KR20090071164A - 노치 인성이 우수한 내지연파괴 고강도 볼트 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강구조 체결 및 자동차 부품용 등으로 사용되는 볼트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 그 조성이 중량%로, 탄소 0.35-0.55%; 실리콘 0.05-2.0%; 망간 0.1-0.8%; 인 0.015%이하(0% 불포함); 황 0.01%이하(0% 불포함); 산소 0.005% 이하(0% 불포함); 보론 0.001-0.004%; 티타늄 0.01-0.1%; 크롬 0.3-1.5%; Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5%, Nb 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상; 및 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 이루어지며, 페라이트의 면적율이 3-10%인 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합조직 또는 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직을 가지며, 상기 템퍼드 마르텐사이트 조직 내에서 구상화 열처리로 인해 발생되는 구형 석출물들의 면적분율이 10%이하인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트를 제공한다.

볼트, 노치인성, 내지연파괴

Description

노치 인성이 우수한 내지연파괴 고강도 볼트 및 그 제조 방법{HIGH-STRENGTH STEEL BOLT HAVING EXCELLENT RESISTANCE FOR DELAYED FRACTURE AND NOTCH TOUGHNESS METHOD FOR PRODUCING THE SAME}

본 발명은 강구조 체결 및 자동차 부품용 등으로 사용되는 볼트 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고강도이면서, 노치 인성이 우수하고, 지연파괴 저항성이 우수한 복합조직 또는 단상 조직을 갖는 볼트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근의 건축물 구조는 철큰-콘크리트 구조에서 안전성이 우수한 강 구조물로 바뀌어가고 있는 추세이다. 이들 강 구조물의 안전성 확보에 있어서 중요한 것 중의 하나가 부재 접합기술이다. 부재를 접합하는 방법에는 용접 접합 방법과 볼트에 의한 체결 방법이 있는데, 이 중 볼트 체결은 용접 접합에 비해 숙련된 기술을 요구하지 않으며, 취약한 용접부를 대체하여 강구조물의 안전성을 높일 수 있다는 이점이 있다.

한편, 볼트 체결을 이용한 강 구조물 건축에 있어서, 건축 공기를 단축하고, 건축물의 안정성을 향상시키기 위해서는 체결 볼트수를 감소시키고, 볼트 체결력을 증가시키며, 접합부 면적을 감소시킬 수 있는 고강도의 볼트가 사용될 필요가 있다. 볼트의 강도는 조성 및 소입, 소려 열처리 공정에 의해 결정된다. 다만, 볼트의 체결력 등을 고려할 때, 제조되는 볼트는 고강도인 것이 바람직하지만, 원소재인 선재 상태에서는 볼트 성형을 용이하게 하기 위해 되도록 낮은 강도를 나타내어야 한다. 따라서, 고강도 볼트 소재인 경우, 냉간 단조성을 높이기 위해 구상화 열처리를 사용하여 강도를 80kg/mm² 이하로 낮추게 된다. 이때 Fe₃C 뿐만 아니라 Cr계 탄화물도 같이 구상화되는데, 이후 열처리 시에 충분한 온도로 가열해 주지 않으면 상기 탄화물과 모재 사이의 경계면에서 균열이 시작되어 소재의 인성을 저하시키는 원인이 될 수 있다.

또한, 볼트가 고강도화되면, 볼트의 내식성, 내지연파괴 저항성 및 인성이 저하된다는 새로운 문제점이 발생한다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하고, 보다 효율적으로 강 구조물을 건설하기 위해서는 고강도이면서도, 내지연파괴 물성과 인성이 우수한 강구조 체결용 볼트의 개발이 요구된다.

일반적으로 종래의 볼트는 선재 상태에서 저온 어닐링을 거쳐 사이징(sizing) 목적의 신선을 수행한 후 구상화 열처리, 볼트 성형, 소입(quenching), 소려(tempering) 공정을 거쳐 제조되었으며, 이러한 과정을 거쳐 제조된 볼트 강은 최종적으로 템퍼드 마르텐사이트(Tempered Martensite)의 단상 조직을 갖는다.

