KR20150057294A - 보론강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

보론강 선재의 제조방법이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 보론강 선재의 제조방법은 중량%로 탄소 0.17-0.22%, 실리콘 0.15-0.35%, 망간 0.70-0.90%, 인 0.035%이하, 황0.040%이하, 보론 0.001-0.004%, 티타늄 0.01-0.1%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 빌릿을 가열로에서 1050℃±50℃로 추출하는 단계와, 빌릿이 압연을 거친 후 최종압연기(RSM)로 진입되기 전 입구측 선재의 온도를 850℃±30℃로 형성한 후 최종압연기에서 압연하는 단계 및 최종압연기를 거친 선재의 온도를 820℃±20℃로 형성한 후 레잉헤드에 진입시켜 권취하는 단계를 포함한다.

Description

보론강 선재의 제조방법{MANUFACTURING METHOD OF BORON STEEL WIRE}

본 발명은 보론강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

보론강은 고가의 합금원소인 니켈(Ni), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 대신 보론(B)을 첨가하여 담금질성을 향상시킨 강이다. 보론강은 인성과 내충격성이 우수하며 특히, 고장도, 고경도, 내마모성이 우수하므로 자동차 및 건설 중장비의 부품 등에 주로 사용된다.

최근의 냉간 압조용 선재의 기술개발 동향은 열처리 및 가공 공정 등을 생략한 공정생략형 선재와 더불어 기능성이 우수한 고강도 선재 개발에 집중되고 있는 추세이다. 보론강은 크롬, 니켈 및 몰리브덴 등 고가의 소입성 향상 원소를 배제하고도 저가의 보론을 첨가하여 기존 합금강과 유사 또는 우월한 소입성을 얻을 수 있는 강재로써 각광받고 있는 원가 절감형 강재이다.

기존 냉간압조용 보론강의 경우, 선재 상태에서 구상화 열처리를 거쳐 사이징(sizing)목적의 신선을 수행한 후 구상화 열처리, 볼트 성형, 소입, 소려 공정을 거쳐 최종 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)의 단상조직을 갖는다. 따라서 볼트의 강도는 조성 및 소입, 소려 열처리 공정에 의해 결정된다. 그러나, 원소재인 선재 상태에서는 볼트 성형을 용이하게 하기 위해 되도록 낮은 강도를 나타내어야 한다. 이에 있어 근래까지 효과적인 압연 및 냉각 제조 기준이 정립되지 않아 복잡한 형상으로 냉간 가공되는 경우, 선재의 강도가 높아 구상화 열처리를 거쳐야 했으며 부가적인 비용을 유발할 수밖에 없었다. 따라서 기존 고가의 합금원소를 보론으로 대치하여 얻을 수 있는 원가 절감의 효과가 추가적인 열처리 때문에 반감되는 결과를 가져오고 있었다.

즉 압연 및 냉각을 통하여 제조되는 보론강 선재의 경우 구상화 열처리를 거친 수준의 낮은 강도를 보유하여야만 보론강 고유의 특성이 효과적으로 발휘될 수 있을 것이다.

이와 같은 연질 보론강 선재를 제조하기 위하여 기존에는 탄소의 함량을 최대한 유효한 범위 내에서 감소시키거나, 기능성 목적을 위한 기타 합금원소를 가능한 감소시켜 고용경화 및 석출경화 효과를 최대한 억제하고자 하였고, 이에 따른 인장강도의 감소를 유도하는 경우가 일반적이었다. 그러나 이러한 방법들은 선재가 가공되어 부품 상태에서 가질 수 있는 기계적 특성의 범위를 좁히는 결과를 초래하게 되어, 다양한 응용 확대의 제한을 유발하기도 하였다.

따라서 열처리공정을 생략할 수 있는 연질 보론강의 필요성이 대두되고 있어 등록특허공보 제10-0833079호에는 열처리의 생략이 가능한 보론강 선재를 제조하는 방법이 개시된다.

본 발명의 실시 예들은 화학성분의 변화 없이 추출온도 및 냉각조건의 변경만으로 보론강 선재의 인장강도를 하향시킬 수 있는 보론강 선재 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 중량%로 탄소 0.17-0.22%, 실리콘 0.15-0.35%, 망간 0.70-0.90%, 인 0.035%이하, 황0.040%이하, 보론 0.001-0.004%, 티타늄 0.01-0.1%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 빌릿을 가열로에서 1050℃±50℃로 추출하는 단계와, 상기 빌릿이 압연을 거친 후 최종압연기(RSM)로 진입되기 전 입구측 선재의 온도를 850℃±30℃로 설정한 후 상기 최종압연기에서 압연하는 단계 및 상기 최종압연기를 거친 선재의 온도를 820℃±20℃로 설정한 후 레잉헤드에 진입시켜 권취하는 단계를 포함하는 보론강 선재의 제조방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 화학성분의 변화 없이 추출온도 및 냉각조건의 변경만으로 보론강 선재의 인장강도를 하향시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 보론강 선재의 제조공정을 개략적으로 도시한 것이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이하 본 발명의 실시 예에 따른 보론강 성분의 조성범위를 설명한다.

