KR20000031083A

KR20000031083A - 스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법

Info

Publication number: KR20000031083A
Application number: KR1019980046946A
Authority: KR
Inventors: 임성욱
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1998-11-03
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2000-06-05

Abstract

본 발명은 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 분말형 발청의 발생 없이 스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 갖는 본 발명은, 중량%로 C:0.04∼0.25%, Si:0.03∼0.25%, Mn:0.30∼1.00%, P:0.02%이하, S:0.01%이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 열간압연하여 선재를 제조하는 방법에 있어서,

상기 열간압연후 300∼450℃/sec의 속도로 수냉하고 830∼900℃의 온도에서 권취한 다음, 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 650±30℃까지 제 1단계 냉각하고, 4∼6℃/sec의 평균냉각속도로 570±30℃까지 제 2단계 냉각한 후 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 상온까지 제 3단계 냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것을 그 기술적요지로 한다.

Description

스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법

본 발명은 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세히는 분말형 발청의 발생 없이 스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

저탄소 냉간압조용 선재는 보통 가정용, 일반기계용, 자동차용의 나사, 볼트 및 너트 등으로 제조되며, 이러한 선재의 제조공정은 도 1에 도시되어 있다. 연속주조한 빌렛(Billet)을 선재압연기(1)에서 열간압연한 후 수냉장치(2)에 의해 냉각개시온도(이하, 권취온도라 함)까지 급속히 냉각하고 이후 권취기(3)에서 링(Ring)상으로 낙하하여 냉각콘베이어(5)에서 이송하면서 하부 송풍기(6)에 의해 공냉속도를 적절히 제어함에 따라 주문자 용도특성에 맞는 선재제품을 제조한다.

일반적으로 저탄소 냉간압조용 선재는 우수한 신선성과 냉간압조성을 확보하기 위하여 탄소함량을 0.25중량%이하로 관리하고 있다. 종전에는 선재를 신선 및 냉간압조가공전에 열처리를 실시하였지만, 최근 2차가공기술의 발달로 열처리 생략 기술이 확산되고 있는 실정이다. 따라서, 열처리를 하지 않고 우수한 신선성과 냉간압조성을 확보하기 위해서는 모재인 선재의 강도와 연성 등의 기계적성질을 균일하고 적절하게 제어하여야만 한다.

이러한 기계적성질을 제어하는 방법으로 첫째, 화학성분의 조정을 들 수 있다. 냉간압조용 선재는 우수한 신선성과 냉간압조성을 위하여 탄소함량을 낮게 관리하여야 적정한 강도와 연성을 확보할 수 있다. 둘째, 열간압연후 냉각속도의 조정으로 미세조직을 제어함에 따라 적절한 기계적성질을 확보할 수 있다. 통상 0.25중량% 이하의 저탄소강에서는 미세조직이 주로 페라이트로 구성되어 있으며 균일한 크기의 다각형 페라이트조직을 얻기 위하여 냉각속도를 통상 2℃/sec이상의 일정한 속도로 관리하고 있다.

이와 같이 선재는 냉각공정을 거치는 동안 그 표면에 스케일이 생성되며, 이 스케일은 2차가공전에 스케일 박리공정을 거쳐 제거하고 있다. 스케일 박리방법으로는 염산이나 황산을 이용하여 산세하는 화학적 박리법과 반복굽힘, 쇼트블라스트, 공기블라스트 등의 기계적박리법이 사용되고 있다. 고탄소강 선재의 경우 공해가 적고 운전원가측면에서 유리한 기계적박리법이 주로 채용되고 있지만, 저탄소 냉간압조용 선재의 경우 기계적박리법을 실시할 경우 국부적인 응력집중과 미세한 표면결함 발생 등의 문제가 있어 대부분 화학적 박리법을 채택하고 있다. 그러나, 화학적박리법의 일종인 산세에 의한 스케일 박리는 환경오염과 밀접한 관계가 있으므로 산세액의 수명을 향상시키는 것이 중요하며, 따라서, 스케일의 두께가 얇을수록 유리하기 때문에 선재표면에 얇고 박리성이 좋은 스케일을 형성시키는 것이 중요하다.

