KR101289104B1 - 선재, 강선 및 강선의 제조 방법 - Google Patents

선재, 강선 및 강선의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지는 선재; 상기 화학조성을 가지는 선재를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 가열하고, 580℃ 내지 620℃의 납조 또는 염욕조에서 10 내지 30 초간 패턴팅하는 단계를 포함하는 강선의 제조 방법; 및 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지면서, 평균 구(舊) 오스테나이트 결정립 크기가 50㎛ 이하이고 평균 라멜라 간격이 300㎚ 이하인 미세조직을 가지는 강선이 제공된다.
본 발명에 따르면, 오스테나이트로부터 펄라이트(pearlite) 변태시 펄리틱 페라이트(pearlitic ferrite)에 분배되어 존재하는 Si 원소를 제거하여 펄라이트의 신선 가공성을 향상시키고, Co 원소를 첨가하여 세멘타이트의 변형능을 향상시켜 신선가공성을 극대화시키고, Cr 원소를 제거하여 펄라이트 변태 종료 시간을 단축시켜 후속 납 패턴팅(Lead Patenting; LP) 열처리 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 강도와 비틀림 특성이 우수한 고탄소, 고강도 강선재의 제조가 가능하다.

Description

선재, 강선 및 강선의 제조 방법{WIRE ROD, STEEL WIRE AND MANUFACTURING METHOD OF STEEL WIRE}
본 발명은, 선재, 강선 및 강선의 제조 방법에 관한 것이다.
고강도 강선은 다양한 형태로 산업 전반 곳곳에 하중 지지를 위해 사용되게 되는데, 대표적인 형태로 현수교, 사장교 등의 교량용 케이블, 콘크리트 교각 등에 콘크리트 보강용으로 사용되는 PC강선, 대형 건축물이나 구조물용 케이블, 해상 유전이나 각종 구조물을 지지하는 닻줄(anchor rope) 등이 있다.
이러한 고강도 강선 분야는 과공석 조성을 갖는 완전 펄라이트 조직의 강선을 길이 방향으로 신선 가공하여 최종적인 요구 선경과 기계적 특성을 만족시키게 되는데, 강선의 고강도화는 신선 가공 이전의 소재의 강도 증가와 신선 가공에 따른 가공경화에 의한 강도 증가의 2 가지로 구분할 수 있다. 강도는 통상 연성과 상대적인 값을 나타내기 때문에 신선 가공 전 소재의 강도가 높으면 부여할 수 있는 신선 가공한계가 작아져서 가공경화량이 상대적으로 작고, 소재의 강도가 낮으면 신선 가공을 많이 줄 수 있기 때문에 가공경화량이 상대적으로 많다.
신선가공한계는 가공경화에 의해 강도를 증가시킬 수 있는 정도를 결정짓는 매우 중요한 특성인데, 단순히 파단 시까지 부여할 수 있는 신선 가공량이 아니라 제품에서 요구되는 강선의 비틀림 특성치를 만족시킬 때의 신선 가공량이다. 비틀림 특성은 강선이 실제로 적용될 때 여러 가닥을 꼬아서 사용되기 때문에 요구되는 특성으로, 일반적으로 가공경화량이 많아지게 되면 소재의 연성이 급격히 저하되어 비틀림 특성이 나빠지기 때문에 신선가공 이전에 최대한 강도를 확보하고 신선 가공량을 최소화함으로써 목표 강도를 달성하는 것이 비틀림 측면에서 우수하다고 알려져 있다. 따라서 고강도를 목적으로 하는 대경 신선재의 경우 이제까지는 신선 가공 이전에 최대한의 강도를 내면서 비틀림 특성을 크게 해치지 않는 방향으로 합금설계가 진행되어 왔으며 여러 가지 합금성분 중에서 Si의 경우 펄라이트 변태시 페라이트에 분배되어 페라이트 고용강화를 효과적으로 일으키는 원소로 널리 알려져 있다. 종래 발명된 유사 강종들은 Si의 고용강화 효과를 극대화하고 신선가공 후 도금 열처리시 세멘타이트의 분해를 막기 위해 1.0중량% 정도 함유하고 있는 것이 특징이다. 오스테나이트로부터 펄라이트 변태시 펄리틱 페라이트(pearlitic ferrite)에 분배되어 고용강화 효과를 내는 Si 원소를 제거하여 페라이트의 신선가공성을 향상시킬 필요가 있다.
