KR101406667B1 - 내구비가 우수한 고탄소 강선 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내구비가 우수한 고탄소 선재에 관한 것으로, 강재에 높은 강도를 부여하면서도 내구비 특성이 우수한 타이어코드 또는 랩핑 와이어의 용도로 사용되는 선재 및 이의 제조방법을 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

Description

내구비가 우수한 고탄소 강선 및 이의 제조방법 {HIGH ENDURANCE RATIO OF DRAWN STEEL WIRES AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
본 발명은 고탄소 강선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 타이어코드, 랩핑 와이어 등의 가혹한 조건에서 습식 신선되어 사용되는 고탄소 강선 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 타이어코드, 랩핑 와이어 등은 5.5mmφ 선재를 디스케일링 한 후, 1 또는 2번 신선하여 사이즈를 줄이고, 연성 확보를 위해 납 페턴팅(Lead patenting) 열처리를 수행한 후, 20~30개의 WC 다이스를 이용한 습식 신선을 거쳐 최종 강선으로 제조된다.
이와 같이 제조된 강선들은 가혹한 환경에서 사용되기 때문에, 높은 인장강도가 요구되며, 상기 인장강도와 함께 중요 특성으로서 내구비 특성이 요구된다.
내구비 특성은 내피로성을 다르게 나타낼 수 있는 특성으로서, 인장강도와 피로한계와의 비(피로한을 인장강도로 나눈 값)를 의미한다.
인장강도가 증가함에 따라 피로 특성도 증가한다. 일반적으로 강도와 내피로성은 강도에 비례하여 증가하는데, 저강도 소재에서는 σFL∝0.5 σTS, 인장강도 1300MPa 이상의 소재에서는 σFL∝0.2-0.3 σTS로 비례하는 관계를 갖는 것으로 알려져 있다. 이와 같이, 강도가 증가함에 따라 내피로성도 함께 증가하는 것을 알 수 있으나, 실질적으로 그 증가 비율에 대해서는 알 수 없기 때문에, 내구비 특성이 피로 특성 대신 사용되는 것이다.
이러한 피로 특성은 제조된 강선들이 동적 응력이 반복적으로 작용되는 환경에 사용되므로 중요하게 요구된다.
앞서 언급한 바와 같이, 강선에 우선적으로 요구되는 특성으로는 강도가 있으며, 이러한 강도를 증가시키는 방법으로는 초기 소재 강도 증가, 신선 가공량 증가 등이 있다.
보다 구체적으로, 초기 소재의 고강도화는 C의 함량 증가, Si, Mn 등의 고용강화 원소 첨가, 고 가공경화율 원소인 Cr 첨가 또는 V 등 합금원소의 미량 첨가 등이 있다. 이중, 탄소 함량을 증가시키는 방법은 소재의 강도를 쉬우면서도 효과적으로 향상시킬 수 있어 가장 빈번하게 이용된다. 다른 방법인 신선 가공량 증가는 실험적 결과로서 신선 가공량의 증가시, 선경 또는 펄라이트 층간 간격 감소가 감소하고 강도는 지수적으로 향상된다. 그러나, 이들 방법은 서로 독립적이지 않고 상호 연관되어 있기 때문에, 하나의 인자에 대해 독립적으로 제어하기 힘들고, 강도를 향상시키는데도 한계가 있다.
또한, 강도를 증가시키는 다른 방법으로는 미세 조직의 미세화, 보다 구체적으로 펄라이트 층간 간격을 미세화하는 방법이 있는데, 이는 선재를 신선 가공한 후, 강도가 급격하게 증가하는 것이 라멜라 층상 간격의 미세화에 기인하는 것으로 알려져 있고, 이에 따라 펄라이트 강선의 미세조직에 대해 현재까지 광범위하게 연구되고 있는 실정이다.
펄라이트 층간 간격을 미세하게 형성할 경우, 소성 변형이 잘 일어나며 전위의 생성 및 계면 집적시 전단이 발생하지 않기 때문에, 조대한 경우에 비해 균열의 형성 없이 신선 가공이 이루어질 수 있다.
이와 같이 미세한 펄라이트 층간 간격을 갖는 펄라이트 강선은 강도가 높은 강 중의 하나로서 취급되며, 타이어코드 및 교량용 케이블 등의 산업에 널리 적용되고 있다.
그러나, 펄라이트 층간 간격을 미세화시키는 방법만으로는 강도와 함께 내피로성을 비례적으로 향상시키는데에 한계가 있다.
