 이상인 강재이다.

Description

강재 {STEEL MATERIAL}

본 발명은 강재에 관한 것으로, 구체적으로는, 충격 하중 부하 시에 있어서의 균열의 발생이 억제되고, 또한 유효 유동 응력이 높은, 충격 흡수 부재의 소재로서 적합한 강재에 관한 것이다. 본원은 2012년 7월 20일에 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2012-161730호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

최근, 지구 환경 보호의 관점에서, 자동차로부터의 CO₂ 배출량 저감의 일환으로서, 자동차 차체의 경량화가 요구되고 있고, 자동차용 강재의 고강도화가 지향되고 있다. 이는, 강재의 강도를 향상시킴으로써, 자동차용 강재의 박육화가 가능해지기 때문이다. 한편, 자동차의 충돌 안전성 향상에 대한 사회적 요구도 가일층 높아지고 있고, 단순히 강재의 고강도화 뿐만 아니라, 주행 중에 충돌한 경우의 내충격성이 우수한 강재의 개발도 요망되고 있다.

여기서, 충돌 시의 자동차용 강재의 각 부위는 수십(s^-1) 이상의 높은 변형 속도로 변형을 받으므로, 동적 강도 특성이 우수한 고강도 강재가 요구된다.

이와 같은 고강도 강재로서, 정동차(정적 강도와 동적 강도의 차)가 높은 저합금 TRIP강이나, 마르텐사이트를 주체로 하는 제2 상을 갖는 복상 조직강 등의 고강도 복상 조직 강재가 알려져 있다.

저합금 TRIP강에 관해서는, 예를 들어 특허문헌 1에, 동적 변형 특성이 우수한 자동차 충돌 에너지 흡수용의 가공 야기 변태형 고강도 강판(TRIP 강판)이 개시되어 있다.

또한, 마르텐사이트를 주체로 하는 제2 상을 갖는 복상 조직 강판에 관해서는, 하기와 같은 발명이 개시되어 있다.

특허문헌 2에는 미세한 페라이트립을 포함하고, 결정립 직경이 1.2㎛ 이하인 나노 결정립의 평균 입경 ds와, 결정립 직경이 1.2㎛를 초과하는 마이크로 결정립의 평균 결정립 직경 dL이, dL/ds≥3의 관계를 만족시키는, 강도와 연성 밸런스가 우수하고, 또한 정동차가 170㎫ 이상인 고강도 강판이 개시되어 있다.

특허문헌 3에는 평균 입경이 3㎛ 이하인 마르텐사이트와 평균 입경이 5㎛ 이하인 마르텐사이트 2상 조직을 포함하고, 정동비가 높은 강판이 개시되어 있다.

특허문헌 4에는 평균 입경이 3.5㎛ 이하인 페라이트상을 75％ 이상 함유하고, 잔량부가 템퍼링 마르텐사이트를 포함하는 충격 흡수 특성이 우수한 냉연 강판이 개시되어 있다.

특허문헌 5에는 예비 변형을 첨가하여 페라이트와 마르텐사이트로 구성되는 2상 조직으로 하고, 5×10²∼5×10³/s의 변형 속도에 있어서의 정동차가 60㎫ 이상을 만족시키는 냉연 강판이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 6에는 85％ 이상의 베이나이트와 마르텐사이트 등의 경질상만을 포함하는 내충격 특성이 우수한 고강도 열연 강판이 개시되어 있다.

일본 특허 출원 공개 평11-80879호 공보 일본 특허 출원 공개 2006-161077호 공보 일본 특허 출원 공개 2004-84074호 공보 일본 특허 출원 공개 2004-277858호 공보 일본 특허 출원 공개 2000-17385호 공보 일본 특허 출원 공개 평11-269606호 공보

그러나, 종래의 충격 흡수 부재의 소재인 강재에는 이하와 같은 과제가 있다. 즉, 충격 흡수 부재(이하, 간단히 「부재」라고도 함)의 충격 흡수 에너지를 향상시키기 위해서는, 충격 흡수 부재의 소재인 강재(이하, 간단히 「강재」라고도 함)의 고강도화가 필수이다.

그러나, 「소성과 가공」 제46권 제534호 641∼645 페이지에, 충격 흡수 에너지를 결정짓는 평균 하중(F_ave)이,

F_ave∝(σYㆍt²)/4

σY:유효 유동 응력

t:판 두께

로서 부여되는 것이 개시되어 있는 바와 같이, 충격 흡수 에너지는 강재의 판 두께에 크게 의존한다. 따라서, 간단히 강재를 고강도화하는 것만으로는, 충격 흡수 부재에 대해 박육화와 고충격 흡수 성능을 양립시키는 데에는 한계가 있다.

여기서, 유동 응력이라 함은, 소성 변형의 개시 시 또는 개시 후에 소성 변형을 계속해서 일으키는 데 필요한 응력이고, 유효 유동 응력이라 함은, 강재의 판 두께, 형상, 충격 시에 부재에 가하는 변형 속도를 고려한 소성 유동 응력을 의미한다.

그런데, 예를 들어 국제 공개 제2005/010396호 팸플릿, 국제 공개 제2005/010397호 팸플릿, 또한 국제 공개 제2005/010398호 팸플릿에도 개시되어 있는 바와 같이, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지는 그 형상에도 크게 의존한다.

즉, 소성 변형 일량을 증대시키도록 충격 흡수 부재의 형상을 최적화함으로써, 단순히 강재를 고강도화하는 것만으로는 달성할 수 없는 레벨까지, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지를 비약적으로 높일 수 있을 가능성이 있다.

