KR0143499B1 - 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 합금성분을 조정한 빌렛을 선재로 열간압연한 후 냉각조건을 최적화하여 선재의 최종조직을 100% 펄라이트 변태시키므로서 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 중량%, C:0.9-1.2%, Si:0.1-0.1%, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.5%이하, P:0.015%이하, S:0.010%이하, N₂:70 ppm이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조한 후, 이 선재를 25℃/sec 이상의 냉각속도로 660℃까지 냉각하고 이어 580℃까지 펄라이트 변태가 완전히 일어나도록 조정냉각하므로서 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법을 제공함을 그 요지로 한다.

Description

연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법

제1도는 열간압연된 선재를 냉각하여 코일로 권취하는 공정을 나타낸 개략도

제2도는 제1도의 코일콘베아를 위에서 관찰했을 때 선재코일의 형상의 개략도

제3도는 본 발명에 의한 선재송풍냉각시 상변태온도를 계산하기 위한 컴퓨터 프로그램의 개념도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:선재 2:수냉장치

3:송풍장치 4:레잉헤드(선재권취기)

5:코일콘배아 6:코일집속기

본 발명은 와이어로프, 타이아코드, 비드와이아 및 다이스스프링등 고하중 지지용으로 사용되는 연성이 우수한 초고장력 과공석탄소강 선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 빌렛을 열간압연한 후 냉각시키는 과정에서 냉각속도를 적절히 제어하므로서 125kg/mm² 이상의 인장강도를 갖고 단면감소율이 25%이상인 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 고탄소강 선재는 인장강도가 우수하기 때문에 열간압연된 것을 2차가공업체에서 신설가공 및 열처리등을 토아여 와이어로프, 타이아코드, 비드와이아, 다이스스프링등 높은 하중을 지지하는 용도로 널리 사용된다. 이러한 용도로는 통상 중량%로 약 0.8%이하의탄소를 함유하는 중, 고탄소강을 주로 사용하고 있다.

그러나, 최근들어 제조기술의 발달과 함께 최종제품상태에서 더욱 높은 인장강도가 요구되는 추세에 있다. 이러한 최종제품상태에서의 인장강도를 증대시키기 위해서 선재상태에서의 적절한 합급성분외에도, 2차가공업체에서의 신선등 기계적 가공시 가공불량이 발생되지 않도록 하기 위한 선재의 연성 확보가 필수적이다.

선재는 2차 가공업체에서의 가공공정에 따라서 선재상태의 미세조직이 변화없이 유지되면서 신선 등의 기계적 가공만을 통하여 최종제품이 되는 경우도 있고, 신선가공 도중에 파텐팅(patenting)이라고 하는 중간 열처리를 행하여 계속되는 가공성을 확보하기 위한 새로운 미세조직을 형성시키는 경우도 있다. 그러나 최소한 1회이상의 신선가공공정은 통과하게 되기 때문에 선재상태에서는 적절한 합금성분외에 신선가공성을 확보하기 위해서 미세하고 균일한 펄라이트로 이루어진 미세조직이 얻어져야 한다.

왜냐하면 『Acta Metallurgica』(1966, 제 14권 2월호 p.147-159) 및 일본 금속학회지 1991, 제55권 11월호, p. 1232-1239)에 이미 보고된 바와같이, 선재의 미세조직이 균일하고 미세한 펄라이트로 이루어져야 신선가공시의 단선발생등의 가공성 저하가 방지될 뿐만 아니라 신선후 강선의 높은 인장강도를 얻을 수 있기 때문이다.

다시 말하면 변태온도가 적정하여 층상간격이 미세한 펄라이트가 균일하게 분포하고 있을 경우에는, 펄라이트내외 셴타이트는 신선가공시 소성변형이 일어날 수 있을 정도로 충분히 두께가 얇아서 쉽게 재료내에 균열을 형성시키지 않을 뿐만 아니라, 미세한 층상간격에 의해서 전위의 평균 자유이동거리(mean free path)를 감소시켜 페라이트와 시멘타이트의 계면에 전위의 집적도를 낮추어 균열발생을 억제하는 역할을 한다. 그러므로 이러한 미세층상간격을 가진 펄라이트는 높은 인장강도를 나타내게 되는 것이다.

