KR20220089179A

KR20220089179A - 냉간압조용 고강도 선재 제조방법

Info

Publication number: KR20220089179A
Application number: KR1020200179573A
Authority: KR
Inventors: 박성수; 이기호; 주호선
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2020-12-21
Publication date: 2022-06-28
Also published as: KR102445781B1

Abstract

냉간압조용 고강도 선재 제조방법이 제공된다.
본 발명의 고강도 선재 제조방법은, 중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 900~1200℃의 온도범위에서 가열하는 공정; 상기 가열된 강재를 700~800℃에서 마무리 압연하고, 이어, 권취한 후 상온으로 냉각하는 공정; 상기 냉각된 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및 상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도 범위로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 2~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함한다.

Description

냉간압조용 고강도 선재 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING A HIGH STRENGTH WIRE ROD}

본 발명은 고 강도 선재의 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 오스템퍼링열처리 공정을 제어함으로써 인장강도 1400MPa급 선재를 제공할 수 있는 냉간압조용 고강도 선재 제조방법에 관한 것이다.

최근 전세계적으로 친환경소재에 대한 관심이 증대하고 있으며, 특히 자동차분야에서는 연비향상을 위해 철강재의 중량을 감소시키기 위한 노력이 지속되고 있다. 이를 해결하기 위해 철강재의 강도증가는 필수적이며, 다양한 합금원소를 첨가하여 강도를 향상시키는 기술이 다양한 관점에서 개발되고 있다.

자동차 제조에 이용되는 냉간 압조용 선재 제품은 선재, 냉간 신선, 구상화 열처리, 냉간 신선, 냉간 압조, 급냉 및 소려를 진행하여 기계 구조 및 자동차 부품 등으로 제조된다. 그런데 최근의 냉간압조용 강재의 기술개발 동향은 열처리 및 가공공정 등을 생략한 공정 생략형 선재와 더불어 전세계적 자동차 연비 구제에 대응하기 위한 부품 경량화를 이룰 수 있는 고강도 냉간압조용 강재 개발에 집중되고 있는 추세이다. 일예로, 대기 환경 개선을 위한 전세계적인 자동차 연비 규제에 대응하기 위해 차량 경량화가 진행 중이며 이를 위해 엔진 등의 부품을 소형화, 고출력화하고 있다. 이러한 소형화, 고출력화 부품 제조을 제조하기 위해서는 고강도 냉간압조용 강재가 필요하다.

이러한 고강도 냉간압조용 강재는 냉간 압조 후 급냉, 소려 열처리를 진행하며 이 때 형성되는 미세조직인 템퍼드 마르텐사이트 조직은 1300MPa 이상의 고강도에서는 수소지연파괴에 매우 민감하여 사용이 어렵다. 따라서 이를 극복하기 위해 템퍼드 마르텐사이트 조직에 비해 수소지연파괴에 덜 민감한 조직인 베이나이트 조직을 사용하는 방법에 대한 연구들이 지속되고 있다.

본 발명은 강도에 지대한 영향을 미치는 탄화물 석출거동을 고려하여 오스템퍼링 열처리조건을 최적화함으로써 인장강도 1400MPa급의 냉간압조용 고강도 선재를 제조하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정하지 않는다. 본 발명의 과제는 본 명세서의 내용 전반으로부터 이해될 수 있을 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 부가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.

본 발명의 일측면은,

중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 900~1200℃의 온도범위에서 가열하는 공정;

상기 가열된 강재를 700~800℃에서 마무리 압연하고, 이어, 권취한 후 상온으로 냉각하는 공정;

상기 냉각된 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및

상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도 범위로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 2~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함하는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법에 관한 것이다.

상기 선재는 95% 이상의 하부 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있다.

상기 선재는 1400MPa이상의 인장강도를 가질 수 있다.

상기 오스템퍼링 온도범위를 340~360℃로 제어함이 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 측면은,

중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및

상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도 범위로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 2~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함하고,

95% 이상의 하부 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 1400MPa이상의 인장강도를 갖는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법에 관한 것이다.

