KR102292524B1 - 냉간가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

냉간가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 선재는, 중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족한다.

Description

냉간가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법{STEEL HAVING ENHANCED COLD FORMABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 다양한 응력 및 부식 환경에 노출되는 자동차, 구조물의 체결용 볼트 등에 사용할 수 있는 선재와 이를 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

선재는 볼트, 볼 등 다양한 모양의 최종제품을 냉간 가공 공정을 통해 만들게 된다. 이때 사용되는 금형의 마모를 최소화 하기 위해 구상화 열처리를 통한 미세조직 제어를 통해 선재의 강도를 낮추는 방법을 사용하고 있다. 보통 최종제품 형상이 까다로울수록 높은 수준의 구상화율이 요구되고 이를 위해서는 1회 이상의 구상화 열처리가 요구된다.

통상 구상화 열처리는 강종에 따라 다소 차이가 나기는 하지만 페라이트와 펄라이트 조직으로 이루어진 강재를 일정 온도범위에서 장시간 동안 유지해야 되기 때문에 비용이 많이 들어 제조원가 측면에서 항상 불리한 측면이 있다.

선재 상태에서의 미세조직을 미세한 펄라이트 조직으로 만들거나 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 조직으로 만들 수 있으면 구상화 열처리 시간을 크게 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 그러나 통상의 선재 냉각 방식으로는 냉각속도의 한계로 인해 상기와 같은 미세한 조직이나 저온 조직을 만들 수 없는 어려움이 있다.

본 발명은 합금 조성과 제조방법을 통해, 미세조직을 제어함으로써 구상화 열처리 시간을 단축하는 동시에 우수한 냉간 가공성을 확보할 수 있는 선재와 그 제조방법을 제공함에 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자가 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,

부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며,

그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족하는 냉간 가공성이 우수한 선재에 관한 것이다.

상기 미세조직은 베이나이트 85~95% 및 잔류 오스테나이트 5~15% 를 포함할 수 있다.

상기 베이나이트의 래쓰(lath) 두께가 1㎛ 이하일 수 있다.

또한 본 발명은,

중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.1~0.5%, Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 마련한 후, 이를 선재 압연하고, 이어, 700~900℃에서 코일 형상으로 권취하는 공정; 및

상기 권취된 강재를 300~400℃의 용융염 또는 용융납에 침지한 후, 항온 유지 열처리함으로서, 부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족하는 선재를 제조하는 공정;을 포함하는 냉간 가공성이 우수한 선재의 제조방법에 관한 것이다.

상기 항온 유지 열처리 시 유지시간을 5분 이상으로 함이 바람직하다.

상기 선재의 미세조직은 베이나이트 85~95% 및 잔류 오스테나이트 5~15% 를 포함할 수 있다.

상술한 구성에 따른 본 발명은, 선재의 기지 조직을 베이나이트로 제어함으로써 산업기계 및 자동차용 소재 또는 부품에서 요구되는 냉간 가공성이 우수한 선재를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명을 설명하다.

본 발명에 따른 냉간 가공성이 우수한 선재는, 중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족한다.

먼저, 본 발명의 선재의 조성 성분과 조성범위의 한정이유를 상세히 설명한다. 이하에서, 달리 규정한 바가 없다면 "%"는 중량%를 의미한다.

·탄소(C): 0.20~0.50%

탄소는 제품의 강도를 확보하기 위해서 첨가되는 원소이다. 탄소 함량이 0.20% 미만일 경우에는 목표하는 강도를 확보하는 것이 어렵고, 0.50%를 초과하는 경우에는 페라이트 및 펄라이트 상변태가 빠르게 진행되기 때문에 베이나이트 형성을 방해할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

·실리콘(Si): 0.5% 이하(0%는 제외)

실리콘은 강의 탈산을 위해서 유용할 뿐만 아니라, 고용 강화를 통해 강도 확보에도 효과적이지만 충격특성을 열위하게 하는 원소이다. 만일 그 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 충격특성 및 냉간 가공성의 저하가 우려되기 때문에 바람직하지 않다. 또한 너무 적은 Si 함량은 강의 탈산 및 고용 강화를 통한 강도 확보에 어려움을 줄 수도 있으므로, 본 발명에서는 Si 함량을 0.1~0.5% 범위로 관리함이 보다 바람직하다.