그러나, 변태온도가 너문 높을 경우에는 펄라이트의 층상간격이 너무 넓게 되어 시멘타이트의 두께가 두꺼워진다. 이렇게 되면 소성가공시에 시멘타이트에 쉽게 취성파괴가 일어나서 미세균열을 형성시키고 이러한 미세균열의 전파에 의해 소재전체의 연성이 현저히 저하된다. 펄라이트의 변태온도가 증가할수록 층상간격이 넓어지고 이로인해 인장강도는 점차로 감소하게 된다.

한편, 변태온도가 너무 낮을 경우에는 펄라이트의 형성이 완전하지 않게되고 상부 베이나이트가 형성된다. 이 상부 베이나이트는 페라이트를 기기조직으로 하고 깃털모양의 시멘타이트가 형성되어 있는 조직이기 때문에 펄라이트에 비해서 페라이트의 분율이 높다. 이렇게 되면 소성가공시 펄라이트 조직에 비해 연성은 약간 증가되지만 강도는 감소하게 된다.

따라서, 층상간격이 미세하고 균일한 펄라이트 조직으로 이루어진 경우에 소성가공시 강도와 연성의 조합이 가장 우수하다고 할 수 있다.

한편, 선재공장에서 선재를 생산하는 공정을 첨부된 도면 제1도, 제2도를 참고하여 간략히 설명하면 다음과 같다. 우선 빌렛을 가열로내에서 충분히 가열하여 주조조직을 완화시킨 다음, 열간압연하기에 알맞으 온도로 추출하여 조압연, 중간 조압연, 중간사상압연, 사상압연등의 4단계에 걸쳐서 원하는 최종직경을 얻게 된다.

사상압연시에는 압연속도가 매우 빠르기 때문에 압연시 가공발열에 의해서 압연선재(1)의 온도는 상당히 상승한다. 이렇게 온도가 높아진 선재(1)를 수냉설비(2)를 통과시켜 750 내지 900℃의 온도까지 급격히 냉각시킨다. 여기까지는 압연선재(1)가 직선의 형태로 유지되어 왔으나, 이후 레잉후드(laying head:4)라고 하는 권취기를 이용하여 원형의 코일형상으로 만들어 주며, 이때부터 선재최종제품의 물성을 결정짓는 미세조직을 얻기 위해 스텔모아(Stelmor:3)라고 하는 강제송품 냉각장치를 이용하여 소재의 냉각속도를 제어함으로써 원하는 미세조직 및 소재강도를 확보한다. 이때, 레잉헤드(4)이후의 코일형상의 선재(1)는 코일콘베아(coil conveyor:5)의 위를 지나게 되는데, 송풍장치는 코일콘베아(5)의 하부에 설치되어 있다. 변태가 완료된 코일은 코일집속기(6)를 이용해 코일을 쌓은 다음 포장 후 출하된다.

이와같은 선재생산공정을 (제1도)에 사상압연이후의 공정부터 개략적으로 나타내었으며, 또한 (제2도)에 코일콘베아(5)의 위를 지나가는 선재코일을 위에서 관찰한 모양으로 개략적으로 보였다.

전술한 바와같이 고탄소강 선재의 경우 제품의 물성치로서 가장 중요한 항목은높은 인장강도와 신선 가공성을 확보하는 것인데, 이를 위해서는 레이헤드(4)이후의 냉각시 냉각속도를 조절하는 제어냉각을 함으로써, 미세하고 균일한 펄라이트조직을 얻는 것이 필수적이다. 그리고 선재공장에서의 코일집속작업성의 문제와 선재제품의 운송이나 취급시 표면의 긁힘 또는 마모, 단선등의 문제를 극소화 하기 위해 선재코일의 권취형상을 가능한 한 원형으로 균일하게 조정하는 것이 중요한데 이를 위해 레잉헤드(4)에서의 냉각개시온도를 약 830℃근방으로 유지되도록 수냉설비(2)를 통해 선재(1)온도를 제어한다. 이렇게 레잉헤드(4)에서의 냉각개시온도를 조정한 다음 변태개시 직전까지의 평균냉각속도를 적절히 조절하여 냉각하면, 나중의 신선공정전의 조직균질화처리인 납파텐팅(lead patenting)공정을 생략할 수 있을 정도로 신선가공성이 우수하고 또한 신선가공 후 원하는 인장강도를 확보할 수 있는 선재를 생산할 수 있다.

