KR100415919B1 - 내탈탄성및연화열처리성이우수한냉간압조용강의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼트, 너트용 소재로 사용되는 냉간압조용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 내탈탄성이 우수하며 신속 연화 열처리가 가능한 냉간압조강의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적의 본 발명의 내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간압조용 강재의 제조방법은, 중량 % 로, C:0.3∼0.6 %, Si:0.8∼1.4 %, Mn:0.1∼0.8 %, P:0.03 % 이하, S:0.05 % 이하, V:0.01∼0.1 %, Al:0.01∼0.1 %, B:0.0005∼0.005 %, N:0.001∼0.005 %를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을, 950∼1250℃ 의 온도 범위로 가열한 후, 열간압연을 실시한 다음, 10 % 이상의 가공량으로 냉간가공한 후, 다시 650∼740℃의 온도 영역으로 가열하여 이 온도에서 0.5∼4 시간 동안 유지하여 강재를 연화시키는 것을 기술 요지로 한다.

Description

내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간 압조용강의 제조방법

본 발명은 강재를 연화 열처리한후, 냉간압조가공하여 기계 부품의 체결용 볼트, 너트를 만드는데 사용하는 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 종래재는 Ac₁변태 온도 이상에서 장시간 동안 유지함으로써 강을 연화시켰으나, 본 발명강은 Ac₁변태 온도 이하의 낮은 온도에서 단시간 동안 유지함으로써 종래재에 대비하여 동등 이상의 수준으로 강을 연화시키고 이어지는 냉간압조 공정에서도 종래재에 대비하여 우수한 가공 특성을 나타내는 볼트, 너트용 소재로 사용되는 내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간 압조용강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 산업기계 등의 부품 체결용으로 사용되는 볼트,너트는 표 1 에 나타낸 바와 같은 성분의 중탄소강 선재를 소재로 사용하며 제조공정은 도 1 도시와 같다.

표 1 (wt.%)

종래강은 선재로 열간압연한 상태에서의 강도가 약 85 kg/㎟ 정도인데, 이러한 고강도강을 냉간에서 직접 압조하기가 곤란하기 때문에 통상 연화 열처리를 실시한다. 연화 열처리는 통상 Ac₁변태 온도 이상(약 750℃) 에서 일정 시간 유지한 후, Ac₁이하의 일정 온도(약 650℃) 까지 서냉한후 이 온도에서 일정 시간 유지후 냉각한다.

이러한 열처리에 소요되는 시간은 약 15∼20 시간이다. 이와같은 열처리를 실시하면 소재의 인장강도가 55 kg/㎟ 내외로 떨어지게 된다. 소재가 이처럼 연화되는 이유는 얼처리 전의 페라이트(Ferrite) + 펄라이트(Pearlite) 조직이 페라이트 + 구상 시멘타이트(Cementite)로 변화되기 때문이다. 연화처리된 소재는 냉간압조 공정으로 옮겨서 볼트,너트 형태로 냉간압조된다. 냉간압조는 특정 형태의 다이스(dies) 속에 소재를 삽입한후 타격을 가하여 특정 형상을 만드는 공정이다. 냉간압조 공정에서는 변형된 부위에 균열이 발생하지 않아야 하며, 소재의 변형 저항이 크지 않아야 한다.

이와같은 냉간압조 가공을 통하여 제품화되는 종래 소재의 경우, 크게 두가지의 문제점을 가지고 있다. 한가지는 연화 소둔에 걸리는 시간이 너무 길고 또 소둔 온도가 높아서 생산성이 낮고, 제조비용이 높다는 것이다. 또 다른 문제점은 연화 소둔된 강재의 강도가 충분히 낮지 않기 때문에 냉간압조시 다이스의 수명이 단축되고 또 냉간압조된 제품 표면에 균열이 종종 발생되어 제품의 불량율을 높이는 것이다.

이와같은 문제점을 해결하기 위해서 개발된 것이 흑연강으로서 공지된 기술내용을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 일본 특개평 7-97695호에서는 종래강에 규소(Si)를 0.5∼2.0 wt.% 수준으로 다량 첨가한 강을 680∼740℃ 온도 영역에서 5 시간 이상 유지함으로써 열처리전의 페라이트 + 펄라이트로 구성된 미세 조직을 종래강과는 달리 페라이트 + 흑연으로 바꾸어줌으로써 소재를 연화시켰다. 이 기술의 경우, 종래강 대비 열처리 시간을 상당히 줄였으나 여전히 5 시간 이상의 장시간 동안 열처리를 해주어야 한다는 문제점을 안고 있다.

