강소성 가공을 이용한 중·고탄소강의 구상화 방법, 강소성장치 및 이로써 얻어진 구상화 중·고탄소강

강소성 가공을 이용한 중·고탄소강의 구상화 방법, 강소성 장치 및 이로써 얻어진 구상화 중·고탄소강{METHODS OF SPHEROIDIZING MEDIUM AND HIGH CARBON STEELS BY SEVERE PLASTIC DEFORMATION, APPARATUS FOR SEVERE PLASTIC DEFORMATION, AND SPHEROIDIZED MEDIUM AND HIGH CARBON STEELS PREPARED THEREFROM}

본 발명은 중·고탄소강을 내측 접촉각이 조절된 가공용 다이를 이용하여 가압과 같은 공정을 통하여 전단 변형을 가하고, 열처리 및 냉각 공정을 순차적으로 수행하여 단시간 내에 구상화를 이뤄 제조비용을 크게 감소시킴에 따라 경제적으로 유리한 중·고탄소강의 구상화 방법, 전단 변형을 효과적으로 가할 수 있는 강소성 장치 및 이로써 얻어진 구상화된 중·고탄소강에 관한 것이다.

볼트, 자동차 부품, 패스너 및 볼베아링 등의 생산에서 보편적으로 이용되는 냉간 단조는 재료를 가열하지 않고 이루어지는 가공 공정이다. 이러한 냉간 단조는 열간 가공과 비교할 때 가공 후 치수가 최종치수에 근접하고 가공비가 훨씬 저렴한 장점이 있으나 가공능이 저하되어 가공 중 재료가 파괴되는 단점이 있다.

이를 보완하기 위해 일반적으로 가공능을 저하시키는 세멘타이트를 구상화하 는 구상화 열처리를 실시하고 있다.

일반적인 세멘타이트의 구상화는 고온에서 장시간 유지함으로써 이루어지는데, 예를 들면 탄소량이 0.20 %인 SCr 420의 30 ㎜ 봉재의 경우 구상화를 위해 약 900 ℃ 에서 20 시간을 열처리하여야 한다. 이러한 장시간에 걸친 열처리는 실제 공정에 있어 원가를 상승시키는 요인이 되므로, 소재 제조업체에서는 개선이 필요한 대표적인 공정 중의 하나이다.

현재 구상화 열처리 시간을 단축시키는 방법으로는, 탄소강을 고온에서 오스테나이트화 한 다음, 급냉하여 탄소를 과포화 한 뒤 단계적으로 열처리를 하는 방법과, 오스테나이트화 한 다음 단계적으로 냉각 속도를 달리 한 후, Ac1온도 부근에서 등온 변태시키는 방법 등이 고안되었으나, 이러한 방법은 복잡한 열처리 과정을 거쳐야 한다는 단점이 있다.

일예로 국내특허공개 제2004-51690호에서는 중탄소강을 신속하게 연화시킬 수 있는 구상화 열처리 방법을 제안하고 있다. 구체적으로, 중탄소강을 Ac1∼Ac3로 가열한 다음 2∼3 시간 유지시키고, 30∼200 ℃/시간의 냉각속도로 705∼715 ℃까지 1차 냉각한 다음 2∼4시간 유지시킨 후, 30∼200 ℃/시간의 냉각속도로 650∼680 ℃까지 2차 냉각한 다음 공랭하여 구상화를 수행하고 있다. 그러나 이러한 방법은 공정이 복잡할 뿐만 아니라 공정시간이 매우 길게 소요되는 문제가 있다.

이와는 다른 방법으로, 특히 아공석강의 경우 냉간 가공에 의해 세멘타이트의 구상화를 촉진시켜 열처리 시간을 단축시키는 방법이 있으나, 가공 시 재료의 디멘션(dimension)의 변화로 인해 부과되는 가공 량에 한계가 있다는 단점이 있다.

