KR20220169272A - 신선 가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

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김세희
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Abstract

본 발명은 자동차, 건설용 부품 등에 적용 가능한 기계 구조용 선재와 그 제조방법에 관한 것으로서, 신선 가공성이 우수한 선재와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

Description

신선 가공성이 우수한 선재 및 그 제조방법{STEEL WIRE ROD HAVING EXCELLENT DRAWABILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 자동차, 건설용 부품 등에 적용 가능한 기계 구조용 선재와 그 제조방법에 관한 것으로서, 신선 가공성이 우수한 선재와 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
자동차, 건설용 부품 등에 사용되는 기계 구조용 강재, 예를 들어 베어링과 같은 부품은 통상적으로 압연된 선재를 신선가공하고, 신선 가공된 신선재를 복잡한 형상으로 냉간 가공하는 방법을 통해 제조된다.
그러나 위와 같은 강재는 과공석 강으로써, 난가공재이기 때문에 압연된 선재를 직접 신선가공하는 것이 어렵다. 이를 위해 구상 연질화 열처리를 행하고, 신선가공을 통해 소재 사이징을 하고, 이후에 추가 구상 연질화 열처리를 통해 신선으로 인한 강도 증가분을 보정하여 연질화된 소재를 제조한다.
위와 같은 구상 연질화 열처리는 냉간 가공성을 향상시키기 위한 것으로써, 미세조직 중 세멘타이트를 구형화하고 균질한 입자 분포를 유도한다. 이를 통해, 신선가공시 단선을 방지하고, 가공 다이스의 수명을 향상시키며 가공되는 소재의 경도를 낮출 수 있다.
그러나, 위와 같은 구상 연질화 열처리를 하게 되면, 많은 열처리 비용 및 생산시간이 소요되어, 제조원가를 상승시키는 원인이 된다. 또한, 최근 탄소 감축을 위해 에너지 소비를 최소화하는 시대적 요구에 부합되지 않는다. 따라서, 최근에는 베어링 등에 사용되는 선재를 제공함에 있어, 구상 연질화 열처리를 생략 또는 단축하는 동시에 우수한 신선특성을 확보할 수 있는 선재 개발이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명의 일측면은 베어링 등 기계 구조용 부품 등에 사용되는 선재와 그 제조방법을 제공하는 것으로써, 구체적으로 구상 연질화 열처리를 생략 또는 단축할 수 있고, 우수한 신선특성 및 강도를 확보할 수 있는 선재와 이의 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 과제는 상술한 내용에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명 명세서의 전반적인 사항으로부터 본 발명의 추가적인 과제를 이해하는데 아무런 어려움이 없을 것이다.
본 발명의 일태양은 중량%로, C: 0.8~1.2%, Si: 0.01~0.6%, Mn: 0.1~0.6%, Cr: 0.8~2.0%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.02% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하고,
미세조직은 펄라이트 주조직에 초석 세멘타이트를 포함하며,
평균입경 30㎚ 이하의 AlN이 단위면적(㎛2) 당 20개 이상 포함하고,
하기 관계식 1을 만족하는 미세조직을 포함하는 신선 가공성이 우수한 선재를 제공한다.
[관계식 1]
(블록 결정립 평균 크기(㎛))2/(초석 세멘타이트 길이(㎛/1200㎛2))≤0.5
본 발명의 다른 일태양은 중량%로, C: 0.8~1.2%, Si: 0.01~0.6%, Mn: 0.1~0.6%, Cr: 0.8~2.0%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.02% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하고, 강편압연을 행하여 빌렛을 제조하는 단계;
상기 제조된 빌렛을 냉각하는 단계;
상기 빌렛을 950~1050℃로 가열하는 단계;
상기 가열된 빌렛을 선재압연하여 선재를 제조하는 단계; 및
상기 선재를 권취하고, 550~650℃까지 3℃/sec 이상의 평균 냉각속도로 냉각하고, 550~650℃ 이하의 온도에서는 1℃/sec 이하의 평균 냉각속로 냉각하는 단계를 포함하고,
상기 선재압연은 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(austenite grain size, AGS)가 5~20㎛이 되도록 행하고, 마무리 압연은 730℃~Acm의 온도범위에서 변형량 0.3 이상으로 행하는 것을 포함하는 신선 가공성이 우수한 선재의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 구상 연질화 열처리를 생략 또는 단축할 수 있음에도, 우수한 강도 및 신선 가공성을 갖는 베어링 등의 기계 부품용 선재 및 이의 제조방법을 제공할 수 있다. 이를 통해, 제조 공정상의 비용 절감 및 탄소 저감 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명 실시예에서 발명예 1의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 2는 본 발명 실시예에서 비교예 5의 미세조직을 주사전자현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 사진이다.
도 3은 본 발명 실시예에서 발명예 1의 미세조직을 EBSD(전자후방산란, Electron Backscatter Diffraction)로 관찰한 사진이다.
