KR20050048951A - 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법 - Google Patents

안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법에 관한 것으로서, 우수한 인장강도와 경도를 가지는 안전벨트용 고탄소강을 생산성이 향상되고 생산 비용이 절감되는 방법으로 제조하기 위한 열처리 방법을 제공하고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 C: 0.40~0.70 중량%, Mn: 0.50~1.50 중량%, Si: 0.05~0.50 중량%, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo로 이루어진 미세합금원소 중에서 1개 원소 또는 2개 이상의 조합이 3 중량% 미만, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 F를 포함하는 조성의 안전벨트용 고탄소강에 대해, 780~870℃의 온도에서 10~30분간 유지한 후 담금질 열처리하는 제1단계; 및 190~220℃의 온도에서 20~60분간 템퍼링 열처리하는 제2단계를 포함하여 열처리한다.

Description

안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법 {Heat treatment method of high carbon steel for safety belt}
본 발명은 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 우수한 인장강도와 경도를 가지는 안전벨트용 고탄소강을 제조하기 위한 최적의 열처리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 안전벨트용 고탄소강은 매우 빠른 변형속도로 인장응력을 받기 때문에 높은 인장강도와 경도가 요구되며, 이러한 요구를 만족시키기 위해 담금질(소입, quenching) 및 템퍼링(tempering, 소려, 뜨임) 열처리하여 미세조직을 제어한다.
그러나, 종래의 열처리 방법에서는 담금질 열처리를 860℃에서 60분간 수행하므로 담금질 시간이 길어 생산성이 낮은 문제점이 있었고, 담금질 후 템퍼링 열처리를 360~370℃에서 60분간 수행하므로 템퍼링 온도가 높고 시간이 길어 생산성이 낮고 열처리 비용이 많이 소요되는 문제점이 있었다. 뿐만 아니라, 마르텐사이트(martensite)의 템퍼링 연화가 과도하게 진행되어 연성은 양호하나, 인장강도 및 경도가 열악한 단점이 있었다.
따라서, 담금질 및 템퍼링 시간을 단축시켜 생산성을 높이면서도 인장강도 및 경도가 높은 안전벨트용 고탄소강의 제조 방법이 절실히 요청되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 안전벨트용 고탄소강의 담금질 및 템퍼링 열처리 시간을 단축시켜 생산 속도를 증대시킴으로써 생산성을 향상시키는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 담금질 및 템퍼링 열처리 온도를 낮추고 유지시간을 단축시켜 생산 비용을 절감하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 안전벨트용 고탄소강의 인장강도 및 경도를 향상시키는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 인장강도 및 경도가 향상된 안전벨트용 고탄소강을 생산성이 높고 비용이 절감된 방법으로 제조하기 위한 최적의 열처리 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 안전벨트용 고탄소강을 780~870℃의 온도에서 10~30분간 유지한 후 담금질 열처리하는 제1단계; 및 190~220℃의 온도에서 20~60분간 템퍼링 열처리하는 제2단계를 포함하는 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법을 제공한다.
담금질 열처리 할 때에는 냉각액으로서 오일을 사용하는 것이 바람직하다.
안전벨트용 고탄소강은, C: 0.40~0.70 중량%, Mn: 0.50~1.50 중량%, Si: 0.05~0.50 중량%, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo로 이루어진 미세합금원소 중에서 1개 원소 또는 2개 이상의 조합이 3 중량% 미만, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 조성일 수 있다.
또한, 상술한 담금질 열처리는 안전벨트용 고탄소강을 압연하고 안전벨트 형상으로 제작한 후 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
일반적으로 안전벨트용 고탄소강의 조성은 C: 0.40~0.70 중량%, Mn: 0.50~1.50 중량%, Si: 0.05~0.50 중량%, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo로 이루어진 미세합금원소 중에서 1개 원소 또는 2개 이상의 조합이 3 중량% 미만, 그리고 기타 불가피한 불순물(S, P 등) 및 잔부 Fe를 포함하여 이루어진다.
