WO2023234700A1 - 절삭성 및 충격인성이 우수한 비조질 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

절삭성 및 충격인성이 우수한 비조질 선재 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로 본 발명에 따른 비조질 선재는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하, 페라이트의 평균 입경은 20㎛ 이하로 하기 관계식 1~5를 만족한다. [관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70 [관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7 [관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4 [관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7 [관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3

Description

절삭성 및 충격인성이 우수한 비조질 선재 및 그 제조방법
본 발명은 절삭성과 충격인성이 우수한 비조질 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 자동차용 소재 또는 기계 부품용 소재로 사용하기에 적합한 비조질 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
조질강이 QT(Quenching and Tempering)열처리를 통해 일정수준의 강도와 인성을 확보하는 것과는 달리, 비조질강은 QT 열처리 공정을 생략한다. 따라서 비조질강은 열처리 비용의 절감, 공정 간략화에 따른 납기단축, 생산성 향상 등 경제적 측면에서 이점이 있을 뿐만 아니라, 열처리시 로의 운용에 따라 발생하게 되는 CO2 저감 효과를 기대할 수 있는 친환경적 강재이다. 개발초기 비조질강은 조질강 대비 상대적으로 인성이 열위하였기 때문에 인성이 크게 요구되지 않는 부품에 한하여 적용되어 왔다. 그러나 최근에는 환경이슈 및 원가절감에 대한 수요가의 요구가 증가하면서 비조질강의 인성 향상에 대한 요구가 높아지고 있다. 뿐만 아니라 부품의 최종 형상 확보를 위해 절삭가공이 행해지는 경우가 많아 절삭성도 동시에 요구된다. 절삭성 향상을 위해 일반적으로는 S첨가에 의해 다량의 MnS를 생성시키게 되며 이로 인해 제품 인성이 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명의 일 측면은 기존 조질강 대비 열위한 인성을 극복하고, 고S 및 고N 첨가를 통해 추가의 열처리 없이도 절삭성 및 충격인성을 동시에 확보할 수 있는 비조질 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께는 30㎛ 이하이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 압연 방향에 직각 단면인 C 단면에서의 상기 페라이트의 평균 입경이 20㎛ 이하이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 하기 관계식 1을 만족한다.
[관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 하기 관계식 2를 만족한다.
[관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 하기 관계식 3을 만족한다.
[관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 하기 관계식 4를 만족한다.
[관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 하기 관계식 5를 만족한다.
[관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
(상기 식에서, Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%)을 의미한다)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 비조질 선재는 인장강도는 700MPa 이상일 수 있으며 항복강도는 350~500MPa 일 수 있다. 또한 항복비(항복강도/인장강도)값은 0.45~0.65 범위일 수 있으며, 상온에서의 충격인성값은 60J/cm2이상, 인장강도와 충격인성 값의 곱은 45000 MPa·J/cm2 이상이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법은, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 950 ~ 1100℃ 온도 범위에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강편을 750 내지 850℃에서 마무리 압연하여 선재를 제조하는 단계; 및 상기 선재를 권취 후 냉각하는 단계;를 포함하고,
상기 권취 후 냉각단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제1 냉각단계; 상기 제1 냉각 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제2 냉각단계; 및 상기 제2 냉각 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 냉각하는 제3 냉각단계;를 포함하고, 상기 선재의 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하이다.
본 발명의 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재는 Al이 N와 결합하여 AlN 질화물을 형성하며, 이러한 질화물은 가열중 입계 성장을 억제, 펄라이트 층의 두께 및 페라이트의 입도를 미세화하여 충격인성을 향상시킨다. 또한 절삭성을 향상시키기 위해 Mn/S의 비를 제어하여 MnS 크기를 미세하게 함으로써 충격인성 저하를 최소화하면서도 절삭성을 확보한다. 따라서 열처리를 생략하더라도 절삭성 및 충격 인성이 동시에 요구되는 자동차용 소재 또는 기계 부품용 소재 등에 적용이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재는 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께는 30㎛ 이하이다.
