KR100276320B1 - 냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상화 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼트, 스프링등으로 사용되는 중탄소강 선재의 구상화 열처리 방법에 관한 것이며, 그 목적은 냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상화 열처리방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 신선가공된 냉간압조용 선재를 1,2단계로 구상화 열처리하는 방법에 있어서, 상기 구상화처리는 780-810℃의 온도범위에서 1-3시간 동안 1단계 열처리하고, 20-30℃/hr의 속도로 냉각하여 680-723℃의 온도범위에서 3-5시간동안 열처리한 다음 650℃까지 노냉하는 2단계 열처리 하여 구성되는 냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상화 열처리방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상화 열처리 방법

본 발명은 볼트, 스프링등으로 사용되는 중탄소강으로 선재의 구상화열처리방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상회 열처리방법에 관한 것이다.

약 0.40-0.40중량%(이하, '%'라 함)의 탄소를 함유하는 중탄소강은 도1에 나타낸 바와 같이, 제강공정의 래들내에서 정련함으로써 비금속개재물의 양을 낮추어 주고, 연속주조공정에서 블룸으로 제조된다. 상기 블룸은 표면홈 등을 제거하기 위하여 전면 표면청정(hot scarfing)을 실시한 후 강편공장에서 빌렛으로 압연된 다음, 이어 2,3선재 공장에서 선재압연후 선재(wire rod)로 생산된다.

상기 선재(wire rod)는 구상화열처리 공정에서 소재의 연화를 목적으로 약 720℃에서 5시간동안 유지하는 저온열처리를 행한다. 그리고, 약 15-20%로 신선가공을 한후 15℃/hr의 속도로 냉각시켜 약 680℃의 온도에서 5시간동안 열처리를 한 다음 650℃까지 노냉하는 2단계 구상화열처리를 한다. 구상화열처리후 볼트, 스프링, 못등의 형태로 냉간압조되며, 냉간압조후 용도에 적정한 강도와 인성을 확보해 주기 위해 조질열처리(Quenching and Tempering)를 한후 최종제품으로 된다.

상기 1,2단계로 이루어지는 구상화처리반응을 구체적으로 살펴보면, Ac₁온도 보다 높은 온도에서는 소재에 망상의 초석 시멘타이트(cementite network)가 부분적으로 용해되며 펄라이트 조직이 완전히 분해되어 그 후 냉각과정동안 펄라이트 기지애서 구상화된 시멘타이트로의 상변태가 일어난다.

일반적으로 현재 알려진 구상화 열처리는 다음의 3가지 유형으로 분류되고 있다.

(1) A₁온도 보다 20-30℃ 높은 온도에서 일정한 시간등안 가열하고, A₁직하의 온도에서 장시간 유지하는 방법이다.

상기 방법은 일반적으로 중, 저탄소강에서 많이 행하여지고 있는 방법으로, A₁온도 이상에서의 소둔에 의해 오스테나이트 조직속에 용질의 상태로 녹아 있던 탄소가 A₁직하의 온도에서 장시간 유지시 구상화 탄화물로 석출되어 나온다. 이 방법에 있어서의 하나의 중요한 변수로 A₁변태점 이하의 온도로 냉각하는 속도의 영향을 들 수 있는데, 이 냉각속도는 생성되는 탄화물의 형상 및 분포에 큰 영향을 미친다. 즉, 변태가 일어나는 온도인 A₁이하에서의 가열시 A₁온도와의 온도차는 구상화 된 탄화물의 형상에 큰 영향을 주고, 온도에 가까워질수록 조대하고 연질인 구상화 조직을 얻을 수 있는 것이다.

(2) A₁온도직하의 온도에서 장시간 가열하는 방법이다.

상기 방법은 고온에서의 가열시간이 길어짐에 따라, 시멘타이트 라멜라(cementite lamella)가 봉상으로의 형태변화를 통해 둥근형태의 탄화물로 석출되는 효과를 이용하는 방법으로, 오랜 가열시간이 필요하게 되는 단점이 있으므로 신선가공을 통한 펄라이트의 파괴를 이용하면 가열시간의 단축이 용이한 방법이다.

