KR20190001226A - 핫 스탬핑 강 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 개시의 일 측면에 따른 핫 스탬핑 강은, 중량%로, 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하되, 핫 스탬핑 후 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타낸다.
Description
본 발명은 강재 및 그 재조방법에 관한 것으로, 특히 자동차용 충돌 부재로 사용될 수 잇는 초고강도 핫 스탬핑 강 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 업계는 차체 경량화 및 충돌법규 강화 트렌드에 따라 자동차 시장의 수요를 반영하여 자동차용 초고강도강의 개발을 선도하고 있다. 현재로서는 용접성, 성형성, 도장성 및 내수소지연 파괴성을 가지는 양호한 1,500MPa 이상의 인장 강도를 가지는 박판의 초고강도 강이 범퍼 빔과 같은 충돌특성 강화 목적 자동차 부품 제조에 있어서 해당 강종에 대해 수요가 있다.
탄소 함유량은 마르텐사이트 강의 최대 인장 강도를 결정할 때 가장 중요한 인자가 되고 있으며 1,500MPa급의 최대 인장 강도를 가지는 마르텐사이트강 합금이 개발되고 있다. 핫 스탬핑 강의 경우, 핫 스탬핑 전에는 60K급 펄라이트 + 페라이트의 조직을 갖지만, 고온에서 열간 성형 및 금형 냉각 후에는 풀(full) 마르텐사이트 조직을 갖는 1,500∼2,200MPa의 최대 인장 강도, 5% 이상의 연신율을 갖는 강종이다. 하지만, 알루미늄(Al) 도금 및 고강도 마르텐사이트 강의 경우, 핫 스탬핑 제조 환경 중 유입된 잔류 수소에 의한 수소지연파괴 발생이 우려된다고 보고되고 있기 때문에, 1500MPa급 열간성형 핫 스탬핑 강의 성분 및 미세조직 최적화를 통해 수소지연파괴 특성에 우수한 고강도 마르텐사이트 강의 개발이 필요하다.
이에 관련된 기술로는 대한민국 특허공개공보 제2009-0115090호(2009.11.26 공개, 내수소취화 특성 및 가공성이 우수한 초고강도 강판과 그의 제조방법)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 첨가 원소 및 열연 조건 최적화를 통해 조직 균일화 및 미세 석출물을 제어함으로써 수소지연파괴 저항성이 향상된 고강도 핫 스탬핑 강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 핫 스탬핑 강은, 중량%로, 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하되, 핫 스탬핑 후 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 티타늄(Ti)은 전체의 0.003~0.1중량%가 포함된 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 핫 스탬핑 강의 제조방법은, (a) 중량%로 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1,100℃~1,300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계, (b) 상기 재가열된 주편을 마무리압연 온도 800℃ ~ 950℃인 온도에서 열간 압연하여 강판을 제조하는 단계, (c) 상기 열간 압연에 의해 형성되는 강판을 권취온도 600 ~ 800℃까지 냉각하고 상기 권취온도에서 권취하는 단계, (d) 상기 권취된 판재를 언코일링하고 냉간 압연하는 단계, (e) 상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계, 및 (f) 상기 열처리된 판재를 핫 스탬핑하는 단계를 포함하되, 상기 판재는 핫 스탬핑 후에 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열간압연하는 단계에서 30 ~ 60%의 압하율로 진행하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계는, 700 ~ 900℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 1,500MPa 이상의 초고강도 핫 스탬핑 강에 대해 첨가 원소 및 열연 조건 최적화를 통해 조직 균일화 및 미세 석출물 제어를 이룸으로써, 수소지연파괴 저항성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 핫 스탬핑 강의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정흐름도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 핫 스탬핑 후 미세조직 분석 결과를 나타낸 전자현미경(TEM) 사진들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물 분석 결과를 도시한 TEM 사진들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물을 비교한 도면이다.
도 5는 티타늄(Ti) 함량에 따른 연신율 변화를 비교하여 도시한 그래프이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 핫 스탬핑 후 미세조직 분석 결과를 나타낸 전자현미경(TEM) 사진들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물 분석 결과를 도시한 TEM 사진들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물을 비교한 도면이다.
