KR101428173B1 - 내마모성이 우수한 고탄소 강선 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 성분계, 열처리 및 신선 공정에 변화를 주지 않고 후속 공정 추가를 통하여 종래의 강선과 유사한 인장강도를 가지나, 종래의 강선 보다 내마모성이 향상된 강선을 제공한다. 더불어, 표면에서 깊이 방향으로 10㎛까지 표면 경도는 종래의 강선에 비하여 향상된 강선을 제공한다.

Description

내마모성이 우수한 고탄소 강선 및 그 제조방법{HIGH CARBON STEEL WIRE HAVING EXCELLENT CORROSION RESISTANCE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}

본 발명은 내마모성이 우수한 고탄소 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 반도체 등의 실리콘 기판의 절단에 사용되는 쏘우 와이어의 강선 및 그 제조방법에 관한 것이다.

최근 반도체, 쏠라 셀 등에 대한 관심이 증가되고, 그 사용량도 꾸준히 증가하고 있다. 따라서, 가격경쟁력 향상을 위해 반도체 등의 제조과정에서 발생하는 비용적 손실을 최소화하는 것이 매우 중요한 과제가 되었고, 비용 손실을 일으키는 대표적인 예가 실리콘 기판을 절단하는 용도로 사용되는 쏘우 와이어의 마모 문제이다.

통상적인 쏘우 와이어 제조 공정을 일례로 살펴보면, 탄소 강도가 과공석 범위인 용강을 블룸으로 압연하고 빌렛을 1000~1200℃에서 약 2시간 가열한 다음, 900~1100℃ 사이의 온도에서 열간압연하여 5.5 ㎜Φ직경 선재를 만든다. 다음, 800~900℃까지 수냉한 후 링 형태로 권취하여 스텔모아 냉각대 위에서 냉각시킨다. 그 후, 디스케일링을 통해 상기 선재의 표면 산화층을 제거하고, 습식 신선을 통해 중간 사이즈 열처리선을 확보한다. 이는 높은 가공경화율로 고강도 특성을 보이며, 연성은 상대적으로 낮게 나타난다.

따라서, 연성을 확보하기 위해 신선재를 오스테나이트 단상 영역까지 재가열 후 일정 온도 영역에서 일정 시간 유지시켜 균일한 미세 펄라이트를 형성시켜 소재의 강도 및 연성을 확보하고 타이어 내 접착성 향상과 신선성 향상을 위해 도금 처리를 행한 후 최종 20~30개의 WC 다이스를 거쳐 반도체, 쏠라 셀 제조 업체에서 요구하는 규격에 맞게 0.15 mmΦ이하의 다양한 신선재가 가공된다.

이와 같이 제조된 신선재를 반도체 절단용 쏘우 와이어로 사용할 경우 절단과정에서 매우 강한 인장-인장 응력이 발생하게 되고, 이에 따라 와이어의 표면에서부터 마모가 쉽게 발생함에 따라 쏘우 와이어의 교체가 빈번해지고, 이로 인해 제조비용이 증가하여 가격경쟁력이 저하되는 문제가 있었다.

이를 위해 쏘우 와이어의 내마모성을 향상시키는 것이 매우 중요한데, 일반적으로 소재의 내마모성은 강도와 비례적인 관계를 갖는 것으로 일부 알려져 있어, 현재로서는 쏘우 와이어의 강도 증가를 통해 내마모성을 향상시키는 노력을 하고 있다.

이러한 신선재 고강도화는 선재 자체의 강도를 증가시키는 방법과 신선 가공에 따른 가공경화를 통해 강도를 증가시키는 두 가지 방법이 있다. 그러나, 일반적으로 선재 자체의 강도를 증가시키면 초석 세멘타이트의 입계형성, 조대 석출물 등이 존재하여 신선성을 악화시킬 수 있으며, 연성이 낮아져 상대적으로 가공 경화량이 낮아지는 문제가 있다. 또한, 선재 자체의 강도가 낮으면 신선 한계가 증가하여 가공경화량은 커질 수 있으나, 표면부에 마르텐사이트 조직의 형성 및 발열 등으로 인한 조직 불균일 등의 문제가 발생되며 더불어, 비틀림 현상이 발생하여 신선재의 품질이 저하되기 때문에, 쏘우 와이어의 강도 증가를 통해 마모를 억제하는 방법은 기술적으로 한계에 부딪힐 수밖에 없었다.

