KR102448753B1 - 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따른 중탄소 비조질 선재는 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하고, 하기 관계식1 및 관계식2를 만족한다.
[관계식1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
[관계식2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7

Description

절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법 {NON-HEAT TREATED STEEL WITH IMPROVED MACHINABILITY AND TOUGHNESS AND THE METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자동차용 소재 또는 기계 부품용 소재로서 사용하기에 적합한 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
기계구조용 또는 자동차 부품 등에 사용되는 구조용 강은 대부분 열간 가공 후 재가열, 소입 및 소려 공정을 거쳐 강도와 인성을 높인 조질강(Quenching and Tempered Steel; 調質鋼)이 사용되고 있다.
한편, 조질강과 달리 비조질강(Non-Heat Treated Steel)은 열간 가공 후 열처리를 하지 않고도 열처리(조질처리)한 강과 유사한 강도를 얻을 수 있는 강을 말하며, 이러한 비조질강은 탄질화물을 형성하는 미량의 합금을 첨가한 것을 기본 조성으로 하여 제조되기 때문에 미세합금 강(Micro-Alloyed Steel)이라고도 한다.
이와 같이, 비조질 선재는 기존 조질 선재 제조시에 수반되는 열처리 공정을 생략함에 따라, 소재의 제조단가를 낮출 수 있어 경제성이 우수하고, 동시에 최종 급냉 및 소려 역시 수행하지 않아 열처리 휨 등의 열처리 결함이 억제되어, 직진성이 확보되므로 많은 제품들에 적용되고 있다.
특히, 페라이트-펄라이트계 중탄소 비조질 선재는 저가의 성분설계가 가능하고, 선재 제조공정에서 균질한 조직을 안정적으로 얻을 수 있는 장점이 있다. 그러나, 페라이트-펄라이트계 중탄소 비조질 선재는 절삭성을 위해 첨가되는 S첨가에 의해 다량의 MnS가 생성됨에 따라 제품의 인성이 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 일 측면은 기존 조질강 대비 열위한 인성을 극복하고, 고S 및 고N 첨가를 통해 추가의 열처리 없이도 절삭성 및 충격인성을 동시에 확보할 수 있는 비조질 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재는 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하며, 하기 관계식1 및 관계식2를 만족한다.
[관계식1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
[관계식2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중탄소 비조질 선재는 하기 관계식3을 만족할 수 있다.
[관계식3] 0.8 ≤ Si/C ≤ 2.0
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 펄라이트의 평균 라멜라 간격은, 0.03 내지 0.3㎛일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중탄소 비조질 선재는 Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중탄소 비조질 선재는 Cr: 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 중탄소 비조질 선재는 하기 관계식4를 만족할 수 있다.
[관계식 4] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
(상기 식에서, Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%)을 의미한다)
본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계; 재가열된 강편을 750 내지 850℃에서 마무리 압연하여 선재를 제조하는 단계; 및 선재를 권취후 냉각하는 단계;를 포함하고, 권취후 냉각단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제1 냉각단계; 제1 냉각 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제2 냉각단계; 및 제2 냉각 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 냉각하는 제3 냉각단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 강편은 Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하 중 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 강편은 Cr: 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재는 고S첨가에 따른 MnS형성 및 고N첨가에 의한 질화물 형성원소를 활용함으로써 열처리를 생략하더라도 고절삭성 및 고인성이 요구되는 부품 등에 적합하게 사용할 수 있다.
또한, 펄라이트 중의 Mn 분배비를 제어함으로써 냉간가공성이 향상된 중탄소 비조질 선재 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.
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.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 신선가공 후 절삭성 및 충격인성을 확보할 수 있는 선재를 제공하기 위하여 다양한 각도에서 검토하였으며, 그 결과, 선재의 합금조성(고S 및 고N 첨가) 및 미세조직을 적절히 제어함으로써 별도의 열처리 없이도 신선가공시 강도 증가와 함께 우수한 충격인성을 확보할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재는 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 중탄소 비조질 선재는 Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발에 따른 중탄소 비조질 선재는 Cr: 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.28 내지 0.5%이다.
C는 선재의 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 전술한 효과를 나타내기 위해서는 C를 0.28% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 강의 변형 저항이 급증하여 냉간가공성이 열화될 수 있으므로, C의 함량의 상한을 0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si의 함량은 0.55 내지 1.0%이다.
