KR100325713B1 - 연화열처리생략형합금강선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계구조용 또는 볼트 및 너트 등으로 사용되는 합금강선재의 제조방법에 있어서, 중량%로 탄소:0.2∼0.6%, 규소: 0.1∼1.0%, 망간: 0.1∼1.5%를 함유하면서, 크롬:0.1∼2.0%, 니켈: 0.1∼5.0%, 몰리브덴:0.1∼1.5%, 붕소: 5∼200ppm으로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소 및 잔부: 철 및 불가피한 불순물(단, 불순물 중에서 알미늄 0.1%이하, 질소 0.01%이하,인 0.02%이하, 황 0.02%이하)을 함유하는 강을 선재로 열간압연하는 단계; 상기 열간압연 선재를 송풍기 냉각과정에서 700℃까지 초당 5℃ 이상으로 급냉하는 단계; 이후 500℃ 까지는 초당 0.5℃이하의 냉각속도로 서냉하는 단계; 이때 선재 미세조직의 85% 이상이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지며, 비커스 경도가 260 이하가 되도록하는 것을 특징으로 하는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법을 요지로 한다.

Description

연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법

본 발명은 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 기계구조용 또는 볼트 및 너트등으로 사용되는 합금강 선재에 있어서, 열간압연후 제어냉각을 하는 과정에서 냉각개시온도 및 냉각속도를 적절히 조정하여 선재 미세조직의 85% 이상이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지며, 비커스경도가 260이하가 되도록 하여, 수요가 가공공정중의 하나인 연화열처리 과정을 생략할 수 있도록 하는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고합금강선재는 경화능이 우수하기 때문에 열간압연 및 제어냉각된 것을 2차 가공업체에서 열간 또는 냉간단조를 통해 원하는 최종 형상을 얻은 다음, 담금질 및 뜨임처리를 하여 인성과 강도를 동시에 높일수 있는 뜨임 마르텐사이트(tempered martensite)조직을 가진 최종제품으로 제조한다. 한편, 이러한 열간 및 냉간단조가공을 하기 전에 일정량의 냉간신선가공을 한 후 구상화 열처리를 실시하는데, 선재의 강도가 너무 높게 되면, 냉간신선시 단선이 발생할 우려가 있기때문에 미리 연화열처리를 실시한다. 즉, 연화열처리는 단지 냉간신선을 원활하게 하기 위한 전처리이기 때문에 이 공정을 생략할수 있으면 제조경비를 상당히 저감시킬 수 있다.

그러나 상기의 성분을 가진 합금강선재는 경화능이 매우 우수하기 때문에 선재제조시 열간압연 후 냉각과정에서 베이나이트 및 마르텐 사이트 등의 저온변태조직이 발생할 소지가 많다. 이러한 저온변태조직은 가공시 일반적으로 취성을 나타내기 때문에 선재에 잔존하게 되면 냉간신선과정에서 단선발생의 주요한 요인이 된다. 따라서 수요가에서는 냉간신선을 하기 전에 A₁변태온도 직하에서 수시간 유지하는 저온 어닐링 즉, 연화열처리를 실시하여 선재의 강도를 저감시켜 소재에 연성을 부여하는 것이 일반적이다. 그러나 선재상태에서 이러한 저온변태조직의 발생을 최소화시켜서 직접적으로 냉간신선이 가능하도록 한다면, 연화열처리는 불필요한 공정이 되며, 결과적으로 제조경비를 저감시킬수 있는 것이다.

