Development of 590MPa Grade Galvannealed TRIP Steel Sheets containing Low Silicon Contents for High Strength and Formability

CopyrightⒸ2008 KSAE 1225-6382/2008/096- 19 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 6, pp.141-147 (2008)

차량구조용 고강도 고성형성 590MPa급 Si 저감형 변태유기소성 합금화 용융아연 도금강판의 개발

지 광 섭^*1)․김 용 희²⁾․김 병 일³⁾

1)현대하이스코 표면처리팀, ²⁾현대하이스코 연구개발팀, ³⁾순천대학교 재료금속공학과

Development of 590MPa Grade Galvannealed TRIP Steel Sheets containing Low Silicon Contents for High Strength and Formability

Kwangsub Chi^*1)․Yonghee Kim²⁾․Byoungil Kim³⁾

1,2)Hyundai Hysco, 30-9 Sunwol-ri, Haeryong-myeon, Suncheon-si, Jeonnam 540-856, Korea

3)Department of Materials Science and Metallurigical Engineering, Sunchon National University, Jeonnam 540-712, Korea (Received 2 April 2008 / Accepted 13 May 2008)

Abstract : Hot-dip galvannealed sheet (GA) with high strength of 590MPa grade in tensile strength, has developed for automotive applications. However, for a successful application, the microstructure and galvannealing behavior of galvannealed TRIP steel sheets must be strictly controlled. High silicon contents steel has problems with weld-ability, zinc coating and reduction of retained austenite volume fraction after galvannealing process. The main purpose of this study is to solve the problem as indicated above.

Key words : Trip steel(변태유기소성강), Microstructure(미세조직), Retained austenite(잔류 오스테나이트), High strength(고장력)

1.

최근 자동차의 연비와 배기가스에 대한 규제가 강화 되면서 자동차 경량화를 위한 기술개발이 한 층 가속화되고 있다. 특히 자동차 차체의 경량화, 방 청성과 재료의 선택적 측면에서 연신 중시형의 대 표강인 잔류 오스테나이트 변태유기소성강(Trip Steel)을 모재로 하는 고장력 합금화 용융아연 도금 강판의 개발이 진행되고 있다. 변태유기소성 강판 은 고온의 이상영역에서 오스테나이트 조직을 생성 시킨 후, 400°C 정도의 온도에서 베이나이트 변태 열처리를 하면 탄소가 미변태 오스테나이트 조직으 로 농화되어 상온에서도 안정한 잔류 오스테나이트

*Corresponding author, E-mail: [email protected]

조직을 얻을 수 있게 한 강판이다.^1-3) 이렇게 상온 에 서 잔류하는 오스테나이트 조직은 가공 시에 경질 의 마르텐사이트 조직으로 변태하면서 재료의 소성 변형을 크게 해 주어 강도와 성형성을 동시에 만족 시켜주는 역할을 한다.^4-6)그러나 이 개발에서 문제 가 되는 것은 페라이트, 베이나이트 변태의 진행에 따라 미변태 오스테나이트에 농화한 C를 시멘타이 트로서 석출시키지 않는 것이 중요하며, 이를 억제 하기 위해 첨가되고 있는 Si가 모재 강판과 용융아 연의 습윤성(Wettability)을 열화 시키고, 비도금을 일으키는 동시에 합금화를 늦추는 작용을 하는 것 이다. 필요한 합금화를 완수하기 위해 합금화 온도 를 높이면 시멘타이트의 석출이 촉진되어 Trip 현상 에 필요한 오스테나이트를 충분히 잔류시키는 것이

지광섭․김용희․김병일

어려워진다.^8,9)따라서 연속소둔후 용융도금 및 합 금화 처리가 연속적으로 이루어지는 CGL(Conti- nuous galvanizing line)의 경우 합금화 처리조건이 제한되는 제조상의 어려움이 있다.

본 연구에서는 실제 Si 저감형 590MPa급의 고강 도 강을 개발하기 위해 Si 함량을 제한하고, 소둔 열 처리 및 냉각하는 등 합금화 온도조건을 최적화하 여 인장강도 590MPa 이상 및 연신율 28% 이상의 특 성을 가진 변태유기 소성강의 용융아연 도금 강판 제조 특성을 조사하는데 그 목적이 있다.

2.

