KR20220086172A - 성형성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 - Google Patents

성형성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

성형성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고강도 냉연 강판은 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb: 0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며, 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 변태조직과 페라이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 상기 미세조직의 변태조직 분율이 면적률로 60~90%이고, 상기 페라이트의 분율이 면적률로 10~40%이고, 상기 변태조직의 평균입경이 3㎛ 이하이다.

Description

성형성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH COLD-ROLLED STEEL SHEET WITH EXCELLENT FORMABILITY AND MATHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 성형성이 우수한 고강도 냉연강판에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 성형성이 우수한 고강도 냉연강판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
최근 자동차용 강판은 연비 향상이나 내구성 향상을 위해 강도가 더욱 높을 것이 요구되고 있다. 특히, 최근 자동차의 충격 안정성 규제가 확산되면서 차체의 내충격성 향상을 위해 멤버(Member), 시트 레일(seat rail) 및 필라(pillar) 등의 구조 부재에 항복 강도가 우수한 고강도 강판이 채용되고 있다. 인장강도 대비 항복강도가 높을수록 즉, 항복비가 높을수록 충격 에너지 흡수능에 유리한 특징을 가지고 있으며, 구조 부재들은 높은 항복비가 요구된다.
또한, 최근에는 충돌시 승객의 안정성을 보다 향상시키기 위해 자동차의 시트 부품의 고강도화와 경량화가 동시에 진행되고 있다. 이러한 부품은 롤 포밍 뿐만 아니라 프레스 성형의 2가지 방법으로 제조되고 있다. 시트 부품은 승객과 차체를 연결하는 부품으로서 충돌시 승객이 밖으로 튕겨져 나가지 못하도록 높은 응력으로 지지해주어야 한다. 이를 위해서는 높은 항복강도와 높은 항복비가 필요하다. 또한 가공되는 부품의 대부분이 신장플랜지성을 요구하는 부품으로서 구멍 확장성이 우수한 강재의 적용이 요구되고 있다.
다만, 강판의 강도가 증가할수록 일반적으로 성형성이 감소하므로, 고강도와 더불어 성형성이 우수한 강판이 요구된다.
등록특허공보 제10-1677396호(2016.11.18. 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 우수한 성형성을 갖는 인장강도 980MPa 이상의 고강도 냉연강판을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 우수한 강도 및 성형성을 갖는 고강도 냉연강판 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판은 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb: 0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며, 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 변태조직과 페라이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 상기 미세조직의 변태조직 분율이 면적률로 60~90%이고, 상기 페라이트의 분율이 면적률로 10~40%이고, 상기 변태조직의 평균입경이 3㎛ 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 고강도 냉연강판은 질량%로, P: 0.001~0.10%, S: 0.01% 이하, Sol.Al: 0.01~0.10% 및 N: 0.01% 이하를 추가로 포함할 수 있다.
상기 고강도 냉연강판은 2㎛ 이하의 평균입경을 갖는 마르텐사이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 베이나이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 페라이트를 포함할 수 있다.
상기 미세조직 중 3㎛ 초과의 평균입경을 갖는 베이나이트 및 페라이트의 비율이 면적률로 5% 이하일 수 있다.
상기 미세조직에 잔류 오스테나이트가 포함되지 않을 수 있다.
상기 페라이트는 면적률로 25% 이하의 미재결정 페라이트와, 면적률로 75% 이상의 재결정 페라이트로 이루어질 수 있다.
상기 미세조직에는 10nm 이하의 나노 석출물이 150개/㎛2 이상의 분포밀도로 포함될 수 있다.
