KR20160068048A

KR20160068048A - 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20160068048A
Application number: KR1020140172833A
Authority: KR
Inventors: 이상윤; 이재승; 허용관
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-04
Filing date: 2014-12-04
Publication date: 2016-06-15
Also published as: CN105671439A; KR101665783B1; CN105671439B

Abstract

본 발명은 비조질 선재에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법 {NON-QUENCHED AND TEMPERED STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT ROOM-TEMPERATURE FORMABILITY AND LOW-TEMPERATURE IMPACT TOUGHNESS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

중탄소강 선재는 일반적으로 냉간 가공용으로 많이 사용되는데, 이때 중탄소강 선재의 가공 특성을 향상시키기 위해 저온 소둔 열처리나 구상화 열처리와 같은 열처리를 수행하고, 단조 등의 가공을 거친 후 물성을 부여하는 켄칭 및 템퍼링(Quenching and Tempering) 열처리를 수행한다.

하지만, 수치 정밀도가 높게 요구되는 부품이나 열처리 비용의 절감을 요구하는 경우에는 상술한 열처리를 생략하는 비조질강을 주로 사용하고 있다.

상기 비조질강은 선재를 제조한 후 저온 소둔 열처리 및 구상화 열처리를 거치지 않고 바로 신선 및 직접 냉간 단조하여 제품을 만들 수 있다. 이와 같이 열처리 없이 제품을 만들기 위해서는 상기 비조질 선재의 인성이 높을 것이 요구되는데, 선재의 미세조직 특히 페라이트 분율이 인성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

한편, 비조질 선재의 인성을 향상시키는 방법으로 잘 알려진 것은 Ti, Nb, V 등 페라이트 입계를 고정시킬 수 있는 탄·질화물 형성 원소를 첨가하고, 제어압연을 통해 오스테나이트 입자 미세화 및 조대화를 막고, 오스테나이트 입계에서 페라이트를 형성시켜 페라이트 미세화를 통해 인성을 향상시키는 것이다.

그러나, 상기 방법은 Ti, Nb, V 등에 의해 형성되는 석출물을 잘 제어할 필요가 있으며, 블룸(bloom)을 사용하는 등 가열로 온도를 1200℃ 이상으로 높여야 하므로, 업체에서는 제한적으로 사용해야 하는 단점이 존재한다.

또한, 경제적인 측면에서 유리하게 고인성 비조질강을 제조하는 방법으로는 0.2중량% 탄소강 범위에서 바우싱거 효과를 이용하여 페라이트+펄라이트 층상형 조직을 형성하는 방법이 있다.

상기와 같은 층상형 조직은 강의 충격인성을 극대화 할 수 있고, 일반적인 탄소강을 이용하는 점에서 장점이 있는 반면, 층상형 조직으로 인해 소재 자체가 방향성을 가지고 있기 때문에, 사용이 제한적이라는 단점이 있다.

본 발명의 일 측면은, 성분조성 및 제조조건의 제어로부터 비조질 선재의 상온 가공성과 저온 인성을 향상시킨 중탄소강 비조질 선재 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.25~0.35%, 실리콘(Si): 0.001~0.4%, 망간(Mn): 1.0~1.8%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니오븀(Nb): 0.005~0.02%, 인(P): 0.005~0.015%, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.02% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,

미세조직은 페라이트 및 펄라이트 복합조직이 페라이트-펄라이트-페라이트 층상조직으로 이루어지는 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재를 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 성분조성을 만족하는 강을 준비하는 단계; 상기 강을 1050℃ 미만에서 150분 이하로 가열 처리하는 단계; 상기 가열된 강을 800~830℃에서 마무리 열간압연하는 단계; 및 상기 열간압연 후 0.5~1.0℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함하는 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 고가의 원소를 첨가하지 않고서도 상온 가공성뿐만 아니라, 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재를 제공하는 효과가 있다.

