KR100722389B1 - 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판 및 그 제조방법 - Google Patents

우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 구상화 열처리 후 신장 플랜지성이 우수한 고탄소강판을 제공하기 위한 것으로서, 중량%로 C:0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며, 1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트 10% 이하이고, 적어도 베이나이트 상(phase)으로 구성되며, 비스커스 경도 값이 230 이상이다.
탄소강, 경도, 초석 페라이트, 펄라이트, 베이나이트, 마르텐사이트

Description

우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판 및 그 제조 방법 {steel having quenching and forming and method making of the same}
도1은 본 발명에 따른 고탄소강판 소재의 담금질 시 냉각속도에 따른 소재의 경도를 측정한 그래프이다.
본 발명은 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판 및 그 제조 벙법에 관한 것으로서, 구상화 소둔 후 성형성이 우수하고, 가공 후에 담금질을 위한 오스테나이트화 열처리 시 탄화물의 용해가 용이하고, 담금질 시 냉각속도의 제약이 적으며, 냉각시 소재의 뒤틀림이 적고 열처리 후 담금질 혹은 냉각 후 경도 값의 분포가 균질한 고탄소강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가공용으로 사용되는 고탄소강은 열연강판으로 제조한 후, 펄라이트 조직을 구상화 세멘타이트로 만들기 위한 구상화 소둔을 거치게 된다. 열연 권취 후, 구상화 소둔을 거친 가공용 고탄소강은 드로잉 성형, 장출 성형, 신장 플랜지 성형, 굽힘 성형 등 대표적인 가공 모드의 적용을 받게 된다. 페라이트와 세멘타이트의 2상으로 구성되는 고탄소강의 경우에는 페라이트와 세멘타이트의 형상 과 크기 및 분포가 가공성에 큰 영향을 미치게 된다. 즉, 초석 페라이트 조직이 다량 함유된 경우에는, 초석 페라이트의 특성상 내부에 탄화물이 포함되어 있지 않으므로 연성은 우수하지만, 신장 플랜지성(구멍 확장성으로 평가됨)은 우수하지 않을 수 있다. 초석 페라이트와 구상화된 탄화물을 포함하는 페라이트로 구성된 조직을 갖는 고탄소강은, 탄화물을 포함하는 페라이트로만 구성된 조직에 비하여, 탄화물의 크기가 크게 된다. 이는 구멍이 확장 가공되면서, 초석 페라이트와 구상화 탄화물을 포함하고 있는 페라이트간의 변형 차이가 존재하게 되며, 재료의 변형 연속성을 보장하기 위하여 상대적으로 조대한 탄화물과 페라이트간의 계면에 변형이 집중되게 되고, 이는 계면에서의 보이드(void) 발생으로 이어지며, 이는 결국 크랙으로 성장하게 되어 결과적으로 신장 플랜지성이 열화된다.
또한, 가공용 고탄소강의 경우에, 가공 후 오스테나이트화 열처리 후 담금질의 후속 냉각 공정을 거쳐 경도를 높이는 프로세스를 거치게 되는데, 시료의 두께가 얇거나 크기가 작은 경우에는 시료 전체에 걸쳐 경도가 균질하지만, 시료가 두껍거나 크기가 큰 경우에는 경도 분포가 불균질하게 된다. 자동차 부품 등의 정밀부품에서 경도 편차가 존재하는 경우에 내구성에서의 편차로 이어지므로 열처리 후 균질한 재질분포를 얻는 것이 매우 중요하다.
이러한 담금질성을 개선하기 위해 열처리용 강재에 붕소(B)를 첨가하는 기술은 이미 일본특허 제JP82-140861호 및 제JP1989-061517호에 공지되어 있지만, 열처리 전에, 제품의 형상을 제조하기 위해 필수적인 성형성을 향상시키기 위한 방법에 대해서는 제시하지 않고 있다.
