KR20200011742A - 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법 - Google Patents

내충돌 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 샤시부품 등에 사용되는 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

내충돌 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법 {HIGH-STRENGTH STEEL SHEET HAVING EXCELLENT IMPACT RESISTANT PROPERTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 자동차 샤시부품 등에 사용되는 강판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차 샤시부품의 멤버류, 로어암, 보강재, 연결재 등에는 고강도 열연강판이 주로 사용되며, 이러한 고강도 열연강판의 성형성을 향상시키기 위한 기술이 제안되고 있다.
일 예로, 강판의 미세조직을 페라이트-베이나이트의 2상(phase) 복합조직강으로 제조하여 신장 플랜지성을 향상시키거나, 페라이트 또는 베이나이트 상을 기본 기지조직으로 함으로써 고강도 고버링성을 가지는 강판을 제조하는 기술이 제안되었다.
구체적으로, 특허문헌 1에서는 강을 열간압연 직후에 특정 냉각조건에 의해 페라이트 변태역에서 수 초간 유지한 다음, 베이나이트가 형성되도록 베이나이트 형성온도에서 권취하여 강 조직을 폴리고날 페라이트 및 베이나이트의 혼합조직으로 형성함으로써 강도와 신장 플랜지성을 동시에 확보하고자 하였다.
한편, 특허문헌 2에서는 C-Si-Mn 성분계를 기본으로 베이니틱 페라이트(bainitic ferrite)와 그래뉼라(granular) 베이니틱 페라이트를 기지조직으로 하는 고버링성 강을 개시하고 있으며, 특허문헌 3에서는 베이나이트 상을 95면적% 이상으로 형성하고, 압연방향으로 연신된 결정립을 최소화하여 신장 플랜지성을 향상시키는 방안을 개시하고 있다.
상술한 고강도강들을 제조하기 위하여 Si, Mn, Al, Mo, Cr 등의 합금성분을 주로 활용하며, 이들은 열연강판의 강도와 신장 플랜지성을 향상시키는데에는 효과적이다.
그런데, 위와 같은 물성을 향상시키기 위해서는 상술한 합금성분들을 다량으로 첨가할 필요가 있으며, 그로 인해 합금성분의 편석, 미세조직의 불균일 등을 초래하여 신장 플랜지성이 열위하는 문제가 있다. 또한, 위 합금성분들을 다량 함유하는 강을 활용한 자동차의 충돌시 합금성분들의 편석이 일어난 부위 및 미세조직이 불균일한 부위에서 파괴가 용이하게 발생하여 내출돌성이 열위하게 된다.
특히, 경화능이 높은 강은 냉각시 미세조직의 변화가 민감하게 발생하여 저온 변태조직상이 불균일하게 형성되어 내충돌특성을 감소시킨다.
한편, 강의 고강도화를 위하여 Ti, Nb, V 등의 석출물 형성원소들을 과도하게 첨가하면, 열간압연 중 재결정의 발생이 크게 지연되어 압연방향으로 연신된 미세조직이 형성됨에 따라 강도의 향상으로 내충돌특성은 증가하는 반면, 성형성이 열위하게 되는 문제가 있다. 뿐만 아니라, 강 제조비용의 상승으로 경제적으로 불리한 단점이 있다.
일본 공개특허공보 제1994-293910호 한국 등록공보 제10-1114672호 한국 등록공보 제10-1528084호
본 발명의 일 측면은, 고강도를 가지면서 내충돌 특성이 우수한 강판과 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 사항에 한정되지 아니한다. 본 발명의 추가적인 과제는 명세서 전반적인 내용에 기술되어 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 명세서에 기재된 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.14%, 실리콘(Si): 0.01~1.0%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 크롬(Cr): 0.005~1.0%, 인(P): 0.001~0.05%, 황(S): 0.001~0.01%, 질소(N): 0.001~0.01%, 니오븀(Nb): 0.005~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.11%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직으로 페라이트와 베이나이트 상의 합이 면적분율 90% 이상이고,
표층부(표면으로부터 두께방향 1/10t 지점, 여기서 t는 강재 두께(mm)를 의미) 및 중심부(두께방향 1/10t 초과~1/2t 지점) 간의 전단 조직({110}<112>, {112}<111>) 면적분율의 비율이 0.05~1.0인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 합금조성을 가지는 강 슬라브를 1200~1350℃에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강 슬라브를 하기 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 조건으로 마무리 열간압연하는 단계; 상기 열간압연 후 400~500℃까지 10~100℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 상기 냉각 후 400~500℃에서 권취하는 단계를 포함하는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법을 제공한다.
[관계식 1]
Tn-50 ≤ FDT ≤ Tn
(여기서, Tn은 재결정 지연이 개시되는 온도로서 Tn = 730 + 92×[C] + 70×[Mn] + 45×[Cr] + 780×[Nb] + 520×[Ti] - 80×[Si] 이며, 각 원소는 중량함량을 의미하고, FDT는 마무리 열간압연 직후 열연판의 온도(℃)를 의미한다.)
