KR100882122B1 - 염회특성이 우수한 고강도 교량용 강선의 제조방법 - Google Patents

Abstract

염회특성이 확보된 고강도 교량용 강선을 제조하는 방법이 제공된다.

이 방법은 중량 %로 C : 0.8~1.0%, Si : 0.9~1.3%, Mn : 0.2~0.9%, Cr : 0.1~0.3%, S: 0.015%이하, P : 0.015%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 선재를 1차 신선하는 단계;

상기 1차 신선된 선재를 LP열처리하는 단계;

상기 LP열처리된 선재를 2차 신선하는 단계;

상기 2차 신선된 선재를 아연도금하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 1차 신선율은 상기 2차 신선율 이하인 것을 특징으로 한다.

고강도 교량용 강선, 염회특성, 신선가공, LP열처리, 풀 펄라이트(Full pearlite)조직

Description

염회특성이 우수한 고강도 교량용 강선의 제조방법{Manufacturing method of the high strength wire for bridge cable having excellent torsional property}

도 1은 종래의 고강도 강선 열처리 및 가공 공정(a)과 본 발명의 열처리 및 가공 공정(b)을 도시하는 도면이다.

도 2는 강선 제조 공정 진행에 따른 강도 획득 방법을 도시하는 도면이다.

본 발명은 염회특성이 우수한 고강도 강선의 제조하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합금성분을 설계하고 선재의 열처리 및 신선가공 패턴을 최적화하여 강도와 염회특성을 동시에 만족시킬 수 있는 강선을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래의 교량용 강선을 제조하는 방법은 도 1의 (a)에서와 같이 선재의 표면을 산세를 통해 깨끗이 한 후 신선가공중의 마찰을 줄이기 위해 윤활제를 코팅하고 열처리를 통해 신선가공에 적합한 미세 펄라이트조직(sorbite)을 만든 후 신선 가 공을 통해 최종 선경까지 신선하고 내부식성을 부여하기 위해 Zn로 도금하여 강선을 만드는 것이었다. 교량용 강선의 고강도화는 교량의 장대화와 함께 매우 오랜 세월동안 진행되어 왔는데, 현재 실제 교량용 강선으로 적용된 강선 중 최고 강도를 보유한 강선은 1998년 일본 명석해협대교에 적용된 1800MPa급 강선이다. 교량용 강선의 강도를 획득하는 방법은 도 2에서 보는 것처럼 ① 선재상태의 강도를 향상시키는 방법 ② 가공경화율 혹은 가공경화량을 향상시키는 방법, ③ Zn 도금시 강도의 저하를 억제하는 방법 등이 있다. 기존의 1800MPa급 강선까지는 고강도화를 위하여 주로 탄소나 규소, 크롬, 바나듐 등의 합금원소를 첨가하여 선재상태의 강도를 증가시키는 방법을 가장 많이 사용하여 왔으며 명석해협대교에 적용된 1800MPa급 강선에서는 규소의 함량을 높여 Zn도금시 강도저하의 낙폭을 줄이는 방법을 적용하기도 하였다. 타이어 코드의 제조시에 복수의 신선이 이루어지나, 이러한 타이어 코드 기술은 단지 가공량을 늘리기 위한 것이고, 타이어 코드의 경우 시작 선경이 교량용 강선보다 매우 작기 때문에 1차 신선에 의한 부피 변화량이 작아 LP열처리 되는 선경이 줄어듦에 따른 열처리 단계에서의 가공경화율 향상의 효과는 매우 미비하였다. 또한, 합금원소를 통한 상변태를 제어하면 보다 미세한 라멜라 층상간격을 얻을 수 있고 이로부터 가공경화율을 올릴 수도 있다. 그러나 합금원소를 이용한 가공경화율의 증가에 의한 강도증가를 추구하는 것은 타이어코드 같은 가공량이 매우 많은 경우에는 효과적이나 교량용 강선처럼 가공량이 상대적으로 적은 경우에서는 효과적이지 못하다. 또한 가공경화량을 늘리는 것은 소재의 연성을 심각하게 저하시키므로 강도확보는 손쉽게 달성할 수 있으나 가공상의 문제 를 발생시킨다.

