KR101074297B1 - 강재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 강재의 제조 방법으로서, 선행단계 열간 가공 종료 후에 반제품 강재(4)를 보온조(7)에 도입하고, 상기 강재를 복열시키고, 반제품 강재의 변태 잠열에 의해 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 30분 이상 보온하여 반제품 강재를 펄라이트 변태시킴으로써, 선행단계 열간 가공(1)과 후속단계 열간 가공 사이에 행하는 중간 소둔(3)을 행하는 강재의 제조 방법이다. 바람직하게는, 보온조에 도입된 반제품 강재는 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온되고, 중간 소둔 후의 상기 강재의 경도를 300HB 이하로 조절할 수 있다.
펄라이트 노즈, 변태 완료점, 마르텐사이트, 중간 소둔, 열간 가공, 반제품 강재, 경화능

Description

강재의 제조 방법{PROCESS FOR PRODUCING STEEL MATERIAL}
본 발명은 펄라이트 노즈(pearlite nose)의 변태(變態) 완료점이 30분 이상인 강재의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 선행단계(preceding-step) 열간 가공, 후속단계(subsequent-step) 열간 가공, 및 상기 선행단계 열간 가공과 상기 후속단계 열간 가공 사이에 반제품 강재(semi finished steel products)의 중간 소둔(燒鈍) 공정을 포함하는 강재의 제조 방법에 관한 것이다.
열간 단조, 열간 압연과 같은 선행단계 열간 가공 후에, 후속단계로서 추가로 열간 단조나 열간 압연 등의 후속단계 열간 가공으로 강재를 처리하는 경우, 상기 강재가 매우 높은 경화능(hardenability)을 가진다면, 선행단계의 열간 가공이 종료되어 대기중에 방치하여 냉각시키면 금속 조직은 단단한 마르텐사이트 조직(martensitic structure)으로 변하여, 단시간에 크랙이 일어난다. 따라서, 선행단계 열간 가공 후에는, 후속단계의 열간 단조나 열간 압연 등의 열간 가공 전에, 신속하고도 신중하게 강재를 가열로에서 중간 소둔하는, 독립된 공정을 실시하여, 금속 조직을 펄라이트화하여 강재의 경도를 낮출 필요가 있었다.
구체적으로는, 예를 들면 전술한 선행단계 열간 가공 → 중간 소둔 → 후속단계 열간 가공과 같은 종래 방법의 열 이력을 도 2에 나타내면, 열간 단조나 열간 압연 등의 열간 가공 공정(1)을 종료하고, 피가공 강재(반제품 강재)는 냉각된다(도 2에서의 2). 그리고 신속하게 가열로에 도입(도 2에서의 25)하여 소둔 공정(3)이 진행되도록 한다. 소둔 공정에서는 Ac 3점 이상의 원하는 온도(도 2에서의 26)로 가열 및 유지를 행하여, 완전히 오스테나이트 변태시키도록 관리하고, 냉각 공정에서 매우 높은 경화능을 가진 반제품 강재라도 펄라이트 변태를 충분히 일으키는 서냉(도 2에서의 27, 28, 29)이 되도록 관리하여 중간 소둔을 종료한다. 중간 소둔된 반제품 강재는 금속 조직의 조정과 함께 경도도 낮게 조정되어 후속단계의 열간 가공의 소재로 된다.
펄라이트 변태를 일으키기 위한 서냉을 행하는 하나의 수단으로서, 일본국 특개평8-260058호(특허문헌 1 참조)에는 단열재를 설치한 특별한 냉각실의 적용이 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본국 특개평8-260058호 공보
발명이 해결하고자 하는 과제
전술한 바와 같이, 특히 경화능이 높은 금속 조성을 가지는 강재를 제조하는 경우, 그것의 온도 제어가 어렵기 때문에 열간 가공 공정 후의 반제품 강재를 일단 냉각한 후, 특별한 중간 소둔을 적용하는 방법으로 실행되었다.
상세히 설명하면, 통상 열간 가공 공정 후의 반제품 강재의 중간 소둔은 금속 조직을 펄라이트화하고, 강재의 크랙을 일으키지 않고 경도를 저하시키기 위해, 변태점을 반복해서 통과시키는 것이 상식으로 생각되고 있다. 이 때문에, 열간 가공에서 안정한 오스테나이트 조직을 형성하고, 그 후, 강재를 마르텐사이트 변태역, 또는 베이나이트 변태역까지 냉각한다. 그 후, 반제품 강재를 가열로에 도입하여 Ac3점 이상에서 완전히 오스테나이트 변태시킨 다음, 신중하게 서냉하는 방식의, 변태를 반복하는 중간 소둔이 필요하게 된 것이다.
또, 특별한 냉각실에서 서냉하는 기술을 개시하는 전술한 특개평8-260058호 공보에 설명된 바와 같이, 일반적인 서냉 방법으로서 냉각실을 적용하면, 냉각 속도를 3.3℃/분 정도까지 늦출 수 있고, 크랙과 같은 문제를 방지할 수 있게 되고, 금속 조직도 펄라이트 변태된 강재를 얻을 수 있다. 그러나, 특히 일반 강재보다 훨씬 높은 경화능을 가지는, 예를 들면 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상의 금속인 JIS SKD61의 경우, 특개평8-260058호 공보에 기재된 약 3℃/분인 레벨로 냉각을 행하면 경도를 저하시키지 않고 소둔 상태를 얻을 수 없다.
이와 같이, 일반 강재보다 훨씬 높은 경화능을 가지는 강재, 예를 들면 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 금속으로 이루어지는 강재에 대해, 종래 필수로 되어 있던 선행단계 열간 가공과 후속단계 열간 가공 사이의 독립된 중간 소둔 공정에 대해, 이것을 효율화할 수 있는 기술, 및 확실히 펄라이트 변태를 일으키면서도 경도를 저하시키는 기술은 확립되어 있지 않았다.
