KR100723186B1 - High-strength steel bolt having excellent resistance for delayed fracture and method for producing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강구조 체결용 및 자동차 부품으로 사용되는 볼트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세조직의 적절한 제어로 지연파괴 저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 강 볼트에 관한 것이다.The present invention relates to a bolt for use in fastening steel structures and automobile parts, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a steel bolt capable of high strength while being excellent in delayed fracture resistance by appropriate control of a microstructure.

본 발명의 볼트는 탄소(C) : 0.35~0.55%, 실리콘(Si) : 0.05~2.0%, 망간(Mn) : 0.1~0.8%, 보론(B) : 0.001~0.004%, 크롬(Cr) : 0.3~1.5%, 산소(T.O) : 0.005% 이하, 인(P) : 0.015% 이하, 황(S) : 0.010% 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.5%, 니켈(Ni) : 0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5% 및 티타늄(Ti) : 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하는 조성을 가지는 고강도 볼트로서, 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 내부조직을 가지고, 상기 내부조직 중 페라이트의 함량이 면적분율로 3~10%인 것을 특징으로 한다.The bolt of the present invention is carbon (C): 0.35 to 0.55%, silicon (Si): 0.05 to 2.0%, manganese (Mn): 0.1 to 0.8%, boron (B): 0.001 to 0.004%, chromium (Cr): 0.3-1.5%, oxygen (TO): 0.005% or less, phosphorus (P): 0.015% or less, sulfur (S): 0.010% or less, balance iron and other unavoidable impurities, including vanadium (V): 0.05 ~ 0.5%, niobium (Nb): 0.05-0.5%, nickel (Ni): 0.1-0.5%, molybdenum (Mo): 0.1-1.5% and titanium (Ti): 0.01-0.1% Or a high-strength bolt having a composition further comprising two or more, it has an internal structure consisting of ferrite and temper martensite, the content of the ferrite in the internal structure is characterized in that 3 ~ 10% by area fraction.

본 발명에 의하면, 합금원소를 다량 첨가하지 않고도 지연파괴저항성과 고강도를 모두 만족하고 노치인성의 저하문제도 일으키지 않는 고강도 볼트를 제공할 수 있으며, 이러한 고강도 볼트를 복잡한 열처리 공정에 의하지 않고 간편하게 제조하는 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a high-strength bolt that satisfies both the delayed fracture resistance and high strength without causing a large amount of alloying elements and does not cause the problem of lowering the notch toughness. It may provide a method.

지연파괴저항성, 고강도, 노치인성, 볼트, 탄화물 Delayed fracture resistance, high strength, notch toughness, bolt, carbide

Description

지연파괴저항성이 우수한 고강도 볼트 및 그 제조기술{HIGH-STRENGTH STEEL BOLT HAVING EXCELLENT RESISTANCE FOR DELAYED FRACTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}High-strength bolt with excellent delay fracture resistance and manufacturing technology {HIGH-STRENGTH STEEL BOLT HAVING EXCELLENT RESISTANCE FOR DELAYED FRACTURE AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 강구조 체결용 및 자동차 부품으로 사용되는 볼트 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미세조직의 적절한 제어로 지연파괴 저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 강 볼트에 관한 것이다.The present invention relates to a bolt for use in fastening steel structures and automobile parts, and a method of manufacturing the same. More particularly, the present invention relates to a steel bolt capable of high strength while being excellent in delayed fracture resistance by appropriate control of a microstructure.

최근의 건축 구조물은 철큰-콘크리트 구조물에서 안전성이 우수한 강구조물로 바뀌어 가고 있는 추세이다. 이들 강구조물의 안전성 확보에 있어서 중요한 것 중의 하나는 부재 접합기술이며, 부재를 접합하는 방법으로는 용접접합과 볼트에 의한 체결이 있다. 볼트 체결은 용접접합에 비해 숙련된 기술을 요구치 않으며 또한, 취약한 용접부를 대체하여 강구조물의 안전성을 높이는 이점이 있다. 볼트의 고강도화는 체결 볼트수의 감소와 볼트 체결력을 증가시켜 공기를 단축하는 동시에 접합부 면적을 감소시켜 접합부의 건전성을 추구하는 이점이 있다. 따라서, 최근에는 보다 효율적인 강구조물 건설을 위해 강구조 체결용 볼트의 고강도화에 노력 을 기울이고 있다.In recent years, building structures have been shifting from steel-concrete structures to steel structures with high safety. One of the important things in securing the safety of these steel structures is the member joining technique, and the method of joining the members includes welding and bolting. Bolt fastening does not require skilled skills compared to welded joints, and also has the advantage of increasing the safety of steel structures by replacing weak welds. Strengthening the bolt has the advantage of reducing the number of fastening bolts and increasing the bolt fastening force to shorten the air and at the same time reduce the joint area to pursue the integrity of the joint. Therefore, in recent years, efforts have been made to increase the strength of steel structure fastening bolts for more efficient steel structure construction.

기존 볼트는 선재를 볼트 형상으로 가공한 후 소입공정에 의해 강도를 확보하고 있다. 선재를 볼트형상으로 가공하는 공정은 생산성을 고려하여 대부분 냉간단조공정에 의해 이루어지고 있다. 따라서 볼트가공용 선재는 냉간단조에 적합한 물성 즉, 양호한 CHQ(Cold Heading Quality) 특성을 가져야 하는데, CHQ 특성확보를 위해 가장 필요한 조건은 가공이 용이하도록 선재 인성을 적정수준으로 낮출 필요가 있다는 것이다. Conventional bolts are secured by hardening after wire rods are processed into bolts. The process of processing wire rod into bolt shape is mostly done by cold forging process in consideration of productivity. Therefore, bolt processing wire should have good properties of cold forging, that is, good CHQ (Cold Heading Quality) characteristics. The most necessary condition for securing CHQ characteristics is that the wire toughness needs to be lowered to an appropriate level for easy processing.

상기와 같은 양호한 CHQ성을 가지는 선재를 제조하기 위해서는 선재는 가급적으로 낮은 강도를 가진 상태로 제조될 뿐만 아니라 사이징(sizing) 목적의 신선가공을 거친 후 볼트 가공 전 강도를 보다 감소시키기 위해서 구상화 열처리를 겪는다. 구상화 열처리는 선재 내부에 고용된 탄소가 고용강화에 의해 선재강도를 높이고 있으므로, 탄소를 구상화된 탄화물 형태로 석출시킴으로써 선재의 강도를 보다 감소시키는 열처리를 말한다. 상기 구상화 열처리 이후에는 상술하였듯이 볼트 형상으로 가공한 후 소입 열처리를 거친다. 그런데, 소입된 볼트 내부에는 마르텐사이트 조직이 형성되어 있어 볼트의 인성이 급격히 저하하게 된다. 따라서 마르텐사이트 조직으로 인한 볼트의 인성저하를 방지하기 위해 소려공정을 거치게 되는데, 이러한 과정으로 제조된 볼트는 내부에 소위 템퍼드 마르텐사이트 조직을 가지게 된다.In order to manufacture the wire having good CHQ properties as described above, the wire is not only manufactured in a low strength state, but also subjected to spheroidization heat treatment in order to further reduce the strength before bolting after the wire is processed for sizing purposes. Suffer. Spheroidal heat treatment refers to a heat treatment that further reduces the strength of the wire rod by depositing carbon in the form of spheroidized carbide because carbon dissolved in the wire rod increases the wire rod strength due to solid solution strengthening. After the spheroidization heat treatment, as described above, after processing into a bolt shape, the hardening heat treatment is performed. By the way, the martensite structure is formed in the hardened bolt, and the toughness of a bolt falls rapidly. Therefore, in order to prevent the deterioration of the toughness of the bolt due to the martensite structure, go through a soaking process, the bolt manufactured by this process has a so-called tempered martensite structure inside.

템퍼드 마르텐사이트 조직을 가지는 강재의 고강도화에는 합금원소, 특히 탄소의 첨가가 가장 효과적인 것으로 알려져 있으나, 탄소를 첨가시키는 것은 선재단계에서부터 강도를 증가시켜 냉간가공이 어려울 뿐만 아니라 제품의 연성-취성 천이온도를 급격하게 상승시키고 수소지연파괴 저항성을 크게 떨어뜨린다. 또한, 가공시 가공경화가 증가하게 되어 볼트 성형에도 불리하며 별도의 연화 열처리가 필요하게된다. It is known that the addition of alloying elements, especially carbon, is most effective for the high strength of steel with tempered martensitic structure.However, the addition of carbon increases the strength from the wire stage, making it difficult to cold work and the soft-brittle transition temperature of the product. Increases abruptly and significantly reduces hydrogen delayed fracture resistance. In addition, work hardening increases during processing, which is disadvantageous for bolt molding, and requires a separate softening heat treatment.

