KR100891867B1 - 연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법 - Google Patents
연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 볼트 등으로 가공되어 사용되는 선재의 제조방법에 관한 것이다. 이 선재 제조방법은, 중량%로, 탄소 0.40-0.60%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01%이하, 질소 0.004-0.013%, 산소 0.005% 이하, 보론 0.001-0.003%, 티타늄 0.005~0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 상기 티타늄(Ti), 질소(N), 보론(B)이 다음의 관계, 0.5≤Ti/N≤2.0, 2≤N/B≤8, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.5를 만족하는 블룸을 얻는 단계,
상기 블룸을 1260±30℃의 범위에서 100±20분 동안 재가열하여 강편압연하여 빌레트를 얻는 단계 및,
상기 빌레트를 10℃/분이상의 가열속도로 1050±50℃의 가열온도로 승온하여 이 온도구간에서 30분이상 유지하여 선재압연하여 선재를 얻는 단계를 포함하여 구성된다. 이 선재제조방법에서는 강편가열로 가열시 적정 페라이트 탈탄층을 분포시킴으로써 선재가열로 빌레트 가열시 탈탄반응을 억제시키는 효과와 미세한 흑연립의 상분율이 높은 선재를 제공할 수 있다.
선재, 표면탈탄, 페라이트 탈탄층, 흑연화
Description
본 발명은 볼트 등으로 가공되어 사용되는 선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강편압연공정에서 탄소고용도가 낮은 페라이트 탈탄층을 형성함으로써 고실리콘강에서 발생하는 표면탈탄층을 저감하는 한편, 미세한 흑연립의 상분율이 높아 냉간성형시 요구되는 낮은 인장강도를 갖는 선재의 제조방법에 관한 것이다.
선재는 일정형상으로 가공되어 다양한 기계부품류에 이용되는데, 그 예로는 볼트, 너트, 스프링 등이 있다. 이러한 기계부품류의 경량화와 고성능화를 위해 선재의 고강도에 대한 요구는 계속 높아지고 있다.
고강도 소재는 일정하중이 지속적으로 가해지면 수소에 의해 균열이 진전되는 지연파괴가 발생할 수 있다. 일례로, 볼트는 인장강도가 130 kg/mm2급 이상 되는 경우에 지연파괴저항성에 문제가 발생하므로, 현재 사용용도 및 범위가 제한되고 있는 실정이다.
따라서, 지연파괴저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 볼트용 강을 개발할 경우 기대되어지는 이점으로는 다음과 같다. 즉, 강구조물 측면에서 볼트 체결은 용접 접합에 비해 숙련된 기술이 요구되지 않으며, 취약한 용접부를 대체하는 이점 등을 고려할 때 볼트 체결력 강화에 따른 강구조물의 안정성을 높일 뿐 아니라, 볼트 체결 개수의 감소에 의해 강재 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 자동차 부품 측면에서는 부품의 경량화에 기여하며, 이에 따른 자동차 조립장치의 설계 다양화 및 컴팩트화(compact)가 가능하다는 이점이 있다. 따라서 소재의 지연파괴저항성 저하 없이 고강도화 되면 될수록 사용상의 이점과 산업계에 미치는 파급효과는 상당히 클 것으로 예측된다.
고강도 소재의 지연파괴저항성은 결정입계에 분포하고 있는 석출물이 수소의 트랩 사이트(trapped site)로 작용하여 입계의 강도를 열화시키기 때문에 저하되는 것으로 알려져 있다. 따라서, 선재의 열처리 후 결정립계에 분포하게 되는 Fe계 석출물들의 분포를 최대한으로 억제시키면 지연파괴저항성의 열화 없이 고강도화를 달성할 수 있는 것이다.
한편, 선재는 냉간성형공정을 통해 다양한 형상의 볼트로 성형되는데, 소재의 강도 가 높으면 냉간성형전 반드시 소재 연화열처리가 필요하다. 연화열처리를 통해 냉간성형전 인장강도 60kg/mm2이하로 확보하는 것이 바람직하다. 이는 냉간성형시 다이스 마모율 증가를 최대한으로 억제하기 위한 것이다. 따라서 고강도 볼트소재를 사용하기 위해서는 우수한 지연파괴저항성 뿐만 아니라 볼트제조시 요구되어지는 냉간성형성을 동시에 확보하여야 한다.