도 4는 본 발명 실시예에서 비교예 5의 미세조직을 EBSD(전자후방산란, Electron Backscatter Diffraction)로 관찰한 사진이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명을 설명하기 위한 것이고, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태들은 관련 정의가 이와 명백히 반대되는 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 구성을 구체화하고, 다른 구성의 존재나 부가를 제외하는 것은 아니다.
달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지도록 해석된다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 발명자들은 베어링 등의 기계 구조용 부품에 사용되는 선재에 있어서, 구상 연질화 열처리를 행할 경우, 많은 열처리 비용과 시간이 소요되고, 환경적 부담으로 작용하는 것을 인지하였다. 이에 상기 구상 연질화 열처리를 단축 또는 생략하더라도, 부품 제조를 위한 신선 가공시 우수한 신선 가공성을 확보할 수 있는 방안을 깊이 연구하였다. 그 결과, 본 발명에 이르게 되었다.
먼저, 본 발명의 일측면인 선재에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 선재는 중량%로, C: 0.8~1.2%, Si: 0.01~0.6%, Mn: 0.1~0.6%, Cr: 0.8~2.0%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.02% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함한다. 이하, 각 성분의 역할 및 함량에 대해 설명한다. 하기 각 성분에 대한 %는 중량%를 의미한다.
탄소(C): 0.8~1.2%
상기 C는 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. 상기 C의 함량이 0.8% 미만인 경우에는 모재의 강도 저하로 인해 구상 연질화 열처리 및 단조 가공 공정 후 진행되는 소입, 소려 열처리 후에도 충분한 강도를 확보하기 어려운 점이 있으며, 1.2%를 초과하는 경우에는 (FeCr)3C 등과 같은 새로운 상의 석출물이 블룸 등의 주편 응고시 중심편석 등의 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 상기 C의 함량은 0.8~1.2%가 바람직하고, 0.9~1.1%가 보다 바람직하다.
실리콘(Si): 0.01~0.6%
상기 Si은 대표적인 치환형 원소로서 일정 수준의 강도를 확보하기 위해 첨가되는 원소이다. 상기 Si이 0.01% 미만인 경우에는 강의 강도확보 및 충분한 소입성 확보가 어려우며, 0.6%를 초과하는 경우에는 구상 연질화 열처리 후 단조시 냉간 단조성을 악화시키는 단점이 있다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.01~0.6%인 것이 바람직하다.
망간(Mn): 0.1~0.6%
상기 Mn은 기지조직내에 치환형 고용체를 형성하여 고용 강화하는 원소로서 연성의 저하 없이도 목표하고자 하는 강도를 확보할 수 있는 원소이며, 대표적인 오스테나이트 형성제(austenite former)이다. 상기 Mn이 0.1% 미만이면 고용강화에 의한 강도가 보장되지 않으며, 인성의 개선효과를 기대하기 어렵다. 또한, 상기 Mn의 함량이 0.6%를 초과하는 경우에는 구상 연질화 열처리 후 단조시 MnS의 의해 세브론균열(chevron crack)과 같은 결함이 발생할 수 있기 때문에, 상기 Mn의 함량은 0.1~0.6% 인 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.8~2.0%
상기 Cr은 Mn과 마찬가지로 강의 소입성을 높여주는 원소이다. 상기 Cr이 0.8% 미만인 경우에는 단조 가공공정 후 진행되는 소입, 소려 열처리 시 마르텐사이트를 얻기 위한 충분한 소입성 확보가 어려우며, 2.0%를 초과하는 경우에는 중심편석 조장으로 인해 선재내 저온조직이 다량 발생할 가능성이 높아진다. 이에 상기 Cr의 함량은 0.8~2.0%인 것이 바람직하고, 1.0~2.0%인 것이 보다 바람직하다.
알루미늄(Al): 0.01~0.06%
상기 Al은 탈산 효과뿐만 아니라, Al계 탄질화물을 석출시켜 오스테나이트 결정립 성장 억제 및 초석 페라이트 분율을 평형상에 가깝게 확보하는데 도움을 주는 원소이다. 상기 Al이 0.01% 미만인 경우에는 고용 알루미늄이 충분하지 않아 대부분의 Al이 고용되어 열처리시 오스테나이트 결정립 성장을 억제시킬 알루미늄 질화물(AlN)이 충분히 생성되지 못하므로, 0.01% 이상인 것이 바람직하다. 한편, 0.06%를 초과하는 경우에는 Al2O3 등의 경질 개재물이 증가할 수 있으며, 특히 연주시 개재물에 의한 노즐 막힘이 발생할 수 있다. 따라서 상기 Al의 함량은 0.01~0.06%인 것이 바람직하다.
질소(N): 0.02% 이하 (0은 제외)
상기 N은 고용 강화 효과가 있으나, 0.02%를 초과하는 경우에는 질화물로 결합하지 않은 고용 질소로 인해 소재의 인성 및 연성이 저하될 수 있으므로, 상기 N의 함량은 0.02% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
나머지는 철(Fe)를 포함하며, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 제조과정에서 통상의 기술자가라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.
