KR100276298B1 - 고망간함유 신선용 경강선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고 Mn 경강선재 제조시 Mn의 경화능 향상 효과와 중심편석에 의한 마르텐사이트 발생을 억제하기 위해, 단계적 연속냉각법을 적용하여 페이턴팅 열처리없이 총단면 감소율 80-85%까지의 직접신선이 가능한 신성성이 우수한 고 Mn 함유 경강선재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명은 신선용 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로, C:0.6-0.8%, Si:0.1-0.3%, Mn:0.9-1.2%, P:0.015% 이하, S:0.01% 이하, Cu:0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 강을 선재로 열간압연한 후 800-900℃의 냉각개시 온도에서 austenite→ferrite+pearlite(오스테나이트 → 페라이트 + 퍼얼라이트) 변태 개시온도까지 20-25℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후, 변태 개시 후 냉각속도를 4-9℃/sec으로 낮추어 냉각하는 직접신선 가능한 고 Mn 함유 신선용 경강선재를 제조하는 방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

고 망간(Mn) 함유 신선용 경강선재의 제조방법

본 발명은 신선용 경강선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접신선가공에 적합한 미세조직을 갖고 고 Mn 함유 경강선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차 부품용 코일 스프링은 현가용 등 특수용도를 제외하고는 탄소를 0.4%-0.8% 함유한 경강선재를 소재로 제조되어진다. 스프링 소재는 스프링 형상을 만드는 코일링(coiling) 성형시 매우 극심한 소성변형을 받게 되므로 강도, 인성 등 소재의 기계적 성질이 균일해야 하며, 또한 스프링 특성을 잘 나타내기 위해 직선성(straightness)이 요구된다. 이를 위해 선재 상태에서 요구되는 직경까지 직접신선 후, 균일한 기계적 성질과 미세조직을 부여하기 위해 900℃ 이상에서 오스테나이트화 열처리하고, 60-70℃의 오일(oil)에 급냉(oil quenching)하고, 450-500℃의 온도에서 템퍼링(tempering) 처리를 하여 코일링 성형을 한다. 상기 과정 중 직접신선은 주어진 오일켄칭-템퍼링(oil quenching-tempering)조건에서 가장 균일한 기계적 성질과 미세조직을 나타내는 소재의 직경을 얻기 위해 필수적으로 행하여지는 단계이다. 또한, 상기 직접신선은 원소재인 선재의 미세조직이 불량할 경우 직접신선과정에서 단선이 일어나므로 생산성에 가장 큰 영향을 미치는 공정이다.

일반적으로 제철소에서는 강의 합금성분에 따른 연속냉각곡선을 기초로 연속냉각법을 이용하여 직접신선용 선재를 제조하고 있다. 따라서 냉각속도의 부적절, 소입성 향상, 합금원소 다량 함유, 혹은 이러한 원소들에 의한 중심편석이 일어날 경우 신선시 단선요인으로 작용하는 마르텐사이트(martensite)와 같은 저온조직을 발생시키므로 이의 억제가 요구된다.

일반적으로 신선용 경강선재는 통상 Mn을 0.3-0.9% 함유하고 있으나, 최근에는 스프링용 경강선재의 경우 오일 켄칭-템퍼링시 소입성을 향상시키기 위해 Mn을 0.9% 이상으로 상향조정하여 생산하는 시도가 이루어지고 있다. 그러나, Mn은 소입성을 향상시킬 뿐 아니라 중심편석이 용이하므로 다량 함유될 경우 선재중심부에 경화능을 국부적으로 향상시켜 선재중심부에 마르텐사이트 조직을 발생시킬 확률이 높다.

따라서, 오일 켄칭-템퍼링 공정을 거치는 일반 스프링용 고 Mn 함유 강선 제조에 있어, 전처리인 직접신선시 단선 요인으로 작용하는 마르텐사이트 발생을 억제하는 냉각법을 적용하거나 냉각속도를 설정하는 것이 생산성을 증가시키는 가장 중요한 조건이 된다.

상기 연속냉각법을 이용한 고 Mn 함유 경강선제를 제조하는 종래의 기술로는 일본특허공개공보 (소)61-128789,(평)6-57261, 미국특허공개 US771028과 일본의 오치아이(落合)등이 '철과 강' 74(1988)p.1625에 발표한 '연주제 고탄소강선재의 신선가공성에 미치는 중심편석의 영향' 등을 들 수 있다.