본 명세서가 실시예들의 모든 요소들을 설명하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 일반적인 내용 또는 실시예들 간에 중복되는 내용은 생략한다. 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. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명자들은 절삭성 및 충격인성을 확보할 수 있는 선재를 제공하기 위하여 다양한 각도에서 검토하였으며, 그 결과, 선재의 합금조성 및 미세조직을 적절히 제어함으로써 별도의 열처리 없이도 절삭성 및 충격인성을 확보할 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재는 C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 선재압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하를 만족한다. 본 발명의 실시예에서의 합금성분 원소 함량의 수치 한정 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 언급이 없는 한 단위는 중량%이다.
C의 함량은 0.3~0.5%이다.
C는 선재의 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. 전술한 효과를 나타내기 위해서는 C를 0.3% 이상 포함하는 것이 바람직하다. 다만, 그 함량이 과다할 경우, 인성 및 절삭성이 열화될 수 있으므로, C의 함량의 상한을 0.5%로 제한하는 것이 바람직하다.
Si의 함량은 0.4~0.9%이다.
Si은 탈산제로서 유용한 원소이면서 강도를 향상시키는 역할을 하는 원소이다. Si의 함량이 0.4% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, 0.9%를 초과할 경우, 고용강화에 의해 강의 변형 저항이 급증하여 냉간가공성이 열화될 수 있으므로, Si의 함량의 상한을 0.9%로 제한하는 것이 바람직하다.
Mn의 함량은 0.5~1.2%이다.
Mn은 탈산제 및 탈황제로서 유용한 원소이다. Mn의 함량이 0.5% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, Mn의 함량이 1.2%를 초과할 경우 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하여, 냉간가공성이 열화될 수 있으므로, Mn의 함량의 상한을 1.2%로 제한하는 것이 바람직하다.
P의 함량은 0.02% 이하이다.
P은 불가피하게 함유되는 불순물로써, 결정립계에 편석되어 강의 인성을 저하시키고, 지연 파괴 저항성을 감소시키는데 주요 원인이 되는 원소이다. 따라서, 본 발명에서는 그 함량을 가능한 한 낮게 제어하는 것이 바람직하다. 이론상 P의 함량은 0%로 제어하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없으므로, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 P 함량의 상한을 0.02%로 관리한다.
S의 함량은 0.01~0.05%이다.
S는 결정립계에 편석되어 강의 연성을 크게 저하시키고, 강 중 유화물을 형성하여 지연 파괴 저항성 및 응력 이완 특성을 열화시키는데 주요 원인이 되는 원소로 제조공정 중 불가피하게 함유되는 불순물이다. 그러나 본 발명에서처럼 절삭성을 향상시키기 위해 S를 적극 활용을 하기도 한다. S는 Mn과 결합하여 MnS를 형성하여 절삭성을 향상시키는데 본 발명에서는 강의 인성을 크게 저하시키지 않는 범위 내에서 절삭성 향상에 유효한 S의 함량을 고려하여 0.01%~0.05% 범위로 관리한다.
Sol.Al의 함량은 0.015~0.05%이다.
sol.Al는 탈산제로서 유용하게 작용하는 원소이다. 전술한 효과를 나타내기 위해서 sol.Al는 0.015% 이상 포함될 수 있다. 다만, Al의 함량이 0.05%를 초과할 경우에는 주조 공정시 생성되는 Al산화물에 의해 제조상 어려움이 발생할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 Al 함량의 상한을 0.05%로 제한하는 것이 바람직하다.
Cr의 함량은 0.1~0.3% 이하이다.
Cr은 열간압연시 페라이트 및 펄라이트 변태를 촉진시키는 역할을 하는 원소이다. 또한, 강 자체의 강도를 필요 이상으로 높이지 않으면서도, 강 중 탄화물을 석출시켜 고용 탄소량을 저감시키고, 고용 탄소에 의한 동적 변형 시효의 감소에 기여한다. Cr의 함량이 0.1% 미만일 경우, 전술한 효과를 나타낼 수 없고, 0.3%를 초과할 경우에는 강 자체의 강도가 지나치게 높아져 강의 변형 저항이 급증하며, 이로 인해 냉간가공성이 열화될 수 있다. 이에 Cr함량의 상한을 0.3%로 제한하는 것이 바람직하다.