Si은 탈산제로서 유용한 원소이면서 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. Si의 함량이 0.55% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, 1.0%를 초과할 경우, 고용강화에 의해 강의 변형 저항이 급증하여 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 그 함량을 제한한다.
Mn의 함량은 0.4 내지 1.5%이다.
Mn은 탈산제 및 탈황제로서 유용한 원소이다. Mn의 함량이 0.4% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Mn의 함량이 1.5%를 초과할 경우 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하여, 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이에, Mn의 함량의 상한은 1.5%인 것이 바람직하고, 1.3%인 것이 보다 바람직하다.
Cr의 함량은 0.3% 이하이다.
Cr은 열간압연시 페라이트 및 펄라이트 변태를 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, 강 자체의 강도를 필요 이상으로 높이지 않으면서도, 강 중 탄화물을 석출시켜 고용 탄소량을 저감시키고, 고용 탄소에 의한 동적 변형 시효의 감소에 기여한다. 다만, Cr의 함량이 0.3%를 초과할 경우에는 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이에 Cr함량의 상한은 0.3%인 것이 바람직하고, 0.2%인 것이 보다 바람직하다.
P의 함량은 0.03% 이하이다.
P은 불가피하게 함유되는 불순물서, 결정립계에 편석되어 강의 인성을 저하시키고, 지연 파괴 저항성을 감소시키는데 주요 원인이 되는 원소이다. 따라서, 본 발명에서는 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 P의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 P 함량의 상한을 0.03%로 관리한다.
S의 함량은 0.015 내지 0.05%이다.
S은 불가피하게 함유되는 불순물로서, 결정립계에 편석되어 강의 연성을 크게 저하시키고, 강 중 유화물을 형성하여 지연 파괴 저항성 및 응력 이완 특성을 열화시키는데 주요 원인이 되는 원소이다. 따라서, 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 다만, S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성을 향상시키는데 매우 유효한 원소이므로, 본 발명에서는 강의 인성을 크게 저하시키지 않는 범위 내에서 절삭성에 유효한 S의 함량을 고려하여 S의 함량을 0.015% 내지 0.05% 로 제어하는 것이 바람직하다.
Sol.Al의 함량은 0.01 내지 0.07%이다.
sol.Al는 탈산제로서 유용하게 작용하는 원소이다. 전술한 효과를 나타내기 위해서 sol.Al는 0.01% 이상, 바람직하게는 0.015% 이상 포함될 수 있다. 다만, Al의 함량이 0.07%를 초과할 경우에는 AlN형성에 의한 오스테나이트 입도 미세화 효과가 커지게 되어 냉간단조성이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 Al 함량의 상한을 0.07%로 관리한다.
Nb의 함량은 0.1% 이하(0% 포함)이다.
Nb은 탄화물 및 탄질화물을 형성하여 오스테나이트 및 페라이트의 입계 이동을 제한하는 역할을 하는 원소이다. 다만, Nb의 함량이 0.1%를 초과할 경우 조대한 탄질화물 석출물을 형성할 수 있고, Nb 탄질화물은 파괴 기점으로 작용하여 충격인성을 저하시킬 수 있으므로 용해도 한계(solubility limit)를 지켜 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 Nb의 함량을 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
V의 함량은 0.2% 이하(0% 포함)이다.
V은 Nb과 마찬가지로 탄화물 및 탄질화물을 형성하여 오스테나이트 및 페라이트의 입계 이동을 제한하는 역할을 하는 원소이다. 다만, V의 함량이 0.2%를 초과할 경우, 조대한 탄질화물 석출물을 형성할 수 있고, V 탄질화물은 파괴 기점으로 작용하여 충격인성을 저하시킬 수 있으므로, 용해도 한계를 지켜 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 V의 함량을 0.2% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
N의 함량은 0.007 내지 0.02%이다.
N는 본 발명의 충격인성 향상의 효과를 구현하기 위한 필수 원소이다. N의 함량이 0.007% 미만일 경우, 충분한 질화물 확보가 어려워 Al, Nb 및 V 등의 석출물 생성량이 감소하여 본 발명에서 목표로 하는 인성을 확보할 수 없고, N의 함량이 0.02%를 초과할 경우에는 질화물 석출물로서 존재하지 않는 고용 질소가 증가하여 선재의 인성 및 연성이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 N의 함량을 0.007 내지 0.02%로 관리하는 것이 바람직하다.
