KR101193780B1 - 고주파 및 파팅라인부 크랙민감도가 저하된 비조질강 - Google Patents

고주파 및 파팅라인부 크랙민감도가 저하된 비조질강 Download PDF

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Abstract

고주파 및 파팅라인부 크랙민감도를 저하시킴으로써 자동차 크랭크샤프트 등의 용도로 이용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 비조질강은 중량%로, 탄소(C) : 0.27~0.33%, 실리콘(Si) : 0.55~0.70%, 망간(Mn) : 1.40~1.60%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.03% 이하, 황(S) : 0.04~0.07%, 구리(Cu) : 0% 초과 내지 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0% 초과 내지 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 알루미늄(Al) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02~0.06%, 붕소(B) : 0.002~0.004% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고주파 및 파팅라인부 크랙민감도가 저하된 비조질강 {NON HEAT TREATED STEEL}
본 발명은 비조질강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연신성 저하를 통하여 고주파 및 파팅라인부 크랙민감도를 저하시킴으로써 자동차 크랭크샤프트 등에 적용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
엔진, 미션, 샤시 등의 자동차 부품에 적용되는 소재는 친환경, 고출력, 고품질의 목표 하에 고강도화되고 있는 추세이다.
이러한 자동차 부품용 소재는 주로 기계 구조용 합금강이 사용되는데, 기계 구조용 합금강은 통상 열간 압연 또는 냉간 압연에 의한 합금강의 제조, 퀀칭(quenching)이나 템퍼링 등의 조질 처리, 절삭 가공 등의 과정을 거쳐 제조된다. 후열처리 등을 적용한 기계 구조용 합금강이 주로 사용된다.
그러나, 상기의 조질 처리 과정은 시간 및 비용을 요하는 바, 2차 오일쇼크 이후에는 상기의 조질 처리 과정을 생략하여 원가절감, 생산성 향상 등을 추구하기 위하여 비조질강(non heat treated steel)이 개발되었다.
본 발명의 하나의 목적은 지르코늄, 붕소 등의 첨가물 제어를 통하여 고강도이면서도 연신성이 낮은 비조질강을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 지르코늄, 붕소 등의 효과에 따른 공정 조건 제어를 통하여 고강도이면서도 연신성이 낮은 비조질강을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 비조질강은 중량%로, 탄소(C) : 0.27~0.33%, 실리콘(Si) : 0.55~0.70%, 망간(Mn) : 1.40~1.60%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.03% 이하, 황(S) : 0.04~0.07%, 구리(Cu) : 0% 초과 내지 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0% 초과 내지 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 알루미늄(Al) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02~0.06%, 붕소(B) : 0.002~0.004% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비조질강 및 그 제조 방법은 탄소(C), 크롬(Cr), 지르코늄(Zr), 붕소(B) 등의 함량 및 제조 공정 제어를 통하여 강도가 우수하면서도 연신성이 저하되어 고주파 및 파팅라인부 크랙민감도를 저하시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따라 제조되는 비조질강은 고주파 및 파팅라인부 크랙민감도 저하가 요구되는 자동차 크랭크샤프트 등에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 비조질강 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 2는 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 지르코늄 코어드 와이어의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 인장강도를 나타낸다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 항복강도를 나타낸다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 항복비를 나타낸다.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 연신율을 나타낸다.
도 8은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 단면수축율을 나타낸다.
도 9는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 경도를 나타낸다.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 비조질강 시험편의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 11 내지 도 15는 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 16은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 가공성 평가결과를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 비금속 개재물의 크기에 따른 분포를 나타낸 것이다.
도 18은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 전체 비금속 개재물의 양 및 평균 크기를 나타낸 것이다.
도 19는 실시예 1에 따른 비조질강 시험편에서 비금속 개재물의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비조질강에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
비조질강
본 발명에 따른 비조질강은 중량%로, 탄소(C) : 0.27~0.33%, 실리콘(Si) : 0.55~0.70%, 망간(Mn) : 1.40~1.60%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.03% 이하, 황(S) : 0.04~0.07%, 구리(Cu) : 0% 초과 내지 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0% 초과 내지 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 알루미늄(Al) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02~0.06%, 붕소(B) : 0.002~0.004% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함한다.
본 발명에 따른 비조질강에는 질소(N) : 0.008 중량% 이하 및 산소(O) : 0.002 중량% 이하가 포함될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 비조질강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
본 발명에서 탄소(C)는 제조되는 비조질강의 강도를 확보하기 첨가된다.
