KR101271956B1 - 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어 코드, 쏘우 와이어 등에 사용될 수 있는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재에 관한 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트를 포함하며, 상기 펄라이트의 층간간격은 115nm이하인 것을 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 타이어 코드, 쏘우 와이어 등 신선 가공량이 많은 선재 외에도, 이보다 신선 가공량은 적지만 건식 신선을 통해 제조되는 케이블 등의 태경 선재 즉, 소재와 다이스의 마찰에 의한 발열이 많은 선재 제조 시, 세멘타이트 분해를 Mn 생략을 통해 억제할 수 있으며, 소재 수명과 안정성 측면에서 크게 향상되는 효과가 있다.

Description

우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법{HIGH STRENGTH WIRE ROD HAVING EXCELLENT FATIGUE STRENGTH AND METHOD FOR MANIFACTURING THE SAME}
본 발명은 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어 코드, 쏘우 와이어 등에 사용될 수 있는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
타이어 코드, 쏘우 와이어 등은 일반적으로 습식 신선을 거쳐 제조되며, 그 쓰임상 고강도뿐만 아니라 우수한 내피로 특성을 요구한다. 이들의 통상적인 가공방법은 다음과 같다.
탄소 강도가 공석-과공석 범위인 용강을 블룸으로 주조한 뒤, 빌렛으로 압연하고, 이 빌렛을 가열로에서 균질화 처리하여 오스테나이트 단상 조직을 갖도록 한다. 이후, 선재 압연을 통해 선재의 직경을 감소(down sizing)시키고, 스텔모아 냉각대 상에서 초석 페라이트 또는 초석 세멘타이트가 형성되지 않는 적정 속도로 냉각하여 전부(fully) 펄라이트 조직을 갖는 선재를 제조한다. 후, 고객사에서 그 용도와 쓰임에 따라 신선하며, 선재가 1~2mmφ의 직경을 가질 때, 소재에 연성을 부여하기 위해 중간 열처리를 행하며, 다수의 멀티 패스를 하여 신선가공량(ε)을 3.2~3.6의 범위로 부여하여 필라멘트로 제조하며, 타이어 코드의 경우 적정 코드를 만드는 꼬는 과정인 연선 제조 공정이 추가로 더해진다.
타이어 코드, 쏘우 와이어에 우선적으로 요구되는 기계적 특성으로는 강도가 있으며, 이는 고강도화 시 중량 감소 및 소재 수명성 증가 등이 그 이유이다. 고강도화 방법으로는 Embury-Fisher 제안식에 따라, 초기 소재 강도 상승(또는 초기 소재의 펄라이트 층간 간격 미세화)와 신선 가공량 증가가 있다.
강도를 향상시키는 방법 중 하나인 초기 소재의 고강도화를 위한 방법으로는 C 함량 증가, Si, Mn 등의 고용강화 원소 첨가, 고 가공경화율 원소인 Cr 첨가 또는 V 등의 합금원소 첨가 등이 있다. 이 중 탄소 함량 증가가 가장 흔하게 사용되며, 이는 소재의 강도를 쉬우면서도 효과적으로 향상시킬 수 있기 때문이다. 예로 탄소는 현재까지 아공석(0.72중량%)에서 과공석(최대 1.05중량%)으로 그 사용함량이 지속적으로 향상되어 왔다. 이는 탄소 함량 증가시 세멘타이트 분율이 증가하고, 펄라이트 층간간격(λP)이 감소하기 때문이다.
다른 방법으로는 신선 가공량 증가가 있는데, 실험적 결과로 신선 가공량 증가시 선경이나 펄라이트 층간간격이 감소하고 강도는 지수적으로 향상된다. 그러나, 이들은 서로 독립적이지 않고 상호 연관되어 있기 때문에 한 개의 인자에 대해 독립적으로 제어하기 힘들고 강도를 향상시키는데도 한계가 있다.
