KR101271837B1

KR101271837B1 - 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101271837B1
Application number: KR1020100131600A
Authority: KR
Inventors: 이충열; 김재환; 석병설
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2013-06-07
Also published as: KR20120070166A

Abstract

본 발명은 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타이어코드 및 교량용 케이블 등에 사용될 수 있는 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 20원자%이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면 V의 첨가를 통해 시멘타이트 분해를 촉진시킴으로써, 강도 및 연성을 향상시킨 과공석 강선을 제조할 수 있다.

Description

고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법{HYPER EUTECTOID STEEL WIRE HAVING HIGH STRENGTH AND DUCTILITY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 타이어코드 및 교량용 케이블 등에 사용될 수 있는 고강도 고연성 과공석 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

냉간에서 인발된 펄라이트 강선은 높은 기계적 특성과 적정한 연성수준의 조합을 보여주고 있다. 이것은 가장 강도가 높은 강 중 하나이며, 타이어코드 및 교량용 케이블 등의 산업에 널리 적용되고 있다. 펄라이트 강선의 미세조직은 현재까지 광범위하게 연구되고 있으며, 인발가공후의 강도의 급격한 증가는 라멜라 층상간격의 미세화에 기인하는 것으로 보고되고 있다.

Mossbauer spectroscopy, EELS, 3D-AP등의 실험적 결과에서 펄라이트의 시멘타이트는 냉간인발시 적어도 부분적으로 분해가 일어남을 보여주고 있다. 시멘타이트 분해는 인발선에서의 전위생성 및 이동을 포함한 변형기구에 강한 영향을 미치고, 이로 인해 기계적 특성에 큰 영향을 미치므로 여전히 중요한 주제로 많은 연구자에 의해 연구되고 있다.

그러나, 이 현상의 구동력 및 속도론적 해석은 여전히 논쟁 중으로, 일부 연구자들은 라멜라 시멘타이트에 있는 탄소 원자가 페라이트내의 전위에 고착되어 시멘타이트 분해가 발생한다고 보고하고 있으며, 또 다른 연구자들은 시멘타이트 분해의 구동력으로 인발가공에 따른 급격한 라멜라 계면의 증가로 인해 페라이트내의 탄소의 고용도를 급격히 증가시키기 때문(Gibbs-Thompson 효과)으로 주장하고 있다. 그러나, 시멘타이트 분해에 미치는 합금원소 영향에 대해서 조사된 바 없고, 그에 따른 기계적 특성과의 상관관계는 발표된 바 없다.

본 발명의 일측면은 V의 첨가를 통해 신선가공 후 시멘타이트 분해를 촉진시킴으로써, 강도 및 연성을 향상시킨 과공석 강선 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 20원자%이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 강선을 제공한다.

이 때, 상기 강선은 인장강도가 2300~2400MPa이며, 단면감소율이 50%이상인 것이 바람직하며, 상기 강선은 펄라이트 층상간격이 45nm이하(0은 제외)인 것이 바람직하다.

본 발명은 중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 압연단계; 상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 냉각하는 냉각단계; 및 상기 냉각된 강재를 1.5~2.8%의 변형율로 신선하는 신선단계를 포함하는 고강도 고연성 과공석 강선의 제조방법을 제공한다.

상기 냉각단계 전에는 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 행하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일측면에 따르면 V의 첨가를 통해 시멘타이트 분해를 촉진시킴으로써, 강도 및 연성을 향상시킨 과공석 강선을 제조할 수 있다.

본 발명자들은 타이어코드 및 교량용 케이블 등에 사용될 수 있는 과공석 강선에 대하여 우수한 강도 및 연성을 부여하기 위한 연구를 행하던 중, V석물출에 의한 석출강화 효과를 이용하고, 동시에 펄라이트 내 시멘타이트의 분해를 촉진시켜 고강도와 고연성을 갖는 과공석 강선을 제조할 수 있다는 점을 인지하고, 관련 실험을 토대로 본 발명을 완성하게 되었다.

이하, 본 발명에 대하여 설명한다.

C(탄소): 0.88~1.02중량%

C는 과공석강 강선 내에서 대부분 시멘타이트의 형태로 존재한다. 시멘타이트는 페라이트와 함께 층상의 펄라이트를 형성하는데, 페라이트에 비하여 고강도이므로 시멘타이트의 분율이 증가할수록 강선의 강도는 증가하게 된다. C의 함량을 증가시키면 시멘타이트의 분율이 증가하고 층상 간격이 미세해지므로 강선의 강도를 향상시키는데 매우 효과적이다. 상기 효과의 발휘를 위하여 상기 C는 0.88%이상으로 첨가되는 것이 바람직하다. 그러나, 1.02%를 초과하는 경우에는 연성이 감소하게 되므로, 상기 C의 함량은 0.88~1.02중량%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Mn(망간): 0.3~0.8중량%

