KR101280502B1 - 냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재와 그 제조방법 및 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간 압조성이 우수하여, 볼트 제조시 구상화 열처리 및 퀀칭-템퍼링 처리가 필요치 않은 고강도 고망간 강선재와 이를 제조하는 방법 및 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 망간(Mn) 12~25중량%를 포함하는 강을 1100~1250℃로 가열하는 단계;
상기 가열된 강을 700~1100℃에서 열간 압연하는 단계; 및
상기 열간 압연된 강을 200℃이하의 온도로 냉각하고, 냉간 공형 압연 또는 인발하여 강선재를 제조하는 단계를 포함하는 냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법과 이를 통해 제조된 강선재 및 이를 이용한 볼트의 제조방법을 제공한다.

Description

냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재와 그 제조방법 및 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법{HIGH STRENGTH AND HIGH MANGANESE STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT COLD HEAD QUALITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING BOLT USING THE SAME}

본 발명은 볼트 등에 사용되는 강선재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉간 압조성이 우수하여, 볼트 등의 제품 제조시 구상화 및 퀀칭-템퍼링 열처리 과정이 생략 가능한 고강도 고망간 강선재와 이를 제조하는 방법 및 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

에너지 효율 증가와 에너지 사용 저감을 위하여 고강도 볼트에 대한 요구가 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 자동차 엔진에 사용되는 볼트를 고강도로 대체하여 볼트 무게를 80g 감량할 경우, 20㎏의 엔진 무게 감량이라는 연계 부품과의 파급 효과가 매우 크기 때문에 고강도 강재의 부품 소재 적용에 대하여 꾸준한 연구개발이 요구되고 있다.

그러나, 고강도 볼트강 제조에 있어 걸림돌은 고강도화를 위해서, 고탄소강이 사용됨에 따라 냉간 압조성이 저하되는 것이다. 상기 냉간 압조성이 떨어지는 고강도 강선재의 경우 냉간 압조 다이스 수명을 감소시켜 생산단가 증가를 야기하게 된다. 이를 해결하기 위해서, 고강도 볼트로 사용되고 있는 템퍼드 마르텐사이트 강종의 경우, 냉간 압조성을 향상시키기 위하여 낮은 유동응력을 갖는 약 20시간 이상이 소요되는 구상화 열처리을 행하고, 상기 구상화 열처리된 강재를 냉간 압조하고, 그 후에 고강도 강 구현을 위하여 퀀칭과 템퍼링의 열처리를 하는 후공정을 행하게 된다.

상기 냉간 압조 전후 구상화 열처리 및 퀀칭과 템퍼링 공정에 따른 비용절감과 열처리에 따른 대형 볼트의 뒤틀림 방지를 위해서, 최근에는 열처리 생략형 고강도 볼트 제조를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

그러나, 열처리 생략형 일반 볼트의 경우 냉간 압조성이 우수하지만 고강도를 구현하지 못하고, 고강도 강선재를 사용하는 경우에는 냉간 압조성이 떨어지는 고강도 선재를 냉간 압조함에 따라, 볼트 헤드부의 결함 야기, 잔류응력 존재 등으로 재료의 안정성을 보장할 수 없었다.

따라서, 냉간 압조성이 우수하면서, 냉간압조 전 구상화 열처리 및 냉간 압조 후 퀀칭-템퍼링 처리를 생략할 수 있는 고강도 볼트 개발이 필요하다.

한편, 고망간강인 쌍정 유기소성(Twinning Induced Plasticity, TWIP) 강은 쌍정을 활용하여 변형에너지를 해소한다. 면심입방구조(FCC)를 갖는 결정구조의 특성으로 많은 슬립계가 존재하여 전위의 움직임도 체심입방구조(BCC)에 비해 용이하다. 상기 TWIP강은 쌍정과 전위를 이용한 변형이 이루어짐에 따라, 재료의 냉간 압조성이 매우 우수하며 변형시 유기되는 쌍정을 이용하여 동적으로 강화 효과를 유발한다. 이러한 나노크기의 쌍정은 결정립 미세화 효과를 극대화하여 재료의 고강도를 구현할 수 있게 된다.

