KR101180196B1 - 우수한 강도와 연성을 갖는 초세립 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 SCM435강을 온간 영역에서 공형 압연한 후, 열처리함으써 선재의 강도와 연성을 향상시킬 수 있는 초세립 고강도 선재와 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 SCM435강과 동일한 조성을 가지며, 인장강도가 810MPa이상이고, 연신율이 21%이상인 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재를 제공한다.
본 발명에 의하면, 종래의 SCM435강에 비하여 우수한 강도와 연성을 갖는 초세립 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 산업적 대량 생산에 비교적 용이하게 적용될 수 있어, 친환경 및 원가절감에 크게 기여할 수 있다.

Description

우수한 강도와 연성을 갖는 초세립 선재 및 그 제조방법{ULTRAFINE-GRAINED WIRE ROD HAVING HIGH STRENGTH AND DUCTILTY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 우수한 강도와 연성을 갖는 초세립강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 SCM435강에 비하여 우수한 강도와 연성을 가지는 초세립 고강도 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 들어 단순한 합금성분 첨가에 국한되지 않는 새로운 개념의 고강도/고연성 선재 및 봉강 제조 기술이 절실히 요구되고 있다. 합금성분 첨가를 통해 물성을 증진시키던 종래의 방식을 대체할 수 있다면 원가절감을 통한 수익성 향상을 얻을 수 있을 뿐 아니라, 오늘날 그 관심이 점차 증대되고 있는 '친환경적 생산'의 토대가 될 수 있기 때문이다.

이러한 흐름의 일환으로 최근 강소성 가공(severe plastic deformation)이 각광을 받고 있다. 이는 단순한 압연 이상의 큰 변형률을 금속 재료에 부과하여 고경각결정립계(high angle grain boundary)의 비율을 폭발적으로 증가시키는 방법이다. 강소성 가공을 통해 1㎛ 이하의 결정립을 가지게 된 강을 초세립강(ultrafine-grained steel, UFG steel)이라 칭한다. 결정립계는 전위 이동을 방해하고 전위를 축적(pile-up)시키므로 결정립계의 비율이 매우 높은 초세립강은 결과적으로 우수한 강화 효과를 야기한다. 특히 항복 강도가 크게 강화되는데, 초기 재료 대비 세 배 이상의 항복 강도 증진이 보고된 사례도 있다.

그러나, 대부분의 경우에서 초세립강은 강도 증진분 이상의 연성 손실을 보이며, 심지어 연신율이 절반 이하로 악화되는 경우도 자주 보고되고 있다. 이에 따라, 최대인장강도(ultimate tensile stress, UTS)와 최대연신율(total elongation, TE)의 곱으로 표현되는 '에코지수'가 오히려 떨어지는 현상이 나타난다. 이러한 초세립강의 연성 손실은 낮은 경화율(strain hardening rate)에 기인한다고 알려져 있으며, 연성 확보를 위해 경화율을 높이려는 시도들이 지속적으로 이어지고 있다.

그 중 가장 활발하게 연구되고 있는 방법으로는 미세 탄화물을 초세립강에 분포시키는 것과 다양한 크기의 결정립을 공존시키는 것을 들 수 있다. 다만, 후자의 방법은 극저온에서의 가공 등이 요구되므로 산업적 응용 면에서 볼 때 적합하지 않은 단점이 있다.

초세립을 갖는 고강도 고연성 강재에 관련된 기술 하나로는 한국 공개특허공보 제2008-0026051호가 있다. 상기 발명에는 Ni: 7~11중량%, Cr: 8~12중량%, Mn: 2~10중량%, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 준안정 오스테나이트 강재를 총 압하율 40% 이상으로 냉간 가공하여 가공유기 마르텐사이트(strain induced martensite)를 형성한 다음, 마르텐사이트/오스테나이트 역변태 종료 온도(Af)의 직상 ~ (Af+50℃)의 온도 범위에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 초세립강을 갖는 고강도 고연성 강재의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은 Ni과 Cr 등 고가의 합금원소가 다량 포함되어 있어 경제성 측면에서 취약하다는 단점이 있다.

