KR101162665B1 - 석출 경화형 고탄소강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석출경화형 고탄소강 및 고탄소강의 열처리 방법에 관한 것으로, 본 발명은 중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 고탄소강을 연속 주조, 압연 그리고 소둔 열처리와 가공공정을 통하여 제품형상으로 제조하는 단계; 상기 제조된 제품을 가열온도는 950～1100℃, 상기 가열온도에서 10분 이상 유지한 다음, 냉각수 또는 냉각유 등에 의하여 급냉하여 담금질 열처리하는 단계를 포함하는 석출경화형 고탄소강의 제조방법을 제공한다.

고탄소강, 담금질, 석출경화, 석출경화형 원소, 템퍼링

Description

석출 경화형 고탄소강 및 그 제조방법{High Carbon steel being Harded by Precipitation and Method for Manufacturing Thereof}

도 1은 본 발명에 따른 고탄소강 제조 공정과 열처리 방법에 따른 석출 탄화물의 거동을 설명하는 개략도이다.

본 발명은 고탄소 열연강판의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 석출경화형 고탄소강 및 고탄소강의 열처리 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고탄소강은 0.3 wt % 이상의 탄소를 함유한 강으로서 강도의 증대 또는 특수목적으로 Mn, Ci, Cr, Mo, Ni, V, Nb 등의 합금원소를 첨가한 경우에는 0.15wt%이상의 탄소가 함유된 것도 고탄소강 으로 분류된다.

고탄소강은 일반 탄소강보다 탄소를 많이 함유하고 있어서 코일형상의 중간 제품을 생산하는 제조공정을 거치면서 가공에 의하여 경도가 높아지거나 열처리 과정에 의하여 탄화물 형성에 의하여 경도가 높아져서 최종 제품을 생산하는 프레스등의 후속 공정이 곤란하다는 문제점이 있다. 이를 위하여 탄화물을 미세화 또는 구상화하기 위한 많은 노력들이 있어 왔다.

또한 고탄소강은 구조용 소재나 기계부품 또는 자동차 부품등에 사용되므로 최종 제품으로 생산된 다음에는 높은 강도를 갖는 것이 요구된다.

따라서 고탄소강은 최종 제품으로 생산되기 이전에는 연성을 가지면서 최종 제품으로 생산된 다음에는 높은 강도를 발휘하여야 하는 모순된 재료특성이 요구된다.

고탄소강의 제조공정은 연속주조 공정에 의하여 슬라브 등으로 제조된 다음 열연, 냉연, 소둔 공정을 거쳐 중간제품인 코일 형상으로 제조되고 이러한 코일을 2차 재압연 공정을 거친 다음 프레스 또는 펀칭등의 정밀가공에 의하여 클러치, 제침, 줄자, 톱날, 문구용 칼, 체인, 와셔 등의 최종제품으로 생산된다.

한편, 고탄소강의 내마모성과 경도를 향상하기 위하여 고탄소강에 석출경화형 원소를 첨가하기도 한다.

이러한 석출경화형 원소들은 기지조직에 고용되어 기지조직내의 고용탄소와 결합하여 탄화물로 석출함으로써 내마모성과 경도를 향상시키게 된다. 또한 고탄소강의 내마모성과 경도는 석출경화형 원소들에 의한 탄화물이 기지조직 내에 미세하게 분포할수록 내마모성과 경도를 더욱 크게 증가시킨다.

그러나, 지금까지 알려진 바에 의하면 이러한 석출경화형 원소가 탄화물로 석출하는 과정이 열연공정 또는 소둔열처리나 소입열처리 중 일어나기 때문에 석출온도가 높아 탄화물의 크기가 조대해지므로 탄화물이 미세하게 분포된 조직에 비하여 내마모성과 경도의 향상이 제한되는 단점이 있었다.

