強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板及びその製造方法

本発明は、強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板及びその製造方法に関するものである。

強度及び延性は反比例関係にあり、強度及び延性にともに優れた鋼材を得る方法として以下のような従来技術がある。

代表的な例として、特許文献1(韓国登録特許第0782785号公報)に開示されたDP(Dual Phase)鋼、または特許文献2(韓国登録特許第0270396号公報)に開示されたTRIP(Transformation Induced Plasticity)鋼のように、フェライト、ベイナイト、マルテンサイト組織の相分率を制御したり、特許文献3(韓国登録特許第1054773号公報)に開示されたMnまたはNi等の合金元素を活用して残留オーステナイト分率を制御する技術が挙げられる。

しかし、DP鋼またはTRIP鋼の場合は、強度を1200MPa以上に高めるのに限界があり、残留オーステナイト分率を制御する技術も、強度を1200MPa以上に高めるのに限界があるだけでなく、高価な合金元素による価格上昇の問題点がある。 これにより、高価な合金元素の活用を最小化しながらも強度及び延性に優れた鋼材の開発に対する必要性が切実な実情である。

韓国登録特許第0782785号公報

韓国登録特許第0270396号公報

韓国登録特許第1054773号公報

本発明の一目的は、合金組成及び熱処理条件を適切に制御することにより、高価な合金元素を添加しなくても強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板及びその製造方法を提供することである。

上記のような目的を達成するために、本発明の一側面による熱処理硬化型鋼板は、重量%で、C:0.05〜0.25%、Si:0.5%以下(0は除く)、Mn:0.1〜2.0%、P:0.05%以下、S:0.03%以下、残部Fe及びその他不可避不純物を含む鋼板であり、前記鋼板の微細組織として、第1硬度を有するマルテンサイト及び第2硬度を有するマルテンサイトを90体積%以上含み、前記第1硬度は第2硬度よりさらに大きい硬度値を有し、前記第1硬度及び前記第2硬度の差異と前記第1硬度との比率は下記関係式1を満たすことを特徴とする。 5≦(第1硬度−第2硬度)/(第1硬度)×100≦30・・・[関係式(1)]

また、本発明の他の一側面による熱処理硬化型鋼板は、重量%で、C:0.05〜0.25%、Si:0.5%以下(0は除く)、Mn:0.1〜2.0%、P:0.05%以下、S:0.03%以下、残部Fe及びその他不可避不純物を含み、微細組織として、フェライト及びパーライトを含む鋼板を冷間圧延及び熱処理して製造される熱処理硬化型鋼板であり、前記熱処理硬化型鋼板の微細組織は、第1硬度を有するマルテンサイト及び第2硬度を有するマルテンサイトを90体積%以上含み、前記第1硬度を有するマルテンサイトは熱処理前のパーライト及びその隣接領域で変態されたもので、前記第2硬度を有するマルテンサイトは熱処理前のフェライト及びその隣接領域で変態されたものであることを特徴とする。

また、本発明のさらに他の一側面による熱処理硬化型鋼板の製造方法は、重量%で、C:0.05〜0.25%、Si:0.5%以下(0は除く)、Mn:0.1〜2.0%、P:0.05%以下、S:0.03%以下、残部Fe及びその他不可避不純物を含み、微細組織として、フェライト及びパーライトを含む鋼板を30%以上の圧下率で冷間圧延する段階と、前記冷間圧延された鋼板をAr3〜Ar3+500℃の加熱温度(T^*)まで加熱する段階と、前記加熱された鋼板を冷却する段階と、を含み、前記加熱段階の加熱速度(v_r、℃/sec)は下記関係式2を満たし、前記冷却段階の冷却速度(v_c、℃/sec)は下記関係式3を満たすことを特徴とする。 v_r≧(T^*/110)²・・・[関係式(2)] v_c≧(T^*/80)²・・・[関係式(3)]

さらに、上述の課題の解決手段は本発明の特徴をすべて列挙したものではない。本発明の様々な特徴及びこれによる長所及び効果は以下の具体的な実施形態を参照してより詳細に理解されることができる。

本発明の一実施形態によると、高価な合金元素を添加しなくても引張強さが1200MPa以上であり、延伸率が7%以上である強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板を提供することができる。

