In this study, a non-circular drawing (NCD) sequence was investigated for manufacturing medium carbon steel wires with improved spheroidization of cementite and workability compared to those produced by the conventional wire drawing (WD) process.
The in-house three dimensional finite element (FE) program, CAMPform3D, was used to simulate the WD and NCD processes. According to the FE analysis results, the NCD sequence could impose higher and more uniform plastic deformation on the wires compared to the WD process.
The WD and the NCD processes with 20% area reductions per each pass were carried out up to four passes (total area reductions of 59%) using commercially available medium carbon steel (SWRCH 45F) at room temperature. Tension and Vickers microhardness tests were conducted for drawn wires at the even passes. From these test results, ultimate tensile strength (UTS) and microhardness values of the wire drawn by the NCD sequence were higher than those of the WD process. This result indicates that higher plastic deformation was imposed on the wire drawn by the NCD sequence than the WD process, resulting in improvement of the spheroidization behavior of the material. Reduction of area (RA) of the wire drawn by the NCD sequence was also higher than the one of the WD process.
To check the spheroidization of cementite and workability of the drawn wires, spheroidization annealing at $705^\circ C$ for 2, 4, and 8 hours was conducted after the 4th pass WD and NCD processes, respectively. Then, the same tests were conducted to investigate the mechanical properties changes. UTS and microhardness values of the wire drawn by the NCD sequence were lower than those of the wire drawn by the WD process. The difference of these values between the wires drawn by the WD and NCD processes was increased as the annealing time increased while the RA value of the wire drawn by the NCD sequence was higher than the one drawn by the WD process. According to the upsetting results, the wire drawn by the NCD sequence showed better workability than the one drawn by the WD process. Scanning electron microscopy (SEM) was employed to investigate the microstructure changes and to measure the spheroidization ratio of the wires drawn by the processes. It was found that the spheroidization ratio of the wire drawn by the NCD sequence was more likely to be improved than the one drawn by the WD process.
It can be construed from the current investigations that the NCD sequence might be helpful in improving the spheroidization of cementite and workability of the drawn wires by simply changing drawing dies geometry of the WD process.
본 연구는 구상화 열처리 전에 선경 조정 및 구상화 촉진을 위해 시행하는 기존의 신선 공정 대신, 신선 후 소재의 단면 형상이 타원과 원형을 번갈아 갖는 비원형 신선 공정을 적용하여 중탄소강의 열처리 시간 단축을 위한 구상화 촉진 및 냉간 성형성을 향상시키고자 한다.
비원형 신선 공정의 적용 가능성을 확인하기 위해 강점소성 유한요소법 기반의 CAMPform3D 를 사용하여 원형 신선과 비원형 신선의 유효변형률 및 전단변형률의 분포를 비교하였으며, 유한요소해석 결과에 따르면 비원형 신선 공정이 원형 신선 공정에 비해 더 많고 고르게 소성 변형을 가할 수 있음을 확인하였다.
포스코에서 생산되어 냉간 압조용으로 널리 사용되는 SWRCH 45F 소재를 사용하여 각 패스마다 단면감소율이 20%인 금형을 이용해 4패스까지 원형 신선과 비원형 신선을 수행한 후 짝수 패스의 소재에 대해 인장 시험과 경도 시험을 수행하였다. 비원형 신선된 소재가 원형 신선된 소재에 비해 더 높은 인장 강도와 경도값을 보였으며 이러한 결과를 통해 구상화 촉진의 가능성을 확인하였다.
원형 신선, 비원형 신선으로 4패스까지 가공된 소재를 사용하였으며, 구상화 열처리는 사전 냉간 가공을 한 소재에 대해 효과적으로 구상화를 시킨다고 알려져 있는 subcritical annealing을 수행하였다. 열처리 시간은 2, 4, 8 시간으로 시간에 따른 기계적 물성 변화를 고찰하기 위해 인장 시험을 통해 소재의 인장 강도와 단면 감소율을 비교하였으며, 경도 시험을 통해 소재의 경도 값 및 분포를 비교하였다. 그 결과, 비원형 신선된 소재가 모든 열처리 시간에 대해 원형 신선된 소재에 비해 더 낮은 인장 강도와 경도값을 보였으며, 더 높은 단면감소율을 보이는 것을 확인하였다. 또한 냉간 성형성을 평가하기 위해 업셋팅 시험을 수행하였으며 비원형 신선된 소재가 향상된 성형성을 보임을 확인할 수 있었다. 전자 주사 현미경 장비를 이용한 미세조직 분석 및 구상화율 측정을 통해 구상화 열처리된 비원형 신선 소재의 구상화가 촉진되었음을 확인하였다.
이러한 결과들로부터 비원형 신선 공정 적용을 통해 중탄소강의 열처리 시간 단축을 위한 구상화 촉진 및 냉간 성형성을 향상에 도움이 됨을 확인하였다.