한편, 타이어 코드, 쏘우 와이어 등으로 사용되기 위해서는, 굽힘 피로 특성이 우수해야 하는데 이는 이들이 동적인 응력이 반복적으로 사용되는 환경에 사용되기 때문이다. 일반적으로 강도와 굽힘 피로 특성은 강도에 따라 구분, 즉 강도가 1300MPa 이하인 소재에서는 σTS∝0.5σFL로 비례, 1300MPa가 넘는 소재에서는 σTS∝0.3σFL로 비례하는 것으로 알려져 있기 때문에 강도를 증가시킴으로써 피로 특성을 향상시켜 왔다.
신선 가공량이 많은 타이어 코드 강이 고강도 특성을 보이는 이유에 대해서는 다수의 인자가 제시되고 있지만, 그 중 가장 설득력 있는 인자는 가공 중 발생하는 세멘타이트 분해이다. Gridnev, Hono 등은 1970년 후반부터 지금까지 신선 시 발생하는 세멘타이트 분해에 대한 연구 결과를 제시하였으며, ε(신선 가공량)=5 이상으로 신선되었을 때(0.08mmφ) 5GPa 이상의 인장강도가 얻어지며, 이 때 높은 강도가 얻어지는 이유는 세멘타이트를 구성하는 대부분의 탄소가 페라이트로 확산하여 과고용상태로 되고 이는 마치 마르텐사이트와 같은 조직을 갖기 때문인 것으로 보고하였으며, 이에 덧붙여, 강도를 향상시키기 위해서는 이러한 세멘타이트 분해가 효과적이라고 언급하였다. 그러나, 이러한 세멘타이트 분해는 강도를 효과적으로 향상시킬 수는 있어도, 전단 응력이나 비틀림 응력 등 인장과는 다른 모드의 응력이 인가된 상태에서는 그 효과가 미미하다.
본 발명의 일측면은 세멘타이트 분해를 억제하고, 동시에 강도를 증가시킬 수 있도록 성분계를 제어함으로써 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트를 포함하며, 상기 펄라이트의 층간간격은 115nm이하인 것을 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재을 제공한다.
상기 선재는 인장강도가 1370MPa 이상인 것이 바람직하다.
상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, 펄라이트 층간 간격이 20nm이하인 것이 바람직하다.
상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트의 세멘타이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 15원자% 이상인 것이 바람직하다.
상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트 내 페라이트 영역 중, 세멘타이트 영역과의 경계로부터 3nm이하의 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 2~5원자%인 것이 바람직하다.
상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, 피로 횟수(No. of fatigue cycles)가 11,000회 이상인 것이 바람직하다.
본 발명은 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 균질화 처리하는 단계; 균질화 처리된 상기 강편을 압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법을 제공한다.
상기 균질화 처리 온도는 1000~1200℃인 것이 바람직하다.
상기 압연 온도는 900~1000℃인 것이 바람직하다.
상기 냉각 속도는 10~15℃/s인 것이 바람직하다.
본 발명의 일측면에 따르면, 타이어 코드, 쏘우 와이어 등 신선 가공량이 많은 선재 외에도, 이보다 신선 가공량은 적지만 건식 신선을 통해 제조되는 케이블 등의 태경 선재 즉, 소재와 다이스의 마찰에 의한 발열이 많은 선재 제조 시, Mn 생략을 통해 세멘타이트 분해를 억제할 수 있으며, 소재 수명과 안정성 측면에서 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 3DAP(3차원 원자 침 분석기, 3 Dimensiomal Atom Probe)를 이용하여 비교예 1(a)과 발명예 3(b)을 분석한 사진이다.
본 발명의 일측면은 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고, 미세조직은 펄라이트를 포함하며, 상기 펄라이트의 층간간격은 115nm이하인 것을 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재을 제공한다.
