KR100946147B1

KR100946147B1 - 내진특성이 우수한 중탄소 강가공물의 제조방법

Info

Publication number: KR100946147B1
Application number: KR1020020084574A
Authority: KR
Inventors: 최해창
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2010-03-10
Also published as: KR20040057778A

Abstract

본 발명은 선재를 볼트, 스프링 등의 강가공물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 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 0.001-0.004%, 티타늄 0.005-0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐: 0.01-0.5%, 니오븀:0.01-0.5%으로 이루어진 그룹에서 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 만족하고 구상 오스테나이트의 결정입도가 10~20㎛ 범위로 갖는 선재를 Ac₁-(60±30℃)의 온도에서 흑연화 열처리하고 공냉하는 단계,

상기 흑연화 열처리한 선재를 강가공물로 냉간성형하는 단계,

상기 강가공물을 Ac₃-(Ac₃-Ac₁)/1.3~Ac₃-(Ac₃-Ac ₁)/5.5의 온도로 가열하고, 70℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+120℃∼Ms+180℃의 온도범위까지 급냉한 후 등온열처리하고 냉각하여 5~25%의 이상역 페라이트와 나머지 베이나이트의 복합조직으로 베이나이트중의 총잔류 잔류오스테나이트 분율이 10%이상이고 잔류오스테나이트중의 브라키타입의 상분율이 30~50중량%을 갖도록 하는 열처리 단계를 포함한다.

볼트, 스프링, 지연파괴, 흑연화

Description

내진특성이 우수한 중탄소 강가공물의 제조방법{Method of manufacturing Working product having superior earthquake-resistant property}

본 발명은 선재를 볼트, 스프링 등의 강가공물로 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연신율, 충격인성, 항복비 등의 제반기계적물성이 개선되는 내진형 강가공물의 제조방법에 관한 것이다.

각종 구조물에 사용되는 강은 경량화와 고성능화를 위해 고강도화와 함께 내진성이 중요한 성질로 받아들여지고 있다. 강구조물은 지진 및 강풍에 의해 구조물의 붕괴를 초래할 수 있어 사용환경에 따라 내진성이 우수한 강재가 요구되어진다. 지진 및 강풍에 의한 구조물의 붕괴를 방지하기 위해 구조부재는 항복강도가 높은 강재로 구성하여 연직하중을 지지하고, 해당 주체 구조부재에 부설한 내진용 부재는 항복강도가 낮은 강재로 구성함으로써, 대지진과 강풍시 항복강도가 높은 주체부재에서는 탄성변형으로 구조물을 유지하는 역할을 하고, 대지진과 강풍의 에너지는 내진 부재의 소성(역성)변형에 의해 충격을 흡수함으로서 강구조물용 강재의 내진성을 개선하고 있다(일본 공개특허공보 96-42187호).

일례로, 내진성이 우수한 강구조물의 볼트체결부에서도 동일한 개념으로 내진성이 우수한 볼트를 사용하는 것이 요구되고 있다. 내진성은 강의 항복비가 낮을수록 커지므로, 볼트의 재질이 저항복비의 특성을 갖도록 하는 것이 필요하다. 이와 함께 고강도 볼트 체결에 따른 볼트접합부의 잇점을 유지하기 위해 고강도의 특성도 함께 갖는 것이 요구된다.

그러나, 강의 항복강도만 낮추면 충격흡수량이 너무 적어 그 효과를 기대하기 어려우며, 좀 더 많은 충격흡수능력을 갖기 위해서는 가일층 고강도화를 달성하면서 저항복비화하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 고강도 저항복비 볼트용강이 개발될 경우 기대되어지는 잇점으로는 강구조물의 효율적인 건설을 위한 부재 체결과 볼트의 경량화 및 다기능, 고성능화를 달성하면서 아울러 강구조물 내진설계시 볼트 체결부에서도 내진설계를 제공함으로서 강구조물의 내진성을 가일층 개선할 수 있다는데 있다.

한편, 다양한 볼트의 형상은 통상 냉간성형으로 제조되는데 고강도 소재의 경우 냉간성형전 소재강도가 높아 반드시 소재 연화열처리가 필요하며 냉간성형전 인장강도 60kg/mm²이하로 확보하는 것이 바람직하다. 이는 냉간성형시 다이스 마모율 증가를 최대한으로 억제하기 위한 것이다. 또한 연화열처리에 요구되어지는 열처리시간을 15분이내로 현저히 단축시킬 경우 선재제어냉각에 의해서도 볼트 냉간성형에 요구되어지는 인장강도를 확보할 수 있어 볼트 제조원가 측면에서 매우 큰 장점을 갖게 된다. 국내 강구조 체결용 볼트는 현재 인장강도 60kg/mm²이하에서 볼트 냉간성형이 가능한 실정이다. 따라서 고강도 볼트소재를 사용하기 이해서는 우수한 지연파괴저항성 뿐만아니라 볼트제조시 요구되어지는 냉간성형성을 동시에 확보하여야 한다.

