WO2019132195A1 - 냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법 - Google Patents

냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법 Download PDF

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WO2019132195A1
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김한휘
박인규
이병갑
이상윤
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Definitions

  • the present invention relates to a cold rolled steel wire rod which can be used for a bolt for cold rolling and can reduce the spheroidizing heat treatment, a workpiece using the same, and a method of manufacturing the same.
  • unconstrained steel is a steel to substitute crude steel, which means that steel can obtain mechanical properties such as strength almost similar to that of a heat-treated steel without any additional heat treatment after hot working.
  • Typical wire products are manufactured as hot rolled wire, cold drawn, spheroidized heat treatment, cold drawn, cold pressed, quenched and sieved to final products.
  • non-cored wire is manufactured as a final product through hot rolling, wire drawing, cold drawing and cold pressing.
  • two heat treatments spheroidizing heat treatment and Q & T heat treatment
  • Q & T heat treatment required in the conventional product processing step can be omitted to lower the manufacturing cost of the material, thereby obtaining a product having excellent economy.
  • Unconditioned steel is an economical product omitting the heat treatment process. Since it does not proceed with final quenching and sintering, it has the effect of securing straightness due to heat treatment defects, that is, heat treatment bending, and is applied to many products.
  • An object of the present invention is to provide a wire rod for cold rolling, which can shorten the spheroidizing heat treatment time, a workpiece using the same, and a manufacturing method thereof.
  • the cold-rolled steel wire according to one embodiment of the present invention may contain 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr, 0.02 to 0.05 of Al, % Of N, 0.004 to 0.02% of N, 0.001 to 0.03% of Nb, 0.01 to 0.3% of V, 0.01 to 0.5% of Mo and 0.001 to 0.03% of Ti, And the remainder contains Fe and unavoidable impurities, and the microstructure has a length and a shortening ratio of cementite present in the pearlite colony of 200: 1 or less.
  • the segmented cementite in the pearlite may have an area fraction of 5 to 50%.
  • the maximum size of the pearlite colony may be 5 ⁇ or less.
  • the maximum size of the ferrite grain size may be 5 ⁇ or less.
  • At least one or more precipitates among Al-based carbonitrides, Nb-based carbonitrides, V-based carbonitrides and Mo-based carbonitrides can be contained therein.
  • the processed product according to another embodiment of the present invention may contain 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr, 0.02 to 0.05% of Al, N : 0.004 to 0.02%, and at least one selected from the group consisting of Nb: 0.001 to 0.03%, V: 0.01 to 0.3%, Mo: 0.01 to 0.5%, and Ti: 0.001 to 0.03% Fe and unavoidable impurities, the remainder being Fe and inevitable impurities, and the microstructure has a length and shortening ratio of cementite of 5: 1 or less.
  • a method of manufacturing a wire rod for cold stamping according to another embodiment of the present invention is characterized by comprising 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr,
  • a steel plate comprising: 0.02 to 0.05% of Al, 0.004 to 0.02% of N, 0.001 to 0.03% of Nb, 0.01 to 0.3% of V, 0.01 to 0.5% of Mo and 0.001 to 0.03% And the remainder is Fe and unavoidable impurities; a hot rolling step of performing finish rolling at 700 to 780 ⁇ on the heated steel strip; a hot rolling step of hot rolling at a temperature of 5 to 20 ⁇ / s to 600 ° C and cooling to 5 ° C / s or lower to 400 ° C.
  • the size of the austenite grains immediately before the finish rolling in the hot rolling step may be 10 ⁇ ⁇ or less.
  • the amount of deformation during finish rolling in the hot rolling step may be 0.4 or more.
  • the heating of the billet may be performed at a temperature of 900 to 1050 ⁇ within 90 minutes.
  • the method of manufacturing a workpiece according to another embodiment of the present invention may further comprise: 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr, At least one selected from the group consisting of 0.02 to 0.05% of N and 0.004 to 0.02% of N, 0.001 to 0.03% of Nb, 0.01 to 0.3% of V, 0.01 to 0.5% of Mo and 0.001 to 0.03% of Ti And the remainder is Fe and inevitable impurities and the microstructure is a process for producing a work piece using a wire material having a length and a shortening ratio of cementite in pearlite colony of 200: In a heating step at a heating rate of 50 to 100 ⁇ ⁇ / hr for 6 to 10 hours, and a softening heat treatment at a cooling rate of 10 to 20 ⁇ ⁇ / hr.
  • the length and shortening ratio of the cementite may be 5: 1 or less.
  • the total amount of carbonitride may be 80% or more.
  • the wire rod for cold stamping according to the embodiment of the present invention and the workpiece using the same can reduce the time required for spheroidizing heat treatment, thereby reducing the cost.
