KR20190115024A - 극도로 높은 강도를 갖는 프레스 경화 강 - Google Patents

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에릭 제임스 파블리나
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에이케이 스틸 프로퍼티즈 인코포레이티드
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Abstract

프레스 경화 강(Press hardened steel)은 상응하는 연신율(elongation) 감소 없이 프레스 경화 강 부분(parts)에서 증가된 강도를 나타낸다. 치환 원소(Substitutional elements)가 강 조성물에 포함되어 치환 용질 강화(substitutional solute strengthening) 및 자동템퍼링(autotempering)으로부터 야기되는 연화 감소를 겸비하여 마르텐사이트의 강도를 증가시킨다. 자동템퍼링의 결과로서 연화는 합금 동안 마르텐사이트 개시 (martensite start; Ms) 온도를 억제함으로서 최소화된다. 망간, 크롬, 몰리브덴, 및 니오븀의 다양한 첨가로부터 야기되는 제안된 조성물의 증가된 경화성의 결과로서, 강 조성물은 붕소-비함유 프레스 경화 강을 가능하게 한다.

Description

극도로 높은 강도를 갖는 프레스 경화 강
에리크 제임스 파블린(Erik James Pavlin)
우선권
본 출원은 2017년 3월 1일에 출원된 "극도로 높은 강도를 갖는 프레스 경화 강 및 이의 제조 방법(Press Hardened Steel with Extremely High Strength and Method for Production)"이라는 표제의 미국 가출원 연속 번호 62/465,523에 대한 우선권을 주장하고, 이의 개시내용은 본원에 참조로서 포함된다.
배경
본 출원은, 오스테나이트화 온도로 가열하고, 스탬핑 다이에서 성형하고 켄칭(quenching)하여 최종 부분에서 목적하는 기계적 성질을 성취하는 프레스 경화 강, 열간 성형(hot press forming) 강, 핫스탬핑(hot stamping) 강, 또는 임의의 다른 강의 개선에 관한 것이다. 본 출원에서, 이들은 모두 "프레스 경화 강"으로 언급될 것이다.
프레스 경화 강은 주로 자동차의 구조 부재로서 사용되고, 여기서, 고 강도, 저 중량, 및 개선된 침입 방지성(intrusion resistance)은 자동차 제조업체가 목적하는 것이다.
종래의 프레스 경화 강, 예를 들면, 22MnB5 강은, 증가된 경화성을 위해 붕소와 합금된다. 프레스 경화 강의 강도는 용이하게 강의 탄소 함량을 증가시켜 증가시킬 수 있지만, 그러나, 탄소의 높은 수준은 용접성(weldability)을 감소시키고 강의 파단에 대한 연신율(elongation to fracture)(또한 총 연신율(total elongation)로 언급됨)을 감소시킨다.
선행 기술 프레스 경화 강의 현재 산업 프로세싱은 블랭크(blank) (강판의 조각)를 전형적으로 900 내지 950℃의 범위내인 A3 온도 (오스테나이트화 온도) 초과의 온도로 가열하고, 상기 물질을 상기 온도에서 특정 기간 동안 유지하고, 상기 오스테나이트화된 블랭크를 핫스탬핑 다이에 위치시키고, 상기 블랭크를 목적하는 형태로 성형시키고, 상기 물질을 낮은 온도로 다이에서 켄칭시켜 마르텐사이트가 형성되도록 함을 수반한다. 최종 결과는 높은 최대 인장 강도(ultimate tensile strength) 및 완전한 마르텐사이트계 미세구조를 갖는 물질이다.
선행 기술 프레스 경화 강의 그대로 켄칭된(as-quenched) 미세구조는 완전한 마르텐사이트계이다. 종래의 프레스 경화 강 (예를 들면 22MnB5)은 대략 6 내지 8%의 총 연신율을 가지면서 대략 1500 MPa의 최대 인장 강도를 갖는다.
요지
본 출원의 강은, 치환 용질 강화(substitutional solute strengthening) 및 자동템퍼링(autotempering)으로부터 야기되는 연화의 감소를 겸비하여 강의 강도를 증가시키는 전이 금속 원소를 혼입하는 신규한 합금 전략에 의해 프레스 경화 강에서 강도를 유지 또는 증가시키면서 동시에 낮은 연신율 문제를 해결한다.