·망간(Mn): 0.4~1.4%

망간은 경화능 향상 원소이고, 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화 효과를 내는 매우 유용한 원소이다. 망간의 함량이 0.4% 미만인 경우에는 고용강화 효과와 경화능이 충분하지 못하기 때문에 목표 강도 확보가 어렵고, 1.4%를 초과하는 경우에는 경화능 커져서 베이나이트 형성에 긴 시간이 소요될 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

·인(P): 0.030% 이하 (0%는 포함하지 않는다)

인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인으로 가능한 포함하지 않는 것이 바람직하므로, 그 상한을 0.030%로 한다.

·황(S): 0.030% 이하 (0%는 포함하지 않는다)

황은 인과 마찬가지로 결정립계에 편석되어 인성을 저하시킬 뿐만 아니라, 저융점 유화물을 형성시켜 열간 압연을 저해하는 원소이기 때문에 가능한 포함하지 않는 것이 바람직하므로, 그 상한을 0.030%로 한다.

상기 조성 이외에 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 본 발명에서는 상기 언급된 합금 조성이외에 다른 합금의 추가를 배제하지 않는다.

한편, 본 발명의 선재는, 부피 분율로, 부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가진다. 만일 잔류 오스테나이트 조직 분율이 15%를 초과하면 고용 탄소 함량이 낮아져 잔류 오스테나이트 상이 불안정해지기 때문에 신선가공 중 마르텐사이트 변태가 일어나 조직이 불균일해지는 문제가 있다.

바람직하게는, 상기 선재는 베이나이트 85~95% 및 잔류 오스테나이트 5~15% 를 포함하는 미세조직을 가지는 것이다.

또한 본 발명에서는 상기 미세조직을 이루는 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족할 것이 요구된다. 만일 고용 탄소 함량이 1.0% 미만이면 잔류 오스테나이트의 상 안정도가 낮아져 신선가공 중 마르텐사이트 변태가 일어나기 쉬워 조직이 불균일해질 수 있고, 1.8%를 초과하게 되면 신선가공중 변형 쌍정(deformation twin)이 집중적으로 형성되어 취화될 수 있다.

나아가, 본 발명에서는 상기 미세조직을 이루는 베이나이트의 래쓰(lath) 두께는 1㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 베이나이트의 래쓰 두께가 1㎛를 초과하면, 구상화 열처리 시간이 길어져 공정 비용 측면에서 불리해지기 때문에, 강의 합금조성, 제공공정 등의 조건을 조절하여 래쓰 두께가 1㎛ 이하가 되도록 관리하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 선재 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 선재 제조방법은, 상기 합금 조성성분을 갖는 강재를 마련한 후, 이를 선재 압연하고, 이어, 700~900℃에서 코일 형상으로 권취하는 공정; 및 상기 권취된 강재를 300~400℃의 용융염 또는 용융납에 침지한 후, 항온 유지 열처리함으로서 선재를 제조하는 공정;을 포함한다.

상술한 조성을 갖는 강재를 마련하고 선재 압연한 후, 이를 700~900℃에서 코일 형상으로 권취하고, 이어서 300~400℃의 용융염 또는 용융납에 5분 이상 침지하여 항온 변태를 완료시킨 후 공냉하는 단계를 포함한다.

먼저, 본 발명에서는 상술한 조성을 갖는 강재를 마련하고 선재 압연한 후, 이를 700~900℃에서 코일 형상으로 권취한다.

만일 권취온도가 700℃미만이면, 초석 페라이트 변태가 용이해져 베이나이트 기지조직의 선재를 얻을 수 없다. 반면, 권취온도가 900℃를 초과하게 되면, 오스테나이트 결정립이 조대해져 상변태 후 베이나이트의 래쓰 두께가 1㎛를 초과하여 구상화 열처리 시간이 길어져 공정 비용 측면에서 불리해지기 때문에 권취온도는 700~900℃로 하는 것이 바람직하다.