본 발명의 목적은, 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 매우 높은 경화능의 금속으로 이루어지는 강재의 중간 소둔에 있어서, 가열로를 사용하지 않고도 가열로를 사용한 중간 소둔과 동등한 효과를 얻을 수 있는 강재의 제조 방법을 제공하는 것이다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은 전술한 과제를 감안하여 이루어진 것이다.
즉, 본 발명은 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 강재의 제조 방법에 있어서, 상기 제조 방법이 선행단계 열간 가공, 후속단계 열간 가공, 상기 선행단계 열간 가공과 상기 후속단계 열간 가공 사이에 행하는 중간 소둔을 포함하고, 상기 중간 소둔이 상기 선행단계 열간 가공의 종료 후의 반제품 강재를 보온조(保溫槽)에 도입하고, 상기 강재를 복열(復熱)시키고, 상기 반제품 강재의 변태 잠열(潛熱)에 의해 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 30분 이상 보온하여 상기 반제품 강재를 펄라이트 변태시키는 공정을 포함하는, 강재의 제조 방법이다.
바람직하게는, 상기 보온조에 도입한 상기 반제품 강재를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온하는 강재의 제조 방법이다.
보다 바람직하게는, 상기 보온조에 도입한 상기 반제품 강재를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±10℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온하는 강재의 제조 방법이며, 더욱 바람직하게는, 상기 보온조로의 상기 반제품 강재의 도입 시의 반제품 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+100℃로부터 펄라이트 노즈의 변태 완료점-200℃까지의 범위인 강재의 제조 방법이다.
보다 바람직하게는, 상기 반제품 강재의 중간 소둔 후의 경도가 300HB 이하인 강재의 제조 방법이다.
본 발명의 강재의 제조 방법은, 상기 반제품 강재의 중량이 500kg 이상인 것에 대해 특히 바람직하다.
또한, 본 발명의 제조 방법은, 질량%로, C: 0.10∼2.0%, Si: 2.0% 이하, Mn: 2.0% 이하, Cr: 1.0∼15.0%, Mo: 10.0% 이하를 함유하고, 추가로 Ni: 4.0% 이하, V: 4.0% 이하, W: 20.0% 이하, Co: 10.0% 이하 중 어느 1종 이상을 함유하고, 잔부는 실질적으로 Fe로 이루어지는 화학 조성을 가지는 반제품 강재로의 적용이 특히 바람직하다.
발명의 효과
본 발명의 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 강재의 중간 소둔 방법은, 가열로를 사용하지 않고 보온조에 도입하고, 강재의 펄라이트 변태 잠열을 이용하여 보온함으로써, 중간 소둔과 동일한 효과를 나타내는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 중간 소둔의 일례를 나타내는 히트 패턴(heat pattern)의 모식도이다.
도 2는 종래의 중간 소둔의 일례를 나타내는 히트 패턴의 모식도이다.
도 3은 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 모식도이다.
도 4는 SKD61의 펄라이트 노즈의 변태 완료점을 나타내는 TTT 곡선의 모식도이다.
도 5A는 본 발명에 따른 보온조의 일례의 밀폐되지 않은 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 5B는 도 5A의 보온조의 측면 모식도이다.
도 5C는 도 5A의 보온조의 밀폐된 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 5D는 도 5C의 보온조의 측면 모식도이다.
도 6A는 본 발명에 따른 보온조의 다른 예의 밀폐되지 않은 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 6B는 도 6A의 보온조의 측면 모식도이다.
도 6C는 도 6A의 보온조의 밀폐된 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 6D는 도 6C의 보온조의 측면 모식도이다.
도 7A는 본 발명에 따른 보온조의 또 다른 예의 밀폐되지 않은 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 7B는 도 7A의 보온조의 측면 모식도이다.
도 7C는 도 7A의 보온조의 밀폐된 상태를 나타내는 정면 모식도이다.
도 7D는 도 7C의 보온조의 측면 모식도이다.
도 8은 본 발명에 따른 보온조의 또 다른 예를 나타내는 모식도이다.
이하에서, 본 발명을 상세히 설명한다.
펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 강재의 제조 방법으로서는, 예를 들면, 용해된 강을 주조함으로써 강괴(鋼塊)를 제조하는 용해 공정, 이 용해 공정에서 얻어진 강괴에 복수회의 열간 가공을 실시하는 공정을 포함하고, 열간 가공과 열간 가공 사이에는 중간 소둔이 행해진다. 중간 소둔 후에 열간 가공된 재료 에는 어닐링(annealing)이나 급랭(quenching) 및 템퍼링(tempering) 등의 열처리가 행해질 수 있다.
본 발명에서 말하는 중간 소둔이란, 전술한 바와 같이 선행단계 열간 가공과 후속단계 열간 가공 사이에 행하는 소둔이라고 정의된다. 예를 들면, 열간 프레스 - 소둔(1회째) - 열간 단조(cogging) - 소둔(2회째) - 열간 압연 - 소둔(3회째)인 강재의 제조 공정인 경우라면, 1회째와 2회째의 소둔이 본 발명에서 말하는 중간 소둔이다.
본 발명에서는 엄밀한 온도 제어를 위해 독립적인 중간 소둔이 필요하다고 생각된 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 양호한 경화능을 가진 강재를 대상으로 한다.
한편, 본 발명의 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 강재로서는, 예를 들면 SKD11, SKD61, SKT4 등의 합금 공구강이 대표적이다. 본 발명에 따른 강재의 소둔 방법은, 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 60분 이상인 강재에 적용시 더욱 효과적이다. 보다 바람직하게는, 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 90분 이상인 강재, 그보다 더 바람직하게는 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 2시간 이상인 강재에 적용시 효과적이다.
펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정은 이하와 같이 행할 수 있다.
예를 들면, SKD61의 강재의 금속 조직을 오스테나이트화하고, 이것을 A1 점 이하의 적당한 온도까지 급랭하고, 그 온도로 유지하면, 소정의 시간이 경과되었을 때 펄라이트 변태가 시작되고, 시간의 경과와 함께 변태는 종료된다. 변태가 종료 되기 전에 냉각하면 잔류하는 오스테나이트가 마르텐사이트화되므로, 경도 측정에 의해 변태가 종료될 때까지의 시간을 구할 수 있다.
이와 같은 실험을 각 온도에서 행하고, 각각의 변태 종료점을 그래프 상에 플롯하고, 각각을 곡선으로 연결하면 도 4와 같은 선도(TTT 곡선)을 얻을 수 있다. 이 곡선에 있어서, 특정 온도에서 경도가 급격히 저하되는 최단시간에 있는 부분이 펄라이트 노즈의 변태 완료점이다. 금속 조직적으로는 오스테나이트를 확인할 수 없게 된다.
예를 들면, SKD61의 경우, 열간 단조 온도로 가열된 강재를 700℃∼775℃의 온도 범위에서, 25℃ 간격으로 유지된 가열로에 도입하고, 2, 5, 15, 24시간 유지하고, 상기 온도와 시간으로 유지된 강재를 가열로에서 꺼내어 공냉하고, 강재의 경도를 측정하여, 경도가 급격히 저하되는 최단시간인 750℃의 5시간 부근이 펄라이트 노즈의 변태 완료점이다.
한편, 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상이라는 것을 도 3에 의해 설명하면, 종축을 유지 온도(℃), 횡축을 유지 시간(분)으로 한 TTT 곡선에서, 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 유지 시간 30분에 위치하는 것을 펄라이트 노즈의 변태 완료점 30분이라 칭하고(도 3에 점선으로 나타낸 곡선), 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분을 포함하여 장시간 유지측에 위치하는 것을 펄라이트 노즈의 변태 완료점 30분 이상이라고 칭한다(도 3에 실선으로 나타낸 곡선).
본 발명에서는 전술한 펄라이트 노즈의 변태 완료점이 30분 이상인 양호한 경화능을 가진 강재를 대상으로 하여 규정된 중간 소둔을 행한다. 이하에서, 본 발명에 규정된 중간 소둔 방법의 이유를 도 1에 나타낸 히트 패턴을 이용하여 상세히 설명한다.
열간 단조나 열간 압연 등의 열간 가공 공정(도 1에서의 1)이 완료된 반제품 강재는 냉각된다(도 1에서의 2: 열간 가공 후 냉각 공정). 열간 가공 후 냉각 공정의 도중에 반제품 강재를 보온조에 도입하고, 소둔 공정(3)을 진행한다. 반제품 강재를 보온조에 도입하여 반제품 강재의 표면 온도를 복열시킨다(도 1에서의 21).
복열이란, 반제품 강재를 보온조에 도입함으로써 반제품 강재 내부로부터의 열전도와 보온조 벽으로부터의 복사열에 의해 강재 표면 온도를 상승시켜, 반제품 강재 내부 온도와 반제품 강재 표면 온도의 온도차를 감소시키는 것이다. 이렇게 함으로써 반제품 강재의 변태 잠열에 의한 보온을 행하는 준비를 하는 것이다.
계속해서, 반제품 강재의 변태 잠열에 의해 보온조 중에서 보온(도 1에서의 22)한다. 본 발명의 경우, 보온은 반제품 강재가 변태할 때 생기는 발열을 이용한다. 즉, 본 발명에 있어서는, 반제품 강재의 변태 잠열을 이용하여 반제품 강재를 일정한 범위의 온도와 시간으로 보온하여 반제품 강재를 펄라이트 변태시킨다. 따라서, 보온하는 온도 범위 및 보온에 소요되는 시간이 매우 중요해진다.
본 발명에서, 보온 조건은 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 30분 이상이다. 이와 같이 특정 온도역에서 장시간 유지함으로써 종래에 얻을 수 없었던 소둔 상태를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는 반제품 강재의 변태 잠열을 이용할 수 있다는 것을 발견한 결과이므로 효율이 매우 높다. 이하에서 상세히 설명한다.
본 발명에 있어서, 보온 온도를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃로 한 이유는, 이 온도 범위가 펄라이트 변태가 더 짧은 시간에 완료되는 온도 범위이며 변태 잠열을 이용하여 경도를 낮출 수 있기 때문이다. 보온 시에 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃를 초과하는 온도 영역이면, 펄라이트 변태가 종료할 때까지 더 긴 시간이 걸리기 때문에 비경제적이며, 금속 조직이 거칠어지기 쉽다는 문제를 일으킨다. 또한, 펄라이트 노즈의 변태 완료점-20℃ 미만의 온도 영역에서는 펄라이트 변태가 종료할 때까지 더 긴 시간이 걸리기 때문에 비경제적이며, 펄라이트 변태가 일어나기 어려워질 뿐 아니라, 경도의 저하가 불충분해지는 경우가 있다. 바람직한 온도 범위는 펄라이트 노즈의 변태 완료점±10℃의 온도 범위이다.
보온 시간을 30분 이상으로 한 이유는, 30분 미만이면 펄라이트 변태가 충분히 진행되지 않는 경우가 있고, 탄화물의 석출 부족에 의한 연화(軟化) 부족, 크랙 등의 결함이 생기기 때문이다. 바람직한 보온 시간은 1시간 이상이고, 더욱 바람직하게는 2시간 이상이다. 보온 시간의 더욱 바람직한 범위는 2∼24시간이다.
