KR20200061629A - 열간 단조재 및 이의 제조방법 - Google Patents

열간 단조재 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 있어서, 열간 단조재의 제조 방법은 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 주조재를 재가열하고 열간 압연하여 압연재를 제조하는 단계; 상기 압연재를 열간 단조하여 단조재를 제조하는 단계; 상기 단조재를 870~930℃의 온도로 가열하여 열처리한 후에 담금질하는 단계;및 상기 담금질한 단조재를 520~580℃의 온도로 가열하여 템퍼링하는 단계를 포함한다.

Description

열간 단조재 및 이의 제조방법 {HOT FORMING PART AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 열간 단조재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
자동차용 특수강은 2차 오일 쇼크 이후, 중탄소강에 열처리를 생략한 비조질강 개발에 집중되어 왔다. 한편, 비조질화 기술은 바나듐(V), 니오븀(Nb), 및 티타늄(Ti)과 같은 미세합금(Microalloy, MA)에 의한 결정립 미세화 및 석출강화 등의 강화기구를 통해 기지조직을 강화시킴으로써, 조질 열처리 공정을 생략하는 것이다. 비조질강의 미세조직은 대체로 페라이트(Ferrite), 펄라이트(Pearlite) 및 PPT(Precipitation) 등으로 이루어지며, 한편 조질 열처리 후의 조직인 템퍼드-마르텐사이트와 유사한 강도를 나타낼 수 있다.
최근에는, 보다 가혹한 환경에서 요청되는 높은 인장 강도 및 충격 인성값에 대한 시장의 요구가 증가하고 있는 상황이다. 본 발명과 관련한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제1986-0000400호(1986.01.28. 공개, 발명의 명칭: 단조품 제조용 강 및 강 처리방법에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 합금 원소의 첨가를 감소시켜 제조 비용 절감 및 용접 이음성 향상을 가져올 수 있는 열간단조재 및 이의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 관점에 있어서, 열간 단조재의 제조 방법이 개시된다. 상기 열간 단조재의 제조 방법은 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 주조재를 재가열하고 열간 압연하여 압연재를 제조하는 단계; 상기 압연재를 열간 단조하여 단조재를 제조하는 단계; 상기 단조재를 870~930℃의 온도로 가열하여 열처리한 후에 담금질하는 단계;및 상기 담금질한 단조재를 520~580℃의 온도로 가열하여 템퍼링하는 단계를 포함한다.
일 실시 예에 있어서, 상기 압연재를 제조하는 단계는 마무리 압연온도 900~1000℃에서 진행하여 봉강을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 담금질 하는 단계는 상기 열처리 후에 상온까지 1 내지 10℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 템퍼링 후에 상기 단조재는, 인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 템퍼링 후에 상기 단조재는 -20℃ 에서 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 있어서, 열간 단조재가 개시된다. 상기 열간 단조재는 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하되, 인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가진다.
일 실시 예에 있어서, 상기 열간 단조재는 -20℃ 에서 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가질 수 있다.
일 실시 예에 있어서, 상기 열간 단조재는 미세조직으로서 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 합금 원소의 성분을 제어하고, 담금질과 텀퍼링을 포함하는 열처리 공정 조건을 제어하여 열간 단조재의 용접 이음성, 인장 강도 및 충격 인성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따르는 열간 단조재의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다. 이때, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
스핀들(spindle)과 같은 자동차용 부품은 열간 단조하여 제조되는 부품으로서, 사용환경 특성상 용접 이음성, 인장 강도, 및 저온 충격 인성을 요구하고 있다. 최근에는, 종래의 비조질강에, 보다 높은 인장 강도 및 충격 인성값을 구현하기 위해, 망간, 바나듐과 같은 합금 원소들을 추가적으로 첨가하고 있다.
이에 따라, 추가되는 상기 합금 원소들로 인해 제조 비용이 상승하고 있으며, 합금 원소 추가에 의해 탄소 당량이 증가하여 용접 이음성이 열화될 우려가 발생하고 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 합금 원소의 성분을 제어하는 동시에, 담금질과 템퍼링을 포함하는 열처리 공정 조건을 제어하여, 합금 원소의 과도한 첨가에 따르는 제조 비용 상승을 억제하고, 제조된 열간 단조재의 용접 이음성, 인장 강도 및 충격 인성을 확보하는 제조 방법 및 이에 의해 제조된 열간 단조재를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 열간 단조재는, 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함할 수 있다. 상기 열간 단조재는 일 예로서, 탄소 당량 0.47 중량%를 가질 수 있다. 이러한 범위의 탄소 당량은 상기 열간 단조재가 우수한 용접 이음성을 가지도록 할 수 있다. 상기 열간 단조재는 일 예로서, 자동차의 스핀들(spindle)용 강재로 적용될 수 있다.