이후, 본 발명에서는 상기 권취된 강재에 대해 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)를 초과하는 300~400℃의 용융염 또는 용융납에 급냉하고, 이 온도 범위에서 유지하는 항온 유지 열처처리한다. 만일 상기 항온 유지 열처리 온도가 300℃ 미만이면 베이나이트 변태시간이 길어져 생산성 측면에서 불리해지거나, 마르텐사이트가 생성되어 미세조직이 불균일해지고, 구상화 특성을 열위하게 할 수 있다. 반면에 400℃를 초과하게 되면 펄라이트가 생성되어 구상화 시간이 길어질 수 있다. 따라서 본 발명에서는 상기 항온 유지 열처리온도를 300~400℃의 범위로 행하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명에서는 상기 항온 유지 열처리 시간을 5분 이상으로 함이 바람직하며, 만일 5분 미만으로 유지하게 되면 일부 미변태 오스테나이트가 공냉 중 마르텐사이트로 변태되어 강도가 필요 이상으로 크게 증가할뿐 아니라 조직이 불균일해지고 구상화 특성도 열위하게 될 수 있다.

이어, 본 발명에서는 상기 항온 유지 열처리후, 변태 완료된 선재를 공냉한다.

이하, 본 발명을 실시예를 들어 상세히 설명한다.

(실시예)

하기 표 1의 조성 성분을 갖는 강재를 준비한 후, 1050℃로 재가열하고 열간압연한 다음, 하기 표 2의 조건으로 권취를 행하고, 용융염 또는 용융납에서 항온 변태 열처리를 실시한 후 공냉하여 선재를 제조하였다.

이들 선재들에 대해 베이나이트 부피 분율, 잔류오스테나이트 부피 분율 및 베이나이트 래쓰 두께를 측정하여 표 2에 나타내었다. 베이나이트 부피 분율은 화상 분석기(Image Analyzer)를 이용하여 측정하였고, 잔류 오스테나이트의 부피분율과 탄소함량은 각각 Cu-Kα X선 회절 분석기와 EPMA를 이용해 측정하였으며, 베이나이트 래쓰 두께는 후방 산란전자 회절(EBSD)을 이용하여 얻었다.

또한 이들 강재에 대해 30% 냉간 신선후 730℃에서 일정시간 구상화 열처리를 행하고, 업셋시험을 통해 임계 업셋율을 구하여 냉간 가공성을 평가하고, 하기표 2에 나타내었다.

강종 No.	C	Si	Mn	P	S
1	0.48	0.1	0.7	0.019	0.021
2	0.22	0.4	1.2	0.024	0.014
3	0.29	0.3	0.9	0.020	0.017
4	0.43	0.3	0.7	0.019	0.020
5	0.50	0.4	0.6	0.020	0.012
6	0.23	0.2	1.1	0.018	0.010
7	0.38	0.5	0.9	0.015	0.013
8	0.30	0.3	1.3	0.020	0.015
9	0.31	0.1	1.0	0.021	0.022

*표 1에서 각 성분의 함량을 중량%로 나타낸 것이며, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물임

강종 No.	구분	권취온도(℃)	항온 열처리		잔류 오스테나이트 부피 분율(%)	고용탄소 함량	베이나이트 부피분율(%)/래스 두께(㎛)	구상화율(%)	임계 업셋율(%)
			유지 온도(℃)	유지 시간 (min)
1	발명예1	760	385	12	13	1.2	87/0.7	90	68
2	발명예2	880	350	15	9	1.4	91/0.7	90	69
3	발명예3	810	365	20	11	1.	89/0.6	91	75
4	발명예4	840	325	9	8	1.6	92/0.5	92	73
5	비교예1	660	330	15	10	1.5	81/0.5	79	56
6	비교예2	950	350	20	10	13	89/1.2	85	65
7	비교예3	850	250	30	7	2.0	79/0.9	80	60
8	비교예4	780	420	8	2	0.7	10/-	78	57
9	비교예5	870	360	3	4	1.3	55/0.8	83	65
1	비교예6	860	400	15	15	0.9	85/0.9	83	63
2	비교예7	850	300	30	5	1.9	95/0.5	82	64
3	비교예8	830	405	9	17	0.9	83/0.6	77	60

상기 표 1-2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 강조성과 제조조건을 충족하는 발명예 1-4의 선재들은 부피 분율로, 15% 이하의 잔류 오스테나이트와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지고 있음을 알 수 있다. 그리고 베이나이트의 래쓰(lath) 두께가 발명예 1-4 모두에서 1㎛이하여서 구상화 열처리시 구상화율이 90% 이상으로 높고, 임계 업셋율이 약 70% 이상으로 우수한 냉간 가공성을 보이는 것을 알 수 있다.