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.

종래의 볼트용 소재는 대부분 미세조직이 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 준단상(quasi single phase)조직이 주특징으로, 이 경우 항복비가 최소 0.8정도이다. 저항복비를 달성하기 위해서는 인장변형시 우선적으로 변형할 수 있는 연한조직의 분포가 미세조직구성상 불가피한데, 이렇게 되면 강도가 열화되는 문제가 있다. 즉, 항복비를 낮추기 위해서 템퍼링온도를 증가시키면 항복강도는 감소되나 동시에 인장강도도 감소되기 때문에 저항복비를 기대할 수 없다. 따라서, 종래의 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 고강도 저항복비 볼트용강을 제조한다는 것은 미세조직 구성 특징상 한계가 있다.

강재의 내진성을 개선하는 종래의 대표적인 기술로는 (1) 일본 공개특허공보 97-95734호, (2) 대한민국 특허출원번호 제98-52836호, 제98-52838호 등이 있다.

(1) 일본 공개특허공보 97-95734호는 내진성이 우수한 콘크리트 철근용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 볼트용 선재와의 관련성은 적은나, 탄소 0.10-0.40%, 실리콘 0.05-0.60%, 망간 0.60-2..0%, 알루미늄 0.005-0.080%, 보론 0.008% 이하, 구리 0.3%이하, 니켈0.3%이하, 몰리브덴 0.1% 이하, 티타늄 0.1% 이하로 조성되는 강재를 제어냉각하여 항복강도 345MPa, 항복신장 1.4%이상, 충격인성 27J/cm²이상이면서 항복비 0.8수준을 확보하는 기술로서의 의미가 있어 참고적으로 소개한다.

(2) 대한민국 특허출원 제98-52836호와 대한민국 특허출원 제98-52836호는, 본 발명자가 볼트의 강조직을 베이나이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖도록 강성분과 제조조건을 제어하여 0.7이하 수준의 저항복비를 달성하는 기술을 완성한 것이다.

즉, 대한민국 특허출원번호 제98-52836호는 중량%로 탄소 0.40-0.60%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 , 보론, 바나듐 또는 니요븀, 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 코발트로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종이상을 선택적 강을 Ac₃변태점 이상의 온도에서 20분이상 가열하여 오스테나이트 단상으로 만들고, 이를 Ms+110℃∼Ms+210℃의 온도까지 급냉한후 베이나이트 변태를 위한 등온가열하여 베이나이트조직을 갖는 볼트를 제조하는 것으로, 볼트는 인장강도가 130~178kg/mm²이고 항복비가 0.33~0.62의 특성을 갖는 것으로 나타나 있다.

대한민국 특허출원 제98-52838도 상기 대한민국 특허출원 제98-52836호와 같은 성분계를 갖는 볼트를 Ac₃-[(Ac₃-Ac₁)/1.3]에서 Ac₃-[(Ac ₃-Ac₁)/5.5]까지의 범위내에서 가열하여 페라이트 상분율이 5-25%인 페라이트+베이나이트로 구성되는 복합조직으로 만들고, 이를 Ms+120℃∼Ms+180℃의 온도까지 급냉한후 등온열처리하여 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖도록 제조하는 것으로, 이 기술을 통해 제조되는 볼트는 인장강도가 125~169kg/mm²이고, 항복비가 0.33~0.61의 특성을 갖는 것으로 나타나 있다.

상기 (2)의 대한민국 특허출원 제98-52836호와 대한민국 특허출원 제98-52836호는 나름대로 저항복비를 달성한다는데 그 의미를 부여할 수 있겠으나, 인장강도, 연성 및 충격흡수성 등의 기계적특성과 함께 저항복비를 개선하지 못하고 있다는 기술적 한계가 있을뿐만 아니라 볼트 냉간성형성에 대한 언급이 없다.

본 발명은 상기한 선행기술들의 기술한계를 극복하기 위한 일련의 연구과정에서 완성된 것으로, 그 목적은 단시간의 흑연화열처리를 통해 일반강 수준의 볼트 냉간성형성을 보이면서도 강의 저항복비를 최대화시키면서 인장강도, 연신율, 충격인성 등의 기계적특성도 함께 개선할 수 있는 강가공물의 제조방법을 제공하는 것 이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강가공물 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 0.001-0.004%, 티타늄 0.005-0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐: 0.01-0.5%, 니오븀:0.01-0.5%으로 이루어진 그룹에서 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 만족하고 구상 오스테나이트의 결정입도가 10~20㎛ 범위로 갖는 선재를 Ac₁-(60±30℃)의 온도에서 흑연화 열처리하고 공냉하는 단계,

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '강가공물'이란 용어는 선재를 일정형태로 가공한 가공물을 의 미하는 것으로, 본 발명의 강이 갖는 물리적특성을 이용할 수 있는 용도에 적용되는 모든 강가공물을 포함한다. 일례로, 선재를 가공하여 제조될 수 있는 볼트, 너트, 스프링 등이 있다.

