KR20160063565A - 고강도 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

고강도 선재 및 그 제조방법이 제공된다.
본 발명은, 중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인 (P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti): 0.010-0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, 그 미세조직이 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(MA)로 이루어진 강도특성이 우수한 선재에 관한 것이다.

Description

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

본 발명은 강도특성이 우수한 선재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다양한 외부 부하 환경에 노출되는 산업기계 또는 자동차 등의 기계 부품에 사용될 수 있는 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 활발하며, 이에 대한 대책으로 자동차 메이커들은 연비 향상을 통해 이 문제를 해결해 나가려고 하고 있다. 그런데 연비 향상을 위해서는 자동차의 경량화 및 고성능화가 요구되므로, 이에 따른 자동차용 소재 또는 부품의 고강도 필요성이 증대되고 있다.

선재에 있어서 페라이트 또는 펄라이트 조직으로는 높은 강도를 확보하는데에는 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.

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 없이 열간압연 및 연속냉각 공정만으로 우수한 강도특성을 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):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인 (P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti): 0.010~0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, 그 미세조직이 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(MA)로 이루어진 강도특성이 우수한 선재에 관한 것이다.

상기 도상 마르텐사이트(MA)의 결정립도가 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.

상기 선재는 인장강도가 800~1100MPa이고, 연성이 20% 이상일 수 있다.

또한 본 발명은,

중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S): 0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti): 0.010~0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 마련한 후, 이를 재가열하는 공정;

상기 재가열된 강재를 마무리 열간 압연한 후, Bf ~ Bf - 50℃의 온도범위까지 0.2 ~ 1℃/s의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및

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

상기 선재의 미세조직은 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(MA)로 이루어짐이 바람직하다.

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

이하, 다양한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 우수한 인장 강도를 갖는 본 발명의 선재를 설명한다.

본 발명의 선재는, 중량%로 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S): 0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti):0.010~0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하 본 발명의 선재강의 성분 및 조성범위 한정이유를 상세히 설명한다.

탄소(C): 0.05~0.15%

탄소는 강도를 확보하기 위한 필수적인 원소로서, 강중에 고용되거나 탄화물 또는 세멘타이트 형태로 존재한다. 강도의 증가를 위해 가장 손쉽게 할 수 있는 방법이 탄소 함량을 증가시켜 탄화물이나 세멘타이트를 형성시키는 일이지만, 베이나이트 조직을 안정적으로 확보하기 위해서는 일정한 범위 내로 탄소의 첨가량을 제한할 필요가 있다. 본 발명에서는 탄소(C)함량을 0.05~0.15% 범위로 제한함이 바람직한데, 이는 탄소 함량이 0.05% 미만이면 목표 강도를 얻기 힘들고, 0.15%를 초과하면 베이나이트 조직을 얻기가 용이하지 않을 수 있기 때문이다.

실리콘(Si): 0.5~1.5%

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 1.5%를 초과하면 강도 상승이 너무 크고, 그에 따라 연성이 지나치게 저하되기 때문에 바람직하지 않다.

망간(Mn): 3.0~4.0%

망간은 강재의 강도를 증가시키고, 경화능을 향상시켜 넓은 범위의 냉각속도에서 베이나이트 또는 마르텐사이트와 같은 저온조직의 형성을 용이하게 한다. 그러나 망간 함량이 3.0% 미만이면 경화능이 충분하지 못해 열간압연 후 연속냉각 공정으로 저온조직을 안정적으로 확보하기 곤란해 진다. 또한 4.0%를 초과하면 경화능이 너무 높아 공냉시에도 마르텐사이트 조직을 얻을 수 있기 때문에 적합하지 못하다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 망간의 함량을 3.0~4.0%로 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.

붕소(B): 0.0010~0.0030%

붕소는 경화능을 향상시키는 원소로서 오스테나이트 결정립계로 확산되어 냉각시 페라이트의 생성을 억제하고, 베이나이트 또는 마르텐사이트 형성을 용이하게 한다. 그러나 그 첨가량이 0.0010% 미만이면 첨가에 따른 효과를 기대할 수 없으며, 0.0030%를 초과하면 더 이상 효과 상승을 기대할 수 없음과 아울러 입계에 보론계 질화물의 석출로 인해 입계강도를 저하시켜 열간가공성을 저하시킬 수 있다. 따라서 이를 고려하여,본 발명에서는 보론의 첨가범위를 0.0010~0.0030%로 제한함이 바람직하다.

타이타늄 (Ti): 0.010~0.030%

타이타늄은 질소와의 반응성이 가장 커서 제일 먼저 질화물을 형성한다. 타이타늄 첨가로 TiN을 형성하여 강중의 질소를 대부분 소진하게 되면 BN의 석출을 막아 붕소가 soluble 상태로 존재할 수 있도록 도와 경화능 향상의 효과를 얻을 수 있다. 그러나 그 첨가량이 0.010% 미만이면 첨가에 따른 효과가 미흡하며, 0.030% 를 초과하면 조대한 질화물을 형성해 기계적 물성이 열위하게 될 수 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 타이타늄의 첨가량을 0.010~0.030% 범위로 제한함이 바람직하다.

