KR100347581B1

KR100347581B1 - 고강도선재의제조방법

Info

Publication number: KR100347581B1
Application number: KR1019970075013A
Authority: KR
Inventors: 이익균; 장용관
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 1997-12-27
Filing date: 1997-12-27
Publication date: 2002-10-25
Also published as: KR19990055106A

Abstract

본 발명은 고강도 과공석선재의 제조방법에 있어서 중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하의 조성을 갖는 강을 열간압연한 후 냉각시 850-950℃의 냉각개시온도부터 펄라이트변태완료온도까지 [목표인장강도=2×냉각속도+105]의 식에 의한 냉각속도범위로 냉각하되 냉각속도의 범위를 5-25℃/sec로 제한하여 선재의 고강도, 고신선성을 확보하는 것을 특징으로 하는 고강도선재의 제조방법에 관한 것으로, 신선시 유해한 초석시멘타이트나 마르텐사이트를 유발시키지 않아 고강도, 고신선성을 갖는 선재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

고강도선재의 제조방법{METHOD FOR PREPARING WIRE ROD WITH HIGH STIFFNESS}

본 발명은 고강도선재의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강의 조성 및 냉각속도를 조절하여 고강도가 요구되는 특수교량케이블이나 콘크리트보강용 강선 등에 사용되어지는 실리콘을 함유한 신선용 고강도선재를 제조하는 방법에 관한 것이다.

용도의 특성상 재료의 강도가 높을 것이 요구되는 특수교량케이블, 콘크리트보강용 강선, 자동차타이어코드 등에는 실제로 사용되는 재료중 강도가 가장 높은 공석강선이나 과공석강선이 사용되고 있다.

일반적으로 공석강선이나 과공석강선을 제조할 때는 직경 5.5-13.0mm의 선재를 열처리하고 신선하여 사용하고자 하는 용도의 특성에 적합한 강도와 크기를 갖는 공석강선이나 과공석강선으로 제조한다.

최근 사용환경이 극심해지고 거대구조물의 건축이 증가하는 추세에 따라 이들 강선들에 대하여 높은 강도가 요구되고 있으며, 그에 따라 합금원소의 첨가나 제조공정의 최적화 등을 통해 강선을 고강도화하고 있다.

신선용 공석강선 및 과공석강선에 있어서 강도를 증가시키는 대표적인 방법은 이들 강선의 주구성조직인 펄라이트(perlite)를 미세화시키거나 펄라이트내 페라이트(ferrite)에 고용강화를 야기시키는 것이다. 강선에 크롬(Cr), 실리콘(Si), 코발트(Co) 등의 원소를 첨가하면 펄라이트를 미세화시킬 수 있다.

강의 5대합금원소인 탄소(C), 망간(Mn), 실리콘(Si), 황(S), 인(P)을 제외한 합금원소들은 미량원소로써 공석강 및 과공석강에 충분한 강화효과를 부여한다.

그러나 미량합금원소들은 단가가 높고 강의 경화능을 향상시켜 부적절한 냉각시 신선성에 유해한 베이나이트(bainite), 마르텐사이트(martensite)조직을 발생시킬 확률이 높은 문제점이 있기 때문에 최근에는 강종의 단순화추세와 더불어 강의 5대합금원소의 함량을 적절히 조절하여 신선용 공석강 및 과공석강의 강도를 증가시키려는 시도가 이루어지고 있다.

강의 5대합금원소중 실리콘은 펄라이트의 미세화와 펄라이트내 페라이트의 고용강화효과를 동시에 나타내는 원소이다.

실리콘은 망간에 비해 경화능의 향상효과도 낮으므로 펄라이트조직을 갖는 신선용 고강도탄소강의 강화에 가장 적합한 원소이다.

또한 탄소도 강도의 증가에 가장 효과적인 원소로 알려져 있다.

따라서 공석조성이상의 탄소를 함유하는 일반과공석탄소강에 실리콘을 0.1-0.3중량%이상 첨가한 고강도선재를 개발하고자 시도하고 있다.

