KR20160047104A - Heat treatment process of boron alloy steel for track link of construction vehicles - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 굴삭기 등의 건설기계 구성부품으로서의 트랙링크에 관한 것으로, 보다 자세하게는 열처리 조건을 적절하게 제어하여 보론강의 입내 및 입계에서 석출되는 보론의 분포도 개선을 유도함으로써 우수한 기계적 성질을 지닌 트랙링크가 얻어지도록 한 보론 합금강의 열처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a track link as a component of a construction machine such as an excavator and more particularly to a track link having excellent mechanical properties by inducing improvement in distribution of boron precipitated in boron steel and grain boundaries by appropriately controlling heat treatment conditions And to a method for heat treatment of boron alloy steel to be obtained.
굴삭기 등의 건설 중장비에서 지면과 직접 접촉하여 장비 본체를 이동시키는 트랙링크(track link)는 높은 내마모성과 고인성의 기계적 특성이 우선적으로 요구된다. 상기의 기계적 특성을 나타내도록 하기 위하여 고가의 합금원소가 첨가되어 경화능의 증대가 이루어지도록 한 합금강이 트랙링크용 소재로 사용되어 오고 있다.Track links that move the machine body in direct contact with the ground in construction heavy equipment such as excavators require high wear resistance and high mechanical properties. Alloy steel has been used as a material for track links in order to increase the hardenability by adding expensive alloying elements in order to exhibit the above mechanical properties.
기존의 트랙링크용 합금강으로는 합금원소로서 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)이 첨가된 합금강이 주종을 이루고 있다. 그런데, 최근 니켈, 크롬을 비롯한 몰리브덴 등의 합금원소 가격이 급등하여 이들 합금원소가 첨가된 합금강으로 이루어진 트랙링크 제조비용이 상승함에 따라 이들 합금원소를 대체할 수 있는 새로운 합금원소의 개발에 관련업계의 관심과 연구가 활발하게 진행되고 있다.Alloy steels for track link are predominantly alloy steels in which nickel (Ni), chromium (Cr) and molybdenum (Mo) are added as alloying elements. In recent years, as the price of alloying elements such as nickel, chromium and molybdenum has skyrocketed and the cost of manufacturing track links made of alloy steels with these alloying elements has increased, the development of new alloy elements capable of replacing these alloying elements And researches are actively pursued.
상기 고가의 합금원소를 대체할 수 있는 합금원소의 하나로 보론이 알려져 있다. 보론은 상기 고가의 합금원소들에 비해서 상대적으로 저가이면서, 미량의 첨가만으로도 강재의 소입성을 현저하게 증가시킬 뿐 아니라 결정립계 강화작용을 일으켜 경화능 향상에 크게 기여하는 측면이 있다.Boron is known as one of the alloying elements capable of replacing the expensive alloying element. Boron is relatively low in cost as compared with the above expensive alloying elements, and not only remarkably increases the incombustibility of the steel even with a small amount of addition, but also contributes to enhancement of hardenability by causing grain boundary strengthening.
보론의 경화능 향상 효과는, 강의 오스테나이트 처리 후 냉각단계에서 오스테나이트 결정립계에 편석된 보론이 입계의 계면에너지를 낮춰서 입계에서의 초석페라이트 핵생성을 억제함과 아울러 보론화합물이 오스테나이트 결정립계에 매우 미세하게 석출되어 계면에너지를 낮춤으로써 초석페라이트 핵생성을 억제함에 기인하는 것으로 알려져 있다.The effect of improving the hardenability of boron is that the boron segregated in the austenite grain boundaries in the cooling step after the austenite treatment of the steel lowers the interfacial energy of the grain boundaries to inhibit the generation of protonic ferrite nuclei in the grain boundaries, It is known that it is caused by suppressing the generation of pro-eutectoid ferrite nuclei by decreasing the interfacial energy by fine precipitation.
한편, 보론은 상기와 같은 특성으로 인해서 다른 고가의 합금원소 첨가량을 줄일 수 있다는 장점이 있음에도 불구하고, 강재 내에서의 활동성이 매우 높아서 제어가 매우 힘들고 그에 따라 과도한 경화능의 편차가 발생하는 문제점이 지적되고 있다. 이와 같은 경화능의 편차로 인해서 낮은 경화능을 나타내는 강재 내의 영역에서는 열처리 후에도 트랙링크 제품에서 요구되는 수준의 경도와 미세조직 등이 요구되는 물성치에 미치지 못하게 되어 제품 결함의 요인으로 작용하게 되고, 소재 롯트 (lot)별 경화능의 편차가 심해서 안정된 제품의 제조가 불가능하다.On the other hand, although boron has the advantage of reducing the addition amount of other expensive alloying elements due to the above characteristics, the boron has a very high activity in the steel and is very difficult to control, thereby causing a deviation of excessive hardening ability It is pointed out. In the region of the steel which exhibits low hardenability due to the deviation of the hardenability, hardness and microstructure required in the track link product do not meet the required physical properties, resulting in product defects. It is impossible to manufacture a stable product due to a large deviation of hardenability of each lot.
