KR20160063555A

KR20160063555A - 고강도 선재 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20160063555A
Application number: KR1020140166850A
Authority: KR
Inventors: 이형직; 박성운
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2016-06-07
Also published as: KR101676113B1

Abstract

고강도 선재 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명의 선재는, 중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~2.0%, 망간(Mn):3.0~5.0%, 크롬(Cr):0.5~2.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고,
본 발명의 선재 제조방법은, 상기 조성을 갖는 강을 마련한 후, 이를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 강재를 마무리 열간압연한 후, Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위까지 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및 상기 냉각된 강재를 상온으로 공냉하는 공정;을 포함한다.

Description

고강도 선재 및 그 제조방법 {WIRE ROD HAVING HIGH STRENGTH, AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 강도 특성이 우수한 선재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다양한 외부 부하 환경에 노출되는 산업기계 또는 자동차 등의 기계 부품에 사용되는 강재로서 우수한 강도를 갖는 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 환경오염의 주범으로 지목되고 있는 이산화탄소의 배출을 줄이기 위한 노력이 전 세계적인 이슈가 되고 있다. 그 일환으로 자동차의 배기가스를 규제하는 움직임도 활발하여, 이에 대한 대책으로 자동차 메이커들은 연비 향상을 통해 이 문제를 해결해 나가려고 하고 있다. 연비 향상을 위해서는 자동차의 경량화 및 고성능화가 요구되며, 이에 따른 자동차용 소재 또는 부품의 고강도 필요성이 증대되고 있다.

선재에 있어 페라이트 또는 펄라이트 조직으로는 높은 강도를 확보하는 데에는 한계가 있다. 이들 미세조직을 갖는 소재는 통상 강도가 상대적으로 낮은 특징이 있으며, 강도를 높이기 위해 추가적인 냉간 신선을 행해야만 한다.

그러므로 일반적으로 우수한 강도를 얻기 위해서는 베이나이트 조직이나 템퍼드 마르텐사이트 조직을 이용하게 된다. 베이나이트 조직은 열간압연한 강재를 사용하여 항온변태 열처리를 통해 얻을 수 있고, 템퍼드 마르텐사이트 조직은 담금질 및 뜨임 열처리를 통해 얻을 수 있다. 그러나, 통상의 열간압연 및 연속냉각 공정만으로 이러한 조직들을 안정적으로 얻을 수 없기 때문에 열간압연된 강재를 사용하여 상기와 같은 추가적인 열처리 공정을 거쳐야만 한다.

상술한 추가적인 열처리를 하지 않고도 고강도를 확보할 수 있다면, 소재에서부터 부품 생산에 이르기까지 수많은 공정의 일부가 생략되거나 단순해질 수 있어 생산성을 향상시키고, 제조원가를 낮출 수 있는 장점들도 있다.

그런데 열간압연 및 연속냉각 공정을 이용하여 베이나이트 또는 마르텐사이트 조직을 안정적으로 얻을 수 있는 선재는 아직 개발되지 못하고 있어, 이러한 선재 개발에 대한 요구가 대두 되고 있다.

따라서 본 발명은 상기 종래기술의 한계를 극복하기 위한 것으로, 항온변태나 담금질 및 뜨임과 같은 추가 열처리 공정이 없이도 열간압연 및 연속냉각 공정만으로 우수한 강도 및 충격 인성을 가질 수 있는 선재 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.

그러나 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~2.0%, 망간(Mn):3.0~5.0%, 크롬(Cr):0.5~2.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강도특성이 우수한 선재에 관한 것이다.

본 발명에서 상기 선재는 95 면적% 이상의 마르텐사이트와 잔부 잔류 오스테나이트(γ)로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 상기 선재는 인장강도가 1200~1400MPa이고, 연성이 15%이상일 수 있다.

또한 본 발명은,

중량%로, 탄소 (C):0.05~0.15%, 실리콘 (Si):0.5~2.0%, 망간 (Mn):3.0~5.0%, 크롬 (Cr):0.5~2.0%, 인 (P):0.020%이하, 황 (S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 마련한 후, 이를 재가열하는 공정;

상기 재가열된 강재를 마무리 열간압연한 후, Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위까지 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및

상기 냉각된 강재를 상온으로 공냉하는 공정;을 포함하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법에 관한 것이다.

상술한 구성에 따른 본 발명은, 열간압연 및 연속냉각 공정만을 이용하여 산업기계 및 자동차용 소재 또는 부품에서 요구되는 충격 인성이 우수한 마르텐사이트계 고망간강 선재를 제공할 수 있다. 그러므로, 종래의 추가적인 열처리 공정을 생략할 수 있어 전체 제조비용을 절감하는데 매우 유리하다.

본 발명은 고강도를 확보하기 위해, 항온변태나 담금질 및 뜨임과 같은 추가 열처리 공정이 없이도 열간압연 및 연속냉각 공정만으로 우수한 강도특성을 갖는 마르텐사이트계 고망간강 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 우수한 강도특성을 갖는 본 발명의 마르텐사이트계 고망간강 선재를 설명한다.