N의 함량은 0.007~0.02%이다.
N는 Al과 함께 질화물을 형성하여 입도를 미세하게 함으로써 충격인성 향상의 효과를 구현하기 위한 필수 원소이다. N의 함량이 0.007% 미만일 경우, 충분한 질화물 확보가 어려워 AlN 석출물 생성량이 감소하여 본 발명에서 목표로 하는 인성을 확보할 수 없고, N의 함량이 0.02%를 초과할 경우에는 질화물로 존재하지 않는 고용 질소가 증가하여 선재의 인성 및 연성이 저하될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 N의 함량의 상한을 0.02%로 제한하는 것이 바람직하다.
합금조성 외 잔부는 Fe이다. 본 발명의 비조질 선재는 통상 강의 공업적 생산 과정에서 포함될 수 있는 기타의 불순물을 포함할 수 있다. 이러한 불순물들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 누구라도 알 수 있는 내용이므로 본 발명에서 특별히 그 종류와 함량을 제한하지는 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 선재는 미세조직으로 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 선재압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하일 수 있다. 펄라이트의 두께가 30㎛를 초과하여 조대한 펄라이트 밴드가 형성되면, 페라이트/펄라이트간 총계면은 감소하게 되고 충격 에너지를 분산시키기 못하여 균열의 전파가 용이해지게 되고 충격인성은 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 선재는 압연 방향에 직각 단면인 C 단면에서의 상기 페라이트의 평균 입경이 20㎛ 이하일 수 있다. 페라이트의 입경을 미세하게 제어함으로써 충격인성을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 선재는 관계식 1~5를 만족할 수 있다. 관계식 1~4에서 [Al], [N], [C], [S], [Mn] 및 [Si]은 각각은 해당 원소의 함량(중량%)을 의미한다.
[관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70 (절삭성)
관계식 1은 절삭성과 관련된 수식이다. 본 발명은 고S 및 Mn첨가로 인해 MnS가 형성된다. MnS는 연신 개재물로서 압연방향으로 길게 늘어진 형태와 방향성을 갖고, 본 발명에 따른 비조질 선재의 절삭성을 크게 향상시킨다. 다만, MnS는 충격시 크랙의 개시점 및 전파경로로 작용하여 충격 인성을 열위하게 하는 작용을 하게 된다. Mn/S의 비가 20 미만일 경우 절삭성은 만족할 수 있으나 충격인성이 저하될 수 있고, 70을 초과할 경우, 절삭성이 충분하지 않을 수 있다. 이에, 본 발명에서는 Mn/S의 비를 20 내지 70로 제한할 수 있다.
[관계식 2] 1.4 ≤ [Al]/[N] ≤ 7 (충격인성)
관계식 2는 인성과 관련된 수식이다. 본 발명은 고N 및 Al의 첨가로 인해 AlN이 형성된다. 강 중 미세한 AlN의 석출은 결정립을 미세화하여 본 발명에 따른 비조질 선재의 충격인성을 향상시킨다. 전술한 효과를 발현시키기 위해서는 50nm이하의 AlN 석출물을 최대한 많이 생성시키는 것이 유리하고, 이를 위해서는 Al/N의 비를 1.4 내지 7로 제어하는 것이 바람직하다. Al/N의 비가 1.4 미만일 경우 충분한 AlN 석출물이 생성될 수 없고, 7을 초과할 경우에는, 조대한 AlN 석출물이 형성되어 오히려 충격인성이 열위해질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 Al/N의 비를 1.4 내지 7로 제한하며, 바람직하게는 1.9 내지 5.0일 수 있고, 더욱 바람직하게는 3.5 내지 5.0일 수 있다.
[관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4 (충격인성)
관계식 3은 충격인성과 관련된 수식이다. Mn과 Cr은 펄라이트의 층간 간격을 미세화하여 인성을 향상시키는 효과가 있다. 이러한 효과가 충분히 나타나기 위해서는 Mn과 Cr의 합은 0.7 이상이 되어야 하나, 1.4를 초과할 경우 펄라이트 분율이 증가하여 강도 등이 과도하게 증가하게 되고 충격인성을 악화시킨다. 따라서 본 발명에서는 Mn, Cr의 합을 0.7 내지 1.4로 제한하며, 바람직하게는 0.8 내지 1.3일 수 있고, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 1.3일 수 있다.
