KR20160077581A - 풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법 - Google Patents

풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 볼트 조임시에 발생하는 전단응력으로 볼트의 마르텐사이트 상변태 부피팽창을 활용하여 풀림이 방지되는 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법에 관한 것이다.

Description

풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법{NON-RELEASE BOLT, WIRE ROD FOR NON-RELEASE BOLT, AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 볼트 조임시에 발생하는 전단응력으로 볼트의 마르텐사이트 상변태 부피팽창을 활용하여 풀림이 방지되는 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 기계장치의 기구 간에는 견고한 결합을 위해 볼트와 너트가 매우 많이 이용되며, 이러한 볼트 및 너트의 체결은 견고한 체결력을 유지하게 되는 이점이 있지만, 장기간 사용시 반복되는 충격 및 하중 등에 의해 너트의 풀림이 발생되어 기구 간의 유격이 발생되고 각종 오동작 및 안전사고를 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 통상적으로 분할핀을 이용한 방법이 가장 많이 이용되고 있다. 상기 분할핀을 이용한 방법은 단순히 나사부에 축 방향과 교차하는 방향으로 관통수납공을 형성하고, 이 관통수납공에 분할핀을 삽입하여 너트의 풀림을 방지하게 하는 것이다. 여기서 분할핀은 길이 방향으로 그 중앙이 나뉘어져 두 개의 몸체로 이루어지고 양 몸체의 길이가 서로 달라 구부릴 때 다른 몸체에 의해 방해받지 않게 된다.
따라서 나사부에 너트가 체결되면 분할핀을 관통수납공에 삽입하여 타측으로 돌출된 양 몸체를 서로 반대 방향으로 구부려 나사부로부터 분할핀이 탈착되지 않도록 한다. 이와 같이 분할핀이 고정 설치되면 나사부 둘레로 분할핀이 돌출되어 너트의 풀림이 방지됨으로써 견고한 결합상태를 유지하게 된다.
그러나, 상기와 같이 분할핀을 이용한 너트의 풀림 방지 구조는 큰 외력이 발생될 경우 쉽게 분할핀이 파괴되어 분리되는 문제점이 있으며, 분리시 구부렸던 분할핀을 원상태인 일직선으로 펴게 되면 쉽게 빠지게 되므로 도난에 의한 분실의 우려가 있다.
이러한 분할핀을 이용한 방법의 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 1에서는 볼트 내부의 화약을 작동시켜 볼트의 특정부위를 팽창시켜서 풀림을 방지하는 화약식 풀림방지 볼트가 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같이 내부 화약을 작동시키는 원리의 볼트는 부피팽창을 위해 뇌관을 타격하면서 발생하는 폭발로 인하여 미세균열이 발생하는 단점이 있어 피로 특성 및 지연파괴 저항성에 취약한 문제점이 있다.
따라서, 큰 외력에도 파괴되지 않고, 도난 분실의 우려도 없으며, 미세균열도 발생하지 않는 풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
한국 특허출원번호 제2010-0063709호
본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 볼트 조임시 발생하는 전단응력으로 마르텐사이트 상변태를 야기시켜 볼트의 부피팽창으로 풀림을 방지하는 풀림방지 볼트용 선재, 풀림방지 볼트 및 그들의 제조방법을 제공하기 위함이다.
본 발명의 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재는 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 50면적% 초과 90면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트는 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 40면적% 초과 85면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1200℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강편을 열간압연 하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 0.1~10℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트의 제조방법은 본 발명에 따라 제조된 선재를 가공하는 단계; 및 상기 가공된 선재를 냉간압조하는 단계를 포함한다.
덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있다.
본 발명에 의한 선재로 풀림방지 볼트를 제조하면 볼트의 풀림을 완전히 방지하여 구조물과 볼트 사이로 물이 스며들지 않게 되어 내부 부식 및 오염을 방지할 수 있으며, 풀림방지 작업이 간단하고 효율적이고 작업시간이 단축된다는 효과가 있다.
또한, 부득이 볼트의 해체가 필요할 때는 절단기나 커터기를 이용하여 제거할 필요가 없이, 볼트를 국부적으로 상변태 온도이상으로 가열 및 냉각으로 역변태를 활용하여 부피감소로 볼트를 해체할 수도 있다.