2.1

본 연구에서 사용한 시료의 기본 조성을 Table 1 에 나타내었다. 소둔 열처리 및 합금화 용융도금에 사용된 소재의 준비는 진공유도로에서 용해하고 35mm로 연삭한 후, 실험용 압연기에서 균질화를 위 한 재가열후 열간압연을 행하여 4mm두께의 열연판 을 얻었다. 1250°C에서 2시간 재가열 처리한 후 마 무리 압연 온도는 910°C이상으로 유지하였으며, 열 간압연이 끝난 소재는 650°C에서 30분간 유지후 로 냉하여 권취조건을 재현하였다. 열간압연된 시편은 염산(10%)으로 산세하여 표면의 산화스케일을 제 거한 다음 Table 2와 같이 40~75%까지 단계별 연속 냉간압연을 하였으며 다양한 압하율의 시편을 제작 하여 그 특성을 평가해 보았다.

Table 1 Chemical composition of specimen. (wt%)

Element C Si Mn Al Cu Co

Content 0.15 0.30 1.50 1.00 0.50 0.35

Table 2 Cold rolling conditions of specimen

Conditions C.R.1 C.R.2 C.R3 C.R.4

Thickness(mm) 2.4 1.9 1.5 1.0

Reduction(%) 40 53 63 75

2.2

연속 소둔 열처리 실험은 고속 열처리 시뮬레이 터(CCT-AV, Shinkurico 社)를 이용하여 연속 소둔 열처리 실험을 실시 하였으며, 소둔 온도(SS)와 합 금화 온도(GA)를 Fig. 1과 같이 변화시켜 그 영향을

Fig. 1 Schematic sketch of heat treatment cycles

Table 3 Experimental conditions of specimen

SS (°C) RCS (°C) LTH (°C) GA (°C)

760 460

780 480

800 500

820 670 465 520

840 540

860 560

114sec 11sec 54sec 25sec

살펴보았다. CGL 연속소둔 cycle을 감안하여 각 구 간의 고정 온도는 먼저 예비 실험을 통해 결정하였 으며, 양호한 기계적 특성을 얻을 수 있는 온도가 소 둔 온도 820°C 급냉 개시 온도(RCS) 670°C 항온 변 태 처리 온도(LTH) 465°C라는 사실을 확인한 후 그 온도를 기준으로 하여 소둔 온도 및 합금화 온도를 Table 3과 같이 변화시켜 기계적 특성과 미세조직을 관찰하였다.

2.3

Table 4 Variables of hot-dip galvanizing experiments Variables Experimental conditions

Galvanizing temp (°C) 465

Coating weight (g/m²) 60

Bath composition (wt%) Al:0.130, Fe:0.004, Pb:0.0008

차량구조용 고강도 고성형성 590MPa급 Si 저감형 변태유기소성 합금화 용융아연 도금강판의 개발

2.4

Vγ(%) = 100 × (1.4 Iγ)/(Iα+ 1.4 Iγ) (1) Vγ : 오스테나이트 부피 분율

Iγ : 오스테나이트 상의 적분 강도 Iα : 페라이트 상의 적분 강도

2.5

합금층내 Fe 함량은 염산과 물을 1 : 3으로 혼합한 후 부식억제제로 hexamine을 1~2방울 첨가한 용액 으로 합금층을 용해하여 ICP로 분석하였다. 합금화 열처리 조건에 따른 도금 시편의 표면, 단면조직 및 도금층내의 Fe-Zn 합금상인 ζ, δ1 및 Γ1상은 도금층 을 에칭한후 SEM 으로 분석하였다. 합금층의 상변 화 관측 및 성분 분석은 AES를 이용하였다.

3.

3.1 Hot Coil 미세조직

냉간압연전 핫코일의 세로단면에서 관찰된 미세 조직의 결정립 크기는 약 11㎛이며, 비교적 높은 권 취온도와 탄소함량으로 인해 결정립계에는 조대한 탄화물이 석출되어있음을 Fig. 2에서 확인할 수 있 다. 결정립도와 상분율이 전체적으로 균일한 값을 보이고 있으며, 보고된 바와 같이 Si는 페라이트의 석출을 촉진시키는데, 상분율이 비교적 낮은 Si 함 량에서도 페라이트가 68% 펄라이트가 32% 로 안정 적으로 관찰되고 있다.

