초고강도 트윕 강판 및 그 제조방법(ULTRA-HIGH STRENGTH TWIP STEEL SHEETS AND THE METHOD THEREOF)
(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2012년02월14일
(11) 등록번호 10-1113666
(24) 등록일자 2012년02월01일
(51) Int. Cl.
C22C 38/04 (2006.01) C22C 38/00 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2008-0079405
(22) 출원일자 2008년08월13일
심사청구일자 2008년08월13일
(65) 공개번호 10-2010-0020692
(43) 공개일자 2010년02월23일
(56) 선행기술조사문헌
KR1020070018416 A
KR100851158 B1
KR1020070067950 A
JP04259325 A
(73) 특허권자
기아자동차주식회사
서울특별시 서초구 헌릉로 12 (양재동)
현대자동차주식회사
서울특별시 서초구 헌릉로 12 (양재동)
(72) 발명자
김소연
서울특별시 동작구 사당3동 대림아파트 5동 104호
홍승현
경기도 안양시 동안구 부흥동 은하수벽산아파트
207동 401호
(74) 대리인
특허법인신세기
전체 청구항 수 : 총 6 항 심사관 : 배근태
(54) 초고강도 트윕 강판 및 그 제조방법
(57) 요 약
망간을 15～25중량% 포함하는 오스테나이트 기지조직의 초고강도 트윕 강판이 소개된다. 이 트윕 강판은, 냉간
압연 후 열처리 과정에서 황동 방위가 억제되고 {3 5 2}<2 2 1>가 주방위로 발달된 재결정 집합조직을 가지며,
평균 소성변형비가 적어도 1.2 이상, 바람직하게는 1.5 이상이다. 이러한 트윕 강판은 가공성 및 강도가 우수하
여, 프레스 성형을 통해 크랙이나 터짐 없이 복잡한 형상의 차체 부품을 손쉽게 제작할 수 있다.
대 표 도 - 도4
등록특허 10-1113666
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특허청구의 범위
청구항 1
중량%로, 탄소 0.15～0.30%, 실리콘 0.01～0.03%, 망간 15～25%, 알루미늄 1.2～3.0%, 인 0.020% 이하, 황
0.001～0.002%, 나머지 철을 포함하는 조성과 오스테나이트 기지조직을 가지며,
냉간 압연 후 열처리에 의해 {3 5 2}<2 2 1>가 주방위로 발달된 재결정 집합조직을 가지며, 평균 소성변형비가
적어도 1.2 이상인 초고강도 트윕 강판.
청구항 2
삭제
청구항 3
청구항 1에 있어서, 어긋남 각 60°인 Σ3 입계 분율이 10% 이하이며 어긋남 각 5°이하의 입계분율이 50% 이상
인 초고강도 트윕 강판.
청구항 4
청구항 1에 있어서, 어긋남 각 15°이상의 입계 분율이 40% 미만인 것을 특징으로 하는 초고강도 트윕 강판.
청구항 5
평균 소성변형비가 향상된 고강도 트윕 강판 제조방법에 있어서,
중량%로, 탄소 0.15～0.30%, 실리콘 0.01～0.03%, 망간 15～25%, 알루미늄 1.2～3.0%, 인 0.020% 이하, 황
0.001～0.002%, 나머지 철을 포함하는 조성을 갖는 오스테나이트 기지조직의 냉연 트윕강판을, {3 5 2}<2 2 1>
을 주방위로 갖는 재결정 집합조직이 발달되도록 어닐링하되, 이 어닐링은,
Σ3 입계 분율이 감소되도록 하기 위하여 230~280℃에서 회복 열처리하는 과정과, 상기 재결정 집합조직이 발달
되도록 하기 위하여 상기 회복 열처리의 온도보다 높은 700~820℃에서 재결정 열처리하는 과정으로 구분 실시되
는 것을 특징으로 하는 초고강도 트윕 강판 제조방법.
청구항 6
삭제
청구항 7
청구항 5에 있어서, 상기 회복 열처리는 20~30분간 실시되는 것을 특징으로 하는 초고강도 트윕 강판 제조방법.
청구항 8
청구항 5에 있어서, 상기 재결정 열처리는 6~8시간 실시되는 것을 특징으로 하는 초고강도 트윕 강판 제조방법.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 소성변형 시 슬립(slip)과 쌍정(twin)이 동시에 변형기구로 작용하는 트윕(Twining Induced[0001]
Plasticity: TWIP) 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히, 소성변형비가 우수한 차체 부품용 초고강도 트윕
강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
배 경 기 술
일반적으로 차체 부품용 소재로 널리 적용되고 있는 고장력 강판은 인장강도 590~780MPa, 항복강도 270~350MPa,[0002]
연신률 25～35%, 소성변형비 0.9~1.2 정도의 물성을 가지는 강판이 주를 이루고 있다.