이러한 합금조성의 안전벨트용 고탄소강은 용융되어 용강으로 제조되고, 연속주조되어 슬라브(slab)로 제작된 후, 가열로에서 재가열되어 열간압연을 통해 판재로 제조된다. 그 후 2차 냉간압연과 판금공정을 거쳐 제품형상으로 제조되게 된다.
안전벨트용 고탄소강은 매우 빠른 변형속도로 인장응력을 받기 때문에 높은 인장강도와 경도가 요구되며, 이러한 요구를 만족시키기 위해 담금질 및 템퍼링 열처리하여 미세조직을 제어한다.
본 발명에서는 안전벨트용 고탄소강이 높은 인장강도 및 경도를 가지기 위한 최적의 열처리 조건을 제시한다.
먼저, 냉간 압연이 완료된 안전벨트용 고탄소강을 프레스하여 안전벨트 형상으로 제작한 후 780-870℃로 가열하고 이 가열온도에서 10~30분간 유지한 다음 냉각 오일을 이용하여 담금질 열처리하며, 이로써 상온까지 냉각시킨다.
이 때, 가열온도가 780℃ 미만인 경우에는 오스테나이트로의 역변태가 미완료되어 담금질 후 소재에 퍼얼라이트(pearlite)조직이 잔존하게 되고 마르텐사이트 조직을 100% 얻을 수 없게 되므로, 인장강도와 경도가 열악해지는 문제점이 있다.
반면에, 가열온도가 870℃ 보다 높은 경우에는 열처리 비용이 높아질 뿐만 아니라 초기 결정립 크기가 커지기 때문에, 이에 따라 마르텐사이트 패킷의 크기가 증가하여 인장강도와 경도가 낮아지게 된다. 따라서, 가열온도는 780-870℃ 범위인 것이 바람직하다.
또한, 이러한 가열온도를 유지시키는 시간은 제품의 두께에 따라 조절하되 10분 미만이면 역변태가 불충분하여 100% 마르텐사이트 조직을 얻을 수 없기 때문에 인장강도가 열악하고, 30분을 초과하면 생산성이 낮아진다. 따라서 가열온도를 10~30분간 유지한 후 담금질하는 것이 바람직하다.
다음, 담금질 열처리가 완료된 안전벨트용 고탄소강을 190-220℃에서 20-60분간 템퍼링 열처리한다.
담금질 후에 수행하는 템퍼링 열처리의 온도가 190℃ 보다 낮은 경우에는 탄소의 확산 및 전위의 이동이 원활하지 않아 담금질된 강의 취성이 충분히 제거되지 않으므로 템퍼링 열처리후, 소려 마르텐사이트(tempered martensite) 조직의 인장강도가 열악해지는 문제점이 있다.
반면에 템퍼링 열처리의 온도가 220℃ 보다 높은 경우, 특히 240~350℃ 온도구간에서 템퍼링을 수행하면 저온템퍼링취성이 발생하여 인장강도가 급격히 저하될 우려가 있고, 350℃ 이상에서는 소려 마르텐사이트 조직의 연화가 과도하게 진행되어 인장강도와 경도가 낮다. 따라서, 템퍼링 열처리의 온도는 190-220℃ 범위에서 수행하는 것이 바람직하다.
또한 템퍼링 열처리 시 유지시간이 20분 미만이면 충분한 템퍼링 효과가 나타나지 않고 60분 초과면 생산성이 떨어진다. 따라서, 템퍼링 열처리는 20-60분간 수행하는 것이 바람직하다.
실시예
상술한 조성을 가지는 안전벨트용 고탄소강을 길이 10mm의 각재로 절단한 후, 딜라토미터(dilatometer)를 이용하여, 가열하면서 재료의 길이변화를 관찰하여 상변태점(역변태 시작온도(As), 역변태 종료온도(Af), 마르텐사이트변태 개시온도(Ms))를 측정하였으며 그 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참조하면 약 780℃ 이상 가열하여야만 역변태가 완료되어 담금질 열처리시 100% 마르텐사이트를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
이와 같은 결과를 바탕으로 하여, 상술한 조성을 가지는 안전벨트용 고탄소강을 두께 2.5㎜의 판재로 압연하고, 프레스하여 안전벨트 형상으로 제작한 후, 실시예 1 내지 9에 따라 담금질 및 템퍼링 열처리를 수행하였다.
실시예 1 내지 5에서는 790-860℃ 및 10~30분의 범위 내에서 다음의 표 1에 나타난 바와 같은 각각의 온도 및 유지시간 조건으로 가열한 후 오일 담금질을 수행하였고, 그 다음 220℃로 20분간 템퍼링 열처리를 수행하였다. 이러한 실시예 1 내지 5에 대해 인장강도 및 경도를 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
한편, 비교예 1에서는 표 1에 나타낸 바와 같이, 750℃로 가열하여 10분간 유지한 후 오일 담금질을 수행하였고, 그 후 템퍼링 열처리는 실시예 1 내지 5와 동일한 조건인 220℃로 20분간 수행하였다. 비교예 1에 대해서도 인장강도 및 경도를 측정하였고 그 결과를 표 1에 함께 나타내었다.
구분 가열온도(℃) 유지시간(분) 인장강도(kg/mm2) 경도(HRC) 비고
실시예 1 790 30 224 51.5 템퍼링 : 220℃, 20분
실시예 2 800 30 226 55.5
실시예 3 830 15 220 52.0
실시예 4 850 10 231 57.0
실시예 5 860 10 225 57.3
비교예 1 750 10 102 30.2
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 1 내지 5에서는 인장강도가 220 kg/mm2 이상이고 경도가 51.5 HRC 이상으로서, 인장강도 및 경도가 모두 우수한 결과를 나타내었다.
반면에, 비교예 1에서는 담금질 온도가 750℃이므로 오스테나이트로의 역변태가 완료되지 않아 담금질 후 소재에 퍼얼라이트(pearlite)조직이 잔존하게 되고 마르텐사이트 조직을 100% 얻을 수 없게 되므로, 인장강도와 경도가 낮았다.
