KR100395110B1

KR100395110B1 - 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는복합조직강과 이 강조성을 갖는 볼트 및 이 강을 이용한강가공물의 제조방법

Info

Publication number: KR100395110B1
Application number: KR10-1999-0063109A
Authority: KR
Inventors: 최해창
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1999-12-27
Filing date: 1999-12-27
Publication date: 2003-08-21
Also published as: KR20010060700A

Abstract

본 발명은 고강도이면서 항복비가 낮은 강에 관한 것으로, 그 목적은 페라이트와 잔류오스테나이트의 복합조직으로, 이 복합조직의 잔류오스테나이트중에 브라키타입(blocky type)의 상분율을 제어하여 연신율, 충격인성, 항복비등의 제반기계적성질을 개선한 고강도 강 이 강으로 조성되는 볼트 그리고, 이강을 강가공물로 제조하는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직을 갖으며, 상기 잔류스테나이트중 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되는 것을 포함하여 이루어지는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강;

중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%,니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 강가공물을 Ac₃변태점 이상의 온도에서 20분이상 가열하여 오스테나이트 단상으로 만들어 30℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+220℃∼Ms+300℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직을 갖으며, 상기 잔류스테나이트중 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되는 것을 포함하여 이루어지는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강과 이 강조성을 갖는 볼트 및 이 강을 이용한 강가공물의 제조방법{High strength duplex steel having a superior elongation percentage, impact strength and low yield strength and bolt made of the steel and method for manufacturing working product by using it}

본 발명은 고강도이면서 항복비가 낮은 강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페라이트와 잔류오스테나이트의 복합조직으로, 이 복합조직의 잔류오스테나이트중에 브라키타입(blocky type)의 상분율을 제어하여 연신율, 충격인성, 항복비등의 제반 기계적성질을 개선한 고강도 강 이 강으로 조성되는 볼트 그리고, 이강을 강가공물로 제조하는 방법에 관한 것이다.

각종 구조물에 사용되는 강은 경량화와 고성능화를 위해 고강도화와 함께 내진성이 중요한 성질로 받아들여지고 있다. 강구조물은 지진 및 강풍에 의해 구조물의 붕괴를 초래할 수 있어 사용환경에 따라 내진성이 우수한 강재가 요구되어진다.지진 및 강풍에 의한 구조물의 붕괴를 방지하기 위해 구조부재는 항복강도가 높은 강재로 구성하여 연직하중을 지지하고, 해당 주체 구조부재에 부설한 내진용 부재는 항복강도가 낮은 강재로 구성함으로써, 대지진과 강풍시 항복강도가 높은 주체부재에서는 탄성변형으로 구조물을 유지하는 역할을 하고, 대지진과 강풍의 에너지는 내진 부재의 소성(역성)변형에 의해 충격을 흡수함으로서 강구조물용 강재의 내진성을 개선하고 있다(일본 공개특허공보 96-42187호).

일례로, 내진성이 우수한 강구조물의 볼트체결부에서도 동일한 개념으로 내진성이 우수한 볼트를 사용하는 것이 요구되고 있다. 내진성은 강의 항복비()가 낮을수록 커지므로, 볼트의 재질이 저항복비의 특성을 갖도록 하는 것이 필요하다. 이와 함께 고강도 볼트 체결에 따른 볼트접합부의 잇점을 유지하기 위해 고강도의 특성도 함께 갖는 것이 요구된다.

그러나, 강의 항복강도만 낮추면 충격흡수량이 너무 적어 그 효과를 기대하기 어려우며, 좀 더 많은 충격흡수능력을 갖기 위해서는 가일층 고강도화를 달성하면서 저항복비화하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 고강도 저항복비 볼트용강이 개발될 경우 기대되어지는 잇점으로는 강구조물의 효율적인 건설을 위한 부재 체결과 볼트의 경량화 및 다기능, 고성능화를 달성하면서 아울러 강구조물 내진설계시 볼트 체결부에서도 내진설계를 제공함으로서 강구조물의 내진성을 가일층 개선할수 있다는데 있다.

종래의 볼트용 소재는 대부분 미세조직이 템퍼드 마르텐사이트(tempered martensite)의 준단상(quasi single phase)조직이 주특징으로, 이 경우 항복비가 최소 0.8정도이다. 저항복비를 달성하기 위해서는 인장변형시 우선적으로 변형할 수 있는 연한조직의 분포가 미세조직구성상 불가피한데, 이렇게 되면 강도가 열화되는 문제가 있다. 즉, 항복비()를 낮추기 위해서 템퍼링온도를 증가시키면 항복강도는 감소되나 동시에 인장강도도 감소되기 때문에 저항복비를 기대할 수 없다. 따라서, 종래의 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 고강도 저항복비 볼트용강을 제조한다는 것은 미세조직 구성 특징상 한계가 있다.

