KR100503545B1 - 고강도 강선 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 명세서의 개시 내용은 높은 강도뿐만 아니라 우수한 연성에 의해 변형 시효 취화 및 종방향 균열에 대한 저항성이 우수한 고강도 고탄소 강선에 관한 것이다.
강선은 (질량%로) 탄소(C) : 0.75% 내지 1.20%, 규소(Si) : 0.1% 내지 1.5%, 망간(Mn) : 0.3% 내지 1.2%, 인(P) : 0.02% 이하, 황(S) : 0.02% 이하, 알루미늄(Al) : 0.005% 이하, 질소(N) : 0.008% 이하를 포함하고, 나머지 철(Fe)과 불가피한 불순물을 갖는 화학적 조성을 갖는 것을 특징으로 한다. 강선은 비결정질 형태의 라멜라 시멘타이트를 함유한 가공된 펄라이트 조직과, 0.15mm 내지 0.4mm 범위의 직경(D)과, 주성분이 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 아연(Zn) 중 적어도 하나 또는 그들의 합금으로 구성된 표면층으로서의 금속 윤활막, 및 3500×D-0.145MPa 이상 (3500×D-0.145+87×[C]-5)MPa 이하의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 한다([C]는 탄소 함유량을 백분율로 표시함).

Description

고강도 강선 및 그 제조 방법{HIGH-STRENGTH STEEL WIRE EXCELLING IN RESISTANCE TO STRAIN AGING EMBRITTLEMENT AND LONGITUDINAL CRACKING, AND METHOD FOR PRODUCTION THEREOF}
본 발명은 고강도 강선 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 상기 강선은 냉간 가공 후에 열처리(블루잉 등) 없이 출하디는 것으로 와이어 코드 및 와이어 로프에 사용되는 것이다.
자동차용 스틸 타이어 등의 보강재로 사용되는 스틸 코드 와이어 또는 비드 와이어는 직경이 약 0.15mm 내지 0.4mm이며 310kgf/㎠ 이상의 높은 강도를 갖는 매우 가는 강선을 서로 꼬아 제조된다.
상기 강선은 고탄소강(공석강 또는 과공석강)의 열간 압연 선재를 드로잉 가공(직경을 감소시킴), 파텐팅(patenting), 산세척(acid pickling), 황동 도금(금속 윤활용), 및 최종 습식 냉간 드로잉 가공하여 제조된다. 완성된 강선은 직경이 0.2mm 정도로 가늘다. 파텐팅 단계는 강선에 인성을 부여하도록 오스테나이트 조직을 균일하고 미세한 펄라이트 조직으로 변태시키기 위해 500℃ 내지 550℃에서 수행된다.
최근의 자동차용 타이어에는 내구성 향상이 요구되며, 타이어 코드용의 강선은 이전보다 높은 강도가 요구되고 있다. 강선은 탄소 함유량을 증가시킴으로써 용이하게 강도가 개선될 수 있다. 그러나, 고강도는 충분한 연성을 동반해야 한다. 연성을 고려하지 않고 강도를 개선하려고 하면, 비틀림시 세로로 파괴가 일어나는 종방향 균열이 발생한다.
종방향 균열을 방지하기 위한 몇가지 아이디어가 다음과 같이 제안되어 왔다.
일본 특허 공보 제 99746/1994 호는 펄라이트 라멜라 조직을 미세화하는 크롬(Cr), 코발트(Co)가 함유된 강을 개시하고 있다.
일본 특허 공개 공보 제 99312/1997 호는 드로잉 가공에 의한 변형량에 따라 면적의 감소가 제어되는 방식으로 강선을 연속적으로 다이를 통해 드로잉 가공하는 방법을 개시하고 있다.
일본 특허 공개 공보 제 121199/1998 호는 미세 펄라이트를 주성분으로 하여 그것의 라멜라 시멘타이트(lamellar cementite)를 비결정질(amorphous)로 한 강선을 개시하고 있다.
일본 특허 공개 공보 제 199980/1999 호는 페라이트가 1.5원자% 이하의 고용 탄소를 함유하는 펄라이트 조직을 갖는 강선을 개시하고 있다.
일본 특허 공개 공보 제 269607/1999 호는 시멘타이트의 양이 탄소의 양에 따라 제어되며, 시멘타이트의 평균 입자 직경이 2nm 내지 10nm인 강선을 개시하고 있다.
상술한 종래의 기술은 강도 개선의 목적을 어느 정도 달성하였다. 그러나 강도를 한층 더 강화할 필요성이 여전히 존재한다. 불행히도, 고탄소 강선은 드로잉 가공후 상온에 방치되는 경우에 변형 시효(strain aging)가 발생하게 되며, 이 변형 시효는 강도를 더욱 증가시킨다["재료와 프로세스(Materials and process)" CAMP-ISIJ vol. 12(1999), p461 참조]. 변형 시효에 의한 강도의 증가는 고탄소 강선을 종방향 균열에 보다 약하게 만든다. 이 때문에, 변형 시효에 의한 강도의 증가에도 불구하고 종방향 균열에 대한 우수한 저항성을 유지하기에 충분한 연성을 갖는 고강도 고탄소 강선의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상술한 문제의 관점에서 완성되었다. 본 발명의 목적은 고강도 강선 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 상기 강선은 높은 강도뿐만 아니라, 충분한 연성, 및 변형 시효 취화 및 종방향 균열에 대한 저항성에 있어서 우수성을 갖는다.
