KR20100127548A

KR20100127548A - 조질합금강급 Ｖ-Ｆｒｅｅ비조질강 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20100127548A
Application number: KR1020090046041A
Authority: KR
Inventors: 박철우; 이상원
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2010-12-06
Also published as: KR101140911B1

Abstract

본 발명은 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강재를 안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도로 가열한 후에, 900~1000℃의 온도로 열간압연을 마무리하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 조질 열처리를 생략함과 아울러 고가의 V를 첨가하지 않고도 조질합금강과 동등수준의 물성을 갖는 비조질강을 제조한다. 따라서 높은 충격인성이 요구되는 크랭크샤프트 및 커넥팅로드 등 자동차 부품에 널리 적용이 가능한 이점이 있다.

비조질강, 니오븀, V-Free

Description

조질합금강급 Ｖ-Ｆｒｅｅ비조질강 및 그 제조방법{V-Free microalloyed steel having equality quality of quenching and tempered alloy steel, and method for producing the same}

본 발명은 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 조질 열처리를 실시하지 않고도 조질합금강과 동등 수준의 기계적 성질을 갖는 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

자동차의 크랭크샤프트 및 커넥팅로드 등은 부품의 특성상 고강도와 인성 등 일정 수준의 기계적 성질이 요구된다. 따라서 이러한 부품들은 합금강(예컨데,SCM급)을 열간단조한 후 조질 열처리를 실시하여 요구되는 물성을 확보한다.

조질 열처리는 강을 850℃ 내외로 가열한 후 급냉하여 재질을 경화시키는 소입(Quenching) 열처리와 이를 다시 600℃ 내외의 온도로 가열하고 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering) 열처리로 구분된다.

하지만 최근에는 조질 열처리가 비용 및 생산성면에서 자동차의 가격 경쟁력을 저해한다는 이유로 완성차 메이커를 중심으로 조질 열처리를 생략할 수 있는 비조질강이 개발되고 있다.

예를 들면, 고가의 합금원소인 "V"를 첨가한 비조질강을 열간단조 후 공냉함으로써 조질 열처리강에 준하는 요구 물성을 만족하도록 한다.

그러나 "V"첨가 비조질강은 고가의 합금원소 투입에 따라 어느 정도의 강도확보는 가능하나 아직 인장강도 70K급 수준으로 85K급 이상의 조질 합금강을 대체하기에는 강도가 부족하다.

그리고, 최근에는 고가의 합금원소인 "V"의 가격이 상승함에 따라 조질 열처리 생략에 따른 원가절감 효과를 기대하기 어려운 실정이다.

또한, 단순히 고강도를 위한 합금설계는 피삭성 및 인성을 확보할 수 없는 경우가 있어 이에 대한 개선책이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 조질 열처리 생략이 가능하며, 고가의 합금원소를 사용하지 않고도 강도면에서 조질 합금강(SCM급)과 동등한 물성치를 갖는 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강재를 안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도로 가열한 후에, 900~1000℃의 온도로 열간압연을 마무리한다.

상기 불순물은 P: 0초과 0.030wt% 이하, Cu: 0초과 0.30wt%이하, Ni: 0초과 0.25wt% 이하, Mo: 0초과 0.10wt% 이하, O: 0초과 30ppm 이하를 포함한다.

상기 강재는 열간압연 후 변태종료온도까지는 50~100℃/분의 냉각속도로 냉각하고 이후에는 상온까지 공냉한다.

상기 열간압연된 강재는 1150~1250℃의 온도범위로 가열하여 열간단조하고 공냉한다.

C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

본 발명은 탄,질화물을 형성하는 Nb와 N의 첨가와 열간압연 조건의 제어로 강도와 인성 및 충격치가 확보되는 비조질강을 제조한다. 이러한 비조질강은 조질합금강과 동등 수준의 물성을 가지면서도 가공성이 우수하여 크랭크샤프트 및 커넥팅로드 같은 자동차 부품에의 적용이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 조질 열처리 생략에 따른 제조공정 단순화로 비용절감과 생산성 향상의 효과를 갖는다.

