KR100955222B1 - 용접성이 우수한 베이나이트 레일강 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접성이 우수한 베이나이트 레일강 제조방법에 관한 것으로서,

화학적 조성이 중량%로, C : 0.25∼0.35%, Si : 0.10~0.40%, Mn : 1.0∼2.0%, Mo : 0.3∼1.0%, W : 0.2∼1.0%, B : 0.0002~0.002%, Ti : 0.002~0.02%, Nb : 0.02∼0.06%, P : 0.0020~0.020%, S : 0.0010~0.010%, N : 0.001~0.008%이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소재를 오스테나이트 온도영역에서 열간압연한 후에, 베이나이트 변태가 완료되는 500∼300℃의 온도구간까지 1∼10℃/sec의 냉각속도로 가속냉각시킨 후, 상온까지 공냉시키는 과정을 통하여, 탄소 함량을 가급적 낮추면서 고가의 크롬을 사용하지 않고도 우수한 기계적 특성과 용접성을 갖게 되는 베이나이트 레일강을 제공하게 된다.

베이나이트, 레일강, 용접성, 텅스텐, 니오븀, 보론, 타이타늄

Description

용접성이 우수한 베이나이트 레일강 제조방법{Manufacturing Method of Bainitic Rail Steel With Excellent Wedability}

본 발명은 레일강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 철도 차량의 레일로 사용되는 레일강의 기본 조직을 베이나이트로 구성하여 기계적 특성과 용접성의 개선을 도모한 베이나이트 레일강 제조방법에 관한 것이다.

오늘날, 물류증대와 물류이동 속도의 고속화에 대응하여 철도의 기능에 대한 사회적 요구가 증가하고 있으며, 이에 따라 보다 우수한 기계적 특성과 안전성을 갖춘 철도용 레일강에 대한 필요성이 대두되고 있다.

이러한 필요성에 부응하기 위한 차세대 레일강이 선진국에서는 차열한 개발 경쟁하에서 실험실적 연구를 통해 독자적 제조기술을 확보하고 부설시험을 통한 검증작업을 거쳐 상용화를 목전에 두고 있다.

한편, 종래의 레일강은 그 기본 조직이 펄라이트로 이루어져 있으며, 철강의 5대 원소인 C, Si, Mn, P, S를 기본 원소로 하되, 특히 탄소 함량이 0.6∼0.7중량% 정도로 매우 높으며, 이와 같은 기존의 펄라이트강으로는 새로운 환경에 대한 기계적 특성을 충족시킬 수가 없다.

또, 미국 특허 제5,759,299호(1998)에서는 탄소 함량을 0.15∼0.45중량% 정도로 낮추는 대신에 망간 0.1∼2.5중량%, 크롬 0.1∼3.0중량%, 몰리브덴 0.005∼2.05중량% 까지 첨가하여, 기본 조직이 베이나이트인 레일강을 개시하고 있다. 그러나, 이러한 레일강의 경우에는 첨가되는 크롬이나 몰리브덴이 고가의 원소이기 때문에 경제성이 떨어질 뿐만 아니라, 용접성에도 유해한 영향을 미치는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 레일강에서 발견되는 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 탄소 함량을 가급적 낮추면서 고가의 크롬을 사용하지 않고도 우수한 기계적 특성과 용접성을 갖게 되는 베이나이트 레일강 제조방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명에 따른 용접성이 우수한 베이나이트 레일강의 제조방법은, 화학적 조성이 중량%로, C : 0.25∼0.35%, Si : 0.10~0.40%, Mn : 1.0∼2.0%, Mo : 0.3∼1.0%, W : 0.2∼1.0%, B : 0.0002~0.002%, Ti : 0.002~0.02%, Nb : 0.02∼0.06%, P : 0.002~0.02%, S : 0.001~0.01%, N : 0.001~0.008%이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소재를 오스테나이트 온도영역에서 열간 압연한 후에, 베이나이트 변태가 완료되는 500∼300℃의 온도구간까지 1∼10℃/sec의 냉각속도로 가속냉각시킨 후, 상온까지 공냉시키는 과정을 포함하는 것을 기술적 특징으로 한다.

