KR101253822B1 - 초미세립 고강도 고인성 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고가의 합금원소를 첨가하지 않으면서도, 공정제어를 통한 미세조직의 제어를 통해, 초미세립의 고강도 고인성 탄소강 선재를 제공하기 위한 것으로서, 탄소강 선재에 있어서, 상기 선재는 면적분율로 60% 이상의 페라이트 조직, 나머지는 세멘타이트 조직을 포함하는 미세조직을 가지며, 상기 페라이트의 평균입경은 15㎛이하인 초미세립 고강도 고인성 선재와 이를 제조하는 방법을 제공한다.

Description

초미세립 고강도 고인성 선재 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH AND TOUGHNESS STEEL WIRE ROD HAVING ULTRA FINE GRAIN AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SMAE}

본 발명은 고강도 고인성 선재에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 미세조직을 제어함으로서, 우수한 강도와 인성을 갖는 선재 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

최근 합금철 가격의 상승과 더불어 자동차의 고강도화 및 경량화에 따라 희유금속의 자원 무기화가 지속되고 있으며, 이에 따라 합금철을 투입하지 않고도 고강도와 고연성을 달성할 수 있는 초미세립 선재의 개발이 요구되고 있다.

종래, 미세조직을 미세화시키기 위하여, Nb, Ti, V 등의 합금원소를 투입하는 기술이 제안되었다. 이들 기술은 투입된 합금원소가 석출상을 형성하고, 형성된 석출상이 오스테나이트 입자의 성장을 방해함으로써, 궁극적으로 미세한 페라이트상을 얻도록 하는 방법이다.

또한, 상기 방법에 더하여, 결정입자의 크기를 최소화하는 온도에서 압연을 실시하는 제어압연기술도 채택되기에 이르렀는데, 그 결과 페라이트 결정입자의 입도는 약 20㎛까지 미세화될 수 있었다.

상기 제어압연기술에 그치지 않고, 결정립 미세화에 대한 지속적인 요구가 지속됨에 따라, 압연속도와 냉각속도를 제어하여 결정조직을 미세화시켜 기계적 성질을 개선하는 TMCP(Thermo Mechanical Control Process) 기술도 등장하게 되었다.

그러나, 상기 입자 미세화 기술은 모두, 판재 생산시 사용가능한 기술로서, 선재에 적용하기는 곤란한 기술이다. 즉, 선재는 후강판에 비하여, 단면 감소율이 매우 크기 때문에 압연속도가 매우 빠르며, 냉각속도를 제어하는 것이 용이하지 않고, 특히 수냉할 경우에는 표면에 마르텐사이트가 형성됨으로써, 표면결함이 발생할 우려가 있다. 따라서, 압연온도와 냉각속도를 제어하는 것을 핵심으로 하는 TMCP 기술은 선재에 적용이 곤란하며, 선재에 적합한 제조기술이 필요하게 되었다.

미세립의 고강도 고인성 선재 제조를 제조하는 기술에 관한 특허로는 일본 특허공개번호 2009-62574, 2009-138251, 2009-132958 등이 있다. 상기 특허들은 합금원소의 첨가, 냉각속도 변화, 합금원소 및 냉각속도를 조절하는 외에, 강압하를 실시하여 세멘타이트의 결정립을 분쇄시켜, 분절된 페라이트와 세멘타이트 조직을 얻는 방법에 국한되어 있다.

상기 분절 페라이트와 세멘타이트 조직을 갖는 경우에는, 분절 세멘타이트들이 미세 석출 경화형 물질로 작용하여 선재의 강도를 비약적으로 증대시킨다는 장점을 가지고 있으나, 홀-패치(Hall-Petch)관계식에 의하면, 강도 증가와 함께 연성의 감소를 필연적으로 수반한다는 단점을 가지고 있다.

또한 세멘타이트 등을 분절시키기 위해서는 이미 세멘타이트 등이 생성된 이후 압연이 실시되어야 하므로, 세멘타이트 등이 생성될 수 있는 2상 영역을 넓힐 필요가 있으며, 이를 위해서는 합금원소 첨가가 필수적이기 때문에 원가 상승의 단점 역시 수반하고 있다.

기타의 미세립 선재에 관한 기술로는 미세 분말체를 이용하는 분말야금법을 이용한 초미세립 선재가 있으나, 분말야금에 의한 선재는 그 사용처가 국한되며, 소결시 미세 입자들의 소결성 저하에 따른 강도 저하의 단점을 극복하고 있지 못한 실정이다.

