KR101316404B1

KR101316404B1 - 고탄소 강선 제조방법

Info

Publication number: KR101316404B1
Application number: KR1020120020976A
Authority: KR
Inventors: 양요셉; 이충열; 석병설
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-10-08
Also published as: KR20130099452A

Abstract

본 발명은 타이터코드 또는 쏘우 와이어용으로 사용되는 강선의 제조방법에 관한 것으로, 종래 2회에 걸쳐 실시되는 LP 열처리를 1회만 수행하더라도 기존의 선재와 동일한 효과를 갖는 강선을 제조할 수 있다.

Description

고탄소 강선 제조방법 {Methods of high carbon steel wires}

본 발명은 고탄소 강선의 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 인장강도 3600 MPa 이상 급의 타이어코드, 쏘우 와이어 등에 사용되는 고탄소 강선의 제조방법에 관한 것이다.

타이어코드는 자동차 등 운반체에 있어서 타이어의 내구성, 주행성 및 안정성을 높이기 위해 고무 내부에 들어가는 보강재 또는 부재를 의미한다.

또한, 쏘우 와이어는 타이어코드와는 사용 용도는 다르지만, 공정상에 큰 차이가 없으며, 실리콘 기판을 절단하는 용도로서 사용된다.

이와 같이, 타이어의 형상 유지, 주행 안정성 향상 등의 목적으로 사용되는 타이어코드 또는 반도체 절삭용 쏘우 와이어 등에 사용되는 강선의 제조 공정에 대한 일례를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 약 5.5mmφ의 선재를 원선으로 하여 1차 건식함으로써 약 3mmφ까지 1차 신선한 후, 신선에 의해 내부에 형성된 내부 응력을 없애기 위해 또는 소재에 연성을 부여하기 위해 납 페턴팅(Lead Patenting; LP)을 수행한다. 상기 납 페턴팅은 상기 1차 신선된 소재를 1000℃까지 유지하여 오스테나이트 단상 조직을 만든 후, 냉각하여 550~600℃ 온도 구간에서 수십 초 등온 변태시켜 미세 펄라이트를 얻는 공정이다. 상기 LP 열처리 후, 이 소재를 다시 1~2mmφ까지 신선하고, 상기와 동일한 공정조건으로 LP 처리하여 내부 응력을 소멸시킨다. 이때 얻어진 LP선에 동(Cu)을 도금시킨 후, 그 위에 아연(Zn)을 도금하고 확산처리를 통해 강선 표면에 황동 도금층을 형성시키며, 최종 습식 윤활제를 사용하여 총 20~30개의 WC다이스를 통과시켜 타이어코드 또는 쏘우 와이어 규격에 맞추어 0.18~0.3mmφ(RA=96~98%)의 선경으로 최종 신선된다.

상기 1차, 2차 LP 열처리를 수반하는 상기 방법은 작업 온도의 관리가 타이트하며, 납을 사용하기 때문에 조업성 및 인체에 유해하다는 단점이 있다.

한편, 최근 환경에 대한 규제가 강화되고 전 세계적으로 법이 강화되면서, 인체에 해로운 성분 또는 물질에 대한 사용 금지가 시행되고 있으며, 여기에는 납도 포함된다. 납은 중금속이지만, 절단이나 압연이 쉬워 가공이 용이하며 용융점이 낮기 때문에 다른 금속과의 합금이 쉽고, 내산성이 있고 화학적으로 안정된 성질이 있다. 하지만, 납은 체내에 대량 흡수될 경우 급성위장염, 중추신경계 장애, 뇌 중독, 최근에는 치매와 파킨슨 병의 원인인 것으로 보고되고 있다.

따라서, 타이어코드 또는 쏘우 와이어용 선재의 제조시에 있어서도, 가급적 납을 사용하는 LP 열처리를 지양하는 방법이 요구되고 있다.

