KR101685825B1 - 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조 방법 - Google Patents

기계구조용 탄소강재 및 이의 제조 방법 Download PDF

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현대제철 주식회사
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Abstract

본 발명의 구현예들은 포정반응 시작온도에서 δ상을 60% 내지 80%의 분율로 포함하고, L상을 20% 내지 40%의 분율로 포함하는 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이를 통해, 불균일 응고된 포정 쉘을 저감하고, 표면의 균일성을 향상시키며, 균열의 발생을 방지할 수 있으며, 강도가 우수하고, 포정 반응이 저감되며, 변태수축에 대한 저항성이 향상된 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.

Description

기계구조용 탄소강재 및 이의 제조 방법{CARBON STEEL FOR MACHINE STRUCTURE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각종 기계부품에 주로 사용되는 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
기계구조용 탄소강재는 기계를 구조적으로 지탱할 수 있는 탄소가 함유된 강을 의미한다. 기계구조용 탄소강재는 일반적으로 강재가 그대로 최종 제품으로 사용되지 않고, 단조, 절삭 등의 가공 공정이나 열처리, 경화 처리 등의 후처리 공정을 수행한 후 기계 구조용 부품으로 제조된다는 점에서 보통강과 차이가 있다.
한편, 포정 반응은 2 이상의 금속을 포함하는 합금을 고온에서 가열하는 경우, 하나의 액상 조직과 다른 성분의 고상 조직이 작용해서 새로운 고상 조직을 만드는 반응을 의미한다. 구체적으로는, 고상 조직의 주위로 액상 조직이 둘러싼 형태의 포정 조직이 형성된다.
이와 관련된 선행기술로는 한국공개특허공보 1999-0057397호가 있다.
본 발명의 하나의 목적은 불균일 응고된 포정 쉘을 저감하고, 표면의 균일성을 향상시키며, 균열의 발생을 방지할 수 있고, 강도가 우수한 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 포정 반응이 저감되고, 변태수축에 대한 저항성이 향상된 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 구현예는 탄소(C) : 0.08 중량% 내지 0.12 중량%, 실리콘(Si) : 0.015 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.006 중량% 내지 0.035 중량%, 구리(Cu) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 크롬(Cr) : 0.05 중량% 내지 0.08 중량%, 알루미늄(Al) : 0.016 중량% 내지 0.019 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 바륨(Ba) : 0.005 중량% 내지 0.01 중량%, 질소(N) : 0.005 중량% 내지 0.008 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 함유하고, 포정반응 시작온도에서 델타(δ) 페라이트상 조직을 60% 내지 80%의 분율로 포함하며, 액상(L) 조직을 20% 내지 40%의 분율로 포함하는 기계구조용 탄소강재에 관한 것이다.
일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 하기 식 1로 표시되는 탄소당량이 0.8 내지 1.2일 수 있다.
[식 1]
Ceq(%) = {[C] + 0.014*[Mn] + 0.023*[Ni] - 0.037*[Si] - 0.222*[S] - 0.04*[P] + 0.003*[Cu] - 0.004*[Mo]}
상기 식 1에서, [C], [Si], [Mn], [Ni], [S], [P], [Cu] 및 [Mo]는 각 원소기호가 나타내는 원소의 함량(중량%)이다.
일 실시예의 포정반응 시작온도는 1480℃ 내지 1490℃일 수 있다.
일 실시예에서, 기계구조용 탄소강재는 1485℃에서 측정한 강재의 비열값이 1 J/gK 내지 4 J/gK일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 탄소(C) : 0.08 중량% 내지 0.12 중량%, 실리콘(Si) : 0.01 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.30 중량% 내지 0.34 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.006 중량% 내지 0.035 중량%, 구리(Cu) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 크롬(Cr) : 0.05 중량% 내지 0.08 중량%, 알루미늄(Al) : 0.016 중량% 내지 0.019 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 바륨(Ba) : 0.005 중량% 내지 0.01 중량%, 질소(N) : 0.005 중량% 내지 0.008 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 함유하고, 포정반응 시작온도에서 델타(δ) 페라이트상 조직을 60% 내지 80%의 분율로 포함하며, 액상(L) 조직을 20% 내지 40%의 분율로 포함하는 기계구조용 탄소강재의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예들은 불균일 응고된 포정 쉘을 저감하고, 표면의 균일성을 향상시키며, 균열의 발생을 방지할 수 있고, 강도가 우수하고, 포정 반응이 저감되며, 변태수축에 대한 저항성이 향상된 기계구조용 탄소강재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기계구조용 탄소강재의 제조방법을 간략하게 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에서 제조된 강재의 단면을 촬영한 결과를 나타낸 사진이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 강재의 단면을 촬영한 결과를 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 2에서 제조된 시험편의 실체현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 시험편의 실체현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 시험편의 2D 공초점 현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 비교예 2에서 제조된 시험편의 2D 공초점 현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 제조된 시험편의 3D 공초점 현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 9는 본 발명의 비교예 2에서 제조된 시험편의 3D 공초점 현미경 촬영결과를 나타낸 사진이다.