강도가 우수한 고탄소강 선재 및 강선의 제조를 위한 종래의 기술로는 일본 공개특허(소)57-155349, (소)62-238327 및 (소)63-24046 등을 들 수 있다.

상기 일본공개특허 (소)57-155349는 중량비로서 탄소 0.80-1.00%, 실리콘 0.50-1.50%, 망간 0.3-0.9%, 크롬 0.20-1.00%, 희토류금속 (REM) 0.01-0.05%, 질소 0.005%이하, 산소 0.005%이하를 함유하고 직경이 5.5㎜인 과공석탄소강 선재를 570℃납조(Pb bath)에서 25분간 파텐팅 열처리를 행한 후에 직경 1.40㎜가 될 때가지 냉각신선가공을 함으로써 최종적으로 인장강도가 200 ㎏/㎜²이상의 값을 갖게되는 고장력 강선을 제조하는 방법이며, 일본공개특허 (소)62-238327는 중량비로 탄소 0.6-1.0%, 실리콘 0.1-2.0%, 망간 0.3-2.0%, 그리고 필요에 따라 크롬 0.05-1.5%, 니켈 0.05-1.5%, 몰리브데늄 0.01-0.5%, 바나듐 0.01-0.5%중 1종 또는 2종 이상을 함유한 고탄소강 선재의 중심부에, 탄소 또는 망간성분이 평균농도의 1.3배 이상이되는 편석대의 크기가 선재의 직경의 0.01배 이하가 되는 선재를 이용하여 납조를 이용하여 파텐팅 열처리를 행한 후에 냉간신선가공를 함으로써 연성과 강도가 우수한 강선을 제조하는 방법이다. 그리고 일본공개특허 (소)63-24046는 중량비로 탄소 0.75-1.00%, 실리콘 1.00-1.60%, 망간 0.20-0.60%, 인 0.20%이하, 황 0.020%이하, 알미늄 0.030%이하, 그리고 필요에 따라 크롬 및 바나듐 1종 또는 2종을 총량으로 0.10-0.50% 함유하고 직경이 5.5㎜인 선재를, 냉간신선 및 납조 파텐팅 열처리를 행하여 최종적으로 0.50㎜의 이하의 직경으 갖는 인장강도 300 ㎏/㎜²이상의 고장력 극세강선을 제조하는 방법이다.

그러나, 상기 일본공개특허(소)57-155349, (소)62-23832 및 (소)63-24046에서는 공히 선재상태에서 우선 납조를 이용한 파텐팅 열처리를 행하고 냉간에서 신선가공을 한 후 소정의인장강도와 연성을 지니는 강선을 제조하는 기술을 개발하였기 때문에 선재를 제조하는 방법에 대한 규정이 없다. 또한 탄소함량을 중량비로 1.0%이하로 한정하고 있는데 후술하는 실시예에서 보다 상세히 언급되겠지만 본 발명의 경우와 같이 선재 압연후에 적절한 조정냉각을 하면 1.0%이상의 탄소함량을 함유하더라도 냉간신선가공성의 저하가 없는 선재를 제조하는 것이 가능하다. 그리고 최근들어 이러한 고강도 고탄소강 선재를 이용하여 냉간신선가공을 통해 최종제품으로 생산하는 경우에 제조원가를 저감시키기 위해 선재상태에서의 파텐팅 열처리를 생략하는 추세에 있다. 이에 부응하기 위해서는 선재상태에서 이미 냉간신선가공성이 우수한 미세조직을 확보하는 것이 필수적이다. 따라서 제품의 인장강도 및 신선가공성이 우수한 선재를 제조하기 위해서는 최적의 합금설계는 물론, 선재압연후 적절한 제어냉각을 통해 전술한 바와같은 가공성이 우수한 미세하고 균일한 펄라이트 조직을 얻을 수 있는 기술의 개발이 필요하다.

