KR20240098906A - 전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법 - Google Patents

전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20240098906A
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Abstract

전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 열연강판은 중량%로, 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%를 포함하고, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.

Description

전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법 {HOT-ROLLED STEEL SHEET FOR ELECTRIC RESISTANCE WELDED PIPE AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME, STEEL PRODUCT AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 열연강판 제조 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 열연강판을 이용한 강 부품 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 전기차, 수소차 등 전기 모터를 동력으로 하는 자동차에 대해, 모터로부터 동력을 전달하는 동력전달 기구인 로터 샤프트(Rotor shaft) 소재에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다.
최근 탄소배출 저감을 목적으로 전기를 주요 동력으로 한 전기차, 수소차 등 친환경차 수요가 증가하는 추세이며, 모터의 동력을 전달하는 핵심 부품인 로터 샤프트 전용 강재 개발이 필요하다.
로터 샤프트는 전기 모터에서 변속기에 상응하는 양극 연결을 통해 전기적으로 유도된 토크를 전달하는데, 높은 토크에 의한 부하를 견디기 위해 고경도 특성을 요구한다. 이와 함께 로터 샤프트가 반복 응력이 부과되는 피로 환경에서 사용되는 것을 고려하면, 내구 수명을 향상시키기 위해 반복 응력이 항복강도 이하의 조건에서 부여될 필요가 있다.
또한, 기존의 로터 샤프트는 무계목 강관(seamless steel pipe)을 이용하여 제조되었으나, 내부를 기계적 가공으로 파내는 제조공정 특성으로 인해 원주방향으로 두께공차가 일정하지 않다는 특징이 있다. 이러한 특징으로 인해 회전수가 증가할수록 소음과 진동이 심해지는 단점이 있어, 모터 성능을 향상시키기 위해서는 두께공차가 작은 방향으로 부품을 제조해야 한다. 이에 전봉강관(electric resistance welded pipe)을 이용하여 로터 샤프트를 제조하는 방법이 연구되고 있다. 전봉강관은 전기저항 용접을 이용하여 제조된 강관을 의미한다. 전봉 강관은 강판을 성형하여 용접하는 방법으로 제조하므로, 무계목 강관에 비해 두께 공차가 작다. 따라서 전봉강관을 로터 샤프트에 적용할 경우, 소음과 진동이 감소하는 장점을 갖는다.
종래의 전봉 강관은 최대 C 함량이 0.45%로, 탄소함량이 작아 경도가 낮다. 따라서 전기차의 로터 샤프트용 소재로는 적합하지 못하다. 또한 낮은 경화능으로 인해 부품의 두께가 두꺼울 경우, 상용 열처리 조건으로는 두꺼운 심(seam) 부분에서 목표하는 경도를 확보하기 어렵다.
등록특허공보 제10-1858853호 (2018.06.28. 공고)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강 조성 및 공정 제어를 통해 열처리 후 높은 경도를 확보할 수 있는 열연강판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 전기차 등의 로터 샤프트에 적합한 경도를 갖는 전봉강관 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 발명자들은 오랜 연구결과 합금 성분 및 공정 제어를 통해 열연강판 상태에서 페라이트 함량이 강관 제조에 영향을 미치는 것을 알아내어, 전기차 로터 샤프트용 부재로 적합한 열연강판 및 이 열연강판을 이용한 전봉강관을 개발하였으며, 이 열연강판은 0.35∼0.65중량%, 보다 바람직하게는 0.5∼0.55중량% 범위의 탄소를 함유하여 고경도 특성을 보유함에도 불구하고 우수한 조관성을 갖는다. 또한 적절한 수준의 합금을 첨가하여 경화능을 확보함으로써 상대적으로 느린 냉각속도에서도 높은 경도를 확보할 수 있어, 높은 내구 수명을 요구하는 전기 모터의 샤프트 부품으로 적합하다.
보다 구체적으로, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는다.
바람직하게는 중량%로, C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0.0005∼0.005%, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 열연강판은 면적률로 15∼25%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는 것이 보다 바람직하다.