이러한 고망간강에 대한 종래 기술로는 한국특허등록 제0851158호가 있다. 상기 특허는 충돌특성이 우수한 고망간형 고강도 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, Mn을 10~25중량% 첨가한 고망간강을 이용한 판재의 제조방법에 대하여 기재되어 있으나, 상기 특허는 판재 적용에는 가능하지만, 변형 모드가 다른 공형압연기 혹은 인발을 통한 선재의 제조에는 부적합하며, 특히 강선재에 대한 적용에 대해서는 전혀 나타나 있지 않다.

본 발명의 일측면은 강선재의 고강도화를 도모하면서, 우수한 냉간 압조성을 가지고, 구상화 및 퀀칭-템퍼링 열처리 과정이 생략 가능한 강선재와 이를 제조하는 방법 및 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 망간(Mn) 12~25중량%를 포함하는 강을 1100~1250℃로 가열하는 단계;

상기 가열된 강을 700~1100℃에서 열간 압연하는 단계; 및

상기 열간 압연된 강을 200℃이하의 온도로 냉각하고, 냉간 공형 압연 또는 인발하여 강선재를 제조하는 단계

를 포함하는 냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 망간(Mn) 12~25중량%를 포함하고,

미세조직은 면심입방구조의 오스테나이트 조직을 포함하며, <112>{111}의 쌍정 기구를 포함하는 냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제조방법으로 제조된 강선재를 냉간 압조하여 볼트 헤드를 제조하는 단계; 및

상기 냉간 압조된 강선재를 400~600℃의 온도로 열처리하는 단계를 포함하는 볼트의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 냉간 압조성이 우수한 열처리 생략형 고강도 강선재를 제공함으로써, 부품산업의 생산 단가 절감 및 고부가 가치 소재로 활용될 수 있으며, 부품소재로 활용시에 무게 저감 효과를 통한 녹색성장에 기여할 것으로 판단된다.

도 1은 실시예의 강선재 제조이력을 나타낸 그래프임
도 2의 (a) 및 (b)는 각각 초기 열간 압연 강의 인장곡선 및 광학 현미경 사진임.
도 3의 (a) 내지 (d)는 각각 열간 압연 강과 냉간 공형 단면 감소율 31%, 43% 및 54%로 실시한 강선재의 후방 산란 전자의 회절 패턴의 이미지 맵임.
도 4의 (a) 및 (b)는 각각 열간 압연 강과 54% 냉간 공형 압연 강선재의 인장과 압축을 측정한 진응력-진변형율 그래프임
도 5의 (a) 내지 (c)는 31%, 43%, 54%로 냉간 공형 압연한 강선재를 550, 600℃에서 8분동안 열처리한 후의 인장곡선임

이하, 본 발명에 대하여, 상세히 설명한다.

본 발명자들은 쌍정 유기소성(Twinning Induced Plasticity, TWIP) 강의 동적 강화 변형 기구를 이용하여 냉간 압조성이 우수한 고강도 강선재를 개발하였다. 상기 쌍정 유기소성 강은 연신율이 우수하여 고강도 강임에도 열처리를 생략할 수 있고, 공형압연을 이용한 간접 인장법(indirect multi-axial tension)으로 기 변형을 1800MPa급의 고강도 강재에 압축시험을 실시한 결과, 균열 없이 무한대의 변형률을 갖는 것을 알 수 있었다.

이는 바우싱어 효과(Bauschinger effect)로 알려져 있는, 높은 역응력(back stress)을 갖는 쌍정 유기소성 강의 특성으로, 인장응력이 가해져 있는 시편에 압축응력을 가할 경우, 낮은 항복응력을 갖는 것을 특징으로 하기 때문이다. 따라서, 쌍정을 이용한 고강도 강화 기구와 바우싱어 효과를 활용하여 우수한 냉간 압조성에 착안한 결과, 본 발명의 우수한 냉간 압조성을 갖는 열처리 생략형 고망간 강선재를 개발할 수 있었다.

먼저, 본 발명의 강선재 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 먼저 망간(Mn) 12~25중량%를 포함하는 강을 1100~1250℃로 가열한다. 상기 망간 이외에 강 조성은 그 범위를 특별히 한정하지는 않으나, 바람직한 일예로는 탄소(C) 0.5~1.0중량%, 알루미늄(Al) 1.0~2.0중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 상기 조성이외에 다른 성분의 첨가가 배제되는 것은 아니다.

