KR100516518B1

KR100516518B1 - 냉간성형성과 지연파괴 저항성이 우수한 고강도 강과 강가공물의 제조방법

Info

Publication number: KR100516518B1
Application number: KR10-2001-0084518A
Authority: KR
Inventors: 최해창
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2001-12-24
Filing date: 2001-12-24
Publication date: 2005-09-26
Also published as: KR20030054377A

Abstract

본 발명은 볼트, 스프핑 등에 사용되는 고강도 강에 관한 것으로, 그 목적은 흑연화 조직을 이용하여 냉간성형성을 향상시킨 강(선재)과, 이 강을 이용하여 냉간성형한 강가공물의 미세조직을 페라이트와 잔류오스테나이트의 복합조직으로 하여 강도와 지연파괴저항상을 향상시킨 강가공물(볼트)과 그 제조방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함되는 냉간성형성과 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강과,

이 강의 성분을 갖고, 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직으로 잔류오스테나이트의 상분율이 15%이상으로 되는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물 그리고,

상기 강의 성분을 갖고 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함되는 신선재를 강가공물로 냉간성형하는 공정,

상기 강가공물을 Ac3변태점 이상의 온도에서 가열하여 오스테나이트 단상으로 하고, 20℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+50℃∼Ms+215℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 상분율 15%이상의 잔류 오스테나이트와 페라이트의 복합조직을 갖도록 하는 열처리공정을 포함하여 이루어지는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법에 관한 것을 그 기술요지로 한다.

Description

냉간성형성과 지연파괴 저항성이 우수한 고강도 강과 강가공물의 제조방법{Steel having superior cold formability and delayed fracture resistance, and method for manufacturing working product made of it}

본 발명은 볼트, 스프링 등으로 가공되는 강에 관한 것으로, 보다 상세하게 흑연화 조직을 이용하여 냉간성형성을 향상시킨 강(선재)과, 이 강을 이용하여 냉간성형한 강가공물의 미세조직을 페라이트와 잔류오스테나이트의 복합조직으로 하여 강도와 지연파괴저항상을 향상시킨 강가공물(볼트)과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고강도 합금은 일정하중이 지속적으로 가해지면 시간의 경과와 함께 수소가 재료내의 특정지역으로 확산해 들어가서 균열이 진전되는 특징이 있으며, 이를 지연파괴라 한다. 고강도합금으로 지속적인 하중이 작용하는 강가공물은 지연파괴저항성이 중요한 물성으로 평가되고 있으며, 그 대표적인 예로는 볼트가 있다.

볼트는 강구조물의 효율적인 건설을 위한 부재체결과 자동차 부품의 경량화 및 다기능, 고성능화를 위해서는 반드시 소재의 고강도화가 요구된다. 그러나, 볼트용 소재의 고강도화는 수소침입에 의한 지연파괴저항성이 열화되는 문제점으로 현재, 인장강도 130kg/mm²급 이상으로 사용하는 것이 불가능하여 그 사용용도 및 범위가 제한되고 있는 실정이다. 이러한 이유로 지연파괴저항성 개선에 효과적인 합금원소의 다량첨가가 불가피하다.

한편, 다양한 볼트의 형상은 통상 냉간성형으로 제조되는데 고강도 소재의 경우 냉간성형전 소재강도가 높아 반드시 소재 연화열처리가 필요하며 냉간성형전 인장강도 60kg/mm²이하로 확보하는 것이 바람직하다. 이는 냉간성형시 다이스 마모율 증가를 최대한으로 억제하기 위한 것이다. 국내 강구조 체결용 볼트는 현재 인장강도 60kg/mm²이하에서 볼트 냉간성형이 가능한 실정이다. 따라서 고강도 볼트소재를 사용하기 이해서는 우수한 지연파괴저항성 뿐만아니라 볼트제조시 요구되어지는 냉간성형성을 동시에 확보하여야 한다.

냉간성형성 확보를 위한 연화열처리는 대부분 구상화 열처리법을 적용하고 있는데 미세조직 구성이 페라이트+ 세멘타이트로 구성됨을 특징으로 한다. 그러나, 합금원소 첨가량이 증가할수록 구상화소재의 강도가 높아지는 문제점이 있어 이를 극복하는데 미세조직 구성상 한계가 있다.

