KR101353553B1 - 고탄소 열연강판, 냉연강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열간압연 이후 공정을 일부 생략하고도 최종 제품의 품질을 만족시킬 수 있는 후공정 생략형 고탄소 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 그 일 실시예에서 ⅰ) 중량%로 C: 0.9∼1.2%, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재를 준비하는 단계; ⅱ) 상기 강재를 재가열한 다음, 열간압연의 마무리 온도가 Ar3 변태온도 이상인 오스테나이트 영역에서 열간압연을 실시하여 강판을 제조하는 단계; ⅲ) 상기 강판을 수냉각대(ROT; Run-Out Table)에서 상변태가 개시 하기 이전에 520˚C ~ 660˚C 로 급속히 냉각하는 단계; ⅳ) 상기 냉각된 강판을 상기 냉각온도 중 어느 한 온도에서 상변태가 이루어 지도록 냉각유지온도를 균일하게 유지하는 단계; ⅴ) 상기 강판을 상기 냉각유지온도에서 권취하는 단계;를 포함하는 고탄소 열연강판의 제조방법을 제공한다.

Description

고탄소 열연강판, 냉연강판 및 그 제조방법 {HIGH CARBON HOT/COLD ROLLED STEEL COIL AND MANUFACTUREING METHOD THEREOF}

본 발명은 고탄소 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열간압연 이후의 공정을 일부 생략하고도 최종 제품의 품질을 만족시킬 수 있는 표면특성이 우수한 저원가 고강도의 후공정 생략형 고탄소 열연강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

고탄소 강판은 탄소를 0.3중량% 이상으로 함유하고 그 결정조직이 펄라이트(pearlite) 결정상을 갖는 강판(steel)을 말한다.

고탄소 강판은 최종 공정을 거친 이후에 높은 강도와 높은 경도를 갖게 된다. 이와 같이 고탄소 강판은 높은 강도와 높은 경도를 갖기 때문에 높은 강도와 경도가 요구되는 공구강, 스프링강 또는 기계 구조용강으로 사용된다.

스프링용 고탄소강을 생산하기 위한 방법을 도1의 상부에 나타나 있는 제조공정도를 참고하여 설명한다.

스프링용 고탄소강은 먼저 고탄소 강재를 제조한 다음 열간압연과 산세 그리고 구상화소둔을 실시한다. 그리고 계속해서 1차 냉간압연과 열처리 그리고 산세를 반복한 다음 2차 냉간압연을 거쳐 스프링용 고탄소 강을 생산한다.

여기서 열간압연 이후에 산세를 하는 이유는 열간압연으로 제조된 초기 소재에는 불가피하게 산화층이 생성되어 이를 제거하기 위함이다. 그리고 구상화소둔을 실시하는 이유는 열간압연에 의하여 소재의 조직이 불균일한 것을 균질화하고 아울러 1차 냉간압연이 가능하도록 소재의 강도를 낮추기 위함이다.

또한 1차 냉간압연은 2차 냉간압연의 압하율을 최적으로 맞추고자 미리 1차 냉간압연을 실시한다. 그리고 1차 냉간압연 이후에 이루어지는 열처리 공정은 최종 제품의 미세조직을 결정하는 단계로 원하는 품질을 얻을 수 있도록 적절한 열처리 조건에서 수행한다.

열처리 이후에는 다시 산세를 하여 강재의 표면에 생성된 추가 산화층을 제거하고 최종적으로 2차 냉간압연을 통해 원하는 두께의 최종 제품을 만들게 된다.

그러나 이상과 같은 스프링용 고탄소강의 제조방법은 열간압연 이후에도 다양한 여러 공정을 거쳐야 하기 때문에 각 공정의 비용과 공정간의 물류 등으로 인하여 매우 큰 비용과 시간이 소요되는 문제점이 있다.

미세하고 균일한 미세 펄라이트 조직을 갖고 있어서 높은 강도와 높은 경도를 동시에 갖는 표면특성이 우수한 고탄소 열연강판을 제공한다.

열연공정에서 미세한 펄라이트를 형성하여 후속 열처리 공정을 생략할 수 있는 고탄소 열연강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예는 ⅰ) 중량%로 C: 0.9∼1.2%, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu 중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하를 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재를 준비하는 단계; ⅱ) 상기 강재를 재가열한 다음, 열간압연의 마무리 온도가 Ar3 변태온도 이상인 오스테나이트 영역에서 열간압연을 실시하여 강판을 제조하는 단계; ⅲ) 상기 강판을 수냉각대(ROT; Run-Out Table)에서 상변태가 개시 하기 이전에 520˚C ~ 660˚C 로 급속히 냉각하는 단계; ⅳ) 상기 냉각된 강판을 상기 냉각온도 중 어느 한 온도에서 상변태가 이루어 지도록 냉각유지온도를 균일하게 유지하는 단계; ⅴ) 상기 강판을 상기 냉각유지온도에서 권취하는 단계;를 포함하는 고탄소 열연강판의 제조방법을 제공한다.

이러한 고탄소 열연강판의 제조방법의 냉각단계에서 상기 강판은 냉각 도중의 상변태 율이 10% 이하인 것이 바람직하고, 상기 강판은 상기 냉각유지온도의 ±20℃ 범위에서 균일하게 유지하는 것이 바람직하다. 이러한 냉각유지온도의 더욱 바람직한 범위는 ±5℃ 이다.

