KR20220074474A - 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법이 개시된다.
본 발명에 따른 저탄소 보론강 선재는 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하며, 하기 관계식 1 내지 3을 만족한다.
[관계식 1] Cr/Mn ≥ 2.0
[관계식 2] 0.9 ≤ Mn+Cr ≤ 1.6
[관계식 3] 편석대 Mn/Cr ≤ 0.6

Description

소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법{low-carbon boron steel wire with improved hardenability and softening resistance and method for manufacturing the same}
본 발명은 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 기계 부품용 소재로써 사용하기에 적합한 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
냉간 가공 방법은 열간 가공 방법이나 기계 절삭 가공 방법과 비교할 때, 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 열처리 비용 절감의 효과가 크기 때문에, 볼트, 너트 등의 기계 부품 제조에 널리 사용되고 있다.
다만, 냉간 가공 방법을 이용하여 기계 부품을 제조하기 위해서는 본질적으로 강재의 냉간 가공성이 우수할 것이 요구되며, 보다 구체적으로는 냉간 가공시 변형 저항이 낮으며, 연성이 우수할 것이 요구된다. 강의 변형 저항이 높을 경우 냉간 가공시 사용하는 공구의 수명이 저하되며, 강의 연성이 낮을 경우 냉간 가공시 분열 발생하기 쉬워 불량품 발생의 원인이 되기 때문이다.
이에 따라, 통상적인 냉간 단조용 강재는 냉간 단조 전 연화 소둔 열처리를 거치게 된다. 연화 소둔 열처리시 강재가 연화되어 변형 저항이 감소하고, 연성이 향상되어 냉간 단조성이 향상되기 때문이다. 그런데, 이 경우 추가 비용이 발생하고, 제조 효율이 저하되기 때문에, 추가 열처리 없이도 우수한 냉간 단조성을 확보할 수 있는 열처리 생략 선재의 개발이 요구되고 있다.
그러나, 통상적으로 열처리를 생략하고 냉간 단조를 수행하게 되면 기존 열처리재 대비 강도가 상승하여 다이스 수명이 감소하는 문제가 있다. 이러한 다이스 수명 감소는 열처리 생략을 통한 비용절감 효과를 감소시키기 때문에 열처리 생략강이 열처리재 대비 유리하지 않을 수 있다. 또한, 다이스 수명을 향상시키기 위하여 합금성분을 감소시킬 경우에는 소입성 및 연화저항성이 감소하기 때문에 원하는 물성을 확보하지 못할 가능성이 커지게 된다. 따라서, 경제적인 열처리 생략 보론강을 개발하기 위해서는 소입성, 다이스 수명 및 연화저항성 등을 종합적으로 고려한 성분설계 및 제조조건의 도출이 요구된다.
본 발명은 소입성 및 연화저항성을 확보할 수 있는 저탄소 보론강 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성을 확보할 수 있는 저탄소 보론강 선재는 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하며,하기 관계식 1 내지 3을 만족한다.
[관계식 1] Cr/Mn ≥ 2.0
[관계식 2] 0.9 ≤ Mn+Cr ≤ 1.6
[관계식 3] 편석대 Mn/Cr ≤ 0.6
선재의 인장강도는 650MPa 이하일 수 있다.
선재는 ASTM A 255 Jominy test 시 6mm에서 로크웰 경도 40 HRc 이상일 수 있다.
선재의 신선가공 후 인장강도는 720MPa 이하일 수 있다.
선재는 하기 식(1)로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.35 내지 0.50일 수 있다.
