KR20000042531A - Method for producing bolt having high toughness - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 볼트의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 표면탈탄층이 적고 베이나이트조직을 갖도록 하여 인성이 우수한 볼트의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing bolts, and more particularly, to a method of manufacturing bolts excellent in toughness by having a small surface decarburization layer and having a bainite structure.
강구조물의 효율적인 건설을 위한 부재 체결과 자동차 부품의 경량화 및 다기능, 고성능화를 위해서는 반드시 볼트의 고강도화가 요구된다. 그러나, 볼트의 고강도화는 지연파괴저항성의 열화와 인성의 열화를 초래하기 때문에 현재 인장강도 130kg/㎟ 급 이상 사용이 불가능하여 그 사용용도 및 범위가 제한되고 있는 실정이다.High strength bolts are required for fastening members for efficient construction of steel structures, weight reduction, multifunction, and high performance of automobile parts. However, since the high strength of the bolt causes the deterioration of the delayed fracture resistance and the deterioration of the toughness, it is currently impossible to use the tensile strength of 130kg / mm 2 or more, which limits its use and range.
기존의 볼트는 대부분 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 준단상(Quasi single phase) 조직으로, 입계에 탄화물계 석출물이 분포하고 모재는 래스 마르텐사이트에 석출물들이 분포하는 것이 일반적인 특징으로 볼 수 있다. 그러나, 이 석출물이 볼트의 고강도화를 저해하는 수소(외부로부터 침입)의 트랩사이트(trapped site)로 작용하여 입계강도를 열화시켜 지연파괴저항성을 떨어뜨린다.Most existing bolts are quasi single phase structure of tempered martensite. Carbide-based precipitates are distributed at grain boundaries, and the base metal has precipitates in ras martensite. However, this precipitate acts as a trapped site of hydrogen (invading from the outside) that inhibits the high-strength of the bolt, deteriorating grain boundary strength and lowering the delay fracture resistance.
따라서, 입계석출물의 분포를 최대한으로 억제시키면서 고강도화를 추구하면서 동시에 균열전파저항성 또는 파괴저항성의 개선으로 고인성화를 달성하는 것이 바람직하다. 지연파괴저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 볼트용강을 개발할 경우 기대되어지는 이점으로는 다음과 같다.Therefore, it is desirable to achieve high toughness while suppressing the distribution of grain boundary precipitates to the maximum and to achieve high toughness by improving crack propagation resistance or fracture resistance. The followings are expected benefits when developing bolted steel with high delay fracture resistance and high strength.
강구조물 측면에서 볼트 체결은 용접 접합에 비해 숙련된 기술을 요구치 않고, 취약한 용접부를 대체하는 이점 등을 고려할 때 첫째, 볼트 체결시 체결력 강화에 따른 강구조물의 안정성을 높일 수 있으며 둘째, 볼트 체결개수의 감소에 의해 강재 사용량을 줄일 수 있다. 또한, 자동차 부품측면으로 셋째, 부품의 경량화에 기여하며 넷째, 부품 경량화에 따른 자동차 조립장치의 설계 다양화 및 컴팩트화(compact)가 가능한 이점이 있다.In the aspect of steel structure, bolt fastening does not require more skilled technique than welding joint, and considering the advantages of replacing weak welds, firstly, it is possible to increase the stability of steel structure by strengthening the fastening force during bolt fastening, and secondly, to reduce the number of bolt fastening. It is possible to reduce the amount of steel used. In addition, the third aspect of the vehicle parts, contributes to the light weight of the component, and fourth, there is an advantage that can be diversified design and compact (compact) of the vehicle assembly apparatus according to the weight of the component.
한편, 지연파괴저항성을 개선하기 위한 종래의 기술로는 1)강재의 부식 억제, 2) 수소침입량 최소화, 3) 지연파괴에 기여하는 확산성 수소의 축적 억제, 4) 한계확산성 수소농도가 큰 강재 사용, 5) 인장응력 최소화, 6) 응력집중의 완화 등을 들 수 있다. 이를 달성하기 위한 수단으로 고합금화를 추구하거나, 외부 수소침입방지를 위한 표면 코팅 또는 도금을 부여하는 방법을 주로 사용하고 있는 실정이다. 이를 통해서 알 수 있듯이, 고강도화에 직접적인 원인인 템퍼트 마르텐사이트 조직을 개선하여 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방안은 현재 제시되지 못하고 있다.Conventional techniques for improving delayed fracture resistance include: 1) suppressing corrosion of steel, 2) minimizing hydrogen infiltration, 3) suppressing the accumulation of diffusible hydrogen contributing to delayed fracture, and 4) limiting diffusion hydrogen concentration. The use of large steels, 5) minimizing tensile stress, and 6) mitigating stress concentration. As a means to achieve this, it is a situation to mainly use a method to pursue high alloying or to give a surface coating or plating to prevent external hydrogen intrusion. As can be seen through this, there is currently no way to fundamentally solve the problem by improving the temper martensite organization, which is a direct cause of the high strength.
본 발명은 고강도화가 가능하면서 이에 따른 인성과 지연파괴저항성의 저하를 막을 수 있는 볼트의 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.The present invention is to provide a method of manufacturing a bolt that can be high strength and can prevent the degradation of the toughness and delayed fracture resistance accordingly, an object thereof.