템퍼드 마르텐사이트 조직을 갖는 강재의 취화 또는 인성을 저하시키는 주요 원인으로는 수소의 침입에 의한 취화 현상과 구상화 열처리 공정시 발생한 Fe, Cr 탄화물에 의한 인성저하를 들 수 있다. 강 내 침입한 수소는 입계의 강도를 열화시키는 것으로 알려져 있으며 Fe, Cr 탄화물은 인성을 저하시키는 것으로 알려져 있다. 따라서, 기존의 템퍼드 마르텐사이트조직을 갖는 고강도 볼트용 강에 사용하기 위해서는 지연파괴 저항성을 향상시키기 위한 작업이 필요하다.

지연파괴 저항성의 개선은 강재의 부식 억제, 수소 침입량 최소화, 지연파괴에 기여하는 확산성 수소 억제, 한계확산성 수소농도가 큰 강재사용, 인장응력 최소화, 응력집중 완화, 또는 오스테나이트 입계 크기 미세화 등을 통해 이루어질 수 있다. 현재 이를 달성하기 위한 수단으로 고합금화를 추구하거나, 외부 수소침입방지를 위한 표면코팅 또는 도금을 부여하는 방법을 주로 사용하고 있는 실정이다.

일본 특허공개공보 제2003-321743호에는 지연파괴 저항성이 우수한 고강도 볼트강의 제조 방법에 관한 것으로, 중량 %로 C≤0.35%, Si≤0.50%, Mn: 0.1~2.0%, Mo: 0.05~0.6%, 그리고 Nb≤0.08%, V≤0.15%, W≤1.5%의 1종 또는 2종 이상, Cu, Ni, Cr, B의 일종 또는 2종 이상 및 나머지 Fe 및 불순물을 함유하며, C≤(C/12)/{(Ti/48)+(Mo/96)+(Nb/93)+(V/51)+(W/192)}≤5를 만족하는 템퍼드 마르텐 사이트 단상 조직강이 기재되어 있다. 그러나 상기 일본 특허공개공보 제2003-321743호의 방법으로 내지연파괴 물성을 얻기 위해서는 고가의 원소를 다량 첨가하여야 하며, 템퍼링 온도도 높아 실제 공정에 적용하기에는 어려움이 있다.

한편, 일본 특허공개공보 평7-173531에는 중량%로 0.05-0.3%C, 0.05-2.0% Si, 0.3-5.0% Mn, 1.0-3.0% Cr, 0.01-0.5% Nb, 0.01-0.06% Al의 화학 조성을 갖는 강을 열간성형한 후 초석 페라이트가 석출되지 않는 임계냉각속도 이상으로 연속냉각하여 베이나이트+마르텐사이트 이상복합조직강을 제조하는 방법이 기재되어 있다. 그러나 이 역시 열처리 공정이 많아 실제 공정에 적용하기에는 어려움이 있다.

한국공개특허 제2000-0033852호에는 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트 복합조직강을 기본 조직으로 하여 중량%로 0.4-0.6%의 C, 2.0-4.0%의 Si, 0.2-0.8%의 Mn, 0.25-0.8%의 Cr, P≤0.01%, S≤0.01%, 0.005-0.01%의 N, O≤0.005를 함유하며, 여기에 V 0.05-0.2%, Nb 0.05-0.2%, Ni 0.3-2.0%, B 0.001-0.003%, Mo 0.01-0.5%, Ti, Cu, Co로 이루어진 그룹 중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유한 고강도 볼트 제조 방법이 기재되어 있다. 그러나 상기 발명의 경우, 낮은 소입 온도로 인해 구상화 탄화물이 볼트 내에 남아있어 노치 인성을 저하시킨다는 문제점 있다.

따라서, 본 발명은 소재의 인성을 저하시킬수 있는 Fe, Cr계 탄화물을 제어하여 볼트의 노치 인성을 향상시키고, 고강도에서도 우수한 지연파괴 저항성을 갖는 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직 또는 페라이트가 10% 미만의 면적분율로 균일하게 분포하는 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직을 갖는 볼트강 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 연구를 거듭한 결과, 본 발명의 발명자들은 특정 범위의 조성을 갖는 강을 특정 조건 하에서 소입 및 소려함으로써 노치 인성이 우수한 고강도 볼트를 제조할 수 있음을 알아내었다. 또한, 소입 및 소려 공정 사이에 특정 조건 하에서의 가열 및 급냉 단계를 추가함으로써, 페라이트 면적분율이 10%이하이고, 페라이트의 분포가 균일하여 우수한 지연 파괴저항성을 갖는 복합 조직 고강도 볼트 강을 제조할 수 있음을 알아내었다.

