KR20020034474A

KR20020034474A - 냉간 압조가공성이 우수한 비조질강의 제조방법

Info

Publication number: KR20020034474A
Application number: KR1020000064797A
Authority: KR
Inventors: 이덕락; 박용식
Original assignee: 이구택; 주식회사 포스코
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-09
Also published as: KR100470671B1

Abstract

본 발명은 자동차 조향장치의 부품 등의 소재로 사용되는 냉간압조용 비조질강의 제조방법에 관한 것으로서, 강 성분, 압연 및 냉각조건을 조절하여 선재의 조직을 베이나이트로 함으로써, 열처리 생략이 가능하면서 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.15~0.35%, Si: 0.1%이하, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.03% 이하, S :0.03% 이하, Cr: 0.20~1.0%, Mo: 0.10~0.50%, Ni: 0.2~1.0%, V: 0.05~0.20%, Al :0.02~0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1000~1200℃로 재가열한 후, 마무리 압연온도를 900~1050℃로 하여 선재로 열간압연하고, 0.1~10℃/초의 냉각속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법을 기술적 요지로 한다.

Description

냉간 압조가공성이 우수한 비조질강의 제조방법{A METHOD FOR MANUFACTURING NON-HTEAT-TREATED STEEL WITH EXCELLENT COLD FORMABILITY}

본 발명은 자동차 조향장치의 부품 등의 소재로 사용되는 냉간압조용 비조질강의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 강 선재의 미세조직을 베이나이트 조직으로 바꾸어 줌으로써 소재의 냉간압조성을 크게 개선시킨 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차 조향장치의 부품은, 하기 표1과 같은 성분의 중탄소 저합금강 선재(SCM435)를 소재로 하는데, 이것은 냉간압조 직전의 인장강도가 크기 때문에, 구상화열처리를 실시한 후 냉간단조하고, 그 다음 소입소려 열처리를 행하여 제품으로 제조되었다.

화학조성(중량%)
C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo
0.35	0.25	0.65	0.03	0.03	1.0	0.2

상기와 같은 종래 자동차용 부품의 제조에서는, 선재압연 상태에서의 인장강도가 약 100kg/mm²정도로 높고 단면 감면율이 35% 정도로 매우 낮기 때문에, 냉간압조가공 전에 소재를 연화시키고 연신율을 올려 가공성을 향상시켜 주기 위한 구상화 열처리가 요구되었다. 상기 구상화 열처리는, 중탄소 저합금강 선재를 약 740℃정도로 가열하여 수시간 유지한 후, 느린 냉각속도로 약 600℃까지 냉각시켜 강선재의 내부 미세조직을 구상화 시키는 것이며, 통상 필요한 총 소요 시간은 15~20시간 정도이다. 따라서, 이로 인한 생산성 저하 및 제조원가 증가라는 문제점이 있었다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 열처리 생략형 강선재의 제조방법에 대한 기술들이 제안되었고, 일례로, 일본특개평1-165721호는, 중량%로 C: 0.12~0.17%, Si: 0.15~0.35%, Mn:1.3~1.6%, Cr: 0.25% 이하 및 V: 0.08!0.13%를 함유하는 강을 1000~1050℃로 가열한 후 마무리압연 단계에서 50%이상의 감면율로750~850℃구간에서 압연을 실시하고, 이 후 4.5~6.5℃/초의 냉각속도로 냉각시켜 선재를 제조하는 것을 특징으로 구상화 열처리 및 소입소려처리 생략용 선재 제조방법을 개시하고 있다. 이 기술의 경우, 압연 및 냉각제어를 통하여 강도와 인성이 우수한 강선재를 제조할 수 있으므로, 열처리를 하지 않고도 최종 제품상태에서 요구되는 기계적 성질을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 선재 압연이 끝난 상태의 미세조직이 페라이트와 펄라이트로 구성된 조직이고 냉간압조성을 저하시키는 Si이 통상재 수준으로 함유되어 있기 때문에, 냉간압조시 압조 부하가 커서 냉간 압조 공정에서의 다이스 소모가 클 것으로 판단된다. 뿐만 아니라, 이 기술을 실시하기 위해서는 750~850℃의 낮은 온도에서 강선재를 압연할 수 있는 강력한 압연기가 필요하고, 또한 재질편차를 줄이기 위해 냉각속도를 매우 협폭으로 관리해야 하는 문제점이 있다.

