WO2012033377A2

WO2012033377A2 - 고강도 및 고연성 강판 및 그 제조방법

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Publication number: WO2012033377A2
Application number: PCT/KR2011/006690
Authority: WO
Inventors: 이영국; 정연승; 강신곤; 민동준; 한정호
Original assignee: 연세대학교 산학협력단
Priority date: 2010-09-09
Filing date: 2011-09-09
Publication date: 2012-03-15
Also published as: KR20120026249A; WO2012033377A3

Abstract

본 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 0.5증량 % 내지 1.0중량 %의 탄소와， 10중량 % 내지 20증량 %의 망간과， 4.0중량 % 이하의 크롬과， 0.02중량 % 내지 0.3중량%의 질소와， 4중량 % 미만의 실리콘， 3중량 % 미만의 알루미늄, 0.30중량 % 미만의 니오붐， 0.30중량 % 미만의 티타늄， 및 0.30증량 % 미만의 바나듐 중 적어도 하나와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명에 따른 강판은 상온에서 오스테나이트 조직을 형성하고， 크름과 질소의 첨가에 의하여 적층결함에너지가 효과적으로 조절된다. 따라서， 강의 소성변형중 기계적 쌍정이 발생되어 높은 가공 경화와 인장 강도 및 우수한 가공성을 갖는다.

Description

【명세서】

【발명의 명칭】

고강도 및 고연성 강판 및 그 제조방법

【기술분야】

본 발명은 고강도 및 고연성을 갖는 강판， 더욱 구체적으로는 높은 성형성이 요구되는 자동차용 강판， 및 자동차용 범퍼 보강재와 같은 충격 흡수재로

이용가능한 고망간 강판， 및 그 제조방법에 관한 것이다.

【배경기술】

자동차의 몸체 등에 이용되는 강판의 경우， 기본적으로 높은 성형성을 요구 한다. 이러한 요구를 충족하기 위하여 종래에는 인장강도가 200~300MPa로 낮지만 성형성이 우수한 극저 탄소강이 자동차 강판으로 많이 사용되어 왔다. 그러나， 최 근 들어 대기오염과 같은 환경문제가 부각되면서 자동차의 연비를 높이기 위한 많 은 방법이 제기되고 있다. 특히, 자동차의 경량화가 연비 향상을 위하여 중요시되 면서， 자동차 강판은 높은 성형성뿐만 아니라 높은 강도를 가질 것이 요구되고 있 다.

또한， 자동차용 범퍼 보강재 또는 도어 내의 충격 흡수재와 같은 자동차 부 품은 승객 안전과 직접적으로 관계되는 부품이므로， 인장강도가 통상적으로 780MPa 이상인 초고강도이면서도 동시에 높은 연신율을 갖는 강판이 사용될 필요가 있는 둥 고강도 강의 상업화 필요성이 크게 증가하고 있다.

이러한 자동차용 고강도 강으로는， 예컨데， 이상조직 (DP; Dual Phase) 강， 변 태유기소성 (TRIP; TRansformation Induced Plasticity) 강， 쌍정유기소성 (TWIP; TWin Induced Plasticity) 강 등이 있다.

먼저， 이상조직강은 강을 열간 압연 후， 상온으로 냉각하는 과정에서 냉각 종 료 온도를 마르텐사이트 변태 개시온도 (Ms)보다 낮게 하여， 오스테나이트의 일부를 마르텐사이트로 변태시켜， 상온에서 오스테나이트로부터 변태된 마르텐사이트와 페 라이트의 이상조직을 갖게 한 것이다. 이러한， 이상조직강 (DP강)은 마르텐사이트와 페라이트 분율을 조절하여 다양한 기계적 성질을 얻을 수 있다.