도 1은 PMT 848℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4339-1의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 2는 PMT 816℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4339-2의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 3은 PMT 782℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4340-1의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 4는 PMT 759℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4340-2의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 5는 PMT 821℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4341-1의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 6은 PMT 836℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4341-2의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 7은 PMT 821℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4342-1의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
도 8은 PMT 841℃에서 300초 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4342-2의 프레스 경화 강의 광학 현미경 사진을 도시한다.
상세한 설명
본 출원의 프레스 경화 강은 상응하는 연신율 감소 없이 프레스 경화 강 부분의 강도를 증가시킨다. 프레스 경화 강의 강도는 강의 탄소 함량을 증가시킴에 의해 용이하게 증가될 수 있지만, 그러나, 탄소의 높은 수준은 용접성을 감소시키고, 강의 파단에 대한 연신율을 감소시킨다. 본 발명의 합금은 치환 원소(substitutional elements)를 사용하는 신규한 합금 전략을 이용하여 치환 용질 강화 및 자동템퍼링으로부터 야기되는 연화의 감소를 겸비하여 마르텐사이트의 강도를 증가시킨다. 자동템퍼링의 결과로서 연화는 합금 동안 마르텐사이트 개시 (martensite start; Ms) 온도를 억제함으로서 최소화된다. 망간, 크롬, 몰리브덴, 니오븀, 및 바나듐의 다양한 첨가로부터 야기되는 본 발명의 조성물의 증가된 경화성의 결과로서, 신규한 조성물은 붕소-비함유 프레스 경화 강을 가능하게 한다.
철 및 제강에서 부수적인 다른 불순물 이외에, 본 발명의 합금의 실시형태는 망간, 규소, 탄소, 크롬, 몰리브덴, 니오븀, 및/또는 바나듐을 포함하고, 이들 모두는 상기 이익 중 하나 이상을 수득하기에 충분한 농도이다. 일부 실시형태에서, 프레스 경화 강은 철 및 제강에서 부수적인 다른 불순물 뿐만 아니라 망간, 규소, 탄소; 및 크롬, 몰리브덴, 니오븀, 및/또는 바나듐 중 적어도 하나를 포함한다. 이들 및 다른 합금 원소의 농도 및 효과는 하기에 요약된다.
탄소를 첨가하여 마르텐사이트 개시 온도를 감소시키고, 고용체 강화를 제공하고, 강의 경화성을 증가시킨다. 탄소는 오스테나이트 안정화제이다. 특정 실시형태에서, 탄소는 0.1 내지 0.50 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 탄소는 0.1 내지 0.35 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 또한 또다른 실시형태에서, 탄소는 약 0.22 내지 0.25 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
망간을 첨가하여 마르텐사이트 개시 온도를 감소시키고, 고용체 강화를 제공하고, 강의 경화성을 증가시킨다. 망간은 오스테나이트 안정화제이다. 특정 실시형태에서, 망간은 2.0 내지 8.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 망간은 2.0 내지 5.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 또한 또다른 실시형태에서, 망간은 3.0 중량% 초과 내지 8.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 또한 또다른 실시형태에서, 망간은 3.0 중량% 초과 내지 5.0 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
규소를 첨가하여 고용체 강화를 제공한다. 규소는 페라이트 안정화제이다. 특정 실시형태에서, 규소는 0.1 내지 0.5 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 규소는 0.2 내지 0.3 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
몰리브덴을 첨가하여 고용체 강화를 제공하고, 강의 경화성을 증가시키고, 미세구조 미세화(microstructural refinement)를 제공하고, 취성에 대항하여 보호한다. 특정 실시형태에서, 몰리브덴은 0 내지 2.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 몰리브덴은 0.0 내지 0.6 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 또한 또다른 실시형태에서, 몰리브덴은 0.1 내지 2.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 몰리브덴은 0.1 내지 0.6 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 또한 다른 실시형태에서, 몰리브덴은 0.4 내지 0.5 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
크롬을 첨가하여 마르텐사이트 개시 온도를 감소시키고, 고용체 강화를 제공하고, 강의 경화성을 증가시킬 수 있다. 크롬은 페라이트 안정화제이다. 특정 실시형태에서, 크롬은 0 내지 6.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 크롬은 2.0 내지 6.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 크롬은 0.2 내지 6.0 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 크롬은 0.2 내지 3.0 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
니오븀을 첨가하여 강도를 증가시키고 강의 경화성을 개선시킬 수 있다. 일부 실시형태에서, 니오븀을 또한 첨가하여 개선된 결정립 미세화(grain refinement)를 제공할 수 있다. 특정 실시형태에서, 니오븀은 0 내지 0.1 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 니오븀은 0.01 내지 0.1 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 니오븀은 0.001 내지 0.055 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
바나듐을 첨가하여 강도를 증가시키고, 강의 경화성을 개선시킬 수 있다. 특정 실시형태에서, 바나듐은 0 내지 0.15 중량%의 농도로 존재할 수 있고; 다른 실시형태에서, 바나듐은 0.01 내지 0.15 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
붕소를 첨가하여 강의 경화성을 증가시킬 수 있다. 특정 실시형태에서, 붕소는 0 내지 0.005 중량%의 농도로 존재할 수 있다.