최근, 자동차 엔진용 볼트나 자동차 기어용 소재로 사용되는 보론 합금강이 알려져 있다. 공개특허공보 제10-2008-0026247호에는 열간단조에 이어 870℃ 부근에서 한 시간가량 유지한 후 소입처리를 하고, 440℃ 부근에서 90분가량 유지한 후 공냉하여 자동차 엔진용 볼트 소재를 얻는 열처리 방법이 개시되어 있다.Recently, boron alloy steels used as bolts for automobile engines and materials for automobile gears have been known. Open Patent Publication No. 10-2008-0026247 discloses a method for producing a bolt material for an automobile engine by maintaining a temperature of about 870 ° C for about one hour after hot forging and then quenching, maintaining the temperature at about 440 ° C for about 90 minutes, Method is disclosed.
그리고, 등록특허 제10-0957319호에는 10∼30ppm의 보론이 함유된 합금강의 단조 성형 단계에 이어서 970℃에서 60분간 노말라이징과 후속되는 침탄열처리를 행하여 기어용 보론강을 제조하는 방법이 개시되어 있다. Japanese Patent No. 10-0957319 discloses a method for producing a boron steel for gears by performing a forging process of alloy steel containing 10 to 30 ppm of boron followed by a normalizing process at 970 캜 for 60 minutes and a subsequent carburizing heat treatment have.
상기 두 특허를 비롯한 기존의 보론 합금강 열처리 방법들은 구상화 열처리의 생략 및 냉간성형성의 증대에 주안점을 두고 생산공정의 단순화와 에너지 절감의 효과를 도모하고 있다.Conventional boron alloy steel heat treatment methods including the above two patents are aiming at simplification of production process and energy saving effect with emphasis on omission of spheroidizing heat treatment and increase in cold formability.
통상적으로, 보론 합금강의 열처리에 있어서는, 열처리 온도 및 유지시간에 따른 보론강의 입내 및 입계에서 석출되는 보론의 분포도에 따라 강재의 기계적 특성이 지배되는 것으로 알려져 있는바, 상기 기존의 두 특허에서는 열처리 조건에 따른 보론의 분포도에 대한 자세한 분석 및 그에 따른 기계적 특성의 상관관계에 대한 결과치가 드러나 있지 않다.It is generally known that in the heat treatment of boron alloy steel, the mechanical properties of the steel are governed by the porosity of the boron steel and the distribution of boron precipitated at the grain boundary depending on the heat treatment temperature and the holding time, The results of the detailed analysis of the distribution of boron and the correlation of the mechanical properties are not revealed.
한편, 자동차용 기어나 볼트와는 다른 차원의 기계적 특성으로서의 고인성과 고강도 등이 요구되는 건설기계 트랙링크용 소재로서 보론 합금강에 대한 연구나 개발은 거의 없는 실정이다.On the other hand, research and development of boron alloy steels as a material for construction machinery track links, which require mechanical properties such as high mechanical strength and high tensile strength, are rarely developed.
본 발명은 기존의 트랙링크용 강재에 함유된 고가의 합금원소 니켈, 크롬 및 몰리브덴의 첨가량을 줄인 가운데 트랙링크 제품에서 요구되는 품질특성이 만족되도록 한 보론 합금강의 열처리 방법을 제공하는데 목적을 두고 있다. It is an object of the present invention to provide a method for annealing a boron alloy steel in which the amount of nickel, chromium and molybdenum contained in a high-priced alloying element contained in a conventional steel for a track link is reduced while satisfying the quality characteristics required in a track link product .
본 발명의 다른 목적은 트랙링크 제품에서 요구되는 품질특성인 강도 및 인성 등을 직접적으로 좌우하게 되는 보론 석출물의 입계 및 입내 분포도가 최적화되도록 한 열처리 조건으로 이루어진 보론 합금강의 열처리 방법을 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to provide a method of annealing a boron alloy steel having heat treatment conditions such that the grain size and grain size distribution of the boron precipitates directly affect the quality characteristics required in the track link product.
본 발명의 상기 목적은 소재강을 1230℃로 가열하여 열간단조하는 단계, 공기중에 60초 ∼ 100초간 공냉하는 단계, 물 또는 기름 중에 소입(quenching)하는 단계, 440℃에서 80분간 템퍼링(tempering)하는 단계로 이루어진 건설기계 트랙링크용 합금강의 열처리방법에 의해서 달성된다.The above object of the present invention is achieved by a method for producing a steel material, comprising heating a material steel at 1230 ° C for hot forging, air cooling for 60 seconds to 100 seconds, quenching in water or oil, tempering at 440 ° C for 80 minutes, And a heat treatment method for an alloy steel for a construction machine track link.