또한, 오스테나이트 열처리 시, 탄화물의 용해가 빨리 이루어질수록 열처리 시 사용되는 에너지를 절감할 수 있고, 미용해 시멘타이트로 인한 경도의 저하를 방지할 수 있으나 종래의 강재는 펄라이트 열연조직으로부터 구상화되므로 탄화물의 크기가 상대적으로 크게 되어 오스테나이트 열처리 시 탄화물의 완전 용해를 위해 높은 온도에서 오스테나이트 열처리하거나 더 긴 시간 동안 열처리해야만 하는 단점이 있다.
한편, 성형성을 개선하기 위한 일본특허 제JP03-013145호에서는, 가공 후 오스테나이트화 열처리 후 담금질 공정에서 오스테나이트에서 펄라이트 혹은 베이나이트로의 변태가 급속히 빨리 일어남에 의해 두께가 두껍거나 큰 제품의 경우, 심부까지 마르텐사이트 변태가 일어나지 못함에 의해 최종 열처리 후 경도 편차가 존재하여 부품의 위치에 따른 내구성의 차이를 나타내게 된다. 또한 이를 방지하고자 냉매 등을 조절하여 냉각속도를 빠르게 할 경우, 빠른 냉각속도로 인해 담금질 균열이나 뒤틀림 현상이 발생하여, 최종 제품의 형상에 문제가 발생하게 된다.
본 발명의 목적은 구상화 열처리 후 신장 플랜지성이 우수한 고탄소강판 및 그 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 구상화 열처리 이후의 부품 가공 후 담금질을 위한 오스테나이트 열처리 시 탄화물의 용해가 용이하고, 담금질 시 냉각속도의 제약이 적으며, 냉각 시 소재 뒤틀림이 적고 경도 편차가 거의 없는 균질한 최종 경도를 갖는 고탄소강판 및 그 제조방법을 제공한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 고탄소강판은, 중량%로 C:0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며, 1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트 10% 이하이고, 적어도 베이나이트 상(phase)으로 구성되며, 비스커스 경도 값이 230 이상을 가질 수 있다.
상기 고탄소강판은 마르텐사이트 상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고탄소강판은, 구상화율이 90% 이상이고, 전체 탄화물의 80% 이상이 1㎛ 이하의 크기를 가지며, 페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 고탄소강판 제조방법은, 중량%로 C:0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강 슬라브를 제조하는 단계,
상기 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간 압연하여 마무리하고, 냉각속도 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여, 530℃ 이하의 온도에서 권취하여 열연강판을 제조하는 단계, 및
상기 열연강판을 이용하여, 600℃-Ac1 변태점에서 구상화 소둔하여 구상화 소둔 강판을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 탄소강은, 중량%(이하, 본 발명에서 %는 특별한 언급이 없는 한 중량%를 의미한다)로 C: 0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어진다. 또한, B(원자%)/N(원자%)>1인 조건을 만족한다.
이와 같은 일 실시예에 따른 탄소강에서 화학 조성의 수치 한정 이유를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소(C)의 함량은 0.2-0.5%가 바람직하다. 고탄소강의 장점 중의 하나인 담금질에 의한 경도 상승, 즉 우수한 내구성 확보인데, 이 내구성의 확보를 위하여 탄소(C)의 하한을 0.2%로 한다. 또한 0.5% 이상의 탄소(C) 첨가 시에는 제2 상인 세멘타이트의 절대량 증가로 인하여 구상화 소둔 후 신장 플랜지성 등의 가공성이 열화되므로 이 가공성 열화를 방지하기 위하여 탄소(C)의 상한을 0.5%로 제한한다.
망간(Mn)의 함량은 0.1-1.2%가 바람직하다. 강의 제조공정 중에 불가피하게 함유되는 황(S)과 철(Fe)이 결합한 FeS 형성에 의한 적열 취성을 방지하기 위해, 망간(Mn)은 첨가되는데, 망간(Mn)의 첨가량이 너무 적으면 적열 취성이 발생되고, 너무 높으면 중심 편석 혹은 미소 편석 등의 편석이 심해지게 된다. 이때 망간(Mn)은 세멘타이트 구성 원소인 이유로, 편석대에서 탄화물의 밀도나 크기가 크게 되어 성형성을 저해하게 된다. 이 성형성 저해를 방지하기 위하여, 망간(Mn) 함량의 상 한과 하한을 제한한다.