상기한 문제를 해소하기 위한 본 발명의 목적은 중·고탄소강을 구상화하기 위해 복잡한 열처리 공정을 거치거나 고온에서 장시간 열처리하는 종래 기술의 문제점을 해소하는 중·고탄소강의 구상화 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 구상화 방법에 의해 제조되어 냉간 단조능이 향상되고, 구상화된 미세조직을 갖는 구상화된 중·고탄소강을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 구상화 방법에 사용되는 효과적인 강소성 가공 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은

탄소(C)를 0.40 내지 1.60 중량%로 포함하는 중·고탄소강을 비대칭형 다이를 구비한 강소성 장치에 장입하는 단계;

상기 중·고탄소강을 가압(pressing)을 통한 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 공정을 수행하여 변형량 0.5 이상으로 전단 변형시키는 단계;

상기 변형된 중·고탄소강을 700∼900 ℃에서 열처리하는 단계; 및 냉각하는 단계를 포함하는 중·고탄소강의 구상화 방법을 제공한다.

바람직하기로 상기 중·고탄소강은 C: 0.40 내지 1.60 중량%, Cr: 1.0 내지 6 중량%, Si: 0.05 내지 0.35 중량%, Mn: 0.6 내지 1.65 중량% 및 잔부로 Fe를 포함한다.

더욱 바람직하기로, 상기 중·고탄소강은 C: 0.90 초과 내지 1.60 중량%, Cr: 1.0 내지 2.0 중량%, Si: 0.05 내지 0.35 중량%, Mn: 0.6 내지 1.65 중량% 및 잔부로 Fe를 포함한다.

상기 변형은 상온∼500 ℃에서 0.5∼4, 바람직하기로 0.5∼2의 변형량으로 수행하고, 열처리는 700∼900 ℃, 바람직하기로 750∼900 ℃에서 30분∼3시간, 바람직하기로 1∼3시간 동안 단시간 내에 수행하고, 상기 냉각은 공랭 또는 노냉으로 수행한다.

또한 본 발명은

양 말단에 출구 및 입구가 각각 구비되는 실린더형'L'자 비대칭형 다이;

상기 비대칭형 다이가 내부에 장착되며, 이를 지지하기 위한 다이 홀더; 및

상기 다이 홀더 주위에 위치하여 비대칭형 다이를 가열하기 위한 다수의 가열바를 구비하고,

상기 비대칭형 다이의 출구와 입구가 이루는 내측 접촉각이 90°∼150°를 갖는 중·고탄소강의 강소성 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 상기 구상화 방법에 의해 제조된 중·고탄소강을 제공한다.

상기 구상화된 중·고탄소강은 0.5 ㎛ 이하로 구상화된 세멘타이트 미세구조를 포함한다.

본 발명에 의해 구상화된 세멘타이트 미세구조를 갖는 중·고탄소강을 제조하였다. 이러한 제조방법은 ECAP 공정 및 열처리 공정을 통해 수행함에 따라 그 공정이 단순화되고 단시간 내에 구상화를 이룰 수 있어 제조 비용을 크게 감소시켜 경제적으로 유리하다.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 언급된 중·고탄소강(medium and high carbon steels)은 탄소강 내 탄소 함량이 0.40 중량% 이상을 함유하는 탄소강을 의미한다.

본 명세서 전체에 걸쳐 언급된 '변형량'의 용어는 가공용 다이를 이용해 가압(pressing) 등을 통해 전단 변형에 의해 재료에 부과되는 가공량을 의미한다.

또한 본 명세서의 각 조성을 설명함에 있어 별도의 설명이 없는 한 첨가량을 표현하는 "%"는 "중량%"을 의미한다.

본 발명에서는 탄소의 함량이 전체 조성 내 0.4 중량% 이상인 중·고탄소강을 이용하여 내측 접촉각이 조절된 가공용 다이를 이용하여 열처리를 수행하여 구상화된 중·고탄소강을 제조한다.

