KR101060904B1 - 냉간인발 가공성이 우수한 선재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 물성 및 피삭성이 우수한 선재의 페라이트 상분율 및 밴드 구조와 같은 미세조직을 제어하여 냉간인발 가공성을 향상시킨 선재 및 상기 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.3~0.7%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02~0.10%, S: 0.06~0.45%, Al: 0.001~0.015%, T[O]: 0.002~0.010%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 페라이트 상분율이 5~15% 범위이고 페라이트 밴드 두께가 4~6㎛ 범위인 선재를 제공한다.

또한, 본 발명은 다른 일측면으로서, 상기 조성을 갖는 빌렛을 1100~1300℃범위에서 100분이상 균열처리하는 단계, 상기 균열처리한 빌렛을 선재로 압연하는 단계, 상기 압연된 선재를 800~900℃에서 권취하는 단계, 상기 권취된 선재를 490~510℃까지 3.0~7.0℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 단계를 포함하여 선재를 제조하는 방법을 제공한다.

냉간인발, 피삭성, 페라이트 밴드, 페라이트 상분율

Description

냉간인발 가공성이 우수한 선재 및 그의 제조방법{Wire Rod With Good Cold Drawing Property And Method For Producing The Same}

본 발명은 선재의 페라이트 상분율 및 페라이트 밴드 구조 등과 같은 미세조직을 제어하여 냉간인발시 압연방향으로 발생하기 쉬운 크랙킹을 최소화하는 냉간인발 가공성이 우수한 선재 및 상기 선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 선재는 높은 강도와 MnS와 같은 비금속 개재물에 의하여 우수한 피삭성을 갖는다. 따라서 우수한 피삭성을 갖는 선재는 외부 응력을 잘 견딜 수 있어야 하는 기계구조용 강재로 주로 사용되고 복잡한 형상으로 가공하는데 매우 적합하다.

이러한 피삭성은 강재를 절삭할 때 공구팁과 강재가 접촉하는 부위에서 비금속 개재물들이 응력집중원으로 작용하여 개재물과 기지의 계면에서 보이드(void)가 생성되고 균열이 용이하게 성장하여 강재를 절삭하는데 요구되는 힘을 감소시키기 때문에 나타난다.

통상적으로 빌렛을 압연하고 냉각한 후에 선재의 미세조직을 살펴보면, 초석 페라이트와 펄라이트의 이상조직으로 이루어진다. 이 경우 압연방향으로 거의 연속적인 페라이트가 길쭉하게 늘어서 있는 경우가 많다. 즉, 페라이트와 펄라이트의 이중 밴드 구조가 조직내에서 쉽게 형성된다.

상기 이중 밴드 구조를 갖는 선재를 냉간인발할 경우 압연방향으로 소재의 중심을 관통하는 크랙킹이 매우 심하게 발생하여 생산성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 외관상으로는 냉간인발된 소재의 상태가 양호하더라도, 고객사에서 소재를 가공하는 과정에서 크랙이 발견되는 경우가 종종 있어 외관상으로만 판단할 수 없는 문제가 여전히 잔존하고 있다.

냉간인발시 크랙이 발생한 소재를 조사해 보면, 크랙은 페라이트와 펄라이트의 계면을 따라 전파되는 것을 확인할 수 있는데, 페라이트가 연속적으로 존재하면 크랙은 더욱 용이하게 전파된다. 따라서, 우수한 냉간인발 가공성을 얻기 위해서는 선재의 미세조직을 제어할 필요가 있다.

본 발명은 냉간인발시 크랙의 발생을 최소화하기 위하여, 균열, 압연, 권취및 냉각공정을 제어하므로써, 선재의 페라이트 분율과 밴드 두께를 일정 조건하로 제어하여 냉간인발 가공성을 크게 향상시킨 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 중량%로, C: 0.3~0.7%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02~0.10%, S: 0.06~0.45%, Al: 0.001~0.015%, T[O]: 0.002~0.010%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지고, 페라이트 상분율이 5~15% 범위인 선재에 관한 것이다.

상기 선재의 페라이트는 4~6㎛ 범위의 밴드 두께를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 선재는 바람직하게는 240~260Hv 범위의 경도를 갖는다.

