KR100334116B1 - 내후성 강선과 강연선의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대기에 대한 부식 저항성이 우수한 내후성 강재에 관한 것으로, 종래 내후성 선재의 화학 성분에 대하여 탄소 함량을 높이고 석출 경화 원소를 적절히 첨가하여 대기에 대한 내부식성을 유지하면서 인장 강도를 현저히 높인 내후성 강선과 강연선의 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명 내후성 선재의 화학 성분은 0.30∼0.60wt% C, 0.15∼0.65wt% Si, 0.85wt% 이하 Mn, 0.20∼0.50wt% Cu, 0.45∼0.75wt% Cr, 0.05∼0.30wt% Ni, 0.05∼0.30wt% V, 0.02∼0.2wt% W, 0.05∼0.30wt% Nb 또는 Ti 과 잔량의 철 및 불가피한 불순물로 이루어진다.
본 발명의 내후성 강선과 강연선을 제조하는 방법은 상기의 화학 조성으로 이루어진 소재 선재를 대상으로 하여 크게 2차에 걸친 냉간 인발 가공과 이러한 두 번의 인발 가공 사이에서 행하는 소둔 열처리로 이루어지는데, 이때 1차 냉간 인발 가공은 감면율이 30∼75%이고, 2차 가공의 감면율은 95%이하이며, 소둔 열처리는 650∼930℃에서 10시간 이하로 함에 그 기술적 특징이 있다.
본 발명의 방법으로 상기의 선재를 사용하여 제조된 내후성 강선은 종래의 웨더링 선재보다 증가한 탄소 함량과 W, V, Ti, Nb 등의 석출 경화 원소의 첨가에 따라 160Kgf/mm2이상의 인장 강도를 보유함이 특징인 바, 내후성 강재의 용도 중에서도 특히 고강도가 요구되는 행거 로프, 케이블, 정색용 로프 등에 유용하게 사용될 수 있다.
Description
본 발명은 대기 부식에 대한 저항성을 갖는 내후성(weathering) 강선과 강연선의 제조 방법에 관한 것으로서, 더 자세하게는 내후성 원소인 구리, 니켈, 크롬, 실리콘 등을 함유한 탄소 합금강에 텅스텐, 바나듐, 티타늄, 니오비듐 등의 석출 경화형 원소를 첨가하고, 1차 신선(인발) 및 소둔 열처리 후, 2차 신선을 적절히 조합하므로써 내후성이 우수하면서도 높은 인장 강도를 갖는 강선과 강연선의 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 내후성 강재는 주로 후판 강재로서, 교량, 송전선용 철탑, 빌딩 구조물, 선박, 철도 차량 등에 많이 쓰이는 재료이며, 탄소 함량이 0.18% 이하로 낮고 인장 강도는 50∼60Kgf/mm2정도이다.
이러한 내후성 강재의 대기에 대한 내부식 성능은 인, 구리, 니켈, 크롬, 실리콘 등과 같은 내후성 원소의 첨가에 의하여 얻어 진다. 즉, 내후성 강재의 내후성은 거의 화학 성분에 의존하며, 강재의 조직이나 제조 공정에는 의존하지 않는다.
그리고, 상기 내후성에 대한 평가는 ASTM G101에 규정되어 있는 다음 식1에 의하며, 이 지수가 6.0 이상이면 보통 탄소강보다 4∼8배의 대기 부식 저항을 갖는것으로 알려져 있다.
상기 식1에 의하면 강재의 내후성에 가장 효과가 있는 원소는 구리, 인, 니켈, 크롬, 실리콘의 순임을 알 수 있다.
도1에 도시한 바와 같이, 강재(1)가 대기에 노출되어 표면에 스케일(3)이 발생하면 스케일(3) 내부에 상기 원소들이 비정질의 농축층(2)을 형성하므로써 스케일 표면의 크랙(4) 진행을 방해하게 되고, 그 틈을 통한 산소의 공급이 감소하여 강재의 부식 진행이 억제되는 것이다.
종래의 내후성 강재로는 0.18wt%이하 C, 0.15∼0.65wt% Si, 1.40wt%이하 Mn, 0.035wt%이하 P, 0.035wt%이하 S, 0.30∼0.50wt% Cu, 0.45∼0.75wt% Cr, 0.05∼0.30wt% Ni, 잔량 Fe의 화학성분을 가지며 인장 강도가 50Kgf/mm2급인 SWA50BW 강재가 널리 사용되어 왔다.