상기 열연강판은 상기 페라이트와 함께 펄라이트를 포함할 수 있으며, 상기 펄라이트의 면적률이 상기 페라이트의 면적률보다 더 높을 수 있다.
상기 열연강판을 820℃ 이상의 온도에서 오스테나이트화 열처리 후, 10℃/초 이상의 평균냉각속도로 냉각하고, Mf+100℃ 이하에서 냉각을 종료했을 때 비커스 경도 600Hv 이상을 나타낼 수 있다.
또한 상기 소입 열처리 이후 추가로 뜨임 열처리를 수행할 수 있다. 뜨임 열처리는 150∼650℃ 온도범위에서 10∼20,000초동안 수행될 수 있다. 뜨임 열처리의 결과, 비커스 경도 200Hv 이상을 나타낼 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0%초과 0.8% 이하, V: 0%초과 0.1%이하, B: 0%초과 0.005%이하, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강 소재, 보다 바람직하게는 중량%로, C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0.0005∼0.005%, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강 소재를 Ar3 이상의 온도에서 열간압연하는 단계; 및 열간압연된 강 소재를 냉각하여 500∼700℃ 권취 온도에서 권취하는 단계를 포함한다.
상기 권취 온도는 620∼680℃인 것이 바람직하다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품 제조 방법은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0%초과 0.8% 이하, V: 0%초과 0.1%이하, B: 0%초과 0.005%이하, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는 열연강판을 슬리팅하여 열연강대를 제조하는 단계; 상기 열연강대를 전기저항 용접 방식으로 조관하여 전봉강관을 제조하는 단계; 및 전봉강관 또는 그 가공물을 오스테나이트 단상 온도 영역으로 가열하여 오스테나이트화 열처리한 후, 10℃/초 이상의 평균냉각속도로 마르텐사이트 온도 영역까지 냉각하는 소입 열처리 단계를 포함한다.
상기 소입 열처리된 결과물을 뜨임 열처리 하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 강 제품은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0%초과 0.8% 이하, V: 0%초과 0.1%이하, B: 0%초과 0.005%이하, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 면적률로 90% 이상 포함한다.
상기 강 제품은 바람직하게는 중량%로, C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0.0005∼0.005%, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함할 수 있다.
상기 강 부품은 면적률로 90% 이상의 마르텐사이트를 포함하고, 비커스 경도 600Hv 이상을 나타낼 수 있다. 다른 예로, 상기 강 부품은 면적률로 90% 이상의 템퍼드 마르텐사이트를 포함하고, 비커스 경도 200Hv 이상을 나타낼 수 있다.
본 발명에 의하면, 본 발명은 강 조성 및 공정 제어를 통해, 12% 이상의 페라이트 상분율을 확보함으로써 조관성이 우수하고, 높은 경화능으로 인해 소입 열처리 후 600Hv 이상의 고경도 특성을 나타낼 수 있다. 그에 따라, 열연강판을 전기저항 용접 방식으로 조관하고 소입 열처리하여 제조되는 전봉강관 또는 강 제품은 우수한 경도 특성을 나타내 수 있고, 그 결과 경량화와 우수한 내구성이 요구되는 로터 샤프트로 적용하기에 적합하다.
또한, 필요에 따라, 소입 열처리된 결과물을 뜨임 열처리함으로써 인성이 향상된 전봉강관 등의 강 제품을 제조할 수 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
열연강판
본 발명의 실시예에 따른 열연강판은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0%초과 0.8% 이하, V: 0%초과 0.1%이하, B: 0%초과 0.005%이하, Al: 0.01∼0.05%를 포함한다.
보다 바람직하게는 C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0.0005∼0.005%, Al: 0.01∼0.05%를 포함한다.
나머지는 Fe와 제강 공정 등에서 불가피하게 포함되는 각종 불순물로 이루어진다. 예를 들어, 인(P)과 황(S)은 제강 과정에서 걸러내지 못한 불순물로, 소량으로 관리할수록 청정도와 가공성이 향상되나, 경제성을 고려하여 각각 0.03% 미만으로 관리된다.