통상 볼트 냉간성형성 확보를 위한 연화열처리는 대부분 구상화 열처리법을 적용하고 있는데, 미세조직 구성이 페라이트+세멘타이트로 구성됨을 특징으로 한다. 그러나, 합금원소 첨가량이 증가할수록 구상화소재의 강도가 높아지는 문제점이 있어 이를 극복하는데 미세조직 구성상 한계가 있다.
본 발명자는 고강도 볼트를 냉간성형함에 있어 흑연화조직을 이용할 경우 냉간성형성이 개선된다는 사실을 밝혀내어 고실리콘 첨가 중탄소강을 제안한 바 있다. 이 강은 흑연화 촉진원소를 적절히 배합할 경우 볼트 냉간성형에 요구되어지는 선재 인장강도를 확보할 수 있으며, 결정립에 Fe계 석출물의 석출 가능성이 전혀 없는 미세 복합조직을 갖는다.
그러나, 고실리콘 첨가 중탄소강을 선재로 제조할 때, 선재압연공정에서 재가열시 실리콘이 소재내의 탄소의 활동도를 증가시키면서 탄소의 확산계수를 감소시키는데 큰 영향을 미친다. 이로 인해 선재압연공정에서 재가열시 탄소의 활동도증가로 표면에서는 탈탄속도가 증가하며, 반대로 중심부에서의 표면으로 확산계수의 감소로 표면으로 탄소공급이 원활하지 않아 표면에서의 탄소농도 구배심화를 조장하게 된다. 표면에서 탈탄층의 깊이가 깊어질수록 볼트에서는 체결력이 떨어지고 스프링에서는 피로특성이 열악해진다. 이와 같이, 고실리콘 첨가강의 표면탈탄은 저실리콘 첨가강 대비 표면탈탄속도가 매우 빠르기 때문인 것으로 잘 알려진 사실이다. 그래서, 고실리콘 첨가강 선재를 제조할 경우, 소재의 탈탄제어가 적절하지 못할 경우 사용상의 많은 문제점이 발생할 수 있다.
지금까지 알려진 탈탄제어방법의 대표적인 예로는 대한민국 특허공보 92-24974호, 92-24163호, 92-24161호, 일본 특허공보 (평)2-301514호, (평)1-31960, (소)63-216591호 등이 있다. 이들 대부분은 실리콘의 함량을 낮추거나 납, 주석 등의 합금원소를 첨가하는 방법에 의해서 탈탄을 제어하는 방법이다. 그러나, 고강도화를 위해 고실리콘 첨가가 불가피한 강종에서 실리콘 함량을 낮출 수는 없으며, 또한, 납, 주석 등의 합금원소를 첨가하게 되면 충격인성 등의 기계적성질이 열악해지는 문제가 있다.
