KR20180136539A - 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트, 그의 제조 방법, 및 차량 부품을 제조하기 위한 이러한 강의 용도 - Google Patents

냉간 압연 및 어닐링된 강 시트, 그의 제조 방법, 및 차량 부품을 제조하기 위한 이러한 강의 용도 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트에 관한 것으로, 0.6 ≤ C ≤ 1.3 중량%, 15.0 ≤ Mn ≤ 35 중량%, 5 ≤ Al ≤ 15 중량%, Si ≤ 2.40 중량%, S ≤ 0.03 중량%, P ≤ 0.1 중량%, N ≤ 0.1 중량%, 가능하게는 각각 최대 4.0 %, 최대 3.0 % 및 최대 3.0 % 의 양으로 Ni, Cr 및 Cu 중에서 선택된 하나 이상의 선택적 원소들, 및 가능하게는 최대 2.0 % 의 누럭된 양으로 B, Ta, Zr, Nb, V, Ti, Mo 및 W 중에서 선택된 하나 이상의 원소들, 철 세공으로부터 기인하는 불가피한 불순물로 만들어진 조성물의 잔부를 포함하고, 상기 강 시트의 미세조직은 선택적으로 최대 3 % 의 kappa 카바이드, 선택적으로 최대 10 % 의 과립형 페라이트를 포함하고, 잔부는 오스테나이트로 만들어지고, 상기 오스테나이트의 평균 입자 크기 및 평균 종횡비는 각각 6 ㎛ 미만 및 1.5 ~ 6 이고, 상기 페라이트의 평균 입자 크기 및 평균 종횡비는, 존재할 경우, 각각 5 ㎛ 미만 및 3.0 미만이다. 또한, 본 발명은 제조 방법 및 차량 부품을 제작하기 위한 그레이드의 사용에 관한 것이다.

Description

냉간 압연 및 어닐링된 강 시트, 그의 제조 방법, 및 차량 부품을 제조하기 위한 이러한 강의 용도
본 발명은 주로 오스테나이트를 포함하는 미세조직을 나타내는 저밀도 강 시트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 강 시트는 특히 랜드 모터 차량과 같은 차량용 안전 또는 구조 부품의 제조에 매우 적합하다.
환경 규제는 자동차 제조사들이 그들 차량의 CO2 배출을 지속적으로 감소시키도록 강요하고 있다. 이를 위해서, 자동차 제조사들은 여러가지 옵션들을 가지고, 그 중 주요 옵션들은 차량의 중량을 감소시키거나 차량 엔진 시스템의 효율을 개선하는 것이다. 두 가지 접근법들의 조합에 의해 종종 진전이 이루어진다. 본 발명은 첫 번째 옵션, 즉 모터 차량의 중량 감소와 관련된다. 이러한 매우 특정한 분야에서, 두 가지 방향 (two-track) 의 대안예가 있다:
첫 번째 방향은 강의 기계적 강도 레벨을 증가시키면서 강의 두께를 감소시키는 것으로 이루어진다. 불행하게도, 이 해결책은, 기계적 강도 증가와 관련된 연성의 불가피한 손실은 물론이고 특정 자동차 부품의 강성의 엄청난 (prohibitive) 감소 및 탑승자에게 불편한 조건들을 조성하는 청각적 문제의 발생으로 인해 한계가 있다.
두 번째 방향은, 강을 보다 가벼운 다른 금속과 합금함으로써 강의 밀도를 감소시키는 것으로 이루어진다. 이러한 합금들 중에서, 저밀도 합금은 유리한 (attractive) 기계적 특성 및 물리적 특성을 가지면서 중량을 크게 감소시킬 수 있다.
특히, US 2003/0145911 는 양호한 성형성 및 높은 강도를 가지는 Fe-Al-Mn-Si 경강을 개시한다. 하지만, 이러한 강의 최대 인장 강도는 800 MPa 를 초과하지 못하고, 이는 모든 종류의 기하학적 형상의 부품들에 대해 저밀도를 충분히 이용하는 것을 허용하지 않는다.