본 발명의 선재는, 중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~2.0%, 망간(Mn):3.0~5.0%, 크롬(Cr):0.5~2.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명의 선재의 성분 및 조성범위 한정이유를 상세히 설명한다.

탄소(C):0.05~0.15%

탄소는 강도를 확보하기 위한 필수적인 원소로, 강 중에 고용되거나 탄화물 또는 세멘타이트 형태로 존재한다. 강도의 증가를 위해 가장 손쉽게 할 수 있는 방법이 탄소 함량을 증가시켜 탄화물이나 세멘타이트를 형성시키는 일이지만, 반대로 연성을 감소시키기 때문에 일정한 범위 내로 탄소의 첨가를 제한할 필요가 있다. 본 발명에서는 탄소(C)함량을 0.05-0.15% 범위로 제한함이 바람직한데, 이는 탄소 함유량이 0.05% 미만이면 목표 강도를 얻기 힘들고, 0.15%를 초과하면 연성이 급격히 감소할 수 있기 때문이다.

실리콘(Si): 0.5~2.0% 이하

실리콘은 첨가시 페라이트에 고용되어 강재의 고용 강화를 통한 강도 증가에 매우 효과가 큰 원소로 알려져 있다. 실리콘의 함량이 0.5% 미만이면 실리콘에 의한 고용 강화 효과를 충분히 얻지 못하기 때문에 강도 상승이 작고, 실리콘 함량이 2.0%를 초과하면 강도 상승이 너무 크고, 그에 따라 연성이 지나치게 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

망간(Mn): 3.0~5.0%

망간은 강재의 강도를 증가시키고, 경화능을 향상시켜 넓은 범위의 냉각속도에서 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온조직의 형성을 용이하게 한다. 그러나 망간 함유량이 3.0% 미만이면 경화능이 충분하지 못해 열간압연 후 연속냉각 공정으로 저온조직을 안정적으로 확보하기 곤란하고, 5.0%를 초과하면 응고중 Mn의 편석이 조장되기 쉽다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 망간의 함량을 3.0~5.0%로 제한함이 바람직하다.

크롬(Cr): 0.5~2.0%

크롬은 망간과 유사하게 강재의 강도와 경화능을 증가시킨다. 그러나 크롬 함유량이 0.5% 미만이면 강도 및 경화능 향상 효과가 크지 않고, 크롬 함유량이 2.0%를 초과하면 강도와 경화능 향상에는 유효하지만 연성이 나빠질 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 크롬의 함량을 0.5~2.0% 범위로 제한함이 바람직하다.

인(P): 0.020% 이하

인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.020%로 제한한다.

황(S): 0.020% 이하

황은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키고 저융점 유화물을 형성시켜 열간 압연을 저해하므로 그 상한을 0.020%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 마르텐사이트계 고망간강 선재는 실질적으로 마르텐사이트 조직으로 이루어질 수 있으며, 구체적으로 95 면적% 이상의 마르텐사이트와 잔부 잔류 오스테나이트(γ)로 이루어질 수 있다.

다음으로, 본 발명의 강도특성이 우수한 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 선재의 제조방법은, 상술한 조성을 갖는 강을 마련한 후, 이를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 강재를 마무리 열간압연한 후, Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위까지 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및 상기 냉각된 강재를 상온으로 공냉하는 공정;을 포함한다.

먼저, 본 발명에서는 상술한 조성성분을 갖는 강재를 마련한 후, 이를 재가열한다. 본 발명에서 채용할 수 있는 재가열온도 범위는 1000~1100℃ 범위를 이용하면 좋다.

이어, 본 발명에서는 상기 재가열된 강재를 열간 압연하는데, 이때 마무리 열간압연 온도를 850~950℃범위로 관리하면 좋다.

상기 마무리 열간압연된 강재는 냉각처리되는데, Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위에서 냉각을 종료함이 바람직하다. 만일 냉각종료온도가 Mf를 초과하면 충분한 양의 마르텐사이트 조직을 얻기 어렵고, Mf-50℃ 미만이면 강재가 충분히 식어 취급은 용이하나 생산성을 떨어뜨리기 때문에 냉각종료온도는 Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위로 제어하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 마무리 열간압연 후, 냉각종료온도까지의 구간을 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각함이 바람직하다. 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하고 이후 공냉함으로써 면적 분율 95% 이상의 마르텐사이트로 구성된 강 선재 조직을 얻을 수 있다.

또한 상기와 같은 제조공정으로 제조된 본 발명의 고망간강 선재는 인장강도가 1200~1400MPa이고, 연성이 15% 이상일 수가 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

(실시예)

표 1의 조성성분을 갖는 용강을 각각 잉곳으로 주조한 후, 1200℃에서 12시간 균질화 처리를 실시하였다. 그리고 균질화처리된 강재를 두께 25mm로 열간압연한 후, 공냉하였다.

