KR100406396B1 - 초고경도 강의 제조방법 - Google Patents

초고경도 강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열처리후 표면 내마모성이 요구되는 전차궤도용과 같은 기계부품에 사용되는 초고경도 후판의 제조방법에 관한 것으로서, 초고경도 강을 연주공정-후판압연공정-열처리공정으로 제조하므로써, 우수한 표면 및 내부품질, 우수한 내마모성 및 초고경도를 갖는 강을 보다 경제적으로 제조할 수 있는 초고경도 강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
본 발명은 초고경도 강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.48-0.53%, Si:0.15-0.30%, Mn: 0.80-1.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.85-1.05%, Mo:0.15-0.25%, H:2ppm 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 연속주조하고 연속주조시 0.32-0.40ℓ/kg의 물분사량으로 물을 분사하여 2차 냉각하여 주편을 제조한 다음, 다단적치 공냉후, 주편을 가열로에서 1100-1280℃로 재가열한 후 조압연기(Roughing Mill, RM)에서 적어도 1패스(PASS)이상을 형상비 0.7이상으로 저속강압하를 실시하는 후판압연을 실시하여 후강판을 제조한 다음,
550-600℃온도에서 48-72시간 유지한 후, 공냉한 다음, 820-850℃에서 소입한 후, 140-180℃에서 소려처리하여 초고경도 강을 제조하는 방법을 그 요지로 한다.

Description

초고경도 강의 제조방법
본 발명은 열처리후 표면 내마모성이 요구되는 전차궤도용과 같은 기계부품에 사용되는 초고경도 강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는 초고경도, 우수한 내마모성 및 우수한 내부및 표면품질을 겸비한 브리넬 경도(HB600)급 초고경도강의 제조방법에 관한 것이다.
통상, 탄소함유량이 0.40%C 이상인 경우 소입시 크랙(CRACK)발생 가능성이 높아지게 되는데, 만일 편석, 내부 크랙 등의 내부품질에 문제가 있을 경우 크랙의 민감성이 더욱 커지게 된다.
이는 열처리시 급가열, 급냉에 따른 표면부와 내부의 조직차이가 체적변화를 수반하게 되고 이 체적변화가 응력을 발생시키며, 특히 크랙이 잔존하는 경우 응력 발생 기점으로 작용하여 응력발생 정도가 재질강도를 초과하게 될 수 있는데, 이러한 경우에는 크랙이 일어나게 된다.
통상, 고경도 확보를 위하여 C 첨가량을 높이고 Cr 및 Mo을 첨가하여 소입성향상을 도모하였는데 소입성이 만족되어야 함은 물론 열처리도중 크랙 발생이 일어나지 않아야 하는 특성을 지녀야 한다.
그러나, 상기와 같이 C 첨가량을 높이고, Cr 및 Mo을 첨가하여 고경도를 확보하는 경우에는 편석이 용이한 성분인 C의 다량 첨가로 편석을 유발하게 되며, Cr,Mo 첨가로 주편표면에 크랙 발생요인이 존재하게 된다.
한편, 연속주조재(연주재)는 두께 중심부 품질이 문제가 되어 있는 것은 잘알려진 사실로써, 내부품질과 표면품질을 동시에 확보하는 것이 제조조건의 관건인 것이다.
현재, 가장 많이 사용되는 HB 600급 궤도용강의 제조방법은 내부품질확보 측면에서 분괴(INGOT CASTING)주조후 단조비 4S 이상으로 가공된 조괴품으로 제조되고 있다.
그러나, 이러한 공정은 고내부품질을 얻을 수 있었으나 생산측면에서는 많은 공정을 거침으로 제조원가가 상승되고, 결과적으로 제품원가가 상승되는 문제점이 있다.
본 발명자는 상기한 종래기술의 제반문제점을 해결하기 위하여 연구 및 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 초고경도강을 연속주조(CONTINIOUS CASTING)공정-후판압연공정-열처리공정으로 제조하므로써, 우수한 표면 및 내부품질, 우수한 내마모성 및 초고경도를 갖는 강을 보다 경제적으로 제조할 수 있는 초고경도 강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.
이하, 본 발명에 대하여 설명한다.
본 발명은 초고경도 강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.48-0.53%, Si:0.15-0.30%, Mn: 0.80-1.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.85-1.05%, Mo:0.15-0.25%, H:2ppm 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 연속주조하고 연속주조시 0.32-0.40ℓ/kg의 물분사량으로 물을 분사하여 2차 냉각하여 주편을 제조한 다음, 다단적치 공냉후, 주편을 가열로에서 1100-1280℃로 재가열한 후 조압연기(Roughing Mill, RM)에서 적어도 1패스(PASS)이상을 형상비 0.7이상으로 저속강압하를 실시하는 후판압연을 실시하여 후강판을 제조한 다음,
550-600℃온도에서 48-72시간 유지한 후, 공냉한 다음, 820-850℃에서 소입한 후, 140-180℃에서 소려처리하여 초고경도 강을 제조하는 방법에 관한 것이다.