  • Fig. 1 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 1 before the finish rolling
  • Fig. 1 (b) is a photograph showing the microstructure of Inventive Example 2 which is one embodiment of the present invention before the finish rolling.
  • Fig. 2 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 1 at the initial stage of cooling immediately after finish rolling
  • Fig. 2 (b) is a photograph showing the microstructure of Inventive Example 2 which is one embodiment of the present invention at the beginning of cooling immediately after finish rolling .
  • Fig. 3 (a) is a photograph showing the microstructure of the wire of Comparative Example 3 obtained through slow cooling
  • Fig. 3 (b) is a photograph showing the microstructure of the inventive fourth wire, which is one embodiment of the present invention obtained through slow cooling .
  • FIG. 4 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 3 after the spheroidizing heat treatment
  • FIG. 4 (b) is a photograph showing the microstructure of Inventive Example 4 which is one embodiment of the present invention after spheroidizing heat treatment.
  • the cold-rolled steel wire according to one embodiment of the present invention may contain 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr, 0.02 to 0.05 of Al, % Of N, 0.004 to 0.02% of N, 0.001 to 0.03% of Nb, 0.01 to 0.3% of V, 0.01 to 0.5% of Mo and 0.001 to 0.03% of Ti, And the remainder contains Fe and unavoidable impurities, and the microstructure has a length and a shortening ratio of cementite present in the pearlite colony of 200: 1 or less.
  • the cold-rolled steel wire according to one embodiment of the present invention may contain 0.15 to 0.5% of C, 0.1 to 0.4% of Si, 0.3 to 1.5% of Mn, 0.1 to 1.5% of Cr, 0.02 to 0.05 of Al, % Of N, 0.004 to 0.02% of N, 0.001 to 0.03% of Nb, 0.01 to 0.3% of V, 0.01 to 0.5% of Mo, and 0.001 to 0.03% of Ti .
  • the content of C (carbon) is 0.15 to 0.5%.
  • the content of C is 0.5% or more, almost all of the structure is composed of pearlite and it is difficult to secure ferrite crystal grains. On the contrary, when C is less than 0.15%, it is difficult to secure sufficient strength after final quenching and tempering heat treatment due to reduction of base material strength. According to an embodiment of the present invention, the content of C is 0.15 to 0.5%.
  • the content of Si (silicon) is 0.1 to 0.4%.
  • Si is an important element in securing strength of steel.
  • the Si content is less than 0.1%, it is difficult to secure the steel strength and sufficient ingot qualities.
  • the content of Si exceeds 0.4%, the cold workability is deteriorated during the cold forging after the softening heat treatment.
  • the content of Si is 0.1 to 0.4%.
  • the content of Mn (manganese) is 0.3 to 1.5%.
  • Mn forms a solid solution for substitution in the matrix and reduces the interval between pearlite layers.
  • Mn is contained in an amount exceeding 1.5%, cracks may occur due to uneven structure due to Mn segregation.
  • macro-segregation or micro-segregation can occur during solidification of the steel, and Mn segregation has a relatively low diffusion coefficient compared to other elements, thereby enhancing the segregation zone and improving the hardenability. This is the main source of core martensite.
  • Mn is less than 0.3, it is difficult to obtain enough ingotability to secure a martensite structure after quenching and tempering heat treatment.
  • the content of Mn is 0.3 to 1.5%.
  • the content of Cr is 0.1 to 1.5%.
  • the content of Cr is 0.1 to 1.5%.
  • the content of Al (aluminum) is 0.02 to 0.05%.
  • Al is an important element as a deoxidizer. When Al is less than 0.02, the deoxidation force is hardly secured. On the other hand, when Al is more than 0.05%, hard inclusions such as Al 2 O 3 may increase, and clogging of the nozzle due to inclusions may occur during playing. Therefore, according to an embodiment of the present invention, the Al content is 0.02 to 0.05%.
  • N nitrogen
  • N is 0.004% or less
  • securing nitride is difficult, and precipitation amount o of Ti, Nb and V can be reduced.
  • N is 0.02% or more
  • the toughness and ductility of the wire rod may be deteriorated due to the solid nitrogen which is not bonded with the precipitate.
  • the content of N is 0.004 to 0.02%.
  • Nb niobium
  • Nb can form carbonitride such as Nb (C, N), and the ferrite or pearlite wire structure can be made fine when rolling.
  • Nb carbonitride
  • the ferrite or pearlite wire structure can be made fine when rolling.
  • the content is less than 0.001%, precipitation can not be sufficiently performed.
  • the content of Nb exceeds 0.03%, the precipitation effect may be adversely affected by precipitate coarsening. Accordingly, when Nb is contained according to an embodiment of the present invention, the content thereof is 0.001 to 0.03%.
