KR19990050916A - 냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.3-0.6%, Si:1.0-2.0%, Mn:0.1-0.8%, P:0.03%이하, S:0.05%이하, V:0.1%이하, W:0.2-2.0%, B:0.0005-0.005%, N:0.001-0.01%를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 질화물들이 재고용되는 온도이상의 온도에서 가열한 후 열간압연을 실시하고, 이후 10%이상의 가공량으로 냉간가공한 후 650-750℃의 온도영역에서 최대 15시간동안 유지하여 강재를 연화시킨 후 냉간압조가공하는 것을 특징으로 하는 냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법에 관한 것으로, 강조성을 제어하는 한편 냉간가공을 적절히 수행한 후 흑연화열처리를 실시함으로써 강재를 효과적으로 연화시킬 수 있어 뒤따르는 냉간압조공정에서의 가공성이 우수하고 다이스의 수명을 연장시키며 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Description

냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법

본 발명은 냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기계의 부품체결에 사용되는 볼트 및 너트의 제작에 사용하는 강재를 제조함에 있어서 강재를 연화열처리하여 페라이트기지조직에 괴상의 흑연을 만들어줌으로써 연화정도를 개선시킨 후 냉간압조가공하여 냉간압조공정에서 우수한 가공특성을 나타내도록 하는 냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 산업기계 등에서 부품을 체결하기 위하여 사용하는 냉간압조부품인 볼트 및 너트는 하기 표에 나타낸 성분을 가진 중탄소강 선재를 소재로 하여 제조하며, 그 제조공정은 도 1에 도시한 바와 같다.

C	Si	Mn	P	S
0.42-0.48	0.15-0.35	0.60-0.90	0.030이하	0.030이하

종래강은 선재로 열간압연한 상태에서의 인장강도가 약 85kg/mm²정도이므로 강도가 높아 냉간에서 압조가공하기가 어렵기 때문에 강의 강도를 낮추기 위하여 통상 구상화열처리를 실시한다.

구상화열처리는 통상 Ac1변태온도이상인 약 750℃의 온도에서 일정시간을 유지한 후 Ac1변태온도이하인 약 660℃까지 서서히 냉각하고 이 온도에서 일정시간을 유지한 후 다시 냉각한다.

이러한 구상화열처리에 소요되는 시간은 약 15,020시간이며, 상기와 같은 방법으로 구상화열처리를 실시하면 소재의 인장강도가 55kg/mm²내외로 떨어지게 된다.

소재가 이처럼 연화되는 이유는 열처리전에는 페라이트(ferrite)+펄라이트(pearlite)로 이루어져 있던 미세조직의 구성이 냉간압조가공전 구상열처리에 의하여 페라이트(ferrite)기지조직에 구상시멘타이트(cementite)가 만들어져 페라이트(ferrite)+구상시멘타이트(cementite)로 변화되기 때문이다.

연화처리된 소재는 냉간압조공정으로 이송되어 볼트, 너트의 형태로 냉간압조된다. 냉간압조공정이란 특정형태의 다이스(dies)속에 소재를 삽입한 후 타격을 가하여 특정형상을 만드는 공정을 말한다.

냉간압조공정에서 특정형상을 만들기 위해서는 변형이 된 부위에 균열이 발생하지 않아야 하며 소재의 변형저항이 크지 않아야 한다.