신선공정을 통하여 공석강선 및 과공석강선을 제조할 경우 상기 언급한 바와 같이 신선에 적합한 미세펄라이트조직을 부여하기 위해 신선전에 페이턴팅(patenting)열처리를 행하며 페이턴팅열처리는 통상 납조(Pb bath)에서 실시한다.

페이턴팅열처리는 납조에서 실시하므로 환경오염의 문제가 있고 별도의 열처리공정을 추가하여야 하므로 생산성이 저하되고 생산원가가 상승하는 등의 문제점이 수반된다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 최근에는 선재 열간압연후 항온냉각이 아닌 연속제어냉각을 하여 페이턴팅처리재와 유사하게 미세펄라이트를 갖는 열처리생략형 신선용 선재가 생산되고 있다.

연속제어냉각을 통해 적합한 미세펄라이트를 갖는 고실리콘함유 고강도선재를 제조하기 위해서는 공석조성이상의 탄소를 함유함에 따라 신선에 유해한 초석시멘타이트가 발생하는 것을 억제함과 동시에 실리콘함량이 증가함에 따라 경화능이 향상되어 저온조직이 발생하는 것을 억제하여야 한다.

연속제어냉각을 통한 고실리콘함유 고강도선재의 제조에 관한 대표적인 종래기술로는 일본특허공개공보(평)4-100772, (평)4-254526 등에서 제안하는 실리콘첨가에 의한 직접 페이턴팅형 고강도선재를 들 수 있다.

상기 일본특허공개공보 (평)4-100772호는 C:0.9-1.1%, Si:0.15-1.5%, Mn:0.3-0.6%, Cr:0.1-0.5%를 포함하는 강에 있어서 선재압연후 750-950℃부터 냉각할 때 초석시멘타이트가 석출되지 않는 임계탄소함량을 550℃까지의 냉각속도에 대한 함수로 표현한 것을 특징으로 한다.

그러나 실리콘의 함량증가에 따라 경화능이 향상되어 저온조직이 발생하는 것은 고려하지 않고 있으며, 망간의 함량을 0.3-0.6%로 제한하고 있으므로 망간 0.6% 초과 함유하는 고강도가 요구되는 과공석강에서는 적용이 곤란하다는 문제점이 있다. 또한 크롬첨가에 의하여 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.

오찌아이(洛合)등이 1983년 7월호 와이어저널인터내셔널(Wire Journal International)에 발표한 '실리콘첨가에 의한 직접페이턴팅형 고강도선재'는 강재공냉을 통하여 C:0.83%, Si:0.25-1.83%, Mn:0.6%이하의 강선을 제조하는 공정중 신선과정에서 실리콘함량의 변화에 따른 기계적 성질의 변화에 대한 것으로서 연속제어냉각시 신선성에 유해한 조직을 억제하는 냉각조건에 대해서는 언급하지 않고 있다는 단점이 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 고실리콘함유 고강도선재를 연속제어냉각법을 적용하여 제조시 선재압연후 냉각개시온도로부터 펄라이트변태완료온도까지 냉각속도를 제어하여 고강도화를 실현함으로써 고강도강을 요구하는 수요가의 요구에 부응하는 고강도선재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 탄소함유선재의 냉각속도에 따른 인장강도를 나타낸 그래프.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고강도 과공석선재의 제조방법에 있어서, 중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하의 조성을 갖는 강을 열간압연한 후 냉각시 850-950℃의 냉각개시온도부터 펄라이트변태완료온도까지 [목표인장강도=2×냉각속도+105]의 식에 의한 냉각속도범위로 냉각하되 냉각속도의 범위를 5-25℃/sec로 제한하여 선재의 고강도, 고신선성을 확보하는 것을 특징으로 하는 고강도선재의 제조방법이다.

이하 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

대상선재의 화학성분을 중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하로 제한하는 이유는 다음과 같다.

탄소는 강도증가에 가장 효과적인 원소로 알려져 있으나, 탄소의 함량이 0.8%미만이면 초석페라이트가 생성되어 강도가 저하되며 초석페라이트가 존재할 경우 펄라이트와 초석페라이트계면에서 균열이 발생하여 신선시 단선이 발생할 확률이 높아지는 문제점이 있다.

반면 탄소의 함량이 1.2%를 넘게 되면 초석시멘타이트의 석출을 억제하는 것이 불가능하다는 문제점이 있다.