(3) A₁온도를 중심으로 20-30℃ 정도 높은 온도와 A₁직하의 온도에서 반복적으로 가열하는 방법이 있다. 상기 방법은 A₁온도이상에서, 층상 펄라이트의 탄화물이 부분적으로 오스테나이트의 용해과정과 A₁이하의 온도에서의 석출하는 과정의 반복에 의해 구상화를 촉진하는 방법이며, 실제 생산에 적용하기에는 온도 및 냉각속도의 조절이 번잡하고 과정이 매우 복잡하다.

현재 널리 사용되고 있는 중탄소강 선재의 구상화열처리 방법은 상기 나열한 3가지 방법중 (1)의 방법으로서 구체적인 공정을 살펴보면 다음과 같다. 중탄소강선재를 730-760℃의 온도에서 5시간 이상 유지하여 망상의 초석 시멘타이트를 부분적으로 용해시키며 펄라이트 조직을 완전히 분해시킨후, 극 서냉하여 펄라이트 기지에서 구상화된 시멘타이트로 상변태시키고, 680-723℃의 온도에서 5시간 이상 유지시켜 구상화된 탄화물을 안정화시킨 다음, 약 650℃까지 로에서 극서냉시켜 저온조직(베이나이트 혹은 마르텐사이트)의 생성을 역제시켜 냉간가공성의 저하를 방지시키는 방법이다. 그러나, 상기 방법은 열처리시간이 너무 길어 소재의 생산성을 저하시킬 뿐만 아니라, 장시간 가열로 인한 소재의 열처리비용의 증가, 더나아가 장시간 가일로 인한 소재의 탈탄층의 두께가 증가되어 소재의 품질이 열악해지는 단점이 있다. 이뿐 아니라 탈탄층을 제거하기 위한 필링(Peeling) 처리 등으로 인해 실수율이 감소될 가능성도 있다.

이에, 본 발명자는 상기와 같은 구상화열처리시 야기될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행한 결과, 2단계로 이루어지는 구상화열처리시 1단계에서의 가열온도를 높이고 작업시간을 줄여 시멘타이트를 구상화시킨 다음, 2단계의 유지온도까지의 냉각속도를 빠르게 하여 2단계의 열처리를 행하게 되면 제품의 탄화물의 형상, 미소경도값의 변화, 고속압축시험후의 응력-변형도 곡선의 변화 및 고속압축시험후 투과식 전자현미경 사진의 밀도변화에는 거의 영향을 주지않기 때문에 열처리공정을 단축하면서 우수한 냉간압조성을 갖는 중탄소강 선재를 제조할 수 있다는 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 1,2단계로 이루어지는 중탄소강 선재의 구상화열처리 공정변수를 적절히 제어함으로써, 구상화열처리 공정을 단축하면서 우수한 냉간압조성을 갖는 중탄소강 선재의 구상화 열처리방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도1은 중탄소강 선재의 제조과정을 나타내는 모식도.

도2 (a),(b)는 본 발명재(1-2)의 광학현미경 사진.

(c),(d)는 본 발명재(1-2)의 광학현미경 조직사진.

(e),(f)는 종래재(1-2)에 의한 실제 조업후의 광학현미경 조직사진.

도3은 열처리시간의 변화에 의한 비교재(1,2)와 발명재(1,2) 및 종래재(1-2)의 구상화탄화물 평균크기의 표준편차, 평균크기, 구상화탄화물 길이와 폭의 비의 변화를 나타내는 그래프.

도4는 열처리시간의 변화에 의한 비교재(1,2)와 발명재(1,2) 및 종래재(1-2)의 미세경도를 나타내는 그래프.

도5는 열처리시간의 변경에 의한 비교재(1,2)와 발명재(1,2), 종래재(1-2)의 인장강도 및 항복강도를 나타낸 그래프.

도6은 열처리시간의 변화에 의한 발명재(2) 및 종래재(2)의 고속압축시험후 전위밀도를 나타내는 투과식 전자현미경 사진.

도7은 열처리시간의 변화에 의한 비교재(1,2)와 발명재(1,2) 및 종래재(1-2)의 고속압축 시험후 최대변형저항(highest stress level)을 나타내는 그래프.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구상화열처리방법은, 0.40-0.45%의 탄소를 함유하는 냉간압조용 선재를 780-810℃의 온도범위에서 1-3시간 동안 1단계 열처리 하고, 20-30℃/hr의 속도로 냉각한 다음, 680-723℃의 온도범위에서 3-5시간동안 열처리하고 650까지 노냉하는 2단계의 열처리로 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명의 구상학열처리는 냉간압조용 중탄소강 선재로서, 구체적으로는 탄소를 0.40-0.45% 함유하는 강이다. 이러한 중탄소강 선재를 구상화열처리시 1단계에서의 열처리온도 및 시간을 상기와 같이 제어함이 바람직한데, 그 이유는 다음과 같다.