[관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7 (충격인성)
관계식 4는 충격인성과 관련된 수식이다. C/Mn 비가 0.2 미만이면 마르텐사이트나 베이나이트 등의 인성이 낮은 경조직이 생성되기 쉬우며 이는 충격인성을 열화시킬 수 있다. 반대로 0.7을 초과할 경우 라멜라 간격이 넓은 펄라이트의 양이 많아져 충격인성을 열화시킨다. 따라서 C/Mn의 값을 0.2 내지 0.7 범위로 제한하며, 바람직하게는 0.3 내지 0.6일 수 있고, 더욱 바람직하게는 0.4 내지 0.5일 수 있다.
[관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3 (냉간가공성)
Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함량(at%)을 의미한다.
관계식 5는 냉간가공성과 관련된 수식으로, 펄라이트 중의 Mn분배비를 나타낸다. 펄라이트 중의 Mn분배비는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%)을 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn함유량(at%)으로 나눈 값이다. 본 발명에서는 펄라이트 중의 Mn분배비를 0 내지 3로 제한한다. 발명자들은 수 많은 실험을 통해 펄라이트 중의 Mn분배비가 3 이하를 만족할 경우, 냉간가공성이 향상되는 것을 확인하고 본 발명을 제안하기에 이르렀다. Mn은 펄라이트 중에서 시멘타이트에 편석하는 경향이 강한 원소이므로 통상적인 펄라이트는 Mn분배비가 5 이상이다. 이러한 Mn분배비를 3 이하로 제어하기 위해서는 Mn이 펄라이트 중의 시멘타이트로 확산되는 것을 억제하여야 하며, 이는 펄라이트 중의 Mn분배비는 후술할 본 발명에 따른 온도 구간별로 냉각속도를 다르게 적용하는 권취 후 냉각공정에 의해 달성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 강재는 인장강도가 700MPa 이상일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 강재는 항복강도가 350 ~ 500MPa일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 강재는 항복비가 0.45 ~ 0.65일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 강재는 충격인성이 60J/cm2 이상일 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 강재는 인장강도와 충격인성이 곱이 45000 MPa·J/cm2 이상일 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 비조질 선재의 제조방법에 대하여 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법은 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 950 ~ 1100℃ 온도 범위에서 재가열하는 단계; 상기 재가열된 강편을 750 내지 850℃에서 마무리 압연하여 선재를 제조하는 단계; 및 상기 선재를 권취 후 냉각하는 단계;를 포함하고, 상기 권취 후 냉각단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제1 냉각단계; 상기 제1 냉각 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제2 냉각단계; 및
상기 제2 냉각 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 냉 각하는 제3 냉각단계;를 포함하고,
상기 선재의 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압연 방향에 직각 단면인 C 단면에서의 상기 페라이트의 평균 입경이 20㎛ 이하일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 관계식 1을 만족할 수 있다.
[관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 관계식 2를 만족할 수 있다.
[관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 관계식 3을 만족할 수 있다.
[관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 관계식 4를 만족할 수 있다.
[관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하기 관계식 5를 만족할 수 있다.
[관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
이하 각 제조단계에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 전술한 성분계를 만족하는 블룸(Bloom)을 가열한 후, 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻는다.
재가열 단계
재가열 단계는 압연된 빌렛을 재가열하는 단계로, 선재 압연시 압연부하를 낮추기 위한 단계이다. 이때, 재가열은 950~1100℃의 온도에서 수행될 수 있다. 강편 재가열 온도가 950℃ 미만일 경우에는 압연부하가 증가하여 제조상 어려움이 있을 수 있고, 반면 1,100℃를 초과하는 경우에는 강편에 생성된 AlN이 가열 중 재고용되므로 AlN에 의한 입도 미세화 효과가 현저하게 줄어든다.