따라서 탄소의 함량은 0.8-1.2%로 제한하는 것이 바람직하다.

실리콘은 강의 탈산에 필수적인 원소로서 적당량 첨가할 경우 펄라이트내의 페라이트에 농축, 고용강화를 일으킴으로써 펄라이트의 강도를 향상시킨다.

그러나 함량이 0.2%미만인 경우 탈산효과가 충분하지 않은 문제점이 있으며, 함량이 과다할 경우 선재제조공정중 표면탈탄을 조장하고 특히 함량이 2.0%를 초과하는 경우 강의 경화능이 상당히 향상되어 저온조직의 발생이 용이해지는 문제점이 있다.

또한 전술한 바와 같이 고용강화에 의하여 강도를 증가시키는 동시에 연성을감소시켜 신선성을 저하시키게 된다.

따라서 실리콘의 함량은 0.2-2.0%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간은 강의 제조시 탈산효과가 크며 강의 제조시 필수적으로 함유되는 황과 반응하여 황화망간(MnS)을 형성하여 황의 결정립계 편석에 의한 적열취성을 방지하는 효과를 나타낸다.

일반적으로 0.6%이상의 망간을 첨가한 경우에는 경화능이 향상되고 편석에 의한 저온조직을 발생시킬 수 있으나 강도증가의 효과가 매우 현저하므로 본 발명에서는 0.6%이상 첨가한다.

그러나 함량이 1%이상인 경우에는 저온조직발생을 억제하기 위해 서냉을 하게 되어 초석시멘타이트의 석출을 야기시킨다. 또한 서냉에 의해 조대한 펄라이트가 생성되어 원하는 강도를 얻을 수 없다.

따라서 망간의 함량은 0.6-0.9%로 제한하는 것이 바람직하다.

인은 제강시 중심부에 편석되기 쉬운 원소로서 선재압연후에도 중심부에 편석대를 형성하여 연성 및 인성을 저하시켜 결과적으로 신선선을 감소시키므로 인의 함량은 0.01%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

황은 결정입계에 편석되기 쉬운 원소로서 결정입계에 편석될 경우 결정입계를 취약하게 하고 특히 고온압연시 적열취성을 일으키므로 0.01%이하로 제한하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 조성되는 강을 선재로 열간압연한 후 850-950℃의 온도범위에서부터 냉각을 개시함이 바람직하며 그 이유는 다음과 같다.

850℃미만에서 냉각을 개시하는 경우 연속냉각곡선상 초석시멘타이트의 석출이 개시되는 온도가 빠른 냉각속도측으로 이동하여 초석시멘타이트가 석출되지 않는 냉각속도범위가 상당히 제한된다.

반면 950℃보다 높은 온도에서 냉각을 개시하는 경우 오스테나이트입자가 조대화되어 기계적 성질이 저하될 뿐 아니라 선재의 권취시 권취가 불량해지고 표면에 결함이 발생하는 등 선재품질의 저하를 야기한다.

따라서 선재의 냉각개시온도는 850-950℃로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는 선재의 냉각을 개시하는 온도부터 펄라이트의 변태가 완료되기까지 냉각속도(℃/sec)는 목표로 하는 인장강도(kg/mm²)을 이용하여 하기의 수학식 1로 구한다.

목표인장강도=2×냉각속도+105

목표하는 인장강도에 따라 상기의 수학식 1을 활용하되 냉각속도범위를 5-25℃/sec범위로 한정하는 것이 바람직하며 그 이유는 다음과 같다.

상기의 화학조성을 갖는 강들을 5℃/sec미만의 냉각속도로 냉각개시온도로부터 펄라이트변태완료온도까지 냉각시킬 경우 초석시멘타이트석출에 필요한 탄소확산에 필요한 시간이 충분하여 신선시 단선을 유발시키는 초석시멘타이트가 다량 석출된다.

또한 25℃/sec보다 빠른 냉각속도로 냉각시 펄라이트로의 변태가 완료되지못한 조직이 마르텐사이트나 베이나이트로 변태되어 신선시 균열발생사이트를 제공한다.

