KR20160036813A - 탄소강 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

합금 성분 및 공정 조건 제어를 통하여, 열연 코일의 제조시 가공열처리 조직을 구현하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있는 탄소강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 탄소강 제조 방법은 (a) 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1220 ~ 1280℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강을 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 860 ~ 900℃ 조건으로 마무리 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 마무리 열간 압연된 강을 CT(Coiling Temperature) : 640 ~ 680℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

탄소강 및 그 제조 방법{CARBON STEEL AND METHOD OF MANUFACTURING THE CARBON STEEL}

본 발명은 탄소강 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 냉각 중 초석 페라이트의 생성을 억제하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있는 탄소강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적인 탄소강에서 펄라이트 조직은 구상화된 조직에 비해 가공시 경도가 높고, 전성이 낮게 되는데, 이는 펄라이트 내의 라멜라형의 탄화물이 페라이트를 분리시켜 연성을 가지는 페라이트의 변형을 방해하기 때문이다.

특히, 구상화된 조직의 양호한 전성은 냉간가공이 되는 저탄소 및 중탄소강에 극히 중요하며, 구상화된 조직의 낮은 경도는 최종 경화에 앞서 광범위한 기계가공을 하는 고탄소강에 중요하다.

이때, 초석 페라이트의 생성에 의한 불균일한 구상화 조직은 성형시 가공 불량을 야기할 수 있으나, 열연 공정상 초석 페라이트를 제어하는데 어려움이 있다.

관련 선행문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2000-0042183호(2000.07.15 공개)가 있다.

본 발명의 목적은 합금 성분 조절 및 공정 조건 제어를 통하여, 냉각 중 초석 페라이트의 생성을 억제하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있는 탄소강을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 방법으로 제조되어, 인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa 및 연신율(EL) : 12 ~ 20%를 갖는 탄소강을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 제조 방법은 (a) 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1220 ~ 1280℃로 재가열하는 단계; (b) 상기 재가열된 강을 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 860 ~ 900℃ 조건으로 마무리 열간압연하는 단계; 및 (c) 상기 마무리 열간 압연된 강을 CT(Coiling Temperature) : 640 ~ 680℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 탄소강은 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되며, 최종 미세조직이 펄라이트 단상 조직을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 탄소강 및 그 제조 방법은 아공석 중탄소강에서 발생하는 초석 페라이트의 생성을 억제하기 위해, 크롬(Cr)을 0.45 ~ 1.00 중량%의 함량비로 엄격히 제어하여 열처리시 균일한 구상화 조직을 확보함과 더불어, CT(Coiling Temperature)를 640 ~ 680℃ 조건으로 제어함으로써, 냉각 중 초석 페라이트의 생성을 억제하여 최종 미세조직을 펄라이트 단상 조직을 갖도록 하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 탄소강은 인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa, 연신율(EL) : 12 ~ 20% 및 비커스 경도 : 310 ~ 410Hv를 갖는다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
도 2는 비교예 1에 따라 제조된 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 3은 실시예 1에 따라 제조된 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.
도 4는 실시예 2에 따라 제조된 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.

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. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

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

탄소강

본 발명에 따른 탄소강은 인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa, 연신율(EL) : 12 ~ 20% 및 비커스 경도 : 310 ~ 410Hv를 갖는 것을 목표로 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 탄소강은 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성된다.

이때, 상기 탄소강은 최종 미세조직이 펄라이트 단상 조직을 갖는다. 이러한 펄라이트 조직은 구상화된 조직에 비해 가공시 경도가 높고, 전성이 낮게 된다. 이는 펄라이트 내의 라멜라형의 탄화물이 페라이트를 분리시켜 연성을 가지는 페라이트의 변형을 방해하기 때문이다.

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

탄소(C)

본 발명에서 탄소(C)는 제조되는 탄소강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다. 또한, 상기 탄소(C)는 강의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소로 함량이 높을수록 강도를 증가시키며, 황(S)과 결합하여 탄유화물을 형성하여 피삭성을 향상시킨다.

상기 탄소(C)는 본 발명에 따른 탄소강 전체 중량의 0.4 ~ 0.6 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소(C)의 함량이 0.4 중량% 미만일 경우에는 충분한 강도를 확보하는 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 탄소(C)의 함량이 0.6 중량%를 초과할 경우에는 충격인성이 급격히 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 실리콘(Si)은 본 발명에 따른 탄소강 전체 중량의 0.1 ~ 0.4 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘(Si)의 함량이 0.1 중량% 미만일 경우에는 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘(Si)의 함량이 0.4 중량%를 초과할 경우에는 제조되는 고탄소강의 인성을 저하시키는 문제점이 있다.

망간(Mn)

망간(Mn)은 강도를 향상시키는데 매우 효과적인 원소로서, 고온에서 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 그리고 망간(Mn)은 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.

