KR20240097619A

KR20240097619A - 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재, 스크류 부품 및 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR20240097619A
Application number: KR1020220179886A
Authority: KR
Inventors: 정병인; 박인규
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-06-27

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하는 빌렛을 제공하는 단계; 상기 빌렛을 900~1200℃의 온도로 가열하고, 800~1000℃의 온도에서 마무리 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 선재를 700~900℃에서 권취하여 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되도록 제어하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 0.2~1.0℃/s의 속도로 상온까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재, 스크류 부품 및 이들의 제조방법 {WIRE ROD FOR COLD FORGING WITH SUPERIOR HEAT TREATMENT PROPERTIES, SCREW PARTS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 ??칭 열처리만으로 열처리 물성이 우수한 부품을 제조할 수 있는 냉간단조용 선재, 스크류 부품 및 이들의 제조방법에 관한 것이다.

이종 소재로 제조된 자동차 부품의 기계적 접합 체결용으로 사용되는 플로우 드릴 스크류(Flow Drill Screw) 등과 같은 부품은 기계적 체결을 위한 드릴링 작업에서 발생되는 마모에 견디기 위해 530HV 이상의 높은 경도가 필요하다. 또한 강판과의 마찰이 과도하게 발생되는 경우에는 마찰에 따른 온도상승으로 경도가 저하되어 체결력이 저하되는 것을 방지하기 위해서는 530 HV 이상의 높은 경도가 필요하다. 이를 위해 종래에는 볼트용 소재 대비 탄소 함량을 높이고, 고비용의 항온열처리인 오스템퍼링 열처리를 통해 하부 베이나이트 조직을 가지도록 제조하는 방법이 고려되었으나, 경제성 저하의 문제점이 있어 사용상 제한이 되고 있는 실정이다.

한편, 냉간 단조는 단조 후의 부품의 표면 질감 및 치수 정밀도가 우수하고, 또한 냉간 단조에 의해 제조되는 부품은 열간 단조에 의해 제조되는 부품에 비해 제조 비용이 낮고, 수율도 양호하다. 그로 인해, 냉간 단조는 기어나 샤프트, 볼트 등의 자동차를 비롯한 각종 산업 기계나 건축 구조물용 부품의 제조에 널리 적용되어 있다.

일반적으로, 냉간단조 공정으로 제조되는 기계부품들은 선재 상태에서 열간압연을 수행한 후 구상화 열처리, 냉간단조 성형, 소입, 소려 등의 과정을 거쳐 최종제품으로 제조된다. 이러한 냉간단조 공정에서 기계부품의 물성은 열처리 시 선재의 물성, 열처리 조건 등에 커다란 영향을 받는다.

하나의 예시로, 냉간단조용 선재는 냉간단조 성형과정에서 발생할 수 있는 크랙을 방지하기 위해, 선재의 인성을 높이고 가공성을 향상시켜야 한다. 이와 같이 선재의 인성 및 가공성을 높이기 위해 구상화 열처리를 장시간 수행하는 방법이 이용되고 있다.