한편， 변태유기소성강 (TRIP 강)은 조직 일부를 잔류 오스테나이트로 형성시 킨 후, 부품성형 중 오스테나이트에서 마르텐사이트로의 상변태를 이용하여 강의 가 공성을 향상시킨 것이다. 이러한， TRIP강은 마르텐사이트 변태에 의한 큰 가공 경 화로 인해 높은 강도를 가는 장점이 있지만， 연신율이 너무 낮다는 단점이 있다. 즉， DP강 및 TRIP강의 경우 가공경화기구는 주로 경한 상인 마르텐사이트 를 이용한 것인데, 이러한 마르텐사이트는 소성변형 중 높은 가공경화 증가율을 보 여 고강도의 열연 강판을 제조할 수 있으나， 연성은 극히 낮으므로 30% 이상의 연 신율을 확보하기 어렵다는 단점이 았다. 한편， 쌍정유기소성강 (TWIP 강)은 망간을 다량 함유하여 상온에서 안정한 오스테나이트 단상을 가지고， 부품 가공 중 그 오스테나이트 조직 내에 기계적 쌍정 을 형성함으로써 가공 경화를 증가시킨 것이다. 즉， TWIP 강은 기지조직이 페라이 트가 아닌 오스테나이트이고 소성변형 중 오스테나이트 결정립 내에 기계적 쌍정을 꾸준히 발생시켜 전위의 이동을 방해함으로써 가공경화를 추가로 얻어 우수한 연신 율을 갖게 한 것이다. 또한， TWIP 강은 높은 가공경화를 일으키는 기계적 쌍정이 형성되므로 높은 연신율뿐만 아니라 높은 인장강도도 얻을 수 있다. 특히， TWIP 강은 연신율이 종래의 DP강이나 TRIP강 보다도 더 높은 50% 이상으로서 자동차용 강판 둥으로 사용하기에 우수한 특성을 갖는다.

하지만， 현재까지 개발된 TWIP강은 오스테나이트 안정성올확보하고, 적층결함에너지를 조절하기 위한 망간의 함량이 18-30% 정도로 높을 뿐 아니라， 망간 이외에도 다량의 알루미늄이나 실리콘 등이 첨가되고 있어， 재료비 및 제조비용이 크게 상승한다는 단점이 있다. 또한， 제강 공정이나 연주 공정 중 망간의 휘발이나 온도 감소 둥으로 인한 추가 제조비 부담도 크다는 단점이 있어서， 망간 함량을 줄인 TWIP강의 개발이 요구되는 실정이다. 또한, 기계적 성질의 측면에서 현재까지 개발된 TWIP강은 항복강도가 약 300MPa에 불과하고， 인장강도도 IGPa을 넘지 못한다는 단점이 있어서， 연신율은 유지하면서 강도를 더 높인 강판을 제공할 필요가 있다.

【발명의 상세한 설명】

【기술적 과제】

따라서， 본 발명은 종래의 DP 강， TRIP강 및 TWIP강이 갖는 문제점을 해결할 수 있는 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로 본 발명은 망간의 함량을 줄이면서도 동시에 고강도 및 고연성을 동시에 갖는 강판올 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한， 본 발명은 망간을 가격이 저렴한 원소로 대체하면서도， 망간이 다량 함유된 강판보다 강도 및 연성이 높고， 가공이 용이한 강판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

【기술적 해결방법】

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강판은:

0.5중량 % 내지 1.0중량 %의 탄소와， 5증량 % 내지 10중량 %의 망간과， 4.0증 량% 이하의 크름과， L5중량 % 내지 4증량 %의 구리와， 0Ό3중량 % 내지 0.3중량 %의 질소와 잔부인 철과 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우， 상기 크롬은 2.0증량 % 내지 4.0중량 % 포함되는 것이 바람직하다. 또한， 상기 질소는 0Ό3중량 % 내지 0.1중량 % 포함되는 것이 바람직하다. 또한， 상기 강판은 인장강도와 총 연신율의 곱 (TSx El)이 50,000MPa% 이 상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 강판은 열연 강판일 수 있다.