本発明の一例による鋼板の熱処理前の微細組織を電子顕微鏡で観察したものである。

本発明の条件に適する発明例4の熱処理後の微細組織を光学顕微鏡で観察したものである。

本発明の条件を外れる比較例5の熱処理後の微細組織を光学顕微鏡で観察したものである。

本発明者らは、上述の従来技術の問題点を解決するために深く研究した結果、炭素の含量を最適化し、冷間圧延及び熱処理工程を適切に制御して、鋼板の微細組織として硬度が異なる2種のマルテンサイトを形成させることにより、高価な合金元素を添加しなくても鋼板の強度及び延性をともに向上させることができる点を見知して本発明に至った。

以下、本発明の一実施形態である強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板について詳細に説明する。本発明において「熱処理」とは冷間圧延後に行われる加熱及び冷却工程を意味する。

まず、本発明による熱処理硬化型鋼板の合金組成について詳細に説明する。

炭素(C):0.05〜0.25重量% 炭素は、鋼板の強度を向上させるための必須的な元素であるだけでなく、本発明で具現しようとするマルテンサイトを確保するために適切に添加する必要がある。上記Cの含量が0.05重量%未満である場合は、十分な強度を得ることができないだけでなく、熱処理後の鋼板の微細組織として90体積%以上のマルテンサイト組織を確保することが困難であるという問題がある。これに対し、上記Cの含量が0.25重量%を超過すると、鋼板の延性が低下するという問題があるため、本発明において上記Cの含量は0.05〜0.25重量%に制御することが好ましい。

シリコン(Si):0.5重量%(0は除く) Siは、脱酸剤として作用するだけでなく、鋼板の強度を向上させる役割をする。但し、上記Siの含量が0.5重量%を超過すると、熱間圧延時に鋼板の表面にスケールが形成されて鋼板の表面品質が低下するという問題があるため、本発明において上記Siの含量は0.5重量%以下(0は除く)に制御することが好ましい。

マンガン(Mn):0.1〜2.0重量% Mnは、鋼の強度及び硬化能を向上させるだけでなく、鋼の製造工程中に不可避に含有されるSと結合してMnSを形成させることによりSによるクラックの発生を抑制する役割をする。本発明でこのような効果を得るためには、上記Mnの含量が0.1重量%以上であることが好ましい。これに対し、2.0重量%を超過すると、鋼の靭性が低下するという問題があるため、本発明において上記Mnの含量は0.1〜2.0重量%に制御することが好ましい。

リン(P):0.05重量%以下 Pは、鋼中に不可避に含有される不純物であり、結晶粒界に偏析されて鋼の延性を低下させる主な原因となる元素であるため、できる限り低く制御することが好ましい。理論上、Pの含量は0%に制限することが有利であるが、製造工程上必然的に含有されるしかない。したがって、上限を管理することが重要である。本発明では上記Pの含量の上限を0.05重量%に管理する。

硫黄(S):0.03重量%以下 Sは、鋼中に不可避に含有される不純物であり、Mnと反応してMnSを形成して析出物の含量を増加させ、鋼を脆化させる主な原因となる元素であるため、できる限り低く制御することが好ましい。理論上、Sの含量は0%に制限することが有利であるが、製造工程上必然的に含有されることがある。したがって、上限を管理することが重要である。本発明では上記Sの含量の上限を0.03重量%に管理する。

残部Fe及び不可避不純物を含む。一方、上記組成以外に有効な成分の添加が排除されるものではない。

以下、本発明による熱処理硬化型鋼板の微細組織について詳細に説明する。

本発明による熱処理硬化型鋼板は、上記成分系を満たすだけでなく、鋼板の微細組織として、第1硬度を有するマルテンサイト及び第2硬度を有するマルテンサイトを90体積%以上含むことが好ましい。上記2種のマルテンサイトが90体積%未満である場合は、要求される強度を十分に確保することが困難であるという問題がある。一方、本発明の一実施形態によると、上記組織以外の残部は、フェライト、パーライト、セメンタイト、ベイナイトを含むことができる。