ECAP 공정에 의한 탄소강의 제조는 본 발명자에 의해 출원된 국내특허공개 제2002-61670호(등록특허 10-0415346) 및 제2002-93403호에 제시된 바 있다. 그러나 상기 특허에서는 사용되는 탄소강이 탄소가 0.1 내지 0.9 중량% 함유된 일반 탄소강에 대한 것으로, 본 발명에서 제조하고자 하는 Cr 등 합금원소가 함유된 중·고탄소강과는 조성이 다르다. 이러한 조성의 차이는 탄소강의 결정 구조와 밀접한 관계가 있어 상기 특허에서 제시된 방법으로 ECAP 공정을 수행하는 경우 중·고탄소강을 얻을 수 없다.

더욱이 상기 특허에서는 내측 접촉각(φ)이 90°로 한정하고 있으나, 본 발명에 따른 구상화 방법은 내측 접촉각(φ)이 90°∼150°인 강소성 장치를 이용하였으며, 전단 변형 공정 후 특정 온도에서 열처리를 수행한 후, 냉각 공정을 조절하여 보다 우수한 구상화 특성을 가지는 탄소강을 제조할 수 있다. 특히 상기 특허에서는 ECAP 공정 시 다이의 입구와 출구의 직경에 대한 언급이 없었으나, 본 발명에서는 입구와 출구의 직경을 같거나 다르게, 바람직하기로 출구의 직경을 크게 함으로써 보다 효과적으로 전단변형을 가할 수 있다.

이에 따라 중·고탄소강에 적합한 새로운 조건의 ECAP 공정의 가공 조건이 확립되어야 한다.

구체적으로, 본 발명에서 구상화된 중·고탄소강은 탄소(C)를 0.40 내지 1.60 중량%로 포함하는 중·고탄소강을 비대칭형 다이를 구비한 강소성 장치에 장입하는 단계; 상기 중·고탄소강을 가압을 통한 ECAP(Equal Channel Angular Pressing) 공정 등을 수행하여 변형량 0.5 이상으로 전단 변형시키는 단계; 상기 변형된 중·고탄소강을 700∼900 ℃에서 열처리하는 단계; 및 냉각하는 단계를 거쳐 제조된다.

먼저, 구상화된 중·고탄소강을 제조하기 위해 탄소를 높은 함량으로 포함하는 중·고탄소강으로 강소성 장치의 비대칭형 다이에 장입한 후 상온 또는 약500 ℃까지 가열한다.

상기 중·고탄소강은 탄소(C)가 0.40 내지 1.60 중량% 함유된 것으로, 바람직하기로 C: 0.40 내지 1.60 중량%, Cr: 1.0 내지 6 중량%, Si: 0.05 내지 0.35 중 량%, Mn: 0.6 내지 1.65 중량% 및 잔부로 Fe를 포함한다. 이때 잔부는 전체 조성을 100 중량%로 만족시키기 위한 나머지(balance) 함량을 의미한다.

더욱 바람직하기로, 상기 중·고탄소강은 C: 0.90 초과 내지 1.60 중량%, Cr: 1.0 내지 2.0 중량%, Si: 0.05 내지 0.35 중량%, Mn: 0.6 내지 1.65 중량% 및 잔부로 Fe를 포함한다.

이러한 중·고탄소강을 냉간 단조하는 경우 그 가공 능이 저하되어 재료가 파괴되는데, 본 발명에서는 상기 냉간 단조능을 향상시키기 위해 전단 변형 공정을 수행한다.

일반 저탄소강의 경우 페라이트(ferrite) 결정립과 펄라이트(pearlite) 상이 혼재되어 있는데, 상기 중·고탄소강의 미세조직은 주로 펄라이트 상으로 이루어져있다. 이러한 펄라이트 내 세멘타이트(cementite)가 전단 변형 공정을 통해 심하게 변형되며, 그 결과 전단 변형 공정 이후 후속 공정에서 열처리를 통해 세멘타이트의 구상화가 용이하게 수행된다.

상기 전단 변형 공정은 가열된 중·고탄소강을 가압을 통한 ECAP 공정을 통해 수행한다.

기존의 ECAP 공정은 재료의 디멘션의 변화 없이 높은 가공량을 부과할 수 있는 방법 중 하나인데, 본 발명에서는 비대칭 다이를 이용하여 시편의 단면적이 전단변형 시 감소하는 공정을 함께 포함한다.