상기 강을 1100~1250℃로 가열하는 것은 강의 균질화 처리를 위한 것으로, 이는 주조시에 발생하는 원소의 편석을 방지하기 위한 것이다.

상기 가열된 강을 700~1100℃에서 열간 압연한다. 상기 열간 압연은 크기 조정을 위한 선재 열간 압연에 해당하는 것으로, 열간 압연 온도가 700℃ 미만에서는 압연중에 발생하는 쌍정으로 인하여 냉간 공형 압연시에 압하율의 저하를 야기할 수 있으며, 1100℃를 초과하는 경우에는 결정립 크기가 조대해져 냉간 공형 압연시에 쌍정이 효과적으로 발생하지 않아 압하율의 저하를 가져오기 때문에 상기 열간 압연은 700~1100℃에서 행하는 것이 바람직하다.

상기 열간 압연된 강을 200℃이하의 온도로 냉각하고, 냉간 공형 압연(caliber rolling) 또는 인발(drawing)하여 강선재를 제조한다. 상기 공형 압연 또는 인발시의 단면 감소율은 선재의 요구강도에 따라 달라지며, 바람직하게는 10~70%의 단면 감소율로 행하는 것이 바람직하다. 상기 온도의 하한은 특별히 한정할 필요가 없으며, 상온이어도 무방하다.

다만, 상기 냉간 공형 압연 또는 인발시 온도가 200℃를 초과하게 되면, 낮은 변형율에서 쌍정 생성이 급격하여, 고변형율에서 쌍정이 발생하지 않는 문제점이 있어 재료의 단면 감소율이 오히려 더 낮아지게 된다.

또한, 상기 단면 감소율은 항복응력을 증가시키기 위해서 10% 이상 행하는 것이 바람직하고, 70%의 단면 감소율은 냉간 압조 가능 한계치라고 할 수 있다.

상기 냉간 공형 압연 또는 인발시에는 재료 내부에 발생하는 쌍정의 발생으로 결정립 미세화와 동일한 재료의 강화효과를 가져온다. 상기 공형 압연 또는 인발시에 발생하는 쌍정은 4개의 다른방향 (4^th variant) 쌍정이 모두 형성이 되고 이는 기존의 판재 압연에서 발생하는 1개의 방향 (1^st variant) 쌍정만 형성되는 것과는 달리, 4개의 다른방향 쌍정이 형성됨에 따라 결정립 미세화 효과는 극대화 되어 보다 높은 강도구현이 용이하며, 4개의 다른방향에서 쌍정이 재료의 주변형기구로 작용하여 높은 단면 감소율을 구현할 수 있어, 다양한 강도의 강선재 제조를 용이하게 한다.

이하, 본 발명의 강선재에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명의 강선재는 12~25중량%의 Mn을 포함한다. 본 발명 강선재의 조성에 관한 바람직한 예로는 전술한 바와 같이, 탄소(C) 0.5~1.0중량%, 알루미늄(Al) 1.0~2.0중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명의 강선재는 변형시에 쌍정과 전위가 동시에 변형기구로 작용하여, 고강도 및 고연신율을 갖는다. 또한, 나노크기의 쌍정이 변형중에 유기되어 미세 결정립 강화효과를 가져오는 동시에 변형 에너지를 해소하여 연신율을 증가시킨다. 열간 압연된 쌍정 유기소성 강의 단점인 낮은 항복강도를 개선하기 위해서는 냉간 공형 압연 혹은 인발을 통하여 증가시킬 수 있다. 냉간 변형시에 발생하는 높은 밀도의 전위는 재료의 항복강도를 증가시킨다. 또한 냉간 변형된 강재의 경우, 쌍정에 의한 변형기구로 차후 공정인 냉간 압조성 역시 우수하다

본 발명의 강선재는 면심입방구조의 오스테나이트계 강재로써 <112>{111}의 쌍정 기구를 갖는다. 4개의 <112> 방향과 3개의 {111} 면에서 격자내의 총 12개의 쌍정 기구 포함하며, 이때 1개의 면에서는 4개의 방향 쌍정 형성이 가능하다. 이러한 4개의 다른방향 (4^th variant) 쌍정과 전위와의 상호작용이 주된 강화기구인데, 특별한 점은 본 강재의 쌍정과 상호작용하는 전위가 모두 인장방향 전위라는 것이다. 본 강재를 직접 인장 혹은 간접 인장방향으로의 변형을 부여하면, 오직 인장방향의 전위가 형성이 되며, 이러한 전위들이 추후의 냉간 압조성 향상에 기여한다. 즉, 인장방향 전위는 압축 변형시에 압축방향 전위와의 상쇄를 통해 재료의 유동응력이 낮아지고, 그에 따라 냉간 압조가 용이하게 된다.

