KR102170944B1

KR102170944B1 - 냉간단조용 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR102170944B1
Application number: KR1020180137533A
Authority: KR
Inventors: 양요셉; 이재승; 이병갑; 이상윤; 김한휘
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-10-29
Also published as: KR20200053972A

Abstract

구상화 열처리 시 연화 특성이 향상된 냉간단조용 선재가 개시된다. 개시된 선재는 중량%로, C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

냉간단조용 선재 및 그 제조방법 {STEEL WIRE ROD FOR COLD FORGING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 구상화 열처리 시 연화 특성이 향상된 냉간단조용 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

전 세계적으로, 자동차 산업 분야가 확대되고 환경규제에 대응하여 연비를 향상시키기 위해 자동차 부품 경량화 요구가 지속되고 있으며, 이에 따라 부품의 고강도, 고기능화에 대한 연구가 증가하고 있다.

또한, 기존 제품과 동일한 강도, 연성 등의 기계적 특성을 확보하면서도 고가의 합금원소인 Mo, Cr 등 생략 및 관련 공정의 생략을 통해 부품에 대한 가격 경쟁력이 향상시키고자 다양한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

최근, 합금철 가격의 상승, 자동차 고강도화 및 경량화에 따라 희유 금속의 자원 무기화가 지속되고 있으며, 이에 따라 합금철을 투입하지 않고도 강도와 연성을 확보할 수 있는 초미세립 선재의 개발이 요구되고 있다.

가공 열처리기술을 통해 인성과 강도를 확보한 미세조직의 미세화 방안은 Nb, Ti, V 등의 석출물을 이용한 오스테 이트 입자 미세화 방안이 주를 이루어 왔으며, 이러한 개념은 페라이트의 결정립을 미세화시키는 제어압연 기술로 발전되어, 판재 생산에 적용되고 있다. 이 때 얻을 수 있는 페라이트의 결정립 크기는 대략 20㎛ 이다.

1990년대 들어와서 조선용 강재의 용접성과 인성을 개선시키기 위한 방법으로 가속냉각을 통해, 제어압연 후 강판을 수냉시킴으로서, 강재의 합금원소 첨가량을 줄이고 강판의 용접성을 획기적으로 개선한 TMCP 기술을 통해 페라이트의 입도 크기를 약 15㎛까지 억제 시킨 연구가 이루어져 왔다. 그러나, 이러한 기술들은 모두, 판재 생산에 기인된 기술들이며, 선재와 같이 빠른 압연 속도와, 선재 압연만의 특징을 고려한 TMCP(themro-mechanical controlled process) 혹은 제어압연, 제어냉각을 통한 페라이트 결정립 크기 미세화에 대한 연구는 미비한 실정이다.

이는 선재의 경우, 선재 압연속도가 판재에 비해 50~100m/s로 빠르고 냉각 구간이 짧으며, 냉각수량이 많지 않기 때문에 재질 내부까지 냉각을 균일하게 시키지 못하기 때문이다. 또한, 루프 등 압연 중 추가 냉각 설비가 부분적으로 운영되고 있지만 그 적용은 미비하다고 할 수 있다. 이러한 기술적 한계는 표면 결함을 유발할 가능성이 크기 때문에 자동차 부품 가공 시, 신선 가공 중 단선, 단조시 터짐 등의 문제를 일으킨다.

한편, 신선사에서 단조사에 공급하기 전, 단조성 향상을 위해 구상화 열처리하는데 제품에 따라서 이전단계에서 30% 신선가공을 인가한다. 그 이유는 구상화 열처리 시 유지온도, 시간을 변화시키지 않고도 구상화율을 높이기 위해서이다. 신선가공 시 산세, 피막 후 다시 산세 공정이 추가되기 때문에 제조 원가가 증가하며, 이는 최종 제품의 가격경쟁력을 낮추는 역할을 한다.