또한 권취단계에서 상기 강판의 상변태 분율이 70% 이상에서 권취하는 것이 바람직하다.

그리고 냉각온도를 유지하는 단계에서는 상기 수냉각대를 통과하는 강판을 상부는 공냉을 하고 하부는 수냉을 하는 것이 바람직하다.

또한 열간압연단계에서 상기 강판은 두께가 1.4mm ~ 4.0mm로 열간압연되는 고탄소 열연강판의 제조방법.

그리고 냉각단계에서 상기 강판의 냉각속도는 50~300℃/sec인 것이 바람직하다.

아울러 냉각온도를 유지하는 단계에서 상기 강판을 5초 내지 60초간 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 권취된 강판에 대하여 산세공정과 구상화소둔공정 그리고 1차 냉간압연공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 생략하는 고탄소 열연강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 권취된 강판에 대하여 열처리 공정을 생략하고 70% 이상의 압하율로 냉간압연하는 단계를 더욱 포함하는 고탄소 열연강판의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에서는 중량%로 C: 0.9∼1.2%, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재로서 상기 강재의 미세조직 중에서 층상 탄화물 간의 층간 간격이 50 ~ 150nm 인 라멜라(Lamellar) 구조의 미세 펄라이트를 포함하며 라멜라를 이루는 탄화물의 두께는 10 ~ 30 nm로 이루어진 고탄소 열연강판 고탄소 열연강판을 제공한다.

여기서 이러한 미세 펄라이트 상의 층상 탄화물 간의 층간 간격이 ±20nm 이내로 균일한 크기를 갖는 것이 바람직하다.

그리고 이러한 미세 펄라이트 상의 평균 콜로니(Colony) 크기는 1 ~ 5μm 인 것이 바람직하다.

또한 이러한 미세 펄라이트 상의 부피분율이 70% 이상인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 상기 미세 펄라이트 상과 베이나이트 상의 부피분율의 합이 90% 이상인 것이다.

또한 이러한 열연강판의 표면 탈탄층의 깊이는 10μm 이하인 것이 바람직하다.

그리고 이러한 열연강판의 비커스 경도는 330 ~ 430 HV인 것이 바람직하다.

본 발명은 또 다른 일 실시예는 이상과 같은 고탄소 열연강판을 냉간압연한 고탄소 냉연강판을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 열연강판의 제조방법은 고탄소강의 열연공정에서 상변태 도중 일어나는 변태 발열을 상부공냉과 하부수냉의 약냉패턴을 통해 효과적으로 제어할 수 있는 기술적 효과 있다.

이와 같이 변태 발열을 효과적으로 제어하여 열연 단계에서 균일한 미세 펄라이트를 제조할 수 있는 기술적 효과가 있다.

또한 열연공정에서의 냉각패턴을 제어하여 상부냉각에 따른 형상 불량이나 국부적인 과냉을 방지할 수 있어 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고탄소 열연강판은 층간 간격이 50nm ~ 150nm 인 미세 펄라이트를 제조할 수 있어서, 높은 강도와 높은 경도를 동시에 갖는 우수한 고탄소 열연강판을 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.

통상적으로 강도를 높이기 위해서는 고가의 합금원소를 첨가하는 방법이 일반적인데, 본 발명에서는 추가 원가가 들지않는 탄소함량과 냉각패턴을 제어함으로써 높은 강도와 높은 경도를 동시에 갖는 우수한 고탄소 열연강판을 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 고탄소 열연강판은 표면 탈탄층의 깊이가 얇고 표면 특성이 우수한 고탄소 열연강판을 제공할 수 있는 기술적 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예는 고탄소 열연강판을 층간 간격이 50nm ~ 150nm 인 미세 펄라이트를 제조할 수 있어서, 후속 제조공정 중 열처리 공정을 생략할 수 있는 기술적 효과가 있다.

또한 열간압연 이후 열처리 공정 이외에도 후속하는 산세공정과 구상화 소둔 공정 및 1차 냉간압연을 추가로 생략할 수 있는 기술적 효과가 있다.

이상과 같이 후속 제조공정 단계를 생략할 수 있게 함으로써, 제품 생산시 후속 공정의 비용을 절감할 수 있고, 제조공정 시간을 단축할 수 있다.

아울러 부수적으로 산세공정 및 열처리 공정 등에서 발생하는 환경오염을 방지할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 열연강판의 제조공정을 종래의 제조공정과 비교하여 나타내는 비교 공정도이다.
도 2는 본 발명의 비교예에 따라 강판의 상부를 냉각하여 제조된 열연강판의 형상을 나타내는 사진이다.
도 3은 제조된 고탄소 열연강판의 미세 펄라이트 조직을 나타내는 현미경 조직사진이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각방법과 그에 따른 강판의 온도변화 및 상분율 변화를 나타내는 설명도이다.
도 5는 본 발명의 비교예에 따라 제조된 열연강판의 표면 탈탄층을 나타내는 사진이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한 본 발명에서 성분원소의 화학조성에 대한 표시는 특별한 설명이 없는 한 모두 중량%를 의미한다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 열연강판은 중량%로 C: 0.9∼1.2%, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하에서는 이와 같이 고탄소 열연강판의 화학조성을 한정한 이유에 대하여 설명한다.