상기 고강도 냉연강판은 980MPa 이상의 인장강도, 14% 이상의 연신율, 1.0 이하의 굽힘 가공성(R/t), 40% 이상의 구멍 확장성(HER)를 가질 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb: 0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강 모재를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계; 상기 열연강판을 냉간압연한 후, 소둔 열처리하는 단계; 및 소둔 열처리된 강판을 과시효 처리하는 단계를 포함하고, 이하의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
13≤0.8A-0.4(B-C)≤27
A: 냉간 압하율 (%)
B: Ac3 온도 (℃)
C: 소둔 열처리 온도 (℃)
상기 소둔 열처리하는 단계는 냉간압연된 강판을 상기 식 1을 만족하는 온도에서 유지하는 단계와, 유지된 강판을 Ms 이하의 온도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 냉연강판을 1% 이하의 압하율로 스킨패스 압연하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 냉연강판의 표면에 아연도금층 또는 합금도금층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 인장강도 980MPa 이상의 고강도를 나타내면서도, 14% 이상의 연신율 40% 이상의 HER값(구멍 확장성), 1.0 이하의 R/t값(굽힘 가공성)을 나타낼 수 있는 고강도 냉연강판이 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 우수한 강도 및 성형성을 토대로, 자동차의 멤버(Member), 시트 레일(seat rail) 및 필라(pillar) 등의 구조 부재에 활용되기 적합하다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 강 시편 1-1(발명강)의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 2는 강 시편 1-1(발명강)의 미세석출물 분포를 나타낸 것이다.
도 3은 강 시편 1-4(비교강)의 미세조직을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
강판의 강도를 높이기 위해 강을 강화하는 방법은 통상적으로 고용강화, 석출강화, 결정립 미세화에 의한 강화, 변태강화 등이 있다. 상기 방법 중 고용강화 및 결정립 미세화에 의한 강화는 인장강도 490MPa급 이상의 고강도강을 제조하기가 어렵다는 단점이 있다. 석출강화는 강에 Cu, Nb, Ti, V 등과 같은 탄,질화물 형성 원소를 첨가함으로써 탄,질화물을 석출시켜 강판을 강화시키거나 미세 석출물에 의한 결정립 성장 억제를 통해 결정립을 미세화시켜 강도를 확보하는 기술이다. 상기 기술은 낮은 제조 원가 대비 높은 강도를 쉽게 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 다만, 석출강화의 경우, 미세 석출물에 의해 재결정 온도가 급격히 상승하게 되며, 이에 따라 충분한 재결정화를 통해 연성을 확보하기 위해서는 고온 소둔을 실시하여야 한다는 단점이 있다. 또한, 석출강화는 인장강도 600MPa급 이상의 고강도강을 얻기는 곤란하다는 문제점이 있다.
한편, 변태강화형 고강도강은 페라이트 기지에 경질의 마르텐사이트를 포함시킨 페라이트-마르텐사이트 2상조직(Dual Phase)강, 잔류 오스테나이트의 변태유기소성을 이용한 TRIP(Transformation Induced Plasticity)강 혹은 페라이트와 경질의 베이나이트 또는 마르텐사이트 조직으로 구성되는 CP(Complexed Phase)강 등 여러가지가 개발되어 왔다.
가장 용이하게 마르텐사이트를 제조하는 방법은 소둔 열처리시 오스테나이트가 충분히 형성될 수 있는 시간동안 유지한 후 급냉을 하고 템퍼링처리하는 것이다. 그러나 급냉 방식은 재질 편차, 형상 불량 등의 문제로 인한 생산성 열화를 가저올 수 있다. 이에 본 발명에서는 합금원소 제어에 의한 마르텐사이트 확보를 도모하고자 하였다. 즉 Mn, Cr 등의 경화능 원소를 일정량 이상 첨가함으로써 낮은 냉각속도에서도 마르텐사이트를 확보할 수 있도록 하였다. 높은 합금원소 첨가의 경우 용접성 열화 등의 문제가 발생할 수 있는데, 본 발명에서는 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 탄소 함량을 0.12중량% 이하로 제한하였다.