선재의 열간압연 후 냉각과정에서 페라이트와 펄라이트로 이루어진 미세조직을 형성시키기 위한 한가지 방법으로 일본 공개특허 소61-153230에서 제시된 바와같이 선재압연시 마무리 온도를 650 내지 900℃ 범위로 하고, 초당 0.05 내지 0.5℃의 냉각속도로 550 내지 600℃까지 냉각하는 기술이 있다. 이 기술은 선재 마무리 압연온도를 낮게 유지함으로서 압연재의 오스테나이트 결정립을 미세하게 유지하여, 이어지는 냉각과정에서 페라이트 및 펄라이트 변태를 촉진시켜서 저온변태조직의 발생을 억제하는데 그 촛 점이 있다. 그러나 선재의 마무리 압연속도가 초당100미터에 이를 정도로 고속압연이 되는 경우에 가공발열에 의해 선재의 온도가 상당히 상승하게 된다. 따라서 마무리압연온도를 650 내지 900℃의 범위로 억제하기 위해서는 압연속도를 현저히 저감시키거나, 압연선재의 발열을 억제하기 위하여 엄청난 냉각설비를 보완해야하는 단점이 있다. 따라서 이러한 기술은 압연속도가 느린 붕산의 생산에는 적용이 용이하지만, 고속으로 압연되는 선재생산설비에는 부적합하다고 할 것이다.

그리고 선재의 합금성분을 조성하여 경화능을 저감시킴으로서 냉각시 페라이트와 펄라이트의 변테를 촉진하는 방안을 고려할 수 있으나, 전술한 바와 같이 이러한 합금강 선재는 수요가 공정에서 냉간 또는 열간단조 후 담금질 및 뜨임열처리를 통해 뜨임 마르텐사이트조직을 얻는 것을 목적으로 한다. 즉 담금질열처리 경화능이 충분히 크게하여 소재의 전체 단면적에 걸쳐 마르텐사이트조직이 얻어져야 한다. 그런데 선재의 합금성분을 조정하여 경화능을 저감시키면 이러한 담금질열처리시 충분한 마르텐사이트를 얻을 수 없는 경우가 발생한다. 따라서 선재의 합금성분의 조정으로 경화능을 저감시키는 방법은 문제점이 있다.

따라서 본 발명자는 합금성분을 조정한 선재를 열간압연한 후, 특히 냉각과정을 조정함으로서 특별한 설비의 변화없이 수요가에서의 연화열처리를 생략할 수 있을 정도의 페라이트와 펄라이트조직을 가질수 있도록 하는 방안에 대하여 깊이 있게 연구한 결과, 상기의 합금성분을 함유한 빌렛을 열간압연한후 송풍기 냉각과정에서 최적의 미세조직을 얻을수 있는 제어냉각기술을 개발하고 이에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특별한 설비의 보완이나 생산성의 저감없이도 연화열처리를 생략하여 생산성 향상 및 원가절감에 기여할 수 있는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 합금강선재의 연속냉간 변태곡선을 나태는 그래프도.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 기계구조용 또는 볼트 및 너트 등으로 사용되는 합금강선재의 제조방법에 있어서, 중량%로 탄소:0.2∼0.6%, 규소: 0.1∼1.0%, 망간: 0.1∼1.5%를 함유하면서, 크롬:0.1∼2.0%, 니켈: 0.1∼5.0%, 몰리브덴:0.1∼1.5%, 붕소: 5∼200ppm으로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소 및 잔부: 철 및 불가피한 불순물(단, 불순물 중에서 알미늄 0.1%이하, 질소 0.01%이하,인 0.02%이하, 황 0.02%이하)을 함유하는 강을 선재로 열간압연하는 단계; 상기 열간압연 선재를 송풍기 냉각과정에서 700℃까지 초당 5℃ 이상으로 급냉하는 단계; 이후 500℃ 까지는 초당 0.5℃이하의 냉각속도로 서냉하는 단계; 이때 선재 미세조직의 85% 이상이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지며, 비커스 경도가 260 이하가 되도록하는 것을 특징으로 하는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법을 제공한다.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이 통상적인 방법인 일반서냉법으로 페라이트와 펄라이트조직을 얻기 위해서는 약 1,000초 이상의 냉각시간이 필요로 한다. 그러나 선재의 연속냉각설비의 길이는 제한이 있기 때문에 이 정도의 긴 시간동안 서냉할 수있는 방법으로는 별도의 서냉로를 설치해서 적치냉각을 하는 방법밖에 없다. 이렇게 되면 설비비 뿐만 아니라 생산성도 현저히 떨어지기 때문에 연화열처리 생략에 의한 경비절감액을 훨씬 상회할 수 있어 기술적 의미를 상실한다. 연속 냉각설비를 적용하는 경우는 냉각 콘베이어를 벗어날 때의 미세조직의 대부분이 아직 오스테나이트로 잔류하고 있기 때문에 이후에 자연공냉과정에서 베이나이트 또는 마르텐사이트 등으로 변태하게 된다.