프레스 경화 강은 종래의 제강, 러핑(roughing), 및 마무리 프로세스를 사용하여 처리할 수 있다. 예를 들면, 강을 연속적으로 주조(cast)하여 두께 대략 12 내지 25 cm 슬래브(slab)를 제조할 수 있다. 이어서, 슬래브를 1200 내지 1320℃의 온도에서 재가열하고, ≥2.5 mm의 최종 게이지까지 열간압연(hot rolled)하고, 최종 압하 통과(reduction pass)는 대략 950℃의 온도에서 일어난다. 이어서, 강을 400 내지 675℃의 온도에서 코일화한다(coiled). 냉각 후, 강 코일을 600 내지 900℃의 온도에서 1 초보다 긴 시간 동안 어닐링하고, 냉간압하(cold reduction) 전에 산세척할 수 있다. 하나 이상의 중간 어닐링 및 압하(reduction) 단계는 목적하는 두께에 도달하기 전에 요구될 수 있다. 이러한 중간 어닐링은 첫번째 어닐링 처리와 유사한 온도를 이용한다.
본 출원의 합금은 또한 냉간 압연(cold rolling) 후 및 핫스탬핑 전에, 알루미늄-계 코팅, 아연-계 코팅 (아연도금(galvanized) 또는 갈바닐(galvannealed) 중 어느 하나)으로 코팅될 수 있다. 이러한 코팅은 용융 도금(hot dip coating) 또는 전해 코팅(electrolytic coating)을 포함하는 당해 기술 분야에 공지된 프로세스를 사용하여 강판에 도포될 수 있다. 낮은 임계 온도 때문에, 본 발명의 합금의 프레스 경화는, 이들이 코팅된 후, 코팅의 더 적은 용융 및 이러한 용융과 관련된 유해한 영향을 더 적게 야기하는 경향이 있다.
실시예 1
표 1은 시험된 프레스 경화 강 합금의 강 조성을 열거한다.
표 1의 조성의 합금을 표준 제강 방법을 사용하여 제조하였다. 모든 농도는 중량%이다. 추가로, 선행 기술 22MnB5 프레스 경화 강을 또한 제조하고, 이의 전형적인 조성이 또한 제공된다.
표 1
Figure pct00001
기계적 성질을 프레스 경화 모의실험 후 평가하고, 여기서, 표 1의 강을 Ac3 온도 (즉, 가열시 페라이트에서 오스테나이트 변태(transformation)가 완료되는 온도)보다 25 내지 30℃ 높은 피크 금속 온도 (peak metal temperatures; PMT)에서 오스테나이트화하였다. 이어서, 강을 평판, 수냉식 구리 다이에서 켄칭하였다. 실온에서 및 준정적 속도(quasi-static rates)에서 단축 인장 시험을 수행하여 프레스 경화 강의 강도 및 연신율을 측정하였다. 표 2는 특정 시간 동안 오스테나이트화 후 강의 처리 온도 및 기계적 성질을 요약한다. 상기 시험 가열은 예상치못하게 종래의 22MnB5 프레스 경화 강에서 전형적인 낮은 탄소 농도에서 높은 강도를 나타내었다.
