KR101149249B1 - 조질탄소강급 Ｖ-Ｆｒｅｅ비조질강의 제조방법 - Google Patents

조질탄소강급 Ｖ-Ｆｒｅｅ비조질강의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 탄소(C) 0.20~0.60wt%, 실리콘(Si) 0.30~0.80wt%, 망간(Mn)0.50~1.00wt%, 황(S) 0.020~0.050wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%, 질소(N) 80~180ppm 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 상기 조성를 포함하는 강재를 안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 재가열 온도, 열간압연 마무리 온도 및 냉각속도를 제어한 것이다. 이에 따르면 조질 열처리를 생략함과 아울러 고가의 V를 첨가하지 않고도 조질탄소강과 동등수준의 물성을 갖는 비조질강을 제조한다. 따라서 높은 충격인성이 요구되는 허브와 커넥팅로드 등 자동차 부품에 널리 적용이 가능한 이점이 있다.
조질, 비조질, 탄질화물, V-Free

Description

조질탄소강급 Ｖ-Ｆｒｅｅ비조질강의 제조방법{Method for producing of V-Free microalloyed steel having equality quality of quenching and tempered carbon steel}
본 발명은 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조질 열처리를 실시하지 않고도 조질탄소강과 동등 수준의 기계적 성질을 갖는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.
자동차의 허브 및 커넥팅로드 등은 부품의 특성상 고강도와 인성 등 일정 수준의 기계적 성질이 요구된다. 따라서 이러한 부품들은 탄소강을 열간단조한 후 조질 열처리를 실시하여 요구되는 물성을 확보한다.
조질 열처리는 강을 850℃ 내외로 가열한 후 급냉하여 재질을 경화시키는 소입(Quenching) 열처리와 이를 다시 600℃ 내외의 온도로 가열하고 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering) 열처리로 구분된다.
하지만 최근에는 조질 열처리가 비용 및 생산성면에서 자동차의 가격 경쟁력을 저해한다는 이유로 완성차 메이커를 중심으로 조질 열처리를 생략할 수 있는 비조질강이 개발되고 있다.
그러나 종래 비조질강은 고가의 합금철 투입에 따라 어느 정도의 강도확보는 가능하나 조질 열처리 생략에 따른 원가절감 효과를 기대하기 어려운 실정이다.
그리고, 단순히 고강도를 위한 합금설계는 피삭성 및 인성을 확보할 수 없는 경우가 있어 이에 대한 개선책이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 탄소강에서 시행중인 조질 열처리 생략이 가능하며, 고가의 합금원소를 사용하지 않고도 강도면에서 조질탄소강(S45C급)과 동등한 물성치를 갖는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 탄소(C) 0.20~0.60wt%, 실리콘(Si) 0.30~0.80wt%, 망간(Mn)0.50~1.00wt%, 황(S) 0.020~0.050wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%, 질소(N) 80~180ppm 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도로 가열한 후에, 900~1000℃의 온도로 열간압연을 마무리한다.
상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt%이하, 구리(Cu)는 0.30wt%이하, 니켈(Ni) 은 0.25wt%이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt%이하, 산소(O) 30ppm이하로 함유한다.
상기 강재는 열간압연 후 변태종료온도까지는 50~100℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 이후에는 상온까지 공냉한다.
상기 열간압연된 강재는 1150~1250℃의 온도범위로 가열하여 열간단조하고 공냉한다.
탄소(C) 0.20~0.60wt%, 실리콘(Si) 0.30~0.80wt%, 망간(Mn)0.50~1.00wt%, 황(S) 0.020~0.050wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%, 질소(N) 80~180ppm 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt%이하, 구리(Cu)는 0.30wt%이하, 니켈(Ni) 은 0.25wt%이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt%이하, 산소(O) 30ppm이하로 함유한다.
본 발명은 탄,질화물을 형성하는 Al과 N을 첨가와 열간압연 조건의 제어로 강도와 인성 및 충격치가 확보되는 비조질강을 제조한다. 이러한 비조질강은 조질탄소강과 동등 수준의 물성을 가지면서도 가공성이 우수하여 허브와 커넥팅로드 같은 자동차 부품에의 적용이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 조질 열처리 생략에 따른 제조공정 단순화로 비용절감과 생산성 향상의 효과를 갖는다.
특히, 본 발명은 고가의 합금원소인 V를 첨가하지 않고도 높은 항복비를 나타내는 비조질강을 제조하므로 자동차 부품 시장에서 경쟁력이 향상되는 유용한 효과를 갖는다.
