KR20080058949A - 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재가 제공된다.

본 발명의 보론강 선재는 중량%로 C:0.15-0.3%, Si:0.05-1.5%, Mn:0.1-1.5%, P:0.015%이하, S:0.015%이하, O:0.005% 이하, B:0.001-0.004%, Cr:0.3-1.5%를 함유하고, 여기에, Nb 0.01-0.5% 및 Ti 0.02-0.1%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 그 미세조직이 70%이상의 페라이트와 나머지는 펄라이트로 이루어진다.

또한 본 발명의 보론강 선재의 제조방법은 ,상기 조성의 빌릿을 Ae3~Ae3+80℃에서 제어압연하는 단계, 상기 압연된 선재를 0.8℃/S이하로 냉각하는 단계를 포함하여 이루어진다.

보론강, 연질, 냉간압조성, 열처리 생략, 선재

Description

가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재 및 그 제조방법{Wire material having excellent characteristics of formability and method of the same}

도 1은 합금원소에 따른 변태온도의 변화를 나타내는 도면이다.

도 2는 냉각속도에 따른 압연온도를 나타내는 도면이다.

일본 특허공개공보 2003-321743

일본 특허공개공보 평7-173531

국내 특허공개공보 2000-0033852

본 발명은 고강도 보론강 선재의 제조기술과 냉간압조성을 뛰어난 연질 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적절한 성분 제어와 선재의 제어압연, 제어냉각 기술을 이용하여 고온에서 제어압연 후 극서냉을 행하므로써 연질의 선재를 생산, 뛰어난 냉간압조성과 고강도 보론강의 제조가 가능한 제조방법에 관한 것이다.

최근 철강 원료가 급등으로 인해 기존의 물성을 유지하며 Mo, Ni 등의 고가의 합금원소를 낮춰 원가를 절감하려는 추세이다. 이러한 배경에서 보론은 저렴한 원가와 강의 소입성 보증 측면에서 기타 다른 원소에 비해 상당한 장점을 갖고 있어 오래전부터 활발히 사용되고 있다. 그러나 100kg/mm² 이상의 고강도 영역에서는 소입성의 불균일과 기타 보론의 소입성 유지의 어려움으로 저강도 영역에서와 같이 활발히 사용되고 있지는 않고 있다.

기존 볼트는 선재 상태에서 저온 어닐링을 거쳐 사이징(sizing)목적의 신선을 수행한 후 구상화 열처리, 볼트 성형, 소입, 소려 공정을 거쳐 최종 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)의 단상조직을 갖는다. 따라서 볼트의 강도는 조성 및 소입, 소려 열처리 공정에 의해 결정된다. 그러나, 원소재인 선재 상태에서는 볼트 성형을 용이하게 하기 위해 되도록 낮은 강도를 나타내어야 한다. 일반적으로 선재 상태에서의 조직은 페라이트와 퍼얼라이트의 복합상으로 존재하며 페라이트 그레인 사이즈와 페라이트, 퍼얼라이트 분율 등이 선재 강도를 정하게 된다.

따라서 연질 선재를 생산하기 위해서는 페라이트 상 분율을 증대시키고 입경을 크게 만드는 공정을 수행하여야 한다.

연질화 된 보론 첨가 선재를 생산하여 고강도 CHQ(cold heading quality wire) 제품을 구현하였을 경우 기대되어지는 이점으로는 다음과 같다. 첫째 보론의 사용하므로써 고가의 합금원소 첨가를 낮춰 선재 제조원가를 낮출 수 있으며 둘째 보론 사용으로 인해 선재 인장강도를 낮춰 연질 선재를 구현하여 구상화 열처리 및 저온 어닐링(low temperature annealing) 열처리를 생략할 수 있어 환경 에너지 측면에서 큰 장점을 가지고 있고 셋째 여러 열처리 공정이 생략되어 공정이 단순화되므로 생산성이 크게 증대되는 이점이 있다.