고강도 냉연강판
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb:0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 질량%로, P: 0.001~0.10%, S: 0.010% 이하, Sol.Al: 0.01~0.10% 및 N: 0.01% 이하를 더 포함할 수 있다. 상기 성분들 외 나머지는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판에 포함되는 성분들의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소(C)는 변태조직 강화를 위해 첨가되는 매우 중요한 원소이다. 또한 C는 고강도화를 도모하고 마르텐사이트의 형성을 촉진한다. 다만, C 함량이 0.12질량%를 초과하면 마르텐사이트의 강도는 높아지나 탄소농도가 낮은 페라이트와의 강도 차이가 증가한다. 이러한 강도 차이는 응력 부가시 상간 계면에서 파괴가 쉽게 발생하기 때문에 구멍 확장성이 저하된다. 또한 C 함량이 0.12질량%를 초과하면 용접성이 저하되어 용접 결함이 발생할 가능성이 증가한다. 한편, C 함량이 0.05질량% 미만인 경우, 본 발명에서 제시하는 마르텐사이트의 강도를 확보하기 매우 어렵다. 이에 본 발명에서는 C 함량을 0.05~0.12질량%로 한정하였다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 페라이트 변태를 촉진시키고 미변태 오스테나이트 중에 탄소의 함유량을 상승시켜 페라이트와 마르텐사이트의 복합조직을 형성시켜 마르텐사이트의 강도 상승을 방해한다. 또한 실리콘은 표면 스케일 결함을 유발할 뿐만 아니라 화성 처리성을 저하시킨다. 이에 본 발명에서는 실리콘의 첨가량을 0.5질량% 이하로 제한하였다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 연성의 손상없이 입자를 미세화시키며 강 중 황(S)을 MnS로 석출시켜 FeS의 생성에 의한 열간 취성을 방지함과 더불어 강을 강화시키는 원소이다. 또한, Mn은 마르텐사이트상이 얻어지는 임계 냉각속도 낮추는 역할을 하여 마르텐사이트를 보다 용이하게 형성시키는데 기여한다. Mn의 함량이 2.0질량% 미만인 경우 본 발명에서 목표로 하는 강도 확보에 어려움이 있는 반면, 3.0질량%를 초과하게 되면 용접성, 열간압연성 등의 문제가 발생될 가능성이 증가한다. 이에 본 발명에서는 Mn의 함량을 2.0~3.0질량%로 제한하였으며, 보다 바람직하게는 2.3~2.9질량%이다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 강의 경화능을 향상시키고 고강도를 확보하기 위해 첨가하는 성분이며, 본 발명에서는 저온 변태상인 마르텐사이트를 형성하는데 매우 중요한 역할을 하는 원소이다. Cr의 함량이 0.3질량% 미만인 경우 상기의 효과를 확보하기 어렵다. 한편, Cr의 함량이 1.2질량%를 초과하면 그 효과가 포화될 뿐만 아니라 과도한 열연강도 증가로 인해 냉간압연성이 열화하는 문제가 발생한다. 이에 본 발명에서는 Cr의 함량을 0.3~1.2질량%로 제한하였다.
티타늄(Ti), 니오븀(Nb)
티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb)은 강판의 강도 상승 및 나노석출물에 의한 결정립 미세화에 유효한 원소이다. Ti 및 Nb는 C와 결합하여 매우 미세한 나노석출물을 형성하게 된다. 이러한 나노 석출물은 기지조직을 강화시켜 상들 간의 경도 차이를 감소(예를 들어 1.3 이하)시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 Ti의 함량을 0.02~0.08%로, Nb의 함량을 0.01~0.06질량%의 범위로 한정하였다. Ti의 함량이 0.02질량% 미만이거나 Nb의 함량이 0.01질량% 미만일 경우, 나노 석출물의 분포 밀도가 본 발명강에서 제시하는 값을 만족하지 못하게 된다. 한편, Ti의 함량이 0.08질량%를 초과하거나 Nb의 함량이 0.06질량%를 초과하는 경우, 제조비용 상승 및 과다한 석출물로 인하여 연성을 크게 저하시킬 수 있다.
보론(B)
보론(B)은 소둔 열처리후 냉각하는 과정에서 마르텐사이트의 형성을 촉진하는 역할을 한다. B의 첨가량이 0.001질량% 미만인 경우는 상기의 첨가 효과를 얻기가 어렵다. 한편, B의 첨가량이 0.005질량%를 초과하면 합금철 과다 형성으로 인한 과다한 원가 상승이 발생할 수 이다. 이에 본 발명에서는 B의 함량을 0.001~0.005질량%로 한정하였다.
