KR100328039B1

KR100328039B1 - 냉간압조용선재의제조방법

Info

Publication number: KR100328039B1
Application number: KR1019970053795A
Authority: KR
Inventors: 이덕락; 이유완
Original assignee: 이구택; 포항종합제철 주식회사
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2002-05-10
Anticipated expiration: 2017-10-20
Also published as: KR19990032696A

Abstract

본 발명은 볼트너트용 소재로 이용되는 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것이며; 그 목적은 고온압연을 하더라도 구상화열처리 시간을 크게 단축할 수 있는 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉간압조용 선재의 제조방법에 있어서, 중량%로, C: 0.2-0.6%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.3-1.5%, P: 0.03%이하, S: 0.05%이하, Al: 0.01-0.2%, Ti : 0.008-0.030%, N : 0.002-0.01% 및 잔부 Fe 와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 950-1200℃의 온도로 재가열한 후 900-1000℃의 마무리압연조건으로 열간선재압연한 다음, 5%이상의 가공량으로 신선한 후 740-780℃의 온도로 가열하여 1시간이상 유지하고, 이어 10-30℃/hr의 냉각속도로 690-710℃가지 냉각하여 1시간이상 유지한 후 통상의 방법대로 상온까지 냉각하여 이루어지는 구상화열처리성이 우수한 냉간압조용 강재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

냉간압조용 선재의 제조방법{A Method Manufacturing Wire Rods for cold Heading}

본 발명은 볼트, 너트용 소재로 사용되는 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 선재압연을 고온에서 하더라도 강선재 상태의 조직을 미세화시켜 구상화열처리 시간을 비약적으로 단축할 수 있는 냉간압조용 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차, 산업기계 등의 부품 체결용으로 사용되는 볼트, 너트는 하기 표1에 나타난 성분의 중탄소강 선재를 소재로 사용하며, 그 제조공정은 강편을 선재압연하고, 신선, 구상화열처리, 냉간압조하는 일련의 공정을 통하여 제품화되고 있다.

단위:중량%
C	Si	Mn	P	S
0.42-0.48	0.15-0.35	0.60-0.90	0.030이하	0.030이하

상기 구상화열처리는 열간압연한 상태의 선재강도가 약 85㎏/㎟정도이고, 이러한 고강도강을 냉간에서 직접 압조하기가 곤란하기 때문에 압조가공전에 연화열처리를 실시한다. 구상화열처리는 통상 AC₁변태온도 이상(약 750℃)에서 일정시간 유지하고 AC₁이하의 일정온도(약 700℃)까지 서냉한 후 이 온도에서 일정시간 유지 후 냉각하고 있다. 이러한 열처리에 소요되는 시간은 약 15-20시간으로 열처리한 소재의 인장강도는 55㎏/㎟내외로 감소하게 된다. 소재가 이처럼 연화되는 이유는 열처리전의 페라이트 + 펄라이트 조직이 페라이트 + 구상시멘타이트로 변화되기 때문이다. 연화처리된 소재는 냉간압조 공정으로 옮겨서 볼트, 너트 형태로 냉간압조된다. 냉간압조는 특정 형태의 다이스(dies) 속에 소재를 삽입한 후 타격을 가하여 볼트 형상을 만드는 공정이다. 냉간압조공정에서는 변형이 된 부위에 균열이 발생하지 않아야 하며, 소재의 변형저항이 크지 않아야 한다. 이와 같은 냉간압조 가공을 통하여 제품화되는 종래소재의 경우, 강재의 연화를 위한 구상화소둔 열처리에 소요되는 시간이 너무 길고 또 소둔 온도가 높아서 생산성이 낮고, 제조비용이 높다는 것이다.

이와같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 구상화 촉진강 선재 제조에 대한 공지된 기술내용을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 미국 모르간(Morgan)사와 일본의 대동특수강사가 공동으로 개발한 새로운 압연설비를 이용하여 선재 마무리 압연온도를 700℃까지 낮추는 경우, 조직이 미세화되어 구상화열처리 시간을 종래재의 1/2 수준으로 단축할 수 있었다.

또 다른 예는 일본 고배(KOBE)제철소에서는 20㎛이하로 미세하게 재결정된중탄소강의 오스테나이트를 850℃에서 마무리압연하여 압연재의 조직인 페라이트(Ferrite)와 펄라이트(Pearlite)조직을 미세화시킴으로써 구상화열처리 시간을 단축시켰다.

