KR100415653B1 - 고연성,고강도열간단조용비조질강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 및 산업기계부품 등에 사용되는 열간단조용 비조질강의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 교정특성이 우수한 90kgf/㎟급 열간단조용 비조질강의 제조 방법을 제공함에 있다.

상기 목적 달성을 위한 본 발명은 중량％로 C : 0.30-0.50％, Si : 0.40-0.80％, Mn : 0.70-1.50％, V :0.030-0.12％, W :0.20-1.00%, Ti :0.010-0.040％, Al :0.01-0.10％, N :0.0050-0.020％, P :0.030％ 이하, S:0.010-0.10％, 잔부 Fe 및 기타 불가피 하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 1200-1300℃ 구간에서 열간압연 한 후, 1100-1300℃로 재가열하고 900℃온도이상에서 단조하여 냉각시키는 것으로 구성되는 고연성, 고강도 특성을 가지는 열간 단조용 비조질강의 제조 방법에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

고연성, 고강도 열간단조용 비조질강의 제조방법

본 발명은 자동차 및 산업기계부품등에 사용되는 열간단조용 비조질강의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교정특성이 우수한 90kgf/㎟급 열간단조용 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 및 산업기계 부품들은 S45C, S50C와 같은 일반기계구조용 탄소강을 소재로 하여 이를 열간 단조후 조질처리하여 사용하였다. 즉, 상기 열간단조품에 소입·소려 열처리를 부여하는 조질처리를 하여 그 용도에 따라 요구되는 강도 및 인성을 확보하였다. 구체적으로 상기 열처리 과정은 압연재를 1200-1250℃ 정도의 고온으로 재가열하여 최종부품 형상으로 열간단조 하고 상기의 냉각된 단조품을 850℃ 내외로 가열한 후 수냉 혹은 유냉시켜 재질을 경화시키는 소입 공정을 거친다음, 600℃ 내외로 가열 한후 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려 공정으로 이루어 진다. 상기와 같이 열처리된 단조품들은 가공 공정중 발생한 변형을 바로 잡기위한 교정공정을 거친 다음 부품으로 사용된다.

그러나 상기 조질강 대신 70년대 중반부터 유럽 및 일본을 중심으로 복잡한 소입·소려 열처리 공정을 줄인 열간단조용 비조질강이 발명되어 자동차 및 산업기계부품등에 사용되고 있으며 그 수요는 계속 증가하고 있는 추세에 있다. 이러한 비조질강의 예로는 일본 스미또모금속 주식회사에서 제안한 열간단조용 비조질강을 들 수 있다(일본 공개 특허 공보 소 55-138056). 즉, 상기 비조질강은 탄소함량이, C : 0.3-0.60%인 중탄소강에 석출형 형성 원소인 V을 0.03-0.20%을 포함하여 조성되는 강으로 열간단조상태에서 인장강도 94kgf/㎟, 연신율 17%정도를 나타내며 소입·소려 열처리공정없이 단조상태에서 바로 제품으로 사용할 수 있는 강이다. 그러나, 상기강은 강도는 높으나 연성은 충분히 크지 않아 가공 공정중에 뒤틀림등이 발생할 경우 교정이 어렵다는 문제와 특히 교정시 미세 균열을 일으킬 가능성이 있는데 , 더욱이 이때 발생된 미세균열은 품질 검사시 발견하기 어려워서 자동차,산업기계 부품으로 사용도중 갑작스런 파괴로 진전 할수가 있다. 한편, 일본 고베 제강소에서 제안된 열간단조형 비조질강의 경우 , C . 0.30- 0.50% 의 중탄소강에 바나듐( V )을 함유한 것(일본 공개 특보 61-170513)으로 열간단조 상태에서 연신율이 20% 상회하므로 교정공정에서 아무런 문제가 없으나 인장강도가 80kgf/㎟급으로 90kgf/㎟급이 요구되는 재료로 사용하기에는 곤란한 문제점이 있다. 다시 말하면 종래의 열간 단조용 비조질강은 성분조정에 의해 비조질강의 인장강도를 높일 경우 연성이 떨어져서 교정공정에서 문제를 야기하기 쉽고 ,연성을 높이면 강도가 떨어져 부품에서 요구되는 인장강도를 확보하기가 곤란하다는 단점이있다.