본 발명은, 고탄소 강선에 있어서 적절한 드로잉 가공을 실시하여 강선의 직경과 탄소 함유량으로 규정되는 특정 조직과 특정 강도를 갖도록 제어된다면, 변형 시효 취화에 대한 저항성이 우수한 고강도 고탄소 강선이 얻어진다는 본 발명자의 발견에 기초한 것이다.
또한, 본 발명은, 종방향 균열에 대한 저항성은 시멘타이트가 비결정질(amorphous) 형태로 존재할 때 개선되며, 변형 시효에 대한 저항성은 냉간 습식 드로잉 가공이 시행되어 변형 시효를 최소화할 때 개선된다는 사실에 기초한 것이다.
이하, 상세하게 설명한다. 만약 해당 강선이 통상적인 강선보다 높은 강도를 가져야 한다면, 최종 드로잉 가공에 앞서 파텐팅 후에 가능한 한 높은 강도를 갖도록 처리되어야 한다. 그러나 파텐팅이 적절하게 제어되더라도 파텐팅에 의해 얻어지는 강도에는 한계가 있다. 강선에 높은 강도를 부여하는 유일한 방법은 드로잉 가공에 의해 가공량을 증가시키는 것이다. 3.0 이상의 진변형률(ε) 조건에서의 가공은 불가피한 것이다. 강선 드로잉 가공은 다이 표면에 대한 마찰에 의한 열을 발생시키며, 강선의 직경이 감소할수록 열의 양은 증가하며, 그리하여 보다 빠르게 다이를 통과한다. 이러한 이유 때문에, 최종 단계에서의 드로잉 가공은 냉각을 수반한 드로잉 가공인 습식 드로잉 가공으로 이루어진다. 종래의 습식 드로잉 조건하에서는 드로잉중에 변형 시효가 발생하지 않는 것으로 간주되었다. 그러나, 최근의 연구에 따르면, 진변형률(ε)이 3.0 이상인 상태에서의 심한 가공은 변형 시효에 기인한 취화가 현저해진다는 것이 밝혀졌다. 이러한 취화는 드로잉 가공 직후나 또는 상온에서 소정 시간 방치되어 연성이 저하된 최종 강선에 종방향 균열을 발생시킨다.
본 발명은 상술한 발견과 지식을 바탕으로 한 것이다. 본 발명의 제 1 특징은 고강도 고탄소 강선이,
구리(C) : 0.75% 내지 1.20%
규소(Si) : 0.1% 내지 1.5%
망간(Mn) : 0.3% 내지 1.2%
인(P) : 0.02% 이하
황(S) : 0.02% 이하
알루미늄(Al) : 0.005% 이하
질소(N) : 0.008% 이하
와 잔부 철(Fe)과 불가피한 불순물을 갖는 화학적 조성(질량% 단위)과, 비결정질 형태의 라멜라 시멘타이트를 함유한 가공된 펄라이트 조직과, 0.15mm 내지 0.4mm 범위의 직경(D)과, 주성분이 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)중 적어도 하나 또는 이들의 합금으로 구성된 표면층으로서의 금속 윤활막, 및 3500×D-0.145MPa 이상 (3500×D-0.145+87×[C]-5)MPa 이하의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 한다([C]는 탄소 함유량을 백분율로 표시함). 본 발명은 화학적 조성이 추가적으로 다음의 성분을 개별적으로 또는 복합적으로 포함하도록 수정될 수 있다.
(1) 니켈(Ni) : 0.10% 내지 1.0%, 크롬(Cr) : 0.10% 내지 1.0%, 몰리브덴(Mo) : 0.10% 내지 0.5% 중 적어도 하나,
(2) 구리(Cu) : 0.05% 이상 0.20% 이하
(3) 코발트(Co) : 2.0% 이하
(4) 붕소(B) : 0.0003% 내지 0.0050%
본 발명의 제 2 특징은 고강도 강선을 제조하는 방법으로서, 이는 열간 압연 선재를 드로잉 가공하고, 드로잉 가공된 강선에 파텐팅 및 산세척을 시행하고, 그 위에 주성분이 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)중 적어도 하나 또는 이들의 합금으로 구성된 표면층으로서의 금속 윤활막을 형성하고, 직경을 0.15mm 내지 0.4mm로 감소시키도록 최종 드로잉 가공하는 것으로 수행되며, 강선은 위에 지시된 화학 조성을 가지며, 파텐팅 처리는 처리된 강선이 (540×[C]+1055)MPa 이상 (540×[C]+1065)MPa 이하의 인장 강도를 갖는 조건하에서 수행되며([C]는 탄소함유량을 백분율로 표시함), 최종 드로잉 가공은 2.0 이상의 진변형률(ε)을 갖도록 하는 냉간 습식 드로잉 가공이거나 또는 3.0 이상의 진변형률(ε)을 갖도록 하는 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공이며, 상기 드로잉 가공은 다음의 4가지 조건중 적어도 2개를 만족시키도록 수행된다.
(1) 다이아몬드 다이는 6° 내지 12°의 접근 각도를 갖는다.
(2) 다이아몬드 다이는 그것의 내경을 d로 할 경우 길이가 0.3d 내지 0.5d의 베어링부를 갖는다.
(3) 습식 드로잉은 35±10℃에서 제어되는 윤활제를 이용한다.
(4) 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공은 면적 감소가 20% 이하가 되도록 수행된다.