이에 착안하여, 선재의 성분 변화 없이 미세조직을 제어하여 구상화율을 향상시킴으로써 추가 공정을 생략할 수 있는 선재 및 이의 제조방법에 대한 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 실시예들은 구상화 열처리 시 연화 특성이 향상된 냉간단조용 선재 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 냉간단조용 선재는, 중량%로C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재의 미세조직은 면적분율로, 38% 이하의 페라이트, 57% 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재의 분절 펄라이트 내 세멘타이트의 두께/길이 비가 14 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 선재의 구상화 열처리 후 인장강도는 540MPa 이하일 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 냉간단조용 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 730 내지 Ae3℃ 온도에서 마무리 압연하는 단계; 권취 후 1~3℃/s의 냉각속도로 550℃까지 1차 냉각하는 단계; 및 상기 1차 냉각 후 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 450℃까지 2차 냉각하는 단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 마무리 압연 시, 변형량을 0.3 내지 2.0 미만으로 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 2차 냉각하는 단계 이후, 5~8℃/s의 냉각속도로 200℃까지 3차 냉각하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고Cr-Mn 합금강에 있어서 제철소에서 마무리 압연중 A3 이하 온도 영역에서 특정 변형량을 부여하여 오스테나이트 결정립을 미세화 시켜 페라이트 변태를 촉진시킨 후, 스텔모아 냉각대에서 다단냉각을 거쳐 분절펄라이트를 형성시켜 구상화 열처리 시 연화 특성이 우수한 냉간단조용 선재를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선재 단면부 1/4Q 위치에서의 미세조직 사진이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하에서는 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

선재는 구상화 열처리를 수행하기 전에 구상화율을 높이기 위해 신성가공을 거치는 경우가 있다. 신선가공 시 산세, 피막 후 다시 산세 공정이 추가되기 때문에 제조 원가를 상승시키는 원인이 된다. 본 발명자들은 페라이트와 분절 펄라이트로 구성된 미세조직 제어를 통해 구상화율을 향상시켜 전술한 추가 공정을 생략하여 가격 경쟁력을 확보하고자 하였다.

본 발명의 일 측면에 따른 냉간압조용 선재는, 중량%로, C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예에서의 함금성분 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.

C의 함량은 0.2 내지 0.45%이다.

탄소(C)는 소재의 강도 및 소입성 확보를 위해 첨가되는 원소로, 0.2% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 본 발명에서 구현하고자 하는 펄라이트 분율 20 % 이하를 충족시키지 못하고, 더불어 소입성 증가로 저온 경조직이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.45%로 한정할 수 있다.

Si의 함량은 0.02 내지 0.4%이다.

실리콘(Si)은 페라이트 안정화 원소이며, 0.1 % 첨가할 때마다 14 ~ 16 MPa 수준 강도를 향상시키는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서는 강도 확보, 탈산 효과 및 제강 능력을 고려하여 Si을 0.02% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 볼트 성형 시 금형이 깨지는 문제가 있어 그 상한을 0.4%로 한정할 수 있다.

Mn의 함량은 0.3 내지 1.5%이다.

망간(Mn)은 오스테나이트 안정화 원소로 강도를 향상시키고, 소입 효과를 부여하는 원소이다. 또한, Mn은 펄라이트 변태를 지연시키는 역할을 하며, 펄라이트의 성장을 억제시키는 역할을 하기도 한다. 본 발명에서는 소입성과 강도를 확보하고, 펄라이트 조직을 제어하기 위해 Mn을 0.3% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 두꺼운 세멘타이트를 형성하여 구상화 열처리율을 낮추고, 선재의 중심부에 Mn 편석이 발생하여 신선 중 단선이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 1.5%로 한정할 수 있다.

Cr의 함량은 0.01 내지 1.5%이다.

크롬(Cr)은 0.1% 첨가할 때마다 40 MPa 수준으로 강도를 향상시키고, Mn과 함께 소입 효과를 부여하는 원소이다. Cr은 펄라이트 변태를 지연시키는 역할을 하지만 펄라이트 길이 방향 성장에 도움을 주는 역할을 하는 것으로도 알려져 있다. 본 발명에서는 소입성과 강도를 확보하기 위해 Cr을 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 선재의 중심부에 편석이 발생하여 선재 냉각 시 저온조직을 형성하는 문제가 있어 그 상한을 1.5%로 한정할 수 있다.

Mo의 함량은 0.01 내지 0.5%이다.

몰리브덴(Mo)는 MoC 등 탄화물 형성원소로, 통상적으로 볼트가공사에서 제품에 대한 물성을 부여하는 공정인 열처리에서 고온 템퍼링 시 석출하기 때문에 연화저항성을 향상시키는 역할을 하며, 본 발명에서는 강도를 확보하기 위해 Mo를 0.01% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 중심부 편석 및 저온조직을 신선 중 단선이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.5%로 한정할 수 있다.

