KR20140021422A

KR20140021422A - 소재 가공장치 및 가공방법

Info

Publication number: KR20140021422A
Application number: KR1020120087954A
Authority: KR
Inventors: 손일헌
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2014-02-20

Abstract

본 발명에 따른 소재 가공장치는, 소재의 강도와 인장력을 높이도록 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연부; 및 상기 저온 압연부의 후단에 배치되어, 저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선부;를 포함한다.
또 다른 측면에서는, 소재의 강도와 인장력을 높이도록 상기 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연단계; 및 저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선단계;를 포함하는 소재 가공방법이 제공된다.
이와 같은 본 발명은 소재를 저온 압연함으로써 소재에 대한 강도와 연성을 동시에 향상시키고, 연이어 소재를 전단 신선함으로써 소재의 강도와 연성을 더욱더 향상시키면서도 가공 후 바로 사용할 수 있도록 치수 정밀도를 높일 수 있다.

Description

소재 가공장치 및 가공방법{Apparatus and Method for forming materials}

본 발명은 소재 가공장치 및 가공방법으로서, 소재의 강도와 연성을 증대시키는 소재 가공장치 및 가공방법에 관한 것이다.

탄화물 형성 원소를 이용하여 저온에서 압연할 경우 나노 사이즈의 페라이트 (ferrite) 기지에 미세한 탄화물을 균일하게 분포시킬 수 있어 소재의 강도와 연성을 동시에 향상시키는데 효과적이다.

특히, 저온에서 고감면율의 선재압연을 수행함으로써 높은 가공경화 속도 (work-hardening rate)를 얻을 수 있어 높은 강도를 유지하면서도 연성이 우수한 강재를 얻을 수 있다.

최근 열처리로서 조질처리(Quenching & Tempering, QT)를 거친 소재를 템퍼링(tempering) 온도구간에서 온간 압연(tempforming)을 수행하여, 충격치가 월등히 향상된 선재를 얻을 수 있었으며 상온대비 저온 충격치가 오히려 증가하는 결과를 얻을 수 있었다.

원인은 강압하를 통한 압연 방향으로 길게 연신된 섬유상 집합조직이 생성되어, 충격이 가해졌을 때 압연방향에 수직 방향으로의 딜라미네이션(delamination, 비틀림 시 강선이 나선형으로 파괴되는 현상)에 의해 파면이 지그재그 형태로 나타나게 되어 결과적으로 크랙이 전파되는 경로가 많아져서 많은 충격에너지를 흡수할 수 있기 때문이다.

상기와 같은 저온 압연의 연구결과가 중탄소강의 가공경화 속도를 증가시키는 연구에서 활용되어 진행되고 있다.

한편, 상술된 저온 압연에 의한 소재에 있어서 치수 정밀도가 떨어지게 되어 가공 후 바로 사용할 수 없다는 한계점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 저온 압연과 전단 신선으로 소재의 강도와 연성을 향상시키는 소재 가공장치 및 가공방법를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공장치는, 소재의 강도와 인장력을 높이도록 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연부; 및 상기 저온 압연부의 후단에 배치되어, 저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선부;를 포함한다.

여기에서, 상기 저온 압연부는, 가열로 후단에 번갈아 배치된 다이아몬드 공형롤과 스퀘어 공형롤; 및 상기 스퀘어 공형롤의 후단에 번갈아 배치된 오발 공형롤과 라운드 공형롤;을 구비하여, 상기 가열로에서 저온 상태로 나온 상기 소재를 다단 압연하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전단 신선부는, 전단홀이 형성된 전단다이스; 및 상기 전단다이스의 후단에 배치되며 신선홀이 형성된 신선다이스;를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 전단홀은 등통로로서 굴곡각이 120°~ 150°이고, 상기 신선홀은 감면율이 10% ~ 30%인 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 상기 소재는 중탄소강 선재인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 소재의 강도와 인장력을 높이도록 상기 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연단계; 및 저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선단계;를 포함하는 소재 가공방법이 제공된다.