  • the content of Ti is 0.001 to 0.03%.
  • Ti is a strong carbonitride-forming element and helps to refine the grain in the furnace. However, when Ti is less than 0.001%, the precipitation amount is small and the effect decreases. On the other hand, when Ti is contained in an amount exceeding 0.03%, toughness coarsening can reduce toughness and ductility. According to an embodiment of the present invention, when Ti is included, the content of Ti is set to 0.001 to 0.03%.
  • V vanadium
  • V forms VC, VN, and V (C, N), and is an element that induces miniaturization of ferrite and pearlite wire structures at the time of rolling.
  • the content of V is less than 0.01%, the distribution of V precipitates in the base material becomes small and the ferrite grain boundaries can not be fixed, thereby reducing the influence on the toughness.
  • the content of V exceeds 0.3%, coarse carbonitrides are formed and adversely affect the toughness.
  • the content of V is 0.01 to 0.3%.
  • the content of Mo (molybdenum) is 0.01 to 0.5%.
  • Mo is an effective element for inhibiting softening of temper, which is formed by precipitation of Mo 2 C during tempering during quenching and tempering heat treatment, and the strength is lowered during tempering.
  • the content of Mo is less than 0.01%, it is difficult to sufficiently soften the temper.
  • the content of Mo exceeds 0.5%, a low-temperature structure may occur in the wire rod state, and additional heat treatment cost for removing the low-temperature structure may be required.
  • the content of Mo is set to 0.01 to 0.5%.
  • the length and shortening ratio of the cementite present in the pearlite colony is 200: 1 or less.
  • segmented cementite in pearlite may have an area fraction of 5 to 50%.
  • the maximum size of the pearlite colonies may be 5 ⁇ or less.
  • the maximum size of the ferrite grain size may be 5 ⁇ ⁇ or less.
  • the wire rod for cold stamping includes at least one precipitate of Al-based carbonitride, Nb-based carbonitride, V-based carbonitride, Mo-based carbonitride and Ti- .
  • microstructure of the processed product manufactured using the wire material satisfying the above-mentioned component system may have a length and shortening ratio of cementite of 5: 1 or less.
  • the heating temperature is 900 to 1050 ° C and maintained within 90 minutes.
  • the hot-rolled steel sheet is subjected to hot rolling at 700 to 780 ⁇ for finishing rolling.
  • the size of the austenite grains immediately before the finish rolling in the hot rolling step may be 10 ⁇ ⁇ or less.
  • the amount of deformation during finish rolling in the hot rolling step may be 0.4 or more.
  • cooling is carried out at a cooling rate of 5 to 20 ⁇ ⁇ / s to 600 ⁇ ⁇ and cooling to 5 ⁇ ⁇ / s or less to 400 ⁇ ⁇ . Cooling at 5-20 [deg.] C / s is to terminate the transformation by rapid cooling to minimize the cementite thickness in pearlite grain size 5 ⁇ m or less. Slow cooling at 5 ° C / s or less is to induce pearlite segments.
  • the workpieces are manufactured using the wire rod produced in the above-described manner.
  • the processed product is produced by heating at 650 to 780 ° C at a heating rate of 50 to 100 ° C / hr for 6 to 10 hours, and then conducting a softening heat treatment at a cooling rate of 10 to 20 ° C / hr.
  • Workpieces manufactured in this way have a cementite length, shortening ratio of 5: 1 or less.
  • the carbonitride may be 80% or more of the total.
  • a steel having the composition shown in the following [Table 1] and manufactured under the described manufacturing conditions was prepared. All comparative examples and examples were wire rolled to 9 mm. The microstructures were compared at each rolling condition.
  • Fig. 1 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 1 before the finish rolling
  • Fig. 1 (b) is a photograph showing the microstructure of Inventive Example 2 which is one embodiment of the present invention before the finish rolling.
  • Fig. 2 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 1 at the beginning of cooling immediately after finish rolling
  • Fig. 2 (b) is a photograph showing a microstructure of Inventive Example 2 which is one embodiment of the present invention at the beginning of cooling immediately after finish rolling to be.
  • Fig. 2 (b) according to Inventive Example 2 of one embodiment of the present invention, it can be seen that the ferrite grain size is smaller than that of Fig. 2 (a) according to Comparative Example 1. Fig. As a result, rapid diffusion is possible. According to an embodiment of the present invention, since rapid cooling is performed during rolling, the growth of pro-eutectoid ferrite can be suppressed to miniaturize the size of the pearlite grains, and the thickness of the platelike cementite in the pearlite can be minimized.
  • Fig. 3 (a) is a photograph showing the microstructure of the wire of Comparative Example 3 obtained through slow cooling
  • Fig. 3 (b) is a photograph showing the microstructure of the wire of Example 4, to be.
