KR20210045464A - 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법 - Google Patents

800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸로서, 질량 백분율로 다음과 같은 화학 원소로 구성된다: C: 0.15-0.21%; Si: 0.30-0.80%; Mn: 1.75-2.10%; Nb: 0.015-0.040%; Ti: 0.020-0.060%; B: 0.0015-0.0030%; Al: 0.005-0.015%; Ca: 0.0004-0.001%; N: 0.001-0.004%; 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물. 또한, (1) 제련(smelting) 및 주조(casting); (2) 가열(heating); (3) 압연(rolling): 압연의 마지막 패스(pass)에서 감소율을 15% 이상으로 제어하고 최종 압연 온도를 820-900℃로 제어; 및 (4) 냉각(cooling): 압연 후 2 단계 냉각을 수행;하는 단계를 포함하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸을 제조하는 방법도 제공된다.

Description

800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법
본 발명은 스틸 등급(steel grade) 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸(hot-stamped axle housing steel) 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
자동차의 주요 하중지지 부품(load-bearing part)인 액슬 하우징은 안전에 대한 높은 요구 사항을 가지고 있으며 부품의 피로(fatigue) 성능에 대한 엄격한 요구 사항을 충족해야 한다. 즉, 액슬 하우징 스틸의 경우 안정적인 성능, 저온 내 충격성, 우수한 용접성, 및 분리(segregation)와 포함(inclusion)에 대한 엄격한 제어가 요구된다.
현재 중국의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 주로 16Mn, Q345C, Q420C, Q460C 및 기타 일반적인 C-Mn 구조용 스틸이다. 핫 스탬핑 후 이러한 C-Mn 스틸의 강도는 더욱 감소한다. 예를 들어, 핫 스탬핑 후 Q460C의 항복 강도(yield strength)는 약 400 MPa로 감소하였다.
공개번호 CN 104213019 A, 공개일자 2014년 12월 17일, 명칭이 "600 MPa 등급의 자동차 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법"인 중국 특허 문헌에 600 MPa 등급의 자동차 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 특허 문헌에 공개된 기술적 솔루션에서, 자동차 액슬 하우징 용 600 MPa 등급의 열간 압연 스트립 스틸(hot rolled strip steel)은 V 및 N 원소의 함량을 제어하고 동시에 압연 및 냉각을 제어함으로써 최종적으로 수득하였다.
공개번호 CN 103422020 A, 공개일자 2013년 12월 4일, 명칭이 "펀칭 용접 액슬 하우징용 강판 및 그 제조 방법"인 중국 특허 문헌에 펀칭 용접 액슬 하우징용 강판(steel plate) 및 그 제조 방법이 개시되어 있다. 특허 문헌에 공개된 기술적 솔루션에서, Nb 및 V 과 같은 원소를 첨가하여 핫 스탬핑 후 강판의 강도를 향상시키고, Ti 및 Al 과 같은 원소를 종합적으로 제어하여 핫 스탬핑 후 강판의 저온 인성(low-temperature toughness) 및 피로 성능(fatigue performance)을 향상시켰으며, 마침내 600 MPa 등급의 강판을 수득하였다.
이를 고려하여 800 MPa 등급의 강도와 우수한 가소성 및 피로 특성을 가진 고강도 액슬 하우징 스틸을 수득하는 것이 바람직하고, 따라서 자동차 액슬 하우징 제조에 더 적합하다.
본 발명의 목적은 800 MPa의 강도 수준에 도달할 수 있는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸을 제공하는 것이다. 한편, 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 우수한 가소성(plasticity)과 피로 특성(fatigue properties)을 가지고 있어 액슬 하우징 제조에 적합하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 질량 퍼센트로 다음과 같은 화학 원소로 구성된 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸을 제공한다:
C: 0.15-0.21%, Si: 0.30-0.80%, Mn: 1.75-2.10%, Nb: 0.015-0.040%, Ti: 0.020-0.060%, B: 0.0015-0.0030%, Al: 0.005-0.015%, Ca: 0.0004-0.001%, N: 0.001-0.004%, 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물.