도 10은 본 발명의 실시예 1에서 제조된 강재의 비열 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 비교예 1에서 제조된 강재의 비열 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예 1의 강재 조직을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 비교예 1의 강재 조직을 예시적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 구현예는 탄소(C) : 0.08 중량% 내지 0.12 중량%, 실리콘(Si) : 0.015 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.006 중량% 내지 0.035 중량%, 구리(Cu) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 크롬(Cr) : 0.05 중량% 내지 0.08 중량%, 알루미늄(Al) : 0.016 중량% 내지 0.019 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 바륨(Ba) : 0.005 중량% 내지 0.01 중량%, 질소(N) : 0.005 중량% 내지 0.008 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 함유하며, 포정반응 시작온도에서 델타(δ) 페라이트상 조직을 60% 내지 80%의 분율로 포함하고, 액상(L) 조직을 20% 내지 40%의 분율로 포함하는 기계구조용 탄소강재에 관한 것이다.
이를 통해, 응고된 포정 쉘을 저감하고, 표면의 균일성을 향상시키며, 균열의 발생을 방지할 수 있고, 강도가 우수한 기계구조용 탄소강재를 제공할 수 있다.
일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 하기 식 1로 표시되는 탄소당량이 0.8 내지 1.2일 수 있다.
[식 1]
Ceq(%) = {[C] + 0.014*[Mn] + 0.023*[Ni] - 0.037*[Si] - 0.222*[S] - 0.04*[P] + 0.003*[Cu] - 0.004*[Mo]}
상기 식 1에서, [C], [Si], [Mn], [Ni], [S], [P], [Cu] 및 [Mo]는 각 원소기호가 나타내는 원소의 함량(중량%)이다.
탄소당량은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일반적으로 탄소당량이 0.8 내지 1.2의 범위인 경우, 포정 반응을 저감하는 것이 어렵다. 일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 전술한 범위 내의 탄소당량을 가지는 경우에서도 종래의 기계구조용 탄소강재보다 더욱 우수한 포정 반응 저감효과를 구현할 수 있다.
더욱 구체적으로, 일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 탄소당량이 0.9 내지 1.1일 수 있다. 이러한 경우, 더욱 우수한 포정 반응 저감효과를 구현할 뿐만아니라 동시에 우수한 강도를 구현할 수 있다.
일 실시예의 포정반응 시작온도는 1480℃ 내지 1490℃일 수 있다. 본 명세서에서 포정반응 시작온도는 포정반응이 개시되는 시점으로 측정할 수 있다. 더욱 구체적으로, 포정반응이 개시되는 온도는 액상(L)의 조직과 델타(δ) 페라이트 조직이 공존하는 순간의 온도로 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 기계구조용 탄소강재는 1485℃에서 측정한 강재의 비열값이 1 J/gK 내지 4 J/gK일 수 있다. 상기 온도에서 측정한 강재의 비열 값은 포정 반응에 의해 생성되는 상변태로 인한 원자 결합력의 차이를 간접적으로 나타내는 지표이다. 일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 1485℃에서 측정한 강재의 비열값을 상기 범위내로 조절함으로써, 포정 조직의 생성을 저감할 수 있다.
이러한 경우, 최종 성형 시 균열이 저감되고, 표면 균일성을 더욱 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명 실시예들에 따른 기계구조용 탄소강재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 구체적으로 설명한다.
탄소(C)
일 실시예에서, 탄소(C)는 강의 소입성을 높여 강도 증가에 기여하는 동시에, 후처리 이전의 강재의 가공성을 향상시키는 역할을 한다.
