KR20120134534A - 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 엔진, 샤시 및 조향장치의 부품(볼트 및 샤프트류) 등의 소재로 사용되는 고강도의 냉간단조용 선조질강선에 관한 것이다.
본 발명의 고강도 냉간단조용 강선의 제조방법은; 0.15 ~ 0.40wt% C, 1.5wt% 이하 Si, 0.30 ~ 2.0wt% Mn, P 0.03wt% 이하, S 0.03wt%이하가 함유되고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 조성된 와이어 로드를 냉간 인발하는 단계, 냉간 인발된 와이어 로드를 일련의 고주파 유도가열장치 중에서 30?90초 동안 Ac3 변태점 이상으로 급속가열하고 그 가열상태를 유지하는 단계, 가열 상태의 와이어 로드를 물이나 기름에 의해 급냉하는 단계, 500℃?A1 변태점까지 가열 및 유지시간 포함하여 30?90초 동안 템퍼링을 실시하는 단계, 가열 상태의 와이어 로드를 다시 수냉하여 인장강도가 1,100 ? 1,400MPa 범위인 와이어 로드를 얻는 단계 및 와이어 로드를 25?40%의 단면감소율로 냉간 인발하여 인장강도가 1,200 ? 1,600MPa가 되도록 하는 단계로 이루어진다.
본 발명의 강선은 인장강도가 1,200MPa 이상으로 매우 높은 데도 불구하고 냉간에서 단조가 가능할 뿐만 아니라 금형수명의 현저한 향상을 가져온다.

