KR100340546B1 - 망간편석부위의마르텐사이트형성을억제할수있는선재의제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와이어 로프, 비드와이어, 스프링에 사용되는 선재의 제조방법에 관한 것이며, 그 목적은 망간의 중심편석에 의해 생성되는 마르텐사이트의 형성을 억제할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로 C:0.4-1.0%, Mn:0.1-1.0%, Si:0.1-1.5, S:0.03%이하, P:0.03%이하 및 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 편석대의 Mn양이 1.3%이하가 되는 빌렛을 재가열하고 열간선재압연하여 오스테나이트 결정립이 15㎛이하가 되도록 한 다음, 20-25℃/sec의 속도로 600-500℃의 온도까지 냉각하고, 이어 탄소량이 0.4~0.6%이면 10℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하고, 탄소량이 0.6-1.0%이면 5℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하여 이루어지는 망간(Mn)편석부위의 마르텐사이트 형성을 억제할 수 있는 선재의 제조방법에 관한 것을 그 요지로 한다.

Description

망간편석부위의 마르텐사이트 형성을 억제할 수 있는 선재의 제조방법{A method of manufacturing wire rods for preventing martensite formation in segregation zone}

본 발명은 와이어 로프, 비드와이어, 스프링에 사용되는 선재의 제조방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 망간의 중심편석에 의해 생성되는 마르텐사이트의 형성을 억제하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄소를 0.4%이상 함유한 선재는 빌렛을 열간선재압연한 다음 냉각하는 일련의 공정을 거쳐 제조된 다음, 신선공정으로 보내진다. 이러한 선재의 신성성 및 강도를 향상시키기 위해서는 열간선재압연한 다음 행하는 냉각속도의 조절에 의해 펄라이트를 미세화시키는 것이 가장 효과적이다. 통상 열간선재압연후 20℃/sec이상의 빠른 속도로 냉각시켜 오스테나이트에서 펄라이트 변태시 과냉도를 크게 하여 미세한 조직을 얻고 있다.

그런데, 이러한 변태과정에서 오스테나이트가 펄라이트로 전부 변태하지 않는 경우 일부 미변태된 오스테나이트에서 마르텐사이트가 형성될 수 있으며, 망간의 양이 증가하거나 탄소량이 증가할 경우 또는 오스테나이트 결정립이 조대하면 늦은 냉각속도에서도 마르텐사이트의 형성은 가능해진다. 특히, 연속주조후 얻은 빌렛의 중심부에 망간의 편석대가 형성되는 경우 20-25℃/sec의 냉각속도에서 마르텐사이트가 형성되고 있다. 그러나, 현재로서 미세한 펄라이트 조직을 얻기 위해서 열간압연직후 20-25℃/sec의 속도로 냉각하는 것은 불가피한 실정이다. 이와 같이 선재에 발생된 마르텐사이트는 신선도중 변형이 거이 되지 않아 균열의 발생위치로 작용하여 신선 도중 단선을 유발하는 문제가 있다.

종래, 선재에 발생하는 마르텐사이트를 억제하기 위한 방법으로는 먼저, 마르텐사이트 형성원인인 편석자체를 억제하고자 하는 방법이 있다(철과 강. 75.(1989) P1217과 74(1988) P1625 ). 즉, 편석대가 형성된 빌렛을 장시간 고온에서 균열하여 망간을 확산시켜 편석을 억제하는 것이다. 그러나, 이 방법은 고온에서 장시간 균열에 따른 비용의 상승과 편석된 정도에 따라 열처리 시간의 변화할 수 있다는 문제점이 있다.

다른 방법으로 Mn의 편석대를 약 5㎛이하로 관리하여 신성성의 저하없이 우수한 신선성을 확보할 수 있다는 기술이 일본공개 특허 소62-256950호에 제시된 바 있다. 그러나, 이 방법에 의해 제조된 선재에는 결과적으로 마르텐사이트의 발생을 피할 수 없어 신선량이 클 경우 단선의 원인이 될 가능성이 매우 높다.

이에, 본 발명자들은 탄소량 및 망간량에 따른 마르텐사이트 변태거동에 대한 연구와 실험을 계속한 결과, 빌렛에 망간의 편석이 존재하더라도 마르텐사이트 형성이 억제될 수 있는 오스테나이트 결정립의 크기 및 탄소량에 따른 냉각속도를 제어하면 그 해결이 가능하다는 것을 확인하고, 본 발명을 제안하게 이르렀다.