알루미늄(Al)의 함량은 0.01-0.1%가 바람직하다. 알루미늄(Al)은 두 가지 목적으로 첨가되는데, 그 하나는 강 중에 존재하는 산소를 제거하여 응고 시 비금속 개재물의 형성을 방지함이고, 다른 하나는 붕소(B)가 첨가되는 경우에는 효과가 미미하지만, 강 중에 존재하는 질소(N)를 AlN으로 고정함에 의하여 결정립 크기를 미세화시키기 위함이다. 따라서 알루미늄(Al) 역시 적정한 범위로 첨가되어야 하는데, 그 성분 함량이 너무 낮으면 상기 첨가 목적을 이룰 수 없으며 반대로 너무 높으면 강의 강도를 증가시키는 문제와 제강 원 단위의 상승 문제가 있다.
질소(N)의 함량은 0.006%이하가 바람직하다. 질소(N)는 붕소(B)가 첨가되는 경우에 BN을 형성하여 붕소(B)의 효과를 억제시키는 단점이 있으므로, 첨가량을 낮출수록 바람직하나 불가피하게 남는 강 중 불순물이므로 B(원자%)/N(원자%)>1인 조건을 만족하는 범위에서 성분 제어가 이루어지고, 그 함량이 높으면, 석출물의 수가 많아지고 붕소(B)의 효과를 상쇄시키므로 상한을 제한한다. 상기 이유로 질소(N)의 함량은 낮을수록 좋으므로 하한을 규정하지 않는다.
황(S)의 함량은 0.012%이하가 바람직하다. 황(S)은 MnS의 형태로 석출이 이루어져서 석출물의 양을 증가시키는 불순물이므로, 황(S)의 양을 낮게 관리하는 것이 필요하므로 이를 이유로 상한을 제한한다. 상기 이유로 황(S)의 함량은 낮을 수록 성형성이 좋아지므로 하한을 규정하지 않는다.
붕소(B)의 함량은 0.0005-0.0080%가 바람직하다. 붕소(B)는 결정립계에 편석 하여 입계 에너지를 낮춤에 의하여, 혹은 Fe23(C,B)6의 미세 석출물이 결정립계에 편석하여 입계 면적을 낮추는 효과에 의하여 오스테나이트가 페라이트나 베이나이트로 변태하는 것을 억제하는 효과를 가지는 원소이다. 열간 압연 후 냉각속도를 제어함에 의하여 열간 권취 후 베이나이트 혹은 베이나이트와 마르텐사이트를 주 상(相)으로 하는 경우에, 그리고 최종 고객사에서 가공 후에 수행되는 열처리시의 담금질성 확보를 위해서도 매우 중요한 합금원소이다. 통상의 경우, 티타늄(Ti)과 함께 첨가되는 경우에 붕소(B)는 0.0005-0.005%로 첨가되는 것이 일반적이나, 티타늄(Ti)이 첨가되지 않는 경우에는 질소(N)와의 결합에 의한 붕소(B) 효과 저감을 고려하여 붕소(B)는 상기 범위로 제한된다.
이상에서는 본 발명에 따른 고탄소강판의 성분원소에 대하여 설명하였으나, 이와 같은 조성범위에 더하여 성형성과 담금질성을 확보하기 위한 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법에서는 상기 조성의 고탄소강의 슬라브를 제조하고, 이 슬라브를 통상의 방법으로 재가열을 실시하고, Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간 압연하여 마무리하고 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃ 이하의 온도에서 권취하여 열연강판을 제조한다.
이 열연 강판은 1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트의 분율이 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 10% 이하이고, 주요 상이 베이나이트로 구성되거나 혹은 베이나이트와 마르텐사이트로 구성됨에 의하여 비커스 경도 값이 230 이상을 가진다. 현실적으로, 초석 페라이트는 탄화물을 포함하지 않을 수 없기 때문에 그 상한을 1%로 한정한다.
위와 같이 제조된 열연강판을 이용하여, 통상의 냉간 압연을 적용하지 않고, 600℃-Ac1 변태점에서 구상화 소둔하여 구상화 소둔 강판을 제조한다.
