KR20160066570A - 연화 소둔 생략이 가능한 냉간압조용 중탄소 합금강 선재의 제조방법 - Google Patents

연화 소둔 생략이 가능한 냉간압조용 중탄소 합금강 선재의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연화소둔 생략이 가능한 냉간압조용 Cr-Mo계 중탄소 합금강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 강도를 70kgf/mm2 이하로 낮추어 신선(Wire Drawing) 전 연화소둔을 생략하고도 신선이 가능한 선재의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 C : 0.33 ~ 0.43 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%, P : 0.030 중량%이하(0 미포함), S : 0.030 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.25 중량%이하(0 미포함), Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mo : 0.15 ~ 0.30 중량% 을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 950 ~ 1140℃의 온도에서 총 재로시간 80분 이상 유지하며, 바람직하게는 균열온도 zone에서 30 ~ 60분간, 총 재로시간 80분 내지 120분간 균열유지하고 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 수냉설비를 이용하여 마무리 압연 온도 950℃이하, 바람직하게는 800 ~ 900℃ 로 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 0.1 내지 0.5℃/s의 냉각속도로 650℃까지 서냉시키는 서냉 단계; 및 650℃가 되면 공냉하는 단계를 포함하는, 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법을 제공한다.

Description

연화 소둔 생략이 가능한 냉간압조용 중탄소 합금강 선재의 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING MIDDLE CARBON ALLOY STEELS WIRE FOR COLD FORGING CAPABLE OF ELIMINATING SOFTENING ANNEALING TREATMENT}
본 발명은 연화소둔 생략이 가능한 냉간압조용 Cr-Mo계 중탄소 합금강 선재의 제조방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 강도를 70kgf/mm2 이하로 낮추어 신선(Wire Drawing) 전 연화소둔 공정을 생략하고도 신선이 가능한 선재의 제조방법에 관한 것이다.
자동차, 산업기계 등의 체결용인 고강도 볼트, 너트는 일반적으로 SCM435, SCM440와 같은 Cr-Mo계 중탄소 합금강을 이용하는데, 상기 Cr-Mo계 중탄소 합금강을 냉간압조 후 소입 소려 열처리를 하여 제조하고 있다. 이러한 냉간압조용 선재는 고강도고인성의 선재 개발뿐만 아니라, 열처리 및 가공 공정 등을 생략하여 원가절감이 가능한 선재개발도 진행되고 있다.
일반적으로 중탄소 합금상을 냉간압조할 때 필요한 변형저항을 최소화하여 냉간압조성을 우수하게 할 목적으로 구상화 소둔(Spherodizing Annealing)을 실시하고 있다. 구상화 소둔시에는 균일 미세한 구상화 상태와 높은 구상화 분율의 확보가 필요하다. 이를 위하여, 구상화 소둔 전 신선을 통해 구상화에 필요한 구동력을 증가시킨다.
일반적으로 고강도 볼트, 너트용 소재로 적용되는 Cr-Mo계 중탄소 합금강은 선재를 압연하면, 베이나이트 조직이 형성되어 높은 강도를 나타내게 되어 직접 신선을 하기 곤란하다. 이 때문에 연화 소둔 열처리를 실시하여 인장강도 70kgf/mm2 이하로 관리하고, 냉간가공으로 신선하게 된다.
한국공개특허 제2000-0020918호에서는 연화소둔을 생략하기 위한 방법으로 1,100℃ 이하의 저온가열과 제어냉각을 통해 1,000℃ 이하의 마무리 온도로 마무리 압연 후 급냉, 서냉하는 기술을 개시하고 있다.
이러한 제조방법 등은 선재 제조사의 생산 설비를 효율적으로 이용하여 미세조직을 제어하여 제조되고 있다. 그러나 선재 압연 후 A1 변태점 직상(730 ~ 780℃) 범로의 제어냉각을 하기 위해서는 최종압연기인 RSB(Reducing Sizing Block) 후방에 가속냉각 설비가 필요하며, 빠른 압연속도에서의 제어냉각이 불완전할 경우 저온조직의 생성을 야기시킬 수 있는 단점이 있다.