상술한 바와 같은 구성의 본 발명은, 오스템퍼링 열처리조건을 최적화함으로써 강도에 지대한 영향을 미치는 탄화물 석출거동을 제함으로써 장강도 1400MPa급의 냉간압조용 고강도 선재를 효과적으로 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 오스템퍼링 열처리공정을 예시적으로 보여주는 그림이다.
도 2는 오스템퍼링온도별 유지시간에 따른 탄화물의 상분율, 밀도 및 반경을 보여주는 그래프로서, (a)는 350℃, (b)는 400℃, 그리고 (c)는 550℃에서의 유지시간에 따른 탄화물의 상분율등을 나타낸다.
도 3은 350℃에서 5시간 오스템퍼링 열처리 시, 재가열 후 냉각에 따른 선재 경도 분포 등을 나타내는 그림으로서, (a)는 CCT 다이아그램을, (b)는 냉각속도에 따른 경도분포를, 그리고 (c)는 냉각속도에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 4는 오스템퍼링 열처리 시, 냉각속도 50~70℃/s로 냉각 후 350℃에서 유지하였을 때, 그 유지시간에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 1시간, (b)는 2시간, (c)는 4시간, 그리고 (d)는 8시간 유지했을 때의 조직사진이다.
도 5는 오스템퍼링 열처리 시, 냉각속도 50~70℃/s로 냉각 후 400℃에서 유지하였을 때, 그 유지시간에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 1시간, (b)는 2시간, (c)는 4시간, 그리고 (d)는 8시간 유지했을 때의 조직사진이다.
도 6은 도 4의 유지시간 별 선재의 인장강도, 항복강도 및 연신율 변화를 보이는 그래프이다.
도 7은 도 5의 유지시간 별 선재의 인장강도, 항복강도 및 연신율 변화를 보이는 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

본 발명의 냉간압조용 고강도 선재 제조방법은, 중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 900~1200℃의 온도범위에서 가열하는 공정; 상기 가열된 강재를 700~800℃에서 마무리 압연하고, 이어, 권취한 후 상온으로 냉각하는 공정; 상기 냉각된 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및 상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 3~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함한다.

먼저, 본 발명에서는, 중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 냉간압조용 선재를 준비한다.

이하, 본 발명의 냉간압조용 선재의 조성성분 및 그 함량 제한사유를 설명하며, 여기에서 "%"는 "중량%"임을 밝혀 둔다.

·C(탄소): 0.3~0.5%

탄소(C)는 선재의 강도를 향상시키는 원소로서, 오스테나이트에 고용되었다가 급냉 시 마르텐사이트 조직을 형성하는데 기여한다. 선재의 강도를 향상시키기 위해서는 0.3%이상 포함되어야 한다. 하지만 C의 함량이 0.5%를 초과하는 경우, 높은 강도로 인해 취성이 높아지고 선재의 냉간압조성이 저하되기 때문에 본 발명에서의 C 범위를 0.3~0.5%로 제함함이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 탄소함량을 0.35~0.45% 범위로 제한하는 것이다.

·Si(실리콘): 0.1~0.3%

실리콘(Si)은 용강 중 산화물과 결합, Si 산화물을 형성하기 때문에 탈산제로 많이 사용된다. 적은 양이 첨가될 경우 탈산효과가 충분치 못하고 많을 경우 연성을 저하시키기 때문에 Si의 범위는 0.1~0.3% 범위로 제한함이 바람직하다.

·Mn(망간): 0.5~1.0%

망간(Mn)은 소입성을 향상시키는 원소로서 강도를 높이며 황과 결합하여 피삭성을 높이고 적열취성을 방지한다. 적은 양이 첨가될 경우 강도확보가 어려우며, 많은 양이 첨가될경우 뜨임취성과 잔류오스테나이트가 증가되므로 Mn의 첨가량은 0.5~1.0% 범위로 제어함이 바람직하며, 보다 바람직하게는 0.6~0.9% 범위로 관리하는 것이다.

·Cr(크롬): 0.5~1.5%

크롬(Cr)은 미세탄화물을 형성하며, 소입성 향상에 기여하기 때문에 강도증가에 효과가 있다. 적은 양이 첨가될 경우, 강도확보가 어렵고 많은 양이 첨가될 경우 조대한 탄화물형성으로 인해 취성이 증가하기 때문에, Cr의 함량범위는 0.5~1.5% 범위로 제어함이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.6~1.0% 범위로 제한하는 것이다.

·Mo(몰리브덴): 0.5~1.5%

몰리브덴(Mo)은 기지에 고용하여 소입성 향상하고, 미세탄화물 형성으로 인해 재료의 강도를 향상시키며, 뜨임 저항성을 향상시킨다. 적은 양이 첨가될 경우 2차 경화에 따른 강도상승효과를 기대하기 어렵고, 많은 양이 첨가될 경우 조대한 M₆C 탄화물 형성으로 인해 충격특성이 감소될 수 있다. 따라서 Mo의 함량범위는 0.5~1.5%로 제어하는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.6~1.0% 범위로 관리하는 것이다.

·V(바나듐): 0.01~0.2%.