인(P)
인(P)은 고용강화 효과가 가장 큰 치환형 합금 원소로서 면내 이방성을 개선하고 강도를 향상시키는 역할을 한다. P의 함량이 0.001질량% 미만인 경우 그 첨가 효과가 불충분하므로, P가 첨가된다면 그 함량은 0.001질량% 이상인 것이 바람직하다. 한편, P의 함량이 0.1질량%를 초과하는 경우 프레스 성형성이 열화하고 강의 취성이 발생될 수 있다. 이에 본 발명에서는 P의 첨가량을 0.001~0.10질량%로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 강중 불순물 원소로서 강판의 연성 및 용접성을 저해하는 원소이다. S의 함량이 0.01질량%를 초과하면 강판의 연성 및 용접성을 저해할 가능성이 높기 때문에 S의 함량은 0.01질량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
가용 알루미늄(Sol.Al)
가용 알루미늄(Sol.Al)은 강 중 산소와 결합하여 탈산 작용에 기여하며, Si와 함께 페라이트 내 탄소를 오스테나이트로 분배하여 마르텐사이트 경화능을 향상시키는데 유효한 성분이다. Sol.Al 함량이 0.01중량% 미만인 경우 그 첨가 효과가 불충분하다. 한편, Sol.Al의 함량이 0.1중량%를 초과하게 되면 그 첨가 효과가 포화될 뿐만 아니라, 제조 비용이 증가할 수 있다. 이에 본 발명에서는 Sol.Al의 함량을 0.01~0.1중량%로 제한하였다.
질소(N)
질소(N)는 오스테나이트를 안정화시키는데 유효한 작용을 하는 성분으로서, 0.01%를 초과하는 경우 AlN 형성 등을 통한 연주시 크랙이 발생할 위험성이 크게 증가되므로 그 상한을 0.01%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 상기의 합금 성분과 하기의 제조 방법에 따라 베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 변태조직과 페라이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있다. 마르텐사이트는 템퍼드 마르텐사이트인 것이 보다 바람직하다. 상기 미세조직의 변태조직 분율이 면적률로 60~90%이고, 상기 페라이트의 분율이 면적률로 10~40%이고, 상기 변태조직의 평균입경이 3㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 2㎛ 이하의 평균입경을 갖는 마르텐사이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 베이나이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 페라이트를 포함할 수 있다.
상기 미세조직 중 3㎛ 초과의 평균입경을 갖는 베이나이트 및 페라이트의 비율이 면적률로 5% 이하일 수 있다.
상기 미세조직에 잔류 오스테나이트가 포함되지 않을 수 있다.
상기 페라이트는 면적률로 25% 이하, 보다 바람직하게는 15% 이하의 미재결정 페라이트와, 면적률로 75% 이상의 재결정 페라이트로 이루어질 수 있다.
또한 상기 미세조직에는 10nm 이하의 나노 석출물이 150개/㎛2 이상의 분포밀도로 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 980MPa 이상의 인장강도, 14% 이상의 연신율, 1.0 이하의 굽힘 가공성(R/t), 40% 이상의 구멍 확장성(HER)를 가질 수 있다.
굽힘 가공성 및 구멍 확장성을 향상시키기 위해서는 변태조직 분율이 면적율로 60% 이상이 요구되나, 변태 조직의 분율이 면적율로 90%를 초과하면 연신율 확보가 어렵다는 점을 고려하여, 본 발명에서는 변태조직의 분율을 면적율로 60~90%로 제어하였다. 또한, 굽힘가공성, 구멍 확장성, 연신율 및 강도를 향상시키기 위해서는 변태조직의 평균입경을 가능한 작게 제어하는 것이 바람직하며, 본 발명에서는 변태조직의 평균입경을 3㎛ 이하로 제한하였다. 보다 구체적으로는 마르텐사이트 평균입경은 2㎛ 이하, 베이나이트의 평균입경은 3㎛ 이하로 제어하였다. 또한, 페라이트 역시 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 것이 바람직하다. 본 발명에서 3㎛를 초과하는 베이나이트와 페라이트 분율은 면적율로 5% 이하이다.
본 발명과 같이 탄소함량이 0.12질량% 이하로 낮은 경우, 용접성과 열연강도를 고려하여 합금원소를 첨가하게 되면, 생성되는 마르텐사이트의 강도 증가에 한계가 발생한다. 즉 마르텐사이트 내에 충분한 탄소가 포함되지 못하면 강도 증가에 한계가 있다. 본 발명에서는 미세 석출물을 이용하여 조직의 강도를 향상시키고자 하였다. 즉 본 발명자의 연구에 의하면 미세조직의 강도 향상을 위해서는 석출물의 크기를 가능한 작게 하는 것이 바람직하며, 특히 10nm 이하의 석출물을 150개/㎛2 이상의 높은 분포밀로도 확보하게 되면 미세 석출물에 의해 기지 조직의 강도가 증가하여, 굽힘 가공성(R/t) 1.0 이하와 40% 이상의 구멍 확장성(HER)을 가지는 고강도 냉연강판의 제조가 가능하였다.