상기 열간 단조재는 인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가질 수 있다. 또한, 상기 열간 단조재는 -20℃ 에서, 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가질 수 있다. 상기 열간 단조재는 미세조직으로서 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르는 열간 단조재는, 상술한 성분조성을 제어함이 필요한데, 그 상세한 내용에 대하여 다음과 같이 설명한다.
탄소(C) : 0.16 ~ 0.19 중량%
탄소(C)는 제조되는 열간 단조재의 강도를 확보하기 위하여 첨가될 수 있다다. 상기 탄소는 강재 전체 중량의 0.16 ~ 0.19 중량 %로 첨가되는 것이 바람직하다. 탄소의 첨가량이 0.16 중량% 미만일 경우, 강도를 확보하기 어렵다. 반대로, 탄소의 첨가량이 0.19 중량%를 초과하는 경우 강의 강도 상승에는 유효하나 저온 충격인성이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
실리콘(Si): 0.20 ~ 0.30 중량%
실리콘(Si)은 강 중의 산소를 제거하기 위한 탈산제로 첨가될 수 있다. 상기 실리콘은 강재 전체 중량의 0.20 ~ 0.30% 중량 %로 첨가될 수 있다. 실리콘의 첨가량이 0.20 중량% 미만일 경우 실리콘 첨가에 따른 탈산 효과가 불충분할 수 있다. 반대로 실리콘의 첨가량이 0.30 중량%를 초과하는 경우 강재의 용접성을 떨어뜨리고 재가열 및 열간압연시에 적 스케일을 생성시킴으로써 표면 품질이 저하되는 문제점이 있을 수 있다.
망간(Mn): 1.15 ~ 1.25 중량%
망간(Mn)은 고용강화 원소로써 매우 효과적이며, 강의 경화능 또는 소입성을 향상시켜서 강도 및 충격인성 확보에 효과적인 원소일 수 있다. 상기 망간은 강재 전체 중량의 1.15 ~ 1.25 중량 %로 첨가될 수 있다. 망간의 첨가량이 1.15 중량% 미만일 경우 망간 첨가에 따른 고용강화 효과 및 경화능 향상 효과가 불충분할 수 있다. 반대로 망간의 첨가량이 1.25 중량%를 초과하는 경우 강재의 용접성을 크게 저하시키는 문제점이 있을 수 있다.
인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하
인(P)은 제조되는 강재의 강도를 소폭 상승시키는 역할을 할 수 있다. 다만, 인이 과도하게 포함되면 용접성이 악화되고, 중심편석이 문제가 될 수 있다. 이에, 본 발명에서는 인의 함량을 강재 전체 중량의 0 초과 0.020 중량% 이하로 제한한다.
황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하
황(S)은 가공성을 향상시키는 원소이나, 황의 함량이 높으면 MnS 개재물의 분율 증가로 인하여 저온 충격인성이 저하될 수 있다. 이에 본 발명에서는 황의 함량 을 강재 전체 중량의 0 초과 0.015 중량% 이하로 제한한다.
니켈(Ni): 0 초과 0.20 중량% 이하
니켈은 결정립을 미세화하여 제조되는 강재의 강도 및 인성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 다만, 니켈의 중량이 0.20 중량%를 초과할 경우 적열취성 유발 등의 문제점이 있을 수 있다. 따라서, 상기 니켈은 강재 전체 중량의 0 초과 0.20 중량%로 첨가될 수 있다.