[관계식 2]
Ec ≤ E1 + E2 ≤ 1.5×Ec
(여기서, Ec = 4.75×10-4 (125 × Exp(Qdef/(R×(273+FDT))))0.17, Qdef = 277000 - 2535×[C] + 1510×[Mn] + 9621×[Si] + 1255×[Cr] + 53680×[Ti]0.592 + 70730×[Nb]0. 565 이고, 각 원소는 중량함량을 의미한다.
또한, E1은 열간압연 최종 패스시의 압하량, E2는 열간압연 최종 패스 이전(최종 패스 바로 전 패스)의 압하량을 의미하며, R은 기체상수 8.314 이다.)
본 발명에 의하면, 고강도를 확보하면서도 내충돌 특성이 우수한 강판을 제공할 수 있다. 이러한 본 발명의 강판은 자동차 샤시부품의 소재로 적합하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 있어서, 발명강 6의 표층부(A)와 중심부(B) 전단조직을 관찰한 사진을 나타낸 것이다.
본 발명자들은 강에 적용될 수 있는 다양한 합금성분 및 미세조직의 특징에 따른 강판의 강도와 충격 특성의 변화에 대해 깊이 연구하였다. 그 결과, 강판의 합금 조성범위를 적절히 제어하고, 미세조직의 기지조직, 전단조직의 면적율 등을 최적화함으로써, 우수한 내충격 특성과 고강도를 갖는 강판을 얻을 수 있음을 인지하고, 본 발명에 이르게 되었다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 내충격 특성이 우수한 고강도 강판은 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.14%, 실리콘(Si): 0.01~1.0%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 크롬(Cr): 0.005~1.0%, 인(P): 0.001~0.05%, 황(S): 0.001~0.01%, 질소(N): 0.001~0.01%, 니오븀(Nb): 0.005~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.11%를 포함하는 것이 바람직하다.
이하에서는 상기 강판의 합금조성을 한정하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 특별한 언급이 없는 한 각 원소의 함량은 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.05~0.14%
탄소(C)는 강을 강화시키는데 가장 경제적이면서 효과적인 원소이다. 이러한 C의 함량이 증가할수록 석출강화 효과가 증가하고, 베이나이트 상의 분율이 높아져 인장강도가 향상된다.
상기 C의 함량이 0.05% 미만이면 강의 강화 효과를 충분히 확보할 수 없고, 반면 그 함량이 0.14%를 초과하게 되면 마르텐사이트 상이 형성되어 강도가 과도하게 상승하고, 성형성 및 내충돌 특성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 용접성도 열위하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 C의 함량이 0.05~0.14%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.06~0.13%로 포함할 수 있다.
실리콘(Si): 0.01~1.0%
실리콘(Si)은 용강을 탈산시키고, 고용 강화 효과로 강도를 향상시키는 역할을 한다. 또한, 조대한 탄화물의 형성을 지연시켜 강판의 성형성을 향상시키는데 유리하다.
상기 Si의 함량이 0.01% 미만이면 탄화물 형성을 지연시키는 효과가 불충분하여 성형성을 향상시키기 어렵다. 반면, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 열간압연시 강판 표면에 Si에 의한 붉은색 스케일이 형성되어 강판 표면품질이 매우 나빠질 뿐만 아니라, 연성과 용접성도 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 Si의 함량은 0.01~1.0%인 것이 바람직하다. 보다 유리하게는 0.05% 이상으로 포함할 수 있다.
망간(Mn): 1.5~2.5%
망간(Mn)은 상기 Si과 마찬가지로 강을 고용 강화시키는데 효과적인 원소이며, 강의 경화능을 증가시켜 열처리 후 냉각 중에 베이나이트 상의 형성을 용이하게 한다.
상기 Mn의 함량이 1.5% 미만이면 Mn 첨가에 따른 상기 효과를 충분히 얻을 수 없다. 반면, 그 함량이 2.5%를 초과하게 되면 경화능이 크게 증가하여 마르텐사이트 상 변태가 일어나기 쉽고, 연속주조 공정에서 슬라브 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되며, 열간압연 후 냉각시 두께방향으로 불균일한 미세조직을 형성하여 내충돌 특성이 열화하게 된다.
따라서, 본 발명에서 상기 Mn의 함량은 1.5~2.5%인 것이 바람직하다. 보다 유리하게는 1.6~2.1%로 포함할 수 있다.
알루미늄(Al): 0.01~0.1%
알루미늄(Al)은 Sol.Al을 의미하며, 상기 Al은 주로 탈산을 위해 첨가되는 성분이다. 상기 Al의 함량이 0.01% 미만이면 첨가 효과가 미비하고, 그 함량이 0.1%를 초과하게 되면 질소와 결합하여 AlN 석출물을 형성함으로써 연속주조시 슬라브에 코너 크랙이 발생하기 쉬우며, 개재물 형성에 의한 결함이 발생하기 쉽다.
따라서, 본 발명에서 상기 Al의 함량은 0.01~0.1%인 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.005~1.0%
크롬(Cr)은 강을 고용강화시키며, 냉각시 페라이트 상 변태를 지연시켜 권취온도에서 베이나이트의 변태를 돕는 역할을 한다.