먼저 탄소(C)에 대하여 설명한다. 탄소(C)는 고탄소강 미세조직의 분율을 결정하는 성분이다. 만약 탄소(C)를 0.9% 이하로 함유할 경우, 열연 공정에서 페라이트 조직이 생성되거나 펄라이트의 탄화물 층이 얇아져서 조직의 강도가 낮아지는 원인이 된다. 그리고 C를 1.2%를 초과하여 함유할 경우 열연 공정에서 초석 시멘타이트가 지나치게 많이 형성되거나 펄라이트의 탄화물 층이 너무 두꺼워져 강도가 과도하게 높아지고, 이와 같이 될 경우 냉간압연성을 저하시키거나 최종제품의 내구성이 낮아지는 원인이 된다. 따라서 탄소(C)는 0.9~1.2% 범위로 함유하는 것이 바람직하다.

다음은 규소(Si)에 대하여 설명한다. 규소(Si)는 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 강도를 향상시키는 역할을 한다. 그러나 규소(Si)의 함유량이 증가할수록 강도는 높아질 수 있지만, 열간압연 공정 중이나 후속 제조공정에서 강판 표면에 스케일이 형성되어 제품의 표면품질을 저하시킬 수 있다. 따라서 규소(Si)는 0.5% 이하로 함유하는 것이 바람직하다.

다음은 망간(Mn)에 대하여 설명한다. 망간(Mn)은 경화능을 향상시키고 강도를 향상시키며 황(S)과 결합하여 MnS를 생성하여 황(S)으로 인한 크랙 생성을 억제할 수 있다. 따라서 MnS 형성을 위해서는 0.1% 이상의 망간(Mn)을 함유할 필요성이 있다. 그러나 망간(Mn)은 1.5% 이상으로 지나치게 많이 함유할 경우 인성이 저하되거나 상변태가 필요 이상으로 지연되는 원인이 된다. 따라서 망간(Mn) 0.1~1.5% 범위로 함유하는 것이 바람직하다.

다음은 인(P)에 대하여 설명한다. 인(P)은 그 함유량이 0.05%를 넘을 경우에는 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 인(P)은 0.05%이하로 그 함유량을 제어하는 것이 바람직하다.

다음은 황(S)에 대하여 설명한다. 황(S)은 그 함유량이 0.03%를 넘는 경우에는 제조공정 중에 석출하여 강을 취화시키는 원인이 된다. 따라서 황(S)은 0.03%이하로 그 함유량을 제어하는 것이 바람직하다.

다음은 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)에 대하여 설명한다. 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)는 강도를 향상시키고 탈탄을 억제하며 경화능을 향상시키는 작용을 한다. 또한 표면에서 화합물을 형성하여 내식성을 향상시키는 작용을 한다. 그러나 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)는 1.5% 이상으로 많이 함유될 경우 필요 이상으로 경화능을 증가시킬 뿐 아니라 고가의 원소이므로 제조원가가 상승하는 원인이 된다. 따라서 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)는 단독 또는 적어도 하나 이상을 복합하여0보다 크고 1.5%이하로 함유하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 열연강판은 이상의 원소 성분 이외에 나머지는 철( Fe)이고 기타 불가피한 불순물이 함유된다.

이하에서는 상술한 고탄소 열연강판의 제조방법에 대하여 도1의 하부에 나타나 있는 본 발명의 제조공정도를 참고하여 설명한다.

먼저, 중량%로 C: 0.9∼1.2%, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하(0%를 포함하지 않는다)로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재(예를 들어 슬라브 형태)를 제조한다.

다음으로, 제조된 강재를 재가열한 다음 열간압연을 실시한다. 열간압연은 마무리 온도가 Ar3 변태온도 이상인 오스테나이트 영역에서 실시하는 것이 바람직하다. 이와 같이 열간압연의 마무리 온도를 설정한 이유는 다음과 같다.

만약 열간압연의 마무리 온도를 Ar3 변태온도 이하에서 열간압연하게 되면 초석 페라이트나 초석 시멘타이트가 형성되어 최종 조직의 강도나 내구성을 저하시키는 원인이 되기 때문이다.

이와 같은 조건에서 상기 강재를 열간압연하여 두께가 1.4mm 이상이고 4.0mm 이하인 박판을 제조한다. 이와 같이 열연강판의 두께를 한정하는 이유는 만약 박판의 두께가 4.0mm를 초과하면 후속 냉각단계 및 온도유지단계에서 충분한 냉각량을 확보할 수 없어 권취 이전에 상변태율을 확보할 수 없고, 온도유지단계에서 하부냉각 시 두께 방향의 온도 편차가 커져 균일한 조직을 얻을 수 없다. 또한 열연강판의 두께가 1.4mm보다 작으면 열간압연 부하가 커져 압연이 잘 되지 않을 뿐 아니라, 열연 이후 최종 제품을 제조할 경우 냉간압연을 통한 두께 감소량이 작아져 냉간 가공량이 줄어들게 되고, 이로 인해 최종 제품의 강도가 낮아지게 된다.