여기에서, 상기 저온 압연단계는 다단 압연단계로서, 상기 소재를 단면이 다이아몬드(diamond) 형상과 스퀘어(square) 형상으로 교번 압연하는 다이아몬드-스퀘어 압연공정; 및 상기 소재를 단면이 오발(oval) 형상과 라운드(round) 형상으로 교번 압연하는 오발-라운드 압연공정;를 구비하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 저온 압연단계에서, 상기 다이아몬드-스퀘어 압연공정이 6패스 동안 이루어지고, 이후에 상기 오발-라운드 압연공정이 2패스 동안 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 전단 신선단계에서, 상기 소재를 전단다이스에서 굴곡각이 120°~ 150°인 등통로 전단홀을 통과시킨 후, 신선다이스에서 감면율이 10% ~ 30%인 신선홀을 통과시키는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 상기 소재는 중탄소강 선재이며, 상기 저온 압연단계에 의한 유효변형률이 3.0 이상이 되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 소재 가공장치 및 가공방법은, 소재를 저온 압연함으로써 소재에 대한 강도와 연성을 동시에 향상시키고, 연이어 소재를 전단 신선함으로써 소재의 강도와 연성을 더욱더 향상시키면서도 가공 후 바로 사용할 수 있도록 치수 정밀도를 높일 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공장치에서 저온 압연부의 다이아몬드 공형롤과 스퀘어 공형롤을 나타낸 도이고, 도 2(b)는 오발 공형롤과 라운드 공형롤을 나타낸 도이다.
도 3은 도 2의 공형롤에 의해 교번 압연된 소재의 단면 형상을 순차적으로 나타내고, 내부의 변형률을 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공장치에서 전단 신선부를 나타낸 도이다.
도 5는 도 1의 소재 가공방법에서의 가공단계에 따른 온도를 나타낸 도이다.
도 6은 가공처리되지 않은 소재와 실시예 1에 따른 소재 가공방법에 의해 가공된 소재의 미세조직을 나타낸 확대도이다.
도 7은 가공처리되지 않은 소재와 실시예 2에 따른 소재 가공방법에 의한 가공된 소재의 미세조직을 나타낸 확대도이다.

본 발명의 소재 가공장치 및 가공방법은, 소재의 강도와 연성을 높이면서 치수 정밀도가 우수하도록, 소재에 대해 저온 압연과 전단 신선을 하도록 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.

이하, 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 소재 가공장치에 대해 도 2 및 도 4를 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2(a)는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공장치에서 저온 압연부의 다이아몬드 공형롤과 스퀘어 공형롤을 나타낸 도이고, 도 2(b)는 오발 공형롤과 라운드 공형롤을 나타낸 도이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공장치에서 전단 신선부를 나타낸 도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 소재 가공장치는 소재(1)를 저온에서 압연하는 저온 압연부와, 저온 압연된 상기 소재(1)를 전단 신선하는 전단 신선부를 포함한다.

상기 저온 압연부는 가열로에서 저온 상태로 나온 소재(1)를 다단 압연하도록 구성된다.

여기에서, 저온 압연부는 압연롤로서 공형롤이 활용될 수 있는데, 바람직한 일례로서 도 2에 도시된 바와 같이, 다이아몬드(diamond) 공형롤과 스퀘어(square) 공형롤, 그리고 오발(oval) 공형롤과 라운드(round) 공형롤이 활용될 수 있다.

이때, 소재(1)가 나오는 압연홀의 단면이 상기 다이아몬드 공형롤(11)은 마름모 형상이고 상기 스퀘어 공형롤(12)은 정사각 형상이며, 상기 오발 공형롤(13)은 타원 형상이고 상기 라운드 공형롤(14)은 원 형상이다.

더욱 구체적으로, 상기 다이아몬드 공형롤(11)과 스퀘어 공형롤(12)은 가열로(미도시) 후단에 번갈아 배치되고, 다음으로 상기 스퀘어 공형롤(12)의 후단에 오발 공형롤(13)과 라운드 공형롤(14)이 번갈아 배치될 수 있다.

한편, 상기 전단 신선부는 전단홀(20a)이 형성된 전단다이스(20)와, 상기 전단다이스(20)의 후단에 배치되며 신선홀(30a)이 형성된 신선다이스(30)를 구비할 수 있다.

이때, 상기 전단홀(20a)은 등통로로서 굴곡각이 120°~ 150°이고, 상기 신선홀(30a)은 감면율이 10% ~ 30%인 것이 바람직하다.

이와 같이 상술된 소재 가공장치의 저온 압연부와 전단 신선부의 구체적인 구조 한정에 따른 이유는, 하기의 소재 가공방법의 구체적인 설명에 의해 뒷받침될 수 있다.

