KR101316248B1

KR101316248B1 - Non quenched and tempered steel having ultrafine-grained pearlite and fabricating method therefor

Info

Publication number: KR101316248B1
Application number: KR1020110053074A
Authority: KR
Inventors: 박성환; 고영상; 박중근; 정준호; 김태형
Original assignee: 현대자동차주식회사; 한국과학기술원; 기아자동차주식회사
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2013-10-08
Also published as: US20120305146A1; KR20120134280A; CN102808073B; CN102808073A

Abstract

강재를 고온압축 변형하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에 의한 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간으로 급속냉각하는 급속냉각단계; 상기 급속냉각단계에 의해 과냉된 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간에서 등온으로 유지시키는 등온변태단계; 및 상기 등온변태단계를 거친 열간단조체를 공랭하는 공랭단계;를 포함하는 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강의 제조방법과 그에 의한 비조질강이 소개된다.Hot forging step of high temperature compression deformation steel; A rapid cooling step of rapidly cooling the hot forging body by the hot forging step to a low temperature pearlite transformation section; An isothermal transformation step of maintaining the hot forging body supercooled by the rapid cooling step at an isothermal temperature in a low temperature pearlite transformation section; And an air-cooling step of air-cooling the hot forged body which has undergone the isothermal transformation step.

Description

Non-Quality Steel with Ultrafine Perlite Structure and Manufacturing Method Thereof {NON QUENCHED AND TEMPERED STEEL HAVING ULTRAFINE-GRAINED PEARLITE AND FABRICATING METHOD THEREFOR}

본 발명은 열간단조 후 연속냉각 중에 형성되는 초석 페라이트와 펄라이트의 형성을 최대한 억제하고, 펄라이트 저온 등온 변태를 유도하여 초미세립의 펄라이트 조직을 갖는 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an amorphous steel having an ultrafine grained pearlite structure and a method of manufacturing the same, by inhibiting the formation of the cornerstone ferrite and pearlite formed during continuous cooling after hot forging as much as possible, and inducing pearlite low temperature isothermal transformation.

자동차부품은 중 탄소강을 이용하여 열간단조 공정으로 제조되고 있다. 전통적인 단조부품 제조공정은 중 탄소강(혹은 합금강)을 단조소재로 하고, 이를 오스테나이트 영역에서 열간 단조한 후 켄칭 (Quenching)하고 템퍼링 (Tempering)처리하여 제조하는 제조공정으로 이루어져 있다. 이때 열간단조를 마친 강은 켄칭 중에 마르텐사이트로 변태하게 되고 템퍼링 중에 페라이트와 카바이드로 분해되면서 강도가 우수하고 인성이 우수한 마르텐사이트 조직을 갖는 단조 강을 얻게 된다(이를 조질강 즉, QT 강이라고 부른다). 이와 같은 전통적인 열간단조 강의 제조에서는 열간단조 후에 켄칭과 템퍼링 처리를 추가로 시행해야 하는 관계로 단조 후 후열 처리 공정이 복잡하고 제조 비용이 많이 소요된다는 단점이 있어 왔다.
Automobile parts are manufactured by hot forging process using medium carbon steel. Conventional forging parts manufacturing process is made of heavy carbon steel (or alloy steel) as a forging material, hot forging in the austenite region, and then quenched and tempered. At this time, the steel after hot forging is transformed into martensite during quenching, and decomposed into ferrite and carbide during tempering, thereby obtaining a forged steel having a martensitic structure with excellent strength and toughness (this is called a tempered steel, that is, a QT steel). ). In the manufacture of such a hot forged steel, there has been a disadvantage that the post-forging after heat treatment process is complicated and expensive to manufacture since additional hardening and tempering treatment have to be performed after hot forging.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 단조 후 수행하는 QT공정을 배제하고 제어냉각공정만으로 QT강과 유사한 기계적 성질을 얻을 수 있는 Microalloying (MA) 단조강(비조질강이라고 부름)이 개발되게 되었고, 현재는 MA-단조강이 전통적인 QT-단조강으로 제조하던 많은 자동차용 열간단조 부품을 대체해나가고 있는 실정이다. MA-단조강은 중 탄소강을 기본으로 하며 여기에 V, Nb, Ti등의 microalloying 원소를 미량 첨가하여 탄질화물을 석출시킴으로써 열간 단조 중에 오스테나이트 결정립 조대화를 억제하여 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 형성하고 아울러 오스테나이트-페라이트 변태 시 페라이트 내에 미세한 탄질화물의 석출을 유도하여 펄라이트-페라이트의 강도를 증가시킴으로 단조강의 강도와 인성을 향상시키고자 하는 물리야금학적 개념으로 디자인되었다.
In order to solve this problem, Microalloying (MA) forged steel (called non-coated steel), which can obtain mechanical properties similar to those of QT steel only by controlling cooling process without the QT process performed after forging, has been developed. Forged steel is replacing many hot forging parts for automobiles manufactured with traditional QT-forged steel. MA-forged steel is based on medium carbon steel, and micro-alloying elements such as V, Nb and Ti are added to precipitate carbonitrides, thereby suppressing coarsening of austenite grains during hot forging to form fine pearlite-ferrite structures. In addition, it was designed as a physical metallurgy concept to improve the strength and toughness of forged steel by inducing the precipitation of fine carbonitride in ferrite during austenite-ferrite transformation to increase the strength of perlite-ferrite.

비조질 MA-단조강은 복잡한 후열처리 공정 없이 냉각공정 제어만으로 제조되므로 제조비용이 저렴하다는 장점이 있음은 물론, 아울러 조질용 QT-강과 유사한 강도와 우수한 피로특성을 나타낸다는 장점이 있다. 그러나 비조질 MA-단조강은 QT-강에 비해 상대적으로 인성이 열악하다는 단점이 있어왔다. 이 문제를 해결하기 위하여 지난 20여 년간 많은 연구가 범세계적으로 진행되어왔으나 오늘까지도 이 문제는 열간단조강 개발 분야의 지속적인 연구 과제가 되고 있다.
Non-manufactured MA-forged steel is manufactured by only cooling process control without complicated after-treatment process, so that the manufacturing cost is low, as well as the strength and excellent fatigue characteristics similar to that of the QT-steel for tempering. However, non-manufactured MA-forged steels have the disadvantage of being relatively poor in toughness compared to QT-steels. In order to solve this problem, much research has been conducted worldwide for the last 20 years, but to this day, this problem has been a continuous research subject in the field of hot forging steel development.

비조질 MA-단조강은 중 탄소강을 기본으로 하고 있으므로 그 기본조직은 펄라이트-페라이트 조직이다. 펄라이트-페라이트 조직의 기계적 성질은 펄라이트 분율과 콜로니 크기 및 라멜라 간격 등에 의해서 결정된다. 종래의 열간단조 공정에서는 펄라이트-페라이트 미세조직을 제어하기 위하여 열간단조 후 수행하는 제어냉각 공정에서 냉각속도를 제어한다.
As the rough MA-forged steel is based on medium carbon steel, its basic structure is a pearlite-ferrite structure. The mechanical properties of the pearlite-ferrite structure are determined by the pearlite fraction, colony size, lamellar spacing, and the like. In the conventional hot forging process, the cooling rate is controlled in a controlled cooling process performed after hot forging in order to control the pearlite-ferrite microstructure.