상기 Cr의 함량이 0.005% 미만이면 첨가 효과를 충분히 얻을 수 없다. 반면, 그 함량이 1.0%를 초과하게 되면 페라이트 변태를 과도하게 지연시켜 마르텐사이트 상이 형성됨에 따라 연신율이 나빠진다. 또한, Mn과 유사하게 두께 중심부에서의 편석부가 크게 발달되며, 두께 방향 미세조직을 불균일하게 하여 내충돌 특성이 열화된다.
따라서, 본 발명에서 상기 Cr의 함량은 0.005~1.0%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 0.3~0.9%로 포함할 수 있다.
인(P): 0.001~0.05%
인(P)은 상기 Si과 마찬가지로 고용강화 효과를 갖고, 페라이트 변태 촉진 효과를 가지는 원소이다.
상기 P의 함량을 0.001% 미만으로 제조하기 위해서는 제조비용이 과도하게 소요되어 경제적으로 불리하며, 강도 확보도 어렵다. 반면, 그 함량이 0.05%를 초과하게 되면 입계편석에 의한 취성이 발생하며, 성형시 미세한 균열이 발생하기 쉽고, 연성과 내충돌 특성을 크게 악화시킨다.
따라서, 본 발명에서 상기 P의 함량은 0.001~0.05%인 것이 바람직하다.
황(S): 0.001~0.01%
황(S)은 강 중에 존재하는 불순물로서, 그 함량이 0.01%를 초과할 경우 Mn 등과 결합하여 비금속 개재물을 형성하며, 그로 인해 강의 절단가공시 미세한 균열이 발생하기 쉽고, 내충돌 특성을 크게 떨어뜨리는 문제가 있다. 한편, 상기 S을 0.001% 미만으로 제조하기 위해서는 제강조업시 시간이 과도하게 소요되어 생산성이 저하된다.
따라서, 본 발명에서 상기 S의 함량은 0.001~0.01%인 것이 바람직하다.
질소(N): 0.001~0.01%
질소(N)는 상기 C와 함께 대표적인 고용강화 원소이며, Ti 또는 Al 등과 결합하여 조대한 석출물을 형성한다. 상기 N의 고용강화 효과는 탄소보다 우수하지만, 강 중 N의 양이 증가할수록 인성이 크게 저하되는 문제가 있으므로, 그 함량을 0.01% 이하로 제한함이 바람직하다. 상기 N의 함량을 0.001% 미만으로 제조하기 위해서는 제강조업시 시간이 많이 소요되어 생산성이 저하된다.
따라서, 본 발명에서 상기 N의 함량은 0.001~0.01%인 것이 바람직하다.
니오븀(Nb): 0.005~0.06%
니오븀(Nb)은 대표적인 석출강화 원소로서, 열간압연 중 석출하여 재결정 지연에 의한 결정립 미세화 효과로 강의 강도와 충격인성 향상에 효과적이다.
상기 Nb의 함량이 0.005% 미만이면 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없고, 반면 그 함량이 0.06%를 초과하게 되면 열간압연 중 지나친 재결정 지연으로 연신된 결정립의 형성 및 조대한 복합석출물의 형성으로 성형성 및 내충돌 특성이 열화되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 Nb의 함량은 0.005~0.06%인 것이 바람직하다. 보다 유리하게는 0.01~0.05%로 포함할 수 있다.
티타늄(Ti): 0.005~0.11%
티타늄(Ti)은 상기 Nb과 함께 대표적인 석출강화 원소이며, 질소(N)와의 강한 친화력으로 강 중 조대한 TiN을 형성한다. TiN은 열간압연을 위한 가열 과정에서 결정립이 성장하는 것을 억제하는 효과가 있다. 또한, 질소와 반응하고 남은 Ti이 강 중에 고용되어 탄소(C)와 결합함으로써 TiC 석출물을 형성하여 강의 강도를 향상시키는데 유용한 원소이다.
상기 Ti의 함량이 0.005% 미만이면 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없고, 반면 그 함량이 0.11%를 초과하게 되면 조대한 TiN의 형성 및 석출물의 조대화로 성형시 내충돌 특성을 열위하게 하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 상기 Ti의 함량은 0.005~0.11%인 것이 바람직하다. 보다 유리하게는 0.01~0.1%로 포함할 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
상술한 합금조성을 만족하는 본 발명의 강판은 페라이트와 베이나이트의 복합조직을 기지조직으로 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 페라이트와 베이나이트 상의 면적분율 합이 90% 이상인 것이 바람직하다. 상기 페라이트와 베이나이트 상의 면적분율 합이 90% 미만이면 강도와 내충격 특성을 우수하게 확보할 수 없다.
상기 복합조직 중 페라이트 상은 면적분율 10~70%로 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 페라이트 상은 평균 결정립 직경(원상당 직경)이 1~5㎛인 것이 바람직하다. 상기 페라이트 상의 평균 결정립 직경이 5㎛를 초과하게 되면 불균일한 미세조직의 형성으로 성형성과 충돌특성이 열위해지는 문제가 있다. 한편, 상기 평균 결정립 직경을 1㎛ 미만으로 제조하기 위해서는 낮은 압연온도 또는 큰 압하율이 적용되어야 하므로 제조시 압연부하가 증가하고 전단조직(shere texture)이 과도하게 형성되어 성형성이 크게 열위해진다.