본 발명은 종래에 사용되던 오스템퍼링 열처리 대신에 ??칭 열처리만을 적용하여 드릴링 작업 시 부품의 마모 저감을 위한 530 HV 이상의 경도를 확보할 수 있는 열처리 물성이 우수한 고강도 냉간단조용 선재, 스크류 부품 및 이들의 제조방법을 제공한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하는 빌렛을 제공하는 단계; 상기 빌렛을 900~1200℃의 온도로 가열하고, 800~1000℃의 온도에서 마무리 열간압연하여 선재를 제조하는 단계; 상기 선재를 700~900℃에서 권취하여 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되도록 제어하는 단계; 및 상기 권취된 선재를 0.2~1.0℃/s의 속도로 상온까지 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법에서, 상기 제조된 선재의 미세조직은, 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법에서, 상기 제조된 선재의 인장강도는 700MPa 이하 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재는, 중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%를 포함하며, 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재는, 인장강도가 700MPa 이하 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%의 미세조직을 가지며, 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하인 선재를 600~800℃의 온도에서 1회의 구상화 열처리 하는 단계; 상기 구상화 열처리된 선재를 냉간단조를 하여 몸통부 직경이 4~6mm인 스크류 부품 형상을 만드는 단계; 상기 냉간단조 후 평균 오스테나이트 결정립 크기가 15㎛ 이하가 되도록 850~950℃의 온도에서 500~4,000초 동안 가열하는 단계; 및 상기 가열 후 20~90℃의 냉매에 ??칭하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품의 제조방법은, 상기 ??칭 단계에서, 50~200℃/s의 냉각속도로 ??칭 할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품의 제조방법은, 상기 ??칭 단계에서, 면적분율로 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 갖도록 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품의 제조방법은, 상기 ??칭 단계에서, 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하가 되도록 제어할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품은, 면적분율로 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품은, 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품은, 상온에서 530 HV 이상의 경도를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 냉간단조용 선재 및 스크류 부품, 및 이들의 제조방법은, 종래에 주로 사용되던 고비용의 오스템퍼링 열처리 대신에 ??칭 열처리만을 적용하여 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%로 구성되는 미세조직을 가지며, 특히 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하가 되도록 할 수 있고, 이에 따라, 530 HV 이상의 경도를 가지는 부품을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 실시된 ??칭 열처리한 경우의 상태변화 도이다.
도 2는 종래 기술에서 실시되는 통상적인 오스템퍼링 열처리한 경우의 상태변화도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술사상이 이하에서 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용하는 용어는 단지 특정한 예시를 설명하기 위하여 사용되는 것이다. 때문에 가령 단수의 표현은 문맥상 명백하게 단수여야만 하는 것이 아닌 한, 복수의 표현을 포함한다. 덧붙여, 본 출원에서 사용되는 "포함하다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 명확히 지칭하기 위하여 사용되는 것이지, 다른 특징들이나 단계, 기능, 구성요소 또는 이들을 조합한 것의 존재를 예비적으로 배제하고자 사용되는 것이 아님에 유의해야 한다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진 것으로 보아야 한다. 따라서, 본 명세서에서 명확하게 정의하지 않는 한, 특정 용어가 과도하게 이상적이거나 형식적인 의미로 해석되어서는 안 된다. 가령, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서의 "약", "실질적으로" 등은 언급한 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 발명은, 드릴링 시 마모 저감을 위한 경도 확보를 위해 종래에 주로 사용되던 고비용의 오스템퍼링 열처리 대신에 ??칭 열처리만을 적용하면서도 우수한 경도를 가지는 것을 특징으로 한다.

빌렛을 900~1200℃의 온도로 가열하고 800~1000℃의 온도에서 마무리 열간압연하여 선재를 제조하는 단계에서, 마무리 열간압연의 온도가 800℃ 미만일 경우 온도가 너무 낮게 되어 선재의 압연 시 형상 제어가 어려워지고, 표면 흠이 발생되기 쉽다. 1000℃를 초과하는 온도에서 압연을 수행하게 되면 오스테나이트의 결정립의 크기가 30㎛를 초과하여 조대해지고 이에 따라 ??칭 시 크랙이 발생 할 수 있다. 따라서, 본 발명이 목표하는 미세조직을 얻기 위해서는 마무리 열간 압연의 온도가 800℃이상, 1000℃이하에서 수행되는 것이 바람직하다.

선재를 권취하여 평균 오스테나이트 결정립 크기를 제어하는 단계에서, 권취 시 온도가 900℃를 초과하면 조대해진 오스테나이트 결정립으로 인해 후술하는 부품 제조를 위한 ??칭 시 크랙이 발생 할 수 있다. 권취 시 온도가 700℃미만일 경우, 선재의 표면 결함이 발생할 수 있다. 이에 따라 권취시 온도는 700℃ 내지 900℃가 바람직하다. 나아가, 상기 선재의 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되도록 제어하면, 후술하는 부품 제조를 위한 ??칭 열처리 시 크랙을 방지할 수 있다.

