KR100699133B1 - 가공성이 우수한 노말라이징 열처리된 쾌삭강 선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선재의 노말라이징 기술개발에 관한 것이다. 노말라이징이라는 기술은 상용화 되어 있으나, 선재 부문에서 선재 구상화열처리로(STC)를 활용하여 선재의 노말라이징 열처리를 실시하는 경우는 없었다. 따라서 고부가가치제품 생산능력 증대와 품질향상을 위하여 노말라이징(Normalizing) 열처리가 가능한 이 열처리로를 설치하여 균열온도, 시간, 냉각속도 등의 조업 조건을 최적화하여 제조기술을 개발한 것이다.

노말라이징, 선재, 균열온도, 냉각속도

Description

가공성이 우수한 노말라이징 열처리된 쾌삭강 선재의 제조방법{Manufacturing method of normalizing-treated free-cutting steel wire rod excellent in working}

도 1은 본 발명에 따른 노말라이징 열처리전(도 1a)와 열처리 후(도 1b)의 조직을 각각 도시한 것이다.

도 2는 본 발명을 실시하기 위한 송풍기(Air blower)의 배치도를 간단히 설명한 개략설명도이다.

본 발명은 가공성이 우수하고 균일한 내부 조직을 확보하기 위하여 선재 상태에서 균질화 열처리된 쾌삭강 선재의 제조방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 그 중에서도 노말라이징 처리된 선재의 제조방법에 관한 것이다.

노말라이징 열처리를 통해 균일하고 미세한 조직을 얻을수 있다는 이론적인 사실은 있으나, 선재의 경우에는 그 소재가 코일(Coil)로 권취된 상태이기 때문에, 종래 선재의 열처리시 소재의 냉각온도 및 가열온도의 편차발생에 따라 불균일한 조직이 증가되는 문제점이 있었다. 따라서. 소재로서의 선재를 노말라이징 열처리를 하면 미세한 내부조직과 균일한 조직을 얻을수 있어 소재의 가공성과 가공후 치수변화에도 매우 우수한 성능을 가지게 된다. 그러나, 종래 선재에서의 노말라이징 열처리는 코일(Coil) 권취된 형상으로인해 가열 및 냉각시 온도편차를 유발시키며, 이로 인해 오히려 불균일 조직을 양산하게 된다.

종래에는 이에 대한 대책으로, 가공성이 우수한 균질의 소재를 생산하기 위해 열간 압연을 실시하면서 열간상태에서 균일한 공냉을 통해 노말라이징 처리를 실시하고 있으나, 전술한 이유로 조직내부의 불균일 조직발생과 열처리후 표면에 표면 스케일(Scale)이 발생 되기 때문에 균일 조직을 얻기 위해, 그리고 표면 스케일을 제거하는 공정이 반드시 필요하였다. 그러나, 종래의 경우, 이에 따른 무리한 공정진행으로, 스케일 제거 공정에서 약 1~2％의 소재 손실(Loss)이 발생 되고. 또한, 균일조직을 얻기 위한 여러가지 다양한 후처리 공정 때문에 제조 코스트가 증가되어 원가의 부담요인이 되어왔기 때문에 현재까지 문제점이 해결되고 있지 않은 실정이다.

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따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하고 소재공급의 차별성을 부여하기 위해 개량된 선재의 노말라이징 열처리 방법을 집중연구하여 이를 개발하게 되기에 이르렀다.
종래의 방법은 선재 상태 그대로 권취된 코일에서 열처리를 실시할 경우 가열 및 균열을 통해 냉각의 편차를 줄일 수 있으나, 냉각시에는 온도편차(20~50℃)로 내부조직의 차이를 유발하게 되므로, 노말라이징을 실시하여도 오히려 내부 조직의 편차가 커져서 균질화 및 미세화의 목적을 달성할 수가 없었다. 그래서 종래에는 선재가 아닌 열간봉강을 제조하면서 열간상태에서 자연공냉을 통해 노말라이징의 냉각효과를 얻어왔지만, 이 경우에도 노말라이징 고유의 균일한 냉각 효과를 얻기도 미흡하였을 뿐아니라, 표면에 발생되는 스케일을 제거해야 하기 때문에 소재 손실 약 1~2％와 추가적인 공정이 필요하였다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 발명은 선재 상태에서도 균일한 가열과 냉각을 통해 노말라이징을 실시하는 기술을 개발하게 된 것이다.

즉, 본 발명은 뱃치로 등을 활용하여 선재 상태의 소재를 균일하게 노말라이징하는 기술을 개발하게 되었으며, 특히 구상화 열처리로를 활용하여 노말라이징 처리를 하기로 함에 따라 그에 따른 열처리 조건의 설정이 필요하였다.

