KR20080060619A - 항복강도 및 냉간압연성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 및 황(S): 0.02% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강판을 제공한다.
고탄소 강판, 스프링용 강판, 항복강도, 냉간압연성

Description

항복강도 및 냉간압연성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조 방법 {A HIGH CARBON STEEL SHEET SUPERIOR IN YIELD STRENGTH AND COLD WORKING AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
도 1은 본 발명의 일 실시에의 고탄소 강판의 미세조직이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예의 고탄소 강판의 미세조직이다.
본 발명은 고탄소 강판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 항복강도 및 냉간압연성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
자동차에 대한 안전성 요구가 높아짐에 따라 스프링의 내구성 증가 요구 또한 높아지게 되었다. 스프링의 내구성은 스프링이 탄성변형 영역 내에서 구동할 때 가장 크게 나타나므로 스프링 소재의 항복강도에 큰 영향을 받는다. 따라서 스프링의 내구성 향상을 위해서는 스프링용 박강판 소재의 고강도화가 필요하다. 이러한 스프링강의 고강도화 추세에 부응하여 기존의 스프링강에 비하여 항복강도 및 압연성 등이 더욱 향상된 재료가 절실히 요구되는 실정이다.
이 분야 종래의 기술을 살펴보면 기존의 스프링용 박강판은 펄라이트 조직으 로 구성되어있기 때문에 압하에는 유리하지만 가공경화로 인한 강도향상에 한계를 가진다. 이러한 약점을 극복하기 위해 기지조직을 경화조직인 하부 베이나이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 이용하는 방법이 고안되었다. 그러나 이러한 기지조직으로는 압연성이 부족하여 압하도중 크랙이 발생하거나 파단이 일어나는 문제가 발생하여 스프링 제조를 위해 필수적인 고압하의 냉간압연 등을 적용할 수 없는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위하여, 고강도 및 고 압연성을 가지는 고탄소 강판을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판은, 중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 및 황(S): 0.02% 이하를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진다. 여기에, 0.05∼0.25%의 V, Nb, Mo, Ti, W, Cu 및 30∼120ppm의 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 더 포함할 수 있다.
또한, 강판의 미세조직 중, 층상 세멘타이트 간의 층간 간격이 0.2㎛이하인 미세펄라이트 및 상부베이나이트 상의 부피 분율이 90%이상일 수 있으며, 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트의 부피분율의 합이 5% 이하일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판의 제조 방법은, ⅰ) 중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1 ∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 및 0.05∼0.25%의 V, Nb, Mo, Ti, W, Cu 및 30∼120ppm의 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제조하는 단계, ⅱ) 강재를 열간압연, 냉간압연 및 소둔공정을 통하여 구상화 세멘타이트 및 페라이트의 조직을 갖는 강판을 제조하는 단계, ⅲ) 강판을 800 내지 1100℃의 온도범위로 가열하는 단계, ⅳ) 가열된 강판을 오스템퍼링 납조의 온도가 450 내지 510℃가 되도록 하여, 70초 이상 오스템퍼링하는 단계를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 실시예들에 따른 고탄소 강판의 화학조성을 한정한 이유를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 탄소(C)의 함량은 0.75~0.95%로 한다. 이와 같이 탄소(C)의 함량을 한정한 이유는 탄소의 함량이 0.75% 미만인 경우에는 담금질에 의한 경도 상승, 즉 우수한 내구성을 확보하기 어렵다. 또한, 탄소(C)가 0.95%를 넘는 경우에는 잔류 오스테나이트의 형성이 용이하다. 또한, 냉간압연시 응력유기변태에 의한 균열 발생가능성이 높고, 강판의 인성 및 피로특성이 열화된다.
규소(Si)의 함량은 1.8% 이하로 한다. 규소(Si)의 함량이 증가할수록강판의 강도 및 영구변형 저항성이 커진다. 그러나 1.8%를 넘는 경우, 영구변형 저항성이 오히려 감소하고, 열처리시 탈탄 가능성이 커진다. 또한, 스케일결함의 증가로 인하여 표면 품질의 저하를 초래한다.
