KR20210132798A - 성형 후 초기 미세조직 복원을 통한 연성 회복능을 가진 중망간강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

고강도와 고연성을 동시에 가지는 중망간강의 제조방법이 개시된다. 이상 열처리를 통해 이상 조직이 형성되고, 냉간 성형 공정이 수행된다. 냉간 성형 공정이 수행된 강재에 대해 국부적인 회복 가열/냉각 공정이 수행되고, 회복 가열된 부위에서 템퍼드 마르텐사이트 조직은 잔류 오스테나이트로 복귀된다. 이를 통해 국부적으로 회복 가열/냉각이 수행된 영역은 고연성을 가지고, 잔류 영역은 마르텐사이트 조직에 의한 고강도가 구현된다.

Description

성형 후 초기 미세조직 복원을 통한 연성 회복능을 가진 중망간강의 제조방법{Method of Manufacturing Medium Manganese Steel having Recovered Ductility by Restoring Original Microstructures After Forming}

본 발명은 중망간강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중망간강에 대한 열처리를 통해 초기 미세조직 복원을 이루고 용접없이도 복합적인 기계적 성질을 가질 수 있는 중망간강의 제조방법에 관한 것이다.

최근 자동차 산업 분야에서는 저가 원소인 망간(Mn)을 활용한 차세대 고강도 강판(Advanced High-Strength Steel, AHSS)을 설계하고, 차체에 적용하고자 하는 경향이 활발하다. 차세대 고강도 강판이 적용되면 자동차의 경량화를 통한 연비 향상, CO2의 감축 및 충돌 저항성 향상을 통한 안정성이 향상이 기대된다. 상술한 바와 같은 중망간강을 이용한 고강도 강판은 그 제조기술에 따라 3세대로 구분된다.

1세대는 2개의 결정구조들이 혼재된 이상(Dual-Phase, DP)강 및 변태유기소성(Transformation-Induced Plasticity, TRIP)강으로 대표되며, 이들은 현재 자동차의 차체에 널리 적용되고 있다. 또한, 1세대보다 더욱 뛰어난 연성 및 성형성을 확보하기 위한 2세대 강이 개발되었으며, 이는 고망간 쌍정유기소성(Twinning-Induced Plasticity, TWIP)강이 해당된다. 또한, 높은 망간 함량(>15 중량%)로 인한 제조원가 상승이 문제되었는 바, 제1 세대 강판의 경제적 잇점과 제2 세대 강판의 뛰어난 기계적 성질을 모두 가지는 제3 세대 중망간강(Medium-Mn Steel)이 개발되었으며, 이를 차체에 적용시키는 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

또한, 센터 필러 및 사이드 멤버와 같이 충격 흡수 역할을 하는 차체 부품의 경우, 사고시 승객 안정과 밀접하게 연관되는 부품이므로, 항복 강도 1,000 MPa 이상 및 인장 강도 1,500 MPa 급의 초고강도 강판이 적용되고 있다. 따라서, 초고강도를 나타내면서 복합한 형상을 가진 부품을 용이하게 성형할 수 있는 열간성형(Hot Stamping) 공정이 주목받았다. 이는 판재를 900 ℃ 이상의 오스테나이트 단상 영역에서 열처리 및 프레스 성형한 후, 금형 내에서 급냉하여 경질상인 마르텐사이트상을 생성하는 기술이다. 그러나, 열간성형 공정은 높은 온도(900 ℃ 이상)에서의 성형으로 인해 열 에너지의 소비가 크며, 금형 내에서의 급냉은 금형의 수명을 단축시키며, 생산성을 저해하는 문제점을 노출한다.

이를 해결하기 위해, 중만간강을 이용한 온간성형(Warm Stamping) 기술이 제안된 바 있다. 이는 강 내부의 망간 함량이 종래의 22MnB5 보다 높고 낮은 Ac3 온도를 나타내는 것에 착안한 것으로 판재를 650 ℃ 내지 900 ℃ 이상의 비교적 낮은 온도에서 성형하는 기술이다. 또한, 서냉 시에도 마르텐사이트 변태가 발생되므로, 금형 내에서 급냉이 요구되지 않아 생산성 및 금형 수명의 확보가 가능하다는 장점이 있다.