합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 중탄소 비조질 선재는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 중탄소 비조질 선재는 미세조직으로 페라이트(ferrite)와 펄라이트(pearlite)를 포함한다.
본 발명의 펄라이트 조직은 압연 방향의 직각 단면인 C단면에서의 평균 라멜라 간격이 0.03 내지 0.3㎛일 수 있다. 펄라이트 조직의 라멜라 간격은 미세할수록 선재의 강도가 증가한다. 다만, 펄라이트 조직의 라멜라 간격이 0.03㎛미만일 경우 강도가 큰 폭으로 상승하여 냉간가공성이 열화될 수 있고, 0.3㎛를 초과하는 경우에는 본 발명에서 목표로 하는 강도 확보가 어려울 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 중탄소 비조질 선재는 관계식 1 내지 4를 만족할 수 있다.
관계식 1 내지 3에서, [Mn], [S], [Al], [N], [C] 및 [Si] 각각은 해당 원소의 함량(중량%)을 의미한다
[관계식 1] 20 ≤ [Mn]/[S] ≤ 70 (절삭성)
관계식 1은 절삭성과 관련된 수식이다. 본 발명은 고S 및 Mn첨가로 인해 MnS가 형성된다. MnS는 연신 개재물로서 압연방향으로 길게 늘어진 형태와 방향성을 갖고, 본 발명에 따른 중탄소 비조질 선재의 절삭성을 크게 향상시킨다. 다만, MnS는 충격시 크랙의 개시점 및 전파경로로 작용하여 충격 인성을 열위하게하는 작용을 하게 된다. Mn/S의 비가 20 미만일 경우 절삭성이 충분하지 않을 수 있고, 70을 초과할 경우, 충격인성이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 Mn/S의 비를 20 내지 70로 제한한다.
[관계식 2] 1.4 ≤ [Al]/[N]≤ 7 (인성)
관계식 2는 인성과 관련된 수식이다. 본 발명은 고N 및 Al의 첨가로 인해 AlN이 형성된다. 강 중 미세한 AlN의 석출은 결정립을 미세화하여 본 발명에 따른 중탄소 비조질 선재의 충격인성을 향상시킨다. 전술한 효과를 발현시키기 위해서는 50nm이하의 AlN 석출물을 최대한 많이 생성시키는 것이 유리하고, 이를 위해서는 Al/N의 비를 1.4 내지 7로 제어하는 것이 바람직하다. Al/N의 비가 1.4 미만일 경우 충분한 AlN 석출물이 생성될 수 없고, 7을 초과할 경우에는, 조대한 AlN 석출물이 형성되어 오히려 충격인성이 열위해질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al/N의 비를 1.4 내지 7로 제한한다.
[관계식 3] 0.8 ≤ [Si]/[C] ≤ 2.0 (강도)
관계식 3은 강도와 관련된 수식이다. Si 및 C은 고용강화 효과가 큰 원소들이다. 이러한 Si/C의 비가 0.8 미만일 경우 본 발명에서 목표로 하는 강도의 확보가 어렵고, 2.0을 초과하는 경우에는 가공경화가 너무 높아져서 냉간 가공성 및 충격인성이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Si/C의 비를 0.8 내지 2.0으로 제한한다.
[관계식 4] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3 (냉간가공성)
Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함량(at%)을 의미한다.
관계식 4는 냉간가공성과 관련된 수식으로, 펄라이트 중의 Mn분배비를 나타낸다. 펄라이트 중의 Mn분배비는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%)을 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%)으로 나눈 값이다. 본 발명에서는 펄라이트 중의 Mn분배비를 0 내지 3로 제한한다. 발명자들은 수많은 실험을 통해 펄라이트 중의 Mn분배비가 3이하를 만족할 경우, 냉간가공성이 향상되는 것을 확인하고 본 발명을 제안하기에 이르렀다. Mn은 펄라이트 중에서 시멘타이트에 편석하는 경향이 강한 원소이므로 통상적인 펄라이트는 Mn분배비가 5이상이다. 이러한 Mn분배비를 3이하로 제어하기 위해서는 Mn이 펄라이트 중의 시멘타이트로 확산되는 것을 억제하여야 한다. 펄라이트 중의 Mn분배비는 후술할 본 발명에 따른 온도 구간별로 냉각속도를 다르게 적용하는 권취후 냉각공정에 의해 달성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 중탄소 비조질 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 일 실시 예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계; 재가열된 강편을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 선재를 권취후 냉각하는 단계를 포함한다.