또한, 본 발명은 다른 일측면으로서, 중량%로, C: 0.3~0.7%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02~0.10%, S: 0.06~0.45%, Al: 0.001~0.015%, T[O]: 0.002~0.010%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 빌렛을 1100~1300℃에서 100분 이상 균열처리하는 단계, 상기 균열처리한 빌렛을 선재로 압연하는 단계, 상 기 압연된 선재를 800~900℃에서 권취하는 단계 및 상기 권취된 선재를 490~510℃까지 3.0~7.0℃/sec 의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 단계를 포함하여 냉간인발 가공성이 우수한 선재를 제조하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 상기 성분계의 선재를 상기 조건하에서 균열처리, 압연, 귄취 및 냉각하여 페라이트 상분율 및 페라이트 밴드 구조를 제어하므로써 냉간인발 가공성이 우수한 선재 및 상기 선재의 제조방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 조건에 부합하는 성분계를 갖는 선재는 초석 페라이트와 펄라이트의 2상조직으로 이루어져 있다. 상기 선재를 압연하고 냉각한 후에 미세조직을 관찰하면 압연방향으로 연속적인 페라이트가 늘어져서 위치한다.

본 발명은 이를 제어하기 위하여 페라이트 상분율을 5~15% 범위로 제어하고 페라이트 밴드의 두께를 4~6㎛범위로 유지한다. 선재는 상기 페라이트 상분율과 페라이트 밴드의 두께의 범위를 갖는 경우 적정한 연성, 경도를 갖고 냉간인발시 좋은 가공성을 나타낸다.

이하, 본 발명의 성분계에 대하여 상세히 설명한다.

(성분계)

탄소(C) : 0.3~0.7 중량%

탄소는 기계적 성질을 확보하기 위하여 첨가되는 원소로서 탄소의 함량이 0.3 중량% 미만인 경우에는 목표하는 기계적 성질을 확보하지 못한다. 반면에, 탄소의 함량이 0.7 중량%를 초과하는 경우에는 경한 펄라이트 조직이 증가하여 강도는 증가하나, 피삭성이 감소하게 된다. 따라서 탄소의 함량은 0.3~0.7 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

실리콘(Si) : 0.1~0.5 중량%

실리콘은 탈산제로 작용하여 강 중의 산소농도를 낮추는 역할을 한다. 실리콘의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우에는 탈산의 효과가 크지 않다. 반면에, 0.5 중량%를 초과하는 경우에는 경질의 고융점 개재물 또는 SiO₂ 단독 개재물이 형성되어 오히려 피삭성을 크게 훼손한다. 따라서 실리콘의 함량은 0.1~0.5 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

망간(Mn) : 1.0~2.0 중량%

망간은 황(S)과 반응하여 MnS 개재물을 형성하기 때문에 황에 의한 적열 취 성을 방지할 수 있다. 망간의 함량이 1.0 중량% 미만인 경우에는 적열 취성의 방지 효과가 크지 않다. 반면에, 망간의 함량이 2.0 중량%을 초과하는 경우에는 페라이트를 고용 강화시켜서 피삭성을 감소시킨다. 또한, 망간은 탈산제로 작용하여 MnO를 형성하여 MnS개재물의 핵으로도 작용한다. 따라서 망간의 함량은 1.0~2.0 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P) : 0.02~0.10 중량%

인은 입계에 편석되어 피삭성을 향상키는 효과를 나타낸다. 인의 함량이 0.02 중량% 미만인 경우에는 상기 효과가 크게 나타나지 않는다. 반면에 0.10 중량%를 초과하는 경우에는 기계적 성질과 냉간인발 가공성을 확보하기 어렵다. 따라서 인의 함량은 0.02~0.10 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S) : 0.06~0.45 중량%

황은 MnS 개재물을 형성하여 절삭 작업시 구성인선의 생성을 억제하여 절삭공구의 마모를 줄여주고 피삭재의 표면조도를 개선하는 역할을 한다. 황의 함량이 0.06 중량% 미만인 경우에는 MnS 개재물 형성이 용이하지 않는다. 반면에 황의 함량이 0.45 중량%를 초과하는 경우에는 용이하게 저융점의 FeS가 생성되어 소재의 고온 연성을 떨어뜨려 열간 압연이 어려워지는 문제가 있다. 따라서 황의 함량은 0.06~0.45 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al) : 0.001~0.015 중량%