Al의 함량은 0.02 내지 0.05%이다.

알루미늄(Al)은 N과 결합하여 AlN을 형성하는 원소로, 오스테나이트 입계에 존재하기 때문에 결정립 성장을 억제시키는 역할을 하며, 이는 최종 선재 냉각 후 결정립 크기 균일도를 향상시켜 단면감소율(RA)을 향상시킨다. 본 발명에서는 결정립 미세화를 위해 Al을 0.02% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 조대한 AlN 형성되어 신선 중 단선이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.05%로 한정할 수 있다.

N의 함량은 0.01% 이하이다.

질소(N)는 전위와의 결합을 통해 강도를 증가시키는 원소로 알려져 있다. BCC 결정구조를 갖는 Fe에서 N의 함량은 0.01% 초과하기 어렵고, 제강중 N이 가스 상태로 존재하여 연주 블룸(Bloom)재 내부에 다량의 기포가 존재하여 제품불량을 일으키는 문제가 있어 그 상한을 0.01%로 한정할 수 있다.

P의 함량은 0.03% 이하이다.

인(P)은 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 종래의 강선과 마찬가지로 연성을 확보하는 관점에서 0.03% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

S의 함량은 0.03% 이하이다.

황(S)은 P와 마찬가지로 불순물이며, 특별히 함유량을 규정하지는 않지만, 종래의 강선과 마찬가지로 연성을 확보하는 관점에서 0.03% 이하로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 철강제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 냉간압조용 선재의 미세조직은 페라이트 및 분절 펄라이트를 포함한다. 여기서, 분절 펄라이트는 분절된 형상의 세멘타이트를 의미한다.

구체적으로, 본 발명의 냉간압조용 선재의 미세조직은 면적분율로 38% 이하의 페라이트, 57% 이하의 분절 펄라이트, 잔부 저온조직을 포함한다. 저온조직은 하부 베이나이트 또는 마르텐사이트를 포함한다.

보다 구체적으로, 분절 펄라이트는 선재의 표면에서부터 1/2D(D: 선재 직경) 영역에서 관찰되는 세멘타이트 평균 길이가 5㎛ 이하인 것으로서, 57% 이하의 분율로 포함하는 것이 바람직하다. 만일, 분절 펄라이트의 분율이 57%를 초과하게 되면 냉간압조성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명에서는 Cr 및 Mn 첨가를 통해 분절 펄라이트 형상을 제어함으로써 구체적으로, 선재의 분절 펄라이트 내 세멘타이트의 두께/길이 값을 14 이하로 제어함으로써 구상화 열처리 시 연화 특성이 향상된 냉간압조용 선재를 제공할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면인 냉간압조용 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 선재는 상술한 합금조성을 가지는 빌렛(Billet)을 제작한 후, 이를 재가열 - 선재 압연 - 냉각 공정을 거쳐 제조할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 스프링용 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계; 상기 빌렛을 730 내지 Ae3℃ 온도에서 마무리 압연하는 단계; 권취 후 1~3℃/s의 냉각속도로 550℃까지 1차 냉각하는 단계; 및 상기 1차 냉각 후 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 450℃까지 2차 냉각하는 단계;를 포함한다.

합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.

또한, 빌렛을 제조한 후에는 상기 빌렛을 균질화하는 가열 단계;를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 빌렛을 1,000 내지 1,100℃의 온도 범위에서 가열하는 것이 바람직하다.

상기 가열 온도가 1,000℃미만인 경우, 균일한 오스테나이트를 형성시키기 위한 유지 시간이 길어지고, 압연시 온도가 크게 저하되기 때문에 압연 롤에 인가되는 부하가 커지게 되며, 이로 인해 롤 교체주기가 짧아져서 제조원가 상승하는 문제점이 있다. 반면에, 상기 가열 온도가 1,100℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립 크기가 증가하고, 또한 스케일 두께가 증가하기 때문에 소재의 loss가 발생하는 문제점이 있다.　

더불어, 상기 가열은 120분 이하로 행하는 것이 바람직하다. 120분을 초과하여 가열을 행할 경우에는 오스테나이트 결정립의 조대화, 스케일 형성으로 인한 로스(loss)발생 및 탈탄 형성 등의 문제가 있다. 반면, 90분 미만으로 가열을 행할 경우 가열에 의한 효과를 얻기 어려운 문제점이 있다.