(a) Optical microstructure and grain size

(b) Phase volume fraction of ferrite and pearlite Fig. 2 Microstructure and phase volume fraction of hot coil

3.2

Fig. 3은 냉간 압하율 변화에 따른 변태유기소성 강의 기계적 특성을 보여준다. 본 연구에서는 냉간 압하율이 40%∼75%일 때 안정적 물성 확보가 가능 하며 75%를 초과시 인장강도와 연신율이 저하됨을 보여준다.

Fig. 3 Effects of cold rolling reduction ratio on the mecha- nical properties of TRIP-aided steel

냉간 압하율이 증가할수록, 소재의 Grain Size가 감소되며 모든 냉간 압하율 조건 및 열처리 조건에 서 합금원소의 편석에 기인한 Band Structure가 Fig. 4 에 관찰되며 결정립의 크기는 약 10㎛의 크기를 나 타낸다.

Kwangsub Chi․Yonghee Kim․Byoungil Kim

Fig. 4 Effect of cold rolling reduction ratio on microstructure of TRIP-aided steel, (a) : 40%, (b) : 53%, (c) : 63%, (d) : 75%

3.3

연속 소둔 공정의 열처리 온도 변화에 따른 변태 유기소성강의 기계적 특성 변화를 관찰하기 위하여 각 온도를 변화시켜 열처리 시험을 실시하고, 시료 의 기계적 특성을 분석한 결과를 Fig. 5에 나타내었 다. 먼저 소둔 온도의 영향을 살펴보기 위하여 급냉 개시 온도를 670°C 항온 변태 처리 온도를 465°C로 고정한 후, 소둔 온도를 760°C에서 860°C까지 20°C 간격으로 변화시켜 보았다. 항복 강도의 경우 일정 한 값을 보이다가 820°C이상에서 비교적 감소하는 모습을 나타내었고, 인장 강도의 경우 840°C까지 증 가하나 그 이상의 온도에서는 다소 감소된 값을 나 타내었다. 연신율의 경우 역시 항복 강도와 비슷한

Fig. 5 Effect of soaking temperature on the mechanical properties after galvannealing at 520°C for 25sec

경향을 보였는데, 820°C까지 증가하다 그 이상에서 는 급격히 감소되는 모습을 보였다. 이는 820°C초과 온도에서 오스테나이트 체적율이 너무 크게 되고 이에 따라 오스테나이트의 탄소 농도가 감소하게 되기 때문이다.¹¹⁾

3.4

Fig. 7은 합금화 열처리 온도에 따라 존재하는 아 연 도금층내 상들의 분포를 나타내는데, 합금화 온 도가 상승함에 따라 대표적인 아연상인 에타(η ; Zn) 상이 급격하게 감소하고 아연층에 Fe가 결합된 델 타(δ1 FeZn7)상이 발달하게 된다. 이때 표면층에 형 성된 제타(ζ FeZn13)상 또한 점차 감소하게 된다. 일 반적으로 자동차용 GA강판에서 합금화도(Fe%)는 8~13%의 범위 내에서 관리되고 있는데, 이와 같이 Fe%를 제한하는 이유는 8%미만이 되면 용접성이 악화되고 13% 이상이 되면 도금층과 소지철 계면에 딱딱한(硬) 특성을 가지고 있는 감마(Γ1 Fe5Zn21) 상이 과도하게 생성되어 가공시 분말화(Powdering)

Fig. 6 Effect of galvannealing temperature on the mechanical properties after soaking at 820°C for 114 seconds

Development of 590MPa Grade Galvannealed TRIP Steel Sheets containing Low Silicon Contents for High Strength and Formability

Table 5 Volume fraction of retained austenite for specimen

SS (°C) GA (°C) El (%) γ vol (%)

820 520 30.3 2.1

820 460 33.6 7.3

Fig. 7 Phase volume fraction in zinc coated layer according to the galvannealing temperature

현상이 심하게 일어나기 때문이다. 합금화 온도에 따른 도금층의 Fe%를 측정한 결과 500°C일 때 8.6%, 520°C일 때 11.6%의 안정적인 합금화도(Fe%) 를 보이고 있으나 합금화 온도가 480°C미만일 경우 5% 이하, 540°C초과할 경우 13% 이상으로 관리범 위를 벗어났다.

Fig. 8(a), (b)는 520°C에서 25초간 합금화 처리하 였을 때 도금층 표면 및 단면조직을 관찰한 것이다.