그러나, 이러한 강재는 내후성이 양호한 장점은 있으나 160Kgf/mm2이상의 강도가 요구되는 보강용 강선이나 정색(瀞索)용 로프 등에는 사용할 수가 없으며, 상기의 내후성 강재를 개선하여 우수한 인성과 신속한 보호 피막을 형성하는 0.18wt% 이하의 내후성 강재가 미국특허 4,094,670에 개시되어 있으나, 이 강재 역시 인장 강도가 약 60Kgf/mm2에 지나지 않는다.
따라서, 내후성 강재를 써야하는 대형 케이블이나 행거 로프(hanger rope) 등에 인장 강도가 높은 탄소강을 방청처리하여 사용하고 있으나 대기에 노출된 상태로 쓰이기 때문에 발청에 의한 노화를 완벽히 방지하기는 어려운 실정이다.
앞에서 살펴본 바와같이, 주로 대형의 구조물용으로서 대기중에 노출되어 사용되는 종래의 내후성 강선과 강연선은 인장 강도가 낮아 그 용도가 제한될 수 밖에 없는 실정이다.
상기와 같은 종래 내후성 강재의 문제점을 해결하기 위하여, 강재의 화학조성을 새롭게 조정하여 내후성을 향상시키고, 석출 강화형 원소의 첨가와 적절한 가공 방법을 적용하므로써 인장 강도를 획기적으로 높인 내후성 강선과 강연선의 제조 방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
도 1은 내후성 강재의 부식 방지 기구의 모식도로서,
(가)는 초기의 스케일 발생 과정의 단면도이고,
(나)는 비정질층과 스케일층이 분리된 단면도이다.
도 2는 본 발명 방법에 의한 내후성 강연선의 단면도.
((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))
1. 내후성 강재 2.비정질층
3. 스케일 4. 크 랙
본 발명의 내후성 강선과 강연선은, C-Si-Mn-Cu-Cr-Ni을 기본 조성으로 하는 강재를 사용한다는 점에 있어서는 종래와 동일하나, 탄소 함량이 0.30∼0.60wt%로 높고 석출경화 및 조직 미세화 원소인 V, W, Ti, Nb 등이 첨가된다는 것이 다른 점이다.
그리고, 상기 조성의 강재를 2차에 걸친 냉간 인발 가공과 열처리를 통하여 석출 경화 효과와 전위(dislocation) 고착에 의한 조직 강화로 인장 강도가 종래보다 현저히 높아진 내후성 강선과 강연선을 제조함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.
본 발명 방법의 기술적 특징을, 특정 화학성분의 첨가와 선택된 화학성분의 강재를 가공하는 두 가지 측면에서 살펴볼 수 있는 바, 우선 화학성분의 측면에서보면, 본 발명 강재의 화학 성분과 각 첨가 원소별 특성은 아래와 같다.
| 구분 | C | Si | Mn | Cu | Cr | Ni | V | W | Nb | Fe |
| wt% | 0.30∼0.60 | 0.15∼0.65 | 0.85이하 | 0.20∼0.50 | 0.45∼0.75 | 0.05∼0.30 | 0.05∼0.30 | 0.02∼0.2 | 0.05∼0.30 | 잔량 |
* Nb은 Ti으로 대체할 수 있다.
표1에서 내후성 원소인 Si, Mn, Cu, Cr의 효과는 전술한 바와 같고, 강재의 인장 강도를 상승시키기 위하여 새로히 첨가된 강화 원소와 강의 기본 원소인 C의 증량 효과 및 내후성을 함께 가지는 Ni의 역활을 살펴보면 다음과 같다.
C는 강재의 강도에 직접적으로 영향을 미치는 강의 기본 원소로써 그 함량이 증가 할 수록 강재의 강도가 높아지나, 0.60wt%를 초과하게 되면 선재 제조 공정인 연속 주조 및 압연 작업중 Cu의 영향으로 발생하는 표면 결함의 억제에 한계가 있고 0.30wt% 미만에서는 목표로 하는 강도를 얻을 수가 없다.
V은 강선의 모상(母相, 기지, matrix)인 페라이트(ferrite) 조직내에 V4C3형태로 미세하게 석출하여 연약한 페라이트 조직을 강화시키는 석출 경화 원소로서, 이러한 석출 경화를 일으키기 위해서는 0.05wt% 이상을 필요로 하지만, 과도하게 첨가되면 상기의 탄화물이 오스테나이트(austenite) 입계에 필림상으로 석출하여 입계 부식을 초래하거나 입계의 결합력을 떨어뜨려 오히려 강재의 강성을 낮추게 된다. 따라서, 그 함량은 0.30wt%이하로 하는 것이 바람직 하다.