또는， 상기 강판은 냉연 소둔 강판일 수 있다. 한편， 본 발명에 따른 강판의 제조방법은:

0.5중량 % 내지 1.0중량 %의 탄소와， 5증량 % 내지 10증량 %의 망간과, 4.0증 량% 이하의 크름과， L5중량 % 내지 4중량 %의 구리와， 0.03중량 % 내지 0.1중량 %의 질소와 잔부인 철 및 불가피한 불순물을 포함하는 강판을 1 XTC 이상으로 가열하 는 단계;

상기 가열된 강판을 900^°C 이상에서 열간 압연하는 단계; 및

상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우， 상기 크름은 2.0증량 % 내지 4.0증량 % 포함되는 것이 바람직하다. 또한， 상기 질소는 0.03중량 % 내지 0.1증량 % 포함되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 방법은 상기 냉각된 강판을 30% 이상의 두께 감소을로 상온에서 냉간 압연하는 단계; 상기 냉간 압연된 강판을 800^°C 이상에서 소둔 열처리하는 단계; 및 상기 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

【발명의 효과】

본 발명에 따른 강판은 적은 양의 망간을 포함하면서도 상온에서 오스테나이 트 조직을 형성하고， 적층결함에너지가 효과적으로 조절된다. 따라서， 강의 소성변 형중 기계적 쌍정이 발생되어 높은 가공 경화와 인장 강도 및 우수한 가공성을 갖 는다. 즉, 본 발명에 따른 강판은 인장강도와 총 연신율의 곱 (TSx El)이 50,000MPa% 이상으로 매우 높은데， 이는 종래의 망간을 20증량 % 정도로 함유한 TWIP 강에 비하여 인장강도와 총 연신율의 곱을 대둥한 수준으로 유지하면서， 제 조원가는 크게 낮춘 것이다.

또한， 발명에 따른 고망간 질소 함유 강판은 열연 강판 및 냉연 소둔 강판 등 다양한 방식으로 이용가능하다.

【도면의 간단한 설명】

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판의 전자현미경 사진이다.

【발명을 실시를 위한 최선의 형태】

본 발명에 따른 강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 이하에서 설명한 다. 먼저, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판은 0.5중량 % 내지 1.0중량 %의 탄소와， 5중량 % 내지 10증량 %의 망간과， 4.0중량 % 이하의 크름과， 1.5증량 % 내지 4 중량 %의 구리와， 0.03중량 % 내지 αι중량 %의 질소와， 잔부인 철과 불가피한 불순물 을 포함한다.

본 발명은 종래의 쌍정유기소성 (TWIP) 강의 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로， 망간 함량을 10중량 % 이하로 낮게 하는 대신， 적절하게 조절된 함량의 탄 소， 질소 둥의 오스테나이트 안정화 침입형 원소를 소량 첨가하고， 동시에 오스테나 이트 안정화 치환형 원소인 구리를 첨가하여 망간의 함량을 최소화하면서도 상온에 서 오스테나이트 단상올 얻을 수 있도록 하였다. 따라서， 본 발명에 따른 강판은 상기 합금 원소들을 상기 조성으로 포함함으로써， 망간이나 알루미늄과 같은 고가의 합금원소의 함량을 기존 TWIP 강보다 적게 하면서도， 연신율은 50% 이상으로 유지 되고， 동시에 종래의 TWIP 강보다 높은 항복강도 및 인장강도를 갖게 할 수 있었 다. 구체적으로， 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강판은 망간을 5증량 % 내지 10중량 % 포함한다. 즉， TWIP 강은 상온의 오스테나이트 기지에서 소성변형 중 기 계적 쌍정이 형성되는 것이므로， 일단 합금원소를 첨가하여 철 -탄소 상태도 상에서 고온의 오스테나이트 영역을 상온까지 확장시켜야 한다. 또한， 소성변형 중 기계적 쌍정을 발생시키기 위해서는 적층결함에너지가 약 50mmJ/m² 이하여야 하는데， 본 발명은 이를 위한 오스테나이트 안정화 원소로서 망간을 이용하였다.