도 1은 발명예 2의 열간압연재에 대한 투과전자현미경(TEM)으로 관찰한 미세조직 및 회절패턴을 나타낸 것이다.
(a) 미세조직
(b) ⓑ구역 [011]γ / [2-1-10]ε 회절패턴
(c) ⓒ구역 [-111]α 회절패턴
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 이하에서 %는 중량%를 의미한다.
본 발명자들은 종래 화약식 풀림방지 볼트는 소재를 화약폭발 혹은 타격 등의 국부적인 소성변형을 활용하기 때문에 미세균열 등의 발생하여 피로특성 및 내지연파괴 저항성이 저하될 수 있음을 인지하게 되었다. 이러한 문제점을 개선하기 위하여 본 발명자들은 오스테나이트가 50%를 초과하는 조직을 갖는 선재의 마르텐사이트 상변태를 통한 부피팽창으로 풀림을 방지할 수 있는 볼트용 선재를 제공하여 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있음을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다. 본 발명에 따른 풀림방지 볼트는 볼트의 결합시에 발생하는 전단응력으로 부피가 팽창하기 때문에 미세균열 등의 발생에 의한 피로특성 및 내지연파괴 저항성이 저하가 없음은 물론, 볼트 결합 후 타격 혹은 화약사용 등으로 인한 시간소요가 발생하지 않는다.
이하, 본 발명의 일측면인 풀림방지 볼트용 선재 및 본 발명의 다른 일 측면인 불림방지 볼트에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재는 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 50면적% 초과 90면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 성분 및 조성범위 한정이유를 상세히 설명한다.
탄소(C): 0.1~0.4 중량%
C는 강 내의 오스테나이트 조직을 확보하는데 필요한 원소이다. C 함량이 0.1% 미만인 경우, 50% 이상의 오스테나이트상을 얻기 위해 첨가되는 망간함량이 상대적으로 높아 지기 때문에 생산 원가측면에서 비효율적이다. 반면에, C 함량이 0.4%를 초과하는 경우, 적층결함에너지 (stacking fault energy)가 높아져 오스테나이트의 안정성이 높아지기 때문에 상변태에 의한 부피팽창 효과가 감소한다.
따라서, C 함량은 0.1~0.4%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 C의 함량은 0.1~0.2%일 수 있다.
망간(Mn): 8~15 중량%
Mn은 상온에서 오스테나이트 조직을 안정화 시키는 역할을 하는 중요한 원소이다. Mn의 함량이 8%미만인 경우에는 50% 초과의 오스테나이트 상을 얻기 어려운 문제점이 있다. 또한, Mn의 함량이 15%를 초과하는 경우에는 제조원가가 증가하고, 공정상 열간 선재압연 단계에서 가열시 내부산화가 심하게 발생되어 표면품질이 저하되는 문제가 있다.
따라서, 상기 Mn의 함량은 8~15%인 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 Mn의 함량은 10~14%일 수 있다.
실리콘(Si): 0.01~0.3 중량%
Si는 통상 탈산제로 사용되거나, 일반 제강공정에서 0.01% 정도 함유되며, 이를 제거하고자 하는 경우에는 과도한 비용이 발생하기 때문에 0.01%를 포함하며, 상기 Si의 함량이 0.3%를 초과하는 경우에는 실리콘 첨가에 의한 고용 강화효과로 냉간단조 부품의 단조성을 저하시킨다.
따라서, 상기 Si의 함량은 0.01~0.3%인 것이 바람직하다.
인 (P): 0.025 중량% 이하
P은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로 그 상한을 0.025%로 제한한다. 그러나, 상기 P의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우에는 정련공정의 제조비용이 크게 증가하는 문제가 있으므로, 상기 P의 함량은 0.001 중량%~0.025%로 제어하는 것이 바람직하다.
황 (S): 0.025 중량% 이하
S은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키고 저융점 유화물을 형성시켜 열간 압연을 저해하므로 그 상한을 0.025%로 제한하는 것이 바람직하다. 그러나, 상기 S의 함량이 0.001 중량% 미만인 경우에는 정련공정의 제조비용이 크게 증가하는 문제가 있으므로, 상기 S의 함량은 0.001 중량%~0.025%로 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 나머지 성분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성분계를 만족함으로서, 볼트 조임시 발생하는 전단응력으로 마르텐사이트 상변태를 야기시켜 볼트의 부피팽창으로 풀림을 방지하는 풀림방지 볼트를 제조하기 위한 풀림방지 볼트용 선재를 제공할 수 있다.