상기 목적달성을 위한 본 발명의 볼트 제조방법은, 중량%로, 탄소: 0.40-0.60%, 실리콘: 2.0-4.0%, 망간: 0.2-0.8%, 크롬: 0.2-0.8%, 인: 0.01%이하, 황: 0.01% 이하, 질소: 0.005-0.03%, 산소: 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 바나듐: 0.05-0.2%, 니오븀: 0.05-0.2%, 니켈: 0.3-2.0%, 붕소: 0.001-0.003%, 몰리브덴: 0.01-0.5%, 티타늄: 0.01-0.2%, 텅스텐: 0.01-0.5%, 구리: 0.01-0.2%, 코발트: 0.01-0.5%로 이루어진 그룹중에서 선택된 적어도 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 강 빌레트를 Ac1까지 가열속도 15±5℃/min으로 가열하고 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지를 6±3℃/min의 가열속도로 가열하고 이후 1050±50℃까지 가열속도 10±5℃/min으로 가열하여 30-60분 유지후 선재압연하고, 이 선재를 일정 형상의 볼트로 가공한 다음, 가공된 볼트를 Ac3변태점이상의 온도에서 20분이상 가열하고 70℃/sec 이상의 냉각속도로 마르텐사이트 변태개시온도(Ms)+30℃∼Ms+90℃의 온도까지 급냉하고 이 온도에서 20분 이상 등온 가열한 다음, 유냉 또는 공냉하는 것을 포함하여 구성된다.The bolt manufacturing method of the present invention for achieving the above object, in weight%, carbon: 0.40-0.60%, silicon: 2.0-4.0%, manganese: 0.2-0.8%, chromium: 0.2-0.8%, phosphorus: 0.01% or less , Sulfur: 0.01% or less, nitrogen: 0.005-0.03%, oxygen: 0.005% or less, including vanadium: 0.05-0.2%, niobium: 0.05-0.2%, nickel: 0.3-2.0%, boron: 0.001- At least one selected from the group consisting of 0.003%, molybdenum: 0.01-0.5%, titanium: 0.01-0.2%, tungsten: 0.01-0.5%, copper: 0.01-0.2%, and cobalt: 0.01-0.5% The steel billet, which is optionally contained and composed of the remaining Fe and other unavoidable impurities, is heated to Ac 1 at a heating rate of 15 ± 5 ° C./min, and an abnormal range of Ac 1 to Ac 3 is heated to 6 ± 3 ° C./min. After heating at a rate of up to 1050 ± 50 ℃ at a heating rate of 10 ± 5 ℃ / min, maintained for 30-60 minutes and then rolled the wire rod, the wire is machined into a bolt of a certain shape, and then the processed bolt is Ac 3 transformation point this Heating at a temperature of at least 20 minutes, quenching the martensite transformation start temperature (Ms) at a cooling rate of at least 70 ° C / sec to a temperature of + 30 ° C to Ms + 90 ° C and isothermally heating at this temperature for at least 20 minutes, followed by oil cooling or It is comprised including air cooling.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
본 발명자들은 고강도화가 가능하면서 이에 따른 인성과 지연파괴저항성의 저하를 막을 수 있는 볼트를 제조하기 위해 볼트제조의 전공정을 검토한 결과, 강 성분계와 관련하여 선재의 제조공정 및 가공된 볼트의 열처리조건을 종합적으로 제어하면 그 해결이 가능하다는 것을 실험을 통해 확인하고 본 발명을 완성하게 이르렀다.The present inventors have reviewed the entire process of bolt manufacturing to manufacture bolts capable of high strength and prevent the degradation of the toughness and delayed fracture resistance, and as a result, the manufacturing process of the wire rod and the heat treatment of the processed bolts in relation to the steel component system Experiments confirmed that the solution can be solved by comprehensively controlling the conditions, and the present invention has been completed.
즉, 본 발명은 볼트 소재인 선재제조공정에서 표면 탈탄을 가능한 억제하는 한편, 가공된 볼트를 열처리하여 최종조직을 베이나이트로 함으로써, 베이나이트 특성상 결정입계의 탄화물이 존재하지 않는 관계로 수소의 침입에 따른 입계취화의 문제를 개선함과 더불어 표면탈탄층의 감소에 따른 지연파괴저항성 및 인성을 개선하는데, 그 특징이 있다. 이러한 본 발명은 강 성분과 제조공정의 유기적인 결합으로 달성되는 바, 이를 다음이하에 세분하여 설명한다.That is, the present invention suppresses surface decarburization as much as possible in the wire rod manufacturing process, which is a bolt material, and heat-processes the processed bolt to bainite, thereby inducing hydrogen in the presence of grain boundary carbides due to bainite properties. In addition to improving the problem of intergranular embrittlement according to the present invention, there is a feature to improve the delayed fracture resistance and toughness due to the reduction of the surface decarburization layer. The present invention is achieved by the organic combination of the steel component and the manufacturing process, which will be described in detail below.
[강 성분][Steel Ingredients]
탄소(C)의 함량을 0.40-0.60%으로 한 것은, 0.40%이하에서는 베이나이트 제조를 위한 열처리후 고강도 볼트로서의 충분한 인장강도와 항복강도를 확보하기 어렵기 때문이며, 0.60%이상에서는 열처리 후 인성확보의 어려움과, 소입시 플래이트 마르텐사이트(Plate martensite)의 생성으로 소입 균열이 발생되기 용이하기 때문이며, 가열로 탈탄, 볼트 체결시 영구변형성, 피로특성, 탄질화물 분포, 베이나이트 조직형상, 베이나이트 변태 소요시간 등에 영향을 미치기 때문이다.The carbon content of 0.40-0.60% is difficult to obtain sufficient tensile strength and yield strength as a high strength bolt after heat treatment for bainite production at 0.40% or less, and toughness after heat treatment at 0.60% or more. Hardening and hardening of cracks due to plate martensite formation during hardening. Permanent deformation, fatigue characteristics, carbonitride distribution, bainite structure, bainite transformation during decarburization and bolt fastening This affects the time required.