상기 복합조직을 제외한 잔부 조직으로는 MA 상(마르텐사이트 및 오스테나이트 혼합조직)과 마르텐사이트 상을 포함할 수 있으며, 이 두 상을 합하여 면적분율 1~10%로 포함하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 MA 상과 마르텐사이트 상을 합한 분율이 10%를 초과하게 되면 인장강도는 상승하는 반면, 항복강도가 감소하여 충돌시 MA 상 및 마르텐사이트 상 계면에서 크랙이 발생하고, 그에 따라 내충돌 특성이 나빠지게 된다.
이와 같이, 기지조직 내 조대한 MA 상과 마르텐사이트 상의 분율을 최소화함으로써 조직 불균일을 해소하는 효과를 얻을 수 있다.
특별히, 본 발명의 강판은 표면으로부터 두께방향 1/10t 지점 (여기서 't'는 강판 두께(mm)를 의미함)에 해당하는 표층부와 두께방향 1/10t 지점에서부터 1/2t 지점에 해당하는 중심부의 전단조직(shear texture; {110}<112>, {112}<111>)의 면적비율이 0.05~1.0을 만족하는 것이 바람직하다.
상기 {110}<112>, {112}<111> 집합조직은 주로 열간압연 중 미재결정된 미세조직이 상 변태 과정을 거쳐 형성되는 집합조직으로, 압연시 온도가 낮거나 압하량이 커지면 표층부에서 압연롤과 소재(강) 간의 마찰이 증가하여 전단변형(shear deformation)이 클 때 형성된다. 이러한 집합조직은 강판의 재질 이방성을 증가시켜 성형성이 열위해진다. 하지만, 열간압연 중 미재결정된 미세조직이 증가하면 상 변태시 페라이트 상의 변태를 촉진하며, 미세하고 균일한 조직을 얻는데에 유리하다.
따라서, 강판의 표층부와 중심부에서의 상기 집합조직의 면적비율을 0.05~1.0으로 제어하면, 균일하고 미세한 미세조직이 형성되고, 페라이트 상 분율이 증가하여 상대적으로 MA 상과 마르텐사이트 상의 분율이 감소됨에 따라, 강의 항복강도가 상승하고 변형속도 민감도(strain sensitivity)가 증가하여 고속 충돌시 흡수에너지가 증가하게 된다. 만일, 상기 집합조직의 면적비율이 1.0을 초과하게 되면 상술한 효과가 포화되고, 오히려 압연방향으로 연신된 미세조직이 크게 증가하여 소재의 이방성이 커지게 되므로 성형성이 열화된다.
상기 집합조직의 면적분율을 측정하는 방법으로는 특별히 한정하지 아니하나, 일 예로 후방산란전자회절(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD)을 이용하여 분석할 수 있다. 구체적으로, 압연 단면의 EBSD 분석 결과에서 표층부와 중심부의 결정방위 (110)[1 -1 -2], (112)[-1 -1 1]의 면적분율을 각각 구한 후 비율로 나타낼 수 있다.
상술한 합금조성과 미세조직을 가지는 본 발명의 강판은 인장강도가 780MPa 이상이고, 충돌시 흡수에너지가 80J/m3 이상으로, 고강도와 더불어 내충격 특성을 우수하게 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 굽힘성 및 저온 인성이 우수한 고강도 열연강판을 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 따른 고강도 강판은, 본 발명에서 제안하는 합금조성을 만족하는 강 슬라브를 [재가열 - 열간압연 - 냉각 - 권취]의 일련의 공정을 행함으로써 제조할 수 있다.
이하에서는 상기 각각의 공정 조건에 대하여 상세히 설명한다.
[강 슬라브 재가열]
본 발명에서는 열간압연을 행하기에 앞서 강 슬라브를 재가열하여 균질화 처리하는 공정을 거치는 것이 바람직하며, 이때 1200~1350℃에서 재가열 공정을 행함이 바람직하다.
만일, 재가열 온도가 1200℃ 미만이면 석출물이 충분히 재고용되지 못하여 열간압연 이후의 공정에서 석출물의 형성이 감소하게 되며, 조대한 TiN이 잔존하게 되는 문제가 있다. 반면, 그 온도가 1350℃를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립의 이상입성장에 의해 강도가 저하되므로 바람직하지 못하다.
[열간압연]
상기 재가열된 강 슬라브를 열간압연하여 열연강판으로 제조하는 것이 바람직하며, 이때 800~1150℃의 온도범위에서 행하며, 하기 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 조건으로 마무리 열간압연을 실시하는 것이 바람직하다.
상기 열간압연시 1150℃ 보다 높은 온도에서 개시하게 되면, 열연강판의 온도가 높아져 결정립 크기가 조대해지고 열연강판의 표면품질이 열위하게 된다. 반면, 800℃ 보다 낮은 온도에서 열간압연을 종료할 경우, 지나친 재결정 지연에 의해 연신된 결정립이 발달하여 이방성이 심해지고, 성형성도 나빠지게 된다.