또한, 상기 템퍼드 마르텐사이트는 그 특성상, 입계에 Fe계 석출물이 분포하고, 래스 마르텐사이트(lath martensite)의 모재에도 석출물들이 분포하기 쉬운 조직이다. 이러한 템퍼드 마르텐사이트를 볼트와 같은 고장력(고강도) 강부품에 적용할 경우에는 사용되는 상황에 따라 높은 응력에 노출되게 되는데, 이러한 응력으로 인하여 수소의 이동이 보다 원활하게 이루어지고, 또한 상기 석출물에 수소가 다량 집적하기 때문에 지연파괴가 일어나기 쉬운 조건이 된다. 따라서, 상기와 같은 템퍼드 마르텐사이트 조직은 고강도 부품제조에 사용하기에는 한계가 있다.In addition, the tempered martensite is a structure in which Fe-based precipitates are distributed at grain boundaries, and precipitates are easily distributed in the base material of lath martensite. When the tempered martensite is applied to a high tensile strength (high strength) steel component such as a bolt, it is exposed to high stress depending on the used situation. Due to this stress, hydrogen is more smoothly moved, and Since a large amount of hydrogen accumulates, it is a condition that is likely to cause delayed destruction. Therefore, such a tempered martensite structure is limited to use in the manufacture of high strength parts.

상술한 바와 같이 볼트의 강도와 지연파괴저항성은 양립하기 어려운 물성으로서 강도 및 지연파괴저항성이 모두 확보된 볼트를 개발하는 것이 매우 중요하다. 지연파괴 저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 볼트용 강이 개발될 경우 기대되어지는 잇점으로는 다음과 같다. 강구조물 측면에서 볼트 체결은 용접접합에 비해 숙련된 기술을 요구하지 않고, 취약한 용접부를 대체하는 것을 고려할 때 첫째, 볼트체결시 체결력 강화와 체결부의 공공 감소에 따른 강구조물의 안전성을 높일 수 있으며 둘째, 볼트 체결 개수의 감소에 의해 강재 사용량을 줄이고 건축 공기를 단축할 수 있다. 또한 자동차 부품 측면에서는 부품의 경량화에 기여하며 넷째, 부품 경량화에 따른 자동차 조립장치의 설계 다양화 및 컴팩트(compact)화가 가능한 잇점이 있다.As described above, it is very important to develop bolts having both strength and delayed fracture resistance as properties of bolts that are incompatible with delayed fracture resistance. The followings are expected benefits when the steel for bolts, which have high delay fracture resistance and high strength, are developed. In the aspect of steel structure, bolt fastening does not require more skilled technique than welding joint, and considering the substitution of weak welds, firstly, it is possible to increase the safety of steel structure by strengthening the tightening force and reducing the joint's publicity. Reducing the number of fasteners can reduce steel usage and shorten construction air. In addition, in terms of automotive parts, it contributes to the lightening of parts. Fourth, there is an advantage in that the design diversification and compactness of the vehicle assembly apparatus according to the lighter parts are possible.

지연파괴 저항성을 개선하기 위한 종래의 기술로는 1) 강재의 부식억제, 2)수소 침입량의 최소화, 3) 지연파괴에 기여하는 확산성 수소의 억제, 4) 한계확산성 수소농도가 큰 강재사용, 5) 인장응력 최소화, 6) 응력집중 완화, 7) 오스테나이트 입계 크기 미세화 등을 들 수 있다. 이를 달성하기 위한 수단으로 고합금화를 추구하거나, 외부 수소침입방지를 위한 표면코팅 또는 도금을 부여하는 방법을 주로 사용하고 있는 실정이며, 그 밖에도 오스테나이트 입계를 취화시키는 P,S를 최대한 억제시키면서 특정 원소를 첨가하여 확산성 수소를 트랩할 수 있는 석출물을 생성시키거나 미세조직을 제어하는 방법 등이 있다.Conventional techniques for improving delayed fracture resistance include: 1) corrosion inhibition of steel, 2) minimization of hydrogen intrusion, 3) suppression of diffusive hydrogen contributing to delayed destruction, and 4) steel with high critical diffusion hydrogen concentrations. Use, 5) minimizing tensile stress, 6) mitigating stress concentration, and 7) miniaturizing austenite grain boundaries. As a means to achieve this, high alloying or surface coating or plating to prevent external hydrogen intrusion is mainly used. In addition, P and S which embrittle austenite grain boundaries are suppressed to the maximum while specific The addition of an element produces a precipitate that can trap diffusive hydrogen, or a method of controlling the microstructure.

이러한 지연파괴저항성 개선을 위해 개발된 기술의 일례로서 일본 특허공개공보 2003-321743에 기재된 기술을 들 수 있는데, 상기 기술은 지연파괴 저항성이 우수한 고강도 볼트의 제조방법에 관한 것으로서 중량%로 C : 0.35% 이하, Si : 0.50% 이하, Mn : 0.1~2.0%, Mo : 0.05~0.6%, 또한 Nb : 0.08% 이하, V : 0.15% 이 하, W : 1.5% 이하 중 1종 또는 2종 이상 Cu, Ni, Cr, B의 일종 또는 2종 이상, 0.5 ≤ (C/12)/{(Ti/48)+(Mo/96)+(Nb/93)+(V/51)+(W/192)} ≤ 5를 만족하고, 나머지 Fe 및 불순물로 이루어진 템퍼드 마르텐사이트 단상조직강을 특징으로 한다. 그러나 상기 일본 특허공개공보 2003-321743은 내지연파괴 물성을 얻기위해 고가의 합금원소를 다량 첨가하고 있으며 템퍼링 온도도 높아 실제 생산에 적용하기는 문제가 있다.An example of the technique developed for improving the delayed fracture resistance is the technique described in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2003-321743. The technique relates to a method for manufacturing a high strength bolt having excellent delayed fracture resistance, and has a weight ratio of C: 0.35. % Or less, Si: 0.50% or less, Mn: 0.1 to 2.0%, Mo: 0.05 to 0.6%, Nb: 0.08% or less, V: 0.15% or less, W: 1.5% or less Cu , Ni, Cr, B or two or more kinds, 0.5 ≤ (C / 12) / {(Ti / 48) + (Mo / 96) + (Nb / 93) + (V / 51) + (W / 192 )} Satisfies ≤ 5 and is characterized by a tempered martensite single-phase steel composed of the remaining Fe and impurities. However, the Japanese Laid-Open Patent Publication No. 2003-321743 adds a large amount of expensive alloy elements to obtain delayed fracture properties, and has a problem in that it is applied to actual production due to its high tempering temperature.

또한, 일본 특허공개공보 평7-173531은 중량%로, 0.05~0.3% C, 0.05~2.0% Si, 0.3~5.0% Mn, 1.0~3.0% Cr, 0.01~0.5% Nb, 0.01~0.06% Al인 조성을 가지는 강을 열간성형한 후 초석 페라이트가 석출되지 않는 임계냉각속도 이상으로 연속냉각하여 베이나이트+마르텐사이트 이상복합조직강을 제조하는 방법에 관한 것이나 제조시 열처리 공정이 많아 실생산에 적용하기는 어렵다는 문제가 있다.In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-173531 has a weight% of 0.05 to 0.3% C, 0.05 to 2.0% Si, 0.3 to 5.0% Mn, 1.0 to 3.0% Cr, 0.01 to 0.5% Nb, and 0.01 to 0.06% Al. The present invention relates to a method of manufacturing bainite + martensite abnormal composite tissue steel by hot-forming a steel having a phosphorous composition and continuously cooling it above a critical cooling rate at which no cornerstone ferrite is deposited, but having many heat treatment processes in the manufacturing process, and thus applying it to actual production. There is a problem that is difficult.