본 발명은 고탄소 강선의 제조에 있어서, 납을 사용하는 LP 열처리 대신 납을 사용하지 않는 열처리를 도입하여도 신선 가공이 용이하고, 기존과 동일한 효과를 갖는 고탄소 강선을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 측면은, 탄소를 0.8~1.02중량%로 함유하는 선재를 준비하는 단계; 상기 선재를 1차 신선하여 1차 신선재를 제조하는 단계; 상기 1차 신선재를 이상역 온도에서 가열 및 냉각하는 열처리 단계; 상기 열처리한 1차 신선재를 2차 신선하는 단계; 상기 2차 신선한 신선재를 납 페턴팅(Lead Patenting) 열처리하는 단계; 및 상기 열처리한 2차 신선재를 3차 신선하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법을 제공한다.

본 발명에서 제시한 열처리 방법은 타이어코드, 쏘우 와이어 등에 사용되는 고탄소 강선에 모두 적용 가능하며, 상기 열처리 방법은 열처리 공정이 간단하여 작업성이 편리하고, 최종 생산 수율도 향상시킬 수 있다. 또한, 종래에 비해 납 사용을 제한함으로써 향후 납에 대한 법적 규제가 강화되었을 때 사용될 가능성이 크다.

도 1은 종래와 본 발명의 고탄소 강선 제조방법의 공정도를 나타낸 도면이다.
도 2는 탄소함량과 온도에 따른 상태도 결과를 나타낸 도면이다.
도 3은 세선용 굽힘 피로 시험기를 이용하여 피로한을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.

본 발명은 제조된 1차 신선재를 오스테나이트 변태 온도까지 가열한 후 납욕에 침지시키는 소위 1차 납 페턴팅(Lead Patenting; LP) 열처리를 수행하였던 종래의 방법 대신, 1차 신선재를 이상역 온도 구간인 725~830℃에서 유지시키는 단계를 행하는 것을 중요한 특징으로 한다.

통상적으로 납 페턴팅(LP) 열처리는 이후의 신선 작업을 위한 것이다. 즉, 신선 작업을 하면 강도가 증가되는데, LP 열처리를 수행하지 않은 일반 신선재는 신선 작업시 끊어지는 문제가 발생한다. 따라서, 신선이 용이하도록 LP 열처리를 수행하는 것이다.

그러나, 본 발명은 1차 LP 열처리를 수행하지 않고도 즉, 통상 2번의 LP 열처리를 수행하였던 공정을 1번의 LP 열처리를 적용하여도 파단 없이 신선이 가능한 신선재를 제조할 수 있다.

또한, 탄소의 함량은 제조되는 강선의 강도를 결정하는 가장 중요한 원소로서, 타이어코드 또는 쏘우 와이어로서 사용하기 위해서는 일반적으로 탄소 함량이 0.8중량% 이상인 고탄소강을 대상으로 하여야 그 사용용도에 적합한 기본적인 강도 확보가 가능하다. 따라서, 본 발명의 강선의 탄소함량은 0.8중량% 이상으로 한정한다. 다만, 1.02중량%를 초과하는 경우에는 연성이 감소하게 되므로, 상기 C의 함량은 0.8~1.02중량%의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게는, 탄소 함량을 0.9중량% 이상으로 함유하는 것이 바람직하다. 탄소 함량이 0.9중량% 이상일 경우에는 1차 열처리 단계를 반드시 필요로 하기 때문이며, 이와 같을 경우 본 발명에서 목적으로 하는 효과를 확실히 얻을 수 있다.

탄소 함량을 0.8~1.02중량%로 함유하는 고탄소강은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 일 예로서 Mn: 0.2~0.5%, Si: 0.1~0.5%, Cr: 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 이용하는 것이 바람직하다.

도 1은 상기 방법이 행해질 수 있는 공정도의 일례를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 고탄소 강선은 선재를 준비한 후, 1차 신선하여 1차 신선재를 제조하고, 상기 1차 신선재를 열처리한 후 다시 2차 신선하고, 상기 2차 신선재를 납 페턴팅 열처리를 수행한 후 최종 3차 신선함으로써 목적하는 강선을 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 고탄소 강선의 제조방법에 대해 보다 상세히 설명한다.