상기 특허공개공보(소)61-128789는 C:0.7-1.0%, Si:0.5-2.0%, Mn:0.5-1.5%, N:0.003-0.015%, Al:0.02-0.1%를 포함하는 강을 페이턴팅 열처리를 하여 신선시 신선 다이스를 직접냉각하여 강도를 138kg/㎟ 이상 확보함과 동시에 우수한 연성을 얻는 방법에 관한 것이다. 이는 중간 열처리인 페이턴팅을 실시하므로 직접신선용으로는 부적절하다.

상기 특허공개공보(평)6-57261은 C:0.7-1.1%, Si:0.1-1.5%, Mn:0.1-1.5%, P:＜0.02%, S:＜O.02%를 기본화학성분으로 하며 Cr:＜O.3%, Ni:＜1.0%, Cu:＜O.8% 중 한 원소 이상을 첨가하는 강에서 제조시 불가피하게 형성된 개재물의 애스펙트 비(aspect ratio)(길이/두께)를 조절함으로서 신선성을 증가시키는 방법에 관한 것이다. 이는 개재물이 마르텐사이트일 경우 마르텐사이트의 강도가 매우 높아 애스펙트 비를 조절하는 것이 불가능하다. 따라서, 고 Mn 함유에 따른 편석 혹은 소입성 향상에 의해 마르텐사이트가 개재물의 형태로 존재할 경우 이 방법을 적용하는 것이 곤란하다.

상기 미국특허공개 US771028은 C:0.4-1.5%, Si:0.05-1.0%, Mn:0.05-1.2%, Cr:0.01-1.4%, Co:0.3-1.6%, Ni:0.01-0.5%를 포함하는 강을 소재로 540-620℃에서 페이턴팅 열처리를 거친 후 최종단면감소율 60-98%로 신선가능한 선재를 제조하는 것이다. 그러나, 고 Mn 이외에 소입성 향상 효과가 큰 Cr, Co를 함유하므로 통상선재제조 조건 상 마르텐사이트 발생을 억제하기 어려우므로 페이턴팅 열처리가 불가피한 단점이 있다.

이외에도 상기 세가지 기술은 고 Mn 함유에 따른 중심편석에 의한 선재 중심부의 마르텐사이트 발생 억제에 대한 언급을 하고 있지 않다.

상기 '철과 강' 74(1988)p.1625에 발표한 '연주제 고탄소강선재의 신선가공성에 미치는 중심편석의 영향'은 선재 압연 전 소재인 연주 빌렛에서 Mn의 중심편석을 감소시키는 기술로서 선재 압연 전에 행하는 발렛 재가열시 가열로의 온도와 재료시간을 증가시켜 Mn의 확산에 의한 중심편석을 감소시킨다. 그러나, 이 기술은 Mn 편석대를 완전히 소거할 수 없고, 잔존하는 Mn 편석대에 의해 선재 연속냉각 시마르텐사이트가 발생할 확률이 높다는 문제점이 있다.

본 발명자들은 상기 기술들이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭한 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 고 Mn 경강선재 제조시 Mn의 경화능 향상 효과와 중심편석에 의한 마르텐사이트 발생을 억제하기 위해, 단계적 연속냉각법을 적용하여 페이턴팅 열처리없이 총단면 감소율 80-85%까지의 직접신선이 가능한 신성성이 우수한 고 Mn 함유 경강선재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

제1도는 본 발명에 사용된 연속냉각곡선.

제2도는 발명재의 단면부 조직사진.

본 발명은 신선용 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로, C:0.6-0.8%, Si:0.1-0.3%, Mn:0.9-1.2%, P:0.015% 이하, S:0.01% 이하, Cu:0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 강을 선재로 열간압연한 후 800-900℃의 냉각개시 온도에서 austenite→ ferrite + pearlite(오스테나이트 → 페라이트 + 퍼얼라이트)변태 개시온도까지 20-25℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후, 변태 개시 후 냉각속도를 4-9℃/sec으로 낮추어 냉각하는 직접신선 가능한 고 Mn 함유 신선용 경강선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 성분한정 이유를 설명한다.

