13 특집 : 최근자동차용강재개발동향및용접기술 자동차용첨단고강도강의개발동향및용접성 Reent Developments and Weldability of Advaned High Strength Steels for Automotive Appliations Tae-Kyo Han, Kyoo-Young Lee and Jong-Sang Kim 1. 서론 자동차용소재로는크게철강, 비철금속, 비금속등으로구분된다. 자동차산업에서환경문제가사회적이슈로대두되자, 경량화가시대적요구사항이되면서알루미늄, 마그네슘, 플라스틱등의경량소재사용이증가하고있지만, 현재까지가격, 강도, 내식성, 성형성등철강소재대비개선되어야할숙제가많은것이사실이다. 경량화라는시대적요구가강조되는한편, 승객및보행자의안전규제또한점진적으로강화되면서, 자동차차체무게는각종안전및편의장치부착으로인해무거워지는모순에빠지게된다. 이상반된모순의재료측면의해결책은강도및성형성이우수한 AHSS (Advaned High Strengh Steel) 을채용함에의하여두께를낮추어경량화하는방안이다. 현재자동차차체에는일반강에서 AHSS 까지다양한강종들이적용되고있으며, 경량화를위해더욱선진화된 AHSS 강종을적용하기위해철강업체들의연구개발이가속화되고있다. Fig. 1에자동차용강종개발경향을알아보기쉽게인장강도 (Tensile Strength, TS)- 연신율 (Elongation, El) balane 를해당강종과함께나타내었다. 강도가낮은경우에는보통연신율이높으며, 강도가증가함에따라연신율이감소하는경향을보이는데, 이러한강도와연신율의균형이바나나 (banana) 모양의형태로나타나므로이러한그림을 Banana-Diagram 으로부른다. Fig. 1에서바나나모양의형태를띄고있는강종군이 3개로구분되어있음을볼수있다. 가장아래쪽에위치한강종군은 TS x El 조합이 25,000MPa % 보다작은값을갖는강종들로서여기에는 Mild( 연질 ) 강, IF(Interstitial Free) 강, 고강도 IF강, BH(Bake Hardening) 강, HSLA (High Strength Low Alloy) 강과일반 AHSS 등이있다. 일반 AHSS 에는 DP(Dual Phase) 강과 TRIP Elongation(%) 70 60 50 40 30 20 10 0 200 20,000 IF Mild HS IF IS BH 40,000 CMn HSLA TSxEl=60,000 TRIP DP, CP X -AHSS U -AHSS MART 400 600 800 1000 1200 1400 TensileStrength(MPa) U-AHSS : Ultra-Advaned HSS X-AHSS : EXtra-Advaned HSS HPF Fig. 1 Relationship between tensile strength and elongation of various steel grades (TRansformation Indued Plastiity) 강, CP(Complex Phase) 강이현재상용화되어있다. 일반적인 AHSS 이외에초고강도를만족시키기위하여개발된 MART (MARTensiti) 강과 HPF(Hot Press Forming) 강이고강도-저연신형형태로바나나곡선의오른쪽부분을차지하고있다. Banana diagram 의윗부분에위치한 2개의강종군즉, X(eXtra)-AHSS 와 U(Ultra)- AHSS 는 TS x El balane 가매우높은값을가짐으로써, 현재의연질강, HSLA, AHSS 등을대체하여경량화에기여할차세대자동차용제품으로기대된다. 한편, 차체혹은샤시부분에강판을적용하기위해서는각부품의조립이필수적이며, 조립방법으로는크게용접 (welding), 접착 (adhesive bonding), 기계적결합 (mehanial fastening) 등이있다. 다시용접은저항점용접 (RSW: Resistane Spot Welding), 아크용접 (Ar Welding), 레이저용접 (LBW: Laser Beam Welding) 등이차체접합법으로사용되고있다. 자동차는약 300 여개의프레스성형품으로이루어져 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 131