이 구상화 소둔 강판은 구상화율([1-탄화물의 장단축비가 1:5 이상의 세멘타이트가 차지하는 면적분율]*100)이 90% 이상이고, 전체 탄화물의 80% 이상이 1㎛ 이하의 크기(Equivalent Diameter)를 가지며, 구상화 소둔 후 페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 미세 구상화 강이다.
상기와 같은 구상화 열처리 후 제조된 고탄소강판은 부품 성형 후에 적용되는 담금질을 위한 오스테나이트 열처리 시 탄화물의 용해가 용이하고, 냉각 시 담금질성이 우수함에 의하여, 냉각속도의 제약이 적으며, 냉각 시 소재의 위치 및 형상에 따른 변태 분율 차이로 인한 뒤틀림이 적고 열처리 후 경도 편차가 거의 없는 열처리성이 매우 우수하다.
이하에서, 본 발명의 실시예를 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
상기한 조성 범위를 가지는 담금질성과 성형성이 우수한 고탄소강을 용해, 출강하여 슬라브로 주조 한 후, Ar3 변태점보다 20℃낮은 온도 이상에서 열간 압연하여 마무리하고 냉각속도 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여 530℃이하의 온도에서 권취 함에 의하여 1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트의 분율이 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트의 분율이 10% 이하이고, 주요 상 (phase)이 베이나이트로 구성되거나 혹은 베이나이트와 마르텐사이트로 구성됨에 의하여 비커스 경도 값이 230 이상을 갖는 열연강판을 제조한다.
위와 같이 제조된 열연강판을 이용하여, 통상의 냉간 압연을 적용하지 않고, 700℃에서 구상화 소둔하여 구상화율([1-탄화물의 장단축비가 1:5 이상의 세멘타이트가 차지하는 면적분율] * 100)이 90% 이상이고, 전체 탄화물의 80% 이상이 1㎛이하의 크기(Equivalent Diameter)를 가지며, 구상화 소둔 후 페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 미세 구상화 강판을 제조한다.
비교예 1, 및 비교예 2의 경우, 통상의 주조 및 열간압연 공정을 통해 초석 페라이트와 펄라이트의 2상을 가진 열간 압연 강재를 제조한 후 이를 구상화하여 고탄소강판을 제조한다.
이때 실시예와 비교예 1 및 비교예 2의 조성은 표1과 같다.
시험재의 화학조성
구분 C Mn Si Cr Al S B N 나머지
실시예 0.34 0.73 0.20 0.15 0.030 0.0027 0.0058 0.0010 Fe 및 기타 불가피한 불순원소
비교예1 0.32 0.76 0.21 0.21 0.030 0.0026 - 0.0014
비교예2 0.42 0.41 0.27 0.13 0.028 0.0050 - 0.0012
실시예와 비교예 1 및 비교예 2 각각에 대해 두께 4.3㎜의 판상 시험편을 가공한 후 구멍 확장성(λ) 평가시험을 통하여 신장 플랜지성을 측정한다. 구멍 확장성(λ) 평가시험은 시편에 펀칭을 통해 직경 10mm(D0)의 구멍을 낸 후 성형 시험기를 이용하여 원뿔 모양의 콘을 상승시키며 구멍의 원주(Dh)에 최초의 크랙이 나타날 때까지 소성 가공시킨다. 초기에 천공한 원주(D0)에 크랙이 발생하면 성형을 중단하고, 시편에 나타난 확장된 구멍의 직경(Dh)을 측정하여 다음과 같은 식에 의해 구멍확장성(λ) 을 측정한다.
Figure 112005076459471-pat00001
상기의 시편을 1000℃에서 30분간 가열한 후 5-60℃/s의 냉각속도로 냉각을 실시한 후, 경도를 측정하고, 그 결과를 하기 도1 및 표 2에 나타낸다.