다음으로, 상기 박판을 수냉각대(ROT; Run-Out Table)에서 제어냉각으로 상변태 개시 전에 520˚C 이상 660˚C 이하로 급속히 냉각하는 것이 바람직하다. 이때의 냉각속도는 50~300℃/sec가 바람직하다. 그리고 이와 같은 온도범위로 박판을 냉각하는 이유는 다음과 같다.

만약 박판의 냉각온도가 520˚C보다 낮으면 미세 펄라이트로 변태하는 것이 아니라 다량이 베이나이트로 변태하게 되어최종 제품의 내구성을 저하시키는 원인이 된다. 그리고 냉각온도가 660˚C를 초과할 경우 조대 펄라이트가 형성되어층상 탄화물 간의 층간 간격이 커지게 되어 강도가 저하되는 원인이 되고 상변태 속도가 너무 느려 냉각 도중 변태가 완료되지 않아 불균일한 펄라이트 조직을 나타내는 원인이 된다.

또한, 이러한 냉각단계에서는 냉각하는 도중의 상변태가 10%를 초과하지 않도록 제어해야 한다. 이는 냉각단계에서의 상변태는 온도유지단계 보다 높은 온도에서 상변태가 일어나기 때문에 균일한 미세 펄라이트 조직을 얻을 수 없기 때문이다.

다음으로, 냉각된 상기 박판은 냉각 온도 구간 중 어느 한 온도에서 ±20℃ 범위로 균일하게 유지하는 것이 바람직하고 더욱 바람직하게는 ±5℃ 범위로 균일하게 유지한다. 예를 들면 박판이 냉각에 의하여 냉각온도 구간인 520˚C ~ 660˚C 에 포함되는 580˚C까지 냉각이 되었다면, 이 온도의 ±20℃ 인 560˚C ~ 600˚C 범위내로 박판의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.

고탄소강의 경우 강중에 탄소가 많이 함유되어 있어서 상변태 도중 변태 발열에 의해 강재의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이 강판이 상변태 도중에 변태발열이 발생하면 공냉 중에는 강판의 온도가 오히려 상승하는 현상이 발생하게 되어 균일한 조직을 얻을 수 없게 된다.

따라서 변태 발열에 따른 온도 상승을 막고 강판의 온도를 균일하게 유지하기 위해서는 강판을 수냉할 필요가 있다. 그러나 열간압연 설비에서 빠르게 이동하는 강판에 대하여 상하부를 모두 수냉할 경우 온도 제어가 어려울 뿐 아니라 경우에 따라 냉각 속도가 빠르게 되어 온도가 오히려 떨어지고 이로 인해 조직이 불균일해 질 수 있다. 따라서 이와 같이 강판의 온도가 불균일해 지는 것을 방지하기 위해 통판 중인 강판의 상부는 공냉으로 냉각하고 하부는 수냉으로 냉각하는 것이 바람직하다.

이와 같이 냉각된 강판에 대하여 그 상부는 공냉을 하고 그 하부는 수냉을 하여 강판의 변태 발열에 따른 온도 상승을 억제함으로써, 강판의 온도를 일정하게 유지하여 균일한 상변태를 일으키는 온도유지단계를 거치게 된다.

이와 같은 방법으로 제어냉각을 하게 되면 변태 발열에 해당하는 온도 상승분만을 냉각하게 되어 온도를 ±20℃ 범위로 유지할 수 있다. 이와 같이 상변태 중인 강판의 온도를 균일하게 유지시켜 줌으로써 강판의 조직을 균일한 미세 펄라이트 조직으로 상변태할 수 있게 한다.

또한 강판의 상부를 공냉 함으로써 강판은 수냉에 따른 폭방향 온도 편차 및 체류수에 의한 국부적인 과냉 등을 막을 수 있다. 이로 인해 강판의 재질 편차를 저감할 수 있다.

또한 상부 냉각에 의한 폭방향 온도 편차 및 체류수는 열연 강판의 형상이 불량해지는 결과를 초래한다. 도2는 형상 불량의 한 예로, 상부를 냉각한 경우 열연 강판이 물결과 같이 구불구불한 형상을 나타내고 있다. 이와 같은 형상이 불량할 경우에는 후속 공정의 작업성을 저하시키거나 제품의 품질을 떨어뜨리게 된다. 따라서 하부 냉각에 의한 제어는 궁극적으로 열연강판을 이용하여 제조된 강 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

이상과 같이 상기 박판을 일정한 온도로 유지하여 상변태를 완료 시킨 다음 상기 강판을 권취기에서 코일상태로 권취한다. 이 때 권취 온도는 강판의 냉각유지온도에서 바로 권취하는 것이 바람직하다.

그리고 강판의 권취 시점에서 강판의 상변태 분율은 70% 이상이 되어야 한다. 이 때, 상변태 분율이 70% 보다 작으면 권취 이후에 상변태가 일어나면서 변태 발열을 일으키게 되고 지속적으로 상변태 온도가 높아지게 되어 균일한 미세 펄라이트 조직을 얻을 수 없다. 또한, 온도 상승과 상변태에 의해 권취 형상 저하되는 원인이 된다. 이와 같이 강판의 상변태 분율이 70% 이상이 되기 위해 강판의 냉각온도 유지 시간을 5 초이상 60초 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 공정에 따라 제조된 열연강판은 후속하는 공정 모두 또는 선택적으로 어느 한 공정을 생략하는 것이 가능하다. 생략 가능한 후속 공정은 열간압연이후의 산세공정, 구상화소둔공정, 1차 냉간압연공정 그리고 열처리공정이다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소강 제조방법은 이상의 공정에 따라서 제조된 열연강판에 대하여 열처리 공정을 생략하고 바로 최종 냉간압연을 실시하는 것이 바람직하다.

