KR101076082B1 - 초고강도 열연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은, 탄소(C) 0.08~0.20wt%, 실리콘(Si) 0.0005~1.00wt%, 망간(Mn) 1.50~2.50wt%, 알루미늄(Al) 0.0005~0.10wt%, 니오븀(Nb)과 바나듐(V)과 지르코늄(Zr) 각 0.02~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 보론(B) 0.0005~0.0050wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하 및 잔부 철(Fe)의 합금조성을 가지며, 미세조직은 마르텐사이트 조직을 40~100vol% 포함한다. 본 발명은 980MPa ~ 1180Mpa 이상의 인장강도와 8~13%이상의 연신율, 성형성 및 도금성이 확보되는 초고강도 강판의 제조가 가능하므로 복잡한 부품형상의 가공이 용이하고 종래의 590~780MPa 고강도 강판을 대체하여 사용이 가능하므로 초고강도를 통한 자동차 총 중량감소 및 연비 효율 상승을 기대할 수 있고 충격 에너지 흡수능이 향상되는 이점이 있다.

초고강도, 열연강판, 연신율, 성형성, 도금성

Description

초고강도 열연강판 및 그 제조방법{Hot-rolled steel sheet having ultra-high strength, and method for producing the same}

본 발명은 초고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 980~1180MPa급 초고강도 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

기존 자동차 산업은 경쟁이 심화됨에 따라 자동차 품질에 대한 고급화, 다양화 요구가 높아지고 있으며, 강화되고 있는 안전 및 환경규제에 대한 법규를 만족시키기 위해 강판의 강도를 증가시키고 무게를 줄여 연비 효율을 향상시키기 위한 노력을 계속하고 있다. 최근 철강업계 및 자동차 업계가 관심을 가지고 연구하는 분야는 고강도, 경량화에 집중되고 있으며, 자동차 디자인이 복잡해지고 소비자의 욕구가 다양화됨에 따라 고강도이면서 가공성과 성형성이 우수한 강을 요구하고 있다.

그 중 자동차 차체등 구조부재나 범퍼보강재 등에 사용되는 고강도 강판은 변태유기소성(TRIP : Transformation Induced Plasticity), 이상조직(DP : Dual Phase), 복합조직(CP : Complex Phase)등을 이용하여 개발되고 있다. 이 강들은 멤버류, 필라류, 범퍼보강재 등 차량 충돌시 높은 에너지 흡수능이 요구되는 부품에 주로 적용되며 롤포밍을 이용해 가공하기 때문에 굽힘가공성 등 높은 연신율을 필요로 하고 차체 부식을 방지하기 위하여 도금을 필수로 요구하고 있다. 또한 이러한 고강도 강판들은 형상 동결성이 떨어져 부품 가공후에도 스프링백 효과(spring back effect)가 발생하여 공차가 생긴다는 문제점이 있다. 현재 구조부재용 부품은 590~780 MPa급 고강도 냉연강판이 주로 적용되고 있으나, 향후 980 ~ 1180MPa 급 초고강도 강판으로 대체되어 경량화 및 충격흡수능이 향상될 전망이다. 그러나 이러한 강들은 열연공정 후 냉연공정 또는 다른 후속공정을 거쳐야 하기 때문에 제조비의 상승을 가져온다.

종래 590~780 MPa 급 자동차 구조부재용 고강도 강판은 실리콘(Si)-망간(Mn)계, 탄소(C)-실리콘(Si)-망간(Mn)계 합금에 기타 원소를 첨가하여 DP형(페라이트 및 마르텐사이트 상) 또는 TRIP형 (페라이트, 베이나이트, 오스테나이트 상), CP형(페라이트, 베이나이트, 오스테나이트, 마르텐사이트+석출상)으로 구성된 복합조직으로 이루어진 냉연강판이 제조되고 있다. 그러나 이런 종래 개발강들은 초고강도 강판을 제조할 시에 강도를 확보하기 위해 탄소, 실리콘, 망간의 함량을 급격히 증가시키고, 석출상을 생성시키기 위해 합금원소를 다량 첨가하여 강도는 만족하지지만 성형성(연신율)이 급격히 감소하여 불리한 점이 있다. 또한 이러한 강판들은 다량의 합금원소 첨가로 인한 원재료비 상승과 열연 후 냉연공정 또는 후속공정(열처리 등)을 거쳐야 하기 때문에 제조비가 상승하는 단점이 있다.