한편, 본 발명의 일측면인 선재의 미세조직은 펄라이트 주조직에 초석 세멘타이트를 포함한다. 구체적으로, 상기 초석 세멘타이트는 구오스테나이트 결정립을 따라 결정립계에 망상형으로 형성되며, 결정립내에는 완전 펄라이트가 형성된다. 냉각 중 오스테나이트 내 과포화되어 있는 탄소가 Fe3C로 석출되면서 구오스테나이트 결정립계에 초석 세멘타이트가 형성되는데, 원소들의 확산 경로인 결정립의 미세화로 인해 초석 세멘타이트는 망상형을 띄게 된다.
상기 미세조직 내에는 AlN이 석출되며, 상기 AlN은 평균입경 30㎚ 이하의 AlN이 단위면적(㎛2) 당 20개 이상 분포하는 것이 바람직하다. 상기 AlN의 평균입경이 30㎚를 초과하는 경우에는 피닝(pinning)에 의한 결정립 성장 억제 효과가 현저히 감소하므로, 30㎚ 이하의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 단위면적(㎛2) 당 20개 미만이면, AlN이 생성되더라도 결정립 성장을 억제할 AlN의 수가 충분하지 않아, 결정립의 조대화가 이루어질 수 있다. 상기 단위면적(㎛2) 당 30㎚ 이하의 크기를 갖는 AlN의 수는 50개 이상인 것이 보다 바람직하다.
한편, 상기 펄라이트와 초석 세멘타이트는 면적 분율로, 10% 이하의 초석 세멘타이트를 포함하고, 잔부 펄라이트인 것이 바람직하며, 부수적으로 5% 이하의 초석 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 중 하나 이상을 포함될 수 있다. 상기 초석 세멘타이트의 분율이 10%를 초과하는 경우에는 인성이 급격히 저하될 수 있으므로, 10%를 넘지 않는 것이 바람직하다. 한편, 선재 제조과정에서 초석 페라이트, 베이나이트 및 마르텐사이트 중 하나 이상이 일부 발생할 수 있으나, 5%를 초과하는 경우에는 신선 중 파단이 쉽게 일어날 수 있으므로, 5%를 넘지 않는 것이 바람직하다.
구상 연질화 열처리시 결정립계의 특징은 확산속도를 결정하는 주요한 인자로 총 열처리 시간을 결정하는 역할을 한다. 연질화 열처리시 펄라이트 조직 내 세멘타이트는 판상에서 구상으로 형태를 변화시키며 구상화 진행 정도에 따라 소재 강도는 낮아지게 된다.
연질화 열처리 중 금속원자들은 재료내 결함공간을 통해 다양한 확산경로로 이동하게 되는데, 원자단위의 결함인 체확산(vacancy)과 그외 선결함의 일종인 전위(dislocation or pipe)와 결정립계(grain boundary) 등을 통해 확산한다. 원자결함 대비 전위와 결정립계는 그 공간이 상대적으로 넓기 때문에 빠른 속도의 확산에 유리하다.
연질화 열처리 생략 내지 시간을 단축의 효과를 위해서는 결정립 미세화를 통해 상대적인 결정립계 면적을 증가시키는 것이 바람직하나, 압연부하 증대로 인한 설비수명 및 생산성 저하 등의 역효과가 발생할 수 있다. 이에 본 발명의 선재는 하기 관계식 1을 충족하는 미세조직을 통해, 구상 연질화 열처리를 생략하거나 단축하더라도 우수한 신선 가공성을 갖는 선재를 얻을 수 있다.
[관계식 1]
(블록 결정립 평균 크기(㎛))2/(초석 세멘타이트 길이(㎛/1200㎛2))≤0.5
상기 블록 결정립은 펄라이트를 구성하는 세멘타이트와 페라이트 중 페라이트의 방위가 같은 집단의 결정립을 의미하고, 평균 크기는 결정립의 평균 입경을 의미한다.
상기 초석 세멘타이트의 길이는 단위면적(1200㎛2)에서 측정된 초석 세멘타이트의 총 길이를 의미한다. 전술한 바와 같이, 상기 초석 세멘타이트는 구오스테나이트 결정립계를 따라 형성되므로, 상기 초석 세멘타이트의 길이는 입계를 따라 측정되는 길이를 의미하는 것이 바람직하다.
본 발명의 선재는 신선공정 전 구상 연질화 열처리 없이 15% 이상의 신선이 가능하며, 인장강도(TS) 1200MPa 이상이고, 단면적 감소율이 20 % 이상이다. 본 발명의 선재는 구상 연질화 열처리를 생략하더라도 신선 가공이 가능하다. 일반적으로 사용되는 소재는 조대한 결정립 크기로 인해 약 10% 내외의 신선량으로도 세브론균열(chevron crack)과 같은 결함이 발생할 수 있다. 그러나, 본 발명의 선재는 15%를 넘어, 약 30% 정도 신선량에도 내부에 크랙과 같은 결함이 발생하지 않는다. 이는 신선 적용시 콜로니의 회전이 용이하기 때문에 외부의 응력을 해소하여 적은 양의 신선으로는 크랙과 같은 결함을 발생시키지 않는다. 또한, 신선량이 증가할수록 전위(dislocation), 체결함(vacancy)와 같은 공공들이 생성되어 신선 가공 후 구상 연질화 열처리시 구상화 거동을 더욱 촉진시킨다.
