KR101277938B1 - 형강 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

합금 성분 및 공정 조건의 제어로 심부경도 특성을 향상시켜 우수한 내마모성을 가질 수 있는 형강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 형강 제조 방법은 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 주편을 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; 상기 재가열된 주편을 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강을 450 ~ 600℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

형강 및 그 제조 방법{SHAPE STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SHAPE STEEL}
본 발명은 형강 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 및 공정 조건의 제어로 심부경도 특성을 향상시켜 우수한 내마모성을 갖는 형강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근 수송 기기 및 중장비 분야의 발전과 더불어 금속 소재 부문에서는 고강도를 가지면서 내마모성이 우수할 것을 요구하고 있다. 특히, 포크레인과 같은 중장비의 하중을 차지하는 무한궤도(caterpillar)의 경우 그 환경에 의해 기계적 물성은 매우 중요하게 여겨진다.
본 발명의 하나의 목적은 합금 성분 및 공정 조건의 제어로 소입성을 향상시켜 우수한 내마모성을 갖는 형강을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 고강도를 가지면서 내마모성이 우수한 형강을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법은 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 주편을 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계; 상기 재가열된 주편을 압연하는 단계; 및 상기 압연된 강을 450 ~ 600℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주편에는 니켈(Ni) : 0.2 중량% 이하 및 구리(Cu) : 0.3 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있을 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 형강은 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 형강 및 그 제조 방법은 담금질성을 증가시키는 원소인 망간과 경화능을 향상시키는 원소인 크롬의 함량을 높임으로써, 심부경도 특성인 소입성을 증가시켜 내마모성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 형강은 포크레인과 같은 중장비의 하중을 차지하는 무한궤도 부품 중 하나인 트랙 슈(track shoe) 등에 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1,2에 따른 조미니 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법으로 제조된 트랙 슈를 나타낸 사진이다.
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 형강 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
형강
본 발명에 따른 형강은 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 형강은 강도 향상 등의 목적으로, 니켈(Ni) : 0.2 중량% 이하 및 구리(Cu) : 0.3 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 형강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.
탄소(C)
본 발명에서 탄소(C)는 강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다.
상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 강 전체 중량의 0.20 ~ 0.26 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
만약, 탄소(C)의 함량이 0.20 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.26 중량%를 초과할 경우에는 강의 강도는 증가하나 심부경도 및 용접성이 저하되는 문제점이 있다.
실리콘(Si)
본 발명에서 실리콘(Si)은 제강공정에서 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한, 실리콘(Si)은 고용강화 효과도 갖는다.
상기 실리콘(Si)은 강 전체 중량의 0.15 ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.
만약, 실리콘(Si)의 함량이 0.15 중량% 미만일 경우에는 실리콘 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 0.30 중량%를 초과할 경우에는 강 표면에 산화물을 형성하여 강의 용접성 등을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강의 강도 및 인성을 증가시키고 강의 소입성을 증가시키는 원소로서, 망간(Mn)의 첨가는 탄소(C)의 첨가보다도 강도 상승시 연성의 저하가 적다. 또한, 망간(Mn)은 강의 담금질성 향상에 기여한다.
상기 망간(Mn)은 본 발명에 따른 강 전체 중량의 1.1 ~ 1.4 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 1.1 중량% 미만일 경우에는 탄소(C) 함량이 높아도 강도를 확보하는 데 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.4 중량%를 초과할 경우에는 MnS계 비금속개재물의 양이 증가하는 데 기인하여 용접시 크랙 발생 등의 결함을 유발할 수 있다.
인(P)
인(P)은 강도 향상에 일부 기여하나, 2차가공취성을 저하시키는 대표적인 원소로서 그 함량이 낮으면 낮을수록 좋다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 강 전체 중량의 0.030 중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 인(P)과 마찬가지로 강 중에 존재하는 불순물 원소이다. 상기 황(S)은 MnS 등의 형태로 석출이 이루어져서 석출물의 양을 증가시키는 불순물에 해당한다.