즉, 본 발명은 선재의 마르텐사이트 형성을 억제하여 신선성을 향상시키고자 하는데, 그 목적이 있다.

도 1은 망간 및 탄소량에 따라 마르텐사이트가 형성되는 임계 냉각속도를 나타내는 그래프이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 중량%로 C:0.4-1.0%, Mn:0.1-1.0%, Si:0.1-0.5%, S:0.03%이하, P:0.03%이하 및 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 편석대의 Mn양이 1.3%이하가 되는 빌렛을 재가열하고 열간선재압연하여 오스테나이트 결정립이 15㎛이하가 되도록 한 다음, 20-25℃/sec의 속도로 600-500℃의 온도까지 냉각하고, 이어 탄소량이 0.4~0.6%이하이면 10℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하고, 탄소량이 0.6-1.0%이면 5℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하는 것을 포함하여 구성된다.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, C는 강도상승에 매우 효과적인 원소로 이를 위해 0.4중량%(이하, 단지 '%'라 함)이상 첨가되는 것이 필요하고, 그 첨가량은 사용 용도에 따라 변화되나 1.0%이상 첨가되는 경우 초석 세멘타이트가 형성되어 신선성을 급격히 저하시키므로 0.4-1.0%로 첨가하는 것이 바람직하다.

Si는 강의 탈산에 필요한 원소이기 때문에 그 함유량이 너무 작을 경우 탈산효과가 충분하지 않으므로 0.1%이상 첨가되어야 하나 Si는 선재 제조시 가열로에서 빌렛의 탈탄을 조장하므로 그 상한을 0.5%로 제한함이 바람직하다.

Mn은 강의 제조시 탈산효과 뿐 아니라 소재내의 황과 더불어 유화망간(MnS)을 형성시켜 황에 의한 적열취성을 방지하므로 0.1%이상 첨가되어야 한다. 또한 망간은 강도상승과 층간간격을 미세화시키는데 매우 효과적인 원소이나 과다하게 첨가될 경우 편석대의 망간양이 매우 증가되어 마르텐사이트가 형성될 가능성이 높아지므로 1.0%이하로 제한한다.

S과 P는 개재물을 형성하여 강특성에 유해한 영향을 미치므로 상한을 0.03%로 최대한 억제하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 이루어진 용강을 연속주조하여 빌렛을 얻는데, 본 발명은 빌렛 중심부에 편석되는 Mn양이 1.3%이하인 것을 이용한다. 이는 빌렛의 중심부에 망간의 편석은 통상 망간의 첨가량의 약 1.3배 정도가 잔존하고, 그 이상이 편석되어 있을 경우 냉각속도의 제어에 의한 마르텐사이트의 형성을 억제하는 것은 어렵기 때문이다. 실제 연속주조후 빌렛의 망간편석량은 빌렛을 절단하고, 그 중심부에 편석된 망간양을 성분분석에 의해 알 수 있으나, 통상적으로 연속주조시 조업여건의 관찰에 의해 편석량을 어느 정도 까지는 예측할 수 있다.

상기와 같이 얻어진 빌렛을 통상의 방법대로 재가열하고, 열간압연하여 냉각하는데, 이때 냉각전 열간압연된 선재의 오스테나이트 크기가 15㎛이하가 되도록 재가열온도 및 열간압연조건을 설정하는 것이 필요하다. 그 이유는 후술하는 본 발명의 냉각조건을 적용하여 마르텐사이트가 발생되지 않는 미세한 펄라이트 조직을 얻기 위해서는 선결조건으로 오스테나이트 결정입도를 15㎛이하로 하는 것이 필요하기 때문이다.

상기와 같이 오스테나이트 크기를 제어하여 열간압연한 직후 종래 20-25℃/sec의 속도로 상온까지 일정하게 냉각하는 거와는 달리 2단계의 냉각패턴으로 냉각하는데, 본 발명의 특징이 있다.

즉, 열간압연한 직후 통상의 냉각속도로서, 펄라이트를 미세화와 더불어 마르텐사이트의 생성이 억제되는 20-25℃/sec의 속도로 500-600℃까지 1단계 냉각한 후, 이어 탄소량이 0.4-0.6%인 선재의 경우 10℃/sec이하의 속도로 바꾸고, 탄소량이 0.6-1.0%인 선재의 경우 5℃/sec이하의 속도로 바꿔서 2단계 냉각하는 것이다.

상기 1단계와 2단계의 냉각속도를 바꾸는 온도가 만일 500℃이하이면 마르텐사이트가 형성될 수 있으며, 600℃를 초과하는 경우 펄라이트가 조대해져 강도가 떨어질 수 있기 때문이다.