표 2 - 시간 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 프레스 경화 강의 기계적 성질
Figure pct00002
치환 원소가 전형적으로 그대로 켄칭된 마르텐사이트에서 매우 약한 용질 강화제인 것으로 고려되는 경우, 최대 인장 강도는 망간 첨가 중량 퍼센트 당 대략 156 MPa까지 및 크롬 첨가 중량 퍼센트 당 대략 83 MPa까지 현저하게 증가하였다. 가장 놀랍게도, 2000 MPa까지 그리고 이를 초과하는 최대 인장 강도를 갖는 강에 대해서는 종래의 22MnB5 강에 비해 파단에 대한 연신율 (즉, 총 연신율)의 저하가 없었다. 1800 MPa 초과의 최대 인장 강도를 수개의 합금 전략을 사용하여 성취하였다: Mn (4340-1, 4340-2), Mn+Mo+Nb (4341-1), Mn+Mo+Nb+V (4341-2), Mn+Cr (4342-2). 이들 합금 모두에 대해, 총 연신율은 7 내지 8%였다.
도 1 내지 8은 표 2의 파라미터에 따른 오스테나이트화 후 300초 및 강의 모의 프레스 경화 동안 광학 현미경 사진이다. 이들 도면은 도 1에서 도 8로 이동되는 바와 같이 결정립 미세화가 증가된 마르텐사이트계 구조를 주로 나타내고, 이는 부분적으로 낮은 오스테나이트화 온도로부터 야기된 더 적은 출발 오스테나이트 결정립 구조 및/또는 추가 합금으로부터 야기된 미세화 때문이다.
실시예 2
기계적 성질을 프레스 경화 모의실험 후 평가하고, 여기서, 강 합금 4340-2의 샘플을 다양한 온도 및 시간에서 오스테나이트화시켰다. 이어서, 샘플을 평판, 수냉식 구리 다이에서 켄칭하였다. 실온에서 및 준정적 속도에서 단축 인장 시험을 수행하여 프레스 경화 강의 강도 및 연신율을 측정하였다. 표 3은 프로세싱 온도 및 특정 시간 동안 오스테나이트화 후 샘플의 기계적 성질을 요약한다. 실험 샘플은 본 발명의 프레스 경화 합금에 의해 가능해 지는 더 낮은 오스테나이트화 온도의 이점을 나타내었다. 표 3에 나타낸 바와 같이, 오스테나이트화 온도가 높을수록 더 낮은 항복 강도 및 인장 강도를 야기하였다. 추가로, 최저 오스테나이트화 온도에서 수득된 최대 인장 강도는 프레스 경화 전에 1200 초 동안 오스테나이트화 후 1900 MPa를 여전히 초과하고, 이는 이러한 합금을 위한 프로세스 윈도우(process window)에 대한 유리한 강건성(robustness)을 입증한다.
표 3 - 시간 및 모의 프레스 경화 동안 오스테나이트화 후 합금 4340-2의 기계적 성질
Figure pct00003
실시예 3:
프레스 경화성 강은, 강의 전체 중량 퍼센트를 기준으로 하여:
(a) 0.1% 내지 0.5%, 바람직하게는 0.1% 내지 0.35%, 보다 바람직하게는 0.22 내지 0.25%, 탄소;
(b) 2.0% 내지 8.0%, 바람직하게는 3.0% 초과 내지 8%; 보다 바람직하게는 2.0 내지 5.0%, 및 보다 바람직하게는 3.0% 초과 내지 5.0%, 망간; 및
(c) 0.1% 내지 0.5%, 바람직하게는 0.2% 내지 0.3%, 규소를 포함하고;
여기서, 상기 강은, 핫스탬핑 다이에서 성형되고 켄칭되기 전에, 실질적으로 완전히 오스테나이트화된다.
실시예 4
실시예 4 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 0.0% 내지 6.0%, 바람직하게는 0.0% 내지 2.0%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 6.0%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 2.0%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 0.6%, 및 보다 바람직하게는 0.4% 내지 0.5%, 몰리브덴을 추가로 포함한다.