그러나, 소성 변형 일량을 증대시키도록 충격 흡수 부재의 형상을 최적화하였다고 해도, 강재가 그 소성 변형 일량에 견딜 수 있는 변형능을 갖고 있지 않으면, 상정하고 있던 소성 변형이 완료되기 전에, 충격 흡수 부재에 조기에 균열이 발생해 버려, 결과적으로 소성 변형 일량을 증대시킬 수 없고, 충격 흡수 에너지를 비약적으로 높일 수 없다. 또한, 균열이 조기에 충격 흡수 부재에 발생하면, 이 충격 흡수 부재에 인접하여 배치된 다른 부재를 손상시키는 등의 예기하지 않는 사태를 초래하기 쉽다.

종래에는, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지가 강재의 동적 강도에 의존한다는 기술 사상에 기초하여, 강재의 동적 강도를 높이는 것이 지향되어 왔지만, 단순히 강재의 동적 강도를 높이는 것을 지향하는 것으로는 현저한 변형능의 저하를 초래하는 경우가 있다. 이로 인해, 소성 변형 일량을 증대시키도록 충격 흡수 부재의 형상을 최적화하였다고 해도, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지를 비약적으로 높일 수 있다고는 한정되지 않았다.

또한, 애당초 상기 기술 사상에 기초하여 제조된 강재의 사용을 전제로 하여 충격 흡수 부재의 형상이 검토되어 왔으므로, 충격 흡수 부재의 형상의 최적화는, 당초부터 기존의 강재의 변형능을 전제로 하여 검토되어 있고, 소성 변형 일량을 증대시키도록, 강재의 변형능을 높이고, 또한 충격 흡수 부재의 형상을 최적화한다는 검토 자체가, 지금까지 충분히 이루어져 있지 않았다.

본 발명은 유효 유동 응력이 높고, 따라서 충격 흡수 에너지가 높은 동시에, 충격 하중 부하 시에 있어서의 균열의 발생이 억제된, 충격 흡수 부재의 소재로서 적합한 강재와 그 제조 방법을 제공하는 것을 과제로 한다.

상술한 바와 같이, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지를 높이기 위해서는, 소성 변형 일량을 증대시키도록, 강재뿐만 아니라 충격 흡수 부재의 형상을 최적화하는 것이 중요하다.

강재에 관해서는, 소성 변형 일량을 증대시킬 수 있는, 충격 흡수 부재의 형상의 최적화를 가능하게 하도록, 충격 하중 부하 시에 있어서의 균열의 발생을 억제하면서, 소성 변형 일량을 증대시키도록 유효 유동 응력을 높이는 것이 중요하다.

본 발명자들은 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지를 높이기 위해, 강재에 대해, 충격 하중 부하 시에 있어서의 균열의 발생을 억제하고, 또한 유효 유동 응력을 높이는 방법을 예의 검토하여, 이하에 열기하는 새로운 지식을 얻었다.

[충격 흡수 에너지의 향상]

(1) 강재의 충격 흡수 에너지를 높이기 위해서는, 5％의 진변형을 부여했을 때의 유효 유동 응력(이하, 「5％ 유동 응력」이라고 기재함)을 높이는 것이 유효하다.

(2) 5％ 유동 응력을 높이기 위해서는, 항복 강도와 저변형 영역에 있어서의 가공 경화 계수를 높이는 것이 유효하다.

(3) 항복 강도를 높이기 위해서는, 강 조직의 미세화가 필요하다.

(4) 저변형 영역에 있어서의 가공 경화 계수를 높이기 위해서는, 저변형 영역에 있어서의 전위 밀도를 효율적으로 높이는 것이 유효하다.

(5) 저변형 영역에 있어서의 전위 밀도를 효율적으로 높이기 위해서는, 결정립계 중에서 소각 입계(방위차각이 15° 미만인 입계)의 비율을 높이는 것이 유효하다. 이 이유는, 대각 입계는 퇴적한 전위의 싱크(소멸 장소)로 되기 쉬운 것에 비해, 소각 입계에는 전위가 축적되기 쉽고, 이로 인해, 소각 입계의 비율을 높임으로써, 저변형 영역이라도 전위 밀도를 효율적으로 높이는 것이 가능해지기 때문이다.

[충격 하중 부하 시에 있어서의 균열의 발생의 억제]

(6) 충격 흡수 부재에 있어서, 충격 하중 부하 시에 균열이 발생하면, 충격 흡수 에너지가 저하된다. 또한, 당해 부재에 인접하는 다른 부재를 손상시키는 경우도 있다.

(7) 강재의 강도, 특히, 항복 강도를 높이면, 충격 하중 부하 시에 있어서의 균열(이하, 「충격 균열」이라고도 함)에 대한 감수성(이하, 「충격 균열 감수성」이라고도 함)이 높아진다.

(8) 충격 균열의 발생을 억제하기 위해서는, 균일 연성, 국부 연성 및 파괴 인성을 높이는 것이 유효하다.

(9) 균일 연성을 높이기 위해서는, 페라이트를 주상으로 하고, 잔량부가 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하는 제2 상을 포함하는 복상 조직으로 하는 것이 유효하다.

(10) 국부 연성을 높이기 위해서는, 제2 상을 연질의 것으로 하고, 주상인 페라이트의 소성 변형능과 동등한 소성 변형능을 제2 상에 구비시키는 것이 유효하다.

(11) 파괴 인성을 높이기 위해서는, 주상인 페라이트 및 제2 상을 미세화하는 것이 유효하다.

본 발명은 상기의 새로운 지식에 기초하여 이루어진 것으로, 그 요지는 이하와 같다.