한편， 본 실시예에서 망간의 함량이 5중량 % 미만이면， 오스테나이트 상의 안 정성이 크게 떨어져서 열간 압연 후 오스테나이트 영역에서 냉각 중에 페라이트， 혹 은 마르텐사이트 상이 생길 수 있다. 또한， 오스테나이트 상의 적층결함에너지가 너무 높아져서 기계적 쌍정을 형성하기 곤란하다는 단점이 있다.

또한, 망간의 함량이 너무 많을 경우 적층결함에너지가 너무 커져서 오스테 나이트 상의 소성변형이 일어날 수 있다. 또한， 망간은 고가의 금속이므로 본 발명 의 목적 중 하나인 망간의 함량을 최대한 적게 유지함으로써 가능한 제조원가를 낮 추기 위하여 본 실시예에 따른 망간의 함량은 10중량 % 이하로 유지하는 것이 바람 직하다ᅳ

또한， 본 실시예에 따른 강판은 구리를 1.5중량 % 내지 4.0중량 % 포함한다. 즉， 구리는 오스테나이트 안정화 치환형 원소로서 망간의 함량을 최소화하면서도 상 온에서 오스테나이트 단상을 얻을 수 있도록 하기 위하여 본 실시예는 구리를 첨가 하였다.

한편， 구리의 함량이 1.5증량 % 미만이면 오스테나이트와 페라이트의 평형온 도 (To)가 300^°C를 초과하게 되어， 상온에서 오스테나이트 단상이 형성되기 어렵고 페라이트가 형성되므로， 구리의 함량은 1.5중량 % 이상으로 유지되는 것이 바람직하 다.

또한， 구리의 함량이 4증량 %를 초과하면 Cu— Mn석출물인 FCC 상이 형성된 다. 또한， Cu는 오스테나이트 내에 잘 고용이 되지 않으므로 오스테나이트 결정립 계에 편석이 발생하게 된다. 이러한 Cu-Mn 석출물인 FCC 상 및 편석은 강판의 기계적 성질을 나쁘게 하므로 구리의 함량은 4중량 % 이하로 유지되는 것이 바람직 하다. 또한， 본 실시예에 따른 강판은 탄소를 0.5중량 % 내지 1.0중량 % 포함한다. 즉， 철 -망간 이원계 합금은 상온에서 오스테나이트 단상을 얻을 수 없고， ε 마르텐 사이트나 α' 마르텐사이트가 일부 형성된다. 따라서， 본 실시예에 따르면 상온에서 오스테나이트 단상조직을 얻기 위해서 값싸면서도 강력한 오스테나이트 안정화 원 소인 탄소를 첨가하였다.

한편, 탄소의 함량이 0.5중량 % 미만이면， 오스테나이트의 안정도가 여전히 층 분하지 않아서 열간 압연 후 냉각하는 과정에서 오스테나이트 단상을 얻기 힘들거 나, 혹은 상온에서 오스테나이트 단상을 얻었다 할지라도 소성변형시 오스테나이트 에서 마르텐사이트로의 상변태가 일어나 변태유기소성강 (TRIP 강)이 되고， 쌍정유기 소성강 (TWIP강)을 얻을 수 없다.

한편， 탄소 함량이 1.0증량 %를 초과하면 상온에서 안정한 오스테나이트를 얻 을 수는 있지만， 시멘타이트 석출이 발생하여 연신율을 감소시키거나， 용접성이 저하 되는 문제점이 있다. 또한， 탄소 함량이 1.0증량 %를 초과하면 적층결함에너지가 너 무 커져서, 변형 증에 기계적 쌍정의 생성이 어려워지는 단점이 있다. 또한， 본 실시예에 따른 강판은 크름을 40증량 % 이하로 포함한다. 크름은 강의 내식성을 향상시킬 뿐만 아니라， 질소의 고용도를 높여준다. 또한， 크롬은 탄 소의 첨가로 인하여 증가되는 적층결함에너지를 감소시켜 기계적 쌍정의 형성을 촉 진시킨다.

