KR101674750B1 - 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법 - Google Patents

표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비조질 선재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법 {NON-QUENCHED AND TEMPERED STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT SURFACE CASE HARDENING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 비조질 선재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
중탄소강 선재는 일반적으로 냉간 가공용으로 많이 사용되는데, 이때 중탄소강 선재의 가공 특성을 향상시키기 위해 저온 소둔 열처리나 구상화 열처리와 같은 열처리를 수행하고, 단조 등의 가공을 거친 후 물성을 부여하는 켄칭 및 템퍼링(Quenching and Tempering) 열처리를 수행한다.
하지만, 수치 정밀도가 높게 요구되는 부품이나 열처리 비용의 절감을 요구하는 경우에는 상술한 열처리를 생략하는 비조질강을 주로 사용하고 있다.
상기 비조질강은 선재를 제조한 후 저온 소둔 열처리 및 구상화 열처리를 거치지 않고 바로 신선 및 직접 냉간 단조하여 제품을 만들 수 있다. 이와 같이 열처리 없이 제품을 만들기 위해서는 상기 비조질 선재의 인성이 높을 것이 요구되는데, 선재의 미세조직 특히 페라이트 분율이 인성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
한편, 비조질 선재의 인성을 향상시키는 방법으로 잘 알려진 것은 Ti, Nb, V 등 페라이트 입계를 고정시킬 수 있는 탄·질화물 형성 원소를 첨가하고, 제어압연을 통해 오스테나이트 입자 미세화 및 조대화를 막고, 오스테나이트 입계에서 페라이트를 형성시켜 페라이트 미세화를 통해 인성을 향상시키는 것이다.
그러나, 상기 방법은 Ti, Nb, V 등에 의해 형성되는 석출물을 잘 제어할 필요가 있으며, 블룸(bloom)을 사용하는 등 가열로 온도를 1200℃ 이상으로 높여야 하므로, 업체에서는 제한적으로 사용해야 하는 단점이 존재한다.
또한, 경제적인 측면에서 유리하게 고인성 비조질강을 제조하는 방법으로는 0.2중량% 탄소강 범위에서 바우싱거 효과를 이용하여 페라이트+펄라이트 층상형 조직을 형성하는 방법이 있다.
상기와 같은 층상형 조직은 강의 충격인성을 극대화 할 수 있고, 일반적인 탄소강을 이용하는 점에서 장점이 있는 반면, 층상형 조직으로 인해 소재 자체가 방향성을 가지고 있기 때문에, 사용이 제한적이라는 단점이 있다.
본 발명의 일 측면은, 비조질 선재의 내마모성을 향상시키기 위하여 표면 경화 열처리성을 우수하게 확보한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.35~0.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.6%, 망간(Mn): 0.8~1.8%, 크롬(Cr): 0.05~0.2%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니켈(Ni): 0.05~0.2%, 인(P): 0.01~0.03%, 황(S): 0.06% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.03% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
미세조직이 면적분율 20~35%의 페라이트 및 잔부 펄라이트 복합조직으로 이루어지는 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재를 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 강을 준비하는 단계; 상기 강을 1050℃ 미만에서 150분 이하로 가열 처리하는 단계; 상기 가열된 강을 780~800℃에서 마무리 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연 후 0.5~3℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 표면 경화 열처리가 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 고가의 원소를 첨가하지 않고서도 인성이 우수할 뿐만 아니라, 표면 경화 열처리 후 경도를 향상시킬 수 있어 내마모성이 우수한 중탄소강 비조질 선재를 제공하는 효과가 있다.
