KR101246389B1 - 비조질강 - Google Patents

Abstract

피삭성이 우수하여 자동차용 크랭크샤프트 등의 부품 제조 등에 적용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.37 ~ 0.44 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.55 ~ 0.90 중량%, 황(S) : 0.02 ~ 0.03 중량%, 크롬(Cr) : 0.85 ~ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

비조질강 {NON-HEAT TREATED STEEL}

본 발명은 비조질강에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가공성이 탁월하면서 개재물의 형상제어에 의한 연신성 및 단조성의 향상이 가능하여, 자동차 크랭크샤프트 등에 적용할 수 있는 비조질강 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 부품에 적용되는 소재는 친환경, 고출력, 고품질의 목표 하에 가공성이 우수하면서도 고강도화되고 있는 추세이다.

이러한 자동차 부품용 소재는 주로 기계 구조용 합금강이 사용되는데, 기계 구조용 합금강을 이용한 부품 제조는 통상 열간 압연 또는 냉간 압연에 의한 합금강의 제조 후, 퀀칭(Quenching)과 템퍼링(Tempering)에 의한 조질 열처리의 과정 및 절삭 과정을 거쳐 제조된다.

비조질강은 상기와 같은 기계 구조용 합금강을 이용한 부품 제조에서 실시되는 조질 열처리를 생략하고도 기계 구조용 합금강과 동일한 효과의 기계적 성질을 얻을 수 있는 강재를 의미한다.

따라서, 비조질강을 이용한 부품 제조시, 저에너지화를 달성할 수 있고, 이에 따라 제조 비용 절감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 목적은 황(S), 니오븀(Nb) 등의 합금 성분 조절을 통하여 우수한 기계적 특성을 가지면서도, 쾌삭성이 우수한 비조질강 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.37 ~ 0.44 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.55 ~ 0.90 중량%, 황(S) : 0.02 ~ 0.03 중량%, 크롬(Cr) : 0.85 ~ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 비조질강에는 인(P) : 0.03 중량% 이하, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하 및 니켈(Ni) : 0.25 중량% 이하 중 하나 이상의 성분이 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비조질강 제조 방법은 (a) 탄소(C) : 0.37 ~ 0.44 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.55 ~ 0.90 중량%, 황(S) : 0.02 ~ 0.03 중량%, 크롬(Cr) : 0.85 ~ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 조성되는 강재를 1150~1250℃의 온도범위에서 열간단조하고 공냉 또는 팬냉(fan cooling)하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비조질강은 조질 열처리를 생략하고도 우수한 기계적 특성을 확보할 수 있어, 자동차용 크랭크샤프트 등의 부품 제조 등에 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 비조질강은 적정량의 황을 첨가함으로써 MnS 개재물의 양을 증가시켜 강재의 공정수율 및 기계적 특성을 손상시키지 않으면서 쾌삭 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 미세조직을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 탈탄층을 나타낸 것이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시편의 표면 경도를 나타낸 것이다.
도 4는 소지흠 평가를 위하여, 실시예 1에 따른 비조질강 시편을 다단 절삭한 예를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 비금속 개재물을 나타낸 광학 현미경(OM) 사진이다.
도 6은 비교예 1에 따른 조질강 시편의 드릴 가공성 시험 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 드릴 가공성 시험 결과를 나타낸 것이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비조질강 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

비조질강

본 발명에 따른 비조질강은 탄소(C) : 0.37 ~ 0.44 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.55 ~ 0.90 중량%, 황(S) : 0.02 ~ 0.03 중량%, 크롬(Cr) : 0.85 ~ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%를 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 비조질강에는 인(P) : 0.03 중량% 이하, 구리(Cu) : 0.30 중량% 이하 및 니켈(Ni) : 0.25 중량% 이하 중 하나 이상의 성분이 더 포함될 수 있다.

상기 합금 성분들 외, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진다.

이하, 본 발명에 따른 비조질강에 포함되는 각 성분의 역할 및 그 함량에 대하여 설명하면 다음과 같다.

탄소(C)

본 발명에서 탄소(C)는 제조되는 비조질강의 강도를 확보하기 위해 첨가된다.