특히, 본 발명은 고가의 합금원소인 V를 첨가하지 않고도 높은 항복비를 나타내는 비조질강을 제조하므로 자동차 부품 시장에서 경쟁력이 향상되는 유용한 효과를 갖는다.

이하 본 발명에 의한 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법 및 그 제조방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명의 조질합금강급 V-Free 비조질강은 C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

불순물은 P: 0.030wt% 이하, Cu : 0.30wt%이하, Ni :0.25wt% 이하, Mo: 0.10wt% 이하, O: 30ppm 이하를 포함한다.

본 발명은 고가의 V를 첨가하지 않고, 대신 C, Si, Mn, Cr, Al 및 N의 최적 배합으로 강도를 확보한다. 그리고 탄질화물 형성에 따른 결정립 미세화 효과가 있는 Nb 및 일정량의 N 첨가와, 페라이트 강화에 효과적인 Si를 적극 첨가하여 결정립 미세화 및 균일화를 도모한다.

미세하고 균일하게 분포되는 탄,질화물은 초석 페라이트의 석출 사이트(site)로 작용하여 페라이트의 미세석출을 유도함으로써 항복비와 충격치를 향상시킨다.

즉, 위의 합금설계는 인장강도를 유지하면서 항복강도를 상승시키는 효과를 갖는다. 통상, 열간압연에서 항복강도를 높이기 위해서는 인장강도를 높여야 하나, 이는 합금성분의 증가를 가져오므로 비용면에서 효율적이지 않다. 이에 따라 Nb의 첨가로 인장강도를 많이 높이지 않고도 항복강도를 높인다.

본 발명의 비조질강은 고가의 V를 첨가하지 않고도 85kgf/mm² 이상의 인장강도와 55kgf/mm²의 항복강도 및 12kgf/cm²이상의 충격치를 갖는다. 그리고 항복비가 60% 이상을 만족한다.

이하, 본 발명의 합금원소들의 기능과 함유량은 다음과 같다.

C: 0.35~0.50wt%

탄소(C)는 강의 강도와 경도를 결정하는 주요 원소이다. 탄소는 함량이 높을 수록 강도가 증가하나 0.50wt%를 초과하면 인성을 저하시키고 기계적 가공성을 저하시킨다. 그리고 탄소의 함량이 0.35wt% 미만이면 강도가 저하된다.

Si: 0.30~0.60wt%

실리콘(Si)은 페라이트 기지 강화 및 제강시 유효한 탈산제로 사용된다. 실리콘은 0.30wt% 미만이면 강의 탈산 효과 및 페라이트 강화 효과가 불충분하고, 0.60wt%를 초과하면 인성을 저하시킨다.

Mn: 1.30~1.70wt%

망간(Mn)은 소입성과 강도를 향상시키고 고온에서 소성을 증가시켜 주조성을 좋게한다. 특히, 망간은 유해성분인 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.

따라서 망간은 0.50wt%이상의 첨가가 필요하다. 그러나 1.70wt%를 초과하면 오히려 인성을 저하시킨다.

S: 0.020~0.050wt%

황(S)은 MnS를 형성하여 강의 피삭성을 개선한다. 황은 함유량이 과다하면 열간 가공성을 저하시키고 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물을 형성하여 표면처리시 결함의 원인이 되므로 0.020~0.050wt%의 범위로 제한한다.

Cr: 0.20~0.40wt%

크롬(Cr)은 망간과 더불어 강의 강도를 높이며 펄라이트 콜로니를 세분화하고 연성을 향상시킨다. 그러나 과다하게 첨가되면 강의 인성이 저하되고 동시에 가공성과 피삭성이 저하된다. 따라서 적정함량 범위를 0.20~0.40wt%로 설정한다.

Nb: 0.020~0.050wt%

니노븀(Nb)은 고온에서 강의 결정립 조대화를 방지하고, 결정립을 미세화시켜 강재의 연성 및 인성을 개선한다.