일본 특개평 7-316732 호에서는 종래강에 규소(Si)를 1.5∼1.9 wt.% 첨가하여 연화처리 후의 조직을 페라이트 + 흑연으로 만들어줌으로써 종래강의 문제점을 해결코자하였다. 그러나, 이 기술의 문제점은 열처리시 탈탄을 조장하는 규소(Si)가 과다하게 함유되어 있기 때문에 연화 열처리 공정 및 소입 소려 열처리 공정에서 표면 탈탄이 발생되어 제품의 표면 경도 및 내피로성을 감소시키는 문제점을 가지고 있다.

본 발명자들은 최근에 개발된 기술들이 가지고 있는 이러한 문제점들, 즉 연화 소둔시간이 5 시간 이상으로 여전히 길다는 것과 표면 탈탄에 의한 제품 기능 저하가 발생하는 문제점들을 해결하기 위해 연구와 실험을 행하여 이루어진 것으로, 내탈탄성이 우수하며 신속 연화 열처리가 가능한 냉간압조용 강재의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 중량 % 로, C:0.3∼0.6 %, Si:0.8∼1.4 %, Mn:0.1∼0.8 %, P:0.03 % 이하, S:0.05 % 이하, V:0.01∼0.1 %, Al:0.01∼0.1 %, B:0.0005∼0.005 %, N:0.001∼0.005 % 를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을, 950∼1250℃ 의 온도 범위로 가열한 후, 열간압연을 실시한 다음, 10 % 이상의 가공량으로 냉간가공한 후, 다시 650∼740℃의 온도 영역으로 가열하여 이 온도에서 0.5∼4 시간 동안 유지하여 강재를 연화시키는 냉간압조용 강재의 제조 방법을 제공한다.

도 1 은 냉간압조부품의 제조공정을 블록으로 도시한 도면,

도 2 는 연화 열처리 시간에 따른 강재의 경도 변화를 나타낸 그래프도,

도 3 은 연화 열처리후의 종래강과 본 발명강의 경도를 비교하여 나타낸 그래프도,

도 4 (가)는 연화 열처리후의 본발명강의 표면 탈탄을 보여주는 조직 사진, (나)는 비교강의 표면 탈탄을 보여주는 조직 사진,

도 5 는 냉간압조시 본발명강과 비교강의 변형저항의 변화를 나타내는 그래프도,

도 6 은 본 발명강과 비교강의 한계 압조율을 비교하여 나타낸 그래프도이다.

이하에서는 양호한 실시예와 관련하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

본 발명의 내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간압조용 강재의 제조 방법은, C:0.3∼0.6 wt.%, Si:0.8∼1.4 wt.%, Mn:0.1∼0.8 wt.%, P:0.03 wt.% 이하, S:0.05 wt.% 이하, V:0.01∼0.1 wt.%, Al:0.01∼0.1 wt.%, B:0.0005∼0.005 wt.%, N:0.001∼0.005 wt.% 를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 질화물들이 재고용되는 온도 이상으로 가열한후, 열간압연을 실시하고, 이후 10 % 이상의 가공량으로 냉간가공후, 650∼740℃ 의 온도 범위에 0.5∼4 시간 동안 유지하여 강재를 연화시켜 제조하는 구성이다. 이와 같이 제조된 강재를 냉간압조 가공하여 체결용 볼트, 너트를 제조하게 된다.

이하, 본 발명에 있어서 첨가원소의 성분 범위, 압연 조건, 냉간가공 조건 및 연화 열처리 조건을 한정하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C)는 첨가량이 너무 적으면 연화 열처리시 흑연이 생성되지 않아 소재를 효과적으로 연화시킬 수 없고, 첨가량이 많으면 소입, 소려 처리후에 강도가 필요 이상으로 높아지게 되므로 첨가범위를 0.3∼0.6 % 로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 연화 열처리시 시멘타이트 조직이 흑연으로 분해되는 것을 촉진시키는 역할을 한다. 이러한 기능을 발휘하기 위해서는 강중에 0.8 % 이상 첨가되어야 한다. 그러나 첨가량이 커질수록 열처리 과정에서 표면 탈탄을 조장하므로 상한을 1.4 %로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 강의 탈산에 필요한 원소이며, 또한 소입성을 개선시킬 목적으로첨가한다. 그러나, 망간은 연화 열처리시 시멘타이트가 흑연으로 분해되는 것을 억제하는 원소이므로 첨가 상한을 0.8 %로 제한하는 것이 바람직하다.

인(P)은 열처리시 흑연화를 저해할 뿐아니라 소입,소려시 균열 발생을 조장하는 원소이므로 0.03 % 이상 첨가되지 않도록 하여야 한다.