구체적으로, 탄소는 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.08 중량% 내지 0.12 중량%의 함량으로 첨가된다. 탄소 첨가량이 0.08 중량% 미만인 경우, 소입성이 저하되어 후처리 이후 원하는 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소 첨가량이 0.12 중량%를 초과하는 경우, 인성 및 가공성이 낮아져 후처리 성형 시 취성이 발생할 수 있다.
실리콘( Si )
일 실시예에서, 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다. 또한, 강재의 열간압연에 의해 중 페라이트 내에 고용되어 모재의 강도를 강화할 수 있다. 또한, 입실론 카바이드 석출물을 안정화시켜 최종제품의 피로특성 및 영구변형저항성을 향상시킨다.
구체적으로, 실리콘은 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.015 중량% 내지 0.35 중량%로 첨가된다. 실리콘의 첨가량이 0.015 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 강도 향상 효과가 불충분하다. 반대로 실리콘의 첨가량이 0.35 중량%를 초과할 경우 후처리 후 마르텐사이트-잔류오스테나이트의 혼합조직이 발생할 수 있다.
망간(Mn)
일 실시예에서, 망간(Mn)은 강재의 강도 및 인성을 증가시키고, 후처리 이후의 소입성을 증가시키는 원소로 작용한다. 망간의 첨가는 탄소를 첨가하는 경우보다 강도 상승에 대한 연성의 저하가 적다. 또한, 망간은 재가열온도에서의 고용강화 효과가 우수하다.
구체적으로, 망간은 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.30 중량% 내지 0.40 중량%로 첨가된다. 망간이 첨가량이 0.30 중량% 미만일 경우, 후처리 이후의 소입성 향상 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 0.40 중량%를 초과하는 경우, MnS계 비금속개재물을 과다하게 생성하여, 후처리 시 취성이 높아지고, 인성이 저하될 수 있다.
인(P)
일 실시예에서, 인(P)은 강도 향상에 일부 기여한다. 그러나 인은 강판 제조 시 편석 가능성이 큰 원소로서, 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 줄 수 있다.
구체적으로, 인의 함량은 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.03 중량% 이하로 제한한다. 이를 통해, 미세 편석의 형성을 방지하여 기계구조용 탄소강재의 가공 후 물성을 더욱 향상시킬 수 있다.
황(S)
일 실시예에서, 황(S)은 망간과 결합하여 MnS 와 같은 비금속개재물을 형성하고, 저융점 원소로서 입계 편석 가능성이 높아 인성을 저하시키는 요소이다. 다만, 황은 0.006 중량% 이상으로 첨가될 경우, 전술한 식 1로 표시되는 탄소당량 값을 감소시켜 표면 품질을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 황의 함량을 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.006 중량% 내지 0.035 중량%로 제한한다. 이를 통해, 탄소당량 값을 감소시켜 표면 품질의 균일성을 향상하고, 포정 반응의 정도를 제어하여 기계구조용 탄소강재의 가공 후 물성을 더욱 향상시킬 수 있다.
구리(Cu)
일 실시예에서, 구리(Cu)는 강재의 강도 상승 및 인성 개선에 유효한 원소이다. 또한, 구리(Cu)는 실리콘(Si) 및 망간(Mn)과 함께 일정한 함량 조절을 통해 강재의 고용강화 효과에 기여한다.
구체적으로, 구리(Cu)는 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.01 중량% 내지 0.20 중량%로 첨가된다. 구리(Cu)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 소재의 강도향상이 충분하지 않고, 부식피트가 과도하게 생성될 수 있다. 구리(Cu)의 함량이 0.20 중량%를 초과할 경우에는 후처리 성형 시 표면에 균열을 유발시켜 표면품질을 저하시킬 수 있으며, 표면 농화를 유발할 수도 있다.
니켈(Ni)
일 실시예에서, 니켈(Ni)은 결정립을 미세화하고 오스테나이트 및 페라이트에 고용되어 기지를 강화시킨다. 특히, 니켈(Ni)은 저온 충격인성을 향상시키는데 효과적인 원소이므로, 후처리 시 가공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 니켈(Ni)은 전술한 구리(Cu)에 의해 발생하는 화합물의 녹는점을 높여 농화를 방지할 수 있다.