본 발명의 일 측면은 일반적으로 고탄소강 선재에서 페라이트의 신선가공성을 향상시키고자 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연속되는 열처리 및 신선 가공 후 강도와 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조 조건을 제시한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 기존의 고강도 강선보다 우수한 신선가공성을 가져서 소재의 신선가공한계가 월등히 크고, 그에 따라 통상보다 많은 변형을 가할 수 있어 기존 고강도 강선보다 우수한 강도를 가지고 비틀림 특성도 우수한 강선의 합금성분을 설계한다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면은, 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지는 선재를 제공한다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 화학조성을 가지는 선재를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 가열하는 단계, 및 580℃ 내지 620℃의 납조 또는 염욕조에서 10 내지 30 초간 패턴팅하는 단계를 포함하는 강선의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면은, 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지면서, 평균 구(舊) 오스테나이트 결정립 크기가 50㎛ 이하이고 평균 라멜라 간격이 300㎚ 이하인 미세조직을 가지는 강선을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고탄소, 고강도 강선재의 제조시 오스테나이트로부터 펄라이트(pearlite) 변태시 펄리틱 페라이트(pearlitic ferrite)에 분배되어 고용강화 효과를 내는 Si 원소를 제거하여 펄라이트의 신선 가공성을 향상시키고, Co 원소를 첨가하여 펄라이트 내 세멘타이트를 연질화하여 변형능을 향상시켜 신선가공성을 극대화시키고, Cr 원소를 제거하여 펄라이트 변태 종료 시간을 단축시켜 후속 납 패턴팅(Lead Patenting; LP) 열처리 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 강도와 연성, 비틀림 특성이 우수한 강선을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선재를 신선 가공하였을 때 인장특성에 미치는 Co 함량의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선재를 신선 가공하였을 때 비틀림 특성에 미치는 Co 함량의 영향을 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다.
그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다.
이하, 도 1 내지 도 2를 참조하여, 본 발명의 선재와 강선의 제조 방법, 및 강선에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지는 선재를 제공한다.
본 발명에서는 신선 가공성을 향상시키기 위하여 오스테나이트로부터 펄라이트(pearlite) 변태시 펄리틱 페라이트(pearlitic ferrite)에 분배되어 고용강화 효과를 내는 Si 원소를 제거하였고, 펄라이트 내 세멘타이트를 연질화하여 변형능을 향상시켜 신선가공성을 극대화시키고자 Co 원소를 첨가하였으며, 펄라이트 변태 종료 시간을 단축시키기 위하여 Cr 원소를 제거하였다.
이하, 본 발명의 조성 한정 이유에 대해 상세히 설명한다.
C : 0.8~1.0중량%
C는 소재의 강도를 확보하기 위하여 첨가되는 필수적인 원소이다. 상기 C의 함량이 0.8중량% 미만인 경우에는 펄라이트 조직에 세멘타이트 분율이 적어 강재에 요구되는 최소강도를 확보할 수 없다. 또한, C의 함량이 1.0중량%를 초과하는 경우에는 패턴팅(patenting) 열처리시 선재 내부에 초석 세멘타이트의 생성 위험이 존재하기 때문에 소재의 신선가공성이 현저히 떨어지게 된다.
Mn : 0.3~0.7중량%
Mn은 강재 내에 존재할 경우 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이다. 따라서, 상기 Mn 함량이 0.3중량% 미만인 경우에는 요구되는 충분한 강도 및 소입성을 얻기 어렵고, 반대로 0.7중량%를 초과하는 경우에는 변태가 현저히 지연되어 패턴팅 열처리시 변태가 완료되기 전에 수냉되게 되어 마르텐사이트 생성의 위험이 있으므로 상기 Mn의 함량은 0.3~0.7중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
Co : 1.0~3.0중량%
Co는 펄라이트 변태를 촉진시키고 세멘타이트를 연질화하여 연성을 확보하는데 유익한 원소이다. Co 함량이 1.0% 미만인 경우에는 세멘타이트의 경도가 충분히 낮아지지 않아서 신선가공성 향상을 기대하기 어렵다. 또한 3.0%를 초과하는 경우에는 펄라이트 내의 세멘타이트의 경도가 과도하게 낮아져서 균질한 모양의 펄라이트를 얻기 힘들게 된다. 따라서 상기 Co의 함량은 1.0~3.0중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
O : 0.0015중량% 이하
상기 O의 함량은 0.0015중량% 이하로 한정하는데, 0.0015중량%를 초과하면 산화물계 비금속 개재물이 조대하게 형성되어 신선가공성이 저하하게 된다.
