KR101633356B1 - 기계적 물성 편차 최소화와 고강도 및 고인성 확보를 위한 노말라이징 열처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계적 물성치 편차 최소화 및 고강도 및 고인성 확보를 위한 노말라이징(Normalizing) 열처리 방법에 관한 것이다. 본 발명의 노말라이징 열처리 방법은 절단하지 않은 봉강을 열처리한 후 에어미스트를 이용하여 냉각하는 단계; 및 팬냉 단계를 포함한다.

Description

기계적 물성 편차 최소화와 고강도 및 고인성 확보를 위한 노말라이징 열처리 방법{Normalizing Heat-treatment Method for Minimized Deviation of Mechanical Properties and High Strength and Toughness}

본 발명은 기계적 물성치 편차를 최소화하고 고강도 및 고인성을 확보할 수 있는 노말라이징(Normalizing) 열처리 방법에 관한 것이다.

본 발명은 봉강의 기계적 물성치 편차 최소화 및 고강도ㆍ고인성을 동시에 확보할 수 있는 노말라이징 열처리 기술 개발에 관한 것으로 특히 봉강을 오스테나이트 영역으로 가열 및 유지 후 냉각하는 방법에 대한 설비 개발에 관한 것이다.

일반적인 노말라이징(Normalizing) 열처리는, Fe-Fe₃C 상태도에서 A₃ 이상 온도보다 약 40℃ 높은 온도에서 요구되는 시간 동안 가열한 다음, 공기 중에서 냉각하는 처리를 가리킨다.

노말라이징 열처리의 주요 목적은 다음과 같다: 1) 강을 ?칭경화 또는 완전 어닐링하고자 재가열할 때 결정립의 미세화를 위하여 또는 확실히 균질한 오스테나이트를 얻기 위하여, 2) 주조물 또는 단조물의 편석을 감소시키고 좀 더 균일한 조직으로 하기 위하여, 3) 강을 약간 경화시키기 위하여.

상기와 같은 목적을 바탕으로, 실제 노말라이징 열처리를 실시하는 사용 용도는 크게 2 가지로 분류된다. 적정 길이(예를 들어, 6M)의 봉강을 절단하여 고온으로 가열 후 열간성형하는 제품, 또는 봉강을 절단하여 가공하여 성형하는 제품으로 분류된다. 또한 열처리하는 방법은 열간성형 이후에 개별 제품을 노말라이징 열처리하는 방법, 가공 전 가공성 향상과 기계적 물성을 확보하기 위하여 노말라이징 열처리하는 방법 등이 있다.

가공 전 노말라이징 열처리하는 방법은, 가공성을 향상시키기 위한 목적도 있지만, 일부는 노말라이징 열처리를 실시하여 기계적 물성을 향상시키는 목적도 있다.

상기에서 봉강을 절단하여 노말라이징 열처리를 실시하는 경우에는, 봉강이 6M로 열처리되는 것이 아니라 절단을 해서 노말라이징 열처리를 하기 때문에 전체적으로 균일한 조직 및 기계적 물성치를 확보할 수 있다. 하지만, 절단하지 않은 6M의 봉강에 대해 노말라이징 열처리를 하게 되면, 질량 효과(Mass effect) 및 인접하는 봉강 사이의 열 영향으로 인하여 절단한 경우와 비교하여 불균일하게 냉각될 수있다.

이에 따라, 절단하지 않은 6M 봉강을 대량으로 노말라이징 열처리시, 상기한 노말라이징 열처리의 목적을 달성하기 어렵다. 즉, 봉강의 위치에 따라 냉각속도의 편차가 발생하여 균일하고 미세한 결정립을 형성하기 어렵다.

노말라이징 열처리를 통해 형성된 미세 조직은 기계적 물성치를 좌우한다. 미세한 조직이 형성되어 결정립도가 미세하게 되며, 결정립도는 항복강도에 큰 영향을 미친다. 결정립이 미세할수록 항복강도가 증가되는데, 이는 입계가 전위이동의 장벽으로 작용하기 때문이다.

