KR20150132320A - 향상된 재료 특성을 갖는 공기 경화가능한 베이나이트계 강 - Google Patents

향상된 재료 특성을 갖는 공기 경화가능한 베이나이트계 강 Download PDF

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캐타필라 인코포레이티드
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Abstract

단조 강 부품 제조 방법이 개시되는 바, 본 방법은, 0.25 ∼ 0.40 중량% C, 1.50 ∼ 3.00 중량% Mn, 0.30 ∼ 2.00 중량% Si, 0.00 ∼ 0.150 중량% V, 0.02 ∼ 0.06 중량% Ti, 0.010 ∼ 0.04 중량% S, 0.0050 ∼ 0.0150 중량% N, 0.00 ∼ 1.00 중량% Cr, 0.00 ∼ 0.30 중량% Mo, 0.00 ∼ 0.003 중량% B, 및 나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물을 포함하는 조성을 갖는 강 빌렛(billet)을 제공하는 단계를 포함한다. 본 방법은 강 빌렛을 대략 1150℃ ∼ 1350℃의 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계, 강 빌렛을 열간 단조하여 강 부품을 형성하는 단계, 및 열간 단조 후에 단조 강 부품에 대해 제어식 공냉을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 방법은, 최종 기계 가공 전에, 단조 강 부품의 선택된 부분의 경도를 증가시키기 위해 제어식 공냉 후에 단조강 부품의 선택된 부분을 유도 가열하는 단계, 및 이어지는 담금질 단계와 템퍼링 단계를 더 포함할 수 있다.

Description

향상된 재료 특성을 갖는 공기 경화가능한 베이나이트계 강{AIR-HARDENABLE BAINITIC STEEL WITH ENHANCED MATERIAL CHARACTERISTICS}
본 개시는 일반적으로 공기 경화가능한 베이나이트계 강, 보다 구체적으로는, 향상된 재료 특성을 갖는 공기 경화가능한 베이나이트계 강에 관한 것이다.
궤도형 토공 기계(track-type earth moving machine)의 하부 주행체에 사용되는 궤도 링크와 같은 기계용 구조 부품은, 양호한 항복 강도, 양호한 내마모성, 양호한 인성 및 양호한 내구름접촉피로성을 포함하는 재료 특성을 가질 필요가 있다. 불도저 또는 다른 토공 장비와 같은 궤도형 기계의 궤도에 사용되는 궤도 링크는 본 산업에서 잘 알려져 있다. 궤도 링크는 일반적으로 하부 또는 링크의 몸체 및 상부 또는 링크의 레일부를 갖는다. 궤도 링크의 레일부는 높은 표면 경도를 갖는 것이 중요한데, 반면 궤도 링크의 몸체부는 증가된 기계 가공성을 위해 낮은 표면 경도를 가질 수 있다. 레일부는 궤도 롤러와의 연속적인 접촉으로 인해 심한 마모와 박리(spallation)를 받게 되므로, 레일부에서는 높은 표면 경도가 필요하다. 궤도 링크의 몸체부의 표면 경도가 낮으면, 부싱(bushing)용 구멍이 그 몸체부에 더 쉽게 기계 가공될 수 있다. 또한, 궤도 링크의 몸체부의 표면 경도가 낮으면, 부싱과 궤도 링크 몸체에 있는 구멍 간의 압입 끼워맞춤이 과도한 잔류 응력을 발생시킴이 없이 가능하게 된다.
궤도 링크 또는 다른 구조 부품에서 원하는 재료 특성을 얻기 위한 제조 공정은 일반적으로, 강 빌렛(billet)으로부터 부품을 단조하고 이어서 냉각하고 오스테나이트화 온도로 재가열하고 담금질 및 템퍼링하는 것을 포함한다. 이들 열처리 과정 다음에는, 최종 기계 가공 전에, 상기 부품의 적어도 선택된 부분에 대한 추가 가열, 재담금질 및 재템퍼링이 있을 수 있다. 궤도 링크에 대한 처리는, 먼저 강 부품을 대략 1150 ∼ 1350℃로 가열하여 재료를 오스테나이트 상 필드(austenite phase field)로 되게 하고 그런 다음에 상기 부품을 열간 단조하는 것을 포함한다. 그런 다음, 부품은 실온까지 서서히 냉각되고, 이어서 2개의 열처리 과정을 받게 된다. 제 1 열처리 과정에서, 궤도 링크는 오스테나이트화 온도로 재가열되고, 실온까지 담금질되며 그런 다음에 대략 30 ∼ 39 록웰(Rockwell) C 경도(HRC)로 템퍼링된다. 제 2 열처리 과정에서는, 궤도 링크의 레일부만 유도(induction)로 국부적으로 재가열되고 실온까지 담금질되며 그리고 51 ∼ 57 HRC로 템퍼링된다. 이들 열처리 과정에 의해, 궤도 링크는 단단한 레일 및 이 보다 연한 몸체를 갖게 된다. 그런 다음 링크의 몸체는 최종 형상으로 기계 가공된다. 상기 열처리 과정은 부품 제조 비용을 크게 증가시키고 또한 노(furnace)에 대한 상당한 자본 지출 및 지속적인 유지관리 비용을 필요로 한다.