상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.27 ~ 0.33 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소가 0.27 중량% 미만으로 첨가되면 강도 확보가 불충분하고, 탄소(C)의 함량이 0.33 중량%를 초과할 경우 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
본 발명에서 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 또한 고용 강화 효과를 향상시키는 역할을 한다.
상기 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.55 ~ 0.70 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.55 중량% 미만일 경우 실리콘(Si) 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하고, 실리콘(Si)의 함량이 0.70 중량%를 초과할 경우 제조되는 비조질강의 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
본 발명에서 망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며 제조되는 비조질강의 강도 확보에 효과적인 원소이다.
상기 망간(Mn)은 본 발명에 따른 비조질강에서 1.40 ~ 1.60 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 망간(Mn)이 1.40 중량% 미만으로 첨가될 경우, 망간(Mn) 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 상기 망간(Mn)이 1.60 중량%를 초과할 경우 절삭성을 악화시키며, 비조질강의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 절삭성의 향상을 위하여 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 비조질강에서 인(P)의 함량이 0.03 중량%를 초과하여 첨가되면 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있으므로, 인(P)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.03 중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.
황(S)
황(S)은 비조질강에서 절삭성 혹은 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.
상기 황(S)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.04 ~ 0.07 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 황(S)의 함량이 0.04 중량% 미만일 경우 비조질강의 절삭성 등이 불충분한 문제점이 있다. 반대로, 황(S)의 함량이 0.07 중량%를 초과할 경우 길게 연신된 MnS를 형성하게 되고, 길게 연신된 MnS는 압연이나 단조 공정 중에 고주파열처리 및 파팅라인부에 위치하여 제품의 품질을 저하시키는 요인이 된다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 경화능 향상 원소로 첨가되어 페라이트(ferrite)/펄라이트(pearlite) 조직을 베이나이트(bainite) 조직으로 변태시킴으로써, 본 발명에 따른 비조질강의 낮은 탄소 함량에 따른 강도를 보상하는 역할을 한다.
상기 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 1.35 ~ 1.45 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 1.35 중량% 미만일 경우 강도 보상 효과가 미미하고, 반대로 크롬(Cr)의 함량이 1.45 중량%를 초과할 경우 인성이 저하되는 문제점이 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 강도 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.
상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.05 ~ 0.15 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우 몰리브덴 첨가 효과가 불충분하고, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.15 중량%를 초과할 경우 비조질강의 인성이 저하될 수 있으며, 또한 비조질강 제조 원가를 크게 상승시킬 수 있다.
지르코늄(Zr)
지르코늄(Zr)은 MnS 형성시 핵생성 위치로 작용하여 ZrN/MnS 혹은 [Mn,Zr]S계 개재물로 형성되게 된다. 이러한 개재물은 MnS 단독 존재시보다 고경도화되기 때문에 연신성을 저하시켜, 가공성 및 후공정 크랙저감을 동시에 확보하는 역할을 한다.
상기 지르코늄(Zr)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 ~ 0.06 중량%의 함량비로 첨가되는 되는 것이 바람직하다. 지르코늄의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 지르코늄 첨가 효과가 불충분하며, 지르코늄 함량이 0.06 중량%를 초과할 경우 효과 증가 없이 비조질강 제조 비용 상승을 초래한다.
붕소(B)
붕소(B)는 본 발명에 따른 비조질강에서 고용 붕소(sol. B)의 입계 강화를 통한 강도를 향상시키는 역할을 한다.
상기 붕소(B)는 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.002 ~ 0.004 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 붕소(B)의 함량이 0.002 중량% 미만일 경우 상기의 붕소 첨가 효과가 미미하며, 붕소(B)의 함량이 0.004 중량%를 초과할 경우 더 이상의 강도 향상 효과없이 제조되는 비조질강의 인성을 저해할 우려가 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여하며, 비조질강의 절삭성을 향상시키는 역할을 한다. 그러나, 본 발명에 따른 비조질강에서 구리의 함량이 0.3 중량%를 초과할 경우에는 제조되는 비조질강의 인성이 저하되므로, 구리는 0.3 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 강도 및 인성 향상에 유효한 원소이다. 다만, 니켈(Ni)이 0.2 중량%를 초과하여 첨가될 경우 절삭성이 저하되고, 비조질강 제조 원가가 크게 상승될 수 있으므로, 상기 니켈(Ni)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.2 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
알루미늄(Al)
본 발명에서 알루미늄(Al)은 우수한 탈산 효과를 제공한다. 다만, 알루미늄의 함량이 0.02 중량%를 초과할 경우 제조되는 비조질강의 인성을 저하할 수 있으므로, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
질소(N)
질소(N)는 석출 강화에 의한 강도상승 효과를 제공하나, 질소의 함량이 80 ppm(0.008 중량%)을 초과할 경우 BN 생성으로 인하여 고용 붕소(sol. B) 효과를 방해하는 요인이 된다. 따라서, 상기 질소의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.008 중량% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
산소(O)
산소(O)는 불가피한 불순물로서 본 발명에 따른 0.002 중량% 이하로 가급적 낮은 함량으로 제어하는 것이 바람직하다.
