KR20230091620A

KR20230091620A - 강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR20230091620A
Application number: KR1020210180893A
Authority: KR
Inventors: 김대환; 박인규; 이재승; 이병갑; 김세희
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2021-12-16
Filing date: 2021-12-16
Publication date: 2023-06-23

Abstract

본 발명은 기계 구조용 소재로서 적합한 중탄소 선재 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연질화 열처리가 생략되어도 강도 및 연성이 우수한 선재에 관한 것이다.

Description

강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재 및 이의 제조방법{MEDIUM CARBON WIRE ROD HAVING EXCELENT STRENGTH AND ELONGATION, AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

냉간 가공 방법은 열간 가공 방법이나 기계 절삭 가공 방법과 비교할 때, 생산성이 우수할 뿐만 아니라, 열처리 비용 절감의 효과가 커 볼트, 너트 등의 기계 부품 제조에 널리 사용되고 있다.

다만, 상기 냉간 가공 방법을 이용하여 기계 부품을 제조하기 위해서는 기본적으로 강재의 냉간 가공성이 우수할 것이 요구되며, 보다 구체적으로는 냉간 가공 시 변형 저항이 낮으며, 연성이 우수할 것이 요구된다. 왜냐하면 강의 변형 저항이 높을 경우 냉간 가공 시 사용하는 공구의 수명이 저하되며, 강의 연성이 낮을 경우 냉간 가공 시 분열이 발생하기 쉬워 불량품 발생의 원인이 되기

때문이다.

이에, 통상적인 냉간 가공용 강재는 냉간 가공 전 구상 연질화 열처리를 거치게 된다. 구상 연질화 열처리 시 강재가 연화되어 변형 저항이 감소하고, 연성이 향상되어 냉간 가공성을 향상시킬 수 있다.

그러나, 위와 같은 구상 연질화 열처리를 하게 되면, 많은 열처리 비용 및 생산시간이 소요되어, 제조원가를 상승시키는 원인이 된다. 또한, 최근 탄소 감축을 위해 에너지 소비를 최소화하는 시대적 요구에 부합되지 않는다. 따라서, 최근에는 구상 연질화 열처리를 생략하고도 우수한 강도와 연성을 확보할 수 있는 열처리 생략의 선재 개발이 요구되고 있는 실정이다.

한편, 일본 공개특허공보 평02-274810호는 탄소(C)를 0.15~0.30%로 포함하고, 감면율 20~50%로 인발 가공하는 비조질 볼트의 제조방법에 관한 것으로, 이 경우 구상화 열처리 등의 생략은 가능하지만 탄소 함량이 불충분하여 충분한 강도를 확보하기 어려운 단점이 있다.

또한, 일본 공개특허공보 제2000-144306호는 탄소(C)를 0.4~1.0%로 포함하고, 미세조직이 펄라이트나 또는 유사 펄라이트로 구성되는 냉간 단조용 강을 개시하고 있는데, 이 경우 상대적으로 탄소 함량이 높아 종래 볼트 등의 기계 부품에 사용되고 있는 기계구조용 탄소강이나 기계 구조용 합금강 등과 비교할 때 냉간 단조성이 열위한 단점이 있다.

일본 공개특허공보 평02-274810호 일본 공개특허공보 제2000-144306호

본 발명의 일 측면은 기계 구조용 부품 등에 사용되는 선재와 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 기계 구조용 부품에 사용되는 선재에 있어서, 구상 연질화 열처리를 수행할 경우, 많은 열처리 비용과 시간이 소요되고, 환경적 부담으로 작용하는 문제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에 따른 중탄소 선재 및 이의 제조 방법은 구상 연질화 열처리를 생략하면서도 우수한 강도 및 연성을 확보할 수 있다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직으로, 30~80 면적%의 초석 페라이트 조직 및 잔여 펄라이트 조직을 포함하고, 평형 초석 페라이트 분율이 80% 이상이고, 페라이트 결정립 평균 크기가 5μm 이하인 초석 페라이트 조직이며, 하기 관계식 1을 만족하고, 강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재를 제공한다.