본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 각 화학 원소에 대한 설계 원리는 다음과 같다:
탄소(C): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 탄소는 고용체 강화 효과(solid solution strengthening effect)를 갖는다. C의 첨가는 낮은 베이나이트의 강도를 향상시킬 수 있다. 또한, C는 액슬 하우징의 핫 스탬핑 및 공냉 공정에서 Fe와 반응하여 분산된 Fe3C를 형성하여 핫 스탬핑 후 강판의 강도를 향상시킨다. 그러나, C의 질량 퍼센트가 너무 높으면 강판의 용접성에 도움이 되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 C의 질량 퍼센트를 0.15-0.21%로 조절하였다.
실리콘(Si): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 Si는 고온에서 시멘타이트(cementite)의 침전을 억제하므로 낮은 베이나이트 형성에 도움이 된다. 동시에 Si는 강판에 미세한 시멘타이트 입자를 형성할 수 있으므로 하부 베이나이트의 강도를 향상시킨다. 그러나, 과도한 Si 함량은 강판의 용접성에 도움이 되지 않는다. 따라서, 본 발명의 기술적 솔루션에서는 Si의 질량 퍼센트를 0.30-0.80%로 조절하였다.
망간(Mn): 본 발명의 기술적 솔루션에서, 일정량의 Mn 원소의 첨가는 낮은 베이나이트의 형성을 촉진한다. 또한, Mn은 하부 베이나이트 구조에 일정한 고용체 강화 효과를 가지고 있습니다. 게다가, Mn 원소 첨가는 강판의 핫 스탬핑시 미세한 페라이트 또는 베이나이트 형성에 유리하여 핫 스탬핑 후 강판의 강도를 향상시킨다. 그러나, 과도한 Mn 함량은 강판의 용접성에 도움이 되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 Mn의 질량 퍼센트는 1.75-2.10%이다.
니오븀(Nb): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 경우, 강판에서 미량의 Nb는 제어된 압연 및 냉각 공정동안 C와 반응하여 미세한 NbC 입자를 형성하고, 이는 강판 구조의 개선에 도움이 되며 강판의 강도(strength), 가소성(plasticity) 및 인성(toughness)을 향상시킨다. 또한, NbC는 하부 베이나이트 구조에 침전되어 강력한 침전 강화 효과를 낼 수 있다. 게다가, 핫 스탬핑의 가열 단계에서 NbC는 오스테나이트(austenite) 입자를 정제하고 핫 스탬핑 후 액슬 하우징 강판의 강도를 향상시킬 수 있다. 그러나, Nb 함량이 너무 높으면 NbC 입자가 커져 오스테나이트 입자 성장에 대한 억제 효과가 약해진다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 Nb의 질량 퍼센트를 0.015-0.040%로 조절하였다.
티타늄(Ti): 본 발명의 기술적 솔루션에서, Ti 원소는 강판 압연 후 오스테나이트에서 페라이트로 상변화하는 동안 수 나노미터 내지 수십 나노미터의 직경을 갖는 TiC 입자를 형성하기 위해 C와 반응하여 특히 680-730℃ 범위에서 침전 강화 효과를 생성하면 더 미세한 인터페이스 침전물이 생성될 수 있다. 또한, 핫 스탬핑의 가열 단계에서 TiC 미립자는 오스테나이트 알갱이의 성장을 억제하여 핫 스탬핑 후 구조를 개선하고 핫 스탬핑 후 액슬 하우징 강판의 강도를 향상시킬 수 있다. 그러나, Ti의 함량이 너무 높으면 Ti가 N과 반응하여 미크론 크기의 큰 입방형 TiN 입자를 형성할 가능성이 높아 강판의 인성 및 피로 특성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 Ti의 질량 퍼센트를 0.020-0.060%로 조절하였다.
붕소(B): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서, 미량의 B는 베이나이트 형성을 촉진할 수 있다. 그러나, B 원소의 함량이 너무 높으면“붕소 취성(boron brittleness)”문제가 발생하여 강판의 충격 인성이 저하 될 가능성이 있다. 또한, 액슬 하우징의 핫 스탬핑 단계에서 미량의 B 원소가 미세 베이나이트 형성을 촉진하고 강판의 강도를 향상시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 B의 질량 퍼센트를 0.0015-0.0030%로 조절하였다.
