KR102326047B1 - 소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 - Google Patents
소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR102326047B1 KR102326047B1 KR1020190172268A KR20190172268A KR102326047B1 KR 102326047 B1 KR102326047 B1 KR 102326047B1 KR 1020190172268 A KR1020190172268 A KR 1020190172268A KR 20190172268 A KR20190172268 A KR 20190172268A KR 102326047 B1 KR102326047 B1 KR 102326047B1
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- less
- hardenability
- steel
- wire rod
- corrosion resistance
- Prior art date
Links
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 title claims abstract description 33
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 title claims abstract description 33
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims description 75
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims description 75
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 14
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 11
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 claims abstract description 8
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 41
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 22
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 13
- 238000003303 reheating Methods 0.000 claims description 11
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 abstract description 17
- 239000000956 alloy Substances 0.000 abstract description 17
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 7
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 40
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 36
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 21
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 20
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 14
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- 239000002436 steel type Substances 0.000 description 12
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 11
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 11
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 9
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 8
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 7
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 7
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910000712 Boron steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 238000005098 hot rolling Methods 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 5
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000010273 cold forging Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 4
- 238000005491 wire drawing Methods 0.000 description 4
- 229910001563 bainite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910001209 Low-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017263 Mo—C Inorganic materials 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 2
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 2
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 2
- 238000002791 soaking Methods 0.000 description 2
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910000677 High-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000015864 Protobothrops flavoviridis Species 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 1
- 238000001389 atom probe field ion microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 1
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004881 precipitation hardening Methods 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000003892 spreading Methods 0.000 description 1
- 230000007480 spreading Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000005496 tempering Methods 0.000 description 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B1/00—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations
- B21B1/16—Metal-rolling methods or mills for making semi-finished products of solid or profiled cross-section; Sequence of operations in milling trains; Layout of rolling-mill plant, e.g. grouping of stands; Succession of passes or of sectional pass alternations for rolling wire rods, bars, merchant bars, rounds wire or material of like small cross-section
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
- B21B—ROLLING OF METAL
- B21B3/00—Rolling materials of special alloys so far as the composition of the alloy requires or permits special rolling methods or sequences ; Rolling of aluminium, copper, zinc or other non-ferrous metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D8/00—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment
- C21D8/06—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires
- C21D8/065—Modifying the physical properties by deformation combined with, or followed by, heat treatment during manufacturing of rods or wires of ferrous alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/22—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with molybdenum or tungsten
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/26—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with niobium or tantalum
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/28—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with titanium or zirconium
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Steel (AREA)
Abstract
소입성을 최적 확보할 수 있는 합금설계와 내식성을 향상시킬 수 있는 B 함유 선재 및 그 제조방법을 개시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도가 600 MPa 이하이며, ASTM A 255 Jominy test 시 6.3 mm에서 로크웰 경도 43 HRc 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도가 600 MPa 이하이며, ASTM A 255 Jominy test 시 6.3 mm에서 로크웰 경도 43 HRc 이상이다.
Description
본 발명은 CHQ 냉간단조용 선재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 B를 이용한 소입성을 최적 확보할 수 있는 합금설계와 내식성을 향상시킬 수 있는 B 함유 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 자동차 부품 등에 고강도의 CHQ 보론강 수요에 따라, 소입성 보증 요구 및 구상화 열처리 생략/단축을 위한 연질 선재 요구가 증가하고 있다.
보론(B)은 미량 첨가로 강의 소입성을 현저히 향상시키기 때문에, 입계에 편석된 보론이 소입성에 유효한 보론이라고 생각되어 왔다. 그리고 입계 보론 농도는 고용 보론량에 대응한다고 생각되어, 보론의 효과는 고용 보론 농도([B])와 대응해서 조사가 이루어져 왔다. 그 결과, 고용 보론 농도([B])가 3 내지 5 ppm일 때 보론의 효과는 최대가 된다는 사실이 밝혀졌다. 최적량을 넘은 보론의 효과에 관해서는 연구자에 따라 그 의견이 서로 달라서 Kapadia, Melloy, Habu는 보론의 효과가 감소한다고 보고하고 있으며, Ueno 등은 일정해진다고 보고하고 있다. 보론의 효과가 포화되는 현상은 Fe23(C,B)6의 석출에 의한 것이 밝혀져 있으므로, 과잉 보론의 영향은 Fe23(C,B)6 석출량의 관계로 논할 필요가 있다.
본 발명은 보론강의 최적 성분계 및 열연 제조공정을 통해 소입성 보증 및 내식성이 향상된 B 함유 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 신선 및 냉간단조 전 구상화 열처리의 생략이 가능한 연질의 B 함유 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 인장강도가 600 MPa 이하이며, ASTM A 255 Jominy test 시 6.3 mm에서 로크웰 경도 43 HRc 이상이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는 Mo: 0.3% 이하 및 W: 0.7% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는 표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 B 농화층이 존재할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계; 850 내지 920℃의 종료 온도범위 내에서 하기 식 (a)를 만족하도록 열간 마무리 압연하는 단계; 및 하기 식 (b)를 만족하도록 권취하는 단계;를 포함한다.
(a) Tpf - Tf ≥ 50℃
(b) Tf - Tl ≤ 30℃
여기서, Tpf는 마무리 압연 전 평균 표면온도(℃), Tf는 마무리 압연 후 평균 표면온도(℃), 그리고 Tl은 권취온도(℃)이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 강편은 Mo: 0.3% 이하 및 W: 0.7% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 재가열하는 단계에서 상기 강편의 가열로 추출온도는 950 내지 1,050℃의 온도범위 내일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제조된 선재는 표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 B 농화층이 존재할 수 있다.
본 발명에 따른 B 함유 선재는 보론강의 소입성 향상을 위한 최적 성분계를 제공할 수 있으며, 우수한 소입성에 기초하여 ASTM A 255의 Jominy test에서 6.3 mm의 로크웰 경도를 43 HRc 이상 보증할 수 있다.
또한, 인장강도 600 MPa 이하의 연질 선재를 제공하여 신선 및 QT 열처리 전 구상화 열처리를 생략할 수 있으며, 최종 QT 열처리 후 800 내지 1,100 MPa의 인장강도를 나타낼 수 있다.
또한, 열간 제조공정 중 표층부의 냉각, 복열을 반복 관리함으로써 표층부 B 농화층을 형성시켜 내식성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 여러 측정자들이 측정한 fB 값을 나타내는 표이다.