상기 냉각 하는 단계에서, 냉각속도는 0.2~1.0℃/s의 속도가 바람직하다. 냉각속도가 1.0℃/s를 초과하는경우, 페라이트 및 펄라이트 외의 마르텐사이트, 베이나이트 등의 조직이 포함되어 취성이 높아지므로 후속 가공 시 미세크랙이 발생할 수 있다. 냉각속도가 0.2℃/s미만인 경우, 냉각 속도가 너무 느리게 되고 이에 따라 냉각 시간의 지연으로 인해 생산성이 저하될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법에서, 상기 제조된 선재의 인장강도가 700MPa 이하가 되면 추가 구상화 열처리 없이 바로 신선가공이 가능하다. 종래의 부품용 소재는 2회의 구상화 열처리가 필요하였으나, 본 발명에 따른 선재는 구상화 열처리 한번으로 냉간단조가 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품의 제조방법은, 중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%의 미세조직을 가지며, 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하인 선재를 600~800℃의 온도에서 1회의 구상화 열처리 하는 단계; 상기 구상화 열처리된 선재를 냉간단조를 하여 몸통부 직경이 4~6mm인 스크류 부품 형상을 만드는 단계; 상기 냉간단조 후 평균 오스테나이트 결정립 크기가 15㎛ 이하가 되도록 850~950℃의 온도에서 500~4,000초 동안 가열하는 단계; 및 상기 가열 후 20~90℃의 냉매에 ??칭하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 냉간단조 후 평균 오스테나이트 결정립 크기가 15㎛ 이하가 되도록 850~950℃의 온도에서 500~4,000초 동안 가열하여 평균 오스테나이트 결정립 크기가 15㎛ 이하가 되도록 제어함으로써 ??칭 열처리 시 부품 내부에 크랙이 발생되지 않도록 할 수 있다.

또한, 상기 ??칭 단계에서, 냉각속도는 50 내지 200℃/s의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 냉각속도가 200℃/s를 초과할 경우 냉각속도가 너무 빠르게 되어 본 발명이 목표하는 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상의 미세조직을 얻을 수 없어 최종부품의 취성이 심해서 사용이 불가하고, 또한 내부 미세조직이 불균일하게 됨으로 인해 ??칭 시에 미세크랙이 발생할 수 있다. 냉각속도가 50℃/s 미만일 경우 냉각속도가 너무 느리게 되어 목표하는 미세조직을 얻을 수 없고, 마르텐사이트화 되는 능력인 소입능이 부족하여 목적하는 경도를 확보할 수 없다.

또한, 상기 ??칭 단계에서, 면적분율로 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 갖도록 제어하여 기존 부품보다 고경도를 가진 부품의 확보가 가능하다.

또한, 상기 ??칭 단계에서, 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하가 되도록 제어하여 ??칭에 따른 크랙 발생을 억제할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품은, 면적분율로, 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 스크류 부품은, 상온에서 530 HV 이상, 바람직하게는 530~600 HV의 경도를 가지는 것일 수 있다. 530 HV 이상의 경도를 가질 때 기계적 체결을 위한 드릴링 작업에서 발생되는 마모를 견딜 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예의 ??칭 열처리 공정의 모식도로서, 별도의 특정 미세조직 형성을 위한 오스템퍼링 열처리 없이 ??칭 열처리만을 진행하며, 냉매를 사용하여 ??칭하여 목적하는 미세조직을 갖도록 한다.

도 2는 기존 제품에서 실시되는 통상적인 오스템퍼링 열처리한 경우의 모식도로서, 오스템퍼링 열처리를 통해 하부 베이나이트 조직을 가지도록 제조되었으나, 이와 같은 오스템퍼링 열처리는 고비용의 항온열처리가 요구되어 경제성이 저하되는 문제가 있다.

이하, 각 합금원소의 성분범위를 한정한 이유에 대하여 설명한다. 이하에서는 특별한 기재가 없는 한 단위는 중량%이다.