[1]

화학 조성이, 질량％로, C:0.05％ 초과∼0.2％, Mn:1％∼3％, Si:0.5％ 초과∼1.8％, Al:0.01％∼0.5％, N:0.001％∼0.015％, Ti 혹은 V과 Ti의 합계:0.1％ 초과∼0.25％, Ti:0.001％ 이상, Cr:0％∼0.25％, Mo:0％∼0.35％, 잔량부:Fe 및 불순물이고, 강 조직이, 50면적％ 이상의 페라이트를 포함하는 주상과, 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 제2 상을 갖는 복상 조직이고, 상기 제2 상의 평균 나노 경도가 6.0㎬ 미만이고, 결정의 방위차가 2° 이상으로 되는 경계를 입계로 정의하고, 이 입계로 둘러싸이는 영역을 결정립으로 정의한 경우에 있어서, 상기 주상 및 상기 제2 상의 전체 결정립의 평균 입경이 3㎛ 이하이고, 전체 입계의 길이에 차지하는 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율이 15％ 이상인, 강재.

[2]

질량％로, Cr:0.05％∼0.25％, Mo:0.1％∼0.35％를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, [1]에 기재된 강재.

본 발명에 따르면, 충격 하중이 부하되었을 때에 있어서의 충격 흡수 부재의 균열의 발생을 억제 또는 해소할 수 있고, 또한 유효 유동 응력이 높은 충격 흡수 부재를 얻는 것이 가능해지므로, 충격 흡수 부재의 충격 흡수 에너지를 비약적으로 높이는 것이 가능해진다. 이러한 충격 흡수 부재를 적용함으로써, 자동차 등의 제품의 충돌 안전성을 한층 향상시키는 것이 가능해지므로, 산업상 극히 유익하다.

도 1은 연속 어닐링 열처리의 온도 이력을 도시한다.
도 2는 평균 입경에 대한, 제2 상의 경도와 축 압궤 시험에 의한 안정 좌굴률의 관계를 나타내는 그래프이다. ○는 균열이 발생하지 않고 안정 좌굴된 것, △는 1/2의 확률로 균열이 발생한 것, ×는 2/2의 확률로 균열이 발생하여, 불안정한 좌굴을 발생한 것이다.
도 3은 평균 입경과 축 압궤 시험에 의한 평균 압궤 하중의 관계를 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명에 대해 상세하게 설명한다.

1. 화학 조성

또한, 화학 조성에 대해 이하에 나타내는 「％」는, 특별히 설명이 없는 한, 「질량％」를 의미한다.

(1) C:0.05％ 초과∼0.2％,

C는 제2 상에 함유되는 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트의 생성을 촉진하는 작용, 제2 상의 강도를 높임으로써 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용, 고용 강화에 의해 강을 강화하여, 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. C 함유량이 0.05％ 이하에서는, 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다. 따라서, C 함유량은 0.05％ 초과로 한다. 한편, C 함유량이 0.2％를 초과하면, 마르텐사이트나 오스테나이트가 과도하게 경질화되어, 국부 연성의 현저한 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, C 함유량은 0.2％ 이하로 한다. 또한, 본 발명은 C 함유량이 0.2％인 경우를 포함한다.

(2) Mn:1％∼3％,

Mn은 베이나이트 및 마르텐사이트로 대표되는 제2 상의 생성을 촉진하는 작용, 고용 강화에 의해 강을 강화하여 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용, 고용 강화에 의해 페라이트의 강도를 높이고, 고변형 부하 조건 하에 있어서의 페라이트의 경도를 높임으로써 국부 연성을 향상시키는 작용을 갖는다. Mn 함유량이 1％ 미만에서는 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량은 1％ 이상으로 한다. 바람직하게는 1.5％ 이상이다. 한편, Mn 함유량이 3％ 초과에서는 마르텐사이트나 오스테나이트가 과잉으로 생성되어, 국부 연성의 현저한 저하를 초래하는 경우가 있다. 따라서, Mn 함유량은 3％ 이하로 한다. 바람직하게는 2.5％ 이하이다. 또한, 본 발명은 Mn 함유량이 1％인 경우와 3％인 경우를 포함한다.

(3) Si:0.5％ 초과∼1.8％,

Si는 베이나이트나 마르텐사이트 중의 탄화물의 생성을 억제함으로써, 균일 연성이나 국부 연성을 향상시키는 작용 및 고용 강화에 의해 강을 강화하여, 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. Si의 함유량이 0.5％ 이하에서는, 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란한 경우가 있다. 따라서, Si량은 0.5％ 초과로 한다. 바람직하게는 0.8％ 이상, 더욱 바람직하게는 1％ 이상이다. 한편, Si 함유량이 1.8％를 초과하면, 오스테나이트가 과잉으로 잔류하여, 충격 균열 감수성이 현저하게 높아지는 경우가 있다. 따라서, Si 함유량은 1.8％ 이하로 한다. 바람직하게는 1.5％ 이하, 더욱 바람직하게는 1.3％ 이하이다. 또한, 본 발명은 Si 함유량이 1.8％인 경우를 포함한다.

(4) Al:0.01％∼0.5％,

Al은 탈산에 의해 강 중의 개재물 생성을 억제하여, 충격 균열을 방지하는 작용이 있다. 그러나, Al 함유량이 0.01％ 미만에서는 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란하다. 따라서, Al 함유량은 0.01％ 이상으로 한다. 한편, Al 함유량이 0.5％ 초과에서는 산화물이나 질화물이 조대화되어, 오히려 충격 균열을 조장한다. 따라서, Al 함유량은 0.5％ 이하로 한다. 또한, 본 발명은 Al 함유량이 0.01％인 경우와 0.5％인 경우를 포함한다.