이하, 상기 강선재를 이용한 볼트의 제조방법에 대해서 상세히 설명한다.

상기 강선재를 이용하여 볼트를 제조함에 있어서, 볼트 헤드부를 형성하기 위해서, 냉간 압조를 행한다. 전술한 바와 같이, 통상의 경우에는 냉간 압조성을 향상시키기 위해서, 구상화 열처리를 행하나, 본 발명에서는 구상화 열처리를 생략하고 냉간 압조를 직접 행할 수 있다는 장점이 있다. 종래 고강도 볼트의 경우 연신율이 매우 낮기 때문에, 저강도 구상화 열처리된 소재를 냉간 압조하고 그 후에 고강도 퀀칭/템퍼링(Q/T) 열처리를 행하여야 했으나, 상기 Q/T 열처리를 하면 재료의 형상이 뒤틀어지는 경우도 있고, 구상화 열처리가 20시간 정도 걸리기 때문에 경제성을 저하하는 문제가 있었다.

상기 냉간 압조를 행한 후, 400~600℃의 온도에서 응력제거 열처리를 행한다. 상기 응력제거 열처리는 재결정이 일어나지 않는 400~600℃의 온도에서 행하는 것이 바람직하며, 열처리 시간은 10분을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 400℃ 미만에서는 전위재배열이 일어나지 않기 때문에 400℃ 이상의 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 상기 응력제거 열처리는 엉켜 있는 전위를 재배열해 주어 잔류응력을 이완함으로써 국부적인 응력집중부를 제거하여, 재료의 안정성을 높이는데 기여한다.

본 발명에서는 냉간 압조를 행한 후, 별도의 퀀칭(Quenching) 및 템퍼링(Tempering)을 실시하지 않는 점에서 종래의 기술에 비해 장점이 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로, 하기 실시예에 의해서 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

C: 0.6중량%, Mn: 18중량%, Al: 1.5중량%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강을 도 1의 제조공정 이력에 따라, 1200℃에서 가열하여 균질화 처리를 행하고, 1100℃에서 열간 압연을 실시한 후, 냉간에서 다양한 단면 감소율로 공형 압연을 실시하여 강선재를 제조하였다.

상기 열간 압연된 강의 초기 인장곡선과 광학 현미경 사진을 각각 도 2의 (a) 및 (b)에 나타내었다. 도 2(a)는 열간 압연된 강의 초기 인장곡선을 타나낸 것으로, 상기 열간 압연된 강은 309MPa의 항복강도, 736MPa의 인장강도 및 60%의 연신율을 갖는 강재임을 알 수 있다. 상기 강재는 쌍정 유기를 통해 쌍정-전위간의 상호작용으로 고강도가 되며, 강재내 고르게 형성되는 쌍정이 국부적인 응력집중부를 해소하여 높은 연신율을 갖는다. 도 2(b)에서는 소둔 쌍정이 형성된 등방성 결정립을 갖는 미세조직을 확인할 수 있다.

한편, 도 3은 초기 14.3㎛의 결정립 크기를 갖는 열간 압연재(a), 단면 감소율 31%로 냉간 공형 압연을 행한 강선재(b), 43%로 행한 강선재(c) 및 54%로 행한 강선재(d)의 미세조직을 후방 산란 전자 회절 패턴의 이미지 맵으로 관찰한 것이다. 상기 도 3의 (a) 내지 (d)를 통해, 냉간 공형 압연시 단면 감소율이 증가할수록 기계적 쌍정은 {111} 면에서 <112> 방향으로, 1방향 (1^st variant) 쌍정에서 4방향 (4^th variant) 쌍정을 갖는 것을 관찰할 수 있다. 이러한 변형에 의한 기계적 쌍정은 전위의 평균자유 이동거리(mean free path)를 감소시키는 장애물로 작용하여 강선재의 결정립 미세화 효과의 강화기구로 작용하여 재료의 강도를 증가시킨다.