제어냉각 공정에서 냉각속도가 느리면 초석 페라이트 분율이 증가하고 펄라이트 분율이 감소하게 된다. 그 결과 강도는 감소하나 인성은 증가하게 된다. 반면에 냉각속도가 빠른 경우에는 초석 페라이트 분율이 감소하고 펄라이트 분율이 증가하게 된다. 그 결과 강도는 증가하나 인성은 감소하게 된다. 후자의 경우 강도는 증가하나 인성은 감소하는 이유는 두 가지 서로 다른 이유에 기인한다. 첫째는 페라이트 분율이 감소했기 때문이다. 둘째는 이때 형성되는 펄라이트 조직, 즉 펄라이트 콜로니 및 라멜라 조직이 조대하다는 사실에 기인한다. 펄라이트 조직이 조대한 이유는 펄라이트가 연속냉각중에 형성되기 때문이다. 즉, 연속냉각중에 초석페라이트가 일차로 형성되면서 오스테나이트/페라이트 계면에서 카본 농도가 누적되어 증가함으로 고온에서 펄라이트 형성이 쉽게 일어나게 된다. 고온에서 형성된 고온 펄라이트는 과냉도가 작으므로 핵생성속도가 작다. 따라서 작은 수의 핵이 형성되고 일단 형성된 고온 펄라이트는 연속냉각중에 조대화가 쉽게 일어나게 된다. 그 결과 조대한 펄라이트 콜로니 조직이 형성되게 되고 그에 따라 강도는 펄라이트 의 기본 강도수준은 유지할 수 있으나 펄라이트의 인성이 충분히 확보되지 못함과 동시에 페라이트의 분율이 작으므로 단조강의 인성이 현저히 감소하게 된다.
Slow cooling rates in the controlled cooling process increase the cornerstone ferrite fraction and decrease the pearlite fraction. As a result, strength decreases but toughness increases. On the other hand, when the cooling rate is fast, the cornerstone ferrite fraction is decreased and the pearlite fraction is increased. As a result, strength increases but toughness decreases. In the latter case, the strength increases but the toughness decreases for two different reasons. First is the decrease in the ferrite fraction. The second is due to the fact that the pearlite tissues formed at this time, namely the pearlite colonies and lamellar tissues, are coarse. The reason why the pearlite structure is coarse is that pearlite is formed during continuous cooling. In other words, as the primary formation of ferrite is continuously formed during continuous cooling, the concentration of carbon accumulates and increases at the austenite / ferrite interface, thereby easily forming pearlite at a high temperature. The high temperature pearlite formed at a high temperature has a low subcooling rate and thus a low nucleation rate. Therefore, a small number of nuclei are formed and the high temperature pearlite once formed is easily coarsened during continuous cooling. As a result, coarse pearlite colony structure is formed, and thus the strength can maintain the basic strength level of pearlite, but the toughness of the pearlite is not sufficiently secured, and the ferrite fraction is small, so that the toughness of the forged steel is significantly reduced.

이에 따라 종래의 펄라이트-페라이트 강에서는 제어냉각공정의 제어를 통하여 얻을 수 있는 강도와 인성향상에는 일정한 한계점이 있어왔고 그에 따라 종래 기술은 주로 새로운 합금디자인을 통하여 문제를 해결하고자 하였다. 그러나 새로운 합금을 위해 첨가되는 원소의 경우 그 비용이 저렴하다고 볼 수 없으며, 그러한 합금원소의 첨가에도 불구하고 성능의 향상은 그리 높지 않다는 문제가 있었다. 즉, 종래의 비조질강의 열간단조 공정에서는 단조후 냉각공정을 제어하여 페라이트 분율과 펄라이트 콜로니 조직을 최적화함으로써 강도와 인성을 상승시키고자 하였다. 그러나 이와 같은 펄라이트-페라이트 단조강에서는 냉각속도가 감소하면 페라이트 분율이 증가하고 펄라이트 분율이 감소하여 인성은 증가하나 강도는 감소한다. 반대로 냉각속도가 증가하면 페라이트 분율이 감소하고 펄라이트분율이 증가하여 강도는 증가하나 인성은 감소하는 경향을 보인다. 즉, 종래의 펄라이트-페라이트 단조강에서는 냉각속도의 제어만으로는 우수한 강도뿐만 아니라 우수한 인성을 갖는 단조강 제조에는 한계가 있어 왔다.
Accordingly, in the conventional pearlite-ferrite steel, there have been certain limitations in the strength and toughness improvement that can be obtained through the control of the control cooling process, and accordingly, the prior art mainly solves the problem through a new alloy design. However, the cost of the element added for the new alloy is not seen as low, and there is a problem that the performance improvement is not so high despite the addition of such alloying elements. In other words, in the conventional hot forging process of non-steel, the cooling process after the forging is controlled to increase the strength and toughness by optimizing the ferrite fraction and the pearlite colony structure. However, in such a pearlite-ferrite forged steel, the ferrite fraction increases and the pearlite fraction decreases as the cooling rate decreases, but the toughness increases but the strength decreases. On the contrary, as the cooling rate increases, the ferrite fraction decreases and the pearlite fraction increases, increasing the strength but decreasing the toughness. That is, in the conventional pearlite-ferrite forged steel, there has been a limitation in producing forged steel having not only excellent strength but also excellent toughness only by controlling the cooling rate.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.The matters described as the background art are only for the purpose of improving the understanding of the background of the present invention, and should not be taken as acknowledging that they correspond to the related art already known to those skilled in the art.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 합금조성의 변화 없이도 새로운 제어냉각공정을 적용함으로써 페라이트를 배제한 초미세립 펄라이트(유사-펄라이트)조직으로만 이루어진 새로운 개념의 고강도 고인성 비조질강을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve this problem, and provides a new concept of high strength, high toughness non-coated steel composed only of ultra-fine grain pearlite (similar-pearlite) structure without ferrite by applying a new controlled cooling process without changing the alloy composition. Its purpose is to.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강의 제조방법은, Fe를 주성분으로 하고, C : 0.43~0.47 wt%, Si : 0.15~0.35 wt%, Mn : 1.1~1.3 wt%, P : 0.03 wt% 이하(0은 불포함), S : 0.04 wt% 이하(0은 불포함), Cu : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Cr : 0.1~0.2 wt%, Mo : 0.05 wt% 이하(0은 불포함), V : 0.08~0.15 wt% 이하(0은 불포함), Al : 0.02 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 비조질강의 제조방법으로서,In order to achieve the above object, a method for producing an amorphous steel having an ultrafine grain pearlite structure according to the present invention includes Fe as a main component, C: 0.43 to 0.47 wt%, Si: 0.15 to 0.35 wt%, and Mn: 1.1 to 1.3 wt%, P: 0.03 wt% or less (0 is not included), S: 0.04 wt% or less (0 is not included), Cu: 0.3 wt% or less (0 is not included), Ni: 0.2 wt% or less (0 is not included) ), Cr: 0.1 to 0.2 wt%, Mo: 0.05 wt% or less (0 is not included), V: 0.08 to 0.15 wt% or less (0 is not included), Al: 0.02 wt% or less (0 is not included) and other unavoidable As a manufacturing method of an amorphous steel containing impurities,

강재를 고온압축 변형하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에 의한 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간으로 급속냉각하는 급속냉각단계; 상기 급속냉각단계에 의해 과냉된 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간에서 등온으로 유지시키는 등온변태단계; 및 상기 등온변태단계를 거친 열간단조체를 공랭하는 공랭단계;를 포함한다.Hot forging step of high temperature compression deformation steel; A rapid cooling step of rapidly cooling the hot forging body by the hot forging step to a low temperature pearlite transformation section; An isothermal transformation step of maintaining the hot forging body supercooled by the rapid cooling step at an isothermal temperature in a low temperature pearlite transformation section; And an air cooling step of air cooling the hot forging body that has undergone the isothermal transformation step.