도 5는 티타늄(Ti) 함량에 따른 연신율 변화를 비교하여 도시한 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명을 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 본 명세서에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다. 본 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
자동차용으로 개발되는 강판은 고강도와 함께 높은 수소지연파괴 저항성과 저온인성이 요구된다. 수소지연파괴는 수소 취성의 한 형태로, 파단이 발생하는 강도보다 낮은 강도에서 파괴가 나타나는 현상을 의미한다. 즉, 하중시험에 의해 구한 파괴강도에 비해 아주 작은 응력에서도 상온에서 장시간 응력이 가해지면 재료가 파괴되는 것이다.
본 발명의 발명자들은 1,500MPa 이상의 초고강도 핫 스탬핑 강에 대해 첨가 원소 및 열연 조건 최적화를 통한 조직 균일화 및 미세 석출물 제어를 이룸으로써, 수소지연파괴 저항성을 향상시켰다. 즉, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V) 등의 첨가량의 상향을 통해 미세 석출 탄화물 유도를 통하여 수소지연파괴에 문제가 되는 비화학산성 트래핑(trapping) 미세조직영역을 증가시킴으로써 지연파괴 특성을 개선하였다. 결론적으로, 조직 균일화 및 미세석출 유도를 통하여 초고강도강의 수소지연파괴 저항성을 향상시켰으며, 열간성형 기법을 통해 최종 핫 스탬핑 강의 우수한 수소지연파괴 저항성을 갖는 초고강도강의 개발을 제안하였다.
이하 설명하는 본 발명의 실시예는 적절한 합금 성분 설계 및 조직 제어를 통해, 수소취성 저항성이 우수하면서도 고강도, 고연신율을 확보할 수 있는 강재 및 제조 방법을 제시한다.
핫 스탬핑 강
본 발명의 일 관점은 우수한 수소지연파괴 특성을 갖는 핫 스탬핑 강에 관한 것이다. 본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 강은 중량%로 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 강의 필수 합금 조성에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다(이하, 제시되는 함량은 전체 강재에 대한 중량%로, 간략히 "%"로만 기재함).
탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%
탄소(C)는 강재의 강도 확보를 위해 첨가된다. 탄소(C)는 강판에 고강도를 부여하기 위한 불가결한 원소로서, 강판의 담금질성을 높이고, 담금질 후 강도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소(C)의 함유량과 제조방법에 따라 소재 조직 내부에서 고용탄소가 되기도 하고, 탄소(C)와 결합하려는 성질이 아주 높은 원소들과 결합하여 탄화물을 형성하게 된다. 탄소(C)의 함유량은 0.1% 이상으로 설정하되, 탄소(C)의 함유량이 과잉되면 수소취성 저항성이 저하된다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 탄소(C)는 전체 강재 중량의 0.10 ∼ 0.35%로 첨가되는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%
실리콘(Si)은 고용 강화 원소로서, 강판의 강화에 기여하고 연성의 개선에 유요한 원소이다. 또한, 수소취성에 의한 균열의 기점이 되는 세멘타이트의 생성을 억제하는 작용을 한다. 실리콘(Si)은 전체 강재 중량의 0.01% ~ 0.5%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.01% 미만인 경우, 상술한 실리콘(Si) 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 한편, 실리콘(Si)의 함량이 0.5%를 초과하는 경우, 강 표면에 산화물을 형성하여 강의 용접성 등을 저하시킬 수 있다.
망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소이다. 이러한 작용을 효과적으로 발휘하기 위해서 망간(Mn)은 전체 강재 중량의 1.0 ~ 3.0%로 첨가된다. 망간(Mn)의 함량이 1.0% 미만일 경우, 강도 확보에 어려움이 있을 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 3.0%를 초과하는 경우, 강도는 증가하나 편석이 발생하여 조직 불균일을 발생시킬 수 있다.
인(P): 0.1% 이하
인(P)은 입계에 편석됨으로써 입계취성을 촉진시키는 원소이기 때문에 최소화되어야 하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 실시예에서, 인(P)은 전체 강재 중량의 0.1% 이하로 함유량을 제어한다.
