KR100317950B1 - Controlling method of an adiabatic shear band formed on low carbon steel when cold-forged - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 평가 방법 및 단열성 전단밴드 형성 억제 방법에 관한 것으로서, 전로제강, 조괴 및 열간압연의 과정을 포함하여 제조된 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법에 있어서, 상기 저탄소강에 대해 용체화처리하는 단계; 및 상기 용체화 처리된 저탄소강에 대해 냉간단조하는 단계를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법을 제공한다.The present invention relates to a method for evaluating insulation shear band formation and a method for inhibiting insulation shear band formation during cold forging for low carbon steel, and the insulation shear during cold forging for low carbon steels including the process of converter steel, ingot and hot rolling. A method of suppressing band formation, the method comprising: performing solution treatment on the low carbon steel; And cold forging for the solution-treated low carbon steel, and providing a method for suppressing thermal insulation shear band formation during cold forging for low carbon steel.

냉각속도가 빨라지면 변형저항으로 작용하는 퍼얼라이트의 분율을 감소시킬 뿐만 아니라 항복점 현상을 유발하는 침입형 고용원자들의 전위로의 확산을 억제하여 항복점 현상을 방지함으로써 냉간단조의 효율을 향상시킬 수 있다.Increasing the cooling rate not only reduces the fraction of pearlite acting as a deformation resistance, but also prevents the yield point phenomenon by preventing the diffusion of the invasive solid atoms causing the yield point phenomenon, thereby improving the efficiency of cold forging. .

Description

저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법{Controlling method of an adiabatic shear band formed on low carbon steel when cold-forged}Controlling method of an adiabatic shear band formed on low carbon steel when cold-forged}

본 발명은 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 평가 방법 및 단열성 전단밴드 형성 억제 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 저탄소강 내의 미세조직을 변화시키면서 냉간단조공정을 진행시키면서 단열성 전단밴드 형성 원인을 분석 평가하는 방법에 관한 것이며, 또한 이를 통하여 단열성 전단밴드가 형성되는 것을 억제할 수 있는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for evaluating insulation shear band formation and a method for inhibiting insulation shear band formation during cold forging of low carbon steel, and in detail, a cause of insulation shear band formation while performing a cold forging process while changing the microstructure in the low carbon steel. The present invention relates to a method for analyzing and evaluating, and also to a method for suppressing formation of an adiabatic shear band.

종래의 탄소강에 대한 단조하는 방법으로, 단 한번의 단조 공정을 진행함으로써 탄소강을 망형(net-shape) 또는 근망형(near-net-shape)으로 가공하는 정밀단조법이 이용되는 것이 일반적이다. 특히, 탄소강에 대한 가열과정없이 상온에서 진행하는 냉간단조방법은 고온의 열공정이 수반되지 않기 때문에 경제성 측면에서 많은 관심을 갖는 단조방법이다.As a conventional method for forging carbon steel, a precision forging method for processing carbon steel into a net-shape or near-net-shape by using a single forging process is generally used. In particular, the cold forging method that proceeds at room temperature without heating the carbon steel is a forging method having a lot of interest in terms of economics because it does not involve a high temperature thermal process.

일반적으로 상온에서 행하는 냉간단조방법은 변형 저항이 작은 저탄소강과 같은 고가공성 소재가 이용되고 있으나, 고속의 변형에 의해서 단열성 전단밴드가 형성되는 문제점을 안고 있다. 이러한, 단열성 전단밴드는 높은 경도로 인해 쉽게 균열의 전파경로로 작용할 수 있기 때문에 종래의 냉간단조방법이 일반적인 저탄소강에 대한 단조방법으로 채택되는 데에는 일정의 한계를 안고 있다.In general, the cold forging method performed at room temperature uses a high process material such as low carbon steel having a small deformation resistance, but has a problem of forming an insulating shear band by high speed deformation. Since the heat insulating shear band can easily act as a propagation path for cracking due to its high hardness, the conventional cold forging method has a certain limitation in being adopted as a forging method for a general low carbon steel.

한편, 종래의 냉간단조시 발생되는 균열은 주로 부품의 형상적인 측면에서 변형이 불균일해지는 부위인 모서리 부분에서 빈번하게 발생하는 것으로 알려져 있다. 이는 모서리에서는 금속유동의 정도가 부분적으로 큰 차이를 보이기 때문에 변형불연속이 초래되고, 결국 변형집중이 일어남에 따라 단열성 전단밴드가 발생하게 되기 때문이다. 종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해서 저탄소강의 모서리 부분의 곡률을 완만하게 형성하는 등의 물리적 형태를 개선하는 금형 구조적인 측면에서의 대처 방안이 제시되고 있다.On the other hand, cracks generated during the conventional cold forging are known to occur frequently in the corner portion, which is a site where deformation is uneven mainly in the shape of the part. This is because strain discontinuity is caused because the degree of metal flow is partially different at the edges, and as a result, adiabatic shear band is generated as the strain concentration occurs. Conventionally, in order to solve such a problem, a countermeasure in the mold structural aspect of improving the physical shape such as smoothly forming the curvature of the corner portion of the low carbon steel has been proposed.

그러나, 이러한 종래의 대처 방안은 저탄소강의 단열성 전단밴드의 형성에 대한 근본적인 방지 대책이라고 볼 수 없다. 이는 단열성 전단밴드가 형성되는 것은 막을 수 없는 한계를 수인하면서, 다만 그 양을 최소화하는 방법이라 할 것이다. 또한, 이러한 종래의 대처 방안은 언제나 어느때나 적용될 수 있는 것이 아니며, 단열성 전단밴드의 형성이 모서의 곡률과 직접적인 관계에 있을 때에만 적용할 수 있다는 점에서 한계를 갖는다.However, such a conventional countermeasure cannot be seen as a fundamental preventive measure against the formation of a heat insulating shear band of low carbon steel. This would be a way of minimizing the amount of insulating shear bands while accepting an unstoppable limit. In addition, such conventional countermeasures are not always applicable at any time, and are limited in that they can be applied only when the formation of the insulating shear band is directly related to the curvature of the corner.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 바와 같이 저탄소강에 대한 단조공정을 진행할 때 발생될 수 있는 단열성 전단밴드를 사후적으로 치유하기 보다는 본질적인 발생원인을 정확하게 규명함으로써, 상온에서 행하는 냉간단조 공정에서의 단열성 전단밴드의 형성을 억제하고자 함에 있으며, 이러한 기술적 과제를 달성할 수 있는 저탄소강의 냉간단조시 발생하는 단열성 전단밴드 형성 원인을 분석/평가함으로써, 단열성 전단밴드 형성을 억제할 수 있는 방법을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.The technical problem to be achieved by the present invention in the cold forging process performed at room temperature by accurately identifying the essential causes, rather than post-healing the heat-insulating shear band that may occur when the forging process for low carbon steel as described above In order to suppress the formation of the thermal insulation shear band of the present invention, by analyzing / assessing the cause of the insulation shear band formation during cold forging of low carbon steel, which can achieve the technical problem, it provides a method of suppressing the formation of the thermal insulation shear band. The object of the present invention.

도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따라, 0.1 중량퍼센트(wt.%) 정도의 탄소를 함유한 A강과 B강을 광학현미경으로 각각 관찰한 사진이다.1 and 2 are photographs of the A and B steels containing about 0.1 wt% (wt.%) Of carbon, respectively, according to an embodiment of the present invention, observed with an optical microscope.

도 3는 본 발명의 실시예에 따라, A강, B강 각각의 시편을 준정적 변형율속도(10-3/sec)로 인장시험을 한 후에 측정한 응력과 변형율과의 관계를 나타낸 그래프이다.Figure 3 is a graph showing the relationship between the stress and strain measured after the tensile test of each of the steel A, B steel specimens quasi-static strain rate (10 -3 / sec) according to an embodiment of the present invention.

도 4 및 5는 본 발명의 실시예에 따라 두 강의 시편을 인장시험한 후, 인장면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다.4 and 5 are photographs obtained after the tensile test of the two steel specimens in accordance with an embodiment of the present invention, the tensile surface is observed by a scanning electron microscope (SEM).

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 B강을 냉간단조하였을 때, 단조품의 상당 모서리부에 형성된 균열부위를 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.6 is a photograph observing a crack formed on a substantial corner portion of the forging when cold forged the steel B according to the embodiment of the present invention with an optical microscope.

도 7 및 8은 본 발명의 실시예에 따라 냉간단조후, A 및 B강에서 형성된 균열 주위 부분을 주사전자현미경으로 관찰한 것이다.7 and 8 are observed by scanning electron microscopy around the crack formed in the A and B steel after cold forging according to an embodiment of the present invention.

도 9는 본 발명의 실시예에 따라 A 및 B강 두 시편에 대하여 토오셔날 콜스키 바를 이용하여 동적 변형율 속도로 비틀림 시험 후 구한 동적 전단응력-전단변형 곡선이다.FIG. 9 is a dynamic shear stress-shear strain curve obtained after a torsion test at a dynamic strain rate using a conventional Kohlski bar for two specimens of A and B steel according to an embodiment of the present invention.