따라서 최근 성형성과 도금성을 개선하기 위해 탄소, 실리콘, 망간을 저감하고 그 대신 핫 프레스 포밍 제조공정을 이용하여 이러한 문제점을 해결하고자 하는 시도가 있었다. 그러나 이 방법의 경우 성형성은 향상되나 종래의 용융아연도금이 불가하여 새로운 도금법을 개발해야 하는 문제점이 있고 또한 고가의 핫 프레스 포밍 장비에 신규로 투자를 해야 하는 불리함이 있다.

그래서, 980MPa 급 이상 열연강판이 자동차 구조부재로 적용되기 위해서는 합금원소 저감 및 냉연-소둔열처리 공정을 거치지 않고 열연공정제어로만 소재를 생산하여 제조비를 크게 저감할 뿐만 아니라 재질 및 연신율도 향상시켜야 한다. 그러므로 최적의 합금배합비와 열연공정을 제어하여 열연강판내 상분율을 조절하는 것이 매우 중요하다.

한국특허출원 제10-2006-0134128호에서는 망간을 10wt%이상 첨가하여 강판의 강도를 증가시키고 최종조직에서 일정한 오스테나이트가 형성되도록 하는 780MPa 급 강도의 쌍정유기소성강(Twin Induced Plasticity)강으로 우수한 연신율(50%이상)과 양호한 버링성(30%이상)을 가지지만 다량의 망간 함유로 인하여 제조비가 2배이상 증가하는 문제점이 있다.

또한 한국특허출원 제10-2003-0095240호에서는 실리콘을 0.6wt% 이상 첨가하여 일반 초고강도 냉연재로는 생산이 가능하지만 제조비가 상승하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 고려하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은 합금원소를 조절하고, 열간압연 및 냉각공정을 제어하여 마르텐사이트상을 주 기지로 하는 성형성이 우수하고 강도 및 연성 밸런스가 우수한 초고강도 열연강판 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 초고강도 열연강판은, 탄소(C) 0.08~0.20wt%, 실리콘(Si) 0.0005~1.00wt%, 망간(Mn) 1.50~2.50wt%, 알루미늄(Al) 0.0005~0.10wt%, 니오븀(Nb)과 바나듐(V)과 지르코늄(Zr) 각 0.02~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 보론(B) 0.0005~0.0050wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하 및 잔부 철(Fe)의 합금조성을 가지며, 미세조직은 마르텐사이트 조직을 40~100vol% 포함한다.

본 발명에 의한 초고강도 열연강판의 제조방법은, 탄소(C) 0.08~0.20wt%, 실리콘(Si) 0.0005~1.00wt%, 망간(Mn) 1.50~2.50wt%, 알루미늄(Al) 0.0005~0.10wt%, 니오븀(Nb)과 바나듐(V)과 지르코늄(Zr) 각 0.02~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 보론(B) 0.0005~0.0050wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하 및 잔부 철(Fe)의 합금조성을 가지는 강슬라브를, 1200±50℃의 온도로 재가열하여 균질화 열처리하고, 850~950℃ 온도범위에서 열간압연을 마무리하여 상온 ~ 300℃이하의 온도범위까지 냉각한 후 권취한다.

상기 열간압연 후에는 30~100℃/sec의 냉각속도로 상온~300℃범위까지 냉각한다.