온간성형법이 종래의 열간성형법의 단점을 효과적으로 개선시키는 것은 사실이나, 여전히 고온에서 성형하는 부담이 있다. 또한, 충돌 부재용 핵심 부품인 센터 필러의 경우, 하부는 충격 에너지를 흡수하기 위해 높은 연성이 요구되며, 중앙부는 충돌시 차체의 형상을 유지하도록 고강도를 가질 필요가 있다. 즉, 차량용 부재들에서는 높은 연성과 고강도라는 서로 다른 목적의 상반된 기계적 성능이 요구되는 경우가 많다.

종래의 기술만으로는 이와 같은 복합적인 기계적 물성을 가진 부품의 제조는 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 알려진 기술로는 중앙부를 고강도강으로 형성하고, 하부는 성형 이후에 고인성강으로 형성한 후, 이를 레이저로 용접하는 Tailor Welded Blanks(TWB) 공정이다. 이는 용접시 열화부를 야기하고 생산성을 하락시키는 단점을 가진다.

따라서, 중망간강을 이용하여 상온 성형을 한 이후, 고강도를 나타내면서도 급속 가열을 통해 연성이 회복될 수 있는 강판의 제조기술은 요청된다 할 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 하나의 부품 내에 높은 강도와 연성을 동시에 가질 수 있는 중망간강의 제조방법을 제공하는데 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 중망간강에 대한 열간 압연을 수행하여 마르텐사이트 단상을 가지는 판재를 형성하는 단계; 상기 판재에 대한 이상 열처리를 통해 잔류 오스테나이트 및 템퍼드 마르텐사이트를 가지는 이상 조직을 형성하는 단계; 상기 이상 조직에 대한 냉간 성형 공정을 수행하여 상기 잔류 오스테나이트가 변형 유기 마르텐사이트로 변형된 냉간 성형체를 형성하는 단계; 및 상기 냉간 성형체에 대한 회복 가열/냉각 공정을 수행하여 상기 변형 유기 마르텐사이트가 상기 잔류 오스테나이트로 회복된 최종 제품을 형성하는 단계를 포함하는 중망간강의 제조방법을 제공한다.

상술한 본 발명에 따르면, 차체의 센터 필러 등의 복합적 물성이 요구되는 부품 또는 강재는 1500 MPa 이상의 고강도를 가지면서 높은 변형률은 가지는 특징을 가진다. 즉, 센터 필러, 바디 사이드, 사이드 멤버, 범퍼 또는 루프 레일 등 하나의 부품에서 복합적인 기계적 물성이 요구되는 영역에서 높은 강도와 국부적으로 뛰어난 연성을 가질 수 있다. 이를 통해 이종 강재를 조립하거나 용접을 통한 추가적 공정이 생략되고, 생산성 및 경제성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중망간강이 제조방법을 도시한 그래프 및 각각의 공정별 미세조직 변화를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 제조방법에 따른 중망간강 형성을 도시한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 열간 압연 공정 이후의 시료에 대한 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3의 시료를 이상 열처리 공정을 수행한 후의 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 4의 중망간강 시료에 대해 냉간 성형 공정을 수행한 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 5의 중망간강 시료인 냉간 성형체에 대한 회복 가열/냉각 공정 시의 상변태를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 5의 시료에 대해 800 ℃까지 회복 가열/냉각 공정을 수행한 최종 제품의 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1 내지 도 7의 중망간강 시료의 응력-변형율을 도시한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

실시예

본 발명에 따른 중망간강은 망간(Mn) : 3 내지 12 중량%, 탄소(C) : 0.3 중량% 이하, 및 기타 부가 첨가원소를 함유하고, 잔부인 철(Fe)와 불가피한 불순물(인 및 황 등)으로 이루어진다. 상기 부가 첨가원소는 석출형 미량 합금 원소(Ti, V 및 Nb : 0.2 중량% 이하), 알루미늄(Al) : 3 중량% 이하 및 규소(Si) : 1 중량% 이하이다.

이하, 상술한 강의 화학성분의 한정 이유에 대해 설명된다.

망간(Mn) : 3 내지 12 중량%

Mn은 이상 열처리 도중 생성된 오스테나이트의 안정성을 향상시켜 냉각 이후 다량의 오스테나이트의 분율을 얻게 한다. 또한, 상온에서 냉간 변형 도중에 변태유기소성 및 쌍정유기소성을 발현케한다.