이하 본 발명에 의한 조질탄소강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명의 비조질강은 탄소(C) 0.20~0.60wt%, 실리콘(Si) 0.30~0.80wt% , 망간(Mn) 0.50~1.00wt%, 인(P) 0.030wt%이하, 황(S) 0.020~0.050wt% 구리(Cu) 0.30wt%이하, 니켈(Ni) 0.25wt%이하, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 몰리브덴(Mo) 0.10wt%이하, 알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%, 산소(O) 30ppm이하, 질소(N) 80~180ppm 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명은 고가의 V을 첨가하지 않고, 대신 Si, Mn, Cr의 함량을 증가시켜 강도를 확보한다. 그리고 V의 미첨가로 인해 발생되는 항복비 및 충격치의 저하는 탄,질화물의 결정립 미세화와 균일화를 통해 확보한다.
즉, C, Si, Mn, Cr, Al 및 N의 정확한 조성범위로 강도를 확보하고, Al 및 일정량의 N의 첨가와 페라이트 강화에 효과적인 Si의 적극 첨가를 통해 탄,질화물 의 결정립 미세화와 균일화를 도모한다.
미세하고 균일하게 분포되는 탄,질화물은 초석 페라이트의 석출 사이트(site)로 작용하여 페라이트의 미세석출을 유도함으로써 항복비와 충격치를 향상시킨다.
본 발명의 비조질강은 고가의 V를 첨가하지 않고도 70kgf/mm2 이상의 인장강도와 3kgf/cm2 이상의 충격치를 갖는다.
이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.
탄소(C) 0.20~0.60wt%
탄소(C)는 강의 강도와 경도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소는 함량이 높을 수록 강도가 증가하나 0.06wt%를 초과하면 인성이 저하되고 기계적 가공성을 저하시킨다. 그리고 탄소의 함량이 0.20wt% 미만이면 강도가 저하된다.
실리콘(Si) 0.30~0.80wt%
실리콘(Si)은 페라이트 기지 강화 및 제강시 유효한 탈산제로 사용된다. 실리콘은 0.30wt% 미만이면 강의 탈산 효과가 불충분하고, 0.80wt%를 초과하면 페라이트 변태를 촉진시켜 인성을 저하시킨다.
망간(Mn) 0.50~1.00wt%
망간(Mn)은 소입성과 강도를 향상시키고 고온에서 소성을 증가시켜 주조성을 좋게한다. 특히, 망간은 유해성분인 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.
따라서 망간은 0.50wt%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 과잉으로 첨가하면 오히려 인성을 저하시키므로 망간의 함유량을 0.50~1.00wt% 범위로 설정한다.
인(P) 0.030wt%이하
인(P)은 편석성 원소로서 Fe3P라는 화합물을 형성하여 강의 인성을 저하시키고, 충격 저항을 저하시키므로 함량을 0.030wt% 이하로 제한한다.
황(S) 0.020~0.050wt%
황(S)은 MnS를 형성하여 강의 피삭성을 개선한다. 황은 함유량이 과다하면 열간 가공성을 저하시키고 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물을 형성하여 표면처리시 결함의 원인이 되므로 0.020~0.050wt%의 범위로 제한한다.
구리(Cu) 0.30wt%이하
구리(Cu)는 강도 상승의 효과가 있지만 과다 첨가되면 인성의 현저한 저하와 열간가공성의 열화를 초래하므로 0.30wt% 이하로 제한한다.
니켈(Ni) 0.25wt%이하
니켈(Ni)은 강의 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키는 효과를 가진다. 하지만 니켈은 과다 첨가되면 부품의 제조원가를 높여 비용증가를 초래하는 원소이므로 0.25wt% 이하로 제한한다.
크롬(Cr) 0.10~0.50wt%
크롬(Cr)은 망간과 더불어 강의 강도를 높이며 펄라이트 콜로니를 세분화하고 연성을 향상시킨다. 그러나 과다하게 첨가되면 강의 인성이 저하되고 동시에 가공성과 피삭성이 저하된다. 따라서 적정함량 범위를 0.10~0.50wt%로 설정한다.
몰리브덴(Mo) 0.10wt%이하
몰리브덴(Mo)은 강도와 인성의 향상에 효과가 크다. 그러나 과다 첨가되면 노말라이징(Normalizing)과 같은 열처리시 경도를 현저히 상승시켜 부품 가공성을 떨어뜨리고, 고가의 원소로 제조원가를 높인다. 따라서 몰리브덴은 함유량을 0.10wt% 이하로 제한한다.