상기 가열된 빌렛에 조압연, 중간 조압연/사상압연 및 마무리 압연을 순차적으로 행하여 선재를 얻고, 상기 마무리 압연은 730 내지 Ae3℃의 온도범위에서 행한다.

본 발명에서 마무리 압연은 중간 사상압연 다음, 사상압연부터 경우에 따라서는 형상제어과 압하량 부여가 가능한 RSM(deducing and sizing mill)까지 포함한다.

마무리 압연은 730 내지 Ae3℃의 온도범위에서 행하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 마무리 압연온도를 Ae3℃ 이하 즉, 이상역에서 압연함으로써 오스테나이트 결정립계에 초석 페라이트 형성을 유도하여 펄라이트 분율을 낮게 확보하고자 하였다. 마무리 압연온도가 Ae3℃를 초과하는 경우, 초석 페라이트가 형성되지 않아 권취 후 냉각시 분절된 펄라이트 분율을 확보할 수 없고, 마무리 압연온도를 730℃ 미만으로 구현하는 것은 현실적으로 어렵다.

한편, 본 발명은 마무리 압연 시 변형량을 0.3 내지 2.0 미만으로 제어할 수 있다. 압연 변형량은 -ln(1-RA)로 정의되며, 이때 RA는 압연패스에 의한 감면률(RA<1)이다. 변형량이 2.0을 초과할 경우 롤부하로 인한 롤 파손 등이 발생할 수 있고, 변형량이 0.3에 미달하는 경우 초석 페라이트가 형성되지 않는 문제가 있다.

전술한 바와 같이 마무리 압연하여 얻은 선재를 권취한다.

상술한 온도범위에서 권취를 행한 후 냉각 단계를 거쳐 본 발명의 냉간압조용 선재를 제조할 수 있다. 냉각 단계는 분절 펄라이트 형성을 위해 필수적인 공정으로, 본 발명에서는 다단 냉각방식을 도입하여, 추후 구상화 열처리 시 선재의 연화 특성을 향상시키고자 하였다. 이때, 냉각은 송풍량과 컨베이어 속도로 변태를 제어하는 냉각장치 중 하나인 스텔모아(Stelmor) 냉각대에서 행할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 권취온도 범위에서 550℃까지 1~3℃/s의 냉각속도로 1차 냉각을 수행한다.

상기 1차 냉각시 냉각속도가 1℃/s 미만이면 변태 종료 시간이 길어져 생산성을 확보할 수 없고, 반면 3℃/s를 초과하여 너무 빠르면 분절된 펄라이트 분율을 확보하기 어려워 바람직하지 못하다.

이와 같이, 1차 냉각을 행함으로써 페라이트 분율을 38% 이하로 확보할 수 있다.

1차 냉각 후, 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 450℃까지 2차 냉각을 수행한다.

2차 냉각은 앞선 1차 냉각에서 형성된 세멘타이트를 분절시키기 위한 공정으로서, 세멘타이트의 길이/두께 비가 14 이하인 분절 펄라이트 분율을 57% 이하로 확보하기 위한 것이다.

2차 냉각 후 200℃까지 5~8℃/s의 냉각속도로 3차 냉각을 수행함으로써, 코일의 형상을 유지할 수 있다.

본 발명은 상술한 제조방법에 의해 제조된 선재를 이용하여 가공품을 얻을 수 있다. 이하, 본 발명의 또 다른 일 측면인 가공품의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 또 다른 일 측면인 가공품의 제조 방법은 상술한 냉각된 선재를 구상화 열처리하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 냉각된 선재를 Ae1 내지 Ae1+40℃의 온도범위에서 10 내지 15시간 유지 후, 660℃까지 20℃/hr 이하의 냉각속도로 냉각하여 가공품을 얻을 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 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.