따라서, 본 발명자들은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 행하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로써, 본 발명은 기존의 강종에 텅스텐을 적당량 첨가하고, 강조성과 가공조건을 제어하여 연성을 증가함으로써 교정 특성이 우수한 90kgf/㎟급 열간 단조용 비조질강을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

제1도는 종래제, 비교재 및 발명재에 대한 미세조직 사진

본 발명은 열간단조용 비조질강의 제조 방법에 있어서 중량%로, C:0.30-0.50%, Si:0.40-0.80%, Mn :0.70-1.50%, V:0.030-0.12%, W:0.20-1.00%, Ti:0.010-0.040%, Al :0.01-0.10%, N : 0.0050-0.020%, P :0.030%이하, S:0.010-0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성된 강을 1200-1300℃의 온도범위에서 재가열하여 열간압연하고 난 후 상기 열간압연강을 1100- 1300℃로 재가열한 다음 900℃온도이상에서 열간단조한 후에 공냉하여 제조되는 고연성, 고강도 90kgf/㎟급 열간단조용 비조질강의 제조 방법에 관한 것이다. 이하, 본 발명에서 첨가 원소의 성분범위 및 열간단조 조건의 한정 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소는 강의 강도 증가에 필요한 원소로서 그 함유량이 너무 낮은 경우는 필요강도의 확보가 불가능하고, 너무 높은 경우에는 필요한 충격치 확보가 불가능 하므로 탄소 함량은 0.30-0.50중량%(이하,단지'%'라함)로 제한하는 것이 바람직하다.

규소는 고용강화에 의한 강도 증가 효과를 얻기위해 0.80%까지 첨가하나 그 이상 첨가되면 오히려 인성을 해치게 되고, 적으면 충분한 탈산 및 필요강도 확보가 곤란하므로 0.40%이상 첨가하는 것이 바람직하다.

망간은 고용강화 효과에 의하여 강의 강도를 증가시키기 의해 첨가시키는 원소인데 1.50%이상 첨가될 경우 인성을 감소 시키므로 인성을 크게 저하 시키지 않고, 필요 강도를 얻기위해서는 0.70-1.50%로 한정 하는 것이 좋다.

바나듐은 탄화물을 석출시켜 강의 강도를 높이는 역할을 하는데, 다량 첨가되는 경우 인성을 해치고 강의 가격의 비싸지므로 첨가범위를 0.030-0.12%로 한정하는 것이 바람직하다.

텡스텐은 페라이트 형성원소로서 중탄소강에 일정량을 첨가하면 페라이트 조직분율을 증대시켜 강의 연성을 증대시키며 또한 오스테나이트 결정립 크기를 미세화시키고 변태후 페라이트와 펄라이트 조직도 미세화시켜 강도를 향상시킨다. 따라서 텡스텐을 일정량 첨가할 경우 연성과 강도의 향상으로 인성을 크게 개선시킬 수 있다. 상기의 효과를 위한 텡스텐의 첨가범위는 0.20-1.0%로 제한하는 것이 바람직하다. 그 이유는 텡스텐의 비중이 19.3g/㎠으로 상기의 효과를 얻기 위해서는 함량이 0.2%이상 되어야 하며 또한 첨가량이 많으면 텡스텐이 기지조직에 과도하게 고용되어 강의 강도를 지나치게 높여 연성과 인성을 크게 떨어뜨리므로 함량이 1.0%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

티타늄은 강중에서 질소와 결합하여 티타늄질화물이 되어 열간단조 전 오스테나이트 입성장을 억제시켜 강의 충격인성을 개선시키는 원소인데, 첨가량이 너무 적으면 티타늄질화물의 절대량이 적어 효과적으로 입성장을 억제시키기가 곤란하고, 첨가량이 일정량을 넘으면 상기효과가 포화된다. 또한 고가의 합금원소를 과도히 첨가할 필요는 없으므로 적정 첨가량은 0.010-0.040% 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄은 질화물을 형성하여 강의 조직을 미세화시켜 강을 강인하게하는 원소로서 다량 첨가한면 산화 개재물을 형성시켜 절삭 가공을 저하 시키므로 첨가량을 0.010-0.10%로 제한 하는 것이 바람직하다.

질소는 티타늄 및 알루미늄과 질화물을 형성하여 강의 조직을 미세화시켜 강을 강인하게하는 원소이지만 다량 첨가하면 강을 취약하게 하므로 첨가 범위를 0.0050-0.20%로 한정하는 것이 바람직하다.