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이하에서는 본 발명의 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 베이나이트 레일강의 성분을 살펴보면, 용접성의 향상을 위하여 탄소 함량을 약 0.3중량% 정도로 낮추어 마르텐사이트 조직이 생성되는 것을 방지하였으며, 탄소 함량의 저감에 따른 강도 저하를 보상하기 위해 망간, 몰리브덴, 텅스텐을 주요 강화 원소로 첨가하였다. 또한, 미량의 니오븀, 보론, 타이타늄 등을 첨가하여 탄화물과 질화물을 미세하게 석출시킴으로써 인장강도와 경도를 높임과 아울러, 보론이 모재에 고용되어 고인성을 갖도록 설계하였다.

이들 각각의 성분에 대한 조성은 다음과 같이 한정되는 바, 그 수치한정이유를 함께 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)는 소재의 강도와 경도를 결정하는 중요한 원소로서, 그 함량이 0.25중량% 미만일 경우에는 소재의 강도와 경도가 저하되고, 0.35중량%를 초과하여 함유되면 마르텐사이트 조직의 생성이 쉬워지고 용접성이 나빠지므로, 0.25∼0.35중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 제강중에 산소를 제거하는 탈산제의 역할을 하는 원소로서, 0.40중량%를 초과하여 함유되면 강도는 향상되지만 인성이 나빠지므로, 0.10~0.40중량% 로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 강도 유지 및 열처리 특성을 향상시키는 원소로서, 1.0중량% 이상의 첨가가 필요하지만, 2.0중량%를 초과할 경우에는 용접성에 중요한 영향을 미치는 탄소당량(Ceq)값이 높아져 결국에는 용접성이 나빠지므로, 1.0∼2.0중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 고온강도를 높이고 뜨임취성에 대한 저항성을 높이는 중요한 원소이지만, 함량이 0.3중량% 미만일 경우에는 이러한 효과가 미미하게 되며, 1.0중량%를 초과할 경우에는 용접성이 나빠지므로, 0.3∼1.0중량%로 한정할 필요가 있다.

텅스텐(W)은 본 발명에 있어서 필수적인 강도 향상 원소로서, 함량이 0.2중량% 미만일 경우에는 강도 향상 효과가 적고, 1.0중량%를 초과할 경우에는 강도가 지나치게 높아지고 인성과 용접성을 해치게 되므로, 0.2∼1.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

보론(B)은 소재에 첨가되면 모재에 고용되어 강도와 인성을 높이는 역할을 하는 원소로서, 그 함량이 0.002중량%를 초과할 경우에는 보론화합물이 지나치게 많아져 인성을 해치게 되므로, 0.0002 ~ 0.002중량%로 제한할 필요가 있다.

타이타늄(Ti)은 용강중에 포함된 질소와 반응하여 질화물을 형성함으로써 보론에 의한 소재의 경화성을 향상시키는 데에 효과적인 원소로서, 함량이 0.02중량% 를 초과하게 되면 고용되는 타이타늄의 양이 많아져 인성이 나빠지므로, 0.002 ~ 0.02중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

니오븀(Nb)은 소재에 첨가되어 탄화물(NbC)을 형성하여 강도를 높이는 역할을 하는 원소로서, 함량이 0.02중량% 미만일 경우에는 그 효과가 적고, 0.06중량%를 초과하여 첨가될 경우에는 석출효과가 포화되며 용접성에 악영향을 주므로 0.02∼0.06중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P)은 소재를 열처리하는 과정이나 고온에서 사용하는 과정에서 뜨임취성을 일으키는 역할을 하기 때문에 가능한한 낮은 함량을 유지하는 것이 바람직한 바, 본 발명에서는 0.0020 ~ 0.020중량%로 제한하였다.

황(S)은 소재에 포함된 Mn과 함께 작용하여 망간화합물(MnS)을 만들어 충격인성을 저해하고 고온강도를 해치는 유해한 원소로서, P과 함께 가능한한 낮게 유지하는 것이 바람직하므로, 본 발명에서는 0.0010 ~ 0.010중량%로 제한하였다.

질소(N)는 미량 첨가된 B, Ti, Nb의 석출거동과 밀접한 관련이 있는 원소인데, 0.008중량%를 초과하여 함유되면 고용되는 질소량이 많아져 인성과 용접성이 나빠지게 되므로, 0.001 ~ 0.008중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 조성을 갖는 본 발명에 따른 베이나이트 레일강은, 제강과 연속 주조 및 압연 등의 공정을 거쳐 제조되는데, 특히 오스테나이트 온도영역에서 열간압연한 후에, 베이나이트 변태가 완료되는 500∼300℃의 온도구간까지 1∼10℃/sec의 냉각속도로 가속냉각한 후, 상온까지 공냉시키는 과정을 통하여 베이나이트 조 직이 형성되도록 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 베이나이트 레일강과 종래의 레일강을 비교 시험한 실시예를 통해 본 발명의 특성을 상세히 설명한다.