본 발명자들은 선재 제조 시 세멘타이트(Fe:C=3:1)를 구성하는 철 원자와 직경차이가 크지 않고 치환이 가능한 Mn이 합금 원소로 첨가될 경우, Mn3C로 존재하게 되어 세멘타이트 결합을 악화시키고 이는 신선 가공 시 세멘타이트 분해 발생을 가속화시켜 강도는 증가시키지만 굽힘 피로 특성을 저하시킨다는 문제점이 발생한다는 점을 인지하게 되었다. 이에, 본 발명자들은 상기 Mn 첨가 시 발생하는 문제점을 해결하기 위하여, Mn과는 반대 역할을 하는 Si를 적정량 첨가함으로써 Mn 생략에 따른 강도 저하를 보상하고 동시에 세멘타이트 분해 발생을 억제시켜 피로 특성을 향상시킬 수 있다는 점을 인지하고 본 발명을 완성하게 되었다. 본 발명에서 제공하는 선재는 Mn을 실질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명은 상세히 설명한다.
C(탄소): 0.90~1.0중량%
C는 강도를 확보하기 위한 주요 원소로서, 첨가되는 C는 대부분 세멘타이트의 형태로 존재하게 된다. 세멘타이트는 페라이트와 함께 층상 펄라이트를 형성하는데 페라이트에 비하여 고강도이므로 세멘타이트 분율이 증가할수록 또는 펄라이트 층간간격이 미세할수록 선재의 강도는 증가하게 된다. 탄소 함량을 증가시키면 세멘타이트 분율이 증가하고 층상간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이나 0.90% 미만으로 첨가되는 경우, 본 발명이 목표로 하는 강도 확보에 어려움이 있고, 1.0%를 초과라는 경우에는 초석 세멘타이트가 입계에 형성될 가능성이 커져 피로 특성이 저하될 수 있으므로, 상기 C의 함량은 0.90~1.0중량%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다.
Si(규소): 0.7~1.5중량%
Si는 페라이트 기지 내 고용되어 고용강화 효과로 강도를 상승시키며, 페라이트 입내, 페라이트/세멘타이트 입계에 존재하며, 세멘타이트 내 일반형자리(general site)나 특별형 자리(specific site)의 Fe 원자와는 치환하지 못해 세멘타이트 내 고용도는 극히 낮은 원소이다. 또한, 과공석강에서 초석 세멘타이트의 형성을 억제한다. 중간 열처리 후, C, V, Cr 등에 비하면 강도를 증가시키는 효과는 적지만, 동일함량 첨가 시 Mn에 비해 약 2~2.5배(약 14Kg/mm2) 정도 강도를 증가시킨다. 또한, 습식 또는 건식 신선 시 발생하는 세멘타이트 분해를 억제하는 원소 중 하나이다. 본 발명에서 목표하는 강도를 얻기 위해서는 0.7% 이상 첨가해야 하며, 1.5%를 초과하는 경우에는 강도 증가는 포화상태를 이루고, 표면 탈탄층 및 스케일 형성으로 인한 손실(loss)이 발생하기 때문에, 상기 Si함량은 0.7~1.5중량%의 범위로 첨가되는 것이 바람직하다. 강도 상승 효과와 제조 비용 상승을 고려하였을 때 상기 Si는 0.7~1.25중량%의 범위로 첨가되는 것이 보다 바람직하다.
Cr(크롬): 0.1~0.5중량%
Cr는 C, V 다음으로 강도를 크게 증가시키고 세멘타이트를 미세화시키기 때문에 가공경화율이 높은 페라이트 안정화 원소이다. 이는 Cr이 세멘타이트 내 일반형자리(general site)에 쉽게 위치할 수 있는 치환형 원소이기 때문에 Fe와 쉽게 치환되어 세멘타이트 두께를 미세화시키기 때문이다. 상기 효과를 위해서는 상기 Cr이 0.1% 이상으로 첨가되어야 하나, 세멘타이트의 두께가 과도하게 얇아지면 신선성이 낮아지기 때문에 0.5%이하로 첨가되는 것이 바람직하다.
