KR20010066190A - 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법 - Google Patents

마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 알루미늄, 보론, 티타늄, 비스무트, 및 몰리브덴을 함유시켜 단조 후 급냉 처리하여 이후의 열처리 공정을 거치지 않고 제조됨으로써 내구성이 증대되고 원가가 절감된 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법{Martensitic carbon steel and it's manufacture}
본 발명은 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 철을 주성분으로 하고, 탄소, 규소, 망간, 인, 황, 크롬, 알루미늄, 보론, 티타늄, 비스무트, 및 몰리브덴을 함유시켜 단조 후 급냉 처리하여 이후의 열처리 공정을 거치지 않고 제조됨으로써 내구성이 증대되고 원가가 절감된 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
종래에 자동차의 크랭크축과 피스톤을 연결하는 커넥팅 로드에 사용되는 탄소강은 단조 후 열처리 공정인 담금질(quenching) 및 템퍼링(tempering)공정을 통하여 부품에 요구되는 강도 및 인성을 만족시킬 수 있다.
일반적으로 자동차의 커넥팅 로드에 요구되는 물성은 항복강도 55 kgf/㎟, 인장강도 75 kgf/㎟, 및 충격치 7 kgf·㎝/㎠로서 주로 탄소강 S48C 또는 S53C가 사용된다.
이러한 담금질 및 템퍼링 공정을 통하여 재료를 경화(hardening)시킴으로 강도 및 인성이 증가되나, 상기 공정으로 에너지 소모 및 원가 상승 요인이 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기의 문제점을 개선하기 위하여 마르텐사이트계 탄소강의 합금 설계를 통해 자가 템퍼링 공정을 유도하여 강도 및 인성을 증가시키고 담금질 및 템퍼링 등의 열처리 공정의 삭제에 따른 원가 절감에 효과적인 마르텐사이트계 탄소강 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 마르텐사이트계 탄소강에 있어서, 철을 주성분으로 하고 탄소 0.10 ∼ 0.15 중량%, 규소 0.30 중량% 미만, 망간 1.0 ∼ 2.5 중량%, 인 0.015 중량% 미만, 황 0.035 중량% 미만, 크롬 1.0 ∼ 2.5 중량% 미만, 알루미늄 0.020 ∼ 0.030 중량%, 보론 0.00001 ∼ 0.00003 중량%, 티타늄 0.010 ∼ 0.030 중량%, 비스무트 0.05 ∼ 0.10 중량%, 및 몰리브덴 0.1 ∼ 0.3 중량%가 함유되어 있는 마르텐사이트계 탄소강을 그 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명은 상기의 조성 및 함량이 함유된 마르텐사이트계 탄소강의 제조방법에 있어서, 단조후 급냉 처리함으로써, 이후 열처리 공정을 거치지 않고 강성 및 인성이 향상된 마르텐사이트계 탄소강의 제조방법을 또 다른 특징으로 하고 있다.
이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 철을 주성분으로 하고, 고온에서의 강성 및 인성을 개선하기 위하여 각 탄소강 원소의 조성 범위를 설정한다.
먼저 본 발명에서 사용하는 탄소는 마르텐사이트계 탄소강의 제조시 단조성 및 주조성 향상을 위하여 저탄소 형태로 첨가된다. 본 발명에서 탄소의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.10 ∼ 0.15 중량% 첨가된다.
본 발명에서 사용하는 규소는 탈산제로서 입계 산화층의 형성을 방지하기 위하여 첨가된다. 본 발명에서 규소의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.30 중량% 미만으로 제한한다. 만일, 상기 규소의 함량이 0.30 중량% 초과되면 강도가 저하되고, 내열 피로성에 중요한 영향을 미치는 열전도도 및 열확산 계수가 저하되어 바람직하지 못하다.
본 발명에서 사용하는 망간은 마르텐사이트계 탄소강 내 존재하는 황 원소와 결합하여(MnS) 황 원소를 제거하기 위하여 탈산제 유제로 첨가되고, 결정립의 조대화를 막고 강도와 경도를 높여주는 역할을 한다. 본 발명에서의 망간의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강에 대하여 1.0 ∼ 2.5 중량% 첨가된다.
본 발명에서 인은 광석으로부터 잔류하는 원소로서 Fe3P로 되어 편석을 만드는 경향이 크고, 상온에서 강을 취약하게 하므로 함량이 적을수록 좋다. 본 발명에서 인의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.015 중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다. 만일, 상기 황의 함량이 0.015 중량%가 초과되면 편석으로 인한 충격 저항을 감소시키고 강성이 저하되어 바람직하지 못하다.