본 발명자는 기존의 1800MPa급 교량용 강선을 뛰어넘는 2000MPa급 교량용 강선을 제조하기 위해 성분계 설계에 많은 연구를 기해왔으나 강도를 확보하면 염회특성이 부족하고, 염회특성이 확보되면 강도가 확보되지 않았다. 따라서 2000MPa급 교량용 강선 개발을 위해 성분계의 설계뿐만 아니라 신선가공 조건의 변화도 함께 필요하다는 결론에 도달하게 되었다.

본 발명은 성분계의 제어와 선재의 신선가공 및 열처리 공정을 제어하여 강도와 염회특성을 동시에 만족시킬 수 있는 고강도 교량용 강선을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 염회특성이 우수한 고강도 강선의 제조 방법은 중량 %로 C : 0.8~1.0%, Si : 0.9~1.3%, Mn : 0.2~0.9%, Cr : 0.1~0.3%, S: 0.015%이하, P : 0.015%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 선재를 1차 신선하는 단계;

상기 1차 신선된 선재를 LP열처리하는 단계;

상기 LP열처리된 선재를 2차 신선하는 단계;

상기 2차 신선된 선재를 아연도금하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 1차 신선율은 상기 2차 신선율 이하인 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명은 기존의 교량용 강선에서 합금성분을 첨가하여 선재의 강도를 향상시키는 경우 높은 강도로 인하여 가공성이 확보되지 못하고 궁극적으로 최종 제품의 염회특성이 확보되지 못하는 문제를 해결하고자 하였다. 염회특성이 확보되지 못한 제품은 염회 테스트시 선재의 축 방향을 따라서 균열이 발생하는 디라미네이션 (delamination) 현상이 발생된다. 최종제품에서 염회 특성이 확보되지 못하는 이유는 선재의 강도가 증가할수록 신선가공시 가해지는 하중이 커지기 때문에 소재 내의 불균일한 미세조직 부분이나 신선 가공 상의 문제로 생성될 수 있는 외적인 결함 등에 균열을 발생시킬 확률이 증가하기 때문이다. 따라서 소재의 미세조직을 보다 균질하게 하고 신선가공량을 줄여주지 않으면 고강도 선재를 신선가공한 뒤 염회 특성을 확보하기 어렵다. 기존에는 신선가공량을 줄이는 경우 최종제품의 강도를 확보하기 어려운 문제가 있었으나 본 발명에서는 열처리 전에 소량 신선을 가하여 선재의 선경을 줄여준 뒤 LP열처리를 통해 보다 빠른 냉각속도와 균질한 미세조직을 확보하였고 이로부터 한층 강도가 향상된 선재를 이용하여 신선가공량을 줄임으로써 최종적으로 강도와 염회특성을 모두 확보한 교량용 강선을 제조할 수 있었다.

기존에는 통상적으로 이러한 1차 신선 후 LP처리가 강도면에서 있어서 2차 신선율이 줄어듦에 따라 강도가 오히려 열화 될 것이라고 생각하였으나, 본 발명자는 1차 신선에 의해 LP열처리 되는 선경이 줄어들어 열처리 효과가 증대되어 가공경화율이 향상되고 따라서 2차 신선을 적게 할 수 있어 강도는 유지하되 염회특성은 개선되는 효과가 있음을 발견하였다.

이하, 본 발명의 성분 한정 이유에 대하여 설명한다.

탄소(C)는 교량용 과공석강 선재에서 세멘타이트로 형성되어 있다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트의 분율이 증가할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. 또한 전체 층상조직이 균질하고 미세할수록 선재의 강도는 올라가게 된다. 탄소의 함량을 증가시키면 세멘타이트의 분율이 증가하고 라멜라 층간간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 따라서 이와 같은 효과를 확보하기 위해서는 탄소를 0.8%이상 첨가해야 한다. 그러나 탄소의 함량이 1.0%를 초과하게 되면 냉각속도가 충분치 않은 경우 오스테나이트 결정립계에 초석 세멘타이트를 형성시켜 가공성을 열악하게 만드는 문제가 생기기도 한다.

