KR101417435B1 - 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어코드, 쏘우와이어 등에 사용될 수 있는 우수한 인장강도를 가지면서 표면경도의 저하 없이 표면 인장잔류응력 감소, 연성 및 비틀림 특성이 향상된 강선의 제조방법을 제공하고자 한다.

Description

연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선 및 그 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING STEEL WIRE HAVING EXCELLENT DUCTILITY AND TWIST PROPERTIES}

본 발명은 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법에 관한 것이다.

타이어코드는 자동차 등 운반체에 있어서 타이어의 내구성, 주행성 및 안정성을 높이기 위해 고무 내부에 들어가는 보강재 또는 부재를 의미하고, 상기 타이어코드 소재는 크게 폴리에스테르, 나일론 등 고분자 합성섬유와 스틸(steel)강재로 구분할 수 있으며, 최근에는 높은 강도 및 우수한 내열성이 요구되어 스틸 코드가 널리 사용된다.

타이어코드는 높은 강도를 구비함과 동시에 비틀림 특성이 우수하여야 한다.

모든 특성이 우수한 것이 매우 바람직하지만, 꼬이는 공정 즉 연선을 통해 코드 등으로 사용되기 때문에, 타이어 코드로 사용되기 위해서는 비틀림 특성이 특히 중요한 특성으로 자리매김하고 있다.

비틀림 특성은 비틀림 응력 인가시 수직으로 파괴가 발생하는 딜라미네이션(delamination) 현상에 이르기까지의 비틀림 횟수로 평가되는 것으로, 타이어코드의 경우 40~50회 또는 그 이상의 비틀림 횟수가 요구되고 있다.

이러한 비틀림 특성에 영향을 끼치는 요소로는 강선의 강도, 표면 흠 및 인장잔류응력이 알려져 있다. 일반적으로 강도가 높으면 연성은 감소하며, 최종 딜라미네이션 발생에도 영향을 주어 강도가 너무 높게 되면 딜라미네이션이 발생하는 문제가 있다. 또한, 불량 다이스가 사용됨으로써 형성되는 표면 흠은 응력 인가 시 응력 집중 자리로 작용하기 때문에 초기에 파괴를 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.

또한, 신선 제조시 표면에 형성되는 인장잔류응력은 값의 크기(level)에 따라 딜라미네이션 또는 비틀림 횟수에 영향을 줄 수 있는데, 인장잔류응력이 낮을수록 또는 압축잔류응력이 표면에 형성될수록 비틀림 특성이 우수하게 나타난다.

상기 인장잔류응력은 신선과정에서 다이스로부터 강선을 뽑아낼 때, 소정의 어프로치 각도로 뽑아내기 때문에 발생할 수 있다. 즉, 뽑혀 나오는 강선의 원주방향 위치에 따라 다이스에 의해 부가되는 응력의 크기와 종류가 달라지기 때문에 강선의 일부에 인장잔류응력이 발생하며, 그에 따라 강선은 곡률을 가진 모양으로 다이스에서 배출되게 된다.

인장잔류응력을 낮추기 위한 방법으로는 선속을 늦추거나, 감면량을 변화시키는 등 여러 가지 방법이 존재한다. 그러나, 이러한 방법은 강선 제조시 생산 효율성이 매우 낮은 문제점이 있다.

본 발명은 타이어코드, 쏘우와이어 등에 사용될 수 있는 우수한 인장강도를 가지면서 표면경도의 저하 없이 표면 인장잔류응력 감소, 연성 및 비틀림 특성이 향상된 강선의 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면인 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법은 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계 및 상기 제조된 강선을 롤 표면에 접촉시켜 벤딩력을 부가하는 단계를 포함한다.

덧붙여 상기한 과제의 해결수단은, 본 발명의 특징을 모두 열거한 것은 아니다. 본 발명의 다양한 특징과 그에 따른 장점과 효과는 아래의 구체적인 실시형태를 참조하여 보다 상세하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의하면, 고가의 합금원소를 첨가하지 않고도, 간단한 방법에 의하여 표면 인장잔류응력 감소, 연성 및 비틀림 특성을 향상시킨 강선을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 신선 후 스풀에 감기는 모습을 나타낸 것이고, 상기 확대된 부분에서는 종래 강선 절단시 곡률을 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명이 제안한 방법에 의하여 스풀에 감기는 모습을 나타낸 것이고, 상기 확대된 부분에서는 본 발명의 강선 절단시 곡률을 나타낸 모식도이다.