  • FIG. 3 (b) according to the fourth embodiment of the present invention, it can be seen that a cementite other than a plate-shaped cementite is produced unlike the case of FIG. 3 (a) Also, it can be confirmed that the ferrite microstructures were grown in a coarser confinement favorable to the cold-pressing.
  • Table 2 below shows the ferrite grain size, pearlite colony size, wire cementite length, short axis ratio and wire segment cementite fraction of the wires manufactured under the conditions of the conditions and the conditions of [Table 1] below.
  • FIG. 4 (a) is a photograph showing the microstructure of Comparative Example 3 after the spheroidizing heat treatment
  • FIG. 4 (b) is a photograph showing the microstructure of Inventive Example 4 which is one embodiment of the present invention after spheroidizing heat treatment.
  • FIG. 4B it can be seen that the spheroidization progresses more in comparison with FIG. 4A according to the third comparative example.
  • the spheroidization is progressed by about 70%
  • the spheroidization is advanced by about 90%.
  • the wire rod for cold stamping according to the present invention is excellent in strength and ductility and can be utilized as a high strength bolt used for fastening.

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Abstract

본 발명은 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재는 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 콜로니 내에 존재하는 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하이다.

Description

냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법
본 발명은 냉간압조용 선재에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉간압조용 볼트용으로 사용 가능하고, 구상화 열처리의 단축이 가능한 냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법을 제공한다.
대부분의 구조용강은 열간 가공 후 재가열, 소입, 소려 처리하여 강도와 인성을 높여 사용하는 조질강(Quenched and Tempered Steel)이다.
이와 달리, 비조질강은 조질강을 대신하기 위한 강으로, 열간 가공 후 별도의 열처리를 행하지 않고서도 열처리한 강의 재질과 거의 유사한 강도 등의 기계적 특성을 얻을 수 있는 강을 의미한다.
일반적인 선재 제품은 열간압연 선재, 냉간 신선, 구상화 열처리, 냉간 신선, 냉간 압조, 급냉 및 소려를 진행하여 최종 제품으로 제조된다.
반면, 비조질 선재는 열간압연선재, 냉간 신선, 냉간 압조 공정을 거쳐 최종 제품으로 제조된다. 이와 같이 기존 제품 가공 공정에서 필요한 두가지 열처리(구상화 열처리와 Q&T 열처리)를 생략하여 소재의 제조 단가를 낮추어 경제성이 우수한 제품을 얻을 수 있다.
비조질강은 열처리 공정을 생략한 경제적인 제품이며, 최종 급냉 및 소려를 진행하지 않기 때문에 열처리에 의한 결함 즉, 열처리 휨에 의한 직진성이 확보되는 효과가 있어 많은 제품들에 적용되고 있다.
다만, 비조질강의 경우 열처리 공정이 생략된 상태에서 지속적인 냉간 가공이 진행되기 때문에, 공정이 진행될수록 제품의 강도는 상승하는 반면, 연성은 지속적으로 하락하는 단점이 있다.
또한, 볼트의 제조에 있어서, 전조 수명을 증가시키기 위해 선재의 신선 후 필수적으로 구상화 열처리를 진행해야 하며, 이러한 구상화 열처리는 공정시간이 길어 제조원가를 상승시키는 원인이 된다.
이에, 구상화 열처리 시간을 단축시킬 수 있는 냉간압조가 가능한 선재의 개발이 필요하다.
본 발명은 구상화 열처리 시간을 단축할 수 있는 냉간압조용 선재, 이를 이용한 가공품 및 이들의 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재는 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 콜로니 내에 존재하는 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펄라이트 중 분절 세멘타이트는 면적분율로 5 내지 50%일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면,상기 펄라이트 콜로니의 최대 크기는 5㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면,페라이트 결정립 사이즈의 최대 크기는 5㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, Al계 탄질화물, Nb계 탄질화물, V계 탄질화물, Mo계 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 석출물을 내부에 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가공품은 중량%로 C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr:0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조직을 가지고, 미세조직은 세멘타이트의 장, 단축 비율이 5:1 이하이다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하는 단계, 상기 가열된 강편에 대해 700 내지 780℃에서 마무리 압연을 진행하는 열간압연 단계, 상기 열간압연 후 5 내지 20℃/s의 냉각을 600℃까지 진행하고 5℃/s 이하로 냉각을 400℃까지 진행하는 냉각 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면,상기 열간압연 단계에서 마무리 압연 직전의 오스테나이트 결정립 사이즈가 10㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 열간압연 단계에서 마무리 압연시의 변형량은 0.4 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 강편의 가열단계는 900 내지 1050℃에서 90min 이내로 유지하여 진행될 수 있다.