따라서, 쏘우 와이어의 강도를 증가시키기보다는 쏘우 와이어의 표면 자체를 경화시키는 방법을 통해 내마모성을 확보하는 기술에 대한 연구가 매우 절실한 시점이라 할 수 있다.

본 발명은 성분계, 열처리 및 신선 공정에 변화를 주지 않고 후속 공정 추가를 통하여 종래의 강선과 유사한 인장강도를 가지나, 종래의 강선 보다 내마모성이 향상된 강선을 제공한다. 더불어, 표면에서 깊이 방향으로 10㎛까지 표면 경도는 종래의 강선에 비하여 향상된 강선을 제공한다.

본 발명의 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선은 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.05, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 표면으로부터 깊이 10㎛까지의 인장잔류응력의 최대치가 400MPa이하이다.

본 발명의 다른 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법은 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1100℃에서 가열하는 단계, 상기 가열된 강편을 900~1000℃에서 열간압연하여 선재를 제조하는 단계, 상기 선재를 15~25℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계, 상기 냉각된 선재에 2회 이상 신선하여 강선을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 신선 사이에 LP열처리를 포함하는 단계 및 상기 신선된 강선을 롤러에 통과시키는 롤러 가공 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 발명의 일측면에 따르면, 3800MPa 이상의 인장강도를 갖는 반도체 절삭용 쏘우 와이어를 후속 공정을 추가로 행함으로써, 내마모성이 우수하고, 표면에서 깊이 방향으로 10㎛까지의 표면경도가 향상하는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명이 행하는 추가되는 후속 공정의 흐름을 나타내는 사시도이다.

본 발명의 발명자들은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 쏘우 와이어의 표면 자체를 경화하는 방법에 대하여 연구를 행한 결과, 강선을 제조하는 공정에 후속 공정을 추가함으로써 강선의 인장강도는 유지하면서, 강선의 인장잔류강도의 감소로 인하여 내마모성이 향상된 강선을 생산할 수 있음을 확인하고 본 발명에 이르게 되었다.

이하, 본 발명의 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선은 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 표면으로부터 깊이 10㎛까지의 인장잔류응력의 최대치가 400MPa이하이다.

탄소(C): 0.86~1.0중량%

탄소의 함량은 신선재의 강도를 결정하는 가장 중요한 원소로서, 반도체 절단용 쏘우 와이어로 사용하기 위해서는 일반적으로 탄소함량이 0.86중량%이상인 고탄소강을 대상으로 하여야 그 사용용도에 적합한 기본적인 강도 확보가 가능하므로, 본 발명의 강선의 탄소함량은 0.86중량%이상으로 한정한다. 탄소의 함량이 증가할수록 강도가 증가되나, 제조원가가 상승되는 문제가 있어 그 상한은 1.0중량%로 한다. 따라서, 탄소는 0.86~1.0중량%로 포함되는 것이 바람직하다.

실리콘(Si): 0.2~0.5중량%

상기 실리콘은 페라이트 내에 고용되어 모재강도를 강화시키고 변형저항성을 개선하는 효과를 가진다. 더불어, 세멘타이트 등의 석출물을 억제하여 미변태 페라이트(잔류 오스테나이트)의 탄소 농축을 조절함으로써 오스테나이트를 안정화시키는 효과가 있다. 본 발명에서 이러한 효과를 나타내기 위하여 0.2중량%이상 포함되는 것이 바람직하다. 그러나, 실리콘의 함량이 0.5중량%를 초과하는 경우에는 변형저항성의 개선효과가 포화되어 추가 첨가의 효과를 얻을 수 없다. 따라서, 실리콘의 함량은 0.2~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

망간(Mn): 0.2~0.5중량%

상기 망간은 강재내에 존재할 경우 강재의 소입성을 향상시켜 강도를 확보하는데 유익한 원소이다. 더불어, 오스테나이트 안정화 원소이고, 냉각과정에서 변태를 억제하는 역할을 한다. 상기 망간이 0.2중량% 미만인 경우에는 강도 확보가 어려운 문제가 있다. 반면에, 0.5중량%를 초과하는 경우에는 신선성에 문제가 발생된다. 따라서, 상기 망간의 함량은 0.2~0.5중량%로 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명의 나머지 부분은 철(Fe)이다. 다만, 통상의 제조과정에서는 원료 또는 주위 환경으로부터 의도되지 않는 불순물들이 불가피하게 혼입될 수 있으므로, 이를 배제할 수는 없다. 이들 불순물들은 통상의 제조과정의 기술자라면 누구라도 알 수 있는 것이기 때문에 그 모든 내용을 특별히 본 명세서에서 언급하지는 않는다.