또한, 국내 특허공개공보 2000-0033852는 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트 복합조직강을 기본조직으로 하여 중량%로 C : 0.4~0.6%, Si : 2.0~4.0%, Mn : 0.2~0.8%, Cr : 0.25~0.8%, P≤0.01%, S≤0.01%, N : 0.005~0.01%, O≤0.005% 이며, 여기에 V : 0.05~0.2%, Nb : 0.05~0.2%, Ni : 0.3~2.0%, B : 0.001~0.003%, Mo : 0.01~0.5%, Ti, Cu, Co로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유한 고강도 볼트 제작방법의 열처리 방법을 제시한 것을 특징으로 한다. 그러나 상기 특허공개공보는 낮은 소입온도로 인해 구상화된 탄화물이 볼트 내에 남아 있어 노치인성을 저하시킨다는 문제점 있다. In addition, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-0033852 uses ferrite and tempered martensitic composite steel as the basic structure in terms of weight% C: 0.4-0.6%, Si: 2.0-4.0%, Mn: 0.2-0.8%, Cr: 0.25 ~ 0.8%, P≤0.01%, S≤0.01%, N: 0.005 ~ 0.01%, O≤0.005%, where V: 0.05 ~ 0.2%, Nb: 0.05 ~ 0.2%, Ni: 0.3 ~ 2.0% , B: 0.001 ~ 0.003%, Mo: 0.01 ~ 0.5%, characterized in that the heat treatment method of a high-strength bolt manufacturing method optionally containing one or two or more of the group consisting of Ti, Cu, Co. However, the patent publication has a problem in that spheroidized carbides remain in the bolt due to low quenching temperature, thereby lowering the notch toughness.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 합금원소를 다량 첨가하지 않고도 지연파괴저항성과 고강도를 모두 만족하고 노치인성의 저하문제도 일으키지 않는 고강도 볼트를 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to solve the problems of the prior art, to provide a high-strength bolt that satisfies both the delayed fracture resistance and high strength without causing the addition of a large amount of alloying elements and does not cause the problem of lowering the notch toughness.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 볼트를 제조하는 방법으로서, 복잡한 열처리 공정에 의하지 않고 간편하게 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Still another object of the present invention is to provide a method of manufacturing the bolt, which is a method of manufacturing the bolt simply without a complicated heat treatment process.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 볼트는 탄소(C) : 0.35~0.55%, 실리콘(Si) : 0.05~2.0%, 망간(Mn) : 0.1~0.8%, 보론(B) : 0.001~0.004%, 크롬(Cr) : 0.3~1.5%, 산소(T.O) : 0.005% 이하, 인(P) : 0.015% 이하, 황(S) : 0.010% 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.5%, 니켈(Ni) : 0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5% 및 티타늄(Ti) : 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하는 조성을 가지는 고강도 볼트로서, 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트로 이루어진 내부조직을 가지고, 상기 내부조직 중 페라이트의 함량이 면적분율로 3~10%인 것을 특징으로 한다.Bolt of the present invention for achieving the above object is carbon (C): 0.35 ~ 0.55%, silicon (Si): 0.05 ~ 2.0%, manganese (Mn): 0.1 ~ 0.8%, boron (B): 0.001 ~ 0.004% , Chromium (Cr): 0.3-1.5%, oxygen (TO): 0.005% or less, phosphorus (P): 0.015% or less, sulfur (S): 0.010% or less, balance iron and other unavoidable impurities Vanadium (V): 0.05 ~ 0.5%, Niobium (Nb): 0.05 ~ 0.5%, Nickel (Ni): 0.1 ~ 0.5%, Molybdenum (Mo): 0.1 ~ 1.5% and Titanium (Ti): 0.01 ~ 0.1% A high-strength bolt having a composition further comprising one or two or more selected from the group consisting of, having an internal structure consisting of ferrite and tempered martensite, the content of ferrite in the internal structure is 3 to 10% by area fraction It is characterized by.

이 때, 내부에 탄화물이 면적분율로 10%이하 포함되어 있는 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that carbide is contained 10% or less in area fraction inside.

그리고, 상기 탄화물은 원상당 최대직경이 5㎛ 이하인 것이 좋다.The carbide may have a maximum equivalent diameter of 5 µm or less.

상기와 같은 지연파괴성저항성이 우수한 고강도 볼트를 제조하기 위한 본 발명의 제조방법은 탄소(C) : 0.35~0.55%, 실리콘(Si) : 0.05~2.0%, 망간(Mn) : 0.1~0.8%, 보론(B) : 0.001~0.004%, 크롬(Cr) : 0.3~1.5%, 산소(T.O) : 0.005% 이하, 인(P) : 0.015% 이하, 황(S) : 0.010% 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.5%, 니켈(Ni) : 0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5% 및 티타늄(Ti) : 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하는 조성을 가지는 볼트 형상의 선재를 Ae3+80℃ 이상의 온도로 가열한 후 급냉하는 소입단계; 상기 급냉된 선재를 다시 Ae3-10℃ ~ Ae3+10℃ 온도로 가열하여 급냉하는 재소입단계; 및 상기 재소입된 선재를 450℃ 이상의 온도로 가열하여 소려하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The manufacturing method of the present invention for producing a high strength bolt having excellent delayed fracture resistance as described above is carbon (C): 0.35 ~ 0.55%, silicon (Si): 0.05 ~ 2.0%, manganese (Mn): 0.1 ~ 0.8%, Boron (B): 0.001 ~ 0.004%, Chromium (Cr): 0.3 ~ 1.5%, Oxygen (TO): 0.005% or less, Phosphorus (P): 0.015% or less, Sulfur (S): 0.010% or less, balance iron and It consists of other unavoidable impurities, including vanadium (V): 0.05-0.5%, niobium (Nb): 0.05-0.5%, nickel (Ni): 0.1-0.5%, molybdenum (Mo): 0.1-1.5% and titanium (Ti): quenching step of quenching after heating the bolt-shaped wire rod having a composition further comprising one or two or more selected from the group consisting of 0.01 ~ 0.1% to a temperature of Ae3 + 80 ℃ or more; Re-heating step of quenching the quenched wire again to Ae3-10 ℃ ~ Ae3 + 10 ℃ temperature; And heating the re-sintered wire rod to a temperature of 450 ° C. or more.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 발명자들은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하는 동시에, 강도 와 지연파괴저항성이 우수한 볼트 및 그 제조방법에 대하여 면밀히 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.The inventors of the present invention have solved the above-mentioned problems of the prior art, and at the same time, have studied the bolts excellent in strength and delayed fracture resistance and the method of manufacturing the same.

즉, 종래의 마르텐사이트 단상조직에 비하여 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트가 공존하는 복합조직으로 하고 페라이트의 분율을 일정수준으로 제한할 경우, 페라이트가 균일분산분포되어 구 오스테나이트 입계로 수소원자가 침입하는 것을 방지하여 지연파괴저항성을 높일 수 있으며, 또한, 상기 페라이트는 템퍼드 마르텐사이트에 비하여 연질상이므로 균열 전파시 균열선단이 브런팅(blunting)되는 효과에 의해 균열전파를 방해할 수 있으므로 지연파괴저항성 확보에 효과적이다. 또한, 이와 더불어 Fe, Cr 등의 조대한 탄화물을 가능한 한 감소시켜서 수소트랩에 의한 지연파괴를 방지할 뿐만 아니라 존재하는 탄화물은 가능한 한 미세한 크기로 분산분포시켜 다량의 미세한 수소트랩사이트를 제공할 경우 지연파괴저항성의 개선에 효과적이다. 또한, 상기와 같은 지연파괴저항성 개선에 유리한 조직과 탄화물 분포를 위해서는 강조성을 하기하는 바와 같이 적절한 범위내로 제어하는 것이 중요하다.That is, when the ferrite and the tempered martensite coexist in the composite structure compared with the conventional martensite single phase structure, and the ferrite fraction is limited to a certain level, the ferrite is uniformly distributed and hydrogen atoms invade into the old austenite grain boundary. In addition, the ferrite is softer than the tempered martensite, so that the crack propagation may be interrupted by the effect of the crack tip cracking during crack propagation, thereby securing the delay fracture resistance. Effective in In addition, by reducing the coarse carbides such as Fe and Cr as much as possible to prevent delayed destruction by hydrogen traps, the existing carbides are dispersed and distributed in the finest possible size to provide a large amount of fine hydrogen trap sites. It is effective for improving delayed fracture resistance. In addition, it is important to control within the appropriate range as shown below to emphasize the texture and carbide distribution for the improvement of the delayed fracture resistance as described above.

이하, 본 발명에 의해 제공되는 바람직한 볼트의 강조성, 조직 및 석출물 분포에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the emphasis, structure and precipitate distribution of the preferred bolt provided by the present invention will be described in detail.