또한, 강편은 Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하를 더 포함할 수 있다.
또한, 강편은 Cr: 0.3% 이하를 더 포함할 수 있다.
이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 전술한 성분계를 만족하는 블룸(Bloom)을 가열한 후, 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻는다.
재가열 단계
재가열 단계는 압연된 빌렛을 재가열하는 단계로, 성분계 중 Al, Nb 및 V 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 탄질화물을 모재 내에 미고용된 상태로 유지시키고 오스테나이트 입도의 성장을 억제하기 위한 단계이다.
이때, 재가열은 950 내지 1,150℃의 온도에서 수행될 수 있다. 강편 재가열 온도가 950℃ 미만일 경우에는 결정립이 너무 미세화되어 열간압연 저항성이 증가할 수 있고, 반면 1,150℃를 초과하는 경우에는 Al, Nb 및 V 또는 이들의 조합에 의해 형성되는 탄질화물들이 완전히 재고용되고 오스테나이트 조직이 과도하게 성장하여 연성이 저하될 수 있다.
선재 압연 단계
선재 압연 단계에서는 재가열된 강편을 열간압연하여 선재로 제조한다.
이때, 열간압연의 마무리 압연온도는 750 내지 850℃일 수 있다. 마무리 압연온도가 750℃ 미만일 경우 결정립 미세화에 의한 강도 상승으로 변형 저항이 증가할 수 있고 850℃를 초과하는 경우에는 결정립이 조대해져 본 발명에서 목표로 하는 고인성을 확보하기 어려울 수 있다.
권취 및 냉각 단계
권취 및 냉각 단계에서는 마무리 압연된 선재를 권취한 후 냉각하여 본 발명에 따른 중탄소 비조질 선재를 얻는 단계로, 전술한 펄라이트 중 시멘타이트와 페라이트 내에 포함된 Mn분배비 제어를 위한 공정이다. 펄라이트 중 시멘타이트의 Mn분배비를 3이하로 제어하기 위해서는 냉각 공정시 Mn의 확산을 최대한 억제해야 한다. Mn의 시멘타이트로의 확산을 최대한 억제하기 위해서는 온도 구간별로 냉각 속도를 다르게 적용하는 것이 유효하다.
제1 냉각 단계(CR1) : 마무리 압연온도 ~ 권취온도
제1 냉각 단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 제1 냉각 단계의 온도 구간은 Mn의 확산이 매우 빠르게 일어나는 영역으로 5℃/s 미만의 냉각 속도에서는 Mn의 확산에 의해 Mn분배비가 3을 초과할 가능성이 크고, 100℃/s 초과하는 냉각 속도는 상업적으로 적용하기 어려운 한계가 있다. 따라서, 제1 냉각단계는 5 내지 100℃/s 의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제2 냉각 단계(CR2) : 권취온도 ~ 700℃
제2 냉각 단계는 제1 냉각 공정 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 2℃/s 미만의 냉각 속도에서는 Mn의 확산에 의해 Mn분배비가 3을 초과할 수 있고, 5℃/s를 초과하는 냉각 속도에서는 냉각 불균일에 의해 혼립 등의 재질 불균일이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 냉각 단계는 2 내지 5℃/s의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제3 냉각 구간(CR3) : 700 ~ 450℃
제3 냉각 단계는 제2 냉각 공정 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 수행될 수 있다. 0.1℃/s 미만의 냉각 속도에서는 펄라이트 라멜라 간격이 조대해져 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보하는 것이 어렵고, 2℃/s 초과의 냉각 속도에서는 냉각 중에 베이나이트(Bainite) 저온조직이 생성될 수 있다. 따라서, 제3 냉각 단계는 0.1 내지 2℃/s의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시 예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시 예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시 예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시 예
하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 블룸(bloom)을 1,200℃에서 4시간 동안 가열한 후, 1,100℃의 마무리 압연 온도로 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻었다. 이후, 빌렛을 1,100℃에서 90분 동안 가열한 후, 마무리 압연온도 800℃에서 Ψ 25mm 롤을 이용하여 열간압연하여 선재를 제조하였다. 이어서, CR1-CR2-CR3의 온도 구간별 3단계 냉각 공정을 적용하여 발명강 1 내지 5, 비교강 1 내지 5의 선재 시편를 제조하였다. 이후, 냉각된 선재 시편의 미세조직, 인장강도 및 충격인성을 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
여기서, 상온 인장강도는 25℃에서 비조질강 시편의 중심부에서 채취하여 측정하였으며, 상온 충격인성은 25℃에서 U노치(U-notch 규격 샘플 기준, 10x10x55mm)를 갖는 시편을 샤르피 충격 시험을 행하여 얻은 샤르피 충격 에너지 값으로 평가하였다.