(1) Ceq = [C] + [Si]/9 + [Mn]/5 + [Cr]/12
(여기서, [C],[Si],[Mn] 및 [Cr] 각각은 해당원소의 중량%를 의미한다)
선재는 Nb: 0.1% 이하(0% 포함)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성을 확보할 수 있는 저탄소 보론강 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛을 재가열하는 단계; 재가열된 빌렛을 880℃ 내지 1050℃의 온도범위에서 최종 마무리 압연하는 단계; 최종 마무리 압연온도에서 850℃까지 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 1 냉각단계; 제 1 냉각 후 850℃에서 750℃까지 1 내지 3℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 2 냉각단계; 및 제2 냉각 후 750℃에서 600℃까지 1℃/s 미만의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 3 냉각단계;를 포함한다.
빌렛은 하기 관계식 1 내지 3을 만족할 수 있다.
[관계식 1] Cr/Mn ≥ 2.0
[관계식 2] 0.9 ≤ Mn+Cr ≤ 1.6
[관계식 3] 편석대 Mn/Cr ≤ 0.6
빌렛은, 하기 식(1)로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.35 내지 0.50일 수 있다.
(1) Ceq = [C] + [Si]/9 + [Mn]/5 + [Cr]/12
(여기서, [C],[Si],[Mn] 및 [Cr] 각각은 해당원소의 중량%를 의미한다)
빌렛은 Nb: 0.1% 이하(0% 포함)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 저탄소 보론강 선재는 Matrix 및 편석부의 Cr/Mn비를 제어함으로써 연화 열처리를 생략하더라도 페라이트 및 펄라이트 복합 조직을 확보하되, 냉간 가공시 변형 저항이 충분히 억제될 수 있다.
또한, 신선가공 후에도 강도 상승이 억제되어 다이스 수명의 확보가 가능하고 Q/T열처리 후에는 충분한 소입성 및 연화저항성을 갖는 저탄소 보론강 선재를 제공할 수 있다.
본 명세서가 실시 예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시 예들 간에 중복되는 내용은 생략한다.
또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 선재-신선가공-냉간단조-Q/T열처리 공정을 거친 후 충분한 소입성 및 연화저항성의 확보가 가능한 선재를 제공하기 위하여 다양한 각도에서 검토하였으며, 그 결과, 합금조성과 제조방법을 최적화하여 선재의 미세조직으로 페라이트 및 펄라이트 복합 조직을 확보하되, Matrix 및 편석부의 Cr/Mn비를 적절히 제어함으로써 신선가공 후에도 강도 상승이 억제되어 다이스 수명의 확보가 가능하고 Q/T열처리 후에는 충분한 소입성 및 연화저항성의 확보가 가능한 선재를 제공할 수 있음을 알아내고 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 저탄소 보론강 선재는 Nb을 0.1% 이하(0% 포함)로 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.2 내지 0.3%이다.
C는 선재의 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. C의 함량이 0.2% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, C의 함량이 0.3%를 초과할 경우, 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있으므로 이에 그 함량을 제한한다.
Si의 함량은 0 초과 0.8% 이하이다.
Si은 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. 다만, Si의 함량이 0.8를 초과할 경우 고용강화에 의해 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있으므로 Si 함량의 상한은 0.8%인 것이 바람직하다.
Mn의 함량은 0 초과 0.5% 이하이다.
Mn은 경화능 향상을 위해 첨가되는 원소이다. 다만, Mn의 함량이 0.5%를 초과하는 경우, 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있으므로 Mn 함량의 상한은 0.5%인 것이 바람직하다. Mn 함량의 상한은 0.4%인 것이 보다 바람직하다.
Cr의 함량은 0.5 내지 1.5%이다.
Cr은 열간압연시 페라이트 및 펄라이트 변태를 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, Cr은 강 자체의 강도를 필요 이상으로 높이지 않으면서도, 강 중 탄화물을 석출시켜 고용 탄소량을 저감시키고, 고용 탄소에 의한 동적 변형 시효(Dynamic strain Aging)의 감소에 크게 기여한다. Cr의 함량이 0.5% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Cr의 함량이 1.5%를 초과하는 경우에는, 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이에 Cr 함량의 상한은 1.5%인 것이 바람직하고, Cr 함량의 상한은 1.4%인 것이 보다 바람직하다.