그러나 본 발명에서 제시하는 기술의 촛점은 변태가 개시되기 전에 급냉을 함으로써 변태개시에 필요한 시간을 현저히 저감시키고, 페라이트 및 펄라이트 변태과정에 있어서의 선재온도가 변태완료시간이 가장 짧은 온도영역을 통과하도록 유도함으로서 냉각 콘베이어를 벗어날 때의 미세조직이 85이상인 페라이트 및 펄라이트로 이루어질 수 있도록 하는 것이다. 이렇게 하므로서 특별한 설비보완이나 생산성 저감 없이도 연화열처리공정을 생략하는 것이 가능한 합금강 선재를 제조할 수가 있다.

이하, 상기의 수치한정이유에 대하여 설명한다.

탄소는 강의 강도를 증대시키는데 있어서 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 탄소가 0.2%미만으로 첨가되면 최종제품의 미세조직인 뜨임 마르텐사이트조직으로 충분한 높은 강도를 얻을 수 없다. 따라서 탄소함량은 0.2% 이상이 되도록 첨가해야 한다. 그리고 탄소가 0.6%초과해서 첨가되면 마르텐사이트의 인성이 현저히 감소하기 때문에 기계구조용이나 볼트 및 너트의 용도로 사용할 수 없게 된다.

규소는 강의 탈산에 필요한 원소이기 때문에 함유량이 너무 적을 경우 탈산효과가 충분하지 않으므로 0.1%이상 첨가해야 한다. 그러나 규소가 과다하게 첨가되면 선재제조공정 중 표면탈탄이 심해지기 때문에 1.0%이하로 규제하는 것이 바람직하다.

망간은 강의 제조시에 탈산효과가 있을 뿐만 아니라 소재내의 황과 더불어 황화망간(MnS)을 형성시켜 황에 의한 적열취성현상을 방지하는 역할을 하기 때문에 0.1%이상 첨가되어야 하며, 1.5%를 초과해서 첨가될 경우 상변태속도를 현저히 저하시키기 때문에 압연후 극서냉을 하더라도 원하는 미세조직인 페라이트 및 펄라이트를 얻지 못하고 마르텐사이트가 형성되기 때문에 수요가에서의 연화열처리공정을 생략할 수가 없게 된다.

크롬은 강의 내식성을 개선시키는 효과가 있으며, 고합금강 선재의 최종 열처리공정인 담금질시 경화능을 증대시키기 위해서는 최소한 0.1%이상이 첨가되어야 한다. 그러나 크롬의 함량이 지나치면 선재압연후 송풍냉각시 마르텐사이트를 발생시킬 뿐만 아니라 2차 스케일을 지나치게 치밀하게 만들어 기계적 탈스케일능 또는 산세스케일능을 악화시킨다. 따라서 크롬의 함량을 2.0%이하로 제한하는 것이 필요하다.

니켈은 뜨임 마르텐사이트 조직의 인성을 향상시키는 원소이다. 그러나 0.1%미만으로 첨가되면 그 효과를 얻을수 없으며, 5.0%를 초과할 때는 그 효과가 포화된다.

몰리브덴은 오스테나이트 결정립계에서 인이 편석되는 것을 억제하여 최종제품의 인성을 개선시키는 효과가 있으며, 고합금강 선재의 담금질시 경화능을 증대시키는 효과를 얻기 위해서는 최소한 0.1%는 첨가되어야 한다. 한편, 몰리브덴의 함량이 1.5%를 초과하면 선재압연후 송풍기 냉각시 마르텐사이트를 발생시킨다.