(5) N:0.001％∼0.015％,

N는 질화물을 생성함으로써, 오스테나이트나 페라이트의 입성장을 억제하고, 조직을 미세화함으로써, 충격 균열을 억제하는 작용을 갖는다. 그러나, N 함유량이 0.001％ 미만에서는, 상기 작용에 의한 효과를 얻는 것이 곤란하다. 따라서, N 함유량은 0.001％ 이상으로 한다. 한편, N 함유량이 0.015％ 초과에서는 질화물이 조대화되어 버려, 오히려 충격 균열을 조장한다. 따라서, N 함유량은 0.015％ 이하로 한다. 또한, 본 발명은 N 함유량이 0.001％인 경우와 0.015％인 경우를 포함한다.

(6) Ti 혹은 V과 Ti의 합계:0.1％ 초과∼0.25％,

Ti 및 V은 TiC이나 VC 등의 탄화물을 강 중에 생성하여, 페라이트의 입성장에 대한 피닝 효과에 의해 결정립의 조대화를 억제하고, 충격 균열을 억제하는 작용을 갖는다. 또한, TiC이나 VC에 의한 석출 강화에 의해 강을 강화하여, 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. Ti 혹은 V과 Ti의 합계의 함유량이 0.1％ 이하에서는 이들의 작용을 얻는 것이 곤란하다. 따라서, Ti 혹은 V과 Ti의 합계의 함유량은 0.1％ 초과로 한다. 바람직하게는 0.15％ 이상이다. 한편, Ti 혹은 V과 Ti의 합계의 함유량이 0.25％ 초과에서는, TiC이나 VC이 과잉으로 생성되어 버려, 오히려 충격 균열 감수성을 높인다. 따라서, Ti 혹은 V과 Ti의 합계의 함유량은 0.25％ 이하로 한다. 바람직하게는 0.23％ 이하이다. 또한, 본 발명은 Ti 혹은 V과 Ti의 합계의 함유량이 0.25％인 경우를 포함한다.

(7) Ti:0.001％ 이상,

또한, 이들의 작용은 Ti을 0.001％ 이상 함유시킴으로써 한층 현저해진다. 따라서, Ti을 0.001％ 이상 함유시키는 것이 전제이다. V 함유량은 0％여도 되지만, 0.1％ 이상으로 하는 것이 바람직하고, 0.15％ 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 충격 균열 감수성을 저감시키는 관점에서, V 함유량은 0.23％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 또한, Ti 함유량은 0.01％ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.007％ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 임의 함유 원소로서, Cr, Mo의 1종 또는 2종을 함유해도 된다.

(8) Cr:0％∼0.25％,

Cr은 임의 함유 원소이지만, 켄칭성을 높이고, 베이나이트나 마르텐사이트의 생성을 촉진하는 작용 및 고용 강화에 의해 강을 강화하여, 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 이들의 작용을 보다 확실하게 얻기 위해서는 Cr:0.05％ 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Cr 함유량이 0.25％를 초과하면, 마르텐사이트상이 과잉으로 생성되어, 충격 균열 감수성을 높인다. 따라서, Cr을 함유하는 경우는, 그 함유량은 0.25％ 이하로 한다. 또한, 본 발명은 Cr의 함유량이 0.25％인 경우를 포함한다.

(9) Mo:0％∼0.35％,

Cr과 마찬가지로, Mo은 임의 함유 원소이지만, 켄칭성을 높이고, 베이나이트나 마르텐사이트의 생성을 촉진하는 작용 및 고용 강화에 의해 강을 강화하여, 항복 강도 및 인장 강도를 향상시키는 작용을 갖는다. 이들의 작용을 보다 확실하게 얻기 위해서는 Mo:0.1％ 이상인 것이 바람직하다. 그러나, Mo 함유량이 0.35％를 초과하면, 마르텐사이트상이 과잉으로 생성되어, 충격 균열 감수성을 높인다. 따라서, Mo을 함유하는 경우는, 그 함유량은 0.35％ 이하로 한다. 또한, 본 발명은 Mo의 함유량이 0.35％인 경우를 포함한다.

본 발명의 강재는 이상의 필수 함유 원소를 함유하고, 또한 필요에 따라서 임의 함유 원소를 함유하고, 잔량부:Fe 및 불순물이다. 불순물로서는, 광석이나 스크랩 등의 원료에 포함되는 것, 제조 공정에 있어서 포함되는 것이 예시된다. 단, 본 발명의 목적으로 하는 강재의 특성을 저해하지 않는 범위에서, 그 밖의 성분을 함유하는 것은 허용된다. 예를 들어, P, S은 강 중에 불순물로서 함유되지만, P, S은 이하와 같이 제한되는 것이 바람직하다.

P:0.02％ 이하,

P은 입계를 취약하게 하여, 열간 가공성의 악화를 초래한다. 따라서, P의 상한은 0.02％ 이하로 한다. P 함유량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 현실적인 제조 공정과 제조 비용의 범위 내에서 탈P하는 것을 전제로 하면, P의 상한은 0.02％이다. 바람직하게는 0.015％ 이하이다.

S:0.005％ 이하,

S은 입계를 취약하게 하여, 열간 가공성이나 연성의 열화를 초래한다. 따라서, P의 상한은 0.005％ 이하로 한다. S 함유량은 적으면 적을수록 바람직하지만, 현실적인 제조 공정과 제조 비용의 범위 내에서 탈S하는 것을 전제로 하면, S의 상한은 0.005％이다. 바람직하게는 0.002％ 이하이다.

2. 강 조직

(1) 복상 조직

본 발명에 관한 강 조직은 높은 항복 강도와 저변형 영역에서의 높은 가공 경화 계수를 얻음으로써 유효 유동 응력을 높이고, 또한 내충격 균열성을 겸비하기 위해, 결정립이 미세한 페라이트를 주상으로 하고, 또한 결정립이 미세한 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트의 1종 또는 2종 이상을 함유하는 제2 상을 갖는 복상 조직으로 한다.