Mn(망간): 0.07중량% 이하
Mn은 합금 원소로 첨가될 경우, Mn3C로 존재하게 되어 세멘타이트 결합을 악화시키고 이는 신선 가공 시 세멘타이트 분해 발생을 가속화시켜 강도는 증가시키지만 굽힘 피로 특성을 저하시킨다는 문제점이 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 Mn을 실질적으로 함유하지 않는 것을 특징으로 하며, 이론상 Mn의 함량은 0%로 제한하는 것이 유리하나, 제조공정상 필연적으로 함유될 수 밖에 없다. 따라서, 상한을 관리하는 것이 중요하며, 본 발명에서는 상기 Mn 함량의 상한을 0.07%로 한정하는 것이 바람직하다.
본 발명이 제안하는 선재는 상기 성분 범위를 만족함과 동시에 미세조직이 95면적%이상의 펄라이트를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 펄라이트 조직은 선재의 강도 및 연성 확보를 위해 필수적으로 포함되어야 하는 조직이며, 바람직하게는 펄라이트로만 이루어지는 것이나, 선재 제조를 위한 압연 등의 공정에 의해 불순 조직들이 형성될 수 있으며, 상기 불순 조직으로는 펄라이트가 분절됨으로써 형성되는 초석 페라이트 및 초석 세멘타이트 중 1종 이상이 될 수 있다. 그러나, 상기 초석 페라이트 또는 초석 세멘타이트는 선재의 강도 및 연성 확보에 불리한 미세조직이므로, 그 상한을 5면적%이하까지 한정하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 펄라이트의 층간간격은 115nm이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 펄라이트 층간간격을 미세화시킴으로써, 선재 자체의 강도 확보가 가능해지고, 이에 따라 비틀림 현상을 최소화시키면서, 최종적으로 얻어지는 신선재의 강도를 향상시킬 수 있다. 상기 조건을 만족시킴으로써, 선재의 인장강도를 1370MPa 이상으로 확보할 수 있으며, 상기 펄라이트 층간간격이 100nm이하인 경우에는 선재의 인장강도를 1400MPa 이상으로 확보할 수 있어, 고강도의 선재를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 선재는 신선 가공을 통해 신선재로 제조되는 경우에, 강도뿐만 아니라 우수한 비틀림 가공성 즉, 우수한 피로 특성을 갖게 된다.
본 발명의 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, 펄라이트 층간 간격이 20nm이하인 것이 바람직하다. 이와 같이, 펄라이트 층간간격을 미세화시킴으로써, 단면감소율을 크게 감소시키지 않으면서도, 신선 후 선재의 강도를 3900MPa 이상으로 확보할 수 있어, 우수한 피로특성을 갖는 고강도 선재를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트의 세멘타이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 15원자% 이상인 것이 바람직하다. 이와 같이, 신선 가공 후, 세멘타이트 영역 내에 존재하는 탄소의 양을 상당량 확보함으로써, 우수한 강도를 선재에 부여할 수 있다. 여기서, 세멘타이트 영역이란 선재 제조시 상기 선재에 형성되는 미세조직에 있어, 펄라이트 조직 내 세멘타이트가 차지하는 최초의 영역을 의미한다.
한편, 선재를 신선함에 따라 세멘타이트가 분절되고, 이 세멘타이트는 세멘타이트와 인접해있는 페라이트 영역으로 C를 이동시키게 된다. 그러나, 페라이트 영역 내에서도 C가 포화되거나, 시간이 흐르게 되면, 상기 C가 세멘타이트와 페라이트의 경계영역에 분포하게 되는데, 이렇게 세멘타이트와 페라이트의 경계영역에 분포하는 C는 그 양이 많아지게 될 경우, 피로 특성이 저감될 수 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 선재를 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트의 세멘타이트 영역과 인접한 3nm이하의 페라이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 2~5원자%가 되도록 하는 것이 바람직한데, 이를 통해, 선재의 강도 및 피로 특성을 효과적으로 확보할 수 있다.