선재 압연 단계
선재 압연 단계에서는 재가열된 강편을 열간압연하여 선재로 제조한다. 이때, 열간압연의 마무리 압연온도는 750~850℃일 수 있다. 마무리 압연온도가 750℃ 미만일 경우 압연부하가 증가할 수 있고, 850℃를 초과하는 경우에는 결정립이 조대해져 본 발명에서 목표로 하는 고인성을 확보하기 어려울 수 있다.
권취 단계
상기에 따라 제조된 선재를 코일 형상으로 권취하는 공정을 행할 수 있으며, 이때 권취온도는 750~850℃일 수 있다. 상기 마무리 압연하여 얻은 선재는 변태발열에 의해 온도가 상승할 수 있으므로, 권취 직전 선재의 온도가 마무리 압연을 행한 온도보다 높아질 수 있다. 이때, 그 발열에 의해 상승한 온도에 따라 상기 권취 온도까지 냉각을 행한 후 권취를 행하거나, 별도의 냉각 없이 권취를 행할 수 있다. 상기 권취시 온도가 750℃ 미만이면 냉각시 발생한 표층부 마르텐사이트가 복열에 의해 회복되지 못하고, 소려 마르텐사이트가 생성되어 신선가공시 표면 결함을 유발할 가능성이 높아지는 문제가 있다. 반면, 그 온도가 850℃를 초과하게 되면 선재 표면에 두꺼운 스케일이 형성되어 탈스케일시 표면 결함이 발생하기 쉬울 뿐만 아니라, 후속 냉각시 냉각 시간이 과도해져 생산성이 저하될 우려가 있다.
냉각 단계
냉각 단계에서는 마무리 압연된 선재를 권취한 후 냉각하여 본 발명에 따른 비조질 선재를 얻는 단계로, 전술한 펄라이트 중 시멘타이트와 페라이트 내에 포함된 Mn분배비 제어를 위한 공정이다. 펄라이트 중 시멘타이트의 Mn분배비를 3이하로 제어하기 위해서는 냉각 공정시 Mn의 확산을 최대한 억제해야 한다. Mn의 시멘타이트로의 확산을 최대한 억제하기 위해서는 온도 구간별로 냉각 속도를 다르게 적용하는 것이 유효하다.
제1 냉각 단계(CR1): 마무리 압연온도 ~ 권취온도
제1 냉각 단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 제1 냉각 단계의 온도 구간은 Mn의 확산이 매우 빠르게 일어나는 영역으로 5℃/s 미만의 냉각 속도에서는 Mn의 확산에 의해 Mn분배비가 3을 초과할 가능성이 크고, 100℃/s 초과하는 냉각 속도는 상업적으로 적용하기 어려운 한계가 있다. 따라서, 제1 냉각단계는 5 내지 100℃/s 의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제2 냉각 단계(CR2): 권취온도 ~ 700℃
제2 냉각 단계는 제1 냉각 공정 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 수행될 수 있다. 2℃/s 미만의 냉각 속도에서는 Mn의 확산에 의해 Mn분배비가 3을 초과할 수 있고, 5℃/s를 초과하는 냉각 속도에서는 냉각 불균일에 의해 혼립 등의 재질 불균일이 발생할 수 있다. 따라서, 제2 냉각 단계는 2 내지 5℃/s의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
제3 냉각 구간(CR3): 700 ~ 450℃
제3 냉각 단계는 제2 냉각 공정 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 수행될 수 있다. 0.1℃/s 미만의 냉각 속도에서는 펄라이트 라멜라 간격이 조대해져 본 발명에서 목표로 하는 강도를 확보하는 것이 어렵고, 2℃/s 초과의 냉각 속도에서는 냉각 중에 베이나이트(Bainite) 저온조직이 생성될 수 있다. 따라서, 제3 냉각 단계는 0.1 내지 2℃/s의 냉각 속도로 수행하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실시예의 기재는 본 발명의 실시를 예시하기 위한 것일 뿐 이러한 실시예의 기재에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의하여 결정되는 것이기 때문이다.