특히, 본 발명의 열간압연 공정에 있어서, 하기 [관계식 1]에서 제안하는 온도범위 보다 높은 온도(Tn 초과의 온도)에서 압연을 종료하면 강의 미세조직이 조대하고 불균일하며, 상 변태가 지연되어 조대한 MA 상 및 마르텐사이트 상의 형성으로 내충돌 특성이 열화된다. 또한, 하기 [관계식 1]에서 제안하는 온도범위보다 낮은 온도(Tn-50 미만의 온도)에서 압연이 종료되면 강의 재결정이 지나치게 지연되어 변형된 조직이 형성되며, 전단조직(shear texture)인 {110}<112>, {112}<111>이 과도하게 형성되어 성형성이 크게 열위할 우려가 있다.
상기와 같은 미세조직적 변화는 하기 [관계식 2]를 만족함으로써 성형성과 내충돌 특성의 효과로 나타난다. 보다 구체적으로, 열간압연시 압하량이 하기 [관계식 2]에서 제안된 범위보다 크면(1.5×Ec 초과의 값) 전단조직(shear texture)이 과도하게 형성되어 성형성이 열위한다. 반면, 상기 압하량이 하기 [관계식 2]에서 제안된 범위보다 작으면(Ec 미만의 값) 열간압연 직후 냉각시 미세하고 균일한 페라이트 상이 형성되지 못하며, 페라이트 상 변태의 촉진이 어려워져 불균일하고 조대한 MA 상 및 마르텐사이트 상이 형성되어 내충돌 특성이 열위하게 된다.
[관계식 1]
Tn-50 ≤ FDT ≤ Tn
(여기서, Tn은 재결정 지연이 개시되는 온도로서 Tn = 730 + 92×[C] + 70×[Mn] + 45×[Cr] + 780×[Nb] + 520×[Ti] - 80×[Si] 이며, 각 원소는 중량함량을 의미하고, FDT는 마무리 열간압연 직후 열연판의 온도(℃)를 의미한다.)
[관계식 2]
Ec ≤ E1 + E2 ≤ 1.5×Ec
(여기서, Ec = 4.75×10-4 (125 × Exp(Qdef/(R×(273+FDT))))0.17, Qdef = 277000 - 2535×[C] + 1510×[Mn] + 9621×[Si] + 1255×[Cr] + 53680×[Ti]0.592 + 70730×[Nb]0. 565 이고, 각 원소는 중량함량을 의미한다.
또한, E1은 열간압연 최종 패스시의 압하량, E2는 열간압연 최종 패스 이전(최종 패스 바로 전 패스)의 압하량을 의미하며, R은 기체상수 8.314 이다.)
본 발명은 제안된 합금조성과 제조조건 특히, 열간압연 조건이 상기 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 동시에 만족할 때, 목표로 하는 강의 강도, 성형성 및 내충들 특성을 확보할 수 있는 것이다. 보다 구체적으로, 위와 같이 합금조성과 제조조건(열간압연 조건)을 최적화하는 것으로부터 열간압연 중 재결정을 효과적으로 지연시킴으로써 상 변태시 페라이트 상 변태를 촉진하고, 미세하고 균일한 결정립을 형성하여, 강도와 내충돌 특성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 페라이트 상 변태의 촉진에 의해 후속하는 냉각 공정 중 미변태상이 감소하여 조대한 MA 상과 마르텐사이트 상의 분율이 감소하고 불균일 조직을 해소하는 효과를 얻을 수 있다.
재결정이 과도하게 지연될 경우, 변형된 조직이 압연판 전체에 강하게 발달하거나 표층부에만 집중적으로 형성되어 성형성이 열위하는 문제가 있다. 하지만, 본 발명의 경우 마무리 열간압연 공정을 재결정 지연이 개시되는 온도인 Tn과 Tn-50의 범위 내에서 완료함으로써, 상술한 효과를 얻을 수 있다.
더불어, 재결정을 효과적으로 지연시키고, 균일하고 미세한 페라이트 결정립의 형성을 위해서는 열간압연시 상술한 온도범위에서의 압하량을 특정 값보다 높게 할 필요가 있으나, 과도한 압하량은 성형성을 열화시킨다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 [관계식 2]에 따라 열간압연시의 압하량을 제어할 필요가 있는 것이다.
[냉각 및 권취]
상기에 따라 제조된 열연강판을 400~500℃의 온도범위까지 10~100℃/s의 평균 냉각속도로 냉각한 후 그 온도에서 권취하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 온도는 열연강판의 온도를 기준으로 한다.
이때, 냉각 종료 온도(권취 온도)가 500℃를 초과하게 되면 펄라이트 상이 형성되어 목표 수준의 강도 확보가 어렵고, 400℃ 미만이면 마르텐사이트 상이 과도하게 형성되어 성형성과 내충돌 특성이 열화된다.
또한, 상술한 온도범위로의 냉각시 평균 냉각속도가 10℃/s 미만이면 기지조직의 결정립이 조대해지고 미세조직이 불균일해지는 문제가 있으며, 반면 100℃/s를 초과하게 되면 MA 상이 형성되기 쉬워져 성형성과 내충돌 특성이 열화된다.
[최종 냉각]
상술한 바에 따라 냉각 및 권취된 코일을 상온~200℃까지 0.1~25℃/hour로 냉각하는 것이 바람직하다.
