KR20230093723A - 내구성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조방법, 산업용 또는 자동차용 부품 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따르면, 내구성이 우수한 고탄소 강판 및 이를 이용하여 제조된 산업용 또는 자동차용 부품을 제공할 수 있다.
Description
본 발명은 고탄소 강판 및 그 제조방법, 산업용 또는 자동차용 부품에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내구성이 우수하여 각종 산업의 부품용으로 특히 적합한 고탄소 강판 및 그 제조방법, 해당 고탄소 강판을 이용하여 제조된 산업용 또는 자동차용 부품에 관한 것이다.
고탄소 강판은 산업 전반적인 분야에 걸쳐 널리 이용되며, 특히 반복적인 응력 혹은 변형을 받는 자동차 혹은 산업용 부품의 소재로 주요하게 사용된다. 고탄소 강판이 사용되는 자동차 부품의 예로는 클러치 부품 또는 안전벨트 스프링 부품 등이 있으며, 고탄소 강판이 사용되는 산업용 부품의 예로는 산업용 스프링 부품 또는 공구용 부품 등이 있다. 고탄소 강판이 각종 부품에 널리 이용되는 것은, 고탄소 강판은 강도를 지탱하면서도 내구성을 동시에 확보할 수 있기 때문이다.
고탄소강의 제조 시 목적하는 물성을 확보하기 위해 열간압연 또는 냉간압연 이후에 열처리를 실시하는 것이 일반적이다. 특허문헌 1 내지 3은 내구성이 우수한 고탄소 강판과 관련된 특허문헌으로, 특허문헌 1은 침질 공정 및 열처리 공정을 통해 스프링 강을 제조하는 방법, 특허문헌 2는 냉간압연 이후 고온 열처리를 통해 마르텐사이트 조직을 확보하는 방법, 특허문헌 3은 인덕션 열처리 공정을 통해 스프링강을 고강도화하는 방법을 개시한다.
다만, 최근 급변하는 기후변화와 관련하여 탄소중립이 전 산업군에 걸쳐 중요한 이슈로 부각되었으며, 철강 산업에 있어서도 탄소 배출량의 감소가 예외 없이 요구되고 있으므로, 고탄소 강판의 제조 시 열처리 공정을 생략하면서도 목적하는 물성의 확보가 가능한 방안에 대한 연구가 시급한 실정이다.
본 발명의 일 측면은 내구성이 우수한 고탄소 강판 및 이를 이용하여 제조된 산업용 또는 자동차용 부품을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 측면은 열간압연 및 냉간압연 공정을 적절히 활용하여 열처리 공정을 단축하거나 생략하여 제조비용 및 탄소 배출량을 감소시킬 수 있는 고탄소 강판의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 않는다. 통상의 기술자라면 본 명세서의 전반적인 내용으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은, 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 90부피% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하며, 상기 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 70MPa 이상일 수 있다.
상기 고탄소 강판은, Ti: 0.005~0.1중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 고탄소 강판은, 중량%로, Nb: 0.05% 이하, V: 0.05% 이하, Cr: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하 및 B: 0.005% 이하 중의 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 마르텐사이트의 압연방향에 대한 45° 방향의 잔류응력은 30MPa 이상일 수 있다.
상기 마르텐사이트 중 압연방향을 따라 연신된 마르텐사이트의 비율이 50% 이상일 수 있다.
상기 마르텐사이트의 전체 패킷 중 장단축 비가 2:1 이상인 패킷의 비율이 50% 이상일 수 있다.
상기 고탄소 강판은, 페라이트 및 잔류오스테나이트 중에서 선택된 1종 이상을 10부피% 이하(0% 포함)의 합계 분율로 포함하고, 펄라이트 및 베이나이트 중에서 선택된 1종 이상을 5부피% 이하(0% 포함)의 합계 분율로 포함할 수 있다.
상기 강판의 항복강도는 1300MPa 이상이고, 인장강도는 1500MPa 이상일 수 있다.
상기 강판의 탄소(C) 함량은 0.20중량% 초과이며, 상기 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 190MPa 이상일 수 있다.
상기 강판의 항복강도는 1590MPa 이상이고, 인장강도는 1640MPa 이상일 수 있다.
상기 고탄소 강판을 이용하여 제조된 산업용 또는 자동차용 부품은, 내구성 테스트 결과가 10만회 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판의 제조방법은, 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1100℃ 이상의 온도범위에서 가열하는 단계; 상기 가열된 슬라브를 800~950℃의 압연 종료 온도에서 열간압연하여 열연강판을 제공하는 단계; 상기 열간압연 완료 후 5초 이내에 50~1000℃/sec의 냉각속도로 350℃ 이하의 냉각종료온도까지 상기 열연강판을 급냉하고 권취하는 단계; 및 상기 권취 후 열처리를 생략하고, 20~50%의 압하율로 상기 열연강판을 냉간압연하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 슬라브는, Ti: 0.005~0.1중량%를 더 포함할 수 있다.
상기 슬라브는, 중량%로, Nb: 0.05% 이하, V: 0.05% 이하, Cr: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하 및 B: 0.005% 이하 중의 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
상기 슬라브에 포함되는 탄소(C) 함량은 0.20중량% 초과일 수 있다.