규소(Si)는 기지조직인 페라이트에 고용되어 강화시키킬 뿐만 아니라 아연도금시 세멘타이트 조직 붕괴를 억제하여 강도저하를 억제하는 효과도 가지고 있다. 강도저하 억제 메커니즘에 대해서는 다카하시(高橋)에 의해 펄라이트 중의 페라이트/세멘타이트 계면에 Si 농화층이 생성하여 세멘타이트의 붕괴를 억제하기 때문이라고 보고되고 있다. 즉 아연도금 처리시의 강선온도는 400℃ 이상까지 상승하는데 이때 강선중의 라멜라 세멘타이트가 나노 사이즈로 입상화하고, 또한 조대화됨에 따라 강도와 동시에 연성도 저하한다. 규소는 라멜라 세멘타이트 표면에 농화되어 존재하고，온도상승에 의해 라멜라 세멘타이트의 나노 입자의 조대화를 억제함에 따라 강도저하를 방지하여 고연성을 유지하는 역할을 한다．따라서 이와 같은 효과를 거두기 위해서는 규소를 0.9%이상 첨가해야 한다. 그러나 규소의 함량이 1.3%를 초과하면 열처리시 소재의 표면에서 탄소가 산화되어 쉽게 제거되므로 신선 가공시 디라미네이션을 일으키기 쉬우며 소입성을 크게 증가시켜 자칫 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다.

망간(Mn)은 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 하며 이와 같은 효과를 거두기 위해서 망간은 0.2%이상 함유해야 한다. 그러나 0.90%를 초과하여 첨가되면 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉽기 때문에 0.90%이하로 첨가하는 것이 바람직하다.

크롬(Cr)은 라멜라 층간간격을 미세화시키며 Si과 마찬가지로 아연도금시 세멘타이트의 분절(fragmentation)을 억제하여 강도저하를 최소화하는 효과가 있는 바 이와 같은 효과를 거두기 위해서는 0.1%이상 함유해야 한다. 그러나 Cr은 고가이고 0.3%를 초과하여 첨가시 소입성을 크게 증가시켜 자칫 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트를 생성시킬 우려가 있다.

인(P)은 0.015%를 초과하여 첨가시 주상정 사이에 편석되어 열간취화를 일으키기도 하고, 또 냉간에서 신선가공시 균열을 유발시키므로 0.015%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

황(S)은 0.015%를 초과하여 첨가시 저융점 석출물의 형태로 결정립계에 석출되어 열간취화를 유발시키므로 0.015%이하로 제어하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

상기한 본 발명의 고강도 강선은 다음과 같은 제조공정을 통하여 제조된다. 먼저 연속주조된 블룸을 선재로 열간압연 후 냉각한다. 이와 같이 제조된 선재를 도 1의 (b)와 같이 산세 및 윤활제 코팅을 하고 1차 신선을 한다. 이는 LP열처리 후 최종 목적하는 강선의 선경이 되도록 1회에 신선하는 경우 가공경화량이 너무 많아서 최종 제품의 염회특성에 문제가 되고, LP열처리를 가하는 경우에 선경이 굵어 내부와 외부의 냉각속도 편차가 심해져서 미세조직이 균일하지 않기 때문에 신선가공시 가공경화되는 정도의 차이가 발생하게 되고 최종 제품의 염회특성 불량을 유발하게 되는 문제점을 개선하기 위함이다.

