KR19980044919A - 중탄소강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계구조용, 볼트 너트 등으로 사용하는 열간 또는 냉각단조용 중탄소강(중량비로 탄소 : 0.34~0.55%, 규소 : 0.1~1.0%, 망간 : 0.3~1.5%, 전부 : 철 및 불가피한 불순물)선재의 제조방법에 관한 것으로, 볼트, 너트 등의 체결부품을 위한 열간 또는 냉간단조를 하기전에 구상화열처리를 하는 중탄소강(중량비로 탄소 : 0.35~0.55%, 규소 : 0.1~1.0%, 망간 : 0.3~1.5%, 잔부 : 철 및 불가피한 불순물)선재에 있어서, 빌렛을 열간압연한 후 권취온도 850℃~1050℃의 조절에 의한 오스테나이트 입도제어와, 냉각속도 5℃/sec~20℃/sec 제어에 의해서 미세조직의 85~95%의 퍼얼라이트로 이루어지도록 한 것이다.

Description

중탄소강 선재의 제조방법

본 발명은 기계구조용, 볼트 너트 등으로 사용하는 열간 또는 냉각단조용 중탄소강(중량비로 탄소 : 0.34~0.55%, 규소 : 0.1~1.0%, 망간 : 0.3~1.5%, 전부 : 철 및 불가피한 불순물)선재의 제조방법에 관한 것으로, 상기의 성분을 함유하는 중탄소강 빌렛을 열간압연한 후, 85~95%의 퍼얼라이트 조직이 되도록 오스테나이트 입도와 냉각속도를 제어함으로써, 후공정에서의 구상화열처리시 통상의 방법으로 제조된 중탄소강 선재에 비해서 현저히 균일한 구상화 조직을 얻을 수 있는 중탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 중탄소강 선재는 담금질과 뜨임처리를 행함으로써 적절한 강도와 인성을 얻을 수 있어서, 기계구조용, 볼트, 너트 등의 소재로 널리 이용되고 있다.

선재로부터 상기의 제품을 만들기 위해서는 열간 또는 냉간상태에서 단조가공하여 최종형상을 얻은 다음 담금질과 뜨임처리에 의해서 적절한 강도와 인성을 부여한다.

이때 단조가공은 국부적으로 심한 변형을 받기 때문에 충분한 연성이 확보되어야 하는데, 페라이트와 퍼얼라이트로 구성된 선재의 강도는 높은 반면 연성이 나쁘기 때문에 단조가공 전에 충분한 단조가공성을 확보하기 위한 열처리를 행하며 이를 구상화열처리라 한다.

구상화 열처리를 하는 방법은 합금성분 및 적용되는 단조가공 정도에 따라 몇가지 방법에 알려져 있으나, 일반적으로 소재를 A₁변태점 직상 또는 직하에서 소정의 시간 동안 가열함으로써 퍼얼라이트 내의 판상 세멘타이트를 구상세멘타이트로 변화시키는 방법이 중탄소강 선재에 널리 적용되고 있다.

판상의 세멘타이트가 구상의 세멘타이트로 변화하는 것은 세멘타이트와 페라이트의 경계면적을 줄이려는 열력학법칙에 따르는 현상이며, 이때 그 구상화 속도는 세멘타이트 판의 두께가 얇을 수록 빨라지는 것은 잘 알려져 있다.

이와 같이 구상화처리된 소재는 판상의 세멘타이트로 이루어진 소재에 비해서 현저히 낮은 강도와 높은 연성을 나타내며, 우수한 단조가공성을 갖는다.

보다 우수한 단조가공성을 확보하기 위해서는 구상화된 세멘타이트들이 소재내에 균일하게 분포하여야 함은 잘 알려진 사실이다.

일반적으로 경한 세멘타이트와 연한 페라이트로 구성된 소재가 변형을 받으면 페라이트에서 먼저 변형이 일어난 후 세멘타이트와 페라이트의 경계에 변형이 집중되어 균열을 발생하는 것으로 알려져 있다.

따라서 경한 세멘타이트가 연한 페라이트 내에 균일하게 분포하고 있으면 변형의 집중을 최소화하며 결국 많은 가공을 부여할 수 있게 됨으로써 우수한 단조가공성을 확인하게 된다.

한편, 중탄소강 선재는 소입성이 크지 않아서 유냉보다 느린 속도로 냉각하는 경우에 페라이트와 퍼얼라이트로 이루어진 미세조직을 갖는데, 두 조직 간의 상대적인 분율을 탄소의 함량, 오스테나이트 입도 및 선재압연 후 냉각속도에 따라서 변하게 된다.

또한 페라이트와 퍼얼라이트로 이루어진 강의 강도는 두 조직간의 상대적인 분율에 의해서 결정된다. 즉 탄소함량이 증가할 수록 또는 오스테나이트 입도가 증가할 수록 또는 냉각속도가 증가할수록 퍼얼라이트의 양이 증가하게 되며 강도도 증가하게 된다.