이때, 냉각속도가 25℃/hour를 초과하게 되면 강 중 일부 미변태된 상이 MA 상으로 변태되기 쉬우며, 그로 인해 성형성과 내충돌 특성이 나빠진다. 한편, 냉각속도를 0.1℃/hour 미만으로 제어하기 위해서는 별도의 가열설비 등이 요구되므로, 경제적으로 불리하다.
상기 최종 냉각이 완료된 강판을 산세 및 도유한 다음, 450~740℃의 온도범위로 가열하여 용융아연도금공정을 행할 수 있다.
상기 용융아연도금공정은 아연계 도금욕을 이용할 수 있으며, 상기 아연계 도금욕 내 합금조성에 대해서는 특별히 한정하지 아니하나, 일 예로 마그네슘(Mg): 0.01~30중량%, 알루미늄(Al): 0.01~50중량% 및 잔부 Zn과 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕일 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
하기 표 1의 합금조성을 갖는 강 슬라브를 준비하였다. 이때, 상기 합금조성의 함량은 중량%이며, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 준비된 강 슬라브를 하기 표 2의 제조조건에 따라 강판을 제조하였다. 하기 표 2에서 FDT는 마무리 열간압연시 온도, CT는 권취온도를 의미한다.
한편, 강 슬라브의 재가열 온도는 1200℃, 열간압연 후 열연강판의 두께는 3mm로 하였으며, 열간압연 직후의 냉각은 20~30℃/s의 냉각속도로 행하였고, 권취 이후의 냉각속도를 10℃/hour로 일정하게 하였다.
구분 C Si Mn Cr Al P S N Ti Nb
비교강1 0.15 0.03 1.7 0.4 0.03 0.01 0.003 0.004 0.08 0.03
비교강2 0.08 0.4 1.8 0.8 0.03 0.01 0.003 0.004 0.09 0.02
비교강3 0.07 0.5 2.1 0.5 0.04 0.01 0.002 0.005 0.10 0.04
비교강4 0.08 0.1 1.8 0.01 0.03 0.01 0.003 0.004 0.09 0.04
비교강5 0.11 0.2 2.0 0.3 0.03 0.01 0.003 0.004 0.08 0.03
비교강6 0.095 0.3 1.9 0.4 0.03 0.01 0.003 0.003 0.03 0.05
비교강7 0.12 0.5 1.9 0.7 0.04 0.01 0.003 0.003 0.10 0.02
비교강8 0.13 0.1 1.8 0.8 0.04 0.01 0.003 0.003 0.07 0.05
발명강1 0.065 0.3 1.8 0.5 0.03 0.01 0.003 0.004 0.08 0.03
발명강2 0.07 0.01 1.6 0.7 0.03 0.01 0.003 0.0042 0.09 0.03
발명강3 0.07 0.9 1.7 0.6 0.03 0.01 0.003 0.0035 0.07 0.035
발명강4 0.07 0.3 1.6 0.7 0.03 0.01 0.003 0.004 0.10 0.02
발명강5 0.10 0.7 2.0 0.9 0.03 0.01 0.003 0.004 0.03 0.025
발명강6 0.11 0.06 2.0 0.9 0.03 0.01 0.003 0.004 0.04 0.04
발명강7 0.13 0.6 1.95 0.6 0.03 0.01 0.003 0.003 0.05 0.03
구분
 FDT
(℃)		 CT
(℃)
관계식 1 관계식 2
Tn 만족
여부		 E1 E2 Ec Qdef 만족
여부
비교강 1 902 446 943 ○ 9 20 20.6 301766 ○
비교강 2 940 435 930 × 9 18 18.5 305028 ○
비교강 3 874 455 949 × 13 23 27.4 310641 ○
비교강 4 896 490 934 ○ 15 25 22.3 304869 ×
비교강 5 906 485 943 ○ 6 13 21.0 303831 ×
비교강 6 850 453 920 × 16 26 26.8 302768 ×
비교강 7 892 530 933 ○ 9 25 23.5 306745 ○
비교강 8 930 385 971 ○ 8 25 19.4 305492 ×
발명강 1 876 445 925 ○ 10 21 24.5 304856 ○
발명강 2 911 459 949 ○ 10 18 20.2 302871 ○
발명강 3 850 452 874 ○ 15 27 30.8 310563 ○
발명강 4 880 455 924 ○ 12 21 23.9 304495 ○
발명강 5 879 445 899 ○ 10 23 23.4 303164 ○
발명강 6 922 430 968 ○ 8 18 18.6 300908 ○
발명강 7 885 457 907 ○ 12 21 23.6 305006 ○
(상기 표 2에서 Ec 값은 계산된 값의 백분율(계산된 값×100)로 나타낸 것이다.)
상술한 바에 따라 제조된 각각의 강판에 대해, 인장강도(TS), 항복강도(YS), 연신율(T-El)의 기계적 특성과, 충격 흡수에너지를 측정하였으며, 미세조직을 관찰하여, 그 결과를 아래 표 3에 나타내었다.
구체적으로 항복강도와 연신율은 각각 0.2% off-set 항복강도, 파괴 연신율을 의미하며, 이와 함께 인장강도의 측정은 JIS5호 규격 시험편을 압연방향에 수직한 방향으로 시편을 채취하여 시험하였다.