상기 탄소(C)는 강도증가에 가장 효과적인 원소로 주지되고 있는 성분으로 본 발명에서 턴소함량을 0.6-0.8%로 한정한다. 이는 탄소함량이 0.6% 미만에서는 페라이트의 분율증가에 수반되는 강도 저하로 상기 화학셩분을 갖는 강들의 사용용도인 스프링의 특성을 만족시키지 못하기 때문이다. 또한 0.8%를 초과하는 경우에는 상기 냉각속도의 범위에서 초석 세멘타이트가 석출되기 용이하여 이로 인해 신선시 단선이 발생할 수 있기 때문이다.

상기 실리콘(Si)은 강의 탈산에 필수적인 원소로서 함유랑을 0.1-0.3%로 한정한다.

그 함량이 0.1% 미만으로 소량인 경우에는 탈산효과가 미흡하고, 퍼얼라이트(pearlite) 내의 페라이트(ferrite)에 고용되어 퍼얼라이트의 강도를 향상시키는 효과도 미흡하기 때문이다. 또한, 함량이 0.3%를 초과한 경우에는 실리콘이 Mn과 유사하게 경화능 향상효과가 크므로 해서 상기 성분과 같은 고 Mn 함유 강에서는 Mn과 더불어 경화능 향상에 대해 상승효과를 나타내어 퍼얼라이트의 강도 증가와 더불어 연성의 감소에 의한 신선성 저하를 초래하기 때문이다.

상기 망간(Mn)은 강의 제조시 탈산 효과가 크며 강의 제조시 필수적으로 함유되는 황과 반응, 황화망간(MnS)를 형성하여 황의 결정립계 편석에 의한 적열취성을 방지하는 효과를 나타낸다. 일반경강선재는 경화능 향상 효과를 고려하여 Mn의 함량을 0.9% 이하로 제한하고 있으나 본 발명에 있어서는 스프링의 특성인 직선성을 증가시키며 오일 ㅓ켄칭-템퍼링(oil quenching-tempering) 시 소입성을 보장하기 위해 0.9% 이상 첨가하는 것이다. 그러나 과다첨가시 선재중심부에 평균 Mn 농도 1.5배 이상의 편석대를 형성하여 현재 심용중인 연속냉각설비하에서 가장 낮은 냉각속도를 적용하여도 마르텐사이트 발생이 불가피하므로 1.2% 이하로 제한한다. 따라서, 본 발명에서는 Mn을 0.9-1.2%로 한정하는 것이다.

상기 인(P)은 제강시 중심부에 가장 편석되기 쉬우며 경화능 향상에 가장 큰 효과를 나타내는 원소로서 선재 압연 후에도 중심부에 편석대를 형성한다. 또한 Mn과 동시편석을 일으키기 용이하여 통상의 서냉 조건에서도 저온조직을 발생시키기 쉬우므로, 본 발명에서는 0.0l5% 이하로 관리하는 것이다.

상기 황(S)은 결정립계에 편석되기 쉬운 원소로서 결정립계에 편석될 경우 결정립계를 취약하게하여, 특히 고온 압연시 적열취성을 일으키므로 본 발명에서는 0.01%이하로 관리하는 것이다.

상기 구리(Cu)는 부식을 방지할 목적으로 첨가한다. 그러나 Cu는 과다 첨가시 퍼얼라이트 변태 중 퍼얼라이트 내의 세멘타이트/ 페라이트 계면에 ε-Cu로 석출되어 퍼얼라이트 성장을 억제하므로, 본 발명에서는 0.05% 이하로 제한하는 것이다.

이하, 본 발명에 있어 냉각개시온도 범위의 한정 이유 및 냉각속도 한정이유를 설명한다.

본 발명은 상기와 같이 구성되는 강을 선재로 열간압연 후 800-900℃의 냉각개시 온도에서 오스테나이트 → 페라이트 + 퍼얼라이트 변태개시 온도까지 냉각한다. 800℃ 이하의 상대적인 저온에서 냉각을 개시할 경우 냉각개시온도는 선재압연 온도와 직접 연관되는 까닭으로 저온압연이 불가피하게 되며 이로 인하여 압연시 압연과부하에 의한 소재형상 불균일 등 압연불량을 초래한다. 900℃ 이상에서는 오스테나이트(austenite)의 조대화에 의한 퍼얼라이트 분율의 저하로 인해 강도가 감소하며, 선재 열간압연시 표면흠에 의한 불량, 권취 불량 등 선재품질의 저하를 야기시키므로 선재냉각개시온도는 800-900℃로 한정하는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 선재냉각개시온도에서 퍼얼라이트 변태개시온도 까지의 냉각 속도를 20-25℃/sec로 한정한다.