도 10 및 11은 본 발명의 실시예에 따라, A 및 B강 각각의 시편에 대하여 동적 비틀림 시험 후, 그 파면을 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.10 and 11 are photographs obtained by scanning electron microscopy of the wavefront after dynamic torsion tests for each of the specimens A and B steel according to the embodiment of the present invention.

도 12 및 13은 본 발명의 실시예에 따라, A 및 B강 각각의시편에 대하여 동적비틀림 시험 후, 파단된 시편 게이지(gage)부의 가운데를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.12 and 13 are photographs obtained by scanning electron microscopy of the center of the broken gage portion after the dynamic twist test for each of the specimens A and B steel according to an embodiment of the present invention.

도 14 내지 도 16은 본 발명의 실시예에 따라 B강을 870℃에서 1시간동안 용체와 열처리 후, 공냉, 노냉 및 강제공냉을 각각 시킨 세 종류의 시편들을 광학 현미경으로 관찰한 사진이다.14 to 16 are photographs of three kinds of specimens subjected to air cooling, furnace cooling, and forced air cooling, respectively, after heat treatment with B steel at 870 ° C. for 1 hour according to an embodiment of the present invention.

도 17은 본 발명의 실시예에 따라 B강을 870℃에서 1시간 동안 용체와 열처리 후, 공냉, 노냉 및 강제공냉을 각각 시킨 세 종류의 시편들에 대하여 준정적 변형율 속도로 인장시험 후에 구한 응력-변형 곡선이다.17 is a stress obtained after the tensile test at the quasi-static strain rate for three kinds of specimens subjected to air and furnace cooling and forced air cooling, respectively, after the heat treatment and heat treatment of steel B at 870 ℃ for 1 hour according to an embodiment of the present invention -Deformation curve.

도 18은 본 발명의 실시예에 따라 B강을 870℃에서 1시간 동안 용체화 열처리 후, 공냉, 노냉 및 강제공냉을 각각 진행시킨 세종류의 시편들에 대하여 토오셔날 콜스키 바을 이용하여 동적 변형율로 비틀림 시험을 한 후에 구한 동적 전단응력-전단변형 곡선이다.FIG. 18 is a dynamical process using a conventional Kohlski bar for three types of specimens in which B steel is subjected to air cooling, furnace cooling, and forced air cooling after the solution heat treatment at 870 ° C. for 1 hour according to an embodiment of the present invention. This is the dynamic shear stress-shear curve obtained after the torsion test at strain rate.

도 19 내지 도 21은 본 발명의 실시예에 따라 B강을 870℃에서 1시간 동안 용체화 열처리 후, 공냉, 노냉 및 강제공냉을 각각 진행시킨 세종류의 시편들에 대하여 동적 비틀림시험 후, 파단된 시편 게이지부의 가운데를 주사전자현미경으로 관찰한 사진이다.19 to 21 are fractures after dynamic torsion tests for three kinds of specimens subjected to air cooling, furnace cooling, and forced air cooling, respectively, after solution heat treatment for 1 hour at 870 ° C. according to an embodiment of the present invention. The center of the specimen gage section was taken with a scanning electron microscope.

전술한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 평가 방법은, (a) 냉간단조시 균열이 발생여부와 관계없이 동일한 단조 조건하에서 저탄소강의 복수 개의 시편 각각에 대한 인장거동 분석을 위해서 인장시험하는 단계와, (b) 상기 저탄소강 중 균열이 발생된 각각의 시편에 대한 전단응력 대 전단변형곡선과 파괴모드 조사를 위해서 동적 비틀림시험하는 단계와, (c) 상기 유균열 저탄소강 각각의 시편에 대해 용체화처리하는 단계와, (d) 상기 유균열 저탄소강 각각의 시편에 대한 냉각조건을 달리하면서 냉각하는 단계 및 (e) 상기 유균열 저탄소강 각각의 시편에 대해 상기 인장시험과 동적 비틀림시험 결과로부터 단열성 전단밴드 형성 가능성을 분석하는 단계를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 한다.The method for evaluating the insulation shear band formation during cold forging for low carbon steel to achieve the technical problem to be achieved by the present invention described above, (a) a plurality of specimens of low carbon steel under the same forging conditions irrespective of whether cracking occurs during cold forging (B) dynamic torsion testing for investigation of shear stress versus shear strain and failure mode for each specimen of cracks in the low carbon steel; c) solution treatment for each of the specimens of the eutectic low carbon steel; (d) cooling with varying cooling conditions for each of the specimens of the eutectic low carbon steel; Analyzing the possibility of thermal insulation shear band formation from the tensile test and the dynamic torsion test results. It features.

이때, 상기 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 평가 방법은 다음과 같이 실시하면 바람직하다. 즉, 상기 (a)단계는 상온 준정적 인장시험에서 항복점 현상의 발생여부로부터 단열성 전단밴드의 형성 가능성 여부와, 냉간단조시 균열 형성 가능성 여부를 분석하는 단계를 포함하여 진행하는 것이 바람직하며, 상기 (b)단계는 토오셔널 콜스키 바를 이용하여 진행하는 것이 바람직하고, 상기 (b)단계는 동적 전단응력 대 전단변형곡선으로부터 최대전단응력 이후부터 파괴모드에 이르기까지 열적연화구간의 존재 여부와, 파면 근처의 변형집중영역 폭의 정도로부터 단열성 전단밴드 형성 가능성 여부 및 냉간단조시 균열 형성 가능성 여부를 분석하는 단계를 포함하여 진행하는 것이 바람직하다.In this case, the method for evaluating the insulation shear band formation during cold forging for the low carbon steel is preferably carried out as follows. That is, the step (a) is preferably carried out including the step of analyzing the possibility of the formation of the insulating shear band from the occurrence of the yield point phenomenon in the room temperature quasi-static tensile test, and the possibility of crack formation during cold forging, Step (b) is preferably carried out using a torsional Kohlski bar, and step (b) is based on the presence or absence of thermal softening sections from the maximum shear stress to the failure mode from the dynamic shear stress versus shear strain curve. It is preferable to proceed with the step of analyzing the possibility of the formation of the insulating shear band and the possibility of crack formation during cold forging from the degree of the strain concentration area near the wavefront.

한편, 전술한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법은 전로제강, 조괴 및 열간압연의 과정을 포함하여 제조된 저탄소강 또는 전기로제강, 열간압연의 과정을 포함하여 제조된 저탄소강에 대해 냉간단조전에 870 내지 900℃의 온도에서 1 시간 내지 2 시간 동안 용체화처리를 위한 열처리를 진행한 후, 강제공냉의 냉각방식으로 6 내지 8 ℃/초의 냉각속도로 냉간단조를 진행하는 것을 특징으로 한다.상기 용체화처리 단계에서의 온도 870℃는 탄소함량에서의 상태도상 이 영역의 최저 온도이며, 900℃를 초과하는 경우에는 결정립(grain)이 조대화되기 때문에 기계적 성질이 나쁘다는 문제점이 있다. 또한 용체화처리 단계에서의 시간범위 1 내지 2시간은, 통상 열처리시간을 표기할 때 ASTM 에서 주로 사용하는 1시간/인치두께의 비율을 표기한 것이며, 시편의 두께가 변할 경우 이 비율로 적용가능함을 나타낸다.한편 상기 냉각단조 단계에서의 강제 공냉 냉각속도 6 내지 8℃/초는 항복점 현상을 제거하는데 필요한 최적 냉각속도이며, 냉각속도가 6℃/초 이하인 경우에는 냉각속도가 항복점 현상을 억제하는데 불충분해지며, 8℃/초 이상인 경우에는 필요이상 급냉되어 기계적 성질에 나쁜 영향을 미치게 된다는 문제점을 갖는다.On the other hand, the method of inhibiting the formation of a thermally insulating shear band during cold forging for low carbon steel to achieve the technical problem to be achieved by the present invention described above is a low carbon steel or electric furnace steel, hot-rolled steel, including the process of converter steel, ingot and hot rolling The low carbon steel, including the rolling process, was subjected to a heat treatment for solution treatment for 1 to 2 hours at a temperature of 870 to 900 ° C. before cold forging, and then 6 to 8 ° C./by cooling by forced air cooling. Cold forging is performed at a cooling rate of seconds. The temperature in the solution treatment step is 870 ° C., which is the lowest temperature in this region in terms of the state of carbon content. There is a problem that the mechanical properties are bad because it is coarsened. In addition, the time range of 1 to 2 hours in the solution treatment step indicates the ratio of 1 hour / inch thickness, which is usually used in ASTM to indicate the heat treatment time, and is applicable to this ratio when the thickness of the specimen changes. On the other hand, the forced air cooling rate of 6 to 8 ℃ / sec in the forging step is the optimum cooling rate necessary to eliminate the yield point phenomenon, and when the cooling rate is less than 6 ℃ / second, the cooling rate is to suppress the yield point phenomenon Insufficient deterioration, if more than 8 ℃ / sec has a problem that it is quenched more than necessary to adversely affect the mechanical properties.