본 발명은 일 견지에서, 그 조성이 중량%로,

탄소 0.35-0.55%, 실리콘 0.05-2.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 0.015%이하(0% 불포함), 황 0.01%이하(0% 불포함), 산소 0.005% 이하(0% 불포함), 보론 0.001-0.004%, 티타늄 0.01-0.1%, 크롬 0.3-1.5%을 함유하며, 여기에 Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5%, Nb 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상 및 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 이루어지며,

페라이트의 면적율이 3-10%인 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합조직 또는 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직을 가지며,

상기 템퍼드 마르텐사이트 조직 내에서 구상화 열처리로 인해 발생되는 구형 석출물들의 면적분율이 10%이하인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트를 제공한다.

이때 상기 볼트는 인장 강도가 130kg/mm² 이상인 고강도 볼트이다.

또한, 본 발명은 구상화 열처리 단계, 볼트 성형 단계, 소입(quenching) 단계, 소려(tempering) 단계를 포함하여 이루어지는 볼트 제조 방법에 있어서, 상기 소입 단계의 열처리 온도는 880℃ 내지 920℃이고, 상기 소려 단계의 열처리 온도는 450℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트의 제조 방법을 제공한다.

한편, 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직보다 지연파괴 저항성이 우수한 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직강을 제조하고자 하는 경우에는, 상기 소입 단계 후 소려 단계 전에 Ae3-10 내지 Ae3-10의 온도로 열처리한 후 급냉하는 단계를 수행한다.

본 발명의 방법에 의해 제조된 볼트 강은 페라이트가 균일하게 분포하여 오스테나이트 입계에 수소가 치입하여 생기는 지연파괴 현상을 현저하게 줄일 수 있으며, 페라이트 분포에 따른 연한 조직의 특성상 균열 전파시 균열 선단의 브런팅(blunting) 효과로 인해 균열 전파속도를 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 구상화 공정 중 생성되는 Fe, Cr 탄화물의 용해 조건을 제시함으로서 볼트의 노치 인성을 확보할 수 있도록 하였다.

또한, 본 발명의 볼트 강을 자동차 부품으로 사용할 경우, 부품의 경량화에 기여하며, 부품 경량화에 따른 자동차 조립장치의 설계 다양화 및 컴팩트(compact)화가 가능하다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

먼저 본 발명의 볼트 강 조성을 설명한다.

본 발명의 볼트 강의 조성은 중량%로, 탄소 0.35-0.55%, 실리콘 0.05-2.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 0.015%이하(0% 불포함), 황 0.01%이하(0% 불포함), 산소 0.005% 이하(0% 불포함), 보론 0.001-0.004%, 티타늄 0.01-0.1%, 크롬 0.3-1.5%을 함유하고, 여기에 Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5%, Nb 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상 및 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 이루 어지는 것이 바람직하다.

탄소 0.35-0.55%

탄소의 함량을 0.35-0.55%로 제한한 이유는, 그 함량이 0.55%를 초과하는 경우에는 오스테나이트 입계에 필름 형태의 탄화물이 빈번하게 석출하여 수소지연파괴 저항성을 저하시키기 때문이며, 0.35% 미만에서는 소입, 소려 열처리에 의한 볼트 인장 강도가 충분히 확보되지 못하기 때문이다.

실리콘 0.05-2.0%

상기 실리콘(Si)의 함량을 0.05-2.0%로 한정하는 이유는 다음과 같다. Si 함량이 2.0%을 초과하면 볼트를 만들기 위한 냉간 단조 공정 중에 가공 경화 현상이 급격하게 일어나 가공성에 문제가 발생할 수 있으며, 0.05% 미만인 경우에는 충분한 강도를 확보하지 못하고, 세멘타이트의 구상화에도 악영향을 미친다.