최종 드로잉 가공은 D가 강선의 직경(mm)을 나타내고 V가 드로잉 속도(m/min)를 나타내는 경우 200mmㆍm/min 이하인 DV로 지시된 드로잉 속도로 수행된다.
바람직한 실시예의 설명
본 발명에 따른 고강도 강선은,
구리(C) : 0.75% 내지 1.20%
규소(Si) : 0.1% 내지 1.5%
망간(Mn) : 0.3% 내지 1.2%
인(P) : 0.02% 이하
황(S) : 0.02% 이하
알루미늄(Al) : 0.005% 이하
질소(N) : 0.008% 이하
와 함께 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 함유하는 화학적 조성(질량% 단위)을 갖는 것을 특징으로 한다. 각 성분의 함유량의 한정 이유에 대해 설명한다.
탄소(C) : 0.75% 내지 1.20%
탄소는 경제적인 원소로서, 강도의 증대에 효과적이다. 탄소는 그것의 함유량에 비례하여 드로잉 가공시에 가공경화량을 증가시키고, 또한 드로잉 가공후에 강도를 증가시킨다. 탄소의 함유량이 극히 적으면, 생성된 강선은 필요 이상의 페라이트를 함유할 것이다. 따라서, 본 발명은 탄소 함유량의 하한이 0.75%이고, 바람직하게는 0.80%일 것을 요구한다. 탄소 함유율이 지나치게 높으면, 완성된 강선은 오스테나이트 입계(粒界)에 망상의 초석(pro-eutectic) 시멘타이트가 석출되어 드로잉 가공시에 파단이 일어나기 쉬우며, 최종의 미세 강선은 매우 열악한 인성과 연성을 갖는다. 따라서, 본 발명은 탄소 함유량의 상한이 1.20%이고, 바람직하게는 1.10%일 것을 요구한다.
규소(Si) : 0.1% 내지 1.5%
규소는 효과적인 탈산제로 기능한다. 알루미늄을 함유하지 않은 강선을 이용하는 본 발명에 있어서, 규소는 중요한 역할을 한다. 본 발명은 규소 함유량의 하한이 0.1%일 것을 요구한다. 0.1% 미만의 규소는 그 탈산 효과를 충분히 발휘하지 못한다. 본 발명은 규소 함유량의 상한이 1.5%이고, 바람직하게는 1.0%이며, 보다 바람직하게는 0.5%일 것을 요구한다. 과도한 양의 규소는 기계적인 디스케일링(mechanical descaling)(이하 MD로 줄여 표기함)에 의해 드로잉 가공하는 것을 어렵게 한다.
망간(Mn) : 0.3% 내지 1.2%
망간도 역시 규소와 같이 효과적인 탈산제로 작용한다. 의도적으로 알루미늄을 함유하지 않은 강선을 이용하는 본 발명에 있어서, 완전한 탈산을 위해 망간은 규소와 복합적으로 사용되어야 한다. 망간은 강내의 황과 결합하여 황화망간(MnS)을 형성하며, 그리하여 강의 인성과 연성을 개선한다. 그것은 또한 강의 소입성(hardenability)을 개선하고, 압연재의 초석 시멘타이트의 양을 감소시킨다. 본 발명은 망간 함유량의 하한이 0.3%이며, 바람직하게는 0.4%일 것을 요구한다. 한편, 망간은 편석되기 쉬우며, 따라서 과도한 양의 망간은 망간 편석 영역에 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 과냉 조직을 생성하여 드로잉 가공성을 열화시킨다. 이러한 이유 때문에, 본 발명은 망간 함유량의 상한이 1.2%이며, 바람직하게는 1.0%일 것을 요구한다.
인(P) : 0.02% 이하
황(S) : 0.02% 이하
질소(N) : 0.008% 이하
이들 불순물 원소는 연성을 저하시키기 때문에 가능한 한 소량이어야 한다. 따라서, 이들 원소의 함유량의 상한은 위와 같이 특정되어 있다. 또, 질소는 붕소(차후에 언급됨)와 결합하여 질화붕소(BN)를 형성하고, 그리하여 고용 붕소의 양을 감소시킨다. 붕소가 첨가된 경우, 질소 함유량은 0.0050% 이하이어야 하며, 바람직하게는 0.0035% 이하이다.
Al : 0.005% 이하
알루미늄은 효과적인 탈산제로 작용한다. 그것은 Al2O3를 형성한다. 이 비금속 개재물은 연성을 저하시키며 드로잉 가공성을 심각하게 저해한다. 따라서, 본 발명은 알루미늄 함유량이 0.005% 이하일 것을 요구한다.
본 발명의 강선은 상술한 성분들과 더불어, 잔부 철(Fe) 및 불가피한 불순물을 함유한다. 재질을 향상시키기 위해, 다음의 원소중에서 선택된 추가적인 하나 또는 그 이상의 원소를 기본 성분의 효과와 작용을 저해하지 않는 양만큼 혼합할 수 있다. (1) 니켈(Ni), 크롬(Cr) 및 몰리브덴(Mo)중 적어도 하나, (2) 구리(Cu), (3) 코발트(Co), 및 (4) 붕소(B). 이들의 함유량은 아래와 같이 특정된다.