P의 함량은 0.03% 이하이다.
P은 불가피하게 함유되는 불순물로서 결정립계에 편석되어 강의 인성을 저하시키고, 지연 파괴 저항성을 감소시키는데 주요 원인이 되는 원소이다. 따라서, 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 P의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정 중에 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로 P의 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 P 함량의 상한을 0.03%로 관리한다.
S의 함량은 0.03% 이하이다.
S은 불가피하게 함유되는 불순물로서 결정립계에 편석되어 강의 연성을 크게 저하시키고, 강 중 유화물을 형성하여 지연 파괴 저항성 및 응력 이완 특성을 열화시키는데 주요 원인이 되는 원소이다. 따라서, 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 S의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정 중에 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 S 함량의 상한을 0.03%로 관리한다.
sol.Al의 함량은 0 초과 0.07% 이하이다.
sol.Al는 알루미늄 질화물(AlN)을 형성하여 오스테나이트의 입도를 미세화하는 역할을 하는 원소이다. 다만, Sol.Al의 함량이 0.07%를 초과는 경우, 전술한 오스테나이트 입도 미세화 효과가 커지게 되어 냉간가공성이 저하되므로, 본 발명에서는 sol.Al 함량의 상한을 0.07%로 관리한다.
V의 함량은 0.02 내지 0.5%이다.
V은 탄화물 및 탄질화물을 형성하여 오스테나이트 및 페라이트의 입계 이동을 제한하는 역할을 하는 원소이다. 다만, V의 탄질화물은 파괴 기점으로 작용하여 충격인성을 저하시킬 수 있으므로, 용해도 한계(solubility limit)를 지켜 첨가하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 V의 첨가는 Q/T열처리시 나노 사이즈의 VC석출물을 다량 형성시켜 연화저항성을 향상시키는데 핵심 역할을 하는 원소이다. V의 함량이 0.02% 미만일 경우 VC석출이 부족하여 강도 확보가 어려운 문제가 있고, V의 함량이 0.5%를 초과하게 되면 Austenitizing 열처리시에 미고용된 조대한 석출물을 형성할 수 있으므로, 본 발명에서는 그 함량을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
Ti의 함량은 0.005 내지 0.05%이다.
Ti는 강중에서 질소와 결합하여 티타늄 질화물(TIN)을 형성한다. 티타늄 질화물은 고온에서 매우 안정하며, 오스테나이트 입계에 생성되어 오스테나이트 입자의 성장을 억제시켜 조직을 미세화시키는 역할을 한다. 미세화된 오스테나이트 조직은 냉각시 연질조직인 페라이트와 펄라이트의 변태를 촉진시키므로 선재가 연화되는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 티타늄 질화물의 형성은 강 중 고용질소의 감소에 기여하여 고용 B의 확보가 가능하게 하는 효과도 있다. Ti의 함량이 0.005% 미만일 경우 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Ti의 함량이 0.05%를 초과하는 경우에는 조대한 티타늄 질화물이 과도하게 석출되어 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 Ti의 함량을 0.005 내지 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
B의 함량은 0.0005 내지 0.005%이다.
B은 소입성 및 지연파괴 저항성 개선을 위한 입계 강화 원소이다. B의 함량이 0.0005% 미만일 경우, 열처리시 B원자들의 입계편석에 의한 입계강화 효과나 소입성 개선효과가 미흡하고, B의 함량이 0.005%를 초과하는 경우 입계에 B 탄화물이 석출하여 입계강도가 저하되므로 본 발명에서는 B의 함량을 0.0005 내지 0.005%로 제한하는 것이 바람직하다.
N의 함량은 0.01% 이하이다.
N는 불가피하게 함유되는 불순물로서, 그 함량이 과다할 경우, 고용 N량이 증가하여 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이론상 N의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정 중에 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서 N 함량의 상한은 0.01%로 관리하는 것이 바람직하고, 0.008%로 관리하는 것이 보다 바람직하며, 0.007%로 관리하는 것이 보다 더 바람직하다.