상기 급냉된 열연강판은 90부피% 이상의 마르텐사이트를 포함할 수 있다.
상기 고탄소 강판의 제조방법은, 상기 냉간압연 후 담금질을 실시하지 않을 수 있다.
상기 과제의 해결 수단은 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니며, 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 구현예 및 실시예를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 열처리 공정을 단축하거나 생략하면서도 내구성이 우수한 고탄소 강판을 제조할 수 있으므로, 고탄소 강판의 제조에 소요되는 에너지 및 제조비용을 효과적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 고온의 열처리 공정에서 배출되는 탄소량을 저감하여 친환경성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 우수한 내구성을 가지는 고탄소 강판을 제공하므로, 이를 이용하여 제조된 스프링 부재의 수명을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 사항에 국한되는 것은 아니며, 통상의 기술자가 본 명세서에 기재된 사항으로부터 합리적으로 유추 가능한 사항을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1은 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 시편 1의 미세조직을 관찰한 사진이다.
본 발명은 내구성이 우수한 고탄소 강판 및 그 제조방법, 스프링 부재에 관한 것으로, 이하에서는 본 발명의 바람직한 구현예들을 설명하고자 한다. 본 발명의 구현예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 구현예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 구현예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명을 더욱 상세하기 위하여 제공되는 것이다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은, 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 90부피% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하며, 상기 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력이 70MPa 이상일 수 있다.
이하, 본 발명의 고탄소 강판에 포함되는 강 조성에 대해 보다 상세히 설명한다. 이하, 특별히 달리 표시하지 않는 한 각 원소의 함량을 나타내는 %는 중량을 기준으로 한다.
탄소(C): 0.11~0.30%
탄소(C)는 강의 강도 향상에 효과적으로 기여하는 원소이므로, 본 발명은 강판의 강도 확보를 위해 일정 수준 이상의 탄소(C)를 포함할 수 있다. 또한, 탄소 함량(C)이 일정 수준에 미치지 못하는 경우 열간압연 후 냉각 시 펄라이트 및 베이나이트 등의 저온조직이 다량 형성되어 본 발명이 목적하는 미세조직을 확보하지 못할 수 있으므로, 본 발명은 탄소(C) 함량의 하한을 0.11%로 제한할 수 있다. 탄소(C) 함량은 0.15% 이상일 수 있으며, 0.20% 이상일 수 있다. 바람직한 탄소(C) 함량은 0.20% 초과일 수 있다. 반면, 탄소(C)가 과다하게 첨가되는 경우 강의 강도는 향상되는 반면, 내구성이 저하될 수 있으므로, 본 발명은 탄소(C) 함량을 0.3% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 탄소 함량의 상한은 0.295%일 수 있다.
망간(Mn): 0.1~3.0%
망간(Mn)은 강의 강도 및 경화능 향상에 효과적으로 기여하는 원소이다. 또한, 망간(Mn)은 강의 제조공정 중 불가피하게 유입되는 황(S)과 결합하여 MnS를 형성하므로, 황(S)에 의한 크랙 발생을 효과적으로 방지 가능한 원소이기도 하다. 본 발명은 이와 같은 효과 달성을 위해 0.1% 이상의 망간(Mn)을 포함할 수 있다. 바람직한 망간(Mn) 함량은 0.3% 이상일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량은 0.5% 이상일 수 있다. 반면, 망간(Mn)이 과다하게 첨가되는 경우 잔류 오스테나이트에 의한 인장강도 저하가 우려될 뿐만 아니라, 내구성 및 경제성 측면에서 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명은 망간(Mn) 함량을 3.0% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 2.9%일 수 있으며, 보다 바람직한 망간(Mn) 함량의 상한은 2.8%일 수 있다.
실리콘(Si): 0.5% 이하(0% 제외)
실리콘(Si)은 산소와의 친화력이 강한 원소이므로, 다량 첨가되는 경우 표면 스케일에 의한 표면품질의 저하를 유발할 수 있으며, 용접성 측면에서도 바람직하지 않다. 따라서, 본 발명은 실리콘(Si) 함량을 0.5%로 제한할 수 있다. 바람직한 실리콘(Si) 함량의 상한은 0.45%일 수 있다. 한편, 실리콘(Si)은 탈산제로 작용할 뿐만 아니라 강의 강도 향상에 기여하는 원소이기도 하므로, 본 발명은 실리콘(Si)의 첨가를 전면적으로 배제하지는 않으며, 그 함량의 하한에서 0%를 제외할 수 있다.
알루미늄(Al): 0.1% 이하(0% 제외)
알루미늄(Al)은 강 중의 산소와 결합하여 탈산 작용을 하는 원소이다. 본 발명은 이와 같은 효과를 위해 알루미늄(Al)을 첨가할 수 있으며, 그 함량의 하한에서 0%를 제외할 수 있다. 반면, 알루미늄(Al)이 과다하게 첨가되는 경우 개재물이 증가될 뿐만 아니라, 강판의 가공성을 저하시킬 수 있는바, 본 발명은 알루미늄(Al) 함량을 0.1% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 알루미늄(Al) 함량의 상한은 0.08%일 수 있다.
