KR102347917B1 - 냉간 가공성이 향상된 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있고 냉간 가공성이 향상된 선재 및 이의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재는, 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 부피분율로, 90% 이상의 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함한다.

Description

냉간 가공성이 향상된 선재 및 그 제조방법{STEEL WIRE HAVING ENHANCED COLD FORMABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 냉간 가공성이 향상된 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 조성 및 미세조직 제어를 통해 구상화 열처리 시간을 단축하는 동시에 우수한 냉간 가공성을 확보할 수 있는 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
선재는 냉간 가공 공정을 통해 볼트, 볼 등 다양한 모양의 최종제품으로 제조된다. 이때, 냉간 가공 공정에서 사용되는 금형의 마모를 최소화 하고 동시에 생산성을 향상시키기 위하여, 선재를 구상화 열처리하여 연질화 하는 것이 일반적이다. 보통 최종제품의 형상이 복잡할수록 높은 수준의 구상화율이 요구되고, 이를 위해서는 최소 1회 이상의 구상화 열처리가 요구된다.
구상화 열처리는 강종에 따라 다소 차이가 나지만, 페라이트와 펄라이트 조직으로 이루어진 선재를 일정 온도범위에서 20 시간 이상의 장시간 동안 유지해야 하므로, 생산성 및 경제성 측면에서 불리하게 작용하는 측면이 있다.
구상화 열처리 시간을 단축하기 위해, 선재 상태에서의 미세조직을 미세한 펄라이트 조직이나 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온 조직으로 도출하는 방법이 알려져 있다. 그러나, 통상의 선재 냉각 방식으로는 냉각속도의 한계로 인해 전술한 미세한 조직이나 저온 조직을 도출하는데 어려움이 있다.
이에, 냉간 가공성을 향상시킬 뿐만 아니라 추가 구상화 열처리 공정을 단축할 수 있는 선재 및 이의 제조방법에 대한 개발이 필요하다.
본 발명은 합금 조성 및 제조방법을 통해 미세조직을 제어함으로써 다양한 응력 및 부식 환경에 노출되는 자동차, 구조물의 체결용 볼트 등에 사용할 수 있는 냉간 가공성이 향상된 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재는, 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 부피분율로, 90% 이상의 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이나이트의 래스(lath) 두께는 1㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 베이나이트의 래스(lath) 두께는 0.7㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구상화 열처리 시, 선재의 구상화율은 90% 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 구상화 열처리 시, 선재의 임계 업셋율은 68% 이상일 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 선재를 700 내지 900
Figure 112019132366229-pat00001
온도범위에서 코일 형상으로 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 300 내지 400℃의 용융염 또는 용융납에 침지하여 급냉하고, 항온 유지하는 단계;를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 항온 유지 시간은 5분 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 항온 유지하는 단계 후, 공냉하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재 및 이의 제조방법은 산업기계 및 자동차용 소재 또는 부품에서 요구되는 냉간 가공성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 선재의 제조 후 연질화를 위해 수반되는, 구상화 열처리 공정을 단축할 수 있어, 제조 공정상의 비용 절감이 가능하다.
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.
선재는 가공성을 확보하기 위해 구상화 열처리를 거치는 경우가 있다. 구상화 열처리는 추가적인 공정으로, 많은 열처리 비용과 시간이 소요되기 때문에 제조 원가를 상승시키는 원인이 된다.
본 발명자들은 산업기계 및 자동차용 소재 또는 부품에서 요구되는 냉간 가공성을 확보하면서도, 구상화 연화 열처리를 단축할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구하였다. 그 결과, 합금조성 및 제조조건을 최적화하여 베이나이트가 기지조직이 되는 미세조직을 도출함으로써 전술한 과제를 해결할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재는, 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 냉간압조용 선재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 하기 성분에 대한 %는 중량%를 의미한다.
C의 함량은 0.2 내지 0.5%이다.
C(탄소)는 제품의 강도를 확보하기 위해서 첨가되는 원소이다. C의 함량이 0.2% 미만일 경우에는 목표하는 강도를 확보할 수 없다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 페라이트 및 펄라이트 상변태가 빠르게 진행되어 베이나이트 상을 충분히 형성할 수 없는 문제가 있어, 그 상한을 0.5%로 한정할 수 있다.
Si의 함량은 0.1 내지 0.5%이다.