한편, 기타의 압연 혹은 냉각 방식에 의한 초미세립 선재 제조에 관한 기술은 그 수가 매우 한정적이며, 대부분은 마무리 압연 및 LP(Lead Patenting) 온도를 조절하여 펄라이트 조직의 크기를 제한하는 기술에 불과하다. 특히, 펄라이트 조직 자체가 미세립임을 고려할 때, 이들 기술은 특별한 기술적 의미를 갖는 것으로 보기 어렵다.

따라서, 탄소강을 이용하여 초미세립 선재를 제조하기 위한 기술은 그 활용가치가 높으나 아직 만족할 만한 기술이 제시되지는 못하였으므로, 이에 따라 기술개발의 필요성이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명에 따르면, 합금원소의 첨가 없이도 입자의 미세화를 도모함으로써, 고강도 및 고인성을 확보한 선재와 이를 제조하는 방법이 제공된다.

본 발명의 일구현례에 따르면 탄소강 선재에 있어서,

상기 선재는 면적분율로, 60% 이상의 페라이트 조직, 나머지는 세멘타이트 조직을 포함하는 미세조직을 가지며,

상기 페라이트의 평균입경은 15㎛이하인 초미세립 고강도 고인성 선재를 제공한다.

또한, 본 발명의 또다른 구현례에 따르면, 탄소강 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)을 가열, 선재 압연, 냉각 및 권취하는 단계를 거쳐 선재를 제조하는 방법에 있어서,

상기 선재 압연된 선재를 150~350℃까지 냉각한 후, -100℃ 이하까지 급속냉각하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 합금원소를 첨가하지 않은 탄소강을 이용하여 합금강 수준의 인장강도와 연신율을 확보할 수 있는 초미세립 고강도, 고인성 선재를 제공할 수 있다. 이를 통해, Ti, Nb, V, Cr 등 고가의 합금성분을 첨가하지 않으므로, 가격경쟁력을 확보할 수 있으며, 분말야금법으로만 실용화되고 있는 초미세립 선재 제조에 관한 기술을 확보할 수 있다.

도 1의 (a), (b)는 각각 실시예 1에서 강종 1의 비교예 1과 발명예 1의 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 2는 실시예 1에서 강종 1 및 2의 비교예와 발명예에 대하여 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 3의 (a)는 실시예 1에서 강종 2의 발명예 2의 EBSD이미지 결과이고, (b)는 미세조직을 관찰한 사진이다.
도 4 (a), (b)는 각각 실시예 2에서 강종 2의 비교예 2 및 발명예 2의 선재로 신선 및 어닐링한 후의 기계적 특성을 나타낸 그래프이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명자들은 탄소강 선재에 대하여, Ti, Nb, V 등 고가의 합금원소가 첨가된 합금철을 사용하지 않고, 고강도 고인성 선재를 제조할 수 있는 방법에 대하여 연구하였다.

상기 연구결과, 본 발명자들은 선재의 미세조직이 면적분율로, 60% 이상의 페라이트 조직, 나머지는 세멘타이트 조직을 포함하고, 상기 페라이트의 평균입경은 15㎛이하인 선재를 개발하였고, 이를 통해, 선재의 고강도와 고인성화를 달성할 수 있음을 인지하고 본 발명에 이르게 되었다..

본 발명의 선재는 그 미세조직이 면적분율로 페라이트 60% 이상을 만족하고, 나머지는 세멘타이트를 포함한다. 상기 페라이트의 분율이 60% 미만에서는 페라이트 분율 저하로 인해, 연성이 저하되어 강도향상에 따른 홀-패치 관계식(Hall-Petch equation)에 의해 강도와 인성의 밸런스가 저하되기 문제가 있기 때문에, 페라이트의 분율은 60% 이상을 만족하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 선재는 페라이트의 평균입경이 15㎛ 이하를 만족하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 페라이트의 결정립의 크기가 작아지게 되면, 결정립의 비표면적이 상승하기 때문에, 원활한 슬립시스템(slip system)이 작용하여 강도가 증가하면서도, 연성이 저하되지 않는다. 이를 통해 본 발명의 선재는 높은 인장강도를 보유하는 동시에, 높은 연신율을 갖는 연성을 확보할 수 있다.

상기 페라이트의 평균입경이 15㎛를 초과하게 되어 페라이트 입경의 미세화가 되지 않으면 강도 증가 효과가 미비할 뿐만 아니라, 단위 면적당 페라이트 분율이 줄어들어 인성 및 연성이 저하되는 문제를 가지게 되며, 페라이트 미세화에 따른 강도 증가 효과를 확보하기 어려운 문제가 있다.