본 발명에 의한 초고강도 열연강판 및 그 제조방법에 의하면, 열간압연 제어기술과 냉각제어 기술을 통해 마르텐사이트의 상분율을 확보하고, 페라이트와 베이나이트를 생성시키고 재질을 연화시키는 세멘타이트 석출을 제어함으로써 기존의 강판보다 연신율이 향상되어 성형성을 향상시킨 강판을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 열연강판은 강도 확보를 위해 첨가되는 합금원소를 저감하고 결정립 미세화 및 초미세 석출상 함량의 증가를 위한 원소를 미량 첨가하여 자동차 구조부재에 중요한 강도를 확보하여 종래 590~780 MPa급 고강도 냉연강판을 대체할 수 있다. 또한 본 발명은 용접성을 저해하는 탄소, 실리콘 및 망간 원소를 크게 저감하고 냉각 제어를 통한 강도의 증가로 인하여 강판의 두께를 감소시켜 자동차 총중량이 감소하는 동시에 연비 효율을 상승시킬 수 있다.

본 발명의 초고강도 열연강판을 자동차 구조부재로 성형하여 부품 적용시, 성형성이 우수하여 복잡한 부품형상의 가공이 가능하다.

이하 본 발명에 의한 초고강도 열연강판 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은, 합금원소를 조절하고, 열간압연 냉각공정의 제어를 통해 조직의 분율을 변화시킴으로써, 980MPa ~ 1180Mpa 급의 인장강도와 8~13%이상의 연신 율(980MPa급 : 13%이상, 1180MPa급 : 8%이상), 성형성 및 도금성이 확보되는 초고강도 강판를 제조하는 것이다.

본 발명에서는 강판 조직내에 마르텐사이트를 다량 생성시켜(40% 이상) 강도를 대폭 향상시키고, 크롬(Cr)과 보론(B)을 첨가하여 소입성을 향상시켜 제조공정의 부하를 감소시키며, 니오븀(Nb), 바나듐(V) 및 지르코늄(Zr)을 미량 첨가하여 고용경화 및 미세한 석출상을 생성시켜 강도를 증가시키고 합금원소 및 공정을 감소시키면서 제조비 부담을 감소시켜, 강도 및 연성 밸런스가 우수한 초고강도 열연강판을 제조한다.

본 발명의 구체적인 합금 조성은, 탄소(C) 0.08~0.20wt%, 실리콘(Si) 0.0005~1.00wt%, 망간(Mn) 1.50~2.50wt%, 알루미늄(Al) 0.0005~0.10wt%, 니오븀(Nb)과 바나듐(V)과 지르코늄(Zr) 각 0.02~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 보론(B) 0.0005~0.0050wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하 및 잔부 철(Fe) 및 기타 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.

상기 열연강판의 미세조직은, 마르텐사이트 상을 40~100vol% 포함하고, 페라이트와 베이나이트 상은 합하여 0~60vol% 포함한다.

본 발명에서 980MPa 급 열연강판은 마르텐사이트상 40~100vol%, 페라이트상 0~40vol%, 베이나이트상 0~20vol%의 복합조직상으로 구성된다. 그리고, 1180MPa 급 열연강판은 마르텐사이트상 50~100vol%, 페라이트상 0~50vol%의 2상조직으로 구성될 수 있으며, 마르텐사이트 단상으로 구성될 수도 있다. 이때, 연신율등 성형성을 저해하는 펄라이트(세멘타이트상)은 불가피할 경우 5Vol% 이하로 제한한다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.08~0.20wt%

탄소는 소재 강도를 확보하기 위해 소량 첨가시 가장 효과적인 원소이다. 자동차용 초고강도 구조용 강판은 탄소를 보통 0.20wt% 이상 첨가하지만 이 경우 용접성이 급격히 떨어지게 된다. 탄소가 0.08wt% 이하일 경우 980MPa 급 강도를 확보하기 위하여 첨가원소가 다량 첨가되어야 하고, 탄소가 0.20wt% 이상일 경우 인장강도는 증가하지만 용접성이 저하되고 다량의 오스테나이트가 형성되어 내지연 파괴와 같은 자동차 구조부품으로서는 치명적인 현상이 나타난다.