이하, 본 발명에 따른 열연강판에 포함되는 각 성분의 함량 및 첨가 이유에 대하여 상세히 설명한다.
[C: 0.35∼0.65중량%]
탄소(C)는 오스테나이트를 안정적으로 형성하는 원소로, 강재의 강도와 경도 향상에 가장 큰 영향을 미치는 합금원소이다. 또한 C는 경화능을 향상시켜, 소입 열처리 후 마르텐사이트의 경도를 결정하는 가장 중요한 원소이다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.35중량% 이상, 보다 바람직하게는 0.39중량% 이상의 C 함량이 필요하다. 다만, C 첨가량이 증가할수록 인성이 저하되고 취성이 증가하여 깨지기 쉽기 때문에, 탄소 함량은 0.65중량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, C 함량은 0.35∼0.65중량%인 것이 바람직하고, 0.39∼0.65중량%인 것이 보다 바람직하고, 0.50∼0.55중량%인 것이 더욱 더 바람직하다.
[Si: 0.1∼0.5중량%]
규소(Si)는 산소와 친화력 우수하여 탈산제로 활용된다. 특히, Si는 페라이트를 안정적으로 형성하는 원소이며, 페라이트에 고용되어 강도를 향상시킨다. 이러한 효과를 충분히 얻기 위해서는 0.1중량% 이상, 특히 C의 함량이 0.5중량% 이상인 경우에는 0.2중량% 이상의 Si 함량이 필요하다. 다만, Si가 과다하게 포함되면, 열간가공성과 인성을 저하하고, 고온에서 스케일 박리성을 열화시키기 때문에 Si의 함량은 0.5중량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, Si 함량은 0.1∼0.5중량%인 것이 바람직하고, C의 함량이 0.5중량% 이상인 경우 0.2∼0.5중량%인 것이 보다 바람직하다.
[Mn: 0.1∼1.2중량%]
망간(Mn)은 불순물인 S와 결합하여 강의 청정성을 향상하는 효과가 있다. 또한, Mn은 강도와 경도를 소폭 증가하는 효과가 있고, 강의 경화능을 향상시켜 낮은 냉각속도에서도 마르텐사이트를 형성하는데 도움을 준다. 이를 위해 Mn은 0.1중량% 이상 포함될 필요가 있다. 다만, Mn 함량이 지나치게 높을 경우 편석층을 형성하여 가공성이 저하되기 때문에, Mn 함량은 1.2중량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, Mn 함량은 0.1∼1.2중량%중량%인 것이 바람직하고, 0.2∼1.1중량%인 것이 보다 바람직하며, 0.2∼0.8중량%인 것이 보다 더 바람직하다.
[Cr: 0.05∼1.3중량%]
크롬(Cr)은 페라이트 안정화 원소로 기지에 고용되어 경화능을 확보하는 역할을 한다. 이를 위해서는 적어도 0.05중량% 이상 포함될 필요가 있다. 다만, Cr 함량이 과다할 경우 높은 경화능에 의한 취성 현상이 우려된다. 이에, 본 발명에서는 Cr의 함량을 0중량% 초과 1.3중량% 이하, 보다 바람직하게는 1.2중량% 이하로 제한하였다. 특히, C 함량이 0.5중량% 이상인 경우에는 0.5중량% 이하인 것이 바람직하다.
[Mo: 0.8중량% 이하]
몰리브데늄(Mo)은 경화능 향상에 크게 기여할 뿐 아니라, 고온 강도를 향상하는데 탁월한 효과가 있다. 다만, Mo 함량이 과다할 경우, 높은 경화능에 의한 취성현상이 우려된다. 이에, 본 발명에서는 Mo의 함량을 0중량% 초과 0.8중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.6중량% 이하, 보다 더 바람직하게는 0.5중량% 이하로 제한하였다.