종래의 기술은 단조시 금형구조의 개선을 통하여 소재에 적용되는 금속유동의 균일성을 확보하려는 것이지만, 이러한 노력과 동시에 소재의 변형저항을 줄이는 미세조직학적 해결 방안이 모색되어져야 소재의 단열성 전단 밴드로 인한 균열 형성을 억제가 보다 효과적으로 달성될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 저탄소강의 미세조직을 변화시켜 동일한 단조 조건에서 단열성 전단밴드가 쉽게 형성되지 않는 경우를 조사하고, 그 형성인자를 규명하고자 한다. 이러한 미세조직과 단열성 전단밴드 형성과의 상관관계를 기초자료로 하여 보다 우수한 가공성을 갖는 냉간단조용 저탄소강의 제조방법을 찾아낼 수 있다.The conventional technique is to secure the uniformity of the metal flow applied to the material by improving the mold structure during forging, but at the same time, a microstructure solution to reduce the deformation resistance of the material must be sought. Suppression of crack formation due to can be more effectively achieved. Therefore, the present invention is to investigate the case that the heat insulating shear band is not easily formed under the same forging conditions by changing the microstructure of the low carbon steel, and to determine the formation factor. Based on the correlation between the microstructure and the formation of the insulating shear band, the method of manufacturing low carbon steel for cold forging having better workability can be found.

본 발명의 실시예에 따라 일정한 조성하에서 제조 공정만을 조절함으로써 냉간단조용 저탄소강의 미세조직을 변화시킴으로써 단열성 전단밴드 형성 경향을 파악하고자 한다. 우선 보다 직접적인 관찰을 위해 냉간단조시 균열이 발생하는 저탄소강의 균열부위를 조사하여 단열성 전단밴드와 균열형성과의 관계를 파악한다. 균열이 형성되는 저탄소강과, 동일한 단조 조건에서 균열이 형성되지 않는 저탄소강에 대해서 인장시험을 통해 인장 거동을 분석한다. 또한 실험실적으로 단열성 전단밴드 형성 거동을 체계적으로 분석할 수 있는 토오셔널 콜스키 바(torsionalKolsky bar)를 이용한 동적 비틀림 시험을 행한 후, 전단응력-전단변형 곡선과 파괴모드를 조사한다. 균열이 형성되는 저탄소강을 870℃에서 1시간 동안 용체화처리한 후, 냉각속도를 서로 다른 3가지로 변화시켜 미세조직의 변화를 유도한다. 이 세가지 시편들에 대해서 다시 인장시험과 동적 비틀림시험을 행한 후, 전단응력-전단변형 곡선과 파괴모드를 조사한다. 균열이 형성되는 저탄소강을 870℃에서 1시간 동안 용체화처리한 후, 냉각속도를 3가지로 변화시켜 미세조직 변화를 유도한다. 이 3가지 시편들에 대하여 다시 인장시험과 동적 비틀림시험을 통하여 단열성 전단밴드 형성 가능성을 분석한다. 이로써, 동일한 조성과 단조조건에서 단열성 전단밴드 형성 가능성이 가장 낮은 미세조직을 찾아내고, 그런 경향을 주도하는 미세조직 인자를 규명함으로써 차후 단조 가공성이 우수한 저탄소강 개발의 기초자료를 제공할 수 있다.In accordance with an embodiment of the present invention by adjusting only the manufacturing process under a constant composition to determine the tendency of the insulating shear band formation by changing the microstructure of the low carbon steel for cold forging. First of all, for more direct observation, the relationship between the adiabatic shear band and the crack formation is investigated by investigating the crack sites of low carbon steel where cracking occurs during cold forging. Tensile behavior is analyzed by tensile tests on low carbon steels that form cracks and low carbon steels that do not form cracks under the same forging conditions. In addition, after performing a dynamic torsion test using a torsional Kolsky bar that can systematically analyze adiabatic shear band formation behavior, the shear stress-shear deformation curve and failure mode are investigated. After the low carbon steel in which the crack is formed is subjected to solution treatment at 870 ° C. for 1 hour, the cooling rate is changed to three different types to induce a change in the microstructure. Tensile and dynamic torsion tests are performed again on these three specimens, and then the shear stress-shear curves and failure modes are investigated. After the low carbon steel in which the crack is formed is subjected to solution treatment at 870 ° C. for 1 hour, the cooling rate is changed to three to induce the microstructure change. These three specimens are analyzed again through the tensile test and the dynamic torsion test for the possibility of adiabatic shear band formation. Thus, by finding the microstructure with the lowest possibility of forming the adiabatic shear band under the same composition and forging conditions, and by identifying the microstructure factor that leads the trend, it is possible to provide basic data for the development of low carbon steel with excellent forging workability in the future.

실 시 예Example

이하, 본 발명의 실시예들을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어져서는 안된다. 이하의 도면을 참조한 설명은 본 발명의 실시예들은 본 발명과 관련한 산업기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다. 도면상에서 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위하여 과장되어진 것이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, embodiments of the present invention may be modified in many different forms, and the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described below. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention are provided to more fully describe the present invention to those skilled in the art related to the present invention. In the drawings, the thicknesses of layers or regions are exaggerated for clarity.

본 발명에 따른 실시예에서 사용된 재료는 페라이트-퍼얼라이트 조직을 가진탄소함량이 0.1중량% 이하인 두 종류의 저탄소강이며, 화학적 조성을 AISI 1010강의 조성기준과 함께 하기 표 1에 나타냈다.The materials used in the examples according to the present invention are two types of low carbon steel having a ferrite-perlite structure having a carbon content of 0.1 wt% or less, and the chemical compositions thereof are shown in Table 1 together with the AISI 1010 steel composition criteria.

River CC NN MnMn SiSi PP SS AlAl CuCu NiNi CrCr AISI 1010세부사항AISI 1010 Details 0.08~0.130.08 ~ 0.13 .. 0.30~0.600.30-0.60 0.10~0.150.10 ~ 0.15 0.040 max.0.040 max. 0.050 max.0.050 max. .. .. .. .. A강A steel 0.0940.094 0.0030.003 0.410.41 0.230.23 0.0110.011 0.0310.031 0.0880.088 0.0650.065 0.0260.026 0.0380.038 B강B steel 0.0710.071 0.0080.008 0.490.49 0.300.30 0.0190.019 0.0130.013 0.0120.012 0.1510.151 0.1200.120 0.0580.058

두 강 중 하나는 전로제강, 조괴, 열간압연의 과정을, 그리고 다른 하나는 전기로제강, 열간압연의 과정을 거쳐 직경 120㎜의 봉으로 제조된 것이며, 편의상 전자를 A강, 후자를 B강으로 표기하기로 한다. 상기 두 개의 봉강을 길이 24㎜의 간격으로 절단하여 원판 형태로 만들고, 표면의 스케일을 제거하기 위해서, 샷 블래스트(shot-blast) 공정을 거친 후, 응력의 분산과 마찰감소를 목적으로 유지피막을 코팅하는 윤활처리를 하였다. 이후, 금형 위에 원판을 놓고 냉간단조하여 원통형의 풀리 부품으로 성형하였다. 이때 B강으로 제조된 풀리 부품의 상단부에는 육안으로도 관찰 가능한 크기의 두세개의 균열들이 발생하였으며, A강으로 제조된 경우에는 균열이 전혀 발견되지 않았다. 주로 균열이 발생되는 위치는 풀리 상단 내부의 굴곡이 심한 모서리 영역이었으며, 다른 영역에서는 균열이 발생되지 않았다.One of the two steels is made of converter steel, ingot, hot rolling process, and the other is made of rod of 120mm diameter through electric furnace steel and hot rolling process. It will be written. The two steel bars are cut at intervals of 24 mm in length to form a disk, and in order to remove the scale of the surface, the shot film is subjected to a shot blast process, and then the holding film is coated for the purpose of stress dispersion and friction reduction. The coating was lubricated. Subsequently, the disc was placed on a mold and cold forged to form a cylindrical pulley part. At this time, two or three cracks were observed on the upper end of the pulley part made of steel B. Even when made of steel A, no cracks were found. The location of the crack was mainly in the bent corner area of the top of the pulley, the crack did not occur in other areas.

