KR20150101731A

KR20150101731A - 강재 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20150101731A
Application number: KR1020140023375A
Authority: KR
Inventors: 남궁승; 박철우; 이상원
Original assignee: 현대제철 주식회사
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-09-04

Abstract

피삭성이 우수한 강재 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 강재 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 반제품 강재를 재가열한 후, 열간압연하는 단계를 포함하되, 상기 열간압연의 개시 및 마무리를 830~870℃에서 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

강재 및 그 제조 방법 {STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 강재 제조 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 피삭성이 우수한 강재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

자동차용 변속기 기어로 사용되는 철강 소재는 일반적으로 연주공정 후 열간압연을 통해 원형 압연재로 생산이 된다. 이러한 압연재는 적절한 크기로 절단이 된 후, 단조, 가공, 열처리를 통하여 부품이 완성된다.

변속기 기어용 강재는 부품 적용 특성에 따라 고합금강으로 제조된다. 고합금강은 열간압연을 통해 생산되는 압연재의 강도 및 경도를 높이는 원인이 된다. 또한 고강도 및 고경도 압연 소재는 피삭성이 열위하여 가공 비용의 상승을 초래한다. 이에 제강 업계에서는 어닐링 열처리를 통하여 강도 및 경도를 낮추어 생산하고 있다.

그러나, 이러한 열처리는 소재의 원가 상승을 초래하는 문제점이 있다.

본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 특허공보 제10-1990-0004846호(1990.07.08. 공고)에 개시되어 있는 압연공정제어 후강판 제조방법이 있다.

본 발명의 목적은 피삭성이 우수한 강재 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재 제조 방법은 중량%로, 탄소(C) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 반제품 강재를 재가열한 후, 열간압연하는 단계를 포함하되, 상기 열간압연의 개시 및 마무리를 830~870℃에서 수행하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 강재 제조 방법은 상기 열간압연된 강재를 공냉하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강재는 중량%로, 탄소(C) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합조직으로 이루어지되, 상기 페라이트 분율이 면적률로 30% 이상인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 강재는 비커스 경도(Hv) 250~260을 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 강재 제조 방법에 의하면, 합금 성분 제어와 함께 압연 제어를 통하여 페라이트 분율을 의도적으로 증대시킬 수 있으며, 이를 통하여 경도를 낮출 수 있고, 그 결과 피삭성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 시편 1~4의 미세조직 및 페라이트 분율을 나타낸 것이다.
도 2는 시편 1~5의 비커스 경도를 나타낸 것이다.

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 실시예에 따른 강재 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

강재

본 발명에 따른 강재는, 중량%로, 탄소(C) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함한다.

상기 성분들 외 나머지는 철(Fe)과 제강 공정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.

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

탄소(C)

탄소(C)는 강도 및 경도를 확보하기 위하여 첨가된다.

상기 탄소는 강재 전체 중량의 0.15~0.25중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 탄소가 0.15중량% 미만으로 첨가되면 필요한 경도를 만족시키기 어렵다. 반대로, 탄소가 0.25중량%를 초과하여 첨가되면 과도한 경도 상승으로 인해 가공성이 저하될 수 있다.

실리콘(Si)

실리콘(Si)은 정련 초기에 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가된다. 또한 실리콘은 고용강화 효과도 가진다.

상기 실리콘은 강재 전체 중량의 0.1~0.5중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.1중량% 미만이면 상기의 실리콘 첨가 효과가 미미하다. 반대로, 실리콘의 첨가량이 0.5중량%를 초과하면 강 중에 규산염이 다량 생성되어 가공성을 저하시키는 문제점이 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 강 중의 황(S)과 결합하여 MnS를 형성시켜 FeS 형성을 억제시켜 적열취성을 방지하며 가공성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 망간은 고용강화 효과 및 경화능 향상 효과를 제공한다.

상기 망간은 강재 전체 중량의 0.5~1.3중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간의 첨가량이 0.5중량% 미만일 경우, 망간 첨가에 따른 효과가 불충분하다. 반대로, 망간의 첨가량이 1.3중량%를 초과하는 경우, 가공성을 크게 저하시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 강도 증가에 일부 기여하나, 다량 포함되면 편석을 유발하여 강재의 물성을 저하시킨다.

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

황(S)

황(S)은 망간과 결합하여 MnS 개재물을 형성하여, 강재의 가공성을 증대시키는 역할을 한다.

상기 황은 강재 전체 중량의 0.01중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 황의 함량이 0.01중량%를 초과하는 경우, 강의 인성 등의 물성을 크게 저해할 수 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 소입성을 증가시키고 탄화물을 만들어 내충격성을 증대시키는데 기여한다.

상기 크롬은 강재 전체 중량의 0.5~2.0중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.5중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 크롬의 첨가량이 2.0중량%를 초과하면 가공성이 저하되는 문제점이 있다.

알루미늄(Al)

알루미늄(Al)은 탈산제로서 작용하며, 질소(N)와 결합하여 AlN을 형성함으로써 열처리시 결정립 혼립이 발생하는 것을 억제하여 가공성을 향상시키는데 기여한다.

상기 알루미늄은 강재 전체 중량의 0.01~0.05중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 알루미늄의 첨가량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 알루미늄의 첨가량이 0.05중량%를 초과하는 경우, 강의 표면 크랙을 유발할 수 있고, 인성을 저해할 수 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 석출물 형성을 통하여 강재의 강도 향상에 기여한다.