그러므로, 본 발명의 목적은 7.4 미만의 밀도, 적어도 900 MPa 의 최대 인장 강도, 적어도 700 MPa 의 항복 강도 및 적어도 28 % 의 균일 연신율을 나타내는 강 시트를 제공하는 것이다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명에 따른 본 발명에 따른 강 시트는 7.2 미만의 밀도, 적어도 1000 MPa 의 최대 인장 강도, 적어도 800 MPa 의 항복 강도 및 적어도 30 % 의 균일 연신율을 나타낸다.
이러한 목적은 청구항 1 에 따른 강 시트를 제공함으로써 달성된다. 또한, 강 시트는 청구항 2 내지 청구항 7 의 특징들을 포함할 수 있다. 다른 목적은 청구항 8 내지 청구항 11 에 따른 방법에 의해 달성된다. 다른 양태는 청구항 12 내지 청구항 14 에 따른 부품 또는 차량을 제공함으로써 달성된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 본 발명의 이하의 상세한 설명으로부터 자명해진다.
어떠한 이론에도 구속됨 없이, 본 발명에 따른 저밀도 강 시트는 이러한 특정한 미세조직 덕분에 기계적 특성의 향상을 허용하는 것으로 보인다.
강의 화학 조성과 관련하여, 탄소는 목표의 기계적 특성의 도달 및 미세조직의 형성에서 중요한 역할을 한다. 탄소의 주요 역할은 강의 미세조직의 메인 상인 오스테나이트를 안정화시킬 뿐만 아니라 보강 (strengthening) 을 제공하는 것이다. 0.6 % 미만의 탄소 함량은 오스테나이트의 비율을 감소시킬 것이고, 이는 합금의 연성 및 강도의 감소로 이어진다. 하지만, 탄소가 입내 (intragranular) kappa 카바이드 (Fe,Mn)3AlCx 의 주요 구성 원소이므로, 1.3 % 초과의 탄소 함량은 결정립계 (입내 kappa 카바이드 (Fe,Mn)3AlCx) 에 대해 조대한 방식으로 이러한 카바이드의 침전을 촉진시킬 수 있고, 이는 합금의 연성을 감소를 초래한다.
바람직하게는, 탄소 함량은 충분한 강도를 얻기 위하여 0.80 ~ 1.3 중량%, 더 바람직하게는 0.8 ~ 1.0 중량% 이다.
망간은 주로 매우 많은 양의 망간 및 탄소와의 합금이 오스테나이트를 실온에 이르기까지 안정화시켜서 이후에 불안정화되고 페라이트 또는 마텐자이트로 변태되지 않으면서 많은 양의 알루미늄을 용인할 수 있다는 사실로 인해 이러한 시스템에서 중요한 합금 원소이다. 합금이 우수한 연성을 가지게 하려면, 망간 합량은 15 % 이상이여야 한다. 하지만, 망간 함량이 35 % 를 초과할 때, β-Mn 상의 침전은 합금의 연성을 저하시킬 것이다. 그러므로, 망간 함량은 15.0 % 이상으로 조절되어야 하지만 35 % 이하여야 한다. 바람직한 실시형태에서, 망간은 15.5 % 이상 또는 심지어 16.0 % 이상이다. 그 양은 더 바람직하게는 18 ~ 25 % 이다.
고망간 오스테나이트계 강에 대한 알루미늄의 첨가는 합금의 밀도를 효과적으로 감소시킨다. 또한, 이는 오스테나이트의 적층 결합 에너지 (SFE) 를 상당히 증가시켜서, 결국 합금의 변형 경화 (strain hardening) 거동의 변화로 이어진다. 또한, 알루미늄은 나노 크기의 kappa 카바이드 (Fe,Mn)3AlCx 의 주요 원소 중 하나이고, 따라서 그의 첨가는 이러한 카바이드의 형성을 상당히 향상시킨다. 한편으로 kappa 카바이드의 침전 및 오스테나이트 안정성을 보장하기 위하여 그리고 다른 한편으로 페라이트의 형성을 제어하기 위하여, 현재 합금의 알루미늄 농도는 조절되어야 한다. 그러므로, 알루미늄 함량은 5 % 이상으로 조절되어야 하지만 15 % 이하여야 한다. 바람직한 실시형태에서, 알루미늄 함량은 7 ~ 12 %, 및 바람직하게는 8 ~ 10 % 이다.