상기와 같이 신선한 선재는 인장응력의 0.3~0.4배의 하중 인가 시, 11,000회 이상의 피로 횟수(No. of fatigue cycles)를 확보할 수 있다.
이하, 본 발명의 제조방법을 설명한다.
본 발명의 선재를 제조하기 위해서는, 당해 기술분야에서 통상적으로 널리 알려진 다양한 선재 제조 기술을 이용할 수 있으나, 본 발명의 선재를 얻기 위한 보다 바람직한 제조방법의 일례를 다음과 같이 설명한다.
본 발명은 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 균질화 처리하는 단계; 균질화 처리된 상기 강편을 압연하여 선재를 얻는 단계; 및 상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법을 제공한다.
우선, 상기 성분계를 만족하는 강편을 균질화 처리한다. 이와 같은 균질화 처리를 통해 강편의 미세조직이 오스테나이트 단상이 되도록 하고, 잔존하는 편석, 탄화물 및 개재물을 효과적으로 용해한다. 상기 균질화 처리 온도는 1000~1200℃인 것이 바람직한데, 상기 온도 범위에서 강편의 가열을 행함으로써 상기 효과를 효과적으로 확보할 수 있으며, 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지할 수 있다. 다만, 상기 균질화 처리 온도가 1200℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 매우 조대하게 되어 고강도 및 고인성 선재를 획득하기 어렵다. 여기서, 강편이란 선재로 제조될 수 있는 블룸이나 빌렛과 같은 반제품을 모두 의미한다.
이후, 상기 강편을 압연하여 선재로 제조한다. 이 때, 상기 선재 압연 온도는 900~1000℃인 것이 바람직하다. 상기 압연온도가 압연온도가 1000℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립의 크기가 증가하여 강도 및 연성이 저하될 수 있으며, 900℃미만일 경우에는 롤 부하에 따른 압연롤 파손이 발생할 수 있다.
상기와 같이, 압연을 통해 제조된 선재에 대하여 냉각을 함으로써, 본 발명의 선재를 확보할 수 있다. 이 때, 상기 냉각 속도는 10~15℃/s인 것이 바람직한데, 15℃/s를 초과하는 경우에는 경질의 조직이 형성되어 연성을 확보하기 어려울 수 있으며, 10℃/s 미만인 경우에는 펄라이트 조직 이외에 초석 페라이트 등의 조직이 형성될 수 있다.
이후, 상기 선재를 이용하여 신선재를 얻기 위하여, 선재를 신선하여 1~2mmφ가 되도록 직경을 감소(down sizing)시킨 뒤, 중간 열처리 즉, 오스테나이징과 약 550℃의 LP 열처리(Lead patenting)하여 연성을 부여한 후, 일정량의 신선가공량(ε)을 적용하여 목표로 하는 직경을 갖는 신선재를 제조하게 된다. 본 발명에서는 상기 신선가공량(ε)을 선재 상태에서 중간 열처리를 행하기 전까지 신선하였을 때의 직경을 기준으로 하여 최종적으로 제조되는 신선재의 직경을 가질 때까지 가해지는 가공량으로 정의한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위한 예시일 뿐, 본 발명의 권리범위를 제한하지 않는다.