또한, 충돌시 흡수에너지는 고속인장시험법을 이용하였으며, 자동차가 충돌할 때 소재에 가해지는 변형속도가 100~500s-1인 점을 고려하여, 위 인장 시편과 동일한 시험편 규격에 대해 변형속도가 200s- 1와 500s- 1 인 조건으로 고속 인장시험을 하였을 때 얻어진 응력-변형률 곡선에서 연신율 10%까지의 면적을 충돌 흡수에너지로 측정하였다.
한편, 강 중에 형성된 MA 상은 레페라(Lepera) 에칭법으로 에칭한 후 광학 현미경과 이미지 분석기(Image amalyser)를 이용하여 1000 배율로 분석한 결과를 나타내었으며, 오스테나이트 상은 후방산란전자회절(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD)를 이용하여 측정하였으며 3000 배율로 분석한 결과를 나타내었다. 또한, 마르텐사이트 상, 페라이트 및 베이나이트의 상 분율은 전자주사현미경(SEM)을 이용하여 3000 배율, 5000 배율로 분석한 결과를 나타내었다. 그리고, 전단조직의 면적분율은 이미 언급한 바와 같이 후방산란전자회절(Electron Back Scattered Diffraction, EBSD)를 이용하여 측정하였다.
구분
 기계적 성질 미세조직 내충돌 특성
YS
(MPa)		 TS
(MPa)		 T-El
(%)		 F(%) B(%) γ(%) M(%) 전단조직
면적비율		 200-1
(J/m3)		 500-1
(J/m3)
비교강
1		 725 978 9 45 37 4 14 0.85 77 81
비교강
2		 688 855 14 61 28 3 8 1.05 78 86
비교강
3		 728 924 9 58 34 1 7 1.40 74 83
비교강
4		 695 870 10 59 34 0 7 1.35 77 88
비교강
5		 740 956 10 33 56 2 9 0.31 78 87
비교강
6		 755 960 8 48 44 2 6 1.50 76 79
비교강
7		 688 815 15 57 32 2 1 0.36 72 83
비교강
8		 885 1085 7 22 53 4 21 0.14 78 80
발명강
1		 685 815 14 74 23 1 2 0.35 82 93
발명강
2		 689 792 15 72 26 0 2 0.28 81 94
발명강
3		 675 821 15 76 21 1 2 0.33 82 92
발명강
4		 715 835 17 75 21 1 3 0.34 83 90
발명강
5		 803 922 11 38 56 2 4 0.30 95 104
발명강
6		 820 994 10 16 76 2 6 0.11 96 102
발명강
7		 815 1008 10 14 79 2 5 0.13 94 110
(표 3에서 γ와 M 상은 MA 상에서의 각 분율을 나타낸 것이다.)
상기 표 1 내지 표 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 제조조건을 모두 만족하는 발명강 1 내지 7은 기지조직이 페라이트 및 베이나이트 복합조직으로 형성되고, 전단조직의 비율 즉, 표층부와 중심부 간의 전단조직 면적분율의 비율(중심부 전단조직 면적율/표층부 전단조직 면적율)이 0.05~1.0을 만족함에 따라, 의도하는 고강도와 함께 충돌 흡수에너지가 우수하게 확보되었다.
반면, 본 발명에서 제안하는 합금조성 중 C 함량이 과다한 비교강 1은 미변태상 내의 C 농도가 높아 MA 상과 마르텐사이트 상이 과도하게 형성되었으며, 그로 인해 충돌시 흡수에너지가 낮았다. 이는, 높은 변형속도에서의 변형시 MA상과 마르텐사이트 상 계면으로 파괴가 빠르게 진행된 것에 기인하는 것으로 판단된다.
비교강 2 및 3은 열간압연시 마무리 열간압연 온도가 관계식 1을 만족하지 못하는 경우로서, 이 중 비교강 2는 FDT가 관계식 1의 범위를 초과함에 따라 전단조직이 거의 발달하지 못하였으며, 페라이트 상 변태의 촉진도 이루어지지 못하여 MA 상과 마르텐사이트 상이 높은 분율로 형성되어 충돌 흡수에너지가 열위하였다. 또한, 비교강 3은 FDT가 관계식 1의 범위보다 과도하게 낮아 표층부의 전단조직이 중심부에 비해 높아짐에 따라, 강도가 증가하는 반면 연신율이 크게 감소하였으며, 충돌 흡수에너지도 향상되지 못하였다.
비교강 4 및 비교강 5는 열간압연시 압하율 조건이 관계식 2를 만족하지 못하는 경우로서, 이 중 비교강 4는 마지막 패스시의 압하량과 그 직전 패스시의 압하량의 합이 관계식 2의 범위를 초과함에 따라 표층부의 전단조직이 중심부 대비 높아졌으며, 이로 인해 강도는 증가한 반면 연신율이 감소하고, 충돌 흡수에너지고 향상되지 못하였다. 한편, 비교강 5는 마지막 패스시의 압하량과 그 직전 패스시의 압하량의 합이 관계식 2의 범위보다 작은 경우로서, 페라이트 상 변태의 촉진이 이루어지지 못하여 MA 상과 마르텐사이트 상의 분율이 크게 증가하였으며, 충돌 흡수에너지가 열위하였다.