알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%
알루미늄(Al)은 강력한 탈산제 및 탄화물형성 원소이다. 고용된 알루미늄은 열간단조 후 냉각시 탄,질화물로 석출되어 페라이트 핵생성 사이트를 제공하여 결정입자를 미세화한다.
이러한 효과를 발휘하기 위해서는 0.020wt% 이상의 첨가가 필요하다. 하지만 알루미늄의 과도한 첨가는 오히려 Al2O3와 같은 비금속개재물의 양을 증가시켜 슬라 브 품질저하 및 주편터짐의 문제를 유발하므로 0.050wt% 이하로 제한한다.
산소(O) 30ppm이하
산소(O)는 강 중의 산화성 원소와 결합하여 비금속개재물을 형성하여 강의 기계적 성질 및 피로특성을 저해하므로 그 함량을 30ppm 이하로 제한한다.
질소(N) 80~180ppm
본 발명의 질소는 열간단조 후 냉각시 알루미늄과 결합하여 질화물(AlN)을 형성시켜 페라이트의 핵생성 사이트로 작용하여 조직을 미세화시키며 충격치와 항복비를 향상시킨다. 그러나 과도한 첨가는 강재 표면의 결함을 발생시키고 강재의 단조성을 저해한다. 따라서 80~180ppm 범위로 제한한다.
여기서, 하한치를 제시하진 않은 원소는 불순물 개념으로 첨가하지 않아도 무방하다. 하지만 강도 및 피삭성에 기여하는 측면이 있어 상한치를 둔다.
상술한 성분계를 갖는 V미첨가 강은 Al과 N을 첨가하더라도 AlN의 고용온도가 VC나 VN의 고용온도에 비해 높아 재가열시 미고용 AlN이 강재에 잔류할 수 있다. 이러한 미고용 AlN은 열간단조 후 강재의 냉각시 조대하게 성장하므로 페라이트의 핵생성 사이트나 결정립 미세화의 역할을 수행하기에 부족하다.
따라서 V가 미첨가되고 Al이 0.020~0.040wt%, N이 80~180ppm으로 함유되는 본 발명의 열간단조용 강재의 경우 탄,질화물을 최대한 고용한 후 석출시키기 위해 열간압연 조건의 제어가 중요하다.
[열간압연 조건]
상술한 합금성분을 갖는 강재를 내부응력 제거 및 안정한 탄,질화물의 미세 한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도범위로 가열하고 900~1000℃에서 열간 마무리 압연을 행한 후 냉각한다.(도 1참조)
이때, 재가열온도가 낮으면 AlN석출물들이 완전히 용해되지 않은 상태로 남아 있어 열간압연후에도 조대한 석출물이 많이 남기 때문에 최소 1200℃이상의 온도에서 재가열해야 한다.
열간 마무리 압연 온도는 열간압연 후 냉각전까지 강재의 조직이 오스테나이트 조직을 갖도록 한다. 이는 탄,질화물을 최대한 고용하여 열간 마무리 압연 후 냉각시 각종 탄,질화물이 미세하게 석출되도록 하기 위함이다.
마무리 열간압연 후에는 변태종료온도까지 50~100℃/sec의 냉각속로로 냉각하여 최종조직이 미세한 페라이트-펄라이트 조직을 갖도록 한다. 그리고 이후에는 상온까지 공냉한다. 여기서 변태종료온도는 600℃내외이다.
냉각속도는 50℃/sec보다 느리면 석출물이 조대해지고, 100℃/sec보다 빠르면 결정립이 너무 미세해져 강도를 상승시켜 인성이 감소될 수 있다.
[열간단조]
열간압연 후에는, 1150~1250℃의 온도범위에서 열간단조하고 공냉하여 부품형상으로 제조한다. 열간단조 온도는 1150보다 낮으면 가공이 어렵고, 1250℃보다 높을 경우 가공성의 열화가 발생할 수 있다.
이하, 상술한 조질탄소강급 비조질강 및 그 제조방법을 실시예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
아래의 표 1은 각각의 성분 요소가 다른 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.
실시예1 내지 실시예3은 표 1의 합금설계에 따라 진공유도용해로(50kg)에서 용해/응고한 후 1250℃에서 재가열하여 균질화 처리하고 파일럿(Pilot)압연기에서 φ32의 공시재로 압연하였다.
그리고 압연된 공시재를 1inch의 크기로 선삭한 후 실제 양산시와 유사한 조건을 적용하기 위해 가열온도 1200℃에서 HTN(High Temperature Normalizing)를 실시한 후 인장시험편(KS4호) 및 충격시험편(KS3호)으로 가공하여 시험하였다.
