KR101130258B1 - 경화능이 우수한 석출물 재고용형 고탄소강 및 그 제조 방법 - Google Patents

경화능이 우수한 석출물 재고용형 고탄소강 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고탄소강의 석출경화 원소로 바나듐(V)만을 사용함으로써, 담금질 열처리시 결정립 성장을 통해 두꺼운 제품의 심부 경화능이 우수한 석출경화형 고탄소강을 제공하는 것이다.
이를 위하여 본 발명은 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부가 철(Fe)로 이루어지고 950℃ 이상의 온도에서 담금질 열처리하여 바나듐 석출원소가 재고용되어 경화능을 증가시키는 석출물 재고용형 고탄소강의 제조방법을 제공한다.
고탄소강, 석출경화, 바나듐, 담금질 열처리, 재고용, 경화능

Description

경화능이 우수한 석출물 재고용형 고탄소강 및 그 제조 방법{PRECIPITATION RESOLUBLE HIGH CARBON STEEL WITH EXCELLENT HARDENABILITY AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
도 1은 본 발명에 따른 소재의 경화능을 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 소재의 담금질 열처리시 미용해 상태인 질화알루미늄(AlN) 석출물을 나타내는 투과 전자현미경사진(TEM)과 전자현미경 분석사진(EPMA)이다.
본 발명은 고탄소강 및 고탄소강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 두꺼운 제품의 담금질 열처리시 석출원소 바나듐(V)이 재고용되어 심부 경화능이 우수한 석출물 재고용 고탄소강 및 그 열처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기지에 고용된 석출경화형 원소들은 기지조직내의 고용탄소와 결합하여 탄화물로 석출하게 된다.
그러나, 종래의 기술에 따른 석출경화형 원소들이 첨가되어 제조된 석출경화형 강의 경우, 이러한 석출물들이 일반적인 담금질온도인 800～1100℃에서 용해되 지 않고 담금질시 결정립 성장에 장애물로 작용하여 결정립을 세립화시키게 된다.
이에 따라 모상의 강도가 높아져 마르텐사이트 변태시 전단변형이 힘들어지므로 경화능이 감소하는 현상이 나타난다.
열처리할 제품의 크기가 작은 경우, 결정립크기에 따른 경화능의 감소 효과는 담금질열처리로 100% 마르텐사이트 조직을 얻는 완전담금질에 영향을 주지 않지만, 제품의 크기와 두께가 커짐에 따라 제품의 심부에서는 완전 담금질된 100% 마르텐사이트 조직을 얻지 못하게 되는 문제가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 고탄소강의 석출경화 원소로 바나듐(V)만을 사용함으로써, 담금질 열처리시 결정립 성장을 통해 경화능이 우수한 석출경화형 고탄소강을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고탄소강의 석출경화 원소로 바나듐(V)만을 사용함으로써, 담금질 열처리시 결정립 성장을 통해 경화능이 우수한 석출경화형 고탄소강의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00%, 기타 불가피한 불순물과 잔부가 철(Fe)로 이루어진 용강을 연속주조하여 슬라브(slab)로 주조하는 단계;와 상기 주조된 슬라브를 가열로에 장입하고 재가열한 다음 열간압연하는 단계; 와 상기 열간압연된 소재를 냉간압연과 풀림 열처리 그리고 가공공정을 거쳐 제품을 제조하는 단계; 그리고 상기 제조된 제품에 대하여 950～1100℃ 범위의 담금질 온도에서 10분 이상 유지한 다음 급냉하여 담금질 열처리를 하는 단계; 를 포함하는 석출물 재고용형 고탄소강의 제조방법을 제공한다.
이러한 본 발명은 담금질 열처리를 한 제품에 대하여 360～470℃ 또는 650～700℃의 온도 범위에서 뜨임(tempering)열처리를 실시하는 것이 보다 바람직하다.
또한 본 발명은 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부가 철(Fe)로 이루어지고 950℃ 이상의 온도에서 담금질 열처리하여 바나듐 석출원소가 재고용되어 경화능을 증가시키는 것을 특징으로 하는 석출물 재고용형 고탄소강을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 경화능이 우수한 석출물 재고용 고탄소강은 950℃ 이상의 온도 범위에서 담금질(quenching) 열처리시 석출원소(V)가 재고용되어 경화능이 증가할 수 있도록 설계되고 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00%, 기타 불가피한 불순물(S, P등) 그리고 잔부가 철(Fe)로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 경화능이 우수한 석출물 재고용 고탄소강의 제조방법에 대하여 설명한다.
먼저 본 발명의 합금조성 범위를 갖도록 원료를 용융하여 용강을 제조한 다음, 용강을 연속주조하여 슬라브(slab)로 주조한다.
주조된 슬라브는 가열로에 장입하고 재가열한 다음 열간압연을 통해 판재로 제조한다.
계속해서 2차 냉간압연과 풀림 열처리 그리고 판금공정을 거쳐 제품형상으로 제조하게 된다.
이와 같이 제조된 제품에 대하여 먼저, 담금질 열처리를 실시한다.
담금질 열처리는 제품을 가열로에 장입하고 담금질 온도 즉, 가열온도를 950～1100℃로 하여 가열한 다음, 이 가열온도에서 10분 이상 유지하고 냉각수 또는 냉각유와 같은 냉각매를 이용하여 급냉한다.