개선된 수준의 연성, 인성 및 용접성과 함께 양호한 내마모성과 내구름접촉피로성을 갖는 대안적인 종류의 강을 제조하기 위한 일 시도가 1999년 3월 9일에 발행된 Bhadeshia의 미국 특허 제 5,879,474 호('474 특허)에 설명되어 있다. 이 '474 특허는 강 레일을 만드는데 사용되는 강을 개시하고 있는데, 이 강은, 높은 강도 및 높은 내마모성과 내구름접촉피로성을 가지며 무탄화물 "베이나이트(bainite)"와 약간의 고탄소 마르텐사이트 및 잔류 오스테나이트를 포함하는 미세 조직을 레일의 헤드에 제공하는 것으로 알려져 있다.
'474 특허에 개시되어 있는 합금강은 개선된 내마모성과 내구름접촉피로성을 제공할 수 있지만, 제조 비용 및 재료 특성에서의 추가 개선이 가능할 수 있다. 특히, '474 특허는, 현재의 열처리된 펄라이트계 레일의 것과 유사하거나 그 보다 좋은 내구름접촉마모성과 함께, 개선된 수준의 구름 접촉 피로 강도, 연성, 굽힘 피로 수명 및 파괴 인성을 얻기 위해 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)과 같은 다량의 값비싼 합금 원소를 사용하는 것을 설명하고 있다.
본 개시의 화학 조성 및 과정에 따라 제조되는 베이나이트계 비조질강(microalloyed steel)이 종래 기술의 전술한 문제 및/또는 다른 문제 중의 하나 이상을 해결한다.
일 양태에서, 본 개시는 단조 강 부품 제조 방법에 관한 것으로, 이 방법은,
C: 0.25 ∼ 0.40 중량%,
Mn: 1.50 ∼ 3.00 중량%,
Si: 0.30 ∼ 2.00 중량%,
V: 0.00 ∼ 0.15 중량%,
Ti: 0.02 ∼ 0.06 중량%,
S: 0.010 ∼ 0.04 중량%,
N: 0.0050 ∼ 0.0150 중량%,
Cr: 0.00 ∼ 1.00 중량%,
Mo: 0.00 ∼ 0.30 중량%,
B: 0.00 ∼ 0.005 중량%, 및
나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물
을 포함하는 조성을 갖는 강 빌렛(billet)을 제공하는 단계;
상기 강 빌렛을 대략 1150℃ ∼ 1350℃의 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계;
상기 강 빌렛을 열간 단조하여 강 부품을 형성하는 단계; 및
열간 단조 후에 상기 단조 강 부품에 대해 제어식 공냉을 수행하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 본 개시는 공기 경화가능한 베이나이트계 강 부품에 관한 것으로, 이 강 부품은,
C: 0.25 ∼ 0.40 중량%,
Mn: 1.50 ∼ 3.00 중량%,
Si: 0.30 ∼ 2.00 중량%,
V: 0.00 ∼ 0.15 중량%,
Ti: 0.02 ∼ 0.06 중량%,
S: 0.010 ∼ 0.04 중량%,
N: 0.0050 ∼ 0.0150 중량%,
Cr: 0.00 ∼ 1.00 중량%,
Mo: 0.00 ∼ 0.30 중량%,
B: 0.00 ∼ 0.003 중량%, 및
나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 또한 전체 강 부품에서 50 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직인 미세 조직을 갖는다.
또 다른 양태에서, 본 개시는 단조 강 부품에 관한 것으로, 이 단조 강 부품은,
C: 0.25 ∼ 0.40 중량%,
Mn: 1.50 ∼ 3.00 중량%,
Si: 0.30 ∼ 2.00 중량%,
V: 0.00 ∼ 0.15 중량%,
Ti: 0.02 ∼ 0.06 중량%,
S: 0.010 ∼ 0.04 중량%,
N: 0.0050 ∼ 0.0150 중량%,
Cr: 0.00 ∼ 1.00 중량%,
Mo: 0.00 ∼ 0.30 중량%,
B: 0.00 ∼ 0.003 중량%, 및
나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물을 포함하는 화학 조성, 및 전체 강 부품에서 50 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직인 미세 조직을 갖도록 제조되며, 상기 단조 강 부품은 열간 단조, 단조 강 부품 전체에 걸쳐 50% 초과의 베이나이트를 갖는 베이나이트 미세조직이 생성되도록 열간 단조 후에 행해지는 제어식 공냉, 및 최종 기계 가공으로 제조된다.
도 1 은 일반적인 열처리 단계를 없애는 예시적인 개시된 과정의 개략도이다.
