KR100627454B1 - 구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것으로, 선재의 제조방법에 있어서, 중 탄소강의 미세조직을 제어하여 구상화 열처리시 탄화물의 분포를 균질하게 하고 구상화시간을 단축시키고자 하는데, 그 목적이 잇다.

본 발명은 중탄소강 선재의 제조방법에 있어서,

중량%로 C가 0.1~0.5%인 중탄소강을 재가열하고 열간압연직후의 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하로 되도록 1050~1150℃의 온도범위에서 열간압연한 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각한 다음, 재가열하여 740~760℃의 온도범위에서 30분~1시간 동안 유지하고, 670~700℃까지 20~30℃/hr로 냉각한 다음, 공냉하는 구상화열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법을, 그 기술적 요지로 한다.

신선성, 합금원소, 스틸코드, 디라미네이숀, 구상화열처리

Description

구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING MIDDLE CARBON STEEL WIRE ROD WITH SUPERIOR SPHEROIDIZING HEAT TREATMENT PROPERTY}

도1은 페라이트 분율과 구상화율의 상관성을 나타내는 그래프

본 발명은 볼트, 너트등의 기계구조용 소재로 널리 사용되는 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구상화 열처리후 구형 탄하물의 분포가 균질하게 형성되고 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

기계 구조용으로 사용되는 소재는, 0.1~0.5wt%C의 탄소를 포함한 중탄소강 중에서 용도에 적합한 강도 및 선경을 갖는 선재를 구상화 열처리한 후 냉간에서 가혹한 변형을 가하여 부품으로 제조하고 있다.

이 때, 구상화열처리는 냉간가공시 다이의 마모 등을 줄이고 가혹한 변형을 견딜 수 있는 가공성을 부여하기 위해 실시되는 열처리로, 일반적으로 약 18시간 이상의 장시간이 소요된다. 이러한 구상화열처리방법 중 선재제품을 열처리할 때 가장 널리 이용되는 방법은, 소재를 A₁ 온도 이상으로 가열하여 펄라이트를 오스테나이트로 변태시킨 후 냉각과정에서 구형 세멘타이트를 석출시키는 방법이다.

구상화 열처리된 소재에 요구되는 품질특성은 경도 및 구상화율로 나타나고, 경도는 다이스마모에 관계되며, 구상화율 및 입자분포의 균질성은 소재의 냉간가공성에 관계된다. 즉, 가혹한 가공에서 균열이 발생하지 않게 하기 위해서는 구형의 세멘타이트 입자가 균질하게 분포하여야 한다.

이러한 용도에 부합한 소재의 제조방법에서는, 통상 강도저하를 유도하기 위해 열간압연후 서서히 냉각하여 제조하는데, 이와 같이 제조된 조직은 페라이트 및 펄라이트가 고온에서 변태되어 세멘타이트가 두껍게 형성되므로, 추후 구상화 열처리에 장시간이 소요된다.

한편, 구상화 열처리에 관한 종래의 기술을 살펴보면, 대부분의 경우 구상화 시간을 단축하기 위해 압연온도를 저하시켜 페라이트 분율을 증대시키는 방법 등이 제시되고 있다. 예를들면, 압연온도를 900℃ 이하로 하고 이후 냉각속도를 10℃/sec로 하는 방법(철과 강, 76(1990), p73) 등이 있다. 그러나, 이러한 방법에서는 압연온도를 낮추기 위해 압연도중 온도를 저하시키기 위한 설비가 필요한 단점이 있다.