본 발명은 냉간성형성 개선 목적으로 흑연화특성을 이용하는 고실리콘 첨가 중탄소강의 선재가열공정에서 표면에 탈탄층이 발생을 방지하기 위한 연구과정에서 안출 된 것으로, 강편압연공정에서 빌레트의 표면에 탄소고용도가 낮은 페라이트 탈탄층을 형성함으로써 선재압연공정에 빌레트의 표면에 탈탄속도를 현저하게 줄여 표면탈탄층의 두께를 저감하는 한편, 미세한 흑연립의 상분율이 높아 냉간성형시 요구되는 낮은 인장강도를 갖는 선재의 제조방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 선재제조방법은, 중량%로, 탄소 0.40-0.60%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01%이하, 질소 0.004-0.013%, 산소 0.005% 이하, 보론 0.001-0.003%, 티타늄 0.005~0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 상기 티타늄(Ti), 질소(N), 보론(B)이 다음의 관계, 0.5≤Ti/N≤2.0, 2≤N/B≤8, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.5를 만족하는 블룸을 얻는 단계,
상기 블룸을 1260±30℃의 범위에서 100±20분 동안 재가열하여 강편압연하여 빌레트를 얻는 단계 및,
상기 빌레트를 10℃/분이상의 가열속도로 1050±50℃의 가열온도로 승온하여 이 온도구간에서 30분이상 유지하여 선재압연하여 선재를 얻는 단계를 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자는 고실리콘 첨가 중탄소강 선재의 탈탄저감을 위해 다각도로 연구한 결과, 블룸을 빌레트로 압연을 위한 가열시 가열온도 및 유지시간을 제어하여 가열 하면 빌레트의 표면에 탄소 고용도가 매우 낮은 페라이트층을 적정 두께로 균일하게 유도할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 또한, 이 빌레트를 선재로 압연하기 위한 빌레트 가열시(선재가열로 가열시) 이상역(Ac1변태점에서 Ac3변태점사이의 온도, 페라이트와 오스테나이트상이 혼재되어 평형상태를 유지하는 구간)을 통과하는 승온가열속도를 적절히 제어할 경우 빌레트 표면에 탄소 고용도가 낮은 페라이트층이 균일하게 분포하기 때문에 가열로 가열패턴에 상관없이 외부로 빠져나가는 탄소의 확산이 늦어져서 탈탄반응속도를 현저하게 감소시킬 수 있고, 표면 페라이트 층은 산화정도에 따라 그 두께를 조정할 수 있어 선재가열로 추출시 빌레트 표면 탈탄층을 현저하게 개선할 수 있는 것이다.
나아가, 빌레트의 합금원소에서 Ti, N, B의 비를 제어하면 선재제조시 미세한 흑연립의 상분율이 높아져서 인장강도가 낮은 선재를 제조할 수 있다는 사실도 밝혀내어 본 발명을 완성하게 된 것이다. 이러한 본 발명의 대상이 되는 고실리콘 첨가 중탄소 강의 성분계에 대해서 먼저 설명한 다음에 이 강을 선재로 제조하는 방법을 설명한다.
[강 조성]
탄소(C)의 함량:0.40-0.60%
탄소의 함량이 0.40%미만에서는 지연파괴저항성에 유효한 미세 복합조직강 제조를 위한 열처리후 복합조직내에 적정한 잔류 오스테나이트 양, 형상 및 크기를 얻기가 곤란하다. 또한, 기계적, 열적 안정성과 고강도 볼트용 강으로서의 충분한 인장강도와 항복강도를 확보하기 어렵다.
한편, 탄소의 함량이 0.60% 보다 많아지면 열처리후 단면감소율, 연신율과 충격인성 등의 특성이 저하된다. 또한, 선재제조시 편석 및 표면흠이 발생하며, 가열로 장입시 표면탈탄이 심화되고, 볼트 체결시 영구변형성 및 정적 피로특성이 열화한다. 이외에도 미세복합 조직의 적절한 형상과 크기 그리고, 복합조직을 확보하기 위한 변태 소요시간이 길어지며, 잔류 오스테나이트내의 탄소농도 및 계면농도구배 등에 좋지 않은 영향을 미친다.
실리콘(Si)의 함량:2.0-4.0%
실리콘이 2.0%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 열처리시간이 길어지는 단점이 있다. 또한, 페라이트 변태후 잔류 오스테나이트의 기계적, 열적 안정성이 저하되어 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직과 적정 잔류 오스테나이트양을 확보하기 어렵다. 또한, 페라이트의 고용강화 효과가 미흡하여 강도확보에 어려움이 있고, 지연파괴저항성, 표면 부식특성, 충격인성, 볼트 체결시 영구변형성 등에 영향을 미친다. 또한 선재 탈탄제어를 위한 선재가열로내에서의 표면 페라이트 탈탄층의 균일성 및 적정두께를 확보하기가 어려워 탈탄이 심화되고, 선재냉각시 소입성 증가로 표면 스케일 특성의 제어가 어려운 단점이 있다.