본 발명자는 고강도 강가공물(볼트)를 냉간성형함에 있어 흑연화조직을 이용할 경우 기존 구상화 열처리 방법 대비 소재 인장강도 또는 표면경도를 합금원소 첨가 유무에 관계없이 우수한 냉간성형성을 확보할 수 있다는 것과 합금원소간의 구성비가 0.5≤Ti/N≤2.0, 2≤N/B≤8, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.5를 만족할 경우 흑연화 열처리시간을 최소화 할 수 있다는 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다. 본 발명에서는 선재를 Ac₁-(60±30℃)의 온도에서 흑연화 열처리하고 공냉하여 흑연립 크기가 50㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상을 갖게 하여 볼트 냉간성형시 다이스 마모율 저하의 문제점을 용이하게 해결하는 방법 제공하는데 있다.

또한, 본 발명에서는 강도와 항복비 기타 기계적인 물성에 영향을 미치는 강의 미세조직에 대한 야금학적인 검토 결과 다음의 결론에 도달한 것이다. 이상역 페라이트+베이나이트의 복합조직에서 이상역 페라이트의 존재유무에 따라 임계지연파괴응력비에 영향을 미치며 잔류오스테나이트중 브라키타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 일정량 되면 기타 기계적물성도 좋아지면서 고강도와 저항복비가 현저히 개선된다는 사실에 주목하였다. 이러한 복합조직은 인장하중이 가해지는 초기에는 연한조직인 페라이트가 우선적으로 변형을 시작하고 임계 변형량 이후부터는 잔류오스테나이트의 소성유기변태를 적절히 유도함으로써 고강도와 저항복비가 달성되 는 것이다. 이러한 관점에서 완성된 본 발명의 강조성 및 강가공물의 제조방법으로 구분하여 설명한다.

[강의 조성]

탄소(C)의 함량은 0.40-0.60%가 바람직하다.

탄소의 함량이 0.40%미만에서는 페라이트+베이나이트 복합조직강 제조를 위한 열처리후 복합조직내에 적정 잔류 오스테나이트의 양, 형상 및 크기, 그리고 기계적, 열적 안정성의 확보가 어렵고, 또한 고강도 볼트용강으로서의 충분한 인장강도와 항복강도를 확보하기 어렵다. 탄소의 함량이 0.60% 초과하는 경우에는 열처리후 적정 단면감소율, 연신율 및 충격인성 등의 저하되며, 또한 선재제조시 편석 및 표면흠 발생, 가열로 장입시 표면탈탄 심화, 볼트 체결시 영구변형성 및 정적 피로특성과 미세복합 조직의 형상 및 크기, 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직을 확보하기 위한 변태 소요시간, 잔류 오스테나이트내의 탄소농도 및 계면농도구배 등에 영향을 미친다.

실리콘(Si)의 함량은 2.0-4.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

실리콘이 2.0%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 열처리시간이 길어지는 단점이 있으며, 페라이트 변태후 잔류 오스테나이트의 기계적 및 열적 안정성이 저하되어 페라이트+베이나이트 복합조직의 확보와 적정 잔류 오스테나이트양을 확보하기가 어려우며 또한 페라이트의 고용강화 효과가 미흡하여 강도확보에 어 려움이 있고, 또한 지연파괴저항성, 표면 부식특성, 충격인성, 베이나이트 변태조직, 볼트체결시 영구변형성, 선재 표면탈탄제어 등에 영향을 미친다. 실리콘의 함량이 4.0% 초과의 경우에는 상기 언급한 효과가 포화되고 소입성, 미세조직, 충격인성, 피로특성 등에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않다.

망간(Mn)은 0.1~0.8%가 바람직하다.

망간은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력 볼트 특성에 매우 유용하므로 모재의 강도, 열처리시 소입성, 응력이완성, 편석대생성에 따른 유해한 영향 등을 고려하여 0.1%이상 첨가하는 것이 바람직하다. 망간의 함량이 0.8%를 초과할 경우 고용강화 효과 보다는 주조시 망간편석으로 인한 국부소입성이 증대하고 편석대의 형성으로 조직이방성이 심화되어 조직이 불균질하게 되어 볼트 특성에 더 유해한 영향을 미친다.

인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.01%이하로 하는 것이 바람직하다.

인은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이며, 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 함량은 0.004-0.013%로 하는 것이 바람직하다.