알루미늄은 강탈산제로 작용하여 강 중의 산소농도를 낮추는 역할을 한다. 알루미늄의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우에는 탈산의 효과가 적절하게 나타나지 않는다. 그러나, 알루미늄의 함량이 0.015 중량%를 초과하는 경우에는 경질의 고융점 개재물 또는 Al₂O₃ 단독 개재물이 형성되어 오히려 피삭성을 크게 훼손하는 문제가 있다. 따라서 알루미늄의 함량은 0.001~0.015 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

전산소(T[O]) : 0.002~0.010 중량%

산소는 열간 압연을 할 때 MnS 개재물의 연신에 의하여 피삭성이 저하되는 것을 방지한다. 산소의 함량이 0.002 중량% 미만인 경우에는 상기 효과가 나타나지 않는다. 그러나, 산소의 함량이 0.010 중량%를 초과하는 경우에는 기계적 물성을 확보하기가 어렵다. 따라서 산소의 함량은 0.002~0.010 중량% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.

(제조방법)

1. 균열처리 : 1100~1300℃의 고온 범위에서 100분이상

상기 조성의 빌레트를 고온연성이 제대로 확보될 수 있는 1100~1300℃의 고온 범위에서 100분이상 균열처리하여 소재가 충분히 숙열되도록 한다.

2. 선재압연

상기 균열처리한 빌렛을 조압연 및 사상압연하여 선재로 제조한다.

3. 권취 : 800~900℃

상기 선재압연된 선재를 800~900℃에서 권취한다. 권취온도가 800℃ 미만이면 권취 중에 상변태가 상당히 진행될 수 있어 본 발명에서 원하는 미세조직을 얻기 어렵다. 반면에 권취온도가 900℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 성장하여 최종 상변태 과정을 거친 후 페라이트의 결정립이 조대해지기 때문에 선재의 강도가 저하되는 결과가 나타난다. 따라서 권취온도는 800~900℃ 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

4. 냉각 : 3.0~7.0℃/sec 의 냉각속도로 490~510℃까지 냉각

상기 권취된 선재를 490~510℃까지 3.0~7.0℃/sec의 냉각속도로 냉각한 후 공냉을 실시한다. 다만, 바람직하게는 500℃까지 냉각할 수 있다. 냉각속도가 3.0℃/sec 미만이 되면 초석 페라이트 상분율이 15%를 초과하여 연속형 밴드 구조를 형성하기 용이하고, 냉간인발시 압연방향을 따라 극심한 크랙킹을 유발시킨다.

반면에 7.0℃/sec를 초과하면 초석 페라이트 상분율이 5%미만으로 감소하고, 상대적으로 펄라이트의 상분율이 증가하게 되어, 강도가 상승하고 연성이 저하되기 때문에 최적의 냉간인발 가공성을 얻기가 어렵다.

따라서 우수한 냉간인발 가공성을 확보하기 위해서는 페라이트 상분율을 5~15%로 하는 이상조직을 얻을 수 있도록 냉각속도는 3.0~7.0℃/sec 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명에 의한 선재의 미세조직에 대하여 설명한다.

(미세조직)

1. 페라이트 상분율 : 5~15%

상술한 바와 같이 페라이트 상분율이 5% 미만인 경우에는 상대적인 펄라이트 상분율의 증가로 연성이 저하되어 가공성이 나빠진다. 반면에 15%를 초과하는 경우에는 페라이트 연속형 밴드구조를 용이하게 형성하는 문제점이 있다. 따라서 페라이트 상분율은 5~15% 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

2. 페라이트 밴드의 두께 : 4~6㎛

페라이트 밴드의 두께가 4㎛미만인 경우에는 경도가 260Hv를 초과하게 되고 6㎛를 초과하는 경우에는 경도가 240Hv 미만이 된다. 따라서, 경도가 240Hv 미만이거나 260Hv를 초과하는 경우에는 냉간인발 가공시 크래킹이 매우 많이 발생하므로 페라이트 밴드의 두께는 4~6㎛ 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

(실시예)

중량%로, C: 0.4%, Si: 0.18%, Mn: 1.6%, P: 0.02%, S: 0.3%, Al: 0.0015%, T[O]: 0.0024%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 빌렛을 하기 표 1에 나타난 제조조건으로 가열, 선재압연, 권취 및 냉각을 실시한 후 페라이트 상분율을 측정하였다.