복잡한 형상의 베어링강 등 기계적 부품을 제조하기 위해서는 선재를 강선으로 제조하는데, 통상 2회의 구상 연질화 열처리와 소재의 사이징을 위한 신선 공정을 적용한다. 통상적인 구상 연질화 열처리는 Ae1~Ae1+100℃ 의 온도로 행하고, 열처리 후 세멘타이트 평균 종횡비가 3 이하인 탄화물이 표면~중심부 전영역에서 생성되도록 하는 열처리 법이다. 그러나, 본 발명의 선재는 미세립 선재 제조를 통한 신선 가공성 향상을 통해 종래의 소재보다 더 많은 신선량을 부여하여, 구상화 열처리시 구상화 세멘타이트의 생성을 촉진시켜 신선 후 1회 구상화 열처리만으로도 시멘타이트의 평균 종횡비가 3 이하이고, 740MPa 이하의 낮은 인장강도가 얻어짐으로, 최종 제품 제조를 위한 냉간압조 또는 냉간단조 가공을 용이하게 할 수 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 일측면인 선재의 제조방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 선재를 제조하는 바람직한 일예로, 상술한 합금조성을 갖는 강편, 예를 들어 블룸(bloom)을 가열하고 강편압연하여 빌렛을 제조하고, 상기 빌렛(billet)을 가열, 선재압연, 권취 및 냉각하여 제조할 수 있다. 이하 각 단계에 대해 상세히 설명한다.
우선 전술한 합금조성을 갖는 강편 예를 들어, 블룸을 준비하고, 이를 1100~1300℃까지 가열한다. 상기 강편의 가열온도가 1100℃ 미만인 경우, 온도가 낮아 강편 내 원소를 확산시키기 충분하지 않아, 주조 중 생성된 편석 농화층을 해소하기 곤란하다. 한편, 1300℃를 초과하는 경우에는 상기 강편 표면에 빠른 속도로 스케일이 형성되어 압연 중 표면흠을 발생시키거나, 소재의 손실(loss)로 인해 생산성이 저하된다. 한편, 상기 강편의 가열시간은 2~10 시간이 바람직하며, 상기 강편 가열시간이 2시간 미만이면 강편 내부까지 목표온도에 도달하기 어렵고, 10 시간을 초과하면 표면 탈탄층 깊이가 두꺼워져 압연 종료 후에도 탈탄층이 잔존할 수 있어, 10시간을 초과하지 않는 것이 바람직하다.
상기 가열된 강편을 강편압연하여 빌렛을 제조한다. 상기 강편압연 후 제조된 빌렛을 일반적으로 공냉을 통해 상온까지 냉각하나, 본 발명에서는 500℃ 이상의 빌렛을 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한다. 이를 위해 바람직하게는 수냉을 행하며, 구체적인 일예로서, 수냉챔버로 장입하여 AlN의 석출 및 조대화를 최대한 방지하는 것이 바람직하다. 500℃ 미만의 빌렛을 수냉할 경우, AlN이 석출되고 조대화되어 다음 공정인 선재 제조를 위한 빌렛 가열 중 AlN이 충분히 용체되지 않아 30㎚ 이하의 AlN을 확보하기 어렵다.
상기 제조된 빌렛을 950~1050℃의 온도범위까지 가열한다. 상기 빌렛 가열온도가 950℃ 미만인 경우에는 압연성이 저하되고, 상기 빌렛 가열온도가 1050℃를 초과하는 경우에는 압연을 위하여 급격한 냉각이 필요하므로, 냉각 제어가 어려울 뿐만 아니라, 균열 등이 발생하여 양호한 제품 품질을 확보하는 것이 어려울 수 있다. 상기 가열시간은 80~120분인 것이 바람직하다. 상기 가열시간이 80분 미만에서는 소재 내부까지 목표온도 도달이 어렵고, 부분적으로 역변태가 완료되지 않는 분위기가 발생할 수 있다. 120분을 초과하는 경우에는 표면 탈탄층 깊이가 두꺼워져 압연 종료 후 탈탄층이 잔조할 수 있어, 바람직하지 않다.
상기 가열된 빌렛을 선재압연하여 선재를 얻는다. 선재압연은 상기 빌렛을 선재의 형태를 갖도록 하는 공형압연인 것이 바람직하다. 본 발명에서는 최종 마무리 압연시 결정립을 미세화하기 위해서 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(austenite grain size, AGS)가 5~20㎛로 확보하는 것이 바람직하다. 이후 마무리 압연은 730℃~Acm의 온도범위에서 0.3 이상의 변형량으로 행하는 것이 바람직하다. 상기 변형량은 0.5 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 마무리 압연 전 AGS가 5㎛ 미만일 경우에는 낮은 온도에서 조압연을 통해 구현되기 때문에 롤 부하가 높아져 설비 수명이 단축되는 문제가 있고, 20㎛를 초과하는 경우에는 마무리 압연시 임계 변형량 증가가 필요하여 미세립을 가진 선재를 제조하기 어렵다. 또한, 상기 마무리 압연 온도가 730℃보다 낮을 경우에는 압연 롤 부하가 높아져 설비 수명이 단축되며, Acm 보다 높은 경우에는 상변태가 발생하지 않아 미세립 선재를 제조하기 어렵다.
