KR20210037208A - 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 열간단조강은 탄소(C) 0.20~0.25 중량%, 규소(Si) 0.32~0.40 중량%, 망간(Mn) 1.00~2.00 중량%, 크롬(Cr) 0.18~0.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.03~0.08 중량%, 니켈(Ni) 0.23~0.27 중량%, 바나듐(V) 0.02~0.10 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

Description

고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강 {HOT FORGING STEEL HAVING VANADIUM WITH EXCELLENT THERMAL STABILITY OF MICROSTRUCTURE AT HIGH TEMPERATURE DEFORMATION}

본 발명은 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강에 관한 것이다. 보다 상세하게는 열간압연 및 단조와 같은 열간가공 공정에서, 향상된 열적 안정성을 가지는 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강에 관한 것이다.

일반적으로 저탄소 단조용 강은 산업용 플랜트, 원자력발전소 등에서 필수적으로 사용되는 튜브시트, 압력용기 등 다양한 산업용 구조재료 소재뿐만 아니라 크랭크샤프트, 커넥팅로드, 현가장치, 스핀들, 드라이브라인 부품 등 자동차용 부품 소재로 널리 활용될 수 있다.

단조용 강의 종류로는 크게 열간가공 공정 후, 소입 및 소려 처리와 같은 후속 열처리 공정을 통해 기계적 성질을 향상시키는 조질형 강재와, 강한 탄질화물 형성원소인 바나듐(V), 티타늄(Ti) 및 니오븀(Nb) 등을 소량 첨가하여 조질형 강재와 유사한 기계적 성질을 확보하면서도 후속 열처리 공정을 생략할 수 있는 비조질형 강재로 구분할 수 있다. 최근에는, 세계시장의 과열된 가격경쟁으로 인해 생산비용을 대폭 감소시킬 수 있는 비조질형 강재에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다.

이러한 산업적 수요에 발맞춰 비조질형 강재의 기계적 성질을 보다 향상시키기 위한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지고 있으나, 대부분의 연구개발은 0.1~0.2 중량%의 탄질화물 형성원소(V, Ti, Nb)를 함유하는 중탄소강에 집중되어있다.

또한, 해당 합금은 열간가공 공정이 필수적으로 적용되는 단조용 강으로, 화학성분의 조절을 통한 기계적 성질의 향상뿐만 아니라 공정의 간략화, 설비의 간소화 및 에너지 절약 등을 통해 생산비용을 저감시키기 위한 연구개발 역시 꾸준히 이루어지고 있다.

결과적으로, 우수한 기계적 성질과 함께 공정시간 단축을 기대할 수 있는 저탄소 단조강의 개발을 위해서는 합금원소의 효과와 함께 열간가공 공정 조건에 대한 이해가 요구되어야 한다.

본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-0748809호(2007.08.13. 공고, 발명의 명칭: 음향이방성이 작은 고강도 및 고인성의 베이나이트 비조질강판)에 개시되어 있다.

본 발명의 하나의 목적은 고온에서의 변형미세조직의 열안정성이 우수하여, 가공성과 변형 방지특성이 우수한 열간단조강을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 강도 및 인성 등의 기계적 물성이 우수한 열간단조강을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 생산성 및 경제성이 우수한 열간단조강을 제공하는 것이다.

본 발명의 하나의 관점은 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강에 관한 것이다. 한 구체예에서 상기 열간단조강은 탄소(C) 0.20~0.25 중량%, 규소(Si) 0.32~0.40 중량%, 망간(Mn) 1.00~2.00 중량%, 크롬(Cr) 0.18~0.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.03~0.08 중량%, 니켈(Ni) 0.23~0.27 중량%, 바나듐(V) 0.02~0.10 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

한 구체예에서 상기 열간단조강은 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(perlite) 미세조직을 포함할 수 있다.

한 구체예에서 상기 열간단조강은 인장강도 600 MPa 이상, 항복강도 300 MPa 이상, 파단신율 40% 이상 및 경도 180 Hv 이상일 수 있다.

본 발명에 따른 열간단조강은 고온 변형조직의 열안정성이 우수하여, 가공성과 변형 방지특성이 우수하고, 강도 및 인성 등의 기계적 물성이 우수하며, 생산성 및 경제성이 우수할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 통상적인 저탄소 단조강에 미소합금원소인 바나듐(V)을 첨가하는 경우, V[C, N] 형태의 탄질화물이 형성되며, 이러한 석출물은 기계적 성질의 향상 및 구 오스테나이트 결정립 미세화에 의한 최종 미세조직의 조질 이외에도 입내 페라이트의 핵생성을 촉진하여, 고온에서의 열간변형량 증가에도 기계적 성질의 열화를 최소화할 수 있다.