항복응력과 결정립도와의 정량적인 관계를 홀(Hall)과 페치(Petch)는 다음 식 1로 나타내었다.

[식 1]

σ_y(MPa) = σ_i + kd^-1/2

여기서 σ_y는 항복응력, σ_i는 격자의 마찰 인자, d는 결정립 지름이다. 금속 또는 합금이 응력하에 있을 때 전위는 결정립계를 통과하지 못하고 입계에 배열하거나 농축된다. 응력이 인접한 결정립에 작용하여 새로운 슬립의 근원을 만든다. 따라서 높은 밀도의 결정립계가 금속 또는 합금에서 높은 항복응력을 마련하게 된다.

상기에서 결정립도와 항복응력과의 관계를 설명하였다. 일반적으로 결정립도가 미세하면 펄라이트의 층간간격은 작아진다. 미세한 펄라이트의 강도는 조대한 펄라이트보다 크다. 왜냐하면 전위가 미세한 시멘타이트와 페라이트의 층간에서는 이동하기 더욱 어렵기 때문이다. 즉, 미세한 결정립으로 인하여 펄라이트는 미세하게 되며 항복강도와 펄라이트 층간간격의 관계를 다음 식 2으로 표현이 된다.

[식 2]

σ_y(MPa) = 139 +46.4S^-1

여기서 σ_y는 항복강도, S는 펄라이트 층간 간격이다.

이와 같이 결정립도가 미세하면 펄라이트 층간간격은 미세하게 됨에 따른 항복강도가 증가됨을 알 수 있으며, 충격인성도 결정립과의 상관관계로 인하여 결정립이 미세하면 증가하게 된다.

중장비의 실린더용 강재의 경우, 노말라이징 열처리 후 고강도 및 고인성을 확보해야 하는데, 상기 설명처럼 봉강을 절단하지 않고 노말라이징 열처리를 실시할 경우에는 불균일한 냉각속도로 인하여 기계적 물성치 편차가 발생하게 된다.

본 발명은 중장비의 실린더용 강재의 고강도 및 고인성을 확보할 수 있는 노말라이징 열처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 봉강을 절단하지 않고 노말라이징 열처리를 하는 경우에 기계적 물성치 편차를 최소화하고 고강도 및 고인성을 확보할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적은, 봉강을 열처리한 후 에어미스트를 이용하여 냉각하는 단계; 및 팬냉 단계를 포함하는 노말라이징 열처리 방법에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 에어미스트를 이용한 냉각 단계 이후 봉강의 온도가 450 내지 550℃일 수 있다.

또한 바람직하게는 상기 팬냉 단계 이후 봉강의 온도는 200 내지 300℃ 일 수 있다.

바람직하게는 상기 봉강은 중장비의 실린더용 봉강으로서 절단하지 않은 것일 수 있다.

본 발명의 노말라이징 열처리 방법으로 제조된 중장비의 실린더용 강재는 고강도 및 고인성을 갖는 동시에 기계적 물성 편차가 거의 없다.

본 발명은 노말라이징 열처리 후, 공냉과 대비하여 균일하고 빠른 냉각을 확보하여 균일한 조직 및 미세조직을 형성함으로써, 기계적 물성치 편차 최소화 및 고강도ㆍ고인성을 확보하는 노말라이징 열처리 방법을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 노말라이징 열처리 공정에 대한 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 노말라이징 열처리 조건에 따른 미세조직 결과를 도시한 것이다.

본 발명에서 사용된 중장비의 실리더용 강재는 C 0.37 내지 0.45 중량%, Si 0.15 내지 0.35 중량%, Mn 1.00 내지 1.50 중량%, P 0.030 중량% 이하(0 미포함), S 0.005 내지 0.050 중량%, Cu 0.30 중량% 이하(0 미포함), Ni 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr 0.25 중량% 이하(0 미포함)), Al 0.010 내지 0.050 중량%, V 0.07 내지 0.15 중량% 이하를 함유하고 잔량의 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

표 1은 상기한 중장비 실린더용 강재의 화학성분을 나타낸 것이다.