강재의 내진성을 개선하는 종래의 대표적인 기술로는 (1) 일본 공개특허공보 97-95734호, (2) 대한민국 특허출원번호 제98-52836호, 제98-52838호 등이 있다.

(1) 일본 공개특허공보 97-95734호는 내진성이 우수한 콘크리트 철근용 강재의 제조방법에 관한 것으로, 볼트용 선재와의 관련성은 적은나, 탄소 0.10-0.40%, 실리콘 0.05-0.60%, 망간 0.60-2..0%, 알루미늄 0.005-0.080%, 보론 0.008% 이하, 구리 0.3%이하, 니켈0.3%이하, 몰리브덴 0.1% 이하, 티타늄 0.1% 이하로 조성되는 강재를 제어냉각하여 항복강도 345MPa, 항복신장 1.4%이상, 충격인성 27J/cm²이상이면서 항복비 0.8수준을 확보하는 기술로서의 의미가 있어 참고적으로 소개한다.

(2) 대한민국 특허출원 제98-52836호와 대한민국 특허출원 제98-52836호는, 본 발명자가 볼트의 강조직을 베이나이트 또는 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖도록 강성분과 제조조건을 제어하여 0.7이하 수준의 저항복비를 달성하는 기술을 완성한 것이다.

즉, 대한민국 특허출원번호 제98-52836호는 중량%로 탄소 0.40-0.60%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 , 보론, 바나듐 또는 니요븀, 몰리브덴, 티타늄, 텅스텐, 구리, 코발트로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종이상을 선택적 강을 Ac₃변태점 이상의 온도에서 20분이상 가열하여 오스테나이트 단상으로 만들고, 이를 Ms+110℃∼Ms+210℃의 온도까지 급냉한후 베이나이트 변태를 위한 등온가열하여 베이나이트조직을 갖는 볼트를 제조하는 것으로, 볼트는 인장강도가 130~178kg/mm²이고 항복비가 0.33~0.62의 특성을 갖는 것으로 나타나 있다.

대한민국 특허출원 제98-52838도 상기 대한민국 특허출원 제98-52836호와 같은 성분계를 갖는 볼트를 Ac₃-[(Ac₃-Ac₁)/1.3]에서 Ac₃-[(Ac₃-Ac₁)/5.5]까지의 범위내에서 가열하여 페라이트 상분율이 5-25%인 페라이트+베이나이트로 구성되는 복합조직으로 만들고, 이를 Ms+120℃∼Ms+180℃의 온도까지 급냉한후 등온열처리하여 페라이트+베이나이트의 복합조직을 갖도록 제조하는 것으로, 이 기술을 통해 제조되는 볼트는 인장강도가 125~169kg/mm²이고, 항복비가 0.33~0.61의 특성을 갖는 것으로 나타나 있다.

상기 (2)의 대한민국 특허출원 제98-52836호와 대한민국 특허출원 제98-52836호는 나름대로 저항복비를 달성한다는데 그 의미를 부여할 수 있겠으나, 인장강도, 연성 및 충격흡수성 등의 기계적특성과 함께 저항복비를 개선하지 못하고 있다는 기술적 한계가 있다.

본 발명은 상기한 선행기술들의 기술한계를 극복하기 위한 일련의 연구과정에서 완성된 것으로, 그 목적은 강의 저항복비를 최대화시키면서 인장강도, 연신율, 충격인성 등의 기계적특성도 함께 개선할 수 있는 강조성물과 그 제조방법을 제공함에 있다. 이러한 본 발명은 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직에서 잔류오스테나이트중의 브라키타입의 상분율을 제어하여 기계적특성을 개선하고 있다는데 그 의미를 부여할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 강은, 중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되고 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직을 갖으며, 상기 잔류오스테나이트중에는 브라키타입이 10∼30%의 상분율을 갖는 것을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명의 강가공물의 제조방법은, 중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 또는 2종 이상을 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 강가공물을 Ac₃변태점 이상의 온도에서 가열하여 오스테나이트 단상으로 하고, 30℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+220℃∼Ms+300℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직으로, 상기 잔류오스테나이트중의 브라키 타입의 상분율이 10∼30%을 갖도록 함을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '강가공물'이란 용어는 강재(예를 들어, 선재)를 일정형태로 가공한 가공물(성형물)을 의미하는 것으로, 본 발명의 복합조직강이 갖는 기계적성질을 이용할 수 있는 모든 가공물을 포함한다. 특히, 본 발명의 강은 선재로서 제조되는데 유용한 성분계로 이 선재를 가지고 가공할 수 있는 볼트, 너트, 스프링 등의 가공물을 대표적인 예로 들 수 있다.