상기와 같은 종래의 구상화열처리방법으로는 강재의 강도가 충분히 낮아지지 않아 냉간에서 압조가공하기가 곤란하고 냉간압조시 다이스의 수명이 단축되며 냉간조가공을 마친 제품표면에 균열이 발생하여 제품의 불량율이 높아지는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 종래재의 경우 냉간압조가공전 미세조직을 페라이트(ferrite)기지조직에 구상시멘타이트(cementite)를 만들어 주어 강을 연화시킨데 반하여 페라이트기지조직에 괴상의 흑연을 만들어줌으로써 연화정도를 더욱 개선시킴으로써 뒤따르는 냉간압조공정에서 우수한 가공특성을 나타내는 볼트, 너트용 소재의 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 냉간압조부품의 제조공정도,

도 2는 발명강과 비교강의 열처리상태에서의 경도값을 도시한 그래프,

도 3a는 발명강의 열처리상태에서의 미세조직을 나타낸 도면,

도 3b는 비교강의 열처리상태에서의 미세조직을 나타낸 도면,

도 4는 발명강과 비교강의 소입경도를 도시한 그래프.

본 발명은 중량%로 C:0.3-0.6%, Si:1.0-2.0%, Mn:0.1-0.8%, P:0.03%이하, S:0.05%이하, V:0.1%이하, W:0.2-2.0%, B:0.0005-0.005%, N:0.001-0.01%를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 질화물들이 재고용되는 온도이상의 온도에서 가열한 후 열간압연을 실시하고, 10% 이상의 가공량으로 냉간가공한 후 650-750℃의 온도영역에서 최대 15시간동안 유지하여 강재를 연화시킨 후 냉간압조가공하여 체결용 볼트, 너트를 만드는 냉간압조용 소재의 제조방법에 관한 것이다.

이하 본 발명에 있어서 첨가원소의 성분범위, 압연조건, 냉간가공조건 및 연화열처리조건을 한정하는 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C)는 첨가량이 너무 적으면 흑연화열처리시 흑연이 생성되지 않아 소재를 효과적으로 연화시킬 수 없고 첨가량이 많으면 소입소려처리후 강도가 필요이상으로 높아지게 되므로, 그 첨가량을 0.3-0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 연화열처리시 시멘타이트조직이 흑연으로 분해되는 것을 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 이러한 기능을 효과적으로 발휘하기 위해서는 1.0%이상 첨가되어야 하나 첨가량이 많아지면 열처리과정에서 표면의 탈탄을 조장하므로 그 첨가량을 1.0-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 강의 탈산에 필요하며 소입성을 개선시키는데 필요한 원소이다. 그러나 망간은 연화열처리시 시멘타이트가 흑연으로 분해되는 것을 억제하는 원소이기도 하므로 그 첨가량을 0.8%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

인(P)은 열처리시 흑연화를 저해할 뿐아니라 소입소려시 균열의 발생을 조장하는 원소이므로, 그 첨가량을 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 강중에서 망간과 결합함으로써 망간황화물(MnS)을 형성하여 강의 피식성을 개선시키는 원소이다. 그러나 망간황화물은 흑연입자를 조대하게 만들어 소입소려처리시 충분한 소입강도를 확보하기가 곤란하게 되므로, 황은 그 첨가량을 0.05%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 강중에서 질소와 결합하여 질화바나듐(VN)을 형성하고, 이 질화바나듐은 열처리시 흑연입자의 핵생성자리역할을 하여 흑연화를 효과적으로 촉진시킨다. 따라서 바나듐을 일정량이상 첨가하게 되면 흑연화를 촉진시킴으로써 연화소둔시간을 효과적으로 줄일 수 있다.

그러나 바나듐은 고가이며 강중에서 탄소와 결합함으로써 탄화바나듐(VC)을 형성하여 강의 강도를 과도하게 증가시킬 수 있으므로 그 첨가량을 0.1%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

텅스텐(W)은 강의 소입성향상에 효과적으로 기여하면서도 몰리브덴(Mo), 크롬(Cr), 망간(Mn) 등과 같은 소입성향상원소와 비교할 때 흑연화억제효과가 가장 적은 원소이다. 따라서 텅스텐은 흑연화를 거의 해치지 않으면서도 강의 소입성향상에 기여하는 효과가 매우 크다.

