KR20010016977A - 직접소입-자기소려를 이용한 봉강의 제조방법 - Google Patents

직접소입-자기소려를 이용한 봉강의 제조방법 Download PDF

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KR20010016977A
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Abstract

본 발명은 직접소입-자기 소려를 이용한 봉강의 제조방법에 관한 것으로, 중량 로 C: 0.30∼0.50, Mn: 0.50∼1.60, Si: 0.10∼0.50, Cr: 0.40∼2.50, Mo: 0.10∼1.00, Ni: 0.25∼2.00, Al: 0.010∼0.050, V: 0.010∼0.30, S: 0.01∼0.10, 미량의 Nb, B, 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 약 900 ∼1250℃의 온도로 가열하여, 조압연 및 중간압연을 행하는 단계: 830℃∼880℃의 온도에서 15이상의 압하율로 최종 압연을 행하는 단계; 및 상기 최종 압연 후에 바로 약 200℃∼450 ℃/초의 냉각속도로 직접소입하는 단계를 포함한다. 종래의 재가열 소입-소려하여 고강도 고인성강을 제조하는 방법과 달리 재가열하는 열처리 공정을 생략하여 제조원가를 절감할 수 있으며, 또한 재가열 소입시 불균일한 소입으로 발생되는 소입균열, 휨등을 억제하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.

Description

직접소입-자기소려를 이용한 봉강의 제조방법{Method of producing a bar steel using a direct quenching and self tempering}
본 발명은 강의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접소입-자기소려를 이용한 봉강의 제조방법에 관한 것이다.
종래의 재가열 소입-소려(Reheated Quenching ＆ Tempering; RQT라 한다)공정은 재가열에 의한 오스테나이트화 열처리 공정을 하여야 한다. 따라서, 제조원가가 많이 드는 문제점이 있었다. 또한 이 공정에서는 소입시 불균일하게 소입되기 때문에, 국부적으로 열응력, 변태응력이 다르므로 인해 소입후 휨 또는 소입균열(Quenching Crack)이 발생할 가능성이 높다. 또한, φ 40 mm 이하의 소재에서는 종균열, 불규칙균열과 심한 굽힘으로 작업성 및 수율저하를 초래하는 문제점이 있었다. 종래의 RQT방법에서는, 오스테나이트화 열처리후 오스테나이트 조직이 완전 재결정된 상태로 오스테나이트 결정립 크기와 입내 조직이 거의 일정하여 오스테나이트 조직 조절을 통한 상온조직을 변화시킬 수 있는 가능성은 매우 적다. 또한, 오스테나이트화 열처리 공정이 고온에서 장시간 진행되기 때문에, 오스테나이트에 용해되는 용질원자의 용해도는 거의 평형상태값에 가깝게 되어 소려시 석출물의 양에 제한이 있다.
본 발명은 하기의 문제점을 해결하기 위하여, 재가열-소려 공정에 있는 재가열에 의한 오스테나이트화 열처리 공정 생략에 의한 제조원가 절감, 소입시 휨 또는 소입균열의 방지와 수율향상에 이점이 있는 강도와 인성의 균형이 우수한 직접소입-소려 봉강을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도1은 본 발명에 따른 직접소입( direct quenching) 및 자기소려(self tempering)의 단계를 설명하기 위한 CCT-곡선.
도2는 종래의 방법에 따른 강과 본 발명에 따른 강의 현미경사진.
도2(가)는 종래의 방법에 따라 제조된 강의 현미경사진.
도2(나)는 본 발명의 방법에 따라 제조된 강의 현미경사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명하고자 한다.
우선, 중량 로 C: 0.30∼0.50, Mn: 0.50∼1.60, Si: 0.10∼0.50, Cr: 0.40∼2.50, Mo: 0.10∼1.00, Ni: 0.25∼2.00, Al: 0.010∼0.050, V: 0.010∼0.30, N: 0.0020∼0.020, S: 0.01∼0.10, 미량의 Nb, B, 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 강을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 봉강의 조성을 한정한 이유는 다음과 같다.
C: 0.30∼0.50;
우선, 본 발명을 적용하는 강의 조성중 C는 강의 강도를 확보하기 위한 필수성분으로 그 첨가량은 상용되는 저합금 구조용강의 조성인 0.30∼0.50범위로 하였다.
Mn:0.50∼1.60;
상기 Mn은 C와 함께 강의 강도 향상을 위해 필수적인 원소로서 고강도·고인성 확보에 유용한 원소이지만, 지나치게 첨가되면 용접성을 해치므로 그 범위를 0.50∼1.60로 하였다.