(강조성)(High strength)

탄소(C) : 0.35~0.55중량%Carbon (C): 0.35 to 0.55 wt%

탄소는 제품의 강도를 확보하기 위해서 첨가되는 원소이다. 그러나, 상기 탄소의 함량이 0.55중량%를 초과할 경우에는 오스테나이트 입계에 필름(film) 형태의 탄화물이 다수 석출하여 수소지연파괴 저항성을 저하시키기 때문에 바람직하지 않으며 0.35중량% 미만에서는 소입, 소려 열처리에 의한 볼트 인장강도가 충분하지 않으므로 상기 탄소의 함량은 0.35~0.55중량%인 것이 바람직하다.Carbon is an element added to secure the strength of the product. However, when the carbon content exceeds 0.55% by weight, a large number of carbides in the form of film precipitate at the austenite grain boundary, thereby degrading hydrogen delayed fracture resistance. Since the bolt tensile strength is not sufficient, the carbon content is preferably 0.35 to 0.55% by weight.

실리콘(Si) : 0.05~2.0중량%Silicon (Si): 0.05 ~ 2.0 wt%

실리콘은 강의 탈산을 위해서 유용할 뿐 아니라 강도확보에도 효과적인 원소이다. 그러나, 실리콘 함량이 2.0중량%를 초과할 경우에는 선재를 볼트형상으로 가공하는 냉간단조 작업시 가공경화 현상이 급격하게 일어나 가공성이 불량하게 되며, 0.05중량% 미만의 함량에서는 볼트 강도 확보가 곤란하므로 상기 실리콘 함량은 0.05~2.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Silicon is not only useful for deoxidation of steel but also effective for securing strength. However, when the silicon content exceeds 2.0% by weight, the work hardening phenomenon occurs suddenly during cold forging work in which the wire is bolted, and the workability is poor. The silicon content is preferably limited to 0.05 to 2.0% by weight.

망간(Mn) : 0.1~0.8중량%Manganese (Mn): 0.1 to 0.8 wt%

상기 망간(Mn)은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력 볼트 특성에 매우 유용한 원소이다. 망간의 함량은 0.1~0.8중량% 범위인 것이 바람직하다. 즉, 상기 망간을 0.8중량%를 초과하여 첨가할 경우 고용강화 효과보다는 망간 편석에 의한 조직 불균질이 볼트특성에 더 유해한 영향을 미친다. 강의 응고시 편석기구에 따라 거시편석과 미시편석이 일어나기 용이한데, 망간편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로인한 경화능 향상은 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 또한 상기 망간이 0.1% 미만으로 첨가될 경우 망간편석에 의한 편석대의 영향은 거의 없으나 고용강화에 의한 응력이완 개선효과는 기대하기 어렵다. 즉 망간의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 고용강화 효과 미흡으로 소입성 및 영구변형 저항성 개선이 미흡하고 0.8%를 초과하는 경우에는 주조시 망간편석으로 인한 국부소입성 증대 및 편석대 형성으로 조직 이방성 심화, 즉 조직 불균일로 볼트특성이 저하된다. The manganese (Mn) is an element which forms a solid solution to form a solid solution to strengthen the solid solution, and is very useful for high tensile bolt characteristics. The content of manganese is preferably in the range of 0.1 to 0.8% by weight. That is, when the manganese is added in excess of 0.8% by weight, the tissue heterogeneity due to the manganese segregation has a more harmful effect on the bolt characteristics than the solid solution strengthening effect. When the steel solidifies, macro segregation and micro segregation are easy to occur due to the segregation mechanism. Manganese segregation promotes segregation due to the relatively low diffusion coefficient compared to other elements, and the improvement of hardenability results in the core martensite. This is the main reason for generating. In addition, when the manganese is added less than 0.1%, the effect of segregation due to manganese segregation is hardly expected, but stress relaxation improvement effect due to solid solution strengthening is difficult to expect. In other words, if the content of manganese is less than 0.1%, the improvement of hardenability and permanent deformation resistance is insufficient due to insufficient solidification effect, and if it exceeds 0.8%, tissue anisotropy is increased due to increased local quenchability due to manganese segregation and formation of segregation zone. The deepening, i.e., the unevenness of the tissue, causes the bolt characteristics to deteriorate.

보론(B) : 0.001~0.004중량%Boron (B): 0.001 to 0.004 wt%

상기 보론(B)은 본 발명에서 소입성 및 지연파괴 저항성 개선을 위해 첨가하는 입계 강화원소로 주요한 기능을 한다. 상기 보론 함량의 하한은 0.0010중량%가 바람직한데, 보론 함량이 0.0010중량% 미만일 경우에는 열처리시 입계편석에 따른 입계 강도 개선효과나 소입성 개선효과가 미흡하기 때문이다. 반대로, 보론 함량이 0.004중량%를 초과하면 효과가 포화되고 입계에 보론 질화물이 석출하여 입계강도가 저하된다.The boron (B) has a major function as a grain boundary strengthening element added to improve the hardenability and delayed fracture resistance in the present invention. The lower limit of the boron content is preferably 0.0010% by weight, because when the boron content is less than 0.0010% by weight, the effect of improving grain boundary strength or hardenability due to grain boundary segregation during heat treatment is insufficient. On the contrary, when the boron content exceeds 0.004% by weight, the effect is saturated, and boron nitride precipitates at the grain boundary, thereby lowering the grain boundary strength.

크롬(Cr) : 0.3~1.5중량%Chromium (Cr): 0.3 ~ 1.5 wt%

크롬은 소입, 소려 열처리시 소입성 향상에 유효한 원소이다. 상기 크롬의 함량이 0.3중량% 미만에서는 소입, 소려 열처리시 충분한 소입성 확보가 어렵기 때 문에 크롬 함량은 0.3중량% 이상으로 할 필요가 있다. 또한, 본 발명자들의 연구결과에 따르면 크롬 자체의 소입성 향상은 미미하지만 보론과 함께 넣어줄 경우 그 효과가 매우 증가하므로 크롬의 첨가는 필요한 것으로 알려져 있다. 반대로, 크롬을 1.5중량%를 초과하여 첨가할 경우에는 강재내에 필름형태의 탄화물이 생성되기 때문에 바람직하지 않다. 이러한 필름형태의 탄화물이 오스테나이트 입계에 존재하게 될 경우에는 수소지연파괴 저항성을 저하시키는 것으로 알려져 있기 때문이다. Chromium is an effective element for improving the hardenability during hardening and thinning heat treatment. If the content of chromium is less than 0.3% by weight, it is difficult to secure sufficient quenchability during the hardening and heat treatment, so the chromium content needs to be 0.3% by weight or more. In addition, according to the results of the present inventors, the quenchability improvement of chromium itself is insignificant, but it is known that the addition of chromium is necessary because the effect is greatly increased when put together with boron. On the contrary, when chromium is added in excess of 1.5% by weight, it is not preferable because carbides in the form of films are formed in the steel. This is because such a film-type carbide is known to reduce hydrogen delayed fracture resistance when present in the austenite grain boundary.

산소(T.O) : 0.005중량% 이하Oxygen (T.O): 0.005% by weight or less

산소는 전산소(T.O)의 형태로 분석되는데 그 함량은 0.005중량% 이하로 한정한다. 상기 산소 함량이 0.005중량%를 초과할 경우에는 산화물계 비금속 개재물로 인한 피로수명 저하가 우려되기 때문이다.Oxygen is analyzed in the form of total oxygen (T.O), the content of which is limited to 0.005% by weight or less. This is because when the oxygen content exceeds 0.005% by weight, fatigue life decrease due to oxide-based nonmetallic inclusions is feared.

인(P) : 0.015중량% 이하Phosphorus (P): 0.015 wt% or less

인(P)의 함량은 0.015중량% 이하로 한정한다. 상기 인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.015중량%로 제한하는 것이다. The content of phosphorus (P) is limited to 0.015% by weight or less. The phosphorus is segregated at the grain boundary, and the upper limit is limited to 0.015% by weight because it is a major cause of lowering toughness and reducing delayed fracture resistance.

황(S) : 0.010중량% 이하Sulfur (S): 0.010 wt% or less

황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지 연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.010중량%로 제한하는 것이 바람직하다.Sulfur is a low melting point grain boundary segregation to lower the toughness and form an emulsion, which has a detrimental effect on the delayed fracture resistance and stress relaxation characteristics, it is preferable to limit the upper limit to 0.010% by weight.

상기와 같은 조성에 덧붙여 바나듐(V), 니오븀(Nb), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni)중 1종 또는 2종 이상을 각각 하기에서 한정하는 함량범위로 추가로 첨가하는 것이 바람직하다.In addition to the above composition, it is preferable to further add one or two or more of vanadium (V), niobium (Nb), molybdenum (Mo), and nickel (Ni) in the content ranges defined below.

