KR20240061234A - 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법 - Google Patents

고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20240061234A
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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명은, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 만족하는 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재를 제공한다.

Description

고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법{Cold rolled steel sheet having high yield ratio and high yield strength and method of manufacturing the same}
본 발명의 기술적 사상은 강재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 항복비와 높은 항복강도를 가지는 냉연강재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 산업은 환경규제에 대응하고, 연비향상을 목적으로 경량화를 추진하고 있다. 부품 경량화를 위해서는 높은 강도의 소재를 적용하고 두께를 감소시키는 방법이 일반적이므로, 고강도 강재를 적용하고 있다. 특히, 자동차의 구조부재나 보강재는 자동차 차체의 구조를 이루며, 충격시 자동차 실내의 운전자 및 동승자의 안전을 위해 충돌 안정성이 우수할 것을 요구한다. 즉, 부품의 형상이 복잡하고 높은 항복강도를 확보하는 것을 통해 충돌 안정성을 높일 수 있다. 종래의 극저탄소 고강도강은 저항복비와 높은 연신율을 갖고 있어 성형에는 유리하나 저항복비로 인하여 성형 후 제품으로 사용시 높은 강성을 요구하는 구조부재 및 보강재로서의 충돌 안정성에는 불리한 단점이 있다.
석출경화강은 일반적인 탄소-망간 강에 티타늄, 니오븀, 바나듐 등과 같은 탄질화물 형성원소를 미량 첨가하여 미세석출물을 생성시키어 강의 충격인성과 강도를 높인 고강도 합금이다. 종래에는, 석출경화강의 연구는 열연강재를 중심으로 열연 단계 중 변형유기석출, 상간석출 및 권취 후 전위를 통한 석출현상들에 대한 모델이나 실험결과들에 연구된 반면, 냉연강재의 경우에는 석출물 생성 매커니즘 연구 등 근본적인 연구결과가 매우 제한적으로 수행되어 왔다.
냉연 석출경화강의 경우, 글로벌 규격을 살펴보면 VDA 규격 내 항복강도 460 MPa급 규격까지만 등재되어 있으며, 그 이상의 강도에 대해서는 이상조직강 및 복합조직강 규격으로 대응한다. 일부 자동차 제조사에서는 항복강도 550 MPa 규격의 냉연 석출경화강까지 요구하는 곳도 있으나 그 이상의 강도가 필요한 부품에 대해서는 전술한 바와 같이 이상조직강 규격이 적용되고 있다.
한국특허출원번호 제2012-0070333호
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 항복비와 높은 항복강도를 가지는 냉연강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 예를 들어 본 발명은 시트레일 및 멤버류에 적용중인 TS 980급 강종의 대체 강종으로 보다 높은 치수 안정도를 가질 수 있는 고항복비를 특징으로 하는 냉연 석출경화강을 제공하는 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 의하면, 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법이 제공된다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 만족한다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 중량%로, 바나듐(V): 0.025% ~ 0.045%을 더 포함할 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재에서, 니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 합은 0.21% 이하일 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는 중량%로, 크롬(Cr): 0 초과 ~ 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법은 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,200℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 850℃ ~ 900℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 강재를 1차 냉각하는 단계; 상기 1차 냉각된 강재를 500℃ ~ 550℃의 권취온도에서 권취하는 단계; 상기 권취된 강재를 냉간압연하여 냉연강재를 형성하는 단계; 상기 냉연강재를 770℃ ~ 790℃의 소둔온도에서 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 냉연강재를 2차 냉각하는 단계;를 포함한다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법에서, 상기 강재를 1차 냉각하는 단계는, 10℃/초 ~ 100℃/초 의 냉각속도로 500℃ ~ 550℃까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법에서, 상기 강재를 2차 냉각하는 단계는, 5℃/초 ~ 30℃/초 의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의할 경우, 높은 항복비와 높은 항복강도를 가지는 냉연강재 및 그 제조방법을 구현할 수 있다. 예를 들어 시트레일 및 멤버류에 적용중인 TS 980급 강종의 대체 강종으로 보다 높은 치수 안정도를 가질 수 있는 고항복비를 특징으로 하는 냉연 석출경화강을 구현할 수 있다. 구체적으로는, Nb, Ti 및 Mo 성분을 최적화하고 제조 방법의 공정 조건을 제어하여 항복강도 800 MPa 이상 및 85% 이상의 항복비를 구현할 수 있다.