실시예
하기 표 1과 같은 합금조성을 갖는 블룸(bloom)을 1,200℃에서 4시간 동안 가열한 후, 1,100℃의 마무리 압연 온도로 강편 압연하여 빌렛(billet)을 얻었다. 이후, 빌렛을 1,100℃에서 90분 동안 가열한 후, 마무리 압연온도 800℃에서 Ψ 25mm 롤을 이용하여 열간압연하여 선재를 제조하였다. 이어서, CR1-CR2-CR3의 온도 구간별 3단계 냉각 공정을 적용하여 실시예 1 내지 7, 비교예 1 내지 13의 선재 시편를 제조하였다. 이후, 냉각된 선재 시편의 미세조직 및 페라이트/시멘타이트의 Mn 분배비를 하기 표 2에 나타내었고, 인장 및 충격인성 특성을 측정하여 하기 표 3에 나타내었다.
여기서, 상온 인장강도는 25℃에서 비조질강 시편의 중심부에서 채취하여 측정하였으며, 상온 충격인성은 25℃에서 U노치(U-notch 규격 샘플 기준, 10x10x55mm)를 갖는 시편을 샤르피 충격 시험을 행하여 얻은 샤르피 충격 에너지 값으로 평가하였다.
또한 절삭성 평가를 위해 직경 26mm의 선재를 감면율 14.8%를 적용하여 24mm 직경의 CD-Bar(Cold Drawn Bar)로 제조하였다. 절삭성은 CNC선반을 이용하여 평가 하였으며 직경 24mm의 CD-Bar가 직경 15mm가 될 때까지 선삭 가공을 한 후 선삭칩의 분절성을 평가하였다. 이때 절삭 가공 조건은 100mm/min의 절삭속도, 0.1mm/rev의 이송속도, 1.0mm의 절삭 깊이의 조건에서 절삭유를 사용하여 실시하였다. 절삭칩의 분절성은 선삭시 생성된 절삭칩의 권수(捲數)를 기준으로 판단하였으며 절삭칩이 5권 이하로 생성될 경우를 양호, 5권 초과 10권 이하로 생성될 경우를 보통, 10권 초과를 불량으로 판정하여 표 3에 나타내었다.
또한, 펄라이트 층의 평균 두께는, 선재 직경의 1/4지점에서 200배 배율로 30개소를 촬영 한 후 산술평균을 구하였으며, 페라이트의 평균 입경은 원상당 직경(equivalent circular diameter)에 해당하는 값을 의미한다.
구분 화학성분 (wt.%) 관계식
C Si Mn P S Al Cr N 식(1) 식(2) 식(3) 식(4)
발명강1 0.44 0.84 1.12 0.0185 0.025 0.050 0.21 0.0196 44.3 2.5 1.3 0.4
발명강2 0.35 0.90 0.75 0.0067 0.021 0.044 0.26 0.0132 35.2 3.3 1.0 0.5
발명강3 0.34 0.62 0.87 0.0052 0.017 0.043 0.12 0.0129 51.8 3.3 1.0 0.4
발명강4 0.41 0.66 0.89 0.0001 0.015 0.040 0.17 0.0165 61.0 2.4 1.1 0.5
발명강5 0.45 0.90 1.05 0.0175 0.027 0.040 0.13 0.0109 38.7 3.7 1.2 0.4
발명강6 0.30 0.90 1.08 0.0195 0.046 0.038 0.10 0.0140 23.4 2.7 1.2 0.3
발명강7 0.48 0.59 0.75 0.0151 0.025 0.019 0.24 0.0095 30.2 1.9 1.0 0.6
비교강1 0.21 0.61 0.64 0.0127 0.015 0.049 0.18 0.019 41.6 2.6 0.8 0.3
비교강2 0.49 1.20 1.00 0.0117 0.049 0.037 0.22 0.011 20.4 3.3 1.2 0.5
비교강3 0.39 0.74 1.22 0.0171 0.045 0.044 0.15 0.019 26.9 2.4 1.4 0.3
비교강4 0.36 0.66 0.53 0.0140 0.009 0.040 0.23 0.010 57.0 4.1 0.8 0.7
비교강5 0.34 0.76 0.86 0.0045 0.020 0.028 0.24 0.005 43.2 5.6 1.1 0.4
비교강6 0.32 0.40 0.71 0.0106 0.041 0.021 0.18 0.014 17.4 1.6 0.9 0.5
비교강7 0.49 0.70 0.86 0.0013 0.026 0.022 0.17 0.017 33.6 1.3 1.0 0.6
비교강8 0.47 0.41 1.17 0.0027 0.019 0.037 0.30 0.009 60.9 3.9 1.5 0.4
