KR101529180B1 - 강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법 - Google Patents

강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법 Download PDF

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Abstract

가공성이 우수한 강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.3%, 실리콘(Si) : 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 1.5~1.7%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01~0.02%, 크롬(Cr) : 0.2~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.015~0.03%, 질소(N) : 0.01~0.015%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법 {STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING STEEL PRODUCT USING THE SAME}
본 발명은 강 제품 제조 기술에 관한 것으로, 열처리시 결정립 혼립 발생을 억제할 수 있어 우수한 가공성을 발휘할 수 있는 강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법에 관한 것이다.
자동차 액슬(Axle) 부품 중에서 차축 및 드럼을 지지하는 스핀들은 그 제조 과정에서 QT 열처리와 같은 열처리를 수반한다.
일반적으로, QT 열처리시 소재의 결정립은 국부적으로 성장하여 미세한 결정립과 혼립을 이루게 된다. 이러한 결정립의 혼립은 제조되는 강 제품의 기계적 물성 및 가공성을 저해하는 요인이 된다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0062459호(2010.06.10. 공개)에 개시된 냉간인발 가공성이 우수한 선재 및 그의 제조 방법이 있다.
본 발명의 목적은 가공성이 우수한 강재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기의 강재를 이용하여 강 제품을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.3%, 실리콘(Si) : 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 1.5~1.7%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01~0.02%, 크롬(Cr) : 0.2~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.015~0.03%, 질소(N) : 0.01~0.015%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 강재는 구리(Cu) : 0.1% 이하, 니켈(Ni) : 0.1% 이하 및 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 강재는 결정립 사이즈가 20㎛ 이하이고, 브리넬 경도(HB) 310 이상을 나타낼 수 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 부품 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.3%, 실리콘(Si) : 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 1.5~1.7%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01~0.02%, 크롬(Cr) : 0.2~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.015~0.03%, 질소(N) : 0.01~0.015%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 마련하는 단계; 및 상기 강재를 QT 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 QT 열처리는 상기 강재를 880~980℃의 온도로 10~30분동안 가열한 후, 퀀칭하는 단계와, 퀀칭된 강재를 200~400℃의 온도에서 1~10시간동안 템퍼링하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 강재는 충분한 AlN 석출물을 형성함으로써 열처리시에 결정립 혼립을 저감시킬 수 있다. 이에 따라, 자동차의 스핀들과 같은 강 제품 제조시 우수한 가공성을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 2는 비교예 1에 따른 시편의 결정립을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1에 따른 시편의 결정립을 나타낸 것이다.
도 4는 900℃ 퀀칭을 수행한 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편 각각의 선삭 가공 결과물을 나타낸 것이다.
도 5는 950℃ 퀀칭을 수행한 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편 각각의 선삭 가공 결과물을 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 의해 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. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
강재
본 발명에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.3%, 실리콘(Si) : 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 1.5~1.7%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01~0.02%, 크롬(Cr) : 0.2~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.015~0.03%, 질소(N) : 0.01~0.015%를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 강재는 강도, 경도 향상 등을 위하여, 구리(Cu) : 0.1% 이하, 니켈(Ni) : 0.1% 이하 및 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하 중 1종 이상 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 혼입되는 불순물로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 함량에 대해 설명하기로 한다.
탄소(C)
탄소(C)는 강도 및 경도를 확보하기 위하여 첨가된다.
상기 탄소는 강재 전체 중량의 0.2~0.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 탄소가 0.2중량% 미만으로 첨가되면 필요한 경도를 만족시키기 어렵다. 반대로, 탄소가 0.3중량%를 초과하여 첨가되면 과도한 경도 상승으로 인해 가공성이 저하될 수 있다.
실리콘(Si)
실리콘(Si)은 정련 초기에 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한 실리콘은 고용강화 효과도 가진다.