또 다른 특허로는, 한국 공개특허공보 제2001-0002549호가 있는데, 상기 발명은 탄소강에 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 공정을 적용한 기술로서, 상기 발명에는 탄소강과 ECAP 강가공 다이의 온도를 200 내지 720℃로 가열함으로써, 결정립의 크기가 3㎛ 이하이고, 탄화물이 페라이트 기지내로 균일하게 분산된 미세구조를 가지는 것을 특징으로 하는 초미세립 탄소강의 제조 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 기술은 ECAP법을 이용한 기술로서, 강재의 대량 생산 적용이 힘들다는 문제가 있다.

본 발명은 SCM435강을 온간 영역에서 공형 압연한 후, 열처리함으써 선재의 강도와 연성을 향상시킬 수 있는 초세립 고강도 선재와 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 SCM435강과 동일한 조성을 가지며, 인장강도가 810MPa이상이고, 연신율이 21%이상인 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재를 제공한다.

상기 선재는 평균크기가 1.2㎛이하인 초석 페라이트 조직을 포함하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는 평균크기가 1㎛이하인 탄화물을 포함하는 것이다. 보다 더 바람직한 탄화물의 평균크기는 500~700㎚이다.

본 발명은 SCM435강을 400~700℃의 온간 영역에서 80% 이상의 단면 감소율로 공형 압연한 후 상온까지 공냉하는 단계; 및 상기 공형 압연 후 공냉된 선재를 650~750℃에서 1~3시간동안 소둔처리한 후 상온까지 수냉하는 단계를 포함하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재의 제조방법을 제공한다.

이 때, 상기 공형압연은 6~8pass로 행하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 종래의 SCM435강에 비하여 우수한 강도와 연성을 갖는 초세립 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 산업적 대량 생산에 비교적 용이하게 적용될 수 있어, 친환경 및 원가절감에 크게 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 발명재 및 비교재에 대한 미세조직 사진이며, (a)는 비교재 3, (b)는 발명재, (c)는 비교재 4의 미세조직을 나타낸다.

본 발명자들은 초세립강의 강도와 연성을 향상시키기 위한 연구를 행하던 중, 강재를 온간 영역에서 높은 단면 감소율로 가공하고, 이후 열처리를 행함으로써 우수한 강도와 연성을 갖는 초세립강을 제조할 수 있다는 것을 실험을 통해 인지하고, 그 실험결과에 기초하여 본 발명을 완성하였다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서 대상 강재로 삼고 있는 SCM435강의 성분계는 중량%로, C: 0.33~0.38%, Si: 0.15~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하, S: 0.030%이하, Cr: 0.90~1.20%, Mo: 0.15~0.30%와 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며, 이는 당해 기술분야에서는 통상의 성분범위이다. 상기 SCM435강은 일반 탄소강, 특히 중량%로, C:0.42~0.48%, Si: 0.10~0.35%, Mn: 0.60~0.90%, P: 0.030%이하, S: 0.035%이하로 이루어지는 조성범위를 지니는 SWRCH45K강에 비하여 Cr, Mo와 같은 합금원소가 미량 첨가된 강으로서, 상기 강은 이미 선재/봉강 분야에서 널리 쓰이고 있는 재료이다.

강재의 강도를 향상시키기 위한 대표적인 방법으로는 가공경화율을 향상시키는 것이 있다. 상기 가공경화율은 탄소의 함량이 직접적인 영향을 미치게 되는데, 탄소의 함량이 높을수록 가공경화율은 높아지게 되며, 따라서, 강도 또한 증가하게 된다. 즉, 상기와 같이 일반 탄소강은 SCM435강에 비하여 탄소함량이 높으므로, 탄소의 영향에 따른 높은 가공 경화율을 지니게 된다.