바나듐(V) : 0.05~0.5중량%Vanadium (V): 0.05-0.5 wt%

바나듐은 석출물을 형성하여 지연파괴저항성 및 연화저항성을 개선하는 원소로 그 함량을 0.05~0.5중량%로 한정한다. 그 함량이 0.05중량% 미만에서는 모재 내 바나듐계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩 사이트로의 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 연화저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 그 함량이 0.5중량%를 초과하면 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 연화저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다. Vanadium is an element that forms a precipitate to improve delayed fracture resistance and softening resistance, and its content is limited to 0.05 to 0.5% by weight. If the content is less than 0.05% by weight, the distribution of vanadium-based precipitates in the base material becomes less, and thus the role of the non-diffusible hydrogen trap site is insufficient. Therefore, it is difficult to expect the effect of improving the delayed fracture resistance, and it is difficult to expect the precipitation strengthening. If the content is more than 0.5% by weight, the improvement effect on delayed fracture resistance and softening resistance due to precipitates is saturated, and coarse alloy carbide which is not dissolved in the base material during austenite heat treatment is obtained. This is because the increase of the same action as the non-metallic inclusions causes a decrease in the fatigue properties.

니오븀(Nb) : 0.05~0.5중량%Niobium (Nb): 0.05-0.5 wt%

니오븀은 바나듐과 마찬가지로 석출물을 형성하여 지연파괴저항성 및 연화저 항성을 개선하는 원소로 그 함량을 0.05~0.5중량%로 한정한다. 그 함량이 0.05중량% 미만에서는 모재 내 니오븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩 사이트로의 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 연화저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 그 함량이 0.5중량%를 초과하면 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 연화저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다. Niobium, like vanadium, forms a precipitate to improve delayed fracture resistance and softening resistance, and its content is limited to 0.05 to 0.5% by weight. If the content is less than 0.05% by weight, the distribution of niobium-based precipitates in the base material decreases, and thus the role of the non-diffusible hydrogen trap site is insufficient. Therefore, it is difficult to expect the effect of improving the delayed fracture resistance, and it is difficult to expect the precipitation strengthening. If the content is more than 0.5% by weight, the improvement effect on delayed fracture resistance and softening resistance due to precipitates is saturated, and coarse alloy carbide which is not dissolved in the base material during austenite heat treatment is obtained. This is because the increase of the same action as the non-metallic inclusions causes a decrease in the fatigue properties.

니켈(Ni) : 0.1~0.5중량%Nickel (Ni): 0.1 ~ 0.5 wt%

상기 니켈(Ni)은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)를 억제하여 지연파괴 저항성을 개선하는 원소이다. 그 함량이 0.1중량% 미만인 경우에는 표면 농화층 형성이 불완전하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 냉간볼트 가공시 냉간성형성의 개선효과가 없고, 그 함량이 0.5%중량를 초과하게 되면 잔류 오스테나이트 양이 증가하여 충격인성이 저하할 우려가 있다.The nickel (Ni) is an element that forms a nickel thickening layer on the surface during heat treatment to suppress permeation of external hydrogen to improve delayed fracture resistance. If the content is less than 0.1% by weight, it is difficult to expect the effect of improving the delayed fracture resistance due to the incomplete formation of the surface thickening layer, and there is no improvement effect of the cold forming during cold bolt processing, and if the content exceeds 0.5% by weight, the retained austenite There exists a possibility that impact toughness may fall that quantity increases.

몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5중량%Molybdenum (Mo): 0.1 ~ 1.5% by weight

몰리브덴(Mo) 함량은 0.1~1.5중량%로 한정한다. 그 이유는 0.1중량% 이하에서는 템퍼링시에 세멘타이트가 입실론 카바이드에서 천이하여 성장할 때 세멘타이 트 성장을 억제하여 연화저항성을 향상시키거나 지연파괴 저항성 향상을 위한 탄화물 생성에도 미흡하다. 몰리브덴을 1.5중량% 이상 첨가할 경우 연화저항성 증가에는 매우 효과적이나 선재 제조시 저온조직(마르텐사이트, 베이나이트) 생성이 쉽게된다.Molybdenum (Mo) content is limited to 0.1 to 1.5% by weight. The reason is that at 0.1 wt% or less, cementite inhibits cementite growth when the cementite transitions from epsilon carbide during tempering to improve softening resistance or insufficient carbide production to improve delayed fracture resistance. When molybdenum is added more than 1.5% by weight, it is very effective for increasing softening resistance, but it is easy to form low temperature structure (martensite, bainite) during wire rod manufacturing.

티타늄(Ti) : 0.01~0.1중량%Titanium (Ti): 0.01 ~ 0.1 wt%

보론은 질화물을 형성할 경우 소입성 향상효과가 현저히 감소하게 되는데, 티타늄은 보론 대신 질소와 결합하여 보론의 질화물 형성을 억제하기 때문에 유용한 원소이다. 본 발명에서는 상기 티타늄의 함량을 0.01~0.1중량%로 한정한다. 그 함량이 0.01중량% 미만에서는 부식저항성에 대한 개선효과가 미흡하고 보론의 소입성 향상을 위해 보론 질화물을 생성을 막는 티타늄 질화물 생성이 어려우며, 0.1중량%를 초과하면 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 질화물이 형성하여 피로특성에 유해하기 때문이다.When boron forms nitride, the effect of improving hardenability is remarkably reduced. Titanium is a useful element because it combines with nitrogen instead of boron to suppress the formation of nitride of boron. In the present invention, the content of titanium is limited to 0.01 to 0.1% by weight. If the content is less than 0.01% by weight, the effect of improving the corrosion resistance is insufficient, and it is difficult to produce titanium nitride which prevents the formation of boron nitride to improve the hardenability of boron. If the content exceeds 0.1% by weight, the effect is saturated and coarse titanium-based. This is because nitride forms and is detrimental to fatigue properties.

(강의 미세조직)(Lecture microstructure)

본 발명에서 대상으로 하는 볼트의 미세조직은 페라이트와 마르텐사이트가 를 포함하는 복합조직으로 한다. 상기 페라이트는 균일하게 분산분포되어 있는 것이 바람직한데, 그 이유는 상술하였듯이 페라이트는 구 오스테나이트 입계로 수소원자가 침입하는 것을 방지하여 지연파괴저항성을 높일 수 있으며, 또한, 상기 페라이트는 템퍼드 마르텐사이트에 비하여 연질상이므로 균열 전파시 균열선단이 브 런팅(blunting)되는 효과에 의해 균열전파를 방해할 수 있으므로 지연파괴저항성 확보에 효과적이기 때문이다. 이러한 페라이트의 균일 분산효과를 얻기 위해서는 페라이트의 면적분율은 3~10%로 제한하는 것이 바람직하다. 만일 페라이트의 면적분율이 3% 미만일 경우에는 상술한 페라이트에 의한 지연파괴저항성 향상효과를 기대하기 어렵고, 반대로 10%를 초과하는 경우에는 페라이트가 균일 분산되지 않고, 볼트의 인장강도가 과도하게 낮아져 원하는 강도를 얻기 어렵기 때문이다.The microstructure of the bolt to be treated in the present invention is a composite structure containing ferrite and martensite. Preferably, the ferrite is uniformly distributed and distributed. The reason for this is that the ferrite prevents the intrusion of hydrogen atoms into the former austenite grain boundary, thereby increasing the delayed fracture resistance, and the ferrite is formed on the tempered martensite. This is because it is soft in comparison with the crack propagation, which can interfere with the propagation of cracks due to the effect of blunting the crack tip. In order to obtain the uniform dispersion effect of the ferrite, the area fraction of the ferrite is preferably limited to 3 to 10%. If the area fraction of the ferrite is less than 3%, it is difficult to expect the effect of improving the delayed fracture resistance due to the above-described ferrite. On the contrary, if it exceeds 10%, the ferrite is not uniformly dispersed and the tensile strength of the bolt is excessively low. This is because strength is difficult to obtain.

(석출물 분포)(Sediment Distribution)

상기에서 설명하였듯이, 볼트는 선재 단계에서 구상화 열처리를 겪은 후 볼트 형상으로 가공되게 된다. 상기 구상화 열처리는 선재의 강도를 높이는 탄소를 탄화물로 석출하기 위한 공정이므로 구상화 열처리된 이후의 선재 내부에는 조대한 탄화물이 다량 분포하게 된다. 특히, 본 발명에서 대상으로 하는 볼트의 조성에 따르면 철 및 크롬의 탄화물이 생성되는데, 이들은 수소트랩사이트를 제공하기 때문에 지연파괴저항성이 감소하게 된다. 따라서, 볼트 단계에서는 이들의 함량이 최소화될 필요가 있는데, 그 조건은 다음과 같다.As described above, the bolt is processed into a bolt shape after undergoing a spheroidizing heat treatment in the wire rod step. Since the spheroidization heat treatment is a process for depositing carbon to increase the strength of the wire as carbide, a large amount of coarse carbide is distributed in the wire after the spheroidization heat treatment. In particular, according to the composition of the bolt as the object of the present invention, carbides of iron and chromium are produced, and since they provide hydrogen trap sites, the delayed fracture resistance is reduced. Therefore, in the bolt step, their content needs to be minimized, and the conditions are as follows.