본 발명에서는 도 1에 도시한 강소성 가공용 다이를 이용하여 수행한다.

도 1 및 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 전단 변형 공정의 실시를 보여주는 모식도이다. 이때 전단 변형 공정 다이는 본 실시를 설명하기 위한 하나의 예시로서, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 형태나 크기를 적절히 변형 또는 변경할 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 구상화 다이는 양 말단에 입구(101) 및 출구(102 및 103)가 각각 구비되는 실린더형'L'자 비대칭형 다이(1)로; 내측 접촉각(φ)을 90°에서 160°까지 변화시킬 수 있다. 특히 상기 다이는 비대칭형 다이(10)의 입구(101)와 출구(102)가 이루는 내측 접촉각(φ)이 90°∼160°를 갖도록 설계한다.

이러한 내측 접촉각은 시편(11)의 전단 변형에 영향을 주게 된다. 즉, 90°의 경우, 1회 가공 시 전단 변형량은 약 1로 많이 줄 수 있는데 비하여, 급격히 변형되기 때문에 시편에 걸리는 하중이 많아지고, 이로부터 ECAP 공정에 의한 가공이 고탄소강과 같이 강한 재료에서는 어려울 수 있다. 이에 비하여, 150°로 증가하면, 1회 가공 시 전단 변형량은 약 0.5로 작은데 비하여, ECAP 공정이 용이하다. 따라서 탄소 함량이 높은 중·고탄소강의 경우 저탄소강이나 일반 탄소강과는 다른 접촉각으로 수행함에 따라 보다 바람직한 중·고탄소강 내 세멘타이트의 소성 변형을 달성할 수 있다.

상기 비대칭형 다이(10)가 내부에 장착되며, 이를 지지하기 위한 다이 홀더(20); 및 상기 다이 홀더 주위에 위치하여 비대칭형 다이를 가열하기 위한 다수의 가열바(30)를 구비한다. 이때 상기 비대칭형 다이(10)는 전단 변형하고자 하는 시편을 가압하기 위한 별도의 플런지(도 1의 12)를 구비한다.

이하 상기 강소성 장치를 이용한 가압을 통한 ECAP 공정에 대해 설명한다.

도 2를 참조하면, 비대칭형 다이(10) 내에 ECAP 공정을 수행하고자 하는 시편(11)을 삽입하고, 상기 비대칭형 다이(10) 내에 시편(11) 상부에 이를 가압하기 위한 플런지(12)를 배치한다.

이러한 장치를 이용한 ECAP 공정은 가열바(30)를 이용하여 시편(11)과 비대칭형 다이(10)를 상온 또는 소정의 온도로 가열한 후, 플런지(12)를 가압하여 상기 시편(11)이 인가되는 힘에 의해 비대칭형 다이(10)를 통과함으로서 압축하여 통과시킬 때 발생하는 단순 전단 변형(simple shear deformation)을 시편(11)에 가함으로써 심한 소성 변형을 일으키는 방법이다. 이와 같은 방법을 통하여 기존의 ECAP 공정에서와 같이 변형 전후의 시편(11)의 형상을 동일하게 유지하며 매우 많은 변형량을 시편(11)에 가하는 것이 가능하여, 높은 진변형율을 얻을 수 있다.

본 발명에서는 기존의 ECAP 공정과 다르게 출구의 직경을 감소시킨 다이를 함께 사용하였다.

여기서 비대칭형 다이는 입구(101)와 출구(102)의 직경을 다르게 바람직하기로 이 다름을 의미하며, 다이 출구(102)의 경우 2 부분으로 나누어진다. 즉, 다이가 꺾이는 부분에서 전단변형이 일어난 시편이 처음 빠져나올 때 직경이 줄어들며, 반면에 후반부에는 마찰력을 없애기 위하여 입구(101) 보다 직경을 크게 설계한다.

일예로, 입구(101)의 직경이 10 mm인 경우 출구(102)의 직경은 7.0∼9.8 mm가 되도록 설계한다. 이렇게 비대칭형 다이(10)는 입구(101) 및 출구(102)의 직경을 달리함에 따라 효과적으로 전단변형이 가해지게 된다.

