KR20020093403A - Ｅｃａｐ법을 이용한 탄소강의 구상화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반 탄소강에서 펄라이트를 단시간 내에 구상화하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 ECAP법을 이용하여, 일반 탄소강에서 펄라이트내 세멘타이트 상을 단시간 내에 구상화하여 냉간가공능을 향상시키는 방법을 제공한다. 탄소강의 냉간단조능을 향상시키기 위해 실시하는 세멘타이트의 구상화는 일반 저탄소강의 경우, Ac₁직하의 고온에서 장시간 유지하는 방법이 알려져 있으나 본 발명에 따르면 ECAP 강가공을 이용하여 펄라이트를 구상화하는 시간을 크게 단축하여 단시간 내에 냉간단조능을 향상시킬 수 있는 특징을 갖는다.

Description

ＥＣＡＰ법을 이용한 탄소강의 구상화 방법 {Method for Spheroidization of Carbon Steel by Equal Channel Angular Pressing}

본 발명은 일반 탄소강의 펄라이트(pearlite)를 단 시간 내에 구상화하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 ECAP(Equal Channel Angular Pressing)법을 이용하여, 일반 저탄소강에서 펄라이트내 세멘타이트(cementite) 상을 단 시간내에 구상화하여 냉간 가공 능을 향상시키는 방법을 제공한다.

소물의 자동차 부품, 패스너 및 볼베아링 등의 생산에서 보편적으로 이용되는 냉간 단조는 재료를 가열하지 않고 이루어지는 가공 공정으로서, 열간 가공과 비교할 때 가공 후 치수가 최종치수에 근접하고 가공비가 훨씬 저렴한 장점이 있으나, 가공 능이 저하되어 가공 중 재료가 파괴되는 단점이 있다. 이를 보완하기 위해 일반적으로 가공 능을 저하시키는 세멘타이트를 구상화하는 구상화 열처리를 실시하고 있다.

일반적인 세멘타이트의 구상화는 고온에서 장시간 유지함으로써 이루어지는 데, 예를 들면 탄소량이 0.20%인 SCr 420의 phi 30㎜ 봉재의 경우 구상화를 위해 약 1000K에서 20시간을 열처리하여 한다. 이러한 장시간에 걸친 열처리는 실제 공정에 있어 원가를 상승시키는 요인이 되므로, 소재 제조업체에서는 개선이 필요한 대표적인 공정 중의 하나이다.

현재 구상화 열처리 시간을 단축시키는 방법으로는, 탄소강을 고온에서 오스테나이트화 한 다음 급냉하여 탄소를 과포화 한 뒤 단계적으로 열처리를 하는 방법과, 오스테나이트화 한 다음 단계적으로 냉각 속도를 달리 한 후, Ac₁온도 부근에서 등온 변태 시키는 방법 등이 고안되었으나, 복잡한 열처리 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있다. 이와는 다른 방법으로, 특히 아공석강의 경우 냉간 가공에 의해 세멘타이트의 구상화를 촉진시켜 열처리 시간을 단축시키는 방법이 있으나, 가공 시 재료의 디멘션(dimension)의 변화로 인해 부과되는 가공 량에 한계가 있다는 단점이 있다.

한편, 재료의 디멘션의 변화없이 높은 가공 량을 부과할 수 있는 방법으로 ECAP가 개발되었는데, 이는 실린더형 'L'자 몰드 내로 실린더형 시편을 압축하여 통과시킬 때 발생하는 단순 전단 변형(simple shear deformation)을 시편에 가함으로써 심한 소성 변형을 일으키는 방법이다. 이와 같은 방법은 변형 전후의 시편의 형상이 동일하기 때문에 매우 많은 변형량을 시편에 가하는 것이 가능하여, 1 내지 12까지의 높은 진변형율을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 ECAP 공정을 이용함으로써, 일반 탄소강에서 펄라이트를 구상화하기 위해 복잡한 열처리 공정을 거치거나 고온에서 장시간 열처리하는 종래 기술의 문제점을 일거에 해결하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 더욱 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첫째, ECAP 가공을 이용하여 저온에서 단순 전단 변형을 줌으로써, 펄라이트내 세멘타이트가 심하게 변형된 형태를 가지는 탄소강을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