14 있는데, 원가측면에서유리한저항점용접이차 1대당 4,000 점이상으로가장많이적용되고있다. 이밖에도차체구조상저항점용접으로용접하기어려운부위혹은특수한목적으로아크용접, 브레이징등의접합법이사용되고있다. 본논문에서는현재적용범위가확대되고있는 AHSS 와차세대자동차용강판으로각광받을것으로기대하는 X-AHSS 및 U-AHSS 강의개발동향을알아보고차체용접중가장많이적용하고있는저항점용접성에대해기술하고자한다. 2. 자동차용냉연강판의발전 1960 년대까지대부분의냉연강판은연신율및 r- value 향상을목적으로하는연질의인장강도300MPa 급의냉연강판이주류를이루었다. 1968 년미국의안전규제법 (FMVSS, Federal Motor Vehile Safety Standard) 이제정됨에따라서, 안전성향상을위하여보강재등에인장강도 390~590MPa 급고용강화강또는 490~690MPa 급석출강화강이적용되기시작하였다. 1973 년오일쇼크이후자동차연비향상이요구되면서경량화작업이활발하게추진되었으며, 경량화의일환으로강판을고강도화하면서두께를박물화하는방법이대두되게되었다. 이때개발된것이 DP형복합조직강이었으나, 낮은소성이방성으로외판으로적용되지는못했다. 유사한시기에인장강도 340~440MPa급 P첨가 Al killed 강이최초로차체의내판및외판용고강도강판으로개발되었다. 1980 년대에는 0.003% 의극저탄소를기지로탄, 질화물형성원소인 Ti, Nb 를단독혹은복합첨가한 IF-HSS(Interstitial Free High Strength Steel), 성형, 도장후소부시항복강도가 ~ 50MPa 정도증가하는소부경화강등이개발되었다. 1990 년대에는오스테나이트변태유기소성현상을이용한 TRIP 강이개발되어현재까지많은연구가진행되고있다 1). 제어가연구핵심이었다. 특히이러한연구는 AHSS 의변태조직을제어할수있는다양한냉각기술이적용되는연속소둔및연속용융도금라인을활용한제품연구에서매우중요하게된다. DP강은페라이트기지내에제 2상으로마르텐사이트가 island 모양으로분포된조직을갖는강을일컫는다. Fig. 2는 DP강의전형적인 SEM 조직을보여준다. 일반적으로연질의페라이트가강의연성을부여하고, 경질의마르텐사이트가강도를확보하게된다. 강이변형되게되면, 마르텐사이트를둘러싸고있는저강도의페라이트상에변형이집중되어높은가공경화가발생된다. 이러한우수한연성과가공경화특성으로비슷한항복강도를갖는일반고강도강보다매우높은인장강도를보여준다. DP강에서 C(arbon) 은강의경화능을증가시켜, 상용생산라인에서허용가능한냉각속도에서마르텐사이트를형성시켜, 최종제품에서이상조직을얻도록해준다. 이와더불어 Mn, Cr, Nb, Mo 등의원소또한독자적혹은복합적으로경화능을향상시키는데도움을준다. 이상의합금원소들은우수한기계적성질뿐아니라, 우수한용접성을확보하기위해서적절히첨가되어야한다. TRIP 강의미세조직은페라이트주기지에잔류오스테나이트, 베이나이트가분산된조직이다. TRIP 강은잔류오스테나이트가점진적으로마르텐사이트로변태되고, 지속적으로가공경화가이루어지면서국부네킹이억제됨에의하여연신율이향상된다. TRIP 강은 DP 강에비해초기가공경화율은낮지만, DP강의가공경화율이낮아지기시작하는높은변형수준까지도가공경화가꾸준히진행된다. TRIP 강은마르텐사이트변태개시온도 (Ms) 를상온이하까지낮추어오스테나이트를상온에서잔류시키기위해 DP강보다많은 C을첨가하며, 오스테나이트로의 C 농화를촉진하기위하여 Si 및 Al을단독또는복합으로첨가하고있다. TRIP 3. AHSS 개발동향 AHSS는 TS x El 값이 25,000MPa % 보다낮은강도를가지며변태조직을제어함으로서강도가확보되는집단으로정의되며, Fig. 1에서중앙부하단에위치한전형적인 DP, TRIP 강이이에속한다. 이러한강들은 1970 년대오일쇼크이후부터긴시간연구개발되어왔는데 2-7), 잔류오스테나이트, 마르텐사이트및베이나이트등의변태상을갖는미세조직을어떻게이용하는가와적정변태상을적정량갖도록하는상변태 / 상분배 Ferrite Martensite Fig. 2 Mirostruture of DP steel with ferrite and martensite 132 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
자동차용첨단고강도강의개발동향및용접성 15 강에추가적으로첨가되는합금원소들은점용접성을열화시키게되는데, 이문제는용접싸이클을수정함으로써개선될수있다. TRIP 강대비 DP강의주요한이점은용접성에있는데, 이는 TRIP 강에비해 DP강의 C함량이적은것에기인한다. 또다른 DP강의이점은우수한도금재의표면품질이다. Si의함량이높은 TRIP 강은 Si이소둔열처리동안표면산화를촉진시키고이러한표면산화물이아연의젖음성을열화시킴에의하여표면품질이열화되는단점이있다. DP강은낮은항복강도, 우수한소부경화능, 양호한표면품질로향후자동차외판적용에높은잠재력을가지고있다. 그러나, DP강의낮은 r-value 로인하여외판적용에한계가있다. 