본 발명의 발명자들은 종래의 방안과 같이 선속을 늦추거나, 감면량을 변화시키는 등의 공정을 행하지 않으면서도, 생산성을 향상시키는 동시에 우수한 연성 및 비틀림 특성을 확보하기 위하여 연구를 행한 결과, 신선 후 강선에 존재하는 인장잔류응력을 적절히 제어할 필요가 있다는 사실을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다. 즉, 본 발명에서는 간단한 방법으로 강선에 존재하는 인장잔류응력을 제어하기 위하여 신선된 강선의 표면 중 인장응력이 높은 부위를 롤에 접촉시켜 벤딩(bending)력을 부여하는 과정을 거친다. 롤에 의해 전달된 벤딩력은 접촉되는 강선 표면에 압축잔류응력을 생성시키며 그 결과 이미 존재하는 인장잔류응력과 상쇄되는 효과를 가져올 수 있다.

이하, 본 발명의 일측면인 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 1에 나타난 바와 같이, 종래의 방식에 따르면 선재(110)는 다이스(120)에 의하여 신선을 행한 후 보빈(130) 또는 스풀에 감는다.

그러나, 도 1에 나타난 바와 같이, 그리고 앞에서 간략히 설명한 바와 같이 다이스(120)를 통과한 강선의 곡률의 직경이 큰 것을 확인 할 수 있다. 즉, 강선의 곡률의 직경이 클수록, 즉 곡률이 클수록 표면 인장잔류응력이 불균일하게 존재하거나, 큰 인장잔류응력이 존재하는 것을 의미하는데, 이러한 인장잔류응력은 강선의 연성 특히 비틀림 특성에 크게 영향을 끼친다.

본 발명의 발명자들은 이와 같은 문제를 해결하고자, 도 2에 나타난 바와 같이, 선재(210)를 다이스(220)에 통과시켜 강선을 제조한 후, 2개 이상 롤(240)을 통과하여 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법을 고안하게 되었다.

본 발명의 일측면인 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법은 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계 및 상기 제조된 강선을 롤에 접촉시키면서 통과시켜 벤딩력을 부여하는 단계를 포함한다.

즉, 본 발명의 방법은 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계로부터 시작할 수 있다. 상기 선재는 신선용 선재라는 그 종류를 제한하지 않는다. 본 발명의 목적은 신선에 의해 강선을 제조하는 새로운 방법을 제안하는 것일 뿐 새로운 선재의 조성을 제안하기 위한 것은 아니기 때문이다.

뿐만 아니라, 선재를 신선하는 방법 역시, 본 발명 출원이전에 공지된 신선 방법, 즉 선재를 다이스에 통과하여 직경 및 기타 치수를 제한하는 방법이라면 본 발명의 본지에 어긋나지 않은 이상 어떠한 방법이라도 적용 가능하다.

이와 같은 과정에 의해 얻어진 선재의 표면에는 인장잔류응력이 형성되는데, 본 발명의 방법이 유리하게 적용되기 위해서는 원주방향에 따른 상기 인장잔류응력의 최대치가 200MPa 이상인 것이 좋다. 즉, 그 이하의 범위에서도 본 발명의 효과를 얻을 수 있으나, 인장잔류응력이 너무 작을 경우에는 후술하는 롤 압하 과정을 겪지 않은 경우라 하더라도 일정 수준 이상의 연성과 비틀림 특성을 기대할 수 있기 때문이다. 따라서, 신선과정을 거친 강선 표면의 인장잔류응력은 200MPa 이상인 것이 바람직하다.

인장잔류응력의 상한은 굳이 한정하지 않는다. 다만, 인장잔류응력이 너무 과다할 경우에는 롤 압하에 의해서 압축잔류응력을 부여한다 하더라도 충분한 완화효과를 얻기 어려울 수도 있으므로 한가지 구현례에서는 원주방향에 따른 상기 인장잔류응력 최대치의 상한을 1500MPa 이하로 결정할 수 있다.

상기와 같은 신선단계 이후에는 강선 표면에 잔류하는 인장잔류응력을 해소함으로써 연성과 비틀림 특성을 향상시킬 필요가 있다. 본 발명에서는 이와 같은 과정은 롤 벤딩에 의해 구현될 수 있다.

즉 도 2에 나타난 바와 같이, 다이스(220)에 의하여 신선된 강선을 롤(240)에 접촉시켜 벤딩시킴으로써, 인장응력이 최대인 부분에 압축응력을 부여하게 된다. 그 결과 강선 내에는 강선내의 최대인장응력은 감소하고 그에 따라 연성과 비틀림 특성은 향상될 수 있다.

이와 같은 효과를 달성시키기 위해서는 상기 롤은 2개 이상인 것이 바람직하다. 다만, 너무 많은 롤을 통과하게 되면 표면에 미세 균열이 형성되고, 다이스를 사용함에 따른 제조 단가 상승의 문제가 발생하므로, 그 상한은 5개로 한정하는 것이 보다 바람직하다.

이때, 롤의 크기는 무방하며, 또한, 서로 다른 롤의 크기 또한 같거나 달라도 무방하다.

또한, 롤 표면에 접촉시켜 벤딩력을 부가할 때 강선의 진행방향은 곡률이 형성된 반대방향으로 진행하는 것이 바람직하다.