구체적으로, 니켈(Ni)은 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.01 중량% 내지 0.20 중량%로 첨가된다. 니켈(Ni)의 함량이 0.01 중량% 미만일 경우에는 소재의 강도향상 효과 및 인성제어 효과가 충분하지 않을 수 있다. 니켈(Ni)의 함량이 0.20 중량%를 초과할 경우에는 후처리 성형 시 표면에 균열을 유발시켜 표면품질을 저하시킬 수 있으며, 최종제품에 취성이 발생할 수 있다.
크롬( Cr )
일 실시예에서, 크롬(Cr)은 페라이트를 안정화하여 강재의 연신율을 향상시키며, 강재의 경화능 및 강도 향상에 기여하는 원소이다. 또한, 크롬(Cr)은 최종제품의 영구변형저항성을 향상시키는데 중요한 작용을 한다.
구체적으로, 크롬은 본 발명에 따른 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.05 중량% 내지 0.08 중량%로 첨가된다. 크롬의 첨가량이 0.05 중량% 미만일 경우, 후처리 이후의 강도향상 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.08 중량%를 초과하는 경우, 개재물이 과도하게 생성될 수 있으며, 강도와 연성의 균형이 깨질 수 있다.
몰리브덴( Mo )
일 실시예에서, 몰리브덴(Mo)는 강도와 소입성을 향상시키며, 인성 향상에 기여하는 원소이다.
구체적으로, 몰리브덴은 본 발명에 따른 침탄기어용 합금강재 전체 중량의 0.01 중량% 내지 0.10 중량%로 첨가된다. 몰리브덴의 첨가량이 0.01 중량% 미만일 경우, 강도향상 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.10 중량%를 초과하는 경우, 강재의 균열가능성이 커져 기계구조용 탄소강재 제조에 적합하지 않다.
알루미늄(Al)
일 실시예에서, 알루미늄(Al)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제 역할을 한다.
구체적으로, 알루미늄(Al)은 본 발명에 따른 강재 전체 중량의 0.016 중량% 내지 0.019 중량%의 함량으로 첨가될 수 있다. 상기 범위에서, 알루미늄(Al)의 탈산효과를 증대하면서도, Al2O3와 같은 피닝효과를 일으키는 화합물의 형성을 방지할 수 있다.
바륨( Ba )
일 실시예에서, 바륨(Ba)은 상온에서 Fe에 고용되는 원소로 고용강화에 도움이 되며, 포정반응 개시온도를 지난 이후, 온도가 감소되는 경우에도 포정반응에 의한 응고율을 낮출수 있어 포정 조직의 생성을 저감할 수 있다. 또한, 감마(γ) 오스테나이트 영역과 액상으로 안정하게 존재할 수 있어, 포정 조직의 생성을 낮출 수 있다.
구체적으로, 바륨은 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.005 중량% 내지 0.05 중량% 로 첨가된다. 이러한 경우, 포정 조직의 생성률을 더욱 저감할 수 있다.
질소(N)
일 실시예에서, 질소(N)는 질화물을 형성하여 강재의 결정립을 미세화하고, 강재의 강도 및 저온인성을 향상시킬 수 있다. 이러한 경우, 강재의 열간성형성을 향상시키면서도 후처리 이후의 강도를 큰 폭으로 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 질소(N)는 기계구조용 탄소강재 전체 중량의 0.005 중량% 내지 0.008 중량%의 함량으로 첨가된다. 질소(N)의 함량이 전체 중량의 0.005 중량% 미만으로 첨가될 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 질소(N)의 함량이 전체 중량의 0.008 중량%를 초과할 경우에는 석출물이 조대화되어 피로특성이 저하될 수 있다.
일 실시예의 기계구조용 탄소강재는 전술한 합금원소들을 함유하며, 나머지는 실질적으로 철(Fe) 및 불가피한 원소들을 포함한다. 상기 불가피한 원소들은 원료, 자재, 제조설비 등의 상황에 따라 함유되는 원소로서, 강판의 특성을 과도하게 해치지 않는 범위에서 불순물로서 일부 혼입될 수 있다.
전술한 기계구조용 탄소강재는 제강 공정을 통해 전술한 바와 동일한 조성을 갖는 용강을 제조하고, 이를 연속주조하여 제조한 블룸 또는 빌렛으로부터 제작될 수 있다. 더욱 구체적으로, 상기 블룸 또는 빌렛은 하기의 제조 방법을 통해 기계구조용 탄소강재로 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 전술한 기계구조용 탄소강재를 제조하는 방법에 관한 것이다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 기계구조용 탄소강재의 제조 방법을 나타낸 순서도이다. 이를 참조하여, 본 발명 실시예들의 기계구조용 탄소강재의 제조 방법을 구체적으로 설명한다. 또한, 제조방법에서 생략된 부분들은 전술한 일 구현예의 탄소강재에 대해 설명한 내용과 동일하다.