따라서 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 고탄소강의 성분을 V과 Al이 포함되도록 조절하고, 담금질 열처리 온도를 적절히 제어하여 V을 기지조직 내에 재고용 시키고 AlN 석출물을 이용하여 결정립성장을 억제한 다음 템퍼링 열처리시 재고용 되었던 V을 탄화물 형태로 기지조직 내에 미세하게 분포시킴으로써 내마모성과 경도를 향상시킨 고탄소강을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 석출경화형 원소들이 미세한 탄화물 형태로 분산되어 내마모성과 경도가 향상된 고탄소강의 제조방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 기타 석출경화형 원소(Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50% 등) 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 고탄소강을 연속 주조, 압연 그리고 소둔 열처리와 가공공정을 통하여 제품형상으로 제조하는 단계; 상기 제조된 제품을 가열온도는 950～1100℃, 상기 가열온도에서 10분 이상 유지한 다음, 냉각수 또는 냉각유 등에 의하여 급냉하여 담금질 열처리하는 단계를 포함하는 석출경화형 고탄소강의 제조방법을 제공한다.

그리고 본 발명은 이와 같에 제조하는 고탄소강 제조방법에 담금질 열처리 단계 이후에 200~280℃ 또는 380~470℃에서 템퍼링 열처리하는 단계를 더욱 포함한다. 또한 본 발명은 중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 기타 석출경화형 원소(Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50% 등) 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 고탄소강을 연속 주조, 압연 그리고 소둔 열처리와 가공공정을 통하여 제품형상으로 제조하고, 상기 제조된 제품을 가열온도는 950～1100℃, 상기 가열온도에서 10분 이상 유지한 다음, 냉각수 또는 냉각유 등에 의하여 급냉하는 담금질 열처리 조건에 의하여 제조된 석출경화형 고탄소강을 제공한다.

이러한 본 발명에 의한 고탄소강은 상기 담금질 열처리 이후에 200~280℃ 또는 380~470℃에서 템퍼링 열처리를 더 처리하여 제조된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 석출경화형 고탄소강은 중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 기타 석출경화형 원소(Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50% 등) 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어져 있다.

이러한 조성을 갖는 석출경화형 고탄소강은 도 1에 나타나 있는 것과 같이 용융되어 용강으로 제조되고, 연속주조되어 슬라브(slab)로 주조된다. 주조된 슬라브는 가열로에서 재가열되어 열간압연을 통해 판재로 제조된다. 그 후 2차 냉간압연과 소둔열처리, 판금공정을 거쳐 제품형상으로 제조되게 된다.

제조된 제품은 담금질열처리를 하며 이때의 담금질을 위한 가열온도는 950～1100℃로 하며, 이 가열온도에서 10분 이상 유지한 다음, 냉각수 또는 냉각유 등에 의하여 급냉하여 담금질 열처리한다.

여기서, 담금질을 위한 가열온도와 시간이 950～1100℃와 10분 이상으로 유지하는 이유는 기지조직 내에 조대하게 석출된 V탄화물을 재고용 시키기 위한 것이다.

Ti, Nb, Mo 등 다른 석출경화형 원소의 경우에는 용해온도가 높기 때문에 담금질열처리 온도를 올리더라도 탄화물의 용해가 충분히 진행되지 않으며, 담금질열처리온도를 고온으로 충분히 올려 탄화물을 용해시킨 경우에는 오스테나이트 상의 결정립크기가 조대해지므로 급냉했을 때 마르텐사이트 패킷의 크기가 조대하게 되어 내마모성과 경도가 열악해지는 문제점이 있다. 따라서 그 첨가 범위는 Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50% 가 바람직하다.

그러나 V을 첨가한 경우 V탄화물은 900℃이상부터 용해가 시작되어 950℃ 이상에서는 용해속도와 양이 급격하게 증가하므로 담금질열처리 중에도 오스테나이트 결정립크기를 과대하게 만들지 않으면서 석출경화형 원소(V)를 기지 중에 재고용 시킬 수 있다.

더욱이 본 발명의 조성에 Al을 첨가하여 Al이 기지조직에 고용된 N과 결합하여 AlN석출물을 형성하고, 이 AlN 석출물이 오스테나이트 상의 결정립성장을 억제함에 따라 급냉시 마르텐사이트 패킷의 크기가 조대해지지 않도록 조절할 수 있다.