본 발명자들은 자동차용 부품에 적용되는 비조질 선재에 요구되는 신뢰성, 품질 등을 만족함과 동시에, 제조원가를 저감할 수 있는 방안에 대하여 깊이 연구한 결과, 성분조성 및 제조조건의 제어로부터 미세조직을 최적화하고, 적정량의 충격인성을 확보하여, 상온뿐만 아니라 저온에서의 충격인성이 우수한 비조질 선재를 제공할 수 있음을 확인하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

이하, 본 발명에서 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일 측면에 따른 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재는 중량%로, 탄소(C): 0.25~0.35%, 실리콘(Si): 0.001~0.4%, 망간(Mn): 1.0~1.8%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니오븀(Nb): 0.005~0.02%, 인(P): 0.005~0.015%, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.02% 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재에서 상기와 같이 성분을 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 성분원소의 함유량은 별도의 기재가 없는 한 모두 중량%를 의미한다.

C: 0.25~0.35%

본 발명에서 탄소(C)의 함량이 0.25% 미만이면 페라이트 변태가 과도해져 목표로 하는 강도를 확보하지 못하는 문제가 있으며, 반면 그 함량이 0.35%를 초과하게 되면 페라이트가 충분하지 못하고 주로 펄라이트로 변태되어 목표로 하는 충격인성을 확보하기 어려워진다.

따라서, 본 발명에서는 C의 함량을 0.25~0.35%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si: 0.001~0.4%

실리콘(Si)은 대표적인 치환형 원소로서, 강의 가공 경화량에 큰 영향을 미치는 원소이다. 특히, 연화 열처리 공정을 행하지 않고 신선 후 바로 냉간압조를 행하는 비조질 강에서 상기 Si의 함량의 증가는 가공 경화를 증가시켜 다이스 수명의 악화를 유발한다. 그러므로, 이러한 Si의 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하며, 만일 그 함량이 0.4%를 초과하게 되면 강의 가공 경화량이 증가하여 연성을 저하시키고, 결국 충격인성이 저하되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서 Si의 함량은 0.4% 이하로 제한하는 것이 바람직하며, 다만 제강공정을 고려하여 0.001% 이상으로 포함할 수 있다.

Mn: 1.0~1.8%%

망간(Mn)은 기지조직 내 치환형 고용체를 형성하고 A1 온도를 낮춰 펄라이트 층간간격을 미세화하는 역할을 하는 원소이다.

상술한 효과를 충분히 얻기 위해서는 1.0% 이상으로 Mn을 포함하는 것이 바람직하나, 그 함량이 1.8%를 초과하게 되면 망간 편석에 의한 조직 불균일이 발생할 가능성이 높아지는 문제가 있다. 특히, 냉각시 냉각속도 편차에 따라 부분적인 베이나이트 조직일 형성될 가능성이 높아, 이후 강 가공시 내부 균열이 발생할 우려가 있다. 즉, 망간 편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로 인한 경화능의 향상은 중심부 저온조직(core martensite)을 형성하는데 주된 원인이 된다.

한편, 상기 Mn의 함량이 1.0% 미만이면 망간 편석에 의한 편석대 영향은 상대적으로 적어지는 반면, 펄라이트 층간간격이 조대해져 비조질 선재의 충격인성에 악영향을 미칠 수 있다.

따라서, 본 발명에서 Mn의 함량은 1.0~1.8%로 제한하는 것이 바람직하다.

Al: 0.01~0.05%

알루미늄(Al)은 탈산제로서 역할을 할 뿐만 아니라, 강 중 산소와 결합하여 Al₂O₃ 산화물을 형성하고, 상기 산화물을 형성하고 남은 Al은 N와 결합하여 AlN 질화물을 형성한다.

상기 AlN 질화물은 오스테나이트 결정립의 성장을 억제하는 효과가 있으며, 이러한 효과를 얻기 위해서는 0.01% 이상으로 Al을 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.05%를 초과하게 되면 조대한 AlN 질화물이 형성되어 오히려 강의 물성을 저해하는 문제가 있으므로 바람직하지 못하다.

따라서, 본 발명에서 Al의 함량은 0.01~0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.

