KR100530065B1 - 구상화 소둔 열처리 단축이 가능한 냉간압조용 강선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업기계 부품, 자동차 부품 등의 소재로 사용되는 냉간압조용 강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 그 목적은 열간압연 및 압연후 냉각조건을 조절하여 열간압연 상태에서 페라이트(Ferrite), 펄라이트(Pearlite) 및 저온변태조직으로 구성된 미세조직을 만들어 구상화 시간을 대폭 줄일 수 있는 냉간압조용 강 선재의 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.20~0.60%, Si: 0.1~0.7%, Mn: 0.3~1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.10%이하, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강편을 재가열하여 마무리 압연온도를 800℃이상으로 하는 조건으로 열간압연하고, Ar₃ ~ Ar₁의 범위에서 냉각을 개시하여 50℃/초 이상의 속도로 상온까지 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 구상화소둔 시간 단축이 가능한 냉간압조용 강 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

구상화 소둔 열처리 단축이 가능한 냉간압조용 강선재의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING STEEL WIRE ROD FOR COLD FORGING FEATURING SHORT-TIME SPHEROIDIZED ANNEALING }

본 발명은 산업기계부품, 자동차 부품 및 건설기계용 부품 등의 소재로 사용되는 냉간압조용 강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 강 선재를 압연 한 후 페라이트와 펄라이트 조직으로 변태가 완료되기 전에 급속 냉각시켜 저온변태조직을 일부분 포함시킴으로써 구상화 소둔 시간을 단축시킬 수 있는 냉간압조용 강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 산업기계 부품, 자동차 부품, 건설기용 부품 등의 소재로서 많이 사용되는 탄소함량 0.45%의 중탄소강 선재는, 열간압연을 마친 상태에서의 주된 미세조직이 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)로 구성되어 있으며 인장강도가 약 70kg/mm²정도로 높다. 통상 냉간압조 가공을 통해서 자동차용 혹은 건설기계용 부품을 제조하기 위해서는 구상화 소둔 열처리를 실시하여 인장강도를 약 50kg/mm² 수준으로 떨어뜨려야 한다. 통상 구상화 소둔처리는 740℃ 정도로 가열 후 일정시간 유지한 후 서냉각 시키는 열처리로써 전체 열처리 시간이 약 15 ~ 20시간 정도 소요되기 때문에 열처리 비용이 많이 들고 생산성이 낮다는 문제점이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 구상화를 촉진시킬 수 있는 냉간압조용 강선재의 제조방법에 대한 기술들이 제안되어 왔다. 일례로, 일본특개2000-336460호에서는, 중량%로, C: 0.1~0.5%, Si: 0.01~0.5%, Mn:0.3~1.5%를 함유하는 강을 사용하여 마무리 열간압연을 750℃에서 실시한 후 온수(溫水)에 침적시켜 냉각함으로써 미세한 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)로 구성된 조직을 얻음으로써 구상화 시간을 단축시킬 수 있는 냉간압조용 강선재의 제조방법을 제시하고 있다. 그러나, 이 기술의 경우, 압연상태에서 미세한 조직을 얻기 위하여 열간압연후에 선재코일을 침적시킬 수 있는 대용량의 온수침적설비를 갖추어야 한다는 문제점과 이 방법으로 제조한 선재는 여전히 페라이트와 펄라이트로 구성된 조직이기 때문에 구상화 시간 단축에 한계가 있다.

이에, 본 발명의 발명자들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 연구 및 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명에서는 별도의 시설변경없이 압연조건과 냉각조건의 제어로 선재의 미세조직에 일부 저온 변태조직 (마르텐사이트 혹은 베이나이트)를 분포시킴으로써 구상화시간을 단축할 수 있는 냉간압조용강 선재의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 냉간압조용 강선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.20~0.60%, Si: 0.1~0.7%, Mn: 0.3~1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.10%이하, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강편을 재가열하여 마무리 압연온도를 800℃이상으로 하는 조건으로 열간압연하고, Ar₃ ~ Ar₁의 범위에서 냉각을 개시하여 50℃/초 이상의 속도로 상온까지 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하 설명한다.

본 발명자들은 구상화소둔시간을 단축하기 위한 방안을 연구하던중에, 선재에 페라이트(Ferrite) 와 펄라이트(Pearlite)로 구성된 기지 조직에 일부 저온 변태조직 (마르텐사이트 혹은 베이나이트)이 분포되는 경우에 선재 내부 에너지를 크게 증가되어 구상화가 매우 신속히 이루어진다는 사실에 주목하여 본 발명을 완성한 것이다. 즉, 본 발명은 중탄소강 선재에서 페라이트와 펄라이트의 미세조직에 저온변태조직이 형성되도록 제조조건을 설정하는데, 그 특징이 있다. 이를 강선분계와 함께 구체적으로 설명한다.