Nb의 함량은 0.1% 이하(0% 포함)이다.
Nb은 탄화물 및 탄질화물을 형성하여 오스테나이트 및 페라이트의 입계 이동을 제한하는 역할을 하는 원소이므로 0.1%이하로 함유될 수 있다. 다만, Nb의 함량이 0.1%를 초과하는 경우에는 Nb의 탄질화물은 파괴 기점으로 작용하여 충격인성을 저하시킬 수 있으므로, Nb의 함량을 0.1% 이하로 제한한다.
합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 저탄소 보론강 선재는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 탄소당량(Ceq)이 0.35 내지 0.50일 수 있다. 여기서, 탄소당량(Ceq)은 하기 식 1에 의해 정의될 수 있다. 탄소당량(Ceq)이 0.35 미만일 경우 Q/T열처리시에 강도 확보가 어려울 수 있으며, 0.50을 초과하는 경우 선재 인장강도가 650MPa을 초과하여 냉간단조성 확보가 어려울 수 있다.
[식 1]
Ceq = [C] + [Si]/9 + [Mn]/5 + [Cr]/12
(여기서, [C], [Si], [Mn], 및 [Cr] 각각은 해당 원소의 함량(%)을 의미한다)
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 하기 관계식 1 내지 3을 만족할 수 있다.
[관계식 1] [Cr]/[Mn]의 비
관계식 1은 선재 및 신선재의 인장강도와 관련된 식으로, 본 발명에서는 Cr/Mn비 제어를 통하여 선재 및 신선 후 신선재의 강도를 낮게 하여 냉간단조시의 성형성을 확보하고, 다이스 마모를 최대한 억제하고자 하였다. 통상 Mn을 과다하게 첨가할 경우, Mn은 오스테나이트 안정화 원소이면서 고용강화 효과가 매우 크기 때문에 편석부에서의 저온조직이 발생할 수 있고, 신선 가공시에 과도한 강도 상승을 일으킬 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 반대로 Mn 대신 Cr을 첨가하게 되면 Cr은 페라이트 안정화 원소이면서 고용강화 효과도 Mn 대비 매우 작기 때문에 편석부에서의 저온조직 발생 가능성도 낮아지게되고, 신선가공시에도 가공경화율을 낮추어 강도 상승이 억제되는 효과가 있다. 따라서, 본 발명에서 제안하는 선재 및 신선재의 인장강도를 만족하기 위한 Cr/Mn비는 2.0 이상인 것이 바람직하다.
[관계식 2] 0.9 ≤ [Mn]+[Cr] ≤ 1.6
관계식 2는 소입성의 깊이와 관련된 식으로, 그 합이 0.9 미만일 경우, 본 발명에서 제안하는 소입깊이를 만족하지 못하고, 1.6를 초과할 경우에는 성분 편석이 심화되어 저온조직의 발생가능성이 높기 때문에 Mn+Cr의 함량은 0.9 내지 1.6로 제한하는 것이 바람직하다.
[관계식3] [Mn]/[Cr]의 비(편석부)
관계식 3은 편석부에서의 저온조직의 발생과 관련된 식이다. 열처리 생략 냉간단조용 강재의 경우에는 선재상태에서 저온조직이 발생되지 않아야 한다. 저온조직이 발생될 경우 신선가공시에 저온조직 주변에서 크랙 발생 가능성이 높아지게 된다. 특히, Mn의 경우는 편석지수가 높고 오스테나이트를 안정화 시키기 때문에 저온조직 발생의 가능성을 높이게 된다. 따라서, 선재 편석부에서 Mn/Cr의 비를 적절히 제어할 경우 이러한 저온조직에 대한 안정성을 높일 수 있다.