本発明の一実施形態によると、上記熱処理硬化型鋼板は、微細組織として、フェライト及びパーライトを含む鋼板を冷間圧延及び熱処理して製造される鋼板であり、上記第1硬度を有するマルテンサイトは、熱処理前のパーライト及びその隣接領域で変態されたものであってよく、上記第2硬度を有するマルテンサイトは、熱処理前のフェライト及びその隣接領域で変態されたものであってよい。本発明者らは、後述の通り、冷間圧延された鋼板の熱処理条件を適切に制御する場合、炭素の拡散が最小化して上記のような2種のマルテンサイトを形成させることができることを知見した。

鋼板の微細組織として上記のような組織を確保する場合、加工初期には硬度が低いマルテンサイトで先に変形が生じ、後で変形が進むにつれて、加工硬化が生じて鋼板の延性が向上するようになる。一方、本発明で上記のような効果を得るために、上記第1硬度及び第2硬度の差異と第1硬度との比率は下記関係式1を満たすことがより好ましい。もし、この比率が5%未満である場合は鋼板の延性の向上効果が十分ではない。これに対し、この比率が30%を超過すると、2種のマルテンサイト組織の界面に変形が集中して亀裂が発生する可能性があり、これにより、鋼板の延性が低下するおそれがある。

5≦(第1硬度−第2硬度)/(第1硬度)×100≦30・・・[関係式(1)]

一方、本発明の一実施形態によると、上記2種のマルテンサイトの平均パケットサイズは20μm以下であることができる。上記パケットサイズが20μmを超過すると、マルテンサイト組織内のブロックサイズ及びプレートサイズがともに大きくなって鋼板の強度及び延性が低下するおそれがある。したがって、上記2種のマルテンサイトのパケットサイズは20μm以下に制御することがより好ましい。

以下、本発明の他の一実施形態である強度及び延性に優れた熱処理硬化型鋼板の製造方法について詳細に説明する。

上述の組成を満たし、微細組織としてフェライト及びパーライトを含む鋼板を冷間圧延する。上述の通り、熱処理前の鋼板の微細組織としてフェライト及びパーライトを十分に確保し、熱処理条件を適切に制御する場合、熱処理後に硬度が異なる2種のマルテンサイトを形成することができる。

冷間圧延時の圧下率は30%以上であることが好ましい。上記のように鋼板を30%以上の圧下率で冷間圧延する場合、フェライト組織が圧延方向に延伸されながらその内部に残留変形を多量に含むようになり、パーライト組織も圧延方向に延伸されながらその内部に微細な炭化物が形成される。このように冷間圧延されたフェライト及びパーライト組織は、後続する熱処理時に、オーステナイト結晶粒のサイズを微細化し、炭化物の固溶を容易にして鋼板の強度及び延性をより向上させることができる。一方、図1は本発明の一例による鋼板の熱処理前の微細組織を電子顕微鏡で観察して示したもので、フェライト及びパーライト組織が圧延方向に延伸され、パーライト組織内に微細な炭化物が形成されることが確認できる。

次に、上記冷間圧延された鋼板をAr3〜Ar3+500℃の加熱温度(T^*)まで加熱する。もし、上記加熱温度(T^*)がAr3℃未満である場合は、オーステナイトが十分に形成されないため、冷却後に90体積%以上のマルテンサイト組織を得ることが難しくなる。これに対し、上記加熱温度(T^*)がAr3+500℃を超過すると、オーステナイト結晶粒のサイズが粗大化し、炭素の拡散が加速化して冷却後に硬度が異なる2種のマルテンサイトを得ることが難しくなる。したがって、上記加熱温度は、Ar3〜Ar3+500℃であることが好ましく、Ar3〜Ar3+300℃であることがより好ましい。

上記加熱時に、加熱速度(v_r、℃/sec)は下記関係式2を満たすようにすることが好ましい。もし、上記v_rが関係式2を満たさない場合、加熱中にオーステナイト結晶粒のサイズが粗大化し、炭素が拡散しすぎて冷却後に硬度が異なる2種のマルテンサイトを得ることができないことがある。一方、加熱速度が大きくなるほどオーステナイト結晶粒の粗大化及び炭素の拡散が防止されるため、その上限は特に制限しない。

v_r≧(T^*/110)²・・・[関係式(2)]

一方、本発明の一実施形態によると、上記のように冷間圧延及び加熱された鋼板は、その微細組織として平均直径20μm以下のオーステナイト単相組織を有することがより好ましい。もし、オーステナイト単相組織の平均直径が20μmを超過すると、冷却後に形成されるマルテンサイト組織のパケットサイズが粗大化するおそれがあり、マルテンサイト変態温度が上昇して鋼板の強度及び延性が低下するおそれがある。