도 2는 각 합금원소의 경화능 배가인자(Multiplying Factor)에 관한 수식들을 나타내는 표이다.
도 3은 보론 첨가강의 탄소 함량에 따른 보론인자 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 보론 첨가강의 탄소 함량에 따른 보론인자 경화능 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 보론 미첨가강의 임계지름(DI)에 따른 보론인자 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 보론 첨가강의 B 함량에 따른 보론인자의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 합금인자(Alloy Factor)에 따른 보론인자의 탄소 함량 회귀식을 나타내는 표이다.
도 8은 500
에서 베이나이트 변태개시시간(500t20)에 N 함량 및 냉각속도가 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 9는 다양한 N, Ti 함량에 따른 저탄소-저합금강의 보론 경화성에 대한 경험적인 예측 효과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 0.5Mn 강의 탄소 함량에 따른 보론 경화능 영향을 나타내는 그래프이다.
도 11은 Fe-C-0.5Mn 합금의 다양한 오스테나이트 결정립 크기에서 탄소 함량에 따른 보론의 경화성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 Mo 첨가가 B의 경화능(임계냉각속도 Vc-90)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 13은 Nb와 B, Mo와 B의 동시 첨가에 의한 Fe23(C,B)6의 석출 억제 메커니즘을 보여주는 개략도이다.
도 14는 (a) Fe-0.2C-0.02B 및 (b) Fe-0.2C-0.02B-0.3Mo 합금의 상 평형분율을 나타내는 상태도이다.
도 15는 40ppm B 및/또는 0.04% Nb를 첨가한 0.1C-1.0Mn AISI 타입 1510강의 연속냉각변태(CCT) 곡선이다.
도 16 내지 18은 냉각속도에 따라 B 편석 거동을 중성자 분석법으로 나타낸 전자현미경 사진으로, 도 16은 공냉 후의 B 분포를, 도 17은 수냉 후의 B 분포를, 도 18은 오일 ??칭 후의 B 분포를 나타낸다.
도 19는 실시예(강종 1)와 비교예(강종 2)의 5% 염산 용액 침시시간에 따른 부식감량 및 수소량을 나타내는 그래프이다.
도 2는 각 합금원소의 경화능 배가인자(Multiplying Factor)에 관한 수식들을 나타내는 표이다.
도 3은 보론 첨가강의 탄소 함량에 따른 보론인자 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 보론 첨가강의 탄소 함량에 따른 보론인자 경화능 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 보론 미첨가강의 임계지름(DI)에 따른 보론인자 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 보론 첨가강의 B 함량에 따른 보론인자의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 합금인자(Alloy Factor)에 따른 보론인자의 탄소 함량 회귀식을 나타내는 표이다.
도 8은 500
도 9는 다양한 N, Ti 함량에 따른 저탄소-저합금강의 보론 경화성에 대한 경험적인 예측 효과를 보여주는 그래프이다.
도 10은 0.5Mn 강의 탄소 함량에 따른 보론 경화능 영향을 나타내는 그래프이다.
도 11은 Fe-C-0.5Mn 합금의 다양한 오스테나이트 결정립 크기에서 탄소 함량에 따른 보론의 경화성 변화를 보여주는 그래프이다.
도 12는 Mo 첨가가 B의 경화능(임계냉각속도 Vc-90)에 미치는 영향을 보여주는 그래프이다.
도 13은 Nb와 B, Mo와 B의 동시 첨가에 의한 Fe23(C,B)6의 석출 억제 메커니즘을 보여주는 개략도이다.
도 14는 (a) Fe-0.2C-0.02B 및 (b) Fe-0.2C-0.02B-0.3Mo 합금의 상 평형분율을 나타내는 상태도이다.
도 15는 40ppm B 및/또는 0.04% Nb를 첨가한 0.1C-1.0Mn AISI 타입 1510강의 연속냉각변태(CCT) 곡선이다.
도 16 내지 18은 냉각속도에 따라 B 편석 거동을 중성자 분석법으로 나타낸 전자현미경 사진으로, 도 16은 공냉 후의 B 분포를, 도 17은 수냉 후의 B 분포를, 도 18은 오일 ??칭 후의 B 분포를 나타낸다.
도 19는 실시예(강종 1)와 비교예(강종 2)의 5% 염산 용액 침시시간에 따른 부식감량 및 수소량을 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
또한 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.
본 명세서에서 'B'와 '보론'은 모두 합금원소 붕소(Boron)를 지칭한다.
1. 보론(B)의 소입성 관련 이론
일반적으로 고용 보론량([B])은 Fountain 등이 화학분석을 기초로 구한 아래의 식 (1)이 자주 이용되고 있다.
(1) log[B][N] = -13970/T + 5.24
식 (1)과 α-track etching법으로 관찰된 보론의 고용/석출의 경계선이 잘 대응되므로, 식 (1)에 의한 고용 보론량은 α-track etching에서 관찰되는 고용 B에 대응된다고 볼 수 있다.
소입성과 화학성분의 관계를 처음으로 정식화한 것은 Grossmann이다. Grossmann은 소입성의 기준을 "둥근 봉의 중심이 50% 마르텐사이트 조직이 변태하는 한계의 지름: Dr (inch)"로 하여, 이 Dr 값과 화학성분의 관계를 식 (2)로 나타냈다.
(2) Dr = D0·ｆSi ·ｆMn ·ｆNi ·ｆCr ·fMo ·fB
식 (2)에서, C 양과 γ 입도만으로 결정되는 기본 소입성은 아래와 같다.
fSi =１+ 0.7Si, fMn = 1 + 3.3Mn, fNi = 1 + 0.36Ni
fCr = 1 + 2.16Cr, fMo = 1 + 3.0Mo, fB = 1.496
식 (2)의 Grossmann 식에서 주목해야 하는 것은 B의 효과를 나타내는 fB 값(Boron-factor)은 B 농도에 의존하지 않는다는 점이다. fB 값은 보론강의 소입성을 계산하는데 있어서 매우 중요한 요소이므로 많은 사람에 의해서 측정되었다. 그 결과를 나타낸 것이 도 1이다.
도 1에서도 알 수 있듯이 일정한 측정값은 얻어지지 않는다. 후술하는 바와 같이 이 fB 값이 일치하지 않는 이유는 Ueno 등이 구한 
값을 사용한 해석에서 명확히 밝혀졌다. fB 값은 본질적으로 일정한 값은 아니다.