황(S): 0.01% 이하
황(S)은 강판의 담금질성을 높여 담금질 후의 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖지만, 부식환경에서 강재로의 수소 흡수를 조장하며, 수소취성에 의한 균열의 기점이 되는 MnS과 같은 황화물을 형성하기 때문에 최소화하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 황(S)은 전체 강재 중량의 0.01% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
크롬(
Cr
): 0.1 ∼ 2.0%
크롬(Cr)은 소입성을 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 크롬(Cr)은 오스테나이트의 안정화, 탄화물 석출에 유효한 원소이다. 이러한 효과를 유효하게 발휘하기 위해서는 크롬(Cr)의 함량은 0.1 2.0%로 제어하는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합:0.001∼0.11%
티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)은 탄화물 생성 원소이고, 석출물을 생성시켜 핫 스탬핑, 담금질한 강재의 강도를 확보하는 데 기여한다. 또한, 이들은 Fe-Mn계 복합 산화물에 함유되고, 수소와의 결합 에너지가 높아 내지연파괴 특성 향상에 유효한 수소 트랩 사이트로서 기능하여 수소의 강 내 확산을 방지하여 내수소지연 파괴성을 개선하는 데 필요한 원소이다. 이 원소들 중 1종 또는 2종 이상을 첨가할 수 있다. 첨가량 합계가 0.11%를 초과하면 항복 강도의 상승이 과도하게 커지고, 0.001% 미만이면 강도 향상 및 수소 트랩 사이트로서의 효과가 발휘되기 어렵다. 따라서, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)은 1종 또는 2종 이상의 합계가 강재의 중량의 0.001 ∼ 0.11%로 첨가되는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배재할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 언급하지는 않는다.
핫 스탬핑 강의 제조방법
본 발명의 일 관점에 따른 수소지연 파괴성이 우수한 핫 스탬핑 강의 제조방법에 대하여 설명한다.
수소취성 민감성을 제어하는 방법으로는 첫째, 조직의 미세화 및 균일성 확보, 둘째, 인(P), 보론(B)과 같은 입계 편석 성분의 제어, 셋째, 수소와 결합에너지가 높은 트래핑(trapping)을 생성하는 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 질소(N), 몰리브덴(Mo) 등의 성분 첨가, 넷째, 석출물의 크기, 형상, 분포 영향, 다섯째, 잔류 응력, 부품 생산시 환경의 조성, 여섯째, 표면에서 수소 혼입을 억제하는 도금이나 코팅층을 형성하는 기술 등이 있다. 그러나 이러한 기술들은 상호 연관이 되어 있고, 성상, 크기, 분포에 따른 영향이 성분마다 다르기 때문에 강재 설계기술은 매우 복잡하다. 본 발명에서는 인장강도 1,500MPa급 핫 스탬핑 강에 대해 첨가 성분 및 열처리 조건 최적화를 통해 수소민감성은 낮추면서도 재질은 확보할 수 있었다.
도 1은 본 발명에 따른 핫 스탬핑 강의 제조방법을 개략적으로 나타내는 공정흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 관점에 따른 핫 스탬핑 강의 제조 방법은 열간압연 단계(S110), 냉각/권취 단계(S120), 냉간압연 단계(S130), 소둔 열처리 단계(S140) 및 핫 스탬핑 단계(S150)를 포함한다. 도면에 도시되지는 않았지만, 열간압연 단계(S110) 이전에 실시되는 슬라브 재가열 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 슬라브 재가열 단계는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위해서는 실시하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 핫 스탬핑 부품의 제조방법에서, 열연공정의 대상이 되는 반제품 상태의 슬라브 판재는, 중량%로, 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn) : 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함한다.
슬라브 재가열 단계에서는 연속 주조 공정을 통해 확보한 슬라브 판재를 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature; SRT): 1,100℃~1,300℃에서 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용하게 된다. 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1,100℃ 미만일 경우에는 가열온도가 충분하지 않아 상기 편석 성분 및 석출물의 재고용이 충분하게 일어나지 않을 수 있다. 또한, 압연 부하가 커지는 문제가 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도가 1,300℃를 초과할 경우, 오스테나이트 결정립이 조대화되거나 또는 탈탄 현상이 발생하여 강도를 저해할 수 있다.