Si(실리콘)는 대표적인 탈산 원소로서 고용 강화를 통한 강도 확보에 유리한 원소로 0.1% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 충격특성 및 냉간 가공성이 열위해지고, 선재압연 중 탈탄 조직을 생성하여 추가적인 제거비용이 발생하는 문제가 있어, 그 상한을 0.5%로 한정할 수 있다.
Mn의 함량은 0.4 내지 1.2%이다.
Mn(망간)은 경화능을 향상시키고, 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화 효과를 나타내는 원소로 0.4% 이상 첨가한다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 망간편석이 발생하여 선재 조직이 불균일해지고, 경화능 커져 베이나이트 형성하는데 과도한 시간이 소요되는 문제가 있어, 그 상한을 1.2%로 한정할 수 있다.
P의 함량은 0.030% 이하(0은 제외)이다.
P(인)은 강 제조과정 중에 불가피하게 첨가되는 원소로서, 결정립계에 편석하여 선재의 인성을 저하시키는 문제가 있어, 그 상한을 0.030%로 한정할 수 있다.
S의 함량은 0.030% 이하(0은 제외)이다.
S(황)은 강 제조과정 중에 불가피하게 첨가되는 원소로서, 결정립계에 편석하여 인성을 저하시키거나, 융점이 낮은 유화물을 형성하여 열간 압연을 저해하는 문제가 있어, 그 상한을 0.01%로 한정할 수 있다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 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.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재의 미세조직은 부피분율로, 90% 이상의 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함한다.
상기 미세조직에서 베이나이트와 잔류 오스테나이트 이외에 마르텐사이트가 생성되는 경우, 강도가 크게 증가할뿐 아니라 조직이 불균일해져 구상화 열처리 후, 선재의 물성이 열위해진다.
베이나이트는 한 개의 오스테나이트 결정립이 패킷(packet)과 블록(block)이라고 하는 하부 조직의 단위로 분할되어 생성된다. 패킷은 가장 조밀한 결정면이 서로 평행관계를 갖는 래스(lath)집단이고, 블록은 등가의 결정방위(variant)를 갖는 래스집단이며, 한 개의 패킷은 여러 개의 블록으로 분할된다.
이 때, 상기 베이나이트의 래스(lath) 두께는 1 ㎛ 이하이다. 상기 베이나이트의 래쓰 두께가 1㎛를 초과하면, 구상화 열처리 시간이 길어져 제조비용이 증가하는 문제가 있으므로, 강의 합금조성, 제공공정 등의 조건을 조절하여 래쓰 두께가 1㎛ 이하가 되도록 관리하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 하부 베이나이트의 래스 두께는 0.7 ㎛ 이하일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일 측면인 냉간 가공성이 향상된 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 선재는 상술한 합금조성을 가지는 빌렛(Billet)을 제작한 후, 이를 재가열 - 선재 압연 - 권취 - 항온 열처리 - 공냉 과정을 거쳐 제조할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 선재를 700 내지 900℃ 온도범위에서 코일 형상으로 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 300 내지 400℃의 용융염 또는 용융납에 침지하여 급냉하고, 항온 유지하는 단계;를 포함한다.
합금원소 함량의 수치 한정 이유에 대한 설명은 상술한 바와 같다.
개시된 실시예에 따르면, 본 발명은 상술한 조성성분을 갖는 빌렛을 열간 압연을 통해 선재로 제조한 후, 이를 700 내지 900℃의 온도범위에서 코일 형상으로 권취하고, 권취된 선재를 300 내지 400℃의 온도범위의 용융염 또는 용융납에 침지하여 급냉하고, 5분 이상 항온 유지한 후 공냉하여 본 발명에 따른 냉간 가공성이 향상된 선재를 제조할 수 있다.
먼저, 본 발명은 상술한 조성성분을 갖는 빌렛을 열간 압연한 뒤, 700 내지 900℃의 온도범위에서 권취하여 코일 형상의 선제를 제조하는 단계를 거친다.
상기 권취온도가 700℃ 미만인 경우, 초석 페라이트 변태가 용이해져 베이나이트를 기지조직으로 하는 미세조직을 도출할 수 없다. 반면에, 상기 가열 온도가 900℃를 초과하는 경우에는, 오스테나이트 결정립 크기(AGS)이 조대해져, 상변태후 베이나이트의 래쓰 두께가 1㎛를 초과함에 따라 구상화 열처리 시간이 길어져 공정 비용이 증가하므로 생산성을 확보할 수 없다.
이이서, 권취된 선재를 마르텐사이트 변태 개시 온도(Ms)를 초과하는 300 내지 400℃의 온도범위의 용융염 또는 용융납에 침지하여 급냉하고, 5분 이상 항온 유지하여 변태 열처리한다.
