KR20030016434A - 가공 절단면이 미려한 고탄소강대의 제조방법 - Google Patents

가공 절단면이 미려한 고탄소강대의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고탄소강대의 제조에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 수요가에서 파인 프레스 가공시 소입열처리성이 높으면서도 프레스 성형성이 우수하고, 특히 가공후 절단면이 미려한 고탄소강대를 제공함에 있다.
본 발명에 따른 고탄소강대의 제조방법은, 중량비로, C: 0.35~ 0.55%, Si: 0.1~ 0.4%, Mn: 0.6~ 1.2%, Cr: 0.1~ 1.0%, S: 0.008%이하, P: 0.02%이하, B: 0.0005~ 0.005%, Ti: 0.1%이하, Ca: 0.001~ 0.1%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 1,200℃이하의 온도에서 250분 이내로 가열한 후 열간압연하여 열연판을 제조한 다음, 상기 열연판을 550~ 630℃의 범위에서 권취하고, 권취된 열연코일을 유냉하여 냉각된 열연코일을 Ac1변태온도 이하에서 구상화소둔처리함을 포함하여 구성된다.

Description

가공 절단면이 미려한 고탄소강대의 제조방법{A Process for manufacturing High Carbon Containing Steels with Smooth Sheared Planes}
본 발명은 고탄소강대의 제조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수요가에서 파인 프레스 가공시 소입열처리성이 높으면서도 프레스 성형성이 우수하고, 특히 가공후 절단면이 미려한 고탄소강대를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
근래에 와서 대부분의 기계부품이나 자동차 부품들은 프레스 성형가공에 의해 제조된다. 프레스 성형가공이란 강판을 펀치와 다이 사이에 넣고 펀치로 눌러 전단 가공하는 것을 말한다. 프레스 성형가공의 종류는 일반적으로 일반 프레스 성형가공과 파인 프레스 성형가공으로 나눌 수 있다. 일반 프레스 성형가공은 단순히 강판을 다이 위에 놓고 펀치로 내리치면서 원하는 부품을 가공한다. 반면, 파인 프레스 성형가공은 프레스 성형 홀더로 강판을 움직이지 못하도록 고정하고, 상부 펀치와 하부 펀치로 강판을 동시에 잡고 서서히 밑으로 잡아 당기면서 부품을 가공하는 기술이다. 일반 프레스 성형가공으로 제조된 부품은 전단면이 약 30%이고, 파단면이 약 70%로서, 그 프레스 성형 단면이 좋지 못하고, 부품이 정밀하지 못하며, 또한 가공시 약간의 변형이 발생한다. 이에 반해 파인 프레스 성형가공으로 제조된부품은 전단면이 거의 100%이기 때문에 매우 미려한 프레스 성형 단면을 가진다. 이에 따라 부품의 정밀도가 기계가공 부품의 수준이며, 가공시에 변형이 전혀 발생하지 않는다. 또한, 파인 프레스 성형가공은 일반 프레스 성형에 비해 2차 가공을 필요로 하지 않기 때문에 생산공정을 생략할 수 있다. 또한 기계가공과 유사한 정밀한 부품을 만들면서도 기계 가공보다는 생산성이 매우 높아 최근에 와서 각광을 받고 있다.
이렇듯, 파인 프레스 성형가공은 일반 프레스 성형과 가공방식이 크게 다르기 때문에 파인 프레스 성형용으로 요구되는 소재의 특성도 다르다. 파인 프레스 성형가공용 소재가 갖추어야 할 조건은 이방성이 없이 균일하고, 연성이 커야한다는 것이다.
파인 프레스 성형가공용 소재는 저판소강에서부터 고탄소강에 이르기까지 여러 가지 종류가 있다. 그 대표적인 예로서, 일본 공개특허공보 소58-104160호와 특허공보 평5-14764호에는 탄소 함량이 비교적 낮은 저탄소강을 이용하여 파인 프레스 성형가공용 강판의 제조방법이 개시되어 있다. 그러나, 저탄소강은 경도가 낮고 연성이 우수하여 파인 프레스 성형성은 우수할 수 있으나, 소입열처리성이 나쁘기 때문에 기계부품에서 많이 요구되는 부품 중심부까지 고경도와 고강도를 얻기가 힘들고 또한 두꺼운 부품의 제조에는 부적절하다.
