KR100256360B1 - 충격인성이 우수한 비조질강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 엔진, 샷시 및 조향장치의 단조부품용 소재들중 약 100kg/㎟이상의 인장강도가 요구되는 부품의 소재로 사용되는 열간단조용 합금강의 제조방법에 관한 것으로, 각종 성분을 적절히 조정하고 단조후 수냉각시 켄칭(quenching)을 줄여서 재질 편차가 적고 충격인성이 우수한 고장력 열간단조용 비조질강을 제공하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로, C:0.04-0.15%, Si:0.10-0.70%, Mn:0.8-2.0%, Cr:0.30-1.5, Ni:0.10-0.50%, W:0.2-2.0%, Ti:0.01-0.04%, B:0.0008-0.0040%, P:0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃이상의 온도에서 마무리 단조를 하고 상온까지 200℃/min 이상의 냉각속도로 급냉시켜 충격인성이 우수한 비조질강의 제조하는 방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

충격인성이 우수한 비조질강의 제조방법

제1도는 통상의 열간단조 부품의 제조공정도.

제2도는 본 발명의 범위를 만족하는 발명강 및 이를 만족하지 못하는 비교강의 미세조직 사진.

본 발명은 차량의 엔진(engine), 샷시 및 조향장치의 단조부품용 소재들중 약 100kg/㎟이상의 인장강도가 요구되는 부품의 소재로 사용되는 열간단조용 합금강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게 설명하면, 상기한 차량 부품들의 가공공정에서 통상적으로 수반되는 소입소려(Quenching and Tempering) 열처리 공정을 생략하고도, 소입 소려처리한 강과 유사한 강도 및 인성을 가지는 단조품을 제조할 수 있는 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.

상기한 고강도의 자동차 부품들은 도 1에서 보여주는 바와같이, 압연재를 1200-1300℃정도의 온도로 재가열한 후, 열간 상태에서 최종 부품 형상으로 열간단조를 한 후 냉각시킨다. 이후 소입소려 열처리를 실시하여 요구되는 강도 및 인성을 확보한다. 상기 공정중 소입소려 열처리는 단조품을 850℃내외로 가열 후 수냉 혹은 유냉시켜 재질을 경화시키는 소입(Quenching)공정과 이를 다시 600℃ 내외로 가열 후 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering)공정으로 구분된다. 이와같은 공정을 통하여 가공되는 종래의 열간단조용강의 소재로는 통상 하기표 1과 같은 SCM 435, SCM 440 등의 기계구조용 합금강을 사용하며, 소입소려처리를 끝낸 최종 제품상태에서의 미세조직은 탬퍼드 마르텐사이트(Tempered martensite)이고 기계적 성질은 하기표 2와 같다.

[표 1]

[표 2]

그러나 '70년대 중반부터 유럽 및 일본을 중심으로 소입소려 열처리를 생략하여 원가절감을 획기적으로 꾀할 수 있는 인장강도 80kg/㎟급 열간단조용 비조질강이 발명되고 곧이어 '80년대 중반 이후부터는 종래 열처리를 실시하는 SCM 435 및 SCM 440과 같은 인장강도 100kg/㎟급 고강도 합금강을 대체할 수 있는 열처리 생략 비조질강이 발명되었다. 공지된 이들 100kg/㎟급 고장력 열간단조용 비조질강의 제조방법 및 특징들을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 신일본제철주식회사에서 출원한 일본 공개특허공보(소) 64-222호의 비조질강은, 탄소함량 0.02~0.15%의 저탄소강에 열처리 경화능을 향상시킬 목적으로 망간(Mn) 0.70-3.0%크롬(Cr) 0.50-3.0%을 함유한 조성의 강이다. 망간과 크롬을 다량 함유한 이 강은 단조 후 공냉 및 수냉상태로 쉽게 베이나이트(Bainite)조직을 얻게 되고, 이로 인하여 강의 강도가 100kg/㎟ 이상까지 올라가게 된다.

일본 고베제강소에서 출원한 일본 특허공보 (소) 64-56821호의 비조질강은 탄소함량 0.04-0.20%의 저탄소강에 망간(Mn) 1.0-3.0%, 크롬(Cr) 0.5-3%, 몰리브덴(Mo) 0.05-1.0%를 함유하고 있다. 이때, 망간, 크롬, 몰리브덴은 소입성을 증가시켜 강을 강화시킬 목적으로 첨가하였다.