먼저, 탄소를 0.8~1.02중량%로 함유하는 선재를 준비한 후, 1차 신선하여 1차 신선재를 얻는다.

이때, 상기 1차 신선재를 얻는 방법은 통상의 방법을 이용하여 얻을 수 있으므로 특별히 한정하지는 않으며, 다만 이후에 수반되는 열처리 또는 2차 신선 가공을 위한 연성을 확보하기 위해, 3.0~3.5φ의 직경을 갖도록 1차 신선재를 제조하는 것이 바람직하다. 1차 신선재의 직경이 3.0φ 미만일 경우에는 이후의 열처리 또는 2차 신선시 파단이 발생할 우려가 있으며, 반면 3.5φ를 초과할 경우에는 2차 신선시 작업에 부하가 발생할 수 있다. 따라서, 제조되는 1차 신선재의 직경은 3.0~3.5φ범위로 제조되는 것이 바람직하다.

이후, 상기 1차 신선재를 페라이트와 오스테나이트가 공존하는 영역인 이상역 온도 구간에서 유지시킨 후 냉각한다.

통상, 1차 신선재를 오스테나이트 변태 온도로 가열한 후 납욕에 침지시키는 납 페턴팅(LP)으로 처리하는 것이 통상적이나, 이러할 경우 작업 온도의 관리가 타이트하며, 납을 사용하기 때문에 조업성 및 인체에 유해하다. 따라서, 본 발명에서는 1차 신선재를 1차 LP 열처리하는 대신, 납을 사용하지 않는 열처리 방법으로 대체하여 수행함에 특징이 있다. 이와 같이, 1차 LP 열처리를 행하지 않음으로써 납 사용을 제한하고, 1차 LP 열처리를 수행하는 통상의 방법에 비해 공정이 간단하므로 작업성에 있어서 편리하다는 장점이 있다.

이때, 상기 이상역 온도 구간은 일 예로서 탄소함량과 온도에 따른 상태도 결과(도 2)에서 탄소를 0.92중량%로 함유할 경우의 열처리 허용 구간을 설정한 것이며, 바람직하게 상기 이상역 온도 구간은 725~830℃이다.

도 2는 0.92C-0.2Si-0.63Mn-0.2Cr의 성분계를 갖는 강의 온도 변화에 따른 탄소 고용도를 열적 계산(Thermo-Calc.)에 기초하여 이론적으로 도식한 것으로서, C를 0.92% 함유할 경우 725℃와 830℃ 사이에 놓이게 되면 전 영역이 재생 펄라이트 조직으로 존재하게 된다.

또한, 상기 이상역 온도 구간으로 가열한 후, 30~120초간 유지시키는 것이 바람직하다. 유지시간이 30초 미만일 경우에는 연성 확보가 어려우며, 반면 120초를 초과할 경우에는 분절된 세멘타이트가 크게 성장하여 신선시 파단이 발생할 가능성이 크다.

상기 이상역 온도에서 유지시킨 후 공냉시킨다.

본 발명자들은 상술한 바와 같이, 1차 신선재를 이상역 온도까지 가열한 후 냉각하는 열처리로 처리할 경우, 열처리 후 상기 1차 신선재가 미세조직으로서 판상 세멘타이트가 분절된 재생 펄라이트를 가짐을 발견하였다.

재생 펄라이트(degenerated pearlite)는 정상적인 펄라이트가 아닌, 판상 세멘타이트가 분절된 상태로 존재하는 아공석강에서 보이는 펄라이트 조직을 의미한다.