규소는 높은 망간 및 알루미늄 강에 대해 공통적인 합금 원소이다. 이는 D03 구조를 갖는 규칙적인 페라이트의 형성에 매우 강력한 효과를 미친다. 게다가, 규소는 오스테나이트에서 탄소의 활성을 향상시키고 kappa 카바이드로 탄소의 파티셔닝 (partitioning) 을 증가시키는 것으로 나타났다. 또한, 규소는 취성의 β-Mn 상의 침전을 지연 또는 방지하는데 사용될 수 있는 효과적인 합금 원소로서 개시되어왔다. 하지만, 2.40 % 의 함량을 초과하면, 이는 연신율을 감소시키고, 또한 특정 조립 프로세스 동안 원치 않은 산화물을 형성하는 경향이 있고, 따라서 이는 이러한 한계 미만으로 유지되어야 한다. 바람직하게는, 규소의 함량은 2.0 % 미만, 유리하게는 1.0 % 미만이다.
황 및 인은 결정립계를 취화시키는 불순물이다. 충분한 고온 연성을 유지하기 위하여, 그들 각각의 함량은 0.03 및 0.1 % 를 초과해서는 안 된다.
질소 함량은 응고 동안 체결함 (volume defects; 블리스터) 의 형성 및 AlN 의 침전을 방지하기 위하여 0.1 % 이하이여야 한다.
니켈은 강으로의 수소의 침투에 긍정적인 영향을 미치고, 따라서 이는 수소에 대한 확산 장벽으로서 사용될 수 있다. 또한, 니켈은 B2 성분과 같은 페라이트에서 규칙적인 화합물의 형성을 촉진하여 추가의 보강으로 이어지므로 효과적인 합금 원소로서 사용될 수 있다. 하지만, 그 중에서도 비용상 이유로, 4.0 % 이하, 및 바람직하게는 0.1 ~ 2.0 % 또는 0.1 ~ 1.0 % 의 최대 함량으로 니켈의 추가를 제한하는 것이 바람직하다. 다른 실시형태에서, 니켈의 양은 0.1 % 미만이다.
크롬은 고용 경화에 의해 강의 강도를 증가시키는 선택적 원소로서 사용될 수도 있다. 또한, 이는 본 발명에 따른 강의 고온 내부식성을 향상시킨다. 하지만, 크롬은 적층 결함 에너지를 감소시키므로, 그 함량은 3.0 % 를 초과해서는 안되고, 바람직하게는 0.1 % ~ 2.0 % 또는 0.1 ~ 1.0 % 이여야 한다. 다른 실시형태에서, 크롬의 양은 0.1 % 미만이다.
마찬가지로, 선택적으로 3.0 % 를 초과하지 않는 함량을 갖는 구리의 첨가는 구리 풍부 침전물의 침전에 의해 강을 경화시키는 일 수단이다. 하지만, 이러한 함량을 초과하면, 구리는 열간 압연된 시트의 표면 결합의 출현을 초래한다. 바람직하게는, 구리의 양은 0.1 ~ 2.0 % 또는 0.1 ~ 1.0 % 이다. 다른 실시형태에서, 크롬의 양은 0.1 % 미만이다.
붕소는 매우 낮은 고용도 및 결정립계에서 분리되려는 강력한 경향을 가져서, 격자 결합과 강하게 상호 작용한다. 따라서, 붕소는 입내 kappa 카바이드의 침전을 제한하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 붕소의 양은 0.1 % 미만이다.