이에, 본 발명자는 선재상태에서의 파텐팅 열처리를 생략하고 냉간신선가공성이 우수한 초고장력 선재를 제조할 수 있는 방법에 대해 깊이 있게 연구하고, 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로서, 본 발명은 빌렛의 합금성분을 조정하고 이 빌렛을 선재로 열간압연한 후 냉각조건을 최적화하여 선재의 최종조직을 100% 펄라이트 변태시키므로서 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 본 발명을 설명한다.

본 발명은 중량%로, C:0.9-1.2%, Si:0.1-0.1%, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.5%이하, P:0.015%이하, S:0.010%이하, N₂:70 ppm이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조한 후, 이 선재를 25℃/sec 이상의 냉각속도로 660℃까지 냉각하고 이어 580℃까지 펄라이트 변태가 완전히 일어나도록 조정냉각하는 것을 포함하여 이루어지는 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는 빌렛을 C:0.9-1.2중량%, Si:0.1-1.0중량%, Mn:0.1-1.0%중량%, Cr:0.5중량%이하, P:0.015중량%이하, S:0.010중량%이하, N2:70 ppm이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성함이 바람직하며, 그 이유는 다음과 같다.

탄소는 강의 강도를 증대시키는데 있어서 가장 효과적이며 중요한 원소이다. 탄소가 0.9%이하로 첨가되면 송풍냉각에 의해 조직을 펄라이트로 이루어진 미세조직으로 형성시켜 선재의 인장강도를 125 ㎏/㎜²이상으로 얻은 것이 불가능하다. 따라서 탄소함량은 0.9%이상이 되도록 첨가해야 한다. 그리고 탄소가 1.2%이상 첨가되면 선재압연 후 송풍냉각시 냉각속도를 아무리 증대시키더라도 오스테나이트의 입계에서 형성되는 초석 시멘타이트의 발생을 방지할 수 가 없기 때문에 신선가공시 단선발생의 원인이 된다.

실리콘은 강의 탈산에 필요한 원소이기 때문에 함유량이 너무 적을 경우 탈산효과가 충분하지 않으므로0.1%이상 첨가해야 한다. 또한 실리콘은 파텐팅 열처리시 형성되는 펄라이트중의 페라이트층에 농축되어 고용강화를 일으키기 때문에 신선가공에 따른 가공경화율을 높이는 효과가 있다. 그러나 1.0%이상 첨가되면 선재제조공정증 표면탈탄이 심하게 되고, 파텐팅시 펄라이트 변태가 지연되어 생산성을 현저히 저감시킨다.

망간은 강의 제조시에 탈산효과가 있을 뿐만아니라 소재내의 황과 더불어 황화망간(MnS)을 형성시켜 황에 의한 적열취성현상을 방지하는 역할을 하기 때문에 0.1%이상 첨가되어야 하며, 1.0%이상으로 첨가될 경우 펄라이트의 변태속도를 현저히 저하시키기 때문에 압연후 송풍냉각시 또는 페틴팅열처리시 베이나이트 또는 마르텐사이트등의 저온변태조직이 발생하게 되어 신선시 단선발생의 원인이 된다.

크롬은 파텐팅 열처리시 펄라이트의 층상간격을 미세하게 하여 신선가공에 의한 가공경화율을 증대시키는 역할을 한다. 따라서 크롬이 첨가되면 적은 가공량에서도 높은 소성강도를 얻을 수 있는 잇점이 있다. 그러나, 크롬이 0.5%이상 첨가되는 경우에는 파텐팅시 오스테나이트화가 충분히 일어나지 않아서 변태후 구상 세멘타이트가 발생하여 신선시 단선발생의 원인이 될 뿐만 아니라 펄라이트 변태속도를 지연시키고 또한 저온변태조직의 발생을 야기시켜서 생산성이 현저히 저하된다.