이 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온함으로써, 중간 소둔 후의 경도를 300HB 이하로 할 수 있고, 중간 소둔재로서 적합한 것이 된다. 바람직한 중간 소둔 후의 경도는 270HB이고, 더욱 바람직하게는 250HB 이하이다.
한편, 보온조에 반제품 강재를 도입하는 바람직한 온도는, 반제품 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+100℃ 내지 펄라이트 노즈의 변태 완료점-200℃ 범위 내이다.
이것은, 반제품 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+100℃를 초과하는 온도역에서 반제품 강재를 도입하면, 반제품 강재의 복열에 의해 반제품 강재의 온도가 지나치게 높아져서 금속 조직이 더 거친 조립(coarse grain)으로 되기 쉽다. 이 금속 조직의 조대화(粗大化)는, 펄라이트 노즈의 변태 완료점+200℃ 이상의 온도역에서 현저해지기 때문에, 보온조에 반재품 강재를 도입하는 바람직한 상한 온도는 반제품 강재의 복열을 고려하여, 펄라이트 노즈의 변태 완료점+100℃로 했다.
반제품 강재를 도입한 후에 반제품 강재 표면의 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+200℃를 초과하게 되면, 후술하는 보온조의 일부를 개방하여 반제품 강재의 온도 상승을 억제하는 것이 바람직하다.
보온조에 반제품 강재를 도입하는 바람직한 하한 온도는 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점-200℃로 했다. 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점-200℃ 미만인 온도역으로 되면, 반제품 강재가 보온조 내에서 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃까지 복열되기 어려워지기 때문이다. 바람직한 보온조에 반제품 강재를 도입하는 온도의 범위는, 반제품 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+50℃ 내지 펄라이트 노즈의 변태 완료점-150℃이고, 더욱 바람직하게는 펄라이트 노즈의 변태 완료점+50℃ 내지 펄라이트 노즈의 변태 완료점-100℃이다. 여기서, 강재 표면의 최고 온도란, 강재 전표면 중 가장 온도가 높은 영역의 온도를 의미한다.
본 발명에 있어서, 반제품 강재 표면에 초점을 두는 이유는, 반제품 강재 내 부에는 열간 가공의 열이 아직 남아 있어서, 외기에 노출된 표면이 온도가 가장 낮은 위치이기 때문에, 본 발명에서는 반제품 강재 표면의 온도로 규정한다. 한편, 반제품 강재 표면의 온도의 측정은, 예를 들면, 방사 온도계에 의해 측정할 수 있다.
본 발명에서 말하는 보온조란, 반제품 강재를 덮는 부재, 예를 들면, 상자형 또는 덮개형 부재를 말한다.
이 보온조는 가열원을 갖지 않은, 예를 들면 상자형이나 덮개형 부재의 내부에 단열재를 제공하여 밀폐 공간을 구성하고, 반제품 강재의 변태 잠열에 의해 반제품 강재를 일정한 범위의 온도와 시간으로 보온하여, 반제품 강재를 펄라이트 변태시킬 수 있는 구조이면 된다. 보온조에는, 예를 들면 보온조 일부에 열전대 온도계를 삽입하기 위한 구멍이나 보온조 내부의 강재의 색조를 육안으로 확인하기 위한 구멍, 또는 반제품 강재 표면 온도를 조정하기 위한 개폐가능한 구조의 개구부를 설치할 수도 있고, 완전히 외기와 차단하는 밀폐 공간을 반드시 형성해야 하는 것은 아니다.
보온조의 구조는, 예를 들면 도 5A∼5D에서 정면도 및 측면도의 모식도로 나타낸 바와 같은, 보온조 베이스(5)에 보온조 상측 덮개(6)를 씌워서 반제품 강재(4)를 둘러싸는 밀폐 공간을 형성하는 구조의 보온조(7)로 할 수도 있고, 예를 들면, 도 6A∼6D에서 정면도 및 측면도의 모식도로 나타낸 바와 같은, 보온조 하측 덮개(8)의 내부에 반제품 강재(4)를 놓고, 보온조 상측 덮개(6)를 씌워서 강재(4)를 둘러싸는 밀폐 공간을 형성하는 구조의 보온조(7)로 할 수도 있고, 도 8에 나타 낸 바와 같은, 보온조 베이스(5)에 반제품 강재(4)를 놓고, 레일(11)을 주행 가능한 이동 차륜(10)이 설치된 보온조(7)를 화살표 방향으로 주행시켜 반제품 강재(4)를 둘러싸는 밀폐 공간을 형성하는 트럭형 구조일 수도 있다. 이 경우, 보온조(7)를 고정하고, 보온조 베이스에 이동 차륜을 설치하여 보온조 베이스를 이동시킬 수도 있다.
본 발명에 있어서, 보온조의 구조를 어떻게 할 것인가는, 반제품 강재의 형상, 중량을 고려하면 되고, 예를 들면 환봉(丸捧) 반제품 강재에서 부하에 의한 붕괴가 염려되는 경우에는, 예를 들면 도 7A 및 7C의 구조와 같이, 보온조 하측 덮개(7)의 단면 형상을 삼각형으로 하고, 환봉 강재(4)를 수용하고 보온조 상측 덮개(6)를 씌우는 것도 가능하다. 이 경우는, 보온조 하측 덮개(8)가 뒤집어지는 것을 방지하는 보온조 하측 덮개 전도방지 부재(9)를 설치하는 것이 바람직하다. 또한, 도 7A∼7D에서는 보온조 하측 덮개 전도방지 부재(9)는 기둥형인 것을 일례로 나타냈지만, M자형 또는 V 블록과 같은 단면 형상을 가질 수도 있다.