통상, 비조질 선재의 인성을 향상시키기 위하여 미세조직으로 페라이트 및 펄라이트 복합조직으로 형성하는 한편, 상기 페라이트의 미세화를 구현하였다. 이러한 복합조직은 층상형 조직을 가짐으로써 충격인성에 우수한 물성을 구현하는 반면, 내마모 물성이 요구되는 곳에서는 낮은 경도로 인해 부품 사용 수명이 단축되는 문제를 발생시킬 수 있다는 우려가 있었다. 이를 극복하기 위한 공정상의 수단으로 일반 강재에 침탄 또는 질화 처리를 통해 경도를 향상시키거나 국부 유도 가열을 통한 표면 경도를 향상시켜 내마모성을 향상시키는 방법을 취하고 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 소재상의 문제점을 해결하기 위한 방안으로서 상기와 같이 복합조직을 갖는 비조질 선재에 표면 경화 열처리를 부여하는 한편, 상기 열처리를 부여하는 과정에서 열처리성을 높여 경도 향상을 통해 내마모성을 우수하게 확보하고자 하였다.
이를 위해, 본 발명자들은 비조질 선재의 미세조직을 최적화하는 경우, 특히 페라이트 결정립 크기를 최적화하는 경우 표면 경화 열처리성을 크게 향상시킴으로써 목표로 하는 물성을 우수하게 얻을 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
이하, 본 발명에서 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재는 중량%로, 탄소(C): 0.35~0.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.6%, 망간(Mn): 0.8~1.8%, 크롬(Cr): 0.05~0.2%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니켈(Ni): 0.05~0.2%, 인(P): 0.01~0.03%, 황(S): 0.06% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.03% 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재에서 상기와 같이 성분을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 성분원소의 함유량은 별도의 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.
C: 0.35~0.5%
본 발명에서 탄소(C)의 함량이 0.35% 미만이면 페라이트 변태가 과도해져 표면 경화 열처리시 Ae3 점이 높아 페라이트가 모두 용해되지 못하여 열처리 후 부분적으로 페라이트상이 남아 있을 가능성이 높아진다. 이와 같이, 열처리 후 페라이트상이 부분적으로 남아있게 되면 강의 경도를 저하시켜 결과적으로 강의 내마모성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다. 따라서, 0.35% 이상으로 C를 포함하는 것이 바람직하다.
다만, 그 함량이 0.5%를 초과하게 되면 페라이트가 충분하지 못하고 주로 펄라이트로 변태되어 목표로 하는 충격인성을 확보하기 어려워진다.
따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.35~0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si: 0.001~0.6%
실리콘(Si)은 대표적인 치환형 원소로서, 강의 가공 경화량에 큰 영향을 미치는 원소이다. 특히, 연화 열처리 공정을 행하지 않고 신선 후 바로 냉간압조를 행하는 비조질 강에서 상기 Si 함량의 증가는 가공 경화를 증가시켜 다이스 수명의 악화를 유발한다. 그러므로, 상기 Si의 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 만일 그 함량이 0.6%를 초과하게 되면 강의 가공 경화량이 증가하여 연성을 저하시키고, 결국 충격인성이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명에서 Si의 함량은 0.6% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 다만 제강공정을 고려하여 0.001% 이상으로 포함할 수 있다.
Mn: 0.8~1.8%
망간(Mn)은 기지조직 내 치환형 고용체를 형성하고 A1 온도를 낮춰 펄라이트 층간간격을 미세화하는 역할을 하는 원소이다.
상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.8% 이상으로 Mn을 포함하는 것이 바람직하나, 그 함량이 1.8%를 초과하게 되면 망간 편석에 의한 조직 불균일이 발생할 가능성이 높아지는 문제가 있다. 이와 같이 조직이 불균일해질 경우, 냉각시 냉각속도 편차에 따라 부분적으로 베이나이트 조직이 형성될 가능성이 높아지고, 이후 강 가공시 내부 균열이 발생할 우려가 있다. 즉, 망간 편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로 인한 경화능의 향상은 중심부에서 저온조직(core martensite)을 형성하는데 주된 원인이 된다.
한편, 상기 Mn의 함량이 0.8% 미만이면 상대적으로 망간 편석에 의한 편석대 영향은 적으나, 펄라이트 층간간격이 조대해져 비조질 선재의 충격인성에 악영향을 미칠 수 있다.