따라서, 이러한 특징을 가지는 바나듐(V) 함유 저탄소 단조강을 제공하여 우수한 기계적 성질과 함께 높은 변형량을 요구하는 다양한 부품 및 구조재료 소재로 보다 폭넓은 활용이 가능할 수 있다.

도 1은 실시예 및 비교예의 구 오스테나이트 결정립을 산화법을 활용하여 평가한 결과를 나타낸 사진이다.
도 2는 실시예 및 비교예의 열간단조/압연 모사시험 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3은 실시예 및 비교예의 열간압연/단조모사 시험 후 미세조직을 나타낸 광학현미경 사진이다.
도 4는 실시예 및 비교예의 압하율 변화에 따른 페라이트의 상대적인 분율 변화를 나타낸 그래프이다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강

본 발명의 하나의 관점은 고온 변형조직의 열안정성이 우수한 바나듐을 포함하는 열간단조강에 한 구체예에서 상기 열간단조강은 탄소(C) 0.20~0.25 중량%, 규소(Si) 0.32~0.40 중량%, 망간(Mn) 1.00~2.00 중량%, 크롬(Cr) 0.18~0.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.03~0.08 중량%, 니켈(Ni) 0.23~0.27 중량%, 바나듐(V) 0.02~0.10 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(perlite) 미세조직을 포함할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 열간단조강의 구성 성분을 보다 상세히 설명하도록 한다.

탄소(C)

상기 탄소(C)는 강의 경화능과 강도를 향상시키는데 기여하는 원소이나, 과도한 양의 탄소 첨가는 용접성 저하는 물론 인성을 감소시키는 주된 원인이 되며, 대형 주괴의 경우, 역 V-상 편석(inverse V-shape segregation)을 야기할 수 있다. 한 구체예에서 상기 탄소(C)는 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.20~0.25 중량% 포함된다. 상기 탄소를 0.20 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.25 중량%를 초과하여 포함시 용접성이 저하되고, 인성이 감소되며, 대형 주괴의 경우 역 V-상 편석이 발생할 수 있다.

규소(Si)

상기 규소는 제강의 탈산에 필요한 원소이면서 경화능과 강도를 향상시키나, 과도한 양의 규소 첨가는 탄소와 유사하게 인성을 저하시키고 역 V-상편석을 유발할 수 있다. 한 구체예에서 상기 규소(Si)는 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.32~0.40 중량% 포함된다. 상기 규소를 0.32 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.40 중량%를 초과하여 포함시 인성을 저하시키고 역 V-상편석을 유발할 수 있다.

망간(Mn)

상기 망간(Mn)은 규소와 마찬가지로 탈산에 필요한 원소이면서 경화능과 강도를 향상시키는 원소이나, 과도한 양의 망간 첨가는 뜨임 취성을 유발할 수 있다. 한 구체예에서 상기 망간은 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 1.00~2.00 중량% 포함된다. 상기 망간을 1.00 중량% 미만으로 포함시 그 첨가효과가 미미하며, 2.00 중량%를 초과하여 포함시 뜨임 취성을 유발할 수 있다.

크롬(Cr)

상기 크롬(Cr)은 경화능과 인성 향상에 유용한 원소이나, 과다한 양의 크롬 첨가는 변형저항성 증가와 함께 불균일한 고화(solidification)를 유발하여 주괴의 청정도에 악영향을 미칠 수 있다.

한 구체예에서 상기 크롬은 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.18~0.25 중량% 포함된다. 상기 크롬을 0.18 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.25 중량%를 초과하여 포함시, 변형저항성 증가와 함께 불균일한 고화를 유발하여 주괴의 청정도에 악영향을 미칠 수 있다.

몰리브덴(Mo)

상기 몰리브덴(Mo)은 경화능, 강도 및 인성 모두를 향상시키는데 효과적인 원소이나, 과도한 양의 몰리브덴 첨가는 주괴 내 미세편석 및 중량편석을 발생시킬 수 있다.

한 구체예에서 상기 몰리브덴은 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.03~0.08 중량% 포함된다. 상기 몰리브덴을 0.03 중량% 미만으로 포함시 그 첨가효과가 미미하며, 0.08 중량%를 초과하여 포함시 주괴 내 미세편석 및 중량편석을 발생시킬 수 있다.

니켈(Ni)

상기 니켈(Ni)은 경화능 및 인성을 향상시키는 원소이나, 과도한 양의 니켈 첨가는 결정립 크기를 증가시켜 조대화를 일으키는 경향이 있다.