상기 열간단조단계는 1000~1250 ℃에서 이루어지도록 할 수 있다.The hot forging step may be performed at 1000 ~ 1250 ℃.

상기 급속냉각단계는 열간단조체를 10 ℃/s 이상의 속도로 500~600 ℃까지 냉각하도록 할 수 있다.The rapid cooling step may be to cool the hot forging to 500 ~ 600 ℃ at a rate of 10 ℃ / s or more.

상기 등온변태단계는 과냉된 열간단조체를 500~600 ℃에서 5~30 분 등온으로 유지시키도록 할 수 있다.The isothermal transformation step may be to maintain the supercooled hot forging body isothermal 5 to 30 minutes at 500 ~ 600 ℃.

상기 급속냉각단계는 열간단조체를 10 ℃/s 이상의 속도로 500~600 ℃까지 냉각하고, 상기 등온변태단계는 과냉된 열간단조체를 500~600 ℃에서 5~30 분 등온으로 유지시키도록 할 수 있다.The rapid cooling step is to cool the hot forging to 500 ~ 600 ℃ at a rate of 10 ℃ / s or more, and the isothermal transformation step to maintain the supercooled hot forging for 5 to 30 minutes isothermal at 500 ~ 600 ℃ Can be.

한편, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강은, 1000~1250 ℃에서 열간단조된 강재가 500~600 ℃의 펄라이트 변태구간으로 급속냉각된 후, 해당 온도에서 5~30 분 등온으로 유지되고 공랭에 의해 냉각되어 생성된 것을 특징으로 할 수 있다.On the other hand, the amorphous steel having an ultra-fine grain pearlite structure according to the present invention for achieving the above object, the steel forging hot forged at 1000 ~ 1250 ℃ is rapidly cooled to a pearlite transformation section of 500 ~ 600 ℃, at the corresponding temperature It may be characterized in that it is maintained by isothermal 5-30 minutes and cooled by air cooling.

상기 열간단조된 강재는 500~600 ℃의 펄라이트 변태구간으로 10 ℃/s 이상의 속도로 급속냉각되도록 할 수 있다.The hot forged steel can be rapidly cooled at a rate of 10 ℃ / s or more in the pearlite transformation section of 500 ~ 600 ℃.

공랭에 의해 냉각되어 생성된 비조질강은 초석 페라이트 분율이 부피분율로 5 % 이하로 억제되며, 펄라이트 콜로니의 크기가 5~10 ㎛로 제한되도록 할 수 있다.The crude steel produced by cooling by air cooling can suppress the cornerstone ferrite fraction to 5% or less in volume fraction, and the size of the pearlite colony can be limited to 5 to 10 μm.

본 발명에서 제안되는 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강 및 그 제조방법에 따르면, 펄라이트-페라이트 단조강의 한계점을 극복하고 강도와 인성이 현저히 우수한 새로운 개념의 초미세립 펄라이트(유사-펄라이트) 비조질강을 제공할 수 있다.According to the proposed non-coated steel having an ultra-fine grained pearlite structure and a method of manufacturing the same, an ultra-fine grained pearlite (quasi-pearlite) non-coated steel of a new concept overcomes the limitations of pearlite-ferritic forged steel and has excellent strength and toughness. can do.

본 발명의 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강은 페라이트 변태를 억제하고, 연속냉각 펄라이트 변태를 최대한 억제하며 저온 펄라이트 등온 변태를 유도함으로써, 펄라이트 변태의 구동력을 극대화한다. 그 결과 펄라이트 콜로니의 핵성성 속도가 극대화되어 초미세립의 콜로니 및 라멜라 조직을 제조하게 된다.The non-coarse steel having the ultrafine grain pearlite structure of the present invention suppresses ferrite transformation, suppresses continuous cooling pearlite transformation as much as possible, and induces low-temperature pearlite isothermal transformation, thereby maximizing the driving force of the pearlite transformation. As a result, the nucleation rate of pearlite colonies is maximized to produce ultra-fine grain colonies and lamellar tissue.

초미세립의 펄라이트(유사-펄라이트) 단조강을 제조한 결과 연신율은 18% 수준으로 종래의 펄라이트-페라이트 단조강에 비해 대등하거나 우수하면서도 항복강도가 13% 증가하고 인장강도가 8% 증가하여 970 MPa급의 고강도 고인성 비조질강을 제조할 수 있다.As a result of the production of ultrafine pearlite (pseudo-pearlite) forged steel, the elongation is 18%, which is comparable or superior to that of conventional pearlite-ferrite forged steel, but the yield strength is increased by 13% and the tensile strength is increased by 8%. A high strength, high toughness non-steel can be produced.

도 1의 a 및 b는 1150 ℃에서 열간단조가 이루어진 비조질강의 미세조직이고, c 및 d는 1050 ℃에서 열간단조가 이루어진 비조질강의 미세조직을 나타낸 도면.
도 2의 a는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 2 ℃/s로 냉각한 후 공랭한 미세조직이고, b는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 공랭한 미세조직을 나타낸 도면.
도 3의 a는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직이고, b 및 c는 열간단조 된 강재를 550 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직이며, d는 열간단조 된 강재를 500 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직을 나타낸 도면.
도 4는 등온유지 온도가 비커스 미소경도에 미치는 영향을 나타낸 그래프.
도 5는 1100 ℃에서 열간단조가 이루어진 강재를 공랭한 미세조직과 다단급속냉각공정이 이루어진 강재의 미세조직을 비교한 도면.
도 6은 도 5의 또 다른 비교도면.Figure 1 a and b is a microstructure of the non-coarse steel hot-forged at 1150 ℃, c and d is a view showing the microstructure of the non-coal steel is hot forging at 1050 ℃.
Figure 2 a is the air cooled microstructure after cooling the hot forged steel to 2 ℃ / s to 600 ℃, b is the air cooled microstructure after cooling the hot forged steel to 10 ℃ / s to 600 ℃ Shown.
3 a is a microstructure that is cooled after cooling the hot forged steel to 600 ℃ 10 ℃ / s for 10 minutes, and b and c is cooled to 10 ℃ / s hot steel forging hot to 550 ℃ After the isothermal holding for 10 minutes, the air cooled microstructure, d is a diagram showing the air cooled microstructure after cooling for 10 minutes to 10 ℃ / s hot forged steel to 500 ℃.
Figure 4 is a graph showing the effect of the isothermal holding temperature on the Vickers microhardness.
Figure 5 is a comparison of the microstructure of the steel material made of a multi-stage rapid cooling process and the air cooled microstructure hot-forged steel at 1100 ℃.
6 is another comparative view of FIG.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강 및 그 제조방법에 대하여 살펴본다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings looks at with respect to the non-coated steel having an ultrafine pearlite structure according to a preferred embodiment of the present invention and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강의 제조방법은, 강재를 고온압축 변형하는 열간단조단계; 상기 열간단조단계에 의한 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간으로 급속냉각하는 급속냉각단계; 상기 급속냉각단계에 의해 과냉된 열간단조체를 저온의 펄라이트 변태구간에서 등온으로 유지시키는 등온변태단계; 및 상기 등온변태단계를 거친 열간단조체를 공랭하는 공랭단계;를 포함한다.According to the present invention, there is provided a method for manufacturing an amorphous steel having an ultrafine pearlite structure, comprising: a hot forging step of compressing and deforming a steel at high temperature; A rapid cooling step of rapidly cooling the hot forging body by the hot forging step to a low temperature pearlite transformation section; An isothermal transformation step of maintaining the hot forging body supercooled by the rapid cooling step at an isothermal temperature in a low temperature pearlite transformation section; And an air cooling step of air cooling the hot forging body that has undergone the isothermal transformation step.