상기 니오븀은 강재 전체 중량의 0.01~0.05중량%로 포함되는 것이 바람직하다. 니오븀의 함량이 0.01중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니오븀의 함량이 0.05중량%를 초과하는 경우, 항복강도가 지나치게 상승할 수 있으며, 열간압연시 석출물을 지나치게 많이 형성하여 압연성이 저하될 수 있다.

보론(B)

몰리브덴(Mo)은 강력한 소입성 원소로서 강재의 경도 확보에 기여한다.

상기 보론은 강재 전체 중량의 0.004중량% 이하로 첨가되는 것이 바람직하다. 보론의 첨가량이 0.004중량%를 초과하는 경우, 과도한 경도 상승으로 인하여 강재의 피삭성이 저하되는 문제점이 있다.

질소(N)

질소(N)는 일반적으로 불순물에 해당하나, 본 발명에서는 알루미늄과 결합하여 AlN을 형성함으로써 열처리시 결정립 혼립이 발생하는 것을 억제하는 역할을 한다. 충분한 AlN 형성을 위하여 질소는 강재 전체 중량의 0.01중량% 이상 첨가되는 것이 바람직하다. 다만, 질소의 함량이 0.02중량%를 초과하는 경우, 강의 인성, 피로 특성 등이 저하될 수 있다.

본 발명에 따른 강재는 상기 합금성분들 및 후술하는 공정 제어에 의하여, 페라이트 및 펄라이트를 포함하되, 페라이트 분율이 면적률로 30% 이상인 복합조직을 나타낼 수 있어, 강재 피삭 전 낮은 경도, 보다 구체적으로는 비커스 경도(Hv) 250~260를 가질 수 있으며, 이에 따라 피삭성이 우수한 특징이 있다.

강재 제조 방법

본 발명에 따른 강재 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간압연 단계(S120) 및 냉각/권취 단계(S130)를 포함한다.

우선, 슬라브 재가열 단계(S110)에서는 전술한 합금 조성을 갖는 반제품 강재를 재가열한다. 반제품 강재는 슬라브, 잉곳, 블룸 등의 형태가 될 수 있다.

재가열은 니오븀이 재고용될 수 있도록 1150℃ 이상, 보다 바람직하게는 1150~1300℃에서 대략 1~3시간동안 수행한다.

다음으로, 열간압연 단계(S120)에서는 재가열된 판재를 정해진 압하율로 열간압연한다.

이때, 본 발명에서는 열간압연의 개시 및 마무리를 830~870℃에서 수행한다. 즉 열간압연의 개시 온도가 870℃ 이하이고, 열간압연 마무리온도가 830℃ 이상이다. 열간압연의 개시온도가 870℃를 초과하거나 마무리온도가 830℃ 미만일 경우, 면적률로 30% 이상의 페라이트 분율을 확보하기 어려우며, 이는 강재의 경도 상승, 이에 따른 피삭성 저하를 가져온다.

열간압연 이후, 열간압연된 강재를 냉각한다. 이때, 냉각은 공냉 방식으로 수행되는 것이 보다 바람직하다. 수냉에 의한 냉각시 냉각속도가 빠를 경우, 저온변태조직 형성으로 인하여 강재의 경도가 상승하고, 이에 따라피삭성 저하를 가져올 수 있는 바, 공냉 방식으로 냉각하는 것이 보다 바람직하다.

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 기술분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 강재 시편의 제조

표 1에 기재된 성분들을 포함하고 나머지 철과 불순물로 이루어지는 잉곳 형태의 시편을 1200℃에서 2시간동안 재가열하고, 공냉 후, 750℃(시편 1), 800℃(시편 2), 850℃(시편 3), 900℃(시편 4) 및 950℃(시편 5)에서 각각 온도를 유지하면서 열간압연을 수행하였다. 이후, 시편 1~5를 상온까지 공냉하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

2. 기계적 특성 평가

도 1은 시편 1~4의 미세조직 및 페라이트 분율을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에서 제시한 압연조건을 만족하는 실시예 3의 경우, 페라이트 분율이 면적률로 34.4%로 다른 시편들에 비하여 상대적으로 높게 나타났다.

도 2는 시편 1~5의 비커스 경도를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에서 제시한 압연조건을 만족하는 시편 3의 경우 다른 시편들에 비하여 상대적으로 낮은 비커스 경도값을 나타내었다.

상기와 같은 도 1 및 도 2의 결과로 비추어볼 때, 본 발명에 따른 강재의 경우 페라이트 분율이 면적률로 30% 이상 및 비커스 경도(Hv) 250~260을 나타내어, 우수한 피삭성을 발휘할 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) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지는 반제품 강재를 재가열한 후, 열간압연하는 단계를 포함하되,
상기 열간압연의 개시 및 마무리를 830~870℃에서 수행하는 것을 특징으로 하는 강재 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 강재 제조 방법은
상기 열간압연된 강재를 공냉하는 것을 특징으로 하는 강재 제조 방법.
중량%로, 탄소(C) : 0.15~0.25%, 실리콘(Si) : 0.1~0.5%, 망간(Mn) : 0.5~1.3%, 인(P) : 0.03% 이하, 황(S) : 0.01% 이하, 크롬(Cr) : 0.5~2.0%, 알루미늄(Al) : 0.01~0.05%, 니오븀(Nb) : 0.01~0.05%, 보론(B) : 0.004% 이하 및 질소(N) : 0.01~0.02%를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 이루어지고, 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합조직으로 이루어지되, 상기 페라이트 분율이 면적률로 30% 이상인 것을 특징으로 하는 강재.
제3항에 있어서,
상기 강재는 비커스 경도(Hv) 250~260을 나타내는 것을 특징으로 하는 강재.