KR100516519B1 - 제어압연 및 급속냉각 방식에 의한 2상조직 탄소강 선재및 봉강 제조방법 - Google Patents

Abstract

제어압연 및 급속냉각 방식에 의한 2상조직 탄소강 선재 및 봉강 제조방법이 제공된다.

본 발명은, 중량%로, C:0.06-0.15%, Si:0.7-1.2%, Mn:1.5-1.6%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 빌레트(billet)를 1000-1100℃로 재가열한 후 조압연 및 중간압연하는 단계; 상기 압연선재을 750-850℃ 까지 냉각한 다음 준오스테나이트 (metastable austenite) 온도영역에서 마무리 열간압연하고, 이어 권취하는 단계; 상기 권취된 선재를 냉각 컨베이어를 통과하면서 1~30초간 공냉함으로써 재료내부의 조직을 오스테나이트에서 페라이트 조직으로 70-95% 변태시키는 단계; 및 상기 선재를 냉각매체를 이용하여 냉각함으로써 잔여 5-30%의 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

제어압연 및 급속냉각 방식에 의한 2상조직 탄소강 선재 및 봉강 제조방법{A method for manufacturing the dual phase carbon steel wire by using controlled rolling and rapid cooling}

본 발명은 자동차 볼트류 및 신선용 재료등으로 사용되는 선재 및 봉강을 제어압연후 급속 냉각에 의해 2상(dual phase)조직 선재를 제조하는 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는, 선재 압연후 냉각후 2차열처리를 실시하지 않고, 제어압연 및 급속냉각 제어를 통한 직접 열처리 방식으로 페라이트(ferrite) 기지조직에 마르텐사이트(martensite)를 5~30% 함유하는 2상(dual-phase)조직 탄소강 선재 및 봉강류를 제조하는 방법에 관한 것이다.

탄소강 선재는 빌레트(billet)로부터 선재 및 봉강제품을 만든 후 신선 및 압조 가공등 복잡하고 가혹한 가공이 필요한 제품을 만드는 소재로 사용되는데, 이러한 심가공 조건에 견디도록 하기 위해 페라이틱 퍼얼라이트(ferritic pearlite) 조직의 탄소강 선재를 주로 사용하고 있다. 그러나, 이러한 페라이트(ferrite)와 퍼얼라이트(pearlite) 조직으로 된 선재는 가공성이 양호한 반면 재료의 강도를 충분히 확보하지 못하는 문제점이 있다.

따라서 재료의 강도를 높이기 위한 여러 방법들이 제안되었는데, 첫째는 합금을 첨가하여 제조하는 방법으로서 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 등의 합금을 첨가하여 고강도 탄소강재료를 만드는 것이다. 그러나 이러한 여러 종류의 합금을 첨가하여 강도를 높이는 방법은 제조원가 상승할 뿐만 아니라 합금을 첨가함으로서 가공성이 현격히 떨어지는 문제점이 있으며, 이에 따라, 선재를 최종 제품으로 가공하는 동안에 연화열처리(Low temperature annealing), 구상화열처리(Spheroidizing annealing), Q&T(Quenching and tempering) 등의 중간열처리를 요구하게 된다. 또한 다량의 합금이 첨가됨으로서 향후 재료의 재활용 목적으로 재용융 및 정련 작업을 할 때 이러한 합금성분이 불순물로서 남게 되는 문제점이 있고, 이를 제거하기 위한 재처리 비용이 소요되어 원가를 상승시킬 뿐만 아니라 환경 문제도 야기하게 된다.

두번째 강도 향상방법은 일반 탄소강 소재를 압연중 소재온도 및 내부조직의 제어에 의해 재료의 인성을 떨어뜨리지 않고 강도를 높이는 방법으로서 기본적으로 페라이트 기지조직에 퍼얼라이트가 첨가된 조직이다. 그러나 이러한 조직은 결정립 미세화에 의한 강도향상과 인성확보 방법으로서 강도 향상 정도가 상대적으로 한계가 있는 실정이다.

그러므로 이러한 페라이트 및 퍼얼라이트 조직이 혼재된 형태가 아닌 새로운 개념의 조직을 가지는 강재의 하나로 페라이트 기지조직에 마르텐사이트가 고르게 분포된 새로운 조직, 즉 2상(dual-phase)조직강이 있다. 여기에서 말하는 2상조직 선재란 기존의 연질의 페라이트에 기존의 퍼어라이트(pearlite) 대신 높은 강도를 가지고 있는 마르텐사이트(martensite) 및 미량의 베이나이트(bainite)와 리테인드 오스테나이트(retained austenite)가 있는 조직을 만들어주는 것으로 페라이트 조직이 가지는 높은 연성과 마르텐사이트 조직이 가지는 높은 강도를 적절히 이용함으로서 인성을 해치지 않고 높은 강도를 지닌 탄소강 재료를 만드는 것이다.