여기서, 상기 강재의 성분은 Fe를 주성분으로 하고, C : 0.43~0.47 wt%, Si : 0.15~0.35 wt%, Mn : 1.1~1.3 wt%, P : 0.03 wt% 이하(0은 불포함), S : 0.04 wt% 이하(0은 불포함), Cu : 0.3 wt% 이하(0은 불포함), Ni : 0.2 wt% 이하(0은 불포함), Cr : 0.1~0.2 wt%, Mo : 0.05 wt% 이하(0은 불포함), V : 0.08~0.15 wt% 이하(0은 불포함), Al : 0.02 wt% 이하(0은 불포함) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하도록 할 수 있으며, 이를 표로 나타내면 아래와 같다.
Here, the components of the steel is Fe as the main component, C: 0.43 ~ 0.47 wt%, Si: 0.15 ~ 0.35 wt%, Mn: 1.1 ~ 1.3 wt%, P: 0.03 wt% or less (0 is not included), S : 0.04 wt% or less (0 is not included), Cu: 0.3 wt% or less (0 is not included), Ni: 0.2 wt% or less (0 is not included), Cr: 0.1 to 0.2 wt%, Mo: 0.05 wt% or less ( 0 is not included), V: 0.08 to 0.15 wt% or less (0 is not included), Al: 0.02 wt% or less (0 is not included) and other unavoidable impurities, which are shown in the table below.

그리고, 상기 열간단조단계는 1000~1250 ℃에서 이루어지며, 상기 급속냉각단계는 열간단조체를 10 ℃/s 이상의 속도로 500~600 ℃까지 냉각하도록 할 수 있다.The hot forging step may be performed at 1000 to 1250 ° C., and the rapid cooling step may allow the hot forging body to be cooled to 500 to 600 ° C. at a rate of 10 ° C./s or more.

또한, 상기 등온변태단계는 과냉된 열간단조체를 500~600 ℃에서 5~30 분 등온으로 유지시키도록 하며. 상기 급속냉각단계는 열간단조체를 10 ℃/s 이상의 속도로 500~600 ℃까지 냉각하고, 상기 등온변태단계는 과냉된 열간단조체를 500~600 ℃에서 5~30 분 등온으로 유지시키도록 할 수 있다.
In addition, the isothermal transformation step is to maintain the supercooled hot forging body isothermal 5 to 30 minutes at 500 ~ 600 ℃. The rapid cooling step is to cool the hot forging to 500 ~ 600 ℃ at a rate of 10 ℃ / s or more, and the isothermal transformation step to maintain the supercooled hot forging for 5 to 30 minutes isothermal at 500 ~ 600 ℃ Can be.

한편, 상기 제조방법에 의해 생성된 초미세립 펄라이트 조직을 갖는 비조질강은, 1000~1250 ℃에서 열간단조된 강재가 500~600 ℃의 펄라이트 변태구간으로 급속냉각된 후, 해당 온도에서 5~30 분 등온으로 유지되고 공랭에 의해 냉각되어 생성된 것을 특징으로 할 수 있다. On the other hand, the non-coarse steel having the ultra-fine grain pearlite structure produced by the manufacturing method, the steel forging hot forged at 1000 ~ 1250 ℃ rapidly cooled to a pearlite transformation section of 500 ~ 600 ℃, 5 ~ 30 minutes at the temperature It may be characterized in that it is maintained at isothermal temperature and cooled and cooled by air cooling.

그리고 상기 열간단조된 강재는 500~600 ℃의 펄라이트 변태구간으로 10 ℃/s 이상의 속도로 급속냉각되도록 할 수 있으며, 공랭에 의해 냉각되어 생성된 비조질강은 초석 페라이트 분율이 부피분율로 5 % 이하로 억제되며, 펄라이트 콜로니의 크기가 5~10 ㎛로 제한되도록 할 수 있다.The hot forged steel may be rapidly cooled at a rate of 10 ° C./s or more at a pearlite transformation section of 500 to 600 ° C., and the crude steel produced by cooling by air cooling has a cornerstone ferrite fraction of 5% or less by volume fraction. It can be suppressed, and the size of the pearlite colony can be limited to 5 ~ 10 ㎛.

본 발명은 종래의 펄라이트-페라이트 조직과는 전혀 다른 새로운 개념의 조직 즉, 초미세립의 펄라이트 (유사-펄라이트) 조직으로 이루어진 비조질 V-MA 중-탄소 단조강 제조를 위한 다단급속냉각공정에 관한 발명으로서, 제1단계는 열간단조 직후 열간단조체를 ℃/s 이상의 빠른 냉각속도로 저온의 펄라이트 등온변태 구간으로 급속 냉각한다. 제2단계는 과냉된 열간단조체를 저온의 펄라이트 등온변태 온도에서 짧은 시간 동안 등온 유지하여 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직을 형성한다. 제3단계는 등온변태로 형성된 초미세립의 펄라이트(유사-펄라이트) 조직을 공냉한다. The present invention relates to a multi-stage rapid cooling process for the production of non-crude V-MA medium-carbon forged steel, which is composed of a completely different concept of a conventional pearlite-ferrite structure, that is, an ultrafine grain of pearlite (quasi-pearlite). In the first step, the hot forging is rapidly cooled to a low temperature pearlite isothermal transformation section at a high cooling rate of ℃ / s or more immediately after hot forging. In the second step, the supercooled hot forging is isothermally maintained at a low temperature of pearlite isothermal transformation for a short time to form ultrafine pearlite colony structure. The third step is to air-cool the ultrafine pearlite (quasi-pearlite) tissue formed by isothermal transformation.

제1단계에서 열간단조 직후 열간 단조체를 저온의 펄라이트 등온 변태구간으로 급속냉각하는 목적은 첫째, 연속 냉각중에 형성되는 초석 페라이트 변태를 최대한 억제하고자 하는 것이다. 둘째, 연속냉각중에 형성되는 연속냉각 펄라이트 변태를 최대한 억제하고자 하는 것이다. In the first step, the purpose of rapidly cooling the hot forging to a low temperature pearlite isothermal transformation section immediately after hot forging is to firstly suppress the cornerstone ferrite transformation formed during continuous cooling. Second, to suppress the continuous cooling pearlite transformation formed during continuous cooling as much as possible.

연속냉각중에 발생하는 상 변태를 최대한 억제함으로써 저온의 펄라이트 등온변태구간까지 극도로 과냉된 오스테나이트 열간단조체를 얻고자 하는 것이다. 제2단계에서는 이와 같이 극도로 과냉된 오스테나이트 단조체를 저온의 펄라이트 변태온도에서 짧은 시간 등온유지함으로써 펄라이트 콜로니의 핵생성 속도를 최대화하여 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직을 얻고자 하는 것이다. It is to obtain austenite hot forging that is extremely supercooled to the low temperature pearlite isothermal transformation section by suppressing phase transformation occurring during continuous cooling as much as possible. The second step is to maximize the nucleation rate of the pearlite colony by maintaining the ultra-cooled austenite forge at a low temperature of the pearlite transformation temperature for a short time to obtain ultrafine pearlite colony structure.