P 및 S : 각각 0.02중량% 이하
상기 P와 S의 함량은 0.02중량% 이하로 한정하는데, P는 결정립계에 편석하여 인성을 저하시키기 때문에 그 상한을 0.01중량%로 제한하고, S는 저융점 원소로 입계 편석하여 인성을 저하시키고 유화물을 형성시켜 신선가공성에 유해한 영향을 미치기 때문에, 그 상한을 0.02중량%로 제한하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 유리한 조성을 가지는 선재가 이후 열처리(패턴팅)된 경우 신선가공성이 증대한다. 즉, 가공경화가 되더라도 가공성에 여유가 있어서 비틀림 특성이 양호하게 확보된다.
본 발명의 다른 측면은, 상기 화학조성을 가지는 선재를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 가열하는 단계, 및 580℃ 내지 620℃의 납조 또는 염욕조에서 10 내지 30 초간 패턴팅하는 단계를 포함하는 강선의 제조 방법을 제공한다.
상기 화학조성을 가지는 선재를 신선가공에 적합한 조직을 만들기 위하여 패턴팅 열처리(항온변태)를 하게 되는데, 이때 Co 첨가에 의해 펄라이트 미세조직 중 세멘타이트의 경도가 낮아져서, 통상적인 신선용 선재에 비해 후속 신선가공에 의해 세멘타이트가 분절되거나 파쇄되지 않고 변형이 쉽게 된다.
선재의 세멘타이트를 완전히 용해시키기 위해 LP 열처리의 오스테나이트화(austenitizing)를 1000~1200℃으로 하여 선재의 평균 오스테나이트 결정립 크기가 50㎛ 이하가 되도록 하였다. 1000℃ 미만의 온도로 가열하면 세멘타이트가 완전하게 용해되지 못하여 미용해 탄화물로 잔존해서 후속 항온열처리에서 완전한 펄라이트 조직을 만들지 못하게 되어 선재의 물성이 저하되고, 1200℃ 초과한 온도로 가열하면 오스테나이트 결정립의 조대화를 유발하고 소재 표면의 탈탄도 심화가 되어 선재의 물성이 저하된다.
이후 가열된 선재를 580℃~620℃의 온도에서 10~30초 동안 항온변태시키면 라멜라 간격(lamellar spacing)이 평균 300㎚ 이하의 미세한 펄라이트 조직을 얻어낼 수 있다. 580℃ 미만의 온도에서 항온변태시키면 펄라이트와 함께 저온조직도 일부 생성되어 열처리 후 선재의 물성이 저하되고, 620℃ 초과한 온도로 항온변태를 시키면 펄라이트의 라멜라 간격이 넓어져서 선재의 물성이 저하된다. 또한, 항온열처리 시간을 10초 미만으로 하면 펄라이트 변태가 완료될 시간이 충분하지 않고, 30초를 초과하면 변태가 완료된 상태로 공정비용을 절감하기 위해서는 30초 이하로 하는 것이 좋다.
예시적 구현예에 있어서, 상기 패턴팅하는 단계 이후에, 패스당 30% 이하의 감면율로 총 감면율이 94% 이상이 되도록 가공하는 단계를 더 수행하는 것을 특징으로 할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
패턴팅 열처리된 선재를 패스당 감면율 30% 이하로 신선가공을 행하고, 예를 들어, 총 감면율이 94% 이상이 되도록 가공하면 인장강도 2200MPa이상, 비틀림 회수 20회/100d 이상의 강선을 얻을 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 측면은, 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지면서, 평균 구(舊) 오스테나이트 결정립 크기가 50㎛ 이하이고 평균 라멜라 간격이 300㎚ 이하인 미세조직을 가지는 강선을 제공한다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 권리범위를 한정하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 결정되는 것이기 때문이다.
[ 실시예 ]
하기 표 1과 같은 성분계 및 조성범위를 만족하는 강재를 시료로 하여 50kg 잉곳으로 주조 후 빌렛에 용접하여 1000~1200℃에서 약 2시간 동안 재가열한 다음, 추출하여 13mm의 직경을 가지는 선재로 열간압연하였다. 이 때 마무리 열간압연온도는 950℃이었으며, 이 후 800~900℃까지 수냉한 다음 링(ring) 형태로 권취하여 롤러 컨베이어 상에서 5~10℃/s의 냉각속도로 350~450℃까지 송풍 냉각하였다.