황(S)은 강중에서 망간황화물(MnS)을 형성하여 강의 피삭성을 증가시킨다. 그러나, 망간황화물은 흑연 입자를 조대하게 만들어 소입,소려처리시 충분한 소입강도를 확보하기가 곤란하다. 따라서, 황은 0.05 % 이상 첨가되지 않도록 하여야 한다.

바나듐(V)은 강중에서 질소와 결합하여 VN 을 형성한다. 이 VN 은 열처리시 흑연 입자의 핵생성 자리 역할을 하므로 흑연화를 매우 효과적으로 촉진시킨다. 따라서, 바나듐을 일정량 이상 첨가하게 되면 흑연화를 촉진시킴으로써 연화 소둔 시간을 효과적으로 줄일 수 있다. 그러나 흑연은 강중에서 C 와 결합하여 VC를 형성하여 강의 강도를 과도하게 증가시킬 수 있으므로 첨가 범위를 0.01∼0.1 % 로 제한하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 강중에서 질소(N)와 반응하여 AlN을 형성한다. 이 AlN은 열처리시 흑연 입자의 핵생성 자리 역할을 하므로 흑연화를 촉진시킨다. 그러나 첨가범위가 0.01 % 이하이면 효과가 적고, 0.1 % 이상이면 Al 계 산화물이 다수 형성되어 냉간 단조시 균열 발생을 촉진하며, 또한 최종 제품의 피로 수명을 떨어뜨리게 된다.

붕소(B)는 강중에서 질소(N)와 반응하여 BN 을 형성한다. 이 BN 은 열처리시흑연 입자의 핵생성 자리 역할을 하므로 흑연화를 촉진시킨다. 또한, 소입,소려 열처리시 강의 소입성을 향상시키는 역할을 한다. 첨가량이 0.0005 % 이하이면 효과가 적고, 첨가량이 0.0005 % 이상이면 흑연화를 저해하며 소입성도 더 이상 증가되지 않는다.

질소(N)는 앞에서 언급한 바와 같이 붕소, 알루미늄, 바나듐과 결합하여 진화물을 형성하며 이것이 흑연화 핵생성 자리 역할을 함으로써 흑연화를 촉진한다. 첨가량이 0.001 % 이하이면 효과가 적고, 0.005 % 이상이면 흑연화를 지연시키므로 첨가량을 0.001∼0.005 % 로 한정한다.

상기와 같은 조성의 강을 강편으로 제조한후, 재가열하여 선재 압연을 실시한다. 압연전 강편 재가열 온도는 950∼1250℃ 범위로 한정한다. 가열 온도가 950℃ 이하가 되면 강중에 존재하고 있는 질화물들이 충분히 재고용되지 않아, 압연 및 냉각 과정에서 흑연의 핵생성 자리가 될 수 있는 미세한 질화물들이 층분히 생성될 수 없다. 가열 온도가 1250℃ 이상이 되면 탈탄이 심하게 발생하게 되어 최종 제품의 재질 특성을 심하게 떨어뜨리게 된다.

상기와 같은 조건으로 열간압연한 강재는 냉간압연 및 신선등의 방법으로 냉간가공을 실시한다. 냉간가공시 가공량은 10 % 이상으로 한다. 만일 이보다 작은 가공도로 냉간가공을 실시하면 내부에너지 축적이 충분치 않고, 또 시멘타이트의 분절이 충분히 일어나지 않아서 신속한 연화 소둔이 이루어지지 않는다.

냉간 가공을 마친 강재는 다시 650∼740℃ 로 가열하여 0.5∼4 시간 동안 유지한다. 가열 온도가 650℃ 이하가 되면 시멘타이트가 흑연으로 분해되기 어렵고,또 강중에서의 탄소 확산이 빠르게 일어날 수 없어서 흑연화 및 구상화 속도가 매우 늦어 공업적으로 이용하기가 곤란하다. 또한 가열 온도가 740℃ 이상이 되면 Ac₁변태 온도 이상이 되어 시멘타이트가 분해된후, 흑연 입자로 뭉쳐지지 않고, 오스테나이트내로 고용되어 버린다. 흑연화 및 구상화가 진행되기 위해서는 시멘타이트의 분해 및 탄소의 확산 공정이 필요한데, 이 공정이 이루어지기 위해서 최소한 0.5 시간 강재를 상기 온도에 유지할 필요가 있다. 유지 시간이 4 시간 이상이 되면 흑연입자가 조대하여져서 소입시 충분한 경도를 얻기 힘들 뿐만 아니라, 열처리에 따른 원가 부담도 커지므로 유지 시간을 4 시간 이내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 방법으로 재질을 연화시킨 강재는 용도에 맞게 다양한 형태로 냉간압조하여 제품을 만든 후 소입,소려 열처리하여 강재를 강인화시켜 사용한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표 2와 같은 조성을 갖는 발명강과 비교강종을 소형강(160 mm x 160 mm x 250 mm)으로 제작한 후 1200℃ 에서 2 시간 가열후, 열간에서 압연하여 두께 32 mm 판으로 제작하였다.