Nb: 0.005~0.02%

본 발명에서 니오븀(Nb)은 오스테나이트 결정립 크기를 제한하는 효과가 있으며, 이러한 Nb는 탄소 함량에 따른 용해도의 영향을 크게 받는 원소이므로 그 함량을 적절하게 제한할 필요가 있다. 이러한 Nb의 함량이 0.005% 미만이면 Nb 석출물이 충분히 형성되지 못함에 따라 오스테나이트 결정립 크기를 제어하는데 어려움이 있으며, 반면 그 함량이 0.02%를 초과하게 되면 조대한 석출물이 형성되어 강의 충격인성을 저하시키는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서 Nb의 함량은 0.005~0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.

P: 0.005~0.015%

인(P)은 결정립계에 편석되어 인성을 저해하고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주된 원인이므로, 가능한 한 낮게 함유하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 P의 함량을 0.015% 이하로 제어하는 것이 바람직하나, 상기 P에 의한 내산화성을 향상시키기 위한 목적에서 0.005% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에서 P의 함량은 0.005~0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.

S: 0.01% 이하(0은 제외)

황(S)은 저융점 원소로 입계에 편석되어 인성을 저하시키고, 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로, 가능한 한 낮게 함유하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 S은 Mn과 결합하여 MnS를 형성하고, 이는 절삭성을 향상시키는데 유효하므로, 이를 고려하여 상기 S의 함량을 0.01% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.

N: 0.01% 이하(0은 제외)

질소(N)는 석출물 생성 원소와 결합하여 여러가지 질화물 등을 생성한다. 상기 질화물들은 오스테나이트 결정립 크기를 제한하는 역할을 하는데, 만일 N의 함량이 0.01%를 초과하게 되면 대부분의 질화물이 조대해져 오히려 강의 물성을 저하시킬 우려가 있다. 따라서, 이를 고려하여 본 발명에서는 N의 함량을 0.01% 이하(0은 제외)로 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상술한 성분들 이외에 V: 0.02~0.15% 및 Ti: 0.005~0.02% 중 1종 이상을 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 V 및 Ti은 상술한 Nb 이외에 탄·질화물을 형성하는 중요한 원소이다.

바나듐(V)은 VC, VN, V(C,N) 등을 형성하는데, 이들 탄·질화물은 적절한 압연을 동반할 경우 페라이트를 미세화시켜 비조질 선재의 인성을 향상시키는 효과가 있다. 상기 V의 함량이 0.02% 미만이면 V계 석출물들의 분포가 적어져 페라이트 입계를 충분히 고정시키지 못하게 되어 인성 향상의 효과가 적어지며, 반면 그 함량이 0.15%를 초과하게 조대한 석출물이 형성되어 오히려 인성을 저하시키는 문제가 있다.

티타늄(Ti)은 질소 및 탄소와 결합하여 탄·질화물을 생성시킴으로써 오스테나이트의 결정립 크기를 제한하는 효과가 있다. 상기 Ti의 함량이 0.005% 미만이면 Ti계 석출물의 분포가 적어져 상술한 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 반면 그 함량이 0.02%를 초과하게 되면 조대한 석출물이 형성되어 개재물 파단의 주요한 크랙 생성처로 작용할 가능성이 높아지는 문제가 있다.

본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상술한 성분조성을 제외한 나머지가 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

상술한 성분조성을 만족하는 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 그 미세조직이 페라이트 및 펄라이트 복합조직으로 이루어지는 것이 바람직하며, 상기 복합조직은 페라이트-펄라이트-페라이트 층상조직으로 이루어지는 것이 보다 바람직하다.

이때, 상기 페라이트는 면적분율 50~70%로 포함하는 것이 더욱 바람직하다. 만일, 페라이트 분율이 50% 미만이면 강의 강도가 지나치게 상승하여 강 가공성이 급격히 저하될 우려가 있으며, 반면 그 분율이 70%를 초과하게 되면 강의 가공성은 증가하는 한편 목표로 하는 강도를 확보하지 못할 우려가 있다.

본 발명의 미세조직 즉, 페라이트-펄라이트-페라이트가 연속되는 층상조직은 강의 충격인성 향상에 영향을 미치는데, 이는 층상조직의 직각 방향으로 충격이 가해져 균열이 전파될 때 상기 층상조직의 경계면에서 균열이 꺾이면서 균열의 전파가 억제되는 효과에 기인한 것이다.