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그런데, 강판이 고장력화됨에 따라, 부품 프레스 성형시 터짐 및 주름 등 연신률 부족 등으로 인하여 발생되는[0003]
제반 문제와 요구되는 부품 강성을 고려하여, 강판 두께를 크게 하여 사용하고 있는 실정이다. 또한 연신률이
충분히 확보된다고 하더라도 부품의 복잡화와 다 기능화에 따라 성형이 어려운 경우가 대부분이라, 금형 기술의
개발과 더불어 강판 소성변형비를 크게 증가시킬 필요가 있다.
위와 같은 요구에 부응하기 위하여, 본 출원인은, 중량%로, 탄소 0.15～0.30%, 실리콘 0.01～0.03%, 망간 15～[0004]
25%, 알루미늄 1.2～3.0%, 인 0.020% 이하, 황 0.001～0.002%, 나머지 철을 포함하는 차체 부품용 초고강도 트
윕 강판을 제안(한국 공개특허 제2007-0018416호)한 바 있다.
그러나, 위 공개특허에서 제안된 강판의 획기적인 물성에도 불구하고, 복잡한 형상의 차체 부품 적용 요구가 증[0005]
가하고 있는 현 시점에서는 성형성에 미치는 가장 큰 인자인 소성변형비를 더욱 향상시킬 필요가 있다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 소성변형비가 향상된 초고강도 트윕 강[0006]
판 및 그 제조방법을 제공함을 목적으로 한다.
과제 해결수단
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 한국 공개특허 제2007-0018416호에서와 같이 새로운 트윕 강판의 조성[0007]
을 제안하기 보다는, 냉간압연 후 어닐링 과정에서의 재결정 집합조직(texture) 제어를 통해 주어진 조성에서
소성변형비를 획기적으로 향상시키는 방안을 제안하고자 한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판은, 냉간 압연 후 열처리 과정에서 황동 방위가 억제되고 {3 5[0008]
2}<2 2 1>가 주방위로 발달된 재결정 집합조직을 가지며, 평균 소성변형비가 적어도 1.2 이상, 바람직하게는
1.5 이상인 것이 특징이다. 이러한 본 발명에 따른 트윕 강판은 통상적인 트윕 강판과 마찬가지로 망간을 15~25
중량% 함유하며, 오스테나이트 기지조직을 갖는다. 매우 부분적으로 마르텐사이트나 페라이트가 존재할 수 있으
나, 오스테나이트 단상을 갖는다고 말할 수 있다.
본 설명에서, 주방위는, 그 의미 그대로, 집합조직에서 가장 발달한 방위를 말한다.
자연에서 얻거나 가공하여 사용하는 재료들은 거의 대부분이 다결정(polycrystalline)이라 불리는 결정의 덩어[0009]
리 상태이다. 이들의 결정학적 방위 배열은 대부분의 경우 무질서하지 않고 특정한 방위의 배열이 강하게 나타
난다. 무질서하지 않은 결정방위를 갖는 재료를, 우선 방위, 다시 말해 집합조직을 갖고 있다고 말한다.
일반적으로 트윕 강과 같은 오스테나이트 기지의 금속 판재는 구리 방위, 고스 방위, 황동 방위, S 방위 및 입[0010]
방정 방위로 구성된 결정학적인 집합조직을 나타낸다. 이들의 상대적인 부피 분률은 평균 소성변형비에 영향을
주게 된다. 압연으로 생산한 판재에서 결정의 방위는 압연 판재면과 압연 방향으로 정의된다. 다시 말하면, 압
연 면과 평행하게 놓인 결정의 면과, 압연 방향과 평행하게 놓인 결정의 방향으로 집합조직을 나타낼 수 있다.
결정의 면은 밀러지수 {hkl}로 표시되고 방향은
방위는 {011}<100>, 황동 방위는 {112}<110>, S 방위는 {123}<634>, 입방정 방위는 {001}<100>로 표시될 수 있
다.