균열의 발생원인을 규명하기 위해서 냉간단조시 형성된 균열부의 미세조직을 광학현미경과 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 풀리 상단의 균열부를 풀리의 지름방향과 평행하게 절단하여 시편을 채취한 후, 연마 에칭하여 광학현미경으로 관찰하였으며, 보다 자세한 미세조직을 조사하기 위해서 균열부의 변형을 많이 받은 영역을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 또한, 냉간단조전의 봉강의 미세조직을 광학현미경으로 관찰하고, 결정립 크기, 퍼얼라이트 분율을 영상분석기(image analyzer)로 측정하였다.In order to investigate the cause of cracking, the microstructure of the crack formed during cold forging was observed by optical microscope and scanning electron microscope (SEM). The cracks at the top of the pulley were cut parallel to the radial direction of the pulley, and the specimens were collected, and then etched and observed by optical microscope. Scanning electron microscopes (SEM) Was observed. In addition, the microstructure of the steel bar before cold forging was observed by an optical microscope, and the grain size and the pearlite fraction were measured by an image analyzer.

한편, 봉강의 중심부로부터 압연방향과 평행한 방향으로 게이지 지름이 6㎜, 게이지 길이는 30㎜의 봉상 인장시편을 가공하였다. 10톤(ton) 용량의 인스트론(Instron)을 사용하여 상온에서 10㎜/분 의 크로스-헤드 스피드로 인장시험을 하였다. 상기 인장시험 후, 파괴된 시편의 파면들을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하여 파괴형태를 조사하였다.On the other hand, a rod-like tensile test piece with a gauge diameter of 6 mm and a gauge length of 30 mm was processed in a direction parallel to the rolling direction from the center of the steel bar. Tensile tests were carried out using a 10 ton capacity Instron at a cross-head speed of 10 mm / min at room temperature. After the tensile test, the fracture surfaces of the fractured specimens were observed by scanning electron microscopy (SEM) to investigate the fracture pattern.

또한, 두 저탄소강의 냉간단조시 수반되는 단열성 전단밴드의 형성거동과 균열발생 가능성을 조사하기 위해서 토오셔날 콜스키 바를 이용한 동적 비틀림 시험을 실시하였다. 동적 비틀림시험에 사용된 시편은 봉강의 압연방향과 평행하게 가공되었으며, 표점거리 2.5㎜, 두께 240㎛의 얇은 벽면(thin-walled)의 튜브 형태를 갖는 게이지부와 육각형의 플랜지부로 구성되어 있다. 토오셔날 콜스키 바는 지름이 25.4㎜이고 길이가 2m인 한 쌍의 2124-T6 알루미늄 봉으로 구성되어 있다. 상온에서 약 1700/sec의 평균 전단변형속도(nominal shear strain rate)로 시험하여 동적 전단응력-전단변형율(dynamic shear stress-shear strain) 곡선을 구하였다. 상기 시험 후, 게이지 중앙부에서 파괴된 시편의 파면과 파면 바로 아래의 변형이 심하게 일어난 영역을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다.In addition, dynamic torsion tests were performed using a conventional Kohlski bar to investigate the formation behavior and the possibility of crack formation of the adiabatic shear bands involved in cold forging of two low carbon steels. The specimen used in the dynamic torsion test was processed parallel to the rolling direction of the steel bar, and consisted of a gauge section and a hexagonal flange section with a thin walled tube form with a gauge distance of 2.5 mm and a thickness of 240 µm. . The Standard Kohlski Bar consists of a pair of 2124-T6 aluminum rods 25.4 mm in diameter and 2 meters in length. Dynamic shear stress-shear strain curves were obtained by testing at an average shear strain rate of about 1700 / sec at room temperature. After the test, the fracture surface of the fractured specimen at the center of the gauge and the region where the deformation was severely below the fracture surface were observed by scanning electron microscopy (SEM).

미세조직과 기계적 성질Microstructure and Mechanical Properties

도 1은 A강, 도 2는 B강의 광학현미경 미세조직 사진이다. 각각의 도면에는 일반적인 페라이트-퍼얼라이트 조직이 나타나 있다. 압연방향으로 길게 연신된 퍼얼라이트 결정립들이 층상으로 나타나는 밴드구조는 심하게 나타나지 않으나, 에너지분산현미경(Energy Dispersive Spectroscopy, 이하 'EDS'라 함) 분석결과 확인된 황화망간(MnS)과 같은 비금속 개재물이 다수 관찰되고 있다. 특히 도 1의 A강은 상기 표 1에서 알 수 있듯이 망간(Mn)과 황(S)이 B강에 비해서 상대적으로 많이 함유되어 있기 때문에 결과적으로 도 2의 B강보다 많은 황화망간이 존재하는 것은 당연하다. 한편, 영상분석기로 정량분석을 하면, A강의 평균 결정립 크기는 42㎛ 정도로서, B강의 약 30㎛보다 조대하고, 퍼얼라이트 결정립의 분율도 A강(0.2%)이 B강(9.5%)보다 높게 나타난다.1 is an optical microscope microstructure photograph of steel A, Figure 2 is steel B. Each figure shows a typical ferrite-perlite structure. The band structure in which layered pearlite grains elongate in the rolling direction is not severe, but many non-metallic inclusions such as manganese sulfide (MnS) have been confirmed by energy dispersive spectroscopy (EDS). It is observed. In particular, since steel A in FIG. 1 contains more manganese (Mn) and sulfur (S) than steel B, as a result, more manganese sulfide exists than steel B in FIG. 2. Of course. On the other hand, when quantitatively analyzed by an image analyzer, the average grain size of steel A is about 42 μm, which is coarse than about 30 μm of steel B, and the fraction of pearlite grains is higher than steel B (0.2%) than steel B (9.5%). appear.

도 3은 상기 A강(31)과 B강(33)의 응력 변형율 곡선이다. 이로부터 항복강도, 인장강도, 연신율을 구하여 하기 표 2에 나타내었다.3 is a stress strain curve of the A steel 31 and the B steel 33. Yield strength, tensile strength, and elongation were calculated from this and are shown in Table 2 below.

River 수득 강도(MPa)Obtained Strength (MPa) 응력 강도(MPa)Stress strength (MPa) 신장율(%)Elongation (%) A강A steel 191191 371371 4444 B강B steel 247247 380380 4141

A강에서는 항복점 현상이 없으며, B강에서는 항복점 현상이 뚜렸하게 나타나며, 항복강도가 A강보다 높다. 항복점 현상은 페라이트내에 고용되어 있는 탄소와 질소원자에 기인하는 것으로서, 질소함량이 높은 B강에서는 항복점 현상이 나타나고 항복 강도도 높다.In steel A, there is no yield point phenomenon, in steel B, the yield point phenomenon is more pronounced, and yield strength is higher than steel A. The yield point phenomenon is due to the carbon and nitrogen atoms in the ferrite. The yield point phenomenon is high in the B steel with high nitrogen content, and the yield strength is high.

도 4는 A강, 도 5는 B강에 대한 상온에서의 인장시편의 파면사진이다. 파면의 형태는 전체적으로 딤플(dimple)로 이루어진 연성파괴이다. A강에서는 길게 띠모양의 형태로 이루어진 영역도 관찰되는데, 이러한 영역은 퍼얼라이트 조직으로이루어진 밴드 구조를 따라 파괴가 일어나 형성된 것이다(도 4). 두 강 모두 큰 딤플내에는 화살표로 표시하엿듯이 황화망간들이 관찰된다(도 4 및 도 5)Figure 4 is a wavefront picture of the tensile test specimen at room temperature for steel A, Figure 5 B. The shape of the wavefront is ductile fracture, consisting entirely of dimples. In the steel A, a long band-shaped region is also observed, and this region is formed by breaking along a band structure formed of a pearlite tissue (FIG. 4). Manganese sulfides are observed in both rivers as indicated by arrows in the large dimples (Figs. 4 and 5).

균열부 미세조직 관찰Crack Microstructure Observation

도 6은 B강으로 냉간단조된 풀리 상단 내부 모서리에 생긴 균열의 광학현미경사진이다. 냉간단조에 의한 소성변형으로 결정립들이 길게 연신되어 있으며, 길게 형성된 하나의 균열사이로 결정립들이 서로 빗겨져 있는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 균열의 형태는 단열성 전단밴드가 형성된 후 균열이 이 밴드를 따라 전파되는 전형적인 것이다. 표면부에서 시작된 단열성 전단밴드는 내부로 들어감에 따라 점차 약해지며, 이때 균열은 밴드에서 벗어나 화살표로 표시하였듯이 연신된 퍼얼라이트 결정립을 따라 진행하다가 멈춘다. 화살표 부근에서 약하게 형성된 단열성 전단밴드를 확인할 수 있으며, 균열의 선단부근의 퍼얼라이트에서 미세균열들이 형성된 것을 발견할 수 있다. 이 단열성 전단밴드는 균일한 변형의 주변 미세조직과 달리 페라이트와 퍼얼라이트가 아주 좁은 폭 내에서 급격하게 전단(shearing)되어 그 형태가 밴드처럼 보이며, 내부에 상변태나 용융의 근거는 관찰되지 않는다.6 is an optical micrograph of cracks formed in the upper inner edge of the pulley cold forged with B steel. It can be observed that the grains are elongated by the plastic deformation by cold forging, and the grains are combed from each other between the cracks formed long. This type of crack is typical of cracks propagating along the band after an insulating shear band is formed. The adiabatic shear band started at the surface portion gradually weakens as it enters the interior, and the crack breaks out of the band and progresses along the elongated pearlite grains as indicated by the arrows and stops. A weakly formed adiabatic shear band can be found near the arrow, and microcracks are formed in the pearlite near the tip of the crack. Unlike the surrounding microstructures of uniform deformation, the adiabatic shear bands are sharply sheared within a very narrow width so that the shape looks like a band, and no phase transformation or melting ground is observed inside.