하기 표 1에 나타낸 합금조성을 갖는 합금강을 300톤 출강한 후 통상적인 조건에 따라 강편압연을 통해 160㎜x160㎜ 규격의 빌렛을 제조하였다. 제조된 빌렛을 가열로 내에서 1,000℃에서 100분 유지 후 조압연, 중간압연하였으며, 마무리 압연 온도는 780℃ 이하로, 변형량은 1.2로 설정하여 직경 9 ㎜의 선재를 제조하였다. 그 후, 권취온도는 730℃로 제어하고, 스텔모아(Stelmor)에서 표 1에 나타난 조건으로 냉각하여 선재를 제조하였다. 이때, 냉각시 다단냉각을 적용하였으며, 1차 냉각은 550℃까지, 2차 냉각은 450℃까지, 3차 냉각은 200℃까지 실시하였다.

이후, 제조된 각각의 선재에 대해 미세조직을 관찰하고, 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

이후, 선재를 구상화 열처리 즉, Ae1~Ae1+40℃의 온도에서 10~15 시간 유지한 후, 660℃까지 20℃/hr 이하의 냉각속도로 냉각하였다. 구상화 열처리재의 인장시험 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

구분	중량 (%)									냉각속도(℃/s)
구분	C	Si	Mn	Cr	Mo	P	S	Al	N	~550℃	~450℃	~200℃
실시예1	0.35	0.21	1.00	1.0	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	8.0
실시예2	0.35	0.21	1.25	1.0	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.1	0.1	8.1
실시예3	0.35	0.21	1.50	1.0	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	7.9
실시예4	0.35	0.21	1.50	1.25	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	7.9
실시예5	0.35	0.21	1.50	1.50	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	8.0
비교예1	0.35	0.21	1.75	1.0	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	8.0
비교예2	0.35	0.21	1.50	1.75	0.3	0.020	0.010	0.035	0.080	2.0	0.1	7.9

비교예 및 발명예의 합금성분은 0.35C-0.2Si-0.3Mo-0.02P-0.01S-0.035Al-0.08N에 기반을 두며, 분절 펄라이트 형상에 영향을 미치는 Cr 및 Mo 함량에 변화를 둔 것이다. 실시예 및 비교예의 마무리 압연전 오스테나이트 결정립 크기는 10 ㎛ 수준이다. 이는 압연 조건에 의해 오스테나이트 결정립 미세화가 거의 비슷하기 때문이다.

	선재 물성 및 미세조직							구상화 열처리재
	인장강도 (MPa)	페라이트 분율 (%)	분절된 펄라이트 분율 (%)	잔여 상 분율 (%)	분절된 세멘타이트 길이(㎛)	분절된 세멘타이트 두께 (㎛)	분절된 세멘타이트 길이/두께	인장강도 (MPa)
실시예1	1,040	37.9	57	5.1	3.9	0.45	11.5	505
실시예2	1,076	38	56.9	5.1	3.7	0.47	12.7	518
실시예3	1,095	37.1	57	5.9	3.6	0.48	13.3	532
실시예4	1,170	37.2	56.9	5.9	4.1	0.44	10.7	532
실시예5	1,240	36.4	57	6.6	4.3	0.45	10.5	540
비교예1	1,125	36.8	56.8	6.4	3.3	0.52	15.8	580
비교예2	1,310	35.8	57	7.2	4.6	0.66	14.3	592

상기 표 2는 실시예 및 비교예의 선재 및 구상화 열처리재의 기계적 특성을 보여준다. 표 2를 참조할 때, 실시예 1의 인장강도는 1,040 MPa 이고, Mn 함량이 1.5%인 실시예 3의 경우 인장강도는 1,095 MPa 이며, Mn이 1.75 % 첨가된 비교예 1의 인장강도는 1,125 MPa로 Mn 함량이 증가할수록 강도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.

또한, 실시예 4 및 5는 Cr을 각각 1.25%, 1.5% 포함하는 경우이다. 실시예 5의 인장강도는 1,240 MPa이고, 비교예 2의 인장강도는 1,310 MPa로 Cr 함량이 증가할수록 강도가 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선재 단면부 1/4Q 위치에서의 미세조직 사진이고, 표 2는 선재의 미세조직 인자를 수치화한 결과를 나타낸 것이다. 세멘타이트 길이 및 두께는 가장 작은 크기를 갖는 세멘타이트를 기준으로 하되, 분절되지 않고 길게 늘어선 펄라이트는 제외한다.

표 2를 참조할 때, 페라이트 분율은 실시예와 비교예에 상관없이 38% 이하임을 확인할 수 있으며, 다만 Cr의 함량이 증가할 때가 Mn 증가에 비해 페라이트 분율이 감소하는 경향이 있다.

