KR20240003376A - 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

성형성이 우수한 고강도 냉연 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 냉연 강판이며, 항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t): 2.0 이하인 것을 특징으로 하는, 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판을 제공한다.

Description

성형성이 우수한 고강도 냉연 강판 및 그 제조방법{HIGH-STRENGTH COLD-ROLLED STEEL SHEET HAVING EXCELLENT FORMABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 냉연 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차 차체 구조용으로 사용되는 초고강도 냉연 강판은 차체 안전성을 위해 높은 인장강도가 요구되는 동시에 차체 경량화를 위한 부품의 단순화 추세에 따라 복잡한 형상의 부품을 성형할 수 있는 높은 연신율이 요구된다. 인장강도는 연신율과 반비례하는 관계를 가지고 있고 특히 1.0GPa급 인장강도를 가지는 초고장력강에서 복잡한 형상의 부품이 요구하는 성형성을 만족시키기 위한 연신율을 확보하는 방법은 합금원소 첨가, 열처리 온도 제어 등 제한적일 수 있다. 높은 강도와 연신율을 동시에 확보하기 위해서는 냉연 열처리 중 이상역 열처리 온도에서 형성된 오스테나이트를 급속냉각 중 마르텐사이트로 변태시켜 강도를 확보하고 이상역 열처리 온도에서 재결정된 페라이트와 고온에서 서냉구간으로 냉각 중 오스테나이트에서 변태되는 페라이트가 연신율을 확보하는 역할을 하는데 이러한 상변태 현상을 활용하기 위해서는 다량의 합금원소의 첨가가 필수적이다.
관련 선행 기술로는 한국공개특허 제2014-0055463호 등이 있다. 이러한 선행 기술에서는 다량의 합금원소 첨가를 통해 높은 인장강도와 연신율을 확보하는 냉연 강판을 제조하였지만, 크롬과 몰리브덴과 같은 고가의 합금원소를 첨가하므로 제품의 제조원가가 높은 단점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 인장강도와 연신율을 동시에 확보하고 고가의 합금원소의 첨가를 제한하여 높은 제조원가 문제를 해결할 수 있는 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판은 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 냉연 강판이며, 하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족하되, 항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t): 2.0 이하이다.
수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 미세조직은 페라이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트와 베이나이트를 포함할 수 있다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판에서, 상기 페라이트의 면적분율은 30% 이상이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 10% 미만일 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족하는, 강재를 열간 압연하는 단계; (b) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 냉간 압연하는 단계; (c) 상기 냉간 압연된 강재에 대하여 800 ~ 840℃의 온도 구간에서 30 ~ 150초 동안 유지하는 소둔 열처리하는 단계; (d) 상기 소둔 열처리된 강재를 서냉속도 2 ~ 15℃/s로 500 ~ 700℃까지 서냉하는 단계; (e) 상기 서냉된 강재를 제1 급냉속도 5 ~ 20℃/s로 마르텐사이트 변태 시작 온도와 마르텐사이트 변태 종료 온도 사이의 온도인 제1 냉각종점온도까지 제1 급냉하는 단계; (f) 상기 제1 급냉된 강재를 250 ~ 350℃의 온도 구간에서 템퍼링 열처리하는 단계; 및 (g) 상기 템퍼링된 강재를 제2 급냉속도 10 ~ 50℃/s로 100 ~ 200℃ 이하인 제2 냉각종점온도까지 제2 급냉하는 단계;를 포함한다.
수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 상기 열간 압연하는 단계는 재가열온도: 1150 ~ 1250℃, 마무리 압연 온도: 850 ~ 950℃, 권취온도: 500 ~ 700℃인 조건에서 열간 압연하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 상기 제1 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠르고, 상기 제2 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠를 수 있다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 상기 소둔 열처리하는 단계 후 상기 강재의 미세조직은 페라이트와 오스테나이트의 이상조직이며, 상기 제2 급냉하는 단계 후 상기 강재의 미세조직은 페라이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트와 베이나이트를 포함할 수 있다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 상기 페라이트의 면적분율은 30% 이상이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 10% 미만일 수 있다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 상기 강재는 합금원소로 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 함유하지 않되, 상기 제2 급냉하는 단계 후 상기 냉연 강판은 항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t): 2.0 이하일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 높은 인장강도와 연신율을 동시에 확보하고 고가의 합금원소의 첨가를 제한하여 높은 제조원가 문제를 해결할 수 있는 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판 및 그 제조 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 소둔, 서냉, 제1 급냉, 템퍼링, 제2 급냉 공정을 순차적으로 수행하는 구성을 도해하는 열처리 개요도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉연 강판 및 그 제조방법을 상세하게 설명한다. 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 적절하게 선택된 용어들로서, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 이하에서는 높은 항복비와 더불어 우수한 굽힘성을 가지는 초고강도 냉연 강판 및 그 제조 방법의 구체적인 내용을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 냉연 강판은 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하에서는, 상기 냉연 강판에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대하여 설명한다.