또, 예를 들면 강괴를 열간 단조한 대형 반제품 강재인 경우에는, 도 5C 및 5D, 도 6A∼6D, 도 7A∼7D의 구조인 보온조를 사용하는 것이, 작업성, 작업의 안전성 측면에서 유리하다. 한편, 도시된 모식도는 도 5A, 5B, 6A, 6B 및 도 7A, 7B가 밀폐 공간이 형성되지 않은 상태이고, 도 5C, 5D, 6C, 6D, 및 도 7C, 7D가 밀폐 공간이 형성된 상태이다.
본 발명에서는, 상기와 같은 보온조를 이용하여 반제품 강재를 보온하는 소둔 공정(3)을 실시하고, 보온조로부터 반제품 강재를 인출(도 1에서의 23)하여 서 냉 공정(도 1에서의 24)을 실시하여, 소둔 공정(3)을 종료시킨다.
본 발명에서는, 반제품 강재의 중량이 1개당 500kg 이상인 대형 반제품 강재에 대한 적용이 특히 바람직하다. 이것은, 중량이 500kg 이상인 대형 반제품 강재인 경우에는 전술한 복열로부터 변태 잠열에 의해 보온하고, 펄라이트 변태하는 데 충분한 보온 시간으로 하는 데 필요한 열량도 확보할 수 있기 때문이다. 한편, 반제품 강재 1개당 중량이 1ton 이상인 대형 반제품 강재에 적용하면 전술한 효과를 더욱 발휘할 수 있고, 4ton 이상인 반제품 강재이면 전술한 효과를 충분히 발휘할 수 있다.
이상, 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 반제품 강재의 펄라이트 변태 잠열을 이용하여 보온함으로써 금속 조직을 마르텐사이트 구조로 하지 않고, 종래의 가열로를 사용한 중간 소둔과 동등한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 말하는 강재(steel products)라 함은, 압연, 단조, 인발 등의 가공에 의해, 원하는 형상으로 가공된 강을 의미한다. 본 발명에서 말하는 반제품 강재란, JIS 용어에서 말하는 강편(鋼片)에 해당하고, 열간 가공에 의해 상기 강재로 되는 것을 말한다. 예를 들면, JIS 용어에서 말하는 슬래브(slab), 블룸(bloom), 빌릿(billet), 시트 바(sheet bar) 또는 직경이 130mm를 넘는 원형 형상의 강편을 의미한다.
보온조 내의 반제품 강재 충전율은 15% 이상이면 전술한 본 발명의 효과를 보다 확실히 얻을 수 있다.
이것은, 반제품 강재 충전율이 15% 이상이면, 반제품 강재의 열량이 크기 때 문에 복열까지의 시간이 단축되고, 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 여유를 가진 보온 효과를 얻을 수 있기 때문이다. 반대로, 15% 미만이면, 장입량이 적기 때문에 비경제적이고, 반제품 강재의 열량이 작기 때문에 복열까지 시간이 오래 걸리고, 또한 보온조 내의 단열 효과를 높이지 않으면 안되는 경우가 있기 때문이다.
바람직한 상한은 95%이고, 100%가 되면 반제품 강재와 동일한 치수의 보온조가 필요하여 반제품 강재 치수의 자유도가 없어져서 사용성이 나빠진다. 따라서, 바람직한 상한은 95%로 하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 반제품 강재의 제조 방법은, JIS에서 규정하는 공구강의 범주에 속하는 합금에 대해 유효하다. 그중에서도, 다음 조성을 가지는 합금에 대해 특히 유효하다. 이하의 각 원소의 함유량은 질량%이다.
C: 0.10∼2.0%
C 함유량을 0.10%∼2.0%로 한 것은 C가 0.10% 미만이면 C가 결정 그레인 내부까지 확산되지 않고 결정 그레인 내에 탄화물이 석출되지 않으며, 충분히 펄라이트 변태가 진행되지 않는 경우가 있다. 가장 낮은 함량이더라도 0.1% 이상 함유하는 것이 바람직하다. 탄소 함량이 2.0%를 초과하면, 탄화물이 과다하게 되어 인성을 저하시킨다. 바람직하게는 C: 0.20∼0.60%이다.
Si: 2.0% 이하
Si는 용해 시의 탈산제로서 첨가된다. 그러나 다량으로 첨가하면 인성이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 2.0% 이하로 했다. 바람직하게는 0.15∼1.20%이 다.
Mn: 2.0% 이하.
Mn은 용해 시의 탈산 및 탈황제로서 첨가된다. 그러나 다량으로 첨가하면 인성이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 2.0% 이하로 했다. 바람직하게는 0.30∼1.00%이다.
Cr: 1.0∼15.0%
Cr은 경화능을 향상시키고, 인장 강도나 인성을 개선한다. 그러나, 다량으로 함유하면 역으로 인성이 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 1.0∼15.0%로 했다. 바람직하게는 1.0∼13.0%이다.
Mo: 10.0% 이하
Mo는 경화능을 향상시킨다. 또한, 템퍼링에 의해 미세한 탄화물을 형성하고, 고온 인장 강도를 증대시킨다. 그러나, 다량으로 함유하면 역으로 인성이 저하된다. 따라서 10.0% 이하로 했다. 바람직하게는 0.20∼5.0%이다.
이하의 Ni, V, W, Co는 선택 원소이며, 1종 이상을 함유한다.
Ni은 경화능을 향상시키고, 인성을 개선한다. 그러나, 다량으로 함유하면 변태점을 낮추어 고온 강도를 저하시킨다. 따라서 Ni를 함유하는 경우에는 4.0% 이하로 한다. 바람직하게는 2.0% 이하이다.