망간 0.1-0.8%

망간(Mn)은 기지 조직내에 치환형 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로, 고장력 볼트 특성에 매우 유용한 원소로, 그 함량은 0.1-0.8%인 것이 바람직하다. 상기 망간의 함량이 0.8%를 초과할 경우에는 망간 편석에 의한 조직 불균질이 발생하여 볼트 특성이 악화된다. 강의 응고시 편석 기구에 따라 거시편석과 미시편석이 일어나기 쉬운데, 망간 편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편 석대를 조장하고, 이로 인해 발생하는 경화능 향상은 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주원인이 된다. 한편, 상기 망간이 0.1% 미만으로 첨가될 경우에는 고용강화에 의한 응력이완 개선 효과를 기대하기 어렵다.

즉 망간의 함량이 0.1% 미만인 경우에는 고용강화 효과 미흡으로 소입성 및 영구변형 저항성 개선이 미흡하고 0.8%를 초과하는 경우에는 주조시 망간 편석으로 인한 국부 소입성 증대 및 편석대 형성으로 조직 이방성 심화, 즉 조직 불균일이 발생하여 볼트 특성이 저하된다.

인 0.015%이하(0% 불포함)

상기 인은 결정립계에 편석되어 인성을 저하시키고 지연파괴 저항성을 감소시키는 주요 원인이므로, 적게 포함될수록 바람직하나, 0.015% 이하로 포함될 경우에는 그 영향이 미미하므로, 본 발명에서는 경제성을 고려하여 그 상한을 0.015%로 제한하는 것이 바람직하다.

황 0.01%이하(0% 불포함)

상기 황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴 저항성 및 응력이완 특성에 유해한 영향을 미치므로 적게 포함될수록 바람직하나, 0.01% 이하로 포함될 경우에는 그 영향이 미미하므로, 본 발명에서는 경제성을 고려하여 상한을 0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.

산소 0.005% 이하(0% 불포함)

산소(O)의 함량은 0.005% 이하로 한정한다. 그 함량이 0.005% 이상에서는 산화물계 비급속 개재물로 인한 피로수명 저하가 우려되기 때문이다.

보론 0.001-0.004%,

보론(B)은 소입성 및 지연파괴 저항성 개선을 위해 첨가하는 입계 강화원소로, 그 함량은 0.001%-0.009% 정도인 것이 바람직하다. 보론의 함량이 0.001% 미만인 경우에는 열처리시 보론원자들이 입계편석에 따른 입계 강도 개선효과나 소입성 개선효과가 미흡하며, 0.009%를 초과하면 더 이상의 효과 증대가 없고, 입계에 보론 질화물이 석출하여 입계 강도가 저하되기 때문이다. 소입성만을 위해 첨가할 때는 0.005% 이하로 첨가한다.

티타늄 0.01-0.1% ,

티타늄의 함량은 0.01-0.1%인 것이 바람직하다. 그 함량이 0.01% 미만인 경우에는 부식저항성에 대한 개선효과가 미흡하고 보론의 소입성 향상을 위해 보론 질화물을 생성을 막는 티타늄 질화물 생성이 어려우며, 0.1%를 초과하면 효과가 포화되고 조대한 티타늄계 질화물이 형성하여 피로특성에 유해하기 때문이다.

크롬 0.3-1.5%

크롬(Cr)은 그 자체만으로는 소입성 향상 효과가 미미하지만 보론과 함께 넣 어줄 경우, 그 효과가 매우 증가하는 것으로 알려져 있다. 본 발명에서 크롬의 함량은 0.3-1.5%인 것이 바람직하다. 그 함량이 0.3% 미만인 경우에는 소입, 소려 열처리시 충분한 소입성 확보가 어렵고, 1.5%를 초과하여 첨가할 경우에는 강재 내에 필름 형태의 탄화물을 생성하며, 이러한 필름형태의 탄화물은 오스테나이트 입계에 존재하게 되면 수소지연파괴 저항성을 저하시키는 것으로 알려져 있기 때문이다.