탄소(C)
탄소는 강도를 확보하기 위하여 첨가하며, 마르텐사이트 조직의 경도를 향상시키는데 주요한 역할을 한다. 탄소 함량은 0.05 ~ 0.25 중량% 인 것이 바람직하며 0.05 중량% 미만으로 탄소가 적을 경우 목표강도를 얻기 어려우며, 0.25 중량%를 초과할 경우 강도가 과다하게 증가하여 목표한 연신율을 얻을 수 없다.
규소(Si)
규소는 페라이트 안정화 원소로서 페라이트 내 탄화물의 형성을 지연시키며, 고용강화 효과가 있다. 규소는 0.5 ~ 1.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며 0.5 중량% 미만일 경우 그 효과가 적어 목표한 연신율을 얻기 어려우며, 1.5 중량%를 초과하는 경우 냉연 열처리 공정 중 표면 산화물을 다량 형성하여 색차, 도장 불량 등을 유발하므로 자동차용 강판으로서 부적합하게 되는 문제점이 나타난다.
망간(Mn)
망간은 고용강화 및 이상역 열처리 구간에서 오스테나이트 분율의 확보와 동시에 최종 냉각 시 형성되는 마르텐사이트의 경도를 상승시키는 역할을 한다. 망간은 1.5 ~ 2.5 중량%로 첨가되는 것이 바람직하며 1.5 중량% 미만일 경우 마르텐사이트의 분율이 목표한 강도를 확보하기에 불충분하게 되고 2.5 중량%를 초과하는 경우 과도한 마르텐사이트의 형성에 기인한 페라이트 분율의 부족으로 목표한 연신율의 확보가 불가능하다.
인(P)
인은 고용강화에 의하여 강의 강도를 향상시키는데 기여한다. 인은 강 전체 중량의 0.02중량% 미만으로 제어하는 것이 바람직하다. 0.02중량%를 초과할 경우 강의 강도는 증가하지만 저온취성이 발생하여 자동차 부품에 적용하기에 부적합하다.
황(S)
황은 망간, 티타늄 등과 결합하여 강의 피삭성을 개선시키며 미세 MnS의 석출물을 형성하여 가공성을 향상시킬 수 있으나, 강의 인성과 용접성 저해하고 강 중 MnS 석출물의 발생량이 증가되고 조대화되어 굽힘성과 같은 성형성에 악영향을 미치게 되므로 전체 중량의 0.003중량% 미만으로 제한하였다.
질소(N)
질소는 연신율을 저해하여 강의 성형성을 열화시킨다. 따라서, 질소의 함량은 낮을수록 좋으나 지나치게 낮은 함량으로 관리하는 경우 제강비용이 크게 증가될 수 있으므로 강 전체 중량의 0.006중량% 미만으로 제한되는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti)
티타늄은 강내 존재하는 고용질소를 TiN으로 석출하여 B 고용에 주요한 역할을 하며 0.01 ~ 0.05중량%인 것이 바람직하다. 티타늄이 0.01중량% 미만일 경우 고용질소를 충분히 제거하지 못하여 BN 석출이 유발되어 B의 고용효과를 기대하기 어렵다. 티타늄의 함량이 0.05중량%를 초과하여 첨가될 경우 고용질소를 제거한 이후 TiC로 석출되어 지나친 강도의 상향으로 목표한 연신율을 얻기 어렵다.
붕소(B)
붕소는 이상역 또는 단상역에서 형성된 오스테나이트의 냉각 중 변태를 지연시켜 최종 냉각 시 마르텐사이트의 분율을 증가시키며 0.001 ~ 0.005중량%인 것이 바람직하다. 붕소는 0.001중량% 미만 첨가 시 잔존하는 고용질소와의 결합되어 경화능 향상이 불가능하며 0.005중량% 초과 시 고용량의 지나친 증가로 결정립계에 편석되어 인성이 열위해지는 경우가 발생할 수 있다.
