KR20010064845A

KR20010064845A - 재질편차가 적은 냉간압조용 강재의 제조방법

Info

Publication number: KR20010064845A
Application number: KR1019990059218A
Authority: KR
Inventors: 이덕락
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1999-12-20
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-07-11
Also published as: KR100435461B1

Abstract

본 발명은 냉간압조용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 강성분과 열간압연온도를 조정하여 강재의 미세조직을 냉각속도변화에 민감하지 않은 베이나이트조직으로 바꾸어 줌으로써, 후속공정인 구상화열처리와 소입소려처리없이도 자동가공기기에서 자동차 조향장치의 부품으로 가공할 수 있는 냉간압조용 강선재를 제조하고자 하는데, 그 목적이 있다.

본 발명은 냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서,

중량%로 C : 0.04~0.15%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 1.0~2.0%, P : 0.03% 이하, S : 0.03% 이하, W : 0.3~1.0%, Ti : 0.01~0.03%, B : 0.0010~0.0030%, N : 0.005~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1050~1250℃에서 재가열하고 900~1050℃에서 마무리 선재압연한 다음, 권취하고 공냉하는 이루어지는 재질편차가 적은 냉간압조용 강재의 제조방법을 그 기술적 요지로 한다.

Description

재질편차가 적은 냉간압조용 강재의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING STEEL MATERIAL FOR COLD FORGING WITH LOW PROPERTY DEVIATION}

본 발명은 자동차의 조향장치 부품 등의 소재로 사용되는 냉간압조용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 강재의 성분을 조정하고 열간압연을 적절히 제어함으로써, 소재의 재질편차를 크게 감소시켜 중간 열처리를 생략할 수 있는 냉간압조용 강재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 조향장치 부품은 하기 표1에 나타낸 바와 같은 성분의 중탄소 저합강 선재를 소재로 사용하여, 구상화열처리→냉간압조→소입소려의 제조공정을 통해 제조된다. 즉, 종래재는 열간압연후 냉각시 냉각속도 편차에 의한 소재의 기계적성질 편차가 커서, 추가 열처리를 통하여 소재의 재질을 균일하게 하지 않고서는, 자동가공기기를 이용한 자동차 부품 가공용 소재로 사용할 수 없었다.

C(wt%)	Si(wt%)	Mn(wt%)	P(wt%)	S(wt%)	Cr(wt%)	Mo(wt%)
0.33~0.38	0.15~0.35	0.60~0.85	0.030 이하	0.030 이하	0.90~1.20	0.15~0.30

종래강은 선재로 열간압연 및 냉각완료 상태에서의 인장강도가 약 100kg/㎟정도인데, 권취한 코일(중량 약 2톤)내에서는 냉각속도차이에 기인된 강도차이가 약 10kg/㎟ 정도이다. 이와 같은 경우, 소재의 강도가 너무 높고 또 재질편차가 심하여 자동 가공기기를 이용하여 냉간에서 직접 압조하여 자동차 부품으로 제작하기가 곤란하기 때문에, 통상 냉간압조가공전에 재질균질화 및 재질연화를 위한 구상화열처리를 실시한다.

일반적으로, 구상화열처리는 Ac₁변태온도 이상에서 일정시간 유지한 다음 Ac₁이하의 일정온도까지 서냉한 후, 이 온도에서 일정시간 유지하고 대기중에서 방냉하는 식으로 수행된다. 이러한 열처리에 소요되는 전체 시간은 약 15~20시간이며, 이와같은 열처리를 거치면 소재의 인장강도가 약 60kg/㎟로 감소하게 되며 코일내 재질편차도 5kg/㎟ 이하로 감소하게 된다. 이 후, 냉간압조공정을 통하여 필요형상으로 가공한 후, 최종 부품에서 요구되는 재질특성을 얻기 위해 다시 소입소려처리를 실시한다. 소입소려처리가 끝난 최종 제품은 인장강도 95kg/㎟내외의 고강도강이며 동시에 인성도 우수한 제품이 된다.