도 2 는 본 개시의 예시적인 실시 형태의 미세 조직을 만들기 위한 연속 냉각 변태(CCT) 선도이다.
도 3 은 향상된 특성을 갖는 예시적인 베이나이트계 비조질강을 제조하는데 사용될 수 있는 예시적인 개시된 방법을 나타내는 흐름도이다.
공기 경화가능하고 향상된 강도, 마모 및 인성 특성을 가지며 베이나이트가 우세한 비조질강(microalloyed steel)이 개시된다. 베이나이트계 비조질강은, 원하는 강도, 마모, 및 인성 특성을 얻기 위해 이전에는 필요한 것으로 생각되던 많은 열처리 과정이 필요 없이 경제적으로 제조될 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 강 부품의 열간 단조 후의 전형적인 열처리 과정은 냉각, 오스테나이트화 온도로의 재가열, 담금질 및 템퍼링을 포함할 수 있다. 그리고 이들 열처리 과정 다음에는, 최종 기계 가공 전에, 유도(induction)를 사용하여 강 부품의 선택된 부분을 이차로 재가열하고 이차 담금질하며 그리고 이차 템퍼링할 수 있다. 재가열, 담금질 및 템퍼링을 포함하는 적어도 제 1 순서의 열처리 단계는, 원하는 강도 및 인성 특성을 얻고 동시에 기계가공에 너무 단단하지 않은 부품을 최종적으로 얻기 위해 종래의 열간 단조 과정에서 필요할 수 있다. 이들 중간 열처리 과정 중의 적어도 일부를 없앨 수 있다면 큰 비용 절감을 이룰 수 있다. 열처리 성능을 위한 자본 투자 및 노(furnace)와 기타 장비에 대한 유지관리 비용이 줄어들 수 있다. 본 개시의 어떤 실시에서, 상기 베이나이트계 비조질강은, 최종 기계 가공 전의 유도 재가열, 담금질 및 템퍼링 조차 필요 없이, 대략 50 ∼ 55 록웰(Rockwell) C 경도(HRC)에 이르기 위해, 필요한 조성을 가질 수 있고 또한 열간 단조 후에 냉각될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 미세 조직은 적어도 50 부피%의 베이나이트 미세 조직으로 이루어진 미세 조직이다. 어떤 실시 형태는 적어도 70 부피%의 베이나이트 미세 조직을 가질 수 있다. 다른 실시 형태는 적어도 85 부피%의 베이나이트 미세 조직을 가질 수 있다. 베이나이트는 대략 250 ∼ 550℃의 온도에서(합금 함량에 따라) 강에 형성되는 미세 조직이다. 베이나이트는, 합금 함량에 따라 오스테나이트(철의 면심 입방 결정 조직)가 727℃(1340℉)의 임계 온도를 넘어 냉각될 때 형성될 수 있는 분해 생성물의 하나이다. 베이나이트 미세 조직은 외양 및 경도 특성에 있어서 템퍼링된 마르텐사이트와 유사할 수 있다.
미세하고 비층상(non-lamellar) 구조를 갖는 베이나이트는 보통 시멘타이트 및 전위(dislocation) 풍부 페라이트로 이루어진다. 베이나이트에 존재하는 페라이트에 있는 고농도의 전위로 인해, 그 페라이트는 통상적인 경우 보다 더 단단하게 된다. 도 2 의 연속 냉각 변태(CCT) 선도에 나타나 있는 바와 같이, 베이나이트로의 변태를 위한 온도 범위(250 ∼ 550℃)는 펄라이트를 위한 온도 범위와 마르텐사이트를 위한 온도 범위 사이에 있다. 연속 냉각 중에 형성될 때, 베이나이트를 형성하기 위한 냉각 속도는 펄라이트를 형성하기 위해 필요한 냉각 속도 보다 빠르지만, 마르텐사이트를 형성하기 위해 필요한 냉각 속도 보다는 느리다(동일한 조성의 강에서). 본 개시의 다양한 실시에 따르면, 아래에서 더 자세히 논의되는 화학 조성을 갖는 비조질강은 처음에 대략 1150 ∼ 1350℃ 이상의 오스테나이트화 온도로 가열될 수 있다. 그런 다음, 상기 강은 원하는 형상으로 열간 단조되고, 단조 온도로부터 제어 냉각되어 베이나이트 조직을 얻게 된다. 열간 단조 후의 냉각을 위해, 대기 냉각 또는 송풍기를 사용하는 강제 공냉이 수행될 수 있다. 다양한 대안적인 실시에서, 상기 강은 대략 공석 변태 온도로 급속 냉각될 수 있고, 그런 다음에 약 900 ∼ 500℃의 범위에서 서서히 냉각될 수 있다. 또 다른 대안적인 실시에서, 강은 열간 단조 후에 약 500∼ 300℃로 급속 냉각될 수 있고, 베이나이트 변태를 촉진시키기 위해 약 500∼ 300℃의 범위 내의 어떤 평형 온도에서 유지될 수 있다.