알루미늄(Al): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에는 중요한 탈산제(deoxidizer)인 Al이 일반적으로 0.02% 이상 첨가된다. 그러나, 액슬 하우징 스틸의 피로 성능에 대한 엄격한 요구 사항을 고려할 때, Al 산화물 체인과 같은 개재물을 제어해야 한다. 따라서, Al의 함량은 낮은 범위 내에서 관리해야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 Al의 질량 퍼센트를 0.005-0.015%로 조절하였다.
칼슘(Ca): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 미량의 Ca 원소는 스틸의 제련 과정에서 정화제(purifying agent) 역할을 하고, 스틸의 인성 및 피로 성능을 향상시킨다. 또한, Ca 처리는 MnS 개재물의 모양을 개선하고 길쭉한 MnS 개재물의 형성을 방지할 수 있다. 그러나 Ca 함량이 0.001%를 초과하면 크기가 큰 Ca 화합물이 형성될 가능성이 높아 스틸의 인성 및 피로 특성이 저하된다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 Ca의 질량 퍼센트를 0.0004-0.001%로 조절하였다.
질소(N): 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 경우 N 원소는 좁은 범위 내에서 제어되어야합니다. N 원소의 미량은 Ti와 반응하여 TiN 입자를 형성 할 수 있으며, 이는 용접 및 핫 스탬핑 중에 오스테 나이트 입자의 성장을 효과적으로 억제하고 용접 열 영향 영역의 구조와 핫 스탬핑 후 구조를 개선하며 강도를 향상시킵니다. -열 영향 부 및 핫 스탬프 강판의 온도 인성 및 피로 특성. 그러나 N 함량이 너무 높으면 형성된 TiN 입자가 너무 커서 강판의 저온 인성 및 피로 특성이 저하된다. 따라서 본 발명에 따른 800 MPa 급 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 N의 질량 퍼센트를 0.001-0.004%로 조절하였다.
본 발명의 기술적 솔루션에서 불가피한 불순물 원소는 P, S 및 O를 포함하며, 이는 스틸에서 불가피한 유해 불순물 원소이며 스틸의 성능에 도움이 되지 않는다는 점에서 유의해야 한다. 예를 들어, 불순물 원소 P(인)는 "저온 취성" 문제를 일으킬 가능성이 있다. S(황)는 Mn과 반응하여 MnS 개재물을 생성할 가능성이 있으며, 이는 스틸의 피로 성능에 도움이 되지 않는다. O(산소)는 Al과 반응하여 스틸의 피로 성능에 도움이 되지 않는 Al3O 사슬형 개재물을 생성할 가능성이 있다. 따라서, 스틸의 P, S 및 O의 함량은 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 그러나, 제련 비용을 고려할 때 상기 불가피한 불순물 원소의 질량 퍼센트를 일정한 범위 내에서 관리되어야 한다. 불가피한 불순물 원소가 적절한 범위에 있으면 불가피한 불순물 원소의 유해한 영향을 스틸의 성능에 크게 영향을 미치지 않는 최저 수준으로 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 불가피한 불순물은 P≤0.015%, S≤0.0020% 및 O≤0.003% 중 하나 이상을 충족한다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 Ti 및 N 원소는 Ti/N≥5를 충족하는데, 이는 Ti/N을 5 이상으로 조절함으로써 충분한 Ti 원소가 TiC 침전 강화를 형성하기 위해 C와 반응하도록 남아있을 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 미세구조(microstructure)는 페라이트(ferrite) 및 하부 베이나이트(lower bainite)이고, 하부 베이나이트 라스(lath)의 평균 폭이 500 nm 이하이며, 상기 페라이트의 위상 비율(phase ratio)은 5-10%이다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 하부 베이나이트 라스(lath)의 평균 폭이 400 nm 이하이다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 페라이트에 나노 사이즈의 TiC 간상 석출물(interphase precipitate)이 형성되고, 페라이트 내 TiC 간상 석출물의 70% 이상이 30 nm 이하의 입자 직경을 갖는다. 본 발명에서는 침전물의 입자가 미세할수록 침전 강화 효과가 더 좋다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 항복 강도(yield strength)가 800 MPa 이상, 인장 강도(tensile strength)가 900 MPa 이상, 연신율 A50이 22% 이상, 및 -20℃에서 충격 작업(impact work)이 60J 이상이다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 각각의 비금속 개재물(inclusions)은 1.0 이하의 등급을 가지고, 모든 비금속 개재물의 총 등급은 3.0 이하로 제어되며, 액슬 하우징 스틸은 길쭉한 개재물(elongated inclusions)이 없다.