질소는 0.004%마만에서는 볼트 냉간성형성 개선을 위한 연화열처리(흑연화) 효과이 미흡하며, 비확산성 수도 트랩 사이트로 작용하는 바나듐 및 니요븀계 질화물의 형성이 어려우며, 0.013%를 초과할 경우에는 흑연화 시간이 길어져 바람직하지 않다.

산소(O)의 함량은 0.005%이하로 하는 것이 바람직하다.

산소함량이 0.005%를 초과하면 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하된다.

보론(붕소,B)는 0.001~0.004%가 바람직하다.

보론은 소입성 및 지연파괴저항성 개선을 위한 입계강화 원소이다. 보론의 함량이 0.001%미만에서는 흑연화 촉진효과 및 열처리시 보론원자들의 입계편석이 미흡하여 입계강도개선이 크지 않으며, 또한 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 처리시 흑연화 촉진 효과가 미흡하다. 또한, 보론의 함량이 0.004%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 오히려 입계에 보론계 질화물의 석출로 입계강도의 저하를 초래한다.

티타늄의 함량은 0.005-0.03%로 하는 것이 바람직하다.

티타늄의 함량이 0.005%미만에서는 흑연화 촉진 및 오스테나이트 결정입자 미세화 효과가 미흡하며, 지연파괴저항성에 유효한 결정입계내의 티타늄계 탄,질화 물의 석출분포가 미흡하여 그 개선효과를 기대하기 어렵다. 또한, 0.03%초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 탄, 질화물을 형성하여 기계적 성질에 영향을 미친다.

본 발명에서는 볼트 성형전 냉간성형성에 요구되는 인장강도(통상 60kg/mm²이하)를 소재 흑연화에 의해 달성하고자 하며 또한 소재 흑연화에 요구되는 시간을 현저하게 단축하기 위하여 합금원소간의 구성비를 0.5≤Ti/N≤2.0, 2.0≤N/B≤8.0, 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.0로 한정하는데, 그 이유는 다음과 같다.

Ti/N비 0.5≤Ti/N≤2.0가 바람직하다.

Ti/N비가 0.5미만에서는 흑연립의 핵생성 자리 감소로 흑연립 생성속도가 저하되며 Ti/N비가 2.0초과에서는 흑연립이 조대화되는 경향을 보인다.

N/B비 2.0≤N/B≤8.0이 바람직하다.

N/B비 2.0미만에서는 흑연립 핵생성에 필요한 BN석출물수가 부족하여 흑연화 속도가 저하되되며, N/B비8.0초과에서는 흑연립 핵생성에 필요한 BN석출물수가 포화되며 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 흑연화률이 오히려 저하된다.

(Ti+5B)/N비는 1.0≤(Ti+5B)/N≤3.5가 바람직하다.

(Ti+5B)/N비 1.0미만에서는 흑연립의 핵생성에 기여하는 TiN 및 BN석출물의 갯수가 부족해지며, (Ti+5B)/N비 3.5초과에서는 흑연립 핵생성에 필요한 TiN 및 BN석출물 개수가 포화되며 모재에 고용되는 질소량이 증가하여 오히려 흑연화 속도에 악영향을 미친다.

상기 성분에 니켈, 바나듐, 니오븀의 1종 또는 2종 이상을 첨가한다.

니켈(Ni)은 0.3~2.0%가 바람직하다.

니켈은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)를 억제하여 지연파괴저항성을 개선하는 원소이다. 니켈의 함량이 0.3%미만에서는 표면 농화층 형성이 불완전하여 지연파괴저항성의 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 탈탄제어, 인성 및 냉간성형성 향상을 위한 구상화 또는 흑연화처리시 열처리시간이 길어지며, 볼트 성형시의 냉간성형성의 개선효과가 없다. 니켈의 함량이 2.0%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 잔류 오스테나이트량의 적정한 양, 크기 및 형상 등에 영향을 미친다.

바나듐(V) 또는 니요븀(Nb)은 각각 0.01~0.5%가 바람직하다.

바나듐 또는 니오븀은 지연파괴저항성 및 응력이완성 개선원소이다. 이들의 함량이 0.01%미만에서는 모재내 바나듐 또는 니요븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트(trap site)로의 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 응력이완저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하며, 오스테나이트 결정립 미세화를 기대하기 어 려워 페라이트+베이나이트 복합조직의 구성시 조직 미세화에 영향을 미친다. 또한, 0.5%를 초과할 경우에는 흑연화열처리 시간이 길어지는 단점이 있으며 V 또는 Nb계 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 응력이완저항성에 대한 개선 효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래한다.

[강가공물의 제조방법]

본 발에서는 선재를 냉간성형하여 강가공물(볼트 등)을 만들고, 이 강가공물을 열처리하여 복합조직을 얻는다.