다른 기술로, 일본특개평9-67622호는, 중량%로 C: 0.15~0.35%, Si: 0.05% 이하, Mn: 0.70~1.50%, N: 0.005% 이하, Cr: 0.20% 이하를 함유하는 강을 열간압연 후 2℃/초 이상의 냉각속도로 냉각하고, 이후 20~35%의 신선가공을 부가하여 주는 것을 특징으로 하는 구상화 열처리 및 소입소려처리 생략용 선재 제조방법을 개시하고 있다. 이 기술의 경우, 냉간압조성을 저하시키는 Si을 배제함으로써 냉간압조성을 개선하였으나, 압연후 냉각속도가 2℃/초 이상으로 빠른 편에 속하기 때문에, 바인코일(bar-in-coil)로 제조되는 대경 선재(지름 14 mm이상)에서는 종래의 설비로 이와 같이 빠른 냉각속도를 얻을 수 없기 때문에 적용이 곤란하다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, 본 발명은 강 성분, 압연 및 냉각조건을 조절하여 선재의 조직을 베이나이트로 함으로써, 열처리 생략이 가능하면서 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법을 제공하고자 하는데, 그 목적이 있다.

도1(a),(b)은 열간압연 상태에서 발명강과 비교강의 미세조직 사진

도2는 열간압연 상태에서 발명강, 비교강, 및 종래강의 인장강도 및 단면감면율을 나타내는 그래프

도3은 발명강, 비교강의 변형율에 따른 변형저항을 나타내는 그래프

도4는 발명강과 비교강의 변형율에 따른 냉간압조성을 나타내는 그래프

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로, C: 0.15~0.35%, Si: 0.1%이하, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.03% 이하, S :0.03% 이하, Cr: 0.20~1.0%, Mo: 0.10~0.50%, Ni: 0.2~1.0%, V: 0.05~0.20%, Al :0.02~0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1000~1200℃로 재가열한 후, 마무리 압연온도를 900~1050℃로 하여 선재로 열간압연하고, 0.1~10℃/초의 냉각속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명의 강성분 및 제조조건에 대하여 설명한다.

본 발명의 탄소(C)는, 강의 강도에 큰 영향을 미치는 원소로서, 그 함량이 0.15% 미만이면 목표로 하는 강도를 확보할 수가 없고, 0.35% 보다 많으면 목표강도 범위를 초과하고 강재의 인성을 감소시키므로, 그 함량을 0.15~0.35%로 설정하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 통상 제강시 탈산을 위해서 첨가하는 요소로서, 또한 제품에서 필요로 하는 강도를 확보한다. 그러나, 상기 Si의 함랴이 0.1% 이상이면, 냉간가공시 변형저항을 크게 증가시켜 냉간압조성을 급격히 떨어뜨리므로 바람직하지 않다.

망간(Mn)은 강의 소입성을 증가시키고 조직 미세화 효과를 갖는 원소로서, 충격인성의 저하없이도 강의 강도를 높인다. 상기 망간을 첨가하여, 강의 소입성을 증가시키고 느린 냉각속도 구간에서도 베이나이트 조직을 안정적으로 얻기 위해서는, 그 함량을 1.0% 이상으로 설정해야 한다. 그러나, 그 첨가량이 2.0% 보다 많아지면 인성저하가 심해지므로, 상기 망간의 첨가범위는 1.0~2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

인(P)은 입계에 편석되어 강의 인성을 떨어뜨리므로, 그 함량을 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 강의 충격인성을 감소시키므로, 그 함량을 0.03%이하로 제한하는 것이 바람직하.

크롬(Cr)은 강의 소입성을 증가시켜 베이나이트 조직을 안정적으로 얻게 하는 작용을 하는 원소로서, 그 함량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 첨가량이 많으면 취성이 큰 마르텐사이트 조직을 발생시키므로, 상기 크롬의 함량은 0.2~1.0%로 설정하는 것이 바람직하다.