C: 0.30~0.50%

탄소가 0.30% 미만의 함량에서는 충분한 소재 경도를 얻기가 쉽지 않고, 최종 열처리 시 충분한 소입성 확보가 용이하지 않다. 또한, 탄소 함량이 0.50% 를 초과하게 되면 소입성이 과도하여 템퍼링 생략 시 지연파괴를 유발할 수 있어 바람직하지 않다.

Si: 0.30~0.50%

실리콘은 강의 탈산을 위해서 유용할 뿐만 아니라, 고용 강화를 통해 강도 확보에도 효과적이지만 충격특성을 열위하게 하는 원소이다. 0.30% 미만의 함량에서는 강의 탈산 및 고용 강화를 통한 강도 확보가 충분치 않고, 0.50%를 초과하는 경우에는 고용강화에 의한 성형성 열위가 우려되기 때문에 바람직하지 않다.

Mn: 0.35~0.75%

Mn은 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유리한 합금원소이며 압연성을 증가시키고 취성을 감소시키는 역할을 한다. 0.35% 미만으로 첨가될 경우, 충분한 경도를 확보하기가 어려우며, 0.75%를 초과하여 첨가되면 열간압연 후 냉각시 경조직이 발생하기 쉽고 MnS 개재물이 다량으로 생성되어 냉간단조 시 내부크랙이 발생할 수 있어 제한할 필요가 있다.

Cr: 0.40~0.70%

Cr(크롬)은 Mn과 함께 경화능 향상에 유효하여 경도를 확보하는 원소로 0.40% 이상 첨가할 수 있다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 조대한 탄화물이 형성되는 문제가 있어 그 상한을 0.70%로 한정할 수 있다.

Mo: 0.01~0.30%

Mo(몰리브데늄)은 Cr(크롬)과 함께 경화능 향상에 유효하며 미세한 탄화물을 형성하여 경도를 확보하는 원소로서 0.01% 이상을 첨가하여 제조된 최종 부품이 530 HV 이상의 경도를 확보 할 수 있도록 한다. 다만 그 함량이 과도할 경우, 경화능이 과다하여 미세크랙이 발생하는 문제가 있어 그 상한을 0.30% 로 한정할 수 있다.

Ti: 0.010~0.050%

티타늄은 강중 내 유입되는 질소와 결합하여 티타늄 탄질화물을 형성하여, 보론이 질소와 결합하는 것을 방지한다. 티타늄의 함량이 0.010% 미만인 경우에는 제강공정 중 유입되는 질소를 티타늄 탄질화물로 형성하는데 충분하지 못하기 때문에 보론의 효과를 활용하기가 어렵고, 0.050%를 초과하는 경우에는 조대한 탄질화물이 형성되어 미세크랙 발생을 야기하여 바람직하지 않다. 발생지연파괴 저항성을 열위하게 만든다.

Al: 0.01~0.05%

Al은 제강 공정에서 탈산제로 많이 사용이 되며, N과 반응하여 형성된 AlN에 의한 오스테나이트 결정립의 미세화에 효과가 있다. 0.01% 미만으로 첨가될 경우, 질소 화합물의 수가 충분하지 않아 결정립 미세화 효과가 저하되며, 0.05%를 초과하여 첨가되면 알루미나와 같은 비금속개재물의 생성이 과다하여 강재 내 결함 발생이 심화되므로 제한할 필요가 있다.

B: 0.0010~0.0050%

보론은 경화능 향상 원소이다. 보론의 함량이 0.0010% 미만인 경우 경화능 향상 효과를 기대하기 어렵고, 0.0050%를 초과하는 경우에는 결정립계에 Fe₂₃(CB)₆ 탄화물을 형성시켜 오스테나이트 결정립계의 취성을 유발하여 바람직하지 않다.

N: 0.002~0.020%

질소는 Al과 반응하여 형성된 AlN에 의한 오스테나이트 결정립의 미세화에 효과가 있어, 고가 합금원소의 투입 대신에 많이 활용되는 원소이다. 0.002% 미만으로 첨가될 경우, 질소 화합물의 수가 부족하여 오스테나이트 결정립 미세화 효과가 저하되며, 0.020%를 초과하면, 냉간단조시 발생한 단조열에 의해 소재 내부에 전위의 이동과 증식을 일으키고 자유 질소가 전위에 고착하여 변형강도를 증가시켜 금형 수명이 저하된다.