[관계식 1]

30≤(인장강도-550)*(단면감소율-40)/(페라이트 분율)≤60

또한, 본 발명은, 중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 900~1050℃의 온도 범위로 가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 선재 압연한 후 마무리 압연하여 선재를 수득하는 단계; 상기 선재를 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 1~15℃/s의 냉각속도로 500℃까지 냉각한 후, 3℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하며, 상기 마무리 압연은 730℃~Ae₃의온도 범위에서 변형량 0.3 이상으로 수행하는 것을 포함하는, 중탄소 선재의 제조방법을 제공한다.

구상 연질화 열처리 없이도 우수한 강도 및 연성을 갖는 기계 구조용 부품에 적용 가능한 중탄소 선재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다. 이를 통해, 제조 공정 상의 비용 절감 및 탄소 저감 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 구상 연질화 열처리를 생략하더라도, 부품 제조를 위한 신선 가공시 우수한 신선 가공성을 확보할 수 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은, 본 발명의 실시예에서 발명예 1의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.
도 2는, 본 발명의 실시예에서 비교예 7의 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 사진이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.

이하에서 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다. 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.

달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

이하, 본 발명의 일 측면에 따른 강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재에 대해 상세히 설명한다.

[중탄소 선재]

중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 더 포함할 수 있다. 이하, 각 성분의 역할 및 함량에 대해 설명한다.

[성분범위]

탄소(C): 0.3~0.4 중량%

탄소(C)는 선재의 강도를 향상시키는데 유리한 원소이다. 본 발명에서 목표로 하는 수준의 강도를 확보하기 위해서는 상기 C를 0.3 중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우 강의 변형 저항이 급증하여 냉간가공성이 열위하는 문제가 있다. 이를 고려하여, 본 발명에서 상기 C의 상한을 0.4 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

규소(Si): 0.01~0.4 중량%

상기 Si는 탈산제로서 유용한 원소이다. 이를 확보하기 위해서는 0.01 중량% 이상으로 Si를 함유하는 것이 바람직하다. 또한 대표적인 치환형 원소로서 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이나, 그 함량이 과다할 경우 고용강화에 의한 강의 변형 저항이 냉간 단조성을 악화시키는 단점이 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.01~0.4 중량%인 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.6~1.6 중량%

상기 Mn은 탈산제 및 탈황제로서 유용한 원소이다. 본 발명에서는 상기의 효과를 충분히 확보하기 위하여 0.6 중량% 이상으로 Mn을 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다하여 1.6 중량%를 초과하게 되면, 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 Mn의 상한을 1.6 중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr): 0 중량% 초과 1.4 중량% 이하

상기 Cr은 열간압연시 페라이트 및 펄라이트 변태를 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, 강 자체의 강도를 필요 이상으로 높이지 않으면서, 강 중 탄화물로 석출하여 고용 탄소량을 저감시킴으로써, 고용 탄소에 의한 동적 변형

시효의 감소에 크게 기여하는 효과가 있다. 다만, 상기 Cr의 함량이 과다할 경우 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 우려가 있다. 따라서, 상기 Cr의 상한을 1.4 중량%로 제한하는 것이 바람직하며, 0 중량%는 제외한다.

알루미늄(Al): 0.01~0.06 중량%

상기 Al은 탈산제로서 유용한 원소이다. 이를 위해서는 0.01 중량% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 0.05 중량%를 초과하게 되면 AlN이 형성되어 오스테나이트 입도 미세화 효과가 과도해져 오히려 냉간가공성이 저하되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 Al의 상한을 0.05 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

티타늄(Ti): 0.006~0.05 중량%

상기 Ti는 강 중 질소와 결합하여 티타늄 질화물(TiN)을 형성하는 원소이다. 상기 티타늄 질화물은 고온에서 매우 안정하며, 오스테나이트 입계에

생성되어 오스테나이트 입자의 성장을 억제함으로써 조직을 미세화시키는 역할을

한다. 이로부터 열간압연 후 미세화된 오스테나이트 조직에 의해 냉각시 연질조직인 페라이트 및 펄라이트의 변태가 촉진되어 연화된 선재를 얻게 되는 효과가 있다.