트윕 강과 같은 적층결함에너지(Stacking Fault Energy: SFE)가 낮은 금속은 냉간 압연 시 특히 황동 방위가 발[0011]
달하는데, 이렇게 냉연된 트윕 강판을 종래 기술에 따라 어닐링 처리(800~900℃에서 8~10시간 동안 어닐링
처리)하면 집합조직의 변화가 거의 없는 소위 연속 재결정이 일어나며 어닐링 쌍정(즉, Σ3 입계)이 증가하게
된다. 그런데, 이렇게 어닐링 처리된 종래 트윕 강판의 평균 소성변형비는 0.911 정도로서, 그 이상으로 증가시
키기는 어렵다. 이에, 본 발명에서는, 소성 변형비의 향상을 위해, 어닐링 과정에서 황동 방위를 억제하고 {3 5
2}<2 2 1>가 주방위로 발달시킨다.
본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판 제조방법은, 냉간 압연된 트윕 강판(이하, 단순히 "냉연 트윕강판" 이라[0012]
함)에 대한 어닐링 처리를 2원화하여 실시하는 것을 특징으로 한다. 즉, 첫 번째로, 고경각 입계 중 재결정이
쉽게 일어나지 않는 Σ3와 같은 CSL(Coincide Site Lattice) 입계 분율이 감소되도록 제1 온도 구간 내에서 회
복 열처리를 실시한 다음에, 두 번째로, 재결정, 특히 1차 재결정이 이루어지도록 제2 온도 구간 내에서 재결정
열처리를 한다. 이와 같은 어닐링 처리를 통해 얻어진 트윕 강판은 황동 방위 대신 {3 5 2}<2 2 1>이 주방위로
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발달되며, 어닐링 쌍정이 종래에 비해 현저하게 감소된다. 나아가, 이러한 트윕 강판은 어긋남 각
(misorientation angle) 60°인 Σ3 입계 분율이 10% 이하, 어긋남 각 5°이하의 입계분율이 50% 이상일 수 있
으며, 그리고, 어긋남 각 15°이상의 입계 분율이 40% 미만일 수 있다.
알려진 바와 같이, CSL 입계는 "정합"을 이루고 있어서 결정립계의 에너지가 낮은 것이 특징이며, 위의 Σ3 입
계는 CSL 입계에 해당한다.
금속의 집합조직에 관한 연구분야의 교과서, 논문 등에서 이미 알려진 바와 같이, 어긋남 각(misorientation)
60°는 두 개의 결정립이 인접해 있을 때 하나의 결정립의 <111>방향과 다른 결정립의 <111> 방향간의 각도가
60°의 회전 관계를 보이는 경우를 말하며, 이러한 경우의 결정립계가 Σ3로 표시된다.
상기 냉연 트윕강판은, 중량%로, 탄소 0.15～0.30%, 실리콘 0.01～0.03%, 망간 15～25%, 알루미늄 1.2～3.0%,[0013]
인 0.020% 이하, 황 0.001～0.002%, 나머지 철을 포함하는 조성을 가질 수 있다. 상기 회복 열처리는 230~280℃
에서 20~30분간, 그리고, 상기 재결정 열처리는 700~820℃에서 6~8시간 실시될 수 있다.
한편, 상기 냉연 트윕강판은 바람직하게는 다음과 같이 제조된다. 소재 조성물을 전로에 용해시키고 연속 주조[0014]
하여 얻어진 슬라브를 1300~1100℃에서 열간 압연한다. 그리고, 마르텐사이트가 발생하지 않도록 900~600℃까지
60℃/sec 이하의 속도로 서냉한 후 권취하며, 이렇게 제조된 열연코일을 5~7패스에 걸쳐 패스당 20~30% 압하율
로 냉간 압연한다.
효 과
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판은 평균 소성변형비가 우수하여 프레스 성형을 통해 크랙[0015]
이나 터짐 없이 복잡한 형상의 차체 부품을 손쉽게 제작할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판은 강도 및 성형성이 모두 우수하여, 강판의 두께를 감소시키면서도[0016]
차체 부품에 요구되는 강성 및 가공성을 만족시킬 수 있으므로, 차량 경량화가 가능하다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 다른 초고강도 트윕 강판 및 그 제조방법에[0017]
대하여 살펴본다.
본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판은 망간을 15~25wt% 포함하는 고망간 강판이다. 구체적으로, 본 발명에 따른[0018]
초고강도 트윕 강판은 한국 공개특허 제2007-0018416호에서 제안된 트윕 강판의 조성(아래의 표 1 참조)을 가질
수 있다. 각 합금 성분의 함량 한정 이유는 상기 공개특허의 명세서에 기재된 것과 다르지 않다.