상기 퍼얼라이트 변태개시온도 까지의 냉각속도가 20℃/sec 미만일 경우 퍼얼라이트 변태는 연속 냉각곡선의 노즈(nose) 온도보다 높은 온도에서 시작되며, 이때 퍼얼라이트의 라멜라 간격을 결정하는 주인자인 과냉도가 작아져 조대한 리졸버블 퍼얼라이트(resolvable pearlite) 조직을 형성, 신선성을 열화시키며 강도 저하를 초래한다. 과냉도는 평형변태온도와 실제변태온도의 차이를 의미하며, 리졸버블 퍼얼라이트는 라멜라 간격이 넓은 퍼얼라이트로 일반 광학현미경의 배율하에서 퍼얼라이트의 구성조직인 페라이트와 세멘타이트의 구분이 가능한 퍼얼라이트 조직을 칭한다. 25℃/sec 이상일 경우에는 퍼얼라이트 변태개시 전에 저온조직의 일종인 베이나이트(bainite) 변태가 시작되므로 퍼얼라이트 변태개시온도까지의 냉각속도는 25℃/sec 이하로 한정하는 것이다.

또한, 본 발명은 퍼얼라이트 변태개시 후 냉각속도를 4-9℃/sec로 한정한다.

그 냉각속도를 9℃/sec 이하로 한정하는 이유는 다음과 같다. 상기 강종의 실리콘 및 망간 함량에 있어서 연속냉각곡선 상의 마르텐사이트 발생 임계 냉각속도는 15℃/sec 이나, 9-15℃/sec의 냉각속도를 부여할 경우 Mn 중심편석이 심한 선재 중심부에서 퍼얼라이트 변태가 완료되기 전에 일부 오스테나이트가 저온조직인 베이나이트나 마르텐사이트로 무확산 변태된다. 따라서, 이러한 Mn 중심편석에 의한 선재 중심부에서의 저온조직 발생 억제를 위해 퍼얼라이트 변태개시 후 냉각속도는 9℃/sec 이하로 제한하는 것이다. 또한, 퍼얼라이트 변태개시 후 냉각속도를 4℃/sec 이상으로 한정하는 이유는 다음과 같다. 선재 중심부 마르텐사이트 발생을 억제하기 위해 4℃/sec 이하의 서냉을 실시할 경우 미변태 오스테나이트의 퍼얼라이트 변태시 상기 기술한 바와 같이 과냉도가 작아져 국부적으로 조대한 리졸버블퍼얼라이트 조직을 형성한다. 따라서, 퍼얼라이트 변태개시 후 냉각속도는 4-9℃/sec로 한정하는 것이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 고 Mn 함유에 수반되는 경화능 향상 및 Mn의 선재 중심편석에 의한 신선에 유해한 미세조직인 마르텐사이트의 발생을 억제하고, 페이턴팅 열처리 없이 총단면 감소율을 80-85%로 직접신선 가능하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

연속냉각시 마르텐사이트 발생 임계냉각속도를 측정하기 위해 하기 표 1의 성분을 갖는 지름 7mm 선재의 중심부에서 길이 10mm × 지름 3mm의 봉상시편을 가공한 후 900℃에서 3분간 오스테나이트화 열처리하여 830℃로 급냉한 후 딜라토메트리(dilatometry: 연속냉각 모사 실험장치)에서 1-50℃/sec의 냉각속도를 적용하여 작성한 연속냉각곡선을 도1에 나타내었다. 제1도의 (a)는 하기표 1의 강종 A의 연속냉각곡선이며, 제1도의 (b)는 하기표 1의 강종 B의 연속냉각곡선이다. 제1도의 (a),(b)에 나타난 바와같이, 두 종류의 성분을 갖는 강에서 연속냉각곡선은 큰 차이가 없으며 노즈(nose)에 해당하는 온도는 약 540℃, 노즈를 통과하는 냉각 속도는 20-25℃/sec였다. 또한, 변태 완료까지 일정 냉각속도를 적용했을 경우 마르텐사이트 발생임계냉각속도는 15℃/sec로 나타났다.