니켈(Ni) : 0.10% 내지 1.0%
크롬(Cr) : 0.10% 내지 1.0%
몰리브덴(Mo) : 0.10% 내지 0.5%
이들 원소는 파텐팅 처리에 의해 형성된 펄라이트내의 시멘타이트의 간격을 감소시키며, 그리하여 인장 강도 및 드로잉 가공성에 기여한다. 그것들의 함유량의 하한은 0.10%이어야 한다. 함유량이 이 하한 미만인 경우, 그것들은 효과를 발휘하지 못한다. 상한을 초과하여 첨가된 경우 효과의 수준이 떨어지기 때문에 그것들의 함유량의 상한은 1.0%(Ni 및 Cr)와 0.5%(Mn)이어야 한다. 특히, 초과량의 크롬(Cr)은 미용해 시멘타이트를 형성하는 경향이 있으며, 그리하여 강이 변태를 완료하는 시간을 지연시킨다. 게다가, 열간 압연 선재내에 마르텐사이트 및 베이나이트 등의 과냉 조직을 생성하기도 한다.
Cu : 0.05% 이상 0.20% 이하
구리는 미세 강선에 양호한 내부식성을 부여하고, 디스케일링성(descalability)을 개선하며, 다이의 소착(seizure)을 방지한다. 소망의 효과를 발휘하기 위해 구리의 함유량의 하한은 0.05%이어야 하며, 역효과가 없는 구리 함유량의 상한은 0.20%이며, 바람직하게는 0.10%이다. 구리가 과다하게 첨가되면, 열간 압연 선재가 약 900℃ 정도의 방치 온도로 방치되는 경우에도 선재의 표면에 블리스터링을 야기한다. 블리스터링은 블리스터하의 강내에 마그네타이트를 형성하여, 기계적인 디스케일링성을 악화시킨다. 게다가, 구리는 황과 반응하여 입계내에 CuS를 편석하며, 그리하여 강선의 제조동안 주괴(ingot) 및 선재에 결함을 야기한다.
Co : 2.0% 이하
코발트는 초석 시멘타이트의 형성을 억제하며, 그리하여 연성과 드로잉 가공성을 개선한다. 코발트의 함유량의 하한은 2.0%이어야 한다. 코발트가 초과 첨가되면, 펄라이트 변태를 위해 파텐팅에 소요되는 시간이 길어지게 하며, 그리하여 생산성을 저하시킨다.
B : 0.0003% 내지 0.0050%
자유 붕소(고용상태의 붕소)는 페라이트의 형성을 억제한다. 자유 붕소를 확보하는데 필요한 붕소 함유량(붕소의 총량)의 하한은 0.0003%이다. 붕소 함유량의 상한은 0.0050%이며, 0.0040%인 것이 바람직하다. 붕소가 초과 첨가되면, Fe23(CB)6을 형성하며, 그리하여 드로잉 가공성을 저하시킨다. 페라이트의 형성을 억제하는 붕소는 첨가된 붕소가 아니라 강내에서 화합물을 형성하지 못하는 자유 붕소이다. 붕소를 자유상태로 잔류시키기 위해서는, 질화붕소(BN)를 형성해서는 안된다. 본 발명에 따른 질소 함유량은 0.0085% 이하이며, 바람직하게는 0.0050% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.0035% 이하이기 때문에, 필요한 정도의 많은 자유 붕소를 확보하는 것이 가능하다. 페라이트의 형성을 방지하는데는 적어도 0.0003%의 자유 붕소가 필요하지만, 자유 붕소의 상한은 첨가된 붕소의 양으로 결정되는 것이 당연하다.
본 발명의 강선은 라멜라 시멘타이트가 비결정질인 가공된 펄라이트 조직을 갖는다. 펄라이트 조직은 강재의 조직중에서 드로잉 가공에 가장 적합하다. 다시 말해, 본 발명에서 특정된 바와 같은 미세 강선(0.15mm 내지 0.4mm의 직경)에 가장 적합하다. 펄라이트 조직내 라멜라 시멘타이트가 비결정질이라는 사실은 높은 강성과 양호한 연성에 기여하며, 그리하여 강선이 높은 강도를 가지더라도 종방향 균열에 대한 저항성을 개선한다.
위에 사용된 "비결정질"이라는 용어는 다음의 세 가지 경우중 하나에 따라 다소 유동적으로 사용된다.
(1) 투과 전자 현미경(TEM)에 의한 관찰에 있어서, 시료는 직경이 1nm 보다 작은 가는 비임을 이용하여 촬영한 회절 패턴이 헤일로(halo) 패턴을 나타낼 뿐이며, 격자 프린지 이미지(lattice fringe image)가 결정성을 보여주지 않는 경우.
(2) 뫼스바우어 분광분석에 있어서, 라멜라 시멘타이트는, Pf가 강자성 성분을 나타내는 최대치를 표시하고 Psp가 상자성 성분을 나타내는 최대치를 표시하는 경우, Pf < Psp의 관계가 만족되는 뫼스바우어 스펙트럼을 나타내는 경우.
(3) 엑스레이 회절분석에 있어서, 라멜라 시멘타이트는 최대 피크의 절반의 폭(2θ)이 3rad보다 큰 엑스레이 회절 패턴을 나타내는 경우.
조직중의 라멜라 시멘타이트를 비결정질화하기 위해서는, 한번의 통과에 2.0 이상의 진변형률(ε)을 나타내도록 냉각을 수반한 강선의 최종 드로잉 가공을 수행하는 것이 필요하다. 본 발명의 방법에 따르면, 최종 드로잉 가공은 2.0 이상의 진변형률(ε)을 위해 냉간 습식 드로잉 가공을 이용하거나 또는 3.0 이상의 진변형률(ε)을 위해 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공을 이용한다.