상기 망간(Mn)은 본 발명에 따른 탄소강 전체 중량의 0.6 ~ 1.2 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 망간(Mn)의 함량이 0.6 중량% 미만일 경우에는 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 망간(Mn)의 함량이 1.2 중량%를 초과할 경우에는 인성을 저하시키며, 탄소강의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.

인(P)

인(P)은 절삭성의 향상을 위하여 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 탄소강에서 인(P)의 함량이 0.06 중량%를 초과하여 다량 함유될 경우에는 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 인(P)의 함량을 탄소강 전체 중량의 0.06 중량% 이하로 제한하였다.

황(S)

황(S)은 탄소강에서 절삭성 및 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.

다만, 본 발명에 따른 탄소강에서 황(S)의 함량이 0.003 중량%를 초과하여 다량 함유될 경우에는 중심 편석은 물론 미세 편석도 형성하여 재질에 좋지 않은 영향을 주며, 또한 용접성을 악화시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 황(S)의 함량을 탄소강 전체 중량의 0.003 중량% 이하로 제한하였다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 내마모성 및 경화성을 향상시키는 데 유효한 원소이다. 또한, 크롬(Cr)은 초석 페라이트의 생성을 억제하고 페라이트 조직을 펄라이트로 변태시키는데 유효한 원소이다.

상기 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 고탄소강 전체 중량의 0.45 ~ 1.00 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 크롬(Cr)의 함량이 0.45 중량% 미만일 경우에는 강도 향상 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 크롬(Cr)의 함량이 1.00 중량%를 초과할 경우에는 인성이 저하될 뿐만 아니라 가공성이나 피삭성이 저하되는 문제점이 있다.

바나듐(V)

바나듐(V)은 석출물 형성에 의한 석출강화 효과를 통하여 강의 강도를 향상시키는 역할을 한다.

상기 바나듐(V)은 본 발명에 따른 고탄소강 전체 중량의 0.06 ~ 0.20 중량%의 함량비로 첨가하는 것이 바람직하다. 바나듐(V)의 함량이 0.06 중량% 미만일 경우에는 상기의 효과를 제대로 발휘할 수 없다. 반대로, 바나듐(V)의 함량이 0.20 중량%를 초과할 경우에는 저온 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.

탄소강 제조 방법

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.

도 1을 참조하면, 도시된 본 발명의 실시예에 따른 탄소강 제조 방법은 슬라브 재가열 단계(S110), 열간 압연 단계(S120) 및 냉각/권취 단계(S130)를 포함한다. 이때, 슬라브 재가열 단계(S110)는 반드시 수행되어야 하는 것은 아니나, 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위해서는 실시하는 것이 더 바람직하다.

본 발명에서 열간압연의 대상이 되는 반제품 상태의 강 슬라브는 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성된다.

슬라브 재가열

슬라브 재가열 단계(S110)에서는 상기 조성을 갖는 강 슬라브를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 12200 ~ 1280℃로 재가열한다. 여기서, 상기 강 슬라브는 제강공정을 통해 원하는 조성의 용강을 얻은 다음에 연속주조공정을 통해 얻어질 수 있다. 이때, 슬라브 재가열 단계(S110)에서는 연속주조공정을 통해 확보한 강 슬라브를 재가열하는 것을 통하여, 주조 시 편석된 성분을 재고용한다.

본 단계에서, 슬라브 재가열 온도(SRT)가 1220℃ 미만일 경우에는 주조시 편석된 성분이 재고용되지 못하는 문제점이 있다. 반대로, 슬라브 재가열 온도(STR)가 1280℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정입도가 증가하여 최종 페라이트 입도가 조대화되면서 강도가 감소하며, 또한 과도한 가열 공정으로 인하여 강의 제조 비용을 증가시킬 수 있다.

열간 압연

열간 압연 단계(S120)에서는 재가열된 강을 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 860 ~ 900℃ 조건으로 마무리 열간압연한다.

마무리 열간압연온도(FDT)가 860℃미만일 경우에는 이상역 압연에 의한 혼립 조직이 발생하는 등의 문제점이 발생할 수 있다. 반대로, 마무리 열간압연온도(FDT)가 900℃를 초과할 경우에는 조대화된 오스테나이트 결정립으로 인한 펄라이트 핵 생성이 지연되고 권취 온도와의 편차가 증가하여 온도 제어성이 떨어지는 문제가 있다.

냉각/권취

냉각/권취 단계(S130)에서는 마무리 열간 압연된 강을 CT(Coiling Temperature) : 640 ~ 680℃까지 냉각하여 권취한다. 본 발명에서의 냉각 과정은 압연된 판재를 수냉 등의 강제 냉각 방식으로 실시될 수 있다.

이때, 권취 온도(CT)가 640℃ 미만일 경우에는 저온 상의 생성으로 인해 강도가 증가하는 이점이 있기는 하나, 연신율이 감소하는 문제가 있다. 반대로, 권취 온도가 680℃를 초과할 경우에는 조대한 미세조직 형성으로 인하여 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다.