본 발명자는 강의 미세조직이 강도와 항복비 그리고, 기타 기계적인 물성에 미치는 영향을 야금학적으로 검토하던중에 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직에서 잔류오스테나이트중 브라키타입의 잔류오스테나이 상분율이 일정량이 되면, 기타 기계적인 물성도 좋아지면서 고강도와 저항복비가 개선된다는 것을 발견하고 본 발명을 완성하였다. 즉, 본 발명에서는 인장하중이 가해지는 초기에는 연한조직인 페라이트가 우선적으로 변형을 시작하고 임계 변형량 이후 부터는 잔류 오스테나이트의 소성유기변태를 적절히 유도함으로써 고강도와 저항복비를 달성하는 것이다. 이러한 관점에서 완성된 본 발명의 강 및 그 제조방법을 구분하여 설명한다. 여기서, 브라키 타잎은 괴상 형태이로 횡축과 종축의 비(비(aspect ratio)가 약 0.5이상이 되는 형상을 의미한다.

[복합조직 강]

탄소(C)의 함량을 0.65-1.5%으로 하는 것이 바람직하다. 탄소의 함량이 0.65%미만에서는 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직강 제조를 위한 열처리후 페라이트+잔류오스테나이트내에 적정한 잔류 오스테나이트양, 형상 및 크기를 얻기가 곤란하고 또한, 기계적, 열적 안정성과 고강도 볼트용강으로서의 충분한 인장강도와 항복강도를 확보하기 어렵기 때문이다. 또한, 탄소의 함량이 1.50% 보다 많아지면 열처리후 단면감소율, 연신율과 충격인성 등의 특성이 저하되고, 선재제조시 편석 및 표면흠이 발생하며, 가열로 장입시 표면탈탄이 심화되고, 볼트 체결시 영구변형성 및 정적 피로특성이 열화하며, 미세복합 조직의 적절한 형상과 크기 그리고, 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직을 확보하기 위한 변태 소요시간이 길어지며, 잔류 오스테나이트내의 탄소농도 및 계면농도구배 등에 좋지 않은 영향을 미치기 때문이다. 본 발명에서의 보다 바람직한 탄소성분의 범위로는 0.8~1.0%로 하는 것인데, 이는 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직을 제조하기 위한 등온 열처리시간과 적정 잔류 오스테나이트의 분율, 크기, 형상에 보다 유리하고, 또한, 복합조직의 고강도화, 고인성화, 고연신율화, 고단면감소율화, 지연파괴저항성(확산성 수소량, 입계석출물의 석출제어) 개선할 수 있으며, 열처리시 표면 탈탄을 억제하고, 볼트체결후 응력이완성(stress relaxation) 또는 영구변형저항성, 동적 및 정적 피로특성등을 매우 효과적으로 개선할 수 있기 때문이다.

실리콘(Si)의 함량을 2.0-4.0%로 한정하는 것이 바람직하다. 실리콘이 2.0%미만에서는 페라이트 변태후 잔류 오스테나이트의 기계적, 열적 안정성이 저하되어 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직과 적정 잔류 오스테나이트양을 확보하기 어려우며 또한, 페라이트의 고용강화 효과가 미흡하여 강도확보에 어려움이 있고, 또한 지연파괴저항성, 표면 부식특성, 충격인성, 볼트 체결시 영구변형성 등에 영향을 미치고, 또한 선재 탈탄제어를 위한 선재가열로내에서의 표면 페라이트 탈탄층의 균일성 및 적정두께를 확보하기가 어려워 탈탄이 심화되고, 선재냉각시 소입성 증가로 표면 스케일 특성의 제어가 어려운 단점이 있기 때문이다. 실리콘이 4.0%를 초과하는 경우에는 상기 언급한 효과가 포화되고 소입성, 복합조직강의 구성, 충격인성, 피로특성 등에 좋지 않은 영향을 미치며, 선재제조를 위한 부룸(bloom) 또는 빌레트(billet)제조시 실리콘 편석에 의한 미세조직의 불균질화를 초래하여 최종 제품에서의 품질특성이 저하되기 때문이며, 또한 열처리시 표면 페라이트층의 두께가 증가하여 균질 표면 탈탄제어가 어렵기 때문이다. 본 발명에서의 보다 바람직한 실리콘 성분범위는 2.8-3.3%로, 베이나이트조직(페라이트+잔류 오스테나이트)을 제조하기 위한 등온 열처리시간 및 잔류 오스테나이트 분율 및 크기, 형상, 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직의 고강도화 및 고인성화, 지연파괴저항성(확산성 수소량, 입계석출물의 석출제어), 표면 탈탄, 볼트체결후 응력이완성(stress relaxation) 또는 영구변형저항성, 동적 및 정적 피로특성등을 고려하여 매우 효과적으로 개선할 수 있기 때문이다.