이때, 상기 페라이트 결정립이 충분히 연신되지 못하면, 상술한 균열 전파를 차단하는 효과가 줄어들게 되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명에서는 상기 페라이트의 종횡비(장축/단축, aspect ratio)를 압연 방향의 평행 단면인 L 단면에서 관찰시 2 이상으로 제어하는 것이 바람직하며, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)인 것이 바람직하다.

또한, 압연 방향의 직각 단면인 C 단면에서는 강 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축)를 3 이하로 제어하는 것이 바람직하다 (상기 D는 직경(diameter)을 의미한다).

이와 더불어, 본 발명 비조질 선재의 균일한 물성을 확보하기 위하여, 상기 페라이트 결정립 크기 편차와 펄라이트 패킷 크기의 편차를 제어하는 것이 바람직하다.

부분적으로 조대한 페라이트 또는 펄라이트는 강의 인장강도 또는 상온 충격인성에 큰 영향을 미치지는 않으나, 저온 인성의 경우 편차 발생을 일으킬 우려가 있다. 강의 저온 인성은 결정립계의 P 편석이 영향을 미치는데, 이때 결정립 크기는 단위 면적당 P의 편석 수준을 낮출 수 있으며, 이는 곧 강의 저온 인성에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

따라서, 별도의 열처리 공정을 거치지 않는 본 발명 비조질 선재의 물성을 균일하게 유지하기 위해서는 결정립 크기가 전체적으로 균일한 것이 바람직하다.

이에, 본 발명에서는 상기 페라이트 결정립 크기의 편차 및 펄라이트 패킷 크기의 편차가 각각 하기 관계식을 만족하는 것이 바람직하며, 상기 펄라이트 패킷 크기의 최대 편차(최대값-최소값)가 평균 30㎛ 이하인 것이 바람직하다.

[관계식]

(결정립(또는 패킷) 최대 크기 - 평균 결정립(또는 패킷) 크기) / (평균 결정립(또는 패킷) 크기) < 1.5

또한, 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 강 중에 Nb계 석출물과 더불어, Ti계 및/또는 V계 석출물을 포함하는 것이 바람직하며, 이때 석출물로는 NbC와 VC, VN, V(C,N), TiC 및 TiN 중 1종 이상인 것이 바람직하다.

특히, 상기 전체 석출물의 부피분율과, 평균 직경이 70nm 미만인 석출물의 부피분율의 비가 0.5 이상인 것이 바람직한데, 만일 상기 부피분율 비가 0.5 미만이면 오스테나이트 결정립 성장을 억제할 수 없게 된다.

이와 같은, 석출물의 결정립 성장 억제 효과는 결정립계에 석출물이 존재하는 경우 해당 면적만큼의 표면 에너지가 감소하는 것에 기인하는데, 이 효과를 구현하기 위해서는 석출물과 기지상과의 정합성이 유지되어야 하다. 각각의 석출물에 따라 기지상과의 정합성을 잃어버리는 크기는 차이가 있으나, 대체적으로 최대 70nm 이상이면 정합성을 잃어버리게 된다.

따라서, 본 발명에서 강 중 평균 직경이 70nm 미만인 Nb계 석출물과 Ti계 및/또는 V계 석출물을 주로 포함하는 것이 바람직하며, 상기 부피분율 비를 만족하도록 석출물을 포함할 때, 오스테나이트 결정립 크기 제어 효과를 얻을 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이 강 성분조성 및 미세조직을 모두 만족하는 본 발명의 중탄소강 비조질 선재는 상온 충격인성(U-notch)이 150J 이상으로 우수할 뿐만 아니라, -40℃에서의 저온 충격인성을 100J 이상으로 확보할 수 있는 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 상온 가공성 및 저온 충격인성이 중탄소강 비조질 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다.

하기의 제조방법은 본 발명의 중탄소강 비조질 선재를 제조할 수 있는 바람직한 일 예를 나타낸 것이며, 이에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 상술한 성분조성을 만족하는 강을 준비한 후, 이를 1050℃ 미만에서 150분 이하 동안 가열 처리하는 것이 바람직하다.