Mn이 3 중량% 미만이면, 오스테나이트의 안정성 및 경화능이 떨어지고, 이상 열처리 후, 냉각시 오스테나이트가 페리이트, 펄라이트 또는 베이나이트 등의 미세조적으로 상변태될 수 있으며, 다량의 잔류 오스테이트를 상온에서 얻기 어렵다. 반면, 12 중량%를 초과하면 재료비가 상승되고, 기계적 성질에 악영향을 미치는 황화망간(MnS)의 형성이 빈번할 수 있다.

탄소(C) : 0.3 중량% 미만

탄소는 이상 열처리 도중 생성된 오스테나이트의 안정성을 향상시키고, 냉각 이후 다량의 잔류 오스테나이트의 일정한 분율을 얻게 한다. 만일, 탄소의 함량이 0.3 중량% 이상이 되면, 냉각 도중 탄화물(cementite)의 형성이 야기되어 기계적 성질의 제한을 가져온다.

알루미늄(Al) : 3 중량% 미만

알루미늄은 이상 열처리 이후 생성된 잔류 오스테나이트이 적층 결합 에너지(stacking fault energy)를 향상시키며, 이에 따라 냉간 변형 도중 쌍정유기소성의 발현을 유도한다. 따라서, 중망간강이 뛰어난 강도와 연성을 가지는 균형을 나타내게 한다. Al이 첨가되지 않은 중망간강은 변태유기소성만을 나타내므로 하락된 기계적 성질을 가지나, 사용에 큰 무리는 없다. 다만, Al 함량이 3 중량% 이상이면, 열간압연 도중 페라이트의 생성이 야기되어 기계적 성질에 악영향을 미칠 수 있으며, AlN의 생성이 빈번하여 제강이 어렵다는 단점이 있다.

실리콘(Si) : 1 중량% 미만

실리콘은 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트의 고용강화를 유도하나 첨가하지 않더라도 중망간강의 생성 및 특성확보에는 무리가 없다. 또한, 실리콘은 냉각 중 탄화물(cementite) 형성을 억제하여 잔류 오스테나이트의 안정성을 향상시킨다. Si의 함량이 1 중량% 이상이면, 제강 및 도금에 어려움이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 중망간강이 제조방법을 도시한 그래프 및 각각의 공정별 미세조직 변화를 나타낸 모식도이다.

도 1을 참조하면, 제조공정은 열간 압연, 이상 열처리, 냉간 성형 및 회복 가열/냉각의 순서를 가진다.

열간 압연을 통해 오스테나이트 단상 영역에서 마르텐사이트 단상이 형성된다. 열간 압연 온도는 Ac3 온도 이상이며, 오스테나이트 단상 영역인 850 ℃ 내지 1200 ℃로 정해진다. 열간 압연 공정에 의해 중망간강의 대부분은 마르텐사이트 조직을 가지며, 이후에 냉각 공정이 수행된다. 냉각은 수냉, 유냉 및 공냉 중 어느 하나의 적절한 방식을 취하여 냉각 중에 페라이트로의 변태를 피하고, 마르텐사이트(α′) 조직을 얻도록 수행된다. 열간 압연이 진행된 중망간강은 HW(Hot Working)으로 표시된다.

열간 압연이 수행된 후, 이상 열처리 공정이 수행된다. 이상 열처리는 Ac1 내지 Ac3의 온도 범위에서 수행된다. 이상 열처리에 의해 오스테나이트로의 역변태가 일어나며, 생성된 오스테나이트에 망간 및 탄소가 농축되어 안정화된다. 즉, 이상 열처리는 Ac1 내지 Ac3의 온도 범위인 페라이트 및 오스테나이트의 공존 영역에서 수행된다. 이상 열처리 후 냉각이 진행되면, 잔류 오스테나이트(γ_R) 및 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)로 구성된 이상 조직이 나타난다.

더욱 상세히 설명하면, Ac1 내지 Ac3의 온도 범위에서 열처리 후 냉각된 시료는 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′) 및 잔류 오스테나이트(γ_R)의 Nanolaminate 이상 구조 또는 라멜라 이상 구조가 나타난다. 이상 열처리가 수행된 중망간강 시료는 HWA(Hot Working Annealing)으로 표시된다.