(단위:wt%)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Al	V
0.37~0.45	0.15~0.35	1.00~1.50	max.0.030	0.005~0.050	max.0.30	max.0.20	max.0.25	0.010~0.050	0.07~0.15

이하 본 발명의 합금성분을 상세히 설명한다.

C: 0.37~0.45 중량%

C는 오스테나이트 안정화 원소로서 ?칭시 기지에 고용되어 강도 및 경도를 증가시키는 중요한 원소이다.

Si : 0.15~0.35 중량%

Si는 제강시 유효한 탈산제로 사용되며, 기지에 고용되어 페라이트 강화에 의한 강도확보를 위해 첨가하는 원소이다. Si의 함량이 0.15 중량%보다 낮은 경우 강도가 저하될 수 있고, 0.35 중량%보다 높은 경우 오히려 인성이 저하되므로 바람직하지 않다. 따라서 Si의 함량은 0.15 ~ 0.35 중량%인 것이 바람직하다.

Mn : 1.00~1.50 중량%

Mn은 소입성과 강도를 향상시키며, 강 중에 존재하는 S의 유해함을 방지하기 위하여 첨가된다. Mn은 S와 함께 MnS를 형성함으로써 적열 취성을 방지하고 절삭 가공성을 향상시킨다. Mn을 1.00 중량% 이상 첨가하면 소입성이 향상되어 ?칭시 강도를 증가시키는 이점이 있지만, 1.50 중량%를 초과하여 첨가하게 되면 인성이 저하된다. 인성 저하 없이 필요강도를 얻기 위해서는 Mn 함량을 1.00 ~ 1.50 중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

P: 0.030 중량%이하 (0 미포함)

P는 불가피한 불순물로서 규제되는 성분이다. P가 0.030 중량%보다 많으면, 오스테나이트 결정립 입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 P 함량은 0.030 중량%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

S: 0.0050 ~ 0.050 중량%

S는 강중에서 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 피삭성을 향상시킨다. 그러나 과도하게 S를 첨가하면 충격인성을 저하시키므로 S의 함량은 0.0050 ~ 0.050 중량%인 것이 바람직하다.

Cu : 0.30 중량% 이하 (0 미포함)

Cu는 불가피한 불순물로서, 다량 포함된 경우 입계에 편석 되어 제조공정 중 융해되어 크랙을 유발시키므로 0.30 중량%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

Ni : 0.20 중량% 이하 (0 미포함)

Ni은 불가피한 불순물로서, 강의 소입성을 증대시키는 역할을 한다. Ni의 함량이 0.20 중량%보다 많으면 피삭성이 저하되고 0.20 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

Cr : 0.25 중량% 이하 (0 미포함)

Cr은 불가피한 불순물로서, 소입성을 증대시키고 강도를 향상시키는 원소이다. 그러나 Cr이 0.25 중량%보다 많으면 강도가 과하게 상승되어 피삭성이 저하되므로 0.25 중량% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

Al : 0.010~ 0.050 중량%

Al은 탈산을 위해 첨가되는 원소이며, 오스테나이트 결정립미세화에 효과적인 원소이다. 하지만 Al이 0.010 중량%보다 적게 첨가되면 탈산이나 결정립 미세화 작용이 작아지기 때문에 바람직하지 않고, 0.050 중량% 보다 많이 첨가하게 되면, 오히려 Al₂O₃와 같은 비금속 개재물 양의 증가로 오히려 인성저하 등의 해로운 영향을 미칠 수 있다. 따라서, Al의 함량은 0.010 ~ 0.050 중량%인 것이 바람직하다.

