KR101644746B1 - 초미세립을 갖는 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법 - Google Patents

초미세립을 갖는 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차, 해양플랜트, 일반 산업 기계용 중간소재로 사용될 수 있으며, 초미세립 구조를 가져 고강도 고인성의 특성을 갖는 조질 강재의 제조방법과 그 방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재에 관한 것이다.
본 발명에서 제공하는 조질 강재는 ASTM NO.9 이상의 초미세립 구조를 가지며 강도 및 인성이 매우 우수한 장점을 갖는다. 본 발명에서 제공하는 상기한 조질 강재의 제조방법은 에너지 사용을 최소화함에 따라 생산 원가를 절감시켜 품질 및 경제적인 면 모두에 있어서 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있다.

Description

초미세립을 갖는 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법{Method for preparing high strength and high toughness tempered steel having submicron sized grain}
본 발명은 초미세립을 갖는 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자동차, 해양플랜트, 일반 산업 기계용 중간소재로 사용될 수 있으며, 초미세립 구조를 가져 고강도 고인성의 특성을 갖는 조질 강재의 제조방법과 그 방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재에 관한 것이다.
자동차, 해양플랜트 또는 일반 산업 기계용 등으로 이용되고 있는 기계 부품 중 볼트, 샤프트용 봉강 및 코일 소재는 통상적으로 가공 공정 중 또는 최종 단계에서 퀀칭(quenching), 템퍼링(tempering) 처리를 하여 사용되며, 이를 '조질 처리'라 한다.
조질 처리되는 봉강 또는 코일 제품의 경우, 가공비 절감이나 품질 향상 등의 목적으로 냉간 단조 및 표면 경화 처리 등의 후가공 이전에 열간 또는 냉간으로 인발된 봉강 또는 코일 제품을 먼저 전경화 조질 처리하여 중간 소재로 사용하며 이를 통상 큐티바(Q/T-Bar)라 한다.
전경화 조질 처리 시 고주파 유도가열을 이용한 방식은 기존의 배치로 방식에 비하여 전자식 가열 방식으로써 공정 관리가 용이하고 배치로 방식 대비 단시간 가열로 표면 산화, 탈탄 등의 표면 품질이 우수하여 널리 이용되고 있다.
한편, 하기 관계식 1과 도 1은 각각 Hall-Patch 관계식 및 그에 따른 입도와 항복강도 및 취성 관계 그래프(Steel thermomechanical processing-Max Plank Institut 참고)를 나타낸 것으로, 이에 따르면 입도가 미세화됨에 따라 강도와 인성이 향상되는 것을 볼 수 있다.
[관계식 1]
Figure 112015040716660-pat00001
최근 차량 경량화, 소재 비용 절감 등의 목적으로 기계 구조용 소재에 대하여 기존 대비 우수한 강인성이 요구되고 있다. 그러나, 현재 수준에서는 조질 처리 시 강재의 입도가 ASTM N0. 5~8 수준에 머물러 있다. 또한, 도 2는 유도 가열 방식에 따른 환봉 전경화 조건(Practical Induction Heating pp.148 참고)을 나타낸 것으로, 전류밀도가 0.1Kw/cm2 수준으로 낮고 가열시간은 길어 추가적인 미세화가 어려운 실정이다.
따라서, 소재의 강도와 인성의 향상을 위해서는 조질 강재의 입도를 더욱 미세화할 수 있는 방안에 대한 연구가 요구된다.
KR 2005-0052448 A
본 발명의 일 목적은 초미세립 구조를 가져 고강도 및 고인성의 특성을 갖는 조질 강재를 제조하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 다른 목적은 고강도 및 고인성의 조질 강재를 제조함에 있어서 에너지 사용을 최소화하여 경제적 효과를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 방법을 통해 초미세립 구조를 갖는 고강도 및 고인성의 조질 강재를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 구현 예에 따르면, 강재를 Ac3 이상의 온도까지 가열하는 퀀칭(quenching) 단계 및 템퍼링(tempering) 단계를 포함하는 조질 강재의 제조방법으로서,
상기 강재는 C: 0.15~0.6중량%, Mn: 0.5~1.0중량%, Cr: 0.2~1.2중량%, Mo: 0.05~1.5중량% 및 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 포함하며,
상기 퀀칭 단계 시 600~700℃ 이상의 온도에서는 100~300kHz의 주파수 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법을 제공한다.