텅스텐은 첨가량을 0.2%이하로 하면 강의 소입성향상효과가 거의 없고 첨가량이 2.0%이상이 되면 효과가 포화되므로 그 첨가량을 0.2-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

붕소(B)는 강중에서 질소와 반응하여 질화붕소(BN)를 형성한다. 이 질화붕소는 열처리시 흑연입자의 핵생성자리역할을 하므로 흑연화를 촉진시키고, 또한 소입소려열처리시 강의 소입성을 향상시키는 역할을 한다.

붕소의 첨가량이 0.0005%이하이면 흑연화촉진 및 강의 소입성향상효과가 적고 0.005%이상이면 효과가 포화되므로, 그 첨가량을 0.0005-0.005%로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 붕소, 바나듐과 결합하여 질화물을 형성하며 이것이 흑연화핵생성자리역할을 함으로써 흑연화를 촉진시킨다. 질소의 첨가량이 0.001%이하이면 효과가 적고, 0.01%이상이면 효과가 포화되므로 그 첨가량을 0.001-0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성을 가진 강을 강편으로 제조한 후 950-1250℃범위의 온도에서 재가열한 후 선재압연을 실시한다.

재가열온도가 950℃이하가 되면 강중에 존재하고 있는 질화물들이 충분히 재고용되지 않아 압연 및 냉각과정에서 흑연의 핵생성자리가 될 수 있는 미세한 질화물들이 충분히 생성될 수 없게 되고, 가열온도가 1250℃이상이 되면 탈탄이 심하게 발생하여 최종제품의 재질특성을 심하게 떨어뜨리게 된다. 따라서 재가열의 온도범위는 950-1250℃로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조건으로 열간압연한 강재는 냉간압연 및 신선 등의 방법으로 냉간가공을 실시한다.

냉간가공시 가공량은 10%이상으로 한다. 냉간가공을 10%미만의 작은 가공도로 실시하면 내부에너지가 충분히 축적되지 않고 시멘타이트의 분절이 충분히 일어나지 않아 흑연화진행속도가 지나치게 느려지게 되는 문제점이 있어 산업적으로 이용하기 곤란하다.

냉간가공을 마친 강재는 다시 650-750℃로 가열하여 최대 15시간동안 유지한다.

가열온도가 650℃이하이면 시멘타이트가 흑연으로 분해되기 어렵고 강중에서의 탄소확산속도가 느려져서 흑연화 및 구상화가 늦어지므로 공업적으로 이용하기가 어렵고, 가열온도가 750℃이상이면 Ac1변태온도이상이 되어 시멘타이트가 분해된 후 흑연입자가 뭉쳐지지 않고 오스테나이트내로 재고용되어 버리는 문제점이 발생하므로 가열온도는 650-750℃로 제한하는 것이 바람직하다.

흑연화 및 구상화가 진행되기 위해서는 시멘타이트의 분해 및 탄소의 확산공정이 필요하며, 이 공정이 이루어지기 위해서는 강재를 상기 온도에서 최대 15시간 유지할 필요가 있다.

유지시간이 15시간 이상이 되면 흑연입자가 조대해져서 뒤따르는 소입공정에서 흑연입자가 미고용되므로 충분한 경도를 얻기 힘들며 장시간 열처리에 따른 원가부담도 커지므로 유지시간을 15시간 이내로 한정하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 방법으로 재질을 연화시킨 강재는 용도에 맞게 다양한 형태로 냉간압조하여 제품을 만든 후 소입소려열처리를 하여 강인화시켜 사용한다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표와 같은 조성을 갖는 발명강과 비교강을 소형강괴(160mm×160mm×250mm)로 제작하여 1200℃에서 2시간동안 가열한 후 열간에서 압연하여 두께 32mm의 강판으로 제작하였다.