도 1을 참조하면, 도시된 기계구조용 탄소강재 제조방법은 전술한 합금조성에 따른 강편을 빌렛으로 제조하는 단계, 상기 빌렛을 재가열하는 단계(S110), 열간압연하는 단계(S120), 권취하는 단계(S130) 및 냉각하는 단계(S140)를 포함한다.
상기 빌렛을 재가열하는 단계(S110), 열간압연하는 단계(S120), 권취하는 단계(S130) 및 냉각하는 단계(S140)는 반드시 수행되어야하는 것은 아니며, 본 발명의 청구범위에 포함되는 범위에서 임의로 변경될 수 있다.
재가열 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 빌렛을 재가열한다. 이러한 빌렛의 재가열을 통하여, 주조 시 편석된 성분이 재고용될 수 있다.
일 실시예에서, 빌렛의 재가열은 950℃ 내지 1100℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature; SRT)에서 대략 1 시간 내지 3 시간 동안 수행할 수 있다. 상기 재가열 온도가 950℃ 미만일 경우에는 주조 시 편석된 성분이 충분히 재고용되지 못하고, 압연 부하가 커질 수 있다. 반대로, 재가열 온도가 1100℃를 초과할 경우에는 탈탄이 과도하게 발생할 수 있다. 또한, 오스테나이트 결정입도가 증가하여 강도 확보가 어려울 수 있으며, 과도한 가열 공정으로 인하여 기계구조용 탄소강재의 제조 비용이 상승할 수 있다.
열간압연 단계(S120)에서는 재가열된 빌렛을 열간압연한다.
일 실시예에서, 열간압연 시 마무리 압연온도는 780℃ 내지 850℃일 수 있다. 마무리 압연 온도가 780℃를 초과할 경우 탈탄이 발생하거나 조대화된 결정립으로 인한 펄라이트 핵생성이 지연되고 코일링 온도와의 편차가 증가하여 온도 제어성이 떨어질 수 있다. 반대로, 마무리 온도가 850℃ 미만으로 너무 낮으면, 압연 부하가 많이 걸리게 된다. 이러한 열간압연 단계에서 재가열된 빌렛은 선재로 제조될 수 있다.
권취하는 단계(S130)에서는 열간압연된 빌렛을 권취 단계(S130)에서 레잉 헤드(Laying Head)를 통과시켜 권취한다.
일 실시예에서, 빌렛을 레잉 헤드에 통과시켜 권취하는 온도는 750℃ 내지 830℃에서 수행할 수 있다. 상기 레잉 헤드에서의 권취 온도를 상기 범위로 제어하는 경우, 오스테나이트로부터 펄라이트 조직으로 상변태되는 정도를 조절하기에 유리할 수 있다.
냉각하는 단계(S140)에서는 권취 후 빌렛을 냉각한다.
일 실시예에서, 레잉 헤드를 통과시켜 권취한 후, 평균냉각속도는 3℃/s 이하, 예를 들면, 0.5℃/s 내지 3℃/s로 제어하면서 냉각한다. 이를 통해, 선재의 미세조직의 결정립 크기를 조절할 수 있다.
다른 실시예의 기계구조용 탄소강재 제조방법은, 전술한 합금조성을 만족하는 범위내에서 제조된 강편 또는 강재를 포정반응 시작온도 이상으로 가열하여 가공하는 것을 포함할 수 있다.
상기 포정반응 시작온도는 예를 들어, 1480℃ 내지 1490℃의 범위일 수 있다. 포정반응 시작온도는 전술한 바와 같이 델타 페라이트 조직과 액상의 조직이 공존하기 시작하는 온도를 의미한다.
상기와 같이 강편 또는 강재를 가공하는 경우, 1485℃에서 델타 페라이트 조직의 분율이 60% 내지 80%이고, 액상의 조직의 분율이 20% 내지 40%가 되도록 조절할 수 있다. 이러한 실시예에 대한 조직의 모식도를 도 12 및 13에 나타내었다. 도 12는 실시예 1의 1485℃에서의 분율을 나타낸 모식도이고, 도 13은 비교예 1의 1485℃에서의 분율을 나타낸 모식도이다.