탄소: 0.17~0.22%(이하 중량%)

탄소의 함량을 0.17-0.22%로 제한한 이유는, 그 함량이 0.22%를 초과하는 경우 오스테나이트 입계에 필름 형태의 탄화물이 빈번하게 석출하여 수소지연파괴 저항성을 저하시키기 때문이며, 0.17%미만에서는 소입, 소려 열처리에 의한 제품의 인장강도가 충분히 확보되지 못하기 때문이다.

실리콘: 0.15~0.35%

실리콘의 함량을 0.15-0.35%로 한정하는 이유는 다음과 같다. 실리콘 함량이 0.35%를 초과하는 경우 냉간압조 공정 중에 가공경화 현상이 급격하게 일어나 가공성에 많은 문제가 되며 0.15%미만에서는 볼트의 충분한 강도를 확보하지 못 할 뿐더러 세멘타이트의 구상화에도 악영향을 미친다.

망간: 0.70~0.90%

망간은 기지조직 내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력 볼트 특성에 매우 유용한 원소이며, 그 함량은 0.70-0.90%로 한정한다. 상기 망간을 0.9%를 초과하여 첨가할 경우 고용강화 효과보다는 망간편석에 의하여 제품특성에 더 유해한 영향을 미친다. 강의 응고 시 편석기구에 따라 거시편석과 미시편석이 일어나기 용이한데, 망간편석은 타 원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로인한 경화능 향상은 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 또한 상기 망간이 0.7% 미만으로 첨가될 경우 망간편석에 의한 편석대의 영향은 거의 없으나 고용강화에 의한 응력이완 개선효과는 기대하기 어렵다. 즉 망간의 함량이 0.7% 미만인 경우에는 고용강화 효과 미흡으로 소입성 및 영구변형 저항성 개선이 미흡하고 0.9%를 초과하는 경우에는 주조 시 망간편석으로 인한 국부소입성 증대 및 편석대 형성으로 조직이방성 심화, 즉 조직 불균일로 제품특성이 저하된다.

산소: 0.005%이하

산소의 함량은 0.005% 이하로 한정한다. 그 함량이 0.005%를 초과하는 경우 산화물계 비금속 개재물로 인한 피로수명 저하가 우려되기 때문이다.

인 0.035%이하, 황 0.040%이하

인 및 황의 함량은 각각 0.035% 이하와 0.040% 이하로 한정한다. 상기 인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.035%로 제한하는 것이며, 상기 황은 저 융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로 그 상한을 0.040%로 한정하는 것이 바람직하다.

크롬: 0.70~0.90%

크롬의 함량은 0.70-0.90%로 함이 바람직하다. 그 함량이 0.7% 미만에서는 소입, 소려 열처리시 충분한 소입성 확보가 어렵다. 크롬 자체의 소입성 향상은 미미하지만 보론과 함께 넣어줄 경우 그 효과가 매우 증가하는 것으로 알려져 있다. 0.9%를 초과하는 경우 강재 내에 필름형태의 탄화물을 생성하기 때문이다. 이러한 필름형태의 탄화물은 오스테나이트 입계에 존재하게 되면 수소지연파괴 저항성을 저하시키는 것으로 알려져 있다.

보론: 0.001~0.004%

보론은 본 발명에서 소입성 및 지연파괴 저항성 개선을 위한 입계 강화원소로 보론의 함량을 0.001%-0.004%로 한정한다. 그 함량이 0.001% 미만에서는 열처리 시 보론원자들이 입계편석에 따른 입계 강도 개선효과나 소입성 개선효과가 미흡하며, 0.004%를 초과하면 효과가 포화되고 입계에 보론 질화물이 석출하여 입계강도가 저하되기 때문이다.

티타늄: 0.01~0.1%

티타늄의 함량은 0.01-0.1%로 한정한다. 그 함량이 0.01% 미만에서는 부식저항성에 대한 개선효과가 미흡하고 보론의 소입성 향상을 위해 보론 질화물의 생성을 막는 티타늄 질화물 생성이 어려우며, 0.1%를 초과하면 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 질화물이 형성하여 피로특성에 유해하기 때문이다.

이하, 본 발명의 보론강 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이 소재를 가열로(10)에서 압연이 가능한 온도로 가열한 후 조압연(RM)(20), 중간 조압연(IRM)(30), 중간사상압연(IFM)(40), 사상압연(FM)(50) 및 최종압연(RSM)(60)을 거친 보론강 선재가 레잉헤드(laying head)(70)에 의해 권취된 후 컨베이어(80)에 의해 집적기(90)로 이송된다.