인은 오스테나이트 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그상한을 0.030%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황은 강중에서 망간과 결합하여 망간황화물을 형성하는데 그 망간황화물은 강의 절삭 가공성을 개선시키나 다량 첨가되는 경우 인성을 심하게 저하시키므로 0.010-0.10%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성의 강을 주조한 다음에는 열간 압연에 의해 주조조직을 없애는 것이 중요하다. 즉, 주조 조직이 파괴가 이루어져야 하므로 열간가공온도는 1200-1300℃ 범위가 바람직하고, 가공시 압하비는 클수록 좋다. 즉, 1200-1300℃에서 재가열하여 열간압연한다. 상기 열간압연후에는 재가열하여 열간에서 단조를 실시하는데, 재가열 온도가 너무 높으면 오스테나이트 입자가 과도히 성장하게 되어 인성을 떨어뜨리고, 너무 낮으면 단조 온도가 낮아지게 되어 다이스의 수명을 현저히 감소 시키므로 단조전 재가열온도는 1100-1300℃가 적절하다. 상기의 열간단조 온도가 낮으면 강의 변형저항이 커져서 다이스 수명 감소가 크므로 900℃이상에서하는 것이 바람직하며 열간단조 이후는 대기중에서 방냉시킨다. 냉각속도가 이보다 빠르면 저온 조직이 발생하여 강의 인성이 현저히 감소하고 , 냉각속도가 이보다 느리면 변태 조직이 너무 조대하여져서 강도와 인성을 동시에 감소시킨다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

실시예

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 발명강과 비교강종을 소형강괴를 (160㎜x160㎜)로 제작한후, 1200℃에서 2시간 가열후 열간에서 압연하여 두께 42㎜판으로 제작 하였다.

[표 1]

이후 단조공정을 모사하기 위하여 하기표 2와 같은 조건으로 시편을 다시 1200℃에서 재가열한 후 2단계로 열간압연하였다. 첫번째 단계의 압하율 21%로 하였고, 두번째 단계의 압하율은 24%로 압연하였다. 두번째 단계의 압연온도는 각각 900, 1000, 1100℃의 온도범위로 하였으며 압연후 공냉시켰다. 이와같이 제조한 발명재 및 비교재에 대하여 기계적 성질을 측정하고, 그결과를 하기표2에 나타내었다.

[표 2]

상기표 2에 나타난 바와 같이 발명강을 이용한 발명재(1-3)의 경우 열간가공 온도에 상관없이 90kgf/㎟ 이상과 연신율 20%이상을 나타냄을 알수있었다. 이러한 사실은 본발명에 의한 비조질강은 연신율이 높기 때문에 교정 공정에서 미세균열 발생없이 우수한 가공성으로 교정 가능함을 의미한다. 반면 본 발명의 조성범위를 벗어나 텡스텐을 함유하지 않은 비교재(1-5)을 이용하는 경우 가공 조건에따라 인장강도가 90kgf/㎟ 이상이 되면 연신율이 20%미만으로 떨어지고(비교재1), 연신율이 20%이상이 되면 인장강도가 90kgf/㎟ 미만으로 감소함(비교재3)을 알 수 있었다. 또한 비교재(4)의 경우는 인장강도는 90kgf/㎟ 이상이지만 연신율이 20%미만이다. 이러한 기계적 특성이 차이는 각각의 미세조직 사진을 비교해 보더라도 알 수 있다. 즉 제1도에서 발명재로 표기된 미세조직 사진은 발명재(1)을 나타내는데, 미세한 페라이트·펄라이트조직을 갖고 있는 반면 제1도에서 종래재로 표기된 미세조직사진은 통상의 기계구조용강인 S45C를 소재로 조질처리한 강으로서 템퍼드 마르텐사이트조직으로 상대적으로 조직이 미세하여 연성이 저하됨을 알 수 있다. 한편 제1도에서 비교재로 표기된 미세조직사진은 비교재(1)의 미세사진으로서 조대하여 90kgf/㎟ 급 부품용 소재로 사용하기가 곤란함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 강중 텡스텐 함량을 적절히 첨가하여 강 조성을 제어하는 한편 열간단조하여 공냉시키므로써 소입·소려공정을 생략하고도 인장강도가 90kgf/㎟ 이상과 연신율 20%이상으로 연성을 크게 개선시켜 최종 교정공정에서 교정성을 크게 향상시킨 열간단조용 비조질강을 제공하며, 제공된 비조질강은 자동차 및 산업기계 부품 매우 유용한 효과가 있다.

Claims (1)

1. 열간단조용 비조질강의 제조 방법에 있어서,

   중량%로 C : 0.30-0.50%, Si : 0.40-0.80%, Mn : 0.70-1.50%, P : 0.030% 이하, S : 0.010-0.10%, V :0.030-0.12%, W :0.20-1.00%, Ti :0.010-0.040%, Al : 0.01-0.10%, N : 0.0050-0.020%, 잔부 Fe및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 1200-1300℃ 의 온도 범위에서 재가열하여 열간압연 한 후, 다시 1100-1300℃로 재가열하고 900℃온도 이상에서 단조한 다음 공냉시키는 것을 특징으로 하는 고연성 고강도를 갖는 90kgf/㎟급 열간 단조용 비조질강의 제조 방법