또한, 다른 기술로는, 800℃ 이상의 고온까지 급속가열한 후 A₁ 온도 직하까지 199℃/min 으로 비교적 빠른 속도로 냉각하고 일정시간 유지하는 방법(철과 강, 69(1983) p82)과 고탄소강을 3~20℃/sec의 가열속도로 가열하여 730~770℃까지 승온하고 3~10분간 유지한 후 5℃/sec 이하로 적어도 650℃ 이하의 온도까지 냉각하는 방법(일본 공개특허 평 7-41865) 등이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 대량의 물량을 동시에 열처리할 경우, 정확한 온도제어가 어려운 단점이 있고, 또한 소재의 표면과 중심의 심한 온도편차로 인해 구상화가 불균질해지는 문제점이 있다.

상기와 같은 여러 기술들은 압연온도를 제어하거나 구상화열처리 방법을 개선하는데 주로 관점을 두고 있으나, 소재의 미세조직에 가장 크게 영향을 미치는 냉각과정의 개선에서는 큰 진전이 없었다.

이에, 본 발명자들은 선재의 구상화열처리 거동이 초기 미세조직에 크게 영향을 받는다는 점에 착안하여, 한국 특허출원97-77448호에서는 소재의 펄라이트 분율을 90% 이상으로 제어하면 구상화 입자의 분포가 균질하게 되기 때문에, 이를 위하여 1050~1150℃의 온도에서 열간압연한 후 10~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하여 페라이트 변태온도를 적어도 650℃ 이하로 관리하는 방법을 개시한 바가 있다.

그러나, 미세조직에 부합한 구상화열처리 방법에 대해서는 제시한 바가 없었다.

이에, 본 발명자들은 선재의 미세조직과 구상화 거동에 관한 연구와 실험을 계속한 결과, 적절한 미세조직의 제어와 함께 구상화열처리 방법을 조절하면 탄화물의 분포가 균질하고 구상화시간을 단축시킬 수 있다는 것을 확인하고, 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉, 본 발명은 선재의 제조방법에 있어서, 중 탄소강의 미세조직을 제어하여 구상화 열처리시 탄화물의 분포를 균질하게 하고 구상화시간을 단축시키고자 하는데, 그 목적이 잇다.

본 발명은 중탄소강 선재의 제조방법에 있어서,

중량%로 C가 0.1~0.5%인 중탄소강을 재가열하고 열간압연직후의 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하로 되도록 1050~1150℃의 온도범위에서 열간압연한 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각한 다음, 재가열하여 740~760℃의 온도범위에서 30분~1시간 동안 유지하고, 670~700℃까지 20~30℃/hr로 냉각한 다음, 공냉하는 구상화열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 0.1~0.5wt%의 탄소가 함유된 중탄소강을 이용해 재가열하고 1050~1150℃의 온도범위에서 열간압연하여 열간압연직후의 오스테나이트 결정립크기를 제어한 다음, 냉각하고 재가열하여 구상화열처리를 실시하는 공정을 거쳐 중탄소강 선재를 제조한다.

본 발명은 상기 오스테나이트 결정립크기를 30㎛ 이하로 제어하고 냉각속도를 10~30℃/s로 한 후 구상화열처리를 실시하는 것이 중요한데, 그 이유는 다음과 같다.

구상화 열처리에서 형성되는 구형 세멘타이트는 주로 펄라이트 영역에서 형성된다. 즉 A₁점 직상의 온도까지 가열도중 또는 그 온도에서 유지하는 동안에 펄라이트 부위가 오스테나이트로 변태하고 이때 매우 미세한 세멘타이트 입자가 잔존하여 이러한 세멘타이트 입자를 핵으로 하여 구형 세멘타이트가 냉각도중에 형성, 성장하는 것이다. 따라서, 펄라이트 분률이 적고 페라이트 입도가 조대할 경우에는, 이러한 페라이트 부위는 구상화열처리 완료후 구형 세멘타이트가 존재하지 않은 상태로 유지되므로 균질한 구형 세멘타이트의 분포를 얻기 위해서는 적어도 90% 정도의 펄라이트 분률이 필요하다.

