KR20140002256A

KR20140002256A - 비조질강 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20140002256A
Application number: KR1020120070296A
Authority: KR
Inventors: 박유진; 박철우; 손제영; 이상원; 홍석우
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2012-06-28
Filing date: 2012-06-28
Publication date: 2014-01-08

Abstract

고강도를 가지면서도 쾌삭성이 우수한 비조질강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 비조질강은 중량%로, 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함하고, 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

비조질강 및 그 제조 방법 {MICRO-ALLOYED STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 비조질강 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강도가 우수하면서도 쾌삭성을 갖는 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 사용된다. 기계 구조용 합금강은 일반적으로 열간 압연 또는 냉간 압연에 의한 합금강의 제조 과정, QT(Quenching and Tempering)와 같은 조질 처리 과정, 그리고 절삭 가공 과정을 거쳐 제조된다.

그러나, 상기의 조질 처리 과정은 시간 및 비용을 요하는 바, 상기의 조질 처리 과정을 생략하여 원가절감, 생산성 향상 등을 추구하기 위하여 비조질강이 개발되었다.

종래 사용되고 있는 비조질강은, 주로 바나듐을 첨가하여 석출경화를 통하여 고강도를 확보하고 있다. 그러나, 이러한 비조질강의 경우, 가공성 및 쾌삭성이 좋지 않은 문제점이 있다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0109548호(2009.10.20. 공개)에 개시되어 있는 파단 분리성 및 피삭성이 우수한 열간 단조용 비조질강과 열간 압연 강재 및 열간 단조 비조질강 부품이 있다.

본 발명의 목적은 합금 성분 조절을 통하여 MnS 개재물의 형상을 제어함으로써, 강도가 우수하면서도 쾌삭성을 갖는 비조질강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비조질강은 중량%로, 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함하고, 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 비조질강은 브리넬 경도(HB) 250~330 및 MnS 개재물 평균 길이 8.0~14.0㎛를 나타낼 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비조질강 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함하고, 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 잉곳을 마련하는 단계; 상기 잉곳을 900~1000℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비조질강은 합금 성분, 특히 MnS 개재물 형성시 핵생성 사이트로 작용할 수 있는 칼슘, 니오븀, 지르코늄 등과 같은 원소의 단독 혹은 복합 첨가를 통해 MnS 개재물의 연신 억제가 가능하다.

이와 같이 연신이 억제된 MnS 개재물은 쾌삭성 향상에 유효한 효과를 발휘하며, 따라서, 본 발명에 따른 비조질강은 고강도와 함께 쾌삭성을 나타낼 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비조질강 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2는 시편 1의 MnS 개재물 형상을 나타내는 이미지이다.
도 3은 시편 6의 MnS 개재물 형상을 나타내는 이미지이다.

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.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비조질강 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

비조질강

본 발명에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 비조질강은 상기 성분들과 더불어 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함한다.

상기 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어진다.

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

탄소(C)

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

상기 탄소는 비조질강 전체 중량의 0.36~0.47중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.36중량% 미만인 경우, 목표로 하는 강도 혹은 경도 확보가 어렵다. 반대로, 탄소의 첨가량이 0.47중량%를 초과할 경우 가공성이 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 실리콘은 비조질강 전체 중량의 0.15~0.80중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.15중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.80중량%를 초과할 경우 제조되는 비조질강의 가공성을 저하시키는 문제점이 있다.

망간(Mn)

본 발명에서 망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며 제조되는 비조질강의 강도 확보에 효과적인 원소이다.

상기 망간은 비조질강 전체 중량의 1.0~1.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 1.0중량% 미만인 경우, 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.5중량%를 초과할 경우, 피삭성을 악화시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 입게 편석성 원소로서, 과다 함유되면 강의 충격 특성을 저해하며, 공정 중 크랙을 유발한다.

이에 본 발명에서는 인의 함량을 비조질강 전체 중량의 0.03중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

황(S)은 본 발명에 따른 비조질강의 피삭성 혹은 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.

상기 황은 비조질강 전체 중량의 0.02~0.07중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 황의 첨가량이 0.02중량% 미만인 경우, MnS 개재물 형성이 불충분하여 가공성 향상에 기여하지 못한다. 이에 따라 황의 첨가량이 0.02중량% 미만인 경우, 드릴링 가공시 롱칩(long chip)이 형성된다. 반대로, 황(S)의 함량이 0.07중량%를 초과할 경우 강이 찢어짐을 유발하고, 거대 개재물 형성에 의하여 표면처리시 결함의 원인이 된다.

구리(Cu)

구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여한다.

상기 구리는 비조질강 전체 중량의 0.3중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.3중량%를 초과하는 경우, 강의 가공성이 저하되는 문제점이 있다.

니켈(Ni)

니켈(Ni)은 경화능을 증대시켜 강의 강도 향상에 기여한다.