따라서, 볼트의 냉간성형성을 확보하기 위해서 인장강도 60kg/mm²이하이면서 지연파괴저항성의 저항없이 고강도화를 달성하기 위해서 열처리후 결정입계에 분포하게 되는 Fe계 석출물들의 분포를 최대한으로 억제시키는 것이 가장 중요하다고 볼 수 있다. 지연파괴저항성을 개선하기 위한 종래의 기술에는 일본 공개특허공보 평6-271975호, 평7-173531호 등이 대표적이다.

상기 일본 공개특허공보 평6-271975호는 수소에 의한 지연파괴저항성이 우수한 복합조직강 제조방법에 관한 것으로, 중량%로 0.05-0.3%C, 0.1-2.5%Si,0.1-3.0%Mn, 0.05-0.1%Al, 여기에 Cu,Ni,Mo,Cr,Nb,V,Ti,B중 1개이상의 합금원소를 포함하여 조성되고 그 미세조직이 마르텐사이트와 베이나이트 단상 또는 복합조직이며 이러한 미세조직에 수소에 의한 지연파괴 저항성을 확보하기 위해 잔류 오스테나이트가 체적 분율로 1-30% 존재하는 것을 특징으로 한다. 그러나, 이 종래기술에서는 임계지연파괴강도 130kg/mm²이상의 고강도화를 달성하지는 못하고 있으며, 또한 볼트 냉간성형성에 대한 언급이 없다.

상기 일본 공개특허공보 평7-173531호는, 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 화학조성을 갖는 강을 열간성형 후 초석 페라이트가 석출되지 않는 임계냉각속도 이상으로 연속냉각하여 베이나이트+마르텐사이트 이상복합조직강을 제조하는 방법에 관한 것으로, 이 또한, 임계지연파괴강도 130kg/mm²이상의 고강도화를 달성하지는 못하고 있으며, , 또한 볼트 냉간성형성에 대한 언급이 없다.

이에 본 발명자는 지연파괴저항성을 150kg/mm²급 수준으로 개선한 볼트강 및 그 제조방법을 대한민국 특허출원 제98-50898호, 제98-50899호, 제98-50900호에 출원한 바 있다.

상기 대한민국 특허출원 제98-50898호는 중량%로 C:0.4-0.60%, Si:2.0-4.0%, Mn:0.2-0.8%, Cr:0.25-0.8%, V, Nb, Ni, B, Mo, Ti, W, Cu, Co을 1종이상 선택적으로 첨가한 강을 Ac3변태점 이상의 온도에서 20분이상 가열하여 오스테나이트 단상을 제조한 후 70℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+30℃∼Ms+60℃까지 급냉한후 20분이상 항온변태시켜서 함유되고 그 미세조직이 베이나이트를 갖도록 함으로써 임계지연파괴강도 150kg/mm² 수준의 볼트강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 상기 대한민국 특허출원 제98-50899호에는 상기 출원번호 98-50898에 제안된 성분계의 강을 이상역 온도범위인 Ac3-(Ac3-Ac1)/1.3에서 Ac3-(Ac3-Ac1)/5.5의 범위내에서 20분 이상 가열하여, 페라이트 상분율이 5-25%과 오스테나이트 상분율이 75-95% 범위인 복합조직을 얻고, 이후 70℃/sec 이상의 냉각속도로 Ms+50℃∼Ms+110℃범위까지 급냉한후 20분이상 항온변태시켜 이면서 그 미세조직이 페라이트와 베이나이트의 복합조직이고 페라이트의 상분율이 5∼25%을 갖도록 함으로써 임계지연파괴강도 150kg/mm² 수준의 볼트강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 상기 대한민국 특허출원 제98-50900호도 상기 출원번호 98-50898에 제안된 성분계의 강을 이상역 온도범위인 Ac3-(Ac3-Ac1)/1.3에서 Ac3-(Ac3-Ac1)/5.5의 범위내에서 20분 이상 가열하여 페라이트 상분율이 8-20%이고 오스테나이트 분율 80-92%의 범위를 갖는 복합조직을 얻고, 이를 70℃/sec 이상의 냉각속도로 급냉하여 300-600℃범위에서 20분이상 템퍼링하여 그 미세조직이 페라이트와 템퍼드 마르텐사이트의 복합조직을 갖도록 함으로써 임계지연파괴강도 150kg/mm² 수준의 볼트강을 제조하는 방법에 관한 것이다.