붕소는 담금질열처리시 마르텐사이트를 얻는데 효과적인 원소이나 5ppm미만으로 첨가하면 그 효과를 얻을수 없다. 그리고 200ppm 을 초과해서 첨가되면 그 효과가 포화된다.

본 발명에 따른 열간 또는 냉간단조공정 이전에 구상화 열처리를 하게 되는 고함금강 선재는 상기의 원소 외에 잔부로서 불가피한 불순물을 포함한다. 불순물 중에서 알미늄, 질소, 인 그리고 황의 함량은 하기와 같이 제한되어야 한다.

알미늄은 용융공정에서 탈산을 위해, 그리고 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지하기 위해 효과적인 원소이다. 그러나 알미늄의 함량이 과다하게 함유되면 알루미나(AL₂O₃)계통의 비금속개재물이 다량으로 발생하여 최종제품의 피로특성을 현저히 저하시킨다. 따라서 알미늄 0.1%이하로 관리하여야 한다.

인은 강주편의 응고도중 중심부에 편석되기 쉬운 원소이며, 강중에 고용되었을 때 연성과 인성을 저강시키는 역할을 하는데, 특히 고강도강일수록 연성저하폭이 크다. 따라서 인은 최대한 줄이는 것이 필요하며 최대 0.02%이하로 관리하여야 한다.

황은 편석되었을 때 강의 인성 및 연성을 저하시키기 때문에 최대 0.02%이하로 관리하여야 한다.

질소는 알미늄과 함께 질화알미늄(AIN)을 형성하여 오스테나이트 입계를 효과적으로 미세하게 하는 역할을 한다. 하지만 0.01%이상 함유되면 그 효과가 포화되며, 더 이상 과다하게 함유하면 단조가공시 연성을 저하시킬 우려가 있다.

상기 범위의 함금성분을 함유한 합금강의 열간압연선재를 송풍기냉각과정을 통해 미세조직을 제어함에 있어서, 700℃까지의 냉각속도가 초당 5℃이하가 되면 변태개시전의 시간이 과다해져서 냉각 콘베이어상에서 변태를 충분히 진행시킬수가 없다. 그리고 700℃ 이하의 온도에서 500℃까지의 냉각속도가 초당 0.5℃ 보다 빠르게 되면 페라이트 및 펄라이트상이 충분히 형성되기전에 베이나이트의 변태개시온도에 도달하기 때문에 선재의 경도를 과다하게 증대시켜서 연화열처리를 생략할수 없게 된다. 이러한 상황을 도 1에 개략적으로 나타내었다.

상기 범위의 합금성분을 가진 합금강의 경도가 비커스 스케일로 260 이상이 되면 인장강도가 대략 90kg/mm²이상에 해당되어 연화열처리를 생략하면 냉간신선가공시 단선발생의 원인이 된다는 사실은 경험적으로 잘 알고 있는 사실이기 때문에, 선재의 경도는 비커스 스케일로 260 이하로 유지될 수 있도록 해야 한다. 이러한 경도치를 갖게 하기 위해서는 선재제품의 페라이트 및 펄라이트 분율이 85% 이상이 되도록 하는 것이 필요하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

본 발명의 경우 (중량%)로 하여 하기의 표 1과 같이 조성되는 고합금강 선재를 연속주조에 의해서 가로 및 세로가 각각 160mm, 길이가 약 10m인 빌렛으로 제조하고, 1100℃ 이상의 온도에서 1시간 30분 동안 가열하여 주조조직을 제거한후에열간압연기를 이용하여 최종 직경 8.5mm가 되도록 열간압연을 하였다.

(단위 :중량%, 붕소는 ppm)

이렇게 열간압연한 소재를 연속적으로 수냉설비를 통과시킴으로서 권취온도를 830℃로 조정하였다. 이후 강제송풍 냉각장치의 송풍량을 조정하여 소재의 냉각속도를 제어하면서 상온까지 냉각하여 선재 코일을 제작하였다.