W은 다른 석출 경화형 원소의 석출을 촉진시키며, 그 자신도 W2C로 석출하기때문에 첨가 효과가 크다. 0.02wt% 이상 되어야 효과가 있고 0.2wt%를 초과하면 입계에 괴상으로 석출하여 입계를 취화(脆化)시키게 된다.
Nb과 Ti은 모상 페라이트 석출 강화에 기여할 뿐아니라 입자 미세화에도 유효한 원소로서, 0.05wt% 미만에서는 그 효과가 미미하며, 0.30wt%를 초과하게 되면 그 효과가 더 이상 커지지 않고 오히려 냉간 인발 가공성을 떨어뜨리게 되어 결과적으로 강재의 인성을 저하시킨다.
그리고, 상기 첨가 원소의 강도 증가 효과와 더불어 본 발명 내후성 강선과 강연선의 강도를 높여 주는 가공 방법의 특징은, 적절한 가공율로서 행하는 2차에 걸친 냉간 인발 가공과 두 차례의 인발 가공 사이에서 실시하는 소둔 처리에 있다.
이를 자세히 살펴본 본 발명의 방법은, 웨더링 강선과 강연선의 최종 직경에 따라 선경 5.5∼22mm인 내후성 선재를 1차 산세 및 피막 처리하는 단계와, 30∼75%의 감면율로서 1차 냉간 인발 가공하는 단계와, 1차 인발된 선재를 650∼930℃에서 10시간 이하의 소둔 열처리를 행하는 단계와, 2차 산세 및 피막 처리하는 단계와 소둔된 선재를 95% 이하의 감면율로서 2차 냉간 인발 가공하는 단계로 이루어 진다.
상기의 가공 방법에서 1차 냉간 인발 가공의 감면율을 30∼75%로 한정한 것은, 열처리 전의 가공량이 클 수록 금속 조직 내에 비축되는 잔류응력이 커지고, 이 잔류응력이 열처리시 조직 내에서 일어나는 재결정 과정에 대한 추진력(driving force)으로 작용하여 새롭게 형성되는 재결정립의 미세화와 석출 강화 원소와의 화합물인 탄화물 석출을 도와 주어 선재의 강도와 인성을 상승시켜 주기 때문이다.
그러나, 감면율이 30% 미만일 경우에는 금속 조직 내에 축적되는 잔류응력이 적어 재결정립 미세화와 탄화물 석출 효과가 미미하여 목표 강도를 얻을 수 없고, 선재의 중심부까지 인발 가공의 효과가 미치지 못하여 열처리시 중심부 조직은 재결정이 일어나지 않거나 처음 결정립의 이상 조대화로 선재가 비틀리거나 왜곡될 수 있는 문제가 있다.
그리고, 감면율이 75% 정도가 되면 재결정립 미세화와 탄화물 석출에 대한 상기 잔류응력에 의한 효과는 포화 상태가 되고, 그 이상의 가공은 가공 원가를 높일 뿐아니라 오히려 과다한 가공에 의한 내부 균열을 초래할 위험이 커지기 때문에 감면율은 75%를 초과하지 않도록 하는 것이 바람직 하다.
1차 인발 가공 후의 소둔 열처리는 가공 경화된 금속 조직에 재결정을 일으켜 새로운 조직으로 만드는 과정으로서, 650℃ 미만에서는 재결정 과정 및 탄화물 석출의 진행 속도가 느리고 입계에 편석하는 석출물이 증가하여 입계 취화의 문제가 있으며, 930℃를 초과하면 재결정립의 성장 속도가 빨라 결정립 크기에 영향을 받는 목표 인장 강도의 제어가 어렵게 된다.
그 외에, 소둔 시간을 10시간으로 한 것은 650℃부근의 온도로 소둔하는 경우에 대한 것으로, 그 정도의 온도에서는 재결정과 탄화물 석출과정의 속도가 느리기 때문에 석출 경화에 필요한 유효 석출물을 얻는데는 10시간 정도의 시간을 필요로 한다.
소둔 후 행하는 2차 냉간 인발 가공은 재결정된 선재의 표면을 마무리하는 측면과 최종 목표 강도를 얻기 위하여 가공 경화시키는 과정이며, 이때의 가공 정도를 95% 이하의 감면율로 제한 한 것은 95%를 초과시 선재의 인성이 급격히 저하되어 염회 특성이 낮아지기 때문이다.
상기 본 발명의 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용 효과는 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예를 통한 아래의 자세한 설명에 의하여 명확하게 이해 될 것이다.