따라서, 본 발명에서 Mn의 함량은 0.8~1.8%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr: 0.05~0.2%
크롬(Cr)은 강의 소입성을 향상시키는데 중요한 원소로서, 특히 본 발명에서는 표면 경화 열처리시 소입성을 확보하는데 유용할 뿐만 아니라, 탄화물을 미세화시켜 페라이트의 용해를 원활하게 하는 역할을 한다.
상술한 효과를 얻기 위해서는 0.05% 이상으로 Cr을 포함하는 것이 바람직하며, 다만 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 강의 소입성이 과도하게 증가하여 저온 조직이 형성될 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서 Cr의 함량은 0.05~0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
Al: 0.01~0.05%
알루미늄(Al)은 탈산제로서 역할을 할 뿐만 아니라, 강 중 산소와 결합하여 Al2O3 산화물을 형성하며, 상기 산화물을 형성하고 남은 Al은 N과 결합하여 AlN 질화물을 형성한다.
상기 AlN 질화물은 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 효과가 있으며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상으로 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.05%를 초과하게 되면 조대한 AlN 질화물이 형성되어 오히려 강의 물성을 저해하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.
따라서, 본 발명에서 Al의 함량은 0.01~0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
Ni: 0.05~0.2%
일반적으로 니켈(Ni)은 내식성 향상을 위한 목적으로 첨가하나, 본 발명에서는 강의 인성을 향상시키기 위한 용도로서 첨가한다. 이러한 Ni의 함량이 0.05% 미만이면 상술한 효과를 충분히 확보할 수 없으며, 반면 그 함량이 0.2%를 초과하게 되면 고가의 합금원소로 인한 제품 가격이 상승하여 가격 경쟁력이 떨어지는 문제가 있다.
P: 0.01~0.03%
인(P)은 결정립계에 편석되어 인성을 저해하고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주된 원인이므로, 가능한 한 낮게 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P의 함량을 0.03% 이하로 제어하는 것이 바람직하나, 상기 P에 의한 내산화성을 향상시키기 위한 목적에서 0.01% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명에서 P의 함량은 0.01~0.03%로 제한하는 것이 바람직하다.
S: 0.06% 이하(0은 제외)
황(S)은 저융점 원소로 입계에 편석되어 인성을 저하시키고, 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로, 가능한 한 낮게 함유하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 S은 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 이는 절삭성을 향상시키는데 유효하므로, 이를 고려하여 상기 S의 함량을 0.06% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
N: 0.01% 이하(0은 제외)
질소(N)는 석출물 생성 원소와 결합하여 여러가지 질화물 등을 생성한다. 상기 질화물들은 오스테나이트 결정립 크기를 제한하는 역할을 하는데, 만일 N의 함량이 0.01%를 초과하게 되면 대부분의 질화물이 조대해져 오히려 강의 물성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 이를 고려하여 본 발명에서는 N의 함량을 0.01% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상술한 성분들 이외에 V: 0.02~0.15% 및 Ti: 0.005~0.03% 중 1종 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 V 및 Ti은 탄·질화물을 형성하는 중요한 원소이다.
바나듐(V)은 VC, VN, V(C,N) 등을 형성하는데, 이들 탄·질화물은 적절한 압연을 동반할 경우 페라이트를 미세화시켜 비조질 선재의 인성을 향상시키는 효과가 있다. 상기 V의 함량이 0.02% 미만이면 V계 석출물들의 분포가 적어져 페라이트 입계를 충분히 고정시키지 못하게 되어 인성 향상의 효과가 적어지며, 반면 그 함량이 0.15%를 초과하게 되면 조대한 석출물이 형성되어 오히려 인성을 저하시키는 문제가 있다.
티타늄(Ti)은 강의 고온 가열시 조대한 석출물을 생성시킴으로써 오스테나이트의 페라이트 변태시 페라이트의 핵 생성 장소(site)로 작용하여 페라이트 분율을 향상시키는 효과가 있다. 상기 Ti의 함량이 0.005% 미만이면 Ti계 석출물의 분포가 적어져 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 0.03%를 초과하게 되면 조대한 석출물이 형성되어 개재물 파단의 주요한 크랙 생성처로 작용할 가능성이 높아지는 문제가 있다.