본 발명은 타이어코드 또는 랩핑 와이어 등에 사용되는 내구비 특성을 향상시킨 고탄소 선재 및 이의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면은, 중량%로, 탄소(C): 0.90~1.00%, 실리콘(Si): 0.7~1.5%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 3900MPa 이상의 인장강도, 1450~1650MPa의 피로한을 갖는 것을 특징으로 하는 내구비성이 우수한 강선을 제공한다.
본 발명의 다른 일 측면은, 상기 강선의 제조방법에 관한 것으로서, 상술한 조성을 갖는 강재를 950~1050℃에서 열간압연하여 선재를 얻는 단계; 상기 선재를 세멘타이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각하는 단계; 및 냉각된 상기 선재를 신선 및 열처리하여 강선을 얻는 단계를 포함하는 내구비성이 우수한 강선의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 의하면, 인장강도가 우수하고, 동시에 피로한, 즉 내구비 특성이 우수한 강 선재를 용이하게 얻을 수 있고, 이는 내구비 또는 내피로성이 필수적으로 요구되는 타이어코드, 랩핑 와이어 외 신선되는 경강선 등에 적용시켜 사용될 수 있다.
도 1은 세선용 굽힘 피로 시험기를 이용한 피로한 측정 결과를 나타낸 도면이다.
도 2는 3DAP를 이용하여 미세조직의 탄소 함량을 분석한 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 발명자들은 타이어코드 또는 랩핑 와이어 등에 사용되는 선재의 강도 및 내구비성 향상을 위해 미세조직의 제어에 관해 면밀히 검토한 결과, 페라이트와 세멘타이트의 층간 간격 제어를 위해 Si, Cr의 함량을 제어하여 첨가함으로써 내구비성을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 일 실시형태로서, 중량%로, 탄소(C): 0.90~1.00%, 실리콘(Si): 0.7~1.5%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고, 3900MPa 이상의 인장강도, 1450~1650MPa의 피로한을 갖는 것을 특징으로 하는 내구비성이 우수한 강선을 제공한다.
이하, 본 발명에서 합금원소를 제한하는 이유에 대하여 상세히 설명한다 (이하, 중량%).
탄소(C): 0.90~1.00%
탄소(C)는 강도 확보를 위한 주요 원소이다. C를 첨가할 경우 대부분 세멘타이트의 형태로 존재하며, 이러한 C의 함량을 증가시키면 세멘타이트 분율이 증가하고, 층상 간격이 미세해지므로 선재의 강도를 증가시키는데 매우 효과적이다. 그러나, C의 함량이 0.9% 미만일 경우에는 본 발명에서 목적으로 하는 강도의 확보가 어렵고, 반면 1.0%를 초과하여 첨가할 경우에는 초석 세멘타이트가 입계에 형성될 가능성이 크므로, C의 함량을 0.90~1.00%로 제어하는 것이 바람직하다.
실리콘(Si): 0.7~1.5%
본 발명에서는 신선 가공 중 발생하는 페라이트의 변형을 최대한 억제시켜 최종 강선에서 페라이트의 두께를 세멘타이트 두께에 비해 크게 형성시키고, 이때 페라이트 두께와 세멘타이트 두께 비를 2 내지 5로 유지시키기 위해, 페라이트를 경화시킬 수 있는 원소인 Si를 첨가한다.
실리콘(Si)은 페라이트 기지 내에 고용되어 고용 강화 효과로 강도를 상승시키며, 페라이트 입계 내, 페라이트와 세멘타이트 입계 내에 존재한다. 중간 열처리 후 강도를 증가시키는 효과는 C, V, Cr 등에 비해 적지만, 동일 함량으로 첨가시 Mn에 비해 약 2-2.5배(14kg/mm2) 큰 것으로 알려져 있다. 따라서, 목적하는 강도를 얻기 위해서는 Si를 0.7% 이상 첨가하여야 하며, 1.5% 초과하여 첨가할 경우에는 강도 증가 효과가 포화상태에 이르고, 표면 탈탄층 및 스케일 형성으로 인한 손실(loss)이 발생하기 때문에 1.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
크롬(Cr): 0.1~0.5%
크롬(Cr)은 가공 경화율을 향상시킬 수 있는 원소로 알려져 있으며, 세멘타이트의 일반형 자리에서 Fe와 치환된다. 이외에도, 세멘타이트의 슬립계를 증가시켜 변형이 용이하게 하고, 연성을 부여하는 역할도 수행하는 것으로 알려져 있다. 또한, 펄라이트 층간 간격 또는 세멘타이트의 두께를 미세화시키는 역할을 한다. 이러한 효과를 얻기 위해서는 Cr을 0.1% 이상 첨가하여야 하며, 다만 세멘타이트가 얇아지면 소성가공을 하기는 쉽지만, 임계 두께 이하로 얇아지면 분절이 쉽게 이루어져 신선성 저하가 나타나므로, 그 상한을 0.5% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.