또한, 고강도 제품은 내지연파괴 물성을 상당히 고려해야 한다. 11T급(110kg/mm² 이상급)제품부터는 내지연파괴 물성 설계를 해야 한다. 지연파괴 저항성을 개선하기 위한 종래의 기술로는 1) 강재의 부식억제, 2)수소 침입량의 최소화, 3) 지연파괴에 기여하는 확산성 수소의 억제, 4) 한계확산성 수소농도가 큰 강재사용, 5) 인장응력 최소화, 6) 응력집중 완화, 7) 오스테나이트 입계 크기 미세화 등을 들 수 있다. 이를 달성하기 위한 수단으로 고합금화를 추구하거나, 외부 수소침입방지를 위한 표면코팅 또는 도금을 부여하는 방법을 주로 사용하고 있는 실정이다.

일본 특허공개공보 2003-321743는 지연파괴 저항성이 우수한 고강도 볼트의 제조방법에 관한 것으로서 내지연파괴 물성을 얻기위해 고가의 원소를 다량 첨가하고 있으며 템퍼링 온도도 높아 공업성을 부여하기 어려운 문제가 있다.

일본 특허공개공보 평7-173531은 열간성형후 초석 페라이트가 석출되지 않는 임계냉각속도 이상으로 연속냉각하여 베이나이트+마르텐사이트 이상복합조직강을 제조하는 방법에 관한 것이나 제조시 열처리 공정이 많아 공업성을 부여하기 어려운 점이 있다.

국내 특허공개공보 2000-0033852는 고강도 볼트 제작방법의 열처리 방법을 제시한 것을 특징으로 한다. 그러나 상기 특허공개공보는 낮은 소입온도로 인해 구상화 탄화물이 볼트 내에 남아있어 노치인성을 저하시킨다는 문제점 있다.

이와 같이, 가공성이 우수한 연질 보론강의 필요성이 부각되고 있으나, 그 대안은 제시되고 있지 않은 실정이다.

본 발명은 가공성이 우수한 연질 보론강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사상압연 구간에서 제어압연을 하고 냉각구간에서 극서냉을 행하여 페라이트 상분율을 극대화 함으로써 기존의 선재보다 더 연질한 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 보론강 선재는, 중량%로 C:0.15-0.3%, Si:0.05-1.5%, Mn:0.1-1.5%, P:0.015%이하, S:0.015%이하, O:0.005% 이하, B:0.001-0.004%, Cr:0.3-1.5%를 함유하고, 여기에, Nb 0.01-0.5% 및 Ti 0.02-0.1%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 그 미세조직이 70%이상의 페라이트와 나머지는 펄라이트로 이루어진다.

또한 본 발명의 보론강 선재의 제조방법은 ,상기 조성의 빌릿을 Ae3~Ae3+80℃에서 제어압연하는 단계, 상기 압연된 선재를 0.8℃/S이하로 냉각하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.

이하, 본 발명의 화학성분 및 그 범위의 한정이유에 대하여 설명한다.

C : 0.15-0.3%(이하 중량%)

상기 탄소의 함량을 0.15-0.3%로 제한한 이유는, 그 함량이 0.3%를 초과하는 경우 보론의 소입효과가 급격히 저하하여 충분한 소입성을 유지하기 못하기 때문이이며 0.15 % 탄소 함량 미만에서는 90kg/mm² 이상의 볼트 인장강도가 충분히 확보되지 못하기 때문이다.

Si : 0.05-1.5%

상기 실리콘(Si)의 함량을 0.05-1.5%로 한정하는 데 그 이유는 다음과 같다. Si 함량이 1.5%를 초과하는 경우 볼트를 만들기 위한 냉간단조 공정 중에 가공경화 현상이 급격하게 일어나 가공성에 많은 문제가 되며 0.05%미만에서는 볼트의 충분한 강도를 확보하지 못하며 세멘타이트의 구상화에도 악영향을 미친다. 본 발명에서는 실리콘의 함량을 낮추어 Nb, Ti등의 첨가에 의한 가공성 저하를 억제하였다.