이하, 본 발명의 성분조성, 연주조업제어 및 열처리조건 한정이유에 대하여 설명한다.
상기 탄소(C)는 강의 열처리시 소입성을 증가시켜 경도 및 강도를 증가시키는 원소로서, 그 양이 너무 많은 경우에는 소입성이 너무 높게 되고 크랙 발생을 유발하게 되며, 그 양이 너무 적은 경우에는 소입성이 낮아 경도를 확보할 수 없으므로 상기 탄소량은 0.48-0.53% 로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 규소(Si)는 탄화물을 형성하며 Fe 중에 고용되어 탄성한계 인장력을 높이고 탈산원소로 주편표면상태를 양호하게 하는 성분으로서 다량 첨가시 페라이트(FERRITE)조직 저하 및 비금속개재물(SILICATE) 형성으로 인성을 해치게 되고, 그 양이 소량 첨가되는 경우에는 충분한 탈산효과를 기대하기 어려워 표면품질에 나쁜 영향을 미치므로 상기 규소량은 0.15-0.30%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 망간(Mn)은 소입성 향상원소로서 열처리시 경도 향상에 기여하게 되는데 과다 첨가시 용접성을 해치고, 소량 첨가시 소입성 저하로 경도확보가 불안정하게 되므로, 상기 Mn 량은 0.80-1.00%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 인(P)은 강판의 중심부에 편석도어 취약한 경화조직을 형성하므로 저온 충격인성을 저해시키는 가장 큰 불순물로서 내부품질을 열화시키므로 그 함량은 0.020%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 황(S)은 인(P)성분과 같이 유해한 원소로서 후판 제품에 있어서 두께 중심부에 MnS 개재물을 형성하게 되는데, 이 MnS 개재물은 압연중 길게 연신되어 내부품질 열화의 원인이 되므로, 상기 황(S)의 함량은 0.005% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Cr은 소입성에 유효한 원소로서 경도 및 강도를 증가시키는데, 다량 첨가시 용접성에 유해하고, 소량 첨가시 경도 확보에 불리하므로, 그 함량은 0.85-1.05% 로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 Mo은 강의 응고 및 변태과정에서 탄소와 결합하여 치밀한 MoC계 화합물을 결정입계 및 입내에 석출시킴으로써 강도향상과 더불어 500℃ 이상의 온도에서 유지시 발생되는 취화를 방지하고, 또한, 소입성을 향상시키고 강도를 향상시키는 원소로서, 다량 첨가시 조대화 및 과다 석출로 소려취성을 유발할 수 있으므로, 그량은 0.15-0.25%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기 H는 개재물이나 공극에 원자상태로 석출한 후 수소분자를 형성하여 내부압력증대로 크랙을 유발하는 원소로서, 그 함량은 2ppm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같은 조성범위를 갖는 강을 적절한 조건으로 연속주조하여 주편을 제조한 다음, 적절한 후판압연조건으로 후판압연 한 후, 후강판을 일정한 온도구간에서 유지한 다음, 공냉하게 되는데, 이에 대하여 설명하면,다음과 같다.
즉, 종래에는 조괴를 통해 고 내부품질은 얻을 수 있었는데, 본 발명은 연속주조에서의 우수한 내부품질을 확보하기 위해 연소주조시 2차 냉각방법 제어 및 주편을 공냉관리한다.
즉, 상기 연소주조시의 2차 냉각은 주편표면에 물분사를 하여 중간냉각을 시키는데 이때 물분사량은 0.32-0.40ℓ/kg 정도의 범위로 선정하는 것이 바람직하다.
상기 물분사량이 0.40ℓ/kg을 초과하게 되면 연주조업중 급냉으로 슬라브(주편)에 소입성이 좋은 합금원소인 Cr 및 Mo이 다량 함유되어 있어 균열이 발생될 우려가 있고, 물분사량이 0.32ℓ/kg미만인 경우에는 슬라브 내부의 불순물이 중심부에 편석될 우려가 있는데 이는 응고말기의 용강유동량 증대로 수지상(DENDE-RITE)사이에 존재하는 농화용강이 분출되어 중심편석을 조장할 뿐만 아니라 벌징(BULDGING)에 의해 내부 크랙의 원인이 되기 때문이다. 이러한 요인들은 최종제품에서 열처리시 열변형 또는 조직변형에 의한 응력발생시 크랙으로 불량이 날 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.