여기서, 담금질 열처리시의 가열온도를 950～1100℃으로 설정하고 유지시간을 10분 이상으로 유지하는 이유는 제품의 기지조직 내에 조대하게 석출된 바나듐(V)탄화물을 재고용 시키기 위한 것이다.
티타늄(Ti)이나 니오브늄(Nb) 그리고 몰리브덴(Mo) 등과 같은 다른 석출경화형 원소의 경우에는 용해온도가 높기 때문에 담금질 열처리 온도를 올리더라도 일반적인 담금질 열처리 온도범위인 800～1100℃에서는 탄화물의 용해가 충분히 진행되지 않고 석출물 들이 기지조직내에 잔류하게 된다.
그러나 본 발명에서와 같이 바나듐(V)만을 첨가한 경우 바나듐(V)탄화물은 900℃이상부터 용해가 시작되어 950℃ 이상에서는 용해속도와 양이 급격하게 증가하므로 담금질 열처리 중에도 오스테나이트 결정립크기를 과대하게 만들지 않으면서 석출경화형 원소(V)를 기지 중에 재고용 시킬 수 있다.
한편, 담금질 가열 온도가 1100℃보다 높은 경우에는 열처리 온도가 높아 석출물의 용해가 일부 일어나기 시작하나 고온 가열로 인한 제품의 변형 위험이 상존 하므로 일반적인 열처리 공정에서는 담금질 열처리 온도를 1100℃ 이상으로 유지하는 경우는 드물다.
그리고 담금질시 가열 유지시간은 제품의 두께에 따라 10분 이상을 유지하되 생산성 및 바나듐(V)의 용해도를 고려하여 최소로 조절하는 것이 바람직하다.
이상과 같이 담금질 열처리를 한 제품에 대하여 뜨임(tempering)열처리를 실시한다.
이 때 뜨임 열처리시의 뜨임 온도는 360～470℃ 또는 650～700℃가 바람직하다.
본 발명에서 뜨임 온도는 경화능과의 관계가 없으므로 중요한 인자는 아니지만, 종래의 석출경화형 고탄소강과 달리 본 경화능이 우수한 석출물 재고용형 고탄소강은 바나듐(V)탄화물이 담금질 열처리시 용해되고, 이미 석출된 다른 석출경화원소가 없으므로 설계된 석출경화 효과를 얻기 위해서는 일반적인 뜨임 온도보다 고온에서 뜨임할 필요가 있다.
또한 일반적인 저온 뜨임 취성(템퍼드 마르텐사이트 취성) 구간인 290～350℃ 범위와 고온 뜨임 취성(뜨임 취성) 구간인 480～650℃) 범위를 피하여 뜨임하는 것이 좋다.
뜨임 시간은 저온역에서 뜨임 열처리를 할 경우 확산이 활발하지 못하므로 고온역영에서 뜨임 열처리를 실시하는 경우보다 길게 유지하는 것이 적당하다.
이하 본 발명에 따른 열처리 조건으로 고탄소강을 열처리한 실시예를 설명한다.
<실시예>
중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00%, 기타 불가피한 불순물(S, P등) 그리고 잔부가 철(Fe)로 이루어 조성을 갖는 경화능이 우수한 석출물 재고용형 고탄소강을 용해하여 50kg의 잉곳트(ingot)로 주조하고 직경 25mm의 봉상으로 가공하였다.
가공된 봉상의 시편을 가열로에 장입하고 850～1200℃에서 10～30분간 가열한 다음 담금질을 실시하였다.
담금질을 실시한 시편에 대하여 조미니 시험을 실시하여 경화능을 측정하였고, 그 결과를 아래 표 1과 도1에 나타내었다.
구분 시편의 주요 조성
(wt %)		 담금질온도
(℃)		 유지시간
(min)		 표면경도
(HRC)		 심부경도
(HRC)
실시예 1 C:0.86, V:0.48, Al:0.02 1000 30 58.0 35.6
비교예 1 C:0.85, V:0.42, Al:0.28 1000 30 62.7 15.6
비교예 2 C:0.84, Ti:0.38, Al:0.19 1000 30 58.3 10.2
비교예 3 C:0.83, Nb:0.44, Al:0.33 1000 30 57.2 12.3
상기 표1과 도1에 나타나 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 석출물 재고용형 고탄소강은 석출원소로 바나듐(V)만이 첨가된 강의 경우(실시예1) 담금질 열처리시 석출물의 재고용이 일어나므로 석출물에 의해 결정립 성장이 방해받지 않아서 높은 경화능을 가지게 된다.
그러나 종래의 고탄소강에서와 같이 바나듐(V) 대신에 티타늄(Ti) 또는 니오브늄(Nb) 등과 같은 다른 석출원소가 첨가된 경우(비교예2, 3) 석출물이 용해되는 온도가 높기 때문에 담금질 열처리시 석출원소의 재고용이 일어나지 않아서 석출물 로 인해 결정립 성장이 제약되므로 표면의 경도는 비슷하거나 높게 나타낸다.
이러한 결과와는 대비되게, 종래 방법에 따라서 고탄소강(비교예1,2,3)을 열처리할 경우 제품의 심부에서는 낮은 경화능으로 인하여 100% 마르텐사이트를 얻을 수 없기 때문에 심부경도가 낮아지게 된다.
또한 석출원소로 바나듐(V)이 첨가되었으나 알루미늄(Al)의 함량이 매우 높게 첨가된 강의 경우(비교예1), 담금질 열처리시 바나듐(V) 석출물은 재용해되어, 다른 석출원소를 첨가한 경우보다는 경화능이 좋으나, 알루미늄(Al)이 강중에 고용된 질소(N)와 결합하여 도2에서 나타낸 바와 같이 질화알루미늄(AlN) 탄화물을 형성하므로 역시 결정립 성장에 방해를 받게 되어 경화능이 저하된다.
이상 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 석출물 재고용형 고탄소강은 이상 설명한 실시예에 한정되는 것은 아니고 본 발명의 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 석출물 재고용형 고탄소강은 석출경화형 원소(V)의 효과를 최대로 이용할 수 있으므로 석출경화 효과를 이용하면서도 우수한 경화능을 이용하여 기존의 석출경화형 고탄소강에서는 불가능 하였던 대형 제품의 열처리가 가능하므로 고탄소강의 마르텐사이트 강화효과와 함께 이용할 수 있는 기술적효과가 있다.

