KR100342673B1 - 구상화열처리특성이우수한중탄소강선재제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼트, 너트 등의 기계구조용 소재로 널리 사용되는 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것으로서,

0.1~0.5%C의 탄소를 함유하는 중탄소강 선재 미세조직의 펄라이트 분율이 90% 이상 유지하도록 1050℃~1150℃의 온도에서 열간압연한 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하여 페라이트 변태온도를 650℃이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 구상화 열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법을 요지로 한다.

Description

구상화 열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재 제조방법.{A method of manufacturing meduium carbon steel wire rods for spheroidization heat treatment}

본 발명은 볼트, 너트 등의 기계구조용 소재로 널리 사용되는 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구상화 열처리 후 구형 탄화물의 분포가 균질하게 형성되고 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

기계구조용으로 사용되는 소재는 0.1~0.5wt%C의 탄소를 포함한 중탄소강 중에서 용도에 적합한 강도 및 선경을 갖는 선재를 구상화 열처리 후 냉간에서 가혹한 변형을 가하여 기계부품을 제조하고 있다. 이때 구상화 열처리는 냉간가공시 다이의 마모 등을 줄이고 가혹한 변형을 견달 수 있는 가공성을 부여하기 위하여 실시되는 열처리로, 일반적으로 약 18시간 이상의 장시간이 소요된다. 이러한 구상화 열처리 방법 중 선재 제품을 열처리할 때 가장 널리 이용되는 방법은 소재를 A₁온도 이상으로 가열하여 펄라이트를 오스테나이트로 변태시킨 후 냉각과정에서 구형세멘타이트를 석출시키는 방법이다.

이와 같이 구상화 열처리된 소재의 요구되는 품질특성은 경도 및 구상화율로 나타내지며, 이때의 경도는 다이스 마모에 관계되고 구상화율 및 입자 분포의 균질성은 소재의 냉간가공성에 관계가 있다. 즉 가혹한 가공에서 균열이 발생하지 않게 하기 위하여서는 구형의 세멘타이트 입자가 균질하게 분포하여야 한다.

이러한 용도에 부합한 소재의 제조방법은 통상 강도의 저하를 유도하기 위하여 열간압연 후 서서히 냉각하여 제조하는 데, 이와같이 제조된 조직은 페라이트 및 펄라이트가 고온에서 변태되어 세멘타이트가 두껍게 형성되며 추후 구상화 열처리 시간이 장시간 소요된다.

구상화 열처리에 관한 종래의 기술을 살펴보면 대부분의 경우 구상화 시간을 단축하기 위하여 압연온도를 저하시켜 페라이트 분율을 증대시키는 방법등이 제시되고 있다. 예를들면, 압연 온도를 900℃이하로 하고 이후 냉각속도를 10℃/sec로 하는 방법(철과 강, 76(1990), p73)등이 제시되고 있다. 그러나 이러한 방법은 압연온도를 낮추기 위하여서는 압연 도중 온도를 저하시키기 위하여 냉각대 등의 설비가 필요하다.

또 다른 구상화 열처리 방법에 대한 기술로는, 800℃ 이상의 고온까지 급속 가열한 후 A₁온도 직하까지 100℃/mim으로 비교적 빠른 속도로 냉각 후 일정시간 유지하는 방법(철과 강, 69(1983) p82)과 고탄소강을 3~20℃/sec의 가열속도로 730~770℃까지 승온하여 10~3분간 유지 후 5℃/sec 이하로 650℃이하의 온도까지 냉각하는 방법 (일본 공개특허 평7-41865)등이 제시되고 있다. 이러한 방법은 대량의 물량을 동시에 열처리할 경우 정확한 온도제어 및 소재의 표면과 중심의 심한 온도 편차에 의하여 구상화가 불균질해질 수 있는 문제점이 있다.

이러한 여러가지 기술들은 압연 온도를 제어하거나 구상화 열처리 방법을 개선하는데 주로 관점을 두고 있으나 소재의 미세조직에 가장 크게 영향을 미치는 냉각과정의 개선에는 미치지 못하고 있는 실정이다.

이에 본 발명자 들은 선재의 구상화 열처리 거동이 초기 미세조직에 크게 영향을 받는다는 점에 착안하여 선재의 미세조직과 구상화 거동에 관한 연구와 실험을 계속한 결과, 적절히 미세조직을 제어하면 구상화 열처리 후 구상화 탄화물의 분포가 균질하고 구상화 시간을 단축시킬 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉 본 발명은 중탄소강의 미세조직을 제어하여 구상화 열처리시 탄화물의 분포를 균질하게 하고 구상화 시간을 단축시키는데 그 목적이 있다.

도 1은 비교재 및 본 발명재의 구상화 열처리 후 구형 시멘타이트의 분포를 나타낸 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구상화 열처리 특성이 우수한 0.1~0.5%C의 탄소를 함유하는 중탄소강 선재 제조방법에 있어서,

상기 중탄소강 선재 미세조직의 펄라이트 분율이 90%이상 유지하도록1050~1150℃의 온도에서 열간압연 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하여 페라이트 변태온도를 650℃이하로 제어하는 방법을 제공하는 것을 특징으로 하고 있다

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

구상화 열처리에서 형성되는 구형 세멘타이트는 주로 펄라이트 영역에서 형성된다. 즉 A₁점 직상의 온도까지 가열도중 또는 그 온도에서 유지하는 동안에 펼라이트 부위가 오스테나이트로 변태하고 이때 매우 미세한 세멘타이트 입자가 잔존하여 이러한 세멘타이트 입자를 핵으로 하여 구형 세멘타이트가 냉각도중에 형성되어 성장한다. 따라서 펄라이트 분율이 적고 페라이트 입자가 조대할 경우 이러한 페라이트 부위는 구상화 열처리가 완료된 후 구형세멘타이트가 존재하지 않은 상태로 유지된다. 따라서 균질한 세멘타이트의 분포를 얻기 위하여서는 90%정도의 펄라이트 분율이 필요하다.