한편, 실리콘이 4.0%를 초과하는 경우에는 상기 언급한 효과가 포화되고 소입성, 복합조직강의 구성, 충격인성, 피로특성 등에 좋지 않은 영향을 미친다. 또한, 선 재제조를 위한 블룸(bloom) 또는 빌레트(billet)제조시 실리콘 편석에 의한 미세조직의 불균질화를 초래하여 최종 제품에서의 품질특성이 저하된다. 또한 열처리시 표면 페라이트층의 두께가 증가하여 균질 표면 탈탄제어가 어렵다.
본 발명에서의 보다 바람직한 실리콘 성분범위는 2.8-3.3%로, 베이나이트조직(페라이트+잔류 오스테나이트)을 제조하기 위한 등온 열처리시간 및 잔류 오스테나이트 분율 및 크기, 형상, 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직의 고강도화 및 고인성화, 지연파괴저항성(확산성 수소량, 입계석출물의 석출제어), 표면 탈탄, 볼트체결후 응력이완성(stress relaxation) 또는 영구변형저항성, 동적 및 정적 피로특성 등을 고려하여 매우 효과적으로 개선할 수 있기 때문이다.
망간(Mn)의 함량: 0.1-0.8%
망간은 기지조직내에 치환형 고형체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력볼트 특성에 매우 유용하므로 0.1%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 망간의 함량이 0.8%를 초과할 경우 고용강화 효과보다는 주조시 망간편석으로 인한 국부소입성이 증대하고 편석대의 형성으로 조직이방성이 심화되어 조직이 불균질하게 되어 볼트 특성에 더 유해한 영향을 미친다.
인(P) 및 황(S)의 함량:각각 0.01%이하
인은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.
황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴저항성 및 응력이완특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.
질소(N)의 함량: 0.004-0.013%
질소의 함량이 0.004%미만에서는 비확산성 수소 트랩 사이트로 작용하는 바나듐 및 니요븀계 질화물의 형성이 어려워진다. 또한, 질소의 함량이 0.013%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화된다.
산소(O)의 함량:0.0050%이하
산소의 함량이 0.0050%를 초과하면 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하된다.
보론(붕소,B)의 함량:0.001~0.003%
보론은 흑연화 촉진원소이면서 소입성 및 지연파괴저항성 개선을 위한 입계강화원소이다. 보론의 함량이 0.0010%미만에서는 열처리시 보론원자들의 입계편석에 의한 입계강화에 따른 입계강도 개선효과가 미흡하고, 또한 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 처리시 흑연화 촉진 효과가 미흡하다. 보론의 함량이 0.003%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 오히려 입계에 보론계 질화물의 석출로 입계강도의 저하를 초래한다.
티타늄(Ti)의 함량:0.005-0.03%
티타늄의 함량이 0.005%미만에서는 흑연화 촉진 및 오스테나이트 결정입자 미세화 효과가 미흡하며, 지연파괴저항성에 유효한 결정입계내의 티타늄계 탄,질화물의 석출분포가 미흡하여 그 개선효과를 기대하기 어렵다. 한편, 티타늄의 하량이 0.03%를 초과할 경우에는 그 첨가 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 탄, 질화물을 형성하여 기계적 성질에 영향을 미친다.
상기 합금원소중에서 Ti, N, B의 함량이 다음의 관계, 0.5≤Ti/N≤2.0, 2.0≤N/B≤8.0, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.0 를 만족하는 것이 바람직하다. 이 관계는 볼트 성형전 냉간성형성에 요구되는 인장강도(통상 60kg/mm2이하)를 선재제조시 흑연화에 의해 달성하고 또한 선재 흑연화에 요구되는 시간을 현저하게 단축하기 위한 것으로, 그 구체적인 이유는 다음과 같다.
Ti/N:0.5~2.0
Ti/N비가 0.5미만에서는 흑연립의 핵생성 자리 감소로 흑연립 생성속도가 저하되며, Ti/N비가 2.0초과의 경우 흑연립이 조대화되는 경향을 보이기 때문에 바람직하지 않다.