비교강9 0.47 0.45 0.55 0.0048 0.011 0.016 0.30 0.010 50.5 1.7 0.9 0.9
구분 강종 가열온도(℃) 냉각속도(℃/s) 펄라이트두께 (um) 페라이트평균 크기(um) 시멘타이트/펄라이트Mn 분배비(식(5))
CR1 CR2 CR3
실시예1 발명강1 1090 20 2.5 0.5 20 15 1.5
실시예2 발명강2 1090 20 3.0 1.0 14 16 1.0
실시예3 발명강3 1090 10 4.0 1.5 12 12 1.1
실시예4 발명강4 1090 10 4.0 0.2 15 17 2.5
실시예5 발명강5 1090 15 2.5 0.5 14 16 2.0
실시예6 발명강6 1090 10 3.0 1.0 13 17 2.5
실시예7 발명강7 1090 30 4.5 1.5 13 15 0.9
비교예1 비교강1 1090 30 2.5 0.5 20 13 1.4
비교예2 비교강2 1090 20 3.0 1.0 15 12 1.7
비교예3 비교강3 1090 40 2.5 1.0 14 16 2.5
비교예4 비교강4 1090 20 3.0 1.5 16 12 2.4
비교예5 비교강5 1090 30 3.0 1.5 14 23 0.5
비교예6 비교강6 1090 20 4.0 0.5 16 14 2.7
비교예7 비교강7 1090 20 3.5 1.5 25 15 2.3
비교예8 비교강8 1090 10 2.5 1.0 26 18 2.7
비교예9 비교강9 1090 20 3.0 1.0 17 19 2.5
비교예10 발명강1 1090 20 0.5 1.0 32 15 4.3
비교예11 발명강2 1090 10 20.0 10.0 15 14 1.8
비교예12 발명강3 1090 0.1 3.0 1.0 35 22 5.0
비교예13 발명강3 1150 20 3.0 1.0 27 23 1.7
강종 인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 항복비 충격인성(J/cm2) 인장강도 x 충격인성(MPa·J/cm2) 칩분절성
실시예1 발명강1 891 465 0.52 61 54371 양호
실시예2 발명강2 768 419 0.55 70 53771 양호
실시예3 발명강3 761 425 0.56 71 53896 양호
실시예4 발명강4 836 431 0.52 63 52282 양호
실시예5 발명강5 891 480 0.54 61 54599 양호
실시예6 발명강6 717 403 0.56 75 53567 양호
실시예7 발명강7 848 472 0.56 65 55212 양호
비교예1 비교강1 611 333 0.55 86 52405 양호
비교예2 비교강2 833 457 0.55 40 33330 양호
비교예3 비교강3 806 417 0.52 55 44331 양호
비교예4 비교강4 748 402 0.54 58 43383 양호
비교예5 비교강5 766 421 0.55 59 45184 양호
비교예6 비교강6 642 356 0.56 84 53876 불량
비교예7 비교강7 882 479 0.54 58 51182 양호
비교예8 비교강8 899 511 0.57 61 55270 양호
비교예9 비교강9 827 457 0.55 58 47952 양호
비교예10 발명강1 891 496 0.56 57 50722 양호
비교예11 발명강2 901 412 0.46 35 31535 양호
비교예12 발명강3 695 395 0.57 58 40310 양호
비교예13 발명강3 761 407 0.54 50 38060 양호
구체적으로, 실시예 1 내지 7은 본 발명에서 제시한 화학성분 및 관계식, 제조조건을 모두 만족하고 있어, 700MPa 이상의 인장강도, 60J 이상의 상온 충격인성, 그리고 45000 MPa·J/cm2 이상의 인장강도x충격인성의 값 및 절삭성을 모두 만족시키고 있다. 반면 화학성분을 벗어난 비교예 1 내지 5는 적어도 한 개 이상의 값을 만족 시키지 못하고 있다. 비교예 6 내지 9는 비록 본 발명이 제시한 화학성분 범위는 만족하고 있지만 관계식의 값이 범위에서 벗어나고 있어 목표로 하는 물성치를 만족시키지 못하였다. 그리고 제조조건 중 가열온도, 냉각 조건을 만족시키지 못한 비교예 10 내지 13의 경우에도 인장강도 및 충격인성을 동시에 목표치로 만족시키지 못하였다.