V은 고온에서 미세탄화물을 형성하여 오스테나이트 결정립 미세화 효과를 기대할 수 있고, 뜨임 시 강도증가에 효과가 있다. 적은 양이 첨가되면 결정립 미세화 효과가 없으며, 많은 양이 첨가될 경우, 조대한 VC탄화물이 첨가되여 강도저하가 발생한다. 따라서 본 발명에서는 V의 함량을 0.01~0.2% 범위로 제어함이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 0.02~0.12%범위로 관리하는 것이다.

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 발명에서는 상기와 같이 조성된 강 슬라브를 900~1200℃의 온도범위로 가열한다. 만일 상기 가열온도가 900℃ 미만이면, 압연 시 높은 강도로 인해 Crack 발생 문제가 있으며, 1200℃를 초과하면 열 충격으로 인한 터짐현상 발생 가능성이 있다.

이어, 본 발명에서는 상기 가열된 강재를 700~800℃에서 마무리 압연하고, 이어, 권취한 후 상온으로 냉각한다. 만일 마무리 압연온도가 700℃ 미만이면, Pearlite 생성에 따른 압연시 파단 발생문제가 있으며, 800℃를 초과하면 결정립 조대화로 인한 강도저하 문제가 있다.

그리고 본 발명에서는 상기 냉각된 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열한다 이러한 재가열은 기지조직을 오스테나이트화 하는 목적으로 실시하는데, 만일 상기 재가열온도가 900℃ 미만이면, 일부 페라이트가 잔존하는 문제가 있으며, 1000℃를 초과하면 결정립 조대화에 따른 강도 저하 문제가 있다.

후속하여, 본 발명에서는 상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한다.

본 발명에서 상기 오스템퍼링 온도범위는 요구강도인 1400MPa를 만족하는 공정의 이유 측 면에서 기술적으로 의미가 있다. 상기 오스템퍼링온도가 320℃ 미만이면, 저온 템퍼링 시 취성이 급격히 증가하는 문제가 있고, 390℃를 초과하면 요구강도를 만족하지 않는 문제가 있다. 보다 바람직하게는, 상기 오스템퍼링 온도를 340~360℃ 범위로 제어하는 것이다.

또한 본 발명에서는 재가열 이후, 오스템퍼링온도범위 까지의 냉각 시 냉각속도를 50~70℃/s 범위로 제어함이 중요하다. 만일 상기 냉각속도가 50℃/s 미만이면, 상부 베이나이트 형성으로 인한 강도저하 문제가 있으며, 70℃/s를 초과하면 급격한 온도변화로 인한 Crack 발생 가능성이 있다.

이어, 상기 온도범위로 냉각된 선재는 2~8 시간동안 유지할 것이 요구된다. 만일 상기 유지시간이 2시간 미만이면 잔류오스테나이트 미분해 및 이차경화 탄화물의 미형성으로 인한 강도저하, 8시간을 초과하면 이차경화탄화물의 조대화로 인한 강도저하 문제가 있다. 바람직하게는, 3~8시간 유지하는 것이다.

상술한 바와 같은 제조공정을 통하여 제조된 본 발명의 냉간압조용 선재는 95면적% 이상의 하부 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가질 수 있으며, 기타 조직으로 5% 미만의 잔류오스테나이트를 포함할 수도 있다.

따라라서 본 발명의 제조공정을 통하여 제조된 선재는 1400MPa이상의 인장강도를 가질 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 하기 실시예는 본발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다.

(실시예)

구분	합금 조성(중량%)
구분	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	잔부
강재	0.4	0.2	0.7	0.8	0.8	0.1	Fe 및 불순물

하기 표 1과 같은 조성을 갖는 다수의 강슬라브들을 1050℃에서 가열한 후, 750℃에서 마무리 열간압연하였다, 그리고 마무리 열간압연된 열연강재들을 권취한 후, 상온으로 냉각하였다. 이후, 냉각된 강재를 도 1과 같이, 900℃ 온도로 재가열하였으며, 이후, 50~70℃/s의 냉각속도로 그 온도 범위를 달리하는 오스템퍼링온도까지 각각 냉각한 후, 유지함으로써 냉간압조용 선재를 제조하였다. 도 1은 본 발명의 실시예에서 오스템퍼링 열처리공정을 예시적으로 보여주는 그림이다.

도 2는 상기와 같이 제조된 선재들의 오스템퍼링온도별 유지시간에 따른 탄화물의 상분율, 밀도 및 반경을 보여주는 그래프로서, (a)는 350℃, (b)는 400℃, 그리고 (c)는 550℃에서의 유지시간에 따른 탄화물의 상분율등을 나타낸다.