강종 합금 조성(중량%) 관계식 비고
C Si Mn P S Cr Al Nb V N Mn/S
(①)		 Al/N
(②)		 Si/C
(③)
발명강1 0.32 0.63 1.32 0.012 0.024 - 0.018 - 0.110 0.0095 55 1.89 1.97 발명예1
발명강2 0.37 0.72 0.87 0.010 0.026 0.14 0.026 0.010 0.062 0.0102 33.5 2.55 1.95 발명예2
발명강3 0.40 0.68 0.78 0.009 0.032 - 0.033 - - 0.0113 24.4 2.92 1.70 발명예3
발명강4 0.43 0.61 1.02 0.011 0.022 0.11 0.038 - - 0.0106 46.4 3.58 1.42 발명예4
발명강5 0.48 0.57 0.63 0.010 0.034 0.06 0.045 - 0.054 0.0098 26.3 4.59 1.19 발명예5
비교강1 0.30 0.33 1.32 0.011 0.005 - 0.025 0.015 - 0.0031 264.0 8.06 1.10 비교예1
비교강2 0.36 0.38 1.24 0.012 0.011 0.11 0.035 - 0.078 0.0051 112.7 6.86 1.06 비교예2
비교강3 0.41 0.32 1.15 0.009 0.026 - 0.041 - - 0.0043 44.2 9.53 0.78 비교예3
비교강4 0.47 0.20 1.02 0.010 0.047 0.25 0.036 0.006 0.043 0.0050 21.7 7.20 0.43 비교예4
비교강5 0.52 0.24 0.96 0.009 0.035 - 0.024 - - 0.0049 27.4 4.90 0.46 비교예5
여기서, ① 1.4 ≤ Al/N ≤ 7, ② 20 ≤ Mn/S ≤ 70, ③ 0.8 ≤ Si/C ≤ 2.0
상기 [C], [Si], [Mn], [S], [Al] 및 [N] 각각은 해당 원소의 함량(중량%)을 의미함
강종 냉각속도(℃/s) Mn분배비
(④)		 Pealite
분율
(%)		 Pealite
라멜라
간격
(㎛)		 선재
TS
(MPa)		 선재
충격인성
(J)		 비고
CR1 CR2 CR3
발명강1 5.7 2.9 0.5 2.6 56 0.14 777 123 발명예1
발명강2 20.1 4.8 1.2 0.7 64 0.26 749 129 발명예2
발명강3 10.3 4.2 0.9 1.0 67 0.23 726 121 발명예3
발명강4 7.5 3.7 1.5 1.7 70 0.2 755 106 발명예4
발명강5 6.8 3.5 1.8 1.9 74 0.18 803 93 발명예5
비교강1 5.4 4.9 0.6 2.9 61 0.25 724 71 비교예1
비교강2 5.1 1.8 2.7 3.4 72 0.29 768 60 비교예2
비교강3 4.1 3.6 1.3 4.1 74 0.24 752 64 비교예3
비교강4 2.3 1.2 0.8 5.7 80 0.36 793 56 비교예4
비교강5 3.5 1.7 2.4 4.5 84 0.32 789 51 비교예5
여기서, ④ 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
* Mnc : 펄라이트중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%), Mnf : 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%)
표2에서 알 수 있듯이, 본 발명의 합금조성 및 제조조건을 만족하는 발명강 1 내지 5의 경우, 726 MPa 이상의 선재 인장강도와 93J 이상의 선재 충격인성을 확보할 수 있고, 특히 비교강에 비해 충격인성이 우수함을 확인할 수 있었다.반면, 관계식 1 내지 3 중 적어도 하나 이상을 만족하지 않는 비교강 1 내지 5의 경우, 선재 인장강도는 확보하였으나, 선재 충격인성이 발명강에 비해 열위함을 확인할 수 있었다.