비조질강 제조 방법
도 1은 본 발명에 따른 비조질강 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 비조질강 제조 방법은 용탕 형성 단계(S110), 지르코늄 첨가 단계(S120) 및 붕소 첨가 단계(S130)를 포함한다.
용탕 형성 단계(S110)에서는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 형성한다.
보다 상세하게는 전기로에서 상기 각 성분을 용해하여 용탕을 형성한 후, LF(Ladle Furnace)에서 상기 각 성분의 함량을 조절하고, 탈산 및 탈황 공정을 수행한다. 이후, VD(Vacuum Degasing) 설비에서 아르곤 버블링(Ar Bubbling)을 이용하여 상기 용탕에 포함된 산소 및 질소의 함량을 제어한다.
지르코늄 첨가 단계(S120)에서는 상기의 용탕에 지르코늄(Zr)을 첨가한다. 이때, 지르코늄은 고온에서 산화성이 매우 높은 원소이다. 이러한 높은 산화성으로 인하여 지르코늄은 대기 혹은 용탕 상부의 슬래그에 존재하는 산소와 결합하여 지르코늄 산화물(ZrO2)을 쉽게 형성한다. 따라서, 탈산의 목적이 아닌 특정한 목적을 위하여 지르코늄을 첨가하기 위하여는 산화되지 않은 상태의 지르코늄이 용탕 내부까지 투입되어야 한다.
이러한, 지르코늄 투입 방식으로 지르코늄 괴의 직접 투입 방식을 제시할 수 있다. 그러나, 용탕(120)과 슬래그(125)의 계면에서는 화학 반응성이 매우 크며, 도 1에서와 같이 지르코늄 괴(130)를 직접 투입할 경우 지르코늄 괴(130)가 투입되는 과정에서 산화반응이 급속도로 일어난다.
따라서, 투입되는 지르코늄의 10 ~ 20 % 정도만이 용탕 내에 회수되어 합금에 기여하므로, 지르코늄 투입량 대비 제조되는 지르코늄 합금에 기여하는 지르코늄의 양을 의미하는 회수율이 매우 낮다.
이에 따라, 목표로 하는 지르코늄의 함량에 도달하기 위하여는 많은 양의 지르코늄 괴의 투입이 필요하며, 이는 지르코늄 합금 제조를 위한 비용 상승의 원인이 된다.
지르코늄을 용탕에 투입하는 다른 방법으로 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용하여 지르코늄 원료를 투입하는 방법을 제시할 수 있다.
즉, 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용한 지르코늄 합금 제조 방법은 지르코늄 합금 제조를 위한 용탕에 지르코늄 원료를 투입하여 지르코늄 합금을 제조하되, 지르코늄 원료로, 지르코늄이 내부에 충전되어 있는 와이어 형태를 갖는 지르코늄 코어드 와이어(Zr-cored wire)를 이용한다.
도 2는 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치는 용탕을 저장하는 퍼니스(furnace, 210), 지르코늄 코어드 와이어를 저장하는 지르코늄 코어드 와이어 저장부(230) 및 지르코늄 와이어가 용탕으로 투입될 수 있는 경로를 제공하는 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)를 포함한다.
퍼니스(210)는 지르코늄 투입 전 철(Fe), 실리콘(Si) 등을 포함하는 용탕(220)을 저장한다. 퍼니스(210)에 저장된 용탕(220)의 표면에는 슬래그(225)가 형성되어 있으며, 용탕(220)은 표면의 슬래그(225)에 의하여 대기와 차단된다.