우선, 상기 열처리 온도가 780℃ 이하인 경우에는 탄소의 확산속도가 늦어 망상의 시멘타이트가 용해된 후 층상(lamellar)상태의 탄화물이 잔존으로 냉각압조성 및 기계적 성질을 열화시키기 때문이며, 열처리 온도가 810℃ 이상인 경우에는 탄소의 확산속도가 너무 빨라 구상화탄화물이 성장하기 때문에 소재의 기계적 성질을 열화시킬 뿐만 아니라 후 공정에서 탄화물의 재고용화시 가열시간을 장시간 유지하여야 되므로 본 발명의 효과가 상쇄되기 때문이다.

또한, 상기 온도범위로 1단계 구상화 열처리시 유지시간을 1-3시간 범위로 제한함이 바람직한데, 그 이유는 가열시간이 1시간 이하인 경우에는 탄소의 확산속도가 늦어 망상의 시멘타이트가 용해된 후 봉상으로 형태가 변하지 않아 냉간압 조성 및 기계적 성질을 열화시키기 때문이며, 가열시간이 3시간 이상인 경우에는 가열시간이 장시간이므로 구상화 열처리시 열처리시간의 단축효과가 감소되어 열처리 공정에서의 원가절감의 효과가 없어지기 때문이다.

상기 1단계 구상화 열처리 한 다음 통상의 방법에 따라 신선가긍하고, 이어 20-30℃/hr의 속도로 680-723℃의 온도범위까지 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 냉각속도가 20℃/hr 이하인 경우는 냉각속도가 느려 구상화탄화물이 성장하게되고 냉간압조후 상기 탄화물을 분해하기 위하여 열처리는 장시간 필요하게 되므로 전체의 공정단축 효과가 없게 되며, 상기 냉각속도가 30℃/hr 이상의 경우는 냉각속도가 빨라서 탄화물이 구상화가 되지 않아 냉간압조성을 해치거나, 냉간압조에 악영향을 미치는 베이나이트가 형성될 위험이 있다.

상기와 같이 냉각된 후 680-723℃의 온도범위에서 3-5시간 열처리 한 다음 약 650℃까지 노냉하는 통상의 2단계 열처리를 실시한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 1과 같은 화학성분을 갖는 SWRCH 45K강을 도1과 같은 공정을 적용하여 중탄소강 선재를 제조하였다. 이때, 구상학 열처리시 1단계 열처리조건과 2단계온도까지 냉각조건은 하기표2와 같은 조건으로 하였고, 이어 680℃에서 5시간 열처리 한 다음 노냉하였다. 이때, 비교재(1-2)는 790℃에서 10분 및 50분 동안 유지한 후 냉각속도를 시간당 25C로 680˚까지 냉각한 소재를 이용하였으며, 발명재(1-2)는 790℃에서 60분 및 120분 등안 유지한 후 냉각속도를 시간당 20℃로 680˚까지 냉각한 소재를 이용하였고, 발명재(1-2)는 750℃에서 240분 및 300분 동안 유지한 후 냉각속도를 시간당 15℃로 680˚까지 냉각한 소재를 이용하였다.

[표 1]

[표 2]

상기와 같이 제조된 시편들의 구상화탄화물의 형상을 주사식 현미경을 이용하여 관찰하고, 그 결과를 도2에 나타내었다. 즉, 10분, 50분동안 열처리한 비교재(1,2)의 경우를 (a,b)에 1시간, 3시간 열처리한 발명재(1,2)의 경우를 (c,d)에 4시간, 5시간 열처리한 종래재(1,2)의 경우를 (e,f)에 각각 나타내었다. 도2에 나타나 있듯이, 열처리시간이 1시간 이내인 비교재(1,2)의 경우는 구상화정도가 미미하나, 1시간 이상인 발명재(1,2)와 종래재(1,2)는 구상화가 진행되었고, 그 정도는 거의 차이가 없음을 알 수 있었다.