Mo 0.1-1.5% ,

상기 몰리브덴(Mo) 함량은 0.1-1.5%로 한정한다. 그 이유는 0.1% 미만에서는 템퍼링시에 세멘타이트가 입실론 카바이드에서 천이하여 성장할 때 세멘타이트 성장을 억제하여 연화저항성을 향상시키거나 지연파괴 저항성 향상을 위한 탄화물 생성에도 미흡하고, 1.5% 이상 첨가할 경우에는 연화저항성 증가에는 매우 효과적이나 선재 제조시 저온조직(마르텐사이트, 베이나이트)이 생성되기 쉽기 때문이다.

Ni 0.01-0.5% ,

상기 니켈(Ni)은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)을 억제하여 지연파괴 저항성을 개선하는 원소로, 그 함량은 0.01 -0.5%인 것이 바람직하다. 그 함량이 0.1% 미만인 경우에는 표면 농화층 형성이 불완전하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 냉간볼트 가공시 냉간성형성의 개선효과가 없고, 0.5%를 넘게 되면 잔류 오스테나이트 양이 증가하여 충격 인성이 저하될 우려가 있다.

Nb 0.01-0.5%

니오븀(Nb)은 강 중 탄소와 결합하여 NbC계 탄화물을 만든다. 이러한 탄화물들은 고온영역에서 오스테나이트 입계를 고정시키는 역할을 하여 구 오스테나이트 grain 크기를 제한하는 역할하게 된다. 구 오스테나이트 grain 크기는 강의 인성, 강도 및 지연파괴 저항성에도 영향을 주게되는데 본 특허에서는 지연파괴 저항성을 향상시키기 위해 니오븀을 이용하였다. 강의 지연파괴 저항성에 큰 영향을 주는 원소로 P, S 를 들 수 있으며 이 원소들이 구 오스테나이트 입계로 편석이 심화되면 입계 강도를 저하시켜 지연파괴 저항성을 저하시키게 된다. 니오븀 탄화물이 존재하게 되면 강의 구 오스테나이트 크기가 작아지게 되며 이로 인해 입계 면적이 증가하여 단위 면적당 P, S 편석이 떨어지는 효과가 있다. Nb 함량이 0.01% 이하이면 이러한 탄화물 석출에 미비하여 구 오스테나이트 크기를 제한하기 어렵고 0.5 % 이상이 되면 탄화물이 지나치게 성장하게 오스테나이트 입계를 고정시키지 못해 구 오스테나이트 크기가 성장하게 된다.

V 0.05-0.5%

상기 바나듐(V)은 지연파괴 저항성 및 연화저항성 개선원소로, 그 함량은 0.05-0.5%인 것이 바람직하다. 바나듐의 함량이 0.05% 미만인 경우에는 모재 내 바나듐 또는 니오븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트로의 역할이 미흡하여 지연파괴 저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강 화를 기대하기 어려워 연화저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하며, 함량이 0.5%를 초과하면 석출물들에 의한 지연파괴 저항성 및 연화저항성에 대한 개선효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하기 때문에 피로특성의 저하를 초래한다.

다음으로 본 발명의 강 조직을 살펴본다.

본 발명은 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직 또는 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합 조직을 갖는다.

이때 상기 템퍼드 마르텐사이트 내의 Fe, Cr 탄화물의 면적 분율은 10%이하이고, 직경은 2㎛ 정도로 유지한다. 본 발명과 같이 Fe, Cr 탄화물의 면적 분율을 10%이하로 유지할 경우, 볼트 제조 후에 상기 탄화물로부터 생성되는 크랙(crack) 생성을 억제할 수 있게 되고, 그 결과 볼트의 노치 인성이 향상된다.

본 발명에서는 상기 템퍼드 마르텐사이트 내의 Fe, Cr 탄화물의 면적 분율을 10%이하로 유지하기 위해, 소입 온도를 880℃ 내지 920℃로 올려 소입 단계에서 상기 탄화물들이 용해될 수 있도록 하였다. 이에 관한 자세한 내용은 후술할 제조 방법에서 설명하기로 한다.