또한, 본 발명이 제안한 강선은 강선의 표면에 압축응력을 주어 인장응력을 상쇄시켜 표면에서 중심부방향으로 깊이 10㎛까지는 인장잔류응력이 400MPa이하 인 것이 바람직하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 성분계 및 인장잔류응력을 만족함으로써, 내마모성이 우수한 강선을 제공할 수 있다.

또한, 상기 강선의 미세조직은 펄라이트를 포함하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 면적분율%로, 95%이상의 펄라이트 및 5%이하의 제2상 조직을 포함하는 것이 바람직하다. 펄라이트의 면적분율이 95% 미만인 경우에는 신선 중 파단이 발생하고, 강도확보에 어려움이 있다. 또한, 제2상 조직이 5%를 초과하는 경우에는 파단이 발생하고 강도도 확보되지 않는다.

또한, 상기 강선의 인장강도는 3800MPa 이상인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 다른 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명의 다른 일측면인 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법은 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1100℃에서 가열하는 단계, 상기 가열된 강편을 900~1000℃에서 열간압연하여 선재를 제조하는 단계, 상기 선재를 15~25℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계, 상기 냉각된 선재에 2회 이상 신선하여 강선을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 신선 사이에 LP열처리를 포함하는 단계 및 상기 신선된 강선을 롤러에 통과시키는 롤러 가공 단계를 포함한다.

가열단계

상기 성분계를 만족하는 강편을 1000~1100℃로 가열한다. 상기 온도 범위에서 강편의 가열을 행함으로써 오스테나이트 단상을 유지하고, 오스테나이트 결정립의 조대화를 방지할 수 있으며, 잔존하는 편석, 탄화물 및 개재물을 효과적으로 용해할 수 있다. 상기 강편의 가열온도가 1100℃를 초과하는 경우에는 오스테나이트 결정립이 매우 조대하게 되어 고강도 및 고인성 선재를 획득하기 어렵다. 반면, 1000℃미만인 경우에는 가열에 의한 상기 효과를 얻기 곤란할 수 있다. 여기서, 강편이란 선재로 제조될 수 있는 블룸이나 빌렛과 같은 반제품을 모두 의미한다.

열간압연

상기와 같이 가열된 강편을 열간압연을 실시할 수 있다. 이때, 압연은 900~1000℃에서 행하는 것이 바람직하다. 상기 압연온도가 900℃미만일 경우에는 본 발명이 의도하는 미세조직을 획득하기 어려우며, 연질의 페라이트가 확보될 가능성이 있다. 반면, 압연온도가 1000℃를 초과할 경우에는 오스테나이트 결정립의 크기가 증가하여 강도 및 연성이 저하될 수 있다.

냉각단계

상기와 같이 열간압연된 선재를 냉각하는 것이 바람직하다. 이때, 냉각은 15~25℃/초의 속도로 행하는 것이 바람직하다. 15℃/초 미만인 경우에는 초석 세멘타이트의 형성이 활발하게 이루어져 본 발명이 의도하고자 하는 미세조직을 얻기 어렵다. 반면에, 25℃/초를 초과하는 경우에는 경질의 조직이 형성되어 연성을 확보하기 어려운 문제가 발생한다. 따라서, 상기 냉각속도는 15~25℃/초를 만족하는 범위에서 행하는 것이 바람직하다.

상기 냉각 단계 후에는 냉각된 선재의 보관 및 이동을 용이하게 하기 위하여 권취하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

신선단계

상기와 같이 냉각된 선재에 중간에 LP열처리를 개재하는 2회 이상의 신선을 행하여 최종두께까지 감소하는 것이 바람직하다. 3회의 신선을 행하는 것이 보다 바람직하다.