한편, 결정립 미세화 효과에 의한 연화소둔 생략 목적으로 저온 압연이 실시되기도 하는데, 이 경우 저온 압연은 1,100℃ 보다 낮은 온도로 가열하기 때문에, 압연롤 부하, 표면 흠 발생 등의 위험 요소가 있다.
따라서 표면 품질을 확보할 수 있고 압연롤 부하를 최소화 할 수 있는 압연가열 조건뿐만 아니라, 높은 경도를 나타내는 저온 변태조직인 베이나이트의 조직을 억제하기 위한 냉각조건의 최적화가 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 연화소둔 생략이 가능한 냉간압조용 Cr-Mo계 중탄소 합금강 선재의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 제어압연 및 제어냉각을 통하여 선재 압연상태에서 코일 전장에 걸쳐 인장강도 70kgf/mm2 이하로 제어하여 후공정에서 연화 열처리가 필요 없는 냉간압조용 Cr-Mo계 중탄소 합금강 선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명의 목적은 후 열처리 공정 생략에 의한 원가 절감, 제조 공정 단축 및 환경 오염 방지에 유효하게 기여할 수 있는 볼트, 너트 부품을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 C : 0.33 ~ 0.43 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%, P : 0.030 중량%이하(0 미포함), S : 0.030 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.25 중량%이하(0 미포함), Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mo : 0.15 ~ 0.30 중량% 을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 950 ~ 1140℃의 온도에서 총 재로시간 80분 이상 유지하며, 바람직하게는 균열온도 영역에서 30 ~ 60분간, 총 재로시간 80분 내지 120분간 균열유지하고 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 수냉설비를 이용하여 마무리 압연 온도 950℃이하, 바람직하게는 800 ~ 900℃ 로 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 0.1 내지 0.5℃/s의 냉각속도로 650℃까지 서냉시키는 서냉 단계; 및 650℃가 되면 공냉하는 단계를 포함하는, 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 냉간압조용 선재는 페라이트+펄라이트 조직으로 이루어지고, 인장강도가 70kgf/mm2 이하일 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명강의 경우 Cr-Mo계 중탄소 합금강을 이용하여 제어압연·제어냉각기술을 통해 미세조직을 기존 베이나이트에서 페라이트+펄라이트 조직을 형성시켜 인장강도 70kgf/mm2이하의 물성 확보를 통해 압출 공정 전 연화소둔 열처리 생략 가능한 효과가 있다.
또한 본 발명은 종래강의 연화소둔 열처리 공정의 생략에 따른 제조원가 절감뿐만 아니라 열처리 시 이산화탄소 및 그을음의 발생을 억제할 수 있으므로 이에 의한 환경오염 방지 및 제조 공정 단축에 따른 납기 단축, 생산성 향상에도 크게 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명에 사용된 Cr-Mo계 중탄소 합금강의 연속냉각변태곡선(continuous cooling transformation diagram, CCT)을 나타낸 도면이다.
도 2는 제어압연 후 냉각속도에 따라 수행된 열처리 조건을 나타낸 도면이다.
도 3은 제어압연 후 냉각속도에 따른 조직사진을 나타낸 도면이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 하기의 정의를 가지며 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미에 부합된다. 또한 본 명세서에는 바람직한 방법이나 시료가 기재되나, 이와 유사하거나 동등한 것들도 본 발명의 범주에 포함된다. 용어 약이라는 것은 참조
양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이에 대해 30, 25, 20, 25, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1% 정도로 변하는 양, 수준, 값, 수, 빈도, 퍼센트, 치수, 크기, 양, 중량 또는 길이를 의미한다.
본 명세서를 통해, 문맥에서 달리 필요하지 않으면, 포함하다 및 포함하는 이란 말은 제시된 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군을 포함하나, 임의의 다른 단계 또는 구성요소, 또는 단계 또는 구성요소들의 군이 배제되지는 않음을 내포하는 것으로 이해하여야 한다.
본 발명은 제어압연·제어냉각기술을 통해 선재 코일이 균일하게 연화가 이루어져서, 일반적으로 신선가공 전에 실시하는 연화열처리 생략이 가능한 냉간압조용 Cr-Mo계 중탄소강 합금강 선재를 제조하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 강재의 화학성분은 C : 0.33 ~ 0.43 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%, P : 0.030 중량%이하(0 미포함), S : 0.030 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.25 중량%이하(0 미포함), Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mo : 0.15 ~ 0.30 중량% 을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
이하 본 발명에 사용된 합금성분 첨가 및 성분범위 한정 이유를 설명한다.