상기 탄화물의 면적비율은 10% 이하로 제어될 필요가 있다. 10%를 초과할 경우에는 지연파괴저항성이 감소할 뿐만 아니라 탄화물로 인한 노치인성이 감소하는 문제까지 발생할 수 있으므로 상기 탄화물의 면적비율은 10% 이하인 것이 바람직하다.The area ratio of the carbide needs to be controlled to 10% or less. When it exceeds 10%, not only the delayed fracture resistance is reduced but also the problem that the notch toughness due to carbide decreases. Therefore, the area ratio of the carbide is preferably 10% or less.

또한, 제거되지 않고 존재하는 탄화물의 직경은 5㎛ 이하일 필요가 있다. 즉, 동일한 탄화물 면적비율에서 탄화물의 크기가 미세할 경우에는 수소가 트랩될 사이트의 갯수가 증가할 뿐만 아니라 미세해 지므로 결국에는 집적되는 수소의 분압을 낮추는 역할을 할 수 있기 때문에 상기 탄화물의 크기는 5㎛ 이하로 유지할 필요가 있다.In addition, the diameter of the carbide which exists without being removed needs to be 5 micrometers or less. That is, when the size of the carbide is fine at the same carbide area ratio, the number of sites to which hydrogen is trapped increases and becomes fine, so that the size of the carbide may be lowered because it may eventually reduce the partial pressure of hydrogen accumulated. It is necessary to keep it at 5 micrometers or less.

이하, 상기 본 발명에 의해 제공된 지연파괴저항성이 우수한 고강도 볼트를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a high strength bolt having excellent delayed fracture resistance provided by the present invention will be described.

(제조방법)(Manufacturing method)

상기와 같은 고강도 볼트를 제조하기 위해서는 상술한 바람직한 강조성을 가지고 볼트 형상으로 가공된 선재에 대하여 소입, 재소입 및 소려(일명 Q-Q'-T)를 실시하는 과정이 필요하다.In order to manufacture the high-strength bolt as described above, it is necessary to carry out the process of hardening, re-quenching and reflecting (aka Q-Q'-T) on the wire rod processed into the bolt shape with the above-mentioned preferred emphasis.

소입(Q)과정은 철 및 크롬 등의 탄화물을 고용시켜 탄화물의 면적율을 10% 이하로 관리하고 미세한 탄화물을 형성시키기 위한 것으로, 본 단계에서 상기 탄화물을 고용시키기 위한 가열온도는 Ae3+80℃ 이상일 필요가 있다. 상기온도 미만으로 가열할 경우에는 탄화물이 볼트의 기지조직내로 충분히 고용되지 못하여 조대한 탄화물들이 잔류하게 되는 문제가 발생한다. 상기온도로 가열되어 내부의 탄화물들이 재고용된 볼트는 이후 급냉하여 탄화물이 재석출하는 것을 방지하게 된다.Hardening (Q) process is to manage the area ratio of carbide to 10% or less by forming carbides such as iron and chromium and to form fine carbides. In this step, the heating temperature for solidifying the carbides is Ae3 + 80 ° C or higher. There is a need. When heating below the above temperature, carbides are not sufficiently dissolved into the matrix of bolts, causing coarse carbides to remain. The bolts heated to this temperature and reclaimed carbides are then quenched to prevent the carbides from re-precipitation.

이후, 균일한 페라이트 상을 얻기 위해서 오스테나이트와 페라이트+오스테나이트 이상역 구간의 경계로 가열하여 원하는 급냉하는 과정(Q')이 후속된다. 상기 가열온도는 Ae3+10~Ae3-10℃ 인 것이 바람직하다. 가열온도가 Ae3+10℃를 초과할 경우에는 페라이트의 비율이 감소하게 되어 본 발명에서 의도하는 페라이트의 균일분산분포에 의한 지연파괴저항성 향상효과를 얻을 수 없으며, 반대로 가열온도가 Ae3-10℃ 미만일 경우에는 페라이트의 비율이 과다해져 페라이트의 균일 분산이 어려울 뿐만 아니라 볼트의 인장강도가 감소할 우려가 있기 때문이다.Thereafter, a desired quenching process (Q ′) is followed by heating to the boundary of the austenite and ferrite + austenite abnormal zone section in order to obtain a uniform ferrite phase. It is preferable that the said heating temperature is Ae3 + 10-Ae3-10 degreeC. When the heating temperature exceeds Ae3 + 10 ° C., the ratio of ferrite decreases, so that the effect of improving delayed fracture resistance due to the uniform dispersion of ferrite intended in the present invention cannot be obtained. On the contrary, the heating temperature is less than Ae3-10 ° C. In this case, the ratio of ferrite is excessively high, which makes it difficult to uniformly disperse the ferrite and decreases the tensile strength of the bolt.

다음으로, 볼트의 인성을 확보하기 위한 소려 열처리(T)가 후속된다. 본 발명의 조성에 따른 볼트의 열처리는 450℃ 이상의 온도에서 실시하여야 하는데, 상기 온도 미만에서 소려처리할 경우에는 소려취성이 발생될 우려가 있을 뿐만 아니라 오스테나이트 입계에 필름 형상의 탄화물이 석출되는 문제가 발생될 수도 있기 때문이다. 그러나 반대로 소려처리를 500℃을 초과하는 고온에서 실시할 경우에는 볼트의 인장강도가 충분하지 않으므로 적절한 소려 열처리 온도는 450~500℃의 범위이다.Next, the heat treatment T for securing the toughness of the bolt is followed. The heat treatment of the bolt according to the composition of the present invention should be carried out at a temperature of more than 450 ℃, if the treatment is less than the temperature there is a fear that brittle brittleness may occur as well as a problem that the film-shaped carbide precipitates on the austenite grain boundary This may occur. On the contrary, when the soaking treatment is performed at a high temperature exceeding 500 占 폚, the tensile strength of the bolt is not sufficient, so that the suitable soaking heat treatment temperature is in the range of 450 to 500 占 폚.

이하, 하기하는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples.

(실시예)(Example)

표 1과 기재한 조성을 가지는 강편을 1200℃에서 48시간 균질화 열처리하여 열간압연 하였다. 압연시 압연비는 80%로 하였으며 마무리 압연온도는 950℃로 하였으며 열간압연후 공냉하여 직경 13mm인 강선재를 제조하였다.Steel sheets having the composition described in Table 1 were hot rolled by homogenizing heat treatment at 1200 ° C. for 48 hours. When rolling, the rolling ratio was 80%, the finishing rolling temperature was 950 ° C., and hot-rolled air cooled to prepare a steel wire having a diameter of 13 mm.

하기 표 1에서 발명재1 및 발명재2는 본 발명에서 규정하는 조성을 만족하는 강편조성을 나타내는 것이고, 비교재1은 본 발명의 조성범위를 벗어난 강편조성을 나타내는 것이다.In the following Table 1, Inventive Material 1 and Inventive Material 2 indicate the steel braidability satisfying the composition specified in the present invention, Comparative Material 1 indicates the steel braidability outside the composition range of the present invention.

구분division CC SiSi MnMn CrCr MoMo VV AlAl TiTi BB CuCu Ae3(℃)Ae3 (℃) 발명재1Invention 1 0.4040.404 0.2040.204 0.7010.701 1.21.2 0.2970.297 0.0980.098 0.0320.032 0.020.02 0.00220.0022 -- 810810 발명재2Invention 2 0.3460.346 0.2040.204 0.7040.704 1.211.21 0.2970.297 0.10.1 0.030.03 0.020.02 0.00210.0021 0.0980.098 810810 비교재1Comparative Material 1 0.3500.350 0.2000.200 0.80.8 1.21.2 0.2000.200 -- 0.030.03 -- -- -- 820820

상기와 같이 압연된 소재들로부터 기계적 성질(인장 및 연신율) 및 지연파괴 특성을 평가하기 위한 시편들을 압연재의 압연방향에서 채취하였다.Specimens for evaluating mechanical properties (tensile and elongation) and delayed fracture characteristics were obtained from the rolled materials as described above in the rolling direction of the rolled material.