탄소 함량이 0.33∼0.55wt%이며 선경이 13mm인, 내후성 원소와 석출 경화형 원소를 함유한 본 발명의 웨더링 선재와 비교재로서의 내후성 선재를 제조하였으며, 각 선재의 화학 성분과 기계적 성질은 다음의 표2 및 표3과 같다.
| 구분 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Cr | Ni | V | W | Ti | Nb | N | Al | |
| 본발명재 | 1 | 0.33 | 0.41 | 0.78 | 0.015 | 0.003 | 0.35 | 0.58 | 0.25 | 0.10 | 0.09 | 0.10 | 55 | 0.021 | |
| 2 | 0.44 | 0.44 | 0.79 | 0.014 | 0.003 | 0.34 | 0.61 | 0.24 | 0.11 | 0.08 | 0.11 | 61 | 0.023 | ||
| 3 | 0.56 | 0.43 | 0.77 | 0.014 | 0.002 | 0.33 | 0.57 | 0.26 | 0.12 | 0.10 | 0.09 | 48 | 0.019 | ||
| 4 | 0.35 | 0.42 | 0.76 | 0.016 | 0.003 | 0.35 | 0.60 | 0.23 | 0.13 | 0.09 | 0.06 | 42 | 0.025 | ||
| 5 | 0.47 | 0.41 | 0.78 | 0.015 | 0.004 | 0.36 | 0.62 | 0.29 | 0.12 | 0.08 | 0.05 | 58 | 0.026 | ||
| 6 | 0.55 | 0.45 | 0.77 | 0.014 | 0.005 | 0.34 | 0.59 | 0.27 | 0.11 | 0.11 | 0.07 | 56 | 0.020 | ||
| 비교재 | 7 | 0.08 | 0.28 | 1.20 | 0.016 | 0.003 | 0.41 | 0.78 | 0.02 | 48 | 0.022 | ||||
| 8 | 0.34 | 0.43 | 0.77 | 0.015 | 0.004 | 0.35 | 0.61 | 0.24 | 54 | 0.021 |
상기의 비교재 7은 전기로 용해를 거쳐 만들어진 인고트(ingot)를 1200℃에서 열간 압연한 후, 40℃/초의 냉각 속도로 650℃까지 냉각한 다음 상온까지 공랭시켜 제조하였으며, 전술한 미국특허 4,094,670의 강재와 같은 화학 조성을 갖는다.
그리고, 비교재 8은 석출 경화 원소의 효과를 조사하기 위하여 본 발명의 화학 성분에서 석출 경화 원소가 첨가되지 않은 선재이다.
| 구 분 | 인장강도(Kgf/mm2) | 단 면수축률(%) | 연신율(%) | 대기부식저항성지수 | |
| 본발명재 | 1 | 84 | 60 | 20 | 6.91 |
| 2 | 93 | 58 | 18 | 6.95 | |
| 3 | 105 | 57 | 17 | 6.90 | |
| 4 | 82 | 61 | 20 | 6.94 | |
| 5 | 91 | 59 | 19 | 7.01 | |
| 6 | 103 | 58 | 18 | 6.98 | |
| 비교재 | 7 | 61 | 63 | 22 | 6.68 |
| 8 | 76 | 54 | 16 | 6.69 |
표2와 표3으로부터 탄소 함량이 증가할 수록 선재의 인장 강도가 증가하고, 본 발명재의 인장 강도가 미국특허에 의한 비교재(비교재 7)보다 21∼44Kg/mm2정도 더 높게 나타남을 알 수 있다.
그리고, 거의 비슷한 탄소 함량의 발명재 1 및 4와 비교재 8을 비교해 보면, 발명재의 인장 강도가 6∼8Kg/mm2정도 높게 나타나는데, 이는 석출 경화 원소의 첨가에 기인하는 것이다.
또한, 본 발명의 선재는 대기 부식성 저항 지수에 있어서 종래 특허재와 같은 화학 조성의 비교재 7에 비하여 동등 이상임을 알 수 있다.