니오븀은 이것이 효과적인 결정 미세화제이므로 강 내에서 강도 및 인성을 동시에 증가시킬 수 있다. 또한, 탄탈럼, 지르코늄, 니오븀, 바나듐, 티타늄, 몰리브덴 및 텅스텐은 또한 니트라이드, 카보니트라이드 또는 카바이드의 침전에 의해 경화 및 보강을 달성하기 위해 선택적으로 사용될 수도 있는 원소들이다. 하지만, 그들의 누적된 양이 2.0 % 초과, 바람직하게는 1.0 % 초과일 때, 과도한 침전이 인성의 감소를 유발하는 위험이 있고, 이는 회피되어야 한다.
본 발명에 따른 강 시트의 미세조직은 선택적으로 최대 3 % 의 kappa 카바이드, 선택적으로 최대 10 % 의 과립형 페라이트, 및 오스테나이트로 만들어진 잔부를 포함한다.
오스테나이트계 매트릭스는 6 ㎛ 미만, 및 바람직하게는 4 ㎛ 미만, 더 바람직하게는 3 ㎛ 미만의 평균 결정 크기를 나타내고, 또한 1.5 ~ 6, 바람직하게는 2.0 ~ 4.0, 및 더 바람직하게는 2.0 ~ 3.0 의 평균 종횡비를 가진다.
켄칭 동안, 오스테나이트 결정에서 가능한 조절은 L'12 정렬의 시작, 따라서 입내 kappa 카바이드의 존재를 나타낼 수도 있다. 그러므로, kappa 카바이드 (Fe,Mn)3AlCx 는 본 발명에 따른 강 시트의 미세조직에서 면적 분율에 있어서 최대 3 % 의 양으로 존재할 수 있다. 입내 kappa 카바이드의 존재는 이러한 입내 조대한 kappa 카바이드가 강의 연성을 감소시킬 수도 있으므로 허용되지 않는다.
또한, 페라이트는 본 발명에 따른 강의 미세조직에서 면적 분율에 있어서 최대 10.0 %, 바람직하게는 최대 5.0 % 또는 더 바람직하게는 최대 3.0 % 의 양으로 존재할 수 있다. 하지만, 페라이트의 형태학은 과립형 기하학적 형상으로 제한되어, 밴드 형태의 페라이트를 배제하는데, 왜냐하면 이것이 강의 연성 및 성형성을 대폭 저하시키기 때문이다. 존재할 경우, 페라이트 결정은 5 ㎛ 미만, 바람직하게는 1 ㎛ 미만의 평균 결정 크기를 가진다. 존재할 경우, 페라이트의 평균 종횡비는 3.0 미만, 바람직하게는 2.5 미만이다. 이러한 페라이트는 레귤러 무질서 페라이트 (regular disorded ferrite) α 의 형태 하에 있거나 (Fe,Mn)Al 조성을 갖는 B2 구조로서 또는 (Fe,Mn)3Al 조성을 갖는 D03 구조로서 정렬될 수 있어서, α, B2 및 D03 구조는 본 발명에 따른 강에서 관찰될 수 있다.
본 발명에 따른 강 시트를 부식으로부터 보호하기 위하여, 바람직한 실시형태에서, 강 시트는 금속 코팅에 의해 덮인다. 금속 코팅은 알루미늄계 코팅 또는 아연계 코팅일 수 있다.
바람직하게는, 알루미늄계 코팅은 15 % 미만의 Si, 5.0 % 미만의 Fe, 선택적으로 0.1 ~ 8.0 % 의 Mg 및 선택적으로 0.1 ~ 30.0 % 의 Zn, Al 인 잔부를 포함한다.
유리하게는, 아연계 코팅은 0.01 ~ 8.0 % 의 Al, 선택적으로 0.2 ~ 8.0 % 의 Mg, Zn 인 잔부를 포함한다.