본 발명이 제안한 신선단계의 바람직한 일례로써, 상기 냉각된 선재를 1차 건식신선하는 단계, 상기 1차 건식신선된 강선을 1차 LP열처리 하는 단계, 상기 1차 LP열처리된 강선을 2차 건식신선하는 단계, 상기 2차 건식신선된 강선을 2차 LP열처리 하는 단계 및 상기 2차 LP열처리된 강선을 3차 습식 신선하는 단계를 행하는 것이 바람직하다.

상기 전술한 바와 같이, 1차 및 2차의 신선은 건식신선하는 것이 바람직하고, 3차 신선은 도금과정을 고려하여 습식신선을 행하는 것이 바람직하다.

롤러 가공 단계

상기 제조방법에 의해 제조된 강선은 인장잔류응력이 높아 표면 경도확보가 어려운 것을 발견한 본 발명자들은 이를 해결하기 위해서 롤러를 통과시키는 후속 공정을 추가하였다.

본 발명의 발명자들이 제안한 바와 같이 롤러를 통과시키는 후속 공정을 추가함으로써, 강선의 표면에 압축응력을 주어 인장응력을 상쇄시켜 표면에서 중심부방향으로 10㎛까지는 인장잔류응력이 400MPa이하로 감소될 수 있다.

일반적으로, 탄소강 소재는 신선시 정수압을 받기 때문에 일반적으로 표층과 중심부는 경도가 낮고, 1/4t지점은 높은 값을 가지는 M자형 커브를 갖는데, 본 발명이 제안한 바와 같이 롤러 가공 단계를 거치는 경우에는 인장잔류응력이 감소됨에 따라서 표면 경도가 증가한다.

즉, 종래의 1000MPa 이상의 인장잔류응력을 가지는 강선에 대비하여 본 발명이 제안하는 강선의 표면경도는 10~20Hv 보다 높은 값을 가질 수 있다.

또한 상기 롤러 사이를 통과하는 강선의 진행방향은 상기 신선시 신선방향과는 반대방향을 가지는 것이 바람직하다. 신선방향과 반대방향으로 신선을 행함으로써, 신선 방향으로 롤링을 행할 경우보다 효과적으로 강선의 표면에 압축응력을 가해주게 되어 효과적으로 인장잔류응력을 감소시킬 수 있다.

또한, 상기 롤러는 5~15개인 것이 바람직하다. 이는 상기 롤러 사이를 통과하는 강선의 선경 감소 없이, 표면에만 효과적으로 압축응력을 주기 위한 것이다.

더불어, 상기 롤러 사이를 지나가는 강선은 지면과 30~60°각도를 유지하도록 설치되는 것이 바람직하다. 상기와 같은 각도를 유지함으로써 표면 경화 및 인장잔류응력 감소 효과가 있다.

또한, 반도체 공장에서 강선을 사용할 때, 강선 양방향에서 내부 방향으로 총 10㎛깊이로 강선의 마모가 발생할 때를 교체시점으로 잡기 때문에, 롤러에 의한 강선의 표면경도는 표면에서 중심부 방향으로 10㎛까지 영향을 미치는 것이 바람직하다.

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)

하기 표 1에 기재된 성분계를 만족하는 강들을 주조하였다. 그 후 통상적인 방법에 의해 1100℃에서 가열하고, 1000℃에서 열간압연을 행한 후 20℃/초의 냉각속도로 냉각하여 5.5㎜Φ의 직경을 갖는 선재를 제조하였다. 그 후, 1차 건식, 1차 LP열처리를 행하였다. 그 다음, 2차 건식, 2차 LP열처리를 행한 후, 황동 도금 한 후 습식 신선을 하여 0.12㎜Φ의 직경을 갖는 강선을 제조하였다.

발명예 1은 후속 추가 공정을 행하였고, 비교예 1은 아무런 후속 조치를 행하지 않았다.

발명예 1은 도 1에 나타난 바와 같이, 보닌(100)에 의해 감겨 있는 강선(200)을 10개의 롤러(300)를 통과시켰다. 이때 롤러(300)와 롤러(300)를 통과하는 강선(200)은 45°를 유지하도록 하였고, 롤러(300)의 진행방향은 상기 신선 방향의 반대방향으로 강선(200)을 통과시켰다.