Grossmann은 고탄소강(0.6%C)을 사용해서 각 원소의 소입성 배수(fX)를 구했다. fX도 fB와 마찬가지로 기본강(X=0%)의 소입성에 의존한다고 생각할 수 있으므로, 식 (2) 중에서 저탄소강에 응용하는 경우에는 이 식의 정밀도를 사전에 점검할 필요가 있다.
2. 강의 경화능(소입성) 측정방법
강의 경화능은 오스테나이트 온도로부터 급랭에 의하여 경화될 수 있는 깊이와 분포의 성질로 규정된다. 조미니 시험(Jominy test)은 강의 경화능을 평가하는 가장 보편적인 방법으로, 봉상 시험편을 오스테나이트화 온도로 열처리한 후 한쪽 끝 단에 물을 분사하여 수냉함으로써 단면 담금질(end quenching)하고, 시험편을 완전히 냉각시킨 후 물이 분사된 끝 단에서부터 축선을 따라 경도를 측정하여 특정한 경도값(예를 들어, 끝단으로부터 10mm 지점에서의 경도값) 또는 특정한 미세조직(예를 들어, 50%나 90%의 마르텐사이트 조직)이나 경도값을 나타내는 부분의 길이로부터 강의 경화능을 평가한다.
또한, 전술한 Grossman의 연구에 기초하여 강재의 화학조성으로부터 이상임계지름(ideal critical diameter, DI)을 계산하여 경화능을 평가하는 방법이 제시되어 있지만, B 첨가강에서는 오스테나이트화 온도 및 B와 개별적인 합금원소 사이의 상호작용에 대한 영향이 제대로 고려되어 있지 않기 때문에 경화능의 실질적인 평가에는 한계가 있다. 그 밖에, 일정한 분율의 마르텐사이트나 베이나이트를 형성시키기 위한 임계냉각속도(critical cooling rate)나 등온변태 및 연속냉각변태 곡선 상의 특징적인 변수를 이용하여 경화능을 평가하는 등의 다양한 방법들이 있다. 대표적으로 90% 마르텐사이트 조직의 경도값을 나타내는 임계냉각속도, 즉 Vc - 90를 이용하여 경화능을 평가하는 방법이 최근 많이 사용되고 있다. 이 값은 여러 냉각속도에서 얻어지는 경도값을 90% 마르텐사이트 조직의 경도값과 비교하여 측정되며, Vc -90가 작으면 경화능이 크고, Vc -90가 크면 경화능이 작은 것으로 평가된다.
경화능은 주로 화학조성, 오스테나이트의 결정립도, 급랭하기 전 강의 조직에 의해 결정되며, 일반적으로 Co를 제외한 모든 합금원소는 강의 경화능을 증가시킨다. 경화능에 미치는 합금원소의 상대적인 영향은 도 2에 나타난 것처럼 강에 함유된 각 합금원소의 백분율에 대한 배가인자(multiplying factor)로 표시된다. Mn, Mo, Ni, Cr 등은 매우 강력한 경화능 원소로서 배가인자는 그 함량에 비례하여 증가하지만, 합금원소에 따라 함량 범위나 기울기가 달라진다. 한편 배가인자를 갖는 일반 합금원소와 달리 B 첨가가 경화능에 미치는 B의 영향은 보론인자(boron factor, FB)로 표시된다. 보론인자와 합금인자(alloy factor)는 다음의 식 (3)과 식 (4)로 계산된다.
(3) 
(4) 
보론인자는 C나 합금원소와의 상관관계에 크게 의존하는 값으로 B 첨가강의 경화능을 계산하는데 있어 매우 중요한 요소이므로 많은 연구자들에 의해 다양한 식들이 제안되었다. 이들 식들에서 보론인자는 대부분 도 3과 같이 C 함량에 따라 직선적으로 비례하여 감소하는 한편, 도 4와 같이 B 함량과 합금원소를 포함한 다양한 변수들에 의존한다. 실제로 최대 보론인자가 나타나는 B 함량은 합금원소나 열처리 조건에 따라 달라지며, 도 5에 나타난 바와 같이 B이 첨가되지 않은 강(boron-free steel)의 임계지름이 증가할수록 보론인자는 감소한다. 일반적으로 최대 보론인자에 의해 B 첨가강의 경화능이 최대가 되는 최적의 B 함량은, 도 6에서 알 수 있듯이 3 내지 30 ppm로 알려져 있다. 그 동안 많은 실험과 연구를 통해 보론인자에 대한 정확도는 계속 향상되었다. 현재 ASTM A 255에 따르면 보론인자는 도 7과 같이 탄소함량과 합금인자에 따른 회귀식으로 나타난다. 본질적으로 보론인자는 단순한 합금인자가 아닌 개별적인 합금원소와 B의 상관관계나 오스테나이트화 온도, B 함량 등의 다양한 변수에 의존하기 때문에 B 첨가강의 경화능 계산시 도 7의 보론인자를 일률적으로 적용하기 어렵다. 그러나 B 첨가강에서 B의 경화능 효과를 나타내는 보론인자는 전체적으로 탄소함량이나 합금인자가 증가할수록 감소되는 경향을 나타내어 이전의 연구결과들과 일치한다.
3. 보론강 경화능이 영향을 미치는 원소들
[질소]: N은 일반적으로 B의 경화능 효과에 있어서 나쁜 영향을 미친다. B 첨가강에 질화물 형성 원소(nitride forming element)가 적절히 포함되지 않을 경우 B은 N과 결합하여 BN를 형성한다. Ueno 등은 B량을 일정하게 하고, N 첨가량이 서로 다른 강재 시료를 준비하여 500℃에서 베이나이트 변태개시시간(500t20 : time for 20% transformation at 500℃)에 미치는 N의 양 및 오스테나이트화 후 냉각속도의 영향을 조사하였다. 도 8에서 알 수 있듯이 오스테나이트화 후 급랭되는 경우의 500t20은 N의 양에 의존하지 않으나, 냉각속도가 느려지면 500t20은 N의 양 및 냉각속도에 따라 변화된다. 저N재(5Ni5B, N < 20ppm)는 냉각속도가 느려짐에 따라 B의 효과가 증가하다가 감소하지만, 고N재는 냉각속도가 느려짐에 따라 B의 효과가 감소하고, N의 함량이 높아질수록 보다 빠른 냉각속도에서 감소된다. 이러한 원인을 이해하기 위해 B의 분포상태를 조사한 결과 저Ni재의 입계에서는 B의 편석이 관찰되었으나 고Ni재에서는 B이 입계에 석출되었으며, 냉각속도가 더욱 느려진 시편에서는 입내에서도 B이 석출되었다. 이러한 관찰결과로부터 N에 의해 B의 경화능 효과가 감소하는 원인은 냉각 도중 오스테나이트 입계에 석출되는 BN 때문이라는 사실을 알 수 있었다. 따라서 B이 효과적으로 작용하기 위해서는 냉각 도중 BN 석출이 일어나지 않는 냉각속도가 요구된다. Ueno 등은 B, N 함량이 서로 다른 강재를 사용하여 BN이 석출되는 한계 냉각속도 VBN(℃/sec)를 아래 식 (5)와 같이 구했다.