시험재의 신장 플랜지성과 냉각속도에 따른 경도
구분 신장 플랜지성 (λ, %) 냉각속도에 따른 경도(Hv)
1℃/s 5℃/s 10℃/s 20℃/s 40℃/s 60℃/s
실시예 59.3 199.9 246.8 270.1 544.0 565.7 558.6
비교예 1 44.0 186.6 226.9 244.5 256.5 440.4 529.3
비교예 2 32.0 189.0 245.2 269.2 295.5 490.3 625.8
도1과 표2를 참조하면, 실시예의 경우, 유사한 탄소 조성을 가지는 비교예 1에 비하여 성형할 때는 미세 구상화 된 탄화물 분포에 의해 우수한 신장 플랜지성을 가지므로 성형가공에 유리하고, 소입 열처리 할 때는 강 중 첨가된 붕소(B)로 인하여 경화능이 좋아지므로 냉각속도가 매우 빠르지 않은 경우에도 높은 경도를 얻을 수 있으므로 담금질 열처리 시 심부와 표면에 거쳐 균일한 경도값을 얻을 수 있다. 특히, 최종 열처리 제품의 두께가 두껍고 크기가 클수록 본 실시예의 이러한 이점은 더욱 커지게 된다. 또한 비교예 2와 같이 탄소 함량이 더 높은 강 종의 경우, 빠른 냉각속도에서는 탄소함량이 높기 때문에 미세 조직이 전부 마르텐사이트로 변태되어 높은 경도를 나타내지만, 냉각속도에 따라 경도 값이 영향을 많이 받으므로 실시예에 비하여 표면과 심부의 경도 차이, 또는 형상에 따른 경도 차이가 커지게 되고 높은 탄소 함량으로 인해 탄화물의 분율과 크기가 증가하므로 신장 플랜지성이 저하된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 고탄소강판은 1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트 10% 이하이고, 주요 상(phase)이 베이나이트나 베이나이트와 마르텐사이트로 구성되므로 구상화 열처리 후 우수한 신장 플랜지성을 가진다. 또한, 본 발명에 따른 고탄소강판은, 통상의 냉간 압연을 적용하지 않고, 600℃-Ac1 변태점에서 구상화 소둔되므로 이후의 부품 가공 후 담금질을 위한 오스테나이트 열처리 시 탄화물의 용해가 용이하고, 담금질 시 냉각속도의 제약이 적으며, 냉각시 소재 뒤틀림이 적고 경도 편차가 거의 없는 균질한 최종 경도를 가진다. 따라서 이 구상화 소둔 강판은 성형성을 요구하면서 두께가 두꺼운 제품, 혹은 대형 제품의 성형 및 열처리에 효과적으로 이용된다.

Claims (4)

  1. 중량%로 C:0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지며,
    1% 이하의 탄화물이 존재하는 초석 페라이트가 10% 이하, 층상의 탄화물 구조를 갖는 펄라이트가 10% 이하이고,
    베이나이트 상(phase)이 분율 80% 이상으로 구성되며,
    비스커스 경도 값이 230 이상을 가지며,
    구상화율이 90% 이상이고,
    전체 탄화물의 80% 이상이 1㎛ 이하의 크기를 가지며,
    페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 베이나이트 상(phase)의 분율 80% 이상 범위는 마르텐사이트 상을 포함하는 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 고탄소강판.
  3. 삭제
  4. 중량%로 C:0.2-0.5%, Mn:0.1-1.2%, Si:0.5% 이하, Cr:0.5% 이하, Al:0.01-0.1%, N:0.006% 이하, S:0.012% 이하, B:0.0005-0.0080%를 포함하며, 나머지를 Fe 및 기타 불가피한 불순원소로 이루어지는 강 슬라브를 제조하는 단계,
    상기 슬라브를 Ar3 변태점보다 20℃ 낮은 온도 이상에서 열간 압연하여 마무리하고, 20℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하여, 530℃ 이하의 온도에서 권취하여 열연강판을 제조하는 단계, 및
    상기 열연강판을 이용하여, 600℃-Ac1 변태점에서 구상화 소둔하여, 구상화율이 90% 이상이고, 전체 탄화물의 80% 이상이 1㎛ 이하의 크기를 가지며, 페라이트의 평균 결정립 크기가 10㎛ 이하인 구상화 소둔 강판을 제조하는 단계를 포함하는 우수한 성형성과 담금질성을 가지는 탄소강 제조방법.
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