Si:0.10∼0.50;
상기 Si은 용해시 탈산작용에 유용한 원소로서 그 범위를 0.10∼0.50로 하였다.
Cr:0.40∼2.50;
상기 Cr은 경화능, 강도 및 내식성 확보에 유용하고 안정한 탄화물 형성에 용이하므로 인성향성에 기여하는 것으로 그 범위를 0.40∼2.50로 하였다.
Mo:0.10∼1.00;
상기 Mo는 Cr과 안정한 복탄화물을 형성하여 템퍼취화 저항성을 증대시키며, 오스테나이트 조대화 온도를 높게 하고 경화능 증대에 기여하는 원소로서 그 범위를 0.10∼1.00로 하였다.
Ni: 0.25∼2.00;
상기 Ni은 경화능, 강도 및 내식성 확보에 유용한 원소로서 그 범위를 0.25∼2.00로 하였다.
Al: 0.010∼0.050;
상기 Al은 탈산을 위해 첨가되는 원소이며, 오스테나이트 결정립 미세화에 효과적인 원소로서 그 범위를 0.010∼0.050로 하였다.
V: 0.010∼0.30;
상기 V은 인성의 손실없이 강도를 상승시킬 수 있는 효과적인 원소이다. 더욱이 탄질화물을 형성하여 미세하게 분포되어 미량으로도 강화효과가 우수한 원소로서 그 범위를 0.010∼0.30로 하였다.
S: 0.01∼0.10;
상기 S은 MnS를 형성하여 절삭성을 향상시키는 데 유용한 원소로서 그 범위를 0.01∼0.10로 하였다.
상기 조성범위의 강을 약 900 ∼1250℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.1 ∼75.6 의 조압연 및 누적압하율 90.9 ∼ 95.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 830℃∼880℃의 온도에서 15이상의 압하율로 최종 압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 종래의 일반 압연온도, 즉 약 910℃∼1050℃보다 낮게 제어하는 것은 최종 압연후 냉각존 통과시 냉각능을 크게 하여 불완전한 소입조직을 억제하기 위함이다. 이것이 본 발명의 중요한 부분이다.
최종 압연후에 바로 약 200℃∼450 ℃/초의 표면 냉각속도로 소입한다. 소입후의 강은 표면부는 내부의 복원열에 의해 템퍼드 마르텐사이트 조직을 형성하지만, 내부는 마르텐사이트와 베이나이트 조직을 형성한다. 여기서, 냉각후 복원열에 의해 표면이 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 되는 자기 소려 온도범위는 약 500℃∼700℃이다.
그리고 약 550℃ 내지 650℃의 온도에서 인치당 1 시간의 비율로 유지하여 소려를 실시한다. 소려를 행함으로써 표면부는 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite) 조직으로 되고 내부는 템퍼드 마르텐사이트+미량의 베인나이트 조직으로 된다.
소려 후 방치하여 상온으로 냉각한다.
본 발명에 따른 직접소입-소려 방법(Direct Quenching ＆ Tempering Method; 이하 DQT방법이라 한다)은 압연종료온도를 오스테나이트 온도영역에 둠으로써, 오스테나이트의 반복되는 재결정으로 인해 오스테나이트의 결정립이 미세화되어 소입조직을 미세하고, 전위를 많이 도입시킬 수 있다. 소입조직을 미세화시키기 위해서는 오스테나이트와 페라이트 2상 영역에서 압연함으로써, 결정립내에 변형밴드(Deformation Band)를 형성시킨 후 소입한다.
제조공정면에서도, 제어압연 및 냉각기술을 이용하는 직접소입-자기소려에 의한 DQT 방법은 열간압연 후 압연라인에 설치된 냉각 존을 통과하면서 직접소입되므로, 종래의 재가열 소입-소려 방법의 단계중 하나인 재가열에 의한 오스테나이트화 열처리공정을 생략함으로써, 제조원가를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 DQT 방법은 도1에 도시된 바와 같이, 압연라인에서 압연직후 냉각구역을 통과하면서, 단시간 균일 냉각으로 소입되고, 냉각구역을 통과한 후, 내부의 보유열에 의해 자기 소려(Self Tempering)되기 때문에, 종래의 RQT 방법에 비해 소입균열 발생가능성이 작고, 직진성(?)이 우수하여 소려후 교정작업이 훨씬 용이해진다는 장점도 있다.