N/B비:2.0~8.0
N/B비가 2.0미만의 경우는 흑연립 핵생성에 필요한 BN석출물수가 부족하여 흑연화 속도가 저하되며, N/B비가 8.0초과의 경우 흑연립 핵생성에 필요한 BN석출물수가 포화되며 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 흑연화률이 오히려 저하된다.
(Ti+5B)/N비: 1.0~3.5
(Ti+5B)/N비가 1.0미만의 경우 흑연립의 핵생성에 기여하는 TiN 및 BN석출물의 개수가 부족해지며, (Ti+5B)/N비가 3.5초과의 경우 흑연립 핵생성에 필요한 TiN 및 BN석출물 개수가 포화되며 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 오히려 흑연화 속도에 악영향을 미친다.
상기 성분외에 니켈, 바나듐, 니오븀의 1종 또는 2종이상을 첨가한다.
니켈(Ni)의 함량:0.3~2.0%
니켈은 흑연화 촉진원소이며, 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)를 억제하여 지연파괴저항성을 개선하는 원소이다. 니켈의 함량이 0.3%미만에서는 표면농화층 형성이 불완전하여 지연파괴저항성의 개선효과를 기대하기 어렵다. 또한 탈탄제어, 인성 및 냉간성형성 향상을 위한 구상화 또는 흑연화처리시 열처리시간이 길어지며, 볼트성형시의 냉간성형성의 개선효과가 없다. 한편, 니켈의 함량이 2.0%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고 잔류 오스테나이트량의 적정한 양, 크기 및 형상 등에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
바나듐(V) 또는 니요븀(Nb)의 함량: 각각 0.01~0.5%
바나듐과 니오븀은 지연파괴저항성 및 응력이완성 개선원소이다. 이들의 함량이 각각 0.05%미만에서는 모재내 바나듐 또는 니요븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트(trap site)로의 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어렵다. 또한 석출강화를 기대하기 어려워 응력이완저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하며, 오스테나이트 결정립 미세화를 기대하기 어려워 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직의 구성시 조직 미세화에 영향을 미친다. 한편, 바나듐과 니요븀의 함량이 0.5%를 초과하면 흑연화열처리 시간이 길어지는 단점이 있으며 V 또는 Nb계 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 응력이완저항성에 대한 개선 효과가 포화한다. 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하므로 피로특성의 저하를 초래한다.
[선재의 제조방법]
상기와 같이 조성되는 강은 Si함량이 높은 관계로 선재로 제조하기 위한 가열공정에서 탈탄층이 발생하는데, 이를 방지하기 위해서는 블룸을 빌레트로 강편압연하기 위한 가열공정에서 가열조건을 제어하여 강편압연된 빌레트의 표면에 페라이트 탈탄층을 형성하는 것이 중요하다
[강편압연공정]
먼저, 블룸을 1260±30℃의 범위에서 100±20분 동안 재가열하여 강편압연하여 빌레트를 얻는다.
가열온도가 1230℃미만에서는 강편가열로에서의 블룸 표면의 적정 페라이트층의 두께가 필요 이상으로 증가하여 오히려 탈탄개선 효과를 얻기 어렵다. 또한, 가열온도가 1290℃ 초과할 경우에는 산화속도가 매우 증가하여 블룸 표면의 적정 페라이트층의 두께를 확보하기 어렵고, 또한 산화량이 증가하여 강편압연시 표면흠이 발생할 가능성이 높다. 한편, 가열유지시간이 80분미만에서는 블룸 표면의 적정 페라이트층의 두께를 확보에 요구되는 시간이 부족하며, 120분을 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 과도한 산화량으로 표면품질이 저하된다.
이와 같이 제조된 빌레트의 표면에 페라이트 탈탄층의 두께는 0.05∼0.2mm로 하는 것이 바람직하다. 페라이트 탈탄층이 0.05mm미만에서는 빌레트 가열중 대부분 페라이트층이 산화되어 페라이트 층의 존재로 인한 탈탄개선 효과를 기대하기 어려우며, 0.20mm를 초과할 경우에는 가열시간이 길어져야 본 발명의 효과를 보일 수 있기 때문이다.