[선재제조공정]

일반적으로 선재는 블룸을 빌레트 압연하여 얻거나 또는 바로 주조하여 얻은 빌레트를 선재압연하고 냉각하여 얻은 다음, 이 선재를 신선한다. 신선가공전후에는 구상화열처리를 행한다.

본 발명에서는 상기한 강성분계를 갖고, 구상 오스테나이트의 결정입도가 10~20㎛인 선재를 이용한다. 선재의 구상 오스테나이트 결정입도 10㎛미만에서는 강가공물의 열처리공정에서 복합조직 제조를 위한 항온변태시 총 잔류 오스테나이트 분율에서 스트립 라이크 타잎의 잔류 오스테나이트 복합조직 형태의 상분율이 90%이상이 되어서 연신율 및 단면감소율, 충격인성의 저하를 초래한다. 또한, 구상 오스테나이트 결정입도가 20㎛초과할 경우에는 브라키 타잎의 잔류 오스테나이트의 복합조직 상분율이 30%미만으로 형성되어 이로 인해 항복강도, 연신율, 단면감소율, 충격인성 등이 급격히 저하되기 때문이다. 잔류 오스테나이트는 그 형상, 크기 등에 따라 소성유기변태(TRIP)거동이 크게 변화하며, 그로 인해 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성에 영향을 미치기 때문에 본 발명의 효과를 보이기 위해서는 구 오스테나이트 결정입도를 10-20㎛범위로 제어하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구상 오스테나이트 결정입도를 갖는 선재를 냉각과정 또는 신성가공전후의 열처리에서 흑연화열처리한다. 흑연화열처리는 Ac₁-(60±30℃)에서 한다. 이 온도범위는 흑연화 속도가 빠른 온도이며 그 중 Ac₁-60℃ 온도에서 가장 빠른 흑연화 거동을 보인다. 따라서 흑연화열처리 온도가 Ac₁-90℃미만에서는 흑연화 속도가 매우 느려지는 온도구간으로 생산성 확보에 문제점이 있으며, Ac₁-30℃초과의 온도에서는 흑연화 열처리 시간이 길어지며 오스테나이트상이 석출하여 오히려 흑연립이 재고용될 가능성이 높다. 본 발명에 따라 흑연화열처리를 행하면 선재에는 흑연립 크기 50㎛이하이고, 그 상분율이 0.1%이상으로 된다. 흑연립 크기가 50㎛ 보다 커지면 냉간성형성 개선효과보다는 오히려 표면흠을 유발시키는 문제점이 있으며, 흑연립 상분율이 0.1%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 조직 연화효과가 없다.

본 발명에 따라 선재압연하고 냉각하는 공정에서 흑연화열처리하는 경우에는 선재의 냉간성형성이 확보되기 때문에 신선 또는 냉간성형을 위한 구상화열처리를 생략할 수 있다.

[냉간성형공정]

본 발명에 따라 제공된 신선재는 통상의 방법으로 볼트, 스프링 등으로 냉간성형하여 강가공물을 얻는다.

[복합조직 열처리공정]

냉간성형한 강가공물을 열처리하여 목적하는 미세조직을 확보한다.

상기 강가공물을 Ac₃-(Ac₃-Ac₁)/1.3~Ac₃-(Ac₃-Ac ₁)/5.5의 온도로 가열한다. 여기서 Ac3는 가열시 오스테나이트 변태 온도이며, Ac1은 가열시 이상역(페라이트+오스테나이트) 변태온도이다. 가열온도가 Ac₃-(Ac₃-Ac₁)/1.3 미만의 경우에는 이상역 열처리시 페라이트 생성량이 25% 이상되어 인장강도의 저하를 초래하기 바람직하지 않으며, Ac₃-(Ac₃-Ac₁)/5.5초과의 경우에는 결정입계 불연속화에 효과적인 최소량 5%이하가 되기 때문에 지연파괴저항성 개선효과를 기대할 수 없기 때문이다.

그 다음으로 70℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+120℃∼Ms+180℃의 온도범위까지 급냉한 후 등온열처리하고 상온까지 유냉 또는 공냉한다. 등온열처리온도가 Ms+120℃ 미만에서는 항온변태시 복합조직을 구성하고 있는 잔류 오스테나이트의 양, 크기 및 형상에 영향을 미쳐 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성이 증가하게 되어 항복강도가 증가하기 때문에 바람직스럽지 않다. 또한, Ms+180℃를 초과하는 경우 퍼얼라이트 변태가 발생하여 본 발명에서 추구하는 페라이트+베이나이트로 구성된 복합조직을 확보하기가 어렵기 때문이다.