(5) logVBN = 0.0042[B][N] - 0.25
B의 경화능이 유효하기 위해서는 냉각속도가 VBN 이상이어야 한다.
[알루미늄]: 한편 BN의 분포에 관해서는 데이터들이 제한되어 있긴 하지만, 이들 입자들은 시편의 열기계적 이력(thermo-mechanical history)에 따라 부분적으로 입계나 입내에 석출된다. 몇몇 연구자들은 Al이 첨가된 B 첨가강에서 BN가 평형상태 동안 AlN과 경쟁적으로 석출하는 것을 확인하고, 저합금강에서 B-N 용해도적(solubility product)에 대한 다양한 식들을 개발하였다. 일반적으로 고용 B량의 계산에는 Fountain 등이 화학분석에 기초하여 구한 상술한 식 (1)이 자주 이용되고 있다.
(1) log [B][N] = -13970/T + 5.24
Maitrepierre 등은 낮은 Al 함량을 갖는 4025 저합금강에 대한 실험을 통해 log[B][N] = -6700/T + 0.20 식을 따로 제시하였다. 이러한 결과들은 표준 묽은 황산 방법에 의한 고용 B의 분석으로부터 얻어졌다.
[티타늄]: Ti은 강력한 질화물 형성원소로서 N와 결합하여 TiN를 형성함으로써 N으로부터 B를 보호하는데 많이 사용된다. TiN는 응고 전에 액체 상태에서 형성되며, 고체 상태에서 매우 안정한 화합물이다. 따라서 열처리 동안 분해되지 않으며, 적절한 양이 첨가될 때 N을 효과적으로 막아준다. B 첨가강에서 충분한 양의 Ti가 첨가되지 않을 경우 Ti와 결합되지 않은 N은 Al이나 B와 결합하여 AlN, BN를 형성함으로써 B 첨가강의 경화능을 저하시킨다. 현재 B의 경화능 효과를 극대화하기 위한 Al, Ti, Zr, Cr 등의 첨가량에 대한 다양한 식들이 알려져 있다. 그러나 고온에서의 가열 온도나 시간, 냉각속도 등은 N의 분포에 영향을 미치므로 이들 식들이 항상 적용 가능한 것은 아니다. 도 9는 다양한 N과 Ti 함량에 따라 최대 경화능을 얻기 위해 요구되는 B 함량을 경험적으로 예측한 하나의 예를 보여준다.
3.1 경화능에 미치는 탄소의 영향
[탄소]: B이 첨가되지 않는 강에서 C 함량이 증가되면 강의 경화능은 대단히 증가한다. 강에 C 함량이 많은 것이 반드시 좋은 것은 아니기 때문에 저탄소강에 다른 합금원소를 첨가하여 강의 경화능을 높이는 것이 가장 보편적인 방법이다. 그러나 도 10에 나타난 바와 같이, B이 첨가된 강의 경우 낮은 C 함량 범위에서는 경화능이 증가하지만, 그 후 C 함량이 높아질수록 경화능이 일정하다가 감소하는 모습을 나타낸다. 이는 C 함량이 높아질수록 강재의 기본적인 경화능은 증가하지만, 이와 동시에 M23(C,B)6 석출물이 형성되면서 B의 경화능 효과가 감소되기 때문이다. 이를 통해 많은 연구자들은 B의 경화능 효과가 C 함량에 직선적으로 비례하여 감소하는 많은 식들을 도 11과 같이 제안하였다. 그러나 이들 식들은 실제로 그 기울기가 일정하지 않을 뿐만 아니라 다른 요인들에 의해 산포가 많이 존재한다.
3.2 보론과 기타 합금원소의 상호작용
[몰리브덴]: B은 단독 첨가만으로도 강의 경화능을 향상시키지만, 특정 합금원소와 복합 첨가될 경우 경화능이 크게 향상되는 상승효과가 있다. B이 첨가된 강에서 Mo는 B과의 상승 효과로 인해 경화능을 크게 증가시키는 합금원소로 알려져 있지만, Mo와 B의 상호작용에 대한 원인은 아직 잘 규명되어 있지 않으며, Mo 이외의 다른 합금원소와 B의 상호작용에 대한 연구는 상당히 부족한 실정이다. 도 12에 나타난 Asahi의 연구결과에 따르면, B의 경화능 효과는 낮은 B 함량에서 Mo 첨가에 관계없이 일정하여 B과 Mo 사이에는 직접적인 상호작용이 없는 것으로 밝혀졌다. 그러나 B 함량에 따라 Mo 첨가가 B의 경화능 효과를 증가시키는 것을 관찰하였는데, 이는 Mo 첨가시 오스테나이트 결정립 내부에 Mo-C 클러스터(cluster)가 형성됨으로써 Mo가 오스테나이트 입계로 확산되는 C의 편석을 방해하여 M23(C,B)6의 석출이 억제되기 때문이라고 주장한다. 도 13 (c)의 개략도처럼, Mo-C 클러스터 형성에 의해 입계에서의 Fe23(C,B)6 석출을 억제하는 것이다. 최근 발명자들은 열역학 데이터베이스에 기초한 CALPHAD법을 이용하여 M23(C,B)6 석출물의 평형분율을 계산한 결과를 도 14에 나타내었으며, B이 첨가된 강의 경우 Mo의 첨가에 의해 M23(C,B)6의 석출이 거의 억제되어 상안정성이 매우 저하되는 것을 확인하였다. 이를 통해 Mo 첨가는 열역학 및 속도론적 관점에서 모두 M23(C,B)6의 석출을 크게 억제시켜 B의 경화능 효과를 향상시키는데 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
[기타 원소]: 한편 고장력 저합금강에서 자주 사용되는 미량합금원소(microalloying element)의 경우 B와 함께 첨가될 때, 흥미로운 현상들이 발견되고 있다. V은 B와 함께 첨가될 때 V의 석출경화 효과 이외에 B의 경화능 효과를 상승시키는 역할을 하지 않지만, Nb은 고용된 상태로 존재할 때 B와 뚜렷한 상승효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. Nb 및/또는 B이 첨가된 0.1C-1.0Mn 강의 연속냉각변태 곡선을 나타낸 도 15의 예를 보면, Nb 첨가는 대부분의 냉각속도에서 변태반응을 매우 억제시킨다. 그러나 B이 첨가된 강에서 Nb에 의한 변태시작온도의 감소가 B과 Nb의 상승효과로 인한 것인지는 불분명하다. 