주상인 페라이트의 면적률이 50％ 미만에서는, 충격 균열 감수성이 높아지고, 충격 흡수 특성이 저하된다. 따라서, 주상인 페라이트의 면적률은 50％ 이상으로 한다. 페라이트 면적률의 상한은 특별히 규정하지 않는다. 주상인 페라이트의 비율의 증가에 수반하여, 제2 상의 비율이 저하되면, 강도 및 가공 경화율이 저하된다. 따라서, 페라이트 면적률의 상한(환언하면 제2 상의 면적률의 하한)은 강도 레벨에 따라서 설정된다.

제2 상은 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 함유한다. 제2 상에는 시멘타이트나 펄라이트가 불가피하게 함유되는 경우가 있지만, 이와 같은 불가피적 조직은 5면적％ 이하이면 허용된다. 강도를 높이기 위해, 제2 상의 면적률은 35％ 이상인 것이 바람직하고, 40％ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

(2) 페라이트(주상) 및 제2 상의 평균 입경:3㎛ 이하

본 발명이 대상으로 하는 강재는 페라이트 및 제2 상의 전체 결정립의 평균 입경을 3㎛ 이하로 한다. 이와 같은 미세 조직은 압연과 열처리의 고안에서 얻어지고, 그 경우, 주상과 제2 상의 어느 쪽이든 미세화된다. 또한, 이와 같은 미세 조직에서는, 주상인 페라이트와 제2 상의 각각에 대해 평균 입경을 구하는 것은 곤란하다. 이로 인해, 본 발명에 있어서는, 주상인 페라이트와 제2 상의 전체의 평균 입경을 규정한다.

페라이트를 주상으로 하는 강에 있어서 페라이트의 평균 입경이 미세화되면, 항복 강도가 향상되고, 따라서 유효 유동 응력이 높아진다. 페라이트 입경이 조대하면, 항복 강도가 부족해, 충격 흡수 에너지가 저하된다.

또한, 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트 등의 제2 상의 미세화는 국부 연성을 향상시켜, 충격 균열을 억제한다. 제2 상의 입경이 조대하면, 충격 하중을 받은 경우에 제2 상 내에서 취성적인 파괴가 발생하기 쉬워져, 충격 균열 감수성이 높아진다.

따라서, 상기 평균 입경은 3㎛ 이하로 한다. 바람직하게는 2㎛ 이하이다. 상기 평균 입경은 보다 미세한 것이 바람직하지만, 통상의 압연과 열처리에 의해 얻어지는 페라이트 입경의 미세화에는 한계가 있다. 또한, 제2 상을 과도하게 미세화하면, 제2 상의 소성 변형능이 저하되어 오히려 연성이 저하되는 경우가 있다. 따라서, 상기 평균 입경은 0.5㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다.

(3) 전체 입계의 길이에 차지하는 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율:15％ 이상

입계는 전위 생성 사이트, 전위 소멸 사이트(싱크) 및 전위 퇴적 사이트의 어느 하나의 역할을 갖고, 강재의 가공 경화능에 영향을 미친다. 입계 중, 방위차 15° 이상의 대각 입계는 퇴적한 전위의 소멸 사이트로 되기 쉽다. 한편, 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계에서는 전위의 소멸이 일어나기 어렵고, 전위 밀도의 증가에 기여한다. 따라서, 저변형 영역에서의 가공 경화 계수를 높이고, 유효 유동 응력을 증가시키기 위해서는, 상기 소각 입계의 비율을 높일 필요가 있다. 상기 소각 입계의 길이의 비율이 15％ 미만에서는, 저변형 영역에서 가공 경화 계수를 높이고, 유효 유동 응력을 증가시키는 것이 곤란하다. 따라서, 상기 소각 입계의 길이의 비율을 15％ 이상으로 한다. 바람직하게는 20％ 이상이고, 더욱 바람직하게는 25％ 이상이다. 상기 소각 입계의 비율은 높으면 높을수록 바람직하지만, 통상의 다결정체로 가질 수 있는 소각 계면의 비율은 한계가 있다. 즉, 상기 소각 입계의 길이의 비율은 70％ 이하로 하는 것이 현실적이다.

이 소각 입계의 비율은 강판의 압연 방향에 평행한 단면의 판 두께의 1/4 깊이 위치에서 EBSD(전자선 후방 산란) 해석을 행하여 구해진다. EBSP 해석에서는 시료 표면의 측정 영역이 등간격의 그리드 형상으로 수만점 맵핑되어, 각 그리드 내에 대해 결정 방위가 구해진다. 따라서, 이웃하는 그리드 사이에 있어서 결정의 방위차가 2° 이상으로 되는 경계를 입계로 정의하고, 이 입계로 둘러싸이는 영역을 결정립으로 정의한다. 방위차가 2° 미만으로 되면, 명확한 입계를 형성하지 않는다. 전체 입계 중, 방위차 2°∼15° 미만의 입계를 소각 입계로 정의하고, 입계의 총합의 길이에 대해, 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율을 구한다. 또한, 페라이트(주상) 및 제2 상의 평균 입경은 마찬가지로 정의되는 결정립(방위차가 2° 이상으로 되는 입계로 둘러싸이는 영역)의 개수를 단위 면적 중에서 카운트하고, 결정립의 평균 면적에 기초하여 원 상당 직경으로서 구할 수 있다.

(4) 제2 상의 평균 나노 경도:6.0㎬ 미만

베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트 등의 제2 상의 경도의 증가와 함께, 국부 연성이 저하된다. 구체적으로는, 제2 상의 평균 나노 경도가 6.0㎬을 초과하면 국부 연성의 저하에 의해 충격 균열 감수성이 높아진다. 따라서, 제2 상의 평균 나노 경도는 6.0㎬ 이하로 한다.