그러나 통상 구상화열처리로(STC)는 가열,균열등의 온도 범위가 상이하여 이러한 고온 열처리법인 노말라이징 열처리를 할수 없다는 점을 고려하고 전술한 문제점을 아울러 해결하기 위하여 상술한 문제점을 보완하여 미세하고 균일한 내부 조직을 얻을수 있는 노말라이징 열처리한 선재, 특히 그 중에서도 쾌삭강 선재의 제공에 그 목적이 있다.

선재의 노말라이징을 실시하기 위해서는 무엇보다도 균일한 가열온도 및 균열시간 그리고 적정한 냉각속도, 분위기 제어를 통한 표면의 탈탄발생 방지등이 필요하다. 따라서 본 발명에서는 구상화 열처리가 이러한 요건을 비교적 만족할 수 있을 것으로 생각되어 구상화 열처리로(STC)를 활용하여 선재의 노말라이징 열처리 기술을 개발하게 되었다.
연구결과 선재 상태의 제품을 균일하게 노말라이징 열처리를 위해서는 충분한 오스테나이트화를 위한 적정범위의 균일온도 및 시간이 필요하며, 냉각시 조대조직 및 불균일한 조직 발생을 억제하기 위해서, 냉각속도가 연구결과 9℃/Hr 이상이 되어야 함을 알 수 있었다.

일반적으로 노말라이징 열처리는 오스테나이트화(austenizing temperature) 바로 위의 온도로 가열하고 균열을 실시한 후 균일하고 급속한 냉각을 실시하므로써 미세하고 균일한 조직을 얻는 열처리 방법이다. 본 발명에서는 개발 대상재인 쾌삭강(SUM43)을 일실시예의 대상으로 하고 수차에 걸쳐 열처리 테스트를 실시하여 최적상태를 도출하였다. 이때 미세조직 측면에서는 중요 두가지 문제점이 발생되었는데, 첫번째는 조대탄화물군(펄라이트,Pearlite)이 생성된다는 점, 두번째는 초석페라이트(Primary ferrite)의 조대성장으로 인해 품질기준에 준하는 미세조직을 확보하기가 어렵다는 점이였다.

이에 따라 본 발명에서는 일실시예로서 쾌삭강(SUM43) 을 대상으로 노말라이징 열처리 조건에 따른 변태 미세조직 변화를 조사분석하고, 품질기준에 준하는 미세조직 확보방안을 제시하고자 하였다. 그리고 노말라이징 열처리 후 냉각에 따른 초석페라이트 생성위치, 형상과 상분율(Area fraction) 및 경도 측정 등을 통해 영향인자간의 상관성을 해석하고자 하였다.

상기 열처리로에서 노말라이징을 하기 위해서는 균열온도-시간-냉각속도가 가장 중요한 인자이다. 쾌삭강(SUM43)의 경우, 그 오스테나이트화 온도범위는 약 830~900℃ 의 범위이며, 가열조건과 설비의 상황에 따라 조직의 오스테나이트화가 진행되는 정도에 많는 차이가 있으므로, 가열조건과 균열시간을 고려하여 적정한 조건을 설정하여야 한다. 온도가 낮거나 시간이 짧으면 오스테나이트화 되지않은 기존의 펄라이트 조직이 존재하게 되며, 또 온도가 높은 경우에는 오스테나이트 입자가 조대하게 되어 미세한 펄라이트(pearlite)의 변태를 지연시키게 된다.

냉각속도의 경우에도, 저온조직(마르텐사이트 등)의 변태가 일어나지 않는 온도범위에서는 최대한 빠르게 냉각 시키는 것이 유리하다.

이때, 오스테나이트 결정립의 과다한 성장없이 균일한 오스테나이트화가 될 수 있는 온도와 시간의 설정은 매우 중요하다. 이 점이 균일한 내부조직을 형성하기 위한 첫번째 과제라고 생각된다. 또, 고온의 가열에서 수반되는 소재의 탈탄과 스케일(Scale) 형성을 억제하기 위해 RG-GAS 분위기 로에서는 포텐셜 팩터를 뜻하는 PF(Potential al Factor)의 관리가 필요하다.

즉, 통상적인 구상화 열처리 온도(750℃)부근에서는 100~150 정도의 포텐셜 팩터(PF)를 유지하나, 가열온도가 증가하면 PF 의 값이 증가해야 표면에 탈탄이 발생하지 않기 때문에 구상화 온도보다 균열온도가 높은 경우에는 별도의 PF 값의 설정이 필요하다. PF 값은 (CO₂)/CO₂ 이기 때문에 이 값이 균열온도와 대비하여 높으면 탄소에 의한 침탄 현상이 발생되고, 반대로 너무 균열온도와 대비하여 낮으면, CO₂↑ 에 의해 탈탄 현상이 발생된다.