한편, 담금질 가열온도가 1100℃보다 높은 경우에는 온도가 높아 확산이 빨리 일어날 뿐만 아니라 오스테나이트 결정립 성장을 억제하는 역할을 하는 AlN 석출물도 용해되기 시작하여 오스테나이트의 결정립크기를 매우 조대해지게 된다. 이로 인하여 마르텐사이트 패킷의 크기 또한 증가하여 내마모성과 경도가 낮아지게 된다.

따라서, 담금질은 950～1100℃범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

담금질 처리시의 유지시간은 제품의 두께에 따라 10분 이상을 유지하되 생산성 및 V 용해도를 고려하여 최소로 조절하는 것이 바람직하다.

그리고 담금질 후 템퍼링 열처리의 온도는 200~280℃ 혹은 380~470℃ 가 바람직하다.

본 발명에서 템퍼링 온도는 600℃ 이하에서 30분 이상 유지하면 크게 중요한 인자는 아니지만, 일반적으로 290~350℃ 는 저온템퍼링취성(템퍼드 마르텐사이트 취성)구간이며, 480~650℃ 범위는 고온템퍼링취성(템퍼링 취성)이 발생할 수 있는 구간이므로 이 온도 구간을 피하여 템퍼링하는 것이 좋다.

템퍼링 시간은 저온역(200~280℃)에서 템퍼링하는 경우 확산이 활발하지 못하므로 고온역에서 템퍼링하는 경우보다 길게 유지하는 것이 적당하다.

실시예

중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 기타 석출경화형 원소(Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50%) 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어져 있는 재고용 석출경화형 고탄소강을 용해하여 50kg의 잉곳트(ingot)로 주조하였다.

주조된 잉곳트를 두께 2.5㎜의 판재로 압연한 다음, 750～1200℃로 10~30분간 가열한 후 담금질을 실시하고, 각각 200～500℃로 10~60분간 템퍼링 열처리를 실시하였다. 이와 같은 공정을 거친 시편에 대하여 내마모성과 경도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1과 표 2에 정리하였다.

구분	주요 조성 (wt %)	담금질온도 (℃)	유지시간 (min)	마모중량비 (%)	경도 (HRC)	비고
실시예 1	C:0.85, V:0.42, Al:0.28	1000	30	5.3	62.7	템퍼링 조건 250℃ 60 min
비교예 1	C:0.84, Ti:0.38, Al:0.19	1000	30	8.6	58.3
비교예 2	C:0.83, Nb:0.44, Al:0.33	1000	30	9.0	57.2
비교예 3	C:0.86, V:0.48, Al:0.02	1000	30	8.3	58.0

여기서 내마모성 측정시험은 핀온데스크타입(pin on disk type)의 마모시험기를 이용하였으며, 내마모성의 척도로는 아래 식 1과 같이 마모 중량비로 표시하였으며 마모중량비는 작을수록 내마모성이 높다.

표 1에 나타나 있는 바와 같이 석출원소로 V이 첨가된 실시예 1의 강의 경우 담금질열처리시 석출물의 재고용이 일어나고 재고용된 석출원소가 템퍼링시 저온에서 석출하므로 석출물이 미세하게 분포되어 높은 경도와 내마모성을 가지게 된다.

그러나 V 대신 Ti, Nb 등 다른 석출원소가 첨가된 비교예 1과 2의 경우에는 석출물이 용해되는 온도가 높기 때문에 담금질열처리시 석출원소의 재고용이 일어나지 않으므로 조대한 석출물이 그대로 남게 되어 석출원소의 효과를 최대한 나타내기 힘 들다.

또한 석출원소로 V이 첨가되었으나 Al의 함량이 매우 낮게 제한된 비교예 3의 강의 경우 담금질열처리시 V 석출물은 재용해되나, 오스테나이트의 결정립 성장이 과도하게 일어나 마르텐사이트로 변태시 마르텐사이트 패킷의 크기가 커지므로 내마모성과 경도가 Al이 존재하는 경우에 비하여 낮아지게 된다는 것을 알수 있다.