상술한 효과를 얻기 위해서는 0.006 중량% 이상으로 Ti을 포함하는 것이 바람직하나, 그 함량이 0.05 중량%를 초과하게 되면 조대한 티타늄 질화물이 과도하게 형성되어 인성이 열위할 우려가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 Ti의 함량을 0.006~0.05 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

붕소(B): 0.0005~0.005 중량%

상기 B는 소입성 및 지연파괴 저항성의 개선을 위한 입계강화 원소이다. 상기 B의 함량이 0.0005 중량% 미만이면 열처리시 붕소 원자들이 입계편석에 의한 입계강화 효과나 소입성 개선효과가 미흡하다. 반면, 상기 B의 함량이 0.005 중량%를 초과하게 되면 입계에 붕소 탄화물이 석출되어 입계강도가 저하되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 B의 함량을 0.0005~0.005 중량%로 제어하는 것이 바람직하다.

질소(N): 0 중량% 초과 0.01 중량% 이하

상기 N은 상기 Ti과 결합하여 TiN을 형성하는 원소이지만, 그 함량이 과다할 경우 고용 질소량이 증가하여 강의 변형 저항이 급증할 우려가 있다. 이 경우, 냉간가공성이 열화되는 문제가 있다. 따라서, 본 발명에서는 상기 N의 상한을 0.01%로 제어하는 것이 바람직하며, 보다 유리하게는 0.008 중량%, 보다 더 유리하게는 0.007 중량%로 제어할 수 있다. 다만, TiN 형성을 위해 일정의 N가 확보되어야 하므로 0 중량%는 제외하며, 보다 바람직하게는 0.002 중량% 이상으로 포함하는 것이 바람직하다.

그 외 성분

나머지는 철(Fe)를 포함하며, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 제조과정에서 통상의 기술자가라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

[미세조직]

본 발명의 중탄소 선재는 미세조직으로, 30~80 면적%의 초석 페라이트 조직 및 잔여 펄라이트 조직을 포함한다. 또한, 초석 페라이트 분율이 평형 초석 페라이트 면적 분율의 80% 이상이고, 페라이트 결정립 평균 크기(Ferrite Grain Size; FGS)가 5μm 이하인 초석 페라이트 조직일 수 있다.

본 발명에서 평형 초석 페라이트 분율이란, 각 조성의 상태도에서 A1 직상의 온도에서 레버룰에 의한 초석 페라이트 분율을 의미한다. 본 발명의 실시예에서는 Thermo calc. 소프트웨어에서 계산된 상태도를 활용하였다.

본 발명은 초석 페라이트 분율이 평형 초석 페라이트 면적 분율의 80% 이상인 미세조직을 갖는 것을 특징으로 한다. 연질상인 페라이트의 분율이 높을수록 연성이 우수해지기 때문에, 초석 페라이트 분율이 평형 초석 페라이트 면적 분율의 80% 이상일 경우 연질 구상화 열처리를 생략하더라도 높은 신선가공량을 부여할 수 있다. 통상의 냉각 중에 생성 및 성장하는 선재 내 초석 페라이트와 비교하여, 730℃~Ae₃ 온도에서 마무리 압연 중 초석 페라이트가 생성 및 성장하고, 냉각 중 성장하기 때문에 본 발명강의 초석 페라이트 분율이 통상의 방법으로 제조된 동일 조성의 선재 내 초석 페라이트 분율 보다 높다.

본 발명에서 초석 페라이트 평균 입경을 5㎛ 이하로 제한하는 이유는 상기 초석 페라이트가 마무리 압연 중 급속히 생성됨으로써 결정립이 미세화되기 때문이며, 이는 변형 시 국부적인 응력 집중을 해소하여, 선재 제조단계에서의 강도 및 연성뿐만 아니라 신선 공정 이후에도 우수한 강도와 연성을 유지할 수 있기 때문이다. 잔여 미세조직을 펄라이트로 제어하는 이유는 베이나이트 또는 마르텐사이트가 존재할 경우 신선량이 높아질 때 소재가 단선될 수 있기 때문이다.