[V: 0.1중량% 이하]
바나듐(V)은 C와 결합하여 탄화물을 형성함으로써 강도, 경도를 향상하는 효과가 있다. 다만, V가 과도하게 첨가되면, 조대 석출물 형성으로 인해 인성이 열위해지며, 원가 상승의 문제가 있다. 이에, 본 발명에서는 V의 함량을 0중량% 초과 0.1중량% 이하, 보다 바람직하게는 0.05중량% 이하, 보다 더 바람직하게는 0.03중량% 이하로 제한하였다.
[B: 0.005중량% 이하]
붕소(B)는 오스테나이트 입계에 편석되어 펄라이트 형성을 지연함으로써 강의 경화능 향상에 도움을 준다. B 함량의 증가에 따른 효과는 0.005중량% 정도에서 포화되기 때문에, B의 함량은 0.005중량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, B 함량은 0.005중량% 이하인 것이 바람직하고, 0.004중량% 이하인 것이 보다 더 바람직하다.
[Al: 0.01∼0.05중량%]
알루미늄(Al)은 탈산제로서 강의 청정성을 향상하고, 고온에서 알루미늄계 개재물을 형성하여 조직을 미세화하는 효과가 있다. 이러한 효과를 위해 Al은 0.01중량% 이상 포함될 필요가 있다. 다만, Al의 함량이 과다하면 개재물에 의한 물성 저하의 우려가 있으므로, Al의 함량은 0.05중량% 이하인 것이 바람직하다. 따라서, Al 함량은 0.01∼0.05중량%인 것이 바람직하고, 0.02∼0.04중량%인 것이 보다 바람직하다.
[미세조직]
본 발명에 따른 열연강판은 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 가지며, 보다 안정적으로 전봉강관을 제조한다는 측면에서는 면적률로 15∼25%의 페라이트를 포함하는 것이 보다 바람직하다. 페라이트가 12% 미만일 경우, 연성이 부족하여 강관 제조시 파단이 발생할 수 있다. 반면, 페라이트가 30%를 초과하면 그만큼 탄소 함량이 낮은 경우일 것이므로, 냉각 속도를 크게 증가시키더라도 비커스 경도 600Hv 이상의 높은 경도를 얻기 어렵다.
페라이트 이외의 미세조직은 주로 펄라이트로 이루어진다. 또한 소량의 베이나이트, 마르텐사이트가 포함될 수 있다. 페라이트 이외의 미세조직이 주로 펄라이트가 되면 마르텐사이트 등 저온조직에 의한 열연강판의 강도 상승을 저감할 수 있어 조관에 유리하다. 따라서, 본 발명에 따른 열연강판은 펄라이트를 가장 높은 면적률, 예를 들어 면적률로 적어도 50% 이상, 보다 바람직하게는 60% 이상을 포함하면서, 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는다. 이외에 소량의 베이나이트, 마르텐사이트가 포함될 수 있다.
열연강판 제조 방법
본 발명의 실시예에 따른 열연강판 제조 방법은 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강 소재, 보다 바람직하게는 중량%로, C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0.0005∼0.005%, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강 소재를 A3 이상의 오스테나이트 단상 온도영역에서 열간압연하는 단계 및 열간압연된 강 소재를 냉각하여 500∼700℃ 권취 온도에서 권취하는 단계를 포함한다.
열간압연
열간압연 단계에서는 상기 합금 조성을 갖는 강 소재(예를 들어 강 슬라브)를 Ar3 이상의 온도에서 약 5∼10mm 두께로 열간압연한다. 열간압연 단계 이전에, 강 슬라브를 1050∼1300℃에서 약 2시간 재가열하여 균질화 처리하는 단계가 포함될 수 있다.
마무리 열간압연 온도는 Ar3∼1000℃인 것이 바람직하다. 마무리 열간압연 온도가 Ar3 미만인 경우, 오스테나이트와 페라이트가 공존하는 영역에서 열간압연이 진행되어, 변형이 불균일하게 부여되어 통판성이 열위해지고, 연질 페라이트상에 응력이 집중되어 판파단이 발생할 우려가 있다. 반면, 마무리 열간압연 온도가 1000℃를 초과하여 지나치게 높은 경우에는 스케일 발생으로 인해 표면 품질이 열위해질 우려가 있다.