상기한 대한민국 특허출원 제98-50898호, 제98-50899호, 제98-50900호는 볼트용 강의 임계지연파괴강도를 150kg/mm² 수준의 향상시키고 있다는데 나름대로 의미를 부여할 수 있지만, 임계지연파괴강도를 150kg/mm² 수준이상으로 개선하지 못하는 한계가 있으며 볼트 냉간성형성에 대한 언급이 없다.

본 발명은 상기한 선행기술들의 기술한계를 극복하여 고강도이면서 볼트 냉간성형성 및 임계지연파괴강도를 150kg/mm²급 수준 이상으로 개선하기 위한 일련의 연구과정에서 완성된 것으로, 그 목적은 우수한 볼트 냉간성형성을 확보하고 외부수소침입에 따른 입계취화의 문제점을 근본적으로 해결함으로서 지연파괴저항성이 우수한 미세복합조직을 갖는 강과 이를 이용한 강가공물과 그 제조방법을 제공하는데, 목적이 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%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함된다.

또한, 본 발명의 강가공물은, 중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 그 미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직으로 잔류오스테나이트의 상분율이 15%이상으로 되는 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%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함되는 신선재를 강가공물로 냉간성형하는 공정,

이 강가공물을 Ac3변태점 이상의 온도에서 가열하여 오스테나이트 단상으로 하고, 20℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+50℃∼Ms+215℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 상분율 15%이상의 잔류 오스테나이트와 페라이트의 복합조직을 갖도록 하는 열처리공정을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서 '강가공물'이라는 용어는 강를 일정형태로 가공한 가공물(성형물)을 의미하는 것으로, 본 발명의 강성분계가 갖는 지연파괴저항성과 고강도의 성질을 이용할 수 있는 모든 가공물을 포함한다. 일례로, 본 발명의 강은 선재로서 제조되는데 유용하며, 이 선재는 냉간성형이 우수하므로 이 선재를 볼트, 스프링 등의 강가공물이 만들 수 있다.

본 발명자는 고강도 볼트를 냉간성형함에 있어 흑연화조직을 이용할 경우 기존 구상화 열처리 방법 대비 소재 인장강도 또는 표면경도를 합금원소 첨가 유무에 관계없이 우수한 냉간성형성을 확보할 수 있다는 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것이다. 본 발명은 강(선재)을 Ac1-(60±30℃)의 온도에서 흑연화 열처리하고 공냉하여 흑연립 크기가 50㎛이하, 흑연립 상분율이 0.1%이상을 갖게 하여 선재를 볼트 등의 강가공물로 냉간성형할 때 다이스 마모율 저하의 문제점을 용이하게 해결하는데, 특징이 있다.

미세조직적인 측면에서는 오스테나이트 결정입계에서 지연파괴저항성에 유해한 입계 석출물들(Fe계)의 석출을 근본적으로 억제하면서 인장강도 측면에서는 임계지연파괴강도가 150kg/mm²이상이 가능한 미세조직 제어방안에 대하여 다각도로 연구한 결과, 탄소함량 0.65~1.5%범위의 고탄소강에서 실리콘 함량 2.0~4.0%범위로 제어하고, 열처리시 Ac3 변태점 이상에서 가열후 마르텐사이트 변태점 (Ms)직상으로 급냉후 등온(항온) 열처리하여 미세 복합조직(페라이트+잔류오스테나이트)으로 제조하면,

1) 페라이트와 잔류오스테나이트가 퍼얼라이트와 유사한 라멜라(lamella) 분포를 하는 동시에 이러한 상들간의 간격이 약 0.1~0.3㎛범위로 상당히 미세화되어 가일층 고강도화를 달성할 수 있다는 점과,

2) 미세조직 특성상 결정입계 및 결정입내에 어디에서나 석출물들이 존재하지 않는 관계로 외부 수소침입에 따른 석출물 관련 입계취화의 문제점을 근본적으로 해결할 수 있다는 점, 그리고

3) 복합조직내 잔류 오스테나이트의 상분율이 20-75%범위내일 경우 지연파괴저항성이 우수하면서 가일층 고강화를 달성할 수 있는 임계지연파괴강도 150kg/mm²이상의 볼트용강을 제조할 수 있다는 것을 알아내었다. 이러한 관점에서 완성된 본 발명의 볼트용강 및 그 제조방법을 구분하여 설명한다.