펄라이트 콜로니조직의 크기는 연속냉각변태보다는 등온변태의 경우 미세해진다. 이는 연속냉각 변태 경우에는 펄라이트의 핵생성이 비교적 고온에서 일어나는 관계로 핵생성 속도가 작고 아울러 냉각중에 콜로니의 조대화가 발생하기 때문이다. 이에 비해 저온 등온변태인 경우에는 콜로니의 핵 생성이 저온에서 일어나는 관계로 구동력이 매우 크고 그에 따라 핵 생성속도가 크게 증가한다. 아울러 콜로니의 조대화도 최소화함으로써 초미세립의 콜로니 조직을 얻을 수 있다. 제3단계의 공냉과정에서는 V-탄질화물의 석출이 펄라이트 내의 페라이트에서 발생함으로써 펄라이트의 강화에 기여한다. The size of the pearlite colony becomes finer for isothermal transformation than for continuous cooling transformation. This is because in the case of continuous cooling transformation, the nucleation of pearlite occurs at a relatively high temperature, so the rate of nucleation is small and coarsening of colonies occurs during cooling. On the other hand, in the case of low temperature isothermal transformation, since the nucleation of colonies occurs at a low temperature, the driving force is very large, and the nucleation rate is greatly increased accordingly. In addition, by minimizing the coarsening of colonies, it is possible to obtain ultra-fine grain colony tissue. In the air cooling process of the third step, the precipitation of V-carbonitride occurs in the ferrite in the pearlite, thereby contributing to the strengthening of the pearlite.

이상의 기구로 형성되는 초미세립의 펄라이트 (유사-펄라이트) 조직은 초석 페라이트 분율이 극히 제한되고 (5% 이내) 아울러 펄라이트 콜로니 크기가 초미세립화함으로써 강도가 종래의 펄라이트-페라이트 단조강 보다 현저히 증가할 뿐만 아니라 동시에 종래의 조질강 수준의 매우 우수한 인성을 나타내게 된다.
The ultrafine grained pearlite (quasi-pearlite) structure formed by the above mechanism has a very limited (less than 5%) cornerstone ferrite fraction and the ultrafine grains of the pearlite colony can increase the strength significantly compared to conventional pearlite-ferrite forged steels. At the same time it also exhibits very good toughness of conventional tempered steel levels.

이하, 도면을 통하여 본 발명에 관하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명에서는 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. In the present invention,

첫째, 고온변형 시뮬레이터인 Gleeble 1500을 이용하여 열간단조공정의 고온변형공정과 후속공정인 다단 급속냉각공정을 실험적으로 모사하고자 하였다. Gleeble1500을 이용하여 시험 강 (직경 10mm x 높이 15mm)을 1200 ℃에서 3분간 균질화 한 후, 1150 ℃에서 열간 변형한다. 열간 변형조건은 열간단조 조건을 모사하기 위하여 일정 변형율속도 (5 ℃/s)에서 변형율 0.4와 0.8로 2 단 압축변형을 실시하였다. 이와 같이 고온에서 압축변형한 시편은, 열간 변형 직후, 저온의 등온 펄라이트 변태 구간 (500~600 ℃)까지 10 ℃/s의 빠른 속도로 급속 냉각하였다. 급속 냉각한 열간변형체는 500-600 ℃ 온도구간에서 짧은 시간 (30분 이내)동안 등온 펄라이트 변태한 후 공냉하였다. First, we tried to simulate the high temperature deformation process of hot forging process and the multistage rapid cooling process using Gleeble 1500, a high temperature deformation simulator. Using Gleeble1500, the test steel (diameter 10 mm x height 15 mm) is homogenized at 1200 ° C. for 3 minutes and then hot deformed at 1150 ° C. In order to simulate the hot forging condition, two-stage compression deformation was performed at 0.4 and 0.8 strain rates at a constant strain rate (5 ° C / s). As described above, the specimens subjected to compression deformation at a high temperature were rapidly cooled at a rapid rate of 10 ° C./s to a low temperature isothermal pearlite transformation period (500 to 600 ° C.) immediately after hot deformation. Rapidly cooled hot deformed body was cooled after isothermal pearlite transformation for a short time (within 30 minutes) in the temperature range of 500-600 ℃.

둘째, Gleeble시험을 이용하여 도출한 다단 급속냉각공정을 이용하여 간단한 열간단조품을 제조하고 그 인장성질을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 열간-프레스를 이용하여 열간 upsetting시험 (압하속도 : 6 mm/s; 변형율 : 1.0-1.2)을 실시하고 이를 저온의 등온 펄라이트 변태구간 (500~600 ℃)으로 급냉하였다. 본 발명에서는 급속냉각공정과 펄라이트 등온변태를 구현하기 위하여 등온(500~600 ℃)으로 유지된 Pb-bath를 사용하였다. Upsetting용 시편의 크기는 직경 30mm x 높이 40mm를 사용하였다. Upsetting후 급속냉각 중에 얻은 냉각속도 (시편중앙부 기준으로)는 500~950 ℃ 구간에서 15 ℃/s 이상이었다. Upsetting품으로부터 추출한 인장시편의 크기 (게이지 부)는 직경 4.1 mm x 길이 16.3 mm 이었다.
Second, a simple hot forged product was manufactured by using the multi-stage rapid cooling process derived from the Gleeble test and its tensile properties were evaluated. To this end, a hot upsetting test (pressing speed: 6 mm / s; strain: 1.0-1.2) was performed using a hot-press, and it was quenched with a low temperature isothermal pearlite transformation section (500-600 ° C.). In the present invention, Pb-bath maintained at isothermal (500 ~ 600 ℃) was used to implement the rapid cooling process and pearlite isothermal transformation. The size of the upsetting specimen was 30mm in diameter x 40mm in height. The cooling rate (based on the center of the specimen) obtained during rapid cooling after upsetting was over 15 ℃ / s in the 500 ~ 950 ℃ section. The tensile specimen (gauge section) extracted from the upsetting product was 4.1 mm in diameter x 16.3 mm in length.

도 1의 a 및 b(a의 확대도)는 1150 ℃에서 열간단조가 이루어진 비조질강의 미세조직이고, c 및 d(c의 확대도)는 1050 ℃에서 열간단조가 이루어진 비조질강의 미세조직을 나타낸 도면이다. 도 1은 급속냉각(등온유지) 온도를 600 ℃로 하고 열간변형 온도를 1150 ℃ 에서 1050 ℃로 감소한 결과를 보여준다. 열간변형 온도를 감소한 결과 펄라이트 노듈크기가 감소하고 그에 따라 페라이트 분율이 증가하였다. 그러나, 확대조직 사진(b, d)에서 관찰할 수 있듯이, 펄라이트 콜로니와 라멜라 조직은 오히려 조대화 되었음을 관찰할 수 있다. 이는 열간 단조온도가 감소하면 펄라이트 변태를 위한 과냉도가 감소하고 그에 따라 펄라이트 등온변태의 구동력이 감소하기 때문이다. 펄라이트 변태의 구동력은 열간단조 온도가 증가하면 할수록 증가한다. 그러나 열간단조 온도가 지나치게 높으면 급냉중에 초석 페라이트나 연속냉각 펄라이트 변태가 발생할 확률이 높아진다. 아울러 열간단조 조직이 쉽게 조대화 한다는 문제도 있다. 따라서 바람직한 열간단조 온도는 1150 ℃로 하되 그 범위는 1000~1200 ℃가 될 수 있다.
1 a and b (a magnified view of a) is a microstructure of the non-coarse steel hot-forged at 1150 ℃, c and d (enlarged view of the c) is a microstructure of the non-coarse steel hot-forged at 1050 ℃ The figure shown. Figure 1 shows the result of reducing the rapid cooling (isothermal holding) temperature to 600 ℃ and hot deformation temperature from 1150 ℃ to 1050 ℃. As a result of the decrease in hot deformation temperature, the pearlite nodules decreased in size and thus the ferrite fraction increased. However, as can be seen in the enlarged tissue photographs (b, d), it can be observed that the pearlite colonies and lamellar tissues are rather coarse. This is because the decrease in hot forging temperature decreases the degree of supercooling for the pearlite transformation and, accordingly, the driving force of the pearlite isothermal transformation. The driving force of the pearlite transformation increases as the hot forging temperature increases. However, if the hot forging temperature is too high, there is a high probability that a cornerstone ferrite or continuous cooling pearlite transformation occurs during rapid cooling. There is also the problem that hot forging organizations easily co-ordinate. Therefore, the preferred hot forging temperature is 1150 ℃ but the range may be 1000 ~ 1200 ℃.