냉각 및 권취
냉각 및 권취 단계에서는 500∼700
Figure pat00001
구간까지 냉각하여 권취한다.
냉각은 특별한 제한은 없으나, 12% 이상의 페라이트를 확보하는 측면에서 80℃/초 이하의 평균 냉각속도로 수행되는 것이 바람직하고, 60℃/초 이하의 평균 냉각속도로 수행되는 것이 보다 바람직하고, 40℃/초 이하의 평균 냉각속도로 수행되는 것이 더욱 더 바람직하다.
한편, 권취온도는 500∼700℃인 것이 바람직하고, 목표하는 미세조직을 안정적으로 형성한다는 측면에서는 620∼680℃인 것이 보다 바람직하다. 권취온도가 500℃ 미만인 경우에는 경우 베이나이트, 마르텐사이트 등 저온조직 형성으로 인해 열연재의 강도/경도가 상승하여 조관성이 열위해지고, 폭 방향으로 균일한 미세조직을 얻을 수 없으며 국부적으로 과냉각 결함이 발생하는 문제가 있다. 반면, 권취온도가 700℃를 초과하는 경우, 열연 코일내 내부산화가 발생하거나 스케일 발생으로 인해 표면품질이 열위해질 우려가 있다.
강 부품 및 그 제조 방법
상기와 같은 방법으로 제조된 열연 강판은 조관 공정을 통해 전봉 강관으로 제조되고, 가공 및 열처리 공정을 통해 로터 샤프트와 같은 원하는 강 부품으로 제조될 수 있다.
우선, 코일 형태의 열연강판을 슬리팅하여 열연강대로 제조한다.
이후, 열연강대를 전기저항용접(Electric Resistance Welding, ERW) 방식으로 조관하여 전봉강관을 제조한다. 전기저항 용접 방법의 경우, 별도의 용접재료를 사용하지 않고, 모재를 전기 저항에 의한 방법으로 용융하여 모재끼리 접합할 수 있다.
이후, 필요에 따라서는 전봉강관을 부품가공할 수 있다.
이후, 전봉강관 또는 그 가공물을 소입 열처리하여 마르텐사이트 조직을 주된 조직으로 하는 미세 조직을 형성한다. 이 때 경우에 따라 적절한 뜨임 열처리를 통해 경도를 조절할 수 있다. 구체적으로, 소입 열처리는, 전봉강관 또는 그 가공물을 820℃ 이상, 보다 바람직하게는 840℃ 이상의 오스테나이트 단상 온도 영역으로 가열하고 10초∼10,000초, 보다 바람직하게는 100초∼8000초, 더욱 바람직하게는 200초 내지 5000초동안 유지하여 오스테나이트화한다. 가열 온도가 820℃ 미만인 경우, 냉각과정에서 페라이트 또는 펄라이트 변태가 진행되어 전 두께에 걸쳐 균일한 마르텐사이트가 생성되지 않아 목표하는 경도가 확보되지 않을 수 있다. 820℃ 이상에서 유지 시간이 10초 미만일 경우, 두께방향으로 균일한 미세조직을 확보하기 어렵고, 10,000초를 초과할 경우, 열처리 효과가 수렴한다.
이후, 10℃/초 이상, 보다 바람직하게는 15℃/초 이상, 더욱 바람직하게는 20℃/초 이상의 평균 냉각속도로 마르텐사이트 온도 영역, 바람직하게는 Mf(마르텐사이트 종료온도)+100℃ 이하, 예를 들어 100℃, 50℃, 상온 등의 냉각 종료 온도까지 냉각한다. 10℃/초 미만의 속도로 냉각할 경우, 냉각과정에서 페라이트 또는 펄라이트 변태가 진행되어 목표한 경도가 확보되기 어렵다. 또한, 냉각종료 온도가 마르텐사이트 온도 영역보다 높을 경우, 보다 바람직하게는 Mf+100℃ 초과일 경우, 마르텐사이트 조직이 충분히 확보되지 못하기 때문에 마찬가지로 목표한 경도를 확보하기 어렵다.