냉각 속도는 CCT 선도를 참조하여 결정될 수 있어, 베이나이트 변태 영역을 통과하는 냉각 속도 범위를 알 수 있고, 그리하여, 결정된 냉각 속도 범위로 제어할 수 있다. 냉각 과정의 제어를 위해 CCT 선도는 미리 준비되어 데이타베이스에 저장될 수 있거나 또는 다른 식으로 이용가능하게 될 수 있다. 단조 제품은, 대략 900℃ 와 500℃ 사이에서 냉각될 때 대략 0.5 ∼ 5℃/sec 범위 또는 30 ∼ 300℃/min 범위 내의 냉각 속도를 얻기 위해 냉각용 공기를 순환시키는 팬(fan) 또는 다른 수단을 사용하여 공냉될 수 있다. 탄소가 베이나이트의 최대 형성 속도에 필요한 온도를 낮추는데 가장 효과적이지만, 대부분의 합금 원소가 그 온도를 낮출 것이다. 베이나이트는, 일반적으로 펄라이트의 전형적인 경도 보다 크고 마르텐사이트의 경도 보다는 작은 경도를 갖는다. 미세 조직 내의 펄라이트는 인성 감소에 기여할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따른 비조질강의 조성 및 처리는 펄라이트의 존재를 피하거나 또는 그 펄라이트의 양을 적어도 최소화하도록 선택된다. 상업적인 관례상, 2 부피% 미만과 같은 소량의 펄라이트가 특히 큰 섹션의 중심에서 불가피하게 존재할 수 있지만, 펄라이트의 존재와 영향을 최소화하기 위해 주의를 해야 한다.
베이나이트 미세 조직은 본질적으로 페라이트와 탄화철 또는 시멘타이트로 구성된 2-상(phase) 미세 조직을 갖는다. 열간 단조 과정 중의 오스테나이트의 조성 및 열간 단조 후의 냉각 속도에 따라, 결과적으로 생기는 베이나이트의 형태의 변동이 있게 된다. 결과적으로 얻어지는 미세 조직을 상부 베이나이트 또는 하부 베이나이트라고 한다. 상부 베이나이트는, 보통 평행한 그룹을 이루어 판형 영역을 형성하는 것으로 나타나는 페라이트 라스(lath)의 집합체인 것으로 설명될 수 있다. 상부 베이나이트와 관련된 탄화물 상은 라스간 영역에서 석출되며, 탄소 함량에 따라, 이들 탄화물은 라스 경계 사이에서 거의 완전한 탄화물 막을 형성할 수 있다. 하부 베이나이트도 페라이트와 탄화물의 집합체로 이루어진다. 탄화물은 페라이트 판의 내부에서 석출된다. 탄화물 석출물은 매우 미세한 스케일로 있으며 일반적으로 로드(rod) 또는 블레이드의 형상을 갖는다. 이러한 이유로, 베이나이트 미세 조직은, 펄라이트계 강의 경도값과 마르텐사이트계 강의 경도값 사이의 경도값을 얻기 위해 초기 냉각 후에 추가적인 열처리가 필요하지 않다는 점에서 유용하다. 단조된 비조질강의 재료 특성은, 조성에 포함되어 있는 합금 원소의 특정한 종류 및 양에 따라 큰 범위에 걸쳐 변할 수 있다. 상기 강이 충분한 양의 Si 및/또는 Al을 함유하면, 탄화물 형성이 상당히 지연될 수 있는데, 그래서 탄화물은 연속 냉각 과정 중에 형성될 수 있는 충분한 시간을 갖지 못하게 되며, 결과적으로, 베이나이틱 페라이트와 잔류 오스테나이트의 혼합형 미세 조직이 생기게 된다. 이러한 종류의 베이나이트 미세 조직을 "무탄화물(carbide free)" 베이나이트라고 할 수 있다. 이러한 베이나이트는 통상적인 종류의 베이나이트 보다 우수한 인성을 제공할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따라 포함되는 합금 원소의 조성에 의해, 이전에는 열간 단조 후에 오스테나이트화 온도로 재가열하고 담금질하며 또한 템퍼링하는 중간 열처리 단계들을 포함함으로써만 얻어지는 강도, 경도 및 인성 특성을 갖는 강 부품이 얻어진다.