C : 0.33 ~ 0.43 중량%
C는 첨가량이 너무 적으면 최종 제품에서 요구하는 강도를 얻을 수 없고, 첨가량이 많으면 소입소려 처리후에 강도가 필요이상으로 높아지게 되므로, 0.33 ~ 0.43 중량%로 한정하였다.
Si : 0.15 ~ 0.35 중량%
Si는 탈산 및 필요강도 확보를 위해 첨가한다. 첨가량이 적으로 이러한 효과를 나타내지 못하고, 첨가량이 지나치게 많으면 탈산을 조장하여 표면경도 및 피로성질을 감소시킨다. 이에 따라 0.15 ~ 0.35 중량%로 제한하였다.
Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%
강의 소입성을 개선시킬 목적으로 첨가하며, 첨가량이 많으면 선재 중심부에 편석되어 경질조직인 마르텐사이트를 형성시켜 선재를 경하게 만들어준다. 그러나, 냉간압조 후 소입소려 열처리 시 규격만족을 위해, 0.60 ~ 0.85 중량%으로 제한하였다.
P : 0.030 중량%이하 (0 미포함)
선재중심부에 망간과 함께 편석되어 저온조직을 발생시키고, 소입소려시 균열발생을 조장하는 원소이므로 0.030 중량%이하로 제한하였다.
S : 0.030 중량%이하 (0 미포함)
강중에서 입계에 편석되어 인성을 크게 감소시킨다. 따라서 S은 0.030 중량%이하로 제한하였다.
Ni : 0.25 중량%이하 (0 미포함)
Ni은 강의 조직을 미세화시키고 소입성을 증대시키는 원소로 0.25 중량%보다 많으면 인성을 향상시키나 피삭성이 저하되고 부품의 제조 원가를 높여 경제적이지 못하기 때문에 0.25 중량%이하로 한정하였다.
Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%
Cr은 열처리시 소입성 확보를 위하여 첨가한다. 첨가량이 적으면 소입성이 떨어지고 첨가량이 많은 경우 소입처리시 균열발생이 쉽고 또 강도가 과도하게 증가하므로 첨가량은 0.90 ~ 1.20 중량%으로 제한하였다.
Mo : 0.15 ~ 0.30 중량%
Mo은 열처리시 소입성 확보 및 고온강도를 향상시키기 위하여 첨가한다. 첨가량이 적으면 이러한 효과를 얻을 수 없고, 첨가량이 많은 경우 소입처리 시 균열발생이 쉽고 또 필요이상으로 강도가 증가하게 되므로 첨가량을 0.15 ~ 0.30 중량%으로 제한하였다.
본 발명의 목적은 제어압연 및 제어냉각 기술을 적용하여 상기와 같은 조성을 갖는 Cr-Mo계 중탄소 합금강 냉간압조용 선재의 제조공정에서 연화소둔처리를 생략할 수 있다.
상기 제어압연 및 제어냉각은 아래의 방법으로 이루어진다.
먼저 상기한 조성을 갖는 강재를 950 ~ 1140℃의 온도에서 총 재로시간(가열로에 있는 시간) 80분 이상 유지하며, 바람직하게는 균열온도영역에서 30 ~ 60분간, 총 재로시간 80분 내지 120분간 균열유지하고 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 수냉설비를 이용하여 마무리 압연 온도 950℃이하, 바람직하게는 800 ~ 900℃ 로 압연하는 단계; 상기 압연된 강재를 코일링 후 0.1 내지 0.5℃/s의 냉각속도로 650℃까지 서냉시키는 서냉단계; 및 강재의 온도가 650℃가 되면 공냉하는 단계로 이루어진다.