실리콘(Si): 0.0005~1.00wt%

실리콘(Si)은 고용강화 원소로서 소재내 생성되는 페라이트를 청정화하여 연신율을 향상하는 효과가 있다. 그러나 실리콘의 첨가량이 증가하면 열간압연시 압연부하가 증가하고, 실리콘 산화물이 표면에 형성되어 산세성을 나쁘게 할 뿐만 아니라 강판의 표면 품질 및 용접성을 저해하게 되므로 상한치를 1.00wt%로 제한한다. 0.0005wt%이하에서는 효과가 없다.

망간(Mn) 1.50~2.50wt%

망간(Mn)은 고용강화 원소로서, 오스테나이트를 안정화하여 2상 영역 온도를 저하시키고 낮은 임계냉각속도에서도 오스테나이트가 펄라이트로 분해되는 것을 방지하여 마르텐사이트가 생성되기 쉽게 한다.

망간은 소량 첨가되면 마르텐사이트를 얻기 위한 빠른 냉각속도 때문에 발생하는 열응력으로 인하여 강판의 형상이 불량해지므로 0.8wt%이상의 첨가가 필요하 다.

하지만 980MPa 이상의 인장강도를 얻기 위해서는 최소 1.50wt% 이상을 첨가해야 원하는 연신율과 용접성을 얻을 수 있다. 또한 과다 첨가시 경화능이 증가하여 가공성이 열악해지며 슬라브 주조시 두께 중심부에서 망간밴드 조직이 형성되어 굽힘가공성이 저하하는 동시에 스폿용접(spot welding) 시 너겟(nugget) 용접부에서 파괴되는 경향이 있으므로 상한치는 2.50wt%로 한다.

망간은 펄라이트상(페라이트+세멘타이트) 생성을 억제하고 소입성(경화능)을 높여 냉각시 마르텐사이트의 형성을 용이하게 하는 성분이다.

알루미늄(Al): 0.0005 ~ 1.00wt%

알루미늄은 주로 탈산제로 사용되는 원소이다. 알루미늄은 실리콘과 마찬가지로 소둔 후 세멘타이트의 석출을 억제함으로써 펄라이트 변태의 진행을 지연시켜 페라이트 결정립을 안정화한다. 또한 알루미늄 첨가시엔 페라이트 변태가 초기에 시작되므로 오스테나이트 중의 탄소의 농화가 증가하여 상온에서의 오스테나이트상의 안정성을 증가시킨다.

그리고 강 중의 질소(N)와 결합하여 AlN를 석출하여 결정립을 미세화시키므로 강판의 강도를 향상시키며 강 중의 용존 산소량을 충분히 낮은 상태로 유지하여 슬라브 제조시 균열을 방지한다.

0.0005wt%이하는 효과가 없고, 1.0wt%를 초과하는 경우에는 실리콘과 마찬가지로 도금성능을 저해하므로 상기 알루미늄의 함량은 0.0005~1.0wt%의 범위로 제한한다.

인(P) : 0.05wt% 이하

인(P)은 알루미늄과 마찬가지로 세멘타이트의 형성을 억제하고 강도를 증가시키기 위해 첨가되기도 하지만, 본 발명에서는 첨가하지 않는 것이 바람직하다. 0.05wt%를 초과하면 용접성이 악화되고 슬라브 중심 편석에 의해 최종재질편차가 발생하는 문제가 있으므로 0.05wt% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S) 0.01wt% 이하

황은 강의 제조시 불가피하게 함유되는 원소로 인성 및 용접성을 저해하고, 유화물계(MnS) 비금속 개재물을 증가시켜 크랙 등의 발생을 야기하므로, 함유되지 않는 것이 바람직하다. 특히, 황은 과다첨가시 조대한 개재물을 증가시켜 피로특성을 열화하므로 0.01wt% 이하의 범위로 규제한다.