본 발명의 재생 펄라이트를 갖는 1차 신선재는 통상의 LP 열처리를 통해 미세 펄라이트를 갖는 통상의 1차 신선재에 비해 인장강도가 약 100MPa 정도 낮으며, 따라서 본 발명의 열처리를 수행한 1차 신선재는 다음의 2차 신선을 위한 연성이 확보된 상태임을 알 수 있다. 즉, 이후 신선 공정에 있어서 LP 열처리재에 비해 신선 가공이 용이하다는 장점이 있다.

다음으로, 상기 열처리한 1차 신선재를 2차 신선하여 2차 신선재를 제조한다.

이때, 상기 2차 신선은 건식 윤활제를 이용하는 건식신선 또는 습식 윤활제를 이용하는 습식신선이 모두 이용될 수 있으나, 본 발명에서는 건식신선으로 2차 신선을 수행하는 것이 바람직하다.

상기 2차 신선재를 납 페턴팅(Lead Patenting; LP) 열처리한다.

상기 납 페턴팅(LP)은 열욕 담금질(hot bath quenching)을 용융납으로 하는 방법으로서, 보다 구체적으로 오스테나이트 변태 온도까지 가열하여 오스테나이징한 후 550~600℃에서 등온 변태시킴으로써 최종적으로 강선의 조직을 미세 펄라이트로 형성시키는 열처리 방법이다.

이후, 상기 열처리된 2차 신선재를 냉각한 후 습식 신선기를 이용하여 3차 신선하여 최종 강선을 제조한다.

상술한 바와 같이, 본 발명이 제안하는 방법에 따라 제조된 강선은 3400~3600MPa의 우수한 인장강도를 가질 수 있으며, 이를 통해 타이터코드, 쏘우 와이어 등과 같이 고강도가 요구되는 제품에 적용되기 매우 적합하다.

본 발명의 다른 일 측면은, 열처리한 후 신선하여 강선이 제조되는 열처리재에 관한 것으로, 상기 열처리를 이상역 온도 구간에서 실시함으로써 미세조직으로 재생 펄라이트를 포함하는 열처리재를 제공한다.

상기 열처리재는 판상 세멘타이트가 분절된 재생 펄라이트를 갖고, 1200~1300MPa의 인장강도를 갖는 것이 바람직하다.

이때, 열처리재가 갖는 인장강도 값은 일반적인 LP 열처리를 통해 미세 펄라이트를 갖는 열처리재에 비해 100 MPa 정도 낮은 값으로서, 이와 같은 인장강도 값을 가짐으로써 LP 열처리재에 비해 연성이 좋다. 따라서, 이후 신선 공정에 있어서 LP 열처리재에 비해 신선 가공이 용이하다는 장점이 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.

[ 실시예 ]

중량%로 C: 0.92%, Mn: 0.3%, Si: 0.2%, Cr: 0.2%를 포함하고, 잔부 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 일반적인 타이어 코드용 고탄소 강판을 1000~1100℃의 가열로에 유지한 후, 900~1000℃에서 압연하고, 15~25℃/s의 냉각속도로 냉각하여 5.5mmφ의 선재를 제조하였다.

이후, 비교재의 경우에는 상기 선재를 신선하여 1차 신선재를 제조한 후, 1차 LP 열처리(1000℃ → 570℃)를 수행하였다. 상기 1차 LP 열처리는 1000℃에서 오스테나이징한 후, 570℃에서 등온변태 시킴으로써 미세 펄라이트 갖도록 한다. 이후, 1차 LP 열처리한 1차 신선재를 2차 건식신선하여 1.4mmφ의 2차 신선재를 얻은 후, 상기 2차 신선재를 상기와 동일한 조건으로 2차 LP 열처리를 수행하였다. 이후, 습식 신선기를 이용하여 0.2mmφ까지 신선하여 최종 강선을 제조하였다.

발명재의 경우에는 상기 5.5mmφ의 선재를 신선하여 1차 신선재를 제조한 후, 1차 LP 열처리 대신 760℃에서 90초간 유지하는 열처리를 수행한 후 냉각시켰다. 상기 열처리는 판상 세멘타이트가 분절된 재생 펄라이트를 갖도록 한다. 이후, 열처리한 1차 신선재를 상기 비교재와 동일한 공정(1차 열처리 이후의 공정)을 수행하여 최종 강선을 제조한다.