상기 실시예에서 액슬 하우징 스틸의 피로 성능에 대한 요구 사항을 고려하여 비금속 개재물의 등급은 1.0 이하로 제어되고, 모든 비금속 개재물의 총 등급은 3.0 이하로 제어된다. 한편, 길쭉한 개재물의 형성은 억제되어 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 성능을 향상시킨다.
따라서, 본 발명의 또 다른 목적은 상술한 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법을 제공하는 것이다. 제조 방법으로 얻은 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 800 MPa의 강도에 도달할 수 있고, 가소성 및 피로 특성이 우수하여 자동차 액슬 하우징 제조에 적합하다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다음 단계를 포함하는, 상기 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법을 제공한다:
(1) 제련(smelting) 및 주조(casting);
(2) 가열(heating);
(3) 압연(rolling): 압연의 마지막 패스(pass)에서 감소율을 15 % 이상으로 제어하고 최종 압연 온도를 820-900℃로 제어; 및
(4) 냉각(cooling): 압연 후 2 단계 냉각을 수행: 먼저 강판(steel plate)을 80-200 ℃/s 속도로 680-730℃로 냉각하고, 자연적으로 5-7초 동안 공냉(air cooling)한 다음, 강판을 30-70 ℃/s 속도로 360-450℃로 냉각하고, 강판을 상온으로 감거나(coiling) 자연적으로 공냉한다.
본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법에 의해 360-450℃ 중간 온도 범위에서 코일링(coiling)과 함께 분할 냉각 제어를 통해 소량의 페라이트 및 하부 베이나이트 구조를 수득할 수 있다. 하부 베이나이트 라스의 평균 폭은 500 nm 이하이다. 따라서, 최종적으로 수득한 강판은 항복 강도 800 MPa 이상, 인장 강도 900 MPa 이상, 연신율 A50이 22% 이상, -20℃에서 충격 작업(impact work)이 60J 이상이다.
상기 제조 방법은 (3) 단계에서 오스테나이트를 허용하기 위해 최종 압연 패스의 감소율을 15% 이상으로 제어하고 최종 압연 온도를 820-900℃로 제어한다. 오스테나이트에서 베이나이트로의 상변화 전에 충분한 변형을 축적하여 미세 베이나이트 구조의 형성을 촉진한다. 압연 온도가 너무 낮으면 페라이트의 고온 상변화가 발생하여 스틸의 강도가 저하되고, 압연 온도가 너무 높으면 오스테나이트에 축적된 변형이 회복되어 상변화 후 구조의 미세화에 도움이 되지 않는다.
또한, (4) 단계에서, 강판을 페라이트 형성 온도 범위까지 신속하게 냉각시키기 위해 강판을 80-200 ℃/s 속도로 680-730℃로 먼저 냉각시킨다. 그런 다음 강판을 5-7 초 동안 자연적으로 공냉하여 5-10%의 위상 비율로 페라이트를 형성한다. 680-730℃의 고온에서 미세한 TiC 입자 인터페이스 침전은 오스테나이트에서 페라이트로의 상변화 동안 발생한다. 그런 다음 강판을 30-70 ℃/s 속도로 360-450℃의 낮은 온도로 빠르게 냉각한 다음 코일을 감거나 실온으로 자연 공냉한다. 위의 단계에서 급속 냉각은 페라이트의 연속적인 상변화를 억제하는 것이며, 강판이 360-450℃로 냉각된 후 코일을 감거나 자연 공냉은 미세한 하부 베이나이트 구조를 형성하는 것이다. 게다가, 더 낮은 온도에서의 보온은 침전물 입자의 지속적인 성장을 억제할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법에 있어서, 상기 (2) 단계에서는 1180-1270℃ 범위 내의 미리 결정된 온도의 퍼니스(furnace)에서 주조 블랭크(casting blank)를 가열하고, 주조 블랭크의 코어가 미리 결정된 온도에 도달한 다음, 1.5 시간 이상 동안 미리 결정된 온도에서 주조 블랭크를 유지한다.