최근 Hara 등은 TEM과 AP-FIM을 통해 Nb이 첨가된 B 첨가강에서 Nb-C 클러스터와 (Nb,Ti)(C,N) 또는 (Ti,Nb)(C,N) 등의 석출물을 관찰하여 이들이 오스테나이트 결정립계로 편석되는 탄소의 공급을 억제함으로써 B의 경화능 효과를 증가시킨다고 주장하였으며, 그 개략도는 도 13 (b)와 같다. 그러나 Nb와 B의 복합첨가로 인한 경화능의 상승효과에 대한 충분한 증거를 제시되지 못하였다. 그 밖에 Murota 등은 0.15C-0.3Si-1.2Mn 강에서 0.8% W이 첨가된 경우 M23(C,B)6의 석출이 억제된 모습을 SIMS로 관찰하여 W 첨가가 B의 편석에 효과적인 영향을 미치는 것을 확인하였다. 최근 발명자들은 B 첨가강의 경화능에 미치는 W 첨가의 영향을 조사한 결과 0.5% W이 첨가된 시편의 냉각속도별 미세조직과 경도가 0.2% Mo 첨가시와 거의 같은 경화능 효과를 가지는 것을 확인하였다. 또한, Cu의 경우 B과의 복합첨가시 상승효과로 인해 오스테나이트에서 페라이트로의 확산변태를 효과적으로 지연시키는 것으로 알려져 있지만, 이에 대한 구체적인 기구에 대해서는 아직 많은 의문점이 남아 있다.
4. 소입성 보증 합금성분계 설계
본 발명에서는 인장강도 800 내지 1,100 MPa급의 소입성 보증 설계를 위해, 전술한 이론을 바탕으로 한 합금설계를 통해 보론강의 소입성을 최적 확보할 수 있는 CHQ 냉간단조용 선재를 제공할 수 있다.
강의 강도는 C 함량과 템퍼링 온도에 의해 좌우되며, Mn, Cr, B은 소입성, 즉 경화 깊이에 관여하므로 합금성분은 매우 좁은 범위에서 관리되어야 목표 소입성을 만족할 수 있다. 경화능은 깊이 방향으로의 편차가 크기에 이를 최적 합금설계를 통한 최대 소입성으로 달성하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재는, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 또한, Mo: 0.3% 이하 및 W: 0.7% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.22 내지 0.26%이다.
선재 인장강도 600 MPa 이하, QT 열처리 후 인장강도 800 내지 1,100 MPa 범위를 달성하기 위해, C 함량은 0.22 내지 0.26% 범위를 유지하여야 한다. C 함량이 0.22% 미만 되면 소입 경도에 미달하게 되고, 0.26%를 초과하게 되면 선재 인장강도 600 MPa를 넘어 냉간단조 시 다이스 수명이 짧아지게 된다. 더욱 바람직하게는 0.22 내지 0.25% 범위로 제한할 수 있다.
Si의 함량은 0.02 내지 0.4%이다.
Si은 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. Si의 함량이 0.02% 미만일 경우에는 강도 향상 효과가 충분하지 않으며, 0.4%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과가 과도하게 높아져 강의 가공성 확보에 불리할 수 있다. 따라서, Si의 함량은 0.02 내지 0.4%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. Si 함량의 하한은 0.04%인 것이 보다 바람직하고, Si 함량의 상한은 0.3%인 것이 보다 바람직하다.
Mn의 함량은 1.0 내지 1.3%이다.
Mn은 경화능 향상을 위해 첨가되는 원소이다. CHQ 제조시 요구하는 경화능 보증 수준을 만족하기 위해서는 경화능 향상 원소를 효과적으로 사용할 필요가 있다. Mn의 함량이 1.0% 미만일 경우에는 부족한 경화능으로 인해 충분한 소입성을 얻기 힘들어 요구 물성을 만족하기 힘들게 된다. 1.3%를 초과하는 경우에는 Mn 고용량이 지나치게 증가하여 선재 인장강도가 증가하게 된다. 따라서, Mn의 함량은 1.0 내지 1.3%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. Mn 함량은 1.0 내지 1.2% 범위를 갖는 것이 바람직하다. Mn은 일반적으로 주조공정 중 미세편석이 잘 일어나는 원소이므로, 원하는 수준의 소입성이 충족되는 경우 Mn 함량은 낮게 관리하는 편이 강의 편차 제어에 유리하기 때문이다.
Cr의 함량은 0.1 내지 0.3%이다.
Cr은 Mn과 마찬가지로 강의 소입성을 높여주는 원소로 주로 사용된다. Cr 함량이 0.1% 미만인 경우에는 강의 소입성이 충분하지 않아 대경 소재의 중심부분의 경화능이 부족하게 된다. 0.3%를 초과할 경우에는 강의 내부에 편석대 존재로 인해 선재 제조공정 중 저온조직 띠가 생길 수 있으며, 이후 신선공정에서 균열이 발생할 수 있다. 따라서, Cr의 함량은 0.1 내지 0.3%의 범위를 갖는 것이 바람직하며, 0.12 내지 0.2% 범위인 것이 보다 바람직하다.
B의 함량은 0 초과 0.003% 이하이다.
B은 소입성 향상을 위해 첨가되는 원소이다. B의 소입성 및 경화능 향상은 B 원자가 오스테나이트 결정립계로 편석하여 입계에너지를 낮춤으로써 상변태 중 페라이트 핵생성을 늦추는 것인데, 이와 같은 B의 입계 편석은 연구 결과 강의 냉각과 함께 공공(vacancy)을 따라 입계로 이동하기 때문으로 보여진다. B의 함량이 0.003%를 초과하는 경우에는 B이 Fe23(C,B)6를 형성하기 때문에 Free-B 양이 감소하여 강의 소입성이 저하된다. 따라서, B의 함량은 0 초과 0.003% 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
Ti의 함량은 0 초과 0.03% 이하이다.