Mn은 기지조직 내에 고용체를 형성하여 고용강화하는 원소로 매우 유용한 원소이다. 펄라이트 변태를 지연시키기 때문에 다소 느린 냉각속도에서도 미세한 펄라이트가 쉽게 생성되도록 0.3중량%이상 첨가하는 것이 바람직하며, 0.8중량%를 초과하는 경우에는 고용강화 효과보다는 Mn편석이 발생하고, 열처리시에 소재의 표면에 있는 조직의 결정립계가 산화되기 쉬어 제품 특성에 악영향을 미치므로 Mn의 함량은 0.3~0.8중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

Si(실리콘): 0.4~1.0중량%

Si는 기지조직인 페라이트에 고용되어 고용강화의 효과를 발휘하며, 펄라이트 층상을 안정화시켜 강도저하를 억제하는 원소이다. 상기 Si의 함량이 0.4%미만인 경우에는 상기 효과가 미미하며, 1.0%를 초과하는 경우에는 재가열시 소재표면에 탈탄이 쉽게 발생되고 신선가공성이 저하되어 본 발명이 목표하고자 하는 강도를 얻기 어려워지게 된다. 따라서, 상기 Si의 함량은 0.4~1.0중량%의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Cr(크롬): 0.3~0.8중량%

Cr은 펄라이트 층상간격을 미세화시키고, 열처리시 상변태 속도를 느리게 하는 원소이다. 또한, Cr의 첨가를 통해 C의 함량을 줄이고도 강선의 강도를 효율적으로 증가시킬 수 있어, 강도와 연성 확보에 효과적인 원소이다. 그러나, 상기 Cr 이 0.3%미만인 경우에는 상기 효과가 미미하며, 0.8%를 초과하는 경우에는 소입성을 크게 증가시켜 연속냉각 공정 중에 마르텐사이트 등의 저온변태조직을 생성시킬 우려가 있으므로, 상기 Cr의 함량은 0.3~0.8중량%로 한정하는 것이 바람직하다.

V(바나듐): 0.05~0.18중량%

V는 펄라이트 입계에서의 탄소의 이동도를 증가시켜 시멘타이트 분해를 촉진시킴에 따라 동일한 신선가공량에서도 페라이트로 다량의 탄소를 배출하여 고강도 강선을 얻는 것을 가능하게 한다. 또한, 상기 V는 냉각 중에 탄화물이 석출되며, 이를 통해 펄라이트 조직의 컬러니 크기를 미세화시켜 강도와 연성을 효과적으로 확보할 수 있다. 상기 효과를 위하여, 상기 V는 0.05%이상으로 첨가되는 것이 바람직하나, 0.18%를 초과하여 첨가되는 경우에는 연성을 급격히 감소시켜 신선가공성을 악화시킬 수 있다.

본 발명 강선의 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 20원자%이하(0은 제외)인 것이 바람직한데, 이를 통해, 강가공시 시멘타이트에서 배출된 탄소가 페라이트에 고용되어 고용강화 효과를 발현시킬 수 있으며, 이에 따라 강선의 인장강도가 향상될 수 있다.

본 발명의 강선은 상기와 같은 조건 즉, 성분계, 미세조직 및 석출물 등의 조건을 만족하게 됨에 따라 2300~2400MPa의 인장강도와 50%이상의 단면감소율을 지닐 수 있다. 이 때, 상기 단면감소율은 높으면 높을수록 좋으므로, 그 상한에 대하여 특별히 한정하지는 않는다.

또한, 본 발명의 강선은 펄라이트 층상간격이 45nm이하(0은 제외)인 것이 바람직하다. 이러한 펄라이트 라멜라 층상간격의 미세화는 V 첨가를 통해 이루어질 수 있으며, 상기 층상간격의 미세화를 통해 인장강도와 단면감소율을 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 설명한다.

전술한 조성성분 및 범위를 만족하는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 단계를 거친다. 상기 열간압연 온도가 900℃미만인 경우에는 압연 부하에 의해 압연이 용이하게 행해지지 않으며, 1100℃를 초과하는 경우에는 강선 내 결정립의 크기가 증가하여 연성확보가 불가하며, 스케일이 생성과 탈탄의 영향으로 표면의 품질이 저하될 우려가 있다.

이후, 상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 상온까지 냉각한다. 상기 냉각속도가 1℃/s미만인 경우에는 펄라이트 라멜라 층상 간격이 넓어져 강도 및 연성 확보에 어려움이 따르며, 20℃/s를 초과하는 경우에는 펄라이트 조직을 확보하는데 어려움이 있고, 마르텐사이트 또는 베이나이트와 같은 저온변태조직의 생성으로 인해 신선 가공성을 확보하기 어렵다.

