KR100311785B1 - 연질 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼트, 너트용 소재로 사용되는 냉간압조용 합금 강선재의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 연화소둔이 필요없는 연질 냉간압조용 합금강선재의 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법에 있어서,

중량%로, C:0.2-0.5%, Si:0.1-0.5%, Mn:0.2-1.0%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, Cr:0.6-1.5%, Mo:0.1%, Ti:0.005-0.05%, N:0.001-0.020%와 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 900-1100℃의 온도범위로 가열한 후 Ar₃-1050℃의마무리압연온도조건에서 열간 선재압연하고, 이어 Y= -0.027ㆍX+29.4(여기서, Y:냉각속도(℃/sec), X:마무리 압연온도(℃))의 조건을 만족하는 냉각속도 이하로 400℃까지 연질 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

연질 냉간압조용 합금강선재의 제조방법

본 발명은 볼트, 너트용 소재로 사용되는 냉간압조용 합금강선재의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 연화소둔이 필요없는 연질 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 산업기계 등의 부품 체결용으로 사용되는 인장강도 90kg/㎟이상의 고강도 볼트, 너트는 중탄소 합금강인 SCM435를 소재로 하여 제품화되고 있다.

종래, 이러한 고강도 볼트, 너트의 제조방법은 중탄소 합금강을 열간선재압 연하고, 이어 연화소둔, 신선, 구상화열처리, 냉간압조하는 일련의 공정으로 이루어진다. 이때, 상기 연화소둔은 열간선재압연된 선재의 인장강도가 약 100-120㎏/㎟정도이기 때문에 이를 냉간에서 직접 신선가공하기가 곤란하므로, 선재를 연화시키기 위하여 열처리하는 것이다.

즉, 연화열처리는 베이나이트 조직에서 시멘타이트의 석출 및 성장등이 이루어지도록 통상 Ac_l변태온도 이하(약 650℃)에서 일정시간 유지한 후 서냉하여 선재의 인장강도를 90㎏/㎟이하로 낮추는 것이다. 이와같은 공정을 통하여 제품화되는 종래선재의 경우 반드시 연화소둔을 거쳐야 하기 때문에 제조공정이 길고, 제조원가가 높다는 문제점이 있다.

이와같은 문제를 해결하기 위해 여러 가지 기술들이 제안되어 있는데, 이중 일본 스미모또금속(住友金屬)에서 1984년에 제안한 내용을 보면 기존의 SCM435강을 선재압연시, 가열온도를 종래의 1200℃에서 950-1000℃로 낮추고, 마무리압연온도도 1100℃에서 810-830℃까지 낮추어 줌으로써 오스테나이트를 미세화시켜 베이나이트 변태를 억제시킴으로써 인장강도 70kg/㎟수준의 연화열처리가 불필요한 냉간압조용 합금강 선재를 제조하였다. 또 다른 공지기술은 일본 가와사끼 제철에서 개발한 것으로 마무리압연온도를 900℃이하로 낮추어 줌으로써 인장강도 71kg/㎟수준의 냉간압조용 합금강 선재를 제조하였다.

앞에서 언급한 공지기술은 모두 마무리 압연온도를 900℃이하로 낮추어야 연질의 합금강 선재를 제조할 수 있어 반드시 강 선재를 낮은 온도에서 압연하여야 하고, 이에 따라 압연기에 부하가 많이 걸리기 때문에 압연기 능력이 부족한 경우에는 적용할 수 없는 문제가 있다.