[물성]

본 발명에 따른 중탄소 선재는 하기 관계식 1을 만족하는 것이 바람직하다.

[관계식 1]

30≤(인장강도-550)*(단면감소율-40)/(페라이트 분율)≤60

신선 전 선재가 상기 관계식 1을 만족할 때, 연질 구상화 열처리가 생략된 신선 공정 후에도 강도 및 연성이 우수한 물성을 달성할 수 있다. 구체적으로, 상기 관계식 1의 값이 30 미만일 때는 강도 및 연성이 부족하여 냉간 가공 후 추가적인 열처리를 통한 물성 향상이 필요하게 되며, 60 초과일 때는 변형 저항이 높아 냉간 단조 시 공구 수명이 저하되는 단점이 있다.

예를 들어, 신선 공정 전 선재는 인장강도가 630MPa 이상이고, 단면감소율이 55% 이상일 수 있고, 바람직하게는 인장강도가 640MPa 이상이고, 단면감소율이 60% 이상일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 연질 구상화 열처리가 생략된 신선 공정 후 선재는 20%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 800MPa 이상이고, 단면감소율이 60% 이상일 수 있고, 40%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 930MPa 이상이고, 단면감소율이 53% 이상일 수 있으며, 60%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 1000MPa 이상이고, 단면감소율이 50% 이상일 수 있다. 본 발명에서, 상기 신선 공정은 연질 구상화 열처리가 생략된 것으로서, 본 발명에 따른 중탄소 선재는 연질 구상화 열처리를 거치지 않고도 우수한 강도 및 연성을 가지는 이점이 있다.

다음으로, 본 발명의 다른 일 측면에 따른 강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.

[중탄소 선재의 제조방법]

본 발명의 일 실시예에 따른 중탄소 선재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 900~1050℃의 온도 범위로 가열하는 단계; 상기 가열된 강재를 선재 압연한 후 마무리 압연하여 선재를 수득하는 단계; 상기 선재를 권취하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 1~15℃/s의 냉각속도로 500℃까지 냉각한 후, 3℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하며, 상기 마무리 압연은 730℃~Ae₃의온도 범위에서 변형량 0.3 이상으로 수행하는 것을 포함하고, 상기 냉각된 선재를 신선하는 단계를 추가 포함할 수 있다.

강재 가열 단계

먼저, 전술한 합금조성을 충족하는 강재를 준비하고, 준비된 강재를 1000℃ 이상으로 가열한다. 상기 강재의 종류는 특별히 한정되지 않으나, 선재를 제조하기 위한 빌렛이나 블룸인 것이 바람직하다. 상기 가열 온도가 1000℃ 미만에서는 강재의 충분한 균질화가 이루어질 수 있다. 상기 가열온도의 상한은 특별히 한정하지 않으나, 경제성을 고려하여 1300℃는 넘지 않는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시에에서, 상술한 합금조성을 만족하는 블룸(bloom)을 통상의 조건으로 가열한 후 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻는다.

선재 압연 단계

이후, 상기 빌렛을 선재압연하기 전에 재가열한다.

이때, 재가열 온도는 900~1050℃의 온도범위에서 수행할 수 있다. 만일, 재가열 온도가 900℃미만이면 열간 변형 저항이 증가하여 생산성의 저하를 초래할 우려가 있으며, 반면 그 온도가 1050℃를 초과하게 되면 페라이트 결정립이 지나치게 조대해져 강도 및 연성이 저하될 우려가 있다.

상기에 따라 재가열된 빌렛을 열간압연하여 선재로 제조한다.

상기 가열된 빌렛을 열간압연하여 선재를 얻는다. 열간압연은 상기 빌렛을 선재의 형태를 갖도록 하는 공형압연인 것이 바람직하며, 조압연, 사상압연, 마무리 압연 등을 포함한다.