한편, 본 발명의 볼트 강이 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합 조직을 갖는 경우, 상기 페라이트 분율은 10% 이하, 바람직하게는 3-10% 정도인 것이 바람직하다. 페라이트는 수소지연파괴 저항성을 향상시키는 중요한 역할을 하는데, 충 분한 수소지연파괴 저항성 향상 효과를 얻기 위해서는 페라이트 분율이 10% 이하이고, 페라이트가 균일하게 분포되어야 한다. 페라이트 분율이 10%를 초과하면 충분한 인장 강도를 확보하기 어렵고, 페라이트 상 또한 균일하게 분포하지 않을 수 있다.

본 발명에서는 10% 면적 분율 이하의 균일하게 분포된 페라이트 상을 포함하는 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직강을 제조하기 위해, 소입 단계와 소려 단계 사이에서 Ae3-10 내지 Ae3-10의 온도에서 열처리한 후 급냉하는 단계를 추가적으로 수행한다. 이에 관한 자세한 내용은 후술하기로 한다.

이하, 상기와 같은 조성을 갖는 강을 이용하여 볼트용 강을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 고강도 볼트 강이 우수한 노치 인성 및 지연 파괴 저항성을 가지기 위해서는, i) 상기 구상화 열처리 단계에서 생성되는 Fe,Cr 탄화물의 면적분율이 10% 이하로 유지되어야 하고, 강의 조직이 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직인 경우에 ii) 페라이트 상의 면적 분율이 10% 이하이고, ii) 페라이트 상이 템퍼드 마르텐사이트 조직 내에 균일하게 분포하여야 한다.

상기와 같은 볼트 강을 제조하기 위해, 본 발명은 구상화 열처리 단계, 볼트 성형 단계, 소입(quenching) 단계, 소려(tempering) 단계를 포함하여 이루어지는 볼트 제조 방법에 있어서, 상기 소입 단계의 열처리 온도는 880℃ 내지 920℃이고, 상기 소려 단계의 열처리 온도는 450℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트의 제조 방법을 제공한다.

일반적으로 종래의 볼트 강 제조에서 소입(quenching) 온도는 870℃ 정도인데, 870℃에서 소입할 경우, 구상화 단계에서 생성된 Fe, Cr계 석출물들이 용해되지 않고, 알갱이 모양의 석출물을 형성하게 된다. 이러한 석출물들이 형성된 강의 경우, 일반 인장 시험에서는 뚜렷한 기계적 특성 차이가 나타나지 않지만, 이를 이용해 나사산과 같은 볼트 제품을 제작하면, 석출물이 없는 강을 이용한 경우에 비해 노치 인성이 현저하게 낮게 나타난다.

따라서 본 발명에서는 소입 온도를 880℃ 내지 920℃로 상승시켜, 구상화 단계에서 생성된 Fe, Cr 탄화물이 소입 단계에서 대부분 용해되도록 하였다. Fe, Cr 탄화물 상은 대부분 Ae3+80℃ 이상에서 용해되므로, 상기와 같은 소입 온도에서 열처리하면, Fe, Cr 탄화물 상이 용해되어 볼트 강 내의 Fe, Cr 탄화물 상의 면적 분율을 10% 이하로 유지할 수 있다.

다음으로 소입 공정이 끝나면 소려(tempering) 공정이 실시되는데, 본 발명에서 소려 열처리 온도는 450℃ 내지 550℃ 정도인 것이 바람직하다. 보론을 첨가힌 강의 경우, 430℃이하에서는 열처리하면 소려 취성이 생길 수 있고, 오스테나이트 입계에 필름 형상의 탄화물 석출을 막기 위해서는 가능한 한 높은 온도에서 소 려하는 것이 바람직하다. 그러나 소려 온도가 너무 높으면 충분한 볼트 인장 강도를 확보하는 것이 곤란하므로 본 발명의 조성 조건에서는 450℃~500℃ 사이 온도에서 소려하는 것이 바람직하다.

한편, 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직이 아닌 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직을 갖는 강을 제조하고자 하는 경우에는 소입 단계 후 소려 단계 전에 Ae3-10 내지 Ae3-10의 온도에서 열처리한 후 급냉하는 단계를 추가적으로 수행한다. 이때 상기 페라이트 상의 면적 분율이 10% 이하이고, 페라이트 상이 템퍼드 마르텐사이트 조직 내에 균일하게 분포하도록 하는 것이 바람직하다.