구 분	선재압연 및 냉각공정
	균열온도 (℃)	재로시간 (min)	권취온도 (℃)	냉각속도 (℃/sec)	페라이트 상분율(%)
발명예1	1150	130	850	5.3	7.1
발명예2	1200	120	880	4.3	10.4
발명예3	1270	150	860	6.5	6.2
발명예4	1240	110	840	3.8	12.7
발명예5	1260	140	850	5.9	6.7
비교예1	1250	120	830	2.1	18.6
비교예2	1130	120	860	0.5	25.0
비교예3	1210	130	870	1.4	20.5
비교예4	1260	120	890	8.9	3.8
비교예5	1270	150	840	10.2	3.0

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 발명예1 내지 5는 냉각속도를 3.0~7.0℃/sec 범위로 하여 5~15%의 페라이트 상분율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 비교예1 내지 3은 냉각속도가 3.0℃/sec 미만으로 페라이트 상분율이 15%를 초과하였다. 또한 비교예 4, 5는 냉각속도가 7.0℃/sec를 초과하여 페라이트 상분율이 5%미만이 되는 것을 알 수 있다.

상기 표 1에 나타낸 조건으로 제조된 선재에 대해 연속형 페라이트 밴드 두께, 경도 및 냉간인발 가공성을 평가하여 하기 표 2에 나타내었다.

구 분	페라이트 밴드 두께(㎛)	경도 (Hv)	냉간인발 가공성
발명예1	5	250	양호
발명예2	6	246	양호
발명예3	4	253	양호
발명예4	6	240	양호
발명예5	4	260	양호
비교예1	8	225	불량
비교예2	13	217	불량
비교예3	10	220	불량
비교예4	3	265	불량
비교예5	2	277	불량

페라이트 밴드 두께의 범위가 4~6㎛이면 경도는 240~260Hv 수준으로 냉간인발 가공성이 양호하였다. 페라이트 밴드 두께가 4㎛미만인 경우에는 경도가 260Hv를 초과하였고, 페라이트 밴드 두께가 6㎛을 초과하는 경우 경도는 240Hv미만이 되었다. 경도가 240Hv미만이거나 206Hv를 초과하는 경우 냉간인발 가공시 크래킹이 발생하여서 냉간인발 가공성이 불량하게 평가되었다.

즉, 선재압연 및 냉각공정 제어를 통하여 페라이트 상분율 및 밴드 구조를 최적화 함으로써 우수한 냉간인발 가공성의 확보가 가능하다.

Claims (3)

1. 중량%로, C: 0.3~0.7%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02~0.10%, S: 0.06~0.45%, Al: 0.001~0.015%, T[O]: 0.002~0.010%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 페라이트 상분율이 5~15% 범위이고 페라이트 밴드 두께가 4~6㎛ 범위인 것을 특징으로 하는 냉간인발 가공성이 우수한 선재.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 선재의 경도는 240~260Hv 범위인 것을 특징으로 하는 냉간인발 가공성이 우수한 선재.
3. 중량%로, C: 0.3~0.7%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.02~0.10%, S: 0.06~0.45%, Al: 0.001~0.015%, T[O]: 0.002~0.010%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물의 조성으로 이루어진 빌렛을 1100~1300℃에서 100분 이상 균열처리하는 단계;

   상기 균열처리한 빌렛을 선재로 압연하는 단계;

   상기 압연된 선재를 800~900℃에서 권취하는 단계; 및

   상기 권취된 선재를 490~510℃까지 3.0~7.0℃/sec 의 냉각속도로 냉각한 후 공냉하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간인발 가공성이 우수한 선재의 제조방법.