여기서, 나노 경도는 나노 인덴테이션을 사용하여, 각 상 또는 조직의 입자 내의 나노 경도를 측정함으로써 얻어지는 값이다. 본 발명에서는 큐브 코너 압자를 사용하여, 압입 하중 1000μN으로 얻어지는 나노 경도를 채용한다. 국부 연성 향상을 위해서는 제2 상의 경도는 낮은 쪽이 바람직하지만, 제2 상이 과도하게 연화되면, 재료 강도가 저하된다. 따라서, 제2 상의 평균 나노 경도는 3.5㎬ 초과인 것이 바람직하고, 4.0㎬ 초과인 것이 보다 바람직하다.

3. 제조 방법

본 발명의 강재를 얻기 위해서는, 열간 압연 공정과 열처리 공정의 승온 과정에서 VC이나 TiC을 적정하게 석출시켜, VC이나 TiC에 의한 피닝 효과에 의해 결정립의 조대화를 억제함과 함께, 그 후의 열처리에서 복상 조직의 최적화를 도모하는 것이 바람직하다. 그것을 위해서는 이하의 제조 방법에 의해 제조하는 것이 바람직하다.

(1) 열간 압연 공정 및 냉각 공정

상기 화학 조성을 갖는 슬래브를 1200℃ 이상으로 하여 총 압하율 50％ 이상의 다패스 압연을 실시하고, 800℃ 이상 950℃ 이하의 온도 영역에서 열간 압연을 완료한다. 열간 압연을 완료 후, 600℃/초 이상의 냉각 속도로 압연 완료 후 0.4초간 이내에 700℃ 이하의 온도 영역까지 냉각하여(이 냉각을 1차 냉각이라고도 함), 600℃ 이상 700℃ 이하의 온도 영역에 0.4초간 이상 유지한다. 그 후, 100℃/초 미만의 냉각 속도로 500℃ 이하의 온도 영역까지 냉각하고(이 냉각을 2차 냉각이라고도 함), 또한 0.03℃/초 이하의 냉각 속도로 실온까지 냉각하여 열연 강판으로 한다. 최후의 0.03℃/초 이하의 냉각 속도에 의한 냉각은 권취한 코일 상태에서 일어나는 냉각이므로, 강판이 강대인 경우에는, 2차 냉각 후에 강대를 권취함으로써, 최후의 0.03℃/초 이하의 냉각 속도에 의한 냉각이 실현된다.

여기서, 상기 1차 냉각에서는 열간 압연이 실질적으로 완료된 후, 0.4초간 이내에 700℃ 이하의 온도 영역까지 급냉각이 행해진다. 열간 압연의 실질적인 완료라 함은, 열간 압연의 마무리 압연에서 행해지는 복수 패스의 압연 중, 마지막으로 실질적인 압연이 행해진 패스를 의미한다. 예를 들어, 마무리 압연기의 상류측의 패스에서 실질적인 최종 압하가 행해지고, 마무리 압연기의 하류측의 패스에서는 실질적인 압연이 행해지지 않는 경우는, 상류측의 패스에서의 압연이 종료된 후, 0.4초간 이내에 700℃ 이하의 온도 영역까지 급냉각(1차 냉각)이 행해진다. 또한, 예를 들어 마무리 압연기의 하류측의 패스까지 실질적인 압연이 행해지는 경우는, 하류측의 패스에서의 압연이 종료된 후, 0.4초간 이내에 700℃ 이하의 온도 영역까지 급냉각(1차 냉각)이 행해진다. 또한, 1차 냉각은, 기본적으로는 런아웃 테이블에 배치된 냉각 노즐에 의해 행해지지만, 마무리 압연기의 각 패스 사이에 배치된 스탠드간 냉각 노즐에 의해 행할 수도 있다.

상기 1차 냉각의 냉각 속도(600℃/초 이상)와 상기 2차 냉각의 냉각 속도(100℃/초 미만)는 모두 서모 트레이서에 의해 측정되는 샘플 표면의 온도(강판의 표면 온도)를 기준으로 한다. 상기 1차 냉각에 있어서의 강판 전체의 냉각 속도(평균 냉각 속도)는 표면 온도 기준의 냉각 속도(600℃/초 이상)로부터 환산하여, 200℃/초 이상 정도로 추정된다.

상기의 열간 압연 공정 및 냉각 공정에 의해, V의 탄화물(VC)이나 Ti의 탄화물(TiC)이 페라이트 입계에 고밀도로 석출된 열연 강판이 얻어진다. VC 및 TiC의 평균 입경은 10㎚ 이상, VC 및 TiC의 평균 입자간 거리는 2㎛ 이하인 것이 바람직하다.

(2) 냉간 압연 공정

상기 열간 압연 공정 및 냉각 공정에 의해 얻어진 열연 강판은, 그대로 후술하는 열처리 공정에 제공해도 되지만, 냉간 압연을 실시한 후에 후술하는 열처리 공정에 제공해도 된다.

상기 열간 압연 공정 및 냉각 공정에 의해 얻어진 열연 강판에 냉간 압연을 실시하는 경우에는, 압하율 30％ 이상 70％ 이하의 냉간 압연을 실시하여 냉연 강판으로 한다.

(3) 열처리 공정[공정(C1) 및(C2)]

상기 열간 압연 공정 및 냉각 공정에 의해 얻어진 열연 강판 또는 상기 냉간 압연 공정에 의해 얻어진 냉연 강판을, 2℃/초 이상 20℃/초 이하의 평균 승온 속도로 750℃ 이상 920℃ 이하의 온도 영역까지 승온하여 상기 온도 영역에 20초간 이상 100초간 이하 유지한다(도 1의 어닐링). 계속해서 5℃/초 이상 20℃/초 이하의 평균 냉각 속도로 440℃ 이상 550℃ 이하의 온도 영역까지 냉각하여 상기 온도 영역에서 30초간 이상 150초간 이하 유지하는 열처리를 실시한다(도 1의 과시효 1∼3).