또한, 본 발명의 선재에서 상기 페라이트는 베이나이트의 형상을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 형상의 페라이트를 베이나이틱 페라이트(bainitic ferrite)라 칭한다. 상기 베이나이틱 페라이트는 침상 형태를 가지며, 레스(lath)상의 조직으로 이루지게 된다. 상기 베이나이틱 페라이트는 내부 석출물이 없고, 모상인 오스테나이트와 특정한 해빗 플레인(habit plane)을 갖는 평행한 레스 그룹(lath group)으로 구성되어 있다. 이들 레스 그룹(lath group)은 모두 동일한 변형(variant)을 가지므로 서로간의 방위차가 극히 적어서, 후술하는 소경각입계를 형성하게 된다.

따라서, 본 발명의 선재는 상기 베이나이틱 페라이트를 포함하여, 일반 페라이트에 비해 페라이트 분율의 증가를 도모하여 인성, 연성 및 강도를 동시에 증가시키는 효과를 가지게 된다.

본 발명 선재의 미세조직은 전자후발산란회절(EBSD, Electro Back Scattered Diffraction)의 결정방위가 30°이하인 것이 바람직하다. 상기 결정방위가 30°이하인 경우를 소경각입계라 할 수 있다. 본 발명의 선재는 상기 소경각입계를 형성함으로서, 미세 페라이트 분율이 증가하여 강도가 향상될 뿐만 아니라, 인성과 연성을 증가시킬 수 있기 때문에 기계적 특성 향상이 가능한 조직을 형성한다.

본 발명 선재 조성의 바람직한 예를 든다면, 탄소(C)의 함량이 0.15~0.5중량%이고, 실리콘(Si)이 0.1~0.2중량%, 망간(Mn)이 0.1~0.7중량%가 첨가되는 것이 바람직하다. 상기 성분이외에 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다. 상기 성분이외에 다른 성분이 첨가될 수 있으나, 다른 성분의 첨가는 본 발명의 기술사상에 영향을 미치지 않는다.

본 발명의 선재는 인장강도가 1100Mpa 이상이며, 연신율은 20% 이상을 만족하며, 강도와 연성의 상관관계를 나타내는 에코(ECO)지수(인장강도×연신율)가 2000 이상을 만족한다.

이하, 상기 본 발명의 선재를 제조하는 방법에 대하여 상세히 설명한다. 선재의 미세조직은 선재의 제조과정 중 선재압연 후 냉각속도 제어에 따라 조절되므로, 이에 따라, 냉각속도 제어를 통한, 본 발명 선재를 제조하는 일구현례에 대하여 상세히 설명한다.

통상적으로, 선재는 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)을 가열하고, 선재압연한 후, 냉각하고 권취하는 단계를 거쳐 제조된다. 상기 탄소강 선재를 제조하기 위한 공정의 일예를 들면, 탄소강 블룸 또는 빌렛을 1100℃이상으로 재가열한 후, 1000~900℃의 온도범위에서 선재압연을 행하고, 냉각 후 권취하는 단계를 거쳐 제조된다.

본 발명의 선재 제조방법은 상기 선재제조시, 상기 선재압연된 선재를 150~350℃까지 냉각한 후, -150~-100℃ 이하의 온도까지 급속냉각하는 단계를 포함한다. 선재압연된 선재를 150~350℃까지 냉각하는 과정은 공냉 공정으로 행하는 것이 바람직하다.

상기 급속냉각은 통상의 수냉이나 공냉을 의미하는 것이 아니라, 수초내에 급격히 냉각시키는 것을 의미한다. 이는 통상적으로, 가열된 강재를 급냉(quenching)을 하게 되면, 마르텐사이트(martensite)조직을 가지는 것으로 인식되나, 본 발명은 이러한 기존사상을 탈피한 것이다.

본 발명에서는 상기 급속냉각을 행함으로써, 냉각되는 과정에서 확산을 억제하여 입자성장을 억제하고, 급속냉각에 의해 압연 후, 미세조직이 재결정 되기 직전의 상태, 즉 베이나이트 조직처럼 조직내에 시프 라이크(sheaf-like) 형태의 레쓰(laths)들을 형성하는 결정립 동결(grain freezing)의 과정을 거치게 된다. 따라서, 그 결과, 미세한 결정립을 갖는 페라이트와 세멘타이트로 이루어진 미세조직을 형성하게 된다.