V : 0.07중량% ~ 0.15 중량%

V은 미세 탄질화물 형성에 의한 결정립을 미세화시켜 강도 및 인성을 향상시킨다. 첨가량이 0.07 중량% 이하이면 강도증가 효과가 적고, 0.15 중량% 보다 많이 첨가하면 강도는 증가하나 인성이 저하될 뿐만 아니라 제조원가 상승에 의한 경제적인 효과가 없기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 V 함량을 0.07 중량% ~ 0.15 중량%로 한정한다.

상기 조성으로 이루어진 봉강을 이용하여 하기의 방법으로 제조된다. 먼저, 상기 조성으로 제조 및 열간압연된 봉강에 대하여, 노말라이징 열처리를 실시한다. 노말라이징 열처리를 실시한 후, 중장비의 실린더용 강재에서 요구되는 물성치는 하기 표 2와 같다.

(노말라이징 열처리 후 요구되는 기계적 물성 기준값)

구분	인장강도	항복강도	연신율	충격치	열처리 경도
단위	kgf/mm2	kgf/mm2	%	kgf-m/cm2	HB
목표값 (Spec.)	75 이상	52 이상	17 이상	7 이상	207 이상

중장비의 실린더용 강재는, 상기 표 2에서 나타나듯이 강도뿐만 아니라 충격인성까지 요구하고 있다.

본 발명에서는 중장비의 실린더용 봉강에서 요구되는 물성치를 확보하기 위해서, 노말라이징 열처리시 이루어지는 일반적인 공랭과 비교하여 빠른 냉각을 실시하였다. 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따르면, 빠른 냉각을 위하여 열처리로의 종료 시점에 에어미스트(Airmist, Air+Water) 설비를 도입할 수 있다. 추가로, 봉강의 중심부 잠열에 의하여 봉강 온도 복원에 따른 강도 저하를 방지하기 위해서, 에어미스트 설비 이후에 팬냉(Fan cooling) 단계를 추가할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 노말라이징 열처리 공정에 대한 모식도이다. 도 1을 보면, 본 발명에 따른 노말라이징 열처리 공정은 봉강을 1열로 펼쳐서 장입대에 장입하는 단계; 장입된 봉강을 열처리로에서 열처리하는 단계; 열처리로의 말단에 설치된 에어미스트 장치를 통과하면서 냉각되는 단계; 및 냉각된 봉강은 이송대를 거쳐 팬냉 장치에서 냉각되는 단계로 이루어진다.

상기에서 노말라이징 열처리 공정에서 열처리 단계는 봉강을 강을 850℃ 내지 950℃의 온도에서 2 내지 3시간을 유지하였다. 바람직하게는 890℃ 온도에서 2.9시간을 유지하였다.

하기 표 3은 노말라이징 열처리 후 냉각조건에 대한 변수를 나타내었다. 조건 1은 일반적으로 실시하는 노말라이징 열처리하는 조건, 조건 2는 노말라이징 열처리 후 에어미스트를 적용시킨 제품, 조건 3은 노말라이징 열처리 후 에어미스트를 적용하고, 팬냉에서 냉각되는 단계까지 적용된 봉강의 열처리 조건을 나타낸다.

(노말라이징 열처리 및 냉각 조건)

조건	사이즈	열처리 온도	유지시간	에어미스트	팬랭
#1	봉강 100mm	890℃	2.9 hr	미적용	미적용
#2				적용	미적용
#3				적용	적용

(강재의 조성)

C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Al	V
0.39	0.30	1.20	0.020	0.015	0.10	0.05	0.15	0.020	0.11

상기 표 4의 조성으로 봉강을 제조한 다음 조건 1 내지 3에 따라 열처리를 실시하였다. 조건 1 내지 3에서 공통적인 조건은 봉강을 1열로 펼친 다음에 장입 대에서 장입을 실시하였다. 장입이 되고 소재이송 방향으로 이동을 하면서 열처리로 내에서 890℃ 온도에서 2.9시간을 유지하였다.