높은 r값을얻기위하여는화학성분, 열연 / 냉연조업인자, 소둔온도등의정밀한제어를통하여 ND//<111> 집합조직을발달시켜야하는것으로알려져있다 8). 한성호등에의하면 9), 재결정전에 Mo arbide 를생성시킴에의하여고용 C함량을감소시켜 {111} 집합조직발달을촉진함으로써, 높은 r- value 를얻을수있으며, 이후소둔시에탄화물의용해를통하여마르텐사이트를확보하여 r값이우수한 DP 강의제조가가능함을보고하였다. DP강에 Si을첨가하면연신율이증가하는것으로알려져있다 10). Si이열연재의 Mn-rih 퍼얼라이트밴드를억제함에의하여, 소둔후균일한마르텐사이트의분포를촉진하게된다. 또한, Si은페라이트내의용질원자를오스테나이트쪽으로확산시켜페라이트청정화를촉진하기도한다. 4. X-AHSS 개발동향 일반적인 AHSS 에비하여우수한강도와연신율 balane 를갖는, TS x El > 25,000MPa %, 고연성초고강도강에대한연구가다양한야금학적접근방법으로실험실차원에서진행되어왔다 11-23). X-AHSS 강의첫번째예로써, M-TRIP(Martensite based TRIP) 강은마르텐사이트를기지로하는 TRIP 강으로정의되는데, Speer 등에의해제안된Q&P (Quenhing and Partitioning) 프로세스에의하여제조된다 11,12). Q&P프로세스에서는오스테나이트단상역혹은페라이트와오스테나이트의 2상역열처리를통하여오스테나이트를전부혹은일부를형성시키고, 이후마르텐사이트와오스테나이트분율을제어하기위해 M s 와 M f 사이의온도로급냉시킨다. 급냉된오스테나이트를특정한온도에서일정시간유지하는동안마르텐사이트내의 C가오스테나이트로 partitioning 함에 의하여오스테나이트내의 C농도가농화되게된다. TS- El은통상의 TRIP 강을 Q&P 프로세스로하게되면 25,000MPa % 보다조금높게된다. Bhadeshia등 15) 은 SB-TRIP(Super Bainite TRIP) 강을제안하였는데, 이강은나노사이즈의베이나이트가잔류오스테나이트내에삽입된형태를갖게된다. 이새로운개념에서는다량의탄소를함유한 TRIP 강을저온에서열처리하는데, 이프로세스의단점은높은탄소량과낮은변태온도에기인하여베이나이트변태가매우느리다는것이다. 베이나이트변태속도를가속화시키기위해 Lee 등은베이나이트변태속도에미치는합금원소의영향을조사하였다 16,17). 이강의기계적성질은인장강도1187Mpa, 연신율 39% 을나타내었다. 1970 년대이후고Mn TRIP 강에대해열연및상소둔에서역변태를이용한연구가진행되어왔다 18-22). 이연구의목표는역변태동안에 Mn을오스테나이트로분배시킴에의하여오스테나이트의안정성을증가시키는것이다. 최근에생산성향상을위하여연속소둔공정을활용하여역변태 TRIP 강을제조하는방안이도출되었는데 23), A 1 과 A 3 사이의온도로정밀하게제어함으로써목표미세조직이얻어지게되며, 개발된강종의기계적성질은인장강도 1100MPa, 연신율 29% 이며, TSxEl은 31,900MPa % 로 X-AHSS에속한다. Stress(MPa) 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 5. U-AHSS 개발동향 오스테나이트의 TWIP(TWinning Indued Plastiity; 쌍정유기소성 ) 현상을활용하여개발된강종을 TWIP 강이라고하는데, Fig. 1의오른쪽상단에나타낸 U-AHSS 강의물성을만족할수있다. TWIP 강과더불어몇몇 AHSS 강의인장곡선을 Fig. 3에나타낸다. 980DP 980TRIP 590DP 590TRIP 980TWIP 0 0 10 20 30 40 50 60 70 Strain(%) Fig. 3 Stress-strain urve of 980MPa TWIP steel ompared to those of onventional advaned high strength steels 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 133