상기 실시예에서, 주조 블랭크는 1180-1270℃ 범위 내의 미리 결정된 온도의 퍼니스에서 가열되고, 합금 원소의 완전한 고용체를 보장하기 위해 주조 블랭크의 코어가 미리 결정된 온도에 도달한 다음, 1.5 시간 이상 동안 유지된다. 주조 블랭크를 가열하는 퍼니스는 예열(preheating), 가열(heating) 및 담금(soaking)의 세 단계로 구성된다. 주조 블랭크의 코어가 미리 정해진 온도에 도달했는지 여부는 가열로 공급 업체에서 제공한 계산 모델에 따라 결정된다. 계산 모델은 목표 온도에 도달하기 위해 예열, 가열 및 담금의 3 단계에서 주조 블랭크에 필요한 시간을 계산할 수 있다. 계산 모델은 개발 초기 단계에서 열전대(thermocouple)에 의해 검증됩니다. 가열 온도가 1270℃를 초과하면 오스테나이트 입자가 과도하게 성장하여 입계(intergranular) 결합력이 약해져 압연 중 균열이 쉽게 발생한다. 또한 가열 온도가 1270℃를 초과하면 스틸 블랭크 표면에 탈탄(decarburization)이 발생하여 최종 강재의 기계적 물성에 악영향을 미칠 가능성이 있다.
본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법의 장점과 효과는 다음과 같다.
본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 강도, 충격, 피로, 용접 및 기타 측면에서 우수한 성능을 갖는다. 합리적이고 최적화된 합금 설계를 통해 피로에 영향을 미치는 내포물을 제어한다. 예를 들어, 중간 온도 범위에서 제어된 압연, 분할 냉각 및 코일링 또는 실온으로의 자연 공기 냉각에 의해 원하는 페라이트 및 하부 베이나이트 구조가 얻어지고, 나노 크기의 침전물 입자가 페라이트에 형성된다. 따라서, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 800 MPa 급의 항복 강도를 가질뿐만 아니라 가소성이 높고(즉, 연신율 A50≥22%), 저온 충격 및 용접 특성이 우수하다.
또한, 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서는 강판의 피로 성능에 영향을 미칠 수 있는 성분 및 개재물을 특별히 제어하여 강판의 피로 성능을 향상시킨다. 액슬 하우징의 핫 스탬핑 공정에서 오스테나이트의 성장을 억제하고 최종 구조를 개선하여 핫 스탬핑 후 고강도의 강판을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 솔루션에서는 Ti, B 및 기타 원소의 함량을 제어하고 제어된 압연 및 제어된 냉각과 조합하여 소량의 페라이트 및 하부 베이나이트 구조를 얻어 강판의 가소성 및 피로 성능을 향상시킨다. 따라서, 본 발명에 따른 액슬 하우징 스틸은 차량 액슬 하우징 제조에 매우 적합하다.
도 1은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 금속조직 구조(metallographic structure)를 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 금속조직 구조(metallographic structure)를 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 스캔된 금속조직 구조(metallographic structure)를 나타낸 것이다.
도 4은 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 스캔된 금속조직 구조(metallographic structure)를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물(typical inclusions)의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 6은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물(typical inclusions)의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물(typical inclusions)의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 8은 실시예 4의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물(typical inclusions)의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸 및 그 제조 방법은 도면과 구체적인 실시예를 참조하여 아래에서 더 설명하고 예시한다. 그러나, 설명 및 예시는 본 발명의 기술적 솔루션을 지나치게 제한하지 않는다.
실시예 1-6
표 1은 실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 각 화학 원소의 질량 백분율을 나열한 것이다.