상기와 같은 고장력 열간단조용 비조질강들은 단조후 공냉 및 수냉상태에서 고강도의 베이나이트(bainite) 혹은 마르텐사이트(martensite)조직을 가지도록 하기 위해서 소입성 향상 원소인 크롬, 몰리브덴, 망간등을 다량 함유하고 있다. 이들 원소들이 첨가됨에 따라서 고강도의 저온 변태조직은 쉽게 얻을 수 있으나, 대신 냉각속도 변화에 따라 조직이 아주 민감하게 변화한다는 단점이 있다. 즉, 단조후 수냉각시 켄칭(quenching) 과민성이 커서 조직 및 물성치의 불균일성을 초래하기가 쉽다. 따라서 동일 단조 제품이라 하더라도 두꺼운 부분과 얇은 부분의 재질 편차가 심하게 된다. 이러한 조직의 불균일성은 강의 충격인성을 악화시킨다.

이에, 본 발명자는 상기와 같은 종래 비조질강의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 강종 성분을 적절히 조정하고 단조후 수냉각시 켄칭(quenching) 민감성을 줄여서 재질편차가 적고 충격인성이 우수한 고장력 열간단조용 비조질강을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 중량%로, C:0.04-0.15%, Si:0.10-0.70%, Mn:0.8-2.0%, Cr:0.30-1.5, Ni:0.10-0.50%, W:0.2-2.0%, Ti:0.01-0.04%, B:0.0008-0.0040%, P:0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃이상의 온도에서 마무리 단조를 하고 상온까지 200℃/min 이상의 냉각속도로 급냉시켜 충격인성이 우수한 비조질강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 보다 상세하게 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 강을 상기와 같이 조성되도록 함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

탄소(C)는 그 함량을 종래의 열처리재(SCM 435, SCM 440) 대비 많이 낮추어 강의 충격인성 및 연성을 증가시킨다. 탄소함량이 너무 낮은 경우에는 필요강도의 확보가 불가능하고 너무 높은 경우에는 필요한 충격치 확보가 불가능하므로 탄소함량은 0.04-0.15%로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 고용강화에 의한 강도 증가 효과를 얻기 위해 0.70%까지 첨가하나 그 이상 첨가되면 오히려 인성을 해치게 된다. 그리고 필요강도를 확보하고 또 탈산을 충분히 해주기 위해서 0.10% 이상 첨가되는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 소입성 증가 및 고용강화 효과에 의하여 강의 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. 그러나 2.0%이상 첨가될 경우 인성을 감소시킨다. 따라서 인성을 크게 저하시키지 않고 필요강도를 얻기 위해서는 상기 망간의 함량은 0.8-2.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 양호한 소입성을 확보하기 위해 필요한 원소로써 특히 기지 조직을 강화하여 강도를 증가시키고 또한 내마모성과 내부식성을 개선시킨다. 이러한 목적으로 0.30% 이상 첨가할 필요가 있지만 1.5% 이상 첨가되면 인성이 저하되고 가격이 비싸지므로 첨가범위를 0.30-1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 기지조직을 강화시키고 소입성을 향상시키지만 첨가량이 많아지면 피삭성이 나빠지고 가격이 비싸지므로 첨가범위를 0.10-0.50%로 한정하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W)은 기지조직을 강화시키고 소입성을 증가시킨다. 특히 켄칭(quenching) 과민성을 줄여서 켄칭조직을 안정화시켜 재질을 균일화시키는 효과가 있다. 다량 첨가하는 경우부품의 무게가 무거워지고 또 가격이 비싸지므로 첨가범위를 0.20%-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti)은 강중에서 질소와 결합하여 티타늄 질화물을 형성한다. 티타늄 질화물은 단조 전 재가열 과정에서 오스테나이트 입성장을 억제시켜 강의 충격인성을 개선시킨다. 티타늄의 첨가량이 너무 적으면 티타늄 질화물 절대량이 적어 효과적으로 입성장을 억제시키기가 곤란하고, 첨가량이 일정량을 넘으면 효과가 포화되므로 고가의 합금원소를 과도히 첨가할 필요는 없다. 따라서 적정 첨가량은 0.010-0.040%로 판명되었다.

붕소는 강의 소입성을 증가시키는 원소로, 그 첨가량은 소입성 증가효과가 가장 크게 나타나는 0.0008-0.0040%로 제한하는 것이 바람직하다.