상술한 본 발명의 효과들은 예시적으로 기재되었고, 이러한 효과들에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
고항복비 및 고항복강도의 냉연강재
실험예에 따른 시편에 대한 연신율과 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
본 발명의 기술적 사상은, 냉간압연 후 열처리 과정에서 미세한 석출물을 생성시킴에 의하여 강재의 항복비(즉, 항복강도/인장강도)를 향상시킨 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
종래의 석출강화 강재는 열간압연 후 권취온도를 620℃ 이상으로 하여 열간압연 공정에서 탄질화물 원소의 석출을 최대한 발생시켰다. 그러나, 열간압연에서 석출물이 형성되면, 냉간압연을 거치면서 상기 석출물이 조대화되어 결과적으로 항복비가 저하되는 결과가 된다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 항복비를 증가시키기 위하여 석출물을 미세화하며, 이를 위하여 열간압연 공정에서는 석출물의 형성을 최대한 억제하고, 냉간압연 공정에서, 특히 소둔 열처리 공정에서 석출물을 형성시켜 구현하고자 한다.
이하에서는 본 발명의 기술적 사상에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 이때, 성분 원소의 함유량은 모두 강재 전체에 대한 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.06% ~ 0.09%
탄소는 강재의 강도 확보 및 미세조직 제어를 위해 첨가한다. 상기 탄소의 함량이 0.06% 미만인 경우에는, 목표강도를 얻기 어렵다. 상기 탄소의 함량이 0.09%를 초과하는 경우에는, 제2상의 분율이 증가되고, 펄라이트가 생성되어 강도가 저하되는 등의 재질 특성 저하가 발생할 수 있다. 따라서, 탄소의 함량을 강재 전체 중량의 0.06% ~ 0.09%로 첨가하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%
실리콘은 페라이트 조직을 형성하여 탄소를 고온에서 오스테나이트 쪽으로 확산시킬 수 있다. 또한, 실리콘은 페라이트 안정화 원소로써, 페라이트 변태시 과냉도를 증가시켜 결정립이 미세화되고, 유해한 탄화물 형성을 억제한다. 상기 실리콘의 함량이 0.1% 미만인 경우에는, 실리콘 첨가 효과가 불충분하다. 상기 실리콘의 함량이 0.3%를 초과하는 경우에는, Mn2SiO4 등과 같은 산화물을 형성하여 도금성이 저해되고, 탄소당량을 높여 용접성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 실리콘의 함량을 강재 전체 중량의 0.1% ~ 0.3%로 첨가하는 것이 바람직하다.
망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%
망간은 고용강화 효과로 강도향상에 기여할 수 있다. 망간 함량에 따라 강도와 인성 및 항복비를 제어할 수 있으나, 다량 첨가시 MnS 개재물 형성과 주조시 중심편석을 유발하여 강의 인성을 떨어뜨리게 된다. 상기 망간의 함량이 1.3% 미만인 경우에는, 강도확보가 어려우며 망간 첨가 효과가 불충분하다. 상기 망간의 함량이 1.8%를 초과하는 경우에는, MnS 등 개재물의 형성하거나 편석으로 인한 가공성 저하와 지연파괴 저항성이 저하가 발생하고 탄소당량을 높여 용접성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 망간의 함량을 강재 전체 중량의 1.3% ~ 1.8%로 첨가하는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%
알루미늄은 탈산제로 사용되고, 페라이트를 청정화 하는데 도움이 될 수 있다. 상기 알루미늄의 함량이 0.015% 미만인 경우에는, 알루미늄 첨가 효과가 불충분하다. 상기 알루미늄의 함량이 0.06%를 초과하는 경우에는, 슬라브 제조 시 AlN을 형성하여 주조 또는 열연 중 크랙을 유발할 수 있다. 따라서, 알루미늄의 함량을 강재 전체 중량의 0.015% ~ 0.06%로 첨가하는 것이 바람직하다.