표 1. (wt%, 잔량은 Fe와 P, S, O 이외의 불가피한 불순물)
실시예 C Si Mn Nb Ti B Al Ca N P S O Ti/N
1 0.19 0.72 1.82 0.016 0.031 0.0017 0.009 0.0007 0.0032 0.012 0.0017 0.0024 9.69
2 0.16 0.30 1.96 0.018 0.057 0.0021 0.014 0.0006 0.0032 0.009 0.0014 0.0022 17.81
3 0.21 0.78 1.77 0.032 0.039 0.0016 0.005 0.0006 0.0038 0.013 0.0016 0.0027 10.26
4 0.15 0.43 2.06 0.037 0.022 0.0028 0.008 0.0009 0.0026 0.008 0.0011 0.0029 8.46
5 0.18 0.76 1.89 0.022 0.052 0.0016 0.009 0.0008 0.0031 0.011 0.0015 0.0023 16.7
6 0.17 0.32 2.05 0.039 0.041 0.0021 0.007 0.0006 0.0025 0.009 0.0013 0.0025 16.4
실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 다음 단계에 의해 준비되었다(특정 공정 매개 변수는 표 2 참조).
(1) 제련 및 주조: 진공 회로에 의해 표 1에 열거된 화학 원소의 질량 백분율에 따라 제련을 수행한 다음, 제련된 용강(molten steel)을 주조 블랭크에 붓는다;
(2) 가열: 1180-1270℃ 범위 내의 소정 온도의 퍼니스에서 주조 블랭크를 가열하고, 주조 블랭크의 코어가 소정 온도에 도달한 다음, 1.5 시간 이상 동안 주조 블랭크를 소정 온도에서 유지한다;
(3) 압연: 압연의 마지막 패스(pass)에서 감소율을 15 % 이상으로 제어하고 최종 압연 온도를 820-900℃로 제어한다; 및
(4) 냉각: 압연 후 2 단계 냉각을 수행: 먼저 강판(steel plate)을 80-200 ℃/s 속도로 680-730℃로 냉각하고, 자연적으로 5-7초 동안 공냉(air cooling)한 다음, 강판을 30-70 ℃/s 속도로 360-450℃로 냉각하고, 강판을 상온으로 감거나(coiling) 자연적으로 공냉한다.
표 2는 실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에 대한 제조 방법의 특정 공정 매개 변수를 나열한 것이다.
실시예 (2) 단계 (3) 단계 (4) 단계
미리결정된 온도(℃) 유지시간 (min) 최종
압연
온도
(℃)		 압연
감소율
(%)		 첫번째 단계
냉각속도(℃/s)		 첫번째
단계
냉각온도
(℃)		 중간
공냉
시간
(s)		 두번째
단계
냉각속도
(℃/s)		 두번째
단계 최종
냉각온도
(℃)
1 1190 112 849 17 95 691 5.3 52 421
2 1230 151 831 16 91 702 5.9 45 369
3 1270 200 828 19 86 712 6.1 63 437
4 1250 126 878 19 120 721 6.8 61 441
5 1180 156 845 20 137 716 5.1 51 371
6 1260 198 861 18 102 705 5.9 49 423
실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 성능을 테스트하고, 테스트 결과를 표 3에 나타내었다. 인장 테스트(항복 강도, 인장 강도 및 연신율)는 다음에 따라 수행되었다. 표준 GB/T 228.1-2010 "금속 재료-실온에서 인장 시험". 충격 시험은 표준 GB/T 229-2007 "금속 재료-샤르피 진자 충격 시험 방법"에 따라 수행되었다.
실시예 항복 강도(MPa) 인장 강도(MPa) 연신율 A50(%) -20℃에서 충격 작업(10Х10Х55 mm)
1 865 991 24.2 121J 128 J 125 J
2 897 1021 23.3 89 J 81 J 82 J
3 856 981 26.3 105 J 102 J 97 J
4 834 976 25.9 94 J 89 J 99 J
5 859 969 26.1 103J 101J 109J
6 870 1007 24.1 98J 106 101J
참고: 표 3의 -20℃에서 충격 작업에 대한 테스트 결과의 세 열은 세 개의 병렬 샘플의 테스트 결과를 나타낸다.