비교예1과 비교예2는 비조질강으로 표 1의 합금설계에 따라 진공유도용해로(50kg)에서 용해/응고한 후 열간압연된 소재를 단조(φ32), 선삭(φ25)한 후 가열온도 1200℃에서 HTN(High Temperature Normalizing)를 실시한 후 인장시험편(KS4호) 및 충격시험편(KS3호)으로 가공하여 시험하였다.
비교예3과 비교예5는 조질강이다. 조질열처리는 870℃에서 40분동안 가열한 후 유냉하고 이를 다시 650℃에서 60분동안 가열한 후 공냉하였다.
(잔부 Fe, wt%)
구분 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Al V N
실시예1 0.41 0.34 0.55 0.014 0.033 0.15 0.07 0.20 0.02 0.027 0.012
실시예2 0.40 0.36 0.87 0.015 0.028 0.15 0.05 0.25 0.02 0.044 0.010
실시예3 0.43 0.55 0.74 0.011 0.035 0.12 0.03 0.48 0.01 0.038 0.015
비교예1 0.39 0.25 0.84 0.017 0.035 0.16 0.07 0.15 0.02 0.012 0.10 0.008
비교예2 0.38 0.55 1.50 0.014 0.058 0.17 0.05 0.08 0.02 0.011 0.011
비교예3 0.45 0.20 0.70 0.023 0.012 0.15 0.05 0.10 0.01 0.012 0.065
비교예4 0.47 0.25 0.80 0.011 0.005 0.02 0.01 0.15 0.00 0.007 0.050
비교예5 0.45 0.21 0.65 0.012 0.004 0.11 0.04 0.07 0.01 0.010 0.078
구분
 기계적 성질(kgf/mm2)
TS YS YS/TS IV(kgf-m)
실시예1 70.4 50.0 71.0 4.8
실시예2 74.2 51.2 69.0 4.7
실시예3 82.7 55.4 67.0 5.0
비교예1 86.0 58.9 68.5 4.8
비교예2 84.1 51.3 61.0 6.4
비교예3 74.0 54.4 73.5 13.8
비교예4 77.2 58.1 75.3 12.4
비교예5 71.1 50.5 71.0 14.3
[TS:인장강도, YS:항복강도, YS/TS:항복비, IV(Impact Value):충격치]
표 1과 표 2를 살펴보면, 실시예1 내지 실시예3은 비조질강으로서, 인장강도와 항복비가 조질 열처리를 실시한 비교예 3 내지 비교예 5와 동등한 수준을 나타냄을 알 수 있다. 또한 쾌삭성 원소인 S의 첨가에 따라 부품의 가공성이 더 좋음을 알 수 있다.
비교예1은 V첨가 비조질강으로서, 양호한 강도와 항복비 및 충격치를 나타내고 있음을 알 수 있다. 그러나 V첨가에 따른 가격향상이 우려되어 조질 열처리 생략에 따른 원가절감 효과를 기대하기 어렵다.
비교예2는 V미첨가 비조질강으로서, V미첨가에 따른 항복비 하락이 나타나고 있다. 따라서 항복비의 향상을 위해서는 합금성분의 추가적 첨가가 요구됨을 알 수 있다.
비교예3 내지 비교예5는 70kgf/mm2 이상의 인장강도와 3kgf/cm2 이상의 충격치를 만족함을 알 수 있다. 그러나 조질 열처리를 필요로 하므로 제조원가를 상승시키는 문제점이 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 조질탄소강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법을 보인 열처리 공정도.

Claims (6)

  1. 탄소(C) 0.20~0.60wt%, 실리콘(Si) 0.30~0.80wt%, 망간(Mn)0.50~1.00wt%, 황(S) 0.020~0.050wt%, 크롬(Cr) 0.10~0.50wt%, 알루미늄(Al) 0.020~0.050wt%, 질소(N) 80~180ppm 및 나머지 Fe과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를
    안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도로 가열한 후에,
    900~1000℃의 온도로 열간압연을 마무리하는 것을 특징으로 하는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 불순물 중 인(P)은 0.030wt%이하, 구리(Cu)는 0.30wt%이하, 니켈(Ni) 은 0.25wt%이하, 몰리브덴(Mo)은 0.10wt%이하, 산소(O) 30ppm이하로 함유하는 것을 특징으로 하는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 강재는 열간압연 후 변태종료온도까지는 50~100℃/sec의 냉각속도로 냉각하고 이후에는 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열간압연된 강재는 1150~1250℃의 온도범위로 가열하여 열간단조하고 공냉하는 것을 특징으로 하는 조질탄소강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
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