KR920004944B1

KR920004944B1 - 고장력볼트용 선재의 제조방법

Info

Publication number: KR920004944B1
Application number: KR1019890020180A
Authority: KR
Inventors: 이덕락
Original assignee: 포항종합제철 주식회사; 정명식; 재단법인 산업과학기술연구소; 박태준
Priority date: 1989-12-29
Filing date: 1989-12-29
Publication date: 1992-06-22
Also published as: KR910012293A

Abstract

내용 없음.

Description

고장력볼트용 선재의 제조방법

제 1 도는 고장력볼트의 제조공정도.

제 2 도는 본 발명강의 냉각속도에 따른 미세조직변화를 나타낸 조직사진.

본 발명은 고장력볼트용으로 사용되는 선재의 제조방법에 관한 것으로 이를 보다 상세히 설명하면, 기존의 고장력볼트용으로 사용되는 강의 성분에서 탄소함량을 대폭 감소시키고 열간압연 및 냉각을 적절히 제어하여 충격인성과 연성을 크게 증가시키며 이로인해 볼트성형중에 행하는 구상화 열처리 및 소입소려처리를 생략하고 필요한 강도는 미량합금원소인 니오븀(Nb)과 바나듐(V)을 첨가시켜 확보하는 열처리 생략형 고장력볼트용 선재의 제조방법에 관한 것이다. 일반적으로, 인장강도 70kg/㎟ 이상의 고장력볼트는 제 1 도에서 보여주는 바와 같이 지름이 약 5.5mm-20mm의 선재를 구상화 열처리하여 재질을 연화시킨 다음, 15-20% 냉간신선한 후 냉간압조가공으로 볼트성형을 한다. 그후 필요로 하는 강도와 인성을 확보하기 위해 켄칭과 탬퍼링(Quenching ＆ Tempering)열처리를 하여 준다. 상기 공정중 구상화 열처리는 A₁변태점부근(약 680℃∼740℃)온도로 가열하여 9-13시간 정도 유지한다.

이와같이 열처리를 끝내고 나면 미세조직은 퍼얼라이트(Pearlite)+페라이트 (Ferrite)조직에서 시멘타이트(Cementite)가 균일하게 분포하여 존재하는 구상화 조직으로 바뀌고 재질은 크게 연화된다. 볼트성형후에 행하는 켄칭과 템퍼링(Quenching＆Tempering) 열처리는 820-890℃로 가열후 시편 사이즈(Size)에 따라 적정시간가열후 수냉시켜 재질을 경화시킨 다음 550-650℃로 가열후 급냉시켜 경화된 강에 인성을 부여한다. 가공완료된 최종볼트(7T)의 규격재질은 하기 표 1과 같다.

[표 1] 7T 볼트의 기계적 성질

현재 상기와 같은 열처리공정을 통하여 제조되는 70-80kg/㎟급 고장력볼트용 선재로는 탄소함량이 0.45% 정도인 S45C가 주로 사용되어 왔으나 볼트가공중에 행하여지는 열처리공정을 생략하여 원가절감을 꾀할 수 있는 새로운 강종이 최근에 발명되었다. 기발명된 열처리공정 생략강의 제조기술을 설명하면 아래와 같다. 이 기술은 성분원소 중 탄소를 0.1-0.25% 수준으로 열처리재에 비해 대폭 줄이고 대신 니오븀(Nb)이나 바나듐(V)을 0.03% 정도 첨가한 후 제어압연 및 제어냉각방법으로 선재를 제조하는 것이다.