도 7 및 도 8은 냉간단조 후, A 및 B강의 큰 균열의 주위에 형성된 미세균열들을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 퍼얼라이트 내부 또는 퍼얼라이트/페라이트 계면에서 전단 크래킹(shear cracking) 기구에 의해 소성변형방향과 약 45도의 각도를 이루면서 미세균열이 형성되며, 페라이트 결정립계의 탄화물들에서도 미세균열이 발생됨을 알 수 있다.7 and 8 are photographs obtained by scanning electron microscopy (SEM) of microcracks formed around large cracks in A and B steels after cold forging. It can be seen that the microcracks are formed at an angle of about 45 degrees with the plastic deformation direction by the shear cracking mechanism at the inside of the ferrite or at the perlite / ferrite interface, and the microcracks are also generated in the carbides of the ferrite grain boundary.

동적 비틀림 시험 결과Dynamic Torsion Test Results

도 9은 두 강에 대한 동적 비틀림시험으로부터 얻어진 동적 전단응력-전단변형율 곡선이다. 상기 곡선으로부터 최고전단응력(maximum shear stress)과 그 때의 전단변형율(shear strain at maximum shear stress point) 및 파괴시의 전단변형율(fracture shear strain)을 각각 구하여 하기 표 3에 나타내었다.9 is a dynamic shear stress-strain curve obtained from a dynamic torsion test for two steels. The maximum shear stress, shear strain at maximum shear stress point and fracture shear strain at break were calculated from the curves, and are shown in Table 3 below.

River 최고전단응력(MPa)Shear stress (MPa) 최고전단응력시의 전단변형율Shear strain at peak shear stress 파괴시의 전단변형율Shear strain at break A강A steel 347347 0.470.47 0.580.58 B강B steel 403403 0.200.20 0.540.54

상기 도 9에서 A강의 동적 전단응력-전단변형율 곡선(91)을 보면, 항복전단응력을 지난 후의 잔단응력 상승정도는 B강의 전단응력-전단변형율 곡선(93)에 비하여 매우 완만하며, 전단변형율이 0.2 이후에는 전단응력이 거의 동일한 수준을 유지하다가 전단변형율 0.58근처에서 급격한 응력감소가 나타남을 알 수 있다. 그러나 B강에서는 단열성 전단밴드가 형성되는 연성금속재료의 전형적인 곡선거동을 가지고 있다. 즉, 항복전단응력 지점을 지난 후부터 점진적으로 유동응력이 감소하며, 시편이 파괴되기 직전인 전단변형율이 0.54의 부근에서 급격하게 전단응력이 감소하는 곡선거동을 보인다.Referring to FIG. 9, the dynamic shear stress-shear strain curve 91 of the steel A is very gentle compared to the shear stress-strain strain 93 of the steel B after the yield shear stress. After 0.2, the shear stress was maintained at about the same level, and sudden stress reduction appeared near the shear strain of 0.58. However, in steel B, it has the typical curvature behavior of ductile metal materials in which an insulating shear band is formed. In other words, the flow stress gradually decreases after the yield shear stress point, and the shear stress decreases sharply near the shear strain of 0.54, just before the specimen is destroyed.

도 10 및 도 11은 A강 및 B강의 비틀림시험을 행한 시편의 파단면에 관한 사진이다. 이는 동적 비틀림시험시 일어나는 변형 및 파괴거동을 조사하기 위해서 시험 후, 파단된 시편의 파면을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 대체로 연성재료의 비틀림시험시 나타나는 전단방향으로 연신된 딤플로 이루어진 연성파괴형태를 보여주고 있다. 도 10의 A강의 결정립 크기는 도 11의 B강에서보다 크기 나타나기 때문에 A강의 딤플 크기는 B강보다 큰 경향을 보이고 있다. 또한, B강에서는 도 11의 화살표로 표시하였듯이 전단방향으로 파면이 문드러져 있는 영역이 관찰되고 있는 바, 이는 변형에서 파괴에 이르는 과정이 급격하게 일어났기 때문에 기인한 것이다.10 and 11 are photographs of fracture surfaces of specimens subjected to torsion tests of steel A and steel B. FIG. This is a photograph of the fracture surface of a fractured specimen after scanning to examine the deformation and fracture behavior during dynamic torsion test by scanning electron microscope (SEM). In general, it shows a ductile fracture form consisting of dimples drawn in the shear direction during the torsion test of ductile materials. Since the grain size of steel A of FIG. 10 is larger than that of steel B of FIG. 11, the dimple size of steel A tends to be larger than that of B steel. In addition, in the B steel, as indicated by the arrow in Fig. 11, the region where the wavefront is rubbed in the shear direction is observed, which is due to the rapid process from deformation to fracture.

도 12 및 도 13은 A강 및 B강의 파단된 동적 비틀림시편의 게이지부를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 도 12에서 보여지듯이 A강에서의 변형은 시편전체에 걸쳐 비교적 균일하게 일어난다. 도 13을 관찰하며, B강에서도 균일한 변형이 일어났지만, 도 13의 활살표 영역으로 표시하였듯이 A강보다는 시편 게이지 중심부, 즉 파면에 인접한 영역에만 변형이 집중되는 경향을 나타내고 있음을 알 수 있다.12 and 13 are photographs of the gauge portion of the fractured dynamic torsion specimens of steel A and steel B by scanning electron microscope (SEM). As shown in FIG. 12, deformation in steel A occurs relatively uniformly throughout the specimen. Observing FIG. 13, the uniform deformation occurred in the steel B, but as indicated by the arrow area of FIG. 13, it can be seen that the deformation tends to be concentrated only at the center of the specimen gauge, that is, the area adjacent to the wavefront, rather than the steel A. FIG. .

단열성 전단밴드Insulation Shear Band

저탄소강의 냉간단조시 균열을 방지하기 위해서는 소재의 금속유동이 좋으면서 동적 변형시 단열성 전단밴드가 형성되지 않아야 한다. 그러나 페라이트-퍼얼라이트 조직으로 이루어진 저탄소강에서는 퍼얼라이트의 전단 크래킹(shear cracking)에 의해 미세균열이 발생되기 쉬우며, 특히 냉간단조와 같은 극심한 변형 중에 소성유동이 집중되는 영역에 단열성 전단밴드가 쉽게 생길 수 있다.In order to prevent cracking during cold forging of low carbon steel, the metal flow of the material should be good and no insulating shear band should be formed during dynamic deformation. However, in low carbon steels made of ferrite-perlite structure, microcracking is likely to occur due to shear cracking of the ferrite, and insulated shear bands are particularly easy in areas where plastic flow is concentrated during extreme deformation such as cold forging. Can occur.

본 발명에 따른 실시예에서는 냉간단조시 형성되는 균열을 관찰하였으며, 단열성 전단밴드의 형성 정도를 실험실적으로 평가하기 위해서 동적 비틀림시험으로 전단변형특성을 평가하고 변형 및 파괴양상을 조사하였다. 이 전단변형특성에 영향을 미치는 중요한 요인들로 강도, 연신율, 항복점 현상 등의 기계적 요인, 페라이트, 퍼얼라이트, 결정립계 탄화물, 황화망간 개재물과 같은 미세조직학적 요인, 비틀림시험시의 변형 및 파괴거동 등을 들 수 있으며, 다음에 이들 각각의 요인들에 대하여 자세히 고찰하였다.In the embodiment according to the present invention, the cracks formed during cold forging were observed, and the shear deformation characteristics were evaluated by dynamic torsion test and the deformation and fracture patterns were investigated in order to evaluate the degree of formation of the adiabatic shear band experimentally. Important factors affecting the shear deformation characteristics include mechanical factors such as strength, elongation and yield point phenomena, microstructural factors such as ferrite, pearlite, grain boundary carbide, and manganese sulfide inclusions, deformation and fracture behavior during torsion tests. The following is a detailed discussion of each of these factors.

일반적으로 전단변형속도가 증가할수록 기계적-열적 불안정 효과가 증가하여 전단변형이 일어나는 영역의 폭은 좁아지며, 단열성 전다밴드가 형성되기 쉬워진다. 일반탄소강을 준정적 하중하에서 비틀림시험하였을 경우 전단변형이 일어나는 영역은 비교적 넓고 변형도 균일하나, 동적 하중하에서는 전단변형영역이 좁아지고 변형도 집중되는 경향을 보인다.In general, as the shear strain rate increases, the mechanical-thermal instability effect increases, so that the width of the region where the shear strain occurs is narrow, and the insulating band is easily formed. When the normal carbon steel is torsionally tested under quasi-static load, the area where shear deformation occurs is relatively wide and the deformation is uniform, but the shear deformation area becomes narrow and the deformation tends to be concentrated under dynamic load.