망간(Mn)은 기지조직내에 치환형 고형체를 형성하여 고용강화하는 원소로 고장력볼트 특성에 매우 용용하므로 그 함량은 모재의 강도, 열처리시 소입성, 응력이완성, 편석대 생성에 따른 유해한 영향 등을 고려하여 0.1-0.8%로 하는 것이 바람직하다. 이는 망간의 함량이 0.8%를 초과할 경우 고용강화 효과보다는 주조시 망간편석으로 인한 국부소입성이 증대하고 편석대의 형성으로 조직이방성이 심화되어 조직이 불균질하게 되어 볼트 특성에 더 유해한 영향을 미치기 때문이다. 즉, 강의응고시 편석기구에 따라 거시편서과 미시편석이 일어나기 용이한데, 망간편석은 타원소에 비해 상대적으로 낮은 확산계수로 인해 편석대를 조장하고 이로 인해 경화능이 향상되어 선재제조시 중심부 저온조직(core martensite)를 생성하는 주 원인이 된다. 또한, 망간이 0.1%미만 첨가될 경우, 망간편석에 의한 편석대의 형성은 거의 없으나, 고용강화효과의 미흡으로 소입성, 영구변형저항성 및 응력이완 개선효과는 기대하기 어렵기 때문이다.

크롬(Cr)의 함량은 0.1∼0.8%로 하는 것이 바람직하다. 크롬의 함량이 0.1%미만에서는 고실리콘 첨가강의 열처리시 표면탈탄제어를 위한 표면 페라이트층의 형성이 어려워 탈탄억제 효과가 거의 없고, 소입성 개선을 기대하기 어렵기 때문이다. 또한, 0.8%를 초과하면 등온열처리시 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직의 변태 소요시간이 길어지기 때문에 바람직하지 않기 때문이며, 선재 탈탄층 제어를 위한 선재 가열로 장입시 표면 적정 페라이트층의 생성이 어려워 균질 탈탄제어에 영향을 미치기 때문이다.

인(P) 및 황(S)의 함량은 0.01%이하로 하는 것이 바람직하다. 인은 결정입계에 편석되어 인성을 저하시키므로 그상한을 0.01%로 제한하는 것이며, 황은 저융점 원소로 입계 편석되어 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 지연파괴저항성 및 응력이완특성에 유해한 영향을 미치므로 그상한을 0.01%로 제한하는 것이다.

질소(N)의 함량은 0.005-0.01%로 하는 것이 바람직하다. 질소의 함량이0.005%미만에서는 비확산성 수소 트랩 사이트로 작용하는 바나듐 및 니요븀계 질화물의 형성이 어렵기 때문이며, 0.01%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되기 때문이다.

산소(O)의 함량은 0.0015%이하로 하는 것이 바람직하다. 산소의 함량이 0.0015%를 초과하면 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하되기 때문이다.

바나듐(V) 또는 니요븀(Nb)은 지연파괴저항성 및 응력이완성 개선원소로서, 그 첨가는 1종 또는 2종을 0.01-0.5%로 하는 것이 바람직하다. 이들의 함량이 0.05%미만에서는 모재내 바나듐 또는 니요븀계 석출물들의 분포가 적어짐에 따라 비확산성 수소 트랩사이트(trap site)로의 역할이 미흡하여 지연파괴저항성 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 석출강화를 기대하기 어려워 응력이완저항성에 대한 개선효과가 충분하지 못하며, 오스테나이트 결정립 미세화를 기대하기 어려워 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직의 구성시 조직 미세화에 영향을 미치기 때문이다. 또한, 0.5%를 초과하면 V 또는 Nb계 석출물들에 의한 지연파괴저항성 및 응력이완저항성에 대한 개선 효과가 포화하고 오스테나이트 열처리시 모재에 용해되지 않은 조대한 합금 탄화물양이 증가하여 비금속 개재물과 같은 작용을 하므로 피로특성의 저하를 초래하기 때문이다.

니켈(Ni)은 열처리시 표면에 니켈 농화층을 형성하여 외부수소의 투과(permeation)를 억제하여 지연파괴저항성을 개선하는 원소로, 그 함량은 0.3-2.0%로 하는 것이 바람직하다. 니켈의 함량이 0.3%미만에서는 표면농화층 형성이 불완전하여 지연파괴저항성의 개선효과를 기대하기 어려우며, 또한 탈탄제어, 인성 및 냉간성형성 향상을 위한 구상화 또는 흑연화처리시 열처리시간이 길어지며, 볼트성형시의 냉간성형성의 개선효과가 없기 때문이다. 2.0%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되고 잔류 오스테나이트량의 적정한 양, 크기 및 형상 등에 부정적인 영향을 미치기 때문이다.