인(P): 0% 초과 ~ 0.02%
인은 강의 제조 과정에서 포함되는 불순물로서, 고용강화에 의해 강도의 향상에 도움을 줄 수는 있지만, 다량 함유 시 저온취성이 발생시킬 수 있다. 따라서, 인의 함량을 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S): 0% 초과 ~ 0.005%
황은 강의 제조 과정에서 포함되는 불순물로서, FeS, MnS 등과 같은 비금속 개재물을 형성하여 인성과 용접성을 저하시킬 수 있다. 따라서, 황의 함량을 강재 전체 중량의 0% 초과 ~ 0.005%로 제한하는 것이 바람직하다.
니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%
니오븀은 강력한 탄질화물 형성원소로써, 고온에서 강에 포함되는 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 또는 질화물을 형성하고, 이러한 니오븀계 탄화물 또는 질화물은 압연 시 재결정 및 결정립 성장을 억제하여 결정립을 미세화시킴으로써 강재의 강도와 인성을 모두 향상시킨다. 니오븀의 함량이 0.03% 미만인 경우에는, 미세 석출물 확보가 어렵고, 강화효과를 얻기 어려울 수 있다. 니오븀의 함량이 0.06%를 초과하는 경우에는, 재결정 지연 효과 때문에 강의 연신율 확보를 위해 소둔 시간 연장 혹은 소둔 온도를 향상시켜야 하므로 니오븀은 강재 전체 중량의 0.03% ~ 0.06%로 첨가하는 것이 바람직하다.
티타늄(Ti): 0.05%~0.09%
티타늄은 강력한 탄질화물 형성원소로서, 열간압연 및 소둔 과정 중 강에 포함되는 탄소 및 질소와 결합하여 탄화물 또는 질화물을 형성하고 이러한 Ti계 탄화물 또는 질화물은 압연 시 재결정 및 결정립 성장을 억제화여 결정립을 미세화시킴으로써 강재의 강도와 인성을 모두 향상시킨다. 티타늄의 함량이 0.05% 미만인 경우에는, 석출 강화 효과를 얻기 어려울 수 있고, 0.09%를 초과하게 되면 티타늄의 재결정 지연 효과 때문에 강의 연신율 확보를 위해 소둔 시간 연장 혹은 소둔 온도를 향상시켜야 하므로 그 함량을 0.05~0.09%로 첨가하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%
몰리브덴은 Nb 및 Ti 성분이 탄소와 결합하여 석출물을 생성시킬 때 작용하여 미세 석출물 생성 및 성장 속도를 느리게 하여 항복강도 강화 효과를 얻을 수 있다. 몰리브덴의 함량이 0.1% 미만일 경우에는, 석출물 미세화 효과를 충분히 얻기 어려울 수 있고, 0.3%를 초과할 경우에는 그 효과가 수렴하며 가격 경쟁력을 낮추기 때문에 그 함량을 0.1~0.3%로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제강 과정에서는 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.