표면까지 완전히 합금화가 되어 있고 주로 δ1 상으 로 구성되어 있음을 Fig. 8(a)에서 관측할 수 있으며, 파우더링성에 가장 취약한 Γ1상이 소지철 계면에 얇게 형성되어 있음을 Fig. 8(b)에서 확인할 수 있다.

일반적으로 Γ1상은 0.5㎛ 이하로 관리되어야 한다.

Fig. 8 Surface and cross sectional view of coating layer after galvannealing at 520°C for 25 seconds. (a) Surface appearance, (b) Cross sectional view

Fig. 9 Phase change observation of galvannealed coating layer

합금화 열처리 후 Fe-Zn 합금층 두께는 약 7㎛ 정 도 형성된 것으로 관찰되었으며, AES 분석결과 합 금층 표면에서 3㎛ 정도까지는 Fe와 Zn 조성이 거의 균일 하다가 모재와의 경계면에 근접하면서 조성의 차이가 확연해 지는 것을 관찰할 수 있으며 이를 Fig. 9에 나타내었다.

3.5

Fig. 10 Scanning electron micrographs of the interfacial layer after soaking at 820°Cfor 114 seconds and isothermal heating at 465°Cfor 54 seconds

(a) Optical microstructure (Tint etched)

(b) Scanning electron microstructure (Nital etched)

지광섭․김용희․김병일

Fig. 11 Transmission election micrographs of TRIP-aided steel, (a) TEM bright images for pearlite and ferrite phase, (b) TEM bright images for retained austenite, bainite and ferrite phase

관찰시 상온에서 존재하는 잔류오스테나이트의 형 상을 보여주고 있다. 열처리 온도가 760°C미만일 경 우 잔류 오스테나이트 조직은 매우 미세하고 그 양 도 관찰하기 힘들며, 800°C이상의 온도에서 안정적 인 오스테나이트 분율을 확보할 수 있다.

Fig. 11(a)는 기지 페라이트에 인접하여 있는 lamellar type의 펄라이트 조직을 보여주고 있으며 합금화 진행 과정중 발생한 것이다. Fig. 11(b)는 미 세조직 관찰상 film type의 잔류오스테나이트가 기 지 페라이트 다중점에 주로 위치하면서 lath 베이나 이트(미세 실선 모양)와 인접하여 존재하고 있는 혼 합된 미세조직을 보여주고 있다.

4.

본 연구에서는 Si 저감형 변태유기소성강을 이용 하여 열간 압연 공정을 거쳐 650°C의 온도에서 권취 한 다음, 75%의 압하율로 냉간 압연한 후, 820°C에 서 재결정 소둔 열처리를 실시하고, 냉각하여 465°C 의 온도에서 아연 도금을 실시하고, 그 뒤 520°C의 온도에서 합금화 열처리를 한 후 최종 냉각하여 그 특성을 분석한 결과, 강철 조직 중 잔류 오스테나이 트 체적율 2.1%를 함유하고, 도금층 내 11.6%의 안 정적인 합금화도(Fe%)를 가지는, 인장강도 604MPa, 연신율 30.3% 라는 우수한 물성을 확보할 수 있었으 며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 낮은 Si 함량에서도 페라이트가 68% 펄라이트가 32%로 상분율이 안정적으로 관찰되고 있으며 열간압연된 코일의 미세조직 결정립 크기는 약 11㎛의 크기로 관찰되었다.

2) 변태유기소성강의 냉간 압하율이 40%∼75% 일 때 안정적 물성 확보가 가능하였으며, 냉간 압하 율이 증가할수록, 소재의 재결정 Grain size가 작 아졌다.

3) 소둔 열처리 온도가 상승할 경우 소재의 기계적 성질이 향상되었으나, 820°C이상으로 유지 하였 을 경우 소재의 잔류오스테나이트 분율의 감소 로 인하여 기계적 성질이 열화 되었다.

4) 합금화 열처리 온도가 증가할수록 잔류오스테 나이트 분율이 감소하며 이에 따라 연신율은 급 격히 감소한다. 합금화 열처리 온도 또한 잔류오 스테나이트 분율을 결정하는데 중요한 역할을 하므로 그 온도를 520°C이하로 유지하는 것이 중요하다.

5) 최종 미세조직 관찰시, 잔류오스테나이트형상 은film type으로 관찰되었으며 기지 페라이트 다 중점에 주로 위치하면서 lath 베이나이트와 혼합 된 미세조직을 보여주고 있다.

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