선재제조시 얇은 스케일을 형성하는 종래의 방법으로는 낮은 권취온도와 냉각콘베이어에서 대기 중으로의 방사 또는 대류에 의해 상온까지 냉각함에 따라 최종 목적으로 하는 기계적성질을 확보하고 있다. 그러나, 이와 같은 종래의 방법으로 제조된 선재제품에는 그 표면에 분말형태의 붉은 녹(이하, 발청이라함)이 발생하고, 이 분말형태의 발청은 스케일 박리를 위한 산세시 박리성을 나쁘게 하고 산세액의 수명을 감소시킨다.

이러한 분말형 발청의 성분은 헤마타이트(Hematite)로, 그 발생과정은 峰公雄등(가와사끼 제철기보, vol. 13, No.2,1981)이 보고한 바와 같이, 수냉시 철(Fe)과 물의 반응에 의해 생성된 마그네타이트(Magnetite)인 Fe₃O₄가 공기중의 산소와 반응하여 헤마타이트(Hematite)로 변태하는 것으로 알려져 있다. 또 R. Takaki(Joural of the physical society of japan, Vol. 12, No. 2, 1957, P1212)의 연구논문에 의하면 이러한 분말형 헤마타이트는 400-850℃범위 내에서 쉽게 성장하는 것으로 보고하고 있다.

본 발명자들은 지금까지의 알려진 연구사실에서 한 발 더 나아가 저탄소 냉간압조용 선재에서 생기는 분말형 발청의 방지방법에 대해 깊이 있게 연구와 실험을 반복한 결과, 열간선재압연후 냉각속도와 스케일의 산화철 변태과정을 새롭게 인식할 수 있었다. 본 발명자들은 이러한 인식에 기초하여 열간선재압연후의 수냉속도와 공냉속도를 조절하면 분말형 분청의 발생을 방지할 수 있다는 것을 확인하고 본 발명을 제안하게 이르렀다.

본 발명은 선재에 생성되는 산화철이 냉각조건에 따라 변태하는 연구결과에 근거를 둔 것으로, 선재의 냉각조건을 제어하여 분말형 발청의 발생을 방지하면서도 기계적성질을 개선할 수 있는 선재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 선재제조장치의 개략도

도 2는 소재온도와 분말형 발청의 발생과의 관계를 나타내는 그래프

도 3은 수냉속도와 분말형 발청의 발생과의 관계를 나타내는 그래프

도 4는 발명재와 종래재의 공냉속도와 권취온도와의 관계를 나타내는 그래프

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1......선재압연기 2...... 수냉장치

3...... 권취기 4...... 선재코일

5...... 냉각 콘베이어 6...... 송풍기

7...... 집적기

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저탄소 냉간압조용 선재의 제조방법은,

중량%로 C:0.04∼0.25%, Si:0.03∼0.25%, Mn:0.30∼1.00%, P:0.02%이하, S:0.01%이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 열간압연한 후 300∼450℃/sec의 속도로 수냉하고 830∼900℃의 온도에서 권취한 다음, 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 650±30℃까지 제 1단계 냉각하고, 4∼6℃/sec의 평균냉각속도로 570±30℃까지 제 2단계 냉각한 후 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 상온까지 제 3단계 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명자들은 선재에 생성되는 스케일두께와 최종 선재제품의 물성에는 영향을 미치지 않으면서 분말형 발청의 발생을 방지하는 방법에 대해 깊이 있게 연구한 결과, 다음과 같은 사실을 인식하게 되었다.

첫째, 수냉속도가 너무 높으면 지철의 철(Fe)과 반응하는 물의 양이 많아져 마그네타이트(Fe₃O₄) 발생량이 증가하게 되며 또한, 공기중 산소와의 반응이 활발해져 분말형 헤마타이트(Fe₂O₃)의 발생 가능성이 높아지게 된다. 따라서, 수냉속도를 적절히 조절할 필요가 있다.