열간 압연 단계(S110)
열간압연 단계(S110)에서는 재가열 및 용융된 슬라브를 최종 두께의 강판 형상으로 열간압연한다. 상기 열간압연은 마무리 압연 온도(Finishing Delivery Temperature: FDT): 800℃ ~ 950℃에서 진행될 수 있다. 마무리 압연 온도(FDT)가 950℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되어 변태후 페라이트 결정립 미세화가 충분히 이루어지지 않으며, 이에 따라 강도 확보가 어려워질 수 있다. 반대로, 마무리 압연 온도가 800℃ 미만으로 실시될 경우에는 압연 부하를 유발하여 생산성을 저하시키고 열처리 효과를 저감시킬 수 있다.
냉각/권취 단계(S120)
냉각/권취 단계(S120)에서는 강판의 충분한 강도 및 인성을 확보하기 위해, 열간 압연된 판재를 권취 온도(Coiling Temperature: CT): 600 ~ 800℃까지 냉각하여 권취한다. 권취 온도는 탄소(C)의 재분배에 영향을 미치며, 권취 온도가 600℃ 미만일 경우에는 강도 확보에는 유리하나, 연성이 급격히 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 권취 온도가 800℃를 초과할 경우에는 이상 결정입자 성장이나 과도한 결정입자 성장으로 성형성 및 강도 열화가 발생하는 문제가 있다. 냉각 속도는 5 ~ 50℃/sec로 실시할 수 있다. 일 예로, 냉각은 상온까지 자연 냉각 방식으로 수행되는 공냉이 이용될 수 있다.
상기 권취온도는 600℃ ~ 800℃가 바람직하다. 본 발명에서는 권취온도를 600℃ ~ 800℃ 정도로 설정함으로써 니오븀(Nb) 석출물의 충분한 석출 시간을 확보하여 석출물이 고르게 분포되도록 한다.
냉간 압연 단계(S130)
냉간 압연 단계(S130)에서는 권취된 판재를 언코일링(uncoiling)하여 산세 처리한 후, 냉간 압연한다. 이때, 산세는 권취된 판재, 즉 상기의 열연과정을 통하여 제조된 열연 코일의 스케일을 제거하기 위한 목적으로 실시하게 된다.
냉간 압연은 산세 처리된 판재를 냉간 압하율: 30 ~ 60%로 냉간 압연하는 것이 바람직하다. 냉간 압하율이 30% 미만일 경우에는 열연 조직의 변형효과가 작다. 반대로, 냉간 압하율이 60%를 초과하는 경우에는 냉간 압연에 소요되는 비용이 상승할 뿐만 아니라, 드로잉성을 저해하고 강판의 가장자리에 균열의 발생으로 강판이 파단되는 문제를 야기할 수 있다.
소둔 단계(S140)
다음으로, 소둔 단계(S140)는 상기 냉연 판재를 소둔 열처리하는 단계이다. 일 예에서 소둔 열처리는 냉연 판재를 가열하고, 가열된 냉연 판재를 5~100℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다. 일 예에서, 소둔 열처리시 냉연 판재를 700~900℃에서 가열할 수 있다. 상기 범위로 가열시 공정 효율성과, 강재의 강도 및 성형성이 동시에 우수할 수 있다.
냉연 판재를 5℃/s 미만의 냉각속도로 냉각시 강재의 생산성이 저하되며, 100℃/s를 초과하는 냉각속도로 냉각시 강재의 균일한 미세 조직의 확보가 어려울 수 있다.