그러면, 상기 소재 가공장치에 의해 본 발명의 소재 가공방법이 수행되는 과정을, 위에서 언급한 도 2 및 도 4와 함께, 도 1, 도 3, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 소재 가공방법을 나타낸 흐름도이고, 도 3은 도 2의 공형롤에 의해 교번 압연된 소재의 단면 형상을 순차적으로 나타내고, 내부의 변형률을 나타낸 도이며, 도 5는 도 1의 소재 가공방법에서의 가공단계에 따른 온도를 나타낸 도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 소재(1)를 저온에서 압연하는 저온 압연단계와, 저온 압연된 상기 소재(1)를 전단 신선하는 전단 신선단계를 포함할 수 있다.

먼저, 소재(1)는 저온 압연 되는데, 구체적으로 가열로에서 저온으로 나온 상태에서 압연된다.

여기에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 가열로에서 나오는 소재(1)의 온도는 저온 상태 즉, 500℃ ~ 600℃로서 중온(warm temperature)이라고도 하며, 통산적인 열간 압연의 온도가 950℃ ~ 1100℃에서 이루어지기 때문에 본 발명의 압연을 상대적인 개념으로서 '저온 압연'으로 지칭한다.

이때, 저온 압연에 있어서의 압연온도가 500℃보다 낮으면, 소재(1)의 가공성(workability)이 떨어지게 되며 표면 터짐과 같은 표면흠이 발생할 위험성이 높아진다. 또한, 저온 압연의 압연온도가 600℃보다 높으면 압연에 의해 미세화된 조직이 너무 높은 온도에 의해 풀림으로써 강도 상승의 효과가 사라지게 된다.

이와 같은 저온 압연단계는 상온에서 다단으로 압연되도록 구성될 수 있는데, 바람직한 일례로서 다이아몬드-스퀘어 압연공정과, 오발-라운드 압연공정으로 이루어질 수 있다.

이때, 상기 다이아몬드-스퀘어 압연공정은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 소재(1)를 단면이 다이아몬드 형상과 스퀘어 형상으로 교번 압연하도록 구성된다.

즉, 소재(1)를 단면이 마름모 형상이 되도록 다이아몬드 공형롤(11)로 압연하고 다음으로 정사각 형상이 되도록 스퀘어 공형롤(12)로 압연하는데, 이러한 교번 압연은 복수 번 반복적으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 오발-라운드 압연공정은 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 소재(1)를 단면이 타원형인 오발 형상과 원형인 라운드 형상으로 교번 압연하도록 구성된다.

즉, 소재(1)를 단면이 타원 형상이 되도록 오발 공형롤(13)로 압연하고 다음으로 원형 형상이 되도록 라운드 공형롤(14)로 압연한다.

이러한 저온 압연단계는 더욱 바람직한 일례로서 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 다이아몬드-스퀘어 압연공정이 6패스 동안 이루어지고, 이후에 상기 오발-라운드 압연공정이 2패스 동안 이루어질 수 있다.

상기 다이아몬드-스퀘어 압연공정은 오발-라운드 압연공정에 비하여, 상대적으로 압연되는 소재(1)의 표면흠 생성을 억제하면서 압연이 이루어지게 하기 때문에, 소재(1)의 변형률을 일정 정도 높일 때까지는 활용될 수 있으며, 구체적인 예로서 저온 압연단계에 있어서 처음부터 6패스 동안, 즉 1 ~ 6번째 압연롤에서 수행될 수 있다.

또한, 상기 오발-라운드 압연공정은 저온 압연단계를 마무리하는데 있어서, 소재(1)의 단면이 최대한 원형으로 형성되도록 하기 위해 활용될 수 있는 최종 2패스인 7, 8번째 압연롤에서 수행될 수 있다.

이와 같은 저온 압연단계를 마친 소재(1)의 유효변형률은 3.0 이상이 될 수 있다.

상기와 같이 소재(1)가 저온 압연단계를 거침으로써, 소재(1)의 조직에 있어서 더욱더 미세해지면서 전체적으로 균일하게 분포하게 되어, 소재(1)의 강도 및 연성에 있어서의 물성치가 증대됨으로써 그 품질이 우수해진다.

다음으로, 소재(1)는 전단 신선하는 과정을 거치게 된다.