본 발명에서는 최종 마무리 압연시 결정립을 미세화하기 위해서 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(austenite grain size, AGS)가 5~20㎛로 확보하는 것이 바람직하다. 상기 마무리 압연 전 AGS가 5㎛ 미만일 경우에는 낮은 온도에서 조압연을 통해 구현되기 때문에 롤 부하가 높아져 설비 수명이 단축되는 문제가 있고, 20㎛를 초과하는 경우에는 마무리 압연시 임계 변형량 증가가 필요하여 미세립을 가진 선재를 제조하기 어렵다.

이후 마무리 압연은 730℃~Ae₃의 온도범위에서 0.3 이상의 변형량(ε), 바람직하게는 0.3 내지 1.5의 변형량(ε)으로 수행하는 것이 바람직하다. 상기 Ae₃는 냉각 중 오스테나이트 상에서 페라이트 상의 변태가 개시되는 온도를 의미한다. 선재 압연 속도는 매우 빨라 동적재결정 영역에 속한다. 현재까지의 연구결과에 의하면 동적재결정 조건하에서는 오스테나이트 결정립 크기가 변형 속도와 변형 온도에만 의존한다고 밝혀져 있다. 선재 압연의 특성상 선경이 정해지면 변형량, 변형 속도는 정해지게 되어 오스테나이트 결정립 크기는 변형 온도를 조정하여 변화시킬 수 있게 된다. 본 발명에서는 동적재결정 중 동적 변형유기변태 현상을 이용하여 결정립을 미세화하고자 한다. 이러한 현상을 이용하여 본 발명이 얻고자 하는 미세조직 결정립을 확보하기 위해서는 마무리 사상압연 온도를 730℃~Ae₃로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마무리 압연 온도가 730℃보다 낮을 경우에는 압연 롤 부하가 높아져 설비 수명이 단축되며, 상변태온도(Ae₃)보다 높은 경우에는 상변태가 발생하지 않아 본 발명에서 목적하는 미세립 선재를 제조하기 어렵다. 또한, 상기 변형량(ε)이 0.3 미만인 경우에는 압하량이 충분하지 않아 선재 중심부에서의 미세조직을 충분히 미세화시키기 어렵다.

냉각 단계

이후, 상기에 따라 제조된 선재를 권취한 후 후술하는 바와 같이 냉각하는 것이 바람직하다. 구체적으로 상기 냉각은, 상기 권취된 선재를 1~15℃/s의 냉각속도로 500℃까지 냉각한 후, 3℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다.

500℃이상의 온도 역에서는 결정립 성장에 의한 페라이트 결정립 조대화 억제하고, 이를 통해 강도를 유지하기 위해 1℃/s 이상의 냉각속도로 수행하는 것이 바람직하다. 다만, 냉각속도가 너무 빨라지면 베이나이트 및 마르텐사이트 조직이 나타나게 되므로, 그 상한을 15℃/s으로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 500℃ 이상의 온도 역에서 냉각을 완료한 후, 500℃ 이하 온도 역에서는 펄라이트 간격을 제어하기 위해 3℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 이 때의 냉각속도가 3℃/s를 초과하면 펄라이트 라멜라 간격이 과도하게 미세하여 냉간 단조성이 저하될 우려가 있다.

신선 공정 단계

본 발명에서 상기와 같이 제조된 선재를 연질 구상화 열처리를 거치지 않고 신선하여 강도 및 연성이 우수한 소재를 제조할 수 있다. 상기 신선재는 20% 이상, 바람직하게는 60% 이상의 신선 감면율로 가공이 가능하며, 60% 감면율로 신선 시 1000MPa 이상의 인장강도를 가짐과 동시에 50% 이상의 단면감소율을 나타내어 냉간 압조 또는 냉간 단조 가공을 용이하게 할 수 있다.

또한, 연질 구상화 열처리가 생략된 신선 공정 후 선재는 20%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 800MPa 이상이고, 단면감소율이 60% 이상일 수 있고, 40%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 930MPa 이상이고, 단면감소율이 53% 이상일 수 있으며, 60%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 1000MPa 이상이고, 단면감소율이 50% 이상일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 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 1의 합금조성(중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물임)으로 강재(강종 1~8)를 준비하였다.