이 후 표 2에 나타낸 형태로 열처리를 행한 후, 열처리재의 인장특성 값과 패스당 30% 이하의 감면율을 가지고 신선가공을 행한 경우 신선가공한계에서의 가공량과 인장특성 값을 표 3에 나타내었다. 신선가공한계는 가공경화에 의해 강도를 증가시킬 수 있는 정도를 결정짓는 매우 중요한 특성인데, 단순히 파단시까지 부여할 수 있는 신선가공량이 아니라 제품에서 요구되는 강선의 비틀림 특성치를 만족시킬 때의 신선가공량이다. TS는 인장강도를, RA는 단면 감소율을, AGS는 오스테나이트 결정립 크기를 나타낸다.
화학성분 C Si Mn Cr Co
발명예1 0.90 0.0 0.5 0 1.5
발명예2 0.90 0.0 0.5 0 2.5
비교예1 0.90 0.0 0.5 0.3 -
비교예2 0.90 1.3 0.5 0.3 -
열처리조건 오스테나이트화 패턴팅
실시예 1100℃, 600초. 590℃, 30초
구분 LP재 신선재
TS
(MPa)		 RA
(%)		 AGS
(㎛)		 라멜라
간격
(nm)		 감면율
(%)		 TS
(MPa)		 RA
(%)		 비틀림특성
횟수 박리
발명예1 1108 35 46 245 94.5 2205 54 27 No
발명예2 1143 37 44 238 95.6 2295 58 34 No
비교예1 1207 31 38 147 91.4 1972 48 22 No
비교예2 1315 25 30 115 86.6 1943 40 22 No
발명예의 경우 Si에 의한 고용강화 효과가 없고 Cr에 의한 펄라이트 미세화 효과도 없어서 LP 열처리 후 인장강도가 비교예에 비해 상대적으로 낮지만, Co 첨가에 의한 선재의 연성 향상에 의해 신선가공성이 향상되었음을 신선가공한계를 비교하여 알 수 있다. 각종의 신선가공한계를 인장강도, 비틀림 특성(비틀림 회수, 파단면 형태)의 관찰로 판단했을 때 비교예에 비해 상대적으로 많은 신선가공량 94% 이상까지 신선가공한계를 향상시킬 수 있음을 알 수 있다. 발명예의 경우 Si, Cr의 미첨가와 Co 첨가에 의한 신선가공성의 극대화로 총 감면율 94% 이상까지 비틀림 특성이 양호한 상태를 나타내고 2200MPa 이상의 인장강도를 얻을 수 있음을 알 수 있다 (도 1, 도 2). 비교예 1, 2 의 강종은 LP 열처리시 패턴팅 시간이 5~10분 가량이 필요하나, 발명예에서 30초의 짧은 패턴팅 열처리로 인해 펄라이트 변태가 완료되지 못하여 기계적 물성이 열처리가 충분히 된 경우보다 열악하였고, 이로 인해 신선가공성도 나빠져서 2000MPa 의 인장강도에도 도달하지 못하였다.

Claims (4)

  1. 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지는 선재.
  2. 제 1 항에 따른 상기 화학조성을 가지는 선재를 1000℃ 내지 1200℃의 온도에서 가열하는 단계; 및
    580℃ 내지 620℃의 납조 또는 염욕조에서 10 내지 30 초간 패턴팅하는 단계를 포함하는 강선의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴팅하는 단계 이후에, 패스당 30% 이하의 감면율로 총 감면율이 94% 이상이 되도록 가공하는 단계를 더 수행하는 강선의 제조 방법.
  4. 중량%로, C : 0.8~1.0%, Mn : 0.3~0.7%, Co : 1.0~3.0%, O : 0.0015% 이하, P : 0.02% 이하, S : 0.02% 이하 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 화학조성을 가지면서, 평균 구(舊) 오스테나이트 결정립 크기가 50㎛ 이하이고 평균 라멜라 간격이 300㎚ 이하인 미세조직을 가지는 강선.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06145895A (ja) * 1992-10-30 1994-05-27 Kobe Steel Ltd 高強度高靭性鋼線材、該鋼線材を用いた極細鋼線およびその製法並びに撚り鋼線
JPH08199238A (ja) * 1995-01-23 1996-08-06 Daido Steel Co Ltd 高強度低熱膨張合金線材の製造方法
KR20020035433A (ko) * 2000-11-06 2002-05-11 구마모토 마사히로 염회특성이 우수한 신선가공용 선재 및 그 제조방법
JP2005220392A (ja) 2004-02-04 2005-08-18 Sumitomo Denko Steel Wire Kk ばね用鋼線

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