[냉간성형성 및 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강(선재)]

·탄소(C):0.65-1.5%

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 저하되기 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 피로특성 등을 매우 효과적으로 개선할 수 있기 때문이다.

·실리콘(Si):2.0-4.0%

실리콘이 2.0%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 열처리시간이 길어지는 단점이 있으며 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 미치기 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):0.1~0.8%

망간은 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.

·인(P) 및 황(S): 각각 0.01%이하

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):0.002~0.01%

질소의 함량이 0.002%미만에서는 흑연화 속도가 느려지며 비확산성 수소 트랩 사이트로 작용하는 바나듐 및 니요븀계 질화물의 형성이 어렵기 때문이며, 0.01%를 초과하는 경우에는 그 효과가 포화되며 흑연립 크기에 영향을 미치기 때문이다.

·산소(O):0.002%이하

산소의 함량이 0.0020%를 초과하면 조대한 산화물계 비금속개재물이 용이하게 형성되어 피로수명이 저하되기 때문이다.

상기와 같이 조성에, 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 첨가하는데, 그 성분한이유를 설명한다.

·바나듐(V) 또는 니요븀(Nb):각각 0.01~0.5%

바나듐과 니오븀은 지연파괴저항성 및 응력이완성 개선원소로서, 그 첨가는 1종 또는 2종을 0.01-0.5%로 하는 것이 바람직하다. 이들의 함량이 0.01%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 냉간성형성 개선을 위한 흑연화 열처리 소요시간이 길어지는 문제점이 있으며, 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): 0.3~2.0%

니켈은 흑연화원소이며 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.

·보론(붕소,B):0.001~0.003%

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

·몰리브덴(Mo) 및 텅스텐(W): 각각 0.01-0.5%

몰리브덴, 텅스텐은 0.01%미만에서는 페라이트와 잔류 오스테나이트의 입계강화 효과가 미흡하고 또한 열처리시 소입성, 페라이트의 고용강화, Mo 및 W계 석출강화 효과가 미흡하기 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):0.01-0.2%

구리의 함량이 0.01%미만에서는 흑연화 촉진 및 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.

·티타늄(Ti): 0.01-0.2%

티타늄의 함량이 0.01%미만에서는 흑연화 촉진 및 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.

·미세조직

본 발명에서는 냉간성형성을 개선하기 위하여 기지조직에 흑연립의 크기가 5㎛이하, 흑연립의 상분율이 0.1%이상을 갖도록 한다. 흑연립 크기가 50㎛ 보다 커지는 경우에는 냉간성형성 개선효과보다는 오히려 표면흠을 유발시키는 문제점이 있으며, 흑연립 상분율이 0.1%미만에서는 냉간성형성 개선을 위한 조직 연화효과가 없다.흑연립의 상분유의 상한은 탄소성분의 첨가량에 의해 정해진다.

[지연파괴저항성이 우수한 강가공물(볼트)]

상기와 같이 조성되는 강은 기본적으로 흑연조직을 가지고 있어 냉간성형성이 우수하므로 볼트, 스프링 등의 여하한 강가공물로 냉간성형하고, 적합한 열처리를 통해 그 미세조직을 관리하여 요구하는 물성을 부여할 수 있다. 본 발명에서는 강가공물의 미세조직을 페라이트+잔류오스테나이트의 복합조직으로 한다.

복합조직에서 잔류오스테나이트 상분율은 15%이상으로 하는 것이 바람직하다. 잔류오스테나이트 상분율이 15%미만에서는 인장강도 및 항복강도의 개선효과는 있으나 연신율 및 단면감소율, 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있으며, 조직구성상 마르텐사이트가 혼재되어 지연파괴저항성에 유해한 영향을 미치기 때문이다. 본 발명의 효과를 보이기 위한 보다 바람직한 잔류오스테나이트 상분율은 20-75%인데, 이는 고강도화를 달성하면서 지연파괴저항성을 함께 개선할 수 있는 범위이다.