또한, 비교재와 발명재 및 종래재들의 탄화물의 형상을 좀더 정밀하게 분석하기 위하여 EPMA로 분석한 후 구상 시멘타이트 평균지름(mean diameter)의 표준편차(standard deviation), 평균직경의 크기(mean diameter), 구상 시멘타이트의 진원도(cementite roundness)를 측정하고, 그 결과를 도3에 나타내었다. 이때, 상기 진원도를 구상 시멘타이트 길이와 폭이비를 나타내는 것이로서 그 값이 작을수록 구형에 가깝다는 것을 의미한다.

도3에 나타난 바와같이, 구상화 시멘타이트의 평균크기의 표준편차와 평균크기에 있어서 발명재와 종래재가 동등한 수준을 나타내고 있는 반면에 구상화 시멘타이트의 길이와 폭이비인 진원도는 발명재가 우수하였다. 이는, 발명재가 종래재보다 구상화 소둔이 잘 되었다는 것을 알 수 있었다.

또한, 종래재(1,2), 발명재(1,2), 비교재(1,2)들의 미소경도를 측정하고, 그 결과를 도4에 나타내었는데, 열처리 시간이 1시간 이내인 비교재(1,2)의 경우에는 경도가 급격히 감소하나, 1시간 이상인 발명재(1,2)와 종래재(1,2)의 경우에는 거의 차이가 없었다.

또한, 종래재(1,2), 발명재(1,2), 비교재(1,2)들의 항복강도 및 인장강도의 값을 비교한 결과, 도5에서 알 수 있듯이 열처리 시간이 1시간 이내인 비교재(1,2)의 경우에는 강도가 급격히 감소하나, 1시간 이상인 발명재(1,2)와 종래재(1,2)의 경우에는 거의 차이가 없었다.

또한, 종래재(1,2), 발명재(1,2), 비교재(1,2)들의 항복강도 및 인장강도의 값을 비교한 결과, 도5에서 알 수 있듯이 열처리 시간이 1시간 이내인 비교재(1,2)의 경우에는 강도가 급격히 감소하나, 1시간 이상인 발명재(1,2), 종래재(1,2) 경우에는 거의 차이가 없었다.

한편, 발명재(2)와 종레재(2)을 고속압축 시험 후 소재의 전위밀도를 투과식 전자현미경을 사용하여 비교하고, 그 결과를 도6(a)(b)에 나타내었다. 도6에 나타난 바와 같이, 가는 실선이 뒤엉켜져 있는 것이 전위로서 발명재(2)(도6 (a))가 종래재(2)(도6(b))보다 전위밀도가 낮다는 것을 알 수 있었고, 이는 발명재가 가공성이 보다 우수함을 의미한다.

종래재(1,2)와 발명재(1,2) 및 비교재(1,2)를 변형률(straing rate) 2.60±0.2*10³의 범위에서 고속압축시험을 수행하고 그 결과를 도7에 나타내었으나, 도4, 도5와 마찬가지로 열처리 시간이 1시간 이내의 경우에는 최대 변형응력이 급격히 감소하나, 1시간 이상인 발명재(1,2)와 종래재(1,2)의 경우에는 거의 차이가 없었다.

상술한 바와같이, 중탄소강 선재의 구상화열처리시 1단계에서 가열온도를 통상적인 730-760℃의 온도보다 약 40-50℃ 높은 온도범위인 780℃-810℃ 사이의 온도로 높이고, 열처리 시간을 통상의 조업조건인 5시간에서 1시간 및 3시간으로 현저히 감소시킴으로서 망상의 시멘타이트를 구상시키고, 또한, 통상적인 방법보다 냉각속도가 빠른 시간당 20-30℃로 680℃까지 냉각 및 2단계(680℃)의 구상화 열처리를 행하므로서, 기존 선재와 비교하여 동등이상의 우수한 냉간압조성을 갖는 중탄소강 선재를 단시간내에 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. (정정) 0.40-0.45%의 탄소를 함유하는 냉간압조용 선재를 1,2단계 구상화 열처리하는 방법에 있어서, 상기 구상화처리는 780-810℃의 온도범위에서 1-3시간 동안 1단계 열처리하고, 20-30℃/hr의 속도로 냉각하여 680-723℃의 온도범위에서 3-5시간동안 열처리한 다음 650까지 노냉하는 2단계의 열처리로 구성됨을 특징으로 하는 냉간압조성이 우수한 중탄소강 선재의 구상화 열처리방법.