이 방법에서는 탄소함량 감소와 조직미세화를 통하여 충격인성을 확보하고, 강도는 미량합금원소첨가, 망간(Mn)함량 증가 그리고 조직 미세화를 통하여 확보한다. 압연재의 조직을 미세화시키기 위해서 제어압연 및 제어냉각을 실시하는데 이 방법은 오스테나이트(Austenite)가 재결정하지 않는 저온-니오븀(Nb)첨가강의 경우 약 950℃이하-에서 마무리압연을 하여 오스테나이트(Austenite)를 충분히 연신시키고 내부에 변형대를 생성시켜 페라이트(Ferrite)핵생성 사이트(Site)를 많이 만들어주고, 압연후 베이나이트(Bainite)조직이 생기기 시작하는 온도(B_s)보다 조금 높은 온도까지 적절한 냉각속도로 냉각시켜 최종 압연재의 조직을 미세화시키는 것이다.

그러나 이 기술을 활용하기 위해서는 선재압연시 압연속도를 충분히 낮추어서 소재온도를 오스테나이트(Austenite) 미재결정 온도 이하로 낮추어 주거나 아니면 냉각능력이 극히 우수한 냉각장치를 압연라인(Line)중간에 설치하여 강제적으로 소재온도를 낮추어 마무리 압연을 대략 900℃이하에서 실시해야 한다는 문제점이 있다. 또는 특별한 경우로 압연은 통상압연으로 하되 냉각을 통상의 방법인 강재 송풍방법이 아닌 분수냉각으로하는 방법도 개발되어 있다.

한편 고장력볼트는 주로 자동차등 기계구조용에 주로 쓰이므로 고강도와 함께 고인성이 요구되며 또한 볼트가공중 냉간압조(Cold Heading)단계에서 균열발생을 방지하기 위해서는 기개발된 열처리공정 생략강의 충격인성치가 좀더 개선될 필요가 있다. 따라서 본 발명의 목적은 선재압연속도를 낮추거나 새로운 냉각장치의 추가 설치없이 2차가공중에 행하여지는 열처리공정을 생략할 수 있는 고강도·고인성 선재를 제조하는 것인데, 특히 성분 및 냉각조건을 변화시켜 기 개발된 열처리 생략강에 비해 인성이 개선된 볼트용 선재를 만들고자 하는데 있다.

이하 본 발명에 대하여 설명한다.

본 발명은 중량%로 C : 0.13-0.15%, Si : 0.16-0.20%, Mn : 1.10-1.40%, P : 0.03%이하, S : 0.03%이하, Nb : 0.030-0.040% 및 V : 0.030-0.040%를 포함하는 강을 1100-1200℃온도로 가열하고, 마무리압연온도를 1000℃-Ar₃직상온도로 하여 열간압연한 다음 18-22℃/sec의 냉각속도로 500-550℃까지 강재냉각시킨 후 상온까지 공냉하는 고장력볼트용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 첨가원소의 성분범위 및 압연조건에 대하여 구체적으로 설명한다.

탄소(C)는 기종의 열처리재(S45C) 및 기개발열처리공정 생략강보다 가능한 낮추어서 페라이트(Ferrite)의 체적분율(Volume Fraction)을 증가시키며 증가된 페라이트(Ferrite)는 강의 충격인성을 대폭 증가시켜주고 또한 볼트성형시 가공성을 향상시키나, 탄소함량이 너무 낮으면 필요강도 확보가 불가능하므로 C의 성분범위는 0.13-0.15%로 한정하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 탈산을 위해서 반드시 필요하나 첨가량이 많으면 인성을 해치고 볼트가공성을 저하시키므로 성분범위를 0.16-0.20%로 하는 것이 바람직하다.

망간(Mn)은 소입성(Hardenability)을 증가시키고 오스테나이트(Austenite)→페라이트(Ferrite)변태온도를 낮추어 조직을 미세화시키는 역할을 하는데, 대체로 강중에 약 2.0%까지 첨가하여도 인성을 떨어뜨리지 않고 강도를 증가시킨다. 따라서 인성저하없이 필요강도를 얻기위해 망간(Mn)의 성분범위는 1.10-1.40%로 한정하는 것이 바람직하다. 인(P)은 인성을 저하시키므로 상한을 0.030%로 한정하는 것이 바람직하다.