이때, 상기 본 발명에서 사용되는 소재강의 화학조성은 중량%(wt%)로, C 0.35, Si 0.26, Mn 1.3, P 0.013, S 0.004, Cu 0.1, Ni 0.06, Cr 0.2, Mo 0.02, Al 0.027, V 0.006, Ti 0.031, Nb 0.002, B 21ppm 및 잔여철로 이루어져 있다.In this case, the chemical composition of the steel material used in the present invention is expressed by weight% (wt%), and C 0.35, Si 0.26, Mn 1.3, P 0.013, S 0.004, Cu 0.1, Ni 0.06, Cr 0.2, Mo 0.02, , V 0.006, Ti 0.031, Nb 0.002, B 21 ppm, and residual iron.
상기 조성의 소재강은 탄소함량이 0.35wt%의 아공석강(hypo-eutectoid steel)으로서 고온 열처리 후 서냉시 초석페라이트(pro-eutectoid ferrite)와 펄라이트(ferrite+cementite)가 공존하게 된다. The material steel of the above composition is a hypo-eutectoid steel having a carbon content of 0.35 wt%, and the pro-eutectoid ferrite and pearlite (ferrite + cementite) coexist after the high-temperature heat treatment.
본 발명의 소재강은 중탄소강(C 0.35wt%)으로서 이에 첨가된 고가의 합금원소 Ni, Cr, Mo가 각각 0.06wt%, 0.2wt% 및 0.02wt% 첨가된 조성인바, 기존의 Ni-Cr-Mo 합금강에서의 이들 합금원소들 함유량에 비해서 상당히 낮은 함량을 유지함에도 불구하고, 미량(21ppm) 첨가된 보론(B)이 열처리 과정에서 고른 분포도로 입내 및 입계에 석출되도록 함으로써 얻어지는 경화능 향상효과를 통해서 기존의 Ni-Cr-Mo 합금강과 동등하거나 그 이상의 물성치와 기계적 특성을 나타내게 된다. The material steel of the present invention is a composition containing 0.06 wt%, 0.2 wt% and 0.02 wt% of high alloy elements Ni, Cr and Mo, respectively, added to the medium carbon steel (C 0.35 wt% -Mo alloy steel, the boron (B) added in a trace amount (21 ppm) is precipitated in the grain and grain boundaries at a uniform distribution in the heat treatment process, , It shows equivalent or superior physical properties and mechanical properties to existing Ni-Cr-Mo alloy steels.
본 발명에 따른 열처리 공정에서 제1 공정으로서 1230℃로 가열하여 열간단조를 하게 되는데, 이때 가열방식은 인덕션 히터를 이용한 유도가열이 바람직하며 상기 온도에 도달하기까지의 시간은 약 60초이다. 상기 온도로 가열이 이루어지면 소재강을 포징프레스로 이송하여 약 10초간에 걸쳐 소정의 형상으로 단조작업을 행하게 된다.As a first step in the heat treatment process according to the present invention, the material is heated to 1230 ° C for hot forging. In this case, the heating method is preferably induction heating using an induction heater, and the time for reaching the temperature is about 60 seconds. When the heating is performed at the above-mentioned temperature, the material steel is transferred to a forging press and forged in a predetermined shape for about 10 seconds.
다음, 단조 공정의 완료 후에는 공기 중에 60초 ∼ 100초간 공냉시키게 되는데, 이와 같은 공냉을 통해서 강소재의 온도는 1000℃ ∼900℃ 범위로 떨어진다. 공냉 시간이 60초 미만으로 되면 보론의 확산시간이 짧아서 이후의 소입처리 단계를 거쳐 생성된 마르텐사이트 조직의 입내 및 입계에서 보론의 석출이 일어나지 않게 되고, 반대로 공냉 시간이 100초를 초과하게 되면 소입처리 후의 조직 내의 결정립계에 보론이 분포하기는 하나 결정립 크기가 상대적으로 커짐으로써 분포된 보론의 양이 적게되어 경화능 향상효과가 줄어들게 된다. Next, after completion of the forging process, air is cooled in the air for 60 seconds to 100 seconds. Through such air cooling, the temperature of the steel material falls in the range of 1000 to 900 占 폚. When the air cooling time is less than 60 seconds, the diffusion time of boron is short, so that precipitation of boron does not occur in the grain and grain boundaries of the martensite structure produced through the subsequent quenching treatment step. On the other hand, Although the boron is distributed in the grain boundaries in the treated structure, the grain size becomes relatively large, so that the amount of boron distributed is small, and the effect of improving the hardenability is reduced.