이후, 상기와 같이 제조된 각각의 강재들을 900℃에서 용체화 처리한 다음 표 2의 냉각속도로 냉각하였다. 그리고 냉각된 각각의 강재들에 대하여 기계적 물성을 측정하여 그 결과를 표 2에 또한 나타내었다.

표 2에서, 상온 인장시험은 crosshead speed를 항복점까지는 0.9mm/min, 그 이후로는 6mm/min의 속도로 실시하였다.

시편 No.	조성성분(중량%)
시편 No.	C	Si	Mn	Cr	P	S
1	0.08	0.9	4.3	1.0	0.016	0.007
2	0.05	1.8	3.5	1.3	0.012	0.017
3	0.11	1.2	3.8	0.7	0.010	0.015
4	0.09	1.5	4.1	1.1	0.011	0.010
5	0.07	2.0	3.6	0.9	0.017	0.015
6	0.13	0.6	4.6	0.6	0.012	0.012
7	0.06	0.7	4.7	0.5	0.018	0.008
8	0.10	1.7	3.3	1.9	0.009	0.010
9	0.11	1.5	4.8	3.2	0.015	0.012
10	0.23	1.1	3.9	0.7	0.016	0.015
11	0.08	1.6	5.5	1.0	0.013	0.016
12	0.05	1.3	2.5	0.1	0.016	0.014
13	0.07	3.1	4.5	0.5	0.011	0.013
14	0.12	0.8	3.6	1.2	0.014	0.017
15	0.06	0.1	3.8	1.1	0.010	0.008

구분	시편 No.	냉각속도(℃/s)	마르텐사이트 분율(%)	인장강도(MPa)	연신율(%)
발명예	1	1	97	1250	17
	2	10	99	1340	16
	3	15	99	1380	15
	4	2	98	1322	16
	5	3	98	1375	15
	6	7	98	1276	17
	7	5	98	1234	17
	8	0.5	97	1348	16
비교예	9	5	99	1489	10
	10	2	98	1562	7
	11	1	99	1440	11
	12	3	30	1046	23
	13	7	99	1523	9
	14	0.05	10	1135	21
	15	0.5	95	1192	19

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 강 조성성분이 본 발명의 범위 내이고 0.2℃/s 이상의 냉각속도를 충족하는 본 발명예 1-8의 경우 모두 마르텐사이트 조직이 얻어져 1200-1400MPa의 인장강도와 15%이상의 연성을 보여주고 있다

이에 반하여, 크롬과 망간 성분이 본 발명의 상한을 각각 벗어난 비교예 9와 11은 강도가 크게 증가하고, 연성이 감소함을 보여주고 있다.

또한 비교예 10은 탄소의 함량이 본 발명의 성분 범위를 초과하여 첨가된 경우로서, 탄소의 마르텐사이트 기지 고용강화 효과의 증대로 강도가 크게 증가하고, 연성은 급격히 감소하는 것을 보여주고 있다.

그리고 비교예 12는 망간과 크롬이 본 발명의 성분 범위 보다 적게 첨가된 경우로서, 냉각속도를 만족하지만 상대적으로 경화능이 낮기 때문에 마르텐사이트 대신 베이나이트 조직을 형성해 강도가 감소하고, 연성은 증가함을 보이고 있다.

또한 비교예 13은 실리콘이 본 발명의 성분 범위를 초과하여 함유된 경우로서, 인장 강도는 크게 증가하며 그와 함께 연성은 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다.

비교예 14는 본 발명의 강 조성성분은 만족하나 냉각속도가 너무 느릴 경우 마르텐사이트 대신 베이나이트 조직이 형성되어 강도는 감소하고 연성은 증가됨을 보여주고 있다.

비교예 15는 실리콘이 본 발명의 성분 범위 보다 적게 첨가된 경우로서, 냉각속도를 만족하지만 실리콘에 의한 고용강화 효과를 거의 얻을 수 없기 때문에 인장 강도는 감소하고 연성은 증가됨을 보여주고 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~2.0%, 망간(Mn):3.0~5.0%, 크롬(Cr):0.5~2.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강도특성이 우수한 선재.
제 1항에 있어서, 상기 선재는 95 면적% 이상의 마르텐사이트와 잔부 잔류 오스테나이트(γ)로 이루어진 미세조직을 가짐을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재.
제 1항에 있어서, 상기 선재는 인장강도가 1200~1400MPa이고, 연성이 15% 이상인 것을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재.
중량%로, 탄소 (C):0.05~0.15%, 실리콘 (Si):0.5~2.0%, 망간 (Mn):3.0~5.0%, 크롬 (Cr):0.5~2.0%, 인 (P):0.020%이하, 황 (S):0.020%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 마련한 후, 이를 재가열하는 공정;
상기 재가열된 강재를 마무리 열간압연한 후, Mf ~ Mf - 50℃의 온도범위까지 0.2℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및
상기 냉각된 강재를 상온으로 공냉하는 공정;을 포함하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법.
제 4항에 있어서, 상기 선재는 95 면적% 이상의 마르텐사이트와 잔부 잔류 오스테나이트(γ)로 이루어진 미세조직을 가짐을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법.