도 2의 a는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 2 ℃/s로 냉각한 후 공랭한 미세조직이고, b는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 공랭한 미세조직을 나타낸 도면이다. Gleeble을 이용하여 고온압축 변형한 시편을 두 개의 서로 다른 단일냉각공정 즉, 2 ℃/s와 10 ℃/s로 600 ℃까지 냉각한 후, 상온까지 공냉한 시편의 SEM 미세조직을 비교한다. Figure 2 a is the air cooled microstructure after cooling the hot forged steel to 2 ℃ / s to 600 ℃, b is the air cooled microstructure after cooling the hot forged steel to 10 ℃ / s to 600 ℃ The figure shown. After cooling the specimens subjected to high temperature compression deformation using Gleeble, two different single cooling processes, that is, cooling to 600 ° C. at 2 ° C./s and 10 ° C./s, and comparing the SEM microstructures of the specimens cooled to room temperature.

냉각속도가 비교적 느린 경우 (2 ℃/s)에는 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보이며 비교적 조대한 펄라이트 노듈 (입계 페라이트로 둘러싸인 펄라이트) 조직을 나타낸다. 그러나 냉각속도가 빠른 경우 (10 ℃/s)에는 비교적 미세한 펄라이트 노듈이 관찰된다. 그러나 오스테나이트 입계를 따라 형성되는 초석 페라이트의 분율이 적고 불연속적으로 형성되는 관계로 펄라이트 노듈의 구별이 명확하지 않고, 그 후 형성된 펄라이트 조직도 상당히 불규칙한 라멜라 조직을 보인다. 이는 냉각속도가 빠르므로 초석 페라이트와 펄라이트 형성모두 불완전하게 형성되기 때문이다.When the cooling rate is relatively slow (2 ° C./s), a typical pearlite-ferrite structure is shown and a relatively coarse pearlite nodule (perlite surrounded by grain boundary ferrite) structure. However, when the cooling rate is high (10 ° C./s), relatively fine pearlite nodules are observed. However, since the fraction of the cornerstone ferrite formed along the austenite grain boundary is small and is formed discontinuously, the distinction of pearlite nodules is not clear, and the pearlite structure formed thereafter also shows a fairly irregular lamellar structure. This is because both the cornerstone ferrite and pearlite formation are incompletely formed because of the high cooling rate.

이상의 결과는 첫째, 냉각속도가 빠르면 빠를수록 페라이트 변태가 억제되고 펄라이트변태가 조장된다는 사실을 보여주는 것으로 종래기술 (단일 제어냉각공정)의 결과와 잘 일치하는 결과이다. 둘째, 냉각속도가 10 ℃/s 이상의 빠른 냉각속도에서는 냉각 중에 형성되는 초석 페라이트 형성을 상당히 억제할 수 있고, 그에 따라 오스테나이트 열간 변형 조직을 저온의 펄라이트 등온 변태 온도 구간으로 과냉 할 수 있다는 가능성을 보여준다. 이와 같이 본 발명대상 강에서 10 ℃/s이상의 빠른 냉각 속도에서 고온 페라이트 변태를 억제할 수 있는 이유는 본 발명대상 강이 상당한 양 (1.2 wt%)의 Mn을 포함하고 있기 때문이다. Mn은 오스테나이트-페라이트 CCT 곡선을 우측으로 이동시키는 역할을 하는 것으로 알려져 있다.
First, the above results show that the faster the cooling rate, the more the ferrite transformation is suppressed and the pearlite transformation is promoted, which is in good agreement with the results of the prior art (single control cooling process). Second, the cooling rate of 10 ℃ / s or more fast cooling rate can significantly suppress the formation of the cornerstone ferrite formed during cooling, and thus the possibility of supercooling the austenite hot deformed tissue to the low temperature pearlite isothermal transformation temperature range Shows. The reason why the high temperature ferrite transformation can be suppressed at a fast cooling rate of 10 ° C./s or more in the steel of the present invention is that the steel of the present invention contains a significant amount (1.2 wt%) of Mn. Mn is known to play a role in shifting the austenite-ferrite CCT curve to the right.

도 3의 a는 열간단조 된 강재를 600 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직이고, b 및 c는 열간단조 된 강재를 550 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직이며, d는 열간단조 된 강재를 500 ℃까지 10 ℃/s로 냉각한 후 10 분간 등온유지 후 공랭한 미세조직을 나타낸 도면이다. Gleeble을 이용하여 압축변형한 후 본 발명의 다단 급속냉각 공정을 실시한 시편의 미세조직을 보여준다. 3 a is a microstructure that is cooled after cooling the hot forged steel to 600 ℃ 10 ℃ / s for 10 minutes, and b and c is cooled to 10 ℃ / s hot steel forging hot to 550 ℃ After the isothermal holding for 10 minutes, it is the air cooled microstructure, d is a diagram showing the microstructure cooled after cooling the hot forged steel to 500 ℃ 10 ℃ / s 10 minutes after isothermal holding. After the compression deformation using the gleeble shows the microstructure of the specimen subjected to the multistage rapid cooling process of the present invention.

본 발명의 다단 급속냉각 공정의 제1단계에서는 고온 압축 변형한 오스테나이트 조직을 10 ℃/s의 빠른 냉각속도로 600 ℃ 이하로 급속 냉각하여 펄라이트 변태구간에서 과냉 오스테나이트 변형조직을 얻는다. 본 급속냉각의 목적은 연속냉각 중에 발생하는 초석 페라이트 형성을 최대한 억제하고 펄라이트의 연속냉각 변태를 최대한 방지하고자 하는 것이다. 제2단계는 극히 과냉된 오스테나이트 변형조직을 600~500 ℃에서 짧은 시간 (5~30 분) 등온 유지하여 저온에서 펄라이트 등온 변태를 유도하기 위한 것이다. 펄라이트 등온 변태인 경우에는 연속변태와 달리 과냉도가 매우 큼으로써 콜로니의 핵생성속도가 크게 증가하여 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직을 얻을 수 있다. 아울러 라멜라 간격도 미세화된다. 제3단계는 초미세립 펄라이트 콜로니 조직을 공냉하는 단계이다. 이 단계에서 펄라이트내의 페라이트에 V-탄질화물이 석출한다.In the first step of the multi-stage rapid cooling process of the present invention, the austenite structure subjected to high temperature compression deformation is rapidly cooled to 600 ° C. or less at a high cooling rate of 10 ° C./s to obtain a subcooled austenite deformation structure in a pearlite transformation section. The purpose of the rapid cooling is to suppress the formation of the cornerstone ferrite as much as possible during continuous cooling and to prevent the continuous cooling transformation of pearlite. The second step is to induce pearlite isothermal transformation at low temperature by isothermally maintaining the supercooled austenite deformed tissue at a temperature of 600 to 500 ° C. for a short time (5 to 30 minutes). In the case of pearlite isothermal transformation, unlike the continuous transformation, the supercooling degree is very large, and thus, the nucleation rate of colonies is greatly increased, thereby obtaining ultrafine pearlite colony structure. In addition, the lamellar spacing is refined. The third step is to cool the ultrafine pearlite colony tissue. In this step, V-carbonitride is precipitated in the ferrite in the pearlite.