본 발명에 따르면 추가의 열처리 없이도 절삭성 및 충격인성을 동시에 확보할 수 있는 비조질 선재를 제공할 수 있으므로, 산업상 이용가능성이 인정된다.

Claims (20)

  1. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  2. 제 1항에 있어서,
    압연 방향에 직각 단면인 C 단면에서의 상기 페라이트의 평균 입경이 20㎛ 이하인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  3. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 1을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
    [관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
  4. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 2를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
    [관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
  5. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 3을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
    [관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4
  6. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 4를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
    [관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7
  7. 제 1항에 있어서,
    하기 관계식 5를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
    [관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
    (Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%)을 의미함)
  8. 제 1항에 있어서,
    인장강도가 700MPa 이상인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  9. 제 1항에 있어서,
    항복강도가 350 ~ 500MPa인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  10. 제 1항에 있어서,
    항복비가 0.45 ~ 0.65인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  11. 제 1항에 있어서,
    상온 충격인성이 60J/cm2 이상인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  12. 제 1항에 있어서,
    인장강도와 상온 충격인성이 곱이 45000 MPa·J/cm2 이상인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재.
  13. 중량%로, C: 0.3~0.5%, Si: 0.4~0.9%, Mn: 0.5~1.2%, P: 0.02% 이하, S: 0.01~0.05%, sol.Al: 0.015~0.05%, Cr: 0.1%~0.3%, N: 0.007%~0.02%, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 950 ~ 1100℃ 온도 범위에서 재가열하는 단계;
    상기 재가열된 강편을 750 내지 850℃에서 마무리 압연하여 선재를 제조하는 단계; 및
    상기 선재를 권취 후 냉각하는 단계;를 포함하고,
    상기 권취 후 냉각단계는 마무리 압연온도에서 권취온도까지 5 내지 100℃/s 의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제1 냉각단계;
    상기 제1 냉각 후 권취온도에서 700℃까지 2 내지 5℃/s의 평균 냉각 속도로 냉각하는 제2 냉각단계; 및
    상기 제2 냉각 후 700℃에서 450℃까지 평균 냉각 속도 0.1 내지 2℃/s로 냉각하는 제3 냉각단계;를 포함하고,
    상기 선재의 미세조직은 페라이트와 펄라이트를 포함하고, 압연 방향에 평행 단면인 L 단면에서의 상기 펄라이트 층의 평균 두께가 30㎛ 이하인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    압연 방향에 직각 단면인 C 단면에서의 상기 페라이트의 평균 입경이 20㎛ 이하인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    하기 관계식 1을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 1] 20 ≤ Mn/S ≤ 70
  16. 제 13항에 있어서,
    하기 관계식 2를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 2] 1.4 ≤ Al/N ≤ 7
  17. 제 13항에 있어서,
    하기 관계식 3을 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 3] 0.7 ≤ Mn + Cr ≤ 1.4
  18. 제 13항에 있어서,
    하기 관계식 4를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 4] 0.2 ≤ C/Mn ≤ 0.7
  19. 제 13항에 있어서,
    하기 관계식 5를 만족하는 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
    [관계식 5] 0 ≤ Mnc/Mnf ≤ 3
    (Mnc는 펄라이트 중의 시멘타이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%), Mnf는 펄라이트 중의 페라이트에 포함되는 평균 Mn 함유량(at%)을 의미함)
  20. 제 13항에 있어서, 상기 권취온도는 750 내지 850℃인 절삭성 및 충격인성이 향상된 비조질 선재의 제조방법.
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