상기한 바와 같이, 구상화열처리에 의해 소재의 균질화 및 연화를 꾀한 다음 냉간압조가공을 통해 자동차 부품으로 제품화되는 종래소재의 경우, 강재의 균질화 및 연화를 위한 구상화소둔열처리가 반드시 필요하기 때문에 이로 인한 생산성 저하 및 제조원가의 증가라는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 열처리생략 강선재의 제조에 대한 공지된 기술내용을 살펴보면 다음과 같다.

일본 공개특허공보 (평)2-274810호에는, 중량%로 C: 0.15~0.30%, Si: 0.03~0.55%, Mn:1.1~2.0%, P: 0.003~0.010%를 함유하고 있는 강을 선재로 열간압연한 후, 3~10초간 서냉 또는 방냉하고 열탕욕중에서 냉각시키는 것을 특징으로 하는 구상화열처리 및 소입소려처리 생략용 선재 제조방법이 제시되어 있다. 그러나, 이 경우에는 선재의 재질편차를 줄이기 위하여 압연이 끝난 소재를 열탕욕속에서 냉각시켜야 하기 때문에, 기존의 선재압연 라인(line)에 추가로 열탕욕 설비를 갖추어야하고, 이 설비를 이용하여 소재를 냉각할때 다량의 수증기가 발생하는 등 사용상 여러가지 문제점이 있다.

또한, 일본공개특허공보 (평)1-165721호에7는, 중량%로 C: 0.12~0.17%, Si:0.15~0.35%, Mn:1.3~1.6%, Cr:0.25%이하, V:0.08~0.13%, P:0.020%이하,S:0.010%이하를 함유하고 있는 강을 750~850℃의 온도에서 마무리압연하여, 감면율을 50%이상으로 한 후, 4.5~6.5 oC/sec의 냉각속도로 냉각하는 것을 특징으로 하는 구상화열처리 및 소입소려처리 생략용 선재 제조방법이 제시되어 있다. 그러나, 이 기술을 실시하기 위해서는 750~850℃의 낮은 온도에서 강선재를 압연할 수 있는 강력한 압연기가 필요하며 또한 재질편차를 줄이기 위해 냉각속도를 매우 협폭으로 관리하여야하는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자는 상기한 문제점들을 해결하기 위한 실험을 행하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 강성분과 열간압연온도를 조정하여 강재의 미세조직을 냉각속도변화에 민감하지 않은 베이나이트조직으로 바꾸어 줌으로써, 재질편차를 크게 감소시켜 후속공정인 구상화열처리와 소입소려처리없이도 자동가공기기에서 자동차 조향장치의 부품으로 가공할 수 있는 냉간압조용 강재를 제조하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도1은 발명재와 비교재의 열간압연상태의 미세조직을 나타내는 사진

도2는 발명재와 비교재의 냉각속도변화에 따른 인장강도변화를 나타내는 그래프

본 발명은 냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서,

중량 %로 C : 0.04~0.15%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 1.0~2.0%, P : 0.03% 이하, S : 0.03% 이하, W : 0.3~1.0%, Ti : 0.01~0.03%, B : 0.0010~0.0030%, N : 0.005~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1050~1250℃에서 재가열하고 900~1050℃에서 마무리 선재압연한 다음, 권취하고 공냉하는 재질편차가 적은 냉간압조용 강재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