인은 강주편의 응고도중 중심부에 편석되기 수운 원소이며, 강중에 고용되었을 때 연성과 인성을 저감시키는 역할을 하는데, 특히 고강도강일수록 연성저하폭이 크다. 따라서, 인은 최대한 줄이는 것이 필요하며 최대 0.015%이하로 관리하여야 한다.

황은 편석되었을 때 강의 인성 및 연성을 저하시키기 때문에 최대 0.010%이하로 관리하여야 한다.

질소는 탄소와 함께 강의 냉간가공시 변형시효를 일으켜 소재를 취화시킨다. 탄소의 경우는 강도확보를 위하여 불가피하게 첨가하지만 질소함량은 가능한 한 줄여야 한다. 강선이 고강도화 될 수록 신선가공시 변현시효현상이 더욱 심화되므로 초고장력 강선재를 제조하기 위해서는 일반적으로 낮출수록 유리하며, 최대 70 ppm이하로 관리해야 한다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 조성되는 빌렛을 열간압연하여 선재로 제조한후, 이 선재를 초당 25℃이상의 냉각속도로 660℃까지 냉각하고 이어 580℃까지 펄라이트 변태가 완전히 이루어지도록 조정 냉각하는 것이 바람직하며 그 이유는 다음과 같다.

상기 범위의 합금성분을 함유한 과공석탄소강의 경우, 열간압연 이후 송풍냉각시 펄라이트 변태는 약 660℃에서 개시된다. 이때 냉각속도가 초당 25℃이하가 되면 오스테나이트 입계를 따라서 초석 시멘타이트가 석출하게 된다. 이렇게 되면 후공정인 냉간신선가공시 이 초석 시멘타이트를 따라서 균열이 발생하여 단선의 원인이 되기 때문에 펄라이트 변태가 개시되기 전까지는 냉각속도를 최소한 초당 25℃이상으로 유지하여야 한다.

한편, 본 발명을 위하여 상변태온도를 일정하게 유지하면서 상기 과공석탄소강을 항온변태시킨 다음, 변태온도에 따른 미세조직의 변화를 관찰한 결과 아래와 같은 사실을 알 수 있었다.

610℃이상:세멘타이트와 페라이트의 층상구조가 잘 발달한 균질한 펄라이트조직을 갖는다. 그러나, 이 온도영역에서는 펄라이트의 층상간격이 크며, 변태온도가 낮을수록 층산간격은 줄어든다.

580-610℃:이 온도범위에서는 펄라이트의 층상간격이 온도에 따라서 그다지 변화하지 않는다. 즉 균질하게 잘 발달한 페라이트의 층상조직이 가장 미세하게 형성되는 온도영역이며, 이때 형성되는 펄라이트가 냉간신선시의 가공성이 가장 우수하고 강도향상효과도 가장 크다.

560-580℃:이 온도영역에서는 소위 의사펄라이트(degenerated perlite)라고 불리는, 시멘타이트의 형상이 판상이 아니라 구형 또는 막대모양으로 나타나는 펄라이트가 형성된다.

520-560℃:이 온도영역에서는 상부 베이나이트가 형성된다.

고탄소강선을 냉간 신선가공할 때 페라이트 내부에는 전위가 심하게 엉켜진 미세한 세포조직(cell structure)이 발달하여 전위의 이동을 방해하게 되는데, 이 때문에 신선가공량이 증가할수록 소재강도가 증가한다. 그리고 이 세포조직의 크기는 펄라이트의 층상간격이 비례하기 때문에 펄라이트가 미세해질수록 동일가공량에서 강도는 증가한다고 하는 것은 이미 공지의 사실이다. 또한 펄라이트의 층상간격이 감소하면 세메타이트의 두께도 얇아져서 세멘타이트의 연성이 증가한다. 따라서 펄라이트의 층상간격이 미세하고 균일할수록 신선가공시의 가공경화율이 증가할 뿐만 아니라 연성도 함께 상승한다.