본 발명의 미세한 압연 조직을 얻기 위해서 0.1~0.5%의 탄소를 함유하는 중탄소강 소재(강편)를 재가열한 다음 1050~1150℃의 온도범위로 열간압연하는 것이 바람직하다. 열간압연온도가 1050℃보다 낮으면 압연시 열간변형저항이 증가하게 되어 압연효율이 떨어져서 생산성을 감소시키고, 반면에 열간압연온도가 1150℃보다 높으면 오스테나이트 결정립이 조대하게 성장해서 미세한 압연조직을 확보하는 데 한계가 있다.

한편 위에서도 언급한 바와 같이 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하여 페라이트 변태온도를 650℃이하로 제어하는 것이 바람직한 데, 상기 냉각속도가 늦을 경우 변태온도가 상승하여 조대한 페라이트와 펄라이트가 형성되며, 펄라이트 분율도 저하한다. 특히 세멘타이트의 두께가 조대하여져 구상화 열처리의 가열도중 세멘타이트가 오스테나이트로의 용해가 느려지게 되어 결국 구상화 열처리 시간이 증가하게 된다. 따라서 미세한 펄라이트 및 펄라이트 분율을 증대시키기 위하여 10℃/sec이상의 냉각속도가 필요하며, 또한 30℃/sec보다 빠르게 되면 오스테나이트 결정립이 조대하거나 편석등이 존재할 경우 마르텐사이트가 형성되어 열처리 특성이 불균질하여 지므로 최대 냉각속도를 30℃/sec로 제한하였다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

열간압연시 1050~1150℃ 범위에서 압연온도를 변화시켜 다양한 오스테나이트의 결정립 크기에서 0.5~25℃/sec의 다양한 냉각속도로 냉각된 소재를 구상화 열처리를 실시하였다. 이때 구상화 열처리 조건은 740℃에서 1시간 유지 후 30℃/h로 냉각하였다. 표 1은 구상화 분율을 제조 조건에 따른 펄라이트 분율과 함께 나타내었다. 이때 구상화율은 aspect ratio(세멘타이트 장축의 길이/단축의 길이)가 3 이하가 되는 입자의 수를 전체 측정된 입자의 수로 나누어 이 분률로 판단하였다. 표 1에서 보는 바와 같이 오스테나이트의 결정립 크기에 관계없이 냉각속도가 빠르면 구상화율이 증가하고 있음을 보여준다. 한편 도 1은 구상화된 조직을 보여주고 있는데, 도 1에서 보는 바와 같이 비교재의 경우 세멘타이트가 존재하지 않는 영역이 국부적으로 존재하고 있으나 발명재의 경우 균질하게 분포하고 있음을 보여주고 있다. 따라서 본 발명과 같은 미세조직을 확보하면 구상화율도 높고 특히 구형 세멘타이트의 분포가 매우 균질하게 분포될 수 있다.

(실시예 2)

0.3%의 탄소를 함유하는 중탄소강 소재를 1100℃로 열간압연후 오스테나이트 결정립 크기가 약 20㎛에서 냉각속도를 비교재의 경우 1℃/sec, 본 발명재의 경우 10℃/sec로 각각 냉각한 소재를 통상의 구상화 열처리 조건인 6℃/min 의 가열속도로 가열한 후 740℃에서 1시간 유지하고 0.5℃/min의 냉각속도에서 유지시간 변경에 따른 구상화율 변화의 측정 결과를 표 2에 나타내었다. 여기서 구상화 열처리 시간은 크게 가열시간, 유지시간, 냉각시간으로 구분할 수 있으나 이중 가열시간, 냉각시간은 소재를 대량 장입할 경우 소재의 내부와 외부의 온도구배를 없게 하기 위하여서는 로의 특성에 따라 변화하기 어려우나 유지시간은 손쉽게 변경할 수 있다.

표 2에서 보는 바와 같이 비교재의 경우, 구상화율이 1시간 유지할 때가 가장 우수하나 본 발명재의 경우 30분 유지하여도 비교재 1시간 유지한 경우 보다 향상된 구상화율을 나타내고 있다. 따라서 본 발명재는 비교재의 1시간 유지한 경우 보다 구상화율이 증가하여 구상화 시간을 단축할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 기계구조용으로 사용되는 중탄소강를 제조할 때 펄라이트조직을 미세하게 하면 이후 구상화 열처리시 균질한 미세조직을 확보할 수 있으며, 또한 구상화 열처리시간을 단축할 수 있는 효과외에 강을 제조시 냉각속도가 느림으로 인하여 이후 소재의 취급과정에서 고온에 의한 작업환경의 취약함을 냉각속도를 빨리함으로써 해결할 수 있는 부수적인 효과가 있다.

Claims (1)

1. 0.1~0.5%의 탄소를 함유하는 중탄소강 선재의 제조방법에 있어서, 상기 중탄소강 선재 미세조직의 펄라이트 분율이 90% 이상 유지하도록 1050℃~1150℃의 온도에서 열간압연한 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하여 페라이트 변태온도를 650℃이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 구상화 열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법.

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