상기와 같이 롤러를 통과 시킨 후, 인장강도, 표면경도 및 마모특성을 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

이때, 길이방향 잔류응력은 나노마이크로 영역에서 측정이 가능한 집속이온빔을 이용하여 측정하였다. 더불어, 마모실험은 실리콘(Si) 잉곳을 매질로 하여 일정시간 마모시킨 후 신선재의 마모 깊이를 측정하였다.

또한, 표면에서 중심방향으로의 경도 분포 변화를 비커스 경도(Hv)로 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

구분	중량(%)			인장강도		마모깊이 (um)	길이방향 잔류 응력 (MPa)
	C	Si	Mn	최종 신선 후 강선	롤러 통과 후 강선
발명예1	0.86	0.2	0.3	3810±10	3815±15	4.6	325±30
비교예1	0.86	0.2	0.3	3810±10	3815±15	10	1217±25

구분	표면에서 중심방향으로 깊이 (um)
	0	5	10	15	20	25	30	35	40
발명예1	1151	1158	1159	1152	1161	1156	1149	1144	1138
비교예1	1139	1142	1148	1154	1160	1157	1151	1144	1137
발명예1-비교예1의 차이	+12	+16	+11	-2	+1	-1	-2	0	+1
	경도 변화 있음			경도 변화 없음

상기 표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 발명예 1 및 비교예 1은 롤러 통과 후의 인장강도는 롤러를 통과하지 않을 때와 유사한 수준으로 유지되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 발명예 1과 같이 후속 공정을 추가로 행한 경우 강선의 인장잔류응력은 비교예 1과 대비하였을 때, 상기 표 1에 나타난 바와 같이, 매우 낮은 인장잔류응력을 가지고 있는 것을 확인할 수 있었고, 발명예 1과 비교예 1의 마모 정도를 대비하였을 때도, 비교예 1 대비하여 50%정도 마모가 덜 발생하는 것을 확인할 수 있다.

또한, 상기 표 2에서 알 수 있듯이, 깊이 방향으로 10㎛이상부터는 비교예 1과 유사한 표면 경도를 나타내는 것으로 보아, 발명예 1과 같이 롤러에 의한 영향은 표면에서 중심방향으로 10㎛까지인 것을 확인 할 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.

100: 보닌
200: 강선
300: 롤

Claims (7)

1. 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하며, 표면으로부터 중심방향으로 깊이 10㎛까지의 인장잔류응력의 최대치가 400MPa이하인 내마모성이 우수한 고탄소 강선.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 강선의 미세조직은 펄라이트 및 초석 세멘타이트를 포함하는 내마모성이 우수한 고탄소 강선.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 미세조직은 면적분율%로, 펄라이트 95%이상 포함하는 내마모성이 우수한 고탄소 강선.
   
4. 중량%로, C: 0.86~1.0%, Si: 0.2~0.5%, Mn: 0.2~0.5%, 잔부 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함하는 강편을 1000~1100℃에서 가열하는 단계;
   상기 가열된 강편을 900~1000℃에서 열간압연하여 선재를 제조하는 단계;
   상기 선재를 15~25℃/초의 냉각속도로 냉각하는 단계;
   상기 냉각된 선재에 2회 이상 신선하여 강선을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 신선 사이에 LP(납 패턴팅)열처리를 포함하는 단계; 및
   상기 신선된 강선을 롤러에 통과시키는 롤러 가공 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 신선단계는 냉각된 선재를 1차 건식신선하는 단계;
   상기 1차 건식신선된 강선을 1차 LP(납 패턴팅)열처리 하는 단계;
   상기 1차 LP(납 패턴팅)열처리된 강선을 2차 건식신선하는 단계;
   상기 2차 건식신선된 강선을 2차 LP(납 패턴팅)열처리 하는 단계; 및
   상기 2차 LP(납 패턴팅)열처리된 강선을 3차 습식 신선하는 단계를 포함하는 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 롤러를 통과하는 강선의 진행방향은 상기 신선시 신선방향과는 반대방향인 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법.
   
7. 제 4항에 있어서,
   상기 롤러를 통과시키는 단계에서 롤러는 5~15개이며, 상기 롤러 사이를 지나가는 강선이 지면과 30~60°의 각도를 유지하는 내마모성이 우수한 고탄소 강선의 제조방법.

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