동적 비틀림변형과정은 다음과 같이 크게 3단계로 나눌 수 있다. 즉, (1)최대전단응력에 도달하기 이전의 균일변형 단계, (2)최대전단응력 지점에서 시작되는 불균일변형 단계, (3) 전단변형의 국부적 집중에 의한 단열성 전단밴드의 생성 및 발전 단계로 구분할 수 있다. 이때, 상기 마지막 단계에서는 단열성 전단밴드의 형성과 함께 국부적으로 급격한 온도 상승과 수직적인 전단응력의 감소를 동반한다.The dynamic torsional deformation process can be divided into three stages as follows. That is, (1) the stage of uniform strain before reaching the maximum shear stress, (2) the stage of non-uniform deformation starting at the point of maximum shear stress, and (3) the generation and development of adiabatic shear bands by local concentration of shear strain. Can be distinguished. At this time, the last step is accompanied by the formation of an adiabatic shear band and a local sharp rise in temperature and a decrease in the vertical shear stress.

매우 짧은 시간(수십 내지 수백 마이크로초)에 변형이 완료되는 동적 변형에서는 소성변형의 시작과 함께 발생한 열이 시편의 가장자리로부터 플랜지쪽으로 열전달이 일어날 시간적 여유가 없어서 시편의 중앙부에서 온도의 상승이 일어나고, 이로 인한 재료의 연화가 이 부분의 소성변형량을 증가시켜 불균일변형이 초래된다. 불균일변형은 시편의 중앙부와 가장자리 사이의 상이한 변형량에 따른 기계적 불안정을 동반하게 되며, 소성변형의 진행과 함께 급격한 온도상승에 의한 열적 불안정이 상승적 효과를 야기시켜 점차 불균일변형을 심화시키고, 결과적으로 시편의중앙부에 전단소성변형이 집중된다. 이렇게 소성변형이 국부적으로 집중되면, 이 영역에서 하중을 견딜 수 있는 능력이 감소하게 되어 도 9의 전단응력-전단변형 곡선에서 보듯이 전단응력의 급격한 감소가 나타나며, 따라서 곡선의 형태로부터 단열성 전단밴드의 형성 가능성을 평가할 수 있다.In dynamic deformation, where the deformation is completed in a very short time (tens of hundreds to hundreds of microseconds), the heat generated with the onset of plastic deformation does not have time to heat transfer from the edge of the specimen to the flange, resulting in an increase in temperature in the center of the specimen. The resulting softening of the material increases the amount of plastic deformation of this part, resulting in non-uniform deformation. The non-uniform deformation is accompanied by mechanical instability due to the different amount of deformation between the center and the edge of the specimen, and thermal instability due to rapid temperature rise with the progress of plastic deformation causes a synergistic effect, which gradually intensifies the non-uniform deformation. Shear plastic deformation is concentrated in the center of the chamber. This local concentration of plastic deformation reduces the ability to withstand loads in this region, resulting in a sharp decrease in shear stress, as shown in the shear stress-shear strain curve of FIG. The possibility of forming can be evaluated.

소성불안정과 국부적 온도 상승 효과의 복합적 작용에 의한 열적 기계적 불안정 과정으로 단열성 전단밴드가 형성되는 것을 감안하면, 불균일 변형단계가 시작되는 최대전단응력지점을 단열성 전단밴드 형성의 시작점으로 간주할 수 있다. 따라서, 최대전단응력과 그 때의 전단 변형율이 높으면 외부로부터 주어지는 하중과 변형속도 하에서 소성불안정에 의한 단열성 전단밴드의 형성이 어렵게 된다. 이러한 관점에서 B강은 최대전단응력이, A강보다 더 높으나 최대전단응력지점에서의 전단변형율이 0.2밖에 되지 않기 때문에 단열성 전단밴드가 용이하게 형성될 수 있다. 반면, A강은 최대전단응력지점에서의 전단변형율이 매우 높을뿐만 아니라, 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이 전단변형율 0.2 정도까지는 어느 정도 가공경화되나, 그 이상에서는 가공경화가 거의 이루어지지 않아 비교적 낮은 유동응력 하에서도 균일한 변형이 이루어질 수 있음을 보여주는 것이다.Considering the formation of a thermal shear band as a result of thermal mechanical instability due to the combined action of plastic instability and local temperature rise, the maximum shear stress point at which the non-uniform deformation stage begins can be regarded as the starting point of the thermal shear band formation. Therefore, when the maximum shear stress and the shear strain at that time are high, it is difficult to form an insulating shear band due to plastic instability under a load and a strain rate given from the outside. From this point of view, steel B has a higher maximum shear stress than steel A but has a shear strain of only 0.2 at the maximum shear stress point, so that an insulating shear band can be easily formed. On the other hand, steel A has a very high shear strain at the maximum shear stress point, and as shown in FIG. 9, it is hardened to some extent by a shear strain of about 0.2, but above that, relatively hard work hardening is not achieved. It shows that uniform deformation can be made under flow stress.

이와 같은 요인으로 동일한 냉간단조조건하에서 B강은 소성유동이 집중되는 특정영역에서 단열성 전단밴드가 형성되고 단조균열이 쉽게 발생할 수 있으나, A강은 B강보다 더 낮은 유동응력하에서 보다 균일한 변형이 이루어지므로 단조균열이 발생되지 않고 단조가 용이하게 진행될 수 있다. 실제로 동적 비틀림시험 후 파단된 게이지부의 변형된 영역을 관찰하여 보면, A강에서는 비교적 전단변형이 균일하게 일어나나(도 12), B강에서는 전단변형이 시편 게이지부의 중심에 집중되는 것을 볼 수 있으며(도 13), 따라서 파면에서는 급격한 전단변형 및 파괴에 의해 문드러진 영역이 존재한다(도 11).Due to these factors, under the same cold forging condition, steel B may have a thermally insulated shear band and be easily cracked in a specific area where plastic flow is concentrated.However, steel A may have more uniform deformation under lower flow stress than steel B. Since forging cracks are not generated, forging can be easily performed. Indeed, when observing the deformed area of the broken gauge part after the dynamic torsion test, the shear deformation occurs relatively uniformly in the steel A (Fig. 12), but in the B steel, the shear deformation is concentrated in the center of the specimen gauge part. (FIG. 13) Therefore, in the wavefront, there is an area rubbed by the sharp shear deformation and fracture (FIG. 11).

기계적-열적 불안정요인 외에도 검토해야 할 냉간가공성에 중요한 영향을 미치는 요인은 미세조직학적 인자이다. 미세조직이 달라지면 전단밴드 형성의 생성의 난이도도 달라지게 되며, 단열성 전단밴드가 형성되지 않도록 하기 위해서는 합금설계와 제강, 압연 등의 제조공정을 통하여 미세조직을 세밀하게 제어하여야 한다. 저탄소강에 존재하는 미세조직학적 인자들은 결정립 크기, 퍼얼라이트의 분율 및 형상, 결정립계 탄화물, 황화망간(MnS)개재물 등이다. 퍼얼라이트는 탄소강에서 가장 취약한 부분으로 낮은 하중하에서 미세균열을 형성함으로써 파괴가 일어나는 자리로 작용하기 때문에 탄소강의 소성유동을 열화시키는 작용을 한다. 따라서, 퍼얼라이트가 금속의 소성유동을 열화시키고, 균열의 시작 및 전파의 원인이 될 수 있다는 것을 고려하면 퍼얼라이트의 분율이 낮을수록 냉간단조성능이 좋아진다고 예상할 수 있다. 또한 A강과 B강에 많이 포함된 결정립계 탄화물과 황화망간 개재물은 취약한 상들이기 때문에 퍼얼라이트 결정립보다도 더욱 낮은 하중하에서도 쉽게 미세균열로 발전할 수 있어 소성유동에 악영향을 미칠 수 있다. 그러나 이들의 양은 비교적 적기 때문에 전체적인 냉간단조성능에 큰 영향을 미치지는 않으며, A강과 B강 모두 퍼얼라이트의 형태, 크기, 분율, 결정립계 탄화물, 황화망간(MnS) 개재물 증 전반적인 미세조직이 거의 비슷하기 때문에 미세조직의 차이에 의하여 냉간단조성능이 달라진다고 보기는 어렵다.In addition to mechanical-thermal instability, other important factors affecting cold workability to be examined are microhistological factors. If the microstructure is changed, the difficulty of the formation of the shear band is also changed, and in order to prevent the formation of the adiabatic shear band, the microstructure must be finely controlled through the manufacturing process such as alloy design, steelmaking, and rolling. Microhistological factors present in low carbon steels are grain size, fraction and shape of pearlite, grain boundary carbide, manganese sulfide (MnS) inclusions, and the like. Perlite is the most vulnerable part of carbon steel, which acts as a site of breakage by forming microcracks under low load, thereby degrading plastic flow of carbon steel. Therefore, considering that pearlite may degrade the plastic flow of metal and cause cracking and propagation, it may be expected that the lower the fraction of the pearlite, the better the cold forging performance. In addition, grain carbide and manganese sulfide inclusions contained in steel A and steel B are fragile phases, so they can easily develop microcracks even under a lower load than pearlite grains, which may adversely affect plastic flow. However, since their amount is relatively small, they do not affect the overall cold forging performance, and both A and B steels have almost the same shape, size, fraction, grain boundary carbide, and manganese sulfide (MnS) inclusions. Therefore, it is difficult to see that the cold forging performance is changed by the difference in microstructure.