도 12에서, 실시예 1은 1485℃에서 액상의 조직의 분율이 20% 내지 40% 정도이며, 이러한 액상 조직이 60% 내지 80% 분율의 델타 페라이트 조직을 둘러싸고 있다.
반면, 도 13에서, 비교예 1은 1485℃에서 액상의 조직의 분율이 10%미만이며, 이러한 액상 조직이 90% 분율 이상의 델타 페라이트 조직과 응고가 시작되어 형성된 감마 오스테나이트 조직을 둘러싸고 있다.
이러한 경우, 본 발명의 실시예 1은 액상조직이 형성하는 주변부(리퀴드 필름)의 두께가 비교예 1에 비하여 두껍게 형성되며, 감마 오스테나이트 조직의 생성이 조절된다. 이를 통해 실시예 1의 강재는 냉각 이후 표면의 균일성을 높이고, 응고 후 뒤틀림에 의한 균열을 방지하고, 포정 쉘의 형성을 더욱 저감할 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 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
이하에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
1. 강재의 제조
하기 표 1에 표시된 합금조성에 따라 블룸을 제조한 뒤, 이를 1150℃ 내지 1250℃의 온도범위에서 빌렛으로 압연하였다.
이와 같이 제조된 빌렛을 재가열 온도 950℃~1100℃, 마무리압연 온도(입측온도) 780℃~850℃, 권취온도 750℃~830℃의 조건으로 열간압연한 후, 0.5℃/s~3℃/s의 평균속도로 냉각하였다.
상기와 같은 방법으로 실시예 1 및 비교예 1의 강재(각 6 편)를 제조하였다.
C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo Al Ba N O
실시예 1 0.1 0.24 0.36 0.01 0.006 0.05 0.03 0.06 0.01 0.019 0.01 62ppm 21ppm
비교예 1 0.1 0.23 0.38 0.01 0.004 0.07 0.03 0.07 0.01 0.016 - 61ppm 20ppm
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 각 6 분획의 강재에 대하여, 단면을 이미지를 촬영한 뒤, 크랙 및 핀홀의 발생을 육안으로 평가하였다.
실시예 1에 대한 단면 이미지 촬영결과는 도 2에 나타내었다.
비교예 1에 대한 단면 이미지 촬영결과는 도 3에 나타내었다.
평가 결과, 하기 표 2와 같이 실시예 1의 강재 6편 중 힌지크랙이 발생한 면은 1편, 핀홀이 발생한 면은 1편에 해당하였다. 반면 비교예 1의 강재 6 편 중 힌지크랙이 발생한 면은 6편이었으며, 핀홀이 발생한 면은 5편이었다.
힌지크랙 강편 1 강편 2 강편 3 강편 4 강편 5 강편 6
실시예 1 없음 없음 없음 발생 없음 없음
비교예 1 발생 발생 발생 발생 발생 발생
핀홀 강편 1 강편 2 강편 3 강편 4 강편 5 강편 6
실시예 1 없음 없음 없음 없음 없음 발생
비교예예1 발생 발생 발생 발생 없음 발생
또한, 실시예 1 및 비교예 1의 강재의 온도변화에 따른 비열을 측정하여 도 10(실시예 1) 및 도 11(비교예 1)에 나타내었다.
2. 시편의 제조( 실시예 2 및 비교예 2)
표 2는 상기에서 제조된 실시예 1 및 비교예 1에 따른 강재를 N2 분위기 하에서, 180℃/s로 승온한 후, 융점에 도달한 순간부터 120초 동안 온도를 유지하였다. 이후, 공랭 냉각을 수행하여 Φ10*L102 크기의 봉상 시험편을 제조하였다.
상기에서 제조된 봉상 시험편에 대하여 하기와 같이 이미지 촬영 결과를 표시하였다.
실시예 2에서 제조된 시험편의 실체현미경 촬영결과를 도 4에 나타내었다.
비교예 2에서 제조된 시험편의 실체현미경 촬영결과를 도 5에 나타내었다.
실시예 2의 2D공초점 현미경 이미지를 도 6에 나타내었다.
비교예 2의 2D공초점 현미경 이미지를 도 7에 나타내었다.
실시예 2의 3D 공초점 현미경 이미지를 도 8에 나타내었다.
비교예 2의 3D 공초점 현미경 이미지를 도 9에 나타내었다.