상기의 표 2에 권취후 선재온도가 700℃에 도달할 때까지의 평균냉각속도와 700℃와 500℃구간의 평균냉각속도의 변화에 따른 선재의 페라이트 및 펄라이트분율을 측정한 결과와, 비커스 경도치 측정결과를 함께 나타내었다. No.1의 경우는 통상적인 일반서냉법을 적용한 경우로서 700℃이전의 평균냉각속도는 1.3 이후 500℃까지의 평균냉각속도는 0.4이다. 이때, 페라이트 및 펄라이트의 분율은 46%로 측정되었으며, 비커스 경도는 312를 나타내었다. 즉, 이 경우는 통상 수요가에서의 냉간신선가공전에 연화열처리를 행해야한다.

No.2 및 No.3의 경우, 권취후 첫 번째의 송풍기냉각장치를 약하게 가동하여 700℃까지의 평균냉각속도가 각각 초당 5.2 및 6.4℃가 되도록 조정하였다. 이 경우는 콘베이어 이송속도를 비교적 빠르게 하였기 때문에 500℃까지의 평균냉각속도가 각각 초당 1.1 및 0.9℃로 측정되었고, 이 결과로 페라이트 및 펄라이트변태가 충분히 진행되기 전에 베이나이트로 변태가 개시되어 페라이트 및 펄라이트의 분율이 연화열처리 공정의 생략이 가능한 85%에는 현저히 미치지 못하고 오히려 통상의 일반서냉법을 적용한 경우와 유사한 값을 갖는다.

마지막으로 No.4 및 No.5는 본 발명예의 경우로서, 권취후 700℃까지의 평균냉각속도가 각각 초당 6.0 및 10.2℃가 되도록 첫 번째의 송풍냉각장치를 가동하였다. 냉각속도가 초당 10.2℃가 되는 경우는 첫 번째의 송풍냉각장치를 최대로 가동했을 때 측정된 냉각속도이다. 이 경우는 콘베이어 이송속도를 No.2 및 No.3의 경우보다는 느리게 설정하여 작업하였으며, 이후 500℃에 도달할 때 까지의 평균냉각속도가 각각 초당 0.5 및 0.3℃로 측정되었다. 이 결과 페라이트 및 펄라이트의 분율은 각각 85% 및 92%로 높게 나타났으며, 따라서 소재의 경도도 저감되어 비커스 스케일로 각각 225 및 246으로 측정되었다. 이 경우는 수요가에서의 연화열처리를 생략할수 있을 정도로 낮은 경도치를 보이고 있다.

본 발명에 의하여 선재 미세조직의 85% 이상이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지며, 비커스 경도가 260 이하가 되도록 하여 연화열처리과정을 생략할 수 있도록 하였으며, 이를 통하여 제조경비를 효과적으로 줄일수 있는 우수한 발명이다.

Claims (2)

1. 기계구조용 또는 볼트 및 너트 등으로 사용되는 합금강선재의 제조방법에 있어서, 중량%로 탄소:0.2∼0.6%, 규소: 0.1∼1.0%, 망간: 0.1∼1.5%를 함유하면서, 크롬:0.1∼2.0%, 니켈: 0.1∼5.0%, 몰리브덴:0.1∼1.5%, 붕소: 5∼200ppm으로 이루어진 군으로부터 선택된 1이상의 원소 및 잔부는 철 및 불가피한 불순물을 함유하는 강을 선재로 열간압연하는 단계; 상기 열간압연 선재를 송풍기 냉각과정에서 700℃까지 초당 5℃ 이상으로 급냉하는 단계; 이후 500℃ 까지는 초당 0.5℃이하의 냉각속도로 서냉하는 단계; 이때 선재 미세조직의 85% 이상이 페라이트 및 펄라이트로 이루어지며, 비커스 경도가 260 이하가 되도록하는 것을 특징으로 하는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 불가피한 불순물은 불순물 중에 알미늄 0.1%이하, 질소 0.01%이하, 인 0.02%이하, 황 0.02%이하인 것을 특징으로 하는 연화열처리생략형 합금강 선재의 제조방법.

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