상기 강재는 B: 0.001~0.005중량%을 더 포함할 수 있다.
상기 퀀칭 단계 시 최고 가열 온도는 900~1100℃일 수 있다.
상기 퀀칭 단계 시 강재의 가열은 0.5~10초의 시간 동안 수행할 수 있다.
상기 퀀칭 단계 시 600~700℃ 이상의 온도에서는 1~5Kw/cm2의 전류밀도 조건 하에서 수행할 수 있다.
상기 퀀칭 단계 시 퀴리점 이상의 온도에서 100~300kHz의 주파수의 조건 하에서 수행할 수 있다.
상기 퀀칭 단계 시 600~700℃ 미만의 온도에서는 1~30kHz의 주파수 및 0.1~2Kw/cm2의 전류밀도의 조건 하에서 수행할 수 있다.
상기 퀀칭 단계는 가열된 강재에 냉각수 또는 오일을 분사하여 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 템퍼링 단계는 600~700℃의 온도 하에서 수행할 수 있다.
상기 템퍼링 단계에 후속적으로 강재에 변형된 부분을 교정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 퀀칭 단계는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 또는 고속 스위칭 소자를 이용하여 수행할 수 있다.
상기 강재는 봉강 또는 코일의 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기 제조방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재를 제공한다.
상기 조질 강재는 ASTM NO.9 이상의 초미세립 구조를 가질 수 있다.
상기 조질 강재는 인장강도(TS)가 100kgf/mm2 이상, 항복강도(YS)가 90kgf/mm2 이상 및 연신율(EL)이 20% 이상일 수 있다.
상기 조질 강재는 15~25℃의 상온에서 샤르피충격에너지가 90J 이상일 수 있다.
본 발명에서 제공하는 조질 강재는 ASTM NO.9 이상의 초미세립 구조를 가지며 강도 및 인성이 매우 우수한 장점을 갖는다.
본 발명에서 제공하는 상기한 조질 강재의 제조방법은 에너지 사용을 최소화함에 따라 생산 원가를 절감시켜 품질 및 경제적인 면 모두에 있어서 제품 경쟁력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 Hall-Patch 관계식에 따른 입도와 항복강도 및 취성 관계 그래프를 나타낸 것이다.
도 2는 유도 가열 방식에 따른 환봉 전경화 조건을 표로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 공정의 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에서 제조된 조질 강재의 표면을 확대한 사진을 나타낸 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명은 자동차, 해양플랜트, 일반 산업 기계용 중간소재로 사용될 수 있으며, 초미세립 구조를 가져 고강도 고인성의 특성을 갖는 조질 강재의 제조방법과 그 방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재에 관한 것이다.
구체적으로 본 발명의 일 구현 예에 따르면, 강재를 준비하는 단계; 강재를 퀀칭하는 단계; 템퍼링하는 단계; 및 선택적으로 강재에 변형된 부분을 고정하는 단계를 포함하는 조질 강재의 제조방법에 관한 것이다.
이때, 준비되는 강재의 형상을 특별히 한정하는 것은 아니지만, 예를 들어 봉강 또는 코일 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 강재의 조성으로는 C: 0.15~0.6중량%, Mn: 0.5~1.0중량%, Cr: 0.2~1.2중량%, Mo: 0.05~1.5중량% 및 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 포함하는 것이 바람직하며, 선택적으로 소입성 향상을 위하여 B: 0.001~0.005중량%을 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에서 사용되는 강재에 포함되는 각 성분들의 함량 한정 이유를 구체적으로 설명한다.