한편, 의사펄라이트 또는 상부 베이나이트 조직의 경우는 페텐팅 직후의 강도 및 가공 경화율은 높지만 신선가공량이 높은 극세강선 제조시에는 선의 길이방향을 따라 균열이 발생하는 현상(delamination)이 일어나 단선의 원인이 되는등 강선의 연성이 현저히 저감된다. 따라서 초고강도강선을 제조하기 위하여 냉간신선가공을 가혹하게 하는 경우에는 펄라이트의 층상간격을 치밀하고 균질하게 하는 것이 필수적이다. 따라서 선재압연후 송풍냉각시에 소재온도가 대략 660℃이하가 되면 펄라이트 변태가 시작하는데, 이후의 냉각속도를 조정하여 상변태가 일어나는 동안 소재온도가 580℃이하로 떨어지지 않도록 엄격히 관리하여야 한다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

[실시예]

하기 표1과 같이 조성되는 과공석강을 연속주조에 의해서 가로 및 세로가 160㎜, 길이가 약 10㎜인 빌렛으로 제조하고, 1100℃이상의 온도에서 1시간 30분동안 가열하여 주조조직을 제거한 후에 29개의 압연단계로 이루어진 압연기로 연속압연을 하여 최종압연소재의 직경이 5.5㎜가 되도록 열간압연하였다.

이렇게 열간압연한 소재를 연속적으로 수냉설비를 통과시킴으로써 레잉헤드 온도를 830℃로 조정하였다. 이후, 강제송풍냉각장치의 송풍량을 조정하여 소재의 냉각속도를 변화시키면서 상온까지 냉각하여 선재코일을 제작하였다.

하기 표1에서 강종(1, 7)은 본 발명의 합금조성 범위를 만족하지 못하는 비교강이며, 나머지강종들은 모두 본 발명의 합금조성범위를 만족하는 발명강이다.

펄라이트 변태가 시작되기 전에 초석 시멘타이트의 석출이 일어나는 냉각속도의 범위를 알아보기 위해, 상기와 같이 제조된 선재코일중, 상기 표1의 강종(2, 4, 8. 9)의 조성을 갖는 선재들 950℃에서 5분간 유지시켜 충분히 오스테나이트화 시킨 다음 연속냉각시험장치를 이용하여 초당 5-35℃의 냉각속도로 냉각시켜 오스테나이트의 입계에 석출한 초석 시멘타이트를 관찰하고, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표2에서 알 수 있듯이 냉각속도가 본 발명의 범위를 만족하지 못하는 비교재(1-5)의 경우에 있어서는 초석 시멘타이트가 석출하는 것을 알 수가 있으며, 반면에 냉각속도가 초당 25℃이상이 되어 본 발명의 범위를 만족하는 발명재(a-c)의 경우에는 탄소함량이 1.13%인 강종(8)을 포함한 전 강종에 걸쳐서 초석 시멘타이트가 발생하지 않는 사실을 알 수 있다. 따라서 본 발명의 탄소함량범위를 만족하는 과공석 탄소강은 압연직후 펄라이트 변태가 일어나기 전까지 최소한 초당 25℃이상의 냉각소도를 유지하면 초석 시멘타이트의 석출을 방지할 수가 있음을 알 수 있다.

상기 표1의 조성을 갖는 빌렛을 직경 5.5㎜선재로 압연한 후, 변태온도가 선재의 미세조직과 기계적 성질에 미치는 영향을 알아보기 위해 선재를 송풍냉각시 하기 표3과 같은 조건으로 냉각한 후, 선재의 변태완료온도, 미세조직, 인장강도 및 단면감소율을 측정하고 그 결과를 하기 표4에 나타내었다.