또한 상기 탄소(C)는 강의 강도 및 경도를 결정하는 주요 원소로 함량이 높을수록 강도가 증가하며, 냉간가공도의 증가에 따라 인장강도와 항복점은 증가한다. 또한 황(S)과 결합하여 탄유화물을 형성하며 피삭성을 높인다.

상기 탄소는 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.37 ~ 0.44 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소가 0.37 중량% 미만으로 첨가되면 강도 확보가 불충분하다. 반대로, 탄소의 첨가량 0.44 중량%를 초과할 경우 충격인성이 급격히 저하되는 문제점이 있다.

실리콘(Si)

본 발명에서 실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가되며, 또한 고용 강화 효과를 향상시키는 역할을 한다.

상기 실리콘은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.15 ~ 0.35 중량%로로 첨가되는 것이 바람직하다. 실리콘의 첨가량이 0.15 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과 및 고용 강화 효과가 불충분하다. 반대로, 실리콘의 함량이 0.35 중량%를 초과할 경우 제조되는 비조질강의 인성을 저하시키는 문제점이 있다.

망간(Mn)

본 발명에서 망간(Mn)은 베이나이트 조직을 미세화하여 강도를 향상시키는데 매우 효과적인 원소이다. 또한 망간(Mn)은 고온에서 소성을 증가시켜 주조성을 좋게 한다. 그리고 망간은 황(S)과 결합하여 MnS를 형성함으로서 적열취성을 방지하고 절삭가공성을 향상시킨다.

상기 망간은 본 발명에 따른 비조질강에서 0.55 ~ 0.90 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 망간이 0.55 중량% 미만으로 첨가될 경우, 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 강도 확보 효과가 불충분하다. 반대로, 상기 망간이 0.90 중량%를 초과할 경우 인성을 저하시키며, 비조질강의 제조 원가를 크게 상승시키는 문제점이 있다.

황(S)

황(S)은 비조질강에서 절삭성 혹은 가공성을 향상시키기 위하여 첨가된다.

상기 황(S)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.02 ~ 0.03 중량% 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 황(S)의 함량이 0.02 중량% 미만일 경우 비조질강의 절삭성 등이 불충분한 문제점이 있다. 반대로, 황(S)의 함량이 0.03 중량%를 초과할 경우 길게 연신된 MnS를 형성하게 되고, 길게 연신된 MnS는 압연이나 단조 공정 중에 고주파열처리 및 파팅라인부에 위치하여 제품의 품질을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 열간 가공성을 떨어뜨리고, 찢어짐을 유발하며, 거대 개재물 형성에 의한 표면처리시 결함의 원인이 되는 문제점이 있다.

크롬(Cr)

크롬(Cr)은 망간(Mn)과 더불어 베이나이트 조직의 미세화를 통한 강도 향상에 기여한다.

상기 크롬(Cr)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.85 ~ 1.25 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 크롬의 첨가량이 0.85 중량% 미만일 경우 저탄소에 따른 강도 보상 효과가 불충분하다. 반대로 크롬의 첨가량이 1.25 중량%를 초과할 경우 인성이 저하되고, 동시에 가공성이나 피삭성이 저하되는 문제점이 있다.

몰리브덴(Mo)

몰리브덴(Mo)은 강도 및 인성의 향상에 기여하며, 또한 상온이나 고온에서 안정된 강도를 확보하는데 기여한다.

상기 몰리브덴(Mo)은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.15 ~ 0.35 중량%의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 몰리브덴(Mo)의 첨가량이 0.15 중량% 미만일 경우 몰리브덴 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 몰리브덴의 첨가량이 0.35 중량%를 초과할 경우 노멀라이징(Normalizing)과 같은 열처리시 경도를 현저히 상승시키며, 제조원가를 높이고 부품 가공성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

니오븀(Nb)

니오븀(Nb)은 미세한 니오븀계 탄질화물을 형성하여 강도 및 인성 향상에 기여하며, 연신된 비금속 개재물의 형상을 제어하는 역할을 한다.