[표 1]

[실시예 2]

실시예 1에서 구하여진 언속냉각곡선에 기초하여 상기 표 1의 성분을 갖는 동일 크기의 선재에 대해 냉각개시온도 830℃로 부터 하기표 2에 나타낸 바와같이, 퍼얼라이트 변태개시까지 냉각속도 20℃/sec, 퍼얼라이트 변태 개시 후 냉각속도를 각각 5, 7, 12, 17℃/sec 적용하여 실제 생산 설비인 stelmor 연속냉각설비에서 직경 7mm의 선재들를 생산하였다.

또한, 상기의 단계적 연속냉각의 효과를 알아 보기 위해 냉각개시부터 변태완료시까지 일정 냉각속도 12℃/sec를 적용하여 선재를 제조하았다. 각 냉각속도에서 선재 중심부에 고 Mn 함유에 따른 중심편석에 기인하는 마르텐사이트 발생 여부를 조사하기 위해 선재 단면을 절단하여 24배 배율의 광학현미경으로 관찰하였으며 직접 신선 시 단선 발생 여부를 조사하기 위해 신선가공을 행하였다. 신선은 신선속도 3m/min의 10 패스를 행하였으며 패스 당 평균단면감소율은 20%로 총단면 감소율은 82%였다. 제2도의 (a)는 퍼얼라이트 변태개시 전까지 20℃/sec, 변태 개시 후 12℃/sec의 냉각속도를 적용한 비교재(1)의 단면부 조직사진으로서, 단계적 연속냉각법을 적용했을지라도 중심부에 Mn의 편석에 기인하여 마르텐사이트가 발생하였음을 보여준다, 제2도 (a)에서 중심부의 횐 부분이 마르텐사이트이다. 제2도의 (b)는 퍼얼라이트 변태개시 전까지 20℃/sec, 변태 개시 후 7℃/sec의 냉각속도를 적용한 발명재(2)의 단면부 조직사진으로서 단계적 연속냉각법을 적용하고 단계별 냉각속도를 상기한 범위 내로 조절할 경우 고 Mn 함유 경강선재에서 마르텐사이트 발생이 억제됨을 알 수 있다. 발명재와 비교재 각각에 적용된 냉각속도에 따른 중심부 마르텐사이트 발생여부 및 신선시 단선 발생 여부를 하기표 2에 각각 나타내었다. 하기표 2의 미세조직에서 P는 퍼얼라이트, F는 페라이트, M은 마르텐사이트를 나타낸다.

비교재(3) 및 (4)와 같이 단계적 연속냉각법을 적용하지 않은 경우 중심부에 Mn의 편석에 기인하여 연속냉각곡선 상의 마르텐사이트 발생 임계 냉각속도 이하인 12℃/sec의 냉각속도에서 마르텐사이트가 발생하였다. 또한, 비교재 (1),(2),(4) 및 (5)와 같이 단계적 연속냉각법을 적용했을지라도 냉각속도 범위가 본 발명의 범위를 벗어난 경우는 마르텐사이트가 발생하여 신선 시 단선 발생의 직접적인 원인을 제공함을 보여준다. 제1도의 연속냉각곡선에 본 발명의 단계적 연속냉각법과 냉각속도의 궤적을 나타내었다.

[표 2]

상기에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명에 의하면, 고 Mn 함유에 수반되는 경화능향상 및 Mn의 선재 중심편석에 의해 발생되는 미세조직의 마르텐사이트 발생을 억제하고 페이턴팅 열처리없이 총단면감소율 80-85%로 직접신선 가능한 고 Mn 함유 신선용 경강선재를 제조할 수 있다.

Claims (1)

1. 신선용 경강선재를 제조하는 방법에 있어서, 중량 %로, C:0.6-0.8%, Si:0.l-0.3%, Mn:0.9-1.2%, P:0.015% 이하, S:0.01% 이하, Cu:0.05% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 구성되는 강을 선재로 열간압연한 후 800-900℃의 냉각개시 온도에서 austenite→ferrite + pearlite(오스테나이트→페라이트 + 퍼얼라이트) 변태 개시온도까지 20-25℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후, 변태 개시 후 냉각속도를 4-9℃/sec으로 낮추어 냉각하는 것을 특징으로 하는 고 Mn 함유 신선용 경강선재를 제조하는 방법