그러나 선재의 경우는 압연후 냉각중 마르텐사이트(martensite) 분율을 제어하는 방법이 없다. 따라서 기존의 이상조직선재 제조는 일반적으로 0.1%의 탄소(C)와 0.8%내외의 실리콘(Si) 및 1.5%내외의 망간(Mn)을 첨가한 것을 소재로 하여 빌렛트(Billet)를 압연후 선재를 제조한 다음, 선재를 다시 재가열하여 철-탄소(Fe-C)의 상태도에서 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 이상역온도(710-910℃)까지 가열한 다음 일정시간 유지하여 기존의 펄라이트 조직이 오스테나이트로 약 10-20% 정도 변태가 완료된 시점에서 물이나 소금물 등에서 급냉하여 오스테나이트 조직이 마르텐사이트 조직으로 변태되도록 하는 방법을 사용해 왔다. 그러나 이 방법은 추가적인 가열 및 냉각작업이 불가피하게 되고, 산화 로 인한 표면품질 훼손 및 수율의 저하를 초래하게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 이상 조직강을 만들려는 노력이 선진 제조사를 중심으로 총력적인 관심속에 진행되고 있으며 여러가지 방법이 제시되고 있는 중이다. 현재까지의 공지된 기술로는 미국에서 주로 검토되어 특허 출원한 특허번호 4613385, 4619714와 일본에서 공개한 특개평5-295425 등이 있다.

상기 미국특허 4619714호에는 최종 마무리 압연을 페라이트+오스테나트의 이상역에서 하고 그 다음 신속히 냉각하는 방법을 제시하고 있다. 그러나 이와 같은 프로세스는 이상역의 기준이 되는 온도범위를 정확히 확정할 수 없고, 이에 따라, 잔류 오스테나이트 구성비(volume fraction)을 요구하는 범위대로 제어하기가 어려우며, 압연된 소재를 어떻게 급속할 것인가에 대한 방법이 제안되어 있지 않다.

한편, 상기 미국특허 4613385호 및 일본특개평5-295425호에는 선재압연중 직접 제어냉각하는 방법이 아닌 2차 가열 및 냉각방법을 제시하여 불가피하게 중간 열처리를 거치는 방법을 제시하고 있으나, 2차열처리란 추가 공정을 필요로 하게 되므로 실수율 하락 및 원가상승이 불가피하다는 문제가 있다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 2차 열처리 없이 고속 선재압연에서 압연 직후 소재 권취후 콘베이어(CONVEYOR) 상에서 연속 공냉후 냉각수에 의한 분사나 냉각수 및 공기가 혼합된 냉매를 사용하여 선재 및 봉강을 급냉시킴으로서 공냉중 변태가 완료되지 않은 잔류 오스테나이트( retained austenite) 조직을 마르텐사이트로 변태시킬 수 있는 2상강 선재 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C:0.06-0.15%, Si:0.7-1.2%, Mn:1.5-1.6%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 빌레트(billet)를 1000-1100℃로 재가열한 후 조압연 및 중간압연하는 단계; 상기 압연선재을 750-850℃ 까지 냉각한 다음 준오스테나이트 (metastable austenite) 온도영역에서 마무리 열간압연하고, 이어 권취하는 단계; 상기 권취된 선재를 냉각 컨베이어를 통과하면서 1~30초간 공냉함으로써 재료내부의 조직을 오스테나이트에서 페라이트 조직으로 70-95% 변태시키는 단계; 및 상기 선재를 냉각매체를 이용하여 냉각함으로써 잔여 5-30%의 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 단계;를 포함하는 페라이트 기지조직에 마르텐사이트가 5-30% 함유된 2상(dual-phase)조직강 선재 및 봉강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 적용되는 강종은 자동차 볼트류 및 신선용 재료용으로 사용되는 것으로, 중량%로, C:0.06-0.15%, Si:0.7-1.2%, Mn:1.5-1.6%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 구성되는데, 이는 종래부터 잘 알려져 있는 강 성분계이므로 구체적인 설명을 생략한다.