인(P)은 오스테나이트 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.030%로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 강중에서 망간과 결합하여 망간 황화물을 형성한다. 망간황화물은 강의 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.030%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같은 조성을 만족하도록 강을 주조한 다음, 재가열 후 환봉 및 사각봉 형태로 열간압연을 한다. 이 과정에서 주조조직의 파괴가 이루어지므로 가열온도는 1200-1300℃ 범위가 바람직하고, 압하비는 클수록 좋다. 봉간압연을 마친 소재는 다시 재가열하여 열간에서 형단조를 실시한다. 열간단조작업을 하기 위해 재가열하는 온도는 너무 높으면 오스테나이트 입자가 과도히 성장하게 되어 인성을 떨어뜨리고, 너무 낮으면 단조온도가 낮아지게 되어 다이스의 수명을 현저히 감소시킨다. 따라서 단조 전 재가열온도는 1200-1300℃가 적절하다.

이후 열간단조시 단조온도는, 오스테나이트 영역범위에서는 낮을수록 충격인성을 향상시키나 너무 낮으면 다이스 수명 감소가 크므로 1000-1100℃ 범위가 바람직하다. 단조 이후는 냉각용 오일(oil)이나 물로써 냉각속도 200℃/min 이상으로 급냉시킨다. 냉각속도가 이보다 늦어지게 되면 마르텐사이트가 충분히 생기지 않게 되어 필요한 강도와 충격치를 얻기가 곤란하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기표 3과 같은 조성의 소형강과(160mm×160mm×L)를 1200℃에서 2시간 가열후 열간에서 압연하여 두께 42mm 판으로 제조하였다. 이후 단조공정을 모사하기 위하여 시편을 다시 1200℃로 재가열한 후 2패스(pass)로 열간압연하였다. 첫패스의 압하율은 21%, 둘째 패스는 24%의 압하율로 압연하였다. 둘째 패스의 압연온도는 1100℃로 하였으며 압연후 수냉각시켰다. 상기와 같이 제조한 발명강 1에 대하여 미세조직을 관찰하고 기계적 성질을 조사하여 그 결과를 하기표 4에, 그리고 발명강(1) 및 비교강(1)의 미세조직을 400배의 배율로 관찰하고 그 결과를 도 2a 및 도 2b에 나타내었다.

[표 3]

[표 4]

발명강(1)의 경우 상온 충격치가 251.6 J/㎠으로써 종래의 열처리재(비교강 2) 대비 월등히 우수하다. 뿐만 아니라 기 발명 고장력 열간단조용 비조질강(비교강 1)의 충격치보다도 우수한 값을 보이고 있다.

이는 본 발명강에 첨가된 텅스텐이 마르텐사이트 조직을 안정화시켜서 충격치를 개선했기 때문이다. 동일한 크기의 한 시편내의 경도범위를 보면 본 발명강(1, 2)의 경우 경도 편차가 기 발명 비조질강(비고강 1)의 경도 편차의 1/2 수준으로 감소하였다. 이 역시 본 발명강에 첨가된 텅스텐이 냉각시강의 켄칭(quenching) 민감성을 감소시켜 두께 방향으로 균일한 변태가 이루어졌기 대문이다.

그리고, 도 2는 본 발명강(1)의 마르텐사이트 조직과 종래 열처리를 마친 SCM 440 4강인 비교강(1)의 템퍼드 마르텐사이드 조직을 나타낸 것으로 본 발명강(1)의 경우 전체적으로 마르텐사이트 조직이 잘 발달되어 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강의 합금성분계 및 이의 단조조건 및 열처리 조건을 적절히 제어하므로써, 재질 편차가 적고 충격인성이 우수한 고장력 열간단조용 비조질강을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.04-0.15%, Si:0.10-0.70%, Mn:0.8-2.0%, Cr:0.30-1.5, Ni:0.10-0.50%, W:0.2-2.0%, Ti:0.01-0.04%, B:0.0008-0.0040%, P:0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1200-1300℃로 재가열후 열간에서 형단조를 실시하여 1000℃이상의 온도에서 마무리 단조를 하고 이후 상온까지 200℃/min 이상의 냉각속도로 급냉시키는 것을 특징으로 하는 충격인성이 우수한 비조질강의 제조방법.