이에, 공냉 시간이 60초 ∼ 100초 범위 이내일 때 소입처리 후 마르텐사이트 조직의 입내 및 입계에 보론이 고르게 분포하게 되고 마르텐사이트의 분율이 높아져서 소정의 경화능 향상 및 기계적 특성의 향상 효과가 얻어지게 된다.Therefore, when the air cooling time is within the range of 60 to 100 seconds, the boron is uniformly distributed in the grain and grain boundary of the martensite structure after the quenching treatment, and the fraction of martensite is increased, .
상기의 공냉 단계에 이어서 소입처리와 템퍼링 공정이 순차적으로 수행되는바, 소입은 수냉(UCON-E 15∼25%)이나 유냉을 선택할 수 있다. 상기 템퍼링은 약 440℃에서 80분간 유지시키게 된다.The quenching process and the tempering process are sequentially performed following the above-described air cooling step. As the quenching, water cooling (15 to 25% UCON-E) or oil cooling may be selected. The tempering is maintained at about 440 [deg.] C for 80 minutes.
본 발명의 소재강에 포함된 보론은 경화능을 향상시키는 원소로서 열단단조 후의 소입처리시 페라이트 변태를 지연시켜 소입성을 향상시키는 역할을 한다. 오스테나이트에서 보론의 고용한도는 912℃에서 약 0.001%로 매우 낮고, a-Fe에서 거의 "O" 수준이기 때문에 오스테나이트 입계에 보론의 편석이 이루어지게 되고, 이러한 편석으로 인해서 오스테나이트 입계의 자유에너지가 줄어서 페라이트 핵생성이 지연되게 된다. The boron contained in the material steel of the present invention is an element which improves the hardenability and plays a role of retarding the ferrite transformation during the quenching treatment after hot forging to improve the ingotability. Since the solubility limit of boron in austenite is very low at about 912 ° C., about 0.001%, and because it is almost "O" level in a-Fe, boron segregation occurs at the austenitic grain boundaries and due to this segregation, Energy is reduced and ferrite nucleation is delayed.
본 발명은 미량의 보론 첨가만으로 기존의 고가의 합금원소인 Ni, Cr 및 Mo의 함유량을 낮춘 가운데 건설기계 트랙링크용 소재에서 요구되는 기계적, 물리적 특성에 부합하는 보론 합금강을 제공함으로써 트랙링크 제조비용을 절감할 수 있다. The present invention provides a boron alloy steel which meets the mechanical and physical characteristics required for construction machinery track link materials while lowering the content of existing expensive alloying elements Ni, Cr and Mo only by a small amount of boron addition, Can be saved.
본 발명에서는 보론 소재강의 열간단조, 소입 및 소려로 이어지는 제조공정 중에서 열간단조 후 소재강의 공냉을 통해서 소재강의 온도는 900 ∼1000℃ 범위로 떨어뜨린 상태에서 소입처리를 행함으로써 마르텐사이트 입내 및 입계에 보론의 고른 분포를 유도하여 강도 및 인성 등이 우수한 트랙링크용 보론 합금강을 얻을 수 있다. In the present invention, in the manufacturing process that leads to hot forging, quenching and sintering of the boron material steel, the temperature of the steel material is lowered to 900 to 1000 占 폚 through air cooling of the material steel after hot forging, It is possible to obtain boron alloy steels for track links having excellent strength and toughness by inducing even distribution of boron.
도1은 열처리 공정도이다.
도2(A)-(B)는 보론강의 미세조직 확대사진으로서, 도2(A)는 가열 전 보론강이고, 도2B는 1230℃로 가열후 서냉된 보론강이다.
도3(a) 내지 (d)는 단조 후 각각 20초, 50초, 80초 및 110초 동안 공냉한 후 소입한 시편들의 미세조직 확대사진이다.
도4(a) 내지 (d)는 도3의 소입처리를 거친 4가지 시편들을 440℃에서 80분간 템퍼링한 후의 미세조직 확대사진이다.
도5의(a) 내지 (d)는 열간단조 후 각각 20초, 50초, 80초 및 110초 공냉 후 소입처리를 마친 시편들의 보론 분포 분석결과 사진이다.
도6의(a) 내지 (d)는 도5의(a) 내지 (d)의 시편들에 대해 템퍼링 처리를 행한 후의 보론 분포 분석결과 사진이다.1 is a view showing a heat treatment process.
2 (A) and 2 (B) are enlarged microstructures of the boron steel. FIG. 2 (A) is a boron steel before heating, and FIG. 2 (B) is a boron steel which is slowly cooled after being heated to 1230.degree.
Figs. 3 (a) to 3 (d) are micrographs of specimens after air cooling for 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds and 110 seconds after forging, respectively.
Figs. 4 (a) to 4 (d) are micrographs of the four specimens subjected to the quenching treatment shown in Fig. 3 after they were tempered at 440 캜 for 80 minutes.