질소 (N): 0.0050% 이하

질소는 붕소가 soluble한 상태로 유지되어 경화능 향상 효과를 충분히 발휘할 수 있도록 하기 위해 그 상한을 0.0050%로 제한하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 선재는 그 강 미세조직이 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(Martensite Austenite Constituent, MA)로 이루어져 있음이 바람직하다. 상기 잔부조직인 도상 마르텐사이트(MA)는 주상인 베이나이트 결정립계를 따라 형성되며, 그 분율이 높을 경우 강재의 강도가 높아질 수 있으나, 연성이 나빠질 수 때문에 가능한 그 분율을 낮게 관리하는 것이 바람직하다.

이를 고려하여, 본 발명에서는 상기 잔부 조직인 도상 마르텐사이트(MA)의 면적 분율을 10% 이하(다시 말하면, 주상인 베이나이트 조직을 90% 이상)로 관리함이 소망스럽다. 본 발명에서 이러한 잔부 조직인 도상 마르텐사이트(MA)의 면적 분율은 강재를 열간압연 후, 냉각시 냉각속도를 조절함으로써 효과적으로 달성될 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기 잔부 조직인 도상 마르텐사이트(MA)의 결정립도가 5㎛ 이하인 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 우수한 강도특성을 갖는 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 선재의 제조방법은, 상술한 조성을 갖는 강을 마련한 후, 이를 재가열하는 공정; 상기 재가열된 강재를 마무리 열간압연한 후, Bf ~ Bf - 50℃의 온도범위까지 0.2 ~ 1℃/s의 냉각속도로 냉각하는 공정; 및 상기 냉각된 강재를 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, Bf ~ Bf - 50℃의 온도범위에서 냉각을 종료함이 바람직하다. 만일 냉각종료온도가 Bf를 초과하면 충분한 양의 베이나이트 조직을 얻기 어렵고, Bf-50℃ 미만이면 강재가 충분히 식어 취급은 용이하나 생산성을 떨어뜨리기 때문에 냉각종료온도는 Bf ~ Bf - 50℃의 온도범위로 제어하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서는 상기 마무리 열간 압연 이후, 냉각종료온도까지의 구간을 0.2 ~ 1℃/s의 냉각속도로 냉각함이 바람직하다. 만일 냉각속도가 0.2℃/s 미만이면 초석 페라이트의 형성이 많아지고, 1℃/s 초과하게 되면 마르텐사이트가 형성이 많아져 연성을 저하시킬 수 있기 때문에 냉각속도는 0.2~1℃/s로 제어하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 냉각구간에서 냉각속도 제어를 통하여 면적분율 90% 이상의 강도특성이 우수한 베이나이트 미세조직을 얻을 수 있다. 이에 따라, 제조된 선재는 인장강도가 800~1100MPa이고, 연성이 20% 이상일 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

(실시예)

표 1의 조성성분을 갖는 용강을 각각 잉곳으로 주조한 후, 1250℃에서 12시간 균질화 처리를 실시하였다. 그리고 균질화처리된 강재를 두께 25mm로 열간압연한 후, 공냉하였다.

이후, 상기와 같이 각각 제조된 강재들은 900℃에서 용체화 처리한 다음, 표 2의 냉각속도로 냉각하였다. 냉각된 각각의 강재들에 대하여 잔부 조직인 도상 마르텐사이트(MA)의 분율 및 결정입도를 측정하여 표 2에 나타내었으며, 또한 인장강도와 연성을 측정하여 표 2에 나타내었다.

표 2에서, 강재의 도상 마르텐사이트(MA)의 면적 분율과 결정립도는 화상 분석기(image analyzer)를 이용하여 측정하였다. 그리고 상온 인장시험은 crosshead speed를 항복점까지는 0.9mm/min, 그 이후로는 6mm/min의 속도로 실시하여 측정하였다.

시편 No.	조성성분(중량%)
	C	Si	Mn	P	S	Ti	B	N
1	0.11	0.6	3.1	0.015	0.014	0.017	0.0015	0.0045
2	0.13	1.2	3.5	0.016	0.017	0.015	0.0024	0.0042
3	0.09	0.9	3.3	0.019	0.017	0.012	0.0023	0.0038
4	0.08	1.3	3.7	0.013	0.012	0.023	0.0028	0.0044
5	0.10	0.7	3.9	0.018	0.015	0.027	0.0017	0.0040
6	0.06	1.4	3.2	0.017	0.013	0.020	0.0020	0.0043
7	0.25	0.8	3.5	0.015	0.016	0.023	0.0023	0.0041
8	0.14	0.1	3.4	0.016	0.010	0.021	0.0018	0.0047
9	0.11	1.1	2.0	0.017	0.009	0.019	0.0007	0.0039
10	0.10	0.6	3.1	0.016	0.017	0.021	0.0025	0.0041
11	0.07	1.3	3.7	0.011	0.010	0.018	0.0019	0.0047
12	0.06	0.5	3.5	0.012	0.011	0.005	0.0027	0.0035
13	0.05	0.9	4.4	0.009	0.013	0.019	0.0015	0.0047
14	0.08	2.0	3.3	0.013	0.008	0.022	0.0020	0.0046