몰리브덴(Mo)은 강의 소입성을 증가시켜 극저탄소 베이나이트 조직을 안정적으로 얻게하는 작용을 하는 원소로서, 그 함량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 첨가량이 많으면 강의 강도를 지나치게 증가시키므로, 0.1~0.5%로 첨가하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 강의 소입성을 증가시켜 베이나이트 조직을 안정적으로 얻게 하며, 인성의 감소 없이 강의 강도를 증가시키는 역할을 한다. 상기 니켈의 함량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 첨가량이 많으면 강의 강도를 지나치게 증가시키므로, 그 함량은 0.2~1.0%로 설정하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 강중에서 탄소와 결합하여 탄화물을 형성시켜 강의 강도를 증가시키는 원소로, 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고 첨가량이 많으면 강이 취화되므로, 0.05~0.20%로 첨가하는 것이 바람직하다.

알루미늄(Al)은 제강공정에서 탈산작용을 하는 원소로, 그 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻기 힘들고, 첨가량이 많으면 알루미늄산화물(Al₂O₃)을 형성하여 주조시 노즐막힘 현상을 유발하므로, 그 함량범위를 0.02~0.1%로 설정하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성된 강편을, 1000~1200℃온도로 재가열한 후 열간에서 선재압연하고, 900~1050℃의 온도범위에서 마무리 압연한 후, 0.1~10℃/초의 속도로 냉각한다.

상기 강편의 재가열을 1000~1200℃온도범위에서 실시하는 이유는, 가열온도가 1200℃ 이상이면 오스테나이트 결정립이 조대하게 되어 최종 제품의 인성을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 표면탈탄이 심하게 발생하게 되어 최종 제품의 표면경도 및 내구성을 심하게 저하시키기 때문이며, 가열온도가 1000℃ 미만이면 소재의 열간변형저항이 급격하게 증가되어 열간압연을 효율적으로 할 수 없고, 이로 인해 생산성이 감소하기 때문이다.

상기 마무리 압연을 900~1050℃의 온도범위에서 실시하는 이유는, 마무리 압연온도가 1050℃ 이상이면 변태전 오스테나이트(Austenite)조직이 과도하게 성장하여 취성조직인 마르텐사이트 발생 확율이 커지며, 조대한 조직으로 인하여 강의 인성이 나빠지기 때문이다. 또한, 상기 마무리 압연온도가 900℃ 미만이면 압연조직이 지나치게 미세해져서 소입성이 감소하고, 연질의 페라이트 조직이 생성되어 강도를 급격히 저하시키기 때문이다.

상기와 같은 조건으로 열간압연된 선재를 냉각시키는데, 그 냉각속도는 0.1~10℃/초인 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기 냉각속도가 0.1℃/초 보다 느리면 변태중 페라이트 조직이 발생하여 강의 강도를 심하게 감소시키기 때문이며, 10℃/초 보다 빠르면 변태중 취성이 강한 경질의 마르텐사이트 조직이 발생하여 강의 강도를 지나치게 증가시키고 인성을 떨어뜨리기 때문이다.

상기와 같이 냉각된 선재는, 그 조직이 베이나이트 조직으로 구성되어 있어 연신율이 우수하기 때문에, 냉간압조 전 종래와 유사한 정도의 강도를 지니면서도 구상화열처리를 생략할 수 있는 것이다. 즉, 가공성 측면에서는 선재상태의 인장강도가 낮은 것이 바람직하고 제품상태에서는 인장강도가 높은 것이 바람직한데, 종래에는 선재상태의 인장강도가 높고 단면 감소율이 낮아서, 구상화열처리를 실시하여 조직을 연화시켜 줄 필요가 있었다. 그러나, 본 발명에 의하면, 선재상태의 조직이 베이나이트 조직이기 때문에, 강도는 높지만 연신율이 좋아 가공성이 우수하여, 구상화 열처리없이가 불필요하게 되고, 다이스의 수명을 단축시키는 것을 방지할 수 있다. 이와 같은 높은 강도는, 제품에까지 이어지므로, 제품측면에서도 이점이 있다.

한편, 상기 선재는, 이후 통상의 방법을 통해, 냉간신선가공 후 냉간단조되어 제품으로 가공된다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

(실시예)

하기 표2와 같이 조성되는 강을 110 mm x 110 mm x 250 mm의 소형 강편으로제작한 후, 1100℃에서 2시간 가열하고, 열간압연하여 950℃에서 마무리압연을 종료하였다. 하기 표2의 비교강은, Si을 배제하여 냉간압조성을 개선시킨 종래 비조질강에서 구상화열처리를 생략한 경우이다. 그 다음, 상기 선재를 0.5℃/초의 냉각속도로 냉각시킨 후, 선재의 미세조직 및 인장강도를 관찰하고, 그 결과를 도1(a),(b) 및 도2에 나타내었다.