비교강 6은 열간압연 조건이 관계식 1과 2를 모두 만족하지 못한 경우로서, 표층부의 전단조직이 중심부에 비해 과도하게 높아 연신율이 크게 저하되었으며, 충돌 흡수에너지도 낮았다. 특히, 500s-1 조건에서 흡수에너지가 크게 감소하여 높은 변형속도의 충돌시 부적합함을 알 수 있다.
비교강 7 및 8은 권취시 온도범위가 본 발명을 벗어나는 경우로서, 비교강 7은 권취온도가 너무 높아 미세조직 중 펄라이트 상이 형성되었으며, 그로 인해 목표 수준의 강도를 확보할 수 없었고, 충돌 흡수에너지도 낮았다. 이는, 높은 권취온도로 인해 미변태상으로부터 베이나이트 상이 형성되지 못하고 펄라이트 상이 형성됨에 따라 강의 강도가 충분히 확보되지 못하고, 고속변형시 펄라이트 상으로 파괴가 빠르게 전파됨에 기인한 것으로 판단되었다. 비교강 8은 권취온도가 낮은 경우로서 마르텐사이트 상이 다량으로 형성되어 강도가 과도하게 높았으며, 충돌 흡수에너지가 낮았다. 이는, 고속변형시 전위밀도가 국부적으로 상승하여 파괴가 빠르게 발생한 것으로 판단된다.
도 1은 발명강 6의 표층부(A)와 중심부(B) 전단조직을 관찰한 사진을 나타낸 것으로, 표층부(A) 집합조직의 면적분율이 0.217(0.130+0.087)이고, 중심부(B) 집합조직의 면적분율이 0.025(0.019+0.006)로서, 그 비율(B/A)이 0.11로 나타남을 확인할 수 있다.

Claims (9)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.14%, 실리콘(Si): 0.01~1.0%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 크롬(Cr): 0.005~1.0%, 인(P): 0.001~0.05%, 황(S): 0.001~0.01%, 질소(N): 0.001~0.01%, 니오븀(Nb): 0.005~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.11%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직으로 페라이트와 베이나이트 상의 합이 면적분율 90% 이상이고,
    표층부(표면으로부터 두께방향 1/10t 지점, 여기서 t는 강재 두께(mm)를 의미) 및 중심부(두께방향 1/10t 초과~1/2t 지점) 간의 전단 조직({110}<112>, {112}<111>) 면적분율의 비율이 0.05~1.0인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 강판은 MA 상(마르텐사이트 및 오스테나이트 혼합조직) 및 마르텐사이트 상의 합이 면적분율 1~10%인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 페라이트의 평균 결정립 직경이 1~5㎛인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 강판은 인장강도가 780MPa 이상이고, 충돌시 흡수에너지가 80J/m3 이상인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판.
  5. 중량%로, 탄소(C): 0.05~0.14%, 실리콘(Si): 0.01~1.0%, 망간(Mn): 1.5~2.5%, 알루미늄(Al): 0.01~0.1%, 크롬(Cr): 0.005~1.0%, 인(P): 0.001~0.05%, 황(S): 0.001~0.01%, 질소(N): 0.001~0.01%, 니오븀(Nb): 0.005~0.06%, 티타늄(Ti): 0.005~0.11%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1200~1350℃에서 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강 슬라브를 하기 [관계식 1] 및 [관계식 2]를 만족하는 조건으로 마무리 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연 후 400~500℃까지 10~100℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각 후 400~500℃에서 권취하는 단계
    를 포함하는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.

    [관계식 1]
    Tn-50 ≤ FDT ≤ Tn
    (여기서, Tn은 재결정 지연이 개시되는 온도로서 Tn = 730 + 92×[C] + 70×[Mn] + 45×[Cr] + 780×[Nb] + 520×[Ti] - 80×[Si] 이며, 각 원소는 중량함량을 의미하고, FDT는 마무리 열간압연 직후 열연판의 온도(℃)를 의미한다.)

    [관계식 2]
    Ec ≤ E1 + E2 ≤ 1.5×Ec
    (여기서, Ec = 4.75×10-4 (125 × Exp(Qdef/(R×(273+FDT))))0.17, Qdef = 277000 - 2535×[C] + 1510×[Mn] + 9621×[Si] + 1255×[Cr] + 53680×[Ti]0.592 + 70730×[Nb]0. 565 이고, 각 원소는 중량함량을 의미한다.
    또한, E1은 열간압연 최종 패스시의 압하량, E2는 열간압연 최종 패스 이전(최종 패스 바로 전 패스)의 압하량을 의미하며, R은 기체상수 8.314 이다.)
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 권취하여 얻은 코일을 상온~200℃까지 0.1~25℃/hour로 냉각하는 단계를 더 포함하는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 냉각 후 강판을 산세 및 도유하는 단계를 더 포함하는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 산세 및 도유 후 강판을 450~740℃의 온도범위로 가열한 다음, 용융아연도금하는 단계를 더 포함하는 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 용융아연도금은 마그네슘(Mg): 0.01~30중량%, 알루미늄(Al): 0.01~50% 및 잔부 Zn과 불가피한 불순물을 포함하는 도금욕을 이용하는 것인 내충돌 특성이 우수한 고강도 강판의 제조방법.
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