안티몬(Sb)
안티몬은 망간과 실리콘이 강판 표면에 산화물 형태로 존재하는 것을 억제할 수 있다. 안티몬은 고온에서 원자 자체로 산화 피막을 형성하지는 않지만, 강판 표면 및 결정립 계면에 농화되어 강 중 망간 및 실리콘이 강판 표면으로 확산하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 안티몬은 소둔 공정 중에 강판에 산화물이 생성되는 것을 억제하여 냉연 강판의 색차 결함을 억제하는 효과가 있다. 0.02 ~ 0.05중량%인 것이 바람직하며 0.02중량% 미만일 경우 산화물 형성 원소의 표면 확산방지 효과가 미미하고 0.05중량% 초과일 경우 결정립계 취화의 원인이 되어 인성의 저하를 일으킨다.
한편, 선택적으로, 본 발명의 변형된 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판에서는 알루미늄(Al)을 더 함유할 수 있으나, 알루미늄은 탈산제로 주로 사용하는 원소로서 질화물 형성 시 슬라브 균열을 방지하며, 페라이트 형성을 촉진하며 연신율을 향상시키며, 탄화물 형성을 억제하고, 오스테나이트 내 탄소 농화량을 증진하여 오스테나이트를 안정화하지만 다량 첨가 시 알루미늄 개재물이 증가하여 연주성을 저하시키며 강판의 표면에 농화되어 도금성이 저하되고 슬라브 내 AlN을 형성하여 열연 크랙을 유발하는 문제점이 있기 때문에 그 상한치를 0.03중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않은 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다.
다만, 본 발명의 기술적 사상에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판은 추가적인 합금원소를 불가피 불순물이 아닌 의미 있는 수준으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하는바, 예를 들어, 상기 합금원소로서 크롬(Cr) 또는 몰리브덴(Mo)을 함유하지 않을 수 있다.
일반적으로 크롬(Cr)은 경화능을 향상시키고 고강도를 확보할 수 있는 원소이며, 오스테나이트 안정화 원소로 소입성을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 크롬은 소둔 열처리 시 Cr계 석출물을 입내에 석출하여 연신율을 증가시킨다. 한편, 몰리브덴(Mo)은 Ae1이상, Ae3 미만의 이상역에서 형성된 오스테나이트를 냉각 중 베이나이트 또는 펄라이트로 변태시키지 않고 최종 냉각온도에서 마르텐사이트로 변태시켜 소재의 경화능을 확보하는 대표적인 원소이다.
본 발명의 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판에서는 고가의 첨가원소인 크롬과 몰리브덴을 배제하고 붕소와 티타늄을 첨가하여 제조비용을 절감하되, 강판의 경화능을 확보하기 위하여 붕소의 고용량을 제어 수식을 연관된 티타늄과 질소 성분을 활용하여 제시한 점에서 특징이 있다.
저가의 붕소(B) 성분의 경우 강 내 필연적으로 존재하는 질소(N)와 결합하여 BN이 형성될 경우 강에 고용되지 않아 경화능 확보가 불가할 수 있으므로 BN보다 높은 온도에서 질소(N)와 결합하는 티타늄(Ti)을 첨가하여 붕소(B)의 고용을 도모하였다. 티타늄(Ti)은 질소(N)를 제어하기 위한 최적 투입량보다 낮게 첨가되면 BN의 형성으로 고용 붕소(B)의 효과가 저해될 수 있고 상기 최적 투입량보다 높게 첨가되면 TiC 형성으로 인해 강도의 과도한 증가로 연신율의 저해를 유발할 수 있으므로 티타늄(Ti) 첨가량의 최적제어가 붕소(B) 첨가형 성분계의 재질 확보에 주요인자라고 할 수 있다. 소재의 경화능을 확보할 수 있는 붕소(B)의 최소 고용량은 20ppm 이상이고 강도에 영향이 미미한 TiC 형성 티타늄(Ti) 고용량은 100ppm 이하로 판단되어 하기와 같은 질소(N)에 따른 티타늄(Ti) 첨가량 제어 수식들에 나타내었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판은 하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 또는, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족한다.
수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 미세조직을 촬영한 사진이다.
도 1을 참조하면, 상술한 조성을 만족하는 본 발명의 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 미세조직은 페라이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트와 베이나이트를 포함할 수 있다. 상기 페라이트의 면적분율은 30% 이상이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 10% 미만일 수 있다. 예를 들어, 상기 페라이트의 면적분율은 30% ~ 80%이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 0 초과 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 0 초과 10% 미만일 수 있다.