[강 가공물(볼트)의 제조방법]

본 발명에서는 선재를 냉간성형하여 강가공물(볼트)를 얻고, 강가공물을 물성부여 열처리를 한다.

(1) 선재제조공정

일반적으로 선재는 빌레트를 선재압연하고 냉각하여 선재를 얻고, 이 선재를 신선한다. 신선가공전후에는 구상화열처리를 행한다.

본 발명에서는 상기한 강성분계를 갖는 강조성을 갖는 선재를 냉각과정, 또는, 신선가공전후의 열처리에서 흑연화열처리를 통해, 미세조직에서 흑연립 크기가 50㎛이하이고 흑연립의 상분율이 0.1%이상이 되도록 한다. 흑연화열처리 조건은 Ac1-(60±30℃)의 온도에서 5분이상가열하여 공냉하는 것이다. 흑연화열처리온도가 Ac1-90℃미만에서는 흑연화 속도가 매우 느려지는 온도구간으로 생산성 확보에 문제점이 있으며, Ac1-30℃보다 높은 온도에서는 흑연화 열처리 시간이 길어지며 오스테나이트상이 석출하여 오히려 흑연립이 재고용될 가능성이 높다. 또한 열처리시간 5분미만에서는 흑연화가 완전히 이루어지기 어렵기 때문이다.

본 발명에 따라 선재압연하고 냉각하는 공정에서 흑연화열처리하는 경우에는 선재의 냉간성형성이 확보되기 때문에 신선 또는 냉간성형을 위한 구상화열처리를 생략할 수 있는 장점이 있다.

(2) 냉간성형공정

본 발명에 따라 제공된 신선재는 통상의 방법으로 볼트, 스프링 등으로 냉간성형한다.

(3) 물성부여 열처리공정

냉간성형한 강가공물을 열처리하여 최종미세조직이 페라이트+잔류오스테나이트로서 잔류오스테나이트의 상분율이 15%이상이 되도록 열처리(가열, 등온열처리)한다.

물성부여 열처리는 먼저, 강가공물을 Ac3변태점이상의 온도에서 가열한다. 이는 Ac3변태점미만에서는 페라이트와 오스테나이트의 이상영역으로 오스테나이트 단상을 확보하기 어려워 본 발명의 효과를 보이기 위한 페라이트+잔류 오스테나이트 미세복합조직 제조시 조직 불균질을 초래할 수 있기 때문이다. 이러한 가열온도는 가능한 1150℃이하에서 하는데, 이는 1150℃를 초과하면 소재 가열시 표면탈탄과 오스테나이트 결정입 조대화를 초래하여 최종제품에서의 품질특성(기계적 성질 , 응력이완성, 표면흠, 정적 피로특성등)에 영향을 미치게 되기 때문이다. 이때의 가열시간은 오스테나이트화가 이루어지는데 요구되는 시간만큼 가열하면 되는데 약 20분이상 이면 충분하다.

상기와 같이 가열하여 가공물(볼트)의 조직을 오스테나이트 단상으로 하고, 20℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+50℃∼Ms+215℃의 온도(Ms는 마르텐사이트 변태시작 온도임)까지 급냉한 후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉한다. 냉각완료온도가 Ms+50℃ 미만에서는 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직을 확보하기 위한 변태 소요시간이 길어지는 문제점과 등온열처리 온도편차 발생시 마르텐사이트가 발생할 가능성이 높고, 적정 잔류 오스테나이트양 및 크기, 형상에 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않고, 또한 연신율 및 충격인성이 급격히 감소하기 때문이다. 또한, Ms+215℃를 초과하는 경우 잔류 오스테나이트의 양 및 크기, 형상, 기계적 및 열적 안정성에 영향을 미쳐 고강도화에 바람직스럽지 않으며, 항복비(항복강도/인장강도 비)의 급격한 감소로 적정 항복강도 확보에 문제점이 있으며 이에 따른 볼트 체결시 응력이완성이 열악해지는 문제점이 있고, 충격인성의 감소로 파괴저항성에 유해하고, 또한 임계지연파괴강도, 정적 피로특성에 영향을 미치기 때문이다.

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.