표 3에서, 실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 항복 강도 800 MPa 이상, 인장 강도 900 MPa 이상, 연신율 A50이 22% 또는 이상 및 -20℃에서 60J 이상의 충격 작업을 갖는다. 따라서, 각 실시예의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 800 MPa의 강도 수준에 도달하고 우수한 가소성 및 피로 성능을 가지므로 자동차 액슬 하우징 제조에 적합하다.
도 1 및 도 2는 LEICACTR6500 광학 금속 조직 현미경으로 200배 확대한 사진입니다. 도 3 및 도 4는 각각 20000 배와 10000 배의 배율로 JCM7000 주사 전자 현미경으로 촬영한 것이다. 도 5 내지 도 8은 중국 표준 "스틸-비금속 개재물의 함량 결정-표준 다이어그램을 사용한 현미경 방법"(GB/T 10561-2005)에 따라 50 배의 배율로 LEICACTR6500 광학 금속 현미경으로 촬영한 것이다.
도 1은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 금속조직 구조를 나타낸 것이다. 도 2는 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 금속조직 구조를 나타낸 것이다.
도 1 및 도 2에서 알 수 있듯이, 실시예 2 및 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 미세 구조는 페라이트 및 하부 베이나이트이며, 페라이트의 위상비(phase ratio)는 5-10%이다.
도 3은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 스캔된 금속조직 구조를 나타낸 것이다. 도 4은 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 스캔된 금속조직 구조를 나타낸 것이다.
도 3 및 도 4에서 알 수 있듯이, 도 4의 하부 베이나이트 라스의 평균 폭은 400 nm 이하이다. 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 페라이트에 나노 사이즈의 TiC 간상 석출물이 형성되며, 페라이트의 TiC 간상 석출물의 70% 이상은 입자 직경이 30 nm 이하이다. 하부 베이나이트는 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 침전되고, 하부 베이나이트 라스의 폭은 300 nm 이하이다.
또한, 개재물이 강판의 특성에 일정한 영향을 미치기 때문에 실시예 1-4의 개재물을 시험하여 그 결과를 도 5-8 및 표 4에 나타내었다. 도 5는 실시예 1의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 6은 실시예 2의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 7은 실시예 3의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 전형적인 개재물의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 8은 실시예 4의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 개재물의 크기, 형태 및 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.
표 4는 실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에서 비금속 개재물의 등급 결과를 나타낸 것이다. 다양한 개재물의 정의 및 평가 방법은 중국 표준 "스틸-비금속 개재물의 함량 결정-표준 다이어그램을 사용한 마이크로 그래픽 방법"(GB/T 10561-2005)에 따릅니다.
실시예 비금속 개재물의 결정
A-타입 B-타입 C-타입 D-타입 DS-타입
thick thin thick thin thick thin thick thin
1 - 0.5 - 0.5 - - - 1.0 -
2 - - - 0.5 - - - 0.5 -
3 - 0.5 - 0.5 - - - 0.5 -
4 - - - 0.5 - - - 1.0 -
5 - - - - - 0.5 - 0.5 -
6 - 0.5 - 0.5 - 0.5 - 0.5 -
도 5 내지 8 및 표 4에서 알 수 있듯이, 실시예 1-6의 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸에 포함된 각 비금속 개재물은 1.0 이하의 등급을 가지며, 이는 모든 비금속 개재물은 3.0 이하로 제어되며 액슬 하우징 스틸에는 길쭉한 개재물이 없다.
요약하면, 합금 원소 설계를 합리적으로 최적화하고, 합금 원소와 개재물의 수준을 제어하고, 제어된 압연 및 제어된 냉각 프로세스와 협력하여 본 발명에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 원하는 미세 구조, 즉 소량의 페라이트 + 하부 베이나이트, 및 페라이트에서 많은 수의 나노 사이즈의 TiC 입자를 달성한다. 따라서, 최종 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸은 800 MPa 이상의 항복 강도에 도달하고 가소성, 저온 인성 및 피로 특성이 우수하며 고강도 및 중량 감소 핫 스탬프 액슬 하우징에 적합하다.