둘째, ECAP 가공을 이용한 저온 가공 후 저온 열처리 공정을 행하여 페라이트를 초미세립으로 유지하며 펄라이트 내 세멘타이트를 구상화하여 강도가 크게 저하됨 없이 가공능을 향상시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

셋째, ECAP 가공 후 고온 열처리 공정을 행하여, 기존 공정에 비해 단시간 내에 세멘타이트를 조대하게 구상화하여 냉간 가공 능을 향상시키는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

넷째, ECAP 가공을 이용한 고온 가공으로써, 세멘타이트가 구상화된 탄소강의 제조 공정을 최소화하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이하 발명의 내용을 설명함에 있어서, 별도의 설명이 없는 한 첨가량을 표현하는 "%"는 "중량%"을 의미한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 사용된 ECAP 강가공용 다이의 대략적 수직 단면도이고;

도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 실시예 1에서 ECAP 강가공을 행한 탄소강 시편들의 투과전자 현미경 사진들이고;

도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 실시예 2에서 ECAP 강가공과 열처리를 행한 탄소강 시편들의 투과전자 현미경 사진들과 주사전자 현미경 사진이고;

도 4는 본 발명의 실시예 3에서 시편의 인장도(응력-신도) 그래프이고;

도 5a와 도 5b는 본 발명의 실시예 4에서 고온 ECAP 강가공을 행한 탄소강 시편의 투과전자 현미경 사진들이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

시편인 탄소강과 가공 다이를 상대적으로 저온인 200 내지 450℃로 가열하고 변형량을 2 이상으로 하여 ECAP 법에 의해 탄소강을 강가공한 뒤 열처리함으로써, 탄소강의 펄라이트 내 세멘타이트를 구상화하는 방법에 관한 것이다.

상기 변형량이란 ECAP에 의한 단순 전단 변형에 의해 재료에 부과되는 가공량을 의미하며, 1회 통과(1 pass)에 의해 진변형율이 약 1인 변형량이 재료에 부과된다. 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 변형량이 적어도 2 이상이어야 하는데, 이는 ECAP 법에 의하여 2 pass에 의한 가공을 의미한다. 앞서의 설명과 같이 ECAP 가공법이 이미 공지되어 있음에도 불구하고, 특히 변형량을 2 이상으로 할 때에는 탄소강의 펄라이트 내 세멘타이트가 심하게 변형되어 파형의 형태를 나타내거나 부분적으로 절단된 형태의 미세구조를 가지게 되고 이를 열처리하면 쉽게 구상화된다는 것은 전혀 알려져 있지 않은데, 본 발명자들은 다년간의 연구와 실험을 통해 이러한 사실을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명자의 연구에 따르면, 일반 탄소강을 ECAP 가공을 하면 페라이트(ferrite)의 경우 결정립이 크게 감소하는 반면에, 펄라이트(pearlite)내 세멘타이트(cementite)의 경우 미처리하였을 때 세멘타이트와 페라이트가 등간격으로 평행하게 배열된 것과는 다르게, 심하게 소성 변형되어 굴곡이 심한 파형의 형태나 두께가 가늘어져 절단된 형태를 가진다. 또한, 시편에 부과되는 변형량이 커질수록 세멘타이트는 더욱 심하게 소성 변형되며 실시예에서 보이듯이 350℃에서 진변형율이 8 이상인 경우에는 매우 미세한 크기로 구상화된 세멘타이트가 나타난다. 따라서, 특히 바람직한 가공 온도와 변형량은 250 내지 400℃와 2 내지 12이다.