기타 불순원소
나머지 불순원소는 제강과정에서 불가피하게 포함되는 범위 이내에서 포함이 가능하다. 특히, P와 S는 강의 인성을 저해하는 원소이므로 선재에 함유되는 것이 바람직하지 않으나, 제강 정련공정에서 작업부하, 제조원가 및 공정효율을 감안하며 각각 0.015% 이하를 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 조건을 만족하는 강선은 3900MPa 이상의 인장강도를 가질 수 있다. 특히, 본 발명의 강선은 상기와 같이 고강도를 가짐과 동시에 1450~1650MPa의 피로한을 가질 수 있는데, 이와 같이 본 발명의 강선은 양립하기 어려운 강도와 피로한 특성을 모두 상기 범위 내에서 확보함으로써 우수한 수준의 내구비 특성을 확보할 수 있다.
여기서, 내구비 특성은 내피로성을 다르게 나타낼 수 있는 특성으로서, 인장강도와 피로한계와의 비(피로한을 인장강도로 나눈 값)를 의미한다.
또한, 본 발명이 제안하는 강선은 페라이트와 세멘타이트의 평균 두께 비(페라이트 두께로 세멘타이트 두께를 나눈 값)가 2 내지 5로 이루어지는 미세조직으로 이루어지는 것이 바람직하며, 이를 통해 고강도 및 고내구비성을 달성할 수 있다. 즉, 페라이트의 두께를 세멘타이트 두께에 비해 큰 상태로 유지시킴으로써 우수한 내구비 특성을 확보할 수 있다.
페라이트와 세멘타이트의 평균 두께 비를 조절함으로써 우수한 내구비 특성을 갖도록 함은, 페라이트의 두께가 세멘타이트 두께에 비해 크게 형성됨에 따라, 비틀림 응력 또는 전단 응력이 작용할 때 응력이 집중되더라도 이를 견딜 수 있는 영역 또는 면적이 충분히 형성되었기 때문인 것으로 판단할 수 있다.
이때, 페라이트와 세멘타이트의 평균 두께 비는 페라이트 두께를 세멘타이트 두께로 나누어 측정할 수 있다. 두께 비가 2 미만일 경우에는 균열 생성에 대한 기회가 많고 균열 전파시 이를 억제할 베리어(barrier) 역할을 하지 못하게 되며, 5를 초과할 경우에는 페라이트가 너무 조대하게 형성되어 결과적으로 미세한 펄라이트 조직을 형성시킬 수 없다.
이하, 본 발명의 강선 제조방법의 일 예에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같은 성분계를 만족하는 강재를 가열하여 950~1050℃에서 열간압연하여 선재를 얻는다.
이때, 열간압연온도가 950℃ 미만일 경우에는 압연시 롤에 과부하가 걸릴 수 있으며, 반면 1050℃를 초과하여 열처리하게 되면 오스테나이트 결정립 크기가 조대화될 수 있으므로, 950~1050℃의 온도 구간에서 열간압연을 수행하는 것이 바람직하다.
이후, 상기 선재를 초석 세멘타이트가 발생하지 않은 냉각속도로 냉각하는데, 이는 초석 세멘타이트 입계가 형성될 시, 신선 중 균열을 발생시키는 시점으로 작용하기 때문이다.
보다 구체적으로 10~20℃/s의 냉각속도로 행하는 것이 바람직하다. 냉각속도가 10℃/s 미만일 경우에는 초석 세멘타이트가 오스테나이트 입계에 형성될 수 있으므로 바람직하지 않으며, 20℃/s를 초과할 경우에는 공정상 과부하가 예상되며 그 효과도 포화되므로 바람직하지 않다.
이후, 상기 선재를 1차 신선하여 1차 신선재를 제조한 후, 상기 1차 신선재의 연성 향상을 위해 1차 납 페턴팅(Lead patenting; LP) 열처리를 수행한다. 이후, 상기 열처리한 신선재를 2차 건식 신선하여 사이즈를 조절하고, 다시 2차 LP 열처리한 후 습식 신선을 거쳐 최종적으로 목적하는 직경을 갖는 강선을 제조한다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다.