항온 변태 열처리 온도가 300℃미만이면 마르텐사이트가 생성되어, 미세조직이 불균일해지고, 구상화 열처리 후, 선재의 물성이 열위해질 뿐 아니라, 베이나이트 변태시간이 길어져 생산성을 확보할 수 없다. 반면 항온 변태 열처리 온도가 400℃를 초과하게 되면, 펄라이트가 생성되어 구상화 열처리 시간이 길어져 공정 비용이 증가하므로 생산성을 확보할 수 없다.
더불어, 상기 항온 변태 열처리는 5분 이상 행하는 것이 바람직하다. 5분 이상 유지하지 않을 경우, 일부 미변태 오스테나이트가 공냉 중 마르텐사이트로 변태되어, 최종 강재에 하부 베이나이트와 잔류 오스테나이트 이외에 마르텐사이트가 생성된다.
이는 강도를 필요 이상으로 증가시킬 뿐만 아니라 조직이 불균일해져 구상화 열처리 후, 선재의 물성이 열위해지는 문제가 있어 바람직하지 못하다.
한편, 개시된 실시예에 따르면 상기 항온 유지하는 단계 후, 공냉하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 제조방법에 따라 제조된 냉간 가공성이 향상된 선재의 미세 조직은 부피분율로, 90% 이상의 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함한다.
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.
실시예
아래 표 1의 조성을 갖는 빌렛을 1,050℃로 재가열하고 900℃에서 열간압연하여 선재를 제조하였다. 이후, 선재를 표 2에 따라 권취온도를 달리하여 코일 형상으로 권취하였으며, 표 2에 따라 열처리 조건을 달리하여 용융염 또는 용융납에서 항온 변태 열처리를 실시한 후 공냉하였다.
구분 조성(중량%)
C Si Mn P S
실시예 1 0.50 0.1 0.8 0.020 0.013
실시예 2 0.21 0.5 1.0 0.023 0.020
실시예 3 0.30 0.3 0.9 0.015 0.015
실시예 4 0.42 0.2 0.5 0.011 0.018
비교예 1 0.48 0.4 0.6 0.013 0.009
비교예 2 0.25 0.3 1.2 0.018 0.012
비교예 3 0.36 0.5 0.7 0.016 0.010
비교예 4 0.29 0.2 1.1 0.022 0.014
비교예 5 0.33 0.1 1.0 0.024 0.010
이후, 제조된 각각의 선재에 대해 미세조직의 면적분율 및 베이나이트 래쓰 두께를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
베이나이트 부피분율은 화상 분석기(Image Analyzer)를 이용하여 측정하였고, 잔류 오스테나이트 부피분율은 Cu-Kα X선 회절 분석기를 이용해 측정하였으며, 베이나이트 래쓰 두께는 후방산란 전자회절(Electron Back Scatter Diffraction, EBSD)을 이용하여 얻었다.
한편, 각각의 실시예와 비교예의 선재에 대해 30%의 냉간 신선 후, 730℃에서 일정시간 구상화 열처리한 뒤, 상온 압축시험인 업셋시험을 통해 임계 업셋율을 구하여 냉간 가공성에 대한 평가 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
업셋율은 압축에 따른 시편 높이의 변화율을 의미하며, 임계 업셋율이란 크랙이 발생하는 않는 최대 업셋율을 의미한다.
구상화율은 랜덤하게 10개 이상에서 SEM 전자현미경을 통해 촬영한 후, ×5,000 시야에서 관찰한 모든 탄화물 중 종횡비(Aspect ratio)가 2.5 이하인 구상화 탄화물의 점유율 측정하여 도출하였다.
구분 권취 온도
(℃)
항온 열처리 잔류 오스테나이트 분율
(부피%)
베이나이트부피 분율
(부피%)
베이나이트 래쓰 두께 (㎛) 구상화율
%)
임계 업
셋율
(%)
항온 유지 온도
(℃)
유지 시간
(min)
실시예 1 750 390 10 10 90 0.7 90 68
실시예 2 900 340 15 7 93 0.7 90 69
실시예 3 800 370 20 9 91 0.6 91 75
실시예 4 850 320 9 7 93 0.5 92 73
비교예 1 660 330 15 8 80 0.5 79 56
비교예 2 940 360 20 9 91 1.2 85 65
비교예 3 840 270 30 5 79 0.9 80 60
비교예 4 790 430 15 0 0 - 81 63
비교예 5 870 350 3 3 55 0.8 83 65
비교예 1 내지 5는 합금조성은 본 발명에서 제안하는 바를 만족하나, 하기 제조공정 조건이 본 발명을 벗어나므로 비교예로 표기한 것이다.