급속냉각온도, 즉 등온유지 온도가 600 ℃ (등온유지 시간 10분)인 강의 경우, 등온유지 없이 공냉한 강과 달리, 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보인다. 이 때 아직도 상당한 양의 초석 페라이트가 오스테나이트 결정립 주위에 형성된다. 그에 따라 그 후에 형성되는 펄라이트 조직은 매우 미세하고 규칙적인 라멜라 조직을 보여주고 있다. 그러나 이때 형성되는 펄라이트 노듈크기는 600 ℃에서 공냉한 경우보다 오히려 조대한 경향을 보인다. Steels with a rapid cooling temperature, i.e., isothermal holding temperature of 600 ° C. (10 minutes of isothermal holding time) show a typical pearlite-ferrite structure, unlike steels which are air cooled without isothermal holding. At this point, a significant amount of cornerstone ferrite still forms around the austenite grains. The resulting pearlite tissue thus shows a very fine and regular lamellar tissue. However, the pearlite nodules formed at this time tend to be coarse rather than air-cooled at 600 ° C.

이는 등온 유지 동안에 펄라이트 노듈의 조대화가 진행하기 때문으로 생각된다. 초석 페라이트 형성을 더욱 억제하기 위하여 급속냉각온도, 즉 등온 유지온도를 550 ℃로 더욱 감소하였다 (등온 유지시간은 10분 유지). 그 결과 도면에서 보는 바와 같이 초석 페라이트의 형성이 극도로 억제 (5% 미만)되어 초미세립 펄라이트 (유사-펄라이트) 조직이 형성되었다. 이때 펄라이트 조직은 라멜라 간격이 매우 미세할 뿐만 아니라 콜로니 (라멜라 방향이 서로 다른 조직) 조직이 초미세립으로 형성되고 있음을 관찰할 수 있다. 급속냉각온도 즉, 등온 유지온도를 500 ℃로 더욱 감소한 결과 펄라이트 조직은 사라지고 베이나이트 조직에 가까운 조직이 형성되었다.This is considered to be because coarsening of pearlite nodules proceeds during isothermal holding. In order to further suppress the formation of cornerstone ferrite, the rapid cooling temperature, that is, the isothermal holding temperature was further reduced to 550 ° C. (the isothermal holding time was maintained for 10 minutes). As a result, as shown in the figure, the formation of the cornerstone ferrite was extremely suppressed (less than 5%) to form an ultrafine pearlite (quasi-pearlite) structure. At this time, it can be observed that the pearlite tissue has not only a very lamellar spacing but also a colony (tissue having different lamellar directions) tissue formed into ultrafine grains. As a result of further reduction of the rapid cooling temperature, that is, the isothermal holding temperature to 500 ° C., the pearlite structure disappeared and a structure close to the bainite structure was formed.

이상의 결과로부터, 첫째 냉각속도가 10 ℃/s인 경우, 급속냉각속도가 550 ℃로 낮아질 때, 비로소 초석 페라이트 형성을 최대한 억제할 수 있음을 알 수 있었다. 둘째는 550 ℃의 저온에서 펄라이트 등온 변태가 일어날 때 펄라이트 콜로니 와 라멜라 조직은 현저히 미세해 진다는 사실을 알 수 있다. 그 이유는 550 ℃ 급속냉각온도에서 비로소 연속냉각 펄라이트가 최대한 억제되고 펄라이트 등온 변태를 위한 매우 큰 과냉도를 얻을 수 있기 때문이다. From the above results, when the first cooling rate is 10 ℃ / s, it can be seen that when the rapid cooling rate is lowered to 550 ℃, the formation of the cornerstone ferrite can be suppressed to the maximum. Second, the pearlite colony and lamellar tissues become significantly finer when the pearlite isothermal transformation occurs at a low temperature of 550 ° C. This is because continuous cooling pearlite is suppressed as much as possible at a rapid cooling temperature of 550 ° C. and a very large subcooling degree for pearlite isothermal transformation can be obtained.

급속 냉각온도를 500 ℃로 더욱 낮춘 결과 펄라이트 조직이 형성되지 못하고 베이나이트와 유사한 조직이 형성되었다. 따라서 펄라이트 등온 변태온도는 500~600 ℃가 바람직하다. 이때 등온 유지 시간은 5~30 분이 바람직하다. 시간이 5분보다 짧으면 펄라이트 등온 변태가 충분히 일어나지 못하고 30분보다 길면 펄라이트 콜로니 조직이 지나치게 조대화 하게 된다.
Lowering the rapid cooling temperature to 500 ° C. resulted in no formation of pearlite structure and a structure similar to bainite. Therefore, the pearlite isothermal transformation temperature is preferably 500 to 600 ° C. At this time, the isothermal holding time is preferably 5 to 30 minutes. If the time is shorter than 5 minutes, the pearlite isothermal transformation does not occur sufficiently. If the time is longer than 30 minutes, the pearlite colony structure becomes excessively coarse.

도 4는 등온유지 온도가 비커스 미소경도에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. 급속냉각(10 ℃/s)을 하되 600 ℃까지 급속냉각하고 600 ℃에서 10분 등온 유지 후 공냉한 강의 경도는 비교강인 600 ℃까지 급속냉각하고 공냉한 강의 그것과 유사한 경도치를 보였다. 그러나 급속냉각을 550 ℃로 하고 550 ℃에서 10분 등온 유지 한 강인 경우에는 경도가 월등히 향상됨을 알 수 있다. 4 is a graph showing the effect of the isothermal holding temperature on the Vickers microhardness. After the rapid cooling (10 ℃ / s) but rapid cooling to 600 ℃ and isothermal holding at 600 ℃ for 10 minutes, the hardness of the air-cooled steel showed a hardness similar to that of the steel rapidly cooled and air-cooled up to 600 ℃. However, it can be seen that the hardness is significantly improved in the case of the steel which is rapidly cooled to 550 ° C. and isothermally maintained at 550 ° C. for 10 minutes.

이에 비해 급속냉각온도가 500 ℃로 낮아진 경우에는 경도가 현저히 감소하였다. 이러한 경도 분포는 도 3에서 살펴본 미세조직의 분포와 잘 일치하는 것이다. 급속냉각온도가 550 ℃에서 경도의 피크를 보이는 이유는 이때 초석 페라이트와 연속냉각 펄라이트 변태가 최대한 억제되어 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직 (도 3)이 형성되기 때문이다. 이와 같은 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직은 강도뿐만 아니라 인성도 매우 우수할 것으로 예측된다. 이 예측을 확인하기 위하여 열간-프레스를 이용한 열간-upsetting 시험을 실시하였다.
In contrast, when the rapid cooling temperature was lowered to 500 ℃, the hardness was significantly reduced. This hardness distribution is in good agreement with the distribution of the microstructures shown in FIG. 3. The reason why the rapid cooling temperature shows a peak of hardness at 550 ° C. is because the cornerstone ferrite and continuous cooling pearlite transformation are suppressed to the maximum, thereby forming ultrafine pearlite colony structure (FIG. 3). This ultrafine pearlite colony structure is expected to be excellent in strength as well as toughness. In order to confirm this prediction, a hot-upsetting test using a hot-press was conducted.