또한, 본 단계에서, 냉각 속도는 20 ~ 40℃/sec로 실시하는 것이 바람직하다. 냉각 속도가 20℃/sec 미만으로 실시될 경우에는 강도 확보에 어려움이 따를 수 있다. 반대로, 냉각 속도가 40℃/sec를 초과할 경우에는 조직이 경해져서 충격인성이 급격히 저하되는 문제가 있다.

상기의 과정(S110 ~ S130)으로 제조되는 탄소강은 아공석 중탄소강에서 발생하는 초석 페라이트의 생성을 억제하기 위해, 크롬(Cr)을 0.45 ~ 1.00 중량%의 함량비로 엄격히 제어하여 열처리시 균일한 구상화 조직을 확보함과 더불어, CT(Coiling Temperature)를 640 ~ 680℃ 조건으로 제어함으로써, 냉각 중 초석 페라이트의 생성을 억제하여 최종 미세조직을 펄라이트 단상 조직을 갖도록 하여 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법으로 제조되는 탄소강은 인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa, 연신율(EL) : 12 ~ 20% 및 비커스 경도 : 310 ~ 410Hv를 갖는다.

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. 시편 제조

표 1에 기재된 조성 및 표 2에 기재된 공정 조건으로 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따른 시편을 제조하였다. 이때, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따른 시편의 경우, 각각의 조성을 갖는 잉곳을 제조하고, 이를 압연모사시험기를 이용하여 가열, 열간압연 및 냉각의 열연공정을 모사하고 권취로에 장입하였다. 이후, 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 시편에 대하여 인장시험을 실시하였다.

[표 1] (단위 : 중량%)

[표 2]

2. 기계적 물성 평가

표 3은 실시예 1 ~ 2 및 비교예 1에 따라 제조된 시편들에 대한 기계적 물성 평가 결과를 나타낸 것이다.

[표 3]

표 1 내지 표 3을 참조하면, 실시예 1 ~ 2에 따른 시편들의 경우, 목표값에 해당하는 인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa, 연신율(EL) : 12 ~ 20% 및 비커스 경도 : 310 ~ 410Hv을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.

반면, 실시예 1과 비교하여 대부분의 합금 성분은 유사한 함량으로 첨가되나, Cr의 함량이 0.01 중량%로 낮게 첨가되는 비교예 1에 따른 시편의 경우에는 인장강도 및 연신율은 목표값을 만족하였으나, 항복점 및 비커스 경도가 692.7MPa 및 307.8Hv로 목표값에 미달하는 것을 알 수 있다.

한편, 도 2는 비교예 1에 따라 제조된 시편에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이고, 도 3 및 도 4는 실시예 1 ~ 2에 따라 제조된 시편들에 대한 최종 미세조직을 나타낸 사진이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 비교예 1에 따른 시편의 경우 최종 미세조직이 페라이트 및 펄라이트를 포함하는 복합조직을 갖는 것을 알 수 있다.

반면, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 실시예 1 ~ 2에 따른 시편들의 경우에는 최종 미세조직이 펄라이트 단상 조직으로 각각 이루어진 것을 확인할 수 있는데, 이는 크롬(Cr)의 함량을 0.45 중량% 및 1.00 중량%의 함량비로 각각 첨가하는데 기인하여 열처리시 균일한 구상화 조직의 확보로 냉각 중 초석 페라이트의 생성이 억제된데 기인한 것으로 파악된다.

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.

S110 : 슬라브 재가열 단계
S120 : 열간 압연 단계
S130 : 냉각/권취 단계

Claims (5)

1. (a) 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되는 강 슬라브를 SRT(Slab Reheating Temperature) : 1220 ~ 1280℃로 재가열하는 단계;
   (b) 상기 재가열된 강을 FDT(Finishing Delivery Temperature) : 860 ~ 900℃ 조건으로 마무리 열간압연하는 단계; 및
   (c) 상기 마무리 열간 압연된 강을 CT(Coiling Temperature) : 640 ~ 680℃까지 냉각하여 권취하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄소강 제조 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 (c) 단계에서,
   상기 냉각은
   20 ~ 40℃/sec의 속도로 실시하는 것을 특징으로 하는 탄소강 제조 방법.
   
3. 중량%로, C : 0.4 ~ 0.6%, Si : 0.1 ~ 0.4%, Mn : 0.6 ~ 1.2%, P : 0.06% 이하, S : 0.003% 이하, Cr : 0.45 ~ 1.00%, V : 0.06 ~ 0.20% 및 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물로 조성되며,
   최종 미세조직이 펄라이트 단상 조직을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소강.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 탄소강은
   인장강도(TS) : 900 ~ 1100MPa, 항복점(YP) : 700 ~ 900MPa 및 연신율(EL) : 12 ~ 20%를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소강.
   
5. 제3항에 있어서,
   상기 탄소강은
   비커스 경도 : 310 ~ 410Hv를 갖는 것을 특징으로 하는 탄소강.

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