상기 평균 승온 속도가 2℃/초 미만에서는 승온 중에 페라이트의 입성장이 발생해 버려 결정립이 조대화된다. 한편, 상기 평균 승온 속도가 20℃/초 초과에서는 승온 중의 VC이나 TiC의 석출이 불충분해져, 결정립 직경은 오히려 조대화된다.

상기 승온 후에 유지하는 온도가 750℃ 미만이거나 920℃ 초과이면, 목적으로 하는 복상 조직을 얻는 것이 곤란하다.

상기 평균 냉각 속도가 5℃/초 미만에서는 페라이트량이 과잉으로 되어 충분한 강도를 얻는 것이 곤란하다. 한편, 상기 평균 냉각 속도가 20℃/초 초과에서는 경질 제2 상이 과잉으로 생성되어 버려, 충격 균열 감수성을 높인다.

상기 냉각 후의 유지는 제2 상의 연질화를 촉진하여, 6.0㎬ 미만이라고 하는 제2 상의 평균 나노 경도를 확보하는 데 중요하다. 440℃ 이상 550℃ 이하의 온도 영역에서 30초간 이상 150초간 이하 유지한다는 조건을 만족시키지 않는 경우에는, 원하는 제2 상의 성질을 얻는 것이 곤란하다. 이 유지 중에, 온도는 일정 온도로 할 필요는 없고, 440℃ 이상 550℃ 이하의 온도 영역이라면 연속적 또는 단계적으로 변화시킬 수 있다(예를 들어, 도 1 도시한 과시효 1∼3 참조). 소각 입계 및 V이나 Ti의 석출물을 제어하는 관점에서는, 단계적으로 변화시키는 것이 바람직하다. 즉, 상기 처리는 연속 어닐링에 있어서의, 소위 과시효 처리에 상당하는 처리이지만, 과시효 처리 공정의 초기 단계에서는 상부 베이나이트 온도 영역에서 유지함으로써 소각 입계의 비율을 높이는 것이 바람직하다. 구체적으로는 480℃ 이상 580℃ 이하의 온도 영역에 유지하는 것이 바람직하다. 그 후에는 페라이트상이나 제2 상에 과포화로 잔류하고 있는 Ti이나 V을 석출시키기 위해, 440℃ 이상 480℃ 이하의 온도 영역에 유지하여 석출 핵을 생성시키고, 계속해서, 480℃ 이상 550℃ 이하의 온도 영역에 유지하여 석출량을 높이는 것이 바람직하다. 페라이트상이나 제2 상 중에 석출한 VC 등의 미세 탄화물은 유효 유동 응력을 향상시키기 위해, 상기의 과시효 처리에 의해 고밀도로 석출시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 강재는 이와 같이 하여 제조된 열연 강판 또는 냉연 강판 그대로여도 되고, 혹은 이후부터 절단되어, 필요에 따라서 굽힘 가공이나 프레스 가공 등의 적당한 가공이 실시된 것이어도 된다. 또한, 강판 그대로, 혹은 가공 후에 도금이 실시된 것이어도 된다. 도금은 전기 도금과 용융 도금 중 어느 것이어도 되고, 도금종에 제한은 없지만, 통상은 아연 또는 아연 합금 도금이다.

실시예

표 1에 나타내는 화학 조성을 갖는 슬래브(두께:35㎜, 폭:160∼250㎜, 길이:70∼90㎜)를 사용하여 실험을 행하였다. 표 1 중, 「-」는 적극적으로 함유시키고 있지 않은 것을 의미한다. 밑줄은 본 발명의 범위 외를 나타낸다. 강종 E는 V과 Ti의 합계 함유량이 하한값 미만인 비교예이다. 강종 F는 Ti의 함유량이 하한값 미만인 비교예이다. 강종 H는 Mn의 함유량이 하한값 미만인 비교예이다. 어떤 강종이든 150㎏의 용강을 진공 용제하여 주조한 후, 노 내 온도 1250℃에서 가열하고, 950℃ 이상의 온도에서 열간 단조를 행하여 슬래브로 하였다.

상기 슬래브를 1250℃에서 1시간 이내의 재가열 후에, 열간 압연 시험기를 사용하여, 4패스의 조열간 압연을 실시하고, 또한 3패스의 마무리 열간 압연을 실시하고, 압연 완료 후에 1차 냉각 및 2단계의 냉각을 실시하여, 열연 강판으로 하였다. 열간 압연 조건을 표 2에 나타낸다. 압연 완료 직후의 1차 냉각 및 2차 냉각은 수냉에 의해 실시하였다. 표 중의 권취 온도에서 2차 냉각을 종료하고, 코일을 방냉함으로써 0.03℃/초 이하의 냉각 속도에 의한 실온까지의 냉각이 실현되었다. 열간 강판의 판 두께는 모두 2㎜로 하였다.

일부의 열연 강판에 대해서는 냉간 압연을 실시한 후, 연속 어닐링 시뮬레이터를 사용하여, 모든 강판에, 도 1에 도시하는 히트 패턴 및 표 3에 나타내는 조건으로 열처리를 실시하였다. 본 실시예에 있어서, 어닐링 온도로부터 냉각한 후의 온도 유지(실시예에서는 과시효라고 칭함)를 도 1 및 표 3에 나타낸 바와 같이 3단계의 다른 온도에서 실시한 것은, 소각 입계의 비율과 VC 탄화물의 석출 밀도를 증가시키기 위해서이다.

이와 같이 하여 얻어진 열연 강판 및 냉연 강판에 대해, 이하의 조사를 행하였다.