이 때 강판의 냉간압연은 70% 이상의 압하율로 냉간압연하는 것이 바람직하다. 냉간압연은 최종 제품의 요구 특성에 맞게 압하율을 조절함으로써 제품의 두께를 맞추게 되고 최적의 강도와 내구성을 확보할 수 있다.

종래의 열연공정에서는 균일한 미세 펄라이트 조직을 얻을 수 없었기 때문에 후공정인 고비용의 열처리 공정을 통해서 균일한 미세 펄라이트 조직을 만들어야만 하였다. 그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소강 제조방법은 열연공정 단계에서 균일한 미세 펄라이트 조직을 형성시킬 수 있기 때문에 후속 공정 및 미세 펄라이트 조직형성을 위한 열처리 공정을 생략하는 것이 가능하다.

이와 같이 제조된 냉연강판은 성형가공 공정을 통하여 원하는 제품으로 가공한 다음 변형시효를 통하여 최종 제품으로 제조된다.

이하에서는 이상의 공정을 통해 제조되는 후공정 생략형 고탄소 열연강판의 조직에 대하여 설명한다.

후공정 생략형 고탄소 열연강판의 조직은 층상 탄화물 간의 층간 간격이 50nm 내지 150nm 인 라멜라(Lamellar) 구조를 포함하는 미세 펄라이트 조직으로 형성된다. 이 때, 층상 탄화물의 간격이 150nm를 초과하면 탄화물 사이의 연질층이 넓어져 강도가 낮아진다. 또한 층상 탄화물 간격이 50nm보다 작으면, 지나치게 강도가 높아지고 내구성이 낮아지는 원인이 된다.

이러한 미세 펄라이트의 층상 탄화물의 간격의 편차는 평균 크기 대비 ±20nm 이내로 균일한 크기를 갖는 것이 바람직하다. 열연강판에서 형성된 미세조직은 후속 열처리 공정 없이 최종 제품에 사용되기 때문에 이를 균일하게 제어하는 것이 필요하다. 이 때, 층상 탄화물의 간격이 평균 크기 대비 ±20nm를 초과하면 미세조직의 균일성이 저하되어 최종 제품의 내구성을 만족시키지 못하게 되고, 제품의 불량률이 높아지는 원인이 된다.

또한, 미세 펄라이트의 평균 콜로니(Colony) 크기(입경)는 1μm내지 5μm 로 형성되는 것이 바람직하다. 이 때, 콜로니 크기가 1μm보다 작으면, 피로 균열 지연 효과가 떨어지게 되고, 5μm를 초과하면 변태 속도가 느려 권취 이전의 상변태 분율을 확보하지 못하게 된다.

도3은 이러한 미세 펄라이트의 콜로니에 대한 설명 및 층상 탄화물의 간격에 대한 설명을 나타내고 있다.

후공정 생략형 고탄소 열연강판의 미세조직에서 이러한 미세 펄라이트 상은 70% 이상의 부피 분율을 차지하고, 전체적으로는 미세 펄라이트 상과 베이나이트 상의 합이 90% 이상으로 형성하는 것이 바람직하다.

미세조직에서 미세 펄라이트는 강도와 내구성을 향상시키는 역할을 하므로 이러한 미세 펄라이트 상은 70% 이상의 부피 분율을 확보하는 것이 바람직하며, 베이나이트 상은 높은 강도를 유지시켜주는 역할을 하므로 미세 펄라이트 상과의 합이 90% 이상을 확보하는 것이 바람직하다.

또한 후공정 생략형 고탄소 열연강판의 미세조직에서 강도를 저하시키는 페라이트 상과 내구성을 저하시키는 마르텐사이트 조직은 10%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 후공정 생략형 고탄소 열연강판은 높은 온도에서 표면에 있는 탄소가 공기와 반응하여 탈탄이 일어나게 되고 이는 제품의 표면 특성을 저하시키기 때문에 표면 탈탄층의 깊이는 10μm를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.

그리고 이러한 후공정 생략형 고탄소 열연강판은 비커스 경도가 330HV내지 430HV 인 것이 바람직하다. 이러한 경도 범위를 갖는 열연강판은 후속하는 냉간 압연 이후 고강도를 요구하는 최종 제품의 강도를 얻기 위해 필요한 초기 강도 값을 확보할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

<실험예>

후공정 생략형 고탄소 열연강판의 미세조직과 경도를 조사하기 위해 아래 표1과 같은 조성을 갖는 고탄소강을 준비하였다.