본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상술한 성분조성을 제외한 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 그 미세조직이 페라이트 및 펄라이트 복합조직으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이때 상기 페라이트는 면적분율 20~35%로 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
만일, 페라이트 분율이 20% 미만이면 강의 강도가 지나치게 상승하여 강 가공성이 급격히 저하될 우려가 있으며, 반면 그 분율이 35%를 초과하게 되면 강의 가공성은 증가하는 한편 목표로 하는 강도를 확보하지 못할 우려가 있다.
특히, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 압연 방향의 평행 단면인 L 단면의 미세조직이 강 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축, aspect ratio)가 3 이하이고, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)를 만족하는 것이 바람직하다.
상기 페라이트 결정립 크기는 강의 인성을 향상시키기 위한 것뿐만 아니라, 후속 열처리 즉 표면 경화 열처리시 페라이트의 용해를 용이하게 달성하기 위한 것이다.
만일, 선재 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비가 3을 초과하고, 이때의 페라이트 결정립 평균 단축 길이가 10㎛를 초과하게 되면 강의 인성을 충분히 확보하지 못하게 될 뿐만 아니라, 표면 경화 열처리 후 용해되지 않은 페라이트가 잔류하게 되어 충분한 경도를 확보하지 못하게 되는 문제가 있다 (상기 D는 직경(diameter)을 의미한다).
더불어, 압연 방향의 직각 단면인 C 단면에서의 펄라이트 패킷 크기의 최대 편차(최대값-최소값) 평균값이 30㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 펄라이트 패킷의 최대 편차가 30㎛를 초과하게 되면 강의 물성이 부분적으로 불균일해지는 문제가 있다.
또한, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 강 중 V계 및/또는 Ti계 석출물을 포함하는 것이 바람직하며, 이때 석출물로는 VC, VN, V(C,N), TiC 및 TiN 중 1종 이상인 것이 바람직하다.
특히, 상기 전체 석출물 중 평균 크기가 50nm 이하인 석출물은 30%(면적분율) 이상 포함하는 것이 바람직한데, 만일 평균 크기가 50nm 이하인 석출물의 분율이 30% 미만이면 압연 후 복열로 인한 오스테나이트 결정립 성장을 억제할 수 없게 된다.
이와 같은, 석출물의 결정립 성장 억제 효과는 결정립계에 석출물이 존재하는 경우 해당 면적만큼의 표면 에너지가 감소하는 것에 기인하는데, 이 효과를 구현하기 위해서는 석출물과 기지상과의 정합성이 유지되어야 하다. 각각의 석출물에 따라 기지상과의 정합성을 잃어버리는 크기는 차이가 있으나, 대체적으로 최대 50nm를 초과하게 되면 정합성을 잃어버리게 된다.
따라서, 본 발명에서 강 중 V계 및/또는 Ti계 석출물의 평균 크기를 50nm 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 이를 만족하는 석출물을 적어도 면적분율 30% 이상으로 포함할 때, 오스테나이트 결정립 크기 제어 효과를 얻을 수 있는 것이다.
상술한 바와 같이 강 성분조성 및 미세조직을 모두 만족하는 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상온 충격인성(U-notch)이 58J 이상으로 우수할 뿐만 아니라, 표면경화 열처리성이 우수하여 열처리 후의 경도를 45(HRc) 이상으로 확보할 수 있는 특징이 있다.
여기서, 표면 경화 열처리성이 우수하다는 것은, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재를 표면 경화 열처리하는 경우 강 내 페라이트가 모두 용해되어 충분한 경도를 확보할 수 있으며, 이로 인해 강의 내마모성을 우수하게 확보할 수 있음을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
하기의 제조방법은 본 발명의 중탄소강 비조질 선재를 제조할 수 있는 바람직한 일 예를 나타낸 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저, 상술한 성분조성을 만족하는 강을 준비한 후, 이를 1050℃ 미만에서 150분 이하 동안 가열 처리하는 것이 바람직하다.