따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 강 전체 중량의 0.03 중량% 이하로 제한하였다.
니켈(Ni)
본 발명에서 니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시키나, 비교적 고가인 관계로 다량 첨가할 경우 비경제적이며, 적열취성을 유발하는 문제점이 나타날 수 있다.
따라서, 상기 니켈(Ni)은 본 발명에 따른 강 전체 중량의 0.2 중량% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
구리(Cu)
본 발명에서 구리(Cu)는 강도 상승 및 인성 개선에 유효한 원소이다. 이때, 상기 구리(Cu)는 실리콘(Si) 및 망간(Mn)과 함께 일정한 함량 조절을 통해 강의 고용강화 효과에 기여하나, 과도하게 첨가될 경우 강의 표면 특성이 저하될 우려가 있다.
따라서, 상기 구리(Cu)는 본 발명에 따른 강 전체 중량의 0.3 중량% 이하의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr)
본 발명에서 크롬(Cr)은 경화능을 향상시켜 담금질성을 개선하는 데 유효한 원소이다.
상기 크롬(Cr)은 강 전체 중량의 0.25 ~ 0.50 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다. 만약, 크롬(Cr)의 함량이 0.25 중량% 미만일 경우에는 그 첨가량이 미미하여 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 0.50 중량%를 초과할 경우에는 용접성이나 열영향부(HAZ) 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
상기 알루미늄(Al)은 강 전체 중량의 0.015 ~ 0.035 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 만약, 알루미늄(Al)의 함량이 0.015 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 탈산 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄(Al)의 함량이 0.035 중량%를 초과할 경우에는 Al2O3를 형성하여 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
티타늄(Ti)
본 발명에서 티타늄(Ti)은 재가열시 TiN을 형성하여 오스테나이트 결정립 성장을 억제하여, 강의 조직을 미세화하는 역할을 한다.
상기 티타늄(Ti)은 강 전체 중량의 0.01 ~ 0.03 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 만약, 티타늄(Ti)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 티타늄 첨가 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 티타늄(Ti)의 함량이 0.03 중량%를 초과할 경우에는 TiN 석출물이 조대해져 결정립 성장을 억제하는 효과가 저하된다.
보론(B)
보론(B)은 강력한 소입성 원소로서 강의 강도 향상에 기여한다.
본 발명에서 보론(B)은 강 전체 중량의 5 ~ 30ppm으로 첨가하는 것이 바람직하다.
만약, 보론(B)의 함량이 5ppm 미만일 경우에는 강도 향상 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 보론(B)의 함량이 강 전체 중량의 30ppm을 초과할 경우에는 입계 편석에 의한 재질 편차를 발생시키는 문제점이 있다.
형강 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 형강 제조 방법은 재가열 단계(S110), 성형 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.
재가열
재가열 단계(S110)에서는 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 주편을 재가열한다.
또한, 상기 주편에는 강도 확보 등을 목적으로 니켈(Ni) : 0.2 중량% 이하 및 구리(Cu) : 0.3 중량% 이하가 더 포함되어 있을 수 있다.
이때, 재가열 온도는 1150 ~ 1250℃로 실시하는 것이 바람직하다. 만약, 재가열 온도가 1150℃ 미만일 경우에는 재가열 온도가 낮아 압연 부하가 커지는 문제가 있다. 반대로, 재가열 온도가 1250℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대화되어 제조되는 강의 강도를 확보하기 어려운 문제점이 있다.
압연
압연 단계(S120)에서는 재가열 단계(S110)에 의하여 재가열된 주편을 압연한다. 이때, 상기 압연 단계(S120)에서 재가열된 주편은 적정한 가압을 가하는 것에 의하여 특정 형상으로 압연될 수 있다. 구체적으로, 주편은 트랙 슈(track shoe)의 형태로 압연될 수 있다.
이때, 마무리 압연온도는 700 ~ 950℃로 실시하는 것이 바람직하다.
만약, 마무리 압연온도가 700℃ 미만일 경우에는 이상역 압연이 발생하여 연성을 저하시킬 수 있다. 반대로, 마무리 압연온도가 950℃를 초과할 경우에는 제조되는 강의 강도가 급격히 저하되는 문제점이 있다.
냉각
냉각 단계(S130)에서는 압연된 강을 냉각종료온도까지 냉각한다. 냉각은 압연된 강의 표면에 대하여 에어를 직접 분사하는 에어 블로잉 방식으로 실시될 수 있다.
상기 냉각 단계(S130)에서 냉각종료온도가 450 ~ 600℃가 되도록 실시하는 것이 바람직하다.
만약, 냉각종료온도가 450℃ 미만일 경우에는 미세한 결정립의 생성으로 인해 항복강도를 증가시킬 수 있다. 반대로, 냉각종료온도가 600℃를 초과할 경우에는 FeTiP 석출물의 형성으로 인해 고용탄소를 석출시키기 위한 유효 티타늄(Ti)의 함량이 줄어들어 성형성이 저하될 우려가 있다.
냉각 단계(S130) 이후에는 상온까지 공냉이 진행될 수 있다.
상기 제조 과정(S110 ~ S130)을 통하여 제조되는 형강은 담금질성을 증가시키는 원소인 망간과 경화능을 향상시키는 원소인 크롬의 함량을 높임으로써, 심부경도 특성인 소입성의 증가로 내마모성을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 제조 과정을 통하여 제조되는 형강은 포크레인과 같은 중장비의 하중을 차지하는 무한궤도 부품 중 하나인 트랙 슈(track shoe)로 활용될 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. 시편 제조
표 1, 표 2에 기재된 조성 및 표 3에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 및 비교예 1, 2에 따른 시편을 제조하였다.
[표 1](단위 : 중량%)
Figure 112011022986979-pat00001