인(P): 0.05% 이하(0% 포함)
인(P)은 결정립계에 편석되어 강의 인성 저하를 유발하는 주요 원소이므로, 가능한 한 인(P) 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 인(P)의 함량을 0%로 억제하는 것이 이론상 가장 유리하다. 다만, 인(P)은 제강공정 중 불가피하게 유입되는 불순물로, 그 함량을 0%로 제어하는 데에는 과도한 공정 부하가 유발될 수 있다. 본 발명은 이와 같은 점을 고려하여 인(P) 함량의 상한을 0.05%로 제한할 수 있다. 바람직한 인(P) 함량의 상한은 0.03%일 수 있다.
황(S): 0.03% 이하(0% 포함)
황(S)은 MnS를 형성하여 석출물 양을 증가시키고, 강을 취화시키는 원소이므로, 가능한 한 황(S) 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 황(S)의 함량을 0%로 제한하는 것이 이론상 가장 유리하다. 다만, 황(S) 역시 제강공정 중 불가피하게 유입되는 불순물로, 그 함량을 0%로 제어하는 데에는 과도한 공정 부하가 유발될 수 있다. 본 발명은 이와 같은 점을 고려하여, 황(S) 함량의 상한을 0.03%로 제한할 수 있다. 바람직한 황(S) 함량의 상한은 0.01%일 수 있다.
질소(N): 0.03% 이하(0% 포함),
질소(N)는 연속주조 중에 질화물을 만들어 슬라브의 균열을 일으키는 원소이므로, 가급적 그 함량을 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 따라서, 질소(N)의 함량을 0%로 제한하는 것이 이론상 가장 유리하다. 다만, 질소(N) 역시 제강공정 중 불가피하게 유입되는 불순물로, 그 함량을 0%로 제어하는 데에는 과도한 공정 부하가 유발될 수 있다. 본 발명은 이와 같은 점을 고려하여, 질소(N) 함량의 상한을 0.03% 이하로 제한할 수 있다. 바람직한 질소(N) 함량의 상한은 0.01%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 전술한 합금 성분 외에 티타늄(Ti): 0.005~0.1% 를 더 포함할 수 있으며, 나이오비윰(Nb): 0.05% 이하, 바나듐(V): 0.05% 이하, 크롬(Cr): 1.0% 이하, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하 및 보론(B): 0.005% 이하 중의 1종 이상을 더 포함할 수 있다.
티타늄(Ti): 0.005~0.1%
일반적으로 티타늄(Ti)은 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성하는 것으로 알려진 원소이다. 본 발명은 경화능 확보를 위해 강 중에 보론(B)을 첨가하지만, 강 중 포함된 질소(N)와 보론(B)이 결합하는 경우 본 발명이 목적하는 보론(B) 첨가 효과를 달성할 수 없게 된다. 강 중에 티타늄(Ti)이 첨가되는 경우 보론(B)과 결합하기 전의 질소(N)가 티타늄(Ti)과 결합하여 질화물을 형성하므로, 보론(B) 첨가 효과를 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은 이러한 효과를 달성하기 위하여 0.005% 이상의 티타늄(Ti)을 첨가할 수 있다. 바람직한 티타늄(T) 함량의 하한은 0.010%일 수 있으며, 보다 바람직한 티타늄(Ti) 함량의 하한은 0.015%일 수 있다. 반면, 티타늄(Ti)이 과도하게 첨가되는 경우 슬라브 제조 단계에서 연주성이 저하될 수 있으므로, 본 발명은 티타늄(Ti) 함량의 상한을 0.1%로 제한할 수 있다. 바람직한 티타늄(Ti) 함량의 상한은 0.09%일 수 있으며, 보다 바람직한 티타늄(Ti) 함량의 상한은 0.08%일 수 있다.
나이오비윰(Nb): 0.05% 이하, 바나듐(V): 0.05% 이하, 몰리브덴(Mo): 1.0% 이하
일반적으로, 나이오비윰(Nb), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo)은 탄소(C) 및 질소(N)와 결합하여 탄화물 및 질화물을 형성하는 것으로 알려진 원소이다. 따라서 나이오비윰(Nb) 및 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo)이 첨가되는 경우, 탄화물 및 질화물에 의해 강도가 상승하는 효과가 있다. 본 발명은 이러한 효과를 달성하기 위하여 나이오비윰(Nb), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo) 중의 1종 이상을 첨가할 수 있다. 다만, 나이오비윰(Nb), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo)이 과도하게 첨가되는 경우, 압연 부하가 과도하게 커질 수 있고, 제조원가가 과도하게 상승할 수 있으므로, 본 발명은 나이오비윰(Nb), 바나듐(V) 및 몰리브덴(Mo) 함량의 상한을 각각 0.05%, 0.05% 및 1.0%로 제한할 수 있다.
크롬(Cr): 1.0% 이하
크롬(Cr)은 강의 경화능 향상에 기여하는 원소이므로, 본 발명은 이러한 효과를 달성하기 위하여 크롬(Cr)을 포함할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 하한은 0.005%일 수 있다. 반면, 고가의 원소인 크롬(Cr)의 과다 첨가는 경제적 측면에서 바람직하지 않으며, 크롬(Cr)이 과다하게 첨가되는 경우 용접성을 저하시킬 수 있으므로, 본 발명은 크롬(Cr) 함량의 상한을 1.0%로 제한할 수 있다. 바람직한 크롬(Cr) 함량의 상한은 0.5%일 수 있다.