한편, 상기 선재압연시 하기 식(2)의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
[관계식 2]
2500*([C]-1)2+100000*([Al]-0.035)2+(AGS-12.5)4/130+(마무리압연온도-760)2/65 ≤ 80
(상기 관계식 (2)에서 [C] 및 [Al]은 합금조성 C와 Al의 함량(중량%)을 의미하고, AGS의 단위는 ㎛이고, 마무리압연온도의 단위는 ℃임.)
탄소의 함량은 제조된 선재 및 구상화 열처리재에서의 세멘타이트(Fe3C) 생성에 영향을 미치고, 이는 인장강도 등 기계적 물성에 영향을 미치게 되므로, 적정 탄소를 함유하여야 하며, Al은 그 양이 적을수록 AlN 석출량이 적어지게 되어 결정립 성장을 억제시킬 수 없으므로, 최적 양이 필요하다. 또한, 마무리 압연 전 AGS가 클수록 결정립을 미세화하기 위해 압연량과 마무리 압연 온도가 낮아져야 하기 때문에 공정적 비용의 관점에서 적정의 AGS 및 마무리 압연 온도를 관리하는 것이 바람직하다. 상기 관계식 2는 이러한 기술적 관점을 반영한 것으로서, 상기 관계식 2에의 값이 80을 초과하는 경우에는 적정 세멘타이트 형성과 결정립의 미세화 효과를 기대하기 곤란하다.
상기 선재압연 후 권취하고, 냉각을 행한다. 상기 냉각은 550~650℃의 온도범위까지 3℃/sec 이상의 평균 냉각속도로 냉각한 후, 550~650℃ 이후에는 평균 냉각속도 1℃/sec 이하의 냉각속도로 냉각하는 것이 바람직하다. 상기 550~650℃ 온도범위까지 평균 냉각속도가 3℃/sec 미만인 경우에는 압연시 확보된 미세 결정립을 변태점 이하까지 유지하기 어렵다. 한편, 550~650℃ 도달 후 그 이하의 냉각속도는 베이나이트, 마르텐사이트 등의 저온조직 억제 측면에서 1℃/sec 이하인 것이 바람직하다.
본 발명에서 상기와 같이 제조된 선재를 신선한 후, Ae1~Ae1+100℃로 가열하고 5~15시간 유지한 뒤, 660℃까지 20℃/hr 이하로 냉각하는 구상화 열처리를 행하여 구상화된 소재를 제조할 수 있다. 상기 가열온도가 Ae1 미만인 경우에는 구상화 열처리 시간이 길어지게 되는 단점이 있을 수 있고, Ae1+100℃를 초과하는 경우에는 구상화 탄화물 시드가 줄어들어 구상화 열처리 효과가 충분하지 않을 수 있다. 상기 유지시간이 5시간 미만인 경우에는 구상화 열처리가 충분히 진행되지 않아 시멘타이트의 종횡비가 커지는 단점이 있을 수 있고, 15시간을 초과하는 경우에는 비용이 증가하는 단점이 있을 수 있다. 상기 냉각속도가 20℃/hr를 초과하는 경우에는 빠른 냉각속도로 인하여 펄라이트가 다시 형성되는 단점이 있을 수 있다. 상기 구상화 열처리 후 신선재는 740MPa 이하의 낮은 인장강도 및 세멘타이트 평균 종횡비가 3 이하가 되어, 최종 제품 제조를 위한 냉간압조 또는 냉간단조 가공을 용이하게 할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 하기 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 1의 합금조성(중량%, 나머지는 Fe와 불가피한 불순물임)을 갖는 강편(블룸)을 준비한 후 강편압연을 실시하여 빌렛을 제조하였다. 상기 강편은 주조 후 1200℃에서 4시간 동안 균질화열처리 한 후 1000℃에서 강편압연을 실시하였다. 상기 강편압연 후 표 2의 냉각방법에서 수냉한 경우에는 500℃까지 공냉한 후 수냉챔버에 장입하여 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각한 것이다. 이후 제조된 빌렛을 하기 표 2의 선재 제조조건으로 직경 9㎜ 선재를 제조하였다. 이와 같이 제조된 선재의 미세조직과 기계적 물성을 측정하고 그 결과를 표 3에 나타내었다. 한편, 상기 제조된 선재를 신선 가공한 후, 1회 연질 구상화 열처리(780℃에서 8시간 유지한 후 15℃/hr의 냉각속도로 640℃까지 냉각함) 하여 시멘타이트의 평균 종횡비와 인장강도를 측정하고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.