		화학성분
		C	Si	Mn	Cr	V	Ni	Mo	Ti	W	B	Cu	P	S	N2	O2
발명강	1	0.80	3.06	0.53	-	0.05	-	-	-	-	-	0.03	0.009	0.009	0.004	0.0013
	2	0.70	3.44	0.52	-	0.06	-	-	0.02	-	0.001	0.04	0.007	0.008	0.004	0.0014
	3	0.89	3.13	0.58	-	0.07	0.72	-	-	0.06	-	0.12	0.006	0.009	0.005	0.0015
	4	0.85	2.25	0.87	-	Nb:0.01	-	0.23	0.04	0.15	-	0.03	0.006	0.009	0.004	0.0016
	5	0.83	3.90	0.55	-	0.04	-	-	-		0.0020	0.03	0.007	0.006	0.005	0.0017
	6	1.24	3.22	0.64	-	-	-	0.05	0.03	0.07	0.0023	0.02	0.007	0.007	0.005	0.0017
	7	1.39	2.57	0.82	-	-	1.20	0.20	0.09	-	-	0.15	0.009	0.008	0.005	0.0018
비교강	1	0.81	2.93	0.33	0.49	0.04	-	-	-	-	-	-	0.007	0.009	0.006	0.0012
	2	0.68	3.54	0.35	0.74	0.19	-	-	0.01	-	0.001	-	0.009	0.006	0.012	0.0015
	3	0.90	3.04	0.29	0.38	0.06	0.66	-	-	0.03	-	-	0.004	0.008	0.008	0.0017
	4	0.83	2.09	0.71	0.55	0.12	-	0.25	0.03	0.18	-	-	0.005	0.004	0.011	0.0013
	5	0.82	3.92	0.32	0.32	0.05	-	-	-		0.0019	-	0.006	0.004	0.008	0.0015
	6	1.21	3.11	0.30	0.56	-	-	0.04	0.05	0.09	0.0013	-	0.007	0.006	0.005	0.0016
	7	1.42	2.61	0.79	0.33	-	1.10	0.10	0.10	-	-	-	0.009	0.005	0.005	0.0018

상기와 같이 열간압연된 소재들로부터 기계적 성질(인장 및 충격특성) 및 지연파괴저항성을 평가하기 위한 시험편들은 압연재의 압연방향에서 채취하였다. 흑연화열처리는 750℃에서 10시간 행하였으며 이후 인장강도를 조사하여 볼트 냉간성형성을 간접적으로 평가하였으며 최종물성을 확보하기위한 열처리조건은 표 2에 나타낸 가열 및 등온열처리 조건으로 열처리 시험하였다.

표 1의 발명강들은 흑연화열처리를 750℃에서 10시간 행하여 공냉한 후 Ac3변태점이상에서 1150℃이하 범위에서 20-30분간 가열하고, 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직을 얻기 위한 등온 열처리 온도 범위인 Ms+50℃∼Ms+250℃까지 30℃/sec이상의 냉각속도로 급냉하고 60분간 열처리하여 잔류오스테나이트의 상분율을 20-75%범위로 제조하였다.(표3 의 발명재(1~11))

한편 표 1의 비교강들은 구상화열처리를 830℃에서 5시간 유지후 650℃까지 10℃/hr의 냉각속도로 서냉하고 이후 공냉한후 후 Ac3변태점이상에서 1150℃이하 범위에서 20-30분간 가열하고, 페라이트+잔류오스테나이트 복합조직을 얻기 위한 등온 열처리 온도 범위인 Ms+50℃∼Ms+250℃까지 30℃/sec이상의 냉각속도로 급냉하고 60분간 열처리하여 잔류오스테나이트의 상분율을 20-75%범위로 제조하였다(표3 의 비교재1~11).