한편, 본 발명에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는 중량%로, 바나듐(V): 0.025% ~ 0.045% 및/또는 크롬(Cr): 0 초과 ~ 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
바나듐(V): 0.025% ~ 0.045%
바나듐은 석출물 형성에 의한 석출강화 효과를 통하여 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다. 바나듐의 함량이 0.025% 미만일 경우에는 바나듐 첨가에 따른 석출강화 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 함량이 0.045%를 초과할 경우에는 저온 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 상술한 니오븀, 티타늄 및/또는 바나듐의 복합성분은 석출물에 의한 강도 강화 효과를 일으키는 중요한 성분이다. 본 발명에서 첨가된 Nb, Ti, V은 열간압연 및 소둔 과정 중 고용 탄소와 결합하여 매우 미세한 탄질화 계열 석출물을 형성시킨다. 상기 Nb, Ti, V의 총합이 0.21%를 초과하는 경우 연신율이 매우 감소하므로 그 함량을 0.21% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0 초과 ~ 0.3% 이하
크롬은 강도를 확보하기 위해 첨가되는 유효한 원소이다. 또한, 상기 크롬은 담금질성을 증가시키는 역할을 한다. 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 석출경화형 강판 전체 중량의 0.3% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 크롬의 함량이 강판 전체 중량의 0.3%를 초과할 경우에는 용접성이나 열영향부(HAZ) 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
전술한 합금 조성의 구체적인 성분 및 이들의 함량 범위를 제어하고, 후술하는 제조방법을 통해 제조된 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 예를 들어 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 만족할 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 입계, 입내 또는 이들 모두에 형성되는 석출물을 포함할 수 있다. 상기 석출물로서 니오븀 탄화물(NbC), 알루미늄 질화물(AlN) 등을 포함할 수 있다. 상기 석출물은 2 nm ~ 4 nm 의 평균 입경을 가질 수 있다. 상기 석출물은 냉간압연 후 소둔 열처리를 수행하는 과정에서 형성될 수 있다. 이러한 석출물에 의하여 상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는 높은 강도와 높은 항복비를 동시에 가질 수 있다.
예를 들어, 상기 니오븀은, 상기 열간압연 시에 니오븀 탄화물 석출상으로 형성된 후, 상기 냉간압연 시에 상기 니오븀 탄화물 석출상이 분해되어 기지에 다시 고용되고, 이어서 상기 소둔 열처리 시에 니오븀 탄화물 석출상으로 다시 형성될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법에 관하여 설명한다.
고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법을 개략적으로 나타낸 공정 순서도이다.
본 발명에 따른 제조방법에서 열연공정의 대상이 되는 반제품은 예시적으로 슬라브(slab)일 수 있다. 반제품 상태의 슬라브는 제강공정을 통해 소정의 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 확보할 수 있다.
상기 강재는 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법은, 재가열단계(S110), 열간압연 단계(S120), 1차 냉각 단계(S130), 권취 단계(S140), 냉간압연 단계(S150), 소둔 열처리 단계(S160), 및 2차 냉각 단계(S170)를 포함한다.
재가열 단계(S110)
재가열 단계(S110)에서는 상기의 조성을 갖는 강재를, 예를 들어 슬라브 판재를, 1,200℃ ~ 1,250℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature, SRT)에서 40분 ~ 2시간 동안 재가열한다. 이러한 재가열을 통해, 주조 시 편석된 성분의 재고용 및 석출물의 재고용이 발생할 수 있으며, 특히 니오븀 등과 같은 석출경화원소를 재고용시켜 이후 냉간압연 후 소둔 열처리 동안에 미세 석출물을 형성하도록, 충분히 높은 온도를 요구한다. 상기 미세 석출물은 결정립의 성장을 방해하여 결정립 미세화를 이루게 하여, 이에 따라 강도를 증가시킬 수 있다. 재가열 온도가 1,200℃ 미만이거나 재가열 재로시간이 40분 미만인 경우 탄질화물이 용해되지 않고 조대해져 원하는 항복비 이상의 재질 특성을 얻을 수 없게 되는바, 예를 들어, 상기 강재에 포함된 니오븀 등과 같은 석출 경화원소의 최대 재고용이 발생하지 수 있고, 주조시 편석된 성분들이 충분히 고르게 분포되지 않을 수 있다. 상기 재가열 온도가 1,250℃를 초과하거나 재가열 재로시간이 2시간을 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립이 조대화되어 항복 강도 저하의 원인이 될 수 있다. 또한 재가열 온도가 올라갈수록 가열 비용 및 열간압연 온도를 맞추기 위한 추기 시간 소요 등으로 제조 비용 상승 및 생산성 저하를 야기하는 문제점이 있다.
열간압연 단계(S120)
상기 가열된 강재는 먼저 그 형상의 조정을 위해 가열 후에 열간압연을 실시한다. 상기 열간압연은 폭압연, 조압연, 및 사상압연으로 연속적으로 수행될 수 있다. 상기 열간압연 단계에 의하여, 상기 강재는 열연강재를 형성할 수 있다. 상기 열연강재는 열연강판일 수 있다.