니오븀(Nb), 바나듐(V), 지르코늄(Zr): 각 0.02~0.10wt% 이하

니오븀, 바나듐, 지르코늄 원소는 강 중의 C 또는 N과 결합한 형태의 석출 또는 Fe 내 고용경화를 통하여 강판의 강도를 개선하는 원소들이다. 경우에 따라 총합이 0.15wt% 이상의 니오븀, 바나듐, 지르코늄 중 2가지 이상을 복합 첨가하여 용접성을 향상시키기 위해 탄소, 실리콘, 망간의 저감에 따른 강도부족분을 보충한다. 그러나 각 원소들은 0.02wt%이하에서는 효과가 없고, 0.10wt%이상으로 첨가될 경우 석출물이 조대해지고 포화되므로 그 범위를 제한한다.

질소(N) 0.01wt% 이하

질소는 AlN의 형성으로 결정립을 미세화하나 용융도금아연시 아연 도금층의 합금화 공정에서 냉각시 과포화되어 균일 연신율을 저하시키므로 0.01wt%이하로 제 한하여 첨가하지 않는 것이 바람직하다.

크롬(Cr) 0.10~0.50wt%

크롬은 페라이트 형성원소로서 오스테나이트가 베이나이트로 변태되는 것을 지연시켜 상온에서 마르텐사이트로 변태되게 하고 강도를 향상시키는 역할을 한다.

크롬은 0.10wt% 이하로 첨가되면 충분한 강도를 얻기 힘들고 0.50wt% 이상 첨가시에는 강도상승을 유발시켜 연성을 저하시키므로 강도와 연성의 균형이 깨어지는 문제가 발생한다.

보론(B) 0.0005~0.0050wt%

보론은 강의 담금질성을 향상시키는 원소로 필요에 따라 첨가될 수 있다. 보론은 0.0005wt% 이상 첨가되는 것이 바람직하나 0.0050wt% 이상 첨가될 경우 결정립계에 편석을 발생시켜 재질의 편차를 가져오는 문제점이 있으므로 0.0005~0.0050wt% 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.

본 발명의 강판은 상기 성분들을 함유하고, 나머지는 실질적으로 철(Fe) 및 불가피한 원소들이며, 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서 불가피한 불순물의 미세량 혼입도 허용된다.

상기한 바와 같은 조성을 갖는 슬라브는 제강공정을 통해 용강을 얻은 다음에 주괴 또는 연속주조공정을 통해 제조되며, 이 슬라브를 가열로를 통해 가열하여 판재를 원하는 두께로 압연하는 열간 압연공정, 냉각 및 권취 공정으로 나뉘며 각 공정은 아래와 같다.

[가열로 공정]

슬라브를 재가열하는 공정은 주조시 편석된 성분을 재고용하기 위한 것이다. 재가열은 1200±50℃의 온도범위로 가열한다. 이는 재가열 온도가 낮으면 편석된 성분이 재고용되지 못하고, 과도하게 높으면 오스테나이트 결정입도가 증가하여 페라이트의 입도가 조대화되면서 강도가 감소하기 때문이다. 또한 슬라브의 두께에 따라 재가열 온도 유지시간을 조절할 필요가 있어 두께가 두꺼워질수록 재가열시간을 길게 유지하고 두께가 얇아질수록 유지시간을 짧게 할 필요가 있다. 적정유지시간은 1~2시간 정도이다. 이 시간 이상 유지할 경우 비경제적이고 너무 짧으면 재질의 균질화 정도가 떨어져 품질이 나빠지는 문제가 발생할 수 있다.