5 (a) to 5 (d) are photographs showing the results of boron distribution analysis of the specimens subjected to the air quenching after 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds and 110 seconds respectively after hot forging.
Figs. 6A to 6D are photographs of boron distribution analysis results after the tempering process is performed on the specimens of Figs. 5A to 5D. Fig.
상기 본 발명의 기술적 목적과 특징적인 열처리 공정은 아래의 실시예를 통해서 보다 명확하게 이해될 것이다. 본 실시예는 단지 예시적인 것으로서, 본 발명의 기술적 범위가 이에 의해서 제한되는 것은 아니다. The technical purpose and the characteristic heat treatment process of the present invention will be more clearly understood through the following examples. The present embodiments are merely illustrative, and the technical scope of the present invention is not limited thereto.
먼저, 소재강으로서, 탄소 함량으로 볼 때 아공석강에 속하는 중량%로, C 0.35, Si 0.26, Mn 1.3, P 0.013, S 0.004, Cu 0.1, Ni 0.06, Cr 0.2, Mo 0.02, Al 0.027, V 0.006, Ti 0.031, Nb 0.002, B 21ppm 및 잔여철로 이루어져 있다. First, as the material steel, C 0.35, Si 0.26, Mn 1.3, P 0.013, S 0.004, Cu 0.1, Ni 0.06, Cr 0.2, Mo 0.02, Al 0.027, V 0.006, Ti 0.031, Nb 0.002, B 21 ppm and residual iron.
상기 소재강을 도1의 열처리 공정도에서와 같이, 열처리로에서 가열한 후에 이를 고온단조하고, 이어서 소정시간 동안 공냉한 후에 소입과 템퍼링 처리를 순차적으로 행하였다. As shown in the heat treatment process chart of FIG. 1, the material steel was heated in a heat treatment furnace and then subjected to high temperature forging, followed by air cooling for a predetermined time, followed by quenching and tempering.
상기 열처리로를 빠져나온 소재강에 대하여 열간단조를 약 10초 동안 수행하였으며, 단조공정이 완료된 소재강의 온도는 1230℃였다. 열간단조를 마친 소재강의 잔열을 이용하여 소입처리를 행함에 있어서 보론의 분포도와 공냉 시간의 상관관계 내지는 최적의 보론 분포도를 얻기 위한 공냉 시간을 알아보기 위하여 상기 동일한 열간단조 공정을 거친 소재강 시편에 대해 20초, 50초, 80초 및 110초로 공냉 시간을 변화시킨 가운데 후속공정으로서의 소입처리를 행하였다. The material steel exiting the heat treatment furnace was subjected to hot forging for about 10 seconds, and the temperature of the material steel forged was 1230 ° C. In order to investigate the correlation between the distribution of boron and the air cooling time or the air cooling time for obtaining the optimum boron distribution in the quenching process using the residual heat of the material steel which has been subjected to the hot forging, For 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds, and 110 seconds, while the air cooling time was changed.
도1에서와 같이, 공냉 시간이 증가함에 따라 소입개시 시의 소재강 시편의 온도는 낮아지는바, 공냉 시간이 20초일 때는 1030℃, 50초일 때는 970℃, 80초일 때는 920 ℃, 110초일 때는 850℃였으며, 냉각속도는 공냉 시간 순으로 각각 10℃/sec, 5.2℃/sec, 3.9℃/sec 및 3.5℃/sec였다. As shown in FIG. 1, as the air cooling time increases, the temperature of the material specimen at the start of the quenching becomes lower. When the air cooling time is 20 seconds, the temperature is 1030 ° C., 50 seconds is 970 ° C., 80 seconds is 920 ° C., 850 캜, and cooling rate was 10 캜 / sec, 5.2 캜 / sec, 3.9 캜 / sec, and 3.5 캜 / sec respectively in the order of air cooling time.
상기 소입처리가 완료된 4가지 시편에 대하여 공통적으로 시편의 심부까지 440℃에 도달한 시점부터 80분간 유지시키는 템퍼링을 수행하였다. Tempering was carried out for four specimens having undergone the above-mentioned quenching treatment, which were held at a temperature of 440 DEG C until the core of the specimen was held for 80 minutes.
열처리가 완료된 시편들에 대하여 광학현미경으로 미세조직을 관찰하였다. The microstructures of the heat - treated specimens were observed with an optical microscope.
도2(A)는 가열 전 보론강이고, 도2(B)는 1230℃로 가열후 서냉된 보론강의 미세조직 확대사진이다. 도2(A)에서 밝은색 부분은 초석페라이트이고, 어두운 부분은 페라이트와 세멘타이트가 교대로 있는 펄라이트 조직으로서, 초석페라이트와 펄라이트가 공존하고 있음을 알 수 있다. FIG. 2 (A) is a pre-heating boron steel, and FIG. 2 (B) is an enlarged microstructure of a boron steel which is slowly cooled after being heated to 1230.degree. In Fig. 2 (A), bright color portions are pro-eutectoid ferrite, and dark portions are pearlite structures alternating between ferrite and cementite. It can be seen that pro-eutectoid ferrite and pearlite coexist.