· 탄소(C): 0.20~0.60%

C는 강의 미세조직 및 기계적 성질에 큰 영향을 미치므로, 첨가량이 0.20%미만이면 제품상태에서 요구되는 강도를 확보할 수 없고, 또한, 0.60% 초과로 지나치게 많으면 구상화 소둔 이후의 냉간압조 가공성이 나빠진다.

· 규소(Si): 0.1~0.7%

Si은 통상 제강시 탈산을 위해서 첨가하는 요소로서, 제품에서 필요로 하는 강도를 확보하는 역할도 한다. 그러나, 상기 Si의 함량이 0.1% 미만이면 탈산작용이 원활이 이루어지지 않고 필요한 강도를 확보하기가 곤란하고, 0.7%초과이면 냉간가공시 변형저항을 크게 증가시켜 냉간압조성을 급격히 떨어뜨린다.

· 망간(Mn): 0.3~1.5%

Mn은 강의 충격인성의 저하 없이도 강의 강도를 높인다. 첨가량이 0.3%미만으로 적으면 이러한 효과가 뚜렷하지 않고, 첨가량이 1.5% 보다 많으면 강도가 제품 규격 범위 이상으로 증가한다.

· 인(P): 0.03%이하

P은 입계에 편석되어 강의 인성을 떨어뜨리므로, 그 함량을 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

· 황(S): 0.03%이하

S은 강의 충격인성을 감소시키므로, 그 함량을 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

· 알루미늄(Al): 0.10%이하

제강시 탈산을 위하여 첨가하며 질화물을 형성하여 조직을 미세화시켜 강의 인성을 증가시킨다. 첨가량이 많으면 그 효과가 포화되므로 0.1%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 상기와 같이 조성된 강편은 본 발명에 따라 재가열하여 열간선재압연하고 냉각하여 선재로 만든 다음, 통상의 방법을 통해 냉간신선가공 후 신속 구상화 소둔 패턴으로 열처리를 실시하고, 냉간단조되어 제품으로 가공한다. 본 발명에서는 이러한 제조공정에서 열간선재압연과 냉각조건을 제어하는데, 특징이 있다.

· 열간선재압연

강편을 열간압연하는데, 800℃ 이상의 온도에서 마무리 압연한다. 상기 마무리 압연을 800℃이상에서 행하는 이유는 다음과 같다. 변태전 오스테나이트 크기가 어느 정도의 크기를 가지고 있어야만 페라이트와 펄라이트로의 변태 속도가 느리기 때문에 페라이트+펄라이트 조직으로 변태 도중 급냉시켜 저온변태 조직을 혼입시킬 수가 있다. 만일 마무리 압연 온도가 800℃ 보다 낮게 되면 변태전 오스테나이트가 지나치게 미세해져서 페라이트 + 펄라이트 조직으로의 변태속도가 너무 빨라 변태 도중에 급냉을 시켜도 저온조직을 효과적으로 혼입시키기가 어렵게 된다.

· 냉각공정

상기와 같이 압연이후 소재온도가 Ar₃ ~ Ar₁의 범위가 되면 냉각을 개시한다. 그 이유는, 소재온도가 Ar₃온도 보다 높은 상태에서 급냉하게 되면 소재 전체의 미세조직이 저온변태 조직이 되어 소재가 너무 취화하게 되어 구상화 소둔 전에 통상적으로 실시하는 냉간 신선을 실시할 수가 없게 된다. 그리고 소재온도가 Ar₁온도 보다 낮은 상태에서 급냉하게 되면 오스테나이트 조직이 이미 페라이트, 펄라이트로 변태가 되었기 때문에 저온조직으로 더 이상 변태가 일어날 수가 없다. 이때의 냉각속도는 50℃/초 이상으로 하는데, 그 이유는 냉각속도가 이 보다 느리게 되면 목표로 하는 저온변태조직(베이나이트와 마르텐사이트에서 선택된 1종 또는 2종)을 얻을 수 없고, 미세한 펄라이트 혹은 열화된 펄라이트 조직으로 변태되기 때문이다. 선재 상태에서 목표로 하는 저온변태 조직이 혼입되지 아니하면 구상화 시간을 효과적으로 단축시키기가 곤란하다.