다시 말해, 상기 급속냉각을 통해, 페라이트의 결정립이 성장되는 방지하여 초미세립의 조직을 형성할 수 있으며, 탄소강에서 통상적으로 일어나는 변태가 억제되어, 60% 이상의 페라이트와 나머지는 세멘타이트 조직을 형성하게 된다. 특히, 상기 페라이트는 베이나이트틱 페라이트로 형성된다.

상기 급속냉각의 바람직한 냉각속도는 100~150℃/sec이다. 상기 급속냉각은 통상의 수냉을 의미하는 것이 아니라, 후술하는 냉매를 통하여, 상기 결정립의 동결(grain freezing)을 이용하고자 하는 것이므로, 그 냉각속도가 100℃/sec 이상이 되어야 하고, 바람직하게는 100~150℃/sec의 냉각속도로 행한다.

상기 급속냉각을 위해 사용되는 냉매로는 액체질소, 드라이 아이스 등을 이용할 수 있으며, 선재냉각용 폴리머 솔루션(polymer solution)을 이용할 수도 있다. 상기 폴리머 솔루션의 바람직한 일예를 든다면, 15~30%의 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 및 70~85%의 물(H₂O)로 이루어진다. 상기 냉매로서 가장 바람직한 예는 액체질소를 들 수 있다.

상기 급속냉각은 선재를 -100℃ 이하의 온도범위까지 냉각하고, 바람직하게는 -150~-100℃의 온도범위까지 냉각한다. 상기 온도가 -150℃ 미만이 되면, 선재의 표면이 급속히 냉각되어, 선재자체의 표면결함을 야기할 우려가 있으며, -100℃를 초과하게 되면, 충분한 냉각이 이루어지지 않아, 본 발명에서 요구하는 선재의 조직제어가 불가능하다는 문제가 있다.

상기 급속냉각은 냉매에 침지하여 행하는 것이 바람직하고, 이때 침지하는 시간은 1~10분으로 행하는 것이 바람직하다. 그 시간이 1분 미만이면, 선재의 냉각이 충분이 되지 않아, 본 발명에서 요구하는 조직을 형성할 수 없고, 그 시간이 10분을 초과하여 너무 길어지게 되면 선재 제조 공정상 시간이 너무 길어져 생산성의 저하를 초래할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명의 이해를 위한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

미국재료시험학회(American Society for Testing Materials, ASTM) 기준으로, S45C 강종(이하, '강종 1'이라 함)과 45F 강종(이하, '강종 2'라 함)을 준비한 후, 선재 제조를 위한 선재 압연을 행한 후, 일부를 절단하여, 300℃까지 냉각시킨 후, -150℃의 액체질소에 5분간 침지시켜 급속냉각시키고, 권취를 모사하기 위하여 다시 상온으로 시편을 회수하였다. 이하, 상기 본 발명의 단계를 거친 시편은 각각 강종 1의 발명예 1과 강종 2의 발명예 2로 구분하고, 한편으로, 상기 급속냉각을 행하지 않은 시편을 각각 강종 1의 비교예 1과 강종 2의 비교예 2로 구분하였다.

상기 각 시편에 대하여 광학현미경을 이용하여 미세조직을 관찰하고, EBSD(Electro Back Scattered Diffraction) 이미지를 관찰하여 그 결과를 도 1 및 3에 나타내고, 각 시편의 인장강도를 측정하여 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 1의 (a), (b)는 각각 상기 강종 1의 비교예 1과 발명예 1의 미세조직을 관찰한 사진이다. 도 1(a) 나타난 바와 같이, 비교예 1은 약 35~40㎛의 페라이트와 세멘타이트의 2상으로 구성되어 있음을 볼 수 있으나, 그러나 도 1(b)에 나타난 발명예 1의 경우에는 약 12㎛의 베이나이트처럼 형성된 초미세 페라이트(베이나이틱 페라이트, bainitic ferrite)와 세멘타이트로 구성되어 있음을 확인할 수 있다.

한편, 도 2는 상기 강종 1 및 2의 비교예와 발명예에 대하여 인장강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 2에 나타난 바와 같이, 인장강도(Tensile Stress)는 강종 1 및 2에서, 발명예들이 비교예들에 비해, 약 1.5배에서 2배의 인장강도가 상승하였음을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 발명예에서는 급속냉각에 의해 결정립성장이 억제되어 페라이트의 결정립크기가 작아지기 때문이다.