크롬(Cr): 0.18 ~ 0.25 중량%
크롬(Cr)은 강의 경화능 또는 소입성을 향상시켜서 강도 및 충격 인성 확보에 효과적이다. 또한, 페라이트를 안정화하여 연신율을 향상시키며 강도 향상에 기여할 수 있다. 다만, 크롬의 첨가량이 0.18 중량% 미만일 경우, 상술한 효과를 달성하기 힘들다. 반면에, 크롬이 0.25 중량% 초과하여 첨가될 경우, 강도와 연선의 균형이 깨질 수 있다. 따라서, 상기 크롬은 강재 전체 중량의 0.18 ~ 0.25 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하
구리(Cu)는 미세 석출물을 조장하여 강도 상승에 기여할 수 있다. 다만, 구리가 0.20 중량%를 초과하여 첨가될 경우, 가공성 저하 및 강재의 표면 특성을 저해할 수 있다. 따라서, 상기 구리는 강재 전체 중량의 0.20 중량% 이하로 첨가된다.
전술한 합금조성의 성분들 외에 나머지는 철(Fe)과 제강 과정 등에서 불가피하게 포함되는 불순물로 이루어진다.
열간 단조재의 제조 방법
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따르는 열간 단조재의 제조 방법을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 에에 따르는 열간 단조재의 제조 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 도 1을 참조하면, 열간 단조재의 제조 방법은 도 1을 참조하면, 열간 단조재의 제조 방법은 열간 압연재 제조 단계(S110), 단조재 제조 단계(S120), 열처리 및 담금질 단계(S130), 및 템퍼링 단계(S140)를 포함한다.
열간 압연재 제조 단계(S110)
먼저, 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 주조재를 재가열 한다. 상기 주조재는, 공지의 제강 공정 및 주조 공정을 통해 미리 제조되어 준비될 수 있다. 상기 주조재는 일 예로서, 빌렛일 수 있다.
이때, 상기 주조재를 재가열하는 단계는 석출물의 재고용 등의 효과를 도출하기 위해서 실시될 수 있으며, 일 예로서, 상기 재가열 온도는 1000 ~ 1250℃ 일 수 있으며, 재가열 시간은 1 시간 ~ 3시간일 수 있다. 이어서, 상기 재가열된 주조재를 900 ~ 1000℃의 마무리 압연 온도로 열간 압연하여 열간 압연재를 제조한다. 상기 마무리 압연 온도에서의 압연을 통해, 가공성 및 강성이 향상될 수 있다. 상기 열간 압연재는 일 예로서, 봉강(Round Bar) 형태를 가질 수 있다.
단조재 제조 단계(S120)
본 단계는 상기 열간 압연재를 열간 단조하는 단계와 상기 단조된 압연재를 냉각하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
한 실시예에서 상기 열간 단조는 1,150℃~1,250℃의 온도로 가열한다음 열간 단조기를 통해 수행될 수 있다. 일 예로서, 상기 가열은 고주파 유도 방식을 적용할 수 있다. 상기 온도에서 열간 단조시 비조질강의 가공성 및 저온 인성이 우수할 수 있다. 한 실시예에서 상기 냉각은 공랭 또는 제어냉각을 통해 이루어질 수 있다.
일 예로서, 상기 봉강 형태의 열간 압연재는 열간 단조를 통해, 자동차용 스핀들 형상으로 성형될 수 있다.
열처리 및 담금질 단계(S130)
본 단계는 상기 단조재를 870 ~ 930℃의 온도로 가열하여 열처리한 후에 담금질하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 열처리는 열처리로(Furnace)에서 150 ~ 250 분간 이루어질 수 있다. 이어서, 상기 열처리된 단조재 담금질할 수 있다. 일 예로서, 상기 담금질시 상기 단조재는 100℃ 이하로 냉각될 수 있다. 상기 냉각 속도는 1 ~ 10℃/sec 로 진행될 수 있다.
템퍼링 단계(S140)
본 단계는 상기 담금질한 단조재를 520 ~ 580℃의 온도로 가열하여 템퍼링 열처리하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 템퍼링 열처리 단계는 연신율 및 저온 충격 인성을 확보하면서, 가공면의 가공성 확보를 위한 표면 경도를 낮추기 위해 수행될 수 있다. 상기 템퍼링 열처리 온도가 520℃ 미만일 경우, 표면 경도 상승으로 표면 경도가 230 Hv를 초과하게 되어 가공성이 저하될 수 있다. 상기 템퍼링 열처리 온도가 580℃ 를 초과할 경우, 충분한 강도를 확보할 수 없다. 상기 템퍼링 열처리는 일 예로서, 180분 ~ 300분간 진행될 수 있다. 상기 템퍼링 후 상기 단조재는 공랭될 수 있다.