망간(Mn)의 함량은 0.1~1.5%로 한다. 이와 같이 망간(Mn)의 함량을 한정한 이유는 망간(Mn)의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 강의 제조공정 중 불가피하게 함 유되는 황(S)과 철(Fe)이 결합한 황화철(FeS)의 형성에 의한 적열취성이 발생된다. 반면에, 망간(Mn)이 1.5%를 넘는 경우에는 인성이 저하된다. 또한, 경화능이 필요이상으로 커지므로 필요한 미세조직을 얻기 위해서 요구되는 강판의 진행속도를 늦추어야 한다. 따라서 강판의 생산성이 저하된다.
크롬(Cr)의 함량은 0.1~1.0% 이하로 한다. 크롬(Cr)은 망간(Mn)과 마찬가지로 강의 경화능 및 강도를 향상시키며, 탈탄억제 및 흑연화 방지 효과를 가진 원소로 알려져 있다. 크롬(Cr)의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 충분한 소입성 및 탈탄억제 효과가 얻을 수 없다. 반면에, 크롬(Cr)이 1.0%
을 넘는 경우에는 경화능이 필요이상으로 커진다.
황(S)의 함량은 0.02% 이하로 한다. 황(S)의 함량이 0.02%를 넘는 경우에는 입계 편석 되어 강의 인성이 저하된다.
인(P)의 함량은 0.02% 이하로 한다. 인(P)의 함량이 0.02%를 넘는 경우에는 결정립계에 편석 되어 강의 인성이 저하된다.
몰리브덴(Mo), 나이비듐(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 및 텅스텐(W)은 강중의 탄소(C) 또는 질소(N)와 결합하여 석출경화를 일으키고, 구리(Cu)는 단독으로 석출경화를 일으킨다. 몰리브덴(Mo), 나이비듐(Nb), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 텅스텐(W) 및 구리(Cu) 중에서 선택한 하나 이상의 함량은 0.05~0.25%로 한다. 이러한 원소들은 단독 또는 복합적인 석출경화 현상을 통하여 강의 고강도화에 기여한다. 그러나 일정이상으로 첨가되면 석출경화 효과가 포화되는 경향이 있고, 필요이상으로 경화능이 향상되어 압연성이 저하되므로 상기 원소들 중에서 선택하여 사용한다. 또한, 상기 원소들이 0.05% 미만인 경우에는 석출강화 효과가 저하된다. 반면에, 상기 원소들이 0.25%를 넘는 경우에는 열간압연시 강재의 취성을 증가시킨다.
질소(N)의 함량은 30~120ppm으로 한다. 질소(N)가 30ppm 미만인 경우에는 탄질화물의 석출량이 충분하지 않아 강의 강도 및 영구변형 저항성의 개선이 미미하다. 반면에, 질소(N)가 120ppm을 초과하면 석출강화의 효과가 포화되고, 석출물이 기지조직에 과포화 되어 강의 인성이 저하된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판의 제조 방법에 대하여 설명하도록 한다.
먼저, 중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 및 0.05∼0.25%의 V, Nb, Mo, Ti, W, Cu 및 30∼120ppm의 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제조한다. 이와 같은 강재의 화학 조성을 한정한 이유는 전술한 바와 같으므로 여기에서는 그 설명을 생략한다.
다음으로, 강재를 열간압연, 냉간압연 및 소둔공정을 통하여 구상화 세멘타이트 및 페라이트의 조직을 갖는 강판을 제조하고, 제조된 강판을 800 내지 1100℃의 온도범위로 가열한다. 강판의 가열온도가 800℃ 미만이면 구상화된 세멘타이트가 소입과정에서 충분히 용해되지 않으므로, 열처리 이후의 소재의 강도가 저하된다. 반면에, 강판의 가열온도가 1100℃를 넘으면 탈탄 현상이 증가하므로, 오스테 나이트 조직의 결정립 크기가 커지게 된다. 따라서 경화능이 필요이상으로 증가되고, 미세조직을 얻기 힘들다.
다음으로, 강판을 오스템퍼링 납조의 온도가 450 내지 510℃가 되도록 하여, 70초 이상 오스템퍼링한다. 오스템퍼링시의 유지온도가 450℃ 미만이면 경화조직인 하부 베이나이트 또는 템퍼드 마르텐사이트가 형성되어 압연성이 떨어진다. 따라서 강판의 압연시 압연도중 크랙이 발생하거나 파단이 일어난다. 반면에, 오스템퍼링시의 유지온도가 510℃을 초과하면 펄라이트의 미세조직이 형성되어 가공경화를 통한 강도향상이 어렵다. 또한, 70초 미만으로 오스템퍼링하는 경우에는 소입 열처리시에 생성된 오스테나이트 조직이 납조 내에서 변태되지 못하고, 마르텐사이트로 변태되거나, 잔류 오스테나이트로 남게 된다. 따라서 냉간압연시 상기 조직들이 응력유기 마르텐사이트로 변태하여 균열 생성의 원인으로 작용하므로 안연성이 저하된다.