연신율을 확보하기 위하여 페라이트는 30% 이상의 면적비율을 가져야하고 강도를 확보하기 위한 마르텐사이트는 굽힘성을 위해 일부 템퍼링된 조직을 보이며 60% 미만의 면적비율로 제한한다. 또한 베이나이트가 형성될 경우 마르텐사이트 대비 낮은 강도가 나타나며, 또한 페라이트 대비 낮은 연신율의 기계적 물성이 나타나게 되어 10% 미만의 면적분율로 제한하며 1% 이하의 일부 잔류 오스테나이트가 존재할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판은 항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t, 90°): 2.0 이하일 수 있다. 예를 들어, 항복강도(YP): 580 ~ 690MPa, 인장강도(TS): 980 ~ 1180MPa, 연신율(El): 15.0 ~ 18.0%, 굽힘가공성(R/t, 90°): 2.0 이하일 수 있다.
이하에서는 상술한 조성과 미세조직을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연 강판의 제조방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법을 도해하는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르는 강판의 제조방법은 (a) 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족하는 강재를 열간 압연하는 단계(S10); (b) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 냉간 압연하는 단계(S20); (c) 상기 냉간 압연된 강재에 대하여 소둔 열처리하는 단계(S30); (d) 상기 소둔 열처리된 강재를 서냉하는 단계(S40); (e) 상기 서냉된 강재를 제1 급냉하는 단계(S50); (f) 상기 제1 급냉된 강재를 템퍼링 열처리하는 단계(S60); 및 (g) 상기 템퍼링된 강재를 제2 급냉하는 단계(S70);를 포함한다.
수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
상기 (a) 열간 압연하는 단계(S10)는 재가열온도: 1150 ~ 1250℃, 마무리 압연 온도: 850 ~ 950℃, 권취온도: 500 ~ 700℃인 조건에서 수행할 수 있다.
앞의 합금 성분 및 나머지 철과 불가피한 불순물이 포함된 슬라브를 1150 ~ 1250℃의 온도로 재가열 한다. 슬라브는 제강공정을 통해 얻은 용강을 연속주조하여 반제품 형태로 제조한다. 슬라브를 재가열 공정을 통하여 주조 공정에서 발생한 성분 편석을 균질화하고, 열간압연할 수 있는 상태로 만든다. 슬라브 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)가 1150℃ 미만이면, 슬라브의 편석이 충분히 재고용 되지 못하는 문제가 있고, 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립의 크기가 증가하며, 목표한 강도를 얻기 어려울 수 있다. 슬라브의 재가열은 1 ~ 5시간 동안 진행 될 수 있다. 재가열 시간이 1시간 미만일 경우 편석대 감소가 충분하지 않으며, 5시간을 초과하는 경우 결정립크기가 증가하며, 목표한 강도를 얻기 어려울 수 있다.
상기 재가열된 슬라브를 열간 압연한다. 열간 압연은 850 ~ 950℃의 마무리 압연온도(Finish Delivery Temperature, FDT)로 열간압연 한다. 마무리 압연온도가 850℃보다 낮아지면 압연부하가 급격히 증가하여 생산성이 저하되고, 950℃를 초과하는 경우 결정립의 크기가 증가하여 강도가 감소할 수 있다.
열간 압연 후에 500 ~ 700℃의 온도로 냉각한 후 권취한다. 권취온도가 500℃ 미만이면 강도가 증가하여 냉간 압연시 압연부하가 증가하고, 700℃를 초과하는 경우 실리콘, 망간 등의 내부산화 등으로 냉연 공정에서 불량을 일으킬 수 있다.
상기 (b) 냉간 압연하는 단계(S20)는 상기 열연코일을 산세하여 표면 스케일층을 제거하고, 냉간 압연을 실시한다. 냉간 압연 시 두께 압하율은 대략 50 ~ 70%이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에서, 소둔, 서냉, 제1 급냉, 템퍼링, 제2 급냉 공정을 순차적으로 수행하는 구성을 도해하는 열처리 개요도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, (c) 상기 냉간 압연된 강재에 대하여 800 ~ 840℃의 온도 구간에서 30 ~ 150초 동안 유지하는 소둔 열처리하는 단계(S30); (d) 상기 소둔 열처리된 강재를 서냉속도 2 ~ 15℃/s로 500 ~ 700℃까지 서냉하는 단계(S40); (e) 상기 서냉된 강재를 제1 급냉속도 5 ~ 20℃/s로 마르텐사이트 변태 시작 온도와 마르텐사이트 변태 종료 온도 사이의 온도인 제1 냉각종점온도까지 제1 급냉하는 단계(S50); (f) 상기 제1 급냉된 강재를 250 ~ 350℃의 온도 구간에서 템퍼링 열처리하는 단계(S60); 및 (g) 상기 템퍼링된 강재를 제2 급냉속도 10 ~ 50℃/s로 100 ~ 200℃ 이하인 제2 냉각종점온도까지 제2 급냉하는 단계(S70);를 순차적으로 수행한다. 상기 제1 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠르고, 상기 제2 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠르다.