하지만， 크롬은 페라이트 안정화 원소로서 4.0중량 %를 초과하여 첨가하면， 열 간 압연 증 일부 페라이트가 생성될 수 있고， 적층결함에너지를 너무 낮추어 ε 마르 텐사이트의 생성을 촉진시킬 수 있다. 또한， 크름은 고급 재료로서 너무 많이 사용 될 경우 제조원가가 너무 커지는 단점이 있으므로， 크름의 함량은 4.0중량 %로 제한 되는 것이 바람직하다.

한편， 본 발명의 다른 실시예에 따르면， 크롬의 함량은 2.0중량 % 이상으로 포 함되는 것이 더욱 바람직하다. 즉， 크름은 2.0중량 % 이상으로 포함됨으로써， 2.0증 량% 미만으로 포함된 경우에 비하여 질소의 고용도를 충분히 높일 수 있고， 적층결 함에너지도 충분히 감소시킬 수 있으므로 기계적 쌍정의 형성이 촉진되어 더욱 기 계적 성능이 우수한 강판을 형성할 수 있다. 또한， 본 실시예에 따른 강판은 질소를 0.02증량 % 내지 0.30중량 % 포함한다. 구체적으로， 질소는 오스테나이트 상을 안정화시키는 침입형 원소로서， 첨가량이 많 아지면 탄소와 마찬가지로 오스테나이트 안정성을 높이고, 고용강화에 의하여 강도 가 증가하는 효과를 얻을 수 있다. 또한， 질소는 함량이 증가하더라도 적층결함에 너지를 증가시키지 않으므로 기계적 쌍정의 생성을 용이하게 할 수 있다.

하지만， 질소의 함량이 0Ό2중량 % 미만인 경우는 통상적인 강판 형성 시 불 순물로서 첨가되는 정도로서 오스테나이트의 안정성 향상 및 적층결함에너지 조절 기능을 얻기 어렵다.

또한， 질소의 함량이 0.30중량 %를 초과하는 경우, 질소를 강판 내부에 다량으 로 고용시키기 위하여 크름의 첨가량 역시 크게 높아져야 하는데， 이는 제작비용을 증가시키는 것이므로 바람직하지 않다.

또한， 본 발명의 다른 실시예에 따르면 질소의 함량은 010중량 % 이하인 것 이 바람직하다ᅳ 왜냐하면， 크름의 함량을 4증량 % 이하로 포함한 상태에서 질소의 함량을 0.10중량 %를 초과하여 포함시키기 위해서는 고압에서 강판을 형성하거나， 강 판 형성 후 질소분위기에서 아크멜팅을 하는 둥 추가 가공을 수행하거나， 크름 함량 을 높여야 하므로 제작이 어렵고 원가가 상승한다는 단점이 있기 때문이다. 실험예 하기 표 1에 나타난 화학조성을 갖는 강을 각각 iioo^°c 이상으로 가열하고

900 ^°C 이상에서 열간 압연하여 두께 3mm 판을 만든 후 공냉시켜 시편을 제조하였 다. 또한， 냉연 소둔강판은 상기 열연판을 열연판을 1.8mm로 냉간압연하고， 800^°C 에서 10분간 소둔 열처리 후 공냉하여 제조하였다 (발명예 4).

【표 1】

다음으로， 상기 공정을 통해 제조된 시편을 이용하여 강도 및 연신율을 측정 하였으며， 그 결과는 아래의 표 2와 같다.