보론(B): 0.005% 이하
보론(B)은 강의 경화능 향상에 효과적으로 기여하는 원소이므로, 소량의 첨가에 의하더라도 열간압연 후 냉각 시 페라이트 및 펄라이트 등 저온조직으로의 변태를 효과적으로 억제 가능한 원소이다. 본 발명은 이와 같은 효과 달성을 위해 0.0005% 이상의 보론(B)을 첨가할 수 있다. 바람직한 보론(B) 함량의 하한은 0.001%일 수 있다. 반면, 보론(B)이 과다하게 첨가되는 경우 보론(B)이 철(Fe)과 반응하여 입계취성을 유발할 수 있으므로, 본 발명은 보론(B) 함량의 상한을 0.005%로 제한할 수 있다. 바람직한 보론(B) 함량의 상한은 0.0045%일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 전술한 성분 이외에 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 전면적으로 배제할 수는 없다. 이들 불순물은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 본 명세서에서 특별히 언급하지는 않는다. 더불어, 전술한 성분 이외에 유효한 성분의 추가적인 첨가가 전면적으로 배제되는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판에 포함되는 미세조직에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 기지조직으로 마르텐사이트를 포함한다. 마르텐사이트의 분율은 강판 전체의 부피 대비 90부피% 이상일 수 있으며, 바람직한 마르텐사이트의 분율은 95부피% 이상일 수 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 경질조직인 마르텐사이트를 기지조직으로 포함하므로, 높은 강도 및 항복비를 동시에 확보할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판에 포함되는 마르텐사이트는 열간압연 후 급냉에 의해 형성되고 이후의 냉간압연에 의해 연신되므로, 강판에 포함되는 전체 마르텐사이트 중 연신된 마르텐사이트의 비율이 50% 이상일 수 있다. 연신된 마르텐사이트는 패킷의 장축 방향이 압연 방향으로부터 45° 이내의 방향으로 배열된 마르텐사이트를 의미할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 전체 마르텐사이트 패킷 중 장단축 비가 2:1 이상인 패킷의 비율이 50% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판에 포함되는 마르텐사이트는 열간압연 후의 냉각에 의해 형성되고 이후의 냉간압연에 의해 연신되므로, 통상적으로 생성되는 마르텐사이트와 달리, 압연방향의 잔류응력이 70MPa 이상의 수준을 만족하고 압연방향에 대한 45° 방향의 잔류응력이 30MPa 이상의 수준을 만족할 수 있다. 바람직한 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 190MPa 이상일 수 있다. 마르텐사이트의 잔류응력은 X선 분석 의해 측정될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 특별한 기술적 어려움 없이 마르텐사이트의 잔류응력을 측정할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 경질조직인 마르텐사이트를 기지조직으로 포함할 뿐만 아니라, 강판에 포함되는 마르텐사이트가 냉간압연에 의해 연신되어 일정 수준 이상의 잔류응력을 가지거나 연신된 형태를 가지도록 제어하므로, 강판 및 이를 이용하여 제조된 부품의 내구성을 보다 효과적으로 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 마르텐사이트 이외의 조직이 포함되는 것을 전면적으로 배제하는 것은 아니다. 다만, 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 및 잔류 오스테나이트 등은 강도 및 내구성 확보에 바람직하지 않으므로 이들의 분율을 일정 범위 내로 제어할 필요가 있다. 페라이트 및/또는 잔류 오스테나이트의 합계 분율은 10부피% 이하인 것이 바람직하며, 펄라이트 및/또는 베이나이트의 합계 분율은 5부피% 이하인 것이 바람직하다. 본 발명은 페라이트, 잔류 오스테나이트, 펄라이트 및 베이나이트의 합계 분율이 0%인 경우를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판은 전술한 미세조직 외에 시멘타이트 및 석출물 등을 잔부 조직으로 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판의 항복강도(YS)는 1300MPa 이상이고, 인장강도(TS)는 1500MPa 이상일 수 있다. 바람직한 항복강도(YS)는 1590MPa 이상일 수 있으며, 바람직한 인장강도(TS)는 1640MPa 이상일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판을 이용하여 코일 형태의 스프링 부재를 제작한 후 감겨 있는 상태의 스프링을 일정한 길이로 당긴 후 다시 원상태로 감는 방식의 내구성 테스트를 실시하는 경우, 내구성 테스트 결과가 10만회 이상으로 우수한 내구성을 가지는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따른 고탄소 강판의 제조방법은, 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1100℃ 이상의 온도범위에서 가열하는 단계; 상기 가열된 슬라브를 800~950℃의 압연 종료 온도에서 열간압연하여 열연강판을 제공하는 단계; 상기 열간압연 완료 후 5초 이내에 50~1000℃/sec의 냉각속도로 350℃ 이하의 냉각종료온도까지 상기 열연강판을 급냉하는 단계; 350℃ 이하의 온도범위에서 상기 급냉된 열연강판을 권취하는 단계; 및 상기 권취 후 열처리를 생략하고, 20~50%의 압하율로 상기 열연강판을 냉간압연하는 단계;를 포함할 수 있다.