니오븀은 0.020wt%미만 첨가되면 결정립 미세화 효과를 기대할 수 없어 0.020wt% 이상의 첨가가 필요하다. 하지만 고가의 원소로 가격 상승의 요인이 되므로 질소와 같은 다른 성분과의 화학량론비를 계산하여 적정 첨가가 요구된다. 따라서 그 적정 함유량 범위를 0.020~0.050wt%로 한다.

N: 80~180ppm

질소(N)는 열간단조 후 냉각시 Nb와 결합하여 질화물Nb(CN)을 형성시켜 고온 결정립을 미세화시키며 충격치와 항복비를 향상시킨다. 그러나 과도한 첨가는 강재 표면의 결함을 발생시키고 단조성을 저해한다. 따라서 적정함유 범위를 80~180ppm으로 한다.

P: 0초과 0.030wt% 이하

인(P)은 편석성 원소로서 Fe₃P라는 화합물을 형성하여 강의 인성을 저하시키고, 충격 저항을 저하시키므로 함량을 0.030wt% 이하로 제한한다.

Cu: 0초과 0.30wt%이하

구리(Cu)는 강도 상승의 효과가 있지만 과다 첨가되면 인성의 현저한 저하와 열간가공성의 열화를 초래하므로 0.30wt% 이하로 제한한다.

Ni: 0초과 0.25wt% 이하

니켈(Ni)은 강의 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키는 효과를 가진다. 하지만 니켈은 과다 첨가되면 부품의 제조원가를 높여 비용증가를 초래하는 원소이므로 0.25wt% 이하로 제한한다.

Mo: 0초과 0.10wt% 이하

몰리브덴(Mo)은 강도와 인성의 향상에 효과가 크다. 그러나 과다 첨가되면 노말라이징(Normalizing)과 같은 열처리시 경도를 현저히 상승시켜 부품 가공성을 떨어뜨리고, 고가의 원소로 제조원가를 높인다. 따라서 몰리브덴은 함유량을 0.10wt% 이하로 제한한다.

O: 0초과 30ppm 이하

산소(O)는 강 중의 산화성 원소와 결합하여 비금속개재물을 형성하여 강의 기계적 성질 및 피로특성을 저해하므로 그 함량을 30ppm 이하로 제한한다.

Al: 0.001~0.010wt%

알루미늄(Al)은 탈산제로 첨가될 수 있다. 알루미늄은 실리콘과 마찬가지로 강재의 담금질성을 높이고 담금질 후의 강도의 안정화를 높이는 효과를 갖는다.

알루미늄은 탈산제의 효과를 발휘하기 위해서는 0.001wt%이상의 첨가가 필요하며 0.010wt%를 초과하면 비금속개재물의 양을 증가시켜 충격인성을 저하시킨다.

여기서, 하한치를 0초과로 제시한 원소는 불순물 개념으로 첨가하지 않아도 무방하다. 하지만 강도 및 피삭성에 기여하는 측면이 있어 상한치를 둔다.

상술한 성분계를 갖는 V미첨가 강은 Nb와 N을 첨가하더라도 Nb(CN)의 고용온 도가 VC나 VN의 고용온도에 비해 높아 재가열시 미고용 Nb(CN)이 강재에 잔류할 수 있다. 이러한 미고용 Nb(CN)은 열간단조 후 강재의 냉각시 조대하게 성장하므로 페라이트의 핵생성 사이트나 결정립 미세화의 역할을 수행하기에 부족하다.

따라서 V가 미첨가되고 Nb가 0.020~0.050wt%wt%, N이 80~180ppm으로 함유되는 본 발명의 열간단조용 강재의 경우 탄,질화물을 최대한 고용한 후 석출시키기 위해 열간압연 조건의 제어가 중요하다.

[열간압연 조건]

상술한 합금성분을 갖는 강재를 내부응력 제거 및 안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도범위로 가열하고 900~1000℃에서 열간 마무리 압연을 행한 후 냉각한다.(도 1참조)

이때, 재가열온도가 낮으면 Nb(CN)석출물들이 완전히 용해되지 않은 상태로 남아 있어 열간압연후에도 조대한 석출물이 많이 남기 때문에 최소 1200℃이상의 온도에서 재가열해야 한다.