상기 열간압연은, 즉 상기 사상압연은 Ar3 이상, 예를 들어 850℃ ~ 900℃의 마무리 압연 종료온도(finish rolling temperature, FRT)에서 종료될 수 있다. 상기 마무리 압연 종료온도가 Ar3 미만이거나 또는 850℃ 미만인 경우에는, 오스테나이트와 페라이트의 이상 영역에서 압연되어 결정립의 혼입이 발생하게 되어, 불균일한 변형성을 가지므로 압연성의 저하가 초래될 수 있다. 상기 마무리 압연 종료 온도가 Ar3 + 30℃를 초과하거나 또는 900℃를 초과하는 경우에는, 결정립이 조대화되어 최종 강재의 강도 저하가 발생할 수 있다.
1차 냉각 단계(S130)
상기 열간압연된 강재를 10℃/초 ~ 100℃/초 의 냉각속도로 500℃ ~ 550℃까지 1차 냉각한다. 상기 냉각은 공냉 방식 또는 수냉 방식으로 수행될 수 있다. 상기 냉각속도가 10℃/초 미만일 경우에는 석출물의 평균입자 크기가 증가되어 강도 확보가 어려울 수 있다. 반대로, 냉각 속도가 100℃/초를 초과할 경우에는 강재 조직이 경해져서 충격인성이 저하될 수 있다.
권취 단계(S140)
상기 1차 냉각이 종료되어, 상기 강재를 500℃ ~ 550℃의 권취온도(coiling temperature, CT)에서 권취한다. 본 발명에서는 500℃ ~ 550℃의 저온 권취 공정을 적용하여 석출물의 크기를 미세하게 하고, 석출분율도 최대한 적게 구현한다. 상기 권취온도가 500℃ 미만인 경우에는, 마무리 압연온도와 권취 온도의 급격한 차이로 인해 강재의 표면 품질이 저하될 수 있다. 상기 권취온도가 550℃를 초과하는 경우에는, 석출분율을 향상시켜 열연재의 강도를 높이는 데 기여할 수 있으나 최종 냉연재 재질 관점에서 석출물이 조대해지기 때문에 바람직하지 않다. 즉, 권취온도가 550℃를 초과하는 경우에는, 탄질화물 원소를 고용상태로 유지할 수 없고, 원하지 않는 석출물로서 형성될 수 있다. 상기 권취된 강재는 상온으로 냉각될 수 있다.
냉간압연단계(S150)
상기 권취된 열연강재를 산으로 세정하는 산세 처리를 수행한다. 이어서, 상기 산세 처리된 열연강재를 50% ~ 80%의 냉간 압하율로 냉간압연을 실시하여 냉연강재를 형성한다. 상기 냉간 압하율이 50% 미만일 경우에는 소둔시 재결정을 위한 핵생성양이 적기 때문에 후술할 소둔 열처리시 결정립이 과도하게 성장하여 강도가 급격히 저하될 수 있다. 상기 냉간 압하율이 50%보다 증가할수록 미세석출물이 생성될 수 있는 사이트가 증가하여 항복비 향상에 바람직하지만, 80%를 초과하는 경우에는, 핵생성 양이 지나치게 많아져 소둔에 의하여 형성되는 결정립이 오히려 너무 미세하여 연성이 감소하며, 성형성이 저하될 수 있다.