상기와 같이 제조된 소재들에 대한 흑연화강도, 인장특성 및 충격특성, 지연파괴특성을 평가하기 위하여, 인장시험편은 KS규격(KS B 0801) 4호 시험편을 이용하였으며 인장시험은 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 측정하였다. 흑연립 상분율은 포인트 카운팅(point counting)법을 이용하여 측정하였다 본 발명의 효과를 보이기 위한 지연파괴저항성 평가는 일반적으로 사용되는 일정하중법을 적용하였다. 이평가법은 부가응력별 또는 특정 응력하에서 파괴까지의 소요시간으로 지연파괴저항성을 평가하는 일반적인 방법이다. 지연파괴시험시 시험응력은 노치인장강도(notched tensile strength)를 기준으로 부가응력(applied stress)을 결정하였다. 지연파괴시험기는 일정하중형의 지연파괴시험기(constant loading type delayed fracture testing machine)를 이용하였다. 지연파괴시험편은 시편지름 6mmφ, 노치부 지름 4mmφ, 노치반경(notch root radius) 0.1mm로 제조하였다. 시험편 분위기 용액은 월폴버퍼 용액(Walpole buffer solution, HCl+CH3COONa)으로 pH 2±0.5의 상온(25±5℃)에서 실시하였다.

임계지연파괴강도는 동일 응력비( 부하응력/노치인장강도 비, 0.5)에서 파단까지의 소요시간이 150시간 이상까지 미절손되는 인장강도를 의미하며, 노치강도는 노치시험편을 인장시험하여 (최대하중÷노치부 단면적)의 값으로 구하였다. 임계지연파괴강도의 설정을 위한 시험편수는 15개를 기준으로 하여 13개이상 미절손되는 경우를 기준으로 하였다. 상기와 같이 제조된 발명제 및 비교제에 대하여 인장성질 및 충격인성을 측정하고, 그결과를 표3에 나타내었다.

구분	흑연립 상분율(%)	흑연화 또는 구상화 열처리후 기계적 성질
구분	흑연립 상분율(%)	인장강도(kg/mm²)	항복강도(kg/mm²)	연신율(%)	단면감소율(%)	충격인성(J/㎠)
발명강1	2.4	59	41	30	52	56
발명강2	2.3	55	39	35	60	59
발명강3	2.6	60	42	27	40	53
발명강4	2.2	55	37	36	64	65
발명강5	2.5	59	38	29	58	58
발명강6	2.7	57	35	37	66	68
발명강7	2.4	60	43	31	62	64
비교강1	-	78	57	32	53	62
비교강 2	-	77	58	33	56	64
비교강 3	-	81	63	29	58	58
비교강 4	-	83	65	27	63	54
비교강 5	-	79	62	30	59	60
비교강 6	-	84	63	25	53	57
비교강 7	-	88	65	26	63	54

구분	대상강종	가열온도(℃)	가열시간(min)	등온가열온도(℃)	등온열처리시간(min)	잔류오스테나이트의상분율(%)	변태온도(℃)
구분	대상강종	가열온도(℃)	가열시간(min)	등온가열온도(℃)	등온열처리시간(min)	잔류오스테나이트의상분율(%)	Ms
발명재1	발명강1	980	30	Ms+70	60	22	216
발명재2		980	30	Ms+100	60	23
발명재3		980	30	Ms+150	60	53
발명재4		1050	20	Ms+100	60	24
발명재5		1150	20	Ms+130	60	41
발명재6	발명강2	1050	40	Ms+100	60	32	227
발명재7	발명강3	1050	40	Ms+150	90	59	196
발명재8	발명강4	1050	40	Ms+150	90	19	181
발명재9	발명강5	1000	40	Ms+150	90	53	218
발명재10	발명강6	1150	40	Ms+150	90	72	182
발명재11	발명강7	1100	40	Ms+200	100	73	143
비교재1	비교강1	980	30	Ms+70	60	21	210
비교재2		980	30	Ms+100	60	25
비교재3		980	30	Ms+150	60	49
비교재4		1050	20	Ms+100	60	26
비교재5		1150	20	Ms+130	60	40
비교재6	비교강2	1050	40	Ms+100	60	33	224
비교재7	비교강3	1050	40	Ms+150	90	61	193
비교재8	비교강4	1050	40	Ms+150	90	22	177
비교재9	비교강5	1000	40	Ms+150	90	55	214
비교재10	비교강6	1150	40	Ms+150	90	70	179
비교재11	비교강7	1100	40	Ms+200	100	75	140

표 2는 표1의 발명강들에 대해 흑연화열처리를 부여한후 기계적 성질을 평가한 결과이다. 표 2에서 보는 바와같이 본 발명강들의 인장강도는 55~60kg/mm² 범위를 보이나 구상화열처리에 의해 연화열처리 된 비교강들은 인장강도78~88kg/mm²범위로 본 발명에 의해 인장강도가18kg/mm²이상 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있는 바, 본 발명은 볼트 냉간성형성 측면에서 상당한 개선효과를 기대할 수 있는 것이다.