Description

금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선 및 그 제조방법{HIGH TENSILE STEEL WIRE FOR COLD FORGING WITH LONG LIFE TIME OF FORGING MOLD AND THE METHOD OF MAKING THE SAME}
본 발명은 자동차 엔진, 샤시 및 조향장치의 부품(볼트 및 샤프트류) 등의 소재로 사용되는 고강도의 냉간단조용 선조질강선에 관한 것으로, 보다 자세하게는
Figure pat00001
칭 템퍼링을 실시한 강선을 적절한 정도의 단면감소율로 냉간에서 신선함으로써 인장강도가 1,200MPa 이상으로 매우 높은 데도 불구하고 냉간에서 단조가 가능할 뿐만 아니라 금형수명의 현저한 향상을 도모하는 냉간단조용 와이어 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 대표적인 냉간 단조용 강선으로는 구상화 소둔재와 비조질강이 알려져 있다. 상기 구상화 소둔재는 열처리 과정에서 석출되는 탄화물을 구상화시킴으로써 재료의 연성을 높여 냉간에서 단조가 가능하게 한 것으로서, 700℃ 정도의 온도에서 13시간 내지 17시간 정도에 걸쳐 장시간 가열하여 석출되는 탄화물을 구상화시킴으로써 인장강도가 500 ? 600MPa 정도로 매우 낮아 단조가 용이하게 된 것이다. 그러나 단조 후에는 인장강도를 높히기 위하여 반드시 추가적인 열처리가 수반되어야 하는 공정상의 번거로움과 제조비용의 증가가 문제점으로 지적되고 있다.
따라서 최근에는 단조 후
Figure pat00002
칭, 템퍼링 열처리를 생략하여 원가절감을 꾀할 수 있는 비조질강의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 그런데 대부분의 비조질강은 페라이트와 퍼얼라이트의 혼합조직으로 이루어져 있고, 또한 많은 합금원소들이 첨가되어 있어서 인장강도 800MPa 이하의 비교적 단순하고 가공도가 낮은 부품의 단조에는 문제가 없었으나, 900MPa 이상급의 복잡한 형상의 부품, 예를 들면 육각 플랜지 볼트 등의 경우에는 퍼얼라이트에 층상으로 존재하는 시멘타이트가 조기에 파단이 일어나므로 냉간단조가 불가능한 것이 현실이다.
한편, 본원인은 상기의 종래 냉간 단조용 강선에서 지적되고 있는 문제점을 감안하여 신개념의 고강도 냉간단조용 강선으로서 인장강도가 700 ? 1,300MPa로 매우 높음에도 불구하고 볼트 등의 부품으로 냉간단조 하더라도 균열이 발생하지 않는 강선을 개발하였는바, 이는 대한민국 특허 제046971호로 등록되어 있다.
그런데, 최근에는 지구환경보존과 자동차 메이커의 차량 경량화에 대한 지속적인 추구로 냉간단조가 가능한 인장강도 1,200 ? 1,600MPa급의 초고강도 강선의 개발요구가 심각하게 대두되고 있다. 그러나 상기 요구범위의 인장강도는 너무 높기 때문에 단조시 균열이 쉽게 발생하고, 냉간단조용 금형수명이 현저히 저하되어 사실상 더 이상의 고강도화는 현재의 기술수준으로는 불가능한 실정이다.
본 발명은 상기 종래의 냉간 단조용 강선에서 지적되고 있는 문제점과 최근의 고강도화 개발요구를 감안하여 창안된 것으로, 소재의 인장강도가 1,200? 1,600MPa으로 냉간단조용 강선으로는 초고강도이지만, 건축 및 자동차용 부품으로 냉간단조하여도 균열이 발생하지 않고, 금형수명이 현저히 개선된 고강도 냉간단조용 강선 및 그 제조방법을 제공하는데 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은,
Figure pat00003
칭, 템퍼링된 고강도 강선에 대하여 특정범위 내의 단면감소율로 냉간 인발을 실시하게 되면 변형저항에너지의 감소에 기인하여 균열의 발생이 초래됨이 없이 우수한 냉간 단조 특성을 나타낸다고 하는 기존에 알려진 바 없는 새로운 사실에 기초하여 달성된다.
본 발명의 발명자는 기본적으로 인장강도가 1,200MPa 이상으로서 냉간 단조가 가능하면서도 단조금형의 수명이 개선된 새로운 강선의 개발을 위하여 다양한 시도와 반복된 실험을 수행하던 중 상기와 같은 사실을 발견하기에 이르렀다.
여태까지 알려진 바에 의하면,
Figure pat00004
칭/템퍼링만 실시한 인장강도 1,300MPa 이상의 강선은 냉간에서 단조가 불가능하다는 것이 관련 업계나 연구자들에게 일반적인 사실로 여겨져 왔으나,
Figure pat00005
칭/템퍼링 이후 특정량의 인발을 실시하여 얻어진 강선을 냉간단조하는 경우에는 단조 전에 비해 인장강도가 높아짐에도 불구하고, 인발에 따른 금속조직의 변형방향과 반대방향으로 가공이 되므로 변형저항에너지가 현저히 감소하여 냉간 단조성 뿐만 아니라 금형의 수명도 현저히 향상되는 것으로 밝혀졌다.