한편, 소재의 소입열처리성을 향상시키고 열처리후 고강도를 얻기 위해 탄소함량을 높인 파인 프레스 성형용 고탄소강의 제조방법이 일본 특허공보 소62-2008호에 개시되어 있다. 그러나, 소재가 탄소 함량이 높아지면 펄라이트 양이 많아져구상화 소둔후에도 소재의 경도가 높고 연성이 낮아진다. 이에 따라 고탄소강은 파인 프레스 성형성이 저하될 뿐만 아니라 파인 프레스 성형용 금형의 마모가 심해져서 금형을 자주 교체해야 하는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 고탄소강의 높은 소입열처리성과 저탄소강의 우수한 파인 프레스 성형성을 동시에 가지는 소재를 얻기 위해 연구와 실험을 거듭하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 되었다.
본 발명의 목적은 고탄소강의 개재물 및 미세조직을 조절하여 저탄소강 수준의 우수한 파인 프레스 성형 특성을 가지게 하고, 미량의 Ca 및 Cr 등의 합금원소를 첨가하여 소입열처리성과 파인 프레스 성형성이 동시에 월등하게 나타나는 고탄소강대를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고탄소강대의 제조방법은, 중량비로, C: 0.35~ 0.55%, Si: 0.1~ 0.4%, Mn: 0.6~ 1.2%, Cr: 0.1~ 1.0%, S: 0.008%이하, P: 0.02%이하, B: 0.0005~ 0.005%, Ti: 0.1%이하, Ca: 0.001~ 0.1%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 1,200℃이하의 온도에서 250분 이내로 가열한 후 열간압연하여 열연판을 제조한 다음, 상기 열연판을 550~ 630℃의 범위에서 권취하고, 권취된 열연코일을 유냉하여 냉각된 열연코일을 Ac1변태온도 이하에서 구상화소둔처리함을 포함하여 구성된다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 고탄소강재에 함유되는 C는 강의 경도를 높이는 가장 중요한 원소로, 약 0.35~ 0.55중량%(이하, 간단히 `%') 함유된다. 소입과 소려 열처리에 의해 기계부품에 필요한 경도(HRc: 55이상)을 얻기 위해서는 탄소가 적어도 약 0.35% 이상 함유되는 것이 필요하다. 그러나, 소재중에 C 양이 너무 많으면 구상화 소둔후의 경도가 높아지고 연성이 감소하여 파인 프레스 성형성이 크게 떨어지므로 약 0.55%이하로 하는 것이 바람직하다.
상기 Si는 탈산제로 아주 중요한 원소로서 강재에 약 0.1~ 0.4% 정도 함유된다. Si 양이 너무 적으면 탈산효과가 적으므로 0.1% 이상 함유시킨다. 그러나, Si 양이 너무 많으면 강재를 재가열시 탈탄이 심하게 되고 적스케일이 발생하여 산세가 어려워 표면 결함이 발생하기 쉽고, 고용강화에 의해 경도가 높고 연성이 저하되므로 약 0.4% 이하로 제한함이 바람직하다.
상기 Mn은 강재의 소입성을 향상시키는 중요한 원소이며, 그 효과를 얻기 위해 적어도 0.6% 이상 함유시켜야 한다. 그러나, Mn의 함유량이 증가하면 펄라이트와 페라이트가 층상으로 분포하는 밴드 조직이 발생하기 쉽고, 세멘타이트의 구상화를 억제하며, 경도를 높이고 연성을 저하시키기 때문에 Mn의 상한을 약 1.2%로 한정함이 바람직하다.