그러나, 상기 SCM435강은 일반 탄소강과는 달리 탄화물을 석출시키는 원소인 Cr, Mo와 같은 합금원소를 첨가하고 있으며, 이러한 미량의 합금 원소 첨가를 통해 강재의 경화율을 향상시킨 강재이다. 즉, SCM435강은 일반 탄소강에 비하여 탄소함량이 낮아 가공경화율이 낮음에도 불구하고, Cr, Mo와 같은 합금원소 첨가를 통해 강재의 강도를 향상시키고 있는 것이다.

또한, 상기 Cr과 Mo를 통해 형성되는 석출물은 미세하게 석출시킬수록 상기와 같은 경화율 향상뿐만 아니라 연성 확보에도 효과적이다. 따라서, Cr, Mo가 발휘하는 효과를 효율적으로 활용하기 위해서는, 본 발명의 제조방법에 따라, 400~700℃의 온간 영역에서 80%이상의 단면 감소율로 공형 압연하는 것이 바람직한데, 상기 제조방법을 만족하여 선재를 제조하는 경우, 선재의 강도 향상에 보다 효과적이다.

상기 공형 압연 온도가 400℃ 미만일 경우, 압연재에 부하되는 하중이 너무 높아져서 압연을 용이하게 실시할 수 없으며, 700℃를 초과할 경우, 일반 압연과는 차이가 없어지게 되므로, 400~700℃의 범위로 한정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 온도범위에서 80% 이상의 단면 감소율로 압연을 행함으로써, 미세한 탄화물을 강재 내부에 고르게 분포시켜 강재의 강도 및 연성을 확보할 수 있다.

상기 공형 압연 시 압연 패스 횟수는 6~8패스로 행하는 것이 바람직한데, 6패스 미만인 경우, 작업 롤의 부하가 발생할 수 있는 문제가 있으며, 8패스를 초과하는 경우, 제조 원가가 상승하는 단점이 있다. 상기 공형 압연 이후에는 상온까지 공냉 과정을 거치도록 하는 것이 바람직하다.

상기 공냉공정을 마친 선재는 공형 압연을 실시하지 않은 강재에 비하여 우수한 강도를 확보할 수 있고, 연성 또한 크게 저하되지 않는 기계적 성질을 지니나, 보다 우수한 연성 확보를 위해서는 상기 공냉을 마친 선재를 650~750℃의 온도에서 1~3시간동안 소둔처리를 행한 후, 상온까지 수냉을 행하는 것이 바람직하다.

상기 소둔온도가 650℃ 미만인 경우, 잔류 응력 제거가 용이하지 않아 연성 확보가 곤란하며, 750℃를 초과할 경우, 상기 소둔 후 이어지는 수냉 단계에서 마르텐사이트를 형성하게 되어, 연성 확보가 곤란하다는 단점이 있다. 또한, 충분한 소둔 효과를 발휘하기 위해서는 상기 소둔을 1~3시간동안 하는 것이 바람직하다. 이에 더하여, 상기 수냉 속도는 150℃/sec 이상인 것이 보다 바람직하다.

전술한 바와 같은 제조공정을 거친 SCM435강은 평균크기가 1.2㎛이하인 초석 페라이트 결정립을 갖는 초세립 선재로 제조되며, 상기 초석 페라이트 결정립 상에는 평균크기가 1㎛이하인 탄화물이 고르게 분포하게 된다. 상기 탄화물은 평균크기가 500~700㎚인 것이 보다 바람직하다. 또한, 상기 선재는 810MPa 이상의 인장강도와 21% 이상의 연신율을 지니게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명한다.

(실시예)

중량%로, 0.378C-0.196Si-0.787Mn-0.019P-0.009S-1.045Cr-0.203Mo로 이루어지는 조성을 가지며, 페라이트-펄라이트 이상조직을 갖는 열간 압연재(SCM435)를 30mm*30mm*500mm의 빌렛 형태로 가공한 후, 하기 표 1과 같은 조건으로 선재를 제조한 뒤, 각 선재의 기계적 특성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다. 상기 공형 압연은 8패스로 나누어 행하였으며, 단면감소율은 83%였고, 봉재 형태로 최종 제조된 선재의 직경은 14mm였다. 단, 하기 표 1의 비교재 1은 상기 빌렛 형태에서 기계적 특성을 측정하였으며, 비교재 4는 열처리 후 미세조직이 마르텐사이트로 변태되어 물성 측정을 하지 않았다.