여기서 본 발명의 실시 예에서는 가열로(10)에서 추출되는 소재의 추출온도(T1)는 1050℃±50℃이내로 하고, 소재가 최종압연기(RSM)(60)로 진입되는 입구온도(T2)는 850℃±30℃이내로 하고, 최종압연기(60)를 거친 소재의 온도(T3)를 820℃±20℃이내로 하여 레잉헤드(70)에 진입시켜 권취하여 보론강 선재를 제조하는 경우 화학성분의 변화 없이 열처리 생략강인 본 실시 예의 보론강 선재의 인장강도를 하향시킬 수 있다.

즉 본 실시 예의 열처리 생략강인 보론강에는 강내에 0.01-0.1중량% 티타늄(Ti)이 첨가되어 있고, 이러한 티타늄 성분은 우선적으로 TiN과 결합 후 TiC로 석출되어 소재를 강하게 만든다. 이에 가열로(10)에서 추출되는 보론강의 추출온도(T1)를 TiC가 고용되는 온도 이하인 1050℃±50℃로 형성함에 의해 TiC 석출물의 석출강화 효과를 낮추어 TiC 석출을 억제하였다. 여기서 추출온도(T1)가 1100℃이상인 경우에는 TiC의 석출강화 효과가 높아 소재를 강하게 만들 수 있고, 1000℃이하인 경우에는 열간 압연시 압연효과는 낮아질 수 있다.

그리고 소재가 최종압연기(60)로 진입하여 제어압연되는 경우 최종압연기 입구측 소재의 온도(T2)를 850℃±30℃로 형성한 후 저온 압연을 하게 되면 AGS(austenite grain size)가 작은 상태에서 압연을 진행하게 되며 결정립계(grain boundary)의 면적은 넓게 된다. 이러한 결정립계는 불안정한 상태로 초석 페라이트(free ferrite)가 성장하기 좋은 조건이므로 전술한 온도로 압연시 초석 페라이트의 성장은 촉진되고 이는 최종 변태가 완료되었을 때 초석 페라이트의 분율을 높이는 효과를 나타낸다. 페라이트에 비해 상대적으로 강도가 낮은 초석 페라이트의 분율을 높임에 의해 소재의 강도를 하향시킬 수 있다.

이러한 최종압연을 거친 후 레잉헤드(70)에 권취되기 전 소재의 온도(T3)를 820℃±20℃로 설정하여 RSM입구온도와 권취온도의 온도차를 최소화함에 의해 표면 미세조직 생성을 억제할 수 있다.

[실시예]

표 1은 본 발명의 실시 예인 열처리 생략강인 보론강 선재의 다양한 추출온도와 RMS입구온도 적용을 통한 인장강도를 실험한 것이다.

구분	시편수	추출온도(℃)	RMS온도(℃)	권취온도(℃)	평균TS(Mpa)	최대TS(Mpa)
개선전	392	1100	950	880	579.9	633
시험1	36	1152	913	827	569.3	596
시험2	72	1152	910	827.5	567.5	591
시험3	36	1152	900	836	564.3	596
시험4	36	1163	906	816	573.3	603
실시예	148	1037.8	870.4	825.2	539.9	564

표 1에서와 같이 보론강 선재의 개선전 추출온도, RMS온도 및 권취온도를 적용한 경우 평균인장강도는 579.9Mpa에서 개선후의 실시예에서는 평균인장강도가 539.9Mpa로서 본 발명의 실시 예의 추출온도(T1), RMS입구온도(T2) 및 권취온도(T3) 범위를 적용한 결과 보론강 선재의 인장강도 하향효과가 나타나므로 열처리 생략강인 보론강 선재의 신선설비 마모를 방지하여 신선설비의 부품교체에 따른 생산성 저하를 방지할 수 있다.

이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

10: 가열로, 20: 조압연,
30: 중간 조압연, 40: 중간사상압연,
50: 사상압연, 60: 최종압연,
70: 레잉헤드, 80: 컨베이어,
90: 집적기.

Claims (1)

1. 중량%로 탄소 0.17-0.22%, 실리콘 0.15-0.35%, 망간 0.70-0.90%, 인 0.035%이하, 황0.040%이하, 보론 0.001-0.004%, 티타늄 0.01-0.1%를 포함하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 빌릿을 가열로에서 1050℃±50℃로 추출하는 단계;
   상기 빌릿이 압연을 거친 후 최종압연기(RSM)로 진입되기 전 입구측 선재의 온도를 850℃±30℃로 형성한 후 상기 최종압연기에서 압연하는 단계; 및
   상기 최종압연기를 거친 선재의 온도를 820℃±20℃로 형성한 후 레잉헤드에 진입시켜 권취하는 단계;를 포함하는 보론강 선재의 제조방법.

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