본 발명의 강선상에는 금속 윤활막이 형성되어 있다. 이 막은 파텐팅 이후 그리고 최종 드로잉 가공전에 강선에 인가된 금속 윤활제의 잔류물이다. 윤활제는 심한 가공을 포함하는 드로잉 가공동안 다이가 마모되거나 열화되는 것을 방지하기 위해 필요하다. 금속 윤활막은 (경제적인 이유로) Cu, Zn 또는 Ni로 도금하거나 또는 이들의 합금(황동 등)으로 형성된다. 황동 또는 구리로 도금된 막은 타이어 코드로 사용되는 강선이 고무에 부착되는 것을 돕는다.
본 발명의 강선은 3500×D-0.145MPa 이상 (3500×D-0.145+87×[C]-5)MPa 이하의 특정 인장 강도를 갖는다([C]는 탄소 함유량을 질량%로 표시함). 인장 강도의 범위는 다음에 제시되는 예에 나타낸 사실에 기초하여 결정된다. 인장 강도가 하한보다 작은 경우, 강선은 최종 드로잉 가공 직후에는 종방향 균열에 대한 양호한 저항성을 갖지만, 시간이 경과함에 따라 변형 시효 취화에 의해 종방향 균열이 발생하기 쉽다. 반면, 인장 강도가 상한보다 큰 경우, 강선은 최종 드로잉 가공 직후에 종방향 균열이 발생하기가 훨씬 쉽거나 또는 결국에는 시간이 경과함에 따라 변형 시효 취화에 의해 종방향 균열이 발생한다. 인장 강도의 상한은 강선내의 탄소의 양에 의해 좌우된다는 것이 주목되어야 한다. 인장 강도의 하한이 탄소 함유량에 영향을 받지 않는 이유는 종방향 균열에 대한 저항성이 탄소 함유량보다는 강선의 직경에 보다 크게 영향을 받기 때문이다. 한편, 인장 강도의 상한이 탄소 함유량에 영향을 받는 이유는 변형 시효에 대한 저항성이 모재 금속내의 탄소 함유량에 영향을 크게 받기 때문이다.
본 발명의 강선은 다음에 설명되는 방법에 의해 제조된다. 이 방법은 상술한 화학적 조성을 갖는 주괴를 준비하는 것으로 시작한다. 주괴는 블루밍(blooming)에 의해 빌렛(billet)으로 만들어진다. 빌렛은 강선재를 형성하도록 열간 압연된다. 선재는 중간 파텐팅과 중간 드로잉 가공을 거쳐 최종 드로잉 가공에 적합한 직경의 강선으로 형성된다. 강선은 최종 파텐팅 및 산세척을 거쳐 금속 윤활막으로 코팅된다. 이 강선은 최종 드로잉 가공인 냉간 습식 드로잉 가공에 의해 가는 강선(직경 0.15mm 내지 4.0mm)으로 드로잉 가공된다. 또한, 최종 드로잉 가공은 (최종 파텐팅을 거친) 강선이 소망의 직경(0.15mm 내지 4.0mm)을 가질 때까지 일련의 다이를 통과시키는 연속적인 단계로 구성된다.
열간 압연 선재는 약 3.5mm 내지 10mm의 직경을 가져야 한다. 만약 3.5mm보다 작다면 생산성이 떨어질 것이며, 10mm보다 크면 드로잉 가공성이 떨어질 것이다. 한편, 중간 드로잉 가공(또는 파텐팅)을 거친 강선은 약 1.0mm 내지 2.5mm의 직경을 갖는다. 만약 1.0mm보다 가늘면, 최종 드로잉 가공에 있어서 가공성이 떨어지며, 만약 2.5mm보다 두껍다면 파텐팅(강선의 중심부까지 조직을 제어하기 위함)에 어려움이 있다. 후자의 경우는 드로잉 가공성을 열악하게 한다.
파텐팅은 조직을 미세한 펄라이트로 만들기 위한 열처리이다. 이 열처리는 강선을 오스테나이트화 온도로 유지시키고, 그 다음 냉각후에 변태 온도로 유지시킴으로써 이루어진다. 오스테나이트화 온도는 약 850℃ 내지 1050℃인 것이 바람직하다. 850℃ 이하의 열처리로는 오스테나이트화가 용이하게 이루어지지 않으며, 1050℃ 이상의 열처리는 표면 스케일(scale)을 형성하고 결정 입자가 조대화되어 드로잉 가공성을 저하시킨다. 오스테나이트화 단계는 10초 내지 75초간 지속되어야 한다. 10초 미만의 지속 시간은 가열을 완료하는데 충분하지 않은 시간이며, 75초 초과의 지속 시간은 표면 스케일의 형성과 결정 입자의 조대화 때문에 가공성에 이롭지 못하다. 한편, 변태 온도는 약 550℃ 내지 565℃이어야 한다. 550℃ 이하의 가열은 베이나이트 조직이 주를 이루게 하여 드로잉 가공성이 열악하게 된다. 565℃ 이상의 가열은 미세 펄라이트의 형성을 방해하여 파텐팅 이후 강선의 강도를 저하시키며, 그 결과 최종 드로잉 가공후의 강선이 소망의 강도를 가질 수 없다. 550℃ 내지 565℃에서 약 10초 내지 80초 동안 가열함으로써 강선은 탄소의 함유량[C]에 따라 (540×[C]+1050)MPa 내지 (540℃[C]+1065)MPa의 좁은 범위의 강도를 갖게 된다. 이는 강선이 최종 드로잉 가공에 의해 안정적으로 미세 강선으로 제조될 수 있다는 것을 의미한다.