その後、上記加熱された鋼板を冷却する。このとき、冷却速度(v_c、℃/sec)は、下記関係式3を満たすようにすることが好ましい。もし、上記v_cが関係式3を満たさない場合、冷却中にオーステナイト結晶粒のサイズが粗大化し、炭素が拡散しすぎて冷却後に硬度が異なる2種のマルテンサイトを得ることができないことがある。また、冷却中に、フェライト、パーライトまたはベイナイト組織への変態が生じて目標とするマルテンサイト体積分率を十分に確保することができないという問題がある。一方、上記冷却速度が大きくなるほどオーステナイト結晶粒の粗大化及び炭素の拡散が防止されるため、その上限は特に制限しない。

V_c≧(T^*/80)²・・・[関係式(3)]

一方、本発明の一実施形態によると、上記加熱された鋼板の冷却時に、高温維持時間(t_m、sec)は下記関係式4を満たすようにすることがより好ましい。上記高温維持時間とは、加熱温度に達した鋼板の冷却を開始するのにかかる時間を意味する。上記高温維持時間が下記関係式4を満たす場合、炭素が拡散しすぎるのを防止するのに役立つだけでなく、冷却前に、オーステナイト結晶粒の平均直径が20μm以下に制御されて、冷却後に、平均パケットサイズが20μm以下であるマルテンサイトを確保することができる。一方、上記時間が短いほどオーステナイト結晶粒の粗大化及び炭素の拡散の防止に有利であるためその下限は特に制限しない。

t_m≦(8−0.006×T^*)²・・・[関係式(4)]

以下、実施例を通じて本発明をより具体的に説明する。但し、下記実施例は、本発明を例示してより詳細に説明するためのものであるだけで、本発明の権利範囲を限定するためのものではない点に留意する必要がある。本発明の権利範囲は、特許請求の範囲に記載された事項とそこから合理的に類推される事項によって決定されるためである。

下記表1の組成を有する鋼板を設けた後、上記鋼板を下記表2の条件で冷間圧延、加熱及び冷却した。その後、鋼板の微細組織を観察し、機械的物性を測定して下記表3に示した。このとき、引張試験はASTMサブサイズ(subsize)試験片に対して5mm/minの速度で行い、硬度試験は5gの荷重で10秒間維持する条件で各微細組織のビッカース硬さ試験を行った。

本発明の組成及び製造方法を満たす発明例1〜10はすべて硬度差が5〜30%である2種のマルテンサイトを含むため、1200MPa以上の引張強さ及び7%以上の延伸率を有することが確認できる。

これに対し、比較例1及び2は、鋼中の炭素の含量が低いため熱処理後の微細組織としてフェライト及びパーライトを含み、強度に劣ることが示された。

また、比較例3は、加熱温度(T^*)が低いため熱処理後の微細組織としてフェライト及びパーライトを含み、強度に劣ることが示された。一方、比較例5も、加熱温度(T^*)が低いが炭素の含量が多少高い。これにより、強度は本発明が制御する範囲を示したが、冷間圧延により圧延組織が十分に溶けなかったため延性に劣ることが示された。

また、比較例4、6、7、9及び10は、v_r及びt_mのうちいずれか一つが本発明が制御する範囲を外れるため、オーステナイト結晶粒のサイズが粗大化し、炭素が拡散して硬度差が5%未満であるマルテンサイト組織が形成され、強度に優れるが延性に劣ることが示された。

また、比較例8は、v_cが本発明が制御する範囲を外れるため、冷却中にフェライト及びパーライト組織が形成され、延性に優れるが強度に劣ることが示された。

一方、図2は本発明の発明例4による熱処理後の微細組織を光学顕微鏡で観察して示したものであり、図3は比較例5による熱処理後の微細組織を光学顕微鏡で観察して示したものである。図2を参照すると、発明例4の場合は、マルテンサイトのパケットサイズが20μm以下に微細に形成され、これにより、パケット内のプレートも微細に形成されたことが確認できる。これに対し、図3を参照すると、比較例5の場合は、マルテンサイトのパケットサイズが20μmを超過して粗大に形成され、パケット内のプレートも粗大に形成されたことが確認できる。