1차 신선에 있어서 그 감면율은 2차 신선의 감면율 이하여야 한다. 감면율은 신선전의 단면적에 대한 신선후 감소된 단면적의 비율로 신선가공의 정도를 나타낸다. 1차 신선의 감면율이 2차 신선의 감면율 보다 큰 경우에는 LP열처리 단계에서 1차 신선시의 가공경화에 의한 강도증가의 효과가 상쇄되기 때문에 실질적으로 2차 신선의 가공경화량만이 강도 증가에 기여하게 되어 목적하는 강도를 확보하기 어려운 문제가 있기 때문이다. 보다 바람직하게 1차 신선율은 30~45%이다. 감면율이 30%미만이면 2차 신선에서 과도한 신선을 해야하기 때문에 디라미레이션이 발생할 가능성이 높은 바, 바람직하지 않다. 그러나 1차 신선의 감면율이 45%를 초과하는 경우에는 상기 언급과 같이 목적하는 강도를 확보하기 어려운 문제가 있는 바, 1차 신선율은 45%이하임이 바람직하다. 즉, 이러한 1차 신선의 감면율은 2차 신선까지 거친 후 목적하는 강도와 선경을 얻을 수 있을 것을 고려하여 결정되어야 한다.

1차 신선된 선재는 LP열처리(lead patenting) 단계를 거친다. LP열처리는 신선시 가공에 의한 단선을 방지하기 위해 열처리를 통해 신선에 적합한 미세조직을 만드는 것으로 일반적으로 선재를 1000℃이상으로 재가열 후, 510~610℃의 납조에 투입하여 항온변태를 시키는 것이다. 본 발명의 LP열처리는 통상적인 LP열처리이며, 다만 열처리 되는 선재의 선경이 상기 언급과 같이 1차 신선에 의해 줄어들 어 보다 빠른 냉각속도와 균질한 미세조직을 확보할 수 있고 그에 의해 2차 신선시 같은 가공량이라도 더욱 강도가 향상될 수 있는 효과를 거둘 수 있다. 따라서 2차 신선가공량을 줄일 수 있게 되어 염회특성과 강도를 동시에 확보할 수 있는 것을 특징으로 한다.

LP열처리 후 2차 신선 단계를 거친다. 최종적으로 아연도금까지 마친 강선의 선경은 아래와 같은 바, 2차 신선된 선재가 아연도금에 의해 최종적으로 목적하는 선경이 될 수 있을 때까지 신선한다. 즉, 최종 강도와 선경을 결정하고 그로부터 1차 신선 및 LP처리와 아연도금에 의한 기여분을 차감한 나머지 부분만큼 2차 신선을 해야 한다.

최종 강선의 선경 = 선재의 선경 - 1차 신선에 의한 선경 감소분 - 2차 신선에 의한 선경 감소분 + 아연도금에 의한 선경의 증가량

2차 신선된 선재는 최종제품에 내식성을 부여하기 위해 아연도금을 하게 되며, 본 발명에서 이와 같은 아연 도금은 통상의 아연도금 방식과 동일하다.

이하 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하나, 이는 본 발명의 바람직한 실시예일뿐 본 발명의 범위가 이러한 실시예의 기재범위에 의하여 제한되는 것은 아니 다.

(실시예)

본 발명에서 제안된 2000MPa급 교량용 강선 제조방법은 중량%로 C : 0.90%, Mn : 0.5%, Si : 1.13%, P, 0.012%, Cr : 0.25%, S : 0.001%의 조성을 갖는 빌렛을 제조하여 사용한다. 빌렛을 1000℃~1250℃의 온도에서 1.5~2.5시간 가열한 다음에, 950℃~1200℃의 온도에서 10^-2/s정도의 변형율속도(strain rate)로서 선경 13mm선재로 압연되었다. 열간압연된 선재는 곧바로 권취온도 820℃까지 1초 정도의 시간 동안 물로써 급냉한 다음 코일형상으로 권취되었다. 그리고 권취된 선재는 3℃/s~20℃/s의 냉각속도로 냉각되었다. 선재가 제조된 후 종래에는 도 1 에서와 같이 표면처리를 해준 뒤 바로 LP 열처리를 행하였으나 본 발명에서는 표면 처리뒤 약하게 신선을 가하여 선재의 선경을 줄여준 뒤, LP처리를 진행하였다.