선재 편석부에서 Mn/Cr의 비는 소정의 화학 성분을 갖는 용강을 연속 주조에 의해 블룸으로 제조 할 때의 경압하 공정에 의해 제어될 수 있다. 경압하 공정에서는 응고 중의 블룸을 연속 주조기의 롤로 압하하는 것이 바람직하다. 경압하를 행함으로써, 중심 편석부의 Mn 농화가 저감되므로, 원하는 Mn/Cr비의 편석 프로필을 얻기 쉬워진다.
본 발명에서 많은 실험을 거친 결과 편석부에서의 Mn/Cr의 비를 0.6이하로 제어할 경우 저온조직 발생 가능성이 저하되고 선재 상태에서 안정된 페라이트 및 펄라이트 조직이 확보되는 것을 확인하였다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 강도가 650MPa 이하일 수 있다. 선재의 인장강도는 신선재의 인장강도와 밀접한 관련이 있는 물성으로 본 발명에서 제안하는 관계식 1 내지 3을 만족할 경우 신선가공 후에 720MPa 이하를 만족하기 위해서는 선재 인장강도를 650MPa이하로 관리할 필요가 있다.
본 발명에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재로 신선된 신선재의 강도는 720MPa 이하일 수 있다. 신선재의 인장강도는 냉간단조시의 성형성 및 다이스 수명과 관련된 물성으로, 본 발명에서는 수많은 테스트를 거쳐 신선재의 인장강도가 720MPa 보다 낮을 경우 냉간단조시 충분한 성형성의 확보가 가능하고 다이스 수명이 크게 감소되지 않는 것을 알아내고 본 발명을 제안하기에 이르렀다.
본 발명에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 조미니 시험시, 6mm에서 로그웰 경도 40HRc 이상일 수 있다. 조미니 경도는 소입성과 관련된 물성으로, 6mm 깊이에서 40HRc 이상의 경도값을 가진다는 것은 직경 12mm 제품에 적용할 수 있다는 것을 의미한다. 자동차용에 들어가는 10T급의 고강도 볼트들은 12mm이하가 대부분이기 때문에, 소입깊이 6mm에서 40HRc 이상의 충분한 마르텐사이트 경도값을 나타내는 본 발명의 저탄소 보론강 선재는 자동차용 볼트 등에 적용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 신선가공성이 향상된 강선의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 다양한 방법으로 제조될 수 있으며, 그 제조방법은 특별히 제한되지 않는다. 다만, 일 실시예로써 다음과 같은 방법에 의해 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재는 C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 빌렛(Billet)을 재가열하는 단계; 재가열된 빌렛을 880℃ 내지 1050℃의 온도범위에서 최종 마무리 압연하는 단계; 최종 마무리 압연온도에서 850℃까지 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 1 냉각단계; 제 1 냉각 후 850℃에서 750℃까지 1 내지 3℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 2 냉각단계; 및 제2 냉각 후 750℃에서 600℃까지 1℃/s 미만의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 3 냉각단계;를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 빌렛은 Nb을 0.1% 이하(0% 포함)로 더 포함할 수 있다.
먼저, 전술한 성분계를 만족하는 블룸(bloom)을 가열한 후, 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻는다.
이후 압연된 빌렛을 재가열한다. 본 발명의 재가열은 통상의 조건에 의해 수행될 수 있으나, 압연부하 저감을 위해 1000 ~ 1200℃ 온도 범위에서 수행될 수 있다. 재가열 후, 재가열된 빌렛을 열간 압연하여 선재로 제조한다. 이때, 최종 마무리 압연은 880℃ 내지 1050℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 마무리 압연 온도가 880℃ 미만인 경우 페라이트 결정립 미세화에 의한 강도 상승으로 변형저항이 증가할 수 있고, 반면, 1050℃를 초과하는 경우에는 페라이트 결정립이 지나치게 조대해져 인성이 저하될 수 있다.