	C	Si	Mn	P	S	Al	W	V	B	N
발명재	0.52	1.25	0.29	0.001	0.003	-	0.50	0.030	0.0014	0.0028
비교재	0.48	0.19	0.76	0.007	0.008	0.03	0.03	-	-	0.0031

열간압연하여 제작한 후 발명재의 강판에 대해서는 흑연화열처리를 실시하고 비교재의 강판에 대해서는 구상화열처리를 실시하였다.

열처리를 한 발명재 및 비교재의 강판은 냉간압연기를 이용하여 50%의 압하율로 냉간압연을 실시하고, 다시 700℃로 가열하여 이 온도에서 10시간동안 유지하였다.

흑연화열처리를 마친 발명강과 구상화열처리를 마친 비교강의 경도는 도 2에 나타낸 바와 같다.

도 2의 그래프에서 비교강의 경도가 128.5Hv인데 비하여 발명강의 경도는 117.9Hv로서, 흑연화열처리를 한 발명강의 경도가 구상화열처리를 한 비교강과 대비하여 상당히 낮다는 것을 알 수 있다.

도 3a와 도 3b는 발명강과 비교강의 미세조직을 도시한 것이다. 구상화열처리를 한 비교강인 구상화강이 페라이트기지조직에 구상시멘타이트가 분포되어 있는 조직을 가짐에 반하여 발명강은 페라이트기지조직에 괴상의 흑연입자가 분포되어 있는 조직을 가지고 있다.

압축시험기를 이용하여 발명강과 비교강의 냉간압조특성을 평가하고 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	발명강	비교강
변형저항(kg/mm2)	60.6	70.0
한계압조율(%)	53.8	48.8

상기 표 1의 결과에서 발명강의 변형저항값이 비교강에 비해 낮음을 알 수 있다. 이러한 결과에 비추어 볼 때 본 발명강은 비교강과 비교하여 냉간압조가공하기가 용이하며, 가공의 용이성으로 인하여 다이스의 수명이 연장되고 생산성이 향상될 수 있음을 알 수 있다.

또한 균열발생전까지의 총압하율을 나타내는 한계압조율이 비교강과 대비할 때 본 발명강의 경우가 우수하므로, 본 발명강은 가공량이 많고 형상이 복잡한 볼트의 제작에 매우 유리하다.

도 4는 발명강과 비교강을 오스테나이트영역으로 재가열한 후 담금질용 오일에 급냉시킨 시편의 경도를 측정한 결과를 도시한 것이다. 도 4의 결과에서 발명강과 비교강의 경도차이가 거의 없음을 알 수 있다.

이는 재가열과정에서 흑연입자가 거의 대부분 오스테나이트내로 재고용되었고 오일냉각시 소입성을 증가시키는 텅스텐이 작용을 하여 전체 미세조직을 충분히 마르텐사이트화시켰기 때문이다.

상기와 같은 본 발명은 강중에 규소, 텅스텐 등을 적절히 첨가하여 강조성을 제어하는 한편 냉간가공을 적절히 수행한 후 흑연화열처리를 실시함으로써 강재를 효과적으로 연화시킬 수 있어 냉간압조공정에서 가공성이 우수하고 다이스의 수명을 연장시키며 생산성의 향상을 기할 수 있는 효과가 있다.

그리고 기존제품과 동일한 조건으로 소입소려처리함으로써 최종제품상태에서 요구되는 기계적 성질을 용이하게 확보할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.3-0.6%, Si:1.0-2.0%, Mn:0.1-0.8%, P:0.03%이하, S:0.05%이하, V:0.1%이하, W:0.2-2.0%, B:0.0005-0.005%, N:0.001-0.01%를 함유하고 잔부는 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 질화물들이 재고용되는 온도이상의 온도에서 가열한 후 열간압연을 실시하고, 이후 10%이상의 가공량으로 냉간가공한 후 650-750℃의 온도영역에서 최대 15시간동안 유지하여 강재를 연화시킨 후 냉간압조가공하는 것을 특징으로 하는 냉간압조성이 우수한 흑연화강의 제조방법.