이상과 같이 A강과 B강 소재로 냉간단조할 경우 두 강 모두 기본적인 미세조직과 기계적 성질은 거의 비슷함에도 불구하고, 금속 소성유동특성이 서로 달라 단열성 전단밴드의 형성에 따른 균열발생에 차이가 생기는 것을 알 수 있다. 이 소성유동의 차이는 도 6의 항복점 현상의 유무로부터 유추할 수 있다. 항복점 현상은 저탄소강, 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등에서 나타나는 것으로, 저탄소강의 경우에는 탄소나 질소와 같은 침입형 용질원자에 의한 전위의 운동 곤란으로 설명된다. 탄소나 질소원자들은 전위로 쉽게 확산되어 전위들을 강하게 고착시키며, 높은 응력에 의해 용쟬원자의 분위기에서 전위들이 벗어나면 낮은 응력에서 슬립이 일어나 항복점이 생긴다. 따라서 페라이트 내에 고용되어 있는 침입형 용질원자의 양을 감소시키거나 용질원자가 존재하여도 전위로 쉽게 확산되지 않도록 한다면 항복점 현상을 없앨 수 있다. 상기 표 1에서 알 수 있듯이 A강의 질소함량은 B강에 비해 훨씬 낮으므로 항복점 현상이 잘 일어나지 않을 수 있다. B강에서는 질소원자들이 페라이트 내 전위들을 고착시킴으로써 항복점 현상을 나타내며, 이를 방지하기 위해서는 강내 질소의 함량을 크게 줄이고 열간압연 후, 빠른 냉각 속도를 적용함으로써 탄소 및 질소원자들이 전위로 확산되는 것을 감소시켜야 한다. 그러나, B강은 전기로 제강방법으로 제조되었기 때문에 질소의 함량을 감소시키기 어려우므로 알루미늄을 제강공정에서 첨가하여 질화알루미늄(AlN)화합물입자로 질소원자들을 소비한다면 효과적인 고용된 질소원자들을 감소시킬 수 있다.As described above, in case of cold forging of A steel and B steel material, although the basic microstructure and mechanical properties of both steels are almost similar, the metal plastic flow characteristics are different so that there is a difference in crack initiation due to the formation of an insulating shear band. Able to know. This plastic flow difference can be deduced from the presence or absence of the yield point phenomenon of FIG. The yield point phenomenon occurs in low carbon steels, aluminum alloys, titanium alloys, and the like, and is explained in the case of low carbon steels due to difficulty in movement of dislocations caused by invasive solute atoms such as carbon and nitrogen. Carbon or nitrogen atoms are easily diffused to dislocations, and they strongly adhere to the dislocations. When dislocations are displaced from the molten atom due to high stress, slippage occurs at low stresses, causing a yield point. Therefore, the yield point phenomenon can be eliminated if the amount of invasive solute atoms dissolved in the ferrite is reduced or if the solute atoms are not easily diffused into the dislocations. As can be seen in Table 1, the nitrogen content of A steel is much lower than that of B steel, so the yield point phenomenon may not occur. In the B steel, nitrogen atoms exhibit a yield point phenomenon by fixing potentials in ferrite. To prevent this, the content of nitrogen in the steel must be greatly reduced and hot rolling can be applied to reduce the diffusion of carbon and nitrogen atoms to the potential by applying a fast cooling rate. do. However, steel B is difficult to reduce the nitrogen content because it is manufactured by the steelmaking method with electricity. Therefore, if aluminum is added in the steelmaking process to consume nitrogen atoms as aluminum nitride (AlN) compound particles, effective dissolved nitrogen atoms can be reduced. have.

열처리 냉각속도 변화에 따른 미세조직 제어Microstructure control according to the heat treatment cooling rate

이와 같이 B강의 항복점 현상을 고찰하여 보면, 전위를 고착시키는 질소원자의 수가 재료의 소성유동에 큰 영향을 미치며, 소성유동이 집중되는 영역에서 단열성 전단밴드가 형성되는 것을 알 수 있다. 따라서, 항복점 현상을 나타내는 B강에 대하여 냉각속도를 변화시킴으로써 항복점 현상을 없애고 단열성 전단밴드의 형성을 감소시키기 위한 조건을 조사하였다. B강을 870℃에서 1시간 용체화처리한 후 공냉(air cooling), 노냉(furnace cooling) 및 강제공냉(air-blast cooling)으로 냉각조건을 달리하였으며, 열전대(thermocouple)로 측정된 냉각속도는 각각 0.07, 1.00, 6.23 ℃/초이었다.As discussed above, the yield point phenomenon of B steel shows that the number of nitrogen atoms to fix the dislocation has a great influence on the plastic flow of the material, and an adiabatic shear band is formed in the region where the plastic flow is concentrated. Therefore, the conditions for eliminating the yield point phenomenon and reducing the formation of the adiabatic shear band were investigated by changing the cooling rate for the B steel exhibiting the yield point phenomenon. After cooling the steel B at 870 ℃ for 1 hour, the cooling conditions were changed by air cooling, furnace cooling, and air-blast cooling, and the cooling rate measured by thermocouple was 0.07, 1.00, 6.23 ° C / sec, respectively.

도 14, 15 및 도 16은 공냉, 노냉 및 강제공냉된 각각의 시편들을 광학현미경으로 관찰한 미세조직 사진이다. 냉각속도가 빨라질수록 페라이트, 퍼얼라이트 결정립의 크기와 퍼얼라이트의 부피분율이 감소함을 알 수 있다. 노냉된 시편은 퍼얼라이트가 일정한 간격으로 배열되는 밴드구조가 뚜렷이 나타나나(도 14), 강제공냉된 시편에서는 거의 없어진다(도 15).14, 15 and 16 is a microstructure photograph of each of the air-cooled, furnace-cooled and forced air-cooled specimens with an optical microscope. As the cooling rate increases, it can be seen that the size of ferrite and pearlite grains and the volume fraction of pearlite decrease. In the uncooled specimens, the band structure in which the ferrites are arranged at regular intervals is clearly seen (FIG. 14), but almost disappeared in the forced air-cooled specimens (FIG. 15).

도 17은 상기 냉각속도를 달리한, 즉, 공냉, 노냉 및 강제공냉된 각각의 시편들에 대한 인장응력-변형곡선이다. 공냉된 시편의 인장곡선(171)을 기준으로 하여 노냉된 시편의 인장곡선(173)에서는 뚜렷한 항복점 현상이 관찰되지만, 냉각속도가 빨라질수록 그 현상이 완화되어 강제공냉된 시편의 인장곡선(175)에서는 항복점 현상이 거의 없어진다. 이는 빠른 냉각속도로 인하여 탄소나 질소 등의 침입형 원자들이 전위로 확산되는 것이 억제되어 전위고착 분위기가 상대적으로 감소하였음을 알 수 있다. 한편, B강에 대한 인장시험과 브리넬(Brinell) 경도시험(하중:100kg) 결과를 하기 표 4에 나타내었다.FIG. 17 is a tensile stress-strain curve for each of the specimens at different cooling rates, ie air cooled, furnace cooled and forced air cooled. On the basis of the tensile curve 171 of the air-cooled specimen, a distinct yield point phenomenon is observed in the tensile curve 173 of the furnace-cooled specimen, but as the cooling rate increases, the phenomenon is alleviated and the tensile curve of the forced-air cooled specimen (175). The yield point is almost eliminated at. It can be seen that due to the fast cooling rate, intrusion-type atoms such as carbon or nitrogen are suppressed from dispersing to the potential, thereby reducing the potential fixation atmosphere. On the other hand, the tensile test and Brinell (Brinell) hardness test (load: 100kg) results for B steel are shown in Table 4 below.