조건 1은 열처리로에서 노말라이징 열처리를 실시하고 에어미스트와 팬냉을 적용하지 않고 바로 1열로 펼쳐진 봉강을 묶어서 제품 적치대로 이동하였다.

조건 2는 열처리로에서 노말라이징 열처리를 실시하고 에어미스트를 적용시켰다. 에어 미스트 적용시 약 20℃의 냉각수 온도로 11~15분 동안 실시하게 되며, 30~40℃/분의 냉각속도로 냉각되어 진다. 도 1에서 보듯이 에어미스트 구간에서 일반적인 공랭보다 빠른 속도로 냉각이 이루어진다. 즉, 열처리로에서 봉강을 추출하기 직전에 냉각수인 물과 공기가 동시에 노즐을 타고 분사되어, 일반적인 공랭보다 빠른 냉각이 이루어진다. 에어미스트 통과 직후 봉강의 온도는 약 450~550℃인 것이 바람직하다. 마지막에 팬냉 단계는 적용되지 않고 바로 1열로 펼쳐진 봉강을 묶어서 제품 적치대로 이동하게 된다.

조건 3의 경우, 열처리로에서 노말라이징 열처리를 실시하고 열처리로에서 봉강을 추출하기 직전에 상기 조건 2와 동일하게 에어미스트(냉각수+공기) 적용하였다. 이후 봉강은 이송대를 지나 마지막 구간에서 팬냉을 실시하였다. 팬냉을 실시한 후, 소재 온도는 200~300℃로 유지되는 것이 바람직하다. 이후 1열로 펼쳐진 봉강을 묶어서 제품 적치대로 이동을 하게 된다. 팬냉은 에어미스트 후 봉강의 온도 약 450~550℃에서 약 5.5~8.2℃/분의 냉각속도로 냉각된다.

상기 3가지 조건을 거쳐서 제조된 중장비의 실린더용 강재의 기계적 물성치 및 미세조직을 표 5 및 도 2에 나타내었다.

(기계적 물성)

구분	인장강도	항복강도	연신율	충격치	열처리 경도
단위	kgf/mm2	kgf/mm2	%	kgf-m/cm2	HB
목표값 (Spec.)	75 이상	52 이상	17 이상	7 이상	207 이상
조건 1	74.7	49.2	25.6	10.7	223
조건 2	76.6	51.8	24.6	9.8	231
조건 3	77.3	52.6	24.5	9.3	237

노말라이징 열처리 후 요구되는 기계적 물성치 중에서 가장 중요한 항목은 항복강도 및 충격치이다. 일반적으로 강도 및 경도가 증가하면 충격치는 저하되는 반비례 관계가 형성이 된다. 조건 1 내지 3 모두 충격치는 목표값을 초과하고 있으며, 항복강도는 에어미스트와 팬냉을 모두 적용한 조건 3에서만 목표값을 초과하는 물성을 갖는다. 조건 2는 에어미스트는 적용했지만, 팬냉을 적용시키지 않은 조건으로서, 조건 3보다는 냉각속도가 느리다. 또한 에어미스트만 적용된 상태에서 봉강을 묶어서 제품 적치대로 이동하게 되므로, 봉강이 가지고 있는 내부 온도로 인하여 A천천히 냉각된다.

조건 1은 에어미스트 및 팬냉 공정을 둘 다 적용시키지 않은 조건으로서, 조건 2보다 냉각속도가 느리며, 세 가지 조건 중 냉각 속도가 가장 느린 조건이다. 이런 냉각속도의 차이에 의해서 표 4에서 보듯이 인장강도 및 항복강도에서 차이가 발생된다. 즉, 냉각속도가 가장 빠른 조건 3에서만 모든 기준값에 대하여 합격을 하고 있다.