이와 같이 오스템퍼링의 조건을 조절하여 초기 강도 및 압연성이 우수한 미세조직을 가지는 고강도 강판을 얻을 수 있다.
이하에서는 실험에를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실험에는 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.
실험예
전술한 조성을 가지는 구상화 열처리된 고강도 스프링용 고탄소 박강판을 두께 1.5㎜의 판재로 압연한 후, 소입열처리 온도 750∼1200℃로 2분간 가열한 후 각 기 300~600℃로 유지된 납조에 오스템퍼링 열처리를 실시한다. 오스템퍼링 열처리된 강판의 미세조직을 관찰하고 항복강도, 압연성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 기재한다.
냉간압연성은 위의 조건으로 각각 열처리된 두께 1.5㎜의 판재를 (폭)100mm×(길이)150mm의 각재로 절단한 후 냉간압연기에서 매회 5%의 압하율로 압하 하였을 때 엣지(Edge)에 육안으로 쉽게 식별 가능한 현저한 균열이 발생하는 시점까지의 횟수를 측정하였다. 이는 누적압하율로 환산할 수 있다. 누적압하율은 초기두께에 대한 최종두께의 비율로 측정하였으며 냉간압연 횟수에 따라 현저한 균열발생 직전 압연까지의 누적압하율을 표시하였다. 일부 실험의 경우 약 80%까지 누적압하 이후에 실험을 중단하였다. 이는 목표로 했던 80% 누적압하가 가능한 것을 확인하였고, 본 실험에 사용한 압연기 설비성능상 0.3t 이하의 두께 조절에서 오차가 커질 우려가 있기 때문이다.
아래의 표 1에 고강도 스프링용 고탄소 박강판을 제조하기 위한 오스템퍼링 열처리 조건 및 소입열처리 조건 등의 제조조건을 기재한다.
구분 소입 열처리 온도(℃) 오스 템퍼링 온도(℃) 유지시간(초) 항복 강도( MPa ) 누적압하율 (%) 미세조직 구성
비교예1 750 480 80 860 80.6 상부베이나이트+펄라이트+미용해 시멘타이트
실시예1 850 500 80 1001 79.6 미세펄라이트 + 일부 상부베이나이트
실시예2 950 480 80 1026 80.6 상부베이나이트+ 일부 미세펄라이트
실시예3 1050 480 80 1015 80.6 상부베이나이트+ 일부 미세펄라이트
비교예2 1200 480 80 1120 72.2 상부베이나이트+미세펄라이트+마르텐사이트+극표면부 페라이트(탈탄)
비교예3 950 300 80 1554 33.6 하부베이나이트+마르텐사이트+잔류 오스테나이트
비교예4 950 400 50 1217 58.1 하부베이나이트+마르텐사이트+잔류 오스테나이트
비교예5 950 500 50 989 73.6 미세 펄라이트+마르텐사이트
비교예6 950 600 80 820 80.6 펄라이트
표 1을 참조하면, 소입열처리 온도가 800℃ 이하인 경우(비교예1), 기지조직은 역변태 되나 구상화된 시멘타이트의 용해가 완료되지 않아 오스템퍼링 열처리 후 소재에 용해되지 않은 시멘타이트 조직이 잔존하게 된다. 또한, 기지의 탄소농도가 부족하므로 변태곡선이 당겨지게 되어 동일한 냉각속도로 오스템퍼링 열처리한 경우에도 납조에 투입되기 전 구간에서 펄라이트가 생성되게 된다. 또한 베이나이트 내부의 탄화물 농도가 낮으므로 열처리 후 강도가 저하되게 된다. 소입열처리 온도가 1100℃ 이상인 경우(비교예2), 오스테나이트 결정립크기 증가로 인해 변태곡선이 뒤로 밀리는 효과가 나타난다. 따라서 납조를 통과한 후 냉각될 때 남아 있던 오스테나이트로부터 소량의 마르텐사이트가 생성된다. 또한 극표면부에 탈탄으로 인해 페라이트가 조직이 관찰되기도 한다. 이로 인해 압연성이 실시예 1~3 에 비하여 저하된다. 오스템퍼링 유지온도를 변경시킨 경우, 유지온도가 낮으면(비교예 3, 4) 열처리 이후의 항복강도는 증가하나 하부베이나이트 및 마르텐사이트 조직의 영향으로 압연성이 저하되는 단점이 있다. 납조에서의 유지시간이 부족한 경우(비교예 4, 5)도 잔류오스테나이트 조직이 남아있거나, 또는 납조를 통과한 후 냉각되면서 마르텐사이트 조직이 생성되므로 압연성이 실시예에 비해 소량 저하된다. 