이어서 열간압연된 선재는 단계적으로 냉각되어 본 발명에 따른 저탄소 보론강 선재로 제조될 수 있다. 본 발명의 냉각 공정은 최종 마무리 압연온도에서 850℃까지 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 1 냉각단계; 제 1 냉각 후 850℃에서 750℃까지 1 내지 3℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 2 냉각단계; 및 제2 냉각 후 750℃에서 600℃까지 1℃/s 미만의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 3 냉각단계;를 포함한다.
제1 냉각단계는 최종 마무리 압연온도에서 850℃까지 3℃/s 이상의 냉각 속도로 수행될 수 있다. 제1 냉각단계의 온도역은 결정립이 성장하는 온도역으로 냉각속도가 느려지면 페라이트 결정립이 조대화될 우려가 있다. 따라서, 제1 냉각단계는 3℃/s 이상의 냉각속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제2 냉각단계는 제 1 냉각 후 850℃에서 750℃까지 1 내지 3℃/s의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 제2 냉각단계의 온도역은 보론의 입계 편석과 관련된 온도역으로 1℃/s 이하의 냉각 속도에서는 제1 냉각에서 유지해온 입도 미세화 효과가 감소할 가능성이 있고, 3℃/s 이상의 냉각속도에서는 그 입계 강화에 의해 제3 냉각 단계에서 변태지연에 의한 베이나이트(Bainite)조직이 생성 될 가능성이 있다. 따라서 제2 냉각단계는 1℃/s 내지 3℃/s의 냉각속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제3 냉각단계는 제2 냉각 후 750℃에서 600℃까지 1℃/s 미만의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 제3 냉각단계는 페라이트-펄라이트 변태와 관련된 온도역으로 1℃/s 초과의 냉각속도에서는 변태가 100% 완료되지 못할 가능성이 있다. 따라서, 제3 냉각단계는 1℃/s 미만의 냉각속도로 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시 예
하기 표 1의 합금조성을 갖는 블룸(bloom)을 1,250℃의 온도에서 4시간 동안 가열한 후, 1,150℃의 마무리 압연 온도로 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻었다. 이후, 빌렛(billet)을 1,100℃에서 3시간동안 재가열한 후, 재가열된 빌렛을 최종 마무리 압연온도 900℃에서 Ψ25mm의 롤로 열간압연하여 저탄소 보론강 선재 시편을 제조하였다. 이후, 하기 표 2의 조건으로 CR1-CR2-CR3의 3단계에 걸친 스텝(Step) 냉각을 적용하고, 냉각된 선재의 미세조직 및 인장강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
또한, 냉각된 선재의 시편을 Q/T 열처리하고, Q/T열처리 물성을 하기 표 3에 나타내었다. Q/T열처리는 900℃에서 60분동안 재가열하였고, 400~600℃에서 90분 동안 템퍼링하였다. 이후 시편별로 동일 강도급에서의 인장물성 및 충격인성을 평가하여 하기 표 3에 함께 나타내었다.