본 발명에 따라 제어냉각된 강선재는 페라이트와 펄라이트의 기지조직에 마르텐사이트 또는 베이나이트의 그룹에서 선택된 저온조직이 1종 또는 2종 분포된다. 본 발명의 실시예에 따르면 저온조직의 혼입율 4~16%일 때 구상화소둔시간의 약 1/2로 단축할 수 있는 것으로 확인되었다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

하기 표1과 같이 조성되는 강을 110 mm x 110 mm x 250 mm의 소형 강편으로 제작하고 1100℃에서 2시간 가열한 다음, 열간압연을 실시한 후 열간 압연재로부터 직경 3mm x 높이 10mm 시편을 가공하였다. 이 시편은 다시 1000℃로 가열 후 5분간 유지한 후 900℃에서 40%의 압하율로 압하를 하였다. 이 후 5℃/초의 냉각속도로 각각 670℃, 650℃까지 냉각한 후 그 온도에서 100℃/초의 냉각속도로 상온까지 냉각시켰다. 단, 일부는 비교를 위해 900℃에서 40%의 압하율로 압하를 실시한 후 상온까지 5℃/초의 냉각속도로 냉각시켰다. 이 후 발명재와 비교재는 압축시험기를 이용하여 냉간에서 15%의 변형을 가한 후 구상화 소둔 열처리를 실시하였다. 발명재는 가열온도 740℃, 그리고 총 열처리 시간 8.5시간으로 구상화 소둔을 실시하였고, 상온까지 5℃/초로 연속냉각시킨 비교재는 종래 방법대로 가열온도 740℃, 총 열처리시간 16 시간으로 구상화 소둔 열처리를 실시하였다.

발명재	화학성분(중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Al
	0.45	0.24	0.71	0.01	0.008	0.035

도 1에는 압연후 냉각 상태에서의 발명재와 비교재의 미세조직 사진을 도시한 것이다. 도 1(c)는 열간 압하후 상온까지 연속 냉각시킨 비교재의 미세조직사진으로, 페라이트와 펄라이트로 구성된 전형적인 중탄소강의 조직을 가지고 있다. 이에 반해, 670℃, 650℃에서 급냉시킨 도 1(a)(b)의 발명재의 경우는 흰색의 마르텐사이트가 섬 형태로 존재함을 볼 수 있다.

표2는 발명재와 비교재의 구상화 열처리 조건 및 구상화 경도를 나타내었으며, 도 2에는 구상화 경도를 그래프화하여 나타내었다.

냉각조건	저온조직(마르텐사이트)혼입율	구상화소둔조건	구상화소둔후 경도(Hv)	비고
670℃이후 급냉	15.01%	가열온도:740℃총 구상화시간:8.5시간	153.5	발명재
650℃이후 급냉	4.0%	가열온도:740℃총 구상화시간:8.5시간	154.0	발명재
연속냉각(5℃/sec)	0%	가열온도:740℃총 구상화시간:16시간	153.5	비교재

표 2와 도 2에서 알 수 있듯이, 발명재는 구상화 시간이 종래재의 1/2 수준으로 짧게 하였으나 경도는 비교재와 유사하게 충분히 낮음을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 구상화 소둔 시간을 단축하고도 충분히 연화가 가능한 선재를 제조할 수 있으므로, 이러한 선재를 사용하여 냉간압조품을 제작하는 경우, 열처리 비용 저감 및 생산성 향상 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

도 1은 압연후 냉각 상태에서의 발명재와 비교재의 미세조직 사진

도 2 는 발명재와 비교재의 구상화 소둔 후의 경도값을 보여주는 그래프

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.20~0.60%, Si: 0.1~0.7%, Mn: 0.3~1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, Al: 0.10%이하, 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강편을 재가열하여 마무리 압연온도를 800℃이상으로 하는 조건으로 열간압연하고, Ar₃ ~ Ar₁의 범위에서 냉각을 개시하여 50℃/초 이상의 속도로 상온까지 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 구상화소둔 시간 단축이 가능한 냉간압조용 강 선재의 제조방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상온으로 냉각된 강선재는 페라이트와 펄라이트의 기지조직에 마르텐사이트 또는 베이나이트의 그룹에서 선택된 저온조직이 1종 또는 2종 분포됨을 특징으로 하는 구상화소둔 시간단축이 가능한 냉간압조용 강선재의 제조방법.
3. 제 2항에 있어서, 상기 저온조직의 혼입율은 4~16%임을 특징으로 하는 구상화소둔 시간단축이 가능한 냉간압조용 강선재의 제조방법.