또한 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 가공품의 제조방법은 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 콜로니 내의 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하인 선재를 이용하여 가공품을 제조하는 가공품의 제조방법으로서, 650 내지 780℃에서 가열속도 50 내지 100℃/hr에서 6 내지 10시간 가열하는 가열단계, 냉각 속도 10 내지 20℃/hr에서 연질화 열처리를 진행하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면,세멘타이트의 장, 단축비율이 5:1 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면,내부에 탄질화물이 전체 80% 이상일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 냉간압조용 선재 및 이를 이용한 가공품은 구상화 열처리 시간을 단축시킬 수 있어 비용의 절감이 가능하다.
도 1(a)는 마무리 압연 개시 전의 비교예 1의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 1(b)는 마무리 압연 개시 전의 본 발명의 일 실시예인 발명예 2의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 2(a)는 마무리 압연 직후 냉각 초기의 비교예 1의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 2(b)는 마무리 압연 직후 냉각 초기의 본 발명의 일 실시예인 발명예 2 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 3(a)는 서냉을 통해 얻어진 비교예 3의 선재의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 3(b)는 서냉을 통해 얻어진 본 발명의 일 실시예인 발명예 4 선재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
도 4(a)는 구상화 열처리 이후의 비교예 3의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 4(b)는 구상화 열처리 이후의 본 발명의 일 실시예인 발명예 4 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재는 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 콜로니 내에 존재하는 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재는 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
본 발명에 따른 냉간압조용 선재에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다. 하기 성분에 대한 %는 중량%를 의미한다.
C(탄소)의 함량은 0.15 내지 0.5%이다. `
C의 함량이 0.5% 이상인 경우에는 거의 모든 조직이 펄라이트로 구성되어 페라이트 결정립을 확보하기 어렵다. 이와 반대로 C가 0.15% 미만인 경우에는 모재 강도의 저하로 인해 최종 퀀칭 및 템퍼링 열처리 후 충분한 강도를 확보하기 어렵다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 C의 함량은 0.15 내지 0.5% 로 한다.
Si(실리콘)의 함량은 0.1 내지 0.4%이다.
Si은 강의 강도 확보에 있어서 중요한 원소이다. Si이 0.1% 미만인 경우에는 강의 강도 및 충분한 소입성 확보가 어렵다. 이와 반대로 Si이 0.4%를 초과하는 경우에는 연질화 열처리후 냉간 단조시 냉간 가공성을 악화시킨다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 Si의 함량은 0.1 내지 0.4%이다.
Mn(망간)의 함량은 0.3 내지 1.5%이다.
Mn은 기지 조직 내에 치환용 고용체를 형성하고, 펄라이트 층간 간격을 미세화한다. Mn을 1.5%를 초과하여 포함하는 경우 Mn 편석에 의한 조직 불균일에 의해 크랙이 발생할 수 있다. 또한, 강의 응고 시 거시편석 또는 미시편석이 일어날 수 있으며, Mn 편석은 다른 원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수를 가지고 있으며, 이에 의해 편석대를 조장하고 경화능이 향상된다. 이는 중심부 저온 조직(Core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 이와 반대로 Mn이 0.3 미만으로 첨가되는 경우에는 퀀칭 및 템퍼링 열처리 후 마르텐사이트 조직 확보를 위한 충분한 소입성이 확보되기 어렵다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 Mn의 함량은 0.3 내지 1.5%이다.
Cr(크롬)의 함량은 0.1 내지 1.5%이다.
Cr이 0.1% 미만인 경우에는 최총 퀀칭 및 템퍼링 열처리 시 마르텐사이트 를 얻기 위한 소입성을 충분히 확보하기 어렵다. 이와 반대로 Cr이 1.5%를 초과하는 경우에는 중심편석이 생성되어 선재 내 저온 조직이 발생할 가능성이 높다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 Cr의 함량은 0.1 내지 1.5%로 한다.
Al(알루미늄)의 함량은 0.02 내지 0.05%이다.
Al은 탈산제로 중요한 원소이다. Al이 0.02 미만인 경우에는 탈산력이 확보되기 어렵다. 이와 반대로 Al이 0.05%를 초과하는 경우에는 Al2O3 등의 경질 개재물이 증가할 수 있으며, 이에 따라 연주시 개재물에 의한 노즐 막힘이 발생할 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따르면 Al 함량은 0.02 내지 0.05%로 한다.
N(질소)의 함량은 0.004 내지 0.02%로 한다.