둘째, 선재를 권취한 후 공냉할 때 700℃부근 온도범위에서 오래 머물게 되면 분말형 헤마타이트가 길어짐에 따라 발청 발생량이 많아지게 된다. 즉, 도 2에 나타낸 바와 같이, 분말형 헤마타이트는 700℃부근에서 가장 많이 성장하는 것으로 보아 이 온도구간을 빨리 통과하는 것이 분말형 발청억제에 효과적임을 알 수 있다. 따라서, 권취한 다음 대략 700℃ 부근의 온도범위에서 냉각속도를 빨리 할 필요가 있다.

셋째, 대략 570℃이하의 온도에서 오래 유지하게 되면 열역학적으로 안정한 마그네타이트심 생성에 의한 지철과의 접착력이 커져 스케일 박리성에 치명적인 영향을 미치게 된다. 즉, 선재제조시 스케일의 대부분은 뷰스타이트(Wustite)인 FeO로 이루어지나 대략 570℃이하의 온도에서는 뷰스타이트(Wustite) 보다는 마그네타이트가 열역학적으로 안정하기 때문에 이 온도범위에서 오랜 시간 유지하면 뷰스타이트는 마그네타이트로 변태하게 된다. 이렇게 변태된 마그네타이트는 지철과 뷰스타이트 경계면에서 석출하여 지철과 접착력이 큰 마그네타이트심(Magnetite Seam)이라는 스케일층을 형성하게 된다. 따라서, 박리성을 향상시키기 위해서는 저탄소강의 경우 이미 퍼얼라이트 변태가 완료된 570℃이하의 온도에서는 이 온도구간을 빨리 통과하는 것이 효과적이다.

본 발명은 상기와 같은 연구결과에 의거하여 저탄소 냉간압조용 선재 제조시 열간압연후에 적정한 수냉속도 제어와 권취후 온도단계별 엄격한 공냉속도 제어를 행함으로써 스케일특성과 기계적성질을 우수하게 유지하면서 동시에 분말형 분청발생을 방지할 수 있다.

본 발명에 적합한 소재의 화학성분을 한정하는 이유는 다음과 같다.

C는 강에 있어 강도와 인성을 지배하는 기본적인 원소로 이를 위해 0.04%이상 첨가하나 0.25중량%를 넘으면 강도가 증가하여 신선성 및 냉간압조성을 나쁘게 하므로 탄소는 0.04∼0.25%의 범위로 첨가한다.

Si는 제강공정에서 탈산제로 유효한 원소이며서도 주로 페라이트에 고용되어 강도를 증가시키므로 0.03%이상 첨가하나, 0.25% 보다 높으면 스케일과 지철계면에 FeO와 Fe₂SiO₄의 혼합층이 생성되어 결국 스케일의 밀착성이 증가하게 됨에 따라 스케일 박리성이 저하되므로 Si은 0.03∼0.25%로 첨가한다.

Mn은 Si과 마찬가지로 제강공정에서 탈산제로 사용하는 원소로 0.30% 보다 낮으면 강도가 떨어지고 충분한 연성을 확보할 수 없으나, 1.00% 보다 높으면 국부적으로 편석부에 의해 변태를 지연시킴에 따라 균일한 미세조직 및 강도를 확보할 수 없어 신선성이 나빠지므로 Mn은 0.30∼1.00%로 첨가한다.

P은 강도를 높이는 작용이 있지만 결정입계에 편석되기 쉬워 신선가공시 단선발생 가능성이 높으므로 0.02%이하로 한정한다.

S은 스케일생성을 조장하는 원소로서 스케일이 두꺼워져 철손실이 증가하므로 0.01%이하로 한정한다.

본 발명에 있어 나머지 성분은 철 및 기타 불가피하게 함유되는 불순물로서, 이러한 불순물은 강도와 연성의 관점에서 낮을수록 좋다.