구분	C (wt%)	Si (wt%)	Mn (wt%)	P (wt%)	S (wt%)
실시예1	0.94	0.19	0.47	0.015	0.006
실시예2	1.06	0.19	0.51	0.015	0.005
실시예3	1.19	0.2	0.49	0.016	0.005
비교예4	0.79	0.21	0.49	0.015	0.005

표1의 조성을 갖는 슬라브를 제조한 다음, 이 슬라브를 1170℃로 재가열하여 열간압연을 하여 박판을 제조하였다.

열간압연에 의한 열연강판의 판 두께는 비교예와 실시예 모두 2.0㎜가 되도록하였다.

이상과 같이 마무리 열간압연한 박판을 수냉각대에서 급냉하여 아래 표2의 조건으로 냉각한 다음 각각의 냉각온도에서 ± 5℃ 범위로 제어하여 균일하게 유지한 다음 각 냉각온도에서 그대로 박판을 권취하였다.

이상과 같이 변태온도를 달리하여 제조한 각 박판에 대하여 각각의 미세조직과 경도를 측정하였으며 그 결과를 아래 표2에 함께 나타내었다. 여기서 표1의 실시예1은 표2에서 비교예1-1과 비교예1-5 그리고 실시예 1-2 내지 실시예1-4 에 해당하고 표1에서 실시예2는 표2에서 비교예2-1과 비교예2-5 그리고 실시예 2-2 내지 실시예2-4 에 해당하는 샘플이다. 또한 표1의 실시예3은 표2에서 비교예3-1과 비교예3-5 그리고 실시예 3-2 내지 실시예3-4 에 해당하고 표 1에서 비교예4는 표2에서 비교예4-1 내지 비교예4-3 에 해당하는 샘플이다.

구분	변태온도(℃)	경도 (HV)	층상간격(nm)	탄화물두께(nm)	미세조직
비교예1-1	500±5	419	-	-	베이나이트
실시예1-2	550±5	371	94	14.3	펄라이트
실시예1-3	600±5	354	109	16.6	펄라이트
실시예1-4	650±5	331	149	22.7	펄라이트
비교예1-5	700±5	261	261	39.8	펄라이트
비교예2-1	500±5	431	-	-	베이나이트
실시예2-2	550±5	401	71	12.2	펄라이트
실시예2-3	600±5	383	100	17.2	펄라이트
실시예2-4	650±5	339	131	22.5	펄라이트
비교예2-5	700±5	284	213	36.6	펄라이트
비교예3-1	500±5	446	-	-	베이나이트
실시예3-2	550±5	422	62	11.9	펄라이트
실시예3-3	600±5	395	94	18.1	펄라이트
실시예3-4	650±5	353	120	23.1	펄라이트
비교예3-5	700±5	309	188	36.2	펄라이트
비교예4-1	550±5	320	119	15.5	펄라이트
비교예4-2	600±5	303	123	16.0	펄라이트
비교예4-3	650±5	285	165	21.4	펄라이트

표2에 나타나 있는 바와 같이 펄라이트에서 층상 탄화물 간의 층상 간격은 베이나이트 상을 나타낸 비교예1-1, 2-1, 3-1을 제외하고는, 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 특히, 비교예1-5, 2-5, 3-5의 경우는 700˚C의 높은 변태온도로 인하여 층상 간격이 매우 큰 값을 나타내었다.

또한 표2에서 알 수 있듯이 비커스 경도값은 변태 온도와 반비례 관계를 나타내었다. 변태 온도가500˚C로 낮은 비교예1-1, 2-1, 3-1의 경우 매우 높은 경도 값을 나타내었고, 이러한 사실은 냉간 압연성을 저하시키거나 냉간 압연 후 최종 제품의 강도가 매우 높고 내구성이 낮아지는 요인이 된다.

한편 비교예 4는 탄소함량이 0.79로 다소 낮은 탄소함량을 보이고 있어, 이를 변태온도 520℃ 내지 660℃에서 생산한 경우 경도가 기준치에 미달하는 결과를 나타내었다. 이는 탄소함량이 낮아 탄화물의 층상간격이 넓고 층상간격 대비 탄화물 두께가 얇아서 낮은 경도값을 나타내었다.

도4는 실시예2-3를 참조하여 열간압연된 박판을 냉각하는 방법과 그에 따른 강판의 온도변화 그리고 상분율 변화를 나타내는 설명도이다.

도4에서 도면부호 1은 수냉각대의 냉각상태를 표시한 제어판을 나타낸다. 이 제어판(1)에서 좌측의 롤 그림(FDT)은 마무리 열간압연롤을 나타내고 우측의 롤 그림(CT)는 권취롤을 나타낸다. 그리고 도4의 도면부호 4는 수냉각대의 전반부를 나타내는 것으로 마무리 열간압연후의 박판을 수냉각대에서 급냉시키는 냉각단계를 나타낸다. 그리고 도4의 도면부호 5는 수냉각대의 후반부를 나타내는 것으로 냉각단계 이후에 냉각된 박판을 냉각된 온도 상태 그대로 그 온도를 유지하는 온도유지단계를 나타낸다.