상기표3에서 제1단계는 권취이후 상변상태가 개시되는 약 660℃까지의 송풍속도 42m/sec로 하여 평균냉각속도를 28℃/sec 로 한 것이며, 제2 단계는 선재의 온도가 660℃ 이하가 되는 시점부터 변태가 완료될 때까지 일정속도로 송풍하여 선재의 평균 냉각속도를 각각 6.8℃/sec, 5.2℃/sec 로 한 것이다. 그리고 냉각조건 A,B에 있어서, 변태개시이전의 제1단계 풍속은 변경하지 않았는데 이는 전술한 바와같이 초석 시멘타이트의 석출을 방지하기 위하여 초당 25℃이상의 냉각속도를 유지하기 위해서이다. 실제로 풍속을 초당 42m로 하였때 평균 냉각속도는 초당 28℃로 계산되었으며, 냉각완료후 미세조직을 관찰한 결과 초석 시멘타이트의 석출은 발생하지 않는 것이 확인되었다. 변태개시 이후 변태완료때까지의 제2단계 송풍속도는 2가지로 변경하였는데 송풍냉각 조건 A는 제1단계와 동일한 풍속으로 송풍한 강냉조건이며, 송풍냉각 조건 B는 제1단계의 풍속에 비하여 풍속을 약 절반으로 감소시킨 조건이다.

송풍 냉각조건 A에서 제1단계와 제2단계의 송풍속도가 동일하더라도 제2단계에서는 펄라이트 변태반응시 생기는 열에 의해 선재의 평균냉각속도가 떨어지는 것을 확인할 수 있다.

상기 표4에서 변태완료온도는 다음과 같은 방법에 의해 측정된 것이다.

통상 변태가 개시되면 변태발열에 의해 소재온도가 다시 상승하게 되는데, 이 때문에 이 시점이후의 냉각시간이 상당히 지연된다. 따라서, 이때의 소재냉각속도는 의미가 없으며, 실제로 미세조직 및 기계적성질을 결정짓는 변수는 변태가 일어나는 온도이다. 이 변태온도를 측정하기 위해서는 시간에 따른 소재의 온도를 측정하는 것 이외에도 상변태 속도에 관한 정보가 필요하다. 이를 위해 상기 표1의 강종에 대해 각각 항온변태시험을 하고 항온변태도(Time-Temperature-Transformation Diagram)를 작성하였다. 이 결과를 이용하여 선재압연 후 송풍냉각시 시간에 따른 소재온도의 변화와 상변태가 일어나는 온도를 계산하기 위하여 제3도와 같은 개념도에 의해 컴퓨터 프로그램을 작성하고, 선재 냉각시 직접 소재의 표면온도를 측정한 결과를 이용하여 냉각개시 이후 소재의 온도변화 추이와 상변태온도의 범위를 계산하였다.

상기 표4에서 알수 있는 바와같이, 본 발명의 합금범위를 만족하지 못하는 비교강인 강종(1)을 상기 표3의 냉각조건 A로 냉각시킨 비교재(6)의 경우에는 상변태온도가 614-660℃의 온도범위에서 발생하고, 미세조직이 양호한 펄라이트조직을 보이지만 탄소함유량이 0.84%로 낮기 때문에 단면감소율은 36%로 높은 값을 보이지만 인장강도는 125 ㎏/㎜²에 도달하지 못함을 알 수 있다. 그러나 발명강인 강종(6)을 냉각조건 B로 냉각한 경우인 발명재(h)는 상변태 온도가 이와 비슷한 범위를 갖고, 미세조직도 양호한 펄라이트로 이루어져 있지만 탄소함량이 0.94%로 강종(1)에 비해 0.1%정도 높은 갖기 때문에 인장강도가 125㎏/㎜²를 상회함을 알 수 있다.