【표 2】 항복강도 (YS) 인장강도 (TS) 총연신율 TSxEl

구분 비고

(MPa) (MPa) El(%) (MPa%)

발명강 1 361 861 59 50799 열연판

발명강 2 417 971 62 60202 냉연판

비교강 1 369 666 15 9990 열연판

비교강 2 366 748 23 17204 열연판

비교강 3 353 765 28 21420 열연판

비교강 4 364 732 27 19764 열연판

또한， 표 2에서 보듯이， 본 실시예에 따른 강재인 발명강 1 및 발명강 2는 항 복강도 (YS)가 300MPa보다 크고， 인장강도 (TS)도 880Mpa 이상으로 큰 것을 볼 수 있다. 또한, 총연신율 (EL)도 약 60%로서， 인장강도와 연신율의 곱 (TSxEL)이 50,000MPa% 이상으로 매우 큰 것을 볼 수 있다. 즉， 본 발명의 바람직한 발명예에 따른 강들은 구리가 포함되지 않은 비교대상 강에 비하여 항복강도 및 인장강도가 대등하면서도 연신을이 훨씬 높음을 알 수 있다. 또한， 상기 발명강의 기계적 쌍정의 형성은 도 1에서도 확인할 수 있다. 즉， 도 1은 발명예 1에 따른 강판의 전자현미경 사진으로서， 도 1에서 보듯이 발명예 1 에 따른 강판은 기계적 쌍정이 형성되어 있음을 볼 수 있다. 이상으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고강도 및 고연성을 갖는 강판 및 그 제조방법올 상세하게 설명하였다. 하지만， 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 실시예에 대한 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이 해할 것이다. 따라서， 본 발명의 범위는 오직 뒤에서 설명할 특허청구범위에 의해 서만 한정된다.

Claims

【청구의 범위】

【청구항 11

0.5중량 % 내지 1.0증량 %의 탄소와， 5증량 % 내지 10증량 %의 망간과， 40중 량% 이하의 크름과, 1.5중량 % 내지 4증량 %의 구리와， 0.02중량 % 내지 0.3중량 %의 질소와， 잔부인 철과 불가피 한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 강판.

【청구항 2】

제 1항에 있어서， 상기 크름은 2.0증량 % 내지 4중량 % 포함되 는 것을 특징으 로 하는 강판.

【청구항 3】

제 1항에 있어서， 상기 질소는 0.02중량 % 내지 0.1증량 %로 포함되 는 것을 특 징으로 하는 강판.

【청구항 4】

제 1항 내지 3항 증 어느 한 항에 있어서， 상기 강판은 인장강도와 총 연신 을의 곱 (TSx El)이 50,000MPa% 이상인 것을 특징으로 하는 강판.

【청 구항 5】

제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서， 상기 강판은 열연 강판인 것을 특 징으로 하는 강판.

【청 구항 6】

제 1항 내지 3항 증 어 느 한 항에 있어서， 상기 강판은 냉연 소둔 강판인 것 을 특징으로 하는 강판.

【청구항 7】

0.5중량 % 내지 1.0중량 %의 탄소와， 5중량 % 내지 10중량 %의 망간과， 4.0중 량% 이하의 크름과， 1.5중량 % 내지 4중량 %의 구리 와， 0.02중량 % 내지 0.3증량 %의 질소와， 잔부인 철과 불가피 한 불순물을 포함하는 강판을 llOOt 이상으로 가열하는 단계 ;

상기 가열된 강판올 900 ^°C 이상에서 열간 압연하는 단계 ; 및

상기 열간 압연된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 강판의 제조방법 .

【청구항 8】

제 7항에 있어서， 상기 크름은 2.0중량 % 내지 4중량 % 포함되는 것을 특징으 로 하는 강판의 제조방법.

【청구항 9】

제 7항에 있어서， 상기 질소는 0.02중량 % 내지 0.1중량 %로 포함되는 것을 특 징으로 하는 강판의 제조방법.

【청구항 10]

제 7항 내지 9항 증 어느 한 항에 있어서， 상기 방법은:

상기 냉각된 강판을 30% 이상의 두께 감소을로 상온에서 냉간 압연하는 단 계，

상기 냉각압연된 강판을 800^°C 이상에서 소둔 열처리하는 단계; 및

상기 소둔 열처리된 강판을 공냉 또는 강제 냉각하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고망간 질소 함유 강판의 제조방법.