균열유지 및 압연 단계
균열유지 및 압연 단계에서는, C : 0.33 ~ 0.43 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%, P : 0.030 중량%이하(0 미포함), S : 0.030 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.25 중량%이하(0 미포함), Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mo : 0.15 ~ 0.30 중량% 을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 950 ~ 1140℃의 온도에서 총 재로시간 80분 이상 유지하며, 바람직하게는 균열온도영역에서 30 ~ 60분간, 총 재로시간 80분 내지 120분간 균열유지한 후 압연한다. 상기의 균열온도영역은 장입된 강재가 목표 가열온도에 도달 후 유지되는 시간을 말한다. 온도가 1,140℃ 이상이 되면, 오스테나이트 입자가 조대화하게 되고, 이는 압연완료 후에도 영향을 받게 되어, 강의 소입성이 증가하여 냉각과정에서 저온조직이 다량 발생되므로 연화시킬 수 없게 된다. 또한, 균열유지 온도가 950℃ 이하가 되면 압연롤 부하, 표면 흠 발생 등의 위험요소가 있다. 균열유지 단계는 장시간 유지 시에 오스테나이트 입자의 조대화가 발생될 수 있기 때문에 80 내지 120분간 실시하는 것이 바람직하다. 따라서 재가열 온도를 950 ~ 1140℃로 하고, 균열 유지 단계는 총 재로시간 80분 이상 유지하며, 바람직하게는 균열온도 영역에서 30 ~ 60분간, 총 재로시간 80분 내지 120분간 실시하여 오스테나이트 성장을 적극 억제시키는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 총 재로시간은 110분이다.
마무리 압연 단계
마무리 압연 단계에서는, 상기 압연된 강재를 수냉설비를 이용하여 마무리 압연온도를 950℃이하, 바람직하게는 800 ~ 900℃로 낮춘 상태에서 압연을 실시한다. 이때, RSB 밀(Reducing Sizing Block Mill)을 이용하여 필요 선경으로 최종 압연하게 되는데, 이때 마무리 압연온도를 수냉 설비를 이용하여 950℃이하로 제어하면서 압연함으로써, 미세한 오스테나이트 입자를 확보할 수 있다. 상기 마무리 압연온도를 800 ~ 900℃ 에서 실시하는 것이 바람직한데, 이 경우 오스테나이트 입자가 미세화 되면서, 페라이트 핵생성 사이트가 증가하게 되고, 이에 따라 저온조직이 아닌 페라이트+펄라이트 변태가 촉진되기 때문이다.
냉각단계
압연완료 후, 0.1 내지 0.5℃/s 이하의 냉각속도로 650℃의 온도까지 제어하면서 서냉한다. 이러한 서냉 단계를 통하여 베이나이트 조직이 아닌 페라이트 + 펄라이트 조직을 얻을 수 있다. 코일 전체의 온도가 650℃ 이하로 냉각된 후에는 조직 변태가 완료된 상태이기 때문에 서냉이 불필요하게 되고 공냉하면 된다.
도 1은 마무리압연온도에 따른 미세조직의 변화 및 본 발명에서 사용된 강재의 CCT 곡선을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 마무리 압연온도 950℃에서의 제어압연을 통하여 오스테나이트를 미세하게 소성변형하고, CCT곡선의 nose부를 왼쪽으로 이동시켜 베이나이트 조직 생성을 억제하면서 페라이트+펄라이트 변태를 촉진시키는 것이다. 또한, 압연완료 후, 서냉 시 페라이트+펄라이트 조직이 형성될 수 있다는 것을 보여준다.
상기와 같은 조건으로 압연조건 및 냉각조건을 제어하면 연화열처리 없이 냉간압출이 가능한 인장강도 70kgf/mm2 이하를 만족하는 Cr-Mo계 중탄소 합금강을 제조 할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
아래 표 1의 조성을 갖는 발명강을 제조하였다. 표 1은 본 실시예에 사용된 발명강의 조성을 나타내며, 잔부는 Fe와 불가피한 불순물로 이루어진다.
(단위 : 중량%)
구분 C Si Mn P S Ni Cr Mo
발명강 0.35 0.21 0.72 0.011 0.005 0.04 1.15 0.16
실시예 1
상기 발명강을 1120℃의 온도로 110분 간 균열유지 후 압연을 실시하고, 수냉설비를 이용하여 950℃이하의 온도에서 마무리 압연을 실시하고, 선재 코일링 후 0.5 ℃/s의 냉각속도로 600℃의 온도까지 서냉을 실시하였다.
비교예 1
발명강을 1120℃의 온도로 110분 간 균열 유지 후 압연을 실시하였고, 수냉설비를 이용하여 950℃이하의 온도에서 마무리 압연을 실시하고, 선재 코일링 후 1.0 ℃/s의 냉각속도로 600℃의 온도까지 서냉을 실시하였다.