열간 마무리 압연 온도는 열간압연 후 냉각전까지 강재의 조직이 오스테나이트 조직을 갖도록 한다. 이는 탄,질화물을 최대한 고용하여 열간 마무리 압연 후 냉각시 각종 탄,질화물이 미세하게 석출되도록 하기 위함이다.

마무리 열간압연 후에는 변태종료온도까지 50~100℃/분의 냉각속로로 냉각하여 최종조직이 미세한 페라이트-펄라이트 조직을 갖도록 한다. 그리고 이후에는 상온까지 공냉한다. 여기서 변태종료온도는 600℃내외이다.

냉각속도는 50℃/분보다 느리면 석출물이 조대해지고, 100℃/분보다 빠르면 결정립이 너무 미세해져 강도를 상승시켜 인성이 감소될 수 있다.

[열간단조]

열간압연 후에는, 1150~1250℃의 온도범위에서 열간단조하고 공냉하여 부품형상으로 제조한다. 열간단조 온도는 1150℃보다 낮으면 가공이 어렵고, 1250℃보다 높을 경우 가공성의 열화가 발생할 수 있다.

이하, 상술한 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법을 실시예와 다른 비교예를 통해 상세히 설명하기로 한다.

표 1은 각각의 성분요소가 다른 실시예와 비교예를 나타낸 것이다.

실시예1 내지 실시예4는 표 1의 합금설계에 따라 진공유도용해로(50kg)에서 용해/응고한 후 1250℃에서 재가열하여 균질화 처리하고 파일럿(Pilot)압연기에서 φ32의 공시재로 압연하였다.

그리고 압연된 공시재를 1inch의 크기로 선삭한 후 실제 양산시와 유사한 조건을 적용하기 위해 가열온도 1200℃에서 HTN(High Temperature Normalizing)를 실시한 후 인장시험편(KS4호) 및 충격시험편(KS3호)으로 가공하여 시험하였다.

비교예1 내지 비교예3은 비조질강으로 표 1의 합금설계에 따라 진공유도용해로(50kg)에서 용해/응고한 후 열간압연된 소재를 단조(φ32), 선삭(φ25)한 후 가열온도 1200℃에서 HTN(High Temperature Normalizing)를 실시한 후 인장시험편(KS4호) 및 충격시험편(KS3호)으로 가공하여 시험하였다.

비교예4는 조질강이다. 조질열처리는 880℃에서 40분동안 가열한 후 유냉하고 이를 다시 580℃에서 60분동안 가열한 후 공냉하였다.

표 2는 표 1의 합금설계 및 상술한 조건에 의해 제조된 강재의 기계적 성질을 측정한 결과를 나타낸 것이다.

(잔부 Fe, 단위:wt%)

구분	C	Si	Mn	P	S	Cu	Ni	Cr	Mo	Al	V	Nb	N
실시예1	0.43	0.50	1.50	0.016	0.035	0.15	0.07	0.26	0.02	0.001	0.00	0.025	0.012
실시예2	0.40	0.55	1.42	0.019	0.041	0.13	0.05	0.32	0.01	0.010	0.00	0.030	0.010
실시예3	0.45	0.58	1.58	0.011	0.030	0.18	0.04	0.33	0.01	0.008	0.00	0.028	0.013
실시예4	0.42	0.43	1.60	0.015	0.033	0.15	0.04	0.20	0.02	0.006	0.00	0.026	0.011
비교예1	0.42	0.53	1.56	0.016	0.031	0.15	0.06	0.20	0.02	0.043	0.00	0.000	0.005
비교예2	0.40	0.53	1.56	0.015	0.042	0.15	0.06	0.19	0.02	0.033	0.00	0.000	0.004
비교예3	0.44	0.25	1.20	0.017	0.045	0.16	0.07	0.15	0.02	0.012	0.10	0.000	0.011
비교예4	0.42	0.25	0.70	0.014	0.015	0.13	0.06	1.05	0.02	0.015	0.005	0.002	0.009