종류	C	Si	Mn	B	Cr	Ti	N	Al
강종 1	0.35	0.26	0.78	0.0021	0.15	0.029	0.0056	0.024
강종 2	0.33	0.24	0.83	0.0015	0.14	0.027	0.0045	0.023
강종 3	0.37	0.2	0.83	0.0018	0.17	0.029	0.0046	0.027
강종 4	0.36	0.25	0.81	0.0014	0.15	0.024	0.0042	0.029
강종 5	0.34	0.25	0.84	0.002	0.16	0.026	0.0039	0.031
강종 6	0.2	0.25	0.81	0.0014	0.15	0.024	0.0042	0.029
강종 7	0.35	0.27	0.78	0	0.15	0.029	0.0056	0.023
강종 8	0.33	0.24	0.83	0.0015	0.14	0.005	0.0045	0.023

상기 표 1의 합금조성을 갖는 강재인 블룸(Bloom)을 1250℃에서 4시간 동안 균질화 열처리한 후 강편압연을 실시하여 빌렛을 제조하였다. 이후 제조된 빌렛은 하기 표 2의 선재 제조조건으로 직경 9mm 선재(발명예 1~5 및 비교예 1~7)를 제조하였다. 이와 같이 제조된 선재의 미세조직과 기계적 물성을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

한편, 하기 표 2에서 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(AGS)는 마무리 선재압연 전 수행하는 절단 크롭(crop)을 통해 소재를 절단하고, 즉시 물에 ??칭(Quenching)하여 채취하였으며, ASTM E112법을 이용하여 AGS를 측정하였다. 채취한 시편에 대해서는 직경으로부터 1/4 지점에서 임의의 5 지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.

하기 표 3의 페라이트 결정립 사이즈(Ferrite Grain Size, FGS)는 ASTM E112법을 이용하여 측정하였으며, 제조된 선재의 직경으로부터 1/4 지점에서 임의의 5지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.

한편, 하기 표 3의 페라이트 면적 분율은 ASTM E1245에 근거하여 측정하였다. 광학 현미경을 활용하여 X500배로 촬영하였으며, Leica사의 Clemex vision 소프트웨어를 이용하여 분율을 측정하였다. 제조된 선재의 직경으로부터 1/4 지점에서 임의의 5지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.

구분	합금 조성	빌렛 가열		AGS (μm)	마무리 압연		냉각속도 (℃/s)
구분	합금 조성	온도 (℃)	시간 (분)	AGS (μm)	온도 (℃)	변형량	500℃ 이상	500℃ 이하
발명예1	강종 1	970	92	11	751	0.8	13.8	1.5
발명예2	강종 2	1020	83	12	773	0.6	5.6	0.5
발명예3	강종 3	1050	110	12	762	0.7	7.1	1.2
발명예4	강종 4	1000	105	14	754	0.7	6.5	0.7
발명예5	강종 5	960	99	11	775	0.5	8.3	0.4
비교예1	강종 6	948	96	11	769	0.4	5.1	1.5
비교예2	강종 7	1034	82	12	748	0.8	10.2	1.2
비교예3	강종 8	1050	85	12	752	0.7	8.3	0.9
비교예4	강종 3	1254	91	26	739	0.6	7.1	0.8
비교예5	강종 3	1049	105	14	894	0.9	8.9	0.7
비교예6	강종 4	1031	89	13	756	1	0.1	2.1
비교예7	강종 5	980	93	11	765	0.8	20	4

구분	미세조직	페라이트 분율(%)	FGS (μm)	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)	관계식 1
발명예1	F+P	60.39	4.21	668.7	67.3	53.7
발명예2	F+P	60.28	4.53	652.9	63.5	40.1
발명예3	F+P	59.34	4.12	648.3	65.3	41.9
발명예4	F+P	61.31	4.80	653.1	62.9	38.5
발명예5	F+P	58.53	3.92	656.3	63.2	42.1
비교예1	F+P	71.29	5.12	517.3	57.5	-8.0
비교예2	F+P	56.91	4.32	610.4	61.5	22.8
비교예3	F+P	55.32	4.62	612.5	63.2	26.2
비교예4	F+P	49.38	8.32	631.5	56.3	26.9
비교예5	F+P	48.18	9.56	615.7	57.3	23.6
비교예6	F+P	63.51	7.10	620.3	58.3	20.3
비교예7	F+B	57.61	3.73	975.6	21.5	-136.7