상기와 같이 조성되는 강편(billet)을 통상의 방법으로 열간압연한 다음 냉각하는데, 이때의 수냉속도는 300∼450℃/sec로 하는 것이 좋다. 이는 수냉속도가 450℃/sec 보다 높으면 지철의 철과 반응하는 물의 양이 많아져 마그네타이트 발생량이 증가하기 때문이고. 또한, 공기중 산소와의 반응이 활발해져 도 3에 나타낸 바와 같이 분말형 발청 발생율이 급격하게 증가하기 때문이다. 300℃/sec 보다 낮으면 적정한 크기의 냉각초기 결정립을 확보할 수 없으며 또한 스케일이 두꺼워져 블리스터 발생 및 날림현상이 심해져 철손실이 많아지기 때문이다.

상기와 같이 수냉한 다음 권취하는데, 이때의 권취온도는 830∼900℃범위로 하는 것이 바람직하다. 이는 권취온도가 830℃ 보다 낮으면 도 4에 나타난 바와 같이, 분말형 발청발생 방지를 위하여 냉각속도를 높여야 하나 이 경우 강도가 높아져 제품용도에 맞는 기계적성질을 확보할 수 없는 문제점이 있으며, 권취온도가 900℃ 보다 높으면 권취시 선재코일의 권취형상이 불량해져서 작업성에 악영향을 미치게 된다.

상기와 같이 권취한 다음 냉각하는데, 이때의 냉각단계별 소재온도를 변화시킨 이유에 대해서 설명한다.

권취한 다음 행하는 급속냉각(7-10℃/sec)하는 제 1단계 냉각은 650±30℃의 온도범위까지 한다. 이는 도 2에 나타낸 바와 같이, 700℃부근에서 분말형 발청 발생량이 가장 증가하기 때문에 적어도 약 680℃의 온도까지 급속냉각하여 가능한 분말형 발청발생을 방지한다. 또한, 급속냉각이 620℃온도이하 까지 행해지면 페라이트 미세화로 강도가 상승되어 냉간압조성이 저하되기 때문에 620℃이상으로 제한하는 것이다. 보다 바람직하게는 제 1단계냉각은 650℃의 온도까지 하는 것이다.

또한, 상기 제 1단계 냉각구간에서의 급속냉각은 7∼10℃/sec범위로 하는 것이 바람직하다. 이는 냉각속도가 7℃/sec 보다 낮으면 분말형 발청 발생이 높은 700℃부근을 오래 머물게 되므로 분말형 발청 발생량이 증가하게 되며, 냉각속도가 10℃/sec보다 높으면 페라이트 변태조직이 미세해지거나 침상형 페라이트조직이 생성됨에 따라 강도가 상승하여 신선 및 냉간압조가공성을 나쁘게 한다

상기와 같이 1단계 냉각한다음 저속냉각(4∼6℃/sec)하는 제 2단계냉각은 570±30℃의 온도범위까지 한다. 이는 뷰스타이트가 마그네타이트나 헤마타이트로 변태되지 않은 600-540℃의 온도 구간에서 적절한 스케일조성과 충분한 변태를 도모하기 위함이다. 보다 바람직하게는 제 2단계냉각은 570℃의 온도까지 하는 것이다.

또한, 상기 제 2단계 냉각구간에서 냉각속도는 4∼6℃/sec로 하는 것이 바람직하다. 이는 냉각속도가 4℃/sec보다 낮으면 페라이트조직이 조대해져 오히려 목표로 하는 강도를 확보할 수 없을 뿐만 아니라 결정입계에서의 카바이드(Carbaide)발생량이 증가하여 오히려 신선성을 저하시키게 되며 냉각속도가 6℃/sec 보다 높으면 박리성이 좋은 뷰스타이트가 충분한 두께로 형성되지 못하고 박리성이 떨어지는 마그네타이트나 헤마타이트로 변태할 가능성이 높아 스케일 박리성이 나빠지게 된다.