다만, B: 0.001~0.003% 및 Mo: 0.05~0.20% 중 1종 이상을 추가로 포함할 경우 본 발명의 효과를 더욱 향상 시킬 수 있다.
B: 0.001~0.003%
B는 강 중에 고용되어 있는 N을 BN으로 고정시켜, 고용 N의 저감을 통한 냉간압조성의 향상에 기여하는 원소이다. 상기 효과를 위해서는 B를 0.001% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 그러나, 0.003% 초과로 첨가될 경우에는 상기 효과가 포화되는 경향이 있으며, B의 입계편석에 의한 지연파괴를 야기할 수 있다. 따라서, B의 함량은 0.001~0.003%인 것이 바람직하다.
Mo: 0.05~0.20%
Mo는 상변태 볼트의 지연파괴 저항성을 향상시키는 역할을 한다. Mo를 0.05% 이상 첨가함으로써 입계의 취성파괴를 억제하여 수소에 의한 취성파괴 저항성을 향상시킬 수 있다. 그러나, Mo의 함량이 0.20%를 초과하는 경우, 지연파괴 저항성 증가율이 포화되는 경향이 있기 때문에, Mo의 함량은 0.05~0.20%로 한정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.
상기 선재의 미세조직은 50면적% 초과 90면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진다.
오스테나이트상이 소성변형시에 ε-마르텐사이트와 α`-마르텐사이트로 상변태를 하여 부피가 팽창하는데, 오스테나이트 상분율이 50% 이하일 경우에는 본 발명에서 의도하는 볼트의 부피팽창 효과가 적기 때문이다. 반면에, 오스테나이트 상분율이 90%를 초과하는 경우, 제조된 강재의 적층결합에너지가 높아지기 때문에, 본 발명에서 의도하는 볼트 조임 중의 상변태가 발생하지 않아 부피팽창에 효과가 낮다.
또한, 상기 마르텐사이트는 ε-마르텐사이트와 α`-마르텐사이트가 혼합되어 있으며, α`-마르텐사이트는 30% 이하인 것이 바람직하다. α`-마르텐사이트 상분율이 30%를 초과하는 경우, 본 발명에서 의도하는 볼트의 부피팽창 효과가 적기 때문이다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트는 상기 전술한 조성을 만족하고, 미세조직은 40면적% 초과 85면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 한다.
상술한 선재의 미세조직을 한정한 이유와 같으나, 선재를 이용하여 볼트를 제조할 경우 가공 및 냉간압조를 행하기 때문에 선재에 비하여 오스테나이트의 상분율이 감소하기 때문이다. 다만, 볼트 체결 과정에 비하여 변형속도가 빠르기 때문에, 오스테나이트의 상분율 감소량은 적다.
또한, 상기 마르텐사이트는 ε-마르텐사이트와 α`-마르텐사이트가 혼합되어 있으며, α`-마르텐사이트는 35% 이하인 것이 바람직하다. 상술한 선재의 미세조직을 한정한 이유와 같으나, 선재를 이용하여 볼트를 제조할 경우 가공 및 냉간압조를 행하기 때문에 선재에 비하여 오스테나이트의 상분율은 감소하고, 마르텐사이트의 상분율은 증가하기 때문이다. α`-마르텐사이트 상분율이 35%를 초과하는 경우, 본 발명에서 의도하는 볼트의 부피팽창 효과가 적다.
이하, 본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재 및 풀림방지 볼트의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면인 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법은 상기 전술한 조성을 만족하는 강편을 1000~1200℃에서 가열하는 단계; 상기 가열된 강편을 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 열간압연된 선재를 0.1~10℃/초의 냉각속도로 650℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함한다.