상기 강종들은 하기 표 2에 기재하였듯이 각각 두가지 열처리 방식으로 열처리 되었다. 첫번째 방식은 볼트 내부 조직이 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직일 경우의 물성을 평가하기 위한 것으로, 소입 열처리 온도인 900℃ 에서 40분동안 열처리 급냉하는 소입처리를 실시하고 이후 표 2에 기재된 소려온도에서 90분간 열처리(일명 Q-T 공정)하는 순서로 이루어졌으며 두번째 방식은 위의 소입열처리 이후 페라이트상을 균일 분포시키기 위해 표 2에 기재된 재소입 온도에서 40분간 가열한 후 급냉하고, 이후 표 2에 기재된 소려온도에서 90분간 열처리(일명 Q-Q'-T 공정)하는 순서로 이루어졌다. 상기 첫번재 열처리 방식과 두번재 열처리 방식의 차이점은 내부조직이 템퍼드 마르텐사이트 단상조직인가 아니면 페라이트(면적분율 10% 이하)+템퍼드 마르텐사이트 복합조직인가 하는 것이다. 다만, 같은 Q-Q'-T 공정에 의해 제조된 경우라 하더라도 비교예3은 소입온도가 Ae3+80℃ 미만으로서 소입조건이 본 발명의 조건을 만족시키지 못하고 강의 조성도 본 발명에 적합한 조건을 만족시키지 못하는 경우이다.The steels were heat treated in each of two heat treatment methods as shown in Table 2 below. The first method is for evaluating the physical properties when the internal structure of the bolt is tempered martensite single phase structure, which is subjected to a hardening treatment for 40 minutes at 900 ° C., which is a hardening heat treatment temperature. After the heat treatment for a minute (also called QT process), the second method was quenched after heating for 40 minutes at the re-heating temperature shown in Table 2 to uniformly distribute the ferrite phase after the above hardening heat treatment, and then the soaking temperature shown in Table 2 Heat treatment for 90 minutes (aka Q-Q'-T process) was made in the order. The difference between the first heat treatment method and the second heat treatment method is whether the internal structure is a tempered martensite single phase structure or a ferrite (area fraction 10% or less) + tempered martensite composite structure. However, even when manufactured by the same Q-Q'-T process, Comparative Example 3 has a quenching temperature of less than Ae3 + 80 ℃ as the hardening condition does not satisfy the conditions of the present invention and the composition of the steel is suitable for the present invention This is not the case.

상기 각각의 제조방식으로 제조된 볼트에 대한 물성평가결과를 하기 표 2에 나타내었다.Table 2 shows the results of evaluation of physical properties of the bolts produced by the respective production methods.

하기 표 2의 지연파괴저항성 평가는 일반적으로 사용되는 일정하중법을 적용하였다. 이 평가법은 부가응력별 또는 특정응력하에서 파괴까지의 소요시간으로 지연파괴 저항성을 평하는 방법이다. 지연파괴 시험시 시험응력은 노치인장강도(notched tensile strength)를 기준으로 부가응력(applied stress)을 결정하였다.Evaluation of the delayed fracture resistance of Table 2 was applied to the constant load method commonly used. This evaluation method is a method of evaluating delayed fracture resistance by the time required for breaking apart under a specific stress or under a specific stress. In the delayed fracture test, the test stress was determined based on the notched tensile strength.

지연파괴 시험기는 일정하중형 지연파괴 시험기(Constant loading type delayed fracture testing machine)을 이용하였다. 지연파괴 시험편은 시편지름 6mm, 노치부 지름 4mm, 노치반경 0.1mm로 제조하였다. 시험편 분위기의 용액은 PH2인 용액(NaCl+CH3CHOOH)을 만들어 상온 25℃±5℃에서 실시하였다.The delayed fracture tester used a constant loading type delayed fracture testing machine. The delayed fracture test specimen was prepared with a specimen diameter of 6 mm, a notch diameter of 4 mm, and a notch radius of 0.1 mm. The solution of the test piece atmosphere made the solution (NaCl + CH3CHOOH) which is PH2, and was performed at normal temperature 25 degreeC +/- 5 degreeC.

임계 지연파괴강도는 동일 응력비(부하응력/노치인장강도)에서 파단시까지 소요시간 150시간 이상 미절손되는 인장강도를 의미하며, 노치강도는 노치시편 편을 인장시험하여 (최대하중/노치부 단면적)의 값으로 구하였다. 임계지연파괴 강도의 설정을 위한 시험편수는 최소 15개를 기준으로 하여 구하였다. Critical delay fracture strength means tensile strength that is not broken by 150 hours or more at the same stress ratio (load stress / notch tensile strength) at break time.The notch strength is the tensile test of the notched specimen (maximum load / notch cross-sectional area). Was obtained by The number of test pieces for setting the critical delay fracture strength was calculated based on at least 15 pieces.

구분division 열처리방식Heat treatment method 구분division 소입온도 (℃)Hardening temperature (℃) 재소입온도 (℃)Reheating temperature (℃) 소려온도 (℃)Consideration temperature (℃) 인장강도 (MPa)Tensile Strength (MPa) 지연파괴강도 (MPa)Delayed breaking strength (MPa) 연신율 (%)Elongation (%) 발명재1Invention 1 Q-Q'-T (발명예1)Q-Q'-T (Invention Example 1) 1One 900900 810810 450450 15441544 14751475 14.714.7 22 900900 810810 500500 13811381 -- 13.713.7 Q-T (비교예1)Q-T (Comparative Example 1) 33 900900 -- 500500 12801280 -- 13.213.2 44 900900 -- 450450 15101510 13701370 12.712.7 55 900900 -- 500500 13981398 -- 14.414.4 발명재2Invention 2 Q-Q'-T (발명예2)Q-Q'-T (Invention Example 2) 66 900900 820820 450450 13391339 -- 13.313.3 77 900900 800800 500500 13331333 -- 14.814.8 88 900900 820820 450450 15001500 -- 13.113.1 99 900900 820820 500500 13771377 -- 13.713.7 Q-T (비교예2)Q-T (Comparative Example 2) 1010 900900 -- 450450 14701470 -- 12.912.9 1111 900900 -- 500500 13461346 -- 1313 1212 900900 -- 450450 13511351 -- 13.713.7 1313 900900 -- 500500 13151315 -- 13.513.5 비교재1Comparative Material 1 Q-T (비교예3)Q-T (Comparative Example 3) 1414 870870 -- 450450 11501150 965965 14.514.5 1515 900900 -- 500500 10501050 13651365 14.814.8

상기 표 2에서 확인할 수 있듯이 본 발명의 발명예1과 발명예2의 인장강도 및 연신율은 각각 비교예1과 비교예2와 비교할 때, 동등 수준이상의 값을 가지고 있다는 것을 알 수 있다. As can be seen in Table 2, the tensile strength and the elongation of Inventive Example 1 and Inventive Example 2 of the present invention, when compared with Comparative Example 1 and Comparative Example 2, it can be seen that they have a value of equal or more.

또한, 상기와 같이 동일한 인장강도를 가지는 경우라도 발명예1의 1번 실시예의 지연파괴강도는 비교예2의 4번 실시예의 지연파괴강도에 비하여 100MPa이상 높다는 것을 상기 표에서 확인할 수 있다.In addition, even in the case of having the same tensile strength as described above, it can be confirmed from the above table that the delayed breaking strength of Example 1 of Inventive Example 1 is higher than that of the delayed breaking strength of Example 4 of Comparative Example 2.

즉, 본 발명의 공정은 동일한 성분을 사용하더라도 종래의 Q-T 공정에 비하여 동등 수준 이상의 인장강도와 연신율을 확보하면서 우수한 내지연파괴특성을 가지는 강을 제조할 수 있는 것이다.That is, the process of the present invention can produce a steel having excellent delayed fracture properties while securing the same or higher tensile strength and elongation than the conventional Q-T process even if using the same component.

발명예1 및 발명예2와 종래부터 내지연파괴성 강재로 많이 사용되었던 비교재(비교예3 및 비교예4)의 인장강도 결과를 비교하면 오히려 발명예1 및 발명예2의 결과가 종래의 비교재보다 훨씬 뛰어난 인장강도를 갖추고 있다는 것을 알 수 있다.When comparing the results of tensile strength of Comparative Example 1 and Comparative Example 2 and Comparative Materials (Comparative Example 3 and Comparative Example 4), which have been conventionally used as delayed fracture-breaking steels, the results of Inventive Example 1 and Example 2 are compared It can be seen that it has a much higher tensile strength than ash.