더불어, 상기 강선이 롤 표면에 접촉시켜 벤딩력을 부가할 때, 롤을 상호 교차하여 통과하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 롤을 통과하고 난 후의 강선의 인장강도, 표면경도는 도 1과 같은 공정으로 얻어진 강선과는 유사한 범위를 가지나, 본 발명이 제안한 방법에 의해 제조된 강선은 도 1에 의해 제조된 강선에 비해 표면 인장잔류응력이 감소되고, 연신율 및 비틀림 특성은 향상된다.

본 발명에 의해 얻어진 강선의 최대 인장잔류응력은 200MPa 이하로 되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 범위의 강선의 잔류응력은 롤 벤딩력을 적절한 범위내로 제어함으로써 구현 가능할 뿐만 아니라, 벤딩력을 제어하는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 큰 어려움 없이 실시 가능하므로 본 발명에서 특별히 제한하지는 않는다.

상기와 같은 과정에 의해 얻어지는 강선은 후속적으로 스풀 또는 보빈에 권취되어 보관될 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하고자 한다. 다만, 하기의 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)

발명예 1은 중량%로, C: 0.92%, Mn: 0.3%, Si: 0.2%, Cr: 0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 강편을 1100℃에서 가열하고, 1000℃에서 열간압연을 행한 후 15℃/초의 냉각속도로 냉각하여 5.5㎜Φ의 직경을 갖는 선재를 제조하였다.

그 후, 통상적인 신선사의 제조공정으로 1차 및 2차 건식신선, LP열처리 및 습식신선을 행하여 최종 0.2㎜Φ의 직경을 갖는 강선을 제조하였다.

상기 제조된 강선은 도 2에 나타난 바와 같이, 선재(210)를 다이스(220)에 의하여 제조된 강선은 2개의 롤(240)을 상호 교차시켜 통과시킨 후 보빈(230)에 감았다.

비교예 1은 중량%로, C: 0.92%, Mn: 0.3%, Si: 0.2%, Cr: 0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한 강편을 1100℃에서 가열하고, 1000℃에서 열간압연을 행한 후 15℃/초의 냉각속도로 냉각하여 5.5㎜Φ의 직경을 갖는 선재를 제조하였다.

즉, 도 1에 나타난 바와 같이, 선재(110)을 다이스(120)를 이용하여 0.2㎜Φ의 직경을 갖도록 강선을 제조한 후 보빈(130)에 감았다.

상기와 같은 방법에 의해 제조된 발명예 1 및 비교예 1의 몇 가지 물리적 특성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

이때, 잔류응력은 FIB를 이용한 후 상용되는 소프트웨어를 이용하여 마이크로 영역에서 발생하는 변위를 측정하여 잔류응력을 측정하였다. 비틀림특성은 범용 비틀림 시험기(back load: 파단응력x0.2)를 이용하였으며, 시험재의 길이는 200D(D: 강선의 직경)이었다.

구분	최종 신선후 물성			롤 통과 후 물성
	인장강도 (MPa)	표면 경도 (Hv)	인장잔류 응력 (MPa)	인장강도 (MPa)	표면 경도 (Hv)	잔류 응력 (MPa)	연신율 (%)	곡률직경 (mm)	딜라미네이션 발생	비틀림 횟수
발명예1	4010 ± 15	1100	1180±60	4012 ± 13	1110	410±50	7	860	무	55
비교예1	4005 ± 12	1102	1180±60	-	-	-	3	410	유	0

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 발명예 1이 롤을 통과하기 전의 인장강도, 표면경도 및 잔류응력은 비교예 1과 유사한 수준인 것을 확인할 수 있다.

그러나, 발명예 1과 같이 롤을 통과시킨 후에는 표면 인장잔류응력은 400 MPa 정도로 롤을 통과시키기 전보다 1/3 정도 감소된 것으로 확인할 수 있다.

더불어, 연신율의 경우 비교예 1 보다 약 2배 정도 향상된 것을 확인할 수 있으며, 곡률 직경 또한 커졌으며, 딜라미네이션이 발생 되지 않는 비틀림 횟수가 55회 정도인 것을 확인할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

110, 210: 선재
120, 220: 다이스
130, 230: 보빈
240: 롤

Claims (4)

1. 선재를 신선하여 강선을 제조하는 단계; 및
   상기 제조된 강선을 2개 이상의 롤 표면에 접촉시켜 벤딩력을 부가하는 단계를 포함하고,
   상기 강선을 2개 이상의 롤에 교차하여 통과시킴으로써,
   상기 강선에 대하여 상이한 방향으로 벤딩력을 부가하고,
   상기 벤딩력은 강선에 형성된 곡률의 반대방향으로 부가되며, 그리고 상기 강선의 인장강도는 4012 ± 13MPa 범위를 갖는 연성 및 비틀림 특성이 우수한 강선의 제조방법.
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