이어서, 표1 및 2의 합금조성 및 제조조건을 만족하는 선재 시편을 10 내지 30%의 가공율로 신선가공한 후 단선 유무, 상온 인장강도 및 상온 충격인성을 측정하여 그 결과를 하기 표 3에 함께 나타내었다. 냉간가공성은 신선가공 중에 단선이 발생되지 않은 경우는 ○, 단선이 1회 이상 발생된 경우는 X로 표기하여 나타내었다.
시편
No.		 10%
신선가공		 20%
신선가공		 30%
신선가공
인장
강도
(MPa)		 충격
인성
(J)		 냉간
가공성		 인장
강도
(MPa)		 충격
인성
(J)		 냉간
가공성		 인장
강도
(MPa)		 충격
인성
(J)		 냉간
가공성
발명강1 875 102 ○ 933 93 ○ 987 98 ○
발명강2 841 106 ○ 904 95 ○ 961 94 ○
발명강3 826 98 ○ 875 89 ○ 935 83 ○
발명강4 843 87 ○ 899 76 ○ 954 72 ○
발명강5 907 71 ○ 962 62 ○ 1014 55 ○
비교강1 825 50 ○ 866 38 ○ 912 31 ○
비교강2 857 41 ○ 909 32 ○ 963 23 ○
비교강3 844 43 ○ 895 34 ○ 942 24 ○
비교강4 892 34 ○ 940 25 ○ 985 17 X
비교강5 886 29 ○ 931 20 X 977 14 X
표 3에서 알 수 있듯이, 본 발명에서 제안하는 합금조성 및 제조조건을 만족하는 발명강 1 내지 5의 경우, 10, 20% 및 30%의 가공율로 신선 가공시 826MPa 이상의 인장강도, 55J 이상의 충격인성 및 냉간가공성을 만족함을 확인할 수 있었다.발명예1 내지 5는 관계식 1 내지 3의 조건을 모두 만족할 뿐만 아니라, 선재상태의 미세조직이 페라이트 및 펄라이트로 구성되고, 펄라이트 라멜라간격 및 펄라이트내 Mn분배비가 본 발명에서 제안하는 조건을 모두 만족하여 신선가공 후 충격인성이 우수하고, 내부에 크랙이 발생되지 않음을 확인할 수 있었다.
반면, 본 발명에서 제안하는 조건을 적어도 하나 이상 만족하지 않는 비교강 1 내지 5의 경우, 신선재의 인장강도는 확보하였으나, 절삭성 및 충격인성이 열위하고, 신선가공 후 내부에 크랙이 발생되어 냉간가공성도 열위함을 확인할 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시 예들을 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 (9)

  1. 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하며,
    하기 관계식 1, 관계식2 및 관계식 4를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재.
    [관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
    [관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
    [관계식 4] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
    (상기 관계식 4에서, Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%)을 의미한다)
  2. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식3을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재.
    [관계식 3] 0.8 ≤ Si/C ≤ 2.0
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 펄라이트의 평균 라멜라 간격은,
    0.03 내지 0.3㎛인 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재.
  4. 제1항에 있어서,
    Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재.
  5. 제 1항에 있어서,
    Cr: 0.3% 이하를 더 포함하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재.
  6. 삭제
  7. 중량%로, C: 0.28 내지 0.5%, Si: 0.55 내지 1.0%, Mn: 0.4 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.015 내지 0.05%, sol.Al: 0.01 내지 0.07%, N: 0.007% 내지 0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강편을 750 내지 850℃에서 마무리 압연하여 선재를 제조하는 단계; 및
    상기 선재를 권취후 냉각하는 단계;를 포함하고,
    상기 권취후 냉각단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제1 냉각단계;
    상기 제1 냉각 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제2 냉각단계; 및
    상기 제2 냉각 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 냉각하는 제3 냉각단계;를 포함하고 하기 관계식 1 내지 관계식 3을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
    [관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
    [관계식 3] 0.8 ≤ Si/C ≤ 2.0
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 강편은,
    Nb: 0.1% 이하, V: 0.2% 이하 중 1종 이상을 더 포함하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 강편은,
    Cr: 0.3% 이하를 더 포함하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 중탄소 비조질 선재의 제조방법.
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