핫 스탬핑 단계(S150)
핫 스탬핑 단계(S150)에서는 소둔 열처리된 판재를 TWB 공정을 통해 접합강재를 형성하고, 이를 핫 스탬핑하여 핫 스탬핑 부품을 제조한다. 보다 구체적으로, 일 예에 의하면, 상기 핫 스탬핑 단계(S150)는 소둔 열처리된 판재를 목적에 따라 원하는 형상으로 재단하여 상이한 강도의 두 개의 블랭크를 형성하는 단계와, 블랭크를 TWB 방식으로 용접하여 접합강재를 형성하는 단계와, 접합강재를 공냉한 후 프레스 금형으로 이송하는 단계와, 프레스 금형 내로 이송된 블랭크를 핫 스탬핑하여 중간 성형체를 형성한 후 냉각하는 단계로 세분화될 수 있다.
상기한 과정으로 제조되는 본 발명에 따른 핫 스탬핑 강은 티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb)의 함량을 적절히 제한함으로써 마르텐사이트 패킷 사이즈 감소에 따른 강도 및 인성을 증가시킬 수 있으며, 페라이트 영역의 안정적 확보를 통해 연신율을 증가시킬 수 있다. 또한, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 크롬(Cr)의 첨가로 인한 미세석출로 효과적으로 고온에서 어닐링 및 고온 권취함으로써 미세 석출을 유도할 수 있었다. 특히, 미세 석출물과 균질조직의 확보는 수소취성에 효과적인 것으로 알려져 있다. 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 크롬(Cr) 탄화물은 소자의 구조를 수정 및 탄화물의 형성에 의해 내 수소취화 특성 향상에 기여한다.
페라이트+펄라이트 미세 구조를 형성하기 위해서는, 페라이트의 재결정을 억제해야 하는데, 이는 페라이트의 재결정 온도가 상승할 경우 억제될 수 있다. 그 이유는, 상 변태가 2상 영역으로 진입하는 경우, 냉간압연 후의 강판의 가열에서는 오스테나이트가 생성되고, 페라이트의 재결정이 매우 억제된다는 것이다. 페라이트의 재결정 온도를 높이기 위해서는 티타늄(Ti) 또는 바나듐(V)의 첨가가 효과적이다. 따라서, 본 발명의 핫 스탬핑 강은 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 함량을 적절히 조절함으로써 미세 석출은 물론 페라이트의 재결정 온도를 상승시켜 냉간 압연율을 저하시키고 그 결과 조직의 균일화를 유도할 수 있다. 냉간 압연비를 낮춤으로써, 축적된 변형 에너지가 감소되고 재결정의 구동력이 감소하고, 재결정 온도가 상승한다는 것이다. 최종 냉간압연 이후 핫 스탬핑 조건에 따라, 냉연재(페라이트+펄라이트)를 오스테나이트 형성 온도까지 가열 후 일정 시간 유지한 후, 금형 냉각을 함으로써 핫 스탬핑재(마르텐사이트)로 목표 물성에 부합하는 초고강도 핫 스탬핑 강을 제조할 수 있다.
이하에서는, 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. 또한, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
표 1의 성분과 잔량의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 비교예 및 실시예의 시편의 강 슬라브를 슬라브 재가열 온도: 1,300℃에서 재가열 하고, 마무리 압연 온도: 880℃ 조건에서 열간 압연한 다음, 냉각하여 권취온도: 740℃ 조건에서 권취하여 열연 코일을 제조하였다. 상기 열연 코일을 언코일링한 다음, 냉간 압연하여 냉연 판재를 제조하고, 냉연 판재를 820℃까지 가열한 다음, 33℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 소둔 열처리를 하여 핫 스탬핑 강재를 제조하였다. 특히, 수소와의 결합 에너지가 높아 강 내 수소의 확산을 방지하여 임계 수소 포화시간을 지연시킬 것으로 예상되는 티타늄(Ti)의 함량을 비교예의 0.02중량%와 실시예의 0.03중량%로 하여 진행하였다.
| 구분 | C | Si | Mn | Cr | Ti | P | S |
| 비교예 | 0.23 | 0.25 | 1.2 | 0.2 | 0.02 | 0.01 | 0.005 |
| 실시예 | 0.23 | 0.25 | 1.2 | 0.2 | 0.03 | 0.01 | 0.005 |
다음에, 상기 실시예 및 비교예의 강재로 이루어진 블랭크들을 레이저 용접하여 실시예 및 비교예에 따른 접합강재를 각각 제조하고, 각각의 접합강재를 900℃에서 5분간 가열한 다음, 상기 가열된 접합강재를 열간 프레스용 금형에 이송하여 열간 프레스 성형하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 100℃/s의 냉각속도로 냉각하여 최종 핫 스탬핑 부품을 각각 제조하였다.