붕소(보론,B)는 본 발명에서 소입성 및 지연파괴저항성 개선을 위한 입계강화원소로, 그 함량은 0.0010∼0.003%로 하는 것이 바람직하다. 붕소의 함량이 0.0010%미만에서는 열처리시 보론원자들의 입계편석에 의한 입계강화에 따른 입계강도 개선효과가 미흡하고, 또한 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 처리시 흑연화 촉진 효과가 미흡하기 때문이다. 붕소의 함량이 0.003%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고 오히려 입계에 보론계 질화물의 석출로 입계강도의 저하를 초래하기 때문이다.

몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W)의 함량은 0.01-0.5%로 하는 것이 바람직하다. 이들의 함량이 0.01%미만에서는 페라이트와 잔류 오스테나이트의 입계강화 효과가 미흡하고 또한 열처리시 소입성, 페라이트의 고용강화, Mo 및 W계 석출강화 효과가미흡하기 때문이다. 0.5%를 초과할 경우에는 그 효과가 포화되고, 소입성의 증가로 선재제조시 저온조직(마르텐사이트+베이나이트)의 생성이 용이하고 냉간성형성 개선을 위한 구상화 또는 흑연화처리시 열처리 시간이 길어지는 단점이 있기 때문이다.

구리(Cu)의 함량은 0.01-0.2%로 하는 것이 바람직하다. 구리의 함량이 0.01%미만에서는 부식저항에 대한 개선효과가 미흡하며, 0.2%초과할 경우에는 그 개선효과가 포화되고 입계 편석시 녹는점(melting point)이 낮아져 선재압연을 위한 가열로 장입시 결정입계 취화에 따른 표면흠 발생 가능성이 높고, 최종 제품에서의 충격인성이 저하되기 때문이다.

티타늄의 함량은 0.01-0.2%로 하는 것이 바람직하다. 티타늄의 함량이 0.01%미만에서는 오스테나이트 결정입자 미세화 효과가 미흡하며, 지연파괴저항성에 유효한 결정입계내의 티타늄계 탄,질화물의 석출분포가 미흡하여 그 개선효과를 기대하기 어렵기 때문이며, 0.2%를 초과할 경우에는 그 첨가효과가 포화되고 조대한 티타늄계 탄, 질화물을 형성하여 기계적 성질에 영향을 미치기 때문이다.

상기와 같이 조성되는 강은 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직으로, 복합조직내 전체 잔류 오스테나이트 상분율중에서 브라키 타입(blocky-type)의 잔류 오스테나이트 상분율을 10∼30%범위로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 브라키 타입의 잔류오스테나이트 상분율이 10%미만의 경우에는 페라이트내의탄소고용한계로 인한 잔류 오스테나이트내의 탄소농도가 높아져서 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성이 증가하게 되고, 이로 인해 인장변형초기에 잔류 오스테나이트의 소성유기 변태를 유도할 수 없게 되어 낮은 항복강도를 확보할 수 없는 문제점이 있기 때문이다. 또한, 브라키 타입의 오스테나이트 상분율이 30% 보다 많아지는 경우에는 저항복비를 확보하는데는 문제 없으나 연신율 및 단면감소율, 충격인성이 급격하게 저하되기 때문에 바람직스럽지 않다.

[강가공물의 제조방법]

상기와 같이 조성되는 강을 여하한 가공물로 제조한 다음, 이를 열처리하여 최종미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트로서 잔류오스테나이트중 브라키 타입 오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되도록 열처리(가열, 등온열처리)한다. 여기서는 볼트를 예로 하여 강가공물의 제조방법을 설명한다.

볼트는 주괴(블룸 또는 빌레트)를 압연하여 선재로 만들고 이를 일정형상으로 가공하여 볼트를 제조한다. 본 발명에서는 통상의 공정에 따라 가공된 볼트를 열처리하는데 특징이 있다.

먼저, 가공된 볼트를 Ac₃변태점이상의 온도에서 가열하는데, 이는 Ac₃변태점 미만에서는 페라이트와 오스테나이트상이 공존하는 이상영역으로 오스테나이트 단상을 확보하기 어렵고 조직의 불균질을 초래할 수 있기 때문이다. 이러한 가열온도는 가능한 1150℃이하에서 하는데, 이는 1150℃를 초과하면 소재 가열시 표면탈탄과 오스테나이트 결정립 조대화를 초래하여 최종제품에서의 품질특성(기계적 성질 , 응력이완성, 표면흠, 정적 피로특성등)에 영향을 미치게 되기 때문이다. 가열시간은 오스테나이트화가 이루어는데 필요한 시간만큼 가열하는데, 약 20분이상이면 가능하다.