그 외 성분

본 발명의 나머지 성분은 잔량의 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조 과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조 과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.

[실시예]

하기 표 1과 같은 성분 조성을 갖는 강재를 이용하여 실시예 및 비교예의 부품을 제조하였다.

구체적으로, 하기 표 1의 조성을 가지는 빌렛을 900~1200℃로 가열한 후 800~1000℃에서 마무리 선재압연을 Φ7mm 직경으로 실시한 후, 700~900℃ 권취하고 0.2~1.0℃/s의 냉각속도로 냉각하여 선재를 제조하고, 600~800℃ 사이의 1회의 구상화 열처리를 통해 인장강도를 낮추고 상온에서 냉간단조를 하여 몸통부 직경이 6mm인 스크류 부품 형상을 만들고, 850~950℃ 사이의 온도로 가열하고, 25℃의 냉매에 ??칭하며 50℃/s~200℃/s의 냉각속도로 상온까지 냉각하여 제조된 스크류 부품을 이용하여 실험하였다.

	C	Si	Mn	Cr	Mo	Ti	Al	B	N
실시예1	0.37	0.41	0.45	0.55	0.02	0.022	0.03	0.0022	0.004
실시예2	0.44	0.42	0.46	0.53	0.12	0.023	0.03	0.0020	0.004
실시예3	0.41	0.41	0.34	0.53	0.20	0.021	0.02	0.0021	0.004
실시예4	0.42	0.43	0.51	0.52	0.22	0.023	0.02	0.0019	0.004
실시예5	0.38	0.43	0.47	0.45	0.24	0.025	0.04	0.0023	0.004
실시예6	0.43	0.39	0.45	0.63	0.18	0.023	0.03	0.0020	0.004
실시예7	0.44	0.30	0.40	0.51	0.26	0.021	0.03	0.0022	0.004
실시예8	0.42	0.47	0.48	0.52	0.24	0.032	0.02	0.0028	0.004
비교예1	0.26	0.39	0.36	0.39	0.18	0.023	0.02	0.0024	0.004
비교예2	0.53	0.41	0.42	0.54	0.32	0.021	0.03	0.0022	0.004
비교예3	0.34	0.24	0.46	0.52	0.008	0.023	0.02	0.0020	0.004
비교예4	0.36	0.42	0.78	0.50	0.41	0.035	0.04	0.0026	0.004
비교예5	0.42	0.37	0.49	0.38	0.035	0.023	0.02	0.0022	0.004
비교예6	0.46	0.42	0.48	0.76	0.25	0.021	0.02	0.0019	0.004

또한, 하기 표 2 및 5에서 각각 선재 및 스크류 부품의 미세조직 분율은 이미지 분석기(Image analyzer) 를 이용하여 ASTM E 552 표준법으로 측정하였고, 강도는 인장시험기를 이용하여 ASTM E8M 표준법으로 인장강도를 측정하였다.

	페라이트 분율 (%)	펄라이트 분율(%)	강도 (MPa)
실시예1	51	49	644
실시예2	54	46	683
실시예3	57	43	681
실시예4	55	45	685
실시예5	53	47	668
실시예6	54	46	677
실시예7	53	47	686
실시예8	52	48	680
비교예1	61	39	621
비교예2	35	65	735
비교예3	55	45	632
비교예4	52	48	712
비교예5	48	52	652
비교예6	45	55	725

하기 표 3의 선재의 평균 오스테나이트 결정립 크기는 ASTM E 112 표준을 이용하여 측정하였고, 표 4의 스크류 부품의 경도는 비커스 경도기를 이용하여 측정하였으며, 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께 측정은 SEM을 이용하여 10개 시야에서 측정하여 평균값으로 나타내었다. 마지막으로, 크랙유무 확인은 최종 제품 열처리 후 대상 강판에 체결후 5% 염산 + 95% 증류수 용액에 10분간 침지하기 전/후에 응력집중부인 나사산에 크랙 유무를 관찰하는 지연파괴 모사법으로 진행하였다.