또한 ECAP 공정 중 다른 중요한 변수 중의 하나는 시편과 다이 사이에 작용 되는 마찰인데, 부연하면, 상기 ECAP 공정은 내부형상이 L자형인 다이에 시편을 도입한 뒤 가압하여 전단 변형을 가하게 된다. 이에 따라 시편과 다이에 큰 마찰력이 작용하기 때문에, 실제 양산공정에서는 이를 효과적으로 행할 수 있는 형상의 다이가 요구된다.

ECAP 강가공시 전단면(shear plane)으로부터 23.5°의 각으로 기울어져 전단 변형이 일어나며 변형이 끝난 후에는 밀어내는 역할에만 기여한다. 따라서 시편의 전단변형이 끝난 후의 바깥 출구 부분(103)은 시편(11)과의 마찰력을 증가시키는 요인으로 작용하기 때문에, 전단변형후의 출구(102)에 비해 직경을 늘리는 것이 바람직하다. 일예로, 입구(101)의 직경이 10 mm, 전단변형 후의 직경(102)이 9 mm 인 경우, 바깥 출구(103)의 직경은 10 mm 이상이 되도록 설계한다.

이러한 장치를 이용하여 중·고탄소강을 상기 장치의 다이에 삽입시킨 후, 변형량을 0.5 이상으로 ECAP 공정을 수행한다.

본 발명자의 연구에 따르면, 탄소강에서 ECAP 공정을 하면 페라이트의 경우 결정립이 크게 감소하는 동시에, 펄라이트 내 세멘타이트가 심하게 소성 변형되어 굴곡이 심한 파형의 형태나 두께가 가늘어져 절단된 형태를 가진다. 이때 중·고탄소강에 부과되는 변형량이 커질수록 세멘타이트는 더욱 심하게 소성 변형되며 어느 수준 이상의 경우에서는 매우 미세한 크기로 구상화된 세멘타이트가 나타난다.

이러한 세멘타이트 변형은 상기 시편에 인가되는 변형량에 의해 영향을 받는다. 변형량은 0.5 이상, 바람직하기로 0.5∼4, 더욱 바람직하기로 0.5∼2로 수행한다. 변형온도는 크게 영향을 받지 않는데, 내측 접촉각(φ)이 90°인 경우는 350∼500 ℃로 가열하여야하나, 내측 접촉각(φ)이 150°로 큰 경우에는 상온에서도 강소성 가공이 가능하다.

내측 접촉각(φ)이 90°에 가까운 경우는, 가열 온도가 낮으면 가공이 되지 않거나 시편에 균열이 발생하고, 이와 반대로 내측 접촉각(φ)이 150°정도까지 커지면, 상온에서도 가공이 가능하기 때문에, 내측 접촉각과 변형량을 함께 고려하여 가열 온도를 적절히 제어한다.

상기 ECAP 공정은 중, 고탄소강에서 펄라이트를 구상화하기 위해 종래 복잡한 열처리 공정을 거치거나 고온에서 장시간 열처리하는 문제점을 일거에 해소하는 이점이 있다.

다음으로, 상기와 같은 전단 변형 공정 후 열처리 및 냉각 공정을 수행함으로써 세멘타이트가 구상화된 중·고탄소강을 제조한다.

이전 단계의 전단 변형 공정에 의해 제조된 중·고탄소강은 세멘타이트가 심하게 소성 변형되는데, 이때 가공 중 도입된 높은 전위밀도에 의한 응력장에 의해 탄소가 분해되고 표면에 전위에 의한 요철이 생성되어 가공 후 열처리를 할 때 쉽게 구상화된다.

이때 열처리는 소성 변형된 세멘타이트가 충분히 구상화를 이룰 수 있도록 700∼900 ℃, 바람직하기로 750∼900 ℃, 더욱 바람직하기로 750∼800 ℃에서 수행한다. 만약 열처리 온도가 상기 범위 미만이면 세멘타이트의 구상화가 충분치 못하고, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 부분적으로 재결정이 일어날 수 있으므로 상기 범위 내에서 적절히 수행한다.