상기 저온에서 ECAP 법에 의해 탄소강을 가공한 후 열처리하는 조건은 온도 범위에 따라 저온 열처리와 고온 열처리로 구별할 수 있는데, 전자는 400 내지 510℃의 저온에서 4 내지 24 시간동안 등온 열처리 또는 단계 열처리를 행하여 세멘타이트를 구상화한다. ECAP 법에 의해 저온(200℃내지 450℃)에서 가공한 탄소강은 상기하였듯이 세멘타이트가 심하게 소성 변형되는데, 이때 가공 중 도입된 높은 전위밀도에 의한 응력장에 의해 탄소가 분해되고 표면에 전위에 의한 요철이 생성되어 가공 후 열처리를 할 때 쉽게 구상화된다.

한편, 페라이트의 경우 ECAP에 의해 약 0.3㎛의 초미세립이 되어 강도가 크게 증가하는 반면 높은 전위밀도 인해 연성이 감소된다. 일반적으로 재료의 연성을 증가시키기 위해 응력제거 열처리 및 재결정 열처리를 실시하는데, 온도가 높을 경우 재결정된 결정립이 급작스럽게 증가하여 초미세립으로 유지할 수 없다. 따라서 페라이트 결정립을 3㎛이하로 유지하기 위해서는 510℃ 이하에서 등온 열처리를 하는 것이 바람직한데, 이 온도 영역에서 열처리 시간을 조절하여 페라이트를 초미세립으로 유지하며 펄라이트내 세멘타이트를 구상화할 수 있다. 400℃ 이하에서는 세멘타이트의 변화가 없으며 510℃ 이상에서는 부분적인 재결정이 일어나므로 바람직하지 않다. 더욱 바람직한 온도 및 시간은 480℃ 내지 510℃ 및 4시간 내지 20시간이다.

한편, 고온 열처리는 600 내지 720℃의 고온에서 30분 내지 2 시간 동안 열처리를 행하여 세멘타이트를 비교적 조대한 크기로 구상화할 수 있다. ECAP 강가공한 탄소강의 세멘타이트는 앞서 설명한 바와 같이 열처리에 의해 쉽게 구상화되는데, 예를 들면 저탄소강의 세멘타이트를 구상화하기 위해 실시하는 열처리 온도인 Ac₁(660℃ 내지 720℃)에서 1시간동안 유지할 경우 실시예에서 보이듯이 세멘타이트가 완전히 구상화된다. 이러한 세멘타이트의 구상화 열처리는, 앞서 설명한 바와 같이, 700℃ 이상의 고온에서 20 시간 이상이라는 장시간의 열처리를 필요로하는 기존의 방법에 비해 매우 혁신적으로 열처리 시간을 단축할 수 있는 장점을 가진다. 또한, 이러한 고온 열처리 방법은 시편의 전처리가 필요 없으며 비교적 단순한 공정에 의해 열처리 시간을 크게 단축할 수 있으므로 실용적 및 경제적인 면에서 유리하다. 또한, 하기 실시예에서도 확인할 수 있는 바와 같이, ECAP에 의해 고온에서 단시간 내에 구상화한 시편의 냉간 가공능 증가를 확인할 수 있다.

경우에 따라서는, 고온(450℃ 내지 720℃)에서 ECAP 법에 의해 탄소강을 가공하고 진변형율을 2 이상으로하여 세멘타이트를 구상할 수도 있다. ECAP 법에 의해 탄소강을 가공할 때, 비교적 적은 진변형율에서도 높은 가공 온도로 인해 변형받은 세멘타이트가 가공 중에 구상화되는데, 특히 바람직하게는 600℃이상에서 진변형율이 2 이상으로 하여 구상화한다. 이러한 방법은 가공 후 열처리를 통해 세멘타이트를 구상화하는 것에 비해 별도의 열처리 없이 비교적 짧은 ECAP 공정만으로 구상화할 수 있으므로 경제적으로 유리하다.