그리고, 연신율은 13%이상인 값을 안정적으로 나타내면 되는데, 이또한 비교예3과 비교예4에 비하여 큰 손색이 없을 정도로 양호한 값을 나타내고 있었다.In addition, the elongation may be a stable value of 13% or more, and this value is also good enough that there is no significant deterioration in comparison with Comparative Example 3 and Comparative Example 4.

상기와 같이 인장강도와 연신율은 종래의 비교재(비교예3 또는 비교예4)와 비교하여 손색없거나 오히려 향호한 값을 가지면서도 상기 표 2에서 볼 수 있듯이 지연파괴저항성 강도는 비교예3과 비교할 때는 400MPa 이상 그리고 비교예3과 비교할 때도 100MPa 이상으로 종래의 내지연파괴성강에 비해 현저히 우수한 값을 나타내고 있다는 것을 확인할 수 있었다.As described above, the tensile strength and the elongation are inferior or inferior to those of the conventional comparative material (Comparative Example 3 or Comparative Example 4), but the delayed fracture resistance strength can be compared with Comparative Example 3 as shown in Table 2 above. In the case of 400 MPa or more and in comparison with Comparative Example 3, it was confirmed that the value of 100 MPa or more was significantly superior to that of the conventional delayed fractureable steel.

표 3은 소입온도에 따른 인장시험결과를 확인하기 위하여 발명예 1과 유사한 성분의 강재를 볼트로 제작하여 인장시험을 실시한 결과이다. Table 3 shows the results of the tensile test by fabricating a steel material of a similar component to Inventive Example 1 with a bolt to confirm the tensile test results according to the quenching temperature.

소입조건Hardening condition 870℃ 가열, 30분 유지Heat 870 ℃, hold for 30 minutes 900℃, 30분 유지900 ℃, 30 minutes 인장강도(MPa)Tensile Strength (MPa) 14861486 14771477 14471447 13971397 13971397 연신율(%)Elongation (%) 2.172.17 1.931.93 2.412.41 6.16.1 6.06.0

상기 표 3으로부터, 소입시 가열온도가 870℃인 경우는, 900℃인 경우와 비교할 때에서 연신율이 크게 낮은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 뒷받침하기 위하여 도 1과 도 2를 참고하여 소입 열처리시 미용해된 Fe, Cr 탄화물의 영향을 관찰하였다.From the above Table 3, when the heating temperature at the time of quenching is 870 ℃, it can be confirmed that the elongation is significantly lower than in the case of 900 ℃. In order to support these results, the effect of undissolved Fe and Cr carbides during the hardening heat treatment was observed with reference to FIGS. 1 and 2.

상기 Fe, Cr 탄화물들은 구상화 열처리에 의해 생성된 것으로, 이후 소입공정에서 완전히 용해되어야 하나 도 1에서 나타낸 바와 같이 소입후에도 미용해된 Fe,Cr 탄화물이 존재할 경우 이들이 균열 시작점으로 작용한 것으로 판단된다. 이러한 현상을 피하기 위해서는 소입 열처리 공정에서 소입온도를 충분히 올려 탄화물을 도 2와 같이 완전히 용해시킬 필요가 있다. 탄화물이 완전히 용해할 경우 볼트의 연신율이 회복되는 것으로 나와있다.The Fe and Cr carbides are produced by spheroidization heat treatment, and must be completely dissolved in the quenching process. However, when Fe and Cr carbides are present after the quenching, as shown in FIG. In order to avoid this phenomenon, it is necessary to sufficiently raise the quenching temperature in the quenching heat treatment process to completely dissolve the carbides as shown in FIG. 2. Elongation of the bolts has been shown to recover when the carbides are fully dissolved.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 합금원소를 다량 첨가하지 않고도 지연파괴저항성과 고강도를 모두 만족하고 노치인성의 저하문제도 일으키지 않는 고 강도 볼트를 제공할 수 있으며, 이러한 고강도 볼트를 복잡한 열처리 공정에 의하지 않고 간편하게 제조하는 방법을 제공할 수 있다.As described above, according to the present invention, it is possible to provide a high-strength bolt that satisfies both the delayed fracture resistance and the high strength without causing the addition of a large amount of alloying elements and does not cause the problem of lowering the notch toughness. It is possible to provide a method for producing easily without resorting to.

Claims (4)

중량%로, 탄소(C) : 0.35~0.55%, 실리콘(Si) : 0.05~2.0%, 망간(Mn) : 0.1~0.8%, 보론(B) : 0.001~0.004%, 크롬(Cr) : 0.3~1.5%, 산소(T.O) : 0.005% 이하, 인(P) : 0.015% 이하, 황(S) : 0.010% 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, By weight%, carbon (C): 0.35 to 0.55%, silicon (Si): 0.05 to 2.0%, manganese (Mn): 0.1 to 0.8%, boron (B): 0.001 to 0.004%, chromium (Cr): 0.3 ~ 1.5%, oxygen (TO): 0.005% or less, phosphorus (P): 0.015% or less, sulfur (S): 0.010% or less, balance iron and other unavoidable impurities, 여기에 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.5%, 니켈(Ni) : 0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5% 및 티타늄(Ti) : 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하는 조성을 가지는 고강도 볼트로서,Vanadium (V): 0.05-0.5%, niobium (Nb): 0.05-0.5%, nickel (Ni): 0.1-0.5%, molybdenum (Mo): 0.1-1.5% and titanium (Ti): 0.01-0.1 A high strength bolt having a composition further comprising one or two or more selected from the group consisting of%, 상기 고강도 볼트는 면적 분율로 페라이트 3~10% 및 템퍼드 마르텐사이트 90~97%의 내부 조직으로 구성되는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 볼트.The high-strength bolt is an excellent high-strength bolt, characterized in that composed of the internal structure of the ferrite 3 ~ 10% and the tempered martensite 90 ~ 97% by area fraction. 제 1 항에 있어서, 내부에 탄화물이 면적분율로 10%이하 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 볼트.The high-strength bolt having excellent delay fracture resistance according to claim 1, wherein carbides are contained in an area fraction of 10% or less. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 탄화물은 원상당 최대직경이 5㎛ 이하 인 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 볼트.The high-strength bolt according to claim 1 or 2, wherein the carbide has a maximum equivalent diameter of 5 µm or less. 탄소(C) : 0.35~0.55%, 실리콘(Si) : 0.05~2.0%, 망간(Mn) : 0.1~0.8%, 보론(B) : 0.001~0.004%, 크롬(Cr) : 0.3~1.5%, 산소(T.O) : 0.005% 이하, 인(P) : 0.015% 이하, 황(S) : 0.010% 이하, 잔부 철 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 여기에 바나듐(V) : 0.05~0.5%, 니오븀(Nb) : 0.05~0.5%, 니켈(Ni) : 0.1~0.5%, 몰리브덴(Mo) : 0.1~1.5% 및 티타늄(Ti) : 0.01~0.1%로 이루어지는 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 추가로 포함하는 조성을 가지는 볼트 형상의 선재를 Carbon (C): 0.35 ~ 0.55%, Silicon (Si): 0.05 ~ 2.0%, Manganese (Mn): 0.1 ~ 0.8%, Boron (B): 0.001 ~ 0.004%, Chromium (Cr): 0.3 ~ 1.5%, Oxygen (TO): 0.005% or less, phosphorus (P): 0.015% or less, sulfur (S): 0.010% or less, consisting of residual iron and other unavoidable impurities, vanadium (V): 0.05-0.5%, niobium (Nb): 0.05 to 0.5%, nickel (Ni): 0.1 to 0.5%, molybdenum (Mo): 0.1 to 1.5% and titanium (Ti): 0.01 to 0.1% selected from the group consisting of Bolt-shaped wire rod having composition to include further Ae3+80℃ 이상의 온도로 가열한 후 급냉하는 소입단계;An quenching step of quenching after heating to a temperature of Ae 3 + 80 ° C. or higher; 상기 급냉된 선재를 다시 Ae3-10℃ ~ Ae3+10℃ 온도로 가열하여 급냉하는 재소입단계; 및Re-heating step of quenching the quenched wire again to Ae3-10 ℃ ~ Ae3 + 10 ℃ temperature; And 상기 재소입된 선재를 450℃ 이상의 온도로 가열하여 소려하는 단계;Heating the re-sintered wire rod to a temperature of 450 ° C. or higher; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 볼트의 제조방법.A method of manufacturing a bolt having excellent delayed fracture resistance, characterized in that consisting of.
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