본 발명에 따른 강 시트는 임의의 적절한 제조 방법에 의해 제조될 수 있고, 또한 당업자는 이것을 규정할 수 있다. 하지만, 이하의 단계들을 포함하는 본 발명에 따른 방법을 사용하는 것이 바람직하다:
- 조성물이 본 발명을 따르는 슬래브를 공급하는 단계;
- 1000 ℃ 초과의 온도에서 상기 슬래브를 재가열하고, 이것을 적어도 800 ℃ 의 최종 압연 온도로 열간 압연하는 단계;
- 350 ℃ 초과의 온도에서 열간 압연된 강 시트를 코일링하는 단계;
- 이러한 열간 압연된 강 시트를 30 ~ 80 % 의 압하율로 냉간 압연하는 단계;
- 냉간 압연된 강 시트를 700 ~ 1000 ℃ 의 어닐링 온도까지 가열하고, 이것을 이러한 온도에서 5 분 미만 동안 유지시키고, 또한 이것을 적어도 30℃/s 의 속도로 냉각시킴으로써 상기 냉간 압연된 강 시트를 어닐링하는 단계.
본 발명에 따른 강 시트는 바람직하게는 전술한 조성을 가지는 본 발명에 따른 강으로 만들어진 스트립, 얇은 슬래브 또는 슬래브와 같은 반제품이 주조되는 방법을 통해 제조되고, 주조 투입 원료 (cast input stock) 는 중간 냉각 없이 1000 ℃ 초과, 바람직하게는 1050 ℃ 초과, 및 더 바람직하게는 1100℃ 또는 1150℃ 초과의 온도로 가열되거나 주조 후에 이러한 온도에서 직접적으로 사용된다.
최종 열간 압연 단계는 800 ℃ 초과의 온도에서 수행된다. 밴드형 페라이트의 형성에 의해 연성의 부족을 통한 임의의 균열 문제를 회피하기 위하여, 압연 종료 온도는 바람직하게는 850℃ 이상이다.
열간 압연 후에, 스트립은 600 ℃ 미만 및 바람직하게는 350 ℃ 초과의 온도에서 코일링되어야 한다. 바람직한 실시형태에서, 코일링은 과도한 kappa 카바이드 침전물을 회피하기 위하여 350 ~ 450 ℃ 에서 수행된다.
전술한 프로세스에 의해 얻어진 열간 압연된 제품은, 가능한 사전 산세 작업이 통상의 방법으로 수행된 후에 냉간 압연된다.
냉간 압연 단계는 30 ~ 80 %, 바람직하게는 50 ~ 70 % 의 압하율로 수행된다.
이러한 압연 단계 후에, 시트를 700 ~ 1000 ℃ 의 어닐링 온도까지 가열하고, 이것을 이러한 온도에서 5 분 미만 동안 유지시키고, 또한 이것을 적어도 30℃/s, 더 바람직하게는 적어도 50℃/s 및 훨씬 더 바람직하게는 적어도 70℃/s 의 속도로 냉각시킴으로써 짧은 어닐링이 수행된다. 바람직하게는, 이러한 어닐링은 연속적으로 수행된다. 어닐링 온도 및 시간을 제어함으로써, 상기한 특성들을 가지는 2 상 구조 또는 완전 오스테나이트가 얻어질 수 있다.
이러한 어닐링 단계 후에, 강 시트는 선택적으로 부식에 대한 보호를 향상시키기 위해 금속 코팅 작업에 제공될 수도 있다. 사용된 코팅 프로세스는 본 발명의 강에 적합한 임의의 프로세스일 수 있다. 전해 또는 물리 증기 증착이 Jet Vapor Deposition 에 특히 중점을 주고서 인용될 수 있다. 예를 들어, 금속 코팅은 아연 또는 알루미늄을 기반으로 할 수 있다.
실시예
조성이 표 1 에 수집되는 9 개의 그레이드들이 슬래브에서 주조되었고, 또한 표 2 에 수집되는 프로세스 파라미터에 따라 처리되었다.
표 1 - 조성
Figure pct00001
표 2 - 프로세스 파라미터
Figure pct00002
최종 샘플들은 그런 다음 분석되었고, 대응하는 미세조직 원소들 및 기계적 특성들이 표 3 및 표 4 에서 각각 수집되었다.