상기의 촬영 결과를 통해, 실시예 2에서 제조된 시험편의 용융 단면 및 표면이 비교예 2의 시험편에 비하여 균일함을 알 수 있었다.
S110: 재가열 단계
S120: 열간압연 단계
S130: 권취 단계
S140: 냉각 단계
10: 델타 페라이트 영역
20: L상(리퀴드 상)영역
30: 감마 오스테나이트 영역

Claims (8)

  1. 탄소(C) : 0.08 중량% 내지 0.12 중량%, 실리콘(Si) : 0.015 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.006 중량% 내지 0.035 중량%, 구리(Cu) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 크롬(Cr) : 0.05 중량% 내지 0.08 중량%, 알루미늄(Al) : 0.016 중량% 내지 0.019 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 바륨(Ba) : 0.005 중량% 내지 0.01 중량%, 질소(N) : 0.005 중량% 내지 0.008 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 함유하고,
    포정반응 시작온도에서 델타(δ) 페라이트상 조직을 60% 내지 80%의 분율로 포함하고, 액상(L) 조직을 20% 내지 40%의 분율로 포함하며,
    상기 포정반응 시작온도는 1480℃ 내지 1490℃인 기계구조용 탄소강재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기계구조용 탄소강재는 하기 식 1로 표시되는 탄소당량이 0.8 내지 1.2인 기계구조용 탄소강재:
    [식 1]
    Ceq(%) = {[C] + 0.014*[Mn] + 0.023*[Ni] - 0.037*[Si] - 0.222*[S] - 0.04*[P] + 0.003*[Cu] - 0.004*[Mo]}
    상기 식 1에서, [C], [Si], [Mn], [Ni], [S], [P], [Cu] 및 [Mo]는 각 원소기호가 나타내는 원소의 함량(중량%)이다.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기계구조용 탄소강재는 1485℃에서 측정한 강재의 비열값이 1J/gK 내지 4 J/gK인 기계구조용 탄소강재.
  5. 탄소(C) : 0.08 중량% 내지 0.12 중량%, 실리콘(Si) : 0.015 중량% 내지 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.30 중량% 내지 0.40 중량%, 인(P) : 0.030 중량% 이하, 황(S) : 0.006 중량% 내지 0.035 중량%, 구리(Cu) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 니켈(Ni) : 0.01 중량% 내지 0.20 중량%, 크롬(Cr) : 0.05 중량% 내지 0.08 중량%, 알루미늄(Al) : 0.016 중량% 내지 0.019 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.01 중량% 내지 0.10 중량%, 바륨(Ba) : 0.005 중량% 내지 0.01 중량%, 질소(N) : 0.005 중량% 내지 0.008 중량% 및 잔부의 철(Fe)을 함유하는 빌렛을 950℃ 내지 1100℃의 재가열 온도(Slab Reheating Temperature; SRT)에서 재가열 하고, 재가열된 빌렛을 780℃ 내지 850℃의 마무리 압연온도에서 열간압연하며, 열간압연된 빌렛을 750℃ 내지 830℃에서 레잉 헤드에 통과시켜 권취하고, 권취 후 평균냉각속도 0.5℃/s 내지 3℃/s로 제어냉각하며,
    포정반응 시작온도에서 델타(δ) 페라이트상 조직을 60% 내지 80%의 분율로 포함하고, 액상(L) 조직을 20% 내지 40%의 분율로 제어하고,
    상기 포정반응 시작온도를 1480℃ 내지 1490℃로 제어하는 것을 포함하는 기계구조용 탄소강재의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 기계구조용 탄소강재는 하기 식 1로 표시되는 탄소당량을 0.8 내지 1.2로 제어하는 것을 포함하는 기계구조용 탄소강재 제조방법:
    [식 1]
    Ceq(%) = {[C] + 0.014*[Mn] + 0.023*[Ni] - 0.037*[Si] - 0.222*[S] - 0.04*[P] + 0.003*[Cu] - 0.004*[Mo]}
    상기 식 1에서, [C], [Si], [Mn], [Ni], [S], [P], [Cu] 및 [Mo]는 각 원소기호가 나타내는 원소의 함량(중량%)이다.
  7. 삭제
  8. 제5항에 있어서,
    상기 기계구조용 탄소강재는 1485℃에서 측정한 강재의 비열값이 1J/gK 내지 4 J/gK인 기계구조용 탄소강재 제조방법.
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