그리고, 상기 2단계 냉각시 탄소량에 따라 냉각속도를 제어하는데, 이는 후술하는 실시예에서 제시되는 바와 같이, 탄소량에 따라 마르텐사이트가 생성될 수 있는 냉각속도가 다르기 때문이다.

즉, 탄소량이 0.4-0.6%의 경우 냉각속도를 10℃/sec이하로 하는 것이 필요한데, 만일 이 속도를 초과하는 경우 마르텐사이트가 생성될 수 있다. 또한, 탄소량이 0.6-1.0%인 선재의 경우 5℃/sec이하의 속도로 냉각하는 것이 필요한데, 만일 이 속도를 초과하는 경우 마르텐사이트가 형성될 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따라 냉각속도를 2단계로 구분하여 2단계의 냉각속도를 탄소량에 따라 제어하면, 빌렛에 망간의 편석량이 1.3%까지 되더라도 마르텐사이트의 형성이 억제되어 신성성이 확보된다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다.

[실시예 1]

편석대의 망간 및 탄소량을 인위적으로 변화시키기 어려우므로 표 1과 같은 표준샘플을 만들었다. 즉, 편석대에 존재할 수 있는 정도로 많은 망간양을 함유시킨 표 1과 같은 빌렛을 제조하였는데, 단 이 빌렛에는 편석대는 존재하지 않도록 하였다. 따라서, 이 빌렛에서 망간양에 따른 마르텐사이트 생성조건을 찾으면, 그 망간양은 편석대의 망간양에서의 마르텐사이트 생성조건으로 볼 수 있다.

강종	화학성분(중량%)
	C	Mn	Si	S	P
실시재1	0.55	0.7-2.5	0.29	0.0015	0.002
실시재2	0.77

상기표 1의 실시재(1-2)는 망간의 함량이 0.7-2.5%로 변화되는 것이며, 이러한 빌렛들을 약 1050℃로 재가열하고 열간선재압연한 후 830-800℃의 온도에서 선재를 권취하였으며, 이때 선재의 오스테나이트 결정립크기는 16㎛였다.

상기 선재를 여러 가지 냉각속도로 상온까지 냉각한 다음, 망간함량의 변화에 따라 마르텐사이트가 형성되는 임계 냉각속도를 실시재(1) 및 실시재(2)로 나누어 도 1에 나타내었다.

도 1에 나타난 바와 같이, 종래조건인 20-25℃/sec의 냉각속도에서는 Mn의 함량이 상대적으로 높은 경우 마르텐사이트가 형성되는 문제가 있었다.

즉, ① C함량이 0.55%인 실시재(1)의 경우,

Mn함량이 1.3%에서는 약 14℃/sec이상의 속도로 냉각하면 마르텐사이트의 생성되며, Mn함량이 1.0%에서는 약 25℃/sec이상의 속도로 냉각하면 마르텐사이트가 생성된다.

② C함량이 0.77%인 실시재(2)의 경우,

Mn함량이 1.0%이면 약 12℃/sec이상의 속도로 냉각하면 마르테사이트가 생성되었다.

이상의 결과를 볼 때, 냉각속도를 가능한 낮게 하면 마르텐사이트 생성이 억제되나 그렇게 되면 펄라이트를 미세화 할 수 없어 신선성 및 강도를 충분히 확보할 수 없다는 것을 확인할 수 있었다. 따라서, 펄라이트를 미세화하면서 마르텐사이트의 생성을 억제할 수 있는 방법이 요구된다.

한편, 상기 도 1의 내용을 정량화하여 강종에 따라 마르텐사이트가 생성될 수 있는 냉각속도를 나타내면 하기표 2와 같다.

Mn(%)C(%)	0.7	1.0	1.3	1.6	2.0	2.2
0.55	40℃/sec	25℃/sec	14℃/sec	7℃/sec	1℃/sec	1℃/sec
0.77	23℃/sec	12℃/sec	7℃/sec	3℃/sec	1℃/sec	1℃/sec

상기표 2를 참고로 실시결과를 다시 설명하면, 오스테나이트 결정립크기가 16㎛로 Mn함량이 1.3%이고, C가 0.55%일 경우 약 14℃/sec의 냉각속도에서 마르텐사이트가 형성되며, 또한 C가 0.77%로 변화될 경우 약 7℃/sec의 냉각속도에서 마르텐사이트가 형성됨을 알 수 있었다. 이 결과를 볼 때, 오스테나이트 결정립크기도 16㎛ 보다 더 작게 하여야 마르텐사이트 생성을 억제할 수 있음을 짐작할 수 있었다.