(실시예)
본 발명자들은 하기 표 1에 기재된 조성을 갖는 강편을 주조한 뒤, 1100℃에서 2시간 동안 재가열한 다음 추출하고, 마무리 압연온도를 950℃로 하여 열간압연하여 5.5mmφ의 직경을 갖는 선재를 얻은 뒤, 초석 세멘타이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각하였다. 이후, 건식 신선을 통해 상기 선재의 직경이 1mmφ가 되도록하고, 이어서 중간 열처리(오스테나이징 및 LP열처리(550℃))하여 연성을 부여한 후, 신선가공량(ε)이 3.2~3.6이 되도록 신선하여 필라멘트를 제조하였다. 상기와 같이 얻어진 5.5mmφ의 직경을 갖는 선재와 3.2의 신선가공량(ε)이 적용된 선재에 대하여 기계적 물성을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
구분 C(중량%) Si(중량%) Mn(중량%) Cr(중량%)
발명예 1 0.912 0.742 - 0.210
발명예 2 0.923 1.030 - 0.189
발명예 3 0.918 1.239 - 0.198
발명예 4 0.916 1.500 - 0.212
비교예 1 0.921 0.490 0.289 0.201
비교예 2 0.923 0.519 - 0.190
구분 선재(5.5mmφ) 필라멘트(0.2mmφ)
인장강도(MPa) 펄라이트 층간간격(nm) 인장강도(MPa) 펄라이트 층간간격(nm)
발명예 1 1374 115 3874 24
발명예 2 1397 104 3902 19
발명예 3 1421 95 3916 15
발명예 4 1422 92 3912 14
비교예 1 1360 124 3872 26
비교예 2 1346 130 3857 31
상기 표 2로부터 알 수 있듯이, Mn이 첨가되지 않고, Si가 본 발명이 제안한 범위로 첨가된 발명예 1 내지 4는 Si함량의 증가에 따라 인장강도는 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 다만, Si함량이 1.239%에서 1.500%으로 증가할 때에는 인장강도의 상승 폭이 작은 것을 확인할 수 있다. 한편, Si함량이 본 발명이 제안한 범위에 미치지 못하면서, Mn이 함유된 비교예 1의 경우에는 본 발명재와 비교할 경우, 인장강도가 14~62MPa만큼 낮은 것을 확인할 수 있다. 비교예 1과 Si함량은 유사하며, Mn을 첨가하지 않은 비교예 2는 인장강도가 발명예 1 내지 4나 비교예 1보다 낮은 수준을 가지고 있다는 것을 알 수 있다.
이러한 강도의 경향은 펄라이트 층간간격의 감소때문인 것으로 확인되는데, 비교예 1의 경우, 펄라이트 층간간격은 124nm이며, Si 함량이 점차적으로 증가하여 1.239%까지 증가했을 때 95nm까지 서서히 감소하며, 이와 비례하여 강도 또한 증가하는 것을 알 수 있다. 한편, Si가 1.5% 첨가되는 경우에는 층간간격의 감소치가 적어지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 일반적으로 알려진 Hall-Petch식에 따라 결정립이 미세할 때(또는 펄라이트 층간간격 감소) 강도가 증가한다는 기존의 결과와도 동일하다.
상기 선재를 0.2mmφ까지 습식 신선했을 때 인장강도를 확인해보면, 펄라이트 층간간격은 비교예 1의 경우 26nm, Mn이 포함되지 않은 비교예 2의 경우, 이보다 조대한 31nm였으며, Si함량이 0.239%일 때 층간간격이 15nm까지 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나, 그 이상 Si함량이 증가할 때 그 감소폭이 적은 14nm로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명자들은 1mmφ의 직경을 갖는 선재와 상기 선재에 신선가공량(ε)이 3.2~3.6이 적용된 선재에 대하여 세멘타이트 영역 내 탄소 함량과 펄라이트의 세멘타이트 영역과 인접한 3nm이하의 페라이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량을 측정한 뒤, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.
구분 탄소함량(원자%)
세멘타이트(ε=0) 세멘타이트(ε=3.2) 3nm이하의 페라이트(ε=3.6)
발명예 1 24.9 15.1~18.3 3~5
발명예 2 24.8 15.2~18.1 3~4
발명예 3 25.1 15.5~17.6 2~5
발명예 4 24.1 15.3~17.1 3~5
비교예 1 24.2 10.2~12.4 7~8
비교예 2 24.3 15.2~18.1 3~4
일반적으로, 세멘타이트의 Fe와 C는 결정 구조상 그 비가 3:1로, 원자%로 25원자%의 탄소가 세멘타이트에 존재하는 것으로 알려져 있으며, 선재의 t/4의 위치에서 3DAP를 이용하여 세멘타이트 분해 함량을 분석한 결과인 표 3을 살펴보면, LP후 세멘타이트에는 거의 25원자%의 탄소가 존재하고 있음을 알 수 있다.