냉간 압연된 냉연 강을 가열하여 Ae3이상 Ae1이하의 온도 구간에서 소둔 열처리한다. 소둔 열처리를 수행함으로써 페라이트와 오스테나이트의 이상조직을 형성한다. Ae3, Ae1은 Thermo-Calc 또는 Jmat-Pro 등의 프로그램으로 열역학 계산을 통해 구하였으며, 본 발명에서는 실시예의 범위를 포함하도록 800℃ 이상으로 설정하였다. 승온 속도는 2℃/s 이상으로 하고, 800 ~ 840℃의 소둔 열처리 온도에서 30 ~ 150초간 유지한다. 이때 소둔 열처리 온도가 800℃ 미만이거나 유지시간이 30초 미만일 경우 오스테나이트 상분율 확보가 충분히 이뤄지지 못할 수 있으며, 승온속도가 2℃/s 미만 또는 소둔 열처리 온도가 840℃를 초과하거나, 유지시간이 150초를 초과하는 경우 오스테나이트 결정립의 크기가 조대화되어 목표한 물성을 얻기 어렵다.
상기 소둔 열처리된 강재를 서냉속도 2 ~ 15℃/s로 500 ~ 700℃까지 서냉한다. 이 때 페라이트 변태량은 10% 이하가 되도록 한다.
서냉 이후 제1 냉각종점온도까지 5 ~ 20℃/s의 냉각속도로 1차 급냉하여 초기 형성되는 마르텐사이트를 확보한다. 1차 급냉에서 페라이트 및 베이나이트 변태가 억제되도록 조절한다.
이후 저온(250 ~ 350℃) 유지 구간에서 200 ~ 400초 동안 템퍼링하여 마트텐사이트를 일부 연질화하여 성형성을 확보한다. 1차 급냉 단계에서 형성된 마르텐사이트 조직은 경도가 높아 상간 경도차를 유발하여 굽힘성 확보에 불리하므로 저온 유지 구간 열처리를 실시하여 템퍼링된 마르텐사이트 조직을 얻는다.
상기 1차 급냉에서 상기 제1 냉각종점온도는 마르텐사이트 변태 시작 온도와 마르텐사이트 변태 종료 온도 사이의 온도이며, 구체적으로, 200 ~ 400℃의 온도일 수 있으며, 엄격하게는 250 ~ 350℃의 온도일 수 있다. 1차 급냉에서 제1 냉각종점온도가 250℃ 미만으로 냉각할 경우 냉각온도를 확보하기 위한 저속 열처리가 진행되어 생산성이 떨어질 수 있고 350℃ 초과로 저온 유지할 경우 마르텐사이트의 변태 분율이 적어 최종 강도 확보에 불리 할 수 있다.
템퍼링 열처리 이후 제2 급냉속도 10 ~ 50℃/s로 100 ~ 200℃ 이하인 제2 냉각종점온도까지 2차 급냉한다. 2차 급냉에서는 저온유지 열처리에서 잔존하는 오스테나이트는 마르텐사이트로 변태되고 최종 강도확보에 영향을 준다. 200℃ 이하의 온도로 최종냉각이 되지 않을 경우 잔존하는 오스테나이트가 베이나이트로 변태되어 강도 확보에 불리하다. 예를 들어, 상기 2차 급냉 단계에서는 저온 열처리 구간에서 잔존하는 오스테나이트를 15℃/s 이상의 제2 급냉속도로 150℃ 이하의 마르텐사이트 변태 종료 온도로 냉각하여 고경도 마르텐사이트를 일부 확보하여 목표로 하는 강도를 구현할 수 있다.