Mn : 0.1-1.5%

상기 망간(Mn)은 기지조직내에 소입성을 강화하고 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력 볼트 특성에 매우 유용한 원소이며, 그 함량은 0.1-1.5%로 첨가함이 바람직하다. 상기 망간을 1.5%를 초과하여 첨가할 경우 고용강화 효과보다는 망간편석에 의한 조직 불균질이 볼트특성에 더 유해한 영향을 미친다. 강의 응고시 편석기구에 따라 거시편석과 미시편석이 일어나기 용이한데, 망간편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로인한 경화능 향상은 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 또한 상기 망간이 0.1% 미만으로 첨가될 경우 망간편석에 의한 편석대의 영향은 거의 없으나 고용강화에 의한 응력이완 개선효과는 기대하기 어려우며 여러 합금원소를 뺀 본 합금계에서는 보론 이외의 소입성 보완이 필요한데 그 효과를 보기 어렵다. 즉 망간의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 고용강화 효과 미흡으로 소입성 및 영구변형 저항성 개선이 미흡하고 1.5 %를 초과하는 경우에는 주조시 망간편석으로 인한 국부소입성 증대 및 편석대 형성으로 조직 이방성 심화, 즉 조직 불균일로 볼트특성이 저하된다.

P : 0.015%이하, S : 0.015%이하

상기 인(P) 및 황(S)의 함량은 각각 0.015% 와 0.015%이하로 한정한다. 상기 인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.015%로 제한하는 것이며, 상기 황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.

B : 0.001-0.004%

상기 보론(B)은 본 발명에서 소입성 및 지연파괴 저항성 개선을 위한 입계 강화원소로 보론의 함량을 0.001%-0.004%로 첨가함이 바람직하다 그 함량이 0.0010% 미만에서는 열처리시 보론원자들이 입계편석에 따른 입계 강도 개선효과나 소입성 개선효과가 미흡하며, 0.004%를 초과하면 효과가 포화되고 입계에 보론 질화물이 석출하여 입계강도가 저하된다.

O : 0.005%이하

상기 산소(O)의 함량은 0.005% 이하로 함이 바람직하다. 그 함량이 0.005% 를 초과하는 경우 산화물계 비금속 개재물로 인한 피로수명 저하가 우려되기 때문 이다.

Cr : 0.3-1.5%

상기 크롬(Cr)의 함량은 0.3-1.5%로 첨가함이 바람직하다. 그 함량이 0.3% 미만에서는 소입, 소려 열처리시 충분한 소입성 확보가 어렵다. 크롬 자체의 소입성 향상은 미미하지만 보론과 함께 넣어줄 경우 그 효과가 매우 증가하는 것으로 알려져 있다. 1.5%을 초과하는 경우 크롬 첨가는 강재 내에 필름형태의 탄화물을 생성하기 때문이다. 이러한 필름형태의 탄화물은 오스테나이트 입계에 존재하게 되면 수소지연파괴 저항성을 저하시키는 것으로 알려져 있다.

Ti : 0.02-0.1%, Nb : 0.01-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상

Nb, Ti의 경우 보론 첨가강에 사용하게 되면 보론과 상승작용을 일으켜 Ae3 변태점을 낮추고 미재결정 압연 온도(Tnr)를 높여 상대적으로 고온 제어압연이 가능하게 한다. 또한 Ti 또는 Nb 첨가강의 경우 Ti, Nb 탄질화물의 크기는 약 0.3 마이크로 미터 이하를 유지하여 오스테나이트 입계의 조대화를 막을 수 있는 작용을 유도한다.

상기 티타늄의 함량은 0.02-0.1%로 첨가함이 바람직하다. 그 함량이 0.02% 미만에서는 부식저항성에 대한 개선효과가 미흡하고 보론의 소입성 향상을 위해 보론 질화물을 생성을 막는 티타늄 질화물 생성이 어려우며, 0.1%를 초과하면 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 질화물이 형성하여 피로특성에 유해하기 때문이다.

니오븀(Nb)은 지연파괴 저항성 및 연화저항성 개선원소로 그 함량을 0.01-0.5%로 한정한다. 그 함량이 0.01% 미만에서는 모재 내 바나듐 또는 니오븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트로의 역할이 미흡하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 연화저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 그 함량이 0.5%를 초과하면 석출물들에 의한 지연파괴 저항성 및 연화저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하을 초래한다.

본 발명에 필수적 성분은 아니나 Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상을 추가로 포함할수 있다.