실리콘(Si)의 함량을 2.0-4.0%로 한정하는 것은, 2.0%이하에서는 베이나이트 조직내 페라이트의 고용강화 효과가 미흡하여 강도확보에 어려움이 있고, 또한 지연파괴저항성, 표면 부식특성, 충격인성, 베이나이트 조직 구성, 볼트 체결시 영구변형성등에 영향을 미치기 때문이고, 또한 선재탈탄제어를 위한 선재가열로내에서의 표면 페라이트 탈탄층의 적정 분포가 어려워 탈탄이 심화되고, 선재냉각시 소입성 증가로 표면 스케일 특성의 제어가 어려운 단점이 있기 때문이다. 4.0% 이상에서는 상기 언급한 효과가 포화되고, 소입성, 베이나이트 조직 구성, 충격인성, 피로특성 등에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않으며, 선재제조를 위한 부품(bloom) 또는 빌레트(billet)제조시 실리콘 편석에 의한 미세조직의 불균질화를 초래하여 최종 제품에서의 품질특성이 저하되기 때문이며, 또한 열처리시 표면 페라이트층의 두께가 증가하여 균질 표면탈탄제어가 어렵기 때문이다. 본 발명에서 보다 바람직한 실리콘 성분범위는 2.8-3.3%이다. 이는 베이나이트조직을 제조하기 위한 등온 열처리시간 및 잔류 오스테나이트 분율, 베이나이트의 고강도화 및 고인성화, 지연파괴저항성(확산성 수소량, 임계석출물의 석출제어), 표면탈탄, 볼트체결후 응력이완성(stress relaxation) 또는 영구변형저항성, 동적 및 정적 피로특성 등을 고려하여 매우 효과적으로 개선할 수 있기 때문이다.Limiting the content of silicon (Si) to 2.0-4.0% is less than 2.0%, it is difficult to secure the strength due to the insufficient solid-solution strengthening effect of ferrite in bainite structure, and also delayed fracture resistance, surface corrosion characteristics, impact toughness , The structure of bainite structure, permanent deformation during bolting, etc. Also, due to difficult distribution of surface ferrite decarburized layer in wire heating furnace for wire decarburization control, decarburization is intensified and hardenability during wire cooling increases This is because it is difficult to control the surface scale characteristics of the furnace. Above 4.0%, the above-mentioned effects are not preferable because they saturate and affect hardenability, bainite structure, impact toughness, fatigue characteristics, and the like, and silicon during the manufacture of parts or billets for wire rod manufacturing This is because the quality of the final product is degraded due to the inhomogeneity of the microstructure due to segregation, and it is difficult to control the homogeneous surface decarburization because the thickness of the surface ferrite layer increases during the heat treatment. More preferred silicone component range in the present invention is 2.8-3.3%. These include isothermal heat treatment time and residual austenite fraction to produce bainite structure, high strength and high toughness of bainite, delayed fracture resistance (diffuse hydrogen content, control of precipitation of critical precipitates), surface decarburization, stress relaxation after bolting (stress relaxation) or permanent strain resistance, dynamic and static fatigue characteristics can be considered very effectively.
망간(Mn)의 함량을 0.2-0.8%로 하는 이유는, 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화 하는 원소로 고장력 볼트 특성에 매우 유용한 원소이나, 0.8% 이상 첨가할 경우 고용강화 효과보다는 망간편석에 의한 조직 불균질이 볼트 특성에 더 유해한 영향을 미친다. 강의 응고시 편석기구에 따라 거시편서과 미시편석이 일어나기 용이한데, 망간편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로 인한 경화능 향상은 선재제조시 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 망간이 0.2%이하 첨가될 경우, 망간편석에 의한 편석대의 형성은 거의 없으나 고용강화에 의한 응력이완 개선효과는 기대하기 어렵다. 즉, 망간의 함량이 0.2%이하인 경우에는 고용강화 효과 미흡으로 소입성 및 영구변형 저항성 개선이 미흡하고, 0.8% 이상인 경우에는 주조시 망간 편석으로 인한 국부소입성 증대 및 편석대 형성으로 조직이방성 심화, 즉 조직 불균질로 볼트 특성이 저하된다. 따라서 망간의 함량을 0.2-0.8%로 한정하는 것은 모재의 강도, 열처리시 소입성, 응력이완성, 편석대 생성에 따른 유해한 영향 등을 고려한 범위이다.The reason why the content of manganese (Mn) is 0.2-0.8% is an element that forms a solid solution to form a solid solution to strengthen the solid solution, and is very useful for high-strength bolt characteristics. Tissue heterogeneity caused by simple stones has a more detrimental effect on bolt properties. Macro sedimentation and micro segregation tend to occur depending on the segregation mechanism during steel coagulation. Manganese segregation promotes segregation due to its relatively low diffusion coefficient compared to other elements, and the improvement of hardenability is caused by core martensite. ) Is the main reason for generating When manganese is added below 0.2%, segregation zone is hardly formed by manganese segregation, but stress relaxation improvement effect by solid solution strengthening is hardly expected. In other words, if the content of manganese is less than 0.2%, the improvement of hardenability and permanent deformation resistance is insufficient due to insufficient solidification effect, and if more than 0.8%, local anisotropy is increased due to manganese segregation and formation of segregation zones. That is, the bolt properties are degraded due to the heterogeneity of the tissue. Therefore, limiting the content of manganese to 0.2-0.8% is a range in consideration of the strength of the base material, the hardenability during heat treatment, the stress relaxation, and the harmful effects of segregation zone formation.