Ti은 소입성 향상을 위한 B의 효과를 최대화하기 위해서 N을 고정하기 위해 첨가되는 원소이다. Ti의 함량이 0.03%를 초과하는 경우에는 용강 중 TiN이 정출되는 현상이 발생하여 강 중 N을 고정하려는 본래의 Ti 첨가 목적을 달성하기 힘들게 된다. 따라서, Ti의 함량은 0.03% 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. Ti 함량의 하한은 0.01%인 것이 보다 바람직하고, 0.015%인 것이 보다 더 바람직하다. Ti 함량의 상한은 0.025%인 것이 보다 바람직하다.
P의 함량은 0.02% 이하(0 포함)이다.
P는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물이며, 그 함량이 0.02%를 초과할 경우에는 오스테나이트 입계에 P가 편석하여 입계 취성을 일으키며, 특히 강의 저온 충격인성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, P의 함량은 0.02% 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. P의 함량은 낮으면 낮을수록 강의 건전성 확보에 유리하므로, 0.015% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
S의 함량은 0.01% 이하(0 포함)이다.
S는 강 중 불가피하게 함유되는 불순물이며, 그 함량이 0.01%를 초과할 경우에는 과다한 MnS가 생성되어 강의 충격인성에 악영향을 미치게 된다. 따라서, S의 함량은 0.01% 이하의 범위를 갖는 것이 바람직하다. S의 함량은 0.007% 이하인 것이 보다 바람직하고, 0.005% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
Al의 함량은 0.02 내지 0.05%이다.
Al은 AlN을 형성하여 오스테나이트 결정립을 생성시키는 역할을 하는 원소이다. Al의 함량이 0.02% 미만일 경우에는 고용 Al이 적어 AlN이 충분히 형성되지 않게 되어 상기 효과를 충분히 얻기 곤란하며, 0.05%를 초과하는 경우에는 강 중 Al 산화물이 과다하게 성장하여 강의 인성에 영향을 줄 수 있다. 따라서, Al의 함량은 0.02 내지 0.05%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
N의 함량은 0.001 내지 0.01%이다.
N은 Ti와 반응하여 TiN을 형성함으로써 소입성 향상을 위한 B의 효과를 향상시키고, 강 중 Al과 반응하여 AlN을 형성함으로써 오스테나이트 결정립 형성에 영향을 주는 원소이다. N이 0.01%를 초과하는 경우에는 N이 B와 결합해 BN을 형성하게 되어 소입성을 위해 첨가한 B의 역할을 감소시키게 되며, 또한 고용 N 농도가 증가하여 가공 중 강도 상승을 일으키게 된다. 한편, N 함량은 낮으면 낮을수록 바람직하나, 0.001% 미만으로 제어하기 위해서는 지나친 탈질 공정이 필요하게 되어 공정 비용 상승을 가져오게 된다. 따라서, 상기 N의 함량은 0.001 내지 0.01%의 범위를 갖는 것이 바람직하다. N 함량은 0.001 내지 0.005%인 것이 보다 바람직하고, 0.001 내지 0.003%인 것이 보다 더 바람직하다.
Mo의 함량은 0.3% 이하, W의 함량은 0.7% 이하이다.
상술한 바와 같이, B이 첨가된 강의 경우 Mo와 W의 첨가에 의해 M23(C,B)6의 석출을 억제함으로써 B의 경화능 향상에 효과적이다. 그러나, Mo와 W은 고가의 원소인바 필요시 첨가할 수 있으며, 본 발명의 CHQ용 선재에서는 첨가가 반드시 요구되지는 않는다.
이처럼 최적 합금 설계를 통해 소입성이 우수한 본 발명의 B 함유 선재는, ASTM A 255의 조미니 시험(Jominy test)에서 6.3 mm의 로크웰 경도가 43 HRc 이상일 수 있다. 조미니 시험은 실시예에서 자세히 후술하도록 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 B 함유 선재는 인장강도가 600 MPa 이하의 연질로, 신선을 위한 구상화 열처리를 생략할 수 있으며, 냉간단조 가공품은 QT 열처리 후 800 내지 1,100 MPa의 인장강도를 나타낼 수 있다.
또한, 후술할 B 함유 선재의 제조방법을 통해 선재 표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 B 농화층이 형성될 수 있으며, B 농화층에 의한 내식성 향상으로 5% 염산 10분 침지 후 저속도 인장시험에서 취화 파단이 일어나지 않는다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법은, 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계; 850 내지 920℃의 종료 온도범위 내에서 하기 식 (a)를 만족하도록 열간 마무리 압연하는 단계; 및 하기 식 (b)를 만족하도록 권취하는 단계;를 포함한다.
(a) Tpf - Tf ≥ 50℃
(b) Tf - Tl ≤ 30℃
여기서, Tpf는 마무리 압연 전 평균 표면온도(℃), Tf는 마무리 압연 후 평균 표면온도(℃), 그리고 Tl은 권취온도(℃)이다.
상술한 조성의 강편을 재가열하여 선재 열간압연을 한다. 강편은 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)일 수 있으며, 빌렛이 바람직하다. 이때, 재가열 및 열간압연 공정에서 B 농화층을 형성할 수 있다.
B 농화층을 형성하기 위해서는, 재가열 공정에서 가열로 추출온도를 950 내지 1,050℃의 온도범위 내로 하여 가열된 빌렛을 추출하고, 마무리 압연 전 빌렛의 평균 표면온도(Tpf)와 마무리 압연 후 압연 선재의 평균 표면온도(Tf)의 온도차를 50℃ 이상으로 제어하여야 한다. 이어서, 마무리 압연 후 압연 선재의 평균 표면온도(Tf)와 권취온도(Tl)의 온도차는 30℃ 이하로 제어할 수 있다. 마무리 압연 종료 온도범위는 850 내지 920℃를 유지하면서 상기 식 (a) 및 (b)의 온도차를 통해 표층부가 짧은 범위에서 냉각 및 복열이 반복되게 관리함으로써, 내식성에 유효한 B 농화층 형성이 가능하다.