강종 합금 조성(중량%)
C Si Mn P S Cr Al Nb V Ti B N 비고
발명강1 0.20 0.15 0.45 0.010 0.0050 1.14 0.024 - 0.112 0.022 0.0018 0.0042 발명예1
발명강2 0.23 0.25 0.42 0.012 0.0063 0.92 0.028 0.005 0.096 0.024 0.0020 0.0045 발명예2
발명강3 0.26 0.24 0.36 0.011 0.0057 0.78 0.032 - 0.075 0.028 0.0022 0.0053 발명예3
발명강4 0.30 0.30 0.27 0.009 0.0044 0.55 0.035 - 0.058 0.019 0.0023 0.0040 발명예4
비교강1 0.18 0.17 0.62 0.012 0.0062 0.20 0.040 - - 0.025 0.0021 0.0042 비교예1
비교강2 0.22 0.26 0.86 0.010 0.0051 0.17 0.035 - - 0.021 0.0017 0.0053 비교예2
비교강3 0.25 0.21 1.08 0.011 0.0048 0.15 0.028 - - 0.023 0.0016 0.0056 비교예3
비교강4 0.28 0.26 0.48 0.010 0.0054 0.94 0.032 - 0.093 0.015 0.0020 0.0044 비교예
4
비교강5 0.29 0.33 1.32 0.011 0.0046 0.10 0.031 0.010 0.105 0.018 0.0024 0.0047 비교예5
비교강6 0.33 0.20 0.48 0.010 0.0052 0.67 0.033 - - 0.021 0.0025 0.0041 비교예6
여기서, Ceq=[C]+[Si]/9+[Mn]/5+[Cr]/12이고,
상기 [C], [Si], [Mn] 및 [Cr] 각각은 해당 원소의 함량(중량%)을 의미함
강종 냉각속도
(℃/s)		 미세조직
종류		 Ceq Mn+Cr Cr/Mn Mn/Cr
(편석부)		 선재
TS		 10% 신선후 TS 6mm
조미니 경도값		 비고
CR1 CR2 CR3
발명강1 5.5 2.1 0.6 F+P 0.403 1.59 2.533 0.27 585 652 40 발명예1
발명강2 6.2 1.4 0.7 F+P 0.418 1.34 2.190 0.36 612 687 43 발명예2
발명강3 4.3 1.2 0.5 F+P 0.424 1.14 2.167 0.41 624 696 46 발명예3
발명강4 3.1 1.1 0.6 F+P 0.433 0.92 2.407 0.38 633 705 47 발명예4
비교강1 8.5 3.3 1.2 F+P 0.340 0.82 0.323 3.55 552 638 33 비교예1
비교강2 3.8 1.9 1.1 F+P 0.439 1.05 0.193 5.41 604 693 44 비교예2
비교강3 4.1 2.7 1.6 F+P 0.478 1.11 0.156 6.78 615 708 45 비교예3
비교강4 3.9 3.2 2.1 F+P 0.483 1.42 1.958 0.76 653 749 46 비교예4
비교강5 1.4 1.2 0.9 F+P 0.545 1.15 0.095 11.20 676 768 48 비교예5
비교강6 2.6 1.5 0.8 F+P 0.504 1.15 1.396 0.87 643 729 50 비교예6
강종 TS(MPa) El.(%) RA(%) Hardness
(HV)		 충격인성
(상온, J/cm2)		 비고
발명강1 1031 18.8 73.5 304 162 발명예1
발명강2 1046 18.4 72.3 315 157 발명예2
발명강3 1044 17.7 71.4 312 153 발명예3
발명강4 1053 17.2 70.7 318 144 발명예4
비교강1 - - - - - 비교예1
비교강2 1034 13.5 64 308 82 비교예2
비교강3 1056 12.9 62 321 77 비교예3
비교강4 1024 12.7 63 325 92 비교예4
비교강5 1048 14.6 66 317 97 비교예5
비교강6 1052 11.8 59 316 68 비교예6
표 2 및 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 합금조성 및 제조조건을 만족하는 발명예 1 내지 4의 경우, 650MPa 이하의 선재 인장강도, 720MPa 이하의 신선가공 후 인장강도 및 40HRC 이상의 6mm 조미니 경도값을 모두 만족하고, 연화저항성이 우수함을 확인할 수 있었다.
반면, 본 발명에서 제안하는 조건을 적어도 하나 이상 만족하지 않는 비교예 1 내지 5의 경우, 연화저항성, 신선후 인장강도 및 소입성 중 어느 하나가 발명예 대비 열위하게 나타났다.
구체적으로, 비교예 1는 합금 조성의 Ceq 및 관계식 1 내지 3을 모두 만족하지 않고, 제2 냉각속도 및 제3 냉각속도를 만족하지 않아, 신선후 인장강도는 본 발명의 범위 내이나, 조미니 경도값이 미달되어 소입성이 열위한 것을 확인할 수 있었다.