실시예 6 내지 9에서는 850℃ 로 가열하여 10분 동안 유지한 후 오일 담금질을 수행하였고, 그 다음 190-220℃ 및 20~60분의 범위 내에서 다음의 표 2에 나타난 바와 같은 각각의 온도 및 유지시간 조건으로 템퍼링 열처리를 수행하였다. 이러한 실시예 6 내지 9에 대해 인장강도 및 경도를 측정하였으며, 그 결과를 표 2에 함께 나타내었다.
한편, 비교예 2 내지 4에서는 표 2에 나타낸 바와 같이, 850℃로 가열하여 10분간 유지(비교예 2)하거나, 860℃로 가열하여 60분간 유지(비교예 3 및 4)한 후 오일 담금질을 수행하였고, 그 후 템퍼링 열처리는 300-370℃ 및 30~60분의 범위 내에서 다음의 표 2에 나타낸 바와 같은 각각의 온도 및 유지시간 조건으로 수행하였다. 비교예 2 내지 4에 대해서도 인장강도 및 경도를 측정하였고 그 결과를 표 2에 함께 나타내었다.
구분 템퍼링온도(℃) 유지시간(분) 인장강도(kg/mm2) 경도(HRC) 비고
실시예 6 190 60 208 49.2 담금질 : 850℃, 10분
실시예 7 200 30 211 51.3
실시예 8 210 20 228 56.5
실시예 9 220 20 231 57.0
비교예 2 300 30 121 51.0
비교예 3 360 60 166 47.2 담금질 : 860℃, 10분
비교예 4 370 60 159 46.6
표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예 6 내지 9에서는 인장강도가 208 kg/mm2 이상이고 경도가 49.2 HRC 이상으로서, 인장강도 및 경도가 모두 우수한 결과를 나타내었다.
반면에, 비교예 2에서는 템퍼링 온도가 300℃여서 저온템퍼링취성이 발생하여 인장강도가 열악해졌음을 확인할 수 있었고, 비교예 3 및 4에서와 같이 템퍼링온도가 360℃ 및 370℃인 경우에는 경도값은 우수하나, 소려 마르텐사이트 조직의 과도한 연화로 인장강도가 낮아질 뿐만 아니라, 열처리 온도가 높아 열처리 비용이 많이 소요되고, 담금질 열처리 전 가열온도의 유지시간이 길어 생산성이 낮은 단점이 있었다.
이에 비해 본 발명의 실시예 6 내지 9에서는 상술한 바와 같이 인장강도 및 경도가 모두 우수할 뿐만 아니라, 비교예에 비해 생산성이 높고, 열처리비용이 절감됨을 알 수 있었다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해, 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 안전벨트용 고탄소강의 열처리 동안에 100% 마르텐사이트 조직을 얻음과 동시에 마르텐사이트 패킷(packet)의 크기를 최소로 조절하고 템퍼링에 의한 마르텐사이트 조직의 연화를 최대한 방지하고 저온템퍼링취성(Tempered martensite embrittlement)이 발생하는 것을 방지하면서 급냉에 의한 잔류 응력을 제거하고, 담금질 열처리된 강의 취성을 줄여 최종 인장강도와 경도가 우수한 안전벨트용 고탄소강을 제공하는 효과가 있다.
따라서, 이와 같이 인장강도 및 경도와 같은 기계적 특성이 우수한 안전벨트용 고탄소강을 이용하여 고성능의 안전벨트 제품을 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 종래의 열처리 방법에 비해 담금질 및 템퍼링 열처리 시간이 짧으므로 생산 속도가 증대되어 생산성이 높은 효과가 있다.
특히 템퍼링 온도는 190-220℃로서 종래의 열처리 방법보다 낮고 또한 유지시간이 단축되기 때문에 생산 비용이 절감되는 효과가 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 생산성이 향상되고 생산 비용이 절감되면서 이와 동시에 우수한 인장강도와 경도를 가지는 안전벨트용 고탄소강을 제조하는 효과가 있다.
도 1은 열처리에 필요한 상변태점을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
As: 역변태 시작온도, Af: 역변태 종료온도,
Ms: 마르텐사이트(martensite) 변태 개시온도

Claims (4)

  1. 안전벨트용 고탄소강을 열처리함에 있어서,
    안전벨트용 고탄소강을 780~870℃의 온도에서 10~30분간 유지한 후 담금질 열처리하는 제1단계; 및
    190~220℃의 온도에서 20~60분간 템퍼링 열처리하는 제2단계
    를 포함하는 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 담금질 열처리 할 때에는 냉각액으로서 오일을 사용하는 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 안전벨트용 고탄소강은, C: 0.40~0.70 중량%, Mn: 0.50~1.50 중량%, Si: 0.05~0.50 중량%, Ti, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo로 이루어진 미세합금원소 중에서 1개 원소 또는 2개 이상의 조합이 3 중량% 미만, 기타 불가피한 불순물 및 잔부 Fe를 포함하는 조성인 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전벨트용 고탄소강을 압연하고 안전벨트 형상으로 제작한 후, 상기 제1단계를 수행하는 안전벨트용 고탄소강의 열처리 방법.
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