한편, 도2(B)에서와 같이 도2(A)의 보론강을 1230℃로 가열한 후에 서냉하게 되면, 펄라이트의 크기가 더 크게 됨을 알 수 있는바, 이는 서냉 과정에서 우선적으로 생성되는 초석페라이트가 초기에 존재했던 오스테나이트 결정립계를 따라 생성되어 성장하는 한편으로 잔류 오스테나이트가 펄라이트로 변태 되는 데에 기인한 다. On the other hand, as shown in FIG. 2 (B), when the boron steel of FIG. 2 (A) is heated to 1230 ° C. and then slowly cooled, the size of pearlite becomes larger. Ferrite is generated and grown along with the austenite grain boundaries that were present initially, while the residual austenite is transformed into pearlite.
도3(a) 내지 (d)는 단조 후 각각 20초, 50초, 80초 및 110초 동안 공냉한 후 소입한 시편들의 미세조직 확대사진으로서, 모든 시편에서 마르텐사이트 조직이 존재함을 알 수 있다. 이는 도1의 본 발명의 열처리 공정도에서와 같이, 단조 후 상기 시간 동안 공냉한 4가지 시편의 온도가 각기 1030℃, 970℃, 920℃ 및 850℃로서 모두 오스테나이트 영역 내에 존재하고 있기 때문이며, 급냉할 경우 모든 시편에서 초석페라이트나 펄라이트가 생성될 충분한 시간적 여유가 없어서 FCC 결정구조를 갖는 오스테나이트가 BCC 결정구조로 변태되지 못하고 BCT 결정구조의 마르텐사이트 조직으로 변했기 때문이다. Figs. 3 (a) to 3 (d) are microstructure enlarged photographs of the specimens after air cooling for 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds and 110 seconds after forging, respectively. have. This is because, as in the heat treatment process of the present invention shown in FIG. 1, the temperatures of the four specimens air-cooled during the above-mentioned time after forging exist in the austenite region as 1030 ° C., 970 ° C., 920 ° C. and 850 ° C., respectively, The austenite with the FCC crystal structure can not be transformed into the BCC crystal structure but turned into the martensite structure with the BCT crystal structure because there is not enough time for the generation of protonic ferrite or pearlite in all the specimens.
도4(a) 내지 (d)는 도3의 소입처리를 거친 4가지 시편들을 440℃에서 80분간 템퍼링한 후의 미세조직 확대사진이다. 도4의 (a) 내지 (d)는 각각 20초, 50초, 80초 및 110초 공냉 후 소입과 템퍼링 처리를 마친 시편들에 대한 미세조직 사진으로서, 네 가지 모두 마르텐사이트가 템퍼드마르텐사이트로 변태되었음을 알 수 있다. Figs. 4 (a) to 4 (d) are micrographs of the four specimens subjected to the quenching treatment shown in Fig. 3 after they were tempered at 440 캜 for 80 minutes. 4 (a) to 4 (d) are photographs of microstructures of the specimens after 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds, and 110 seconds of cooling and tempering, respectively, all of which are martensite- As shown in Fig.
템퍼드마르텐사이트는 미세한 펄라이트와 같은 조직으로서, 마르텐사이트와는 달리 취성을 나타내지 않으면서 어느 정도 강도가 유지되고 연성과 인성이 증가하게 된다.Tempered martensite is a fine pearlite-like structure. Unlike martensite, it does not exhibit brittleness but maintains strength to some extent and increases ductility and toughness.
그런데, 도4(a) 내지 (d)에서와 같이 열간단조 후 공냉시간의 변화에 따라 보론이 석출되는 경향에서 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 즉, 도4(a)에서와 같이 열간단조 후 20초간의 공냉을 거쳐 소입 및 템퍼링 처리를 한 시편의 경우에는 결정립 내 혹은 결정립계에서 석출되는 보론이나 보론 석출물은 관찰되지 않는다. 이러한 결과는, 1230℃에서 1030℃까지 공냉하는 20초의 시간은 마르텐사이트에서 보론이 석출되는데 충분치 않은 시간이라는 것을 알 수 있다. 즉, 보론의 확산시간이 짧음을 의미한다. As shown in FIGS. 4 (a) to 4 (d), it can be seen that there is a difference in the tendency of boron to precipitate with changes in the air cooling time after hot forging. That is, as shown in FIG. 4 (a), in the case of the specimen subjected to the quenching and tempering treatment through air cooling for 20 seconds after the hot forging, boron or boron precipitates precipitated in crystal grains or grain boundaries are not observed. These results show that the time of 20 seconds in which air is cooled from 1230 ° C to 1030 ° C is not enough time for boron to precipitate in martensite. That is, the diffusion time of boron is short.