슬라브 가열 및 열간압연
본 발명의 슬라브 강 조성은 전술한 강판의 강 조성과 대응하므로, 본 발명의 슬라브 강 조성에 대한 설명은 전술한 강판의 강 조성에 대한 설명으로 대신한다. 슬라브 제조 조건은 특별히 제한되는 것은 아니며, 통상의 고탄소 강판의 제조에 이용되는 슬라브 제조 조건이 적용될 수 있다.
준비된 슬라브를 일정 온도범위로 가열한다. 충분한 균질화 처리를 위해 1100℃ 이상의 온도범위에서 슬라브를 가열할 수 있다. 다만, 슬라브 가열 온도가 과도하게 높은 경우, 경제성 측면에서 바람직하지 않을 뿐만 아니라 최종 제품의 표면 품질에 악영향을 미칠 수 있으므로, 슬라브 가열 온도의 상한은 1350℃ 로 제한할 수 있다.
가열된 슬라브는 통상의 열간압연 조건에 의해 열간압연 될 수 있으나, 압연하중 제어 및 표면 스케일 저감을 위해 마무리 압연 온도를 800~950℃의 범위로 제한할 수 있다.
냉각 및 권취
열간압연 직후의 열연강판에 대해 급랭 조건의 냉각이 실시될 수 있다.
본 발명은 강판의 미세조직을 엄격히 제어하고자 하므로, 본 발명의 냉각은 열간압연 종료 직후 5초 이내에 개시되는 것이 바람직하다. 열간압연 후 냉각 개시 시점까지의 시간이 5초를 초과하는 경우, 대기 중에서의 공랭에 의해 본 발명이 의도하지 않는 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트가 형성될 수 있기 때문이다. 열간압연 종료 직후로부터 냉각 개시 시점까지의 바람직한 시간은 3초 이내일 수 있다.
열간압연 직후의 열연강판은 50~1000℃/s의 냉각속도로 350℃ 이하의 냉각 종료 온도까지 냉각될 수 있다. 냉각 종료 온도가 일정 범위를 초과하는 경우 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트로의 변태가 불가피하므로, 본 발명이 목적하는 미세조직을 확보하기 위해 냉각 종료온도의 상한을 350℃로 제한할 수 있다. 한편, 냉각 종료 온도의 하한은 특별이 규정하지는 않으나, 바람직한 냉각 종료 온도의 하한은 150℃일 수 있다. 냉각속도가 일정 수준 미만인 경우, 냉각 중 페라이트, 펄라이트 및 베이나이트로의 변태가 일어나게 되므로, 본 발명이 목적하는 미세조직을 확보하기 위해 냉각속도의 하한을 50℃/s로 제한할 수 있다. 한편, 냉각속도의 상한은 특별히 한정하지는 않으나, 설비 한계 및 경제성을 고려하여 냉각속도의 상한을 1000℃/s로 제한할 수 있다.
본 발명은 열간압연 직후의 열연강판에 대해 급냉 조건의 냉각을 실시하므로 냉간압연 적용 전의 열연강판 상태에서 90부피% 이상의 마르텐사이트를 확보할 수 있다. 통상적인 고탄소 강판의 제조 방법은 열간압연 직후 열처리를 실시하고, 열처리된 열연강판을 냉간압연한 후 담금질 열처리를 실시하여 마르텐사이트 조직을 형성하는 반면, 본 발명은 강 성분계를 엄격히 제어하여 열간압연 직후의 열처리를 생략할 수 있을 뿐만 아니라 냉간압연 후의 담금질을 생략할 수 있으므로, 탄소 배출량을 효과적으로 낮출 수 있다.
냉각 종료 후의 냉연강판은 열연코일로 권취될 수 있다.
냉간압연
열연코일을 언코일링한 후 20~50%의 압하량으로 냉간압연을 실시할 수 있다. 압하량이 적은 경우 마르텐사이트의 충분한 연신이 이루어지지 않으며, 그에 따라 목적하는 고강도 특성 및 내구성을 확보할 수 없게 된다. 따라서, 본 발명은 냉간압연의 압하량을 20% 이상의 수준으로 제한할 수 있다. 바람직한 냉간압연 압하량의 하한은 25%일 수 있다. 반면, 냉간압연의 압하량이 과도한 경우, 압연 하중에 의한 설비 파손이 우려될 뿐만 아니라, 강도가 지나치게 상승하면서 내구성이 저하되는 문제가 있을 수 있으므로, 본 발명은 냉간압연 압하량의 상한을 50%로 제한할 수 있다.
전술한 제조방법을 통해 제조된 고탄소 강판은, 90부피% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하고, 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 70MPa 이상이며, 항복강도(YS)는 1300MPa 이상이고, 인장강도(TS)는 1500MPa 이상일 수 있다.
또한, 전술한 제조방법을 통해 제조된 고탄소 강판을 이용하여 스프링 부재를 제작하는 경우, 해당 스프링 부재의 내구성 테스트 결과는 10만회 이상을 충족할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통하여 본 발명의 고탄소 강판 및 그 제조방법, 부품에 대해 보다 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 특정하기 위한 것이 아님을 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정된다.