이를 보다 자세하게 설명하면, 담금질 가능한 기계구조용 탄소강에 대하여 Ac3 변태점 이상으로 급속가열하고 그 가열상태를 유지한 후, 물이나 기름에 의해 급냉하고, 이어서 500℃?A1 변태점에서 템퍼링을 실시하여 인장강도가 1,100 ? 1,400MPa 범위인 와이어를 제조한 다음, 25?40%의 단면감소율로 냉간인발을 수행하게 되면 인장강도가 1,200 ? 1,600MPa로 매우 높지만 냉간에서 균열이 발생됨이 없이 단조가 가능할 뿐만 아니라 금형의 수명도 현저하게 개선할 수 있는 것으로 드러났다.
본 발명의 방법에서 사용되는 와이어의 화학적 조성은, 0.15 ~ 0.40wt% C, 1.5wt% 이하 Si, 0.30 ~ 2.0wt% Mn, P 0.03wt% 이하, S 0.03wt%이하가 함유되고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 조성된 성분계를 기본으로 하며, 경우에 따라서는 상기 성분 조성에 0.05 ~ 2.0wt% Cr과 0.05 ~ 1.5wt% Mo과 0.01 ~ 0.10wt% Ti와 0.0003 ~ 0.0050wt% B 및 0.01 ~ 0.05wt%의 Al 중의 적어도 어느 한 성분 이상이 첨가될 수 있는바, 각 성분 범위를 한정한 이유는 다음과 같다.
C: 0.15 ~ 0.40wt%
C는 소입시 강도증가를 위하여 첨가되는 가장 중요한 원소로서, 통상적으로 알려진 바와 같이 0.15wt% 미만에서는 소입 열처리에 의한 경화효과를 기대할 수 없으며, 0.40wt%를 초과하게 되면 다량의 탄화물 석출로 인하여 인성이 저하되고 변형저항이 증대되어 냉간압조시 균열 및 공구수명의 저하를 초래하게 된다.
Si: 1.5wt% 이하
Si는 강중에 탈산을 위하여 투입되는 원소로서, 고용강화에 의하여 강도를 향상시키지만, 그 함량이 1.5wt%를 초과하면 인성이 저하되어 냉간압조시 변형저항을 증대시켜 균열발생 및 공구수명의 저하를 초래한다. 이는 Si가 석출 탄화물에 고용되어 탄소의 움직임을 방해함으로써 탄화물이 구형화되는 것을 방해하기 때문이다.
Mn: 0.30 ~ 2.0wt%
Mn은 고용강화 원소로서, C 및 Si가 과잉 첨가될 경우 발생할 수 있는 변형저항의 증대를 피하기 위하여, 낮은 C, Si 첨가강에서 강도의 저하를 보완하기 위한 원소이다. 따라서 상기의 효과를 기대하기 위해서는 최소 0.30wt%의 첨가가 필요하지만, 과잉 첨가되면 인성과 변형저항을 증대시키므로 그 첨가량은 2.0wt%를 초과하지 않도록 하여야 한다.
Cr: 0.05 ~ 2.0wt%
Cr은 강도와 담금질 경도 및 인성의 향상을 위하여 첨가되는 원소로서, 0.05wt% 미만에서는 상기 특성들의 향상 효과가 미약하며, Cr은 비교적 고가인 까닭에 2.0wt%를 초과하게 되면 경제성이 떨어지게 되는바, 하한치를 0.05wt%로하고 상한치를 2.0wt%로 한다.
Mo: 0.05 ~ 1.5wt%
Mo은 Cr의 첨가 효과와 거의 동일하며, 0.05wt% 미만에서는 효과가 미약하며, 1.5wt%를 초과하게 되면 냉간 가공을 위한 변형저항이 증대되되므로 그 첨가량은 1.5wt%를 초과하지 않도록 한다.
B: 0.0003 ~ 0.0050wt%
B는 담금질성을 향상시키는 원소로서, 0.0003wt% 미만에서는 첨가효과가 불분명하나, 0.0050wt%를 초과하면 오히려 담금질성을 저하시킨다.
Ti: 0.01 ~ 0.10wt%
Ti는 B와 공존하여 담금질 강도를 올리는 효과도 있지만, 오스테나이트의 결정립 미세화에 효과가 크다. 그러나 0.01wt% 미만에서는 그 효과가 미흡하고, 0.10wt%를 초과하면 개재물이 많게 되어 요구되는 각종 물성치를 저하시킨다.
Al: 0.01 ~ 0.05wt%
Al은 질소와 결합하여 오스테나이트 결정립성장 억제효과가 있다. 그러나 다량 함유되면 알루미늄산화물계 개재물이 많이 생성되어 연성을 저하시킨다. 따라서 본 발명의 목적을 달성하기 위해서는 0.01 ~ 0.05wt% 범위가 바람직하다.
P와 S는 강의 불가피한 불순물 원소로서 뜨임시 결정입계에 편석하여 충격 인성을 저하시키고, 냉간 가공시 변형율을 저하시키므로 가능한 한 그 함량이 각각 0.030wt%를 초과하지 않도록 제한할 필요가 있다.
상기 조성으로 이루어진 강재를 대상으로 하여 본 발명에 따른 고강도 냉간단조용 강선을 제조하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 고강도 냉간단조용 강선의 제조방법은; 0.15 ~ 0.40wt% C, 1.5wt% 이하 Si, 0.30 ~ 2.0wt% Mn, P 0.03wt% 이하, S 0.03wt%이하가 함유되고 기타 불가피한 불순물과 잔부 Fe로 조성된 와이어 로드를 냉간 인발하는 단계, 냉간 인발된 와이어 로드를 일련의 고주파 유도가열장치 중에서 30?90초 동안 Ac3 변태점 이상으로 급속가열하고 그 가열상태를 유지하는 단계, 가열 상태의 와이어 로드를 물이나 기름에 의해 급냉하는 단계, 500℃?A1 변태점까지 가열 및 유지시간 포함하여30?90초 동안 템퍼링을 실시하는 단계, 가열 상태의 와이어 로드를 다시 수냉하여 인장강도가 1,100 ? 1,400MPa 범위인 와이어 로드를 얻는 단계 및 와이어 로드를 25?40%의 단면감소율로 냉간인발하여 인장강도가 1,200 ? 1,600MPa가 되도록 하는 단계로 이루어진다.