상기와 같이 등온열처리하면 강가공물은 5~25%의 이상역 페라이트와 나머지베이나이트의 복합조직으로 이루어지며, 베이나이트중의 총잔류 잔류오스테나이트 분율이 10%이상이고 잔류오스테나이트중의 브라키타입의 상분율이 30~50중량%을 갖는다. 이상역 페라이트 조직분율이 5%미만이면 지연파괴저항성 개선을 위한 오스테나이트의 결정입계 불연속화 요구되는 페라이트량이 매우 적어 그 개선효과가 미흡하며, 25%초과에서는 과다한 페라이트 분율에 의해 인장강도가 저하되는 문제점이 있으며, 또한 이상역 오스테나이트의 탄소농도가 증가하게 되어 저항복비에 유효한 이상적 베이나이트를 확보하기 어렵기 때문이다. 보다 바람직한 이상역 페라이트 분율은 10~15%범위이다. 이는 최종 복합조직에서 저항복비를 구현하는 동시에 고강도 고연신율, 균질 페라이트 분포에 가일층 지연파괴저항성을 향상시킬수 있기 때문이다.

베이나이트내 잔류오스테나이트의 상분율은 10%이상이 바람직한데, 10%미만에서는 인장강도가 낮아서 저항복비를 얻기 곤란하다. 보이기 어렵기 때문이다. 총잔류 오스테나이트 상분율중 브라키 타입(blocky-type)의 잔류 오스테나이트 상분율을 30∼50%범위로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 브라키 타입의 잔류오스테나이트 상분율이 30%미만의 경우에는 페라이트내의 탄소고용한계로 인한 잔류 오스테나이트내의 탄소농도가 높아져서 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성이 증가하게 되고, 이로 인해 인장변형초기에 잔류 오스테나이트의 소성유기 변태를 유도할 수 없게 되어 낮은 항복강도를 확보할 수 없는 문제점이 있기 때문이다. 또한, 브라키 타입의 오스테나이트 상분율이 50% 보다 많아지는 경우에는 저항복비를 확보하는데는 문제 없으나 연신율 및 단면감소율, 충격인성이 급격하게 저하되기 때문에 바람직스럽지 않다.

이하, 본발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예1]

표 1과 같은 성분조성을 갖는 강들을 시료로 하여 50kg 잉고트로 주조후 1250℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 13mm로 열간압연하여 선재를 제조하였다. 이때 선재의 구상 오스테나이트 결정입도 변화를 주기 위해 압연온도 950-1200℃ 사이에서 열간압연후 공냉하였다. 전강종의 압연시 압연비는 80% 이상으로 하였다. 선재의 구상 오스테나이트 결정입도는 표 4에 나타내었다.

구분		화학조성(중량%)
구분		C	Si	Mn	Cr	V	Ni	Ti	B	P	S	N	Nb	O
발명강	1	0.44	3.03	0.63		0.05	-	0.016	0.0015	0.008	0.009	0.0090	0.02	0.0013
	2	0.43	3.24	0.62		0.06	-	0.023	0.0024	0.008	0.008	0.0115	0.01	0.0014
	3	0.56	3.23	0.68		0.07	0.70	0.007	0.0018	0.009	0.009	0.0048	-	0.0015
	4	0.42	2.35	0.68		0.01	-	0.011	0.0039	0.007	0.009	0.0091	0.05	0.0016
	5	0.45	3.99	0.75		0.04	-	0.017	0.0025	0.008	0.009	0.0086	0.03	0.0017
	6	0.58	3.12	0.74		-	-	0.013	0.0013	0.009	0.008	0.0071	-	0.0017
	7	0.57	2.37	0.80		-	1.10	0.009	0.0020	0.009	0.008	0.0056	0.05	0.0018
비교강	1	0.45	3.03	0.29	0.58	0.05	-	-	-	0.005	0.004			0.0012
	2	0.40	3.42	0.31	0.79	0.2	-	0.01	0.0013	0.006	0.005			0.0015
	3	0.45	2.99	0.32	0.33	0.05	0.54	-	-	0.007	0.009			0.0017
	4	0.44	2.0	0.77	0.51	0.11	-	0.03	-	0.006	0.008			0.0013
	5	0.44	3.96	0.23	0.27	0.06	-	-	0.0015	0.008	0.008			0.0015
	6	0.53	3.01	0.35	0.55	-	-	0.05	0.0010	0.004	0.004	0.004		0.0016
	7	0.58	2.56	0.80	0.29	-	1.10	0.10	-	0.005	0.005	0.005		0.0018

구분	Ti/N	N/B	(Ti+5xB)/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	0.71	10.77	0.47
비교강3	-	-	-
비교강4	3.33	-	-
비교강5	-	5.33	-
비교강6	12.50	4.00	1.30
비교강7	20.00	-	-