황(S)는 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 재질에 나쁜 영향을 미치므로 상한을 0.030%로 한정하는 것이 바람직하다. 니오븀(Nb)은 오스테나이트(Austenite)의 재결정을 억제하여 조직을 미세화시킴으로 인성과강도를 동시에 향상시키고 또 석출경화 현상으로 강도를 증가시키는 아주 유용한 원소이나 고용한도를 초과하여 과도하게 첨가한 경우 오히려 유해하므로 그 성분범위는 0.030-0.040%로 한정하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 재결정억제로 조직을 미세화시키고 석출경화로 강을 강화시키는 성분이지만, 고가이며 다량 첨가시 인성을 저하시키므로 그 성분 범위는 0.030-0.040%로 한정하는 것이 바람직하다. 한편, 본 발명에 있어서 열간 선재압연을 위한 가열온도는 니오븀카보나이트라이드[Nb(C·N)]의 재용해 및 열간 가공성을 고려하여 1100-1200℃로 한정한다. 상기 온도에서 120±30분간 가열한 소재는 마무리 열간압연온도를 1000℃-Ar₃의 온도범위로하여 열간 압연한다. 압연온도를 1000℃보다 높게 하면 오스테나이트(Austenite)가 재결정되고 또 결정립성장이 이루어져 미세한 압연조직을 얻을 수 없다. 그리고 Ar₃이하에서 압연하면 2상역 압연이 되어 재질이 열화되며, 변형저항이 커져서 압연이 힘들어진다.

열간압연이 끝난 소재는 18-22/sec의 냉각속도로 약 500-550℃까지 공기송풍으로강제 냉각시킨 후 상온까지 공냉시키는데, 냉각속도가 18℃/sec이하가 되면 본 발명에서 목표로 하는 셀립조직을 얻기가 힘들어지고, 냉각속도가 22℃/sec보다 빠른 경우 조직은 더욱 미세화되지만 효과가 그리 크지 않고 또 냉각속도가 빨라짐에 따라 냉각 종료온도를 정확히 제어하기가 힘들어진다.

한편 냉각종료온도의 경우는 500℃이하가 되면 인성이 아주 나쁜 베이나이트(Bainite)가 생성될 수 있고, 또 550℃이상이 되면 입자미세화 효과를 얻기가 힘들어진다.

이하 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 2와 같은 성분의 강을 시료로 하여 크기가 500mm×100mm×200mm인 시편을 1150℃에서 약 2시간 가열한 후 두께 13mm로 열간압연하였다. 하기 표 2에 열처리 생략형 고장력볼트용 선재로 개발된 유사강종들의 성분을 함께 수록하였다.

열간압연시 마무리 압연도는 800-1000℃(시편 표면온도기준)로 하였다. 이후 1초내에 바로 수냉장치에 투입하여 냉각속도 20℃/sec로 500℃까지 냉각 후 공냉하였으며, 각각에 대한 기계적성질을 측정하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.

[표 2]

[표 3]

상기 표 3에서 알 수 있는 것은 실제 인장강도 70kg/㎟이상의 고장력볼트를 제작하는 비교강(1-4)를 압연한 비교재(1-4)의 기계적 성질을 살펴볼때 압연상태에서 인장강도 58kg/㎟이상의 강도와 연신율 28%이상 혹은 감면율 60% 이상의 연성을 가지면 통상 S45C를 열처리하여 제조하는 70kg/㎟급 고장력볼트를 제작할 수 있다는 것이다. 본 발명재의 경우 강도는 비교재(1-4)의 하한치에 해당되나 연성은 상한치에 해당되므로 고장력볼트용 선재로써 기본물성을 만족시키고 있다. 또한 본 발명에 와 화학조성은 다르나 압연조건이 유사한 비교재(2)에 비하여서는 충격인성이 약 23% 정도 증가한 값을 보여주고 있다.