표2의 내후성 선재를, 1차 스케일 제거 및 피막 처리 →62% 1차 냉간 인발 가공 →760℃ ×3시간 소둔 →2차 스케일 제거 및 피막 처리 →89.4% 2차 냉간 인발 가공 등의 공정을 통하여 선경 2.6mm의 내후성 강선을 제조하였고, 소둔 열처리 선과 2차 냉간 인발 가공 선의 기계적 성질을 조사한 결과가 표4이다.
| 구분 | 소둔 열처리선 | 2차 냉간 인발 가공 선 | ||||
| 인장강도(Kgf/mm) | 단 면수축률(%) | 인장강도(Kgf/mm) | 비틀림 값(회/100d) | 연신율(%) | ||
| 본발명재 | 1 | 97 | 58 | 177 | 31 | 2.3 |
| 2 | 105 | 56 | 193 | 27 | 2.1 | |
| 3 | 117 | 53 | 212 | 23 | 1.9 | |
| 4 | 92 | 59 | 174 | 33 | 2.4 | |
| 5 | 102 | 57 | 191 | 29 | 2.2 | |
| 6 | 112 | 56 | 209 | 25 | 2.0 | |
| 비교재 | 7 | 67 | 58 | 115 | 35 | 2.5 |
| 8 | 80 | 53 | 142 | 30 | 2.2 |
표4에서 알 수 있듯이, 소둔 열처리선의 경우 본 발명의 강선이 종래 특허의 화학 성분을 갖고 있는 비교재 7보다 인장 강도가 25∼50Kg/mm2정도 높고, 비슷한 탄소 함량의 경우에는 비교재 8 보다 12∼17Kg/mm2더 높다.
2차 냉간 인발 가공선의 경우에 있어서는, 본 발명재의 인장 강도가 비교재 7 보다는 59∼97Kg/mm2높고, 비슷한 탄소 함량의 경우 비교재 8 보다는 32∼35Kg/mm2정도 더 높은 값을 보이고 있다.
상기와 같은 인장 강도의 상승은 소둔 열처리에 의한 석출 강화 효과와 2차 냉간 인발 가공에 의해 금속 조직 내에서 새롭게 생성된 전위가 석출물에 의하여 고착되어 움직이기 어렵게 되었기 때문이다.
상기 본 발명재 5의 2차 냉간 인발 가공재(21)를 피치를 140mm로 하여 도2의 단면 구조와 같이 연선하여 강연선을 제조하였고, 그 강연선을 인장 시험한 결과 절단하중이 7254Kgf 이었으며, 강연선의 중요 품질 특성인 연효율이 92%로서 통상 탄소강으로 제조되고 있는 강연선과 유사한 수준을 보여 주었다.
그리고, 연효율은 아래 식에 의하여 구한다.
상기에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 방법은 종래 내후성 강재에 비하여 탄소 함량을 높이고 석출 경화 원소를 첨가하므로써 대기에 대한 내부식성을 동등 이상 수준으로 유지하고 연효율을 떨어뜨리지 않으면서 인장 강도를 현저히 높여 주므로써 보강용 강선이나 정색용 로프 및 행거 로프 등 고강도와 높은 대기 부식 저항성이 요구되는 용도에 사용할 수 있다.
Claims (6)
- 화학성분이 0.30∼0.60wt% C, 0.15∼0.65wt% Si, 0.85wt% 이하 Mn, 0.20∼0.50wt% Cu, 0.45∼0.75wt% Cr, 0.05∼0.30wt% Ni, 0.05∼0.30wt% V, 0.02∼0.2wt% W, 그리고 0.05∼0.30wt% Nb 또는 Ti 중에서 하나를 포함하고 잔량의 철 및 불가피한 불순물로 조성된 선경 5.5∼22mm인 내후성 선재를 1차 산세 및 피막처리 하는 단계와, 30∼75% 감면율의 1차 냉간 인발 가공하는 단계와, 650∼930℃에서 10시간 이하의 소둔 열처리 단계와, 2차 산세 및 피막처리 하는 단계와, 95% 이하의 2차 냉간 인발 가공하는 단계로 제조됨을 특징으로 하는 내후성 강선의 제조방법.
- 화학성분이 0.30∼0.60wt% C, 0.15∼0.65wt% Si, 0.85wt% 이하 Mn, 0.20∼0.50wt% Cu, 0.45∼0.75wt% Cr, 0.05∼0.30wt% Ni, 0.05∼0.30wt% V, 0.02∼0.2wt% W, 그리고 0.05∼0.30wt% Nb 또는 Ti 중에서 하나를 포함하고 잔량의 철 및 불가피한 불순물로 조성된 선경 5.5∼22mm인 내후성 선재를 1차 산세 및 피막처리 하는 단계와, 30∼75% 감면율의 1차 냉간 인발 가공하는 단계와, 650∼930℃에서 10시간 이하의 소둔 열처리 단계와, 2차 산세 및 피막처리 하는 단계와, 95% 이하의 2차 냉간 인발 가공하는 단계로 제조된 내후성 강선을 연선하여 제조됨을 특징으로 하는 내후성 강연선의 제조방법.
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