최종 드로잉 가공은 냉간 습식 드로잉 가공으로 이루어지며, 그리하여 미세 펄라이트의 라멜라 시멘타이트가 비결정질로 된다. 라멜라 시멘타이트는 최종 드로잉 가공[3.0 이상의 진변형률(ε)을 부여하기 위함]이 냉각과 함께 수행될 때에만 비결정질로 될 수 있다. 따라서, 냉간 습식 드로잉 가공이 최종 드로잉 가공으로 적용된다. 또한, 본 발명은 드로잉 가공에 의한 발열을 줄이고 비결정화를 촉진하기 위해 최종 드로잉 가공에 양호한 열전도성을 갖는 다이아몬드 다이를 이용할 것을 요구한다.
본 발명에 따르면, 3.0 이상의 진변형률(ε)을 부여하기 위해 최종 드로잉 가공에 다이아몬드 다이를 사용할 필요가 있으며, 다음의 4가지 조건중 적어도 2개를 만족시키도록 드로잉 가공을 수행할 필요가 있다.
(1) 다이아몬드 다이는 6° 내지 12°의 접근각을 갖는다.
(2) 다이아몬드 다이는 그것의 내경을 d로 할 경우 길이가 0.3d 내지 0.5d인 베어링부를 갖는다.
(3) 습식 드로잉 가공은 35±10℃에서 제어되는 윤활제를 이용한다.
(4) 면적의 감소는 20% 이하이다.
이들 조건은 고속 드로잉 가공동안 강선과 다이 사이의 마찰에 의해 발생한 열에 의해 비결정화된 라멜라 시멘타이트가 재결정화되는 것을 방지하기 위한 것들이다. 이들 조건은 또한 드로잉 가공동안 변형 시효를 억제하고 냉각을 촉진하기 위한 것들이다.
또, 도 1에 도시된 바와 같이, 상술한 접근각(θ)은 접근부(또는 축소부)(2)의 테이퍼진 표면의 각도이며, 이 접근부(2)를 통하여, 드로잉 가공후 강선의 직경을 결정하는 다이의 베어링부(최소 구멍부)(1)내로 강선이 도입된다. 상술한 베어링부의 길이는 베어링부(2)에서의 드로잉 가공 방향을 따른 길이(l)를 나타낸다. 베어링부는 드로잉 가공 방향을 따라 사실상 변하지 않는 내경(d)을 갖는다.
본 발명에 따르면, 드로잉 가공은 VD[D(mm 단위의 강선 직경)와 V(m/min 단위의 드로잉 가공 속도)의 곱]의 값이 200mmㆍm/min 이하이고, 바람직하게는 150mmㆍm/min 이하이고, 보다 바람직하게는 100mmㆍm/min 이하가 되도록 수행되어야 한다. 상술한 냉각 수단이 제공되더라도, VD의 값이 200mmㆍm/min을 초과하는 드로잉 가공은 3.0 초과의 진변형률을 갖는 드로잉 가공동안 발열에 의해 변형 시효와 비결정질 시멘타이트의 분해를 야기한다.
본 발명은 다음의 실시예를 통해 보다 상세하게 설명되지만, 이러한 실시예의 범위내에 제한되지는 않는다.
실시예
전로 처리에 이어서 2차 정련 처리를 하여 표 1에 나타난 화학적 조성을 각각 갖는 강 시료가 준비되었다. 각각의 강 시료는 연속 캐스팅에 의해 주괴로 제조되었으며, 주괴는 블루밍에 의해 빌렛으로 제조되었다. 이 빌렛은 열간 압연에 이어서 조정냉각함으로써 선재(3.5mm 내지 10.0mm의 직경)로 제조되었다.
열간 압연 선재는 중간 드로잉 가공과 중간 파텐팅 가공을 거쳐 1.0mm 내지 2.5mm의 직경을 갖는 강선이 되었다. 이 강선은 표 2의 조건하에서 최종 파텐팅을 거쳤다. 이렇게 형성된 강선은 표 2에 나타낸 바와 같은 인장 강도(TS)를 갖는다. 또, 본 발명에 특정된 인장 강도의 상한 및 하한 역시 표 2에 나타나 있다.
파텐팅된 강선은 산세척을 거쳐, 이어서 표 3 및 표 4에 나타난 재료(금속 윤활제)로 코팅되었다. 최종적으로, 코팅된 강선은 최종 드로잉 가공(냉간 습식 드로잉 가공)을 거쳐 최종 직경 D(mm 단위)를 갖는 극미세 강선(필라멘트)이 되었다. 또, 표 3 및 표 4는 또한 V와 D를 곱한 수치를 나타내는데, V는 최종 드로잉 가공의 드로잉 가공 속도(m/mm)이고 D는 직경이다.
습식 드로잉 가공은 3 미만의 진변형률(ε)을 부여하는 통과에는 초경 합금 다이를 이용하거나 또는 3 이상의 진변형률(ε)을 부여하는 통과에는 다이아몬드 다이를 이용하여 수행된다. 또한, 3 이상의 진변형률(ε)을 부여하는 통과를 위한 드로잉 가공은 다음의 조건 (1) 내지 (4) 및 (1') 내지 (4') 하에서 수행된다. 조건 (1) 내지 (4)는 본 발명의 요건에 부합하며, 조건 (1') 내지 조건 (4')은 비교를 위한 것이다. 표 3 및 표 4의 표시 ○는 조건 (1) 내지 조건 (4) 하에서 드로잉 가공이 수행되었음을 나타내고, 공란은 조건 (1') 내지 조건 (4')에 의해 드로잉 가공이 수행되었음을 나타낸다.