본 발명의 보호 범위의 종래 기술 부분은 출원 문서에 제공된 실시예에 제한되지 않는다는 점에 유의해야 한다. 선행 특허 문헌, 선행 공개 간행물, 선행 공개 사용 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 발명의 솔루션에 모순되지 않는 모든 선행 기술은 본 발명의 보호 범위에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 기술적 특징의 조합 모드는 청구 범위 또는 특정 실시예에 기재된 조합 모드에 한정되지 않는다. 본 발명에서 설명된 모든 기술적 특징은 그들 사이에 모순이 없는 한 어떤 방식으로든 자유롭게 결합되거나 결합될 수 있다.
또한 상기 열거된 실시예는 단지 본 발명의 특정 실시예의 예시일 뿐이라는 점에 유의해야 한다. 명백히, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 유사한 변형이 많다. 본 개시로부터 당업자에 의해 직접 유도되거나 구상된 모든 변형은 본 발명의 범위 내에있는 것으로 의도된다.

Claims (10)

  1. 질량 퍼센트로 다음과 같은 화학 원소로 구성된 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸(hot-stamped axle housing steel): C: 0.15-0.21%, Si: 0.30-0.80%, Mn: 1.75-2.10%, Nb: 0.015-0.040%, Ti: 0.020-0.060%, B: 0.0015-0.0030%, Al: 0.005-0.015%, Ca: 0.0004-0.001%, N: 0.001-0.004%, 및 나머지는 Fe와 불가피한 불순물.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불가피한 불순물은 P≤0.015%, S≤0.0020% 및 O≤0.003% 중 하나 이상을 충족하는 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  3. 제1항에 있어서, 상기 Ti 및 N 원소는 Ti/N≥5를 더 충족하는 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  4. 제1항에 있어서, 상기 액슬 하우징 스틸의 미세구조(microstructure)는 페라이트(ferrite) 및 하부 베이나이트(lower bainite)이고, 하부 베이나이트 라스(lath)의 평균 폭이 500 nm 이하이며, 상기 페라이트의 위상 비율(phase ratio)은 5-10%인 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  5. 제4항에 있어서, 하부 베이나이트 라스(lath)의 평균 폭이 400 nm 이하인 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  6. 제4항에 있어서, 나노 사이즈의 TiC 간상 석출물(interphase precipitate)이 페라이트에 형성되고, 페라이트 내 TiC 간상 석출물의 70% 이상이 30 nm 이하의 입자 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  7. 제1항에 있어서, 상기 액슬 하우질 스틸은 항복 강도(yield strength)가 800 MPa 이상, 인장 강도(tensile strength)가 900 MPa 이상, 연신율 A50이 22% 이상, 및 -20℃에서 충격 작업(impact work)이 60J 이상인 것을 특징으로 하는 800 MPa 등* 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  8. 제1항에 있어서, 각각의 비금속 개재물(inclusions)은 1.0 이하의 등급을 가지고, 모든 비금속 개재물의 총 등급은 3.0 이하로 제어되며, 액슬 하우징 스틸은 길쭉한 개재물(elongated inclusions)이 없는 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸.
  9. 다음 단계를 포함하는, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법:
    (1) 제련(smelting) 및 주조(casting) 단계;
    (2) 가열(heating) 단계;
    (3) 압연(rolling) 단계: 압연의 마지막 패스(pass)에서 감소율을 15 % 이상으로 제어하고 최종 압연 온도를 820-900℃로 제어; 및
    (4) 냉각(cooling) 단계: 압연 후 2 단계 냉각 수행: 강판(steel plate)을 80-200 ℃/s 속도로 680-730℃로 1차 냉각하고, 자연적으로 5-7초 동안 공냉(air cooling)한 다음, 강판을 30-70 ℃/s 속도로 360-450℃로 냉각하고, 강판을 상온으로 감거나(coiling) 자연적으로 공냉함.
  10. 제9항에 있어서, 상기 (2) 단계는 1180-1270℃ 범위 내의 미리 결정된 온도의 퍼니스(furnace)에서 주조 블랭크(casting blank)를 가열한 다음, 주조 블랭크의 코어가 미리 결정된 온도에 도달한 후, 1.5 시간 이상 동안 미리 결정된 온도에서 주조 블랭크를 유지하는 것을 특징으로 하는 800 MPa 등급의 핫 스탬프 액슬 하우징 스틸의 제조 방법.


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