상기 니켈은 비조질강 전체 중량의 0.2중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.2중량%를 초과하는 경우, 비조질강 제조 원가가 크게 상승하고, 가공성이 저하될 수 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 경화능 향상 원소로 첨가되어 강도 향상에 기여한다.

상기 크롬은 비조질강 전체 중량의 0.1~0.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.1중량% 미만일 경우 강도 보상 효과가 미미하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 0.3중량%를 초과하는 경우, 가공성이 저하되는 문제점이 있다.

몰리브덴(Mo)

몰리브덴(Mo)은 소입성 원소로 첨가되어 강도 향상에 기여한다.

상기 몰리브덴은 비조질강 전체 중량의 0.05중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴의 첨가량이 0.05중량%를 초과할 경우, 가공성을 저하시키며, 또한 비조질강 제조 원가를 크게 상승시킬 수 있다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 우수한 탈산 효과를 제공하며, 또한 질소(N)와 결합하여 입자미세화에 기여한다.

상기 알루미늄은 비조질강 전체 중량의 0.03중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우, Al₂O₃를 과다하게 생성할 수 있다.

바나듐(V)

바나듐(V)은 석출 강화에 의하여 강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 바나듐은 비조질강 전체 중량의 0.08~0.30중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 바나듐의 첨가량이 0.08중량% 미만일 경우, 석출 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 바나듐의 첨가량이 0.30중량%를 초과하는 경우에는 가공성이 크게 저하될 수 있다.

티타늄(Ti)

티타늄은 상기의 바나듐과 함께 석출 강화에 의하여 비조질강의 강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 티타늄은 비조질강 전체 중량의 0.03중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 티타늄의 첨가량이 0.03중량%를 초과하는 경우에는 강의 피삭성을 저하시킬 수 있다.

질소(N)

질소(N)는 알루미늄 등과 결합하여 질화물을 형성함으로써 오스테나이트 결정립 미세화에 따른 기계적 특성 향상에 기여한다. 그러나, 질소의 과다 함유는 열간 단조성을 저해한다.

상기 질소는 비조질강 전체 중량의 80~200ppm(0.008~0.02중량%)으로 함유되는 것이 바람직하다. 질소의 함량이 80ppm 미만일 경우 질화물 형성 효과가 불충분하다. 반대로, 질소의 함량이 200ppm을 초과하는 경우 열간 단조성을 저해할 수 있다.

니오븀(Nb), 칼슘(Ca), 지르코늄(Zr)

니오븀(Nb), 칼슘(Ca) 및 지르코늄(Zr)은 MnS 개재물의 핵생성 사이트로 작용하여 MnS 개재물의 연신을 억제함으로써 비조질강의 쾌삭성 향상에 기여한다.

이러한 칼슘 등은 단독 첨가 혹은 복합 첨가가 가능하다.

니오븀이 첨가될 경우, 그 첨가량은 비조질강 전체 중량의 0.04중량% 이하가 바람직하다. 니오븀이 0.04중량%를 초과하여도 더 이상의 효과 향상 없이 강의 가공성이 저하될 수 있다.

또한, 칼슘이 첨가될 경우, 그 첨가량은 60ppm 이하인 것이 바람직하다. 칼슘의 첨가량이 60ppm을 초과하는 경우 경질의 CaO를 다량 생성하여 강의 피삭성을 저해할 수 있다.

또한, 지르코늄이 첨가되는 경우, 그 첨가량은 비조질강 전체 중량의 0.1중량% 이하인 것이 바람직하다. 지르코늄 첨가량이 0.1중량%를 초과하는 경우, 침상형 지르코늄 탄유화물 석출이 유발되어 강의 가공성 등을 오히려 저하시킬 수 있다.

비조질강 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비조질강 제조 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 비조질강 제조 방법은 잉곳 마련 단계(S110), 열간압연 단계(S120) 및 냉각 단계(S130)를 포함한다.

잉곳 마련 단계(S110)에서는 전술한 조성을 갖는 잉곳을 마련한다.

다음으로, 열간압연 단계(S120)는 잉곳을 열간압연한다. 이때, 열간압연은 900~1000℃의 마무리압연온도 조건으로 실시되는 것이 바람직하다. 상기 마무리압연온도 조건에서, 열간압연 후 냉각 전 강판의 조직이 안정된 오스테나이트 상이 될 수 있다. 마무리압연온도가 1000℃를 초과할 경우 오스테나이트 결정립이 조대화되어 강도 확보가 어려워질 수 있다. 반대로, 마무리 온도가 900℃ 미만이면, 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있다.

다음으로, 냉각 단계(S130)에서는 열간압연된 강을 냉각한다. 냉각은 자연냉각 및 강제냉각 모두 가능하나, 강 제조 비용 측면에서 상온까지 자연냉각하는 것이 보다 바람직하다.