실시예 5
실시예 3 및 4 중 어느 하나, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 0% 내지 6.0%, 바람직하게는 0.2% 내지 6.0%, 보다 바람직하게는 2.0% 내지 6.0%, 및 보다 바람직하게는 0.2% 내지 3.0%, 크롬을 추가로 포함한다.
실시예 6
실시예 3 내지 5 중 어느 하나, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 0.0% 내지 0.1%, 바람직하게는 0.01% 내지 0.1%, 보다 바람직하게는 0.001 내지 0.055% 니오븀을 추가로 포함한다.
실시예 7
실시예 3 내지 6 중 어느 하나, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 0.0% 내지 0.15%, 바람직하게는 0.01% 내지 0.15%, 바나듐을 추가로 포함한다.
실시예 8
실시예 3 내지 7 중 어느 것, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 0% 내지 0.005% 붕소를 추가로 포함한다.
실시예 9
실시예 3 내지 8 중 어느 것, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 여기서, Ms 온도는 365℃ 미만이다.
실시예 10
실시예 3 내지 9 중 어느 것, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 여기서, 오스테나이트화를 위한 PMT는 850℃ 미만이다.
실시예 11
실시예 3 내지 10 중 어느 하나, 또는 하기 실시예 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 여기서, 프레스 경화성 강은, 프레스 경화 또는 핫스탬핑 후, 적어도 1480 MPa의 최대 인장 강도 및 적어도 6%의 총 연신율을 갖는다.
실시예 12
실시예 3 내지 11 중 어느 하나의 프레스 경화성 강으로서, 여기서, 프레스 경화성 강은 냉간 압연 후 및 핫스탬핑 전에 알루미늄-계 코팅 또는 아연-계 코팅 (아연도금 또는 갈바닐 중 어느 하나)으로 코팅된다.

Claims (13)

  1. 중량 퍼센트를 기준으로 하여, 0.01 내지 0.5% 탄소, 2.0 내지 8.0% 망간, 0.1 내지 0.5% 규소, 0.0 내지 6.0% 몰리브덴, 0.0 내지 6.0% 크롬, 0.0 내지 0.1% 니오븀, 0.0 내지 0.15% 바나듐, 및 0.0 내지 0.005% 붕소를 포함하는 프레스 경화성 강(press hardenable steel).
  2. 제1항에 있어서, 0.1 내지 0.35% 탄소를 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  3. 제1항에 있어서, 3.0% 초과 내지 8%의 망간을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  4. 제1항에 있어서, 2.0 내지 5.0% 망간을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  5. 제1항에 있어서, 0.1 내지 2.0% 몰리브덴을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  6. 제1항에 있어서, 2.0 내지 6.0% 크롬을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  7. 제1항에 있어서, 0.01 내지 0.1% 니오븀을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  8. 제1항에 있어서, 0.01 내지 0.15% 바나듐을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  9. 제1항에 있어서, 2개의 외부 표면을 갖고, 적어도 하나의 외부 표면에 도포된 알루미늄-계 코팅 또는 아연-계 코팅을 추가로 포함하는, 프레스 경화성 강.
  10. 중량 퍼센트를 기준으로 하여, 0.01 내지 0.5% 탄소, 2.0 내지 8.0% 망간, 0.1 내지 0.5% 규소; 및 0.1 내지 6.0% 몰리브덴, 0.2 내지 6.0% 크롬, 0.01 내지 0.1% 니오븀, 및 0.01 내지 0.15% 바나듐 중 적어도 하나를 포함하는 프레스 경화성 강.
  11. 중량 퍼센트를 기준으로 하여, 0.01 내지 0.5% 탄소, 2.0 내지 8.0% 망간, 0.1 내지 0.5% 규소를 포함하고, Ms 온도가 365℃ 미만인, 프레스 경화성 강.
  12. 제11항에 있어서, 상기 프레스 경화성 강이 850℃ 미만의 PMT에서 완전히 오스테나이트화될 수 있는, 프레스 경화성 강.
  13. 제12항에 있어서, 상기 프레스 경화성 강이, 프레스 경화 또는 핫스탬핑(hot stamping) 후, 적어도 1480 MPa의 최대 인장 강도(ultimate tensile strength) 및 적어도 6%의 총 연신율(total elongation)을 갖는, 프레스 경화성 강.
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