상술한 조성과 공정조건을 적용하여 구현한 본 발명에서는 고가의 합금원소를 첨가하지 않고 980MPa 이상의 인장강도와 0.6 수준의 항복비를 가지며 15% 이상의 연신율을 구현하여 성형성이 우수한 자동차용 고강도 냉연강판을 구현할 수 있다. 고가의 합금원소를 배재하기 위하여 선행기술에서 개시된 몰리브덴(Mo)이 포함되지 않은 성분계에서 강도와 연신율을 확보하기 위해 마르텐사이트의 분율이 60% 미만, 페라이트 분율이 30% 이상, 오스테나이트/베이나이트 분율이 10% 미만으로 구성된 미세조직을 구현하고 급속냉각 이후 형성된 마르텐사이트의 저온 열처리를 통해 굽힘성과 같은 부품 적용성 확보를 진행하였다.
실험예
이하 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실험예를 제시한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 하기의 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 효과를 확인하기 위하여 표 1의 성분계를 활용하여 시편을 준비하였다. 각 합금은 진공용해를 통하여 주편으로 제작하여 표면 개재물 등 제거 후 열간압연을 위해 1200℃ 온도로 재가열하였다. 이후 최종 압연(Final Rolling) 출측 온도를 900℃, 3.2㎜의 두께로 열간 압연하였고 권취온도 모사를 위해 500℃ 냉각 후 6시간 배치 어닐링 퍼니스(Batch Annealing Furnace)에서 유지, 노냉하였다. 이후 18% 염산 수용액에서 표면 스케일을 제거하고 1.6㎜ 두께로 냉간 압연하였다. 냉간 압연된 시편을 도 3의 열처리 공정을 기반한 조건에 따라 연속 열처리를 진행하였고 인장시험기, 90도 굽힘 시험을 통해 기계적 물성 및 성형성을 확인하였다.
1. 시편의 조성
본 실험예에서는 표 1의 합금 원소 조성(단위:중량%)을 가지는 시편들을 제공한다. 표 1의 시편에서 잔부는 철(Fe)이다.
성분계 C Si Mn P S N Cr Mo Ti B Sb
A 0.11 1.0 2.2 0.01 0.002 0.0045 0.4 0.05 - - 0.03
B 0.11 1.0 2.4 0.01 0.002 0.0045 0.4 - - - 0.03
C 0.11 1.0 2.2 0.01 0.002 0.0045 0.6 - - - 0.03
D 0.11 1.0 2.2 0.01 0.002 0.0045 　- - - 0.003 0.03
E 0.11 1.0 2.3 0.01 0.002 0.0045 0.5 - - -　 0.03
F 0.11 1.0 2.2 0.01 0.002 0.0045 - - 0.01 0.003 0.03
G 0.11 1.0 2.2 0.01 0.002 0.0045 - - 0.02 0.003 0.03
표 1의 성분계 G는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉연 강판을 구성하는 조성인 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)의 조성을 만족한다.
이와 달리, 성분계 A는 크롬, 몰리브덴을 함유하되, 티타늄, 붕소를 함유하지 않으며, 성분계 B, C, E는 크롬을 함유하되, 티타늄, 붕소를 함유하지 않으며, 성분계 D는 티타늄을 함유하지 않는다.
한편, 성분계 G는 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족함을 확인할 수 있다.
수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
그러나, 성분계 A, B, C, D, E, F는 상기 수식3과 수식4도 동시에 만족하지 못한다. 또한, 성분계 A, B, C, D, E, F는 하기 수식1과 하기 수식2도 동시에 만족하지 못함을 확인할 수 있다.
수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
(단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
2. 공정조건 및 물성평가
표 2는 표 1에 개시된 조성을 가지는 시편들에 대하여 다양한 열처리 공정 조건을 나타낸 것이고, 표 3은 표 1 및 표 2에 개시된 조성과 열처리 공정을 적용한 후의 물성을 평가한 결과를 나타낸 것이다. 한편, 본 발명의 실험예에서 표 2 및 표 3 외의 실험조건은 본 발명의 기술적 사상에 따른 공정 조건을 동일하게 적용하였다.
표 2에서 고온열처리 항목은 소둔 열처리 온도를 나타내며, 급속냉각 항목은 1차 급냉의 냉각종료온도를 나타내며, 저온유지 항목은 템퍼링 온도를 나타낸다. 표 3에서 YP 항목은 항복강도를 나타내며, TS 항목은 인장강도를 나타내며, EL 항목은 연신율을 나타내며, 비고 항목에서 동그라미 표시는 목표한 물성을 모두 달성함을 나타낸다.