B강B steel 수득강도(MPa)Yield strength (MPa) 응력강도(MPa)Stress strength (MPa) 신장율(%)Elongation (%) 브리넬경도(HB)Brinell Hardness (HB) 노냉Noin 293293 395395 38.038.0 66.466.4 공냉Air cooling 314314 402402 36.536.5 68.068.0 강제공냉Forced air cooling 242242 373373 37.037.0 65.465.4

상기 표 4를 참조하면, 공냉된 시편은 노냉된 시편보다 결정립이 미세화되어 항복 강도와 인장 강도가 높으며, 강제공냉된 시편은 결정립은 미세화되지만 퍼얼라이트 분율이 낮아져 항복강도와 인장강도가 가장 낮다. 이러한 인장거동은 경도시험결과와도 일치한다.Referring to Table 4, the air-cooled specimens have higher yield strength and tensile strength than the uncooled specimens, and the forced air-cooled specimens have fine grains but have a lower fraction of perlite, resulting in the lowest yield strength and tensile strength. This tensile behavior is also consistent with the hardness test results.

도 18은 공냉, 노냉 및 강제공냉된 각각의 시편들에 대한 동적비틀림곡선이다. 공냉된 시편의 동적비틀림곡선(181)을 기준으로 하여 비교할 때, 최대전단응력은 인장응력의 순서와 마찬가지로 강제공냉된 시편의 동적비틀림곡선(185)이 가장 낮게 나타난다. 노냉된 시편의 경우(183) 열처리전의 B강의 동적 비틀림거동과 마찬가지로 0.2 정도의 전단변형율에서 최대전단응력을 나타내고, 그 후 0.6 정도의 전단변형율에서 파괴될 때까지 전단응력이 서서히 감소하는 소성불안정거동을 보인다. 이러한 최대전단응력점 이후 전단응력의 감소는 변형집중에 의한 열적연화 효과를 나타내는 증거이다. 반면, 공냉과 강제공냉된 시편은 0.3정도의 전단변형율에서 최대전단응력을 나타낸 후 0.6정도의 변형율에서 파괴될때까지 거의 일정한 응력을 나타내는 균일변형구간을 나타내고 있는데, 이는 국부적인 변형집중이 덜 일어나 가공성이 우수하다는 것을 의미한다.18 is a dynamic torsion curve for each of the air cooled, furnace cooled, and forced air cooled specimens. When compared based on the dynamic torsion curve 181 of the air-cooled specimen, the maximum shear stress is the lowest dynamic torsion curve 185 of the forced air-cooled specimen in the same order of the tensile stress. Similar to the dynamic torsional behavior of B steel before heat treatment in the case of the uncooled specimen (183), the plastic shear instability behavior shows a maximum shear stress at a shear strain of about 0.2 and then gradually decreases until it breaks at a shear strain of about 0.6. Seems. The decrease in shear stress after this maximum shear stress point is evidence of the thermal softening effect by strain concentration. On the other hand, the air-cooled and forced air-cooled specimens showed a uniform strain region showing a maximum shear stress at a shear strain of about 0.3 and then a fracture at a strain of about 0.6. It means that it is excellent.

도 19, 20 및 21은 냉각속도를 달리하는 상기 각각의 시편들에 대한 전단변형의 집중 경향을 파악하기 위해 동적 비틀림시험 후 게이지 부위를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 사진이다. 도 19에서와 같이 노냉된 시편에서는 파단면 주위에 국부적으로 변형이 집중되어 파단면에서 멀리 떨어진 부위와 명암이 다르게 나타나는 국부변형영역(localized deformation region)이 대략 250㎛의 폭으로 존재함을 알 수 있다. 상기 국부변형영역은 공냉과 강제공냉된 시편에서는 더 넓게 나타나며(도 20, 21), 특히 강제공냉된 시편에서는 400㎛ 이상으로 크게 증가되어 거의 균일한 변형형태를 나타내고 동적 변형속도에서도 게이지가 완전하게 파괴되지 않는 거동을 나타내고 있다.19, 20 and 21 are photographs of a gauge region observed by scanning electron microscopy (SEM) after a dynamic torsion test, in order to determine the concentration tendency of shear deformation for each of the specimens having different cooling rates. As shown in FIG. 19, it can be seen that localized deformation regions having a width of about 250 μm exist in the furnace-cooled specimen where local deformation is concentrated around the fracture surface, and the contrast and the contrast of the portion far away from the fracture surface are different. have. The local deformation region is wider in the air-cooled and forced air-cooled specimens (FIGS. 20, 21), especially in the forced-air-cooled specimens, which is greatly increased to 400 µm or more, indicating a nearly uniform deformation shape and the gauge completely at the dynamic strain rate The behavior is not destroyed.

이상의 첨부 도면을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예들은 최적의 실시예들이다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 상세하게 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용한 것이 아니다.Embodiments of the present invention described with reference to the accompanying drawings are optimal embodiments. Although specific terms have been used herein, they are used only for the purpose of describing the present invention in detail and are not used to limit the scope of the present invention as defined in the meaning or claims.

이러한 결과는 용체화처리 또는 열간압연 후 냉각속도를 증가시킴으로써 동적 하중하에서도 변형이 균일하게 일어나게 할 수 있다는 것을 보여준다. 이는 냉각속도가 빨라진면 변형저항으로 작용하는 퍼얼라이트의 분율을 감소시킬 뿐만 아니라 항복점 현상을 유발하는 침입형 고용원자들의 전위로의 확산을 억제하여 항복점 현상을 방지할 수 있기 때문이다. 본 발명에서는 탄소함향이 0.1 중량% 이하의 저탄소강의 미세조직, 기계적 성질, 동적 비틀림특성을 단열성 전단밴드의 형성 및 균열발생의 정도와 연결시켜 분석하였으며, 그 결과를 토대로 실제 냉간단조시 균열발생유무를 예측하고 균열발생을 방지할 수 있는 방법을 제시하였다. 특히, 항복점 현상의 차이에 의해 금속의 소성유동이 달라진다는 점에 착안하여 항복점 현상을 없애거나 감소시킬 수 있는 방법으로 균열발생을 방지하도록 한 것은 냉간단조의 성능을 향상시킬 수 있다.These results show that deformation can occur even under dynamic loads by increasing the cooling rate after solution treatment or hot rolling. This is because the faster the cooling rate, the lower the fraction of the pearlite acting as a deformation resistance, and also prevents the yield point phenomenon by inhibiting the diffusion of the invasive solid atoms causing the yield point phenomenon to the potential. In the present invention, the microstructure, mechanical properties, and dynamic torsional properties of low carbon steels with a carbon content of 0.1 wt% or less were analyzed by the formation of adiabatic shear band and the degree of crack initiation. We predicted and suggested a method to prevent the occurrence of cracks. In particular, the fact that the plastic flow of the metal is changed by the difference in the yield point phenomenon to prevent the occurrence of cracks in a way to eliminate or reduce the yield point phenomenon can improve the performance of cold forging.

Claims (4)

전로제강, 조괴 및 열간압연의 과정을 포함하여 제조된 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법에 있어서,In the method of inhibiting the formation of the insulating shear band during cold forging for low carbon steel, including the process of converter steel, ingot and hot rolling, 상기 저탄소강에 대해 용체화처리하는 단계; 및Solution treatment for the low carbon steel; And 상기 용체화 처리된 저탄소강에 대해 냉간단조하는 단계를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법.Including the step of cold forging for the solution-treated low carbon steel, the method of inhibiting the formation of a heat insulating shear band during cold forging for low carbon steel, characterized in that proceeding. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 용체화 처리 단계는 870 내지 900℃의 온도 범위에서 1 내지 2 시간 동안 진행하고, 상기 냉간 단조 단계는 강제공냉의 방식으로 6 내지 8℃/초의 냉각속도로 진행하는 것을 특징으로 하는 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법.The solution treatment step is carried out for 1 to 2 hours in the temperature range of 870 to 900 ℃, the cold forging step is a low carbon steel, characterized in that proceeds at a cooling rate of 6 to 8 ℃ / second in the manner of forced air cooling Method of suppressing the formation of adiabatic shear band in cold forging. 전기로제강, 열간압연의 과정을 포함하여 제조된 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법에 있어서,In the method of suppressing the formation of the insulating shear band during cold forging for low carbon steel, including the furnace steel, hot rolling process, 상기 저탄소강에 대해 용체화처리하는 단계; 및Solution treatment for the low carbon steel; And 상기 용체화 처리된 저탄소강에 대해 냉간단조하는 단계를 포함하여 진행하는 것을 특징으로 하는 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법.Including the step of cold forging for the solution-treated low carbon steel, the method of inhibiting the formation of a heat insulating shear band during cold forging for low carbon steel, characterized in that proceeding. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 용체화 처리 단계는 870 내지 900℃의 온도 범위에서 1 내지 2 시간 동안 진행하고, 상기 냉간 단조 단계는 강제공냉의 방식으로 6 내지 8℃/초의 냉각속도로 진행하는 것을 특징으로 하는 저탄소강에 대한 냉간단조시 단열성 전단밴드 형성 억제 방법.The solution treatment step is carried out for 1 to 2 hours in the temperature range of 870 to 900 ℃, the cold forging step is a low carbon steel, characterized in that proceeds at a cooling rate of 6 to 8 ℃ / second in the manner of forced air cooling Method of suppressing the formation of adiabatic shear band in cold forging.
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