이후, 발명강 및 비교강 선재에 대하여, 구상화열처리를 생략하고 냉간신선 한 다음, 냉간단조하여 제품으로 가공하였다.

	C	Si	P	S	Mn	Cr	Mo	Ni	Al	V	Ti
발명강	0.26	0.05	0.009	0.007	1.48	0.51	0.20	0.49	0.037	0.14	-
비교강	0.47	0.04	0.007	0.005	1.80	-	-	-	-	0.11	0.017

도1(a),(b)에 나타난 바와 같이, 도1(a)의 발명강은 침상형태의 베이나이트 조직을 가지고 있는 반면, Cr, Mo, Ni 등의 베이나이트 촉진 요소가 함유되지 않은 도1(b)의 비교강은, 주조직이 펄라이트로 이루어진 것을 알 수 있다. 즉, 펄라이트로 이루어진 조직의 경우에는, 이후 냉간압조성이 열화하므로, 바람직하지 않다.

도2는, 선재 열간압연후 발명강과 비교강의 인장강도 및 단면 감면율을 나타낸 것으로서, 도2에는 종래 구상화열처리를 실시한 중탄소 저합금강(SCM435)의 인장강도 및 단면 감면율도 함께 나타내었다. 도2에 나타난 바와 같이, 기존의 열처리 강재인 중탄소 저합금강(SCM435)은 선재상태의 인장강도가 100kg/mm²로 높으면서도 단면 감면율이 35% 정도로 매우 낮아서, 구상화 열처리를 실시하여 단면감면율을 50% 이상으로 증가시켜야만 했다. 그 이유는, 단면 감면율이 50% 미만이면, 소재의 취성특성으로 인해 냉간압조가 불가능하기 때문이다. 반면에, 본 발명의 발명강 및 비교강은 선재상태의 인장강도가 86.2kg/mm², 92.2kg/mm²이었으며, 단면 감면율도 각각 50%, 70%를 상회하여, 구상화열처리없이도 냉간단조가 가능함을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 발명강 및 비교강 선재를 냉간에서 감면율 14%로 압연한 결과, 발명강은 인장강도가 97.5kg/mm²로 증가하였고, 비교강은 102.3kg/mm²로 증가하였다. 이것은 종래 중탄소 저합금강을 소입소려한 후 얻어지는 인장강도 값인 95kg/mm²보다 높은 값이기 때문에, 결과적으로 본 발명의 발명강 및 비교강은 종래 열처리 강재인 중탄소 저합금강을 대체할 수 있는 것이다.

그러나, 상기 비교강은, 변형저항값이 발명강보다 커서 냉간압조성이 열위한 것을 알 수 있다. 즉, 냉간압조성이 우수하려면 변형저항이 적어야 하는데, 비교강과 발명강의 변형저항을 비교한 도3에 나타난 바와 같이, 비교강은 발명강 대비 변형저항값이 큰 것이다.

한편, 도4는 인장강도값을 동일하게 하여 인장강도의 높고 낮음이 변형저항값에 미치는 영향을 배제하고, 순수하게 두 강종의 변형저항값의 우열을 통해, 냉간압조성을 비교한 그래프이다. 도4에 나타난 바와 같이, 발명강은 냉간압조특성치 (= 변형저항/인장강도)가 낮아서 냉간압조성이 우수함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 냉간압조가공전에 구상화열처리를 하지않고도 자동차 부품을 냉간에서 효과적으로 제조할 수 있고, 제품 가공후 소입소려 열처리도 생략가능하여, 열처리 비용의 저감, 납기 단축 및 생산성 향상 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

Claims

중량%로, C: 0.15~0.35%, Si: 0.1%이하, Mn: 1.0~2.0%, P: 0.03% 이하, S :0.03% 이하, Cr: 0.20~1.0%, Mo: 0.10~0.50%, Ni: 0.2~1.0%, V: 0.05~0.20%, Al :0.02~0.10%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강편을 1000~1200℃로 재가열한 후, 마무리 압연온도를 900~1050℃로 하여 선재로 열간압연하고, 0.1~10℃/초의 냉각속도로 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 선재 열간압연후 선재의 조직은 베이나이트 조직인 것을 특징으로 하는 냉간압조성이 우수한 비조질강의 제조방법.