본 발명에서 황은 연료 코우크스 및 그 밖의 연료로부터 들어가며, 열간 가공을 해치는 적열 취성이 있고, 표면성을 해치는 등 유해무익하므로 가능한 한 적게 하기위래 망간을 첨가하여 제거하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 황의 함량은 0.035 중량% 미만으로 제한하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 사용하는 크롬은 내마멸성, 내식성을 증가시키기 위하여 첨가되고, 그 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 1.0 ∼ 2.5 중량%로 첨가된다.
본 발명에서 사용하는 알루미늄의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.020 ∼ 0.030 중량% 첨가된다.
특히, 본 발명에서 사용하는 보론은 담금질 효과를 증대시키기 위하여 첨가되며, 그 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강에 대하여 0.00001 ∼ 0.00003 중량% 첨가된다. 만일, 상기 보론의 함량이 0.00001 중량% 미만이면 담금질 효과가 나타나지 않고, 0.00003 중량%가 초과되면 더 이상의 담금질 효과가 증대되지 않는다.
본 발명에서 사용하는 티타늄은 결정립을 조절하기 위하여 첨가되며, 오스테나이트 결정립의 성장을 억제시키는 역할을 한다. 본 발명의 티타늄의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.010 ∼ 0.030 중량%로 첨가된다.
특히, 본 발명에서 사용하는 비스무트는 절삭성 효과를 증가시키기 위하여 첨가된다. 본 발명의 비스무트의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강 조성에 대하여 0.05 ∼ 0.10 중량%로 첨가된다. 만일, 상기 비스무트의 함량이 0.05 중량% 미만이면 절삭성의 효과가 나타나지 않고, 0.10 중량%가 초과되면 더 이상절삭성이 증가되지 않는다.
마지막으로, 본 발명에서 사용하는 몰리브덴은 고온 인장 강도 및 경도를 증가시키기 위하여 첨가된다. 본 발명의 몰리브덴의 함량은 전체 마르텐사이트계 탄소강에 대하여 0.1 ∼ 0.3 중량% 첨가된다.
이상과 같은 조성과 함량으로 마르텐사이트계 탄소강의 함량을 조절하여 1250℃에서 용융 후 단조 공정을 거친다. 특히, 본 발명에서 단조후 통상적인 열처리 방법인 담금질 공정 및 템퍼링 공정을 거치지 않고, 즉시 급냉 처리하여 자가 템퍼링(self-tempering)을 유도한다. 상기 자가 템퍼링을 통하여 잔류 응력을 줄이고, 경도를 유지하면서 충격치가 향상된 마르텐사이트계 탄소강을 얻을 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예에 의거 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
다음 표 1에 나타낸 바와 같은 함량과 조성으로 마르텐사이트계 탄소강을 제조하였다. 실시예로는 단조 후 급냉을 통하여 제조하였고, 비교예로는 단조 후 담금질 및 템퍼링 공정을 거쳐 제조하였다.
그리고, 상기 실시예 및 비교예에서 제조한 마르텐사이트계 탄소강에 대하여 인장 강도 및 내충격성은 통상의 방법으로 측정하고, 그 결과를 표 1에 나타내었다.
구분 실시예
조성(중량%) 탄소 0.12
규소 0.27
망간 2.0
인 0.01
황 0.030
크롬 2.0
알루미늄 0.022
보론 0.00003
티타늄 0.02
비스무트 0.08
몰리브덴 0.2
철 나머지
항복강도(kgf/㎟) 85
인장강도(kgf/㎟) 100
충격치(kgf·㎝/㎠) 6
따라서, 상기 표 1의 결과에 의해 본 발명에서 실시예의 탄소강은 비교예와 비교하여 볼 때 담금질 및 템퍼링 공정을 삭제하였음에도 불구하고 강도 및 충격치가 우수함을 알 수 있다.
상술한 바와같이 본 발명에 따른 마르텐사이트계 탄소강은 강도 향상에 따른 내구성 증대 및 최적 설계를 통한 경량화 가능하고, 자가 템퍼링 효과에 따른 이후의 열처리 공정의 생략으로 제조 원가의 절감에 효과가 있음을 알 수 있다.

Claims (2)

  1. 마르텐사이트계 탄소강에 있어서, 철을 주성분으로 하고, 탄소 0.10 ∼ 0.15 중량%, 규소 0.30 중량% 미만, 망간 1.0 ∼ 2.5 중량%, 인 0.015 중량% 미만, 황 0.035 중량% 미만, 크롬 1.0 ∼ 2.5 중량% 미만, 알루미늄 0.020 ∼ 0.030 중량%, 보론 0.00001 ∼ 0.00003 중량%, 티타늄 0.010 ∼ 0.030 중량%, 비스무트 0.05 ∼ 0.10 중량%, 및 몰리브덴 0.1 ∼ 0.3 중량%가 함유되어 있는 것임을 특징으로 하는 마르텐사이트계 탄소강.
  2. 마르텐사이트계 탄소강의 제조시, 상기의 조성 및 함량이 함유되고 단조 후 급냉 처리함으로써, 이후의 열처리 공정을 거치지 않고 제조하는 것을 특징으로 하는 마르텐사이트계 탄소강의 제조방법.
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