표 1
성분[0019] C Si Mn Al P S Fe
함량
(wt%)
0.15
~0.30
0.01
~0.03
15.0
~25.0
1.20
~3.00
0.020
이하
0.001
~0.002
나머지
본 발명에 따른 초고강도 트윕 강판의 물성 확인을 위해, 아래의 표 2에 기재된 조성을 갖는 냉연 트윕 강판에[0020]
대해, 다양한 조건에서 어닐링 처리를 실시한 후, 평균 소성변형비를 측정하는 실험을 진행하였다.
표 2
성분[0021] C Si Mn Al P S Fe
함량(wt%) 0.22 0.03 21 2.0 0.01 0.001 나머지
실험에 사용된 냉연 트윕 강판은 다음과 같이 제조된 것이다. 먼저, 표 2에 기재된 조성을 갖는 조성물을 전로[0022]
에 용해시키고 연속 주조하여 얻어진 슬라브를 1300℃에서 열간 압연을 시작하여 1100℃에서 최종 열간 압연을
마쳤다. 그리고, 900~600℃까지 40℃/sec의 속도로 서냉한 후 권취하였으며, 이렇게 제조된 열연코일을 7패스에
걸쳐 냉간 압연하였다. 냉간 압연은 매 패스당 압하율 30% 이하의 평편 변형 조건(plane strain conditions of
deformation)하에서 실시되었다.
등록특허 10-1113666
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위와 같이 제조된 냉연 트윕 강판에 대한 어닐링 조건은 아래의 표 3에 기재된 바와 같다. 표 3에서 보듯이, 본[0023]
발명에 따른 실시예 1~9의 경우, 회복 열처리와 재결정 열처리로 명확히 구분된 이원화된 어닐링 열처리가 실시
되었다. 구체적으로, 실시예 1~9에 대한 회복 열처리는 온도 230~280℃에서 30분 실시되었으며, 재결정 열처리
는 온도 700~820℃에서 8시간 실시되었다. 그리고, 비교예 1~9의 경우 종래 기술에 따라 800~900℃에서 8~10시
간 어닐링 처리되었으며, 비교예 10~25의 경우 본 발명에서와 같이 이원화된 어닐링을 실시하되, 열처리 온도와
시간 조건을 본 발명에 따른 조건과는 다르게 하였다. 구체적으로, 비교예 10~25의 회복 열처리는 온도 230~280
℃에서 5분 또는 40분 실시되었으며, 재결정 처리는 온도 650℃ 또는 900℃에서 7시간 또는 9시간 실시되었다.
참고로, 회복 열처리와 재결정 열처리 각각은 배치로(batch furnace)에서 실시되었다.
표 3
구분[0024] 회복 열처리 재결정 열처리 평균
소성변형비온도(℃) 시간(분) 온도(℃) 시간(h)
실시 예 1 230 30 700 8 1.61
실시 예 2 230 30 770 8 1.71
실시 예 3 230 30 820 8 1.74
실시 예 4 250 30 700 8 1.62
실시 예 5 250 30 770 8 1.68
실시 예 6 250 30 820 8 1.68
실시 예 7 280 30 700 8 1.74
실시 예 8 280 30 770 8 1.75
실시 예 9 280 30 820 8 1.88
비교 예 1 - - 800 8 0.83
비교 예 2 - - 800 9 0.83
비교 예 3 - - 800 10 0.81
비교 예 4 - - 850 8 0.90
비교 예 5 - - 850 9 0.89
비교 예 6 - - 850 10 0.89
비교 예 7 - - 900 8 0.91
비교 예 8 - - 900 9 0.88
비교 예 9 - - 900 10 0.88
비교 예 10 230 5 650 7 0.77
비교 예 11 230 5 650 9 0.77
비교 예 12 230 40 650 7 0.81
비교 예 13 230 40 650 9 0.80
비교 예 14 230 5 900 7 0.78
비교 예 15 230 5 900 9 0.78
비교 예 16 230 40 900 7 0.66
비교 예 17 230 40 900 9 0.64
비교 예 18 280 5 650 7 0.83
비교 예 19 280 5 650 9 0.78
비교 예 20 280 40 650 7 0.86
비교 예 21 280 40 650 9 0.81
비교 예 22 280 5 900 7 0.82
비교 예 23 280 5 900 9 0.76
비교 예 24 280 40 900 7 0.73
비교 예 25 280 40 900 9 0.71
위 표 3에 기재된 조건으로 어닐링 처리된 트윕 강판들에 대해 KS 규격에 준하여 50% 인장변형을 가한 후 평균[0025]
소성변형비(R값)을 산출하였다. 평균 소성변형비는 압연방향에 대하여 각각 0°, 45°및 90°방향의 소성변형비
를 측정한 후 계산된 것이다. 그 결과, 위 표 3에서 보듯이, 실시예 1~9에 따른 트윕 강판들은 모두 평균 소성
변형비(R값)이 1.5 이상으로 나타난 것에 비해, 비교예 1~25는 1.0을 넘지 못하였다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 실시예와 비교예를 구체적으로 비교해 본다. 도 1 내지 도 3은 각각, 비교예 7에 따[0026]
른 트윕 강판의 집합조직을 나타낸 방위분포함수(ODF: Orientation Distribution Function) 그래프, 압연 방향
에 대한 각도별 소성변형비(R) 그래프, 그리고 어긋남 각도별 결정립계 분포 그래프이다. 그리고, 도 1 내지 도
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3에 각각 대응하는 도 4 내지 도 6은, 실시예 8에 따른 트윕 강판과 관련된 그래프들이다.
