KR100368552B1 - 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강의 제조방법에 관한 것으로서, 특히 자동차 및 산업기계의 부품중 열간단조 공정을 통해 제조하는 부품의 소재로 사용되는 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 중량 %로, C: 0.20∼0.40%, Si: 0.10∼0.60%, Mn: 0.70∼2.0%, Cr: 0.25∼1.0, Ni: 0.1∼0.5, V: 0.05∼0.20%, N: 0.0050∼0.020, P: 0.030%이하, S: 0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 봉상으로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1100~1300℃로 재가열 후 열간에서 단조를 실시하며, 열간단조 후에는 자연방냉 혹은 강제공냉시키는 것을 특징으로 한다.

Description

재질편차가 적은 열간단조용 비조질강 및 그 제조방법{omitted}

본 발명은 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 자동차 및 산업기계의 부품중 열간단조 공정을 통해 제조하는 부품의 소재로 사용되는 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 고강도의 자동차 및 산업기계 부품들은 도 1에서 보여주는 바와 같이 압연상태의 소재를 1200∼1250℃ 정도의 고온으로 재가열하고, 가열상태에서 최종부품 형상으로 열간 단조를 한 후 냉각시킨다. 이 후에, 소입소려 열처리를 실시하여 요구되는 강도 및 인성을 확보한다. 상술한 공정중 소입소려 열처리는 단조품을 850℃ 정도로 가열한 후 수냉 혹은 유냉시켜 재질을 경화시키는 소입(Quenching)공정과 이를 다시 600℃ 정도로 가열한 후 냉각시켜 경화된 강에 인성을 부여하는 소려(Tempering)공정으로 구분된다. 이와 같은 공정을 통하여 가공되는 종래의 열간단조용강의 소재로는 통상 하기 표 1과 같이 S45C, S50C와 같은 기계구조용 탄소강을 사용하며, 소입소려처리를 끝낸 최종 제품상태에서의 미세조직은 템퍼드 마르텐사이트(Temperod martensite)이다.

[표 1]

그러나, 70년대 중반부터 유럽 및 일본을 중심으로 소입소려 열처리를 생략하여 원가절감을 획기적으로 꾀할 수 있는 열간단조용 비조질강이 개발되어 실제로 사용되고 있으며 수요는 계속 증가하고 있는 추세이다. 아래에 공지된 열간단조용 비조질강의 특성을 상세히 설명한다.

대표적인 예로써 일본에서 개발한 비조질강은 탄소함량 0.40∼0.55%의 중탄소강에 석출물 형성원소인 바나듐(V)을 0.10% 함유하고 있는 강들로써 이 강들은 열간단조상태에서 강종에 따라 인장강도 78∼93kg/mm²정도를 가진다. 이러한 강을 기존 열처리강의 대체용으로 사용하고자 하는 경우, 이들 강을 열간단조 후에 냉각하는 과정에서 각각의 단조품들의 냉각속도가 균일하도록 특별한 냉각설비를 갖추어야 한다. 만일 이러한 냉각설비 없이 부위별 두께가 일정하지 않은 단조품을 냉각하는 경우, 부품별로 기계적 성질이 다를 수 있고, 또 하나의 부품 내에서 위치에 따라 기계적성질이 달라질 수 있다. 왜냐하면 단조후 냉각시 냉각속도가 달라지면 최종 미세조직 및 석출상태가 달라짐으로써 기계적 성질이 달라지기 때문이다.

지금까지 국내외에 개발된 비조질강들은 모두 이와같은 문제점들을 안고 있기 때문에 앞에서 언급한 바와 같이 특별한 냉각설비를 설치하던가 아니면 제품별 혹은 위치별 제질편차가 어느정도 발생하여도 사용에 지장이 없는 까다롭지 않은 용도에만 사용할 수 밖에 없다는 한계점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 강종 성분을 적절히 조정함으로써 냉각속도 변화에 따른 기계적 성질 변화를 극소화시켜 특별한 균일 냉각설비를 설치하지 않고서도 재질편차가 거의 없는 자동차부품 혹은 산업기계부품을 제조할 수 있는 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 통상의 열간단조 부품의 제조 공정도;

도 2(a) 및 (b)는 본 발명강의 냉각속도에 따른 미세조직사진.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강은 중량%로, C: 0.20∼0.40%, Si: 0.10∼0.60%, Mn: 0.70∼2.0%, Cr: 0.25∼1.0, Ni: 0.1∼0.5, V: 0.05∼0.20%, N: 0.0050∼0.020, P: 0.030%이하, S: 0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성된다.

또한, 본 발명에 따르면, 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강의 제조방법은 상기 성분으로 조성된 강을 봉상으로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 1100∼1300℃로 재가열 후 열간에서 단조를 실시하며, 열간단조 후는 자연방냉 혹은 강제공냉시키는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 열간단조용 비조질강은 중량%로, C : 0.20∼0.40%, Si : 0.10∼0.60%, Mn : 0.70∼2.0%, Cr : 0.25∼1.0, Ni : 0.1∼0.5, V : 0.05∼0.20%, N : 0.0050∼0.020, P : 0.030%이하, S : 0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성된다.