[선재압연공정]
다음으로 빌레트를 선재압연한다. 빌레트를 10℃/분 이상의 가열속도로 1050±50℃범위로 승온하여 이 온도구간에서 30분이상 유지한다. 가열속도가 10℃/분 미만의 경우에는 탈탄속도가 촉진되는 이상역 온도범위를 통과하는 선재가열로 재로시간이 증가하여 빌레트 표면 탈탄이 심화되는 문제점이 있어 바람직하지 않다.
가열온도가 1000℃미만에서는 탈탄제어를 위한 빌레트 표면 페라이트층의 두께제어가 어렵다. 또한, 빌레트 제조시 조대하게 석출된 바나듐계 또는 니요븀계 석출물들의 재고용이 용이하지 않으며, 열간변형저항성의 증가로 압연시 과부하로 인해 작업성이 열악해진다. 한편, 가열온도가 1100℃를 초과할 경우에는 탈탄제어를 위한 균일한 페라이트층을 유지할 수 없다. 즉 탄소 고용도가 매우 낮은 표면 페라이트층을 석출시켜 탈탄반응을 급격히 감소시키기 위해서는 가열 유지온도에서 표면 페라이트층이 잔존하여야 가능하나 가열온도가 1100℃초과할 경우에는 표면의 페라이트층이 오스테나이트로 변태하기 때문에 탈탄속도가 급격히 증가하며 이로 인해 표면탈탄이 심화된다. 가열유지시간을 30분이상으로 한 것은, 30분미만에서는 선재압연을 위한 빌레트 외내부의 균일한 온도 분포를 확보하기 어렵기 때문이다.
상기와 같이 빌레트를 가열하여 선재압연하는데, 이때 가열로에서 추출되는 빌레트의 탈탄면적은 선재압연후에 선재의 탈탄면적과 동일하기 때문에 선경이 클수록 탈탄층이 증가하게 된다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 점을 고려하여 지름 30mm이하로 선재압연하는 것이 좋다.
선재압연하고 통상의 방법으로 권취하여 냉각한다.
냉각하여 얻은 선재에서 흑연립 크기는 50㎛이하이고, 그 상분율은 0.1%이상이 바람직하다. 흑연립 크기가 50㎛초과일 경우에는 냉간성형성 개선 효과 보다는 오히려 표면흠이 유발할 가능성이 있다. 또한, 흑연립 상분율이 0.1%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 조직 연화효과가 없다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예]
아래 표 1과 같은 발명강 및 비교강의 성분계를 갖는 고실리콘 첨가 중탄소강 블룸을 표 3의 조건으로 강편(빌레트)압연한 다음, 고속선재압연하고 물분사에 의해 급속냉각하여 950℃에서 권취한 다음 600℃까지 1.0℃/sec로 서냉한 다음, 이후에는 공냉하여 지름 16mm의 선재를 얻었다. 빌레트와 선재의 표면 탈탄층 깊이는 KS규격(KD D 0216)에 의하여 측정하였다. 이 규격에 의하면 광학 현미경 관찰법과 미소경도 측정법등이 제안되고 있는데, 여기서는 미소경도 측정법을 이용하였다. 측정된 탈탄층 깊이는 표 3에 나타내었다. 선재의 흑연화 조직 상분율은 화상분석기(image analyze)를 이용하여 측정하여 그 결과를 표 4에 나타내었다. 이때 피검면은 300mm2를 기준으로 하였다.