N이 0.004% 이하인 경우에는 질화물 확보가 어려워, Ti, Nb, V 등의 석출량ㅇ이 감소할 수 있다. 이와 반대로 N이 0.02% 이상인 경우에는 석출물과 결합하지 않은 고용 질소로 인해 선재의 인성, 연성의 저하가 발생할 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에 의하면 N의 함량을 0.004 내지 0.02%로 한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면ㄴ Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
Nb(니오븀)의 함량은 0.001 내지 0.03%로 한다.
Nb는 Nb(C, N) 등의 탄질화물을 형성하여 압연 시 페라이트, 펄라이트 선재 조직을 미세화할 수 있다. 다만, 그 함량이 0.001% 미만인 경우에는 석출이 충분히 이루어지지 못한다. 이와 반대로, Nb의 함량이 0.03%를 초과하는 경우에는 석출물 조대화에 의해 석출효과가 감소하는 악영향이 생길 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따라 Nb가 포함되는 경우에 그 함량은 0.001 내지 0.03%로 한다.
Ti(티타늄)의 함량은 0.001 내지 0.03%이다.
Ti는 강력한 탄질화물 형성 원소로 가열로내 결정립 미세화에 도움이 된다. 다만, Ti가 0.001% 미만인 경우에는 석출량이 적어 효과가 감소한다. 이와 반대로 Ti가 0.03%를 초과하여 포함되는 경우에는 석출물 조대화로 인성, 연성을 하시킬 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따라 Ti가 포함되는 경우 Ti의 함량을 0.001 내지 0.03%로 한다.
V(바나듐)의 함량은 0.01 내지 0.3%이다.
V는 VC, VN, V(C, N) 등을 형성하며 압연 시 페라이트, 펄라이트 선재 조직의 미세화를 유도하는 원소이다. V의 함량이 0.01% 미만인 경우에는 모재 내 V 석출물의 분포가 적어져 페라이트 입계를 고정시키는 못하며 이에 따라 인성에 미치는 영향이 적어진다. 이와 반대로 V의 함량이 0.3%를 초과하면 조대한 탄질화물이 형성되어 인성에 악영향을 미친다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따라 V가 포함되는 경우 V의 함량은 0.01 내지 0.3%로 한다.
Mo(몰리브덴)의 함량은 0.01 내지 0.5%이다.
Mo는 퀀칭 및 템퍼링 열처리 중 템퍼링 시 Mo2C의 석출물을 형성시켜 템퍼링 시 강도가 저하되는 템퍼 연화 억제에 효과적인 원소이다. 다만, Mo의 함량이 0.01% 미만인 경우에는 충분한 템퍼 연화 효과를 보기 어렵다. 이와 반대로, Mo의 함량이 0.5%를 초과하는 경우에는 선재 상태에서 저온 조직이 발생하여 저온 조직 제거를 위한 추가 열처리 비용이 필요할 수 있다. 이에 본 발명의 일 실시예에 따라 Mo가 포함되는 경우 Mo의 함량은 0.01 내지 0.5%로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재의 미세조직은 펄라이트 콜로니 내에 존재하는 세멘타이트의 장,단축 비율이 200: 1이하이다.
또한, 펄라이트 중 분절 세멘타이트는 면적분율로 5 내지 50%일 수 있다.
또한, 펄라이트 콜로니의 최대 크기는 5μm 이하일 수 있다.
또한, 페라이트 결정립 사이즈의 최대 크기는 5 μm 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉간압조용 선재는 Al계 탄질화물, Nb계 탄질화물, V계 탄질화물, Mo계 탄질화물, Ti계 탄질화물 중 적어도 1 종 이상의 석출물을 내부에 포함할 수 있다.
또한, 상술한 성분계를 만족하는 선재를 이용하여 제조한 가공품의 미세조직은 세멘타이트의 장, 단축 비율이 5:1이하일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 냉간압조용 선재의 제조방법에 대해 상세히 설명한다.
상술한 성분계를 만족하는 강편을 가열한다. 이 때 가열온도는 900 내지 1050℃이며 90분 이내로 유지한다.
가열된 강편에 대해 700 내지 780℃에서 마무리 압연을 진행하는 열간압연을 진행한다. 열간압연 단계에서 마무리 압연 직전의 오스테나이트 결정립 사이즈는 10μm 이하일 수 있다. 또한, 열간압연 단계에서 마무리 압연 시의 변형량은 0.4 이상일 수 있다.
열간압연 이후 5 내지 20℃/s의 냉각을 600℃까지 진행하고 5℃/s 이하로 400℃까지 냉각을 진행하는 냉각단계를 진행한다. 5 내지 20℃/s의 냉각은 펄라이트 결정립 사이즈 5μm 이하의 조직에서 세멘타이트 두께의 최소화를 위해 빠른 냉각으로 변태를 종료하는 것이다. 5℃/s 이하의 서냉은 펄라이트 분절을 유도하기 위함이다.
