KR20140076360A - 냉간압조성이 우수한 선재 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기계구조 체결용 및 자동차 부품용 등에 사용되는 냉간압조용 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명에서는 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하여 자유 질소량을 20ppm 이하로 제어함으로써 냉간압조성이 우수한 선재를 제조할 수 있다.

Description

냉간압조성이 우수한 선재 및 이의 제조방법 {A WIRE ROD HAVING EXCELLENT COLD FORGING AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 기계구조 체결용 및 자동차 부품용 등에 사용되는 냉간압조용 선재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

최근의 냉간압조용 선재(CHQ)의 기술개발 동향은 열처리 및 가공공정 등을 생략한 공정 생략형 선재와 더불어, 기능성이 우수한 고강도 선재 개발에 집중되고 있는 추세이다.

예컨대, 보론강의 경우에는 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및 몰리브덴(Mo) 등 고가의 소입성 향상 원소를 배제하고도 저가의 보론(B)을 첨가하여 기존의 합금강과 유사 또는 그 이상의 소입성을 얻을 수 있는 강재로써 각광받고 있는 원가 절감형 강재이다. 또한, 다량의 합금원소를 첨가하지 않기 때문에 소재의 압연상태의 강도가 낮아 구상화 열처리 공정을 거치지 않으므로 공정 생략형 강재에 속하기도 한다.

한편, 기존에 개발된 냉간압조용 선재(CHQ)의 개발초점은 주로 압연온도 및 서냉 패턴의 조합을 통해 연질상인 페라이트를 다량 생성시키거나, 상술한 바와 같이 Cr, Mo 등의 합금원소가 갖는 소입성을 B의 첨가로 대체하여 소재강도를 낮추는 등 선재 제조시의 관점으로 맞춰져 왔다. 즉, 이러한 형태의 개발 관점은 냉간압조용 선재 제조의 마지막 단계인 냉간압조 이전의 소재 연질화에 주로 초점이 맞춰져 있었다.

일반적으로, 냉간압조 가공을 실시하여 냉간압조용 선재를 생산함에 있어서, 다이수명은 생산성과 직결되며 높은 가격으로 인해 제품 경쟁력 확보 관점으로 중요한 개선 인자 중 하나이며, 냉간압조시의 변형시효에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서, 종래의 냉간압조용 강재들은 냉간압조시 변형에 의해 소재내부에서는 전위의 이동과 증식이 동시에 발생하게 되고, 질소(N) 등의 원소들이 이러한 전위를 고착시켜 다이수명 저하로 인한 높은 비용이 소요되어왔다.

따라서, 냉간압조에 의해 최종제품에서 강도를 향상시키기 위해서는 변형시효를 감소시켜야할 것이며, 이러할 경우 다이수명도 개선될 것이다.

본 발명의 일 측면은, 소재의 직접적인 연질화 열처리 없이도 다이수명의 개선을 도모할 수 있고, 냉간압조성이 우수한 선재를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하여 자유 질소량을 20ppm 이하로 제어하는 단계; 및 상기 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계를 포함하는 냉간압조성이 우수한 냉간압조용 선재의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 자유 질소량이 20ppm 이하인 냉간압조성이 우수한 선재를 제공한다.

본 발명에 의하면, 기존의 냉간압조용 선재의 제조시 다이수명을 저하시키는데에 주요 원인이 되었던 자유 질소를 효과적으로 고정시킴으로써 냉간압조시 변형시효를 억제할 수 있으며, 이로 인해 냉간압조성이 우수한 선재를 제공할 수 있다.

