KR20110120520A

KR20110120520A - 인장강도 900ＭＰａ급 고강도 쾌삭형 비조질강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20110120520A
Application number: KR1020100039966A
Authority: KR
Inventors: 박철우; 박유진; 홍석우
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2010-04-29
Filing date: 2010-04-29
Publication date: 2011-11-04
Also published as: KR101193672B1

Abstract

가공성이 탁월하면서 개재물의 형상제어에 의한 연신성 및 단조성의 향상을 얻음으로써 자동차 크랭크샤프트 등에 적용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050 중량% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

인장강도 900ＭＰａ급 고강도 쾌삭형 비조질강 및 그 제조 방법 {HIGH STRENGTH FREE-CUTTING NON-HEAT TREATED STEEL WITH 900MPa AND METHOD OF MANUFACTURING THE NON-HEAT TREATED STEEL}

본 발명은 비조질강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공성이 탁월하면서 개재물의 형상제어에 의한 연신성 및 단조성의 향상을 얻음으로써 자동차 크랭크샤프트 등에 적용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

엔진, 미션, 샤시 등의 자동차 부품에 적용되는 소재는 친환경, 고출력, 고품질의 목표 하에 고강도화되고 있는 추세이다.

이러한 자동차 부품용 소재는 주로 기계 구조용 합금강이 사용되는데, 기계 구조용 합금강은 통상 열간 압연 또는 냉간 압연에 의한 합금강의 제조, 퀀칭(quenching)이나 템퍼링 등의 조질 처리, 절삭 가공 등의 과정을 거쳐 제조된다. 후열처리 등을 적용한 기계 구조용 합금강이 주로 사용된다.

그러나, 상기의 조질 처리 과정은 재가열 등의 과정에서 많은 시간 및 비용을 요하는 바, 2차 오일쇼크 이후에는 상기의 조질 처리 과정을 생략하여 원가절감, 생산성 향상 등을 추구하기 위하여 비조질강(non heat treated steel)이 개발되었다.

본 발명의 하나의 목적은 지르코늄, 니오븀 등의 첨가물 제어를 통하여 고강도이면서 가공성이 우수한 비조질강을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지르코늄, 니오븀 등의 효과에 따른 공정 조건 제어를 통하여 고강도이면서 가공성이 우수한 비조질강을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050 중량% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비조질강 및 그 제조 방법은 황(S), 지르코늄(Zr), 니오븀(Nb) 등의 함량 및 제조 공정 제어를 통하여 종래 조질합금강과 동일한 강도를 가지면서 가공성이 더욱 우수한 효과를 얻을 수 있다.

또한 본 발명에 따른 비조질강은 개재물의 형상제어에 의한 연신성 및 단조성의 향상을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 제조되는 비조질강은 종래 고강도 합금강의 대체로 인한 열처리비용 절감과 쾌삭화에 따른 생산성 및 가공툴의 절감을 얻을 수 있으며, 후공정에서의 불량 감소 효과도 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비조질강 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.
도 2는 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 지르코늄 코어드 와이어의 예를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 실시예 2에 따른 비조질강 시험편에서 비금속 개재물의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비조질강에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

비조질강

본 발명에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량%, 니오븀(Nb) : 0.02 ~ 0.05 중량% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

본 발명에 따른 비조질강에는 질소(N) : 80ppm 이하 및 산소(O) : 30ppm 이하가 포함될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 비조질강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

본 발명에서 탄소(C)는 제조되는 비조질강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다.

또한 상기 탄소(C)는 강의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소로 함량이 높을수록 강도가 증가하며, 냉간가공도의 증가에 따라 인장강도와 항복점은 증가한다. 또한 Zr, S과 결합하여 탄유화물을 형성하며 피삭성을 높인다.

본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.30 ~ 0.50 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소가 0.30 중량% 미만으로 첨가되면 강도 확보가 불충분하고, 탄소(C)의 함량이 0.50 중량%를 초과할 경우 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

실리콘(Si)

본 발명에서 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 또한 고용 강화 효과를 향상시키는 역할을 한다.

상기 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.10 ~ 0.50 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.10 중량% 미만일 경우 실리콘(Si) 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하고, 실리콘(Si)의 함량이 0.50 중량%를 초과할 경우 제조되는 비조질강의 인성을 저하시키는 문제점이 있다.

망간(Mn)

본 발명에서 망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며 제조되는 비조질강의 강도 확보에 효과적인 원소이다. 또한 망간(Mn)은 강의 소입성과 강도를 향상시키며, 고온에서는 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 그리고 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.

상기 망간(Mn)은 본 발명에 따른 비조질강에서 0.50 ~ 1.20 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 상기 망간(Mn)이 0.50 중량% 미만으로 첨가될 경우, 망간(Mn) 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 상기 망간(Mn)이 1.20 중량%를 초과할 경우 인성을 저하시키며, 비조질강의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 절삭성의 향상을 위하여 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 비조질강에서 인(P)의 함량이 0.03 중량%를 초과하여 첨가되면 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있으므로, 인(P)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.03 중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)

황(S)은 비조질강에서 절삭성 혹은 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.

상기 황(S)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 ~ 0.06 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 황(S)의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 비조질강의 절삭성 등이 불충분한 문제점이 있다. 반대로, 황(S)의 함량이 0.06 중량%를 초과할 경우 길게 연신된 MnS를 형성하게 되고, 길게 연신된 MnS는 압연이나 단조 공정 중에 고주파열처리 및 파팅라인부에 위치하여 제품의 품질을 저하시키는 요인이 된다. 또한 황(S)의 함량이 0.06 중량%를 초과할 경우 열간 가공성을 떨어뜨리고, 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물 형성에 의한 표면처리시 결함의 원인이 되는 문제점이 있다.

구리(Cu)

구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여하며, 비조질강의 절삭성을 향상시키는 역할을 한다.

구리(Cu)는 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.30 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 0.02 중량% ~ 0.30 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다.

상기 구리(Cu)의 함량이 0.30 중량%를 초과하는 경우 인성의 현저한 저하와 열간가공에 의한 열화를 초래하는 문제점이 있다. 또한 상기 구리(Cu)의 함량이 0.02 중량% 미만인 경우 강도 상승의 효과를 보기 어려운 점이 있다.

니켈(Ni)

니켈(Ni)은 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키기 위해 첨가된다.

상기 니켈(Ni)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.30 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈(Ni)의 함량이 0.30 중량%를 초과하는 경우 부품의 제조원가를 높이고 제조성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 망간(Mn)과 더불어 강의 강도를 올리며 펄라이트 콜로니(colony)를 세분화하고 연성을 향상시키는 원소로 작용한다.

상기 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.70 ~ 1.50 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 0.70 중량% 미만일 경우 저탄소에 따른 강도 보상 효과가 미미하고, 반대로 크롬(Cr)의 함량이 1.50 중량%를 초과할 경우 인성이 저하되고 동시에 가공성이나 피삭성이 저하되는 문제점이 있다.

몰리브덴(Mo)

몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성의 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.

상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.05 ~ 0.50 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.05 중량% 미만일 경우 몰리브덴 첨가 효과가 불충분하고, 몰리브덴(Mo)의 함량이 0.50 중량%를 초과할 경우 노멀라이징(Normalizing)과 같은 열처리시 경도를 현저히 상승시키며, 제조원가를 높이고 부품 가공성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

알루미늄(Al)

본 발명에서 알루미늄(Al)은 우수한 탈산 효과를 제공하며, 질소(N)과 결합하여 입자미세화 원소로 이용된다.

다만, 알루미늄의 함량이 0.05 중량%를 초과할 경우 Al₂O₃와 같은 비금속개재물의 양이 증가하는 문제가 있는 바, 상기 알루미늄(Al)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.05 중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다.

지르코늄(Zr)

지르코늄(Zr)은 강력한 질화물 형성 원소로 고온 결정립 미세화에 영향이 탁월하며, 열처리시 강도를 증기시키고 인성을 향상시킨다. 또한 MnS 개재물 내 Mn을 치환하여 개재물의 연신을 억제하고 형상을 변환하여 가공성을 향상시킨다. 즉, MnS 형성시 핵생성 위치로 작용하여 ZrN/MnS 혹은 [Mn,Zr]S계 개재물로 형성되게 된다. 이러한 개재물은 MnS 단독 존재시보다 고경도화되기 때문에 연신성을 저하시켜, 가공성 및 후공정 크랙저감을 동시에 확보하는 역할을 한다.

상기 지르코늄(Zr)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 ~ 0.10 중량%의 함량비로 첨가되는 되는 것이 바람직하다. 지르코늄의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 지르코늄 첨가 효과가 불충분하며, 지르코늄 함량이 0.10 중량%를 초과할 경우 침상형 Zr 탄화물 또는 유화물 석출이 유발되어 강의 성질이 저하되는 문제점이 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 고온에서 강의 결정립 조대화를 방지하며, 결정립을 미세화시켜 연성 및 인성을 개선하는 효과가 있다.

상기 니오븀(Nb)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 ~ 0.05 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀(Nb)의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 상기의 니오븀(Nb) 첨가 효과가 미미하며, 니오븀(Nb)의 함량이 0.05 중량%를 초과할 경우 고가의 원소로 가격 상승의 요인이 된다. 따라서 니오븀(Nb)은 질소(N)와 같은 다른 성분과의 화학량론비를 계산하여 그 적정 첨가량을 투입하는 것이 바람직하다.

산소(O)

산소(O)는 강중의 산화성 원소와 결합하여 비금속재재물을 형성하는 바 강의 기계적 성질 및 피로 특성을 저해한다. 따라서 그 함량을 30ppm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

질소(N)

질소(N)는 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al)과 결합하여 질화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립을 미세화하며 마모특성을 향상시킨다. 다만 가공성 향상을 위해서는 Zr의 탄화물 또는 유화물의 형성이 요구되는 바 80ppm 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

비조질강 제조 방법

도 1은 본 발명에 따른 비조질강 제조 방법의 일실시예를 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 비조질강 제조 방법은 용탕 형성 단계(S110) 및 지르코늄 첨가 단계(S120)를 포함한다.

용탕 형성 단계(S110)에서는 탄소(C), 실리콘(Si), 망간(Mn), 인(P), 황(S), 구리(Cu), 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo), 알루미늄(Al) 및 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 형성한다.

보다 상세하게는 전기로에서 상기 각 성분을 용해하여 용탕을 형성한 후, LF(Ladle Furnace)에서 상기 각 성분의 함량을 조절하고, 탈산 및 탈황 공정을 수행한다. 이후, VD(Vacuum Degasing) 설비에서 아르곤 버블링(Ar Bubbling)을 이용하여 상기 용탕에 포함된 산소 및 질소의 함량을 제어한다.

지르코늄 첨가 단계(S120)에서는 상기의 용탕에 지르코늄(Zr)을 첨가한다. 지르코늄이 탈산제의 물질이 아닌 이상 본 발명에서와 같이 다른 성분과 별도로 투입하는 것이 바람직하다. 이때, 지르코늄은 고온에서 산화성이 매우 높은 원소이다. 이러한 높은 산화성으로 인하여 지르코늄은 대기 혹은 용탕 상부의 슬래그에 존재하는 산소와 결합하여 지르코늄 산화물(ZrO₂)을 쉽게 형성한다. 따라서, 탈산의 목적이 아닌 특정한 목적을 위하여 지르코늄을 첨가하기 위하여는 산화되지 않은 상태의 지르코늄이 용탕 내부까지 투입되어야 한다.

이러한, 지르코늄 투입 방식으로 지르코늄 괴의 직접 투입 방식을 제시할 수 있다. 그러나, 용탕(120)과 슬래그(125)의 계면에서는 화학 반응성이 매우 크며, 도 1에서와 같이 지르코늄 괴(130)를 직접 투입할 경우 지르코늄 괴(130)가 투입되는 과정에서 산화반응이 급속도로 일어난다.

따라서, 투입되는 지르코늄의 10 ~ 20 % 정도만이 용탕 내에 회수되어 합금에 기여하므로, 지르코늄 투입량 대비 제조되는 지르코늄 합금에 기여하는 지르코늄의 양을 의미하는 회수율이 매우 낮다.

이에 따라, 목표로 하는 지르코늄의 함량에 도달하기 위하여는 많은 양의 지르코늄 괴의 투입이 필요하며, 이는 지르코늄 합금 제조를 위한 비용 상승의 원인이 된다.

지르코늄을 용탕에 투입하는 다른 방법으로 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용하여 지르코늄 원료를 투입하는 방법을 제시할 수 있다.

즉, 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용한 지르코늄 합금 제조 방법은 지르코늄 합금 제조를 위한 용탕에 지르코늄 원료를 투입하여 지르코늄 합금을 제조하되, 지르코늄 원료로, 지르코늄이 내부에 충전되어 있는 와이어 형태를 갖는 지르코늄 코어드 와이어(Zr-cored wire)를 이용한다.

도 2는 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 코어드 와이어 투입법을 적용할 수 있는 장치는 용탕을 저장하는 퍼니스(furnace, 210), 지르코늄 코어드 와이어를 저장하는 지르코늄 코어드 와이어 저장부(230) 및 지르코늄 와이어가 용탕으로 투입될 수 있는 경로를 제공하는 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)를 포함한다.

퍼니스(210)는 지르코늄 투입 전 철(Fe), 실리콘(Si) 등을 포함하는 용탕(220)을 저장한다. 퍼니스(210)에 저장된 용탕(220)의 표면에는 슬래그(225)가 형성되어 있으며, 용탕(220)은 표면의 슬래그(225)에 의하여 대기와 차단된다.

지르코늄 코어드 와이어 저장부(230)는 지르코늄 코어드 와이어(Zr-cored wire, 235)를 저장한다.

지르코늄 코어드 와이어(235)는 도 3에 도시된 바와 같이, 지르코늄을 함유하는 지르코늄 괴 분말(310)이 보호 튜브(320) 내에 충전되어 있는 형태를 가질 수 있다.

지르코늄 괴 혹은 지르코늄 괴 분말(310)은 Fe-Si-Zr 합금철로 이루어진 것을 이용할 수 있으며, 보호 튜브(320)는 용탕에 쉽게 용해될 수 있는 스틸(steel) 재질로 된 것을 이용할 수 있다.

지르코늄 코어드 와이어에서 지르코늄 괴 분말(310)에 포함되는 물질이나 보호 튜브(320)의 재질은 제조하고자 하는 비조질강의 조성에 기여한다. 따라서, 용탕에 포함된 물질들의 함량과 지르코늄 코어드 와이어에 포함된 물질들의 함량이 더해져서 최종 조성이 될 수 있다.

지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경은 0.8 ~ 1.2 mm인 것이 바람직하다. 지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경이 0.8mm 미만일 경우 분말 제조 비용이 상승하며, 지르코늄 괴 분말(310)의 평균입경이 1.2mm를 초과할 경우 입자 사이즈가 커서 용탕에서의 용해 속도가 느려질 수 있다.

한편, 지르코늄 코어드 와이어(230)가 퍼니스(210) 측면에 이격 배치되어 있는 경우, 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부는 도 2에 도시된 바와 같이 용탕(220)의 표면에 대하여 경사지게 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이는 지르코늄 코어드 와이어 저장부(230)로부터 퍼니스(210)에 저장된 용탕(220)까지 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입을 용이하게 하기 위한 것이다.

지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부가 용탕(220)의 표면에 대하여 거의 수평일 경우 용탕(220)에의 투입이 어려워지며, 반대로, 지르코늄 코어드 와이어 이송부(240)의 출구부가 거의 수직일 경우 지르코늄 코어드 와이어 공급부(230)로부터의 지르코늄 코어드 와이어(235)의 공급이 어려워진다.

지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도(v₂)는 40 ~ 400 m/min인 것이 바람직하다. 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도가 40 m/min 미만일 경우 느린 속도에 따라서 대기중 혹은 슬래그에서 지르코늄이 산화되어 결국 지르코늄 회수율이 저하된다. 반대로 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도가 400 m/min을 초과하는 경우 코어드 와이어(235) 공급 제어가 어려워지며, 제조 비용이 상승할 수 있다.

상기 제시된 지르코늄 코어드 와이어(235)의 투입 속도(v₂)는 지르코늄 괴(130)의 직접 투입 속도(v₁)보다 매우 빠른 속도에 해당하며, 이를 통하여 지르코늄 코어드 와이어(235)는 용탕(220) 표면에 존재하는 슬래그(225)를 뚫고 대기와 차단된 용탕(220) 내부로 쉽게 유입될 수 있다.

또한, 상기 제시된 지르코늄 코어드 와이어(235)는 분말화되어 있기 때문에 도 1에 도시된 지르코늄 괴(130)에 비하여 입자 크기가 매우 작다. 따라서 용탕 내에서의 용해 속도를 향상시킬 수 있다.

따라서, 지르코늄 코어드 와이어 투입법을 이용하여 지르코늄 원료를 투입할 경우 지르코늄 회수율을 높일 수 있는 장점이 있으며, 지르코늄 첨가량 제어를 용이하게 할 수 있다 .

상기 과정들(S110 ~ S120)을 통하여 제조되는 비조질강은 전술한 바와 같은 탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량%, 니오븀(Nb) : 0.02 ~ 0.05 중량% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

그리고, 제조되는 비조질강에서 질소(N)와 산소(O)는 각각 질소(N) : 80ppm 이하 및 산소(O) : 30ppm 이하로 포함될 수 있다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 실시예 및 비교예 강의 제조

표 1에 기재된 조성을 이용하여, 실시예 1 , 실시예 2 및 비교예 1 ~ 6에 따른 비조질강 시험편을 제조하였다.

상기 강들은 합금 설계에 따라 약 40kg 정도의 진공유도용해로(VIM)에서 용해후 재가열하여 직경 약 φ 32의 공시재로 Pilot 압연하였다. 공시재는 다시 1inch(25.4mm)로 선삭후 비교예 1의 경우에는 조질열처리(QT)를, 나머지 강재는 모두 1200℃에서 40분 가열하고 방냉하는 High Temperature Normalizing (이하 HTN)을 실시하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

(B:베이나이트(Bainite), M:마르텐사이트(Martensite), F:페라이트(Ferite), P:펄라이트(Pearlite))

실시예 1에는 Nb을 첨가하였고, 실시예 2에는 Zr을 첨가하였다. 비교예 1의 경우 S의 함량이 실시예들에 비해 매우 낮으며, Zr 및 Nb의 첨가없이 조질열처리를 통해 미세조직은 마르텐사이트 조직을 형성하고 있다. 비교예 2의 경우 S의 함량이 실시예들에 비해 매우 낮다. 비교예 3의 경우 Ti를 첨가하였고, 비교예 4의 경우 Ti와 Zr을 첨가하였다. 비교예 5의 경우 V를 첨가하였으며 미세조직은 펄라이트+페라이트로 형성되며, 비교예 6의 경우 V와 Zr을 첨가하였고 미세조직은 펄라이트+베이나이트로 형성되었다.

2. 실시예 및 비교예 강의 기계적 성질 및 가공지수 평가

상기 강들의 시편은 인장은 KS 4호로 가공 시험하고, 드릴성 평가를 행하였다. 드릴성 평가는 직경 φ 9의 초경(DPPA01090) 드릴을 사용하여 회전속도 약 3,000RPM으로 깊이 30mm의 천공 홀수를 측정하였다.

표 2에 실시예 및 비교예의 기계적 물성 및 드릴성 평가 결과를 나타내었다.

[표 2]

통상적으로 강도가 향상함에 따라 홀 가공성은 떨어지게 된다. 즉 강도와 가공성은 서로 반비례하므로 강도와 가공성과의 관계를 산출한 가공지수를 새로 도입하였다. 가공지수 산출 결과 본 실시예들의 가공지수가 비교예들에 비해 매우 월등했으며, 다른 강재에 비해 황(S)량이 적은 비교예 1 및 비교예 2의 경우 가공지수가 극히 낮은 수치를 나타내고 있음을 알 수 있다.

본 발명에 따른 비조질강은 900Mpa급 고강도 강판으로써 바람직하게는 약 850Mpa ~ 1050Mpa의 인장강도를 가질 수 있다. 또한 상기 인장강도를 갖는 비조질강의 경우 가공지수는 145 ~ 185를 가질수 있으며 이는 상기 실험예에 의해 뒷받침된다.

또한 실시예2, 비교예 3, 비교예 4, 비교예 6과 같이 지르콘(Zr)이나 티타늄(Ti)의 첨가시 MnS 개재물의 길이가 감소됨을 알 수 있으나, 티타늄(Ti)을 첨가한 비교예 3 및 비교예 4의 경우 티타늄(Ti)의 첨가로 인해 가공성이 떨어지는 것을 알 수 있다.

도 4는 실시예 2에 따른 비조질강 시험편에서 비금속 개재물의 주사전자현미경 관찰 결과를 나타낸 것이다. 더욱 상세하게는 실시예 2의 MnS의 분석 결과로 (Zr,Mn)S 계의 복합 황화물의 형성으로 개재물의 연신이 저해된 것을 알 수 있다.

즉, 지르코늄 첨가에 따라서 비금속 개재물은 미세화되며 연신성이 떨어진다. 이는 고경도의 지르코늄계 산화물 혹은 질화물이 용탕 중에 생성된 후, 응고시 생성되는 MnS의 핵생성 위치로 존재하기 때문이다.

이러한 비금속 개재물의 연신성 저하는 즉, MnS 개재물의 길이 감소는 변형율이나 단조성에 좋은 영향을 미치며, 특히 고주파나 연마공정과 같은 부품 제조시 표면 크랙 발생 민감도를 줄일 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

S110 : 용탕 형성 단계
S120 : 지르코늄 첨가 단계
210 : 퍼니스
220 : 용탕
225 : 슬래그
230 : 지르코늄 코어드 와이어 저장부
235 : 지르코늄 코어드 와이어
240 : 지르코늄 코어드 와이어 이송부
310 : 지르코늄 괴 분말
320 : 보호 튜브

Claims

탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050 중량% 이하, 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량% 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비조질강.
제1항에 있어서,
상기 비조질강은 니오븀(Nb) : 0.02 ~ 0.05 중량%를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강.
제1항에 있어서,
상기 비조질강은 질소(N) : 80ppm 이하 및 산소(O) : 30ppm 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강.
제1항에 있어서,
상기 비조질강은 주된 조직이 베이나이트(bainite) 조직인 것을 특징으로 하는 비조질강.
제1항에 있어서,
상기 비조질강의 인장강도(TS)는 850Mpa 이상인 것을 특징으로 하는 비조질강.
제5항에 있어서,
상기 비조질강의 가공지수는 145 이상인 것을 특징으로 하는 비조질강.
여기서, 가공지수=(인장강도 X Hole 수)/1000
(a) 탄소(C) : 0.30 ~ 0.50 중량%, 실리콘(Si) : 0.10 ~ 0.50 중량%, 망간(Mn) : 0.50 ~ 1.20 중량%, 인(P) : 0.03중량% 이하, 황(S) : 0.02 ~ 0.06 중량%, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하, 니켈(Ni) : 0.30 중량% 이하, 크롬(Cr) : 0.70 ~ 1.50 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.05 ~ 0.50 중량%, 알루미늄(Al) : 0.050 중량% 이하 및 나머지 Fe와 기타 불가피한 불순물을 포함하는 용탕을 형성하는 단계; 및
(b) 상기 용탕에 지르코늄(Zr)을 첨가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계에서의 용탕에 니오븀(Nb) : 0.02 ~ 0.05 중량%이 더 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계 내지 (b) 단계에 의해 제조되는 비조질강은 지르코늄(Zr) : 0.02 ~ 0.10 중량%를 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계 내지 (b) 단계에 의해 제조되는 비조질강에서 질소(N) : 80ppm 이하 및 산소(O) : 30ppm 이하를 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제7항에 있어서,
상기 (a) 단계는
(a1) 전기로에서 상기 각 성분을 용해하여 용탕을 형성하는 단계;
(a2) LF(Ladle Furnace)에서 상기 각 성분의 함량을 조절하고, 탈산 및 탈황 공정을 수행하는 단계; 및
(a3) VD(Vacuum Degasing) 설비에서 아르곤 버블링(Ar Bubbling)을 이용하여 상기 용탕에 포함된 산소 및 질소의 함량을 제어하는 단계;
제7항에 있어서,
상기 (b) 단계는 지르코늄 코어드 와이어(Zr-cored wire)를 상기 용탕에 투입하는 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 지르코늄 코어드 와이어는 지르코늄을 함유하는 지르코늄 괴 분말이 보호 튜브 내에 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 지르코늄 괴 분말은 Fe-Si-Zr 합금철로 이루어진 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제13항에 있어서,
상기 보호 튜브는 스틸(steel) 재질인 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 지르코늄 코어드 와이어는 상기 용탕 표면에 대하여 경사지게 투입되는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제12항에 있어서,
상기 지르코늄 코어드 와이어의 투입 속도는 40 ~ 400 m/min인 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.