일반적으로 열간압연 시 온도 편차를 줄여 소재의 조직 편차를 낮추는데, 본 발명에서는 의도적으로 온도 편차를 크게 하여 B의 표층으로의 이동을 원활하게 할 수 있다. 공공(vacancy)의 농도는 고온에서 높고 저온에서 낮음을 이용하여, 열간압연 공정에서 마무리 압연 후단의 표면온도를 낮춰 마무리 압연 전후의 표면 온도차를 50℃ 이상으로 제어함으로써 공공의 이동과 함께 B 원자를 함께 확산 이동시키는 것이다. B는 오스테나이트 입계를 따라 상대적으로 온도가 낮은 표층으로의 이동하는 공공과 함께 표층부로 이동하여 점차 B 농화층이 형성된다. 이를 위해서는 마무리 압연 시 일정 수준 이상의 적정 냉각속도로 표면을 냉각시키는 것이 요구되며, 압연 설비에 구비되어 있는 다양한 냉각방법을 사용할 수 있다. 일 예로 수냉을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 B 함유 선재의 제조방법으로 제조된 선재는 표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 내식성이 우수한 B 농화층이 존재할 수 있다. 도 16 내지 18은 냉각속도에 따라 B 편석 거동을 중성자 분석법으로 나타낸 것이다. 도 16은 냉각속도 10℃/sec 미만의 공냉 시 B가 입계에 편석되지 못하고 모두 Fe23(C,B)6로 입계에 석출된 것을 알 수 있다. 도 17은 100℃/sec 이상의 너무 빠른 냉각속도에서 B의 입계 편석이 이루어지지 못한 것이 보여진다. 도 18은 약 50℃/sec 냉각속도의 오일 ??칭(oil quenching)에서 입계 B 편석이 이루어진 것을 볼 수 있다.
도 16 내지 18의 좌측면을 관찰하면 B 고갈 영역(Boron depleted area)을 볼 수 있는데, 이러한 B 고갈 영역은 상술한 것처럼 공공(vacancy)의 이동과 함께 B도 표층부로 이동하여 표층부에 B 농화층이 형성되는 것이다. B 농화층은 강재의 내식성을 향상시키는 역할을 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.
실시예
하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서 도출된 합금성분계 조성범위를 만족하는 강종 1 및 2의 빌렛을 제조한 후, 각각 강종 1은 본 발명에 따른 재가열 및 열연 조건으로, 강종 2는 기존 열연 조건으로 선재를 제조하였다. 강종 1은 1,020℃에서 재가열 후 마무리 압연 전 평균 표면온도(Tpf) 950℃, 마무리 압연 후 평균 표면온도(Tf) 890℃가 되도록 열간압연하고, 870℃에서 권취하였다. 강종 2는 1,000℃ 재가열 후 마무리 압연 전 평균 표면온도(Tpf) 920℃, 마무리 압연 후 평균 표면온도(Tf) 895℃, 권취온도 860℃로 제조하였다.
| 구분 | C | Si | Mn | Cr | B | Ti | P | S | Al | N |
| 강종1 | 0.23 | 0.21 | 1.19 | 0.17 | 0.0018 | 0.019 | 0.011 | 0.005 | 0.03 | 0.0037 |
| 강종2 | 0.23 | 0.18 | 1.07 | 0.16 | 0.0014 | 0.023 | 0.019 | 0.006 | 0.03 | 0.0032 |
경화능
평가 - 조미니 시험
먼저, 본 발명의 합금성분계 조성에 기인하는 경화능(소입성) 측정을 위해 가장 보편적으로 수행되는 시험법인 ASTM A 255 조미니 시험(Jominy test)을 강종 1 및 2에 대하여 실시하였다. 시험편의 직경 확보를 위해 각 빌렛에서 채취하고 가공 및 노멀라이징(Normalizing)하여 시험편을 제조하였으며, 오스테나이트화 온도로 가열하고 하단을 단면 담금질(end quenching)한 후 냉각하여 로크웰 경도를 측정하였다. 상세한 조미니 시험 내용은 아래와 같다.
1) 시험편 채취: 주조조직이 깨진 빌렛의 1/4 지점에서 채취
2) 시험편 가공: 노멀라이징을 위한 직경 30mm 시험편 가공
3) 노멀라이징: 925℃ 1시간 유지 후 공냉
4) 시험편 가공: 직경 25mm, 길이 100mm Jominy 시험편 가공
5) 오스테나이징: 925℃ 30분간 유지
6) 조미니 시험: 수냉시 표면 스케일에 의한 냉각지연 주의하여 ASTM A 255 기준 진행
7) 탈탄층 제거 및 경도 측정: 탈탄층 제거는 0.6mm, 경도 측정시 반대편 경도 깊이 4 HRc를 초과하면 90° 돌려 경도 재측정, 재측정시 다시 4 HRc를 초과하면 재시험 진행
강종 1 및 2의 조미니 시험편 축 방향 깊이에 따른 평균 로크웰 경도(HRc) 측정 결과를 아래 표 2에 나타내었다.
| 구분 | ASTM A 255 조미니 시험 결과 | |||
| 축 방향 깊이(mm) | 2.0 | 4.0 | 6.3 | 9.0 |
| 경도(HRc) | 45.1 | 45.3 | 44.9 | 39.8 |
표 2의 결과를 참조할 때, 축 방향 깊이 약 6 mm까지는 경도의 감소가 나타나지 않는 것을 확인할 수 있었으며, 6.3 mm에서도 44.9 HRc로 높은 경도를 나타내어 깊이 방향 편차가 적은 것을 확인할 수 있었다. 이렇듯 본 발명의 합금성분계 조성을 만족하는 경우 깊이 방향의 경화능 편차가 적어 우수한 소입성을 보증할 수 있다.
내식성 평가
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 강종 1의 선재(실시예)와 기존의 제조방법으로 제조된 강종 2의 선재(비교예)의 내식성 평가를 위해, 5% 염산 용액에 10분 단위로 침지한 후 강 중 수소량(ppm)과 부식감량(g)을 측정하였고, 이어서 저속도 인장시험에서 취화 파단 여부를 평가하였다.
도 19는 실시예(강종 1)와 비교예(강종 2)의 5% 염산 용액 침시시간에 따른 부식감량 및 수소량을 나타내고 있다. 강종 1 및 2 모두 10분 내지 60분 범위에서 10분 단위로 측정한 부식감량과 수소량은 점차 비례적으로 증가하였지만, 본 발명의 제조방법에 따라 제조된 강종 1의 실시예는 비교예와 대비하여 부식감량 및 수소량이 점진적으로 차이를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 B 농화층을 갖도록 제조된 강종 1의 실시예는 내식성이 기존 제조방법으로 제조된 강종 2의 비교예보다 우수함을 확인할 수 있었으며, 소입성이 향상된 B 함유 최적 성분계에 의하더라도 본 발명에 따른 제조방법을 수행하지 않는 경우 내식성의 차이가 나타남을 알 수 있었다.