본 발명에서 상기의 조성으로 이루어진 강재를 대상으로 열처리를 함에 있어서,
Figure pat00006
칭/템퍼링을 선정한 이유는
Figure pat00007
칭 이후 템퍼링시 석출되는 탄화물이 매우 미세하며, 500℃?A1 변태점까지의 높은 온도로 템퍼링하게 되면 석출된 탄화물이 구상화되어 냉간 단조시 균열발생률을 현저하게 저하시키기 때문이다.
그리고,
Figure pat00008
칭/템퍼링 이후에 얻어지는 인장강도를 1,100 ? 1,400MPa 범위로 한정한 이유는
Figure pat00009
칭/템퍼링된 강선을 25?40%의 감면율로 인발하였을 때, 목적하는 최종 제품의 인장강도 1,200 ? 1,600MPa를 확보하기 위한 것이다.
본 발명의 특징적인 기술구성은 "
Figure pat00010
칭/템퍼링된 강선을 25?40%의 감면율로 인발"에 있는 것으로서, 이는 본 발명자가 본 발명의 강재 조성에 대하여 인발조건을 변화하면서 수많은 시험을 통해서 얻어진 결과인 바, 이는 도1의 인발감면율(%)에 따른 변형저항에너지(J/㎥)의 측정결과 그래프를 통해서 확인되고 있다.
즉, 도1에서와 같이 인장강도 1,150MPa급으로
Figure pat00011
칭/템퍼링된 강선을 냉간에서 압조할 경우, 25?40%의 감면율로 인발된 강선이 변형저항에너지가 가장 낮은 것으로 확인되고 있다. 이때 사용된 강선의 화학성분은 3강종으로서, 0.2%C-1.0%Cr, 0.2%C-1.1%Cr-0.2%Mo 및 0.30%C--1.0%Si이다.
종래에는
Figure pat00012
칭, 템퍼링만을 실시하여 제조한 강선의 경우, 인장강도 1,300MPa 이상은 냉간 단조가 불가능할 뿐만 아니라 금형수명도 현저히 낮아서 상업화되지 못하였으나, 본 발명의 방법을 통해서 얻어진 강선의 경우에는 인장강도 1,600MPa까지 안정적으로 냉간 단조가 가능하게 되어 금형수명의 연장과 더불어 자동차 부품소재로서의 혁신적 경량화는 물론 그에 따른 온실가스 배출량도 저감할 수 있게 되어 산업상 활용가능성이 매우 클 것으로 기대된다.
첨부된 도면은 인발감면율에 따른 변형저항에너지 측정결과 그래프이다.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시예에 사용된 강재의 화학조성은 아래의 표1과 같으며, 열간압연된 직경 18mm의 와이어 로드를 냉간에서 직경 16mm로 인발하였다. 냉간인발된 와이어를 일련의 프로세스로 연결된 고주파 유도가열 장치를 사용하여, Ac3 변태점 이상으로 30초?90초 동안 급속가열 및 유지한 후, 물 또는 기름으로 급냉하였다. 이어서, 500℃?A1 변태점에서 30초?90초 동안 템퍼링을 실시하여 인장강도가 1,100 ? 1,400MPa 범위인 와이어를 제조하였다. 상기 와이어를 25?40%의 단면감소율로 재차 냉간 인발을 실시하여 인장강도가 1,200?1,600MPa인 최종 실시예 강선을 제조하였다.
한편, 이와 같은 공정을 거쳐 제조된 강선에 대한 인장강도 시험에 적용된 시편은 ASTM E8의 표준시편 6.25mm를 사용하였다. 압축시험은 직경 10mm x 높이 15mm의 시편을 제작하여 100톤의 전용 압축시험기를 사용하였으며, 이때의 변형저항에너지는 진응력-진변형율 곡선을 그리고 스트레인(strain) 0.9까지의 그래프 면적을 구하여 산정하였다.
그리고, 최종 제품 강선의 냉간 단조시 금형의 수명을 평가하기 위하여 플랜지를 구비한 볼트 M10을 단조하여 금형이 파손될 때까지의 수명을 측정하여 비교평가 하였다. 이때 목표하는 금형의 수명은 경제성을 고려하여 최소 5만타 이상으로 하였다. 통상적으로 인장강도 1,200MPa 이상급의 강선은 5만타에 훨씬 못미치는 수준이다.
구분 C Si Mn P S Cr Mo B Al Ti Fe
시편1 0.20 0.25 0.83 0.015 0.011 - - - 0.02 - bal.
시편2 0.22 0.28 1.37 0.012 0.009 1.16 - - - - bal.
시편3 0.21 0.23 0.95 0.012 0.007 1.13 0.35 - - - bal.
시편4 0.22 0.25 0.75 0.013 0.011 - - 0.0025 - 0.0031 bal.
시편5 0.32 0.78 0.75 0.011 0.010 0.25 0.18 - - - bal.
아래의 표2는 상기 표1에서와 같은 조성의 시편에 대하여 상기한 바의 열처리 공정 및 냉간 인발을 거쳐 얻어진 실시예 및 실시예 시편에 대한 인장시험, 압축시험 및 최종 제품 강선에 대한 금형수명 평가 결과이다.