16 TWIP강의 TS x El은약 65,000MPa % 로서함께나타낸 AHSS 강대비약 3배이상의높은값을나타낸다. 이우수한성능은변형동안생성되는쌍정에의해얻어진다. 쌍정이생성됨으로서, 오스테나이트결정립이분화되고, 연속적인가공경화가일어나게되어연신율이크게개선되게된다. 가공경화거동은적층결함에너지 (SFE; Staking Fault Energy) 에의존하는데, SFE 가재료의변형기구를결정짓기때문이다. TWIP 강은낮은 SFE로인해쌍정거동이변형동안발생하여연신율이크게개선되게된다. TWIP 강은 1990 년대초 POSCO 에서성공적으로시험제조되었으나, 당시시도는설비및생산성한계로상용화까지확대되지는못했다 24). 최근우수한물성에대한철강사및자동차사들의관심이증가하고있으며, 상용화를위한다양한시도가이루어지고있다 25). 6. 자동차용 AHSS 의점용접성 저항점용접은통전시금속에발생하게되는저항발열을이용하여, 너깃 (nugget) 을형성-용융, 응고시켜접합하는기술이다. 저항발열 Q는다음과같은성질을가지고있다 26). 여기서 R1, R2, I, t은각각접촉저항, 고유저항, 통전전류, 용접시간을말한다. R1은피용접재의표면특성과관련되고, R2는강종의고유저항으로서피용접재의고유의특성으로볼수있으나, I, t 등은저항발열에영향을미치는점용접의중요한변수가된다. AHSS 는변태조직을제어하여강도를확보하는강종이기때문에연질강대비화학조성과미세조직이다르다. 모든용접법은급가열및급냉각의열싸이클을수반하지만, 특히저항점용접의경우순간냉각속도가레이저용접의경우보다도빠른 ~ 수천 /s 에이르기때문에강도확보를위하여첨가된합금성분에기인한향상된소입성으로인하여 AHSS 강의경우연질강과는다른용접특성을보인다. 경화능확보를위해첨가된합금원소는저항점용접의빠른냉각속도에의해용접과정중에너깃및열영향부 (HAZ, heat affeted zone) 조직대부분이마르텐사이트, 베이나이트등으로변태되어, 용접부가취화되기도한다. 또한높은합금성분은모재의고유저항을증가시켜, 합금성분이적은연질강보다임계너깃경을형성하는하한전류와 spatter 가발생되는상한전류모두를감소시키는특성 을가지며, 특히하한전류의감소폭대비 spatter 발생전류의감소폭이커지게되어, 가용용접전류구간이연질강대비좁아지는경향을갖는다. 임계너깃경은국제규격혹은자동차사내부에서규정하고있는데, ISO 국제규격에서는아래의수식으로규정하고있다. 임계너깃경 = 3.5 t, 여기서, t는강종두께 AHSS 강의높은합금성분에기인한상기문제로인해, 대부분의자동차사에서는합금성분에대한용접부의경화능혹은취화정도를나타내는수식인 Ceq (Carbon equivalent) 를도입하여 AHSS 합금성분첨가량을규제하고있으며, 자동차사마다자체기준에의거한 Ceq 식을사용하고있다. 예를들면, 일본 Nissan 자동차사의경우아래의수식 27) 을채택하여사용하고있다. 한편 AHSS 의모재강도가높기때문에, 저항점용접시높은가압력이필요하게된다. 가압력이충분하지못하면강판사이의밀착이부족하여, 접촉저항이크게증가하게되고, 이로인해너깃이충분히성장하지못하며, 또한 spatter 가낮은전류에서발생하게됨으로써, 가용용접전류구간이좁아지게된다 28,29). AHSS 강의높은합금성분과높은강도로인해발생하는용접성의차이로부터자동차사는 AHSS 에대한용접조건및평가기준을자체적으로제정혹은국제규격을선정하여사용하고있다. Table 1에유럽자동차사대부분이채택하고있는 ISO18278-2 의용접조건을예로나타내었는데, 모재강도를기준으로가압력의차이를두고있음을알수있다. 일반적으로자동차용강판소재에대해, 저항점용접성을평가할때, 냉연소재에대해서는너깃경-통전전류와파단형태로평가하는데이를그래프화하여나타낸것을 Weld Lobe 라고한다. Fig. 4에 POSCO 에서개발한인장강도 980MPa급 DP강의 Weld Lobe 를나타내었다. 한편, 차체경량화및승객안전성확보를위하여 AHSS 의적용량이증가하고있는추세에도불구하고, AHSS 의저항점용접성에대한체계적인연구가부족한실정이다. 특히차세대자동차용강판으로기대되는고 Mn, 고 Al을함유하는 X-AHSS, U-AHSS 및 Ceq가높은강종에대해서도체계적인연구가선행되어야한다. 134 Journal of KWJS, Vol. 27, No. 2, April, 2009
자동차용첨단고강도강의개발동향및용접성 17 Sheet thikness (mm) a Eletrode diameter (mm) Eletrode fore (kn) Rm <380Mpa Table 1 Welding parameters for steel sheets Rm 80MPa Number of pulse Rm <380MPa Welding time yles d Weld time b Rm 380MPa 0.5 6.0 1.70 2.10 1 5 + X 6 + X - 0.6 6.0 1.90 2.30 1 6 + X 7 + X - 0.7 6.0 2.10 2.60 1 7 + X 8 + X - 0.8 6.0 2.30 3.00 1 8 + X 9 + X - 0.9 6.0 2.50 3.50 1 9 + X 10 + X - 1.0 6.0 2.70 3.50 1 10 + X 11 + X - 1.2 6.0 3.00 4.00 1 12 + X 14 + X - Hold time Unoated sheet Hold time yles d 1.5 8.0 4.00 4.50 3 6 + X 7 + X 2 15 20 1.8 8.0 4.50 5.00 3 7 + X 8 + X 2 15 20 2.0 8.0 4.50 5.00 4 6 + X 7 + X 2 15 20 2.5 8.0 5.00 6.00 5 6 + X 7 + X 2 20 25 3.0 8.0 5.50 6.50 5 7 + X 8 + X 2 25 30 a 용접소재가표기한두께와다른경우, x.x~x.x4 의경우낮은값을사용하고, x.x5~x.x9 경우높은값을사용할것예 : 두께가 0.8~0.84mm 일때는 0.8mm 을, 0.85~0.9mm 일때는 0.9mm 을사용할것두께가 1.2~1.34mm 일때는 1.2mm 를, 1.35~1.5mm 일때는 1.5mm 를사용할것 b 도금재용접의경우의용접시간은 X yle 유지시간은용접시간과동일 d 1 yle 은 0.02초 Coated sheet 12 10 8 980DP, 1.2t, GI Weld range: 6.0~9.8kA Interfae Partial Interfae Plug Nugget Button I max =9.8kA 열화는첨단고강도강의확대적용에걸림돌이되고있다. 고연성-초고강도를만족하는차세대자동차용강판의실용화를위해용접에관한체계적이고, 끊임없는연구가요구된다. Weld size (mm) 6 4 2 0 WS min =4.4mm I min =6.0kA 4 5 6 7 8 9 10 Weld rrent (ka) Expulsion Single phase AC, 60Hz Eletrode fore: 4.0kN Welding time: 19yle Holding time: 19yle Tip diameter: 6mm Fig. 4 Weld lobe of galvanized DP steel with tensile strength of 980MPa 7. 맺음말 지구환경보호를위한차체경량화와승객의안전성향상을동시에충족시킬수있는 AHSS 개발및적용이점차확대되고있으며, 보다강화되는안전및환경규제를만족시키기위하여 X-AHSS 와 U-AHSS 의개발및적용이요구되고있다. 변태강화기구를주로활용하는첨단고강도강은기존강재에비하여합금첨가량이필수적으로증가하게되며, 이에따른용접성의 참고문헌 1. W. C. Jeong : KSAE, 18-5 (1996), 12 (in Korean) 2. V. F. Zakay et al. : Trans. ASM, Vol.60 (1967), 252 3. P. J. Jaques, E. Girault, Ph. Harlet and F. Delannay : ISIJ Int., Vol.41 (2001), 1061 4. B. C. De Cooman : Current Opinion in Solid State & Mater. Si., Vol.8 (2004), 285 5. C. D. Horvath and J. R. Fekete : Int. Conf. AHSS for automotive appliations proeedings, June 6-9, 2004, Winter park, Colorado, USA, 3 6. D. K. Matlok, G. Krauss, L.F. Ramos and G. S. Huppi : Struture and Properties of Dual-Phase Steels eds by R. A. Kot and J. W. Morris, TMS-AIME, New York, USA (1979), 62 7. R. D. Lawson, D. K. Matlok and G. Krauss : Fundamentals of Dual Phase Steels, TMS-AIME, Chiago, (1981), 347 8. R. K. Ray, J. J. Jonas and R. E. Hook : Int. Mater. Rev. Vol.39 (1994), 129 9. S. H. Han, Y. Ahn, K. G. Chin and I.B. Kim : J. Kor. Inst. Met. & Mater. Vol.46 (2008), 713 (in Korean) 10. Y. Ahn : Proeedings of the Korean Institute of 大韓熔接 接合學會誌第 27 卷第 2 號, 2009 年 4 月 135
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