아래 표 3은 5% 염산 용액에서 10분, 20분, 30분 침지한 후 선재의 저속도 인장시험에서 취화 파단여부를 나타낸다. '인장 파단'은 취화 파단이 아닌 자연적인 인장 파단을 의미하며, '취화 파단'은 부식에 의한 취화 파단을 의미한다.
| 침지시간 | 5% 염산 용액 | |
| 실시예(강종 1) | 비교예(강종 2) | |
| 10분 | 인장 파단 | 취화 파단 |
| 20분 | 취화 파단 | 취화 파단 |
| 30분 | 취화 파단 | 취화 파단 |
본 발명의 제조방법으로 B 농화층에 형성되도록 제조된 강종 1의 실시예 선재는 10분 침지 후에도 부식 상태가 양호하여 취화 파단이 일어나지 않았으며, 최대응력을 보인 후 인장 파단되었다. 반면 기존 제조방법으로 제조된 강종 2의 비교예 선재는 10분 침지 후 최대응력 전에 취화 파단되었다. 20분 이상 침지부터는 모두 취화 파단을 나타내었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (7)
- 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 B 농화층이 존재하고,
인장강도가 600 MPa 이하이며,
ASTM A 255 Jominy test 시 6.3 mm에서 로크웰 경도 43 HRc 이상인 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재. - 제1항에 있어서,
Mo: 0.3% 이하 및 W: 0.7% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재. - 삭제
- 중량%로, C: 0.22% 내지 0.26%, Si: 0.02 내지 0.4%, Mn: 1.0 내지 1.3%, Cr: 0.1 내지 0.3%, B: 0 초과 0.003% 이하, Ti: 0 초과 0.03% 이하, P: 0.02% 이하, S: 0.01% 이하, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.001 내지 0.01%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계;
850 내지 920℃의 종료 온도범위 내에서 하기 식 (a)를 만족하도록 열간 마무리 압연하는 단계; 및
하기 식 (b)를 만족하도록 권취하는 단계;를 포함하고,
상기 열간 마무리 압연하는 단계는 상기 종료 온도범위까지 10 내지 100℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법.
(a) Tpf - Tf ≥ 50℃
(b) Tf - Tl ≤ 30℃
(여기서, Tpf는 마무리 압연 전 평균 표면온도(℃), Tf는 마무리 압연 후 평균 표면온도(℃), 그리고 Tl은 권취온도(℃)이다) - 제4항에 있어서,
상기 강편은 Mo: 0.3% 이하 및 W: 0.7% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 재가열하는 단계에서,
상기 강편의 가열로 추출온도는 950 내지 1,050℃의 온도범위 내인 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법. - 제4항에 있어서,
상기 제조된 선재는,
표면으로부터 100 ㎛ 이내의 표층부에 B 농화층이 존재하는 소입성 및 내식성이 우수한 B 함유 선재의 제조방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190172268A KR102326047B1 (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190172268A KR102326047B1 (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210079970A KR20210079970A (ko) | 2021-06-30 |
| KR102326047B1 true KR102326047B1 (ko) | 2021-11-15 |
Family
ID=76602189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020190172268A KR102326047B1 (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102326047B1 (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005133152A (ja) * | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Kobe Steel Ltd | 冷間加工性及び耐衝撃特性に優れた高周波焼入用高強度線材及びこの線材を利用した鋼部品 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100742820B1 (ko) * | 2005-12-27 | 2007-07-25 | 주식회사 포스코 | 냉간가공성과 소입성이 우수한 강선재 및 그 제조방법 |
| KR101115761B1 (ko) * | 2008-12-26 | 2012-06-12 | 주식회사 포스코 | 표면 탈탄이 억제된 강재 및 제조방법 |
-
2019
- 2019-12-20 KR KR1020190172268A patent/KR102326047B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005133152A (ja) * | 2003-10-30 | 2005-05-26 | Kobe Steel Ltd | 冷間加工性及び耐衝撃特性に優れた高周波焼入用高強度線材及びこの線材を利用した鋼部品 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20210079970A (ko) | 2021-06-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101488120B1 (ko) | 침탄용 강, 침탄강 부품 및 그 제조 방법 | |
| KR101808471B1 (ko) | 볼트용 강선 및 볼트, 및 그들의 제조 방법 | |
| JP6107437B2 (ja) | 耐硫化物応力腐食割れ性に優れた油井用低合金高強度継目無鋼管の製造方法 | |
| JP5135563B2 (ja) | 浸炭用鋼、浸炭鋼部品、及び、その製造方法 | |
| KR102020385B1 (ko) | 내부식 피로특성이 우수한 스프링용 선재, 강선 및 이들의 제조방법 | |
| KR102021216B1 (ko) | 산세성 및 담금질 템퍼링 후의 내지연파괴성이 우수한 볼트용 선재, 및 볼트 | |
| JP5333700B1 (ja) | 耐硫化物応力割れ性に優れた低合金油井管用鋼及び低合金油井管用鋼の製造方法 | |
| EP3631021B1 (en) | Method for producing a steel part and corresponding steel part | |
| JP6784960B2 (ja) | マルテンサイト系ステンレス鋼部材 | |
| JP6226085B2 (ja) | 冷間鍛造部品用圧延棒鋼または圧延線材 | |
| EP3222742A1 (en) | Rolled steel bar or rolled wire material for cold-forged component | |
| JP6468365B2 (ja) | 鋼、浸炭鋼部品、及び浸炭鋼部品の製造方法 | |
| WO2017150252A1 (ja) | 鋼材及び油井用鋼管 | |
| JP6819198B2 (ja) | 冷間鍛造調質品用圧延棒線 | |
| KR20170041917A (ko) | 볼트용 강 및 볼트 | |
| JP6190298B2 (ja) | 耐遅れ破壊性に優れた高強度ボルト用鋼および高強度ボルト | |
| EP3190202A1 (en) | High-carbon hot-rolled steel sheet and method for producing the same | |
| KR101817451B1 (ko) | 내지연 파괴성 및 볼트 성형성이 우수한 고강도 볼트용 강 및 볼트 | |
| WO2018061101A1 (ja) | 鋼 | |
| KR102326047B1 (ko) | 소입성 및 내식성이 우수한 b 함유 선재 및 그 제조방법 | |
| KR101867709B1 (ko) | 부식피로 저항성이 우수한 스프링용 선재, 강선 및 그들의 제조방법 | |
| WO2017094487A1 (ja) | 高強度ボルト | |
| KR20100057823A (ko) | 괴상 성형된 기계 부품의 제조용 스틸 | |
| JP2018035419A (ja) | 浸炭用鋼、浸炭鋼部品及び浸炭鋼部品の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |