KR20120028657A - Ｖ－ｍａ 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정에 관한 것으로, S45CVMn강을 포함하는 비조질 V-MA 중탄소강의 열간-단조 공정중 제어냉각공정으로서, 제1단계에서는 열간-단조체를 저온의 오스테나이트-페라이트 변태온도구간까지 급속냉각하고, 제2단계로 저온의 오스테나이트 - 페라이트 변태 온도구간에서 일정시간 등온유지한 후, 제3단계로 이를 공냉하는 공정으로 이루어진다.

Description

Ｖ－ＭＡ 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정{Multi-step controlled cooling processes of V-MA pearlite-ferrite hot-forging steels for producing a fine pearlite-ferrite grain structure}

본 발명은 S45CVMn강을 포함하는 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비조질 V-MA 중탄소강의 제어냉각공정을 개발하여 페라이트 분율이 높고 펄라이트콜로니 크기와 라멜라간격이 미세하여 강도와 인성이 우수한 V-미량함유 펄라이트-페라이트 단조강을 제조하고자 하는 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정에 관한 것이다.

일반적으로 많은 자동차부품 (crankshaft나 connecting rod등)은 중탄소강을 이용하여 열간단조 공정으로 제조되고 있다. 전통적인 단조부품 제조공정은 중탄소강(혹은 합금강)을 단조소재로 하고 이를 오스테나이트 영역에서 열간 단조한 후 담금질(Quenching)하고 템퍼링(Tempering)처리하여 제조하는 제조공정으로 이루어져 있다.

이때 열간 단조를 마친 강은 담금질 중에 마르텐사이트로 변태하게 되고, 템퍼링 중에 페라이트와 카바이드로 분해되면서 강도가 우수하며, 인성이 우수한 tempered 마르텐사이트 조직을 갖는 단조 강을 얻게 된다(이를 조질강 즉 QT-강이라고 부른다).

이와 같은 전통적인 열간 단조강의 제조에서는 열간 단조후에 담금질과 템퍼링처리를 추가로 시행해야하는 관계로 단조후 후 열처리 공정이 복잡하고 제조 비용이 많이 소요된다는 단점이 있었다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여 단조 후 수행하는 QT공정을 배제하고, 제어냉각공정만으로 QT강과 유사한 기계적 성질을 얻을 수 있는 Microalloying(MA) 단조강(비조질강이라 함)이 개발되게 되었으며, 현재는 MA-단조강이 전통적인 QT-단조강으로 제조하던 많은 자동차용 열간단조 부품을 대체해나가고 있다.

여기서 상기 MA-단조강은 중탄소강을 기본으로 하며 여기에 V, Nb, Ti등의 microalloying 원소를 미량첨가하여 탄질화물을 석출시킴으로 열간 단조 중에 오스테나이트 결정립 조대화를 억제하여 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 형성하고, 아울러 오스테나이트-페라이트 변태시 페라이트 내에 미세한 탄질화물의 석출을 유도하여 펄라이트-페라이트의 강도를 증가시킴으로써 단조강의 강도와 인성을 향상시키고자하는 물리야금학적 개념으로 디자인되었다.

그리고 비조질 MA-단조강은 복잡한 후열처리 공정없이 냉각공정 제어만으로 제조되므로, 제조비용이 저렴하다는 장점이 있음은 물론, 조질용 QT-강과 유사한 강도와 우수한 피로특성을 나타낸다는 장점이 있다.

그러나 비조질 MA-단조강은 QT-강에 비해 상대적으로 인성이 열악하다는 단점이 있었다. 이 문제를 해결하기 위하여 지난 20여년간 많은 연구가 세계적(국내에서는 POSCO에서 일부 연구되었음)으로 진행되어왔으며, 그 결과 강도가 우수하고 인성이 우수한 페라이트-펄라이트계 단조강들의 개발이 활발히 이루어져 오고 있으나 오늘까지도 이 문제는 열간단조강 개발 분야의 지속적인 연구 과제가 되고 있다.

한편, V-microalloyed(V-MA) 비조질강은 중탄소강을 기본으로 하므로 조질강과 동일하게 펄라이트-페라이트조직이 그 기본조직을 이룬다. 상기 펄라이트-페라이트 조직의 강도와 인성은 펄라이트와 페라이트의 분율, 펄라이트 콜로니크기와 라멜라간격 그리고 페라이트 결정립 크기 등에 의해 결정된다.

특히, 라멜라 간격이 미세하면 할수록, 콜로니크기가 미세하면 할수록 강도는 증가하는 경향을 보인다. 동시에 탄질화물의 석출은 초석페라이트의 강도와 펄라이트내 페라이트의 강도 증가에 큰 역할을 한다.

이에 비해 단조강의 인성은 페라이트 분율에의해 크게 영향을 받는다. 페라이트 분율이 크면 클수록 인성은 크게 증가한다. 이와 함께 prior-오스테나이트 결정립크기가 연성향상에 큰 역할을 하는 것으로 보고되고 있다.

V-MA 단조강이 우수한 강도를 갖으면서 우수한 인성을 나타내기 위해서는 첫째 오스테나이트-페라이트(및 펄라이트) 변태 직전의 오스테나이트 재결정조직(고온변형에 의한 재결정조직)의 크기가 미세하면 할수록 유리하게 된다. 미세한 오스테나이트 재결정조직은 상변태시에 페라이트의 변태속도를 증가시키고 그에 따라 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 형성할 수 있다.

둘째 MA-단조강의 인성을 향상하기 위해서는 미세한 페라이트 분율을 증가시켜야한다. 페라이트 분율을 증가시키기위한 최선의 방법은 페라이트 변태속도가 비교적 빠른 저온 변태온도 구간에서 오스테나이트-페라이트 변태를 유도하는 것이 바람직하다.

셋째 MA-단조강에서 페라이트 분율이 중요한 또 하나의 중요한 이유는 페라이트 분율에 의해서 펄라이트 조직이 영향을 받는다는 사실이다(이 사실은 본 발명에서 새로이 밝혀진 사실로 그 내용은 후술의 실시 예를 참조바람). 즉, 페라이트 분율이 평형 분율에 가까워 지면 질수록 펄라이트 조직은 공석 강의 조직에 가까운 미세한 라멜라조직을 갖게되고 페라이트 분율이 작아지면 작아질수록 라멜라 간격은 커진다는 것이다. 넷째 페라이트 분율이 증가하면 MA-단조강의 강도가 상대적으로 감소하는 문제가 발생할 수 있다. 이 문제를 보상하기 위해서는 초석페라이트와 펄라이트내 페라이트에 미세한 V-탄질화물이 충분히 석출하도록 유도해야 한다.

종래의 MA-중탄소강의 제어냉각공정은 단일 냉각공정(오스테나이트-페라이트 변태구간에서)으로 이루어져 있다. 냉각속도가 느린 경우에는 페라이트 분율이 증가하고 펄라이트 분율이 감소한다. 그러나 이 경우 느린 냉각속도 때문에, 오스테나이트 변형조직이 조대화 되고 페라이트 변태가 고온 변태 영역에서 이루어지는 관계로, 조대한 페라이트 조직이 형성되며 따라서 조대한 펄라이트-페라이트 조직이 형성된다. 그 결과 페라이트 분율이 상당히 커지고 그에 따라 인성은 상대적으로 큰 값을 보이나, 펄라이트-페라이트 미세조직이 조대한 관계로 강도가 작아진다는 단점이 있게 된다. 이에 비해 냉각속도가 빠른 경우에 있어서는 오스테나이트 변형조직의 냉각 중 조대화는 최대한 억제할 수 있으나, 문제(특히 V-MA중탄소강인 경우)는 페라이트 변태가 극히 제한된다는 문제가 있어왔다.

그 결과 펄라이트 콜로니 크기가 조대화되고 라멜라간격 역시 조대화되는 경향이 있게 된다. 그에 따라 펄라이트 분율이 증가하므로 강도는 증가하게 되나 페라이트 분율이 작아서 인성이 감소하게 된다. 아울러 냉각속도가 빠른 경우에는 초석페라이트와 펄라이트내 페라이트에서의 탄질화물의 석출이 제한되어 펄라이트강도 증가에도 영향을 미치게된다. 즉, 냉각속도가 빠른 경우 V-MA중탄소강에서 페라이트 변태가 극히 제한되는 이유는, V-MA 중탄소강이 조질강인 중탄소강에 비해 Mn 함량이 현저히 높기 때문이다. 그에 따라 냉각속도가 빠른 경우 냉각곡선이 페라이트 변태구간을 부분적으로 지나가게 되어 페라이트 변태의 진행이 어렵게 된다.

특별히, V-MA중탄소강에서 냉각속도가 빠른 경우 페라이트 변태가 극히 제한되는 이유는, V-MA 중탄소강이 조질강인 중탄소강에 비해 Mn 함량이 현저히 높기 때문이다. 그에 따라 냉각속도가 빠른 경우 냉각곡선이 페라이트 변태구간을 부분적으로 지나가게 되어 페라이트 변태의 진행이 어렵게 되기때문이다.

결국, 종래의 단일제어냉각 (오스테나이트-페라이트 변태구간) 공정에서는 냉각속도가 느린 경우에는 강도가 감소하고 인성이 증가한다. 반면에 냉각속도가 빠른 경우에는 강도가 증가하고 인성은 감소한다. 따라서 단일냉각속도 제어만으로는 강도와 인성의 동시 향상을 기대할 수 없었다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 미세조직의 조대화와 페라이트변태를 동시에 제어하기 위하여 급속냉각공정을 포함하는 다단제어 냉각공정을 고안하여 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정을 제공하기 위한 것이다.

즉, 본 발명에서는, 강도와 인성이 동시에 우수한 V-MA 단조강을 제조할 수 있는 다음과 같은 다-단 제어 냉각(오스테나이트-페라이트 변태구간에서 2단 제어) 공정을 발명하고자 하였다.

다시 말해, 제1단계는 변형후 얻어진 오스테나이트 재결정 조직을 페라이트 변태속도가 빠른 저온(오스테나이트(A)-페라이트(F) 변태곡선의 노스(nose) 부분)까지 급속냉각하여 과냉오스테나이트 조직을 얻고자한다. 제2단계는 과냉오스테나이트 조직을 변태속도가 빠른 온도 구간(A-F 변태곡선의 노스 부분)에서 짧은 시간동안 등온 유지하는 공정이고, 제3단계는 공냉으로 냉각공정을 마무리하는 공정이다.

이와 같은 본 발명의 제1단계인 급속냉각공정의 목적은, 냉각중에 발생하는 열간단조에 의해 형성된 오스테나이트 재결정조직(혹은 변형조직)의 조대화를 최대한 억제함과 동시에, 고온 A-F변태를 최대한 억제하여 순수한 과냉오스테나이트 조직을 얻고자 하는 것이다. 제2단계인 등온 유지하는 공정의 목적은 A-F변태를 최대화하여 미세한 페라이트 분율의 형성을 극대화하고자 하는 것이다. 아울러 페라이트 내에 V-탄질화물의 석출을 최대화하고자 한다. 제3단계인 공냉 공정의 목적은 미세한 펄라이트 조직을 형성하고자 하는 것이다. 아울러 펄라이트 내의 페라이트에 미세한 탄질화물의 석출을 유도하고자 한다.

이와 같은 급속냉각공정은 고온에서의 오스테나이트-페라이트 변태를 억제하여 변태속도가 빠른 저온 변태온도까지 오스테나이트를 준-안정화(과냉)하는 역할을 한다. 이때 얻어지는 미세한 과냉-오스테나이트로부터 페라이트 변태를 극대화할 수 있고, 그에 따라 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 얻을 수 있다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명은 S45CVMn강을 포함하는 비조질 V-MA 중탄소강의 열간-단조 공정중 제어냉각공정으로서, 제1단계에서는 열간-단조체를 저온의 오스테나이트-페라이트 변태온도구간까지 급속냉각하고, 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 일정시간 등온유지한 후, 제3단계에서는 이를 공냉하는 공정으로 이루어진다.

상기 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 600-700℃에서 등온 유지한다.