Mo : 0.1-1.5%,

상기 몰리브덴(Mo) 함량은 0.1-1.5%로 한정한다. 그 이유는 0.1% 이하에서는 템퍼링시에 세멘타이트가 입실론 카바이드에서 천이하여 성장할 때 세멘타이트 성장을 억제하여 연화저항성을 향상시키거나 지연파괴 저항성 향상을 위한 탄화물 생성에도 미흡하다. 몰리브덴을 1.5% 이상 첨가할 경우 연화저항성 증가에는 매우 효 과적이나 선재 제조시 저온조직(마르텐사이트, 베이나이트) 생성이 쉽게된다.

V : 0.05-0.5%

상기 바나듐(V)은 니오븀(Nb)과 같은 역할을 하는 원소로, 지연파괴 저항성 및 연화저항성 개선원소로 첨가되며 0.01% 미만에서는 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트로의 역할이 미흡하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 연화저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하기 때문이며, 그 함량이 0.5%를 초과하면 석출물들에 의한 지연파괴 저항성 및 연화저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하을 초래한다.

Ni: 0.01-0.5%

상기 니켈(Ni)은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)을 억제하여 지연파괴 저항성을 개선하는 원소이다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우에는 표면 농화층 형성이 불완전하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 냉간볼트 가공시 냉간성형성의 개선효과가 없고, 그 함량이 0.5%를 초과하면 잔류 오스테나이트 양이 증가하여 충격인성이 저하할 우려가 있다.

이하 상기와 같은 화학성분을 갖는 강을 이용하여 연질 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기 성분의 빌릿을 Ae3~Ae3+80℃에서 제어압연하는 단계;

본 발명에서는 Nb, Ti의 첨가에 의해 보론과 상승작용을 일으켜 Ae3 변태점 및 미재결정 압연 온도 구역에서 영향을 미치게 된다. 도 1에서 도시하는 바와 같이 Nb, Ti 등을 단독 사용하는 것보다 보론과 같이 사용하게 되면 변태온도를 크게 변화시킬 수 있다. 변태 온도가 낮아짐에 따라 상대적으로 고온에서 제어압연이 가능하며 이에 의해 선재 연질화를 보다 쉽게 구현이 가능하다. 즉, Nb등을 첨가하여 변태 온도를 낮추게 되면 더 고온에서도 제어압연이 가능하여 설비부담을 줄일 수 있게 된다. 특히 강종에 따라 제어압연 온도가 너무 낮았던 고탄소강의 경우에 제어압연 가능하게 되었다.

페라이트 상을 극대화 하기 위해서는 위해서는 미재결정 온도 이하와 오스테나이트-페라이트+오스테나이트 이상역 변태온도 구간의 경계에서 압연 하는 것이 가장 효과적이며, 압연온도가 Ae3미만인 경우에는 페라이트 상이 포함된 상태에서 압연이 되어 연질한 상태를 얻을 수 없으며, Ae3+80℃를 초과하는 경우에는 재결정에 의해 오스테나이트 입계를 팬케이크 모양으로 압축시킴으로서 페라이트 핵생성을 원활히 하는 효과를 얻을 수 없다.

압연된 선재를 0.8℃/s 미만으로 냉각하는 단계 ;

본 발명에서는 압연 후에 극서냉 열처리를 하여 연질의 페라이트 상을 다수 획득할 수 있는 바, 냉각 속도는 0.8℃/s미만으로 함이 바람직하다. 0.8℃/s이상인 경우에는 서냉에 의한 페라이트상 확보가 불가능 한 바, 0.8℃/s미만로 제어함이 바람직하다.

상기 제조방법에 따르는 경우, 미세조직이 70%이상의 페라이트를 함유하여 연질화되어 가공성을 개선할 수 있다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.

(실시예)

표 1은 발명재와 비교재의 조성으로 발명재는 본 발명의 성분 범위를 만족하는 것이고, 비교재는 본 발명의 성분에 벗어난 것이다. 준비된 강들을 시료로 하여 50kg ,잉고트 주조후 1200℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 13mm로 열간압연 하였다. 이때 마무리 온도는 950℃ 이상으로 하여 열간압연 후 공냉하였으며, 압연비는 80% 이상으로 하였다.