본 발명에 따른 드로잉 가공 조건
(1) 다이아몬드 다이는 8°의 접근각을 갖는다.
(2) 다이아몬드 다이는 0.4d와 동일한 베어링부 길이를 가지며, 여기서 d는 내경이다.
(3) 습식 드로잉 가공은 35±5℃로 유지되는 액상 윤활제를 이용한다.
(4) 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공은 면적 감소가 18%가 되도록 수행된다.
비교예를 위한 드로잉 가공 조건
(1') 다이아몬드 다이는 14°의 접근각을 갖는다.
(2') 다이아몬드 다이는 0.6d와 동일한 베어링부 길이를 가지며, 여기서 d는 내경이다.
(3') 습식 드로잉 가공은 15±5℃로 유지되는 액상 윤활제를 이용한다.
(4') 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공은 면적 감소가 22%가 되도록 수행된다.
상술한 조건하에서 최종 드로잉 가공을 거친 완성된 강선은 투과 전자 현미경(TEM)으로 조직이 검사되었다. 펄라이트 조직의 라멜라 시멘타이트가 비결정질인지 아닌지는 시료에 비임(반경 1.0mm)을 투사하여 관찰된 회절 패턴으로 판별된다. (헤일로 패턴은 비결정질 조직이 존재함을 나타낸다.) 완성된 강선은 또한 인장 강도(TS) 및 비틀림에 의한 종방향 균열에 대해 시험이 실시되었다. 비틀림 시험은 다음의 방법으로 수행되었다.
시료(길이가 직경의 200배임)는 최종 드로잉 가공 직후(5시간) 완성된 강선으로부터 취해진다. 시료는 종방향 균열이 발생할 때까지 비틀리며, 비틀림 횟수가 기록된다. 시료가 30회의 비틀림 이후 손상되지 않은 상태로 유지되면 비틀림 회수가 기록된다.
30일 후에, 강선의 시료는 인장 강도 및 (비틀림에 의한) 종방향 균열에 대해 재시험이 실시된다. 결과는 표 3 및 표 4에 나타내어진다. 본 발명에 따르면, 최종 드로잉 가공 직후의 강선은 표 3 및 표 4에 나타낸 상한 및 하한내의 인장 강도를 가져야 한다.
본 발명의 요구에 부합하는 강선은 도 2에 나타낸 바와 같이 직경(Dmm)에 따라 변화하는 인장 강도(MPa 단위)를 갖는다. 또한, 발명예와 비교예의 강선의 시료는 도 3에 나타낸 바와 같이 탄소 함유량(질량% 단위)에 따라 변화하는 인장 강도(3500×D-0.145MPa로 규정됨)를 갖는다.
다음은 표 3 및 표 4에 나타난 내용이다.
발명예에서 시료 제 1번 내지 제 11번으로 표시된 강선은 본 발명에서 특정된 방법으로 준비되었으며 본 발명에서 특정된 범위의 인장 강도를 가지며, 28회 이상의 비틀림후에 종방향 균열이 발생하지 않는다. 또한, 이들 강선은 30일이 경과한 이후 18회 이상의 비틀림후에도 종방향 균열이 발생하지 않는다. 따라서 이들 강선은 변형 시효 취화에 대한 저항성이 우수한 것이 입증되었다.
한편, 비교예에서 시료 제 21번 내지 제 28번으로 표시된 강선은 파텐팅 이후에 강도 요건이나 또는 3.0 이상의 진변형률 부여하는 최종 드로잉 가공 조건에 부합하지 않으며, 대체로 드로잉 가공 직후에 종방향 균열이 발생한다. 시료 제 21번 내지 제 28번은 드로잉 가공 직후에는 종방향 균열이 발생하지 않으나, 30일이 경과한 후에는 단 몇 회의 비틀림에도 종방향 균열이 발생한다.
시료 제 29번 내지 제 36번으로 표시된 강선은 화학적 조성과 최종 드로잉 가공 속도(특정된 속도 이상)에 대한 요건에 부합하지 않고, 그에 따라서 결정 형태로 남아 있는 라멜라 시멘타이트를 함유하며, 대체로 드로잉 가공 직후 종방향 균열이 발생한다. 이들 강선은 30일이 경과한 후 단 몇 회의 비틀림에도 종방향 균열이 발생한다.
시료 제 37번 내지 제 39번으로 표시된 강선은 화학적 조성 요건에 부합하지만 종방향 균열이 발생한다. 시료 제 37번은 특정된 강도를 가지며, 드로잉 가공 직후에는 종방향 균열이 발생하지 않지만, 30일이 경과한 후에는 10회의 비틀림 후에 종방향 균열이 발생한다. 그 이유는 파텐팅 이후의 강도가 충분하지 않고 드로잉 가공 속도가 지나치게 빠르며, 따라서 라멜라 시멘타이트가 결정 형태로 남기 때문이다. 시료 제 38번 및 제 39번은 파텐팅 이후 지나치게 낮은 강도를 가지며 또한 드로잉 가공 이후에도 특정된 강도보다 낮은 강도를 갖고, 드로잉 가공 직후에는 종방향 균열이 발생하지 않지만, 30일이 경과한 후에는 11회 또는 16회의 비틀림 후에 종방향 균열이 발생한다.