(실시예)
하기 표 1의 조성을 가지는 슬라브를 제조한 후 하기 표 2의 공정조건을 적용하여 강판 시편을 제조하였다. 각각의 슬라브는 통상의 제조방법에 의해 제조되었으며, 1050~1350℃의 온도범위에서 가열되어 균질화 처리되었다.
| 강종 | 합금 성분(wt%) | |||||||||||
| C | Mn | Si | Al | P | S | N | Nb | V | Cr | Ti | B | |
| A | 0.223 | 0.979 | 0.08 | 0.03 | 0.005 | 0.002 | 0.004 | 0.001 | 0.002 | 0.02 | 0.018 | 0.0013 |
| B | 0.126 | 1.09 | 0.05 | 0.04 | 0.009 | 0.003 | 0.003 | - | - | 0.01 | 0.023 | 0.0021 |
| C | 0.171 | 1.21 | 0.06 | 0.02 | 0.012 | 0.005 | 0.005 | 0.001 | 0.002 | 0.03 | 0.021 | 0.0018 |
| D | 0.292 | 0.88 | 0.08 | 0.03 | 0.014 | 0.004 | 0.004 | 0.001 | 0.001 | 0.03 | 0.019 | 0.0016 |
| E | 0.219 | 2.8 | 0.07 | 0.02 | 0.011 | 0.003 | 0.005 | 0.001 | 0.002 | 0.41 | 0.022 | 0.0015 |
| F | 0.227 | 1.06 | 0.41 | 0.03 | 0.009 | 0.004 | 0.003 | 0.002 | 0.002 | 0.03 | 0.075 | 0.0041 |
| G | 0.226 | 1.13 | 0.03 | 0.07 | 0.019 | 0.006 | 0.005 | 0.026 | 0.031 | 0.03 | 0.016 | 0.0022 |
| H | 0.102 | 0.99 | 0.07 | 0.02 | 0.012 | 0.006 | 0.004 | 0.002 | 0.002 | 0.03 | 0.021 | 0.0018 |
| I | 0.218 | 1.03 | 0.06 | 0.03 | 0.015 | 0.004 | 0.007 | 0.003 | 0.002 | 0.02 | 0.001 | 0.0002 |
| J | 0.231 | 3.21 | 0.08 | 0.02 | 0.016 | 0.006 | 0.003 | 0.001 | 0.001 | 0.03 | 0.019 | 0.0018 |
| 구분 | 강종 | 압연 종료 온도 (℃) |
냉각 개시 시간 (sec) |
냉각속도 (℃/sec) |
냉각 종료 온도 (℃) |
권취 온도 (℃) |
냉간 압하율 (%) |
| 1 | A | 910 | 2.4 | 100 | 294 | 250 | 30 |
| 2 | A | 892 | 2.2 | 200 | 157 | 117 | 30 |
| 3 | A | 886 | 1.6 | 300 | 241 | 216 | 30 |
| 4 | A | 930 | 1.7 | 100 | 250 | 235 | 30 |
| 5 | A | 912 | 2.9 | 100 | 236 | 222 | 30 |
| 6 | A | 921 | 2.2 | 100 | 223 | 194 | 45 |
| 7 | B | 929 | 1.8 | 100 | 259 | 231 | 30 |
| 8 | C | 911 | 1.7 | 100 | 225 | 210 | 30 |
| 9 | D | 895 | 2.2 | 100 | 256 | 217 | 30 |
| 10 | E | 882 | 1.7 | 100 | 218 | 200 | 30 |
| 11 | F | 894 | 1.1 | 100 | 179 | 148 | 30 |
| 12 | G | 856 | 2.2 | 100 | 263 | 238 | 30 |
| 13 | A | 889 | 6.4 | 100 | 199 | 181 | 30 |
| 14 | A | 773 | 2.2 | 100 | 151 | 135 | 30 |
| 15 | A | 905 | 2.4 | 100 | 391 | 359 | 30 |
| 16 | A | 916 | 2.0 | 35 | 201 | 172 | 30 |
| 17 | A | 912 | 2.0 | 100 | 151 | 132 | 15 |
| 18 | H | 921 | 1.2 | 100 | 220 | 204 | 30 |
| 19 | I | 916 | 2.4 | 100 | 188 | 168 | 30 |
| 20 | J | 926 | 1.0 | 100 | 278 | 228 | 30 |
이후 각 시편의 미세조직을 측정하여 그 결과를 표 3에 기재하였다. 각 시편을 압연방향과 평행한 방향으로 절단한 후 판 두께 1/4 지점의 절단면에서 미세조직 관찰용 시편을 채취하였다. 이렇게 채취된 샘플을 연마하고 나이탈 용액으로 부식한 후, 광학현미경 및 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 각 시편의 미세조직을 관찰하였다. 미세조직 분율은 이미지 분석을 통해 측정하였다.
연신된 마르텐사이트의 비율은 주사전자현미경(SEM) 이미지 내에서 전체 마르텐사이트 면적 대비 패킷의 장축이 압연 방향으로부터 45° 이내로 배열되는 마르텐사이트의 면적으로부터 측정하였다. 마르텐사이트 패킷의 장단축비 역시 주사전자현미경(SEM) 이미지 내에서 전체 마르텐사이트 패킷의 면적 대비 장축과 단축의 패킷 비율이 2:1 이상인 것의 면적으로부터 측정하였다.