열간압연된 소재들로 부터 기계적 성질(인장 및 충격특성)을 평가하기 위한 시험편들은 압연재의 압연방향에서 채취하였다. 발명강의 흑연화 열처리는 750℃에서 5-15분 유지후 공냉하였으며, 비교강들의 구상화열처리는 830℃에서 5시간 유지후 650℃까지 10℃/hr의 냉각속도로 서냉한 후 공냉하였다. 상기와 같이 제조된 발명재 및 비교재에 대하여 기계적성질을 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

구분	흑연화 소요시간 (min)	흑연립 상분율 (%)	흑연화 또는 구상화 열처리후 기계적 성질
구분	흑연화 소요시간 (min)	흑연립 상분율 (%)	인장강도 (kg/㎣)	항복강도 (kg/㎣)	연신율 (%)	단면 감소율 (%)	충격인성 (J/㎠)
발명강1	9	1.7	53	36	33	55	60
발명강2	10	1.9	52	33	38	63	65
발명강3	13	1.5	54	42	30	44	60
발명강4	8	2.0	51	32	38	63	68
발명강5	11	1.6	53	32	33	60	57
발명강6	9	1.9	52	30	38	65	64
발명강7	8	1.9	54	39	35	63	70
비교강1	-	-	72	52	33	55	70
비교강 2	-	-	73	52	34	57	66
비교강 3	-	-	75	54	32	59	59
비교강 4	-	-	76	53	30	65	53
비교강 5	-	-	74	52	34	62	58
비교강 6	-	-	80	57	29	66	61
비교강 7	-	-	82	60	29	65	60

표 3에서 보는 바와같이 본 발명강들의 인장강도는 51~54kg/mm² 범위를 보이나 구상화열처리에 의해 연화열처리 된 비교강들은 인장강도72~82kg/mm²범위로 본 발명에 의해 인장강도가18kg/mm²이상 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있는 바, 본 발명은 볼트 냉간성형성 측면에서 상당한 개선효과를 기대할 수 있는 것이다.

표 3의 흑연화 조직을 가지며, 구상 오스테나이트 결정입도 10-30㎛범위를 갖는 선재에 대해 오스테나이트 단상역 가열오도범위인 Ac₃변태점이상 1150℃이하 범위에서 가열하고, 페라이트 +잔류오스테나이트의 복합조직을 얻기 위한 등온 열처리 온도 범위까지 70℃/sec이상의 냉각속도로 급냉하고 등온 열처리하였다. 이때, 열처리조건은 표 4과 같다.

상기와 같이 제조된 소재들에 대한 기계적특성을 평가하였다.

(1) 인장시험과 충격시험

인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하고, 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5mm/min에서 시험하였다. 충격시험편은 KS규격 (KS B 0809) 3호시험편에 준하여 제조하였으며, 이때 노치방향은 압연방향의 측면(L-T방향)에서 가공하였다.

(2) 조직 상분율

열처리후 미세 복합조직내의 총 잔류 오스테나이트 상분율은 X-ray(Cu radiation)를 이용하여 측정하였다. 흑연립 분포 및 총 잔류 오스테나이트 분율내의 스트립 라이크 타잎 및 브라키 타잎의 잔류 오스테나이트 량에 대한 각각의 상분율은 포인트 카운팅(point counting)법을 이용하여 측정하였다. 또한 오스테나이트 결정입도는 KS규격(KS D 0205)에 의해 측정하였다.

(3)임계지연 파괴 응력비

파단까지의 소요시간이 150시간 이상까지 미절손되는 부하응력/노치인장강도 비를 의미하며, 노치강도는 노치시험편을 인장시험하여 (최대하중÷노치부 단면적)의 값으로 구하였다. 임계지연파괴강도의 설정을 위한 시험편수는 15개를 기준으로 하여 13개이상 미절손되는 경우를 기준으로 하였다.

구분	대상 강종	가열 온도 (℃) Ac3-[Ac3-Ac1]/X]	가열 시간 (min)	등온가열온도 (℃) (Ms+Y)	등온열처리시간 (min)	이상역 페라이트 상분율(%)	총잔류오스테나이트상분율(%)	Blocky-type잔류오스테나이트 상분율(%)	구 오스테나이트 평균 결정입도(mm)
발명재1	발명강1	X=5.5	50	Y=120	30	5	12	47	12
발명재2	발명강1	X=2.5	50	Y=150	50	12	13	41	10
발명재3	발명강1	X=2.5	50	Y=180	50	13	16	42	14
발명재4	발명강1	X=1.5	50	Y=150	70	20	22	31	15
발명재5	발명강2	X=2.5	40	Y=150	20	18	15	44	13
발명재6	발명강3	X=2.5	70	Y=150	20	10	20	38	13
발명재7	발명강4	X=2.5	80	Y=150	20	10	15	39	12
발명재8	발명강5	X=2.5	40	Y=150	20	13	16	40	9
발명재9	발명강6	X=2.5	50	Y=150	20	13	15	43	11
발명재10	발명강7	X=2.5	120	Y=150	20	10	21	45	13
비교재1	비교강1	X=2	40	Y=120	50	12	23	35	15
비교재2	비교강1	X=2	40	Y=180	80	12	13	36	16
비교재3	비교강1	X=1.3	40	Y=140	80	5	18	32	11
비교재4	비교강1	X=5.3	40	Y=140	110	25	22	49	19
비교재5	비교강2	X=2	30	Y=140	40	17	15	37	14
비교재6	비교강3	X=2	70	Y=140	40	10	21	44	16
비교재7	비교강4	X=2	80	Y=140	40	8	13	39	17
비교재8	비교강5	X=2	30	Y=140	40	20	17	40	13
비교재9	비교강6	X=2	40	Y=140	40	18	14	43	15
비교재10	비교강7	X=2	120	Y=140	40	8	19	38	16