구분		 QT후
인장강도
(MPa)
Figure pat00013
칭/템퍼링 인발
감면율(%)		 인발 후
인장강도
(MPa)		 변형저항
에너지(J/㎥)		 볼트단조시
금형수명
(5만타 이상)

시편1
 비교예1
1,115

 5 1,135 1,045 ×
실시예1 25 1,214 966 ○
실시예2 35 1,225 975 ○
비교예2 50 1,308 1,032 ×

시편2
 비교예3
1,155

 5 1,187 1,065 ×
실시예3 25 1,270 988 ○
실시예4 35 1,300 997 ○
비교예4 50 1,385 1,050 ×

시편3
 비교예5
1,252

 5 1,312 1,175 ×
실시예5 25 1,411 1,113 ○
실시예6 35 1,442 1,084 ○
비교예6 50 1,527 1,132 ×

시편4

 비교예7
1,269

 5 1,300 1,159 ×
실시예7 25 1,407 1,078 ○
실시예8 35 1,432 1,083 ○
비교예8 50 1,517 1,126 ×

시편5

 비교예9
1,350

 5 1,371 1,315 ×
실시예9 25 1,468 1,275 ○
실시예10 35 1,548 1,285 ○
비교예10 50 1,660 1,378 ×
상기 표2에서,
○: 균열이 발생하지 않은 경우
×: 균열이 발생한 경우
상기 표2에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따라 와이어를 제조하는 경우,
Figure pat00014
칭/템퍼링 이후에 인발을 실시하면 인발 감면율이 증가할수록 인장강도는 증가하는데도 불구하고, 감면율 25?40%의 범위에서는 오히려 압축시 변형저항에너지가 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있고, 이 경우 본 발명의 실시예 시편들은 모두 5만타 이상의 금형수명을 나타낸다는 사실도 확인되고 있다.

Claims (4)

  1. C 0.15 ~ 0.40wt%, Si 1.5wt% 이하, Mn 0.30 ~ 2.0wt%, P 0.03wt% 이하, S 0.03wt%이하가 함유되고 잔부가 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 조성으로 서, 냉간 인발에 이은 칭 및 템퍼링을 거쳐 25?40%의 단면 감소율로 인발되어 최종 인장강도가 1,200?1,600MPa인 것을 특징으로 하는 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강선은 Cr 0.05 ~ 2.0wt%, Mo 0.05 ~ 1.5wt%, Ti 0.01 ~ 0.10wt%, B 0.0003 ~ 0.0050wt%, Al 0.01 ~ 0.05wt% 중의 적어도 어느 한 성분 이상이 부가적으로 첨가되어 조성됨을 특징으로 하는 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선.
  3. C 0.15 ~ 0.40wt%, Si 1.5wt% 이하, Mn 0.30 ~ 2.0wt%, P 0.03wt% 이하, S 0.03wt%이하가 함유되고 잔부가 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 와이어 로드를 냉간 인발하는 단계;
    냉간 인발된 와이어 로드를 일련의 고주파 유도가열장치 중에서 30?90초 동안 Ac3 변태점 이상으로 급속가열하고 그 가열상태를 유지하는 단계;
    가열 상태의 와이어 로드를 물이나 기름에 의해 급냉하는 단계;
    500℃?A1 변태점까지 가열 및 유지시간 포함하여30?90초 동안 템퍼링을 실시하는 단계;
    가열 상태의 와이어 로드를 다시 수냉하여 인장강도가 1,100 ? 1,400MPa 범위인 와이어 로드를 얻는 단계; 및
    와이어 로드를 25?40%의 단면감소율로 냉간인발하여 인장강도가 1,200 ? 1,600MPa가 되도록 하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 강선은 Cr 0.05 ~ 2.0wt%, Mo 0.05 ~ 1.5wt%, Ti 0.01 ~ 0.10wt%, B 0.0003 ~ 0.0050wt%, Al 0.01 ~ 0.05wt% 중의 적어도 어느 한 성분 이상이 부가적으로 첨가되어 조성됨을 특징으로 하는 금형수명이 개선된 고강도 냉간단조용 강선의 제조방법.
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