소둔 열처리 단계(S160)
상기 냉연강재를 통상의 서냉각 구간이 있는 연속 소둔로에서 열처리한다. 상기열처리는 소둔 열처리로 지칭될 수 있다. 상기 소둔 열처리는 1℃/초 ~ 10℃/초 범위의 승온속도로 가열하고, 770℃ ~ 790℃의 범위의 온도에서 50초 ~ 300초 동안 유지하는 열처리를 진행한다. 이때, 소둔 열처리는 최종 제품의 재질을 결정하는 중요한 공정 변수 중 하나이다. 이러한 회복 재결정 소둔 열처리는 최종적으로 형성되는 조직이 매우 미세하고, 고용 탄질화물 원소의 미세 석출물을 생성시켜 냉간압연 강재의 고항복비를 구현시킬 수 있다. 상기 탄질화물은 예를 들어 NbC 석출물과 AlN 석출물일 수 있다. 상기 소둔 열처리 온도가 770℃ 미만일 경우에는, 재결정이 충분히 완료되지 못하여 목표로 하는 연신율을 확보하지 못할 수 있다. 상기 소둔 열처리 온도가 790℃를 초과하는 경우에는, 결정립이 조대화되어 항복강도가 저하될 수 있다.
2차 냉각 단계(S170)
상기 소둔 열처리한 냉연강재를 5℃/초 ~ 30℃/초의 냉각속도로, 예를 들어 100 ~ 300℃ 범위의 온도로 냉각한다.
상기의 과정(S110 ~ S170)으로 냉연강재를 제조할 수 있고, 상기 냉연강재는 냉연강판일 수 있다.
필요한 경우, 상기 냉연강재는 용융아연도금 강재 및 합금화 용융아연도금 강재로 형성될 수 있다.
상기 용융아연도금 강재는 상기 냉연강재를 용융아연 도금욕에 침지하여 용융아연도금층을 형성하여 구현될 수 있다. 상기 도금욕의 온도는 도금층을 구성하기 위한 합금 원소의 종류 및 비율, 냉연강재의 성분계에 따라 400℃ ~ 520℃ 범위일 수 있다. 상기 도금욕 조건에서 냉연판재 표면에 용융아연도금층이 용이하게 형성되면서, 도금층의 밀착성이 우수할 수 있다. 이어서, 1℃/초 ~ 100℃/초의 냉각속도로 상온으로 냉각시켜 상기 용융아연도금 강재를 형성할 수 있다.
상기 합금화 용융아연도금강재는 상기 용융아연도금층이 형성된 냉연강재를 합금화 열처리할 수 있다. 상기 합금화 열처리는 500℃ ~ 620℃ 범위의 온도에서 10초 ~ 60초 동안 실시될 수 있다. 상기 조건으로 합금화 열처리시 용융아연도금층이 안정적으로 성장되면서, 도금층의 밀착성이 우수할 수 있다. 상기 합금화 열처리 온도가 500℃ 미만인 경우에는, 합금화가 충분히 진행되지 못해 용융아연도금층의 건전성이 저하될 수 있다. 상기 합금화 열처리 온도가 620℃를 초과하는 경우에는, 이상역 온도 구간으로 넘어가게 되면서 재질의 변화가 발생할 수 있다. 이후에, 냉각시켜 상기 합금화 용융아연도금 강재를 형성할 수 있다.
상기 재가열이 수행되는 구역에서 니오븀과 같은 석출경화원소를 재고용시킨다. 상기 열간압연이 수행되는 구역에서 오스테나이트 결정립 내에 니오븀 탄화물 등의 석출상이 형성될 수 있다. 1차 냉각이 수행되는 구역과 권취가 수행되는 구역에서 페라이트 결정립 내에 니오븀 탄화물 등의 석출상이 형성되지만, 낮은 권취온도에 의하여 상기 석출상의 양을 감소될 수 있다. 냉간압연이 수행되는 구역에서 니오븀은 기지에 다시 고용될 수 있다. 상기 소둔 열처리가 수행되는 구역에서 페라이트 결정립 내에 니오븀 탄화물 등의 석출상이 생성될 수 있다. 즉, 열간압연 공정에서 생성되는 석출상의 양을 최소화하고, 냉간압연 공정에서 석출상을 형성시키도록 유도함에 따라, 석출상의 크기를 미세화할 수 있다. 이에 따라, 고항복비 및 고항복강도를 달성할 수 있다.
상술한 합금 조성과 공정 조건을 적용하여 구현한 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 예를 들어 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 만족할 수 있다.
상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는, 입계, 입내 또는 이들 모두에 형성되는 석출물을 포함할 수 있다. 상기 석출물로서 니오븀 탄화물(NbC), 알루미늄 질화물(AlN) 등을 포함할 수 있다. 상기 석출물은 2 nm ~ 4 nm 의 평균 입경을 가질 수 있다. 상기 석출물은 냉간압연 후 소둔 열처리를 수행하는 과정에서 형성될 수 있다. 이러한 석출물에 의하여 상기 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재는 높은 강도와 높은 항복비를 동시에 가질 수 있다.
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. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
하기의 표 1의 조성을 갖는 강재를 준비하고, 상술한 바와 같은 열연 및 냉연 공정을 거쳐 실시예들과 비교예들에 따른 냉연강판을 준비하였다.
표 1은 실시예와 비교예의 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 조성을 나타낸다. 각각의 성분의 함량 단위는 중량%이다.
C Si Mn P S Cr Mo Ti Nb V Al
발명강A 0.076 0.004 1.76 0.002 0.001 - 0.21 0.081 0.029 - 0.034
발명강B 0.071 0.20 1.28 0.017 0.003 0.20 0.10 0.054 0.049 0.037 0.030
비교강A 0.074 0.01 1.34 0.002 0.001 0.62 0.21 0.073 0.031 0.100 0.030
비교강B 0.148 0.015 1.73 0.002 0.001 0.20 0.21 0.090 0.031 - 0.034
비교강C 0.051 0.19 1.30 0.017 0.003 0.19 0.12 0.035 0.051 0.035 0.031
표 1을 참조하면, 발명강A와 발명강B는 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)인 조성범위를 만족한다.
이에 반하여, 비교강A는 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다. 비교강B는 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다. 비교강C는 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
표 2는 실시예와 비교예의 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재를 형성하는 공정 조건 및 재질 특성을 나타낸다. 표 2에 기재되지 않은 공정 조건은 비교예와 실시예가 동일하며, 상술한 바와 같다. 도 2는 본 발명의 실험예에 따른 시편에 대한 연신율과 강도 특성을 나타낸 그래프이다.
구분 강종 열연 냉연 및 소둔 재질 특성
재가열 온도
(℃)		 마무리
압연 온도(℃)		 권취온도 (℃) 냉간
압하율 (%)		 냉연
소둔온도 (℃)		 항복강도
(Mpa)		 항복비
(%)		 연신율
(%)
발명재 1 발명강A 1222 885 502 60 780 844 89.1 10.3
비교재 1 820 622 83.6 14.4
발명재 2 780 823 87.7 9.7
발명재 3 발명강B 1221 923 549 69 780 810 94.5 11.2
비교재 2 820 686 94.2 11.8
발명재 4 790 824 93.9 10.9
비교재 3 810 674 93.2 11.9
비교재 4 비교강 A 1223 892 600 60 780 852 89.2 4.7
비교재 5 790 821 86.1 4.3
비교재 6 820 607 79.2 9.4
비교재 7 비교강 B 1224 891 547 60 820 609 73.9 16.1
비교재 8 780 740 73.1 9.5
비교재 9 비교강 C 1220 930 643 60 780 753 96.4 9.2
비교재 10 820 601 92.6 17.2
표 2와 도 2를 참조하면, 발명재1, 발명재2, 발명재3, 발명재4는 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,200℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 850℃ ~ 900℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계; 상기 열간압연된 강재를 1차 냉각하는 단계; 상기 1차 냉각된 강재를 500℃ ~ 550℃의 권취온도에서 권취하는 단계; 상기 권취된 강재를 냉간압연하여 냉연강재를 형성하는 단계; 상기 냉연강재를 770℃ ~ 790℃의 소둔온도에서 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 냉연강재를 2차 냉각하는 단계;를 수행하는 공정조건을 만족한다. 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 모두 만족한다.