구분	주요 조성 (wt %)	담금질온도 (℃)	유지시간 (min)	마모중량비 (%)	경도 (HRC)	비고
실시예 1	C:0.85, V:0.42, Al:0.28	1000	30	5.3	62.7	템퍼링 조건 250℃ 60 min
실시예 2	C:0.85, V:0.42, Al:0.28	1100	10	6.5	60.5
실시예 3	C:0.87, V:0.73, Al:0.35	950	10	5.2	63.5
실시예 4	C:0.87, V:0.73, Al:0.35	950	30	5.0	64.0
비교예 4	C:0.85, V:0.42, Al:0.28	850	30	8.9	57.2
비교예 5	C:0.85, V:0.42, Al:0.28	1200	30	7.8	58.3

표2에 나타나 있는 바와 같이, 담금질온도가 950~1100℃인 경우 내마모성과 경도가 향상되었으나, 첨가 석출원소의 함량이 높은 실시예 3과 4의 경우 경도와 내마모성이 추가적으로 상승하였다.

담금질열처리 시간은 실시예 3과 4에 나타나 있듯이 해당온도 범위에서 10분 이상 유지하면 충분한 것임을 알 수 있다.

그러나 담금질 조건이 850℃에서 30분간 담금질열처리를 실시하고, 냉각한 비교예 4의 경우 본 발명의 조성 범위 내임에도 불구하고 조대한 석출물이 그대로 남아 마모중량비가 높고 경도가 떨어지게 되며, 담금질온도 1200℃에서 30분간 담금질열처리를 실시하고, 냉각한 비교예 5의 경우에는 오스테나이트의 결정립 성장이 과도하게 일어나 마르텐사이트로 변태시 마르텐사이트 패킷의 크기가 커지므로 내마모성과 경도가 실시예에 비해 상대적으로 떨어진단는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

본 발명은 고탄소강의 성분을 V과 Al이 포함되도록 조절하고, 담금질 열처리 온도를 적절히 제어하여 V을 기지조직 내에 재고용 시키고 AlN 석출물을 이용하여 결정립성장을 억제한 다음 템퍼링 열처리시 재고용 되었던 V을 탄화물 형태로 기지조직 내에 미세하게 분포시킴으로써 내마모성과 경도를 향상시킨 고탄소강을 제공하였다.

또한 본 발명은 석출경화형 원소(V)의 효과를 최대로 이용할 수 있는 고탄소강 제조방법을 제공하여 내마모성과 경도가 우수한 담금질 재고용 석출경화형 고탄소강을 제공하는 효과를 발휘할 수 있다.

Claims (6)

1. 중량 %로 C:0.25~1.3%, V: 0.05~1.2%, Al :0.05~0.8%, N: 50~500ppm, Mn:0.20~1.80%, Si:0.10~1.00%, 그리고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 이루어진 고탄소강을 연속 주조, 압연 그리고 소둔 열처리와 가공공정을 통하여 제품형상으로 제조하는 단계;

   상기 제조된 제품을 가열온도는 950～1100℃, 상기 가열온도에서 10분 이상 유지한 다음, 냉각수 또는 냉각유 등에 의하여 급냉하여 담금질 열처리하는 단계를 포함하는 석출경화형 고탄소강의 제조방법.
2. 제 1 항에서, 상기 고탄소강은 중량 %로 Ti:0.01~0.20%, Nb:0.01~0.30%, Mo:0.01~0.50% 중 어느 하나 이상의 석출경화형 원소를 더욱 포함하는 석출경화형 고탄소강의 제조방법.
3. 제 1 항에서, 상기 담금질 열처리 단계 이후에 200~280℃ 또는 380~470℃에서 템퍼링 열처리하는 단계를 더욱 포함하는 석출경화형 고탄소강의 제조방법.
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