한편, 1230℃에서 열처리 후 공기 중에서의 노출시간은 50초, 80초, 110로 증가시킴에 따라 까만 점으로 보이는 새로운 상이 발견되며, 그 개수도 증가함을 알 수 있다. 이에 따라, 850℃ 이상의 온도로 유지되는 시간이 길수록 보론의 확산이 용이하게 되어 보론의 편석이나 보론 석출물의 생성이 활성화됨을 알 수 있다. On the other hand, when the exposure time in air after heat treatment at 1230 ° C was increased to 50 seconds, 80 seconds, and 110, a new image appeared as a black spot was found, and the number of images was also increased. As a result, it can be seen that boron diffusion becomes easier as the time at which the boron is maintained at a temperature of 850 ° C or higher becomes longer, and generation of boron segregation or generation of boron precipitates is activated.
다음, 보론강 내에 미량으로 존재하는 보론의 존재와 그 분포를 알아보기 위해 중성자 자기방사법(Neutron Autoradiography)를 이용하였다. 도5의(a) 내지 (d)는 열간단조 후 각각 20초, 50초, 80초 및 110초 공냉 후 소입처리를 마친 시편들의 보론 분포 분석결과 사진이다. Next, Neutron Autoradiography was used to investigate the presence and distribution of boron present in trace amounts in boron steel. 5 (a) to 5 (d) are photographs showing the results of boron distribution analysis of the specimens subjected to the air quenching after 20 seconds, 50 seconds, 80 seconds and 110 seconds respectively after hot forging.
20초 동안 공냉 후 급냉한 시편{도5(a)}과 50초 동안 공냉 후 급냉한 시편{도5(b)}에서는 뚜렷한 보론의 분포가 관찰되고 있지 않음을 알 수 있는 반면에, 80초 동안 공냉한 후 급냉한 시편{도5(c)}에서는 결정립계에 보론이 존재하고 있음이 뚜렷하게 관찰되고 있다. 한편, 110초 동안 공냉 후 급냉한 시편{도5(d)}에서는 결정립계에 보론이 존재하고 있긴 하나 결정립 크기가 상대적으로 커짐으로써 분포된 보론의 양이 적음을 알 수 있다. 이러한 경향은 후속되는 템퍼링 처리 후의 시편에서 더욱 뚜렷하게 나타난다. (Fig. 5 (a)) after air cooling for 20 seconds and quenched specimen (Fig. 5 (b)) after air cooling for 50 seconds showed no clear distribution of boron, (Fig. 5 (c)) clearly shows the presence of boron in the grain boundaries. On the other hand, in the specimen quenched after air cooling for 110 seconds (FIG. 5 (d)), boron exists in the grain boundaries, but the amount of boron distributed is relatively small because the grain size is relatively large. This tendency is more pronounced in the specimen after the subsequent tempering treatment.
도6의(a) 내지 (d)는 도5의(a) 내지 (d)의 시편들에 대해 템퍼링 처리를 행한 후의 보론 분포 분석결과 사진이다. 도6의 (a) 내지 (d) 사진의 비교를 통해서, 열간단조 후 80초 동안 공냉하고 급냉한 시편을 다시 440℃에서 템퍼링한 시편{도6(c)}의 경우가 결정립 크기도 가장 미세하고 그 결정립계를 따라 분포하고 있는 보론의 양도 가장 많음을 알 수 있다. Figs. 6A to 6D are photographs of boron distribution analysis results after the tempering process is performed on the specimens of Figs. 5A to 5D. Fig. 6 (a) to 6 (d), it can be seen that, in the case of a specimen tempered by quenching for 80 seconds after hot forging and then quenched again at 440 ° C. (FIG. 6 And the amount of boron distributed along the grain boundary is also the largest.
따라서 80초 동안 공냉 후 급냉한 시편을 다시 440℃에서 템퍼링한 시편의 경우가 1230℃에서 열처리시 오스테나이트의 결정립계에 보론의 석출의 많아져서 오스테나이트의 결정립 에너지를 낮춤으로써 결정립에서 초석페라이트의 석출을 억제함에 따른 마르텐사이트 생성을 촉진시키는 역할을 하게 된다. 이와 같은 냉각능의 향상에 기인하여 마르텐사이트의 분율이 높아짐에 따라 템퍼링 후의 소재강에 대한 기계적 특성의 향상이 도모된다. Therefore, in the case of specimens quenched after air cooling for 80 seconds and then tempered again at 440 ° C, the precipitation of boron in the austenite grains during annealing at 1230 ° C is increased to lower the austenite grain energy, And thus promotes the formation of martensite. As the fraction of martensite increases as a result of such improvement of the cooling ability, the mechanical properties of the material steel after tempering can be improved.