이하, 본 발명에 있어서 첨가원소의 성분 범위 및 열간단조 조건의 한정 이유에 대하여 상세히 설명한다.

탄소(C)는 강의 강도증가에 필요한 원소이다. 탄소함량이 너무 낮은 경우에는 필요강도의 확보가 불가능하고 너무 높은 경우에는 필요한 충격치 확보가 불가능하므로 탄소 함량은 0.20∼0.40%로 제한하는 것이 바람직하다.

규소(Si)는 고용강화에 의한 강도 증가 효과를 얻기위해 0.60% 까지 첨가하나 그 이상 첨가되면 오히려 인성을 해치게 된다. 첨가량이 적으면 충분한 탈산 및 필요강도 확보가 곤란하므로 0.10%이상 첨가되는 것이 바람직 하다.

망간(Mn)은 소입성 증가 및 고용강화 효과에 의하여 강의 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. 그러나 2.0% 이상 첨가될 경우 인성을 감소시킨다. 따라서 인성을 크게 저하시키지 않고 필요강도를 얻기 위해서 망간의 함량은 0.70∼2.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 소입성을 증가시켜 빠른 냉강속도역에서 강의 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. 그러나 1.0%이상 첨가될 경우 소입성이 지나치게 증가되어 베이나이트(Bainite)가 아닌 마르텐사이트(Martensite)가 생성되어 강의 충격인성을 지나치게 떨어뜨릴 수가 있다. 첨가량이 적으면 필요한 소입성 확보가 곤란하므로0.25%이상 첨가하는 것이 바람직하다.

니켈(Ni)은 소입성 증가 및 고용 강화 효과에 의하여 강의 강도를 증가시키기 위해 첨가한다. 그러나 니켈은 고가의 원소이며 지나치게 많이 첨가되면 강도가 과도히 증가되므로 상한을 0.5%로 제한하는 것이 바람직하다. 첨가량이 0.1%미만이 되면 필요 강도 확보가 곤란하므로 니켈의 함량은 0.1∼0.5%로 한정하는 것이 바람직하다.

바나듐(V)은 냉각속도를 적절히 조정해 주면 냉각과정에서 미세한 질화물 및 탄질화물을 석출시켜 강의 경도를 효과적으로 높인다. 다량첨가시키는 경우 인성을 해치고 강의 가격이 비싸지고, 또 첨가량이 적으면 석출강화 효과가 미미하므로 첨가범위를 0.05∼0.20%로 한정하는 것이 바람직하다.

질소(N)는 바나듐 및/또는 결합하여 바나듐질화물 및/또는 바나듐탄질화물을 형성해서 강의 조직을 미세화시켜 강을 강화시킨다. 그러나, 다량 첨가되면 강이 취약하게 되므로 그 첨가범위를 0.0050∼0.020%로 한정하는 것이 바람직하다.

인(P)은 오스테나이트 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그 상한을 0.030%로 제한하는 것이 바람직하다.

황(S)은 편석이 잘되는 원소로써 강의 인성을 저하시키므로 첨가량을 0.030%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

되는 강을 봉상으로 열간압연하여 주조조직을 파괴한 후, 다시 재가열 후 열간에서 단조를 실시한다. 열간단조 후는 자연방냉 혹은 강제공냉시킨다.

또한, 본 발명에 따르면, 열간단조용 비조질강의 제조방법은 상술된 조성의강을 주조한 다음 재가열하고 봉상 형태로 열간압연을 한다. 이 과정에서 주조조직을 파괴하기 위해서 압하비는 클수록 좋다. 열간압연을 마친 소재는 다시 1100 ∼1300℃로 재가열하고 가열된 상태에서 다양한 형태의 부품으로 단조를 실시한다.

이때, 열간단조작업을 수행하기 위해 재가열하는 온도가 1300℃보다 높으면 오스테나이트 입자가 과도히 성장하게 되어 강의 인성을 떨어뜨리는 반면에 1100℃보다 낮으면 단조온도가 낮아지게 되어 다이스의 수명을 현저히 감소시킨다. 따라서 단조 전 재가열 온도는 1100∼1300℃가 적절하다.

그리고, 열간 단조시 단조온도는 오스테나이트 영역범위에서는 낮을수록 충격인성을 향상시키나 너무 낮으면 다이스 수명이 심하게 단축되므로 900∼1100℃범위가 바람직하다.

단조 후에는 대기중에서 자연 공냉시키거나 공기를 강제적으로 불어주는 형태의 강제 공냉을 시킨다. 강제공냉 정도의 빠른 냉각속도에서는 소입성 강화원소인 크롬과 니켈의 영향으로 강의 내부 조직은 베이나이트(Bainite)가 포함된 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)의 혼합조직으로 되고, 이 때는 주로 베이나이트 조직에 의해 강화가 이루어진다. 중량이 큰 단조품을 자연 공냉시키는 정도의 느린 냉각속도에서는 페라이트와 펄라이트의 혼합조직에 미세한 바나듐 탄질화물이 석출된 상태가 되며, 이 경우는 석출강화에 의해 강도가 증가된다.