C: 0.15~0.6중량%
탄소(C)는 소입성 향상 및 고강도화에 유효한 원소이다. 다만, 탄소의 함량이 0.15중량% 미만인 경우 소입에 의한 강도 향상 효과가 없고, 함량이 0.6중량%를 초과하는 경우 소입 후 잔류 오스테나이트의 증가와, 다량의 탄화물 석출로 인한 인성 저하 및 변형 저항 증가로 인해 가공 시 균열이 발생할 가능성이 높다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 강재에 포함된 탄소의 함량은 0.15중량% 이상, 0.6중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
Mn: 0.5~1.0중량%
망간(Mn)은 고용 강화에 의한 강도 보완 및 소입성 증가에 유효한 원소로 0.5중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 망간의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우 인성 저하 및 변형저항의 증대가 문제될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 강재에 포함되는 망간의 함량은 0.5중량% 이상, 1.0중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
Cr: 0.2~1.2 중량%
크롬(Cr)은 강도, 소입 경도 및 인성의 증대를 위하여 0.2 중량% 이상으로 포함되는 것이 바람직하다. 다만, 크롬의 함량이 1.2중량%를 초과하는 경우 경제적인 점에서 문제될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 강재에 포함되는 크롬의 함량은 0.2중량% 이상, 1.2중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
Mo: 0.05~1.5 중량%
몰리브덴(Mo)은 상기 크롬과 마찬가지로 강도 및 소입성을 향상시키고 결정립 조대화 온도를 상승시키며, 뜨임 취성 방지에 유효한 원소에 해당한다. 다만, 몰리브덴의 함량이 0.05중량%가 미만인 경우 상기의 효가가 미미할 수 있고, 함량이 1.5중량%를 초과하는 경우 냉간 가공 시 변형 저항이 증대되며 경제적으로 문제가 될 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 강재에 포함되는 몰리브덴의 함량은 0.05중량% 이상, 1.5중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
B: 0.001~0.005중량%
보론(B)은 소입성 향상을 위하여 추가로 첨가할 수 있다. 다만, 상기 보론의 함량이 0.001중량% 미만인 경우 첨가 효과가 미약할 수 있고, 함량이 0.005중량%를 초과하는 경우 Fe2B를 형성하여 취성을 발생시킬 수 있다.
따라서, 본 발명에서 사용되는 강재에 추가로 포함되는 보론의 함량은 0.001중량% 이상, 0.005중량% 이하로 제한되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기와 같은 강재가 준비되면 유도 가열 방식을 이용하여 강재를 Ac3 이상의 온도까지 가열한 뒤, 가열된 강재에 냉각수 또는 오일을 분사하여 냉각하는 퀀칭 단계를 수행할 수 있다.
본 발명에서는 상기 퀀칭 단계 시 퀴리점 미만의 온도, 바람직하게는 600~700℃ 미만의 온도로 1차 가열하는 단계와, 600~700℃ 이상의 온도, 바람직하게는 퀴리점 이상의 온도에서 Ac3 이상의 온도까지 2차로 가열하는 단계를 수행할 수 있는데, 상기 2차로 가열하는 단계 시 고주파 및 높은 전류밀도 하에서 수행함으로써 강재의 심부까지 입도를 미세화할 수 있고, 단시간 급속 가열을 통해 에너지 사용을 절감할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서 상기 1차로 가열하는 단계는 1~30kHz의 주파수 및 0.1~2Kw/cm2의 전류밀도의 조건 하에서 수행할 수 있다.
이때 상기 주파수가 1kHz 미만인 경우 관통 깊이(penetration depth)가 깊어 와전류가 서로 상쇄되어 에너지 효율이 감소할 수 있고, 30kHz를 초과하는 경우 관통 깊이가 얕아 표면부 과열 및 심부 미가열의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 전류밀도가 0.1Kw/cm2 미만인 경우 가열속도가 느려 에너지 손실이 크고 생산 속도가 낮아질 수 있고, 2Kw/cm2를 초과하는 경우 표면 과열 문제가 발생하여 기계적 성질이 저하될 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 2차로 가열하는 단계는 100~300kHz의 주파수 및 1~5Kw/cm2의 전류밀도의 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 주파수가 100kHz 미만인 경우 관통 깊이(penetration depth)가 깊어 가열 면적이 증가해 급속 가열이 어려울 수 있고, 300kHz를 초과하는 경우 관통 깊이가 얕아 표면부 과열 및 심부 미가열의 문제가 발생할 수 있다.