이어서, 이상 열처리 후, 냉간 성형 공정이 수행된다. 상기 냉간 성형에 의해 잔류 오스테나이트(γ_R)는 변형 유기 마트텐사이트(α_s′) 조직으로 변태된다.

이상 열처리에 의해 잔류 오스테나이트(γ_R)가 다량 분포하므로 냉간 성형에 의한 변형 도중에 변태유기소성 또는 쌍정유기소성에 의해 성형성이 뛰어나며, 가공 경화율이 향상되어 고강도화가 가능해진다. 특히, 냉간 성형 이후, 전위(dislocation) 등의 내부 결함 생성 및 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)의 생성으로 시료는 높은 강도를 나타내나 낮은 연성을 보인다.

상기 냉간 성형 공정이 완성된 시료는 냉간 성형체 CW(Cold Working)로 표시된다.

냉간 성형 이후, 시료에 대한 국부적 회복 가열/냉각 공정이 수행된다. 국부적 회복 가열/냉각 공정은 시료 전체에 대한 열처리가 아니며, 미세조직을 복원하고자 하는 영역에 대해 국부적으로 수행된다. 회복 가열/냉각 공정을 통해 마르텐사이트 조직은 오스테나이트로 안정화된다.

즉, 회복 가열/냉각은 냉간 성형된 판재의 성형성 회복을 위해 수행되며, 기 생성된 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)가 오스테나이트로 상변태하는 역변태 온도까지 가열되고, 냉각된다. 가열시, 약 700 ℃ 부근에서 망간과 탄소로 농축된 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)가 오스테나이트로 역변태되고, 온도가 추가적으로 상승되면 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)도 역변태된다.

즉, 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)가 오스테나이트로 역변태되는 온도까지 가열되고, 가열후 냉각이 이루어지면 냉간 성형 이전의 미세조직인 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′) 및 잔류 오스테나이트(γ_R)의 이상 조직으로 복원된다. 국부적으로 회복 가열/냉각 공정이 수행된 시료는 최종 제품 CWA(Cold Working Annealing)으로 표시된다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1의 제조방법에 따른 중망간강 형성을 도시한 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 열간 압연 공정에 의해 강판이 제작되고, 강판에 대한 이상 열처리를 통해 강재 HWA가 생성된다. 상기 강재 HWA는 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)와 잔류 오스테나이트(γ_R)의 이상 조직을 가진다.

이어서, 판재에 대한 냉간 성형 공정이 수행된다. 상온에서 압연 등에 의한 성형 공정이 수행되면, 냉간 성형체 CW(Cold Working)가 제작된다. 예컨대, 상기 냉간 성형체는 센터 필러의 형상으로 제작된다. 냉간 성형체 CW는 높은 강도를 가지며, 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)와 변형 유기 마르텐사이트(α_s′) 조직을 가진다.

계속해서 유도 가열 등의 적절한 방법으로 냉간 성형체 CW의 국부적인 영역에 대해 회복 가열/냉각 공정이 수행된다. 회복 가열/냉각 공정이 수행되는 영역에서 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)는 잔류 오스테나이트(γ_R)로 회복되어 회복 가열/냉각 공정이 수행된 국부적인 영역에 한해 냉간 성형 공정 이전의 상태를 회복한다.

즉, 성형이 이루어진 하나의 강재에서 마르텐사이트 조직을 가지는 높은 강도를 가진 영역 및 오스테나이트 조직을 가지는 높은 연성을 가지는 영역이 동시에 나타난다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 열간 압연 공정 이후의 시료에 대한 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.

도 3을 참조하면, 중망간강 시료로는 Fe-7Mn-0.2C-3Al (중량%)이 사용된다. 즉, Mn이 7 중량%이고, C가 0.2 중량%이며, Al이 3 중량%이다. 기타 불가피한 불순물은 본 실시예에서 결정립의 형성 및 조직의 변태에 영향을 미치지 않으므로 측정 및 설명을 생략한다.

먼, 상기 시료에 대해 오스테나이트 단상 영역 온도인 1100 ℃에서 균질화 처리되고, 열간 압연이 진행된다. 열간 압연 및 냉각이 진행된 시료는 도 1에 도시된 바대로 HW로 표기된다. 상기 열간 압연 온도는 Ac3 온도 이상이다. 열간 압연에 의해 마르텐사이트 단상이 나타남을 알 수 있다. 상기 마르텐사이트(α′) 조직은 오스테나이트화된 중망간강 시료가 상온 근처까지 급랭될 경우에 형성될 수 있다.