크롬(Cr)의 함량을 0.20-0.8%로 한 이유는 0.25%이하에서는 고 실리콘 첨가강의 열처리시 표면탈탄제어를 위한 표면 페라이트층의 형성이 어려워 탈탄억제 효과가 거의 없으며 또한 소입성 개선을 기대하기 어렵기 때문이다. 0.8%이상에서는 등온열처리시 베이나이트의 변태 소요시간이 길어지기 때문에 바람직하지 않기 때문이며, 선재 탈탄층 제어를 위한 선재가열로 장입시 표면 적정 페라이트층의 생성이 어려워 균질 탈탄제어에 영향을 미치기 때문이다.The reason that the content of chromium (Cr) is 0.20-0.8% is that below 0.25%, it is difficult to form the surface ferrite layer for surface decarburization control during heat treatment of high silicon-added steel, so there is almost no decarburization inhibitory effect and expects improvement of quenchability. Because it is difficult. Above 0.8%, it is not preferable because the transformation time of bainite is longer during isothermal heat treatment, and it is difficult to generate a proper surface ferrite layer during charging by wire heating to control wire decarburization layer, which affects homogeneous decarburization control. .
인(P) 및 황(S)의 함량을 0.01%이하로 한 것은, 인은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이며, 황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴저항성 및 응력이완특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.If the content of phosphorus (P) and sulfur (S) is 0.01% or less, the upper limit is limited to 0.01% because phosphorus segregates at grain boundaries and degrades toughness. It is preferable to limit the upper limit to 0.01% because it lowers and forms an emulsion, which adversely affects the delayed fracture resistance and the stress relaxation characteristics.
질소(N)의 함량을 0.005-0.01%로 한 것은, 0.005%이하에서는 비확산성 수소의 트랩사이트로 작용하는 바나듐 및 니요븀계 질화물의 형성이 어렵기 때문이며, 0.03%이상에서는 그 효과가 포화되기 때문이다.The content of nitrogen (N) is 0.005-0.01% because it is difficult to form vanadium and niobium-based nitrides that act as trap sites for non-diffusive hydrogen below 0.005%, and the effect is saturated at 0.03% or more. to be.
산소(O)의 함량을 0.005%로 한 것은 0.005%이상에서는 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하되기 때문이다.The content of oxygen (O) is 0.005% because coarse oxide-based nonmetallic inclusions are easily formed at 0.005% or more, thereby reducing fatigue life.
바나듐(V) 또는 니요븀(Nb)은 지연파괴저항성 및 응력이완성 개선원소로 그 함량을 0.05-0.2%로 한 것은 0.05%이하에서는 모재내 바나듐 또는 니요븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트(trap site)로 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 응력이완저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 오스테나이트 결정립 미세화를 기대하기 어려워 베이나이트 조직구성에 영향을 미치기 때문이다. 0.2% 이상에서는 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 응력이완저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다.Vanadium (V) or niobium (Nb) is an element that improves delayed fracture resistance and stress relaxation. The content of 0.05-0.2% is less than 0.05%, which leads to less diffusion of vanadium or niobium-based precipitates in the base material. It is difficult to expect the effect of improving the delayed fracture resistance due to insufficient role as a hydrogen trap site, and it is difficult to expect the precipitation strengthening effect, and the improvement effect on the stress relaxation resistance is not sufficient, and it is expected to refine the austenite grain. Difficulty affects the bainite organization. Above 0.2%, the improvement effect on delayed fracture resistance and stress relaxation resistance due to precipitates is saturated, and coarse alloy carbides, which are not dissolved in the base metal, increase in the austenite heat treatment to act like nonmetallic inclusions. This is because it causes a decrease.
니켈(Ni)은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)를 억제하여 지연파괴저항성을 개선하는 원소이다. 그 함량을 0.3-2.0%로 한 것은 0.3%이하에서는 표면 농화층 형성이 불완전하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 탈탄제어 및 인성, 제조공정 다변화를 위한 흑연화처리시 열처리시간이 길어지며, 냉간볼트 가공시의 냉간성형성의 개선효과가 없기 때문이고, 2.0%이상에서는 그 효과가 포화되고 소입시 잔류오스테나이트량의 증가로 템퍼링시 템퍼 취성을 일으켜 충격인성의 저하를 초래하기 때문이다.Nickel (Ni) is an element that improves the delayed fracture resistance by forming a nickel thickened layer on the surface during heat treatment to suppress permeation of external hydrogen. Its content of 0.3-2.0% is less than 0.3%, so it is difficult to expect improvement effect of delayed fracture resistance due to incomplete formation of surface thickening layer, and also long heat treatment time during graphitization treatment for decarburization control, toughness, and diversification of manufacturing process. This is because there is no improvement effect of cold forming during cold bolt processing, and the effect is saturated at 2.0% or more, and it causes temper brittleness during tempering due to the increase of the amount of retained austenite when quenched, resulting in a decrease in impact toughness. .
붕소(보론, B)는 본 발명에서 소입성 및 지연파괴저항성 개선을 위한 입계강화원소로 붕소의 함량을 0.001-0.003%로 한 것은, 0.0010%이하에서는 열처리시 보론원자들의 입계편석에 따른 입계강화에 따른 입계강도 개선효과가 미흡하며, 또한 냉간성형성 개선을 위한 흑연화(언제하나)처리시 흑연화 촉진 효과가 미흡하기 때문이며, 0.003%이상에서는 그 효과가 포화되고, 오히려 입계에 보론계 질화물의 석출로 입계강도의 저하를 초래하기 때문이다.Boron (boron, B) is a grain boundary strengthening element for improving the hardenability and delayed fracture resistance in the present invention, the content of boron is 0.001-0.003%, below 0.0010%, the grain boundary strengthening according to the grain boundary segregation of boron atoms during heat treatment. This is because the effect of improving grain boundary strength is inadequate, and the graphitization promoting effect is insufficient when the graphitization treatment is performed to improve cold formability. At 0.003% or more, the effect is saturated. This is because precipitation of causes a decrease in grain boundary strength.
몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)의 함량을 0.01-0.5%로 한 것은 0.01%이하에서는 템퍼링시(언제하나) 세멘타이트가 입론 카바이드에서 천이하여 성장할 때 세멘타이트의 성장을 억제하여 응력이완성의 개선효과를 얻기가 어렵고, 템퍼링시 몰리브덴계 석출물을 미세하게 분포시켜 고온에서 안정한 조직의 확보가 어렵기 때문이다. 0.5%이상에서는 그 효과가 포화되고, 소입성의 증가로 선재제조시 저온조직(마르텐사이트+베이나이트)의 생성이 용이하고 냉간성형성 개선을 위한 흑연화처리시 열처리 시간이 길어지는 단점이 있기 때문이다.Molybdenum (Mo) and tungsten (W) content in the range of 0.01 to 0.5% is less than 0.01%. When tempered (whenever), cementite inhibits the growth of cementite when it grows in transition from grain carbide, This is because it is difficult to obtain an improvement effect, and it is difficult to secure a stable structure at high temperature by finely distributing molybdenum precipitates during tempering. At 0.5% or more, the effect is saturated, and the increase in hardenability makes it easy to form low-temperature structure (martensite + bainite) during wire rod manufacturing, and the heat treatment time is increased during the graphitization treatment to improve the cold forming property. Because.
구리(Cu)의 함량을 0.01-0.2%로 한 것은, 0.01%이하에서는 부식저항에 대한 개선효과가 미흡하며, 0.2%이상에서는 그 개선효과가 포화되고 입계 편석시 녹는점(melting point)이 낮아져 선재압연을 위한 가열로 장입시 결정입계 취화에 다른 표면흠 발생 가능성이 높고, 최종 제품에서의 충격인성이 저하되기 때문이다.In the case of the copper (Cu) content of 0.01-0.2%, the improvement effect on the corrosion resistance is insufficient at 0.01% or less, and the improvement effect is saturated at the 0.2% or more, and the melting point is lowered at the grain boundary segregation. This is because the surface flaw is more likely to occur in grain boundary embrittlement when charging the furnace for wire rolling, and the impact toughness in the final product is lowered.
티타늄의 함량을 0.01-0.2%로 한 것은 0.01%이하에서는 오스테나이트 결정입자 미세화 효과가 미흡하며, 지연파괴저항성에 유효한 티타늄계 탄,질화물의 석출분포가 미흡하여 그 개선효과를 기대하기 어렵기 때문이며, 0.2% 이상에서는 그 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 질화물을 형성하여 피로특성에 유해하기 때문이다.Titanium content of 0.01-0.2% is less than 0.01% because the effect of miniaturization of austenite crystal grains is insufficient, and the precipitation distribution of titanium-based carbon and nitride, which is effective for delayed fracture resistance, is insufficient. This is because at 0.2% or more, the effect is saturated and coarse titanium nitride is formed, which is detrimental to the fatigue properties.
상기 코발트의 함량이 0.01%미만에서는 볼트가공을 위한 소재 연질화 열처리인 구상화 또는 흑연화 열처리시 연화촉진 효과가 미흡하고, 입계 확산성 수소농도에 미치는 효과가 없으며, 0.5%를 초과하면 그 효과가 효과가 포화되고 연화 열처리시 연질화 속도가 현격히 증가하여 열처리시 부분적 미세조직 불균질을 초래할 수 있어 바람직하지 않다.If the cobalt content is less than 0.01%, the softening effect is not sufficient in spheroidization or graphitization heat treatment, which is a material soft nitriding heat treatment for bolt processing, and there is no effect on the grain boundary diffusive hydrogen concentration. The effect is saturated and the soft nitriding rate during softening heat treatment may increase dramatically, resulting in partial microstructure heterogeneity during heat treatment, which is undesirable.
[제조공정][Manufacture process]
상기와 같이 조성되는 강 빌레트를 (1)열간선재압연하여 선재로 만든 다음, (2)이 선재를 일정형상의 볼트로 가공하고 이 볼트를 열처리하는 일련의 공정으로 볼트를 제조한다. 본 발명에서는 이러한 공정중 열간선재압연공정에서 표면탈탄층의 두께를 줄이고, 이 소재로 가공된 볼트의 최종조직을 베이나이트로 제어함으로써 고강도화와 더불어 인성과 임계지연파괴성을 개선한다.The steel billet formed as described above is (1) hot wire rolled to make a wire, then (2) the wire is processed into a bolt of a certain shape and the bolt is manufactured by a series of processes of heat-treating the bolt. In the present invention, the thickness of the surface decarburization layer in the hot wire rolling process during such a process is reduced, and the final structure of the bolt processed with this material is controlled by bainite, thereby improving toughness and critical delay fracture resistance.
(1)선재제조공정(1) wire manufacturing process
먼저, 강 빌레트를 Ac1(이상역 변태 개시온도)까지 가열속도 15±5℃/min으로 가열한다. 상기 Ac1까지의 가열속도가 10℃/min 미만이면 산화량의 증가와 그에 따른 불균질 산화층의 분포로 인해 빌레트 표면에서의 탈탄반응이 불균질하게 진행되어 본 발명의 효과를 얻기 힘들고, 20℃/min을 초과하면 빌렛 내외부의 온도편차가 심화되어 빌레트 휨현상이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.First, the steel billet is heated at a heating rate of 15 ± 5 ° C./min to Ac 1 (ideal transformation transformation start temperature). When the heating rate up to Ac 1 is less than 10 ° C / min, the decarburization reaction proceeds heterogeneously due to the increase in the amount of oxidation and the distribution of the heterogeneous oxide layer, thereby making it difficult to obtain the effects of the present invention. If / min is exceeded, it is not preferable because the temperature deviation inside and outside the billet is deepened and billet bending occurs.