상술한 방식으로 제조된 선재를 이용하여 가공품을 제조한다. 가공품은 650 내지 780℃에서 가열속도 50 내지 100℃/hr에서 6내지 10 시간 동안 가열하고, 냉각속도 10 내지 20℃/hr에서 연질화 열처리를 진행하여 제조한다. 이와 같은 방식으로 제조된 가공품은 세멘타이트 장, 단축 비율이 5:1 이하이다. 또한, 탄질화물이 전체의 80% 이상일 수 있다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.
실시예
하기 [표 1]의 조성을 가지며, 기재된 제조조건으로 제조된 강을 준비하였다. 모든 비교예와 실시예는 9mm로 선재 압연되었다. 미세조직은 각 압연 조건에서 비교하였다.
C Si Mn Cr Al N Nb Ti V Mo 가열조건 마무리압연전AGS(㎛) 마무리압연온도(℃) 마무리압연평균변형량 초기냉각속도(℃/s) 최종냉각속도(℃/s)
비교예1 0.25 0.30 1.30 0.3 0.042 0.015 0.015 - - - 1000℃/ 90min 25 850 1.0 10 4
비교예2 0.35 1.20 1.30 0.2 0.010 0.004 0.015 0.02 - - 1050℃/ 90min 14 760 0.8 10 5
비교예3 0.40 0.80 1.20 0.2 0.042 0.013 0.020 0.02 - 0.2 1020℃/ 95min 9 780 0.4 10 5
비교예4 0.72 0.30 0.80 0.50 0.035 0.010 - - - - 1000℃/ 90min 10 750 1.0 10 10
발명예1 0.35 0.20 0.70 1.0 0.035 0.010 - - - - 1000℃/ 90min 10 760 1.2 10 3
발명예2 0.20 0.25 0.80 0.4 0.030 0.015 0.015 - 0.3 0.2 1000℃/ 90min 8 750 0.8 12 3
발명예3 0.25 0.30 1.20 0.7 0.040 0.020 0.015 - - - 1000℃/ 90min 9 730 0.6 12 5
발명예4 0.45 0.18 1.20 0.2 0.036 0.016 - 0.03 - 0.3 1000℃/ 90min 9 760 0.8 11 2
발명예5 0.50 0.15 1.50 0.3 0.032 0.012 - 0.02 0.3 0.2 1000℃/ 90min 10 750 1.0 10 1
도 1(a)는 마무리 압연 개시 전의 비교예 1의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 1(b)는 마무리 압연 개시 전의 본 발명의 일 실시예인 발명예 2의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예인 발명예 2에 의한 도 1(b)의 경우 비교예 1인 도 1(a)보다 오스테나이트 결정립 사이즈가 미세한 것을 확인할 수 있다. 압연 전 작은 오스테나이트 결정립은 압연시 입계에서 많은 변형을 유도하여 압연 및 냉각 중 페라이트 핵생성 사이트를 극대화할 수 있다. 이를 통해 초석 페라이트 분율을 최대화하고 소재 연질화를 통한 열처리 생략을 가능하게 한다. 또한, 결정립 미세화에 기여하여 압연 종료 후 확산 속도를 증가시킬 수 있는 장점이 있다.
도 2(a)는 마무리 압연 직후 냉각 초기의 비교예 1의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 2(b)는 마무리 압연 직후 냉각 초기의 본 발명의 일 실시예인 발명예 2의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예인 발명예 2에 따른 도 2(b)의 경우 비교예 1에 따른 도 2(a)보다 페라이트 결정립 사이즈가 작은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 빠른 속도의 확산이 가능하다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압연 시 빠른 냉각을 진행하는 바, 초석 페라이트의 성장을 억제하여 펄라이트 결정립 사이즈를 미세화할 수 있으며, 펄라이트 내 판상 세멘타이트의 두께를 최소화할 수 있다.
도 3(a)는 서냉을 통해 얻어진 비교예 3의 선재의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 3(b)는 서냉을 통해 얻어진 본 발명의 일 실시예인 발명예 4의 선재의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예인 발명예 4에 따른 도 3(b)의 경우 비교예 3에 따른 도 3(a)와 달리 판상 세멘타이트가 아닌 분절 세멘타이트가 생성된 것을 확인할 수 있다. 또한, 페라이트 미세조직도 냉간압조에 유리한 조대립으로 성장한 것을 확인할 수 있다.
아래의 [표 2]는 [표 1]의 조건의 성분과 제조조건으로 제조된 선재의 페라이트 결정립 크기, 펄라이트 콜로니 크기, 선재 세멘타이트 장, 단축 비율, 선재 분절 세멘타이트 분율을 기재하였으며, 이러한 선재를 가공품으로 제조하기 위한 가열속도, 유지시간, 냉각속도와 가공품의 세멘타이트 5:1 이하 비율을 기재한 표이다.