도 5는 1100 ℃에서 열간단조가 이루어진 강재를 공랭한 미세조직과 다단급속냉각공정이 이루어진 강재의 미세조직을 비교한 도면이며, 도 6은 도 5의 또 다른 비교도면이다. 도 5는 1150 ℃에서 변형률 1.2까지 열간-upsetting한 후 공냉한 강과, 동일한 변형조건으로 열간-upsetting후 본 발명의 급속냉각공정을 적용하되 펄라이트 등온 변태온도를 550 ℃로 한 단조강(본 발명의 비조질강)의 광학현미경 조직을 비교한다. FIG. 5 is a view comparing the microstructure of the steel with hot forging at 1100 ° C. and the microstructure of the steel with the multi-stage rapid cooling process, and FIG. 6 is another comparative view of FIG. 5. 5 is a hot-forged steel after hot-upsetting up to strain 1.2 at 1150 ℃ and hot-upsetting under the same deformation conditions, but applies the rapid cooling process of the present invention forged steel with a pearlite isothermal transformation temperature of 550 ℃ (of the present invention) (Non-crude steel) optical microscope tissues are compared.

비교강은 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보인다. 결정립계를 따라 형성된 페라이트로 둘러쌓인 펄라이트 노듈이 잘 관찰된다. 펄라이트 노듈은 미세한 결정립처럼 보이는 콜로니들의 집합체로 이루어져 있음을 알 수 있다. 이와는 대조적으로 본 발명의 비조질강은 초석페라이트 형성이 극도로 억제되고, 대부분이 펄라이트로 이루어진 유사-펄라이트 조직을 보여주고 있다. 더욱이 펄라이트 조직은 펄라이트 노듈의 형성없이 초미세립의 콜로니 조직으로만 이루어지고 있음을 관찰할 수 있다. The comparative steel shows a typical pearlite-ferrite structure. Perlite nodules surrounded by ferrite formed along grain boundaries are well observed. It can be seen that the pearlite nodules consist of a collection of colonies that look like fine grains. In contrast, the non-coated steel of the present invention exhibits a quasi-pearlite structure, in which the formation of saltpeter ferrite is extremely suppressed, most of which consists of pearlite. Furthermore, it can be observed that the pearlite tissue is composed of only ultrafine colony tissue without the formation of pearlite nodules.

도 6은 비교강과 본 발명 강의 미세조직을 SEM으로 관찰한 결과를 보여준다. 본 발명 강에서 콜로니 크기가 현저히 미세화되었으며 아울러 라멜라 간격도 미세화 되었음을 관찰할 수 있다. 6 shows the results of observing the microstructure of the comparative steel and the inventive steel by SEM. In the steel of the present invention, it can be observed that the colony size was remarkably refined and the lamellar spacing was also refined.

이상의 결과로부터 본 발명의 다단 급속냉각공정을 적용한 결과, 초석 페라이트 분율은 5%이하로 극도로 억제되고 펄라이트 노듈 형성없이 콜로니 크기가 5~10 ㎛급인 초미세립 펄라이트 (유사-펄라이트) 단조강을 제조할 수 있음을 알 수 있었다.
As a result of applying the multistage rapid cooling process of the present invention from the above results, the ultra-fine grain pearlite (quasi-pearlite) forging steel of 5-10 μm in colony size is extremely suppressed and the granite ferrite fraction is extremely suppressed to 5% or less without forming pearlite nodules. I could see that.

다음의 표는 열간-upsetting으로 제조한 비교강 (upsetting후 공냉한 강)과 본 발명 강 (upsetting후 550C로 급속냉각 후 등온유지)의 인장시험 결과를 비교한다. 본 발명의 초미세립 펄라이트 (유사-펄라이트) 단조강인 경우 비교강인 펄라이트-페라이트 단조강에 비해 강도 (항복강도: 13%; 인장강도: 8%)가 현저히 증가했을 하였으며 연신율은 대등하거나 오히려 우수한 연신율을 보여주었다. 본 발명을 통하여 연신율이 18%에 달하면서도 인장강도가 970 MPa에 이르는 고강도 고인성 V-MA 펄라이트 중-탄소 단조강을 제조할 수 있었다. 이는 본 발명의 다단 급속냉각공정을 적용한 결과 종래의 펄라이트-페라이트 단조강에서 페라이트상을 배제하였을 뿐만 아니라 연속냉각 펄라이트 변태를 억제함으로써 초미세립의 펄라이트 콜로니 조직을 제조할 수 있었기 때문이다.
The following table compares the tensile test results of the comparative steel produced by hot-upsetting (air-cooled steel after upsetting) and the inventive steel (isothermal holding after rapid cooling to 550C after upsetting). In the case of the ultra-fine grain pearlite (quasi-pearlite) forging steel of the present invention, the strength (yield strength: 13%; tensile strength: 8%) was significantly increased compared to the pearlite-ferrite forging steel, which is a comparative steel, and the elongation was equal or rather excellent elongation. Showed. Through the present invention, a high strength high toughness V-MA pearlite medium-carbon forged steel having an elongation of 18% and a tensile strength of 970 MPa could be produced. This is because, as a result of applying the multi-stage rapid cooling process of the present invention, not only the ferrite phase was excluded from the conventional pearlite-ferrite forged steel, but also the ultra-fine grained pearlite colony structure could be produced by suppressing the continuous cooling pearlite transformation.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

Claims

C: 0.43 to 0.47 wt%, Si: 0.15 to 0.35 wt%, Mn: 1.1 to 1.3 wt%, P: 0.03 wt% or less (0 is not included), S: 0.04 wt% or less (0 is not included), Cu: 0.3 wt% or less (0 is not included), Ni: 0.2 wt% or less (0 is not included), Cr: 0.1 to 0.2 wt%, Mo: 0.05 wt% or less (0 is not included), V: 0.08 to 0.15 wt% or less (0 is not included), Al: 0.02 wt% or less (0 is not included), remaining Fe and other unavoidable impurity manufacturing method of the crude steel,
Hot forging step of high temperature compression deformation steel;
A rapid cooling step of rapidly cooling the hot forging body by the hot forging step at a rate of 10 ° C./s or more in a low temperature pearlite transformation section;
An isothermal transformation step of maintaining the hot forging body supercooled by the rapid cooling step at an isothermal temperature in a low temperature pearlite transformation section; And
And an air cooling step of air cooling the hot forged body which has undergone the isothermal transformation step.

The method according to claim 1,
The hot forging step is a method for producing an amorphous steel having an ultrafine pearlite structure, characterized in that made at 1000 ~ 1250 ℃.

The method according to claim 1,
The rapid cooling step is a method for manufacturing an amorphous steel having an ultrafine pearlite structure, characterized in that the hot forging is cooled to 500 ~ 600 ℃ at a rate of 10 ℃ / s or more.

The method according to claim 1,
The isothermal transformation step is a method for manufacturing an amorphous steel having an ultrafine pearlite structure, characterized in that the supercooled hot forging is maintained at isothermal for 5 to 30 minutes at 500 ~ 600 ℃.

The method according to claim 1,
The rapid cooling step is to cool the hot forging to 500 ~ 600 ℃ at a rate of 10 ℃ / s or more, the isothermal transformation step is to maintain the supercooled hot forging for 5 to 30 minutes isothermal at 500 ~ 600 ℃ A method for producing an amorphous steel having an ultrafine pearlite structure.

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