상기 템퍼링 후의 상기 단조재는 인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가질 수 있다. 또한, 상기 단조재는 -20℃ 에서 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가질 수 있다. 또한, 상기 단조재는 미세조직으로서 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가질 수 있다.
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.
실시예 및 비교예
주조재로서, 표 1에 기재된 조성을 가지는 빌렛을 약 1200℃에서 2시간 동안 가열한 다음 봉강 Φ80 규격으로 압연하였다. 상기 봉강을 고주파 유도 방식으로 약 1200℃의 온도로 재가열한 다음 열간 단조기를 통해 단조하여 스핀들 형태의 단조재를 제조하였다. 상기 단조재는 열처리로로 이송되어 900℃의 가열 조건에서 210분간 로내에 유지된 다음, 수냉 처리 후 각각 380℃, 450℃ 및 530 ℃로 가열되어 240분간 로내에 템퍼링된 다음 열처리로 밖에서 공랭되었다.
합금 성분 (중량%)
C Si Mn P S Ni Cr Cu
0.17 0.22 1.15 0.013 0.007 0.06 0.20 0.08
비교예 1의 경우, 380℃의 온도에서 템퍼링된 시편이며, 비교예 2의 경우, 450℃의 온도에서 템퍼링된 시편이며, 실시예의 경우, 530℃의 온도에서 템퍼링된 시편이다.
상기 시편 별로, 상온 인장 시험, -20 ℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지 시험, 및 표면 경도 시험을 진행하고, 표 2에 그 결과를 나타내었다.
상온 인장 시험 샤르피 충격 흡수 에너지(-20℃) 표면 경도
(HB)
인장강도(MPa) 항복강도(MPa) 연신율(%)
목표치 560~730 460 이상 18이상
비교예1 659 484 24.5 66 365
비교예2 635 473 25 64 324
실시예 630 479.5 25 84 229
표 2를 참조하면, 비교예 1, 2 및 실시예의 시편은 상온 인장 시험에서 인장강도, 항복강도, 연신율의 목표치를 만족하였다. 다만, 530 ℃의 온도에서 템퍼링된 실시예의 경우, 비교예 1 및 2와 대비하여, -20℃에서의 샤르피 충격 흡수 에너지가 상대적으로 증가함으로써, 상대적으로 우수한 저온 인성 특성을 나타냄을 확인할 수 있다. 또한, 실시예의 경우, 비교예 1 및 2와 대비하여, 표면 경도가 상대적으로 감소함으로써, 상대적으로 우수한 가공성을 나타낼 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하는 주조재를 재가열하고 열간 압연하여 압연재를 제조하는 단계;
    상기 압연재를 열간 단조하여 단조재를 제조하는 단계;
    상기 단조재를 870~930℃의 온도로 가열하여 열처리한 후에 담금질하는 단계;및
    상기 담금질한 단조재를 520~580℃의 온도로 가열하여 템퍼링하는 단계를 포함하는
    열간 단조재의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 압연재를 제조하는 단계는
    마무리 압연온도 900~1000℃에서 진행하여 봉강을 제조하는 단계를 포함하는
    열간 단조재의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 담금질 하는 단계는
    상기 열처리 후에 상온까지 1 내지 10℃/s의 냉각 속도로 냉각하는 단계를 포함하는
    열간 단조재의 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 템퍼링 후에 상기 단조재는, 인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가지는
    열간 단조재의 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 템퍼링 후에 상기 단조재는 -20℃ 에서 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가지는
    열간 단조재의 제조 방법.
  6. 탄소(C): 0.16~0.19 중량%, 실리콘(Si): 0.20~0.30 중량%, 망간(Mn): 1.15~1.25 중량%, 인(P): 0 초과 0.020 중량% 이하, 황(S): 0 초과 0.015 중량% 이하, 니켈(Ni): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 크롬(Cr): 0.18~0.25 중량%, 구리(Cu): 0 중량% 초과 0.20 중량% 이하, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 포함하되,
    인장강도 560~730 MPa, 항복강도 460 MPa 이상, 및 연신율 18% 이상을 가지는
    열간 단조재.
  7. 제6 항에 있어서,
    -20℃ 에서 27 J 이상의 샤르피 충격 흡수 에너지를 가지는
    열간 단조재.
  8. 제6 항에 있어서,
    미세조직으로서 페라이트 및 베이나이트를 포함하는 복합 조직을 가지는
    열간 단조재.
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