표 3에서 M은 마르텐사이트, F는 페라이트, R-γ는 잔류 오스테나이트, P는 펄라이트, B는 베이나이트를 의미한다.
| 구분 | 미세조직 분율 (vol%) | 압연 방향으로 연신된 마르텐사이트 비율 (%) |
장단축비 2:1 이상인 마르텐사이트 패킷 비율 (%) |
||||
| M | F | R-γ | P | B | |||
| 1 | 98 | 0 | 1 | 0 | 1 | 74 | 87 |
| 2 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 73 | 84 |
| 3 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 78 | 73 |
| 4 | 98 | 0 | 1 | 0 | 1 | 85 | 72 |
| 5 | 97 | 0 | 1 | 1 | 1 | 76 | 65 |
| 6 | 99 | 0 | 1 | 0 | 0 | 83 | 75 |
| 7 | 95 | 0 | 0 | 2 | 3 | 75 | 71 |
| 8 | 95 | 1 | 0 | 2 | 2 | 80 | 76 |
| 9 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 86 | 66 |
| 10 | 95 | 0 | 5 | 0 | 0 | 71 | 84 |
| 11 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 73 | 72 |
| 12 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 77 | 79 |
| 13 | 88 | 11 | 0 | 0 | 1 | 68 | 70 |
| 14 | 88 | 6 | 0 | 4 | 2 | 71 | 68 |
| 15 | 85 | 0 | 3 | 0 | 12 | 65 | 57 |
| 16 | 85 | 1 | 1 | 4 | 9 | 76 | 69 |
| 17 | 100 | 0 | 0 | 0 | 0 | 42 | 43 |
| 18 | 68 | 24 | 0 | 4 | 4 | 53 | 54 |
| 19 | 69 | 22 | 0 | 5 | 4 | 75 | 76 |
| 20 | 85 | 0 | 15 | 0 | 0 | 74 | 73 |
각 시편에 대한 기계적 물성을 측정하여 그 결과를 표 4에 기재하였다. 인장강도 및 항복강도는 JIS 규격에 따른 인장시험을 실시하여 평가하였으며, 잔류응력은 X-ray diffraction 방식인 Stresstech Group에서 제조한 XSTRESS 3000 모델의 장비를 이용하였으며, 측정 파라미터로 Exp. Time: 40s, Radiation: CrKa, Detector distance: 50s의 조건에서 표면의 잔류응력을 측정하였다. 또한, 각 시편을 이용하여 코일 형태의 스프링 부재를 제작하였으며, 감겨 있는 상태의 스프링을 1.5m 길이로 당긴 후 다시 원상태로 감는 방식의 반복 테스트를 통해 내구성을 평가하였으며, 그 결과를 표 4에 함께 기재하였다.
| 구분 | 압연방향 잔류응력 (MPa) |
압연 45° 방향 잔류응력 (MPa) |
인장강도 (MPa) |
항복강도 (MPa) |
내구성 (회) |
| 1 | 263 | 193 | 1674 | 1627 | 13.2만 |
| 2 | 328 | 262 | 1705 | 1636 | 15만 이상 |
| 3 | 265 | 194 | 1730 | 1635 | 15만 이상 |
| 4 | 287 | 232 | 1712 | 1662 | 12.4만 |
| 5 | 249 | 158 | 1647 | 1615 | 14.2만 |
| 6 | 338 | 256 | 1798 | 1764 | 15만 이상 |
| 7 | 165 | 116 | 1578 | 1511 | 11.4만 |
| 8 | 186 | 114 | 1629 | 1579 | 12.1만 |
| 9 | 343 | 274 | 1846 | 1785 | 12.0만 |
| 10 | 197 | 102 | 1765 | 1714 | 12.9만 |
| 11 | 318 | 238 | 1771 | 1731 | 11.8만 |
| 12 | 263 | 197 | 1781 | 1744 | 11.1만 |
| 13 | 281 | 181 | 1441 | 1297 | 5.9만 |
| 14 | 231 | 217 | 1476 | 1321 | 5.0만 |
| 15 | 226 | 139 | 1641 | 1608 | 6.2만 |
| 16 | 164 | 85 | 1491 | 1447 | 6.6만 |
| 17 | 61 | 28 | 1556 | 1321 | 7.9만 |
| 18 | 191 | 94 | 1375 | 1227 | 9.1만 |
| 19 | 145 | 93 | 1411 | 1265 | 8.1만 |
| 20 | 159 | 98 | 1716 | 1556 | 7.7만 |
표 1 내지 표 4에 나타난 바와 같이, 본 발명의 합금조성 및 제조조건을 모두 만족하는 시편 1 내지 시편 12는 마르텐사이트의 분율이 90부피 % 이상이고, 압연 방향으로 연신된 마르텐사이트 비율이 50% 이상이며, 장단축비가 2:1 이상인 마르텐사이트 패킷의 비율이 50% 이상인 것을 확인할 수 있다. 또한, 시편 1 내지 시편 12은 압연방향의 잔류응력이 70MPa 이상이고, 압연방향에 대한 45°방향의 잔류응력이 30MPa 이상이며, 1500MPa 이상의 인장강도 및 1300MPa 이상의 항복강도, 10만회 이상의 내구성 시험 결과를 모두 만족하는 것을 확인할 수 있다.