상기 Cr은 Mn에 비해 고용강화 효과가 적고 밴드 조직의 발달을 조장하지 않으면서 소입성을 향상시키는 유효한 원소이다. 본 발명에서는 주로 밴드 조직 발달을 억제하고 소입성을 향상시킬 목적으로 Cr을 적어도 0.1% 이상 첨가한다. 그러나, Cr이 너무 많이 첨가되면 경도가 높아지고 연성이 저하되기 때문에 그 상한을 약 1.0%로 한정함이 바람직하다.
상기 S는 유화물을 형성하여 강재의 열간압연시 압연방향으로 길게 연신되어 강판의 이방성을 크게 하기 때문에 파인 프레스 성형성을 크게 저하시킨다. S 함량이 적으면 적을수록 좋지만, 약 0.008%를 넘게 되면 파인 프레스 성형성을 크게 저하시켜 바람직하지 않다.
상기 P는 세멘타이트를 안정화시켜 구상화를 방해하고, Mn과 함께 존재하여 편석되어 밴드조직을 조장하는 역할을 하기 때문에 상한을 약 0.02%로 설정한다.
상기 B는 오스테나이트 결정립계에 편석되어 소입열처리시 펄라이트의 생성을 억제하여 경화능을 향상시키는 중요한 원소로서, 적어도 약 0.0005% 이상 함유되어야 경화능이 높아진다. 그러나, B가 약 0.005% 이상 함유되면 경화능을 향상시키는 효과가 적고 강중에 보론 질화물이나 보론 탄화물을 형성하여 연성을 오히려 낮추는 역할을 한다.
상기 Ti은 B가 산화물이나 질화물을 형성하여 경화능 향상 효과를 저하시키는 것을 미리 방지하기 위해 첨가된다. B가 고용상태로 남아 경화능의 효과를 가지기 위해서 Ti은 상대적으로 약 0.1% 이하를 유지하여야 한다. 즉, Ti 양이 너무 높게 되면 티타늄 탄질화물이 형성되어 기지의 경도가 높아지고 연성이 감소하게 되어 바람직하지 않다.
상기 Ca은 유화물을 구상화시켜 재질의 이방성을 감소시키기 위해 첨가된다. 이러한 Ca의 첨가 효과를 얻기 위해서는 최소 0.0005% 이상은 함유되어야 한다. 그러나, Ca가 너무 많으면 산화물계의 비금속개재물이 증가하여 연성을 저하시키기 때문에 Ca 첨가량은 약 0.1% 이하로 한정함이 바람직하다. Ca가 첨가될 때 MnS보다 CaS로 먼저 석출되므로 S가 재질이방성에 미치는 영향이 감소하게 된다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같은 조성을 갖는 고탄소강을 이용하여 강대를 제조할 때 열간압연 공정에서 표면 탈탄을 방지하고 조직을 미세화시켜 밴드 조직을 억제하는 것이 중요하다. 고탄소강의 표면탈탄은 소재의 소입성을 감소시켜 내마모성과 내구성을 저해할 뿐만 아니라 열처리시에도 변형을 초래한다. 이를 방지하기 위해 재가열온도를 가급적 낮추고 시간을 줄이는 것이 바람직하다. 예를들어 열연판의 두께에 대해 약 1.0%이하 정도의 표면탈탄이 생기면 최종 열처리재의 경도 및 변형에 큰 영향을 주지 않는다. 따라서, 본 발명에서는 열간압연을 행할 때 표면탈탄이 가급적 1.0%이하로 억제될 수 있도록 약 1,200℃이하의 낮은 온도에서 많아야 250분 이내로 가열한 후 열간압연을 행한다.
이러한 강재의 표면탈탄 방지이외에도 강재의 조직미세화를 통해 밴드 조직을 억제하는 것은 구상화 소둔이나 파인 프레스 성형성, 그리고 연성, 소입열처리성을 향상시키기 위해 필요하다. 즉, 조직이 미세화하고 밴드 조직이 억제될수록 구상화 소둔시 세멘타이트의 구상화가 미세하고 조기에 이루어진다. 이에 따라 강재는 강도가 낮아지고 연성이 높아 파인 프레스 성형성이 향상되고, 소입 열처리성도 향상된다.