구상화 열처리를 하기 위한 중탄소강 선재는 가능하면 서서히 냉각하여 페라이트의 양이 많은 미세조직을 갖도록 하고 있다.

이는 동일한 화학조성을 갖는 강의 경우에서 서냉에 의해서 퍼얼라이트의 양을 줄이면 동시에 강도로 감소하여 결국 구상화 열처리 후의 강도도 낮을 것이라는 통상적인 개념에 그 근거를 두고 있다.

그러나 페라이트가 많은 미세조직을 갖는 강은 구상화 열처리 후 구상의 세멘타이트가 원래의 퍼얼라이트 영역에만 집중적으로 존재하기 때문에 구상화 열처리 후의 미세조직은 매우 불균일해져 이후의 열간 냉간단조 가공시 균열이 발생할 가능성을 크게 내포하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 감안하여 이를 해소하고자 발명한 것으로, 페라이트와 퍼얼라이트로 이루어진 중탄소강 선재에 있어서 오스테나이트의 입도와 냉각속도를 적정범위로 하면 페라이트가 거의 없는 퍼얼라이트 만으로 구성된 미세조직을 얻을 수 있다는 점과 이렇게 하여 얻어진 퍼얼라이트 내의 판상 세멘타이트는 그 두께가 매우 얇아서 구상화 열처리시 쉽게 구상화될 수 있다는 점에 착안하여, 중탄소강 선재를 열간압연한 후 냉각과정에서 구상화 속도를 증대시키고, 균일구상화 조직을 얻기 위한 방법에 대해서 연구한 결과 상기의 합금성분을 함유한 빌렛을 열간압연한 후 권취온도의 조절에 의한 오스테나이트 입도조절과 송풍냉각에 의해서 빠른 구상화 속도와 균일구상화를 위한 최적의 미세조직을 얻을 수 있는 오스테나이트 입도 제어와 제어냉각 방법을 발명하여 이를 근거로 본 발명의 중탄소강 선재의 제조방법을 제공함에 그 목적과 특징이 있는 것이다.

도 1 (가)(나)는 중탄소강의 제조방법을 달리하여 제조한 선재를 주사전자 현미경으로 관찰한 조직 사진

도 2는 선재로부터 구상화 열처리까지의 가공공정도

도 3은 구상화 열처리 시간에 따른 온도 변동을 나타낸 그래프

도 4(가)(나)는 중탄소강의 제조방법을 달리하여 선재를 제조한 후 구상화 열처리 조직을 주사전자 현미경으로 관찰한 조직 사진.

본 발명은 볼트, 너트 등의 체결부품을 위한 열간 또는 냉간단조를 하기전에 구상화열처리를 하는 중탄소강(중량비로 탄소 : 0.35~0.55%, 규소 : 0.1~1.0%, 망간 : 0.3~1.5%, 잔부 : 철 및 불가피한 불순물)선재에 있어서, 빌렛을 열간압연한 후 권취온도 850℃~1050℃의 조절에 의한 오스테나이트 입도제어와, 냉각속도 5℃/sec~20℃/sec 제어에 의해서 미세조직의 85~95%의 퍼얼라이트로 이루어지도록 한 것이다.

이하, 본 발명은 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 페라이트가 10% 이상이 되면 균일구상화가 불가능할 뿐만 아니라 세멘타이트 판의 두께가 두꺼워져 구상화속도가 크게 감소함으로 페라이트 분율이 10% 이하가 되도록 해야 한다.

권취온도는 중탄소강 선재에서 오스테나이트의 입도를 제어하여 퍼얼라이트와 페라이트의 상대적인 양을 조절하는 수단으로써 그 온도가 850℃ 이하가 되면 냉각 속도의 제어에 의해서 90% 이상의 퍼얼라이트로 된 미세조직을 얻는 것이 불가능하다.

그리고 그 온도가 1050℃ 보다 높게 되면 오스테나이트 입도가 너무 커져서 뜨임 마르텐사이트의 인성이 감소하므로 1050℃ 이하로 제한한다.

냉각속도는 중탄소강 선재에 있어서 퍼얼라이트와 페라이트의 상대적인 양을 제어하는 직접적인 수단으로써 5℃/sec 이하의 냉각속도에서는 85~95% 의 퍼얼라이트로 된 미세조직을 얻는 것이 불가능하다. 반면 냉각속도가 20℃/sec 보다 크게 되면 마르텐사이트 조직이 발생하며, 이 경우에 직선화 과정에서의 단선 유발 가능성 및 구상화열처리 후 재생 퍼얼라이트 생성의 우려가 있으므로 20℃/sec 이하로 제한한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

본 발명의 경우, 중량%로 하여 하기 표 1과 같이 조성되는 중탄소강 선재를 연속주조에 의해서 가로 및 세로가 각각 160㎜, 길이가 약 10m인 빌렛으로 제조하고, 1100℃이상의 온도에서 1시간 30분 동안 가열하여 주조조직을 제거한 후에 열간상태에서 연속압연기를 이용하여 최종 직경이 5.5㎜가 되도록 열간압연 하였다.