V: 4.0% 이하
V는 결정 그레인을 미세하게 하여 인성을 향상시킨다. 또, 템퍼링에 의해 경도가 높은 탄질화물(carbonitride)을 형성하여 인장 강도를 증대시킨다. 그러 나, 다량으로 함유하면 인성을 저하시킨다. 따라서 V를 함유하는 경우에는 4.0% 이하로 한다. 바람직하게는 0.10∼1.10%이다.
W: 20.0% 이하
W는 경화능을 향상시킨다. 또한, 템퍼링에 의해 미세한 탄화물을 형성하고, 고온 인장 강도를 증대시킨다. 그러나, 다량으로 함유하면 인성을 저하시킨다. 따라서 W를 함유하는 경우는 4.0% 이하로 한다. 바람직하게는 0.10∼1.10%이다.
Co: 10.0% 이하
Co는 적열 경성(red-heat hardness)을 증대시킨다. 다량으로 함유하면 인성을 저하시킨다. 따라서 Co를 함유하는 경우는 10.0% 이하로 했다.
잔부는 실질적으로 Fe이다.
본 발명에서는 이상과 같이 규정되는 원소 이외에는 실질적으로 Fe로 하는데, 불가피하게 함유하는 불순물도 당연히 포함된다. 또, 예를 들면 Nb, Ti는 결정 그레인을 미세화하는 데에 효과적인 원소이기 때문에, 인성이 열화되지 않을 정도의 0.20% 이하의 범위로 함유시킬 수도 있다.
Al은 탄소의 확산을 빠르게 하는 원소로서, 펄라이트 변태에서 탄화물의 석출을 촉진시키는 효과가 있기 때문에 0.20% 이하의 범위로 함유시킬 수 있다.
실시예
도 1을 이용하여 이하의 실시예에서 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
JIS SKD61(No. 1 강), JIS SKT4 강(No. 2 강), JIS SKD11(No. 3 강)의 3종류의 합금을 대기중 용해시켜 제조하여, 표 1에 나타내는 화학 조성을 가지는 강괴를 얻었다.
[표 1]
No. C Si Mn Cr Ni Mo V 잔부 JIS 강종
1 0.40 1.0 0.4 5.0 - 1.4 0.7 Fe 및 불가피한 불순물 SKD61
2 0.55 0.2 0.8 1.2 1.6 0.3 0.1 Fe 및 불가피한 불순물 SKT4
3 1.50 0.2 0.4 11.7 - 0.8 0.2 Fe 및 불가피한 불순물 SKD11
상기 3종류의 강괴를 이용하여, 열연 단조한 반제품 강재로부터, 펄라이트 노즈의 변태 완료점을 측정하는 시험편을 채취했다.
No. 1의 화학 성분을 가진 반제품 강재(JIS 강종(鋼種) SKD61)의 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정은, 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정 시험편을 열연 단조 온도(1,150℃)로 가열하고, 그 후 700℃∼775℃의 온도 범위에서 25℃ 간격으로 유지된 가열로에 도입하여, 2, 5, 15, 24시간 유지시켰다. 등온 유지를 완료한 후, 시험편을 가열로에서 꺼내어 공냉하고, 시험편의 경도를 측정했다. 경도가 가장 단시간 유지하여 낮아지는 점을 펄라이트 노즈의 변태 완료점으로 추정한 결과, No. 1 반제품 강재의 펄라이트 노즈의 변태 완료점은 750℃의 5시간 부근이었다.
No. 2의 화학 성분을 가진 반제품 강재(JIS 강종 SKT4)의 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정은, 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정 시험편을 열연 단조 온도(1,150℃)로 가열하고, 그 후 600℃∼750℃의 온도 범위에서 25℃ 간격으로 유지된 가열로에 도입하여, 2, 5, 10, 24, 48시간 유지시켰다. 등온 유지를 완료한 후, 시험편을 가열로에서 꺼내어 공냉하고, 시험편의 경도를 측정했다. 경도가 가장 단시간 유지하여 낮아지는 점을 펄라이트 노즈의 변태 완료점으로 추정한 결과, No. 2 반제품 강재의 펄라이트 노즈의 변태 완료점은 650℃의 10시간 부근이었다.
No. 3의 화학 성분을 가진 반제품 강재(JIS 강종 SKD11)의 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정은, 펄라이트 노즈의 변태 완료점의 측정 시험편을 열연 단조 온도(1,150℃)로 가열하고, 그 후 675℃∼775℃의 온도 범위에서 25℃ 간격으로 유지된 가열로에 도입하여, 2, 5, 10, 24시간 유지시켰다. 등온 유지를 완료한 후, 시험편을 가열로에서 꺼내어 공냉하고, 시험편의 경도를 측정했다. 경도가 가장 단시간 유지하여 낮아지는 점을 펄라이트 노즈의 변태 완료점으로 추정한 결과, No. 3 반제품 강재의 펄라이트 노즈의 변태 완료점은 725℃의 2시간 부근이었다.
다음으로, 전술한 No. 1∼No. 3의 화학 조성을 가진 열간 단조 후의 반제품 강재를 이용하여 중간 소둔을 실시했다. 열간 단조 후의 반제품 강재의 치수는 No. 1 조성의 A 반제품 강재의 경우 430mm(t)×430mm(w)×3000mm(l)×2개이고 중량은 약 8600kg이었고, No. 2 조성의 B 반제품 강재의 경우 520mm(t)×830mm(w)×2400mm(l)×2개이고 중량은 약 8000kg, No. 3 조성의 C 반제품 강재의 경우 370mm(t)×370mm(w)×3500mm(l)×2개이고 중량은 약 7500kg이었다. 이러한 반제품 강재는 JIS 용어로 말하는 빌릿 또는 블룸에 해당하고, 중간 소둔 후에는 열간 가공에 의해 강재로 되는 소재이다.