비교예 2
발명강을 1120℃의 온도로 110분 간 균열 유지 후 압연을 실시하였고, 수냉설비를 이용하여 950℃이하의 온도에서 마무리 압연을 실시하고, 서냉은 적용하지 않았다.
비교예 3
발명강을 1120℃의 온도로 110분 균열 유지 후 압연을 실시하였고, 수냉설비 및 서냉은 별도로 적용하지 않았다.
도 2 는 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 강재에 대한 압연 후 인장시험 결과를 나타낸 도면이다. 도 2를 보면, 제어압연 및 0.5℃/s의 냉각속도를 적용한 실시예 1은 인장강도 70kgf/㎟ 를 나타내는 반면, 제어압연 및 1.0℃/s의 냉각속도를 적용한 비교예 1의 경우 인장강도 83kgf/㎟를 나타내었다. 또한, 제어압연만 적용하고 서냉을 적용하지 않은 비교예 2 및 3의 인장강도는 각 92 및 95kgf/㎟의 고강도를 갖는다.
도 3은 실시예 1, 비교예 1 내지 3의 압연 후의 내부 조직을 나타낸 도면이다. 도 3에서 (a)는 실시예 1의 조직, (b)는 비교예 1의 조직, (c)는 비교예 2 및 (d)는 비교예 3의 조직을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 제어압연과 제어냉각기술을 적용한 실시예 1에서 연질조직인 페라이트+펄라이트 조직이 관찰되었다. 그러나 제어압연만 적용하거나 또는 둘 다 적용하지 않은 비교예 1 내지 3의 경우 모두 저온변태조직인 베이나이트 조직이 관찰되며, 비교예 3의 경우 일부 마르텐사이트 조직도 나타났다. 또한, 제어압연을 적용한 비교예 1, 2의 경우, 일부 페라이트 조직이 관찰되었으며, 비교예 1의 페라이트 분율이 더 높은 것을 관찰되었다.
실시예 1과 비교예 1을 비교해보면, 제어압연 후 냉각속도가 1.0℃/s 이상이 되면 저온변태조직이 형성되어 더 높은 강도를 보였다.
또한, 실시예 1과 비교예 2, 3을 비교해보면, 마무리 압연 온도 950℃에서의 제어압연의 단독 효과는 미미하며, 마무리 압연온도 950℃에서 실시하는 제어압연과 0.5℃/s 이하의 냉각속도로 서냉하는 제어냉각이 동시에 적용되어야 연질조직인 페라이트+펄라이트로 형성시켜 인장강도 70kgf/㎟이하를 만족하는 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소 합금강 선재에 대해 목적을 달성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

  1. C : 0.33 ~ 0.43 중량%, Si : 0.15 ~ 0.35 중량%, Mn : 0.60 ~ 0.85 중량%, P : 0.030 중량%이하(0 미포함), S : 0.030 중량%이하(0 미포함), Ni : 0.25 중량%이하(0 미포함), Cr : 0.90 ~ 1.20 중량%, Mo : 0.15 ~ 0.30 중량% 을 포함하고, 잔부가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진 강재를 950 ~ 1140℃의 온도에서 총 재로시간 80분 내지 120분간 균열유지하고 압연하는 단계;
    상기 압연된 강재를 수냉설비를 이용하여 마무리 압연 온도 950℃이하로 압연하는 단계;
    상기 압연된 강재를 0.1 내지 0.5℃/s의 냉각속도로 650℃까지 서냉시키는 서냉 단계; 및
    650℃가 되면 공냉하는 단계를 포함하는, 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 균열유지 및 압연 단계에서 강재가 목표 가열온도에 도달 후 유지되는 균열온도 영역에서 30 내지 60분간 유지되는 것을 특징으로 하는, 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마무리 압연 온도는 800 ~ 900℃인 것을 특징으로 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉간압조용 선재는 페라이트+펄라이트 조직으로 이루어지고, 인장강도가 70kgf/mm2 이하인 것을 특징으로 하는, 연화소둔 생략형 Cr-Mo계 중탄소합금강 냉간압조용 선재의 제조방법.
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