상기 공정에 의해 비교재와 발명재를 제조할 시, 각 공정에서 얻어진 신선재와 최종 강선의 인장강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

	1차 열처리선 강도 (MPa)	2차 신선재 강도 (MPa)	2차 열처리선 강도 (MPa)	최종 강선 (MPa)
발명재	1261±15	2090±32	1441±19	3585±15
비교재	1352±10	2201±25	1435±10	3580±25
인장강도차이 (발명재-비교재)	-91	-111	6	5

상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 비교재의 경우에는 1차 LP 열처리 후 열처리선의 강도는 약 1350MPa, 2차 신선 후 2차 신선재의 강도는 약 2200MPa로 측정되었으며, 2차 LP 열처리 후 열처리선의 강도는 약 1435MPa, 최종 강선은 3580MPa로 측정되었다.

이에 반면, 열처리 공정을 간단히 수행한 발명재의 경우에는 1차 열처리선의 인장강도는 비교재와 비교하여 80MPa 이상 낮은 약 1260MPa로 측정되었으며, 2차 신선재는 110MPa 저하된 2090MPa를 나타내었다. 하지만, 이후 2차 열처리한 후부터는 비교재와 유사한 인장강도를 나타내었으며, 특히 최종 습식 신선된 강선의 경우에는 비교재 보다 5MPa 높은 약 3585MPa로 측정되었다.

이러한 결과는, 오차 범위를 생각하면 비교재와 발명재는 거의 유사한 인장강도를 보이는 것을 알 수 있으며, 또한 인장강도에 영향을 미치는 펄라이트의 층간 간격이 유사하다는 것을 확인할 수 있다.

또한, 세선용 굽힘 피로 시험기를 이용하여 상기 발명재 및 비교재의 S-N 선도(curve)를 측정하였으며, 측정 결과는 도 3에 나타내었다. 이때, 상기 도면은 굽힙 응력이 1200~1500 MPa로 인가되었을 때의 S-N 선도를 나타낸 것이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 일부 영역에서 피로 싸이클 수에서 차이가 발생하였지만 이는 거의 오차에 가까우며, 비교재와 발명재 모두 피로한이 1250MPa로 나타남을 확인할 수 있다.

상기 인장강도와 피로 특성의 결과들로 미루어, 납을 이용한 1차 열처리를 행하지 않고, 등온 변태를 수행하지 않고도, 이상영역에서 일정 시간 유지시킨 후 냉각함으로써 완전하지 않은 재생 펄라이트를 형성시켜도 신선 중 파단이 발생하지 않으면서 동일한 최종 물성을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

Claims

탄소를 0.8~1.02중량%로 함유하는 선재를 준비하는 단계;
상기 선재를 1차 신선하여 1차 신선재를 제조하는 단계;
상기 1차 신선재를 이상역 온도에서 가열 및 냉각하는 열처리 단계;
상기 열처리한 1차 신선재를 2차 신선하는 단계;
상기 2차 신선한 신선재를 납 페턴팅(Lead Patenting) 열처리하는 단계; 및
상기 열처리한 2차 신선재를 3차 신선하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 선재를 준비하는 단계는, 고탄소 강편을 1000~1100℃의 가열로에서 유지한 후 900~1000℃에서 압연하는 단계 및 15~25℃/s로 냉각하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 1차 신선재를 열처리하는 단계는, 1차 신선재를 725~830℃까지 가열하여 30~120초간 유지시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 이상역 온도 구간에서 열처리하는 단계는 상기 신선재의 미세조직을 판상 세멘타이트가 분절된 재생 펄라이트로 형성하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 2차 신선은 건식신선하는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.
제 1항에 있어서,
상기 고탄소 강선은 3400~3600 MPa의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 고탄소 강선의 제조방법.