성분계 고온열처리(℃) 급속냉각(℃) 저온유지(℃)
실험예1-1 A 800 300 280
실험예1-2 A 800 350 330
실험예1-3 A 840 300 280
실험예2-1 B 800 300 280
실험예2-2 B 800 350 330
실험예2-3 B 840 300 280
실험예3-1 C 800 300 280
실험예3-2 C 800 350 330
실험예3-3 C 840 300 280
실험예4-1 D 800 300 280
실험예4-2 D 800 350 330
실험예4-3 D 840 300 280
실험예5-1 E 800 300 280
실험예5-2 E 800 350 330
실험예5-3 E 840 300 280
실험예6-1 F 800 300 280
실험예6-2 F 800 350 330
실험예6-3 F 840 300 280
실험예7-1 G 800 300 280
실험예7-2 G 800 350 330
실험예7-3 G 840 300 280
YP(MPa) TS(MPa) EL(%) TSxEL(MPa·%) 굽힘(R/t) 비고
실험예1-1 654 1073 15.6 16743 0.2 O
실험예1-2 613 976 16.5 16732 0.2 인장강도 미달
실험예1-3 666 1082 15.3 16599 0.2 O
실험예2-1 691 1129 14.2 16034 0.2 연신율 미달
실험예2-2 653 1045 16.6 17293 0.2 O
실험예2-3 701 1124 13.5 15167 0.2 연신율 미달
실험예3-1 660 1080 16.6 17913 0.2 O
실험예3-2 602 975 18.6 17650 0.2 인장강도 미달
실험예3-3 665 1068 16.4 17533 0.2 O
실험예4-2 602 962 18.9 17705 0.2 인장강도 미달
실험예5-1 672 1109 14.6 16150 0.2 연신율 미달
실험예5-2 644 1037 16.3 16906 0.2 O
실험예5-3 692 1107 14.6 16124 0.2 연신율 미달
실험예6-1 640 1060 14.9 15947 0.2 연신율 미달
실험예6-2 591 949 18.9 17302 0.2 인장강도 미달
실험예7-1 656 1084 15.5 16787 0.2 O
실험예7-3 655 1067 15.4 16432 0.2 O
표 1 내지 표 3을 참조하면, 실험예1-1, 1-2, 1-3의 경우 안정적인 수준의 목표 물성이 도출되었으나 앞서 언급한 바와 같이 몰리브덴(Mo)과 같은 고가의 합금원소가 첨가되어 제조비용이 증가되는 단점이 있으므로 타 성분계와의 물성차이에 대한 비교로만 활용되었다.
실험예2-1, 2-2, 2-3의 경우, 망간(Mn)이 상향된 성분계로 냉각온도에 따른 재질변화가 큰 단점이 있고 망간(Mn) 함량이 높은 경우 경질상과 연질상의 탄소(C), 망간(Mn)의 농화도 차이가 발생하는 밴드조직의 형성으로 기인한 결함 유발에 대한 우려가 있음을 확인할 수 있다.
실험예3-1, 3-2, 3-3의 경우, 크롬(Cr)이 상향된 성분계로 안정적인 강도와 높은 연신율을 나타내었지만 열연을 위한 주편 재가열 후 표면 스케일 제거가 어려워져 표면 불량을 유발할 수 있는 우려가 있다.
실험예4-2의 경우, 붕소(B)가 첨가된 성분계로 안정적인 물성을 나타내었고 가장 제조비용이 적은 성분계이지만 강 내 필연적으로 존재하는 질소(N)의 함량변화 발생 시 고용량의 변화로 기인되는 재질편차 및 강도 미달을 발생시킬 수 있다.
실험예5-1, 5-2, 5-3의 경우, 망간(Mn), 크롬(Cr)이 상향된 성분계로 안정적인 물성을 나타내었지만 실험예2-1, 2-2, 2-3, 실험예3-1, 3-2, 3-3에 언급된 문제를 동시에 유발할 수 있는 가능성이 있다.
실험예6-1, 6-2의 경우, 붕소(B), 티타늄(Ti)이 첨가된 성분계로 물성은 만족하지만 상기 수식1 내지 수식4에 따라 B의 충분한 고용에 100ppm의 Ti 첨가량은 부족한 측면이 있음을 확인할 수 있다.