지르코늄 코어드 와이어 저장부(230)는 지르코늄 코어드 와이어(Zr-cored wire, 235)를 저장한다.
지르코늄 코어드 와이어(235)는 도 3에 도시된 바와 같이, 지르코늄을 함유하는 지르코늄 괴 분말(310)이 보호 튜브(320) 내에 충전되어 있는 형태를 가질 수 있다.
지르코늄 괴 혹은 지르코늄 괴 분말(310)은 Fe-Si-Zr 합금철로 이루어진 것을 이용할 수 있으며, 보호 튜브(320)는 용탕에 쉽게 용해될 수 있는 스틸(steel) 재질로 된 것을 이용할 수 있다.
지르코늄 코어드 와이어에서 지르코늄 괴 분말(310)에 포함되는 물질이나 보호 튜브(320)의 재질은 제조하고자 하는 비조질강의 조성에 기여한다. 따라서, 용탕에 포함된 물질들의 함량과 지르코늄 코어드 와이어에 포함된 물질들의 함량이 더해져서 최종 조성이 될 수 있다.
지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경은 0.8 ~ 1.2 mm인 것이 바람직하다. 지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경이 0.8mm 미만일 경우 분말 제조 비용이 상승하며, 지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경이 1.2mm를 초과할 경우 입자 사이즈가 커서 용탕에서의 용해 속도가 느려질 수 있다.
한편, 지르코늄 코어드 와이어(230)가 퍼니스(210) 측면에 이격 배치되어 있는 경우, 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부는 도 2에 도시된 바와 같이 용탕(220)의 표면에 대하여 경사지게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이는 지르코늄 코어드 와이어 저장부(230)로부터 퍼니스(210)에 저장된 용탕(220)까지 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입을 용이하게 하기 위한 것이다.
지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부가 용탕(220)의 표면에 대하여 거의 수평일 경우 용탕(220)에의 투입이 어려워지며, 반대로, 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부가 거의 수직일 경우 지르코늄 코어드 와이어 공급부(230)로부터의 지르코늄 코어드 와이어(235)의 공급이 어려워진다.
지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도(v2)는 40 ~ 400 m/min인 것이 바람직하다. 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도가 40 m/min 미만일 경우 느린 속도에 따라서 대기중 혹은 슬래그에서 지르코늄이 산화되어 결국 지르코늄 회수율이 저하된다. 반대로 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도가 400 m/min을 초과하는 경우 코어드 와이어(235) 공급 제어가 어려워지며, 제조 비용이 상승할 수 있다.
상기 제시된 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도(v2)는 지르코늄 괴(130)의 직접 투입 속도(v1)보다 매우 빠른 속도에 해당하며, 이를 통하여 지르코늄 코어드 와이어(235)는 용탕(220) 표면에 존재하는 슬래그(225)를 뚫고 대기와 차단된 용탕(220) 내부로 쉽게 유입될 수 있다.
또한, 상기 제시된 지르코늄 코어드 와이어(235)는 분말화되어 있기 때문에 도 1에 도시된 지르코늄 괴(130)에 비하여 입자 크기가 매우 작다. 따라서 용탕 내에서의 용해 속도를 향상시킬 수 있다.
따라서, 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용하여 지르코늄 원료를 투입할 경우 지르코늄 회수율을 높일 수 있는 장점이 있으며, 지르코늄 첨가량 제어를 용이하게 할 수 있다 .
다시, 도 1에서 붕소 첨가 단계(S130)에서는 지르코늄이 첨가된 용탕에 붕소(B)를 첨가한다. 붕소는 고용 붕소(sol. B) 상태일 때 강도 상승 효과가 가장 크다. 그러나 붕소를 미리 투입할 경우 붕소가 질소와 결합하여 고용 붕소 효과를 발휘하기 어렵다. 따라서, 본 발명에서는 고용 붕소 효과를 높이기 위하여 질소를 충분히 제거한 후, 마지막에 붕소를 첨가한다.
상기 과정들(S110 ~ S130)을 통하여 제조되는 비조질강은 전술한 바와 같은 탄소(C) : 0.27 ~ 0.33 중량%, 실리콘(Si) : 0.55 ~ 0.70 중량%, 망간(Mn) : 1.40 ~ 1.60 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.04 ~ 0.07 중량%, 구리(Cu) : 0.3 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.2 중량% 이하, 크롬(Cr) : 1.35 ~ 1.45 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.15 중량%, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 붕소(B) : 0.002 ~ 0.004 중량%, 알루미늄(Al) : 0.02 중량% 이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함한다. 그리고, 제조되는 비조질강에서 질소(N)와 산소(O)는 각각 질소(N) : 0.008 중량% 이하 및 산소(O) : 0.002 중량% 이하로 포함될 수 있다.