상기와 같이 연속주조한 후 슬라브 상태에서 내부에 잔존하는 유해한 가스인 수소를 확산시키기 위해 다단으로 적치 공냉을 하게된다.
본 발명에서는 슬라브 상태에서 내부에 잔존하는 유해한 가스인 수소를 확산시킬 수 있는 수단이라면 다단 적치 공냉이외의 수단도 적용될 수 있다.
상기와 같이 제조된 슬라브를 통상의 후판압연을 하는 경우에는 후판 압연중에 내부에 개재물이 압연방향으로 길게 연신된 상태에서 제품 내부에 잔류되어 있는 수소가 연신된 개재물 입계를 따라 확산되어 크랙을 유발할 소지가 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 수소의 확산을 촉진하기 위하여 적어도 1패스이상 저속강압하를 실시해야 하는데, 이것은 중심부에 잔존하는 기공(POROSITY)을 압착하여 비확산성 수소를 외부로 방출시 이를 촉진하기 위함이다.
본 발명에 있어 강압하 압연시에는 하기 식(1)에 의해 구해지는 형상비가 0.7 이상이 되도록 하여 1 패스이상을 실시해야 한다.
[여기서, r: 압연롤의 반경(mm)
h0: 입측 슬라브 두께
h1: 출측 슬라브 두께]
상기와 같이 후판압연된 후 강판을 서냉로등에서 수소가 충분히 확산되어 외부로 방출될 수 있도록 최대한 고온 상태에서 냉각을 지연해야 한다.
즉 수소는 약 550-600℃ 온도에서 확산계수가 크기 때문에, 압연직후 곧바로 서냉로에 장입한 후 약 550-600℃ 온도에서 48-72시간 유지되도록 한 다음, 공냉하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 후강판을 820-850℃에서 소입처리를 행한 후, 140-180℃에서 소려처리 하므로써 초고경도, 우수한 내마모성, 및 우수한 표면 및 내부품질을 갖는 브리넬 경도(HB)600급 초고경도 강이 제조된다.
상기 소입처리는 오스테나이트가 되는 온도인 820-850℃로 가열하고 일정시간 유지후 300℃ 부근까지 수냉한 후 크랙방지를 위해 이후는 공냉처리하는 것이 바람직하다.
상기 소입처리시 소입온도가 너무 낮을 경우에는 충분한 소입성을 확보할 수 없고,너무 높을시는 결정립이 조대화되어 바람직하지 않으므로, 상기 소입온도는 820-850℃로 선정하는 것이 바람직하다.
상기 소려처리는 인성부여를 위해 행하여지는데, 소려온도가 낮으면 인성확보가 어렵고, 너무 높은 경우에는 탄화물이 계면에 석출하거나 전위의 회복등으로 목표경도나 인성확보가 어렵기 때문에, 상기 소려온도는 140-180℃로 선정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 제조된 후판을 상기 소입처리하기전에 소정의 크기로 절단하는 경우에는 절단시 열충격을 최소화하기 위하여 본 발명에 있어서는 200-300℃의 온도로 예열한 후 절단한 다음, 소려처리하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서는 후판을 상기 소입처리하기전에 소정의 크기로 절단하는 경우에는 약 550-600℃ 온도에서 48-72시간 유지되도록 한 다음, 공냉하는 과정에서 200-300℃까지 공냉한 후 절단한 다음, 소려처리하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
실시예 1
하기표 1과 같은 조성을 갖도록 전로에서 용해하여 노외정련처리를 한 후 연속주조하여 단면 두께가 203mm 인 주편을 제조한 다음, 이들을 각각 압연하여 최종적으로 44, 45 mmt두께의 후판을 제조하였다. 제조된 후판은 하기표 2와 같은 조건으로 후판을 서냉로에서 유지하는 유지재와 서냉로에서 유지하지 않은 미유지재로 구분하여 열처리를 실시하고 열처리된 후판에서 시편을 채취하고 그 시편에 대하여 기계적 시험들을 행하고 그 결과를 하기표 2에 나타내었다.
하기 표 2에서 서냉로에서 유지하는 유지재의 경우에는 590℃에서 62시간 유지한 것이다.
하기 표 2에 나타난 기계적 특성 및 내부품질에 대한 평가는 미해군 규격에 제시된 MIL-A-12560H 를 기준으로 하였는데, 두께 44-45mmt의 궤도재의 경우 로크웰 경도(HRc) 55-60, 표면 No Crack을 만족하면 바람직한 특성을 갖는 것으로 평가하였다.