상기 가열 처리는 1050℃ 미만으로 가열된 가열로에서 행해지는데, 상기 가열로의 온도가 1050℃ 이상이면 강 중 형성된 석출물들이 용해되어 오스테나이트 결정립의 고정 효과가 미미해져 조대한 오스테나이트가 형성되고, 이는 결국 페라이트 핵생성에 영향을 미치게 되어 전체적으로 페라이트 분율이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 가열 시간이 150분을 초과하여 너무 길어지면 석출물이 성장하여 조대질 우려가 있으므로 바람직하지 못하다. 즉, 석출물은 가열로 온도가 높을수록, 가열 시간이 길수록 조대화되므로, 석출물과 기지상과의 정합성을 유지하여 오스테나이트 결정립 크기 제어 효과를 얻기 위해서는 한정된 시간 내에 저온 가열을 행하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 가열 처리는 1050℃ 미만의 온도에서 150분 이하로 행해지는 것이 바람직하며, 보다 유효하게는 950℃ 이상 1050℃ 미만의 온도범위에서 60분~150분간 행해지는 것이 보다 바람직하다.
상기한 바에 따라 가열 처리된 강을 마무리 열간압연하는 것이 바람직하다.
상기 마무리 열간압연시 온도는 오스테나이트 결정립 크기에 큰 영향을 미치게 되므로, 목표로 하는 미세조직을 얻기 위해서는 780~800℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다.
만일, 마무리 열간압연 온도가 780℃ 미만이면 이상역 온도범위가 되어 필요 이상의 강도 향상은 물론이고, 인성 향상에도 악영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 못하다. 반면, 그 온도가 800℃를 초과하게 되면 조대한 오스테나이트 결정립으로 인해 최종 페라이트 분율이 감소되어 인성의 저하를 초래하는 문제가 있다.
상기한 바에 따라 마무리 열간압연을 행한 후, 0.5~3℃/s의 냉각속도로 냉각공정을 거치는 것이 바람직하다.
냉각시 냉각속도가 0.5℃/s 미만이면 냉각 동안 오스테나이트 및 페라이트 결정립이 성장함에 따라 지나치게 연질화되어 목표 강도에 도달하지 못하게 되는 문제가 있으며, 반면 냉각속도가 3℃/s를 초과하게 되면 저온조직이 형성되어 가공시 내부 균열이 발생할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.
상술한 바와 같이 [가열 처리 - 마무리 열간압연 - 냉각] 공정을 거쳐 제조된 본 발명의 중탄소강 비조질 선재에 대해 표면 경화 열처리를 행할 수 있다.
상기 표면 경화 열처리는 내부 수냉을 행할 수 있는 구리 코일을 통과하여 유도 가열을 행하는 것으로서, 선재를 연속적으로 구리 코일 내부를 통과시킴으로써 유도 전류를 발생시켜 급속하게 가열시키는 방법을 의미한다. 이때, 900~1200℃ 범위에서 10초 이내로 가열한 후 수냉 또는 오일 퀀칭(oil quenching)을 실시함이 바람직하다.
본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상기 표면 경화 열처리시 짧은 시간 내에 강 내 전체 페라이트 상이 모두 용해되어 목표로 하는 경도를 확보할 수 있는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
( 실시예 )
먼저, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분조성을 갖는 강들을 준비하였다. 준비된 강들을 시료로 하여 50kg의 잉곳(ingot)으로 주조한 후 이를 1200℃에서 20시간 균질화 열처리 후 상온까지 공냉하였다. 그 후 160mm의 사각형 빌렛 후단에 각 소재를 용접하여 실제 선재 냉각라인에서 열간압연을 실시하였다. 이때, 가열로 추출온도는 1040℃ 이었으며, 가열은 하기 표 2에 나타낸 각각의 조건에서 150분 이내로 통일하였다. 상기 열간압연은 26mm 소재로서 그 온도조건은 하기 표 2에 나타내었다. 상기 열간압연 후 각 선재를 모두 0.5~0.8℃/s의 냉각속도로 냉각하였다.