이에, 본 발명은 종래문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 연화소둔이 필요없고, 압연기 능력에 따라 열간압연온도 설정이 가능한 연질 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

제 1 도는 마무리 압연온도와 냉각속도와의 관계를 나타내는 그래프

제 2 도 및 제 3 도는 임의의 마무리 압연온도에서 냉각속도에 따른 경도변화를 나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법에 있어서, 중량%로, C:0.2-0.5%, Si:0.1-0,5%, Mn:0.2-1.0%, P:0.0%이하, S:0.03%이하, Cr:0.6-1.5%, Mo:0.1-0.5%, Ti:0.005-0.05%, V:0.001-0.020%와 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 900-1100℃의 온도범위로 가열한 후 Ar₃-1050℃의 마무리압연온도조건에서 열간 선재압연하고, 이어 Y= -0.027 ·X+29.4(여기서, Y:냉각속도(℃/sec), X:마무리 압연온도(℃))의 조건을 만족하는 냉각속도 이하로 400℃까지 냉각함을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 탄소는 첨가량이 너무 적으면 최종제품에서 요구하는 강도를 얻을 수 없고, 첨가량이 많으면 소입소려 처리후에 강도가 필요 이상으로 높아지므로 첨가량을 0.2-0.5%로 하는 것이 바람직하다.

상기 규소는 탈산 및 필요강도 확보를 위해 첨가하는 것으로 첨가량이 적으면 이러한 효과를 나타내지 못하고, 첨가량이 지나치게 많으면 탈탄을 조장하여 표면경도 및 피로성질을 감소시킨다. 따라서, 첨가범위를 0.1-0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 망간은 강의 탈산에 필요한 원소이며 또한 소입성을 개선시킬 목적으로 첨가하는데, 그 첨가량이 많으면 선재 중심부에 편석되어 경질조직인 마르텐사이트를 형성시켜 선재를 경하게 만들어준다. 따라서 첨가량을 0.2-1.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 인은 선재중심부에 망간과 함께 편석되어 저온조직을 발생시키고, 소입소려시 균열발생을 조장하는 원소이므로 0.03%초과하여 첨가되지 않도록 하여야 한다.

상기 황은 강중에서 입계에 편석되어 인성을 크게 감소시킨다. 따라서 황은 0.03% 초과하여 첨가되지 않도록 하여야 한다.

상기 크롬은 열처리시 소입성확보를 위하여 첨가하는데, 첨가량이 적으면 소입성이 떨어지고, 첨가량이 많으면 소입처리시 균열발생이 쉽고 또 강도가 과도하게 증가하므로 첨가량을 0.6-1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 몰리브덴은 열처리시 소입성확보 및 고온강도를 향상시키기 위하여 첨가하는데, 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻을 수 없고, 첨가량이 많은 경우 소입 처리시 균열발생이 쉽고 또 필요이상으로 강도가 증가하게 되므로 첨가량을 0.1-0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 티타늄은 강중에서 질소와 결합하여 티탄질화물(TiN)을 형성한다. 이질화물은 고온에서 극히 안정하며 또 오스테나이트 입계에 주로 존재하여 오스테나이트 입자의 성장을 억제시켜 조직을 미세화시키는 역할을 한다. 이와같이 오스테나이트 조직이 미세해지면 냉각시 연질조직인 페라이트와 펄라이트의 변태가 촉진되어 선재가 연화된다. 첨가량이 적으면 이러한 효과를 나타낼수 없고, 첨가량이 많으면 조대한 티탄질화물이 과도하게 석출되어 인성을 감소시키므로 첨가량을 0.005-0.05%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 질소는 상술한 티타늄과 결합하여 질화물을 형성하여 오스테나이트를 미세화시키는 역할을 한다. 첨가량이 0.001% 미만이면 효과가 적고, 0.02%초과하면 조대한 티탄질화물이 과도하게 생성되어 오히려 강의 인성을 감소시키므로 첨가량을 0.001-0.02%로 한정한다.

상기와 같은 조성을 가지는 강을 강편으로 제조한 후 900-1100℃로 재가열하여 통상의 선재압연을 실시한다. 이때, 강편 재가열온도가 900℃미만이면 선재압연시 압연기에 부하가 너무 크게 걸리기 때문에 선재를 열간압연하기가 곤란하다.