상기 표 3에서, 미세조직의 F는 페라이트, P는 펄라이트, B는 베이나이트를 의미하고, 관계식 1은 “(인장강도-550)*(단면감소율-40)/(페라이트 분율)”로 계산된 값이다.

또한, 상기 제조된 선재를 20%, 40%, 60% 신선 가공한 후, 인장강도와 단면감소율을 측정하고, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다. 인장강도는 KS B 0801를 적용하여 가공한 시편을 이용하여 KS B 0802에 따라 측정하였으며, 단면감소율은 시험 전후의 시편 직경을 3회 측정 후 평균한 값을 통해 계산하였다.

구분	적용 신선량: 20%		적용 신선량: 40%		적용 신선량: 60%
구분	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)
발명예1	854.2	60.41	972.6	54.35	1069.1	57.44
발명예2	822.6	60.19	954.9	56.22	1045.2	54.19
발명예3	823.7	60.28	967.5	57.18	1052.6	56.67
발명예4	825.4	62.91	964.8	56.72	1064	54.93
발명예5	838.9	63.12	971.9	56.95	1049.8	52.46
비교예1	715.6	64.58	845.8	59.41	950.1	45.11
비교예2	783.5	54.81	924.7	50.40	988.9	43.65
비교예3	744.3	56.47	890.5	51.52	973.6	45.45
비교예4	743.9	57.98	886.7	49.81	981.3	47.51
비교예5	761.2	55.31	905.3	52.31	972.8	42.63
비교예6	732.8	54.27	870.9	50.92	995.1	46.05
비교예7	1250.4	18.21	X	X	X	X

상기 표 1 내지 4를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 조건을 모두 충족하는 발명예 1 내지 5의 선재는 관계식 1로 계산되는 값이 30 내지 60의 범위를 만족하였으며, 또한 선재 제조단계에서 인장강도 630MPa 이상 및 단면감소율 55% 이상을 나타냈으며, 구상 연질화 열처리 없이도 60% 신선 후 1000MPa 이상의 고강도를 확보하는 동시에, 50% 이상의 단면감소율을 확보할 수 있다. 특히 도 1은 상기 발명예 1의 선재 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 사진이다. 도 1을 보면, 발명예 1은 초석 페라이트와 펄라이트로 구성되어있음을 확인할 수 있다. 또한 FGS는 4.21μm로 통상 제조조건으로 생산되는 소재와 비교하여 매우 작으며, 페라이트 분율은 60.39%로 높음을 알 수 있다.

비교예 1의 경우 탄소 함량이 낮아, 페라이트 분율이 우수하나 강도가 낮고 FGS가 충분히 미세하지 못하여, 신선 후 낮은 강도와 연성로 인해 용도에 맞게 사용하기 어렵다.

비교예 2의 경우 붕소 함량이 낮아, 붕소에 의한 입계 강화 효과가 존재하지 않아 높은 냉각속도에 의한 강도 상승효과를 나타내지 못하여 FGS 미세화와 연성은 확보되었으나 강도가 우수하지 못했다.

반면, 비교예 3의 경우 Ti 함량이 낮아, TiN을 형성하고 잔존하는 질소가 붕소와 BN을 형성하여 입계에 석출될 붕소가 부족하여 비교예 2와 동일하게 강도가 우수하지 못하다.

비교예 4는 높은 빌렛 가열온도로 인해 마무리 압연 전 AGS 크기가 발명예들에 비해 크다. 조대한 AGS는 높은 임계 변형량을 통해 결정립 미세화가 이루어질 수 있기 때문에 충분치 못한 마무리 압연 변형량은 결국 조대한 결정립으로 선재에 출현하게 되어, FGS가 높고 페라이트 분율이 낮아, 강도 및 연성이 우수하지 못했다.