구체적인 열간 단조 - 중간 소둔의 조건은 이하와 같다.
반제품 강재 No. A는 1250℃에서 열간 단조(도 1에서의 1)를 행한 후, 방냉에 의한 열간 가공 후 냉각 공정(도 1에서의 2)으로 넘어갔다. 열간 가공 후 냉각 공정의 도중에 도 5A 및 5B에 나타낸 바와 같이, 강재(4)를 보온조 베이스(5)에 올 려놓고, 중간 소둔(3)을 준비했다. 반제품 강재 표면의 최고 표면 온도를 방사 온도계로 측정하여 620℃에서 보온조 상측 덮개(6)로 강재(4)를 덮고, 보온조(7)로의 강재(4)의 도입을 완료했다. 보온조의 강재 충전율은 35.6%였다.
반제품 강재를 도입한 후, 보온조에 부착한 쉬스 열전대(sheath thermocouple)로 반제품 강재의 표면 온도를 측정했다. 반제품 강재는 보온조 내에서 800℃까지 복열된 후(도 1에서의 21), 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 범위 내(730∼770℃)에서 5시간 보온(도 1에서의 22)하여 반제품 강재를 펄라이트 변태시켰다. 반제품 강재는 500℃에서 보온조로부터 인출하여(도 1에서의 23), 방냉했다(도 1에서의 24).
반제품 강재 No. B는 1250℃에서 열간 단조(도 1에서의 1)를 행한 후, 방냉에 의한 열간 가공 후 냉각 공정(도 1에서의 2)으로 넘어갔다. 열간 가공 후 냉각 공정의 도중에 도 5A 및 5B에 나타낸 바와 같이, 강재(4)를 보온조 베이스(5)에 올려놓고, 중간 소둔을 준비했다. 반제품 강재 표면의 최고 표면 온도를 방사 온도계로 측정하여 600℃에서 보온조 상측 덮개(6)로 강재(4)를 덮고, 보온조(7)로의 강재(4)의 도입을 완료했다. 보온조의 강재 충전율은 33.2%였다.
반제품 강재를 도입한 후, 보온조에 부착한 쉬스 열전대로 반제품 강재의 온도를 측정했다. 반제품 강재는 보온조 내에서 700℃까지 복열된 후(도 1에서의 21), 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 범위 내(630∼670℃)에서 15시간 보온(도 1에서의 22)하여 반제품 강재를 펄라이트 변태시켰다. 반제품 강재는 500℃에서 보온조로부터 인출하여(도 1에서의 23), 방냉했다(도 1에서의 24).
반제품 강재 No. C는 1150℃에서 열간 단조(도 1에서의 1)를 행한 후, 방냉에 의한 열간 가공 후 냉각 공정(도 1에서의 2)으로 넘어갔다. 열간 가공 후 냉각 공정의 도중에 도 5A 및 5B에 나타낸 바와 같이, 강재(4)를 보온조 베이스(5)에 올려놓고, 중간 소둔을 준비했다. 반제품 강재 표면의 최고 표면 온도를 방사 온도계로 측정하여 680℃에서 보온조 상측 덮개(6)로 강재(4)를 덮고, 보온조(7)로의 강재(4)의 도입을 완료했다. 보온조의 강재 충전율은 30.7%였다.
반제품 강재를 도입한 후, 보온조에 부착한 쉬스 열전대로 반제품 강재의 온도를 측정했다. 반제품 강재는 보온조 내에서 850℃까지 복열된 후(도 1에서의 21), 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 범위 내(705∼745℃)에서 4시간 보온(도 1에서의 22)하여 반제품 강재를 펄라이트 변태시켰다. 반제품 강재는 500℃에서 보온조로부터 인출하여(도 1에서의 23), 방냉했다(도 1에서의 24).
비교예로서, 비교예 반제품 강재 No. D의 재질은 JIS 강종 SKD61, 비교예 반제품 강재 No. E의 재질은 JIS 강종 SKT4, 비교예 반제품 강재 No. F의 재질은 JIS 강종 SKD11로 하고, 열연 단조 후, 냉각 속도가 50℃/h가 되도록 조정하는 냉각을 행했다. 냉각 속도, TTT 곡선 및 경도로부터 판단하여, 펄라이트 노즈의 변태 완료점보다 단시간인 쪽을 통과하는 것으로 판단할 수 있었다.
한편, 재질이 동일한 비교예에서 사용한 반제품 강재와, 본 발명의 예에서 사용한 반제품 강재는, 열간 단조 조건, 열간 단조 후의 강재의 치수는 동일하게 했다.
추가로, 종래예로서, 도 2에 나타낸 조건으로 소둔을 행했다. 한편, 종래예 의 반재품 강재 No. G의 재질은 JIS 강종 SKD61, 종래예의 반재품 강재 No. H의 재질은 JIS 강종 SKT4, 종래예의 반재품 강재 No. I의 재질은 JIS 강종 SKD11이다.
이들 종래예 반제품 강재는 열간 단조 공정(1) 후, 공냉하여(도 2에서의 2) 가열로에 도입(도 2에서의 25)하고 소둔 공정(3)으로 넘어갔다. 소둔 공정에서는 Ac3 점 이상의 온도(도 2에서의 26)로 가열 및 유지하고, 완전히 오스테나이트 변태시키고, 서냉(도 2에서의 27, 28, 29)하여 중간 소둔을 종료했다. 도 2에서의 점선은 Ac3 점을 나타낸다.