또한, 본 발명에 따른 전봉강관 또는 강 부품은 고경도를 확보한다는 측면에서 0.35∼0.65중량%의 높은 탄소(C) 함량과 더불어 마르텐사이트를 면적률로 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상 포함하는 미세조직을 갖는 것이 바람직하며, 나아가 마르텐사이트 단상으로 구성될 수 있다. 마르텐사이트 이외는 페라이트, 펄라이트, 베이나이트 등이 될 수 있다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 본 발명에 따른 전봉강관 또는 강 부품은 0.35∼0.65중량%, 보다 바람직하게는 0.5∼0.55중량%의 높은 탄소(C) 함량과 90% 이상의 마르텐사이트를 포함하는 미세조직을 가짐에 따라, 600Hv 이상의 비커스 경도를 나타낼 수 있다.
이후, 소입 열처리를 실시한 후 뜨임 열처리를 추가로 수행할 수 있다. 뜨임 열처리는 소입 열처리가 완료된 강재 또는 부품을 활용하여 150∼650℃ 온도범위에서 10초∼20,000초, 보다 바람직하게는 50초∼15,000초, 더욱 바람직하게는 100초∼10,000초 동안 유지하여 실시할 수 있다. 뜨임 열처리를 통해 소입 열처리 과정에서 발생한 전위 등의 결함을 제거함으로써 연성과 인성을 향상시킬 수 있다. 뜨임 열처리시, 유지 시간이 10초 미만인 경우 그 효과가 미미하고, 20,000초를 초과할 경우 열처리 효과가 수렴한다.
상기와 같은 방법으로 제조되는 본 발명에 따른 전봉강관 또는 강 부품은 200Hv 이상의 비커스 경도를 나타낼 수 있다. 또한 본 발명에 따른 전봉강관 또는 강 부품은 템퍼드 마르텐사이트를 면적률로 90% 이상, 보다 바람직하게는 95% 이상 포함하는 미세조직을 갖는 것이 바람직하며 나아가 템퍼드 마르텐사이트 단상으로 구성될 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 후술하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것은 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
1. 열연강판 시편의 제조
아래 표 1에 나타낸 조성을 갖는 강 슬라브를 약 1200℃에서 2시간 가열하여 균질화처리 한 후, A3 이상의 온도에서 조압연 및 마무리 압연하고 약 30℃/sec의 평균 냉각속도로 냉각하여 표 2에 기재된 620∼680℃ 온도에서 권취하여 열연 강판 시편을 제조하였다.
[표 1] 강종 화학성분 (중량%)
표 2는 강종 및 권취 온도에 따른 열연강판 시편들의 페라이트 면적 분율을 측정한 결과이다.
[표 2] 권취온도 조건에 따른 열연강판 시편의 페라이트 분율 (면적%)
표 2를 참조하면, 발명재 1∼8의 경우, 620∼680℃ 범위의 권취 온도 모두에서 면적률로 12∼30%의 페라이트 분율, 보다 바람직하게 발명재 1∼6의 경우, 면적률로 15∼25%의 페라이트 분율을 나타내었는 바, 해당 페라이트 분율을 확보하기 위해 적용 가능한 권취 온도 범위가 매우 넓다.
C 함량이 0.52중량%이지만, Si 함량이 0.2중량% 미만이고 Mo, V 등 합금원소가 첨가되지 않은 비교재 1의 경우, 680℃ 권취 온도에서만 12% 이상의 페라이트 분율을 나타내었을 뿐, 620∼660℃ 권취 온도에서는 페라이트 분율이 12%에 미치지 못하였는 바, 12% 이상의 페라이트 분율을 확보하기 위해 적용 가능한 권취 온도 범위가 매우 협소하다.