균일한 페라이트 상이 포함될 경우, 수소 지연 파괴 저항성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 균일한 페라이트 상을 얻기 위해서는 오스테나이트와 페라이트+오스테나이트 이상역 구간의 경계에서 열처리를 하는 것이 가장 효과적이다. 따라서, 본 발명에서는 소입 단계 후 소려 단계 전에 Ae3-10 내지 Ae3-10의 온도에서 열처리한 후 급냉하는 단계를 추가함으로써, 페라이트 상이 균일하게 분포하는 페라이트-템퍼드 마르텐사이트 복합 조직강을 얻을 수 있도록 하였다.

이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 예시에 불과한 것으로, 본 발명이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예

표 1과 같은 성분조성을 갖는 강들을 준비하였다. 이때, 발명재는 본 발명의 성분 범위를 만족하는 것이고, 비교재는 본 발명의 성분에 벗어난 현재 F10T급으로 쓰이고 있는 JIS 규격 SCM435 강재이다.

[표 1]

	C	Si	Mn	Cr	Mo	V	Al	Ti	B	Cu
발명재	0.404	0.204	0.701	1.2	0.297	0.098	0.032	0.02	0.0022	-
상용재	0.345	0.2	0.5	0.8	0.22	-	0.03	-	-	-

준비된 강들을 시료로 하여 50kg, 잉고트 주조한 후 1200℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 13mm로 열간압연 하였다. 이때 마무리 온도는 950℃ 이상으로 하여 열간압연 후 공냉하였으며, 압연비는 80% 이상으로 하였다. 상기와 같이 압연된 소재들로부터 기계적 성질(인장 및 연신율) 특성을 평가하기 위한 시편들을 압연재의 압연방향에서 채취하였다.

그런 다음 제조된 발명예 및 상용재의 강재들을 A1 Temperature 이상에서 수시간 가열 후 노냉 열처리를 한 후, 20~30hr 정도의 구상화 열처리를 수행하였다.

구상화 공정 이후에 Q/T(quenching/tempering) 열처리 조건이 강의 물성에 미치는 영향을 조사하기 위해, 표 2에 기재된 바와 같은 조건 하에서, 소입 공정 및 소려 공정을 실시하였다.

[표 2]

	소입(quenching)			소려 (tenpering)
	온도	시간	냉각	온도	시간
실시예 1	870	30	유냉	480	90
실시예 2	880	30	유냉	500	90
실시예 3	900	30	유냉	500	90

실험예 1 - 소입 온도에 따른 경도 변화

Q/T(Quenching/Tempering) 열처리 조건에 따른 강의 인성에 미치는 Fe, Cr 탄화물의 영향을 조사하기 위해 소입 온도에 따른 강재의 경도 분포를 조사하였다. 그 결과는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에 의해, 800 내지 900℃ 사이에서는 소입 온도에 따른 경도 변화가 크지 않음을 알 수 있다.

실험예 2 - 인장 강도 및 연신율 측정

실시예 1 내지 실시예 3의 강재의 인장 강도 및 연신율을 측정하였다. 인장강도와 열처리는 일반적인 ASTM sub size를 사용하여 KS B 0802 규격에 따라 진행하였다.

측정 결과는 표 3에 기재하였다. [표 3]에서 보는 바와 같이, 일반 인장시험을 하였을 경우에 소입(Quenching) 온도에 상관없이 일정한 인장 강도와 연신율 값이 나타남을 알 수 있다.

[표 3]

	실시예 1			실시예 2			실시예 2
인장강도 (kg/mm2)	135.2	132.2	135.7	135.9	137.2	138.0	121.1	131.4	130.2
연신율 (%)	6.9	6.9	6.2	5.9	6.5	5.9	6.2	6.7	6.3

실험예 3 - 노치 인성 측정

도 2 및 도 3는 각각 동일 조건에서 소입, 소려 처리한 실시예 1 및 상용재 의 미세조직을 보여주는 사진이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 870℃로 소입 열처리한 실시예 1에서는 알갱이 모양의 석출물들이 관찰된다. 그러나 870℃로 소입 열처리한 상용재에서는 이러한 석출물이 관찰되지 않음을 알 수 있다.