상기와 같이 가열하여 볼트의 조직을 오스테나이트 단상으로 하고, 30℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+220℃∼Ms+300℃의 온도(Ms는 마르텐사이트 변태시작 온도임)까지 냉각하는 것이 바람직하다. 이는 Ms+220℃ 미만에서는 항온변태시 복합조직을 구성하고 있는 잔류 오스테나이트의 양, 크기 및 형상에 영향을 미쳐 잔류 오스테나이트의 기계적 안정성이 증가하게 되어 항복강도가 증가하기 때문에 바람직스럽지 않다. 또한, Ms+300℃를 초과하는 경우 퍼얼라이트 변태가 발생하여 본 발명에서 추구하는 페라이트+잔류오스테나이트로 구성된 복합조직을 확보하기가 어렵기 때문이다.

상기한 온도구간에서 60분이상 등온열처리하고, 유냉 또는 공냉하여 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직으로 잔류오스테나이트중 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되도록 한다.

이하, 본발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

표 1과 같은 성분조성을 갖는 강들을 시료로 하여 50kg 잉고트로 주조후 1250℃에서 48시간 균질화 열처리하여 두께 13mm로 열간압연하여 선재를 얻었다. 이때 마무리 온도는 950℃이상으로 하여 열간압연후 공냉하였으며, 압연비는 80% 이상으로 하였다.

상기와 같이 열간압연된 소재들로 부터 기계적 성질(인장 및 충격특성) 및 지연파괴저항성을 평가하기 위한 시험편들은 압연재의 압연방향에서 채취하였다.

구분	C	Si	Mn	Cr	Ni	B	V	Mo	Ti	W	P	S	N
발명강1	0.81	2.93	0.33	0.49	-	-	0.04	-	-	-	0.007	0.009	0.006
발명강2	0.68	3.54	0.35	0.74	-	0.0010	0.19	-	0.01	-	0.009	0.006	0.012
발명강3	0.90	3.04	0.29	0.38	0.66	-	0.06	-	-	0.03	0.004	0.008	0.008
발명강4	0.83	2.09	0.71	0.55	-	-	0.12	0.25	0.03	-	0.005	0.004	0.011
발명강5	0.82	3.92	0.32	0.32	-	0.0019	0.05	-	-	0.18	0.006	0.004	0.008
발명강6	1.21	3.11	0.30	0.56	-	0.0013	-	0.04	0.05	0.09	0.007	0.006	0.005
발명강7	1.42	2.61	0.79	0.33	1.10	-	-	0.10	0.10	-	0.009	0.005	0.005
비교강1	0.45	3.03	0.29	0.58	-	-	0.05	-	-	-	0.005	0.004	0.008
비교강2	0.40	3.42	0.31	0.79	-	0.0013	0.2	-	0.01	-	0.006	0.005	0.014
비교강3	0.60	2.99	0.32	0.33	0.54	-	0.05	-	-	0.02	0.007	0.009	0.007
비교강4	0.45	2.0	0.77	0.51	-	-	0.11	0.2	0.03	-	0.006	0.008	0.009
비교강5	0.44	3.96	0.23	0.27	-	0.0015	0.06	-	-	0.2	0.008	0.008	0.008
비교강6	0.53	3.01	0.35	0.55	-	0.0010	-	0.05	0.05	0.07	0.004	0.009	0.004
비교강7	0.58	2.56	0.80	0.29	1.10	-	-	0.13	0.10	-	0.005	0.006	0.005
비교강8	0.35	0.19	0.67	0.95	0.03	-	tr	0.17	-	-	0.019	0.015	0.004
비교강9	0.31	0.20	0.62	0.95	0.04	-	tr	0.05	-	-	0.017	0.010	0.005
비교강10	0.34	0.22	0.36	1.26	0.05	-	0.019	0.40	-	-	0.011	0.012	0.015
비교강11	0.20	0.20	0.80	0.72	-	0.0015	-	0.04	-	-	0.009	0.004	0.005
발명강2에는 Nb이 0.01%함유됨. 발명강 3에는 Cu가 0.01% 함유됨. tr은 trace의 약어임.

표 1의 발명강(1-7)로 조성되는 선재를 오스테나이트 단상역 가열온도 범위인 Ac₃변태점이상에서 1150℃이하 범위에서 20-40분간 가열하고, 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직을 얻기 위한 등온 열처리 온도 범위인 Ms+200℃∼Ms+300℃까지 30℃/sec이상의 냉각속도로 급냉하고 60분간 열처리하여 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율을 15∼28%범위로 제조하였다(표 2의 발명재(1-11)).

또한, 표 1의 비교강(1-4)을 오스테나이트 단상역 가열온도범위인 950-1030℃ 범위에서 30-40분간 가열하고, 베이나이트 변태를 위한 등온 열처리 온도범위인 Ms+160℃에서 Ms+210℃까지 70℃/sec이상의 냉각속도로 급냉하고, 30-40분간 열처리하여 브라키 타입 잔류오스테나이트의 상분율 7-9%범위로 제조하였다(표 2의 (1-4)).