비교예 2 및 3은 Ceq는 만족하나 관계식 1 및 3을 만족하지 않고, 제3 냉각속도를 만족하지 않아, 신선후 인장강도는 본 발명의 범위내이나 Q/T열처리 후 동일강도에서 충격인성이 발명예 대비 열위한 것을 확인할 수 있었다. 비교예 4는 성분은 모두 만족하나 관계식 1 및 3을 만족하지 않고, 제1 및 제3 냉각속도를 만족하지 않는 경우로, 선재 및 신선후의 인장강도가 초과하여 냉간단조성에서 발명강 대비 열위한 것을 알 수 있다.
비교예 5 및 6은 Ceq 및 관계식 1 및 3를 모두 만족하지 않고, 제1 냉각속도를 만족하지 않아, 신선후 인장강도가 초과하고 Q/T열처리 물성도 발명강 대비 열위한 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (13)

  1. 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직으로서 페라이트 및 펄라이트를 포함하며,
    하기 관계식 1 을 만족하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
    [관계식 1] Cr/Mn ≥ 2.0
  2. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 2를 만족하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
    [관계식 2] 0.9 ≤ Mn+Cr ≤ 1.6
  3. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 3을 만족하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
    [관계식 3] 편석대 Mn/Cr ≤ 0.6
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 선재의 인장강도는,
    650MPa 이하인 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는,
    Jominy test 시 6.0 mm에서 로크웰 경도 40 HRc 이상인 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 선재의 신선가공 후 인장강도는,
    720MPa 이하인 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 선재는 하기 식(1)로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.35 내지 0.50인 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
    (1) Ceq = [C] + [Si]/9 + [Mn]/5 + [Cr]/12
    (여기서, [C],[Si],[Mn] 및 [Cr] 각각은 해당원소의 중량%를 의미한다)
  8. 제 1항에 있어서,
    Nb: 0.1% 이하(0은 제외)를 더 포함하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재.
  9. 중량%로, C: 0.2 내지 0.3%, Si: 0 초과 0.8% 이하, Mn: 0 초과 0.5% 이하, Cr: 0.5 내지 1.5%, P: 0.03% 이하, S: 0.03% 이하, sol.Al: 0 초과 0.07% 이하, V: 0.02 내지 0.5%, Ti: 0.005 내지 0.05%, B: 0.0005 내지 0.005%, N: 0.01% 이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고 하기 관계식 1 을 만족하는 빌렛을 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 빌렛을 880℃ 내지 1050℃의 온도범위에서 최종 마무리 압연하는 단계;
    상기 최종 마무리 압연온도에서 850℃까지 3℃/s 이상의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 1 냉각단계;
    상기 제 1 냉각 후 850℃에서 750℃까지 1 내지 3℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 2 냉각단계; 및
    상기 제2 냉각 후 750℃에서 600℃까지 1℃/s 미만의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제 3 냉각단계;를 포함하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재의 제조방법.
    [관계식 1] Cr/Mn ≥ 2.0
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 빌렛은,
    하기 관계식 2를 만족하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재의 제조방법.
    [관계식 2] 0.9 ≤ Mn+Cr ≤ 1.6
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 빌렛은,
    하기 관계식 3을 만족하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재의 제조방법.
    [관계식 3] 편석대 Mn/Cr ≤ 0.6
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 빌렛은,
    하기 식(1)로 정의되는 탄소당량(Ceq)이 0.35 내지 0.50인 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재의 제조방법.
    (1) Ceq = [C] + [Si]/9 + [Mn]/5 + [Cr]/12
    (여기서, [C],[Si],[Mn] 및 [Cr] 각각은 해당원소의 중량%를 의미한다)
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 빌렛은 Nb: 0.1% 이하(0은 제외)를 더 포함하는 소입성 및 연화저항성이 향상된 저탄소 보론강 선재의 제조방법.
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