한편, 전류밀도가 1Kw/cm2 미만인 경우 급속 가열이 어려워 가열시간의 증가로 인해 제조되는 조질 강재의 입자가 조대화되어 충분한 강도 및 인성을 확보하기 어렵다. 반면, 전류밀도가 5Kw/cm2를 초과하는 경우 단시간 급속 가열 시 제어가 어려워 과열 문제가 발생할 수 있고, 제조 공정의 수행 비용이 매우 높아져 경제적인 점에서 문제될 수 있다.
다만, 본 발명에서는 상기 퀀칭 단계 시 최고 가열 온도를 900~1100℃로 제어하고, 냉각 전까지의 공정 수행 시간, 즉 강재의 가열 시간을 0.5~10초로 제어함으로써 초기 오스테나이트(Prior Austenite)의 미세 결정립화와, 강도 및 인성 등의 기계적 성질을 보다 향상시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같이 고주파, 고전력밀도 및 급속 가열 조건 하에서 퀀칭 단계를 수행하므로, 상기 퀀칭 단계는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 또는 고속 스위칭 소자를 이용하여 수행하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 상기와 같이 퀀칭 단계가 완료되면 이후 강재를 600~700℃의 온도로 가열하여 템퍼링하는 단계를 수행할 수 있고, 템퍼링 후에는 선택적으로 강재에 변형된 부분을 교정하는 단계를 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법 중 퀀칭하는 공정의 시간에 따른 온도 변화를 그래프로 나타낸 것이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 퀀칭하는 공정은 크게 가열하는 공정(S1)과 냉각하는 공정(S2)을 포함할 수 있는데, 상기 가열하는 공정 시 최고 가열 온도(Th)를 900~1100℃로 제어하고, 가열하는 공정의 수행 시간(t1+t2)을 0.5~10초 이하로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구현 예에 따르면, 상기한 제조방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재에 관한 것이다.
본 발명에서 제조되는 조질 강재는 고주파, 고전력밀도 및 급속 가열 조건 하에서 퀀칭하는 단계를 수행함으로써 ASTM NO.9 이상의 초미세립 구조를 가질 수 있으며, 우수한 기계적 물성으로 100kgf/mm2 이상의 인장강도(TS), 90kgf/mm2 이상의 항복강도(YS), 20% 이상의 연신율(EL), 59% 이상의 단면 수축율(RA) 및 15~25℃의 상온에서 샤르피충격에너지가 90J 이상의 특성을 확보할 수 있다.
실시예
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1 및 비교예 1]
C:0.41중량%, Mn:0.87중량%, Cr:1.01중량%, Mo:0.18중량% 및 잔부 철의 조성을 가지며, 선경이 14.3mm인 환봉을 하기 표 1에 나타낸 조건으로 퀀칭 및 템퍼링하여 조질 강재를 제조하였다. 이렇게 얻어진 조질 강재의 오스테나이트 결정립 조직을 확인하기 위하여 조질 강재의 표면을 확대한 사진을 도 4에 나타내었고, 조질 강재의 결정립 입도(ASTM No.), 인장강도(TS), 항복강도(YS), 연신율(EL), 단면수축율(RA) 및 샤르피충격에너지를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 퀀칭(quenching) 템퍼링(tempering)
주파수(kHz) 전력밀도
(Kw/cm2)		 시간(sec) 온도(℃) 주파수(kHz) 온도(℃) 시간(sec)
비교예 1 30 0.4 32 910 4 670 64
실시예 1 퀴리점 미만 퀴리점 이상 퀴리점 미만 퀴리점 이상 t1 t2 1100 4 670 64
4 100 1 3 5 2
(단, 상기 표 1에서 't1'은 최고 가열 온도까지의 도달 시간을 의미하고, 't2'는 최고 가열 온도 도달 이후부터 냉각 이전까지의 수행 시간을 의미한다.)