| 구분 | 화학성분 | ||||||||||||
| C | Si | Mn | P | S | N | O | Ni | B | V | Nb | Ti | ||
| 발명강 | 1 | 0.44 | 3.03 | 0.63 | 0.008 | 0.009 | 0.0090 | 0.0013 | - | 0.0015 | 0.05 | 0.02 | 0.016 |
| 2 | 0.43 | 3.24 | 0.62 | 0.008 | 0.008 | 0.0115 | 0.0014 | - | 0.0024 | 0.06 | 0.01 | 0.023 | |
| 3 | 0.56 | 3.23 | 0.68 | 0.009 | 0.009 | 0.0048 | 0.0015 | 0.70 | 0.0018 | 0.07 | - | 0.007 | |
| 4 | 0.42 | 2.35 | 0.68 | 0.007 | 0.009 | 0.0091 | 0.0016 | - | 0.0039 | 0.01 | 0.05 | 0.011 | |
| 5 | 0.45 | 3.99 | 0.75 | 0.008 | 0.009 | 0.0086 | 0.0017 | - | 0.0025 | 0.04 | 0.03 | 0.017 | |
| 6 | 0.58 | 3.12 | 0.74 | 0.009 | 0.008 | 0.0071 | 0.0017 | - | 0.0013 | - | - | 0.013 | |
| 7 | 0.57 | 2.37 | 0.80 | 0.009 | 0.008 | 0.0056 | 0.0018 | 1.10 | 0.0020 | - | 0.05 | 0.009 | |
| 비교강 | 1 | 0.44 | 3.03 | 0.63 | 0.008 | 0.009 | 0.0090 | 0.0013 | - | - | 0.05 | 0.02 | - |
| 2 | 0.44 | 3.03 | 0.63 | 0.008 | 0.009 | 0.0090 | 0.0013 | - | 0.0005 | 0.05 | 0.02 | 0.026 | |
| 3 | 0.44 | 3.03 | 0.63 | 0.008 | 0.009 | 0.0090 | 0.0013 | - | 0.0055 | 0.05 | 0.02 | 0.007 | |
| 구분 | Ti/N | N/B | (Ti+5B)/N |
| 발명강1 | 1.8 | 6.0 | 2.6 |
| 발명강2 | 2.0 | 4.8 | 3.0 |
| 발명강3 | 1.5 | 2.7 | 3.3 |
| 발명강4 | 1.2 | 2.3 | 3.4 |
| 발명강5 | 2.0 | 3.4 | 3.4 |
| 발명강6 | 1.8 | 5.5 | 2.7 |
| 발명강7 | 1.6 | 2.8 | 3.4 |
| 비교강1 | - | - | - |
| 비교강2 | 2.8 | 18.0 | 3.2 |
| 비교강3 | 0.8 | 2.0 | 3.8 |
| 사용 강종 | 강편가열로 | 빌레트 페라이트 탈탄깊이 (mm) | 선재가열로 | 지름16mm 선재전탈탄깊이(mm) | ||||
| 가열온도 (℃) | 가열유지 시간 (min) | 가열유지온도까지승온속도 (℃/min) | 가열유지온도 (℃) | 가열유지시간 (min) | ||||
| 발명예1 | 발명강1 | 1230 | 100 | 0.08 | 15 | 1000 | 40 | 0.03 |
| 발명예2 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.09 | 15 | 1050 | 30 | 0.03 |
| 발명예3 | 발명강1 | 1290 | 100 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.04 |
| 발명예4 | 발명강1 | 1260 | 80 | 0.12 | 15 | 1050 | 30 | 0.05 |
| 발명예5 | 발명강1 | 1260 | 120 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.05 |
| 발명예6 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.10 | 20 | 1050 | 30 | 0.06 |
| 발명예7 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.12 | 15 | 1000 | 40 | 0.05 |
| 발명예8 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.11 | 15 | 1100 | 30 | 0.04 |
| 발명예9 | 발명강2 | 1260 | 100 | 0.11 | 15 | 1000 | 30 | 0.05 |
| 발명예10 | 발명강3 | 1260 | 100 | 0.09 | 15 | 1050 | 30 | 0.06 |
| 발명예11 | 발명강4 | 1260 | 100 | 0.09 | 15 | 1050 | 30 | 0.05 |
| 발명예12 | 발명강5 | 1260 | 100 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.04 |