<실시예>

먼저, 본 발명의 레일강은 고가인 Cr과 Ni 대신에 W을 함유함과 아울러 B, Nb 및 Ti이 N와 함께 첨가됨으로써 제조되었다. 또한, 철도용 레일은 대략 100m 길이로 제작되어 현장에서 용접되기 때문에 용접성이 매우 중요하므로, 본 발명의 레일강에 대해서는 용접성에 가장 큰 영향을 미치는 탄소의 함량을 기존의 펄라이트 레일강보다 낮게 설계하였다. 이러한 화학성분을 갖는 레일강 소재에 충분한 강도와 인성을 부여하기 위하여, 오스테나이트 온도 영역에서 열간압연한 후에, 베이나이트 변태가 완료되는 500∼300℃의 온도구간까지 1∼10℃/sec의 냉각속도로 가속냉각시킨 후, 상온까지 공냉시키는 과정을 거침으로써 얻어진 레일강을 표 1에서 발명강 1과 2로 하여 나타내었다.

그리고, 본 발명의 레일강과 동일한 화학성분을 지니면서 냉각속도가 본 발명의 범위에서 벗어난 레일강을 제조하여 표 1에서 비교강 1과 2로 나타내었다.

한편, 현재 사용되고 있는 펄라이트 레일강(종래강 1)과, 마모특성을 향상시키기 위해 Cr과 Ni을 다량 포함시킴으로써 인장강도와 경도를 높인 미국 특허 제5,759,299호(종래강 2)에 대해서도 표 1에 나타내었다.

비교 시험 대상 레일강의 화학조성(중량%)과 냉각속도(℃/sec)

상기 표 1과 같이 설계된 본 발명의 레일강과 비교 대상 레일강들의 기계적 특성과 용접성을 비교하기 위하여, 인장시험, 경도시험, 충격시험 및 용접경화성시험을 실시하였으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 여기서, 용접성경화시험은 용접부 최고경도시험을 이용하여 실시하였다.

표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 레일강은 인장강도와 경도 및 충격흡수에너지 등이 펄라이트 레일강인 종래강 1보다 헐씬 우수하게 나타났으며, 미국 특허인 종래강 2와는 유사하게 나타났다. 또, 비교강 1 및 2와 같이 본 발명의 조성을 지니더라도 열간압연후 베이나이트 변태가 완료되는 구간에서의 냉각속도가 본 발명의 범위를 벗어나면 레일강에 요구되는 기계적 성질이 적합하지 않게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 비교강 1과 같이 냉각속도가 느린 경우에는 강 도와 인성이 발명강에 비해 저하되며, 비교강 2와 같이 냉각속도가 지나치게 빠른 경우에는 강도와 경도는 높아지지만 인성이 매우 낮아진다. 한편, 가장 중요한 용접성에 있어서는, 발명강의 용접부 최고경도가 종래강 1 및 2보다 낮게 나타남으로써, 본 발명의 레일강이 우수한 용접성을 지닌다는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 용접성이 우수한 베이나이트 레일강 및 그 제조방법에 따르면, 탄소 함량을 가급적 낮추면서 고가의 크롬을 사용하지 않고도 우수한 기계적 특성과 용접성을 갖게 되는 베이나이트 레일강을 제공하게 됨으로써, 철도차량용 레일의 경제성과 품질 고급화에 기여하는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 화학적 조성이 중량%로, C : 0.25∼0.35%, Si : 0.10~0.40%, Mn : 1.0∼2.0%, Mo : 0.3∼1.0%, W : 0.2∼1.0%, B : 0.0002~0.002%, Ti : 0.002~0.02%, Nb : 0.02∼0.06%, P : 0.0020~0.020%, S : 0.0010~0.010%, N : 0.001~0.008%이고, 나머지는 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 소재를 오스테나이트 온도영역에서 열간 압연한 후에, 베이나이트 변태가 완료되는 500∼300℃의 온도구간까지 1∼10℃/sec의 냉각속도로 가속냉각시킨 후, 상온까지 공냉시키는 과정을 포함하는 용접성이 우수한 베이나이트 레일강의 제조방법.