상기 제1단계에서는 열간-단조 체를 저온의 오스테나이트-페라이트 변태온도구간까지 3C/s (바람직하게는 10C/s)이상으로 급속냉각하고, 상기 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 30분 이하로 등온 유지한다.

한편, 또 다른 본 발명은 S45CVMn강을 포함하는 비 조질 V-MA 중탄소강의 열간-단조 공정중 제어냉각공정으로서, 제1 단계에서는 단조온도 1050 -1200℃에서 열간-단조한 단조 체를 600 - 700℃ 온도 구간으로 급속냉각하고, 제2단계에서는 600 - 700℃ 온도구간에서 등온 유지한 후, 제3단계에서는 이를 공냉하는 공정으로 이루어진다.

상기 제1단계에서는 단조온도 1050 -1200℃에서 열간-단조한 단조 체를 600 - 700℃ 온도 구간으로 3C/s (바람직하게는 10C/s) 이상으로 급속냉각하고, 상기 제2단계에서는 600 - 700℃ 온도구간에서 5 - 30분 등온 유지한다.

본 발명에 따르면, 다단제어 냉각공정에서는 열간변형조직을 저온으로 과냉하여 변태속도가 빠른 저온의 페라이트 변태온도에서 등온 유지하므로 페라이트 분율이 평형분율에 가까운 많은 양이 형성됨과 아울러 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 얻을 수 있게 된다. 동시에 일정 시간동안 등온 유지하므로 충분한 양의 탄질화물도 얻을 수 있게 된다. 이러한 본 발명의 효과로 펄라이트 분율을 최대화 (25-35%) 할 수 있었으며, 이에 따라 미세한 펄라이트-페라이트 조직(펄라이트 콜로니크기: 25-35 um; 페라이트결정립 크기: 10-20 um) 을 얻을 수 있었다. 그 결과 강도가 매우 우수하고 인성이 우수한 V-MA 열간단조강 (S45CVMn강)을 제조할 수 있었다.

도 1은 오스테나이트 영역(1150℃)에서 압축변형한 강을 600℃(오스테나이트-페라이트 변태 구간)까지 단일제어 냉각(2C/s 과 10C/s) 공정으로 냉각한후 공냉하여 얻은 펄라이트-페라이트 미세조직을 보이는 주사전자현미경 조직사진.
도 2는 오스테나이트 영역(1150℃)에서 압축변형한 강을 각각 750℃ 와 700℃ 까지 10C/s으로 냉각한 후 600℃ 까지 0.5C/s으로 냉각한 후 공냉하여 (표2: 다단제어냉각공정 (I)) 얻은 펄라이트-페라이트 미세조직을 보이는 주사전자현미경 조직사진.
도 3은 오스테나이트 영역(1150℃)에서 압축변형한 강을 각각 675℃ 와 650℃까지 10C/s으로 냉각한후 그 온도에서 등온유지 (5분과 10분)후 공냉하여 (표2: 다단제어냉각공정 (II)) 얻은 펄라이트-페라이트 미세조직을 보이는 주사전자현미경 조직사진.
도 4는 단일제어 냉각공정 (A)과 다단제어냉각공정으로 얻은 펄라이트-페라이트 조직의 비커스 미소 경도 측정 결과를 보여주는 막대그래프.
도 5는 단일제어 냉각공정과 다단제어냉각공정으로 얻은 펄라이트-페라이트 조직의 small ball punch (SP) 시험결과를 보여주는 그림.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명은 S45CVMn강을 포함하는 비조질 V-MA 중탄소강의 열간 단조공정중 제어냉각공정에 관한 발명으로, 본 발명의 제어 냉각공정은 다단 제어 냉각공정으로 구성된다.

즉, 본 발명의 다-단 제어냉각(오스테나이트-페라이트 변태구간에서 2단 제어냉각) 공정은 제1단계 급속냉각공정과, 제2단계 단시간 등온유지하는 공정, 그리고 제3단계는 공냉하는 공정으로 구성된다.

제1단계의 급속냉각공정에서는 첫째 열간단조 조직, 즉 오스테나이트 재결정조직 (변형조직)의 냉각중 조대화를 최대한 억제하고자한다. 둘째는 냉각중 고온 오스테나이트-페라이트 변태를 최대한 방지한다. 셋째는 그에 따라 변태속도가 최대를 보이는 저온변태온도 구간에서 미세하고 과냉된 오스테나이트 조직을 얻고자한다.

제2단계인 등온유지 공정에서는 첫째 오스테나이트-페라이트 변태 속도가 최대를 보이는 온도영역에서 단시간 등온유지하여 펄라이트 분율을 극대화한다. 둘째 초석 페라이트내의 바나듐-탄질화물의 석출을 최대화한다.

제3단계인 공냉공정에서는 펄라이트 변태가 빠르게 진행하여 잔류 과냉-오스테나이트가 모두 펄라이트로 변태한다. 그 결과 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 얻는다.

본 발명의 시험에 사용한 펄라이트-페라이트강은 비교강으로 S45C강과 발명대상강으로 S45CVMn강을 사용하였으며 구체적인 조성은 표 1에서 보는 바와 같다.

[표 1] 비교강과 발명대상강의 조성(wt.%).

본 발명에서는 열간단조공정 즉 오스테나이트영역에서의 고온변형공정과 후속공정인 제어냉각공정을 실험적으로 모사하기 위하여 Gleeble 1500을 사용하였다. 모든 경우 먼저 균질화처리를 위해 Gleeble을 이용하여 시험 강을 1200℃로 가열하고 3분간 유지한후 소정의 고온변형온도로 냉각하여 고온변형을 시행한다. 고온변형온도는 1150℃(1050 - 1200℃)이고 변형조건은 일정변형률속도(5/s)에서 변형율 0.4와 0.8로 2-단 압축변형을 실시하였다. 이와 같이 고온에서 압축변형한 시편은 변형 후 바로 다음의 다양한 제어 냉각조건으로 냉각하였다.

이하, 이와 같은 구성을 가지는 본 발명인 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정의 구체적인 실시예를 통하여 작용을 설명한다.

[제1 실시예]

도 1을 참조하면, 상술 조건으로 고온압축 변형한 시편을, 두 개의 서로 다른 단일냉각(오스테나이트-페라이트 변태구간에서) 공정, 즉 2C/s (팬냉각 속도 해당) 과 10C/s(압축공기 냉각속도 해당) 으로 600℃까지 냉각한 후, 상온까지 공냉한 시편의 SEM미세조직을 비교한다.

먼저 비교강(S45C)인 경우에는 냉각속도에 관계없이 전형적인 펄라이트-페라이트(페라이트가 펄라이트를 둘러싸고 있는 형태) 조직을 보인다.

아울러 냉각속도가 빠르면 빠를수록 미세조직은 더욱 미세해지고 있음을 알 수 있다. 이에 비해 본 발명대상 강(S45CVMn)인 경우를 보면, 냉각속도가 비교적 느린 경우에는 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보인다.

그러나 냉각속도가 빠른 경우에는 초석페라이트가 거의 형성되지 못하고 전체가 유사(pseudo)-펄라이트 조직을 나타낸다. 이때, 라멜라 조직은 정규적인 라멜라 형태와 상당히 다른 불규칙한 라멜라조직(divorced lamellar 조직)을 이룬다(원내 확대그림 참조). 그 이유는 이 냉각속도에서, 조질 강과 달리, 초석페라이트의 생성이 크게 억제되고 그에 따라 공석반응을 보이는 오스테나이트의 카본 조성이 평형 공석조성을 갖지 못하고 초기조성과 유사한 조성을 갖기 때문이다.

이상의 결과는 첫째 두 강 모두 냉각속도가 빠르면 빠를수록 페라이트 변태가 억제되고 펄라이트변태가 조장된다는 사실을 보여주는 것으로 종래기술 (단일 냉각공정)의 결과와 잘 일치하는 결과이다.

둘째는 2C/s - 10C/s의 비교적 빠른 냉각속도 전 구간에서 비교-강은 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보이며, 냉각속도가 빠를수록 미세조직은 미세화 되었다.

셋째는 이에 비해 본 발명 대상강은 2C/s에서는 전형적인 펄라이트-페라이트 조직을 보였으나 10C/s에서는 페라이트의 형성이 크게 억제된다. 이러한 사실은 본 발명 대상강인 경우 냉각속도가 10C/s 이상에서는 냉각 중에 오스테나이트-페라이트변태를 거의 억제하여 오스테나이트변형조직을 저온으로 과냉할 수 있다는 사실을 보여주는 결과라고 할 수 있다.

본 발명의 대상강에서 비교강과 달리 페라이트 변태가 느리게 진행하는 이유는 본 발명의 대상강에서 비교강에 비해 Mn의 함량이 현저히 높기 때문이다. 그 결과 본 발명의 대상강의 CCT-곡선이 우측(변태시간이 긴 쪽)으로 이동하기 때문이다.

[제2 실시예]

도 2를 참조하면, 다단 제어냉각 (오스테나이트-페라이트 변태구간 2단 제어) 공정 (I)의 시험 결과를 보여준다. 제1단계에서는 고온 압축 변형한 시편을 10C/s의 빠른 속도로 700℃까지 급속 냉각한다. 제2단계는 이를 0.5C/s의 느린 속도로 600℃까지 서냉 한다. 최종 제3단계로 600℃이하의 온도에서 공냉 한다.

제1단계에서 급속 냉각하는 이유는 오스테나이트 변형조직을 조대화 없이 변태온도 구간으로 과냉하고자 하는 것이다.

제2단계의 서냉 목적은 냉각 중에 충분한 오스테나이트-페라이트 변태와 탄질화물의 석출을 유도하고자 하는 것이다.

제3단계에서는 미변태 오스테나이트를 펄라이트로 변화시킴과 동시에 펄라이트내 페라이트에 탄질화물의 석출을 유도하고자 한다.

먼저 제2 실시예의 비교강 (S45C)을 보면, 제1 실시예와 비교할 때 페라이트 분율이 월등히 증가하였고, 그에 따라 펄라이트-페라이트 미세조직이 현저히 미세화 되었다. 이에 비해 본 발명 대상 강(S45CVMn)인 경우에는 페라이트 분율이 증가하긴 하였으나 비교강처럼 현저한 증가는 없다. 그 결과 펄라이트-페라이트 미세조직이 비교 강에 비해 비교적 조대한 경향을 보인다.

또한, 다단 제어 냉각공정 (I)에 있어서 제2단계 시작온도의 변화 효과를 보여주는 실시 예를 보여준다. 제2단계 시작온도를 700℃로 감소한 결과, 비교강과 본 발명대상 강 모두에서, 형성된 펄라이트-페라이트 미세조직이 오히려 조대화 되는 경향을 보였다.

이상의 다단제어 냉각공정 (I)을 실시한 결과 비교강(S45C)인 경우에는 현저한 페라이트 분율 증가와 현저한 펄라이트-페라이트 미세조직의 미세화를 이룰 수 있었다. 그러나 본 발명의 대상강(S45CVMn)인 경우에는 페라이트 분율이 상당히 증가했음에도 불구하고 현저히 미세한 펄라이트-페라이트 조직을 얻기가 어려웠다(그에 따라 비교적 낮은 경도값을 나타내었다).

[제3 실시예]

도 3을 참조하면, 본 발명의 등온유지 공정을 포함하는 다단 제어냉각 (오스테나이트-페라이트 변태구간에서 2단 제어) 공정 (II)으로 실시한 미세조직을 보여준다.

본 발명의 다단 제어냉각 공정 (II)은 제1단계로 고온 압축 변형한 오스테나이트 조직을 10C/s의 빠른 냉각속도로 700℃ 이하 600℃ 까지 급속 냉각하여 과냉 오스테나이트 변형조직을 얻는다. 본 냉각단계의 목적은 오스테나이트-페라이트 변태속도가 최대를 보이는 온도구간까지 오스테나이트 변형조직을 과냉하고자 하는 것이다.

제2단계는 과냉한 오스테나이트변형 조직을 변태속도가 빠른 온도 구간 (700 - 600℃)에서 짧은 시간 (5 - 30분) 동안 등온유지 하여 오스테나이트-페라이트 변태를 최대화하고자 한다.

제3단계는 이를 공냉하는 공정으로 잔류 오스테나이트를 펄라이트로 변태함과 동시에 펄라이트내 페라이트에 탄질화물을 석출하고자한다.

즉, 도 3을 참조하면 제1단계에서 675℃까지 과냉한후 제2단계로 675℃에서 5분(비교강)과 10분(본발명 대상강) 동안 등온유지하고 공냉처리(제3단계)한 시편의 미세조직을 보여준다. 비교강은 물론 본 발명대상 강에서도 페라이트 분율이 약 30%까지 현저히 증가하였음을 알 수 있다(표 2 참조). 이에 따라 비교강은 물론 본 발명 대상강에서도 펄라이트-페라이트 미세조직이 현저히 미세화 하였다. 본 발명 대상강인 경우 펄라이트-페라이트 콜로니크기가 50-60 um 수준에서 30um 수준으로 급격히 미세화되고, 아울러 라멜라 간격 역시 현저히 미세화 하였음을 알 수 있다.

두 강의 오스테나이트-페라이트 변태 속도를 비교하면 비교강인 경우 5분 안에 충분한 페라이트 변태가 일어나는 반면에 본 발명대상 강인 경우에는 10분이 걸린다는 사실을 알 수 있다. 이는 Mn함량이 본 발명 대상강에서 현저히 많기 때문이다.

[표 2] 제어냉각공정에 따른 펄라이트-페라이트 미세조직 변화의 정량적 측정.

본 발명의 제어냉각공정에서 제2단계의 등온 유지온도의 효과를 보여준다. 등온 유지온도가 650℃인 경우 비교강과 본 발명대상 강 모두에서 페라이트 분율이 감소하고 펄라이트 형성이 조장되면서 펄라이트-페라이트 미세조직이 상대적으로 조대화 되는 경향을 보이고 있다(표2 참조). 이러한 사실은 두 강 모두 675℃ 근처에서 오스테나이트 - 페라이트 변태가 최대를 보인다는 사실을 보여주는 결과이다. 그럼에도 불구하고 650℃의 미세조직을 관찰하면 제2 실시예의 경우와 대등하게 미세한 미세조직을 나타내었다. 등온 유지온도가 600℃ 이하로 감소하면 펄라이트-페라이트 조직이 형성되지 않고 유사(Pseudo)- 펄라이트 조직을 형성한다.

[제4 실시예]

도 4는 경도 측정 결과를 보여준다. 먼저 비교강 (S45C)과 본 발명대상 강 (S45CVMn)의 경도를 비교하면, 본 발명대상 강의 경도가 냉각조건에 관계없이 현저히 높다는 사실을 알 수 있다. 이는 펄라이트 분율이 크며, 탄질화물이 펄라이트내의 페라이트와 초석페라이트에 석출하여 펄라이트와 초석페라이트의 강도가 증가하기 때문이다.

본 발명대상 강에서 단일냉각 (오스테나이트-페라이트 변태구간에서) 공정으로 냉각한 경우를 보면, 매우 빠른 속도 (10C/s)로 600℃ 까지 냉각한 경우(제1 실시예)가 비교적 작은 경도를 나타낸다. 이는 냉각 중에 초석페라이트 변태가 억제되어 불규칙한 라멜라 조직이 형성되었기 때문이라 판단된다. 이에 비해 비교적 느린 속도(2C/s)(공냉과 비교하면 빠른 속도 임)로 600℃까지 냉각한 경우 (제1 실시예)에는 경도가 상당히 증가하였다. 이는 초석 페라이트 형성이 상당부분 진행되면서 펄라이트 조직이 정규적인 미세한 라멜라 조직을 형성하기 때문이다. 아울러 냉각속도가 상대적으로 느리므로 초석페라이트 내에 탄질화물의 석출이 상당량 진행하기 때문으로 생각된다.