한편, 재질이 동일한 비교예에서 사용한 반제품 강재오, 본 발명예에서 사용한 반제품은, 열간 단조 조건, 열간 단조 후의 강재의 치수는 동일하게 하고, Ac3 점 이상의 소둔 온도와 그 유지 시간은, 반제품 강재 No. D는 870℃×5h, 반제품 강재 No. E는 750℃×5h, 반재품 강재 No. F는 870℃×5h로 했다.
표 2에 본 발명의 예, 비교예, 및 종래예의 중간 소둔 후의 반제품 강재의 금속 조직, 경도의 결과를 나타낸다. 한편, 보온조에 도입한 강재를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±10℃의 온도 범위 내의 보온 시간은, 반제품 강재 No. A가 2.5시간, 반제품 강재 No. B가 7.5시간, 반제품 강재 No. C가 2시간이었다.
[표 2]
반제품
강재
No.		 JIS
강종		 펄라이트노즈의
변태종료점±20
℃의 냉각속도
(℃/h)		 펄라이트노즈의
변태종료점±20
℃의 통과시간
(h)		 중간소둔
후의
금속 조직		 중간소둔
후의 경도
(HBW)		 비고
A SKD61 8.0 5.0 펄라이트 207 본
발
명
B SKT4 2.7 15.0 펄라이트 229
C SKD11 10.0 4.0 펄라이트 248
D SKD61 50.0 0.8 펄라이트 +
마르텐사이트		 444
비
교
예
E SKT4 50.0 0.8 펄라이트 +
마르텐사이트		 477
F SKD11 50.0 0.8 펄라이트 +
마르텐사이트		 495
G SKD61 20.0 2.0 펄라이트 201 종
래
예
H SKT4 20.0 2.0 펄라이트 223
I SKD11 20.0 2.0 펄라이트 207
표 2로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 방법을 적용한 반제품 강재 No. A, 반제품 강재 No. B 및 반제품 강재 No. C는, 동일한 재질로 비교하면, 중간 소둔 후의 금속 조직, 경도가 모두 종래예의 반제품 강재 No. G, 반제품 강재 No. H 및 반제품 강재 No. I와 동등하다.
또, 냉각 속도가 빠르고, 펄라이트 노즈의 변태 완료점보다 단시간인 쪽을 통과하는 비교예 반제품 강재 No. D, 반제품 강재 No. E 및 반제품 강재 No. F는 동일한 재질로 비교하면, 본 발명에 따른 방법의 중간 소둔을 적용한 반제품 강재 No. A, 반제품 강재 No. B 및 반제품 강재 No. C와는 금속 조직도 상이하고, 또한 경도도 높아지는 결과로 나타났다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법에 의하면, 가열로를 사용하지 않고 중간 소둔을 행할 수 있었다.
본 발명에 따른 방법의 중간 소둔을 적용한 반제품 강재 No. A, 반제품 강재 No. B, 반제품 강재 No. C와, 종래 방법의 중간 소둔을 적용한 반제품 강재 No. G, 반제품 강재 No. H, 반제품 강재 No. I는 중간 소둔 후에 후속단계 열간 가공(열간 단조)을 실시하여 강재로 가공했지만, 문제점 없이 후속단계 열간 가공을 실시할 수 있었다.
본 발명에 따른 강재의 제조 방법에 의하면, 강재의 펄라이트 변태 잠열을 이용하여 보온함으로써, 금속 조직을 마르텐사이트로 만들지 않고, 가열로를 이용한 중간 소둔과 동등한 효과를 얻을 수 있기 때문에, 예를 들면 강재를 육상이나 해상으로 수송하는 시간을 이용하여 소둔을 행하는 것도 가능하고, 강재의 유통을 촉진하여 에너지 절감에도 더욱 공헌할 수 있다.

Claims (7)

  1. 펄라이트 노즈(pearlite nose)의 변태(變態) 완료점이 30분 이상인 강재(鋼材)의 제조 방법에 있어서,
    상기 제조 방법이, 선행단계(preceding-step) 열간 가공, 후속단계(subsequent-step) 열간 가공, 및 상기 선행단계 열간 가공과 상기 후속단계 열간 가공 사이에 행하는 중간 소둔(燒鈍)을 포함하고,
    상기 중간 소둔은, 상기 선행단계 열간 가공에 의해 얻어진 중량 500 kg 이상인 반제품 강재를 보온조에 도입하고, 상기 강재를 복열(復熱)시키고, 상기 반제품 강재의 변태 잠열에 의해 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 30분 이상 보온하여 상기 반제품 강재를 펄라이트 변태시키는 공정을 포함하며, 또한,
    상기 보온조에의 상기 반제품 강재의 도입은, 반제품 강재 표면의 최고 온도가 펄라이트 노즈의 변태 완료점+100℃로부터 펄라이트 노즈의 변태 완료점-200℃까지의 범위로 냉각한 시점에서 행하는 것인 강재의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보온조에 도입된 상기 반제품 강재를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±20℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온하는, 강재의 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 보온조에 도입된 상기 반제품 강재를 펄라이트 노즈의 변태 완료점±10℃의 온도 범위 내에서 2시간 이상 보온하는, 강재의 제조 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반제품 강재의 중간 소둔 후의 경도(hardness)가 300HB 이하인, 강재의 제조 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반제품 강재는, 질량%로, C: 0.10∼2.0%, Si: 0% 초과, 2.0% 이하, Mn: 0% 초과, 2.0% 이하, Cr: 1.0∼15.0%, Mo: 0% 초과, 10.0% 이하를 함유하고, 추가로 Ni: 0% 초과, 4.0% 이하, V: 0% 초과, 4.0% 이하, W: 0% 초과, 20.0% 이하, Co: 0% 초과, 10.0% 이하 중 어느 1 종 이상을 함유하고, 잔부는 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는, 강재의 제조 방법.
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