[표 1]

이렇게 열간 압연한 소재를 연속적으로 수냉 설비를 통과시킴으로써 권취온도를 950℃로 조정하였다. 이후 강제송풍장치의 송풍량을 조정하여 조재의 냉각속도를 10℃/min으로 제어하면서 상온까지 냉각하여 선재코일을 제작하였다.

최종 미세조직이 구상화거동에 미치는 영향을 알아보기 위해서 상기 표 1의 강을 권취온도와 냉각속도를 변화시키면서 시험한 경우에 대한 선재의 최종 미세조직을 주사전자현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 1에 나타내었다.

(가) 강의 경우는 통상의 제조방법(권취온도 : 800℃, 냉각속도 : 1℃/sec)에 의해서 제조된 것으로 오스테나이트 입도가 적고 냉각속도가 느리기 때문에 40℃ 정도의 페라이트와 60% 정도의 퍼얼라이트로 이루어진 미세조직을 갖는다.

반면에 본 발명의 제조 방법으로 제조한 (나)강의 경우(권취온도 : 950℃, 냉각속도 : 10℃/sec)에는 96% 이상의 퍼얼라이트와 4% 이하의 페라이트로 구성된 미세조직을 얻었다.

이렇게 제조한 선재들을 이용하여 도 2에 나타낸 바와 같은 공정을 통해 구상화열처리를 행하였다.

여기서 신선공정은 당조가공 업체에서 최종제품의 직경을 정밀하게 맞추고, 세멘타이트의 구상화를 촉진시킬 목적으로 통상 시행되고 있는 공정이다.

도 3에 본 시험에서 행한 즉 중탄소강 선재에 널리 적용되는 구상화 열처리의 시간에 따른 온도변동을 나타내었으며, 전체 열처리 시간은 강의 화확조성 및 단조공정의 조건에 따라 유동적으로 변화시킨다.

이렇게 구상화한 (가) 강과 (나) 강의 구상화조직 형태를 주사전자 현미경으로 관찰하고 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 알 수 있듯이 퍼얼라이트 분율이 60%인 (가)강의 경우는 구상 세멘타이트가 불균일하게 존재한다.

이는 (가)강의 경우는 도 1에서 보였듯이 퍼얼라이트가 없는 페라이트에서는 세멘타이트가 없어 결과적으로 구상 세멘타이트가 형성되지 않고 퍼얼라이트가 존재하는 영역에서만 국부적으로 구상 세멘타이트가 형성하는 것에 기인한 결과이다.

이와 같은 구상 세멘타이트의 불균일성은 이후의 단조가공 동안에 불균일변형 및 변형의 이상 집중을 야기함으로써 균열발생을 초진할 우려가 있다.

반면, 본 발명에 근거하여 권취온도와 냉각속도를 제어하여 퍼얼라이트 분율이 90% 이상이 되도록 한 (나)강의 경우는 구상 세멘타이트가 매우 균일함을 알 수 있다. 따라서 상기의 합금성분을 갖는 중탄소강 선재의 미세조직 85~95%의 퍼얼라이트로 이루어지도록 권취온도와 냉각속도를 제어함으로써 매우 균일한 구상화조직을 얻을 수 있다는 사실을 알 수 있었다.

이상과 같은 본 발명은 소정의 성분을 함유하는 중탄소강 빌렛을 열간압연한 후, 85~95%의 퍼얼라이트 조직이 되도록 오스테나이트 입도와 냉각속도를 제어함으로써, 후공정에서의 구상화열처리시 통상의 방법으로 제조된 중탄소강 선재에 비해서 현저히 균일한 구상화 조직을 얻을 수 있는 중탄소강 선재를 얻을 수 있는 효과를 보았다.

Claims (1)

1. 볼트, 너트 등의 체결부품을 위한 열간 또는 냉간단조를 하기전에 구상화열처리를 하는 중탄소강(중량비로 탄소 : 0.35~0.55%, 규소 : 0.1~1.0%, 망간 : 0.3~1.5%, 잔부 : 철 및 불가피한 불순물)선재에 있어서, 빌렛을 열간압연한 후 권취온도 850℃~1050℃의 조절에 의한 오스테나이트 입도제어와, 냉각속도 5℃/sec~20℃/sec 제어에 의해서 미세조직의 85~95%의 퍼얼라이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 중탄소강 선재의 제조방법.