[실시예 2]

실시예 1과 같이 Si:0.29%, S:0.0015%, P:0.002%를 함유하고, C, Mn이 하기표 3과 같이 이루어지는 실험재의 오스테나이트 크기가 다양하도록 한 후 20℃/sec의 일정한 속도로 냉각한 다음, 마르텐사이트가 형성되는 임계 오스테나이트 결정립의 크기를 Mn함량에 따라 구하고, 그 결과를 하기표 3에 나타내었다.

Mn(%)C(%)	0.7	1.0	1.3	1.6	2.0	2.2
0.55	27㎛	18㎛	<10㎛	-	-	-
0.77	17㎛	<10㎛	-	-	-	-

상기표 3에 나타난 바와 같이, ①C함량이 0.55%인 경우,

Mn함량이 1.0%인 실험재를 20℃/sec의 속도로 냉각하는 경우 마르텐사이트의 생성을 억제하기 위해서는 오스테나이트 결정립의 크기가 약 18㎛이하가 되어야 함을 알 수 있었다. 또한, Mn함량이 1.3%인 실험재를 20℃/sec의 속도로 냉각하는 경우 마르텐사이트의 생성을 억제하기 위해서는 오스테나이트 결정립의 크기가 약 10㎛이하가 되어야 함을 알 수 있었다.

②C함량이 0.77%인 경우, Mn함량이 1.0%이상인 실험재를 20℃/sec의 속도로 냉각하는 경우 마르텐사이트의 생성을 억제하기 위해서는 오스테나이트 결정립의 크기가 10㎛이하가 되어야 함을 알 수 있었다.

[실시예 3]

실시예 1과 같이 Si:0.29%, S:0.0015%, P:0.002%를 함유하고, C, Mn이 하기표 4와 같이 이루어지는 빌렛을 1050℃로 재가열하고 열간선재압연한 후 약 830-800℃의 온도에서 선재를 권취하였으며, 이때 선재의 오스테나이트 결정립크기는 15㎛였다.

상기 선재를 20℃/sec의 속도로 600-500℃까지 1단계 냉각한 직후, 냉각속도를 1-10℃/sec로 변화시키면서 상온까지 2단계 냉각한 다음, 마르텐사이트 형성여부와 미세경도를 측정하고 그 결과를 하기표 4에 나타내었다.

강종	1단계-2단계의냉각속도변화개시온도	2단계 냉각조건
		1℃/sec	5℃/sec	10℃/sec
		마르텐사이트 형성유무	경도(Hv)	마르텐사이트 형성유무	경도(Hv)	마르텐사이트 형성유무	경도(Hv)
0.55%C-1.3%Mn	600	무	272.5	무	288.1	무	305.5
	550	무	293.1	무	293.3	무	307.1
	500	무	286.6	무	313.9	유	393.9
0.77%C-1.3%Mn	600	무	323.1	무	352.8	유	426.1
	550	무	338	무	360.6	유	544.4
	500	무	333.6	유	490.4	유	736

상기표 4에 나타난 바와 같이, 0.6%C이하의 선재에서는 600-500℃의 온도범위에서 10℃/sec, 0.6%C이상의 선재에서는 5℃/sec이하의 속도로 냉각하면 마르텐사이트 형성이 없고, 미세경도도 270Hv이상으로 통상의 강도를 유지하고 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면 신선용으로 사용되는 0.4%-1.0%의 탄소량을 함유한 선재의 Mn편석이 1.3%가 되더라도 탄소량에 따라 냉각속도를 2단계로 구분하면 마르텐사이트가 형성되지 않는 신선용 선재를 제공할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 중량%로 C:0.4-1.0%, Mn:0.1-1.0%, Si:0.1-0.5%, S:0.03%이하, P:0.03%이하 및 나머지 Fe와 불가피한 불순물로 이루어지고, 편석대의 Mn양이 1.3%이하가 되는 빌렛을 재가열하고 열간선재압연하여 오스테나이트 결정립이 15㎛이하가 되도록 한 다음, 20-25℃/sec의 속도로 600-500℃의 온도까지 냉각하고, 이어 탄소량이 0.4~0.6%이하이면 10℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하고, 탄소량이 0.6-1.0%이면 5℃/sec이하의 속도로 상온까지 냉각하여 이루어지는 망간(Mn)편석부위의 마르텐사이트 형성을 억제할 수 있는 선재의 제조방법.

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