상기 니오븀은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.01 ~ 0.05 중량%로 첨가되는 것이 바람직하다. 니오븀의 첨가량이 0.01 중량% 미만일 경우, 그 첨가 효과가 불충분하다. 반대로, 니오븀의 첨가량이 0.05 중량%를 초과하는 경우 조대한 니오븀계 탄질화물을 형성하여 오히려 인성을 저해시킬 수 있다.

인(P)

인(P)은 절삭성의 향상을 위하여 첨가된다. 다만, 본 발명에 따른 비조질강에서 인(P)의 함량이 0.03 중량%를 초과하여 첨가되면 인성이나 내피로성 등이 악화되는 문제가 있다. 따라서, 인(P)의 함량은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.03 중량% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

구리(Cu)

구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여하며, 비조질강의 절삭성을 향상시키는 역할을 한다.

구리(Cu)는 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.30 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 구리의 첨가량이 0.30 중량%를 초과하는 경우 인성의 현저한 저하와 열간가공에 의한 열화를 초래하는 문제점이 있다.

니켈(Ni)

니켈(Ni)은 경화능을 증대시키고 인성을 향상시키기 위해 첨가된다.

상기 니켈은 본 발명에 따른 비조질강 전체 중량의 0.25 중량% 이하의 함량비로 첨가되는 것이 바람직하다. 니켈의 첨가량이 0.25 중량%를 초과하는 경우 부품의 제조원가를 높이고 제조성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명에 따른 비조질강은 상기 합금 성분을 포함하는 강재를 1150~1250℃의 온도 범위에서 열간단조한 후, 공냉 혹은 팬냉(fan cooling)을 통하여 제조될 수 있다.

열간단조의 온도가 1250℃를 초과하는 경우 제조되는 비조질강의 가공성의 열화가 발생할 수 있다. 반대로, 열간단조 온도가 1150℃ 미만일 경우 가열온도가 충분치 못하여 목표로 하는 단면 면적률로 50% 이상의 베이나이트 조직을 형성하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명에 따른 비조질강은 그 미세 조직이 단면 면적율로 50% 이상의 베이나이트(bainite) 조직을 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 비조질강은 1000~1100MPa의 인장강도(TS), 700~710MPa의 항복강도(YS), 14~16%의 연신율 및 경도 HB 320~330을 나타낼 수 있어, 크랭크샤프트용 소재로 이용되는 SCM440H 규격(인장강도 882MPa 이상, 항복강도 686MPa 이상, 연신율 12% 이상, 경도 HB285 이상)을 충족시킬 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 비조질강의 특성은 다음과 같은 합금 성분의 제어를 통하여 가능하였다. 우선, 실리콘(Si), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo) 성분을 조질처리 강재 대비 상향 첨가하여 베이나이트 조직을 미세화하여 강도 등을 확보하였다.

또한 황(S) 첨가를 통하여 MnS 개재물의 양을 증가시켜 피삭성을 향상시켰다. 또한, 니오븀(Nb)을 첨가하여 연신된 MnS 개재물을 형상 제어함으로써, 고주파 가열로 인한 가공부 연마크랙을 동시에 저감시킬 수 있었다.

실시예

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.

여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.

1. 시편의 제조

표 1에 기재된 합금성분을 갖는 실시예 1에 따른 비조질강 시편 및 비교예 1에 따른 조질강 시편을 마련하였다.

[표1](중량%)

실시예1 및 비교예1에 따른 조성에 따라 진공유도용해로(VIM)에서 용해 후 주조하였다. 이후, 1200℃로 재가열하여 Φ32의 공시재로 파일롯 압연하였다.

이후, 비교예 1에 따른 조질강 시편의 경우, 860℃에서 30분 퀀칭한 후, 600℃에서 90분간 템퍼링을 실시하였다. 반면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 1200℃로 30분간 가열한 후 공냉하였다.

2. 물성 평가

표 2는 실시예 1에 따른 비조질강 시편 및 비교예 1에 따른 조질강 시편에 대하여 인장시험을 실시한 결과를 나타낸 것이다.

[표 2]

표 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 인장강도, 항복강도, 연신율 및 경도 모두 SCM440H 규격을 만족하는 것을 볼 수 있다. 또한, 표 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 인장강도가 매우 우수하면서 아울러 낮은 항복강도를 나타내어 저항복비형으로 우수한 가공성을 갖는 것을 볼 수 있다.