표 2를 참조하면, 본 발명에 따른 합금 조성과 제조방법을 만족하는 실시예 1 내지 4의 선재는, 부피분율로 90% 이상의 하부 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함하고, 베이나이트 래스(lath)의 두께가 1㎛ 이하이고, 이에 따라 구상화 열처리 시 구상화율이 높고, 임계 업셋율이 68% 이상으로 우수한 냉간 가공성을 확보할 수 있었다.
이에 비해, 비교예 1은 권취온도가 660℃로 700℃에 미달하여, 초석 페라이트 변태가 용이해짐에 따라 베이나이트를 기지조직으로 하는 미세조직을 도출할 수 없었다. 이에 따라 구상화 열처리 시, 구상화율과 임계 업셋율이 각각 79%와 56%로, 실시예들에 비해 상대적으로 낮게 도출되었다.
비교예 2는 비교예 1과 반대로, 권취온도가 940℃로 900℃를 초과하여, 베이나이트의 래쓰 두께가 1㎛를 초과함에 따라 구상화 열처리 후, 구상화율과 임계 업셋율이 각각 85%와 65%로, 실시예들에 비해 상대적으로 낮게 도출되었다.
비교예 3의 경우, 항온 열처리 유지 온도가 270℃로 300℃에 미달하여, 마르텐사이트가 형성되어 미세조직이 불균일하게 도출됨에 따라 구상화 열처리 후, 구상화율과 임계 업셋율이 각각 80%와 60%로, 실시예들에 비해 상대적으로 낮게 도출되었다.
비교예 4는 비교예 3과 반대로, 항온 열처리 유지 온도가 430℃로 400℃를 초과하여, 미세조직으로 베이나이트와 잔류 오스테나이트가 형성되지 않고, 미세한 펄라이트가 기지조직이 되는 경우이다. 이에 따라, 구상화 열처리 후, 구상화율과 임계 업셋율이 각각 81%와 63%로, 실시예들에 비해 상대적으로 낮게 도출되었다.
비교예 5는 항온 열처리 유지시간이 3분으로 너무 짧아 베이나이트가 충분히 형성되지 못하고, 미변태 오스테나이트가 공냉 시 마르텐사이트로 변태하여 불균일한 복합 조직을 만드는 경우이다. 이에 따라, 강도는 증가하나 구상화 열처리 후, 구상화율과 임계 업셋율이 각각 83%와 65%로, 실시예들에 비해 냉간 가공성을 확보할 수 없었다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 합금성분 및 제조방법을 제어하여 미세조직의 기지조직을 베이나이트로 도출하였다 이에 따라, 냉간 가공성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 선재의 제조 후 연질화를 위해 수반되는, 구상화 열처리 공정을 단축할 수 있어, 제조 공정상의 비용 절감이 가능하다.
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 (8)

  1. 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 부피분율로, 90% 이상의 베이나이트 및 10% 이하의 잔류 오스테나이트를 포함하고,
    상기 베이나이트의 래스(lath) 두께는 1㎛ 이하인 냉간 가공성이 향상된 선재.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 베이나이트의 래스(lath) 두께는 0.7㎛ 이하인 냉간 가공성이 향상된 선재.
  4. 제1항에 있어서,
    구상화 열처리 시, 구상화율이 90% 이상인 냉간 가공성이 향상된 선재.
  5. 제1항에 있어서,
    구상화 열처리 시, 임계 업셋율은 68% 이상인 냉간 가공성이 향상된 선재.
  6. 중량%로, C: 0.2 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.5%, Mn: 0.4 내지 1.2%, P: 0.030% 이하(0은 제외), S: 0.030% 이하(0은 제외), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계;
    상기 선재를 700 내지 900℃ 온도범위에서 코일 형상으로 권취하는 단계; 및
    상기 권취된 선재를 300 내지 400℃의 용융염 또는 용융납에 침지하여 급냉하고, 항온 유지하는 단계;를 포함하고,
    상기 항온 유지 시간은 5분 이상인 냉간 가공성이 향상된 선재의 제조방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 항온 유지하는 단계 후, 공냉하는 단계;를 더 포함하는 냉간 가공성이 향상된 선재의 제조방법.
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