KR920008687B1 - 스트레치-플렌징성이 우수한 고장력 열연강판의 제조방법 - Google Patents

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Description

스트레치-플렌징성이 우수한 고장력 열연강판의 제조방법

본 발명은 스트레치-플렌징성 및 가공경화특성이 우수한 고장력 열연강판의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 자동차의 연부절감을 위해서 여러가지의 대칙이 검토되고 있는데, 그중에서도 자동차의 차체경량화는 가장 효과적인 수단으로 간주되고 있어 차체의 소형화와 더불어 고장력강판 또는 알루미늄 합금의 채용등의 재료변경에 대한 많은 시도가 이루어지고 있다. 특히 차륜의 경량화는 연비절감 효과가 매우 큰 것으로 나타나 고급차종에는 이미 고장력강판으로 제조된 차륜이 사용되고 있다.

한편, 상기 자동차용 강판에 요구되는 성형성으로 크게 4가지로 분류할 수 있는데, 스트레칭성(stretchabiltty), 드로잉성(drawability), 스트레치-플렌징성 (stretch-flangeability) 및 굽힘성(bandability)이 요구된다. 왜냐하면 열연강판과 같이 두게가 비교적 두껍고(2.0-4.5mm), 펀칭(punching) 또는 쉬어링(shearing)으로 부품절단가공을 하는 경우에는 절단된 부위의 단면이 매끄럽지 못하여 미세한 균열이 형성되기 때문이다.

통상 상기부품에 사용되는 고장력강판으로는 페라이트의 마르텐사이트로 구성된 이상조직강판(dualphase 강판)이 사용되고 있는데, 이 강판은 항복비가 낮고, 강도에 비해서 연신율이 크며 성형성, 형상동결성이 우수한 특징이 있으나, 스트레치-폴렌징성이 우수하지 않다. 이와 같이 특성 때문에 이상조직강판을 차륜에 적용시, 첫째 프레스 성형시 구멍 주변(hole boundary)에 변형을 가하게 되면 주변에 크랙이 일어나기 쉽다는 단점과, 둘째 용접열에 의한 미세조직이 변화로 최종부룸에 있어서 용접열영향부의 피로특성이 열화되는 단점이 있다.

따라서 페라이트-마르텐사이트의 이상조직강판의 적용을 원할히 하기위해서는 전술한 바와 같은 단점을 해소시켜야 하나, 아직 마땅한 대책이 나타나고 있지않은 실정이다.

상기 이상조직강판의 단점인 스트레치-플렌징성들을 보완하기 위해서 일본고베제강소에서는 페라이트-마르텐사이트의 복합조직에다가 중강의 경도를 지닌 베이나이트를 부가시킨 형태의 새로운 고장력 강판을 발표하였다. (일본특허공개 : 58167750). 이러한 삼상조직강의 특징은 화학조겅과 미세조직의 구성비에 있는 데, 화학조성은 C,Mn,Si,Cr,Cu,Ni,S,Nb,V,Ti,Zr,Ca등을 첨가하는 것으로 매우 광범위하게 되어있으며, 미세조직을 다각형의 페라이트와 면적을 4-45%의 베이나이트 및 1-15%의 마르텐사이트로 구성시키고, 또한 마르텐사이트의 평균 결정립경을 6μm이하로 제어하는 것이 발명의 특징을 되어있다.

또한, 고베 제강소에 의한 고장력 강판은 페라이트-베이나이트-마르텐사이트의 삼상조직을 형성시킴에 의해서 종래의 페라이트-마르텐사이트의 이상조직강과 동등한 낮은 항복비를 나타내고 스트레치-폴렌징성은 이상조직보다 우수하다고 주장하고 있는데, 이러한 삼상조직강을 제조하기위해서는 다음과 같은 제조조건을 사용해야 하는 것으로 되어있다.

첫째 통상의 열간압연을 한 후, 750-950℃의 온도로 5-10분간 재가열-냉각시키므로서 적경면적율의 페라이트-마르텐사이트-베이나이트 삼상조직을 형성시키는 방법과, 둘째, 830℃부근에서 열간압연을 마무리 한 다음, 30℃/sec의 냉각속도로 800℃까지 수냉각하고 이후 5℃/sec의 냉각속도로 700℃까지 공냉, 재차60℃/sec의 냉각속도로 수냉각하여 450-250℃에서 권취하는 방법이다.

그러나, 상기와 같이, 열간압연후 재차 열처리를 하거나, 혹은 복잡한 수냉각제어에 의해서 우수한 특성을 지닌 고장력 열연강판을 제조하는데에 첫째, 부수적인 열처리에 따른 제조원가의 상승, 둘째, 엄격한 수냉각 제어가 필요함에 따라 제품불량률의 증가되고, 셋째, 제조시간의 증가에 따른 생산실수율의 감소등의 문제점이 있다. 이에 본 발명의 목적은 화학조성과 열간압연조건만을 적절히 제어함에 이해서 스트레치-플렌징성 우서한 인장강도 60kg/mm²이상의 고장력 열연강판을 제조하는 방법을 제공하고자 하는데 있다.

상기 목적달성을 위해, 본 발명의 제조방법은 중량%로 C:0.03-0.1% Mn:0.8-2.0%, Si:0.2-1.5%, Cr:0.9-2.0% 및 Ti:0.1%이하가 함유되고, S함유량이 0.01%이하로 억제되며, 기타 불가피한 불소원소 및 Fe로 구성된 강을 사용하여, 750-850℃(Ar₃-Ar₃+100℃)의 마무리 압연온도로 열간압연하고, 수냉각한 후 권취온도를 Cr함유량에 따라 ＂170×Cr(wt%)+350＂이하로 제어하여 다가형의 페라이트와 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상조직을 형성시킨 것을 구성의 특징으로 한다.

상기 제조방법에 의한 고장력열연장판을 베이나이트의 면적율을 10-30%, 마르텐사이트의 면적율을 5-30%를 갖는다.

한편, 본 발명에 의한 페라이트-베이나이트-마르텐사이티의 삼상조직강판은 항복비 및 가공경화특성에 있어서 페라이트-마르텐사이트의 이상조직강판과 유사할 정도로 우수한 특성을 나타내는데, 특히 스트레치-폴렌징성에 있어서는 종래의 이상조직강판보다 우수한 성질을 지닌 것으로 나타나도 있다.

상기와 같이 우수한 스트레치-플렌징성은 삼상조직의 적정분율 형성에 기인하는데 다음에 설명하는 화학성분을 적정으로 조절함과 동시에 열간압연 및 냉각권취조건을 제어하므로서 가능케된다.

먼저 본 발명에 있어 강의 화학성분을 수치한정한 이유에 대해서 설명하면 다음과 같다.

C는 강을 강화시키는데 가장 경제적이며 효과적인 원소로서 적어도0.03%이상을 첨가하여야 유효한 효과를 발휘한다. 그러나 과도하게 첨가시키면 연성 및 스트레치-플렌징성이 저하되기 때문에 C첨가량의 상한을 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

Mn은 강을 고용강화시키는데 효과적인 원소로서 0.8%이상 첨가되어야 소입성증가효과와 더불어 삼상조직을 효과적으로 형성시킬 수 있다. 그러나, 2.0%이상 첨가시키면, 제강공정에서 슬라브로 주조시 두께 중심부에서 편석부가 크게 발달되고 최종제품의 연성, 용접송을 해치기 때문에 바람직하지 않다.

Si는 용강을 탈산시키기 위해서도 필요하고 고용강화원소로도 효과를 나타내지만, 무엇보다도 고강도-고연성의 복합조직강판을 제조하기 위해서는 C, N등의 침입형원소가 페라이트에 고용되지 않아야 하기 때문에 적어도 0.2%이상 첨가되어야 하며 1.5%이상 첨가되면, 강판의 표면에 박리성이 나쁜 스케일이 형성되기 때문에 상한율 1.5%로 하는 것이 바람직하다.

Cr은 강을 고용강화시키는 원소이며 동시에 강의 소입성을 증가시키므로써 본 발명과 같은 비교적 고은의 권취조건 하에서 저온 변태조직(베이나이트 및 마르텐사이트)를 형성시키는데 필요한 원소이다. 특히 본발명에 필요한 분율의 마르텐사이트를 형성시키기 위해서는 적어도 0.9%이상 첨가되어야 하며, Cr첨가량의 상한은 과도한 분율의 저온변태조직이 형성과 경제성을 고려하여 2.0%로 하는 것이 바람직하다.

Ti은 석출강화원소로서 강을 강화시키는 역할을 하며, 특히 주조된 슬라브를 열간압연하기위해 재가열하는 경우 결정립성장을 억제시키므로써 결정립을 미세화시키고 따라서 스트레치-폴렌징성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 과도하게 첨가시키면 지나친 석출효과 때문에 연성이 저하되고 경제성이 상실되기 때문에 그 상한을 0.1%로 하는 것이 바람직하다.

S는 강판의 연신율 및 성형성에 미치는 영향이 매우 크고, 특히 스트레치-플렌징성에 있어서는 크랙파괴의 원인으로 작용하기 때문에 첨가량은 낮으면 낮을 수록 좋으나, 제강공정에서의 탈류능력을 감안하여 상한을 0.01%로 한정한 것이다.

이하, 본 발명의 열간압연, 권취조건 및 작용효과를 실시예를 통하여 상세히 설명한다.

하기 표 1의 화학성분을 지닌 발명강과 비교강을 진공용해하여 잉고토 (ingot)를 제조한후, 두께 30mm로 열간압연하고 재차 열간압연하여 두께 3.2mm의 판재로 제조하였다. 이때 열간압연 마무리온도는 800-850℃의 범위에서 변화시켰으며, 열간압연후의 런아웃 테이블(run-out table)에서의 수냉각도는 실제 현상 생산 공정에서의 냉각속도와 동일하게 하였고, 권취온도는 650-400℃의 범위에서 제어하였다.

[표 1]

한편, 상기 표 1의 R8강, R7강 및 R2강은 삼강조직상을 형성시키기 위해 중요한 역할을 하는 Cr함유량이 본 발명의 범위보다 적기 때문에 비교강으로 선정하였다. 즉 고베제강소의 발명에 의하며, 0.3%-0.8%Cr등을 함유시켜 복잡한 형내의 수냉각제어를 하거나, 열처리를 실싱하여 목적하는 일정면적율의 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 조직을 형성시킴에 의해 스트레치-플렌징성을 향상시키는 것이 핵심이라고 할 수 있다. 이를 보다 상세히 설명하면 종래의 이상조직강에다가 중간의 경도를 지닌 베이타이트를 적정분율을 형성시키기 위해서는 냉각과정에서의 탄소확산을 제어하는 것이 극히 중요하다.

따라서, 일정분율의 페라이트를 냉각초기에 형성시키고 나머지는 미변태 오스테나이트로 전재케하여 미변해 오스테나이트에 고용탄소량을 현저히 증가시키므로써 냉각도중에 탄소에 세멘타이트로의 석출이 억제되어 베이나이트 및 마르텐사이트를 형성시킬수 있다. 이와 같이 페라렌, 베이나이트 및 마르텐사이트의 부율을 조절하기위해서 복잡한 형태의 수냉각제어를 실시하였음을 알 수 있다.

그러나, 상기 고베제강소에 의하면 발명에 의해서는 인장강도 60kg/mm²이하에 불과한 강판이 제조될 수 있는데 비해서 본 발명범위0.9-2.0% Cr을 함유시켜 제조케되면, Cr의 경화능 증대효와 Si의 페라이트 조기형성경향이 조화를 이루게 되어 단순한 수냉각수 Cr함유량에 따른 권취온도 제어만으로도 동등한 분율의 삼상조직을 형성시킬수가 있으며 스트레치-폴렌징성 역시 동등이상의 특성을 나타낸다.

하기 표 2의 발명강과 비교강의 열간압 및 냉각조건을 나타낸 것인데, 이에 이하면 권취온도가 Cr첨가량롸 연계되어 설정, 제어되기 때문에, Cr함유량이 발명범위 내일지라도 권취온도에 따라 발명범위가 결정됨을 알 수 있다.

[표 2]

하기 표 3은 상기 표 1의 강을 상기 표 2이 조건으로 제조한 발명재 및 비교재의 기계적성질 및 미세조직의 변화를 나타낸 것이다.

[표 3]

상기 표 3에 의하면 비교제(1-3)는 Cr이 0.32%밖에 첨가되어 있지 않기 때문에 압연 및 냉각조건을 발명범위내로 하더라도 목적하는 인장강도를 얻기 힘들고 항복비도 75-80%로 높게 나타나고 있으며, 인장강도-스트레치 플렌징성의 밸런스(TS×(d/do))도 8000수준에 머무르고 있음을 알 수 있다. 또한, Cr첨가량을 본 발명 범위보다 다소 낮게, 0.5-0.7%첨가한 비교제(4-9)역시 인장강도는 50kg/mm²을 다소 상희하고 있으나, 마르텐사이트의 면적율이 5%이하로 매우 낮아. TS×(d/do)값이 여전히 8000-9000정도에 불과한 것으로 나타나고 있어 스트래치-플렌징성이 우수하지 못함을 알 수 있다.

한편, 발명강의 조성범위를 지닌 발명재(a-i)에서는, 권취온도에 따라 강도와 스트레치-플렌징성이 급변하고 있어 본 발명범위의 미세조직분율이 형성된 경우에는 TS×(d/do)밸런스가 10000이상으로 매우 높음을 알 수 있다.

또한 Cr함유량을 1.8%로 증가시킨 발명재(h 및 i)의 경우에는 마르텐사이트량이 증가되어 스트레치-플렌징성이 다소 저하되나, 이는 상대적으로 인장강도가 80kg/mm²에 상당하기 때문이며 인장강도-스트레치플렌징성의 밸런스는 여전히 10000이상으로 매우 우수함을 알수 있다.

상기의 Cr함유량과 권취온도의 관계를 종합분석한 결과, 수냉각한 후 통상의 온도영역에서 권취함에 있어 권취온도를 Cr함유량에 따라＂170×Cr(wt%)+350＂이하로 제어하여야 하는 것으로 나타났다. 예를 들어 Cr을 0.9%첨가시키면, 권취온도를 500℃이하로 제어하여야 다각형 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상 조직이 형성될 수 있으며, 이때 베이나이트의 면적을 10-30%, 마르텐사이트의 면적율 5-30%로 구성된다.

또한, Cr함유량이 1.8%가 되면, 권치온도를 650℃(발명재 g)로 높게 설정하여도 본 발명범위의 미세조직이 형성됨을 알 수 있다. 상술한 바와같이 본 발명에 의하면, 강의 화학성분을 제어하고 열간압연 및 권취조건만을 제어하므로써, 레라이트-베이나이트-마르텐사이트의 삼상조직을 형성시킬 수 있고, 이러한 삼상조직강은 종래의 페라이트-마르텐사이트의 이상조직가의 동등한 낮은 항복비를 나타내고, 스트레치-플렌정성은 이상조직강보다 우수한 특성을 갖는 효과가 있다.

또한 삼상조직강을 제조함에 있어서도, 열간압연후 재차 열처리를 하거나, 혹은 복잡한 수냉각 제어를 할 필요가 없게 되는 효과가 있다. 또한, 부수적인 열처리가 필요하지 않기 때문에 제조원가의 저항를 도모할 수 있으며, 엄격한 수냉각 제어가 불필요하기 때문에 제품불량률을 감소시킬 수 있으며, 권취온도가 통상의 제조범위내이므로 제조시간의 감소에 따른 생산실수율을 향상시키게 되는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로 C:0.03-0.1%, Mn:0.8-2.0%, Si:0.2-1.5%, Cr:0.09-2.0 및 Ti:0.1%이하가 함유되고, S함유량이 0.01%이하로 억제되며, 기타 불가피한 불순원소 및 Fe로 구성된 강을 사용하여, 750-850℃(Ar₃-Ar₃+100℃)의 마무리압연온도로 열간압연하고, 수냉각한 후 권취온도를 Cr함유량에 따라 ＂170×Cr(wt%)+350＂이하로 제어하여 다각형의 페라이트와 베이나이트 및 마르텐사이트의 3상조직을 형성사킴을 특징으로 하는 스트레치-플렌징성이 우수한 고장력 열연강판의 제조방법.