한편, 냉각 단계 이후에는 균질화를 위하여 HTN(High Temperature Normalizing) 처리를 더 수행할 수 있다. HTN 처리는 1100~1300℃에서 20분~1시간동안 유지한 후, 공냉하는 방식으로 실시될 수 있다. HTN 처리 온도가 1100℃ 미만이거나, HTN 처리 시간이 20분 미만인 경우, 성분 편석에 의한 균질한 물성을 얻기 어렵다. 반대로, HTN 처리 온도가 1300℃를 초과하거나, HTN 처리 시간이 1시간을 초과하는 경우, 강의 물성이 열화될 수 있다.

상기에서는 비조질강 제조 관점에서 HTN 처리를 기재하였으나, HTN 처리는 자동차 부품 등의 제조 관점에서 열간 단조로 대체될 수 있다. 즉, 비조질강을 이용한 자동자 부품 등의 제조는 잉곳 제조, 열간압연, 냉각 및 열간단조를 포함하는 과정으로 수행될 수 있다. 이때, 열간단조는 1100~1300℃에서 20분~1시간동안 단조한 후, 공냉하는 방식으로 실시될 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. 비조질강 시편의 제조

표 1-1 및 표 1-2에 기재된 조성을 이용하여, 비조질강 시편을 제조하였다. 시편 1~9에 따른 비조질강 시편의 제조를 위하여, 진공유도용해로를 이용하여 표 1-1 및 표 1-2에 기재된 조성을 갖는 50Kg의 잉곳을 각각 제작하였다. 이 후, 각각의 잉곳을 950℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연한 뒤, 상온까지 공냉하였다.

[표 1-1] (단위 : 중량%)

[표 1-2] (단위 : 중량%)

2. 경도 및 MnS 개재물 평가

브리넬 경도기를 이용하여, 각각의 비조질강 시편의 경도를 각각 5회 측정한 후, 상한값/하한값을 제외한 중간값의 평균값을 나타내었으며, 그 결과를 표 2에 나타내었다.

[표 2]

표 2를 참조하면, 시편 No. 1~9에 따른 비조질강 시편들 모두 브리넬 경도(HB) 250~330 정도를 나타내어, 경도에는 큰 차이점이 없는 것을 볼 수 있다.

그러나, MnS 개재물의 사이즈를 측정한 결과, 실시예에 해당하는 시편 6~9에 따른 시편의 경우, MnS 개재물의 평균 길이가 8.0~14.0㎛ 범위를 만족하였으나, 비교예에 해당하는 시편 1~5에 따른 시편의 경우, MnS 개재물의 평균 길이가 14.0㎛를 초과하였다.

이와 같이, 비슷한 경도에도 불구하고, MnS 개재물의 평균 길이가 차이가 나는 것은 시편 6~9의 경우, 칼슘(Ca) 등의 성분이 첨가됨으로써 MnS 개재물의 연신이 억제되었기 때문이라 볼 수 있다.

이러한 점은 도 2 및 도 3을 통하여도 확인할 수 있다.

도 2는 비교예에 해당하는 시편 1의 MnS 개재물 형상을 나타내는 이미지이고, 도 3은 실시예에 해당하는 시편 6의 MnS 개재물 형상을 나타내는 이미지이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 칼슘이 첨가된 시편 6의 경우, MnS 개재물이 구형에 가까운 형상을 나타내었으나, 칼슘이 첨가되지 않은 시편 1의 경우, MnS 개재물이 길게 연신된 형상을 나타내었다.

따라서, 본원발명의 경우, Ca 등의 첨가에 따라서 MnS 개재물의 연신을 억제함으로써, 고강도를 가지면서도 쾌삭성 향상에 기여할 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.

Claims

중량%로, 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함하고, 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비조질강.
제1항에 있어서,
상기 비조질강은
브리넬 경도(HB) 250~330 및 MnS 개재물의 평균길이 8.0~14.0㎛를 나타내는 것을 특징으로 하는 비조질강.
중량%로, 탄소(C) : 0.36~0.47%, 실리콘(Si) : 0.15~0.80%, 망간(Mn) : 1.0~1.5%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.02~0.07%, 구리(Cu) : 0.3% 이하, 니켈(Ni) : 0.2% 이하, 크롬(Cr) : 0.1~0.3%, 몰리브덴(Mo) : 0.05% 이하, 알루미늄(Al) : 0.03% 이하, 바나듐(V) : 0.08~0.30%, 티타늄(Ti) : 0.03% 이하 및 질소(N) 80~200ppm을 포함하고, 니오븀(Nb) : 0.04% 이하, 칼슘(Ca) : 60ppm 이하 및 지르코늄(Zr) : 0.1% 이하 중 1종 이상을 더 포함하며, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 잉곳을 마련하는 단계;
상기 잉곳을 900~1000℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연된 강재를 냉각하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 냉각은
자연냉각 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 비조질강 제조 방법은
상기 냉각된 강재를 HTN(High Temperature Normalizing) 처리하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 HTN 처리는
1100~1300℃에서 20분~1시간동안 유지한 후, 공냉하는 것을 특징으로 하는 비조질강 제조 방법.