그 다음, 이상역 범위인 Ac1에서 Ac3까지 6±3℃/min의 가열속도로 가열한다. 상기 이상역 온도범위 통과시 승온속도가 3℃/min미만이면 표면 페라이트층의 두께가 필요 이상으로 증가하여 오히려 탈탄개선 효과를 얻기 어려우며, 또한 가열로 재로시간(장입시간)이 길어지는 단점이 있다. 승온속도가 9℃/min을 초과하면 탈탄반응 억제에 필요한 적정 표면 페라이트층을 형성시키기가 어렵다.Then, heating is performed at a heating rate of 6 ± 3 ° C./min from the ideal range Ac 1 to Ac 3 . If the temperature increase rate is less than 3 ℃ / min when passing the above ideal temperature range, the thickness of the surface ferrite layer is increased more than necessary, rather it is difficult to obtain the decarburization improvement effect, and also has a disadvantage of long reheat time (charge time). . If the temperature increase rate exceeds 9 ℃ / min, it is difficult to form the appropriate surface ferrite layer required for suppressing the decarburization reaction.
그 다음, 1050±50℃까지는 가열속도 10±5℃/분으로 가열하여 50-70분 유지후 선재압연한다. 상기 이상역 종료온도인 Ac3온도에서부터 1050±50℃의 유지온도까지 승온속도를 5℃/min미만으로 하면 재로시간이 증가하게 되며, 15℃/min를 초과하면 빌렛 내외부의 온도편차 심화로 빌렛 휘어짐이 발생하기 쉽다. 또한, 유지온도가 1000℃미만이면 탈탄제어를 위한 빌렛 표면 페라이트층 적정두께 제어에 문제점이 있으며, 빌렛 제조시 조대하게 석출된 바나듐계 또는 니오븀계 석출물들의 재고용이 용이하지 않고, 열간 변형저항성의 증가로 압연시 과부하로 인해 작업성이 열악해진다. 반면, 1100℃를 초과하면 탈탄제어용 페라이트층을 표면에 석출시킬 수 없어 바람직하지 않다. 즉, 탄소 고용도가 매우 낮은 표면 페라이트층이 잔존하여야 가능하나 가열온도가 1100℃를 초과할 경우에는 표면의 페라이트층이 오스테나이트로 변태하기 때문에 탈탄속도가 급격히 증가하여 이로 인해 표면탈탄이 심화되는 문제가 있다. 또한, 가열유지시간을 30분 미만으로 하게 되면 선재압연을 위한 빌렛 외내부의 균일한 온도 분포를 확보하기 어렵지만, 60분을 초과하면 산화량이 급격하게 증가하여 빌렛 표면 탈탄제어를 위한 적정 페라이트층의 확보가 어렵다.Then, the wire is heated to 1050 ± 50 ℃ at a heating rate of 10 ± 5 ℃ / min and maintained for 50-70 minutes before rolling the wire. When the temperature rise rate is less than 5 ° C / min from Ac 3 temperature, which is the abnormal temperature end temperature, to the holding temperature of 1050 ± 50 ° C, the shelf time increases. When the temperature exceeds 15 ° C / min, the billet is increased due to the deep temperature deviation inside and outside the billet. Warpage is likely to occur. In addition, if the holding temperature is less than 1000 ℃, there is a problem in controlling the proper thickness of the billet surface ferrite layer for decarburization control, it is not easy to re-use the coarse precipitated vanadium-based or niobium-based precipitates during the manufacture of billet, increase the hot deformation resistance When rolling, the workability is poor due to overload. On the other hand, when it exceeds 1100 ° C, the decarburization control ferrite layer cannot be deposited on the surface, which is not preferable. That is, it is possible to have a surface ferrite layer with a very low carbon solubility. However, if the heating temperature exceeds 1100 ° C, the surface ferrite layer is rapidly decarburized because the surface ferrite layer transforms into austenite, thereby increasing the surface decarburization. there is a problem. In addition, if the heating and holding time is less than 30 minutes, it is difficult to secure a uniform temperature distribution inside the billet for the wire rod rolling, but if it exceeds 60 minutes, the oxidation amount is rapidly increased to provide a suitable ferrite layer for controlling the billet surface decarburization. Difficult to secure
상기와 같이 강 빌레트의 가열속도를 변화시켜 가열하게 되면 선재압연재의 표면에 약 0.02-0.05mm 두께의 페라이트 표면탈탄층이 형성될 수 있다. 페라이트 표면탈탄층의 두께가 너무 얇으면 볼트 제조후 지연파괴 저항성을 개선하는 효과가 미흡하고, 너무 두꺼우면 균일한 페라이트층의 확보가 곤란하여 인장강도나 항복강도가 모두 저하된다.When the heating rate of the steel billet is changed as described above, the ferrite surface decarburization layer having a thickness of about 0.02-0.05 mm may be formed on the surface of the wire rod. If the thickness of the ferrite surface decarburization layer is too thin, the effect of improving delayed fracture resistance after bolt manufacturing is insufficient. If the thickness of the ferrite surface decarburization layer is too thick, it is difficult to secure a uniform ferrite layer and both tensile strength and yield strength are reduced.
(2)볼트가공공정 및 볼트의 열처리공정(2) Bolt processing and bolt heat treatment
이와 같이 압연된 선재는 일정 형상의 볼트로 가공한 다음, 가공된 볼트는 최종 조직이 베이나이트가 되도록 열처리한다.The wire rod thus rolled is processed into a bolt having a predetermined shape, and then the processed bolt is heat-treated so that the final structure is bainite.