| 발명예13 | 발명강6 | 1260 | 100 | 0.08 | 15 | 1050 | 30 | 0.03 |
| 발명예14 | 발명강7 | 1260 | 100 | 0.10 | 15 | 1050 | 30 | 0.06 |
| 비교예1 | 발명강1 | 1200 | 100 | 0.33 | 15 | 1150 | 30 | 0.13 |
| 비교예2 | 발명강1 | 1320 | 100 | 0.02 | 15 | 1150 | 30 | 0.15 |
| 비교예3 | 발명강1 | 1200 | 100 | 0.04 | 15 | 1100 | 30 | 0.17 |
| 비교예4 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.15 | 15 | 1200 | 30 | 0.19 |
| 비교예5 | 발명강1 | 1260 | 100 | 0.14 | 8 | 950 | 30 | 0.24 |
| 비교예6 | 비교강1 | 1290 | 100 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.04 |
| 비교예7 | 비교강2 | 1290 | 100 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.04 |
| 비교예8 | 비교강3 | 1290 | 100 | 0.11 | 15 | 1050 | 30 | 0.04 |
| 강종 | 흑연립 상분율(%) | 흑연립 평균크기 (㎛) | 선재 인장강도 (kg/mm2) (16mm기준) |
| 발명강1 | 1.7 | 12 | 53 |
| 발명강2 | 2.1 | 7 | 55 |
| 발명강3 | 1.8 | 14 | 56 |
| 발명강4 | 2.1 | 9 | 53 |
| 발명강5 | 1.8 | 12 | 55 |
| 발명강6 | 2.2 | 10 | 57 |
| 발명강7 | 1.9 | 13 | 58 |
| 비교강1 | 0 | 0 | 101 |
| 비교강2 | 0.3 | 12 | 92 |
| 비교강3 | 0.4 | 11 | 91 |
표 4에 나타난 바와 같이, 비교강(1~3)들은 흑연립 상분율이 0~0.4%, 선재인장강도가 91~101kg/mm2범위를 보이는 반면, 발명강(1-7)들은 선재냉각후 선재 미세조직상의 흑연립 상분율이 1.7~2.2% 및 흑연립 크기분포가 7~14㎛를 보이면서 선재인장강도가 53~58kg/mm2범위로 직접 볼트 냉간성형이 가능한 선재로 제조되었음을 알 수 있었다. 따라서, 본 발명의 합금성분계로 구성된 소재를 이용해서 선재를 냉각제어할 경우 볼트 냉간성형성시 요구되어지는 인장강도를 현저히 낮추는데 매우 효과적임을 잘 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 강편가열로 가열시 적정 페라이트 탈탄층을 분포시킴으로서 선재가열로 빌레트 가열시 탈탄반응을 억제시키고, 선재냉각시 미세한 흑연화립 상분율이 높은 선재를 제공할 수 있다.
Claims (4)
- 중량%로, 탄소 0.40-0.60%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01%이하, 질소 0.004-0.013%, 산소 0.005% 이하, 보론 0.001-0.003%, 티타늄 0.005~0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 상기 티타늄(Ti), 질소(N), 보론(B)이 다음의 관계, 0.5≤Ti/N≤2.0, 2≤N/B≤8, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.5를 만족하는 블룸을 얻는 단계,상기 블룸을 1260±30℃의 범위에서 100±20분 동안 재가열하여 강편압연하여 빌레트를 얻는 단계 및,상기 빌레트를 10℃/분이상의 가열속도로 1050±50℃의 가열온도로 승온하여 이 온도구간에서 30분이상 유지하여 선재압연하여 선재를 얻는 단계를 포함하여 이루어지는 연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 강편압연한 빌레트의 표면에는 0.05∼0.2mm 두께의 페라이트 탈탄층이 형성됨을 특징으로 하는 연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 선재압연은 30mm이하로 행하는 것을 특징으로 하는 연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 선재는 흑연립크기가 50㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상임을 특징으로 하는 연화열처리 생략형 고실리콘 첨가 중탄소 선재의 제조방법.
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| KR20010060756A (ko) * | 1999-12-28 | 2001-07-07 | 이구택 | 페라이트 탈탄층을 이용한 고실리콘 첨가 중탄소 선재의제조방법 |
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