또한, 마르텐사이트(α′)는 오스테나이트의 무확산 변태로 형성된 비평형 상태의 단일상 구조를 가지며, 바늘 형태나 판의 형태를 나타낸다. 미세조직으로 마르텐사이트(α′)는 매우 단단하고 강한 특징을 가지나, 깨지기 쉽고 연성이 거의 없는 것으로 이해되어야 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 3의 시료를 이상 열처리 공정을 수행한 후의 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.

도 4를 참조하면, 이상 영역은 Ac1 내지 Ac3 온도 범위이며, 상기 도 4에서는 700 ℃에서 1시간 동안 열처리가 수행되고, 냉각된다. 이상 열처리 동안 활발한 오스테나이트로의 역변태가 일어나고, 생성된 오스테나이트는 망간 및 탄소에 농축되어 안정화된다. 따라서, 냉각 이후 잔류 오스테나이트(γ_R) 및 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)의 이상 조직(Dual Phase)이 나타난다.

또한, 상기 이상 조직에서 잔류 오스테나이트(γ_R)는 최대 50 중량%로 생성됨이 바람직하다. 상기 이상 열처리 공정를 통해 생성된 이상 조직에서 잔류 오스테나이트(γ_R)에 의해 중망간강 시료는 뛰어난 성형성을 나타낸다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 4의 중망간강 시료에 대해 냉간 성형 공정을 수행한 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.

도 5를 참조하면, 이상 조직의 잔류 오스테나이트(γ_R)로 인해 중망간강 시료는 뛰어난 성형성을 나타내며, 상온에서 성형이 가능한 상태이다. 냉간 성형이 수행되면, 내부 결함 생성 및 변형이 일어나며, 변형 도중 변태유기소성 또는 쌍정유기소성에 의해 뛰어난 성형성을 얻을 수 있다. 또한, 전위 등의 내부 생성 및 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)의 생성으로 인해 높은 강도가 확보된다. 즉, 잔류 오스테나이트(γ_R)는 냉간 성형에 의해 변형 유기 마르텐사이트(α_s′)로 변형된다. 도 1에서 개시된 바와 같이 냉간 성형이 수행된 냉간 성형체는 CW로 표기된다.

도 5에서는 55% 냉간 압연이 진행되며, 냉간 압연에 의한 성형에 의해 복합 조직이 나타난다. 복합 조직은 변형 유기 마르텐사이트(α_s′) 및 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)로 구성되며, 소량의 잔류 오스테나이트도 나타난다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 5의 중망간강 시료인 냉간 성형체에 대한 회복 가열/냉각 공정 시의 상변태를 설명하기 위한 그래프이다.

도 6을 참조하면, 상기 도 5의 냉간 성형이 수행된 냉간 성형체에 대해 유도 가열 열팽창법에 의한 연속 가열이 수행된다. 연속 가열시 가열 속도는 100 ℃s^-1이며, 냉각 속도는 100 ℃s^-1이다. 유도 가열은 냉간 성형된 냉간 성형체 전체에 대해 수행되지 않고, 일부 영역에 대해 수행될 수 있는 잇점이 있다.

회복 가열/냉각이 수행된 영역에서는 역변태에 의해, 미세 조직은 잔류 오스테나이트(γ_R) 조직이 나타난다.

이를 상세히 설명하면, 제1 온도 ①인 약 580 ℃의 온도에서 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)는 입실론 마르텐사이트(ε) 또는 오스테나이트(γ)로 변태를 개시한다. 따라서, 미세조직은 회복 가열/냉각 공정 이전에 형성된 조직인 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′) 및 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)가 잔류하며, 제1 온도 ①에서 변태가 개시된 잔류 오스테나이트(γ_R) 또는 입실론 마르텐사이트(ε)로 구성된다. 즉, 상기 미세조직을 이루는 결정 구조에서 템퍼트 마르텐사이트(α_temp′) 및 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)는 상기 도 5의 냉간 성형에 의해 형성된 조직 또는 잔류한 조직이며, 잔류 오스테나이트(γ_R) 또는 입실론 마르텐사이트(ε)는 제1 온도 ①에서 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)의 상변태를 통해 형성된 조직이다.