한 구체예에서 상기 니켈은 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.23~0.27 중량% 포함된다. 상기 니켈을 0.23 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.27 중량%를 초과하여 포함시 결정립 크기를 증가시켜 결정립 조대화가 발생할 수 있다.

바나듐(V)

상기 바나듐(V)은 소량의 첨가만으로 경화능 및 강도를 현저히 향상시킬 수 있으나, 낮은 평형분배계수(low equilibrium distribution coefficient)를 가지므로 과도한 양의 바나듐 첨가는 오히려 미세 편석을 유발할 수 있다.

한 구체예에서 상기 바나듐은 상기 열간단조강 전체 중량에 대하여 0.02~0.10 중량% 포함된다. 상기 바나듐을 0.02 중량% 미만으로 포함시 그 첨가 효과가 미미하며, 0.10 중량%를 초과하여 포함시 미세 편석이 발생할 수 있다.

한 구체예에서 상기 열간단조강은 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(perlite) 미세조직을 포함할 수 있다.

한 구체예에서 상기 열간단조강은 인장강도 600 MPa 이상, 항복강도 300 MPa 이상, 파단신율 40% 이상 및 경도 180 Hv 이상일 수 있다.

예를 들면, 상기 열간단조강은 인장강도 600~800 MPa, 항복강도 300~500 MPa, 파단신율 40~50% 및 경도 180~220 Hv일 수 있다.

본 발명의 바나듐을 포함하는 저탄소 열간단조강의 기본적인 화학성분은 전술한 바와 같으며, 잔부의 성분은 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

한 구체예에서 상기 열간단조용 강의 제조 방법은 특별히 한정되지 않고, 상기 조성으로 제조한 강을 열간압연 및 단조하여 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 열간단조강은 단조비 증가와 같은 가혹한 열간변형 하에서 기계적 성질의 열화를 억제할 수 있다. 예를 들면, 대표적인 상용 저탄소 단조강인 SA266 Gr.2 강에 미소합금원소인 바나듐(V)을 첨가함으로써 미세한 V[C,N] 형태의 탄질화물의 석출을 유도할 수 있으며, 특히 고온 오스테나이징 처리 후 냉각 시 입내페라이트 핵생성을 촉진할 수 있는 것을 주요 미세구조적 특징으로 한다.

이러한 입내페라이트의 형성 촉진은 열간변형 시 입계페라이트 분율 증가에 따른 기계적성질 열화를 보상할 수 있는 것으로, 기본적인 기계적 성질의 향상뿐만 아니라 다양한 조업환경에서의 공정 제약이 상대적으로 적기 때문에 산업적 활용도가 우수할 수 있다. 또한, 경제성 측면에서는 변형량 증가를 통한 공정 단축을 통해 생산비 절감 효과를 기대할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다. 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

실시예

하기 표 1과 같은 합금 성분과, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 잉곳(ingot) 형태의 반제품을 준비하였다. 상기 반제품을 1200℃에서 2 시간 동안 균질화 처리한 다음, 1050~1100℃에서 사이징 압연하여 합금판재를 제조하였다. 상기 합금판재를 1050℃에서 오스테나이징 처리 후에 공냉하여 열간단조강을 제조하였다.

비교예

하기 표 1과 같은 반제품(SA266 Grade.2)을 적용한 것을 제외하고, 상기 실시예와 동일한 방법으로 열간단조강을 제조하였다.

시험예

(1) 기계적 물성 평가: 상기 실시예 및 비교예 열간단조강에 대하여 인장강도, 항복강도, 파단신율 및 경도를 측정하여 하기 표 2에 그 결과를 나타내었다. 인장강도 및 항복강도는 ASTM E8에 따라 미소사이즈(subsize) 봉상 시험편을 활용하여 상온에서 평가하였으며, 경도는 마이크로 비커스 경도계를 활용하여 총 10회 측정 후 최대 및 최소값을 제외한 평균값을 사용하였다.

상기 표 2를 참조하면, 비교예의 기계적 성질과 비교하여 실시예에서 연신율의 큰 감소없이 강도 및 경도가 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 기계적 성질의 향상은 미세한 크기의 V-rich M[C,N] 석출물에 의한 석출강화 및 입계고착효과에 의한 오스테나이트 결정립 성장 억제에 기인한 것으로 이해될 수 있다.