또한, 진인장(압축) 특성을 알아보기 위해서, 열간 압연한 강과 54%의 단면 감소율로 공형 압연한 강선재의 진인장(압축) 특성을 평가하였다. 상기 평가는 12.5㎜의 게이지 길이와 3㎜의 지름을 갖는 개 뼈다귀(dog bone)모양의 환형 인장시편으로 인장시험을 하였고, 압축시험은 2.8㎜의 지름과 4.2㎜의 길이를 갖는 원통형 압축 시편을 이용하였다. 상기 평가 결과는 도 4의 (a) 및 (b)에 각각 나타내었다. 도 4의 (a)는 열간 압연된 강이고, (b)는 54% 공형 압연한 강선재에 관한 것이다.

도 4의 결과에 나타난 바와 같이, 이들은 모두 우수한 압축(compression) 특성을 가지나, 도 4(b)의 54% 공형 압연한 강선재는 1830MPa의 인장강도를 갖는 초고강도 강선재 임에도 불구하고, 압축 크랙이 발생하지 않고, 무한대의 압축 연신율을 갖는다. 이것은 냉간 공형 압연시에 형성된 인장 전위와 역응력이 압축시험시에 바우싱어 효과를 나타내어 낮은 압축 유동응력을 갖게 됨에 따라 우수한 압축 특성을 나타내는 것이며, 총 {111}<112> 12개의 방향으로 형성될 수 있는 쌍정이 인장시에 4개의 방향으로만 형성되고, 나머지 8개의 방향으로 형성될 수 있는 여지를 남겨 둠에 따라 압축시험시에 우수한 연신율을 갖게 된다.

한편, 도 5는 냉간 공형 압연의 단면 감소율을 달리한 강선재와 이를 550, 600℃에서 8분간 열처리한 후의 인장곡선을 나타낸다. 이것은 재료의 안정성을 총 연신율(ε_tot) 대비 균일 변형 연신율(ε_peak)이 낮은 냉간 공형 압연재의 안정성을 부여하기 위해서, 응력 풀림(stress relieving)적용을 보여주기 위함이다. 도 5 (a) 내지 (c)에서 나타난 바와 같이, 상기 응력 풀림(제거) 열처리를 행하게 되면, 강도의 저하가 발생하지 않으면서, 균일 변형 연신율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

종래 강선재를 이용한 볼트 제품의 제조는 구상화 열처리 및 급냉-템퍼링 공정이 존재하여 제품 출하시간이 길고, 열처리에 따른 제품의 뒤틀림에 대한 문제점이 있었다. 그러나, 본 발명의 강선재는 냉간 압조성이 우수하여 열처리를 생략할 수 있게 됨에 따라, 차세대 부품 소재 산업에 획기적인 강선재로 활용할 수 있다.

Claims (8)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 망간(Mn) 12~25중량%, 탄소(C) 0.5~1.0중량%, 알루미늄(Al) 1.0~2.0중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하고,
   미세조직은 면심입방구조의 오스테나이트 조직을 포함하며,
   4개의 <112> 방향과 3개의 {111} 면에서 격자내의 총 12개의 쌍정 기구를 포함하며, 이때 1개의 면에서는 4개의 방향 쌍정이 형성되는 냉간 압조성이 우수한 고강도 고망간 강선재.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 망간(Mn) 12~25중량%, 탄소(C) 0.5~1.0중량%, 알루미늄(Al) 1.0~2.0중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강을 1100~1250℃로 가열하는 단계;
   상기 가열된 강을 700~1100℃에서 열간 압연하는 단계; 및
   상기 열간 압연된 강을 200℃이하의 온도로 냉각하고, 10~70%의 단면감소율로 냉간 공형 압연 또는 인발하여, 4개의 <112> 방향과 3개의 {111} 면에서 격자 내의 총 12개의 쌍정 기구 포함하며 이때 1개의 면에서는 4개의 방향 쌍정이 형성되는 강선재를 제조하는 단계;
   상기 강선재를 냉간 압조하여 볼트 헤드를 제조하는 단계; 및
   상기 냉간 압조된 강선재를 400~600℃의 온도로 열처리하는 단계;를 포함하는 볼트의 제조방법.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 열처리는 10분 이하로 행하는 볼트의 제조방법.

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