온도가 상승되어 제2 온도 ②인 약 680 ℃에 도달하면, 입실론 마르텐사이트(ε)는 오스테나이트로의 상변태를 개시하여 조직 내에서 잔류 오스테나이트(γ_R)를 형성한다. 또한, 상기 제2 온도 ②에서 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)는 대부분 입실론 마르텐사이트(ε) 또는 잔류 오스테나이트(γ_R)로 상변태가 완료된다. 따라서, 상기 제2 온도 ②에서의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′), 잔류 오스테나이트(γ_R) 및 입실론 마르텐사이트(ε)가 된다.

또한, 제3 온도 ③인 700 ℃에서는 입실론 마르텐사이트(ε)로부터 오스테나이트로의 상변태가 종료된다. 따라서, 따라서, 제2 온도 및 제3 온도 사이에서 나타나는 입실론 마르텐사이트(ε) 조직은 완전히 잔류 오스테나이트(γ_R)로 변태된다. 따라서, 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)와 잔류 오스테나이트(γ_R)로 나타난다.

또한, 제4 온도 ④인 830 ℃에서는 템퍼드 마르텐사이트로(γ_R)부터 오스테나이트로의 상변태가 시작된다. 따라서, 제4 온도 및 제5 온도 영역에서는 상변태에 의해서도 잔류하는 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′) 및 잔류 오스테나이트(γ_R)의 미세조직이 나타난다.

마지막으로 제5 온도 ⑤인 950 ℃에서는 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′) 조직이 오스테나이트로 상변태되는 공정이 완료된다. 따라서, 미세조직은 모두 잔류 오스테나이트(γ_R)로 생성된다.

또한, 상기 도 5에서 100 ℃s^-1의 속도로 급속 냉각되므로 회복 가열에 의해 생성된 조직은 상온에서 그 상태를 유지한다. 회복 가열/냉각 공정을 통해 망간과 탄소가 농축된 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)는 오스테나이트로 빠르게 역변태되고 안정화된다. 따라서, 급속 가열이 진행된 후, 고온에서 온도를 유지하는 유지 시간이 없는 냉각에서도 냉간 성형 이전의 미세조직이 확보될 수 있다. 따라서, 중망간강 시료에서 일부 영역의 미세조직을 복원하기 위한 열처리 공정의 시간은 절약될 수 있다.

특히, 도 5에서는 제3 온도 이상의 온도로 회복 가열하여 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)를 잔류 오스테나이트(γ_R)로 상변태한다. 이를 통해 뛰어난 연성을 가진 조직 및 높은 강도를 가진 조직을 하나의 일체화된 강재로 얻을 수 있다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 5의 시료에 대해 800 ℃까지 회복 가열/냉각 공정을 수행한 최종 제품의 전자 현미경 사진 및 엑스선 회절 그래프이다.

도 7을 참조하면, 최종 제품은 상기 도 1에 도시된 바대로 CWA(Cold Working Annealing)으로 표기된다. 먼저, 초당 100 ℃의 온도로 급속 가열되며, 이를 통해 변형 유기 마르텐사이트(α_s´)는 잔류 오스테나이트(γ_R)로 상변태가 완료된 상태이고, 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)는 상변태를 개시하지 않는다. 따라서, 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(α_temp′)와 잔류 오스테나이트(γ_R)를 나타내며, 잔류 오스테나이트(γ_R)의 생성 및 증가를 통해 냉간 성형 이전의 조직이 회복된 것을 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 상기 도 1 내지 도 7의 중망간강 시료의 응력-변형율을 도시한 그래프이다.

도 1 및 도 8을 참조하면, 열간 압연 공정에 의해 강판이 제조되며, 열간 압연이 완료된 강판 또는 조직에 대해서는 HW(Hot Working)로 표시된 상태이다. 이어서 강판에 대한 이상 열처리 공정이 수행된다. 이상 열처리가 완료된 강판은 HWA(Hot Working Annealing)으로 표시되며, 이는 상기 도 4에 도시된 강판이다.