분절된 펄라이트 분율 또한 실시예와 비교예 모두 57 % 이하이며, 다만 잔여 상 분율(하부 베이나이트 또는 마르텐사이트)은 Cr 첨가 시 소폭 증가하는 경향이 있다. 이는 Cr 첨가에 의해 변태 노즈가 지연되어 나타난 결과로 판단하였다.

한편, 실시예와 비교예에서 분절된 펄라이트 내 세멘타이트의 거동은 차이가 있다.

본 발명에서 제안하는 Mn 함량를 만족하는 실시예 1 내지 3의 경우, Mn 함량이 증가함에 따라, 분절된 세멘타이트 길이가 점차 감소하는 경향을 보이지만, Mn 이 1.75% 첨가된 비교예 1은 3.3μm로, 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다.

세멘타이트 두께는 이와는 반대 경향을 보이며, 비교예 1에서 0.52μm 로 가장 두꺼운 것을 확인할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 Cr 함량를 만족하는 실시예 4 및 5의 경우, Cr 함량이 증가함에 따라, 분절된 세멘타이트 길이가 점차 증가하는 경향을 보이지만, 세멘타이트 두께는 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있다.

반면, Cr 이 1.75% 첨가된 비교예 2는 세멘타이트의 길이 증가에 비해 두께가 0.66μm까지 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

세멘타이트 두께를 길이로 나눈 값을 확인해본 결과, 실시예 1 내지 5는 14.0 이하인 것으로 확인되었으며, 비교예 1 및 2는 14.0을 초과하는 것으로 확인되었다.

이는 실시예 및 비교예의 선재를 동일한 조건으로 열처리 하더라도 두꺼운 세멘타이트가 구상화되기 어렵고, 부위에 따라 형성된 구상화율에도 차이가 있음을 시사한다.

상기 표 2의 구상화 열처리재의 인장시험 결과를 참조하면, 실시예 1 내지 5는 최대 인장강도가 540MPa인 반면, 비교예 1,2는 최소 580MPa로 나타났으며, 이는 구상화 분율이 상대적으로 낮다는 것을 의미한다. 즉, 실시예 선재의 경우 비교예에 비해 구상화 열처리 시 연화 특성이 향상되었음을 확인할 수 있다.

본 발명에서는 펄라이트 길이 방향으로 성장을 억제하는 Mn과 펄라이트 길이 방향으로 성장에 도움을 주는 Cr을 복합첨가하여, 세멘타이트의 형상을 두께는 얇고, 길게 도출하였다. 구체적으로, 분절 펄라이트 내 세멘타이트 두께/길이 비를 14 이하로 제어하여 선재의 구상화율을 향상시키고자 하였다.

개시된 실시예에 따르면 선재의 구상화율을 향상시켜, 선재의 구상화 열처리 이전에 수반되는, 신선가공을 생략할 수 있어 가격 경쟁력을 확보할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로 C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 면적분율로, 38% 이하의 페라이트, 57% 이하의 분절 펄라이트 및 나머지는 하부 베이나이트 또는 마르텐사이트를 6.6% 이하로 포함하고,
분절 펄라이트 내 세멘타이트의 두께/길이 비가 14 이하인 냉간단조용 선재.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
구상화 열처리 후 인장강도는 540MPa 이하인 냉간단조용 선재.
중량%로, C: 0.2 내지 0.45%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.01 내지 1.5%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.01% 이하, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 제조하는 단계;
상기 빌렛을 730 내지 Ae3℃ 온도에서 마무리 압연하는 단계;
권취 후 1~3℃/s의 냉각속도로 550℃까지 1차 냉각하는 단계; 및
상기 1차 냉각 후 0.1℃/s 이하의 냉각속도로 450℃까지 2차 냉각하여 분절 펄라이트 내 세멘타이트의 두께/길이 비가 14 이하로 제어하는 단계;를 포함하는 냉간단조용 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 마무리 압연 시, 변형량을 0.3 내지 2.0 미만으로 제어하는 냉간단조용 선재의 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 2차 냉각하는 단계 이후, 5~8℃/s의 냉각속도로 200℃까지 3차 냉각하는 단계;를 더 포함하는 냉간단조용 선재의 제조방법.