본 발명자들은 기존의 냉간압조용 선재를 제조함에 있어서, 냉간압조시 변형에 의한 변형시효의 증가 및 이로 인한 다이수명이 저하되는 문제점을 개선할 수 있는 방안에 대하여 면밀히 연구한 결과, 냉간압조시 변형시효 발생에 원인이 되는 침입형 원소를 고정시킬 경우 상기 침입형 원소의 이동이 최소화되어 변형시효를 억제할 수 있음을 확인하였다. 즉, 냉간압조시 변형에 의해 소재 내부에서 전위의 이동 및 증식이 동시에 발생되는데, 이때 N 등의 원소가 이러한 전위를 고착시킴에 따라 변형강도를 증가시켜 결국 다이수명이 저하되는 문제가 있었으나, 본 발명에서는 이러한 N을 B의 첨가를 통해 고정화시킬 경우 변형강도의 상승을 억제할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면인 냉간압조성이 우수한 선재를 제조하는 방법으로서, 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하여 자유 질소량을 20ppm 이하로 제어하는 단계; 및 상기 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 강 성분을 상기와 같이 제어하는 이유에 대하여 상세히 설명한다 (이하, 중량%).

C: 0.15~0.25%

탄소(C)는 강도 확보를 위해 필수적인 원소로서, 이러한 C의 함량이 0.15% 미만이면 충분한 소재강도를 얻기가 어렵고, 최종 QT 열처리 후 충분한 소입성 확보가 용이하지 못하다. 반면, 그 함량이 0.25%를 초과하게 되면 높은 소재강도로 인해 냉간압조시 목적으로 하는 변형시효 억제효과가 충분하지 못하다.

Si: 0.1~0.3%

실리콘(Si)은 페라이트 내에 고용되어 소재의 강도를 강화시키는 원소로서, 그 함량이 0.1% 미만이면 고용을 통한 강도 증가 효과가 부족하며, 반면 그 함량이 0.3%를 초과할 경우에는 냉간압조시 가공경화 효과를 증가시켜 다이수명을 저하시킬 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

Mn: 0.4~0.9%

망간(Mn)은 강의 강도를 증가시키고 충격특성에 영향을 미치는 합금원소로서, 압연성을 증가시키고 취성을 감소시키는데에 유리하다. 이러한 Mn의 함량이 0.4% 미만이면 강도 향상 효과가 미미하며, 반면 그 함량이 0.9%를 초과하게 되면 과도한 강도 증가에 의해 경화현상이 심화되는 문제가 있다.

P 및 S: 각각 0.035% 이하, 0.040% 이하

인(P)은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는데에 주요 원인이 되는 원소로서, 그 함량을 0.035% 이하로 제한함이 바람직하다. 또한, 황(S)은 저융점 원소로서 입계에 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로, 그 함량을 0.040% 이하로 제한함이 바람직하다.

O: 0.005% 이하

산소(O)는 산화물계 비금속 개재물을 형성하여 피로수명 저하를 유발할 우려가 있으므로, 그 함량을 0.005% 이하로 제한함이 바람직하다.

B: 0.001~0.010%

보론(B)은 질소 고정 원소를 위해 첨가하는 원소이다. 통상, B은 입계 강화 또는 소입성 향상을 위해 자유 보론량을 확보하고, Ti 등 다른 질소 고정 원소를 통해 질소를 고정하는 경우가 대부분이었으나, 본 발명에서는 가격 경쟁력 측면을 고려하여 B을 질소 고정 원소로서 사용하였다. 이러한 B의 함량이 0.001% 미만이면 자유 질소를 고정하는 것이 미미하며, 반면 0.010%를 초과하게 되면 그 효과가 포화되어 입계가 열화하고 오히려 물성이 저하되는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

N: 0.005% 이하

질소(N)는 냉간압조시 발생한 압조열에 의해 소재 내부에서 전위의 이동과 증식이 발생할 때 전위에 고착하여 변형강도를 증가시키는 원소로서, 이러한 질소의 함량은 다이수명과 직결된다. 따라서, 변형강도의 증가를 억제하기 위해서는 최대한 낮게 함유하는 것이 필요하므로, 0.005% 이하로 첨가됨이 바람직하다. N의 함량이 0.005%를 초과하게 되면 질소 고정 원소를 첨가하여도 자유 질소를 제어하기 어렵게 되므로 바람직하지 못하다.