[ 실시예 ]
하기 표 1에 나타낸 조성을 갖는 고탄소 강편을 가열하여 950~1050℃에서 압연하여 5.5mmφ의 직경으로 제조한 후, 15℃/s의 냉각속도로 냉각하여 선재를 제조하였다. 이후, 통상적인 조건으로 납 페턴팅(LP) 열처리하여 연성을 부여한 후, 습식 신선기를 이용하여 신선가공량 ε:3.58 까지 신선하여 최종적으로 0.2mmφ의 강선을 얻었다. 상기 강선의 인장강도 및 평균 펄라이트 층간 간격을 측정하여 하기 표 1에 함께 나타내었다.
C
(중량%)		 Si
(중량%)		 Cr
(중량%)		 P
(중량%)		 S
(중량%)		 강선 인장강도
(MPa)		 평균 펄라이트
층간 간격 (nm)
발명재 1 0.921 1.490 0.500 0.0142 0.012 3960 10.1
발명재 2 0.921 1.231 0.493 0.0150 0.010 3954 10.6
발명재 3 0.915 0.750 0.495 0.0149 0.011 3912 15.1
비교재 1 0.923 0.520 0.189 0.0148 0.012 3810 22
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, Si와 Cr이 다량으로 첨가된 발명재들의 경우 인장강도가 3910 MPa 이상으로 고강도를 나타내는 반면, 비교재 1의 경우에는 3810 MPa로 발명재에 비해 100 MPa 이상 강도가 낮았다.
미세조직의 분석 결과, 강선은 모두 펄라이트 조직으로 이루어져 있었으며, 이때 펄라이트의 층간 간격은 발명재 2의 경우 10.6nm, 비교재 1의 경우 22nm인 것으로 확인되었다.
또한, Si의 함량이 1.5%로 첨가될 경우(발명재 1)의 강선의 강도는 1.2%로 첨가된 경우(발명재 2)에 비해 6MPa 정도 증가되나, 평균 펄라이트 층간 간격에는 차이가 없는 것으로 확인되었다. 이에 반해, Si를 0.75%로 첨가한 발명재 3의 경우에는 평균 펄라이트 층간 간격이 15.1nm로 Si를 1.2% 이상 첨가한 발명재들 보다 층간 간격이 5nm 이상 넓게 형성되었다. 따라서, 강도를 효과적으로 향상시키기 위한 보다 바람직한 Si의 함량은 1.2% 이상인 것으로 판단된다.
이후, 세선용 굽힘 피로 시험기를 이용하여 상기 발명재 2 및 비교재 1의 S-N 선도(curve)를 측정하였으며, 측정 결과는 도 1에 나타내었다. 이때, 응력 인가(Applied stress(MPa)) 범위는 1200~1700 MPa 였으며, 발명재 2는 ●, 비교재 1은 ■로 나타내었다.
측정 결과, 응력 범위 내에서 Si와 Cr 첨가 함량이 적은 비교재가 발명재에 비해 전체적으로 피로 사이클 수(Nf)가 낮은 것을 확인할 수 있다. 피로한의 경우에는 비교재는 1300 MPa에서, 발명재는 1450 MPa에서 나타났다. 또한, 내구비 특성을 확인해본 결과, 발명재 2는 0.367, 비교재 1은 0.341로 계산되었다.
이러한 결과를 통해, Si 및 Cr의 첨가로 인해 내구비는 약 8% 정도 상승하는 것을 확인할 수 있었으며, 결과적으로 내피로성이 우수한 강선이 얻어질 수 있음을 확인하였다.
또한, 3DAP(원자단위의 정량적인 분석이 가능하고, 3차원으로 이미지 구현이 가능한 분석법)을 이용하여 발명재 2 및 비교재 1의 페라이트와 세멘타이트의 탄소함량을 측정하였다. 상기 분석은 각 강재의 미세조직 중 펄라이트 층의 4개 구간을 설정하여 측정하였다.
3DAP 측정으로 얻은 발명재 2의 그래프는 도 2에 나타내었다.
도 2를 살펴보면, 탄소함량이 높아지는 구간이 세멘타이트 구간임을 알 수 있다. 도 2의 그래프를 FWHM(Full width half maximum)을 이용하여 각 미세조직별로 구간을 나누어 제시하였다. 즉, 탄소함량이 가장 높은 피크(peak)에서 절반 값에 해당되는 탄소 값을 기준으로 설정하고, 페라이트는 ①③⑤⑦, 세멘타이트는 ②④⑥⑧ 구간으로 도 2에 나타내었다. 이후, 상기 구간별로 미세조직의 두께를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.