[표 2](단위 : 중량%)
Figure 112011022986979-pat00002

[표 3]
Figure 112011022986979-pat00003

2. 기계적 물성 평가
표 4는 실시예 1 및 비교예 1, 2에 따라 제조된 시편의 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것이고, 도 2는 조미니 테스트 결과를 나타낸 그래프이다.
[표 4]
Figure 112011022986979-pat00004

표 1 ~ 4를 참조하면, 실시예 1의 경우에는 시편의 표면으로부터 중심 방향으로 1.5mm, 11mm, 15mm에 해당하는 지점별 조미니 경도(HRC)가 47.3, 44.5, 38.7을 각각 나타내는 것을 알 수 있다.
실시예 1의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 거리별 조미니 경도(HRC)의 편차가 작아 기울기가 완만한 곡선을 갖는 것을 확인할 수 있다.
반면, 공정 조건은 실시예 1과 유사하나 망간(Mn), 크롬(Cr) 및 티타늄(Ti)의 함량이 본 발명의 성분 범위를 벗어난 비교예 1의 경우에는 시편의 표면으로부터 중심 방향으로 1.5mm, 11mm, 15mm에 해당하는 지점별 조미니 경도(HRC)가 46.7, 26.7, 20.5를 각각 나타내는 것을 알 수 있다.
이러한 비교예 1의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 거리별 조미니 경도(HRC)의 편차가 실시예 1에 비해 심하여 기울기가 매우 가파르다는 것을 알 수 있다.
한편, 공정 조건은 실시예 1과 동일하나 탄소(C), 크롬(Cr), 알루니늄(Al) 및 티타늄(Ti)의 함량이 본 발명의 성분 범위를 벗어난 비교예 2의 경우에는 시편의 표면으로부터 중심 방향으로 1.5mm, 11mm, 15mm에 해당하는 지점별 조미니 경도(HRC)가 54.5, 50.5, 41.0을 각각 나타내는 것을 알 수 있다.
비교예 2의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 거리별 조미니 경도(HRC)의 편차가 실시예 1에 비해 심하여 기울기가 가파른 것을 확인할 수 있다.
즉, 비교예 2와 같이, 탄소(C)를 과도하게 첨가할 경우 표면 강도는 높일 수 있으나, 크롬(C) 함량이 본 발명의 성분 범위에 미달하게 되면, 심부의 경도가 급격히 저하되어 소입성이 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
위의 실험 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 실시예 1의 경우에는 표면과 중심부의 조미니 경도의 편차가 가장 작다는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 담금질성을 증가시키는 원소인 망간과 경화능을 향상시키는 크롬의 첨가량을 높인데 기인한 것으로, 이는 심부경도 특성인 소입성의 증가로 인하여 내마모성이 우수하다는 것을 의미한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법으로 제조된 트랙 슈를 나타낸 사진이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 형강 제조 방법으로 제조되는 형강은 포크레인과 같은 중장비의 하중을 차지하는 무한궤도 부품 중 하나인 트랙 슈(track shoe)로 활용될 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 : 재가열 단계
S120 : 압연 단계
S130 : 냉각 단계

Claims (7)

  1. 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 주편을 1150 ~ 1250℃로 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 주편을 압연하는 단계; 및
    상기 압연된 강을 450 ~ 600℃까지 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 형강의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주편에는
    니켈(Ni) : 0 중량% 초과 ~ 0.2 중량% 이하 및 구리(Cu) : 0 중량% 초과 ~ 0.3 중량% 이하 중 1종 이상이 더 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 형강 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압연 단계에서,
    마무리 압연온도는 700 ~ 950℃로 실시하는 것을 특징으로 하는 형강의 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 냉각은
    에어 블로잉 방식으로 실시되는 것을 특징으로 하는 형강의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 압연 단계에서,
    상기 주편은 트랙 슈(track shoe)의 형태로 압연되는 것을 특징으로 하는 형강의 제조 방법.
  6. 탄소(C) : 0.20 ~ 0.26 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.30 중량%, 망간(Mn) : 1.1 ~ 1.4 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.030 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.25 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.015 ~ 0.035 중량%, 티타늄(Ti) : 0.010 ~ 0.030 중량%, 보론(B) : 5 ~ 30ppm 및 나머지 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형강.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 형강은
    니켈(Ni) : 0 중량% 초과 ~ 0.2 중량% 이하 및 구리(Cu) : 0 중량% 초과 ~ 0.3 중량% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 형강.
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KR20100107778A (ko) * 2009-03-26 2010-10-06 현대제철 주식회사 성형성과 도금성이 우수한 변태강화형 초고강도 강판 및 그제조방법

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