표 3 - 미세조직
Figure pct00003
어떠한 샘플들도 입내 kappa 카바이드 또는 β-Mn 상의 존재를 나타내지 않았다.
표 4 - 특성
Figure pct00004
실시예들은, 본 발명에 따른 강 시트가 특정 조성 및 미세조직 덕분에 목표 특성을 나타내는 유일한 것임을 보여준다.

Claims (14)

  1. 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트로서,
    0.6 ≤ C ≤ 1.3 중량%,
    15.0 ≤ Mn ≤ 35 중량%,
    5 ≤ Al ≤ 15 중량%,
    Si ≤ 2.40 중량%,
    S ≤ 0.03 중량%,
    P ≤ 0.1 중량%,
    N ≤ 0.1 중량%,
    가능하게는 각각 최대 4.0 %, 최대 3.0 % 및 최대 3.0 % 의 양으로 Ni, Cr 및 Cu 중에서 선택된 하나 이상의 선택적 원소들, 및 가능하게는 최대 2.0 % 의 누적된 양으로 B, Ta, Zr, Nb, V, Ti, Mo 및 W 중에서 선택된 하나 이상의 원소들, 철 및 세공 (elaboration) 으로부터 기인하는 불가피한 불순물로 만들어진 조성물의 잔부를 포함하고, 상기 강 시트의 미세조직은 선택적으로 최대 3 % 의 kappa 카바이드, 선택적으로 최대 10 % 의 과립형 페라이트를 포함하고, 잔부는 오스테나이트로 만들어지고, 상기 오스테나이트의 평균 입자 크기 및 평균 종횡비는 각각 6 ㎛ 미만 및 1.5 ~ 6 이고, 상기 페라이트의 평균 입자 크기 및 평균 종횡비는, 존재할 경우, 각각 5 ㎛ 미만 및 3.0 미만인, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    탄소 함량은 0.8 ~ 1.0 % 인, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    망간 함량은 20 ~ 30 % 인, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    알루미늄 함량은 8.5 ~ 10 % 인, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 시트는 적어도 900 MPa 의 최대 인장 강도, 적어도 700 MPa 의 항복 강도, 및 적어도 28 % 의 균일 연신율을 가지는, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강 시트는 금속 코팅에 의해 덮이는, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 강 시트는 알루미늄계 코팅 또는 아연계 코팅에 의해 덮이는, 냉간 압연 및 어닐링된 강 시트.
  8. 강 시트를 제조하는 방법으로서,
    - 조성이 제 1 항 내지 제 4 항을 따르는 슬래브를 공급하는 단계,
    - 상기 슬래브를 1000 ℃ 초과의 온도에서 재가열하고, 이것을 적어도 800 ℃ 의 최종 압연 온도로 열간 압연하는 단계,
    - 열간 압연된 강 시트를 600 ℃ 미만의 온도에서 코일링하는 단계,
    - 열간 압연된 강 시트를 30 ~ 80 % 의 압하율로 냉간 압연하는 단계,
    - 냉간 압연된 강 시트를 700 ~ 1000 ℃ 의 어닐링 온도까지 가열하고, 이것을 5 분 미만 동안 상기 온도에서 유지시키고, 또한 이것을 적어도 30 ℃/s 의 속도로 냉각시킴으로써, 냉간 압연된 강 시트를 어닐링하는 단계
    를 포함하는, 강 시트를 제조하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    어닐링 온도는 800 ~ 950 ℃ 인, 강 시트를 제조하는 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    코일링 온도는 350 ~ 500 ℃ 인, 강 시트를 제조하는 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    추가로 최종 코팅 단계를 포함하는, 강 시트를 제조하는 방법.
  12. 차량의 구조 또는 안전 부품을 제조하기 위한, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 강 시트 또는 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 강 시트를 제조하는 방법에 따라 얻을 수 있는 강 시트의 용도.
  13. 강 시트의 플렉시블 압연 (flexible rolling) 에 의해 얻어지는 제 12 항에 따른 부품.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 따른 부품을 포함하는 차량.
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