상기에 따라 제조된 각 선재의 미세조직 중 페라이트 분율을 측정하였으며, 또한 페라이트 종횡비는 압연 방향의 평행한 면(L 단면)의 미세조직을 관찰하여 측정하였다. 그리고, 페라이트 결정립의 평균 단축길이는 조직 내 페라이트의 두께를 측정하여 평균 값을 도출하였다.
또한, 제조된 선재의 충격인성을 측정하기 위하여, 10×10mm 규격 시편으로 제작한 후, U형 노치(U-notch)를 이용하여 측정하였다.
상기 측정 결과들은 하기 표 2에 나타내었다.
한편, 상기 제조된 각각의 선재에 대해 표면 경화 열처리를 행하였다. 이때, 열처리는 유도가열 열처리로서 모든 시편에 대해 900~1200℃ 범위에서 10초 이내로 가열하는 조건을 적용하여 실시하였다.
상기 유도가열 열처리 후 표면 경도와 표면부 미세조직을 관찰하여 열처리 적정성에 대해 판단하였다. 상기 열처리 적정성은 동일 주파수에 동일 전력을 가하여 열처리를 수행하였을 때 열처리 영향부에 연질 페라이트상이 모두 고용되어 균일한 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)가 형성된 것이 가장 열처리 적정성이 우수한 것으로 판별하였으며, 이때의 주파수, 인가 전력량 등의 유도가열 열처리 변수는 조정하지 아니하였다.
강재 성분조성(중량%)
C Si Mn Cr Al P S N Ti V Ni
비교재1 0.30 0.2 1.3 0.15 0.03 0.012 0.04 0.005 - - 0.1
비교재2 0.45 0.2 2.0 0.15 0.03 0.012 0.04 0.005 - - -
비교재3 0.45 0.2 1.2 0.13 0.04 0.012 0.04 0.005 0.04 0.05 0.1
비교재4 0.60 0.2 1.3 0.15 0.03 0.012 0.04 0.005 0.02 0.05 -
발명재1 0.45 0.2 1.2 0.16 0.04 0.012 0.04 0.005 0.01 0.05 0.1
발명재2 0.40 0.2 1.3 0.15 0.03 0.012 0.04 0.005 0.008 - 0.09
발명재3 0.45 0.2 1.0 0.14 0.04 0.012 0.04 0.005 - 0.04 0.12
발명재4 0.48 0.15 1.3 0.15 0.03 0.012 0.04 0.005 - 0.08 0.1
발명재5 0.45 0.2 1.5 0.14 0.04 0.012 0.04 0.005 0.015 0.08 0.11
강재 공정 조건(℃) 미세조직 기계적 물성 비고 구분
가열로
온도		 압연
온도		 페라이트
분율(%)		 종횡비 결정립
단축길이		 충격인성
(J)		 열처리 후
경도(HRc)
비교재
1		 1049 795 45 1.4 9 165 30 경도미달 비교예1
1054 832 42 1.3 12 145 32 경도미달 비교예2
비교재
2		 1052 911 17 2.0 3 52 53 충격불량 비교예3
1048 820 22 2.4 4 53 55 충격불량 비교예4
비교재
3		 1039 789 19 2.4 3 55 52 충격불량 비교예5
1056 880 16 1.8 7 52 53 충격불량 비교예6
비교재
4		 1054 809 12 3.6 2 30 53 충격불량 비교예7
1055 821 13 3.2 3 32 62 충격불량 비교예8
빌명재
1		 1049 785 24 2.4 5 72 52 모두만족 발명예1
1049 821 23 2.2 4 68 55 모두만족 발명예2
빌명재
2		 1053 901 22 1.5 9 55 38 경도미달 비교예9
1047 790 25 2.3 5 75 48 모두만족 발명예3
빌명재
3		 1055 950 21 1.4 9 54 50 충격불량 비교예10
1048 782 25 2.4 3 69 47 모두만족 발명예4
빌명재
4		 1030 793 22 2.4 3 65 52 모두만족 발명예5
1036 795 21 2.5 3 67 55 모두만족 발명예6
빌명재
5		 1051 894 19 1.7 8 57 45 충격불량 비교예11
1043 792 23 2.3 3 78 54 모두만족 발명예7
(상기 표 2에서 '페라이트 분율'은 면적분율(%)이고, '종횡비'는 강 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 장축/단축 비를 나타낸 것이고, '결정립 단축길이'는 페라이트 결정립의 평균 단축길이(㎛)를 나타낸 것이다.