한편, 표 2에서 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(AGS)는 마무리 열간압연 전 수행하는 절단 크롭(crop)을 통해 소재를 절단하고, 즉시 물에 퀀칭(Quanching)하여 채취하였으며, ASTM E112법을 이용하여 AGS를 측정하였다. 채취한 시편에 대해서는 직경으로부터 1/4 임의의 5 지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다.
블록 결정립 평균 크기는 EBSD와 ASTM E112법을 활용하여 측정하였다. 블록은 펄라이트 내 페라이트의 결정방위가 같은 영역으로써 15도의 이상의 결정방위차를 가지는 크기를 블록 크기로 정의하였다. 하기 실시예 중 발명예 1과 비교예 5를 관찰하여 각각 도 3 및 도 4에 나타내었다. 상기 블록을 ASTM E112법을 활용하여 블록의 크기를 정량화 하였다. 측정된 소재는 선재 압연 후 미수냉부를 제거한 뒤 채취한 시편에 대해, 직경으로부터 1/4 임의의 5 지점을 측정한 후 평균값으로 나타내었다. 또한, 초석 세멘타이트 길이는 선재 압연 후 미수냉부를 제거한 뒤 채취한 시편에 대하여 직경으로부터 1/4 임의의 5지점을 SEM을 활용하여 X3000배로 촬영하였으며, Leica사의 Clemex vision 소프트웨어를 통해 초석 세멘타이트의 총 길이를 분석하여, 5지점의 평균을 구하였다.
신선 가공성 평가는 제조된 9㎜ 선재를 5~50%의 단면 감소율로 신선하여 평가하였으며, 신선된 소재의 L 단면 중심부를 5000배로 촬영하여, 펄라이트 계면, 초석 세멘타이트 계면 등에 세브론 균열(chevron crack)과 같은 결함이 발생하였는지를 확인하여, 유무를 O/X로 표시하였다.
한편, 상기 1회 구상화 열처리 후 세멘타이트의 평균 종횡비는 선재의 직경 방향으로 1/4~1/2 지점을 3000배 SEM으로 3시야 촬영하여, 이미지 측정 프로그램을 사용하여 시야 내 세멘타이트의 장축/단축을 자동측정 후 통계처리를 통해 측정하였다.
강종 C Si Mn Cr Al N
강종 1 1.05 0.29 0.30 1.69 0.023 0.006
강종 2 1.01 0.28 0.35 1.33 0.024 0.005
강종 3 0.96 0.25 0.35 1.36 0.023 0.004
강종 4 1.00 0.25 0.33 1.36 0.027 0.006
강종 5 0.95 0.24 0.33 1.39 0.029 0.005
강종 6 1.00 0.30 0.27 1.51 0.025 0.003
강종 7 0.97 0.23 0.33 1.41 0.003 0.006
강종 8 0.50 0.20 0.27 1.48 0.023 0.006
강종 9 0.97 0.20 0.32 1.34 0.030 0.003
강종 10 1.04 0.22 0.27 1.57 0.030 0.003
강종 11 0.98 0.23 0.27 1.65 0.026 0.003
강종 12 0.98 0.28 0.30 1.50 0.024 0.007
강종 13 1.03 0.25 0.27 1.60 0.021 0.007
강종 구분 강편 압연 후 냉각방법 빌렛
가열온도
(℃)		 빌렛
가열시간 (분)		 마무리 압연 전 AGS
(㎛)		 마무리 압연
온도
(℃)		 마무리
압연
변형량		 관계식 2 600℃까지 냉각속도
(℃/sec)		 600℃ 이후 냉각속도
(℃/sec)
강종 1 발명예 1 수냉 960 83 10 779 0.6 28 3.2 0.6
강종 2 발명예 2 수냉 1030 92 12 769 1 14 4.7 1
강종 3 발명예 3 수냉 1050 105 8 761 0.5 22 4.9 1
강종 4 발명예 4 수냉 1003 110 7 773 1 16 3.6 0.8
강종 5 발명예 5 수냉 955 97 10 754 0.5 11 4.4 0.7
강종 6 비교예 1 공냉 959 99 12 769 1 11 3.5 0.6
강종 7 비교예 2 수냉 1049 83 8 746 0.8 111 4.3 0.8
강종 8 비교예 3 수냉 1014 105 7 739 0.6 654 3.8 0.9
강종 9 비교예 4 수냉 1237 85 24 747 0.9 142 3.5 0.7
강종 10 비교예 5 수냉 1050 99 12 876 0.5 214 4.9 1
강종 11 비교예 6 수냉 982 88 11 758 0.2 10 3 0.6
강종 12 비교예 7 수냉 977 94 12 760 0.5 13 1.2 0.5
강종 13 비교예 8 수냉 968 105 10 761 1 22 3.7 5
상기 표 2에서, 관계식 2는 2500*([C]-1)2+100000*([Al]-0.035)2+(AGS-12.5)4/130+(마무리압연온도-760)2/65 로 계산되며, 여기서 [C], [Al]은 합금조성에서 C 및 Al의 함량(중량%)이고, AGS는 오스테나이트 평균입경으로 단위는 ㎛이고, 마무리압연온도의 단위는 ℃ 임