가열하는 단계
상기 성분계를 만족하는 강편을 1000~1200℃로 가열한다. 상기 온도 범위에서 강편의 가열을 행함으로써 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지할 수 있으며, 잔존하는 편석, 탄화물 및 개재물을 효과적으로 용해할 수 있다. 상기 강편의 가열온도가 1200℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 조대하게 되어 기계적 특성 취화가 발생할 수 있으며, 열간압연 후 냉각시에 α`-마르텐사이트 상의 생성이 용이하여 바람직하지 않다. 반면, 1000℃ 미만인 경우에는 가열에 의한 상기 효과를 얻기 곤란할 수 있다. 여기서, 강편이란 선재로 제조될 수 있는 블룸이나 빌렛과 같은 반제품을 모두 의미한다.
열간압연하여 선재를 얻는 단계
상기와 같이 가열된 강편을 열간압연을 실시할 수 있다. 이때, 압연은 950~1100℃에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 압연온도가 950℃미만일 경우에는 압연부하가 높고 표면에 흠이 발생될 우려가 있다. 반면, 압연온도가 1100℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립의 크기가 증가하여 기계적 특성의 취화 및 냉각시 α`-마르텐사이트 상 생성이 용이하여 바람직하지 않다.
냉각하는 단계
상기와 같이 얻어진 선재를 냉각하는 것이 바람직하다. 이때, 냉각은 0.1~10℃/초의 속도로 650℃ 이하까지 행하는 것이 바람직하다. 0.1℃/초 미만인 경우에는 표면탈탄에 의한 문제가 발생할 수 있다. 반면에, 10℃/초를 초과하는 경우에는 α`-마르텐사이트 상분율이 증가하여 본 발명에서 의도하는 오스테나이트상의 상변태유기 소성효과를 활용하기 용이하지 않다.
또한, 냉각 종료온도가 650℃를 초과하는 경우, 냉각 종료 후 발생할 수 있는 부분 급속냉각에 의해 상변태가 부분적으로 발생할 수 있어 불균일한 상분율을 갖는 선재가 생산될 수 있다.
상기 냉각하는 단계 후에 냉각된 선재의 보관 및 이동을 용이하게 하기 위하여 권취하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법에 의해 제조된 선재를 이용하여 풀림방지 볼트를 제조할 수 있다.
상기 제조방법은 특별히 한정하지 않으나, 바람직한 일례로, 신선하는 단계; 윤활피막을 입히는 단계; 및 냉간압조하는 단계를 거쳐서 풀림방지 볼트를 제조할 수 있다.
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 )
하기 표 1에 기재된 성분계를 만족하는 강편들을 주조하였다. 그 후 통상적인 방법에 의해 1100℃에서 가열 하고, 열간 압연하여 13 mm의 직경을 갖는 선재를 제조하였다. 그 후 1000℃의 온도에서 열간 압연된 13 mm 선재를 2℃/초의 냉각속도로 냉각하였다.
상기와 같은 조건으로 제조된 선재를 볼트 가공공정 모사 시험에 따른 미세조직 변화와 그에 따른 부피변화를 관찰하기 위한 하기 실험을 수행하였다. 13mm 선재를 직경 Φ10mm 길이 10mmL 인 원통형 시편으로 가공하였다. 이를 통상 볼트의 냉간압조 변형을 모사하기 위하여, 고속변형시험기를 활용하여 1000/sec 의 변형율로 0.3의 압축 변형량을 부여하였다. 그 후, 상기 제조된 시편들의 볼트 체결을 모사하기 위하여 pressure torsion 장비를 이용하여 전단압축응력이 소재 인장강도의 90% 가 되는 힘으로 압축을 가한 상태에서 0.1/sec의 변형율로 0.05의 전단 변형량을 부여하였다. 이와 같은 조건으로 제조된 시편의 상분율 변화를 XRD로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구분 C
(중량%)		 Mn
(중량%)		 Si
(중량%)		 P
(중량%)		 S
(중량%)		 B
(중량%)		 Mo
(중량%)
발명예1 0.11 10.3 0.05 0.01 0.005 0 0
발명예2 0.12 14.0 0.04 0.01 0.004 0 0
발명예3 0.21 10.1 0.05 0.01 0.005 0 0
발명예4 0.20 14.0 0.04 0.01 0.005 0 0
발명예5 0.30 10.0 0.05 0.01 0.004 0 0