다음, 1230℃에서 열간단조 후 공냉 시간을 달리해서 소입 및 템퍼링 처리해서 얻어진 최종 시편 4가지에 대한 기계적 특성으로서의 인장강도와 충격치 및 피로 특성을 측정하였던 바 그 결과는 아래와 같다. Next, tensile strength, impact strength and fatigue characteristics were measured as the mechanical properties of the final four specimens obtained by quenching and tempering at different temperatures of 1230 ° C. after hot forging. The results are as follows.
[표 1]은 열처리 공정을 거친 보론강 시편의 인장특성과 충격특성의 측정결과이다. Table 1 shows the measurement results of the tensile and impact properties of the boron steel specimens subjected to the heat treatment process.
구분
division
열처리된Heat-treated
보론강의Boron
인장 및 충격특성 측정결과 Measurement results of tensile and impact properties
상기 [표 1]에서와 같이, 급냉(소입) 전 공기중에서의 유지시간이 길수록 인장강도와 항복강도는 감소하고 있으며, 연신율과 충격강도는 증가함을 알 수 있다. 그런데 급냉 전 공기중에서 유지시간이 길수록 인장강도와 항복강도의 감소는 적은 반면에 충격강도의 향상은 크게 나타남을 알 수 있다. 이와 같은 기계적 특성의 공냉시간 경과에 따른 변화거동과 트랭링크용 보론강에서 요구되는 품질특성을 감안한 공냉 유지시간의 범위는 60초 내지 100초의 범위가 바람직하다. As shown in Table 1, the tensile strength and the yield strength decrease with increasing holding time in air before quenching (quenching), and elongation and impact strength increase. However, it can be seen that the longer the holding time in air before quenching, the less the tensile strength and the yield strength decrease, but the higher the impact strength is. It is preferable that the range of the air-cooling and holding time in consideration of the change behavior of the mechanical characteristics with the lapse of the air-cooling time and the quality characteristics required for the tren-link boron steel is in the range of 60 to 100 seconds.
다음, 상기 열처리 과정을 마친 네 개의 시편에 대한 피로특성에 대해서 시험하였다. 피로특성에 대한 시험은 로타리 밴딩시험기를 이용하여 행해졌는바, 이때 가해진 하중은 13kg에서 20kg이었으며, 각 조건에서 100만회까지 실시하였다. 그 시험결과는 아래의 [표 2]와 같다.
Next, the fatigue characteristics of the four specimens after the heat treatment were tested. The fatigue characteristics were tested using a rotary banding tester. The applied load was 13 kg to 20 kg, and the load was applied to 1 million cycles under each condition. The test results are shown in [Table 2] below.
회전수
Revolutions
열처리된Heat-treated
보론강의Boron
피로시험 결과 Fatigue test result
위의 [표 2]에서와 같이, 급냉 전 20초가 공냉된 시편의 경우에는 13kg의 피로하중에서는 100만회 동안 파괴되지 않았으며, 20kg의 피로하중에서는 78,000회에서 피로파괴가 일어났다. 한편, 50초 공냉된 시편은 14kg의 피로하중에서는 100만회 동안 파괴되지 않았으며 15kg의 피로하중에서는 47만회에서 파괴가 일어났다. 그리고 80초 공냉된 시편의 경우에는 16kg의 피로하중에서도 피로파괴가 일어나지 않았으며 17kg의 하중에서 파괴가 일어났다. 마지막으로 110초 공냉된 시편은 15kg의 하중에서도 파괴가 일어났으며, 14kg의 하중에서는 파괴가 일어나지 았았다. As shown in [Table 2], the specimens air-cooled for 20 seconds before quenching were not destroyed for 1 million cycles at 13 kg of fatigue load and fatigue failure at 78,000 cycles for 20 kg of fatigue load. On the other hand, the 50 - second air - cooled specimen was not destroyed for 1 million cycles under a fatigue load of 14 kg and for 470,000 cycles under a fatigue load of 15 kg. In the case of specimens air - cooled for 80 seconds, fatigue failure did not occur even under the fatigue load of 16 kg and the failure occurred under the load of 17 kg. Finally, the specimen air - cooled for 110 seconds was destroyed under a load of 15 kg and destroyed under a load of 14 kg.
이상의 결과로부터 80초 동안 공냉된 시편이 가장 바람직한 피로시험 결과치를 보이고 있음을 알 수 있다.
From the above results, it can be seen that the air-cooled specimen for 80 seconds shows the most preferable fatigue test results.
Claims (4)
The method of claim 3, wherein the cooling rate of the quenching step is 3.9 ° C / sec.
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