구분 미세조직 ㎛2 당, 30㎚ 이하의 AlN 개수 블록 결정립 평균 크기
(㎛)		 초석 세멘타이트 길이
(㎛/1200㎛2)		 관계식 1 인장강도
(MPa)		 단면 감소율
(%)
발명예 1 초석C + P 67 4.7 212 0.10 1270 28
발명예 2 초석C + P 90 3.2 206 0.05 1251 35
발명예 3 초석C + P 68 6.4 225 0.18 1239 26
발명예 4 초석C + P 69 3 241 0.04 1262 37
발명예 5 초석C + P 71 7.2 156 0.33 1292 31
비교예 1 초석C + P 13 10.2 63 1.65 1178 17
비교예 2 초석C + P 16 9.7 67 1.40 1182 19
비교예 3 초석C + P 76 4.3 230 0.08 850 31
비교예 4 초석C + P 60 12.4 70 2.20 1157 17
비교예 5 초석C + P 86 11.6 62 2.17 1162 19
비교예 6 초석C + P 79 12.1 57 2.57 1171 16
비교예 7 초석C + P 69 9 112 0.72 1192 19
비교예 8 초석C + P + B + M 48 측정불가 192 측정불가 1491 12
상기 표 3에서, 초석 C는 초석시멘타이트, P는 펄라이트, B는 베이나이트, M은 마르텐사이트를 의미한다. 또한, 관계식 1은 (블록 결정립 평균 크기(㎛))2/(초석 세멘타이트 길이(㎛/1200㎛2))을 의미함.
구분 신선량(%)에 따른 소재 내부 크랙 발생 여부 적용 신선량과 구상화 열처리 후 미세조직 및 기계적 물성
5 10 15 20 30 40 50 구상화 열처리 전 신선량(%) 구상화 열처리 후 세멘타이트 평균 종횡비 구상화 열처리 후 인장강도 (MPa)
발명예 1 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X 30 1.7 716
발명예 2 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 20 2.3 724
발명예 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 40 2.5 721
발명예 4 ○ ○ ○ ○ ○ X X 30 2.5 730
발명예 5 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X 40 1.6 726
비교예 1 ○ X X X X X X 5 5.7 811
비교예 2 ○ ○ X X X X X 10 6.1 807
비교예 3 ○ ○ ○ ○ ○ ○ X 40 2.3 607
비교예 4 ○ X X X X X X 5 7.3 813
비교예 5 ○ X X X X X X 5 6.2 827
비교예 6 ○ X X X X X X 5 6.9 832
비교예 7 ○ ○ X X X X X 10 5.8 789
비교예 8 X X X X X X X 0 7.6 812
상기 표 1 내지 4를 통해 알 수 있듯이, 본 발명이 제안하는 조건을 충족하는 발명예 1 내지 5의 선재는 구상 연질화 열처리 없이도 단면 감소율(Reduction Area) 20% 이상으로 우수한 신선 가공성을 확보하는 동시에, 1200MPa 이상의 고강도를 확보할 수 있다. 또한 신선 가공 후 1회 구상화 열처리 만으로도 세멘타이트 평균 종횡비가 3 이하를 갖는 선재를 제공할 수 있다. 특히 도 1은 상기 발명예 1의 선재 미세조직을 SEM (Scanning Electron Microscope)으로 관찰한 사진이다. 도 1을 보면, 발명예 1은 초석 세멘타이트와 완전 펄라이트로 구성되어 있으며, 도 1에서 화살표는 초석 세멘타이트를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초석 세멘타이트는 구오스테나이트 결정립계를 따라 형성되어 있음을 확인할 수 있다. 도 3은 상기 발명예 1의 EBSD 사진으로서, 빨간색선은 결정립방위차가 2~5도, 녹색선은 결정립방위차가 5~15도, 파란색선은 결정립방위차가 15도 초과인 것을 나타낸다. 이에 발명예 1의 블록 결정립 평균 크기는 약 4.7㎛로 통상의 제조조건에 비해 매우 작은 것을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예 1은 강편압연 후 공냉을 하여, 강재 내 AlN이 조대화되고, 비교예 2의 경우는 강 조성 중 Al 함량이 적어 AlN을 거의 생성하지 못하였다. 그 결과, 비교예 1 및 2의 선재에서는 ㎛2 당 30㎚ 이하 크기의 AlN 개수가 20개 이하였으며, 선재 냉각 중 결정립 성장을 억제하기 못해 블록 결정립의 크기가 제어되지 않았다. 비교예 3은 탄소의 함량이 낮아, 초석 페라이트가 선재에 잔존하여 신선 특성이 다른 비교예에 비해 우수하나, 낮은 탄소 함량으로 인해 강도가 낮고, 이는 구상화 열처리 후에도 소재의 낮은 강도로 인해, 용도에 맞게 사용하기 어렵다.