도 1은 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 미세조직을 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 전형적인 베이나이트 조직이 형성되어 있는 것을 볼 수 있으며, 그 분율도 단면 면적률로 50% 이상인 것을 볼 수 있다. 또한, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 평균 결정립의 크기가 대략 21.2㎛로 결정립이 매우 미세하게 형성되었다.

도 2는 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 탈탄층을 나타낸 것이고, 도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 시편의 표면 경도를 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 표면의 탈탄층이 300㎛보다 얇게 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 또한, 도 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 비교예 1에 따른 조질강 시편과 마찬가지로 표면으로부터 대략 200㎛ 이하의 깊이부터는 경도(Hv)가 300을 넘는 것을 볼 수 있어, 경도 특성 역시 우수함을 볼 수 있다.

또한, 실시예 1에 따른 비조질강 시편을 도 4와 같은 형상으로 다단 절삭한 후, KS D0208 방법으로 육안시험을 실시하였다. 도 4를 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편에는 소지흠이 발견되지 않았다.

도 5는 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 비금속 개재물을 나타낸 광학 현미경(OM) 사진이다.

도 5를 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 다수의 비금속 개재물이 존재하지만, 연신되지는 않았다.

표 3은 실시예 1에 따른 비조질강 시편 및 비교예 1에 따른 조질강 시편의 사이즈별 비금속 개재물의 개수를 나타낸 것이다. 표 3에서 사이즈별 비금속 개재물의 개수는 ASTM 평가법에 따라 개재물간 거리가 40㎛ 미만(또는 중심선간 거리 10㎛ 미만)일 경우 개재물 1개로 측정하였다.

[표 3]

표 3을 참조하면, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우, 비금속 개재물의 수는 비교예 1에 따른 조질강 시편에 비하여 비금속 개재물의 수는 많고, 그 평균 크기는 작은 것을 볼 수 있다.

도 6은 비교예 1에 따른 조질강 시편의 드릴 가공성 시험 결과를 나타낸 것이고, 도 7은 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 드릴 가공성 시험 결과를 나타낸 이다.

드릴 가공성의 시험은 직경 Φ9의 초경(DPPA 01090) 드릴을 사용하여 회전속도 3000 RPM으로 깊이 30 mm의 천공 홀수를 드릴날 파손시까지 시험하는 방식으로 실시하였다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 드릴 가공성 시험 결과, 비교예 1에 따른 조질강 시편의 경우 천공수가 88개에 불과하였으나, 실시예 1에 따른 비조질강 시편의 경우 천공수가 183개에 달하였다.

도 5, 도 7 및 표 3에 나타난 결과에 따라, 본 발명에 따른 비조질강의 경우, 피삭성이 매우 우수함을 알 수 있다.

이러한 결과는 비조질강의 합금 성분에 황(S)의 첨가와 함께 니오븀(Nb)을 첨가함으로써 MnS 개재물이 형상 제어되었기 때문으로 보인다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.

Claims (6)

1. 탄소(C) : 0.37 ~ 0.44 중량%, 실리콘(Si) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 망간(Mn) : 0.55 ~ 0.90 중량%, 황(S) : 0.02 ~ 0.03 중량%, 크롬(Cr) : 0.85 ~ 1.25 중량%, 몰리브덴(Mo) : 0.15 ~ 0.35 중량%, 니오븀(Nb) : 0.01 ~ 0.05 중량%를 포함하고, 나머지 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어지며,
   미세 조직이 단면 면적율로 50% 이상의 베이나이트(bainite) 조직을 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 비조질강에는
   인(P) : 0 중량% 초과 ~ 0.03 중량% 이하, 구리(Cu) : 0 중량% 초과 ~ 0.30 중량% 이하 및 니켈(Ni) : 0 중량% 초과 ~ 0.25 중량% 이하 중 하나 이상의 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비조질강.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 비조질강은
   1000~1100MPa의 인장강도(TS), 700~710MPa의 항복강도(YS) 및 14~16%의 연신율을 갖는 것을 특징으로 하는 비조질강.
   
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