[열간압연 공정]

가열로 공정에서 재가열된 슬라브는 열간압연 후 냉각 전까지 강판의 조직이 오스테나이트상의 조직을 갖도록 850~950℃ 온도범위에서 열간압연을 마무리 하여 30~100℃/초의 냉각속도로 300℃이하(상온~300℃)의 온도까지 냉각후 권취한다. 그러면 합금 성분에 따라 마르텐사이트-페라이트-베이나이트의 복합조직강, 또는 마르텐사이트 상과 일부 페라이트 상의 2상, 또는 마르텐사이트 단상을 가진 열연강판이 제조된다.

권취온도가 300℃이상이 되면 마르텐사이트 대신 준안정 오스테나이트 상이나 페라이트-펄라이트로 마르텐사이트 상이 분해되므로 본 발명의 목표강도에 도달하기 어렵다.

표 1은 본 발명의 발명예와 다른 비교예의 성분비를 나타낸 것이다.

구분	화학성분(wt%, 잔부Fe)													Ar3 (℃)
	C	Si	Mn	P	S	Al	Mo	Nb	V	Zr	Cr	B (ppm)	N (ppm)
비교예1	0.220	0.11	1.36	0.015	0.029	0.02	0.05	-	-	-	-	-	35	810
비교예2	0.079	0.12	2.40	0.017	0.028	0.02	0.16	-	-	-	-	-	34	848
발명예1	0.120	0.10	1.36	0.013	0.003	0.05	-	0.05	-	-	-	16	32	835
발명예2	0.103	0.48	1.42	0.015	0.002	0.03	-	0.05	-	0.04	0.22	16	65	820
발명예3	0.110	0.05	1.30	0.015	0.002	0.02	-	0.06	0.95	0.04	0.31	14	33	816

상기 표1과 같이 조성된 슬라브를 사용하여 1250℃에서 2시간 재가열한 후, 900℃이상에서 열간압연을 마무리하여 300℃이하의 온도(발명예의 경우)로 수냉각한 후 권취하고, 기계적 성질을 시험하였다. 자세한 열처리 및 압연조건 및 기계적 성질은 표 2와 같다.

구분	열간압연조건			기계적 성질					비고
	가열온도	압연종료온도	권취온도	항복강도	인장강도	연신율	강도-연성 밸런스	최소굽힘반경
	℃	℃	℃	MPa	MPa	%	TS x EL	mm
비교예1	1230	910	450	850	1090	6	6322	3
비교예2	1225	920	670	843	1022	6	6234	4
발명예1	1230	910	250	1040	1250	11	13750	1
발명예2	1230	910	240	1005	1220	11	13420	0
발명예3	1230	910	180	875	1090	14	15260	1

표 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 예에 의하여 합금원소를 조절하고 열간압연 및 냉각공정을 제어한 강의 경우 1GPa 이상의 인장강도와 10%이상의 연신율을 가지며 강도-연성 밸런스가 우수함을 알 수 있다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 탄소(C) 0.08~0.20wt%, 실리콘(Si) 0.0005~1.00wt%, 망간(Mn) 1.50~2.50wt%, 알루미늄(Al) 0.0005~0.10wt%, 니오븀(Nb)과 바나듐(V)과 지르코늄(Zr) 각 0.02~0.10wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 보론(B) 0.0005~0.0050wt%, 인(P) 0.05wt% 이하, 황(S) 0.01wt% 이하, 질소(N) 0.01wt% 이하 및 잔부 철(Fe)의 합금조성을 가지는 강슬라브를,

   1200±50℃의 온도로 재가열하여 균질화 열처리하고, 850~950℃ 온도범위에서 열간압연을 마무리하여 30~100℃/sec의 냉각속도로 상온 ~ 300℃이하의 온도범위까지 냉각한 후 권취하여,

   미세조직은 마르텐사이트상 50~100vol%, 페라이트상 0~50vol%의 2상조직이고, 인장강도 1180Mpa 이상, 연신율 11%이상의 열연강판을 얻는 것을 특징으로 하는 초고강도 열연강판의 제조방법.
3. 삭제