Claims (3)

  1. 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00%, 기타 불가피한 불순물과 잔부가 철(Fe)로 이루어진 용강을 연속주조하여 슬라브(slab)로 주조하는 단계;
    상기 주조된 슬라브를 가열로에 장입하고 재가열한 다음 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연된 소재를 냉간압연과 풀림 열처리 그리고 가공공정을 거쳐 제품을 제조하는 단계; 그리고
    상기 제조된 제품에 대하여 950～1100℃ 범위의 담금질 온도에서 10분 이상 유지한 다음 급냉하여 담금질 열처리를 하는 단계;
    를 포함하는 석출물 재고용형 고탄소강의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금질 열처리를 한 제품에 대하여 360～470℃ 또는 650～700℃의 온도 범위에서 뜨임(tempering)열처리를 실시하는 단계;
    를 더욱 포함하는 석출물 재고용형 고탄소강의 제조방법.
  3. 중량 %로 C:0.25～1.3%, V: 0.05～1.2%, Mn:0.20～1.80%, Si:0.10～1.00% 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부가 철(Fe)로 이루어지고 950℃ 이상의 온도에서 담금질 열처리하여 바나듐 석출원소가 재고용되어 경화능을 증가시키는 것을 특징 으로 하는 석출물 재고용형 고탄소강.
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