구분	시편 No.	냉각속도 (℃/s)	MA분율 (%)	MA 결정입도 (㎛)	인장강도 (MPa)	연성 (%)
발명예	1	0.3	5	3.5	843	23
	2	0.9	7	3.3	990	22
	3	0.5	4	3.9	951	22
	4	1.0	10	3.0	1023	21
	5	0.7	6	3.8	865	23
	6	0.2	3	4.4	1040	21
비교예	7	0.3	3	2.8	1110	15
	8	0.6	6	3.5	750	25
	9	0.8	5	3.4	770	24
	10	0.05	1	5.8	740	26
	11	3	12	2.4	1180	12
	12	0.4	4	3.8	762	25
	13	0.9	4	3.7	1210	10
	14	0.2	3	4.0	1148	13

상기 표 1 및 2에 나타낸 바와 같이, 강 조성성분이 본 발명의 범위내이고 0.2~1℃/s의 냉각속도를 충족하는 본 발명예 1-11의 경우 모두 90% 이상의 베이나이트 미세조직이 얻어짐을 알 수 있으며, 이때, 기계적 물성 또한 800-1100MPa의 인장 강도와 20% 이상의 연성을 나타냄을 알 수 있다.

이에 반하여, 비교예 7은 탄소 함량이 높아져 인장강도가 향상되는 반면 연성은 열위해지는 것을 확인할 수 있는데, 이는 탄소가 경질상인 시멘타이트를 증가시키기 때문이다.

비교예 8은 실리콘 함량이 본 발명의 범위 보다 적게 첨가한 경우로서, 실리콘에 의한 고용강화 효과가 작아 인장 강도는 작아지고, 연성은 향상됨을 보여준다.

비교예 9는 망간 및 보론의 첨가량이 적어 강재의 경화능을 떨어뜨리기 때문에 냉각조건을 만족하더라도 페라이트와 베이나이트 조직이 혼립되어 인장강도는 감소하고 연성은 증가함을 보여준다.

또한 비교예 10은 강조성 성분은 본 발명의 범위를 만족하나 제조공정에서 냉각속도가 느린 경우로서, 페라이트가 형성되어 강도는 감소하고 연성은 증가함을 보여주고 있다.

그리고 비교예 11은 그 강조성 성분은 본 발명의 범위를 만족하나, 제조공정에서 냉각속도가 빨라짐에 따라 마르텐사이트가 형성되어 강도는 증가하고 연성은 나빠짐을 보여주고 있다.

또한 비교예 12은 타이타늄의 첨가량이 적은 경우로서, solute 보론량이 감소하기 때문에 경화능이 감소하고, 냉각속도도 작을 경우 초석 페라이트 석출량이 많아져 인장 강도는 감소하고 상대적으로 연성은 증가함을 보여주고 있다.

아울러, 비교예 13은 망간이 많이 첨가될 경우, 상대적으로 경화능이 너무 커지기 때문에 본 발명에서 제시한 냉각속도로 냉각하더라도 마르텐사이트가 생성되어 강도가 증가하고 연성이 떨어지는 것을 나타내고 있다.

한편 비교예 14는 실리콘이 많이 첨가될 경우로서, 실리콘에 의한 고용강화 효과가 너무 크기 때문에 인장 강도는 증가하고 연성은 감소하는 결과를 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 (6)

1. 중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인 (P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti): 0.010~0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하여 조성되고, 그 미세조직이 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(MA)로 이루어진 우수한 인장 강도를 갖는 선재.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 잔부 도상 마르텐사이트(MA)의 결정립도가 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 선재는 인장 강도가 800~1100MPa이고, 연성이 20% 이상인 것을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재.
   
4. 중량%로, 탄소(C):0.05~0.15%, 실리콘(Si):0.5~1.5%, 망간(Mn):3.0~4.0%, 인(P):0.020%이하, 황(S):0.020%이하, 붕소(B):0.0010~0.0030%, 타이타늄(Ti): 0.010~0.030%, 질소(N):0.0050%이하, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 마련한 후, 이를 재가열하는 공정;
   상기 재가열된 강재를 마무리 열간 압연한 후, Bf ~ Bf - 50℃의 온도범위까지 0.2 ~ 1℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 공정; 및
   상기 냉각된 강재를 공냉하는 공정;을 포함하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법
   
5. 제 4항에 있어서, 상기 선재의 미세조직은 90 면적% 이상의 베이나이트와 잔부 도상 마르텐사이트(MA)로 이루어진 것을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법
   
6. 제 5항에 있어서, 상기 잔부 도상 마르텐사이트(MA)의 결정립도가 5㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 강도특성이 우수한 선재의 제조방법.