이러한 전단 신선단계는 구체적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 소재(1)를 전단다이스(20)의 전단홀(20a)을 통과시켜 전단변형을 부여한 후, 신선다이스(30)의 신선홀(30a)을 통과시켜 신선하게 된다.

여기에서, 소재(1)에 전단변형을 부여함에 있어서 소재(1)를 바람직한 일례로서 굴곡각이 120°~ 150°인 등통로 전단홀(20a)을 통과시키며, 이때 더욱 바람직하게는 상기 굴곡각이 130°일 수 있다.

전단홀(20a)의 굴곡각이 120°보다 작게 되면 소재(1)가 전단홀(20a)의 굴곡부위에서 급격하게 꺽이게 되어 전단홀(20a)의 내면에 압박되어 접촉함으로써 표면흠이 발생할 수 있고, 150°보다 크게 되면 부여되는 전단변형의 효과가 거의 발생하지 않기 때문이다.

또한, 소재(1)가 신선다이스(30)에서 신선되는 과정에서 바람직한 일레로서 감면율이 10% ~ 30%인 신선홀(30a)을 통과하게 되며, 더욱 바람직하게는 상기 감면율이 25%일 수 있다.

이러한 신선 감면율은 한 패스당 감면율이 10%보다 작게 되면 감면량이 작아서 부여할 수 있는 변형률이 작음으로써 최종적인 소재(1) 단면이 원형 형상으로 되는 것이 어렵게 되는데, 전단다이스(20)를 빠져나오는 소재(1)의 경우 단면의 변화가 크진 않지만 단면이 원형으로 만들어 지지 않게 되는 위험을 방지하기 위해서는 10% 이상이 바람직하다.

나아가, 신선 감면율이 30%보다 크게 되면 감면량이 너무 커져서 표면 상태가 거칠어질 수 있으며 심한 경우에는 단선이 발생하게 된다.

상기와 같이 소재(1)가 전단 신선단계를 거침으로써, 소재(1)의 강도와 연성을 더욱더 높이면서 치수 정밀도를 높여서 가공 후 별도의 가공을 더하지 않고 소재(1)를 사용할 수 있도록 할 수 있다.

아래에는 상기와 같은 저온 압연단계와 전단 신선단계를 거치는 소재(1)의 실시예 1 및 실시예 2를 서술하기로 하며, 이때 실시예에서 압연되는 소재(1)는 철판, 철근, 철사 등 건설 구조용으로 사용되는 저탄소강(연강)이 아닌, 더욱더 높은 강도와 연성이 요구되는 기계부품으로서 중탄소강 선재가 대상으로 활용된다.

(실시예 1)

탄화물 생성원소가 없는 0.45%C 탄소강을 대상으로 본 발명을 적용하였다.

초기 30mm x 30 mm인 소재를 500℃ ~ 600℃로 가열한 후 압연하여 선경이 13mm 선재를 얻었고, 이 후 교차각 130°인 등통로 전단홀과, 감면율 25%인 신선홀 통과시켰다.

이에 따른 가공 후, 소재에 가해진 유효변형률은 4.0정도 이며 최종 선경은 11.3mm이다.

도 6은 가공처리되지 않은 소재와 실시예 1에 따른 소재 가공방법에 의해 가공된 소재의 미세조직을 나타낸 확대도이다.

도면을 참조하면, 가공된 소재에 있어서 스캐닝 전자 현미경(Scaning Electron Microscope, SEM)으로 관찰한 미세조직이다. 가공 전, 후의 미세조직 간 뚜렷한 차이를 확인할 수 있고 잘 연결되어 있던 라멜라 구조의 펄라이트 층이 가공 이후 대부분 분절되거나 구상화된 것을 알 수 있으며, 특히 등축상에 가까운 1㎛내외의 초미세립 페라이트가 성공적으로 형성되었다.

초기 소재와 온도에 따라 가공된 소재의 인장강도와 연신율은 아래의 표 1과 같다. 표 1을 참조하면 가공 처리되지 않은 소재와 비교하여, 본 발명과 같이 저온 압연단계와 전단 신선단계를 거친 소재의 물성이 훨씬 우수하였는데, 구체적으로 살펴보면 인장강도가 급격히 증가한 반면 연신율이 아주 미세하게 작아진 것을 알 수 있다. 이에 따라 두 값의 곱을 표시할 경우 본 발명에 따른 소재가 상대적으로 아주 우수한 물성을 나타내고 있음을 알 수 있다.