고강도 냉연강판 제조 방법
본 발명에 따른 고강도 냉연강판은 이하의 방법을 통해 제조할 수 있다.
우선, 전술한 조성을 갖는 강 슬라브와 같은 강 모재를 열간압연한 후 권취하여 열연강판을 제조한다. 열간압연 이전에 약 1100~1300℃ 온도에서 약 1~3시간 강 모재를 재가열할 수 있다. 열간압연은 Ar3 이상의 마무리 온도, 예를 들어 Ar3~ Ar3+50℃ 정도의 마무리 온도 조건으로 수행될 수 있다. 열간압연이 Ar3 미만의 온도에서 수행될 경우, 열간 변형 저항이 급격히 증가될 가능성이 높고 또한 열연 코일의 상부(top), 하부(tail) 및 가장자리가 단상 영역으로 되어 면내 이방성의 증가 및 성형성이 될 수 있다. 다만, 열간압연 마무리 온도가 Ar3+50℃를 초과하면 두꺼운 산화 스케일이 발생 및 강판의 미세조직 조대화를 초래할 수 있다.
권취는 500~750℃에서 수행될 수 있다. 권취 온도가 500℃ 미만으로 지나치게 낮으면 과다한 마르텐사이트 또는 베이나이트가 생성되어 열연강판의 과다한 강도 상승을 초래함으로써 냉간압연시 부하로 인한 형상불량 등의 제조상의 문제가 발생할 수 있다. 반면, 권취 온도가 750℃를 초과하게 되면 표면 스케일의 증가로 산세성이 열화될 수 있다.
이후, 열연강판을 냉간압연한 후, 소둔 열처리한다. 냉간압연 이전에 산세가 수행될 수 있다. 소둔 열처리는 연속소둔 방식으로 수행될 수 있다.
소둔 열처리는 약 800~820℃ 정도의 소둔 열처리 온도에서 유지하는 유지 단계 및 냉각 단계를 포함할 수 있다. 냉각 단계는 1차 냉각 및 2차 냉각을 포함할 수 있다. 상기 1차 냉각 단계는 페라이트 변태를 억제하기 위한 단계로, 1차 냉각은 약 1~10℃/sec 정도의 평균 냉각 속도로 약 650~700℃까지 냉각하는 방식으로 수행될 수 있다. 2차 냉각에서는 소둔 열처리에서 확보된 오스테나이트를 급냉을 통해 변태 조직으로 변태시켜 본 발명에서 제시하는 면적률로 60% 이상의 변태 조직을 형성한다. 2차 냉각은 약 5~20℃/sec 정도의 평균 냉각 속도로 Ms 온도 이하, 예를 들어 (Ms-100)~Ms℃까지 냉각한다. 한편, 2차 냉각 종료 온도는 코일의 폭방향, 길이방향 형상 확보와 더불어 높은 항복강도 및 높은 구멍 확장성 확보에 매우 중요한 온도 조건이다. 2차 냉각 종료온도가 Ms-100℃ 미만으로 지나치게 낮을 경우는 과시효 처리동안 마르텐사이트 분율의 과도한 증가로 항복강도, 인장강도가 동시에 증가하고 연성이 매우 열화된다. 특히 급냉에 따른 형상 열화가 발생하여 자동차 부품 가공시 작업성 열화 등이 문제될 수 있다. 반면, 2차 냉각 종료 온도가 Ms 온도보다 높을 경우 소둔시 생성된 오스테나이트가 마르텐사이트로 변태되지 못하고 고온 변태상인 그래뉼라 베이나이트(granular bainite) 등이 생성되어 항복강도가 열화되는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 고온 변태상의 생성은 항복비의 저하와 더불어 구멍확장성의 열화를 수반할 수 있다.
이후, 소둔 열처리된 강판을 과시효 처리한다. 과시효 처리는 예를 들어 냉각 종료 온도에서 약 100~800초동안 수행될 수 있다. 과시효를 통해 냉각을 통해 생성된 마르텐사이트가 템퍼드 마르텐사이트로 변환된다. 과시효에 의해 마르텐사이트가 템퍼드 마르텐사이트로 모두 변환되는 것이 가장 바람직하다. 다만, 과시효 조건 등에 의해 과시효 이후 마르텐사이트와 템퍼드 마르텐사이트가 공존할 수 있다.