B가 첨가되지 않았으며, Cr의 함량이 0.05중량%에 미치지 못하는 비교재 2의 경우, 권취온도 620℃에서 페라이트 분율이 12%에 미치지 못하여, 발명재 1에 비해 12% 이상의 페라이트 분율을 확보하기 위해 적용 가능한 권취 온도 범위가 상대적으로 협소하며, 680℃ 권취 온도에서만 15% 이상의 페라이트 분율을 나타내었는 바, 15% 이상의 페라이트 분율을 확보하는 것이 목표인 경우, 적용 가능한 권취 온도 범위가 매우 협소하다고 볼 수 있다.
C 함량이 0.35중량%이고, Cr함량이 0.97중량%인 비교재 3의 경우, 모든 권취 온도에서 30%를 초과하는 페라이트 분율을 나타내었는 바, 12∼30%의 페라이트 분율을 확보하기는 어렵다고 볼 수 있다.
C 함량이 0.3∼0.38% 함유한 비교재 4∼6의 경우, 적용 가능한 권취 온도 범위에서 30%를 초과하는 페라이트 분율을 나타내는 바, 12∼30%의 페라이트 분율을 확보하기는 어렵다고 볼 수 있다.
표 3은 발명재 1 및 비교재 1∼3의 조성을 가지며, 640℃에서 권취한 열연강판 시편들을 880℃에서 200초간 오스테나이트 열처리 후 표 3에 기재된 다양한 냉각속도로 50℃까지 냉각한 소입 열처리재의 비커스 경도를 측정한 결과 및 100℃/s 냉각속도로 소입 열처리한 시편에 대하여, 500℃에서 30초간 추가로 뜨임 열처리한 시편에 대하여 비커스 경도를 측정한 결소재에 대해 비커스 경도 측정 결과이다. 이 때 비커스 경도는 10kgf의 하중으로 측정했다.
[표 3] (경도 단위 : Hv)
모든 열연강판 시편들은 평균 냉각 속도가 증가할수록 비커스 경도도 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히, 발명재 1∼8의 경우, 평균 냉각속도 10℃/초 이상에서 600Hv 이상의 고경도 특성을 나타내고, 50℃/초 이상의 냉각속도에서는 700Hv 이상의 매우 높은 경도 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다.
반면, 비교재 1과 비교재 2는 50℃/초 이상의 평균 냉각속도로 냉각한 경우에만 600Hv 이상의 고경도 특성을 나타내는 것을 볼 수 있다. 즉, 이들 비교재 1, 2를 이용하여 고경도 특성을 갖는 전봉강관을 제조하기 위해서는 평균 냉각속도를 매우 높게 제어하여야 하는 한계가 있고 볼 수 있다.
또한, 비교재 3∼6은 C 함량이 낮기 때문에 소입 열처리시냉각속도를 증가시키더라도 600Hv 이상의 경도를 나타내지 못하는 것을 볼 수 있다.
한편, 표 3을 참조하면, 소입 열처리가 완료된 발명재 1∼6에 따른 시편에 대하여 500℃에서 30초간 뜨임 열처리한 후 비커스 경도를 측정한 결과, 모든 실시예에서 200Hv 이상의 경도를 나타내었다. 따라서, 비커스 경도 600Hv 이상의 고경도를 요구하는 강 제품의 경우 소입 열처리까지만 수행하면 되고, 경도는 다소 낮더라도 인성이 요구되는 강 제품의 경우 소입 열처리 후 뜨임 열처리까지 수행하면 된다.
표 4는 발명재 1∼6에 따른 시편에 대하여 소입 열처리만 실시한 경우(냉각 조건: 5℃/s, 10℃/s, 100℃/s)와 100℃/s 냉각 조건의 소입 열처리 이후 500℃, 30초간 뜨임 열처리한 경우의 마르텐사이트 분율을 나타낸 것이다.
[표 4]
표 4를 참조하면, 발명재 1∼6에 따른 시편에 대하여 5℃/s 냉각 조건으로 소입 열처리를 실시한 경우 충분한 마르텐사이트 분율을 얻을 수 없음을 볼 수 있다. 이에 반해, 10℃/s 및 100℃/s 냉각 조건으로 소입 열처리를 실시한 경우 면적률로 90% 이상 마르텐사이트를 나타냄을 볼 수 있다.