하기 실시예에서도 확인할 수 있는 바와 같이, 상기 고온에서 진변형율이 4인 ECAP 공정을 행하고 별도의 열처리를 거치지 않은 탄소강의 세멘타이트가 완전히 구상화되었다는 것이 확인되었다.

본 발명은 또한 상기 첫 번째 내지 네 번째 목적을 달성하기 위한 방법들로부터 제조된, 세멘타이트가 구상화된 미세구조를 가지는 저탄소강에 관한 것이다.

상기 방법들에 사용되는 ECAP 강가공용 다이의 특히 바람직한 형상은 본 발명자들의 한국특허출원 제2001-2549호 개시되어 있는데, 그러한 ECAP 강가공용 다이는 본 발명의 내용에 합체된다. 즉, 바람직한 ECAP 강가공용 다이는, 출구 부분의 길이가 입구의 길이보다 짧고 출구 부분의 하부 길이는 상부 길이보다 짧은 비대칭형인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용될 수 있는 탄소강의 조성은 C: 0.10 내지 0.90%, Si: 0.05 내지 0.35%, Mn: 0.6 내지 1.65%, (나머지 함량은 Fe가 차지함)이다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀더 구체적인 예를 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

실시예 1 (ECAP 공정)

탄소강(Fe - 0.15%C - 0.25%Si - 1.1%Mn: POSCO사 제품)을 φ 18㎜ ×130㎜의 원기둥형 시편으로 제단하고, 350℃로 가열하여 도 1a와 1b에 도시되어 있는 바와 같은 다이와 장치를 사용하여 ECAP 강가공을 행하였다. 도 1a의 다이에서 입구의 직경은 18㎜이고 출구의 직경은 17.5㎜이며, 내측 접촉각(φ)은 90°이고, 굴곡의 원호(φ)는 20°이다. ECAP 강가공을 행하여 얻어진 시편의 투과전자 현미경 사진을 도 2a 내지 도 2c에 나타내었다.

도 2a와 2b는 저온에서의 ECAP 강가공에 의한 약 4의 변형량을 가진 펄라이트(pearlite)상의 미세조직을 보여주고 있는바, ECAP 전의 페라이트(ferrite)와 세멘타이트(cementite)가 등 간격으로 평행하게 배열된 상태에 비해, 가공 중 세멘타이트가 굴곡이 심한 파형의 형태로 소성 변형하거나 평행한 상태로 두께가 가늘어져 여러 곳에서 절단된 형태를 이루고 있다.

한편, 도 2c는 저온에서의 ECAP 강가공에 의한 약 12의 변형량을 가진 미세조직을 보여주고 있는바, 심하게 소성 변형하였던 세멘타이트가 미세한 구상의 형태로 변화하였는데, 이는 ECAP 강가공에 의한 높은 진변형율에 의해 저온의 공정온도에서도 세멘타이트를 구상화될 수 있음을 의미한다.

실시예 2 (열처리 공정)

350℃에서 ECAP 강가공을 행한 실시예 1의 탄소강 시편을 480℃내지 700℃에서 1시간 내지 72시간 열처리하였다. 최종 시편의 미세조직을 투과전자 현미경과 주사전자 현미경으로 촬영한 사진을 도 3a 내지 도 3b에 나타내었다.

한편, 도 3a는 480℃에서 72시간 열처리한 시편의 미세조직을 보여주고 있는바, 세멘타이트가 완전히 구상화되어 0.1㎛ 이하의 미세한 구형의 형태를 나타냄을 알 수 있다.

도 3b는 700℃에서 1시간 열처리한 재료를 주사전자 현미경으로 확대한 미세조직을 보여주고 있는바, 펄라이트가 완전히 분해되어 구상화된 세멘타이트가 펄라이트 영역을 중심으로 페라이트 영역으로 넓게 퍼져 있는 형태를 나타내고 있다.