이 때, 상기 냉각공정 전에는 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 추가로 행하는 것이 바람직한데, 이를 통해, 초석 시멘타이트의 생성을 억제하여, 신선가공시 단선 등의 결함 발생을 억제할 수 있다.

상기 상온까지 냉각된 강재를 1.5~2.8%의 변형율로 신선함으로써 강선을 제조하게 된다. 상기 신선가공을 통해 강선 내에는 시멘타이트의 분해가 일어나게 된다. 일반적으로, 시멘타이트는 3개의 Fe원자와 1개의 C원자로 구성되어 있기 때문에, 신선가공전의 강선은 펄라이트 내의 시멘타이트(Fe₃C)의 탄소 함량은 25at%인데, 상기 신선공정을 통해, 시멘타이트의 탄소 함량이 줄어들게 되는 것이다. 이를 통해, 강선의 인장특성이 보다 향상되게 된다. 상기 시멘타이트 분해는 시멘타이트에서 탄소가 빠져나와 페라이트 기지내로 이동하여 존재하는 것이 에너지적으로 안정하기 때문에 발생하는 현상이다. 상기 변형율(e)은 2ln(di/df)로 표현되며 di는 신선가공전 강선의 초기 직경을 의미하며, df는 신선가공후의 강선의 직경을 나타낸다. 상기 변형율이 1.5%미만인 경우에는 충분한 강도를 확보하기 곤란하며, 2.8%를 초과하게 되면 디라미네이션이 발생하여 제품의 결함이 발생할 가능성이 높아지게 된다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지는 않는다.

(실시예)

하기 표 1의 성분범위를 가진 잉곳을 1000℃에서 열간압연하여 720℃까지 60℃/s로 냉각한 뒤, 다시 상온까지 10℃/s로 냉각하여 선재로 제조하였다. 이후, 상기 제조된 선재를 2.1%의 변형율로 신선가공하여 강선을 제조하고, 상기 강선의 미세조직 및 기계적 물성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	화학조성(중량%)					펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량(at%)	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)	펄라이트 층상간격 (nm)
구분	C	Si	Mn	Cr	V	펄라이트 내 시멘타이트 탄소함량(at%)	인장강도 (MPa)	단면감소율 (%)	펄라이트 층상간격 (nm)
발명예1	0.92	0.6	0.5	0.6	0.05	20	2320	53	37
발명예2	0.92	0.6	0.5	0.6	0.1	19	2377	51	32
비교예	0.92	0.6	0.5	0.6	-	24	2242	48	49

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 발명예와 비교예 모두 신선가공을 함에 따라 펄라이트 내의 시멘타이트가 소성변형 외에도 시멘타이트 분해가 일어났음을 알 수 있다. 즉, 발명예 1 및 2는 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 각각 20at% 및 19at%로 줄어들었다. 그러나, 비교예를 살펴보면 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 24at%로 탄소 함량의 감소폭이 적음을 알 수 있고, 이러한 결과는 V의 첨가에 기인한다는 사실을 알 수 있다. 결국, 비교예는 발명예 1 및 2에 비해 동일한 변형량에서 시멘타이트 분해가 빠르게 일어났음을 의미한다. 이에 따라, 발명예 1 및 2는 비교예에 비해 우수한 인장강도 및 연성을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

또한, 발명예 1은 펄라이트 층상간격이 37nm임을 알 수 있는데, 이는 V 첨가를 통해 비교예에 비하여 층상간격이 줄어들었음을 알 수 있다. 이러한 미세화된 펄라이트 층상간격은 강도를 증가시킬 뿐만 아니라 강선의 연성을 증가시켜 신선가공성을 향상시킬 수 있다. 발명예 2 또한 V의 적정량 첨가로 인해 펄라이트 층상간격이 32nm로 나타났다.

Claims

중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지며, 펄라이트 내 시멘타이트의 탄소함량이 20원자%이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 강선.
제1항에 있어서, 상기 강선은 인장강도가 2300~2400MPa이며, 단면감소율이 50%이상인 고강도 고연성 과공석 강선.
제1항에 있어서, 상기 강선은 펄라이트 층상간격이 45nm이하(0은 제외)인 고강도 고연성 과공석 강선.
중량%로, C: 0.88~1.02%, Mn: 0.3~0.8%, Si: 0.4~1.0%, Cr: 0.3~0.8%, V: 0.05~0.18%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 900~1100℃에서 열간압연하는 압연단계;
상기 열간압연된 강재를 1~20℃/s의 속도로 냉각하는 냉각단계; 및
상기 냉각된 강재를 1.5~2.8%의 변형율로 신선하는 신선단계를 포함하고,
상기 냉각단계 전, 60~80℃/s의 속도로 700~750℃까지 냉각을 행하는 것을 특징으로 하는 고강도 고연성 과공석 강선의 제조방법.
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