비교예 5의 경우 높은 마무리 압연 온도로 인해 미세한 결정립을 얻지 못했으며, 비교예 4와 동일하게 FGS가 높고 페라이트 분율이 낮아 기계적 특성이 우수하지 못했다.

비교예 6의 경우 선재 압연에 의해 만들어진 미세 결정립이 500℃ 이상에서의 낮은 냉각 속도로 인해 결정립 성장이 이루어져 최종 FGS가 조대화되어 기계적 물성이 우수하지 못한 결과를 초래했다.

비교예 7의 경우 빠른 냉각속도로 인해 FGS 미세화 및 페라이트 분율은 우수하나, 펄라이트 대신 베이나이트가 생성되었다. 따라서 선재 상태에서 높은 인장강도를 가지나 연성이 우수하지 못했고, 그 결과 신선가공성이 우수하지 못했다. 도 2는 상기 비교예 7의 선재 미세조직을 전자현미경으로 관찰한 사진으로, 상기 도 1에 비해 FGS(평균 페라이트 결정립 크기) 및 페라이트 분포는 유사하나, 펄라이트가 아닌 베이나이트가 생성됨을 확인할 수 있다.

상술한 각 발명예와 비교예의 평가로부터 본 발명의 합금조성 범위 및 제조조건을 만족하여야 본 발명의 선재 특성을 모두 만족할 수 있는 것을 알 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 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

중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직으로, 30~80 면적%의 초석 페라이트 조직 및 잔여 펄라이트 조직을 포함하고, 페라이트 결정립 평균 크기가 5μm 이하인 초석 페라이트 조직이며,
하기 관계식 1을 만족하고, 강도 및 연성이 우수한 중탄소 선재.
[관계식 1]
30≤(인장강도-550)*(단면감소율-40)/(페라이트 분율)≤60
청구항 1에 있어서,
상기 선재는 인장강도가 630MPa 이상이고, 단면감소율이 55% 이상인, 중탄소 선재.
청구항 1에 있어서,
상기 선재는 20%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 800MPa 이상이고, 단면감소율이 60% 이상인, 중탄소 선재.
청구항 1에 있어서,
상기 선재는 40%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 930MPa 이상이고, 단면감소율이 53% 이상인, 중탄소 선재.
청구항 1에 있어서,
상기 선재는 60%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 1000MPa 이상이고, 단면감소율이 50% 이상인, 중탄소 선재.
중량%로, 탄소(C): 0.3~0.4%, 규소(Si): 0.01~0.4%, 망간(Mn): 0.6~1.6%, 크롬(Cr): 0% 초과 1.4% 이하, 알루미늄(Al): 0.01~0.06%, 티타늄(Ti): 0.006~0.05%, 붕소(B): 0.0005~0.005%, 질소(N): 0% 초과 0.01% 이하, 잔량의 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 포함하는 강재를 900~1050℃의 온도 범위로 가열하는 단계;
상기 가열된 강재를 선재 압연한 후 마무리 압연하여 선재를 수득하는 단계;
상기 선재를 권취하는 단계; 및
상기 권취된 선재를 1~15℃/s의 냉각속도로 500℃까지 냉각한 후, 3℃/s 이하의 냉각속도로 냉각하는 단계;를 포함하며,
상기 마무리 압연은 730℃~Ae₃의온도 범위에서 변형량 0.3 이상으로 수행하는 것을 포함하는, 중탄소 선재의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 평균 크기는 5~20μm인, 중탄소 선재의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 냉각된 선재를 신선하는 단계를 추가 포함하는, 중탄소 선재의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 선재는 60%의 감면율로 신선한 후 인장강도가 1000MPa 이상이고, 단면감소율 50% 이상인, 중탄소 선재의 제조방법.
청구항 8에 있어서,
상기 신선 단계 전 구상 연질화 열처리를 수행하지 않는 것인, 중탄소 선재의 제조방법.