2. 기계적 물성 평가
상기 핫 스탬핑용 강에 대해, 핫 스탬핑 공정을 실시하기 전의 실시예 및 비교예의 시편에 대해 인장강도(MPa), 항복강도(MPa) 및 연신율(%)을 측정하고, 이후 핫 스탬핑 공정을 실시하여 제조된 성형체에 대하여 각각 항복강도(MPa), 인장강도(MPa) 및 연신율(%)을 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
| 핫 스탬핑 전 | 핫 스탬핑 후 | |||
| 비교예 | 실시예 | 비교예 | 실시예 | |
| YP(MPa) | 363 | 358 | 1168 | 1206 |
| TS(MPa) | 523 | 523 | 1692 | 1704 |
| EL.(%) | 30 | 30 | 4.1 | 6.0 |
위 표 2에 제시된 바와 같이, 본 발명의 실시예와 비교예를 비교하면, 본 발명의 실시예의 경우 핫 스탬핑 후 항복강도(YP), 인장강도(TS) 및 연신율(EL) 모두 비교예에 비해 증가하였음을 알 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 핫 스탬핑 후 미세조직 분석 결과를 나타낸 전자현미경(TEM) 사진들이다. 구체적으로, 도 2a는 티타늄(Ti) 함량이 0.02중량%인 비교예의 미세 조직 TEM 사진들이고, 도 2b는 티타늄(Ti) 함량을 0.03중량%로 상향한 본 발명의 실시예의 미세 조직 TEM 사진들이다. 도 2a 및 도 2b에서, 좌측(a)은 핫 스탬핑 전 페라이트-펄라이트 조직을, 가운데(b)는 핫 스탬핑 후의 풀(full) 마르텐사이트 조직을, 그리고, 우측(c)은 후(prior) 오스테나이트 조직 측정을 각각 나타낸다.
도 2a 및 도 2b에 제시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 경우 티타늄(Ti) 함량의 상향에 따라 그레인 사이즈(grain size)가 비교예에 비해 더욱 미세화되고 미세조직이 더욱 균질화되었음을 알 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물 분석 결과를 도시한 TEM 사진들이다. 그리고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 비교예 및 실시예의 미세 석출물을 비교한 도면이다. 구체적으로, 도 3a는 티타늄(Ti) 함량이 0.02중량%인 비교예의 미세 석출물 분석 결과를 도시한 TEM 사진들이고, 도 3b는 티타늄(Ti) 함량을 0.03중량%로 상향한 본 발명의 실시예의 미세 석출물 분석 결과를 도시한 TEM 사진들이다.
도 3a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 티타늄(Ti) 함량의 증가에 따라 미세 석출물, 즉 티타늄 카바이드(TiC)의 분포량이 증가하였음을 알 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 티타늄(Ti) 함량에 따른 수소취성 영향성을 도시한 그래프들로서, 도 4a는 티타늄(Ti) 함량이 0.02중량%인 비교예의 수소주입 시간에 따른 연신율 및 인장강도 변화를, 그리고 도 4b는 티타늄(Ti) 함량이 0.03중량%인 본 발명의 실시예의 수소주입 시간에 따른 연신율 및 인장강도 변화를 각각 도시한 그래프이다. 그리고, 도 5는 티타늄(Ti) 함량에 따른 연신율 변화를 비교하여 도시한 그래프로서, 참조번호 510은 비교예의 그래프이고, 520은 실시예의 그래프이다.