도 4에서 냉각단계(4)와 온도유지단계(5)에서의 수냉각대에는 좌측에서 우측으로 L1 내지 F16으로 명명된 냉각수 분사뱅크가 설치되어 있다. 이들 각각의 냉각수 분사뱅크는 다수개의 냉각수 분사노즐로 구성되며 필요에 따라 냉각수 분사 노즐의 수와 분사뱅크의 수를 제어하여 냉각수 분사량을 제어한다. 도4에서 L1 내지 F16 직 하부라인 및 제어판(1)의 최하부 라인에 표시된 숫자(0 또는 1, 2, 4, 6)는 각 분사뱅크에서 작동하고 있는 노즐의 숫자를 나타낸다.

본 실험예에서 냉각단계(4)에서는 롤 사이를 통과하는 박판(마무리 열간압연롤과 권취롤 중심을 연결하는 선)의 상부와 하부에서 분사뱅크를 작동시켜 냉각수를 동시에 분사하고, 온도유지단계(5)에서는 박판의 상부에 설치된 냉각수 분사 뱅크는 작동하지 않고, 박판의 하부에 설치된 냉각수 뱅크만 작동하여 박판의 하부만 냉각시키고 있다. 이러한 수냉각대의 작동상황은 표2의 비교예와 실시예 모두 동일하다.

다음은 도4에서 도면부호 2에 대하여 설명한다. 도4의 도면부호 2는 실시예2-3에 따른 고탄소 박판에 대하여 수냉각대에서 온도의 변화 및 통과 시간을 나타내고 있다. 실시예 2-3의 박판이 수냉각대의 냉각단계(4)에서 880℃에서부터 냉각되어 600℃에서 냉각을 정지한 다음 온도유지단계(5)에서는 600℃ ±3를 계속 유지(6)하고 있다.

이와 같이 실시예2-3에 따른 고탄소 박판이 수냉각대를 통과하면서 나타내는 박판의 시간에 따른 상변화율 나타내는 것이 도4의 도면부호 3이다. 그리고 도4의 도면부호 7은 권취시점의 상변태 분율을 나타낸다.

다음은 본 발명의 다른 실시예로 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)중 어느 하나 또는 복합으로 첨가한 경우에 대하여 열연강판의 표면특성 즉 탈탄효과를 확인해 보기 위하여 실시한 실험예를 설명한다.

이를 위해 본 발명의 표1에 나타난 실시예2를 선택하여 이 실시예2의 조성에 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu)를 추가로 첨가한 고탄소강을 아래 표3에서와 같이 준비하였다.

구분	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	탈탄층 깊이 (μm)
실시예5	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0.5	0	0	9
실시예6	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0	0.5	0	10
실시예7	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0.5	0.5	0.5	8
실시예8	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	1.0	0	0	8
실시예9	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0	1.0	0	9
실시예10	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	1.0	1.0	0	6
실시예11	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0	1.0	1.0	8
실시예12	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	1.0	0	1.0	8
비교예13	1.05	0.2	0.5	0.015	0.005	0	0	0	47

표3의 조성을 갖는 슬라브를 제조한 다음, 이 슬라브를 1170℃로 재가열하여 열간압연을 하여 박판을 제조하였다.

열간압연에 의한 열연강판의 판 두께는 비교예와 실시예 모두 2.0㎜가 되도록하였다.

이상과 같이 마무리 열간압연한 박판을 수냉각대에서 급냉하여 550℃로 냉각한 다음 ± 5℃ 범위로 제어하여 균일하게 유지한 다음 550℃에서 그대로 박판을 권취하였다.

이상과 같이 제조한 각 박판에 대하여 각각의 표면 탈탄층의 깊이를 측정하였으며 그 결과를 표3에 함께 나타내었다. 탈탄층의 깊이는 Cr, Ni, Cu 중에서 하나의 원소도 포함하지 않은 비교예13의 경우 도 5와 같이 47μm로 매우 큰 값을 나타내었고, Cr, Ni, Cu 중 하나의 원소라도 포함한 경우에는 10μm 이하의 값을 나타내었다. 만일 Cr, Ni, Cu와 같은 원소들을 포함하지 않아 탈탄층이 두껍게 형성되면 이 부분은 연한 페라이트 층이기 때문에 내부보다 경도가 낮아지게 된다. 이는 표면의 내마모성을 저하시키기 때문에 장시간의 표면 연마를 통해 제거해야한다. 그러나 표면의 탈탄층이 10μm 이내로 얇게 형성되면 간단한 연마를 통해 쉽게 제거할 수 있어 사용이 용이하다. 이 때, Cr, Ni, Cu와 같은 원소들은 모재와 밀착성이 높은 탄화물이나 산화물 형태의 얇은 스케일층을 형성하기 때문에 표면탈탄 억제 효과 뿐 아니라 내식성을 향상시키는 역할을 하게 된다.

다음은 제조된 박판중에서 표2의 비교예1-1과 실시예1-3을 선택하여 냉간압연을 실시하였다.

냉간압연을 실시하기 위하여 먼저 제조된 열연강판에 대하여 산세를 실시하여 표면 산화층을 제거하였다. 그 다음 이 열연강판에 대하여 압하율 80%로 냉간압연하여 두께 0.4mm의 냉연강판을 제조하였다.

이와 같은 조건으로 냉간압연을 한 결과 비교예1-1에 따라 제조된 열연강판은 냉간압연 도중에 측면으로부터 균열이 발생하여 강판자체가 절판되는 문제가 지속적으로 발생하였고, 일정 압하율 이상에서는 강도가 너무 커서 더 이상 냉간압연이 되지 않았다.