실험예7-1, 7-3의 경우, 실험예6-1, 6-2와 마찬가지로 붕소(B), 티타늄(Ti)이 첨가된 성분계로 안정적인 물성을 나타내었고 상기 수식3 및 수식4에 따라 성분 함량의 검토 시에도 붕소(B)의 고용에 적정한 수준임을 확인할 수 있다. 또한 저가 원소인 붕소(B), 티타늄(Ti)의 첨가를 통해 기계적 물성을 확보하여 검토된 성분계 중 가장 적합한 성분계임을 이해할 수 있다.
상술한 내용과 같이 본 발명의 기술적 사상에 따른 성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법에 의하면, 높은 인장강도와 연신율을 동시에 확보하고 고가의 합금원소의 첨가를 제한하여 높은 제조원가 문제를 해결할 수 있음을 확인하였다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 냉연 강판이며,
    하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족하되,
    항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t): 2.0 이하인 것을 특징으로 하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판.
    수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
    수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
    수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
    수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
    (단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉연 강판의 미세조직은 페라이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트와 베이나이트를 포함하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 페라이트의 면적분율은 30% 이상이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 10% 미만인 것을 특징으로 하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판.
  4. (a) 탄소(C): 0.05 ~ 0.25중량%, 규소(Si): 0.5 ~ 1.5중량%, 망간(Mn): 1.5 ~ 2.5중량%, 인(P): 0 초과 0.02중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.003중량% 이하, 질소(N): 0 초과 0.006중량% 이하, 티타늄(Ti): 0.01 ~ 0.05중량%, 붕소(B): 0.001 ~ 0.005중량%, 안티몬(Sb): 0.02 ~ 0.05중량% 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하되, 하기 수식1과 하기 수식2를 동시에 만족하거나, 하기 수식3과 수식4를 동시에 만족하는 강재를 열간 압연하는 단계;
    (b) 상기 열간 압연된 강재에 대하여 냉간 압연하는 단계;
    (c) 상기 냉간 압연된 강재에 대하여 800 ~ 840℃의 온도 구간에서 30 ~ 150초 동안 유지하는 소둔 열처리하는 단계;
    (d) 상기 소둔 열처리된 강재를 서냉속도 2 ~ 15℃/s로 500 ~ 700℃까지 서냉하는 단계;
    (e) 상기 서냉된 강재를 제1 급냉속도 5 ~ 20℃/s로 마르텐사이트 변태 시작 온도와 마르텐사이트 변태 종료 온도 사이의 온도인 제1 냉각종점온도까지 제1 급냉하는 단계;
    (f) 상기 제1 급냉된 강재를 250 ~ 350℃의 온도 구간에서 템퍼링 열처리하는 단계; 및
    (g) 상기 템퍼링된 강재를 제2 급냉속도 10 ~ 50℃/s로 100 ~ 200℃ 이하인 제2 냉각종점온도까지 제2 급냉하는 단계;를 포함하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.
    수식1: [Ti] - 3.42 [N] < 0
    수식2: (4.43 [B] - 3.42 [N] + [Ti])/4.43 ≥ 20
    수식3: [Ti] - 3.42 [N] ≥ 0
    수식4: [Ti] - 3.42 [N] ≤ 100
    (단, 상기 [Ti], [N] 및 [B]는 각각 티타늄, 질소 및 붕소의 상기 냉연 강판 내 ppm 단위의 함유량)
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열간 압연하는 단계는 재가열온도: 1150 ~ 1250℃, 마무리 압연 온도: 850 ~ 950℃, 권취온도: 500 ~ 700℃인 조건에서 열간 압연하는 단계를 포함하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠르고, 상기 제2 급냉속도는 상기 서냉속도보다 빠른 것을 특징으로 하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 소둔 열처리하는 단계 후 상기 강재의 미세조직은 페라이트와 오스테나이트의 이상조직이며, 상기 제2 급냉하는 단계 후 상기 강재의 미세조직은 페라이트, 마르텐사이트 및 오스테나이트와 베이나이트를 포함하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 페라이트의 면적분율은 30% 이상이며, 상기 마르텐사이트의 면적분율은 60% 미만이며, 상기 오스테나이트와 베이나이트의 면적분율은 10% 미만인 것을 특징으로 하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 강재는 합금원소로 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)을 함유하지 않되,
    상기 제2 급냉하는 단계 후 상기 냉연 강판은 항복강도(YP): 580MPa 이상, 인장강도(TS): 980MPa 이상, 연신율(El): 15.0% 이상, 굽힘가공성(R/t): 2.0 이하인 것을 특징으로 하는,
    성형성이 우수한 고강도 냉연 강판의 제조방법.


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