또한 냉각속도의 경우도 중요한 인자다. 냉각속도가 느리면 펄라이트가 성장하여 조대화 현상이 나타나서 따라서 조직의 불균일성을 유발하게 된다. 구상화열처리(STC) 로에서는 이러한 냉각속도를 수행할 만한 설비적인 부분이 미흡하다 . 본 발명에서는 소재의 냉각속도를 보완하기 위해 소재를 STC로로부터 추출후 냉각대에서 냉각능력을 최대화 할수 있는 송풍(Air Blowing) 시스템을 보완적으로 설치하였다.

이상과 같이 본 발명에서는 선재의 노말라이징 열처리를 위해 균열온도-시간-냉각속도-PF 등을 최적화하여 작업을 실시하여 가공성이 우수하고 균질성이 뛰어난 소재를 생산할 수 있었다.

실시예

이하 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 단, 본 발명은 아래의 실시예에 한정되지 않으며, 이 실시예는 쾌삭강에 한해 실시한 예로서, 그 수치범위에 이 분야의 통상의 기술자라면 일부 변경을 가하여 실시할 수 있으나, 이 모두 본 발명의 취지와 본 발명의 특허청구범위에 속한다는 점을 밝혀둔다.
먼저, 열처리 대상으로서 SUM43쾌삭강을 대상으로 선정하였다. 열처리조건 중 가열 및 냉각에 있어, 균열온도와 균열시간, PF, 냉각속도(℃/min)를 여러 가지로 가변시켜 관리하고, 그에 따라 시험을 진행한 후 제품의 조직을 분석 평가하였다.
표 1은 선재의 노말라이징 열처리시험에 있어 열처리조건에 따른 내부조직의 검사분석결과를 나타낸 것이다. 여기에서 시편번호 1~8까지는 균열온도를 950℃에서 850℃로 점차 낮추되 균열처리시간은 3.0hr에서 5.2hr으로 늘린 상태를 나타낸다. 물론 냉각속도는 시편 1에서 시편 8로 갈수록 빠르게 하여 그 결과가 어떻게 나타나는지를 측정하였다.

(표 1) 열처리 조건에 따른 내부조직검사 분석 결과

테스트 시편 1, 2의 경우 초기에 균열온도를 SUM43 의 오스테나이트화 온도에서 충분한 여분을 고려하여 900℃로 설정하였고, 균열시간 3~4시간, PF 도 350 및 냉각속도도 5~6℃/min 정도로 느리게 설정하였다. 그 결과, 오스테나이트화는 충분하나 오스테나이트 입도 조대화에 따른 입계 변태 지연 발생 및 냉각 능력이 부족하여 오히려 조대한 펄라이트 탄화물을 생성하게 되는 결과를 초래하였다. 일부는 짧은 균열 시간으로 인해 오스테나이트 조직이 잔존하게 되는 현상이, 또 높은 가열온도로 인하여 PF를 350으로 하였음에도 불구하고 소재의 표면에 심한 탈탄이 발생되는 현상이 나타났다.