표 1은 인장강도 1284(1245~1324)Mpa, 연성이 단면감소율 24(22~26)%인 13mm 선재 시편 30개를 1차 신선 없이 LP처리한 후 측정한 인장특성과 각각 10,11,12mm로 신선한 뒤 LP처리 했을 때의 인장특성을 비교한 것이다. 실시예 4는 1차 신선이 없는 종래의 실시예이다.

위 표 1에서 알 수 있듯이 1차 신선후 열처리를 한 경우 똑같은 온도에서 항온변태를 시키더라도 실제 선재의 냉각속도가 선경이 가늘어질수록 빨라지는 효과가 발생하여 보다 미세한 라멜라 조직이 얻어진다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 미세한 라멜라 조직은 가공경화율을 높여주어 신선 가공량을 줄이더라도 최종 신선재에서 강도가 확보됨을 알 수 있다. 다음의 표 2에서는 표 1의 1차 신선과 LP열처리 후 2차 신선한 후의 기계적 특성 변화를 나타내었다.

표 2에서 알 수 있듯이 감면율을 증가시킬수록 강도가 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 감면율이 비슷한 실시예 2, 4를 비교해 보면 초기 신선 전 LP열처리에서 2번 조건이 강도가 20Mpa 정도 높았던 것이 감면율이 유사한 신선 가공 후 강도차이가 70MPa 가까이 나는 것으로부터 라멜라 층상간격이 가는 2번 조건이 가공경화량이 많다는 것을 알 수 있다. 따라서 신선 가공량을 줄이더라도 초기 선경이 작을 때 보다 미세한 라멜라 조직을 얻어낼 수 있으므로 강도의 낙폭은 크지 않다는 것을 알 수 있다. 또한 강도의 차이는 크지 않으나 신선 가공량 감소에 따른 염회특성의 증가가 예상되는데 다음의 표 3에 최종 Zn 도금 후 인장특성과 염회특성을 나타내었다. 염회치는 ASTM A938에 따라 측정하였다.

위의 표 3에서 보면 감면율이 비슷한 실시예 2와 4의 경우 초기 선경의 차이에 따라 현격한 염회특성의 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 통상적으로 염회특성이 14회 이상이 얻어져야 함을 고려할 때 실시예 1내지 3의 경우 적합하나 실시예 4는 염회치 불량이다. 디라미네이션 발생문제에 있어서 실시예 1내지 3의 경우에는 상당수의 시편이 디라미네이션이 발생하지 않았으나, 실시예 4의 경우에는 모든 시편에서 디라미네이션이 발생하여 불합격됨을 알 수 있다. 인장강도에 있어서 실시예 2내지4의 경우 모두 2000MPa를 상회하며 실시예 1의 경우 2000MPa급 교량용 강선의 최소 인장강도인 1960MPa를 상회하고 있다.

따라서 염회치가 확보된 2000MPa급 강선을 제조하기 위해서는 상기 제시된 합금성분계의 선재를 이용하여 조직 미세화와 내외부의 균질성을 확보하기 위해 소량의 1차 신선을 행한 뒤 LP열처리를 행하고 다시 2차 신선을 행한 후에 Zn 도금 열처리를 행하는 것이 최적임을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 1차 신선을 행하고 LP처리 후 2차 신선을 가함으로써 염회특성이 확보된 고강도 교량용 강선을 제조할 수 있는 유용한 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 중량 %로 C : 0.8~1.0%, Si : 0.9~1.3%, Mn : 0.2~0.9%, Cr : 0.1~0.3%, S: 0.015%이하, P : 0.015%이하, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된 선재를 1차 신선하는 단계;

   상기 1차 신선된 선재를 LP열처리하는 단계;

   상기 LP열처리된 선재를 2차 신선하는 단계;

   상기 2차 신선된 선재를 아연도금하는 단계를 포함하여 이루어지고, 상기 1차 신선율은 상기 2차 신선율 이하이고 상기 1차 신선의 감면율은 30~45%인 것을 특징으로 하는 염회특성이 우수한 고강도 교량용 강선의 제조 방법.

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