우선, 공시 강판으로부터, 압연 방향과 수직 방향으로 JIS5호 인장 시험편을 채취하여, 인장 시험을 행함으로써, 5％ 유동 응력, 최대 인장 강도(TS), 균일 연신(u-El)을 구하였다. 5％ 유동 응력이라 함은, 인장 시험에 있어서 변형이 5％로 되는 소성 변형 시의 응력이고, 유효 유동 응력과 비례 관계에 있고, 그 지표가 된다.

단부면 대미지의 영향을 제거하기 위해 기계 가공 구멍에 대해 리머 가공을 실시한 것 이외는 일본 철강 연맹 규격 JFS T 1001-1996에 준하여 구멍 확장 시험을 행하여, 구멍 확장률을 구하였다.

강판의 압연 방향에 평행인 단면의 판 두께의 1/4 깊이 위치에 있어서 EBSD 해석을 행하였다. EBSD 해석에 있어서, 결정의 방위차가 2° 이상으로 되는 경계를 입계로 정의하고, 주상과 제2 상을 구별하지 않고 평균 입경을 구함과 함께, 입계면 방위차 맵을 제작하였다. 전체 입계 중, 방위차 2°∼15° 미만의 입계를 소각 입계로 하고, 입계의 총합의 길이에 대해, 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율을 구하였다. 또한, 이 해석에서 얻어지는 이미지 퀄리티 맵으로부터 페라이트의 면적률을 구하였다.

제2 상의 나노 경도는 나노 인덴테이션법에 의해 구하였다. 압연 방향과 평행하게 채취한 단면 시험편의 판 두께의 1/4 깊이 위치를 에머리(emery)지로 연마 후, 콜로이달실리카로 메카노케미컬 연마를 행하고, 또한 전해 연마에 의해 가공층을 제거하여 시험에 제공하였다. 나노 인덴테이션은 큐브 코너 압자를 사용하여, 압입 하중 1000μN으로 행하였다. 이때의 압흔 사이즈는 직경 0.5㎛ 이하이다. 각 샘플의 제2 상의 경도를 랜덤하게 20점 측정하여, 각각의 샘플의 평균 나노 경도를 구하였다.

또한, 상기 강판을 사용하여 각통 부재를 제작하고, 축방향의 충돌 속도 64㎞/h로 축 압궤 시험을 실시하여, 충돌 흡수 성능을 평가하였다. 각통 부재의 축방향에 수직인 단면의 형상은 정팔각형으로 하고, 각통 부재의 축방향 길이는 200㎜로 하였다. 모든 판 두께는 1㎜, 상기 정팔각형의 1변의 길이(코너부의 곡선부를 제외한 직선부의 길이)(Wp)는 16㎜로 평가하였다. 각 강판에 대해 이와 같은 각통 부재를 2개씩 제작하여, 축 압궤 시험에 제공하였다. 평가는 축 압궤 시의 평균 하중(2회의 시험의 평균값) 및 안정 좌굴률에 의해 실시하였다. 안정 좌굴률은 축 압궤 시험에 있어서 균열이 발생하지 않았던 시험체의 전체 시험체수에 대한 비율이다. 일반적으로, 충돌 흡수 에너지가 높아지면, 압궤 도중에 균열이 발생할 가능성이 높아지고, 결과적으로 소성 변형 일량을 증대시킬 수는 없어, 충격 흡수 에너지를 높일 수 없는 경우가 있다. 즉, 아무리 평균 압궤 하중(충격 흡수 성능)이 높아도, 안정 좌굴률이 양호하지 않으면, 높은 충격 흡수 성능을 나타낼 수 없다.

이상의 조사 결과(강 조직, 기계 특성 및 축 압궤 특성)을 표 4에 통합하여 나타낸다.

또한, 시험 번호 1∼16의 평균 입경에 대한, 제2 상의 경도와 안정 좌굴률의 관계를 도 2에 그래프로 나타낸다. 도 3은 입경과 평균 압궤 하중의 관계를 나타내는 그래프이다.

표 4 및 도 2∼도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 관한 강재는 축 압궤에 의한 평균 하중이 0.29kJ/㎟ 이상으로 높다. 또한, 안정 좌굴률이 2/2로 양호한 축 압궤 특성을 나타낸다. 따라서, 상술한 크래쉬 박스, 사이드 멤버, 센터 필러, 로커 등의 소재로서 사용하는 데 적합하다.

Claims

화학 조성이, 질량％로,
C:0.05％ 초과∼0.2％,
Mn:1％∼3％,
Si:0.5％ 초과∼1.8％,
Al:0.01％∼0.5％,
N:0.001％∼0.015％,
Ti 혹은 V과 Ti의 합계:0.1％ 초과∼0.25％,
Ti:0.001％ 이상,
Cr:0％∼0.25％,
Mo:0％∼0.35％,
잔량부:Fe 및 불순물이고,
강 조직이, 50면적％ 이상의 페라이트를 포함하는 주상과, 베이나이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트를 포함하는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상을 포함하는 제2 상을 갖는 복상 조직이고,
상기 제2 상의 평균 나노 경도가 6.0㎬ 미만이고,
결정의 방위차가 2° 이상으로 되는 경계를 입계로 정의하고, 이 입계로 둘러싸이는 영역을 결정립으로 정의한 경우에 있어서, 상기 주상 및 상기 제2 상의 전체 결정립의 평균 입경이 3㎛ 이하이고, 전체 입계의 길이에 차지하는 방위차 2°∼15° 미만의 소각 입계의 길이의 비율이 15％ 이상인, 강재.
제1항에 있어서, 질량％로,
Cr:0.05％∼0.25％,
Mo:0.1％∼0.35％
를 포함하는 군으로부터 선택된 1종 또는 2종을 함유하는, 강재.