상기 두가지 경우 공히 구상화촉진강을 제조하기 위해 압연온도를 850℃이하로 낮추어줌으로써 조직을 미세화시키고 있다. 그러나 압연온도를 낮추어주기 위해서는 압연기의 능력을 대폭 증강해 주어야하며, 또한 저온 압연재의 경우 선재의 단면형상이 불량하며, 선재를 권취하였을 때 코일(coil)의 권취형상이 불량해지는 문제점이 있다.

이에, 본 발명자들은 상술한 종래문제를 해결하기 위해 안출된 것으로써, 고온압연을 하더라도 조직을 미세화하여 구상화 열처리시간을 크게 단축할 수 있는 제조방법을 제공하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 마무리압연온도에 따른 압연재의 미세조직을 나타내는 사진

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 냉간압조용 선재의 제조방법에 있어서, 중량%로, C: 0.2-0.6%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.3-1.5%, P: 0.03%이하, S: 0.05%이하, Al: 0.01-0.2%, Ti : 0.008-0.030%, N : 0.002-0.01% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 950-1200℃의 온도로 재가열한 후 900-1000℃의 마무리압연조건으로 열간선재압연한 다음, 5%이상의 가공량으로 신선한 후 740-780℃의 온도로 가열하여 1시간이상 유지하고, 이어 10-30℃/hr의 냉각속도로 690-710℃까지 냉각하여 1시간이상 유지한 후 통상의 방법대로 상온까지 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 TiN석출물로 재결정된 오스테나이트의 성장을 효과적으로 억제시켜 고온압연을 하더라도 조직이 미세화되도록 함으로써, 구상화처리시간을 단축하는데, 그 특징이 있다.

이를위해 우선, 본 발명강의 성분중 상기, 탄소(C)는 첨가량이 0.2% 미만인 경우 강선재의 강도가 낮아서 구상화열처리를 실시할 필요가 없는 강종이므로 탄소량 0.2%미만에 대하여서 본 발명의 대상으로 하지 않는다. 첨가량이 0.6%이상이 되면 최종제품의 강도가 지나치게 높아지게 된다. 따라서 첨가범위를 0.2-0.6%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 규소(Si)는 탈산효과 및 강도증가를 위해서 첨가하는데, 첨가량이 지나치게 적으면 이러한 효과를 얻기가 곤란하고 첨가량이 많으면 탈탄을 조장시켜 강재의 표면경도값 및 내구성을 감소시키므로 첨가범위를 0.1-1.0%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 망간(Mn)은 강의 탈산에 필요한 원소이며 또한 소입성을 개선시킬 목적으로 첨가한다. 첨가량이 지나치게 적으면 이러한 효과를 얻기가 곤란하고, 첨가량이 많으면 강도가 지나치게 증가하고, 또 강선재 중심부에 경질의 마르텐사이트(Martensite) 조직이 발생되어 재질을 열화시키므로 첨가범위를 0.3-1.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 인(P)은 0.03%이상 첨가되는 경우 소입소려시 균열발생을 조장하며 강의 인성을 떨어뜨리므로 0.03%이상 첨가되지 않도록 하여야 한다.

상기 황(S)은 0.05%이상 첨가되는 경우 강의 충격인성을 감소시키므로 0.05%이상 첨가되지 않도록 하여야 한다.

상기 알루미늄(Al)은 탈산 역할을 하며 또한 강중에서 질소(N) 와 반응하여 AlN을 형성하여 오스테나이트 입자성장을 억제하는 역할을 한다. 그러나 지나치게 많이 첨가하는 경우 알루미늄 산화물(Al₂O₃)를 형성하여 냉간압조성 및 충격인성을 떨어뜨린다. 따라서 알루미늄은 첨가범위를 0.01-0.2%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기 티타늄(Ti)은 강중에서 질소와 결합하여 질화티타늄(TiN)을 형성한다. 이러한 질화티타늄은 고온에서 안정하기 때문에 재결정된 오스테나이트의 성장을 효과적으로 억제시킨다. 그러나 첨가량이 지나치게 많으면 강중에 고용된 티타늄의 양이 증가하여 강재를 지나치게 강화시키고, 고가이므로 강재의 제조원가를 증가시키므로 첨가량을 0.008-0.03%로 한정하는 것이 바람직하다.