이때, 본 발명에 따른 고강도 냉연강판 제조 방법은 냉간 압하율과 소둔 열처리 온도 간의 관계가 이하의 식 1을 만족한다.
[식 1]
13≤0.8A-0.4(B-C)≤27
A: 냉간 압하율 (%)
B: Ac3 온도 (℃)
C: 소둔 열처리 온도 (℃)
상기 Ac3는 예를 들어 910-203C1/2-15.2Ni+44.7Si+104V+31.5Mo+13.1W로 정해질 수 있다.
상기 식 1에서 냉간 압하율이 증가할수록, 그리고 소둔 열처리 온도가 높을수록 그 결과 값이 증가하고, 냉간 압하율이 감소할수록, 그리고 소둔 열처리 온도가 낮을수록 그 결과 값이 감소한다. 본 발명의 발명자들은 강판의 강도를 확보하면서 높은 연신율을 얻기 위해 본 발명에서 제시하는 조성을 만족하는 강판을 대상으로 수많은 실험을 수행한 결과, 제조되는 강들이 소둔온도와 냉간압하율이 매우 중요한 인자이며, 이러한 인자들이 상기 식 1을 만족할 때 굽힘 가공성(R/t)이 1.0 이하 및 구멍 확장성(HER, Hole Expansion Ratio)가 최소 40% 이상 이면서 연신울 14% 이상을 확보할 수 있는 것을 발견하였다. 상기 식 1의 결과 값이 13 미만이거나 27을 초과할 때 연신율, 구멍 확장성 및 굽힘 가공성 중 적어도 하나는 목표하는 기준에 미치지 못하였다.
Ac3 온도가 약 865~875℃이고, 소둔 열처리 온도가 약 800℃라고 하면, 상기 식 1을 만족하기 위해서는 약 40~60% 정도에서 냉간압연이 수행되는 것이 바람직하다.
한편, 제조된 냉연강판은 1% 이하의 압하율, 바람직하게는 0.1~1.0%의 압하율로 스킨패스 압연이 더 수행될 수 있다. 이를 통해 인장강도 증가없이 약 50~100MPa 정도의 항복강도가 상승할 수 있다. 한편, 스킨패스 압연의 압하율이 1.0%를 초과하면 항복강도가 과도하게 증가하여 성형성이 저하될 수 있으며, 고연신 작업에 의해 조업성이 크게 불안정할 수 있다.
제조된 냉연강판의 표면에 용융아연도금층, 전기아연도금층과 같은 아연도금층 또는 합금화용융아연도금층과 같은 합금도금층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시예
이하, 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.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 시편의 제조
하기 표 1에 기재된 바와 같이 조성되는 강 슬라브를 진공용해하고, 가열로에서 재가열온도 1200℃ 온도에서 1시간 가열하고 880℃ 마무리 온도(FDT) 조건으로 열간압연을 실시한 후 권취 온도(CT) 600℃에서 권취하여 열연강판을 제조하였다. 제조된 열연강판을 산세하고 표 2에 기재된 냉간 압하율(%)로 냉간압연을 실시하였다. 냉간압연된 강판은 표 2의 소둔 열처리 온도(SS) 조건으로 연속소둔하고 및 2단계 냉각(1차 냉각속도: 2℃/sec, 1차 냉각 종료온도: 650℃, 2차 냉각속도: 15℃/sec, 2차 냉각 종료온도: 350℃)을 수행하였다. 이후, 최종적으로 0.2% 압하율로 스킨패스 압연을 실시하였다.
[표 1] (단위 : 질량%)
Figure pat00001
[표 2]
Figure pat00002
표 3은 각 시편들에 대한 특성을 나타낸 것이다.
각 시편들의 미세조직과 관련된 특성, 즉 변태분율, 마르텐사이트(M) 평균 입경, 베이나이트(B) 평균 입경, 미재결정 페라이트 분율, 나노석출물 밀도는 주사전자현미경을 이용하여 분석하였다.
각 시편들의 인장강도(TS), 항복강도(YS) 및 연신율(T-El)은 JIS 5호 인장시험편을 이용하여 측정하였다.