한편, 본 발명의 다단제어 냉각공정 (II) (제3 실시예)으로 냉각한 시편인 경우(변형 후 675℃ 까지 10C/s으로 급속 냉각하고, 675℃에서 10분간 등온유지 후 공냉)를 보면, 앞의 단일제어냉각(10C/s) 공정의 경우보다 경도가 현저히 증가하였을 뿐만 아니라 2C/s경우 보다 도 큰 값을 보여주었다. 특히 본 발명공정인 경우 페라이트 분율(30%)이 10C/s 나 2C/s (6-7%) 단일 냉각공정에 비해 현저히 큼에도 불구하고(표2 참조), 경도는 10C/s보다는 현저히 높았고, 2C/s보다도 오히려 높은 값을 나타내었다. 이는 첫째 페라이트가 평형 분율에 가깝게 형성되어 미세한 라멜라 조직과 미세한 펄라이트-페라이트 조직이 형성되었기 때문이다. 둘째는 등온유지 동안에 충분한 양의 탄질화물이 초석페라이트 내에 형성되었기 때문이다.

이상에서 보는 바와 같이, 본 발명의 다단제어 냉각공정인 경우 단일제어 냉각공정에 비해 페라이트 분율이 월등히 높으면서도 경도가 오히려 우수하므로 본 발명 강에서 강도가 우수할 뿐만 아니라 인성역시 아울러 우수할 것으로 예측되고 있다.

한편, 제2 실시예의 다단제어 냉각공정 (I)으로 냉각한 경우에는 본 발명의 다단제어 냉각공정 (II)(제3 실시예)의 경우에 비해 경도가 상대적으로 작은 값을 나타내었다. 이 경우 특히 단일제어 냉각공정의 경우보다도 작은 경도값을 나타내었다. 이는 페라이트 분율이 상대적으로 크면서 펄라이트-페라이트 미세조직이 충분히 미세화 되지 못하였기 때문으로 생각된다.

[제5 실시예]

도 5는 small-punch(SP)시험을 이용하여 단일제어냉각(2C/s) 공정으로 냉각한 시편과 본 발명의 다단제어 냉각공정(II)으로 냉각한 시편을 비교 시험한 결과를 보여준다.

두 경우 전반적으로 매우 유사한 SP-곡선을 보여주었다. 그러나 본 발명의 다단제어 냉각공정(II)으로 냉각한 시편이 상대적으로 높은 최대치와 파괴변위를 보여주었다. 그 결과 SP-곡선의 면적으로 주어지는 SP에너지가 증가하였다. 일반적으로 파괴변위는 파괴연성의 경향을 나타내고 SP에너지는 소재의 DBTT경향을 보여주는 것으로 보고되고 있다. 이로부터 본 발명의 다단제어 냉각공정은 종래의 단일냉각공정에 비해 V-microalloyed 펄라이트-페라이트 강의 강도와 인성을 동시에 향상시키는 효과가 있음을 알 수 있었다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. S45CVMn강을 포함하는 비조질 V-MA 중탄소강의 열간-단조 공정중 제어냉각공정으로서,
   제1단계에서는 열간-단조체를 저온의 오스테나이트-페라이트 변태온도구간까지 급속냉각하고, 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 일정시간 등온유지한 후, 제3단계에서는 이를 공냉하는 공정으로 이루어진 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 600-700℃에서 등온 유지하는 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1단계에서는 열간-단조 체를 저온의 오스테나이트-페라이트 변태온도구간까지 3C/s(바람직하게는 10C/s) 이상으로 급속냉각하고,
   상기 제2단계에서는 저온의 오스테나이트-페라이트 변태 온도구간에서 30분 이하로 등온 유지하는 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정.
   
4. S45CVMn강을 포함하는 비 조질 V-MA 중탄소강의 열간-단조 공정중 제어냉각공정으로서,
   제1 단계에서는 단조온도 1000 -1200℃에서 열간-단조한 단조 체를 600 - 700℃ 온도 구간으로 급속냉각하고, 제2단계에서는 600 - 700℃ 온도구간에서 등온 유지한 후, 제3단계에서는 이를 공냉하는 공정으로 이루어진 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 제1단계에서는 단조온도 1000 -1250℃에서 열간-단조한 단조 체를 600 - 700℃ 온도 구간으로 3C/s(바람직하게는 10C/s) 이상으로 급속냉각하고,
   상기 제2단계에서는 600 - 700℃ 온도구간에서 5 - 30분 등온 유지하는 V-MA 펄라이트-페라이트 열간-단조강 제조를 위한 다-단 제어냉각공정.
   

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