위에서 논의된 유리한 재료 특성은, 베이나이트 미세 조직의 부피%가 증가함에 따라 더 큰 정도로 얻어지는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 베이나이트 미세 조직이 70 부피%이고 나머지는 페라이트 및/또는 펄라이트형 미세 조직인 부품이, 베이나이트 미세 조직이 50 부피%인 부품 보다 큰 강도, 경도 및 인성 특성을 가질 수 있다. 추가로, 베이나이트 미세 조직이 85 부피% 이상이고 나머지는 페라이트 및/또는 펄라이트형 미세 조직인 부품은, 베이나이트 미세 조직이 70 부피%인 부품 보다 더욱더 향상된 강도, 경도 및 인성 특성을 가질 수 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 오스테나이트화 온도로 재가열하고, 담금질하며, 그리고 템퍼링하는중간 열처리 단계들은, 본 개시의 다양한 실시에 따라 단조 제품의 최종 기계 가공 전에 없애질 수 있다. 토공 기계에 있는 궤도와 접촉하여 사용되는 궤도 링크의 레일부와 같은 강 부품의 선택된 부분에 대한 유도 재가열이, 부품의 어떤 부위 또는 부분의 향상된 경도 및 강도 특성을 얻기 위해 포함될 수 있다. 증가된 경도는 강 부품의 선택된 부분의 내마모성을 또한 개선할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시 형태에 따른 조성에 첨가되는 합금 원소는, 다른 두께를 갖는 부품의 다른 섹션 또는 부분에서 나타날 수 있는 다른 냉각 속도에 무관하게 부품 전체에 걸쳐 원하는 부피%의 베이나이트 미세 조직이 얻어지도록 선택될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시에서, 제어식 공냉 후에 얻어지는 베이나이트 미세 조직은, 이전에 열간 단조 후에 행해지는 담금질, 재가열, 이차 담금질 및 템퍼링으로 얻어지는 것과 동일하거나 유사한 경도 및 강도 특성을 또한 가질 수 있는 것으로 밝혀졌다. 비조질강은 오일 또는 물에서의 담금질을 통해 열간 단조 온도로부터 급속 냉각된 후에 마르텐사이트 미세 조직을 가질 수 있다. 마르텐사이트 미세 조직은, 강의 탄소 함량에 따라 담금질 후에 50의 록웰 C 경도(HRC)를 가질 수 있다. 그래서, 이 마르텐사이트 미세 조직을 갖는 강을 처리하는 전형적인 방법은, 대략 800℃ ∼ 950℃의 오스테나이트 온도까지 재가열하고 다시 담금질 하며 그런 다음 강을 대략 HRC 30으로 연화시키기 위해 대략 500℃ ∼ 590℃로 다시 재가열하여 템퍼링하는 것을 포함할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 미세 조직을 만들기 위한 상기 제어식 공냉 과정에 의해, 이전에 필요하던 담금질, 재가열, 담금질 및 템퍼링 단계 모두가 없이 HRC 30의 동일한 경도를 얻을 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 베이나이트가 우세한 미세 조직은 50 부피% 초과의 베이나이트 미세 조직을 포함할 수 있다. 본 개시에 따른 공냉 후의 경도는 대략 35 ∼ 45 HRC 범위내에 있을 수 있다. 다양한 실시 형태에 따른 공기 경화가능한 베이나이트계 강의 조성에 포함되는 미량 합금 원소의 종류와 양은 또한 공냉 후에 대략 40 ∼ 55 HRC 범위의 경도 수준을 얻게 해줄 수 있다.
본 개시의 다양한 실시에 따른 비조질강은 표 1 에 나타나 있는 바와 같은 화학 조성(중량 기준)을 가질 수 있다.
구성 요소 농도(중량%)

탄소
망간
티타늄
바나듐
규소
질소
선택적인 황
선택적인 크롬
선택적인 몰리브덴
선택적인 붕소
철 및 기타 잔류 요소
0.25 ∼ 0.40
1.50 ∼ 3.00
0.02 ∼ 0.06
0.00 ∼ 0.15
0.30 ∼ 2.00
0.0050 ∼ 0.0150
0.010 ∼ 0.040
0.00 ∼ 1.00
0.00 ∼ 0.30
0.00 ∼ 0.005
나머지
표 1: 비조질강의 조성(중량%)
탄소(C)는 얻을 수 있는 경도 수준 및 경화 깊이에 기여한다. 본 개시의 다양한 실시에 따르면, 템퍼링 후에 충분한 심부 경도를 유지하기 위해 탄소 함량은 적어도 0.25 중량%이고, 담금질 균열에 대한 내성 및 강의 인성을 보장하기 위해 약 0.40 중량% 이하이다. 탄소 함량이 약 0.40 중량% 보다 많으면 물 담금질시에 복잡한 형상의 물품에 균열이나 왜곡이 발생할 수 있고, 이러한 경우에는 오일과 같은 덜 급격한 담금질 매체가 필요할 수 있다. 그러므로, C의 유리한 범위는 대략 0.25 ∼ 0.40 중량%이다. 본 개시의 다양한 실시에 따른 베이나이트계 비조질강은 도 2 의 CCT 선도에 있는 선택된 냉각 곡선에 따라 공냉될 수 있다.
망간(Mn)은 저렴하며 깊은 경화능에 기여하고 그래서 대부분의 경화가능한 합금강 등급에 존재한다. 개시된 합금강은 충분한 심부 경도를 보장하기 위해 적어도 1.50 중량%의 양의 망간을 함유하고, 망간 편석(segregation) 및 억센 잔류 오스테나이트의 형성을 방지하기 위해 약 3.00% 이하를 함유한다.