구분 AGS
(ASTM No.)		 TS
(kgf/mm2)		 YS
(kgf/mm2)		 EL
(%)		 RA
(%)		 샤르피충격에너지
(상온, J)
비교예 1 7.5 93.8 82.6 18.0 57.9 88
실시예 1 9 101.2 91.0 20.0 59.4 95
도 4에서 보는 바와 같이, 실시예 1의 조질 강재의 입자 구조가 비교예 1의 조질 강재의 입자 구조보다 육안으로 보기에도 훨씬 미세화된 것을 확인할 수 있었다.
더욱이, 표 2에서도 실시예 1의 조질 강재는 ASTM No.가 9로 초미세립 구조를 갖는 것을 볼 수 있으나, 비교예 1의 조질 강재는 ASTM No.가 7.5 수준에 불과한 것을 볼 수 있다.
또한, 그 외의 조질 강재의 기계적 물성으로 인장강도(TS), 항복강도(YS), 연신율(EL), 단면수축율(RA) 및 샤르피충격에너지 모두에 있어서 실시예 1이 비교예 1보다 매우 높은 값을 갖는 것을 볼 수 있다.
이를 통해, 본 발명에 따른 조질 강재는 ASTM No.가 9 이상의 초미세립 구조를 가지며, 고인성 및 고강도의 특성을 확보할 수 있는바, 자동차, 해양플랜트, 일반 산업 기계용 중간소재 등으로 사용하기에 적절함을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (16)

  1. 강재를 600 내지 700℃ 미만의 온도로 1차 가열하는 단계;
    1차 가열된 강재를 퀴리 온도 내지 Ac3의 온도로 2차 가열하는 단계; 및
    2차 가열된 강재에 냉각수 또는 오일을 분사하여 냉각하는 단계를 포함하는 퀀칭 단계 및 템퍼링(tempering) 단계를 포함하는 조질 강재의 제조방법으로서,
    상기 강재는 C: 0.15~0.6중량%, Mn: 0.5~1.0중량%, Cr: 0.2~1.2중량%, Mo: 0.05~1.5 중량% 및 잔부 Fe 및 불가피 불순물을 포함하며,
    상기 2차 가열 단계는 100~300kHz의 주파수의 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강재는 B: 0.001~0.005중량%을 더 포함하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계 시 최고 가열 온도는 900~1100℃인 것을 특징으로 하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 가열 단계 시 강재의 가열은 0.5~10초의 시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 2차 가열 단계는 1~5Kw/cm2의 전류밀도의 조건 하에서 수행하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 1차 가열 단계는 1~30kHz의 주파수 및 0.1~2Kw/cm2의 전류밀도의 조건 하에서 수행하는 것을 특징으로 하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 템퍼링 단계는 600~700℃의 온도 하에서 수행되는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 템퍼링 단계에 후속적으로 강재에 변형된 부분을 교정하는 단계를 더 포함하는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 1차 및 2차 가열 단계는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(Insulated gate bipolar mode transistor, IGBT) 또는 고속 스위칭 소자를 이용하여 수행되는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 강재는 봉강 또는 코일의 형상을 갖는, 고강도 고인성 조질 강재의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 고강도 고인성 조질 강재.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 조질 강재는 ASTM NO.9 이상의 초미세립 구조를 갖는, 고강도 고인성 조질 강재.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 조질 강재는 인장강도(TS)가 100kgf/mm2 이상, 항복강도(YS)가 90kgf/mm2 이상 및 연신율(EL)이 20% 이상인, 고강도 고인성 조질 강재.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 조질 강재는 15~25℃의 상온에서 샤르피충격에너지가 90J 이상인, 고강도 고인성 조질 강재.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2002194501A (ja) * 2000-12-27 2002-07-10 Sumitomo Metal Ind Ltd 高強度高靱性エアバッグ用鋼管とその製造方法
KR20050052448A (ko) 2005-05-13 2005-06-02 진성중공업 주식회사 유도가열에 의한 롱 바의 연속 열처리 방법 및 장치

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