상기 실리콘은 강재 전체 중량의 0.25~0.35중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.25중량% 미만이면 상기의 실리콘 첨가 효과가 미미하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.35중량%를 초과하면 강 중에 규산염이 다량 생성되어 가공성을 저하시키는 문제점이 있다.
망간(Mn)
망간(Mn)은 강 중의 황(S)과 결합하여 MnS를 형성시켜 FeS 형성을 억제시켜 적열취성을 방지하며 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 망간은 고용강화 효과 및 경화능 향상 효과를 제공한다.
상기 망간은 강재 전체 중량의 1.5~1.7중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.5중량% 미만일 경우, 망간 첨가에 따른 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.7중량%를 초과하는 경우, 가공성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.
인(P)
인(P)은 강도 증가에 일부 기여하나, 다량 포함되면 편석을 유발하여 강재의 물성을 저하시킨다.
이에 본 발명에서는 인의 함량을 강재 전체 중량의 0.03중량% 이하로 제한하였다.
황(S)
황(S)은 망간과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여, 강재의 가공성을 증대시키는 역할을 한다.
상기 황은 강재 전체 중량의 0.01~0.02% 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 황의 함량이 0.01중량% 미만이면 강재의 가공성이 불충분해질 수 있다. 반대로, 황의 함량이 0.02중량%를 초과하는 경우, 강의 인성 등의 물성을 크게 저해할 수 있다.
크롬(Cr)
크롬(Cr)은 소입성을 증가시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는데 기여한다.
상기 크롬은 강재 전체 중량의 0.2~0.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.2중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.3중량%를 초과하면 가공성이 저하되는 문제점이 있다.
알루미늄(Al)
알루미늄(Al)은 탈산제로서 작용하며, 특히 본 발명에서는 질소(N)와 결합하여 AlN을 형성함으로써 열처리시 결정립 혼립이 발생하는 것을 억제하여 가공성을 향상시키는데 기여한다.
상기 알루미늄은 강재 전체 중량의 0.015~0.03중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.015중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, 강의 표면 크랙을 유발할 수 있고, 인성을 저해할 수 있다.
질소(N)
질소(N)는 일반적으로 불순물에 해당하나, 본 발명에서는 알루미늄과 결합하여 AlN을 형성함으로써 열처리시 결정립 혼립이 발생하는 것을 억제하는 역할을 한다. 충분한 AlN 형성을 위하여 질소는 강재 전체 중량의 0.01중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 질소의 함량이 0.015중량%를 초과하는 경우, 강의 인성, 피로 특성 등이 저하될 수 있다.
구리(Cu)
구리(Cu)는 강의 경화능을 증가시키는 역할을 한다.
상기 구리가 첨가될 경우, 그 첨가량은 강재 전체 중량의 0.1중량% 이하인 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.1중량%를 초과하는 경우, 강재 표면 품질을 저하시킬 수 있다.
니켈(Ni)
니켈(Ni)은 인성 및 경화능을 향상시키는 역할을 한다.
상기 니켈이 첨가되는 경우, 그 첨가량은 강재 전체 중량의 0.1중량% 이하인 것이 바람직하다. 니켈이 0.1중량%를 초과하여 첨가되면 적열취성을 유발하고, 강재 제조 비용을 크게 증대시킬 수 있다.
몰리브덴(Mo)
몰리브덴(Mo)은 경화능 및 내마모성을 향상시키는데 기여한다.
상기 몰리브덴이 첨가될 경우, 그 첨가량은 0.05중량% 이하인 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.05중량%를 초과하는 경우, 과도한 경도 상승으로 인하여 강재의 취성이 증가하는 문제점이 있다.
상기 강재는 도 3에 도시된 예와 같이, QT 열처리 등을 통하여 결정립 사이즈가 20㎛ 이하이고, 브리넬 경도(HB) 310 이상을 나타낼 수 있다.
강 제품 제조 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 강 제품 제조 방법은 강재 마련 단계(S110) 및 QT 열처리 단계(S120)를 포함한다.
강재 마련
강재 마련 단계(S110)에서는 전술한 합금성분으로 이루어진 강재를 마련한다.
본 발명에 따른 강재는 상기 조성을 갖는 빌렛 또는 잉곳으로부터 제조될 수 있다. 또한, 강재는 봉 형태 혹은 관 형태가 될 수 있다.
본 발명에 따른 강재는 상기의 빌렛 또는 잉곳을 약 1100~1300℃에서 1~3시간 정도 재가열하고, 850~950℃ 정도의 마무리압연온도로 열간압연한 후, 5~50℃/sec 정도의 평균냉각속도로 대략 650~450℃ 정도까지 냉각하여 제조될 수 있다.
QT 열처리
다음으로, QT 열처리 단계(S120)에서는 강재의 경도 및 강도를 향상시키기 위하여 열처리를 수행한다.
QT 열처리는 보다 구체적으로는, 퀀칭 단계 및 템퍼링 단계를 포함하는 일련의 과정으로 수행될 수 있다.
퀀칭 단계에서는 강재를 오스테나이트 영역으로 가열한 후, 퀀칭한다. 이때, 가열은 고주파 유도가열 방식으로 수행될 수 있다. 또한, 가열은 880~980℃의 온도로 10~30분동안 수행하는 것이 바람직하다. 가열 온도가 880℃ 미만이거나, 가열 시간이 10분 미만일 경우, 강재가 충분히 오스테나이트화되지 못하여 목표하는 경도 등을 확보하기 어려워질 수 있다. 반대로, 가열 온도가 980℃를 초과하거나 가열 시간이 30분을 초과하는 경우, 결정립 혹은 석출물이 조대화되어 제조되는 강 제품의 물성을 저해할 수 있다.
본 발명에 따른 강재의 경우, 900℃ 퀀칭을 포함한 열처리 뿐만 아니라 950℃ 퀀칭을 포함한 열처리에서도 높은 경도 및 20㎛ 이하의 미세한 결정립을 유지할 수 있었다. 이를 통하여, 본 발명에 따른 강재는 넓은 온도범위, 특히 950℃ 정도의 고온에서 열처리가 가능하다.
템퍼링 단계에서는 퀀칭된 강재를 템퍼링하여, 전위 밀도가 낮은 템퍼드 마르텐사이트를 형성한다. 템퍼링은 200~400℃의 온도에서 1~10시간동안 수행하는 것이 바람직하다. 템퍼링 온도가 200℃ 미만이거나, 템퍼링 시간이 1시간 미만일 경우, 템퍼링 효과가 불충분하다. 반대로, 템퍼링 온도가 400℃를 초과하거나 템퍼링 시간이 10시간을 초과하는 경우, 더 이상의 템퍼링 효과없이 강 제조 비용만 증가할 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 발명에 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. 시편의 제조
표 1에 도시된 조성을 갖는 비교예 1 및 실시예 1~3에 따른 봉 형태의 강재 시편을 각각 900℃ 및 950℃에서 퀀칭을 수행하였다. 이후, 250℃에서 4시간동안 템퍼링을 수행하였다.
[표 1] (단위 : 중량%)
Figure 112013098849668-pat00001