상기 C는 강의 강도와 연성에 중요한 영향을 미치는 원소로, 그 함량이 0.04% 미만인 경우에는 본 발명에서 필요한 강도를 확보할 수가 없고, 0.15%를 넘게되면 강도가 과도하게 높아질 뿐 아니라 충격인성이 급격히 감소하므로, 그 첨가범위는 0.04~0.15%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 Si는 통상 제강시 탈산과 제품의 필요강도를 확보하기 위한 첨가성분으로서, 그 함량이 지나치게 적으면 이러한 효과를 얻기가 곤란하고, 첨가량이 많으면 탈탄을 지나치게 조장시켜 강재의 표면경도값 및 내구성을 크게 감소시키므로, 그 함량은 0.1~1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Mn은 강의 소입성을 증가시키고, 조직 미세화효과가 있기 때문에 일정량까지 첨가하여도 충격인성의 저하없이 강의 강도를 높이는 원소로 알려져 있다. 강의 소입성을 증가시켜 공냉시 베이나이트조직을 얻기 위해서는 1.0% 이상 첨가해줄 필요가 있지만, 첨가량이 과도하게 많아지면 인성저하가 커지므로, 공냉에서도 저온 베이나이트를 안정적으로 얻어 강도를 높일 수 있는 소입성을 확보하고 동시에 일정 수준의 인성을 유지하기 위해서는 망간의 첨가범위를 1.0~2.0%로 제한하는것이 바람직하다.

상기 P은 입계에 편석되어 강의 인성을 떨어뜨리므로, 그 함량이 0.03%를 초과하지 않도록 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 S은 강의 충격인성을 감소시키므로, 그 함량이 0.03%를 초과하지 않도록 첨가하는 것이 바람직하다.

상기 W은 냉각속도변화에 상관없이 일정한 베이나이트조직을 안정적으로 얻게 하는 작용을 하여 강의 재질편차를 줄이는 역할을 한다. 그 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고, 첨가량이 많으면 중력편석이 발생하여 강재의 특성을 열화시키므로, 그 함량은 0.3~1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 Ti은 강중에서 N와 결합하여 TiN을 형성하는데, 이 티타늄 질화물은 오스테나이트(austenite) 결정립을 미세화시켜 강의 인성을 증가시킨다. 상기 Ti의 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 일정량 이상이 되면 효과가 포화되므로, 그 첨가범위는 0.01~0.03%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 B은 강의 소입성을 크게 증가시키는 원소인데, 강의 소입성을 증가시켜 공냉조건에서도 베이나이트조직을 안정적으로 얻기 위해서는 그 함량을 0.0010% 이상으로 설정해야 한다. 그러나, 첨가량이 많아지면 효과가 포화되므로, 그 함량은 0.0010~0.0030%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 N는 강중에서 Ti과 결합하여 티나늄질화물을 형성하는데, 이 티타늄질화물은 오스테나이트(austenite) 결정립을 미세화시켜 강의 인성을 증가시킨다. 그 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 일정량 이상이 되면 질소가 강중에 고용되어 인성을 심하게 해치므로, 그 첨가범위는 0.005~0.015%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성된 강편을 재가열하고 열간선재압연하는데, 상기 재가열온도는 1050~1250℃로 하고, 열간압연시 마무리압연온도는 900~1050℃의 온도범위로 하는 것이 바람직하다. 상기 가열온도가 1250℃보다 높으면 오스테나이트 결정립이 조대해져 최종 제품의 인성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 표면탈탄이 심하게 발생되어 최종 제품의 표면경도 및 내구성을 심하게 떨어뜨리게 되고, 반면에 가열온도가 1050℃ 미만이면 소재의 열간변형저항이 급격하게 증가되어 열간압연을 효율적으로 할 수없게 되어 생산성이 감소하게 된다.

또한, 상기 마무리압연온도 1050℃보다 높으면 변태전 오스테나이트 (Austenite)조직이 과도하게 성장하여 강의 인성을 떨어뜨리고, 반면에 마무리압연온도가 900℃ 미만이면 권취가 곤란하고 제품 표면상태가 나빠진다.