구분	등온열처리후 기계적 성질
구분	인장강도(kg/mm²)	항복강도(kg/mm²)	연신율(%)	단면감소율(%)	충격인성(J/cm²)	임계지연파괴강도(kg/mm²)
발명재1	187	153	21	52	75	175
발명재2	183	144	25	60	90	180
발명재3	174	140	34	62	74	175
발명재4	180	143	25	66	85	175
발명재5	173	134	33	62	98	170
발명재6	201	163	21	56	93	175
발명재7	213	175	33	66	110	175
발명재8	195	169	28	67	97	185
발명재9	197	168	31	69	100	180
발명재10	204	172	33	62	103	175
발명재11	212	177	34	63	102	185
비교재1	190	155	23	54	79	180
비교재 2	185	148	28	61	91	180
비교재 3	176	142	33	64	77	170
비교재 4	183	145	24	64	88	170
비교재 5	175	135	36	67	95	170
비교재 6	200	163	24	58	98	180
비교재 7	215	172	34	69	107	180
비교재 8	198	168	29	68	98	180
비교재 9	195	170	30	67	101	180
비교재 10	201	174	32	61	108	180
비교재 11	210	180	35	65	105	180

표 4에 나타난 바와같이, 발명재(1∼11)의 인장강도는 173~213kg/mm²범위를 나타내면서 임계지연파괴강도는 170~185kg/mm²수준이나, 비교재(1∼11)의 경우 인장강도는 190~215kg/mm2범위이면서 임계지연파괴강도가 170~180kg/mm²범위 수준으로 본 발명재들은 비교재들 대비 동등수준의 기계적 성질 및 지연파괴강도를 보임을 잘 알 수 있다.

이와 같이, 페라이트+잔류 오스테나이트 복합조직을 갖는 본 발명재는 기계적 성질 및 지연파괴강도를 유지하면서 비교재 대비 냉간성형시 요구되어지는 인장강도를 현저하게 개선할 수 있는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 냉간성형성 및 지연파괴저항성이 우수하면서 고강도화가 가능한 강을 개발함에 있어 페라이트+잔류 오스테나이트로 구성되는 복합조직강의 합금성분계 및 열처리조건을 제시함으로서 볼트의 고강도화를 달성하면서 우수한 냉간성형성 및 지연파괴저항성을 동시에 확보할 수 있게 됨에 따라 고강도 볼트용 미세복합조직강을 제공할 수 있는 것이다.

Claims

중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함되는 냉간성형성과 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강.
제 1항에 있어서, 상기 탄소는 0.8∼1.0%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 냉간성형성과 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강.
제 1항에 있어서, 상기 실리콘은 2.8∼3.3%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 냉간성형성과 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강.
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중량%로 탄소 0.65-1.50%, 실리콘 2.0-4.0%, 망간 0.1-0.8%, 인 및 황 0.01% 이하, 질소 0.002-0.01%, 산소 0.002% 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 조성되고, 미세조직에 크기가 50㎛이하의 흑연립이 0.1%이상의 상분율로 포함되는 신선재를 강가공물로 냉간성형하는 공정,

이 강가공물을 Ac3변태점 이상의 온도에서 가열하여 오스테나이트 단상으로 하고, 20℃/sec이상의 냉각속도로 Ms+50℃∼Ms+215℃의 온도까지 급냉한후 60분이상 등온열처리하고 유냉 또는 공냉하여 상분율 15%이상의 잔류 오스테나이트와 페라이트의 복합조직을 갖도록 하는 열처리공정을 포함하여 이루어지는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 탄소는 0.8∼1.0%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 실리콘은 2.8∼3.3%의 범위로 함유되는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법.
제 7항에 있어서, 상기 잔류오스테나이트의 상분율은 20∼35%임을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법.
제 7항내지 제 10항중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 냉간성형은 신선재를 볼트로 가공하는 것을 특징으로 하는 지연파괴저항성이 우수한 고강도 강가공물의 제조방법.