또한, 소입 열처리에 이어 뜨임 열처리까지 실시한 경우 90% 이상의 템퍼드 마르텐사이트로 구성되는 것을 볼 수 있다.
따라서, 본원발명에서 제시한 합금 조성을 가지면서 열연 강판 상태에서 면적률로 12∼30%로 페라이트 분율을 가질 경우, 소입 열처리 후에 600Hv 이상의 고경도를 나타낼 수 있다. 또한, 필요한 경우 소입 열처리 후 뜨임 열처리를 실시하여 인성을 확보할 수 있다. 그에 따라, 열연 강판을 전기저항 용접 방식으로 조관하고 소입 열처리하여 제조되는 전봉강관은 우수한 경도 특성을 나타내 수 있고, 그 결과 로터 샤프트로 적용하기에 적합하다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims (12)

  1. 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며,
    면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는, 열연강판.
  2. 제1항에 있어서,
    중량%로, C: 0.5∼0.55%, Si: 0.2∼0.5%, Mn: 0.2∼0.8%, Cr: 0.05∼0.5%, Mo: 0% 초과 0.8% 이하, V: 0% 초과 0.1% 이하, B: 0% 초과 0.005% 이하, Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는, 열연강판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열연강판은 면적률로 15∼25%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는, 열연강판.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열연강판은 펄라이트를 가장 높은 면적률로 포함하는 미세조직을 갖는, 열연강판.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열연강판을 820℃ 이상의 온도에서 오스테나이트화 열처리 후, 10℃/초 이상의 평균냉각속도로 냉각하고, Mf+100℃ 이하에서 냉각을 종료했을 때 비커스 경도 600Hv 이상을 나타내는 것을 특징으로 하는 열연강판.
  6. 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강 소재를 Ar3 이상의 온도에서 열간압연하는 단계; 및
    열간압연된 강 소재를 냉각하여 500∼700℃ 권취 온도에서 권취하는 단계를 포함하는, 열연강판 제조 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 권취 온도가 620∼680℃인, 열연강판 제조 방법.
  8. 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 면적률로 12∼30%의 페라이트를 포함하는 미세조직을 갖는 열연강판을 슬리팅하여 열연강대를 제조하는 단계;
    상기 열연강대를 전기저항 용접 방식으로 조관하여 전봉강관을 제조하는 단계; 및
    전봉강관 또는 그 가공물을 오스테나이트 단상 온도 영역으로 가열하여 오스테나이트화 열처리한 후, 10℃/초 이상의 평균냉각속도로 마르텐사이트 온도 영역까지 냉각하는 소입 열처리 단계를 포함하는, 강 부품 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 소입 열처리된 결과물을 뜨임 열처리 하는 단계를 추가로 포함하는, 강 부품 제조 방법.
  10. 중량%로, C: 0.35∼0.65%, Si: 0.1∼0.5%, Mn: 0.1∼1.2%, Cr: 0.05∼1.3%, Mo: 0.8% 이하(0% 포함), V: 0.1% 이하(0% 포함), B: 0.005% 이하(0% 포함), Al: 0.01∼0.05%, 나머지 Fe와 불가피한 불순물을 포함하며, 마르텐사이트 또는 템퍼드 마르텐사이트를 면적률로 90% 이상 포함하는, 강 부품.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 강 부품은 면적률로 90% 이상의 마르텐사이트를 포함하고, 비커스 경도 600Hv 이상을 나타내는, 강 부품.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 강 부품은 면적률로 90% 이상의 템퍼드 마르텐사이트를 포함하고, 비커스 경도 200Hv 이상을 나타내는, 강 부품.
KR1020220181091A 2022-12-21 전봉강관용 열연강판 및 그 제조 방법, 강 부품 및 그 제조 방법 KR20240098906A (ko)

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