이상 열처리가 완료된 강판 HWA는 템퍼드 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 이상 조직을 나타낸다. 잔류 오스테나이트 조직에 의해 연성 및 가공성이 확보되므로, 강판은 2% 내지 3%의 변형률 구간인 선형 구간에서 탄성 영역을 나타내고, 그 이상의 변형률 구간에서는 변형 경화(strain hardening)가 발생된다. 변형 경화에 의해 이상 열처리가 완료된 강판 HWA는 약 800 MPa의 극한 강도를 나타낸다. 또한, 탄성 영역에 비해 소성 영역이 상대적으로 크게 나타나는 것을 판단할 때, 강판 HWA는 잔류 오스테나이트 조직에 의해 매우 높은 연성을 나타냄을 알 수 있다. 그러나, 연신이 진행되었으나, 하중이 선형적으로 증가하지 않는 항복점이 약 600 MPa로 나타나므로 비교적 낮은 강도를 보임을 알 수 있다.

또한, 상온에서 냉간 성형이 일어난 성형체는 CW(Cold Working)로 표시된다. 냉간 성형체 CW는 템퍼드 마르텐사이트와 변형 유기 마르텐사이트의 조직을 가지므로 취성 재료의 특성을 나타낸다. 즉, 성형체 CW는 고강도 영역을 형성하고, 약 2%의 선형 구간을 지나서, 변형 경화에 의해 나타나는 극한 강도는 1500 MPa를 나타낸다. 다만, 취성 재료의 특성으로 인해 변형률은 5%를 상회하는 정도이다.

이어서, 회복 가열/냉각 공정 후의 성형체는 CWA(Cold Working Annealing)으로 표기된다. 회복 가열을 위해 급속 가열되고, 급속 냉각된 시료는 변형 유기 마르텐사이트가 잔류 오스테나이트로 역변태된 상태이다. 따라서, 회복 가열/냉각 공정이 진행된 국부적 영역에는 템퍼드 마르텐사이트와 잔류 오스테나이트의 이상 조직으로 형성된다. 잔류 오스테나이트로의 상변태로 인해 회복 가열/냉각 공정이 수행된 시료는 고인성 영역을 형성한다. 따라서, 인장 강도는 1000 MPa를 상회하고, 변형율은 15% 이상의 값을 가진다.

상술한 본 발명에 따르면, 차체의 센터 필러 등의 복합적 물성이 요구되는 부품 또는 강재는 1500 MPa 이상의 고강도를 가지면서 높은 변형률을 가지는 특징을 가진다. 즉, 센터 필러, 바디 사이드, 사이드 멤버, 범퍼 또는 루프 레일 등 하나의 부품에서 복합적인 기계적 물성이 요구되는 영역에서 높은 강도와 국부적으로 뛰어난 연성을 가질 수 있다. 이를 통해 이종 강재를 조립하거나 용접을 통한 추가적 공정이 생략되고, 생산성 및 경제성이 향상된다.

Claims (8)

1. 중망간강에 대한 열간 압연을 수행하여 마르텐사이트 단상을 가지는 판재를 형성하는 단계;
   상기 판재에 대한 이상 열처리를 통해 잔류 오스테나이트 및 템퍼드 마르텐사이트를 가지는 이상 조직을 형성하는 단계;
   상기 이상 조직에 대한 냉간 성형 공정을 수행하여 상기 잔류 오스테나이트가 변형 유기 마르텐사이트로 변형된 냉간 성형체를 형성하는 단계; 및
   상기 냉간 성형체에 대한 회복 가열/냉각 공정을 수행하여 상기 변형 유기 마르텐사이트가 상기 잔류 오스테나이트로 회복된 최종 제품을 형성하는 단계를 포함하는 중망간강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 중망간강은 망간(Mn) 3 내지 12 중량%, 탄소(C) 0.3 중량% 이하, 및 기타 부가 첨가원소를 함유하고, 잔부인 철(Fe)와 불가피한 불순물(인 및 황 등)로 구성되는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 열간 압연은 Ac3 온도 이상에서 수행되며, 상기 Ac3 온도 이상의 영역은 오스테나이트 단상 영역인 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 이상 열처리는 Ac1 내지 Ac3 온도 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 잔류 오스테나이트는 최대 50 중량%로 생성되는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 냉간 성형은 상온에서 수행되는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 회복 가열/냉각 공정은 700 ℃ 이상으로 가열되는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 회복 가열/냉각 공정은 상기 최종 제품의 국부적인 영역에 대해 수행되는 것을 특징으로 하는 중망간강의 제조방법.
   

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