즉, 실리콘(Si)은 탄소의 확산을 촉진시키는 역할을 하여 짧은 시간내에 페라이트 결정립이 생성되는 것을 돕는 역할을 하며, 망간(Mn)은 연속변태곡선(CCT Curve)을 오른쪽으로 이동시켜 주는 역할을 하여 잔류 오스테나이트가 급냉조직을 만드는데 도움을 준다. 그리고 탄소는 마르텐사이트의 강도 및 구성비를 결정짓는데 중요한 원소로 작용한다.

선재 및 봉강제품에 있어서 신선성 및 압조성을 결정짓는 조직 측면에서의 특성은, 가공에 앞서 소재의 강도가 낮고 인성이 크서 소재가 가공 중 연신이 잘 일어나며 신선중 파단이 발생되지 않아야 하고, 다이스의 마모가 작게 일어나는 것이 좋다. 그리고 신선이나 압조 후에는 적절한 강도를 확보해서 재료가 사용되는 용도에 알맞은 강도를 확보하는 것이 중요한데, 이를 위해서는 각 공정별 적절한 제조공정의 정립이 필요하다.

본 발명자들은 상기 선재의 제조공정에서 2차 열처리 공정을 생략하면서, 제어압연에 의한 선재 압연, 냉각대에서의 냉각중 잔류 오스테나이트 구성비 제어 및 냉각수+공기 냉각 매체에 의해 스텔모아 냉각대 (Stelmor conveyor)에서 급속냉각을 되풀이한 결과, 냉각대에서의 공냉중 체류시간을 제어함으로서 미세한 페라이트 결정립 조직에 마르텐사이트 입자가 고루 분포된 고강도 고연성 이상조직 선재가 만들어진다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하는 것이다.

도 1은 본 발명의 선재 및 봉강설비를 나타내는 개략도로서, 조압연을 거친 소재(1)를 중간사상압연기(2)에서 중간마무리압연하고, 이어, 수냉박스(3)에서 수냉한후 마무리사상압연기(4)에서 마무리열간압연한후 권취, 냉각등의 공정을 거치게 된다. 한편, 도 1에서 미설명부호 5는 수냉박스, 6은 권취기, 7은 냉각 컨베이어, 8은 냉각노즐, 그리고 9는 냉각된 소재를 나타낸다.

즉, 발명에서는 먼저, 상기와 같은 조성을 갖는 빌레트(billet)를 가열로에서 1000-1100℃로 재가열한 후 추출하여 통상의 조건으로 조압연 및 중간사상압연처리 한다.

그리고 이렇게 중간압연된 선재를 중간 수냉대(Pre-cooling box)를 통과시켜 냉각시킨후, 준오스테나이트(metastable austenite) 조직을 가진 소재를 750-850℃온도범위에서 마무리 열간압연을 실시한다. 만일 그 온도가 750℃ 미만이면 극저온압연으로 압연롤의 파손이나 소재의 연성이 약해져서 발생하는 터짐을 유발하며, 850℃ 를 초과하면 통상압연인 1000℃이상 온도에서의 압연과 마찬가지로 소재가 안정된 오오스테나이트화하여 재결정과 결정립 성장으로 조직이 조대화하기 때문에 압연후 냉각시 페라이트 생성이 어렵게 된다.

이때, 오스테나이트 결정립은 미재결정 영역(Non-recrystallization area)에서 압연이 되므로 압연후에도 재결정이 일어나지 않고 결정립은 길게 연신되고, 결정립 내에서는 전단밴드(shear band or deformation band)가 생성되어 결정립을 보다 미세화한다.

이후 수냉대에서 냉각수의 살포없이 권취기(laying head)에서 권취하는 과정에서 미세한 결정립들중 상당량이 페라이트 결정립으로 변태가 촉진되기 시작한다.

본 발명에서는 이러한 권취된 선재코일을 냉각대(stelmor conveyor)에서 1-30초간 공냉을 하여 전체 페라이트 구성비가 70-95%가 되도록 한 다음, 공기+냉각수 혹은 냉각수를 코일의 밀도차에 따라 배분하여 살포함으로서 잔여 오스테나이트 결정립은 미세한 마르텐사이트 조직으로 변태시킨다.

이렇게 함으로써 마르텐사이트 입자의 모양이 비교적 둥글면서도 미세하게 분포가 되어 인성과 강도가 동시에 높은 선재 및 봉강 재료가 만들어지게 되고, 2차 열처리 작업도 생략이 가능하게 되는 것이다. 특히, 제어압연을 통해 결정립 미세화 효과 및 급속냉각후 생성되는 마르텐사이트 입자가 서로 연결이 되지않고 매우 고르게 분포됨으로서, 마르텐사이트 입자들이 크게 성장하고 서로 연결되어 재료의 연성을 떨어트리는 것에 비해 강도도 높고 연성도 더욱 높은 재료를 만드는 것이 가능해진다.