	C	Si	Mn	Cr	Nb	Al	Ti	B
발명재1	0.2	0.05	1.0	1.0	0.5	0.03	0.02	0.002
발명재2	0.2	0.05	1.0	1.0	-	0.03	0.1	0.002
비교재1	0.2	0.2	1.0	0.8	-	0.03	0.02	0.002

상기와 같이 압연된 소재들로부터 기계적 성질(인장 및 연신율) 및 지연파괴 특성을 평가하기 위한 시편들을 압연재의 압연방향에서 채취하였다.

상기 강종들은 두가지 열처리 조건에서 열처리 되었다. 첫번째는 단상 조직인 템퍼드 마르텐사이트 조직에서의 물성을 평가하기 위해 소입 열처리 온도인 Ae3+80℃ 이상에서 40분동안 열처리 후 소려온도 450℃이상에서 90분간 수행하였으며 두번째는 위의 소입열처리를 거친 후에 페라이트 균일상을 분포하기 위해 Ae3±10℃에서 40분간 열처리를 하여 페라이트 분율을 10%이하로 유지하였다.

그 시험 결과 나타난 결과는 다음 표 2에 나타내었다.

	C	Si	Nb	Ti	선재강도 MPa	Q/T 경도 Vc	Q/T 인장강도
발명재1	0.2	0.05	0.5	0.02	536.3	327.5	1029
발명재2	0.2	0.05	0	0.1	579.9	349.7	1098
비교재	0.2	0.2	-	-	581		1021

상기 표 2와 같이 발명재의 선재 인장강도는 539~579MPa 정도 이나 비교재의 경우 많은 조건에서 580 MPa 가 나왔다. 따라서 비교재에 비해 낮은 선재강도를 유지하여 연질화를 꾀하여 가공성을 개선할 수 있었다. 또한, Q/T처리후의 볼트 상태에서도 고강도를 유지할 수 있는 효과가 관찰되었다.

도 2는 목적하는 경도를 얻을 수 있는 냉각속도에 따른 압연온도를 도시한 그래프로, 상용 보론강의 경도 이하의 연질한 선재를 얻기 위해 냉각속도가 0.8℃/s인 경우 약 730-820℃의 범위에서 압연을 실시해야 하나, 0.5℃/s인 경우 그 보다 높은 온도에서 압연한 경우에도 상용 보론강의 경도보다 낮은 경도를 얻을 수 있어 상대적으로 고온제어압연이 가능하였다. 따라서 제어압연에 큰 설비 부담을 주지 않고 실제 선재생산라인에 적용이 가능하며 연질선재를 구현이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 연질 선재를 제조하기 위한 합금성분계 및 제조조건을 제시하여 선재제조 후 공정인 신선 공정에서의 열처리 공정 생략이 가능하게 하므로써 최종 제품의 생산비용을 낮추는 연질 고강도 냉간압조용 선재를 제공할 수있는 유용한 효과가 있다.

Claims (5)

1. 중량%로 C:0.15-0.3%, Si:0.05-1.5%, Mn:0.1-1.5%, P:0.015%이하, S:0.015%이하, O:0.005% 이하, B:0.001-0.004%, Cr:0.3-1.5%를 함유하고, 여기에, Nb 0.01-0.5% 및 Ti 0.02-0.1%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되며, 그 미세조직이 70%이상의 페라이트와 나머지는 펄라이트로 이루어진 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재.
2. 제 1항에 있어서, Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 보론강 선재는 인장강도 60kg/mm²이하인 것을 특징으로 하며 구상화열처리 생략이 가능한 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재.
4. 중량%로 C:0.15-0.3%, Si:0.05-1.5%, Mn:0.1-1.5%, P:0.015%이하, S:0.015%이하, O:0.005% 이하, B:0.001-0.004%, Cr:0.3-1.5%를 함유하고, 여기에, Nb 0.01-0.5% 및 Ti 0.02-0.1%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 빌릿을 Ae3~Ae3+80℃에서 제어압연하는 단계,

   상기 압연된 선재를 0.8℃/S미만으로 냉각하는 단계를 포함하여 이루어지는 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재의 제조방법.
5. 제 4항에 있어서, Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 가공성이 우수한 고강도 부품용 보론강 선재의 제조방법.

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