	인장강도(MPa)	연신율(%)	인장강도×연신율
미 가공된 소재	670	20	13400
500℃ 가공	920	19.7	18124
600℃ 가공	870	18.7	16269

(실시예 2)

탄화물 생성원소인 1.0%Cr와 0.1%Mo를 가지는 0.3%C 합금강을 대상으로 실시예 1과 같은 변형조건을 적용한 후 500℃에서 저온 압연과 냉간(상온)에서 전단 신선가공한 소재를 가공 처리되지 않은 소재와 비교하여 물성을 아래 표 2와 같이 비교하였다.

도 7에서 실시예 1과 같이 잘 발달된 라멜라 구조가 강소성 가공 이후 미세 탄화물로 분절되거나 구상화된 것을 알 수 있다.

데이터로서, 소재에 있어서 인장강도와 연신율의 곱은 12,056에서 17,120으로 40%정도 향상되어 월등히 우수한 물성을 나타내고 있다.

	인장강도(MPa)	연신율(%)	인장강도×연신율
미 가공된 소재	880	13.7	12056
500℃ 가공	1070	16.0	17120

결과적으로, 본 발명의 소재 가공방법은, 소재를 저온 압연함으로써 소재에 대한 강도와 연성을 동시에 향상시키고, 연이어 소재를 전단 신선함으로써 소재의 강도와 연성을 더욱더 향상시키면서도 가공 후 바로 사용할 수 있도록 치수 정밀도를 높일 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

1 : 소재 11 : 다이아몬드 공형롤
12 : 스퀘어 공형롤 13 : 오발 공형롤
14 : 라운드 공형롤 20 : 전단다이스
20a : 전단홀 30 : 신선다이스
30a : 신선홀

Claims

소재의 강도와 인장력을 높이도록 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연부; 및
상기 저온 압연부의 후단에 배치되어, 저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선부;
를 포함하는 소재 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 저온 압연부는,
가열로 후단에 번갈아 배치된 다이아몬드 공형롤과 스퀘어 공형롤; 및
상기 스퀘어 공형롤의 후단에 번갈아 배치된 오발 공형롤과 라운드 공형롤;을 구비하여,
상기 가열로에서 저온 상태로 나온 상기 소재를 다단 압연하는 것을 특징으로 하는 소재 가공장치.
제1항에 있어서,
상기 전단 신선부는,
전단홀이 형성된 전단다이스; 및
상기 전단다이스의 후단에 배치되며 신선홀이 형성된 신선다이스;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 소재 가공장치.
제3항에 있어서,
상기 전단홀은 등통로로서 굴곡각이 120°~ 150°이고, 상기 신선홀은 감면율이 10% ~ 30%인 것을 특징으로 하는 소재 가공장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소재는 중탄소강 선재인 것을 특징으로 하는 소재 가공장치.
소재의 강도와 인장력을 높이도록 상기 소재를 저온에서 압연하는 저온 압연단계; 및
저온 압연된 상기 소재의 치수 정밀도를 높이도록 상기 소재를 전단 신선하는 전단 신선단계;
를 포함하는 소재 가공방법.
제6항에 있어서,
상기 저온 압연단계는 다단 압연단계로서,
상기 소재를 단면이 다이아몬드(diamond) 형상과 스퀘어(square) 형상으로 교번 압연하는 다이아몬드-스퀘어 압연공정; 및
상기 소재를 단면이 오발(oval) 형상과 라운드(round) 형상으로 교번 압연하는 오발-라운드 압연공정;
를 구비하는 것을 특징으로 하는 소재 가공방법.
제7항에 있어서,
상기 저온 압연단계에서,
상기 다이아몬드-스퀘어 압연공정이 6패스 동안 이루어지고, 이후에 상기 오발-라운드 압연공정이 2패스 동안 이루어지는 것을 특징으로 하는 소재 가공방법.
제6항에 있어서,
상기 전단 신선단계에서,
상기 소재를 전단다이스에서 굴곡각이 120°~ 150°인 등통로 전단홀을 통과시킨 후, 신선다이스에서 감면율이 10% ~ 30%인 신선홀을 통과시키는 것을 특징으로 하는 소재 가공방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소재는 중탄소강 선재이며, 상기 저온 압연단계에 의한 유효변형률이 3.0 이상이 되는 것을 특징으로 하는 소재 가공방법.