상기 질소(N)는 앞에서 언급한 바와 같이 알루미늄, 티타늄과 결합하여 질화물을 형성하며 이것이 재결정된 오스테나이트의 성장을 억제시켜 조직을 효과적으로 미세화시킨다. 그러나 첨가량이 지나치게 많으면 고용 질소량이 증가하여 강재를 과도하게 강화시키므로 첨가량을 0.002-0.01%로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조성의 강을 강편으로 제조한 후 가열하여 선재압연을 실시하는데, 이때 가열온도는 950-1200℃범위로 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 가열온도가 950℃이하가 되면 강의 변형저항이 너무커서 열간에서 선재로 압연하기가 곤란하며, 가열온도가 1200℃이상이 되면 탈탄이 심하게 발생하게 되어 최종 제품의 재질특성을 심하게 떨어드리며, 특히 오스테나이트 조직이 크게 성장하여 목표로 하는 미세한 조직을 얻기가 곤란해지기 때문이다.

상기와 같이 가열한 후 900-1000℃의 마무리압연온도 조건으로 열간압연하는 것이 바람직하다. 그 이유는 마무리압연온도가 900℃미만의 경우, 이상역에서 압연이 되므로 페라이트 조직이 경화되어 신성성이 떨어지고, 1000℃를 초과하는 경우 압연후 결정립이 크게 성장하므로 미세조직을 얻기가 곤란하기 때문이다.

상기와 같은 조건으로 열간압연한 강재는 냉간압연 및 신선 등의 방법으로 냉간가공을 실시하는데, 냉간가공시 가공량은 5%이상으로 한다. 만일 이 보다 작은 가공도로 냉간가공을 실시하면 내부에너지 축적이 충분치 않고, 또 시멘타이트의 분절이 충분히 일어나지 않아서 구상화가 신속히 이루어지지 않는다.

상기와 같이 냉간가공을 마친 강재는 다시 740-780℃로 가열하여 1시간 이상 유지하고, 이어 10-30℃/hr의 속도로 690-710℃까지 냉각하고, 이 온도에서 1시간 유지한 후 통상의 방법대로 상온까지 냉각한다.

이러한 구상화열처리 조건에서 온도조건은 통상의 조건이며, 그 시간을 단축하는데 본 발명의 특징이 있다.

상기 구상화열처리시 가열온도가 740℃이하가 되면, Ar₁이하의 온도이기 때문에 세멘타이트가 분해되지 않는다. 따라서 740℃이하의 온도에서는 구상화에 걸리는 시간이 너무 길기 때문에 공업적으로 이용할 수가 없다. 가열온도를 780℃이상으로 하면 시멘타이트가 핵생성 될 수 있는 씨-드(seed)를 남기지 않고 모두 오스테나이트내로 재고용되기 때문에 냉각시 시멘타이트가 구상화되기 보다는 재생 펠라이트(Pearlite)가 생성된다.

가열시간을 1시간 이상으로 한정하는 이유는 시멘타이트의 분정 및 재고용을 위해 최소한 1시간 정도의 시간이 필요하기 때문이다.

가열 후 690-710℃까지 냉각할 때의 냉각속도를 한정하는 이유에 대하여 설명한다. 냉각속도가 10℃/hr이하가 되면 시멘타이트의 석출 및 성장할 수 있는 시간적인 여유가 없어서 구상화가 제대로 일어나지 않고, 냉각속도가 30℃/hr 이상이 되면 구상화 시멘타이트의 입자가 지나치게 조대해져서 재질을 열화시킨다.

냉각 목표온도를 690-710℃로 하는 이유는 710℃이상의 경우 변태구동력이 감소하여 구상화 속도가 느리게 진행되며, 690℃이하의 경우 탄소의 확산속도가 늦어져서 구상화 속도가 느려지기 때문이다.

690-710℃에서 1시간 이상으로 유지하는 이유는 시멘타이트를 충분히 구상화시켜 강재를 냉간압조가공이 가능하도록 연화시키기 위함이다.

이어, 통상의 방법대로 상온까지 냉각하는데, 그 방법으로는 강선재를 약 660℃까지 시간당 약 20℃로 냉각시킨 후 공냉시키는 방법이 있다. 구상화 열처리가 끝난 선재는 필요한 선경으로 신선후 피막처리한 다음 냉각압조가공을 통하여 볼트로 가공한다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세히 설명한다.