또한, 비교강(4-7)을 이상역 중간온도범위인 Ac₃-[(Ac₃-Ac₁)/2]의 온도에서 30-120분간 가열하여 페라이트 상분율을 5-25%범위로 제조하고 베이나이트 변태를 위한 Ms+140℃까지 70℃/sec 이상의 냉각속도로 급냉하고 40분간 등온유지후 유냉하여 브라키 타입의 잔류오스테나이트 상분율이 4-7%의 범위로 제조하였다(비교재(5-8)). 또한, 비교강(8-11)을 오스테나이트 단상역인 900-950℃ 범위에서 가열하고 유냉후 450℃에서 템퍼링하여 종래의 템퍼드 마르텐사이트 조직으로 제조하였다(비교재(9-12)).

이들 강들의 Ms변태온도를 열분석기(dilatometry)를 이용하여 측정하고 그 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 상기와 같이 제조된 소재들에 대한 인장특성, 충격특성 을 평가하기 위하여, 인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하여 크로스 헤드 스피드(cross head speed) 5mm/min에서 시험하였다. 충격시험편은 KS규격 (KS B 0809) 3호시험편에 준하여 제조하였으며 이때 노치방향은 압연방향의 측면(L-T방향)에서 가공하였다. 열처리후 미세 복합조직내의 잔류 오스테나이트 상분율은 X-ray(Cu radiation)를 이용하여 측정하였으며 본 발명의 효과를 보이기 위한 blocky-type의 잔류 오스테나이트 상분율은 일반적인 광학현미경 측정법인 포인트 카운팅(point couting)법을 이용하여 조사하였으며, 이때의 피검면은 1000mm2이었다. 상기와 같이 제조된 발명재 및 비교재에 대하여 인장성질 및 충격인성을 측정하고, 그 결과를 표3에 나타내었다.

구분	대상강종	가열온도(℃)	가열시간(min)	등온가열온도(℃)	등온열철리시간(min)	잔류오스테나이트의 상분율(%)	변태온도(℃)
구분	대상강종	가열온도(℃)	가열시간(min)	등온가열온도(℃)	등온열철리시간(min)	잔류오스테나이트의 상분율(%)	Ac₃	Ac₁	Ms
발명재1	발명강1	980	30	Ms+230	60	15	-	-	210
발명재2		980	30	Ms+250	60	20	-	-
발명재3		980	30	Ms+290	60	25	-	-
발명재4		1050	20	Ms+250	60	21	-	-
발명재5		1150	20	Ms+220	60	22	-	-
발명재6	발명강2	1050	40	Ms+250	60	14	-	-	224
발명재7	발명강3	1050	40	Ms+250	90	27	-	-	193
발명재8	발명강4	1050	40	Ms+240	90	17	-	-	177
발명재9	발명강5	1000	40	Ms+260	90	25	-	-	214
발명재10	발명강6	1150	40	Ms+250	90	28	-	-	179
발명재11	발명강7	1100	40	Ms+230	100	30	-	-	140
비교재1	비교강1	950	30	Ms+210	30	7	-	-	290
비교재2	비교강2	1000	40	Ms+160	40	8	-	-	307
비교재3	비교강3	1000	40	Ms+160	40	9	-	-	247
비교재4	비교강4	1030	40	Ms+160	40	7	-	-	278
비교재5	비교강4	X=2	80	Ms+140	40	4	880	782	260
비교재6	비교강5	X=2	30	Ms+140	40	6	961	842	288
비교재7	비교강6	X=2	40	Ms+140	40	7	899	817	250
비교재8	비교강7	X=2	120	Ms+140	40	5	857	775	208
비교재9	비교강8	900	30	450℃×60분간템퍼링처리	0	-	-	-
비교재10	비교강9	900	30	450℃×60분간템퍼링처리	0	-	-	-
비교재11	비교강10	950	30	450℃×60분간템퍼링처리	0	-	-	-
비교재12	비교강11	900	30	450℃×60분간템퍼링처리	0	-	-	-
X는 Ac3-[(Ac3-Ac1)/X]식에서 X임