이러한 본 발명에 따른 중·고탄소강의 제조는 비교적 고온에서 전단 변형 공정 후 열처리 공정을 행하여, 저온에서 가공된 것보다 비교적 더 낮은 온도에서 세멘타이트를 구상화하여 냉간 가공 능을 향상시킨다.

상기 열처리는 30 분∼3시간, 바람직하기로 1∼3시간 동안 단 시간을 수행하더라도 결정립 내 세멘타이트를 쉽게 구상화가 가능하다. 이러한 열처리 시간은 종래 900 ℃ 이상의 고온에서 20시간 이상의 열처리를 수행하는 종래의 기술과 비교하여 크게 단축된다.

본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보면, 고탄소강(1,0% C)에서 전단 변형 공정 후 750 ℃에서 1시간 동안 유지하여 세멘타이트가 완전히 구상화됨에 따라, 시편의 전처리가 필요 없으며 비교적 단순한 공정에 의해 열처리 시간을 크게 단축할 수 있으므로 실용적 및 경제적인 면에서 크게 유리하다.

또한, 전술한 바의 조건 하에 열처리를 수행한 후, 냉각 공정을 수행하여 구상화된 중·고탄소강을 제조한다.

일반적으로, 탄소강은 열처리 후 냉각 방법이나 그 속도에 따라 미세구조가 변화가 일어나며, 이러한 미세구조의 변화에 의해 물성이 변화된다. 본 발명에 따른 중·고탄소강은 상기 열처리 과정에서 이미 구상화가 일어나, 냉각 방법에 따라 미세조직이 크게 변화하지 않으나, 구상화를 보다 진행시키는 효과가 있다.

냉각은 수냉, 유냉, 공랭 및 노냉 등 여러 가지 방법이 있으며, 보다 우수한 구상화 효과를 위해 본 발명에서는 열처리 후 공랭 및 노냉, 바람직하기로 1∼3시간 동안 노냉을 수행한다. 상기 수냉 및 유냉은 공랭이나 노냉보다는 급격한 온도 변화가 야기되어, 구상화된 중·고탄소강의 표면에 영향을 줘 물성 저하를 야기한다.

본 발명의 실시예 5를 통해 제조된 탄소강의 경우 350 ℃에서 변형량 1로 ECAP 공정을 수행하고, 열처리 후 2 시간 동안 노냉을 수행한 결과, 동일 조건의 다른 공랭을 수행한 탄소강보다도 구상화가 더욱 진행됨을 알 수 있다(도 12 참조).

상기 단계를 거쳐 구상화된 중·고탄소강은 페라이트 결정립의 크기가 0.5 ㎛ 이하이고, 구상화된 세멘타이트 미세구조를 갖는다.

상기 구상화된 세멘타이트 미세구조를 갖는 중·고탄소강은 냉간 단조 공정을 통해 각종 기계 부품 등의 제조에 바람직하게 적용이 가능하며, 구상화된 세멘타이트 미세구조에 의해 냉간 단조시에도 제품의 균열이 발생하지 않는 등 냉간 단조능이 크게 향상되는 이점이 있다.

이하, 본 발명을 하기 실시예에 의거하여 좀 더 구체적인 예를 상세하게 설명하지만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 범주가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

탄소강(Fe-1.0 %C-1.5 %Cr-1.1 %Mn: POSCO사 제품, %=중량%)을 10 ㎜x100 ㎜의 원기둥형 시편으로 제단하고, 350 ℃로 가열하여 변형량 1로, 도 1 및 도 2에 도시한 장치를 이용하여 ECAP 공정을 수행하였다.

이때 다이에서 입구의 직경은 10 ㎜이고 출구의 직경은 10 ㎜이며, 입구 부분의 길이는 11.5 cm이고, 출구 부분의 길이는 2.5 cm이었으며, 내측 접촉각(φ)은 120°이고, 굴곡의 원호(ψ)는 20°이다.