도 1에서 보듯이 비교예 7에 따른 트윕 강판은 황동 방위가 주방위로 발달되었고, 도 2에서 보듯이 평균 소성변[0027]
형비(R값)는 1.0을 넘지 못하는 0.91 정도였다. 그리고, EBSD(Electron Back Scattering Diffraction) 장비를
이용한 분석 결과, 도 3에서 보듯이 이 트윕 강판은 고경각 입계, 특히 어긋남 각 60°(Σ3 입계)부근의 밀도가
높게 나타났다. Σ3 입계의 분율은 약23% 정도인데, 이와 같은 Σ3 입계의 증가는 어닐링 쌍정이 증가하였음을
알려준다. 한편, 어긋남 각 15°이상 입계의 분율은 81.2% 정도로 나타났다.
도 4에서 보듯이 실시예 8에 따른 트윕 강판은 황동 방위는 현저히 줄어들고 (20°, 70°, 30°)인 {3 5 2}<2 2[0028]
1>가 주방위로 발달되며, 도 5에서 보듯이 평균 소성변형비(R값)은 1.754로서 비교예 7에 따른 트윕 강판에 비
하여 190% 이상 증가하였다. 도 6에서 보듯이, 이 트윕 강판은 어긋남 각 60°부근의 밀도가 현저히 감소되어,
Σ3 입계 분율이 8% 정도로 나타났다. 이와 같은 Σ3 입계의 감소는 어닐링 쌍정 또한 감소되었음을 의미한다.
한편, 어긋남 각 5°이하 저경각 입계의 분율이 52% 정도로 증가하였으며, 어긋남 각 15°이상의 입계 분율은
40% 미만인, 36.1% 정도로 나타났다. 흥미롭게도, 비교예 7에서 나타난 어긋남 각 60°를 초과하는 입계가 실시
예 8에서는 전혀 나타나지 않았다(도 3과 도 6 참조).
위와 같은 결과에 따르면, 본 발명에 따른 회복 열처리를 통해 Σ3의 밀도가 감소되며 이후 재결정 열처리 과정[0029]
을 통해 잔여 고경각 입계의 이동 또는 결정립 재결정이 활성화된다고 볼 수 있을 것이다. 실시예 8에서와 같이
감소된 어닐링 쌍정은 이후 소정 과정에서 발달되면서, 트윕 강판의 가공성을 향상시키는 것으로 보인다. 본 발
명에 따른 {3 5 2}<2 2 1> 집합조직의 발달은, 아주 간단하게 표현하면, 어닐링 처리를 회복 열처리와 재결정
열처리로 이원화하는 것, 그리고 각 열처리의 온도, 시간 조건을 적정화함에 의해 달성된다고 말할 수 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자[0030]
라면 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하
게 수정 및 변경시킬 수 있음이 이해될 필요가 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 비교예에 따른 트윕 강판의 방위분포함수(ODF) 그래프의 일례,[0031]
도 2는 비교예에 따른 트윕 강판의 압연 방향에 대한 각도별 소성변형비(R) 그래프의 일례,[0032]
도 3은 비교예에 따른 트윕 강판의 어긋남 각도별 결정립계 분포 그래프의 일례,[0033]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 트윕 강판의 방위분포함수 그래프의 일례,[0034]
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 트윕 강판의 압연 방향에 대한 각도별 소성변형비(R) 그래프의 일례,[0035]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 트윕 강판의 어긋남 각도별 결정립계 분포 그래프의 일례이다.[0036]
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도면
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도면2
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등록특허 10-1113666
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등록특허 10-1113666
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