비교예 4는 높은 빌렛 가열온도로 인해 마무리 압연 전 AGS 크기가 발명예들에 비해 크다. 조대한 AGS는 높은 임계 변형량을 통해 결정립 미세화가 이루어질 수 있기 때문에 충분치 않은 마무리 압연 변형량은 결국 조대한 결정립으로 선재에 출현하게 되어, 신선 가공성이 우수하지 못했다. 비교예 5는 높은 마무리 압연 온도로 인해 미세한 결정립을 얻지 못했으며, 비교예 4와 동일하게 조대한 결정립으로 신선 특성이 우수하지 못하다. 도 2는 상기 비교예 5의 선재 미세조직을 SEM으로 관찰한 사진으로, 상기 도 1에 비해 결정립이 크기가 크고, 구오스테나이트 결정립계를 따라 생성된 초석 세멘타이트 길이가 짧음을 확인할 수 있다. 도 4는 상기 비교예 5의 EBSD 사진으로서, 상기 도 3과 같이 결정립방위차를 구분하였다. 도 4에 나타난 바와 같이, 비교예 5는 블록 결정립 크기가 조대한 것을 알 수 있다.
비교예 6은 적은 마무리 압연량으로 인해 미세한 결정립을 얻지 못해서, 조대한 결정립이 선재에 출연하게 되어, 신선 특성이 우수하지 못했다. 비교예 7의 선재는 압연에 의해 만들어진 미세 결정립을 초반 낮은 냉각속도로 인해 결정립 조대화가 이루어져 미세한 선재 결정립을 얻지 못해, 신선 특성이 우수하지 못한 결과를 초래하였다. 비교예 8의 경우에는 빠른 냉각속도로 인해 마르텐사이트와 베이나이트가 출현하여, 5%의 신선만으로도 내부 크랙이 생기는 결과를 확인할 수 있었다.

Claims (10)

  1. 중량%로, C: 0.8~1.2%, Si: 0.01~0.6%, Mn: 0.1~0.6%, Cr: 0.8~2.0%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.02% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 펄라이트 주조직에 초석 세멘타이트를 포함하며,
    평균입경 30㎚ 이하의 AlN이 단위면적(㎛2) 당 20개 이상 포함하고,
    하기 관계식 1을 만족하는 미세조직을 포함하는 신선 가공성이 우수한 선재.
    [관계식 1]
    (블록 결정립 평균 크기(㎛))2/(초석 세멘타이트 길이(㎛/1200㎛2))≤0.5
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초석 세멘타이트는 구오스테나이트 결정립을 따라 결정립계에 형성되고, 망상형으로 형성된 신선 가공성이 우수한 선재.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세조직은 면적분율로 10% 이하의 초석 세멘타이트와 나머지는 펄라이트인 신선 가공성이 우수한 선재.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 선재는 인장강도 1200MPa 이상, 단면감소율이 20% 이상인 신선 가공성이 우수한 선재.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 선재는 신선공정 전 구상 연질화 열처리하지 않고, 신선 시 15% 이상 신선되는 신선 가공성이 우수한 선재.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 선재는 신선 및 구상화 열처리 후 시멘타이트의 평균 종횡비가 3 이하인 신선 가공성이 우수한 선재.
  7. 중량%로, C: 0.8~1.2%, Si: 0.01~0.6%, Mn: 0.1~0.6%, Cr: 0.8~2.0%, Al: 0.01~0.06%, N: 0.02% 이하(0은 제외), 나머지는 Fe와 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 가열하고, 강편압연을 행하여 빌렛을 제조하는 단계;
    상기 제조된 빌렛을 냉각하는 단계;
    상기 빌렛을 950~1050℃로 가열하는 단계;
    상기 가열된 빌렛을 선재압연하여 선재를 제조하는 단계; 및
    상기 선재를 권취하고, 550~650℃까지 3℃/sec 이상의 평균 냉각속도로 냉각하고, 550~650℃ 이하의 온도에서는 1℃/sec 이하의 평균 냉각속로 냉각하는 단계를 포함하고,
    상기 선재압연은 마무리 압연 전 오스테나이트 결정립 사이즈(austenite grain size, AGS)가 5~20㎛이 되도록 행하고, 마무리 압연은 730℃~Acm의 온도범위에서 변형량 0.3 이상으로 행하는 것을 포함하는 신선 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 열간압연은 하기 식 (2)의 조건을 충족하도록 행하는 신선 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
    [관계식 2]
    2500*([C]-1)2+100000*([Al]-0.035)2+(AGS-12.5)4/130+(마무리압연온도-760)2/65 ≤ 80
    (상기 관계식 (2)에서 [C] 및 [Al]은 합금조성 C와 Al의 함량(중량%)을 의미하고, AGS의 단위는 ㎛이고, 마무리압연온도의 단위는 ℃임.)
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 강편을 1100~1300℃의 온도범위에서 2~10 시간 가열하고, 상기 강편압연 후 500℃ 이상의 빌렛을 5℃/s 이상의 냉각속도로 냉각하는 신선 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 빌렛 가열시간은 80~120분인 신선 가공성이 우수한 선재의 제조방법.
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