상기 ECAP 공정 후 750 ℃에서 1시간 열처리 후 공랭하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

실시예 2

ECAP 공정에서 변형량을 4로 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

실시예 3

ECAP 공정시 500 ℃에서 변형량 1로 수행하였으며, 이때 다이에서 입구의 직경은 10 ㎜이고 출구의 직경은 9.5 ㎜이었다. 나머지는 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

실시예 4

ECAP 공정시 500 ℃에서 변형량 4로 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

실시예 5

열처리 공정시 750 ℃에서 1시간 열처리 후 2시간 노냉을 수행한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

실시예 6

실시예 1과 다이의 치수를 다르게 하여 실시하였다. 다이 입구의 직경은 10 ㎜이고 출구의 직경은 9.0 ㎜이며, 내측 접촉각(φ)은 150°이고, 굴곡의 원호(ψ)는 20°가 되도록 하였다. 이때 가공은 상온에서 행하였으며, 가공 후 열처리 조건은 동일하게 수행하여 구상화된 고탄소강을 제조하였다.

하기 표 1에 상기 실시예 1 내지 6에서 수행한 공정 조건을 나타내었다.

실험예 1

상기 실시예 1 내지 5에서 사용되는 ECAP 공정 전 시편의 미세조직을 알아보기 위해 주사전자현미경으로 측정하여 도 3에 나타내었다.

도 3은 탄소가 1.0 중량% 함유된 고탄소강의 주사전자현미경 사진으로, 시편으로 사용되는 고탄소강의 미세조직은 페라이트(ferrite)와 세멘타이트(cementite)가 등 간격으로 평행하게 배열된 상태임을 알 수 있다.

실험예 2

상기 실시예 1 내지 5에서 ECAP 공정 후 얻어진 시편의 미세조직을 알아보기 위해 주사전자현미경으로 측정하여 도 4 내지 도 7에 나타내었다.

도 4는 실시예 1, 실시예 5의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 5는 실시예 2의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 6은 실시예 3 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 7은 실시예 4의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이다.

도 4 내지 도 7을 참조하면, ECAP 공정 후 도 3에 나타낸 것과 다르게, 세멘타이트가 굴곡이 심한 파형의 형태로 소성 변형되었음을 확인할 수 있다.

또한 도 4 및 도 5을 참조하면, 변형량이 1에서 4로 증가할 수록 상기 세멘타이트의 변형이 보다 심하게 증가됨을 알 수 있었다. 이러한 경향은 도 6 및 도 7의 500 ℃에서 ECAP 공정을 수행한 경우도 동일하게 나타났다.

실험예 3

상기 실시예 1 내지 6에서 열처리 공정 후 얻어진 시편의 미세조직을 알아보기 위해 주사전자현미경으로 측정하여 도 8 내지 도 13에 나타내었다.

도 8은 실시예 1의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 9는 실시예 2의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 10은 실시예 3의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 11은 실시예 4의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 12는 실시예 5의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이고, 도 13은 실시예 6의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이다.

도 8 내지 도 13을 참조하면, 실시예 1 내지 6에서 제조된 탄소강은 열처리를 통해 세멘타이트가 완전히 구상화되어 미세한 구형의 형태를 나타냄을 알 수 있다. 도 14는 기존 구상화 열처리 공정에 의해 세멘타이트가 구상화 되어있는 미세조직 주사전자현미경 사진이다. 실시예 1내지 6에서 제조된 탄소강과 구상화된 입자의 크기를 비교했을 때 실시예 1 내지 6에서는 약 0.5 ㎛으로 약 1 ㎛의 입자크기를 갖는 기존 구상화 열처리 공정(도 14, 약 30 시간소요)보다 미세한 조직이 나타남을 알 수 있다.

도 8 및 도 10 (실시예 1, 3)을 비교하면, ECAP 공정시 변형량이 높을수록 구상화가 더욱 진행되고, 도 9 및 도 11 (실시예 2, 4)의 비교를 통해, ECAP 공정시 온도 변화 또한 세멘타이트의 구상화에 영향을 줌을 알 수 있다.

또한 도 8 및 도 12 (실시예 1, 5)를 보면, 냉각 방식에 있어서도 공랭 보다는 노냉을 수행하는 경우 세멘타이트의 구상화가 보다 진행되고, 구상화 입자 크기가 보다 균일해짐을 알 수 있다.