한편, 금속학적인 면에서 두 공정의 차이점은 소입 바로 직전의 오스테나이트 상태의 차이점에서 찾아볼 수 있다. 본 발명에 따른 DQT 방법은 소입전 오스테나이트 영역에서 심하게 가공됨으로써, 높은 전위밀도를 갖는 미세한 마르텐사이트 패킷(packet)을 얻을 수 있는 데, 소입전 압연종료온도, 압하율, 냉각속도 등에 따라 오스테나이트 결정립의 크기와 오스테나이트 결정립내에 존재한 변형된 조직(deformed structure)이 변화한다. 이러한 소입전 조직상태가 소입후 미세조직에 상당한 영향을 미치기 때문에, 압연조건을 변화시켜, 상온에서 매우 다양한 미세조직을 얻을 수 있고, 이를 효과적으로 이용하면, 고강도강의 기계적 성질을 개선할 수 있다.
더구나, 열간 압연 공정은 열역학적으로 비평형상태이기 때문에 본 발명에 따른 DQT 방법에서 오스테나이트에 용해되어 있는 용질 원자의 용해도는 각 온도에서의 평형용해도보다 큰 값을 나타낸다. 이로 인하여 강의 소입성능의 증대와 후속 소려시 석출하는 석출물의 양을 많게 하는 효과를 기대할 수 있다.
이러한 고온에서의 오스테나이트 상태변화가 소입후 미세조직에 많은 변화를 가져오게 되고, 이러한 변화에 의하여 강도, 인성의 향상이 종래의 RQT 방법과는 매우 다른 양상을 나타내게 되는 것이다.
[실시예]
본 실시예에서 적용시험 강재의 화학조성은 표 1과 같다.
[표1]
구분 C Si Mn P S Cr Mo Ni Al V Fe
비교강1 0.39 0.22 0.68 0.017 0.016 0.94 0.15 0.05 0.020 - 잔량
비교강2 0.34 0.27 0.45 0.016 0.007 1.34 0.21 1.43 0.025 - 잔량
비교강3 0.32 0.22 0.49 0.015 0.029 2.40 0.18 0.082 0.029 0.14 잔량
발명강1 0.40 0.24 0.86 0.012 0.006 0.95 0.20 0.08 0.027 0.01 잔량
발명강2 0.41 0.23 0.69 0.009 0.013 0.96 0.15 0.07 0.018 0.03 잔량
발명강3 0.40 0.23 0.68 0.016 0.012 1.04 0.16 0.08 0.017 0.3 잔량
발명강4 0.42 0.22 0.68 0.016 0.013 0.95 0.16 0.08 0.015 0.05 잔량
발명강5 0.40 0.22 0.72 0.007 0.013 0.94 0.16 0.06 0.018 0.2 잔량
[실시예1]
표1에 나타낸 조성범위를 갖는 발명강1을 1050℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.4 의 조압연 및 누적압하율 95.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 약 867℃의 온도에서 18.7 의 압하율로 최종압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 867 ℃로 제어한다. 최종 압연후 냉각 존을 통과하면서 표면부 약 330 ℃/초의 냉각속도로 직접소입한다. 그리고 약 600℃의 온도에서 1시간동안 유지후 공냉하는 소려를 실시한다.
[실시예2]
표1에 나타낸 조성범위를 갖는 발명강2을 1150℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.4 의 조압연 및 누적압하율 95.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 약 870℃의 온도에서 18.7 의 압하율로 최종압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 870 ℃로 제어한다. 최종 압연후 냉각 존을 통과하면서 표면부 약 350 ℃/초의 냉각속도로 직접소입한다. 그리고 약 580℃의 온도에서 1시간동안 유지후 공냉하는 소려를 실시한다.
[실시예3]
표1에 나타낸 조성범위를 갖는 발명강3을 950℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.4 의 조압연 및 누적압하율 95.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 약 840℃의 온도에서 17.2 의 압하율로 최종압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 840 ℃로 제어한다. 최종 압연후 냉각 존을 통과하면서 표면부 약 280 ℃/초의 냉각속도로 직접소입한다. 그리고 약 600℃의 온도에서 1시간동안 유지후 공냉하는 소려를 실시한다.