대략 0.30 ∼ 2.00 중량% 의 양의 규소(Si)는 Mn과 함께, 본 개시에 따른 강이 열간 단조 온도로부터 공냉된 후에 베이나이트가 우세한 미세 조직을 형성할 수 있게 해준다. 충분한 Si가 강에 첨가되면, 그 Si는 또한 용강(molten steel)의 탈산을 도와줄 수 있고, 또한 개선된 인성을 갖는 무탄화물 베이나이트의 형성에 기여할 수 있다.
크롬은 본 강 합금의 경화능에 기여하며, CCT 곡선을 조정하여 공냉 후에 베이나이트가 우세한 미세 조직을 형성하도록 하기 위해 1.00 중량%를 초과하지 않는 소량으로 첨가될 수 있다. 더 많은 크롬은 강의 가격을 올리게 된다.
CCT 곡선을 더 조정하여 공냉 후에 베이나이트가 우세한 미세 조직을 형성하기 위해, 몰리브덴(Mo) 및 붕소(B)를 포함한 소량의 다른 원소가 첨가될 수 있다.
바나듐(V)과 질소(N)는 소량임에도 불구하고, 본 합금강 조성에서 중요한 성분일 수 있는데, 석출 경화를 제공하고 또한 외층부 경도 및 심부 경도의 일관적으로 측정가능한 향상을 실현하기 위해 첨가될 수 있다. 질소는 강 내의 티타늄과 결합하여 탄질화 티타늄을 형성하여, 단조 전의 재가열 중에 또한 열간 단조 후의 냉각 중에 입자의 조대화를 방지한다. Ti 및 N이 없으면, 단조 강은 큰 이전의 오스테나이트 입자 크기를 가질 수 있으며 그 결과 인성이 불량하게 된다.
합금강 조성의 나머지는, 소량으로 존재할 수 있는 중요치 않은 또는 잔류 양의 요소를 제외하고는 본질적으로 철이다. 티타늄(Ti)은 또한, 탄질화 티타늄을 형성하여 단조 전후에 입자의 조대화를 방지하기 위해 대략 0.02 ∼ 0.06%의 양으로 제공될 수 있다. 황(S)(소량으로 존재하면 기계 가공을 촉진하므로 유익할 수 있음)은 또한, 연성 및 인성의 손실에 기여하지 않도록 충분히 소량으로 제공될 수 있다. 0.05% 이상의 양의 인(P)은 취화를 유발할 수 있고, 상한은 바람직하게 0.035%를 초과하지 않아야 한다. 일반적으로 부수적인 불순물로 간주되는 다른 요소가 상업적으로 인정된 허용가능한 양 내에서 존재할 수 있다.
상기한 조성을 갖는 궤도 링크와 같은 제조된 물품은 유리하게는 처음에, 비조질강을 대략 1150 ∼ 1350℃의 오스테나이트화 온도로 가열한 후에 열간 단조를 하여 원하는 형상으로 형성될 수 있다. 그런 다음, 형성된 물품은, 베이나이트가 우세한 미세 조직이 생성되도록 전술한 바와 같이 제어식 냉각을 받게 된다. 그런 다음에, 궤도 링크의 레일부와 같은 열간 단조 물품의 선택된 부분은, 원하는 최종 치수로의 최종 기계 가공 전에, 선택된 부분을 유도 가열하고, 담금질하며 그리고 템퍼링하여 추가적인 열처리를 받을 수 있다.
도 3 은 본 개시의 다양한 실시에 따른, 베이나이트가 우세한 비조질강 부품을 제조하는데 사용될 수 있는 일 예시적인 방법을 도시한다. 도 3 은 개시된 개념을 더 설명하기 위해 다음 절에서 더 상세히 논의될 것이다.
산업상 이용가능성
본 개시의 다양한 실시에 따른 강 및 이 강을 만드는 방법은, 열간 단조 후에 일반적으로 수행되는 열처리 단계들을 없앰으로써 비용을 줄일 수 있다. 단조되고 공기 경화가능한 개시된 베이나이트계 비조질강은, 모든 열처리 과정을 필요로 함이 없이, 이전에 열간 단조되고 열처리된 강 부품과 유사한 경도, 강도 및 인성 특성을 제공할 수 있다. 미량 합금 원소 및 제어식 공냉에 의해, 열간 단조 온도로부터의 공냉 후에 베이나이트가 우세한 미세 조직이 생성될 수 있다. 본 개시의 조성과 과정에 따라 제조되는 강 부품의 선택된 부분은, 원하는 경우, 국부적인 유도 가열 및 이에 이은 담금질과 템퍼링을 사용하여 더 경화될 수 있다. 대안적으로, 본 개시에 따른 베이나이트계 강의 조성은, 개시된 상기 범위 내에서 조정될 수 있고, 또한 공냉 후에 추가 열처리 없이 대략 50 ∼ 55 HRC 범위의 경도를 얻기 위해 공냉될 수 있다.