그러나 실시예1-3의 조건에 따라 제조된 열연강판은 이상의 냉간압연조건에서 균질한 품질의 냉연강판이 제조되었다.

따라서 실시예1-3에 따라 제조된 냉연강판에 대하여 스프링으로 성형가공하였다. 이와 같이 가공된 제품에 대하여 변형 시효를 거쳐 스프링용 고탄소강으로 제조하였다.

이렇게 제조된 스프링용 고탄소강을 최종 제품 테스트를 실시한 결과 인장강도는 2230MPa 그리고 내구성은 12만회 이상을 발휘하는 것을 확인하였다.

따라서 본 발명의 실시예에 따라 열간압연 및 냉간압연을 실시한 후 스프링강으로 제조할 경우 최종 스프링강의 요구 기준인 인장강도 2200MPa 이상과 내구성 12만회 이상을 확보할 수 있다는 사실을 확인하였다.

이상과 같이 열간압연을 통해 균일한 미세 펄라이트 조직을 형성시킬 경우, 열처리 등의 후속 제조공정을 생략하고도 원하는 품질의 최종 제품을 얻을 수 있음을 확인하였다.

이상과 같이 본 발명의 일 실시예를 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (21)

1. 중량%로 C: 0.9초과∼1.2%이하, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하(0%를 포함하지 않는다)로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재를 준비하는 단계;
   상기 강재를 재가열한 다음, 열간압연의 마무리 온도가 Ar3 변태온도 이상인 오스테나이트 영역에서 열간압연을 실시하여 강판을 제조하는 단계;
   상기 강판을 수냉각대(ROT; Run-Out Table)에서 상변태가 개시 하기 이전에 520˚C ~ 660˚C 로 냉각하는 단계;
   상기 냉각된 강판을 상기 냉각온도 중 어느 한 온도에서 상변태가 이루어 지도록 냉각유지온도를 유지하는 단계;
   상기 강판을 상기 냉각유지온도에서 권취하는 단계; 를 포함하며,
   상기 냉각온도를 유지하는 단계에서 상기 수냉각대를 통과하는 강판을 상부는 공냉을 하고 하부는 수냉을 하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각단계에서 상기 강판은 냉각 도중의 상변태 율이 10% 이하인 고탄소 열연강판의 제조방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 냉각유지온도에서 상기 강판은 상기 냉각유지온도의 ±20℃ 범위에서 유지하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 냉각유지온도에서 상기 강판은 상기 냉각유지온도의 ±5℃ 범위에서 유지하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 권취단계에서 상기 강판의 상변태 분율이 70% 이상에서 권취하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 열간압연단계에서 상기 강판은 두께가 1.4mm ~ 4.0mm로 열간압연되는 고탄소 열연강판의 제조방법.
8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각단계에서 상기 강판의 냉각속도는 50~300℃/sec인 고탄소 열연강판의 제조방법.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각온도를 유지하는 단계에서 상기 강판을 5초 내지 60초간 유지하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권취된 강판은 산세공정과 구상화소둔공정 그리고 1차 냉간압연공정 중에서 선택된 어느 하나 이상의 공정을 생략하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 권취된 강판은 열처리 공정을 생략하고 70% 이상의 압하율로 냉간압연하는 단계를 더욱 포함하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
12. 제7항에 있어서,
    상기 권취된 강판은 열처리 공정을 생략하고 70% 이상의 압하율로 냉간압연하는 단계를 더욱 포함하는 고탄소 열연강판의 제조방법.
13. 중량%로 C: 0.9초과∼1.2%이하, Si: 0.5% 이하(0%를 포함하지 않는다), Mn: 0.1~1.5%, P: 0.05% 이하(0%를 포함하지 않는다), S: 0.03% 이하(0%를 포함하지 않는다)를 포함하고, Cr, Ni, Cu중에서 선택된 하나 이상의 원소를 1.5% 이하(0%를 포함하지 않는다)로 더 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강재로서 상기 강재의 미세조직 중에서 층상 탄화물 간의 층간 간격이 50 ~ 150nm 인 라멜라(Lamellar) 구조의 미세 펄라이트를 포함하며 라멜라를 이루는 탄화물의 두께는 10 ~ 30 nm로 이루어지며,
    상기 미세 펄라이트 상의 평균 콜로니(Colony) 크기(입경)가 1 ~ 5μm이고,
    상기 미세 펄라이트 상의 부피분율이 70% 이상이며,
    상기 미세 펄라이트 상과 베이나이트 상의 부피분율의 합이 90% 이상인 고탄소 열연강판.
14. 제13항에 있어서,
    상기 미세 펄라이트 상의 각 층상 탄화물 간의 층간 간격이 전체 층간 간격의 평균 크기 대비 ±20nm 이내의 크기를 갖는 고탄소 열연강판.
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열연강판의 표면 탈탄층의 깊이는 10μm 이하인 고탄소 열연강판.
19. 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열연강판의 비커스 경도는 330 ~ 430 HV인 고탄소 열연강판.
20. 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항의 열연강판을 이용하여 냉간압연한 고탄소 냉연강판.
21. 제12항의 제조방법에 의하여 제조된 고탄소 열연강판.

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