또한, 강편 가열온도가 1100℃초과하면 비록 강중에 티탄질화물이 존재한다 하더라도 오스테나이트 입자의 성장이 완벽하게 억제되지 않게 되어 압연을 완료한 상태에서도 오스테나이트 입자가 조대해질수 있다. 이렇게 되는 경우 변태과정에서 저온조직이 다량 발생되어 선재를 효과적으로 연화시킬 수 없게 되므로 가열온도를 1100℃ 이하로 하여 오스테나이트 성장을 적극 억제시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이 재가열을 마친 선재는 압연기를 이용하여 필요한 선경으로 압연하며, 이때의 마무리 압연온도는 종래재의 경우 900℃이하로 제한하고 있지만 본 발명의 경우, Ar₃이상-1050℃이하로 한다.

본 발명의 마무리 압연온도는 종래의 마무리 압연온도인 900℃보아 훨씬 높은 온도를 상한으로 하고 있지만 티탄질화물이 오스테나이트 입자성장을 적극 억제하도록 강성분을 설계하였기 때문에 미세한 오스테나이트 입자를 확보할 수 있어 고온에서 마무리 압연하더라도 선재의 연화가 가능하다.

이와같이 본 발명에 의하면, 마무리 압연온도를 선택할 수 있는 폭이 종래방법에 비해 훨씬 넓기 때문에 압연기 능력을 고려하여 압연할 수 있는 장점이 있다. 즉, 압연기 능력이 큰 경우 900℃이하의 저온에서 압연이 가능하고, 반대로 압연기 능력이 부족한 경우 900-1050℃의 고온에서 압연하여도 연화열처리가 필요없는 연질소재의 제조가 가능해진다.

구체적으로 마무리 압연온도를 Ar₃이상-1050℃이하로 제한 하는 이유는 마무리 압연온도가 1050℃를 초과하는 경우 오스테나이트가 조대화되어 저온변태조직이 발생하게 되며 Ar₃미만의 경우 변태된 페라이트가 압연을 받게 되어 오히려 선재의 강도가 증가될 수 있기 때문이다.

상기와 같이 열간압연된 선재는 변태가 완료되는 온도인 400℃까지 냉각하는데, 이때 고려할 점은 본 발명에 의한 마무리 압연온도 조건으로 오스테나이트 입자를 미세화 시키더라도 이후 냉각과정에서 소입성 향상 원소인 크롬과 몰리브덴에 의하며 경질의 저온 조직이 발생하지 않도록 냉각속도를 제어하여야 한다.

본 발명은 이러한 경질의 저온 조직이 발생하지 않는 냉각속도를 찾기 위하여 마무리 압연온도에 따라 냉각속도를 변화시키는 실험을 수차례 반복한 결과, 도 1과같은 그래프를 얻을 수 있었다

즉, 경질의 저온조직을 발생시키지 않아 270(Hv)이하의 경도를 확보할 수 있는 마무리 압연온도와 냉각속도는 도 1에 도시된 바와 같이 일정한 관계를 가지고 있었다. 본 발명자는 이러한 마무리 압연온도와 냉각속도를 기초로 회귀분석한 결과 하기식 (1)과 같은 상관관계식을 구할 수 있었다.

Y= -0.027ㆍX+ 29.4‥‥‥‥‥(1)

(여기서, Y:냉각속도(℃/sec), X:마무리 압연온도(℃))

본 발명은 이러한 상관관계를 근거로 냉각속도를 설정하는 것으로서, 본 발명에 따라 열간압연하고 이때의 마무리 압연온도를 상기 식(1)의 X값에 대입하여 Y값을 구하고, 이 Y값 이하의 속도로 냉각하면 되는 것이다.

보다 구체적으로 설명하면, 열간압연시 마무리 압연온도를 900℃로 한 경우, 이 마무리 온도를 상기 식(1)에 대입하면 냉각속도는 약 5℃가 되고, 상기 구한 5℃ 이하로 냉각하면 된다, 도 1에는 이와같이 임의의 마무리 압연온도에 대하여 냉각이 가능한 냉각속도범위를 가능영역이라 표시 하였다.