도 13은 실시예 6의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진이다. 이 경우 내측접촉각이 150°로, 1회 가공량이 약 0.5 인 경우에도 구상화가 충분히 일어남을 알 수 있다. 이는 실제 공정 시 보다 용이하게 중.고 탄소강을 가공할 수 있는 이점을 갖는다. 또한 출구의 직경을 9.5 mm에서 9.0 mm로 줄여도 시편 가공이 용이하게 일어나, 출구 직경이 입구 직경에 비하여 1 mm 이상 작아도, 시편 가공에 문제가 없음을 알 수 있다.

실험예 4

실시예 1 및 5에서 제조된 고탄소강의 물성을 확인하기 위해 시편을 두께 2 ㎜, 게이지 길이 25.4 ㎜로 제작하였으며, 인스트론 4206 만능시험기를 이용하여 초기 변형속도 2 ㎜/min으로 인장강도를 시험하였다. 이때 비교예로는 고탄소강의 미처리 시편(비교예 1), ECAP 공정후 탄소강의 시편(비교예 2),및 공지방법으로 제조된 고탄소강 시편(비교예 3)을 사용하였다.

상기 공지방법은 전통적인 구상화 처리, 즉 오스테나이트 영역에서 균질화처리 후 상온으로 급냉시킨 다음, 750 ℃에서 20 시간 이상 열처리를 수행하여 제조하였다.

도 15는 실시예 1 및 5에서 제조된 고탄소강과 비교예 1 내지 3의 고탄소강 시편의 SS 그래프이다.

도 15를 참조하면, 고탄소강의 경우 ECAP 가공을 수행하게 되면, 강소성 가공을 받아 항복 강도가 크게 증가하며, 인장 연신은 감소됨을 알 수 있다(고탄소강의 미처리 시편(비교예 1), ECAP 공정후 탄소강의 시편(비교예 2)의 비교).

그러나 열처리를 수행한 실시예 1 및 5와, 비교예 3의 시편의 경우 인장 강도가 크게 감소함을 알 수 있다.

냉간단조를 위해선 우수한 가공성이 요구되는데, 도 15에서 보는 바와 같이, 실시예 1 및 5와 비교예 3에서처럼 열처리 공정을 수행하여 인장 강도를 감소시킴을 알 수 있다. 그러나 비록 비교예 3의 경우 인장 특성이 우수하나 열처리 시간이 20 시간 이상으로, 본 발명에서와 같이 1 시간~3 시간과 비교하여 볼 때, 동등한 물성을 얻기 위해 전단 변형 공정을 수행함으로써 그 처리시간을 크게 단축시킴을 알 수 있다.

이러한 결과는 본 발명에 따라 중·고탄소강을 가공하는 경우 전단 변형 공정과, 적절한 열처리 범위 및 시간과 냉각 방법을 선정함으로써, 단시간 내에 중·고탄소강의 미세조직 구상화가 가능해지고, 최적의 물성 확보가 가능함을 의미한다.

본 발명에 의해 구상화된 중·고탄소강은 냉간 단조능이 향상되어 다양한 기계 부품 제작에 적용된다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ECAP 공정의 실시를 보여주는 모식도.

도 3은 탄소가 1.0 중량%로 함유된 고탄소강의 주사전자현미경 사진.

도 4는 실시예 1의 ECAP 공정 후 얻어진 시편 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 5는 실시예 2의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 6은 실시예 3의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 7은 실시예 4의 ECAP 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 8은 실시예 1의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 9는 실시예 2의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 10은 실시예 3의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 11은 실시예 4의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 12는 실시예 5의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 13은 실시예 6의 열처리 공정 후 시편의 미세조직의 주사전자현미경 사진.

도 14는 기존 열처리 공정(30시간 소요)후 시편의 미세조직의 주사전자현미 경 사진.

도 15는 실시예 1 및 5에서 제조된 고탄소강과 비교예 1 내지 3의 고탄소강 시편의 SS 그래프.