상기 가열 처리는 1050℃ 미만으로 가열된 가열로에서 행해지는데, 상기 가열로의 온도가 1050℃ 이상으로 되면 강 중 형성된 석출물들이 용해되어 오스테나이트 결정립의 고정 효과가 미미해져 조대한 오스테나이트가 형성되고, 이는 결국 페라이트 핵생성에 영향을 미치게 되어 전체적으로 페라이트 분율이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 가열 시간이 150분을 초과하여 너무 길어지면 석출물이 성장하여 조대질 우려가 있으므로 바람직하지 못하다. 즉, 석출물은 가열로 온도가 높을수록, 가열 시간이 길수록 조대화되므로, 석출물과 기지상과의 정합성을 유지하여 오스테나이트 결정립 크기 제어 효과를 얻기 위해서는 한정된 시간 내에 저온 가열을 행하는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 가열 처리는 1050℃ 미만의 온도에서 150분 이하로 행해지는 것이 바람직하며, 보다 유효하게는 950℃ 초과 1050 미만의 온도범위에서 60분~150분간 행해지는 것이 보다 바람직하다.

상기한 바에 따라 가열 처리된 강을 마무리 열간압연하는 것이 바람직하다.

상기 마무리 열간압연시 온도는 오스테나이트 결정립 크기에 큰 영향을 미치게 되므로, 목표로 하는 미세조직을 얻기 위해서는 800~830℃의 온도범위에서 실시하는 것이 바람직하다.

만일, 마무리 열간압연 온도가 800℃ 미만이면 이상역 온도범위가 되어 필요 이상의 강도 향상은 물론이고, 충격인성 향상에도 악영향을 미칠 수 있으므로 바람직하지 못하다. 반면, 그 온도가 830℃를 초과하게 되면 조대한 오스테나이트 결정립으로 인해 최종 페라이트 분율이 감소되어 인성의 저하를 초래하는 문제가 있다.

상기한 바에 따라 마무리 열간압연을 행한 후, 0.5~1.0℃/s의 냉각속도로 냉각공정을 거치는 것이 바람직하다.

냉각시 냉각속도가 0.5℃/s 미만이면 냉각 동안 오스테나이트 및 페라이트 결정립이 성장함에 따라 강의 물성이 지나치게 연질화되어 목표 강도에 도달하지 못하게 되는 문제가 있으며, 반면 냉각속도가 1.0℃/s를 초과하게 되면 저온조직이 형성되어 가공시 내부 균열이 발생할 우려가 있으므로 바람직하지 못하다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

( 실시예 )

먼저, 하기 표 1에 나타낸 바와 같은 성분조성을 갖는 강들을 준비하였다. 준비된 강들을 시료로 하여 50kg의 잉곳(ingot)으로 주조한 후 이를 1200℃에서 20시간 균질화 열처리 후 상온까지 공냉하였다. 그 후 160mm의 사각형 빌렛 후단에 각 소재를 용접하여 실제 선재 냉각라인에서 열간압연을 실시하였다. 이때, 가열로 추출온도는 1050℃ 이었으며, 가열은 하기 표 2에 나타낸 각각의 조건에서 150분 이내로 실시하였다. 또한, 상기 열간압연은 26mm 소재로서 그 온도조건은 하기 표 2에 나타내었다. 상기 열간압연 후 각 선재를 모두 0.5~1.0℃/s의 냉각속도로 냉각하였다.

상기에 따라 제조된 각각의 선재의 미세조직과 충격인성을 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

이때, 상기 충격인성은 상온(20℃)과 -40℃에서 각각 측정하였으며, 10×10mm 규격 시편으로 제작한 후, U형 노치(U-notch)를 이용하여 측정하였다.

또한, 페라이트 종횡비는 압연 방향의 평행한 면(L 단면)의 미세조직을 관찰하여 측정하였으며, 페라이트 결정립의 평균 단축길이는 페라이트-펄라이트-페라이트 층상형 조직 내 페라이트의 두께를 측정하여 평균 값을 도출하였다.