[실시예4]
표1에 나타낸 조성범위를 갖는 발명강4을 1000℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.4 의 조압연 및 누적압하율 94.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 약 850℃의 온도에서 29.0 의 압하율로 최종압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 850 ℃로 제어한다. 최종 압연후 냉각 존을 통과하면서 표면부 약 250 ℃/초의 냉각속도로 직접소입한다. 그리고 약 600℃의 온도에서 1시간동안 유지후 공냉하는 소려를 실시한다.
[실시예5]
표1에 나타낸 조성범위를 갖는 발명강5을 1050℃의 온도로 가열하여, 누적압하율 75.4 의 조압연 및 누적압하율 94.5 의 중간압연을 행한다. 그 후 약 860℃의 온도에서 29.0 의 압하율로 최종압연을 행한다. 이 최종 압연단계에서는 전방에 설치된 냉각 존(water zone)을 이용하여 최종 압연온도를 860 ℃로 제어한다. 최종 압연후 냉각 존을 통과하면서 표면부 약 250 ℃/초의 냉각속도로 직접소입한다. 그리고 약 620℃의 온도에서 1시간동안 유지후 공냉하는 소려를 실시한다.
표2에 나타낸 기계적 성질 결과에서 알 수 있듯이, 직접소입-소려재의 물성치는 재가열 소입-소려재와 동등 이상의 결과를 나타낸다.
본 발명의 방법에 따라 제조된 발명강에서는 항복강도가 103.6kgf/mm2이상을 나타내어, 종래의 방법에의한 종래강보다 동등하거나 우수한 값을 나타내고 있다.
또한 인장강도에 있어서는, 종래의 방법에 의한 종래강보다 동등하거나, 우수한 값을 나타낸다.
충격치에 있어서도, 종래의 방법에 의한 종래강보다 거의 동등한 값을 나타냄으로 알 수 있다.
또한, 도2의 현미경사진을 살펴보면, 모두 내부조직이 템퍼드 마르텐사이트+미량의 베이나이트로 구성되어 있음을 알 수 있다.
본 발명의 실시예는 봉강재를 제시하고 있지만, 봉강재 이외에 판강재에도 본 발명의 원리가 적용될 수 있음을 물론이다.
[표2]
구 분 치 수 압연강재의 수냉후 복원온도(℃) 기계적 성질
YS(kgf/mm2) TS(kgf/mm2) EL() 충격치(kgf·m/cm2)
비교강1 재가열소입-소려 ψ26 - 101.7 111.7 20.8 10.46
비교강2 재가열소입-소려 ψ35 - 95.7 102.7 23.6 9.94
비교강3 재가열소입-소려 ψ40 - 108.9 119.1 19.6 8.93
발명강1 직접소입-소려 ψ19 600 103.6 115.5 18.6 8.59
발명강2 직접소입-소려 ψ19 560 105.2 114.1 19.4 9.60
발명강3 직접소입-소려 ψ20 615 95.0 108.4 20.5 8.93
발명강4 직접소입-소려 ψ26 570 105.2 114.1 19.4 9.94
발명강5 직접소입-소려 ψ26 586 95.5 106.6 23.2 10.63
상술한 바와 같이, 본 발명에 따라 직접소입-소려방법은 종래의 재가열 소입-소려하여 고강도 고인성강을 제조하는 방법과 달리 재가열하는 열처리 공정을 생략하여 제조원가를 절감할 수 있으며, 또한 재가열 소입시 불균일한 소입으로 발생되는 소입균열, 휨등을 억제하여 생산성을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 중량 로 C: 0.30∼0.50, Mn: 0.50∼1.60, Si: 0.10∼0.50, Cr: 0.40∼2.50, Mo: 0.10∼1.00, Ni: 0.25∼2.00, Al: 0.010∼0.050, V: 0.010∼0.30, S: 0.01∼0.10, 미량의 Nb, B, 제강시 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 약 900 ∼1250℃의 온도로 가열하여, 조압연 및 중간압연을 행하는 단계: 830℃∼880℃의 온도에서 15이상의 압하율로 최종 압연을 행하는 단계; 및 상기 최종 압연 후에 바로 약 200℃∼450 ℃/초의 냉각속도로 직접소입하는 단계를 포함하는 강의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 소입 단계이후에 약 550℃ 내지 650℃의 온도에서 소려를 실시하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는 강의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113151644A (zh) * 2020-09-23 2021-07-23 西安航天发动机有限公司 一种控制和防止45#钢零件淬火开裂的热处理工艺
CN114410894A (zh) * 2021-12-28 2022-04-29 舞阳钢铁有限责任公司 一种减少12Cr2Mo1VR钢淬火裂纹的方法

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