또한, 열연강판에서 조직 미세화는 권취 조건에 가장 크게 좌우된다. 권취온도가 높을수록 조직이 조대화되고, 밴드 조직이 발달하여 구상화가 어려워진다. 그러나, 권취온도가 너무 낮게 되면 조직은 미세하지만 베이나이트가 생성되어 강도가 너무 높게 되며, 구상화 소둔후에도 경도가 높아 파인 프레스 성형가공용 금형의 마모가 크게 초래된다. 본 발명에서 권취온도는 약 550~ 630℃의 범위에서 권취함이 바람직하다. 권취온도가 630℃ 이상에서는 조대한 조직이 되고 밴드 조직도 발달하며, 550℃ 이하에서는 베이나이트 조직이 되면서 강도가 증가하고 구상화 소둔후에도 경도가 높다.
그리고, 권취온도가 일정하다 해도 열연압연 공정의 냉각설비에서의 냉각 유량에 따라 펄라이트 라멜라 간격(pearlite lamellar spacing)에 영향을 주어 구상화 소둔후 프레스 성형성에 영향을 준다. 본 발명에서 바람직하게는 권취된 열연코일을 약 0.09~ 0.12㎥/sec의 유량으로 냉각하는 것이다.
그 다음, 본 발명에서는 상기한 조건으로 열간압연공정의 냉각 유량에 따라 얻어진 열연코일을 Ac1변태온도 이하에서 구상화소둔을 행한다. 상기 구상화소둔 공정에서 Ac1변태온도 이하에서 소둔을 행하면 구상화된 세멘타이트의 크기가 조대화되거나 또는 조대한 펄라이트가 다시 생성되어 파인 프레스 성형성이 저하되거나 소입열처리성이 저하된다. 본 발명에서 구상화 소둔은 비산화성 분위기에서 행함이 바람직하다.
이와 같이 구상화소둔 강판을 이용하여 수요가에서는 파인 프레스 성형가공을 행하여 일정 형상을 갖는 제품을 얻는다. 이때, 본 발명을 통해 제조된 강을 이용하여 수요가에서 파인 프레스 성형가공을 행하는 경우 가공성이 매우 양호하게될 수 있다. 수요가에서는 파인 프레스 성형가공된 제품을 소입열처리를 한 후, 소려처리를 행하게 된다. 수요가에서는 행하는 소입열처리는 통상 강의 Ac3변태온도의 30℃ 이상의 온도에서 세멘타이트가 충분히 고용되도록 유지한 다음, 유냉을 통해 마르텐사이트 조직을 얻는 방법으로 행하게 된다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.
[실시예]
표1과 같은 조성을 갖는 강을 표2와 같은 제조조건으로 재가열, 열간압연, 권취, 냉각 및 구상화소둔을 행하여 두께 5.0mm인 열연코일을 제조하였다.
구분 화학성분(중량%)
C Si Mn P S Cr B Ti Ca
발명강1 0.45 0.20 0.72 0.002 0.005 0.10 0.001 0.08 0.004
발명강2 0.35 0.20 0.76 0.020 0.008 0.21 0.002 0.08 0.006
발명강3 0.50 0.20 0.70 0.020 0.005 0.13 0.002 0.08 0.005
발명강4 0.55 0.20 0.68 0.020 0.005 0.70 0.002 0.08 0.007
비교강1 0.10 0.20 0.90 0.015 0.003 0.20 0.002 0.015 -
비교강2 0.45 0.21 1.0 0.015 0.004 0.20 0.002 0.016 -
비교강3 0.20 0.25 2.0 0.016 0.004 0.20 0.002 0.018 -
비교강4 0.20 0.20 1.0 0.015 0.004 1.50 0.002 0.017 -
비교강5 0.20 0.23 1.0 0.015 0.010 0.20 0.002 0.016 -
비교강6 0.20 0.20 1.0 0.015 0.015 0.20 0.002 0.018 0.004
비교강7 0.20 0.25 1.0 0.015 0.004 0.20 0.002 0 -
비교강8 0.20 0.23 1.0 0.015 0.004 0.20 0 0.02 -
이와같이 제조된 각 열연코일에 대하여 경도를 측정하고, 그 결과를 표2에 나타내었다. 또한, 상기 열연코일을 이용하여 파인 프레스를 통해 자동차 도어 부품을 각각 50개 정도 제작하여 가공정도를 관찰하고 그 결과를 표2에 나타내었다. 이때, 가공정도는 파인 프레스 가공후 제품의 전단면이 약 90% 이상이면 우수, 90~ 80% 이면 양호, 그리고 80% 미만이면 불량으로 평가하였다.