한편, 페라이트 분률의 변화와 구상화율과의 관계를 조사하여 도1에 나타내었는데, 도1에서 알 수 있는 바와 같이, 페라이트 분률에는 큰 변화가 없으며 페라이트 분율이 낮은 경우 구상화율이 높은 현상을 보이고 있는데, 이는 냉각속도가 빠른 제조조건에 해당한다.

즉, 냉각속도가 늦을 경우에는 변태온도가 상승하여 조대한 페라이트와 펄라 이트가 형성되고 펄라이트 분률도 저하하는 것이다. 특히, 세멘타이트의 두께가 조대해져 구상화열처리의 가열 도중 세멘타이트가 오스테나이트로의 용해가 느려지게 되어 결국 구상화 열처리 시간이 증가하게 되므로, 미세한 펄라이트 및 펄라이트 분률을 증대시키기 위해서는, 적어도 10℃/sec 이상의 냉각속도가 필요한 것이다.

또한, 상기 냉각속도가 30℃/sec를 초과하게 되면 오스테나이트 결정립이 조대하거나 편석 등이 존재할 경우 마르텐사이트가 형성되어 열처리 특성이 불균질하여지므로, 최대 냉각속도는 30℃/sec로 제한하는 것이 바람직하다.

한편, 구상화거동은 임의의 온도로 가열하여 펄라이트내에 세멘타이트가 재 고용되고 아주 미세하게 잔존하는 세멘타이트 입자를 핵으로 하여 성장하게 된다. 따라서, 구상화 열처리 도중 유지시간은 세멘타이트의 재고용 및 잔존하는 세멘타이트 입자 양에 관련되고 냉각은 세멘타이트 입자의 성장에 영향을 미치게 된다. 따라서, 냉각속도가 너무 빠를 경우 냉각도중 펄라이트가 다시 나타나게 되고 또한 경도도 높게 된다. 이 때, 상 계면들은 탄소확산에 용이하므로 페라이트 또는 펄라이트가 미세할수록 구상화열처리시 단시간에 탄소 이동이 가능하므로, 미세한 페라이트 또는 펄라이트를 확보하기 위하여, 오스테나이트 결정립 크기를 30㎛ 이하로 제한하는 것이 바람직한 것이다.

상기 구상화열처리는 740~760℃에서 30분~1시간 유지한 후 20~30℃/hr의 냉각속도로 670~700℃까지 냉각하고 공냉하는 식으로 행하는 것이 바람직한데, 그 이 유는 다음과 같다.

즉, 구상화된 소재의 품질은 구상화율 뿐 아니라 구상화된 상태에서의 경도도 중요하다. 이는 구상화된 소재를 이용하여 냉간단조에 의하여 제품을 성형하기 때문에 경도가 낮을수록 다이스 마모가 적기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 구상화열처리 시간을 단축하면서 우수한 경도도 제공할 수 있는 구상화열처리조건을 설정한 것이다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예 1)

중탄소강을 이용해 마무리압연온도를 1050~1150℃ 범위로 하여 열간압연 하고, 하기 표1과 같이 오스테나이트 결정립 크기와 냉각속도를 다양하게 변화시켰다. 그 후, 구상화 열처리를 실시하였는데, 이 때 구상화 열처리 조건은 740℃ 에서 1시간 유지후 30℃/h 로 냉각하는 것이다.

그 후, 제조조건에 따른 구상화율 및 경도를 측정하고, 그 결과를 하기 표1에 나타내었다. 이 때, 상기 구상화율은 8spect ratio(세멘타이트 장축의 길이/단축의 길이)가 3 이하가 되는 입자의 수를 전체 측정된 입자의 수로 나누어 이 분률로 판단하였다.