표 2 (wt.%)

이후, 냉간 압연기를 이용하여 열간 압연판을 냉간에서 50 % 압연을 실시하 였다. 냉간 압연재는 다시 680℃ 로 가열하여, 이 온도에서 최장 20시간 동안 유지하였다. 유지 시간에 따른 연화 정도는 도 2 도시와 같다. 도 2 도시와 같이, 이 온도에서 약 2∼4 시간 유지하는 경우 연화가 거의 완료됨을 알 수 있다. 도 3 은 650∼750℃ 온도 구간에서 15 시간 동안 구상화 열처리한 일반 탄소강(비교강 2)과 680℃ 에서 4 시간 연화 소둔시킨 본 발명강의 경도값이 나타내지고 있다. 본 발명강의 경도값이 비교강에 비해 낮다.

도 4 (가),(나)는 680℃ 에서 4 시간 동안 연화 처리한 발명강 및 비교강 2의 표면 탈탄층을 나타낸 조직 사진이다. 본 발명강의 탈탄층의 깊이는 평균 0.12 mm 이나 규소가 다량 첨가된 비교강의 탈탄층 깊이는 약 0.23 mm 로 매우 깊다.

도 5 는 연화 처리한 본 발명강과 구상화처리한 비교강의 변형 저항값을 나타내고 있는 데, 50 % 냉간압조했을 때 본 발명강의 변형 저항이 비교강에 비해 약 15 % 정도 낮은 값을 보이고 있어서 이에 상응하는 공구 수명 연장이 가능하다.

도 6 은 본 발명강과 비교강 2 의 한계압조율값을 나타내고 있다. 본 발명강의 한계압조율이 비교강보다 크다. 즉, 본 발명강은 종래의 구상화 열처리강에 비해 균열 발생없이 훨씬 더 많은 양의 가공을 가할 수 있다. 이러한 실시 결과를 통하여 볼 때, 본 발명강은 기존의 구상화 열처리강과 비교하여서 낮은 열처리 온도 및 짧은 열처리 시간내에 효과적으로 연화가 가능하고, 또 냉간압조시 변형 저항이 적어 공구수명 연장이 가능하며, 아울러 균열 발생없이 가공할 수 있는 가공량이 크다는 장점이 있다. 그리고 본 발명강을 규소가 다량 첨가된 비교강 2 와 비교할때는 열처리 과정중 탈탄이 억제되어 최종 제품의 기계적 성질 저하, 즉 표면 경도감소 및 피로수명 감소를 피할 수 있다.

따라서, 상기 설명한 바와 같이, 본 발명의 내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간압조용 강재의 제조방법에 의하면, 강중 규소, 바나듐 함량을 적절히 첨가하여 강 조성을 제어하는 한편, 냉간가공을 적절히 수행함으로써, 낮은 온도 및 짧은 시간에 강재를 효과적으로 연화시킬 수 있을 뿐 아니라, 열처리 과정중 탈탄도 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서, 연화 열처리 공정을 경제적, 효율적으로 수행하는데 효과가 크며, 이어지는 냉간압조 공정에서 다이스 수명 연장 및 생산성 향상 효과를 기할 수 있다. 뿐만아니라, 연화 소둔 공정에서 탈탄을 효과적으로 억제함으로써 최종 제품이 요구하는 기계적 성질 개선을 효과적으로 확보하는데 유용한 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서, 중량 %로, C:0.3∼0.6 %, Si:0.8~1.4 %, Mn:0.1∼0.8 %, P:0.03 % 이하, S:0.05 % 이하, V:0.01∼0.1 %, Al:0.01∼0.1 %, B:0.0005∼0.005 %, N:0.001∼0.005 % 를 함유하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을, 950∼1250℃ 의 온도 범위로 가열한 후, 열간압연을 실시한 다음, 10 % 이상의 가공량으로 냉간가공한 후, 다시 650∼740℃ 의 온도 영역으로 가열하여 이 온도에서 0.5∼4 시간 동안 유지하여 강재를 연화시키는 것을 특징으로 하는 내탈탄성 및 연화 열처리성이 우수한 냉간압조용 강재의 제조방법.