한편, 오스템퍼링 유지온도 (납조온도)가 510℃ 이상으로 높은 경우(비교예 6: 기존 스프링용 고탄소 박강판)는 압연성에는 문제가 없지만 열처리 후 항복강도가 낮아 가공경화에 의한 강화 이후의 항복강도에 한계가 있다. 반면에 본 발명에 의한 실시예의 경우, 표에서 보이는 바와 같이 압연성은 유지하면서도 열처리 후 항복강도는 증가하였다. 이는 도 1 및 도 2에서와 같이 내부 미세조직이 상부베이나이트 또는 펄라이트 진층간간격이 0.2㎛ 이하인 미세 펄라이트로 90% 이상으로 구성되고, 압연 시 균열 발생처로 작용하는 마르텐사이트 또는 응력유기 마르텐사이트 변태를 통해 균열을 생성하는 잔류 오스테나이트가 5% 이하로 제한되었기 때문이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고탄소 강판의 미세조직을 SEM(Scanning Electronic Microscope)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고탄소 강판의 미세조직을 SEM으로 관찰한 사진이다.
이와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다. 그리고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
본 발명의 실시예에 따른 고탄소 강판은, 오스템퍼링 납조의 온도가 450℃ ~510℃ 범위가 되도록 하여 70초 이상 오스템퍼링하는 단계를 포함하여 제조된다. 따라서 층상 세멘타이트 간의 진층간 간격이 0.2㎛ 이하인 미세 펄라이트 및 상부 베이나이트 상의 부피 합이 90% 이상이고, 잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트 상의 부피 합이 5% 이하이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 고탄소 강판은, 이와 같은 상의 비율을 가지므로, 항복강도 및 냉간압연성이 모두 우수한다.
특히, 본 발명의 실시예에 따른 고탄소 강판을 이용하여 판상 스프링을 제조할 경우, 스프링의 항복강도를 향상시킬 수 있다. 따라서 내구성이 높은 스프링을 제조할 수 있다.

Claims (4)

  1. 중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 및 0.05∼0.25%의 V, Nb, Mo, Ti, W, Cu, 및 30∼120ppm의 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 고탄소 강판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 강판의 미세조직 중,
    층상 세멘타이트 간의 층간 간격이 0.2㎛이하인 미세펄라이트 및 상부베이나이트 상의 부피 분율이 90%이상인 고탄소 강판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 강판의 미세조직 중,
    잔류 오스테나이트 및 마르텐사이트의 부피분율의 합이 5% 이하인 고탄소 강판.
  4. 중량%로 탄소(C): 0.75∼0.95%, 규소(Si): 1.8% 이하, 망간(Mn): 0.1~1.5%, 크롬(Cr): 0.1∼1.0%, 인(P): 0.02% 이하, 황(S): 0.02% 이하, 및 0.05∼0.25%의 V, Nb, Mo, Ti, W, Cu 및 30∼120ppm의 질소로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하고, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 제조하는 단계,
    상기 강재를 열간압연, 냉간압연 및 소둔공정을 통하여 구상화 세멘타이트 및 페라이트의 조직을 갖는 강판을 제조하는 단계,
    상기 강판을 800 내지 1100℃의 온도범위로 가열하는 단계, 및
    상기 가열된 강판을 오스템퍼링 납조의 온도가 450 내지 510℃가 되도록 하여, 70초 이상 오스템퍼링하는 단계
    를 포함하는 고탄소 강판의 제조 방법.
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