이에 비해, 비교예 1은 권취온도가 낮아 초석 페라이트 변태가 용이해져 충분한 양의 베이나이트를 형성하지 못했기 때문에 구상화 열처리시 구상화율이 낮고, 임계 업셋율도 열위해짐을 나타내었다.

비교예 2는 비교예 1과 반대로, 권취온도가 높아 베이나이트 래쓰 두께가 상대적으로 두꺼워져 구상화 열처리후 상대적으로 낮은 구상화율과 임계 업셋율을 나태내고 있다.

비교예 3 은 항온 열처리시 유지 온도가 낮은 경우로서, 마르텐사이트가 형성될뿐만 아니라 잔류 오스테나이트의 고용 탄소 함량이 너무 높아 냉간 신선시 변형이 집중되어 취화될 수 있는 경우로 미세조직이 불균일해져 구상화 열처리후 구상화율과 임계 업셋율이 열위해지는 결과를 나타내었다.

비교예 4는 항온 열처리시 유지 온도가 높은 경우로서, 기지조직이 베이나이트 대신 미세한 펄라이트가 형성되고, 잔류 오스테나이트의 탄소 함량이 너무 낮아 냉간 신선시 마르텐사이트 변태가 일어날수 있는 경우로 구상화 열처리시 상대적으로 열위한 구상화율과 임계 업셋율을 보이는 것을 알 수 있다.

비교예 5는 항온 열처리 유지시간이 너무 짧아 베이나이트가 충분히 형성되지 못하고, 미변태 오스테나이트가 공냉시 마르텐사이트로 변태하는 경우로 미세조직이 불균일해져 구상화 열처리후 구상화율과 임계 업셋율이 열위해져 냉간 가공성 향상에는 효과적이지 않은 것을 나타내고 있다.

비교예 6-7은 비록 본 발명의 범위를 충족하는 베이나이트와 잔류 오스테나이트의 혼합조직을 갖는 선재라 할지라도, 잔류 오스테나이트 중 고용탄소 함량이 본 발명의 범위를 벗어난 경우를 나타낸다.

구체적으로, 고용탄소 함량이 과소한 비교예 6은 잔류 오스테나이트의 상 안정도가 낮아지고, 신선가공 중 마르텐사이트 변태가 일어나기 쉬워 조직이 불균일해졌으며, 과다한 비교예 7은 잔류 오스테나이트의 상 안정도가 너무 높아져 신선가공후 구상화율과 임계 업셋율이 열위해짐을 나타내었다.

한편 비교예 8은 잔류 오스테나이트 분율이 과다한 경우로서, 고용 탄소 함량이 낮아져 잔류 오스테나이트의 상 안정도가 낮아지고, 신선가공 중 마르텐사이트 변태가 일어나기 쉬워 조직이 불균일해지기 때문에 구상화율과 임계 업셋율이 열위해짐을 보여주었다.

본 발명은 상기 구현 예 및 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 구현 예 및 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해 해야만 한다.

Claims (6)

1. 중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
   부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하(0% 제외)와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며,
   그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족하는 냉간 가공성이 우수한 선재.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 미세조직은 베이나이트 85~95% 및 잔류 오스테나이트 5~15% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 가공성이 우수한 선재.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 베이나이트의 래쓰(lath) 두께가 1㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 냉간 가공성이 우수한 선재.
   
4. 중량%로, C: 0.20~0.50%, Si: 0.5% 이하(0%는 제외), Mn: 0.4~1.4%, P: 0.030% 이하, S: 0.030% 이하, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 마련한 후, 이를 선재 압연하고, 이어, 700~900℃에서 코일 형상으로 권취하는 공정; 및
   상기 권취된 강재를 300~400℃의 용융염 또는 용융납에 침지한 후, 항온 유지 열처리함으로서, 부피 분율로, 잔류 오스테나이트 15% 이하(0% 제외)와 잔여 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 그리고 상기 잔류 오스테나이트 중 고용 탄소 함량이 1.0~1.8% 범위를 만족하는 선재를 제조하는 공정;을 포함하는 냉간 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 항온 유지 열처리 시 유지시간을 5분 이상으로 함을 특징으로 하는 냉간 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
   
6. 제 4항에 있어서, 상기 선재 미세조직은 베이나이트 85~95% 및 잔류 오스테나이트 5~15% 를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉간 가공성이 우수한 선재의 제조방법.