도 3의 (a)는 강종 2의 발명예 2의 EBSD(Electro Back Scattered Diffraction) 이미지를 나타낸 사진이고, 도 3의 (b)는 상기 강종 2의 발명예 2의 미세조직을 나타낸 사진이다. 도 3의 (a) 나타난 바와 같이, 발명예 2에서는 결정방위가 30°이하인 소경각입계를 형성하고 있음을 확인할 수 있고, 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 페라이트의 결정립이 약 12㎛이하임을 확인할 수 있다.

(실시예 2)

한편, 본 발명의 선재를 이용하여, 신선을 행할 경우의 기계적 특성을 파악하기 위해서, 다음과 같이 실시예를 행하였다. 상기 강종 2의 비교예 2 및 발명예 2를 각각 80%까지 신선한 후, 500℃, 600℃로 어닐링(annealing)한 후, 선재, 신선된 신선재, 500℃에서 어닐링한 신선재 및 600℃에서 어닐링한 신선재에 대하여, 기계적 특성을 측정하여, 그 결과를 도식화하여 도 4에 나타내었다.

도 4의 (a)는 상기 비교예 2만을 나타낸 것이고, (b)는 발명예 2를 동시에 나타낸 것이다.

도 4의 (a)에 나타난 바와 같이, 80%까지 건식 신선한 비교예 2의 경우 인장강도는 약 1600MPa 까지 상승함을 확인할 수 있으나, 전형적인 홀-패치(Hall-Petch) 효과에 따라 연신율이 약 10%미만을 나타냄을 확인할 수 있으며, 밀집된 전위의 풀림을 위해 실시한 어닐링 후에도 연성은 증가하지 않았음을 확인할 수 있다.

이러한 이유는 건식 신선시 전위의 충돌(pile up)에 의해 전위가 증식되고, 강한 변형에 의해 결정립도가 감소함과 동시에 전위밀도의 상승으로 인하여 연성이 감소되기 때문이다.

그러나, 도 4의 (b)에 나타난 바와 같이, 발명예 2의 경우, 인장강도가 약 1150MPa 이상임에도 불구하고 연신율은 평균적으로 약 23%임을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 단위면적당 페라이트의 분율이 증가하고 페라이트의 비표면적이 상승하기 때문에 원할한 슬립 시스템(slip system)이 작용하여 연성을 증가시키기 때문이다. 한편, 초미세결정립의 특성을 나타내는 발명예 2의 경우에는 ECO(인장강도×연성) 지수가 2200 이상을 나타내나, 비교예 2의 경우 최대 1500을 상위하지 못하는 것을 확인할 수 있다.

Claims (12)

1. 면적분율로 60% 이상의 페라이트 조직, 나머지는 세멘타이트 조직을 포함하는 미세조직을 가지며,
   상기 페라이트는 베이나이틱 페라이트(bainitic ferrite)의 형상을 가지고, 상기 페라이트의 평균입경은 15㎛이하인 초미세립 고강도 고인성 선재.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 선재는 중량%로, C: 0.15~0.5%, Si: 0.1~0.2%, Mn: 0.1~0.7%, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재.
   
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 페라이트는 전자후발산란회절(EBSD, Electro Back Scattered Diffraction)의 결정방위가 30°이하인 초미세립 고강도 고인성 선재.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 선재의 인장강도가 1100Mpa 이상이며, 연신율은 20% 이상인 초미세립 고강도 고인성 선재.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 선재의 ECO(인장강도×연성) 지수가 2000 이상인 초미세립 고강도 고인성 선재.
   
7. 블룸(bloom) 또는 빌렛(billet)을 가열, 선재 압연, 냉각 및 권취하는 단계를 거쳐 선재를 제조하는 방법에 있어서,
   상기 선재 압연된 선재를 150~350℃까지 냉각한 후, -100℃ 이하까지 급속냉각하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 급속냉각은 -150 ~ -100℃의 온도범위까지 행하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.
   
9. 청구항 7에 있어서,
   상기 급속냉각은 100~150℃/sec의 냉각속도로 행하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.
   
10. 청구항 7에 있어서,
    상기 급속냉각은 액체 질소, 드라이 아이스 또는 폴리머 솔루션(polymer solution) 중 어느 하나 냉매를 사용하여 행하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.
    
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 급속냉각은 상기 냉매에 침지하여 행하고, 상기 침지는 1~10분간 행하는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.
    
12. 청구항 10에 있어서,
    상기 폴리머 솔루션은 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 15~30%와 물 70~85%로 이루어지는 것을 포함하는 초미세립 고강도 고인성 선재의 제조방법.

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