반면, 본 발명의 합금조성 및 제조조건 중 어느 하나 이상을 만족하지 않는 시편 13 내지 20은, 본원발명이 제한하는 마르텐사이트의 분율, 압연 방향으로 연신된 마르텐사이트 비율 및 장단축비가 2:1 이상인 마르텐사이트 패킷의 비율 중 어느 하나 이상을 만족하지 않는 것을 확인할 수 있다.
시편 13는 압연 종료 후 5초를 경과하여 냉각이 개시된 시편으로, 페라이트 분율이 높아 목적하는 강도 및 내구성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
시편 14는 압연 종료 온도가 낮은 경우이고, 시편 16은 냉각속도가 느린 경우로서, 이들 시편은 펄라이트 및 베이나이트의 분율이 높아 본 발명이 목적하는 마르텐사이트 분율을 확보하지 못하며, 목적하는 강도 및 내구성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
시편 15는 냉각종료 온도 및 권취 온도가 높은 경우로, 베이나이트의 분율이 높아 목적하는 내구성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
시편 17은 냉간압하율이 낮은 경우로, 장단축비가 2:1 이상인 마르텐사이트 패킷의 비율이 낮고 마르텐사이트의 잔류응력이 낮아서 목적하는 내구성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
시편 18은 탄소(C)의 함량이 낮은 경우이고, 시편 19는 타이타늄(Ti) 및 보론(B)의 함량이 낮은 경우로서, 마르텐사이트의 분율이 현저히 낮아 목적하는 수준의 강도 및 내구성을 확보하지 못하는 것을 확인할 수 있다.
시편 20은 망간(Mn)의 함량이 높은 경우로, 마르텐사이트로의 변태가 충분히 일어나지 않아 잔류 오스테나이트가 다량 형성되었으며, 인장강도 및 항복강도는 우수한 반면 내구성이 열위한 것을 확인할 수 있다.
이상에서 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.
Claims (17)
- 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
90부피% 이상의 마르텐사이트를 미세조직으로 포함하며,
상기 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 70MPa 이상인, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
Ti: 0.005~0.1중량%를 더 포함하는, 고탄소 강판. - 제2항에 있어서,
중량%로, Nb: 0.05% 이하, V: 0.05% 이하, Cr: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하 및 B: 0.005% 이하 중의 1종 이상을 더 포함하는, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트의 압연방향에 대한 45° 방향의 잔류응력은 30MPa 이상인, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트 중 압연방향을 따라 연신된 마르텐사이트의 비율이 50% 이상인, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
상기 마르텐사이트의 전체 패킷 중 장단축 비가 2:1 이상인 패킷의 비율이 50% 이상인, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
페라이트 및 잔류오스테나이트 중에서 선택된 1종 이상을 10부피% 이하(0% 포함)의 합계 분율로 포함하고,
펄라이트 및 베이나이트 중에서 선택된 1종 이상을 5부피% 이하(0% 포함)의 합계 분율로 포함하는, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
상기 강판의 항복강도는 1300MPa 이상이고, 인장강도는 1500MPa 이상인, 고탄소 강판. - 제1항에 있어서,
상기 강판의 탄소(C) 함량은 0.20중량% 초과이며,
상기 마르텐사이트의 압연방향 잔류응력은 190MPa 이상인, 고탄소 강판. - 제9항에 있어서,
상기 강판의 항복강도는 1590MPa 이상이고, 인장강도는 1640MPa 이상인, 고탄소 강판. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 고탄소 강판을 이용하여 부품으로, 내구성 테스트 결과가 10만회 이상인, 산업용 또는 자동차용 부품.
- 중량%로, C: 0.11~0.30%, Mn: 0.1~3.0%, Si: 0.5% 이하(0% 제외), Al: 0.1% 이하(0% 제외), P: 0.05% 이하(0% 포함), S: 0.03% 이하(0% 포함), N: 0.03% 이하(0% 포함), 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 슬라브를 1100℃ 이상의 온도범위에서 가열하는 단계;
상기 가열된 슬라브를 800~950℃의 압연 종료 온도에서 열간압연하여 열연강판을 제공하는 단계;
상기 열간압연 완료 후 5초 이내에 50~1000℃/sec의 냉각속도로 350℃ 이하의 냉각종료온도까지 상기 열연강판을 급냉하고 권취하는 단계; 및
상기 권취 후 열처리를 생략하고, 20~50%의 압하율로 상기 열연강판을 냉간압연하는 단계;를 포함하는, 고탄소 강판의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 슬라브는, Ti: 0.005~0.1중량%를 더 포함하는, 고탄소 강판의 제조방법. - 제13항에 있어서,
상기 슬라브는, 중량%로, Nb: 0.05% 이하, V: 0.05% 이하, Cr: 1.0% 이하, Mo: 1.0% 이하 및 B: 0.005% 이하 중의 1종 이상을 더 포함하는, 고탄소 강판의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 슬라브에 포함되는 탄소(C) 함량은 0.20중량% 초과인, 고탄소 강판의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 급냉된 열연강판은 90부피% 이상의 마르텐사이트를 포함하는, 고탄소 강판의 제조방법. - 제12항에 있어서,
상기 냉간압연 후 담금질을 실시하지 않는, 고탄소 강판의 제조방법.
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