보다 구체적으로, 티타늄(Ti) 함량에 따른 수소취성 영향성을 알아보기 위해 수소 음극 충전(Hydrogen cathodic charging) 및 SSRT(slow strain rate tensile) 테스트를 실시하였다. 테스트를 위하여, 3%의 NaCl과 0.3%N의 H4SCN 혼합용액 내에 비교예 및 실시예의 시편이 포함된 음극(캐소드)과 애노드를 침지한 후 5 mA/cm2 의 전류밀도로 수소를 전기화학적으로 주입하면서 시간에 따른 시편의 인장강도 및 연신율의 변화를 측정하였다. 그 결과, 도 4a, 도 4b 및 도 5에 도시된 바와 같이, 전기화학적 주소주입 후 실시한 SSRT 테스트에서 티타늄(Ti)의 함량이 증가함에 따라 시편의 연신율 저하가 감소하였으며, 이에 따라 티타늄(Ti)의 함량이 증가함으로써 수소취성 저항성이 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 핫 스탬핑 강은 티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb)의 함량을 적절히 조절함으로써 미세 석출은 물론 페라이트의 재결정 온도를 상승시켜 냉간 압연율을 저하시키고 그 결과 조직의 균일화를 유도할 수 있다. 냉간 압연비를 낮춤으로써, 축적된 변형 에너지가 감소되고 재결정의 구동력이 감소하였으며, 재결정 온도가 상승한다. 따라서, 최종 냉간압연 이후 핫 스탬핑 공정에 의해 냉연재(페라이트+펄라이트)를 오스테나이트 형성 온도까지 가열 후 일정 시간 유지한 후, 금형 냉각을 함으로써 핫 스탬핑재(마르텐사이트)로서의 목표 물성에 부합하는 초고강도 핫 스탬핑 강을 제조할 수 있다.
또한, 티타늄(Ti) 함량의 조절에 따라 입계를 강화하고 미세 석출물 분포를 증가시키며, 연신율 저하 감소 및 수소취성 저항성을 향상시킬 수 있다.
또한, 표 2에 제시된 바와 같이, 본 발명의 핫 스탬핑 강은 핫 스탬핑 후 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타냄으로써 차량용 충돌부재로서 적합하다고 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 열간압연 단계
S120 : 냉각/권취 단계
S130 : 냉간압연 단계
S140 : 소둔 열처리 단계
S150 : 핫 스탬핑 단계
S120 : 냉각/권취 단계
S130 : 냉간압연 단계
S140 : 소둔 열처리 단계
S150 : 핫 스탬핑 단계
Claims (5)
- 중량%로, 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하되,
핫 스탬핑 후 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타내는,
핫 스탬핑 강.
- 제1항에 있어서,
상기 티타늄(Ti)은 전체의 0.003~0.1중량%가 포함된,
핫 스탬핑 강.
- (a) 중량%로 탄소(C): 0.10 ∼ 0.35%, 실리콘(Si): 0.01 ∼ 0.5%, 망간(Mn): 1.0 ∼ 3.0%, 인(P): 0.1%이하, 황(S): 0.01%이하, 크롬(Cr): 0.1 ∼ 2.0%, 티타늄(Ti), 니오븀(Nb), 바나듐(V)의 1종 또는 2종 이상의 합: 0.001 ∼ 0.11%, 나머지 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1,100℃~1,300℃의 온도범위에서 재가열하는 단계;
(b) 상기 재가열된 주편을 마무리압연 온도 800℃ ~ 950℃인 온도에서 열간 압연하여 강판을 제조하는 단계;
(c) 상기 열간 압연에 의해 형성되는 강판을 권취온도 600 ~ 800℃까지 냉각하고 상기 권취온도에서 권취하는 단계;
(d) 상기 권취된 판재를 언코일링하고 냉간 압연하는 단계;
(e) 상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계; 및
(f) 상기 열처리된 판재를 핫 스탬핑하는 단계를 포함하되,
상기 판재는 핫 스탬핑 후에 1,200MPa 이상의 항복강도, 1,700MPa 이상의 인장강도 및 6% 이상의 연신율을 나타내는,
핫 스탬핑 강의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 열간압연하는 단계에서,
30 ~ 60%의 압하율로 진행하는 핫 스탬핑 강의 제조방법.
- 제3항에 있어서,
상기 냉간 압연된 판재를 소둔 열처리하는 단계는,
700 ~ 900℃의 온도에서 이루어지는 핫 스탬핑 강의 제조방법.
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