특히 상기의 화학조성에서는 강이 다량의 실리콘을 함유하므로 실리콘에 의하여 경화능이 향상되어 저온조직인 마르텐사이트나 베이나이트에 의한 균열발생을 더욱 촉진시킨다.

따라서 선재압연후 냉각개시온도로부터 펄라이트변태완료온도까지의 냉각속도는 상기 수학식 1에 근거하여 목표로 하는 인장강도에 따라 설정하되 신선성에 유해한 영향을 미치지 않는 냉각속도의 범위를 5-25℃/sec로 제한하는 것이 바람직하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

(실시예)

하기 표와 같은 화학성분을 갖는 과공석강을 제조하였다.

제조한 과공석강을 압연한 후 850℃에서 냉각을 개시하여 5-25℃/sec의 냉각속도로 펄라이트변태완료온도까지 냉각을 실시한 후 조직검사를 통해 냉각속도에 따른 인장강도의 변화 및 펄라이트변태, 초석시멘타이트의 석출, 저온조직인 마르텐사이트의 발생여부 등을 조사하여 그 결과를 하기 표 1와 도 1에 나타내었다.

상기 표 1의 내부조직에서 C는 초석시멘타이트를, P는 펄라이트를, M은 마르텐사이트를 나타내는 것이다.

표 1에서 알 수 있듯이 변태구간에서의 냉각속도가 클수록 미세한 펄라이트조직이 형성되나 25℃/sec가 되면 신선시 유해한 영향을 미치는 저온조직인 마르텐사이트조직이 형성되기 시작하여 냉각속도가 25℃/sec를 초과하면 마르텐사이트조직의 발생이 많아지게 된다.

또 5℃/sec의 속도로 냉각시 초석시멘타이트가 석출되기 시작하여 냉각속도가 5℃/sec미만으로 느려지면 초석시멘타이트의 발생시간을 부여하여 다량의 초석시멘타이트가 석출되게 된다.

도 1은 냉각속도변화에 따른 인장강도의 변화를 도시한 그래프로서 상기 수학식 1과 부합함을 알 수 있다.

도 1의 그래프를 이용하여 목표로 하는 인장강도에 따라 냉각속도를 다양하게 조절할 수 있으며, 신선시 유해한 영향을미치는 초석페라이트나 마르텐사이트의 발생온도범위를 피할 수 있는 영역을 알 수 있다.

상기한 냉각속도에 따른 내부조직과 인장강도의 관계에 근거하여 열간압연을 실시한 후 펄라이트변태개시온도 850℃에서 냉각속도를 달리하여 냉각을 실시하였을 때 내부조직과 인장강도의 변화를 측정하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

상기 표 2에서 P는 펄라이트, F.P는 미세한 펄라이트를 나타낸다.

상기 표 2에서 알 수 있듯이 유사한 화학성분을 가지는 선재를 냉각속도를 상승시켜 펄라이트변태개시온도부터 변태완료까지의 냉각시켰을 때 내부조직 및 인장강도가 보다 우수한 선재를 얻을 수 있었다.

상기와 같은 본 발명은 합금성분을 제어한 강을 열간압연한 후 5-25℃/sec범위내에서 일정한 식에 의해 계산된 냉각속도로 850-950℃의 냉각개시온도부터 펄라이트변태완료까지 냉각시킴으로써 목표로 하는 고강도의 인장강도와 신선성을 확보할 수 있으며 신선시 유해한 초석시멘타이트나 마르텐사이트를 유발시키지 않아 고강도, 고신선성을 갖는 선재를 제조할 수 있는 효과가 있다.

Claims

중량%로 C:0.8-1.2%, Si:0.2-2.0%, Mn:0.6-0.9%, S:0.01%이하, P:0.01%이하를 함유한 강을 열간압연한 후 냉각시 850-950℃의 냉각개시온도부터 펄라이트변태완료온도까지 냉각하여 고강도 광공석선재를 제조하는 방법에 있어서,

하기 식에 의한 냉각속도범위로 냉각하되 냉각속도의 범위를 5-25℃/sec로 제한하여 고강도, 고신선성을 확보하는 것을 특징으로 하는 고강도선재의 제조방법.

목표인장강도=2×냉각속도+105