구분	압연온도(℃)	냉각	소둔 온도(℃)	소둔 시간(Hr)	냉각(℃/sec)
비교재 1	-	-	-	-	-
비교재 2	500	공냉	-	-	-
비교재 3	500	공냉	600	1	150
발명재	500	공냉	700	1	150
비교재 4	500	공냉	800	1	150

구분	항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	균일연신율(%)	최대연신율(%)
비교재 1	446	759	9.0	20.0
비교재 2	1052	1140	6.5	17.9
비교재 3	952	1035	7.4	19.5
발명재	728	816	8.1	21.3

상기 표 2에서 알 수 있듯이, 비교재 1은 강도는 낮으나, 연성이 우수한 성질을 갖고 있으며, 공형 압연 공정을 거친 비교재 2는 비교재 1에 비하여 강도가 급격히 상승한 것을 알 수 있다. 그러나, 비교재 2는 연신율이 20%에서 17.9%로 떨어지면서 연성이 저하됨을 알 수 있다.

비교재 3은 비교재 2와 달리 공형 압연 후 열처리를 행한 것으로서, 비교재 2에 비하여 인장강도가 100MPa 정도 낮아졌으나, 연신율이 상승하면서 높은 강도와 연성을 갖는 것을 알 수 있다. 그러나, 비교재 3 또한 비교재 1에 비하여 연성이 낮은 수준을 이루고 있어, 본 발명이 달성하고자 하는 물성에는 도달하지 않는 것을 알 수 있다.

발명재는 공형 압연한 뒤, 700℃에서 소둔처리하고 이어 수냉한 선재이며, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 강도와 연성이 비교재 1에 비하여 높은 수준을 이루고 있음을 알 수 있다.

도 1은 발명재와 비교재의 미세조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 비교재 3, (b)는 발명재, (c)는 비교재 4의 미세조직 사진이다. 도 1에서 알 수 있듯이, 600℃에서 소둔처리한 비교재 3의 경우, 결정립의 크기가 약 0.85㎛로서 강도 확보에 유리하나, 소둔온도가 낮아 잔류응력 제거가 용이하지 않아 연성이 확보되지 않음을 알 수 있다.

발명재의 경우, 본 발명의 소둔온도범위를 만족하여 소둔처리됨에 따라, 초석 페라이트의 결정립 크기가 1.14㎛이하의 수준을 이루고 있고, 평균크기가 1㎛이하인 탄화물이 상기 페라이트 결정립 상에 고르게 분포되어, 강도와 연성 모두 우수함을 알 수 있다. 반면, 비교재 4의 경우, 초석 페라이트 조직이 모두 마르텐사이트 조직으로 변태되어, 연성 확보가 곤란함을 알 수 있다.

Claims (6)

1. SCM435강과 동일한 조성을 가지며, 인장강도가 810MPa이상이고, 연신율이 21%이상인 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 선재는 평균크기가 1.2㎛이하인 초석 페라이트 조직을 포함하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선재는 평균크기가 1㎛이하인 탄화물을 포함하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재.
   
4. 제3항에 있어서, 상기 탄화물은 평균크기가 500~700㎚인 것을 특징으로 하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재.
   
5. SCM435강을 400~700℃의 온간 영역에서 80% 이상의 단면 감소율로 공형 압연한 후 상온까지 공냉하는 단계; 및
   상기 공형 압연 후 공냉된 선재를 650~750℃에서 1~3시간동안 소둔처리한 후 상온까지 수냉하는 단계를 포함하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재의 제조방법.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 공형압연은 6~8pass로 행하는 것을 특징으로 하는 우수한 강도와 인성을 갖는 초세립 고강도 선재의 제조방법.

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