강종 화학성분(중량%, 단 H 는 ppm)
C Si Mn P S Cu Cr Mo V H
종래강1 0.511 0.24 0.93 0.008 0.033 0.20 1.05 0.20 0.021
종래강2 0.515 0.25 0.88 0.010 0.030 0.23 1.01 0.20 0.020 0.14
발명강1 0.496 0.26 0.89 0.014 0.002 - 0.91 0.18 - 0.12
발명강2 0.501 0.24 0.90 0.015 0.003 - 0.95 0.20 - 0.16
발명강3 0.507 0.25 0.89 0.014 0.002 - 0.93 0.18 - 0.15
실시예 강종 제어조건 열처리 경 도(HRc) 크랙발생여부(표면/내부)
연주냉각(ℓ/kg),적치여부 후판압연공정,서냉로 에서의 유지여부 소입온도(℃)x시간(Hr) 소려온도(℃)x시간(Hr)
요구기준 - - - - 55-60 크랙발생 무(NoCrack)
종래재1 종래강 1 0.60, ○ 일반압연, × 840x1.2 200x2.0 53.1 유/유
종래재2 0.60, × 저속강압연, × 790x1.2 150x2.0 55.1 무/유
종래재3 종래강 2 0.50, ○ 저속강압연, ○ 840x1.2 200x2.0 53.7 무/무
종래재4 0.50, × 일반압연, × 840x1.2 400x2.0 46.2 무/유
발명재1 발명강 1 0.36, ○ 저속강압연, ○ 850x1.2 150x2.0 58 무/무
발명재2 발명강1 0.40, ○ 저속강압연, ○ 840x1.2 160x2.0 56 무/무
발명재3 발명강2 0.38, ○ 저속강압연, ○ 850x1.2 180x2.0 55 무/무
발명재4 발명강2 0.36, ○ 저속강압연, ○ 830x1.2 170x2.0 56 무/무
발명재5 발명강3 0.32, ○ 저속강압연, ○ 820x1.2 140x2.0 60 무/무
상기표 2에 나타난 바와같이, 일반 압연을 적용한 종래재(1),(2),및(4)는 표면이나 내부에 CRACK 이 나타났으며, 소입온도 790℃재(종래재)는 요구조건에는 합격이나 하한값에 접근한 수준을 보였으며 크랙발생으로 요구기준에 만족치 못하였고, 소려온도를 200, 400℃ 로 적용한 경우[종래재(3)및(4)]경우에도 요구치에 미달하는 경도를 나타내고 있음을 알 수 있다.
반면에, 본 발명에 부합되는 발명재(1-5)의 경우에는 모든 요구치에 만족한 수준을 나타냄을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 강중 적정 C, Si, Mn, Cr, Mo 및 저 P, S 성분설계와 연주에서의 조업제어조건을 통한 슬라브 품질을 관리하고, 후판에서 강압연, 서냉 및 열처리 조건 제어를 통하여 초고경도, 우수한 내마모성 및 양호한 표면 및 내부품질을 확보할 수 있는 강을 경제적으로 제조할 수 있으므로, 브리넬경도 600 정도의 고경도, 우수한 내마모성을 요구하는 전차궤도용 등의 기계부품 제작분야에 보다 효과적으로 적용될 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

  1. 초고경도 강을 제조하는 방법에 있어서, 중량%로, C:0.48-0.53%, Si:0.15-0.30%, Mn: 0.80-1.00%, P:0.020% 이하, S:0.005% 이하, Cr:0.85-1.05%, Mo:0.15-0.25%, H:2ppm 이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 용강을 연속주조하고 연속주조시 0.32-0.40ℓ/kg의 물분사량으로 물을 분사하여 2차 냉각하여 주편을 제조한 다음, 다단적치 공냉후, 주편을 가열로에서 1100-1280℃로 재가열한 후 조압연기(Roughing Mill, RM)에서 적어도 1패스(PASS)이상을 형상비 0.7이상으로 저속강압하를 실시하는 후판압연을 실시하여 후강판을 제조한 다음,
    550-600℃온도에서 48-72시간 유지한 후, 공냉한 다음, 820-850℃에서 소입한 후, 140-180℃에서 소려처리하는 것을 특징으로 하는 초고경도 강의 제조방법
  2. 제1항에 있어서, 상기 후강판이 상기 소입처리하기전에 절단되는 경우에는 200-300℃의 온도로 예열한 후 절단하는 것을 특징으로 하는 초고경도 강의 제조방법
  3. 제1항에 있어서, 상기 후강판이 상기 소입처리하기전에 절단되는 경우에는 550-600℃온도에서 48-72시간 유지되도록 한 다음, 공냉하는 과정에서 200-300℃까지 공냉한 후 절단하는 것을 특징으로 하는 초고경도 강의 제조방법
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