실시예
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 비조질강의 제조
표 1 및 표 2에 기재된 조성을 이용하여, 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편을 제조하였다.
각 강종에서 공통적으로 진공용해, 1200℃에서 11s의 단련비로 파일롯 압연 후 HTN(High Temperature Normalizing) 열처리를 하여 최종 시험편을 제작하였다.
실시예 1에 따른 비조질강 시험편은 본 발명에 따른 조성을 만족하며, 비교예 1의 경우 종래의 S40MS1V 강에 해당한다. 비교예 2의 경우 실시예 1과 대부분 유사한 조성을 가지나 황(S)의 함량을 0.019중량%로 제한한 것이며, 비교예 3 및 비교예 4의 경우 지르코늄을 첨가하지 않았다. 비교예 5의 경우 비교예1과 대부분 유사한 조성을 가지며, 지르코늄만 0.052 중량%로 첨가하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112010020068517-pat00001
[표 2] (단위 : 중량%)
Figure 112012033288911-pat00023

2. 석출상 예측 및 비금속 개재물 상분율 예측
표 3은 상기 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 상분율 예측을 나타낸 것이다. 석출상 예측 및 비금속 개재물 상분율 예측은 계산 열역학 프로그램을 이용하였다.
[표 3]
Figure 112010020068517-pat00003

표 3을 참조하면, 종래강인 비교예 1과 실시예 1을 비교할 때, 비교예 1에 따른 비조질강 시험편은 주 석출상이 Fe3C 였으나, 실시예 1의 경우 주 석출상이 M[Fe, Cr]7C 타입의 금속 탄화물로 바뀌는 것으로 계산되었다. 또한, 비교예 1의 부 석출상은 AlN과 V[C,N]으로, AlN이 1,200℃ 정도에서 석출되고, V[C,N]이 대략 1,000℃에서 석출되는 것으로 계산되었다. 반면, 실시예 1의 부석출상은 AlN과 M3B2 타입의 금속 붕화물로, AlN이 1,300℃ 정도의 온도에서 석출되고, M3B2 타입의 금속 붕화물이 760℃ 정도에서 석출되는 것으로 계산되었다.
또한, 비교예 1 ~ 5 및 실시예 1에 따른 비조질강 시험편들에서 황(S)의 함량이 감소에 따라서 MnS 비금속 개재물의 상분율이 감소함을 알 수 있다.
3. 석출상 예측 및 비금속 개재물 상분율 예측
도 4 내지 도 9는 상기 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 기계적 물성을 나타낸 것으로, 도 4는 각 시험편의 인장강도를 나타내고, 도 5는 각 시험편의 항복강도를 나타내며, 도 6은 각 시험편의 항복비를 나타낸다. 또한, 도 7은 각 시험편의 연신율을 나타내고, 도 8은 각 시험편의 단면수축율을 나타내며, 도 9는 각 시험편의 경도를 나타낸다.
도 4 내지 도 9를 참조하면, 종래강인 비교예 1에 따라 제조된 비조질강 시험편에 비하여 실시예 1에 따라 제조된 비조질강 시험편의 경우 인장강도, 연신율, 단면수축율, 경도가 상승하였음에도 항복강도가 다소 감소하였다. 이로 인하여 항복비(YS/TS)가 감소하여, 절삭성이 향상되었다.
비교예 1에 비하여 지르코늄이 첨가된 비교예 5의 경우 항복강도가 크게 저하된 것을 고려하면, 실시예 1의 항복강도의 감소는 지르코늄의 첨가에 의해 VN의 석출을 억제하여 석출 강화 효과가 감소되었기 때문인 것으로 보인다.
4. 미세 조직
도 10 내지 도 15는 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따라 제조된 비조질강 시험편의 미세조직 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 실시예 1에 따라 제조된 비조질강 시험편의 미세조직 사진으로, 주된 조직이 베이나이트 조직인 것을 볼 수 있다. 반면, 도 11은 비교예 1에 따라 제조된 비조질강 시험편의 미세조직 사진으로, 주된 조직이 페라이트(ferrite)/펄라이트(pearlite) 조직인 것을 볼 수 있다.