본 개시의 다양한 유리한 실시에 따라 제조되는 강 부품은, 공냉 후에 추가 열처리 없이 얻어지며 양호한 기계 가공성을 위한 35 ∼ 45 HRC의 몸체 경도, 공냉 후에 얻어지는 1000 MPa 보다 큰 항복 강도, 선택적인 유도 가열을 통해 추가적으로 경화된 부분에서 대략 50 HRC 보다 큰 경도, 및 실온에서의 샤르피(Charpy) 충격 시험에서 나타나는 대략 20 줄(Joule) 이상의 몸체 인성을 포함할 수 있는 재료 특성을 갖는다.
도 3 에 나타나 있는 바와 같이, 단계 320 에서, 위의 표 1 에 나타나 있는 조성을 갖는 비조질강은 대략 1150℃ ∼ 1350℃의 오스테나이트화 온도로 가열될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에 따라 제조되는 부품의 종류는, 적어도 일 부분에서의 양호한 기계 가공성, 높은 항복 강도, 양호한 마모 특성, 및 양호한 인성을 요하는 부품을 포함할 수 있다. 개시된 조성과 과정이 적용되는 일 예는, 불도저 또는 다른 토공 장비와 같은 궤도형 기계의 궤도에 사용되는 궤도 링크이다. 상기 부품의 크기는, 단계 320 에 따라 처음에 오스테나이트화 온도로 가열되는 강 빌렛(billet)의 크기를 결정한다.
단계 322 에서, 가열된 빌렛은 원하는 형상으로 열간 단조될 수 있다. 열간 단조 후에, 단계 324 는, 베이나이트가 우세한 미세 조직이 열간 단조된 부품 전체에 걸쳐 형성되게 해주는 냉각 속도로 열간 단조 제품을 공냉시키는 것을 포함할 수 있다. 도 2 의 CCT 선도에 나타나 있는 바와 같이, 상기 냉각 속도는 다량의 마르텐사이트 미세 조직 또는 페라이트와 펄라이트가 우세한 미세 조직이 형성되는 것을 피하도록 선택될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시에서, 열간 단조된 강은 대략 900℃에서 대략 500℃로 냉각될 때 대략 0.5 ∼ 5 ℃/sec 범위의 속도로 냉각될 수 있다. 다양안 대안적인 실시에서, 상기 강의 조성에 있는 합금 원소의 중량%는, CCT 선도 상의 상 변태(phase transformation) 곡선을 변화시키기 위해, 또한 열간 단조된 강 부품을 주변 온도에서 컨베이어를 따라 운반하여 얻어지는 냉각 속도로 베이나이트가 우세한 원하는 미세 조직을 얻기 위해 변할 수 있다. 또한 상기 비조질강에는, 다른 두께를 갖는 부품의 다른 섹션에서 나타날 수 있는 다른 냉각 속도에서도 그 부품 전체에 걸쳐 원하는 베이나이트 미세 조직 및 원하는 경도 수준을 달성하는 조성이 유리하게 제공될 수 있다. 베이나이트가 우세한 미세조직은, 열간 단조된 강 부품 전체에 걸쳐 50% 초과의 베이나이트, 또는 더 유리하게는 70% 초과의 베이나이트, 또는 더더욱 유리하게는 85% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직일 수 있다. 공냉 후의 전체 단조 강 부품에서의 경도 수준은 대략 35 ∼ 45 HRC의 범위에 있을 수 있다. 다른 유리한 실시 형태에서, 단조 강 부품 전체에서의 경도 수준은 공냉 후에 추가 열처리 없이 대략 40 ∼ 55 HRC의 범위내에 있을 수 있다.
단계 326 에서, 강 부품의 선택된 부분은 더 높은 경도 수준을 얻기 위해 유도 가열될 수 있다. 궤도 링크의 예시적인 실시에서, 레일부는 궤도 롤러와의 연속적인 접촉으로 인해 심한 마모를 받을 수 있으므로, 그 레일부에 대해서는 높은 표면 경도가 요망될 수 있다. 궤도 링크의 몸체부에서 표면 경도가 낮으면, 부싱, 핀 및 볼트가 몸체부 안으로 더 쉽게 기계 가공될 수 있다. 또한, 궤도 링크의 몸체부의 표면 경도가 낮으면, 부싱과 궤도 링크 몸체에 있는 구멍 간의 압입 끼워맞춤이 과도한 잔류 응력을 발생시킴이 없이 가능하게 된다. 다양한 예시적인 실시 형태에서, 강 부품의 유도 가열된 부분의 경도는 대략 50 ∼ 57 HRC의 범위내에 있을 수 있다.