(2) 고온압연/단조모사시험: 상기 실시예 및 비교예에 대하여. 고온 변형하에서 형성된 미세조직과 최종 기계적성질을 조사하기 위하여 글리블(Gleeble) 시험기를 활용하여 고온압연/단조모사시험을 실시하였다. 이때, 시험편은 Φ10 x 12mm의 실린더 형태 시험편을 사용하였으며, 1100℃에서 1/sec 의 일정한 변형률 속도로 각각 15%, 50% 및 75% 열간변형 후 공냉하여 미세조직 분석 및 경도를 평가하여 그 결과를 하기 도 1 내지 도 4에 나타내었다.

도 1은 실시예 및 비교예의 구 오스테나이트 결정립을 산화법을 활용하여 관찰한 결과를 나타낸 사진으로, 선형 교차법(linear intercept method)으로 평가된 결정립 크기는 비교예와 실시예에서 각각 53.3㎛, 47.2㎛로 확인되었다. 이러한 결과는 중탄소 저합금계에서의 석출강화 및 결정립 미세화를 위한 바나듐 첨가 효과를 저탄소 저합금강인 본 발명강에서도 유사한 효과를 기대할 수 있음을 의미한다.

도 2는 상기 실시예 및 비교예에 대하여, 글리블을 활용한 열간단조/압연 모사시험 결과를 나타낸 그래프이다. 상기 도 2를 참조하면, 실시예 및 비교예 모두 고온 변형 시 경도가 전반적으로 향상된 것을 확인할 수 있다. 상기 비교예의 경우, 압하율 증가에 따라 경도가 감소하는 것과는 달리 실시예의 경우, 경도가 일정하게 유지되는 것을 보여준다.

도 3은 실시예 및 비교예의 글리블 시험 후 냉각된 시험편을 에칭하여 관찰한 미세 조직의 광학현미경 사진이다. 상기 도 3을 참조하면, 압하율이 증가함에 따라 최종 미세구조가 미세화된 것을 보여준다. 이외에도, 열간변형 전과 비교할 때, 15% 열간변형한 경우 재결정 오스테나이트 입계로부터 핵생성 후 성장하는 페라이트가 효과적으로 제어된 것을 확인할 수 있으며, 이후 압하율이 증가함에 따라 미세구조가 전반적으로 미세화되는 것을 보여준다.

도 4는 도 3의 결과를 기초로 입계 페라이트 분율을 평가하여 압하율 변화에 따라 나타낸 그래프이다. 여기서 상기 입내 페라이트 함량은 아공석강의 평형 초석페라이트 함량을 기초로 평가되었다. 먼저 열간변형 전과 15% 열간변형 후를 비교할 때, 초기 입계페라이트 함량이 약 60% 이상 감소한 것으로 나타났으며, 이후 변형량이 증가함에 따라 다시 증가하는 것을 보여준다.

이러한 결과는 도 2의 미세구조에서 확인할 수 있는 것으로, 변형량 증가에 따른 재결정 오스테나이트 결정립 미세화는 초석 페라이트 미세화에 효과적일 수 있으나, 입계 페라이트 핵생성 장소를 증가시켜 경도감소를 초래할 수 있다. 그러나 실시예의 경우, V-rich M[C,N] 형태의 미세한 탄질화물에 의한 상대적인 입내 페라이트 형성 촉진(입계 페라이트 형성 억제)뿐만 아니라 결정립 미세화, 석출강화 등에 의해 경도감소를 효과적으로 보상한 것으로 판단된다.

이러한 미세구조적 조질은 바나듐 함유 저탄소 열간단조강의 강도비 연성의 향상뿐만 아니라 단조비 증가와 같은 열간변형량 증가 시 기계적성질 열화를 효과적으로 억제하는데 기여한다. 따라서, 상기에 대한 V함유 저탄소 단조강은 다양한 구조재료 및 부품 소재에서 요구되는 기계적 성질의 확보가 가능하며, 공정 제약이 상대적으로 적어 폭넓은 산업적 활용이 기대된다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (3)

1. 탄소(C) 0.20~0.25 중량%, 규소(Si) 0.32~0.40 중량%, 망간(Mn) 1.00~2.00 중량%, 크롬(Cr) 0.18~0.25 중량%, 몰리브덴(Mo) 0.03~0.08 중량%, 니켈(Ni) 0.23~0.27 중량%, 바나듐(V) 0.02~0.10 중량% 및 잔부의 철(Fe)과 기타 불가피한 불순물을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간단조강.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 열간단조강은 페라이트(ferrite) 및 펄라이트(perlite) 미세조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 열간단조강.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 열간단조강은 인장강도 600 MPa 이상, 항복강도 300 MPa 이상, 파단신율 40% 이상 및 경도 180 Hv 이상인 것을 특징으로 하는 열간단조강.
   

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