지금까지 설명한 강화기구를 다시 요약하면, 냉각속도가 빠른 경우에는 저온 경(敬)조직인 베이나이트가 생성되어 강도가 증가하며 냉각속도가 느려지면 베이나이트 조직이 감소하는 반면 바나듐 탄질화물의 석출이 늘어나서 강도가 증가된다.따라서, 어느 정도의 냉각속도 범위에서는 냉각속도 변화에 상관없이 강도는 일정하게 유지된다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표 2의 성분과 같은 발명강과 비교강을 소형강괴(160mm ×160mm ×L)로 제작한 후 1200℃에서 2시간 가열 후 열간에서 압연하여 두께 60mm판으로 제조하였다. 이 후 단조공정을 모사하기 위하여 시편을 다시 1100℃로 재가열한 후 여러 가지 냉각속도 (1℃/분 ∼ 1000℃/분)로 상온까지 냉각시켰다.

[표 2]

상기와 같이 제조한 발명강 및 비교강에 대하여 미세조직을 관찰하고 기계적 성질을 조사하였다.

도 2(a)는 냉각속도 10℃/분으로 냉각하였을 때 조대한 페라이트와 펄라이트로 구성되어 있는 본 발명강의 미세조직이고, 도 2(b)는 냉각속도 100℃/분으로 냉각하였을 때 미세한 페라이트와 펄라이트 조직에 저온변태 조직인 베이나이트가 일부 혼재되어 있는 본 발명강의 미세조직이다.

하기의 표 3에 본 발명강과 비교강의 기계적 성질을 냉각속도별로 수록하였다.

[표 3]

비교강의 경우, 냉각속도가 증가할수록 경도도 비례적으로 증가함을 알 수 있다. 이는 냉각속도가 증가함에 따라 미세조직이 페라이트 + 펄라이트 --> 베이나이트 -->마르텐사이트로 순차적으로 변화되기 때문이다. 이와는 달리 본 발명강의 경우는 냉각속도가 증가함에 따라 전체적으로 경도는 증가하는 경향을 보이고 있지만, 냉각속도가 증가하여도 경도가 증가되지 않고 거의 일정한 경도값을 보이는 구간이 있다. 즉, 냉각속도 10℃/분에서 100℃/분 구간은 경도가 280∼290Hv 내외로 일정한 값을 나타내고 있다. 이는 10℃/분 근처의 냉각속도에서 페라이트+펄라이트 조직에 바나듐 탄질화물이 미세하게 석출되어 석출강화 효과를 나타내고 있고, 100℃/분 구간에서는 바나듐 탄질화물이 거의 석출되지 않은 반면에 경(硬)조직인 베이나이트 조직이 페라이트+펄라이트 조직에 일부 형성되어 강을 강화시키기 때문이다.

따라서 본 발명강을 사용하는 경우, 열간단조 후 10∼100℃/분 정도의 범위내에서 냉각속도를 어떻게 변화시켜도 균질한 기계적 성질을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 강종 성분을 적절히 조정함으로써 냉각속도 변화에 따른 기계적 성질 변화를 극소화시켜 특별한 균일 냉각설비를 설치하지 않고서도 재질편차가 거의없는 자동차부품 혹은 산업기계부품을 제조할 수 있는 열간단조용 비조질강을 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 중량%로, C : 0.20∼0.40%, Si : 0.10∼0.60%, Mn : 0.70∼2.0%, Cr : 0.25∼1.0%, Ni : 0.1∼0.5%, V : 0.05∼0.20%, N : 0.005∼0.020%, P : 0.030%이하, S : 0.030%이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되고,

   페라이트+펄라이트의 조직에 바나듐 탄질화물이 석출되어 있거나 또는 베이나이트 조직이 혼재되어 있는 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강.
2. 중량%로, C: 0.20∼0.40%, Si: 0.10∼0.60%, Mn: 0.70∼2.0%, Cr: 0.25∼1.0%, Ni: 0.1∼0.5%, V: 0.05∼0.20%, N: 0.005∼0.020%, P: 0.030%이하, S: 0.030% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로 조성되는 강을 봉상으로 열간압연하여 주조조직을 파괴하는 단계와,

   1100∼1300℃로 재가열된 가열상태에서 열간단조를 실시하는 단계와,

   열간단조 후에 10∼100℃/분의 냉각속도로 냉각시키는 단계로 이루어지고,

   페라이트+펄라이트의 조직에 바나듐 탄질화물이 석출되어 있거나 또는 베이나이트 조직이 혼재되어 있는 결정구조를 갖는 것을 특징으로 하는 재질편차가 적은 열간단조용 비조질강의 제조방법.