	평균 오스테나이트 결정립 크기(㎛)
실시예1	25
실시예2	22
실시예3	23
실시예4	21
실시예5	27
실시예6	25
실시예7	26
실시예8	26
비교예1	35
비교예2	41
비교예3	36
비교예4	42
비교예5	44
비교예6	37

	경도 (HV)	마르텐사이트 래스의 평균 두께 (nm)	크랙 유무
실시예1	535	291	X
실시예2	554	258	X
실시예3	547	277	X
실시예4	562	281	X
실시예5	546	295	X
실시예6	566	279	X
실시예7	572	261	X
실시예8	589	284	X
비교예1	488	451	X
비교예2	634	254	O
비교예3	492	381	X
비교예4	559	296	O
비교예5	602	287	O
비교예6	609	273	O

	오토템퍼드 마르텐사이트 (%)	베이나이트 (%)	프레쉬 마르텐사이트 (%)	잔류 오스테나이트 (%)
실시예1	96	1.5	2	0.5
실시예2	92	2	5.2	0.8
실시예3	94	1.7	4	0.3
실시예4	93	1.8	5	0.2
실시예5	95	1.6	2.5	0.9
실시예6	92	1.8	5.3	0.9
실시예7	92	0.3	7.6	0.1
실시예8	93	0.5	6.3	0.2
비교예1	85	13	1.5	0.5
비교예2	89	0.2	10.5	0.3
비교예3	90	8	1.6	0.4
비교예4	89	0.5	9	1.5
비교예5	92	5	2.6	0.4
비교예6	89	0.2	10	0.8

먼저, 상기 표 1 내지 5를 참조하면, 본 발명의 합금조성 범위 및 제조조건을 만족한 결과 본 발명의 선재의 미세조직의 경우 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%를 만족하여 인장강도가 700MPa 이하로 1회의 구상화 열처리만으로 신선 가공이 가능하였다.

또한, 상기 선재를 이용하여 제조된 스크류 부품의 실시예 1 내지 8은 마르텐사이트 래스의 평균 두께가 300nm 이하이며, ??칭 시 크랙이 발생하지 않고, 면적분율로 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 가지며, 이에 따른 경도는 530 HV 이상임을 확인 할 수 있다.

반면, 비교예 1은 C가 0.26중량%로 첨가 탄소량이 부족하여 ??칭 시 충분한 소입성을 확보할 수 없어 스크류 부품의 경우, 본원발명의 오토템퍼드 마르텐사이트, 베이나이트 및 프레쉬 마르텐사이트의 분율을 만족하지 못하였고, 마르텐사이트 래스의 평균 두께 또한 451nm로 300nm를 초과하였으며, Cr은 0.39 중량%로 경화능 향상에 유효한 첨가 크롬의 양 또한 부족하여 488 HV의 경도를 가지게 되어 530 HV이상의 경도를 확보할 수 없었다.

비교예 2는 C가 0.53중량%로 첨가 탄소량이 과다하여 ??칭 시 소입성이 과도하게 됨에 따라 취성이 높아졌다. 이에 따라, 선재의 경우 미세조직, 인장강도가 735MPa이 됨에 따라 1회가 아닌 2회의 구상화 열처리를 통해 신성 가공을 하였다. 나아가 Mo는 0.32중량%로 첨가 몰리브데늄의 함량이 과도하여 스크류 부품의 경우 경화능이 과다하여 미세크랙이 발생함으로써 ??칭 시 크랙이 발생하였다.

비교예 3은 Si가 0.24중량%로 첨가 실리콘의 함량이 부족하여 고용 강화를 통한 인장강도를 확보 할 수 없었고, 마르텐사이트 래스의 평균두께 또한 381nm 로서 본원발명의 300nm 이하의 두께를 만족하지 않았다. 또한 경화능 향상에 유효한 Mo이 0.008%로 첨가 몰리브데늄의 함량이 부족하여 492 HV의 경도로서 본원발명의 실시예에 비해 열악한 경도를 가졌다.