본 발명의 열처리는 먼저 가공된 볼 트를 상기와 같이 제조된 볼트를 Ac3변태점이상의 온도로 가열하여 균열하는데, 이는 Ac3변태점 이하에서는 페라이트와 오스테나이트상이 공존하는 이상영역으로 오스테나이트 단상 및 충분한 오스테나이트화가 이루어지지 않아서 나중에 베이나이트조직 제조의 불균질을 초래할수 있기 때문이다. 이러한 재가열온도는 가능한 1050℃ 이하에서 행하는 것이 바람직하다. 그 이유는 소재 가열시 표면탈탄, 오스테나이트 결정입 조대화를 초래하여 최종제품에서의 품질특성 및 조대한 세멘타이트로 구성된 베이나이트 조직을 구성하여 충격인성, 인장 및 항복강도, 응력이완성, 피로특성 등에 유해하기 때문이다. 상기의 온도에서 20분 이상 유지하는데, 이는 가열시간이 부족한 경우 충분한 오스테나이트화가 이루어지지 않아 완전 베이나이트조직을 확보하기가 어렵기 때문이다.In the heat treatment of the present invention, first, the processed bolt is cracked by heating the bolt manufactured as described above to the temperature above the Ac 3 transformation point, which is an austenite single phase and sufficient aberration in the abnormal region where the ferrite and austenite phase coexist below the Ac 3 transformation point. This is because the austenitization may not be performed, which may later lead to a heterogeneity of bainite fabrication. This reheating temperature is preferably carried out at as low as 1050 ° C. The reason for this is that surface decarburization and coarsening of austenite grains occur when heating the material, so that the bainite structure composed of quality characteristics and coarse cementite in the final product is formed, so that the impact toughness, tensile and yield strength, stress relaxation, fatigue This is because it is harmful to characteristics and the like. It is maintained at the above temperature for 20 minutes or more because it is difficult to secure a complete bainite structure because sufficient austenitization is not achieved when the heating time is insufficient.
상기와 같이 가열후 70℃/sec이상의 냉각속도로 마르텐사이트 변태온도(Ms) 직상 의 온도(등온열처리온도:Ms+30℃∼Ms+90℃)범위까지 냉각하고, 이 온도범위에서 등온열처리한다. 이때의 냉각속도가 70℃/sec이하의 경우는 이상조직이 생길 수 있어 곤란하다.After heating, it is cooled to a temperature (isotherm heat treatment temperature: Ms + 30 ° C to Ms + 90 ° C) immediately above the martensite transformation temperature (Ms) at a cooling rate of 70 ° C / sec or more, and isothermally heat treated at this temperature range. . If the cooling rate at this time is 70 ℃ / sec or less, abnormal tissue may occur, it is difficult.
등온열처리온도는 Ms+30℃∼Ms+90℃가 바람직한데, 이는 Ms+30℃이하에서는 베이나이트 변태 소요시간이 길어지는 문제점과 등온열처리 온도편차 발생시 마르텐사이트가 발생할 가능성이 높기 때문에 바람직하지 않고, 연신율 및 충격인성이 감소하기 때문이며, Ms+90℃ 이상에서는 항복비(항복강도/인장강도 비)의 급격한 감소로 적정 항복강도 확보에 문제점이 있으며 이에 따른 볼트 체결시 응력이완성이 열악해지는 문제점이 있고, 충격인성의 감소로 파괴저항성에 유해하고, 또한 임계지연파괴강도, 피로특성에 영향을 미치기 때문이다.The isothermal heat treatment temperature is preferably Ms + 30 ° C. to Ms + 90 ° C., which is not preferable because the bainite transformation time is longer at Ms + 30 ° C. and martensite is more likely to occur when temperature deviations occur. , Elongation and impact toughness are reduced, and at Ms + 90 ℃ and above, there is a problem in securing proper yield strength due to the drastic reduction of yield ratio (yield strength / tensile strength ratio), resulting in poor stress relaxation during bolting. This is because the impact toughness is deteriorated due to the decrease in impact toughness, and also affects the critical delay fracture strength and the fatigue characteristics.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples.
[실시예]EXAMPLE
아래 표 1과 같은 조성을 갖는 50kg의 빌레트를 표 2의 조건으로 가열하고 선재압연하여 지름 13mm의 선재를 제조하였다. 이 선재에 대하여 KS D 0216의 규격에 의하여 표면 탈탄층 깊이를 측정하고, 그 결과를 표2에 나타내었다. 이때, 측정위치는 선재단면을 8등분한 위치에서 측정하였으며 측정값은 평균값을 기준으로 하였다.50kg billet having the composition shown in Table 1 below was heated under the conditions of Table 2 and rolled wire to prepare a wire of 13mm diameter. The depth of the surface decarburized layer was measured according to the standard of KS D 0216 for this wire rod, and the results are shown in Table 2. At this time, the measurement position was measured at the position where the wire rod section was divided into 8 and the measured value was based on the average value.
표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조건을 제조한 선재(1-7)은 표면탈탄 깊이는 0.04-0.06mm범위를 보이는 반면, 본 발명의 조건을 벗어난 선재(a-g)의 경우는 0.10-0.20mm범위로 선재탈탄을 나타내었다. 즉, 본 발명에서는 페라이트 층이 적절히 형성되어 탈탄층의 총 깊이가 현저하게 감소된 선재를 사용함에 따라 아래의 결과에서도 보는 바와 같이, 볼트의 지연파괴 등의 특성에 매우 유리하다.As can be seen from Table 2, the wire rod (1-7) prepared the conditions of the present invention shows a surface decarburization depth range of 0.04-0.06mm, while the wire rod (ag) outside the conditions of the present invention is 0.10 The wire decarburization was shown in the range of -0.20mm. That is, in the present invention, as the ferrite layer is properly formed and the wire depth of which the total depth of the decarburized layer is significantly reduced is used, as shown in the following results, it is very advantageous for characteristics such as delayed fracture of the bolt.
상기와 같이 표면탈탄층이 서로 다른 선재(1-7, a-g)를 볼트로 가공한 다음, 이 볼트를 아래 표 3의 조건으로 동일하게 열처리하였다.As described above, the wire decarburization layer having different surface decarburization layers (1-7, a-g) was processed into bolts, and the bolts were then subjected to heat treatment under the conditions shown in Table 3 below.