그리고 발명강인 강종(5)를 급냉패턴인 냉각조건 A로 냉각한 비교재(7)의 경우에는 변태완료온도가 545℃정도로 낮았기 때문에 미세조직중에 베이나이트가 다량 관찰됨을 알 수 있다. 이는 전술한 바와같이 변태온도가 약 560℃이하에서는 베이나이트가 발생한다는 시험결과와 일치한다. 이 경우 변태온도가 전반적으로 낮아졌기 때문에 인장강도는 매우 높은 값을 보이나 연성의 지표인 단면감소율이 20%이하로 떨어져 냉간신선시의 가공성을 안정적으로 확보하는 것이 불가능하다. 그러나 동일강종을 서냉패턴인 냉각조건 B로 냉각시킨 발명재(g)의 경우에는 변태가 595℃이상의 온도범위에서 완료되었기 때문에 미세조직은 미세하고 균일한 펄라이트조직을 얻을 수 있었다. 이때 인장강도는 냉각조건 A에 비해 약간 감소하지만 단면감소율이 약 30% 정도 얻어지고 인장강도 역시 목표로 하는 125㎏/㎜²이상의 값을 나타냄을 알 수 있다. 이러한 사실로부터 알 수 있는 것은 합금성분에 따라서 상변태속도가 변화하기 때문에 목표로 하는 인장강도와 단면감소율을 확보하기 위해서는 냉각속도를 조절하여 상변태가 이루어지는 온도의 범위를 엄격히 제어하는 것이 필수적이다.

그리고, 시험강종중에서 경화능이 가장 큰 비교강인 강종(7)을 냉각조건 A로 냉각 시킨 비교재(8)의 경우에는 전체의 조직이 마르텐사이트로 이루어져 인장시험시 취성파단이 발생하였다. 이로인해 단면감소율은 거의 0에 가까운 값을 나타내었다.

인장강도 역시 낮은 값을 나타내었는데, 이는 인장시험 초기에 탄성영역이 거의 끝날 무렵 즉, 가공경화가 시작되기 전에 이미 파단이 발생하였기 때문이다.

그외에 발명강인 강종(2, 3, 4, 8, 8, 10)을 냉각조건을 적절히 변화시키면서 냉각시킨 발명재(d-f, i-k)의 경우에는 미세조직이 양호한 펄라이트를 나타내고, 인장강도 및 단면감소율등의 기계적 성질 또는 목표로 하는 범위의 값을 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이상의 실험결과를 종합하면, 선재의 인장강도는 미세조직과 탄소함량에 의존하고, 단면감소율로써 평가할 수 있는 연성은 미세조직과 인장강도에 의존하기 때문에 우선적으로 미세조직이 층상간격이 미세하고 균일한 펄라이트로 이루어지도록 조정냉각을 해야 목표로 하는 물성을 확보할 수 있다. 이때 탄소함량이 0.9%이상의 값을 가져야 양호한 펄라이트조직으로써 인장강도가 125㎏/㎜²을 상회하는 결과를 얻을 수 있다.

한편, 실리콘, 망간, 크롬등의 합금원소는 그 자체로서 펄라이트강의 인장강도를 상승시키는 역할을 하지만, 이보다는 상변태속도에서 큰 영향을 미쳐서 송풍냉각과 같은 연속냉각시에 변태온도범위를 크게 변화시킨다. 이 때문에 미세조직의 변화가발생하여 인장강도 뿐만아니라 단면감소율에도 큰 영향을 미친다. 따라서 합금원소의 종류와 함량에 따라서 목표로 하는 온도범위내에서 변태가 완료 될 수 있도록 풍속 즉, 냉각속도를 조절해야 한다.

상술한 바와같이, 본 발명은 합금성분계중 탄소함량을 조절하고, 냉각시 미세하고 균질한 펄라이트 조직을 100% 얻을 수 있도록 냉각속도를 조절함으로서, 25%이상의 단면감소율을 얻게되어 냉간신선가공성을 안정적으로 확보할 수 있으며, 인장강도 또한 125㎏/㎜²이상인 탄소강 선재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 중량%, C:0.9-1.2%, Si:0.1-0.1%, Mn:0.1-1.0%, Cr:0.5%이하, P:0.015%이하, S:0.010%이하, N₂:70 ppm이하, 나머지 Fe 및 불가피한 불순물로 조성되는 빌렛을 열간압연하여 선재를 제조한 후, 이 선재를 25℃/sec 이상의 냉각속도로 660℃까지 냉각하고 이어 580℃까지 펄라이트 변태가 완전히 일어나도록 조정냉각하는 것을 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 연성이 우수한 초고장력 과공석 탄소강 선재의 제조방법.