발명예6 0.11 14.0 0.05 0.01 0.005 0 0.10
발명예7 0.10 14.0 0.05 0.01 0.005 0.002 0
종래예 0.45 0.74 0.04 0.01 0.005 0 0
비교예1 0.19 7.8 0.05 0.01 0.005 0 0
비교예2 0.08 10.0 0.07 0.01 0.005 0 0
비교예3 0.12 8.4 0.05 0.01 0.005 0 0
비교예4 0.28 13.8 0.07 0.01 0.005 0 0
구분 γ, ε, α` 상분율 (면적%) 및 부피변화 ΔV (%)
1. 열간 압연재 2. 고속변형 압축 후
(냉간압조 모사)		 3. 전단변형 후
(볼트체결 모사)
γ ε α` γ ε α` ΔV
(V2-V1)		 γ ε α` ΔV
(V3-V2)
발명예1 55 15 30 44 22 34 2.2 32 22 46 6.5
발명예2 64 19 17 59 21 20 1.6 32 23 45 13.5
발명예3 55 20 25 51 24 25 0 48 18 34 4.9
발명예4 84 16 0 76 19 5 2.7 54 15 31 14.1
발명예5 79 21 0 72 23 5 2.7 60 26 14 4.9
발명예6 65 18 17 59 20 21 2.2 32 24 44 12.4
발명예7 62 21 17 56 23 21 2.2 30 24 46 13.5
종래예 0 0 100 0 0 100 0 0 0 100 0.0
비교예1 48 16 36 32 22 46 5.4 25 24 51 2.7
비교예2 48 18 34 31 24 45 6.0 26 24 50 2.7
비교예3 44 15 41 30 20 50 4.9 22 25 53 1.6
비교예4 91 9 0 85 15 0 0 75 19 6 3.2
상기 표 2에서, γ, ε 및 α`는 각각 오스테나이트, ε-마르텐사이트 및 α`-마르텐사이트를 나타낸다.
상분율 분석결과, 볼트 헤드부 냉간압조 모사 시험에서는 상변태 분율이 높지 않았다. 그 이유는 1000/sec 이상의 빠른 변형속도에 의한 것으로 판단된다. 반면에 볼트 체결 모사 시험에서는 비교적 적은 변형량을 인가하였으나 낮은 변형속도와 앞선 냉간압조 모사 고속변형 압축시에 해소되지 못한 내부에너지로 인하여 비교적 높은 분율의 상변태가 발생하였다.
면심입방구조의 오스테나이트가 체심입방구조의 α`-마르텐사이트로 상변태를 할 경우의 부피증가 (ΔV) 는 Sadhukhan이 정리한 기 공지된 하기 식 1에 따라 나타낼 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001

(P. Sadhukhan "Computational design of high strength austenitic trip steels for blast protection application" ph.D thesis, Northwestern University (2008) p.71)
여기서 ΔV는 부피 변화량이며, V는 초기 재료의 부피, abcc 와 afcc 는 각각 오스테나이트와 α`-마르텐사이트의 격자상수를 나타낸다.
본 발명의 합금성분은 오스테나이트(fcc) → ε-마르텐사이트(hcp) → α`-마르텐사이트(bcc) 의 순서로 상변태하는 강종이나, 본 실시예에서 표현하는 부피변화에서는 ε-마르텐사이트의 부피변화를 고려하지 않는 가정하에 계산되었다.
정밀한 부피팽창량 계산을 위해서 투과전자현미경(TEM)을 이용하여 발명예 2의 열간압연재 시편의 미세조직 및 회절패턴을 분석하여 격자상수 값을 도출하였다. 도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 발명예 2의 열간압연재 미세조직은 오스테나이트, ε-마르텐사이트, α`-마르텐사이트 복합조직으로 구성되어 있었다. 회전패턴 분석결과 도 1의 (b)는 [011]γ / [2-1-10]ε 의 Shouji-Nishiyama 관계를 가지고 있는 오스테나이트와 ε-마르텐사이트임을 알 수 있었다. 도 1의 (c)는 [-111]α 의 회절패턴 임을 알 수 있었다. 이러한 회절패턴으로부터 면간거리를 계산할 수 있었으며, 면간거리부터 계산된 오스테나이트와 α-마르텐사이트의 격자상수는 각각 3.70와 2.85 임을 알 수 있었다. 100% 오스테나이트 미세조직 강재가 100% α-마르텐사이트 미세조직 강재로 상변태할 경우 54.1 %의 부피팽창이 발생함을 알 수 있다.