이하, 본 발명의 일 측면인 냉간압조용 선재의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 상술한 강 조성을 갖는 빌렛을 1000~1200℃의 온도영역에서 1시간 이하로 가열한다.

본 발명에서 빌렛을 1000~1200℃에서 가열하는 것은 강 내 자유 질소(free N)량을 제어하기 위한 것으로서, 형성된 BN이 고온 가열에 의해 분해되지 않도록 함으로써 강 내 N가 자유 질소로 존재하는 것을 제어할 수 있다. 다만, 이때 가열시간은 1시간 이하로 실시됨이 바람직한데, 1시간을 초과하여 가열을 실시하면 표면층에서 탈탄반응이 가속화되어 압연 및 냉각 후 표면탈탄 깊이가 심화되어 표면결함 등의 문제를 야기할 수 있으므로 바람직하지 못하다.

한편, 자유 질소(free N)란 강 내에서 보론(B)과 결합하지 못하고 잔류하고 있는 상태의 질소를 의미한다.

상기에 의해 가열된 빌렛을 선재 형상으로 열간압연한 후 냉각한다. 이때, 열간압연 및 냉각은 통상의 선재압연 방법에 의할 수 있다.

보다 구체적으로, 열간압연시 마무리 압연온도는 800~900℃ 영역에서 실시한 후, 0.05~1.0℃/s 로 냉각을 실시한다. 이때, 마무리 압연조건과 냉각조건을 제어하는 이유는 다음과 같다.

먼저, 마무리 압연을 800℃ 미만의 저온역에서 마무리 하게 되면, 압연기의 부하와 함께 강재의 중앙부와 에지부에서의 온도편차가 발생하여 코일링(coiling)시 문제가 발생할 수 있으며, 반면 900℃를 초과하는 고온역에서는 압연 후에도 고온이 유지되므로 변태를 완료시키기 위해서는 별도의 냉각설비를 필요로 하므로 바람직하지 못하다. 또한, 냉각시 냉각속도를 0.05℃/s 미만의 극서냉 조건으로 실시하면 조직의 연질화 측면에서는 바람직하나, 느린 냉각속도로 인해 생산성 저하가 우려되며, 반면 1.0℃/s를 초과하는 빠른 냉각속도에서는 충분한 변태가 어려워 저온 경조직 등이 발생하여 후공정인 신선공정시 단선 등의 문제를 일으킬 수 있으므로 바람직하지 못하다.

상기한 방법에 의해 제조된 선재는 보론 질화물(BN)을 함유하는 선재로서, 자유 질소량을 20ppm 이하로 함유함에 특징이 있다. 이와 같은 선재를 냉간압조하게 되면, 전위를 고착시키는 N가 B과 결합하여 고정됨에 따라 자유 N에 의한 전위 고착 등의 현상이 미발생되어 변형강도가 상승하는 것이 억제된다.

따라서, 상기 선재는 상온(RT)~200℃에서의 변형강도가 700MPa 이하로, 기존 냉간압조용 선재에 비해 변형강도가 낮음으로, 다이수명의 개선에도 효과적인 영향을 미칠 수 있다.

( 실시예 )

하기 표 1과 같은 성분조성을 갖는 각각의 강재를 준비한 후, 상기 강재를 시료로 하여 50kg 잉곳을 주조한 후, 이를 1200℃에서 1시간 이하로 가열한 후 두께 13mm로 열간압연 하였다. 열간압연시, 열간 마무리 온도는 800~900℃, 압연비 80% 이상으로 실시하였으며, 이후 0.05~1.0℃/s 속도로 냉각하였다.