펄라이트 패킷 최대 크기는 압연 방향의 수직한 면(C 단면)의 미세조직을 관찰하여 표면 지점, 1/4t 지점(t: 두께) 및 중심 지점을 각각 200배로 관찰한 후 펄라이트 직경을 측정하여 (최대값(㎛)-최소값(㎛))의 차이로 도출한 다음, 그 값의 평균 값을 하기 표 2에 나타내었다.

강재	성분조성(중량%)
강재	C	Si	Mn	Al	P	S	N	Ti	V	Nb
비교재 1	0.30	0.21	1.34	0.03	0.012	0.005	0.004	0.035	-	-
비교재 2	0.29	0.21	1.41	0.03	0.020	0.005	0.004	-	0.3	-
비교재 3	0.30	0.22	1.42	0.03	0.013	0.005	0.005	-	-	0.030
비교재 4	0.33	0.19	1.40	0.03	0.009	0.004	0.004	-	-	-
발명재 1	0.28	0.20	1.30	0.03	0.011	0.005	0.005	0.01	-	0.010
발명재 2	0.30	0.19	1.40	0.03	0.010	0.005	0.004	-	0.1	0.012
발명재 3	0.30	0.22	1.40	0.03	0.012	0.004	0.004	-	0.05	0.008
발명재 4	0.31	0.20	1.41	0.03	0.012	0.005	0.005	0.01	0.08	0.010
발명재 5	0.30	0.20	1.40	0.03	0.011	0.005	0.004	-	0.15	0.009

강재	공정조건(℃)		미세조직			충격인성(J)		비고	구분
강재	가열로 온도	마무리 압연온도	종횡비	결정립 단축길이	펄라이트 패킷 최대편차	상온	-40℃	비고	구분
비교재 1	1040	900	1.8	25	55	135	90	충격불량	비교예1
비교재 1	1041	810	2.5	15	45	148	98	충격불량	비교예2
비교재 2	1044	950	1.5	34	54	139	88	충격불량	비교예3
비교재 2	1012	820	2.2	16	33	146	95	충격불량	비교예4
비교재 3	1034	923	1.7	32	64	139	92	충격불량	비교예5
비교재 3	1034	805	2.4	17	35	138	95	충격불량	비교예6
비교재 4	1048	880	1.9	28	45	134	87	충격불량	비교예7
비교재 4	1044	813	2.4	14	31	145	88	충격불량	비교예8
발명재 1	1036	921	1.6	24	35	147	95	충격불량	비교예9
발명재 1	1036	821	2.3	8	21	168	110	충격향상	발명예1
발명재 2	1040	893	1.8	22	37	143	94	충격불량	비교예10
발명재 2	1048	811	2.3	7	15	172	108	충격향상	발명예2
발명재 3	1042	915	1.9	24	35	143	92	충격불량	비교예11
발명재 3	1045	820	2.3	8	17	167	115	충격향상	발명예3
발명재 4	1038	945	1.3	32	32	137	85	충격불량	비교예12
발명재 4	1040	815	2.7	9	9	165	105	충격향상	발명예4
발명재 5	1043	850	1.9	11	34	143	9	충격불량	비교예13
발명재 5	1044	805	2.7	8	15	167	111	충격향상	발명예5

(상기 표 2에서 '종횡비'는 L 단면에서의 페라이트의 장축/단축 비를 나타낸 것이고, '결정립 단축길이'는 페라이트 결정립의 평균 단축길이(㎛)를 나타낸 것이다.)

상기 표 2에 나타낸 바와 같이, L 단면 관찰시 페라이트 종횡비가 2 이상이고, 펄라이트 패킷의 최대편차가 작을수록 강의 인성 즉, 상온 및 저온에서의 충격인성이 향상되는 것을 확인할 수 있다.

특히, 본 발명에서 제안하는 성분조성 및 제조조건을 모두 만족하는 발명예 1 내지 5의 경우 펄라이트 패킷의 최대 편차가 25㎛ 이하이면서, 상온에서의 충격인성이 150J 이상이고, -40℃ 에서의 충격인성이 100J 이상으로, 상온 가공성 및 저온 충격인성이 모두 우수한 것을 확인할 수 있다.