2. 물성 평가
(1) QT 열처리 후 경도 및 결정립 평가
비교예 1 및 실시예 1~3에 따른 시편의 경도 및 결정립 사이즈 측정 결과를 표 2에 나타내었다. 또한 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편의 결정립을 나타내는 OM 이미지를 도 3(비교예 1) 및 도 4(실시예 1)에 나타내었다.
[표 2]
Figure 112013098849668-pat00002
표 2, 도 2 및 도 3을 참조하면, 실시예 1~3에 따른 시편의 경우, QT 열처리 후의 경도가 비교예 1에 따른 시편에 비하여 상대적으로 높았다.
결정립 사이즈의 경우, 900℃ 퀀칭 조건에서는 비교예 1에 따른 시편을 포함한 모든 시편의 결정립이 미세하였다. 그러나, 950℃ 퀀칭 조건에서는 그 양상이 달랐는데, 실시예 1~3에 따른 시편의 경우 미세한 결정립을 유지할 수 있었으나, 비교예 1에 따른 시편의 경우 결정립 사이즈가 현저히 증가하였다. 이는 실시예 1~3에 따른 시편들의 경우, 결정립 성장이 발생하지 않았으나, 비교예 1에 따른 시편의 경우, 일부 결정립이 성장함으로써 결정립 혼립이 발생한 결과라 볼 수 있다.
(2) 선삭 가공성 평가
비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편의 선삭 가공성 평가 결과를 표 3에 나타내었다. 또한, 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편의 선삭 가공시 발생한 칩 형상을 도 4(900℃ Quenching) 및 도 5(950℃ Quenching)에 나타내었다.
[표 3]
Figure 112013098849668-pat00003
표 3을 참조하면, 900℃에서 퀀칭을 수행한 경우, 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편들 모두 비슷한 가공력 및 가공 조도를 나타내었다. 그러나, 950℃에서 퀀칭을 수행한 경우, 비교예 1의 경우 가공력이 낮아지고, 특히 가공 조도가 크게 증가하는 것을 볼 수 있다.
또한, 도 4를 참조하면, 900℃ 퀀칭을 수행한 경우, 비교예 1 및 실시예 1에 따른 시편들 모두 칩 형상이 숏 칩(short chip)의 형태를 나타냄을 알 수 있다. 반면, 도 5를 참조하면, 950℃에서 퀀칭을 수행한 경우, 비교예 1에 따른 시편의 경우, 칩 형상이 롱 칩(long chip) 형태를 나타내었다.
이러한 본 발명은 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 특허청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
S110 : 강재 마련 단계
S120 : QT 열처리 단계

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 중량%로, 탄소(C) : 0.2~0.3%, 실리콘(Si) : 0.25~0.35%, 망간(Mn) : 1.5~1.7%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01~0.02%, 크롬(Cr) : 0.2~0.3%, 알루미늄(Al) : 0.015~0.03%, 질소(N) : 0.01~0.015%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 마련하는 단계; 및
    상기 강재를 QT 열처리하는 단계;를 포함하되,
    상기 QT 열처리는
    상기 강재를 920~980℃의 온도로 10~30분동안 가열한 후, 퀀칭하는 단계와,
    퀀칭된 강재를 200~400℃의 온도에서 1~10시간동안 템퍼링하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 강재는
    구리(Cu) : 0.1% 이하, 니켈(Ni) : 0.1% 이하 및 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강 제품 제조 방법.
  6. 삭제
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KR1020130130560A KR101529180B1 (ko) 2013-10-30 2013-10-30 강재 및 이를 이용한 강 제품 제조 방법

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JPH09324212A (ja) * 1996-06-07 1997-12-16 Kawasaki Steel Corp 焼入性と冷間加工性に優れた高炭素熱延鋼帯の製造方法
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KR20120134534A (ko) * 2011-06-02 2012-12-12 삼화강봉주식회사 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선 및 그 제조방법

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