도 2(a)에 나타난 바와 같이, 350℃에서 오스템퍼링하는 경우, 강도에 기여하는 탄화물의 석출이 대략 2 시간 이후에 시작되므로 오스템퍼링 시간을 2 시간 이상 진행해야 할 것으로 판단되며, 가장 분율이 높은 M₂₃C₆의 조대화가 급격하게 진행되기 시작하는 30,000초(8시간) 이하에서 완료하는 것이 최적 공정임을 알 수 있다.

도 2(b)는 오스템퍼링온도가 400℃인 경우로서, 강도에 기여하는 탄화물의 석출이 0.5 시간 이후에 시작되므로 오스템퍼링 시간을 1시간 이상 진행해야 할 것으로 판단되며, M₂₃C₆ 석출과 동시에 조대화가 이루어지기 때문에 재료강도 측면에서는 불리할 것으로 판단되었다.

그리고 도 2(c)는 오스템퍼링온도가 550℃인 경우로, Tempering 온도가 높아 M₂₃C₆, M₇C₃탄화물등의 조대화가 석출과 동시에 시작되며, 0.5시간 이후에는 Coarsening이 발생하기 때문에 오스템퍼링 공정으로 적합하지 않은 것을 확인할 수있다.

도 3은 350℃에서 5시간 오스템퍼링 열처리 시, 재가열 후 냉각에 따른 선재 경도 분포 등을 나타내는 그림으로서, (a)는 CCT 다이아그램을, (b)는 냉각속도에 따른 경도분포를, 그리고(c)는 냉각속도에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진이다. 도 3(c)에 나타난 바와 같이, 냉각속도 50~70℃/s 범위에서 미세한 탄화물을 가지며, 95면적% 이상의 베이나이트를 포함하는 선재 미세조직을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

한편 도 4는 상기 오스템퍼링 열처리 시, 냉각속도 50~70℃/s로 냉각 후 350℃에서 유지하였을 때, 그 유지시간에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 1시간, (b)는 2시간, (c)는 4시간, 그리고 (d)는 8시간 유지했을 때의 조직사진이다.

그리고 도 5는 오스템퍼링 열처리 시, 냉각속도 50~70℃/s로 냉각 후 400℃에서 유지하였을 때, 그 유지시간에 따른 선재 미세조직을 나타내는 사진으로서, (a)는 1시간, (b)는 2시간, (c)는 4시간, 그리고 (d)는 8시간 유지했을 때의 조직사진이다.

상기 도 4-5로부터 알 수 있는 바와 같이, 오스템퍼링 온도를 350℃로 한 경우가 400℃로 한 경우에 비하여, 주어진 유지시간 대비 미세한 베이나이트 조직을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 냉각속도 및 오스템퍼링 온도의 제어로 미세한 하부 베이나이트 조직이 95면적% 이상 확보될 수 있음을 확인할 수 있다.

한편 도 6은 도 4의 유지시간 별 선재의 인장강도, 항복강도 및 연신율 변화를 보이는 그래프이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 재가열후 냉각속도, 오스템퍼링온도 및 유지시간이 최적으로 제어된 본 발명의 경우, 1400MPa 이상의 인장강도를 효과적으로 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이에 비하여, 도 7은 오스템퍼링 온도가 본 발명 범위 밖인 400℃인 경우로서, 열처리 유지시간 여하에 불구하고 1400MPa 이상의 인장강도를 갖는 선재를 제조할 수 없음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 관하여 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라, 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 900~1200℃의 온도범위에서 가열하는 공정;
상기 가열된 강재를 700~800℃에서 마무리 압연하고, 이어, 권취한 후 상온으로 냉각하는 공정;
상기 냉각된 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및
상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도 범위로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 2~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함하는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 선재는 95% 이상의 하부 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지는 것을 특징으로 하는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 선재는 1400MPa이상의 인장강도를 가지는 것을 특징으로 하는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 오스템퍼링 온도범위를 340~360℃로 제어함을 특징으로 하는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법.
중량%로 C: 0.3~0.5%, Si: 0.1~0.3%, Mn: 0.5~1.0%, Cr: 0.5~1.5%, Mo: 0.5~1.5%, V: 0.01~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 900~1000℃의 온도로 재가열하는 공정; 및
상기 재가열된 강재를 320~390℃의 오스템퍼링 온도 범위로 50~70℃/s의 냉각속도로 냉각한 후, 2~8 시간동안 유지하는 공정;을 포함하고,
95% 이상의 하부 베이나이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 1400MPa이상의 인장강도를 갖는 냉간압조용 고강도 선재의 제조방법.