테스트 시편 3, 4에서는 균열온도를 870℃로 낮추고, 또한 PF 값도 300정도로 조정한 바 소재표면에 탈탄이 발생하는 현상이 없어졌다. 무엇보다도 문제로 대두된 소재 추출 후의 냉각속도를 향상시키기 위해 로밖에 위치되는 냉각대에 종래와 같이 송풍기(Air Blower)를 설치하였다.
도 2는 냉각대에 설치된 이 송풍기의 일례로서의 배치를 상·하 2열로 개략적으로 도시한 개략도이다. 즉, 250N㎥/min.용량의 송풍기 6대를 상·하 2열로 각 열 3개씩 양측면에 모두 설치하고, 송풍각도(α)를 하부정면, 상부각도 15±3°로 조정하여 송풍하였다. 선재 제품의 노말라이징 냉각방법을 개발함에 있어서, 냉각 속도를 확보하는 것이 매우 중요한 것이라 할 수 있다. 냉각대에 코일의 위치별로 양측면에서는 상하부에 2개의 송풍기(Fan)를 배치하여 하부 송풍기는 수평으로, 상부 송풍기는 상부 12~18도의 각도로 송풍(Blowing)을 했을 경우에 균일하고 빠른 냉각 효과를 얻을 수 있었다. 위치에 따라 특히 각도를 14~16도의 각도로 하는 것이 가장 바람직하였다.
이와 같은 아이디어는 본 발명에서 고안하여, 실험을 통해 실시를 하였으며, 송풍(Blowing)각도를 상향하면, 냉각공기(Air)의 상부유출이 심해져 균일 냉각 효과가 미흡해 짐을 알 수 있었다. 이와 같이 냉각대에서 강제로 냉각 공기를 불어주게되므로써 냉각속도를 약 9℃/min 이상으로 높일 수 있었다. 그 결과 미세한 펄라이트 조직과 균질한 조직을 얻을 수 있었다. 즉, 표 1에서와 같이 냉각속도가 9℃/min미만에서는 강의 조직이 미세화되지 않은 것을 알 수 있다.
그러나, 확인결과 냉각속도가 대략 15.5℃/min. 정도의 냉각속도를 초과하면서부터는 선재의 조직의 미세화는 이루어지지만 과냉현상으로 선재의 조직편차가 다시 늘어나는 경향이 나타나고 취성 증가가 우려되었다. 따라서, 냉각속도 9℃/min ~ 15℃/min 로 한정하였다. 또 PF값도 250~300 으로 상향하면서 소재의 표면에 탈탄이 발생하는 현상도 거의 없어졌다. PF값의 재현성을 확인하기 위해 테스트 시편 5~7에 의해 지속적인 시험생산을 실시하였음에도 동일한 결과를 얻을수 있었다. 또 그 제품을 양산체제로 생산, 사용하는 과정과 사용 후의 평가에서도 양호한 결과를 확인하였다. 그러나, PF200이하에서는 탈탄현상이 다시 나타났다. 표 1을 보면 탈탄의 유무는 PF값과 관련이 있음을 알 수 있다.

도 1은 상기 표 1의 시편 No.4의 경우 열처리전과 열처리후로 나누어 그 현미경 조직을 나타낸 것이다. 도 1에서 보듯이 압연된 그대로의(As rolled) 소재(도 1의(a))와 노말라이징 열처리후의 조직(도 1의(b))의 차이를 확연하게 느낄수 있다. 노말라이징 열처리한 조직은 압연된 그대로의 조직에 비해 인장강도도 약 1~2 kg/㎟ 이 증가되었으며, 미세하고 균일한 내부조직으로 가공성 향상 및 가공후 소재 변화도 최소화 할수 있었다.

본 발명에서는 높은 균열온도 및 PF 값으로 발생되는 에너지 및 시간의 손실을 줄이기 위해 시험편 11, 12에서와 같이 균열온도를 적정온도인 850℃ 로 유지하되 균열처리시간을 3시간 정도로 낮추어 추가 테스트를 실시하여본 바, 충분한 균열이 이루어지지 않아 분균일 품질 문제가 발생 됨이 확인되었다.

따라서, 본 발명자들은 표 1에서와 같은 결과를 종합하고 또한 수차의 확인시험을 거쳐 소재의 균열온도를 최적 범위인 850 ~ 870℃ 로 한정하고, 균열시간을 3.5hr.이상 5.0hr.이하의 범위로 또한, PF 250 ~ 300, 냉각속도 9 ~ 15℃/min 으로 한정하는 것이 가장 확실하고도 양호한 쾌삭강 선재를 얻을 수 있었으며 아울러 소재의 탈탄을 방지할 수 있었음을 확인할 수 있었다.

전술한 바와 같이 본 발명에 의하여 선재의 특성상 불가능한 것으로 여겨지던 선재의 노말라이징 열처리가 균열온도-시간-냉각속도를 제어함으로서 미세한 내부조직과 균질한 조직을 갖는 소재를 제조할 수 있게 되므로써 상업용 적용이 가능하게 되었다. 이로 인해 표면 스케일 생성층 및 탈탄층을 제거하게 되는 손실을 줄일 수 있게 되었으며, 공정의 단순화도 가능하여졌다.

Claims (3)

1. 열간압연된 선재소재를 열처리하여서 제조되는 선재의 제조방법에 있어서, 상기 선재소재를 850~870℃ 온도로 3.5hr.~5.0hr.동안 균열한 후 이를 9℃/min.~15℃/min.의 냉각속도로 공냉하고, 이 균열온도에 따라 포텐셜팩터(Potential Factor;PF)를 250~300 의 범위에서 노말라이이징(normalizing)처리하여 미세하고 균일한 내부조직을 얻으므로써 가공성을 향상시키고, 가공 후의 소재변화를 최소화하도록 한 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 쾌삭강 선재의 제조방법.
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