한편, 페라이트 분율과 상관관계를 갖는 공정 인자로는 마무리 압연온도와 냉각속도가 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타나는데, 마무리 열간압연 온도가 지나치게 높을 경우(비교예 1 내지 13) 충격인성에 악영향을 주며, 강 성분조성 중 오스테나이트 결정립 크기를 제어하는데 유효한 석출물을 형성하는 원소들의 성분조성이 본 발명을 만족하지 않는 경우에는 펄라이트 패킷의 최대편차가 30㎛ 이상으로 너무 커짐에 따라 상온 및 저온에서의 충격인성이 모두 열위하였다.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.25~0.35%, 실리콘(Si): 0.001~0.4%, 망간(Mn): 1.0~1.8%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니오븀(Nb): 0.005~0.02%, 인(P): 0.005~0.015%, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.02% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
미세조직은 페라이트 및 펄라이트 복합조직이 페라이트-펄라이트-페라이트 층상조직으로 이루어지는 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
제 1항에 있어서,
상기 선재는 미세조직이 면적분율 50~70%의 페라이트 및 잔부 펄라이트 복합조직으로 이루어지는 것인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
제 1항에 있어서,
상기 선재는 압연 방향의 평행 단면인 L 단면에서의 페라이트 종횡비(장축/단축, aspect ratio)가 2 이상이고, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
제 1항에 있어서,
상기 선재는 압연 방향의 직각 단면이 C 단면에서의 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축)가 3 이하인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
(상기 D는 직경(diameter)을 의미한다.)
제 1항에 있어서,
상기 페라이트 결정립 크기의 편차 및 펄라이트 패킷 크기의 편차가 각각 하기 관계식을 만족하고,
상기 펄라이트 패킷 크기의 최대 편차(최대값-최소값)가 30㎛ 이하인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
[관계식]
(결정립(또는 패킷) 최대 크기 - 평균 결정립(또는 패킷) 크기) / (평균 결정립(또는 패킷) 크기) < 1.5
제 1항에 있어서,
상기 선재는 Nb계 석출물과, V계 및/또는 Ti계 석출물을 포함하고,
전체 석출물의 부피분율과, 평균 직경이 70nm 미만인 석출물의 부피분율의 비가 0.5 이상인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
제 1항에 있어서,
상기 선재는 상온 충격인성(U-notch)이 150J 이상이고, -40℃ 저온 충격인성이 100J 이상인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재.
중량%로, 탄소(C): 0.25~0.35%, 실리콘(Si): 0.001~0.4%, 망간(Mn): 1.0~1.8%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 니오븀(Nb): 0.005~0.02%, 인(P): 0.005~0.015%, 황(S): 0.01% 이하, 질소(N): 0.01% 이하와 바나듐(V): 0.02~0.15% 및 티타늄(Ti): 0.005~0.02% 중 1종 이상을 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물로 이루어지는 강을 준비하는 단계;
상기 강을 1050℃ 미만에서 150분 이하로 가열 처리하는 단계;
상기 가열된 강을 800~830℃에서 마무리 열간압연하는 단계; 및
상기 열간압연 후 0.5~1.0℃/s의 냉각속도로 냉각하는 단계
를 포함하는 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 냉각 후 압연 방향의 평행 단면인 L 단면에서의 페라이트 종횡비(장축/단축, aspect ratio)가 2 이상이고, 상기 페라이트 결정립의 평균 단축 길이가 10㎛ 이하(0은 제외)이고, 상기 펄라이트 패킷 크기의 최대 편차(최대값-최소값)가 30㎛ 이하인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법.
제 8항에 있어서,
상기 냉각 후 압연 방향의 직각 단면이 C 단면에서의 강 표면으로부터 0.2D 깊이 내 페라이트 결정립의 종횡비(장축/단축)가 3 이하인 상온 가공성 및 저온 충격인성이 우수한 중탄소강 비조질 선재의 제조방법.
(상기 D는 직경(diameter)을 의미한다.)