구분 제조조건 경도(Hv) 프레스 성형성
재가열온도(℃) 재로시간(분) 권취온도(℃) 냉각유량(㎥/sec) 구상화소둔로(℃)
발명예1 1220 220 590 0.03 710 175 양호
발명예2 1220 250 600 0.06 710 160 양호
발명예3 1220 280 610 0.09 710 178 우수
발명예4 1240 210 630 0.12 710 180 우수
비교예1 1220 210 600 0.18 700 160 양호
비교예2 1220 220 640 0.18 720 185 양호
비교예3 1220 220 580 0.12 750 175 불량
비교예4 1240 200 540 0.12 750 155 불량
비교예5 1230 240 600 0.12 720 158 양호
비교예6 1210 250 680 0.18 710 170 불량
비교예7 1220 260 680 0.12 720 158 양호
비교예8 1230 230 680 0.06 720 162 양호
표1 및 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 열연강판은 구상화 소둔후 소재의 경도가 약 180Hv이하로 파인 프레스 성형성이 양호함을 알 수 있었다. 이는 본 발명에 따른 강판의 경우 페라이트와 펄라이트가 미세하게 분호하여 구상화 소둔후 세멘타이트가 균일하게 분포하기 때문이라 사료된다. 참고적으로, 본 발명에서 파인 프레스 가공된 부품을 약 400℃에서 1시간 소려했을 때 소재의 경도가 300Hv 이상이 되었다.
이에 반하여 본 발명 조건과는 달리 권취온도가 높거나 냉각 유량이 많은 비교예의 경우 경도가 높아져 조직이 취화되거나 프레스 절단면이 불량하고 금형의 수명이 짧아짐을 알 수 있다. 한편, 비교예(1, 5, 6, 8)의 경우 프레스 성형성도 양호하고 경도도 높지 않으나, 이들은 저탄소강이므로 최종 제품에서 요구하는 내마모성을 확보할 수 없다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하여 제조된 고탄소강 열연강재는 저탄소강 수준의 우수한 파인 프레스 성형 특성을 가지게 하고, 최종 수요가에서 가공시 소입열처리성과 파인 프레스 성형성이 동시에 월등하게 나타나 기계 부품이나 자동차 부품으로 매우 적합하다.

Claims (2)

  1. 중량비로, C: 0.35~ 0.55%, Si: 0.1~ 0.4%, Mn: 0.6~ 1.2%, Cr: 0.1~ 1.0%, S: 0.008%이하, P: 0.02%이하, B: 0.0005~ 0.005%, Ti: 0.1%이하, Ca: 0.001~ 0.1%를 함유하고, 잔부 Fe 및 불순물로 이루어지는 강재를 1,200℃이하의 온도에서 250분 이내로 가열한 후 열간압연하여 열연판을 제조한 다음, 상기 열연판을 550~ 630℃의 범위에서 권취하고, 권취된 열연코일을 유냉하여 냉각된 열연코일을 Ac1변태온도 이하에서 구상화소둔처리함을 포함하여 구성되는 가공 절단면이 미려한 고탄소강대의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 냉각은 0.09~ 0.12㎥/sec의 유량으로 냉각함을 특징으로 하는 가공 절단면이 미련한 고탄소강대의 제조방법.
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