상기와 같은 조건으로 열간압연한 선재는 코일형태로 권취한 후 공기중에서 자연 방냉시키는데, 이와 같이 하면, 코일 전체에 걸쳐 균일한 저탄소 베이나이트조직이 형성되고 이로 인해 재질편차가 적은 고강도, 고강공성 및 고인성 냉간압조용 선재를 제조할 수 있게 된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표2와 같은 조성을 갖는 발명강과 비교강을 소형강괴( 110 mm x 110 mm x 250 mm)로 제작한 후, 1200℃에서 1.5시간 가열하고, 마무리압연온도를 1000℃로 하여 열간압연하고 냉각한 후 미세조직을 검사하여, 그 결과를 도1에 나타내었다.

한편, 냉각속도를 0.5~10℃/sec 범위로 변화시키면서 냉각하고, 기계적 성질을 측정하여, 그 결과를 하기 표3에 나타내었다. 또한, 도2에는 발명재와 비교재의 냉각속도변화에 따른 인장강도변화를 그래프화하여 도시하였다.

	발명강	비교강
C	0.11	0.35
Si	0.19	0.19
Mn	1.78	0.76
P	0.005	0.007
S	0.008	0.008
Cr	－	1.04
Mo	－	0.19
W	0.45	－
Ti	0.018	－
B	0.0020	－
N	0.0055	0.0043

냉각속도(℃/sec)	인장강도(kg/㎟)
냉각속도(℃/sec)	발명재	비교재
0.5	72.5	95.3
2.5	76.5	105.5
10	77.8	110.5

상기 표3 및 도2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 발명강으로 제조된 발명재는 열간압연 상태에서 냉각속도변화에 따른 강도변화가 비교강 대비 훨씬 작은 것을 알 수 있다.

한편, 발명재의 강도는 비교재 대비 낮지만 후속공정인 신선 및 냉간압조공정을 통해 강도가 90kg/mm²이상으로 증가하게 되어 자동차 조장장치 부품중의 하나인 볼 스터더(Ball Stud)로 사용 가능하다.

도1(a),(b)는 압연후 2.5℃/sec 속도로 냉각한 경우의 발명재와 비교재의 미세조직을 나타낸 것으로, 발명재와 비교재는 모두 저온변태 조직인 베이나이트조직을 갖고 있지만, 발명재의 경우에는 연성과 인성이 우수한 저탄소 베이나이트 조직을 갖고, 비교재의 경우에는 취성을 띠는 중탄소 베이나이트 조직을 갖는다.

이 후, 비교재는 종래공정에 따라 구상화열처리를 실시한 후 냉간압조가공을 하고 마지막으로 소입소려 열처리를 실시 하였는데, 최종 제품상태의 강도는 96.5 kg/mm²이었다. 발명재는 구상화열처리없이 15%의 신선가공 후 냉간압조가공을 실시하고, 소입소려열처리없이 최종 부품상태에서의 인장강도를 측정하였는데, 95.3kg/mm²으로 기존 열처리재와 동등수준을 얻을 수 있었다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 화학성분을 제어하고 열간압연을 적절히 수행함으로써, 냉간압조가공전 통상적으로 행하던 구상화열처리없이도 자동가공기기를 사용하여 자동차 부품을 냉간에서 효과적으로 제조할 수 있고, 제품가공후 소입소려열처리도 생략할 수 있어서, 열처리비용을 크게 줄이고, 생산공정을 단축하여 납기 단축 및 생산성 향상등을 달성할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

냉간압조용 강재의 제조방법에 있어서,

중량 %로 C : 0.04~0.15%, Si : 0.1~1.0%, Mn : 1.0~2.0%, P : 0.03% 이하, S : 0.03% 이하, W : 0.3~1.0%, Ti : 0.01~0.03%, B : 0.0010~0.0030%, N : 0.005~0.015%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1050~1250℃에서 재가열하고 900~1050℃에서 마무리 선재압연한 다음, 권취하고 공냉하는 것을 특징으로 하는 재질편차가 적은 냉간압조용 강재의 제조방법