그러나, 0.2mmφ(ε=3.2)까지 습식 신선되었을 때, 비교예 1 및 2의 세멘타이트 영역 내에 존재하는 탄소를 비교해보면, Mn이 포함되지 않은 비교예 2의 경우에는 15.2~18.1원자%인데 반하여, Mn을 함유하고 있는 비교예 1은 10.2~12.4원자%로 나타났다. 이는 동일한 양으로 신선했을 때 Mn을 함유하지 않은 강종에서 세멘타이트 분해 발생이 억제되고 있음을 보여주고 있다. 또한, 본 발명이 제안하는 Si함량 범위를 갖고 있는 발명예 1 내지 4를 살펴보면, 세멘타이트 함량이 약 15~18원자%인 것을 알 수 있는데, 이로부터 Si는 Mn과 달리 세멘타이트에 침입하여 Fe와 C의 결합을 약하게 하는 역할을 하지 않기 때무에 세멘타이트 분해를 억제하는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 페라이트 중심부가 아닌 세멘타이트 영역과 인접한 페라이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량 또한 비교예 1에 비하여 적은 수준임을 알 수 있다.
도 1은 3DAP(3차원 원자 침 분석기, 3 Dimensiomal Atom Probe)를 이용하여 비교예 1과 발명예 3을 분석한 사진이며, 세멘타이트 분절이 비교예 1에서 활발히 일어난 것을 확인할 수 있다.
하기 표 4는 0.2mmφ의 선재에 대하여 세선용 피로 시험기를 이용하여 인장응력의 0.3~0.4배인 1350MPa의 하중을 인가했을 때의 피로 횟수(No. of fatigue cycles)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.
구분 Mean. No. of cycles @ σ=1350MPa(≒0.3~0.4σTS)
발명예 1 11,202
발명예 2 11,715
발명예 3 12,089
발명예 4 12,120
비교예 1 10,884
비교예 2 9,102
표 4에서 알 수 있듯이, 발명예 1 내지 4는 피로 횟수가 11,000회 이상으로 우수한 피로 강도를 갖고 있는 것으로 나타났다. 그러나, Mn이 첨가된 비교예 1이나 Si함량이 본 발명의 범위에 미치지 못하는 비교예 2의 경우 피로 강도의 수준이 본 발명예에 미치지 못하는 것을 알 수 있다.

Claims (10)

  1. 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.07% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하고,
    미세조직은 펄라이트를 포함하며,
    상기 펄라이트의 층간간격은 115nm이하인 것을 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 인장강도가 1370MPa 이상인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, 펄라이트 층간 간격이 20nm이하인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트의 세멘타이트 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 15원자% 이상인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, t/4 위치(단, t는 선재의 직경임)에서, 펄라이트 내 페라이트 영역 중, 세멘타이트 영역과의 경계로부터 3nm이하의 영역 내에 존재하는 탄소 함량이 2~5원자%인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선재는 신선가공량(ε)을 3.0~3.6으로 하여 신선한 경우, 피로 횟수(No. of fatigue cycles)가 11,000회 이상인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재.
  7. 중량%로, C: 0.90~1.0%, Si: 0.7~1.5%, Cr: 0.1~0.5%, Mn: 0.07% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 균질화 처리하는 단계;
    균질화 처리된 상기 강편을 압연하여 선재를 얻는 단계; 및
    상기 선재를 냉각하는 단계를 포함하는 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 균질화 처리 온도는 1000~1200℃인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서.
    상기 압연 온도는 900~1000℃인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서.
    상기 냉각 속도는 10~15℃/s인 우수한 피로강도를 갖는 고강도 선재의 제조방법.
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