단계 328 에서, 강 부품의 선택된 부분이 유도 가열된 후에, 그 강 부품의 적어도 이들 가열된 부분은, 상기 부품의 유도 가열된 영역 상으로의 담금질용 유체의 지향 분사와 같은 기술을 사용하여 담금질될 수 있다. 담금질 후에, 단계 330 에서, 강 부품은 그의 인성을 개선하기 위해 템퍼링 온도로 재가열될 수 있다. 그런 다음 단계 332 에서 최종 기계 가공이 일어날 수 있다.
개시된 비조질강 및 이 강을 최종 부품으로 형성하는 방법에 대한 다양한 수정 및 변화가 본 개시의 범위에서 벗어남이 없이 가능함이 당업자에게 명백할 것이다. 여기에 개시된 상술 내용 및 실시를 고려한 대안적인 실시가 당업자에게 명백할 것이다. 본 상술 내용 및 실시예는 단지 예시적인 것이며, 본 개시의 진정한 범위는 다음의 청구 범위 및 이의 균등물로 정해진다.

Claims (10)

  1. 단조 강 부품 제조 방법으로서,
    C: 0.25 ∼ 0.35 중량%,
    Mn: 1.50 ∼ 3.00 중량%,
    Si: 0.30 ∼ 2.00 중량%,
    V: 0.10 중량%,
    Ti: 0.02 ∼ 0.06 중량%,
    S: 0.015 ∼ 0.04 중량%,
    N: 0.01 중량%,
    Cr: 0.00 ∼ 0.30 중량%,
    Mo: 0.00 ∼ 0.03 중량%,
    B: 0.00 ∼ 0.003 중량%, 및
    나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물
    을 포함하는 조성을 갖는 강 빌렛(billet)을 제공하는 단계;
    상기 강 빌렛을 대략 1150℃ ∼ 1350℃의 오스테나이트화 온도로 가열하는 단계;
    상기 강 빌렛을 열간 단조하여 강 부품을 형성하는 단계; 및
    열간 단조 후에 상기 단조 강 부품에 대해 제어식 공냉을 수행하는 단계를 포함하는 단조 강 부품 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어식 공냉은, 이 제어식 공냉 후에 강 부품의 몸체 경도가 대략 35 ∼ 45 록웰(Rockwell) C 경도(HRC)가 되도록 하는 속도로 수행되는 단조 강 부품 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어식 공냉은, 이 제어식 공냉 후에 강 부품의 항복 강도가 대략 1000 MPa 보다 크게 하는 속도로 수행되는 단조 강 부품 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어식 공냉은 단조 강 부품을 주변 온도에서 컨베이어를 따라 이동시켜 수행되는 단조 강 부품 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 강 빌렛의 조성은, 단조 강 부품에 대한 상기 제어식 공냉 및 다른 두께를 갖는 단조 강 부품의 섹션의 결과적인 다른 냉각 속도에 의해, 상기 제어식 공냉 후에 전체 단조 강 부품에서의 미세 조직이 대략 50 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직이 되도록 선택되는 단조 강 부품 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 강 빌렛의 조성은, 단조 강 부품에 대한 상기 제어식 공냉 및 다른 두께를 갖는 단조 강 부품의 섹션의 결과적인 다른 냉각 속도에 의해, 상기 제어식 공냉 후에 전체 단조 강 부품에서의 경도 수준이 대략 35 ∼ 45 HRC 보다 크게 되도록 선택되는 단조 강 부품 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어식 공냉 후에 강 부품의 몸체의 적어도 내부의 인성이 샤르피(Charpy) 충격 시험에 따를 때 실온에서 대략 20 줄(Joule) 이상인 단조 강 부품제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 단조 강 부품의 선택된 부분의 경도를 증가시키기 위해 상기 제어식 공냉 후에 그 단조 강 부품의 선택된 부분을 유도(induction) 가열하는 단계를 더 포함하는 단조 강 부품 제조 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 유도 가열 후에 상기 단조 강 부품의 선택된 부분의 경도는 대략 50 HRC 보다 큰 단조 강 부품 제조 방법.
  10. 공기 경화가능한 베이나이트계 강 부품으로서,
    C: 0.25 ∼ 0.35 중량%,
    Mn: 1.50 ∼ 3.00 중량%,
    Si: 0.30 ∼ 2.00 중량%,
    V: 0.00 ∼ 0.10 중량%,
    Ti: 0.02 ∼ 0.06 중량%,
    S: 0.015 ∼ 0.04 중량%,
    N: 0.00 ∼ 0.01 중량%,
    Cr: 0.00 ∼ 0.40 중량%,
    Mo: 0.00 ∼ 0.05 중량%,
    B: 0.00 ∼ 0.003 중량%, 및
    나머지로서 Fe 및 부수적인 불순물을 포함하는 조성을 가지며, 또한 전체 강 부품에서 50 부피% 초과의 베이나이트를 갖는 미세 조직인 미세 조직을 갖는, 공기 경화가능한 베이나이트계 강 부품.
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