각 시편들의 구멍 확장성(HER)은 Do를 초기 구멍직경(㎜), 및 Dh를 파단 후 구멍직경(㎜)이라 할 때, 이하의 식 2에 따라 계산하였다.
[식 2]
HER(%)= (Dh-Do)/Do×100
각 시편들의 굽힘 가공성(R/t)는 90도 벤딩 시험으로 평가하였다. R은 90도 벤딩 시험 후 크랙이 발생하지 않는 펀치의 굽힘 반경이며, t는 시편의 두께(mm)이다.
[표 3]
Figure pat00003
본 발명에서 제시한 조성 범위(표 1)와 제조 조건(표 2)을 만족하는 강 시편 1-1, 1-3, 2-1, 3-1, 4-1(발명강)의 경우, 변태 상분율이 면적률로 최소 60% 이상, 마르텐사이트 평균입경이 1.9㎛ 이하였고, 베이나이트 평균입경은 2.8㎛ 이하였다. 또한, 강 시편 1-1, 1-3, 2-1, 3-1, 4-1(발명강)의 경우, 페라이트 중 미재결정 페라이트가 25% 면적 이하의 분율를 만족하였다. 한편 10nm 이하의 나노 석출물은 본 발명에서 제시한 바와 같이 150개/㎛2 이상을 만족하였다.
이와 같이 본 발명에서 제시한 특성을 만족하는 강 시편 1-1, 1-3, 2-1, 3-1, 4-1(발명강)은 연신율 15~17%의 범위에서 분포하고 있으며, 굽힘 가공성(R/t) 0~0.5, 구멍 확장성(HER) 40%~60%를 나타내어, 우수한 연신율과 신장 플랜지성을 나타내고 있음을 알 수 있었다.
도 1은 강 시편 1-1(발명강) 의 미세조직을 나타내고 있으며, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 마르텐사이트/베이나이트 조직이 면적률로 50% 이상이며, 마르텐사이트 평균입경이 2㎛ 이하이며, 베이나이트의 평균입경이 3㎛ 이하이다. 또한 도 2의 미세 석출물을 나타낸 결과에서도 TiC, NbC와 같은 10nm 이하의 매우 미세한 나노 석출물들이 다량 분포하고 있었다. 이는 굽힘 가공성(R/t) 1.0 이하, 연신율 14% 이상, 40% 이상의 HER값을 확보하는데 유리하게 작용할 수 있다.
한편, 본 발명에서 제시한 강의 조성 범위를 만족하지 못하거나, 강의 조성 범위를 만족하더라도 소둔 열처리 조건이 본 발명에서 제시한 조건을 만족하지 못하는 강 시편 1-2, 1-4, 1-5, 2-2, 3-2, 4-2, 5, 6, 7의 경우는 본 발명에서 요구하는 재질 특성을 만족하지 못하였다.
강 시편 1-2, 1-5(비교강)의 경우 소둔 열처리 온도가 850℃로서 매우 높고, 본 발명에서 제시하는 식 1을 만족하지 못하여 고온 소둔 열처리에 따른 오스트나이트 결정립 크기 증가로 냉각시 형성되는 마르텐사이트의 평균 입경이 2.0㎛ 초과하였으며, 베이나이트의 평균 입경도 3.0㎛를 초과하였다. 그리고 고온 소둔 열처리시 생성된 오스테나이트가 90% 이상 마르텐사이트로 변태되어 연신율이 목표치에 미치지 못하였다.
강 시편 1-4, 2-2, 3-2, 4-2(비교강)는 냉간 압하율이 40~45%로서 본 발명에서 제시하는 식 1을 만족하지 못하여, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 미재결정 페라이트 분율이 면적률로 약 30% 이상이 되어 연신율이 목표치에 미치지 못하였다.
강 시편 5(비교강)는 탄소(C) 함량이 본 발명에서 제시하는 0.05 질량% 이상 기준에 미치지 못하였다. 이러한 낮은 탄소 함량은 소둔 열처리후 급냉 공정에서 생성되는 마르텐사이트의 강도가 감소하는 역할을 하게 되어, 980MPa 이상의 인장강도가 확보되기 어렵다.