본 발명에 따른 고강도 강선은 특정 화학적 조성, 특정 직경, 라멜라 시멘타이트가 비결정질인 특정 펄라이트 조성과, 직경 및 탄소 함유량에 의해 결정되는 특정 인장 강도를 갖는다. 이러한 특징적 성질에 의해, 강선은 드로잉 가공 직후나 또는 시간의 경과 후에 보통 발생하는 종방향 균열에 대한 양호한 저항성을 갖는다. 높은 강도에도 불구하고, 강선은 또한 변형 시효 취화에 대한 양호한 저항성을 갖는다. 상술한 고강도 강선은 본 발명에 따른 방법에 의해 용이하게 제조될 수 있다.
도 1은 참조부호가 있는 드로잉 다이의 단면도,
도 2는 본 발명의 강선이 (최종 드로잉 가공후) 직경(Dmm)에 따라 인장 강도(MPa 단위)가 변하는 추이를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명의 강선이 (최종 드로잉 가공후) 탄소 함유량(질량%)에 따라 인장 강도(MPa)(인장 강도의 하한이 3500×D-0.145로 표시됨)가 변하는 추이를 나타내는 그래프로서, ○는 최종 드로잉 가공 직후와 최종 드로잉 가공 30일 후에 종방향 균열이 발생하지 않은 시료를 표시하고, △는 최종 드로잉 가공 직후에 종방향 균열이 발생하지 않았으나, 최종 드로잉 가공 30일 후에 종방향 균열이 발생한 시료를 표시하고, ×는 최종 드로잉 가공 직후에 종방향 균열이 발생한 시료를 표시한다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 베어링부 2 : 접근부

Claims (6)

  1. 변형 시효 취화 및 종방향 균열에 대해 우수한 저항성을 갖는 고강도 강선에 있어서,
    탄소(C) : 0.75% 내지 1.20%
    규소(Si) : 0.1% 내지 1.5%
    망간(Mn) : 0.3% 내지 1.2%
    인(P) : 0.02% 이하
    황(S) : 0.02% 이하
    알루미늄(Al) : 0.005% 이하
    질소(N) : 0.008% 이하
    를 포함하고 잔부 철(Fe)과 불가피한 불순물을 갖는 화학적 조성(질량% 단위)과, 비결정질 형태의 라멜라 시멘타이트를 함유한 가공된 펄라이트 조직과, 0.15mm 내지 0.4mm 범위의 직경(D)과, 주성분이 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)중 적어도 하나, 또는 이들의 합금으로 구성된 표면층으로서의 금속 윤활막과, 3500×D-0.145MPa 이상 (3500×D-0.145+87×[C]-5)MPa 이하의 인장 강도를 갖는 것을 특징으로 하는
    고강도 강선.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 조성은,
    니켈(Ni) : 0.10% 내지 1.0%,
    크롬(Cr) : 0.10% 내지 1.0%,
    몰리브덴(Mo) : 0.10% 내지 0.5%
    중 적어도 하나를 더 포함하는
    고강도 강선.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 조성은 0.05% 이상 0.20% 이하의 구리(Cu)를 더 포함하는
    고강도 강선.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 조성은 2.0% 이하의 코발트(Co)를 더 포함하는
    고강도 강선.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 화학적 조성은 0.0003% 내지 0.005%의 붕소(B)를 더 포함하는
    고강도 강선.
  6. 열간 압연 선재를 드로잉 가공하여, 드로잉 가공된 강선에 파텐팅 및 산세척을 실행하고, 그 위에 주성분이 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 아연(Zn)중 적어도 하나, 또는 이들의 합금으로 구성된 금속 윤활막을 형성하고, 직경(D)을 0.15mm 내지 0.4mm로 감소시키도록 최종 드로잉 가공하는 것에 의한 고강도 강선 제조 방법에 있어서,
    상기 강선은 청구범위 제 1 항에 특정된 화학적 조성을 가지며, 파텐팅 처리는 처리된 강선이 (540×[C]+1055)MPa 이상 (540×[C]+1065)MPa 이하의 인장 강도를 갖는 조건하에서 수행되며([C]는 탄소함유량을 백분율로 표시함), 최종 드로잉 가공은 2.0 이상의 진변형률(ε)을 갖게 하는 통과를 위한 냉간 습식 드로잉 가공이거나 또는 3.0 이상의 진변형률(ε)을 갖게 하는 통과를 위한 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공이며, 상기 드로잉 가공은 다음의 4가지 조건 :
    (1) 다이아몬드 다이는 6° 내지 12°의 접근각을 가짐.
    (2) 다이아몬드 다이는 그것의 내경을 d로 할 경우, 길이가 0.3d 내지 0.5d의 베어링부를 가짐.
    (3) 습식 드로잉은 35±10℃에서 제어되는 윤활제를 이용함.
    (4) 다이아몬드 다이를 통한 드로잉 가공은 면적 감소가 20% 이하가 되도록 수행되며,
    최종 드로잉 가공은 D가 강선의 직경(mm)을 나타내고 V가 드로잉 속도(m/min)를 나타내는 경우 200mmㆍm/min 이하인 DV로 특정된 드로잉 속도로 수행됨.
    중에서 적어도 2개의 조건을 만족하도록 수행되는
    고강도 강선 제조 방법.
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