상분율 분석결과와 격자상수 측정을 통해 계산된 부피증가 관찰결과를 상기 표 2에 나타내었다. 종래예 JS-SWRCH 45F 냉간압조용 선재의 경우 볼트체결 모사시험에서 부피변화가 없음을 알 수 있다. 반면에, 볼트체결 모사시의 전단변형으로부터 발명예 2는 13.5%, 발명예 4의 경우 14.1% 등의 부피증가 효과가 있음을 간접적으로 알 수 있다.
본 발명에 필요에 따라 추가적으로 첨가할 수 있는 Mo의 효과를 관찰하기 위해 발명예 2와 발명예 6의 지연파괴 저항성을 비교하였다. 발명예 2와 발명예 6에 전기화학적 방법으로 강 중에 0.3 ppm 의 수소를 강재로 주입하고, 인장강도 저항값을 상호 비교하였다. 동일 수소량이 들어갔을 때 발명예 2의 경우 인장강도 취화율이 32% 인 반면에, Mo가 첨가된 강은 15% 였다. 따라서, Mo가 첨가된 강의 내지연파괴 저항성이 우수함을 알 수 있다.
볼트는 나사산에 의한 응력집중부가 있기 때문에 외부환경에서 유입된 수소가 응력집중부로 확산되어 모이게 된다. 강 중 수소량이 임계 수소값을 넘게 되면 수소에 의한 지연파괴를 발생하게 되기 때문에 볼트에서의 내지연파괴 저항성은 중요하다. 특히, 강도가 높을수록 수소에 대한 민감도가 증가하게 되는데, 본 발명을 통해 개발된 강종은 볼트조립 후 마르텐사이트 조직을 갖는 고강도 볼트이기 때문에 내지연파괴 저항성에 대해서 더욱 중요하다.
본 발명에 필요에 따라 추가적으로 첨가할 수 있는 B의 효과를 관찰하기 위해 고속압축 시험을 통해 냉간압조 한계율을 비교하였다. 발명예2와 발명예7의 냉간압조성을 비교하기 위하여 고속변형시험기를 활용하여 1000/sec 의 변형율로 0.3의 압축 변형량을 연속적으로 부여하였다. 발명예2의 경우에는 3회 반복 후 크랙이 발생 하였으나, 발명예7의 경우에는 5회 반복 후 크랙이 발생하였다. 따라서, BN으로 석출되어 강중의 내부 N함량이 적은 발명예 7의 경우 냉간압조성이 우수함을 확인할 수 있다.
본 발명에서의 강종은 구상화 열처리 및 조질 열처리를 생략하여 볼트를 생산하는 제조공정을 거치기 때문에 냉간 압조성 개선이 필요할 수 있다. 따라서, 냉간 압조성을 향상시키기 위하여 본 발명에서는 B을 첨가하여 강중의 N을 고정하여 냉간압조성을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

Claims (9)

  1. 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 50면적% 초과 90면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트용 선재.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 마르텐사이트는 ε-마르텐사이트와 α`-마르텐사이트가 혼합되어 있으며, α`-마르텐사이트는 30면적% 이하인 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트용 선재.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 B: 0.001~0.003% 및 Mo:0.05~0.20% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트용 선재.
  4. 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 40면적% 초과 85면적% 이하의 오스테나이트와 나머지는 마르텐사이트로 이루어진 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 마르텐사이트는 ε-마르텐사이트와 α`-마르텐사이트가 혼합되어 있으며, α`-마르텐사이트는 35면적% 이하인 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 볼트는 B: 0.001~0.003% 및 Mo:0.05~0.20% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트.
  7. 중량%로, C: 0.1~0.4%, Mn: 8~15%, Si: 0.01~0.3%, P: 0.025%이하, S: 0.025%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1200℃에서 가열하는 단계;
    상기 가열된 강편을 열간압연 하여 선재를 얻는 단계; 및
    상기 열간압연된 선재를 0.1~10℃/초의 냉각속도로 650℃ 이하까지 냉각하는 단계를 포함하는 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 강편은 B: 0.001~0.003% 및 Mo:0.05~0.20% 중 1종 이상을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 열간압연은 950~1100℃에서 행하는 것을 특징으로 하는 풀림방지 볼트용 선재의 제조방법.

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