[실시예 1]

화학성분(중량%)
구분	C	Si	Mn	P	S	Ti	N	Al
종래강	0.47	0.25	0.73	0.001	0.003	-	-	-
발명강	0.47	0.25	0.73	0.001	0.002	0.010	0.0087	0.030

상기 표2와 같은 조성을 갖는 발명강과 종래강을 소형강괴(160mm x 160mm)로 제작한 다음 1200℃에서 2시간 가열하고, 마무리 압연온도를 900, 950℃, 1000℃로 변화시키면서 열간압연하였다.

이때, 열간압연은 1150℃에서 30%의 압하율로 1차압연을 한 후 마무리압연온도에서 40%의 압하율로 마무리압연하고 이어 상온까지 1℃/sec 의 속도로 냉각한 다음 미세조직을 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타난 바와같이, 마무리 압연온도가 낮아질수록 미세조직이 미세해짐을 알 수 있었다. 그리고, 종래강보다 발명강의 미세조직이 훨씬 더 미세하였으므로, 종래강을 900℃마무리 압연하더라도 1000℃에서 마무리 압연한 발명강보다 더 조대하였다. 따라서, 본 발명강은 마무리압연온도를 높여도 종래강 대비 아주 미세한 조직을 확보할 수 있다는 것을 확인하였다.

[실시예 2]

실시예 1에서 열간압연한 강재를 750℃에서 가열하여 1.5시간 유지한 후 20℃/hr의 냉각속도로 700℃까지 냉각하고, 이 온도에서 1.5시간 유지한 후 650℃까지 20℃/hr의 냉각속도로 서냉한 후 상온까지 공냉하여 구상화열처리한 다음, 경도를 측정하고 그 결과를 하기표 3에 나타내었다. 이때, 종래재의 경우 구상화열처리는 종래방법대로 15시간 열처리한 소재를 입수하여 경도값을 측정한 것이다.

	마무리압연온도(℃)	구상화열처리시간(hr)	경도(Hv)	비고
발명재	1	900	8	134	발명강
	2	950	8	134
	3	1000	8	137
비교재	1	900	8	140	종래강
	2	950	8	155
	3	1000	8	160
종래재	1000	15	132

상기 표3에 나타난 바와같이, 발명재(1-3)의 경우 종래재와 비교하여 구상화열처리시간을 거의 1/2로 단축하더라도 동등수준의 경도를 확보할 수 있었다.

이에 반해 종래강을 단시간(8시간) 구상화열처리한 비교재(1-3)의 경우 경도가 높아 장시간의 구상화 열처리가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다.

결론적으로 티타늄과 질소가 소량 들어간 발명재(1-3)은 마무리압연온도를 900-1000℃로 하여도 구상화속도를 촉진할 수 있는 미세한 페라이트+펄라이트 조직을 얻을수 있었으며 구상화 속도도 굉장히 빨랐다. 따라서 본 발명에서 마무리 압연온도를 종래 공지기술과 같이 850℃이하로 내리지 않아도 구상화 촉진감을 제조할 수 있으므로, 저온압연을 위한 압연기 증강없이, 그리고 또 저온압연으로 인한 소재 단면 형상 불량 및 권취불량과 같은 문제점없이 구상화촉진이 가능한 감선재를 제조할 수 있다는 것을 확인하였다.

상술한 바와같이, 본 발명은 강중 티타늄과 질소함량을 적절히 첨가하여 강 조성을 제어하는 한편 열간압연을 적절히 수행함으로써, 구상화시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 따라서 열처리 비용을 크기 줄일 수 있고, 생산공정이 짧아져서 납기단축 및 생산성 향상 등의 효과가 있는 것이다.

Claims

냉간압조용 선재의 제조방법에 있어서,

중량%로, C: 0.2-0.6%, Si: 0.1-1.0%, Mn: 0.3-1.5%, P: 0.03%이하, S: 0.05%이하, Al: 0.01-0.2%, Ti : 0.008-0.030%, N : 0.002-0.01% 및 잔부 Fe와 기타 불가피한 불순물로 이루어진 강편을 950-1200℃의 온도로 재가열한 후 900-1000℃의 마무리압연조건으로 열간선재압연한 다음, 5%이상의 가공량으로 신선한 후 740-780℃의 온도로 가열하여 1시간이상 유지하고, 이어 10-30℃/hr의 냉각속도로 690-710℃까지 냉각하여 1시간이상 유지한 후 통상의 방법대로 상온까지 냉각하여 이루어짐을 특징으로 하는 냉간압조용 선재의 제조방법.