이에 반하여, 비교재1은 770℃ ~ 790℃의 소둔온도의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa 및 항복비(YR): 85% ~ 95%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재2 및 비교재3은 770℃ ~ 790℃의 소둔온도의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재4 및 비교예5는 비교강A의 강종을 적용하며, 500℃ ~ 550℃의 권취온도 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 연신율(EL): 9% 이상의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재6은 비교강A의 강종을 적용하며, 500℃ ~ 550℃의 권취온도 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 770℃ ~ 790℃의 소둔온도의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa 및 항복비(YR): 85% ~ 95%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재7은 비교강B의 강종을 적용하며, 770℃ ~ 790℃의 소둔온도의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa 및 항복비(YR): 85% ~ 95%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재8은 비교강B의 강종을 적용하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa 및 항복비(YR): 85% ~ 95%의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재9는 비교강C의 강종을 적용하며, 500℃ ~ 550℃의 권취온도 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
비교재10은 비교강C의 강종을 적용하며, 500℃ ~ 550℃의 권취온도 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 770℃ ~ 790℃의 소둔온도의 범위를 상회하여 만족하지 못하며, 이에 의하면, 항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa의 범위를 하회하여 만족하지 못한다.
지금까지 본 발명의 기술적 사상에 따른 고항복비 및 고항복강도의 냉연강재 및 그 제조방법을 설명하였다.
자동차 산업은 환경규제에 대응하고, 연비향상을 목적으로 경량화를 추진하고 있으며, 부품 경량화를 위해서는 높은 강도의 소재를 적용하고 두께를 감소시키는 방법이 일반적이므로, 고강도 강재를 적용하고 있으며, 특히 자동차의 구조부재나 보강재는 자동차 차체의 구조를 이루며, 충격시 자동차 실내의 운전자 및 동승자의 안전을 위해 충돌안전성이 우수할 것을 요구하는바, 높은 항복강도를 확보하는 것을 통해 충돌 안정성을 높일 수 있다.
본 발명에서는 항복강도 800 MPa 이상 및 항복비 85% 이상의 성능을 지니는 냉연 석출경화강을 제공하며, 이는 전술한 바와 같이 높은 항복강도를 요구하는 시트레일 및 멤버류와 같은 부품에 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

Claims (7)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    항복강도(YS): 800 MPa ~ 900 MPa, 연신율(EL): 9% 이상, 및 항복비(YR): 85% ~ 95%을 만족하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    중량%로, 바나듐(V): 0.025% ~ 0.045%을 더 포함하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재.
  3. 제 2 항에 있어서,
    니오븀(Nb), 티타늄(Ti) 및 바나듐(V)의 합은 0.21% 이하인 것을 특징으로 하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    중량%로, 크롬(Cr): 0 초과 ~ 0.3% 이하를 더 포함하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재.
  5. 중량%로, 탄소(C): 0.06% ~ 0.09%, 실리콘(Si): 0.1% ~ 0.3%, 망간(Mn): 1.3% ~ 1.8%, 알루미늄(Al): 0.015% ~ 0.06%, 인(P): 0% 초과 ~ 0.02%, 황(S): 0% 초과 ~ 0.005%, 니오븀(Nb): 0.03% ~ 0.06%, 티타늄(Ti): 0.05%~0.09%, 몰리브덴(Mo): 0.1%~0.3%, 및 잔부는 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 1,200℃ ~ 1,250℃의 온도에서 재가열하는 단계;
    상기 가열된 강재를 850℃ ~ 900℃의 온도에서 종료되도록 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 강재를 1차 냉각하는 단계;
    상기 1차 냉각된 강재를 500℃ ~ 550℃의 권취온도에서 권취하는 단계;
    상기 권취된 강재를 냉간압연하여 냉연강재를 형성하는 단계;
    상기 냉연강재를 770℃ ~ 790℃의 소둔온도에서 소둔 열처리하는 단계; 및
    상기 소둔 열처리된 냉연강재를 2차 냉각하는 단계;를 포함하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 강재를 1차 냉각하는 단계는,
    10℃/초 ~ 100℃/초 의 냉각속도로 500℃ ~ 550℃까지 냉각하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 강재를 2차 냉각하는 단계는,
    5℃/초 ~ 30℃/초 의 냉각속도로 냉각하는,
    고항복비 및 고항복강도의 냉연강재의 제조방법.
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