구분	인장강도(kg/mm²)	항복강도(kg/mm²)	연신율(%)	단면감소율(%)	충격인성(J/cm²)	항복비(항복강도/인장강도)
발명재1	186	70	28	68	90	0.37
발명재2	189	65	25	65	85	0.34
발명재3	190	48	23	60	80	0.25
발명재4	190	62	24	63	85	0.32
발명재5	183	69	23	63	80	0.38
발명재6	197	72	29	70	100	0.37
발명재7	200	74	25	67	90	0.37
발명재8	195	66	25	65	80	0.34
발명재9	190	45	21	62	80	0.24
발명재10	187	75	24	67	85	0.40
발명재11	194	79	20	60	80	0.41
비교재1	155	50	15	35	55	0.33
비교재2	162	75	15	40	60	0.46
비교재3	174	80	15	42	55	0.46
비교재4	164	70	16	45	75	0.43
비교재5	160	93	25	43	38	0.58
비교재6	158	95	19	45	34	0.60
비교재7	161	96	22	50	40	0.60
비교재8	169	100	20	44	30	0.59
비교재9	147	135	15	57	30	0.92
비교재10	147	129	16	58	20	0.88
비교재11	148	139	15	57	40	0.94
비교재12	110	95	15	60	50	0.86

표 3에 나타난 바와같이, 발명재(1-11)들은 항복비 0.25~0.41, 인장강도 183~200kg/mm²범위를 나타낸면서 연신율 20~29%, 단면감소율 60~70%, 충격인성 80~100J/cm²의 범위를 갖고 있었다.

이에 반해, 비교재(1~4)의 경우 항복비 0.33~0.60, 인장강도 155~174kg/mm²범위를 나타낸면서 연신율 15~16%, 단면감소율 35~45%, 충격인성 55~75J/cm²의 범위를 갖고 있었다. 또한, 비교재(5~8)의 경우 항복비 0.58~0.60, 인장강도 158~169kg/mm²범위를 나타낸면서 연신율 19~25%, 단면감소율 43~50%, 충격인성30~40J/cm²의 범위를 갖는 수준이었다. 비교재(9~12)의 경우, 항복비 0.69~0.94, 인장강도 110~147kg/mm²범위를 나타내면서 연신율 15~16%, 단면감소율 57~60%, 충격인성 20~50J/cm²의 범위를 갖는 수준이었다.

이러한 결과를 통해서 알 수 있듯이, 페라이트+잔류 오스테나이트의 복합조직이면서 잔류오스테나이트중 브라키타입의 잔류오스테나이트가 10∼30%가 되는 본 발명강들은 종래의 강종 대비 가일층 우수한 강도 및 항복비를 가지면서 연신율 및 단면감소율, 충격인성을 현저하게 개선할 수 있음을 잘 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 고강도 및 저항복비의 강도특성을 가지면서 고연신율, 고단면감소율, 고충격인성의 확보가 가능한 페라이트+잔류 오스테나이트로 구성되는 복합조직강의 합금성분계 및 열러리조건을 제시함으로서, 저항복비화를 달성하면서 고강도화를 동시에 확보할 수 있게 됨에 따라 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비 복합조직강을 제공할 수 있는 것이다.

Claims

중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹중에서 선택된 1종 또는 2종 이상, 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직을 갖으며, 상기 잔류스테나이트중 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되는 것을 포함하여 이루어지는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강.
제 1항에 있어서, 상기 탄소는 0.8∼1.0%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강.
제 1항에 있어서, 상기 실리콘은 2.8∼3.3%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강.
제 1항에 있어서, 상기 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율은 15∼25%임을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 복합조직강.
제 1항 내지 제 4항중 어느 하나의 항의 강조성을 갖는 볼트
제 5항에 있어서, 상기 볼트는 항복비 0.25~0.41, 인장강도 183~200kg/mm²,연신율 20~29%, 단면감소율 60~70%, 충격인성 80~100J/cm²의 범위를 갖음을 특징으로 하는 볼트
중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 크롬 0.1-0.8%, 인 0.01%이하, 황 0.01% 이하, 질소 0.005-0.01%, 산소 0.005% 이하를 함유하고, 여기에 니켈 0.3-2.0%, 보론 0.001-0.003%, 바나듐:0.01∼0.5%, 니오븀:0.01∼0.5%, 몰리브덴 0.01-0.5%, 티타늄 0.01-0.2%, 텅스텐 0.01-0.5%, 구리 0.01-0.2%로 이루어진 그룹중 1종 또는 2종 이상을 선택적으로 함유하고, 나머지 Fe 및 기타 불순물로 조성되는 강가공물을 Ac₃변태점 이상의 온도에서 20분이상 가열하여 오스테나이트 단상으로 만들어 30℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+220℃∼Ms+300℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직을 갖으며, 상기 잔류스테나이트중 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율이 10∼30%가 되는 것을 포함하여 이루어지는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법.
제 7항에있어서, 상기 탄소는 0.8∼1.0%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 실리콘은 2.8∼3.3%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 브라키 타입의 잔류오스테나이트의 상분율은 15∼25%임을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법.
제 7항 내지 제 10항에 있어서, 상기 강가공물은 볼트임을 특징으로 하는 연신율 및 충격인성이 우수한 고강도 저항복비를 갖는 강가공물의 제조방법.