상기와 같이 400℃까지 냉각하는 속도를 제어하여 냉각한 후 그 후의 냉각 속도는 통상의 방법으로 하여 냉각하면 본 발명은 완성된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

실시예 1

하기표 1과 같은 조성을 가지는 발명강과 종래강을 160㎜×160㎜×250㎜의 소형강괴로 제작한후 1200℃에서 2시간 가열한후 열간에서 압연하여 두께 32㎜판으로 제작하였다. 이후 열간압연 모사실험 장치에서 상기 열연강판을 시편을 이용하여 하기표 2와 같이 압연종료온도 및 압연후 냉각속도를 조절하여 강을 연화시켰다. 이때의 압연온도 및 냉각속도에 따른 경도값 변화를 하기표 2에 나타내었다.

[표 1] 단위:중량%

[표 2]

상기 표1에 나타난 바와 같이, 종래강을 900℃에서 마무리 압연한 종래재(1-4)와 1050℃에서 마무리 압연한 비교재(2-5)의 경우 경도가 높아서 연화소둔을 해야만이 신선가공을 할 수 있음을 알 수 있다.

반면, 발명강을 900℃의 고온에서 열간마무리 압연하고, Y= -0.027ㆍX+29.2 (여기서, Y:냉각속도(℃/sec), X:마무리 압연온도(℃))의 조건을 만족하는 냉각속도인 5℃/sec이하로 냉각한 발명재(1-4)의 경우 경도가 270(Hv)이하로 연화소둔이 불필요함을 알 수 있었다.

또한, 발명강을 1050℃로 아주 고온에서 열간마무리 압연하고, 상기식(1)을 만족하는 냉각속도인 1 ℃/sec이하로 냉각한 발명재(5-7)의 경우 경도가 270(Hv)이하로 연차소둔이 불필요함을 알 수 있었다.

그러나, 발명강을 발명재(5-7)과 같은 온도에서 열간 마무리 압연하고, 이후 냉각속도가 상기식(1)의 조건을 벗어나게 냉각한 비교재(1)의 경우 경도가 높아서 연화소둔을 해야함을 알 수 있었다

상기한 본 발명의 실시예에서 알 수 있는 바와 같이 , 본 발명의 냉각속도는 상기 식(1)의 조건을 만족하여야 함을 알 수 있는데, 이는 도 2 및 도 3를 보면 더 욱 확실히 알 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 마무리 압연온도가 900℃의 경우 경도가 270(Hv)이하가 되기 위해서는 냉각속도가 5℃/sec이하로 하여야 함을 알 수 있다. 이는 마무리 압연온도가 900℃의 경우 상기 식(1)의 냉각속도조건을 만족하고 있음을 알 수 있다.

또한, 도 3에 나타난 바와 같이 마무리 압연온도가 1050℃의 경우 경도가 270(Hv)이하가 되기 위해서는 냉각속도가 1℃/sec이하로 하여야 함을 알 수 있다. 이는 마무리 압연온도가 1050℃의 경우 상기 식(1)의 냉각속도 조건을 만족하고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강성분계의 적절한 설계와 공정변수를 적절하게 제어함으로써 압연기의 능력에 따라 마무리 압연온도를 조절할 수 있는 선재의 제조방법을 제공할 수 있으며, 상기 제조방법으로 제공된 선재는 신선가공전에 일화소둔을 할 필요가 없는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 냉판압조용 합금강 선재의 제조방법에 있어서,

   중량%로, C:0.2-0.5%, Si:0.1-0.5%, Mn:0.2-1.0%, P:0.03%이하, S:0.03%이하, Cr:0.6-1.5%, Mo:0.1-0.5%, Ti:0.005-0.05%, N:0.001-0.020%와 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 900-1100℃의 온도범위로 가열한 후 Ar₃-1050℃의 마무리압연온도조건에서 열간 선재압연하고, 이어 Y= -0.027ㆍX+29.4(여기서, Y:냉각속도(℃/sec), X:마무리 압연온도(℃))의 조건을 만족하는 냉각속도 이하로 400℃까지 냉각함을 특징으로 하는 연질 냉간압조용 합금강 선재의 제조방법.

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