구분	기계적 성질
구분	TS (kgf/mm²)	YS (kgf/mm²)	YS/TS (%)	충격치 (J)
실시예1	93	57	61	17
실시예2	90	59	65	19
실시예3	101	62	61	15
실시예4	87	55	63	20
비교예1	86	50	58	16
비교예2	85	49	57	15
비교예3	95	63	66	17
비교예4	106	95	89	75

[TS:인장강도, YS:항복강도, YS/TS:항복비]

표 1과 표 2를 살펴보면, 실시예1 내지 실시예4는 V가 첨가되지 않은 비조질강으로서, 85kgf/mm² 이상의 인장강도와 55kgf/mm²의 항복강도 및 12kgf/cm²이상의 충격치, 그리고 60% 이상의 항복비를 만족함을 알 수 있다.

비교예1 및 비교예 2는 V가 첨가되지 않은 비조질강으로서, 인장강도, 충격치는 요구되는 물성을 만족하나 V미첨가에 따른 항복비 하락이 나타나고 있다. 따라서 항복비의 향상을 위해서는 합금성분의 추가적 첨가가 요구됨을 알 수 있다.

이를 통해, 실시예1 내지 실시예4는 Nb 첨가에 따른 고온 결정립의 미세화로 비교예1 및 비교예2와 같이 'V' 미첨가에 따른 항복강도의 하락을 막고 있음을 알 수 있다.

비교예3은 V첨가 비조질강으로서, 양호한 강도와 항복비 및 충격치를 나타내고 있다. 그러나 V첨가에 따른 가격향상이 우려되어 조질 열처리 생략에 따른 원가절감 효과를 기대하기 어렵다.

비교예4는 85kgf/mm² 이상의 인장강도와 55kgf/mm²의 항복강도 및 12kgf/cm²이상의 충격치, 그리고 60% 이상의 항복비를 만족한다. 그러나 조질 열처리를 필요로 하므로 제조원가를 상승시키는 문제점이 있다.

정리하면, 실시예1 내지 실시예4의 기계적 특성은 조질합금강인 비교예4 보다는 인장강도 및 항복비면에서 다소 낮으나 요구되는 기준을 만족하고 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예1 내지 실시예4는 쾌삭성 원소인 S의 첨가에 따라 가공성 측면에선 비교예4 보다 우위에 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법을 보인 열처리 공정도.

Claims

C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 구성되는 강재를

안정한 탄,질화물의 미세한 석출을 위해 1200~1300℃의 온도로 가열한 후에,

900~1000℃의 온도로 열간압연을 마무리하는 것을 특징으로 하는 조질합금강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
청구항 1에 있어서,

상기 불순물은 P: 0초과 0.030wt% 이하, Cu: 0초과 0.30wt%이하, Ni: 0초과 0.25wt% 이하, Mo: 0초과 0.10wt% 이하, O: 0초과 30ppm 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 조질합금강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 강재는 열간압연 후 변태종료온도까지는 50~100℃/분의 냉각속도로 냉각하고 이후에는 상온까지 공냉하는 것을 특징으로 하는 조질합금강급 V-Free 비조질강의 제조방법.
청구항 3에 있어서,

상기 열간압연된 강재는 1150~1250℃의 온도범위로 가열하여 열간단조하고 공냉하는 것을 특징으로 하는 조질합금강급 V-Free 비조질강 및 그 제조방법.
C:0.35~0.50wt%, Si:0.30~0.60wt%, Mn:1.30~1.70wt%, S:0.020~0.050wt%, Cr:0.20~0.40wt%, Nb:0.020~0.050wt%, N:80~180ppm를 포함하고 나머지 철과 기타 불가피한 불순물로 조성되는 조질합금강급 V-Free 비조질강.
청구항 5에 있어서,

상기 불순물은 P: 0초과 0.030wt% 이하, Cu: 0초과 0.30wt%이하, Ni: 0초과 0.25wt% 이하, Mo: 0초과 0.10wt% 이하, O: 0초과 30ppm 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 조질합금강급 V-Free 비조질강.