실시예 1과 마찬가지로 크롬의 함량이 높은 비교예 2 ~ 4에 따른 시험편의 미세사진(도 12 내지 도 14)에서 주된 조직이 베이나이트 조직인 것을 고려하여 볼 때, 실시예 1의 높은 크롬 함량으로 경화능이 높아져 주된 조직이 베이나이트 조직인 것으로 보인다.
또한, 지르코늄이 첨가된 비교예 5의 경우에도, 도 15에서 볼 수 있는 바와 같이, 주된 조직이 베이나이트 조직인 것을 볼 수 있는데, 이는 지르코늄 첨가에 따른 용탕 중의 ZrN 형성으로 오스테나이트 입계의 피닝(pinning) 역할을 하던 AlN의 생성이 어려워져, 결정립 조대화에 기인되는 것으로 보인다.
5. 가공성 평가
도 16은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 가공성 평가결과를 나타내는 그래프이다.
가공성 평가는 인장강도에 천공수를 곱하여 측정하였다.
도 16을 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시험편의 가공성이 가장 우수한 것으로 나타났으며, 황(S)의 함량이 높은 실시예 1 및 비교예 1, 비교예 3 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 가공성이 우수하였다. 반면, 황(S)의 함량이 낮게 제한된 비교예 2의 경우 가공성이 매우 낮은 것을 볼 수 있다.
6. 비금속 개재물 측정 결과
도 17은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 비금속 개재물의 크기에 따른 분포를 나타낸 것이고, 도 18은 실시예 1 및 비교예 1 ~ 5에 따른 비조질강 시험편의 전체 비금속 개재물의 양 및 평균 크기를 나타낸 것이다.
도 19는 실시예 1에 따른 비조질강 시험편에서 비금속 개재물의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 각 비조질강 시험편에서 비교예 5, 실시예 1, 비교예 4, 비교예 3, 비교예 2 및 비교예 1의 순으로 20㎛ 이하의 미세 개재물의 수가 많은 것으로 나타났으며, 전체 개재물의 양도 이와 대체로 비슷하였다. 즉, 지르코늄 첨가에 따라서 비금속 개재물은 미세화되며 연신성이 떨어진다. 이는 고경도의 지르코늄계 산화물 혹은 질화물이 용탕 중에 생성된 후, 응고시 생성되는 MnS의 핵생성 위치로 존재하기 때문이다. 이는 비금속 개재물 중 지르코늄에 의한 비금속 개재물의 피크가 가장 높게 나타나는 도 19에 나타난 바에 의하여도 뒷받침된다.
이러한 비금속 개재물의 연신성 저하는 크랭크샤프트와 같은 비조질강이 요구되는 자동차 부품에서 고주파 및 파팅라인부 크랙민감도를 저하로 이어지고, 이를 통하여 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 용탕 형성 단계
S120 : 지르코늄 첨가 단계
S130 : 붕소 첨가 단계
210 : 퍼니스
220 : 용탕
225 : 슬래그
230 : 지르코늄 코어드 와이어 저장부
235 : 지르코늄 코어드 와이어
240 : 지르코늄 코어드 와이어 이송부
310 : 지르코늄 괴 분말
320 : 보호 튜브

Claims (15)

  1. 중량%로, 탄소(C) : 0.27~0.33%, 실리콘(Si) : 0.55~0.70%, 망간(Mn) : 1.40~1.60%, 인(P) : 0% 초과 내지 0.03% 이하, 황(S) : 0.04~0.07%, 구리(Cu) : 0% 초과 내지 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0% 초과 내지 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 1.35~1.45%, 몰리브덴(Mo) : 0.05~0.15%, 알루미늄(Al) : 0% 초과 내지 0.02% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02~0.06%, 붕소(B) : 0.002~0.004% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비조질강.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비조질강에는 중량%로, 질소(N) : 0% 초과 내지 0.008% 이하 및 산소(O) : 0% 초과 내지 0.002% 이하가 포함되는 것을 특징으로 하는 비조질강.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비조질강은 주 석출상이 M[Fe,Cr]7C형 금속 탄화물인 것을 특징으로 하는 비조질강.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 비조질강은 부 석출상이 M3B2형 금속 붕화물과 BN인 것을 특징으로 하는 비조질강.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 비조질강은 주된 조직이 베이나이트(bainite) 조직인 것을 특징으로 하는 비조질강.
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