상기와 같이 제조된 소재들에 대한 인장특성 및 충격특성, 지연파괴특성을 아래와 같이 평가하고 그 결과를 표 4과 표 5에 나타내었다.Tensile, impact, and delayed fracture characteristics of the materials prepared as described above were evaluated as follows, and the results are shown in Tables 4 and 5.
(1)인장강도는, KS 규격(KS B0801) 4호 시험편을 이용하고, 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5mm/min에서 측정하였다.(1) Tensile strength was measured at 5 mm / min cross head speed using KS standard (KS B0801) No. 4 test piece.
(2)충격인성은, KS 규격(KS B 0809) 3호 충격시험에 준하여 시편제조하고, 이때 노치방향은 압연방향의 측면(L-T방향)에서 가공하였다.(2) Impact toughness was prepared in accordance with the KS standard (KS B 0809) No. 3 impact test, the notch direction was machined from the side of the rolling direction (L-T direction).
(3)지연파괴저항성의 평가는, 일반적으로 사용되는 일정하중법을 적용하였다. 이평가법은 부가응력별 또는 특정 응력하에서 파괴까지의 소요시간으로 지연파괴저항성을 평가하는 일반적인 방법이다. 지연파괴시험시 시험응력은 노치인장강도(notched tensile strength)를 기준으로 부가응력(applied stress)을 결정하였다.(3) For the evaluation of the delayed fracture resistance, the constant load method which is generally used was applied. This evaluation method is a general method for evaluating delayed fracture resistance in terms of additional stress or the time required to break under a specific stress. In the delayed fracture test, the test stress was determined based on the notched tensile strength.
이때의 지연파괴시험기는 일정하중형의 지연파괴시험기(constant loading type delayed fracture testing machine)를 이용하였다. 지연파괴시험편은 시편지름 5mmФ, 노치부 지름 4mmФ, 노치반경(notch root radius) 0.1mm로 제조하였다. 시험편 분위기 용액은 월풀버퍼 용액(walpole buffer solution, HCl+CH3COONa)으로 pH2±0.5의 상온(25±5℃)에서 실시하였다.At this time, the delayed fracture tester used a constant loading type delayed fracture testing machine. The delayed fracture test specimen was manufactured with a specimen diameter of 5 mm, a notch diameter of 4 mm, and a notch root radius of 0.1 mm. The test piece atmosphere solution was performed at room temperature (25 ± 5 ° C.) of pH 2 ± 0.5 with a whirlpool buffer solution (HCl + CH 3 COONa).
(4) 임계지연파괴강도는 동일 응력비(부하응력/노치인장강도비, 0.5)에서 파단까지의 소요시간이 150시간 이상까지 미절손되는 인장강도를 의미하며, 노치강도는 노치시험편을 인장시험하여 (최대하중÷노치부단면적)의 값으로 구하였다. 임계지연파괴강도의 설정을 위한 시험편수는 15개를 기준으로 하여 13개이상 미절손되는 경우를 기준으로 하였다.(4) The critical delay fracture strength means the tensile strength at which the time from failure to failure at the same stress ratio (load stress / notch tensile strength ratio, 0.5) is not broken up to 150 hours or more, and the notch strength is a tensile test of the notched test piece. The maximum load ÷ notched area was obtained. The number of specimens for setting the critical delay fracture strength was based on the case where more than 13 undecided specimens were used.
표 4 및 표 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명재들의 충격인성은 130-155J/㎠ 범위를 나타내면서 임계 지연파괴강도는 150kg/㎟ 수준인데 반해, 비교재들은 충격인성치가 130-150J/㎠ 이면서 임계지연파괴강도 145Kg/㎟ 수준으로 베이나이트 조직을 이용한 본 발명재들은 비교재들 대비 고인성 및 임계 지연파괴강도가 현저하게 개선되었음을 잘 알 수 있다.As shown in Table 4 and Table 5, the impact toughness of the present invention exhibits a 130-155 J / cm 2 range and the critical delay fracture strength is 150 kg / mm 2, while the comparative materials have a threshold toughness of 130-150 J / cm 2 and are critical. The present invention using the bainite structure at a delayed breakdown strength of 145Kg / mm 2 can be seen that the high toughness and the critical delayed breakdown strength are remarkably improved compared to the comparative materials.
상술한 바와 같이, 본 발명은 우수한 충격인성과 지연파괴저항성의 개선을 위하여 베이나이트강의 합금성분계, 선재제조조건 및 열처리조건을 제시함으로서, 볼트의 고강도화 및 고인성화를 달성하면서 우수한 지연파괴저항성을 동시에 확보할 수 있게 됨에 따라 고강도 볼트용 베이나이트강을 제공할 수 있는 것이다.As described above, the present invention proposes an alloy composition system, wire rod manufacturing conditions, and heat treatment conditions of bainite steel in order to improve the excellent impact toughness and the resistance to delayed fracture resistance, thereby achieving high strength and high toughness of the bolt while simultaneously achieving excellent delayed fracture resistance. As it can be secured, it is possible to provide bainite steel for high strength bolts.
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KR100940674B1 (en) * | 2002-10-18 | 2010-02-08 | 주식회사 포스코 | Method for Manufacturing Wire Rod of Spring Steel |
KR20170118879A (en) * | 2015-03-27 | 2017-10-25 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | A bolt wire rod excellent in pickling resistance and resistance to delamination after tempering tempering, |
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1998
- 1998-12-26 KR KR10-1998-0058751A patent/KR100363194B1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100940674B1 (en) * | 2002-10-18 | 2010-02-08 | 주식회사 포스코 | Method for Manufacturing Wire Rod of Spring Steel |
KR20170118879A (en) * | 2015-03-27 | 2017-10-25 | 가부시키가이샤 고베 세이코쇼 | A bolt wire rod excellent in pickling resistance and resistance to delamination after tempering tempering, |
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Publication number | Publication date |
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KR100363194B1 (en) | 2003-01-24 |
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