'경도 미달'은 강 성분조성을 고려하여 이론 경도값의 80% 미만일 경우 경도 미달로 판단하였으며, 여기서 이론 경도값은 ASTM A255-02에 나온 탄소 함량(%C)에 따른 경도 계산식으로 도출하였다. 이론식은 H = 35.395 + 6.990(%C)2 - 821.744(%C)3 + 1015.479(%C)4 - 538.346(%C)5 을 따랐으며, 여기서 H는 HRC 값이다.)
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 선재 미세조직 중 페라이트의 분율이 증가할수록 충격인성 값에 영향을 주며, 유도가열 열처리시 표면경도에도 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다.
또한, 충격인성 값은 페라이트 분율이 증가할수록 계속 증가하는 경향을 보이는 반면, 열처리 후 표면경도의 경우 페라이트 분율이 감소할수록 증가하다가 어느 일정 값 이상에서는 일정한 값을 보임을 확인할 수 있다. 이는, 유도가열 열처리 중에 페라이트 고용 여부에 좌우되는 것으로 판단된다. 즉, 페라이트의 분율이 높거나 페라이트가 조대하게 형성될 경우 짧은 열처리 시간을 가지는 유도가열 열처리시 페라이트 상이 오스테나이트 상으로 변태되지 않은 미변태상이 생기게 되며, 이는 결국 표면경도 값에 영향을 주는 것으로 나타나고 있다.
한편, 페라이트 분율과 상관관계를 갖는 공정 인자로는 마무리 압연온도와 냉각속도가 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타나는데, 마무리 열간압연 온도가 지나치게 높을 경우 충격인성에 악영향을 주는 것을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.35~0.5%, 실리콘(Si): 0.001~0.6%, 망간(Mn): 0.8~1.8%, 크롬(Cr): 0.05~0.2%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니켈(Ni): 0.05~0.2%, 인(P): 0.01~0.03%, 황(S): 0.06% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.03% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
    미세조직이 면적분율 20~35%의 페라이트 및 잔부 펄라이트 복합조직으로 이루어지고, V계 및/또는 Ti계 석출물을 포함하며, 전체 석출물 중 평균 크기가 50nm 이하인 석출물은 30%(면적분율) 이상 포함하는 것인 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축, aspect ratio)가 3 이하이고, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)인 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
    (상기 D는 직경(diameter)을 의미한다.)
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 펄라이트 패킷 크기의 최대 편차가 30㎛ 이하인 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 상온 충격인성(U-notch)이 58J 이상인 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
  6. 중량%로, 탄소(C): 0.35~0.50%, 실리콘(Si): 0.001~0.6%, 망간(Mn): 0.8~1.8%, 크롬(Cr): 0.05~0.2%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니켈(Ni): 0.05~0.2%, 인(P): 0.01~0.03%, 황(S): 0.06% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.03% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 준비하는 단계;
    상기 강을 1050℃ 미만에서 150분 이하로 가열 처리하는 단계;
    상기 가열된 강을 780~800℃에서 마무리 열간압연하는 단계;
    상기 열간압연 후 0.5~3℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    상기 냉각 후 900~1200℃ 범위에서 10초 이내로 표면 경화 열처리 단계
    를 포함하는 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 냉각 후 강 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축, aspect ratio)가 3 이하이고, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)로 형성되는 것인 표면 경화 열처리성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법.
  8. 삭제
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