이후, 글리블 압축 시험편을 이용하여 볼트 냉간압조 모사를 실시하였다. 볼트 압조시 변형온도는 상온(RT)과 최대 200℃에서 측정하였으며, 그때의 변형량과 변형속도는 각각 ε=1, ε'=5/s 였다. 상기와 같이 볼트 냉간압조 모사 후, 변형강도의 변화를 측정하였는데, 이때 비교재의 강도값을 기준으로 상승분(+) 또는 저하분(-)을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

구분	성분조성(중량%)								변형강도(MPa)
	C	Si	Mn	B	Al	Nb	Ti	N	RT	200℃
비교재	0.20	0.10	0.51	-	-	-	-	0.046	680	705
발명예	0.19	0.11	0.52	0.0017	-	-	-	0.005	-5	-52
비교예1	0.21	0.09	0.51	-	-	0.030	-	0.003	+48	+29
비교예2	0.18	0.09	0.48	-	-	0.025	-	0.004	+25	+25
비교예3	0.21	0.11	0.51	0.0016	-	-	0.035	0.002	+10	+23
비교예4	0.20	0.11	0.49	0.0014	0.053	-	-	0.002	+14	+35
비교예5	0.20	0.12	0.53	0.0005	-	-	-	0.035	+20	+33

(상기 표 1의 강종들은 불가피한 불순물로서 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하로 포함한다.)

본 발명에서는 질소 고정원소인 B, Al, Nb 또는 Ti을 첨가하지 않은 강재를 비교재로 설정하였다.

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 일정량의 B을 첨가한 발명예의 경우에는 변형강도 값이 비교재에 비해 낮게 측정됨을 확인할 수 있다. 이는, B의 첨가에 의해 대부분의 질소가 보론 질화물(BN) 형태로 존재하게 되어 자유 질소량이 20ppm 이하로 존재하기 때문이며, 또한 생성되는 보론 질화물(BN)은 상온 및 고온에서의 변형에도 강도상승 없이 질소를 충분히 고정할 수 있는 것으로 해석할 수 있다.

이에 반면, 비교예 1 및 2는 B이외의 다른 질소 고정 원소를 첨가한 경우이고, 비교예 3 및 4는 B과 함께 다른 질소 고정 원소(Ti 또는 Al)를 복합 첨가한 경우로서, 이들 경우에는 B 단독으로 첨가한 경우(발명예) 보다 상온 및 고온에서의 변형시 강도가 모두 상승한 결과를 보였다. 이러한 비교예들의 경우에는 질소 고정원소를 첨가하였음에도 불구하고, 질소를 충분히 고정하지 못함에 따라 자유 질소량이 20ppm 이상으로 많아져 변형시효가 증가한 것으로 보여진다.

또한, 비교예 5는 질소함량이 과다한 경우로서, 질소 고정 원소인 B를 첨가하였지만, B 첨가량에 비해 질소함량이 너무 높아 자유 질소량이 20ppm 이상으로 다량 존재함에 따라 변형강도가 증가한 것으로 볼 수 있다.

상기 각 강종들의 변형강도의 변화는 비교재와 비교해 보았을 때 큰 차이가 없는 것으로 보여지지만, 실제로 수천 또는 수만회 이상의 냉간압조 공정을 실시할 경우 매우 큰 차이이며, 따라서 이러한 차이는 냉간압조시 다이수명에 큰 영향을 미칠 것이다.

Claims (4)

1. 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 1000~1200℃로 가열하여 자유 질소량을 20ppm 이하로 제어하는 단계; 및 상기 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조하는 단계를 포함하는 냉간압조성이 우수한 냉간압조용 선재의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 선재는 보론 질화물(BN)을 함유하는 냉간압조성이 우수한 냉간압조용 선재의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 선재는 상온(RT)~200℃에서 변형강도가 700MPa 이하인 것을 특징으로 하는 냉간압조성이 우수한 냉간압조용 선재의 제조방법.
   
4. 중량%로, 탄소(C): 0.15~0.25%, 실리콘(Si): 0.1~0.3%, 망간(Mn): 0.4~0.9%, 인(P): 0.035% 이하, 황(S): 0.040% 이하, 산소(O): 0.005% 이하, 보론(B): 0.001~0.010%, N: 0.005% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 자유 질소량이 20ppm 이하인 냉간압조성이 우수한 선재.