구간 페라이트 두께
(nm)		 세멘타이트 두께
(nm)		 펄라이트
층간 간격 (nm)		 페라이트/세멘타이트
두께 비
ⓛ 7.8 - 11.6 2.1
② - 3.8
③ 8.8 - 10.8 4.4
④ - 2.0
⑤ 7.2 - 9.2 3.8
⑥ - 2.0
⑦ 7.4 - 10.8 2.2
⑧ - 3.4
평균 7.8 2.8 10.6 3.1
표 2에 나타낸 바와 같이, 발명재 2의 평균 페라이트의 두께는 7.8nm, 평균 세멘타이트의 두께는 2.8nm, 평균 펄라이트의 층간 간격은 10.6nm로 측정되었다. 또한, 페라이트와 세멘타이트의 두께 비(두께 비 = 페라이트 두께/세멘타이트 두께)는 각각 2.1, 4.4, 3.8, 2.2로 평균 3.1 또는 최소 2 이상으로 측정되었다.
상기와 동일한 방법으로 데이터 처리를 한 비교재 1의 결과는 하기 표 3에 나타내었다.
하기 표 3에 나타낸 바와 같이, 비교재 1의 평균 페라이트의 두께는 14.0nm, 평균 세멘타이트의 두께는 8.3nm, 평균 펄라이트의 층간 간격은 22.2nm로 측정되었다. 또한, 페라이트와 세멘타이트의 두께 비는 각각 1.8, 1.7, 1.9, 1.5로 평균 1.7 또는 최소 2 이하로 측정된 것으로 보아, 비교재 1의 펄라이트 층간 간격이 미세하지 못함을 알 수 있다.
구간 페라이트 두께
(nm)		 세멘타이트 두께
(nm)		 펄라이트
층간 간격 (nm)		 페라이트/세멘타이트
두께 비
ⓛ 13.2 - 20.7 1.8
② - 7.5
③ 14.3 - 22.8 1.7
④ - 8.5
⑤ 14.9 - 22.7 1.9
⑥ - 7.8
⑦ 13.4 - 22.6 1.5
⑧ - 9.2
평균 14.0 8.3 22.2 1.7
상술한 결과들 즉, Si와 Cr 첨가 함량을 증가시킴으로써 인장강도 뿐만 아니라 피로한도 비교재에 비해 향상된 결과에 대해 다음과 같이 설명할 수 있다.
인장강도의 향상은 미세한 펄라이트의 형성 때문이다. 앞서 설명한 바와 같이, 비교재 1의 경우 펄라이트의 층간 간격은 0.2mmφ 강선에서 20nm로 나타난 반면, 발명재들의 경우에는 15nm 이하, 바람직하게는 11nm 이하로, 펄라이트 층간 간격 미세화에 의해 강도가 증가한 것을 설명할 수 있다.
또한, 발명재들의 경우 강도가 증가할 때 내구비 특성도 향상되는데, 이는 기존의 결과와 다른 결과를 보임을 발견하였다. 이는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 페라이트의 두께가 세멘타이트 두께에 비해 크고, 페라이트와 세멘타이트의 두께 비가 평균 3.1 또는 최소 2.0 이상으로 유지되기 때문인 것으로 설명할 수 있다. 즉, 페라이트의 두께가 세멘타이트 두께에 비해 크게 형성됨에 따라, 비틀림 응력 또는 전단 응력이 작용할 때 응력이 집중되더라도 이를 견딜 수 있는 영역 또는 면적이 충분히 형성되었기 때문이다.

Claims (4)

  1. 중량%로, 탄소(C): 0.90~1.00%, 실리콘(Si): 0.7~1.5%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지고,
    페라이트와 세멘타이트의 평균 두께 비(페라이트 두께를 세멘타이트 두께로 나눈 값)가 2 내지 5로 이루어지는 미세조직을 포함하고,
    3900MPa 이상의 인장강도, 1450~1650MPa의 피로한을 갖는 것을 특징으로 하는 내구비성이 우수한 강선.
  2. 삭제
  3. 중량%로, 탄소(C): 0.90~1.00%, 실리콘(Si): 0.7~1.5%, 크롬(Cr): 0.1~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 강재를 950~1050℃에서 열간압연하여 선재를 얻는 단계;
    상기 선재를 세멘타이트가 발생하지 않는 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    냉각된 상기 선재를 신선 및 열처리하여 강선을 얻는 단계를 포함하고,
    상기 신선 및 열처리 후 1450~1650MPa의 피로한을 가지는
    내구비성이 우수한 강선의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 냉각속도는 10~20 ℃/s인 것을 특징으로 하는 내구비성이 우수한 강선의 제조방법.
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