이와 같은 제조공정을 거쳐 제조된 선재에 대하여 유동응력(Flow stress)을 측정하면, 도 3과 같이 일반강 인장시험시 나타나는 불연속띠(Luder's band)가 나타나지도 않고 연속적인 항복곡선을 나타내고 있으며, 상대적으로 높은 강도를 나타낸다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

중량%로, C:0.10%, Si:0.85%, Mn:1.50%, 기타 불가피하게 혼입되는 불순물을 포함한 나머지를 Fe로 하여 용해하여 160각(160㎜X160㎜X10.1m) 빌레트(Billet)를 제조하였다. 이들 빌레트를 통상 가열온도인 1000-1100℃에서 100분 동안 가열후 선재 압연기에서 조압연 및 중간 사상압연을 행하여 160각 빌레트를 직경 19.0-21.0㎜ 봉으로 만들면 중간 가공발열에 의해 소재온도는 950-1050℃에 이르게 되고 재료 내부의 대부분이 재결정이 일어났다.

이 때까지는 통상재와 작업방법이 동일하며, 그 이후 소재를 물을 분사시켜 소재를 냉각시키는 장치인 중간 냉각대를 통과시켜 소재평균 온도를 750-850℃로 제어하여 준오스테나이트 영역(meta-stable austenite area)까지 낮춘 다음 이 소재를 다시 사상압연기를 통과시켜 마무리 압연을 실시했다.

이렇게 마무리 압연된 소재를 수냉대를 통과한 후 권취기에서 권취했다. 이후, 소재가 이송대(Stelmor conveyor)를 통과하면서 공냉을 1-30초간 시켜 압연중 오스테나이트 조직으로 되어있던 소재가 페라이트로 약 70-95%변태가 이루어지도록 하였다. 그리고 마르텐사이트 조직을 확보할 수 있는 냉각속도인 냉각속도 80℃/sec를 확보하기 위해 공기와 물이 혼합된 냉각수를 소재 위에 분사함으로서 이 때까지 변태가 이루어지지 않은 잔류 오스테나이트를 마르텐사이트(Martensite)조직으로 변태시켜 최종제품을 얻었다. 이러한 최종제품에 대하여 기계적 특성을 측정하여 그 결과를 통상재와 대비하여 표 1에 나타내었다.

구 분	YS	TS	El(%)
통상재	37.9	51.1	33.9
발명재	62.7	62.7	28

표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명재가 통상재 대비 연신율이 별다른 저하 없이 높은 강도를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 본 발명재는 마르텐사이트가 고르게 분포되어 있었으며, 응력 변형율 곡선에 있어서도 일반재는 불연속선을 나타내었으나 본 발명재는 이러한 경향 없이 연속적인 변형을 나타내고 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 고속 선재압연에서 압연 직후 소재 권취후 콘베이어상에서 연속 공냉후 냉각수에 의한 분사나 냉각수 및 공기가 혼합된 냉매를 사용하여 선재 및 봉강을 급냉시킴으로서 공냉중 변태가 완료되지 않은 잔류 오스테나이트 조직이 마르텐사이트로 변태시킬 수 있는 2상강 선재의 제조에 유용하다.

도 1은 제어압연 및 급속냉각에 의하여 2상강을 제조하는 설비를 나타낸 개략도

도 2은 본 발명의 2상강의 조직을 일반강에 대비하여 나타낸 사진

도 3은 본 발명의 2상강의 일반강 대비 응력-변형곡선을 나타내는 그림

Claims (1)

1. 중량%로, C:0.06-0.15%, Si:0.7-1.2%, Mn:1.5-1.6%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되는 빌레트(billet)를 1000-1100℃로 재가열한 후 조압연 및 중간압연하는 단계;

   상기 압연선재을 750-850℃까지 냉각한 다음 준오스테나이트 (metastable austenite) 온도영역에서 마무리 열간압연하고, 이어 권취하는 단계;

   상기 권취된 선재를 냉각 컨베이어를 통과하면서 1~30초간 공냉함으로써 재료내부의 조직을 오스테나이트에서 페라이트 조직으로 70-95% 변태시키는 단계; 및

   상기 선재를 급냉함으로써 잔여 5-30%의 잔류 오스테나이트 조직을 마르텐사이트 조직으로 변태시키는 단계;를 포함하는 페라이트 기지조직에 마르텐사이트가 5-30% 함유된 2상(dual-phase)조직강 선재 및 봉강의 제조방법