실시예 3 (인장강도 시험)

일반 탄소강의 미처리 시편과, 실시예 1의 방법으로 ECAP 강가공을 행한 시편 및 실시예 2의 열처리를 행한 시편을 두께 2㎜, 게이지 길이 25.4㎜로 제작하였으며, 인스트론 4206 만능시험기를 이용하여 초기 변형속도 2㎜/min으로 인장강도를 시험하였다.

도 4a에서 보는 바와 같이, ECAP 강가공에 의해 약 4의 변형량을 가진 시편은 미처리 시편에 비해 항복 강도가 크게 증가하였으나(350 ㎫에서 900 ㎫로 증가), 연신율은 크게 감소했음을 알 수 있다. 이 시편을 700℃에서 1시간 열처리하였을 때 미처리 시편에 비해 유사한 항복강도를 나타낸 반면 인장강도가 감소하였음을 알 수 있다. 또한 연신율이 크게 증가하였는데, 전통적인 구상화처리(SP:오스테나이트 영역에서 균질화처리 후 상온으로 급냉시킨 다음, 700℃에서 장시간 예열)를 행한 시편에 비해 열처리 시간이 매우 짧음에도 불구하고 연성과 인성이더욱 높음을 알 수 있으며, 이는 실제 조업시간을 크게 단축할 수 있는 가능성을 제시한다.

실시예 4 (ECAP 공정의 온도조절 시험)

일반 탄소강을 540℃ 및 600℃에서 각각 ECAP 공정을 실행하였다는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 강가공을 행하였다. 제조된 시편의 투과 전자 현미경 사진을 도 5a(540℃)와 도 5b(600℃)에 각각 나타내었다. 도 5a에서 보는 바와 같이, ECAP 실행온도가 540℃의 경우 세멘타이트가 구상의 형태를 나타내며 더욱 고온인 600℃의 경우 완전한 구형의 형태로 구상화된다.

일반 탄소강의 구상화 열처리는 복잡한 열처리 또는 고온에서의 장시간 열처리를 통해 이루어져 왔으나, 본 발명에 따르면 ECAP 강가공을 이용하여 저온에서도 구상화할 수 있으며, 특히 고온에서는 기존 기술에 비해 단시간 내에 구상화를 완성할 수 있다. 또한, 이에 따른 연성과 인성이 크게 증가하여 탄소강의 냉간단조능을 개선시킬 수 있는데, 이는 일반적인 구상화 열처리에 비해 공정시간의 단축과 함께 원가절감 효과를 가져올 수 있다.

Claims (7)

1. 시편인 탄소강과 가공 다이를 200 내지 450℃로 가열하고 변형량을 2 이상으로 하여 ECAP법에 의해 탄소강을 강가공한 뒤 열처리하는 것을 특징으로 하는, 탄소강의 펄라이트 내 세멘타이트를 구상화하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 가공 온도와 변형량이 250 내지 400℃와 2 내지 12인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항 에 있어서, 상기 열처리를 400 내지 510℃의 저온에서 4 내지 24 시간동안 등온 열처리 또는 단계 열처리로 행하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 열처리를 600 내지 720℃의 고온에서 30분 내지 2 시간 동안 행하여 세멘타이트를 비교적 조대한 크기로 구상화하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 시편인 탄소강과 가공 다이를 450 내지 720℃로 가열하고 진변형율을 2 이상으로 하여 ECAP법에 의해 탄소강을 강가공하는 것을 특징으로 하는, 탄소강의 펄라이트 내 세멘타이트를 구상화하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 가열 온도를 600℃ 이상으로 하고, 진변형율을 2 이상으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항 또는 제 6 항의 어느 하나에 따른 방법으로 제조된, 구상화된 세멘타이트의 미세구조를 가지는 것을 특징으로 하는 탄소강.