구분	등온열처리 후 기계적 성질
구분	인장강도 (kg/㎟)	항복강도 (kg/㎟)	항복비(YS/TS ratio)	연신율 (%)	충격인성 (J/㎠)	임계지연파괴응력비
발명재1	143	81	0.57	21	57	0.60
발명재2	147	45	0.31	17	25	0.50
발명재3	145	59	0.41	24	52	0.50
발명재4	130	44	0.34	17	45	0.50
발명재5	152	85	0.52	19	41	0.60
발명재6	164	91	0.56	21	38	0.60
발명재7	164	85	0.52	22	36	0.60
발명재8	154	90	0.58	19	38	0.55
발명재9	157	95	0.61	23	44	0.65
발명재10	171	94	0.55	18	36	0.60
비교재1	140	85	0.61	24	47	0.55
비교재 2	150	50	0.33	15	20	0.50
비교재 3	142	69	0.49	23	42	0.55
비교재 4	125	45	0.37	14	35	0.50
비교재 5	154	90	0.58	22	42	0.60
비교재 6	168	99	0.59	19	41	0.55
비교재 7	160	93	0.58	25	38	0.55
비교재 8	158	95	0.60	19	34	0.60
비교재 9	161	96	0.60	22	40	0.60
비교재 10	169	100	0.59	20	30	0.55

표 4, 5에 나타난 바와같이, 발명재(1~10)들은 항복비 0.31~0.61, 인장강도 130~171kg/mm²범위를 나타낸면서 연신율 17~24%, 충격인성 25~575J/cm², 임계지연파괴응력비 0.5~0.65의 범위를 갖고 있었다.

반면 비교재(1~10)들은 항복비 0.33~0.61, 인장강도 125~168kg/mm²범위를 나타내면서 연신율 14~25%, 충격인성 20~47J/cm², 임계지연파괴응력비 0.5~0.6이었다.

이러한 결과를 통해서 알 수 있듯이, 발명강들은 비교강 대비 동등 수준이상의 우수한 강도 및 항복비를 가지면서 연신율 및 충격인성을 확보할 수 있음을 잘 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 냉간성형성, 고강도, 저항복비의 특성을 가지면서 고연신율, 고충격인성의 확보가 가능한 강가공물(볼트 등)을 제공할 수 있는 유용한 효과가 있는 것이다.

Claims

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 0.001-0.004%, 티타늄 0.005-0.03%를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 바나듐: 0.01-0.5%, 니오븀:0.01-0.5%으로 이루어진 그룹에서 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 만족하고 구상 오스테나이트의 결정입도가 10~20㎛ 범위로 갖는 선재를 Ac₁-(60±30℃)의 온도에서 흑연화 열처리하고 공냉하는 단계,

상기 흑연화 열처리한 선재를 강가공물로 냉간성형하는 단계,

상기 강가공물을 Ac₃-(Ac₃-Ac₁)/1.3~Ac₃-(Ac₃-Ac ₁)/5.5의 온도로 가열하고, 70℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+120℃∼Ms+180℃의 온도범위까지 급냉한 후 등온열처리하고 냉각하여 5~25%의 이상역 페라이트와 나머지 베이나이트의 복합조직으로 베이나이트중의 총잔류 잔류오스테나이트 분율이 10%이상이고 잔류오스테나이트중의 브라키타입의 상분율이 30~50중량%을 갖도록 하는 열처리 단계를 포함하여 이루어지는 내진특성이 우수한 중탄소 강가공물의 제조방법
제 1항에 있어서, 상기 흑연화 열처리는 15분이내에 행함을 특징으로 하는 내진특성이 우수한 중탄소 강가공물의 제조방법
제 1항에 있어서, 상기 흑연화 열처리한 선재의 흑연립 크기가 50㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상임을 특징으로 하는 내진특성이 우수한 중탄소 강가공물의 제조방법