강 시편 6(비교강)은 실리콘(Si) 함량이 매우 높았다. Si는 페라이트 형성원소로서 그 첨가량이 증가하면 냉각시 페라이트 생성을 촉진하게 된다. 강 시편 6은 높은 Si 첨가로 인해 생성되는 변태조직의 분율이 면적률로 55%에 불과하여 본 발명강에서 제시하는 60% 기준을 만족하지 못하였으며, 구멍 확장성(HER) 및 굽힘 가공성(R/t)이 좋지 못하였다.
강 시편 7(비교강)은 탄소(C) 함량이 본 발명에서 제시하는 0.12질량%를 초과하였다. 이러한 높은 탄소 함량은 소둔 열처리후 급냉 공정에서 생성되는 마르텐사이트의 강도를 증가시키는데 기여한다. 그러나 급냉후 과시효 처리시 생성된 모든 마르텐사이트가 템퍼링되지 못하고 래쓰형으로 다량 잔존하고 있다. 이로 인해 목표하는 14% 이상의 연신율 확보가 어렵다. 또한, 과시효 처리에 의해 발생하는 템퍼드 마르텐사이트의 경우는 탄소의 석출로 인해 강도가 감소하게 되지만 템퍼링되지 못하고 잔류하는 래쓰형 마르텐사이트는 매우 안정적인 마르텐사이트로서 첨가된 탄소로 인해 매우 높은 강도를 가지게 된다. 따라서 탄소함량이 본 발명에서 제시한 성분을 초과하게 되면 과시효 처리에서 생성된 템퍼드 마르텐사이트와 잔존하는 다량의 래쓰 마르텐사이트와 간의 강도 차이 증가로 인해 구멍 확장성(HER) 및 굽힘 가공성(R/t)이 본 발명에서 제시하는 기준을 만족하지 못하게 된다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (13)

  1. 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb: 0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지며,
    베이나이트 및 마르텐사이트 중 1종 이상을 포함하는 변태조직과 페라이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 상기 미세조직의 변태조직 분율이 면적률로 60~90%이고, 상기 페라이트의 분율이 면적률로 10~40%이고, 상기 변태조직의 평균입경이 3㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고강도 냉연강판은 질량%로, P: 0.001~0.10%, S: 0.01% 이하, Sol.Al: 0.01~0.10% 및 N: 0.01% 이하를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고강도 냉연강판은 2㎛ 이하의 평균입경을 갖는 마르텐사이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 베이나이트와, 3㎛ 이하의 평균입경을 갖는 페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 미세조직 중 3㎛ 초과의 평균입경을 갖는 베이나이트 및 페라이트의 비율이 면적률로 5% 이하인 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 미세조직에 잔류 오스테나이트가 포함되지 않는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 페라이트는 면적률로 25% 이하의 미재결정 페라이트와, 면적률로 75% 이상의 재결정 페라이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미세조직에는 10nm 이하의 나노 석출물이 150개/㎛2 이상의 분포밀도로 포함되는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고강도 냉연강판은 980MPa 이상의 인장강도, 14% 이상의 연신율, 1.0 이하의 굽힘 가공성(R/t), 40% 이상의 구멍 확장성(HER)를 갖는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판.
  9. 중량 %로 C: 0.05~0.12%, Si: 0.5% 이하, Mn: 2.0~3.0%, Cr: 0.3~1.2%, Ti: 0.02~0.08%, Nb: 0.01~0.06%, B: 0.001~0.005%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지는 강 모재를 열간압연하여 열연강판을 제조하는 단계;
    상기 열연강판을 냉간압연한 후, 소둔 열처리하는 단계; 및
    소둔 열처리된 강판을 과시효 처리하는 단계를 포함하고,
    이하의 식 1을 만족하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
    [식 1]
    13≤0.8A-0.4(B-C)≤27
    A: 냉간 압하율 (%)
    B: Ac3 온도 (℃)
    C: 소둔 열처리 온도
  10. 제9항에 있어서,
    상기 강 모재는 질량%로, P: 0.001~0.10%, S: 0.010% 이하, Sol.Al: 0.01~0.10% 및 N: 0.01% 이하를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 소둔 열처리하는 단계는
    냉간압연된 강판을 상기 식 1을 만족하는 온도에서 유지하는 단계와,
    유지된 강판을 Ms 이하의 온도로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 냉연강판을 1% 이하의 압하율로 스킨패스 압연하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 냉연강판의 표면에 아연도금층 또는 합금도금층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고강도 냉연강판 제조 방법.
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