선재 페라이트경 크기 (㎛) 선재 펄라이트 콜로니 크기 (㎛) 선재 세멘타이트 장단축 비 선재분절세멘타이트 분율 (%) 가열속도(℃/hr) 유지시간(hr) 냉각속도(℃/hr) 열처리후 세멘타이트 5:1 이하 비율 (%)
비교예1 10 10 300:1 10 200 4 25 70
비교예2 12 13 300:1 8 300 4 25 75
비교예3 15 12 250:1 3 250 8 30 70
비교예4 8 7 100:1 10 200 7 30 70
발명예1 3 3 100:1 15 70 6 15 85
발명예2 4 3 70:1 20 80 7 18 90
발명예3 3.5 3.2 60:1 17 70 6 10 85
발명예4 2.8 3.2 80:1 30 60 7 16 90
발명예5 4.5 4.2 75:1 35 90 8 15 90
도 4(a)는 구상화 열처리 이후의 비교예 3의 미세조직을 나타내는 사진이며, 도 4(b)는 구상화 열처리 이후의 본 발명의 일 실시예인 발명예 4의 미세조직을 나타내는 사진이다.
본 발명의 일 실시예인 발명예 4에 따른 도 4(b)의 경우 비교예 3에 따른 도 4(a)에 비해 구상화가 더 많이 진행된 것을 확인할 수 있다. 도 4(a)의 경우 구상화가 70% 정도 진행된 경우이며, 도 4(b)의 경우 구상화가 90% 정도 진행된 경우이다.
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.
본 발명에 따른 냉간압조용 선재는 강도 및 연성이 우수하여 체결용으로 사용되는 고강도 볼트로 활용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직으로 펄라이트 콜로니를 포함하고,
    상기 펄라이트 콜로니 내에 존재하는 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하인 냉간압조용 선재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 펄라이트 중 분절 세멘타이트는 면적분율로 5 내지 50%인 냉간압조용 선재.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 펄라이트 콜로니의 최대 크기는 5㎛ 이하인 냉간압조용 선재.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    미세조직으로 페라이를 포함하며,
    상기 페라이트 결정립 사이즈의 최대 크기는 5㎛ 이하인 냉간압조용 선재.
  5. 제1항에 있어서,
    Al계 탄질화물, Nb계 탄질화물, V계 탄질화물, Mo계 탄질화물, Ti계 탄질화물 중 적어도 1종 이상의 석출물을 내부에 포함하는 냉간압조용 선재.
  6. 중량%로 C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr:0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 조직을 가지고,
    미세조직은 세멘타이트의 장, 단축 비율이 5:1 이하인 세멘타이트의 전체 면적 대비 비율이 80% 이상인 가공품.
  7. 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하는 단계;
    상기 가열된 강편에 대해 700 내지 780℃에서 마무리 압연을 진행하는 열간압연 단계;
    상기 열간압연 후 5 내지 20℃/s의 냉각을 600℃까지 진행하고 5℃/s 이하로 400℃까지 냉각을 진행하는 냉각 단계;
    를 포함하는 냉간압조용 선재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열간압연 단계에서 마무리 압연 직전의 오스테나이트 결정립 사이즈가 10㎛ 이하인 냉간압조용 선재의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열간압연 단계에서 마무리 압연시의 변형량은 0.4 이상인 냉간압조용 선재의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 강편의 가열단계는 900 내지 1050℃에서 90min 이내로 유지하여 진행되는 냉간압조용 선재의 제조방법.
  11. 중량%로, C: 0.15 내지 0.5%, Si: 0.1 내지 0.4%, Mn: 0.3 내지 1.5%, Cr: 0.1 내지 1.5%, Al: 0.02 내지 0.05%, N: 0.004 내지 0.02%를 포함하고, Nb: 0.001 내지 0.03%, V: 0.01 내지 0.3%, Mo: 0.01 내지 0.5%, Ti: 0.001 내지 0.03%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함하고, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트 콜로니 내의 세멘타이트의 장, 단축 비율이 200:1 이하인 선재를 이용하여 가공품을 제조하는 가공품의 제조방법으로서,
    650 내지 780℃에서 가열속도 50 내지 100℃/hr에서 6 내지 10시간 가열하는 가열단계;
    냉각 속도 10 내지 20℃/hr에서 연질화 열처리를 진행하는 단계;
    를 포함하는 가공품의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    세멘타이트의 장, 단축비율이 5:1 이하인 세멘타이트의 전체 면적 대비 비율이 80% 이상인이하인 가공품의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    내부에 탄질화물이 전체 80% 이상인 가공품의 제조방법.
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