[실시예 2]

상기 실시예 1 의 표 2에 나타난 본 발명강을 1150℃에서 약 2시간 가열한 후 두께 13mm로 열간압연하였는데, 이때의 열간마무리압연온도는 1000℃였다.

상기와 같이 압연하고 냉각속도를 0.8℃/sec, 10℃/sec, 및 20℃/sec로 변화시켜 강제 냉각하고 공냉처리한 다음, 각각에 대하여 조직을 관찰하고 그 결과를 제 2 도에 나타내었다. 제 2 도에 나타난 바와 같이, 냉각속도가 본 발명에 부합되는 경우 (20℃/sec, 제 2c 도)가 본 발명을 벗어나는 경우(0.8℃/sec, 제 2a 도 ; 10℃/sec, 제 2b 도)보다 더 미세한 조직을 갖는다는 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 장점을 강의 성분 및 냉각을 적절히 제어함으로써 마무리 압연온도를 약 1000℃까지 높일 수 있다는 것과 탄소함량을 최소한으로 줄이고 냉각속도를 가능한 빠르게 함으로써 충격인성이 극히 우수하여 볼트두부(Bolt Head) 가공시 균열 발생을 최소화할 수 있는 선재를 제조할 수 있다는 것이다. 최신 선재압연설비들은 대부분 압연속도가 100m/sec를 상회할 정도의 고속 압연 설비들이므로 압연중 가공발열이 심하게 발생하는데, 이러한 설비상의 특징으로 인해 마무리압여온도를 약 800-900℃정도로 낮추어서 압연하는 것을 특징으로 하는 종래 발명법으로는 추가냉각 설비설치 및 압연속도의 감소없이는 신예선재압연설비에는 작용하기 곤란하다. 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 오스테나이트(Austenite) 재결정을 억제하는데 아주 효과적인 니오븀(Nb) 및 바나듐(V)을 종래 발명강보다 많이 첨가하여 오스테나이트(Austenite) 미재결정 온도를 최대한 높여주고 압연이 끝난후 지체시간을 1초미만으로 관리하여 정적재결정을 최소화함으로써 페라이트(Perrite) 핵생성 사이트(Site)를 많이 만들어 주고, 이후 냉각속도를 18℃/sec이상으로 빠르게 함으로써 변태에 대한 과냉도를 크게 하여 조직미세화를 도모하는데, 이와 같은 방법을 사용하면 문제가되는 마무리압연온도를 1000℃이상으로 하여도 결정립 크기가 ASTM No.12-13정도되는 미세한 조직을 얻을 수 있으므로 추가냉각설비 설치 혹은 압연속도저하없이 2차 가공중 열처리생략이 가능한 고강도·고인성을 갖는 볼트용선재를 제조할 수 있으며, 또한 기발명된 대부분의 열처리 생략강은 구상화열처리한 기계구조용 탄소강에 비해 충격인성치가 떨어져 볼트두부(Bolt Head)가공시 균열 발생빈도가 높았으나 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 성분 및 냉각조건을 적절히 하므로서 충격인성치를 대폭 개선시킨 볼트용 선재를 제조할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims

볼트 가공중에 행하여지는 구상화 열처리 및 소입·소려 열처리를 생략하여 고장력볼트용 선재를 제조하는데 있어서, 중량%로 C : 0.13-0.15%, Si : 0.16-0.20%, Mn : 1.10-1.40%, P : 0.030%이하, S : 0.030%이하, Nb : 0.030-0.040% 및 V : 0.030-0.040%를 포함하는 강을 1100-1200℃로 하고, 마무리 압연온도를 소재표면온도 기준으로 1000℃-Ar₃직상의 온도범위로 하여 열간 압연한 후 500-550℃까지 18-22℃/sec의 냉각속도로 강제 냉각후 공냉하는 것을 특징으로 하는 고장력볼트용 선재의 제조방법.