오스테나이트 결정립크기 (㎛)	냉각속도 (℃/s)	펄라이트 분률 (%)	구상화율 (%)	경도 (Hv)	구분
20	0.5	35	81.8	152	비교재1
20	5	14	84	141	비교재2
20	10	9	85.6	142	발명재1
20	25	8	92	145	발명재2
25	0.5	37	81	142	비교재3
25	10	8	88.2	143	발명재3
35	0.5	31	80.6	150	비교재4
35	5	6	81.6	152	비교재5
35	10	5	90.4	144	비교재6
35	25	3	93.7	142	비교재7
15	25	15	95	140	발명재4

상기 표1에 나타난 바와 같이, 오스테나이트의 결정립 크기가 같을 경우, 냉각속도가 빠르면 구상화율이 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 동일한 냉각속도에서는 오스테나이트 결정립이 미세한 경우가 구상화율이 높고 분포도 균일함을 알 수 있다. 그러나, 경도는 큰 차이가 없었다.

(실시예 2)

실시예1의 발명재(3)을 이용해 하기 표2와 같은 조건으로 구상화열처리시 유지시간을 변화시켜 구상화열처리를 실시하고, 구상화 열처리시 유지시간 변화에 따른 구상화율 및 경도변화를 측정한 다음, 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

구상화된 소재의 품질은 구상화율 뿐 아니라, 구상화된 상태에서의 경도도 중요한데, 그 이유는 구상화된 소재를 이용하여 냉간단조에 의하여 제품을 성형하는데 있어서, 경도가 낮으면 다이스 마모가 적기 때문이다.

	발명예		비교예
	0.5hr	1hr	2hr	3hr
구상화율	94	95	87	80
경도	160	140	152	167

상기 표2에 나타난 바와 같이, 유지시간이 1hr 과 0.5hr인 발명예의 경우, 구상화율은 거의 비슷하고 비교재 대비 경도도 우수하였다. 반면에, 유지시간을 길게한 비교예의 경우에는 구상화율이 감소하였고, 경도도 높았다.

한편, 상기 발명재(3)을 이용해 하기 표3과 같이 구상화열처리 조건을 변화시킨 후, 구상화율 및 경도를 측정하고, 그 결과를 하기 표3에 나타내었다.

	유지시간 (min)	냉각속도 (℃/hr)	냉각종료온도(℃)	구상화율 (%)	경도 (Hv)	구상화시간
발명예	30min	30℃/hr	680	94	160	4시간 30분
	60min	30℃/hr	680	95	142	5시간
비교예	120min	12℃/hr	690	98	130	7시간 10분

상기 표3에 나타난 바와 같이, 비교예는 유지시간이 증가하더라도 냉각속도가 낮아 우수한 물성을 나타내었지만, 전체 구상화 시간이 현저히 증가하는 문제가 있다.

한편, 냉각종료 온도는 그 온도에서 공냉을 개시한 온도로 그 이상의 온도에서 공냉을 시키면 재생 펄라이트가 나와 구상화율 및 경도 특성을 현저히 저하시키 므로 서냉을 해야 하는 최소의 온도범위를 의미한다.

따라서, 미세 조직을 적절히 제어하고 동시에 열처리 조건을 조절하면 구상화 시간을 단축시키고 물성이 우수한 열처리재를 제조할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 오스테나이트 결정립 크기를 제어한 후 적절한 냉각속도로 냉각한 페라이트 펄라이트 강을 구상화열처리함으로써, 구상화열처리 시간을 단축하고, 소재의 취급과정에서 고온에 의한 작업환경의 취약함을 해결할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중탄소강 선재의 제조방법에 있어서,

   중량%로 C가 0.1~0.5%인 중탄소강을 재가열하고 열간압연직후의 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하로 되도록 1050~1150℃의 온도범위에서 열간압연한 후, 10~30℃/sec의 냉각속도로 상온까지 냉각한 다음, 재가열하여 740~760℃의 온도범위에서 30분~1시간 동안 유지하고, 670~700℃까지 20~30℃/hr로 냉각한 다음, 공냉하는 구상화열처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 구상화열처리 특성이 우수한 중탄소강 선재의 제조방법

Images