상기와 같이 제 2단계 냉각한 다음 상온까지 급속냉각하는 제 3단계 냉각은 7∼10℃/sec의 속도로 행하는 것이 바람직하다. 이는 냉각속도가 7℃/sec 보다 낮으면 지철과의 접착력이 크고 박리성에 불리한 마그네타이트심이 발생할 가능성이 높고, 냉각속도가 10℃/sec보다 높으면 중심부에 국부적으로 존재할 수 있는 Mn성분의 편석지점에서 변태가 지연됨에 따라 강도의 편차 및 연성이 현저히 떨어지기 때문에 신선가공시 단선을 유발할 가능성이 높다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예]

표 1과 같이 조성되는 저탄소 냉간압조용 선재를 연속주조에 의해 가로 및 세로의 길이가 각각 160mm, 길이가 약 10.1m인 빌렛으로 제조하고 1050℃이상의 온도에서 1시간 30분동안 가열하여 선재압연기에 의해 직경 5.5mm로 열간압연을 실시하였다. 이렇게 열간압연된 선재를 수냉장치를 통과하여 표 2와 같이 발명재는 300℃/sec에서 450℃/sec미만으로 수냉하여 권취온도를 830∼900℃범위로 조정하였고, 종래재는 450℃/sec에서 650℃/sec이하로 수냉하여 권취온도를 800∼860℃범위로 조정하였다. 이후 권취기에서 링상으로 낙하한 후 냉각콘베이어에서 이송되면서 하부 송풍기의 송풍량을 조정하여 발명재의 경우 소재온도가 650℃가 될 때까지 평균냉각속도(제 1단계냉각)가 7∼10℃/sec범위가 되도록 하였고, 570℃가 될 때까지 평균냉각속도(제 2단계냉각)가 4∼6℃범위가 되도록 하였고 이후 570℃미만은 평균냉각속도(제 3단계냉각)가 7∼10℃/sec범위가 되도록 조정하였다. 종래재의 경우는 온도단계별 구분 없이 평균냉각속도를 2∼8℃/sec범위로 냉각하였다.

상기와 같이 제조된 선재시편에 대해 인장강도, 스케일 두께 및 분말형 발청발생여부를 측정 관찰하고 그 결과를 표 2에 나타내었다.

구분	화학성분(중량%)
SWRCH18A	C	Si	Mn	P	S	Fe
SWRCH18A	0.177	0.06	0.76	0.020	0.006	나머지

표 2에 나타낸 바와 같이 발명재와 종래재의 평균인장강도는 동등수준의 값을 나타내었으며 스케일두께도 10∼13㎛범위로 동등수준의 값을 나타내었다. 그러나, 분말형 발청 발생에 있어서는 종래재는 모두 발생하였으나 발명재는 분말형 발청이 발생하지 않았다.

또한 도 3은 수냉속도에 따른 분말형 발청 발생율을 나타낸 그래프로서 수냉속도 450℃/sec이상에서는 급격하게 분말형 발청 발생이 증가함을 알 수 있으며 도 4는 권취온도와 조정시 분말형 발청을 방지할 수 있음을 나타내는 그래프로서 도 3의 수냉속도와 더불어 권취온도와 공냉속도를 제어함에 따라 효과적으로 분말형 발청을 방지할 수 있음을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 저탄소 냉간압조용 선재 보다 스케일 특성과 기계적성질이 우수하면서 동시에 현저하게 분말형 발청 발생을 방지할 수 있는 선재를 제공할 수 있다.

Claims

중량%로 C:0.04∼0.25%, Si:0.03∼0.25%, Mn:0.30∼1.00%, P:0.02%이하, S:0.01%이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 강을 열간압연하여 선재를 제조하는 방법에 있어서,

상기 열간압연후 300∼450℃/sec의 속도로 수냉하고 830∼900℃의 온도에서 권취한 다음, 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 650±30℃까지 제 1단계 냉각하고, 4∼6℃/sec의 평균냉각속도로 570±30℃까지 제 2단계 냉각한 후 7∼10℃/sec의 평균냉각속도로 상온까지 제 3단계 냉각하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 스케일특성이 우수한 저탄소 냉간압조용 선재를 제조하는 방법.