조건 3에서 에어미스트 후 봉강 온도를 450~550℃가 되도록 제어하는 것이 바람직하다. 봉강의 온도가 450℃ 미만으로 저하되면 강도는 현저하게 높아지게 된다. 이런 강도의 상승은 충격치 부분의 저하를 발생할 수 있다. 또한, 550℃를 초과하게 되면, 조건 1과 유사한 강도를 나타내어 강도가 낮아지게 된다.

각 조건별 냉각속도의 차이에 따라서 미세조직에서도 차이가 나타난다. 도 2는 조건 1 내지 3에서 제조된 강의 미세조직을 나타낸 것이다. 냉각속도가 가장 빠른 조건 3에서 펄라이트(Pearlite) 조직의 크기가 가장 미세하며, 가장 느린 조건1에서 펄라이트 조직 크기가 가장 큰 형태를 나타내고 있다. 앞서 설명했듯이 이와 같은 미세조직의 크기로 인하여 조건 3으로 제조된 강이 항복강도 및 충격인성을 동시에 확보할 수 있다.

중장비의 실린더용 강재에 요구되는 화학성분을 제어하여 요구되는 물성을 달성하는 것에는 한계가 있다. 요구되는 화학성분을 범위 내에서 최대한 높게 설정을 하더라도 일반적인 노말라이징 열처리(일반 공랭) 후 요구되는 기계적 물성치에서 항복강도를 확보하기 어렵다. 그렇다고 하여 강도와 인성을 동시에 확보할 수 있는 ?칭 및 템퍼링 열처리를 할 수 없다. ?칭 및 템퍼링 열처리의 경우 강도와 인성을 동시에 확보할 수 있지만 열처리 비용이 노말라이징보다 훨씬 높을 뿐만 아니라 수요자들은 노말라이징 열처리 후의 기계적 물성치를 요구하고 있다. 이런 부분으로 인하여 일반적인 노말라이징 열처리를 실시하는 경우 항복강도를 확보하기는 어렵다. 본 발명은 노말라이징 열처리 후의 냉각조건을 높일 수 있는 에어미스트(Airmist) 설비를 도입하여 이러한 문제점을 극복하였다. 또한, 에어미스트 단계 후 팬냉 단계를 추가하여 봉강의 내부 잠열에 의한 경도 저하 현상을 방지하였다. 또한 전체 길이(약 6M)의 봉강에서 기계적 물성치 편차를 최소화하기 위하여 열처리로에 봉강 장입시 1단으로 장입을 실시하여 강도와 인성을 동시에 확보할 수 있었다. 또한 기계적 물성치 편차를 최소화함으로써, 수요자들이 봉강을 절단 및 가공하는 공정상에서 발생될 수 있는 품질 문제를 최소화할 수 있는 것이다.

Claims (4)

1. 고강도 및 고인성을 갖도록 봉강을 노말라이징 열처리하는 방법으로서,
   C 0.37 내지 0.45 중량%, Si 0.15 내지 0.35 중량%, Mn 1.00 내지 1.50 중량%, P 0.030 중량% 이하(0 미포함), S 0.005 내지 0.050 중량%, Cu 0.30 중량% 이하(0 미포함), Ni 0.20 중량% 이하(0 미포함), Cr 0.25 중량% 이하(0 미포함), Al 0.010 내지 0.050 중량%, V 0.07 내지 0.15 중량%를 함유하고 잔량의 철 및 불가피한 불순물로 이루어진 봉강을 열처리한 후 에어미스트를 이용하여 냉각하는 단계; 및
   상기 냉각 후 팬냉 단계를 포함하고,
   상기 봉강은 중장비의 실린더용 봉강으로서 절단하지 않은 것이고,
   상기 에어미스트를 이용한 냉각 단계 이후 봉강의 온도가 450 내지 550℃이고,
   상기 팬냉 단계 이후 봉강의 온도는 200 내지 300℃인 것을 특징으로 하는 노말라이징 열처리 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images