석출물들이 형성된 강재를 이용하여 볼트를 제조할 경우에 노치 인성이 감소하는지 여부를 알아보기 위해, 상기 실시예 1 및 상용재를 냉간 단조한 후, 볼트로 제작하여, 인장강도를 측정하였다. 시편 홀더를 볼트를 고정할 수 있는 홀더로 제작하여 KS 규격에 따라 시행하였다.

측정 결과는 표 4에 나타내었다. 표 4에 기재된 바와 같이, 석출물들이 관찰된 실시예 1의 강재로 제작된 볼트의 경우 석출물이 관찰되지 않은 상용재로 제작한 볼트에 비해 연신율이 현저히 떨어짐을 알 수 있다. 이는 노치 발생 시에 석출물들이 crack의 기점부위가 되어 크랙을 전파시키기 때문인 것으로 판단된다.

한편, 상기 실시예 1의 파단면 관찰 결과(도 4), 파단 초기에는 연성파괴 형태를, 파단이 진행함에 따라 뚜렷한 벽개파괴 형태를 띄고 있음을 알 수 있었다.

[표 4]

실험예 4

소입 온도에 따른 볼트의 인장 특성을 알아보기 위해, 실시예 1 및 실시예 3의 미세 조직을 비교하였다. 도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1에는 석출물 알갱이가 관찰되는 반면, 실시예 3에서는 석출물 알갱이가 관찰되지 않음을 알 수 있다. 이는 실시예 3의 경우, 소입 단계에서 Fe, Cr계 알갱이가 용해되었음을 보여주는 것이다.

다음으로 상기 실시예 1 및 실시예 3의 강재를 볼트로 제작한 후, 인장 강도를 측정하였다.

측정 결과는 도 5에 도시되어 있다. 도 5에 의해 실시예 1의 강재로 제조된 볼트에 비해 실시예 3의 강재로 제조된 볼트의 인장 특성이 우수함을 알 수 있다.

도 1은 소입 온도에 따른 강재의 경도 분포를 나타낸 그래프이다.

도 2는 실시예 1의 미세조직을 보여주는 사진이다.

도 3은 상용재의 미세 조직을 보여주는 사진이다.

도 4는 실시예 1의 파단면 관찰 결과를 보여주는 사진이다.

도 5는 실시예 1과 실시예 3의 미세 조직 및 볼트 인장 강도를 비교하기 위한 도면이다.

Claims (5)

1. 그 조성이 중량%로,

   탄소 0.35-0.55%; 실리콘 0.05-2.0%; 망간 0.1-0.8%; 인 0.015%이하(0% 불포함); 황 0.01%이하(0% 불포함); 산소 0.005% 이하(0% 불포함); 보론 0.001-0.004%; 티타늄 0.01-0.1%; 크롬 0.3-1.5%; Mo 0.1-1.5%, Ni 0.01-0.5%, Nb 0.01-0.5% 및 V 0.05-0.5%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상; 및 나머지 Fe 및 기타 불순물을 포함하여 이루어지며,

   페라이트의 면적율이 3-10%인 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합조직 또는 템퍼드 마르텐사이트 단상 조직을 가지며,

   상기 템퍼드 마르텐사이트 조직 내에서 구상화 열처리로 인해 발생되는 구형 석출물들의 면적분율이 10%이하인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고강도 볼트의 인장 강도가 130kg/mm² 이상인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 구형 석출물은 Cr, Fe계 탄질화물로서, 그 직경이 0.5 ~ 3um의 범위 내인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트.
4. 구상화 열처리 단계, 볼트 성형 단계, 소입(quenching) 단계, 소려(tempering) 단계를 포함하여 이루어지는 볼트 제조 방법에 있어서,

   상기 소입 단계의 열처리 온도는 880℃ 내지 920℃이고,

   상기 소려 단계의 열처리 온도는 450℃ 내지 550℃인 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트의 제조 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 소입 단계 후 소려 단계 전에 Ae3-10 내지 Ae3-10의 온도로 열처리한 후 급냉하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 노치 인성이 우수한 고강도 볼트의 제조 방법.

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