비교예 4는 Mn이 0.78중량%로 첨가 망간의 함량이 과다하고, Mo이 0.41중량%로 첨가 몰리브데늄의 함량이 과다하여 ??칭 시 크랙이 발생하고 오토템퍼드 마르텐사이트의 분율이 89%로 목표하는 미세조직을 확보할 수 없었다.

비교예 5는 Cr이 0.38중량%로 첨가 크롬의 함량이 부족하고, Mo이 0.035중량%로 첨가 몰리브데늄이 함량이 과다하여, 스크류 부품의 경우 과도한 소입능으로 인한 ??칭 시 크랙이 발생하였다.

비교예 6은 Cr이 0.76중량%로 첨가하여 Cr의 함량이 과다하고 Mo이 0.25중량%로 첨가하여 Mo의 함량이 부족함으로써, 스크류 부품의 경우 본 발명의 오토템퍼드 마르텐사이트 및 프레쉬 마르텐사이트의 분율의 범위를 만족할 수 없었고, 과도한 소입능으로 인한 ??칭 시 크랙이 발생하였다.

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.

Claims

중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하는 빌렛을 제공하는 단계;
상기 빌렛을 900~1200℃의 온도로 가열하고, 800~1000℃의 온도에서 마무리 열간압연하여 선재를 제조하는 단계;
상기 선재를 700~900℃에서 권취하여 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하가 되도록 제어하는 단계; 및
상기 권취된 선재를 0.2~1.0℃/s의 속도로 상온까지 냉각하는 단계를 포함하는, 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제조된 선재의 미세조직은, 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%를 포함하는, 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제조된 선재의 인장강도는 700MPa 이하인, 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재의 제조방법.
중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%를 포함하며, 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하인, 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재.
청구항 4에 있어서,
인장강도는 700MPa 이하인, 열처리 물성이 우수한 냉간단조용 선재.
중량%로, 탄소(C): 0.30~0.50%, 실리콘(Si): 0.30~0.50%, 망간(Mn): 0.35~0.75%, 크롬(Cr): 0.40~0.70%, 몰리브덴(Mo): 0.01~0.30%, 티타늄(Ti): 0.010~0.050%, 알루미늄(Al): 0.01~0.05%, 보론(B): 0.0010~0.0050%, 질소(N): 0.002~0.020%, 잔부의 철(Fe) 및 기타 불순물을 포함하고, 미세조직은 면적분율로 페라이트 40~65% 및 펄라이트 35~60%의 미세조직을 가지며, 평균 오스테나이트 결정립 크기가 30㎛ 이하인 선재를 600~800℃의 온도에서 1회의 구상화 열처리 하는 단계;
상기 구상화 열처리된 선재를 냉간단조를 하여 몸통부 직경이 4~6mm인 스크류 부품 형상을 만드는 단계;
상기 냉간단조 후 평균 오스테나이트 결정립 크기가 15㎛ 이하가 되도록 850~950℃의 온도에서 500~4,000초 동안 가열하는 단계; 및
상기 가열 후 20~90℃의 냉매에 ??칭하는 단계;를 포함하는, 스크류 부품의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 ??칭하는 단계에서, 50~200℃/s의 냉각속도로 ??칭하는, 스크류 부품의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 ??칭 단계에서, 면적분율로 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 갖도록 제어하는, 스크류 부품의 제조방법.
청구항 6에 있어서,
상기 ??칭 단계에서, 마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하가 되도록 제어하는, 스크류 부품의 제조방법.
면적분율로, 오토템퍼드 마르텐사이트 90% 이상, 베이나이트 0.1~2%, 프레쉬 마르텐사이트 2~8%, 잔류 오스테나이트 0.1~1%의 미세조직을 포함하는, 스크류 부품.
청구항 10에 있어서,
마르텐사이트 래스(lath)의 평균 두께가 300nm 이하인 스크류 부품.
청구항 10에 있어서,
상온에서 530 HV 이상의 경도를 가지는, 스크류 부품.